JPH03289504A - 気泡計測装置 - 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） 本発明は光透過性液体中に存在する気泡の径や体積を計
測する装置に関する。

（従来の技術） 従来、液体中に存在する気泡を検出する方法として、■
液体中に２つの電極を対向配置してこれらの電極間の導
電率を測定する方法や、■気泡を含む液体の密度を計測
して間接的に算出する方法が知られている。

しかしながら、上記■の方法は、液体中に電極を配置す
る直接測定法であり、対象となる液体によっては電極に
劣化を生ずる場合があるし、気泡の大きさ等を知ること
は出来ない。また、上記■の方法でも気泡の大きさ等は
間接的にしか得られないという欠点がある。

このような欠点に鑑み本発明者は、光透過性液体中に存
在する気泡を遠隔測定により連続的にその径や体積を計
測することの出来る方法を提案（特願昭６３−２４００
６８号）した。以下に、この方法を第５図〜第８図を参
照して説明する。

なお、説明を簡単にするために、液体が水で、気泡は空
気である場合について説明する。

第５図において、平行光源５０からでたスリット状の平
行光を、容器５１に設けられた光学窓５２を通して水中
に存在する気泡５３に照射する。

水中に入射した平行光は、気泡５３の表面で反射される
反射光と気泡を透過し屈折した後再び気泡表面から出る
透過屈折光となって散乱する。

空気と水との屈折率は、水の方が大きいので、第６図に
示すように、透過屈折光は平行光の平面内において平行
光に平行な気泡の中心軸ｘ−ｘ　”の左右に拡散する。

したがって、中心軸Ｘ−Ｘ　−の一方の側の透過屈折光
は中心軸Ｘ−Ｘ−を越えて他方の側へ進むことは無い。

この場合、中心軸Ｘ−Ｘ−に対して角度θの方向から気
泡を見ると、第７図に示すように、散乱角θの反射光５
６による輝点Ａと、散乱角θの透過屈折光５７による輝
点Ｂとが気泡の半球（中心より一方の側）に見えるよう
になる。

この輝点Ａと輝点Ｂとを平行光の平面内で角度θ方向に
設置した光学結像系５４により一次元光センサ５５上に
それぞれ輝点ａと輝点すとして結像させ（第８図）、輝
点ａと輝点すとを一次元光センサ５５からの信号として
取り出す。

第６図において、反射光５６となる平行光の気泡５３へ
の入射角とその反射角とは等しいので、これをθ１とす
れば、 θ１−（π−θ）　／２　　　　　　（１）また、気泡
は真球で近似出来るので、透過屈折光５７となる平行光
の液体から気泡５３への入射における入射角と屈折角の
それぞれは、気泡から液体中への出射における入射角と
屈折角にそれぞれ等しく、これをθ２およびφとすれば
、θ２−（２φ−θ）　／２　　　　　（２）が成立す
る。

水の空気に対する相対屈折率をｎとすると、ｓｉｎφ／
　ｓ　ｉ　ｎθ２−ｎ　　　　　（３）となる。

（１）式を満足する入射角θ、の平行光は散乱角θの反
射光５６となり、（２）式及び（３）式を満足する入射
角θ２の平行光は散乱角θの透過屈折光５７となるので
、反射光５６及び透過屈折光５７を輝点Ａ及び輝点Ｂと
して角度θ方向がら見ることが出来る。これらの輝点が
第８図に示すように、角度θの方向に設置した光学結像
系５４により一次元光センサ５５上に結像される。

ここで、気泡５３の半径をＲとし、角度θ方向から見た
ときの気泡５３の中心から反射光５６及び透過屈折光５
７までのそれぞれの距離をＲ１及びＲ２とする。また、
一次元光センサ５５上の像における気泡像の半径をｒ（
第８図）とし、気泡像の中心から輝点Ａ及び輝点Ｂに対
応する像ａ及びｂまでの距離をそれぞれｒｌ及びｒ２と
すると、第６図より、 Ｒ，−Ｒｓｉｎθ１、　Ｒ２ｗ−Ｒｓｉｎθ２、Ｒ，−
Ｒ２ｍｗＲ（ｓ　ｉ　ｎθ１−ｓｉｎθ２）、Ｒ−（Ｒ
＋　−Ｒ２）／　（ｓ　ｉ　ｎθ、−５ｉｎθ２）また
、光学結像系５４の結像倍率をｍとすると、ｍＲ，ｍｒ
、、　　ｍＲ２ｓｗｒ２Ｓ Ｒ−１／ｍ・　（ｒｌ　−ｒ２　）／　（ｓ　ｉ　ｎθ
１ｓｉｎθ２　）　　　　　（４） （ｒｌ−ｒ２）は、一次元光センサ５５からの信号で得
られるので、真珠とみなした時の気泡の半径Ｒを（４）
式から求めることが出来る。また、個々の気泡の半径Ｒ
ｉが得られれば、気泡の全体の体ｆ３ＴＶは、 Ｖ　−（４／３）　　・ｙｒ　ＥＲｉ　３（５）として
求めることが出来る。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記の方法及び装置では実際上、次のよ
うな問題点がある。

