JP2010243197A - 流体速度計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】流体の速度を精度良くかつ迅速に計測することができる流体速度計測システムを提供する。
【解決手段】本発明による流体速度計測システム１は、レーザ光３を発振するレーザ光発振部２と、レーザ光３をレーザシート光５に変換して被計測流体内に照射するレーザシート光形成部４と、レーザシート光５により被計測流体内に現れた被照射体画像６を観測するボアスコープ７とを備えている。このボアスコープ７に、観測された被照射体画像を撮像して被照射体画像データに変換するＰＩＶ用カメラ８が連結されている。レーザシート光形成部４およびボアスコープ８は、被計測流体側に延びるプローブ９に少なくともその一部が収納されて保持されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、流動している流体の速度を計測する流体速度計測システムに係り、とりわけ、流体の速度を精度良くかつ迅速に計測することができる流体速度計測システムに関する。

従来より、ガスタービン、蒸気タービン、水車などに代表されるターボ型流体機械、ピストンエンジン、ギヤポンプ、スクリューポンプなどに代表される容積型流体機械、または熱交換器や配管内部を流動している流体の速度を計測する方法として、ＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）システムを用いた計測方法が知られている。具体的には、まず、固体または液体の微粒子（トレーサ粒子）を混入して流体を流動させる。次に、この流体にシート状に形成されたレーザシート光を照射して現れた画像をカメラによって撮像する。その後、この撮像された画像に基づいて、トレーサ粒子の移動を計測することにより、流動している流体の速度を求めている（非特許文献１乃至３参照）。

上述したように、内部流体の速度を算出する場合、流体内にトレーサ粒子を混入している場合が多いが（特許文献１参照）、ピストンエンジン（特許文献２参照）、火力発電用蒸気タービン最終段付近、原子力用蒸気タービン内、配管内部、またはポンプなどにおいて内部流体の速度を計測する場合、燃料若しくは蒸気が凝縮して生成された液滴、または計測対象流体が液体である場合にはこの液体に含まれる気泡が、トレーサ粒子の代用となる場合もある。

このようなＰＩＶシステムを用いて流体の速度を計測する場合、流体機械のケーシング部（または配管）の少なくとも２箇所に、光が透過可能な窓を取り付けるための改造を行う必要がある。しかしながら、このような改造を、既に稼働しているガスタービンまたは蒸気タービンなどに行うことは困難である。

このような問題に対処するために、ケーシングに窓を一つ設けて、ケーシング内部に挿入されたプローブからレーザシート光を照射することによって現れた画像を、ケーシング外部から窓を介してカメラで撮像する方法が知られている（非特許文献４参照）。

また、レーザシート光の測定範囲の両側に対向するように対物レンズを配置して現れた画像を取り込み、ファイバースコープを介して画像撮像手段に伝送する流体の流動計測システムが開示されている（特許文献３参照）。

特開２００８−１７５７１０号公報 特開２００７−１７０９３４号公報 特開２００７−３３３０６号公報

Ｍ．ラッフェル、外２名著、「ＰＩＶの基礎と応用」、シュプリンガー・フェアラーク東京、２０００年６月 可視化情報学会編、「ＰＩＶハンドブック」、森北出版、２００２年７月 可視化情報学会編、「ＰＩＶと画像解析技術（可視化情報ライブラリー）」、朝倉書店、２００４年６月 「Particle Image Velocimetry」、Springer Berlin/Heidelberg、Volume 112/2008、p.311-331

しかしながら、非特許文献４に示す方法により流体の速度を計測する場合、ケーシングに設けられた窓の内面に、蒸気が凝縮することにより生成された水滴が付着するという問題がある。この場合、レーザシート光が照射されたトレーサ粒子から発せられた光が、窓の内面に付着した水滴によって散乱または屈折する。このことにより、現れた画像を精度良く撮像することは困難である。

また、例えば、熱交換器のように、内部に複数の伝熱管が千鳥配置されている場合には、レーザシート光が照射されたトレーサ粒子から発せられた光が、伝熱管の表面で反射する。このことにより、現れた画像を、ケーシングの外部から窓を介して精度良く撮像することは困難である。

特許文献３に示すシステムにおいては、対物レンズと画像撮像手段を接続しているファイバースコープは、数千本から数万本の光ファイバを束ねて形成されている。このようなファイバースコープを用いる場合、現れた画像は、これら多数の光ファイバ毎に分解されて画像撮像手段に伝送される。このため、画像撮像手段により撮像される画像に歪みが生じ、流体の速度を精度良く計測することが困難である。

さらに、ファイバースコープの耐熱温度は、一般に７０℃程度である。一方、原子力用蒸気タービン、火力発電用蒸気タービン、航空機のタービン、または自動車のエンジンなどの内部流体は温度が数百度に達する。このため、ファイバースコープの一部をこのような高温の内部流体に曝して流体の速度を計測することは困難である。

また、対物レンズと画像撮像手段を接続しているファイバースコープは柔軟性を有している。このため、レーザシート光の照射方向と対物レンズの視野方向とのなす角度を一定に維持することが難しい。この場合、予め調整しておいた画像の画素と実距離との関係がずれる。このため、蒸気タービンのケーシングに取り付けた後に改めて調整を行う必要があり、流体の速度を計測するために多くの時間が費やされる。

また、流体の速度を計測している間、流体に混入されていたトレーサ粒子が対物レンズに付着する。このことにより、レーザシート光が照射されたトレーサ粒子から発せられた光が、対物レンズに付着したトレーサ粒子によって散乱または屈折する。このため、レーザシート光が照射されることによって現れた画像を精度良く撮像することが困難である。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、流体の速度を精度良くかつ迅速に計測することができる流体速度計測システムを提供することを目的とする。

