流速標準に関する世界の動向 -FLOMEKO 2013流速関係報告

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すずりもてぎ
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1 年 3 月 14 日本科学未来館流速標準に関する世界の動向 -FLOMEKO 2013 流速関係報告 ( 独 ) 産業技術総合研究所計測標準研究部門流量計測科気体流量標準研究室岩井彩

2 2 目次 CIPM 相互認証協定 Appendix C (CMCs: 校正測定能力 ) から流速標準の登録内容紹介 FLOMEKO 2013 をベースとした各国の流速標準や校正設備の紹介産総研が進める気体大流速標準の設定

3 CMC: 各国流速設備の流速範囲気体流速を登録している NMI( 国家計量標準機関 ) は 12 機関アメリカオランダリトアニアドイツの NMI4 機関が大流速域を扱うアメリカトルコスイスオランダリトアニア韓国日本ドイツフランスデンマーク台湾オーストリア大流速流速 40 m/s までの中流速域はほとんどの機関で対応可能最大流速はアメリカ [NIST] の 67 m/s 3

4 4 CMC: 各国流速標準の不確かさ拡張不確かさは 1 % 前後流速が大きいほど拡張不確かさは小さい傾向大流速 1% 0.5% アメリカトルコスイスオランダリトアニア韓国日本ドイツフランスデンマーク台湾オーストリア

5 5 FLOMEKO th International Flow Measurement Conference 流速流量分野の国際会議専門家研究者が 200 人以上参加 2013 年 9 月日フランスパリで開催セッションは大きく 4 分野全体で約 100 の発表標準流速液体気体微小流量液体流量石油系流量高圧低圧ガス流量天然ガス流量体積流量計測測定 LNG 計測燃料用ガス測定ガス測定混相流液体流量測定各種流量計超音波式測定臨界ノズルタービン式渦式測定その他不確かさ品質システム流体現象

6 6 流速関係の発表機関日本 _NMIJ 韓国 _KRISS 中国 _NIM アメリカ _NIST フランス _LNE-CETIAT イタリア _INRIM オーストリア _BEV/E+E

7 7 発表 1 回転円盤による LDA 校正の高度化 <1999 ~ 2009> 回転円盤の金属線に対する測定体積の中心位置は LDA 信号が消える中間地点と推定 LDA 校正の不確かさは約 1 % アメリカ NIST 測定体積 LDA レーザー <2010> スペクトル分析器を導入し測定体積の中心位置を 0.1 mm の精度で測定設定流速は 10 m/s と 20 m/s LDA 校正の不確かさは 0.4 % helium-neon laser wire LDA laser clamping screws しかし回転円盤軸のふらつきや振動金属線の形状は流速に依存するため不確かさが更に付加される可能性 collet hole d Disk Spin Disk Spin chopper Disk light trap photo diod Flomeko 2013 講演予稿集より <2011> 測定体積内を通過する金属線の位置を流速 0.2 m/s ~ 20 m/s で測定回転円盤の金属線形状に依存しない流速決定が可能に LDA 校正の不確かさは 0.4 % <2010> と同じ不確かさだが経年変化による測定体積の変化幅が小さくなった

8 発表 1 アメリカ NIST 流速範囲 :0.2 m/s ~ 75 m/s 一次標準 : 回転円盤トランスファ :LDA ピトー管設備 : ゲッチンゲン型風洞回転円盤 Flomeko 2013 講演予稿集より NIST のトレーサビリティ体系 ( 予定 ) Flomeko 2013 講演予稿集より 8

9 アメリカ NIST ゲッチンゲン型風洞全長 43.6 m 幅 8.9 m 入れ替え可能な 2 個の測定胴直管 :0.2 m/s ~ 45 m/s 凹管 :0.2 m/s ~ 75 m/s 測定胴での乱流強度はほとんどの流速域で 0.07 % 直管上面図 Flow 凹管直管 Flow Yeh and Hall, NIST Special Publication より側面図凹管 Flow Flomeko 2013 講演予稿集より 9

