CN103443594B - 流量计测装置 - Google Patents

Abstract

提供一种能够高精度地计测排气的质量流量的流量计测装置。在流量计测装置(1)中，激光分配器(40)使片状的激光在激光导入管(20)内往复一次，拍摄部(50)使T／n与拍摄的时刻同步，并将拍摄时间设为T／2n，拍摄第一图像～第八图像，控制运算部(90)基于连续的两周期量的第一图像～第八图像，算出各图像上的多个坐标中的每周期T的排气的移动向量，将所述移动向量平均化为一个移动向量，将第一图像～第八图像中的平均化的一个移动向量的Y分量分别设为排气的移动量By1～移动量By8，将它们的算术平均设为排气的代表移动量B，根据排气的代表移动量B，算出排气的实际流速S，根据排气的实际流速S，算出排气的实际流量Qm，并基于排气的实际流量Qm，算出排气的质量流量M。

Description

流量计测装置

技术领域

本发明涉及对流体的流量进行计测的流量计测装置，尤其是涉及通过图像处理来计测从设于机动车等的发动机排出的排气的质量流量的技术。

背景技术

以往，作为对气体的质量流量进行计测的流量计测装置，广为周知有使用了皮托管或节流孔板等的差压式的流量计测装置、使用了超声波传感器的超声波式的流量计测装置、使用了具有多个管的分层元素的层流式的流量计测装置、以及使用了加热器(热线)的热线式的流量计测装置等。

然而，在计测从设于机动车等的发动机排出的排气的质量流量时，难以采用上述那样的流量计测装置。

这是因为，排气具有(1)包含气体成分以外的物质(水蒸气冷凝后的水滴、未燃燃料、及发动机机油等)，(2)由温度及发动机的转速的变化等引起的流速的变动幅度大，(3)包含与发动机的转速及汽缸数成比例的压力脉动，(4)由于排气管的弯曲部等的影响而流动发生偏斜这样的特性，由于上述(1)～(4)所示的排气的特性，而利用上述的流量计测装置的话，无法高精度地计测排气的质量流量。

另外，专利文献1公开了一种通过PIV(Particle Image Velocimetry：粒子图像测速)处理，对在导管内流动的流体进行解析的装置。

专利文献1记载的装置在隔开微少的时间间隔的两个时刻，向流体流动的导管内照射片状的激光，同时拍摄由片状的激光产生的导管的内部空间的剖切面的图像，基于该两个时刻的拍摄图像，来算出流体的粒子的移动量。通过使用如此算出的流体的粒子的移动量，而能够算出在导管内流动的流体的质量流量。

然而，专利文献1记载的装置虽然能够拍摄导管内的任意的场所，但未考虑流体的流动的偏斜，在使用于排气的质量流量的计测时，无法高精度地计测排气的质量流量。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-215999号公报

发明内容

发明的概要

发明所要解决的课题

本发明课题在于提供一种能够高精度地计测排气的质量流量的流量计测装置。

用于解决课题的手段

本发明的流量计测装置计测从发动机排出的排气的质量流量，其具备：导管，所述排气与示踪物一起在所述导管的内部流动；照射部，其照射激光；激光分配器，其将从所述照射部照射的激光反射成为沿着所述排气的流动方向将所述导管的内部空间剖切那样的片状的激光，并使该片状的激光沿着与所述排气的流动方向正交的方向推移；拍摄部，其拍摄由所述激光分配器形成的片状的激光产生的所述导管的内部空间的剖切面的图像；以及控制运算部，其算出所述排气的质量流量，

所述激光分配器使所述片状的激光在沿着其推移的方向的、所述导管内的整个范围往复一次，所述拍摄部将所述片状的激光在所述导管内往复一次的时间设为一周期，使对一周期进行了多等分的时间与拍摄的时刻同步，并将拍摄时间设为比对一周期进行了多等分的时间短的时间的情况下，在一周期的期间隔开一定的时间间隔，拍摄多个图像，所述控制运算部从所述拍摄部获得连续的两周期量的所述多个图像，基于连续的两周期量的所述多个图像，算出各图像上的多个坐标中的每一周期的所述排气的移动向量，将各图像上的多个坐标中的所述排气的移动向量平均化为一个移动向量，将各图像上的平均化的一个移动向量中的、所述排气的流动方向的分量设为所述排气的移动量，将所述多个图像中的所述排气的移动量的算术平均设为所述排气的代表移动量，根据所述排气的代表移动量，算出所述排气的实际流速，根据所述排气的实际流速，算出所述排气的实际流量，并基于所述排气的实际流量，算出所述排气的质量流量。

在本发明的流量计测装置中，优选的是，所述拍摄部对各图像的拍摄时间是对一周期进行多等分的时间的一半。

在本发明的流量计测装置中，优选的是，所述控制运算部使用在比一周期小的时间间隔中算出的各图像上的多个坐标中的所述排气的移动向量，从在一周期量的时间间隔中算出的各图像上的多个坐标中的所述排气的移动向量中除去错误向量。

在本发明的流量计测装置中，优选的是，所述控制运算部提取连续的两周期量的所述多个图像中的所述排气的浓淡的等高线，基于提取了所述排气的浓淡的等高线的、连续的两周期量的所述多个图像，算出各图像上的多个坐标中的所述排气的移动向量。

在本发明的流量计测装置中，优选的是，还具备：绝对压计，其计测在所述导管内流动的所述排气的绝对压力；管状的旁路，其以与所述导管的内部连通的方式将两端部安装于所述导管；以及压力计，其计测在所述旁路内流动的所述排气的压力，所述控制运算部基于由所述压力计计测到的在所述旁路内流动的所述排气的压力，算出所述旁路内的气柱的一次固有振动频率，根据所述旁路内的气柱的一次固有振动频率算出所述旁路内的音速，根据所述旁路内的音速算出所述排气气氛下的音速，基于所述排气气氛下的音速，算出所述排气的瞬时温度，根据所述排气的瞬时温度、所述排气的绝对压力及所述排气的实际流量，算出所述排气的标准状态下的体积流量，基于所述排气的标准状态下的体积流量，算出所述排气的质量流量。

