(57)【要約】【課題】プロセストモグラフィーによって流体輸送管内の混相流の可視化画像を再構成し、その再構成画像によって混相流の流速・流量を計測すること。【解決手段】管１１の周囲にΔＬ離してセンサ２１１，２１２を配置してある。両センサは、複数の電極２２の組合せによって複数のコンデンサを形成する。静電容量計測部３１１，３１２は、そのコンデンサの静電容量を計測して管１１の断層空間の誘電率を計測する。ＣＴ画像再構成部３２１，３２２は、その誘電率に基づいて前記断層空間の誘電率分布に対応する断層画像を再構成する。相関評価部３４は、両ＣＴ画像再構成部の再構成画像を比較して相関を評価する。流速・流量計測部３５は、相関が高い再構成画像に基づいて粒子１２が両センサ間ΔＬを移動した時間を求め、その移動時間とΔＬにより粒子１２の流速を求める。【選択図】                図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量又は電気抵抗を計測する複数の電極を備えたセンサを混相流が移動する管の周囲に混相流の移動方向に所定距離離して２個以上配置し、その２個以上のセンサにより各センサに囲まれた空間の静電容量又は電気抵抗を計測し、その静電容量又は電気抵抗から誘電率又は電気伝導率を求め、その誘電率又は電気伝導率に基づいて前記各空間の断層画像を再構成し、その両空間の再構成画像を比較して相関性を評価し、相関性が高い再構成画像に基づいて混相流が前記２個以上のセンサの間を移動する移動時間を求め、その移動時間と前記２個以上のセンサの距離とによって混相流の流速を求めることを特徴とする混相流の流速計測装置。
【請求項２】
静電容量又は電気抵抗を計測する複数の電極を備えたセンサを混相流が移動する管の周囲に混相流の移動方向に所定距離離して２個以上配置し、その２個以上のセンサにより各センサに囲まれた空間の静電容量又は電気抵抗を計測し、その静電容量又は電気抵抗から誘電率又は電気伝導率を求め、その誘電率又は電気伝導率に基づいて前記各空間の断層画像を再構成し、その両空間の再構成画像を比較して相関性を評価し、相関性が高い再構成画像に基づいて混相流が前記２個以上のセンサの間を移動する移動時間を求め、その移動時間と前記２個以上のセンサの距離とによって混相流の流速を求め、その流速と前記管の断面積とにより混相流の流量を求めることを特徴とする混相流の流量計測装置。
【請求項３】
静電容量又は電気抵抗を計測する複数の電極を備え、混相流が移動する管の周囲に混相流の移動方向に所定距離離して配置した２個以上のセンサにより各センサに囲まれた空間の静電容量又は電気抵抗を計測し、その静電容量又は電気抵抗から誘電率又は電気伝導率を求め、その誘電率又は電気伝導率に基づいて前記各空間の断層画像を再構成し、その両空間の再構成画像を比較して相関性を評価し、相関性が高い再構成画像に基づいて混相流が前記２個以上のセンサの間を移動する移動時間を求め、その移動時間と前記２個以上のセンサの距離とによって混相流の流速を求めることを特徴とする混相流の流速計測方法。
【請求項４】
静電容量又は電気抵抗を計測する複数の電極を備え、混相流が移動する管の周囲に混相流の移動方向に所定距離離して配置した２個以上のセンサにより各センサに囲まれた空間の静電容量又は電気抵抗を計測し、その静電容量又は電気抵抗から誘電率又は電気伝導率を求め、その誘電率又は電気伝導率に基づいて前記各空間の断層画像を再構成し、その両空間の再構成画像を比較して相関性を評価し、相関性が高い再構成画像に基づいて混相流が前記２個以上のセンサの間を移動する移動時間を求め、その移動時間と前記２個以上のセンサの距離とによって混相流の流速を求め、その流速と前記管の断面積とにより混相流の流量を求めることを特徴とする混相流の流量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、プロセストモグラフィーを用いた混相流の流速・流量計測装置及び流速・流量計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５、図６により従来の粒子画像流速計測装置（ＰＩＶ装置）とプロセストモグラフィーについて説明する。
