(57)【要約】【課題】非接触で発光流体の流速を計測できる非接触発光流体流速計の提供【解決手段】プラズマジェット（発光流体）１１０の流れ方向に、ある間隔で設置した光センサ１２２，１２４で、２点の放射強度を計測する。この各光センサで計測される放射強度は、パソコン１３０で記憶・処理を行なう。各光センサで計測される放射強度の例を図１（ｂ）にＡ，Ｂで示す。２点間の放射強度の時間変化は、下流側でわずかな遅れｔが計測されるが、基本的に２つの波長は同じ波形であり、２つの波形Ａ，Ｂの相関を取ると、遅れｔに対応する位相差が解析できる。プラズマを発生させる大電流電源には、５０Ｈｚから１０００Ｈｚ程度の周波数で５〜１０％程度のリップル（電流変動）があり、この電流変動に伴う放射強度の変動は非常に規則的である。この変動を利用することで、２つの波形の相関を正確に解析することができる。【選択図】  図１
2004333191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光流体の流れ方向に所定の間隔で設置した少なくとも２個の光センサと、
前記光センサからの信号を取り込み、信号間の位相差を求める位相差検出手段と
を備え、前記所定の間隔と信号間の位相差とから、発光流体の流速を求めることを特徴とする非接触発光流体流速計。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触発光流体流速計において、
前記光センサは、細管とフォトダイオードで構成されていることを特徴とする非接触発光流体流速計。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の非接触発光流体流速計において、
前記位相差検出手段は、２つの信号の位相をずらしながら相関を取ることで、位相差を検出することを特徴とする非接触発光流体流速計。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の非接触発光流体流速計において、
前記発光流体はプラズマであり、前記信号間の位相差は、プラズマを発生させる放電電流のリップルによる周期的な信号の位相差であることを特徴とする非接触発光流体流速計。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の非接触発光流体流速計において、
さらに、前記発光流体に対して、放電を印加する放電手段を備え、
前記位相差検出手段は、発光流体に対して印加された放電による信号の位相差を検出することを特徴とする非接触発光流体流速計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマや燃焼ガス等の発光流体の流速を計測する装置に関する。
【技術的背景】
従来のプラズマ流の速度計測としては、ＰＩＶ法や飛行時間法による分散微粒子の粒子速度計測、静電探針によるイオン速度計測、ピトー管によるガス速度計測などを挙げることができる。
これらはいずれも、プラズマ中に微粒子や計測管を入れるため、プラズマと干渉を起こす。特に、減圧下では粒子と流体の挙動が大きく異なる。このために、圧力変化が微小となり精度が低下する等の問題が発生する。また、レーザー及び光学系を用いることで高コストになる。
さらに、画像から速度を解析するシステムは、解析時間がかかることより、高速なリアルタイム計測は困難である。ドップラー法では、高分解能の分光が必要となるため、高コストとなる。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、非接触でプラズマ等の発光流体の流速を計測できる非接触発光流体流速計を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明は、発光流体の流れ方向に所定の間隔で設置した少なくとも２個の光センサと、前記光センサからの信号を取り込み、信号間の位相差を求める位相差検出手段とを備え、前記所定の間隔と信号間の位相差とから、発光流体の流速を求めることを特徴とする。
前記光センサは、細管とフォトダイオードで構成することもできる。
前記位相差検出手段は、２つの信号の位相をずらしながら相関を取ることで、位相差を検出するとよい。
前記発光流体はプラズマであり、前記信号間の位相差は、プラズマを発生させる放電電流のリップルによる周期的な信号の位相差とすることもできる。
さらに、前記発光流体に対して、放電を印加する放電手段を備え、前記位相差検出手段は、発光流体に対して印加された放電による信号の位相差を検出することもできる。
【０００３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
本発明の実施形態である発光流体流速計の構成例を、図１に示す。
図１（ａ）は発光流体流速計の基本構成を示す。以下、この基本構成を用いて、プラズマを計測する場合で説明する。
プラズマジェット１１０の流れ方向に、ある間隔で設置した光センサＡ１２２，光センサＢ１２４で、２点の放射強度を計測する。この光センサとしては、細管によりプラズマからの光を導いたフォトダイオードを用いることができる。
細管とフォトダイオードとを組み合わせた光センサにより測定を行うと、複雑な光学系が不要である。また、用いる細管の管径（内径）を小さく管長を長くすることで、対象とする領域の放射強度を測定することが可能である。例えば耐熱材であるセラミック管を用いれば、プラズマジェット周縁近傍に設置することができる。細管とフォトダイオードの組み合わせのみからなるため、構造が簡略化でき低コストでの製造が可能である。耐振動性の向上も期待できる。粉塵などによる故障時も、細管もしくはダイオードの取り替えが低コストで、容易にできる。
