JP6909273B2 - 光学的に流量を測定するための流量測定法および流量測定機器 - Google Patents

Description

本発明は、閉断面内の流体の体積流量を光学的に測定するための流量測定法、ならびにこの目的のための、少なくとも１つの光源、および流体内に存在する粒子を測定平面内部で捕捉する少なくとも１つのセンサユニットを伴う、流量測定機器に関する。

多くの流量測定法は、侵襲的測定法であり、侵襲的測定法は、流れに影響を及ぼし、したがってたとえば潜在的測定誤差を誘発する。一方では、異なる動作原理に基づく非侵襲的方法が存在する。

流量測定のために非侵襲的方法を用いると、管区間内の流体の流れは、流れの中で測定センサを使用するときのようには乱されることがなく、その結果、非侵襲的測定法は、原理上は好ましいはずである。流体の流速を測定するための非侵襲的方法では、流体との機械的相互作用または結合はまったくないが、たとえば、流れている流体の中に突出する測定センサとの機械的相互作用を用いる流量測定の場合よりも、測定の手間は著しく多大になる可能性がある。

流量および体積流量を測定するための処理に適した現在の方法は、異なる動作原理に基づく。管を修正することなく、音響的方法を使用することができるが、音響的方法は、積分値しか提供しない。コリオリ流量測定法は、積分質量流を決定する。磁気誘導法は、伝導性流体を必要とする。流量および体積流量を決定するための処理に適した光センサ原理は、現在、実現されておらず、文献から知られていない。管内の流れプロファイルを用いる、流量および体積流量の測定は、連続的に時間分解されたリアルタイム能力のある、前記流れプロファイルの測定を必要とする。体積流量を決定するための、現在公知の光学的流量測定技法では、比較的少ないハードウェア費用で管区間内の流れプロファイルをリアルタイムで連続的に時間分解して決定することが可能にならない。

たとえば、管区間内部の流れを測定するための光学的方法は、流体が管区間を通って流れる間、電磁波、詳細にはたとえば光を照射することに基づく。原理上は、３つの方法を、すなわち、時間に正確な測定法、積分測定法、および空間分解測定法を区別することができる。

時間に正確な測定法の一例は、レーザドップラ技法である。この技法を用いると、局所的に非常に限定された領域しか測定することができず、得られる小さな測定領域は、流体の体積流量全体に関する不正確な示唆にしか結びつかない。この示唆は、詳細には、弁別的な流れプロファイル、または動的に可変の流れプロファイルさえ伴う流れに関する。レーザドップラ技法を使用する体積流量測定は、プロファイルをスキャンすることにより、典型的には定常流のために使用される。

レーザドップラ技法は、空間分解された流れプロファイルの決定を含むように、特許文献２で拡張された。しかしながら、この明細書で記述されるプロファイルセンサは、重畳した分岐する干渉縞構造を実現し、調節し、結合させるために高い費用がかかる。この明細書で記述されるプロファイルセンサは、干渉構造を光学的および／または機械的処理に適合させることを行う必要がある。それに加えて、レーザドップラ技法は、コヒーレント光を、したがってレーザビーム源を常に必要とする。さらに、センサは、湾曲した表面が干渉縞を乱すので、湾曲した表面を通して直接測定することができない。

積分法は、たとえば特許文献１から公知の、光学的実行時間流量計または相関流量計を用いて実装される。この方法は、流れプロファイル全体にわたり信号を積分する。体積流量に変換するには、流れプロファイルに関する複雑なモデルを仮定する必要がある。不都合には、速度に関連した、または設置に関連した流れプロファイルの変化は、測定精度および／またはダイナミックレンジを低下させる。

流体の空間分解流速を決定するための、公知の光学的測定法は、いわゆる粒子画像速度測定である。この方法は、流れの中に存在する画像化粒子の局所２次元変位を決定する。変位の推定は、相互相関（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍａｇｅ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ（粒子画像速度測定）、ＰＩＶ）または画像特性追跡（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ（粒子追跡速度測定）、ＰＴＶ）に基づく。画像データを分析して局所速度ベクトルを決定するために、非常に高い計算能力を必要とするので、流体の流速の連続的なリアルタイム測定は、実装するのが容易ではない。必要とされる計算技術、詳細には高い計算能力を提供するためのハードウェアは、非常に費用がかかる。

それに加えて、粒子画像速度測定は、画像の一様な焦点合わせを必要とする。たとえば丸い管内の体積流量測定および傾いた観察方向の場合、焦点の十分な均一性はまったくなく、画像化品質は局所的に変化する。傾いた観察方向で均一な画像化品質を提供するために、粒子画像速度測定は、いわゆるシャインプルーフ（Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ）機器を利用する。これらの機器は、マイクロレンズアレイのために、かなり複雑な光学機械構成を有し、すべての画像センサに適しているわけではない。それに加えて、粒子画像速度測定は、画像較正を必要とする。粒子画像速度測定を用いる連続時間分解リアルタイム体積流量測定は、科学文献でも、商業分野でも、公知ではない。

動きを決定するためのもう１つの光学的方法は、画像化空間フィルタリング技法である。典型的には、空間フィルタリング技法は、時間に正確な１成分表面点速度を決定するための、時間に正確な技法として使用される。空間フィルタ信号は、多くの個々の散乱信号の重ね合わせから得られる。

