(57)【要約】【課題】流速測定装置において、貯留槽内に設置された吸込管内の流速分布を精度良く且つ簡便に計測すること。【解決手段】流速測定装置５０は、粒子Ｐが混入された流体２を貯留する貯留槽１０と、流体２内に下端部が浸漬された円筒状の吸込管１と、吸込管１内を流れる流体の流速分布を測定する測定部３０とを備える。吸込管１は透明な部分及び暗色部分を有し、測定部３０は光源５、画像撮影手段６及び画像解析手段２２を備える。光源５は吸込管１内にパルス状にシート光Ｏを照射する。画像撮影手段６は、吸込管１の暗色部分７を背景にしてシート光Ｏの面に対向する位置の吸込管１の透明部分を通して、シート光Ｏ内の粒子Ｐ群の画像を光源パルスと同期して撮影する。画像解析手段２２は撮影された複数の画像から粒子Ｐ群の位置の変化を求めて流速分布を演算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子が混入された流体を貯留する貯留槽と、
前記貯留槽の流体内に下端部が浸漬されその下面より流体を吸込む円筒状の吸込管と、
前記吸込管内を流れる流体の流速分布を測定する測定部とを備え、
前記吸込管は透明な部分と暗色部分とを有し、
測定部は、前記吸込管の外周面に取り付けられた光源及び画像撮影手段と、流速を演算する画像解析手段とを備え、
前記光源は、前記吸込管の透明部分を通して、その吸込管内にシート光を所定パルスで照射するように構成され、
前記画像撮影手段は、前記吸込管の暗色部分を背景にして前記シート光の面に対向する位置の前記吸込管の透明部分を通して、前記シート光内の粒子群の画像を前記光源のパルスと同期して撮影するように構成され、
画像解析手段は、前記画像撮影手段によって撮影された複数の画像から粒子群の位置の変化を求めて流速分布を演算するように構成されている
ことを特徴とする流速測定装置。
【請求項２】
請求項１において、透明な管に暗色部分を設けることにより前記吸込管の透明部分と暗色部分とを構成したことを特徴とする流速測定装置。
【請求項３】
請求項１において、暗色な管に一部に透明な窓を設けることにより前記吸込管の透明部分と暗色部分とを構成したことを特徴とする流速測定装置。
【請求項４】
請求項１において、前記光源及び前記画像撮影手段を取り付けた前記吸込管の吸込み部を配管部に対して別部材で形成し、この吸込み部を前記配管部に対して着脱可能で且つ周方向に回転して取り付け可能とする構造で結合したことを特徴とする流速測定装置。
【請求項５】
請求項４において、前記吸込管は前記光源及び前記画像撮影手段を取り付けた吸込管とその他の吸込管とからなる複数本の吸込管で構成され、前記その他の吸込管は、その吸込み部を配管部に対して別部材で形成し、この吸込み部を前記光源及び前記画像撮影手段を取り付けた吸込管の吸込み部と取替え可能な構造としたことを特徴とする流速測定装置。
【請求項６】
請求項１において、前記画像撮影手段を取り付ける箇所の前記吸込管の外周面に平面部を形成し、この平面部に前記画像撮影手段を取り付けたことを特徴とする流速測定装置。
【請求項７】
請求項６において、前記吸込管の平面部を前記吸込管の外周面に形成した溝の底面で形成し、この溝内に前記画像撮影手段の少なくとも一部を収納したことを特徴とする流速測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流速測定装置に係り、特に、ポンプ吸込水槽の模型試験における水槽内に設置された吸込管内の流速分布を計測する流速測定装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の流体の流動計測システムとしては、特開２００３−８４００５号公報（特許文献１）に示されたものがある。
【０００３】
この流動計測システムは、レーザ光を発振させるレーザ発振装置と、発振されたレーザ光を流体の流動場内にシート状に投入させるレーザシート形成用走査光学系と、この走査光学系からのレーザシート上の２次元粒子軌跡画像を撮像する画像撮像手段と、前記レーザ発振装置と画像撮像手段をタイミングをとって同期化駆動させるタイミングコントロール手段と、前記画像撮像手段で撮像された２時刻の粒子軌跡画像の輝度パターンを比較・解析し、個々の粒子の移動方向および移動量を計測する画像処理手段とを備える。
