JP7010248B2

JP7010248B2 - 流体測定装置

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Publication number: JP7010248B2
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Authority: JP
Inventors: 明雄登倉
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Filing date: 2019-01-28
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Description

本発明は、流体測定装置、特に可干渉光を用いて流路を流れる流体の流量、流速等を測定する流体測定装置に関する。

流路を流れる流体の流量や流速を測定する技術が工業・医療分野などで幅広く利用されている。流量や流速を測定する流体測定装置としては、電磁流量計、渦流量計、コリオリ式流量計、超音波流量計、レーザ流量計など様々な種類があり、用途に応じて使い分けられている。このうち、レーザ流量計と超音波流量計は流路を流れる流体に接触することなく非接触で流量や流速を測定することが可能であるため、衛生的であることを必要とする用途や既設の流路に流量計を挿入することが出来ない用途などにおいて利用されている。

ところで、超音波流量計は精度が高く幅広く用いられているものの、小型化を図るとどうしても高コストになってしまう問題があった。この点、レーザ流量計は小型化が容易であるため、小型の流量計を安価に製造することが可能である。

レーザ流量計としては、レーザドップラー流量計がある（例えば、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２参照）。このレーザドップラー流量計では、１光束あるいは２光束の可干渉光であるレーザ光を、流路に照射する。流路内の流体に含まれる速度を持つ散乱体がレーザ光の照射領域を通過するとレーザ光が散乱され、散乱光の周波数はドップラーシフトを受ける。また、流路壁等の静止した物体からの散乱光の周波数はドップラーシフトを受けない。

このようなドップラーシフトを受けた散乱光とドップラーシフトを受けない散乱光を、同時にフォトダイオードなどで受け、電気信号に変換すると、ヘテロダイン検波が行われてビート信号が観測される。観測されるビート信号の周波数スペクトルを算出してピーク周波数を抽出すると、散乱体の移動速度を求めることができる。流れが層流であった場合、流路を流れる流体の平均流速や平均流量は、上述した方法により求めた散乱体の移動速度と比例関係となるため、流路に応じた比例定数を乗じて較正することで流体の平均流速や平均流量を求めることができる。

ここで、従来のレーザドップラー流量計の構成について図７を用いて説明する。図７は流体が流れる管（以下、チューブとも呼ぶ。）の流量を測るためのレーザドップラー流量計であり、管１は光源光（光源部２からの光）に対して透過性を有する材料から構成されている。光源光が例えば、可視光から近赤外光の場合は、管１は例えば、塩化ビニルから構成されており、流路方向に対して垂直な断面は、例えば円形を示している。流体には複数の散乱体Ｓが含まれている。

このレーザドップラー流量計１００は、光源部２、受光部３、受光信号の増幅やフィルタリング等の一次処理を行う信号処理部４、信号を基にした計算処理等を行う演算部５から構成されており、演算結果は最終的な計測結果を表示するためのパーソナルコンピュータ（ＰＣ）や表示モニタ等からなる結果表示部６へ送られる。

光源部２は例えば、面発光レーザ等の半導体レーザ素子（ＬＤ素子）から構成されており、管１の周囲に配置されて流体にレーザ光を照射する。受光部３は例えばフォトダイオード（ＰＤ素子）から構成されており、流体内の散乱体Ｓからの散乱光、または管壁等の静止物体からの散乱光を受光して光電変換を行う。

光源部２と受光部３は、１つの基板に近接して実装されていても良いし、別々の基板から構成されていても良い。従来方式では通常、センサを小型化するために光源部２と受光部３とは近接して設置される場合が多い。本例では、光源部２と受光部３とは、信号処理部４であるプリント基板に近接して実装されている。また、本例では、光源部２と受光部３は管１の管軸（チューブ軸）Ｊ、すなわち流体の流れの方向と平行になるように配置されているが（図８（ａ）参照）、流体の流れの方向に対して直交する方向に配置される場合もある（図８（ｂ）参照）。

