KR101414923B1 - 유량 측정 장치 및 유속 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

유량 측정 장치 또는 유속 측정 장치로서, 주관, 주관과 연결되어 있는 입사관, 주관과 연결되어 있는 출사관 및 입사관과 연결된 제 1 퍼지 유체 공급관으로 구성된 계측 셀과, 계측 셀의 제 1 퍼지 유체 공급관에 퍼지 유체를 공급하는 퍼지 유체 공급부와, 계측 셀에 레이저 광을 입사시키는 발광부와, 발광부로부터 입사되고, 계측 셀을 통과한 레이저 광을 수광하고, 수광된 광량을 수광 신호로서 출력하는 수광부와, 수광부로부터 출력되는 수광 신호에 기초하여, 계측 셀을 흐르는 배유체의 유량 또는 유속을 산출하는 산출부와, 각 부의 동작을 제어하는 제어부와, 계측 셀을 흐르는 유체의 흐름 방향을 검출하는 흐름 방향 검출부를 갖는다.

Description

유량 측정 장치 및 유속 측정 장치 {FLOW RATE MEASUREMENT DEVICE AND FLOW SPEED MEASUREMENT DEVICE}
본 발명은, 유체의 유량을 계측하는 유량 측정 장치 및 유체의 유속을 계측하는 유속 측정 장치에 관한 것이다.
유로 내를 흐르는 가스의 유량 측정 방법으로는, 여러 가지의 방법이 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 에는, 관내에 오리피스판을 배치하고, 오리피스판 전후의 관내 차압에 의해 관내를 흐르는 유체 유량을 계측하는 차압 유량계가 기재되어 있다.
또, 특허문헌 2 에는, 유체의 유동 방향에 어떠한 각도를 가지고 초음파의 송신 소자와 수신 소자를 상대하여 설치하고, 그 초음파 전반 (傳搬) 시간으로부터 유체의 유량을 계측하는 장치에 있어서, 상이한 제 1 주파수와 제 2 주파수로 이루어지는 주파수 성분을 갖는 정현파 신호의 초음파를 발진하는 수단과, 유체 중을 전반한 초음파의 제 1, 제 2 주파수 성분의 위상차를 구하는 수단과, 구한 위상차로부터 초음파의 전반 시간을 연산하는 수단을 구비하고, 초음파의 전반 시간으로부터 유체의 유속을 산출함으로써 유량을 구하는 유량 계측 장치가 기재되어 있다.
일본 공개특허공보 평06-174510호 일본 공개특허공보 2009-222534호
특허문헌 1 에 기재되어 있는 차압에 의해 유량을 계측하는 장치에서는, 배관의 내부에 오리피스를 형성할 필요가 있기 때문에, 전후에 일정한 직관 부분을 확보할 필요가 있는 등, 사용 대상에 제약이 생긴다. 또, 특허문헌 2 에 기재되어 있는 초음파를 사용하는 유량 계측 장치에서는, 초음파의 발신원과 검출기를 배관에 직접 장착한다. 그 때문에, 예를 들어, 배관에 흐르는 가스가 고온인 경우는, 사용할 수 없다. 또는, 고온에서도 사용 가능한 기구를 사용할 필요가 있다. 또 특허문헌 1 및 특허문헌 2 의 어느 방식도 계측에 일정한 시간이 필요하여, 응답성의 향상에 한계가 있다는 문제가 있다. 또, 배관의 직경과 유량의 관계에 기초하여 유속도 계측할 수 있지만, 동일한 문제가 있다.
본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 높은 응답성으로 계측이 가능하고, 또한 엄격한 환경에서도 유체의 흐름의 계측이 가능한 유량 측정 장치 및 유속 측정 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 서술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 양 단이 개방되어, 각각 유체를 흐르게 하는 유로와 연결 가능한 주관, 상기 주관에 연결되고, 상기 주관과 연결되어 있는 측과 반대측의 단부 (端部) 에 광이 통과 가능한 창부가 형성된 입사관, 상기 주관에 연결되고, 상기 주관과 연결되어 있는 측과 반대측의 단부에 광이 통과 가능한 창부가 형성된 출사관 및 상기 입사관과 연결된 제 1 퍼지 유체 공급관으로 구성된 계측 셀과, 상기 계측 셀의 상기 제 1 퍼지 유체 공급관에 퍼지 유체를 공급하는 퍼지 유체 공급부와, 상기 입사관에 레이저 광을 입사시키는 발광부와, 상기 입사관으로부터 입사되고, 상기 계측 셀을 통과하고, 상기 출사관으로부터 출사된 상기 레이저 광을 수광하여, 수광된 광량을 수광 신호로서 출력하는 수광부와, 상기 수광부로부터 출력되는 수광 신호에 기초하여, 상기 계측 셀을 흐르는 유체의 유량을 산출하는 산출부와, 상기 계측 셀을 흐르는 유체의 흐름 방향을 검출하는 흐름 방향 검출부와, 각 부의 동작을 제어하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 한다.
이로써, 높은 응답성으로 계측이 가능하고, 또한 엄격한 환경에서도 유량 및 그 흐름 방향의 계측이 가능해진다.
또, 상기 흐름 방향 검출부는, 흐름 방향에 평행한 양 방향으로부터의 압력차를 검출하는 차압 검출부를 갖고, 상기 차압 검출부에서 검출된 압력차에 기초하여, 흐름 방향을 검출하는 것이 바람직하다. 이로써, 보다 적절하게 유체의 흐름 방향을 검출할 수 있다.
또, 상기 흐름 방향 검출부는, 상기 유로에 노출되어, 유체의 흐름에 의해 변형되는 변형부를 갖고, 상기 변형부의 변형 방향에 기초하여, 흐름 방향을 검출하는 것이 바람직하다. 이로써, 보다 적절하게 유체의 흐름 방향을 검출할 수 있다.
또, 상기 발광부와, 상기 수광부와, 상기 산출부로 구성되는 측정 유닛을 적어도 2 개 갖고, 상기 흐름 방향 검출부는, 상기 측정 유닛으로 산출되는 유량의 산출값에 기초하여, 흐름 방향을 검출하는 것이 바람직하다. 이로써, 보다 적절하게 유체의 흐름 방향을 검출할 수 있다.
또, 상기 흐름 방향 검출부는, 상기 유로에 초음파를 출력하는 초음파 출력부와, 상기 초음파 출력부로부터 출력된 초음파를 수신하는 초음파 수신부를 갖고, 상기 초음파 수신부에서 수신한 초음파의 주파수에 기초하여, 흐름 방향을 검출하는 것이 바람직하다. 이로써, 보다 적절하게 유체의 흐름 방향을 검출할 수 있다.
또, 상기 산출부는, 상기 수광부에서 수광된 수광 신호를 1 개의 주파수로 복조 (復調) 하고, 복조한 신호의 변동의 크기에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출하는 것이 바람직하다. 1 개의 주파수로 복조한 신호의 변동을 사용함으로써, 간단한 구성으로 유량을 계측할 수 있다.
또, 상기 산출부는, 상기 수광부에서 수광된 수광 신호를 상이한 2 개의 주파수로 각각 복조하고, 복조한 2 개의 주파수에 있어서의 신호의 변동의 크기에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출하는 것이 바람직하다. 이로써, 보다 높은 정밀도로 유량을 계측할 수 있다.
또, 상기 산출부는, 상기 수광부에서 수광된 수광 신호를 복수의 상이한 주파수로 각각 복조하고, 복조한 복수의 주파수에 있어서의 신호의 변동의 크기에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출하는 것이 바람직하다. 이로써, 보다 높은 정밀도로 유량을 계측할 수 있다.
또, 상기 산출부는, 미리 산출한 변동과 유량의 관계를 기억하고 있고, 상기 관계와, 상기 변동의 크기에 기초하여 상기 유체의 유량을 산출하는 것이 바람직하다. 이로써, 보다 간단하게 유량을 계측할 수 있다.
또, 상기 산출부는, 상기 입사관을 흐르는 퍼지 유체의 유량마다, 상기 변동과 상기 유체의 유량의 관계를 기억하고 있고, 상기 입사관을 흐르는 퍼지 유체의 유량과 상기 변동에 기초하여 상기 유체의 유량을 산출하는 것이 바람직하다. 이로써, 보다 높은 정밀도로 유량을 계측할 수 있다.
또, 상기 제어부는, 상기 산출부에서 산출한 상기 유체의 유량을 포함하는 영역에서 변동의 변화량이 커지는 상기 퍼지 유체의 유량을 산출하고, 산출 결과에 기초하여, 상기 퍼지 유체 공급부로부터 상기 제 1 퍼지 유체 공급관에 공급하는 퍼지 유체의 유량을 조정하는 것이 바람직하다. 이로써, 보다 높은 정밀도로 유량을 계측할 수 있다.
또, 상기 산출부는, 추가로 상기 발광부로부터 출력한 레이저 광의 강도와, 상기 수광부에서 수광된 레이저 광의 강도에 기초하여, 상기 계측 셀을 흐르는 배유체의 측정 대상 물질의 농도도 산출하는 것이 바람직하다. 이로써, 흐르고 있는 유체에 대해, 보다 많은 정보를 취득할 수 있다.
또, 상기 수광부는, 인접하여 배치된 복수의 수광 소자를 갖고, 각 수광 소자로 수광된 광량을 수광 신호로서 출력하고, 상기 산출부는, 각 수광 소자로부터 보내진 수광 신호의 강도의 비교에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출하는 것이 바람직하다. 이 방법으로도, 높은 정밀도로 유량을 계측할 수 있다.
또, 상기 산출부는, 각 수광 소자로부터 보내진 수광 신호의 강도의 비교에 기초하여, 상기 레이저 광의 도달 위치를 산출하고, 상기 도달 위치와 기준 위치의 어긋남에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출하는 것이 바람직하다. 이로써, 레이저 광의 변위를 검출할 수 있고, 유량을 계측할 수 있다.
또, 상기 산출부는, 각 수광 소자로부터 보내진 수광 신호의 강도의 총량과, 상기 수광부에서 수광된 레이저 광의 강도에 기초하여, 상기 계측 셀을 흐르는 배유체의 측정 대상 물질의 농도도 산출하는 것이 바람직하다. 이로써, 흐르고 있는 유체에 대해, 보다 많은 정보를 취득할 수 있다.
또, 상기 계측 셀은, 상기 주관의, 상기 유체의 흐름 방향에 있어서 상기 입사관의 상류측, 또한 상기 입사관의 근방에, 상기 입사관의 근방의 공기의 흐름을 난류로 하는 난류 발생부를 갖는 것이 바람직하다. 이로써, 유량의 변화에 대한 수광 신호의 변화를 보다 크게 할 수 있고, 보다 높은 정밀도로 유량을 계측할 수 있다.
추가로, 상기 출사관과 연결된 제 2 퍼지 유체 공급관을 갖고, 상기 퍼지 유체 공급부는, 상기 제 2 퍼지 유체 공급관에도 퍼지 유체를 공급하는 것이 바람직하다. 이로써, 출사관에 있는 창부가 오염될 가능성을 저감시킬 수 있다.
상기 산출부는, 추가로, 상기 수광부로부터 출력되는 수광 신호에 기초하여, 상기 계측 셀의 상기 주관을 흐르는 유체의 유속을 계측하는 것이 바람직하다. 이로써, 계측 셀을 흐르는 유체의 정보를 보다 많이 취득할 수 있다.
또, 상기 유체는, 기체인 것이 바람직하다.
상기 서술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 일방의 단부가 측정 영역과 서로 마주 보는 개구이고, 반대측의 단부에 광이 통과 가능한 창부가 형성된 입사관, 일방의 단부가 상기 입사관과 대향하고, 또한 상기 측정 영역과 서로 마주 보는 개구이고, 반대측의 단부에 광이 통과 가능한 창부가 형성된 출사관 및 상기 입사관과 연결된 제 1 퍼지 유체 공급관으로 구성된 계측 셀과, 상기 계측 셀의 상기 제 1 퍼지 유체 공급관에 퍼지 유체를 공급하는 퍼지 유체 공급부와, 상기 입사관에 레이저 광을 입사시키는 발광부와, 상기 입사관으로부터 입사되어, 상기 측정 영역을 통과하고, 상기 출사관으로부터 출사된 레이저 광을 수광하여, 수광된 광량을 수광 신호로서 출력하는 수광부와, 상기 수광부로부터 출력되는 수광 신호에 기초하여, 상기 측정 영역을 흐르는 유체의 유속을 산출하는 산출부와, 상기 측정 영역을 흐르는 유체의 흐름 방향을 검출하는 흐름 방향 검출부와, 각 부의 동작을 제어하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 한다.
이로써, 높은 응답성으로 계측이 가능하고, 또한 엄격한 환경에서도 유속 및 그 흐름 방향의 계측이 가능해진다.
또, 상기 흐름 방향 검출부는, 흐름 방향에 평행한 양 방향으로부터의 압력차를 검출하는 차압 검출부를 갖고, 상기 차압 검출부에서 검출된 압력차에 기초하여, 흐름 방향을 검출하는 것이 바람직하다. 이로써, 보다 적절하게 유체의 흐름 방향을 검출할 수 있다.
또, 상기 흐름 방향 검출부는, 상기 측정 영역에 노출되어, 유체의 흐름에 의해 변형되는 변형부를 갖고, 상기 변형부의 변형 방향에 기초하여, 흐름 방향을 검출하는 것이 바람직하다. 이로써, 보다 적절하게 유체의 흐름 방향을 검출할 수 있다.
또, 상기 계측 셀은, 상기 입사관의 일방의 단부 및 상기 출사관의 일방의 단부와 각각 연결되어, 측정 대상의 유체가 흐르는 주관을 갖고, 상기 측정 영역은, 상기 주관의 일부인 것이 바람직하다. 이로써, 측정 대상의 흐름을 구속할 수 있어 보다 높은 정밀도로 계측할 수 있다.