空間分解流速を決定するために空間フィルタリング技法を使用することを論じる学術論文が少しある。空間フィルタ技法は、たとえば、非特許文献１で、流速場の空間分解測定のために使用されている。画像化空間フィルタリング技法の利点は、粒子画像速度測定とは対照的に、局所画像変位を決定するための計算努力が非常に低減されることである。非特許文献２では、空間フィルタリング技法は、粒子画像速度測定を用いて得られる精度と同様の精度を達成することが可能になることが示された。それにもかかわらず、この空間フィルタリング技法は、粒子画像速度測定と同じ欠点を有する。

空間フィルタリング技法はまた、毛細管内の速度を決定するために使用される。特許文献３では、１成分経路に沿った、たとえば毛細血管に沿った、１成分速度を決定するためのシステムについて記述されている。この方法は、流れの方向の速度情報を決定する積分による方法である。

空間フィルタリング技法はまた、ガラス毛細管内の、積分された１成分流れプロファイルを決定するために、非特許文献３、ならびに非特許文献４で使用されている。３次元的広がりのある照明、したがって既存の、観察方向での積分のために、純粋な１次元流れプロファイルを決定するのは不可能であり、決定されるのは深さ範囲にわたる速度平均値だけである。また、時間積分のため、および多くの散乱光信号が重なり合うために、空間フィルタ信号の時間分解分析は、もはや不可能である。この点に関して、この方法はまた、定常流の平均値プロファイルを提供する、空間的かつ時間的に積分する方法である。均一な画像化特徴を作り出すために、３次元的広がりのある照明もまた必要であった。

３次元的広がりのある照明、およびそれにより含まれる深さ積分のために、定量的流量測定値を得るために、流れプロファイルに関するモデルを仮定する必要がある。それに応じて、ＢｅｒｇｅｌｅｒおよびＫｒａｍｂｅｅｒ（２００４年）ならびにＭｅｎｎ（２０１０年）は、測定された流れプロファイルの形および理論曲線に関する定量的スケーリングに関する定性的言明についてしか行っていない。全体として、そのような方法は、リアルタイムで利用可能ではなく、十分な時間分解能を有せず、さらに、既知の流れプロファイルに限定される。それに加えて、そのような方法は、非常に高濃度の散乱粒子、および大きな散乱光粒子を必要とし、たとえば乱流の場合、またはたとえば流れ横断面内の流体の渦の場合に形成される、流れの中の局所横成分を補足することができない。

独国特許出願公開第１０２００５０４２９５４（Ａ１）号明細書 カナダ国特許出願公開第２４３９２４２（Ａ１）号明細書 独国特許出願公開第１０２０１００３０８３５（Ａ１）号明細書

Ｓｃｈａｅｐｅｒ Ｍ、Ｄａｍａｓｃｈｋｅ Ｎ、Ｋｕｈｎ Ｖ、Ｐｏｇｇｅｌ Ｓ、「Ｐａｒｔｉａｌ ｉｍａｇｅ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ＰＩＶ’１１（光学的空間フィルタリング法ＰＩＶ’１１を使用することによる粒子画像速度測定）」、Ｎｉｎｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ、Ｋｏｂｅ、 Ｊａｐａｎ、２０１１ Ｓｔｅｉｎｍｅｔｚ Ｔ、Ｓｃｈａｅｐｅｒ Ｍ、Ｋｏｓｔｂａｄｅ Ｒ、Ｄａｍａｓｃｈｋｅ Ｎ、「Ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ Ｔｉｍｅ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｂｙ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｉｌｔｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ ｉｎ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｔｏ ＰＩＶ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ（ＰＩＶ相互相関と比較した適応空間フィルタ速度測定による時間分解速度推定の精度）」、１９ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｔｏ Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ、Ｌｉｓｂｏｎ、Ｐｏｒｔｕｇａｌ、２０１８ Ｂｅｒｇｅｌｅｒ Ｓ、Ｋｒａｍｂｅｅｒ Ｈ、「Ｎｏｖｅｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ ａｒｒａｙｓ（２次元空間光検出器アレイに基づく新規の光学的空間フィルタリング法）」、Ｍａｅｓ Ｓｃｉ Ｔｅｃｈｎｏｌ １５：１３０９、２００４ Ｍｅｎｎ、「Ｏｐｔｉｓｃｈｅ Ｍｅｓｓｕｎｇ ｄｅｒ Ｆｌｉｅβｇｅｓｃｈｗｉｎｄｉｇｋｅｉｔ ｖｏｎ Ｅｒｙｔｈｒｏｚｙｔｅｎ ｚｕｒ Ｅｒｆａｓｓｕｎｇ ｄｅｒ Ｍｉｋｒｏｚｉｒｋｕｌａｔｉｏｎ（「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｌｏｗ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ Ｅｒｙｔｈｒｏｃｙｔｅｓ ｆｏｒ Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ（微小循環を補足するための赤血球の流速の光学的測定）」）」、Ｆａｋｕｌｔａｔ Ｆｕｒ Ｍａｓｃｈｉｎｅｎｂａｕ、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｒｏｓｔｏｃｋ、２０１０

