(57)【要約】【課題】流速が異なる粒子についても粒子径の計測が可能な流動状態計測装置および流動状態計測方法を提供する。【解決手段】  管２０を挟んで互いに対向するように第１送受光手段１１と第２送受光手段１２が備えられており、第１送受光手段１１の受光部１１ｂの受光光軸とレーザ光源１１ａの発光光軸とが管２０の中央において角度θをもって交差するように設置されている。一方、第２送受光手段１２の受光部１２ｂの受光光軸とレーザ光源１２ａの発光光軸とが管２０の中央において角度θをもって交差するように設置されている。受光部１１ｂと受光部１２ｂの受光時差ｔdを計測し、受光時差ｔdと粒子Ｇの流速から第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２の距離Ｙを算出する。そして、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２の位置関係と粒子径ｄとの関係を示す上記式（１）に距離Ｙを代入することにより、粒子径ｄを算出する。【選択図】図１
2009058397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管の内部を当該管の長さ方向に沿って流動する粒子の流動状態を計測する流動状態計測装置において、
上記粒子における第１位置にレーザ光を照射し、その反射光を受光する第１送受光手段と、
上記粒子における上記第１位置とは異なる第２位置にレーザ光を照射し、その反射光を受光する第２送受光手段と、
上記第１送受光手段と上記第２送受光手段との受光時差を計測する時差計測手段と、
上記粒子の流速を計測する流速計測手段と、
上記流速と上記受光時差に基づいて上記管の長さ方向に関する上記第１位置と上記第２位置との距離を算出するとともに、当該距離と当該第１位置と当該第２位置との位置関係から上記粒子の粒子径を算出する粒子径算出手段とを具備することを特徴とする流動状態計測装置。
【請求項２】
上記第１送受光手段と上記第２送受光手段の少なくとも一方は上記管の長さ方向に関して一定の空間周期で複数配置された発光光軸を有するとともに、
上記流速計測手段は、一定の空間周期で複数配置された上記第１送受光手段と上記第２送受光手段の少なくとも一方における受光周波数に基づいて上記流速を計測することを特徴とする請求項１に記載の流動状態計測装置。
【請求項３】
上記第１送受光手段と上記第２送受光手段の発光光軸は上記管の長さ方向に直交するとともに、
上記管の長さ方向の同一位置において上記第１送受光手段と上記第２送受光手段による発光方向が互いに対向することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の流動状態計測装置。
【請求項４】
上記第１送受光手段と上記第２送受光手段が発光する上記レーザ光の波長が互いに異なることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の流動状態計測装置。
【請求項５】
上記第１送受光手段と上記第２送受光手段が発光する上記レーザ光の発光タイミングが互いに異なることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の流動状態計測装置。
【請求項６】
一定の空間周期で複数配置された上記第１送受光手段と上記第２送受光手段の少なくとも一方における受光強度の時間変動をフーリエ変換することにより、各周波数区分に対応する各流速区分について上記受光強度の振幅のスペクトルを得るとともに、各流速区分についての振幅を各流速区分に属する上記粒子の上記粒子径の２乗で除算した値に基づいて各流速区分に属する上記粒子の個数を算出する個数算出手段をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の流動状態計測装置。
【請求項７】
各流速区分に属する上記粒子の個数に、各流速区分に属する上記粒子の上記粒子径の３乗を乗算した乗算値を各流速区分について算出するとともに、当該乗算値を全流速区分について合計した値に基づいて上記粒子の体積流量を算出する体積流量算出手段をさらに具備することを特徴とする請求項６に記載の流動状態計測装置。
【請求項８】
各流速区分に属する上記粒子の個数に、各流速区分に属する上記粒子の上記粒子径の３乗を乗算し、さらに各流速区分の代表値で除算した除算値を各流速区分について算出するとともに、当該除算値を全流速区分について合計した値に基づいて上記粒子の体積濃度を算出する体積濃度算出手段をさらに具備することを特徴とする請求項６または請求項７のいずれかに記載の流動状態計測装置。
【請求項９】
管の内部を当該管の長さ方向に沿って流動する粒子の流動状態を計測する流動状態計測方法において、
第１送受光手段によって、上記粒子における第１位置にレーザ光を照射し、その反射光を受光し、
第２送受光手段によって、上記粒子における上記第１位置とは異なる第２位置にレーザ光を照射し、その反射光を受光し、
上記第１送受光手段と上記第２送受光手段との受光時差を計測し、
上記粒子の流速を計測し、
