JP2002022759A - 流体の流動計測システムおよびその計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複雑な流動場における流体の流動を精度よく正
確に遠隔地から計測可能な流体流動計測技術を提供する
ことにある。 【解決手段】本発明に係る流体の流動計測システムは、
レーザ発振装置１１と、この発振装置１１から発振され
たレーザ光を流体の流動場１４にシート状に照射させる
レーザシート形成用走査光学系１３と、レーザシート１
５上の２次元粒子画像を画像伝送する画像伝送手段２１
と、画像伝送された粒子画像を撮像する撮像手段２２
と、レーザ発振装置１１と撮像手段２２とをタイミング
をとって同期化駆動させるタイミングコントロール手段
２７と、撮像された粒子画像を画像処理する画像処理手
段３１とを有する。画像処理手段３１は、２時刻の粒子
画像の輝度パターン分布を比較・解析して粒子群の移動
方向および移動量を計測し、流体流動場における流体の
流動・流速分布を測定したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複雑な流動場にお
ける流体の流動を高精度かつ精密に測定する流体の流動
計測技術に係り、特に閉空間内を流動する流体の流速お
よび流れ方向を計測する流体の流動計測システムおよび
その計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】複雑な流動場における流体の流動を高精
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、化学プラント等におけるプラント挙動
予測の高精度化、プラント診断、プラント性能評価や機
器改良にとって極めて重要である。実機レベルのプラン
ト、特に外界と環境を異にする厳しい環境下での流体の
流動計測技術は、複雑な流れをもつ流体流動計測条件の
ために、流体流動計測が極めて困難な状況にある。

【０００３】中でも、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
における流体の速度や流れ方向等の流体流動測定は、ア
クセス性を含め複雑な流体流量計測条件のために極めて
困難である。

【０００４】しかしながら、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流動
を高精度かつ精密に測定可能な粒子画像流速計（Ｐａｒ
ｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ：以
下、ＰＩＶという。）が開発されつつある。このＰＩＶ
と光ファイバを束ねたイメージガイドを併用することに
より、原子炉圧力容器内のように、外界と環境を異にす
る閉空間における流体の流動測定が期待できる。

【０００５】一方、光ファイバを束ねたイメージガイド
を用いて画像を直接伝送するファイバスコープは、医療
用内視鏡として開発されている。イメージガイドは、可
撓性に富み、観察手段のための画像伝送手段として重要
な役割を果している。

【０００６】医療用に開発されたイメージガイドは、今
日では工業分野にも応用され、航空機エンジンの内部点
検、短かいパイプや原子炉炉心の観察に応用されてい
る。

【０００７】また、近年の技術革新により、光損失の小
さな光ファイバの開発によって、従来困難であった長距
離の画像伝送も可能となり、大規模プラント設備におけ
る遠隔地からの新たな保守点検手段として脚光を浴びて
いる。

【０００８】他方、ＰＩＶに関する研究は、ハードウエ
アおよびソフトウエアの両面から、時間分解能・空間分
解能の向上、高精度の流体流動測定の確保、三次元計測
等が盛んに行われる動向にある。これらＰＩＶの研究開
発動向の１つはＰＩＶによって得られる流体流速データ
の「精度向上」の動きであり、他の１つは「ＰＩＶの適
用範囲拡大」の動きである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】流体の流動計測技術に
適用されるＰＩＶは、実験室型として開発されてきた
が、このＰＩＶ技術の開発対象を実験室から実用化へと
拡大することが要請されている。ＰＩＶ技術による流体
の流動計測可能範囲を拡大する方向の技術開発、中でも
実流動化レベルへの流体流動計測の実用化への開発要請
が強くなっている。

【００１０】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、複雑な流動場における流体の流動を精度よく
正確に計測することができる流体の流動計測システムお
よびその計測方法を提供することを目的とする。

【００１１】本発明の他の目的は、外界と環境を異にす
る閉空間内の流動場の流体の流速や流れ方向を精度よく
正確に遠隔地から測定できる流体の流動計測システムお
よびその計測方法を提供するにある。

