(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を流れる測定対象のインピーダンスを反映した計測信号である出力信号を送出するセンサ部と、
前記出力信号を処理して前記測定対象の速度を計測する演算処理手段とを具備するとともに、
前記センサ部は、
前記流路内において前記測定対象の流れの中の面内の複数位置に配設された上流側計測点における前記測定対象のインピーダンスを表わす上流側出力信号を送出する上流側センサ部と、
流体の流れ方向の下流側における前記面と同様の他の面内で前記上流側計測点に対応させて複数配設された下流側計測点における前記測定対象のインピーダンスを表わす下流側出力信号を送出する下流側センサ部とを有する一方、
前記演算処理手段は、
前記上流側出力信号および下流側出力信号に基づき前記流体中の気泡を検出し、前記上流側出力信号に基づき検出した特定の気泡の一つを抽出してその特定の気泡の体積を演算する一方、前記下流側出力信号に基づき検出した各気泡の体積を演算するとともに、その中から前記特定の気泡と体積が最も近いペアとなる気泡を抽出し、さらに前記特定の気泡と前記ペアとなる気泡との重心位置を演算するとともに重心位置同士を結ぶベクトルの始点および終点の座標を演算し、該ベクトルをＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の各成分に分解することにより前記特定の気泡の三次元的な流速を演算するように構成したことを特徴とする三次元速度の計測システム。
【請求項２】
請求項１に記載する三次元速度の計測システムにおいて、
前記上流側センサ部および下流側センサ部はワイヤメッシュセンサで構成したことを特徴とする三次元速度の計測システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載する三次元速度の計測システムにおいて、
前記演算処理手段は、前記気泡を抽出する三次元的な空間である検索領域を、前記Ｘ軸およびＹ軸で形成するＸＹ平面に関しては所定の面積、Ｚ軸方向に関しては所定の経過時間で予め特定しておくことを特徴とする三次元速度の計測システム。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一つに記載する三次元速度の計測システムにおいて、
前記演算処理手段は、前記上流側センサ部および前記下流側センサ部の各計測点の感度に基づき前記上流側出力信号および下流側出力信号をそれぞれ校正するための係数を掛ける前処理部と、
前記前処理部で校正された前記上流側出力信号および下流側出力信号を処理の対象とする演算処理部とを有するものであることを特徴とする三次元速度の計測システム。
【請求項５】
請求項１〜請求項３の何れか一つに記載する三次元速度の計測システムにおいて、
前記演算処理手段は、前記上流側出力信号および下流側出力信号を所定の閾値により２値化処理するとともに、前記閾値を超える値の計測点を気泡による信号要素であると見做すとともに、前記閾値を超える値の計測点から所定の範囲拡張させた部分を気泡の界面と見做して互いに近接する信号要素同士を連結し、互いに連結された信号グループに固有番号を与え、この固有番号に基づき前記上流側出力信号および下流側出力信号から界面部分を含む気泡を抜き出す処理を行う演算処理部を有することを特徴とする三次元速度の計測システム。
【請求項６】
請求項５に記載する三次元速度の計測システムにおいて、
前記閾値は、体積が異なる複数種類の気泡に対応させて複数種類を設定したことを特徴とする三次元速度の計測システム。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか一つに記載する三次元速度の計測システムにおいて、
