JP2018009923A - 流体測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性体からなる管を流れる分散体を含む流体の流量や流速がより正確に測定できるようにする。【解決手段】複数の散乱体を含む管１０１を流れる流体に可干渉光を照射する光源１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄおよび対応する受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄから構成された複数の測定系を配置し、演算部１０４で、複数の測定系の受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄで光電変換された電気信号をもとに得られる流体の流速の平均値および流量の平均値の少なくとも１つを算出して出力する【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。

ところで、上述した流体測定装置では、一般に、塩化ビニルなどの透光性を有するからなる管を流路としている。管の外壁に光源と受光部とを備えるセンサヘッドを配置し、管内を流れる散乱体を測定する。このような管は、弾性を有しているため、流路が曲がりやすい。流路の曲げなどは、流速分布の偏りを発生させて測定誤差となっている。

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、弾性体からなる管を流れる分散体を含む流体の流量や流速がより正確に測定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、弾性体からなる管と、管の周囲に配置され、複数の散乱体を含む管を流れる流体に可干渉光を照射する複数の光源と、いずれかの光源に対応して管の周囲に配置されて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複数の受光部と、光源および対応する受光部から構成された複数の測定系と、複数の測定系の受光部で光電変換された電気信号をもとに得られる流体の流速の平均値および流量の平均値の少なくとも１つを算出して出力する演算部とを備える。

上記流体測定装置において、測定系は、１つの光源と複数の受光部とから構成されていてもよい。

上記流体測定装置において、複数の光源および複数の受光部は、管の軸方向に垂直な平面と交わる管の同一周上に配列されているとよい。

上記流体測定装置において、複数の受光部は、等間隔で配置されている。

上記流体測定装置において、複数の受光部は、管の軸方向に垂直な平面と交わる管の同一周上において直交する位置に配置されている。

上記流体測定装置において、複数の光源は、各々異なる時点で可干渉光を照射する。

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。

以上説明したことにより、本発明によれば、弾性体からなる管を流れる分散体を含む流体の流量や流速がより正確に測定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、演算部１０４の構成例を示す構成図である。 図３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。

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、まず、弾性体からなる管１０１を備える。管１０１は、流路となる。また、管１０１は、例えば塩化ビニルなどの弾性体から構成されている。また、管１０１の周囲に配置されて複数の散乱体を含む管１０１を流れる流体に可干渉光を照射する複数の光源１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄを備える。

また、この流体測定装置は、光源１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄに対応して管１０１の周囲に配置され、対応する光源１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ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複数の受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄを備える。光源および対応する受光部から１つの測定系が構成され、この流体測定装置は、複数の測定系を備える。

例えば、光源１０２ａに受光部１０３ａが対応して１つの測定系を構成し、光源１０２ｂに受光部１０３ｂが対応して１つの測定系を構成し、光源１０２ｃに受光部１０３ｃが対応して１つの測定系を構成し、光源１０２ｄに受光部１０３ｄが対応して１つの測定系を構成している。なお、光源１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄおよび受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄは、例えば、管１０１の軸方向に垂直な平面と交わる管１０１の同一周上に配列されているとよい。なお、測定系は、４組に限らず、５組以上の測定系を配置してもよい。

また、この流体測定装置は、複数の受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄで光電変換された電気信号をもとに得られる流体の流速の平均値および流量の平均値の少なくとも１つを算出して出力する演算部１０４を備える。

演算部１０４は、例えば、図２に示すように、信号取り出し部１４１、特徴量算出部１４２、および算出部１４３を備える。信号取り出し部１４１は、受光部１０３ａで光電変換された電気信号の高周波成分、受光部１０３ｂで光電変換された電気信号の高周波成分、受光部１０３ｃで光電変換された電気信号の高周波成分、および受光部１０３ｄで光電変換された電気信号の高周波成分を各々取り出す。

