JP4806440B2 - 流体の流動状態測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、流れ場に投入した微小トレーサ粒子の動きを解析し、その移動量及び移動方向から流れの速さ及び方向の分布を測定する流体の流動状態測定方法に関し、さらに詳細には１枚の画像から流体の速さ及び方向の分布を、簡便かつ高精度に算出可能とした流体の流動状態測定方法に関する。

従来より、一般的な粒子画像流速測定法（PIV）として、１枚の画像に１時刻の粒子像を撮影し、前後する時刻における画像間で粒子像の移動距離及び移動方向から粒子の速さ及び方向、すなわち流れの速さ及び方向を算出する測定法が知られていた。しかしながら、この測定法では、１枚の画像のみから流れの速さ及び方向を算出することはできず、複数枚の画像を用いて解析する必要があるため、解析作業に手間がかかっていた。

一方、別の粒子画像流速測定法として、１枚の画像を撮影中にパルスレーザー等の瞬間的に発光する光源によってシート状の光を複数回照射し、１枚の画像中に複数時刻の粒子像を撮影する多重露光粒子画像流速測定法が用いられていた。

例えば、下記特許文献１では、粒子径が２mm以下１μｍ以上のトレーサ粒子を流体中に混入し、上記トレーサ粒子の静止画像が得られるようにするため、テレビカメラ信号における第２フィールドに１度のタイミングでシート状に広げたレーザー光を上記流体中に向けて間欠的に照射し、上記流体中に混入されている微小トレーサ粒子をフレーム蓄積方式のテレビカメラで撮像するトレーサ粒子の流れの可視化方法が開示されている。
特開平６−６６６７５号公報

しかしながら、上記特許文献１に示されるような多重露光粒子画像流速測定法では、１枚の画像の露光中に発光させる光源の時間間隔は、等間隔であるのが一般的である。このため、粒子像の間隔から流れの速さは容易に算出できるものの、流れの方向を特定するのは必ずしも容易ではない。つまり、例えば、１枚の画像に各発光時刻の粒子像が横方向に点々と複数撮影されていても、その粒子が時系列的に左から右へ移動したのか、あるいは右から左に移動したのかを判別するのは容易ではなく、方向の不確定性という問題が生じる。

このような方向の不確定性を排除するための一つの手段として、画像シフト法という測定法が提案されている。画像シフト法は、２時刻目の画像に強制的にある一定の画像シフト量を与えて撮影し、得られた画像の粒子の移動量から画像シフト量を減算することによって、方向の不確定性を排除しようとするものである。しかしながら、この測定法では、光源を反射させるための回転ミラーを厳密に設定しなければならない点や、回転ミラー、光源レーザー及びカメラの動作の同期を取らなければならない点などにおいて、システムが煩雑となる欠点がある。

一方、上記特許文献１にも開示されるように、従来の粒子画像流速測定法を実施するためのレーザー光照射装置では、流れ場にレーザーシートを作製するために、光ファイバーの先端に光学レンズが取り付けられている。かかるレーザー光照射装置では、レーザー光を光学レンズによりシート状に拡散させているため、レーザー光のパワー密度が低下し又不均一となり、トレーサ粒子からの散乱光が弱くなって、カメラで検出しづらくなるという欠点があった。

また、従来の粒子画像流速測定法では、高速の流れを測定しようとする場合、高速に移動する粒子画像を測定するために、フレームレートが高い高性能の撮影カメラを使用する必要があり、コスト高の要因となっていた。

そこで本発明の主たる課題は、１枚の画像から流体の速度及び流動方向の分布の測定を可能にするとともに、トレーサ粒子を精度良く検出し、システムを簡素化することにより測定の容易化及びコスト低減を図ることにある。

