JP2021148516A - 流速測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配管内に流れる流体の流速をより高い精度で測定することが可能な流速測定装置を提供する。【解決手段】流路１０内を流れる流体の流速Ｖを測定する流速測定装置１００は、流路１０内を流れる流体に熱を付与する熱付与部２０と、熱付与部２０により流体に付与された熱が、下流に第１の距離Ｌ１移動する時間を第１の時間Ｔ１として検出し、上流に第２の距離Ｌ２移動する時間を第２の時間Ｔ２として検出する移動時間検出部３０，４０と、移動時間検出部３０，４０により検出された第１の時間Ｔ１、第２の時間Ｔ２、第１の距離Ｌ１および第２の距離Ｌ２に基づいて流路１０内を流れる流体の流速Ｖを算出する流速算出部５６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、流速測定装置に関する。

配管内を流れる流体の流量または流速を測定するために種々の方式の流量測定装置および流速測定装置が開発されている。特許文献１には、熱式の流量測定装置が記載されている。

熱式の流量測定装置では、加熱用レーザ光が加熱点で配管内に流れる水溶液に照射される。それにより、水溶液中に周期性の温度マーカ部が生成される。水溶液の温度マーカ部が加熱点よりも下流の２箇所の測定点に配置された温度検出部により検出される。温度マーカ部が２箇所の測定点を通過する際の時間差が計測され、時間差と測定点間の距離とに基づいて流速が求められる。また、配管の断面積と流速とから流量が算出される。２箇所の測定点への温度マーカ部の到達は、近赤外線レーザ光が水溶液に照射され、温度変化による水溶液の光の吸収度の変化に基づいて判別される。

特開２０１１−２１４９０８号公報

しかしながら、温度マーカ部は、水溶液中の高温部分であるため、水溶液の移動だけでなく水溶液中で熱の伝播により移動する。上記の従来の熱式の流量測定装置による流速の測定では、熱の伝播が考慮されていない。そのため、流速が低い場合には、流速の測定結果に誤差が生じる。

本発明の目的は、配管内に流れる流体の流速をより高い精度で測定することが可能な流速測定装置を提供することである。

本発明の一局面に従う流速測定装置は、流路内を流れる流体の流速を測定する流速測定装置であって、前記流路内を流れる流体に熱を付与する熱付与部と、熱付与部により流体に付与された熱が、下流に第１の距離移動する時間を第１の時間として検出し、上流に第２の距離移動する時間を第２の時間として検出する移動時間検出部と、前記移動時間検出部により検出された第１の時間、第２の時間、第１の距離および第２の距離に基づいて前記流路内を流れる流体の流速を算出する流速算出部とを備えてもよい。

配管内に流れる流体の流速をより高い精度で測定することが可能な流速測定装置を提供することが可能になる。

一実施の形態に係る流速測定装置の構成を示す模式図である。 流速測定装置の動作原理を示す模式図である。 流速測定装置の動作原理を示す模式図である。 流速測定装置の動作原理を示す模式図である。 制御部の機能的な構成を示すブロック図である。 制御部により行われる流速測定動作の一例を示すフローチャートである。 制御部により行われる流速測定動作の一例を示すフローチャートである。 第１の検出部の他の例を示す模式的斜視図である。 第１の検出部の他の例を示す模式的斜視図である。 第１の検出部のさらに他の例を示す模式的断面図である。 第１の検出部のさらに他の例を示す模式的断面図である。 第１の検出部および第２の検出部の出射部の他の例を示す模式図である。 他の実施の形態に係る流速測定装置の一部を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態に係る流量測定装置について図面を参照しながら説明する。

（１）流速測定装置の構成
図１は、一実施の形態に係る流速測定装置の構成を示す模式図である。流速測定装置１００は、配管１０内の流体の流速を測定するために用いられる。配管１０は、透明な材料により形成されている。配管１０は、例えば、合成石英製キャピラリーである。配管１０内は、流体が一点鎖線に示すように流速Ｖで流れている。流速測定装置１００は、加熱部２０、第１の検出部３０、第２の検出部４０、制御部５０、表示部６０および操作部７０を備える。

加熱部２０は、配管１０の軸方向と垂直な方向に加熱用レーザ光２１を出射するように配置される。加熱部２０は、例えば、レーザダイオードである。本実施の形態では、加熱部２０は、配管１０の中心軸に向かって加熱用レーザ光２１を出射する。それにより、配管１０内を流れる流体が加熱される。配管１０内の中心軸上で加熱用レーザ光２１が通過する位置を加熱位置ＨＰと呼ぶ。加熱用レーザ光２１の波長は、測定対象の流体の吸収波長近傍であることが望ましい。また、加熱部２０は加熱用レーザ光２１を一定時間内で間欠的に出射されてもよく、一定時間内で連続的に出射されてもよい。

第１の検出部３０は、出射部３１および受光部３２を含む。出射部３１および受光部３２は、加熱部２０よりも下流で配管１０を挟んで互いに対向するように配置される。出射部３１は、例えば、レーザダイオードである。出射部３１は、配管１０の軸方向と垂直な方向に第１の参照用レーザ光３３を出射する。本実施の形態では、出射部３１は、配管１０の中心軸に向かって第１の参照用レーザ光３３を出射する。第１の参照用レーザ光３３の波長は、測定対象の流体の吸収波長とは異なる波長であることが望ましい。受光部３２は、第１の参照用レーザ光３３を受光し、受光量を示す信号を出力する。受光部３２は、例えばフォトダイオードである。配管１０内の中心軸上で第１の参照用レーザ光３３が通過する位置を第１の検出位置Ｄ１と呼ぶ。加熱位置ＨＰと第１の検出位置Ｄ１との距離を第１の距離Ｌ１と呼ぶ。