【００１２】本発明のさらに他の目的は、イメージガイ
ドを利用したＰＩＶ手法により画像処理を行って流体の
流動状態検出アルゴリズムの最適化を行い、流体の流動
分布や熱分布を精度よく正確に行うことができる流体の
流動計測システムおよびその計測方法を提供するにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る流体の流動
計測システムは、上述した課題を解決するために、請求
項１に記載したように、レーザ光を発振させるレーザ発
振装置と、発振されたレーザ光を流体の流動場内にシー
ト状に投入させるレーザシート形成用走査光学系と、こ
の走査光学系からのレーザシート上の２次元粒子画像を
光伝送する画像伝送手段と、光伝送された２次元粒子画
像を撮像する撮像手段と、前記レーザ発振装置と撮像手
段をタイミングをとって同期化駆動させるタイミングコ
ントロール手段と、前記撮像手段で撮像された２時刻の
粒子画像の輝度パターン分布を比較・解析し、粒子群の
移動方向および移動量を計測する画像処理手段とを備
え、上記画像処理手段による粒子群の移動量から流体の
流動・流速分布を計測するように構成したものである。

【００１４】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る流体の流動計測システムは、請求項２に記載
したように、前記画像伝送手段は、多数本の光ファイバ
を束ねて一体化させ、両端面が平面加工された可撓性の
イメージガイドで、また、前記撮像手段はＣＣＤカメラ
でそれぞれ構成されており、前記イメージガイドは、対
象レンズにより一方のファイバ端面に結像された画像を
光ファイバで各画素に分解してＣＣＤカメラ側の他端面
まで同一画像を伝送するように構成したものであり、さ
らに、請求項３に記載したように、前記走査光学系と画
像伝送手段は一体的に組み合わせて構成され、流体の流
動場で１次元あるいは２次元移動可能に構成されたもの
である。

【００１５】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る流体の流動計測システムは、請求項４に記載
したように、前記走査光学系は、流体の流動場に直交す
るレーザシートを形成し、この直交するレーザシート上
の２次元粒子画像を光伝送する画像伝送手段をそれぞれ
設けたものである。

【００１６】また、本発明に係る流体の流動計測方法
は、上述した課題を解決するために、請求項５に記載し
たように、レーザ発振装置から発振されるレーザ光を流
体の流動場にシート状に照射してレーザシートを形成
し、このレーザシート上の粒子画像を光ファイバを束ね
た画像伝送手段で画像伝送して画像撮像手段で撮像し、
撮像された２時刻の粒子画像の輝度パターン分布を比較
・解析する一方、撮像された時系列の粒子画像を加算平
均処理して光ファイバ配列画像の輝度パターン分布を求
め、この光ファイバ配列画像の輝度パターン分布を前記
粒子画像の輝度パターン分布から除去することにより粒
子群の移動量および移動方向を求め、前記流体流動場に
おける流体の流動を計測する方法である。

【００１７】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係る流体の流動計測方法は、請求項６に記載し
たように、２時刻の粒子画像のうち第１時刻における粒
子画像を参照画像とし、第２時刻における粒子画像を探
索画像とし、探索画像から参照画像の差を求めつつ、光
ファイバ配列画像を除することで粒子群の移動量および
移動方向を求める方法である。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明に係る流体の流動計測シス
テムおよびその計測方法の一実施形態について添付図面
を参照して説明する。

【００１９】図１は、符号１０は本発明に係る流体の流
動計測システムとしてのＰＩＶ計測システムを示す。こ
のＰＩＶ計測システム１０は高出力のレーザ光を発振さ
せるレーザ発振装置１１が光源として備えられる。レー
ザ発振装置１１には小型で高出力レーザ光を発振可能な
半導体レーザやパルスレーザ等がある。例えば出力１６
Ｗの連続光で中心発振波長８０８ｎｍの半導体レーザが
光源として用いられる。

【００２０】レーザ発振装置１１から発振されたレーザ
光は、送光用ファイバ１２を通ってレーザシート形成用
走査光学系１３に案内される。走査光学系１３はレーザ
発振装置１０から発振されたレーザ光を流体の流動場１
４にシート状に投射させるようになっている。流体の流
動場１４は外界と環境を異にする閉空間内に形成され
る。具体的には、例えば原子炉圧力容器のダウンカマ
部、炉心シュラウド、火力発電プラントの熱交換器や蒸
気発生器内等の閉空間における流体の速度場を対象とす
る。

