專利名稱：流體測量裝置、流體測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量廢氣等流體的流速等的流體測量裝置以及流體測量方法。
背景技術(shù)：
為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的低燃耗化、低排放化，詳細(xì)解析發(fā)動(dòng)機(jī)的1次燃燒周期比較重 要。因此，詳細(xì)地測定從發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣(煙氣)的溫度、濃度等的變化是很有效的。過 去，已知有可使用激光詳細(xì)檢測煙氣的溫度和濃度的測量裝置(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。專利文獻(xiàn)1 日本專利第3943853號(hào)公報(bào)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的技術(shù)問題這里，若知道廢氣的氣體濃度和流速，即可求得廢氣中所含有的單位時(shí)間內(nèi)各氣 體的質(zhì)量或單位模式行駛方式的總排出量等。因此，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的低燃耗化、低排放 化，除了廢氣的溫度、濃度的變化以外，詳細(xì)地測定廢氣的流速也很重要。然而，現(xiàn)有技術(shù)尚 未提及能夠詳細(xì)測定高溫廢氣的流速或流量的方法。本發(fā)明的課題在于提供可詳細(xì)測量流體流速的流體測量裝置及流體測量方法。解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案本發(fā)明通過如下的解決方案解決所述課題。另外，為了易于理解，標(biāo)記出對(duì)應(yīng)本發(fā) 明的實(shí)施例的符號(hào)進(jìn)行說明，但并非限定于此。權(quán)利要求1的發(fā)明為一種流體測量裝置(10)，包括發(fā)生器側(cè)檢測部(30)，其 檢測隨流體的發(fā)生狀態(tài)而變化的表示流體發(fā)生器(20)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的參數(shù)；管路側(cè)檢測部 (40)，設(shè)置于包含所述流體發(fā)生器產(chǎn)生的流體的流體所通過的管路(22)的途中，其檢測隨 所述流體發(fā)生器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)而變化的流過該管路的所述流體相關(guān)的參數(shù)；運(yùn)算部(50)，基 于所述發(fā)生器側(cè)檢測部檢測出的參數(shù)變化與所述管路側(cè)檢測部檢測出的參數(shù)變化的時(shí)間 差以及與所述流體發(fā)生器相關(guān)參數(shù)的檢測位置和所述管路側(cè)檢測部沿著所述管路上的距 離(L)計(jì)算所述流體的流速。權(quán)利要求2的發(fā)明為一種流體測量裝置(10)，其特征在于，在權(quán)利要求1所述的 流體測量裝置中，所述運(yùn)算部(50)基于所述流體的流速和所述管路的截面積計(jì)算所述流 體的流量。權(quán)利要求3的發(fā)明為一種流體測量裝置(10)，其特征在于，在權(quán)利要求1或2所 述的流體測量裝置中，與所述流體相關(guān)的參數(shù)包括該流體的溫度、該流體所含物質(zhì)的濃度、 以及被所述物質(zhì)吸收、散射、發(fā)射的光的強(qiáng)度在的至少一個(gè)參數(shù)。權(quán)利要求4的發(fā)明為一種流體測量裝置(10)，其特征在于，在權(quán)利要求1 3中 任一項(xiàng)所述的流體測量裝置中，所述流體發(fā)生器為產(chǎn)生作為流體的廢氣的內(nèi)燃機(jī)(20)；與 所述流體相關(guān)的參數(shù)包括該內(nèi)燃機(jī)所包括的進(jìn)氣閥的開閉度、排氣閥的開閉度、該內(nèi)燃機(jī) 所包括的燃燒室內(nèi)的壓力、以及該內(nèi)燃機(jī)所包括的曲軸的轉(zhuǎn)角中的至少一個(gè)參數(shù)。
4
權(quán)利要求5的發(fā)明為一種流體測量裝置(10)，其特征在于，在權(quán)利要求1 4中 任一項(xiàng)所述的流體測量裝置中，所述管路側(cè)檢測部(40)包括向所述流體中照射激光的照 射部(41)和接收在所述流體中透射或散射的所述激光的光接收部(42)；基于所述照射部 照射的照射光和所述光接收部接收的透射光的強(qiáng)度比而檢測與所述流體相關(guān)的參數(shù)。權(quán)利要求6的發(fā)明為一種流體測量裝置(110)，其特征在于，在權(quán)利要求1 5 中任一項(xiàng)所述的流體測量裝置中，沿所述管路而設(shè)置有多個(gè)所述管路側(cè)檢測部(40，140)； 所述運(yùn)算部(50)根據(jù)所述流體的流速而選擇使用所述多個(gè)管路側(cè)檢測部中的任一者的輸 出ο權(quán)利要求7的發(fā)明為一種流體測量裝置(10)，其特征在于，在權(quán)利要求1 6中 任一項(xiàng)所述的流體測量裝置中，所述運(yùn)算部(50)通過對(duì)比基于所述發(fā)生器側(cè)檢測部(30) 檢測出的參數(shù)變化的波形信號(hào)和基于所述管路側(cè)檢測部(40)檢測出的參數(shù)變化的波形信 號(hào)來判斷所述發(fā)生器側(cè)檢測部檢測出的參數(shù)變化與所述管路側(cè)檢測部檢測出的參數(shù)變化 的時(shí)間差(AT)0權(quán)利要求8的發(fā)明為一種流體測量裝置(10)，其特征在于，在權(quán)利要求1 7中 任一項(xiàng)所述的流體測量裝置中，所述運(yùn)算部(50)通過計(jì)算所述發(fā)生器側(cè)檢測部(20)檢測 出的參數(shù)變化和所述管路側(cè)檢測部(40)檢測出的參數(shù)變化的相關(guān)來判斷所述發(fā)生器側(cè)檢 測部檢測出的參數(shù)變化與所述管路側(cè)檢測部檢測出的參數(shù)變化的時(shí)間差。