또, 상기 유체는, 기체인 것이 바람직하다.
본 발명에 관련된 유량 측정 장치 및 유속 측정 장치는, 높은 응답성으로 계측이 가능하고, 또한 엄격한 환경에서도 유체의 흐름의 계측이 가능해진다는 효과를 발휘한다.
도 1 은, 본 발명의 유량 측정 장치의 일 실시형태의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2 는, 도 1 에 나타내는 유량 측정 장치의 계측 셀의 일부를 확대하여 나타내는 확대 모식도이다.
도 3 은, 도 1 에 나타내는 흐름 방향 검출 수단의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 4 는, 레이저 광의 경로를 설명하기 위한 설명도이다.
도 5 는, 주파수와 노이즈의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6 은, 배기 가스 유량과 노이즈의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7 은, 배기 가스 유량과 노이즈의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8 은, 주파수와 노이즈의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9A 는, 흐름 방향 검출 수단의 다른 예의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 9B 는, 도 9A 의 Z 방향으로부터 흐름 방향 검출 수단을 본 모식도이다.
도 10 은, 흐름 방향 검출 수단의 다른 예의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 11 은, 흐름 방향 검출 수단의 다른 예의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 12 는, 흐름 방향 검출 수단의 다른 예의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 13 은, 흐름 방향 검출 수단의 다른 예의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 14A 는, 유량 측정 장치의 다른 실시형태의 일부의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 14B 는, 도 14A 의 부분 확대도이다.
도 15A 는, 유량 측정 장치의 다른 실시형태의 수광부의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 15B 는, 도 15A 에 나타내는 유량 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 15C 는, 도 15A 에 나타내는 유량 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 16 은, 수광부의 다른 일례의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 17 은, 본 발명의 유속 측정 장치의 일 실시형태의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 18A 는, 도 17 에 나타내는 유속 측정 장치의 계측 셀의 일부를 확대하여 나타내는 확대 모식도이다.
도 18B 는, 도 17 에 나타내는 유속 측정 장치의 계측 셀을 배기 가스의 흐름 방향에 평행한 방향에서 본 모식도이다.
이하에, 본 발명에 관련된 유량 측정 장치 및 유속 측정 장치의 일 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 유량 측정 장치는, 유로를 흐르는 여러 가지의 기체 (가스), 액체 등의 유체의 유량, 유속을 계측할 수 있다. 예를 들어, 배기 가스 정화 장치를 디젤 엔진에 장착하여, 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기 가스의 유량을 계측해도 된다. 또한, 배기 가스를 배출하는 기관, 요컨대 측정 대상의 가스를 배출 (공급) 하는 장치는, 이것에 한정되지 않고, 가솔린 엔진이나, 가스 터빈 등 여러 가지의 내연 기관에 사용할 수 있다. 또, 내연 기관을 갖는 장치로는, 차량, 선박, 발전기 등 여러 가지의 장치가 예시된다. 또한, 쓰레기 소각로, 보일러 등의 연소 기기 및 고온 또한 유량, 유속 변동이 있는 유량, 유속 계측 대상으로부터 배출되는 배기 가스의 유량, 유속을 계측할 수도 있다. 또한, 이하의 실시형태에서는, 배관을 흐르는 배기 가스의 유량을 계측하는 경우로서 설명한다. 또, 이후에 설명하는데, 이하의 실시형태에서 설명하는 유량 측정 장치의 장치 구성으로, 배관을 흐르는 유속도 계측할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 유량 측정 장치의 일 실시형태의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 또, 도 2 는, 도 1 에 나타내는 유량 측정 장치의 계측 셀의 일부를 확대하여 나타내는 확대 모식도이다. 도 1 에 나타내는 바와 같이 유량 측정 장치 (10) 는, 계측 셀 (12) 과, 계측 수단 (14) 과, 퍼지 가스 공급 수단 (16) 과, 흐름 방향 검출 수단 (18) 을 갖는다. 여기서, 유량 측정 장치 (10) 는, 배기 가스 (A) 가 흐르는 배관 (6) 과 배관 (8) 사이에 형성되어 있다. 또, 배기 가스 (A) 는, 배관 (6) 의 상류측으로부터 공급되어, 배관 (6), 유량 측정 장치 (10), 배관 (8) 을 통과하여, 배관 (8) 보다 하류측에 배출된다. 또한, 배관 (6) 의 상류측에는, 배기 가스의 발생 장치 (공급 장치) 가 배치되어 있다.
계측 셀 (12) 은, 기본적으로 주관 (20) 과, 입사관 (22) 과, 출사관 (24) 을 갖는다. 또, 입사관 (22) 에는, 창 (26) 과, 퍼지 가스 공급관 (30) 이 형성되어 있고, 출사관 (24) 에는, 창 (28) 과, 퍼지 가스 공급관 (32) 이 형성되어 있다. 주관 (20) 은, 통 형상의 관 형상 부재이고, 일방의 단부가 배관 (6) 과 연결되고, 타방의 단부가 배관 (8) 과 연결되어 있다. 요컨대, 주관 (20) 은, 배기 가스 (A) 가 흐르는 유로의 일부가 되는 위치에 배치되어 있다. 이로써, 배기 가스 (A) 는, 배관 (6), 주관 (20), 배관 (8) 의 순서로 흐른다. 또, 배관 (6) 을 흐르는 배기 가스 (A) 는, 기본적으로 모두 주관 (20) 을 흐른다.
입사관 (22) 은, 관 형상 부재이고, 일방의 단부가 주관 (20) 에 연결되어 있다. 또, 주관 (20) 은, 입사관 (22) 과의 연결부가, 입사관 (22) 의 개구 (단부의 개구) 와 거의 동일 형상의 개구로 되어 있다. 요컨대, 입사관 (22) 은, 주관 (20) 과, 공기의 유통이 가능한 상태로 연결되어 있다. 또, 입사관 (22) 의 타방의 단부에는, 창 (26) 이 형성되어 있고, 창 (26) 에 의해 봉지되어 있다. 또한, 창 (26) 은, 광을 투과하는 부재, 예를 들어 투명한 유리, 수지 등으로 구성되어 있다. 이로써, 입사관 (22) 은, 창 (26) 이 형성되어 있는 단부가, 공기가 유통되지 않는 상태에서, 또한 광을 투과할 수 있는 상태가 된다.
입사관 (22) 은, 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 창 (26) 측의 단부의 개구 (요컨대, 창 (26) 에 의해 막혀 있는 개구) 의 면적과, 주관 (20) 측의 단부 (요컨대, 주관 (20) 과 연결되어 있는 부분의 개구) 의 면적이 실질적으로 동일한 원통 형상이다. 또한, 입사관 (22) 의 형상은 원통 형상에 한정되지 않고, 공기 및 광을 통과시키는 통형의 형상이면 되고, 여러 가지의 형상으로 할 수 있다. 예를 들어, 입사관 (22) 은, 단면이 사각, 다각형, 타원, 비대칭 곡면이 되는 형상으로 해도 된다. 또, 입사관 (22) 은, 통 형상의 단면의 형상, 직경이 위치에 따라 변화되는 형상이어도 된다. 또한, 입사관 (22) 은, 후술하는 퍼지 가스가 안정적으로 흐르는 형상으로 하는 것이 바람직하다.
또, 입사관 (22) 에는, 추가로 퍼지 가스 공급관 (30) 이 연결되어 있다. 퍼지 가스 공급관 (30) 은, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 창 (26) 이 봉지되어 있는 단부와 주관 (20) 과 연결되어 있는 단부 사이에 배치되어 있다. 퍼지 가스 공급관 (30) 은, 퍼지 가스 공급 수단 (16) 으로부터 공급된 퍼지 가스를 입사관 (22) 으로 안내한다. 또, 퍼지 가스 공급관 (30) 은, 퍼지 가스의 분출구가 되는 부분이 창 (26) 측을 향하여 경사져 있다.
출사관 (24) 은, 입사관 (22) 과 거의 동일 형상의 관 형상 부재이고, 일방의 단부가 주관 (20) 에 연결되고, 출사관 (24) 의 타방의 단부에는, 창 (28) 이 형성되어 있다. 출사관 (24) 도, 주관 (20) 과 공기가 유통 가능한 상태이고, 창 (28) 이 형성되어 있는 단부가, 공기가 유통되지 않는 상태이고, 또한 광을 투과할 수 있는 상태가 된다. 또, 출사관 (24) 은, 중심축이 입사관 (22) 의 중심축과 거의 동일해지는 위치에 배치되어 있다. 요컨대, 입사관 (22) 과 출사관 (24) 은, 주관 (20) 이 대향하는 위치에 배치되어 있다.
또, 출사관 (24) 도, 창 (28) 측의 단부의 개구 (요컨대, 창 (28) 에 의해 막혀 있는 개구) 의 면적과, 주관 (20) 측의 단부 (요컨대, 주관 (20) 과 연결되어 있는 부분의 개구) 의 면적이 실질적으로 동일한 원통 형상이다. 또한, 출사관 (24) 도 형상은 원통 형상에 한정되지 않고, 공기 및 광을 통과시키는 통형의 형상이면 되고, 여러 가지의 형상으로 할 수 있다. 예를 들어, 출사관 (24) 은, 단면이 사각, 다각형, 타원, 비대칭 곡면이 되는 형상으로 해도 된다. 또, 출사관 (24) 은, 통 형상의 단면의 형상, 직경이 위치에 따라 변화되는 형상이어도 된다. 또한, 출사관 (24) 도, 후술하는 퍼지 가스가 안정적으로 흐르는 형상으로 하는 것이 바람직하다.
또, 출사관 (24) 의, 창 (28) 이 봉지되어 있는 단부와 주관 (20) 과 연결되어 있는 단부 사이에는, 퍼지 가스 공급관 (32) 이 연결되어 있다. 퍼지 가스 공급관 (32) 은, 퍼지 가스 공급 수단 (16) 으로부터 공급된 퍼지 가스를 출사관 (24) 으로 안내한다. 또, 퍼지 가스 공급관 (32) 도 분출구가 창 (28) 측을 향한 형상이다. 또한, 출사관 (24) 에는, 후술하는 흐름 방향 검출 수단 (18) 의 일부가 배치되어 있다.
다음으로, 계측 수단 (14) 은, 발광부 (40) 와, 광섬유 (42) 와, 수광부 (44) 와, 광원 드라이버 (46) 와, 산출부 (48) 와, 제어부 (50) 를 갖는다.
발광부 (40) 는, 소정 파장의 레이저 광을 발광시키는 발광 소자이다. 광섬유 (42) 는, 발광부 (40) 로부터 출력된 레이저 광을 안내하여, 창 (26) 으로부터 계측 셀 (12) 내에 입사시킨다.
수광부 (44) 는, 계측 셀 (12) 의 주관 (20) 의 내부를 통과하여, 출사관 (24) 의 창 (28) 으로부터 출력된 레이저 광을 수광하는 수광부이다. 또한, 수광부 (44) 는, 예를 들어, 포토 다이오드 (PD, Photodiode) 등의 광 검출기를 구비하고, 광 검출기에 의해 레이저 광을 수광하여, 그 광의 강도를 검출한다. 수광부 (44) 는, 수광된 레이저 광의 강도 (광량) 를 수광 신호로서 산출부 (48) 로 보낸다.
광원 드라이버 (46) 는, 발광부 (40) 의 구동을 제어하는 기능을 갖고, 발광부 (40) 에 공급하는 전류, 전압을 조정함으로써, 발광부 (40) 로부터 출력되는 레이저 광의 파장, 강도를 조정한다. 또, 광원 드라이버 (46) 는, 제어부 (50) 에 의해 제어된다.
산출부 (48) 는, 수광부 (44) 에서 수광된 레이저 광의 강도의 신호 (수광 신호) 에 기초하여, 계측 셀 (12) 을 흐르는 배기 가스의 유량을 산출한다. 또한, 산출 방법에 대해서는, 후술한다.
제어부 (50) 는, 각 부의 동작을 제어하는 제어 기능을 갖고, 필요에 따라, 각 부의 동작을 제어한다. 또한, 제어부 (50) 는, 계측 수단 (14) 의 제어뿐만 아니라, 유량 측정 장치 (10) 의 전체의 동작을 제어한다. 요컨대, 제어부 (50) 는, 유량 측정 장치 (10) 의 동작을 제어하는 제어부이다.
퍼지 가스 공급 수단 (16) 은, 배관 (51) 과, 펌프 (52) 와, 드라이어 (54) 와, 유량계 (56) 를 갖고, 계측 셀 (12) 의 퍼지 가스 공급관 (30, 32) 에 소정 유량의 공기를 공급한다. 또한, 본 실시형태에서는, 공기를 공급하고 있는데, 봄베 등을 사용하여 퍼지 가스로서 질소 등을 공급하는 구성으로 해도 된다.
배관 (51) 은, 퍼지 가스 공급관 (30, 32) 과 연결되어 있다. 또, 배관 (51) 에는, 퍼지 가스 공급관 (30, 32) 에서 가장 먼 쪽 (공기의 흐름의 상류) 으로부터 순서대로, 펌프 (52), 드라이어 (54), 유량계 (56) 가 배치되어 있다. 펌프 (52) 는, 배관 (51) 에 공기를 공급함으로써, 퍼지 가스 공급관 (30, 32) 에 공기를 공급한다. 또, 펌프 (52) 는, 제어부 (50) 에 의해 동작이 제어된다.
드라이어 (54) 는, 배관 (51) 을 흐르는 공기를 건조시키는 건조 기구이다. 드라이어 (54) 는, 공기 중에 함유되는 수분을 저감시킬 수 있으면 되고, 여러 가지의 흡습 기구, 흡습 재료를 사용할 수 있다. 또, 드라이어 (54) 는, 제어부 (50) 에 의해 동작이 제어된다.