第２の検出部４０は、出射部４１および受光部４２を含む。出射部４１および受光部４２は、加熱部２０よりも上流で配管１０を挟んで互いに対向するように配置される。出射部４１は、例えば、レーザダイオードである。出射部４１は、配管１０の軸方向と垂直な方向に第２の参照用レーザ光４３を出射する。本実施の形態では、出射部４１は、配管１０の中心軸に向かって第２の参照用レーザ光４３を出射する。第２の参照用レーザ光４３の波長は、測定対象の流体の吸収波長とは異なる波長であることが望ましい。受光部４２は、第２の参照用レーザ光４３を受光し、受光量を示す信号を出力する。受光部４２は、例えばフォトダイオードである。配管１０内の中心軸上で第２の参照用レーザ光４３が通過する位置を第２の検出位置Ｄ２と呼ぶ。加熱位置ＨＰと第２の検出位置Ｄ２との距離を第２の距離Ｌ２と呼ぶ。

配管１０は、円形の断面を有する円筒形状を有してもよく、多角形の断面を有する形状であってもよい。あるいは、配管１０のうち加熱用レーザ光２１ならびに第１および第２の参照用レーザ光３３，４３が透過する部分が平面形状を有してもよい。

制御部５０は、入出力Ｉ／Ｆ（インタフェース）５１１、ＣＰＵ（中央演算処理装置）５１２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５１３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）５１４および記憶装置５１５を含む。入出力Ｉ／Ｆ５１１、ＣＰＵ５１２、ＲＡＭ５１３、ＲＯＭ５１４および記憶装置５１５はバス５１６に接続されている。

記憶装置５１５は、ハードディスク、半導体メモリまたはメモリカード等の記憶媒体を含み、流速測定プログラムを記憶する。ＲＡＭ５１３は、ＣＰＵ５１２の作業領域として用いられる。ＲＯＭ５１４にはシステムプログラムが記憶される。ＣＰＵ５１２は、記憶装置５１５に記憶された流速測定プログラムをＲＡＭ５１３上で実行することにより入出力Ｉ／Ｆ５１１を通して加熱部２０、出射部３１および出射部４１を制御する。また、ＣＰＵ５１２は、入出力Ｉ／Ｆ５１１を通して受光部３２の出力信号および受光部４２の出力信号を受ける。

バス５１６には、表示部６０および操作部７０が接続されている。表示部６０は、種々の情報および画像を表示する。操作部７０は、種々の操作のために用いられる。

（２）動作原理
図２、図３および図４は、流速測定装置の動作原理を示す模式図である。図２に示すように、加熱部２０により配管１０内の流体に加熱用レーザ光２１が出射されると流体が加熱されることにより加熱位置ＨＰに熱領域Ｚが生成される。熱領域Ｚの温度は、熱領域Ｚの周囲の流体の温度よりも高い。熱領域Ｚは、熱の伝播により時間経過とともに拡がる。熱領域Ｚの下流端は、太い点線矢印で示すように下流に第１の熱移動速度Ｖ１で移動する。熱領域Ｚの上流端は、太い点線矢印で示すように上流に第２の熱移動速度Ｖ２で移動する。ここで、加熱用レーザ光２１による熱が流体内を伝播する速度を熱伝播速度ｖと呼ぶ。

第１の熱移動速度Ｖ１および第２の熱移動速度Ｖ２は、熱伝播速度ｖと流速Ｖとを用いて表すことができる。熱領域Ｚの下流端は、配管１０内の流体の流れに従うように移動する。それにより、熱領域Ｚの下流端の第１の熱移動速度Ｖ１は、ｖ＋Ｖと表すことができる。一方、熱領域Ｚの上流端は、配管１０内の流体の流れに抗するように移動する。それにより、熱領域Ｚの上流端の第２の熱移動速度Ｖ２は、ｖ−Ｖと表すことができる。

図３に示すように、時間が経過すると、熱領域Ｚの下流端が第１の検出位置Ｄ１に到達する。加熱用レーザ光２１の出射の開始から熱領域Ｚの下流端が第１の検出位置Ｄ１に到達するまでの時間を第１の熱移動時間Ｔ１と呼ぶ。第１の距離Ｌ１は、次式により表される。

Ｌ１＝Ｔ１×（ｖ＋Ｖ）・・・（１）
図４に示すように、時間が経過すると、熱領域Ｚの上流端が第２の検出位置Ｄ２に到達する。加熱用レーザ光２１の出射の開始から熱領域Ｚの上流端が第２の検出位置Ｄ２に到達するまでの時間を第２の熱移動時間Ｔ２と呼ぶ。第２の距離Ｌ２は、次式により表される。

Ｌ２＝Ｔ２×（ｖ−Ｖ）・・・（２）
関係式（１）および（２）について、連立方程式を解くと、次式が得られる。

ｖ＝（Ｌ１／Ｔ１＋Ｌ２／Ｔ２）×１／２・・・（３）
Ｖ＝（Ｌ１／Ｔ１−Ｌ２／Ｔ２）×１／２・・・（４）
したがって、第１の熱移動時間Ｔ１および第２の熱移動時間Ｔ２を検出することにより、上式（３）および（４）から熱伝播速度ｖおよび流速Ｖを求めることができる。なお、上述の加熱用レーザ光２１が間欠的に出射される場合には、間欠的な出射の周期は、熱移動時間Ｔ１よりも短く設定される。

（３）制御部５０の機能的な構成
図５は、制御部５０の機能的な構成を示すブロック図である。制御部５０は、動作指令部５１、透過光量取得部５２、第１の判定部５３ａ、第２の判定部５３ｂ、熱移動時間算出部５４、熱移動時間記憶部５５、流速算出部５６および流量算出部５７を備える。制御部５０の構成要素（５１〜５７）は、図１のＣＰＵ５１２が記憶装置５１５に記憶される流速測定プログラムを実行することにより実現される。なお、制御部５０の構成要素（５１〜５７）の一部または全てが電子回路等のハードウェアにより実現されてもよい。

