JP4662372B2 - 流量測定方法および流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、等温化装置を用いて流量特性を測定する流量測定方法および流量測定装置に関する。

従来より、空気圧管路で使用される電磁弁、継手などの空気圧機器に代表される流体圧機器の流量特性を求める方法としては、等温化容器を用いた方法がある（例えば、特許文献１参照）。この方法では、等温化容器を圧縮空気の供給源と測定される空気圧機器との間に配置し、等温化容器内の圧力応答を測定し、この圧力応答を微分することによって、圧縮空気の瞬時流量を算出して、空気圧機器の流量特性を求める。この際、等温化容器内には、金属等の熱伝導性材料が充填されており、熱伝導性材料が線径が非常に小さい綿状に形成されることにより、接触面積が大きくなり、熱伝達率が高くなっている。このため、等温化容器内に圧縮空気が流入すると圧力が高くなることにより等温化容器内の温度が上昇しようとするが、この熱エネルギが熱伝導性材料に吸収されるため、温度上昇が低く抑制される。また、圧縮空気が放出されると圧力が低下して温度が低下しようとするが、熱伝導性材料から熱が供給されるため、容器内の温度が安定する。このような作用により、等温化容器内の温度が安定するため流量特性の測定が速やかに行われる。

特許第２８８７３６０号公報

ところが、このように等温化容器を用いた流量特性の算出手法では、等温化容器内の温度が常に等温であると仮定して算出を行うが、実際には、等温化容器内から空気が流出する際および等温化容器内に空気が流入する際には、その変化が大きいため、温度の低下または温度の上昇が生じる。このため、等温化容器内の温度が変化してしまい、この時、つまり、特に空気の流入開始初期および空気の流出開始初期における流量特性を高精度に測定できないという問題がある。
ここで、等温化容器内の温度の等温化をより高精度に実現するために、充填材としてより熱伝達率の高い材料を使用することも考えられるが、十分な精度を確保するためには、等温化容器が高価となってしまい、経済的でない。

本発明の目的は、等温化手段における厳密な等温状態を保持できない場合でも流体圧機器の流量特性を高精度に測定できる流量測定方法および流量測定装置を提供することにある。

本発明の流量測定方法は、内部を流通する流体の温度変化を抑制する等温化手段を用いて流体圧機器の流量特性を測定する流量測定方法であって、等温化手段から流体圧機器に流体を供給し、等温化手段内部での時間に対する流体の温度応答を求める温度応答決定工程と、温度応答決定工程で得られた温度応答に基づいて、時間に対する流体の熱伝達率の関数を求める熱伝達率演算工程と、熱伝達率演算工程で得られた熱伝達率の関数を用いて、時間に対する圧力応答から流体圧機器に流通する流体の流量を演算する流量演算工程とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、熱伝達率演算工程において、時間に対する流体の温度応答に基づいて、時間に対する流体の熱伝達率の関数を求める。つまり、熱伝達率の関数は、等温化手段内部の温度変化が考慮されたものとなるので、流量演算工程で演算される流体の流量は、等温化手段内部の温度変化が考慮された値となる。したがって、等温化手段における厳密な等温状態を保持できない場合でも、流体圧機器の流量特性が高精度に測定される。
また、流体の流量が等温化手段内部の温度変化を考慮して演算されるので、等温化手段の温度変化の抑制性能を十分に確保する必要がなく、安価な等温化手段を用いることができ、流量測定装置が安価に構成される。
ここで、通常、非定常状態での正確な温度測定は困難であるため、時間に対する温度応答を測定するには、例えば所定時間経過した後に等温化手段内部が定常状態となってから温度を測定するなど、温度応答の測定作業が繁雑で測定時間がかかる。これに対して、本発明では、例えば予め時間に対する熱伝達率の関数を、等温化手段の基本特性として得ておけば、実際に流体圧機器の流量を測定する場合には、等温化手段内の流体の時間に対する圧力応答を測定するだけでよい。ここで、圧力応答は比較的簡単かつ高精度に測定できるので、流体圧機器の流量測定作業が簡略化するとともに、測定時間が短縮される。