本発明は、レーザ光を発振するレーザ光発振部と、前記レーザ光発振部から発振されたレーザ光をシート状に形成されたレーザシート光に変換して被計測流体内に照射するレーザシート光形成部と、前記レーザシート光形成部から照射されたレーザシート光により被計測流体内に現れた被照射体画像を観測するボアスコープと、前記ボアスコープにより観測された被照射体画像を撮像して被照射体画像データに変換する画像撮像手段と、を備え、前記ボアスコープおよび前記レーザシート光形成部は、被計測流体側に延びる収納体に少なくともその一部が収納されて保持されていることを特徴とする流体速度計測システムである。

本発明は、レーザ光を発振するレーザ光発振部と、前記レーザ光発振部から発振されたレーザ光をシート状に形成されたレーザシート光に変換して被計測流体内に照射するレーザシート光形成部と、前記レーザシート光形成部から照射されたレーザシート光により被計測流体内に現れた被照射体画像であって、第１の方向からみた第１被照射体画像を観測する第１ボアスコープと、レーザシート光に対して前記第１ボアスコープと同一の側に配置され、被計測流体内に現れた被照射体画像であって、第１の方向とは異なる第２の方向からみた第２被照射体画像を観測する第２ボアスコープと、前記第１ボアスコープにより観測された第１被照射体画像を撮像して第１被照射体画像データに変換する第１画像撮像手段と、前記第２ボアスコープにより観測された第２被照射体画像を撮像して第２被照射体画像データに変換する第２画像撮像手段と、を備え、前記第１ボアスコープ、前記第２ボアスコープ、および前記レーザシート光形成部は、被計測流体側に延びる収納体に収納されて保持されていることを特徴とする流体速度計測システムである。

本発明によれば、ボアスコープの少なくとも一部およびレーザシート光形成部の少なくとも一部が収納体に収納されて保持され、ボアスコープの視野方向とレーザシート光の照射方向とのなす角度が常に一定に維持されている。このことにより、被計測流体内に現れた被照射体画像を精度良くかつ迅速に撮像し、被計測流体中の被照射体の２次元あるいは３次元の流動状態を精度良くかつ迅速に計測することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態における流体速度計測システムの全体構成を示す概略図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態における流体速度計測システムの流体速度撮像装置を蒸気タービンのケーシングに装着した状態を示す図である。 図３（ａ）は、本発明の第１の実施の形態における流体速度計測システムにおいて、プローブの先端部の詳細を示す平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の側面断面図である。 図４（ａ）は、本発明の第１の実施の形態における流体速度計測システムにおいて、レーザシート光の照射方向をプローブの長手方向に平行に照射する場合のプローブの先端部の詳細を示す側面断面図であり、図４（ｂ）は、レーザシート光の照射方向をプローブの長手方向に対して直交させる場合のプローブの先端部の詳細を示す側面断面図であり、図４（ｃ）は、レーザシート光の照射方向とプローブの長手方向とのなす角度をθに設定している場合のプローブの先端部の詳細を示す図である。 図５は、本発明の第２の実施の形態における流体速度計測システムの全体構成を示す図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態における流体速度計測システムにおいて、プローブの先端部の詳細を示す側面断面図である。 図７は、本発明の第３の実施の形態における流体速度計測システムの全体構成を示す概略図である。

第１の実施の形態
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ここで、図１乃至図４は、本発明の第１の実施の形態における流体速度計測システムを示す図である。

まず、図１により流体速度計測システムの全体構成について説明する。本実施の形態においては、一例として、蒸気タービンのケーシング内を流動している蒸気の流速を計測する場合について説明する。

図１に示すように流体速度計測システム１は、レーザ光（ＹＡＧレーザ光）３を発振するレーザ光発振部２と、レーザ光発振部２から発振されたレーザ光３をシート状に形成されたレーザシート光５に変換し、このレーザシート光５を、微細な被照射体を含み流動している被計測流体（蒸気）内に照射するレーザシート光形成部４と、レーザシート光形成部４から照射されたレーザシート光５により被計測流体内に現れた被照射体画像６を観測するためのボアスコープ７とを備えている。なお、本実施の形態においては、トレーサ粒子などを混入させることなく、蒸気が凝縮することにより生成された水滴を被照射体としてレーザシート光５を照射させて、被照射体画像６が得られるようになっている。

ボアスコープ７に、ボアスコープ７により観測された被照射体画像６を撮像して被照射体画像データに変換するＰＩＶ用カメラ（画像撮像手段）８が連結されている。

ボアスコープ７およびレーザシート光形成部４は、被計測流体側に円筒状に延びるプローブ（収納体）９に収納されて保持されている。これにより、ボアスコープ７の視野方向とレーザシート光５の照射方向とのなす角度は一定に維持されている。また、プローブ９は、内部空間１０を有しており、レーザ光発振部２から発振されたレーザ光３は、この内部空間１０を通ってレーザシート光形成部４に導かれるようになっている。

図３（ｂ）に示すように、レーザシート光形成部４は、レーザ光発振部２から発振されたレーザ光３の照射方向を変える照射側プリズム（照射方向変更部）１１と、この照射側プリズム１１を通ったレーザ光３をシート状のレーザシート光５に変換するスフェリカルレンズ１２とを有している。このうち照射側プリズム１１は、プローブ９に回動自在に取り付けられ、スフェリカルレンズ１２は、照射側プリズム１１の回動に対応するようにプローブ９に対して回動自在に取り付けられている。なお、本実施の形態においては、図３（ｂ）に示すように、スフェリカルレンズ１２を１枚のレンズとして構成しているが、このことに限られることはなく、複数のレンズ群として構成しても構わない。また、スフェリカルレンズ１２を照射側プリズム１１の被計測流体側に配置しているが、スフェリカルレンズ１２を照射側プリズム１１のレーザ光発振部２側に配置することも可能である。

