JP2017187359A - 流体測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型・低コストで簡易な光学系を用いて流速や流量を精度よく計測できるようにする。【解決手段】光源１０１からの可干渉光の照射により流体１２２に含まれる散乱体１２３で散乱された光を受光部１０２で光電変換して得られた電気信号より、信号取り出し部１０４で高周波成分と低周波成分とを取り出し、特徴量算出部１０４で高周波成分をもとに流体の流速に相関する特徴量を算出し、較正値算出部１０５で低周波成分をもとに較正パラメータを算出し、較正部１０６において較正パラメータで特徴量を較正する。【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光を用いて流路を流れる流体の流量や流速を測定する流体測定装置に関する。

流路を流れる流体の流量や流速を測定する技術が工業・医療分野などで幅広く利用されている。流量や流速を測定する装置としては、電磁流量計、渦流量計、コリオリ式流量計、レーザ流量計など様々な種類があり、用途に応じて使い分けられている。このうち、レーザ流量計は、レーザ光を用いることで、流路を流れる流体に接触することなく非接触で流量や流速を測定することが可能であるため、衛生的であることを必要とする用途や、既設の流路に流量計を挿入することができない用途などにおいて利用されている。

レーザ流量計としては、２光束式のレーザドップラー流量計がある（特許文献１参照）。この流量計は、図１６Ａに示すように、光源６０１、ハーフミラー６０２、ミラー６０３、レンズ６０４、受光部６０５を備える。光源６０１より出射したレーザ光をハーフミラーで２本のビームに分岐し、分岐した一方のビームをミラー６０３に反射させ、２つのビームを流路６０６中の一点に集光させる。流路６０６内の流体に含まれる散乱体６０７が集光点を通過すると光が散乱されるが、２本のビームからの散乱光は各々異なったドップラーシフトを受けている。

このような状態の散乱光を、レンズ６０４などを用いて集光してフォトダイオードなどによる受光部６０５で電気信号に変換すると、ヘテロダイン検波が行われ、図１６Ｂに示すようなビート信号が観測される。図１６Ｃに示すように、ビート信号の周波数スペクトルを算出してピーク周波数を抽出すると、散乱体６０７の移動速度を求めることができる。

流れが層流であった場合、流路６０６を流れる流体の平均流速や流量は、上述したことにより求めた散乱体６０７の移動速度と比例関係となるため、流路６０６に応じた比例定数を乗じて較正することで、流体の流速や流量を測定することができる。

上述した流体測定技術は、散乱体の移動速度の絶対値を計測することができるという優れた利点を有するが、ヘテロダイン検波を行うために１点に集光する２本のビームが必要となる。このため、複数の光学部品やこれらの高精度な位置合わせが要求され、装置が大型化する、また高コスト化するという問題がある。また、この技術は、流体中に含まれる散乱体の濃度が薄い場合に有効であり、散乱体の濃度が濃くなると、レーザ光が複数の散乱体によって多重散乱されてしまうため、ビート信号の観測が困難となるという問題がある。

レーザを用いた速度計測方法としては、スペックル法も利用されている。スペックル法は、粗面体や散乱体を含む流体などにレーザ光を照射したとき、不規則に散乱された光が干渉して生成されるランダムな斑点模様（＝スペックル）を用いた速度計測法である。スペックルを生成する物体が移動する場合、スペックルも時間的に変動するため、例えばスペックルの２次元画像を取得し、スペックルの移動パタンを解析することで移動速度を求めることができる（非特許文献１参照）。この方法は、２次元的な画像の取得・解析が必要であることから、やはり装置が大型、高価になってしまうという問題がある。

光学系を簡易化する方法として、スペックルを二次元ではなく一点で計測する方法も考えられる。この場合、スペックルの変動に応じた不規則信号が観測され、観測される信号の自己相関関数から算出した時間相関長は、散乱体の移動速度と反比例の関係となることが知られている。また、時間相関長の代わりに、信号のパワースペクトルの傾きなどを利用することもできる。この原理は、粒子のブラウン運動の解析や、生体の皮膚血流の計測に利用されている（例えば特許文献２を参照）。

しかし、上述した原理を、流路を流れる流体の測定に応用しようとすると、時間相関長やパワースペクトルの傾きなどの特徴量が、流体の吸収係数や散乱係数、流路の形状などに依存して変化してしまうという問題がある。流体の濃度などが変化するだけでも、測定される特徴量は大きく変化するため、流速や流量を精度よく測定することは困難であった。

特開昭５７−０５９１７３号公報 特開平０７−９２１８４号公報

相津 佳永 他著、「レーザー計測の基礎Ｉ：速度計測」、レーザー研究、第２７巻第８号、５７２〜５７８頁、１９９９年。

上述したように、２光束式レーザドップラー流量計や、二次元画像を用いたスペックル法は、装置が大型化・高価格化するという問題があった。また、１点におけるスペックルの時間変動情報を利用した方法は、算出される特徴量が流体の吸収係数や散乱係数の変化に伴い変動してしまうため、流量や流速を精度よく測定することは困難であるという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、小型・低コストで簡易な光学系を用いて流速や流量を精度よく計測できるようにすることを目的とする。