動作指令部５１は、加熱部２０、第１の検出部３０の出射部３１および第２の検出部４０の出射部４１に加熱用レーザ光２１、第１の参照用レーザ光３３および第２の参照用レーザ光４３の出射および停止を指令し、加熱部２０が加熱用レーザ光２１の出射を開始した時点を熱移動時間算出部５４に通知する。

透過光量取得部５２は、第１の検出部３０の受光部３２の出力信号により示される受光量を第１の透過光量として取得し、第２の検出部４０の受光部４２の出力信号により示される受光量を第２の透過光量として取得する。

流体の光の透過率は、一般的に流体の温度が高くなると低下する。したがって、第１の透過光量は、第１の検出位置Ｄ１に熱領域Ｚが存在しないときには高く、第１の検出位置Ｄ１に熱領域Ｚが存在するときには低くなる。第２の透過光量は、第２の検出位置Ｄ２に熱領域Ｚが存在しないときには高く、第２の検出位置Ｄ２に熱領域Ｚが存在するときには低くなる。

第１の判定部５３ａは、透過光量取得部５２により取得された第１の透過光量が予め定められた第１のしきい値Ｔｈ１以下であるか否かを判定する。第１の判定部５３ａは、第１の透過光量が第１のしきい値Ｔｈ１に低下した時点を熱移動時間算出部５４に通知する。第１のしきい値Ｔｈ１は、第１の検出位置Ｄ１に熱領域Ｚが存在しないときの透過光量と第１の検出位置Ｄ１に熱領域Ｚが存在するときの透過光量との間の値に設定される。

第２の判定部５３ｂは、透過光量取得部５２により取得された第２の透過光量が予め定められた第２のしきい値Ｔｈ２以下であるか否かを判定する。第２の判定部５３ｂは、第２の透過光量が第２のしきい値Ｔｈ２に低下した時点を熱移動時間算出部５４に通知する。第２のしきい値Ｔｈ２は、第２の検出位置Ｄ２に熱領域Ｚが存在しないときの透過光量と第２の検出位置Ｄ２に熱領域Ｚが存在するときの透過光量との間の値に設定される。

熱移動時間算出部５４は、加熱部２０が加熱用レーザ光２１の出射を開始した時点と第１の透過光量が第１のしきい値Ｔｈ１に低下した時点との差を第１の熱移動時間Ｔ１として算出する。また、熱移動時間算出部５４は、加熱部２０が加熱用レーザ光２１の出射を開始した時点と第２の透過光量が第２のしきい値Ｔｈ２に低下した時点との差を第２の熱移動時間Ｔ２として算出する。

熱移動時間記憶部５５は、熱移動時間算出部５４により算出された第１の熱移動時間Ｔ１および第２の熱移動時間Ｔ２を記憶する。流速算出部５６は、熱移動時間記憶部５５に記憶された第１の熱移動時間Ｔ１および第２の熱移動時間Ｔ２を用いて上式（４）により配管１０内の流体の流速Ｖを算出する。流量算出部５７は、流速算出部５６に算出された流速Ｖおよび配管１０の流路の断面積から流量Ｐを算出する。表示部６０は、流速算出部５６により算出された流速Ｖおよび流量算出部５７により算出された流量Ｐのうち少なくとも一方を表示する。

（４）流速測定動作
図６および図７は、制御部５０により行われる流速測定動作の一例を示すフローチャートである。まず、動作指令部５１は、第１の検出部３０の出射部３１および第２の検出部４０の出射部４１にそれぞれ第１の参照用レーザ光３３および第２の参照用レーザ光４３の出射を指令する（ステップＳ１）。次に、動作指令部５１は、加熱部２０に加熱用レーザ光２１の出射を指令する（ステップＳ２）。このとき、動作指令部５１は、熱移動時間算出部５４に加熱用レーザ光２１の出射の開始を通知する。

透過光量取得部５２は、受光部３２から第１の透過光量を取得する（ステップＳ３）。第１の判定部５３ａは、第１の透過光量が第１のしきい値Ｔｈ１以下に低下したか否かを判定する（ステップＳ４）。第１の判定部５３ａは、第１の透過光量が第１のしきい値Ｔｈ１よりも高い場合、ステップＳ３に戻る。

第１の透過光量が第１のしきい値Ｔｈ１に低下した場合、第１の判定部５３ａは、第１の透過光量が第１のしきい値Ｔｈ１に低下した時点を熱移動時間算出部５４に通知する。熱移動時間算出部５４は、加熱用レーザ光２１の出射の開始時点から第１の透過光量が第１のしきい値Ｔｈ１に低下した時点までの時間を第１の熱移動時間Ｔ１として算出する（ステップＳ５）。熱移動時間記憶部５５は、熱移動時間算出部５４により算出された第１の熱移動時間Ｔ１を記憶する（ステップＳ６）。

次に、透過光量取得部５２は、受光部４２から第２の透過光量を取得する（ステップＳ７）。第２の判定部５３ｂは、第２の透過光量が第２のしきい値Ｔｈ２以下に低下したか否かを判定する（ステップＳ８）。第２の判定部５３ｂは、第２の透過光量が第２のしきい値Ｔｈ２よりも高い場合、ステップＳ７に戻る。