図５は、従来の粒子画像流速計測装置の概要を示す（非特許文献１参照）。
５１は透明素材からなる管で、その内部を流体が矢印Ｚ方向に移動している。レーザ光発生装置６１のレーザ光を、シリンドカルレンズ等の光学装置６２によってシート化し、その光シート５２を管５１内の流体に照射する。光シート５２によって映し出された流体の計測領域５３をＣＣＤカメラ等のテレビカメラ６３によって撮影し、画像処理装置６４のメモリーに記録する。画像処理装置６４は、コンピュータにより記録した撮影画像を画像処理して流体の流速を計算する。
粒子画像流速計測装置は、前記撮影のために流体に光を散乱する或いは蛍光を発する撮影用のトレーサ粒子を混入している。また粒子画像流速計測装置は、同じ位置から所定時間毎に繰り返し撮影して記録する。
【０００３】
画像処理装置６４は、時刻ｔ０に撮影した画像（写真）Ｐ０とその時刻ｔ０の後、所定時間Δｔ毎に撮影した多数の画像Ｐｎを比較して相関性を評価し、画像Ｐ０と相関性の高い画像Ｐｎとによって流体（トレーサ粒子）の移動量と移動時間を求め、その移動量と移動時間と基づいて流速を計算する。画像の相関性の評価は、例えば画像相関法によって行う。
【０００４】
図６は、プロセストモグラフィーの概要を示す（特許文献１参照）。
図６（ａ）は、図６（ｂ）のＹ２−Ｙ２部分の矢印方向の断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＹ１−Ｙ１部分の矢印方向の断面図である。
プロセストモグラフィーは、被検体の断層の誘電率等に基づき、コンピュータ断層法（ＣＴ）によって断層画像を再構成する装置で、図６は、流体の輸送管等の管内の断層画像を再構成するプロセストモグラフィーの例である。
【０００５】
１１は、流体の輸送管等の管でその内部を混相流、例えば粒子１２と空気の固気二相流が矢印Ｚ方向に移動している。固気二相流は、時間とともに粒子１２の密度が変化する非定常流である。管１１の周囲には、センサ２１を装着してある。センサ２１は、ｎ個の電極２２１〜２２ｎを備え、各電極にはリード線２３を接続してある。各電極のリード線２３は、静電容量計測部３１に接続している。静電容量計測部３１は、２個の電極を順次組合わせ、電極２２１−２２２，２２１−２２３，・・・，２２１−２２ｎ、２２２−２２３，２２２−２２４，・・・，２２２−２２ｎ、・・・、２２ｎ−１−２２ｎの組合せからなるコンデンサを形成する。
【０００６】
静電容量計測部３１は、前記のように順次コンデンサを形成して、各コンデンサの静電容量を計測し、その静電容量に基づいて誘電率を求める。その誘電率は、管１１のセンサ２１に囲まれた空間、即ち管１１のＺ方向に垂直な断層の誘電率になり、その空間の粒子１２の濃度に対応している。
【０００７】
ＣＴ画像再構成部３２は、前記誘電率に基づき、コンピュータにより管１１のセンサ２１に囲まれた空間の誘電率分布画像（ＣＴ画像）を再構成する。その再構成された画像は、管１１の断層画像で、粒子１２の濃度分布に対応する濃度（輝度）或いは色により表現される。再構成された画像は、表表示部３３に表示し、必要に応じてメモリーに記録する。
以上のようにプロセストモグラフィーは、コンピュータによって断層画像を再構成するから、高速で流体の断層画像を再構成でき、非定常流の可視化、画像化に適している。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−５６３４２号公報
【非特許文献１】社団法人可視化情報学会編「ＰＩＶハンドブック」、森北出版株式会社、平成２年７月２０日、Ｐ．４，５，２４
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の粒子画像流速計測装置は、管内の流体に可視化用のトレーサ粒子を混入し、光シートを流体に直接照射しなければならないため、管が非透過性の場合には、管に透過性の光の窓を形成しなければならない。そのため従来の粒子画像流速計測装置は、実験用或いは試験用としてはよいが、流体の輸送現場において輸送管等の管に設置或いは装着して管内の流体を監視したり計測したりすることは困難であった。また従来の粒子画像流速計測装置は、テレビカメラ等の撮影装置で撮影するため、時間解像度は撮影装置のフレームレートに制限され、非定常流の時間解像度を高くすることは、気液二相流等の混相流の場合には困難であった。また従来の粒子画像流速計測装置は、固気二相流、固液二相流の場合、固体粒子や気体の密度が高くなると透過性が低くなるため計測が困難であった。