前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、トレーサ粒子が投入された流体に、１台のレーザー光発振器から照射されたレーザー光を、往復揺動する可動反射ミラーに連続的に入射角を変化させつつ入射させることによってレーザーシートを形成し、このレーザーシートの形成時におけるトレーサ粒子をカメラで撮影する流体の流動測定方法であって、
前記レーザー光を、往復揺動する前記可動反射ミラーに間欠的に入射させることによって、前記可動反射ミラーにより異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回、同一波長からなるレーザー光によって該レーザー光が一定の方向に走査する前記レーザーシートを形成するとともに、前記レーザーシートの形成時を含む測定中に、前記カメラを露光状態としておくことによって、１枚の画像中に前記レーザーシート形成時のトレーサ粒子の軌跡画像を異なる時間間隔で撮影するようにし、
前記可動反射ミラーは振動ミラーとされ、該振動ミラーは、反射面が所定の振れ角で往復揺動するように制御されるとともに、この振動ミラーに、前記振動ミラーが往方向又は復方向に回動するときにのみタイミングをとって同期化させながら異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回前記レーザー光発振器からレーザー光を入射させることによって、前記レーザーシートが異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回形成されるようにしたことを特徴とする流体の流動状態測定方法が提供される。

上記請求項１記載の発明では、可動反射ミラーにより異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回レーザーシートを形成するとともに、前記レーザーシートの形成時を含む測定中に、前記カメラを露光状態としているため、１つのトレーサ粒子につき、１枚の画像中にレーザーシート形成時の軌跡画像が異なる時間間隔で少なくとも３点撮影されるようになる。このため、レーザーシートの形成パターンから、トレーサ粒子の移動方向を明確に判別することができるようになるとともに、レーザーシートの時間間隔とその間のトレーサ粒子の移動距離とから、トレーサ粒子の移動速度を簡単に算出することができる。よって、１枚の画像から流体の速度及び流動方向の分布を容易に測定することができるようになる。

また、前記レーザーシートは、レーザー光発振器から照射されたレーザー光を可動反射ミラーに連続的に入射角を変化させつつ入射させることによって形成したものである。従来の光学レンズなどによって拡散させて形成したレーザーシートの場合、全体的にパワー密度が低下し又不均一となるのに対し、本発明のようにレーザー光を可動反射ミラーで走査することによって形成したレーザーシートの場合、パワー密度を低下させずにレーザー光をトレーサ粒子に照射できるためトレーサ粒子からの散乱光が強くなり、また比較的均一なレーザーシートを形成することが可能となる。これらによりトレーサ粒子を精度良く検出できるようになる。さらに、前記光学レンズなどが不要となるため、システムを簡素化できるようになり、測定の容易化及びコスト低減を図ることができる。
上記請求項１記載の発明は、本発明の第２形態例であり、前記可動反射ミラーとして振動ミラーを使用したものである。具体的には、前記振動ミラーは、反射面が所定の振れ角で往復揺動するように制御されている。そして、この振動ミラーに、前記振動ミラーが往方向又は復方向に回動するときにのみタイミングをとって同期化させながら異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回前記レーザー光発振器からレーザー光を入射させる。これによって、前記振動ミラーにより異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回レーザーシートが形成されるようになっている。

請求項２に係る本発明として、トレーサ粒子が投入された流体に、１台のレーザー光発振器から照射されたレーザー光を可動反射ミラーに連続的に入射角を変化させつつ入射させることによってレーザーシートを形成し、このレーザーシートの形成時におけるトレーサ粒子をカメラで撮影する流体の流動測定方法であって、
前記可動反射ミラーにより異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回、同一波長からなるレーザー光によって前記レーザーシートを形成するとともに、前記レーザーシートの形成時を含む測定中に、前記カメラを露光状態としておくことによって、１枚の画像中に前記レーザーシート形成時のトレーサ粒子の軌跡画像を異なる時間間隔で撮影するようにし、
前記可動反射ミラーはポリゴンミラーとされ、該ポリゴンミラーは、レーザー光を反射する反射面が異なる間隔で少なくとも３面形成され、それ以外の面がレーザー光を反射しない無反射面とされるとともに、このポリゴンミラーに、測定中連続的に前記レーザー光発振器からレーザー光を入射させることによって、前記レーザーシートが異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回形成されるようにしたことを特徴とする流体の流動状態測定方法が提供される。

上記請求項２記載の発明は、本発明の第１形態例であり、前記可動反射ミラーとしてポリゴンミラーを使用したものである。具体的には、前記ポリゴンミラーとして、レーザー光を反射する反射面を異なる間隔で少なくとも３面形成するとともに、それ以外の面をレーザー光を反射しない無反射面としたものを使用する。そして、このポリゴンミラーに、測定中連続的に前記レーザー光発振器からレーザー光を入射させる。これによって、このポリゴンミラーが１回転する間に、前記反射面においてレーザーシートが異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回形成されるようになっている。