ボアスコープ７は、被計測流体側に向かって直線状に延び、被計測流体内に現れた被照射体画像６をＰＩＶ用カメラ８に伝送する画像伝送路１３と、画像伝送路１３の先端部（被計測流体側端部）１３ａに設けられ、ボアスコープ７の視野方向を変更する視野側プリズム（視野方向変更部）１４とを有している。このうち、視野側プリズム１４は、画像伝送路１３の先端部１３ａに回動自在に取り付けられており、画像伝送路１３は、プローブ９内を通るレーザ光３の照射方向、およびプローブ９の長手方向と平行になっている。また、ボアスコープ７の視野側プリズム１４の近傍に、スコープ窓１５が設けられ、このスコープ窓１５を介して被照射体画像６を取り込むようになっている。

図１および図３（ｂ）に示すように、ボアスコープ７の視野方向とレーザシート光５の照射方向とのなす角度は、９０°となるように一定に維持されている。すなわち、ボアスコープ７の視野方向は、レーザシート光５の照射方向に対して直交している。なお、図１および図３（ａ）、（ｂ）においては、ボアスコープ７の画像伝送路１３の先端部１３ａは、レーザシート光形成部４よりも被計測流体側（プローブ９の先端側）に配置され、ボアスコープ７の視野方向と画像伝送路１３の長手方向とのなす角度は１２０°に設定されており、レーザシート光５の照射方向とプローブ９の長手方向は３０°に設定されている。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、プローブ９に、レーザシート光形成部４から照射されたレーザシート光５が透過する照射側窓１６と、被計測流体内に現れた被照射体画像６が透過する視野側窓１７とが保持されている。これら照射側窓１６および視野側窓１７は、石英ガラスからなっている。

なお、本実施の形態においては、レーザシート光形成部４全体がプローブ９内に収納され、照射側窓１６として、照射側プリズム１１またはスフェリカルレンズ１２とは別の構成として石英ガラス製の窓が設けられている。しかしながらこのことに限られることはなく、照射側プリズム１１およびスフェリカルレンズ１２のうち先端側に設けられる光学部材が、照射側窓１６を兼ねるように構成することもできる。このように照射側プリズム１１およびスフェリカルレンズ１２のうちの一方が照射側窓１６を兼ねる場合、照射側プリズム１１およびスフェリカルレンズ１２により形成されたレーザシート光５が、照射側窓１６の反射または屈折による影響を受けることがないという利点がある。また、本実施の形態においては、ボアスコープ７全体がプローブ９内に収納されて視野側窓１７が設けられているが、このことに限られることはなく、視野側窓１７を設けることなく、ボアスコープ７の先端部７ａをプローブ９から先端側に突出させて、プローブ９の外側に設けるように構成することも可能である。すなわち、レーザシート光形成部４およびボアスコープ７は、少なくともその一部がプローブ９内に収納されて保持されていればよい。

プローブ９に、照射側窓１６の表面および視野側窓１７の表面に照射側窓１６の表面および視野側窓１７の表面を清掃するための空気（清掃媒体）を供給する空気供給手段（清掃媒体供給手段）１８が設けられている。すなわち、空気供給手段１８は、照射側窓１６の表面に空気を吹き付ける照射側窓用吹付孔１９と、視野側窓１７の表面に空気を吹き付ける視野側窓用吹付孔２０と、プローブ９の内部空間１０に空気を供給する空気導入孔２１とを含んでおり、この空気導入孔２１に導入された空気は、プローブ９の内部空間１０を通って、照射側窓用吹付孔１９および視野側窓用吹付孔２０に供給されるようになっている。ここで、蒸気タービンのケーシング３０（図２参照）内を流動している蒸気の圧力は、一般に、大気圧より低くなっている。このため、本実施の形態のように蒸気タービンのケーシング３０内を流動している蒸気の流速を計測する場合には、圧縮機などを設けることなく、空気供給手段１８の空気導入孔２１にケーシング３０の外部の空気が吸い込まれ、この空気が照射側窓用吹付孔１９および視野側窓用吹付孔２０から吹き出すようになっている。なお、ケーシング３０内の蒸気の圧力が大気圧より高い場合には、空気導入孔２１に空気を供給するための圧縮機を連結して、空気を供給可能に構成すれば良い。

そして図１に示すように、プローブ９に、レーザ光発振部２およびＰＩＶ用カメラ８を収納して保持する筐体２２が連結されている。この筐体２２内に、レーザ光発振部２から発振されたレーザ光３を屈折させて案内する２つの反射ミラー２３、２４が設けられ、レーザ光発振部２から発振されたレーザ光３がプローブ９内に案内されるようになっている。このようにして、レーザ光発振部２と、ＰＩＶ用カメラ８と、筐体２２と、レーザシート光形成部４と、ボアスコープ７と、プローブ９とにより、流体速度撮像装置２５が構成されている。

この流体速度撮像装置２５は、図２に示すように、蒸気タービンのケーシング３０に予め設けられた挿入孔３１にプローブ９を挿入した状態で、トラバース装置３４を介してケーシング３０に取り付けられる。このトラバース装置３４は、流体速度撮像装置２５をプローブ９の長手方向およびこの長手方向を中心軸とする回転方向に移動可能に構成されている。このことにより、照射側窓１６および視野側窓１７を静翼３２と動翼３３との間の所望の位置に移動させることができる。

図１に示すように、ＰＩＶ用カメラ８に、このＰＩＶ用カメラ８により得られた被照射体画像データに基づいて、水滴の移動を計測することにより被計測流体の速度を算出するコンピュータ２６が接続されている。

ＰＩＶ用カメラ８とコンピュータ２６との間にカメラ電源２７および同期コントローラ２８が接続されている。この同期コントローラ２８は、さらに、レーザ光電源２９を介してレーザ光発振部２に接続されている。同期コントローラ２８は、レーザ光発振部２からレーザ光３を発振するタイミングと、ＰＩＶ用カメラ８によって被照射体画像６を撮像するタイミングを同期させるようになっている。このようにして、流体速度計測システム１が構成されている。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

