JP2022529308A - 光学式流体速度測定 - Google Patents

Abstract

流体流速を測定する方法において、光源から第１の窓を介して流体が流れるパイプ内にビームを照射するステップであって、ビームがパイプ内を流れる流体を照らすものであるステップと、第２の窓を介してパイプに結合された光検出器のアレイを使用するステップであって、光検出器のアレイが光検出器の視野の外側にあり、流体内の粒子によるビームの散乱により生じる光を検出するステップと、光検出器のアレイからの信号の関数としてパイプ内を流れる流体の速度を決定するステップと、を含む【選択図】図１

Description

本発明は、概して流体流量測定に関し、特に光学式の流体流量測定のアセンブリと方法に関するものである。

液体の流れや気体を正確に測定することは、化学、精製、水／廃水、電力、製薬、食品、飲料などの多くの産業において、プロセスの監視、制御、保管場所の移動に不可欠である。多くのアプリケーションでは、また、適切なプロセス条件と品質を確保するために、流れている媒体のインライン診断とモニタリングを行う機能が必要とされる。

現在のプロセス制御機器メーカーは、以下のような様々な機械的流量測定のオプションを提供している：
コリオリ（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ）－振動しているチューブの中を液体が流れる。この振動により加速度が発生し、液体の質量に比例した測定可能なねじり力がチューブに発生する。
ヴォルテックス（Ｖｏｒｔｅｘ）－流れが鈍頭物体のそばを通過する際に、交互に渦を発生させる。流速は渦の発生頻度に比例する。
差圧－管内にオリフィスプレートやフローノズルなどの狭窄部があると、流量計に圧力損失が発生する。狭窄部の圧力損失は、流量の二乗に比例する。
タービン－自由に浮遊するタービンを液体が通過すると、ブレードが回転する。タービンローターの速度は、液体の速度に正比例する。

一般的に、機械式流量計は、配管内に障害物を挿入するため、流体の流れが乱れ、圧力損失が発生する。 さらに、多くの機械式センサーでは、測定可能で正確な効果を得るためには高い流量が必要とされる。これは、タンクの圧力が低い場合や、配管の漏れを検出しなければならない場合に問題となる。

流量を測定するために他の技術も使用されてきた。その中には、音波のドップラー効果を利用して管内を流れる流体の速度を測定する超音波流量計や、液体のみを流すのに適した磁気流量計などがある。超音波診断装置の中には、超音波源を収納するための管壁の仕切りや、音響ビームの経路を確保するための長い管路が必要なものもあり、管径が大きい場合にはコストがかかる。他の種類の超音波流量計は、クランプ式の振動子を用いて配管の壁を通して音波を発するが、低流量では精度が落ちることになる。 また、配管内の流体の流量を光学的に非侵襲的に測定する技術として、レーザードップラー流速計、粒子追跡法、画像流速計、レーザーツーフォーカス流速計などが知られている。これらの技術には、いくつかの共通した特徴がある。

一般的に、複数のビームを必要とし、ほとんどがパルスモードで動作し、レーザーパルスと記録装置の間で同期するために高速で精密な電子装置が必要となる。一般的には正確な結果を提供するが、これらの使用はほとんどが研究環境に限られており、コスト、複雑さ、振動やずれに対する感度などの理由から、これらは産業用プロセスモニタリングには適していないと考えられている。

よりシンプルな光学的方法、すなわち相互相関法は、米国特許６３６９８８１号に記載されているように、産業環境におけるガスの流れを監視するために使用されている。

配管内のガス速度を測定する光学式相互相関フローセンサーは、一般的に、ガスの流れを横切るコリメートされた光学ビームを生成する光送信機と、光送信機と光学的に接続されて光ビームの経路上に配置された複数の受光レンズおよび光検出器を含む光受信機と、を有しており、複数の受光レンズおよび光検出器はガス流の方向に垂直な方向に互いに離間している。

光検出器から得られた信号に時間的な相互相関計算を行い、光検出器の間の離間距離を、同じシンチレーション事象が各検出器で計測された時間差で割ることによって、ガスの速度が得られる。