図７に示した信号処理部４および演算部５の機能ブロック図を図９に示す。信号処理部４は、受光部３からの微弱な電流信号を増幅して電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ等の増幅器４１、および所望の帯域を抽出するローパスフィルタやハイパスフィルタ等のフィルタ４２から構成されている。演算部５は、アナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ回路）等のデータ取得部５１と、計算機等を用いて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等を行う計算処理部５２とから構成されている。データ取得部５１には、ＡＤＣ回路の手前に２次増幅器やフィルタ類が組み込まれている場合もある。

特開昭５７－０５９１７３号公報

A. K. Jayanthy, et. al., "MEASURING BLOOD FLOW: TECHNIQUES AND APPLICATIONS - A REVIEW", International Journal of Recent Research and Applied Studies, 6 (2011) pp.203～216. Armand Pruijmboom, et. al., "VCSEL-based miniature laser-Doppler interferometer", Proc. of SPIE, Vol. 6908 (2008) pp.69080I-1～69080I-7.

しかしながら、このようなレーザドップラー流量計１００において、管１は弾性を有しているため、流路が曲りやすい。流路の曲りなどは流速分布の偏りを発生させる原因となる。この様子を図１０に模式的に示す。

図１０（ｂ）は、流路に曲りがない直管の速度分布を示す図である。直管の流れは、レイノルズ数が一定値以下の条件において層流と呼ばれる一様な速度分布を形成している。粘性の影響を受けやすい管壁の付近は速度が小さく、管の中心部で速度が大きい分布をしており、このような分布が管のどの位置でも実現しているため、上述したように、流路を流れる流体の平均流速や平均流量は、検出される散乱体の移動速度と比例関係となる。このため、流路に応じた比例定数を乗じて較正することで流体の平均流速や平均流量を求めることができる。

一方、図１０（ａ）は、流路に曲りがある管の速度分布を示す図である。この場合は曲りによる影響のため、直管で見られる層流状態と異なった分布となっている。具体的には、曲り形状と流体の速度によって生じる遠心力により、速度の大きい成分が曲りの外側（曲率の小さい側）に偏っていく。さらにこの遠心力による圧力勾配が管の軸と垂直方向、すなわち動径方向の流れを作り出す。結局これらの流れ成分の合成により、曲りがある管における流体は螺旋を伴う速度分布を形成し、一様でない分布となる。しかも、管の曲率が場所ごとに揺らぐような場合には、上述した効果が複雑にからみあう速度分布が形成されることになる。検出される散乱体の移動速度は局所的な領域の移動速度であるため、流速分布の偏りを反映して計測位置によって大きく揺らぐことになり、移動速度から流体の平均流速や平均流量を求めることが非常に困難になる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、弾性体からなる管を流れる散乱体を含む流体の平均流速や平均流量をより正確に測定することが可能な流体測定装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、散乱体（Ｓ）を含む流体が流れる管（１）の周囲に配置され、それぞれ前記流体に可干渉光を照射する光源部（２）と可干渉光を受光して光電変換する受光部（３）とを備える第１～第Ｎ（Ｎは３以上の整数）のセンサ素子（ＳＥ（ＳＥ₁～ＳＥ₃））と、前記第１～第Ｎのセンサ素子の受光部で受光され、光電変換された信号の増幅、およびフィルタリングを行う信号処理部（４（４₁～４₄））と、前記信号処理部で処理された信号をデジタル信号に変換し、当該信号をもとに前記流体の流速および流量の少なくとも１つを算出する演算部（７）とを備え、前記第１～第Ｎのセンサ素子のうちの任意の１つのセンサ素子の光源部から出射され前記管を流れる流体を透過した可干渉光は他の所定のセンサ素子の受光部で受光され、前記１つのセンサ素子と前記他の所定のセンサ素子との間の距離は、前記１つのセンサ素子の光源部と受光部との間の距離をｄとし、前記管の外側の半径をｒとした場合、πｄ／２以上で、かつ√３ｒ以下とされていることを特徴とする。