■気泡には完全な平行光を入射させる必要があり、計測
精度が光源からの光の平行度に大きく左右される。良好
な平行光を得るための光源は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ
等を用いてビーム径を拡大する等の手段を用いたとして
も複雑なものになる。

■液体中に平行光を導入するための光学窓５２が大きい
場合には、良好な平行度を維持するために、大きくて平
坦な窓とする必要がある。また、レーザ光源の場合には
、透過率を上げ干渉などの影響を避けるために光学窓に
多層膜コーティングを施す必要がある。光学窓は一般的
に高価であるのに対し、平行光を通すために十分な幅を
持たせようとすると広い面積を必要とするので更に高価
となる。

それゆえ、本発明の課題は平行光を必要としない気泡測
定装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、光透過性液体中の気泡に対して拡散光
を照射する手段と、前記気泡からの反射光と透過屈折光
とを光学結像系を通して一次元光センサ上に結像させる
手段と、前記反射光と透過屈折光とにより前記一次元光
センサ上の像中に形成される２つの輝点間の距離と前記
光学結像系の倍率とに基づいて幾何光学的に前記気泡の
径や体積を算出する手段とを有することを特徴とする気
泡計測装置が得られる。

なお、前記拡散光照射手段は、平行ビーム光の光源と前
記光透過性液体を収容している容器や配管等の壁を通し
て前記平行ビーム光を前記光透過性液体中に導入する手
段と該導入手段を経由した前記平行ビーム光を拡散する
手段とを含むものでよい。

また、前記導入手段は、前記容器や配管等の壁に設けた
光透過性の窓や、前記容器や配管等の壁を貫通させて設
けた光ファイバーで実現される。

（作用） 本発明では、光透過性液体中に存在する気泡に対して拡
散光を照射し、気泡で散乱された反射光及び透過屈折光
を光学結像系により一次元光センサ上に結像させ、像中
に形成される２つの輝点間の距離と光学結像系の倍率と
に基づいて気泡の径を算出する。

（実施例） 第１図〜第４図を参照して本発明の実施例について説明
する。

第１図を参照して、本実施例では光源として、レーザ、
例えばＨｅ−Ｎｅレーザ光源（図示省略）を用いる。液
体を収容している容器の壁１１にちいさな光学窓１２を
設け、この先学窓１２を通してＨｅ−Ｎｅレーザ光源か
らのレーザビーム１０を液体中に導入する。液体中に導
入されたレーザビーム１０は、レンズ１４により拡散光
に変えられる。レンズ１４としては、ロッドレンズまた
は合わせシリンドリカルレンズを用いることで、レーザ
ビームを扇状に広げてシート光とすることが出来る。こ
のようにして得られた拡散光を気泡１３に照射し、気泡
１３からの反射光および透過屈折光を一次元光センサ１
５上に入射させる。一次元光センサ１５は像中の２つの
輝点を電気信号に変換してデータ処理装置２０に送る。

データ処理装置２０は後述する算出方法で気泡の径、体
積等をＪ算する。

第２図を参照して、気泡１３に入射するのは拡散光であ
り、前述の第６図の場合の２つの平行光に対して角度α
、βだけずれた光が入射するものとする。第６図の場合
と同様に、反射光１（（、透過屈折光１７について考え
ると、幾何光学の関係により、 θ、−（π−θ−α）　／２　　　　　（６）θ４−（
２φ２−θ−β）／２　　（７）ここで、液体の気体に
対する相対屈折率をｎとすると、 ｓｉｎφ２　／　ｓ　ｉ　ｎθ、＋ｗｉｌ　　　　（８
）である。

前述した（１）式と（６）式、（２）式と（７）式とを
比較して明らかなように、第６図の平行光は、拡散光の
場合の（６）式、（７）式におけるα、βが０となる特
別な場合を示すことが理解できよう。

さて、気泡の径の算出は、前述したように、気泡からの
反射光、透過屈折光の形成する２つの輝点を、光学結像
系を用いて一次元光センサに結像させ、これら２つの輝
点を電気信号に変換して２つの輝点間の距離を算出する
ことにより行われる。

ここで、第７図で説明したように、一次元光センサ１５
上の２つの輝点間の距離を（ｒ’＋　　　ｒ２　）とす
ると、気泡の半径Ｒは（４）式と同様に、Ｒ＝１／ｍ・
　（ｒｔ　　　ｒ２）／（ｓｉｎθ、−５ｉｎθ４）　
　　　　（９） として求めることが出来る。

