JP2022077303A - 光ファイバープローブセンサーを用いた薄液膜厚さと液膜速度との同時測定方法、及び同センサーの較正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シンプルかつ低コストでありながら、各種実機器や実プラント装置などの内部、ならびに外部の固体壁面上を移動する薄液膜の厚さとその移動速度とを同時に高精度かつ簡便に計測することができる光ファイバープローブセンサーによる計測方法、及び同センサーの較正方法を提供する。【解決手段】本発明の液膜厚さの計測方法は、光軸に対して傾斜するように研磨した一方端面である「楔状検出端面３」有する光ファイバー２から構成される光ファイバープローブセンサー１に対して、光ファイバー２の他方端面である「光源側端面」から計測光を供給し、楔状検出端面３の先端部から薄液中に照射された計測光の一部が液膜気液界面で反射されて楔状検出端面３に再入光する際の光強度が、楔状検出端面３の先端部と液膜気液界面との距離、ならびに楔状検出端面３により決定されることに基づいて、薄液膜Ｗの厚さを逐次かつ連続的に計測する。【選択図】図１０

Description

本発明は、楔形状を先端に有する光ファイバーをプローブとして用いたセンサー（以降、光ファイバープローブセンサーと呼ぶ）を用い、固体壁面を移動する薄い液体膜の厚さ（薄液厚さ）と、薄い液体膜の移動速度（液膜速度）とを同時に測定する技術に関する。加えて、このセンサーの較正する技術に関する。

エアコンなどの生活関連機器、熱交換器や製造用工業装置などの配管や反応槽などの固体壁面には、その固体壁面上を移動する薄い液体の膜 (以下、薄液膜)が形成されることが多い。この薄液膜の厚みや壁面に沿った移動速度（所謂、液膜速度）は、機器や装置の性能、安全性および製品の品質を決定する重要なパラメータである。薄液膜の厚み、移動速度を高精度に計測、モニタリングすることにより、機器や装置のエネルギー効率、生産効率、安全性、製品の品質を飛躍的に向上させることが可能となる。

ところで、薄膜といえば、料理などで使用するラップのような薄い透明フィルムが頭に浮かぶ。このような透明固体フィルムの膜厚を計測する機器は、日本のメーカーからレーザー光の干渉を利用する技術が既に開発され、商品としても販売されている。
このレーザー光の干渉の技術は、開放されている状態で機器やプラント内を移動する固体薄膜（プラスティック薄膜など）には有効な方法であるが、密閉された機器やプラント内壁を移動する液膜計測に供することは不可能である。そこで、他に有効ではないかと思われる特許文献１、特許文献２で開示されているような手法も考えられている。

特開２０１５－１７４１５６公報 特開２００９－１０３６３０公報

しかしながら、特許文献１が開示するような装置をコンパクトに防爆、防水、気密化して機器やプラント内壁を移動する液膜の計測に供することは合理的とは言い難い。特に、センサー自体が複雑な構造となっている上に、センサーと処理系との距離を取ることが不可能であり、稼働プラントにおける計測やモニターに合理的に使用できるとは思われない。

また、特許文献２で開示されているような光ファイバーを利用した技術は、蛍光物質の発光強度の検出を原理としており、実用的で無い側面がある。特に、特許文献２の技術は、液膜内に蛍光物質が溶存することを前提としており、蛍光物質が存在しない場合、装置内に化学試薬を混入する必要があり、クリーンな環境での測定が困難という欠点から、実用的とは言い難い。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、シンプルかつ低コストでありながら、各種実機器や実プラント装置などの内部、ならびに外部の固体壁面上を移動する薄液膜の厚さとその移動速度とを同時に高精度かつ簡便に計測することができる光ファイバーをプローブとしたセンサーによる計測方法、及び同センサーの較正方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明にかかる光ファイバープローブセンサーを用いた薄液膜厚計測方法は、光軸に対して傾斜するように研磨した一方端面である「楔状検出端面」有する光ファイバーから構成される光ファイバープローブセンサーに対して、前記光ファイバーの他方端面である「光源側端面」から計測光を導入し、前記楔状検出端面の先端部から薄液中に照射された前記計測光の一部が液膜気液界面で反射されて楔状検出端面に再入光する際の光強度が、楔状検出端面の先端部と液膜気液界面との距離、ならびに楔状検出端面により決定されることに基づいて、薄液膜の厚さを逐次かつ連続的に計測することを特徴とする。