【００２１】走査光学系１３は、流体流動場１４にレー
ザ発振装置１１からの発振レーザ光をシート状に照射し
て流体流動場１４にレーザシート１５を形成している。
このレーザシート１５により流体の流動場１４を可視化
している。ＰＩＶ計測システム１０では、流体流動場１
４の奥行き方向の空間分解能を確保するために、発振レ
ーザ光をシート状に照射している。

【００２２】走査光学系１３は、図２に示すようにレー
ザシート１５作成のための光学系である。レーザ発振装
置１１として例えば半導体レーザを用いると、半導体レ
ーザからの発振レーザ光は、送光用ファイバ１２から大
きな広がり角を持って出射される。出射されたレーザビ
ームは軸対称の光となっておらず、非点較差があり、レ
ーザビームの形状変換は複雑となる。

【００２３】このため、走査光学系１３には、送光用フ
ァイバ１２から出射されたレーザビームからレーザシー
ト１５を形成するためのレーザシート形成用レンズ群１
６が用いられる。このレンズ群１６は、出射レーザビー
ムを平行レーザビームにコリメートさせる２枚のコリメ
ートレンズ１７ａ，１７ｂと、コリメートレンズ１７
ａ，１７ｂによって平行光となったレーザビームをレー
ザシート１５の厚み方向で約１〜２ｍｍ程度にウエスト
させる長焦点レンズ１８と、レーザシート１５を形成す
るシリンドリカルレンズ１９とを組み合せて構成され
る。コリメートレンズ１７ａ，１７ｂには例えば平凸レ
ンズが用いられる。

【００２４】走査光学系１３からシート状に照射される
レーザ光により、流体流動場１４にレーザシート１５が
形成され、流体流動場１４がシート状に可視化される。
そして、レーザシート１５の測定範囲１５ａに対向して
画像伝送手段２１が設けられる。

【００２５】画像伝送手段２１は、レーザシート１５上
の２次元粒子画像を撮像手段としてのＣＣＤカメラ２２
に伝送させるようになっている。画像伝送手段２１は、
図３に示すように数千本から数万本の光ファイバ２３を
束ねて一体化（溶融）させた可撓性のイメージガイド２
４が用いられる。イメージガイド２４は図３に示すよう
に、束ねられた光ファイバ２３両端面の各位置が正確に
対応するように並設されて束ねられる。イメージガイド
２４の両端面は平面に仕上げられ、対物レンズ２５によ
り一方のファイバ端面に結像された画像を各画素ファイ
バとしての光ファイバ２３に分解し、同一画像をＣＣＤ
カメラ２２側のファイバ端面まで伝送している。ファイ
バ端面からカメラレンズ２６を経てＣＣＤカメラ２２に
記録される。

【００２６】イメージガイド２４の画像の限界（解像
度）は、単一の光ファイバ２３の直径と配列の仕方によ
って決まり、像の見え方は、イメージガイド２４に束ね
られる光ファイバ２３の総本数と並べ方によって決ま
る。光ファイバ２３のコア径より小さな光量の光分布
は、光ファイバ２３を伝わる間に平均化され、各コア断
面内では明るさは一様となる。したがって、イメージガ
イド２４は光ファイバ２３のコア径が画像としての室間
分解能の最小単位となる。

【００２７】実際のイメージガイド２４は、図４に示す
ように、多数本の光ファイバ２３が俵積み（六方稠密配
列）構造で整然とかつ稠密に配列されている。このイメ
ージガイド２４でファイバ間隔とほぼ等しい間隔の格子
状物体を観察すると、物体の像の強度分布と無関係なモ
アル干渉縞が生じる。