しかし、θ３、θ４にはそれぞれ、角度α、βが含まれ
ているので、（９）式だけでは半径Ｒは算出出来ない。

第３図を参照して角度α、βの算出方法について説明す
る。

まず、拡散光と一次元光センサ１５とを直線で結び、気
泡１３から垂線を下ろし、それぞれの直線の長さをＬｌ
、Ｌｌ、Ｙとする。すると、ｔａｎα’ｖｔａｎβ−Ｙ
／Ｌ、　　　　（１０）ｔａｎθ−Ｙ／Ｌ２　　　　　
　　　　（１１）となる。したがって、 ｔａｎαｋａｔａｎβ−Ｌ２ｔａｎθ／Ｌ。

（１２） となる。ここで、Ｌ、　　Ｌｌは機器配置によりあらか
じめ決まっており、角度θは一次元光センサ１５上の気
泡像の位置により求まるので、角度α、βを求めること
が出来る。

以上のようにして個々の気泡の径Ｒｉが算出されると、
単位時間内に測定エリアを通過するＮ個の気泡の体積Ｖ
は前述の式（５）により算出される。以上の計算はすべ
てデータ処理装置２０で行われることは言うまでも無い
。

なお、上記説明ではα−βとしたが、より正確には一次
元光センサ１５上の輝点位置をもとに計算することで求
められる。しかし、実際の使用に際しては、α−βとし
ても差支えない。

また、拡散光の位置はレンズ１４の焦点位置にとればよ
いが、近似的にはレンズ１４の中心としても良い。

第４図は本発明の他の実施例を示す。

ここでは、レンズ１４へのレーザビームの供給を光ファ
イバ１８を用いて行うようにしている。

すなわち、壁１１を貫通するように光ファイバ１８を設
けその先端にレンズ１４を接合させて光軸を正確に保つ
ことが出来るようにし、アライメント精度も向上させて
いる。このような観点から、第１図の実施例においても
光学窓１２とレンズ１４とは一体化させるのが好ましい
。

（発明の効果） 以上述べてきたように本発明によれば、平行光を使用せ
ずに気泡の径等の算出を行うことが出来、光を液体中に
導入する手段を安価な構造で実現することが出来る。本
発明による気泡の測定装置は、配管等内の流体中の気体
の非接触検出、液体中に設置された配管等からの気体の
漏洩の検出、及び熱交換器の気液接触部における気体の
漏洩の検出等に最適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例の概略構成図、第２図は
本発明における気泡による光の散乱、屈折を説明するた
めの図、第３図は本発明により気泡の径を算出する方法
を説明するための図、第４図は本発明の第二の実施例の
概略構成図、第５図は本発明者により既に提案されてい
る気泡の測定装置の概略構成図、第６図は第５図に示さ
れた装置における気泡による光の散乱、屈折を説明する
ための図、第７図は第５図に示された装置において気泡
に形成される散乱光、透過屈折光の輝点について説明す
るための図、第８図は第５図に示された装置における一
次元光センサの作用を説明するための図。 図中、１０はレーザビーム、１１は容器の壁、１２は光
学窓、１３は気泡、１４はレンズ、１５は一次元光セン
サ、 １ ６は反射光、 ７は透過層 折光、 １８は光ファイバ、 ２０はデータ処理装置。 柩３図 第４区 第１ 図 第２図 第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）光透過性液体中の気泡に対して拡散光を照射する
   手段と、前記気泡からの反射光と透過屈折光とを光学結
   像系を通して一次元光センサ上に結像させる手段と、前
   記反射光と透過屈折光とにより前記一次元光センサ上の
   像中に形成される２つの輝点間の距離と前記光学結像系
   の倍率とに基づいて幾何光学的に前記気泡の径や体積を
   算出する手段とを有することを特徴とする気泡計測装置
   。
2. （２）請求項（１）記載の気泡計測装置において、前記
   拡散光照射手段は、平行ビーム光の光源と前記光透過性
   液体を収容している容器や配管等の壁を通して前記平行
   ビーム光を前記光透過性液体中に導入する手段と該導入
   手段を経由した前記平行ビーム光を拡散する手段とを含
   むことを特徴とする気泡計測装置。
3. （３）請求項（２）記載の気泡計測装置において、前記
   導入手段は、前記容器や配管等の壁に設けた光透過性の
   窓を含むことを特徴とする気泡計測装置。
4. （４）請求項（２）記載の気泡計測装置において、前記
   導入手段は、前記容器や配管等の壁を貫通させて設けた
   光ファイバーであることを特徴とする気泡計測装置。
5. （５）請求項（３）あるいは（４）記載の気泡計測装置
   において、前記導入手段と前記平行ビーム光の拡散手段
   とを一体的にしたことを特徴とする気泡計測装置。