權(quán)利要求9的發(fā)明為一種流體測量裝置(10)，其特征在于，在權(quán)利要求1 8中 任一項(xiàng)所述的流體測量裝置中，所述流體發(fā)生器為產(chǎn)生作為流體的廢氣的內(nèi)燃機(jī)(20)；所 述運(yùn)算部(50)基于對(duì)由所述管路側(cè)檢測部(40)的輸出信號(hào)得到的與所述廢氣相關(guān)的參數(shù) 變化進(jìn)行信號(hào)解析的結(jié)果來推算所述內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速。權(quán)利要求10的發(fā)明為一種流體測量裝置(210)，其特征在于，在權(quán)利要求1 9 中任一項(xiàng)所述的流體測量裝置中，所述流體發(fā)生器為流體供給裝置(70)，在所述管路側(cè)檢 測部(40)的上游對(duì)流過所述管路(22)內(nèi)的第一流體供給第二流體以增減所述第一流體所 含物質(zhì)的濃度，所述管路側(cè)檢測部(40)檢測與所述第1流體或所述第2流體相關(guān)的參數(shù)的變化。權(quán)利要求11的發(fā)明為一種流體測量方法，包括發(fā)生器側(cè)檢測工序，檢測隨該流 體的發(fā)生狀態(tài)而變化的流體發(fā)生器(20)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的參數(shù)；管路側(cè)檢測工序，在包含所述 流體發(fā)生器產(chǎn)生的流體的流體所通過的管路(22)的途中，檢測隨所述流體發(fā)生器的運(yùn)轉(zhuǎn) 狀態(tài)而變化的與流過該管路的所述流體相關(guān)的參數(shù)；運(yùn)算工序，基于所述發(fā)生器側(cè)檢測工 序中檢測出的參數(shù)變化與所述管路側(cè)檢測工序中檢測出的參數(shù)變化的時(shí)間差以及與所述 流體發(fā)生器相關(guān)參數(shù)的檢測位置和所述管路側(cè)檢測部沿著所述管路的距離來計(jì)算所述流 體的流速。另外，根據(jù)標(biāo)記符號(hào)進(jìn)行說明的構(gòu)成，可進(jìn)行適當(dāng)改良，也可以用其他構(gòu)成物代替 其中的至少一部分。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，可獲得以下效果(1)由于本發(fā)明中的流體測量裝置及流體測量方法檢測與流體發(fā)生器相關(guān)的參數(shù) 的變化和與流體相關(guān)的參數(shù)的變化，并基于這些參數(shù)的變化的時(shí)間差(滯后時(shí)間)求得流速，因而可詳細(xì)測量流體的流速。(2)由于可與流體的流速一并求得流體的流量，因此非常方便。(3)由于管路側(cè)檢測部為基于激光的照射光和透射光的強(qiáng)度比等測量與流體相關(guān) 參數(shù)的高響應(yīng)型傳感器，因此可詳細(xì)測定與流體相關(guān)的參數(shù)變化，從而可詳細(xì)測定流體的 流速。此外，即使流體在高溫下也一定能夠檢測出參數(shù)的變化。(4)由于設(shè)置了多個(gè)管路側(cè)檢測部，增加了發(fā)生器側(cè)檢測部與管路側(cè)檢測部的距 離變化，因此，可不受限于流體流速而詳細(xì)地測量流體的流速。(5)由于對(duì)與廢氣相關(guān)的參數(shù)的變化進(jìn)行信號(hào)解析從而推算內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此， 還能作為轉(zhuǎn)速計(jì)而發(fā)揮作用，比較方便。(6)由于向第一流體供給第二流體，因此，在第1流體自身的參數(shù)變化較小或無變 化的情況下，也一定能夠測量流體的流速。


圖1為第一實(shí)施例的流速計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖；圖2為圖1所示的流速計(jì)所包括的測量單元的結(jié)構(gòu)圖；圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2400轉(zhuǎn)/min時(shí)表示測量單元輸出的曲線圖；圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3600轉(zhuǎn)/min時(shí)表示測量單元輸出的曲線圖；圖5為對(duì)比排氣閥的開度信號(hào)和表示廢氣溫度變化的信號(hào)的示意圖；圖6為對(duì)比氣體溫度、H20濃度的能量譜與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(2400轉(zhuǎn)/min)的能量譜 的示意圖；圖7為對(duì)比C02濃度、CO濃度的能量譜與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(2400轉(zhuǎn)/min)的能量譜 的示意圖；圖8為對(duì)比014濃度的能量譜與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(2400轉(zhuǎn)/min)的能量譜的示意圖；圖9為對(duì)比氣體溫度、H20濃度的能量譜與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(3600轉(zhuǎn)/min)的能量譜 的圖；圖10為對(duì)比C02濃度、CO濃度的能量譜與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(3600轉(zhuǎn)/min)的能量譜 的圖；圖11為對(duì)比CH4濃度的能量譜與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(3600轉(zhuǎn)/min)的能量譜的圖；圖12為第二實(shí)施例中的流速計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖；圖13為第三實(shí)施例中的流速計(jì)和管路的示意圖。附圖標(biāo)記說明10流速計(jì)20發(fā)動(dòng)機(jī)30閥傳感器40測量單元50運(yùn)算部
