(57)【要約】【課題】粒子画像流体速度計（ＰＩＶ）を用いた画像計測の対象となる流れが、気体と液体が混ざり合った気液二相流の場合、気体と液体のそれぞれの速度を高精度に計測するためにはトレーサ粒子の画像と気泡の画像とを完全に分離する必要がある。【解決手段】トレーサ粒子と気泡とを含む気液二相流の流体２にレーザ光５をシート状に照射し、光学フィルタ８ａ、８ｂを備えたＣＣＤカメラ７ａ、７ｂにより波長の相違によりトレーサ粒子の画像１４Ａを光学的に分離し、前記分離されたトレーサ粒子の画像１４Ａからしきい値を用いて画像処理装置９により粒子の明るさと大きさから気泡画像を消去する画像処理を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレーサ粒子と気泡とを含む気液二相流の流体にレーザ光を照射するレーザ発振装置と、レーザ光の照射によるトレーサ粒子の発光と気泡からの散乱光とを分離して画像情報として取り込む光学的分離装置と、前記光学的分離装置により得られたトレーサ粒子の画像から予め定めたしきい値を用いて、粒子の明るさと大きさでトレーサ粒子と気泡を区別する画像処理装置とからなることを特徴とする流体計測装置。
【請求項２】
前記光学的分離装置は、トレーサ粒子の発光と気泡からの散乱光とに対応した波長フィルタを各々有する少なくとも２台のＣＣＤカメラであることを特徴とする請求項１記載の流体計測装置。
【請求項３】
前記画像処理装置は、前記光学的分離装置により取り込まれたトレーサ粒子の画像を１ピクセルずつ縦列に輝度を調べ、隣合う２つのピクセルの輝度の差がしきい値以上であれば粒子であると判定することを特徴とする請求項１記載の流体計測装置。
【請求項４】
前記しきい値は、予め液単相のバックグランドの輝度と粒子の輝度分布とを得ることにより決定することを特徴とする請求項１または３のいずれかに記載の流体計測装置。
【請求項５】
前記粒子と判定されたらピクセルの周囲８ピクセルの輝度を調べ、しきい値以上の粒子が決められた数以上あれば、それらを気泡画像と判定し、バックグランドの輝度に修正することを特徴とする請求項１または３のいずれかに記載の流体計測装置。
【請求項６】
前記バックグランドの輝度に修正したピクセルのまわりのピクセルの輝度をバックグランドの輝度に修正することを特徴とする請求項１または３のいずれかに記載の流体計測装置。
【請求項７】
前記レーザ発振装置を流体の互いに対向する側にそれぞれ配置し、レーザシートで形成されるレーザ計測面を一致させて流体にレーザ光を照射して画像情報を得ることを特徴とする請求項１または３のいずれかに記載の流体計測装置。
【請求項８】
前記レーザ発振装置を流体の一方の側に配置して流体にレーザ光を照射し、その後レーザ装置を対向する流体の他方の側からレーザシートで形成されるレーザ計測面を一致させて流体にレーザ光を照射して画像情報を得ることができるようにレーザ発振装置を移動可能としたことを特徴とする請求項１または３のいずれかに記載の流体計測装置。
【請求項９】
一方の側からレーザ光を照射して得た画像情報と対向する側からレーザ光を照射して得た画像情報とを合成することを特徴とする請求項７乃至８のいずれかに記載の流体計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像処理技術を利用して、流れが気液二相流の流体の速度を計測する流体計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複雑な流動場における流体の速度を高精度、かつ精密に測定することは原子力発電プラントや火力発電プラントなど種々のプラントにおけるプラント挙動予測の高精度化、プラント診断、プラント性能評価、機器の改良などにとって非常に重要な技術である。
【０００３】
特に、原子炉圧力容器や、火力発電プラントの熱交換器内のように厳しい環境下にある熱流動場における流体速度の計測技術においては、その解析精度を、より向上させることは大きな課題である。
【０００４】
近年、コンピュータの高性能化と普及に伴い、画像処理技術を利用した流動場の全域計測技術が発達し、乱流や伝熱などに関する統計量と組織構造の詳細な情報を正確、かつ瞬時に抽出することが可能となってきている。これは従来の点計測技術に代わる新しい計測技術として熱流体の研究分野などで注目されている。
【０００５】
画像処理技術を応用した速度の全域計測技術の一例として、近年熱流動場における可視化技術の研究が進み、複雑な流動場における流体の速度を画像処理技術を利用して高精度、かつ精密に測定可能な粒子画像流体速度計（ＰＩＶ＝Particle  Image  Velocimetry、以下ＰＩＶと称する)が開発されている。