本発明では、第１～第Ｎのセンサ素子（３つ以上のセンサ素子）のうちの任意の１つのセンサ素子（例えば、第１のセンサ素子）の光源部から出射され管を流れる流体を透過した可干渉光が、この任意の１つのセンサ素子との間の距離がπｄ／２以上で、かつ√３ｒ以下とされている他の所定のセンサ素子（例えば、第２のセンサ素子）の受光部で受光される。これにより、後述する前方散乱光を選択的に検出することができるようになり、管が弾性体からなる場合であっても、散乱体を含む流体の平均流速や平均流量をより正確に測定することが可能となる。また、第１～第Ｎのセンサ素子の受光信号を平均化するようにして、管の曲りに起因する流体の速度分布変化の影響をより低減することが可能となる。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

以上説明したように、本発明によれば、光源部と受光部とを備える第１～第Ｎ（Ｎは３以上の整数）のセンサ素子を管の周囲に配置し、第１～第Ｎのセンサ素子のうちの任意の１つのセンサ素子の光源部から出射され管を流れる流体を透過した可干渉光が、この任意の１つのセンサ素子の光源部との間の距離がπｄ／２以上で、かつ√３ｒ以下とされている他の所定のセンサ素子の受光部で受光されるようにしたので、前方散乱光を選択的に検出することができるようになり、弾性体からなる管を流れる散乱体を含む流体の平均流速や平均流量をより正確に測定することが可能となる。また、第１～第Ｎのセンサ素子の受光信号を平均化するようにして、管の曲りに起因する流体の速度分布変化の影響をより低減することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る流体測定装置における素子配置を示す断面図である。図２は、センサ素子内における光源部と受光部との配置を示す図である。図３は、センサ素子を管の周囲に等角度間隔で配置した別の例を示す図である。図４は、複数のセンサ素子の光源部からの光を１つのセンサ素子の受光部で受光するようにした例を示す図である。図５は、本発明の実施の形態２に係る流体測定装置における素子配置を示す断面図である。図６は、同一のセンサ素子内の受光部を用いて後方散乱光を受光するようにした例を示す図である。図７は、従来の流体測定装置の構成を示す図である。図８は、従来の流体測定装置における光源部と受光部の配置を示す図である。図９は、信号処理部および演算部の機能ブロック図である。図１０は、管の形状における速度分布の違いを示す図である。図１１は、一体型センサにおける光源部と受光部の距離ｄを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。先ず、実施の形態の説明に入る前に、本発明の概要について説明する。

〔発明の概要〕
上述したように、管が弾性体などから構成され、管に曲りが生じ得る場合に、移動速度から流体の平均流速や平均流量を求めることが非常に困難になる理由は、検出される散乱体の速度情報は局所的な領域のものであるからである。

このため、管の位置で速度分布が変化しているような速度分布が一様でない状況においては、センサが配置される位置や曲り状態が変化することにより、検出される値が揺らいでしまうことになる。この問題を解決するための方法の一つは、検出される散乱体の速度情報が得られる領域を拡大し、その値を平均化することである。このためには、光源部と受光部との間の距離を離し、広い範囲から発生する散乱光を受光できるようにする必要がある。

しかしながら、散乱光の強度は弱いため、ただ光源部と受光部との間の距離を離しただけでは多重散乱を繰り返すうちに拡散してしまい、検出困難な程、光強度が弱くなる可能性がある。また、光の吸収がある媒質では散乱光が吸収により減衰してしまう。

これを解決するためには、より散乱強度の強い方向の散乱光を検出する必要がある。すなわち、従来技術のように、光源部と受光部との間の距離が近い場合は、必然的に散乱体の後方に散乱される光源部からの光（以下、「後方散乱光」）と呼ぶ。）を受光するが、本実施の形態に係る流体測定装置では、これに代わり散乱体の前方に散乱される光源部からの光（以下、「前方散乱光」と呼ぶ。）を受光することによりこの問題は解決される。「前方散乱光」は流体を透過する（通過する）光路を進むため、後述する「透過光」には前方散乱光が含まれる。

流量計でよく計測される血液では、散乱体である赤血球のサイズ（粒径）が計測に用いられる波長と同程度であり、この場合の散乱は「Ｍｉｅ散乱」と呼ばれる。この種類の散乱は後方散乱光よりも、前方散乱光の強度が１０倍程度強く、光源部と受光部との間の距離を離したことによる光の減衰分を補うことができるからである。