上記流速と上記受光時差に基づいて上記管の長さ方向に関する上記第１位置と上記第２位置との距離を算出するとともに、当該距離と当該第１位置と当該第２位置との位置関係から上記粒子の粒子径を算出することを特徴とする流動状態計測方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流動状態計測装置および流動状態計測方法に関し、特に粒子径の計測を行う流動状態計測装置および流動状態計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械加工装置に対する微量の潤滑油の給油を行うために、空気中に潤滑油ミストを分布させ、当該空気を潤滑油ミストとともに供給することが行われている。このような手法においては、ＭＱＬ[Minimum Quantity Lubrication]の観点から必要最小限の給油量を実現することが課題となっている。そのため、潤滑油ミストの流量や粒径の正確な把握が可能な計測装置が望まれている。一方、粒子の径を測定する手法として沈降法が広く知られているが、計測時間が長く、機械加工工程においてオンラインで計測を行い、リアルタイムで給油量を制御する用途には使用できないという問題があった。さらに、レーザ光を粒子に照射し、その回折光（特許文献１、参照。）の検出期間に基づいて粒子径の大きさを計測するものが提案されている。
【特許文献１】特開２００２−６２２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した文献（段落００１１等）においては、いずれの粒子も一定の流速で流れる被検液に分散されていることを前提としており、空気中に分布する潤滑油ミストの粒子径をオンラインで測定する場合には当該前提が成り立たないという問題があった。すなわち、空気中において分布した粒子の流速は粒子径に依存することが知られており、上述した文献に開示された手法では空気中に分布する潤滑油ミストの粒子径を測定することはできないという問題があった。
本発明は、流速が異なる粒子についても粒子径の計測が可能な流動状態計測装置および流動状態計測方法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】
【０００４】
本発明では、管の内部を当該管の長さ方向に沿って流動する粒子の流動状態を計測する流動状態計測装置において、上記粒子における第１位置にレーザ光を照射し、その反射光を受光する第１送受光手段と、上記粒子における上記第１位置とは異なる第２位置にレーザ光を照射し、その反射光を受光する第２送受光手段と、上記第１送受光手段と上記第２送受光手段との受光時差を計測する時差計測手段と、上記粒子の流速を計測する流速計測手段と、上記流速と上記受光時差に基づいて上記管の長さ方向に関する上記第１位置と上記第２位置との距離を算出するとともに、当該距離と当該第１位置と当該第２位置との関係から上記粒子の粒子径を算出する粒子径算出手段とを具備する構成としている。
【０００５】
このような構成において、管の内部を当該管の長さ方向に沿って流動する粒子の流動状態を計測するために流動状態計測装置が構成される。具体的には、上記流動状態計測装置は、第１送受光手段と第２送受光手段と時差計測手段と流速計測手段と粒子径算出手段とから構成される。上記第１送受光手段は上記粒子における第１位置にレーザ光を照射し、その反射光を受光するように構成され、一方、上記第２送受光手段は上記粒子における第２位置にレーザ光を照射し、その反射光を受光する。なお、上記粒子における上記第１位置と上記第２位置とは互いに異なる位置とされる。上記時差計測手段は上記第１送受光手段と上記第２送受光手段との受光時差を計測し、上記流速計測手段は上記粒子の流速を計測する。そして、上記粒子径算出手段は、上記流速と上記受光時差に基づいて上記管の長さ方向に関する上記第１位置と上記第２位置との距離を算出し、さらに当該距離と当該第１位置と当該第２位置との位置関係から上記粒子の粒子径を算出する。
【０００６】
また、本発明の好適な態様として、上記第１送受光手段と上記第２送受光手段の少なくとも一方は上記管の長さ方向に関して一定の空間周期で複数配置された発光光軸を有し所定のサンプリング周波数で送受光を行うとともに、上記流速計測手段は、一定の空間周期で複数配置された上記第１送受光手段と上記第２送受光手段の少なくとも一方における受光周波数に基づいて上記流速を計測するようにしてもよい。
【０００７】
上記第１送受光手段と上記第２送受光手段の少なくとも一方を上記管の長さ方向に関して一定の空間周期で複数配置し、所定のサンプリング周波数で送受光を行わせることにより、上記管の長さ方向に関して空間格子を形成することができる。当該空間格子を通過する上記粒子の速度は、上記第１送受光手段または上記第２送受光手段の少なくとも一方における受光周波数で上記空間周期を除算することにより得ることができる。すなわち、上記第１送受光手段と上記第２送受光手段の少なくとも一方を上記流速計測手段として共用することができる。
【０００８】
さらに、本発明の別の態様として、上記第１送受光手段と上記第２送受光手段の発光光軸は上記管の長さ方向に直交するとともに、上記管の長さ方向の同一位置において上記第１送受光手段と上記第２送受光手段による発光方向が互いに対向するようにしてもよい。この場合において、上記第１送受光手段と上記第２送受光手段とが発光する上記レーザ光を弁別するために、上記第１送受光手段と上記第２送受光手段が発光する上記レーザ光の波長が互いに異なるようにしてもよい。さらに、別の手法として、上記第１送受光手段と上記第２送受光手段が発光する上記レーザ光の発光タイミングが互いに異なるようにしてもよい。
【０００９】