10 ピトー係数 10 発表 2 三次 ( 参照 ) 標準としてのピトー管校正と不確かさ解析 NIST では近い将来ピトー管を三次 ( 参照 ) 標準として使用 < ピトー管の形状 > 直径 9 mm L 型アメリカ NIST < 校正条件 > 流速 5 m/s ~ 75 m/s 低乱流条件風洞と LDA で校正ヨー角とピッチ角は 0 度角度の不確かさは 1 度以内ヨー角ピッチ角のずれによる誤差は流速の 0.02 % < 結果 > 2 m/s 以上の流速域を三次標準として使用可能長期安定性に非常に優れている (10 日後の再現性あり ) 流速 5 m/s ~ 75 m/s での拡張不確かさ (k=2) は 0.41 % 程度 Flomeko 2013 講演予稿集より

11 発表フランス LNE-CETIAT 流速計の閉塞効果の誤差評価を数値計算で行う取り組み第 1 段階として風洞実験による結果との比較で数値計算結果を評価 (Code_saturne(c) 2.0 ナビエ - ストークス方程式 ) 風洞実験で使用した流速計ピトー管 (ISO 3966 に準拠 ) 熱式流速計タービン式流速計 ( 直径 14 mm) タービン式流速計 ( 直径 100 mm) Flomeko 2013 講演予稿集より

12 フランス LNE-CETIAT ゲッチンゲン型風洞流速範囲 :0.15 m/s ~ 40 m/s トランスファー :LDA 不確かさは約 0.5 % 10.8 m Flow 3.18 m Flomeko 2013 講演予稿集より 12

13 フランス LNE-CETIAT ピトー管風洞実験 (LDA) 数値計算熱式 20mm 300mm 20mm 300mm 20mm 300mm 20mm 300mm Flomeko 2013 講演予稿集より閉塞効果流速計の前方 20mm ではピトー管は閉塞効果なし熱式は効果あり数値計算は定性的に実験結果と良く合っている 13

14 14 14 mm フランス LNE-CETIAT 風洞実験 (LDA) 数値計算 00 mm 20mm 300mm 20mm 300mm 20mm 300mm 20mm 300mm Flomeko 2013 講演予稿集より数値計算結果は実験結果よりも分布は滑らかだが分布傾向は十分に反映風洞実験を数値計算に置き換えられる可能性あり

15 15 発表 1 イタリア INRIM 回転腕を用いた流速標準の設定無風空間流速計回転軸回転腕回転腕半径 : 3.5 m 流速範囲 : 0.1 m/s ~ 5.0 m/s 回転軸ピトー管やタービン式などの流速計を回転腕の先端に設置し無風空間で回転させる散乱粒子の噴霧器 Flomeko 2013 講演予稿集より < 実験目的 > 回転腕の通過前後に発生する空間内の流速をLDAで測定 < 実験準備 > 散乱粒子を充満させた後無風状態になるまで10 分間待機

16 空間内の流速 (m/s) 流速計の流速 (m/s) イタリア INRIM < 実験目的 > 回転腕の通過前後に発生する空間内の流速を LDA で測定回転腕の先端にタービン式流速計 ( 直径 100 mm) を設置設定流速 : 1 m/s 流速計から 5 m 手前流速計から 1 m 手前時間 ( 秒 ) Flomeko 2013 講演予稿集より空間内の流速 (m/s) 流速が増すほど空間内の流速はばらつく空間内の流速分布は設置する流速計によっても異なると考えられるため他の流速計でも実験を予定している 16

17 17 発表 2 イタリア INRIM リニューアルしたエッフェル型風洞の性能評価 ( 新旧比較 ) Flomeko 2013 講演予稿集より改良点木製ファンを金属製に流れの質が向上測定部の構造的な強度を向上ドア枠を改良流速範囲が拡大 2 m/s ~ 35 m/s ( 潜在的には 40 m/s まで可能?) 性能評価熱線流速計を使用乱流強度 0.6% 台 ( 旧型と同等 ) 流速 12.5 m/sではノズル出口から30 cm 後方で乱流強度がピーク (1 % 以上 ) を持つためそこで渦が発生している可能性

