生命科学関連特許情報
| タイトル： | 特許公報(B2)_可変ベンチュリーの流量校正方法 |
| 出願番号： | 1999023423 |
| 年次： | 2005 |
| IPC分類： | 7,G01F1/44,G01F25/00,G01N1/22 |
特許情報キャッシュ
花城 規之 柴田 淳史 柳原 茂 山脇 秀太 JP 3645730 特許公報(B2) 20050210 1999023423 19990201 可変ベンチュリーの流量校正方法 本田技研工業株式会社 000005326 株式会社司測研 000144968 小山 有 100085257 稲元 富保 230100631 片岡 修 100103126 花城 規之 柴田 淳史 柳原 茂 山脇 秀太 20050511 7 G01F1/44 G01F25/00 G01N1/22 JP G01F1/44 G01F25/00 F G01N1/22 M 7 G01F 1/44 G01F 25/00 G01N 1/22 特開平０１−１４３９３２（ＪＰ，Ａ） 特開平０４−３１０８２２（ＪＰ，Ａ） 国際公開第９７／０４６８５１（ＷＯ，Ａ１） 1 2000221065 20000811 12 20020820 榮永 雅夫 【０００１】【発明の属する技術分野】この発明は、定容量サンプリング装置（ＣＶＳ装置）等に用いられる可変ベンチュリーの校正方法に関するものである。【０００２】【従来の技術】自動車等の排気ガス中の成分を分析するために排気ガスを採取する排気ガスサンプリング装置（定容量サンプリング装置）では、希釈ガスを所定の流量にするためにベンチュリーが用いられている。このベンチュリーとしては、固定ベンチュリー（固定体積流量のクリティカル・フロー・ベンチュリー）が従来から用いられていた。一方、近年においては、特開平４−３１０８２２号公報、特開平８−７５６２１号公報等に記載されているように、希釈ガスの流量を可変できる可変ベンチュリー（断面積クリティカル・フロー・ベンチュリー）が用いられることがある。排気ガスサンプリング装置（定容量サンプリング装置）を用いた排気ガス成分分析では、希釈ガスの流量管理が大切な要件の一つである。【０００３】固定ベンチュリー（固定体積流量のクリティカル・フロー・ベンチュリー）の精度を補償する校正方法として、以下に示す方法が知られている。図１８はアメリカ（ＥＰＡ）の基準に基づく固定ベンチュリーの校正方法の説明図である。固定ベンチュリーの校正は、ＣＶＳ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｕｍｅ Ｓａｍｐｌｅｒ）装置１００に校正用治具２０を接続して行なう。【０００４】ＣＶＳ装置１００は、ダスト，ミスト等を除去・分離するためのサイクロン装置１１と、試料採取用のサンプリング管１２と、固定ベンチュリー１３０と、固定ベンチュリー１３０内の気体の温度を測定する温度計１４と、固定ベンチュリー１３０部の入口側圧力と出口側との差圧を検出するデジタル差圧計１５と、図示しないポンプ等を備える。校正用治具２０は、取り込む外気を清浄化するためのフィルタ２１と、高精度のベンチュリを利用したラミナ流量計２２と、弁開度を８ポイント（８段階）以上に切換ができる絞り弁２３と、ラミナ流量計２２内の気体の温度を測定する温度計２４と、ラミナ流量計２２の前後の差圧を検出するマノメータ２５とを備える。ラミナ流量計２２は、ＣＶＳ装置１００に対して原器となる流量計である。【０００５】まず、図示しないポンプを作動させて外気を一定量で吸う。