在本发明的流量计测装置中，优选的是，还具备计测在所述导管内流动的所述排气的空燃比的空燃比计，所述控制运算部基于所述排气的空燃比、及作为所述排气的根源的燃料的性状，算出所述排气的平均分子量，根据所述排气的平均分子量算出所述排气的密度，基于所述排气的密度，算出所述排气的质量流量。

发明效果

根据本发明，能够高精度地计测排气的质量流量。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的流量计测装置的图；

图2是表示激光分配器、拍摄部、绝对压计、空燃比计、及温度计测部的相对于控制运算部的关系的框图；

图3是表示激光分配器对激光的分配、及拍摄部进行的拍摄的时刻的图；

图4是表示拍摄部进行的拍摄的时刻的图；

图5是表示通过拍摄部在一周期期间拍摄到的多个图像的图；

图6是表示排气的质量流量的算出工序的流程图；

图7是表示PIV处理的情况的图，(a)是表示在第一时刻拍摄到的图像的图，(b)是表示在第二时刻拍摄到的图像的图，(c)是表示从第一时刻到第二时刻的流体的移动向量的图；

图8是表示制成等高线图像的情况的图，(a)表示浓淡图像的图，(b)是表示等高线图像的图；

图9是表示本发明的PIV处理的情况的图；

图10是表示示踪物与干扰物质之间的粒子时间常数的区别的图；

图11是表示示踪物与干扰物质之间的到达规定的速度所需的时间的区别的图；

图12是表示示踪物与干扰物质之间的移动量的分布的区别的图，(a)是表示一周期量的时间间隔的示踪物及干扰物质的移动量的分布的图，(b)是表示比一周期小的时间间隔的示踪物及干扰物质的移动量的分布的图；

图13是表示将错误向量除去的情况的图；

图14是表示排气的瞬时温度的算出工序的流程图；

图15是表示排气的密度的算出工序的流程图。

具体实施方式

以下，参照图1～图5，说明本发明的流量计测装置的一个实施方式的流量计测装置1。

流量计测装置1是计测从设于机动车等的发动机排出的排气的流量(严格来说是质量流量M[kg/s])的装置。

需要说明的是，将图1中的箭头Y所指的方向设为排气的流动方向，将排气的流动方向上的上游侧简称为“上游侧”，将排气的流动方向上的下游侧简称为“下游侧”。

另外，将图1中的箭头X所指的方向设为流量计测装置1的后方向来规定前后方向，将图1中的箭头Z所指的方向设为流量计测装置1的上方向来规定上下方向。

如图1所示，流量计测装置1具备示踪物导入管10、激光导入管20、照射部30、激光分配器40、拍摄部50、绝对压计60、60、空燃比计70、温度计测部80、及控制运算部90(参照图2)。

示踪物导入管10是大致圆筒状的导管，为了使排气在其内部流动而配置在排气的流动路径上。详细而言，示踪物导入管10在其上游侧的端部，与机动车等的排气管E1连接。积存于示踪物分配器11的示踪物向示踪物导入管10的内部导入，示踪物与排气一起在示踪物导入管10内流动。

在此，示踪物是指为了实现排气的可视化而使用的粒子状的物质。通常，虽然无法直接拍摄排气，但是当向混入有示踪物的排气照射激光等时，发生示踪物引起的米氏散射而产生散射光，因此，通过向排气混入示踪物，而将示踪物作为排气进行可视化，从而能够进行排气的拍摄。

示踪物分配器11是积存规定量的示踪物的构件，向示踪物导入管10的内部供给示踪物。

示踪物导入管10在其下游侧的端部，与激光导入管20连接。即，在上游侧配置示踪物导入管10，在下游侧配置激光导入管20。

激光导入管20是筒状的导管，外周形状形成为大致长方体状，内周形状以相对于示踪物导入管10的内周面而成为齐面的方式形成。激光导入管20与示踪物导入管10同样地，为了使排气在其内部流动而配置在排气的流动路径上。详细而言，激光导入管20在其下游侧的端部，与机动车等的排气管E2连接。

如此，从排气管E1向示踪物导入管10流入的排气在示踪物导入管10中被混入示踪物，向激光导入管20流动之后，向排气管E2流出。

照射部30是朝向激光分配器40照射射束状的激光的构件。

激光分配器40是将从照射部30照射的射束状的激光反射成为沿着排气的流动方向将激光导入管20的内部空间剖切那样的片状的激光的构件，可应用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)反射镜等。激光分配器40以可摆动的方式设置在与排气的流动方向平行地延伸的轴41上，且配置在激光导入管20的上方。激光分配器40使片状的激光以与激光分配器40的摆动角度对应的角度，通过在激光导入管20的上表面形成的激光导入窗21，向激光导入管20的内部入射。

需要说明的是，激光导入窗21由能够将通过激光分配器40形成的片状的激光向激光导入管20的内部导入的具有透过性的原材料构成，在激光导入管20的上表面，从激光导入管20的外周面形成至内周面。

拍摄部50是经由在激光导入管20的前表面形成的拍摄用窗22，来拍摄由片状的激光产生的激光导入管20的内部空间的剖切面的构件。拍摄部50以其拍摄方向与排气的流动方向正交的方式配置在拍摄用窗22的前方。因此，基于拍摄部50的拍摄图像成为YZ平面(排气的流动方向与上下方向所成的面)的图像。

需要说明的是，拍摄用窗22是用于从激光导入管20的外部能够拍摄激光导入管20的内部的透明的构件，在激光导入管20的前表面，从激光导入管20的外周面形成至内周面。

绝对压计60、60是对流量计测装置1中的排气的绝对压力Pm[kPa·abs]进行计测的构件。绝对压计60、60在激光导入管20的上表面，以夹持激光导入窗21的方式分别配置在激光导入管20的上游侧及下游侧。通过绝对压计60、60计测到的两个不同位置(激光导入管20的上游侧及下游侧)的排气的绝对压的平均值被使用作为排气中的被照射片状的激光的部分的绝对压力Pm[kPa·abs]。这是因为，原本希望直接计测排气中的被照射片状的激光的部分的绝对压力Pm[kPa·abs]，但是在基于拍摄部50的排气的拍摄的情况上，以计测该部分的绝对压力的方式配置绝对压计60的情况比较困难。但是，可以进行将由一个绝对压计60计测到的排气的绝对压力作为排气中的被照射片状的激光的部分的绝对压力Pm[kPa·abs]的情况等。