유량계 (56) 는, 배관 (51) 을 흐르는 공기의 양, 요컨대 유량을 계측한다. 유량계 (56) 는, 계측한 유량의 정보를 제어부 (50) 로 보낸다. 또한, 배관 (51) 에는, 기본적으로 펌프 (52) 로부터 보내지는 공기가 통과하기 때문에, 유량이 안정적이다. 이 때문에, 통상 사용하는 여러 가지의 유량계를 사용할 수 있다.
퍼지 가스 공급 수단 (16) 은, 제어부 (50) 가, 유량계 (56) 에서의 계측 결과에 기초하여 퍼지 가스의 유량을 제어함으로써, 배관 (51) 을 흐르는 공기의 양을 제어한다. 이로써, 퍼지 가스 공급 수단 (16) 은, 퍼지 가스 공급관 (30) 으로부터 입사관 (22) 에 공급하는 공기의 양, 유속, 또 퍼지 가스 공급관 (32) 으로부터 출사관 (24) 에 공급하는 공기의 양, 유속을 소정의 양, 속도로 할 수 있다. 또, 드라이어 (54) 로 공기를 건조시킴으로써, 유량계 (56) 에 수분이 부착될 가능성을 저감시킬 수 있다. 유량 측정 장치 (10) 는, 이상과 같은 구성이다.
다음으로, 도 3 을 이용하여 흐름 방향 검출 수단 (18) 에 대해 설명한다. 여기서, 도 3 은, 도 1 에 나타내는 흐름 방향 검출 수단의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 흐름 방향 검출 수단 (18) 은, 주관 (20) 에 있어서의 배기 가스 (A) 의 흐름 방향을 검출하는 검출 수단이며, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 검출 소자 (62) 와, 검출 소자 (64) 와, 차압 검출기 (차압 변환기) (66) 를 갖는다. 검출 소자 (62) 는, 주관 (20) 의 축방향으로 평행한 방향 (배기 가스 (A) 의 흐름 방향에 평행한 방향) 중, 일방의 방향 (본 실시형태에서는, 배관 (8) 의 출구로부터 배기 가스의 발생 장치를 향한 방향, 기본적인 흐름 방향에 있어서 하류에서 상류를 향하는 방향) 의 배기 가스 (A) 의 압력을 검출하는 피트관이다. 검출 소자 (62) 는, U 자 형상이고, 일방의 단부가 주관 (20) 의 내부에 노출되어 있고, 배관 (8) 의 출구를 향하여 개구되어 있다.
또, 검출 소자 (64) 는, 주관 (20) 의 축방향으로 평행한 방향 중, 타방의 방향 (본 실시형태에서는, 배기 가스의 발생 장치로부터 배관 (8) 의 출구를 향한 방향, 기본적인 흐름 방향에 있어서 상류에서 하류를 향하는 방향) 의 배기 가스 (A) 의 압력을 검출하는 피트관이다. 검출 소자 (64) 는, U 자 형상이며, 일방의 단부가 주관 (20) 의 내부에 노출되어 있고, 배기 가스의 발생 장치를 향하여 개구되어 있다.
또, 검출 소자 (62) 와 검출 소자 (64) 는, 각각, 주관 (20) 과 출사관 (24) 의 접속부에 배치되어 있다. 또, 배기 가스 (A) 의 기본적인 흐름 방향에 있어서, 검출 소자 (62) 는, 검출 소자 (64) 보다 하류측, 요컨대, 배관 (8) 의 출구측에 배치되어 있다. 이와 같이, 검출 소자 (62) 와 검출 소자 (64) 는, 배기 가스 (A) 의 흐름 방향에 직교하는 면을 대상면으로 하여 대칭으로 배치되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 검출 소자 (62, 64) 로서, 피트관을 사용하였는데, 배기 가스의 소정 방향의 압력을 검출할 수 있으면 되고, 피트관에 한정되지 않는다.
차압 검출기 (66) 는, 검출 소자 (62) 로 검출된 검출값과, 검출 소자 (64) 로 검출된 검출값을 받아, 검출값을 압력값으로 변환하여, 압력차를 산출하는 검출기이다. 차압 검출기 (66) 는, 또한 검출된 압력값에 기초하여, 배기 가스 (A) 의 흐름 방향을 검출한다. 구체적으로는, 흐름 방향 검출 수단 (18) 은, 배관 (8) 의 출구로부터 배기 가스의 발생 장치를 향하는 배기 가스 (A) 의 압력을 검출 소자 (62) 로 검출하고, 배기 가스의 발생 장치로부터 배관 (8) 의 출구를 향하는 배기 가스 (A) 의 압력을 검출 소자 (64) 로 검출한다. 그 후, 차압 검출기 (66) 는, 검출값 (검출된 압력) 으로부터 압력차를 산출하여, 검출 소자 (62) 로 검출되는 압력과, 검출 소자 (64) 로 검출되는 압력의 어느 쪽이 보다 큰지를 산출한다. 차압 검출기 (66) 는, 검출 결과에 기초하여, 보다 큰 압력을 검출한 검출 소자가, 검출되어 있는 배기 가스의 흐름 방향을, 배기 가스 (A) 의 흐름 방향으로 하여 검출한다. 요컨대, 흐름 방향 검출 수단 (18) 은, 검출 소자 (62) 로 검출한 압력이 큰 경우에는, 배기 가스가 하류에서 상류, 배관 (8) 의 출구로부터 배기 가스의 발생 장치를 향해 흐르고 있는 것으로 검출되고, 검출 소자 (64) 로 검출한 압력이 큰 경우에는, 배기 가스 (A) 가 상류에서 하류, 배기 가스 (A) 의 발생 장치로부터 배관 (8) 의 출구를 향해 흐르고 있는 것으로 검출된다. 차압 검출기 (66) 는, 검출된 배기 가스 (A) 의 흐름 방향의 정보를 제어부 (50) 로 보낸다. 또한, 차압 검출기 (66) 에서 실시한 계산의 일부는, 제어부 (50) 에서 실시하도록 해도 된다.
다음으로, 도 2 및 도 4 를 이용하여, 유량 측정 장치 (10) 에 의한 유량의 계측 방법에 대해 설명한다. 먼저, 유량 측정 장치 (10) 의 계측 수단 (14) 은, 발광부 (40) 로부터 레이저 광 (L) 을 출사시키면, 출사된 레이저 광 (L) 은, 광섬유 (42), 창 (26), 입사관 (22), 주관 (20), 출사관 (24), 창 (28) 의 순서로 통과하여, 수광부 (44) 에 입사된다. 이 때, 유량 측정 장치 (10) 는, 퍼지 가스 공급 수단 (16) 에 의해, 퍼지 가스 공급관 (30) 으로부터 입사관 (22) 에 퍼지 가스 (G) 를 공급하고, 퍼지 가스 공급관 (32) 으로부터 출사관 (24) 에도 퍼지 가스 (G) 를 공급한다. 이로써, 입사관 (22) 과 출사관 (24) 내에 배기 가스 (A) 가 진입하는 것을 억제하여, 배기 가스 (A) 에 함유되는 미립자 등이, 창 (26, 28) 에 부착되는 것을 억제할 수 있다.
여기서, 퍼지 가스 공급 수단 (16) 에 의해 공급되는 퍼지 가스 (G) 와, 주관 (20) 을 흐르는 배기 가스 (A) 는, 상이한 성질의 공기, 구체적으로는, 가스의 온도가 상이하다. 이 때문에, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 퍼지 가스 공급 수단 (16) 으로부터 공급되어 입사관 (22) 을 지나 주관 (20) 에 도달하는 퍼지 가스 (G) 와, 주관 (20) 을 흐르는 배기 가스 (A) 가 혼합되는 영역에 온도 경계층 (80) 이 형성되는 것을, 본 발명자들은 지견하였다. 또, 온도 경계층 (80) 을 경계로 하여 퍼지 가스 (G) 와 배기 가스 (A) 의 온도가 상이함으로써, 굴절률이 상이한 값이 된다.
이 때문에, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 레이저 광 (L) 은, 온도 경계층 (80) 을 통과함으로써, 굴절된다. 여기서, 도 4 는, 레이저 광의 경로를 설명하기 위한 설명도이다. 예를 들어, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 온도 경계층 (80) 이 레이저 광 (L) 의 진행 방향에 대해, θ1 경사져 있다고 가정할 수 있는 경우, 온도 경계층 (80) 을 통과함으로써, 온도 경계층 (80) 과의 이루는 각이 θ2 인 레이저 광 (L) 이 된다. 이로써, θ1 과 θ2 의 차분만큼, 광의 진행 방향이 변화되어, 도달 위치가 변화된다.
여기서, 이 온도 경계층 (80) 은, 불안정하다. 그 때문에, 온도 경계층 (80) 으로 간주할 수 있는 층의 각도는 시간에 따라 변화되고, 레이저 광 (L) 의 도달 위치도, 시간에 따라 변화된다. 이와 같이 도달 위치가 변화되면, 수광부 (44) 가 레이저 광 (L) 을 수광하는 위치가 변화된다. 요컨대 계측하고 있는 조건이 변화된다. 이 레이저 광 (L) 의 도달 위치의 변화는, 수광부 (44) 의 수광 신호를 복조한 결과에 노이즈 (신호의 변동) 로서 나타난다. 또한, 이 신호의 변동은, 다른 물성값을 계측하는 경우에는 노이즈가 되지만, 본 발명에서는, 이 신호의 변동이 유량을 구하기 위한 측정 대상의 값이 된다. 또한, 본 실시형태의 설명에서는, 편의상, 신호의 변동을 노이즈라고 한다.
여기서, 본 발명자들은, 이 노이즈에 대해 예의 검토한 결과, 노이즈와 주관 (20) 을 흐르는 유량 사이에 상관 관계가 있는 것을 알아내었다. 유량 측정 장치 (10) 는, 그 관계에 기초하여 유량을 산출한다.
이하, 도 5 및 도 6 을 이용하여, 유량 측정 장치 (10) 에 의한 유량의 측정 방법에 대해 상세하게 설명한다. 먼저, 배기 가스의 유량을 여러 가지의 값으로 변화시켜, 각각의 배기 가스의 유량의 경우에 대해, 수광 신호를 여러 가지의 주파수로 복조하고, 복조한 주파수와 복조한 결과의 노이즈의 관계를 계측하였다. 또, 본 계측에서는, 배기 가스의 유량을, 0 (요컨대 배기 가스를 흐르게 하지 않는 경우) 으로 한 경우, 61 ㎥/h 로 한 경우, 116 ㎥/h 로 한 경우, 160 ㎥/h 로 한 경우, 199 ㎥/h 로 한 경우, 258 ㎥/h 로 한 경우에 대해 복조한 주파수와 노이즈의 관계를 계측하였다. 또한, 이들 계측은, 배기 가스의 유량을 변화시킨 점 이외에는, 동일한 조건으로 계측을 실시하였다. 계측한 결과를, 도 5 에 나타낸다. 도 5 는, 주파수와 노이즈의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 5 는, 세로축을 노이즈 (dB) 로 하고, 가로축을 주파수 (㎑) 로 하였다. 또한, 주파수란, 수광부 (44) 에서 검출한 수광 신호를 복조한 주파수이다. 도 5 에 나타내는 바와 같이, 발생하는 노이즈의 크기는, 배기 가스의 유량에 따라 변화되는 것을 알 수 있다. 또, 기본적으로, 배기 가스의 유량이 커지면, 노이즈도 커지는 것을 알 수 있다.
다음으로, 이 계측 결과에 기초하여, 복조 주파수 200 ㎑ 인 경우의 노이즈와 배기 가스 유량 (배기 가스의 유량) 의 관계를 산출하였다. 산출 결과를 도 6 에 나타낸다. 여기서, 도 6 은, 배기 가스 유량과 노이즈의 관계를 나타내는 그래프이다. 또, 도 6 은, 세로축을 노이즈 (δ(A)/I(×10-6/m)) 로 하고, 가로축을 배기 가스 유량 (N㎥/h) 으로 하였다. 도 6 에 나타내는 바와 같이, 복조 주파수 200 ㎑ 에서는, 배기 가스의 유량에 따라, 노이즈의 크기가 변화된다.
유량 측정 장치 (10) 는, 상기 관계를 이용하여, 노이즈의 크기로부터 유량을 산출한다. 구체적으로는, 미리 실험, 계측에 의해, 도 6 에 나타내는 바와 같은 노이즈의 크기와 배기 가스의 유량의 관계를 산출하여, 산출부 (48) 에 기억시켜둔다. 산출부 (48) 는, 수광부 (44) 로부터 보내져 오는 수광 신호를 주파수 200 ㎑ 로 복조하고, 복조한 결과 (신호) 의 노이즈의 크기를 검출한다. 그 후 검출된 노이즈의 크기와, 기억하고 있는 노이즈의 크기와 배기 가스의 유량의 관계에 기초하여, 배기 가스의 유량을 산출한다.
이와 같이, 유량 측정 장치 (10) 는, 발광부 (40) 로부터 발광된 레이저 광 (L) 을 수광된 수광부 (44) 의 수광 신호의 복조시에 발생하는 노이즈로부터 배관의 유량을 산출할 수 있다. 또, 측정에 레이저 광을 이용하고 있기 때문에, 단시간에 측정할 수 있다. 구체적으로는, 광을 이용하고 있음으로써, 발광으로부터 수광까지의 시간을 음파 등보다 짧게 할 수 있다. 또, 노이즈를 산출하기 위해서 필요한 측정 시간, 산출 시간도 짧게 할 수 있다. 이로써, 응답성을 높게 할 수 있다. 또, 연속적으로 유량을 산출할 수도 있다.