本発明の根底にある問題は、流れプロファイルの連続時間分解識別を用いて、閉断面内部を流れる流体の体積流量および流速を測定するための流量測定機器をさらに改善すること、および対応する方法を作り出すことであり、そこでは、流量測定機器は、光学的測定法を利用するもので、流量測定の出力信号は、リアルタイムで出力されるべきである。

この問題は、請求項１の前提部分による流量測定法に基づき、ならびに方法および機器のそれぞれの特有の特徴を伴う、請求項１０の前提部分による機器に基づき解決される。本発明の有利な展開は、従属請求項で具体的に述べられる。

本発明は、少なくとも１つの測定平面およびその中に含有される粒子が光源で照明されるという技術的教示を含み、そこでは、センサユニットは、センサ信号を出力する少なくとも２つの、または複数の個々の検出器を具備し、センサユニットの下流に演算装置が接続され、演算装置を用いて、空間フィルタリング技法を使用して個々の検出器の個々の信号を積分および重み付けすることにより、センサ信号は、リアルタイムで処理され、出力信号として出力される。

本発明の核となる考えは、センサユニットを形成する２つまたはいくつかの個々の検出器を動作させること、および空間フィルタリング技法を使用することにより、個々の検出器の個々の信号を積分および重み付けすることにより、センサ信号は、演算装置によりリアルタイムで処理され、出力信号として出力されることができることである。それにより、出力信号をリアルタイムで出力することができ、したがって、管横断面内で光学的測定法を用いて、流れの非常に正確な観察が可能になる。

体積流量を光学的に決定するためのこの測定技法を実装するために、時間的および空間的に分解する手法で、測定領域内で流れプロファイルを適切に捕捉する。測定領域は、管内部の流れの中の測定平面であり、光源、たとえばレーザまたはＬＥＤを用いて照明される。測定平面内を流れと共に動く粒子、たとえば、泡、固形物、液滴、有機物粒子は光を散乱させ、散乱された光は、画像化光学システムおよびアレイ検出器からなる検出ユニットにより取り込まれる。

本発明の別の本質的様態は、センサユニットと演算装置の間にフィールドプログラマブルゲートアレイを配列することであり、フィールドプログラマブルゲートアレイは、動いた粒子に基づきセンサユニットにより取り込まれた画像点および／または画像線を流体の局所的動きベクトルを生成するのに役立たせるプログラム構成を使用して動作させられ、そこでは、空間フィルタリング技法は、速度情報を直接生成する。したがって、動きベクトルは、もはや個々の粒子に割り当てられない。

フィールドプログラマブルゲートアレイは、いわゆるＦＰＧＡとして公知であり、中に論理回路を詰め込むことができる集積回路（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ、ＩＣ）を備える。したがって、センサユニットが出力するデータは、リアルタイムで処理され、規定された時間遅れを伴うという意味でのリアルタイムで、処理された情報またはデータとして連続的に、下流の演算装置に提供されることができるように、ＦＰＧＡを構成することができる。

主要な利点は、センサユニットと下流の演算装置の間のセンサとして、光学的流量測定のための少なくとも１つのセンサユニットとＦＰＧＡを結合することにある。したがって、流量測定機器の出力信号を提供するリアルタイム能力が達成され、それに対応する方法を実装することができ、その方法により、流量測定機器を使用して、センサユニットと演算装置の間でＦＰＧＡを使用することに基づく簡単な手段を用いて、機器の出力信号をリアルタイムで出力することが可能である。

粒子濃度が低い、または少しだけ汚染した流体、たとえば水道水の中の粒子が非常に小さい場合、散乱光の性能は非常に低い。したがって、本発明によれば、検出ユニットは、より高い散乱光性能を有する散乱光領域の下に、好ましくは、前方散乱位置、後方散乱位置、または他の角度をなす散乱位置に、位置決めされる。

このような非垂直方向でで測定平面を観察することの別の利点は、検出器アレイが、湾曲した、特に円形の管横断面を伴う場合でさえ、測定平面内の流れ横断面全体を捕捉することである。流れプロファイル全体にわたり重み付け積分を使用することにより、非対称の、および／または完全に展開したわけではない流れプロファイルを伴う流れの体積流量を決定することもまた可能である。

詳細には、いくつかのセンサとＦＰＧＡを結合させることが可能であり、その結果、たとえば流体が流れの方向に定常流を持たない管横断面内における流体の流速の非常に正確な検出を得るために、１つだけではなく、いくつかの測定平面を分析することができる。詳細には、本発明によれば、ＦＰＧＡは、動いた粒子に基づきセンサユニットが取り込んだ画像点および／または画像線を流体の１つまたはいくつかの動きベクトルを生成するのに役立たせるプログラム構成を有することが提供される。詳細には、粒子の多次元の動きを変換して、その動きを、ＦＰＧＡを用いて１次元出力信号として出力するようにプログラム構成を設計することができる。詳細にはいくつかのセンサと併用してＦＰＧＡを１つだけ使用することにより、流れの方向で、および流れの方向と垂直方向で流体の動きを捕捉することができ、たとえば、流体の流れの中に乱流または渦が存在するとき、流体の動きを分析することができる。

演算装置の下流に出力モジュールが接続され、演算装置は、出力モジュールに流体の動きベクトルを出力することができ、出力モジュールにより、流体の流速は、動きベクトルに基づき出力信号として指定される。

