JP2609554B2

JP2609554B2 - 気泡計測装置

Info

Publication number: JP2609554B2
Application number: JP2089043A
Authority: JP
Inventors: 健一林
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1990-04-05
Filing date: 1990-04-05
Publication date: 1997-05-14
Anticipated expiration: 2012-05-14
Also published as: JPH03289504A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は光透過性液体中に存在する気泡の径や体積を
計測する装置に関する。

（従来の技術）従来、液体中に存在する気泡を検出する方法として、
液体中に２つの電極を対向配置してこれらの電極間の
導電率を測定する方法や、気泡を含む液体の密度を計
測して間接的に算出する方法が知られている。

しかしながら、上記の方法は、液体中に電極を配置
する直接測定法であり、対象となる液体によっては電極
に劣化を生ずる場合があるし、気泡の大きさ等を知るこ
とは出来ない。また、上記の方法でも気泡の大きさ等
は間接的にしか得られないという欠点がある。

このような欠点に鑑み本発明者らは、光透過性液体中
に存在する気泡を遠隔測定により連続的にその径や体積
を計測することので出来る方法を提案（特願昭63−2400
68号）した。以下に、この方法を第５図〜第８図を参照
して説明する。なお、説明を簡単にするために、液体が
水で、気泡は空気である場合について説明する。

第５図において、平行光源50からでたスリット状の平
行光を、容器51に設けられた光学窓52を通して水中に存
在する気泡53に照射する。水中に入射した平行光は、気
泡53の表面で反射される反射光と気泡を透過し屈折した
後再び気泡表面から出る透過屈折光となって散乱する。

空気と水との屈折率は、水の方が大きいので、第６図
に示すように、透過屈折光は平行光の平面内において平
行光に平行な気泡の中心軸Ｘ−Ｘ′の左右に拡散する。
したがって、中心軸Ｘ−Ｘ′の一方の側の透過屈折光は
中心軸Ｘ−Ｘ′を越えて他方の側へ進むことは無い。こ
の場合、中心軸Ｘ−Ｘ′に対して角度θの方向から気泡
を見ると、第７図に示すように、散乱角θの反射光56に
よる輝点Ａと、散乱角θの透過屈折光57による輝点Ｂと
が気泡の半球（中心より一方の側）に見えるようにな
る。

この輝点Ａと輝点Ｂとを平行光の平面内で角度θ方向
に設置した光学結像系54により一次元光センサ55上にそ
れぞれ輝点ａと輝点ｂとして結像させ（第８図）、輝点
ａと輝点ｂとを一次元光センサ55からの信号として取り
出す。

第６図において、反射光56となる平行光の気泡53への
入射角とその反射角とは等しいので、これをθ_１とすれ
ば、 θ_１＝（π−θ）/2 （１）また、気泡は真球で近似出来るので、透過屈折光57と
なる平行光の液体から気泡53への入射における入射角と
屈折角のそれぞれは、気泡から液体中への出射における
入射角と屈折角にそれぞれ等しく、これをθ_２およびφ
とすれば、 θ_２＝（２φ−θ）/2 （２）が成立する。

水の空気に対する相対屈折率をｎとすると、 sinφ/sinθ_２＝ｎ（３）となる。

（１）式を満足する入射角θ_１の平行光は散乱角θの
反射光56となり、（２）式及び（３）式を満足する入射
角θ_２の平行光は散乱角θの透過屈折率57となるので、
反射光56及び透過屈折光57を輝点Ａ及び輝点Ｂとして角
度θ方向から見ることが出来る。これらの輝点が第８図
に示すように、角度θの方向に設置した光学結像系54に
より一次元光センサ55上に結像される。

ここで、気泡53の半径をＲとし、角度θ方向から見た
ときの気泡53の中心から反射光56及び透過屈折光57まで
のそれぞれの距離をR₁及びR₂とする。また、一次元光セ
ンサ55上の像における気泡像の半径をｒ（第８図）と
し、気泡像の中心から輝点Ａ及び輝点Ｂに対応する像ａ
及びｂまでの距離をそれぞれr₁及びr₂とすると、第６図
より、 R₁＝Rsinθ_１、R₂＝Rsinθ_２、 R₁−R₂＝Ｒ（sinθ_１−sinθ_２）、Ｒ＝（R₁−R₂）／（sinθ_１−sinθ_２）また、光学結像系54の結像倍率をｍとすると、 mR₁＝r₁,mR₂＝r₂、Ｒ＝1/m・（r₁−r₂）／（sinθ_１−sinθ_２）（４）（r₁−r₂）は、一次元光センサ55からの信号で得られる
ので、真球とみなした時の気泡の半径Ｒを（４）式から
求めることが出来る。また、個々の気泡の半径Riが得ら
れれば、気泡の全体の体積Ｖは、Ｖ＝（4/3）・πΣRi³ （５）として求めることが出来る。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記の方法及び装置では実際上、次の
ような問題点がある。