【０００４】
さて、各光センサで計測される放射強度は、パソコン１３０で記憶・処理を行なう。各光センサで計測される放射強度の例を図１（ｂ）にＡ，Ｂで示す。２点間の放射強度の時間変化は、下流側でわずかな遅れｔが計測されるが、基本的に２つの波長は同じ波形であり、２つの波形Ａ，Ｂの相関を取ると、遅れｔに対応する位相差が解析できる。
一般に、大電流電源には５０Ｈｚから１０００Ｈｚ程度の周波数で５〜１０％程度のリップル（電流変動）があり、この電流変動に伴う放射強度の変動は非常に規則的である。この変動を利用することで、２つの波形の相関を正確に解析することができる。位相差がある程度以上に大きくなる場合は、２点間の距離を小さくして相関精度を高める必要がある。
計測される放射強度は、したがって、３００Ｈｚの大変動と３００Ｈｚ以上の小変動の組み合わせからなる。プラズマ放電電流のこのような規則的な変動を利用することは、２つの波形の相関精度を著しく向上させる。
この様な構成の非接触発光流体流速計では、発行流体中の２点間の発光変動のみを利用しているため、非接触かつリアルタイムで流速計測が可能である。
また、細管とフォトダイオードの組み合わせを用いると、光学系を用いることによりコストが高くなる問題を回避すると共に、目的に応じて細管を選ぶことができるため、多様な計測ユーザーの希望に応えることが可能である。
【０００５】
なお、この時、用いたシステムは、パソコン１３０にＡＤ変換ボードを導入し、得られた２つの信号に対して、相関解析を行なっている。ボードのサンプリングレートは１ＭＳ／ｓであるが、２点測定しているため、１点当たりのサンプリングレートは５００ｋＳ／ｓとなる。
実際に測定した結果を図２，図３に示す。図３は、図２の一波長分だけ拡大した図である。２点間は６０ｍｍで、時間遅れは約２０〜８０μｓである。この時間遅れは、サンプル数として１０〜４０ポイント程度で、データ収集ボードを高速化することでさらなる精度向上、高速化に対応する。
【０００６】
このときに使用した具体的な相関を取る手法は、以下の通りである。なお、位相差を取る手法はこれに限るものではない。
１．２つの波形のサンプリング長さを決定する（概ね、図３に示す周期変動の１波長分）。周期的な変動の一周期を自動的に抽出することにより、抽出した周期に合わせた分解能を自動的に設定することができる。
２．同じ時間の２つの波形の積を算出するプログラムを用いて、２つの波形の位置を最小時間単位（１ｄｉｇｉｔ単位）で互いにずらしながら、その積を算出する。
３．その算出した積により、２つの波形のずれの差のｄｉｇｉｔ数分の相関を取る。
４．積が最大値を示したｄｉｇｉｔ数が２つの波形の位相差となる。
この場合、サンプリングレート５００ｋＳ／ｓを用いたので、この場合１ｄｉｇｉｔ＝２μ秒となる。
【０００７】
このようにして、求めたプラズマ速度の計測結果を図４〜図７に示す。図４は、放電電流を８０Ａ〜１４０Ａ〜１００Ａと時間と共に電流増加，減少と変化させた時の速度を示す図である。図５は、放電電流と速度の相関を示す図である。この図において、放電電流を６０Ａ，８０Ａ，１００Ａ，１２０Ａと変化させ、その時に計測された３００サンプルを平均化した値と標準偏差を示している。また、△は磁場下の結果であり、○は磁場をかけないときの結果である。
図６は、ガス流量と速度の相関を示す図である。ガス流量を２０，３０，４０，５０（Ｓｌ／ｍｉｎ）と変化させ、その時に計測された３００サンプルを平均化した値と標準偏差を示す。△は磁場下の結果であり、○は磁場をかけないときの結果である。ここで、Ｓｌ／ｍｉｎは標準状態に換算した流量ｌ／ｍｉｎを指す。
【０００８】
さて、図４，図５から分かるように、放電電流，磁場強度の増加に伴い、プラズマ速度の上昇が確認される。とくに放電電流を増加させた場合の速度増加が顕著であり、放電電流の増加に従い、速度も直線的に上昇している。
図６から、ガス流量については、２次ガス流量の減少により速度が増加していることが分かる。これらの理由としては、放電電流を増加させることによって、プラズマ粒子が放電部において得られるエンタルピーが大きくなるためであると考えられる。また、流量を少なくすることで、チャンバー圧が減少し、プラズマジェットがより高速で噴出することも要因であると考えられる。磁場の影響であるが、磁場の印加により半径方向の熱拡散が抑制され、エンタルピーの損失が減少するため、速度が増加していると考えられる。ガス流量を増加させた場合については、得られるエンタルピーが減少するために減速すると考えられる。
これより、速度を決定する因子としては、プラズマの単位質量あたりのエネルギー（エンタルピー）やチャンバー圧が支配的であるということが考えられる。
【０００９】
＜燃焼ガスの計測＞
上述では、プラズマに通常存在しているリップル変動を用いているが、プラズマ等の発光流体中に周期的な変動やパルス変動を与えることで、周期的な変動もしくはパルス変動が無い発光流体でも、上述の構成で流速計測を可能とし、幅広い展開が可能となる。また、この発光流体に与えた周期的変動やパルス変動を利用して相関を取ることで、計測精度を上げることもできる。
これを、燃焼ガスにおける流速計測を用いて説明する。燃焼ガスの計測を行なう基本構成を図７に示す。