まず、図１に示すように、流体速度撮像装置２５を蒸気タービンのケーシング３０に取り付ける前に、ボアスコープ７の視野方向とレーザシート光５の照射方向を調整する。この場合、まず、レーザシート光５の照射方向が、被計測流体の流れの方向とほぼ平行となるように、レーザシート光形成部４の照射側プリズム１１（図３（ｂ）参照）の傾きを調整する。ここでは、一例として、レーザシート光５の照射方向とプローブ９の長手方向とのなす角度を３０°に設定する。次に、ボアスコープ７の視野方向を、レーザシート光５の照射方向に直交するようにボアスコープ７の視野側プリズム１４を調整する。ここでは、ボアスコープ７の視野方向と画像伝送路１３の長手方向とのなす角度を１２０°に設定する。

次に、図２に示すように、流体速度撮像装置２５のプローブ９がケーシング３０の挿入孔３１に挿入され、流体速度撮像装置２５がトラバース装置３４を介してケーシング３０に取り付けられる。その後、このトラバース装置３４によって流体速度撮像装置２５をプローブ９の長手方向およびこの長手方向を中心軸とする回転方向に移動させ、照射側窓１６および視野側窓１７を静翼３２と動翼３３との間の所望の位置に移動させる。

次に、図１に示すように、同期コントローラ２８からの指示に基づいてレーザ光発振部２８からレーザ光３が発振される。発振されたレーザ光３は、２つの反射ミラー２３、２４を介してプローブ９に送られ、プローブ９の内部空間１０を通ってレーザシート光形成部４に導かれる。

レーザシート光形成部４に導かれたレーザ光３は、図３（ｂ）に示すように、照射側プリズム１１によりその照射方向が変えられてスフェリカルレンズ１２に導かれ、シート状に形成されたレーザシート光５に変換される。

このレーザシート光５は、照射側窓１６を透過して被計測流体内に照射される。このレーザシート光５が被計測流体内の水滴に照射されることにより水滴から光が発せられ、被計測流体内に２次元の被照射体画像６が現れ、ボアスコープ７によって観測される。

すなわち、被計測流体内に現れた被照射体画像６は、ボアスコープ７の視野方向に沿って視野側窓１７およびスコープ窓１５を透過して視野側プリズム１４に取り込まれる。この視野側プリズム１４によって、被照射体画像６の伝送方向が画像伝送路１３の長手方向に変換され、画像伝送路１３を通ってＰＩＶ用カメラ８に伝送される。

ＰＩＶ用カメラ８に伝送された被照射体画像６が、図１に示すように、ＰＩＶ用カメラ８によって撮像されて、被照射体画像データに変換される。この場合、同期コントローラ２８からの指示に基づいて被照射体画像６が撮像される。このことにより、レーザ光発振部２からレーザ光３を発振してから所定時間経過後に、ＰＩＶ用カメラ８によって被照射体画像６を撮像することができる。

ＰＩＶ用カメラ８によって変換された被照射体画像データは、コンピュータ２６に送信され、この被照射体画像データに基づいて、水滴の移動が計測されて、被計測流体の２次元速度が算出される。このことにより、流動している流体の２次元速度を計測することができる。

この間、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、空気供給手段１８の空気導入孔２１からプローブ９の内部空間１０にケーシング３０外部の空気が供給され、供給された空気がプローブ９の内部空間１０を通って照射側窓用吹付孔１９および視野側窓用吹付孔２０に供給されている。この供給された空気は照射側窓用吹付孔１９から照射側窓１６に吹き付けられるとともに、視野側窓用吹付孔２０から視野側窓１７に吹き付けられる。

このように本実施の形態によれば、ボアスコープ７およびレーザシート光形成部４がプローブ９に収納されて保持され、ボアスコープ７の視野方向が、レーザシート光５の照射方向に対して直交するように維持されている。このことにより、被計測流体内に現れた被照射体画像６を精度良く撮像することができる。この場合、流体速度撮像装置２５を蒸気タービンのケーシング３０に取り付ける前に、ボアスコープ７の視野方向とレーザシート光５の照射方向を調整しておけば、流体速度撮像装置２５のプローブ９を蒸気タービンのケーシング３０内に挿入した後、ボアスコープ７の視野方向とレーザシート光５の照射方向を調整する必要がない。このことにより、被照射体画像６を迅速に撮像することができる。このため、この被照射体画像６から変換された被照射体画像データに基づいて、コンピュータ２６によって水滴の移動が計測され、被計測流体の速度を精度良く算出することができる。この結果、流動している流体の速度を精度良くかつ迅速に計測することができる。

また本実施の形態によれば、直線状に延びる画像伝送路１３を有するボアスコープ７により観測された被照射体画像６がＰＩＶ用カメラ８に伝送される。このことにより、被計測流体内に現れた被照射体画像６を精度良くＰＩＶ用カメラ８に伝送して、ＰＩＶ用カメラ８により被照射体画像６を精度良く撮像することができる。

また本実施の形態によれば、照射側窓１６および視野側窓１７に空気を供給する空気供給手段１８が設けられ、照射側窓１６および視野側窓１７に空気が吹き付けられる。このことにより、照射側窓１６および視野側窓１７に付着した水滴を取り除くことができ、レーザシート光が照射された水滴から発せられた光が照射側窓１６および視野側窓１７に付着した水滴によって散乱または屈折することを防止することができる。また、ケーシング３０外部の空気がプローブ９内部に供給されることにより、プローブ９内部、特にボアスコープ７を冷却することができる。このことは、例えば蒸気タービンの起動時にケーシング３０内部を流動している蒸気の温度が比較的高くなる場合に特に効果的である。