空燃比计70是对流量计测装置1中的排气的空燃比Rm进行计测的构件，配置在示踪物导入管10的上部。

温度计测部80是对流量计测装置1中的排气的瞬时温度Tm[℃]进行计测的构件，具备旁路81、压力计82。需要说明的是，严格来说，排气的瞬时温度Tm[℃]不是由温度计测部80直接计测到的值，而基于由压力计82计测到的在旁路81内流动的排气的压力、及空燃比Rm等来算出。关于算出排气的瞬时温度Tm[℃]的方法的详情在后面叙述。

旁路81是与激光导入管20的内部连通的管状构件，配置在比拍摄用窗22靠下游侧的位置。旁路81的两端部在沿着排气的流动方向相互分离的状态下，以使旁路81的内部与激光导入管20的内部连通的方式，安装在激光导入管20的下表面。

压力计82是计测在旁路81内流动的排气的压力的构件，安装于旁路81。

如图2所示，控制运算部90与激光分配器40及拍摄部50电连接，并控制激光分配器40及拍摄部50的动作。

如图3所示，控制运算部90使激光分配器40在规定的范围(图3中的双点划线所示的激光分配器40的从位置P1到位置P2的范围)内摆动，从而使通过激光分配器40反射的片状的激光在激光导入管20内的前后方向上的整个范围内推移。

当将图3所示的位置P1设为激光分配器40的初始位置时，激光分配器40转动到位置P2然后再次返回位置P1为止(往复一次)成为激光分配器40的一周期(规定为“周期T[s]”)。换言之，由激光分配器40反射的片状的激光在激光导入管20内的前后方向上的整个范围内往复一次的时间成为周期T[s]。

在此，将周期T[s]进行n等分(在本实施方式中，n=8)，激光分配器40处于作为初始位置的位置P1的时间为t0，从t0经过了T/n[s]的时间为t1，从t1经过了T/n[s]的时间为t2，从t2经过了T/n[s]的时间为t3，从t3经过了T/n[s]的时间即激光分配器40到达位置P2的时间为t4，从t4经过了T/n[s]的时间为t5，从t5经过了T/n[s]的时间为t6，从t6经过了T/n[s]的时间为t7，从t7经过了T/n[s]的时间即激光分配器40再次返回位置P1的时间为t8。这种情况下，如图3(a)所示，在从t0到t4的时间(T/2[s])内，激光分配器40从位置P1向位置P2转动，这成为周期T[s]中的片状的激光的去路。而且，如图3(b)所示，在从t4到t8的时间(T/2[s])内，激光分配器40从位置P2向位置P1转动，这成为周期T[s]中的片状的激光的回路。

如此，在激光分配器40摆动的作用下，沿着排气的流动方向延伸的片状的激光的照射位置进行推移，该激光在T/2[s]，分配于激光导入管20内的前后方向上的整个范围。

控制运算部90使拍摄部50经由激光导入管20的拍摄用窗22，在周期T[s]期间隔开一定的时间间隔，拍摄n次(在本实施方式中，n=8)由片状的激光产生的激光导入管20的内部空间的剖切面。

详细而言，拍摄部50将其拍摄时间(快门的打开时间)设为T/n[s]的50％(T/2n[s])，在从t0经过T/2n[s]为止进行拍摄(参照图3(a)中的A1的范围)，在从t1经过T/2n[s]为止进行拍摄(参照图3(a)中的A2的范围)，在从t2经过T/2n[s]为止进行拍摄(参照图3(a)中的A3的范围)，在从t3经过T/2n[s]为止进行拍摄(参照图3(a)中的A4的范围)，在从t4经过T/2n[s]为止进行拍摄(参照图3(b)中的A5的范围)，在从t5经过T/2n[s]为止进行拍摄(参照图3(b)中的A6的范围)，在从t6经过T/2n[s]为止进行拍摄(参照图3(b)中的A7的范围)，在从t7经过T/2n[s]为止进行拍摄(参照图3(b)中的A8的范围)。

此时的拍摄部50的快门的状态如图4所示。

根据图4，拍摄部50的快门在从t0经过T／2n[s]为止期间，在从t1经过T／2n[s]为止期间，在从t2经过T／2n[s]为止期间，在从t3经过T／2n[s]为止期间，在从t4经过T／2n[s]为止期间，在从t5经过T／2n[s]为止期间，在从t6经过T／2n[s]为止期间，在从t7经过T／2n[s]为止期间打开，在其他的时间关闭。

如此，使激光分配器40的周期T[s]的1／n与拍摄部50的拍摄的时刻同步，并将拍摄部50的拍摄时间(快门的打开时间)设为T／n[s]的50％(T／2n[s])，对应于片状的激光在周期T[s]内推移时的去路及回路而获得n个拍摄图像，由此拍摄激光导入管20内的前后方向上的整个范围。

由此，能够把握激光导入管20内的前后方向上的不同位置处的排气的流动，并拍摄激光导入管20的内部整体。

需要说明的是，在本实施方式中，将基于拍摄部50的各拍摄图像的拍摄时间设为对一周期进行了n等分的时间的一半即T／2n[s]，但并未限定于此，只要是比对一周期进行了n等分的时间短的时间即可。

由拍摄部50拍摄的n个(在本实施方式中，n=8)图像如图5所示。

位于YZ平面(排气的流动方向与上下方向所成的面)上的拍摄图像沿着X轴(前后方向)排列n个。图5中的A1～A8对应于图3中的A1～A8，将在A1的范围内拍摄到的图像定义为“第一图像”，将在A2的范围内拍摄到的图像定义为“第二图像”，以下同样地定义至“第八图像”，当考虑到激光导入管20内的前后方向的位置时，随着朝向后方向，依次配置第一图像、第八图像、第二图像、第七图像、第三图像、第六图像、第四图像、第五图像。如此配置的n个拍摄图像表示激光导入管20的内部整体的排气的状态。