本発明に関連して、より具体的には、センサユニットが、少なくとも１つのＣＭＯＳセンサを備えることが提供される。あるいは、フォトダイオードの配列および／または少なくとも１つの円筒状レンズアレイラインセンサ配列を伴うセンサユニットを提供する可能性もまたあり、そこでは、センサユニットを形成するために、少なくとも１つのＣＣＤセンサもまた提供することができる。適切な光学システムを使用して、ＣＭＯＳセンサを用いて、積層状の測定平面を画像化することができ、その結果、第１の方向で、および第１の方向に垂直な第２の方向で、粒子の動きを捕捉することができる。この処理では、捕捉は、詳細には空間フィルタリング技法に基づき行われ、そこでは、流れの方向に対して横方向の流体の動きが捕捉され、ＦＰＧＡを用いて、流れの方向の速度成分に変換される。

測定平面は、流れの３次元的広がりの内部に形成され、第１のセンサユニットは、第１の測定平面に割り当てられ、第２のセンサユニットは、第２の測定平面に割り当てられ、これらの測定平面は、流体の流れの方向に連続して配置され、連続する配列は、必須ではなく、有利である。いくつかの測定平面を配列することにより、流量測定の精度をさらに改善することができ、より具体的には、測定平面は、たとえば６０°〜１８０°の、好ましくは９０°の、既知の角度オフセットを伴って配列することができる。測定平面が、センサユニットの法線に対して２０°〜５０°の間の、詳細には３０°の角度を有する場合も、同じく有利である。関連するセンサユニットの法線に対する測定平面の角度が４５°である場合も、同じく有利であり得る。

したがって、センサユニットの観察方向は、詳細には、有利には光源の光の放出方向に対して角度オフセットを伴ってセットアップされ、たとえば、角度オフセットは、上述のように２０°〜５０°に、詳細には前方散乱および後方散乱では３０°になる。したがって、特に高い散乱光強度を利用することができ、測定精度は、さらに改善される。

１つのセンサユニットがいくつかの測定平面を補足することができるような手法で、互いに対して、かつセンサユニットに対して、いくつかの光源を配置する場合、さらに別の利点が達成される。たとえば、互いに垂直な２つの測定平面を形成することができる。詳細には、共通交線を伴う、または連続して配列された、少なくとも２つの測定平面が形成され、１つのセンサユニットだけにより捕捉されるような手法で、互いに対して、かつセンサユニットに対して、少なくとも２つの光源を配置することができる。

１つのセンサユニットは、たとえば、対応する光源配列により作成された２つの測定平面に直径方向に対向して配列され、その結果、散乱光はまた、２つの光源の間の角の２等分線内にある観測方向で、背面光として捕捉される。この点に関して、光源は、たとえば、異なる波長を伴う光を放出することができるか、またはパルスモードで動作させられ、光のパルスは、光源により交互に生成される。したがって、第１の測定平面だけではなく第２の測定平面も、詳細にはＣＭＯＳセンサとして設計されたセンサユニットを用いて捕捉され得る。

詳細には、２つの測定平面はまた、センサの、異なる領域で取り込まれるような手法で形成することができる。たとえば、２つ以上の平行な測定平面を１つのセンサを用いて画像化することができ、その結果、画像は重なり合わない。

本発明はさらに、上述の流量測定機器を用いて流体の流れを測定するための方法に関する。

詳細には、本発明はさらに、流体が流れることができる管区間を備え、管横断面の中に光を放射することができ、かつ流体の中に存在する粒子を少なくとも１つの測定平面内で照明することができる少なくとも１つの光源を備える流量測定機器に関し、流体の中に存在する粒子を測定平面内部で捕捉することができる少なくとも１つのセンサユニットが提供され、センサユニットは、センサ信号を出力することができる少なくとも２つの、または複数の個々の検出器を備え、センサユニットの下流に演算装置が接続され、演算装置を用いて、空間フィルタリング技法を使用して個々の検出器の個々の信号を積分および重み付けすることにより、センサ信号は、リアルタイムで処理され、出力信号として出力されることができる。

それに加えて、有利な一実施形態によれば、センサユニットと演算装置の間にフィールドプログラマブルゲートアレイが配列され、フィールドプログラマブルゲートアレイは、動いた粒子に基づきセンサユニットにより捕捉された画像点および／または画像線を流体の局所的動きベクトルを生成するのに役立たせることができるプログラム構成を使用して動作させられる。

それに加えて、ＦＰＧＡを用いて１つまたは複数のセンサユニットのデータを処理するとき、流れの方向、および流れの方向に対して横方向に沿った粒子の多次元の動きは、流体の流速に変換され、出力される。詳細には、少なくとも１つの光源が、連続光またはパルス光を出力すること、および／または少なくとも１つの光源が、異なる波長を伴う光を出力することが提供される。

本発明による流量測定機器を用いて、詳細には本発明による方法を用いて、たとえば、管区間を通って、または閉断面を伴う水路を通って流体が流れるとき、流体の流速を決定することができ、空間フィルタリング技法を使用することができる。この利点は、ＦＰＧＡおよび下流の演算装置を用いて、１次元の流れだけではなく横断面の方向で１つまたはいくつかの流れプロファイルも決定することができるように、流体の流れの内部で局所速度ベクトルを捕捉することにある。大部分の流体は、流体の流れと共に運ばれる十分な数の粒子を有し、その結果、光学的流量測定を行うことができる。

