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＜熱流体用の温度・速度同時計測システムの開発＞
〜FPGAを用いた二線式温度流速計のデジタル化について〜
＜はじめに＞

近年、熱交換器などの工学機器においても環境負荷低減や省エネルギー化が重要な課題となっています。熱交換器の性能には熱輸送が密接に関連しており、その評価には気流の温度と速度の同時計測により熱流束を評価することが不可欠です。

これまで、高精度な温度と速度の同時計測には高価な設備や複雑な手順が必要でした。大庭研究室では二線式温度流速計という計測器に着目し、従来はアナログ素子を基幹としていた計測器をデジタル方式で実現することで、高精度かつ操作性の良い計測器の開発を進めています。本研究の特長は情報・通信分野で広く普及しているFPGA(Field Programmable Gate Array)という電子デバイスを流体計測分野へ適用し、従来の手法では原理上困難であったデジタル化を達成していることです。

＜二線式温度流速計について＞

二線式温度流速計は抵抗線温度計と呼ばれる温度計と熱線流速計という速度計を組み合わせた計測器です。センサ部は図1のようになっており、気流に対して前方が温度センサ、後方が速度センサです。
　
図1　二線式温度流速計のセンサ部（I-Iプローブ）
図2　各種アナログ計測器
＜FPGAについて＞

FPGAはField Programmable Gate Arrayの略であり、内部の論理回路をプログラムで再構成可能な電子デバイスです。PCやDSPなどの一般的なデジタルデバイスでは原理上不可能な複数処理の完全並列実行が可能なことがFPGAの最大の特長です。PCやDSPとFPGAの処理方式のイメージを図3に示します。
　
図3　PCやDSPとFPGAの処理方式の違い

二線式温度流速計では、瞬時温度・速度情報に基づく同時相互補償が必須となるため、FPGAを採用しています。
＜各種補償系のデジタル化＞

補償系のデジタルには、National Instruments社（NI社）が提供しているPXIシステムを用いました。図2のアナログ補償系と同等の役割を持つ補償系をFPGAチップに実装可能です。通常、FPGAのプログラミングにはVHDL等のハードウェア記述言語が用いられますが、本研究ではNI社が提供するグラフィカルプログラミング言語であるLabVIEWを用いて開発を進めています。LabVIEWの採用により、直観的なプログラミングが可能となっています。
　
図4　PXIシステム（左）とFPGAボード（右）
＜謝辞＞

本研究は科学研究費補助金（課題番号 21760139）の助成を受けて行われた研究の一部であることを記して謝意を表す。
＜関連研究論文＞
早苗, 大庭　“組込みデバイスの流体計測分野への適用に関する基礎研究”, 日本高専学会誌 Vol.16 No.3, (2011), pp.57-62.

早苗, 大庭　“温度流速計用の温度補償アルゴリズムに関する研究”, 沼津工業高等専門学校研究報告第45号, (2011), pp.113-118.

遠山, 大庭, 小谷田　“FPGAによる抵抗線温度計用の周波数補償システムのデジタル化”, 沼津工業高等専門学校研究報告第44号, (2010), pp143-148.
＜学会発表・国際会議＞
2011年7月　ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Conference 2011
S.SANAE, K.OHBA　「DIGITALIZATION OF HIGH ACCURACY THERMO-ANEMOMETER FOR HEAT FLUX MEASUREMENT IN STRATIFIED FLOW」
＜学会発表・国内会議＞
2011年12月　富士山麓アカデミック＆サイエンスフェア2011
伊井, 早苗, 大庭　「FPGAを用いた温度流速計用のデジタル遅延補償系の開発」
　発表詳細　 ポスターセッション優秀賞受賞

2011年11月　第54回自動制御連合講演会
伊井, 大庭　「FPGAを用いた熱流体用計測システム用の相互補償系のデジタル化」

2011年9月　日本機械学会2011年度年次大会
伊井, 大庭, 早苗　「デジタル動的補償系による熱流束計測システムの構築」

2011年9月　日本流体力学会年会2011
早苗, 大庭　「熱流体計測用の動的補償システムのFPGA実装」

2011年3月　日本機械学会東海支部第60期総会講演会
伊井, 早苗, 大庭　「成層乱流場用の熱流束計測系のデジタル化」

2011年1月　第16回高専シンポジウムin米子
早苗, 大庭　「異分野融合による温度・速度同時計測システムの開発」

2010年12月　富士山麓アカデミック＆サイエンスフェア2010
早苗, 大庭　「組込みデバイスを用いた熱流体計測システムの高精度化」
　発表詳細　 ポスターセッション優秀賞受賞

2010年11月　第8回日本流体力学会中部支部講演会
伊井, 早苗, 大庭　「乱流熱流束の高精度計測に向けたデジタル温度流速計の構築」

2010年10月　第88期日本機械学会流体工学部門講演会
早苗, 大庭　「熱流体用のデジタル計測システムにおける動的補償システムの高精度化」
　発表詳細　 優秀講演表彰受賞

2010年9月　日本流体力学会年会2010
大庭, 伊井, 早苗　「熱流体計測システムにおけるデジタル動的補償システムの構築」

2010年9月　日本機械学会2010年度年次大会
早苗, 大庭　「FPGAを用いた温度・速度同時計測システムのデジタル化」

2010年8月　日本高専学会第16回年会講演会
早苗, 大庭　「組込みデバイスの流体計測分野への適用に関する基礎研究」

2010年3月　日本機械学会東海支部第59期総会講演会
遠山, 大庭　「瞬時温度情報に基づく熱線流速計用デジタル補償システムの構築」

2010年3月　東海学生会第41回学生員卒業研究発表講演会
早苗, 大庭　「熱線流速計における温度補償法に関する研究」

2010年1月　第15回高専シンポジウムinいわき
伊藤, 大庭　「FPGAによる熱線流速計用の温度補償系のデジタル化」

2009年12月　富士山麓アカデミック＆サイエンスフェア2009
大庭, 遠山　「高周波域における温度変動計測用の動的補償システムのデジタル化」
　発表詳細　 ベストポスター賞受賞

2009年12月　富士山麓アカデミック＆サイエンスフェア2009
大庭, 伊藤　「FPGAによる熱線流速計用デジタル温度補償システムの開発」

2009年10月　日本流体力学会第7回中部支部講演会
大庭, 遠山　「熱流体用の温度・速度同時計測システムのFPGA実装」

2009年9月　日本機械学会2009年度年次大会
大庭, 遠山　「FPGAによる抵抗線温度計用の動的補償システムのデジタル化」

2009年1月　第14回高専シンポジウムin高知
遠山, 大庭　「FPGAによる抵抗線温度計の周波数補償系のデジタル化」

2008年3月　第39回学生員卒業研究発表講演会
小谷田, 大庭, 蒔田　「FPGAを用いた抵抗線温度計用デジタル補償系の開発」
　発表詳細　 Best Presentation Award受賞

2007年12月　研究開発・ものづくりシンポジウム2007
大庭, 小谷田　「デジタル温度流速計の開発」
　ベストポスター賞優秀賞受賞

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