本発明に係る流体測定装置は、複数の散乱体を含む流体に可干渉光を照射する光源と、可干渉光の照射により流体に含まれる散乱体で散乱された光を受光して光電変換する受光部と、受光部で光電変換された電気信号の低周波成分および高周波成分を取り出す信号取り出し部と、信号取り出し部が取り出した高周波成分をもとに流体の流速に相関する特徴量を算出する特徴量算出部と、信号取り出し部が取り出した低周波成分をもとに較正パラメータを算出する較正値算出部と、較正パラメータで特徴量を較正して流体の流速および流量の少なくとも１つを算出する較正部とを備える。

上記流体測定装置において、較正パラメータは、オフセット較正パラメータおよびゲイン較正パラメータを含み、較正値算出部は、低周波成分の平均値より求められる平均受光量＜Ｉ＞および係数パラメータＡ，Ｂ（Ａ＞０，Ｂ≧０）を用いてＡ×＜Ｉ＞＋Ｂによりオフセット較正パラメータを求め、平均受光量＜Ｉ＞および係数パラメータＣ，Ｄ，Ｅ，Ｆ（Ｃ＞０，Ｄ≧０，Ｅ＞０，Ｆ＞０）を用いてＦ／（Ｃ×＜Ｉ＞^E−Ｄ）によりゲイン較正パラメータを求め、較正部は、特徴量よりオフセット較正パラメータを減じた値にゲイン較正パラメータを乗じる。

上記流体測定装置において、特徴量算出部は、特徴量は、特徴量をνとし、電気信号のパワースペクトルのパワーＰ（ｆ）、周波数ｆ、周波数重み付けｗ（ｆ）、非線形性補正係数Ｇを用いてν＝｛Σ（Ｐ（ｆ）×ｆ×ｗ（ｆ））｝^Gにより算出する。

上記流体測定装置において、受光部は、流体からの直接反射光が受光部の受光面において最大となる位置から、以下の式（１）で計算される距離Ｌ以上離れて配置されているとよい。

上記流体測定装置において、光源から受光部に直接入射する光を遮光する遮光部を備えるようにするとよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、小型・低コストで簡易な光学系を用いて流速や流量を精度よく計測できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における流体測定装置の構成を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態における流体測定装置の他の構成を示す構成図である。 図３は、図２を用いて説明した流体測定装置における高周波デジタル信号の波形例を示す特性図である。 図４は、図２を用いて説明した流体測定装置における信号処理回路２０７の動作を説明するための説明図である。 図５は、図２を用いて説明した流体測定装置における高周波デジタル信号の周波数スペクトル例を示す特性図である。 図６は、流体として牛乳を対象として測定した場合の相対流量算出結果を示す特性図である。 図７は、流体として墨汁を添加した濃縮牛乳を対象として測定した場合の相対流量算出結果を示す特性図である。 図８は、流体として墨汁を添加した濃縮牛乳を対象として測定した場合の相対流量のオフセットと傾きの濃度依存性（ａ）および平均受光量の濃度依存性（ｂ）を示す特性図である。 図９は、流体として墨汁を添加した濃縮牛乳を対象として測定した場合の相対流量のオフセットと傾きの平均受光量依存性を示す特性図である。 図１０は、流体として牛乳を対象として測定した場合の相対流量のオフセットと傾きの平均受光量依存性を示す特性図である。 図１１は、流体として墨汁を添加した濃縮牛乳を対象とした実流量算出例を示す特性図である。 図１２は、本発明の実施の形態における流体測定装置の一部構成を示す構成図である。 図１３は、光線解析シミュレータを用いた直接反射光強度と散乱光強度の解析結果を示す特性図である。 図１４は、本発明の実施の形態における流体測定装置の他の構成を示す構成図である。 図１５は、本発明の実施の形態における流体測定装置の他の構成を示す構成図である。 図１６Ａは、２光束式レーザドップラー流量計の構成を示す構成図である。 図１６Ｂは、２光束式レーザドップラー流量計により測定された測定波形例を示す特性図である。 図１６Ｃは、２光束式レーザドップラー流量計により測定された測定波形例を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における流体測定装置の構成を示す構成図である。この流体測定装置は、光源１０１、受光部１０２、信号取り出し部１０３、特徴量算出部１０４、較正値算出部１０５、較正部１０６を備える。

光源１０１は、流路１２１内を流れる測定対象の流体１２２に光を照射する。受光部１０２は、可干渉光の照射により流体１２２に含まれる散乱体１２３で散乱された光を受光して光電変換する。信号取り出し部１０３は、受光部１０２で光電変換された電気信号の低周波成分および高周波成分を取り出す。

