JPH01235854A - 流速測定装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は流速測定装置、さらに詳細には導管内を流れる
微粒子を含んだ流体にレーザー光を照射し微粒子からの
散乱光を検出して流体の流速を測定する流速測定装置に
関する。

［従来の技術］ 従来、ガラス管等の導管内部を流れる流体の流速測定、
特に管径がＩＩＩＩＩＩ＋以下の微小細管内の流速測定
方法として、光を利用したレーザードツプラー法、空間
フィルター法、２点相関法等が知られており、無侵襲非
接触測定という光利用の特長が生かされている。しかし
これらはいずれも検出光量が微弱で信号のＳ／Ｎ比が悪
く、かつ流体中の光散乱粒子の濃度が高くなると測定困
難になるという欠点を有する。

レーザードツプラー法は管内の測定部位に細くしぼった
レーザービームを照射し、そこからの散乱光のドツプラ
ーシフトを検出する方式であり、測定部位内を流れる散
乱粒子の１個１個が認識でき、何重にも重なってしまう
ことがないような程度の濃度であれば測定可能だが、光
強度を上げるため散乱粒子を増やすと、全体の散乱光総
量増加による直流成分の上昇に伴なフてショットノイズ
が増大し、出力信号のＳ／Ｎ比が劣化する。又、光散乱
が多重散乱の効果を増すために、ドツプラービート周波
数スペクトルが拡がってしまうなどの問題もあった。

一方空間フイルター法や２点相関法は粒子像が一定間隔
の格子、あるいは一定間隔の離れた２点を横切る速度を
光量変化から検出して速度を求める方式であり、検出面
上に鮮明な粒子像が形成される必要から、高濃度によっ
て粒子が像面上で重なり合うようなオーダーになると、
コントラストの良い出力信号が得られずＳ／Ｎ比が劣化
すると共に、中心周波数スペクトルや、相互相関ピーク
が拡がってしまうという問題が無視できなかった。

一方、本願の発明者が既に出願した矩形開口相関法の例
（特願昭６２−１１４８７７　）は、所定形状の検出開
口を粒子像が横切る際の光強度変化信号から流速を決定
するものであり、この方法でも鮮明な粒子像を必要とす
ることから高濃度では使用が難しかった。

［発明が解決しようとする課題］ さらに重要なことは対象が微小領域であるため、実用的
にはレーザー光の使用が望ましい。しかし、粒子濃度が
高いと像面上ではもはや個々の移動する粒子像を観測す
ることは困難となり、重なり合う粒子像の光強度分布が
像面上で２次元的にランダムに重畳して像面スペックル
パターンを形成し、かつ個々の粒子が流れながらも３次
元的に流体中で揺らぎ、たえず位置を変えているため、
像面スペックルは一定方向に個々のスペックルが形を変
えずに移動する並進運動ではなく、個々のスペックルが
移動せずにランダムに明暗を繰り返して、形を変えなが
ら揺らいでいるボイリング運動となる。こうした状況で
はもはや空間フィルター法、２点相関法や上記の矩形開
口相関法の使用は原理的に困難である。

従って本発明は上記問題点を解決するためになされたも
ので、検出光量を増大でき出力信号のＳ／Ｎを高めて測
定精度よく流速を測定できる流速測定装置を提供するこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記課題を解決するために、導管内を流れる微
粒子を含んだ流体にレーザー光を照射し、微粒子からの
散乱光によってその共役な第１の像面あるいはその共役
像を再度拡大結像した共役な第２の像面に照射部分の像
を形成し、この像内に生ずる像面スペックルのボイリン
グ運動を、同じ面内に設置した複数の微小開口から成る
複数検出開口パターンを介して検出し、このパターンを
通過した全光量の強度変化に応じたスペックル信号を解
析、評価する構成を採用した。

［作　用］ このような構成においては、微小細管内の比較的粒子濃
度の高い流体を対象として、そこにレーザー光を照射す
ることで必然的に発生する像面スペックルのボイリング
運動をむしろそのまま積極的に検出するようにしている
。この目的のために用いる複数検出開口パターンによっ
て、検出光量を増大でき出力信号のＳ／Ｎ比を改善する
という効果が得られ微小領域のため微弱になりがちな散
乱光強度に対して光子相関法を用いることによって、特
に短時間で安定したデータを取得できるという効果が得
られる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図（Ａ）において、レーザー光源１から発射される
レーザービーム２は、入射ビーム光軸３に沿ってレンズ
４で収束されて、ガラス管５内の流体を照射する。この
流体には測定すべき比較的濃度の高い微粒子が含まれて
いる。照射ビーム径は、ガラス管の内径程度に設定する
。

