JP2008026033A

JP2008026033A - パルスコントローラ、およびこのパルスコントローラを用いた粒子画像流速測定装置。

Info

Publication number: JP2008026033A
Application number: JP2006196213A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nishida; 正浩西田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】同期を取る必要をなくし、高速で複数枚の撮像画像を非連続で取得するパルスコントローラ、および同コントローラを用いた粒子画像流速測定装置を提供すること
【解決手段】粒子画像流速測定装置は、流路を流れる測定対象を連続して照射する連続シート光光源と、トレーサの移動状態を検出する検出器と、前記検出器の出力信号を上記（１）記載の入力パルス信号とする上記（１）記載のパルスコントローラと、前記パルスコントローラの請求項１記載の出力信号により撮像動作するビデオカメラと、前記ビデオカメラの複数の撮像画像を取り込み、該撮像画像から測定対象のみを抽出した粒子画像を求め、複数の前記粒子画像上の粒子の移動から測定対象の流速を算出する。
【選択図】図１

Description

本件発明は、流速測定を必要とする流体機械等の設計分野。特に、周期的な流れの測定を必要とする分野のパルスコントローラ、およびこのパルスコントローラを用いた粒子画像流速測定装置に関する。

流れの中に混入したトレーサの動きを画像処理により計測する流速測定法に関しては、それ自身は公知の技術である。その技術は、主に画像処理のアルゴリズムによって、例えば、粒子追跡法、相関法およびそれ以外の種々の方法等に分類されるが、撮影装置と照明装置の組み合わせとしても分類され、Ａ）トレーサにシ−ト光を連続的に照射し、その動きをビデオカメラにより連続的に撮影する方法、Ｂ）トレーサにシ−ト光を間欠的に照射し、その動きをビデオカメラにより連続的に撮影する方法（参考文献１、参考文献２、参考文献３、参考文献４および参考文献５）、Ｃ）トレーサにシート光を間欠的に照射し、その動きをビデオカメラによりシート光に同期させて撮影する方法（参考文献６）がある。
特開平０１−１４５５７１号公報特開平０４−１３１７３１号公報特開平０４−１３２９２９号公報特公平０７−１１１４３９号公報特開平０６−６６６７５号公報特開２００３−８４００５号公報

しかしながら、前記Ａ）およびＢ）の方法は、測定対象とする周期位相の時刻以外の不要な連続画像を撮影する必要があり、また、測定対象とする周期位相の時刻の連続画像を取捨選択することにより解析を進めざるを得なかった。また、Ｃ）の方法は、測定対象とする周期位相の時刻に対して、パルスレーザとビデオカメラとの同期が取れる装置システムが必要であり、周期位相の時刻に同期が取れないレーザでは、前記Ａ）又はＢ）の手法を用いざるを得なかった。また、一方では、前記パルスレーザとビデオカメラの同期が取れるタイミングは現在最高で１０ＫＨｚ代が限界となっており、現在の高速ビデオカメラの性能が、１６０ＫＨｚ程度あるいはそれ以上の撮影速度を持つこと、あるいは、現在目標とされているタイミングが３０ＫＨｚであること等を鑑みると、かなりのひらきがある。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、同期を取る必要をなくし、高速で複数枚の撮像画像を非連続で取得するパルスコントローラ、およびこのパルスコントローラを用いた粒子画像流速測定装置を提供することにある。

本願発明は上記目的を達成するために以下の解決手段を採用する。
（１）パルスコントローラは、入力パルス信号と、任意の遅延時間および任意の遅延時間幅を設定する信号を入力し、前記入力パルス信号を前記任意の遅延時間および任意の遅延時間幅を設定する信号により遅延させた遅延信号を出力する複数の遅延器と、前記複数の遅延器の前記遅延信号を取り込んで加算した出力信号を出力する加算器から構成したことを特徴とする。
（２）粒子画像流速測定装置は、流路を流れる測定対象を連続して照射する連続シート光光源と、トレーサの移動状態を検出する検出器と、前記検出器の出力信号を上記（１）記載の入力パルス信号とする上記（１）記載のパルスコントローラと、前記パルスコントローラの請求項１記載の出力信号により撮像動作するビデオカメラと、前記ビデオカメラの複数の撮像画像を取り込み、該撮像画像から測定対象のみを抽出した粒子画像を求め、複数の前記粒子画像上の粒子の移動から測定対象の流速を算出することを特徴とする。
（３）粒子画像流速測定装置は、上記（１）記載のパルスコントローラを用いて、周期性のある測定対象の流れの駆動源等から発生する周期的な電気的なパルス信号を、各々のパルス信号の発生時刻から一定の任意時間を遅延させた時刻を開始時刻とした均等時間間隔の３時刻以上の電気的なパルス信号に変換し、１時刻の電気的なパルス信号をトリガ信号として１画像を取得できるビデオカメラを用い、変換されたパルス信号に対応した３時刻以上の時刻における測定対象の流れの中に混入したトレーサの粒子画像を得、それら３時刻以上の連続した粒子画像のトレーサの位置を追跡して、トレーサの位置の移動距離をデータとして蓄積し、それらのデータを総和することによって測定対象の流れの中のトレーサ粒子の動きに対応する流速を測定することを特徴とする。