【０００４】
そして、前記流体の流動場は、透過用ガラスで構成された貯留槽で形成され、その貯留槽の下面から流体を供給し、その貯留槽の上面からオーバーフローした流体を貯留槽の下面の供給口に戻して循環することにより形成される。前記走査光学系は貯留槽の上面開口の上方からレーザ光を投入するように設置され、前記画像撮像手段は、貯留槽の側面に設置されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−８４００５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１の流動計測システムでは、貯留槽内における流体の流動場の流速分布を測定するものであって、貯留槽の流体内に下端部が浸漬されその下面部開口面より流体を吸込む吸込管内を流れる流体の流速分布を測定することについては開示されていない。例えば、ポンプ吸込水槽の模型試験における水槽内に設置された吸込管内の流速分布を計測することについては開示されていない。このような吸込管内を流れる流体の流速分布を測定する場合、吸込管が上方に延びているため、吸込管の上方からレーザ光を投入するように走査光学系を設置することが困難であり、画像撮像手段で撮像するシート状のレーザ光の背景に貯留槽内の流体が介在するため、撮像精度が低下することが考えられる。
【０００７】
本発明の目的は、貯留槽内に設置された吸込管内の流速分布を精度良く且つ簡便に計測することが可能な流速測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の目的を達成するために、本発明は、粒子が混入された流体を貯留する貯留槽と、前記貯留槽の流体内に下端部が浸漬されその下面より流体を吸込む円筒状の吸込管と、前記吸込管内を流れる流体の流速分布を測定する測定部とを備え、前記吸込管は透明な部分と暗色部分とを有し、測定部は、前記吸込管の外周面に取り付けられた光源及び画像撮影手段と、流速を演算する画像解析手段とを備え、前記光源は、前記吸込管の透明部分を通して、その吸込管内にシート光を所定パルスで照射するように構成され、前記画像撮影手段は、前記吸込管の暗色部分を背景にして前記シート光の面に対向する位置の前記吸込管の透明部分を通して、前記シート光内の粒子群の画像を前記光源のパルスと同期して撮影するように構成され、画像解析手段は、前記画像撮影手段によって撮影された複数の画像から粒子群の位置の変化を求めて流速分布を演算するように構成されているものである。
【０００９】
係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）透明な管に暗色部分を設けることにより前記吸込管の透明部分と暗色部分とを構成したこと。
（２）暗色な管に一部に透明な窓を設けることにより前記吸込管の透明部分と暗色部分とを構成したこと。
（３）前記光源及び前記画像撮影手段を取り付けた前記吸込管の吸込み部を配管部に対して別部材で形成し、この吸込み部を前記配管部に対して着脱可能で且つ周方向に回転して取り付け可能とする構造で結合したこと。
（４）前記（３）において、前記吸込管は前記光源及び前記画像撮影手段を取り付けた吸込管とその他の吸込管とからなる複数本の吸込管で構成され、前記その他の吸込管は、その吸込み部を配管部に対して別部材で形成し、この吸込み部を前記光源及び前記画像撮影手段を取り付けた吸込管の吸込み部と取替え可能な構造としたこと。
（５）前記画像撮影手段を取り付ける箇所の前記吸込管の外周面に平面部を形成し、この平面部に前記画像撮影手段を取り付けたこと。
（６）前記（５）において、前記吸込管の平面部を前記吸込管の外周面に形成した溝の底面で形成し、この溝内に前記画像撮影手段の少なくとも一部を収納したこと。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の流速測定装置によれば、貯留槽内に設置された吸込管内の流速分布を精度良く且つ簡便に計測することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。なお、本発明は、それぞれの実施形態を必要に応じて適宜に組み合わせることにより、さらに効果的なものとすることを含むものである。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の流速測定装置を図１を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態の流速測定装置５０の斜視説明図である。なお、図１では、吸込管１の下端部周辺を表すように、貯留槽１０の一部を破断して図示してある。