第２の透過光量が第２のしきい値Ｔｈ２に低下した場合、第２の判定部５３ｂは、第２の透過光量が第２のしきい値Ｔｈ２に低下した時点を熱移動時間算出部５４に通知する。熱移動時間算出部５４は、加熱用レーザ光２１の出射の開始時点から第２の透過光量が第２のしきい値Ｔｈ２に低下した時点までの時間を第２の熱移動時間Ｔ２として算出する（ステップＳ９）。熱移動時間記憶部５５は、熱移動時間算出部５４により算出された第２の熱移動時間Ｔ２を記憶する（ステップＳ１０）。

流速算出部５６は、熱移動時間記憶部５５に記憶された第１の熱移動時間Ｔ１および第２の熱移動時間Ｔ２を用いて上式（４）により配管１０内を流れる流体の流速Ｖを算出する（ステップＳ１１）。流量算出部５７は、流速算出部５６が算出した流速Ｖおよび配管１０の流路の断面積から流量Ｐを算出する（ステップＳ１２）。

このとき、動作指令部５１は、加熱部２０による加熱用レーザ光２１の出射の停止を指令する（ステップＳ１３）。制御部５０は、流速算出部５６により算出された流速Ｖおよび流量算出部５７により算出された流量Ｐを表示部６０に表示させる（ステップＳ１４）。動作指令部５１は、操作部７０により測定動作終了が指示されたか否かを判定する（ステップＳ１５）。測定動作終了が指示されていない場合には、動作指令部５１は、ステップＳ２に戻る。測定動作終了が指示された場合には、動作指令部５１は、第１の検出部３０の出射部３１および第２の検出部４０の出射部４１に第１の参照用レーザ光３３および第２の参照用レーザ光４３の出射の停止を指令し（ステップＳ１６）、動作を終了する。

（５）実施の形態の効果
本実施の形態に係る流速測定装置によれば、加熱用レーザ光２１が配管１０内の流体の加熱位置ＨＰに出射される。それにより、配管１０内の流体に熱領域Ｚが形成される。熱領域Ｚの下流端および上流端は、配管１０内の下流および上流に移動する。熱領域Ｚの下流端の移動速度は、熱伝播速度ｖと流体の速度Ｖとの和により表される。熱領域Ｚの上流端の移動速度は、熱伝播速度ｖと流体の速度Ｖとの差により表される。加熱用レーザ光２１の出射が開始された時点から熱領域Ｚの下流端が第１の検出位置Ｄ１で検出された時点までの第１の熱移動時間Ｔ１が算出される。加熱用レーザ光２１の出射が開始された時点から熱領域Ｚの上流端が第２の検出位置Ｄ２で検出された時点までの第２の熱移動時間Ｔ２が算出される。第１の熱移動時間Ｔ１および第２の熱移動時間Ｔ２に基づいて流速Ｖが算出される。

この場合、上式（３）により配管１０内の流体の熱伝播速度ｖを考慮して配管１０内の流体の流速Ｖが測定される。したがって、配管１０内を流れる流体の流速をより高い精度で測定することができる。

また、同時に下流および上流に移動する熱領域Ｚの下流端および上流端の検出に基づいて流速Ｖが測定されるので、測定時間が短縮される。さらに、配管１０内の流体の流速が変化する場合でも、流速Ｖが正確に測定される。

また、配管１０内の流体が加熱用レーザ光２１により加熱される。それにより、配管１０内の流体を非接触で加熱することが可能になる。さらに、配管１０内の流体の温度の変化により流体での光の透過率が変化することを利用して第１の検出位置Ｄ１への熱領域Ｚの下流端の到達および第２の検出位置Ｄ２への熱領域Ｚの上流端の到達が検出される。それにより、配管１０内の熱領域Ｚを非接触で検出することが可能になる。

（６）第１および第２の検出部３０，４０の他の例
第１および第２の検出部３０，４０の他の例について説明する。図８および図９は、第１の検出部３０の他の例を示す模式的斜視図である。以下、他の例に係る第１の検出部３０の構成および動作原理について説明するが、他の例に係る第２の検出部４０の構成および動作原理は、第１の検出部３０の構成および動作原理と同様である。

第１の検出部３０の出射部３１は、配管１０の軸方向と垂直な方向Ａに対して傾斜する方向に第１の参照用レーザ光３３を出射するように配置される。第１の参照用レーザ光３３は、大気中から配管１０内に入射する際に屈折し、配管１０内の流体に入射する際に屈折する。また、第１の参照用レーザ光３３は、配管１０内の流体から出射する際に屈折し、配管１０内から大気中に出射する際に屈折する。

第１の検出部３０の受光部３２は、例えば、ラインセンサまたはエリアセンサであり、検出面３２ａを有する。受光部３２は、配管１０内の流体を透過した第１の参照用レーザ光３３が検出面３２ａに入射するように配置される。それにより、検出面３２ａに光スポットＩｍが形成される。

配管１０内の流体での第１の参照用レーザ光３３の屈折は、流体の温度の変化により変化する。それにより、検出面３２ａ上の光スポットＩｍの位置は、配管１０内の流体の温度の変化により変化する。したがって、検出面３２ａ上の光スポットＩｍの位置に基づいて、配管１０内を流れる流体の熱領域Ｚの下流端を検出することができる。

配管１０内を流れる流体の温度が上昇すると、流体の屈折率が小さくなる。それにより、図９に示すように、検出面３２ａ上の光スポットＩｍが距離ΔＬ１移動する。したがって、光スポットＩｍが移動した距離ΔＬ１が予め定められたしきい値に達したか否かに基づいて、配管１０内を流れる流体の熱領域Ｚの下流端を検出することができる。

このように、図８および図９の第１の検出部３０においては、流体の屈折率の変化による検出面３２ａ上での光スポットＩｍの位置の変化に基づいて熱領域Ｚの下流端を検出することができる。この場合、熱領域Ｚが第１の検出位置Ｄ１に存在しないときの受光量と熱領域Ｚが第１の検出位置Ｄ１に存在するときの受光量とを考慮する必要がなくなる。そのため、受光部３２の感度によらず配管１０内の流体の熱領域Ｚの下流端をより確実に検出することができる。