【００２８】また、光ファイバ２３間にクラッド部分が
融着されているイメージガイド２４では、クラッドの厚
さが薄くなると、１つの光ファイバ２３のコアに入った
光が隣のコアに漏れてしまう場合が生じる。このため、
像の境界が滲み、像のコントラストが低下する虞があ
る。このため、イメージガイド２４は六方稠密配列構造
を採用したとき、クラッドの厚さが薄過ぎないことが条
件となる。

【００２９】一方、ＰＩＶ計測システム１０にはタイミ
ングコントロール手段２７が備えられる。タイミングコ
ントロール手段２７はタイミングスケジューラ２８とシ
ンクロナイザ２９とから構成される。タイミングスケジ
ューラ２８からのタイミングでレーザ発振装置１１が発
振せしめられる一方、この発振タイミングとシンクロナ
イザ２９で同期をとってＣＣＤカメラ２２が駆動せしめ
られる。すなわち、タイミングコントロール手段２７
は、レーザ発振装置１１と操作手段としてのＣＣＤカメ
ラ２２との同期をとって駆動させるようになっている。
ＣＣＤカメラ２２には、例えば近赤外線領域に感度を持
つ解像度ＶＧＡ（６４０×４８０ｐｉｘｅｌｓ）、フレ
ームレート３０Ｈｚ、８ビット（モノクロ２５６階調）
のものが用いられる。

【００３０】ＣＣＤカメラ２２は、レーザシート１５上
の２次元粒子画像をレーザ発振装置１１からの発振タイ
ミングと同期をとって撮像しており、ＣＣＤカメラ２２
で撮像されたアナログの画像信号は画像処理手段３１に
送られて画像処理され、後述するＰＩＶ手法により流体
流動場２４における流体の流速分布や流れ方向が計測さ
れる。ＣＣＤカメラ２２には、例えば逐次読出方式（プ
ログレッシブスキャン）のカメラが用いられ、配列され
たＣＣＤの奇数ライン、偶数ラインの電荷蓄積時間は同
時に行われる。このＣＣＤカメラ２２は通常のカメラに
較べ垂直方向の解像度に優れている。

【００３１】また、画像処理手段３１は、ＣＣＤカメラ
２２からのアナログ画像信号をデジタル化するフレーム
グラバボード３２と、このフレームグラバボード３２か
らのデジタル画像信号である画像フレームをＰＣＩバス
３３を介して入力し、ＰＩＶ手法により画像処理するコ
ンピュータ３４とを有する。

【００３２】このＰＩＶ計測システム１０は、ＣＣＤカ
メラ２２にてアナログ撮影し、画像処理手段３１により
デジタル処理し、デジタル録画するアナログ撮影・デジ
タル録画方式を採用している。

【００３３】ＰＩＶ計測システム１０は、実用化に際し
ては、図５に示すように、レーザシート用走査光学系１
３と画像伝送手段２１とは一体化され、本体ケーシング
３６に格納されるようになっている。

【００３４】次に、流体の流動計測方法を説明する。

【００３５】図１に示されたＰＩＶ計測システム１０で
は、ＣＣＤカメラ２２に撮像された時間的に微小時間異
なる２時刻の粒子画像を輝度パターンの分布とみなして
画像処理手段３１のコンピュータ３４により画像比較・
解析の画像処理を行い、粒子群の移動量を推定する。粒
子画像は、レーザシート１５上の流体中に拡散分布する
パーティクル（粒子）群のある時刻での分布画像を表わ
しており、デジタル化された輝度を持つピクセル（画
素）によって構成される。画像処理手段３１による画像
処理、いわゆるＰＩＶ処理の過程では、各粒子画像のう
ち限定された矩形領域１５ａ（図１参照）を取り出して
画像処理される。

【００３６】流体の流動計測方法へのＰＩＶ計測システ
ム１０の適用性を検討する。

【００３７】ＰＩＶ計測システム１０のＣＣＤカメラ２
２で撮像された第１時刻における２次元粒子画像をデジ
タル処理をした粒子画像を「参照画像」、第１時刻とは
微小時間異なる第２時刻における２次元粒子画像のデジ
タル処理粒子画像を「探索画像」、上記参照画像中のあ
る限定された矩形領域を「参照窓画像」、探索画像中の
限定された矩形領域を「探索窓画像」と定義する。デジ
タル化された粒子画像中のある１点の値を「輝度値」と
定義し、この輝度値が矩形領域の領域に分布しているも
のを「輝度パターン」と称する。