さらに、本発明のより好適な態様として、一定の空間周期で複数配置された上記第１送受光手段と上記第２送受光手段の少なくとも一方における受光強度の時間変動をフーリエ変換することにより、当該フーリエ変換における各周波数区分に対応する各流速区分について上記受光強度の振幅のスペクトルを得るとともに、各流速区分についての振幅を各流速区分に属する上記粒子の上記粒子径の２乗で除算した値に基づいて各流速区分に属する上記粒子の個数を算出する個数算出手段をさらに具備するようにしてもよい。
【００１０】
各粒子から得られる反射光の受光強度は各粒子の粒子径の２乗（粒子断面積相当値）に比例すると考えることができる。また、各流速区分についての上記受光強度の振幅は、各流速区分に属する粒子の個々から得られた反射光の総和に相当する。従って、各流速区分に属する上記粒子の上記粒子径の２乗で各流速区分についての上記振幅を除算することにより、各流速区分に属する上記粒子の個数に比例した値を算出することができる。
【００１１】
さらに、本発明のより好適な態様として、各流速区分に属する上記粒子の個数に、各流速区分に属する上記粒子の上記粒子径の３乗を乗算した乗算値を各流速区分について算出するとともに、当該乗算値を全流速区分について合計した値に基づいて上記粒子の体積流量を算出する体積流量算出手段をさらに具備する構成としてもよい。すなわち、上記個数に上記粒子径の３乗（体積相当値）を乗算することにより、各流速区分に属する上記粒子の体積合計値を得ることができ、さらにこの体積合計値を全流速区分について合計することにより、上記粒子の全体積を得ることができる。
【００１２】
さらに、本発明のより好適な態様として、各流速区分に属する上記粒子の個数に、各流速区分に属する上記粒子の上記粒子径の３乗を乗算し、さらに流速区分の代表値で除算した除算値を各流速区分について算出するとともに、当該除算値を全流速区分について合計した値に基づいて上記粒子の体積濃度を算出する体積濃度算出手段をさらに具備する構成としてもよい。すなわち、上記個数に上記粒子径の３乗（体積相当値）を乗算することにより、各流速区分に属する上記粒子の体積合計値を得ることができ、さらにこの体積合計値を各流速区分の代表値で除算することにより、単位長さあたりの体積濃度を得ることができる。さらに、この体積濃度を全流速区分について合計することにより、上記粒子の全体積濃度を得ることができる。
【００１３】
さらに本発明の技術的思想は、流動状態計測装置において行われる流動状態計測方法においても具現化されることはいうまでもない。また、当該流動状態計測方法を実現するための流動状態計測プログラムをコンピュータに読み込ませ、所定の機能を実行させることにより、コンピュータを用いて実現することも可能である。さらに、上述した流動状態計測装置や流動状態計測方法や流動状態計測プログラムを一部に有する他の装置や方法やプログラムにおいても、本発明の技術的思想を具現化することができる。例えば、上述した流動状態計測装置による計測結果に基づいて流量を制御する、流量制御装置等においても本発明の効果を得ることができる。また、上述した流動状態計測装置や流動状態計測方法や流動状態計測プログラムが有する手段や工程や機能が複数の装置において分担されて実現されるものであってもよい。例えば、複数の機能がネットワークを介して接続された複数のコンピュータによって実現されてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、請求項１および請求項９に記載の発明によれば、流速が異なる粒子についても粒子径の計測が可能な流動状態計測装置および流動状態計測方法を提供することができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、流速を計測することができる。
さらに、請求項４に記載の発明によれば、レーザ光を弁別することができる。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明によれば、レーザ光を弁別することができる。
さらに、請求項６に記載の発明によれば、多数の粒子に関する統計的な解析を行うことができる。
また、請求項７に記載の発明によれば、体積流量を計測することができる。
また、請求項８に記載の発明によれば、体積濃度を計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、下記の順序に従って本発明の実施形態を説明する。
（１）基本原理：
（２）流動状態計測装置：
（３）変形例：
【００１７】
（１）基本原理
図１は、本発明の基本原理を模式的に説明する図である。同図において、粒子径計測装置１０は、長さ方向に沿って粒子Ｇを含む流体が流動する管２０に対して取り付けられている。管２０は、例えば円筒状に形成されており、壁面が透光性を有する材料で形成されている。流体は一様な透光性を有する気体や液体で構成され、そのなかに液体または固体の粒子Ｇが飽和することなく点在している。また、本発明において粒子Ｇの形状は球形であると考える。例えば気体流体中の液体粒子（ミスト）を想定した場合、表面張力の作用により各液体粒子は球形になると考えることができる。また、本発明において粒子Ｇは加減速せず、一定の流速で進行するものとする。
【００１８】
管２０を挟んで互いに対向するように第１送受光手段１１と第２送受光手段１２が備えられており、第１送受光手段１１と第２送受光手段１２はそれぞれ管２０の長さ方向の同一位置に発光光軸を有するレーザ光源１１ａ，１２ａを有している。すなわち、レーザ光源１１ａ，１２ａの発光方向は互いに対向している。また、第１送受光手段１１は、指向性を有するフォトディテクターを備えた受光部１１ｂを有している。受光部１１ｂの受光光軸と、レーザ光源１１ａの発光光軸とが管２０の中央において角度θ[度]をもって交差するように設置されている。一方、第２送受光手段１２も指向性を有する受光部１２ｂを有しており、受光部１２ｂの受光光軸とレーザ光源１２ａの発光光軸とが管２０の中央において角度θをもって交差するように設置されている。
