JP4777360B2 - 走行時間光学速度計 - Google Patents

Description

本発明は概して流動中の流体の速度を測定するための速度計に関する。より詳しくは、本発明は二つの被合焦光ビーム間の試験領域を粒子が通過する走行時間を測定することによって粒子を運ぶ流体の速度を決定する光学速度計に関する。

流体速度を測定するための一つの光学的方法は、「レーザ２焦点」（Ｌ２Ｆ）速度測定法として当該技術において知られている。Ｌ２Ｆ速度測定法は、二本の合焦レーザ・ビームを横断する粒子によってもたらされる光パルスの検出と、一本の合焦ビームからもう一本のビームに流体と共に粒子が移動するのに要する平均経過時間の決定に基づいている。流速は二本のレーザ・ビーム間の距離を経過時間で割ることによって計算される。この流速はＬ２Ｆ速度測定法を使用して、精密なビーム合焦および高速デジタル信号処理に基づいて０．０１％以内の精度で測定することができる。このため、Ｌ２Ｆ速度測定法はガスおよび透明流体の複合流の研究に特に適している。他の適用例としては非常に低速（０．１ｍ／ｓ以下）から非常に高速（１００ｍ／ｓ以上）までのパイプ内のガスの測定がある。このような広い範囲は、太いパイプ内のフレアガスのような変動ガスを測定するために必要である。

例えばターボ機械内で使用されるような細いパイプおよびチャネル内を流れる複合流を測定するためのＬ２Ｆ速度計がある（例えば、ショードルによる米国特許第３，９４１，４７７号およびホフマン他による米国特許第４，７０７，１３０号）。この種のシステムは、流れに向けて二つのレーザ・シートを放つように構成された照明システムを伴うハウジングと、流れ内の粒子による後方散乱光を収集するとともにこの光を二つの光検出器に合焦する光学収集システムを含んでいる。収集システムの光軸は、光のシートと平行である。照明システムは収集システムの中央領域に光を送り、収集システムはこれの周辺領域で受承される粒子からの後方散乱光を収集する。

第１タイプの先行技術としての光学装置例を開示しているホフマン他による特許文献を参照すると、この光学装置は、二本の平行ビームを生成するレーザおよびスプリッタと、二つの試験点にビームを合焦する凸レンズと凹レンズとを有する光学セルを通じてビームを方向付けするように構成されたレンズおよび二枚の鏡とを含んでいる。二本のビームから来る光が二つの試験点から光学セル及びもう１本のレンズを介して後方散乱され、シャッターを介して光電子増倍管に向けられる。

このようなシステムの一つの欠点は、後方散乱光の強度が前方散乱光よりもずっと弱いことである。この欠点はこの種のシステムが概して粒子シーディング（粒子を流れに付加する）を必要とする度合いまで信号対雑音比を低下させることである。しかし、粒子シーディングは天然ガス管路、廃ガス焼却塔および通気管のような多数の石油化学適用例で許容されない。

この種のシステムは、また太い管内に使用されるコンパクトな速度計の費用効果的設計を許容しない。なぜなら、試験領域をハウジングからずっと離して配置した場合、光学収集システムの開口の寸法を比例して大きくしなければならないからである。光学システムが大きいため速度計のコストが増す。

Ｌ２Ｆ速度計に基づいた別の先行技術光学ガス流量計は、管内の流体流れに直接アクセスを提供するプレートに強固に取り付けられたハウジングを備えている（例えば、ケイル他による米国特許第６，１２８，０７２号）。光学収集システムは前方散乱光を検出するが、非散乱光の捕捉を回避するために照明システムの光軸からある角度で偏位されている。

この第２タイプの先行技術としての光学装置例を開示しているケイル他の特許文献を参照すると、この光学装置は、流体が流れる管の内径と好ましくは一致する孔を中央に備えたプレートに基づいている。プレートに取り付けられた光ファイバーがコリメータで終結しており、ファイバーからプリズムに光が方向付けられる。このプリズムが光を二つのビームに分割する。ビームは鏡によって反射され、円筒レンズによって合焦され、測定量の流体を通過する二本の平行ビームを生成する。ビームからの光が測定量の流体を通過する粒子によって散乱され、散乱光の一部が屈折ダブレットによって収集され、像点に合焦される。光は平行ビームの方向から５〜２５度の範囲にある角度で収集されるのが好ましい。

