2016 Fiscal Year Research-status Report
FPGAによる温度・速度の完全多点計測法の実用化と乱流輸送に及ぼす成層効果の解明
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16K14164
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| Research Institution | Numazu National College of Technology |
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Principal Investigator |
大庭 勝久 沼津工業高等専門学校, 電子制御工学科, 准教授 (40321442)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 流体工学 / 熱流体計測 / 抵抗線温度計 / FPGA / 温度成層流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、プログラムにより再構築可能なField Programmable Gate Array(FPGA)を用いてデジタル温度流速計を開発し、温度・速度場の完全多点計測を実現することである。
本年度は抵抗線温度計の有する一次遅れ特性を改善するための補償系を構築した。当初は現有FPGAボードと同規格のNI社製PXI-7854Rを導入予定であったが、より高性能なFlex RIO FPGAモジュール（PXIe-7972R）に変更することとし、それに合わせてシステムの設計変更を行った。また、組込みCPUを内蔵した計測システムからホストPCを経由して制御する方式へ更新した。これによりOSやCPUを最新版に維持可能になった。懸案事項として、PCとFPGA間のデータ通信がシステム全体のボトルネックになることである。そこで、評価実験を行い新システムにおいても補償系の演算精度に影響を及ぼさないことを確認した。
従来はアナログ回路により補償系を構築していたが、双一次変換法を用いて伝達関数を離散化し、FPGA上にデジタル化できることを先行研究において示している。しかし、双一次変換法により離散化される伝達関数は、サンプリング周波数fsに依存するため、本研究ではサンプリング周波数が補償系に及ぼす影響をfs=10kHz～1MHzの範囲で検証した。各fsにおいて、補償誤差が±1.0%に収まる上限周波数を明らにし、測定対象の含有する周波数帯域を見積もれば、それに対して適切なサンプリング周波数を設定できるようにした。
抵抗線温度計用の補償系を構築する際、予め動特性の検定結果から熱的時定数を推定する必要がある。検定実験中の実験条件（室温・気圧・湿度等）のずれは、測定精度に大きく影響する。そこで、本年度は、熱電対と気圧センサ付き温湿度計を併用して、検定中の実験条件の非定常性を監視するシステムを構築した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究の目的である成層流中における温度・速度の完全多点計測法の確立は、FPGAデバイスの性能に大きく依存する。NI社製FlexRIO用FPGAモジュール（PXIe-7972R）は、当初導入予定であったPXI-7854Rに対し、FPGAチップがVirtex-5からKintex-7へと刷新されたデバイスであり、本研究で要求する信号処理能力と実装可能な回路規模が大幅に向上している。これは、計測データに対する補償演算の高速化や計測器の並列化を行う上で大変有用である。
この際の問題は、PXIe-7972Rへのデータ入出力に専用アダプタモジュール（A/D変換機能）が必要になることである。そこで、現有のFPGAボードをデータ入出力用として並列使用し、ホストPCを経由することでKintex-7搭載FPGAボードへのデータ入出力が可能かを調査した。その結果、データ入出力が可能であり、さらにデータ転送が計測サンプリング間隔以内で実行できることを確認した。
上記のように、本研究では現有のデータ集録機能付きのFPGAボードと新規ボードを並列化することで、対処するように新たに計測システムの変更とそれに合わせたシステム設計を行った。そのため、当初の計画よりも多くの時間を要することとなり、本年度は二線式温度流速計に関して温度計測部を実装するに留まった。しかし、先述したように、予定よりも高性能なFPGAを導入できたことで、今後予定している計測システムの多チャンネル化には大変有益な環境を構築することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は以下の研究を行う。
１．デジタル温度流速計の開発
新規導入したFPGAボード：NI社製PXIe-7972R（Kintex7内蔵）上に、熱線流速計用の補償系を実装して動作を確認する。その後、三種の補償系を統合し、デジタル温度流速計としての性能評価を行い、仕様を満たしていれば直ちにFPGA上に並列化する。
２．輸送現象に及ぼす成層効果の実験
直線状の温度分布を有する成層流（温度勾配：数十～1500K/m）中において、温度・速度変動ならびに相関量計測を行い、乱流輸送に及ぼす成層効果について実験的に解析を進める。
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| Causes of Carryover |
物品購入時に慎重に予算執行し抑制に努めた結果である。金額は12,476円であった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度、FPGAボードの上位機種導入に際し前倒し請求を行っており、残金はセンサを製作するための物品費として金属材料の購入に充てる計画である。
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