JP2018009921A - 流体測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象の流体に含まれる散乱体の濃度が変化しても正確な流速や流量が求められるようにする。【解決手段】透過光１０１ａを受光した第１受光部１０２で光電変換された電気信号をもとに第１演算部１０４が算出した濃度で、散乱光１０１ｂを受光した第２受光部１０３で光電変換された電気信号をもとに第２演算部１０５が算出した流速および流量の少なくとも１つを、補正部１０６で補正して出力する。【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）。この流量計では、まず、光源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に反射させ、２つのビームを流路中の一点に集光させる。流路内の流体に含まれる散乱体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、フォトダイオードなどで電気信号に変換すると、ヘテロダイン検波が行われてビート信号が観測される。観測される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、流路を流れる流体の流路全域における平均流速や流量は、上述したことにより求めた散乱体の移動速度と比例関係となるため、流路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一点に集光する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）。

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。

しかしながら、上述したスペックルを用いる速度計測法では、散乱体の濃度が変化すると、流体の流速や流量などの算出値が変化し、実際の流速や流量とは異なる場合が発生す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、測定対象の流体に含まれる散乱体の濃度が変化しても正確な流速や流量が求められ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が流れる管の周囲に配置されて流体に可干渉光を照射する光源と、管の周囲に光源と向かい合って配置され、光源から照射されて管を流れる流体を通過した光を受光して光電変換する第１受光部と、管の周囲に配置され、光源からの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第２受光部と、第１受光部で光電変換された電気信号をもとに管を流れる流体における散乱体の濃度を算出する第１演算部と、第２受光部で光電変換された電気信号をもとに流体の流速および流量の少なくとも１つを算出する第２演算部と、第１演算部が算出した濃度で第２演算部が算出した流速および流量の少なくとも１つを補正する補正部とを備える。

上記流体測定装置において、演算部は、受光部で光電変換された電気信号の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、特徴量より流体の流速および流量の少なくとも１つを算出する算出部とを備える。

以上説明したように、本発明によれば、第２演算部が算出した流速および流量の少なくとも１つを第１演算部が算出した濃度で補正するようにしたので、測定対象の流体に含まれる散乱体の濃度が変化しても正確な流速や流量が求められ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、第２演算部１０５の構成を示す構成図である。

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、第１受光部１０２、第２受光部１０３、第１演算部１０４、第２演算部１０５、補正部１０６を備える。

光源１０１は、流体１２２が流れる管１２１の周囲に配置されて流体１２２に可干渉光を照射する。流体１２２には、複数の散乱体１２３が含まれている。光源１０１は、例えば、半導体レーザから構成されている。また、管１２１は、光源光に対して透過性を有する材料から構成されている。管１２１は、例えば塩化ビニルから構成されている。図１において、管１２１は、管１２１の流路方向に平行な断面を示している。

第１受光部１０２は、管１２１の周囲に光源１０１と向かい合って配置され、光源１０１から照射されて管１２１を流れる流体１２２を通過した透過光１０１ａを受光して光電変換する。第２受光部１０３は、管１２１の周囲に配置され、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で散乱された散乱光１０１ｂを受光して光電変換する。第１受光部１０２、第２受光部１０３は、例えば、フォトダイオードである。

第１演算部１０４は、第１受光部１０２で光電変換された電気信号をもとに管１２１を流れる流体１２２における散乱体１２３の濃度を算出する。散乱体で光が吸収される場合、第１受光部１０２で光電変換された電気信号の大きさ（＝第１受光部１０２で受光された光量）が小さいほど、散乱体１２３の濃度が大きい。既知の散乱体濃度とされている複数の基準となる流体を対象とした測定を実施して得られた第１受光部１０２で受光して光電変換された複数の電気信号の値より、電気信号の大きさと散乱体濃度との相関を示す濃度検量線を作成しておく。第１演算部１０４は、上記濃度検量線をもとに、第１受光部１０２で光電変換された電気信号の値より、流体１２２における散乱体１２３の濃度を求める。

第２演算部１０５は、第２受光部１０３で光電変換された電気信号をもとに流体１２２の流速および流量の少なくとも１つを算出する。第２演算部１０５は、第２受光部１０３で光電変換された電気信号のパワースペクトルの傾きをもとに、流体１２２の流速および流量の少なくとも１つを算出する。

