JP2009014359A - Three-dimensional noncontact temperature measuring instrument, and three-dimensional noncontact temperature measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、屈折率の違いを利用した流れの可視化法による気体の３次元非接触温度計測装置及び３次元非接触温度計測方法に関する。 The present invention relates to a gas three-dimensional non-contact temperature measuring apparatus and a three-dimensional non-contact temperature measuring method by a flow visualization method using a difference in refractive index.
一般に温度計測方法は接触法、非接触法の２種類がある。接触法としては熱電対などによる方法が実用化されている。熱電対は、異なる材料の２本の金属線をつなげて回路をつくり、２つの接点に温度差を与えると、金属の間に電圧が生じ電流が流れるというゼーベック効果を利用している。 In general, there are two types of temperature measurement methods, a contact method and a non-contact method. As a contact method, a method using a thermocouple or the like has been put into practical use. Thermocouples use the Seebeck effect in which when two metal wires of different materials are connected to create a circuit and a temperature difference is applied between the two contacts, a voltage is generated between the metals and current flows.
一方、非接触で温度を計測する方法として、例えばマッハツエンダ型干渉計を用いたレーザー干渉法がある（特許文献１参照）。実施例を図13に示す。この方法はＨｅ−Ｎｅレーザー51がビームスプリッタ52によって２本のビーム53,54に分割し、一方の通過するレーザー54については基準となる空気状態を一定に保っておき、他方の通過するレーザー53については測定する気体55の屈折率が変化するので、光路長差が変化することにより干渉縞が移動し、干渉縞の移動を測定することによって、気体の屈折率変化を求めることができる。したがって屈折率と密度の関係、理想気体の状態式から、気体の温度変化を求めることができる。 On the other hand, as a method for measuring the temperature in a non-contact manner, for example, there is a laser interferometry using a Mach-Zehnder interferometer (see Patent Document 1). An example is shown in FIG. In this method, a He-Ne laser 51 is split into two beams 53 and 54 by a beam splitter 52, and a reference air condition is kept constant for one passing laser 54, and the other passing laser 53 is passed. Since the refractive index of the gas 55 to be measured changes, the interference fringe moves when the optical path length difference changes, and the change in the refractive index of the gas can be obtained by measuring the movement of the interference fringe. Therefore, the temperature change of the gas can be obtained from the relationship between the refractive index and the density and the equation of state of the ideal gas.
また光学的可視化による方法がある。光学的可視化とは、目に見えない現象を観測し画像化することであり、流体の屈折率の違いを利用した流れの可視化法である。屈折率が一定な媒質中では、光は直進する。しかし、媒質中に温度や圧力の不均一さがあると、局所的に屈折率が異なり、光は一定の法則に従って屈折する。この流れの可視化法では、トレーサなどを全く使用しないことから、流れ場の密度や温度場を非侵襲的に計測することが可能である。 There is also a method based on optical visualization. Optical visualization is the observation and imaging of an invisible phenomenon, and is a flow visualization method that utilizes the difference in the refractive index of fluids. In a medium with a constant refractive index, light travels straight. However, if the temperature or pressure is not uniform in the medium, the refractive index is locally different, and light is refracted according to a certain rule. In this flow visualization method, no tracer or the like is used, and therefore it is possible to non-invasively measure the density of the flow field and the temperature field.
そこでまず、光学的可視化による方法としてレーザースペックル法が挙げられる。レーザースペックル法とは、レーザーがファイバーを通る過程においてスペックルノイズと言われる斑点模様や擦りガラスなどによって作成されるスペックルパターンを用いて屈折角から温度を算出する方法である。レーザーを照射したとき、スペックルパターンとして観測面において一般的に粒状性を帯びた斑点模様が得られ、よって加熱後の変動による屈折の変化によるスペックルパターンの変移を計測する。そして加熱前のスペックルパターンを撮影し、２つの画像のパターンの変移を追跡する。スペックルパターンの移動量の算出には,ＰＩＶ（Particle Image Velocimetry:粒子画像流速測定法）で良く用いられている相互相関法を使用する。このＰＩＶ法は流れの定量的情報を獲得する流体の計測手法である。相互相関法とは、２つの画像間のパターンマッチングを行う手法の１つである。具体的には、画像Ａと画像Ｂがあると仮定したとき、画像Ａの一部を切り出して、それと似たパターンが画像Ｂのどこにあるかを探す手法である。切り出した画像Ａの一部と、画像Ｂの任意の同サイズの画像との相互相関係数を算出し、この相関係数が最大となる位置を取得することで、パターンマッチングを行う。前記複数の画像間で相互相関法ＰＩＶを適用する（特許文献２参照）ことで、両画像間のパターンマッチングを行い、移動ベクトルを算出することができる。このように、加熱前と加熱後の移動量を算出し、乗法代数的再構築法（Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique:ＭＡＲＴ）より屈折角を求め、屈折率場を算出し、空気における屈折率と温度の関係式より、温度を得ることができる。 Therefore, a laser speckle method is first mentioned as a method by optical visualization. The laser speckle method is a method of calculating the temperature from the refraction angle using a speckle pattern created by a speckle pattern or rubbing glass which is called speckle noise in the process in which the laser passes through the fiber. When the laser is irradiated, a speckle pattern having a generally grainy spot pattern on the observation surface is obtained. Therefore, the speckle pattern transition due to a change in refraction due to the fluctuation after heating is measured. Then, the speckle pattern before heating is photographed, and the pattern transition of the two images is traced. The cross-correlation method often used in PIV (Particle Image Velocimetry) is used to calculate the movement amount of the speckle pattern. The PIV method is a fluid measurement method that acquires quantitative information of a flow. The cross-correlation method is one method for performing pattern matching between two images. Specifically, when it is assumed that there are an image A and an image B, a part of the image A is cut out and a pattern similar to that is searched for in the image B. Pattern matching is performed by calculating a cross-correlation coefficient between a part of the cut-out image A and an image of an arbitrary size of the image B and obtaining a position where the correlation coefficient is maximum. By applying the cross-correlation method PIV between the plurality of images (see Patent Document 2), it is possible to perform pattern matching between both images and calculate a movement vector. In this way, the amount of movement before and after heating is calculated, the refraction angle is calculated by Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique (MART), the refractive index field is calculated, and the refractive index and temperature in air are calculated. The temperature can be obtained from the relational expression.