【００１０】
本願発明は、前記従来の粒子画像流速計測装置の問題点を解決するため、プロセストモグラフィーを応用した混相流の流速・流量計測装置及び流速・流量計測方法を提供することを目的する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の混相流の流速計測装置は、静電容量又は電気抵抗を計測する複数の電極を備えたセンサを混相流が移動する管の周囲に混相流の移動方向に所定距離離して２個以上配置し、その２個以上のセンサにより各センサに囲まれた空間の静電容量又は電気抵抗を計測し、その静電容量又は電気抵抗から誘電率又は電気伝導率を求め、その誘電率又は電気伝導率に基づいて前記各空間の断層画像を再構成し、その両空間の再構成画像を比較して相関性を評価し、相関性が高い再構成画像に基づいて混相流が前記２個以上のセンサの間を移動する移動時間を求め、その移動時間と前記２個以上のセンサの距離とによって混相流の流速を求めることを特徴とする。
請求項２に記載の混相流の流量計測装置は、静電容量又は電気抵抗を計測する複数の電極を備えたセンサを混相流が移動する管の周囲に混相流の移動方向に所定距離離して２個以上配置し、その２個以上のセンサにより各センサに囲まれた空間の静電容量又は電気抵抗を計測し、その静電容量又は電気抵抗から誘電率又は電気伝導率を求め、その誘電率又は電気伝導率に基づいて前記各空間の断層画像を再構成し、その両空間の再構成画像を比較して相関性を評価し、相関性が高い再構成画像に基づいて混相流が前記２個以上のセンサの間を移動する移動時間を求め、その移動時間と前記２個以上のセンサの距離とによって混相流の流速を求め、その流速と前記管の断面積とにより混相流の流量を求めることを特徴とする。
請求項３に記載の混相流の流速計測方法は、静電容量又は電気抵抗を計測する複数の電極を備え、混相流が移動する管の周囲に混相流の移動方向に所定距離離して配置した２個以上のセンサにより各センサに囲まれた空間の静電容量又は電気抵抗を計測し、その静電容量又は電気抵抗から誘電率又は電気伝導率を求め、その誘電率又は電気伝導率に基づいて前記各空間の断層画像を再構成し、その両空間の再構成画像を比較して相関性を評価し、相関性が高い再構成画像に基づいて混相流が前記２個以上のセンサの間を移動する移動時間を求め、その移動時間と前記２個以上のセンサの距離とによって混相流の流速を求めることを特徴とする。
請求項４に記載の混相流の流量計測方法は、静電容量又は電気抵抗を計測する複数の電極を備え、混相流が移動する管の周囲に混相流の移動方向に所定距離離して配置した２個以上のセンサにより各センサに囲まれた空間の静電容量又は電気抵抗を計測し、その静電容量又は電気抵抗から誘電率又は電気伝導率を求め、その誘電率又は電気伝導率に基づいて前記各空間の断層画像を再構成し、その両空間の再構成画像を比較して相関性を評価し、相関性が高い再構成画像に基づいて混相流が前記２個以上のセンサの間を移動する移動時間を求め、その移動時間と前記２個以上のセンサの距離とによって混相流の流速を求め、その流速と前記管の断面積とにより混相流の流量を求めることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１により本願発明の実施の形態に混相流の流速・流量計測装置及び流速・流量計測方法を説明する。
図１（ａ）は、輸送管の断面図と流速・流量計測装置の構成図であり、図１（ｂ）は輸送管のセンサによって囲まれた部分の断面図である。
【００１３】
１１は流体の輸送管等の管、２１１，２１２は管１１の周囲に装着したセンサである。管１１の内部は、粒子１２と空気からなる固気二相流が矢印Ｚ方向へ移動している。２つのセンサ２１１，２１２は、Ｚ方向にΔＬ離して配置してある。センサ２１１，２１２の夫々の構成は、従来のプロセストモグラフィーのセンサと同じで、ｎ個の電極を備え、各電極にはリード線を接続してある。センサ２１１，２１２の各電極のリード線は、静電容量計測部３１１，３１２に接続している。