第２タイプの先行技術による速度計の一つの欠点は、種々の直径の管に適していないことである。これはプレートおよび光学系を各管の寸法につきそれぞれ設計しなければならないからである。さらに、光学収集システムの軸外し位置付けが収集システムの収集効率を低下させる。これは散乱光が限定された立体角内でのみ受容されるからである。さらに、この第２タイプの先行技術による速度計を非常に太い管路に挿入することは実用的ではない。

第２タイプの先行技術によるシステムの別の欠点は、管路内に設置された光学計器がウインドウの汚れによって影響を受けることである。従って、管を減圧せずに清掃目的で光学系を取外しできるハウジングを有している必要がある。上記技術によるプレートの取り外しは、複雑な高圧力ファイバー光学フィードスルーと共に用いられ、速度計を高価にする複雑な機械的機構を必要とする。

先行技術によるＬ２Ｆ速度計は精密にすることができる。しかし、レーザ・ビームが合焦される限定された試験領域内で流体速度を決定する傾向にある。このため、この速度計は流れ断面を縦断する速度の差異に対して弱い。ケイル他による特許文献は複数点Ｌ２Ｆ速度計を開示しており、一つの試験領域が管の中央に配置され、多数の試験領域が壁から１／４半径距離に配置されている。この１／４半径位置は、流体の動的計算によれば流れ断面からの影響を受けにくい。しかし、複数点Ｌ２Ｆ速度計は流れ断面を縦断して多数の試験ゾーンを生成するために複雑な光学系を必要とする。

従って、種々の直径の管内において流体速度測定するのに適した、粒子シーディングを必要としない光学速度計が必要となる。また、清掃目的と保守のために流体が流れる管から容易に取外すことができるハウジングを有する速度計が必要となる。

本発明の一実施例は、流動中の流体に挿入されるプローブを備えたＬ２Ｆ速度計を提供する。プローブは、同軸をなす光学照明システムと光学収集システムとを有している。照明システムは光を流体に向け、収集システムは流体を通過する前方散乱光を収集する。本発明のさらなる観点と特定実施例の特徴は以下で説明される。

以下の詳細な説明は本発明をより理解し得るためになされている。周知の要素については、本発明を不必要に不明瞭にすることを回避するために詳細に示唆ないし説明しない。従って、明細書および図面は限定を意図せず、例証を意図するものとみなすべきである。また、図面は本発明の実施例を制限するものではない。

本発明の一実施例は、流動中の流体に挿入されるプローブを備えたＬ２Ｆ速度計を提供する。プローブは、同軸をなす光学照明システムと光学収集システムを有している。照明システムは流体の流れに通されるプローブの開口領域において一対の光シートの方向を定める。光シートは流れ方向に対して垂直をなし、また、流れ方向と平行する方向に沿って所定距離だけ分離されている。二つのシートを通過する流れ内の粒子は光を散乱し、散乱光内で変動を発生させる。収集システムが流体を通過する前方散乱光を収集する。電気光学アセンブリが収集光を受け取り、変動をモニターすることで粒子によって生じた変動間の経過時間を決定する。収集システムは、プローブの長さを短くするような鏡を備えており、これによって流れの外乱を低減し、小さい直径の管内の流速の測定を可能にする。

図１は本発明の一実施例に基づくＬ２Ｆ速度計を示す。この速度計は、プローブ６０を含む。プローブ６０は、流体内に挿入される先端部６２と、該プローブの機械的支持部を提供するとともにケーブル６６を取り付けるための基端部６４とを有する。ケーブル６６は電気光学アセンブリ６８とプローブ６０を接続する。プローブ６０の先端部は開口領域７０を有し、流体は開口領域７０を通過可能となっている。光学照明システム（図１には示さず）は、電気光学アセンブリ６８から光を受け取り、流体により運ばれる粒子が通過する開口領域７０の中央部に二つの光シート７２，７４を生成する。粒子によって拡散された光が、光学照明システムと同軸をなす光学収集システムによって収集され、電気光学アセンブリ６８に戻される。