또한, 광은, 광섬유 등으로 안내할 수 있기 때문에, 발광부, 수광부를 직접 배관에 형성할 필요가 없다. 그 때문에, 전자 부품 (회로 등) 을 엄격한 조건에 둘 필요가 없어져, 다양한 환경 하에서 사용할 수 있다. 예를 들어 고온이 되는 배관을 흐르는 배기 가스의 유량도 계측할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 일례로서, 수광 신호를 200 ㎑ 로 복조했는데, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 복조하는 주파수에는, 임의의 주파수를 사용할 수 있다. 또, 산출부가, 수광 신호를 복조하는 방법으로는, 여러 가지의 구성을 사용할 수 있다. 예를 들어, 특정한 주파수 성분만을 통과시키는 밴드 패스 필터를 이용하여, 대상이 되는 주파수 성분을 추출함으로써, 수광 신호를 소정의 주파수 성분으로 복조할 수 있다. 또한, 밴드 패스 필터를 사용한 경우에는, 장치 구성을 간단하게 할 수 있어, 장치를 저비용으로 할 수 있다. 또 유량 산출을 위해서 실시하는 연산을 줄일 수 있다. 또, FFT (Fast Fourier Transform, 고속 푸리에 변환) 연산 장치나, 스펙트럼 애널라이저 (Spectrum analyzer) 를 사용함으로써도 복호할 수 있다. 또한, FFT 연산 장치나, 스펙트럼 애널라이저를 사용한 경우에는, 수광 신호를 일정 주파수 영역에 걸쳐 복조할 수 있다.
여기서, 상기 실시형태에서는, 1 개의 주파수 (200 ㎑) 로 복조한 수광 신호 (요컨대, 수광 신호의 복조한 결과의 하나의 주파수 성분) 의 노이즈에 기초하여, 유량을 산출했는데, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 유량 측정 장치는, 상이한 2 개의 주파수로 복조한 수광 신호 (요컨대, 수광 신호의 복조한 결과의 2 개의 주파수 성분) 의 노이즈에 기초하여 유량을 산출해도 된다.
이하, 도 7 을 이용하여 상이한 2 개의 주파수로 복조한 수광 신호의 노이즈에 기초하여 유량을 산출하는 설명을 한다. 또한, 도 7 에 나타내는 예에서는, 200 ㎑ 로 수광 신호를 복조했을 때의 노이즈와, 배기 가스의 유량의 관계와, 20 ㎑ 로 수광 신호를 복조했을 때의 노이즈와 배기 가스의 유량의 관계를 사용한다. 여기서, 도 7 은, 배기 가스 유량 (배기 가스의 유량) 과 노이즈의 관계를 나타내는 그래프이다. 또, 도 7 은, 세로축을 200 ㎑ 로 복호한 경우의 노이즈 (δ(A)/I(×10-6/m)), 20 ㎑ 로 복호한 경우의 노이즈 (10 ㎑δ(A)/I(×10-6/m)) 로 하고, 가로축을 배기 가스 유량 (N㎥/h) 으로 하였다. 또한, 도 7 에 나타내는 노이즈와 배기 가스의 유량의 관계도 도 5 에 나타내는 계측 결과에 기초하여 산출할 수 있다.
유량 측정 장치 (10) 는, 미리 실험, 계측에 의해, 도 7 에 나타내는 바와 같은 노이즈의 크기와 배기 가스의 유량의 관계를 산출하여, 산출부 (48) 에 기억시켜둔다. 산출부 (48) 는, 수광부 (44) 로부터 보내져 오는 수광 신호를 주파수 200 ㎑ 와 주파수 20 ㎑ 로 복조하여, 각각의 주파수에 대해, 복조한 결과 (신호) 의 노이즈의 크기를 검출한다. 그 후 검출된 2 개의 노이즈의 크기와, 기억하고 있는 노이즈의 크기와 배기 가스의 유량의 관계에 기초하여, 배기 가스의 유량을 산출한다. 이와 같이, 2 개의 주파수 성분을 이용해도, 배기 가스의 유량을 계측할 수 있다.
또, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 노이즈의 크기가 크게 변화되는 유량은, 복조하는 주파수에 따라 상이하다. 구체적으로는, 주파수 200 ㎑ 로 복조한 경우에는, 배기 가스의 유량이, 유량 40 N㎥/h 이하에서는, 노이즈의 크기가 변화되지 않지만, 유량 50 N㎥/h 내지 90 N㎥/h 의 범위에서는, 노이즈가 크게 변화된다. 또, 주파수 20 ㎑ 로 복조한 경우에는, 배기 가스의 유량이, 유량 60 N㎥/h 이하에서는, 노이즈의 크기가 크게 변화되지만, 유량 60 N㎥/h 내지 100 N㎥/h 의 범위에서는, 노이즈의 크기가 거의 변화되지 않는다. 이와 같이, 주파수에 따라, 검출하기 쉬운 유량의 범위가 상이하다. 이로써 복수의 주파수로 복조시키고, 그 검출 결과를 이용하여 유량을 산출함으로써 보다 높은 정밀도로 유량을 산출할 수 있다. 또한, 유량 측정 장치 (10) 는, 배기 가스의 유량에 따라, 산출 결과를 산출하는 복조 주파수를 전환하도록 해도 된다.
예를 들어, 200 ㎑ 에서의 노이즈로부터 산출한 배기 가스의 유량과, 20 ㎑ 에서의 노이즈로부터 산출한 배기 가스의 유량에서, 산출된 유량이 상이한 경우에는, 유량의 크기에 따라, 우선도를 판정하여, 우선 순위가 높은 계측 결과를, 배기 가스의 유량으로 한다. 구체적으로는, 산출 결과의 유량이 60 N㎥/h 이하일 때에는, 20 ㎑ 로 복조한 결과의 노이즈로부터 산출된 유량을 이용하고, 산출 결과의 유량이 60 N㎥/h 보다 클 때에는, 200 ㎑ 로 복조한 결과의 노이즈로부터 산출된 유량을 사용한다. 또한, 2 개의 산출 결과의 상관 관계를 이용하여 산출해도 된다. 또, 평균값을 산출값으로 해도 된다.
또, 유량 측정 장치 (10) 는, 흐름 방향 검출 수단 (18) 에 의해, 배기 가스 (A) 의 흐름 방향을 검출할 수 있다. 이로써, 배기 가스 (A) 가 맥동하는 경우도, 배기 가스 (A) 가 어느 방향으로 이동하고 있을지를 정확하게 파악할 수 있다. 이로써, 유량 계측 장치 (10) 는, 배기 가스 (A) 의 유량에 추가로, 배기 가스 (A) 의 흐름 방향도 산출할 수 있어, 주관 (20) 내에서의 배기 가스 (A) 의 흐름을 보다 정확하게 판정할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 검출 소자 (62) 의 일부와 검출 소자 (64) 의 일부를, 출사관 (24) 의 관내에 배치했는데, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 검출 소자 (62) 와, 검출 소자 (64) 는, 둘레 방향에 있어서, 입사관 (22), 출사관 (24) 과는 상이한 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 검출 소자 (62, 64) 를 입사관 (22), 출사관 (24) 과는 상이한 위치에 배치함으로써, 계측 수단 (14) 에 의한 계측에, 검출 소자 (62, 64) 가 미치는 영향을 줄일 수 있다. 또한, 검출 소자 (62, 64) 는, 주관 (20) 의 축방향에 있어서, 입사관 (22), 출사관 (24) 과 동일 위치로 하는 것이 바람직하다. 이로써, 흐름 방향 검출 수단 (18) 의 계측 위치를, 계측 수단 (14) 의 계측 위치와 동일한 위치로 할 수 있다.
또, 수광 신호를 2 개의 주파수로 복조시키는 경우에는, 예를 들어 밴드 패스 필터를 2 개 형성하면 된다.
또, 복조하는 주파수는, 2 개에도 한정되지 않고, 그 수는 한정되지 않는다. 또, 주파수로 복조한 결과를 2 개 이상 사용하는 경우에는, 계측 결과의 상관 관계에 기초하여, 배기 가스의 유량을 산출하면 된다. 요컨대, 미리, 각 주파수로 복조한 경우에 대해, 노이즈와 유량의 관계를 산출해 두고, 복수의 산출 결과를 상대적으로 비교함으로써, 배기 가스의 유량을 산출한다. 이와 같이, 복조하는 주파수를 많게 함으로써, 보다 높은 정밀도로 배기 가스의 유량을 산출할 수 있다. 또한, 이와 같이 복수의 주파수로 복호하는 경우에는, 복호하는 주파수마다 밴드 패스 필터를 설치해도 되지만, 상기 서술한 FFT 변환 장치나, 스펙트럼 애널라이저에 의해 수광 파장을 일정 파장역에 있어서 해석함으로써, 복조해도 된다. 또한, 복조하는 주파수를 전환 (조정) 할 수 있는 경우에는, 배기 가스의 유량이 적을 (저류량) 때에는, 퍼지 유량을 많게 하고, 배기 가스의 유량이 많을 (고유량) 때에는, 퍼지 유량을 줄이는 것이 바람직하다. 이로써, 계측 감도를 높게 할 수 있다. 또한, 판정하기 위한 유량은, 직전의 유량을 사용해도 되고, 개산 (槪算) 으로 산출한 유량을 사용해도 된다.
여기서, 유량 측정 장치 (10) 는, 추가로 입사관 (22) 을 흐르는 퍼지 가스 (G) 의 유량에도 기초하여, 배기 가스 (A) 의 유량을 산출하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 상기 서술한 노이즈의 크기와 배기 가스 (A) 의 유량의 관계를 퍼지 가스 (G) 의 유량마다 계측하고, 계측한 관계를 기억해 두어, 입사관 (22) 을 흐르는 퍼지 가스 (G) 의 유량을 계측하고, 계측 결과에 기초하여, 사용하는 노이즈의 크기와 배기 가스의 유량의 관계를 선택하도록 하는 것이 바람직하다.
이하, 도 8 을 이용하여 퍼지 가스 (G) 의 유량에도 기초하여, 배기 가스 (A) 의 유량을 산출하는 방법에 대해 설명한다. 여기서, 도 8 은, 주파수와 노이즈의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 8 은, 세로축을 노이즈 (dB) 로 하고, 가로축을 주파수 (㎑) 로 하였다. 또한, 주파수는, 수광부 (44) 에서 검출한 수광 신호를 복조한 주파수이다. 도 8 에는, 퍼지 유량을 1 ℓ/min, 5 ℓ/min, 10 ℓ/min 로 한 경우에 대해, 주파수와 노이즈의 관계를 계측한 결과를 나타내고 있다. 또한, 측정은, 퍼지 유량 이외에는, 동일한 조건에서 실시하였다. 도 8 에 나타내는 바와 같이, 퍼지 유량이 변화되면, 주파수와 노이즈의 관계도 변화된다. 요컨대, 동일 주파수로 복조해도, 퍼지 유량이 변화되면 노이즈의 크기가 변화된다.
이에 대하여, 입사관 (22) 을 흐르는 퍼지 가스 (G) 의 유량에도 기초하여, 배기 가스 (A) 의 유량을 산출함으로써, 높은 정밀도로 배기 가스 (A) 의 유량을 계측하는 것이 가능해진다. 요컨대, 퍼지 유량의 변화에 의해, 배기 가스 (A) 의 유량의 계측 결과에 오차가 생기는 것을 억제할 수 있다. 또한, 퍼지 유량이 변화되지 않는 구성인 경우에는, 퍼지 가스 (G) 의 유량에 따라, 사용하는 노이즈의 크기와 배기 가스 (A) 의 유량의 관계를 전환하지 않아도 높은 정밀도로 계측을 실시하는 것이 가능해진다.
또, 상기 서술에서는, 퍼지 유량에 따라, 사용하는 노이즈의 크기와 배기 가스의 유량의 관계를 선택하도록 했는데, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 검출되는 노이즈가, 소정 범위가 되도록, 퍼지 유량을 조정하도록 해도 된다. 요컨대, 노이즈가 계측을 실시하기 쉬운 범위가 되도록 적극적으로 퍼지 유량을 조정하도록 해도 된다. 예를 들어, 배기 가스의 유량이 적은 (저류량) 경우에는, 퍼지 유량을 많게 함으로써 계측 감도를 높게 할 수 있다. 또, 배기 가스의 유량이 많은 (고유량) 경우에는, 퍼지 유량을 줄임으로써 계측 감도를 높게 할 수 있다.
여기서, 유량 측정 장치 (10) 에서는, 배기 가스의 흐름 방향의 배기 가스의 압력을 검출하고, 그 압력차에 기초하여 배기 가스의 흐름 방향을 산출하는 흐름 방향 검출 수단 (18) 을 사용하였는데, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 이하, 도 9A, 도 9B, 도 10 내지 도 13 을 이용하여, 흐름 방향 검출 수단의 다른 예를 설명한다.
먼저, 도 9A 및 도 9B 를 이용하여, 흐름 방향 검출 수단의 다른 예를 설명한다. 여기서, 도 9A 는, 흐름 방향 검출 수단의 다른 예의 개략 구성을 나타내는 모식도이고, 도 9B 는, 도 9A 의 Z 방향으로부터 흐름 방향 검출 수단을 본 모식도이다. 도 9A 에 나타내는 흐름 방향 검출 수단 (150) 은, 박막 링 (152) 과, 4 개의 변형 게이지 (154) 와, 변형 게이지 앰프 (156) 를 갖는다. 박막 링 (152) 은, 외경이 주관 (20) 의 내경보다 큰 원 고리, 요컨대 링 형상의 부재이고, 일면이 입사관 (22) 및 출사관 (24) 의 내면과 주관 (20) 에 접속되어 있다. 박막 링 (152) 은, 내경측의 일부가 주관 (20) 의 내경보다 작고, 일부가 주관 (20) 의 내경측에 노출되어 있다. 또, 박막 링 (152) 은, 얇은 판상의 부재이고, 주관 (20) 내를 배기 가스가 흐름으로써, 변형된다 (휜다).