本件発明は、従来のようにレーザ光を間欠的に照射するのではなく、ビデオカメラを間欠的に撮影制御するので、同期を取る必要をなくし、高速で複数枚の撮像画像を非連続で取得することができるようになる。
また、本件発明では、撮影された粒子画像から粒子追跡法により流速値を算出することができる。
本件発明では、連続光レーザを用いることができるため、従来のようにレーザとカメラを同期させる必要がなく、容易に高速で複数枚の撮像画像を非連続で取得することができるようになる。

本発明のパルスコントローラ、および同コントローラを用いた粒子画像流速測定装置の
実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。

図１は、本件発明の粒子画像流速測定装置の説明図である。
粒子画像流速測定装置１は、流体駆動装置２を備えた流路３と、流路３中のトレーサ４を照明する連続シート光光源５と、流路３中のトレーサ４を撮像するビデオカメラ６と、流体駆動装置２の状態を検出する検出器７からのトリガ信号を取り込み、ビデオカメラ６へのビデオトリガ信号を出力するパルスコントローラ８と、ビデオカメラ６が撮像した映像信号を取り込みトレーサ４の挙動を解析する画像処理装置９から構成する。
連続シート光光源５は、シリンドリカルレンズ９を備え、離散的なパルス光ではなく、連続光を所定面積に照射する。流路３の流速等は流体駆動装置２により制御する。
測定対象として、流路３内の流れを流体駆動装置１により発生させる。流体駆動装置１には、検出器７を取り付け、流れのある回転位相において電気的なパルス信号であるＴＴＬ信号を出力できるようにする。出力したＴＴＬ信号は、パルスコントローラ８に入力信号として入力する。

図２は、パルスコントローラ８のブロック構成図である。パルスコントローラ８は、複数の遅延器１０−１〜Ｎと、加算器１１で構成する。遅延器１０−１〜Ｎは信号の遅延動作を行うものであれば任意の構成でよい。加算器１１は信号の加算動作を行うものであれば任意の構成でよい。
第２図に示すパルスコントローラ８は、入力信号と遅延設定信号を入力して遅延信号を出力する複数の遅延器１０−１〜Ｎと、すべての遅延器の遅延信号を加算して出力信号として出力する加算器１１から構成する。遅延器の設置数は基本的に任意数可能である。遅延設定信号は、遅延時間ΔＴと遅延時間幅Δτからなり、それぞれの遅延器に設定する遅延時間ΔＴと遅延時間幅Δτは相互に異なるものを設定する。好ましくは、それぞれの遅延器の動作設定を所定間隔で連続するように設定する。
１チャンネルの入力信号に対して、３チャンネル以上の任意の時間遅れおよび時間幅の遅延信号を出力することができる。さらに、それらの遅延信号を加算器により加算し、その加算信号を出力することができる。

図３に図２のパルスコントローラ８の出力信号の波形図を示す。
図３に遅延器数（Ｎ）を４とした場合の例を示し、入力信号に対して、所定の遅延時間ΔＴ、遅延時間幅Δτとした各遅延器１０−１〜４の遅延信号１、２、３および４を加算器11で加算すると、各遅延器の遅延信号が連続した出力信号を得ることができる。
ここで、遅延器の数、各遅延器の遅延時間および遅延時間幅を任意に設定することにより、ビデオカメラ６を任意の間隔、幅および時間の複数のパルスで駆動制御し、出力信号に合わせてビデオ画像を撮像することができるようになる。

詳細には、図３の入力信号に対し、図２の遅延器１０−１〜Ｎのうちの４チャンネルを使用し、時刻Ｔに発生する検出器7からの出力信号を基に、位相遅れΔＴ_１を持つ撮影時刻Ｔ＋ΔＴ_１において遅延信号１をまず出力し、さらに３時刻のそれぞれ時間間隔遅れの撮影時刻Ｔ＋ΔＴ_２、Ｔ＋ΔＴ_３、Ｔ＋ΔＴ_４においてそれぞれ遅延信号２、遅延信号３および遅延信号４を出力する。ここで、Δｔ_２＝ΔＴ_２―ΔＴ_１、Δｔ_３＝ΔＴ_３―ΔＴ_２、Δｔ_４＝ΔＴ_４―ΔＴ_３とする。その後、それら４チャンネルの遅延信号を加算器11により加算し、その加算信号をビデオカメラ6への入力信号とする。