レーザースペックル法による温度計測は、例えば図14に示す水素混合ガス火炎の装置の光学系構成図であり、図15はその光学系と照射されたレーザーによる光束を示す図である。ここでの座標系はレーザーの進行方向をｘ、垂直方向をｙ、火炎の高さ方向をｚとし、軸対象と仮定した火炎の半径方向をｒとした。装置の中央部にバーナー109が設置され、その上部に拡散火炎110が形成され、周囲空気中上方に放出する。燃料ガスとしては、体積混合比が水素60％、ヘリウム40％の混合ガスを用いている。 The temperature measurement by the laser speckle method is, for example, an optical system configuration diagram of the hydrogen mixed gas flame apparatus shown in FIG. 14, and FIG. 15 is a diagram showing the optical system and a light beam emitted from the irradiated laser. In this coordinate system, the laser traveling direction is x, the vertical direction is y, the flame height direction is z, and the radial direction of the flame assumed to be an axis object is r. A burner 109 is installed at the center of the apparatus, and a diffusion flame 110 is formed on the burner 109, which is released upward in the ambient air. As the fuel gas, a mixed gas having a volume mixing ratio of 60% hydrogen and 40% helium is used.
温度計測の光源はアルゴンレーザー（波長４８８ｎｍ）101を用い、ファイバー102を通過したレーザーは、ＮＤフィルター103で光量を制御し、擦りガラス104でスペックルパターンを生成したのち、凸レンズ105で拡大平行光111として拡散火炎なる測定部110へ進む。そのレーザーを凸レンズ105により集光させることで、レンズ105を通してＣＣＤカメラ107（８bit、640×480pixel）からパソコン108でデータを取り込み、画像化する。ＣＣＤカメラ107の前にはバンドパスフィルタ106を配置し、輝炎の映り込みを防ぐようにした。温度計測は参照画像（火炎による影響を受けない画像）と実験画像に対し、サブピクセル精度の直接相互相関計算を適用し、火炎によるスペックルパターンの移動量を算出する。この時の直接相互相関法における各パラメータは相関領域：41×41(pixels）探索領域：15×15(pixels)である。その結果、得られた局所屈折角分布に軸対象を仮定したアーベル変換、Gladstone-Daleの式を用いることで火炎の屈折率ｎ（ｒ）が求まる。 The light source for temperature measurement is an argon laser (wavelength 488 nm) 101. The laser beam that has passed through the fiber 102 is controlled by the ND filter 103, generates a speckle pattern with the rubbed glass 104, and then expands with the convex lens 105. Proceed as 111 to the measurement unit 110 which is a diffusion flame. By condensing the laser beam by the convex lens 105, data is taken in by the personal computer 108 from the CCD camera 107 (8 bits, 640 × 480 pixels) through the lens 105 and imaged. A band-pass filter 106 is disposed in front of the CCD camera 107 to prevent bright flames from being reflected. For temperature measurement, direct cross-correlation calculation with subpixel accuracy is applied to the reference image (image not affected by the flame) and the experimental image to calculate the movement amount of the speckle pattern due to the flame. Each parameter in the direct cross-correlation method at this time is correlation area: 41 × 41 (pixels) search area: 15 × 15 (pixels). As a result, the refractive index n (r) of the flame can be obtained by using the Abel transformation and the Gladstone-Dale equation assuming the axial object for the obtained local refraction angle distribution.
ここでＬは、テストセクションからスクリーンまでの距離であり、ｎ∞は、基準点屈折率である。さらに理想気体の状態方程式、燃焼生成物の濃度の影響（Ｋmix：混合ガスのGladstone-Dale定数、Ｍmix：混合ガスの質量）を考慮することで火炎温度Ｔ（ｒ）が得られる。 Here, L is the distance from the test section to the screen, and n ∞ is the reference point refractive index. Further, the flame temperature T (r) can be obtained by considering the equation of state of the ideal gas and the influence of the concentration of the combustion product (K mix : Gladstone-Dale constant of the mixed gas, M mix : mass of the mixed gas).
ここで、Ｐは基準点圧力、Ｒ０は一般ガス定数である。ただし、燃焼生成物の濃度は、サンプリングプローブで採取し、ガスクロマトグラフィーで分析して求めている。
しかし、上記の接触法による熱電対の温度測定法では、プルームを測定対象に接触させなければならないため、対象場の形状を乱してしまう。また、プルームはある一定の大きさを持つため正確に測定箇所を測ることができず、周囲の温度による熱伝導による誤差を含む。さらに接触法は点計測であり、３次元空間の温度場を計測するためには計測点全てに熱電対を設置しなければならないため、装置の設置、計測において非常に困難であった。 However, in the thermocouple temperature measurement method based on the contact method described above, the plume must be brought into contact with the measurement target, which disturbs the shape of the target field. In addition, since the plume has a certain size, it is impossible to accurately measure the measurement location, and an error due to heat conduction due to the ambient temperature is included. Furthermore, the contact method is point measurement, and in order to measure the temperature field in a three-dimensional space, thermocouples must be installed at all measurement points, which makes it very difficult to install and measure the apparatus.
一方、非接触の上記のレーザー干渉法では、装置の機械的振動に対して非常に敏感であるため、精度の良い計測が困難であった。 On the other hand, the above-described non-contact laser interferometry is very sensitive to the mechanical vibration of the apparatus, so that it is difficult to measure with high accuracy.
また光学的可視化による方法のレーザースペックル法での温度計測では、ファイバーが作成するパターンを用いるため、ファイバーの微少な振動によりパターンが移動してしまい、正確な計測を行うことは極めて難しいので、計測装置を防振構造にする必要があった。また、レーザーをカメラの光軸に対して平行に照射しなければならないので、装置の設置が困難であった。このような問題のため、レーザースペックル法では十分な精度での温度計測には至っていなかった。 Also, in the temperature measurement by the laser speckle method of optical visualization, because the pattern created by the fiber is used, the pattern moves due to the minute vibration of the fiber, so it is extremely difficult to perform accurate measurement, It was necessary to make the measuring device an anti-vibration structure. In addition, since it is necessary to irradiate the laser parallel to the optical axis of the camera, it is difficult to install the apparatus. Due to such problems, the laser speckle method has not achieved temperature measurement with sufficient accuracy.