請求項３に係る本発明として、前記ポリゴンミラーの面数は、６面以上とされている請求項２記載の流体の流動状態測定方法が提供される。

上記請求項３記載の発明では、前記ポリゴンミラーが１回転する間に、反射面を異なる間隔で少なくとも３面形成する関係上、ポリゴンミラーの面数を６面以上としたものである。

請求項４に係る本発明として、前記可動反射ミラーの先に光学レンズを設けることによって、前記レーザーシートを平行光にしている請求項１〜３いずれかに記載の流体の流動状態測定方法が提供される。

上記請求項４記載の発明は、前記可動反射ミラーの先に光学レンズを設けることによって、平行なレーザーシートを形成するようにしたものである。

以上詳説のとおり本発明によれば、１枚の画像から流体の速度及び流動方向の分布の測定が可能となるとともに、トレーサ粒子を精度良く検出でき、システムを簡素化することにより測定の容易化及びコスト低減が図れる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
〔第１形態例〕
図１は、本発明の第１形態例に係るシステム構成図である。

本測定システムは、微小な多数のトレーサ粒子１、１…が投入された流体に、レーザー光発振器２から照射されたレーザー光３を可動反射ミラーの回転により連続的に入射角を変化させつつ入射させることによってレーザーシート５を形成し、このレーザーシート５の形成時におけるトレーサ粒子１、１…の軌跡画像を撮影するカメラ６を備えるものである。本第１形態例における測定システムでは、前記可動反射ミラーとしてポリゴンミラー４が用いられている。

前記レーザーシート５は、ポリゴンミラー４から異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回形成されるようになっている。そして、このレーザーシート５の形成時を含む測定中に、前記カメラ６を露光状態としておくことによって、１枚の画像中に前記レーザーシート５形成時のトレーサ粒子１、１…の軌跡画像が異なる時間間隔で撮影されるようになっている。

さらに詳細には、前記ポリゴンミラー４は、レーザー光３を反射する反射面４Ａ、４Ａ…が異なる間隔で少なくとも３面形成されるとともに、それ以外の面がレーザー光３を反射しない無反射面４Ｂ、４Ｂ…とされている。このポリゴンミラー４に、測定中連続的にレーザー光発振器２からレーザー光３を入射させることによって、前述の通り、レーザーシート５が異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回形成されるようになっている。

前記トレーサ粒子１としては、共沈法などにより製造されるセラミック粒子、逆ミセル法などにより製造される有機高分子（例えばポリスチレンラテックスなど）の球状粒子、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、珪酸マグネシウムなどのアルカリ土類金属珪酸塩；ＳｉＯ_２、酸化鉄、アルミナなどの金属酸化物など、従来より用いられている多孔質粒子を使用し得る。粒径としては、特に限定はないが、０．５μｍ〜１５０μｍ、好ましくは５〜１５０μｍであることが望ましい。またカサ比重としては、計測しようとする流体の比重とできるだけ近い方が好ましい。

前記レーザー光発振器２は、可視化レーザーとして使用される各種のレーザー光、例えば、アルゴンレーザー光（４８８ｎｍ、５１４ｎｍなど）や、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの２倍波である５３２ｎｍのレーザー光、半導体レーザー光（４０５ｎｍなど）、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザーの２倍波である５３２ｎｍのレーザー光などを使用することができる。

前記ポリゴンミラー４は、図２に示されるように、好ましくは６面以上とされる正多角形、図示例では正八角形のミラーであり、モーター等の駆動力により回転できるようになっている。従って、前記レーザー光発振器２より投射されたレーザー光３は、ポリゴンミラー４の回転により連続的に入射角を変化させつつ流体に入射され、放射状のレーザーシート５を形成する。このように、レーザー光を光学レンズなどで拡散して形成するものではないため、流体にはほぼ均一な光強度のレーザーシート５を形成することができ、流体の流れに伴って流動するトレーサ粒子１、１…を顕著に可視化できるようになる。

