JPH04175643A - 気流測定方法及び気流測定装置 - 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〕 この発明は、ガス絶縁遮断器の遮断特性改善のため、真
空中に円筒状の奇ガス気流を発生させて電圧を印加し、
この気流に電流あ流してプラズマ化するとともに電流に
よるピンチ効果によってプラズマの径が縮小してエネル
ギー密度が増大し高エネルギー電磁波としての紫外線や
Ｘ線が発生ずるのを利用するガスパフ装置と称される装
置の特性改善のためなどのために気流を測定するために
使用されるもので、高圧容器の気体をオリフィスなどの
ノズルを介して低圧容器内に噴出させたときに発生する
気流の速度や密度を測定する気流測定方法及び気流測定
装置に関する。

〔従来の技術〕

第４図は従来の気流測定装置の構成を示す概念図である
。この図において、高圧容器１０には高圧気体が収容さ
れており、低圧容器４は高圧容器ｌ。

内の気圧よりも低い気圧の気体が収容されており、これ
ら高圧容器１０と低圧容器４とはバルブ９を介して連結
され、バルブ９を開放したときに高圧容器１０内の高圧
気体はオリフィスノズル８を介して低圧容器４内に噴出
して高速の気流が発生する。

この気流の密度や速度を測定するために、低温容器４内
に平行光を貫通させて、気流の発生に同期してカメラ７
で撮影し、光の強度から気流の密度を、気流の移動距離
から気流の速度を測定するものであり、このような気流
の測定方法はシュリーレン法と呼ばれている。

平行光を低温容器４内に貫通させるために、光源１で発
生した光１１Ｃをレンズ２と凹面鏡５Ａとで方向を変え
るとともに平行光１１０にしてフランジ３Ａに取付けら
れている図示しない透明板を貫通して低温容器４内に入
れ、反対側のフランジ３Ｂを貫通して外部に出た平行光
１１０を凹面鏡５Ｂでその方向を変えて光１１Ｅとしこ
れをナイフェツジ６の位置に焦点を結ばせて測定器７と
してのカメラで撮影する。

平行光１１Ｄ内を気流を通ると密度の差が生ずるが、周
知のように気体はその密度によって屈折率が変わるので
密度分布に応じた屈折率の差によって部分的に光路が変
わって結果的に測定器７で光の強度の変化に応じた濃淡
がフィルム上に撮影されることになる。

（発明が解決しようとする課題） このような従来の気流測定方法では次のような問題があ
る。すなわち、第１の問題は、光源１、レンズ２．２つ
の凹面鏡５Ａ、　５Ｂ及び測定器７の設置に広い空間が
必要である。第２の問題は、これらの光軸を合わせるの
に多大の時間を必要とする。第３の問題は、低温容器４
内には図示しない構造物があるが、これが平行光１１Ａ
に対する障害物になるために気流を撮影することのでき
る範囲が限定される。第４の問題は、平行光１１Ａを低
温容器４内を通過させるために透明板を取付けたフラン
ジ３Ａ、　３Ｂを設ける必要があって低温容器４がコス
トが高くなる。

この発明はこのような問題を解決し、狭い空間で測定が
でき、測定装置の組立が容易で、測定範囲が広くとれ、
更に低温容器の構造が簡単でよい気流測定方法及び気流
測定装置を提供することを目的とする。

〔！ＩＩＪｌを解決するための手段〕

上記課題を解決するためにこの発明によれば、光源とこ
の光源から発した光を導く光ファイバとからなる光発生
手段によって気流を横断しこの気流の方向に所定の間隔
を隔てて平行な２本の光を生成し、光検出素子をアレイ
状に並べてなるアレイ状受光手段によってこの２本の光
をそれぞれ受光して電気信号に変換し、これらの電気信
号を測定手段に入力して前記気流の速度と密度を演算す
るものとし、また、光検出素子がホトダイオードである
ものとする。

（作用〕 この発明の構成において、光源とこの光源から発した光
を導く光ファイバとからなる光発生手段によって生成さ
れ気流の方向に所定の間隔を隔てて平行な２本の光が気
流を横断すると、気流の密度差によって生ずる屈折率の
変化によってこれら２本の光の光路が曲げられるために
、光検出素子をアレイ状に並べてなるアレイ状受光手段
の前述の光を受光する光検出素子が変わる。これら光検
出素子によって変換された電気信号を測定手段に入力し
て前述の受光する光検出素子の変化を調べるとともに、
２つのアレイ状受光手段の電気信号を比較することによ
って気流の速度と密度を演算によって求めることができ
る。光ファイバや受光面の広いアレイ状受光手段を使用
しているので、光源からアレイ状受光手段までの光路の
設定は容易であり、また、設定される光路は大きな空間
を費用とせず、２本の平行な光を使用するので測定可能
範囲を広くとれる。また、光検出素子としてホトダイオ
ードを採用すると市販のものが使用できる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。第１図はこ
の発明の実施例を示す気流測定装置の要部概念図であり
、第４図と同じ構成要素に対しては共通の参照符号を付
すことにより詳細な説明を省略する。この図において、
光源１＾はレーザ光源のように細いビーム状の光線を生
成することのできるものであり、これを光ファイバ１２
を介、して２本の光１１Ａ、　　ＩＩＢとして低温容器
４０内を通過させるもので、光ファイバは途中に２本に
別れてそれぞれ気密端子１３Ａ、　１３Ｂを介して低温
容器４０内に入り出光口１４＾、１４Ｂからホトダイオ
ードアレイ１５Ａ。