またガラス管５の不用な管壁散乱光を低減し、あわせて
ガラス管によるレーザービームの屈折の影響を低減する
ため、第２図に示すようなフローセル１８を用いる。す
なわち底と左右の３面１体の支持枠１８ｃの左右の面に
ガラス管５を通し、中に流体を通過させる。受光系光軸
６方向の前、後面は透明なうすいガラス板（カバーグラ
ス等）１８ａ、１８ｂを支持枠１８ｃ１．：密着固定す
る。

こうしてフローセル１８内に上部から水を入れ、充満さ
せる。なおフローセル１８は漏水のない構造になってい
る。

ガラス管５内の流体中の微粒子、例えばポリスチレン粒
子などによって散乱された光は、受光系光軸６に沿って
配置されたレンズ７、開口８、レンズ９を介して開口マ
スク１０がある第１の共役像面上に結像され、照射部位
の像が形成される。

さらに拡大結像レンズ１１（例えば顕ｌｉａ鏡対物レン
ズ）、ハーフミラ−１２を介して開口マスク１０′並び
に複数検出開口パターン１４が配置されている第２の共
役拡大像面上に照射部位の拡大像が形成される。複数検
出開口パターン１４を通過した光は光検出器（フォトマ
ル）１５で検出され、信号処理回路３０で後述するよう
な流速の解析、評価が行なわれる。

本発明は例えば１　ｍｍ程度以下の微小径の導管内を流
れる比較的散乱粒子濃度の高い流体の流速測定を対象と
している。従ってガラス管は例えば生体血管などのモデ
ルとして直径１００〜２００μｍ程度でも良好に使用で
きる。また流体はポリスチレン粒子等を加える場合、白
濁する程度の濃さにおいて十分に測定できる点が大きな
特長である。

こうした状況下では、第１の像面あるいは第２の拡大像
面において形成される照射部位の共役像では、個々の粒
子像を鮮明に観察することはできず、互いに重なり合っ
て像面上でランダムな光強度分布を有する像面スペック
ルパターンとして観察される。しかも流体中の微粒子の
揺らぎや多重散乱の影響のために、像面スペックルパタ
ーンの個々のスペックルはボイリング運動になる。

そこでこうした散乱光パターン像に対してはレーザード
ツプラー法、空間フィルター法、２点相関法、矩形開口
相関法等はもはや使用困難、あるいは原理的に不可能と
なる。一方、レーザースペックル法の原理に基づいて、
この像面スペックルパターンを１点の点状開口で検出し
、その光強度変化のスペックル信号の自己相関関数を求
める手法を使うことが考えられる。しかし本例のごとく
対象が微小領域の場合、散乱光強度が弱く、十分Ｓ／Ｎ
の良い信号を得ることができない。

そこで本実施例では第１図（Ｃ）のように検出面に複数
の微小開口１４′を一定の間隔で規則的に配列した複数
検出開口パターン１４を介して検出し、それを通過した
全光量の総和の光強度変化をフォトマル１５で検出し、
スペックル信号を得ることで光量増加に伴なうＳ／Ｎ比
の向上した信号を得ている。流速に応じてボイリング運
動の速さも変化し、全光量の光強度変化も時間的に変わ
るので、それによりスペックル信号の周波数成分を変化
させるため、例えば周波数スペクトルの形状を遮断周波
数やスペクトル分布の傾きとして評価したり、自己相関
関数の１　／　ｅに減衰するまでの遅れ時間である相関
時間で評価する等の一般に知られた方法でスペックル信
号を評価、解析し流速を測定することができる。

第１図（Ａ）で入射ビーム光軸３と受光系光軸６は互い
に異なフていることが好ましく、これらの光軸の交叉角
θは例えば２０°〜７０＠及び１１０°〜１６０°位の
範囲で設定するとよい。

受光系のレンズ７、レンズ９の各々の焦点距離をＦａ、
Ｆｂとした時、物体測定位置、レンズ７、開口８、レン
ズ９、第１の共役像面上の間口マスク１０の間の各距離
は第１図（Ａ）の示すごとくであって２重回折結像であ
るが、単レンズによる結像系でも全く同様に実施できる
。その時は開口８は使用する単レンズの前側あるいは後
側に設定すればよい。この間口８はレンズ７からレンズ
９へ伝わる光束の径を変えるもので、これによって第１
の共役像面、しいては第２の拡大像面上のスペックルサ
イズを変えることができることが一般に知られている。

開口８の径２ｒを大ぎくすると、スペックルサイズは小
さくなり開口径２ｒを小さくすると、スペックルサイズ
は大きくなる。

しかし後者では光量全体が減少しすぎないように設定す
ることが必要である。よってこの間口８は開口径２ｒが
可変であることが望ましい。

ハーフミラ−１２で反射された光は点１３の位置にもう
１つの拡大共役像を形成する。これをレンズ１６を介し
て測定者１７が観察することができる。各面での共役像
は第３図のごとく、ガラス管像５′の内部にボイリング
運動する個々のスペックル１９がランダムに現われる像
となる。またレーザー光のガラス管壁による散乱光５ａ
がフローセル１８で低減されてはいても、いくらかは受
光され第３図のように結像される。この直流光は信号の
Ｓ／Ｎを低下させるので、これを除去し、測定領域を制
限するために開口マスクを設定する。これが第１図（Ａ
）、（Ｂ）における第１の共役像面上の開口マスク１０
である。