相互相関法の代わりに、（例えば英国特許第２２９５６７０号に示されているように）飛行時間法を用いて、２つのスポット間を通過する粒子の通過時間に基づいて流体速度を測定することもできる。

しかしながら、相互相関法や飛行時間法は、光源が光検出器に対向して配置されている構成であるため、配管内の液体の流れを計測するには適していない。また、気体の流れを横切る光線は、流れている媒体の分子によって散乱される（レイリー散乱）。この散乱は一定のノイズバックグラウンドをもたらすが、気体分子の密度が低いため、気体を流れる粒子による全体の散乱信号強度への影響は、一般的には無視されることもある。しかしながら、光ビームが液体媒体を横切る場合では、そうすることはできない。液体中の分子の密度は気体中よりも数桁も大きいため、流れを横切るビームにより発生するレイリー散乱強度は、液体とともに流れる粒子のミー散乱強度と同等かそれ以上になり、相互相関や飛行時間の精度が大幅に低下し、相互相関や飛行時間の分析が完全にできなくなる可能性がある。

先行技術の光学流体流速計測システムは、複数の光ビームまたは光シートを必要とする。例えば、欧州特許第０９５２４３１号では、特定の位置における速度測定は、近接して離間した少なくとも２つの光シートを必要とする。米国特許６７００６５２号では、複数の異なる色の光ビームが必要である。

本発明の目的は、配管内を流れる流体の速度、特に粒子を含む流体および特に粒子を含む液体の速度を測定するための、単純で堅固かつ非侵襲的な光学的方法および装置であって、検出信号に対する流体分子のレイリー散乱の影響を大幅に緩和し、大きな流量値の範囲で正確な結果を得ることができる方法および装置を提供することである。

より具体的には、本発明は、光学装置に関するものであり、これは、窓を通してパイプ内の流れを照らす細長い鉛筆状のビームや光シート状のビームを照射する発光ダイオード（ＬＥＤ）のような、パイプの外側に配置された単一の連続波光源と、パイプの外側に流れの軸に沿って配置された２次元ＣＣＤアレイのような複数の光検出器であって、放射されたビームが検出器のアレイに衝突しないように配置された光検出器とを含む。光ビームとＣＣＤアレイの視野との交点が、装置の測定量を決定する。測定空間内でビームを通過した小粒子による散乱光は、集光レンズによって集められ、集光レンズが集光された光を光検出器に集束させ、光検出器が集光された光により形成された信号を連続的に記録する。流れの速度は、相互相関法や時間飛行法などの数学的手法や、機械学習アルゴリズムによって、記録された時間変化信号を分析することで決定される。

また、本発明の目的は、パイプの狭い隙間に挿入することができ、挿入されるパイプの内径に合った内径を有し、パイプ内の流れを乱さない流量計を利用できるようにすることである。

本発明の目的は、また、ミー散乱とレイリー散乱との比率を最大にすることである。より具体的には、本発明は、光源を光検出器の視野の外に配置することで、光源と光検出器との間の光伝達がないように光検出器を配置することによって、流れの中の粒子のミー散乱を最大にし、液体の分子からのレイリー散乱の検出を最小にし、散乱していない入射光の検出を最小にするものである。

他の目的は、速度の測定と同時に、散乱粒子の量をカウントし、散乱光の量を測定することで流れの中の散乱粒子の密度を測定し、散乱粒子の量と散乱光の量とを流れの濁度の値に相関させることができる光学装置を利用可能にすることである。

他の目的は、散乱値または統計分布に変化が見られた場合に警告を発することができる光学装置を利用可能にすることである。

本発明のさらなる他の目的は、パイプ内の流れを可視化し、リアルタイムにパイプ内の流れの映像を伝送することができる光学系を提供することである。

これらの目的を達成するために、本発明は、パイプ内を流れる流体（液体または気体）によって運ばれる小粒子または気泡の速度を測定する装置を提供する。

本発明は、非常にコンパクトな光学システムの設計を光学式流量計に組み込むことで、先行技術の欠点を解決する。このコンパクトな光学系は、パイプ内を流れる流体（液体または気体）に窓を通して照射する光源を使用し、光源は、パイプの別の窓の後方に配置された光検出器の視野の外側に配置されている。検出器は、（液体などの）流体とともに流れる粒子によって散乱された光を集める。