特徴量算出部１４２は、信号取り出し部１４１が取り出した各高周波成分をもとに、管１０１を流れる流体の流速に相関する特徴量を算出する。この例では、４つの受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄ（４つの測定系）で検出された結果より、各々４つの特徴量を算出する。算出部１４３は、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。

まず、光源１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄより干渉性を有する光源光を、流路となる管１０１を流れる流体に照射する。流体には光源光を散乱する散乱体が含まれている、また、管１０１は光源光に対して透過性を有する。光源光が流体内の散乱体によって散乱されると、その一部は、対応する受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄによって受光される。受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄは、例えば、フォトダイオードである。散乱体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、受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄにおいてその一部が観測される。

ここで、管１０１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１０１内の流速分布は、管１０１の中心で流速が最大となり、管１０１の円周部に近づくにつれて流速が低下する状態となる。流体の流れに伴い散乱体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受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄ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、受光部１０３ａによって受光される光には、光源１０２ａから受光部１０３ａに直接入射する光や、他の光源から受光部１０３ａに直接入射する光や、管１０１および流体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。他の光源と受光部との組み合わせも同様である。

受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄが出力する電気信号は通常微弱であり、受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄの出力電流はμＡオーダ程度であるため、信号取り出し部１４１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１４１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１４２によるデジタル信号処理によって特徴量を算出し、算出した特徴量より算出部１４３によるデジタル信号処理によって、流体の流速や流量を算出する。ここで、実施の形態では、例えば、特徴量算出部１４２において、算出した複数の特徴量の平均値を求める。例えば、特徴量算出部１４２では、算出した複数の特徴量の重み付け平均を取る。この平均値を用いて算出部１４３で流体の流速や流量を算出する。

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管１０１内を隙間なく流体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１４１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。

ところで、上述では、特徴量の平均値を求め、求めた特徴量の平均値より流量または流量を算出するようにしたが、これに限るものではない。例えば、高周波デジタル信号より得たパワースペクトルの重み付け平均を求め、求めたパワースペクトルの重み付け平均を用いて上述したことにより流量または流速を算出してもよい。

また、信号取り出し部１４１で取り出した複数の高周波成分の重み付け平均を求め、求めた重み付け平均を用い、特徴量算出部１４２で特徴量を算出し、算出部１４３で、流量または流速を算出してもよい。

また、受光部１０３ａで光電変換された電気信号、受光部１０３ｂで光電変換された電気信号、受光部１０３ｃで光電変換された電気信号、および受光部１０３ｄで光電変換された電気信号を加算し、信号取り出し部１４１で加算した電気信号の高周波成分を各々取り出し、この高周波成分より特徴量算出部１４２で特徴量を算出し、算出部１４３で、流量または流速を算出してもよい。

ここで、複数の受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄは、管１０１の軸方向に垂直な平面と交わる管１０１の同一周上に等間隔で配置することで、平均化の偏りが低減できるようになる。また、複数の受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄは、管１０１の軸方向に垂直な平面と交わる管１０１の同一周上で、直交する位置に配置することで、軸毎の流量、流速を測定して平均化することができ、軸毎の偏りが低減できる。

また、光源１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄおよび受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄによる測定を、同時に実施した結果により、上述した算出を実施してもよいが、光源１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄおよび受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄによる測定を、各々異なる時刻に実施した結果により、上述した算出を実施してもよい。光源１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄから各々異なる時点で可干渉光を照射して測定を実施すればよい。

例えば、光源１０２ａおよび受光部１０３ａからなる測定系による第１測定を時刻ｔにおいて実施し、光源１０２ｂおよび受光部１０３ｂからなる測定系による第２測定を時刻ｔ＋０．１秒において実施し、光源１０２ｃおよび受光部１０３ｃからなる測定系による第３測定を時刻ｔ＋０．２秒において実施し、光源１０２ｄおよび受光部１０３ｄからなる測定系による第４測定を時刻ｔ＋０．３秒において実施する。