【００１９】
受光部１１ｂ，１２ｂは、受光強度の変動を電気信号に変換して受光強度信号を生成する。当該受光強度信号は、Ａ／Ｄ変換器１５を介してコンピュータ１７に出力される。なお、レーザ光源１１ａ，１２ａはそれぞれ異なる波長のレーザ光を出力する。例えば、互いにバンドギャップの異なる半導体レーザをレーザ光源１１ａ，１２ａとして適用することにより、波長の異なるレーザ光を出力することができる。そして、受光部１１ｂはレーザ光源１１ａが発光する波長のレーザ光を受光し、受光部１２ｂはレーザ光源１２ａが発光する波長のレーザ光を受光するように構成されている。受光部１１ｂ，１２ｂについても、適切なバンドギャップ半導体受光素子の使用すればよい。
【００２０】
図１において、中心の軌跡を矢印で示すように粒子Ｇが管２０の内部を管２０の長さ方向に沿って流動している。そして、粒子Ｇに対してレーザ光源１１ａ，１２ａからのレーザ光が断続的に照射されている。粒子Ｇは周囲の空気と異なる誘電率を有しているため、粒子Ｇの表面においてレーザ光の反射（全反射）が生じる。管２０に対してレーザ光源１１ａ，１２ａの発光光軸は一定であるが、球状の粒子Ｇが管２０の長さ方向に沿って移動するため、発光光軸と粒子Ｇは相対的に移動することとなる。従って、反射面をなす粒子Ｇの表面に対するレーザ光の入射角は絶えず変動し、その反射角も絶えず変動することとなる。
【００２１】
ここで、受光光軸がレーザ光源１１ａの発光光軸に対して角度θをなす受光部１１ｂに対して反射したレーザ光を受光させるための条件は、レーザ光源１１ａの発光光軸（管２０の直交方向）に対して中心角（θ／２）をなす位置にレーザ光が入射することである。入射光と反射光は、反射面の垂線に関して対称であり、当該垂線は粒子Ｇの中心を通る弦（直径）をなすからである。なお、上記の条件を満足するレーザ光の入射位置を第１位置Ｐ１と表すものとする。同様に、受光部１２ｂに対して反射したレーザ光を受光させるための条件は、図１において破線で示すように、レーザ光源１２ａの発光光軸に対して中心角（θ／２）をなす位置にレーザ光が入射することである。このときのレーザ光の入射位置を、第２位置Ｐ２と表すものとする。
【００２２】
このように、第１送受光手段１１と第２送受光手段１２の受光部１１ｂ，１２ｂが受光するためにレーザ光を入射させるべき第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２は異なっており、発光光軸が管２０の長さ方向の同一位置にあるレーザ光源１１ａ，１２ａからのレーザ光を第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２にそれぞれ入射させるためには、管２０の長さ方向についての第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との距離だけ粒子Ｇが移動する必要がある。すなわち、受光部１１ｂ，１２ｂがそれぞれ受光する時間差（受光時差）は、管２０の長さ方向について第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との距離だけ粒子Ｇが移動するのに要する時間であるということができる。
【００２３】
管２０には第３送受光手段１３が備えられており、第３送受光手段１３は第１送受光手段１１とほぼ同様の構成とされている。すなわち、第３送受光手段１３も、受光部１３ｂの受光光軸とレーザ光源１３ａの発光光軸とが角度θをもって交差するように設置されている。従って、第３送受光手段１３の受光部１３ｂで受光される条件も、第１送受光手段１１と同様にレーザ光源１３ａが粒子Ｇの第１位置Ｐ１にレーザ光を照射することとなる。ただし、第３送受光手段１３は第１送受光手段１１よりも管２０の長さ方向に距離ｐだけ下流に設置されている。従って、第１送受光手段１１の受光部１１ｂにおける受光と第３送受光手段１３の受光部１３ｂにおける受光との時間差は、管２０の長さ方向について距離ｐだけ粒子Ｇが移動するのに要する時間であるということができる。
【００２４】
図２は、粒子Ｇにおける第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との位置関係を示している。レーザ光源１１ａ，１２ａは対向するように備えられているため、これらの発光光軸は１８０°ずれた関係にある。従って、発光光軸からそれぞれ等量の（θ／２）だけずれた第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２を結ぶ線分は粒子Ｇの中心を通過し、その長さは粒子Ｇの直径（粒子径）をなすこととなる。ここで、管２０の長さ方向についての第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との距離をＹ[m]とし、粒子径をｄ[m]とすると、下記式（１）が成り立つ。
【数１】
2009058397.tif 000003
【００２５】