【０００６】
この画像処理技術を利用したＰＩＶは、その多くが流れの中に混入され、流れに十分追従する粒子(トレーサ粒子)にパルスレーザ光を照射してその運動を追跡し、写真フィルムやビデオカメラなどでトレーサ粒子群の動きを撮影し、流れのタイムスケールに比べて十分小さい時間間隔で粒子が移動した距離を撮影した画像を求め、その移動距離を微小撮影時間間隔で割って速度を求めるという簡単な原理に基づいている。
【０００７】
ＰＩＶでは複数の粒子が存在するある範囲内の平均的な流体速度を計測することとなり、一般的に空間解像度が低く、せん断の大きな流れの計測が困難であるが、粒子の個数を多くすることで空間的に一様な計測点を定めることができる。そのため、ＰＩＶでは速度の空間微分を得やすい利点がある。これらの理由から、流動場の組織構造の抽出に必要な速度や渦度の計測にはＰＩＶは非常に有効な手段であると言える（例えば、特許文献１参照。）。
【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】
【０００８】
このＰＩＶについては、気体単相、液体単相の場合にはその計測手法は既に確立され、様々な流動場に適用されている。  
一方、気体と液体が混じり合った気液二相流の場合では画像の中にトレーサ粒子と気泡との二種類の粒子が混在するため、気体と液体のそれぞれの速度を計測するにはこれらの画像を完全に分離する必要があり、この手法はまだ確立されてない。
【０００９】
これは、レーザ照射した計測面以外の気泡が画像に映り込み、気泡画像が重なることが多いこと、気泡のレーザ光の乱反射のために気液境界がはっきり現われないことなどが原因である。  
従来、得られた画像を二値化し、気泡とトレーサ粒子とをオブジェクトとしてラベリング処理し、各オブジェクトの面積によって判別するという方法が使用されているが、この手法のみでは完全に気液の画像を分離することはできない。
【００１０】
したがって、このような画像からでは、流れが気液二相流の流体の速度の精度の高い情報は得られなかった。  
本発明は、かかる従来の課題を解決するためになさされたものであり、計測の対象とする流れが気液二相流の場合において、気液の二相を効率よく分離し、流動場の解析精度を向上し、流体の速度の計測が高精度に、かつ精密に行える流体計測装置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ため、本発明の請求項１に記載の発明は、トレーサ粒子と気泡とを含む気液二相流の流体にレーザ光を照射するレーザ発振装置と、レーザ光の照射によるトレーサ粒子の発光と気泡からの散乱光とを分離して画像情報として取り込む光学的分離装置と、前記光学的分離装置により得られたトレーサ粒子の画像から予め定めたしきい値を用いて、粒子の明るさと大きさでトレーサ粒子と気泡を区別する画像処理装置とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の流体計測装置によれば、ＰＩＶを利用した画像計測の対象とする流れが気液二相流の場合において、光学的分離装置と、しきい値を用いて、粒子の明るさと大きさの両方の情報から気液を分離する画像処理装置とにより、気液の二相を効率よく分離し、流動場の解析精度を向上し、流体の速度の計測が高精度に、かつ精密に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。  
図１は本発明に係る流体計測装置の第１の実施の形態を示す図である。図１において、１はトレーサ粒子と気泡とを含む気液二相流の流体２が流れる流動場、３は流体２にレーザ光を照射するレーザ発振装置、４はレーザ発振装置３から流体２に対して照射されるレーザ光５を薄いシート状にするシリンドリカルレンズ、６はレーザ光５を流体２に対してパルス照射させるためのパルスジェネレータ、７ａ、７ｂはレーザ発振装置３からのパルス照射と同期させて流動場１の画像を撮影するための２台のＣＣＤカメラ、８ａ、８ｂは２台のＣＣＤカメラ７ａ、７ｂのレンズに各々取り付けられ、気泡とトレーサ粒子とを光学的に分離するための光学フィルタ、９はＣＣＤカメラ７ａ、７ｂで撮影された画像情報が入力される画像処理装置である。
【００１４】
図２は、レーザ光の波長とトレーサ粒子として用いる蛍光粒子の発光スペクトルとを比較して示した波形図である。  