特徴量算出部１０４は、信号取り出し部１０３が取り出した高周波成分をもとに流体１２２の流速に相関する特徴量を算出する。較正値算出部１０５は、信号取り出し部１０３が取り出した低周波成分をもとに較正パラメータを算出する。較正部１０６は、較正パラメータで特徴量を較正して流体１２２の流速および流量の少なくとも１つを算出する。

上述した構成とする流体測定装置は、例えば、図２の（ａ）に示す装置により実現できる。この装置は、シングルモードのレーザ光を照射するレーザである光源１０１と、光源１０１を駆動する駆動回路２０１と、フォトダイオードである受光部１０２と、受光部１０２の出力電流を増幅する増幅回路２０２とを備える。光源１０１は、例えば、垂直共振器面発光レーザであればよい。また、レーザ光は、流路１２１や測定対象の流体１２２に対する透過性の高い波長であればよい。

また、この装置は、ローパスフィルタ２０３と、ローパスフィルタ２０３が取り出した信号の低周波成分をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換回路（ＡＤＣ回路）２０４と、交流増幅回路２０５と、交流増幅回路２０５に増幅された交流成分をデジタル信号に変換するＡＤＣ回路２０６とを備える。増幅回路２０２，ローパスフィルタ２０３，ＡＤＣ回路２０４，交流増幅回路２０５，ＡＤＣ回路２０６が、信号取り出し部１０３に対応する。また、デジタル信号に変換された低周波成分と、デジタル信号に変換された交流成分とを入力し、流体１２２の流速や流量を算出する信号処理回路２０７を備える。信号処理回路２０７に、特徴量算出部１０４、較正値算出部１０５、較正部１０６が含まれる。

まず、駆動回路２０１によって、光源１０１（レーザ）を駆動し、干渉性を有する光源光を、流路１２１を流れる流体１２２に照射する。流体１２２には光源光を散乱する散乱体１２３が含まれている必要があり、また、流路１２１は光源光に対して透過性を有することが必要である。光源光が流体１２２内の散乱体１２３によって散乱されると、その一部は受光部１０２（フォトダイオード）によって受光される。散乱体１２３の濃度が低い場合には大部分の散乱光は単散乱となるが、濃度が増加するにつれて複数回の散乱を経てフォトダイオードに到達することとなる。様々な経路で散乱された光が干渉する結果、スペックル（speckle）が生じ、フォトダイオードにおいてその一部が観測される。

ここで、流路１２１の断面が円形状であり、流れが層流である場合を仮定すると、流路１２１内の流速分布は図２の（ｂ）に示すようになることが知られている。流速は流路１２１の中心で最大となり、流路１２１の円周部に近づくにつれて速度が低下する。流体１２２の流れに伴い散乱体１２３が移動にすることによって、スペックルも時々刻々と変化する。このように変動するスペックルの一部をフォトダイオードにより受光して電気信号に変換する。

なお、流量や流速を精度よく求められるようにするためには、フォトダイオードによって受光される光には、レーザから直接フォトダイオードに入射する光や、流路１２１および流体１２２の表面において反射された光は極力含まれないようにすることが望ましい。このための光学系の構成については後述する。

フォトダイオードが出力する電気信号は通常微弱であり、フォトダイオードの出力電流はμＡオーダ程度であるため、トランスインピーダンスアンプなどの増幅回路２０２を用いて増幅し、例えば１Ｖ程度の扱いやすいレベルの電圧信号に変換する。

次に、ローパスフィルタ２０３を通して信号の低周波成分のみを抽出し、ＡＤＣ回路２０４によりデジタル信号に変換し、低周波デジタル信号を取得する。ローパスフィルタ２０３のカットオフ周波数としては、例えば１Ｈｚ程度とすればよい。ＡＤＣ回路２０４のサンプリング周波数は、測定する流量や流速の値の更新速度に合わせて、例えば１〜１００Ｈｚ程度とすればよい。

一方、増幅回路２０２の出力は、交流増幅回路２０５により交流成分のみをさらに増幅し、ＡＤＣ回路２０６によりデジタル信号に変換することで、高周波デジタル信号（高周波成分）を取得する。増幅回路２０２の出力のＤＣ電圧が１Ｖ程度であったとすると、通常、ＡＣ電圧はｍＶオーダと小さいため、１０倍〜１０００倍程度の利得を持つ交流増幅回路２０５で増幅し、扱いやすいレベルの電圧信号にするとよい。

なお、ＡＤＣ回路２０６の性能が高く、微弱なＡＣ電圧であっても十分な精度が得られる場合には、交流増幅回路２０５は省略することも可能である。ＡＤＣ回路２０６のサンプリング周波数は、高速であるほどより速い流速まで計測することができるようになる。ここでは例として、サンプリング周波数は１ＭＨｚとした。