好ましくは、薄液膜が存在する壁面に対して、前記光ファイバープローブセンサーを適切な間隔をあけて複数本配置し、各光ファイバープローブセンサーの検出信号の相互相関と設置間隔とから、前記壁面に沿った薄液膜の速度を逐次かつ連続的に計測するとよい。
好ましくは、光源系、光学系、光電変換系を較正時と同一の設定で調整し、較正時と同一の入力光強度と戻り光強度が得られれば、戻り光強度と入力光強度との強度比は入力光強度に依存しない光ファイバープローブセンサー固有の値となるとし、前記固有の値を用いつつ、前記薄液膜の気液界面で反射されて光ファイバープローブセンサーに再入射する戻り受光強度と入力光強度との比を表す液膜厚さの関数を求め、前記関数を利用して、前記壁面に沿った薄液膜の特性を逐次かつ連続的に計測するとよい。

本発明にかかる光ファイバープローブセンサーの較正方法は、前記光源系、光学系、光電変換系を較正時と同一の設定で調整し、較正時と同一の入力光強度と戻り光強度が得られれば、戻り光強度と入力光強度との強度比は入力光強度に依存しない光ファイバープローブセンサー固有の値となるとし、前記固有の値を用いつつ、前述した光ファイバープローブセンサーを較正することを特徴とする。

本発明の技術によれば、各種実機器や実プラント装置などの内部、ならびに外部の固体壁面上を移動する薄液膜の厚さとその移動速度とを同時に高精度かつ簡便に計測することが可能となる。

光ファイバープローブセンサーの形状を示したものである。 光ファイバープローブセンサーの実装状況を示した図である。 「再入射光強度と入射光強度との比」と「液膜厚さ」との関係を示したものである。 第１段階の較正装置の一例を示した図である。 楔状検出端面からの放射光の分布を示した図である。 第２段階較正における光ファイバープローブセンサーの構成例を示した図である。 第２段階の較正装置例を示した図である。 第２段階の較正装置例による較正手順を示した図である。 光ファイバープローブセンサーの基本ユニットを示した図である。 光ファイバープローブセンサーの基本ユニットを示した図である。

以下、本発明にかかる光ファイバープローブセンサー１、及びその計測の原理について説明する。
周知のごとく、光ファイバー２とは、極細の信号線で高速信号が長距離に伝送出来るため、デジタル通信を中心に多くの通信用途に使用されているものである。この光ファイバー２はコアと呼ばれる芯とその外側のクラッドと呼ばれる部分から構成されている。光ファイバー２を構成するクラッドよりもコアの屈折率を高くすることで、全反射や屈折により光を中心部のコアにだけ伝播させる構造になっている。コアとクラッドはともに光に対して透過率が非常に高い石英ガラスまたはプラスティックで構成されている。

このような構成の光ファイバー２の先端を気泡が断続的に存在するような水の中に浸漬し、光ファイバー２の内部（コア）に光を通し（強度Pi)、この光ファイバー２の先端より、水中に光を射出した場合、以下の２つの状況が生じることになる。
まず、
(i)光ファイバー２の先端が水に接している場合は、水とコアとの屈折率に大きな差がないため、光ファイバー２の端部でコアの内側に反射してくる光の強度は小さいものとなる（伝送光Piの０．５％程度）。

(ii)光ファイバー２の先端が気泡で覆われた場合、気泡（空気）とコアとの屈折率に大
きな差が存在するために、光ファイバー２の端部でコアの内側に反射してくる光の強度Pbは大きなものとなる（伝送光Piの４％程度）。
以上述べたコア内の反射光の強度を光電変換して、電圧変化として気泡情報、言い換えれば薄膜に関する情報を得るのが、本発明の基本原理である。

具体的には、本願発明者らは、精密な実験と光学原理に基づいた精緻なコンピューターシミュレーション（以下、３次元光線追跡シミュレーション）を実施した。
その結果の一つとして、図１に示す如く、光軸に対して傾斜する端面３（以下、楔状検出端面３）を有する光ファイバー２を、「薄液膜Ｗの厚み（図２に示すｔ）」と「薄液膜Ｗの移動速度（図２に示すｖ）」を計測するためのプローブセンサー１として用いることができるとの知見を得た。

