JPH02159517A - 流速計 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光を利用して流体の速度を検出するための流
速計に関する。

〔従来の技術〕

このように光を利用する流速計としては、光フアイバー
レーザ流速計が一般に知られている。

前記光フアイバーレーザ流速計は、レーザソースから得
られるレーザビームをビームスプリッタで分光した後、
レンズによって交差させて交差点に明暗部を有する干渉
縞を発生させ、この交差位置を測定点としている。そし
て流体と同じ速度を持った粒子が干渉縞部分を通過した
際に、散乱光による単位時間当たりの強度変化をドツプ
ラ周波数として測定し、このドツプラ周波数から流速を
求めるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

この光フアイバーレーザ流速計は、電磁界中でも電磁ノ
イズの影響を受は難い、操作性がよい、広い測定範囲を
持つなど、流速計測システムとして優れた特長を有する
が、光学的に装置が複雑になって値段が高くなる難点が
あった。

また、測定に際しては粒子の濃度が大きな制約になる。

即ち、粒子が数が少ない場合には使いすらくなり、はと
んど粒子が含まれていない場合には測定用の粒子を流体
中に混入してやる必要があるなど不便な面があった。

本発明は、このような実情に着目してなされたもので、
その目的は、粒子の濃度という制約を受けずに使用でき
、しかも構造が簡単で安価な流速計を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明に係わる流速計では、 支持棒の先端に流体圧により支持棒長手方向と交差する
方向に屈曲弾性変形可能な透光性の変位部材を取り付け
、この変位部材の先端部に前記支持棒に対向する反射面
を設け、投光手段からの光を伝搬して前記反射面の投射
する投光用光ファイバーと、反射面からの光を受光して
受光手段に伝搬する受光用光ファイバーとを、前記変位
部材の弾性変形に伴って受光量が減少するように位置さ
せて前記支持棒に支持させてある。

またこの流速計において、一対の受光用光ファイバーを
、前記変位部材の弾性変形に伴って、一方の受光量が増
大すると、他方の受光量が減少するように位置させて、
前記支持棒に保持させるとともに、前記一対の受光用光
ファイバーそれぞれからの受光量を検出できるように構
成しておくとよい。

更にその際、前記一対の受光用光ファイバーに対応する
受光手段による受光量ＰＡ、Ｐ、より、次式（ＰＡ−ｐ
ａ）／（ｐＡ＋ｐａ）に基づいて流速を演算する演算装
置を設けておくとよい。

〔第１の発明の作用〕 流体の静止状態において投光手段から発せられた光は、
投光用の光ファイバーを伝搬してその先端から発せられ
、透光性の変位部材を通過して下端に設けられた反射面
に投射される。反射面で反射した光は、受光用の光ファ
イバーに入光して伝搬され、受光手段で受光されて光量
が検出されるようになっている。

しかし流動状態においては、支持棒の先端を流体の中に
挿入すると、変位部材が流体圧を受けて支持棒長手方向
と交差する流れ方向下手側に屈曲弾性変形する。変位部
材が弾性変位することで反射面の角度が変わり、反射光
の方向がずれる。投光用と受光用の光ファイバーは支持
棒に支持されているので弾性変形の影響を受けず、その
先端部の位置は支持棒に対して固定であることから、反
射光の方向がずれると受光用の光ファイバーに入光する
反射光の光量が減少する。この反射光は受光用の光ファ
イバーによって伝搬され、受光手段によって受光量が検
出される。

受光手段で検出される光量は反射光の変位角度や変位部
材の弾性変形の度合に、延いては流体の速度と相関があ
る。したがって、受光量と流速は関数の関係になり、受
光量から流速を演算で求められるのである。

〔第２の発明の作用〕 流体圧によって変位部材が弾性変形して反射光の方向が
ずれると、一方の受光用光ファイバーに入光する反射光
の光量は増大し、他方の受光用光ファイバーに入光する
反射光の光量は減少する。これらの反射光は受光用の光
ファイバーによってそれぞれ伝搬され、受光手段によっ
てそれぞれの受光量が検出される。

受光量から流速を求められるのは上記のとおりであるが
、支持棒を反転させて一対の受光用のファイバーの位置
を入れ換えれば受光量の増減関係は逆になる。即ち、受
光量の増減関係で流向を求めるられる。

〔第３の発明の作用〕 流体圧による反射面の変位角度Δθと、受光手段によっ
て検出された受光量ＰＡＳＰＩｌとの関係は、ピーク値
を１とすると第５図のグラフのような曲線の関係になる
。しかし受光量ＰＡ、ＰＲの差ＰＡ　　Ｐａをとれば、
変位角度Δθと受光量の差ＰＡ−Ｐ、との関係は、第６
図のグラフのように、一定の範囲内で右上がりの線型に
近い曲線になる。また、受光量の差ＰＡ　　Ｐａを受光
量の和Ｐ＾十Ｐａで割れば、Δθと（ＰＡ−Ｐａ）／　
（ＰＡ　＋　ＰＲ）との関係は一定の範囲内でほぼ線型
に近い形になることによって光源の不安定に起因する受
光量の変動や環境温度変化や反射面のよごれによる受光
量の変動影響を無視できる。尚、反射面の変位角度Δθ
と流速の二乗は比例関係にある為、受光量による（ＰＡ
−ｐａ）／（ｐＡ＋ｐａ）の式から流速を求めることが
できる。