他の例に係る第２の検出部４０においても、図８および図９の第１の検出部３０と同様の構成および動作原理により、配管１０内の流体の熱領域Ｚの上流端を検出することができる。

（７）第１および第２の検出部３０，４０のさらに他の例
第１および第２の検出部３０，４０のさらに他の例について説明する。図１０および図１１は、第１の検出部３０のさらに他の例を示す模式的断面図である。以下、さらに他の例に係る第１の検出部３０の構成および動作について説明するが、さらに他の例に係る第２の検出部４０の構成および動作原理は、第１の検出部３０の構成および動作原理と同様である。図１０および図１１の第１の検出部３０が図１の第１の検出部３０と異なるのは、以下の点である。

第１の検出部３０は、集光レンズ３１１、拡大レンズ３２１およびアパーチャ部材３２２をさらに備える。集光レンズ３１１は、出射部３１と配管１０との間に配置される。拡大レンズ３２１およびアパーチャ部材３２２は、配管１０と受光部３２との間に配置される。

図１０に示すように、出射部３１により出射された第１の参照用レーザ光３３は、集光レンズ３１１により収束され、配管１０内に入射する。図１０の例では、第１の参照用レーザ光３３の集光位置Ｆ１は配管１０の略中心にある。第１の参照用レーザ光３３は、集光位置Ｆ１から拡がるように配管１０から出射され、拡大レンズ３２１により収束される。拡大レンズ３２１は、入射光に比べて出射光を拡大する。収束された第１の参照用レーザ光３３は、アパーチャ部材３２２の開口を通過し、受光部３２により受光される。図１０の例では、アパーチャ部材３２２は、集光レンズ３１２による集光位置Ｆ２の近傍に配置される。この場合、受光部３２の受光量は最大となる。

配管１０内を流れる流体の温度が上昇すると、流体の屈折率が小さくなる。それにより、図１１に示すように、集光レンズ３１１による第１の参照用レーザ光３３の集光位置Ｆ１が距離ΔＬ２移動する。そのため、拡大レンズ３２１により第１の参照用レーザ光３３の集光位置Ｆ２が距離ΔＬ３移動する。拡大レンズ３２１の拡大率をｍとすると、距離ΔＬ３は距離ΔＬ２のｍ^２倍である。この場合、アパーチャ部材３２２の開口を通過する第１の参照用レーザ光３３の単位面積当たりの光量が低下する。それにより、受光部３２の受光量が低下する。したがって、受光部３２の受光量が予め定められたしきい値に低下したか否かに基づいて熱領域Ｚの下流端を検出することができる。

さらに他の例に係る第２の検出部４０においても、図１０および図１１の第１の検出部３０と同様の構成および動作原理により、配管１０内の流体の熱領域Ｚの上流端を検出することができる。

（８）他の実施の形態
（ａ）上記実施の形態においては、第１の検出部３０の出射部３１および第２の検出部４０の出射部４１が別個に設けられているが、第１の検出部３０および第２の検出部４０に共通の出射部が用いられてもよい。図１２は第１の検出部３０および第２の検出部４０の出射部の他の例を示す模式図である。

図１２の例では、第１の検出部３０および第２の検出部４０が共通の出射部３５を含む。出射部３５により出射されたレーザ光の一部は、ハーフミラー３６を透過し、第１の参照用レーザ光３３として配管１０内の流体に出射される。出射部３５により出射されたレーザ光の残りの部分は、ハーフミラー３６およびミラー３７により反射され、第２の参照用レーザ光４３として配管１０内の流体に出射される。

図８および図９の例においても、共通の出射部３５を用いることができる。また、図１０および図１１の例においても、共通の出射部３５を用いることができる。

（ｂ）図１３は、他の実施の形態に係る流速測定装置の一部を示す模式図である。図１３においては、図１の制御部５０の図示が省略されている。図１３の流速測定装置１００ａが図１の流速測定装置１００と異なるのは、以下の点である。

流速測定装置１００ａは、第１の加熱部２０ａ、第２の加熱部２０ｂおよび検出部３００を備える。第１の加熱部２０ａは、配管１０の軸方向と垂直な方向に加熱用レーザ光２１ａを出射するように配置される。加熱用レーザ光２１ａは、配管１０内の中心軸上の第１の加熱位置ＨＰ１を通過する。

第２の加熱部２０ｂは、第１の加熱部２０ａよりも下流に配置される。第２の加熱部２０ｂは、配管１０の軸方向と垂直な方向に加熱用レーザ光２１ｂを出射するように配置される。加熱用レーザ光２１ｂは、配管１０内の中心軸上の第２の加熱位置ＨＰ２を通過する。

検出部３００は、出射部３１０および受光部３２０を含む。出射部３１０および受光部３２０は、第１の加熱部２０ａよりも下流でかつ第２の加熱部２０ｂよりも上流で配管１０を挟んで互いに対向するように配置される。出射部３１０は、配管１０の軸方向と垂直な方向に参照用レーザ光３３０を出射する。参照用レーザ光３３０は、配管１０内の中心軸上の検出位置Ｄを通過した後に受光部３２０に導かれる。