後述するように、光ファイバープローブセンサー１の液膜厚の計測分解能は、楔状検出端面３の面積（楔角が所定の範囲にあることから楔状検出端面３の短径と考えてもよい）が小さいほど向上するので、光ファイバー素線を適切な方法によりテーパー加工することが好ましい。
この楔角θ_１に関しては、30°から35°程度が最もS/N比が良いが、好ましくは、光ファイバー２のコアの屈折率と計測対象とする液の屈折率、ならびに使用する光の波長により決定するのがよい。

また、図１に示す光ファイバー２のテーパー角θ_２に関しては、コアの屈折率、クラッドの屈折率ならびに使用する光の波長により決定するが、概ね３°から６°程度にするのが好ましい。
光ファイバー２による計測においては、図２に示すように、光ファイバー２の楔状検出端面３を、この端面３の先端が固体壁面Ｃと同一平面に位置し、かつ光ファイバー２中心軸が固体壁面Ｃに直交するように固体壁面Ｃに外部から挿入し、光ファイバー２を入射光導波路として楔状検出端面３に光ファイバー２の他端から入射光を供給し、かつ楔状検出端面３先端部に導波入射光を集中させて固体壁面Ｃ上の薄液膜Ｗ中に照射し、薄液膜Ｗの気液界面にて反射された光を楔状検出端面３で再受光し、再受光強度が楔状検出端面３先端と気液界面との距離によって決定されること、および先端が気液界面に接するときに最大値を取ること、ならびに入射光強度により受光強度を正規化することにより、図３を得ることが可能となる。

この図３を利用することで、液種や液温ならびに照射系、受光系、強度検出用光学系によらずに薄液膜Ｗの厚さ（固体壁面Ｃから気液界面の垂直距離）を一義的に計測することが可能となる。
光ファイバープローブセンサー１の楔状検出端面３が集光と受光の光学素子となることから、複雑な光学回路を組むことなく薄液膜Ｗの厚さを計測でき、優れた実用性を有する。加えて、後述のように、実測と３次元光線追跡シミュレーションとを併用して光ファイバープローブセンサー１を較正する。これにより、光ファイバープローブセンサー１を簡便かつ精緻に較正するとともに、実用的かつ汎用性の高いセンサー１の基本ユニットが出来上がることになる。

次に、本発明にかかる光ファイバープローブセンサー１の較正方法とその較正方法の理論的な考察を行ってみる。
まず、光ファイバープローブセンサー１への入力光強度と楔状検出端面３からの反射光強度との関係を考えてみる。
（1-1)楔状検出端面３が気相中にある場合
光ファイバープローブセンサー１への入力光強度をi_i、楔状検出端面３からの反射光強度をi_sr@gasとする。光学原理を基にした３次元光線追跡シミュレーションの結果から、強度比r_1@gasは、
r_1@gas = i_sr@gas/i_i = Constant = c_1@gasとなる。

ここに、c_1@gasは入力光強度に依存せず、製作した個々の光ファイバープローブセンサー１の形状や楔状検出端面３の性状と楔状検出端面３を覆う気相の屈折率とで決まる個々の光ファイバープローブセンサー１に固有の値c_1@gasとなる。
（1-2)楔状検出端面３が液相中にある場合
光ファイバープローブセンサー１への入力光強度をi_i、楔状検出端面３からの反射光強度をi_sr@liquidとする。幾何光学を基にした３次元光線追跡シミュレーションの結果から、強度比r_1@liquidは、
r_1@liquid = i_sr@liquid/i_i = Constant = c_1@liquidとなる。
ここに、c_1@liquidは入力光強度に依存せず、製作した個々の光ファイバープローブセンサー１の形状や楔状検出端面３性状とこの楔状検出端面３を覆う液相の屈折率とで決まる個々の光ファイバープローブセンサー１に固有の値c_1@liquidとなる。