なお、図２を用いて説明する装置においては、増幅回路２０２の出力を、ローパスフィルタ２０３を経由する低周波成分と、交流増幅回路２０５を経由する高周波成分に分離する構成としたが、十分に高性能なＡＤＣ回路が利用できる場合には、増幅回路２０２の出力を分岐することなく直接ＡＤＣ回路でデジタル信号に変換するようにしてもよい。この場合には、デジタル信号のＤＣ成分を低周波デジタル信号、ＡＣ成分を高周波デジタル信号として扱うようにすればよい。

上述したことにより取得した高周波デジタル信号の例を図３に示す。図３の波形は流体１２２と共に移動する散乱体１２３によって生じたスペックルの時間変動を表しており、以下に説明する信号処理回路２０７のデジタル信号処理によって、流体１２２の流速や流量を算出することができる。

デジタル信号処理の流れについて図４を用いて説明する。低周波デジタル信号については、デジタル処理によりさらにローパスフィルタ（デジタルローパスフィルタ）をかけ、平均値を算出する。デジタルローパスフィルタとしては、移動平均法やＩＩＲフィルタ、ＦＩＲフィルタなどの既知の方法を用いることができる。なお、アナログ回路におけるローパスフィルタ２０３によって十分ノイズが低減できている場合には、デジタルローパスフィルタは省略することも可能である。ここで求めた平均値は、フォトダイオードが受光した散乱光の平均受光量に対応する値である。本発明では、低周波成分より得る平均受光量をもとに、流体１２２の流量や流速を求めるための較正パラメータを算出する。この方法については後述する。

次に、高周波デジタル信号から流体の流速に相関する特徴量を算出する方法について説明する。なお、一定の断面積を有する流路１２１内を隙間なく流体１２２が流れることを想定した場合、流速と流量は比例関係となるため、ここで求める特徴量は、流量に対しても相関する特徴量となる。

高周波デジタル信号は、スペックルの変動を表しており、ここから流速に相関する特徴量を抽出する方法には様々な既知の方法がある。例えば、高周波デジタル信号の自己相関関数から時間相関長を算出する方法、信号が一定時間内に基準電位と交差する回数を求める方法、パワースペクトルを解析してその傾きを求める方法などである。ここでは、後述する平均受光量を利用した較正が最も有効に機能する特徴量として、パワースペクトルのパワーと周波数の積和を用いる例を示す。

流速に相関する特徴量νを算出するため、まず、高周波デジタル信号をフーリエ変換し、そのパワーを算出することでパワースペクトルを得る。

例として、透過な材料からなる流路を流れる牛乳を測定対象とし、パワースペクトルを算出した例を図５に示す。なお、牛乳中には、脂肪球がエマルジョン状態で分散しており、この脂肪球が散乱体となる。この場合、参照光を用いないホモダイン法によって散乱光を検出しているため、参照光を利用しヘテロダイン検波を実現していた２光束レーザドップラー流量計とは異なり、散乱体の移動速度に直接対応するビート周波数は観測されない。

代わりに、流体内を移動する散乱体によって多重に散乱された光が干渉する結果、周波数増加とともにパワーは指数関数的な減少傾向を示す。周波数が高いほど、高速に移動する散乱体１２３が含まれていることを表しており、流量が１００ｍｌ／ｍｉｎの場合と３００ｍｌ／ｍｉｎの場合とを比較すると、３００ｍｌ／ｍｉｎの場合の方が、パワーが高周波側にシフトして分布していることが確認できる。また、０ｍｌ／ｍｉｎの場合、低周波側にパワーが集中している。この状態では、流体は全体としては停止しているが、個々の散乱体１２３は停止することなくブラウン運動によりランダムな運動を続けており、散乱体１２３の運動が低周波成分となって観測されている。

このようなパワースペクトルが得られたら、次に、パワーＰ（ｆ）と周波数ｆの積和を、以下に示す式により所定の周波数範囲にわたって演算する。

図６は、上述したことにより算出したパワーと周波数の積和を演算した結果を実際の流量に対してプロットしたグラフである。積和を演算する周波数範囲としては、下限が１ｋＨｚ、上限が５００ｋＨｚとしている。市販されている牛乳の初期状態の濃度を１００％とし、水で希釈して牛乳の濃度を６０％および２０％に薄めた場合も合わせてプロットしている。図６に示すように、各濃度において、実流量に対して高い線形性を有する結果が得られており、前述した演算によってパワースペクトルから流速に対して相関する特徴量が抽出できていることが確認できる。