図１において、粒子径計測装置１０は、上述した第１送受光手段１１と第２送受光手段１２と第３送受光手段１３に接続されたコンピュータ１７を有している。コンピュータ１７は、第１送受光手段１１と第２送受光手段１２と第３送受光手段１３の受光部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂにおける受光強度信号を、Ａ／Ｄ変換器１５にてデジタル信号に変換して、入力する。そして、当該受光強度信号に基づいて時差計測手段と流速計測手段と粒子径算出手段に相当する処理を実行する。具体的には、コンピュータ１７にはＣＰＵ１７ａやＲＡＭ１７ｂやＲＯＭ１７ｃやＨＤＤ１７ｄ等、プログラムを実行するために必要なハードウェアが備えられており、各手段に相当する処理を行うためのプログラムがＨＤＤ１７ｄ等からＣＰＵ１７ａに読み込まれて実行されている。また、コンピュータ１７には水晶発振器１７ｅが備えられており、時間を計測することが可能となっている。
【００２６】
まず、時差計測手段としてコンピュータ１７は、第１送受光手段１１と第２送受光手段１２の受光部１１ｂ，１２ｂからの信号を取得し、それぞれにおいて反射レーザ光が受光された時間差（受光時差ｔｄ [sec]）を計測する。次に、流速計測手段としてのコンピュータ１７は、第１送受光手段１１と第３送受光手段１３の受光部１１ｂ，１３ｂからの信号を取得し、それぞれにおいて反射レーザ光が受光された時間差（受光時差ｔｃ [sec]）を計測する。そして、第１送受光手段１１と第３送受光手段１３との距離ｐを受光時差ｔｃで除算することにより、粒子Ｇの流速Ｕ[m/sec]を算出する。また、粒子径算出手段としてのコンピュータ１７は、第１送受光手段１１と第２送受光手段１２の受光時差ｔdと上記流速Ｕを乗算することにより、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２の管２０の長さ方向に関する距離Ｙを算出する。
【００２７】
さらに、距離Ｙを上記式（１）に代入し、粒子径ｄについて解くことにより、粒子径ｄを算出する。なお、上記式（１）を受光時差ｔdと流速Ｕを用いて表し、粒子径ｄについて解くと、下記式（２）のように表すことができる。
【数２】
2009058397.tif 000004
以上のように、第１送受光手段１１と第２送受光手段１２を備えさせることにより、同一の粒子Ｇにおける異なる第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２についての受光時差ｔdを計測することができ、粒子Ｇの流速から第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２の距離Ｙを得ることができる。
【００２８】
さらに、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２の位置関係と粒子径ｄとの関係を示す上記式（１）に距離Ｙを代入することにより、粒子径ｄを算出することができる。同一の粒子Ｇにおける第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２についての受光時差ｔdを計測することができればよく、第１送受光手段１１と第２送受光手段１２の配置は以上説明したものに限られるものではない。粒子Ｇに対する発光光軸と受光光軸のいずれか一方が相違していれば、受光されるときの粒子Ｇに対するレーザ光の入射位置を変えるこができるため、発光光軸と受光光軸の角度を他の角度にすることも可能である。また、第１送受光手段１１と第２送受光手段１２のレーザ光源１１ａ，１２ａと受光部１１ｂ，１３ｂのいずれか一方を共用することも可能である。
【００２９】
（２）流動状態計測装置
図３は、以上説明した基本原理を応用した流動状態計測方法を行う流動状態計測装置１００の構成を示している。同図において、流動状態計測装置１００は、管１２０（内半径をｒとする。）を挟んで対向する第１光学系１１１と第２光学系１１２とを備えている。第１光学系１１１と第２光学系１１２は、上述したレーザ光源１１ａ，１２ａと同様にそれぞれ互いに異なる波長のレーザ光を生成するレーザ光源１１１ａ，１１２ａを有しており、当該レーザ光源１１１ａ，１１２ａが生成したレーザ光を複数のシートビームに変換するレンチキュラレンズ１１１ｃ，１１２ｃを有している。各シートビームに対応する発光光軸は、ビーム面が管１２０の長さ方向に対して垂直であり、互いに平行となる位置関係で複数配置されている。各シートビームは一定の空間周期ｐ[m]ごとに平行に生成され、空間周期ｐに対応する空間格子が管１２０の長さ方向に形成されることとなる。第１光学系１１１と第２光学系１１２が生成するシートビームの個々が管１２０の長さ方向において同一の位置となっている。
【００３０】
受光光軸が各シートビームの光軸に対して角度θ°をなすように第１受光レンズ１１３ａが備えられており、当該第１受光レンズ１１３ａの焦点位置に第１受光素子１１３ｂが備えられている。同様に、受光光軸が各シートビームの光軸に対して角度θ°をなすように第２受光レンズ１１４ａが備えられており、当該第２受光レンズ１１４ａの焦点位置に第２受光素子１１４ｂが備えられている。レーザ光源１１１ａ，１１２ａは、所定のサンプリング周波数で互いに同時に発光を行っている。第１受光素子１１３ｂと第２受光素子１１４ｂにおいては当該サンプリング周波数に応じて周期的に受光を行っている。
【００３１】