測定者１７が像を観察しながら直流光を除去するべく、
この開口マスク１０を光軸と垂直方向に動かし調整する
。この開口は矩形や長方形でもよいが、一般には円形開
口が実用的である。また管壁散乱光除去の目的があるた
め、開口マスク１０の開口径を第４図のととくｄとした
とき、開口径ｄが同じ像面上のガラス管像５′の内径相
当距離Ｗよりも小さいことが必要である。以上の開口マ
スク１０は第１像面の代わりに第２の共役拡大像面に設
置してもよい。この場合、像が拡大される倍率分だけ開
口径ｄも拡大した値となる。ただし、測定者が観察しな
がら位置調整する必要がある場合は、第１の共役像面に
設置する方が有利である。また開口径ｄは測定するガラ
ス管の内径変化に対応するため、可変にすることが望ま
しい。

次に検出用の複数の微小開口１４′のパターンを有する
複数検出開ロバターン１４について述べる。第５図のご
とく個々の微小開口１４′が複数個配列されており、こ
れが検出面上に配置されると、第６図に図示したように
開口マスク１０あるいは開口マスク１０′の存在のため
に制限された範囲内の微小開口群だけが光量検出のため
に使用されることになる。そこで制限された範囲内の微
小開口が１個では従来の１点検出と変わらず複数開口に
ならないので、少なくとも２〜３個以上含むような微小
開口の間隔が必要であり、開口間隔は長すぎないように
考慮されている。

また像面スペックルは第７図のごとく、個々のスペック
ル１９がランダムに揺らいでいるが、その平均的なスペ
ックルサイズよりも第８図に示す各微小開口径ａが小さ
いことが必要である。これは検出用の開口径ａが検出す
べきスペックルサイズより大ぎいと開口面積分だけ積分
平均化され信号成分の直流成分に対する相対的な低下に
伴なうＳ／Ｎ比の減少になるためである。もう１つ、各
微小開口間の間隔には、検出すべきスペックルの平均サ
イズよりも大きいことが必要である。もし１がスペック
ルサイズよりも小さいと、隣接する２つの微小開口が１
つのスペックルを検出する場合が起こり、これによって
２開口から得られる光強度に相互相関が生じる。これは
出力スペックル信号の自己相関関数上に相互相関成分が
混在し、正しい相関時間の計測が行なえないという問題
を引き起こすためである。

複数検出開ロバターン１４は検出光量増大という大きな
メリットをもたらすが、隣接する開口間の相互相関成分
が顕著になると使用できない。

従りてスペックルパターンの運動は並進ではなく、ボイ
リングであることが必要である。並進では１つのスペッ
クルが消滅せずに検出面上を横に移動していくため、隣
接する各微小開口から時間遅れを伴なって次々と同じ強
度変化信号が得られ、全体として顕著な開口量相互相関
成分を生じてしまうからである。この点で必然的にボイ
リング運動するスペックルが生じてしまうような比較的
高濃度な流体の流速に複数検出開口パターンを用いるこ
とは極めて有効な方法となる。

複数検出開口パターンの各微小開口径はすべて同一円形
であるのが一般的に作成しやすい。また規則配列様式は
第８図の格子点状の他、正三角形状の網目の各頂点に配
置するようにしてもよい（第９図）。こうした複数の微
小開口を有する複数検出開口パターン１４の作成を容易
にするには、微小開口径ａや開口間隔ｌがあまり小さす
ぎないことである。そのためには検出すべきスペックル
パターンが大きいことが望ましく、そこで本発明では第
１共役像を必要に応じた拡大倍率でもって拡大し、第２
の拡大共役像を形成し検出する方法を図示しているが、
勿論拡大倍率を行なうことなく第１の共役像を直接検出
するようにしてもよい。またある程度の範囲のスペック
ルサイズの調整は開口８の径２ｒを変えることでも行な
える。

