JPH0445068B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は液体等の流体の中に混入する微小な気
泡等の粒子混入率、粒子径の分布を測定する粒子
計測装置に関するものである。

発明の背景 気液二相流は種々の装置で生じるが、水力機械
や船舶の模型実験において用いられる密閉型空洞
試験水槽や回流水槽等の流水中には、直径１mm前
後の微小な気泡が多数発生し水槽中での実験状態
に変化を与えたりすることがある。従つてこのよ
うな微小な気泡の混入率や気泡径等を計測する必
要があるが、こうした気泡の検出に適した計測方
法は充分確立されていない。従来の気液二相流を
測定する装置として既に提案されているように光
フアイバを流体中に配置し光の反射状態によつて
気泡の有無を検知する装置（特願昭56−200589
号）があるが、微小な気泡を測定する場合には光
フアイバの先端に気泡が貫通しなくなるため充分
なデータが得られないという問題点があつた。

又レーザ流速計等で確立されているように二本
の平行なレーザビームを一点で交叉させて干渉縞
を形成し、干渉縞領域より得られる散乱光のドツ
プラーバースト信号に基づいて気泡速度を得るこ
とが考えられる。しかしながら水槽等に発生する
気泡はドツプラーバースト信号を生じるには大き
すぎるため、直接気泡からその速度や気泡径を検
出することができなかつた。又反射光が得られる
時間幅によつてレーザビームを通過する気泡の時
間を得ることも考えられるが、気泡が通過する位
置によつて得られる信号幅が大幅に異なるため正
確に気泡の通過時間を測定することができないと
いう問題点があつた。

発明の目的 本発明はこのような水槽等に用いられる粒子計
測装置を提供するものであつて、水槽実験等に有
害となる気泡等の粒子径や速度及び混入率を高精
度で短時間に計測することができる粒子計測装置
を提供することを目的とする。

発明の構成と効果 本願は流体の中に混入する微小な粒子混入率、
粒子径の分布を測定する粒子計測装置であつて、
本願の第１の発明は、分離可能で互いに平行な第
１、第２の光ビームを発生する光源と、第１、第
２の光ビームを測定領域において交叉せしめる光
学手段と、第１、第２の光ビームを含む面内で該
光ビームの中間に受光軸を有し、第１、第２の光
ビームの交叉領域を通過する鏡状の球体状粒子か
らの反射光を受光し電気信号に変換する光電変換
器と、光電変換器より得られる反射波信号を第
１、第２の光ビームの性質に基づいて第１の光ビ
ームの第１の反射波信号及び第２の光ビームの第
２の反射波信号として分離する反射信号分離手段
と、反射信号分離手段により分離された第１、第
２の反射波信号のうち時間軸上で一致する信号を
検出する一致検出手段と、一致検出手段の出力に
基づいて測定粒子のビームの交叉領域を通過する
時間を検出する通過時間検出手段と、を具備する
ものであり、本願の第２の発明はこの光学手段と
して、第１、第２の光ビームを互いに同一の方向
にのみ集束させ、断面が薄い楕円状の光径として
一点で交叉せしめる円弧柱状に形成された円弧状
レンズを有する光学手段を用いたことを特徴とす
るものである。

このような特徴を有する本願の第１の発明によ
れば、二つの光ビームの交叉領域の所定範囲を線
状の測定領域とし、その領域を通過する球体状粒
子からの反射光を検出する。そして第１、第２の
光ビームに対応する反射波信号の時間軸上での一
致を判別することによつて、測定領域を限定し、
測定領域を通過する粒子の通過速度を正しく測定
することが可能である。従つて一点での計測に比
べて多数の粒子データを得ることができる。又測
定領域が限定されているため測定領域の前後を通
過する際の誤つた粒子データを得ることがなく、
正確に粒子径を測定することができる。更に光ビ
ームの反射光を用いているため信号強度が強く非
接触で粒子の通過時間を測定することが可能とな
る。そして粒子速度が既知であれば測定データに
基づいて粒子径及びその分布状態を知ることが可
能となる。

更に本願の第２の発明によれば、以上の効果に
加えて二つの光ビームの円弧状レンズによつて一
方向にのみ集束させ断面を楕円状に形成し、それ
らの光ビームを最も光束が薄くなる一点で交叉さ
せているため測定領域を面状に拡げることが可能
となる。そうすれば測定領域を通過する粒子数が
大幅に増加するため、短時間で多数の粒子データ
を得ることができ、その測定領域を通過する粒子
径のデータを正しく測定することが可能となる。
それ故粒子径とその混入率を極めて迅速に測定す
ることが可能になるという効果が得られる。