【００３８】「参照窓画像」および「探索窓画像」は輝
度値の矩形状分布を表わしており、輝度パターンを示し
ている。

【００３９】粒子画像から流体中の粒子群の移動量を推
定するアルゴリズムは、得られた粒子画像の輝度分布の
変化であると判断し、レーザシート１５上の粒子群の輝
度パターンが微少時間内に移動する量を定量的に解析す
るものである。

【００４０】粒子群移動量の解析は、相互相関法が用い
られ、このＰＩＶ計測システムにおいても相互相関法の
解析手法が用いられる。

【００４１】相互相関法による粒子群の移動量推定は、
「探索窓画像」と「参照窓画像」との間で次式で表わさ
れる相関値Ｒをもつことが知られており、この相関値Ｒ
をもって輝度パターンの類似度を求め、比較検討して２
画像間の粒子群の移動量を求める手法である。

【００４２】

【数１】

【数２】

【００４３】式１および式２に示すように、相関値Ｒ
は、探索窓画像および参照窓画像の輝度値の二乗平均で
除する（正規化）ことによって、−１から１までの値を
とる。相関値Ｒが１のときに２画像は完全に一致し、相
関値Ｒの値が大きいほど窓画像間の類似度が大きいこと
を意味する。

【００４４】式１および式２において、Ｉ_１およびＩ_２
は参照窓画像と探索窓画像の各画素の輝度を表し、ξ，
ηは探索窓画像と参照窓画像の相対的な位置で表わす。
相関値Ｒが最大となる位置ξ，ηが画像内での粒子群の
移動量ΔＸ′，ΔＹ′に相当する。参照窓画像の大きさ
および参照窓画像との相対的な位置は、予測される最小
および最大速度から決定される。参照窓画像の大きさｎ
×ｍは参照窓画像の実座標系におけるその大きさが流れ
場に存在する最小の渦よりも小さく、かつ参照窓画像の
中にトレーサ粒子を７個以上含むことが望ましい。

【００４５】図６にイメージガイド２４を通してＣＣＤ
カメラ２２によって撮影を行った粒子画像を示す。この
粒子画像にはイメージガイド２４の光ファイバ２３の配
列（俵積みの模様）構造が記録されており、このファイ
バ配列構造記録が通常のＰＩＶ計測システムにおける粒
子画像と比べ特に際立つ相違点である。

【００４６】また、ＰＩＶ計測システム１０の計測に用
いられた流体中に拡散分布する実測のトレーサ粒子は直
径３〜３０μｍで、焦点深度内に存在する粒子は回転体
ガウシアン分布による見積りが可能な像として撮影され
る。しかし、光ファイバ２３の短繊維径より小さな粒子
の輝度分布は短繊維内で平均化され、ファイバ短繊維径
よりも大きな粒子は複数の光ファイバ２３に分割された
粒子像となるため、同一の粒子群であっても輝度パター
ンは時々刻々と変化する。この点も通常のＰＩＶ測定シ
ステムにおける粒子画像と異なる点である。

【００４７】ＰＩＶ計測システム１０における流体の流
動測定の最適化アルゴリズムは、選られた粒子画像を輝
度の分布であると考え、粒子群の輝度パターンが微小時
間内に移動する量を定量的に解析するものである。しか
し、図６に示した粒子画像においては、粒子群の輝度パ
ターンだけでなく、光ファイバ２３の配列輝度パターン
もまた存在する。

【００４８】光ファイバ２３の粒子群の輝度パターンの
相関値Ｒのピーク検出の際に弊害となり、結果として粒
子群の誤対応（過誤ベクトル）を招く。その誤対応の結
果生じる探索領域内の相互相関関数値を図７および図８
に示す。