続いて、光ファイバープローブセンサー１への入力光強度と楔状検出端面３から系外に放射される光強度との関係について、考察をすすめる。
（2-1)楔状検出端面３が気相中にある場合
楔状検出端面３から系外に放射される光強度をi_se@gasとすれば、
i_se@gas = i_i - i_sr@gas
ここで両辺をi_iで割って強度比r_2@gasは、
r_2@gas = i_se@gas/i_i= 1 - i_sr@gas/i_i = 1 - c_1@gas = Constantとなり、
r_2@gasもi_iに依存せず、製作した個々の光ファイバープローブセンサー１の形状や楔状検出端面３性状と楔状検出端面３を覆う気相の屈折率とで決まる個々の光ファイバープローブセンサー１に固有の値となる。

（2-2)楔状検出端面３が液相中にある場合
楔状検出端面３から系外に放射される光強度をi_se@liquidとすれば、
i_se@liquid = i_i - i_sr@liquid
同様に強度比r_2@liquidは、
r_2@liquid = i_se@liquid/i_i= 1 - i_sr@liquid/i_i = 1 - c_1@liquid = Constant = c_2@liquidとなり、
r_2@liquidもi_iに依存せず、製作した個々の光ファイバープローブセンサー１の形状や楔状検出端面３の性状と楔状検出端面３を覆う液相の屈折率とで決まる個々の光ファイバープローブセンサー１に固有の値となる。

さらに、入力光強度と界面で反射し楔状検出端面３から光ファイバープローブセンサー１に再入射する光強度との関係を考察してみる。
（3-1)楔状検出端面３が気相中にある場合
楔状検出端面３に再入射する光強度をi_sri@gasとする。i_sri@gasは界面と楔状検出端面３先端との距離lと楔状検出端面３の短径dの関数であるf_1@gas(l, d)ならびに製作した個々の光ファイバープローブセンサー１の形状や楔状検出端面３性状と界面の反射率等の光学特性で決まる係数α_1@gas(c_OP) （光ファイバープローブセンサー１と気液界面の光学特性と光ファイバープローブセンサー１が決まれば一定値）により、
i_sri@gas= f_1@gas(l, d)×α_1@gas(c_OP)×i_se@gasと表すことができ、
i_sri@gas = f_1@gas(l, d) α_1@gas(c_OP)×(i_i - i_sr@gas)となる。
さらに、強度比r_3@gasは、
r_3@gas = i_sri@gas/i_i = f_1@gas(l, d)× α_1@gas(c_OP)×(1 - i_sr@gas/i_i)
すなわち、r_3@gas = f_1@gas(l, d)× α_1@gas(c_OP)×(1 - c_1@gas)となり、
入力光強度i_iに依存せず、c_1@gas、係数α_1@gas(c_OP)およびf_1@gas(l, d)により決まる。加えて、光ファイバープローブセンサー１が決まれば、f_1@gas(l, d)はlのみの関数となる。製作した各々光ファイバープローブセンサー１に固有のc_1@gas、係数α_1@gas(c_OP)およびf_1@gas(l)を求めておけば、強度比r_3@gasを計測することにより、界面と楔状検出端面３先端との距離lを計測することができる。

（3-2)楔状検出端面３が液相中にある場合
楔状検出端面３に再入射する光強度をi_sri@liquidとする。i_sri@liquidは界面と楔状検出端面３先端との距離lとdの関数であるf_1@liquid(l, d) ならびに製作した個々の光ファイバープローブセンサー１の形状や楔状検出端面３性状と界面の反射率等の光学特性で決まる係数α_1@liquid(c_OP) （光ファイバープローブセンサー１と気液界面の光学特性と光
ファイバープローブセンサー１が決まれば一定値）により、
i_sri@liquid = f_1@liquid(l, d)×α_1@liquid(c_OP)×i_se@liquidと表すことができ、
i_sri@liquid = f_1@liquid(l, d)×α_1@liquid(c_OP)×(i_i - i_sr@liquid)となる。