本発明では、熱伝達率演算工程は、熱伝達率の関数h(t)を、h₀を最大温度降下時の熱伝達率、Δθを最大温度降下、aを修正係数、tを時間とすると、

で求めることが望ましい。

この発明によれば、例えば流体の放出速度が所定範囲内では流体の熱伝達率がほぼ変化しない等の特性を利用して熱伝達率の関数として近似式を用いているので、熱伝達率の関数の演算式が簡単となる。したがって、熱伝達率演算工程での容易な演算を可能にしながら、流量演算工程での良好な精度の演算結果が確保される。

本発明では、流量演算工程は、流体圧機器に流通する流体の質量流量Ｇを、C_νを空気の定積比熱、Ｐを等温化手段内の流体の圧力、Ｖを等温化手段内の流体の体積、Ｒを気体定数、θ_aを大気温度、S_hを等温化手段の熱伝達面積、θ_mを等温化手段内の流体の平均温度、C_pを定圧比熱とすると、

で求めることが望ましい。

この発明によれば、流量演算工程で用いる演算式において、右辺の第１項は、等温化手段内部の流体の温度が等温であると仮定した場合の流量の演算式であり、右辺の第２項は、等温化手段内部の流体の温度が等温とならない場合の流量の補正項となっている。したがって、等温化手段の温度変化の抑制が不十分である場合でも、この演算式を用いることにより、良好な精度の流量測定が可能となる。
また、この演算式を用いて流量を算出することにより、等温化手段の温度変化の抑制性能を十分に確保する必要がないので、安価な等温化手段を用いることができ、流量測定装置が安価に構成される。

本発明では、温度応答決定工程は、所定時間毎に等温化手段からの流体の放出を停止して、流体の放出停止時の等温化手段内部の放出停止時圧力と、所定時間経過後の等温化手段内部の整定後圧力とを測定し、放出停止時圧力、整定後圧力、および大気温度から流体の放出停止時の流体の温度を求めることにより、時間に対する流体の温度応答を求めることが望ましい。
通常、時間に対する温度応答を測定するには、非定常状態の流体の温度を測定しなければならず、測定が困難であり、このような温度測定手段は高価なものとなるとともに、十分な精度を得ることが難しい。また、等温化手段内の平均温度を求めるためには、複数の測定点で温度を測定しなければならないなど、温度測定手段の構成が複雑になる上、十分な精度を得ることが難しい。
これに対して本発明では、所定時間毎に流体の放出を停止して圧力を測定することにより、圧力から温度を演算して温度応答を得るので、温度測定手段を用いる必要がない。したがって、流量測定装置が安価に構成されるとともに、圧力応答は比較的簡単かつ高精度に測定できるので、十分な精度の温度応答が得られる。

本発明の流量測定装置は、流体圧機器の流量特性を測定する流量測定装置であって、内部を流通する流体の温度変化を抑制する等温化手段と、等温化手段内部の圧力を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段で得られた圧力検出信号から流体圧機器に流通する流体の流量を演算する演算手段とを備え、演算手段は、等温化手段から流体圧機器に流体を供給したときの等温化手段内部での時間に対する流体の温度応答に基づいて、時間に対する流体の熱伝達率の関数を求める熱伝達率演算手段と、熱伝達率演算手段で得られた熱伝達率の関数を用いて、時間に対する圧力応答から流体圧機器に流通する流体の流量を演算する流量演算手段とを有することを特徴とする。

この発明によれば、熱伝達率演算手段が、時間に対する流体の温度応答に基づいて、時間に対する流体の熱伝達率の関数を求める。つまり、熱伝達率の関数は、等温化手段内部の温度変化が考慮されたものとなるので、流量演算手段で演算される流体の流量は、等温化手段内部の温度変化が考慮された値となる。したがって、等温化手段における厳密な等温状態を保持できない場合でも、流体圧機器の流量特性が高精度に測定される。
また、流体の流量が等温化手段内部の温度変化を考慮して演算されるので、等温化手段の温度変化の抑制性能を十分に確保する必要がなく、安価な等温化手段を用いることができ、流量測定装置が安価に構成される。

ここで、通常、非定常状態での正確な温度測定は困難であるため、時間に対する温度応答を測定するには、例えば所定時間経過した後に等温化手段内部が定常状態となってから温度を測定するなど、温度応答の測定作業が繁雑で測定時間がかかる。これに対して、本発明では、例えば予め時間に対する熱伝達率の関数を、等温化手段の基本特性として得ておけば、実際に流体圧機器の流量を測定する場合には、等温化手段内の流体の時間に対する圧力応答を測定するだけでよい。ここで、圧力応答は比較的簡単かつ高精度に測定できるので、流体圧機器の流量測定作業が簡略化するとともに、測定時間が短縮される。

