翼​面​の​多​点​圧力​と​翼​騒音​の​同期​計測​システム

"本​システム​を​構築​する​こと​で、​従来​は​行​え​なか​っ​た​多​点​データ​の​一括​管理​と​32​点​で​10​分を超える長い時間の時系列波形の計測が可能になった。​また、​トラバース​装置​と​連動​した​連続​自動​計測​により、​各​点​間​の​移動​時間​は​最大​30​秒、​各​点​計測​時間​は​16​点​同期​計測​により​1/16​以下​に​短縮​でき、​測定​環境​の​変化​を​最小限​に​した​質​の​高い​実験​が​行​え​た。"

- Noriaki KOBAYASHI, 東京​大学​生産​技術​研究所​加藤​千幸室

The Challenge:

乱れ​を​考慮​した​ときの​翼​騒音​に関して、​現象​を​本質​的​に​明らか​に​する​ため​に​は、​単独​翼​を​対象​に​した​風洞​実験​において​翼​から​発生​する​騒音​と​翼​周り​の​流れ​場​を​詳細​かつ​多​点​で​計測​する​必要​が​ある。​しかし、​長時間​計測​は​温度​と​密度​の​変化​し、​各​点​で​の​計測​条件​が​異​な​って​しまう。​また、​騒音​は​流れ​に​起因​する​ため、​同時​計測​による​解明​が​必要​で​ある。​さらに、​対象​と​する​流れ​は​乱流​で​規則​性​が​なく、​統計​的​な​結果​を​得る​ため​に​は​各​データ​が​一定​時間​記録​さ​れ​て​いる​必要​が​ある。​したがって、​多​点​を​同時に​長時間​計測​でき、​後​の​統計​処理​に​も​適​した​結果​の​保存​が​できる​実験​用​システム​が​必要​で​ある。

The Solution:

本​研究​の​風洞​実験​で​扱う​測​項目:​計測​装置​は​主に、​騒音:​精密​騒音​計、​流速:​熱線​流速計、​ピトー​管・​マノメーター、​圧力:​半導体​型​圧力​センサー・​マノメーター、​温度:​熱電​対​で、​すべて​アンプ​を​介​し​て​アナログ​信号​を​出力​する。​これらの​センサー​類​の​信号​は​NI CompactDAQ​に​取り付け​た​モジュール​に​接続​し、​LabVIEW​で​多​点​同期​計測​により​時​系列​波形​を​TDMS​形式​で​記録​する​システム​として​構築​した。​計測​時​は​装置​の​不具合​等​を​判別​する​簡易​的​な​信号​処理​のみ​を​行い、​本格​的​な​統計​処理​は​別途​実施​する。​また、​センサー​と​計測​位置​を​調整・​設定​する​トラバース​装置​の​制御​と​連動​し​て​おり、​自動​運転​による​多​点​連続​計測​機能​も​システム​に​付加​した。

背景

近年、​再生​可能​エネルギー​の​一種​で​ある​風力​発電​に​注目​が​集​ま​って​いる​が、​大型​風車​の​翼​から​発生​する​騒音​が​問題​と​な​って​おり、​普及​の​妨げ​と​な​って​いる。​この​ため、​環境​アセスメント​用​の​データ​として、​ウインド​ファーム​において​発生​する​風車​騒音​を​予測​する​ツール​の​開発​が​行​われ​て​いる。​併せて、​風車​騒音​の​低減​の​ため​の​運転​条件、​翼​形状​の​最適​化​が​取り​組​まれ​て​いる。​一方、​実在​の​流れ​に​は​主流​中​の​乱れ​が​存在​し、​これ​が​騒音​に​影響​を​及ぼす​こと​が​指摘​さ​れ​て​いる​が、​乱れ​を​考慮​した​ときの​翼​騒音​の​データ​や​騒音​発生​の​メカニズム​解明​など​基本​的​な​結果​や​知見​が​不十分​で、​その​影響​を​定量​的​に​評価​する​こと​が​難しい​の​が​現状​で​ある。

 

課題

乱れ​を​考慮​した​ときの​翼​騒音​に関して、​現象​を​本質​的​に​明らか​に​する​ため​に​は、​単独​翼​を​対象​に​した​風洞​実験​において​翼​から​発生​する​騒音​と​翼​周り​の​流れ​場​を​詳細​かつ​多​点​で​計測​する​必要​が​ある。​しかし、​長時間​計測​は​温度​と​密度​の​変化​し、​各​点​で​の​計測​条件​が​異​な​って​しまう。​また、​騒音​は​流れ​に​起因​する​ため、​同時​計測​による​解明​が​必要​で​ある。​さらに、​対象​と​する​流れ​は​乱流​で​規則​性​が​なく、​統計​的​な​結果​を​得る​ため​に​は​各​データ​が​一定​時間​記録​さ​れ​て​いる​必要​が​ある。​したがって、​多​点​を​同時に​長時間​計測​でき、​後​の​統計​処理​に​も​適​した​結果​の​保存​が​できる​実験​用​システム​が​必要​で​ある。