気泡には完全な平行光を入射させる必要があり、計測
精度が光源からの光の平行度に大きく左右される。良好
な平行光を得るための光源は、例えばHe−Neレーザ等を
用いてビーム径を拡大する等の手段を用いたとしても複
雑なものになる。

液体中に平行光を導入するための光学窓52が大きい場
合には、良好な平行度を維持するために、大きくて平坦
な窓とする必要がある。また、レーザ光源の場合には、
透過率を上げ干渉などの影響を避けるために光学窓に多
層膜コーティングを施す必要がある。光学窓は一般的に
高価であるのに対し、平行光を通すために十分な幅を持
たせようとする広い面積を必要とするので更に高価とな
る。

それゆえ、本発明の課題は平行光を必要としない気泡
測定装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明によれば、光透過性液体中の気泡に対して拡散
光を照射する手段と、前記気泡からの反射光と透過屈折
光とを光学結像系を通して一次元光センサ上に結像させ
る手段と、前記反射光と透過屈折光とにより前記一次元
光センサ上の像中に形成される２つの輝点間の距離と前
記光学結像系の倍率とに基づいて幾何光学的に前記気泡
の径や体積を算出する手段とを有することを特徴とする
気泡計測装置が得られる。

なお、前記拡散光照射手段は、平行ビーム光の光源と
前記光透過性液体を収容している容器や配管等の壁を通
して前記平行ビーム光を前記光透過性液体中に導入する
手段と該導入手段を経由した前記平行ビーム光を拡散す
る手段とを含むものでよい。

また、前記導入手段は、前記容器や配管等の壁に設け
た光透過性の窓や、前記容器や配管等の壁を貫通させて
設けた光ファイバーで実現される。

（作用）本発明では、光透過性液体中に存在する気泡に対して
拡散光を照射し、気泡で散乱された反射光及び透過屈折
光を光学結像系により一次元光センサ上に結像させ、像
中に形成される２つの輝点間の距離と光学結像系の倍率
とに基づいて気泡の径を算出する。

（実施例）第１図〜第４図を参照して本発明の実施例について説
明する。

第１図を参照して、本実施例では光源として、レー
ザ、例えばHe−Neレーザ光源（図示省略）を用いる。液
体を収容している容器の壁11にちいさな光学窓12を設
け、この光学窓12を通してHe−Neレーザ光源からのレー
ザビーム10を液体中に導入する。液体中に導入されたレ
ーザビーム10は、レンズ14による拡散光に変えられる。
レンズ14としては、ロッドレンズまたは合わせシリンド
リカルレンズを用いることで、レーザビームを扇状に広
げてシート光とすることが出来る。このようにして得ら
れた拡散光を気泡13に照射し、気泡13からの反射光およ
び透過屈折光を一次元光センサ15上に入射させる。一次
元光センサ15は像中の２つの輝点を電気信号に変換して
データ処理装置20に送る。データ処理装置20は後述する
算出方法で気泡の径、体積等を計算する。

第２図を参照して、気泡13に入射するのは拡散光であ
り、前述の第６図の場合の２つの平行光に対して角度
α、βだけずれた光が入射するものとする。第６図の場
合と同様に、反射光16、透過屈折光17について考える
と、幾何光学の関係により、 θ_３＝（π−θ−α）/2 （６） θ_４＝（２φ_２−θ−β）/2 （７）ここで、液体の気体に対する相対屈折率をｎとすると、 sinφ₂/sinθ_４＝ｎ（８）である。

前述した（１）式と（６）式、（２）式と（７）式と
を比較して明らかなように、第６図の平行光は、拡散光
の場合の（６）式、（７）式におけるα、βが０となる
特別な場合を示すことが理解できよう。

さて、気泡の径の算出は、前述したように、気泡から
の反射光、透過屈折光の形成する２つの輝点を、光学結
像系を用いて一次元光センサに結像させ、これら２つの
輝点を電気信号に変換して２つの輝点間の距離を算出す
ることにより行われる。

ここで、第７図で説明したように、一次元光センサ15
上の２つの輝点間の距離を（r₁−r₂）とすると、気泡の
半径Ｒは（４）式と同様に、Ｒ＝1/m・（r₁−r₂）／（sinθ_３−sinθ_４）（９）として求めることが出来る。