また、前記ポリゴンミラー４の表面には、レーザー光を反射する反射面４Ａ、４Ａ…が異なる間隔で少なくとも３面、図示例では３面形成されるとともに、それ以外の面はレーザー光を反射しない無反射面４Ｂ、４Ｂ…とされている。前記無反射面４Ｂを形成するには、表面を黒色にしてレーザー光を反射させないようにしたり、反射するレーザー光が前記反射面４Ａによって形成されるレーザーシート５以外の空間に反射するように、レーザー光を偏向させるために面倒れさせたりすることができる。

図示例のように、前記ポリゴンミラー４の各面にそれぞれ面番号１〜８を付すると、図示例では、面番号１、３、４が前記反射面４Ａとされ、面番号２、５〜８が前記無反射面４Ｂとされている。すなわち、面番号１、３の各反射面の間には面番号２の無反射面４Ｂが一つ形成され、面番号３、４の各反射面の間には無反射面が形成されず、面番号４、１の各反射面の間には無反射面が四つ形成されることによって、各反射面はそれぞれ異なる間隔で形成されるようになっている。

前記ポリゴンミラー４を６面以上とする理由は、次のとおりである。ポリゴンミラーの１回転中に異なる間隔で反射面を３面形成しようとすると最低５面でも可能であり、例えば反射面を○、無反射面を●で表すと［○●○○●］の形成パターンとすることもできる。しかし、このポリゴンミラーを複数回転させると、パターンが［○●○○●］［○●○○●］［○●○○●］…となり、後続する回転の最初の○から逆方向に偽の［○●○○●］（正回転と同一のパターン）が形成される。このため、ポリゴンミラーが５面の場合では、反射面の形成パターンからトレーサ粒子の移動方向を決定する際、誤って逆方向にとってしまう場合があり、したがって６面以上が必要となる。６面の場合には［○●○○●●］［○●○○●●］［○●○○●●］…とすることができ、逆方向に正回転と同一のパターン［○●○○●●］が形成されることがない。このように、本発明では、ポリゴンミラー４に反射面４Ａを形成する際、連続回転させた場合に正方向と同様のパターンが逆方向に形成されないような配置とすることが重要となる。

前記カメラ６は、レーザー光の露光により流体中に浮遊する前記トレーサ粒子１をＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子に撮影可能なもの、フィルムなどの感光材料に投影可能なものなどとすることができる。

次に、図３に基づいて、具体的な測定方法について説明する。図３は、図２に示されるポリゴンミラー４が１回転した場合のカメラ６の露光状態とレーザー光の流体への走査状態を示したものである。図３中、横軸の番号は、レーザー光発振器２からのレーザー光３が入射している図２に示されるポリゴンミラー４の面番号である。

ポリゴンミラー４は、所定の回転数で一定方向に等速回転するように制御され、レーザー光発振器２からの連続発振レーザーが測定中連続的に入射している。このポリゴンミラー４の回転により、図３の下段に示されるように、レーザー光発振器２からのレーザー光３が反射面４Ａに入射したときには流体にレーザー光を走査してレーザーシート５を形成し（ＯＮ状態）、レーザー光発振器２からのレーザー光３が無反射面４Ｂに入射したときには流体にレーザーシート５が形成されない（ＯＦＦ状態）。これによって、レーザーシート５が異なる時間間隔で間欠的に形成されている（非等時間間隔となっている）。

このとき、カメラ６の露光状態は、図３の上段に示されるように、測定中露光状態とされている。したがって、１枚の画像中にレーザーシート５の形成時のトレーサ粒子１、１…の軌跡画像を撮影することができるようになる。

この測定は、ポリゴンミラー４を複数回転させた場合でも連続的に行うことができ、この場合においても、カメラ６は、測定中常に露光状態としておく。

次に、上記測定によって得られたトレーサ粒子の軌跡画像から流体の流動を解析する方法について説明する。図４は、上記測定によって撮影された軌跡画像の例である。この軌跡画像は、図２に示されるポリゴンミラー４を１回転させることにより、流体にレーザーシート５が３回形成された場合の例である。なお、本画像の撮影領域（幅ｗ×高さｈ）は、予め定規等の計測によって既知とする。