前記演算処理手段は、前記各測定対象の三次元速度の前記ＸＹ平面内の方向成分に基づき前記ＸＹ平面内における前記各測定対象の移動方向を検出して前記測定対象の所定時間内における挙動を表示部に可視化して表示するものであることを特徴とする三次元速度の計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は三次元速度の計測システムに関し、特に原子炉や火力発電所等のプラントにおける気液二相流状態における流れ場の気泡の三次元速度を計測する場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉の安全評価に係る二相流解析は、冷却材の流れを正確に評価するため、一次元から三次元モデルに移行しつつある。その中で、沸騰二相流を含む三次元熱流動解析コードは、精度の良い三次元二相流動の実験データによる検証が必要である。この種のデータを得るための計測システムとしてセンサ部をワイヤメッシュセンサで構成したものが知られている（非特許文献１参照）。
【０００３】
ワイヤメッシュセンサは、図１１（ａ）に示すように、流体が流れる管路０１の軸方向において所定の距離を隔てて交叉させるとともに、図１１（ｂ）に示すように管路０１の断面内で正方格子状に配設された第１のワイヤ電極０２および第２のワイヤ電極０３を有しており、第１のワイヤ電極０２を励起電極および第２のワイヤ電極０３を計測電極とするインピーダンスセンサである。ワイヤ同士は近接しているが、接触はしていない。以下、第１のワイヤ電極０２および第２のワイヤ電極０３の交点を計測点という。したがって、計測点はワイヤメッシュセンサの面内に正方格子状に分散されて多数形成されている。
【０００４】
かかるワイヤメッシュセンサは、図１２に示すように、第１のワイヤ電極０２で形成する入力線にはスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４により一列目から順に励起パルス（入力信号）ＰＩが印加される。ここで、励起パルスＰＩは電源０４から切替スイッチＳＰを介して供給される。
【０００５】
上述の如き励起パルスＰＩの印加に伴い、計測点（[１，１]，[２，１]，[３，１]，[４，１]）・・・（[１，４]，[２，４]，[３，４]，[４，４]）におけるインピーダンスは、各計測点（[１，１]，[２，１]，[３，１]，[４，１]）・・・（[１，４]，[２，４]，[３，４]，[４，４]）を短絡する流体の状態に応じて変化する。この結果、第２のワイヤ電極０３で形成する出力線には各計測点（[１，１]，[２，１]，[３，１]，[４，１]）・・・（[１，４]，[２，４]，[３，４]，[４，４]）のインピーダンスを反映した計測信号（出力信号）ＰＯ１、ＰＯ２、ＰＯ３、ＰＯ４が各行毎に出力される。いま、スイッチＳ４を閉にすることによってスイッチＳ４に接続された第１のワイヤ電極０２に励起パルスＰＩが印加された場合を考える。この場合において、計測点[２，４]に気泡０５が存在する一方、他の計測点[１，４]，[３，４]，[４，４]近傍が液体で満たされていると、計測点[２，４]におけるインピーダンスが、他の計測点[１，４]，[３，４]，[４，４]におけるインピーダンスよりも小さくなるので、この計測点[２，４]に対応する第２のワイヤ電極０３を介して得られる計測信号ＰＯ２は他の計測信号ＰＯ１，ＰＯ３，ＰＯ４よりも低いインピーダンスとして検出される。すなわち、計測信号ＰＯ１、ＰＯ３、ＰＯ４の平均レベルは計測点（[１，１]，[２，１]，[３，１]，[４，１]）・・・（[１，４]，[２，４]，[３，４]，[４，４]）における気液二相流における液体（例えば水）と気体（気泡０５）の存在量を反映したものとなる。この結果、計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４を演算処理部０６で処理することにより各計測点（[１，１]，[２，１]，[３，１]，[４，１]）・・・（[１，４]，[２，４]，[３，４]，[４，４]）における、例えば気液二相流における気液の割合等、所望の物質の存在量を演算により計測することができる。
【０００６】
上述の如きワイヤメッシュセンサを流体の流れ方向に関して上下二箇所に配設すれば二組のワイヤメッシュセンサの各出力信号の時間差により気泡の速度も計測可能である。すなわち、上下流のワイヤメッシュセンサにおいてそれぞれ対応する一点間では相互相関分析による主流方向一次元での気泡速度計測を行うことができる。ところが、この場合の気泡速度の計測は流れ方向一次元の評価に止まる。
【０００７】
かかる問題を解決すべく、本発明者等は、気泡等、測定対象の三次元速度を容易かつ適確に検出することができる三次元速度の計測システムを開発した（非特許文献２参照）。