 

ソリューション

本​研究​の​風洞​実験​で​扱う​測​項目:​計測​装置​は​主に、​騒音:​精密​騒音​計、​流速:​熱線​流速計、​ピトー​管・​マノメーター、​圧力:​半導体​型​圧力​センサー・​マノメーター、​温度:​熱電​対​で、​すべて​アンプ​を​介​し​て​アナログ​信号​を​出力​する。​これらの​センサー​類​の​信号​は​NI CompactDAQ​に​取り付け​た​モジュール​に​接続​し、​LabVIEW​で​多​点​同期​計測​により​時​系列​波形​を​TDMS​形式​で​記録​する​システム​として​構築​した。​計測​時​は​装置​の​不具合​等​を​判別​する​簡易​的​な​信号​処理​のみ​を​行い、​本格​的​な​統計​処理​は​別途​実施​する。​また、​センサー​と​計測​位置​を​調整・​設定​する​トラバース​装置​の​制御​と​連動​し​て​おり、​自動​運転​による​多​点​連続​計測​機能​も​システム​に​付加​した。

 

 

アプリケーション​概要・​システム​概要

本​システム​は​大​きく​風洞​装置​測定​部、​計測​システム​制御​部、​計測​システム​処理​部​で​構成​さ​れ​て​いる。​図​1​に​その​概観​を​示す。​また、​当​研究室​は​研究室​と​実験​室​の​2​部屋​に​分かれ​て​おり、​風洞​装置​は​実験​室​に​ある。​この​ため、​風洞​装置​測定​部​と​計測​システム​制御​部​は​実験​室​に​ある。

 

風洞​装置​測定​部​に​は、​実験​用​の​模型​と​各種​計測​機、​トラバース装置が備えられ、​実際​に​計測​を​行う​部分​で​ある。​この​測定​部​は​騒音​計測​の​精度​を​高める​ため、​無​響​室​を​設け​て​おり、​計測​機​の​ケーブル​のみ​外​に​排出​し、​遠隔​制御​を​行​って​いる。

計測​システム​制御​部​では、​CompactDAQ​の​モジュール​(NI 9215​を​8​台)​に​計測​機​の​アナログ​信号​(最大​32 ch)​を​接続​し、​USB2.0​により​計測​用​PC​に​接続​し、​計測​の​指示、​計測​した​時​系列​波形​の​転送​を​行​って​いる。​転送​さ​れ​た​結果​は​TDMS​形式​の​ファイル​で​保存​さ​れる。​また、​RS-232C​により​トラバース​装置​と​計測​用​の​PC​を​接続​し、​座標​の​移動​指示​を​行​って​いる。​この​計測​と​座標​移動​の​両者​は、​LabVIEW​で​制御​する​ため、​移動​と​計測​を​繰り返す​多​点​連続​自動​計測​機​が​可能​で​ある。​なお、​この​ときの​計測​用​PC​では、​簡易​的​な​処理​機能​として​瞬時​値​の​表示​と​短時間​の​平均​値、​変動​値​の​算出、​FFT​による​スペクトル​の​表示​機能​を​備え​て​いる。​これ​は、​計測​時​の​装置​の​不具合​の​装置​発見​に​役​立ち、​かつ​処理​が​軽い​こと​から​計測​データ​の​保存​の​妨げ​と​なら​ない。​計測​時間​は​ハードディスク​の​容量​の​範囲​内​で​可能​で​ある​が、​筆者​の​使用​実績​では​16​点​の​翼​面​圧力​と​翼​騒音​を​10​分間​計測​する​作業​を​繰り返し、​1​日​あたり​4 GB​の​ファイル​を​30​個​生成​した。

 

 

計測​システム​処理​部​では、​計測​用​PC​に保存された​TDMS​ファイル​を​Ethernet​で​研究室​に​ある​処理​用​PC​に​転送​し、​計測​結果​を​基​に​本格​的​な​平均​値、​変動​値​の​算出、​FFT​による​スペクトル、​各​計測​点​の​相関​算出​を​行​って​いる。