そして、固定ベンチュリー１３０が臨界圧（気体が音速で流れている状態、即ちベンチュリーの後が負圧大、前が正圧または負圧小となっている状態）になっている範囲内で、マノメータ２５によって測定されたラミナ流量計２２前後の差圧Ｐと、温度計２４によって測定されたラミナ流量計２２内の気体の温度Ｔと、ラミナ流量計２２の流量係数（既知）とから式１に基づいて絞り弁２３の８ポイントの内１ポイントの流量Ｑを求める。【０００６】【数１】【０００７】絞り弁２３の開度を変更しないかぎり、校正用治具２０（ラミナ流量計２２）を用いて測定した流量Ｑが、固定ベンチュリー１３０に流れていることになる。すなわち、固定ベンチュリー１３０が臨界圧になっているときは、校正用治具２０で求めた流量ＱとＣＶＳ装置１０内の流量は同じである。そこで、校正用治具２０で求めた流量Ｑと、固定ベンチュリー１３０に設けられた温度計１４で測定した気体の温度ＴＣＶＳと、固定ベンチュリー１３０に設けられたデジタル差圧計１５で測定した差圧ＰＣＶＳとから式２に基づいて固定ベンチュリー１３０の流量係数ＫｖＣＶＳ（開度ｎ）を求める。【０００８】【数２】【０００９】絞り弁２３の弁開度を変更して上述の作業を繰り返すことで、他の７ポイントについて流量係数ＫｖＣＶＳを求める。すなわち、絞り弁２３の弁開度を第１段階にして測定した流量係数ＫｖＣＶＳ（開度１）〜絞り弁２３の弁開度を第８段階にして測定した流量係数ＫｖＣＶＳ（開度８）を求める。そして、各弁開度毎に測定した得られた各流量係数ＫｖＣＶＳの平均値ＫｖＣＶＳＡＶＥと標準偏差σを算出し、標準偏差σが流量係数の平均値ＫｖＣＶＳＡＶＥの例えば０．３パーセント以内であれば、流量係数の平均値ＫｖＣＶＳＡＶＥを固定ベンチュリー１３０の流量係数ＫｖＣＶＳとして採用する。【００１０】【発明が解決しようとする課題】 固定ベンチュリーの流量係数は上述の校正方法によって校正することができる。そして、差圧と温度と校正された流量係数ＫｖＣＶＳとに基づいて固定ベンチュリーの流量を算出することで、ＣＶＳ装置の流量を所定の精度で管理することができる。これに対して、定流量値を連続的に可変できる可変ベンチュリー（断面積クリティカル・フロー・ベンチュリー）では、可変ベンチュリーの移動位置（基準位置からの移動距離）と流量係数との関係を示す流量係数特性を正確に校正する必要がある。しかしながら、可変ベンチュリー（断面積クリティカル・フロー・ベンチュリー）の流量特性を精度良く校正する方法が提案されていなかった。【００１１】この発明はこのような課題を解決するためなされたもので、可変ベンチュリー（断面積クリティカル・フロー・ベンチュリー）の流量特性を精度良く校正することができる可変ベンチュリーの流量校正方法を提供することを目的とする。【００１２】【課題を解決するための手段】前記課題を解決するためこの発明に係る可変ベンチュリーの流量校正方法は、一定流量係数を有する流量計と複数ポイント抵抗を変化させることのできる絞り弁とからなる校正用治具を用いて可変ベンチュリーの流量特性を校正する方法であって、可変ベンチュリーの上流側に校正用治具を連結し、可変ベンチュリーの臨界圧以内での複数ポイントで可変ベンチュリーを各所定位置に移動し、各位置毎の流量を校正用治具の流量係数と温度と差圧とから算出し、算出した流量に基づいて各位置毎の可変ベンチュリーの流量係数を算出し、算出した各位置毎の可変ベンチュリーの流量係数に基づいて流量係数特性を求めることを特徴とする。【００１３】この発明に係る可変ベンチュリーの流量校正方法は、臨界圧内の複数のポイントで（絞り弁の弁開度を異なえて）可変ベンチュリーの複数の移動位置毎に流量係数を求め、各移動位置毎に複数のポイントで測定した流量係数を平均処理し、各移動位置毎に平均化された流量係数に基づいて流量特性を設定することができる。