【００１４】
静電容量計測部３１１，３１２は、時間ΔＴ毎に、管１１のセンサ２１１，２１２に囲まれた夫々の空間、即ち管１１のＺ方向に垂直な２箇所の断層の静電容量を計測し、その静電容量に基づいて誘電率を求める。
【００１５】
ＣＴ画像再構成部３２１，３２２は、静電容量計測部３１１，３１２が計測した誘電率に基づき、コンピュータによりセンサ２１１，２１２に囲まれた各空間の時間ΔＴ毎の誘電率分布画像（ＣＴ画像）を再構成する。再構成した画像は、前記各空間の粒子１２の濃度分布に対応する濃度（輝度）或いは色により表現される。再構成された画像は、メモリーに記録する。
【００１６】
相関評価部３４は、センサ２１１が取得したデータに基づいて再構成した画像（以下センサ２１１の再構成画像と呼ぶ）と、センサ２１２が取得したデータに基づいて再構成した画像（以下センサ２１２の再構成画像と呼ぶ）とを比較して、両画像の相関性を評価する。例えば時刻Ｔ０のセンサ２１１の再構成画像とその時刻後のΔＴ毎のセンサ２１２の再構成画像とを比較して相関性を評価する。
【００１７】
流速・流量計測部３５は、相関評価部３４の相関評価結果に基づき、時刻Ｔ０のセンサ２１１の再構成画像と相関性の高いセンサ２１２の再生画像とにより粒子１２の移動速度、即ち流速を求め、その流速により流量を求める。例えば、時刻Ｔ０のセンサ２１１の再構成画像と相関性の高いセンサ２１２の再構成画像は、ＮΔＴ後の再構成画像であるとすると、混相流（粒子１２）は、センサ２１１とセンサ２１２の間（距離ΔＬ）を、時間ＮΔＴで移動したことになるから、混相流の流速は、ΔＬ／ＮΔＴにより求めることができる。一方管１１の混相流の流量は、管１１の断面積と混相流の流速により求める。
混相流の流速や流量は、表示部３３に表示し、必要に応じてメモリーに記録する。
【００１８】
図１の場合、混相流（粒子１２）の移動距離は、センサ２１１とセンサ２１２の距離ΔＬで決まるから、その移動距離を計測する必要がない。したがって混相流の流速は、混相流が距離ΔＬを移動した時間を計測するのみで求めることができるから、流速の計測が簡単になる。
【００１９】
図１において、静電容量計測部３１１，３１２、ＣＴ画像再構成部３２１，３２２、相関評価部３４、流速・流量計測部３５は、夫々独立して構成してもよいし、共通のコンピュータにより制御するように構成してもよい。また静電容量計測部３１１，３１２、及びＣＴ画像再構成部３２１，３２２は、センサ２１１，２１２毎に別々に設けてもよいし、共通に設けてもよい。静電容量計測部３１１，３１２及びＣＴ画像再構成部３２１，３２２は、従来のプロセストモグラフィーと同様の構成でよい。また相関評価部３４の相関性の評価は、従来の粒子画像流速計測方法の画像相関法等と同様の方法で行うことができる。
図１は、固気二相流について説明したが、固液二相流や気液二相流等の混相流であってもよい。また図１は、電極間の静電容量を計測し、その静電容量に基づいて誘電率を求める例について説明したが、電極間の電気抵抗を計測し、その電気抵抗に基づいて電気伝導率を求めてもよい。また図１は、センサを２個設けた例について説明したが、２個以上複数個設けてもよい。その場合には、各センサの相関性或いは両端のセンサの相関性を評価することができる。
【００２０】
次に図２、図３、図４により再構成画像の相関を説明する。
まず図２について説明する。
４１０は、時刻Ｔ０におけるセンサ２１１の再構成画像で、再構成画像の領域４２は粒子の濃度分布パターンを示す。４１１，４１２，・・・、４１Ｎは、時刻Ｔ０＋ΔＴ、Ｔ０＋２ΔＴ、・・・、Ｔ０＋ＮΔＴにおけるセンサ２１２の再構成画像を示す。
【００２１】
図２の場合、時刻Ｔ０の再構成画像４１０と相関性が高い再構成画像は、Ｔ０＋ＮΔＴ後の４１Ｎであることを表している。図２の場合混相流の粒子１２は、センサ２１１とセンサ２１２の間（距離ΔＬ）を時間ＮΔＴで移動したことになる。また再構成画像４１Ｎの領域４２の濃度分布パターンは、Ｘ，Ｙ方向に移動することなく、再構成画像４１０と同じ位置に現れているから、混相流の粒子１２は、Ｚ方向に直進したことになる。