まず、第１の加熱部２０ａが加熱用レーザ光２１ａを出射する。それにより、加熱用レーザ光２１ａにより検出位置Ｄよりも上流に熱領域が生成される。熱領域の下流端は、第１の熱移動時間Ｔ１が経過した時点で検出部３００により検出される。次に、加熱用レーザ光２１ａによる熱領域の影響がなくなった時点で第２の加熱部２０ｂが加熱用レーザ光２１ｂを出射する。それにより、加熱用レーザ光２１ｂにより検出位置Ｄよりも下流に熱領域が生成される。熱領域の上流端は、第２の熱移動時間Ｔ２が経過した時点で第１の検出部３０に検出される。したがって、第１の熱移動時間Ｔ１および第２の熱移動時間Ｔ２を用いて上式（４）より配管１０内の流体の流速を測定することができる。

（ｃ）上記実施の形態に係る流速測定装置は、例えば、液体クロマトグラフに用いられるが、本発明はこれに限定されない。本発明に係る流速測定装置は、種々の装置において流体の流速を測定するために用いることができる。

（ｄ）上記実施の形態に係る流速測定装置において、加熱部２０，２０ａ，２０ｂと配管１０との間に絞りまたは光学フィルタ等が挿入されてもよい。

（９）請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明する。上記実施の形態では、配管１０が流路の例であり、図１〜図１２の実施の形態では、加熱部２０が熱付与部の例であり、図１３の実施の形態では、第１の加熱部２０ａおよび第２の加熱部２０ｂが熱付与部の例である。第１の熱移動時間Ｔ１が第１の時間の例であり、第２の熱移動時間Ｔ２が第２の時間の例であり、図１〜図１２の実施の形態では、第１の検出部３０および第２の検出部４０が移動時間検出部の例であり、図１３の実施の形態では、検出部３００が移動時間検出部の例である。出射部３１が第１の出射部の例であり、受光部３２が第１の受光部の例であり、出射部４１が第２の出射部の例であり、受光部４２が第２の出射部の例であり、集光レンズ３１１が第１の集光部の例である。

（１０）態様
上述した複数の例示的な実施の形態は以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

（第１項）一態様に係る流速測定装置は、
流路内を流れる流体の流速を測定する流速測定装置であって、
前記流路内を流れる流体に熱を付与する熱付与部と、
熱付与部により流体に付与された熱が、下流に第１の距離移動する時間を第１の時間として検出し、上流に第２の距離移動する時間を第２の時間として検出する移動時間検出部と、
前記移動時間検出部により検出された第１の時間、第２の時間、第１の距離および第２の距離に基づいて前記流路内を流れる流体の流速を算出する流速算出部とを備えてもよい。

第１項に記載の流速測定装置によれば、流体に付与された熱が下流に第１の距離移動した時間が第１の時間として検出される。下流に向かう熱の移動速度は、熱の伝播速度と流体の流速との和により表される。また、流体に付与された熱が上流に第２の距離移動した時間が第２の時間として検出される。上流に向かう熱の移動速度は、熱の伝播速度と流体の流速との差により表される。第１の時間、第２の時間、第１の距離および第２の距離に基づいて流路内を流れる流体の流速が算出される。

この場合、熱の伝播速度を考慮して流路内の流体の流速が測定される。したがって、流路内を流れる流体の流速をより高い精度で測定することができる。

（第２項）第１項に記載の流速測定装置において、
前記熱付与部は、
前記流路内を流れる流体を加熱位置で加熱することにより流体に熱を付与する加熱部を含み、
前記移動時間検出部は、
前記流路内を流れる流体に付与された熱を前記加熱位置よりも下流の第１の検出位置で検出する第１の検出部と、
前記流路内を流れる流体に付与された熱を前記加熱位置よりも上流の第２の検出位置で検出する第２の検出部と、
前記加熱部により流体に熱が付与された時点から前記第１の検出部により熱が検出された時点までの時間を前記第１の時間として算出し、前記加熱部により流体に熱が付与された時点から前記第２の検出部により熱が検出された時点までの時間を前記第２の時間として算出する熱移動時間算出部とを含んでもよい。

第２項に記載の流速測定装置によれば、加熱位置に付与された熱は流路内の下流および上流に移動する。流体に熱が付与された時点から下流の第１の検出位置で熱が検出された時点までの第１の時間が算出される。また、流体に熱が付与された時点から上流の第２の検出位置で熱が検出された時点までの第２の時間が算出される。第１の時間および第２の時間に基づいて流路内を流れる流体の流速が算出される。この場合、同時に下流および上流へ移動する熱の検出に基づいて流速が測定されるので、測定時間が短縮される。また、流体の流速が変化する場合でも、流速が正確に測定される。

（第３項）第２項に記載の流速測定装置において、
前記第１の検出部は、前記第１の検出位置で流体を透過する光の量に基づいて前記流路内を流れる流体に付与された熱を検出するように構成され、
前記第２の検出部は、前記第２の検出位置で流体を透過する光の量に基づいて前記流路内を流れる流体に付与された熱を検出するように構成されてもよい。

第３項に記載の流速測定装置によれば、流体の温度の変化により流体での光の透過率が変化することを利用して第１の検出位置への熱の到達および第２の検出位置への熱の到達が検出される。それにより、流路内の流体に付与された熱を非接触で検出することが可能になる。

（第４項）第３項に記載の流速測定装置において、
前記第１の検出部は、
前記第１の検出位置における流体に光を出射する第１の出射部と、
前記第１の検出位置で流体を透過する光を受光する第１の受光部と、
前記第１の受光部により受光される光の量に基づいて前記第１の検出位置に熱が到達したか否かを判定する第１の判定部とを含み、
前記第２の検出部は、
前記第２の検出位置における流体に光を出射する第２の出射部と、
前記第２の検出位置で流体を透過する光を受光する第２の受光部と、
前記第２の受光部により受光される光の量に基づいて前記第２の検出位置に熱が到達したか否かを判定する第２の判定部とを含み、
前記第１の出射部および前記第２の出射部は、それぞれ別個に設けられ、または共通に設けられてもよい。