本発明では、熱伝達率演算手段には、時間に対する流体の熱伝達率の関数h(t)を求める式として、h₀を最大温度降下時の熱伝達率、Δθを最大温度降下、aを修正係数、tを時間として、

が記憶されていることが望ましい。
この発明によれば、例えば放出速度が所定範囲内では流体の熱伝達率がほぼ変化しない等の特性を利用して熱伝達率の関数として近似式を用いているので、熱伝達率の関数の演算式が簡単となる。したがって、熱伝達率演算手段での演算が容易となり、流量演算手段による良好な精度の演算結果が確保される。

本発明では、流量演算手段には、流体圧機器に流通する流体の質量流量Ｇを演算する式として、C_νを空気の定積比熱、Ｐを等温化手段内の流体の圧力、Ｖを等温化手段内の流体の体積、Ｒを気体定数、θ_aを大気温度、S_hを等温化手段の熱伝達面積、θ_mを等温化手段内の流体の平均温度、C_pを定圧比熱として、

が記憶されていることが望ましい。

この発明によれば、流量演算手段に記憶される演算式において、右辺の第１項は、等温化手段内部の流体の温度が等温であると仮定した場合の流量の演算式であり、右辺の第２項は、等温化手段内部の流体の温度が等温とならない場合の流量の補正項となっている。したがって、等温化手段の温度変化の抑制が不十分である場合でも、この演算式を用いることにより、良好な精度の流量測定が可能となる。
また、この演算式を用いて流量を算出することにより、等温化手段の温度変化の抑制性能を十分に確保する必要がないので、安価な等温化手段を用いることができ、流量測定装置が安価に構成される。

図１は、本発明の一実施形態にかかる測定装置を示す構成ブロック図である。 図２は、本発明の実施例および比較例における時間に対する圧力応答を示す図である。 図３は、本発明の実施例および比較例における時間に対する温度応答を示す図である。 図４は、本発明の比較例における流量特性を示す図である。 図５は、本発明の比較例における熱伝達率の変化を示す図である。 図６は、本発明の比較例における流量特性を示す図である。 図７は、本発明の実施例および比較例における流量特性を示す図である。 図８は、本発明の実施例および比較例の流量特性の比較を示す図である。

符号の説明

１…流量測定装置、２…等温化容器（等温化手段）、３…開閉バルブ、５…圧力センサ（圧力検出手段）、６…コントローラ（制御手段）、６１…熱伝達率演算手段、６２…流量演算手段、６３…流量特性演算手段、１００…供試空気圧機器（流体圧機器）。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本発明の一実施形態にかかる流量測定方法を使用するための流量測定装置１の構成ブロック図が示されている。この図１において、流量測定装置１は、流体圧機器としての供試空気圧機器１００の流量特性を測定するものであり、供試空気圧機器１００に流体としての圧縮空気を供給する等温化容器２と、等温化容器２と供試空気圧機器１００との間に設けられる開閉バルブ３と、等温化容器２の内部の圧力を測定する圧力検出手段としての圧力センサ５と、流量測定装置１の動作を制御する制御手段としてのコントローラ６とを備えている。

供試空気圧機器１００は、本実施形態では代表的な空気圧機器として電磁弁が採用されている。
等温化容器２は、容器内に所定圧力の圧縮空気が充填された構造となっており、容器内には、金属等の熱伝導性材料が充填されている。本実施形態では、熱伝導性材料は、容器内の圧縮空気との接触面積を大きくして良好な熱伝達率が確保できるように、線径が非常に小さい綿状に形成され、丸めて容器内に充填されている。等温化容器２から圧縮空気が放出される際には、容器内の圧力が減少するため、容器内の温度が低下しようとするが、熱伝導性材料から熱エネルギが供給されるので、容器内の温度がほぼ等温に保持される。しかしながら、圧縮空気の放出開始初期には、圧力低下が急激であるため、厳密には等温を保持できない場合がある。