図1に示すビデオカメラ6は、一つのトリガ信号を入力すると一画像を撮影し、メモリ上にストックできるものを用いる。メモリはビデオカメラ６と画像処理装置９のいずれか又は両者に設ける。
ビデオカメラ６は、パルスコントローラ8から出力される加算信号をトリガ信号として撮像する。
パルスコントローラ８は、一定の時間間隔、例えば、遅延時間幅Δｔ＝Δｔ_２＝Δｔ_３＝Δｔ_４＝１００（μｓ）となる遅延設定信号を発生し、遅延器を介して入力パルス信号を４チャンネルの遅延信号を発生し、この４チャンネルの遅延信号を加算器で加算すれば、対象とする位相の時刻Ｔ＋ΔＴ_１を起点とする毎秒１０、０００コマ相当の４時刻連続画像用のビデオトリガ信号を発生する。

ビデオカメラ６は、パルスコントローラ８のビデオトリガ信号のタイミングで撮像する。この結果、４枚で構成される粒子画像を１周期分として任意の多周期分を連続的につながる画像として取得できる。
画像処理装置９は、ビデオカメラ６の撮像画像（各パルス毎の静止画）を取り込み、撮影された粒子画像から例えば粒子追跡法により流速値を算出する。
図４および図５に示すような一連の画像処理により最終的に図４（ｄ）又は図４（ｅ）の画像を得る。

図４は、撮像画像から画像処理したデータを採取する経緯を説明する図である。
図４（ａ）は出力信号の１パルス毎の撮像(静止）画像、図４（ｂ）は図４（ａ）のトレーサのみを抽出した画像、図４（ｃ）は図４（ｂ）のトレーサ画像を加算器１１の出力パルス分重ね合わせた画像、図４（ｄ）は図４（ｃ）のトレーサの移動ベクトル図、図４（ｅ）は図４（ｄ）の移動ベクトルを多周期分重ね合わせた合成図である。
図5は画像処理の原理を説明する説明図である。
ビデオカメラ６で撮像した画像は、第４図（ａ）に示すようなグレイスケールの静止画像に変換し、第４図（ｂ）に示すような、粒子画像のトレーサの位置を計算する。第４図（ｃ）に示すような４時刻分の粒子画像のトレーサの位置の組み合わせにより、さらに、第５図に示すような、粒子画像のトレーサの位置の追跡により、第４図（ｄ）に示すような１周期分のトレーサの移動ベクトル情報を得る。この情報からトレーサの流速等の速度場情報を算出する。その際、前記遅延時間幅の値や画像上の移動ベクトルの値等を用いて演算する。例えば、前記ビデオカメラの複数の撮像画像を取り込み、該撮像画像から測定対象のみを抽出した粒子画像を求め、複数の前記粒子画像上の粒子の移動から測定対象の流速を算出する。
データの取得が多周期分にわたる場合には、同じように処理を行い、最終的に、第４図（ｅ）に示すような多周期分の速度場情報を合成した結果を得ることができる。

本発明の粒子画像流速測定装置の説明図である。本発明のパルスコントローラ８のブロック構成図である。本発明の図２のパルスコントローラ８の出力信号の波形図である。本発明の撮像画像から画像処理したデータを採取する経緯を説明する図である。本発明の画像処理の原理を説明する説明図である。

符号の説明

１粒子画像流速測定装置
２流体駆動装置
３流路
４トレーサ
５連続シート光光源
６ビデオカメラ
７検出器
８パルスコントローラ
９画像処理装置
１０−１遅延器１
１０−２遅延器２
１０−３遅延器３
１０−Ｎ遅延器Ｎ
１１加算器

Claims

入力パルス信号と、任意の遅延時間および任意の遅延時間幅を設定する信号を入力し、前記入力パルス信号を前記任意の遅延時間および任意の遅延時間幅を設定する信号により遅延させた遅延信号を出力する複数の遅延器と、前記複数の遅延器の前記遅延信号を取り込んで加算した出力信号を出力する加算器から構成したことを特徴とするパルスコントローラ。
流路を流れる測定対象を連続して照射する連続シート光光源と、トレーサの移動状態を検出する検出器と、前記検出器の出力信号を請求項１記載の入力パルス信号とする請求項Ｉ記載のパルスコントローラと、前記パルスコントローラの請求項１記載の出力信号により撮像動作するビデオカメラと、前記ビデオカメラの複数の撮像画像を取り込み、該撮像画像から測定対象のみを抽出した粒子画像を求め、複数の前記粒子画像上の粒子の移動から測定対象の流速を算出することを特徴とする粒子画像流速測定装置。
請求項Ｉ記載のパルスコントローラを用いて、周期性のある測定対象の流れの駆動源等から発生する周期的な電気的なパルス信号を、各々のパルス信号の発生時刻から一定の任意時間を遅延させた時刻を開始時刻とした均等時間間隔の３時刻以上の電気的なパルス信号に変換し、１時刻の電気的なパルス信号をトリガ信号として１画像を取得できるビデオカメラを用い、変換されたパルス信号に対応した３時刻以上の時刻における測定対象の流れの中に混入したトレーサの粒子画像を得、それら３時刻以上の連続した粒子画像のトレーサの位置を追跡して、トレーサの位置の移動距離をデータとして蓄積し、それらのデータを総和することによって測定対象の流れの中のトレーサ粒子の動きに対応する流速を測定する粒子画像流速測定装置。