これは、詳細には、互いに対して角度を形成する、またはある角度をなして置かれたいくつかの測定平面を、詳細には流れの３次元的広がりの内部にいくつかの測定平面を形成することにより実現される。詳細には、好ましくはＣＭＯＳセンサとして設計されたセンサユニットが２次元であるので、いくつかの光区間を形成することができ、センサユニットは、異なる波長もしくは異なるパルスシーケンスを有する、もしくは放出する別個の光源に割り当てることができるか、またはセンサの異なる領域に形成され得る。詳細には、光源は、異なる色の光、または間隔を置いた光を放出することができ、この光は、それに応じてセンサユニットで捕捉される。したがって、互いに空間的に分離されるように配列された測定平面はまた、１つのセンサユニットだけを用いて捕捉さ得る。その結果、流れ横断面内部の、たとえば管区間内部の非対称な流れプロファイルをリアルタイムで捕捉し、識別することが可能になる。空間フィルタリング技法に基づくそのような方法はまた、非常に低い粒子密度を伴う流体を測定するのに適している。

詳細には、これにより、光学的空間フィルタリング技法を使用することにより、詳細には、２０°〜５０°の角度オフセットを伴う前方散乱および後方散乱の場合、散乱光性能が改善されるために、光学プリズム、またはシャインプルーフアダプタ、または屈折率整合を使用するように強制されることなく、粒子画像化の最適強度が達成されるような手法で、光注入方向に対して観察方向を選ぶことができるという利点がもたらされる。詳細には、３０°の角度に設定することにより、１つのセンサユニットだけを用いて、異なる角度からいくつかの測定平面を捕捉することが可能であり、したがって、２つの光源、およびただ１つのセンサユニットを用いて流量測定機器を費用効果高く実装することが可能になる。

パルス光を、詳細には連続照明の代わりに使用する場合、１つまたは複数の光源の、より高い照明性能が達成され、動きぼけはより少なくなる。それに加えて、散乱光および熱雑音が低減することで、複数のの観察平面だけではなく、センサユニット内の信号対ノイズ比の改善も達成することができる。

本発明による流量測定機器はまた、詳細には、汚染度の検出、さらに正確にはセンサユニットを形成する個々のＣＭＯＳセンサの信号品質の検出、を可能にする。この利点は、詳細には、処理のドリフトを検出することに、したがって処理のドリフトを低減することにあり、さらには、流体内の汚染の検出を行うことができ、詳細には、たとえば流体システムの予測的保守のために、保守メッセージを出力することができることにある。

本方法は、直管区間では、湾曲した表面により引き起こされるような、測定平面の領域内の主要な流れの方向に沿った歪みがまったくないので、光学的較正を必要としない。典型的に公知の管横断面を用いており、検出器アレイ上の管横断面全体が再現されるため、画像データに基づき再現スケールを簡単に決定することができる。

測定平面は、光学システムを用いて検出器アレイ上で画像化され、本発明によれば、光学システムは、どんな追加の鮮鋭度補正も、たとえば典型的なシャインプルーフ構成または歪み、も提供する必要がない。傾いた角度で観察する場合、画像内の画像化パラメータ、たとえば焦点は、不均一になる可能性がある。本発明に基づけば、これは、流れプロファイルの決定にまったく影響を及ぼさない。流体が動くとき、流線に沿って運ばれ、照明される粒子は、流線に沿って流体と共に動く。傾いて観察しているために、検出器アレイ上の動く粒子の画像は、種々の程度、焦点がぼける。この点に関して、平面ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはスマート画素のセンサなどのマトリックスセンサとしてだけではなくフォトダイオードアレイとしても、検出器アレイを実現することができる。

本発明によれば、検出器アレイの値は、１つまたはいくつかの重み付け関数により乗算され、好ましくは流線に沿って検出器アレイの部分にわたり積分または合計される。これにより、不均一な焦点のずれにもかかわらず、速度に比例する、選択された部分を表す測定値を決定することが可能になる。

この方法の利点は、速度を決定するために、アレイ検出器の要素当たり２つの動作だけが、すなわち、定数重み付けおよび総和が必要であるということである。他の技法（ＰＩＶ）と比較したとき、この方法でだけ、本方法の十分な時間分解およびリアルタイム能力が可能になる。

これらの動作、すなわち、重み付けおよび積分／総和を合目的に、光学的に、電子的に、または計算的に行うことができる。光学的または電子的な重み付けおよび／または積分は、ハードウェアの修正、または特有の光学システムおよび光学センサを必要とし、一方、計算による重み付けおよび総和は、下流にあるリアルタイム能力のある分析ハードウェアまたは演算装置を用いて可能になる。

計算による実装は、処理状態または瞬時の処理状態に、選択した部分および重み付けを動的に適合させるという利点をさらに有する。部分は、有利には、流れの主要な方向にあり、その結果、各部分は、局所流れプロファイル測定値を生成する。たとえば層流から強い乱流まで、流れの動的範囲が広い場合、体積流量が時間的に非常に動的に変化する場合、または完全に形成されたわけではない流れプロファイルの場合、たとえば、流れプロファイル内の横成分、または逆流を取り込むために、部分および重み付け関数の数を修正する、適合させる、または変更することができる。この利点は、体積流量測定の適応様式には、いくつかの大きさの程度があるということである。