需要说明的是，图5中的多个涂白的圆表示向排气混入的示踪物。

另外，如图2所示，控制运算部90与绝对压计60、60、空燃比计70、及温度计测部80电连接，基于由绝对压计60、60计测到的排气的绝对压力Pm[kPa·abs]、由空燃比计70计测到的排气的空燃比Rm、及由温度计测部80计测到的排气的瞬时温度Tm[℃]，来算出流量计测装置1中的排气的质量流量M[kg／s]。

以下，参照图6～图15，详细说明基于控制运算部90的排气的质量流量M[kg／s]的算出。

如图6所示，在步骤S1中，控制运算部90获得由拍摄部50拍摄到的连续的两周期量的第一图像～第八图像、即总计16个拍摄图像。

详细而言，控制运算部90在周期T[s]期间使第一图像～第八图像由拍摄部50拍摄之后，再次在周期T[s]期间使第一图像～第八图像由拍摄部50拍摄，由此获得两周期量的第一图像～第八图像。

在如此拍摄到的第一图像～第八图像中，在第一周期拍摄到的图像与第二周期拍摄到的图像之间，分别具有周期T[s]量的时间间隔。

控制运算部90在获得了两周期量的第一图像～第八图像之后，使控制阶段向步骤S2转移。

在步骤S2中，控制运算部90对于两周期量的第一图像～第八图像，进行PIV(Particle Image Velocimetry)处理。

在此，PIV处理是指通过在相互隔开微少时间间隔的第一时刻及第二时刻中进行流体(在本实施方式中为排气)的拍摄所得到的两个拍摄图像的图案匹配，来算出流体的各位置处的移动量的手法。需要说明的是，本实施方式中的第一时刻与第二时刻的时间间隔是周期T[s]。

在此，说明使用了相互相关法的PIV处理。

如图7(a)所示，在第一时刻拍摄到的图像表示为f(y，z)，如图7(b)所示，在比第一时刻靠后的时刻即第二时刻拍摄到的图像表示为g(y，z)时，相对于图像f(y，z)中的以坐标(y，z)为中心的m×n像素的范围，使图像g(y，z)中的以坐标(y，z)为中心的m×n像素的范围错开，并如下述的数学式1那样，提取相互相关系数R_fg成为最大的坐标(y+ξ，z+η)。

通过将此反复进行，而如图7(c)所示，能够算出从第一时刻到第二时刻的流体的移动量。需要说明的是，图7(c)所示的涂黑箭头表示流体的移动向量。

[数学式1]

$R_{\mathrm{fg}}(y,z,\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\{f(y+i,z+j)-\stackrel{\‾}{f}\}\×\{g(y+i+\mathrm{\ξ},z+j+\mathrm{\η})-\stackrel{\‾}{g}\}}{\sqrt{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\{f(y+i,z+j)-\stackrel{\‾}{f}\}}^2\×\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\{g(y+i+\mathrm{\ξ},z+j+\mathrm{\η})-\stackrel{\‾}{g}\}}^2}}$

$\stackrel{\‾}{f}=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}f(y+i,z+j)}{n\×m},\stackrel{\‾}{g}=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}f(y+i+\mathrm{\ξ},z+j+\mathrm{\η})}{n\×m}$

在流量计测装置1中，进行与上述那样以往的使用了相互相关法的PIV处理不同的PIV处理。以下，说明流量计测装置1中的PIV处理。

首先，获得具有浓淡分布的图像f(y，z)、及具有浓淡分布的图像g(y，z)。这样的话，作为向流体混入的示踪物，可以不是通常在PIV处理中使用的物质，通过使用烟草或线香的烟等可以实现。

需要说明的是，在本实施方式中，在进行图6中的步骤S1时，只要向排气混入即可。

其次，将具有浓淡分布的图像f(y，z)及具有浓淡分布的图像g(y，z)分别转换成具有不丢失浓淡的信息的程度的灰度(例如，5～10灰度)的图像(以下，称为“浓淡图像f(y，z)”及“浓淡图像g(y，z)”)。

图8(a)示出浓淡图像f(y，z)。

接着，对于浓淡图像f(y，z)及浓淡图像g(y，z)，分别在进行了基于拉普拉斯滤波器等的边缘检测之后，进行二值化。如此，制成将浓淡图像f(y，z)及浓淡图像g(y，z)中的浓淡的等高线提取的图像(以下，称为“等高线图像f(y，z)”及“等高线图像g(y，z)”)。

图8(b)示出等高线图像f(y，z)。

然后，对于等高线图像f(y，z)及等高线图像g(y，z)，使用下述的数学式2，进行PIV处理。

[数学式2]

$R_{\mathrm{fg}}(y,z,\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}f(y+i,z+j)\∩g(y+i+\mathrm{\ξ},z+j+\mathrm{\η})}{\sqrt{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}f(y+i,z+j)}}$

如此，流量计测装置1中的PIV处理与以往的PIV处理不同，使用上述的数学式2那样的逻辑运算，对于信息量比较少的等高线图像f(y，z)及等高线图像g(y，z)进行，因此能够缩短PIV处理所需的时间。

因此，本实施方式中的控制运算部90可以应用处理速度比较低的运算用的DSP或CPU，能够减少流量计测装置1的制造成本。

另外，即使在PIV处理中使用的图像(图像f(y，z)及图像g(y，z))的尺寸增大为在以往的PIV处理中无法应对的程度时，也能够良好地进行PIV处理。

控制运算部90在步骤S2(参照图6)中，对于两周期量的第一图像～第八图像，如上述那样进行PIV处理。

如此，如图9所示，根据相互具有周期T[s]量的时间间隔的两周期量的第一图像～第八图像，能够得到向第一图像～第八图像分布的多个坐标中的每周期T[s]的排气的移动向量。需要说明的是，图9中的第一图像～第八图像上的涂黑箭头表示排气的移动向量。

需要说明的是，如此算出的第一图像～第八图像的多个坐标中的排气的移动向量中有可能包含不是正规的示踪物，而是水蒸气冷凝后的水滴、未燃燃料、及发动机油等的排气中含有的物质(以下，称为“干扰物质”)引起的错误向量。其原因是，在向激光导入管20内的排气照射激光时，与示踪物同样地干扰物质也产生散射光的缘故。