しかし、θ_３、θ_４にはそれぞれ、角度α、βが含ま
れているので、（９）式だけでは半径Ｒは算出出来な
い。

第３図を参照して角度α、βの算出方法について説明
する。

まず、拡散光と一次元光センサ15とを直線で結び、気
泡13から垂線を下ろし、それぞれの直線の長さをL₁、
L₂、Ｙとする。すると、 tanα≒tanβ＝Y/L₁ （10） tanθ＝Y/L₂ （11）となる。したがって、 tanα≒tanβ＝L₂tanθ/L₁ （12）となる。ここで、L₁、L₂は機器配置によりあらかじめ決
まっており、角度θは一次元光センサ15上の気泡像の位
置により求まるので、角度α、βを求めることが出来
る。

以上のようにして個々の気泡の径Riが算出されると、
単位時間内に測定エリアを通過するＮ個の体積Ｖは前述
の式（５）により算出される。以上の計算はすべてデー
タ処理装置20で行なわれることは言うまでも無い。

なお、上記説明ではα≒βとしたが、より正確には一
次元光センサ15上の輝点位置をもとに計算することで求
められる。しかし、実際の使用に際しては、α＝βとし
ても差支えない。

また、拡散光の位置はレンズ14の焦点位置にとればよ
いが、近似的にはレンズ14の中心としても良い。

第４図は本発明の他の実施例を示す。

ここでは、レンズ14へのレーザビームの供給を光ファ
イバ18を用いて行うようにしている。すなわち、壁11を
貫通するように光ファイバ18を設けその先端にレンズ14
を接合させて光軸を正確に保つことが出来るようにし、
アライメント精度も向上させている。このような観点か
ら、第１図の実施例においても光学窓12とレンズ14とは
一体化させるのが好ましい。

（発明の効果）以上述べてきたように本発明によれば、平行光を使用
せずに気泡の径等の算出を行うことが出来、光を液体中
に導入する手段を安価な構造で実現することが出来る。
本発明による気泡の測定装置は、配管等内の流体中の気
体の非接触検出、液体中に設置された配管等からの気体
の漏洩の検出、及び熱交換器の気液接触部における気体
の漏洩の検出等に最適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例の概略構成図、第２図は
本発明における気泡による光の散乱、屈折を説明するた
めの図、第３図は本発明により気泡の径を算出する方法
を説明するための図、第４図は本発明の第二の実施例を
概略構成図、第５図は本発明者により既に提案されてい
る気泡の測定装置の概略構成図、第６図は第５図に示さ
れた装置における気泡による光の散乱、屈折を説明する
ための図、第７図は第５図に示された装置において気泡
に形成される散乱光、透過屈折光の輝点について説明す
るための図、第８図は第５図に示された装置における一
次元光センサの作用を説明するための図。図中、10はレーザビーム、11は容器の壁、12は光学窓、
13は気泡、14はレンズ、15は一次元光センサ、16は反射
光、17は透過屈折光、18は光ファイバ、20はデータ処理
装置。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光透過性液体中の気泡に対して拡散光を照
射する手段と、前記気泡からの反射光と透過屈折光とを
光学結像系を通して一次元光センサ上に結像させる手段
と、前記反射光と透過屈折光とにより前記一次元光セン
サ上の像中に形成される２つの輝点間の距離と前記光学
結像系の倍率とに基づいて幾何光学的に前記気泡の径や
体積を算出する手段とを有することを特徴とする気泡計
測装置。
【請求項２】請求項（１）記載の気泡計測装置におい
て、前記拡散光照射手段は、平行ビーム光の光源と前記
光透過性液体を収容している容器や配管等の壁を通して
前記平行ビーム光を前記光透過性液体中に導入する手段
と該導入手段を経由した前記平行ビーム光を拡散する手
段とを含むことを特徴とする気泡計測装置。
【請求項３】請求項（２）記載の気泡計測装置におい
て、前記導入手段は、前記容器や配管等の壁に設けた光
透過性の窓を含むことを特徴とする気泡計測装置。
【請求項４】請求項（２）記載の気泡計測装置におい
て、前記導入手段は、前記容器や配管等の壁を貫通させ
て設けた光ファイバーであることを特徴とする気泡計測
装置。
【請求項５】請求項（３）あるいは（４）記載の気泡計
測装置において、前記導入手段と前記平行ビーム光の拡
散手段とを一体的にしたことを特徴とする気泡計測装
置。