本発明は、アレイ検出器の入力データをリアルタイム能力のある、時間分解処理するための専用演算装置、詳細にはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ、ＦＰＧＡ）を含む。演算装置は、アレイ検出器のデータを受信し、１つまたは複数の重み付け関数、部分にわたる総和、速度値への変換だけではなく、体積流量および流量の計算を実装する。本方法がどのように実装されるかに応じて、重み付けおよび／もしくは総和を光学的または電子的に行うことができる、ならびに／または速度の決定および体積流量の計算を、演算装置の下流で、別個のコントローラで行うことができる。

以下では、図に基づき、本発明の好ましい例示的実施形態の記述と共に、本発明を改善するための追加手段について、より詳細に記述する。

流量測定機器の構成要素の概略図を示す。 単一の測定平面、および測定平面に関連するセンサを伴う管区間の概略図を示す。 第１の測定平面と、第２の測定平面と、それぞれの測定平面に関連する２つのセンサユニットとを伴う管区間の概略図を示す。 ２つの光源、および粒子を検出するためのセンサユニットを伴う管区間の概略図を示す。 円筒状レンズアレイラインセンサ配列ならびに２つのフォトダイオードの概略図を示す。 流体内の粒子を観察するためのＣＭＯＳセンサとして設計されたセンサユニットの概略図を示す。

図１は、本発明による流量測定機器１の構成要素を概略図で示す。少なくとも１つの光源１１が、少なくとも１つの測定平面１４を照射する、または流体内部の光源１１の光の平面が、少なくとも１つの関連する測定平面１４を形成する。それに加えて、センサユニット１２が概略的に示されており、センサユニット１２は、測定平面１４、より正確には光源１１が放射する光を観察するのに役立ち、センサユニット１２の下流にフィールドプログラマブルゲートアレイ１５が接続される。

そのようなフィールドプログラマブルゲートアレイ１５はまた、一般にＦＰＧＡ１５と呼ばれ、本明細書に示すＦＰＧＡは、処理した情報を演算装置１６に供給する。演算装置１６は、出力信号を出力モジュール１７に提供するように構成され、出力モジュール１７は、最終的に出力信号１８として流体の速度情報を出力する。

少なくとも１つの光源１１は、たとえばレーザ光源として設計され、そこでは、本測定法のために、発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）もまた使用することができる。原理上は、本発明による流量測定機器１を用いる空間フィルタリング技法を実装するために、コヒーレント光を使用する必要はなく、その結果、発光ダイオードもまた光源１１として役立つことができる。

光源１１は、連続光またはパルス光を放出し、１つまたはいくつかの光源１１が、異なる波長を放出することができることが考えられる。

測定平面１４は、流れの３次元的広がり内部で測定平面を形成し、１つのセンサユニット１２は、各測定平面に関連づけられ、さらにまた、いくつかの測定平面１４を検知することができる。詳細には、流れの３次元的広がり内部に２つの測定平面１４を提供することができ、前記平面は、流体の流れの方向に連続的に配置され、互いに対して、たとえば９０°だけ回転させられた光区間を形成する。この点に関して、それぞれの回転はまた、測定平面１４の各々に関連づけられた２つのセンサユニット１２の配列を備える。

１つまたは複数のセンサユニット１２は、詳細にはＣＭＯＳセンサにより形成され、それに応じて、たとえば好ましくは、センサユニット１２の上流に配列された回折格子と併用して２つのフォトダイオードを配列することもまた可能である。センサユニット１２を形成するために、円筒状レンズアレイラインセンサ配列を提供することもまた可能であり、それにより流量測定機器１を費用効果的に構築することができる。

以下に示すセンサユニット１２上のＦＰＧＡ１５は、流体内で動いた粒子に基づきセンサユニット１２が取り込んだ画像点および／または画像線を粒子の、したがって流体の局所動きベクトルを生成するのに役立たせるプログラム構成を備える。この点に関して、動きベクトルの生成は、リアルタイムで行われ、対応する情報は、下流の演算装置１６に出力される。最終的に、演算装置１６を用いて出力モジュール１７を経由して出力信号１８を出力することができる。

ＦＰＧＡ１５を使用する詳細な利点は、流体の動きが、流体の流れの主要な方向に対して横方向に検出され、２Ｄ情報に変換されるということであり、その結果、比較値が最終的に作成され、比較値を用いて、対応する速度ベクトルが、流れ横断面全体にわたり、結果として得られる最終ベクトル情報として形成され、そこでは、流れはまた、流れの方向の長手方向の軸の周りに回転部分または渦を備える可能性がある。この点に関して、変換は、ＦＰＧＡ１５内で行われ、簡単なベクトル情報として演算装置１６に出力されることができる。

図２ａは、流体１０が流れの方向２２に流れる管横断面２４の第１の例を示す。一例として、測定平面を形成する単一の測定平面１４が示されており、流れの主要な方向２２は、測定平面内にある。この点に関して、測定平面１４は、外側から管区間２４内の流れの３次元的広がりの中に光を放射するための光源（図示せず）により形成される。このために、管区間２４は、たとえば光に対して透明な壁領域を備える。