为了消除这种干扰物质产生的影响，而从第一图像～第八图像的多个坐标中的排气的移动向量中除去错误向量。以下，说明除去错误向量的方法。

从第一图像～第八图像无法直接判别示踪物与干扰物质的区别。然而，如图10所示，在示踪物与干扰物质之间，表示流体(在本实施方式中为排气)从静止状态开始流动时的该流体含有的粒子(在本实施方式中为示踪物或干扰物质)的速度达到流体的速度的63％为止的时间的时间常数τ_p(以下，称为“粒子时间常数τ_p”)存在比较大的差别。因此，如下述那样，通过利用示踪物的粒子时间常数τ_p与干扰物质的粒子时间常数τ_p之差引起的现象，能够从第一图像～第八图像的多个坐标中的排气的移动向量中除去错误向量。

需要说明的是，粒子时间常数τ_p可以使用下述的数学式3算出。

[数学式3]

${\mathrm{\τ}}_p=\frac{(2p_p+\mathrm{pf})d^2}{36\mathrm{\μ}}$

τ_p：粒子时间常数p_p：密度(粒子)

                 p_f：密度(流体)

                 d：直径(粒子)

                 μ：粘度(流体)

如图11所示，干扰物质与示踪物相比，粒子时间常数τ_p大，因此到达规定的速度(排气的流速)所需的时间变大，在PIV处理中算出的移动量减小。因此，可以将移动量为规定的值以下的移动向量判别作为错误向量。

然而，在用于算出排气的移动向量的时间，即进行PIV处理的两图像间的拍摄时间间隔为周期T[s]的情况下，由于排气从静止状态开始流动之后的示踪物的移动量与干扰物质的移动量之差比较小，因此如图12(a)那样，示踪物的分布与干扰物质的分布重叠，难以决定用于判别错误向量的阈值。

因此，如图11所示，将用于算出排气的移动向量的时间，即进行PIV处理的两图像间的拍摄时间间隔设为比周期T[s]小的值(在本实施方式中为T／5[s])，使排气从静止状态开始流动之后的示踪物的移动量与干扰物质的移动量之差比较大，由此，如图12(b)那样使示踪物的分布与干扰物质的分布分离。

由此，能够决定用于判别错误向量的阈值，能够从排气的多个移动向量中除去错误向量。

需要说明的是，在本实施方式中，将示踪物的分布中的移动量的中央值与干扰物质的分布中的移动量的中央值的算术平均采用作为用于判别错误向量的阈值。

另外，在本实施方式中，决定用于判别错误向量的阈值时的、用于算出排气的移动向量的时间设为T／5[s]，但并未限定于此，只要采用使示踪物的移动量与干扰物质的移动量之差变得明显的值即可。

在此，说明具体的错误向量的除去方法。

首先，与通常的(周期T[s]中的)PIV处理不同地，进行比周期T[s]小的周期(在本实施方式中为T／5[s])中的PIV处理。

其次，根据示踪物的分布及干扰物质的分布，决定用于判别错误向量的阈值。

接着，通过决定的阈值，判别错误向量，并记录该错误向量的坐标。然后，如图13那样，从通过通常的(周期T[s]中的)PIV处理算出的多个坐标中的排气的移动向量中除去与错误向量的坐标一致的移动向量。

这种处理对于第一图像～第八图像进行，将第一图像～第八图像中存在的错误向量除去，由此能够减少PIV处理中的干扰物质的影响产生的误差。

控制运算部90在进行了包括错误向量的除去在内的PIV处理之后，使控制阶段向步骤S3转移。

如图6所示，在步骤S3中，控制运算部90将第一图像上的多个坐标中的排气的移动向量平均化为一个移动向量，并算出该平均化的一个移动向量的Y分量(排气的流动方向的分量)作为移动量By1[m]，以下同样地，在第二图像中算出移动量By2[m]，在第三图像中算出移动量By3[m]，在第四图像中算出移动量By4[m]，在第五图像中算出移动量By5[m]，在第六图像中算出移动量By6[m]，在第七图像中算出移动量By7[m]，在第八图像中算出移动量By8[m]。

控制运算部90在算出了移动量By1[m]～移动量By8[m]之后，使控制阶段向步骤S4转移。

在步骤S4中，控制运算部90算出移动量By1[m]～移动量By8[m]的算术平均作为代表移动量B[m]。

控制运算部90在算出了代表移动量B[m]之后，使控制阶段向步骤S5转移。

在步骤S5中，控制运算部90使用下述的数学式4，算出排气的实际环境下的流速S[m／s](以下，称为“实际流速S[m／s]”)。

控制运算部90在算出了排气的实际流速S[m／s]之后，使控制阶段向步骤S6转移。

[数学式4]

S[m／s]＝B[m]/T[s]

在步骤S6中，控制运算部90使用下述的数学式5，算出排气的实际环境下的流量Qm[m³／s](以下，称为“实际流量Qm[m³／s]”)。

需要说明的是，数学式5中的A[m²]表示排气的流路面积，即激光导入管20的内部空间中的沿着与排气的流动方向正交的方向的截面积。

控制运算部90在算出了排气的实际流量Qm[m³／s]之后，使控制阶段向步骤S7转移。

[数学式5]

Qm[m³/s]=A[m²]×S[m／s]

在步骤S7中，控制运算部90使用下述的数学式6，算出排气的标准状态(20℃，1气压)下的体积流量Qs[m³／s](以下，称为“标准流量Qs[m³／s]”)。

在步骤S6中算出的排气的实际流量Qm[m³／s]根据温度及压力而值发生变化，因此换算成标准状态，而作为标准流量Qs[m³／s]使用。

需要说明的是，数学式6中的Pm[kPa·abs]如前述那样是通过绝对压计60、60计测到的排气的绝对压力Pm[kPa·abs]。绝对压计60、60对排气的绝对压力Pm[kPa·abs]的计测在步骤S7的实施前(例如，与步骤S2并行地)进行。

