JP2960911B2 - 一平面における流れの質量流量分布を検出する方法 - Google Patents

一平面における流れの質量流量分布を検出する方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一平面における流
れの質量流量分布を検出するための方法に関する。流れ
は液状流体によってあるいは特にガス状流体によって形
成可能である。流れの質量流量とは、それぞれの平面を
通る単位面積あたりの流体の流量であると理解される。
【0002】
【従来の技術】一平面における流れの質量流量分布を検
出するための公知の方法は、流れ内に挿入され、そこで
質量流量を点で検出する探触子を使用する。平面全体に
わたる質量流量分布を検出するためには、平面内のすべ
ての点を探触子(プローブ)で測定しなければならな
い。これにより、平面全体または平面一部範囲にわたる
質量流量分布を短時間で検出することは不可能である。
更に、流れ内に探触子を挿入すると、流れの不所望な変
化が必ず生じる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の根底
をなす問題は、それぞれの平面のあらゆる点で同時にか
つ流れを乱さないで質量流量分布を検出することができ
る、一平面内での流れの質量流量分布を検出するための
方法を提供することである。
【0004】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明に従
い、平面に対して平行にかつ平面の周りに、小さな厚さ
の光切断部を形成し、所定の時間間隔Δtの間、流れに
よって一緒に運ばれ光切断部を通過する粒子の画像を、
平面に対して垂直に撮影し、画像内の粒子の像の分布を
評価することによって解決される。
【0005】本発明は、光を散乱する粒子を一緒に運ぶ
流体の流れから出発する。粒子を光切断部内で個別化す
るためには、光切断部において流体と個々の粒子の間に
充分な光コントラストを付与しなければならない。流体
は好ましくは透明である。良好な境界条件は例えば、粉
塵を少し混合した空気の場合に自動的に与えられる。更
に、流れを調べる際には、いわゆる粒子−イメージ−速
度計(PIV)の方法に従ってそれぞれの流れの速度を
測定するために、往々にして光を散乱する粒子が人工的
に添加される。本発明による方法の前提は、充分なコン
トラストを有し光を散乱する粒子が流体によって一緒に
運ばれることだけである。粒子の素性は重要ではない。
本発明による方法の場合、流体によって一緒に運ばれる
粒子は、流体の質量流量を象徴している。この場合、粒
子が摩擦なしに流体に追随し、流体内の粒子の濃度が定
められ、その数が一定であること、すなわち粒子が減っ
たり増えたりしないことが前提である。これは流体内で
の粒子の均一な濃度を前提としている。しかし、本発明
による方法の場合に測定される、画像内の粒子の像の分
布と、検出すべき質量流量との間の量的な関係は、流体
内の粒子の濃度が正確に知られているときにのみ与えら
れる。そうであるときには、画像内の粒子の像の局所的
な密度が、平面内の局所的な質量流量に直接的に比例す
る。
【0006】しかし、流体内の粒子の濃度が知られてお
らずかつ均一でないときにも、本発明による方法で撮影
された画像から、有効的な判定を得ることができる。例
えば、画像内の粒子の像の分布を、前もって撮影した分
布と質的(定性的)に比較することができる。この場
合、粒子の像の局所的な最高密度の明白なずれが生じる
ときには、両画像の撮影の間で流れが変化している。具
体的な用途では、このようにして、流通する管または流
通する導管内に障害物が発生しているかどうかを検査す
ることができる。
【0007】理想的には、粒子の分布が所定の質量流量
に一致する像の所定の密度と量的に匹敵し得ることが、
本発明を実施するための前提である。そのためには、流
体内の粒子の絶対的な濃度が既知である必要はない。度
量衡器検定のように、質量流量探触子による測定によっ
て、粒子の像の所定の密度を所定の質量流量に対応させ
ることができる。これから、平面の他の点の質量流量が
簡単な方法で算出可能である。
【0008】粒子の像の所定の密度は、流れの横断面全
体を捉える粒子の画像から検出可能である。流れの既知
の全体流量と、横断面の寸法とから、一方では平均質量
流量が算出可能であり、他方では粒子の像の平均密度が
この平均質量流量に正確に一致する。大きな密度は大き