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通過基于發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣閥的開度信號(hào)的變化與測量廢氣的溫度及濃度的測量單元的輸出信號(hào)之間的時(shí)間差以及從排氣閥到測量單元的距離而設(shè)置計(jì)算該廢氣的 流速的運(yùn)算部，從而解決了提供可詳細(xì)測量流體流速的流體測量裝置和流體測量方法的技 術(shù)課題。實(shí)施例(第一實(shí)施例)以下，參照附圖等，對(duì)適用本發(fā)明的流體測量裝置和流體測量方法的第一實(shí)施例 即流速計(jì)10和廢氣的流速流量測定方法進(jìn)行說明。本實(shí)施例的流速計(jì)10的測量對(duì)象物為 自內(nèi)燃機(jī)即四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)20 (以下，簡稱為發(fā)動(dòng)機(jī)20)排出的廢氣。圖1為實(shí)施例中 的流速計(jì)10和發(fā)動(dòng)機(jī)20的示意圖。此外，圖2為圖1中示出的流速計(jì)10所包括的測量單 元40的結(jié)構(gòu)圖。發(fā)動(dòng)機(jī)20為在氣缸內(nèi)使汽油和空氣的混合氣燃燒而獲得驅(qū)動(dòng)力的裝置?；旌蠚?的煙氣通過排氣閥21從氣缸作為廢氣排出，發(fā)動(dòng)機(jī)20作為流體發(fā)生器而發(fā)揮作用。自發(fā) 動(dòng)機(jī)20排出的廢氣包括水蒸氣(H20)、一氧化碳?xì)怏w(C0)，二氧化碳?xì)怏w(C02)、甲烷氣體 (CH4)等各種氣體。自發(fā)動(dòng)機(jī)20排出的廢氣，通過排氣歧管22導(dǎo)入排氣管23中，通過排氣 管23被排放到大氣中。發(fā)動(dòng)機(jī)20上設(shè)有檢測排氣閥的開度的閥位置傳感器30(以下，稱作閥傳感器30)。 可使用公知的電阻傳感器等作為閥傳感器30。閥傳感器30為大體上實(shí)時(shí)地檢測并輸出隨 著發(fā)動(dòng)機(jī)20的燃燒周期而變化的排氣閥的位置的裝置，其作為構(gòu)成流速計(jì)10的一部分的 內(nèi)燃機(jī)側(cè)檢測部而發(fā)揮作用。流速計(jì)10包括運(yùn)算部50，該運(yùn)算部50基于來自閥傳感器30的輸出信號(hào)、設(shè)置于 排氣管23途中的測量單元40的輸出信號(hào)以及排氣閥21和測量單元40的距離而計(jì)算廢氣 的流速。另外，本實(shí)施例中，可以通過閥傳感器30直接測量排氣閥21的位置(開度)，但并 不限于此，也可由用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的EOT等檢測排氣閥21的開度信號(hào)。作為檢測部的測量單元40是基于入射光和透射光的強(qiáng)度比來測定氣體濃度的裝 置，其利用了在向廢氣中照射特定波長的激光時(shí)，通過分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、躍遷等吸收激光 的特性(激光吸收光譜法)。此外，測量單元40例如可基于H20濃度測定氣體的溫度。此 外，激光的吸收系數(shù)與廢氣的溫度和廢氣的壓力緊密相關(guān)，因此需要測量廢氣的壓力，廢氣 的壓力由設(shè)置在流路內(nèi)的未圖示的壓力傳感器進(jìn)行測量。以下，對(duì)圖1中沿著排氣管23 (包 含排氣歧管22)的排氣閥21和測量單元40之間的距離標(biāo)記為符號(hào)L來進(jìn)行說明。如圖2所示，測量單元40包括照射激光的照射部41和接收自照射部41照射并穿 透廢氣的激光(透射光)的光接收部42。照射部41和光接收部42的前端部分別形成管狀，通過設(shè)置在排氣管23中的孔部 插入排氣管23內(nèi)。向形成該管狀的部分供給吹掃氣(purge gas)，通過使吹掃氣流入而防 止照射窗和光接收窗受到污染。測量單元40的照射部41通過光發(fā)送用光學(xué)系43發(fā)射振 蕩時(shí)刻不同的多束激光。該激光穿透廢氣，并由光接收部42通過光接收用光學(xué)系統(tǒng)44進(jìn) 行檢測。光接收部42包括將接收的激光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(模擬信號(hào))的信號(hào)處理電路45，該 電信號(hào)被輸入到運(yùn)算部50。運(yùn)算部50將該電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換生成波形數(shù)據(jù)(后述)。從發(fā)動(dòng)機(jī)20排出的廢氣的溫度和氣體濃度等，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)20的燃燒周期而大體 以一定的周期發(fā)生脈動(dòng)。本實(shí)施例的測量單元40，具有例如1ms以下的響應(yīng)性，可詳細(xì)測量發(fā)生脈動(dòng)的廢氣的氣體濃度和溫度的變化。