另外，数学式6中的Tm[℃]如前述那样是通过温度计测部80计测的排气的瞬时温度Tm[℃]。排气的瞬时温度Tm[℃]如前述那样，不是由温度计测部80直接计测的值，而基于由压力计82计测到的在旁路81内流动的排气的压力、及空燃比Rm等来算出。排气的瞬时温度Tm[℃]的算出在步骤S7的实施前(例如，与步骤S2并行地)进行。

[数学式6]

在此，详细说明排气的瞬时温度Tm[℃]的算出方法。

如图14所示，排气的瞬时温度Tm[℃]经由瞬时温度算出工序S10而算出。

在瞬时温度算出工序S10中，依次进行步骤S11～步骤S17。

在步骤S11中，控制运算部90算出旁路81中的气柱的一次固有振动频率fn[Hz]。

详细而言，对于由压力计82计测到的在旁路81内流动的排气的压力，进行FFT(高速傅立叶变换)，并提取增益最高的频率作为旁路81中的气柱的一次固有振动频率fn[Hz]。

控制运算部90在算出了一次固有振动频率fn[Hz]之后，使控制阶段向步骤S12转移。

在步骤S12中，控制运算部90算出排气气氛下的音速C[m／s]。

详细而言，使用由步骤S11算出的一次固有振动频率fn[Hz]，如下述的数学式7那样算出了旁路81内的音速Cb[m／s]之后，使用音速Cb[m／s]，如下述的数学式8那样算出排气气氛下的音速C[m／s]。

需要说明的是，数学式7中的L[m]是旁路81的长度方向(排气的流动方向)的长度。

另外，数学式8中的d[m]是旁路81的内径。

[数学式7]

Cb[m/s]=2×L[m]×fn[Hz]

[数学式8]

$C[m/s]=\mathrm{Cb}[m/s]/(1-0.3/d[m]/\sqrt{\mathrm{fn}\left[\mathrm{Hz}\right]})$

控制运算部90在算出了音速C[m／s]之后，使控制阶段向步骤S13转移。

在步骤S13中，控制运算部90获得流量计测装置1中的成为排气的根源的燃料的性状信息即H／C(氢与碳的原子数比)、及O／C(氧与碳的原子数比)。需要说明的是，这些信息是根据燃料的种类而预先决定的值。

控制运算部90在获得了H／C和O／C之后，使控制阶段向步骤S14转移。

在步骤S14中，控制运算部90获得由空燃比计70计测到的排气的空燃比Rm。

控制运算部90在获得了排气的空燃比Rm之后，使控制阶段向步骤S15转移。

在步骤S15中，控制运算部90基于排气的各成分(N₂、O₂、CO₂、H₂O、CO、H₂)的摩尔分数，算出排气的平均分子量Mm[kg／mol]。

在此，说明为了算出排气的平均分子量Mm[kg／mol]所需的排气的各成分(N₂、O₂、CO₂、H₂O、CO、H₂)的摩尔分数的算出方法。

排气的各成分的摩尔分数在空燃比Rm大于理论空燃比R时(稀时)，空燃比Rm等于理论空燃比R时，及空燃比Rm小于理论空燃比R时(浓时)，基于各自的反应式算出。

需要说明的是，理论空燃比R根据流量计测装置1中的成为排气的根源的燃料的种类而预先决定。

若在步骤S13中获得的H／C的值为y，则在步骤S14中获得的空燃比Rm大于理论空燃比R时即稀时的反应式如下述的数学式9那样表示。

此时，n=y成立，算出未知数

[数学式9]

φCH_n+(1+n／4)O₂+(79/21)(1+n／4)N₂

→φCO₂+(1-φ)(1+n/4)O₂+(1/2)nφH₂O+(79/21/(1+n／4)N₂

若在步骤S13中获得的H/C的值为y，O／C的值为z，则空燃比Rm等于理论空燃比R时的反应式如下述的数学式10那样表示。

此时， 成立，算出未知数

[数学式1O]

φCH_yO_z+0.2099nO₂+(0.7901n)N₂

→CO₂+0.5yH₂O+(0.7901n)N₂

在步骤S14中获得的空燃比Rm小于理论空燃比R时即浓时的反应式如下述的数学式11那样表示。

此时，1+n／4=a+b／2+c／2，bc／ad=K成立，算出未知数a、b、c、d、n。需要说明的是，K是平衡常数。

[数学式11]

φCH_n+(1+n/4)O₂+(79／21)(1+n／4)N₂

→aCO₂+bCO+cH₂O+dH₂+(79/21)(1+n／4)N₂

如此，基于各自的反应式，算出排气的各成分(N₂、O₂、CO₂、H₂O、CO、H₂)的摩尔分数。

排气的平均分子量Mm[kg／mol]可以基于如上述那样算出的排气的各成分(N₂、O₂、CO₂、H₂O、CO、H₂)的摩尔分数来算出。

详细而言，在排气的各成分(N₂、O₂、CO₂、H₂O、CO、H₂)中，在进行了其摩尔分数与摩尔质量的乘法运算之后，对它们的乘法运算值进行汇总，由此算出排气的平均分子量Mm[kg／mol]。

控制运算部90在算出了排气的平均分子量Mm[kg／mol]之后，使控制阶段向步骤S16转移。

在步骤S16中，控制运算部90算出排气的平均比热比κ。

平均比热比κ可以如下述的数学式12那样算出。

需要说明的是，数学式12中的D2表示CO等的2原子分子的比例，数学式12中的D3表示H₂O等的3原子分子的比例，可以根据步骤S15的结果算出。

[数学式12]

κ=1.4×D2+1.3×D3

控制运算部90在算出了排气的平均比热比κ之后，使控制阶段向步骤S17转移。

在步骤S17中，控制运算部90算出排气的瞬时温度Tm[℃]。

详细而言，首先，对使用由步骤S12算出的音速C[m／s]、由步骤S15算出的平均分子量Mm[kg／mol]、及由步骤S16算出的平均比热比κ而成立的下述的数学式13所示的式子进行变换，由此如下述的数学式14那样算出排气的绝对温度Ta[K]。然后，对排气的绝对温度Ta[K]的单位进行变换，由此算出排气的瞬时温度Tm[℃]。需要说明的是，数学式13及数学式14中的R为气体常数。