さらに、強度比r_3@liquidは、
r_3@liquid = i_sri@liquid/i_i = f_1@liquid(l, d)× α_1@liquid(c_OP)×(1 - i_sr@liquid/i_i)
すなわち、r_3@liquid = f_1@liquid(l, d)× α_1@liquid(c_OP)×(1 - c_1@liquid)
入力光強度i_iに依存せず、c_1@liquid、係数α_1@liquid(c_OP)およびf_1@liquid(l, d)により決まる。加えて、光ファイバープローブセンサー１が決まれば、f_1@liquid(l, d)はlのみの関数となる。製作した各々光ファイバープローブセンサー１に固有のc_1@liquid、係数α_1@liquid(c_OP)およびf_1@liquid(l)を求めておけば、強度比r_3@liquidを計測することにより、界面と楔状検出端面３の先端との距離lを計測することができる。

次に、光ファイバープローブセンサー１を用いた液膜の移動速度の計測方法について述べる。
ここで計測できるのは、液膜の液流速と液膜厚さの振幅変化の伝播速度とが合成された値として計測される（図２で示すｖ）。
較正済の光ファイバープローブセンサーユニットを適切な距離を取って機器内壁に実装し、２点間のr_3@liquidあるいはr_3@gasの相互相関から時間差を求め（例えば、同じ波形が来るまでの時間差を相関関数を使って求め）、光ファイバープローブセンサー１，１間距離をこの時間差で除すことによって算出される。

ここで、光ファイバープローブセンサー１のより具体的な較正方法について、述べることにする。具体的な較正方法は、以下に述べる「第１段階」と「第２段階」を有することになる。
［第１段階の較正方法］
（1-1)個々の光ファイバープローブセンサー１の形状を精密に計測する。

上記の理論的考察から、較正の第一段階として、図４に示すような較正装置を用いて楔状検出端面３が気相中にある状態で、光源系、光学系、光電変換系を精密に調整し、以降の較正工程中に設定を変えずに、
（1-2)入力光強度I_iと楔状検出端面３からの反射光強度I_sr@gasを計測する。
（1-3)個々の光ファイバープローブセンサー１に固有の値C_1@gas = I_sr@gas/I_iを決定する。
同様に、楔状検出端面３が液相中にある状態で、
（1-4)楔状検出端面３からの反射光強度I_sr@liquidを計測する。
（1-5)個々の光ファイバープローブセンサー１に固有の値C_1@liquid = I_sr@liquid/I_iを決定する。

上記では実測値を表すために、各計測値と固有値を大文字で表記する。
なお、ここで光源系、光学系、光電変換系の各設定値ならびに計測したI_i、I_sr@gas、I_sr@liquidを各々I_i-Init、I_sr-Init@gas、I_{sr-Init@liquid}として記録する。
なお、較正後に光ファイバープローブセンサー１を計測に供する際、光源系と光電変換系の各設定値とし、光学系をC_1@gasおよびC_1@liquidとなるように慎重に調整する。

［第２段階の較正方法］
楔状検出端面３を有する光ファイバープローブセンサー１では、楔状検出端面３から図５に示すように光が系外に放射される。放射光Ａが強く、放射光Ｂは非常に弱い。楔状検出端面３の保護ならびに実使用時における利便性を確保するために、光ファイバープローブセンサー１の最大径より僅かに内径の大きなステンレス細管５等（以下、細管５）に光ファイバープローブセンサー１を挿入する。
（2-1)放射光Ｂの影響を確認する。図６のように細管５の中心軸と光ファイバープローブセンサー１の中心軸とを一致させて微動装置を用いて、光ファイバープローブセンサー１を細管５に挿入する。この細管５の端面３Ａは中心軸に垂直かつ鏡面加工する。この加工精度が液膜厚さの計測精度に影響する。
（2-2)第１段階較正と同一の光源系、光学系、光電変換系の設定で、光ファイバープローブセンサー１の楔状検出端面３が気相中にある状態において楔状検出端面３で反射される戻り光量I_{sr@gas-in-tube}を実測する。

ここで、R’_{1@gas-in-tube} = I_{sr@gas-in-tube}/I_sr@gasを求めて、R’_{1@gas-in-tube}がほぼ1であることを確認するとともに、I_{sr@gas-in-tube}を記録しておく。R’_{1@gas-in-tube}は1より僅かに大きな値を取る。これは、細管５内壁において反射された放射光Ｂの一部が光ファイバープローブセンサー１に僅かに再入射されることを意味する。この差は無視できる大きさであるが、３次元光線追跡シミュレーションの結果、この差異は一定値となり、バイアス誤差として除去できる。I_{sr@gas-in-tube} - I_sr@gas= Constant = I_{D@gas-in-tube}を記録しておく。