実施例の説明 〔発明の原理〕 第２図ａ〜ｃは本願の第１、第２の発明による
気泡計測装置の測定原理を示す原理図であり、第
３図ａ〜ｃは夫々通過する気泡位置に対応して得
られる波形図である。本図に示すように本願の発
明では識別可能な二本の光ビームＡ，Ｂを用い所
定の光学系によつてその光ビームを被測定領域で
交叉させる。そしてこれらの二本の光ビームＡ，
Ｂを含む面内で光ビームＡ，Ｂから成る角を等分
する中心線上に受光軸を有し、気泡からの反射光
を受光する受光素子PDを設けておく。そうすれ
ば第２図ａに示すように下方から気泡が上昇する
際に気泡の半径をａとすると、気泡の端面が二本
の光ビームＡ，Ｂの交点に接する場合には、第３
図ａに示すようにまず受光素子PDには光ビーム
Ａからの反射光が受光され、続いて所定時間経過
後に光ビームＢの反射光が受光されることとな
る。又第２図ｂに示すように二本の光ビームＡ，
Ｂの交叉点が気泡の端面からa/2だけ内側に入つ
た位置にある場合には、図示の気泡の位置で二本
の光ビームＡ，Ｂから同時に受光素子PDに反射
光が得られる。更に第２図ｃに示すように二本の
光ビームＡ，Ｂの交叉点が気泡の中心と一致する
場合には、受光素子PDには第３図ｃに示すよう
にまず光ビームＢの反射光が得られ、次いで光ビ
ームＡの反射光が得られる。

これらの図から明らかなように二本の光ビーム
Ａ，Ｂから同時に反射波信号が得られる場合の信
号のみを抽出することによつて気泡が光ビームの
所定の位置を通過する際のみの反射光信号を得る
ことができるようになる。

〔第１発明の実施例〕 第１図は本願の第１の発明による気泡計測装置
の一実施例を示すブロツク図である。本図におい
て光源として例えばHe−Neレーザ１を用いその
レーザ光をビームスプリツタ２によつて二つのレ
ーザビームＡ，Ｂに分離する。発振器３は例えば
200KHz程度の周波数の方形波信号を発振する発
振器であつて、その出力はレーザビームＡの通過
経路にある音響光学素子であるブラツグセル４に
与えられる。このブラツグセル４を発振器３によ
つて駆動すれば、ブラツグセル４に電圧が与えら
れているときレーザビームＡは図中破線で示す方
向にずれ、電圧が印加されていない時点ではレー
ザビームＡは実線に示すように直進する。従つて
レーザビームＡは発振器３の発振周波数によつて
断続する信号となり、一方レーザビームＢは連続
信号となつている。そしてこれらのレーザビーム
Ａ，Ｂを集束レンズ５によつて一点で交叉させ
る。集束レンズ５は本実施例においては凸レンズ
を用いるものとし、レーザビームＡ，Ｂの交叉領
域を測定対象、例えば気泡の径や分布を測定する
ための水槽中に位置するように光学系を構成して
おく。そして図１に示すように光ビームＡ，Ｂを
含む面内でその光ビームの中間、例えば光ビーム
のなす角の２等分線上に受光軸を有するように受
光用の光学系を構成する。即ち交叉領域から得ら
れる光学系の軸に沿つた反射光を集束レンズ５を
通過させて平行光線とし、反射鏡６によつて反射
させ集光レンズ７によつて一点で集光させる。集
光レンズ７の焦点位置には反射光出力を電気信号
に変換する光電変換器８、例えば光電子増倍管を
設けておく。そして光電変換器８によつて得られ
た電気信号を増幅器９によつて増幅し、バンドパ
スフイルタ１０とローパスフイルタ１１に与え
る。バンドパスフイルタ１０は発振器３の発振周
波数、即ち200KHzに等しい周波数の信号のみを
通過させるフイルタであり、ローパスフイルタ１
１は200KHzより十分低い所定周波数以下の周波
数の信号を通過させるフイルタである。これらの
フイルタ１０，１１の出力は夫々波形整形回路１
２，１３に与えられる。波形整形回路１２，１３
はフイルタ１０，１１を通つて与えられる信号に
等しい時間幅を有する方形波信号を出力するもの
であつて、それらの出力は一致検出回路１４に与
えられている。一致検出回路１４は二つの波形整
形回路１２，１３から与えられる方形波出力の時
間的な一致を検出する回路であつて、例えばアン
ド回路とその出力を保持する記憶回路等を用いて
形成される。一致検出回路１４は、二つの入力信
号が一致する瞬間があるかどうかによつて一致を
判断するものとする。波形整形回路１３の出力は
更にパルス幅検出回路１５にも与えられている。
パルス幅検出回路１５は波形整形回路１３より与
えられる方形波信号のパルス幅を検出するもので
あつて、一致検出器１４より出力が与えられたと
きにその信号を入力インターフエース１６を介し
てマイクロコンピユータ１７に伝えるものであ
る。マイクロコンピユータ１７はあらかじめ定め
られた演算処理手順に従つて既に与えられている
気泡速度から気泡径を算出し、統計処理を行つた
り気泡径毎に積算するといつた信号処理を行うも
のであつて、その結果を表示器１８に表示させる
ものとする。