よって、可変ベンチュリーの流量特性を精度良く校正することができる。したがって、可変ベンチュリーを用いたＣＶＳ装置等の流量を精度良く管理することが可能となる。【００１４】【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１はこの発明に係る可変ベンチュリーの流量校正方法の説明図である。図１に示すＣＶＳ装置１０は、可変ノズル（可変ベンチュリー）の移動距離に対応して定流量値を可変できる可変ベンチュリー１３を備える。この可変ベンチュリー１３の校正は、ＣＶＳ装置１０に校正用治具２０を接続して行なう。【００１５】ＣＶＳ装置１０は、ダスト，ミスト等を除去・分離するためのサイクロン装置１１と、試料採取用のサンプリング管１２と、可変ベンチュリー１３と、可変ベンチュリー１３内の気体の温度を測定する温度計１４と、可変ベンチュリー１３部の入口側圧力と出口側との差圧を検出するデジタル差圧計１５と、図示しないポンプ等を備える。【００１６】校正用治具２０は、取り込む外気を清浄化するためのフィルタ２１と、高精度のベンチュリーを利用して構成されたラミナ流量計２２と、弁開度を８ポイント（８段階）以上に切換ることができる絞り弁２３と、ラミナ流量計２２内の気体の温度を測定する温度計２４と、ラミナ流量計２２の前後の差圧を検出するマノメータ２５とを備える。ラミナ流量計２２は、流量係数Ｋｖが一定で正確な流量を測定できる流量計である。なお、ラミナ流量計２２には温度計２４が複数の箇所（例えば５箇所）に設けられている。【００１７】可変ベンチュリー１３の流量特性の校正は次の手順で行なう。（手順１）ＣＶＳ装置１０に校正用治具２０を連結する。（手順２）図示しないポンプを作動させて外気を一定量で吸う。（手順３）絞り弁２３の開度を例えば第１段階に設定する。【００１８】（手順４）可変ベンチュリー１３が臨界圧（気体が音速で流れている状態、即ち可変ベンチュリー１３の後が負圧大、前が正圧または負圧小となっている状態）になっている範囲内で、ラミナ流量計２２の前後の差圧Ｐ（マノメータ２５にて測定）と、ラミナ流量計２２内の気体の温度Ｔ（温度計２４にて測定）と、このラミナ流量計２２の流量係数Ｋｖ（既知の係数）とに基づいて流量Ｑを計算によって求める。【００１９】（手順５）可変ベンチュリー１３を０，５，１０，１５，２０……１００ｍｍ（２１点）まで移動させ、手順４で求めた（ルミナ流量計を用いて測定した）流量Ｑに基づいて可変ベンチュリー１３の各移動距離（２１点）毎の流量係数ＫｖＣＦＶ（ｎ）を求める。（ｎ）は移動距離を示す。【００２０】（手順６）絞り弁２３の開度を例えば第２段階へ変更する。そして、変更した絞り弁開度で、手順４に示した流量Ｑの測定ならびに手順５で示した可変ベンチュリー１３の各移動距離（２１点）毎の流量係数ＫｖＣＦＶ（ｎ）の測定を行なう。絞り弁２３の全ての開度について、手順４に示した流量Ｑの測定ならびに手順５で示した可変ベンチュリー１３の各移動距離（２１点）毎の流量係数ＫｖＣＦＶ（ｎ）の測定を行なう。これにより、図２に示すように、絞り弁２３の全開度（８段階）のそれぞれについて可変ベンチュリー１３の流量特性が得られる。なお、図２において横軸は可変ベンチュリーの移動距離を、縦軸は可変ベンチュリー１３の流量係数ＫｖＣＦＶを示す。【００２１】（手順７）絞り弁開度毎に測定した可変ベンチュリーの移動距離−流量係数の測定結果のそれぞれについて、図３に示すように、最小自乗法で近似した１次式で直線を引く。可変ベンチュリー１３の流量係数ＫｖＣＦＶは、ベンチュリー位置と１次相関があるため直線グラフとなる。