JP2932324B2 - 液体の流れの計測方法 - Google Patents

液体の流れの計測方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、液体の流れの計測方法
に関する。なお、ここでいう「液体の流れの計測」と
は、液体の流速の計測のみならず、液体流分布の可視化
による計測をも意味するものである。
【0002】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】レーザー
計測装置を用いた液体流速計測をはじめとする光計測装
置を用いた液体の流れの計測に使用するシーディング粒
子としては、SiO、TiO、SiC等の多孔質粒
子あるいはポリスチレンラテックスなどの有機高分子よ
りなる粒子(平均粒子径0.5〜150μm程度)が用
いられていた。レーザー計測装置を用いた液体流速の計
測方法の例としては、レーザードップラー流速計、フェ
ーズドップラー流速計などを用いた方法が挙げられる。
この場合は、平均粒子径0.5〜10μm程度の粒子が
用いられていた。
【0003】また、その他の液体の流れの計測方法の例
としては、フラッシュランプやパルスレーザーなどの瞬
間的かつ強力な光源を用いて、シーディング粒子の分布
を写真撮影することにより液体の流れを計測する方法が
挙げられる。この場合には、平均粒子径5〜150μm
程度の粒子が用いられていた。
【0004】また、セラミックス多孔質粒子としては、
共沈法により製造したもの、天然物を利用したものなど
が挙げられる。
【0005】従来より使用されている代表的なセラミッ
クスのシーディング粒子の電子顕微鏡写真を、図3〜図
14に示す。(図3、4はホワイトカーボン、図5、6
はTiO、図7、8はタルク、図9、10はTiO
+タルク、図11、12は関東ロームから採取したも
の、図13、14は白色溶融アルミナの写真である。)
しかし、このようなシーディング粒子は、写真にも明瞭
に現れているように、下記1〜5のような欠点があり、
液体の流れ計測誤差を大きくしていた。
【0006】1)シーディング粒子の形状が不定型であ
るため、光検出器によって検出されるべき光の散乱断面
積は、光検出時における粒子の向きによって異なる。 2)粒子の粒径分布が広く、光の散乱断面積が粒子毎で
異なり、比較的大きい粒子が2つ以上の光の干渉ジマに
おいて同時に光を散乱する。
【0007】3)粒子の見かけ比重が重いため、粒子が
液体の流れに充分追従しない。
【0008】4)粒径分布が広く見掛け比重の分布もあ
るため、粒子の液体流れに対する追従性がばらつき、液
体流れの定量的評価ができない。
【0009】5)粒子の表面に凹凸があり、粒子同志が
互いに引っ掛かって凝集を起こし、実効粒子径が増大す
る。
【0010】一方、ポリスチレンラテックスなどの有機
高分子の球状粒子を用いた場合には、前述のような欠点
がないかわりに、水との屈折率の差が少なく光の反射率
が小さいため、得られる信号強度が低いという欠点があ
った。この欠点は、光源と光検出器が同方向にある後方
散乱型の光測定装置において特に著しい。また、この欠
点はレーザー光の吸光度の大きな液体に適用する場合
や、液体の表面から測定場所迄の距離が大きい場合に著
しい。
【0011】
【課題を解決するための手段】そこで、上記の問題を解
決するために、次のような手段を講じた。
【0012】すなわち、第1の発明である計測方法は、
光計測装置による液体の流れの計測方法において、直径
0.5〜150μmのセラミックス多孔質の球状粒子を
シーディング粒子として用いた方法である。
【0013】前記計測方法のうち、レーザードップラー
流速計などのレーザー計測装置を用いた液体流速の計測
方法にあっては、直径0.5〜10μmの球状粒子を用
いることが好適である。その中でも、直径1.5〜2.