【００４９】図７を見ると流速ベクトルの向きがランダ
ムになっており、明らかに粒子群ではなく、光ファイバ
２３の配列パターンを相関値Ｒのピークとして検出して
いることがわかる。また、図８では、探索領域全域で光
ファイバ２３の配列に対応して高い相関値を算出してお
り、これが過誤ベクトルの発生の要因となっているのは
明らかである。等値線図にも光ファイバ２３の六方稠密
配列の様子が現れている。

【００５０】このように、粒子画像内に記録された光フ
ァイバ２３の配列か、粒子群の輝度パターンに対してノ
イズとなって過誤ベクトルの発生の要因となっている。
そこで、本発明に係るＰＩＶ計測システム１０において
は、粒子画像から光ファイバ２３の配列除去を行う処理
をする。

【００５１】このＰＩＶ計測システム１０における光フ
ァイバ２３の配列除去は次のようにして行う。

【００５２】イメージガイド２４を通してＣＣＤカメラ
２２で撮像された粒子画像を処理し、時系列に得られた
粒子画像を欠くピクセル毎に輝度パターン（輝度値）の
加算平均値を求め、各々の粒子画像の輝度パターン（輝
度値）から加算平均値を引くことで、光ファイバ２３の
ファイバ配列の輝度パターン除去を行う。

【００５３】光ファイバ配列の輝度パターン除去の画像
処理アルゴリズムを以下に説明する。

【００５４】測定データの粒子画像をｘとするとき、粒
子画像ｘは、

【数３】 で表わされる。

【００５５】すなわち、測定データの粒子画像ｘには、
信号（光ファイバ配列の輝度パターン）に雑音（粒子の
輝度パターン）が重なった画像を測定していると考え
る。加算平均を取ることによる光ファイバ配列の輝度パ
ターンの除去処理は、ＳＮ比が小さいので、信号と雑音
の構成周波数にも大差がない場合や同じ条件で何度も測
定を繰り返すことが可能な場合に有効な手法である。

【００５６】式３を時系列要素を付加して表示すると、
式４のように表わされる。

【００５７】

【数４】

【００５８】粒子画像の撮影において、取り込んだ粒子
画像の枚数をＭ枚とすれば、Ｍ枚の粒子画像に対する加
算平均ｘ（ｋ）は次のように表せる。

【００５９】

【数５】

【００６０】光ファイバ配列の輝度パターンｓは、同一
の実験条件（送光系・受光系）であれば、連続する粒子
画像においては同じパターンが出現するため、Ｍ回の加
算によりＭ倍の輝度値となり、これを平均する（Ｍで除
する）加算平均処理を行うと、もとの輝度値のままであ
る。すなわち、加算平均処理により、粒子群の存在しな
い光ファイバ配列のみ映った画像を得ることができ、光
ファイバ配列の存在する粒子画像から各画素毎に光ファ
イバ配列画像（輝度パターン）を引けば、光ファイバ配
列の輝度パターンの除去が可能となる。

【００６１】今回の加算回数は１８０回、すなわちＳＮ
比は加算平均を施す前と比較して１３倍に改善された。
図９に加算平均法を用いて光ファイバの輝度パターンを
除去した粒子画像は、図１０に光ファイバ配列除去後の
計算結果を示す。すなわち、図１２はＰＩＶ計測手法を
用いて粒子画像を画像処理した後のレーザシート１５上
における流体の流速および流れ方向を示している。

【００６２】また、図１０のＰＩＶ計測結果は階層的探
索法による相互相関計算を行ったものである。階層的探
索法は、画像の解像度を階層的に低下させた場合におい
ても、画像の平行移動の特徴が保たれることを利用した
手法である。解像度の低い画像による探索によって粒子
群の概略的な平行移動量を算出し、しかる後にその算出
値を利用してより解像度の高い画像における探索を行
い、計算量の低減、過誤ベクトルの減少およダイナミッ
クレンジの増大を図っている。

【００６３】すなわち、図１０に示されたレーザシート
１５上のパーティクル（粒子）群の微小時間ΔＴの動き
から流体の流動分布（流速および流れ方向）の測定を、
精度よく正確に行うことができる。これにより、原子炉
圧力容器内のような外界と環境を異にする厳しい閉空間
内の流動場の流体流動状態を正確に測定することができ
る。

