JPH01114720A - 光学式流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はパイプ内の流体の容積流量を測定する手段及び
装置に関する。

特に、本発明は光学式流量測定に関する。必ずと言って
よいほどガスレーザー及びドツプラー法（Ｄｏｐｐｌｅ
ｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏ
ｎ）を用いる光学式流量測定では、成る箇所での流動速
度の測定値を求めるという公知の方法が確立されている
。

しかし上記方法には、積算的な容積流量を測定するのに
一般的に使用される機械的タービン及び容積流量計のよ
うな既存メーターを置き換えるような前進は見られない
。

その理由の１つは、黒色の油及び多相流における光伝送
の欠如である。更に、単相の気体流及び白色の製品につ
いても、機械的脆弱さ及びガスレーザーに関係する点火
の危険や、実際上干渉を利用する方法に必要とされる精
密光学素子が高価であるといった開題点がある。

従って、本発明の目的は、干渉を利用せず、従って安価
な光学部品の短所をより容認し得る光学式流量測定のた
めの方法及び装置を提供することである。

本発明のその他の目的は、運動部品を有しておらず、い
かようにも流れを妨害することなく、且つ広範囲にわた
って変化したり振動若しくは逆流する流れを測定するこ
とができる、光学式流量測定のための装置を提供するこ
とである。

従って本発明は、パイプ内の流木の容積流量を測定する
ための方法であって、流体中に懸濁している散乱粒子を
照射するステップと、多素子光検知器（ｍｕｌｔｉ−ｅ
ｌｅｍｅｎｔ　ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）上に散乱
光の像を造るステップと、検知された信号の時間遅延の
空間的相関関数（ｔｉｍｅ−ｄｅｌａｙｅｄ　５ｐａｔ
ｉａｌｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を
計算するステップと、前記計算からパイプ内の１箇所以
上での流動速度の大きさ及び方向を誘導するステップと
を特徴とする方法を提供する。

更に本発明は、パイプ内の流体の容積流量を測定するた
めの装置であって、流体中に懸濁している散乱粒子を照
射する手段と、多素子光検知器上に散乱光の像を造る手
段と、検知された信号の時間遅延の空間的相関関数を計
算する手段と、前記計算からパイプの１箇所以上での流
動速度の大きさ及び方向を誘導する手段とを特徴とする
装置を提供する。

全てのレーザー流量測定と同様に、本発明は、流体中に
存在し且つ流体に沿って運ばれる散乱センターを必要と
する。

大量産品中における水滴及び粒子の集まりは充分満足が
行く。

添付の図面を参照して本発明を更に説明する。

具旦 第１図について説明する。光源１（例えば波長８００ｎ
ｍ及びパワー１ｍＷの半導体ダイオードレーザ−）は、
円筒形レンズ１ａ及び窓１ｂを通してパイプ２内を流れ
る流体中の散乱粒子を照射する。窓１ｂは窓クランプ１
ｃによって固定されている。レンズ３は信号処理電子工
学装置５内にある多素子光検知器４上に散乱光の像を造
る。検知器と協働するディジタルプロセッサが、時間遅
延の空間的相関関数を計算し、パイプの１箇所以上での
流動速度の大きさ及び方向が分かる。参照番号６は、レ
ンズ３をパイプ２及び信号処理電子工学装置５に連結す
るための延長管を示す。更に図にはクランプ６ａ及び出
力窓１ｄも示しである。

第２図には多素子光ダイオードアレー４を示す。

この多素子アレー上に、測定されるべき流れ中にあって
光源（簡略化のために不図示）によって照射された散乱
粒子の像が造られる。この図では１６個の素子を対にし
、適当なａ、ｃ、接続増幅及び比較回路（簡略化のため
にこの内の１つだけ示しである）を介してマイクロプロ
セッサの８ビツトディジタル入力部７ａに接続しである
。

測定の目的は、ノイズの存在下に検知器平面を横切るラ
ンダムな像の運動の速度及び方向を決定することである
。このためには、プロセッサがそのメモリ内で時間及び
空間についての信号の相互相関関数（ｃｒｏｓｓ−ｃｏ
ｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を計算するプ
ログラムを実行する。相関関数の性質は第３図を参照す
ると最もよく理解される。