そこで本発明は上記を鑑みて、非接触で、光源の振動による影響がなく高精度で屈折角から温度を算出することが可能で、容易に背景パターンを制御することのできる３次元温度計測装置及び計測方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above, the present invention is a non-contact, three-dimensional temperature measuring device that can calculate the temperature from the refraction angle with high accuracy without being affected by the vibration of the light source, and can easily control the background pattern. And it aims at providing a measuring method.
本発明は、上記目的を達成するために、測定対象とする温度場の背景に置かれた斑点模様の描かれたシートと、前記シートをインライン照明する照明部と、前記照明の投影軸上に前記シートの画像を撮影し撮影領域内に入る位置で固定する撮影機とで構成される温度測定装置を備え、測定対象の温度場が前記撮影機の投影軸上の交点となるように前記温度測定装置が複数配置される気体の３次元非接触温度計測装置であり、対象となる温度場の有無によって生じる屈折率変化を、複数方向から同時撮影し、温度場の有無による前記撮影された画像の前記シートの斑点分布の相互相関関数による斑点の移動量により温度を計測するものであり、この計測結果を３次元的に再構成するコンピュータを備えていることにより達成できる。また中心温度から周囲温度までの領域を再構成して得られた温度分布を境界条件として与えた後、撮影された画像が十分な空間解像度が得られるまで中心温度近傍を拡大し、再構成を行うことにより高精度に測定できる。 In order to achieve the above object, the present invention provides a sheet with a speckled pattern placed in the background of a temperature field to be measured, an illuminating unit that inline illuminates the sheet, and a projection axis of the illumination. A temperature measuring device configured to shoot an image of the sheet and fix it at a position that falls within a shooting area, and the temperature so that the temperature field to be measured is an intersection on the projection axis of the shooting machine A gas three-dimensional non-contact temperature measuring device in which a plurality of measuring devices are arranged, and a change in refractive index caused by the presence or absence of a target temperature field is photographed simultaneously from a plurality of directions, and the photographed image according to the presence or absence of a temperature field The temperature is measured by the amount of movement of the spots based on the cross-correlation function of the spot distribution of the sheet, and this can be achieved by providing a computer that three-dimensionally reconstructs the measurement results. Also, after giving the temperature distribution obtained by reconstructing the region from the center temperature to the ambient temperature as a boundary condition, the vicinity of the center temperature is enlarged until the captured image has sufficient spatial resolution, and reconstruction is performed. By doing so, it can be measured with high accuracy.
すなわち、背景パターンシュリーレン法を導入し、これは擦りガラスでスペックルパターンを生成するのではなく、対象とする温度場の背景に置かれた粒子パターンの描かれたシートをインライン照明し、温度場によって生じる屈折率の変化を撮影機で撮影し、得られた屈折角から温度場を算出する方法であり、結果を３次元的に再構成することで、３次元計測へ拡張が可能である。 In other words, the background pattern schlieren method is introduced, which does not generate speckle patterns with frosted glass, but inline illuminates a sheet with a particle pattern placed in the background of the target temperature field, In this method, the change in the refractive index caused by the above is photographed with a photographing machine, and the temperature field is calculated from the obtained refraction angle, and the result can be reconstructed three-dimensionally and can be extended to three-dimensional measurement.
背景パターンシュリーレン法では、レーザーや擦りガラスを必要としないため、比較的容易に光学的可視化に利用できる。また、光源が背景パターンを照射するための照明としての役割しか持たないため、装置の設置が容易であり、光源が振動しても背景パターン自体が変化しないことから振動にも強く、十分な精度を得ることができる。また、最適な条件になるように任意の背景パターンを作ることができるので、容易に背景パターンを制御することができる。したがって，レーザー照明や特別な光学系は不要となる。このため、結果を３次元的に再構成することで、熱電対の点計測ではなく、容易に３次元計測に拡張できる。細線周りの温度分布を得る際、中心温度から周囲温度までの領域を再構成して得られた温度分布を境界条件として与えた後、十分な空間解像度が得られるまで中心温度近傍を拡大し、再構成を行うことで、直接相互相関における誤差が少なくなり、空間解像度が増加するので、より高精度に計測できる。 Since the background pattern schlieren method does not require a laser or a rubbed glass, it can be used for optical visualization relatively easily. In addition, since the light source only serves as illumination for irradiating the background pattern, it is easy to install the device, and since the background pattern itself does not change even if the light source vibrates, it is resistant to vibration and has sufficient accuracy. Can be obtained. Moreover, since an arbitrary background pattern can be created so as to satisfy the optimum conditions, the background pattern can be easily controlled. Therefore, laser illumination and special optical systems are not required. For this reason, by reconstructing the result three-dimensionally, it can be easily extended to three-dimensional measurement instead of thermocouple point measurement. When obtaining the temperature distribution around the fine line, after giving the temperature distribution obtained by reconstructing the region from the center temperature to the ambient temperature as a boundary condition, the vicinity of the center temperature is expanded until a sufficient spatial resolution is obtained, By performing reconstruction, errors in direct cross-correlation are reduced and spatial resolution is increased, so that measurement can be performed with higher accuracy.
以下、添付図面を参照しながら、本発明における３次元非接触温度計測装置の好ましい実施例を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a three-dimensional non-contact temperature measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
温度場の有無によって得られた画像に対し，画像相関法とサブピクセル解析を適用することによって，背景パターンの移動量を算出する．このとき，屈折角の分布は以下に示す代数的再構築法（ＭＡＲＴ）から求められ、空気における屈折率と温度の関係式より、温度を得ることができる。 The amount of movement of the background pattern is calculated by applying the image correlation method and subpixel analysis to the image obtained by the presence or absence of the temperature field. At this time, the distribution of the refraction angle is obtained from the algebraic reconstruction method (MART) shown below, and the temperature can be obtained from the relational expression between the refractive index and temperature in air.