另外，圖1中示出了測量從安裝在車輛上的發(fā)動(dòng)機(jī)20排出的廢氣的流速的例子， 但廢氣的流速的測量并不限定于此，也可以對(duì)單獨(dú)的發(fā)動(dòng)機(jī)20 (發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn))進(jìn)行。以下，參照試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)采用本實(shí)施例的流速計(jì)10的流速測定方法進(jìn)行具體說明。 使用單汽缸的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，在2400轉(zhuǎn)/min (2400rpm)和3600轉(zhuǎn)/min (3600rpm)兩個(gè)條 件下進(jìn)行了試驗(yàn)。圖3為基于轉(zhuǎn)速為2400轉(zhuǎn)/min時(shí)的測量單元的輸出而生成的波形數(shù)據(jù)，(a)表 示4秒鐘測量結(jié)果，(b)表示1秒鐘測量結(jié)果。圖4為基于轉(zhuǎn)速為3600轉(zhuǎn)/min時(shí)的測量單元的輸出而生成的波形數(shù)據(jù)，(a)表 示4秒鐘測量結(jié)果，(b)表示0. 6秒鐘測量結(jié)果。如圖3和圖4所示，廢氣的氣體溫度、CO2濃度、H2O濃度、CO濃度，各自以大致一 定的周期發(fā)生脈動(dòng)。另外，雖然在這些圖中省略了 CH4濃度，但CH4濃度也同樣地發(fā)生脈動(dòng)。 例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)20的轉(zhuǎn)速為2400轉(zhuǎn)/min時(shí)，氣體溫度、H20濃度各自在1秒鐘內(nèi)發(fā)生20次 脈動(dòng)(參照?qǐng)D3(b))，該脈動(dòng)周期為0.05秒(50ms)。與此相對(duì)，本實(shí)施例的測量單元40具 有Ims以下的響應(yīng)速度，在氣體溫度、H2O濃度變化一個(gè)周期時(shí)，可采集數(shù)據(jù)樣本約50次以 上。因此，可詳細(xì)捕捉氣體濃度等參數(shù)的變化。另外，即便在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為3600轉(zhuǎn)/min 時(shí)，脈動(dòng)周期為33. 3ms的情況下，也可充分詳細(xì)地捕捉氣體濃度等參數(shù)的變化。圖5為對(duì)比自閥傳感器30輸出的排氣閥21的開度信號(hào)和通過測量單元40測量的 表示廢氣溫度變化的信號(hào)的示意圖，(a)表示發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為2400轉(zhuǎn)/min時(shí)的情況，(b) 表示發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為3600轉(zhuǎn)/min時(shí)的情況。運(yùn)算部50通過對(duì)比自閥傳感器30輸出的波形數(shù)據(jù)與基于測量單元40的輸出而 生成的波形數(shù)據(jù)而求得這些波形的時(shí)間差(相位差)。自閥傳感器30輸出的波形數(shù)據(jù)為規(guī) 則地重復(fù)0%和100%的實(shí)質(zhì)上為矩形波的數(shù)據(jù)，其與發(fā)動(dòng)機(jī)20的燃燒周期相對(duì)應(yīng)。另一 方面，如所述那樣，測量單元40可測量的氣體單體的波形數(shù)據(jù)也各自對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)20的燃燒 周期而發(fā)生脈動(dòng)。因此，可使用任意氣體的數(shù)據(jù)作為在求得相位差時(shí)與閥傳感器30的輸出 數(shù)據(jù)相對(duì)比的數(shù)據(jù)。本實(shí)施例中，作為一個(gè)例子，使用氣體溫度的數(shù)據(jù)計(jì)算廢氣的流速。如圖5(a)、(b)的各圖所示，表示氣體溫度、氣體濃度的波形信號(hào)的波形自身雖 然與排氣閥開度信號(hào)不同，但波形的上升時(shí)機(jī)相對(duì)于排氣閥開度信號(hào)存在延遲(相位差 ΔΤ)。運(yùn)算部50由這些波形數(shù)據(jù)判斷相位差ΔΤ，基于該相位差ΔΤ和排氣閥21與測量單 元40的距離L而計(jì)算廢氣的速度。此外，本實(shí)施例的流速計(jì)10，基于預(yù)先測定的排氣管23的截面積和廢氣流速而求 得每小時(shí)流出的廢氣的體積(流量)，其具有作為流量計(jì)的功能。由此，可以控制廢氣中所 包含的例如CO2氣體等的每小時(shí)的排出質(zhì)量。需要說明的是，作為判斷閥傳感器30的輸出與測量單元40的輸出的時(shí)間差的方 法，并不限于上述那樣比較信號(hào)的波形數(shù)據(jù)的方法，還可以使用例如基于以下所示的式1 解析計(jì)算測量信號(hào)的互相關(guān)的方法。以來自閥傳感器30的輸出信號(hào)作為SJt1)，以來自測 量單元40的輸出信號(hào)為Sb (t2)，表示兩者的互相關(guān)的式1表示如下SB(t2_T) · SJt1)…(式 1)此外，本實(shí)施例的流速計(jì)基于對(duì)測量單元40的輸出進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)而求得的氣體溫度或氣體濃度的能量譜，可推算出發(fā)動(dòng)機(jī)20的轉(zhuǎn)速，其還具有作為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 動(dòng)計(jì)的功能。