なお、パワーと周波数の積和によって算出した流速相関特徴量νが実際の流量や平均流速に対して非線形性を有する場合には、非線形性を補正する処理を加えてもよい。非線形性を生じる原因としては、例えば、増幅回路２０２の周波数特性がフラットでない場合がある。非線形性の補正方法としては、「ν＝Σ｛Ｐ（ｆ）×ｆ×ｗ（ｆ）｝」の式のように、パワーと周波数の積和を演算する際に、周波数毎に重み付け係数ｗ（ｆ）を乗じる方法がある。

例えば、増幅回路２０２のカットオフ周波数がｆ_cut［Ｈｚ］であり、一次のローパスフィルタ２０３特性を有する場合、重み付け関数に次式を用いることで、増幅回路２０２の減衰特性を相殺し、相対流量の線形性を向上させることができる。

増幅回路２０２の周波数特性がより複雑な場合であっても、その伝達関数の振幅特性を｜Ｈ（ｆ）｜とした場合、「ｗ（ｆ）＝１／｜Ｈ（ｆ）｜²」を重み付け関数として用いることで、増幅回路２０２の周波数特性に依存した相対流量の非線形性を補正することが可能である。

また、「ν＝｛Σ｛Ｐ（ｆ）×ｆ｝｝^G（Ｇは０より大きい実数）」の式のように、パワーと周波数の積和を演算した後に、累乗演算を行い流速相関特徴量νの非線形性を補正するようにしてもよい。また、「ν＝｛Σ（Ｐ（ｆ）×ｆ×ｗ（ｆ））｝^G」のように、周波数毎に重み付け係数ｗ（ｆ）を乗じた状態で累乗演算を行い流速相関特徴量νの非線形性を補正するようにしてもよい。

図６のプロットを線形近似して傾きとオフセットを求め、較正パラメータとすれば、算出した特徴量を流量に換算することが可能であるが、濃度が異なると傾きやオフセットが異なる値となっているため、様々な濃度状態の流体に対して同一の補正係数を用いることはできない。

また、図７は、墨汁を添加した濃縮牛乳を測定対象とし、上述同様に求めたパワーと周波数の積和を演算した結果を実際の流量に対してプロットしたグラフである。この場合、各濃度においては実際の流量に対して線形性の高い特徴量が得られているものの、濃度によって直線の傾きやオフセットが異なっている。

通常の牛乳の場合には、濃度を薄めるにつれて直線のオフセットや傾きは単調減少していたのに対し、墨汁を添加した濃縮牛乳の場合には、濃度が６０％の場合に直線の傾きが最も大きく、濃度が１００％や２０％の場合には、傾きが減少している。これは、牛乳を濃縮したことで、含まれる散乱体１２３の濃度が高くなり散乱係数が増加していること、また、墨汁の添加によって吸収係数が増加していることなどが複合的に作用している影響だと考えられる。

このように、スペックル変動をホモダイン検波する方法では、流体に含まれる散乱体の種類や数、測定に用いる光の波長に対する吸収係数の違いなどによって、得られる特徴量は様々な挙動を示す。

上述した特徴量の挙動に対し、本発明では、低周波成分より得た平均受光量の値を利用することで、濃度毎に異なる直線の切片と傾きの補正を行う。以下、この方法について説明する。

図８（ａ）は、図７において濃度毎のプロットの近似直線を最小二乗法により求め、求めた近似直線の傾きとオフセットを濃度毎にプロットしたものである。なお、図７では省略していた濃度８０％と４０％のデータも図８（ａ）では追加されている。図８（ａ）に示すように、近似直線の傾きとオフセットは、濃度４０％で最大値を示し、これより濃度が薄くなっても、濃くなっても、低下することが確認できる。

次に、図８（ｂ）は、濃度毎の平均受光量の値をプロットしたものである。平均受光量も濃度４０％で最大値を示しており、平均受光量の濃度依存性は、オフセットや傾きの濃度依存性と類似していることが分かる。

図９は、横軸に平均受光量、縦軸に傾きとオフセットをプロットしたグラフである。また、図１０は通常の牛乳に対して同様のプロットを行ったグラフである。これらのグラフより、オフセットは平均受光量に対して線形に変化し、傾きは平均受光量の累乗に比例することが見て取れる。また、図９に示す場合では、平均受光量の変動範囲が比較的狭いことから、傾きについても直線近似することが可能である。

発明者らは、様々な流体や流路について傾きとオフセットの平均受光量依存性を鋭意に調査した結果、以下に示す式で較正を行うことによって、流速相関特徴量νと平均受光量＜Ｉ＞をもとに、実流量Ｆｌｏｗを近似的に算出できることを見いだした。

［較正算出式］
オフセット較正パラメータ：Ｏｆｆｓｅｔ＝Ａ×＜Ｉ＞＋Ｂ
ゲイン較正パラメータ：Ｇａｉｎ＝Ｆ／（Ｃ×＜Ｉ＞^E−Ｄ）
流速または流量：Ｆｌｏｗ＝Ｇａｉｎ×（ν−Ｏｆｆｓｅｔ）
（係数パラメータＡ〜Ｆは、Ａ＞０、Ｂ＞＝０、Ｃ＞０、Ｄ＞＝０、Ｅ＞０、Ｆ＞０を満たす実数）