そこで、３方向からカメラ３台で計測することにより、背景パターンシュリーレン法とＣＴを組み合わせた方法によって、非侵襲的に気体の３次元温度計測を行うようにし、加熱細線周りの温度場を高精度に計測し評価する。そして、その細線温度を理論値や熱電対と比較する。 Therefore, by measuring with three cameras from three directions, a three-dimensional temperature measurement of gas is performed non-invasively by a method combining the background pattern schlieren method and CT, and the temperature field around the heating wire is highly accurate. Measure and evaluate. Then, the wire temperature is compared with a theoretical value or a thermocouple.
すなわち、加熱細線周りの温度分布計測装置において、加熱用細線の両端を変圧器につなぎ、電圧を加えて加熱し、加熱細線の背後には明暗の斑点模様がランダムに配置された背景パターンを設置し、ＣＣＤカメラにより背景パターンを撮影し、加熱前の背景パターンと加熱後の背景パターンをそれぞれ撮影し、両画像間の移動量をＰＩＶ法により求め、ＭＡＲＴ法を用いて解析する。 In other words, in the temperature distribution measurement device around the heating thin wire, both ends of the heating thin wire are connected to a transformer, heated by applying voltage, and a background pattern in which bright and dark spot patterns are randomly arranged behind the heating thin wire is installed Then, a background pattern is photographed by a CCD camera, a background pattern before heating and a background pattern after heating are respectively photographed, and a movement amount between both images is obtained by the PIV method and analyzed using the MART method.
図１は本発明の実施例を示す３次元温度計測装置の背景パターンシュリーレン法での光学系の概略を示す。１は背景パターン、２はテストセクション、３はカメラレンズ、４は撮影面である。座標系は、光の進行方向をＸ、その垂直方向すなわちカメラ撮影面上をＹ、テストセクションの鉛直方向をＺとした。 FIG. 1 shows an outline of an optical system in the background pattern schlieren method of a three-dimensional temperature measuring apparatus showing an embodiment of the present invention. 1 is a background pattern, 2 is a test section, 3 is a camera lens, and 4 is a photographing surface. In the coordinate system, the traveling direction of light is X, the vertical direction thereof, that is, Y on the camera photographing plane, and the vertical direction of the test section is Z.
背景パターンとして斑点模様のシートを用意したとき、背景パターン面１にレンズ３を用いて焦点をあわせると、その背景パターン１を撮影面４に撮影することができる。このとき、テストセクション２に一切の変化が無かった場合、撮影面４に映し出される背景パターンに変化はないが、この空間内にそれまで存在していた屈折率とは異なる物質が存在した場合、撮影面４に映る背景パターンは屈折率に応じて屈折し、ある移動量だけ移動した背景パターンが撮影される。これは、本来撮影面４が写していた背景パターン１が、異なる屈折率の影響でその光路が変化し、同じ背景パターン１を見ていたとしても撮影面４の写り方に変化を及ぼすためである。このとき計測された移動量Δｙは光路が形成する屈折角αから、次のように表される。 When a speckled sheet is prepared as a background pattern, the background pattern 1 can be photographed on the photographing surface 4 by focusing on the background pattern surface 1 using the lens 3. At this time, if there is no change in the test section 2, there is no change in the background pattern projected on the imaging surface 4, but if there is a substance different from the refractive index that existed in this space, The background pattern reflected on the imaging surface 4 is refracted according to the refractive index, and the background pattern moved by a certain amount of movement is photographed. This is because the optical path of the background pattern 1 originally captured on the imaging surface 4 changes due to the influence of a different refractive index, and even if the same background pattern 1 is viewed, it changes the way the imaging surface 4 is reflected. is there. The movement amount Δy measured at this time is expressed as follows from the refraction angle α formed by the optical path.
ここでΔｙは背景パターン移動量、ＸＤは背景パターン１からテストセクション２までの距離、Ｍは移動量変換倍率、αは屈折角、Ｘｉはカメラレンズ３からカメラ素子面４までの距離、ＸＢは背景パターン１からカメラレンズ３までの距離である。移動量Δｙは、画像相関法とサブピクセル解析によって得られるので、数３、数４を用いて移動量Δｙを屈折角αに変換し、これを真の屈折角とする。 Here Δy background pattern movement amount, X D is the distance from the background pattern 1 until the test section 2, M is the movement amount conversion magnification, alpha is the angle of refraction, the distance from the X i is the camera lens 3 to the camera device surface 4, X B is the distance from the background pattern 1 to the camera lens 3. Since the movement amount Δy is obtained by the image correlation method and the sub-pixel analysis, the movement amount Δy is converted into the refraction angle α using Equations 3 and 4, and this is set as the true refraction angle.
画像相関法は、ＰＩＶ法の一種であり、光シートで照明された２次元的な粒子群をビデオカメラ等で撮影し、加熱前（温度変化前）および加熱後（温度変化後）における粒子画像を得た上で、加熱前の画像における微小な領域（相関領域）内の輝度値分布と加熱後の画像における領域（探査領域）内の輝度値分布との相互相関関数を求め、その最大値となる位置を検査領域内の粒子群の平均的な移動位置として推定し、移動量を求める方法である。相互相関関数は粒子画像と同様に空間的に離散化されているため、求められる移動量は誤差を伴う。そこで、離散化された相関関数に二次元正規分布を内挿して連続関数とした上で変位量を求めることで、誤差を減少させる手法（サブピクセル解析）がとられる。 The image correlation method is a kind of PIV method, in which a two-dimensional particle group illuminated by a light sheet is photographed with a video camera or the like, and particle images before heating (before temperature change) and after heating (after temperature change). After obtaining the cross-correlation function between the luminance value distribution in the minute area (correlation area) in the image before heating and the luminance value distribution in the area (exploration area) in the image after heating, the maximum value is obtained. Is estimated as an average movement position of the particle group in the inspection region, and the movement amount is obtained. Since the cross-correlation function is spatially discretized in the same manner as the particle image, the obtained movement amount involves an error. In view of this, a technique (subpixel analysis) is adopted in which the error is reduced by interpolating a two-dimensional normal distribution into a discretized correlation function to obtain a continuous function and then obtaining a displacement amount.