なお、上述したように、レーザシート光形成部４の一部が照射側窓１６を兼ねる場合には、空気供給手段１８の照射側窓用吹付孔１９からレーザシート光形成部４にプローブ９の外側から空気を吹き付けるように構成すれば、同様にして付着した水滴を取り除くことが可能である。

また、ボアスコープ７の先端部７ａをプローブ９の外側に配置させる場合、空気供給手段１８の視野側窓用吹付孔２０からボアスコープ７の先端部７ａにプローブ９の外側から空気を吹き付けるように構成すれば、同様にして付着した水滴を取り除くことが可能である。

また本実施の形態によれば、被計測流体に照射されるレーザシート光５に対して一方の側から被照射体画像６が取り込まれる。このことにより、計測対象領域を流れる被計測流体の流れが、プローブ９の影響を受けて乱れることを抑制することができる。このため、被計測流体の速度を精度良く計測することができる。

なお、本実施の形態においては、被計測流体にトレーサ粒子を混入させることなく、被計測流体に含まれる水滴にレーザシート光５を照射させて、被照射体画像６を得る例について述べた。しかしながらこのことに限られることはなく、被計測流体に固体または液体の微細なトレーサ粒子（被照射体）を混入させて、このトレーサ粒子にレーザシート光５を照射させて、被照射体画像６を得るようにしても良い。

また本実施の形態においては、図１および図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ボアスコープ７の視野方向と画像伝送路１３の長手方向とのなす角度が１２０°に設定されているとともに、レーザシート光５の照射方向とプローブ９の長手方向とのなす角度が３０°に設定されている例について述べた。しかしながらこのことに限られることはなく、ボアスコープ７の視野方向およびレーザシート光５の照射方向をそれぞれ任意の方向に設定することができる。例えば、図４（ａ）に示すように、ボアスコープ７の画像伝送路１３の先端部１３ａをレーザシート光形成部４よりも被計測流体側（プローブ９の先端側）に配置して、レーザシート光５をプローブ９の長手方向に沿って照射し、ボアスコープ７の視野方向を画像伝送路１３の長手方向に対して直交するように構成してもよい。また、図４（ｂ）に示すように、レーザシート光形成部４を、ボアスコープ７の画像伝送路１３の先端部１３ａよりも被計測流体側に配置して、レーザシート光５の照射方向をプローブ９の長手方向に対して直交させ、ボアスコープ７の視野方向を画像伝送路１３の長手方向に一致させるように構成してもよい。さらに、図４（ｃ）に示すように、レーザシート光５の照射方向とプローブ９の長手方向とのなす角度をθに設定し、ボアスコープ７の視野方向と画像伝送路１３の長手方向とのなす角度をθ−π／２で表される角度に設定させるように構成してもよい。この場合、θは照射側プリズム１１の傾きを調整することにより、予め定められた範囲にわたって任意の値に設定することができる。このような構成は、計測対象領域を流れる流体の流れの方向に応じて使い分けることにより、流体の流れの方向が異なるさまざまな箇所において、レーザシート光５を流体の流れにほぼ平行となるように照射して被照射体画像６を撮像することができる。このため、さまざまな箇所における流体の速度を精度良く計測することができる。

本発明の変形例
次に、本発明による流体速度計測システムの変形例について説明する。本変形例は、照射側窓の表面および視野側窓の表面にコーティングが施されているものであり、他の構成は図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。

本変形例によれば、照射側窓１６の表面および視野側窓１７の表面に、親水コーティングが施されている。

このように本変形例によれば、照射側窓１６の表面および視野側窓１７の表面に親水コーティングが施されているため、照射側窓１６の表面および視野側窓１７の表面に付着した水滴は、その形状を維持することなく、薄い膜状に広がる。このことにより、レーザシート光５が照射された水滴から発せられた光が、照射側窓１６および視野側窓１７によって散乱または屈折することを防止することができる。このため、被計測流体内に現れた被照射体画像６を精度良く撮像することができる。

なお、本変形例においては、照射側窓１６の表面および視野側窓１７の表面に、親水コーティングが施されている例について述べた。しかしながらこのことに限られることはなく、照射側窓１６の表面および視野側窓１７の表面に、撥水コーティングを施しても良い。この場合、照射側窓１６の表面および視野側窓１７の表面に水滴が付着することを防止することができる。あるいは、照射側窓１６の表面および視野側窓１７の表面に、反射防止コーティングを施しても良い。この場合、レーザシート光５が照射された水滴から発せられた光が、照射側窓１６および視野側窓１７によって反射することを防止することができる。

本発明の他の変形例
さらに、本発明による流体速度計測システムの他の変形例について説明する。本変形例においては、レーザシート光が照射されるタービン構造物の表面に黒化処理が施されているものであり、他の構成は図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。

本変形例によれば、被計測流体内に、レーザシート光５が照射される背面体、すなわちタービン構造物（静翼３２、動翼３３（図２参照）など）が設けられ、これらタービン構造物のうちレーザシート光５が照射される表面に黒化処理が施されている。

このように本変形例によれば、レーザシート光５が照射される静翼３２、動翼３３などのタービン構造物の表面に黒化処理が施されているため、被計測流体に照射されるレーザシート光５がタービン構造物に照射されて反射することを防止することができる。このため、被計測流体内に現れた被照射体画像６を精度良く撮像することができる。

第２の実施の形態
次に、図５および図６により、本発明の第２の実施の形態における流体速度計測システムについて説明する。

図５および図６に示す第２の実施の形態における流体速度計測システムは、照射側プリズムを駆動する照射側プリズム駆動部、および視野側プリズムを駆動する視野側プリズム駆動部が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５および図６において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図５および図６に示すように、ボアスコープ７の視野側プリズム１４に、この視野側プリズム１４を駆動する視野側アクチュエータ（視野方向変更駆動部）４０が連結されている。また、レーザシート光形成部４の照射側プリズム１１に、この照射側プリズム１１を駆動する照射側アクチュエータ（照射方向変更駆動部）４１が連結されている。