したがって、光源部と受光部を、光源からの透過光（管を流れる流体を透過した光（前方散乱光を含む））を受光するような「透過光検出配置」にして前方散乱光を選択的に検出できるようにすればよい。さらに、この配置は透過光を検出するため、散乱体による吸収・散乱に起因する透過光の減衰量から散乱体の濃度に関する情報も得ることができるという効果を有する。

光源部と受光部を独立の素子として配置することもできるが、光源部と受光部とを１つの基板に近接して設けたセンサ素子（以下、「一体型のセンサ素子」とも呼ぶ。）を管の周囲に複数配置する方が、様々な位置におけるデータを取ることができ、データ数自体が増えるため、計測精度を高めるには有利である。

一方で、光源部と受光部とを「透過光検出配置」とする場合、光源部と受光部との間の距離は重要な要素である。光路が長い方が、より広範囲から発生する散乱光を受光しやすくなり、速度分布の平均化効果が大きくなる場合がある。しかしながら、前方散乱光の強度は強いとはいえ、光路、すなわち透過距離が長いほど、前方散乱光でも多重散乱による拡散減衰や吸収減衰が起こりやすくなり受光信号強度が低下する。

受光信号強度や平均化の効果を確かめるための検証として、管の周囲に、例えば光源部と受光部とを備える４つのセンサを等角度間隔（９０°毎）に設置した場合、管の直径を結ぶような光源部と受光部の配置（以下、このような配置を「完全透過配置」と呼ぶ。）において希薄濃度の流体を測定し、４つのセンサ信号を平均化した場合よりも、隣り合う位置にあるセンサで透過光を受光して（隣接センサ配置）流体を測定し、４つのセンサ信号を平均化した方が管の曲りによる影響が少ないことが今回初めて実験的に確かめられた。

このような検証により、管の曲りによる影響を効果的に低減するためには、測定における光源部と受光部との間の距離は完全透過配置よりも短い方が良く、複数の一体型のセンサ素子を用いる場合には、最適なセンサ素子数は３個以上であることが確かめられた。また、測定における光源部と受光部との間の最適な距離は、一体型のセンサ素子３個を等角度間隔で配置した場合の隣り合うセンサ素子間の距離Ｌｔｈ以下であることが望ましいことが分かった。この場合、隣り合うセンサ素子間の距離Ｌｔｈは、管の外側の半径（外径の半径）をｒとすると√３ｒとなる。

また、本発明が、一体型センサの光源部と受光部を利用して後方散乱光を受光する従来方式に比べて効果を発揮するのは、測定における光路長が大きくなり速度分布の平均化効果が大きくなる場合である。一体型センサにおける光源部と受光部の距離をｄとおくと（図１１参照）、後方散乱光を受光する従来型の平均的な光路長は弧の長さπｄ／２と見積もれるため、測定における光源部と受光部との間の最適な距離は、πｄ／２以上であり、検証によっても確かめられている。そこで、センサ素子間の距離をπｄ／２以上に設定しておくことで、センサ素子内部における光源部と受光部の配置関係に起因する多少の変動はあるものの、光源部と受光部の配置関係の詳細によらず本発明が効果を発揮する光路長が実現されることになる。したがって、複数の一体型のセンサ素子を用いる場合、可干渉光を照射するセンサ素子と可干渉光を受光するセンサ素子間の距離は、πｄ／２以上で、かつ√３ｒ以下であることが望ましい。

配置するセンサ素子の数が増えた場合、隣りのセンサ素子で受光するだけでなく、隣りのセンサ素子（第１隣接素子）のさらに隣りのセンサ素子、すなわち隣りのセンサ素子を間に挟んで隣り合うセンサ素子（第２隣接素子）でも受光することが考えられるが、この場合でも、測定における光源部と受光部との間の距離は上述した隣り合うセンサ素子間の距離Ｌｔｈ以下であることが望ましいのはいうまでもない。この場合、最適なセンサ素子数は６個以上となる。