そして、最小自乗法で近似した直線グラフと測定結果との誤差が予め設定した許容範囲（例えば±２％以内）であれば、測定結果が正常であるとする。最小自乗法で近似した直線グラフと測定結果との誤差が予め設定した許容範囲（例えば±２％以内）を越えている場合は、再測定を行なう。【００２２】（手順８）各ベンチュリー位置（２１点）別に流量係数ＫｖＣＦＶの平均値ＫｖＣＦＶＡＶＥ（ｎ）と標準偏差σ（ｎ）を算出する。なお、ｎは移動距離（０，５，１０，１５，２０……１００ｍｍである。具体的には、可変ベンチュリーの移動距離０ｍｍについて弁開度が異なる８つの流量係数の測定結果の平均値と標準偏差とを求める。これを各移動距離（０，５，１０，１５，２０……１００ｍｍの２１点）にそれぞれについて行なう。そして、各移動位置の標準偏差σ（ｎ）がその移動位置における流量係数の平均値ＫｖＣＦＶＡＶＥ（ｎ）の例えば０．３％以内であれば、弁開度を異ならしめて測定した一連の測定結果が妥当であるとする。測定結果が妥当であれば、図４に示すように、流量係数の平均値ＫｖＣＦＶＡＶＥ（ｎ）をグラフ化する。【００２３】絞り弁開度を多段階（８段階）に切り替えて可変ベンチュリーの流量係数を測定しその流量係数の平均値を求めているので、各移動位置における流量係数の平均値ＫｖＣＦＶＡＶＥ（ｎ）は精度の高いものとなっている。この精度の高い各移動位置（２１点）の流量係数の平均値ＫｖＣＦＶＡＶＥ（ｎ）を結ぶため、図５（ｂ）に示すように最小自乗法で多項式（４次）近似を行なう。これにより、図５（ａ）に示すように、校正された移動距離−流量係数特性を得る。【００２４】図６はラミナ流量計を用いた可変ベンチュリーの流量係数校正における計算手順を示す説明図である。図６において、符号２２はラミナ流量計（ＬＦＥ）、符号２３は絞り弁、符号１３は可変ベンチュリー（ＣＦＶ）、符号１６はポンプである。ＥＰＩはラミナ流量計（ＬＦＥ）前圧、ＥＤＰはラミナ流量計（ＬＦＥ）差圧、ＥＴＩはラミナ流量計（ＬＦＥ）温度である。このラミナ流量計（ＬＦＥ）２２は５本の温度計（温度センサ）を備えており、各温度計で検出した温度ＥＴＩ１〜ＥＴＩ５の平均値をラミナ流量計（ＬＦＥ）温度ＥＴＩとして用いるようにしている。ＰＢは大気圧、ＴＶは可変ベンチュリー（ＣＦＶ）温度、ＰＰＩは可変ベンチュリー（ＣＦＶ）前圧である。ＥＰＩ，ＥＤＰ，ＥＴＩ，ＰＢ，ＰＰＩはそれぞれ測定値である。ＡならびにＢはラミナ流量計（ＬＦＥ）の係数である。本実施の形態では、ＬＦＥ係数Ａ＝３．８３７、ＬＦＥ係数Ｂ＝０．０００６０６の値を用いた。【００２５】ＱｓはＬＦＥ標準流量である。このＬＦＥ標準流量Ｑｓは式３用いて算出する。Ｋｖは可変ベンチュリー（ＣＦＶ）流量係数である。この可変ベンチュリー（ＣＦＶ）流量係数Ｋｖは式４を用いて算出する。Ｑｎは可変ベンチュリー（ＣＦＶ）標準流量である。この可変ベンチュリー（ＣＦＶ）標準流量Ｑｎは式５を用いた算出する。【００２６】図７〜図１４は可変ベンチュリーの校正用測定データを一具体例を示す説明図である。図７は絞り弁開度を第１段階としたときの測定結果ならびに計算結果を、図８は絞り弁開度を第２段階としたときのものを、同様に図９〜図１４は絞り弁開度を第３段階〜第８段階にしたときのものをそれぞれ示している。図７〜図１４において、ＰＳＮの欄は可変ベンチュリーの移動量（単位：ｍｍ）を示している。ＥＴＩ１〜ＥＴＩ５の欄はラミナ流量計に設けられた５本の温度計で測定されたそれぞれの温度を示している。各ラミナ流量計温度ＥＴＩ１〜ＥＴＩ５の平均値をラミナ流量計温度ＥＴＩとする。ＴＶの欄は可変ベンチュリーの温度の測定値を示している。ＥＰＩの欄はラミナ流量計前圧の測定値を示し、ＥＤＰの欄はラミナ流量計差圧の測定値を示している。