これは、周波数解析の一つであるウェーブレット解析と相互相関分析を応用したワイヤメッシュセンサ（Wire-Mesh Sensor:ＷＭＳ）信号処理手法であり、この手法により気泡サイズ毎の時間平均多次元気相速度計測が可能となり、多次元気相速度、相間摩擦係数、揚力係数、抗力係数等、解析における数理モデルを構成する係数を得ることが可能となった。
【０００８】
しかしながら、過渡現象である気泡間相互作用のモデル化も界面積濃度積輸送方程式では必要とされている。すなわち、近接配置した２組のＷＭＳから得られた二相流動計測データから、気泡を識別・分離し、２組のＷＭＳ間で気泡を追跡する信号処理手法の開発が待望されている。個々の気泡の多次元計測が可能となることで、界面積濃度輸送方程式の気泡間相互気泡等、測定対象の三次元速度を容易かつ適確に検出することができるからである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】H.Pietruske.H.-M.Prasser/Flow Measurement and Instrumentation 18(2007)87-94
【非特許文献２】金井大造，古谷正裕，新井崇洋,白川健悦，「大口径円筒管内二相流の三次元相速度分布計測手法の開発」，電中研報告 L10006 (2010)．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記従来技術に鑑み、二相流動計測データから、気泡を識別・分離し、２組のセンサ間で移動する個別の気泡を追跡する信号処理手法により時間分解能を良好に向上させて気泡等、測定対象の三次元速度を容易かつ適確に検出することができる三次元速度の計測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成する本発明の第１の態様は、
流路を流れる測定対象のインピーダンスを反映した計測信号である出力信号を送出するセンサ部と、
前記出力信号を処理して前記測定対象の速度を計測する演算処理手段とを具備するとともに、
前記センサ部は、
前記流路内において前記測定対象の流れの中の面内の複数位置に配設された上流側計測点における前記測定対象のインピーダンスを表わす上流側出力信号を送出する上流側センサ部と、
流体の流れ方向の下流側における前記面と同様の他の面内で前記上流側計測点に対応させて複数配設された下流側計測点における前記測定対象のインピーダンスを表わす下流側出力信号を送出する下流側センサ部とを有する一方、
前記演算処理手段は、
前記上流側出力信号および下流側出力信号に基づき前記流体中の気泡を検出し、前記上流側出力信号に基づき検出した特定の気泡の一つを抽出してその特定の気泡の体積を演算する一方、前記下流側出力信号に基づき検出した各気泡の体積を演算するとともに、その中から前記特定の気泡と体積が最も近いペアとなる気泡を抽出し、さらに前記特定の気泡と前記ペアとなる気泡との重心位置を演算するとともに重心位置同士を結ぶベクトルの始点および終点の座標を演算し、該ベクトルをＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の各成分に分解することにより前記特定の気泡の三次元的な流速を演算するように構成したことを特徴とする三次元速度の計測システムにある。
【００１２】
本態様によれば、特定の気泡と、ペアとなる気泡との重心間を結ぶ三次元ベクトルに基づきＸ，Ｙ，Ｚ方向の気泡の速度を検出しているので、良好な時間分解能で個々の気泡等、測定対象の三次元速度を高精度に計測することが可能となる。このように、個々の気泡の多次元計測が可能となることで、界面積濃度輸送方程式の気泡相互作用に関わる数理モデル作成および実験データによるモデルの比較検証が可能となる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載する三次元速度の計測システムにおいて、
前記上流側センサ部および下流側センサ部はワイヤメッシュセンサで構成したことを特徴とする三次元速度の計測システムにある。
【００１４】
本態様によれば、上流側および下流側センサ部を良好に構成することができる。
【００１５】
本発明の第３の態様は、
第１または第２の態様に記載する三次元速度の計測システムにおいて、