図２は図１の速度計の光学照明システムと収集システムを示す。光学照明システムは、照明フェルール８０、結合レンズ８１及び円筒レンズ８２を含む。照明システムは、合焦アセンブリ８６の中央開口８４内に配置されている。合焦アセンブリ８６は、第１および第２レンズ１０９，１１０を備えている。光学収集システムは、中央にオブスキュレーション（ｏｂｓｃｕｒａｔｉｏｎ）９０を有する鏡８８と、合焦アセンブリ８６とを備えている。鏡８８は、結合レンズ８１、円筒レンズ８２、および合焦アセンブリ８６のレンズ１０９，１１０の光軸９２と同軸に配置されている。収集フェルール９４は、光軸９２に沿って、かつ、合焦アセンブリ８６により生成された像平面内の照明フェルール８０後方に配置されている。二本の照明ファイバー９６，９８が照明フェルール８０に結合され、二本の収集ファイバー１００，１０２が収集フェルール９４に結合されている。ファイバー９６，９８，１００，１０２は、図１に示す光学ケーブル６６内に組み込まれている。ウインドウ１０４が結合レンズ８１と開口領域との間に配置され、レンズ系と光ファイバーを環境から保護するのが好ましい。円筒レンズ８２は、ウインドウ１０４の中央の開口内に配置することができる。鏡を別のウインドウ（図示せず）によって保護してもよい。

円筒レンズ８２は、図１の光シート７２，７４に対応する開口領域７０内の明るい光シート１０６，１０８にファイバー９６，９８からの光を拡散させる。オブスキュレーション９０の寸法は、ファイバー９６，９８から到来する全ての直接光を吸収するように選択される。流体の流れと共に光シートを縦断する粒子で散乱された光が鏡８８によって収集される。鏡８８は、光を反射して、その光を平行に合焦アセンブリ８６に当てる。第１レンズ１０９の周辺ゾーンは、鏡８８から反射された光を受け取り、その反射光の焦点を第２レンズ１１０の周辺ゾーンに合わせ、この第２レンズ１１０は、平行な光の焦点を収集ファイバー１００，１０２の受入開口に合わせる。

図３は直径０．５〜１．５μｍの範囲にある粒子に対してミー（Ｍｉｅ）近似法に基づいて計算された理論的光分布を示す。このような粒子は一般的に天然ガス管および大多数の廃ガス焼却塔内にある。この計算はＬ２Ｆ速度計測法に適したミニチュア・レーザにとって一般的である波長０．６５０μｍの単色光に対して行った。ゼロ度の近くで散乱された光（前方散乱光）と１８０度の近くで散乱された光（後方散乱光）の相対的強度は、それぞれＦ_ｆ＝５１２．９とＦ_ｂ＝３．０である。従って、本発明に基づくような前方散乱光を収集する光学収集システムは、後方散乱光を収集する光学収集システムの１７０倍までの効率にすることができる。

前方および後方散乱光の収集間の効率差は、より方向性のある光散乱のために粒子の寸法にともなって増大する。図４は直径２〜１０μｍまでの粒子によって散乱された光に対する、図３に示したタイプの角度分布を示す。前方散乱強度と後方散乱強度との比は、これら大きい粒子においてＦ_ｆ／Ｆ_ｂ＝１２６２５１．０／１５２．５＝８２７である。

これは同じ比率で低下する検出感度を提供する上記第１タイプの先行技術の主たる欠点を表わしている。後方散乱光を収集する光学収集システムは、粒子が流れに付加されれば粒子のみを効率的に検出することができる（後方散乱光束Ｆｂが粒子直径に伴って大きくなる）。しかし、粒子シーディングは概して工業的流れ測定には許容されない。

同様にして、第２タイプの従来技術の効率は光学系の非同軸設計によって影響される。第２タイプの先行技術に基づいた光学収集システムの許容角度は、ビームの方向に対する収集システムの角度的配列のために図２に示した実施例のものよりも小さくなる。

図５は図２の光シート１０６，１０８の平面内にある照明ファイバー９６，９８からの光ビームの形状を示している。楕円形スポット１１２，１１４は光軸と直交する平面内の光シート１０６，１０８の断面を表わしている。円形スポット１１３，１１５は同じ平面内にある照明ファイバー９６，９８のコアの投影を表わしている。スポット１１２，１１４は距離ｄで変位しており、これは照明フェルール８０内のファイバー９６，９８の間隔とレンズ８１，８２の倍率によって決まる。距離ｄは速度計算、Ｖ＝ｄ／τに使用される二つのパラメータの一つであって、τは粒子がスポット１１２，１１４間を走行するのにかかる平均時間である。

図６は図２の鏡８８にあるオブスキュレーション９０の平面内の照明ファイバー９６，９８から来る光ビームの形状を示す。スポット１２０，１２２は、一般的に、円筒レンズ８２の効果作用により図５のスポット１１２，１１４の方向と直交する方向に拡大される。