開閉バルブ３は、等温化容器２と供試空気圧機器１００とを連通する流路を開閉可能に設けられ、電磁弁など任意の構成のものが採用できる。
圧力センサ５は、等温化容器２内の圧力を測定し、圧力測定信号をコントローラ６に出力する。圧力センサ５は、等温化容器２から圧縮空気が放出される際の等温化容器２内の圧力応答を測定するため、応答性が良好なものを採用することが望ましい。

コントローラ６は、開閉バルブ３に開閉指令信号を出力することにより圧縮空気の流路を開閉制御する。また、圧力センサ５からの圧力測定信号を入力して蓄積する。
コントローラ６は、圧力測定信号から時間に対する熱伝達率の関数を求める熱伝達率演算手段６１と、熱伝達率演算手段６１で得られた熱伝達率の関数を用いて時間に対する圧力応答から流量を演算する流量演算手段６２と、流量演算手段６２で得られた流量に基づいて供試空気圧機器１００の流量特性を演算する流量特性演算手段６３とを備えている。これらの熱伝達率演算手段６１と、流量演算手段６２と、流量特性演算手段６３とを含んで、本発明の演算手段が構成されている。

熱伝達率演算手段６１には、次の式(１)が記憶されている。熱伝達率演算手段６１は、この式(１)により、時間に対する熱伝達率の関数h(t)を求める。ここで、h₀は、等温化容器２から供試空気圧機器１００に圧縮空気を供給した際に発生する温度応答における最大温度降下時の熱伝達率であり、Δθは最大温度降下であり、aは修正係数、tは時間である。

なお、熱伝達率hは、次の式(２)により算出される。ここで、C_νは空気の定積比熱、Ｐは等温化容器２内の圧力、Ｖは等温化容器２の体積、Ｒは気体定数、θ_aは大気温度、S_hは等温化容器２の熱伝達面積、θ_mは等温化容器２内の平均温度、Ｇは空気の質量流量である。

また質量流量Ｇは、等温化容器２内の空気が理想的な等温状態、つまり等温化容器２内の温度が室温と一致する条件下において、次の式(３)により求められる。

流量演算手段６２には、次の式(４)が記憶されている。流量演算手段６２は、この式(４)により、等温化容器２から放出される圧縮空気の流量を演算する。ここで、C_pは定圧比熱である。
なお、この式(４)を前述の式(３)と比較して分かるように、式(４)の右辺の第１項は圧力応答微分項であり、式(３)の右辺と等しい。つまり、式(４)は、等温化容器２内の圧縮空気を放出するときの等温化容器２内のエネルギ方程式を導入して導き出したものであり、式(４)の右辺の第１項は、等温化容器２内の温度が定常状態であり、内部の空気が理想的な等温状態、つまり等温化容器２内の温度が室温と一致する条件下における流量の算出式である。また、式(４)の右辺の第２項は、等温化容器２内の温度が理想的な等温状態でない場合の流量の補正項である。

流量特性演算手段６３には、次の式(５)および式(６)が記憶されている。流量特性演算手段６３は、式(５)により音速コンダクタンスCを演算し、式(６)により臨界圧力比bを演算する。ここで、ρ₀は基準密度、θ₀は基準温度、P_aは大気圧力、G^*はチョーク状態の質量流量である。

このような流量測定装置１を用いて、供試空気圧機器１００の流量特性を測定する場合には、次のような流量測定方法にて行う。
まず、供試空気圧機器１００の流量特性を測定する準備段階として、等温化容器２の基本特性として時間に対する温度応答を求める温度応答決定工程と、温度応答決定工程で得られた温度応答から時間に対する熱伝達率の関数を求める熱伝達率演算工程とを行う。
温度応答決定工程では、等温化容器２から供試空気圧機器１００へ圧縮空気が放出される際の、時間に対する等温化容器２内の平均温度を測定して、時間に対する温度応答を測定する。

温度応答決定工程において、等温化容器２内の平均温度を測定するためには、等温化容器２内の温度分布を定常状態にする必要がある。そこで、コントローラ６は、所定時間毎に開閉バルブ４に開閉指令信号を出力することにより、等温化容器２からの圧縮空気の放出を所定時間毎に停止する。そして、コントローラ６は、この開閉指令信号と同時に、圧力センサ５に放出停止時圧力測定指令信号を出力する。圧力センサ５は、等温化容器２内の圧力を測定し、この圧力測定信号を放出停止時圧力の測定信号として、コントローラ６に出力する。また、コントローラ６は、放出停止時圧力測定指令信号の出力から所定時間経過後、等温化容器２内の圧力が安定して整定した状態で、圧力センサ５に整定後圧力測定指令信号を出力する。圧力センサ５は整定後圧力測定指令信号に基づいて、等温化容器２内の圧力を測定し、この圧力測定信号を整定後圧力の測定信号としてコントローラ６に出力する。