【００６４】例えば原子炉圧力容器のダウンカマ部や炉
心シュラウド内の流体（冷却材）の流動状態（冷却材の
流速や流れ方向、炉心流量、よどみ状態）の計測を行う
ことができる。原子炉圧力容器内や火力発電プラントの
熱交換器内等の熱流動状態、すなわち流れが一様でない
熱流動（流動分布や熱分布）の測定を正確に精度よく行
うことができるので、構成部品の熱疲労や腐蝕の進捗状
況を正確に管理することができる。

【００６５】また、図５に示されたＰＩＶ測定システム
１０において、レーザシート形成用走査光学系１３から
シート状のレーザ光を直交する２方向に照射して直交す
る２方向のレーザシートを形成し、直交する２つのレー
ザシート上のパーティクル群の動きをそれぞれの画像伝
送手段を介してＣＣＤカメラ２２で撮像することによ
り、パーティクル群の動きを３次元的に測定でき、ひい
ては、流体の流動状態を３次元的に測定できる。例え
ば、原子炉圧力容器のダウンカマ部の冷却材流量を正確
に測定するには、ダウンカマ部に本体ケーシング３６
（図５参照）を半径方向および周方向の少なくとも一方
に移動自在に設置し、本体ケーシング３６を半径方向ま
たは周方向、すなわちＸ方向またはＹ方向に移動させつ
つ粒子群の移動量を立体的に正確に測定し、流体の流動
状態を測定するようにすればよい。

【００６６】なお、図１に示すＰＩＶ測定システムは実
験室対応の例を示した。図５に示すように走査光学系と
画像伝送系とを一体化することにより実用機として応用
することができ、さらに、このＰＩＶ計測システムは、
原子炉内のインターナルポンプの流量較正の高精度化
や、ＡＢＷＲの改良に伴う炉内構造物の大型化、シュラ
ウドレス化等に伴う流動試験測定に適用可能であり、さ
らなる情報の高精度化により設計の合理化、またプラン
トの効率向上に寄与することも可能である。

【００６７】

【発明の効果】本発明に係る流体の流動計測システムお
よびその計測方法によれば、流体中に分布する粒子群の
動きを、レーザシートで可視化し、可視化されたレーザ
シート上の粒子画像を画像伝送手段を介して画像撮像手
段で撮像し、撮像された２時刻（微小時間間隔）の粒子
画像を画像処理手段で比較・解析し、画像処理すること
で、複雑な流動場における粒子群の流速や流れ方向を測
定して流体の流速や流れ方向等の流動状態を精度よく正
確に測定することができる。

【００６８】本発明によれば、複雑な流動場における流
体の流動状態の測定を画像処理手段で粒子画像を処理す
ることにより行い得ることから、遠隔地からの流体の流
動状態を測定でき、環境的に厳しい閉空間内の流体の流
動状態を正確に精度よく測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る流体の流動計測システムの一実施
形態を示す概念図。

【図２】本発明に係る流体の流動計測システムに組み込
まれるレーザシート用走査光学系の原理を示す図。

【図３】本発明に係る流体の流動計測システムに組み込
まれる画像伝送手段の原理を示す図。

【図４】図３の画像伝送手段を構成するイメージガイド
の断面概念図。

【図５】本発明に係る流体の流動計測システムを実際の
ＰＩＶ計測システムに適用した概念図。

【図６】本発明に係る流体の流動計測システムで撮像さ
れた粒子画像を示す図。

【図７】本発明に係る流体の流動計測システムを用いて
相互相関法でＰＩＶ処理した計算結果を示す図。

【図８】図７の相互相関法で用いられる相互相関関数分
布を示す図。

【図９】本発明に係る流体の流動計測システムを使用し
て、光ファイバ配列の輝度パターン除去処理を施した粒
子画像を示す図。

【図１０】図９に示された粒子画像を画像処理した計算
結果を示す図。

【符号の説明】

１０ ＰＩＶ計測システム（流体の流動計測システム） １１ レーザ発振装置（光源） １２ 送光用ファイバ １３ 走査光学系 １４ 流体の流動場 １５ レーザシート １６ レーザシート用レンズ群 １７ａ，１７ｂ コリメートレンズ １８ 長焦点レンズ １９ シリンドリカルレンズ ２１ 画像伝送手段 ２２ ＣＣＤカメラ（撮像手段） ２３ 光ファイバ ２４ イメージガイド ２５ 対物レンズ ２７ タイミングコントロール手段 ２８ タイミングスケジューラ ２９ シンクロナイザ ３１ 画像処理手段 ３２ フレームグラバボード ３３ ＰＣＩバス ３４ コンピュータ ３６ 本体ケーシング