5μmの球状粒子を用いることがさらに好適である。
【0014】また、写真撮影を用いた液体の流れの計測
方法にあっては、直径5〜150mμmの球状粒子を用
いることが好適である。その中でも、直径30〜100
μmの球状粒子を用いることがさらに好適である。
【0015】前記シーディング粒子がクローズドポアを
有するセラミックス多孔質からなり、クローズドポアの
容積が0.1cm/g以上である球状粒子であること
が好適である。0.1cm未満であるとクローズドポ
アを有していることの効果が充分に得られない。
【0016】前記シーディング粒子がSiOよりなる
ことが好適である。
【0017】70%以上の前記シーディング粒子の粒子
径が、平均粒子径±50%の範囲内であることが好適で
ある。
【0018】前記シーディング粒子は逆ミセル法により
製造されることが好適である。
【0019】この場合、シーディング粒子原料を含有す
る水溶液を孔径のほぼ均一な多孔質ガラス膜あるいは孔
径のほぼ均一な細孔を有する高分子膜から有機溶媒に押
出して径のそろった逆ミセルを形成することにより、前
記シーディング粒子を製造することがさらに好ましい。
一例として、SiO粒子を製造する場合には、前記シ
ーディング粒子原料として珪酸ナトリウムなどが用いら
れる。
【0020】
【作用】光計測装置を用いた液体の流れの計測に使用さ
れるシーディング粒子が球状であれば、光検出器によっ
て検出されるべき光の散乱断面積は、光検出時における
粒子の向きに関係なく一定となる。また、表面に引っ掛
かりを生じるような凹凸が存在しないため、2つ以上の
シーディング粒子が凝集しながら流体中を流れるような
ことはない。これらにより、液体の流れの計測精度を向
上させることができる。
【0021】シーディング粒子がクローズドポアを有す
るセラミックス多孔質からなっていれば、見掛け比重が
小さくなり、また液体中における該液体の含浸を最小限
に抑えることができ、液体の流れに追従しやすくなる。
これにより、液体の流れの計測精度をより一層向上させ
ることができる。
【0022】前記シーディング粒子の素材としては、白
色で化学的に安定であれば特に限定はなく、炭酸カルシ
ウム、炭酸バリウムなどのアルカリ土類金属炭酸塩;珪
酸カルシウム、珪酸マグネシウム、酸化銅などのアルカ
リ土類金属珪酸塩;SiO、酸化鉄、アルミナ等の金
属酸化物などが挙げられる。これらのうち、SiO
安価で、かつ耐熱性に優れている点から好ましい。耐熱
性に優れていれば、高温流体中でも破壊されることなく
充分使用し得る。
【0023】シーディング粒子の粒径分布は狭いほど望
ましいが、70%以上の前記シーディング粒子の粒子径
が、平均粒子径±50%の範囲内であれば、ほぼ均一な
光の散乱断面積を得ることができる。また、液体中にお
けるシーディング粒子の挙動、言い換えれば、液体の流
れに対する追従のしやすさがほぼ一定となる。また、サ
ンプルデータレートが増加しても、平均有効データ率が
低下しない。すなわち、例えばレーザードップラー流速
計を用いた液体流速の計測方法において、従来では、単
位時間当りのデータ数(サンプルデータレート)を増や
すためにシーディング粒子の供給量を増加させても、平
均有効データ率が低下してしまい、サンプルデータレー
トは余り増加しない。しかし、本発明の方法を用いる
と、従来よりも大きな粒子濃度まで平均有効データ率が
低下しないため、サンプルデータレートを容易に増加さ
せることができる。
【0024】前記シーディング粒子を製造する際、逆ミ
セル法を採用すれば、球状のあるいはクローズドポアを
有する球状多孔質なシーディング粒子を安価に、しかも
容易に製造することができる。
【0025】また、逆ミセルを作る際、反応物質の水溶
液を孔径のほぼ均一な多孔質ガラス膜あるいは孔径のほ
ぼ均一な細孔を有する高分子膜から有機溶媒に押し出す
方法を用いた場合には、粒子径が揃った、言い換えれば
粒径分布の狭い粒子を得ることができ、シーディング粒
子としてさらに望ましい。
【0026】
【発明の効果】本発明により液体の流れの計測精度が著
しく向上した。
【0027】
【実施例】本発明をより一層明らかにするために、以下
に実施例を挙げる。
【0028】実施例1 70%の粒子が2.5±0.7μmの範囲にある球状S
iO粒子(図1〜2参照)、及びレーザードップラー
流速計を用いて、円管内を乱流条件で流れている水の速
度の計測実験を行った。実験条件は下記の通り。
【0029】1.測定装置 ファイバータイプレーザ
ードップラー流速計 (仕様)レーザー:He−Neレーザー レーザーパワ
ー8mW×2 レンズ径:55mm 2.測定条件 測定中心周波数:20MHz バンド幅:±16MHz 有効サンプル数:5,000 シグナルゲイン:24dB フォトマル電圧:760V その結果を表1に示す。
【0030】
【表1】
【0031】比較例1 従来から用いられていた平均粒径2μmのTiO粉末
(図5、6参照)を用いて、実施例1と同一の条件で計
測実験を行った。その結果を表2に示す。
【0032】
【表2】
【0033】比較例2 従来から用いられていた平均粒径3μmのSiC粉末を
用いて、実施例1と同一の条件で計測実験を行った。そ
の結果を表3に示す。
【0034】
【表3】
【0035】表1〜3の比較で明らかなように、実施例
1の場合、比較例1、2に比べ、有効データ率が高く、
しかも高データレート迄その値が一定している。
【0036】実施例2、3、4及び比較例3、4 表4に示した5種類の粒子を所定時間水に浸し、水を含
