JP2020020579A - 流体速度測定方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】民生用の一般的な撮像装置を使用しつつ、高速気流（数十ｍ／ｓ）の計測においても、十分に高解像度で撮像可能な流体速度測定方法及びシステムを提供すること。【解決手段】本発明によれば、照射ステップ、撮像ステップ及び測定ステップを備え、前記照射ステップでは、レーザーにより、流れ場に導入したトレーサー粒子に複数回に渡ってレーザーシート光を照射し、且つ、前記照射は第１照射及び第２照射を含み、前記撮像ステップでは、撮像装置により、前記レーザーシート光に照射された前記トレーサー粒子を撮像し、前記測定ステップでは、情報処理装置により、前記撮像された画像に基づいて、前記トレーサー粒子の流速を測定し、前記レーザーシート光は、以下の（１）又は（２）を満たすように構成される、（１）第１照射及び第２照射における前記レーザーシート光の照射時間が異なる（２）第１照射及び第２照射における前記レーザーシート光の照射強度が異なる流体速度測定方法が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、流体速度測定方法及びシステムに関する。

特許文献１には、粒子画像流速（ＰＩＶ）測定に係る三次元流体測定機に関する発明であり、１つの被験流体の測定体積中を移動するトレーサー粒子に照射する少なくとも１つの照射装置と、移動するトレーサー粒子の繰り返し再生のための少なくとも１つのカメラを有する三次元流体測定装置が開示されている。

特表２０１０−５０３８３２号公報

ところで、従来、気体・液体の速度分布を可視化計測する手法として、ＰＩＶ（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍａｇｅ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）、ＰＴＶ（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）が用いられている。従来のシステムでは、流れ場にトレーサー粒子を噴霧し、デジタルカメラ等の撮像装置の光軸に対して垂直方向から、光学系を用いてシート状に屈折させたレーザービーム光を照射する。そして、レーザービーム光が照射された領域でトレーサー粒子が散乱光を発し、これを撮像装置で撮像する。この粒子像の移動量をＰＩＶ又はＰＴＶにより解析することで、レーザービーム光の照射面での２次元速度分布を得ることができる。

ここで、ＰＴＶ法では、微少時間離れた撮像画面の間で個々の粒子の対応関係を見つけて、それらを各点での流速ベクトルとする。この解析には、２〜４時刻の画像が必要となり、数ｍ／ｓ以上の速度の気流速度計測には高速撮像装置が必要となる。しかし、このような撮像装置は、一般に流通しているものではなく専用品又は特注品であるために極めて高価で、一般的な撮像装置に比べて解像度も低い。特に、高速気流（数十ｍ／ｓ）を撮像する際にはフレームレートを高くする必要があるので、解像度を例えば１００画素×１００画素程度に設定せざるを得ない。しかし、このような低い解像度では、可視化画像の解析を行うことができなかった。さらに、２〜４時刻の画像を要するため、撮像装置とレーザービーム光の駆動タイミングを合わせるタイミングコントローラーを設ける必要があり、システム構築に費用がかかるという問題があった。

さらに、従来のＰＴＶ法では、可視化されたトレーサー粒子像が点像であり、これを多時刻撮像して追尾するため、粒子数の多い可視化画像では、隣接粒子の誤追尾による計測エラーが多発することが問題となっていた。

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、民生用の一般的な撮像装置を使用しつつ、高速気流（数十ｍ／ｓ）の計測においても、十分に高解像度で撮像可能な流体速度測定方法及びシステムを提供することを目的とする。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。

本発明によれば、照射ステップ、撮像ステップ及び測定ステップを備え、前記照射ステップでは、レーザーにより、流れ場に導入したトレーサー粒子に複数回に渡ってレーザーシート光を照射し、且つ、前記照射は第１照射及び第２照射を含み、前記撮像ステップでは、撮像装置により、前記レーザーシート光に照射された前記トレーサー粒子を撮像し、前記測定ステップでは、情報処理装置により、前記撮像された画像に基づいて、前記トレーサー粒子の流速を測定し、前記レーザーシート光は、以下の（１）又は（２）を満たすように構成される、（１）第１照射及び第２照射における前記レーザーシート光の照射時間が異なる（２）第１照射及び第２照射における前記レーザーシート光の照射強度が異なる流体速度測定方法が提供される。