好ましくは、照明ファイバー９６，９８は使用光の波長により４〜９μｍ範囲のコア径を有している単一モード光学ファイバーである。この種のファイバーにより、幅１５μｍ未満の光シートの生成が可能となり、これによって測定領域内で高い光集中度を達成できる。ファイバー・コアは、散乱効率が短い波長になるにつれて高くなり、またファイバーに結合された光の総量が薄いファイバーで小さくなることを考慮して選択する。好ましくは、収集ファイバー１００，１０２は５０〜５００μｍの範囲のコア直径と高い開口数を有するマルチモード光学ファイバーである。一般的に厚い収集ファイバーが好ましいが、収集ファイバー１００，１０２の適切な直径は収集光学系（鏡８８および合焦アセンブリ８６）と距離ｄによって決まる。

距離ｄの好ましい値は、多数の要素によって決まるが、所望の精度、測定されるべき速度範囲および外乱レベルが主である。距離ｄの値が大きいとスポット１１２，１１４と交差する粒子によって生じる二つのパルス間の時間測定精度が高くなる。しかし、単一粒子が両スポット１１２，１１４と交差する確率は、外乱の効果のためにｄが大きくなるにつれて小さくなる。約１．０ｍｍのシート間隔ｄが、０．１〜１００ｍ／ｓの範囲の速度と５％未満の外乱レベルにあるほとんどの工業流れ適用例に最適である。

図２に示す光学系は、前方散乱光の収集に高い効果を有している。オブスキュレーション９０によって吸収される散乱光の割合は、オブスキュレーション９０の寸法と、シート１０６，１０８の位置と鏡８８との間の距離とによって決まる。一実施例において、これらの寸法によってプローブ直径３／４″（１９．１ｍｍ）に対する一般的オブスキュレーション角３度と収集角１２度が規定される。ほぼ同じ寸法構成を有している、ホフマン他による特許文献に開示された先行技術システムのタイプは、約１６８〜１７７度の散乱光を収集する。本実施例とホフマン他による特許文献の先行技術システムタイプとの相対的収集効率（Ｅｆｆ）は、３〜１２度と１６８〜１７７度の立体角内で図３と４に示した光分布を積分することによって計算し、収集光（それぞれ、Ｆ_３−１２およびＦ_{１６８−１７７}）の強度を得るとともに光強度の比：Ｅｆｆ＝Ｆ_３−１２／Ｆ_{１６８−１７７}を得ることができる。先行技術と比較して大きくなる収集効率は、本実施例において小さい粒子と大きい粒子につきそれぞれ、５．４×１０^６と１．３×１０^６であることが分かる。

本発明の別の実施例によれば、基準光学ファイバー１３０は図７に示したようにオブスキュレーション９０内に配置される。基準光学ファイバー１３０はオブスキュレーション９０に到達する光の一部を収集する。これによりウインドウの汚染、劣化、及び光源の熱的不安定性等による経時的に変化する全ての光強度の制御が可能となる。

本発明の別の実施例によれば、プローブの基端部は流れの異なる点における流体速度の測定のための多数の開口領域を有することができる。図８は三つの開口領域１４０，１４２，１４４を示している。開口領域１４０，１４２，１４４の各々は図２または図７に示したように同軸光学照明システムと収集システムに関連している。この機構は大型焼却塔および太い管内のガス流測定のような多数の適用例に望ましい複数点での速度測定を提供する。

速度分布図測定は、図９に示したように流体流れを縦断して測定ゾーンを移動させることによって達成することができる。挿入プローブ６０は挿入装置１５４によって大型管１５２内に挿入される。挿入装置１５４は管１５２内のある一定深さにプローブ６０を配置し、これによって測定ゾーンを伴う開口領域７０が異なるロケーションで速度を測定することができる。挿入装置はプローブ位置の関数としての速度の最終計算のために電気光学アセンブリ６８に接続されている。

これまでの説明から当業者に自明なように、本発明の実施においては、多数の変形例および変更例が本発明の思想またはこの範囲から逸脱することなく可能である。従って、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定された趣旨に基づいて構成される。

本発明の一実施例に基づくＬ２Ｆ速度計を概略的に示す図である。 図１の光学系の詳細図である。 小さい粒子（０．５〜１．５μｍ）で散乱された単色光（６５０μｍ）の計算強度を表わすグラフである。 大きい粒子（２〜１０μｍ）で散乱された単色光（６５０μｍ）の計算強度を表わすグラフである。 測定領域内にある図２の光学系によって生成された光スポットのロケーションを概略的に示す図である。 オブスキュレーションの平面にある図２の光学系によって生成されたスポットライトのロケーションを示す図である。 本発明の別の実施例に基づく凹面鏡内の基準ファイバーを有するＬ２Ｆ速度計を示す。 本発明の別の実施例に基づく複数点速度測定のためのＬ２Ｆ速度計を示す図である。 本発明の別の実施例に基づいて流れを縦断する種々のロケーションにプローブを挿入するための挿入装置を伴うＬ２Ｆ速度計を示す図である。