また、第１測定では、光源１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ、受光部１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄの動作は停止し、第２測定では、光源１０２ａ，１０２ｃ，１０２ｄ、受光部１０３ａ，１０３ｃ，１０３ｄの動作は停止し、第３測定では、光源１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｄ、受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｄの動作は停止し、第１測定では、光源１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ、受光部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃの動作は停止する。

上述したように、複数の測定系において、時分割で測定を実施した結果を用いることで、異なる測定系の光源光が漏れ光となってノイズとなることが抑制できるようになる。

また、上述では、１つの光源と１つの受光部とにより１つの測定系を構成したが、これに限るものではなく、１つの光源と２つの受光部とにより１つの測定系を構成してもよい。例えば、図３に示すように、弾性体からなる管２０１の周囲に、光源２０２ａおよび２つの受光部２３１ａ，２３２ａによる測定系と、光源２０２ｂおよび２つの受光部２３１ｂ，２３２ｂによる測定系とを配置してもよい。この場合においても、光源２０２ａ，２０２ｂおよび受光部２３１ａ，２３２ａ，２３１ｂ，２３２ｂは、例えば、管２０１の軸方向に垂直な平面と交わる管２０１の同一周上に配列されているとよい。なお、１つの光源に対し、２つに限らず、３，４，５個など複数の受光部で１つの測定系を構成してもよい。また、１つの光源と複数の受光部とによる測定系は、２組に限らず、３組、４組などより多くの測定系を配置してもよい。

受光部２３１ａ，２３２ａは、光源２０２ａ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。また、受光部２３１ｂ，２３２ｂは、光源２０２ｂ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。演算部１０４は、受光部２３１ａ，２３２ａ，２３１ｂ，２３２ｂで光電変換された電気信号をもとに得られる流体の流速の平均値および流量の平均値の少なくとも１つを算出して出力する。

以上に説明したように、本発明では、複数の散乱体を含む管を流れる流体に可干渉光を照射する光源および対応する受光部から構成された複数の測定系を配置し、演算部で、複数の測定系の受光部で光電変換された電気信号をもとに得られる流体の流速の平均値および流量の平均値の少なくとも１つを算出して出力するようにした。この結果、流路となる管の曲げによる流速分布の偏りや変動が低減できるようになり、弾性体からなる管を流れる分散体を含む流体の流量や流速がより正確に測定できるようになる。従来では、精度の高い測定では、管が直線状となっている領域を長くする必要があるが、本発明により、直線部分の距離をより短くすることが可能となる。

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…管、１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ…光源、１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄ…受光部、１０４…演算部、１４１…信号取り出し部、１４２…特徴量算出部、１４３…算出部。

Claims (7)

1. 弾性体からなる管と、
   前記管の周囲に配置され、複数の散乱体を含む前記管を流れる流体に可干渉光を照射する複数の光源と、
   いずれかの前記光源に対応して前記管の周囲に配置されて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複数の受光部と、
   前記光源および対応する前記受光部から構成された複数の測定系と、
   複数の前記測定系の前記受光部で光電変換された電気信号をもとに得られる前記流体の流速の平均値および流量の平均値の少なくとも１つを算出して出力する演算部と
   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、
   前記測定系は、１つの前記光源と複数の前記受光部とから構成されている
   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、
   複数の前記光源および複数の前記受光部は、前記管の軸方向に垂直な平面と交わる前記管の同一周上に配列されている
   ことを特徴とする流体測定装置。
4. 請求項３記載の流体測定装置において、
   複数の前記受光部は、等間隔で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３記載の流体測定装置において、
   複数の前記受光部は、前記管の軸方向に垂直な平面と交わる前記管の同一周上において直交する位置に配置されていることを特徴とする流体測定装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の流体測定装置において、
   複数の前記光源は、各々異なる時点で可干渉光を照射することを特徴とする流体測定装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に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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