本発明によれば、レーザーシート光は、第１照射及び第２照射におけるレーザーシート光の照射時間又は照射強度が異なるように照射される。

これにより、可視化画像に長短一組又は強弱一組の軌跡を得ることができ、これらの重心位置より、レーザーシート光の照射断面における、気流の２次元速度分布を得ることができる。さらに、撮像装置が少なくとも第１照射の開始時から第２照射の終了時まで露光を継続する場合には、１回の撮像で長短一組又は強弱一組の軌跡を得ることができるため、１枚の画像からトレーサー粒子ＴＰの方向を一意に特定することができ、気流速度による制約が無く、民生用の一般的な撮像装置を使用することができる。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。

本発明の一実施形態に係るシステム１００の模式図である。 レーザー１の機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る流体速度測定方法のフローチャートの一例である。 図４Ａは、第１実施形態に係るレーザーシート光ＬＳの照射時間を説明するための概念図である。図４Ｂは、図４Ａに対応するトレーサー粒子ＴＰの軌跡の一例を表す概念図である。 図５Ａは、本発明の一実施形態に係る流体速度測定方法により撮像されたトレーサー粒子ＴＰの軌跡の可視化画像である。図５Ｂは、長短一組のパルス像から、１枚の可視化画像より、気流の向きと気流速度の大小を読み取り可能なことを説明するための概念図である。 第２実施形態に係るレーザーシート光ＬＳの照射強度を説明するための概念図である。 第３実施形態に係るレーザーシート光ＬＳの照射時間及び照射強度を説明するための概念図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

１．システム１００
図１に示すように、システム１００は、レーザー１及び撮像装置２を備える。レーザー１は、流れ場ＦＧに導入したトレーサー粒子ＴＰに複数回に渡ってレーザーシート光ＬＳを照射可能に構成される。さらに、本実施形態では、かかる照射は第１照射及び第２照射を含む。ここで、第１照射及び第２照射においては、それぞれ所定時間継続してレーザーシート光ＬＳが照射され、第１照射及び第２照射における照射時間は互いに重ならないように制御される。撮像装置２は、レーザーシート光ＬＳに照射されたトレーサー粒子ＴＰを撮像可能に構成される。ここで、レーザーシート光ＬＳは、以下の（１）又は（２）を満たすように構成される。
（１）第１照射及び第２照射におけるレーザーシート光ＬＳの照射時間が異なる
（２）第１照射及び第２照射におけるレーザーシート光ＬＳの照射強度が異なる
ここで、上記（１）と（２）は互いに独立しており、（１）と（２）を同時に満たすように構成してもよい。

さらに、本実施形態では、システム１００は、トレーサー粒子発生装置３及び情報処理装置４を備える。

２．レーザー１
図２に示すように、レーザー１は、出力部１１、レーザーシート形成部１２、記憶部１３、制御部１４、出力時間調整部１５、出力強度調整部１６、通信部１７を備える。

出力部１１は、レーザー光を出力するものである。レーザーシート形成部１２は、出力部１１から出力されたレーザー光に作用し、シート状のレーザーシート光ＬＳを形成するものである。レーザーシート形成部１２は、レンズやミラーを含む任意の光学系とすることができる。また、レーザーシート形成部１２は、レーザー１と別の筐体として実装してもよい。記憶部１３は、種々のプログラム及びデータを記憶するものである。制御部１４は、記憶部１３に記憶されたプログラムに従い、レーザー１を構成する種々の要素を制御するものである。出力時間調整部１５は、出力部１１から出力されるレーザー光の出力時間を調整するものである。出力強度調整部１６は、出力部１１から出力されるレーザー光の出力強度を調整するものである。通信部１７は、情報処理装置４との間で種々の信号の通信をするものである。本実施形態では、通信部１７により、撮像装置２により撮像された画像が情報処理装置４に送信される。