１５Ｂに向かって出光される。光源と光ファイツマを出
光口１４Ａ、　１４Ｂそれぞれごとに別々に設ける構成
でもよい、２本の光１１Ａ、　ＩＩＢはオリフィスノズ
ル８から噴出される気流を横断する位置に設けられる。

第２図はホトダイオードアレイ１５＾、１５Ｂの平面図
でもある第１図のＡ矢視図である。この図において、ホ
トダイオードアレイ１５＾、１５Ｂはホトダイオード１
８が縦横に整然と並んで多数配置されたものであり、と
のホトダイオード１８が受光するかによって入射光の位
置が判別されるものである。

第１図でオリフィスノズル８から高圧気体が噴出してい
す気流が存在しないときには、光１１Ａ。

１１Ｂはホトダイオードアレイ１５Ａ、　１５Ｂの特定
のホトダイオード１８に受光されるが、気流が発生する
と密度差によって屈折率が変わることから光１１Ａ。

１１Ｂの光路が曲げられホトダイオードアレイ１５Ａ　
。

１５Ｂの受光位置がずれて別のホトダイオード１８が受
光することになる。このように気流によって受光するホ
トダイオード１８が変わるのはホトダイオードアレイ１
５＾、１５Ｂによってホトダイオード１８ごとにそれぞ
れ変換された電気信号が入力される測定器１７によって
検出することができる。ホトダイオードアレイ１５Ａ、
と１５Ｂとで気流の発生を検出した時点の差をΔｔ５光
１１ＡとＩＩＢの間隔をＬとすると、気流の速度Ｖは次
式から求められる。

ｖ−Ｌ／Δｔ・・−・・・−・−・−・・−・・−・−
・・・・・・・−・−・−・・・−−−−一−・・・−
・・・−・・・・−・−−−−（１）気体の屈折率の変
化は密度差に比例するので、受光位置の変化量から密度
を求とめることができ、その方法はと次の通りである。

第３図は気流の密度を求める方法の説明図である。この
図において、左端の発光位置は第１図の出光口１４Ａ、
　１４Ｂの出光端であり、右端の検出面はホトダイオー
ドアレイ１５＾、１５Ｂの受光面である。

気流は図の上下方向に流れているものとし、その範囲は
屈折率ｎｌ、幅寸法１１で表示した部分であり、この範
囲の両側は気流の存在しない部分であり、その屈折率は
ｎｏ、寸法はそれぞれ１１、ｌオとする。

平行光１１Ａ、　ＪＩＢは発光位置から気流の方向に垂
直な線２００に対して角度θ、だけずれて発光されると
、気流のある領域とない領域との境界で図示のように屈
折することになる。すなわち、寸法１゜の範囲で角度θ
。である光は気流表面で屈折して角度θ１となる。屈折
率ｎ６＋ｎｌ、角度θ。、θ１との間には後述のような
周知の関係にある。気流から抜は出る境界でまた屈折し
て光は元の角度θｅになり検出面に到達する。気流がな
いときには点線で示すように光は発光位置から検出面ま
で直線で進み基準線２００から距離ＬＯの位置に到達す
るのに対して、前述のように気流があるために屈折した
場合には基準線２００から距ＭＬ、の位置に到達する。

これら２つの距離の差をΔＬ　　（＝Ｌ＋　　Ｌりとす
ると、このΔＬはホトダイオードアレイ１５Ａ。

１５Ｂにおいて気流がないときとあるときとでそれぞれ
受光したホトダホトダイオード１８の位置によって求め
られ、これを用いて気流の屈折率ｎ１を求めることがで
きる。ただし、θ。、θ１は充分小さいものとし次の近
似式（２）が成立しているものとする。

Ｌｏ−Ｉ　Ｌ　　−−−・−・・・・・・−・・・・・
・・−・・−・・・・・・−・・−・−・・・・−・−
・・・・・−・・・・・・・−・−・−・・−（３）Ｌ
ｌ−１゜θ。旧、θ、十ｌ、θ、−・−・・・−・・−
・−・・・・・−・−・・・・・−・−・・・−・・・
−・−（４）これら（３）　、（４）式を整理すると結
果的に次式が得られる。

Ｌ、−Ｌ＠＋（θ１−θ。）ｌｌ　−・・−・−・・−
・−・−・・−−−−−一−・−・−・−・・−−ｍ−
−−・・−・−（５）一方、スネルの法則より次式が成
立している。