図９に示した、墨汁を添加した濃縮牛乳の例の場合、適切な係数パラメータは例えば、Ａ＝０．５１４，Ｂ＝６４．９６，Ｃ＝１．２４ｅ−６，Ｄ＝０，Ｅ＝２．４６，Ｆ＝１となる。また、傾きの平均受光量依存性を累乗ではなく線形で近似した場合には、Ａ＝０．５１４，Ｂ＝６４．９６，Ｃ＝０．０１０３，Ｄ＝１．５７，Ｅ＝１，Ｆ＝１ となる。

図１１は、後者の係数パラメータを用いて流速相関特徴量νを実流量に換算した結果である。濃度が２０％〜１００％まで大きく異なる場合であっても、同一の係数パラメータを用いて、実流量に近い値を算出することができていることが分かる。

上記の較正算出式を用い、流速相関特徴量νを平均流速に換算することも可能である。前述したように、特定の断面積を有する流路を満たす状態で流体が流れることを想定した場合、流量と平均流速は比例関係となり、流量を流路の断面積で割れば平均流速が求まる。例えば流路の断面積が１０ｍｍ²であった場合、流量［ｍＬ／ｍｉｎ］を平均流速［ｍｍ／ｓｅｃ］に変換するための係数は、「１０００［ｍｍ³／ｍＬ］／６０［ｓｅｃ／ｍｉｎ］／１０［ｍｍ²］≒１．６７」であり、上述の係数パラメータのうち、Ｆを１．６７とすることで流速相関特徴量νを平均流速に換算することができる。

ところで、上記の方法では濃度依存性を補正するために、濃度の値ではなく平均受光量を利用している。墨汁を添加した濃縮牛乳の例から明らかなように、濃度増加に対して平均受光量は必ずしも単調増加とならない。したがって、平均受光量から濃度を一意に求めることはできないが、同一の平均受光量に対しては適切なオフセット較正パラメータとゲイン較正パラメータがほぼ同一となる現象を利用することで、流速相関特徴量νから流量や平均流速を算出することを可能としている。

平均受光量を利用してこのような較正を精度よく行うためには、フォトダイオードが受光する光のうち、流体内に含まれる散乱体によって散乱されていない光（つまり、レーザから直接フォトダイオードに入射してしまう光や、流路の表面から反射された光、流路と流体の界面によって反射された光など）の割合を小さく抑えることが重要である。

少なくとも、フォトダイオードにおいて受光される反射光の受光量は、散乱光の受光量よりも小さくなるようにするべきであり、より好適には、反射光の受光量は、散乱光の受光量の１／１０以下であることが望ましい。

この条件が満たされない場合、流体の濃度などが変化して流速相関特徴量νが変化した場合であっても平均受光量はあまり変化しなくなるため、較正精度が低下してしまう。

図１２に、散乱体によって散乱されていない光の割合を低下させるための構成例を示す。フォトダイオード（ＰＤ）は、光源光の波長に対して遮光性を備えた材料で構成された遮光構造１５１によって周囲を囲われており、これによって、レーザ（ＬＤ）から直接フォトダイオード（ＰＤ）に入射する光などを遮光している。また、流路１２１や流体の表面で反射した直接反射光がフォトダイオード（ＰＤ）に入射することを防止するため、フォトダイオード（ＰＤ）は直接反射光の反射中心位置からずれた位置に配置している。

図１３は、直接反射光と散乱光強度の分布を光線解析シミュレータ用いて解析した例であるが、直接反射光は、反射中心位置において強い強度となる一方、中心位置からずれると強度が急激に減少する。一方、散乱光は、多数の散乱体によって拡散されて光が広がるため、ピーク強度が小さく、広く領域に分布する。したがって、反射中心位置からずれた位置にフォトダイオード（ＰＤ）を配置することによって、直接反射光強度に対する散乱光強度の割合を高めることができる。

具体的には、ビーム径ω₀でレーザ（ＬＤ）から出射した光は伝搬距離ｚの位置で以下の式で示すビーム径となる。

ガウシアンビームを仮定し、反射中心位置からの距離をＬとすると、反射光強度分布比Ｉ（Ｌ）は以下の式により示され、反射光強度分布比はＬの増加とともに指数関数的に減少する。

図１３の例では、直接反射光の反射光強度分布比が−３０ｄＢを下回る領域にフォトダイオード（ＰＤ）を配置すれば、直接反射光強度を散乱光強度の１／１０とすることができる。