図４に示される軌跡画像から流れの方向を解析すると、前記ポリゴンミラー４の反射面４Ａの形成パターンから、粒子像Ａ１、Ａ２、Ａ３が１つのトレーサ粒子による粒子像群Ａと判断でき、同様にして粒子像群Ｂ、Ｃが認められる。ここで、前記ポリゴンミラー４の反射面４Ａの形成パターンから、粒子像Ａ１、Ｂ１、Ｃ１は面番号１の反射面４Ａによる１回目のレーザー光走査時の像であり、粒子像Ａ２、Ｂ２、Ｃ２は面番号３の反射面４Ａによる２回目のレーザー光走査時の像、粒子像Ａ３、Ｂ３、Ｃ３は面番号４の反射面４Ａによる３回目のレーザー光走査時の像と容易に判別できる。したがって、粒子像群Ａにおいてトレーサ粒子は、粒子像Ａ１からＡ２、Ａ３の方向へ流動していると容易に判別できる。このように、１枚の画像に撮影された複数の粒子像から、流れの方向の分布を容易に解析することができる。

次に、図４に示される軌跡画像から流れの速さを解析する方法について説明する。例えば、粒子像群Ａにおいて、２番目の粒子像Ａ２が撮影された時間と３番目の粒子像Ａ３が撮影された時間との時間差Δｔ’は、概ねポリゴンミラー４の回転数とポリゴンミラー４の面数から算出できる。また、Ａ２とＡ３の距離ｄ_Ａは、撮影領域の寸法との比から算出可能である。これらの結果から、流体の速度Ｖ’は、Ｖ’＝ｄ_Ａ／Δｔ’より簡便に算出できる。

具体的な数値例を用いて計算すると、ポリゴンミラー４を正八面体、回転数を７５０ｒｐｍ（１２．５ｒｐｓ）とすると、Ａ２とＡ３の時間差は、１２．５[r/s]×８[scan/r]＝１００[scan/s]であるから０．０１[s/scan]となる。測定の結果、距離ｄ_Ａが５ｃｍであったとすると、流体の速さは０．０５／０．０１＝５[m/s]と算出できる。すなわち、粒子像群Ａ近傍の流体は、画像の下向きに５[m/s]の速さで流れていることが容易に算出できる。粒子像群Ｂ、Ｃにおいても同様に算出でき、流れの速さの分布を容易に解析することができる。

一方、上記計算例では、２番目の粒子像と３番目の粒子像との時間差を、ポリゴンミラー４の回転数から簡易に算出したが、粒子の移動方向にレーザー光の走査方向と平行な成分が含まれている場合、粒子の移動に伴う誤差が生じるようになる。

具体的に図５に基づいて説明する。図５は、(A)〜(D)の順に面番号３、４でのレーザー光の走査状態と粒子の挙動を示したものである。ここで粒子はレーザー光走査方向に平行して画面下方向に移動しているものとする。

図５(A)は、面番号３でのレーザー光走査により、粒子にレーザー光が当たった瞬間の状態を示したものである。同図(B)は、面番号３によるレーザー光走査のその後の状態を示したものである。この間にも粒子は(A)で照射された位置（図中の点線位置）から下方へ移動している。同図(C)は、面番号３での走査が終了して面番号４での走査を開始し、(A)と同じ角度で走査している状態を示したものである。(A)の状態から粒子が動いていなければ、このときに粒子にレーザー光が当たるが、粒子が下方に移動しているため、まだレーザー光は粒子に当たっていない。同図(D)は、(C)の状態からさらに時間ΔＴが経過してレーザー光が粒子に追いついた状態である。つまり、上記計算例で示した粒子像Ａ２とＡ３の時間差０．０１[s/scan]は、ポリゴンミラー４の面数と回転数から算出したものであるから、図５(A)の状態から(C)の状態までの時間差のことであり、図５(C)の状態から(D)の状態までの時間差ΔＴが含まれていない。よって、この時間差ΔＴを踏まえた補正を以下のように行う必要がある。