Claims (19)

1. 流動中の流体の速度を測定する装置であって、
   前記流体内に挿入され、前記流体が通過可能な開口領域を内部に有するプローブであって、分離距離だけ分離された一対の光ビームを前記開口領域を通じて方向付けするように構成された照明システムと、前記照明システムと共通の光軸を有し、前記一対の光ビームを通過する前記流体内の粒子から前方散乱光を収集するように構成された収集システムであって、前記前方散乱光を前記照明システムに向かう方向に反射させるように構成された反射素子を含む収集システムと、を含むプローブと、
   前記プローブに接続され、前記照明システムに光を提供するとともに前記収集システムによって収集された光を受け取り、前記一対の光ビームを通過する粒子により生成された前記前方散乱光における変動の経過時間を測定し、前記経過時間と前記分離距離とに基づいて前記流体の速度を計算するように構成された電気光学アセンブリと、
   を備える装置。
2. 前記反射素子は、前記照明システム及び前記収集システムと共通の光軸を有する凹面鏡を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記収集システムは、前記光ビームからの非散乱光を吸収するように前記光軸上に配置されたオブスキュレーションを含む、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記収集システムは、前記オブスキュレーションに入射する光を受け取るように位置付けされた基準光ファイバーを含む、請求項３に記載の装置。
5. 前記収集システムは、前記反射された前方散乱光の焦点を、前記電気光学アセンブリに接続された一対の光ファイバー上に合わせるように構成された合焦アセンブリを含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記反射素子と前記合焦アセンブリとは前記開口領域の対向側に存在する、請求項５に記載の装置。
7. 前記合焦アセンブリはその中央部に開口を有し、前記照明システムは前記開口を通じて光を投影する、請求項５または６に記載の装置。
8. 前記照明システムは、前記電気光学アセンブリに接続され、前記合焦アセンブリの前記開口内に位置付けされた照明フェルールによって所定距離だけ離間して保持された一対の光ファイバーを含む、請求項７に記載の装置。
9. 前記収集システムは前記合焦アセンブリの像平面内に位置付けされた一対の光学ファイバーを含み、前記像平面と前記開口領域とは前記照明フェルールの対向側に位置している、請求請８に記載の装置。
10. 前記一対の光学ファイバーは収集フェルールによって位置決めされて保持されている、請求項９に記載の装置。
11. 前記一対の光ビームは一対の光シートを含む、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記照明システムは、前記光軸に沿って位置付けられた円筒レンズを含む、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記プローブは、前記合焦アセンブリと前記開口領域との間に位置付けされたウインドウを含む、請求項５に記載の装置。
14. 前記プローブは、前記鏡と前記開口領域との間に位置付けされたウインドウを含む、請求項２に記載の装置。
15. 前記プローブは複数の開口領域を含み、該各開口領域は照明システムとその照明システムに関連する収集システムとを有する、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 流動中の流体の速度を測定する方法であって、
    照明システムにより、前記流体を通過する、分離距離だけ分離された一対の光ビームを方向付けすること、
    前記照明システムと共通の光軸を有する収集システムにより、前記流体内の粒子によって散乱された前方散乱光を収集すること、
    前記収集された前方散乱光を前記照明システムに向かう方向において一対の光検出器に反射させること、
    前記一対の光ビームを通過する粒子によって引き起こされた前記収集された前方散乱光の変動間の経過時間を決定すること、
    前記分離距離と前記経過時間とに基づいて前記流体の速度を計算すること、
    を備える方法。
17. 内部に開口領域を有するプローブ内に前記照明システムと前記収集システムとを位置付けすること、
    前記流体が前記開口領域を流れるように前記流体中に前記プローブを挿入すること、
    を備える請求項１６に記載の方法。
18. 前記前方散乱光を収集することは、前記光軸上に位置付けされたオブスキュレーションで非散乱光を吸収することを含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記前方散乱光を反射させることは、信号標準化目的のために前記光軸上で前記非散乱光を収集し、測定することを含む、請求項１８に記載の方法。

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