上記の各構成要素は、ソフトウェアによって実現してもよく、ハードウェアによって実現してもよい。ソフトウェアによって実現する場合、ＣＰＵがプログラムを実行することによって各種機能を実現することができる。プログラムは、内蔵の記憶部に格納してもよく、コンピュータ読み取り可能な非一時的な記録媒体に格納してもよい。また、外部の記憶部に格納されたプログラムを読み出し、いわゆるクラウドコンピューティングにより実現してもよい。ハードウェアによって実現する場合、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又はＤＲＰなどの種々の回路によって実現することができる。本実施形態においては、様々な情報やこれを包含する概念を取り扱うが、これらは、０又は１で構成される２進数のビット集合体として信号値の高低によって表され、上記のソフトウェア又はハードウェアの態様によって通信や演算が実行され得るものである。

３．その他の構成要素
以下、図１を用いて、システム１００を構成するその他の構成要素について説明する。

撮像装置２は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳをイメージャとするデジタルカメラにより構成され、流れ場ＦＧ内においてレーザーシート光ＬＳにより可視化された可視化断面（以下、計測領域ＭＲ）を撮像する。本実施形態では、撮像装置２は、１回の撮像により、トレーサー粒子ＴＰの軌跡を得る。すなわち、後述の撮像ステップにおいて、撮像装置２は、少なくとも第１照射の開始時から第２照射の終了時まで露光を継続するように制御される。

トレーサー粒子発生装置３は、例えば超音波噴霧器により構成され、流れ場ＦＧ内にトレーサー粒子ＴＰを噴霧する。

情報処理装置４は、撮像された画像に基づいて、トレーサー粒子ＴＰの流速を測定する。具体的には、情報処理装置４は、撮像装置２から受信した画像に対して画像処理を実行し、この粒子像の移動量をＰＴＶにより解析することで、トレーサー粒子ＴＰの流速を測定する。

４．フローチャート
次に、図３を用いて、本発明の一実施形態に係る流体速度測定方法について説明する。

まず、Ｓ１において、トレーサー粒子発生装置３により、流れ場ＦＧ内にトレーサー粒子ＴＰを導入する。

次に、Ｓ２の照射ステップにおいて、レーザー１により、流れ場ＦＧに導入したトレーサー粒子ＴＰに複数回に渡ってレーザーシート光ＬＳを照射する。ここで、複数回に渡る照射には、第１照射及び第２照射が含まれる。このとき、撮像装置２の光軸に対して垂直方向からレーザーシート光ＬＳが照射される。本実施形態では、レーザーシート光ＬＳは、以下の（１）又は（２）を満たすように制御される。
（１）第１照射及び第２照射におけるレーザーシート光ＬＳの照射時間が異なる
（２）第１照射及び第２照射におけるレーザーシート光ＬＳの照射強度が異なる
これにつき、詳細は図４〜図７を用いて後述する。

これにより、流れ場ＦＧ内においてレーザーシート光ＬＳが照射された領域である計測領域ＭＲにおいて、トレーサー粒子ＴＰが散乱光を発する。

次に、Ｓ３の撮像ステップにおいて、撮像装置２により、レーザーシート光ＬＳに照射されたトレーサー粒子ＴＰを撮像する。具体的には、撮像装置２は、流れ場ＦＧ内の計測領域ＭＲを撮像する。撮像装置２は、撮像した画像を情報処理装置４に送信する。

そして、Ｓ４の測定ステップにおいて、情報処理装置４により、撮像された画像に基づいて、トレーサー粒子ＴＰの流速を測定する。具体的には、情報処理装置４は、撮像装置２から受信した画像に対して画像処理を施し、画像に写ったトレーサー粒子ＴＰの軌跡をＰＴＶにより解析する。これにより、計測領域ＭＲにおけるトレーサー粒子ＴＰの２次元速度分布を得ることができる。