前記演算処理手段は、前記気泡を抽出する三次元的な空間である検索領域を、前記Ｘ軸およびＹ軸で形成するＸＹ平面に関しては所定の面積、Ｚ軸方向に関して所定の経過時間で予め特定しておくことを特徴とする三次元速度の計測システムにある。
【００１６】
本発明によれば、検索領域を絞ることができるので、迅速かつ適確に所望の気泡を抽出することができる。
【００１７】
本発明の第４の態様は、
第１〜第３の態様の何れか一つに記載する三次元速度の計測システムにおいて、
前記演算処理手段は、前記上流側センサ部および前記下流側センサ部の各計測点の感度に基づき前記上流側出力信号および下流側出力信号をそれぞれ校正するための係数を掛ける前処理部と、
前記前処理部で校正された前記上流側出力信号および下流側出力信号を処理の対象とする演算処理部とを有するものであることを特徴とする三次元速度の計測システムにある。
【００１８】
本態様によれば、上流側センサ部および前記下流側センサ部の感度のばらつきを補正して高精度の計測値を演算処理部に提供することができる。
【００１９】
本発明の第５の態様は、
第１〜第３の態様の何れか一つに記載する三次元速度の計測システムにおいて、
前記演算処理手段は、前記上流側出力信号および下流側出力信号を所定の閾値により２値化処理するとともに、前記閾値を超える値の計測点を気泡による信号要素であると見做すとともに、前記閾値を超える値の計測点から所定の範囲拡張させた部分を気泡の界面と見做して互いに近接する信号要素同士を連結し、互いに連結された信号グループに固有番号を与え、この固有番号に基づき前記上流側出力信号および下流側出力信号から界面部分を含む気泡を抜き出す処理を行う演算処理部を有することを特徴とする三次元速度の計測システムにある。
【００２０】
本態様によれば、気泡を容易かつ適確に分離して識別することができる。ここで、閾値を超える値の計測点から所定の範囲拡張させた部分を気泡の界面と見做して界面部分を含む気泡の体積を求めているので、この気泡の体積を正確に検出することができる。
【００２１】
本発明の第６の態様は、
第５の態様に記載する三次元速度の計測システムにおいて、
前記閾値は、体積が異なる複数種類の気泡に対応させて複数種類を設定したことを特徴とする三次元速度の計測システムにある。
【００２２】
本態様によれば、体積が異なる複数種類の気泡を正確に識別することができる。ちなみに、例えばボイド率を基準にした閾値を大きくすれば、小気泡を検出することが困難になる。
【００２３】
本発明の第７の態様は、
第１〜第６の態様の何れか一つに記載する三次元速度の計測システムにおいて、
前記演算処理手段は、前記各測定対象の三次元速度の前記ＸＹ平面内の方向成分に基づき前記ＸＹ平面内における前記各測定対象の移動方向を検出して前記測定対象の所定時間内における挙動を表示部に可視化して表示するものであることを特徴とする三次元速度の計測システムにある。
【００２４】
本態様によれば、流れ方向に直交する面内における気泡等、測定対象の挙動、すなわち旋回の様子等を可視化して視認することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、二相流の流路に沿って配置した上流および下流にそれぞれ配設した上流側センサ部と下流側センサ部とで得られた二相流動計測データから、気泡を識別・分離し、上流側センサ部および下流側センサ部間で気泡を追跡する信号処理手法を採用したので、個々の気泡の三次元速度の計測が可能となる。この結果、界面積濃度輸送方程式の気泡間相互気泡等、測定対象の三次元速度の時間分解能を向上させて所望の三次元速度を容易かつ適確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態に係る三次元速度の計測システムの全体を示すブロック線図である。
【図２】本発明の実施の形態における全体的な信号処理の概要を示すフロー図である。
【図３】本発明の実施の形態における気泡識別の原理を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態における気泡分離の原理を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態における気泡追跡法の概要を示す説明図である。