ＰＰＩの欄は可変ベンチュリーの前圧の測定値を示している。ＰＢの欄は大気圧の測定値を示している。【００２７】ラミナ流量計温度ＥＴＩ，ラミナ流量計差圧ＥＤＰ，大気圧ＰＢの各測定値、ならびに、ＬＦＥ係数Ａ（＝３．８３７），ＬＦＥ係数Ｂ（＝０．０００６．３）を用いて式３に基づいてラミナ流量計標準流量Ｑｓを算出する。次に、算出したラミナ流量計標準流量Ｑｓと、可変ベンチュリー温度ＴＶ，可変ベンチュリー前圧ＰＰＩ，大気圧ＰＢの各測定値とを用いて式４に基づいて可変ベンチュリー流量係数Ｋｖを算出する。なお、図７〜図１４中のＱｎの欄には、式４に基づいて算出した可変ベンチュリー流量係数Ｋｖを用いて、式５に基づいて算出したＣＦＶ（可変ベンチュリー）標準流量（１気圧，２０℃における流量）を参考値として示している。【００２８】図１５は図７〜図１４に示した各絞り弁開度毎に測定した可変ベンチュリー流量係数の平均値、標準偏差等の計算結果を示す説明図である。図１５において、ＰＳＮの欄は可変ベンチュリーの移動量（単位：ｍｍ）を示している。ＫｖＣＦＶＡＶＥの欄は各絞り弁開度毎に測定した可変ベンチュリー流量係数の平均値を示している。ΣＫｖ２乗の欄は各絞り弁開度の可変ベンチュリー流量係数を２乗した値の合計値を示している。ΣＫｖの欄は各絞り弁開度の可変ベンチュリー流量係数の合計値を示している。ΣＫｖを絞り弁開度の段階数８で除算したものが可変ベンチュリー流量係数の平均値ＫｖＣＦＶＡＶＥとなる（ＫｖＣＦＶＡＶＥ＝ΣＫｖ／８）。σの欄は標準偏差を示している。Ｄｆ欄は各移動量の標準偏差σがその移動量における流量係数の平均値ＫｖＣＦＶＡＶＥの何パーセントに当るかを示している（σ／ＫｖＣＦＶＡＶＥ×１００）。判定の欄にはＤｆが０．３パーセント以内（Ｄｆ＜０．３）であれば判定結果としてＯＫが、そうでない場合はＮＧが記される。【００２９】図１６は図１５で求めた可変ベンチュリー流量係数の平均値ＫｖＣＶＦＡＶＥ（２１点）に基づいて多項式近似を行なった求めた可変ベンチュリー流量係数（校正された流量係数）Ｋｖｃと近似式の係数Ａ０〜Ａ４等を示す説明図である。図１６において、ＰＳＮの欄は可変ベンチュリーの移動量（単位：ｍｍ）を示している。ＫｖＣＦＶＡＶＥの欄は各絞り弁開度毎に測定した可変ベンチュリー流量係数の平均値を示している。Ａ０〜Ａ４の欄は流量係数特性を図４（ｂ）に示した４次の多項式で近似した際の各係数を示している。Ｋｖｃの欄は４次の多項式で近似した流量特性に基づいて計算した可変ベンチュリーの各移動量（各移動位置）における流量係数（校正された流量係数）を示している。Ｅｒｒの欄は４次の多項式で近似した流量特性（（校正された流量係数）と測定によって求めた流量係数の平均値ＫｖＣＦＶＡＶＥとの誤差の比率（百分率）を示している。近似の誤差Ｅｒｒは極めて小さな値となっており、可変ベンチュリーの流量係数特性が４次の多項式によって的確に近似されていることがわかる。【００３０】図１７は可変ベンチュリーの流量係数特性（校正された流量特性）を示すグラフである。横軸は可変ベンチュリーの移動量（移動距離）である。横軸は流量係数である。実線は校正された流量係数特性を示す。○印は流量係数の平均値ＫｖＣＶＦＡＶＥである。図１７に示した流量係数特性のグラフからも可変ベンチュリーの流量係数特性が４次の多項式によって的確に近似されていることがわかる。【００３１】以上説明したように本実施の形態では、臨界圧内で絞り弁開度を多段階（８段階）に切り替え、各移動距離（２１点）において可変ベンチュリーの流量係数値（ＫｖＣＦＶ値）を求め、各移動距離における流量係数値（ＫｖＣＦＶ値）の平均値を求め、求めた流量係数値（ＫｖＣＦＶ値）の平均値に基づいて可変ベンチュリーの流量特性を多項式近似によって校正するようにしたので、可変ベンチュリーの精度を保証しサンプリングの精度を高くすることができる。