第４項に記載の流速測定装置によれば、簡単な構成により加熱位置から第１および第２の検出位置までの熱の移動時間を算出することができる。

（第５項）第２項に記載の流速測定装置において、
前記第１の検出部は、前記第１の検出位置での流体による光の屈折に基づいて前記流路内を流れる流体に付与された熱を検出するように構成され、
前記第２の検出部は、前記第２の検出位置での流体による光の屈折に基づいて前記流路内を流れる流体に付与された熱を検出するように構成されてもよい。

第５項に記載の流速測定装置によれば、流体の温度の変化により流体での光の屈折が変化することを利用して第１の検出位置への熱の到達および第２の検出位置への熱の到達が検出される。それにより、流路内の流体に付与された熱を非接触で検出することが可能になる。

（第６項）第５項に記載の流速測定装置において、
前記第１の検出部は、
前記第１の検出位置における流体に光を出射する第１の出射部と、
前記第１の検出位置で流体を透過する光を受光する第１の受光部と、
前記第１の受光部により受光される光の位置に基づいて前記第１の検出位置に熱が到達したか否かを判定する第１の判定部とを含み、
前記第２の検出部は、
前記第２の検出位置における流体に光を出射する第２の出射部と、
前記第２の検出位置で流体を透過する光を受光する第２の受光部と、
前記第２の受光部により受光される光の位置に基づいて前記第２の検出位置に熱が到達したか否かを判定する第２の判定部とを含み、
前記第１の出射部および前記第２の出射部は、それぞれ別個に設けられ、または共通に設けられてもよい。

第６項に記載の流速測定装置によれば、流体での光の屈折の変化による受光位置の変化に基づいて加熱位置から第１および第２の検出位置までの熱の移動時間が算出される。この場合、受光量の変化を検出する必要がないので、第１および第２の受光部の感度によらず熱の移動時間を正確に算出することができる。

（第７項）第５項に記載の流速測定装置によれば、
前記第１の検出部は、
光を出射する第１の出射部と、
前記第１の出射部により出射される光を前記第１の検出位置における流体に集光させる第１の集光部と、
前記第１の検出位置で流体を透過する光を受光する第１の受光部と、
前記第１の受光部により受光される光の量に基づいて前記第１の検出位置に熱が到達したか否かを判定する第１の判定部とを含み、
前記第２の検出部は、
光を出射する第２の出射部と、
前記第２の出射部により出射される光を前記第２の検出位置における流体に集光させる第２の集光部と、
前記第２の検出位置で流体を透過する光を受光する第２の受光部と、
前記第２の受光部により受光される光の量に基づいて前記第２の検出位置に熱が到達したか否かを判定する第２の判定部とを含んでもよい。

第７項に記載の流速測定装置によれば、流体での光の屈折の変化または流体の屈折率の変化による光の受光量の変化に基づいて加熱位置から第１および第２の検出位置までの熱の移動時間が算出される。

（第８項）第１項に記載の流速測定装置によれば、
前記熱付与部は、
前記流路内を流れる流体を第１の加熱位置で加熱することにより流体に熱を付与する第１の加熱部と、
前記流路内を流れる流体を前記第１の加熱位置よりも上流の第２の加熱位置で加熱することにより流体に熱を付与する第２の加熱部とを含み、
前記移動時間検出部は、
前記流路内を流れる流体に前記第１の加熱部により付与された熱を前記第１の加熱位置と前記第２の加熱位置との間の検出位置で検出し、前記流路内を流れる流体に前記第２の加熱部により付与された熱を前記検出位置で検出する検出部と、
前記第１の加熱部により流体に熱が付与された時点から前記検出部により熱が検出された時点までの時間を算出し、前記第２の加熱部により流体に熱が付与された時点から前記検出部により熱が検出された時点までの時間を算出する熱移動時間算出部とを含んでもよい。

第８項に記載の流速測定装置によれば、第１の加熱位置で流体に熱が付与された時点から下流に移動する熱が検出位置で検出された時点までの第１の時間が算出される。また、第２の加熱位置で流体に熱が付与された時点から上流へ移動する熱が検出位置で検出された時点までの第２の時間が算出される。第１の時間および第２の時間に基づいて流路内を流れる流体の流速が算出される。この場合、共通の検出部により下流に移動する熱および上流に移動する熱が検出されるので、検出部の構成が簡単になる。

１０…配管，２０…加熱部，２１，２１ａ，２１ｂ…加熱用レーザ光，２０ａ…第１の加熱部，２０ｂ…第２の加熱部，３０…第１の検出部，３１，３５，４１，３１０…出射部，３２…受光部，３２ａ…検出面，３３…第１の参照用レーザ光，３６…ハーフミラー，３７…ミラー，４０…第２の検出部，４２…受光部，４３…第２の参照用レーザ光，５０…制御部，５１…動作指令部，５２…透過光量取得部，５３ａ…第１の判定部，５３ｂ…第２の判定部，５４…熱移動時間算出部，５５…熱移動時間記憶部，５６…流速算出部，５７…流量算出部，６０…表示部，７０…操作部，１００…流速測定装置，１００ａ…流速測定装置，３００…検出部，３１１…集光レンズ，３１２…集光レンズ，３２０…受光部，３２１…拡大レンズ，３２２…アパーチャ部材，３３０…参照用レーザ光，５１１…入出力Ｉ／Ｆ，５１２…ＣＰＵ，５１３…ＲＡＭ，５１４…ＲＯＭ，５１５…記憶装置，５１６…バス，Ｄ…検出位置，Ｄ１…第１の検出位置，Ｄ２…第２の検出位置，Ｆ１…集光位置，Ｆ２…集光位置，ＨＰ…加熱位置，ＨＰ１…第１の加熱位置，ＨＰ２…第２の加熱位置，Ｌ１…第１の距離，Ｌ２…第２の距離，Ｔ１…第１の熱移動時間，Ｔ２…第２の熱移動時間，Ｔｈ１…第１のしきい値，Ｔｈ２…第２のしきい値，Ｖ…流速，Ｖ１…第１の熱移動速度，Ｖ２…第２の熱移動速度，Ｚ…熱領域，ｖ…熱伝播速度