圖6 8為對(duì)比氣體溫度或氣體濃度的能量譜與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(2400轉(zhuǎn)/min)的 能量譜的示意圖。圖6(a)、(b)分別對(duì)比示出了氣體溫度、H20濃度的能量譜與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 速的能量譜。圖7(a)、(b)分別對(duì)比示出了 C02濃度、CO濃度的能量譜與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的 能量譜。圖8對(duì)比示出了 CH4濃度的能量譜與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的能量譜。圖9 11為對(duì)比氣體溫度或氣體濃度的能量譜與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(3600轉(zhuǎn)/min) 的能量譜的示意圖。圖9(a)、(b)分別對(duì)比示出了氣體溫度、H20濃度的能量譜與發(fā)動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)速的能量譜。圖10 (a)、(b)分別對(duì)比示出了 C02濃度、CO濃度的能量譜與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 的能量譜。圖11對(duì)比示出了 CH4濃度的能量譜與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的能量譜。例如，如圖6(a)所示，氣體溫度的能量譜的波峰出現(xiàn)的頻率(大致為20Hz)與發(fā) 動(dòng)機(jī)20的燃燒周期的能量譜的峰出現(xiàn)的頻率(大致為20Hz)相對(duì)應(yīng)，通過氣體溫度的能量 譜的波峰能夠推算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。例如，若由測量單元40的輸出可知?dú)怏w溫度的波峰頻 率大致為20Hz，則假使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的能量譜不明確，也能夠推定為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波峰頻率 大致為20Hz。在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于每一個(gè)燃燒周期曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)2周，因而可求得發(fā)動(dòng)機(jī) 20的燃燒周期，從而也可求得發(fā)動(dòng)機(jī)20的轉(zhuǎn)速。此時(shí)，由于燃燒周期為20Hz，因此發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速可推算為每分鐘2400轉(zhuǎn)(2400轉(zhuǎn)/min)。此外，在以上例子中，基于氣體溫度推算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，但不限于此，根據(jù)測量單 元40所能檢測的各種氣體濃度的能量譜波峰，可同樣地推測發(fā)動(dòng)機(jī)20的燃燒周期。如圖 6(b)、圖7(a)所示，基于測量單元40的輸出得到的H20濃度、C02濃度的能量譜的波峰與氣 體溫度的能量譜的波峰相同，均出現(xiàn)在大致20Hz處。因此，由這些氣體濃度也可推算出發(fā) 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(2400轉(zhuǎn)/min)。由圖9 11明確可知，即使在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3600轉(zhuǎn)/min時(shí)，由測量單元40的輸 出(氣體溫度、氣體濃度)的能量譜也可推算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。例如，如圖9(a)所示，若氣體 溫度的能量譜的波峰大致為30Hz，則即使假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的能量譜不明確，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的 波峰頻率也可推算為大致30Hz，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可推算為3600轉(zhuǎn)/min。另外，轉(zhuǎn)速為2400轉(zhuǎn)/min時(shí)，CO濃度、CH4濃度的能量譜難以固定其波峰頻率，因 此，按照所預(yù)期的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可選擇適當(dāng)種類的為了推算發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而使用的參數(shù)。例 如，在2400轉(zhuǎn)/min下，H20濃度、C02濃度的能量譜中也出現(xiàn)明確的波峰，可推算出發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速。根據(jù)以上說明的第一實(shí)施例的流速計(jì)10和廢氣的流速流量測定方法，可獲得以 下效果。(1)流速計(jì)10均著眼于測量單元40的輸出與隨發(fā)動(dòng)機(jī)20的燃燒周期而變化的閥 傳感器30的輸出之間存在時(shí)間差這一事實(shí)。而且，測量單元40使用高響應(yīng)裝置可地詳細(xì) 檢測氣體溫度和氣體濃度的變化，運(yùn)算部50由這些輸出的時(shí)間差可求得直接廢氣的流速。 因此，可詳細(xì)地測量廢氣的流速。(2)例如，為了測定廢氣的溫度而考慮在排氣管內(nèi)設(shè)置熱電偶，但是，這種情況可 能會(huì)阻礙廢氣的流通，可能難以準(zhǔn)確地測定廢氣流速。與此相對(duì)，由于本實(shí)施例的測量單元 40為向廢氣內(nèi)照射激光的類型，因此，可準(zhǔn)確地測量廢氣的流速而不對(duì)廢氣產(chǎn)生阻力。
