(57)【要約】【課題】１光束で直線格子による縞を形成し、その縞を利用して流速を測定する装置を提供する。【解決手段】本発明は、レーザー光による縞発生部、流れとともに移動する微粒子の散乱光を光電子増倍管等により検出する光検出部、光の強度信号をＦＦＴ解析装置により解析する解析部を備え、前記縞発生部はレーザービームをエキスパンダーレンズにより拡大して平行光を作り、この平行光を流れにあわせた適当な太さの１光束に絞り、流れ方向と直角に置いた微細直線格子を介して流路内に縞を発生させ、流路内の流れと共に移動する微粒子群の散乱光を光検出器で検出し、解析部により流体速度を計測する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行光を流れにあわせた適当な太さの１光束に絞り、流れ方向と直角に置いた微細直線格子を介して流路内に縞を発生し、流路内の流れと共に移動する微粒子群を照射し、微粒子の散乱光を光検出器で検出し、ＦＦＴ解析装置により流体速度を計測することを特徴とする流体速度計測方法。
【請求項２】
前記平行光はレーザービームをエキスパンダーレンズにより拡大して平行光としたものであることを特徴とする請求項１に記載の流体速度計測方法。
【請求項３】
前記平行光はコリメータレンズにより作成した平行光であることを特徴とする請求項１に記載の流体速度計測方法。
【請求項４】
光による縞発生部、流れとともに移動する微粒子の散乱光を光電子増倍管等により検出する光検出部、光の強度信号をＦＦＴ解析装置により解析する解析部を備え、前記縞発生部はレーザービームをエキスパンダーレンズにより拡大して平行光を作り、この平行光を流れにあわせた適当な太さの１光束に絞り、流れ方向と直角に置いた微細直線格子を介して流路内に縞を発生することを特徴とする流体速度計測装置。
【請求項５】
光による縞発生部、流れとともに移動する微粒子の散乱光を光電子増倍管等により検出する光検出部、光の強度信号をＦＦＴ解析装置により解析する解析部を備え、前記縞発生部はコリメータレンズにより平行光を作り、この平行光を流れにあわせた適当な太さの１光束に絞り、流れ方向と直角に置いた微細直線格子を介して流路内に縞を発生することを特徴とする流体速度計測装置。
【請求項６】
前記微細直線格子は平板上に刻んだ平行直線格子または回転円板に刻んだ放射状直線格子または円筒側面に刻んだ直線格子のいずれかであることを特徴とする請求項４または５に記載の流体速度計測装置。
【請求項７】
前記微細直線格子を通過した光束の径及び計測空間を制限する絞りを備えていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の流体速度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流れの局所での流速をＦＦＴ解析装置により計測する流体速度計測方法およびその装置に関するものであり、さらに詳細には、１光束で直線格子による縞を形成し、その縞を利用して流速を測定する方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来からレーザドップラー流速計（以下ＬＤＶという）が知られている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１１８０９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記公報等に記載されている公知のＬＤＶは２光束の光の干渉縞を用いて流れの中に縞を発生する装置となっているため、装置構成が複雑となり、高価な装置となるという問題点がある。
本発明は従来の問題点を解決するために提案されたものであり、１光束で直線格子による縞を発生し、その縞を利用して流速を測定することを特徴としている。本装置は、流れを乱さない非接触型の流速計であり、従来のＬＤＶは、非常に局所的な流れ場を計測するのに対して、本発明装置は比較的大きな流れ場の流速度計測が可能である。また、散乱粒子についても比較的大きなものの使用が可能であり、安価にまた簡単に装置系を構成することが可能である。
【０００５】
本装置はレーザーまたはコリメートされた連続光による光の縞発生部、流れとともに移動する微粒子の散乱光を光電子増倍管等により検出する光検出部、光の強度信号をＦＦＴ解析装置により解析する解析部からなる。
光の縞発生部ではレーザービームをエキスパンダーレンズにより拡大して平行光を作る。この平行光を流れにあわせた適当な太さの光束に絞り、流れ方向と直角に置いた直線格子（または回転円板に刻んだ放射状直線格子ピッチａ）に照射する。これにより縞状となった光束は流れ場内に入り、縞部において流れと共に移動する直径がａよりも小さな微粒子群を照らす。光検出部では微粒子の散乱光を検出するが、流速を測定したい光束ビーム上の一部のみの散乱光を拾うため絞りと集光レンズが必要となる。こうして局所のみの散乱光が光ファイバー入射面状に入り、光電子増倍管へと導かれる。