フロントページの続き (72)発明者 菱田 公一 神奈川県横浜市港北区日吉三丁目14番１号 慶應義塾大学理工学部内 (72)発明者 前田 昌信 神奈川県横浜市港北区日吉三丁目14番１号 慶應義塾大学理工学部内 Ｆターム(参考） 2F065 AA01 AA53 BB15 FF04 GG04 GG06 JJ03 JJ26 LL03 LL08 MM16 QQ01 QQ03 QQ24 QQ29 QQ34 QQ41 QQ42 2G075 AA02 CA40 DA05 FA01 FA13 FB03 FB04 FB07 FC14 GA01 GA21

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を発振させるレーザ発振装置
   と、発振されたレーザ光を流体の流動場内にシート状に
   投入させるレーザシート形成用走査光学系と、この走査
   光学系からのレーザシート上の２次元粒子画像を光伝送
   する画像伝送手段と、光伝送された２次元粒子画像を撮
   像する撮像手段と、前記レーザ発振装置と撮像手段をタ
   イミングをとって同期化駆動させるタイミングコントロ
   ール手段と、前記撮像手段で撮像された２時刻の粒子画
   像の輝度パターン分布を比較・解析し、粒子群の移動方
   向および移動量を計測する画像処理手段とを備え、上記
   画像処理手段による粒子群の移動量から流体の流動・流
   速分布を計測するように構成したことを特徴とする流体
   の流動計測システム。
2. 【請求項２】 前記画像伝送手段は、多数本の光ファイ
   バを束ねて一体化させ、両端面が平面加工された可撓性
   のイメージガイドで、また、前記撮像手段はＣＣＤカメ
   ラでそれぞれ構成されており、前記イメージガイドは、
   対象レンズにより一方のファイバ端面に結像された画像
   を光ファイバで各画素に分解してＣＣＤカメラ側の他端
   面まで同一画像を伝送するように構成した請求項１記載
   の流体の流動計測システム。
3. 【請求項３】 前記走査光学系と画像伝送手段は一体的
   に組み合わせて構成され、流体の流動場で１次元あるい
   は２次元移動可能に構成された請求項１記載の流体の流
   動計測システム。
4. 【請求項４】 前記走査光学系は、流体の流動場に直交
   するレーザシートを形成し、この直交するレーザシート
   上の２次元粒子画像を光伝送する画像伝送手段をそれぞ
   れ設けた請求項１記載の流体の流動計測システム。
5. 【請求項５】 レーザ発振装置から発振されるレーザ光
   を流体の流動場にシート状に照射してレーザシートを形
   成し、このレーザシート上の粒子画像を光ファイバを束
   ねた画像伝送手段で画像伝送して画像撮像手段で撮像
   し、撮像された２時刻の粒子画像の輝度パターン分布を
   比較・解析する一方、撮像された時系列の粒子画像を加
   算平均処理して光ファイバ配列画像の輝度パターン分布
   を求め、この光ファイバ配列画像の輝度パターン分布を
   前記粒子画像の輝度パターン分布から除去することによ
   り粒子群の移動量および移動方向を求め、前記流体流動
   場における流体の流動を計測することを特徴とする流体
   の流動計測方法。
6. 【請求項６】 ２時刻の粒子画像のうち第１時刻におけ
   る粒子画像を参照画像とし、第２時刻における粒子画像
   を探索画像とし、探索画像から参照画像の差を求めつ
   つ、光ファイバ配列画像を除することで粒子群の移動量
   および移動方向を求めることを特徴とする請求項５記載
   の流体の流動計測方法。