図４は、複数のシートビームを通過する粒子Ｇの様子を示している。同図に示すように、個々のシートビームと粒子Ｇの関係は、図１と同様であり、粒子Ｇにおける第１位置Ｐ１にシートビームが照射される状態において反射角がθとなり第１受光素子１１３ｂが反射光を受光することとなる。また、粒子Ｇにおける第２位置Ｐ２にシートビームが照射される状態において反射角がθとなり第２受光素子１１４ｂが反射光を受光することとなる。なお、管１２０には径の異なる複数の粒子Ｇが流動しており、複数のシートビームが通過する領域に存在する粒子Ｇの個々から反射光が得られることとなる。なお、管１２０の幅は、第１光学系１１１や第２光学系１１２や第１受光素子１１３ｂや第２受光素子１１４ｂのレイアウトに対して十分小さいため、管１２０の幅方向の位置に応じた反射角の相違は無視できるものとする。各シートビームは空間周期ｐごとに周期的に配置されているため、一定の流速で進行する粒子Ｇの第１位置Ｐ１および第２位置Ｐ２が各シートビームによって照射される時間も周期的となる。
【００３２】
図５は、単一の粒子Ｇのみが管１２０を流動したときに第１受光素子１１３ｂと第２受光素子１１４ｂとが受光する受光強度の時間変動をそれぞれ実線と破線によって示している。なお、粒子Ｇの流速は一定であることから、粒子Ｇの位置に応じた受光強度の変動と、受光強度の時間変動は同様のパターンを示すと考えることができる。同図において、粒子Ｇの第１位置Ｐ１が各シートビームを通過するごとに第１受光素子１１３ｂの受光強度が極大となる周期的な変動が示されている。同様に、粒子Ｇの第２位置Ｐ２が各シートビームを通過するごとに第２受光素子１１４ｂの受光強度が極大となる周期的な変動が示されている。これらの周期は、一定の値であるシートビームの空間周期ｐと粒子Ｇの流速に依存するため、１受光素子１１３ｂと第２受光素子１１４ｂの受光強度の変動周期は一定かつ等しくなっている。
【００３３】
しかしながら、１受光素子１１３ｂと第２受光素子１１４ｂの受光強度の時間変動の位相は互いにずれることとなる。例えば、時刻ｔ０において第１位置Ｐ１が紙面最下方のシートビームと同じ位置ｙ０にあるとき、角度θの反射光が生じ、第１受光素子１１３ｂにおける受光強度が極大となっている。このとき、第２位置Ｐ２はいずれのシートビームによっても照射されない位置にあることとなるため、第２受光素子１１４ｂにて受光可能な反射光は生成されず、第２受光素子１１４ｂにおける受光強度は小さい値となっている。しかし、その後の時刻ｔ１において、粒子Ｇが距離Ｙだけ紙面上方に進行したとき、すなわち第１位置Ｐ１が位置ｙ１にあり第２位置Ｐ２が紙面最下方のシートビームと同じ位置ｙ０にあるとき、第２位置Ｐ２にて角度θの反射光が生じ、第２受光素子１１４ｂにおける受光強度が極大となる。
【００３４】
すなわち、粒子Ｇが距離Ｙ移動するのに必要な時間に対応する量だけ１受光素子１１３ｂと第２受光素子１１４ｂの受光強度の時間変動の位相が互いにずれることとなる。この位相のずれは、上述した受光時差ｔdに対応しており、例えば双方の変動パターンの最初のピークの時間差が当該受光時差ｔdに相当するということができる。なお、実際には、管１２０には複数の粒子Ｇが存在するため、個々の粒子Ｇからの反射光による合成波が第１受光素子１１３ｂと第２受光素子１１４ｂにて検出されることとなる。
【００３５】
図３に示すように、流動状態計測装置１００はコンピュータ１１７を備えており、コンピュータ１１７に対して、第１受光素子１１３ｂと第２受光素子１１４ｂにおける受光強度の変動パターンが受光強度信号Ｓ１，Ｓ２としてＡ／Ｄ変換器１１５を介して入力されている。コンピュータ１１７にはＣＰＵ１１７ａやＲＡＭ１１７ｂやＲＯＭ１１７ｃやＨＤＤ１１７ｄ等、プログラムを実行するために必要なハードウェアが備えられており、各手段に相当する処理を行うためのプログラムがＨＤＤ１１７ｄ等からＣＰＵ１１７ａに読み込まれて実行されている。また、コンピュータ１１７には水晶発振器１１７ｅが備えられており、時間を計測することが可能となっている。第１受光素子１１３ｂと第２受光素子１１４ｂにおける受光強度信号Ｓ１，Ｓ２は、ＨＤＤ１１７ｄやＲＡＭ１１７ｂに記憶され、後述する解析処理に使用される。
【００３６】
図６は、解析処理の流れを示している。同図において、ステップＳ１００において、第１受光素子１１３ｂと第２受光素子１１４ｂにおける受光強度の変動パターンを示す受光強度信号Ｓ１，Ｓ２を取得する。そして、ステップＳ１１０では、受光強度信号Ｓ１，Ｓ２から所定のサンプリング期間のデータを抽出する。ここでは、受光強度信号Ｓ１，Ｓ２から同一サンプリング期間のものを抽出する。レーザ光源１１１ａ，１１２ａは所定のサンプリング周波数で発光を行っており、ステップＳ１１０にて抽出するサンプリング期間は、サンプリング期間においてレーザ光源１１１ａ，１１２ａが発光するサンプリング数で特定することができる。サンプリング期間をＴ[sec]、サンプリング周波数をＦｓ[Hz]、サンプリング数をＮｓとすると、サンプリング期間Ｔは下記式（３）によって表すことができる。
【数３】
2009058397.tif 000005
ステップＳ１２０においては、上記サンプリング期間Ｔに属する第１受光素子１１３ｂの受光強度信号Ｓ１をフーリエ変換する。このフーリエ変換によれば、上記サンプリング期間Ｔを角度２π[rad]としたときの各周波数区分ごとの振幅スペクトルと位相スペクトルが得られる。上述したとおり、受光強度信号Ｓ１，Ｓ２は、個々の粒子Ｇからの反射光による合成波を示しており、フーリエ変換によって当該合成波を構成する各波形要素が周波数ごとに解析される。
【００３７】