このとき、重要になるのは背景パターン１とそれを写す撮影面４、レンズ３であり、ＬＥＤ光すなわち発光ダイオード光５はあくまでも背景パターン１を撮影するための照明であるため、その光に直進性を必要とすることはない。また、背景パターン１は任意に作成することができ、解析条件などにあわせて調節することもできる。 At this time, what is important is the background pattern 1 and the photographing surface 4 and the lens 3 on which the LED is captured, and the LED light, that is, the light-emitting diode light 5 is illumination for photographing the background pattern 1, so it goes straight to the light. There is no need for sex. The background pattern 1 can be arbitrarily created and can be adjusted according to the analysis conditions.
次に解析手法として、ＣＴ（コンピュータトモグラフィー）法の一種であるＡＲＴおよびＭＡＲＴ（代数的再構築法）を用いる。ＣＴは様々な角度から撮影したものをもとに、コンピュータ上に三次元的に再構成し、三次元構造を解析する手法である。図２に代数的再構築法（ＭＡＲＴ）のフローチャートを示す。非軸対称場にも対応するためにカメラ台数を増やし、ＡＲＴ・ＭＡＲＴを導入した。ＡＲＴとは、ＰＣ内に作成された仮想場の投影により得られた値と実験値を比較し、その値を元に仮想場を修正し、投影を実験値に近づけることで再構成する方法である。ＡＲＴとＭＡＲＴの違いとしては、ＡＲＴは加減で修正するのに対し、ＭＡＲＴでは乗除を用いて修正を行っている。ＡＲＴでは、微小な修正を行うことが困難である。それに対し、ＭＡＲＴは計算が速く精度が良いため、本発明ではＭＡＲＴを用いて解析を行っている。 Next, ART and MART (algebraic reconstruction method), which are a kind of CT (computer tomography) method, are used as analysis methods. CT is a technique for reconstructing three-dimensionally on a computer and analyzing a three-dimensional structure based on images taken from various angles. FIG. 2 shows a flowchart of the algebraic reconstruction method (MART). In order to deal with non-axisymmetric fields, the number of cameras was increased and ART / MART was introduced. ART is a method of comparing the value obtained by projection of the virtual field created in the PC with the experimental value, correcting the virtual field based on that value, and reconstructing the projection by bringing it close to the experimental value. is there. The difference between ART and MART is that ART is corrected by adjustment, whereas MART is corrected using multiplication / division. With ART, it is difficult to make minute corrections. On the other hand, since MART is fast in calculation and accurate, analysis is performed using MART in the present invention.
ＭＡＲＴは，ここでは真の屈折角と仮想屈折角を比較して修正係数を導出し，この係数との乗算により仮想屈折率場の修正を行う方法を用いる。この過程を繰り返し、仮想屈折率場を出力する。 Here, MART uses a method of deriving a correction coefficient by comparing the true refraction angle and the virtual refraction angle, and correcting the virtual refractive index field by multiplication with this coefficient. This process is repeated to output a virtual refractive index field.
図３に温度測定法のフローチャートを示す。ここで真の屈折角αをＭＡＲＴに入力する。次の屈折角と屈折率との関係式より、屈折率分布を得る。 FIG. 3 shows a flowchart of the temperature measurement method. Here, the true refraction angle α is input to MART. The refractive index distribution is obtained from the following relational expression between the refraction angle and the refractive index.
数５は、Ｙ軸方向において媒質中に温度の不均一さによって屈折率ｎが局所的に変化した場合、ｘｙ平面におけるＸ軸方向からの光が屈折の法則によって、屈折角αに曲げられることから求めることができる。すなわち、投影線の法線方向の屈折率勾配を積分したものである。 Equation 5 indicates that when the refractive index n locally changes in the medium due to temperature nonuniformity in the Y-axis direction, light from the X-axis direction in the xy plane is bent to a refraction angle α by the law of refraction. Can be obtained from That is, the refractive index gradient in the normal direction of the projection line is integrated.
次にパソコン内で仮想の屈折率場を作成する。ＭＡＲＴで作成する仮想場は、仮想屈折率場となる。 Next, a virtual refractive index field is created in the personal computer. A virtual field created by MART is a virtual refractive index field.
まず真の値となるものを入力し、パソコン内で仮想屈折率場を作成する。このとき、入力する物理量は仮想屈折率場の投影によって得られる物理量を選択する。次に、この仮想屈折率場に投影を行い、真の値と対応する仮の値を算出する。この真の値と仮の値を、次式の修正係数 First, input a true value and create a virtual refractive index field in the personal computer. At this time, as a physical quantity to be input, a physical quantity obtained by projection of a virtual refractive index field is selected. Next, projection is performed on the virtual refractive index field, and a temporary value corresponding to the true value is calculated. The true value and temporary value are converted into the correction coefficient
を用いて比較することで、仮想屈折率場の修正を算出し、 To calculate the correction of the virtual refractive index field,
を用いて仮想屈折率場を更新する。ここでＣは仮想屈折率場修正値行列、αは屈折角、α＾ は仮想屈折率場から計算された屈折角、Ａは仮想屈折率場である。このとき再構成誤差は、次式によって算出する。 Is used to update the virtual refractive index field. Here, C is a virtual refractive index field correction value matrix, α is a refractive angle, α ^ is a refractive angle calculated from the virtual refractive index field, and A is a virtual refractive index field. At this time, the reconstruction error is calculated by the following equation.
ここで、Ｍは投影計算数、Ｄはカメラ台数である。 Here, M is the number of projection calculations, and D is the number of cameras.
出力された仮想屈折率場によって、仮想屈折角が得られる。 A virtual refraction angle is obtained from the output virtual refractive index field.
この仮想屈折角と真の屈折角を比較するため数６に代入し修正値を算出し、数７を用いて仮想屈折率場の更新を行う。ここで、α＾ は仮想屈折角、ｎ＾ｎ＾ は仮想屈折率である。その際に数８から得られる再構成誤差が前回のループのものよりも誤差が大きくなったときにＭＡＲＴが終了し、再構成された仮想屈折率場が得られる。 In order to compare the virtual refraction angle and the true refraction angle, the correction value is calculated by substituting into Equation 6, and the virtual refractive index field is updated using Equation 7. Here, α ^ is a virtual refraction angle, and n ^ n ^ is a virtual refractive index. At that time, when the reconstruction error obtained from Equation 8 becomes larger than that of the previous loop, MART ends, and a reconstructed virtual refractive index field is obtained.