図６に示されるように、トレーサ粒子がレーザー光走査方向と平行して、画面下向きに速度Ｖで移動しているものとする。Ｖは下向きを正とする。

図６に示されるように、
Ｘ：ポリゴンミラー４の回転数[r/s]
Ｌ：ポリゴンミラー４から撮影点までの距離[m]
Ｗ：ポリゴンミラー４からＬだけ離れた位置での走査幅[m]
Ｖ_ｓ：レーザー光走査速度[m/s]
Ｋ：図５(A)の状態から(D)の状態までの間に粒子が移動した距離[m]
Ｖ：粒子速度[m/s]
θ：レーザー光の走査角度（半角）[deg]
Δｔ：図５(A)の状態から(D)の状態までの時間[s]
Δｔ’：図５(A)の状態から(C)の状態までの時間[s]
ΔＴ：時間の誤差（図５(C)の状態から(D)の状態までの時間）[s]
Ｔ_ｓ：レーザー光走査周期[s]
とする。

ポリゴンミラー４を正八面体とした場合、レーザー光の走査角度は次式(1)のようになる。

正八面体ポリゴンミラーを用いた場合、ポリゴンミラー４からＬだけ離れた位置でのレーザー光走査幅Ｗは次式(2)のようになる。

ここで、レーザー光がレーザーシート５を端から端まで走査するのに要する時間、すなわちレーザー光走査周期Ｔｓは次式(3)のようになる。

ポリゴンミラー４から距離Ｌだけ離れた場所での走査速度Ｖｓは、Ｖｓ＝Ｗ／Ｔｓより、次式(4)のようになる。ここで、Ｖｓはレーザー走査幅に亘って一定の速度で走査するものと仮定する。また、Ｖｓは下向きを正とする。

次にΔｔ（図５(A)の状態から(D)の状態までの時間）は次式(5)のようになる。ここで、粒子は面番号３によるレーザー光走査で撮像されてから面番号４によるレーザー光走査で撮像されるまでに、距離Ｋだけレーザー光走査方向に移動している。

従って、粒子速度Ｖは、次式(6)のように表される。

一方、面番号３でのレーザー光走査による撮像と、面番号４でのレーザー光走査による撮像との間に、粒子が移動することの影響を考慮しない場合、つまり図５(C)の状態から(D)の状態の時間差を無視する場合の粒子速度Ｖ’を考える。

面番号３でのレーザー光走査による撮像と面番号４でのレーザー光走査による撮像との時間差Δｔ’は、レーザー光走査周期となり、次式(7)のようになる。

従って、この場合の粒子速度Ｖ’は、次式(8)のようになる。

上式(6)と式(8)より、粒子が撮像される間に粒子が移動することを考慮しないことによる誤差は、次式(9)のようになる。

なお、粒子の移動距離Ｋは、次式(10)のように表すことができる。

具体的な上記計算例の数値を代入して、粒子速度の解析結果について比較してみると、上記計算例でも使用したように、Ｋ＝５[cm]、Ｘ＝１２．５[rps]、Ｌ＝０．５[m]、ポリゴンミラーの面数は８面とすると、式(4)よりＶｓ＝１００[m/s]が得られ、これらを式(6)に代入すると、Ｖ＝４．７６[m/s]となる。一方、前述の通りＶ’＝５[m/s]である。したがって、面番号３、４でのレーザー光走査により粒子が撮像される間に粒子が移動することを考慮しない場合の速度Ｖ’は、考慮した場合の速度Ｖに対して、Ｖ’／Ｖ×１００[%]＝５[%]大きくなっている。このように、可動反射ミラーとしてポリゴンミラーを用いた場合には、軌跡画像から算出された速度に対して、補正が必要となる場合がある。なお、上記補正式は、粒子の移動方向が下向きの場合であるが、上方向に移動する成分をもつ粒子に対しては、Ｖを負とすることで同様に補正を行うことができる。

上記補正式は、レーザー走査方向に対して平行する方向に移動する成分の速度を補正するものであって、レーザー走査方向に対して垂直な方向、すなわち図６に示される例では左右方向に移動する成分の速度については補正する必要がない。ただし、この補正が不要なのは、撮影領域の中心がレーザーシート５を走査方向に略２等分する中心線ＣＬの近傍に位置するとともに、ポリゴンミラー４から撮影領域までの距離Ｌ（図６参照）に比べて撮影領域の幅ｗ（図４参照）が十分に小さい（Ｌ＞＞ｗ）ことを前提とする。このような前提条件においては、撮影領域を走査するレーザー光が、レーザー走査方向に対してほぼ垂直な方向の平行光とみなせることから、この方向に移動する成分の速度については一定のレーザー光走査周期で撮像されるためである。