コントローラ６では、圧力センサ５から出力された放出停止時圧力と整定後圧力とから、等温化容器２内の温度を算出する。具体的には、放出停止時圧力と整定後圧力とは、等温化容器２が密閉された状態で測定されるから、放出停止時圧力が測定された状態と、整定後圧力が測定された状態との間には状態方程式が成り立つ。また、圧力が整定した状態では等温化容器２内の温度は大気温度（室温）に等しいから、これらの放出停止時圧力と、整定後圧力と、大気温度とから、放出停止時の等温化容器２内の温度θを求めればよい。
以上のようにして所定時間毎の温度θを求めることにより、時間に対する温度応答を決定する。コントローラ６は、この温度応答により、最大温度降下Δθを求め、また、式(２)および式(３)により最大温度降下時の熱伝達率h₀を算出する。

熱伝達演算工程では、熱伝達率演算手段６１が、式(１)に最大温度降下時の熱伝達率h₀を代入することにより、時間に対する熱伝達率の関数を算出する。
この関数により、等温化容器２から圧縮空気が放出される際の熱伝達率変化の基本特性が求められる。

次に、等温化容器２から供試空気圧機器１００へ圧縮空気が放出される際の時間に対する流量を測定する実際の測定工程として、流量演算工程を行う。この流量演算工程では、熱伝達率演算工程で演算された、時間に対する熱伝達率の関数を等温化容器２の基本特性として用いる。
流量演算工程では、等温化容器２から供試空気圧機器１００に圧縮空気が放出されると、コントローラ６は、圧力センサ５に所定時間毎に圧力測定指令信号を出力する。圧力センサ５は、この圧力測定指令信号に基づいて等温化容器２内の圧力を測定し、圧力測定信号をコントローラ６に出力する。
流量演算手段６２は、所定時間毎の圧力測定信号を入力し、式(４)により、空気の質量流量Gを求める。ここで、等温化容器２から放出された圧縮空気の流量は、供試空気圧機器１００の消費流量にほかならない。
流量特性演算手段６３は、流量演算手段６２で求められた流量Gより、式(５)を用いて音速コンダクタンスCを求め、また式(６)を用いて臨界圧力比bを演算する。これにより、供試空気圧機器１００の流量特性が求められる。

このような一実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(１) 流量演算工程で、式(４)により流量を演算するので、等温化容器２内の温度が厳密に等温に保たれない場合でも、式(４)の右辺第２項の流量の補正によって、正確な流量特性を測定できる。
また、式(４)によって流量を演算するので、等温化容器２内の温度の等温が保持されなくても正確な流量特性が測定できるから、等温化容器２内に充填される熱伝導性材料に高価なものを使用する必要がなく、流量測定装置１を安価に構成できる。

(２) 流量演算工程では、時間に対する熱伝達率の関数と、時間に対する圧力応答とを用いて流量を演算する。つまり、流量を演算する式(４)では、時間に対する温度応答が不要となる。したがって、例えば予め温度応答測定工程および熱伝達率演算工程を行っておき、等温化容器２の基本特性として時間に対する熱伝達率の関数を得ておけば、供試空気圧機器１００の流量特性を測定する際には、時間に対する圧力応答のみを測定すればよいので、測定作業を簡略化できるとともに、測定時間を大幅に短縮できる。また、この場合に比較的測定時間を要する時間に対する温度応答を、測定に先立って予め測定しておくことができるので、作業の効率化を図れる。