最終的に得られた屈折率分布に対して、気体の密度と屈折率との関係は近似的にGladstone-Daleの式から求めることができる。 With respect to the finally obtained refractive index distribution, the relationship between the gas density and the refractive index can be approximately obtained from the Gladstone-Dale equation.
ここで、ＫはGladstone-Dale定数、ρは気体の密度である。 Here, K is the Gladstone-Dale constant, and ρ is the gas density.
理想気体であると仮定すると、数１０は数１１で表され、屈折率場から温度場に変換し、温度場を得ることができる。 Assuming that the gas is an ideal gas, Equation 10 is expressed by Equation 11, and a temperature field can be obtained by converting a refractive index field into a temperature field.
ここで、Ｐは大気圧（＝101330Pa）、Ｗは気体の分子量（＝28.97kg/mol）、Ｒは気体定数（＝8.314472J/K・mol）、ＫはGladstone-Dale定数（＝0.0002279ｍ３/kg）、Ｔは測定部の絶対温度である。 Here, P is the atmospheric pressure (= 101330 Pa), W is the molecular weight of the gas (= 28.97 kg / mol), R is the gas constant (= 8.314472 J / K · mol), and K is the Gladstone-Dale constant (= 0.0002279 m 3). / kg), T is the absolute temperature of the measuring part.
以降は実際に解析と温度計測したときの例を示す。図４は本発明における加熱細線装置図、図５は本発明における計測装置図の実施例である。 The following shows an example of actual analysis and temperature measurement. FIG. 4 is a diagram of a heating thin wire device in the present invention, and FIG. 5 is an embodiment of a measuring device diagram in the present invention.
ここで熱発生装置を説明する。図４において、中央に円形の穴の開いた鉄板７において、その穴に加熱細線８を挿通し、その加熱細線８として、直径0.1ｍｍのニクロム線を鉛直方向に張った状態で加熱し、その周囲に形成される浮力プルームによる温度場を計測対象とした。ただし、細線長さは350ｍｍ、供給電圧は10Ｖである。同時に比較のため熱電対９を接続した。 Here, the heat generation apparatus will be described. In FIG. 4, in the iron plate 7 having a circular hole in the center, a heating thin wire 8 is inserted into the hole, and a nichrome wire having a diameter of 0.1 mm is heated as the heating thin wire 8 in a vertically stretched state. The temperature field by the buoyancy plume formed around was taken as the object of measurement. However, the length of the thin wire is 350 mm and the supply voltage is 10V. At the same time, a thermocouple 9 was connected for comparison.
次に計測装置を説明する。図５において、鉄板７上の周囲にＣＣＤカメラ11を配置し、中央に円形の穴を隔てたカメラ11の投影軸上に光源側としてＬＥＤ光源12、光学レンズ13、すりガラス14、背景パターン１を順に設置する。これらを１セットとし、カメラ11の投影軸が６０度の角度をなすようにＡ、Ｂ、Ｃの３セット設置し、計測を行った。また、中央の加熱細線８の位置は、各カメラ11の投影軸の交点となるようにした。 Next, the measuring device will be described. In FIG. 5, a CCD camera 11 is arranged around the iron plate 7, and an LED light source 12, an optical lens 13, ground glass 14 and a background pattern 1 are arranged on the projection axis of the camera 11 with a circular hole in the center as a light source side. Install in order. These were set as one set, and three sets of A, B, and C were installed and measured so that the projection axis of the camera 11 made an angle of 60 degrees. Further, the position of the center heating thin wire 8 is set to be the intersection of the projection axes of the cameras 11.
計測方法は、背景としてランダムドットパターンの描かれた透明なシート１をＣＣＤカメラ11の撮影領域内に入るように固定し、ＬＥＤ光源12でインライン照明した画像をＣＣＤカメラ11で撮影する。その際、３台のカメラ11は同期状態にある。カメラ11には画像取り込み部16が接続され、パソコン17操作によって実施される。 In the measurement method, a transparent sheet 1 on which a random dot pattern is drawn as a background is fixed so as to fall within the imaging area of the CCD camera 11, and an image illuminated in-line by the LED light source 12 is captured by the CCD camera 11. At that time, the three cameras 11 are in a synchronized state. An image capturing unit 16 is connected to the camera 11 and is performed by operating the personal computer 17.
このランダムドットパターン１は、プリンターを使って粒子となる明暗の斑点模様をランダムに印刷されたシートを用いている。その粒子数、粒子径は解析条件に合うサイズに制御している。図12に照射された光による光束と背景パターンの例を示す。光源としては、ＬＥＤ光源すなわち発光ダイオード（波長λ＝４７０ｎｍ）12により、照射された光18はすりガラス14を通すことにより光量の分布を均一にさせている。光線18は、このように調節されたＬＥＤ光により背景パターン１を照らしだす役割をしている。温度測定対象部（加熱部）19を通して光学レンズ３（両凸レンズ）（焦点距離ｆ＝250ｍｍ、直径Ｄ＝100ｍｍ）に入射し、背景パターン４に投影され、画像相関法により移動量が得られる。 The random dot pattern 1 uses a sheet on which bright and dark spot patterns that become particles are printed at random using a printer. The number of particles and the particle diameter are controlled to a size that meets the analysis conditions. FIG. 12 shows an example of the light flux and background pattern by the irradiated light. As a light source, an LED light source, that is, a light emitting diode (wavelength λ = 470 nm) 12 is used, and the irradiated light 18 passes through the ground glass 14 so that the light quantity distribution is made uniform. The light beam 18 serves to illuminate the background pattern 1 with the LED light adjusted in this way. It enters the optical lens 3 (biconvex lens) (focal length f = 250 mm, diameter D = 100 mm) through the temperature measurement target part (heating part) 19 and is projected onto the background pattern 4, and the amount of movement is obtained by the image correlation method.
測定は２回行い、１回目は温度勾配（屈折率勾配）がなくなるまでの領域（以下広領域）、２回目は加熱細線中心付近を拡大しての領域（以下狭領域）を撮影する。２回目撮影を実施する理由は、測定精度を上げるためであり、直接相互相関における誤差が減少し、空間解像度が増加している。 The measurement is performed twice, and the first time is an area where the temperature gradient (refractive index gradient) disappears (hereinafter referred to as a wide area), and the second time is an area where the vicinity of the center of the heating wire is enlarged (hereinafter referred to as a narrow area). The reason for performing the second imaging is to increase the measurement accuracy, and the error in direct cross-correlation decreases and the spatial resolution increases.