一般に、トレーサ粒子として用いる蛍光粒子はレーザ光を励起光として吸収し、発光するが、蛍光波長１０と励起光であるレーザ光波長１１とは通常、波長が異なる。
【００１５】
本実施の形態においては、気液二相流の流体２にレーザ光５を照射した場合、液体２に追従するトレーサ粒子として用いた蛍光粒子からの発光と、気泡からのレーザ光の散乱光との波長の違いを利用して、光学フィルタ８ａ、８ｂによってそれぞれを分離し、２台のＣＣＤカメラ７ａ、７ｂで撮影することにより、これらの光学的分離手段により液体の画像と気泡の画像とを分離した画像情報として別々に取り込む。
【００１６】
図３は、これを利用した光学的分離手法の概念図である。トレーサ粒子１２と気泡１３とを含む流体２にレーザ光５を照射すると、トレーサ粒子１２はある波長ピークをもつスペクトルで発光し、一方、気泡１３はレーザ光による散乱光を発する。
【００１７】
したがって、高波長透過フィルタと低波長透過フィルタの２種類の光学フィルタ８ａ、８ｂを用いてトレーサ粒子１２からの蛍光と気泡１３からのレーザ光の反射光とを別々に画像撮影することにより、トレーサ粒子からの発光と気泡からの散乱光とを分離した画像情報として得ることができる。
【００１８】
しかしながら、前記のような光学的分離手法のみでは、気泡とトレーサ粒子とをある程度分離した画像情報として取り出すことができるが、トレーサ粒子からの発光と気泡からの散乱光との波長帯が幅を持っているため気泡を完全には分離しきれない。  
このため、気液の画像情報を光学的に分離した後、さらに画像処理を行うことによって気液の画像を完全に分離するようにする。
【００１９】
図４、図５は第１の実施の形態において、前記光学的分離手段により得られたトレーサ粒子を含む液体画像の画像処理の流れを示した図である。  
例えば、図５（ａ）に示すように、光学フィルタ８ａを通してＣＣＤカメラ７ａによって撮影されたトレーサ粒子の原画像１４Ａには、輝度が大きく、粒子が極めて小さいトレーサ粒子１２からの発光と、レーザ光が直接あたることによって大きな輝度を持つ、明るい気泡１３ａからの散乱光と、レーザ光の散乱光によって間接的に光る輝度の小さい、暗い気泡１３ｂからの散乱光の３つの画像情報が含まれている。
【００２０】
これらを、図４に示すフローチャートに基づいて輝度のしきい値で判別することにより気泡の画像情報を完全に区別することができる。したがって、トレーサ粒子の情報のみを残し、気泡の情報のみを消去することができる。
【００２１】
ここで、そのしきい値は、予め液単相のときの輝度分布を計測することにより、バックグランドの平均的な輝度を求め、またトレーサ粒子を入れたときの平均的な発光輝度を予め求めることにより決定する。
【００２２】
図４において、まず、気泡消去プロセスＩ（１５）は、輝度の大きい、明るい気泡を消去するプロセスである。  
光学フィルタを通してＣＣＤカメラで撮影したトレーサ粒子の原画像１４Ａを1ピクセルづつ縦列にスキャンして輝度を調べ（Ｓ１）、注目したピクセルと隣合う２つのピクセルの輝度の差I(i、j)と第１のしきい値IT1とを比較し（Ｓ２）、その輝度の差I(i、j)がしきい値IT1以上である場合、その注目したピクセルをトレーサ粒子および気泡を含む粒子であると判断する。
【００２３】
このように、トレーサ粒子も明るい気泡も共にバックグランドに対して輝度が大きいため、この輝度の差を利用してトレーサ粒子あるいは明るい気泡のいずれかの粒子であると判断する。
【００２４】
次に、粒子であると判断されたピクセルの輝度とその周囲８ピクセルの輝度との差を計算し、その差を第２のしきい値IT2と比較し（Ｓ３）、しきい値IT2以下であるピクセルの数をカウントする（Ｓ４）。
【００２５】
このカウント数Ｃをある値N2と比較し（Ｓ５）、N2以上である場合、すなわち連続して所定の大きさの輝度を持つ大きい部分がある場合、その部分を気泡と判断し、バックグランドの輝度、IBGに変更する（Ｓ６）。  
これにより、図５（ｂ）に示すように、まず第１段階では輝度の大きい、明るい気泡画像を消去した気泡消去後画像１４Ｂが得られる。
【００２６】
さらに、気泡の輪郭とバックグランドの輝度には勾配があるため、前記した画像処理だけでは気泡の輪郭が残される可能性があるため、輝度を修正した該当ピクセルの隣のピクセルをバックグランドの輝度に修正する。  
これにより、図５（ｃ）に示すように、第２段階で気泡輪郭部画像を消去した気泡輪郭消去後画像１４Ｂが得られる。
【００２７】
次に、上記の気泡消去プロセスＩの画像処理だけでは、レーザ光のあたっていない面にあるが、乱反射によって写り込んだ輝度の小さい、暗い気泡画像が残る。したがって気泡消去プロセスII（１６）では輝度の小さい、計測面にない暗い気泡画像を消去する。