ところで、図７に示されるように、ポリゴンミラー４の先に光学レンズ７を設けることによって、レーザーシート５を平行光に形成するようにしてもよい。前記光学レンズ７としては、レーザーシート５の全幅に亘ってレーザー光の走査速度が等速となるｆθレンズを用いることが好ましい。

〔第２形態例〕
図８は、本発明の第２形態例に係るシステム構成図である。第２形態例では、上記第１形態例と比較して、レーザーシート５の形成手段が異なっている。すなわち、第２形態例では、可動反射ミラーが振動ミラー８とされ、該振動ミラー８の反射面が所定の振れ角で往復揺動するように制御されるとともに、前記振動ミラー８が往方向又は復方向に回動するときにのみタイミングをとって同期化させながら異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回レーザー光発振器２からレーザー光を入射させることによって、レーザーシート５が異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回形成されるようになっている。

前記レーザー光発振器２として、ファンクションジェネレータ９からの外部電圧信号によりレーザー光照射のＯＮ／ＯＦＦが切替可能とされる連続レーザー光発振器が用いられている。

前記振動ミラー８は、揺動軸のまわりに反射面が所定の振れ角で往復揺動することにより、レーザー光を反射して走査するミラー装置であり、具体的にはガルバノミラーとすることが望ましい。この振動ミラー（ガルバノミラー）８は、図８及び図９に示される例では、垂直軸に対して前後方向にそれぞれ±α°の振れ角で揺動することにより、反射面が上下方向に往復揺動するようになっている。この揺動制御には、図８に示されるように、ファンクションジェネレータ９からの外部電圧信号が、揺動軸の回転角を制御するガルバノミラーコントローラ１０に伝送されることにより行われている。

また、カメラ６は、前記ファンクションジェネレータ９と接続されたディレイジェネレータ１１によって、前記レーザー光発振器２及びガルバノミラー８と連動して、露光タイミング及び露光時間が制御されている。

次に、図１０に基づいて、具体的な測定方法について説明する。図１０は、測定中のカメラ露光、レーザー光走査及びミラー角度の関係を示したものである。前記ガルバノミラー８は、１回の上下方向の往復揺動、すなわち振れ角が−αから＋αを経て再び−αの状態に戻るまでを１周期とすると、測定中に少なくとも４周期、図示例では４周期揺動させるようにする。その間に、ガルバノミラー８が上方向に回動するときにのみ、前記ファンクションジェネレータ９によってタイミングをとって同期化させながら、異なる時間間隔で間欠的に３回、前記レーザー光発振器２からレーザー光を入射させる。すなわち、ガルバノミラー８が所定の上方向への回動、つまり−αの状態から＋αの状態に向けて回動するときにのみ、レーザー光発振器２からのレーザー光の照射をＯＮにしている。これによって、レーザーシート５が異なる時間間隔で間欠的に形成されている（非等時間間隔となっている）。

このように、ガルバノミラー８によりレーザーシート５を形成する場合には、ガルバノミラー８を一定方向に揺動したときにタイミングを合わせて、レーザー光発振器２からレーザー光を入射させることが重要となる。このタイミングが同期化されていない場合には、次のような不都合が生じる。ガルバノミラー８の往方向及び復方向への揺動を混在させた場合、すなわちレーザー光を上方向から走査させた場合と下方向から走査させた場合とを混在させた場合を考える。例えば画像の上端部に存在する粒子に対しては、下から上方向にレーザー光を走査させた場合、レーザー光の走査が終了する直前で粒子にレーザー光が当たって撮像されるのに対して、上から下方向にレーザー光を走査させた場合、レーザー光の走査が開始した直後で粒子にレーザー光が当たって撮像される。したがって、レーザー光走査を上方向とした場合と下方向とした場合とで、粒子が撮像される時間差が走査周期と同期化してないため、厳密な流速を算出することができない。画像の下端部に存在する粒子に対しても同様である。一方、画像の中央部に存在する粒子に対しては、上方向から走査した場合も下方向から走査した場合も、ほぼ半周期の位置で粒子が撮像されるので、大きな誤差は生じない。このように、レーザー光の走査方向を混在させると、粒子が存在する位置によって流速の算出結果に誤差が生じる場合があるので好ましくない。