〔発明の効果〕

以上のように、流体の粒子の濃度に関係なく流速を測定
できるため、粒子の数が少ない場合でも流体に測定用の
粒子を混入させる必要がない。また、流速だけではなく
流向を検出するのにも使用できる。その上、受光した光
の光量を検出する比較的簡単な方式を採用しているので
、光学的に構造が簡単となって安く製作することが可能
となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第３図に示されているのは管内の流速を測定するための
流速計である。この流速計の本体（１）には、投光手段
の一例であるタングステンランプ（２）、受光手段とし
ての一対のフォトダイオード（３ａ）、　（３ｂ）を備
えた第１・第２受光回路（３Ａ）、　（３Ｂ）、演算装
置（４）等を内蔵してあり、この本体（１）に接続され
るプローブ（５）には、５００本の光ファイバーを束ね
てなる１本の投光バンドル（６）と５００本ずつの光フ
ァイバーを束ねて成る２本の第１・第２受光バンドル（
７Ａ）、　（７Ｂ）を通してある。

第１図に示すように、前記プローブ（５）の先端は支持
棒（８）　になっており、この支持棒（８）の先端面に
は、投光用と受光用のバンドル（６）。

（７Ａ）、　（７Ｂ）の先端部を並べて露出させてある
。

但し、投光バンドル（６）が一対の受光バンドル（７Ａ
）、　（７Ｂ）の中央にくるような配置になっている。

また、支持棒（８）の先端面には低ヤング率で屈曲弾性
変形可能な変位部材（９）を取り付けである。この変位
部材（９）　は透明な一’７リコンゴムによって成型さ
れたものである。先端面にＡｊ２蒸着を行うことによっ
て反射鏡（１０）を形成してあり、その反射面（１０ａ
）が支持棒（８）側に向けられる状態にしてある。

つまり上記の構成により、タングステンランプ（２）　
から発せられた光は、投光バンドル（６）を伝搬して支
持棒（８）の先端部から発せられ、反射面（１０ａ）に
投射されるように、そして反射面（１０ａ）からの反射
光は受光バンドル（７Ａ）、　（７Ｂ）に入光して本体
（１）側に伝搬され、伝搬された反射光が第１・第２フ
オトダイオード（３ａ）、　（３ｂ）のそれぞれによっ
て受光され、前記第１・第２受光回路（３Ａ）、　＜３
８）から受光量に応じた電圧値（Ｖｌ）、　（Ｖ２）と
して検出されるようになっている。

次に、この流速計を使用して管（１１）内で流速を測定
する方法と原理について説明する。

先ず、第１受光バンドル（７Ａ）が流れ方向上手側に且
つ第２受光バンドル（７Ｂ）が流れ方向下手側に位置す
る状態で前記支持棒（８）の先端を上方から管（１１）
内の流体に挿入する。支持棒（８）が挿入されると先端
に取り付けられた変位部材（９）が流体圧を受けて支持
棒長手方向と交差する下手側へ屈曲弾性変形する（第２
図の状態）。

変位部材（９）が屈曲弾性変形することで支持棒（８）
に対する反射面（１０ａ）の角度が変わり、反射光の方
向が少し前にずれる（第４図参照）。

反射光が前方にずれると投光バンドル（６〉からの投光
量はエネルギー分布を以ているために第１受光用バンド
ル（７Ａ）に入光する反射光の光量は増大し、第２受光
バンドル（７Ｂ）に入光する反射光の光量は減少する。

それによって、第１受光バンドル（７Ａ）からの光を受
光する第１フオトダイオード（３ａ）の受光量が増大し
、第１受光回路（３Ａ）から標準より高い電圧値（ｖｌ
）が検出され、また、第２受光バンドル（７Ｂ）からの
光を受光する第２フオトダイオード責３ｂ）の受光量が
減少して第２受光回路（３Ｂ）から標準より低い電圧値
（ｖ２）が検出される。

このように、変位部材（９）の弾性変形の度合が大きい
ほど第１受光回路（３Ａ）からの電圧値（ｖｌ）が高く
なり、且つ、第２受光回路（３Ｂ）からの電圧値（ｖ２
）が低くなる。第１・第２受光回路（３Ａ）、　（３Ｂ
）から検出された電圧値（Ｖｌ）、　（Ｖ２）　ハ前記
演算装置（４）に出力される。前記演算装置（４）では
、２つの電圧値（Ｖｌ）、　（Ｖ２）から差値（Ｖｌ−
Ｖ２）と加算値（Ｖ、＋Ｖ、）を演算するとともに、差
値（Ｖｌ−Ｖ２）を加算値（Ｖｌ＋Ｖ２）で割る。この
ようにして得られた値は、反射面の変位角に相当する変
位部材（９）の弾性変形の度合に、延いては流速の２乗
に比例している。演算装置（４）では、更にこれに基づ
いて流速を演算し、その演算結果を表示部（１２）に表
示させる。