R_{1@gas-in-tube} = I_{sr@gas-in-tube}/I_i = C_{1@gas-in-tube} もC_1@gasに近い値となり、細管５を含めた個々の光ファイバープローブセンサー１に固有の値C_{1@gas-in-tube}が得られる。
（2-3)図７に一例を示す較正装置を用いて、上記2-2と同様に光ファイバープローブセンサー１の楔状検出端面３が液相中にある状態（細管５に液を充填）において楔状検出端面３で反射される戻り光量I_{sr@liquid-in-tube}を実測する。

ここで、R’_{1@liquid-in-tube} = I_{sr@liquid-in-tube}/I_sr@liquidを求めて、R’_{1@liquid-in-tube}がほぼ1であることを確認するとともに、I_{sr@liquid-in-tube}を記録しておく。R’_{1@liquid-in-tube}は1より僅かに大きな値を取る。これは、細管５内壁において反射された放射光Ｂの一部が光ファイバープローブセンサー１に僅かに再入射されることを意味する。この差は無視できる大きさであるが、３次元光線追跡シミュレーションの結果、この差異は一定値となり、バイアス誤差として除去できる。I_{sr@liquid-in-tube} - I_sr@liquid= Constant = I_{D@liquid-in-tube}を記録しておく。

R_{1@liquid-in-tube} = I_{sr@liquid-in-tube}/I_i = C_{1@liquid-in-tube} もC_1@liquidに近い値となり、細管５を含めた個々の光ファイバープローブセンサー１に固有の値C_{1@liquid-in-tube}が得られる。
（2-4)図８に一例を示す較正装置で表面反射鏡を液中に位置させ、かつ細管５内にも液を充填する。図８に示すように光ファイバープローブセンサー１が挿入された細管５の下端を表面反射鏡に垂直に密着させる。次に、表面反射鏡表面と楔状検出端面３の先端P₁との距離L_startを十分に取って光ファイバープローブセンサー１の移動始点とする。戻り光強度I_{sr-total@liquid-in-tube}(X）測定する。なお、L_startはI_{sr-total@liquid-in-tube}(X）/I_{sr-total@liquid-in-tube}(L_start) = 1 ± 0.001が得られる位置とする。

光ファイバープローブセンサー１の中心軸と細管５の中心軸が一致するように微動装置を用いて、始点L_startから光ファイバープローブセンサー１を表面反射鏡に向けて移動させ、先端P₁の位置XとI_{sr-total@liquid-in-tube}(X）とを計測する。この微動装置の位置分解能は希望する液膜厚分解能の1/10程度とする。
（2-5)I_{sr-total@liquid-in-tube}(X）は、X = 0で最大値I_{sr-total-MaX@liquid-in-tube}となる。

実際の気液界面を用いて同様のことを行うと楔状検出端面３の先端P1が気液界面に接触した瞬間にメニスカスが形成されるため、I_{sr-total@gas-in-tube}(X）が最大値I_{sr-total-MaX@gas-in-tube}を取る位置を見極めることが困難である。一方、表面反射鏡を用いる方法では、メニスカスが形成されないこと、ならびに表面反射鏡にP1が接触した後は光ファイバープローブセンサー１の先端部が僅かに曲がることによりI_{sr-total@liquid-in-tube}(X）が急変することから容易かつ正確に接触を確認できるとともに微動装置による移動のために光ファイバープローブセンサー１の先端部を破損することを避けられる。
（2-6)細管５内の液を抜き、十分に乾燥後、（2-4)と同様の手順を気相中で行う。2-4と同一の距離L_startから戻り光強度I_{sr-total@gas-in-tube}(X）とXを測定する。I_{sr-total@gas-in-tube}(X）は、X = 0で最大値I_{sr-total-MaX@gas-in-tube}となる。I_{sr-total-MaX@gas-in-tube}となったことを確認して、図９の(d)の位置（テ-パ-の直上）で固化後に体積変化の無い接着剤で光ファイバープローブセンサー１を細管５の内壁に固定する。この時、中心軸がずれないようにする。接着剤が固化すれば、光ファイバープローブセンサーユニットが完成する。