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(3)由于基于廢氣中所含的各氣體的濃度和密度可求得廢氣的質(zhì)量，因此由廢氣 的流速可求得基于質(zhì)量的、廢氣中所含CO2等氣體的每小時(shí)的排出量。(4)由于基于廢氣的溫度變化、濃度變化可推算出發(fā)動(dòng)機(jī)20的轉(zhuǎn)速，因此比較方 便。(第二實(shí)施例)接著，對(duì)適用本發(fā)明的流體測量裝置的第二實(shí)施例即流速計(jì)110進(jìn)行說明。在該 第二實(shí)施例中，對(duì)與上述第一實(shí)施例發(fā)揮同樣功能的部分，標(biāo)記相同的符號(hào)或在末尾標(biāo)記 統(tǒng)一的符號(hào)，適當(dāng)省略重復(fù)的說明和附圖。圖12為第二實(shí)施例的流速計(jì)110和發(fā)動(dòng)機(jī)20的示意圖。第一實(shí)施例的流速計(jì)10在排氣管23的途中包括一個(gè)測量單元40，與此相對(duì)，第二 實(shí)施例的流速計(jì)110在排氣管23的途中包括兩個(gè)測量單元40、140。兩個(gè)測量單元40、140 沿著廢氣的流通方向間隔規(guī)定的距離而設(shè)置。而且，運(yùn)算部50基于閥傳感器30的輸出、測 量單元40、140中的一者的輸出，以及從排氣閥21到選定的測量單元(測量單元40或測量 單元140)的距離(分別在圖12中標(biāo)記U、L2來進(jìn)行說明)測定廢氣的流速。以下，對(duì)設(shè)置兩個(gè)測量單元40、140的理由進(jìn)行說明。如在所述的第一實(shí)施例中說 明的那樣，運(yùn)算部50比較表示閥傳感器30的輸出的波形與表示測量單元的輸出的波形而 求得廢氣的流速。這里，例如，在廢氣流速為低速時(shí)，無論閥傳感器30的輸出是否到達(dá)一個(gè) 周期，測量單元40的輸出波形均不上升，可能會(huì)降低流速測定的精度。此種不良情況可通 過使測量單元40與發(fā)動(dòng)機(jī)20接近而消除，當(dāng)使發(fā)動(dòng)機(jī)20與測量單元40很接近時(shí)，同樣可 能會(huì)降低流速測定的精度。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)20和測量單元40的距離以間隔某種程度為佳。像這樣，根據(jù)測定對(duì)象的廢氣的速度，發(fā)動(dòng)機(jī)20和測量單元40的距離太遠(yuǎn)或太近 均會(huì)難以進(jìn)行流速的測量。因此，本第二實(shí)施例的流速計(jì)Iio在排氣管23的途中設(shè)置有兩 個(gè)測量單元40、140，使得發(fā)動(dòng)機(jī)20與測量單元40的距離具有兩種變化。測定者通過按照 預(yù)期的廢氣速度選擇測量單元40、140中的任一者，均可確切地測定廢氣的流速。根據(jù)以上說明的第二實(shí)施例的流速計(jì)，除了第一實(shí)施例的流速計(jì)中所得到的效果 以外，還獲得不拘泥于廢氣的流速，即可獲得能夠詳細(xì)測量廢氣的流速的效果。(第三實(shí)施例)接著，對(duì)適用本發(fā)明的流體測量裝置的第三實(shí)施例即流速計(jì)210進(jìn)行說明。第一 和第二實(shí)施例的流速計(jì)為測量由發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣的流速、流量的裝置，與此相對(duì)，第三實(shí) 施例的流速計(jì)210例如為測量進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣的流速、流量的裝置。圖13為第三實(shí)施例中的流速計(jì)示意圖。流速計(jì)210，設(shè)置于將外部空氣導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)(省略圖示)的燃燒室中的管路 220(進(jìn)氣歧管)的途中，測量通過該管路220內(nèi)的空氣的流速、流量。流速計(jì)210包括測量 單元40、運(yùn)算部50和氣體供給裝置70等。測量單元40、運(yùn)算部50分別與第一實(shí)施例的測量單元40、運(yùn)算部50相同，省略其 說明。氣體供給裝置70為在管路220內(nèi)向測量單元40的上游側(cè)以固定周期供給惰性氣體 氦氣的裝置。氣體供給裝置70具有填充有氦氣的儲(chǔ)氣瓶71，在連接該儲(chǔ)氣瓶71和管路220的 配管的途中設(shè)有電磁閥72。氣體供給裝置70具有控制電磁閥72的開閉時(shí)刻的閥定時(shí)控制器73 (以下，稱作控制器73)，該控制器73可輸送由固定周期信號(hào)發(fā)生器74發(fā)出的周期性 的信號(hào)?？刂破?3按照這些信號(hào)來控制電磁閥72，以固定的周期切換向空氣供給/不供給 氦氣。運(yùn)算部50檢測由電磁閥72輸出的閥的開閉信號(hào)(實(shí)質(zhì)上為矩形波)，基于該開閉信 號(hào)和由測量單元40輸出的接收光信號(hào)的時(shí)間差以及氦氣的供給口(電磁閥72)與測量單 元40的距離L來計(jì)算空氣的流速。另外，本實(shí)施例中，對(duì)空氣以一定周期供給氦氣，若氦氣 的氣體濃度根據(jù)時(shí)間而發(fā)生變化，則無需特別周期性地供給。