【図６】本発明の他の変形例である第１の実施例を示す説明図である。
【図７】本発明の他の変形例である第２の実施例を示す説明図である。
【図８】本発明の他の変形例である第３の実施例を示す説明図である。
【図９】本発明の他の変形例である第４の実施例を示す説明図である。
【図１０】本発明の他の変形例である第５の実施例を示す説明図である。
【図１１】ワイヤメッシュセンサを示す説明図である。
【図１２】計測原理も含めたワイヤメッシュセンサを概念的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２８】
図１は本発明の実施の形態に係る三次元速度の計測システムの全体を示すブロック線図である。同図に示すように、本形態に係る三次元速度の計測システムは、気泡Ｂを含む流体が流通する流路１の上流側と下流側の少なくとも二箇所に配設された上流側センサ部２Ａ，２Ｂからなるセンサ部２と、センサ部２から送出された計測信号である出力信号に対して所定の演算処理を行なう演算処理装置３と、演算処理装置３で所定の演算処理を行なった出力信号が表す気液二相流に関する所定の情報を可視化するモニタ装置４とを有する。
【００２９】
ここで、センサ部２は、本形態の場合、図１１に示すワイヤメッシュセンサ（以下、ＷＭＳともいう。）で構成してある。したがって、それぞれの面内には多数の上流側計測点および下流側計測点がマトリクス状に配設されている。かかるマトリクスを形成する最小単位（上下で交差するとともに隣接するワイヤ電極０２，０３（図１１参照）が形成する一個の格子）を要素（ピクセル）と呼ぶ。したがって、要素数でＷＭＳの面内における気泡Ｂの大きさを表すことができる。また、本形態における測定対象は気液二相流における気泡Ｂである。
【００３０】
演算処理装置３は、記憶部５、前処理部６および演算処理部７を有している。記憶部５は、センサ部２の出力信号であり、上流側センサ部２Ａ、下流側センサ部２Ｂの上流側計測点および下流側計測点における流体のインピーダンスを反映した上流側出力信号および下流側出力信号を一旦記憶する。前処理部６は記憶部５に記憶された上流側出力信号および下流側出力信号を読み出して所定の前処理を行なう。本形態では、上流側センサ部２Ａおよび下流側センサ部２Ｂの各計測点の感度に基づき上流側出力信号および下流側出力信号をそれぞれ校正するための係数を掛ける処理と、上流側出力信号および下流側出力信号を、そのレベルを参照して各計測点でのボイド率を表すボイド率信号に変換する処理を行う。ここで、ボイド率信号では、「１」を気泡Ｂに、水を「０」に対応させている。
【００３１】
演算処理部７は、上流側出力信号および下流側出力信号に基づき流体中の気泡Ｂを検出する。そして、上流側出力信号に基づき検出した特定の気泡Ｂの一つを抽出してその特定の気泡Ｂの体積を演算する一方、下流側出力信号に基づき検出した各気泡Ｂの体積を演算する。続いて、下流側出力信号に基づき検出した各気泡Ｂの中から前記特定の気泡Ｂと体積が最も近いペアとなる気泡Ｂを抽出し、さらに特定の気泡Ｂと、ペアとなる気泡Ｂとの重心位置を演算するとともに重心位置同士を結ぶベクトルの始点および終点の座標を演算する。その後、前記該ベクトルをＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の各成分に分解することにより特定の気泡Ｂの三次元的な流速を演算する。
【００３２】
かかる一連の信号処理の概要は、図２のフローチャートに示す通りである。すなわち、上流側ＷＭＳおよび下流側ＷＭＳでそれぞれ二相流信号を得、それぞれ気泡分離・識別処理を行う。具体的には、個々の気泡の体積、重心座標の情報を取得する。ここで、気泡分離・識別処理は特定の三次元的な空間である検索領域の気泡に関して行う。このように検索領域を限定することにより、本来異なる気泡を間違って同一気泡として検出する虞を排除することができる。また、処理時間の適正化を図ることも可能になる。
【００３３】
次に、気泡追跡（ペアリング）処理を行う。具体的には、気泡の体積が最も類似する気泡を検索し、重心座標の移動量を取得する。これにより重心間を結ぶベクトルを生成することができるが、このベクトルの各成分が、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の気泡の速度を表す。