【００２２】
なお図２の場合、再構成画像４１０と相関性が高い再構成画像を調べているが、図１の流速・流量計測装置は、２個のセンサが同時にデータを取得して各センサ別の再構成画像を形成できるから、再構成画像４１０との相関性が高い再構成画像を調べると同時に、再構成画像４１０以外の、例えば再構成画像４１１と相関性が高い再構成画像を調べることもできる。
【００２３】
図３の場合、時刻Ｔ０の再構成画像４１０と相関性が高い再構成画像は、Ｔ０＋ＭΔＴ後の４１Ｍであることを表している。再構成画像４１Ｍは、再構成画像４１０と相関性が高いが、領域４２の濃度分布パターンは、Ｙ方向へ移動している。したがって混相流の粒子１２は、センサ２１１とセンサ２１２の間（距離ΔＬ）を時間ＭΔＴで移動し、その際Ｙ方向へカーブしながらＺ方向へ移動したことになる。
【００２４】
図４の場合、時刻Ｔ０の再構成画像４１０と相関性が高い再構成画像は、Ｔ０＋ＷΔＴ後の４１Ｗであることを表している。再構成画像４１Ｗは、再構成画像４１０と相関性が高いが、領域４２の濃度分布パターンは、傾いている。したがって混相流の粒子１２は、センサ２１１とセンサ２１２の間（距離ΔＬ）を時間ＷΔＴで移動し、その際回転しながらＺ方向へ移動したことになる。
【００２５】
図２、図３、図４から分かるように、センサ２１１の再構成画像とセンサ２１２の再構成画像の相関性を評価して相関性が高い再構成画像を調べることにより、粒子１２がセンサ２１１とセンサ２１２の間を移動した時間を求め、混相流の流速や流量を求めることができる。また混相流の移動の仕方或いは移動状況を知ることができる。
【００２６】
【発明の効果】
本願発明は、流体輸送管等の管内の静電容量又は電気抵抗を測定して混相流の濃度分布を計測するから、管は非透過性素材からなるものであってもよく、また可視化用のトレーサ粒子を混入する必要がない。また光シートを発生して流体に照射する光学装置も必要がない。したがって本願発明の混相流の流速・流量計測装置は、構成や取り扱いが簡単になり、流体の輸送現場に簡単に設置でき、また現場で簡単に流体を監視したり計測したりすることができる。
【００２７】
本願発明は、流体輸送管等の管内の静電容量又は電気抵抗を測定して混相流の断層画像（ＣＴ画像）を再構成するから、固体粒子や気体の密度が高い混相流についてもその流速や流量を計測できる。また断層画像はコンピュータで再構成するから、本発明は、高速で移動する混相流にも適用できる。
本願発明の混相流の移動距離は、２個の静電容量計測用センサの距離ΔＬで決まるから、混相流の流速を求める場合、混相流の移動距離を計測する必要がなく、混相流が距離ΔＬを移動した時間を求めるのみでよいから、流速の計測が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施の形態に係る混相流の流速・流量計測装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、図１の流速・流量計測装置の再構成画像の相関を説明する図である。
【図３】図３は、図１の流速・流量計測装置の再構成画像の相関を説明する図である。
【図４】図４は、図１の流速・流量計測装置の再構成画像の相関を説明する図である。
【図５】従来の粒子画像流速計測装置（ＰＩＶ装置）の概要を示す図である。
【図６】従来のプロセストモグラフィーの構成を示す図である。
【符号の説明】
１１    流体の輸送管等の管
１２    固気二相流の粒子
２１１，２１２    センサ
３１１，３１２    静電容量計測部
３２１，３２２    ＣＴ画像再構成部
３３    表示部
３４    相関評価部
３５    流速・流量計測部
４１０〜４１Ｍ，４１Ｎ，４１Ｗ    再構成画像
【図１】
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【図２】
2004333237.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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