な質量流量に一致し、小さな密度は小さな質量流量に一
致する。
【0009】所定の密度は同じ個所で測定可能である。
この個所では、本来の質量流量の検出時に測定も行われ
る。しかし往々にして、所定の密度の測定のために、チ
ェック平面を設けることが望ましい。このチェック平面
内で、流れの横断面全体を非常に容易に検出可能であ
る。その際、本来の平面内では、流れの横断面全体を検
出する必要がない。これは、多くの試験条件下で、1つ
の光切断部では概して不可能である。
【0010】チェック平面は好ましくは本来の平面の上
流に設けられている。この場合、チェック平面と本来の
平面との間で流れを分岐させてもよい。これは、本来の
平面の周りの光切断部を通過する粒子の検出の評価に悪
影響を与えることなく可能である。本発明による方法の
結果は光切断部の範囲において生じる逆流によってエラ
ーを生じる得る。この逆流によって、光切断部を通過す
る粒子の絶対的な数が増大する。しかし、この増大は大
きな質量流量を生じない。なぜなら、光切断部を反対方
向に通過する2つの粒子が質量流量を実質的に高めない
からである。従って、逆流を考慮しなければならないと
きには、流れ方向において相前後して設けられた2つの
平面内で、本発明による方法に従って質量流量分布を検
出することが効果的である。その際、強い逆流の範囲
は、第2の平面と比較して、その都度の光切断部におい
て過剰に大きな見かけの質量流量または粒子の像の過剰
に大きな密度となる。
【0011】光切断部において1回露光した粒子の画像
のほかに、光切断部において2回露光した粒子の画像を
撮影することもできる。それによって、PIV方法に従
って平面内で流速を測定することができる。このような
PIV方法は公知である。本発明と関連して、変形した
PIV方法を使用可能である。この場合、粒子は互いに
平行に配置し一部だけが重なった2つの光切断部で順々
に露光される。これにより、個々の光切断部の平面に対
して垂直に流速を検出することができる。
【0012】粒子は勿論、既に述べたように、流れ内に
存在する粒子とすることができる。しかし、粒子を流れ
に人工的に添加してもよい。その際、所定の濃度で粒子
を流れに添加することが重要である。この濃度によっ
て、結像された粒子の所定の密度を所定の質量流量に換
算することができる。次に、演算例に基づいてこれを明
らかにする。
【0013】結像した粒子の数Nは次の式(I)から正
確に生じる。 N=(A×d+A×v×t)×K×r ここで、Aは光切断部の検出された面積、すなわち通過
する質量流量を検出すべき平面の面積である。dは光切
断部の厚さ、vは粒子の速度、tは撮影の露光時間、K
は流体キログラムあたりの粒子の濃度、rは流体の密度
である。被加数A×dが被加数v×t×Aよりも非常に
小さいと仮定すると、上記の式は次式(II)に簡単化
される。
【0014】N=v×t×A×K×r 従って、単位Kg/m2 ・秒の流量r×vは次式(II
I)から生じる。 r×v=N/A×l/(t×K) N/Aは平面の面積に関連する結像された粒子の密度で
ある。面積の結像の際の拡大または縮小を考慮する拡大
係数または縮小係数fは、面積Aの代わりに、粒子の画
像内の面積aの使用を可能にする。従って、次式(I
V)が当てはまる。
【0015】r×v=N/a×f/(t×K) このうち、N/aは粒子の画像から容易に測定可能であ
る。f/(t×K)は既知の量から検出可能な定数であ
る。これらを用いて、質量流量r×vを問題なく演算す
ることができる。速度vが既知である場合、質量流量か
ら密度が判り、また温度が一定であるときには流体の圧
力が判り、密度が既知であるときには流体の速度が判
る。
【0016】
【発明の実施の形態】次に、実施の形態に基づいて本発
明を詳しく説明する。図1には管1が示してある。この
管内を矢印2の方向に流体3が流れる。この流体はガス
でもよい。流体3は粒子4を一緒に運ぶ。この粒子は管
1の窓16の範囲において光切断部5を通過し、その際
照らされる。光切断部5は光源6によって照射される。
この光源は好ましくはレーザーであり、光源の後に円柱
レンズ15として示した光学系が配置されている。光切
断部5は流れの横断面全体にわたって延び、幾何学的な
一平面8の周りに無視できる厚さ7を有する。光切断部
5を通過する粒子4は、図1に示すように、管1の光切
断部5の下流側に位置する結像レンズ9により、このレ
ンズ9の位置よりもさらに下流側に位置するフレームグ
ラバ11の上面に位置するイメージセンサ10上に結像