また、一体型のセンサ素子を用いる場合には、同一素子内の受光部を用いれば後方散乱光を受光することができるため、この後方散乱光の受光信号を加えて流量や流速を算出してもよい。

また、計測においては、光量の規格化等の処理が行いやすくなるため、各受光部で受ける光源部の数は１つである（各受光部は２つの光源部からの光を受光しない）ことが望ましいが、計測精度に悪影響がない場合は同時に複数の光源部からの光を受光しても良い。

〔実施の形態１〕
以下、本発明の実施の形態１に係る流体測定装置について図面を参照しながら説明する。図１に、実施の形態１に係る流体測定装置１０１における素子配置の断面図を示す。同図において、図７を参照して説明した構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。

本実施の形態では、管１として例えば内径２ｒが５．６ｍｍの塩化ビニルを使用しており、光源部２と受光部３とを１つの基板に近接して設けた一体型のセンサ素子ＳＥを、管１の周囲に等角度間隔（１２０゜間隔）で３つ配置している。この場合、隣り合うセンサ素子ＳＥの光源部２と受光部３との間の距離は３つのセンサ素子ＳＥ間で等しくなる。

本実施の形態において、センサ素子ＳＥ（ＳＥ₁～ＳＥ₃）内の光源部２と受光部３とは、図２に示すように、管１の周面側から見て管１の管軸Ｊと所定の角度θで交わる方向に近接して配置されている。図２（ａ）は管１の周面側から見た図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるIIｂ－IIｂ線断面図である。なお、この例において、角度θは９０゜とされているが、９０゜に限られるものではなく、７０゜～１１０゜（９０゜±２０゜）の範囲内の角度であることが望ましい。

また、本実施の形態において、センサ素子ＳＥ₁～ＳＥ₃は、センサ素子ＳＥ₁の光源部２から出射され管１を流れる流体を透過した光がセンサ素子ＳＥ₂の受光部３で受光されるような配置とされ、センサ素子ＳＥ₂の光源部２から出射され管１を流れる流体を透過した光がセンサ素子ＳＥ₃の受光部３で受光されるような配置とされ、センサ素子ＳＥ₃の光源部２から出射され管１を流れる流体を透過した光がセンサ素子ＳＥ₁の受光部３で受光されるような配置とされている。

光源部２には、光源として、近赤外領域の面発光レーザ素子（ＬＤ）が実装されている。この場合、出力変動が少ない安定したレーザ素子を光源として用いるのが望ましいが、レーザ素子の出力をモニタし、補正しても良い。また、光源部２の隣りに、フォトダイオード（ＰＤ）が約１～２ｍｍの間隔をあけて受光部３として設けられ、この光源部２と受光部３とで一体型のセンサ素子ＳＥが構成されている。

センサ素子ＳＥは、信号処理部４を備えるプリント基板に実装されている。このプリント基板に実装されたセンサ素子ＳＥはセンサヘッドと呼ばれる。信号処理部４の機能ブロック図は図９と同様である。センサ素子ＳＥ₁～ＳＥ₃に対して設けられた信号処理部４₁～４₃の後段には演算部７が設けられている。演算部７は、アナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ回路）等のデータ取得部７１と、計算機等を用いて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等を行う計算処理部７２とから構成されている。

なお、信号処理部４₁～４₃におけるフィルタを演算部７に移す等、信号処理部４₁～４₃の部品配置は計測状況に応じて適宜省略および変更をすることができる。例えば、信号処理部４₁～４₃を１つの信号処理部として、演算部７の前段に設けるなどしてもよい。

この流体測定装置１０１において、任意の１つのセンサ素子ＳＥの光源部２から出射された光は、隣りのセンサ素子ＳＥの受光部３で受光される。例えば、センサ素子ＳＥ₁の光源部２から、干渉性を有する光源光（可干渉光）を流路となる管１を流れる流体に照射する。流体には光源光を散乱する散乱体Ｓが含まれている。塩化ビニルは透明であり、光源光波長に対して透過性を有している。光源光が散乱体Ｓによって散乱されると、その一部はセンサ素子ＳＥ₂の受光部３によって受光される。散乱体Ｓの濃度が低い場合には大部分の散乱は単散乱であるが、濃度が増加するにつれて複数回の散乱を経て、センサ素子ＳＥ₂の受光部３に到達することになる。散乱を起こさなかった透過光や静止している管壁からの反射・散乱光も同様に受光される。