[数学式13]

$C=\sqrt{\frac{\mathrm{\κ}\×R\×\mathrm{Ta}\left[K\right]}{\mathrm{Mm}[\mathrm{kg}/\mathrm{mol}]}}$

[数学式14]

Ta[K]=Mm[kg／mol]×(C[m/s])²/κ/R

如此，在瞬时温度算出工序S10中，算出排气的瞬时温度Tm[℃]。

排气的瞬时温度Tm[℃]利用已存的温度计的话，难以高响应地直接计测，但是由于存在多种以几kHz数量级进行响应的压力计(例如，压力计82)，因此通过使用压力，能够高精度地算出。如此，基于压力来算出排气的瞬时温度Tm[℃]的优点是即使压力的值的绝对精度不良，但是只要压力变化即气柱振动的频率准确，就能够高精度地算出温度的点。因此，通过在瞬时温度算出工序S1O中算出排气的瞬时温度Tm[℃]，而能够高精度地算出排气的瞬时温度Tm[℃]。

如图6所示，控制运算部90在使用排气的绝对压力Pm[kPa·abs]及排气的瞬时温度Tm[℃]，如上述的数学式6那样算出了排气的标准流量Qs[m³／s]之后，使控制阶段向步骤S8转移。

在步骤S8中，控制运算部90使用下述的数学式15，算出排气的质量流量M[kg／s。

需要说明的是，数学式15中的ρs[kg／m³]是排气的密度ρs[kg／m³]。排气的密度ρs[kg／m³]基于排气的平均分子量Mm[kg／mol]来算出。排气的平均分子量Mm[kg／mol]的算出在步骤S7的实施前(例如，与步骤S2并行地)进行。

[数学式15]

M[kg/s]=ρs[kg／m³]×Qs[m³/s]

在此，详细说明排气的密度ρs[kg/m³]的算出方法。

如图15所示，排气的密度ρs[kg／m³]经由密度算出工序S20而算出。

在密度算出工序S20中，依次进行步骤S21～步骤S24。

步骤S21～步骤S23由于分别与瞬时温度算出工序S10的步骤S13～步骤S15(参照图14)相同，因此省略说明。

需要说明的是，在瞬时温度算出工序S10比密度算出工序S20先进行的情况下，不用另行进行步骤S21～步骤S23，可以采用步骤S13～步骤S15的结果。

在步骤S24中，控制运算部90算出排气的密度ρs[kg／m³]。

密度ρs[kg／m³]使用平均分子量Mm[kg／mol]，根据气体的状态方程式，如下述的数学式16那样算出。需要说明的是，数学式16中的R为气体常数。

[数学式16]

ps[kg／m³]=Mm[kg／mol]×101.3[kPa]/R/293.15[K]

如此，在密度算出工序S20中，算出排气的密度ρs[kg／m³]。

如上述那样，排气的密度ρs[kg／m³]使用燃料性状的信息(H/C、O／C)及实际运行区域的空燃比Rm来算出。

由此，能够高精度地算出排气的密度ρs[kg／m³]。

最终，控制运算部90使用由密度算出工序S20算出的排气的密度ρs[kg／m³]、及排气的标准流量Qs[m³／s]，如上述的数学式15那样算出排气的质量流量M[kg/s]。

在流量计测装置1中，反复进行以上那样的处理，实时地进行控制运算部90对气体的质量流量M[kg／s]的算出。

如以上那样，流量计测装置1计测从设于机动车等的发动机排出的排气的质量流量M[kg/s]，其具备：激光导入管20，其使排气与示踪物一起在其内部流动；照射部30，其照射射束状的激光；激光分配器40，其将从照射部30照射的射束状的激光反射成为沿着排气的流动方向将激光导入管20的内部空间剖切那样的片状的激光，并使该片状的激光沿着前后方向推移；拍摄部50，其拍摄由激光分配器40形成的片状的激光产生的激光导入管20的内部空间的剖切面的图像；以及控制运算部90，其算出排气的质量流量M[kg/s]，激光分配器40使所述片状的激光在激光导入管20内的前后方向上的整个范围内往复一次，拍摄部50将所述片状的激光在激光导入管20内往复一次的时间设为周期T[s]，使对周期T[s]进行了n等分(在本实施方式中，n=8)的时间与拍摄的时刻同步，并将拍摄时间设为对周期T[s]进行了n等分的时间的一半，在周期T[s]期间隔开一定的时间间隔，拍摄第一图像～第八图像，控制运算部90从拍摄部50获得连续的两周期量的第一图像～第八图像，基于连续的两周期量的第一图像～第八图像，算出各图像上的多个坐标中的每周期T[s]的排气的移动向量，将各图像上的多个坐标中的排气的移动向量平均化为一个移动向量，将第一图像～第八图像中的平均化的一个移动向量的Y分量(排气的流动方向的分量)分别设为排气的移动量By1[m]～移动量By8[m]，将排气的移动量By1[m]～移动量By8[m]的算术平均设为排气的代表移动量B[m]，根据排气的代表移动量B[m]，算出排气的实际流速S[m／s]，根据排气的实际流速S[m／s]，算出排气的实际流量Qm[m³／s]，并基于排气的实际流量Qm[m³／s]，算出排气的质量流量M[kg／s]。

由此，即使在激光导入管20内的排气的流动产生偏斜或脉动的情况下，也能够高精度地计测排气的质量流量M[kg／s]。

另外，控制运算部90使用以比周期T[s]小的时间间隔(在本实施方式中为T／5[s])算出的各图像上的多个坐标中的排气的移动向量，从以周期T[s]量的时间间隔算出的各图像上的多个坐标中的所述排气的移动向量中除去错误向量。

由此，能够高精度地算出排气的移动量By1[m]～移动量By8[m]，进而能够高精度地计测排气的质量流量M[kg／s]。

另外，控制运算部90提取连续的两周期量的第一图像～第八图像中的排气的浓淡的等高线，基于提取了排气的浓淡的等高线的、连续的两周期量的第一图像～第八图像，算出各图像上的多个坐标中的排气的移动向量。