する。この場合、イメージセンサはCCDセンサとする
ことができる。イメージセンサ10によって、光切断部
を通過する粒子4の画像が時間tに関連して撮影され
る。特に光源6がパルスレーザーであるときには、光源
6によってあるいはイメージセンサ10を制御すること
によって、露光時間tを決定することができる。イメー
ジセンサ10の画像はフレームグラバ11によってデジ
タル化され、そしてデジタル式の評価ユニット12に供
給される。評価ユニット12は画像内の粒子の像の局所
的密度から、平面5を通る局所的な質量流量を算定す
る。局所的な質量流量を量的に算定できるようにするた
めには、流体3内の粒子4の濃度Kが知られていなけれ
ばならないかあるいは少なくとも流体3の全体質量流
量、すなわち管1を通る流体の流量が知られ、流体3内
の粒子の濃度Kが均一でなければならない。
【0017】しかし、これらの値を知らなくても、光切
断部5を通過する粒子4の画像の質的な評価を効果的に
行うことができる。図2のaは、図1の方法を実施する
際に、流体が層流状に流通する正方形の管1の出口で撮
影される画像を例示している。粒子3の像は管の空いた
中央に集中している。この中央では、流体は管1の壁と
の摩擦によって制動されない。これに対して、図2のb
は、同じ管1内での強い乱流状の流通の場合を示してい
る。ここで、粒子4の像の濃さはほとんど均一である。
なぜなら、流体3の乱流形成によって、管1の横断面に
わたって質量流量の分布が均一化されないからである。
図2のcは更に、管の層流状の流通の場合を示してい
る。ここで、粒子4の像は上側半部に集中している。な
ぜなら、管1の下側半部に、流体3が流通不可能な障害
物があるからである。このような障害物は、管1の自由
端から直接見えないときでも、管1の横断面における質
量流量の分布に基づいて確かめることができる。勿論、
図2のcに示した粒子4の像の密度分布は、管の下側範
囲において障害物が管1の自由端のすぐ手前にあるとき
にのみ発生する。障害物が粒子の一部を押しとどめる場
合、障害物のもっと後ろでは、粒子の絶対的な数の減少
が認められる。
【0018】光切断部5を通過する粒子4の結像は、平
面8に対して垂直に行う必要はない。角度をなして結像
する場合には、特に質量流量を量的に評価するときに、
それによって生じるゆがみを考慮すべきである。図3
は、本発明による方法の他の実施の形態のための構造を
示している。この場合、管1の端部で光切断部5を通過
する粒子4が結像されるだけではない。管1の入口の手
前においてチェック平面8′の周りに第2の光切断部
5′を照射するための第2の光源6′が設けられてい
る。それによって、矢印2′方向に管1に入る流れがそ
の横断面全体にわたって、結像レンズ9′とイメージセ
ンサ10′によって検出される。これに対して、図3に
示すように、管1の光切断部5よりも下流側に位置する
結像レンズ9は、さらに下流側に位置するフレームグラ
バ11の上面に位置するイメージセンサ10と共に、管
1の端部から出る流れの一部範囲だけを検出する。それ
にもかかわらず、チェック平面8′で得られた情報は、
管1に入る質量流量のどの部分が結像レンズ9によって
検出される平面8の範囲を通過するかという量的な判定
を可能にする。これは特に、流れ内に設けられ流れが周
りを通過する物体14によって、流れの横断面全体にわ
たる、光切断部5による流れの検出が妨害されるので重
要である。
【0019】図4に示した方法の実施の形態は更に、例
としての流通する管に関する。ここではしかし、管から
出た後すぐに逆流が発生することが、矢印2によって示
されている。矢印2によって示した流れは必ずしも実際
的であるというわけではない。しかし、この流れは根本
的な問題を明確にする。矢印2によって移動軌道を示す
粒子は、平面8周りの光切断部5を3回通過する。
【0020】これは、本発明の方法の場合、平面8を通
る全体の質量流量が、実際の流量の3倍になることを暗
示している。これは、このような逆流に関係しない平行
な平面8″で、方法を付加的に実施することによって認
められる。平面8,8″を通過する粒子を結像するため
、管1の光切断部5″よりも下流側に1個の結像レン
ズ9を設け、そして、対応する画像を撮るために、この
レンズ9よりもさらに下流側に位置するフレームグラバ
11の上面に1個のイメージセンサ10を設けることが
できる。勿論、両光切断部5,5″の画像を分離するこ
とができる。例えば、この目的のために、光切断部5,