一実施例では、光学系は、薄いシート状のビームで流れを照らす光源と、ビデオカメラやバーコードスキャナで使用されるようなＣＣＤまたはＣＭＯＳ検出器の２次元アレイとを含む。

本発明の一実施例では、流体流速測定システムにおいて、第１の窓を介して流体が流れるパイプに結合された光源であって、パイプ内の流体の流れを照らすビームを照射するように構成された光源と、第２の窓を介してパイプに結合された光検出器のアレイであって、光源が光検出器の視野の外側に配置されており、流体内の粒子によるビームの散乱により生じる光を検出するように構成された光検出器のアレイと、光検出器のアレイからの信号の関数としてパイプ内を流れる流体の速度を決定するように構成されたプロセッサと、を具える流体流速測定システムを提供する。

本発明の一実施例では、プロセッサが、光検出器のアレイからの時間変化信号を、相互相関法、時間飛行法、または機械学習アルゴリズムによって分析することによって、パイプ内を流れる流体の速度を決定するよう構成されている。

本発明の一実施例では、集光レンズが、収集した光を光検出器のアレイに集束するように構成されている。

本発明の一実施例では、流体流速を測定する方法において、光源から第１の窓を介して流体が流れるパイプ内にビームを照射するステップであって、ビームがパイプ内を流れる流体を照らすものであるステップと、第２の窓を介してパイプに結合された光検出器のアレイを使用するステップであって、光検出器のアレイが光検出器の視野の外側にあり、流体内の粒子によるビームの散乱により生じる光を検出するステップと、光検出器のアレイからの信号の関数としてパイプ内を流れる流体の速度を決定するステップと、を含む方法を提供する。

本発明は、図面とともに以下の詳細な説明により、より完全に理解されるであろう。

図１は、本発明の非限定的な実施例により構築され動作する、光学式流体流速測定システムの簡略化された斜視図である。 図２は、光学式流体流速測定システムで使用される窓を有するパイプの簡略化した斜視図である。 図３は、他のパイプと連結された光学式流体流速測定システムの簡略した斜視図である。 図４は、光学式流体流速測定システムの簡略化したブロック図である。

本発明の非限定的な実施例による光学式流体流速測定システム１０を示す図１、３、および４を参照する。

システム１０は、流体が流れるパイプ１４の外側に配置された連続波光源１２を含む。光源１２の一例は、細い鉛筆状のビームまたは光シート状のビームのようなビーム１６を照射する発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、窓１８（図２および４）を通してパイプ１４内の流体の流れを照らす。窓１８は、透明なカバーで覆われるか密封されたパイプ１４の開口部とすることができ、代替的に、窓１８はパイプ１４自体の透明な部分とすることもできる（パイプ１４は、ビーム１６用の窓１８を形成するために、完全に透明であっても局所的に透明であってもよい）。

システム１０は、照射されたビーム１６が検出器のアレイ２０に衝突しないように、パイプ１４の外側で流れの軸に沿って配置された２次元ＣＣＤアレイのような、光検出器のアレイ２０とも呼ばれる１以上の光検出器２０を含むが、これに限定されるものではない。むしろ、照射されたビーム１６は、ビームを通過する小粒子によって散乱される。従来技術とは対象的に、単一のビーム１６のみが測定空間において使用され、驚くべきことに単一のビームが正確な測定を提供するため、サイズ、コスト、複雑さが大幅に低減される。測定空間内の散乱光は、集光レンズ２２によって収集されて収集された光を光検出器２０に集束し、光検出器２０が収集された光により形成された信号を連続的に記録する。光ビームと検出器のアレイ２０の視野との交点が、装置の測定空間を決定する。検出器のアレイ２０とレンズ２２は、パイプ１４の別の窓２４（図２および４）に取り付けられている。ここにおいても、窓２４は、透明なカバーで覆われるか密封されたパイプ１４の開口部とすることができ、代替的に、窓２４をパイプ１４自体の透明な部分とすることもできる（パイプ１４は、窓２４を形成するために、完全に透明であっても局所的に透明であってもよい）。