比較器によって生成される８ビツトから成る１バイトは
空間的には出来るだけ近づけて等しい時間間隔で読取ら
れる。実験装置のサンプル間隔は、ｔＦｌｔｌｉコード
プログラムにおいて１ループを実行するのに要する時間
によって決定された１７０μｓである。第３図は連続す
る１９２バイトのサンプルであって、対応する比較器か
らの高レベルを「１」及び低レベルを「、」で示しであ
る。協働する検知器素子及び増幅器におけるノイズのた
めに、連続するバイトのどの特定のビット位置を見ても
レベルのパターンはランダムであるが、液体中の散乱セ
ンターからの光によって素子が照射されたときには「１
」となる可能性が大きい。第３図全体を見てみると、ビ
ットパターンには斜めに走る構造が認められ、この構造
は液体の運動を示す、プロセッサコードが抽出しようと
しているのはこの統計的情報である。

第４図は上記データから計算された相関関数の３次元プ
ロットである。これは、成る時点に成るビット位置が「
１」になり、次いで成る時間だけ遅。

延した時点に同じ位置又は成る数の単位だけ変位した位
置で第２の「１」が見られる確率を示す。軸Ａは素子の
変位を表し、軸Ｂは任意の単位における相関関係を表し
、軸Ｃは時差をミリ秒で表す。

相関関数に通常見られるように、時間軸は（数秒である
）実験継続時間を示さず、事象間の時差を示す。同様に
横軸は（検知器素子の空間的配列を通して）検知器平面
内での直線形変位に関係しており、検知器上の特定の位
置には関係していない。

０時差のとき相関が最大であって、時差が大きくなると
相関が小さくなることが明らかである。しかし更に重要
なことは、第３図の斜めに走る傾向が、各時差に対して
測定された平均変位が時差に直接比例する相関の隆起部
として見られることである。各平均変位の対応する時差
に対する比は、大きさ及び符号において、素子を分割す
る平行な境界線に直角な方向で分解される検知器平面内
の像の平均速度の成分である。素子の分割及びレンズの
拡大率は既知定数であるので、流体中の共役平面内の散
乱粒子の平均速度の対応する成分の大きさ及び方向を決
定することができる。光学系をこのように焦点に集め且
つ検知器アレーをこのように配向すると、測定される速
度はパイプの中央における軸方向の平均速度であるが、
これは種々の公知の理論的及び経験的関係によってパイ
プ内の全体流量に関係する。

第４図にプロットした関数は、 ［式中、Ｄ（ｊ、ｋ＞はに番目の時間間隔に測定された
ｊ番目の位置における二進数の値である］である。８ビ
ツトプロセツサを使用したので、変位は±７単位に制限
される。しかし、第１図の検知器素子の相互接続は、最
高±１５素子までの配列の空間的変位が物理的に有意味
であるようにしである。これは、コンベンション、 Ｄ（ｊ、ｋ）＝Ｄ（ｊ　　ｍｏｄ　　８．ｋ）　　　　
　　　　　　　　　（２）を用いて考慮される。

簡略化のために、変位が７素子を越えた場合にはｊにお
ける周期的な曖昧さを第４図では操作して除去する。除
去されなかった関連の効果は変位に重みをつける系統的
な変換である。１６個の検知器素子を用いると、変位ｎ
を含む事象は恐らく（１６−ｎ）対の素子によって生成
される。第４図では、この操作が強調されるが時差との
相関関係を崩してはおらず、相関関係の崩れは主に乱流
によって引き起こされる。　Ｄ（ｊ、ｋ＞は値０及び１
しかとらないので、式（１）中の乗算は単なるＡＮＤ関
数と解釈することができ、リアルタイムで迅速に計算さ
れ得る。得られた値Ｋ（ｎ、ｍ）は、検知器平面内の光
の強度の時間的空間的な真の相関関数 ［式中、Ｚは時差であり、Ｘは検知器に沿った直線形の
変位である］ の完全ではないが便宜的な近似値である。　Ｃ（ｘ、ｚ
）は所望の平均速度成分 に関係する。