流体１０内には、測定平面１４内部でセンサユニット１２により捕捉される粒子１３が存在する。この点に関して、粒子１３の動きの検出は、流れの方向２２と、測定平面１４内部の流れの方向２２に対して横方向の両方で行われる。

図２ｂは、流体１０が流れの方向２２に流れる管区間２４の図を示し、配列は、第１の測定平面１４、および下流の第２の測定平面１４を備え、第１の測定平面１４には第１のセンサユニット１２が関連づけられ、第２の測定平面１４には第２のセンサユニット１２が関連づけられる。測定平面１４は、互いに対して９０°の角度オフセットを伴い配置され、流れの方向２２は、ベクトルとして各測定平面１４内にある。

測定平面１４内の粒子１３の動きを捕捉するとき、流体１０内に回転および渦を、詳細には角運動量を認識することができ、両方のセンサユニット１２から得られる情報は、ＦＰＧＡ１５（図１を参照のこと）に伝送される。これにより、詳細には、１つまたはいくつかの１次元２成分（１Ｄ２Ｃ）の流れプロファイルを、またはさらには、理想的には横断面方向の２次元３成分（２Ｄ３Ｃ）の流れプロファイルを再構築することができるように、複数の局所速度ベクトルを決定することが可能になる。これは、２つの連続して配置された測定平面１４の配列によってのみ可能になり、測定平面１４はまた、互いの内部に位置することができる。詳細には、センサユニット１２を２次元で設計することができる、または時間的にずらされた、詳細にはパルス状の、もしくは空間的に分離された異なる周波数を有するいくつかの光区間を提供することができる。この詳細な利点は、非対称な流れプロファイルを測定することができ、その結果、下流のＦＰＧＡ１５を用いて粒子１３の動きベクトルを処理して、管横断面２４内の流体１０の速度情報にすることができることである。

図３は、流量測定機器１の特殊変形形態を示し、管区間２４は、正面図で概略的に示され、流体１０は、管区間２４を通って流れる。粒子１３は、流体１０の中に位置し、１つの粒子１３を例示的に示す。光源１１を用いて光で管区間２４を照明するために、管区間２４の壁は、たとえば透明に設計される。

配列は、管区間２４の長手方向の軸の周りに９０°の角度オフセットを伴い、管区間２４の内部に配置された第１の光源１１および第２の光源１１を備える。したがって、両方の光源１１は、互いに垂直に流体１０の中に光を放射し、したがって、２つの測定平面１４を形成し、これらの測定平面は互いに対して垂直に形成される。センサユニット１２は、２つの測定平面１４の伸展方向の間の角の２等分線内の、管区間２４の外側に位置し、その結果、観察方向２３は、それぞれ光源１１の両方の光伝播方向に対して１３５°の角度を取り巻く。流量測定機器１が動作し、それに応じて、光源１１が、粒子１３が散乱させた光としてセンサユニット１２により受信される光を放出するとき、センサユニット１２は、両方の測定平面１４で測定を行うことができる。

図４は、流れの方向２２に動く粒子１３を例示的に示す。図４では詳細に示していない光源を用いて、円筒状レンズアレイラインセンサ配列２１を最初に通過する散乱光が生成され、ラインセンサ配列のセンサを用いて粒子１３の動きを検出することができる。あるいは、図４にさらにまた簡略化した手法で示すフォトダイオード２０を使用することができる。散乱光は、詳細には円筒状レンズアレイを通して図示するフォトダイオード２０に交互に到達し、その結果それにより、粒子１３の動きもまた検出することができる。

図５は、例示的には、ＣＭＯＳセンサ１９として設計されたセンサユニット１２を示す。例示的に示す粒子１３が、レンズ２５の下で動くとき、ＣＭＯＳセンサ１９の個々の画素は、光源（図示せず）によって連続的に照明され、粒子１３の所で散乱光が形成され、その結果、反射された散乱光およびＣＭＯＳセンサ１９の照明により、ある周期ｔにわたり、ある波長を有する信号Ｓが生成される。流体の中により多くの粒子１３が含有されると、それだけ信号Ｓの振幅が大きくなり、その結果、粒子１３の動く速度および動く方向を、周期ｔにわたり検出することができる。ＣＭＯＳセンサ１９は２次元であるので、流体内の粒子１３の動きを、流れの方向と、流れの方向に対して横方向の両方で検出することができ、次いで、ＦＰＧＡ１５（図１を参照のこと）を用いて、流体内の粒子１３の動きを再構築して、完全に再構築された、デジタルで提供された流れプロファイルにすることができる。

本発明は、本発明を実装する際、前述の好ましい例示的実施形態に限定されない。むしろ、基本的に異なる実施形態を用いる場合でさえ、示した解決手段を同じく利用するいくつかの変形形態が考えられる。特許請求の範囲、本明細書、および図面から生じる、構成の詳細または空間的配列を含むすべての特徴および／または利点は、それ自体でも、互いの任意の組合せでも、本発明に不可欠であり得る。