光の強度を解析する解析部では点滅する光の周波数ｆを求める。すなわち光の縞間隔がａであるとき流速Ｖに対するｆはｆ＝Ｖ／ａであるので、ＦＦＴ解析によりｆを得、したがってＶが求まる。Ｖが非常に小さいときあるいは逆流があるときはＦＦＴ解析の精度を上げるため回転円板格子を利用する。円板の周速度（流れ方向とは逆方向）がＶｇのときはｆ＝（Ｖ＋Ｖｇ）／ａとなるがＶｇとａは既知であるのでＶが求まる。Ｖｇ／ａはシフト周波数である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明が採用した技術解決手段は、
平行光を流れにあわせた適当な太さの１光束に絞り、流れ方向と直角に置いた微細直線格子を介して流路内に縞を発生し、流路内の流れと共に移動する微粒子群を照射し、微粒子の散乱光を光検出器で検出し、ＦＦＴ解析装置により流体速度を計測することを特徴とする流体速度計測方法である。
また、前記平行光はレーザービームをエキスパンダーレンズにより拡大して平行光としたものであることを特徴とする流体速度計測方法である。
また、前記平行光はコリメータレンズにより作成した平行光であることを特徴とする流体速度計測方法である。
また、光による縞発生部、流れとともに移動する微粒子の散乱光を光電子増倍管等により検出する光検出部、光の強度信号をＦＦＴ解析装置により解析する解析部を備え、前記縞発生部はレーザービームをエキスパンダーレンズにより拡大し、平行光を作り、この平行光を流れにあわせた適当な太さの１光束に絞り、流れ方向と直角に置いた微細直線格子を介して流路内に縞を発生することを特徴とする流体速度計測装置である。
また、光による縞発生部、流れとともに移動する微粒子の散乱光を光電子増倍管等により検出する光検出部、光の強度信号をＦＦＴ解析装置により解析する解析部を備え、前記縞発生部はコリメータレンズにより平行光を作り、この平行光を流れにあわせた適当な太さの１光束に絞り、流れ方向と直角に置いた微細直線格子を介して流路内に縞を発生することを特徴とする流体速度計測装置である。
また、前記微細直線格子は平板上に刻んだ平行直線格子または回転円板に刻んだ放射状直線格子または円筒側面に刻んだ直線格子のいずれかであることを特徴とする流体速度計測装置である。
また、前記微細直線格子を通過した光束の径及び計測空間を制限する絞りを備えていることを特徴とする流体速度計測装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本装置は、以下のような特有の効果を達成することができる。
１．公知のＬＤＶが２光束を用いるのに対して、本発明では１光束で流速を計測することが可能であり、ＬＤＶと同じ効果を得ることが出来る。
２．１次元流だけでなく、縞の方向を変えることで、２次元、３次元の流れの流速測定が可能である。
３．微細直線格子を使用した直線縞の明暗の変動によって、流速度を簡易に計測可能である。
４．定常流の流速計測が主であるが、変動流にも対応できる。
５．装置は簡単で安価に製作できる。
６．比較的大きな散乱微粒子でも計測可能であり、流れ場も局所的なものではなく、大きな流れ場（雨、雪などを含む）についても対応可能である。
７．気泡や固体粒子を含む混相流の流れ計測にも利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、レーザー光による縞発生部、流れとともに移動する微粒子の散乱光を光電子増倍管等により検出する光検出部、光の強度信号をＦＦＴ解析装置により解析する解析部を備え、前記縞発生部はレーザービームをエキスパンダーレンズにより拡大して平行光を作り、この平行光を流れにあわせた適当な太さの１光束に絞り、流れ方向と直角に置いた微細直線格子を介して流路内に縞を発生させ、流路内の流れと共に移動する微粒子群の散乱光を光検出器で検出し、解析部により流体速度を計測する。
【実施例】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明に係る実施例を説明すると、図１は本発明に係る流体速度計測装置、図２は同装置の縞発生部の平面図、図３は同正面図、図４は本装置で測定した流体の速度分布図である。
【００１０】
図１〜３において、本装置は、大きく分けて、流れ場に光の縞を発生する縞発生部１と、前記流れ場の縞を利用して流れ場中の微粒子の速度を検出する速度検出部２を備えている。縞発生部１は、レーザ光を発振するレーザ発振装置１１、前記レーザ発振装置１１から発振されるレーザを拡大して平行光とし流れ場に対して１光束として照射するビームエキスパンダ１２と、前記ビームエキスパンダ１２から照射された１光束を横切るように光束に対して直角に配置した微細直線格子１３と、微細直線格子１３を通過した光束の径を制限する絞り１４とを有している。前記レーザ発振装置１１、ビームエキスパンダ１２は従来公知のものを使用し、また前記微細直線格子１３は、モータ１５の回転軸に取り付けた回転円板に放射状直線格子（ピッチａ）を刻んで構成したものである。
なお、レーザ発振装置１１としては、ヘリウムネオンレーザやアルゴンレーザ発振器、半導体レーザ発振器、など現在公知のレーザ発振器を使用することができ、また微細直線格子も本回転円板と同様の効果を達成できるものであれば他の形態のものを使用することができる。また、ビームエキスパンダ１２で拡大して平行光とする換わりに点光源をコリメータレンズを使用して平行光とすることも可能である。
【００１１】