【００１２】
本実施形態の流速測定装置５０は、例えばポンプ吸込水槽の模型試験における水槽内に設置された吸込管内を流れる流体（水）の流速分布を計測するための装置である。流速測定装置５０は、トレーサである粒子Ｐが混入された流体２を貯留する貯留槽１０と、貯留槽１０の流体２内に下端部が浸漬されてその下面開口より流体２を吸込む円筒状の吸込管１と、この吸込管１内を流れる流体２の流速分布を測定する測定部３０とを備えている。
【００１３】
貯留槽１０は、流体２を一時的に貯留するためのものであり、前後に長い箱状または筒状に形成されている。貯留槽１０は、一側（背面側）の流体供給口から流体２が供給され、他側（前面側）近傍に設置された吸込管１を通して流体２が吐出されるように構成されている。吸込管１と流体供給口とはブースタポンプを介して接続され、流体２が貯留槽１０及び吸込管１を通して循環されるようになっている。なお、本実施形態では、吸込管１に暗色部分を設けて測定装置を設置したことにより、貯留槽１０を透明な部材とする必要がないため、貯留槽１０を安価な部材で製作することができる。
【００１４】
吸込管１は透明な部分と暗色部分とを有するように構成されている。この透明な部分は、後述する光源であるストロボ５或いは画像撮影手段であるカメラ６のシート光Ｏの照射または撮影を可能とする透明度であればよい。本実施形態では、透明な管を用いて透明部分を構成し、その透明な管に暗色（例えば、黒系色）のシート７を取り付けて暗色部分を構成するようにしている。なお、シート７の代わりに暗色の塗装を施してもよい。吸込管１は、下面が開口され、貯留槽１０内を垂直に上方に延びている。
【００１５】
測定部３０は、ＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）法による測定部であり、吸込管１の外周面に取り付けられたストロボ５及びカメラ６と、制御装置２１と、流速を演算するコンピュータである画像解析手段２２とを備えて構成されている。なお、ＰＩＶ法は、流体中に流体２に追従性のある粒子Ｐを入れ、適宜の厚さのシート光をパルス的に発光して流体２中に可視化断面を製作し、該可視化断面の粒子Ｐを光らせ、その発光時間内にカメラ６を露光して可視化断面内のトレーサを映像化して捕え、その画像データをコンピュータ２２に入力し、繰返し連続して撮像した二画像のデータに対して相互相関計算を適用することによって流体の速度ベクトルを得、該速度ベクトルに基づいて渦度、歪み速度、レイノルズ応力等のデータを求めて可視化がなされる。
【００１６】
ストロボ５は、吸込管１の透明部分を通して、その吸込管１内の吸込み流れＦにシート光Ｏを所定パルスで照射するように構成されている。このシート光Ｏは吸込管１の中心を通って径方向でシート状面を形成する。このストロボ５は、流体２に浸漬されるため、防水構造となっている。
【００１７】
カメラ６は、吸込管１のシート７を背景にしてシート光Ｏの面に対向する位置の吸込管１の透明部分を通して、シート光Ｏ内の粒子Ｐ群の画像をストロボ５のパルスと同期して撮影するように構成されている。ストロボ５とカメラ６とは吸込管１の周方向に９０度ずれた位置に設置され、シート７はカメラ６の周方向の反対側に少なくとも半周にわたって設置されている。このカメラ６は、流体２に浸漬されるため、防水構造となっている。
【００１８】
制御装置２１は、ストロボ５のシート光の照射やカメラ６の画像撮影などを制御するものであり、ストロボ５及びカメラ６と制御線を介して接続されている。
【００１９】