(2-7)(2-4)で測定されたI_{sr-total@liquid-in-tube}(X）は、3-1)から
I_{sr-total@liquid-in-tube}(X） = I_{sri@liquid-in-tube}(X） + I_{sr@liquid-in-tube}となる。さらに、
I_{sr-total@liquid-in-tube}(X） = F_1@liquid(X） Α_1@liquid(C_OP)×(I_i - I_{sr@liquid-in-tube}) + I_{sr@liquid-in-tube}と表すことができる。さらに、強度比R_3@gasは、
R_3@liquid(X） = I_{sr-total@liquid-in-tube}(X）/I_i = F_1@liquid(X） Α_1@liquid(C_OP)×(1 - I_{sr@liquid-in-tube}/I_i) + I_{sr@liquid-in-tube}/I_i、すなわち、
R_3@liquid(X） = F_1@liquid(X） Α_1@liquid(C_OP)×(1 - C_{1@liquid-in-tube}) + C_{1@liquid-in-tube}
ここに、気液界面が光ファイバープローブセンサー１の先端径に比べて十分に大きければ、気液界面をフラットな面とみなせる。したがって、Α_1@liquid(C_OP)は気液界面の反射率R_frと楔状検出端面３の表面特性S_OFPで決まる係数Α_1@liquid(R_fr, S_OFP)となる。気液界面に接触すると同時にメニスカスが発生することから係数Α_1@liquid(R_fr, S_OFP)を実測することは難しいが、３次元光線追跡シミュレーションを使って簡単に求めることができ、また液相が決まれば、各光ファイバープローブセンサー１に固有な既知の係数Α_2@liquidと扱うことができる。
(2-8)計測されたI_{sr-total@liquid-in-tube}(X）からR_3@liquid(X） = F_1@liquid(X） Α_2@liquid×(1 - C_{1@liquid-in-tube}) + C_{1@liquid-in-tube}となるので、R_3@liquid(X）とXとの関係を求める。あるいは、R’_3@liquid(X/D_OFP)とX/D_OFPとの関係を求めてもよい。ここに、D_OFPは楔状検出端面３の短径である。

R_3@liquid(X）あるいはR’_3@liquid(X/D_OFP)が各光ファイバープローブセンサー１の実測された特性関数（すなわち、較正関数）として決定され、またΑ_2@liquidおよびC_{1@liquid-in-tube}が各光ファイバープローブセンサー１の固有の特性係数として決定される。
(2-9)上記2-8と同様に、計測されたI_{sr-total@gas-in-tube}(X）から
R_3@gas(X） = F_1@gas(X） Α_2@gas×(1 - C_{1@gas-in-tube}) + C_{1@gas-in-tube}となるので、R_3@gas(X）とXとの関係を求める。あるいは、R’_3@gas(X/D_OFP)とX/D_OFPとの関係を求めてもよい。

R_3@gas(X）あるいはR’_3@gas(X/D_OFP)が各光ファイバープローブセンサー１の実測された特性関数（すなわち、較正関数）として決定され、またΑ_2@gasおよびC_{1@gas-in-tube}が各光ファイバープローブセンサー１の固有の特性係数として決定される。
(2-10)以上の第２段階の較正により、光ファイバープローブセンサー１の楔状検出端面３が気相あるいは液相で覆われる際の較正関数と特性係数
・液相中
較正関数-１： R_3@liquid(X）あるいはR’_3@liquid(X/D_OFP)
特性係数-２： Α_2@liquidおよびC_{1@liquid-in-tube}
・気相中
較正関数-３： R_3@gas(X）あるいはR’_3@gas(X/D_OFP)
特性係数-４： Α_2@gasおよびC_{1@gas-in-tube}
が決定される。

さらに、較正関数を
・液相中
較正関数-５： X= Γ_@liquid(R_3@liquid)あるいはX/D_OFP = Γ’_@liquid(R’_3@liquid)
・気相中
較正関数-６： X= Γ_@gas(R_3@gas)あるいはX/D_OFP = Γ’_@gas(R’_3@liquid)
に変換する。