(３) 通常、時間に対する温度を測定しなければならない場合、十分な応答性を有する温度測定手段を得ることが困難であり、このような温度測定手段は高価となる。本実施形態では、温度応答測定工程では、所定時間毎に等温化容器２内の圧縮空気の放出を停止し、所定時間経過前後の圧力を測定し、これらの圧力から温度を算出するので、温度測定手段を使用する必要がない。したがって、流量演算工程で圧力応答を測定するための圧力センサ５を共通で用いて温度応答を得ることができるから、流量測定装置１を安価に構成できる。また、温度ではなく圧力を測定することによって温度応答を算出するので、より高精度な温度応答を得ることができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
流体圧機器としては、電磁弁に限らず、例えば圧縮空気管路に使用されるものに限らず、例えば窒素など、任意の流体に使用する機器であればよい。
等温化手段は、前記実施形態では、内部に金属等の綿状の熱伝導性材料が充填された等温化容器が使用されていたが、熱伝導性材料は金属以外のものを使用してもよく、その材料は任意に採用できる。また、特に、本発明においては、時間に対する熱伝達率の関数を用いて流量を演算することによって、必ずしも高い熱伝導性材料を用いて高精度な等温化性能を確保する必要がないので、熱伝導性能が金属より劣る金属以外の安価な材料やその他任意の材料を採用しても、良好な測定精度を得ることができる。なお、等温化容器内に充填される熱伝導性材料は、線径が非常に小さい綿状に形成されるものに限らず、例えば線状、繊維状に形成されていてもよく、接触面積が大きくなる形態であれば、その形状、寸法などは任意である。
等温化手段は、容器に綿状の熱伝導性材料が充填されている構成に限らず、内部を流体が流通可能で、その流体の熱エネルギを吸収、または蓄積した熱エネルギを放出することによって内部の等温を保持する手段であれば、その構成は任意である。

温度応答測定工程は、前記実施形態では圧力センサ５が放出停止時および放出停止から所定時間経過後に等温化容器２内の圧力を測定したが、これに限らず、例えば圧力センサ５が圧力を連続的に測定することで、時間に対する圧力応答を測定してもよい。また、温度応答測定工程では、精度が劣るものの、例えば温度検出手段を用いて時間に対する温度応答を求めてもよい。
熱伝達率演算工程では、熱伝達率の関数として前述の式(１)を用いるものに限らず、十分な演算精度を確保できる近似式、実験式などの任意の演算式を採用できる。
流量演算工程では、流量の演算式として前述の式(４)を用いるものに限らず、十分な演算精度を確保できる近似式、実験式などの任意の演算式を採用できる。

本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

本発明の実施例について説明する。この実施例では前記実施形態の流量測定装置１を用いて供試空気圧機器１００の流量特性を測定した。
等温化容器２の容積は4.9lとし、放出初期圧力は0.6MPaとした。内部に充填された熱伝導性材料としては線径50μｍの銅線を0.75kg充填し、重量充填率0.150kg/dm3とした。
供試空気圧機器１００としては、VT307-5G-01の電磁弁を用いた。また、室温（大気温度θ_a）は２８℃であった。

温度応答決定工程では、等温化容器２内の圧縮空気の放出開始から0.5秒毎に開閉バルブ３を閉じて圧縮空気の放出を停止し、放出停止時の圧力（放出停止時圧力）および所定時間放置して等温化容器２内の空気の状態を安定させた後の圧力（整定後圧力）を圧力センサ５によって測定し、等温化容器２内の放出停止時の温度を求めた。
そして、熱伝達率演算工程では、熱伝達率演算手段６１により式(１)より時間に対する熱伝達率の関数を求め、流量演算工程において流量演算手段６２によって流量Gを、流量特性演算工程において流量特性演算手段６３によって音速コンダクタンスCおよび臨界圧力比bを求めた。式(１)における修正係数aは、１とした。

比較例１

本発明の比較例１について説明する。比較例１では、等温化容器２内の温度が変化することを考慮し、流量測定装置１を用いて供試空気圧機器１００の流量特性を測定した。
流量測定装置１のコントローラ６には、熱伝達率演算手段が設けられていない。このような流量測定装置１において、実施例と同様に、圧縮空気の放出を所定時間(0.5秒)毎に停止し、圧力センサ５で放出停止時および整定後の圧力を測定した。この測定により、等温化容器２から圧縮空気を放出する際の圧力に対する温度応答を得て、流量演算手段６２で次の式(７)によって空気の流量Gを演算した。この式(７)は、等温化容器２内の温度変化を考慮した流量算出式となっているため、等温化容器２内の状態に応じた、比較的高精度な測定結果が得られると考えられる。
その他の条件は実施例と同じである。