５．レーザーシート光ＬＳの照射時間及び照射強度
以下、図３のＳ２について、種々の実施形態を用いて説明する。

（５−１）第１実施形態
図４Ａに示すように、レーザー１は、照射時間に長短を与えたパルス状のレーザーシート光ＬＳを照射する。本実施形態では、レーザー１は、（第２照射におけるレーザーシート光ＬＳの照射時間）／（第１照射におけるレーザーシート光ＬＳの照射時間）の値が、１．１〜１０となるように制御される。図４Ａの例では、時刻ｔ１〜時刻ｔ１＋Ｔ１までの間における照射が第１照射に相当し、時刻ｔ２〜時刻ｔ２＋Ｔ２までの間における照射が第２照射に相当する。また、第１照射におけるレーザーシート光ＬＳの照射時間はＴ１であり、第２照射におけるレーザーシート光ＬＳの照射時間はＴ２である。つまり、図４Ａの例では、第２照射時間（Ｔ２）／第１照射時間（Ｔ１）の値が、１．１〜１０となるように、レーザー１が制御される。第２照射時間（Ｔ２）／第１照射時間（Ｔ１）の値は、具体的には例えば、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５、２．６、２．７、２．８、２．９、３、３．１、３．２、３．３、３．４、３．５、３．６、３．７、３．８、３．９、４、４．１、４．２、４．３、４．４、４．５、４．６、４．７、４．８、４．９、５、５．１、５．２、５．３、５．４、５．５、５．６、５．７、５．８、５．９、６、６．１、６．２、６．３、６．４、６．５、６．６、６．７、６．８、６．９、７、７．１、７．２、７．３、７．４、７．５、７．６、７．７、７．８、７．９、８、８．１、８．２、８．３、８．４、８．５、８．６、８．７、８．８、８．９、９、９．１、９．２、９．３、９．４、９．５、９．６、９．７、９．８、９．９、１０であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

ここで、第１照射及び第２照射の定め方はこれに限定されず、任意の時間帯における照射とすることができる。例えば、図４Ａの例では、時刻ｔ３〜時刻ｔ３＋Ｔ３までの間における照射を第１照射と捉え、時刻ｔ１〜時刻ｔ１＋Ｔ１までの間における照射、又は、時刻ｔ２〜時刻ｔ２＋Ｔ２までの間における照射を第２照射と捉えることができる。この場合、Ｔ１／Ｔ３又はＴ２／Ｔ３の値が１．１〜１０となるように制御される。

図４Ｂは、図４Ａの態様でレーザー１を照射した際における、トレーサー粒子ＴＰの軌跡の一例を表す概念図である。このとき、撮像装置２は、少なくとも第１照射の開始時から第２照射の終了時まで露光を継続している。図４の例では、撮像装置２は、少なくとも第１照射の開始時から第３照射の終了時まで露光を継続している。したがって、図４Ｂは、撮像装置２にて撮像した１枚の画像を表す。本実施形態では、レーザー１から照射されるレーザー光の照射時間（パルス幅）を長短織り交ぜているので、撮像装置２により撮像された可視化画像では、トレーサー粒子ＴＰの軌跡にも照射時間（パルス幅）の長短が反映される。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、レーザー光の照射時間（パルス幅）が大きいほど、撮像されるトレーサー粒子ＴＰの移動距離が大きくなる。したがって、レーザー１の照射時間（パルス幅）の設定を参照することにより、１枚の画像からでも追跡対象のトレーサー粒子ＴＰの移動の向きを一意に特定することができる。具体的には、図４Ｂの例では、左から右にかけてＴ１〜Ｔ３が反映されているので、トレーサー粒子ＴＰが左から右に向かって移動していることがわかる。