변형 게이지 (폐해 게이지) (154) 는, 도 9B 에 나타내는 바와 같이, 박막 링 (152) 의 표면에 배치되어 있고, 박막 링 (152) 과 함께 변형됨으로써, 박막 링 (152) 의 변형을 검출한다. 또한, 변형 게이지 (154) 는, 변형을 전기 저항의 변화로 검출된다. 또한, 본 실시형태에서는, 변형 게이지 (154) 를 4 지점에 형성하였는데, 변형 게이지 (154) 의 수, 배치 위치는 특별히 한정되지 않는다. 변형 게이지 (154) 는, 검출된 변형을 전기 신호로 하여 변형 게이지 앰프 (156) 로 보낸다.
변형 게이지 앰프 (156) 는, 변형 게이지 (154) 로부터 보내져 온 전기 신호를 증폭시켜, 검출값으로서 검출한다. 또한 변형 게이지 앰프 (156) 는, 변형 게이지 (154) 의 검출값으로부터 박막 링 (152) 의 변형 방향을 검출한다. 요컨대, 변형 게이지 앰프 (156) 는, 박막 링 (152) 이, 배관 (8) 의 출구로부터 배기 가스의 발생 장치를 향하는 방향으로 변형했는지, 배기 가스의 발생 장치로부터 배관 (8) 의 출구를 향하는 방향으로 변형했는지를 검출한다. 변형 게이지 앰프 (156) 는, 변형 게이지 (154) 및 박막 링 (152) 의 변형 방향을 검출하면, 그 방향에 기초하여, 배기 가스의 흐름 방향을 검출한다. 구체적으로는, 변형 게이지 앰프 (156) 는, 박막 링 (152) 이, 배관 (8) 의 출구로부터 배기 가스의 발생 장치를 향하는 방향으로 변형되어 있는 경우에는, 배기 가스가, 배관 (8) 의 출구로부터 배기 가스의 발생 장치를 향하는 방향으로 흐르고 있는 것으로 검출되고, 박막 링 (152) 이, 배기 가스의 발생 장치로부터 배관 (8) 의 출구를 향하는 방향으로 변형되어 있는 경우에는, 배기 가스가 배기 가스의 발생 장치로부터 배관 (8) 의 출구를 향하는 방향으로 흐르고 있는 것으로 검출된다.
이와 같이, 흐름 방향 검출 수단 (150) 을, 주관 (20) 의 배기 가스가 흐르는 영역으로 변형되는 부재 (박막 링 (152)) 와, 이 변형되는 부재의 변형 및 변형 방향을 검출하는 변형 게이지 (154) 를 조합한 구성으로 함으로써도, 배기 가스의 흐름 방향을 검출할 수 있다. 이와 같이, 배기 가스의 흐름 방향을 검출할 수 있음으로써, 주관 (20) 내의 배기 가스의 흐름, 유량을 보다 적절하게 산출할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 박막 링 (152) 을 둘레 방향의 사방에 형성하였는데 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 입사관 (22), 출사관 (24) 에 대응하는 영역은 노치로 해도 된다. 또, 배기 가스가 흐름으로써 변형되는 부재는, 박막 링 (152) 과 같은 링 형상에 한정되지 않는다. 예를 들어, 배기 가스가 흐름으로써 변형되는 부재를, 변형 게이지 (154) 를 배치하는 측정 위치만 주관 (20) 으로부터 돌출된 형상으로 해도 된다. 이와 같이, 주관 (20) 의 내부로 돌출된 부분을 줄임으로써, 흐름 방향 검출 수단 (150) 이 배기 가스의 흐름에 미치는 영향을 보다 줄일 수 있다.
다음으로, 도 10 을 이용하여, 흐름 방향 검출 수단의 다른 예를 설명한다. 도 10 은, 흐름 방향 검출 수단의 다른 예의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 또한, 도 10 에서는, 계측 수단 (14) 의 일부 구성을 간략화하여 나타내고 있다. 도 10 에 나타내는 흐름 방향 검출 수단 (160) 은, 입사관 (22a) 에 배치된 2 개의 발광부 (162a, 162b) 와, 출사관 (24a) 에 배치된 2 개의 수광부 (164a, 164b) 와, 2 개의 유량계 (166a, 166b) 와, 위상 판별부 (168) 를 갖는다.
발광부 (162a) 는, 배기 가스의 흐름 방향에 있어서, 발광부 (162b) 보다 배기 가스의 발생 장치에 가까운 측에 배치되어 있다. 또, 수광부 (164a) 나 배기 가스의 흐름 방향에 있어서, 수광부 (164b) 보다 배기 가스의 발생 장치에 가까운 측에 배치되어 있다. 요컨대, 발광부 (162a), 수광부 (164a) 는, 발광부 (162b), 수광부 (164b) 보다 배기 가스의 발생 장치에 가까운 측에 배치되고, 발광부 (162b), 수광부 (164b) 는, 발광부 (162a), 수광부 (164a) 보다 배관 (8) 의 출구측에 배치되어 있다. 발광부 (162a) 로부터 사출된 광은, 주관 (20) 을 통과하여, 수광부 (164a) 에 입사된다. 발광부 (162b) 로부터 사출된 광은, 주관 (20) 을 통과하여, 수광부 (164b) 에 입사된다.
유량계 (166a) 는, 발광부 (162a) 로부터 사출된 광과, 수광부 (164a) 에서 수광된 광의 관계에 기초하여, 주관 (20) 을 흐르는 배기 가스의 유량을 계측한다. 유량계 (166b) 는, 발광부 (162b) 로부터 사출된 광과, 수광부 (164b) 에서 수광된 광의 관계에 기초하여, 주관 (20) 을 흐르는 배기 가스의 유량을 계측한다. 이와 같이, 발광부 (162a), 수광부 (164a), 유량계 (166a) 는, 1 개의 계측 수단이 되고, 발광부 (162b), 수광부 (164b), 유량계 (166b) 나, 1 개의 계측 수단이 된다. 요컨대, 흐름 방향 검출 수단 (160) 은, 2 개의 계측 수단을 구비하고 있고, 각각의 계측 수단은, 가스 유량을 계측한다.
다음으로, 위상 판별부 (168) 는, 유량계 (166a) 에서 산출되는 유량의 변화와 유량계 (166b) 에서 산출되는 유량의 변화에 기초하여, 배기 가스의 흐름 방향을 판정한다. 구체적으로는, 발광부 (162a), 수광부 (164a), 유량계 (166a) 와, 발광부 (162b), 수광부 (164b), 유량계 (166b) 는, 배기 가스의 흐름 방향에 있어서, 배기 가스의 유량을 계측하고 있는 위치가 상이한 위치가 된다. 그 때문에, 유량이 변화되는 경우에는, 일정한 시간 지연이 발생한다. 요컨대, 계측하는 유량에 위상차가 생긴다. 위상 판별부 (168) 는, 이 유량의 위상차로부터 배기 가스의 흐름 방향을 산출한다. 구체적으로는, 위상 판별부 (168) 는, 유량계 (166a) 에서 계측되는 유량이, 유량계 (166b) 에서 계측되는 유량에 대해, 위상이 느린 경우에는, 배기 가스가 배관 (8) 의 출구로부터 배기 가스의 발생 장치를 향하여 흐르고 있는 것으로 판정한다. 또, 위상 판별부 (168) 는, 유량계 (166b) 에서 계측되는 유량이, 유량계 (166a) 에서 계측되는 유량에 대해, 위상이 느린 경우에는, 배기 가스가 배기 가스의 발생 장치로부터 배관 (8) 의 출구를 향하여 흐르고 있는 것으로 판정한다.
이와 같이, 배기 가스의 유량을 계측하는 수단을 복수 구비하고, 또한 배기 가스의 흐름 방향에 있어서 상이한 위치에 배치되어 있는 경우에는, 그 계측값의 시간 지연에 기초하여, 배기 가스의 흐름 방향을 검출할 수 있다. 또, 배기 가스의 유량으로부터 배기 가스의 흐름 방향을 검출할 수 있기 때문에, 연산 기능을 형성하는 것만으로, 다른 구성을 추가하지 않고, 배기 가스의 흐름 방향을 검출하는 것이 가능해진다.
또한, 배기 가스의 유량 계측 수단은, 상기 서술한 바와 같이 배기 가스에 함유되는 특정한 물질의 농도도 계측할 수 있다.
또, 도 10 에 나타내는 예에서는, 1 개의 입사관 (22a) 에 2 개의 발광부 (162a, 162b) 를 형성하고, 1 개의 출사관 (24a) 에 2 개의 수광부 (164a, 164b) 를 형성하였는데, 다른 관에 형성해도 된다. 이하, 도 11 을 이용하여 설명한다. 여기서, 도 11 은, 흐름 방향 검출 수단의 다른 예의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 도 11 에 나타내는 흐름 방향 검출 수단 (170) 은, 입사관 (171a) 에 배치된 발광부 (172a) 와, 입사관 (171b) 에 배치된 발광부 (172b) 와, 출사관 (173a) 에 배치된 수광부 (174a) 와, 출사관 (173b) 에 배치된 수광부 (174b) 와, 2 개의 유량계 (166a, 166b) 와, 위상 판별부 (168) 를 갖는다. 또한, 2 개의 유량계 (166a, 166b) 와, 위상 판별부 (168) 는, 상기 서술한 도 10 에 나타내는 각 부와 동일한 구성이다.
입사관 (171a) 과 출사관 (173a) 은, 각각 원통 형상이며, 원통의 축이 겹치는 위치에 배치되어 있다. 이로써, 입사관 (171a) 에 배치된 발광부 (172a) 로부터 사출된 광은, 주관 (20) 을 통과하여, 출사관 (173a) 에 배치된 수광부 (174a) 에 입사된다. 또, 입사관 (171b) 과 출사관 (173b) 모두, 각각 원통 형상이며, 원통의 축이 겹치는 위치에 배치되어 있다. 이로써, 입사관 (171b) 에 배치된 발광부 (172b) 로부터 사출된 광은, 주관 (20) 을 통과하여, 출사관 (173b) 에 배치된 수광부 (174b) 에 입사된다. 또, 입사관 (171a), 발광부 (172a), 출사관 (173a), 수광부 (174a) 는, 입사관 (171b), 발광부 (172b), 출사관 (173b), 수광부 (174b) 보다 배기 가스의 발생 장치측에 배치되어 있다.
흐름 방향 검출 수단 (170) 과 같이, 유량을 계측하는 계측 수단을 따로 따로 형성한 경우에도, 흐름 방향 검출 수단 (160) 과 동일한 방법으로, 배기 가스의 흐름 방향을 산출할 수 있다. 또한, 도 11 에 나타내는 흐름 방향 검출 수단 (170) 에서는, 유량을 계측하는 수단 (측정 광의 진행 방향) 을, 배기 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향으로 배치했는데, 소정 각도 경사시켜도 된다.
도 10 또는 도 11 에 나타내는 흐름 방향 검출 수단에서는, 유량을 계측하는 수단 (측정 광의 진행 방향) 을, 평행하게 배치했는데, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 이하, 도 12 를 이용하여 설명한다. 여기서, 도 12 는, 흐름 방향 검출 수단의 다른 예의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 12 에 나타내는 흐름 방향 검출 수단 (180) 은, 입사관 (181a) 에 배치된 발광부 (182a) 와, 입사관 (181b) 에 배치된 발광부 (182b) 와, 출사관 (183a) 에 배치된 수광부 (184a) 와, 출사관 (183b) 에 배치된 수광부 (184b) 와, 2 개의 유량계 (186a, 186b) 와, 방향 판정부 (188) 를 갖는다.
입사관 (181a) 과 출사관 (183a) 은, 각각 원통 형상이며, 원통의 축이 겹치는 위치에 배치되어 있다. 이로써, 입사관 (181a) 에 배치된 발광부 (182a) 로부터 사출된 광은, 주관 (20) 을 통과하여, 출사관 (183a) 에 배치된 수광부 (184a) 에 입사된다. 또, 입사관 (181b) 과 출사관 (183b) 모두, 각각 원통 형상이며, 원통의 축이 겹치는 위치에 배치되어 있다. 이로써, 입사관 (181b) 에 배치된 발광부 (182b) 로부터 사출된 광은, 주관 (20) 을 통과하여, 출사관 (183b) 에 배치된 수광부 (184b) 에 입사된다.
여기서, 본 실시형태에서는, 입사관 (181a) 은, 입사관 (181b) 보다 배기 가스의 발생 장치측에 배치되고, 출사관 (183a) 은, 출사관 (183b) 보다 배관 (8) 의 출구측에 배치되어 있다. 또, 각각 발광부 (182a, 182b) 로부터 출력된 광의 진행 방향은, 배기 가스의 흐름에 직교하는 방향에 대해, 소정 각도 경사져 있다. 구체적으로는, 발광부 (182a) 로부터 출력된 광은, 배기 가스의 흐름에 직교하는 방향보다 배관 (8) 의 출구측으로 경사진 방향으로 사출된다. 발광부 (182b) 로부터 출력된 광은, 배기 가스의 흐름에 직교하는 방향보다 배기 가스의 발생 장치측으로 경사진 방향으로 사출된다. 또한, 발광부 (182a) 로부터 수광부 (184a) 까지의 경로와, 발광부 (182b) 로부터 수광부 (184b) 까지의 경로는, 거의 동일 길이로 되어 있다.