カメラ11は焦点距離５０ｍｍカメラレンズの８bitモノクロＣＣＤカメラにより背景パターン１を撮影した。撮影された画像はパソコン17内に取り込まれメモリに保存される。実験ではプルームを出す前の背景パターンとプルームを出している時の背景パターンをそれぞれ撮影し、両画像間の移動量Δｙは相互相関法ＰＩＶにより求められる。この移動量ΔｙをＭＡＲＴに入力することによって、３次元温度場が計測される。なお、撮影間隔は1/60(S)、画像解像度は640×480(pixel)、周囲温度は291.1（K）である。 The camera 11 photographed the background pattern 1 with an 8-bit monochrome CCD camera with a 50 mm focal length camera lens. The photographed image is taken into the personal computer 17 and stored in the memory. In the experiment, the background pattern before the plume is taken and the background pattern when the plume is being taken, respectively, and the movement amount Δy between the two images is obtained by the cross-correlation method PIV. By inputting this movement amount Δy to MART, a three-dimensional temperature field is measured. The shooting interval is 1/60 (S), the image resolution is 640 × 480 (pixel), and the ambient temperature is 291.1 (K).
相互相関法における各パラメータは次の通りである。
相関領域：（X）91×（Y）21(pixel)
探査領域：(X)11×(Y)11(pixel)
広領域、狭領域の撮影時の空間解像度は次の通りである。
広領域：19(pixel/mm)
狭領域：45(pixel/mm)
ここで、相関領域が正方形でない理由としては、対象にしているプルームが定常流であり、Ｘ方向にはほとんど変化がないと仮定しているので、Ｙ方向の移動量検出制度を向上させるため、縦長の相関領域になっている。
Each parameter in the cross correlation method is as follows.
Correlation area: (X) 91 x (Y) 21 (pixel)
Exploration area: (X) 11 × (Y) 11 (pixel)
The spatial resolution at the time of wide area and narrow area shooting is as follows.
Wide area: 19 (pixel / mm)
Narrow area: 45 (pixel / mm)
Here, the reason why the correlation region is not square is that the target plume is a steady flow, and since there is almost no change in the X direction, in order to improve the movement amount detection system in the Y direction, It is a vertically long correlation area.
図６に背景パターンシュリーレン法で計測された、広領域の瞬時のスペックル移動量Δｙ分布を示す。図７に背景パターンシュリーレン法で計測された狭領域（加熱細線の中央部付近）の瞬時のスペックル移動量Δｙ分布を示す。図８に広領域と狭領域（加熱細線の中央部付近）の２回の実験より得られた屈折率分布を示す。図９に広領域の撮影から得られた温度分布を示す。図10に狭領域（加熱細線の中央部付近）の撮影から得られた温度分布を示す。図11に狭領域（加熱細線の中央部付近）の撮影から得られた代数的再構築法による温度計測結果と熱電対で計測した温度を示す。ここでの熱電対による直接測定も比較のため行った。 FIG. 6 shows an instantaneous speckle movement amount Δy distribution in a wide area measured by the background pattern Schlieren method. FIG. 7 shows an instantaneous speckle movement amount Δy distribution in a narrow region (near the center of the heating thin line) measured by the background pattern Schlieren method. FIG. 8 shows a refractive index distribution obtained by two experiments for a wide region and a narrow region (near the center of the heating thin wire). FIG. 9 shows a temperature distribution obtained from wide-area imaging. FIG. 10 shows the temperature distribution obtained from the image of a narrow region (near the center of the heating thin wire). Fig. 11 shows the results of temperature measurement by algebraic reconstruction method and the temperature measured by a thermocouple obtained from the image of a narrow area (near the center of the heating wire). The direct measurement by the thermocouple here was also performed for the comparison.
図11から代数的再構築法による温度分布は，加熱細線を中心にガウス分布状に発達している。広領域の撮影で得られた温度分布と狭領域（加熱細線の中央部付近）の撮影で得られた温度分布を比較すると、中心温度に大きな差があるが、熱電対で得られた温度と比較すると、狭領域（加熱細線の中央部付近）の撮影から得られた温度分布の中心温度と、計測精度の範囲で一致した結果が得られている。 From Fig. 11, the temperature distribution by the algebraic reconstruction method develops in a Gaussian distribution centering on the heating wire. Comparing the temperature distribution obtained by photographing the wide area and the temperature distribution obtained by photographing the narrow area (near the center of the heating wire), there is a large difference in the center temperature, but the temperature obtained by the thermocouple In comparison, a result that is consistent with the center temperature of the temperature distribution obtained from the imaging of the narrow region (near the center of the heating thin wire) in the range of measurement accuracy is obtained.
以上により本実施例は、測定対象とする温度場６の背景に置かれた斑点模様の描かれたシート１と、前記シート１をインライン照明12する照明部と、前記照明の投影軸上に前記シート１の画像を撮影し撮影領域内に入る位置で固定する撮影機11とで構成される温度測定装置を備え、測定対象の温度場６が前記撮影機11の投影軸上の交点となるように前記温度測定装置が複数配置Ａ、Ｂ、Ｃされる気体の３次元非接触温度計測装置であり、対象となる温度場６の有無によって生じる屈折率変化を、複数方向Ａ，Ｂ、Ｃから同時撮影し、温度場６の有無による前記撮影された画像の前記シート１の斑点分布の相互相関関数による斑点の移動量により温度を計測するものであり、この計測結果を３次元的に再構成するコンピュータ17を備えていることにより達成される。また中心温度から周囲温度までの領域を再構成して得られた温度分布を境界条件として与えた後、撮影された画像が十分な空間解像度が得られるまで中心温度近傍を拡大し、再構成を行うことにより高精度に測定するものである。 As described above, in the present embodiment, the sheet 1 on which the speckled pattern placed on the background of the temperature field 6 to be measured is drawn, the illuminating unit that performs inline illumination 12 on the sheet 1, and the illumination axis on the projection axis of the illumination. A temperature measuring device including a photographing device 11 for photographing an image of the sheet 1 and fixing it at a position within the photographing region, so that the temperature field 6 to be measured is an intersection on the projection axis of the photographing device 11; The temperature measuring device is a three-dimensional non-contact temperature measuring device for gases arranged in a plurality of arrangements A, B, and C, and changes in refractive index caused by the presence or absence of the target temperature field 6 from a plurality of directions A, B, and C. Simultaneously photographing and measuring the temperature by the amount of movement of the spot by the cross-correlation function of the spot distribution of the sheet 1 of the photographed image according to the presence or absence of the temperature field 6, this measurement result is reconstructed three-dimensionally Have computer 17 to More is achieved. Also, after giving the temperature distribution obtained by reconstructing the region from the center temperature to the ambient temperature as a boundary condition, the vicinity of the center temperature is enlarged until the captured image has sufficient spatial resolution, and reconstruction is performed. By doing so, it measures with high accuracy.