以上述べた知見を基に、実機への応用方法について、詳細に述べる。
(3-1)較正済の光ファイバープローブセンサーユニットを計測対象の機器やプラントに実装するための治具（例えば、図１０）に装着する。治具への光ファイバープローブセンサーユニットの装着においては、細管５の端面３（すなわち楔状検出端面３先端）が実装用治具４の表面と同一面上にあること、加えて治具の表面が機器やプラントの内壁と同一面上にあるように実装しなければならない。
(3-2)光ファイバープローブセンサー１の較正に使用したのと同一性能の光源系、光学系および光電変換系を用いる。光ファイバープローブセンサー１をセットして、較正時と同一の設定で光源系、光学系および光電変換系を調整する。I_iを測定して、較正時と同じであることを確認する。
(3-3)I_{sr@gas-in-tube}を測定し、較正時のC_{1@gas-in-tube}と同一の値となるように光学系を精密に調整する。これらの設定と調整により、較正段階２で得た特性関数-５、特性係数-２、特性関数-６および特性係数-４を使用できる。
(3-4)楔状検出端面３の先端が気相中か液相中かを適宜判断して、実装した光ファイバープローブセンサー１により実測したI_{sr-total@liquid-in-tube}あるいはI_{sr-total@gas-in-tube}と3-2で実測したI_iからR_3@liquid あるいはR_3@gasを求めて、特性関数-５あるいは特性関数-６によりXを算出すれば、このXが液膜厚さとなる。

以上に詳述したように、本発明の光ファイバープローブセンサー１によれば、楔状検出端面３を有する光ファイバープローブセンサー１を機器やプラントの内壁に実装することで、内壁上を移動する薄液膜Ｗの厚みと移動速度を同時に高精度かつ簡便に計測することができる。また、計測装置はシンプル、軽量かつ安価なものとなる。
以上、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。

特に、今回開示された実施形態において、明示されていない事項、例えば、作動条件や操作条件、構成物の寸法、重量などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。

１ 光ファイバープローブセンサー
２ 光ファイバー
３ 楔状検出端面
４ 実装用治具
５ 細管

Claims (4)

1. 光軸に対して傾斜するように研磨した一方端面である「楔状検出端面」有する光ファイバーから構成される光ファイバープローブセンサーに対して、前記光ファイバーの他方端面である「光源側端面」から計測光を導入し、
   前記楔状検出端面の先端部から薄液中に照射された前記計測光の一部が液膜気液界面で反射されて楔状検出端面に再入光する際の光強度が、楔状検出端面の先端部と液膜気液界面との距離、ならびに楔状検出端面により決定されることに基づいて、薄液膜の厚さを逐次かつ連続的に計測する
   ことを特徴とする光ファイバープローブセンサーを用いた薄液膜厚計測方法。
2. 薄液膜が存在する壁面に対して、前記光ファイバープローブセンサーを適切な間隔をあけて複数本配置し、各光ファイバープローブセンサーの検出信号の相互相関と設置間隔とから、前記壁面に沿った薄液膜の速度を逐次かつ連続的に計測する
   ことを特徴とする光ファイバープローブセンサーを用いた薄液膜速度計測方法。
3. 光源系、光学系、光電変換系を較正時と同一の設定で調整し、較正時と同一の入力光強度と戻り光強度が得られれば、戻り光強度と入力光強度との強度比は入力光強度に依存しない光ファイバープローブセンサー固有の値となるとし、
   前記固有の値を用いつつ、前記薄液膜の気液界面で反射されて光ファイバープローブセンサーに再入射する戻り受光強度と入力光強度との比を表す液膜厚さの関数を求め、前記関数を利用して、前記壁面に沿った薄液膜の特性を逐次かつ連続的に計測する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバープローブセンサーを用いた薄液膜厚計測方法。
4. 前記光源系、光学系、光電変換系を較正時と同一の設定で調整し、較正時と同一の入力光強度と戻り光強度が得られれば、戻り光強度と入力光強度との強度比は入力光強度に依存しない光ファイバープローブセンサー固有の値となるとし、
   前記固有の値を用いつつ、請求項１～３のいずれかに記載された光ファイバープローブセンサーを較正する
   ことを特徴とする光ファイバープローブセンサーの較正方法。

Images