【００２８】
まず、前記第２段階で画像処理された気泡輪郭消去後画像１４Ｂを１ピクセルづつ縦列にスキャンして輝度を調べ（Ｓ７）、第３のしきい値IT3と比較し（Ｓ８）、しきい値IT3以上であるトレーサ粒子のみを残すために、輝度がしきい値、IT3以下であるものをバックグランドの輝度IBGに変更して消去する（Ｓ９）。  
これにより、図５（ｄ）に示すように、第３段階で暗い気泡の画像を消去し、完全に気泡画像を消去した最終画像１４Ｄを得ることができる。
【００２９】
このように本実施の形態によれば、計測の対象とする流れが気液二相流の場合において、
トレーサ粒子からの発光と気泡からの散乱光とを光学的分離装置により分離し、その後光学的分離装置により得られたトレーサ粒子の画像情報をしきい値を用いて、粒子の明るさと大きさとで気液を分離する画像処理を施しているので、流動場の解析精度が向上し、流体の速度の計測を高精度に、かつ精密に行うことができる。
【００３０】
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態の説明において、図１に示す本発明の第１の実施の形態と同一部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３１】
図６は本発明の第２の実施の形態を示す図で、３ａ、３ｂはレーザ光源となる２台のレーザ発振装置で、流体２を挟むように両側の対向した位置に配置し、流体２に対してシート状のレーザ光で形成される計側面を一致させて流体２の両側からレーザ光５ａ、５ｂを照射する。  
それぞれのレーザ発振装置３ａ、３ｂからのレーザ光５ａ、５ｂの照射により得られた画像情報は合成されて画像処理される。
【００３２】
レーザ光を計測対象となる流体に対してに片側から１台で照射した場合、流れに気泡を含んでいると、気泡の界面においてレーザ光が散乱し、レーザ光源から遠いほどレーザ強度が減衰する。したがって、レーザ光源から遠い計測範囲では、トレーサ粒子および気泡の画像の鮮明度が低下し、計測精度が低下する。
【００３３】
本実施の形態のように、流体２に対して両側の対向した位置からレーザ光５ａ、５ｂを照射することにより、計側面全領域にわたって均一な明るさが得られ、計測精度の向上が図れる。
【００３４】
また、別の実施の形態として、図示しないが、まず１台のレーザ発振装置で片面から流体にレーザ光を照射して画像情報を取得し、さらにレーザ発振装置を移動させて流体の反対側の位置からレーザ光を照射して画像情報を取得し、これらの画像情報から得られる画像解析結果を合成することにより測定するようにしてもよい。
【００３５】
この場合、レーザ発振装置をレール上の可動テーブルに設置し、さらにレーザ発振装置に直交する位置にＣＣＤカメラを設置することにより、可動テーブルを移動するだけで、両者の位置関係を変えずに、同一高さの任意の角度からレーザ光を照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施の形態による流体計測装置を示す概略構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態による流体計測装置の原理を説明するための波長スペクトル図。
【図３】本発明の第１の実施の形態による流体計測装置の原理を説明するための波長分離概念図。
【図４】本発明の第１の実施の形態による流体計測装置の作用を説明するための画像処理の流れを示すフローチャート。
【図５】本発明の第１の実施の形態による流体計測装置の作用を説明するための画像処理の概略図。
【図６】本発明の第２の実施の形態による流体計測装置を示す概略構成図。
【符号の説明】
【００３７】
１…流動場、２…流体、３，３ａ，３ｂ…レーザ発振装置、４，４ａ，４ｂ…シリンドリカルレンズ、５，５ａ，５ｂ…レーザ光、６…パルスジェネレータ、７ａ，７ｂ…ＣＣＤカメラ、８ａ，８ｂ…光学フィルタ、９…画像処理装置、１０…蛍光波長、１１…レーザ光波長、１２…トレーサ粒子、１３…気泡、１３ａ…明るい気泡、１３ｂ…暗い気泡、１４Ａ…原画像、１４Ｂ…気泡消去後画像、１４Ｃ…気泡輪郭消去後画像、１４Ｄ…最終画像、１５…気泡消去プロセスＩ、１６…気泡消去プロセスII。
【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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