5″を交互に照射することができる。図4において、管
1の入口にはエアロゾル発生器13が示されている。こ
のエアロゾル発生器は正確に定めた濃度Kで粒子4を、
流入する流体3に混合する。この既知の濃度は、所定の
大きさの質量流量内の粒子4の像の密度を量的に評価す
ることを可能にする。
【0021】本方法のために必要な装置は、それぞれの
光切断部5内で粒子速度を測定するための公知のPIV
方法の実施も可能にする。しかし、従来のPIV方法は
それぞれの光切断部の平面内での粒子の速度成分だけを
検出する。図示の実施の形態では、光切断部は矢印2で
示す流れの主移動方向に対して垂直に配置されている。
しかし、本方法は、流れに対して角度をなして延びる光
切断部の場合にも実施可能である。量的な評価は、通過
する粒子のための光切断部の有効厚さが、それぞれの画
像の露光時間tの間に個々の粒子が進む距離よりもはる
かに短いときに可能である。これは、PIV方法にとっ
ては勿論、比較的に不所望な境界条件である。
【図面の簡単な説明】
【図1】方法の第1の実施の形態を示す図である。
【図2】この方法で得られる、質量流量を測定するため
のいろいろな像を示す概略図である。
【図3】方法の第2の実施の形態を示す図である。
【図4】方法の第3の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
1 管 2 矢印 3 流体 4 粒子 5 光切断部 6 光源 7 厚さ 8 平面 9 結像レンズ 10 イメージセンサ 11 フレームグラバ 12 評価装置 13 エアロゾル発生器 14 物体 15 円柱レンズ 16 窓
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01F 1/00 G01F 1/708 G01F 1/74 G01P 13/00

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 小さな厚さ(7)の光切断部(5)が平
    面(8)に対して平行にかつ平面の周りに形成され、所
    定の時間間隔Δtの間に、流れよって一緒に運ばれ光切
    断部(5)を通過する粒子(4)の画像が平面(8)に
    対して垂直に撮影され、画像内での粒子(4)の像の分
    布が評価されることを特徴とする、一平面における流れ
    の質量流量分布を検出するための方法。
  2. 【請求項2】 画像内の粒子(4)の像の局所的な密度
    が、平面(8)を通る局所的な質量流量のための度合い
    として使用されることを特徴とする請求項1記載の方
    法。
  3. 【請求項3】 画像内の粒子(4)の像の分布が、その
    前に撮影した分布と質的に比較されることを特徴とする
    請求項1または2記載の方法。
  4. 【請求項4】 粒子(4)の分布が、所定の質量流量に
    対応する粒子の像の所定の密度と量的に比較されること
    を特徴とする請求項1または2記載の方法。
  5. 【請求項5】 所定の密度が、流れの横断面全体を捉え
    る粒子(4)の画像から検出されることを特徴とする請
    求項4記載の方法。
  6. 【請求項6】 チェック平面(8′)にわたって質量流
    量分布を付加的に検出する際に、所定の密度が検出され
    ることを特徴とする請求項5記載の方法。
  7. 【請求項7】 チェック平面(8′)が平面(8)の上
    流に配置されていることを特徴とする請求項6記載の方
    法。
  8. 【請求項8】 質量流量分布が流れ方向において相前後
    して設けられた2つの平面(8,8″)内で検出される
    ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の
    方法。
  9. 【請求項9】 光切断部(5)内で1回露光して粒子
    (4)を撮影した画像のほかに、PIV方法に従って平
    面内で流速を測定するために、光切断部内で2回露光し
    て粒子の画像を撮影することを特徴とする請求項1〜8
    のいずれか一つに記載の方法。
  10. 【請求項10】 粒子(4)が所定の濃度で流れに添加
    されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一つに
    記載の方法。
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