尚、第１・第２受光バンドル（７Ａ）、　（７Ｂ）の位
置を逆にして管（１１）内に挿入した場合には、演算結
果が負になる。したがって、流向が分からない場合には
第１・第２受光バンドル（７Ａ＞、　（７Ｂ）を管（１
１）の長手方向に沿うようにして挿入してみて、その極
性を調べることで流向を判断することができる。

本実施例においては、反射光を第１・第２受光用バンド
ル（７Ａ）、　（７Ｂ＞で伝搬して本体（１）内の第１
・第２フオトダイオード（３ａ）、　（３ｂ）で受光す
るようにしているが、第１・第２フオトダイオード（３
ａ）、　（３ｂ）を支持棒（８）　の先端に設けて反射
光を直接受光するようにしてもよい。また、投光バンド
ル（６）と第１・第２受光バンドル（７Ａ）、　（７Ｂ
）のそれぞれが同じ長方形の断面となるよう光ファイバ
ーを束ね、それら先端部に露出部分が接するように並べ
てもよい。

〔別実施例〕

投光用ファイバー、受光用ファイバーはバンドルではな
く１本のファイバーで構成してもよい。

本発明を実施するに、第７図に示すように受　。

光バンドル（７）を数を１本だけに、また、受光回路（
３Ａ）を１個だけにし、この受光バンドル（７）に入光
して伝搬される反射光の光量を受光回路（３＾〉で検出
するようにしておき、その受光量の増減に基づいて流速
を測定するようにしてもよい。この場合、流体の向きは
検出できないが、構造が簡単になる利点がある。

本発明を実施するに、第７図及び第８図に示すように受
光用光ファイバー（７Ａ）〜（７Ｆ）を投光用光ファイ
バー（６）　の周囲に複数本配備するとともに、これら
受光用光ファイバー（７Ａ）〜（７Ｆ）から伝搬されて
くる反射光をそれぞれ受光する受光回路（３Ａ）〜（３
Ｆ）を設ければ、２方向のみではなく、複数の方向で流
向を検出できる利点がある。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対象を便利にするた
めに符号を３己すが、この記入より本発明は添付図面の
構造に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係わる流速計の実施例を示し、第１図は
管外における要部の縦断側面図、第２図は管内における
要部の縦断側面図、第３図は概略構成を示す図、第４図
は作用説明図であり、第５図と第６図は変位角と受光量
との関係を示すグラフ、第７図は第１別実施例の作用説
明図、第８図は第２別実施例の作用説明図、第９図は第
２別実施例の概略構成を示す図である。 （２）・・・・・・投光手段、（３Ａ）・・・・・・受
光手段、（６）・・・・・・投光用光ファイバー、　（
７Ａ）、　（７Ｂ）・・・・・・受光用光ファイバー、
（８）・・・・・・支持棒、（９）・・・・・・変位部
材、（１０ａ）・・・・・・反射面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、支持棒（８）の先端に流体圧により支持棒長手方向
   と交差する方向に屈曲弾性変形可能な透光性の変位部材
   （９）を取り付け、この変位部材（９）の先端部に前記
   支持棒（８）に対向する反射面（１０ａ）を設け、投光
   手段（２）からの光を伝搬して前記反射面（１０ａ）に
   投射する投光用光ファイバー（６）と、反射面（１０ａ
   ）からの光を受光して受光手段（３Ａ）に伝搬する受光
   用光ファイバー（７Ａ）とを、前記変位部材（９）の弾
   性変形に伴って受光量が減少するように位置させて前記
   支持棒（８）に支持させてある流速計。 ２、一対の受光用光ファイバー（７Ａ）、（７Ｂ）を、
   前記変位部材（９）の弾性変形に伴って、一方の受光量
   が増大すると、他方の受光量が減少するように位置させ
   て、前記支持棒（８）に保持させるとともに、前記一対
   の受光用光ファイバー（７Ａ）、（７Ｂ）それぞれから
   の受光量を検出できるように構成してある請求項１記載
   の流速計。 ３、前記一対の受光用光ファイバー（７Ａ）、（７Ｂ）
   に対応する受光手段（３Ａ）、（３Ｂ）による受光量Ｐ
   ＿Ａ、Ｐ＿Ｂより、次式（Ｐ＿Ａ−Ｐ＿Ｂ）／（Ｐ＿Ａ
   ＋Ｐ＿Ｂ）に基づいて流速を演算する演算装置（４）を
   設けてある請求項２記載の流速計。