【００３４】
最後に、三次元気泡速度を求める。具体的には、上流側センサ部２Ａ，下流側センサ部２Ｂの設置間隔（Δｚ）とベクトル（Δｘ、Δｙ、Δｔ）から，ｖｘ＝Δｘ／Δｔ、ｖｙ＝Δｙ／Δｔ、ｖｚ＝Δｚ／Δｔを求め、ｖ＝ｖｘ＋ｖｙ＋ｖｚにより特定の気泡の３次元速度ベクトルを求める。
【００３５】
ここで、本形態における気泡識別・分離処理を図３および図４に基づき説明しておく。図３は本形態における気泡識別の原理を示す説明図、図４は気泡分離の原理を示す説明図である。図３に示すように、三次元マトリクス内にある気泡信号要素の周囲６要素（上下左右前後）に存在する気泡信号要素を同一気泡による信号とみなして連結し、連結された気泡信号に通し番号を与える。気泡を構成する要素数ＳＢは式（１）で表される。要素数ＳＢは同じ気泡を構成する（ｉ，ｊ，ｋ、ε、Ｂ）ボイド率（ε）で重み付けされた要素の和である。
【００３６】
【数１】
0005907559.tif 000002
【００３７】
例えば流路１の断面が６４×６４マトリクスの１／１０を占めるような気泡（気泡径；約２０ｍｍ、断面での要素数；約４００）が２５断面（２５ｍｓ）計測された場合、要素数は１０４となる。このとき、気泡の体積ＶＢは式（２）で表される。
【００３８】
【数２】
0005907559.tif 000003
【００３９】
ここで、Δｘ、Δｙはそれぞれワイヤ間隔（３．５ｍｍ）、Δｔは１フレーム当たりの時間幅（１ｍｓ）、Ｕｇは気泡速度を示し、気泡速度を１フレーム当たりの時間幅に掛けることで、Ｚ軸方向の次元を時間から距離に変換する。これにより一つの要素が持つ体積が分り、互いに連結している要素数から気泡体積が求まる。この場合の気泡の直径ＤＢは気泡形状が球に近いと仮定すれば式（３）で表される。
【００４０】
【数３】
0005907559.tif 000004
【００４１】
次に、図４に基づき気泡分離について説明する。まず上流側センサ部２Ａおよび下流側センサ部２Ｂで計測した二相流動の計測信号である上流側出力信号および下流側出力信号を入力する。かかる上流側出力信号および下流側出力信号をそのまま再現すると、例えば図４（ａ）に示すような、大気泡ＬＢ１，ＬＢ２とこれらの間に挟まれた小気泡ＳＢのデータが得られる。同図に示す大気泡ＬＢ１，ＬＢ２および小気泡ＳＢの周囲には環状の界面部分ＬＢ１１，ＬＢ２１およびＳＢ１を有している。次に、図４（ｂ）に示すように、上流側出力信号および下流側出力信号をある閾値（例えば、ボイド率＝０．９）により２値化処理するとともに、互いに近接する信号要素同士を連結する。互いに連結された信号グループに固有番号を与え、これを気泡分離・識別の「型」として元の上流側出力信号および下流側出力信号から気泡を抜き出す。ここでは、閾値＝ボイド率０．９としているので、大気泡ＬＢ１，ＬＢ２が抜き出される。このように抜き出された大気泡ＬＢ１，ＬＢ２は閾値が小さい界面部分ＬＢ１１，ＬＢ２１の情報が抜け落ちたものとなる。そこで、図４（ｃ）に示すように、前記「型」の周辺を数要素（ピクセル）拡張することで、実質的に界面部分ＬＢ１１，ＬＢ２１が含まれるような処理を行う。かくして図４（ｄ）に示すような界面部分ＬＢ１１を含む大気泡ＬＢ１と、図４（ｅ）に示すような界面部分ＬＢ２１を含む大気泡ＬＢ２を個別に分離・抽出することができる。
【００４２】
一方、閾値＝０．９と大きい場合には２値化の際に切り捨てられる小気泡ＳＢは、閾値を小さく（例えば、ボイド率＝０．８）とすることにより抜き出すことができる。そこで、図４（ａ）の状態で閾値を小さくすることにより、図４（ｂ）の処理に準じた小気泡ＳＢの抜き出しおよび図４（ｃ）の処理に準じた小気泡ＳＢの拡張を行う。この結果、図４（ｆ）に示すように、界面部分ＳＢ１を含む小気泡ＳＢを個別に分離・抽出する。
【００４３】
かかる一連の処理により気泡の大小にかかわらず良好にこれらを分離・抽出することができる。ちなみに、図４（ｇ）は閾値を小さくしすぎた場合である。この場合には、大気泡ＬＢ１，ＬＢ２,ＳＢが一体的に繋がってしまい分離ができなくなる。したがって、閾値を適切な値に設定すること、また大気泡と小気泡とを良好に分離するための複数種類の閾値を設定することが肝要である。
【００４４】