由此，能够缩短PIV处理所需的时间。因此，控制运算部90可以应用处理速度比较低的运算用的DSP或CPU，能够减少流量计测装置1的制造成本。

另外，即使第一图像～第八图像的尺寸增大为在以往的PIV处理中无法应对的程度时，也能够良好地进行PIV处理。

另外，还具备：绝对压计60、60，其计测在激光导入管20内流动的排气的绝对压力Pm[kPa·abs]；管状的旁路81，其以与激光导入管20的内部连通的方式将两端部安装于激光导入管20；以及压力计82，其计测在旁路81内流动的排气的压力，控制运算部90基于由压力计82计测到的在旁路81内流动的排气的压力，算出旁路81内的气柱的一次固有振动频率fn[Hz]，根据旁路81内的气柱的一次固有振动频率fn[Hz]算出旁路81内的音速Cb[m／s]，根据旁路81内的音速Cb[m／s]算出排气气氛下的音速C[m／s]，基于排气气氛下的音速C[m／s]，算出排气的瞬时温度Tm[℃]，根据排气的瞬时温度Tm[℃]、排气的绝对压力Pm[kPa·abs]及排气的实际流量Qm[m³／s]，算出排气的标准流量Qs[m³／s]，基于排气的标准流量Qs[m³／s]，算出排气的质量流量M[kg/s]。

由此，能够高精度地算出排气的瞬时温度Tm[℃]，进而能够高精度地计测排气的质量流量M[kg／s]。

另外，还具备计测在激光导入管20内流动的排气的空燃比Rm的空燃比计70，控制运算部90基于排气的空燃比Rm、及成为排气的根源的燃料的性状信息(H／C、O／C)，算出排气的平均分子量Mm[kg／mol]，根据排气的平均分子量Mm[kg／mol]算出排气的密度ρs[kg／m³]，基于排气的密度ρs[kg／m³]，算出排气的质量流量M[kg／s]。

由此，能够高精度地算出排气的密度ρs[kg／m³]，进而能够高精度地计测排气的质量流量M[kg／s]。

工业上的可利用性

本发明可以利用于通过PIV处理来计测流体的质量流量的流量计测装置。

符号说明

1流量计测装置

10示踪物导入管

20激光导入管

30照射部

40激光分配器

50拍摄部

60绝对压计

70空燃比计

80温度计测部

81旁路

82压力计

90控制运算部

Claims (6)

1.一种流量计测装置，计测从发动机排出的排气的质量流量，所述流量计测装置的特征在于，具备：

导管，所述排气与示踪物一起在所述导管的内部流动；

照射部，其照射激光；

激光分配器，其将从所述照射部照射的激光反射成为沿着所述排气的流动方向将所述导管的内部空间剖切那样的片状的激光，并使该片状的激光沿着与所述排气的流动方向正交的方向推移；

拍摄部，其拍摄由所述激光分配器形成的片状的激光产生的所述导管的内部空间的剖切面的图像；以及

控制运算部，其算出所述排气的质量流量，

所述激光分配器使所述片状的激光在沿着其推移的方向的、所述导管内的整个范围往复一次，

所述拍摄部在将所述片状的激光在所述导管内往复一次的时间设为一周期，使对一周期进行了多等分的时间的开始时刻与摄像的开始时刻同步，并将摄像时间设为比对一周期进行了多等分的时间短的时间的情况下，在一周期的期间隔开一定的时间间隔，拍摄多个图像，

所述控制运算部

从所述拍摄部获得连续的两周期量的所述多个图像，

基于连续的两周期量的所述多个图像，算出各图像上的多个坐标中的每一周期的所述排气的移动向量，

将各图像上的多个坐标中的所述排气的移动向量平均化为一个移动向量，

将各图像上的平均化的一个移动向量中的、所述排气的流动方向的分量设为所述排气的移动量，

将所述多个图像中的所述排气的移动量的算术平均设为所述排气的代表移动量，

根据所述排气的代表移动量，算出所述排气的实际流速，

根据所述排气的实际流速，算出所述排气的实际流量，

基于所述排气的实际流量，算出所述排气的质量流量。

2.根据权利要求1所述的流量计测装置，其特征在于，

所述拍摄部对各图像的拍摄时间是对一周期进行多等分的时间的一半。

3.根据权利要求1或2所述的流量计测装置，其特征在于，

所述控制运算部

使用在比一周期小的时间间隔中算出的各图像上的多个坐标中的所述排气的移动向量，从在一周期量的时间间隔中算出的各图像上的多个坐标中的所述排气的移动向量中除去错误向量。

4.根据权利要求1所述的流量计测装置，其特征在于，

所述控制运算部

提取连续的两周期量的所述多个图像中的所述排气的浓淡的等高线，

基于提取了所述排气的浓淡的等高线的、连续的两周期量的所述多个图像，算出各图像上的多个坐标中的所述排气的移动向量。

5.根据权利要求1所述的流量计测装置，其特征在于，

还具备：

绝对压计，其计测在所述导管内流动的所述排气的绝对压力；

管状的旁路，其以与所述导管的内部连通的方式将两端部安装于所述导管；以及

压力计，其计测在所述旁路内流动的所述排气的压力，

所述控制运算部

基于由所述压力计计测到的在所述旁路内流动的所述排气的压力，算出所述旁路内的气柱的一次固有振动频率，

根据所述旁路内的气柱的一次固有振动频率算出所述旁路内的音速，

根据所述旁路内的音速算出所述排气气氛下的音速，

基于所述排气气氛下的音速，算出所述排气的瞬时温度，

根据所述排气的瞬时温度、所述排气的绝对压力及所述排气的实际流量，算出所述排气的标准状态下的体积流量，

基于所述排气的标准状态下的体积流量，算出所述排气的质量流量。

6.根据权利要求1所述的流量计测装置，其特征在于，

还具备计测在所述导管内流动的所述排气的空燃比的空燃比计，

所述控制运算部

基于所述排气的空燃比、及作为所述排气的根源的燃料的性状，算出所述排气的平均分子量，

根据所述排气的平均分子量算出所述排气的密度，

基于所述排气的密度，算出所述排气的质量流量。