유량계 (186a) 는, 발광부 (182a) 로부터 사출된 광과, 수광부 (184a) 에서 수광된 광의 관계에 기초하여, 주관 (20) 을 흐르는 배기 가스의 유량을 계측한다. 유량계 (186b) 는, 발광부 (182b) 로부터 사출된 광과, 수광부 (184b) 에서 수광된 광의 관계에 기초하여, 주관 (20) 을 흐르는 배기 가스의 유량을 계측한다.
방향 판정부 (188) 는, 유량계 (186a) 와, 유량계 (186b) 에서 각각 검출된 유량에 기초하여, 배기 가스의 흐름 방향을 검출한다. 구체적으로는, 흐름 방향 검출부 (180) 는, 배기 가스의 흐름 방향에 따라, 유량계 (186a) 와 유량계 (186b) 의 어느 일방에서 계측되는 유량이 커진다. 이것은, 입사관 (181a, 181b) 과 주관 (20) 이 이루는 각이 상이하므로, 형성되는 온도 경계층이 변화되기 때문인 것으로 생각된다. 방향 판정부 (188) 는, 이 검출값의 차, 및 어느 쪽의 검출치가 큰지를 판정하고, 그 판정 결과에 기초하여 배기 가스의 흐름 방향을 검출한다.
흐름 방향 검출 수단 (180) 과 같은 구성을 사용함으로써도, 배기 가스의 흐름 방향을 보다 적절하게 검출할 수 있다. 또, 계측 수단의 유닛 중, 어느 쪽이, 배기 가스의 유량을 보다 적절하게 검출할 수 있는지도 판정할 수 있다.
다음으로, 도 13 을 이용하여, 흐름 방향 검출 수단의 다른 예를 설명한다. 여기서, 도 13 은, 흐름 방향 검출 수단의 다른 예의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 도 13 에 나타내는 흐름 방향 검출 수단 (190) 은, 초음파를 이용하여 배기 가스의 흐름 방향을 검출하는 수단으로, 입사관 (192) 과, 발신부 (193) 와, 출사관 (194) 과, 수신부 (195) 와, 방향 판정부 (196) 를 갖는다.
입사관 (192) 과 출사관 (194) 은, 각각 원통 형상으로, 원통의 축이 겹치는 위치에 배치되어 있다. 또, 입사관 (192) 은, 출사관 (194) 보다 배관 (8) 의 출구측에 배치되어 있다. 요컨대, 입사관 (192) 과 출사관 (194) 은, 배기 가스의 흐름에 직교하는 방향에 대해, 소정 각도 경사져 있다.
발신부 (193) 는, 초음파를 출력하는 발신 기기이고, 입사관 (192) 으로부터 주관 (20) 을 향하여 초음파를 출력한다. 수신부 (195) 는, 출사관 (194) 에 배치되어 있고, 발신부 (193) 로부터 출력되어 입사관 (192) 으로부터 주관 (20) 을 통과하여, 출사관 (194) 에 도달한 초음파를 수신한다. 또한, 초음파의 진행 방향은, 배기 가스의 흐름에 직교하는 방향에 대해, 소정 각도 경사져 있다. 구체적으로는, 발신부 (193) 로부터 출력된 광은, 배기 가스의 흐름에 직교하는 방향보다 배기 가스의 발생 장치측으로 경사진 방향으로 사출된다.
방향 판정부 (196) 는, 발신부 (193) 에서 발신한 초음파의 주파수 (파장) 와 수신부 (195) 에서 수신한 초음파의 주파수 (파장) 에 기초하여, 배기 가스의 흐름 방향을 검출한다. 구체적으로는, 방향 판정부 (196) 는, 기준치보다, 초음파의 주파수가 큰 (파장이 짧아진) 것으로 판정하면, 배기 가스는, 배기 가스의 발생 장치로부터 배관 (8) 의 출구를 향해 흐르고 있는 것으로 판정한다. 또, 방향 판정부 (196) 는, 기준치보다, 초음파의 주파수가 작은 (파장이 길어진) 것으로 판정하면, 배기 가스는, 배관 (8) 의 출구로부터 배기 가스의 발생 장치를 향해 흐르고 있는 것으로 판정한다.
흐름 방향 검출 수단 (190) 과 같이 초음파를 사용함으로써도 배기 가스의 흐름 방향을 검출할 수 있다.
여기서, 배기 가스의 흐름 방향을 검출하는 수단은, 상기 실시형태에도 한정되지 않고, 여러 가지의 방법을 이용할 수 있다.
여기서, 유량 측정 장치 (10) 는, 온도 경계층의 주변에 난류를 발생시키는 난류 발생부를 형성하는 것이 바람직하다. 이하, 도 14A 및 도 14B 를 이용하여 설명한다. 도 14A 는, 유량 측정 장치의 다른 실시형태의 일부의 개략 구성을 나타내는 모식도이고, 도 14B 는, 도 14A 의 부분 확대도이다.
도 14A 에 나타내는 계측 셀 (90) 은, 난류 발생부가 되는 돌기부 (92) 를 갖는다. 돌기부 (92) 는, 주관 (20) 의, 배기 가스의 흐름 방향에 있어서 입사관 (22) 보다 상류측이며, 또한 입사관 (22) 의 근방, 요컨대, 주관 (20) 과 입사관 (22) 의 접속부의 근방에 배치되어 있다. 돌기부 (92) 는, 배기 가스의 흐름의 상류측에 볼록하여, 도 14B 에 나타내는 바와 같이, 돌기부 (92) 보다 하류측에 난류를 발생시킨다.
이와 같이 난류 발생부가 되는 돌기부 (92) 를 형성함으로써, 레이저 광의 통과 경로에 난류 (카르만 소용돌이 등) 를 발생시킬 수 있어, 온도 경계층으로부터 흐트러지기 때문에, 노이즈를 보다 크게 할 수 있다. 이와 같이, 노이즈를 크게 할 수 있음으로써, 계측하기 쉽게 할 수 있다. 이로써, 계측 감도를 보다 높게 할 수 있다. 이와 같이, 노이즈를 계측하기 쉽게 할 수 있음으로써, 유량도 산출하기 쉽게 할 수 있다. 또, 검출값이 되는 노이즈가 커짐으로써, 보다 높은 감도로 계측을 실시할 수 있다. 요컨대, 난류 발생부를 형성함으로써, 배기 가스의 유량의 변화에 대한 노이즈의 크기 (수광 신호의 특성) 의 변화를 보다 크게 할 수 있고, 이로써, 보다 높은 정밀도로 유량을 계측할 수 있다.
여기서, 유량 측정 장치 (10) 는, 배기 가스의 유량에 추가로, 배기 가스에 함유되는 특정한 물질의 농도도 측정하도록 해도 된다. 또한, 유량 측정 장치 (10) 는, 기본적으로 새로운 장치를 설치하지 않고, 검출값에 기초하여 산출부에서 계산을 실시함으로써 농도를 계측할 수 있다.
먼저, 농도를 계측하는 경우에는, 발광부 (40) 를, 측정 대상의 물질이 흡수하는 근적외 파장역의 레이저 광을 발광시키는 발광 소자로 한다. 예를 들어, 계측 대상이 일산화질소인 경우, 발광부 (40) 는, 일산화질소를 흡수하는 근적외 파장역의 레이저 광을 발광시키는 발광 소자를 갖는다. 또, 계측 대상이 이산화질소인 경우, 발광부 (40) 는, 이산화질소를 흡수하는 근적외 파장역의 레이저 광을 발광시키는 발광 소자를 갖는다. 또, 계측 대상이 아산화질소인 경우, 발광부 (40) 는, 아산화질소를 흡수하는 근적외 파장역의 레이저 광을 발광시키는 발광 소자를 갖는다. 또한, 측정 대상이 복수의 물질인 경우, 발광부 (40) 는, 각각의 물질이 흡수하는 파장역의 광을 출사하는 발광 소자를 복수 구비하도록 해도 된다. 또 광원 드라이버 (46), 제어부 (50) 는, 산출부 (48) 에, 발광부 (40) 로부터 출력하고 있는 레이저 광의 강도의 정보를 출력한다.
산출부 (48) 는, 수광부 (44) 로부터 보내진 신호 (수광 신호) 와, 제어부 (50) 에 의해 광원 드라이버 (46) 를 구동시키고 있는 조건에 기초하여, 계측 대상 물질의 농도를 산출한다. 구체적으로는, 산출부 (48) 는, 제어부 (50) 에 의해 광원 드라이버 (46) 를 구동시키고 있는 조건에 기초하여, 발광부 (40) 로부터 출력되는 레이저 광의 강도를 산출하고, 수광부 (44) 로부터 보내진 수광 신호에 기초하여, 수광된 레이저 광의 강도를 산출한다. 산출부 (48) 는, 이 발광한 레이저 광의 강도와, 수광된 레이저 광의 강도와 비교하여, 배기 가스 (A) 에 함유되는 측정 대상 물질의 농도를 산출한다.
구체적으로는, 발광부 (40) 로부터 출력된 근적외 파장역의 레이저 광 (L) 은, 광섬유 (42) 로부터 계측 셀 (12) 의 소정 경로, 구체적으로는, 창 (26), 입사관 (22), 주관 (20), 출사관 (24), 창 (28) 을 통과한 후, 수광부 (44) 에 도달한다. 이 때, 계측 셀 (12) 내의 배기 가스 (A) 중에 측정 대상의 물질이 함유되어 있으면, 계측 셀 (12) 을 통과하는 레이저 광이 흡수된다. 그 때문에, 레이저 광 (L) 은, 배기 가스 (A) 중의 측정 대상 물질의 농도에 따라, 수광부 (44) 에 도달하는 레이저 광의 출력이 변화된다. 수광부 (44) 는, 수광된 레이저 광을 수광 신호로 변환하여, 산출부 (48) 로 출력한다. 또, 제어부 (50) 및 광원 드라이버 (46) 는, 발광부 (40) 로부터 출력한 레이저 광 (L) 의 강도를 산출부 (48) 로 출력한다. 산출부 (48) 는, 발광부 (40) 로부터 출력한 광의 강도와, 수광 신호로부터 산출되는 강도를 비교하여, 그 감소 비율로부터 계측 셀 (12) 내를 흐르는 배기 가스 (A) 의 측정 대상물의 농도를 산출한다. 이와 같이 계측 수단 (14) 은, 이른바 TDLAS 방식 (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy：가변 파장 다이오드 레이저 분광법) 을 사용함으로써, 출력한 레이저 광의 강도와, 수광부 (44) 에서 검출된 수광 신호에 기초하여 주관 (20) 내의 소정 위치, 요컨대, 측정 위치를 통과하는 배기 가스 (A) 중의 측정 대상 물질의 농도를, 산출 및/또는 계측할 수 있다. 또, 계측 수단 (14) 은, 연속적으로 측정 대상 물질의 농도를, 산출 및/또는 계측할 수 있다.
또한, 유량 측정 장치 (10) 는, 가스에 함유되는 특정 물질의 농도도 계측하는 경우에는, 장치를 조정함으로써, 구체적으로는, 출력하는 레이저 광의 파장을 조정함으로써, 여러 가지의 물질의 농도를 계측할 수 있다. 측정 대상으로는 여러 가지의 물질로는, 질소산화물, 황화산화물, 일산화탄소, 이산화탄소, 암모니아 등이 예시된다.
이와 같이, 유량 측정 장치 (10) 는, 기본적으로 장치 구성을 증가시키지 않고, 배기 가스의 유량과 특정 물질의 배기 가스 중의 농도를 동시에 계측할 수 있다. 또한, 상기 실시형태에서는, 보다 높은 정밀도로, 또한 원하는 물질만을 선택하여 계측할 수 있기 때문에, TDLAS 방식에 의해 농도를 계측했는데, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 주관 내를 통과한 레이저 광을 수광하여 농도를 계측하는 여러 가지의 방법을 이용할 수 있다.
다음으로, 도 15A 내지 도 15C 를 이용하여, 유량 측정 장치의 다른 실시형태를 설명한다. 여기서, 도 15A 는, 유량 측정 장치의 다른 실시형태의 수광부의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 도 15B 및 도 15C 는, 도 15A 에 나타내는 유량 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 설명도이다. 또한, 도 15A 에 나타내는 수광부를 갖는 유량 측정 장치는, 수광부의 형상을 제외하고 다른 구성은, 상기 서술한 유량 측정 장치 (10) 와 동일하다.
도 15A 에 나타내는 수광부 (100) 는, 4 개의 수광 소자 (102, 104, 106, 108) 를 갖는다. 여기서, 수광 소자 (102, 104, 106, 108) 는, 각각 포토 다이오드 (PD, Photodiode) 등의 광 검출기이며, 수광된 레이저 광의 강도 (광량) 를 수광 신호로 하여 산출부 (48) 로 보낸다. 또, 4 개의 수광 소자 (102, 104, 106, 108) 는, 동일 형상으로, 인접하여 배치되어 있다. 구체적으로는, 수광 소자 (102) 는, 한 변이 수광 소자 (104) 와 접하고, 그 한 변에 접하는 다른 한 변이 수광 소자 (106) 와 접하고 있다. 또, 수광 소자 (104) 는, 한 변이 수광 소자 (102) 와 접하고, 그 한 변에 접하는 다른 한 변이 수광 소자 (108) 와 접하고 있다. 또, 수광 소자 (106) 는, 한 변이 수광 소자 (102) 와 접하고, 그 한 변에 접하는 다른 한 변이 수광 소자 (108) 와 접하고 있다. 또, 수광 소자 (108) 는, 한 변이 수광 소자 (106) 와 접하고, 그 한 변에 접하는 다른 한 변이 수광 소자 (104) 와 접하고 있다. 요컨대, 수광부 (100) 는, 중심을 원점으로 하고 각 소자의 경계의 변을 x 축, y 축으로 한 xy 평면으로 하면, 제 1 상한에 수광 소자 (102) 가 배치되고, 제 2 상한에 수광 소자 (106) 가 배치되고, 제 3 상한에 수광 소자 (108) 가 배치되고, 제 4 상한에 수광 소자 (104) 가 배치된 구성이 된다.