センサ素子ＳＥ₂の受光部３で受光された光は電気信号に変換されるが、ドップラーシフトにより周波数が変化した光と周波数の変化がない（変化が極めて少ない）光との間でビート信号が発生し、それが交流成分となって検出される。センサ素子ＳＥ₂の受光部３が出力する電気信号は通常微弱であり、出力電流はμＡのオーダー程度であるため、信号処理部４₂に配置されているトランスインピーダンスアンプなどの増幅回路を用いて増幅し、例えば１Ｖ程度の扱いやすいレベルの電圧信号に変換する。次に増幅信号を分岐し、一方の信号にハイパスフィルタを通して高周波（交流）成分のみを取り出す。ハイパスフィルタのカットオフ周波数としては１～１００Ｈｚ程度の適切な値を選択することができる。

フィルタを通さない側の信号は、次の演算部７におけるデータ取得部７１内のＡＤＣ回路でデジタル信号に変換した後、時間平均を取ることで高周波成分を平均化して直流成分として取り出し、信号の規格化等に用いる。この直流成分は液体の透過率、すなわち液体中の散乱体Ｓの濃度によって変化するため、レーザ素子の出力の変動を除いた直流成分の変化は散乱体Ｓの濃度情報を与える。従って、測定対象の濃度と直流成分と後述する流速相関特徴量との対応関係を、事前に使用するチューブにおいて測定して較正表を作成することで、レーザ素子の出力変動を差し引いた直流成分を利用した、流速相関特徴量に関する散乱体Ｓの濃度補正を行うことができる。

高周波成分は通常、直流成分よりも一桁から２桁程度値が小さいため、２次アンプによりさらに信号処理に適した値まで増幅した後、ローパスフィルタにより信号処理に必要としない高周波成分を取り除き、演算部７に送られる。ローパスフィルタのカットオフ周波数は散乱体Ｓの流速により異なるが、例えば２０ＭＨｚであればよい。

演算部７では、データ取得部７１内のＡＤＣ回路により、信号処理部４₂からの高周波成分をデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換された高周波成分は計算処理部７２に送られる。計算処理部７２は、ＦＦＴによりフーリエ変換し、そのパワーを算出することでパワースペクトルを得る。パワースペクトルが得られたら、パワーＰと周波数ｆとの積和を、以下に示す式（１）により所定の周波数範囲に亘って演算し、流速相関特徴量νとする。
ν＝Σ（Ｐ（ｆｉ）×ｆ）・・・・(１)

上述においては、センサ素子ＳＥ₁の光源部２からの光を管１を流れる流体を通して隣りのセンサ素子ＳＥ₂の受光部３で受光した場合について説明したが、センサ素子ＳＥ₂の光源部２からの光を管１を流れる流体を通して隣りのセンサ素子ＳＥ₃の受光部３で受光した場合にも、またセンサ素子ＳＥ₃の光源部２からの光を管１を流れる流体を通して隣りのセンサ素子ＳＥ₁の受光部３で受光した場合にも、同様にして流速相関特徴量νが得られる。

計算処理部７２は、これら３つの流速相関特徴量νに較正係数を乗算するなどの演算を加え、この演算が加えられた３つの流速相関特徴量νから例えば平均流量値を算出して、結果表示部６に送ることで流体計測を実現する。なお、流速相関特徴量νを算出する際に適宜、増幅・フィルタ回路の周波数特性を補正する補正演算を行うことができる。また、ＡＤＣ、計算処理を適切に設計して、直流成分等を用いた入射光強度・反射度合に応じた補正演算等を行うことができる。