比較例２

本発明の比較例２について説明する。比較例２では、等温化容器内２の温度が常に等温に保持されることを仮定して、流量測定装置１を用いて供試空気圧機器１００の流量特性を測定した。
流量測定装置１のコントローラ６には、熱伝達率演算手段が設けられておらず、また、等温化容器２内の温度は常に等温であると仮定されている。このような流量測定装置１において、圧力センサ５で等温化容器２から圧縮空気が放出する際の圧力を測定し、流量演算手段６２で前述の式(３)によって流量Gを演算した。
その他の条件は実施例と同じである。

実施例および比較例の測定結果

図２には、実施例、比較例１、および比較例２における時間に対する圧力応答を示す。また図３には実施例、比較例１、および比較例２における時間に対する温度応答を示す。これらの図２および図３に示されるように、等温化容器２から圧縮空気が放出されると、等温化容器２内の温度は急激に減少するが、その後容器内に充填された熱伝導性材料からの熱エネルギの供給により、温度が回復する。
このように、等温化容器２を用いても、圧縮空気の放出開始直後には、温度の低下が起こり、等温状態が保持できないことがわかる。また、図３により、温度の最大値と最小値との差によって最大温度降下Δθが求められる。そして、この温度の最小値における熱伝達率が最大温度降下時の熱伝達率h₀となる。

図４には、比較例１における流量特性を示す。また図５には、比較例１における時間に対する熱伝達率を示す。この図４に示されるように、等温化容器２から圧縮空気が放出されるのに伴い、等温化容器２内の圧力が減少するとともに、供試空気圧機器１００の流量Gが減少することがわかる。また図５に示されるように、等温化容器２から圧縮空気を放出する際の放出初期は、熱伝達率が非常に大きな値となっているが、時間の経過に伴って急激に減少していることがわかる。

図６には、比較例１の流量特性と比較例２の流量特性とを示す。この図６に示されるように、比較例２は、等温化容器２からの圧縮空気の放出開始から圧力が約500KPaとなるまで温度が急激に変化するので、この領域における比較例２の流量特性は、比較例１の流量特性と大きなずれが生じていることがわかる。
その後、等温化容器２内の熱伝導性材料からの熱エネルギにより、等温化容器２内の温度が安定するため、圧力が約500KPa以下の領域では、比較例１の流量特性と比較例２の流量特性とはほぼ一致することがわかる。
なお、圧縮空気の放出速度が最大圧力降下で100KPa/s前後である場合には、等温化容器２内の熱伝導率はほぼ変化がないと考えられる。

図７には、比較例１，２および実施例の流量特性を示す。この図７に示されるように、実施例の流量特性は、圧力範囲の全域において比較例１の流量特性とほぼ一致している。なお、図７では、比較例１の流量特性を示す点線と実施例の流量特性を示す実線とが重なっているため、実施例の流量特性を示す実線のみが見えるようになっている。

図８には、比較例１，２および実施例の流量特性を比較した図を示す。この図８では、比較例１，２および実施例の流量特性を示す音速コンダクタンスCおよび臨界圧力比bを求め、それぞれ比較している。この図８に示されるように、比較例１を基準とすると、比較例１の音速コンダクタンスCと実施例の音速コンダクタンスCとの誤差は-0.4%であり、一方、比較例１の音速コンダクタンスCと比較例２の音速コンダクタンスCとの誤差は4.5%である。これより、比較例１よりも実施例の方が高精度な測定が実現されていることがわかる。
また、臨界圧力比bについても、比較例１との比較において、実施例の臨界圧力比bとの誤差は-0.068であり、一方比較例２の臨界圧力比bとの誤差は-0.176である。これによっても、比較例１よりも実施例の方が高精度な測定が実現されていることがわかる。

ここで、実施例の測定方法と比較例１の測定方法とを比較すると、比較例１では、時間に対する圧力応答とこの圧力応答に対応する温度応答の測定値が必要となる。したがって、実際の測定に際しては、温度応答を測定するために、所定時間毎に圧縮空気の放出を停止して等温化容器２内の温度を安定させた後に温度を演算しなければならず、測定作業が繁雑となるとともに、測定時間が長くなる。
これに対して実施例の測定方法では、一度、等温化容器２の基本特性として時間に対する熱伝達率の関数が得られれば、実際の測定に際しては、時間に対する圧力応答のみを測定すればよい。ここで、圧力応答の測定は、温度応答の測定とは異なり所定時間毎に圧縮空気の放出を停止して温度を安定させるなどの作業が不要で、圧縮空気の放出中に比較的高精度に行える。したがって、実施例の測定方法の方が流量特性の測定時間を大幅に短縮できる。
以上のように実施例の測定方法による流量特性の測定の妥当性が確認でき、本発明の有用性が確認できた。