図７は、受光強度信号Ｓ１についての振幅スペクトルの一例を示している。同図に示すように、横軸に１〜ｍ番目までの離散的な周波数区分が設けられており、その周波数（各区分の代表値）ｆiごとに、縦軸の振幅Ａ１（ｆｉ）のスペクトルが表されている。ここでは、多数の粒子Ｇにおける反射光による複数の受光強度の波が合成されたものがフーリエ変換されるため、複数の周波数ｆiの成分が含まれていることが分かる。ステップＳ１３０においては、各周波数区分ごとに振幅Ａ１（ｆi）と位相φ１（ｆi）を算出し、これらの対応関係を記述したテーブルをＨＤＤ１１７ｄに記憶させる。ステップＳ１４０においては第２受光素子１１４ｂの受光強度信号Ｓ２をフーリエ変換し、ステップＳ１５０においては各周波数区分ごとに振幅Ａ２（ｆi）と位相φ２（ｆi）を算出し、これらの対応関係を上述したテーブルに追記する。
【００３８】
図８は、ステップＳ１５０において振幅Ａ２（ｆi）と位相φ２（ｆi）が追記された状態のテーブルを示している。同図において、文字が斜体で示された部分は上述したフーリエ変換によって得られた値である。現時点において、振幅Ａ１（ｆi），Ａ２（ｆi）と位相φ１（ｆi），φ２（ｆi）が既知の値であり、同図に示されたその他の値は未知の値である。ステップＳ１６０以降においては、これらの未知の値を順次算出する処理を実行する。まず、ステップＳ１７０においては、各周波数区分ごとの流速Ｕiを算出する。図５において説明したように、各粒子Ｇの第１位置Ｐ１が発光光軸を通過するごとに第１受光素子１１３ｂでは周期的な受光強度が現れるため、当該受光強度の周波数ｆiは単位時間あたりに各粒子Ｇがシートビームの間隔である空間周期ｐを進行する回数であると考えることができる。従って、単位時間あたりに各粒子Ｇが進行する流速Ｕi [m/sec]は、下記式（４）によって表すことができる。
【数４】
2009058397.tif 000006
【００３９】
ステップＳ１６０においては、上記式（４）によって各受光周波数ｆｉに基づき流速Ｕｉを算出し、上述したテーブルに追記する。次のステップＳ１７０，１８０においては、粒子径ｄｉを算出する処理を実行する。粒子径ｄｉを算出するにあたっては、“空気等の媒体中を流動する粒子Ｇの流速Ｕｉは、粒子Ｇの断面積に比例する”という性質を利用する。すなわち、各流速Ｕｉの区分ごとに固有の粒子径ｄｉを有しており、また各流速Ｕｉの区分に属する各粒子Ｇは互いに似たような粒子径ｄｉを有しているという性質を利用する。さらに、上記式（４）から流速Ｕｉの区分は、周波数ｆｉの区分と一致するため、周波数ｆｉごとに固有の粒子径ｄｉを有していると換言することができる。厳密には各周波数ｆｉの区分に属する各粒子Ｇは個々に異なる粒子径ｄを有しているが、上記の性質より各周波数ｆｉの区分に属する各粒子Ｇは互いに似たような粒子径ｄｉを有しているといえるため、ステップＳ１７０，１８０にて各流速Ｕｉ（各周波数ｆｉ）の区分ごとに粒子径ｄｉを算出しても差し支えない。
【００４０】
ステップＳ１７０においては、上記テーブルにおける位相φ１（ｆｉ），φ２（ｆｉ）の差分を各周波数区分について算出することにより、位相差βｉを算出する。図５において説明したように、各粒子Ｇの第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２がシートビームを通過するごとに周期的な受光強度が現れるため、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２が各シートビームを通過する時間差（受光時差ｔd）に応じた位相差βｉが算出されることとなる。さらに、下記式（５）によって、各流速区分（各流速Ｕｉおよび各周波数ｆｉの区分）についての位相差βｉを時間に換算することにより、受光時差ｔdiを算出する。
【数５】
2009058397.tif 000007
【００４１】
以上のようにして受光時差ｔdiが算出できると、ステップＳ１８０にて、すでに算出された流速Ｕｉと受光時差ｔdiを上記式（２）に代入することにより、各流速Ｕｉ（各周波数ｆｉ）の区分についての粒子径ｄｉを算出する。以上のようにして、次のステップＳ１９０においては、下記式（６）によって各流速Ｕｉ（各周波数ｆｉ）の区分に属する粒子Ｇの個数Ｎｉを算出する。
【数６】
2009058397.tif 000008
ここで、上記式（６）は、“各粒子Ｇから得られる反射光の強度は粒子Ｇの断面積に比例する”ことと、振幅Ａ１（ｆｉ）は個々の粒子Ｇから得られる反射光の強度を各周波数ｆｉを有する粒子Ｇの個数Ｎｉ分だけ合計したものであることから導き出される。
【００４２】
なお、粒子Ｇの形状は球状であることから、断面積は粒子径ｄｉの２乗に比例した値であると考えることができる。そのため、振幅Ａ１（ｆｉ）を断面積に相当する粒子径ｄｉの２乗で除算し、調整係数ｋ1を乗算することにより、個数Ｎｉを算出することができる。なお、調整係数ｋ1は、レーザ光源１１１ａ，１１２ａの出力や、粒子Ｇの反射率や、第１受光素子１１３ｂと第２受光素子１１４ｂの感度等に応じて調整すべき定数であり、例えば実験・経験に基づいて設定される。また、周波数ｆｉはフーリエ変換におけるエルゴード性を逆補正するために右辺に乗算される。なお、上記式（６）において振幅Ａ１（ｆｉ）を使用したが、振幅Ａ１（ｆｉ）の代わりに振幅Ａ２（ｆｉ）や、振幅Ａ１（ｆｉ）と振幅Ａ２（ｆｉ）の平均値を使用することもできる。また、ステップＳ１９０の処理を実行する際のＣＰＵ１１７ａが本発明の個数算出手段に相当する。
【００４３】
以上のようにして、各流速Ｕｉ（各周波数ｆｉ）の区分に属する粒子Ｇの個数Ｎｉが算出できると、ステップＳ２００において、下記式（７）によって各流速Ｕｉ（各周波数ｆｉ）の個数Ｎｉを全体の個数で正規化する。
【数７】