本実施の形態では、一体型のセンサ素子ＳＥを管１の周囲に等角度間隔で配置したうえで、任意の１つのセンサ素子ＳＥの光源部２から出射された光を管１を流れる流体を通して隣りのセンサ素子ＳＥの受光部３で受光する。具体的には、隣りのセンサ素子ＳＥの受光部３を用いて散乱光を受光する。これにより、従来よりも広範囲の流体領域から散乱光を受光することができ、速度分布をより広範囲の領域に亘って平均化することができた。また、複数のセンサ素子ＳＥの受光信号を平均化して、流体計測を行うことができた。

この結果として、本実施の形態では、管１の曲りに起因する速度分布変化の影響を従来よりも１２％以上低減することが可能であった。このとき、散乱強度が強い前方散乱光を選択的に受光することができる透過光検出配置にしたため、光路が従来よりも増えたことで散乱光が減衰する影響を相殺し、従来と同程度の大きさの散乱信号を受光することができた。

なお、この実施の形態では、センサ素子ＳＥを管１の周囲に等角度間隔で３個配置（３センサ）するようにしたが、図３（ａ）に示すように４個配置（４センサ）するようにしてもよく、図３（ｂ）に示すように５個配置（５センサ）するようにしてもよく、図３（ｃ）に示すように６個配置（６センサ）するようにしてもよい。この場合、管１の曲りに起因する速度分布変化の影響を従来よりも４センサで１４％、５センサで１５％、６センサで１６％以上低減することが可能であった。

また、この実施の形態では、センサ素子ＳＥ₂の受光部３でセンサ素子ＳＥ₁の光源部２からの光を受光するようにし、センサ素子ＳＥ₃の受光部３でセンサ素子ＳＥ₂の光源部２からの光を受光するようにし、センサ素子ＳＥ₁の受光部３でセンサ素子ＳＥ₃の光源部２からの光を受光するようにしたが、図４（ａ）に示すように、センサ素子ＳＥ₂の受光部３でセンサ素子ＳＥ₁，ＳＥ₃の光源部２からの光を受光するようにし、センサ素子ＳＥ₃の受光部３でセンサ素子ＳＥ₁，ＳＥ₂の光源部２からの光を受光するようにし、センサ素子ＳＥ₁の受光部３でセンサ素子ＳＥ₂，ＳＥ₃の光源部２からの光を受光するようにしてもよい。図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した４センサ，５センサ，６センサの場合も同様である（図４（ｂ），（ｃ），（ｄ）参照）。

〔実施の形態２〕
本発明の実施の形態２に係る流体測定装置における素子配置の断面図を図５に示す。

実施の形態２では、６つの一体型のセンサ素子ＳＥ（ＳＥ₁～ＳＥ₆）を管１の周囲に等角度間隔（６０゜間隔）で並ぶように配置している。

また、実施の形態２では、隣りのセンサ素子（第１隣接素子）ＳＥではなく、隣りのセンサ素子ＳＥのさらに隣りのセンサ素子、すなわちセンサ素子ＳＥを間に挟んで隣り合うセンサ素子（第２隣接素子）ＳＥで散乱光を受光する構成としている。

また、実施の形態２では、これと同時に、図６に示すように、同一のセンサ素子ＳＥ内の受光部３を用いて後方散乱光を受光し、この後方散乱光の受光信号も合わせて平均化し、流量または流速を算出するようにしている。

このようにすることによって、管１の曲りに起因する速度分布変化の影響を従来よりも１８％以上低減することが可能であった。

なお、この実施の形態２では、第２隣接素子を用いて散乱光を受光する構成とし、後方散乱光の受光信号も合わせて流量または流速を算出するようにしたが、これに加えて、さらに第１隣接素子を用いて散乱光を受光し、この信号も合わせて流量または流速を算出するようにしてもよい。この場合は、管１の曲りに起因する速度分布変化の影響を従来よりも２０％以上低減することが可能であった。

〔実施の形態３〕
本発明の実施の形態３に係る流体測定装置については、実施の形態２と同様の配置、計測構成であるが、前述したように透過光に相当する直流成分が、光吸収特性を備える散乱体Ｓの濃度に応じて増減することに着目した。