コンピュータ２２は、カメラ６によって撮影された複数の画像から粒子Ｐ群の位置の変化を求めて流速分布を演算するように構成されている。この流速分布の演算では、相互相関法が用いられている。この相互相関法は、まず、１枚目の画像の検査領域と２枚目の画像の探査領域との相互相関関数を求め、次いで、その相関関数のピークを示す領域を求め、そして、その移動量から一定領域内の粒子の速度を算出する。なお、速度ベクトルは検査領域毎に算出する。
【００２０】
本実施形態によれば、貯留槽１０内に設置された吸込管１内の流速分布を精度良く且つ簡便に計測することが可能な流速測定装置を提供することができる。即ち、貯留槽１０の流体２内に下端部が浸漬された吸込管１の外周面にストロボ５及びカメラ６を取り付けているので、貯留槽１０の外部から吸込管１内の流速分布を計測する場合に比較して、吸込管１内の流速分布を精度良く且つ簡便に計測することが可能である。また、吸込管１を透明な部分と暗色部分とに分け、ストロボ５が吸込管１の透明部分を通してパルス状にシート光Ｏを照射し、カメラ６が吸込管１の暗色部分を背景にしてシート光Ｏの面に対向する位置の吸込管１の透明部分を通して、シート光Ｏ内の粒子Ｐ群の画像をストロボ５のパルスと同期して撮影するようにしているので、吸込管１が透明で貯留槽１０の外部に暗色部が設けられている場合に比較して、吸込管１内の流速分布を精度良く且つ簡便に計測することが可能である。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の流速測定装置５０について図２を用いて説明する。図２は本発明の第２実施形態の流速測定装置５０における吸込管１の吸込み部の周辺図である。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。
【００２１】
この第２実施形態では、暗色な管を用いて吸込管１の暗色部分を構成し、暗色な管の一部に透明な窓２５、２６を設けて吸込管１の透明部分を構成している。窓２５と窓２６と周方向に９０度ずれて設けられている。ストロボ５は窓２５の外面に取り付けられ、カメラ６は窓２６の外面に取り付けられる。吸込管１の暗色部分は、その管の材料が暗色であっても、或いは管の外面に暗色の塗装することにより構成されるようにしてもよい。
【００２２】
この第２実施形態によれば、吸込管１全体を透明にしてシート７を取り付ける第１実施形態に比較して、吸込管１を安価に製作することができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態の流速測定装置５０について図３及び図４を用いて説明する。図３は本発明の第３実施形態の流速測定装置５０の斜視説明図、図４は図３の流速測定装置５０の画像の歪み補正の校正作業を説明する図である。この第３実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。
【００２３】
この第３実施形態では、吸込管１を別部材からなる吸込み部１ａと配管部１ｂとに分離している。吸込み部１ａは、ストロボ５、カメラ６及びシート７を第１実施形態と同様に取り付けて構成されている。また、吸込み部１ａと配管部１ｂとは、吸込み部１ａが配管部１ｂに対して着脱可能で且つ周方向に回転して取り付け可能とするルーズフランジ構造１２に構成されている。かかる構成により、吸込み部１ａを配管部１ｂに対して周方向に回転することにより、吸込管１内のあらゆる方向の流速分布を計測することが可能となり、吸込管１内のより詳細な流れ計測が可能となる。
【００２４】
また、この種の流速測定装置５０では、流速分布の計測を開始する前に、吸込管１にカメラ６とドット式の格子板２３等を取り付けて、計測状態と同条件である水中において画像の歪み補正の校正作業を実施する必要がある。この第３実施形態によれば、図４に示すようにカメラ６を取り付けた吸込み部１ａを単独の状態で、別の容器内において簡便に校正作業を実施することできることから、貯留槽１０に取り付けた吸込管１での作業性が悪い状態での校正作業が回避できる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態の流速測定装置５０について図５を用いて説明する。図５は本発明の第４実施形態の流速測定装置５０の斜視説明図である。この第４実施形態は、次に述べる点で第３実施形態と相違するものであり、その他の点については第３実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。