이 수광부 (100) 는, 예를 들어, 온도 경계층의 통과시에 레이저 광이 굴절되지 않았으면, 도 15B 에 나타내는 바와 같이, 상기 서술한 원점 부분에 레이저 광 (110) 이 도달하고, 4 개의 수광 소자 (102, 104, 106, 108) 에 균등하게 광이 도달한다. 이에 대하여, 레이저 광 (110) 이 온도 경계층의 통과시에 굴절되면, 예를 들어, 도 15C 에 나타내는 바와 같이, 레이저 광 (110) 의 도달 위치가 수광 소자 (104) 측으로 이동하여, 수광 소자 (106) 에는, 레이저 광이 수광되지 않는 상태가 된다. 이와 같이 수광부 (100) 는, 레이저 광 (110) 의 도달 위치가 어긋나면, 각 수광 소자가 수광되는 광이 증감하여, 수광 신호가 변동한다. 또, 각 수광 소자의 수광 광량은, 변동하는데, 4 개의 수광 소자 (102, 104, 106, 108) 가 수광된 광의 강도를 합계함으로써, 도달한 레이저 광 (110) 의 총량을 산출할 수 있다.
이로써, 수광부 (100) 를 갖는 유량 측정 장치는, 1 개의 수광 소자가 수광된 수광 신호의 노이즈로부터 배기 가스의 유량을 산출할 수 있다. 또, 4 개의 수광 소자가 수광된 수광 신호의 총량으로부터 측정 대상의 배기 가스 농도를 계측할 수 있다. 이로써, 레이저 광의 도달 위치가 변화한 경우에도, 도달한 광을 모두 수광하고, 그 수광된 강도로부터 측정 대상의 농도를 계측할 수 있기 때문에, 보다 높은 정밀도로 측정 대상의 농도를 계측할 수 있다.
또, 상기 실시형태에서는, 1 개의 수광 소자로 검출된 수광 신호의 노이즈에 의해 상기 서술한 방법으로 유량을 산출했는데, 이것에는 한정되지 않는다. 예를 들어, 각 수광 소자의 수광량을 비교하여 유량을 산출하도록 해도 된다. 요컨대, 노이즈로서 4 개의 수광 소자 (102, 104, 106, 108) 의 상대 변화를 산출하도록 해도 된다. 구체적으로는, 수광량의 증감으로부터, 레이저 광의 흔들림, 변동, 또 이동량을 산출하고, 그 결과로부터 유량을 산출하도록 해도 된다.
예를 들어, 퍼지 유량과 배기 가스의 유량의 상대 관계가 변화하면, 온도 경계층의 형상도 변화된다. 이로써, 레이저 광의 흔들림의 주파수는, 변동 속도, 또 원점으로부터의 최대 이동 거리가 변화된다. 산출부 (48) 는, 미리 실험 등으로 산출한 이들의 관계를 기억해 두어, 수광 신호에 기초하여, 산출한 결과 (각 수광 소자의 수광량의 비, 변화의 주파수 등) 와 기억하고 있는 관계로부터 유량을 산출한다.
또, 산출부 (48) 는, 4 개의 수광 소자 (102, 104, 106, 108) 의 상대 관계로부터, 레이저 광 (110) 의 도달 위치를 산출하고, 그 도달 위치와 원점의 거리로부터, 배기 가스의 유량을 산출하도록 해도 된다. 요컨대, 상기 서술한 바와 같이, 레이저 광의 최대 이동 거리 (원점으로부터의 변위량) 는, 퍼지 유량과 배기 가스의 유량의 상대 관계로부터 산출할 수 있다. 이로써, 레이저 광의 이동 거리를 산출함으로써도 배기 가스의 유량을 산출할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 레이저 광의 도달 위치를 4 개의 수광 소자의 수광량의 밸런스에 기초하여 산출했는데, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 도 16 을 이용하여, 수광부의 다른 일례에 대해 설명한다. 여기서, 도 16 은, 수광부의 다른 일례의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 도 16 에 나타내는 수광부 (130) 는, 수광 소자 (132) 가 매트릭스상으로 배치되어 있다. 구체적으로는, 64 개의 수광 소자 (132) 가 세로 8 개, 가로 8 개씩의 행렬로 배치되어 있다. 수광부 (130) 의 64 개의 수광 소자 (132) 는, 각각 수광 신호를 산출부 (48) 로 보낸다.
이와 같이, 수광 소자를 매트릭스상으로 배치함으로써, 수광된 수광 소자의 위치에 기초하여, 레이저 광의 도달 위치를 산출할 수도 있다. 예를 들어, 8 × 8 의 중심에 레이저 광 (140) 이 도달한 경우에는, 중앙의 4 개의 수광 소자가 광을 검출한다. 이 경우에는, 4 개의 수광 소자의 중심을 도달 위치로 하면 된다. 또, 레이저 광이 이동하여, 레이저 광의 도달 위치가 위치 142 가 되었을 때도, 수광된 4 개의 수광 소자의 중심을 도달 위치로 하면 된다. 또, 추가로 레이저 광이 이동하여, 레이저 광의 도달 위치가 위치 144 가 되었을 때에는, 광을 수광하는 수광 소자는, 1 개가 된다. 이 경우에는, 그 1 개의 수광 소자의 위치를 도달 위치로 하면 된다.
이와 같이, 다수의 수광 소자를 매트릭스상으로 배치함으로써, 수광량의 밸런스를 검출하지 않아도, 레이저 광의 도달 위치를 검출할 수 있다. 또, 유량 측정 장치는, 도달 위치의 정보로부터 유량을 산출할 수 있다. 또한, 수광 소자의 배치 순서는, 본 실시형태에는 한정되지 않는다. 예를 들어, 중심부 부근은, 수광 소자를 광에 배치하여, 중심으로부터 멀어짐에 따라 드문드문해지도록 배치해도 된다.
또한, 유량 측정 장치는, 상기 실시형태에도 한정되지 않는다. 유량 측정 장치는, 배기 가스의 유량과 퍼지 가스의 유량의 상대 관계에 따라 레이저 광의 도달 위치 변동의 특성이 변화되는 것을 이용하여, 수광부의 수광 신호에 기초하여 배기 가스의 유량을 산출하는 여러 가지의 방법을 이용할 수 있다. 요컨대, 본 발명의 유량 측정 장치는, 수광부로부터 보내지는 수광 신호에 기초하여, 레이저 광의 도달 위치 변동의 여러 가지의 특성 (노이즈, 변동 위치, 이동 거리) 을 산출함으로써, 또 필요에 따라, 퍼지 가스의 유량도 가미함으로써, 배기 가스의 유량을 산출한다.
또한, 상기 서술한 바와 같이, 퍼지 가스 공급관 (30, 32) 의 분출구를 창 (26, 28) 측을 향하여 배치함으로써, 창 (26, 28) 주변에 효율적으로 퍼지 가스를 공급할 수 있고, 창 (26, 28) 이 오염되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 이 때문에, 퍼지 가스 공급관 (30, 32) 의 분출구를 창 (26, 28) 측을 향하여 배치하는 것이 바람직하지만, 본 발명은, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 입사관, 출사관의 축에 수직인 방향으로 퍼지 가스를 배출하도록 해도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 입사관과 출사관을 동 축상에 형성하였는데 이것에는 한정되지 않는다. 예를 들어, 계측 셀 내에 광학 미러를 설치하고, 입사관의 창으로부터 입사된 레이저 광을 계측 셀 내의 광학 미러로 다중 반사시킨 후, 출사관의 창에 도달시키도록 해도 된다. 이와 같이 레이저 광을 다중 반사시킴으로써, 계측 셀 내의 보다 많은 영역을 통과시킬 수 있다. 이로써, 계측 셀 내를 흐르는 배기 가스의 농도의 분포 (배기 가스의 유량이나 밀도의 편차, 배기 가스 내의 농도 분포의 편차) 의 영향을 작게 할 수 있어, 정확하게 농도를 검출할 수 있다.
또, 상기 실시형태에서는, 모두 계측 셀의 주관과, 배기 가스를 흐르게 하는 배관을 별도의 부재로 했는데, 일체로 해도 된다. 예를 들어, 계측 셀의 주관이 배기 가스를 배출하는 장치에 직접 연결해도 된다.
또, 계측 셀의 주관의 관형상은, 레이저 광을 통과할 수 있으면 되고, 단면이 원이 되는 관이어도 되고, 단면이 다각형이 되는 관이어도 되고, 단면이 타원형이 되는 관이어도 된다. 또, 관의 내주의 단면과 외주의 단면이 상이한 형상이 되어도 된다. 또, 입사관, 출사관도 상기 서술한 바와 같이 형상은 한정되지 않는다.
또, 상기 실시형태에서는, 배관을 흐르는 가스의 유량을 계측했는데, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 유속의 계측도 가능하다. 예를 들어, 상기 서술한 수광 신호와 유량의 관계와, 유량과 유속의 관계를 사용함으로써 유속을 산출할 수 있다. 요컨대, 배관의 직경은 일정하므로, 산출된 유량을 배관의 직경으로 나눔으로써 유속을 산출할 수 있다. 또, 수광 신호와 유량의 관계와 같이, 미리 관계를 산출해 둠으로써, 수광 신호의 계측값으로부터 유속을 산출할 수 있다. 요컨대, 산출부에 의한 산출 방법, 산출식을 변경함으로써, 유량 측정 장치를 유속 측정 장치로서 사용할 수 있다. 또, 유량 측정 장치에 유속 측정 기능을 갖게할 수도 있다. 이와 같이, 유속을 계측하는 경우도 상기 서술한 바와 같이, 높은 응답성으로 계측이 가능하고, 또한 엄격한 환경에서의 계측이 가능하다. 또, 이와 같이, 배기 가스의 유속을 계측하는 경우도 배기 가스의 흐름 방향을 함께 검출할 수 있음으로써, 보다 적절하게 배기 가스의 흐름을 검출할 수 있다.
또, 유속을 계측하는 경우에는, 배관 (유로) 내를 흐르는 가스 (유체) 의 유속을 계측하는 것에 한정되지 않고, 입사관과 출사관 사이 (레이저 광의 통과 경로) 를 측정 영역으로 하고, 그 측정 영역을 흐르는 유체의 유속을 계측할 수 있다. 요컨대, 닫혀진 유로를 흐르는 유체에 한정되지 않고, 개방된 측정 영역을 흐르는 유체의 유속도 계측할 수 있다.
이하, 도 17, 도 18A 및 도 18B 를 이용하여, 유속 측정 장치의 일례에 대해 설명한다. 여기서, 도 17 은, 본 발명의 유속 측정 장치의 일 실시형태의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 또, 도 18A 는, 도 17 에 나타내는 유속 측정 장치의 계측 셀의 일부를 확대하여 나타내는 확대 모식도이고, 도 18B 는, 도 17 에 나타내는 유속 측정 장치의 계측 셀을 배기 가스 흐름 방향에 평행한 방향에서 본 모식도이다. 또한, 유속 측정 장치 (200) 는, 배기 가스를 배출하는 배출 공급 장치 및 그 배관과의 관계와 산출부 (210) 의 산출 방법이 상이할 뿐으로, 다른 구성은, 유량 측정 장치 (10) 와 동일하다. 따라서, 유속 측정 장치 (200) 중, 유량 측정 장치 (10) 와 동일한 구성인 부분에는, 동일한 부호를 부여하여, 그 설명을 생략하고, 이하, 유속 측정 장치 (200) 에 특유의 구성에 대해 설명한다.
도 17 에 나타내는 바와 같이, 유속 측정 장치 (200) 는, 계측 셀 (202) 과, 계측 수단 (204) 과, 퍼지 가스 공급 수단 (16) 을 갖고, 배관 (9) 으로부터 배출되는 배기 가스 (A) 가 소정의 측정 영역을 통과할 때의 유속을 계측한다. 또한, 배관 (9) 으로부터 배출된 배기 가스는, 일부의 배기 가스 (A) 가 측정 영역을 통과하고, 일부의 배기 가스 (A′) 는, 측정 영역을 통과하지 않는다.
계측 셀 (202) 은, 기본적으로, 입사관 (22) 과, 출사관 (24) 을 갖는다. 또, 입사관 (22) 에는, 창 (26) 과, 퍼지 가스 공급관 (30) 이 형성되어 있고, 출사관 (24) 은, 창 (28) 과, 퍼지 가스 공급관 (32) 이 형성되어 있다. 요컨대, 계측 셀 (202) 은, 주관을 구비하고 있지 않은 것 이외에는, 계측 셀 (12) 과 동일한 구성이다. 다음으로, 입사관 (22) 과 출사관 (24) 의 배치 위치를 설명한다.
입사관 (22) 은, 도 17, 도 18A 및 도 18 B 에 나타내는 바와 같이 배기 가스 (A) 의 배출 방향에 있어서, 배관 (9) 의 종단보다 하류측이며, 배관 (9) 으로부터 일정 거리 이간된 위치에 배치되어 있다. 또, 입사관 (22) 은, 도 18B 에 나타내는 바와 같이, 일방의 단부 (퍼지 가스 (G) 가 배출되는 단부) 가, 배관 (9) 의 개구면의 연장선에서 둘러싸진 영역보다 내측에 배치되어 있다.