第三實(shí)施例的流速計(jì)210，通過對(duì)管路220內(nèi)流通的空氣供給氦氣，相對(duì)降低空氣 中所含的H2O、co、CO2氣體等的氣體濃度。而且，隨著氦氣的供給/不供給周期性地發(fā)生變 化，空氣中所含的氣體濃度的變化也變?yōu)橹芷谛?。如此，第三?shí)施例的流速計(jì)210由于以氦 氣作為變動(dòng)標(biāo)記氣體供給到空氣中，因此在如從外部導(dǎo)入的空氣那樣在參數(shù)(溫度和空氣 中所含的氣體濃度)變化的程度較小的情況或?qū)嵸|(zhì)上無參數(shù)變化的情況下，也一定可以測 量流速。此外，表示與空氣相關(guān)的參數(shù)的變化的波形數(shù)據(jù)例如在調(diào)整后的波形接近正弦波 的情況下，可能難以判定時(shí)間差，通過以一定周期供給氦氣而使波形被打亂，可容易地判定 時(shí)間差。另外，本實(shí)施例中雖然測量了向發(fā)動(dòng)機(jī)供給的空氣的流速、流量，但流速計(jì)210不 限定于此，只要是通過管路內(nèi)的流體，即使是向發(fā)動(dòng)機(jī)供給的流體以外的流體，也可以測量 流速等，并可作為一般的流速流量計(jì)使用。此外，本實(shí)施例中，以與第一實(shí)施例同樣的測量 單元檢測了空氣中所含的C02氣體等的氣體濃度的變動(dòng)，但不限定于此，還可檢測氦氣自身 的濃度變化。在此種情況下，由電磁閥72的開閉信號(hào)和測量單元40的輸出信號(hào)的時(shí)間差 也可詳細(xì)測量空氣的流速等。此外，如圖13所示，也可利用測量單元40在空氣(流體)流通方向的上游側(cè)的位 置設(shè)置改變(加熱)該空氣的溫度的加熱器80。另外，圖13中，將加熱器80的發(fā)熱體插入 管路220的內(nèi)部而進(jìn)行設(shè)置，但并不限于此，也可通過使管路220的外周面部加熱來改變空 氣的溫度。加熱器80周期性地重復(fù)對(duì)空氣的加熱、不加熱；運(yùn)算部50從加熱器80檢測出 該加熱周期，同時(shí)檢測測量單元40中空氣的溫度變化情況，基于這些輸出的時(shí)間差(相位 差)和加熱器80與測量單元40的距離，計(jì)算空氣的流速。此時(shí)，可在不影響空氣的組成的 情況下求得其流速、流量。另外，此時(shí)，即使不設(shè)置氦氣供給裝置70也可求得流體(空氣) 的流速、流量。此外，在以上的例子中，以加熱空氣的加熱器80為例進(jìn)行了說明，也可設(shè)置 可升高、降低流體的溫度的熱交換器。(變形例)本發(fā)明不受以上說明的實(shí)施例的限制，可進(jìn)行以下所示的各種變形或變更，它們 均包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍之內(nèi)。(1)實(shí)施例中使用了利用激光吸收光譜法的測量單元作為管路側(cè)檢測部，但管路 側(cè)檢測部并不限定于此，例如，也可以使用公知的薄膜溫度傳感器、或使用了激光以外的光 的吸收光譜法、散射光譜法、發(fā)射光譜法?；谠摫∧囟葌鞲衅鞯妮敵?廢氣的溫度變 化)也可測量廢氣的流速。此外，實(shí)施例中使用了檢測排氣閥的開度的閥傳感器作為內(nèi)燃 機(jī)側(cè)檢測部，但內(nèi)燃機(jī)側(cè)檢測部只要能夠檢測與內(nèi)燃機(jī)的燃燒周期相對(duì)應(yīng)的參數(shù)即可，例 如，可以是檢測氣缸內(nèi)壓的變化的壓力傳感器或檢測曲軸的轉(zhuǎn)角的傳感器。
(2)實(shí)施例中根據(jù)基于測量單元的輸出而生成的波形數(shù)據(jù)的相位差來測量流速， 但并不限定于此，也可使用由測量單元輸出的模擬信號(hào)直接測量流速。此時(shí)，由于檢測的 響應(yīng)性提高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比實(shí)施例快，即使在廢氣的流速更高的情況下，也能夠詳細(xì)測量流 速。(3)第二實(shí)施例設(shè)置了兩個(gè)測量單元，但測量單元的數(shù)量不限定于此，也可以為3 個(gè)以上。(4)第三實(shí)施例中，對(duì)空氣供給作為標(biāo)記氣體的氦氣，供給的氣體不限定于此，也 可以為其他氣體。此外，測量對(duì)象的流體中可含有或不含有作為標(biāo)記而發(fā)揮作用的流體。(5)各實(shí)施例中計(jì)算了廢氣、空氣等氣體的流速、流量，流體不限定于此，也可以為 液體。
1權(quán)利要求
一種流體測量裝置，其包括發(fā)生器側(cè)檢測部，檢測隨流體的發(fā)生狀態(tài)而變化的表示流體發(fā)生器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的參數(shù)；管路側(cè)檢測部，設(shè)置于包含所述流體發(fā)生器產(chǎn)生的流體的流體所通過的管路的途中，其檢測隨所述流體發(fā)生器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)而變化的、流過該管路的所述流體相關(guān)的參數(shù)；運(yùn)算部，基于所述發(fā)生器側(cè)檢測部檢測出的參數(shù)變化與所述管路側(cè)檢測部檢測出的參數(shù)變化的時(shí)間差以及與所述流體發(fā)生器相關(guān)參數(shù)的檢測位置和所述管路側(cè)檢測部沿著所述管路的距離(L)計(jì)算所述流體的流速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體測量裝置，其特征在于，所述運(yùn)算部基于所述流體的流速和所述管路的截面積計(jì)算所述流體的流量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的流體測量裝置，其特征在于，與所述流體相關(guān)的參數(shù)包括該流體的溫度，該流體所含物質(zhì)的濃度，以及被所述物質(zhì) 