計算の速さについて言えば、単純な流量測定のために第
４図に示す表面全体を計算する必要はない。流れの方向
及びおおよその速度を確定するための予備的な測定を行
った後に、プロセッサソフトウェアは式（２）から生じ
る曖昧さを除去するために適当な時差を選択する。次い
で前記プロセッサが選択した時差に対する真の空間的相
関関係を集積する。第４図ではこの時差は、時間軸に直
角な垂直方向平面と表面との交差に対応する。測定され
た分布から、式（４）の適当な近似値を使用して測定点
における乱流の、既知の時間内に発生する平均変位及び
平均速度を計算することは単純なことである。

本発明の手法を、流れの中の２箇所をレーザービームに
よって照射して時間的な相互相関開数を測定する種々の
広く使用されている流量測定の手法と比較すると、興味
あることが分かる。第４図では、これは時間軸に平行な
垂直方向平面と表面との交差に対応する。表面の形状は
、測定関数のピークが隆起部の頂部に全くは対応せずに
、乱流のために系統的な偏向を示している。

特に、第４図は、３インチのパイプにおけるケロシンの
流れを測定した場合の本発明の方法の動作を示す。流量
は５．５リットル／秒である。

目的に合っていればいかなる多素子光ダイオードアレー
及びマイクロプロセッサも使用し得・ることは理解され
よう。

更に、本発明の装置は、測定されるべき流体の性質に従
って適当に変更できることが理解されよう。

例えば、気体から予期される散乱光の強度は、航空機用
ケロシンのような極めて透明な液体製品からの散乱光の
強度よりも弱いので、本発明の方法によって気体の流れ
を測定するためには変更の必要が生じる。従って、本発
明の光学系は、前方に集中する立体角に散乱する光を集
積するように変更され得る。そうすると球状粒子に対す
る散乱が最大となる。

レーザーからの直接光が検知器にあふれないように、円
筒形レンズ１ａはビームを（第１図に示すように）パイ
プの中央での測定ではなくて、本発明の装置の出力窓に
ある長方形のビームストップに焦点を合わせることがで
きる。

更に気体流量の測定では、微小霧状の油（例えば、市販
の潤滑装置から直径約１マイクロメーターの小滴の形態
の無臭ケロシンを０．ｌｐｐｍ容積）を散布することが
できる。

上記説明及び添付の図面より、当業者には本発明の種々
の変更が明らかになるであろう。このような変更も添付
の特許請求の範囲の主旨内とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の機械的構造の断面図であり、第
２図は本発明の信号処理電子工学装置の概略図であり、
第３図は本発明の装置に使用するマイクロプロセッサに
よって読取られる通常の二進配列であり、第４図は本発
明の方法によって得られる測定された時間空間的相関関
数を表すグラフである。 １・・・光源、１ａ・・・円筒形レンズ、１ｂ・・・窓
、１ｃ・・・窓クランプ、１ｄ・・・出力窓、２・・・
パイプ、３・・・レンズ、４・・・多素子光検知器、５
・・・電子工学装置、６・・・延長管。 出願入；二′：’Ｘ’ｚ＊―τ４＋、ｚニー六２−チ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）パイプ内の流体の容積流量を測定する方法であっ
   て、流体中に懸濁している散乱粒子を照射するステップ
   と、多素子光検知器上に散乱光の像を造るステップと、
   検知された信号の時間遅延の空間的相関関数を計算する
   ステップと、前記計算からパイプ内の１箇所以上での流
   動速度の大きさ及び方向を誘導するステップとから成る
   方法。
2. （２）前記相関関数をプロットするステップを包含する
   請求項１に記載の方法。
3. （３）パイプ内の流体の容積流量を測定するための装置
   であって、流体中に懸濁している散乱粒子を照射する手
   段と、多素子光検知器上に散乱光の像を造る手段と、検
   知された信号の時間遅延の空間的相関関数を計算する手
   段と、前記計算からパイプの１箇所以上での流動速度の
   大きさ及び方向を誘導する手段とを備えている装置。
4. （４）前記照射手段が半導体ダイオードレーザーである
   請求項３に記載の装置。
5. （５）前記像を造る手段がレンズである請求項３又は４
   に記載の装置。
6. （６）前記相関関数をプロットする手段を包含する請求
   項３〜５のいずれか一項に記載の装置。