또, 출사관 (24) 도 배기 가스 (A) 의 배출 방향에 있어서, 배관 (9) 의 종단보다 하류측이며, 배관 (9) 으로부터 일정 거리 이간된 위치에 배치되어 있다. 또, 출사관 (24) 은, 도 18B 에 나타내는 바와 같이, 일방의 단부 (퍼지 가스 (G) 가 배출되는 단부) 가, 배관 (9) 의 개구면의 연장선에서 둘러싸진 영역보다 내측에 배치되어 있다. 또한, 출사관 (24) 은, 입사관 (22) 에 대향하여 배치되어 있다. 구체적으로는, 일방의 단부가, 입사관 (22) 의 일방의 단부와 서로 마주 보는 위치이며, 또한 입사관 (22) 과 출사관 (24) 사이에 배기 가스 (A) 가 흐르는 위치에 배치되어 있다. 또한, 입사관 (22) 과 출사관 (24) 은, 임의의 지지부에 의해 배치 위치를 고정시킬 수 있다.
계측 셀 (202) 은, 이와 같은 구성으로, 창 (26) 으로부터 입사관 (22) 에 입사된 레이저 광 (L) 은, 입사관 (22) 과 출사관 (24) 사이의 공간 (측정 영역) 을 통과한다. 이 측정 영역을 통과한 레이저 광 (L) 은, 출사관 (24), 창 (28) 을 통과하여, 수광부 (44) 에서 수광된다.
다음으로, 계측 수단 (204) 은, 발광부 (40) 와, 광섬유 (42) 와, 수광부 (44) 와, 광원 드라이버 (46) 와, 산출부 (210) 와, 제어부 (50) 를 갖는다. 또한, 발광부 (40) 와, 광섬유 (42) 와, 수광부 (44) 와, 광원 드라이버 (46) 와, 제어부 (50) 는, 상기 서술한 계측 수단 (14) 의 각 부와 동일하므로, 설명은 생략한다.
산출부 (210) 는, 상기 서술한 바와 같이, 수광 신호와 유속의 관계가 미리 기억되어 있고, 수광부 (44) 로부터 보내진 수광 신호에 기초하여, 측정 영역을 흐르는 배기 가스 (A) 의 유속을 산출한다. 또한, 산출에 대해서는, 후술한다.
유속 측정 장치 (200) 는, 퍼지 가스 공급 수단 (16) 에 의해 입사관 (22) 및 출사관 (24) 에 퍼지 가스 (G) 를 공급한다. 또, 측정 영역 (요컨대, 입사관 (22) 및 출사관 (24) 사이) 에는, 배관 (9) 으로부터 배출되는 배기 가스 (A) 가 흐르고 있다. 이로써, 도 18A 및 도 18B 에 나타내는 바와 같이, 입사관 (22) 의 퍼지 가스 (G) 의 출구 (일방의 단부) 에는, 퍼지 가스 (G) 와 배기 가스 (A) 가 섞임으로써 발생하는 온도 경계층 (220) 이 형성된다. 이와 같이, 온도 경계층 (220) 이 형성됨으로써, 수광 신호에 (노이즈) 변동이 생긴다. 또, 이 변동은, 퍼지 가스 (G) 의 유속과, 배기 가스 (A) 의 유속의 관계에 따라 변화된다.
산출부 (210) 에는, 이 유속과 수광 신호의 변동의 관계가 실험 등에 의해 미리 산출되어 기억되어 있고, 계측시에, 수광 신호에 기초하여 유속을 산출한다. 요컨대, 산출 결과가 유량으로부터 유속이 되지만, 기본적으로 상기 서술한 방법과 마찬가지로 유속을 산출한다.
이와 같이, 유속 측정 장치는, 입사관에 퍼지 가스를 공급하면서, 측정 영역에 레이저 광을 통과시키고, 그 수광 신호를 계측함으로써, 유속을 산출할 수 있다. 또, 유속 측정 장치는, 본 실시형태와 같이, 측정 대상의 배기 가스를 흐르게 하는 주관을 형성하지 않고, 측정을 실시할 수 있다. 이 때문에, 측정 영역을 자유롭게 설정할 수 있어, 계측의 자유도를 보다 높게 할 수 있다. 예를 들어 입사관과 출사관의 거리를 다양한 거리로 변화시킴으로써, 각 위치에서의 유속을 계측할 수 있다. 또, 배기 가스의 배출 개구로부터의 거리도 다양한 거리로 할 수 있다. 또한, 예를 들어, 배관 내의 임의의 위치의 유속 등도 계측할 수 있다.
또, 이와 같이, 배관 이외의 영역을 흐르는 유체의 유속을 검출하는 경우도 흐름 방향 검출 수단에 의해 배기 가스의 흐름 (측정 영역의 흐름) 을 검출함으로써, 측정 대상의 유체의 흐름을 보다 적절하게 검출할 수 있다. 또, 흐름 방향 검출 수단으로는, 상기 서술한 각종 방법을 이용할 수 있다.
또한, 유속 측정 장치의 경우도, 그 외 각종 조건에 기초하여, 수광 신호와 유속의 관계를 복수 기억해 두고, 각종 조건에 기초하여, 사용하는 관계를 전환함으로써 보다 정확하게 산출할 수도 있다.
또, 상기 실시형태는, 모두 기체의 가스를 측정 대상으로 했는데, 액체의 경우도 동일하게 유량과 유속을 계측할 수 있다. 요컨대, 유체이면 기체, 액체를 불문하고 계측할 수 있다. 또한, 액체의 유량, 유속을 계측하는 경우에는, 퍼지 유체로서 액체를 사용하는 것이 바람직하다.
산업상 이용가능성
이상과 같이, 본 발명에 관련된 유량 측정 장치 및 유속 측정 장치는, 유체의 유량 또는 유속의 계측에 유용하다.
6, 8 배관
10 유량 측정 장치
12 계측 셀
14 계측 수단
16 퍼지 가스 공급 수단
18 흐름 방향 검출 수단
20 주관
22 입사관
24 출사관
26, 28 창
30, 32 퍼지 가스 공급관
40 발광부
42 광섬유
44 수광부
46 광원 드라이버
48 산출부
50 제어부
52 펌프
54 드라이어
56 유량계
62, 64 검출 소자
66 차압 검출기
200 유속 측정 장치

Claims (24)

  1. 양 단이 개방되어, 각각 유체를 흐르게 하는 유로와 연결 가능한 주관, 상기 주관에 연결되고, 상기 주관과 연결되어 있는 측과 반대측의 단부에 광이 통과 가능한 창부가 형성된 입사관, 상기 주관에 연결되고, 상기 주관과 연결되어 있는 측과 반대측의 단부에 광이 통과 가능한 창부가 형성된 출사관 및 상기 입사관과 연결된 제 1 퍼지 유체 공급관으로 구성된 계측 셀과,
    상기 계측 셀의 상기 제 1 퍼지 유체 공급관에 퍼지 유체를 공급하는 퍼지 유체 공급부와,
    상기 입사관에 레이저 광을 입사시키는 발광부와,
    상기 입사관으로부터 입사되고, 상기 계측 셀을 통과하고, 상기 출사관으로부터 출사된 상기 레이저 광을 수광하여, 수광된 광량을 수광 신호로서 출력하는 수광부와,
    상기 수광부로부터 출력되는 수광 신호에 기초하여, 상기 계측 셀을 흐르는 유체의 유량을 산출하는 산출부와,
    상기 계측 셀을 흐르는 유체의 흐름 방향을 검출하는 흐름 방향 검출부와,
    각 부의 동작을 제어하는 제어부와,
    상기 퍼지 유체를 건조시키는 드라이어를 갖고,
    상기 제 1 퍼지 유체 공급관은, 상기 퍼지 유체의 분출구가 되는 부분이 창부를 향하여 경사진 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 방향 검출부는, 흐름 방향에 평행한 양 방향으로부터의 압력차를 검출하는 차압 검출부를 갖고, 상기 차압 검출부에서 검출된 압력차에 기초하여, 흐름 방향을 검출하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 방향 검출부는, 상기 유로에 노출되어, 유체의 흐름에 의해 변형되는 변형부를 갖고, 상기 변형부의 변형 방향에 기초하여, 흐름 방향을 검출하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광부와, 상기 수광부와, 상기 산출부로 구성되는 측정 유닛을 적어도 2 개 갖고,
    상기 흐름 방향 검출부는, 상기 측정 유닛으로 산출되는 유량의 산출값에 기초하여, 흐름 방향을 검출하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 방향 검출부는, 상기 유로에 초음파를 출력하는 초음파 출력부와, 상기 초음파 출력부로부터 출력된 초음파를 수신하는 초음파 수신부를 갖고,
    상기 초음파 수신부에서 수신한 초음파의 주파수에 기초하여, 흐름 방향을 검출하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 산출부는, 상기 수광부에서 수광된 수광 신호를 1 개의 주파수로 복조 (復調) 하고, 복조한 신호의 변동의 크기에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 산출부는, 상기 수광부에서 수광된 수광 신호를 상이한 2 개의 주파수로 각각 복조하고, 복조한 2 개의 주파수에 있어서의 신호의 변동의 크기에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 산출부는, 상기 수광부에서 수광된 수광 신호를 복수의 상이한 주파수로 각각 복조하고, 복조한 복수의 주파수에 있어서의 신호의 변동의 크기에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 산출부는, 미리 산출한 변동과 유량의 관계를 기억하고 있고, 상기 관계와 상기 변동의 크기에 기초하여 상기 유체의 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 산출부는, 상기 입사관을 흐르는 퍼지 유체의 유량마다, 상기 변동과 상기 유체의 유량의 관계를 기억하고 있고,
    상기 입사관을 흐르는 퍼지 유체의 유량과 상기 변동에 기초하여 상기 유체의 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 산출부에서 산출한 상기 유체의 유량을 포함하는 영역에서 변동의 변화량이 커지는 상기 퍼지 유체의 유량을 산출하고, 산출 결과에 기초하여, 상기 퍼지 유체 공급부로부터 상기 제 1 퍼지 유체 공급관에 공급하는 퍼지 유체의 유량을 조정하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 산출부는, 추가로 상기 발광부로부터 출력한 레이저 광의 강도와, 상기 수광부에서 수광된 레이저 광의 강도에 기초하여, 상기 계측 셀을 흐르는 배유체의 측정 대상 물질의 농도도 산출하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광부는, 인접하여 배치된 복수의 수광 소자를 갖고, 각 수광 소자로 수광된 광량을 수광 신호로서 출력하고,
    상기 산출부는, 각 수광 소자로부터 보내진 수광 신호의 강도의 비교에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 산출부는, 각 수광 소자로부터 보내진 수광 신호의 강도의 비교에 기초하여, 상기 레이저 광의 도달 위치를 산출하고, 상기 도달 위치와 기준 위치의 어긋남에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 산출부는, 각 수광 소자로부터 보내진 수광 신호의 강도의 총량과, 상기 수광부에서 수광된 레이저 광의 강도에 기초하여, 상기 계측 셀을 흐르는 배유체의 측정 대상 물질의 농도도 산출하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 계측 셀은, 상기 주관의, 상기 유체의 흐름 방향에 있어서 상기 입사관의 상류측, 또한 상기 입사관의 근방에, 상기 입사관의 근방의 공기의 흐름을 난류로 하는 난류 발생부를 갖는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    추가로, 상기 출사관과 연결된 제 2 퍼지 유체 공급관을 갖고,
    상기 퍼지 유체 공급부는, 상기 제 2 퍼지 유체 공급관에도 퍼지 유체를 공급하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 산출부는, 추가로, 상기 수광부로부터 출력되는 수광 신호에 기초하여, 상기 계측 셀의 상기 주관을 흐르는 유체의 유속을 계측하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체는, 기체인 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  20. 일방의 단부가 측정 영역과 서로 마주 보는 개구이고, 반대측의 단부에 광이 통과 가능한 창부가 형성된 입사관, 일방의 단부가 상기 입사관과 대향하고, 또한 상기 측정 영역과 서로 마주 보는 개구이고, 반대측의 단부에 광이 통과 가능한 창부가 형성된 출사관 및 상기 입사관과 연결된 제 1 퍼지 유체 공급관으로 구성된 계측 셀과,
    상기 계측 셀의 상기 제 1 퍼지 유체 공급관에 퍼지 유체를 공급하는 퍼지 유체 공급부와,
    상기 입사관에 레이저 광을 입사시키는 발광부와,
    상기 입사관으로부터 입사되어, 상기 측정 영역을 통과하고, 상기 출사관으로부터 출사된 레이저 광을 수광하여, 수광된 광량을 수광 신호로서 출력하는 수광부와,
    상기 수광부로부터 출력되는 수광 신호에 기초하여, 상기 측정 영역을 흐르는 유체의 유속을 산출하는 산출부와,
    상기 측정 영역을 흐르는 유체의 흐름 방향을 검출하는 흐름 방향 검출부와,
    각 부의 동작을 제어하는 제어부와,
    상기 퍼지 유체를 건조시키는 드라이어를 갖고,
    상기 제 1 퍼지 유체 공급관은, 상기 퍼지 유체의 분출구가 되는 부분이 창부를 향하여 경사진 것을 특징으로 하는 유속 측정 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 흐름 방향 검출부는, 흐름 방향에 평행한 양 방향으로부터의 압력차를 검출하는 차압 검출부를 갖고, 상기 차압 검출부에서 검출된 압력차에 기초하여, 흐름 방향을 검출하는 것을 특징으로 하는 유속 측정 장치.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 흐름 방향 검출부는, 상기 측정 영역에 노출되어, 유체의 흐름에 의해 변형되는 변형부를 갖고, 상기 변형부의 변형 방향에 기초하여, 흐름 방향을 검출하는 것을 특징으로 하는 유속 측정 장치.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 계측 셀은, 상기 입사관의 일방의 단부 및 상기 출사관의 일방의 단부와 각각 연결되어, 측정 대상의 유체가 흐르는 주관을 갖고,
    상기 측정 영역은, 상기 주관의 일부인 것을 특징으로 하는 유속 측정 장치.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 유체는, 기체인 것을 특징으로 하는 유속 측정 장치.
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