また、速度検出部２は、流れ場中の微粒子の散乱光を検出する絞り２１、集光レンズ２２、光ファイバー２３、光検出器２４、ＦＦＴ解析装置２５からなり、これらは従来のＬＶＤの装置と同様のものを使用する。前記絞り２１、集光レンズ２２、光ファイバー２３は、流れ場の中の測定位置にあわせて移動台（ステージ）２６を移動することで位置調整をすることができる。なお、図中３１は流れ場、３２は流れ場中の微粒子である。
【００１２】
上記装置の作用を説明する。
図２において、レーザ発振装置（レーザー光源）１１から発振されたレーザ光をビームエキスパンダ１２により流れ場にあわせた適当な太さの平行光束とする。前記平行光束は、流れ方向と平行に置いた微細直線格子（または回転円板に刻んだ放射状直線格子ピッチａ）１３を介して、流れに対して直角に照射され、流れと直角に光の縞パターン３３が設置される。設置された光の縞パターン３３内において光束は流れと共に移動する直径がａよりも小さな微粒子３２群を照らす。
図３において流れ場中の微粒子の散乱光を検出するには、流速を測定したい光束ビーム上の一部のみの散乱光を拾う必要があるため、絞り２１と集光レンズ２２とが必要となる。
光束が照射された局所のみの散乱光が絞り２１、集光レンズ２２を介して光ファイバー２３入射面状に入り、光検出器２４で電圧に変換され、ＦＦＴ解析装置２５で解析される。即ちＦＦＴ解析装置２５では点滅する光の周波数ｆを以下の手順で求める。
すなわち光の縞間隔がａであるとき流速Ｖに対するｆはｆ＝Ｖ／ａであるので、ＦＦＴ解析によりｆを得、したがってＶが求まる。Ｖが非常に小さいときあるいは逆流があるときはＦＦＴ解析の精度を上げるため回転円板格子を利用する。円板の周速度（流れ方向とは逆方向）がＶg のときはｆ＝（Ｖ＋Ｖg ）／ａとなるがＶg とａとは既知であるのでＶが求まる。Ｖg ／ａはシフト周波数である。絞り、集光レンズ、光ファイバはこれらを一体にした移動台などを利用して、流れ場対して位置決めすることができる。
【００１３】
図４に円管内を流れる水の流速度分布の計測例を示す。使用円管は長さ１ｍ管内径２６ｍｍのアクリル管で、流量Ｑは２３ｍｌ／ｓの場合である。計測器の諾元は縞ピッチはａ＝０．５ｍｍ、回転円板の速度Ｖｇは０．５ｍ／ｓである。最大流速は約０．０９ｍ／ｓでこのときの全周波数はｆ＝１１８０Ｈｚ、シフト周波数は１ｋＨｚであることよりこれらの差である１８０Ｈｚが流動粒子散乱光の周波数となる。
本流れはレイノルズ数Ｒｅ＝１２００の層流であり、したがって速度分布は放物線かつ管中心の最大速度は平均流速（図中の破線）の２倍となるはずである。図３より本実験結果はこれらの事実とよく一致していることがわかる。これを仮にピトー管で計測したとすると最大速度のときでも水柱マノメータのヘッドは０．４ｍｍと小さな値となり、このような速度分布を得ることはほとんどできない。よって本装置は非常に優れた流速計であることがわかる。
【００１４】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明によれば、上述した１次元流を測定できるだけでなく、２次元流を計測することも可能である。２次元流を計測する場合には流れと直角方向および平行方向に縞パターンを設置する。このとき各方向のレーザーの波長は異なるようにする。散乱光は波長ごとの干渉フィルターにより分離し、２分岐光ファイバーでそれぞれの光検出器ヘと導く。光の信号はデータロガー等に一旦保存した後にＦＦＴ解析する。
また、本発明はその精神また主要な特徴から逸脱することなく、他の色々な形で実施することができる。そのため前述の実施例は単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。更に特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明は、流体速度計測装置および流量計測装置としての利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る流体速度計測装置の構成図である。
【図２】同装置の縞発生部の平面図である。
【図３】同装置のは正面図である。
【図４】本装置で測定した流体の速度分布図である。
【符号の説明】
【００１７】
１            縞発生部                                                        １１            レーザ発振装置
１２            ビームエキスパンダ
１３            微細直線格子
１４            絞り
１５            モータ
２            速度検出部
２１            絞り
２２            集光レンズ
２３            光ファイバー
２４            光検出器
２５            ＦＦＴ解析装置
３１            流れ場
３２            微粒子
【図１】
2007212271.tif 000003
【図２】
2007212271.tif 000004
【図３】
2007212271.tif 000005
【図４】
2007212271.tif 000006