18 18 発表オーストリア BEV/E+E 新しい流速標準の確立 (0.04 m/s ~ 40 m/s) ドイツの NMI(PTB) で校正された LDA( 不確かさ 0.2 %) を使用 LDA の安定度 % 未満 / 年エッフェル型流速範囲 :0.04 m/s ~ 2 m/s 乱流強度 :0.15 % ~ 0.8 % 散乱粒子 :DEHS( 平均直径 1 μm) ゲッチンゲン型流速範囲 :0.3 m/s ~ 40 m/s ノズル直径 :255 mm 乱流強度 :0.15 % ~ 0.5 % 測定流体温度 :5 ~ 80 Flow Flow Flomeko 2013 講演予稿集より Flomeko 2013 講演予稿集より

エッフェル型風洞流速範囲 :0.2 m/s ~ 30 m/s 一次標準 : 回転円盤トランスファ :LDA(0.2 m/s ~ 30 m/s) ピトー管 (5 m/s ~ 30 m/s) 熱線流速計 (0.

19 発表中国 NIM 流速標準 (0.2 m/s ~ 30 m/s) の新規立ち上げ大気循環や室内空気のモニタリング調査航空宇宙などの分野に焦点を当てる煙突内の流速測定については NIST でも研究が進んでおり NIST に研究者を長期派遣中エッフェル型風洞流速範囲 :0.2 m/s ~ 30 m/s 一次標準 : 回転円盤トランスファ :LDA(0.2 m/s ~ 30 m/s) ピトー管 (5 m/s ~ 30 m/s) 熱線流速計 (0.2 m/s ~ 5 m/s) ノズル直径 :200 mm Flow ノズル直径 200 mm LDA Test section Fan エッフェル型風洞 Flomeko 2013 講演予稿集より LDA 校正用の回転円盤 LDA 測定による拡張不確かさ (k=2) は 0.3 % 未満 LDA による校正方法の効率化が今後の課題 Flomeko 2013 講演予稿集より 19

20 発表韓国 KRISS ピッチ角ヨー角変動時の S 型ピトー係数の評価工場等の煙突から排出される温室効果ガスの流量測定精度向上を目指す設定流速 :2 m/s ~ 15 m/s 拡張不確かさ (k=2):0.6 % ~ 1.1 % 乱流強度 :0.5 % 未満ピッチ角およびヨー角を 2 度ずつ ±10 度の範囲で変化させた Flow 衝突孔後流孔温度計 Flow S 型ピトー管煙突差圧計へ S 型ピトー管 Flomeko 2013 講演予稿集より 20

21 21 韓国 KRISS 測定結果 ( 左 ) ピッチ角変動時 ( 右 ) ヨー角変動時 Flow 傾向無し Flow 傾向有り Flomeko 2013 講演予稿集より標準偏差と不確かさはレイノルズ数 =3,000 で 0.3 % 未満レイノルズ数 =22,000 で 1.21 % であったヨー角変動による変動傾向は後流孔での圧力が原因と考えられる

22 22 (FLOMEKO で流速関係の発表は無い ) ドイツ PTB ゲッチンゲン型風洞流速範囲 :0.5 m/s ~ 65 m/s 流量設備のブロワを併用したエッフェル型であったが動力源を独立させて改良した一次標準 : 回転円盤トランスファー :LDA ノズル直径 :320 mm 流量設備へ Flow 流量設備併用型現在回転円盤

23 ドイツ PTB ノズル直径 320 mm 第 1 の LDA( 流速測定用 ) 第 2 の LDA( 風洞制御および参照標準 )