微小領域からのレーザー散乱光は微弱になりやすいが、
それを複数検出開口パターンを用いて検出光量を増加す
るメリットは一般の光検出、処理法においても信号のＳ
／Ｎ比増大の効果をもたらす。これに加えてさらに菓１
０図に示すごとく光子相関法による処理を行なう場合に
極めて有利である。ここでフォトマル１５からの出力は
光子計数ユニット（ＰＣＵ）３１、アンプ３２を介して
相関器３３で光子相関関数が計算される。一連の操作は
マイクロコンピュータ３４によって行なわれ、結果はＣ
ＲＴ３５やプリンター３６に表示される。微弱光検出に
光子相関法が有利なことはすでに公知だが、単一開口検
出では光量が十分でない場合に、第１１図のようにプロ
ットデータが十分に収束しないため、長い時間計測する
必要がある。ところが複数開口で検圧すれば信号分が増
加するため、第１２図に図示したように短い時間でかな
り良好に収束することが理解できる。

光子相関関数測定には従来、比較的長い計測時間が必要
であフて、それによって精度も左右されていただけに、
本方法の効果は非常に大きなものとなる。

必要に応じてマイクロコンピュータ３４上でスムージン
グすることで第１３図のようになめらかな曲線にしてか
ら、相関値が１　／　ｅに減衰する相関時間τＣを調べ
るのが好ましい。ここで速度■と相関時間の逆数１／τ
Ｃとが第１４図のように直線関係にあることから、逆に
速度Ｖを測定することができる。ここで傾きの係数は使
用する光学系と散乱条件で決まるが、一般には他の流速
測定法で較正しておく方が簡便である。また測定される
流速は開口マスクで規定された測定領域内の平均的な値
である点も流速分布等の影響が出力に表われにくいとい
う点で実用上むしろ有利である。

本発明は光学系が簡単で精密な調整は必要とせず、さら
に種々の流体について測定できる点でも都合がよい。す
なわち散乱粒子や溶液の種々の屈折率、粘性、色などに
わたって通用することかできる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明では導管内を流れる微粒子を
含んだ流体にレーザー光を照射し、微粒子からの散乱光
によってその共役な第１の像面あるいはその共役像を再
度拡大結像した共役な第２の像面に照射部分の像を形成
し、この像内に生じる像面スペックルのボイリング運動
を、同じ面内に設置した複数の微小開口から成る複数検
出開口パターンを介して検圧し、このパターンを通過し
た全光量の強度変化に応じたスペックル信号を解析、評
価するようにしたので、検出光量を増大でき、Ｓ／Ｎ比
の高い出力信号が得られ、精度の高い流速測定が可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明装置の全体構成を示す構成図、第
１図（Ｂ）、（Ｃ）は第１図装置に用いられる開口マス
ク並びに複数検出開口パターンの説明図、第２図は第１
図のフローセルのさらに詳細な構造を示した斜視図、第
３図は共役面でのスペックル像を示した説明図、第４図
は開口マスクの効果を示す説明図、第５図、第６図は複
数検出開口パターンの構造を示す説明図、第７図はスペ
ックルパターンの説明図、第８図、第９図は複数検出開
口パターンの他の実施例を示す説明図、第１０図は光量
検出し流速を求める回路を示したブロック図、第１１図
から第１４図はそれぞれ遅れ時間と相関関係並びに速度
の関係を示した線図である。 ２・・・レーザービーム　１０・・・間口マスク１４・
・・検出開口　　　１８・・・フローセル１４′イｌマ
の睦１・ｌ！Ｆ１０ １４′ 第３図 第５図 第４図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）導管内を流れる微粒子を含んだ流体にレーザー光を
   照射し微粒子からの散乱光を検出して、流体の流速を測
   定する流速測定装置において、微粒子の散乱光による微
   粒子像を微粒子と共役な第１の像面、あるいはその共役
   像を拡大結像させた共役な第２の像面に形成する光学系
   と、前記第１あるいは第２の像面に配置された複数の微
   小開口を有する複数検出開口パターンと、前記複数検出
   開口パターンを通過した散乱光の強度変化に応じたスペ
   ックル信号を解析、評価する手段とを備え、 前記第１あるいは第２の像面に生じる像面スペックルの
   ボイリング運動を前記複数検出開口パターンを介して検
   出し強度変化に応じたスペックル信号を解析、評価して
   流速を測定することを特徴とする流速測定装置。 ２）前記共役な第１の像面、あるいは拡大した共役な第
   ２の像面上に測定領域を制限するための開口マスクを設
   け、そのマスク位置を調節可能にした特許請求の範囲第
   １項に記載の流速測定装置。 ３）前記開口マスクを円形開口とし、その開口径を可変
   でかつ開口マスクを設置する面上に形成される物体像の
   うち導管内径に対応する像面上の距離よりも小さいよう
   にした特許請求の範囲第２項に記載の流速測定装置。 ４）前記複数の微小開口を有する複数検出開口パターン
   を介して得られる全光量の総和の光強度変化を１つの光
   検出器で受光し、その出力光電子パルスの光子相関関数
   を測定し、相関関数の相関時間の逆数に適切な係数を乗
   じることにより流速を算出するようにした特許請求の範
   囲第１項、第２項又は第３項に記載の流速測定装置。