視野側アクチュエータ４０および照射側アクチュエータ４１に、ボアスコープ７の視野方向とレーザシート光５の照射方向が直交するように視野側アクチュエータ４０および照射側アクチュエータ４１を制御するアクチュエータ制御部（駆動部制御手段）４２が接続されている。

このように本実施の形態によれば、ボアスコープ７の視野方向とレーザシート光５の視野方向が常に直交するようにアクチュエータ制御部４２により制御されながら、レーザシート光５の照射方向が照射側アクチュエータ４１により変更されるとともに、ボアスコープ７の視野方向が視野側アクチュエータ４０によって変更される。このことにより、レーザシート光５の照射方向を流体の流れにほぼ平行となるようにレーザシート光５の照射方向を容易かつ迅速に設定することができる。またこの場合、ボアスコープ７の視野方向とレーザシート光５の視野方向が常に直交するように、レーザシート光５の照射方向およびボアスコープ７の視野方向が変更されるため、被計測流体内に現れた被照射体画像６を精度良く撮像することができる。この結果、流動している流体の速度を精度良くかつ迅速に計測することができる。

第３の実施の形態
次に、図７により、本発明の第３の実施の形態における流体速度計測システムについて説明する。

図７に示す第３の実施の形態における流体速度計測システムは、２つのボアスコープおよび２つのＰＩＶ用カメラを用いて被照射体画像を撮像する点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図７において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図７に示す流体速度計測システムは、レーザシート光形成部４から照射されたレーザシート光５により被計測流体内に現れた被照射体画像６であって、第１の方向からみた第１被照射体画像を観測する第１ボアスコープ５０と、レーザシート光５に対して第１ボアスコープ５０と同一の側に配置され、被計測流体内に現れた被照射体画像６であって、第１の方向とは異なる第２の方向からみた第２被照射体画像を観測する第２ボアスコープ５１と、を備えている。

第１ボアスコープ５０に、第１ボアスコープ５０により観測された第１被照射体画像を撮像して第１被照射体画像データに変換する第１ＰＩＶ用カメラ（第１画像撮像手段）５２が連結されている。

第２ボアスコープ５１に、第２ボアスコープ５１により観測された第２被照射体画像を撮像して第２被照射体画像データに変換する第２ＰＩＶ用カメラ（第２画像撮像手段）５３が連結されている。

第１ボアスコープ５０、第２ボアスコープ５１、およびレーザシート光形成部４は、被計測流体側に延びるプローブ（収納体）５４に収納されて保持されている。これにより、第１ボアスコープ５０の視野方向とレーザシート光５の照射方向とのなす角度が一定に維持されるとともに、第２ボアスコープ５１の視野方向とレーザシート光５の照射方向とのなす角度が一定に維持されている。このプローブ５４は、内部空間５５を有しており、レーザ光発振部２から発振されたレーザ光３は、この内部空間５５を通ってレーザシート光形成部４に導かれるようになっている。

このうち第１ボアスコープ５０は、被計測流体側に向かって直線状に延び、第１被照射体画像を第１ＰＩＶ用カメラ５２に伝送する第１画像伝送路（図示せず）と、第１画像伝送路の先端部（被計測流体側端部）に設けられ、第１ボアスコープ５０の視野方向を変更する第１視野側プリズム（図示せず）とを有している。このうち、第１視野側プリズムは、第１画像伝送路の先端部に回動自在に取り付けられている。

同様に、第２ボアスコープ５１は、被計測流体側に向かって直線状に延び、第２被照射体画像を第２ＰＩＶ用カメラ５３に伝送する第２画像伝送路（図示せず）と、第２画像伝送路の先端部（被計測流体側端部）に設けられ、第２ボアスコープ５１の視野方向を変更する第２視野側プリズム（図示せず）とを有している。このうち、第２視野側プリズムは、第２画像伝送路の先端部に回動自在に取り付けられている。

プローブ５４に、レーザシート光形成部４から照射されたレーザシート光５が透過する照射側窓１６が保持と、被計測流体内に現れた第１被照射体画像が透過する第１視野側窓５６と、第２被照射体画像が透過する第２視野側窓５７とが保持されている。これら照射側窓１６、第１視野側窓５６、および第２視野側窓５７は、石英ガラスからなっている。

第１視野側窓５６と第１ボアスコープ５０の第１視野側プリズム（図示せず）との間に、第１レンズ５８が設けられ、この第１レンズ５８と第１視野側プリズムとは、各々の光軸が一致するように角度オフセット配置されている。同様に、第２視野側窓５７と第２ボアスコープ５１の第２視野側プリズム（図示せず）との間に、第２レンズ５９が設けられ、この第２レンズ５９と第２視野側プリズムとは、各々の光軸が一致するように角度オフセット配置されている。

図７に示すように、プローブ５４に、レーザ光発振部２、第１ＰＩＶ用カメラ５２、および第２ＰＩＶ用カメラ５３を収納して保持する筐体６０が連結されている。このようにして、レーザ光発振部２と、第１ＰＩＶ用カメラ５２と、第２ＰＩＶ用カメラ５３と、筐体６０と、レーザシート光形成部４と、第１ボアスコープ５０と、第２ボアスコープ５１と、プローブ５４とにより、流体速度撮像装置６１が構成されている。

第１ＰＩＶ用カメラ５２および第２ＰＩＶ用カメラ５３に、第１ＰＩＶ用カメラ５２により得られた第１被照射体画像データ、および第２ＰＩＶ用カメラ５３により得られた第２被照射体画像データに基づいて、被照射体の移動を計測することにより被計測流体の速度を算出するコンピュータ（速度算出手段）６２が接続されている。