【００２５】
この第４実施形態では、吸込管１は、ストロボ５、カメラ６及びシート７を取り付けた吸込管１Ａと、ストロボ５、カメラ６及びシート７を取り付けていないその他の吸込管１Ｂとからなる複数本の吸込管で構成されている。その他の吸込管１Ｂは、その吸込み部１ａ’をその配管部１ｂに対して別部材で形成し、この吸込み部１ａ’を吸込管１Ａの吸込み部１ａと取替え可能な構造となっている。なお、吸込み部１ａ’は、ストロボ５、カメラ６及びシート７を取り付ける部分を除いて、吸込み部１ａと同一形状となっている。
【００２６】
かかる第４実施形態によれば、１組のストロボ５及びカメラ６を備えた吸込管１Ａにより複数の吸込管の流速分布の計測を簡単に行うことができる。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態の流速測定装置５０について図６を用いて説明する。図６は本発明の第５実施形態の流速測定装置５０の吸込管１の吸込み部の周辺図である。この第５実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。
【００２７】
この第５実施形態では、吸込管１の外周曲面に平面部２７を設け、この位置にストロボ５及びカメラ６を取り付けている。吸込管１の外周面が複雑な曲面を有する場合は、画像の歪み補正の校正作業自体が不可能となる場合がある。その際には、このように吸込管１の外周面に平面部２７を設けることで、校正作業が非常に簡便に実施できる。なお、第５実施形態では、ストロボ５とカメラ６の周方向の配置関係を第１実施形態と逆にしてあるが、この場合でも第１実施形態と同様に流速分布の計測が可能である。
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態の流速測定装置５０について図７を用いて説明する。図７は本発明の第６実施形態の流速測定装置５０の吸込管１の吸込み部の周辺図である。なお、図７（ａ）は吸込管１の吸込み部の外周面が単なる筒状であり、図７（ｂ）は吸込管１の吸込み部の外周面が膨らんでいる筒状である。
【００２８】
この第６実施形態は、次に述べる点で第５実施形態と相違するものであり、その他の点については第５実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。
【００２９】
この第６実施形態では、吸込管１の平面部２７を吸込管１の外周面に形成した溝２８の底面で形成し、各溝２８にストロボ５、カメラ６の少なくとも一部を収納している。これによって、吸込管１の近傍流れへのストロボ５及びカメラ６の影響を抑制でき、精度良く吸込管内の流速分布が計測可能となる。なお、図示を省略してあるが、ストロボ５、カメラ６及び溝２８を覆うようにカバーが設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施形態の流速測定装置の斜視説明図である。
【図２】本発明の第２実施形態の流速測定装置における吸込管の吸込み部の周辺図である。
【図３】本発明の第３実施形態の流速測定装置の斜視説明図である。
【図４】図３の流速測定装置の画像の歪み補正の校正作業を説明する図である。
【図５】本発明の第４実施形態の流速測定装置の斜視説明図である。
【図６】本発明の第５実施形態の流速測定装置の吸込管の吸込み部の周辺図である。
【図７】本発明の第６実施形態の流速測定装置の吸込管の吸込み部の周辺図である。
【符号の説明】
【００３１】
１，１Ａ，１Ｂ…吸込管、１ａ，１ａ’…吸込み部、１ｂ…配管部、２…作動流体（水）、５…ストロボ（光源）、６…カメラ（画像撮影手段）、７…黒色系のシート、１０…貯留槽、１２…ルーズフランジ構造、２１…制御装置、２２…コンピュータ（画像解析手段）、２３…格子板、２５、２６…窓、２７…平面部、２８…溝、３０…測定部、５０…流速測定装置、Ｆ…吸込管内の吸込み流れ、Ｐ…粒子（トレーサ）。
【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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