2009058397.tif 000009
上記式（７）において、Ｐｄｉは各粒子径ｄｉ（各周波数ｆｉ）の区分ごとの粒子Ｇの個数比率を表している。粒子径ｄｉの区分ごとの個数比率Ｐｄｉによれば、管１２０を流動する粒子Ｇの粒子径分布を把握することができる。また、上記式（７）の分母は全流速区分についての個数Ｎｉを加算したものであり、粒子Ｇの全個数を意味する。
【００４４】
ステップＳ２１０においては、下記式（８）によって単位時間（１秒）あたりの体積流量Ｑを算出する。
【数８】
2009058397.tif 000010
上記式（８）においては、各流速Ｕｉ（各周波数ｆｉ）の区分について、各粒子Ｇの体積に対応する粒子径ｄｉの３乗を個数分乗算するとともに、当該乗算値を全流速Ｕｉ（全周波数ｆｉ）の区分について加算することにより、全体の体積流量を算出する。この体積流量はサンプリング期間Ｔに関するものであるため、サンプリング期間Ｔを除算することにより、単位時間あたりの体積流量Ｑを算出する。また、調整係数ｋ2は、実験・経験によって設定される比例定数である。なお、ステップＳ２１０の処理を実行する際のＣＰＵ１１７ａが本発明の体積流量算出手段に相当する。
【００４５】
ステップＳ２２０においては、下記式（９）によって管１２０内の単位体積（１ｍ2）あたりの体積濃度Δ[%]を算出する。
【数９】
2009058397.tif 000011
【００４６】
上記式（９）の分母は、サンプリング区間Ｔの間に粒子Ｇが進行する距離（Ｕi×Ｔ）に管１２０の断面積（πｒ2）を乗算したものであり、各流速Ｕiに属する各粒子Ｇがサンプリング区間Ｔの間に存在し得る体積を意味している。この体積によって粒子Ｇの体積合計値に相当するＮi×ｄi3を除算した除算値により、各流速Ｕiの区分について体積濃度成分を算出することができる。さらに、当該体積濃度を全流速Ｕi、全周波数ｆiの区分について加算することにより、全粒子Ｇが占める体積濃度Δを算出することができる。なお、調整係数ｋ3も、実験・経験によって設定される比例定数である。また、ステップＳ２２０の処理を実行する際のＣＰＵ１１７ａが本発明の体積濃度算出手段に相当する。以上のように各計測値が算出できると、ステップＳ２３０において、ディスプレイやプリンタ等に各計測値を出力する。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態の流動状態計測装置１１０によれば、不飽和流れにおける粒子Ｇの流速Ｕiと粒子径ｄiと個数Ｎiと体積濃度Δと体積流量Ｑをオンラインで同時に計測することができるため、粒子Ｇの状態を詳しく把握することができる。また、複数の流速Ｕiの粒子Ｇが含まれる場合であっても、各流速Ｕiについて粒子径ｄiと個数Ｎiを計測することができる。また、レーザ光の反射を利用しているため、回折や散乱を利用する場合と比較して、必要とするレーザ光強度が少なくて済む。従って、流動状態計測装置１１０を安価かつ簡易に製造することができる。また、周囲と異なる反射率（誘電率）を有する粒子Ｇであれば計測を行うことができるため、例えば気体中／液体中の粉体についても計測を行うことができる。
【００４８】
（３）変形例
以上の実施形態においては、第１光学系１１１と第２光学系１１２で使用するレーザ光の波長を異ならせることにより、双方から発光されたレーザ光を弁別していたが、第１光学系１１１と第２光学系１１２の発光タイミングをずらすことによって双方のレーザ光を弁別するようにしてもよい。例えば、第１光学系１１１ではサンプリング周波数Ｆｓ[Hz]で発光を行うとともに、第２光学系１１２では、第１光学系１１１とサンプリング周期（１／Ｆｓ）[sec]の半分だけ発光タイミングをずらしつつ同一のサンプリング周波数Ｆｓ[Hz]で発光させるようにしてもよい。サンプリング周期（１／Ｆｓ）[sec]の半分に応じた位相差を考慮することにより、上述した解析処理を同様に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の基本原理を模式的に説明する図である。
【図２】粒子における第１位置と第２位置との位置関係を示す模式図である。
【図３】流動状態計測装置の概略ブロック図である。
【図４】シートビームを通過する粒子Ｇを示す図である。
【図５】受光強度の変動を示すグラフである。
【図６】解析処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】振幅スペクトルの一例を示すグラフである。
【図８】テーブルの記述内容を示す表である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…粒子径計測装置、１１…第１送受光手段、１１ａ…レーザ光源、１１ｂ…受光部、１２…第２送受光手段、１２ａ…レーザ光源、１２ｂ…受光部、１３…第３送受光手段、１３ａ…レーザ光源、１３ｂ…受光部、１５，１１５…Ａ／Ｄ変換器、１７，１１７…コンピュータ、１１０…流動状態計測装置、２０，１２０…管、Ｇ…粒子、Ｐ１…第１位置、Ｐ２…第２位置。
【図１】
2009058397.tif 000012
【図２】
2009058397.tif 000013
【図３】
2009058397.tif 000014
【図４】
2009058397.tif 000015
【図５】
2009058397.tif 000016
【図６】
2009058397.tif 000017
【図７】
2009058397.tif 000018
【図８】
2009058397.tif 000019