第１ＰＩＶ用カメラ５２とコンピュータ６２との間にカメラ電源６３および同期コントローラ６４が接続されている。この同期コントローラ６４は、さらに、レーザ光電源２９を介してレーザ光発振部２に接続されている。同期コントローラ６４は、レーザ光発振部２からレーザ光３を発振するタイミングと、第１ＰＩＶ用カメラ５２および第２ＰＩＶ用カメラ５３によって第１被照射体画像および第２被照射体画像を撮像するタイミングを同期させている。このようにして、流体速度計測システム１が構成されている。

図７に示す流体速度計測システム１において流動している流体の速度を計測する場合、流体速度撮像装置６１を蒸気タービンのケーシング３０に取り付ける前に、第１ボアスコープ５０の視野方向、第２ボアスコープ５１の視野方向、およびレーザシート光５の照射方向を調整する。この場合、まず、レーザシート光５の照射方向が、被計測流体の流れの方向とほぼ平行となるように調整し、第１ボアスコープ５０の視野方向とレーザシート光５の照射方向とのなす角度を所定の角度に設定するとともに、第２ボアスコープ５１の照射方向とレーザシート光５の照射方向とのなす角度を所定の角度に設定する。

次に、流体速度撮像装置６１が、トラバース装置（図示せず）を介して蒸気タービンのケーシング３０に取り付けられる。

次に、図７に示すように、同期コントローラ６４からの指示に基づいてレーザ光発振部２からレーザ光３が発振される。発振されたレーザ光３は、プローブ５４の内部空間５５を通ってレーザシート光形成部４に導かれる。

レーザシート光形成部４に導かれたレーザ光３は、照射側プリズム１１により、その照射方向が変えられてスフェリカルレンズ１２（図３（ｂ）参照）に導かれ、シート状に形成されたレーザシート光５に変換される。

このレーザシート光５は、照射側窓１６を透過して被計測流体内に照射される。このレーザシート光５が被計測流体内の水滴に照射されることにより、水滴から光が発せられ、被計測流体内に２次元の被照射体画像が現れ、第１ボアスコープ５０および第２ボアスコープ５１によって観測される。

すなわち、被計測流体内に現れた被照射体画像は、第１の方向からみる第１ボアスコープ５０の視野方向に沿って第１視野側窓５６を透過して第１ＰＩＶ用カメラ５２に伝送されるとともに、第２の方向からみる第２ボアスコープ５１の視野方向に沿って第２視野側窓５７を透過して第２ＰＩＶ用カメラ５３に伝送される。

第１ＰＩＶ用カメラ５２に伝送された第１被照射体画像が、第１ＰＩＶ用カメラ５２によって撮像されて、第１被照射体画像データに変換されるとともに、第２ＰＩＶ用カメラ５３に伝送された第２被照射体画像が、第２ＰＩＶ用カメラ５３によって撮像されて、第２被照射体画像データに変換される。この場合、同期コントローラ６４からの指示に基づいて第１ＰＩＶ用カメラ５２により第１被照射体画像が撮像されるとともに、第２ＰＩＶ用カメラ５３により第２被照射体画像が撮像される。このことにより、レーザ光発振部２からレーザ光３を発振してから所定時間経過後に、第１ＰＩＶ用カメラ５２および第２ＰＩＶ用カメラ５３によって第１被照射体画像および第２被照射体画像を同時に撮像することができる。

第１ＰＩＶ用カメラ５２によって変換された第１被照射体画像データおよび第２ＰＩＶ用カメラ５３によって変換された第２被照射体画像データは、コンピュータ６２に送信され、この第１被照射体画像データおよび第２被照射体画像データに基づいて、水滴の移動が計測されて、被計測流体の３次元速度が算出される。このことにより、流動している流体の３次元速度を計測することができる。

このように本実施の形態によれば、レーザシート光形成部４、第１ボアスコープ５０、および第２ボアスコープ５１がプローブ５４に収納されて保持され、第１ボアスコープ５０の視野方向とレーザシート光５の照射方向とのなす角度が一定に維持されるとともに、第２ボアスコープ５１の視野方向とレーザシート光５の照射方向とのなす角度が一定に維持されている。このことにより、被計測流体内に現れ、第１の方向からみた第１被照射体画像および第１の方向とは異なる第２の方向からみた第２被照射体画像を精度良く撮像することができる。この場合、流体速度撮像装置６１を蒸気タービンのケーシング３０に取り付ける前に、第１ボアスコープ５０の視野方向とレーザシート光５の照射方向、および第２ボアスコープ５１の視野方向とレーザシート光５の照射方向を調整しておけば、流体速度撮像装置６１のプローブ５４を蒸気タービンのケーシング３０内に挿入した後、第１ボアスコープ５０の視野方向とレーザシート光５の照射方向、および第２ボアスコープ５１の視野方向とレーザシート光５の照射方向を調整する必要がない。このことにより、第１被照射体画像および第２被照射体画像を迅速に撮像することができる。このため、これら第１被照射体画像および第２被照射体画像から変換された第１被照射体画像データおよび第２被照射体画像データに基づいて、コンピュータ６２によって水滴の移動が計測され、被計測流体の３次元速度を精度良く算出することができる。この結果、流動している流体の３次元速度を精度良くかつ迅速に計測することができる。

なお、本実施の形態においては、第１レンズ５８と第１視野側プリズムとが各々の光軸が一致するように角度オフセット配置されるとともに、第２レンズ５９と第２視野側プリズムとが各々の光軸が一致するように角度オフセット配置されている例について述べた。しかしながらこのことに限られることはなく、第１レンズ５８を第１視野側プリズムの光軸からオフセットするようにレンズオフセット配置し、第２レンズ５９を第２視野側プリズムの光軸からオフセットするようにレンズオフセット配置するようにしても良い。この場合においても、流動している流体の３次元速度を精度良く計測することができる。