図７は、基本的には、図１と同様の構成であるが、燃焼フレーム（発光流体）１５０に対して、パルス電源１４０からの高圧パルスで、放電電極１４２により、一定周期で放電している。この放電による擾乱を光センサ１２２，１２３により検出し、その位相差により、燃焼ガスの流体速度を測定している。
図８にその２つの光センサ１２２，１２３で検出した結果を示す。これは、燃焼ガスとして、イソブタン系カセットボンベ１５４にバーナー１５２を取り付け、燃焼フレーム１５０を形成し、それを計測した結果である。２つの光センサ１２２，１２３は、バーナーのノズル１５２の下流５ｍｍ程度の位置に、燃焼フレーム１５０中に、５ｍｍ〜１０ｍｍの間隔をあけ、針状の放電電極１４２を設置し、最大１０ｋＶ程度の方形波パルスを３００Ｈｚで印加し、放電させる。
放電電極設置位置より、下流側に光センサ１２２，１２３を流れ方向に沿って、２０ｍｍ〜４０ｍｍの間隔で設置するとよい。図８では、２０ｍｍの間隔で光センサ１２２，１２３を設置した。これから、パルス放電を行なった影響は、確実に光センサにより計測されることが明確に分かる。しかし、グラフにおける時間間隔が大きすぎたために、２つの光センサ１２２，１２３の間の位相差は、明らかではない。
このようにして、測定した流速を図９に示す。定常状態では、５００ｍ／ｓの流速を示しており、ノズルを開けて噴出孔の径を大きくし、燃料噴出を多くすると、流出速度が減少していることが観測できる。放電を終了すると、測定できない。
【００１０】
＜他の実施形態＞
位相差範囲や２点間距離を任意に設定できるようにすることにより、位相差の範囲をある程度に絞り込むことができ、２つの波形の相関精度を大きく向上することが可能である。たとえば、位相差間のデータ数を多くすることや、あるいは、高速計測では２点間の距離を離し、低速時には２点間の距離を短くすることで、測定精度を向上させることが可能である。
放射強度データ収集のサンプリングレートを向上させることで、測定精度の向上が図れる。この時、２点間の距離を短くすることもできるので空間精度も向上できる。
位相差を算出する際の、２つの信号間の相関を決定するために必要なデータ数（分解能）を任意に設定するようにすることもできる。位相差を求めるためのデータ数は、最低分解能を設定することで測定結果である発光流体の速度を得る間隔を短くすることができる。一方、データ数が多いほど測定精度は向上するが、測定結果を得る間隔は長くなる。
光センサにバンドパスフィルターを用いて、励起イオン及び励起原子が放出する特定波長の放射光を抽出し、任意のイオンおよび原子の挙動をモニタリングすることが可能である。
計測光を光ファイバーやミラーにより誘導し、光センサの設置個所を自由に選択できるようにすることもできる。
【００１１】
発光流体の速度を制御量とし、プラズマの場合では、プラズマ投入電力，電圧，電流，周波数，ガス流量，異なるガスの混合比，圧力，吹き出し口位置，磁場強度などを操作量とした速度制御を行なうこともできる。
光センサの受光波長を任意に選択することにより、可視光，紫外線，赤外線領域での測定を可能とすることができる。
高周波電源や高電圧電源，パルス波，また様々な電磁波の発生により、計測用ケーブルに雑音が入ることもある。このため、光センサから解析装置までの信号にノイズが載らないよう、ケーブルを静電遮蔽することにより、これらの雑音を小さくすることができる。
上述では、２つの光センサを用いているが、３点以上計測点を設けることで、流れ方向及び流れを横断する方向などの分布を任意に計測することができる。
測定する領域の空間分解能を大きくする場合、光センサの先端に取り付けた光路管の管径を小さくすることや、管長を長くすることで可能である。一方、管径を大きくしたり、管長を短くすることで、測定領域を広げ、受光量の増大を図り平均的で安定した測定も可能となる。これらは、目的に応じて任意に設定が可能である。
なお、本発明の発光流体流速計は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の発光流体流速計は、簡単な構成により、非接触で発光流体の流速を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発光流体流速計の基本構成を示す図である。
【図２】発光流体流速計の光センサからの信号を示す図である。
【図３】相関をとる信号の１周期分を示す図である。
【図４】放電電流を増加・減少したときのプラズマに対する計測結果である速度を示す図である。
【図５】放電電流と計測結果であるプラズマの速度との相関を示す図である。
【図６】ガス流量とプラズマの速度との相関を示す図である。
【図７】燃焼ガスの流速を計測する基本的構成を示す図である。
【図８】燃料ガスに対する光センサからの信号を示す図である。
【図９】燃料ガスの流速の測定結果を示す図である。
【図１】
2004333191.tif 000003
【図２】
2004333191.tif 000004
【図３】
2004333191.tif 000005
【図４】
2004333191.tif 000006
【図５】
2004333191.tif 000007
【図６】
2004333191.tif 000008
【図７】
2004333191.tif 000009
【図８】
2004333191.tif 000010
【図９】
2004333191.tif 000011