さらに詳言すると、二相流動の上流側出力信号および下流側出力信号には大気泡と小気泡が混在する。一度に複数の計測点を十分に気相で覆うことができる大気泡ＬＢ１，ＬＢ２では、信号要素の大部分が０．９以上のボイド率を示す。一方、小気泡ＳＢでは、十分に上流側センサ部２Ａおよび下流側センサ部２Ｂの計測点を覆うことができないため、信号要素は０．７〜０．９のボイド率を示す。本形態では、上述の如く、閾値の設定を２段階で行い気泡を分離・識別している。すなわち、はじめに閾値を高く設定（例えば、閾値=０．９）し、大気泡ＬＢ１，ＬＢ２由来の信号を得る。次に、周囲６要素（上下左右前後：ｉ，ｊ，ｋ）のいずれかの位置に気泡信号要素が存在する場合、それらを連結し、固有番号を与える。また、大気泡ＬＢ１，ＬＢ２の界面はボイド率０．９以下、２ピクセル以内に存在するとして、２値化した信号を２ピクセル分拡張させる。これを「型」として上流側出力信号および下流側出力信号から信号要素を抜き出す。
【００４５】
かかる処理により気泡を識別・分離した後、特定の気泡（各気泡でも良い）を追跡する。図５は本形態における気泡追跡法の概要を示す説明図である。同図に示すように、本形態における気泡追跡法では、上流側センサ部２Ａで計測した特定の気泡と同一の気泡を下流側センサ部２Ｂで計測した気泡の中から検索し、その重心座標の移動量から気泡速度を導出する。このときの検索領域は時間軸方向、１０≦Δｔ≦２００（気泡速度範囲０．２（ｍ／ｓ）≦Ｕｇ≦２（ｍ／ｓ））、水平（Ｘ×Ｙ）方向の旋回流の場合、−１０≦Δｘ、Δｙ≦１０（±３５ｍｍ）、鉛直上昇流の場合、−７≦Δｘ、Δｙ≦７（±２４．５ｍｍ）とした。
【００４６】
かかる検索領域内で要素数比ＳＢ１／ＳＢ２（ＳＢ１；上流側センサ部２Ａでの気泡要素数、ＳＢ２；下流側センサ部２Ｂでの気泡要素数）が、０．８≦ＳＢ１／ＳＢ２≦１．２で、気泡検索領域で最も近くに存在する（ＳＢ１／ＳＢ２が最も１．０に近い）ものを同一気泡とした。
【００４７】
かかる一連の処理、すなわち気泡の識別・分離および気泡追跡は演算処理部７で実行され、特定の気泡と、ペアとなる気泡との重心間を結ぶ三次元ベクトルに基づきＸ，Ｙ，Ｚ方向の気泡の速度を検出している。すなわち、Δｘ、Δｙ、Δｔが検出されるので、かかるΔｘ、Δｙ、Δｔに基づき、高い時間分解能で個々の気泡の三次元速度を高精度に計測することが可能となる。
【００４８】
本形態においては図１に示すものに限らず、流路の形状やセンサ部の構成を変更した種々の変形例が考えられる。これらを第１〜第５の実施例として説明しておく。
【００４９】
＜第１の実施例＞
図６は第１の実施例を示す説明図である。同図に示すように、本実施例では上流側センサ部２Ａに対し流路１の軸方向に分散させて多数の下流側センサ部２Ｂ，・・・，２Ｎを配設したものである。
【００５０】
本実施例によれば、気泡Ｂの三次元速度に基づきその三次元的な挙動を計測することができる。
【００５１】
＜第２の実施例＞
図７は第２の実施例を示す説明図である。同図に示すように、センサ部を配設する流路は曲管（エルボ管）１Ａであっても良い。この場合でも上流側センサ部２Ａ、下流側センサ部２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇの各出力信号を上述の如く処理することで、各上流側センサ部２Ａ、下流側センサ部２Ｂ〜２Ｇの各計測点における気泡Ｂの三次元速度を求めることができ、これにより気泡Ｂの移動方向を追跡することができる。ちなみに、流路１Ａの軸方向に設定される一次元情報のみを処理する従来技術ではこの場合の気泡の速度を検出することはできない。
【００５２】
＜第３の実施例＞
図８は第３の実施例を示す説明図である。同図に示すように本例は、流路１Ｂがレデューサ部を有する場合である。流路１Ｂの板面積が変化してもそれに合わせて上流側センサ部２Ａの面積に対し下流側センサ部２Ｂの面積を変更すれば問題なく所望の計測を行うことができる。具体的には、ＷＭＳのメッシュ間隔を変更すれば良い。
【００５３】
＜第４の実施例＞
図９は第４の実施例を示す説明図である。同図は上流側センサ部２Ａと下流側センサ部２Ｂとの間にオリフィス（障害物）８が存在する場合である。この場合でも問題なく所望の気泡Ｂの三次元速度を検出することができる。ちなみに、流路１の軸方向に関する一次元情報のみを処理する従来技術ではこの場合の気泡の速度を検出することはできない。