吸收、散射、發(fā)射的光的強(qiáng)度中的至少一個(gè)參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的流體測量裝置，其特征在于， 所述流體發(fā)生器為產(chǎn)生作為流體的廢氣的內(nèi)燃機(jī)；與所述流體相關(guān)的參數(shù)包括該內(nèi)燃機(jī)所包括的進(jìn)氣閥的開閉度、排氣閥的開閉度、該 內(nèi)燃機(jī)所包括的燃燒室內(nèi)的壓力、以及該內(nèi)燃機(jī)所包括的曲軸的轉(zhuǎn)角中的至少一個(gè)參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的流體測量裝置，其特征在于，所述管路側(cè)檢測部包括向所述流體中照射激光的照射部和接收在所述流體中透射或 散射的所述激光的光接收部；基于所述照射部照射的照射光和所述光接收部接收的透射光 的強(qiáng)度比而檢測與所述流體相關(guān)的參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的流體測量裝置，其特征在于， 沿所述管路而設(shè)置有多個(gè)所述管路側(cè)檢測部；所述運(yùn)算部根據(jù)所述流體的流速而選擇使用所述多個(gè)管路側(cè)檢測部中的任一者的輸出ο
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的流體測量裝置，其特征在于，所述運(yùn)算部通過對(duì)比基于所述發(fā)生器側(cè)檢測部檢測出的參數(shù)變化的波形信號(hào)和基于 所述管路側(cè)檢測部檢測出的參數(shù)變化的波形信號(hào)來判斷所述發(fā)生器側(cè)檢測部檢測出的參 數(shù)變化與所述管路側(cè)檢測部檢測出的參數(shù)變化的時(shí)間差。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7中任一項(xiàng)所述的流體測量裝置，其特征在于，所述運(yùn)算部通過計(jì)算所述發(fā)生器側(cè)檢測部檢測出的參數(shù)變化和所述管路側(cè)檢測部檢 測出的參數(shù)變化的相關(guān)，判斷所述發(fā)生器側(cè)檢測部檢測出的參數(shù)變化與所述管路側(cè)檢測部 檢測出的參數(shù)變化的時(shí)間差。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述的流體測量裝置，其特征在于， 所述流體發(fā)生器為產(chǎn)生作為流體的廢氣的內(nèi)燃機(jī)；所述運(yùn)算部基于對(duì)由所述管路側(cè)檢測部的輸出信號(hào)得到的與所述廢氣相關(guān)的參數(shù)變 化進(jìn)行信號(hào)解析的結(jié)果來推算所述內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 9中任一項(xiàng)所述的流體測量裝置，其特征在于，所述流體發(fā)生器為流體供給裝置，在所述管路側(cè)檢測部的上游對(duì)流過所述管路內(nèi)的第一流體供給第二流體以增減所述第一流體所含物質(zhì)的濃度；所述管路側(cè)檢測部檢測與所述第一流體或所述第二流體相關(guān)的參數(shù)的變化。
11. 一種流體測量方法，包括發(fā)生器側(cè)檢測工序，檢測隨流體的發(fā)生狀態(tài)而變化的表示流體發(fā)生器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的參數(shù)；管路側(cè)檢測工序，在包含所述流體發(fā)生器產(chǎn)生的流體的流體流過的管路的途中，檢測 隨所述流體發(fā)生器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)而變化的與流過該管路的所述流體相關(guān)的參數(shù)；運(yùn)算工序，基于所述發(fā)生器側(cè)檢測工序中檢測出的參數(shù)變化與所述管路側(cè)檢測工序中 檢測出的參數(shù)變化的時(shí)間差以及與所述流體發(fā)生器相關(guān)參數(shù)的檢測位置和所述管路側(cè)檢 測部沿著所述管路的距離計(jì)算所述流體的流速。
全文摘要
本發(fā)明提供可詳細(xì)測量流體流速的流體測量裝置等。流體測量裝置(10)包括如下結(jié)構(gòu)發(fā)生器側(cè)檢測部(30)，檢測隨流體的發(fā)生狀態(tài)而變化的表示流體發(fā)生器(20)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的參數(shù)；管路側(cè)檢測部(40)，設(shè)置于包含所述流體發(fā)生器產(chǎn)生的流體的流體所通過管路(22)的途中，檢測隨所述流體發(fā)生器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)而變化的與通過該管路內(nèi)的所述流體相關(guān)的參數(shù)；運(yùn)算部(50)，基于所述發(fā)生器側(cè)檢測部檢測出的參數(shù)變化與所述管路側(cè)檢測部檢測出的參數(shù)變化的時(shí)間差以及與所述流體發(fā)生器相關(guān)的參數(shù)的檢測位置和所述管路側(cè)檢測部沿著所述管路的距離(L)來計(jì)算所述流體的流速。
文檔編號(hào)G01F1/712GK101946162SQ20088012702
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者上野大司, 關(guān)谷光伸, 塚越照, 峯清士, 瀧田篤史, 牟田研二, 田浦昌純, 青木直志 申請(qǐng)人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社