【００３２】【発明の効果】以上説明したようにこの発明に係る可変ベンチュリーの流量校正方法は、臨界圧内の複数のポイントで（絞り弁の弁開度を異なえて）可変ベンチュリーの複数の移動位置毎に流量係数を求め、各移動位置毎に複数のポイントで測定した流量係数を平均処理し、各移動位置毎に平均化された流量係数に基づいて流量特性を設定することができる。よって、可変ベンチュリーの流量特性を精度良く校正することができる。したがって、可変ベンチュリーを用いたＣＶＳ装置等の流量を精度良く管理することが可能となる。【図面の簡単な説明】【図１】この発明に係る可変ベンチュリーの流量校正方法を示す説明図【図２】各絞り弁開度における可変ベンチュリーの移動距離−流量係数の測定結果を示すグラフ【図３】図２に示した各絞り弁開度別の移動距離−流量係数の測定結果を最小自乗法で近似した移動距離−流量係数特性を示すグラフ【図４】複数の絞り弁開度で測定した流量係数の平均値を示すグラフ【図５】流量係数の平均値を多項式（４次）近似して得た移動距離−流量係数特性（校正された流量特性）を示すグラフ【図６】ラミナ流量計を用いた可変ベンチュリーの流量係数校正における計算手順を示す説明図【図７】可変ベンチュリーの校正用測定データを一具体例を示す説明図（その１）【図８】可変ベンチュリーの校正用測定データを一具体例を示す説明図（その２）【図９】可変ベンチュリーの校正用測定データを一具体例を示す説明図（その３）【図１０】可変ベンチュリーの校正用測定データを一具体例を示す説明図（その４）【図１１】可変ベンチュリーの校正用測定データを一具体例を示す説明図（その５）【図１２】可変ベンチュリーの校正用測定データを一具体例を示す説明図（その６）【図１３】可変ベンチュリーの校正用測定データを一具体例を示す説明図（その７）【図１４】可変ベンチュリーの校正用測定データを一具体例を示す説明図（その８）【図１５】図７〜図１４に示した各絞り弁開度毎の測定結果に基づく可変ベンチュリー流量係数の平均値、標準偏差等の計算結果を示す説明図【図１６】図１５で求めた可変ベンチュリー流量係数の平均値ＫｖＣＶＦＡＶＥ（２１点）に基づいて多項式近似を行なった求めた可変ベンチュリー流量係数（校正された流量係数）Ｋｖｃと近似式の係数Ａ０〜Ａ４等を示す説明図【図１７】可変ベンチュリーの流量係数特性（校正された流量特性）を示すグラフ【図１８】アメリカ（ＥＰＡ）の基準に基づく固定ベンチュリーの校正方法の説明図【符号の説明】１０…ＣＶＳ装置、１３…可変ベンチュリー、１４…温度計、１５…デジタル差圧計、２０…校正用治具、２２…ラミナ流量計、２３…絞り弁、２４…温度計、２５…マノメータ。 一定流量係数を有する流量計と弁開度を多段階に切り換えることができる絞り弁とからなる校正用治具を用いて可変ベンチュリーの流量特性を校正する方法であって、前記可変ベンチュリーの上流側に前記校正用治具を連結し、前記可変ベンチュリーの臨界圧以内で前記絞り弁の弁開度を多段階に切り換えるとともに、前記各絞り弁開度において、前記可変ベンチュリーを複数の移動位置に移動させ、前記各絞り弁開度及び前記各移動位置毎の流量を校正用治具の流量係数と温度と差圧とから算出し、前記算出した流量に基づいて前記各絞り弁開度及び各移動位置毎の可変ベンチュリーの流量係数を算出し、前記算出した各位置毎の可変ベンチュリーの流量係数に基づいて流量係数特性を求めることを特徴とする可変ベンチュリーの校正方法。