ｎ０θ。−ｎｌ　θ（・−−−−−−−−−一・・・・
・・−−−−−一−・−・・・・・・−・・・・−・−
・・・・・・・・−・−・−・（６）（５）式、（６）
式からｎ、を求めると結果的に次式が得られる。

ｎ６１１θ・ Ｌ＋　　Ｌｅ＋１＋θ。

屈折率ｎ＋は気流の密度と一義的な関係にあるから屈折
率ｎ＋が求まれば容易に気流の密度を求めることができ
る。

（１）式による気流速度Ｖの演算や（７）式による気流
の屈折率ｎ１とこれから求められる気流密度は測定器１
７によって演算し出力される。このような演算は四則演
算からなっているので、測定器１７の演算部をアナログ
演算回路で構成しても容易に実現できるし、ホトダイオ
ードアレイ１５Ａ、　１５Ｂの出力信号をＡ／Ｄ変換器
でディジタル信号に変換した上でコンピュータに入力し
てディジタル演算する構成を採用することも可能である
。ホトダイオードアレイ１５Ａ、　１５Ｂのように多数
の出力信号を一括して＾／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器も一
般に使用されているものがある。

低圧容器４０の外では光ファイバによって光を導き、低
圧容器４０からの出力は電気信号になっているのでこれ
らの引き回しは自在でありまた広いスペースも必要ない
１．また、低圧容器４０内では出光口１４Ａ、　１４Ｂ
とホトダイオードアレイ１５Ａ、　１５Ｂとの位置関係
を設定する必要があるが、ホトダイオードアレイ１５Ａ
、　１５Ｂは多くのホトダイオード１８からなっている
から受光面積が大きいので、光１１Ａ。

１１Ｂの受光位置が少しくらいずれても実際上問題には
ならず光路設定が困難というような問題はない。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、光発生手段によって生成され
気流の方向に所定の間隔を隔てて平行な２本の光が気流
を横断すると、気流の密度差によって生ずる屈折率の変
化によってこれら２本の光の光路が曲げられるために、
アレイ状受光手段の前述の光を受光する光検出素子が変
わる。これら光検出素子によって変換された電気信号を
測定手段に入力して前述の受光する光検出素子の変化を
調べることによって気流の屈折率、ひいてはその密度を
求めることができるとともに、２つのアレイ状受光手段
からの電気信号の時間的な差を求めることによって気流
の速度を演算することができる。光ファイバや受光面の
広いアレイ状受光手段を使用しているので、光源がらア
レイ状受光手段までの光路の設定は容易であることがら
、気流測定装置の設置に多くの時間を必要としないとい
う効果が得られ、また、設定される光路は大きな空間を
必要とせず、２本の平行な光を使用するので測定可能範
囲を広くとれるという効果も得られる。

また、光検出素子としてホトダイオードを採用すると市
販のものが使用できるので安価な気流測定装置になると
いう効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す気流測定装置の要部概
念図、第２図はホトダイオードアレイの平面図でもある
第１図のＡ矢視図、第３図は第１図における気流の密度
を求める方法の説明図、第４図は従来の気流測定装置の
構成を示す気流測定装置の概念図である。 ！、ＩＡ・・・光源、１２・・・光ファイバ、１００・
・・光発生手段、１３Ａ、　１３Ｂ、　１６・・・気密
端子、１４Ａ、　１４Ｂ・・・出光口、 １１Ａ、　ＩＩＢ、　ＩＩＣ，１１０，１１［！用光、
１５Ａ、　１５Ｂ・・・ホトダイオードアレイ（アレイ
状受光手段）、 １８・・・ホトダイオード、 １７・・・測定器（測定手段）、８・・・オリフィスノ
ズル、４．４０・・・低圧容器、１０・・・高圧容器。 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）光源とこの光源から発した光を導く光ファイバとか
   らなる光発生手段によって気流を横断しこの気流の方向
   に所定の間隔を隔てて平行な２本の光を生成し、光検出
   素子をアレイ状に並べてなるアレイ状受光手段によって
   この２本の光をそれぞれ受光して電気信号に変換し、こ
   れらの電気信号を測定手段に入力して前記気流の速度と
   密度を演算することを特徴とする気流測定方法。 ２）光検出素子がホトダイオードであることを特徴とす
   る請求項１記載の気流測定方法。３）光源とこの光源か
   ら発した光を導く光ファイバとからなり気流を横断しこ
   の気流の方向に所定の間隔を隔てて平行な２本の光を生
   成する光発生手段と、この２本の光をそれぞれ受光して
   電気信号に変換する光検出素子をアレイ状に並べてなる
   アレイ状受光手段と、これら２つのアレイ状受光手段の
   出力信号としての電気信号を入力して前記気流の速度と
   密度を演算する測定手段とからなることを特徴とする気
   流測定装置。 ４）光検出素子がホトダイオードであることを特徴とす
   る請求項３記載の気流測定装置。