24 24 エッフェル型風洞流速範囲 :0.2 m/s ~ 40 m/s トランスファー :LDA 超音波式などノズル直径 :180 mm 流速計校正では通常こちらを使用ドイツ PTB ノズル直径 180 mm このチューブから散乱粒子を供給モーター流速分布を平らにするためのフィルター排出側

25 面積分 25 大流速標準設定の流れ産総研つくば中央ピトー管気体中流量標準噴流中心部の流速を算出正確な体積流量を供給量速変換ノズル (60φ) 規格化噴流流速分布測定ピトー管 & 熱線流速計産総研つくば北サイトエッフェル型風洞 (100φ) 移転供給

26 26 標準設定に使用する設備産総研つくば中央産総研つくば北サイト気体中流量設備 ( 高速風洞システム ) エッフェル型風洞 ( 実用標準 )

27 27 高速風洞システム閉ループ式校正設備質量流量 Flow Q v Q m nzl 体積流量

28 28 量速変換ノズル 200A 100A ピトー管ノズル直径は 60 mm ノズル比は 9:1 メッシュは 3 枚ハニカムは 1 枚ステッピングモーターによるトラバース機構上下方向 (0.002 mm 間隔 ) 回転方向 ( ) の 2 自由度

29 29 噴流分布測定 1. 噴流中心部の安定した流速をピトー管で測定 2. 流速分布を熱線流速計で測定 3. 流速分布を測定断面積で面積分し体積流量に変換 4. 高速風洞システムから供給される体積流量で補正後中心部の流速を正確に算出 5. 得られた流速からピトー係数を決定する Flow 熱線流速計ピトー管

30 30 エッフェル型風洞全長 :8.4 m 大流速標準設定後校正はこの風洞で実施予定ノズル直径 100 mm

31 31 まとめ CIPM 相互認証協定 Appendix C (CMCs: 校正測定能力 ) から流速標準の登録内容紹介流速 40 m/s 以上を扱う NMI は流速標準を登録している 12 機関中 4 機関 (NIST[ アメリカ ] VSL[ オランダ ] VMT/LEI[ リトアニア ] PTB[ ドイツ ]) あり最大流速は NIST の 67m/s 流速 40 m/s 以上での拡張不確かさ (k=2) は 0.5 % ~ 1.0 % FLOMEKO 2013 をベースとした各国の流速標準や校正設備の紹介 NIST[ アメリカ ] 発表 1: 回転円盤による LDA 校正の高度化発表 2: 三次 ( 参照 ) 標準としてのピトー管校正と不確かさ解析 LNE-CETIAT[ フランス ] 発表 : 風洞実験による結果との比較で数値計算結果を評価

32 まとめ INRIM[ イタリア ] 発表 1: 回転腕の通過前後に発生する空間内の流速を LDA で測定発表 2: リニューアルしたエッフェル型風洞の性能評価 BEV/E+E[ オーストリア ] 発表 : 新しい流速標準 (0.4 m/s ~ 40 m/s) の確立 NIM[ 中国 ] 発表 : 新しい流速標準 (0.2 m/s ~ 30 m/s) の確立 KRISS[ 韓国 ] 発表 : ピッチ角ヨー角変動時の S 型ピトー係数の評価 PTB[ ドイツ ] 動向 : 流量設備のブロアを併用したエッフェル型風洞をゲッチンゲン型に改良 NMIJ[ 日本 ] 大流速標準 (40 m/s ~ 90 m/s) の設定 2014 年 12 月に標準立ち上げ予定ご静聴ありがとうございました! 32

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Microsoft PowerPoint 計測クラブ.ppt 第 8 回 NMIJ 流量計測クラブ気体流量標準の最近の動向 - 水素都市ガス蒸気大流速 - 気体流量標準研究室石橋雅裕 2013 年 3 月 1 日阪マーチャンダイズマートビル既存気体流量流速標準流量標準小流量 8 mm 3 /h ~ 5 m 3 /h ( 各種ガス ) 中流量 5 m 3 /h ~ 5000 m 3 /h ( 空気 ) 流速標準 (~ 10000 m 3 /h)