直接反射光と散乱光の強度比は測定対象によってある程度変化するが、直接反射光の反射光強度分布比が−４０ｄＢを下回る領域であれば、様々な測定対象に対してもマージンをもって、直接反射光強度が散乱光強度よりも十分に小さいという条件を満たすことができる。

レーザ（ＬＤ）から流路１２１表面までの距離をｄ₁、流路１２１表面からフォトダイオード（ＰＤ）までの距離をｄ₂とし、ｚ＝ｄ₁＋ｄ₂、Ｉ（Ｌ）＝１０^-4を上式に代入すると、以下に示す式となる。

この式を満たす位置にフォトダイオード（ＰＤ）を配置すればよい。例えば、レーザ（ＬＤ）の波長λが８００ｎｍ、レーザ（ＬＤ）から流路１２１表面までの距離ｄ₁と流路１２１表面からフォトダイオード（ＰＤ）までの距離がともに１ｍｍ、レーザ（ＬＤ）のビーム径ω₀が２μｍであるとして上式を計算するとＬ＞＝０．５５ｍｍとなり、レーザ（ＬＤ）とフォトダイオード（ＰＤ）の間を０．５５ｍｍ以上離せばよいことが分かる。

なお、図１２の例では反射光の中心位置がレーザ（ＬＤ）の中心位置と一致しているが、光源光が流路１２１の反射面に対して傾いて入射する場合、反射光の中心位置はレーザ（ＬＤ）の中心位置からずれることになる。この場合には、レーザ（ＬＤ）の中心位置ではなく、反射光強度がピークとなる位置を基準として、上記で求めたＬ以上離れた位置にフォトダイオード（ＰＤ）を配置するようにすればよい。

以上説明したように、本発明によれば、濃度などの変化によって流体の散乱係数や吸収係数が変化した場合であっても、平均受光量を用いて流速相関特徴量νを較正し、流量や平均流速を測定することが可能となる。

次に、流体の種別や流路の形状などが変更された場合に、流体の流量や流速を測定可能とする流体測定装置について、図１４を用いて説明する。図１４は、本発明の実施の形態における他の流体測定装置の構成を示す構成図である。

この流体測定装置は、光源１０１、受光部１０２、駆動回路２０１、増幅回路２０２、ローパスフィルタ２０３、ＡＤＣ回路２０４、交流増幅回路２０５、ＡＤＣ回路２０６、信号処理回路２０７、記憶部４０１、および選択部４０２を備える。光源１０１、受光部１０２、駆動回路２０１、増幅回路２０２、ローパスフィルタ２０３、ＡＤＣ回路２０４、交流増幅回路２０５、ＡＤＣ回路２０６、信号処理回路２０７は、前述同様であり、詳細な説明は省略する。

この流体測定装置では、複数の流路や流体の組み合わせに対する較正パラメータのセットを記憶している記憶部４０１を設け、選択部４０２のユーザ操作により、使用する係数パラメータを選択できるようにしている。

選択する方法としては、各係数パラメータセットに番号を振り、使用するパラメータセットの番号を指定するようにしても良いし、測定可能な流路や流体の組み合わせの一覧を表示して、ユーザに選ばせるようにしてもよい。これにより、単一の流体測定装置を用いて様々な流路や流体の流量や流速を測定することが可能となる。

また、係数パラメータの一部または全てを流体測定装置の外部から直接入力できるようにしてもよい。これにより、あらかじめ記憶されていない流路や流体の組み合わせに対しても、ユーザが適切な係数パラメータを入力することによって、流量や流速を測定できるようになる。

また、係数パラメータ自体を入力する代わりに、図１５に示すように、入力部５０１から実流量情報を入力できるようにして、算出部５０２で算出した相対流量と、実流量情報をもとに、適切な係数パラメータを計算で求めることができるようにしてもよい。なお、この装置においても、光源１０１、受光部１０２、駆動回路２０１、増幅回路２０２、ローパスフィルタ２０３、ＡＤＣ回路２０４、交流増幅回路２０５、ＡＤＣ回路２０６、信号処理回路２０７は、前述同様であり、詳細な説明は省略する。

具体的には、例えば、ユーザは測定対象の流路と流体を流体測定装置にセットした上で、実流量を０ｍＬ／ｍｉｎの状態とし、現在が０ｍＬ／ｍｉｎであるという情報を流体測定装置に入力する。入力部５０１において、実流量を数値で入力できるようにしても良く、また、０ｍＬ／ｍｉｎであるというフラグ情報を入力するボタンを設けるようにしてもよい。この入力により、流体測定装置は低周波デジタル信号と高周波デジタル信号を測定し、平均受光量と相対流量の値を算出して記憶部５０３に記憶する。

次に、流量を２００ｍＬ／ｍｉｎの状態とし、現在が２００ｍＬ／ｍｉｎであるという情報をユーザの操作などにより流体測定装置に入力する。上述同様に、入力部５０１において、実流量を数値で入力できるようにしても良く、また２００ｍＬ／ｍｉｎであるというフラグ情報を伝えるボタンなどを設けてもよい。