具体的には、測定対象の濃度と直流成分と流速相関特徴量との対応関係を、事前に使用するチューブ等において測定して較正表を作成した後、演算部７において、レーザ素子の出力変動を差し引いた直流成分をこの較正表に照らし合わせることで散乱体Ｓの濃度変化に起因する流速相関特徴量を補正した。これにより散乱体Ｓの濃度に依存しない管内流体の流速相関特徴量、例えば平均流量を計測する事が可能であった。

このようにすることにより、実施の形態３では、実施の形態２と同様に、管１の曲りに起因する速度分布変化の影響を従来よりも１８％以上低減することが可能であり、さらに散乱体Ｓの濃度に依存する流量値変動を１５％以上低減することが可能であった。これにより、流量値変動低減効果としては合わせて２２％以上の低減が可能であった。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…管、２…光源部、３…受光部、４（４₁～４₃）…信号処理部、４１…増幅器、４２…フィルタ、６…結果表示部、７…演算部、７１…データ取得部、７２…計算処理部、ＳＥ（ＳＥ₁～ＳＥ₆）…センサ素子、Ｓ…散乱体、１０１…流体測定装置。

Claims

散乱体を含む流体が流れる管の周囲に配置され、それぞれ前記流体に可干渉光を照射する光源部と可干渉光を受光して光電変換する受光部とを備える第１～第Ｎ（Ｎは３以上の整数）のセンサ素子と、
前記第１～第Ｎのセンサ素子の受光部で受光され、光電変換された信号の増幅、およびフィルタリングを行う信号処理部と、
前記信号処理部で処理された信号をデジタル信号に変換し、当該信号をもとに前記流体の流速および流量の少なくとも１つを算出する演算部とを備え、
前記第１～第Ｎのセンサ素子のうちの任意の１つのセンサ素子の光源部から出射され前記管を流れる流体を透過した可干渉光は他の所定のセンサ素子の受光部で受光され、
前記１つのセンサ素子と前記他の所定のセンサ素子との間の距離は、
前記１つのセンサ素子の光源部と受光部との間の距離をｄとし、前記管の外側の半径をｒとした場合、πｄ／２以上で、かつ√３ｒ以下とされている
ことを特徴とする流体測定装置。
請求項１に記載された流体測定装置において、
前記第１～第Ｎのセンサ素子は、
前記管の周囲に等角度間隔で配置されている
ことを特徴とする流体測定装置。
請求項１又は２に記載された流体測定装置において、
前記他の所定のセンサ素子は、
前記１つのセンサ素子と隣り合うセンサ素子である
ことを特徴とする流体測定装置。
請求項１又は２に記載された流体測定装置において、
前記Ｎは６以上の整数とされ、
前記他の所定のセンサ素子は、
前記１つのセンサ素子の隣りのセンサ素子を間に挟んで前記１つのセンサ素子と隣り合うセンサ素子である
ことを特徴とする流体測定装置。
請求項１～４のいずれか１項に記載された流体測定装置において、
前記演算部は、
前記１つのセンサ素子の光源部から出射され前記管を流れる流体を透過して前記他の所定のセンサ素子の受光部で受光された光に加えて、前記１つのセンサ素子の光源部から出射され前記１つのセンサ素子の受光部で受光された前記散乱体により散乱された散乱光をもとに、前記流体の流速および流量の少なくとも１つを算出する
ことを特徴とする流体測定装置。
請求項１～５のいずれか１項に記載された流体測定装置において、
前記演算部は、
前記第１～第Ｎのセンサ素子の受光部で受光された信号の平均値をもとに前記流体の流速および流量の少なくとも１つを算出する
ことを特徴とする流体測定装置。
請求項１～６のいずれか１項に記載された流体測定装置において、
前記演算部は、
前記第１～第Ｎのセンサ素子の受光部により検出された透過光の信号をもとに、前記流体の濃度情報を算出し、前記算出された前記流体の流速および流量の少なくとも１つの値を該濃度情報によって補正する
ことを特徴とする流体測定装置。