浸した状態でのカサ比重を測定した。その結果を表4に
示す。
【0037】
【表4】
【0038】表4より実施例2、3、4は比較例3、4
に比べ水とのカサ比重差が小さく、流れに対する追随性
の良さが容易に予測される。特に実施例3は優れてい
る。
【0039】また、追随性は、流体の比重差と粒子径に
反比例するので、実施例4の粒子と比較例3の粒子を比
べると流れに対する追随性がほぼ同一レベルと考えられ
るが、断面積は実施例4の粒子の方が約25倍大きいた
め、写真撮影を用いた方法において、散乱光強度が強く
なることが容易にわかる。散乱光強度がより強い方がよ
り高い計測精度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1で使用した粒子の電子顕微鏡写真であ
る(倍率2,000倍)。
【図2】実施例1で使用した粒子の電子顕微鏡写真であ
る(倍率10,000倍)。
【図3】従来より使用されていた粒子(ホワイトカーボ
ン)の電子顕微鏡写真である(倍率10,000倍)。
【図4】従来より使用されていた粒子(ホワイトカーボ
ン)の電子顕微鏡写真である(倍率50,000倍)。
【図5】比較例1で使用した粒子(TiO)の電子顕
微鏡写真である(倍率10,000倍)。
【図6】比較例1で使用した粒子(TiO)の電子顕
微鏡写真である(倍率50,000倍)。
【図7】従来より使用されていた粒子(タルク)の電子
顕微鏡写真である(倍率1,000倍)。
【図8】従来より使用されていた粒子(タルク)の電子
顕微鏡写真である(倍率10,000倍)。
【図9】従来より使用されていた粒子(TiO+タル
ク)の電子顕微鏡写真である(倍率10,000倍)。
【図10】従来より使用されていた粒子(TiO+タ
ルク)の電子顕微鏡写真である(倍率50,000
倍)。
【図11】従来より使用されていた粒子(関東ロームか
ら採取したもの)の電子顕微鏡写真である(倍率10,
000倍)。
【図12】従来より使用されていた粒子(関東ロームか
ら採取したもの)の電子顕微鏡写真である(倍率50,
000倍)。
【図13】従来より使用されていた粒子(白色溶融アル
ミナ)の電子顕微鏡写真である(倍率2,000倍)。
【図14】従来より使用されていた粒子(白色溶融アル
ミナ)の電子顕微鏡写真である(倍率10,000
倍)。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平野 光 大阪市中央区平野町四丁目1番2号 大 阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 鶴谷 毅 大阪市西区京町堀1丁目4番22号 株式 会社リキッドガス内 (56)参考文献 特開 昭63−103941(JP,A) 特開 昭63−265170(JP,A) 特開 昭61−29729(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01P 5/00

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シーディング粒子としてセラミックスの多
    孔質粒子を用いた光計測装置による液体の流れの計測方
    法において、 前記シーディング粒子が、直径0.5〜150μmの球
    状粒子であり、かつクローズドポアを有することを特徴
    とする液体の流れの計測方法。
  2. 【請求項2】レーザードップラー流速計などのレーザー
    計測装置を用いて、液体流速を計測する方法において、 前記シーディング粒子が、直径0.5〜10μmの球状
    粒子であることを特徴とする請求項1に記載の液体の流
    れの計測方法。
  3. 【請求項3】フラッシュランプやパルスレーザー等の瞬
    間的かつ強力な光源を用いて、シーディング粒子の分布
    を写真撮影することにより、液体の流れを計測する液体
    の流れの計測方法において、 前記シーディング粒子が、直径5〜150μmの球状粒
    子であることを特徴とする請求項1に記載の液体の流れ
    の計測方法。
  4. 【請求項4】前記シーディング粒子が容積0.1cm
    /g以上のクローズドポアを有することを特徴とする請
    求項1〜3のいずれか1項に記載の液体の流れの計測方
    法。
  5. 【請求項5】前記シーディング粒子がSiOよりなる
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の
    液体の流れの計測方法。
  6. 【請求項6】70%以上のシーディング粒子の粒子径
    が、平均粒子径±50%の範囲内であることを特徴とす
    る請求項1〜5のいずれか1項に記載の液体の流れの計
    測方法。
  7. 【請求項7】前記シーディング粒子が逆ミセル法により
    製造されたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1
    項に記載の液体の流れの計測方法。
  8. 【請求項8】シーディング粒子原料を含有する水溶液を
    孔径のほぼ均一な多孔質ガラス膜あるいは孔径のほぼ均
    一な細孔を有する高分子膜から有機溶媒に押出して逆ミ
    セルを形成することにより、前記シーディング粒子が製
    造されたことを特徴とする請求項7に記載の液体の流れ
    の計測方法。
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