さらに、第１レンズ５８の面、第１視野側プリズムの面、レーザシート光５のシート面が、１軸で交わるようにシャインプルーフ（Scheimpflug）配置し、第２レンズ５９の面、第２視野側プリズムの面、レーザシート光５のシート面が、１軸で交わるようにシャインプルーフ配置するようにしても良い。この場合においても、流動している流体の３次元速度を精度良く計測することができる。

１ 流体速度計測システム
２ レーザ光発振部
３ レーザ光
４ レーザシート光形成部
５ レーザシート光
６ 被照射体画像
７ ボアスコープ
７ａ 先端部
８ ＰＩＶ用カメラ
９ プローブ
１０ 内部空間
１１ 照射側プリズム
１２ スフェリカルレンズ
１３ 画像伝送路
１３ａ 先端部
１４ 視野側プリズム
１５ スコープ窓
１６ 照射側窓
１７ 視野側窓
１８ 空気供給手段
１９ 照射側窓用吹付孔
２０ 視野側窓用吹付孔
２１ 空気導入孔
２２ 筐体
２３ 反射ミラー
２４ 反射ミラー
２５ 流体速度撮像装置
２６ コンピュータ
２７ カメラ電源
２８ 同期コントローラ
２９ レーザ光電源
３０ ケーシング
３１ 挿入孔
３２ 静翼
３３ 動翼
３４ トラバース装置
４０ 視野側アクチュエータ
４１ 照射側アクチュエータ
４２ アクチュエータ制御部
５０ 第１ボアスコープ
５１ 第２ボアスコープ
５２ 第１ＰＩＶ用カメラ
５３ 第２ＰＩＶ用カメラ
５４ プローブ
５５ 内部空間
５６ 第１視野側窓
５７ 第２視野側窓
５８ 第１レンズ
５９ 第２レンズ
６０ 筐体
６１ 流体速度撮像装置
６２ コンピュータ
６３ カメラ電源
６４ 同期コントローラ

Claims (10)

1. レーザ光を発振するレーザ光発振部と、
   前記レーザ光発振部から発振されたレーザ光をシート状に形成されたレーザシート光に変換して被計測流体内に照射するレーザシート光形成部と、
   前記レーザシート光形成部から照射されたレーザシート光により被計測流体内に現れた被照射体画像を観測するボアスコープと、
   前記ボアスコープにより観測された被照射体画像を撮像して被照射体画像データに変換する画像撮像手段と、を備え、
   前記ボアスコープおよび前記レーザシート光形成部は、被計測流体側に延びる収納体に少なくともその一部が収納されて保持されていることを特徴とする流体速度計測システム。
2. 前記ボアスコープの視野方向は、レーザシート光の照射方向に対して直交していることを特徴とする請求項１に記載の流体速度計測システム。
3. 前記ボアスコープは、被計測流体側に直線状に延び、その被計測流体側端部に回動自在に設けられ、当該ボアスコープの視野方向を変更する視野方向変更部を有し、
   前記レーザシート光形成部は、前記収納体に回動自在に設けられ、レーザシート光の照射方向を変更する照射方向変更部を有していることを特徴とする請求項２に記載の流体速度計測システム。
4. 前記ボアスコープの前記視野方向変更部に、当該視野方向変更部を駆動する視野方向変更駆動部が設けられ、
   前記レーザシート光形成部の前記照射方向変更部に、当該照射方向変更部を駆動する照射方向変更駆動部が設けられ、
   前記視野方向変更駆動部および前記照射方向変更駆動部に、前記ボアスコープの視野方向とレーザシート光の照射方向が直交するように当該視野方向変更駆動部および当該照射方向変更駆動部を制御する駆動部制御手段が接続されていることを特徴とする請求項３に記載の流体速度計測システム。
5. 前記収納体に、前記レーザシート光形成部から照射されたレーザシート光が透過する照射側窓が保持され、
   前記収納体に、前記照射側窓の表面に清掃媒体を供給する清掃媒体供給手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の流体速度計測システム。
6. 前記レーザシート光形成部の一部は、前記照射側窓を兼ねることを特徴とする請求項５に記載の流体速度計測システム。
7. 前記収納体に、被計測流体内に現れた被照射体画像を透過させる視野側窓が保持され、
   前記清掃媒体供給手段は、前記視野側窓の表面にも清掃媒体を供給するよう構成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の流体速度計測システム。
8. 前記ボアスコープの先端部は前記収納体の外側に設けられ、
   前記清掃媒体供給手段は、前記ボアスコープの先端部にも清掃媒体を供給するよう構成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の流体速度計測システム。
9. 被計測流体内に、レーザシート光が照射されるとともに表面に黒化処理が施された背面体が設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の流体速度計測システム。
10. レーザ光を発振するレーザ光発振部と、
    前記レーザ光発振部から発振されたレーザ光をシート状に形成されたレーザシート光に変換して被計測流体内に照射するレーザシート光形成部と、
    前記レーザシート光形成部から照射されたレーザシート光により被計測流体内に現れた被照射体画像であって、第１の方向からみた第１被照射体画像を観測する第１ボアスコープと、
    レーザシート光に対して前記第１ボアスコープと同一の側に配置され、被計測流体内に現れた被照射体画像であって、第１の方向とは異なる第２の方向からみた第２被照射体画像を観測する第２ボアスコープと、
    前記第１ボアスコープにより観測された第１被照射体画像を撮像して第１被照射体画像データに変換する第１画像撮像手段と、
    前記第２ボアスコープにより観測された第２被照射体画像を撮像して第２被照射体画像データに変換する第２画像撮像手段と、を備え、
    前記第１ボアスコープ、前記第２ボアスコープ、および前記レーザシート光形成部は、被計測流体側に延びる収納体に収納されて保持されていることを特徴とする流体速度計測システム。

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