Claims (8)

1. 流路内を流れる流体の流速を測定する流速測定装置であって、
   前記流路内を流れる流体に熱を付与する熱付与部と、
   熱付与部により流体に付与された熱が、下流に第１の距離移動する時間を第１の時間として検出し、上流に第２の距離移動する時間を第２の時間として検出する移動時間検出部と、
   前記移動時間検出部により検出された第１の時間、第２の時間、第１の距離および第２の距離に基づいて前記流路内を流れる流体の流速を算出する流速算出部とを備えた、流速測定装置。
2. 前記熱付与部は、
   前記流路内を流れる流体を加熱位置で加熱することにより流体に熱を付与する加熱部を含み、
   前記移動時間検出部は、
   前記流路内を流れる流体に付与された熱を前記加熱位置よりも下流の第１の検出位置で検出する第１の検出部と、
   前記流路内を流れる流体に付与された熱を前記加熱位置よりも上流の第２の検出位置で検出する第２の検出部と、
   前記加熱部により流体に熱が付与された時点から前記第１の検出部により熱が検出された時点までの時間を前記第１の時間として算出し、
   前記加熱部により流体に熱が付与された時点から前記第２の検出部により熱が検出された時点までの時間を前記第２の時間として算出する熱移動時間算出部とを含む、請求項１記載の流速測定装置。
3. 前記第１の検出部は、前記第１の検出位置で流体を透過する光の量に基づいて前記流路内を流れる流体に付与された熱を検出するように構成され、
   前記第２の検出部は、前記第２の検出位置で流体を透過する光の量に基づいて前記流路内を流れる流体に付与された熱を検出するように構成された、請求項２記載の流速測定装置。
4. 前記第１の検出部は、
   前記第１の検出位置における流体に光を出射する第１の出射部と、
   前記第１の検出位置で流体を透過する光を受光する第１の受光部と、
   前記受光部により受光される光の量に基づいて前記第１の検出位置に熱が到達したか否かを判定する第１の判定部とを含み、
   前記第２の検出部は、
   前記第２の検出位置における流体に光を出射する第２の出射部と、
   前記第２の検出位置で流体を透過する光を受光する第２の受光部と、
   前記受光部により受光される光の量に基づいて前記第２の検出位置に熱が到達したか否かを判定する第２の判定部とを含み、
   前記第１の出射部および前記第２の出射部は、それぞれ別個に設けられ、または共通に設けられる、請求項３記載の流速測定装置。
5. 前記第１の検出部は、前記第１の検出位置での流体による光の屈折に基づいて前記流路内を流れる流体に付与された熱を検出するように構成され、
   前記第２の検出部は、前記第２の検出位置での流体による光の屈折に基づいて前記流路内を流れる流体に付与された熱を検出するように構成された、請求項２記載の流速測定装置。
6. 前記第１の検出部は、
   前記第１の検出位置における流体に光を出射する第１の出射部と、
   前記第１の検出位置で流体を透過する光を受光する第１の受光部と、
   前記第１の受光部により受光される光の位置に基づいて前記第１の検出位置に熱が到達したか否かを判定する第１の判定部とを含み、
   前記第２の検出部は、
   前記第２の検出位置における流体に光を出射する第２の出射部と、
   前記第２の検出位置で流体を透過する光を受光する第２の受光部と、
   前記第２の受光部により受光される光の位置に基づいて前記第２の検出位置に熱が到達したか否かを判定する第２の判定部とを含み、
   前記第１の出射部および前記第２の出射部は、それぞれ別個に設けられ、または共通に設けられる、請求項５記載の流速測定装置。
7. 前記第１の検出部は、
   光を出射する第１の出射部と、
   前記第１の出射部により出射される光を前記第１の検出位置における流体に集光させる第１の集光部と、
   前記第１の検出位置で流体を透過する光を受光する第１の受光部と、
   前記第１の受光部により受光される光の量に基づいて前記第１の検出位置に熱が到達したか否かを判定する第１の判定部とを含み、
   前記第２の検出部は、
   光を出射する第２の出射部と、
   前記第２の出射部により出射される光を前記第２の検出位置における流体に集光させる第２の集光部と、
   前記第２の検出位置で流体を透過する光を受光する第２の受光部と、
   前記第２の受光部により受光される光の量に基づいて前記第２の検出位置に熱が到達したか否かを判定する第２の判定部とを含む、請求項５記載の流速測定装置。
8. 前記熱付与部は、
   前記流路内を流れる流体を第１の加熱位置で加熱することにより流体に熱を付与する第１の加熱部と、
   前記流路内を流れる流体を前記第１の加熱位置よりも上流の第２の加熱位置で加熱することにより流体に熱を付与する第２の加熱部とを含み、
   前記移動時間検出部は、
   前記流路内を流れる流体に前記第１の加熱部により付与された熱を前記第１の加熱位置と前記第２の加熱位置との間の検出位置で検出し、前記流路内を流れる流体に前記第２の加熱部により付与された熱を前記検出位置で検出する検出部と、
   前記第１の加熱部により流体に熱が付与された時点から前記検出部により熱が検出された時点までの時間を算出し、前記第２の加熱部により流体に熱が付与された時点から前記検出部により熱が検出された時点までの時間を算出する熱移動時間算出部とを含む、請求項１記載の流速測定装置。

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