本発明は、電磁弁などの空気圧機器の流量特性を測定するために利用できる他、任意の流体に使用する流体圧機器の流量特性を測定するためにも利用することができる。

Claims (7)

1. 内部を流通する流体の温度変化を抑制する等温化手段を用いて流体圧機器の流量特性を測定する流量測定方法であって、
   前記等温化手段から前記流体圧機器に前記流体を供給し、前記等温化手段内部での時間に対する前記流体の温度応答を求める温度応答決定工程と、
   前記温度応答決定工程で得られた前記温度応答に基づいて、時間に対する前記流体の熱伝達率の関数を求める熱伝達率演算工程と、
   前記熱伝達率演算工程で得られた前記熱伝達率の関数を用いて、時間に対する圧力応答から前記流体圧機器に流通する前記流体の流量を演算する流量演算工程とを備えた
   ことを特徴とする流量測定方法。
2. 請求項１に記載の流量測定方法において、
   前記熱伝達率演算工程は、前記熱伝達率の関数h(t)を、h₀を最大温度降下時の熱伝達率、Δθを最大温度降下、aを修正係数、tを時間とすると、
   

   

   で求める
   ことを特徴とする流量測定方法。
3. 請求項２に記載の流量測定方法において、
   前記流量演算工程は、前記流体圧機器に流通する前記流体の質量流量Ｇを、C_νを空気の定積比熱、Ｐを等温化手段内の前記流体の圧力、Ｖを等温化手段内の前記流体の体積、Ｒを気体定数、θ_aを大気温度、S_hを等温化手段の熱伝達面積、θ_mを等温化手段内の前記流体の平均温度、C_pを定圧比熱とすると、
   

   

   で求める
   ことを特徴とする流量測定方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の流量測定方法において、
   前記温度応答決定工程は、所定時間毎に前記等温化手段からの前記流体の放出を停止して、前記流体の放出停止時の前記等温化手段内部の放出停止時圧力と、所定時間経過後の前記等温化手段内部の整定後圧力とを測定し、前記放出停止時圧力、前記整定後圧力、および大気温度から、前記流体の放出停止時の前記流体の温度を求めることにより、時間に対する前記流体の温度応答を求める
   ことを特徴とする流量測定方法。
5. 流体圧機器の流量特性を測定する流量測定装置であって、
   内部を流通する流体の温度変化を抑制する等温化手段と、
   前記等温化手段内部の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段で得られた圧力検出信号から前記流体圧機器に流通する前記流体の流量を演算する演算手段とを備え、
   前記演算手段は、前記等温化手段から前記流体圧機器に前記流体を供給したときの前記等温化手段内部での時間に対する前記流体の温度応答に基づいて、時間に対する前記流体の熱伝達率の関数を求める熱伝達率演算手段と、前記熱伝達率演算手段で得られた前記熱伝達率の関数を用いて、時間に対する圧力応答から前記流体圧機器に流通する前記流体の流量を演算する流量演算手段とを有する
   ことを特徴とする流量測定装置。
6. 請求項５に記載の流量測定装置において、
   前記熱伝達率演算手段には、時間に対する前記流体の熱伝達率の関数h(t)を求める式として、h₀を最大温度降下時の熱伝達率、Δθを最大温度降下、aを修正係数、tを時間として、
   

   

   が記憶されている
   ことを特徴とする流量測定装置。
7. 請求項６に記載の流量測定装置において、
   前記流量演算手段には、前記流体圧機器に流通する前記流体の質量流量Ｇを演算する式として、C_νを空気の定積比熱、Ｐを等温化手段内の前記流体の圧力、Ｖを等温化手段内の前記流体の体積、Ｒを気体定数、θ_aを大気温度、S_hを等温化手段の熱伝達面積、θ_mを等温化手段内の前記流体の平均温度、C_pを定圧比熱として、
   

   

   が記憶されている
   ことを特徴とする流量測定装置。

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