これにより、粒子密度が高い流れ場ＦＧ内においても、追跡対象のトレーサー粒子ＴＰを極めて高い精度で追跡することが可能になる。

次に、トレーサー粒子ＴＰの実際の可視化画像について説明する。図５Ａは、本発明の一実施形態に係る流体速度測定方法により撮像されたトレーサー粒子ＴＰの軌跡の可視化画像である。ここで、画面左側は、撮像装置２により撮像されたトレーサー粒子ＴＰの可視化画像である。長短一組のパルス像から、１枚の可視化画像より、流れ場ＦＧ内における気流の向きと気流速度の大小を読み取ることができる。また、画面右側は、情報処理装置４により、各々のパルス像を画像解析した結果である。以下、かかる画像解析について説明する。

長短パルス像の組の形状は相似形であるため、最初に、この長短パルス像の位置、向き、サイズを、画像認識により各々取得する。こうして得られた長短パルス像に対して、長短パルス像各々の重心位置を取得し、図５Ｂに示すように、短パルス像から長パルス像へベクトル線を引くことができる。そして、このベクトルの向き及び長さから、気流速度の向き及び大小を求めることができる。

＜効果＞
従来のＰＴＶ計測法では、可視化されたトレーサー粒子像が点像であり、これを多時刻撮像して追尾するため、粒子数の多い可視化画像では、隣接粒子の誤追尾による計測エラーが多発することが問題となっていた。一方、第１実施形態では、長短一組のパルス像を解析対象とするため、こうした誤追尾が生じない。これにより、流体速度の計測精度が向上する。

また、第１実施形態では、１回の撮像で長短一組のパルス像を得るため、従来の他時刻撮像と比較して気流速度による制約が低減され、民生用のデジタルカメラを使用することができる。これにより、システム構築のコストを低減しつつ、高速気流（数十ｍ／ｓ）の計測においても、例えば６，０００画素×４，０００画素程度の高解像度で撮像可能となった。

さらに、第１実施形態では、１回の撮像で長短一組のパルス像を得るため、レーザー１と撮像装置２の駆動タイミングを制御するタイミングコントローラーが不要となり、システム構築にかかるコストを低減することができる。

（５−２）第２実施形態
以下、図６を用いて、第２実施形態について説明する。本実施形態では、レーザー１は、（第２照射におけるレーザーシート光ＬＳの照射強度）／（第１照射におけるレーザーシート光ＬＳの照射強度）の値が、１．１〜１０となるように制御される。図６の例では、時刻ｔ１〜時刻ｔ１＋Ｔ１までの間における照射が第１照射に相当し、時刻ｔ２〜時刻ｔ２＋Ｔ１までの間における照射が第２照射に相当する。また、第１照射におけるレーザーシート光ＬＳの照射強度はＩ１であり、第２照射におけるレーザーシート光ＬＳの照射強度はＩ２である。つまり、図６の例では、第２照射強度（Ｉ２）／第１照射強度（Ｉ１）の値が、１．１〜１０となるように、レーザー１が制御される。第２照射強度（Ｉ２）／第１照射強度（Ｉ１）の値は、具体的には例えば、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５、２．６、２．７、２．８、２．９、３、３．１、３．２、３．３、３．４、３．５、３．６、３．７、３．８、３．９、４、４．１、４．２、４．３、４．４、４．５、４．６、４．７、４．８、４．９、５、５．１、５．２、５．３、５．４、５．５、５．６、５．７、５．８、５．９、６、６．１、６．２、６．３、６．４、６．５、６．６、６．７、６．８、６．９、７、７．１、７．２、７．３、７．４、７．５、７．６、７．７、７．８、７．９、８、８．１、８．２、８．３、８．４、８．５、８．６、８．７、８．８、８．９、９、９．１、９．２、９．３、９．４、９．５、９．６、９．７、９．８、９．９、１０であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

ここで、第１照射及び第２照射の定め方はこれに限定されず、任意の時間帯における照射とすることができる。例えば、図６の例では、時刻ｔ３〜時刻ｔ３＋Ｔ１までの間における照射を第１照射と捉え、時刻ｔ１〜時刻ｔ１＋Ｔ１までの間における照射、又は、時刻ｔ２〜時刻ｔ２＋Ｔ１までの間における照射を第２照射と捉えることができる。この場合、Ｉ１／Ｉ３又はＩ２／Ｉ３の値が１．１〜１０となるように制御される。