補正部１０６は、第２演算部１０５が算出した流速および流量の少なくとも１つを第１演算部１０４が算出した濃度で補正する。第２受光部１０３および第２演算部１０５により、既知の散乱体濃度とされている複数の基準となる流体を対象とし、既知の流量（流速）とした複数の基準状態で測定を実施する。これらにより、散乱体濃度と、測定される流量（流速）と、実際の流量（流速）との相関情報が得られる。補正部１０６は、上記相関情報をもとに、第１演算部１０４が求めた散乱体濃度により、第１演算部１０４が求めた流量（流速）を補正して出力する。

ここで、第２演算部１０５について、より詳細に説明する。第２演算部１０５は、例えば、図２に示すように、第２演算部１０５は、信号取り出し部１５１、特徴量算出部１５２、較正値算出部１５３、較正部１５４を備える。信号取り出し部１５１は、第２受光部１０３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１５２は、信号取り出し部１５１が取り出した高周波成分をもとに、管１２１を流れる流体１２２の流速に相関する特徴量を算出する。較正値算出部１５３は、信号取り出し部１５１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１５４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。

まず、光源１０１より干渉性を有する光源光を、流路となる管１２１を流れる流体１２２に照射する。光源１０１からの光が流体１２２内の散乱体１２３によって散乱されると、その一部（散乱光１０１ｂ）は第２受光部１０３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、第２受光部１０３においてその一部が観測される。

ここで、管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、管１２１内の流速分布は、管１２１の中心で流速が最大となり、管１２１の円周部に近づくにつれて流速が低下する状態となる。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第２受光部１０３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、第２受光部１０３によって受光される光には、光源１０１から直接第２受光部１０３に入射する光や、管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。

第２受光部１０３が出力する電気信号は通常微弱であり、第２受光部１０３の出力電流はμＡオーダ程度であるため、信号取り出し部１５１において、トランスインピーダンスアンプなどの増幅回路を用いて増幅し、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、信号取り出し部１５１において、ローパスフィルタを通して信号の低周波成分のみを抽出し、ＡＤＣ回路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、増幅回路の出力は、交流増幅回路により交流成分のみをさらに増幅し、ＡＤＣ回路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で増幅し、扱いやすいレベルの電圧信号にするとよい。ＡＤＣ回路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。例えば、サンプリング周波数は１ＭＨｚであればよい。

上述したことにより取得した高周波デジタル信号より、特徴量算出部１５２、較正値算出部１５３、較正部１５４による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。

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。ここで求めた平均値は、第２受光部１０３が受光した散乱光の平均受光量に対応する値である。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１２２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管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。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。

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することでグラフが作成できる。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型性を有する場合には、非線型性を補正する処理を加えてもよい。非線型性を生じる原因としては、例えば、増幅回路の周波数特性がフラットでない場合がある。非線型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、信号取り出し部１５１における増幅回路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、増幅回路の減衰特性を相殺し、相対流量の線型性を向上させることができる。

増幅回路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、増幅回路の周波数特性に依存した相対流量の非線型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の非線型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の非線型性を補正するようにしてもよい。

前述したグラフのプロットを線型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１２２に対して同一の補正係数を用いることはできない。スペックル変動をホモダイン検波する方法では、流体１２２に含まれる散乱体１２３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、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。

発明者らは、様々な流体１２２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）

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１２２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。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。

以上に説明したように、本発明によれば、第２演算部が算出した流速および流量の少なくとも１つを第１演算部が算出した濃度で補正するようにしたので、測定対象の流体に含まれる散乱体の濃度が変化しても正確な流速や流量が求められるようになる。

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、１０１ａ…透過光、１０１ｂ…散乱光、１０２…第１受光部、１０３…第２受光部、１０４…第１演算部、１０５…第２演算部、１０６…補正部、１２１…管、１２２…流体、１２３…散乱体。

Claims (2)

1. 複数の散乱体を含む流体が流れる管の周囲に配置されて前記流体に可干渉光を照射する光源と、
   前記管の周囲に前記光源と向かい合って配置され、前記光源から照射されて前記管を流れる流体を通過した光を受光して光電変換する第１受光部と、
   前記管の周囲に配置され、前記光源からの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第２受光部と、
   前記第１受光部で光電変換された電気信号をもとに前記管を流れる流体における前記散乱体の濃度を算出する第１演算部と、
   前記第２受光部で光電変換された電気信号をもとに前記流体の流速および流量の少なくとも１つを算出する第２演算部と、
   第１演算部が算出した濃度で前記第２演算部が算出した流速および流量の少なくとも１つを補正する補正部と
   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、
   前記演算部は、
   前記受光部で光電変換された電気信号の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、
   前記特徴量より前記流体の流速および流量の少なくとも１つを算出する算出部と
   を備えることを特徴とする流体測定装置。

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