すなわち、気体の３次元温度分布を非接触で測定するために、光学的可視化として背景パターンシュリーレン法とＣＴ法を組み合わせることで３次元化する手段において、斑点模様のシートを用意したとき、背景パターン面１にレンズ３を用いて焦点をあわせると、その背景パターン１を撮影面４に撮影することができる。このとき、テストセクション２に周囲と異なる屈折率を持った物質が存在した場合、撮影面４に映る背景パターンは屈折率に応じて屈折し、ある移動量だけ移動した背景パターン４が撮影される。このとき計測された移動量Δｙにより、前記気体の屈折角と屈折率分布、グラッドストーン−デールの式と気体の状態式より温度分布を算出し、前記温度分布を前記ＣＴ法により３次元計測へ拡張している。これは、前記気体の背景パターンの撮影から前記屈折率変化による移動量を画像相関法により算出し、前記気体の屈折角および屈折率の分布は、代数的再構成法（ＭＡＲＴ）により算出している。さらに温度分布の精度を上げるため、十分な空間解像度が得られるまで中心温度近傍を拡大し、再構成を行っている。 That is, in order to measure the three-dimensional temperature distribution of gas in a non-contact manner, when a speckled sheet is prepared in a means for three-dimensionalization by combining the background pattern schlieren method and the CT method as optical visualization, When focusing is performed on the surface 1 using the lens 3, the background pattern 1 can be photographed on the photographing surface 4. At this time, if a substance having a different refractive index from the surroundings exists in the test section 2, the background pattern reflected on the imaging surface 4 is refracted according to the refractive index, and the background pattern 4 moved by a certain amount of movement is captured. . The temperature distribution is calculated from the refraction angle and refractive index distribution of the gas, the Gladstone-Dale equation and the gas state equation based on the movement amount Δy measured at this time, and the temperature distribution is converted into a three-dimensional measurement by the CT method. It has been expanded. This is because the movement amount due to the change in the refractive index is calculated from the imaging of the gas background pattern by the image correlation method, and the refraction angle and refractive index distribution of the gas are calculated by the algebraic reconstruction method (MART). Yes. In order to further improve the accuracy of the temperature distribution, the vicinity of the center temperature is expanded and reconstruction is performed until a sufficient spatial resolution is obtained.
このようにすると、背景パターンシュリーレン法は、レーザーや擦りガラスを必要としないため、比較的容易に光学的可視化に利用できる。また、光源が背景パターンを照射するための照明としての役割しか持たないため、装置の設置が容易であり、光源が振動しても背景パターン自体が変化しないことから振動にも強く、十分な精度を得ることができる。また、最適な条件になるように任意の背景パターンを作ることができるので、容易に背景パターンを制御することができる。したがって，レーザー照明や特別な光学系は不要となる。このため、ＣＴ法と組み合わせることで、熱電対による点計測ではなく、容易に３次元計測へ拡張可能である。細線周りの温度分布を得る際、中心温度から周囲温度までの領域を再構成して得られた温度分布を境界条件として与えた後、十分な空間解像度が得られるまで中心温度近傍を拡大し、再構成を行うことで、直接相互相関における誤差が少なくなり、空間解像度が増加するので、より高精度に計測することが可能になる。 In this way, the background pattern schlieren method does not require a laser or a rubbed glass, and therefore can be used for optical visualization relatively easily. In addition, since the light source only serves as illumination for irradiating the background pattern, it is easy to install the device, and since the background pattern itself does not change even if the light source vibrates, it is resistant to vibration and has sufficient accuracy. Can be obtained. Moreover, since an arbitrary background pattern can be created so as to satisfy the optimum conditions, the background pattern can be easily controlled. Therefore, laser illumination and special optical systems are not required. For this reason, by combining with the CT method, it is possible to easily extend to three-dimensional measurement instead of point measurement by a thermocouple. When obtaining the temperature distribution around the fine line, after giving the temperature distribution obtained by reconstructing the region from the center temperature to the ambient temperature as a boundary condition, the vicinity of the center temperature is expanded until a sufficient spatial resolution is obtained, By performing the reconstruction, errors in direct cross-correlation are reduced and the spatial resolution is increased, so that measurement can be performed with higher accuracy.
なお、本実施例は上記各実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば、測定対象となるものは、ガスなどの可燃性の気体でもよい。また光を透過するものであれば液体でも固体でもよい。また、計測装置のセット数すなわち方向の数は、実施例の３セットに限定するものではなく、何セットでもかまわない。 In addition, a present Example is not limited to said each embodiment, A various deformation | transformation implementation is possible. For example, the object to be measured may be a combustible gas such as a gas. Further, it may be liquid or solid as long as it transmits light. Further, the number of sets of measuring devices, that is, the number of directions is not limited to the three sets of the embodiment, and any number of sets may be used.
１ 背景パターン
６ 測定対象の温度場
７ 鉄板
８ 加熱細線（図面に対し垂直方向の）
11 ＣＣＤカメラ
12 ＬＥＤ光源
13 光学レンズ
14 すりガラス
15 電源
16 画像取り込み部
17 パソコン
1 Background pattern 6 Temperature field to be measured 7 Iron plate 8 Heating wire (perpendicular to the drawing)
11 CCD camera
12 LED light source
13 Optical lens
14 ground glass
15 Power supply
16 Image capture section
17 PC
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