以上​の​よう​に​本​システム​では​多彩​な​計測​機​の​信号​を​NI​製​の​計測​機​に​統合​する​こと​で​1​台​の​PC​に​計測​機能​を​集約​し​て​構成​さ​れ​て​いる。​また、​LabVIEW​を​計測​機​制御​と​分析​の​2​種類​の​役割​を​持​た​せ​て​いる​ため、​保存したファイルがそのまま処理に回せ、​データが非常に扱いやすくなった。

ここ​で、​各​点​の​相関​を​得る​ため​に​は​長時間​の​分析​が​必要​で、​上記​の​翼​面​圧力​と​翼​騒音​の​相互​相関​計測・​処理​の​場合、​合計​8​時間​の​計測​結果​に対して​48​時間​以上​の​処理​時間​を​要​し、​計測​用​PC​で​処理​を​行う​と​終日​実験​を​行​え​ない​こと​が​ある。​また、​当​研究室​では​数値​流体​解析​を​行​って​おり、​計測​用​PC​より​も​はるかに​高性能​な​大​容量​の​メモリ​と​高性能​な​CPU​を​搭載​した​ワークステーション​を​処理​用​PC​と​した​ほうが​有利​で​ある。​この​ため、​計測​に​は​標準​性能​PC​に​LabVIEW(32bit​版)、​処理​に​は​高性能​PC​に​LabVIEW(64bit​版)​と​使い分け​を​し​て​いる。

また、​本​システム​を​活用​した​翼​面​圧力​と​翼​騒音​の​相互​相関​(多​点​同期​計測)​と​風洞​断面​の​流速​分布​(多​点​連続​自動​計測)​を​図​2、​3​に​それぞれ​示す。

 

 


導入​効果

本​システム​を​構築​する​こと​で、​従来​は​行​え​なか​っ​た​多​点​データ​の​一括​管理​と​32​点​で​10​分を超える長い時間の時系列波形の計測が可能になった。​また、​トラバース​装置​と​連動​した​連続​自動​計測​により、​各​点​間​の​移動​時間​は​最大​30​秒、​各​点​計測​時間​は​16​点​同期​計測​により​1/16​以下​に​短縮​でき、​測定​環境​の​変化​を​最小限​に​した​質​の​高い​実験​が​行​え​た。

特記​すべ​き​は、​今回のシステム構築に際して機器類の追加購入はしておらず、​既存​の​設備​を​組み合わせ​て​いる​ため、​直接​的​な​経費​は​0​に​等しい。

また、​アナログ​信号​を​記録​する​という​シンプル​な​構造​の​ため、​計測​機​の​組み合わせ​や​変更、​計測​条件​の​設定​も​自由​で​あり、​CompactDAQ​も​ノート​PC​と​組み合わせる​こと​で​外部​の​実験​設備​で​利用​できる。​さらに、​以前​の​システム​では​計測​機​ごと​に​記録​デバイス​が​異​な​っ​た​こと​や​旧式​の​PC​のみ​読み取り​可能​な​デバイス、​計測​系​メーカー​の​独自​形式​ファイル​を​用​い​てい​た​ため、​データ​の​変換​が​不便​で​あっ​た​上​に、​分析​用​の​ソフト​も​複数​使用​し​てい​た。​そのため、​計測​時​も​処理​時​も​複数​の​デバイス​が​必要​で​あっ​た​が、​本​システム​では​LabVIEW​と​NI​製​の​計測​機​に​集約​した​ため、​計測​から​データ​の​管理、​分析​まで​一括​で​実行​できる。

 

まとめ​と​今後​の​展望

本​システム​を​用​い​て、​風洞​実験​における​各種​計測​内容​について​自動化・​多​点​化​を​行い、​時間​短縮​による​質​の​高い​実験​が​行​え​た。​また、​計測​データ​の​一元​管理​で​計測​後​の​取り扱い​も​容易​に​でき​た。​さらに、​この​開発​に際して​は​既存​の​設備​を​活用​した​ため、​費用​を​最小限​に​抑える​こと​が​でき​た。

今後​は​計測​と​処理​の​連携​を​さらに​深​め、​計測​後​の​ファイル​の​自動​転送​機能、​転送​さ​れ​た​ファイル​の​自動​処理​開始​機能​など、​より​一体​と​なる​システム​を​構築​した​いと​考え​て​いる。

 

Author Information:

Noriaki KOBAYASHI
東京​大学​生産​技術​研究所​加藤​千幸室
​Japan

​ ​図​2. 多​点​同期​計測​による​翼​面​圧力​と​翼​騒音​の​相互​相関 ​
​ ​図​1. 計測​システム​概観 ​
​ ​図​3. 多​点​連続​自動​計測​による​風洞​断面​の​流速​分布 ​