１ 流量測定機器
１０ 流体
１１ 光源
１２ センサユニット
１３ 粒子
１４ 測定平面
１５ フィールドプログラマブルゲートアレイ
１６ 演算装置
１７ 出力モジュール
１８ 出力信号
１９ ＣＭＯＳセンサ
２０ フォトダイオード
２１ 円筒状レンズアレイラインセンサ配列
２２ 流れの方向
２３ 観察方向
２４ 管区間
２５ レンズ
Ｓ センサ信号
ｔ 時間

Claims (10)

1. 閉断面内の流体（１０）の体積流量を、少なくとも１つの光源（１１）、および前記流体（１０）内に存在する粒子（１３）を測定平面（１４）内部で検出する少なくとも１つのセンサユニット（１２）を用いて光学的に測定するための流量測定法であって、
   前記光源（１１）を用いて、少なくとも１つの測定平面（１４）、および前記少なくとも１つの測定平面（１４）内に存在する前記粒子（１３）を照明し、
   前記センサユニット（１２）は、センサ信号（Ｓ）を出力する少なくとも２つの、または複数の、個々の検出器（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）を具備すること、ならびに
   前記センサユニット（１２）の下流に演算装置（１６）が接続され、前記演算装置（１６）を用いて、空間フィルタリング技法を使用して前記個々の検出器（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）の個々の信号を積分および重み付けすることにより、前記センサ信号（Ｓ）は、リアルタイムで処理され、出力信号（１８）として出力され、
   前記センサユニット（１２）と前記演算装置（１６）の間にフィールドプログラマブルゲートアレイ（１５）が挿入され、前記フィールドプログラマブルゲートアレイ（１５）は、動いた前記粒子（１３）に基づき前記センサユニット（１２）が取り込んだ画像点および／または画像線を前記粒子（１３）の、したがって前記流体（１０）の動きベクトルを生成するのに役立たせるプログラム構成を用いて動作させられる
   ことを特徴とする流量測定法。
2. 前記演算装置（１６）の下流に出力モジュール（１７）が接続され、前記演算装置 （１６）は、出前記力モジュール（１７）に前記粒子（１３）の、したがって前記流体（１０）の前記動きベクトルを出力し、前記出力モジュール（１７）により、前記流体（１０）の流速が、前記粒子（１３）の前記動きベクトルに基づき出力信号（１８）として出力されることを特徴とする、請求項１に記載の流量測定法。
3. 前記センサユニット（１２）は、少なくとも１つのＣＭＯＳセンサ（１９）、および／または１つのＣＣＤセンサ、および／またはフォトダイオードの配列（２０）を用いて構築されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の流量測定法。
4. 第１のセンサユニット（１２）は、第１の測定平面（１４）と関連づけられ、第２のセンサユニット（１２）は、第２の測定平面（１４）と関連づけられ、少なくとも２つの測定平面（１４）は、前記流体の流れの方向（２２）に連続的に形成されることを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の流量測定法。
5. 前記センサユニット（１２）の観察方向（２３）は、前記光源（１１）の光の放出方向に対して角度オフセットを伴い配列されることを特徴とする、請求項４に記載の流量測定法。
6. 共通の交線を伴う、または前記流れの方向に連続して配列された、少なくとも２つの測定平面（１４）が作成され、１つのセンサユニット（１２）のみにより捕捉されるような手法で、少なくとも２つの光源（１１）が、互いに対して、かつ前記センサユニット（１２）に対して配置されることを特徴とする、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の流量測定法。
7. 互いに平行に、互いに垂直に、または６０°〜１８０°までの、詳細には互いに対して９０°の角度オフセットを伴い、２つの測定平面（１４）が形成されることを特徴とする、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の流量測定法。
8. 前記少なくとも１つの光源（１１）は、連続光もしくはパルス光を放出すること、および／または前記少なくとも１つの光源（１１）は、異なる波長を伴う光を放出することを特徴とする、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の流量測定法。
9. 流量測定機器（１）であって、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の流量測定法を行うための流量測定機器（１）。
10. 少なくとも、
    流体（１０）が流れることができる１つの管区間（２４）と、
    前記管区間（２４）の中に光を放射することができ、少なくとも１つの測定平面内で前記流体（１０）の中に存在する粒子（１３）を照明することができる少なくとも１つの光源（１１）と、
    前記測定平面（１４）内部で前記流体（１０）の中に存在する前記粒子（１３）を取り込むことができる少なくとも１つのセンサユニット（１２）と
    を備え、
    前記センサユニット（１２）は、センサ信号（Ｓ）出力することができる少なくとも２つの、または複数の個々の検出器（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）を備え、
    前記センサユニット（１２）の下流に演算装置（１６）が接続され、前記演算装置（１６）を用いて、空間フィルタリング技法を使用して前記個々の検出器（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）の個々の信号を積分および重み付けすることにより、前記センサ信号は、リアルタイムで処理され、出力信号（１８）として出力され、
    前記センサユニット（１２）と前記演算装置（１６）の間にフィールドプログラマブルゲートアレイ（１５）が挿入され、前記フィールドプログラマブルゲートアレイ（１５）は、動いた前記粒子（１３）に基づき前記センサユニット（１２）が取り込んだ画像点および／または画像線を前記粒子（１３）の、したがって前記流体（１０）の動きベクトルを生成するのに役立たせるプログラム構成を用いて動作させられる、請求項９に記載の流量測定機器（１）。

Images