この入力により、流体測定装置は、低周波デジタル信号と高周波デジタル信号を測定し、平均受光量と相対流量の値を算出して記憶部５０３に記憶する。この２点の相対流量が得られると、相対流量が実流量に対して線形に変化すると仮定して回帰分析を行うことによって、ある平均受光量におけるオフセットと傾きを得ることができる。なお、この２点の測定において、流量のみが変化しても平均受光量の値は通常一定であるため、どちらか一方の平均受光量の値を採用するようにしても良いし、２点の平均受光量の平均値を用いるようにしてもよい。

次にユーザの操作により、流体を水で薄めるなどして濃度の異なる状態とする。この際、具体的な濃度の値を把握する必要はないが、平均受光量が変化する程度に濃度を変化させることが望ましい。この状態で、再び０ｍＬ／ｍｉｎと２００ｍＬ／ｍｉｎの状態を測定することによって、平均受光量が異なる状態におけるオフセットと傾きを得ることができる。

これらのデータが揃うと、傾きの平均受光量依存性を線形近似し、係数パラメータＥ＝１、Ｆ＝１を仮定することによって、連立方程式を解いて残りのＡ〜Ｄのパラメータを特定することができる。また、さらに異なる濃度での測定を加えれば、傾きの平均受光量依存性の非線形性も考慮して係数パラメータを決定することも可能となる。

なお、一部の係数パラメータが既知である流路と流体の組み合わせに対して係数パラメータの最適化を行う場合には、必ずしも上記のように複数の測定を行う必要はなく、最適化したい係数パラメータの数に応じて測定する条件数を減らしてもよい。

以上に説明したように、本発明によれば、可干渉光の照射により流体に含まれる散乱体で散乱された光を受光部で光電変換して得られた電気信号の高周波成分をもとに流体の流速に相関する特徴量を算出し、得られた電気信号の低周波成分をもとに較正パラメータを算出し、較正パラメータで特徴量を較正するようにしたので、小型・低コストで簡易な光学系を用いて流速や流量を精度よく計測できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…光源、１０２…受光部、１０３…信号取り出し部、１０４…特徴量算出部、１０５…較正値算出部、１０６…較正部、１２１…流路、１２２…流体、１２３…散乱体。

Claims (5)

1. 複数の散乱体を含む流体に可干渉光を照射する光源と、
   可干渉光の照射により前記流体に含まれる前記散乱体で散乱された光を受光して光電変換する受光部と、
   前記受光部で光電変換された電気信号の低周波成分および高周波成分を取り出す信号取り出し部と、
   前記信号取り出し部が取り出した高周波成分をもとに前記流体の流速に相関する特徴量を算出する特徴量算出部と、
   前記信号取り出し部が取り出した低周波成分をもとに較正パラメータを算出する較正値算出部と、
   前記較正パラメータで前記特徴量を較正して前記流体の流速および流量の少なくとも１つを算出する較正部と
   を備えることを特徴とする流体測定装置。
2. 請求項１記載の流体測定装置において、
   前記較正パラメータは、オフセット較正パラメータおよびゲイン較正パラメータを含み、
   前記較正値算出部は、
   前記低周波成分の平均値より求められる平均受光量＜Ｉ＞および係数パラメータＡ，Ｂ（Ａ＞０，Ｂ≧０）を用いてＡ×＜Ｉ＞＋Ｂにより前記オフセット較正パラメータを求め、
   平均受光量＜Ｉ＞および係数パラメータＣ，Ｄ，Ｅ，Ｆ（Ｃ＞０，Ｄ≧０，Ｅ＞０，Ｆ＞０）を用いてＦ／（Ｃ×＜Ｉ＞^E−Ｄ）により前記ゲイン較正パラメータを求め、
   前記較正部は、前記特徴量より前記オフセット較正パラメータを減じた値に前記ゲイン較正パラメータを乗じる
   ことを特徴とする流体測定装置。
3. 請求項１または２記載の流体測定装置において、
   特徴量算出部は、
   前記特徴量は、前記特徴量をνとし、前記電気信号のパワースペクトルのパワーＰ（ｆ）、周波数ｆ、周波数重み付けｗ（ｆ）、非線形性補正係数Ｇを用いてν＝｛Σ（Ｐ（ｆ）×ｆ×ｗ（ｆ））｝^Gにより算出する
   ことを特徴とする流体測定装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体測定装置において、
   前記受光部は、前記流体からの直接反射光が前記受光部の受光面において最大となる位置から、以下の式（１）で計算される距離Ｌ以上離れて配置されていることを特徴とする流体測定装置。
   
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の流体測定装置において、
   前記光源から前記受光部に直接入射する光を遮光する遮光部を備えることを特徴とする流体測定装置。