【００５４】
＜第５の実施例＞
図１０は第５の実施例を示す説明図である。同図に示すように、本実施例に示す上流側センサ部２Ａと下流側センサ部２Ｂとの間での流体の対流に伴う気泡Ｂの軌跡も追跡することができる。ちなみに、流路１に軸方向に関する一次元情報のみを処理する従来技術ではこの場合の気泡の速度を検出することはできない。
【００５５】
以上、本発明を実施の形態とともに詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に限られるものではない。例えば、センサ部２はワイヤメッシュセンサを用いたが、これに限る必要はない。流路１の軸に直交する面内の複数位置に分散配設された計測点における流体の相状態を表わす出力信号を送出することができるセンサであればそれ以上の限定はない。また、測定対象を気液二相流における気泡に限定する必要もない。一般には、インピーダンスが異なる複数の測定対象が混合された流体における一つあるいは複数の測定対象を特定して測定対象毎に三次元速度を計測することができる。
【００５６】
さらに、演算処理部も、下流側センサ部の所定の領域において最大の相互相関を有する計測点を特定し上流側センサ部の特定の計測点との間でのベクトル情報を処理するように構成されていれば良い。
【００５７】
また、気泡の径毎の弁別はウェーブレット解析を利用してこれを行ったが、周波数により気泡径を弁別することができれば、例えばバンドパスフィルタを利用することによっても同様の目的は達成し得る。
【００５８】
一方、液相との相対速度の差が２〜５ｃｍ／ｓｅｃの小径の測定対象を弁別した周波数帯域の出力信号を演算処理部７に送出するように前処理部６を構成することもできる。この場合には、演算処理部７で求まる小気泡等、測定対象の三次元速度を液相の三次元速度とみなすことができ、実質的に液相の三次元速度を検出することができる。
【００５９】
また、測定対象の大きさはその体積を演算することによっても弁別することができる。すなわち、前処理部で、流路１の面内の所定範囲における上流側出力信号および下流側出力信号の所定時間内の時系列データおよび上流側センサ部２Ａと下流側センサ部２Ｂの距離に基づき測定対象（例えば気泡Ｂ）の体積を求め、各体積毎に測定対象を弁別するとともに、演算処理部では前処理部で生成された体積毎の上流側出力信号および下流側出力信号を処理の対象とする所定の演算処理を行うように構成することもできる。この場合には、測定対象の体積毎にセンサ部の出力信号を抽出することにより測定対象の体積に起因する、すなわち、例えば小気泡から大気泡に至る気泡の種類に応じた気泡の三次元速度情報を得ることができる。
【００６０】
さらに、演算処理部７は、各気泡の三次元速度の面内方向成分に基づき当該面内における各気泡の移動方向を検出して各気泡の所定時間内における挙動をモニタ装置４に可視化して表示するようにしても良い。この場合には、流体の流れ方向に直交する面内における気泡の挙動、すなわち旋回の様子等を可視化して視認することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は流路を流れる気液二相流の流れ場における気泡の三次元速度を計測する産業分野で有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１，１Ａ，１Ｂ          流路
２                      センサ部
２Ａ                    上流側センサ部
２Ｂ                    下流側センサ部
３                      演算処理装置
４                      モニタ装置
５                      記憶部
６                      前処理部
７                      演算処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１１】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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