第２実施形態では、レーザー１から照射されるレーザー光の照射強度を強弱織り交ぜているので、撮像装置２により撮像された可視化画像では、トレーサー粒子ＴＰの軌跡にも照射強度の強弱が反映される。具体的には、照射強度が大きい範囲では、可視化画像におけるトレーサー粒子ＴＰの輝度が大きくなる。一方、照射強度が小さい範囲では、可視化画像におけるトレーサー粒子ＴＰの輝度が小さくなる。したがって、レーザー１の照射強度の設定を参照することにより、追跡対象のトレーサー粒子ＴＰの移動の向きを一意に特定することができる。

（５−３）第３実施形態
以下、図７を用いて、第３実施形態について説明する。第３実施形態は、第１実施形態と第２実施形態を組み合わせた形態である。図７に示すように、時刻ｔ３〜時刻ｔ３＋Ｔ３までの間、レーザー１から照射されるレーザー光の照射時間（パルス幅）をＴ３、照射強度をＩ２とすることができる。

第３実施形態では、レーザー１から照射されるレーザー光の照射時間の長短及び照射強度の強弱を織り交ぜているので、撮像装置２により撮像された可視化画像では、トレーサー粒子ＴＰの軌跡にも照射時間の長短及び照射強度の強弱が反映される。したがって、レーザー１の照射時間及び照射強度の設定を参照することにより、追跡対象のトレーサー粒子ＴＰの移動の向きを一意に特定することができる。

１ ：レーザー
２ ：撮像装置
３ ：トレーサー粒子発生装置
４ ：情報処理装置
１１ ：出力部
１２ ：レーザーシート形成部
１３ ：記憶部
１４ ：制御部
１５ ：出力時間調整部
１６ ：出力強度調整部
１７ ：通信部
１００ ：システム

Claims (5)

1. 照射ステップ、撮像ステップ及び測定ステップを備え、
   前記照射ステップでは、レーザーにより、流れ場に導入したトレーサー粒子に複数回に渡ってレーザーシート光を照射し、且つ、前記照射は第１照射及び第２照射を含み、
   前記撮像ステップでは、撮像装置により、前記レーザーシート光に照射された前記トレーサー粒子を撮像し、
   前記測定ステップでは、情報処理装置により、前記撮像された画像に基づいて、前記トレーサー粒子の流速を測定し、
   前記レーザーシート光は、以下の（１）又は（２）を満たすように構成される、
   （１）第１照射及び第２照射における前記レーザーシート光の照射時間が異なる
   （２）第１照射及び第２照射における前記レーザーシート光の照射強度が異なる
   流体速度測定方法。
2. 前記撮像ステップにおいて、前記撮像装置は、少なくとも第１照射の開始時から第２照射の終了時まで露光を継続する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記（１）を満たす場合、（第２照射における前記レーザーシート光の照射時間）／（第１照射における前記レーザーシート光の照射時間）の値が、１．１〜１０となるように制御される、
   請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記（２）を満たす場合、（第２照射における前記レーザーシート光の照射強度）／（第１照射における前記レーザーシート光の照射強度）の値が、１．１〜１０となるように制御される、
   請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の方法。
5. レーザー及び撮像装置を備え、
   前記レーザーは、流れ場に導入したトレーサー粒子に複数回に渡ってレーザーシート光を照射し、且つ、前記照射は第１照射及び第２照射を含み、
   前記撮像装置は、前記レーザーシート光に照射された前記トレーサー粒子を撮像可能に構成され、
   前記レーザーシート光は、以下の（１）又は（２）を満たすように構成される、
   （１）第１照射及び第２照射における前記レーザーシート光の照射時間が異なる
   （２）第１照射及び第２照射における前記レーザーシート光の照射強度が異なる
   システム。