粒子の軌跡画像から流体の速度を算出するには、２回目と３回目のレーザー光照射によって撮影された粒子像の距離Ｋから、次式(11)、(12)に示されるように、トレーサ粒子の速度Ｖを求める。なお、Δｔは照射間の時間差、Ｔｓは走査周期、Ｖｓはレーザー光走査速度である。

ところで、図１１に示されるように、ガルバノミラー８の先に光学レンズ７を設けることによって、レーザーシート５を平行光に形成するようにしてもよい。前記光学レンズ７としては、第１形態例と同様にｆθレンズを用いることが好ましい。

本発明の第１形態例に係る測定システムの構成図である。 ポリゴンミラー４の側面図である。 測定中のカメラ露光とレーザー光走査の状態を示す図である。 軌跡画像の例である。 ポリゴンミラー４によるレーザー光の走査状態を説明する図である。 速度計算のための説明図である。 光学レンズ７を配設した場合の構成図である。 本発明の第２形態例に係る測定システムの構成図である。 振動ミラー８の揺動状態を示す説明図である。 測定中のカメラ露光、レーザー光走査、ミラー角度の状態を示す図である。 光学レンズ７を配設した場合の構成図である。

符号の説明

１…トレーサ粒子、２…レーザー光発振器、３…レーザー光、４…ポリゴンミラー、５…レーザーシート、６…カメラ、７…光学レンズ、８…振動ミラー（ガルバノミラー）、９…ファンクションジェネレータ、１０…ガルバノミラーコントローラ、１１…ディレイジェネレータ

Claims (4)

1. トレーサ粒子が投入された流体に、１台のレーザー光発振器から照射されたレーザー光を、往復揺動する可動反射ミラーに連続的に入射角を変化させつつ入射させることによってレーザーシートを形成し、このレーザーシートの形成時におけるトレーサ粒子をカメラで撮影する流体の流動測定方法であって、
   前記レーザー光を、往復揺動する前記可動反射ミラーに間欠的に入射させることによって、前記可動反射ミラーにより異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回、同一波長からなるレーザー光によって該レーザー光が一定の方向に走査する前記レーザーシートを形成するとともに、前記レーザーシートの形成時を含む測定中に、前記カメラを露光状態としておくことによって、１枚の画像中に前記レーザーシート形成時のトレーサ粒子の軌跡画像を異なる時間間隔で撮影するようにし、
   前記可動反射ミラーは振動ミラーとされ、該振動ミラーは、反射面が所定の振れ角で往復揺動するように制御されるとともに、この振動ミラーに、前記振動ミラーが往方向又は復方向に回動するときにのみタイミングをとって同期化させながら異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回前記レーザー光発振器からレーザー光を入射させることによって、前記レーザーシートが異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回形成されるようにしたことを特徴とする流体の流動状態測定方法。
2. トレーサ粒子が投入された流体に、１台のレーザー光発振器から照射されたレーザー光を可動反射ミラーに連続的に入射角を変化させつつ入射させることによってレーザーシートを形成し、このレーザーシートの形成時におけるトレーサ粒子をカメラで撮影する流体の流動測定方法であって、
   前記可動反射ミラーにより異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回、同一波長からなるレーザー光によって前記レーザーシートを形成するとともに、前記レーザーシートの形成時を含む測定中に、前記カメラを露光状態としておくことによって、１枚の画像中に前記レーザーシート形成時のトレーサ粒子の軌跡画像を異なる時間間隔で撮影するようにし、
   前記可動反射ミラーはポリゴンミラーとされ、該ポリゴンミラーは、レーザー光を反射する反射面が異なる間隔で少なくとも３面形成され、それ以外の面がレーザー光を反射しない無反射面とされるとともに、このポリゴンミラーに、測定中連続的に前記レーザー光発振器からレーザー光を入射させることによって、前記レーザーシートが異なる時間間隔で間欠的に少なくとも３回形成されるようにしたことを特徴とする流体の流動状態測定方法。
3. 前記ポリゴンミラーの面数は、６面以上とされている請求項２記載の流体の流動状態測定方法。
4. 前記可動反射ミラーの先に光学レンズを設けることによって、前記レーザーシートを平行光にしている請求項１〜３いずれかに記載の流体の流動状態測定方法。

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