図３に示すように、パイプ１４は、流体パイプ２８に接続するための１以上のフランジ２６を含むことができる。

流れの速度は、検出器２０からの記録された時間変化信号を、相互相関法や時間飛行法のような数学的手法、または機械学習アルゴリズムによって分析するプロセッサ３０（図４）によって決定される。

流体流量計１０は、パイプ１４の狭い隙間に挿入することができ、挿入されるパイプの内径と合致する内径を有しており、パイプ内の流れを乱さないようになっている。

流体流量計１０は、ミー散乱とレイリー散乱との比率を最大にする。より具体的には、光源１２を光検出器２０の視野の外側に配置することで、光源１２と光検出器２０との間の光伝送がないように光検出器２０を配置することによって、流れの中の粒子のミー散乱を最大にし、液体の分子からのレイリー散乱光の検出を最小にし、散乱していない入射光の検出を最小にする。

光学装置１０は、速度計測を同時に行い、散乱粒子の量をカウントするとともに散乱光の量を測定することによって、流れの中の散乱粒子の密度を決定し、散乱粒子の量および散乱光の量を流れの濁度の値に相関させることができる。

光学装置１０は、散乱値または統計分布に変化が見られた場合に警告を発することができる。光学装置１０は、パイプ１４内の流れを可視化し、リアルタイムにパイプ１４内の流れの映像を伝送することができる。

Claims (10)

1. 流体流速測定システムにおいて：
   第１の窓を介して流体が流れるパイプに結合された光源であって、パイプ内の流体の流れを照らすビームを照射するように構成された光源と；
   第２の窓を介して前記パイプに結合された光検出器のアレイであって、前記光源が前記光検出器の視野の外側に配置されており、流体内の粒子によるビームの散乱により生じる光を検出するように構成された光検出器のアレイと；
   前記光検出器のアレイからの信号の関数として前記パイプ内を流れる流体の速度を決定するように構成されたプロセッサと；を具えることを特徴とする流体流速測定システム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記プロセッサが、前記光検出器のアレイからの時間変化信号を、相互相関法、時間飛行法、または機械学習アルゴリズムにより分析することによって、前記パイプ内を流れる流体の速度を決定するように構成されていることを特徴とするシステム。
3. 請求項１に記載のシステムが、さらに、収集した光を前記光検出器のアレイに集束するように構成された集光レンズを具えることを特徴とするシステム。
4. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記光源が連続波光源を有することを特徴とするシステム。
5. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１および第２の窓が前記パイプの透明な部分であることを特徴とするシステム。
6. 流体流速を測定する方法において：
   光源から第１の窓を介して流体が流れるパイプ内にビームを照射するステップであって、当該ビームが前記パイプ内を流れる流体を照らすものであるステップと；
   第２の窓を介して前記パイプに結合された光検出器のアレイを使用するステップであって、当該光検出器のアレイが光検出器の視野の外側にあり、流体内の粒子によるビームの散乱により生じる光を検出するステップと；
   前記光検出器のアレイからの信号の関数として前記パイプ内を流れる流体の速度を決定するステップと；を含むことを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法において、前記パイプ内を流れる流体の速度を決定するステップが、前記光検出器のアレイからの時間変化信号を、相互相関法、時間飛行法、または機械学習アルゴリズムにより分析することによって実行されることを特徴とする方法。
8. 請求項６に記載の方法が、さらに、集光レンズを使用して、収集した光を前記光検出器のアレイに集束するステップを含むことを特徴とする方法。
9. 請求項６に記載の方法において、前記光源が連続波光源を有することを特徴とする方法。
10. 請求項６に記載の方法において、前記第１および第２の窓が前記パイプの透明な部分であることを特徴とする方法。

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