〔第１実施例の動作〕 次に第４図の波形図を参照しつつ本実施例の動
作について説明する。He−Neレーザ１よりレー
ザ光を発光させビームスプリツタ２に与えれば、
レーザ光は二つのレーザビームＡ，Ｂに分離され
る。そして発振器３の出力をブラツグセル４に与
えることによりレーザビームＡのみを所定の周波
数で断続させ、これらのレーザビームＡ，Ｂを集
束レンズ５によつて測定領域の一点で集束させ
る。そうすれば二つのレーザビームＡ，Ｂに気泡
が到来しこの光学系の中心線に沿つた反射光が得
られる場合には、反射光は集束レンズ５、反射鏡
６及び集光レンズ７を介して光電変換器８に与え
られて電気信号に変換される。反射波信号はバン
ドパスフイルタ１０、ローパスフイルタ１１によ
つて夫々のレーザビームＡ，Ｂに対応する第１、
第２の反射波信号に分離される。そうすれば前述
のようにその気泡の通過位置によつて、バンドパ
スフイルタ１０及びローパスフイルタ１１より時
間軸上で異なつた信号が得られる。

第４図ａ，ｂはバンドパスフイルタ１０、ロー
パスフイルタ１１の夫々の出力を示す波形図であ
り、それらの出力は波形整形回路１２，１３によ
つて方形波信号に変換される。さて第４図ｃ，ｄ
に示すように時刻t1からt2の間の波形整形回路１
２，１３の出力はほぼ一致しているため、一致検
出回路１４はこのとき第４図ｅに示すように一致
出力を与える。この場合は第２図ｂに示す位置を
気泡が通過したものと考えられる。この一致検出
回路１４の出力によつて第４図ｆに示すようにそ
のときパルス幅検出回路１５より検出された波形
整形回路１３の出力のパルス幅データが有効とな
り、入力インターフエース１６を介してマイクロ
コンピユータ１７に取り込まれる。又時刻t3から
t4の間に波形整形回路１２，１３より夫々出力が
得られるが、波形整形回路１２より信号が先に得
られそれ以後波形整形回路１３より出力が得られ
るため、第２図ａに示すように気泡が測定領域の
外側を通過したものと考えられる。この場合には
両者の出力が一致していないので一致検出回路１
４は出力を出さず、そのときのパルス幅データは
マイクロコンピユータ１７に取り込まれない。又
同様にして時刻t5からt6の間にも波形整形回路１
２，１３より夫々出力が得られるが、この場合も
両者は一致しておらず第２図ｃに示すように測定
領域の内側を気泡が通過したものと考えられる。
従つてこの場合にもパルス幅データはマイクロコ
ンピユータ１７に取り込まれず信号処理は行われ
ない。

このようにすれば二つのレーザビームの交叉領
域の所定の範囲内に測定領域を限定することが可
能となる。この測定領域は本実施例では線状の領
域であると考えられる。そしてこの領域を気泡が
通過する場合にのみ信号が得られるので、得られ
たパルス幅は正確に気泡の測定領域を通過した時
間に対応する長さとなつている。従つて水槽を通
過する気泡の速度があらかじめわかつている場合
には、気泡速度と通過時間より気泡径を算出する
ことができる。又この気泡径データをマイクロコ
ンピユータ１７によつて積算し統計処理を行うこ
とによつて、水槽を通過する気泡の個数と気泡径
との系統的なデータを得ることが可能となる。こ
のデータは表示器１８によつて表示される。

〔第２発明の実施例〕 本発明においては信号処理部分は第１の発明と
同様であるが、光学系部分を改良することによつ
て測定領域を面状とし多くの粒子データを得るよ
うにしたものである。即ち本実施例の気泡計測装
置は、第５図に示すようにHe−Neレーザ１のレ
ーザ光をビームスプリツタ２によつて二つの平行
なレーザビームＡ，Ｂに分離し、その一方をブラ
ツグセル４によつて断続することは第１実施例と
同様である。これらのレーザビームＡ，Ｂの光行
路に夫々コリメートレンズ２０，２１を配置し、
その光径を図示のように拡大してレーザビーム
Ｃ，Ｄとする。そして第５図に示すようにこの二
本のレーザビームＣ，Ｄを円筒状のレンズ２２を
用いて一点で交叉せしめる。円筒状レンズ２２は
裏面が平板であり正面が円弧状に形成された長方
形状のレンズであつて、図中のＹ軸方向にはレー
ザビームを集束させずにＸ軸方向にのみ二つのレ
ーザビームＣ，Ｄを集束させるものである。従つ
てこの円筒状レンズ２２を通過した二つのレーザ
ビームＣ，Ｄは、第６図ａ，ｂにその側面図及び
上面図を示すようにＸ軸方向に集束しＹ軸方向に
は元の光径のままとなるため、断面が平たい楕円
状の光径となつて焦点位置のビームウエスト点で
交叉する。そしてレーザビームＣ，Ｄが交叉する
測定領域２４は第６図ｂに示すようにほぼ平板状
のものであると考えることができる。

この円筒状レンズ２２の裏面にはＸ軸方向に長
軸を有する小径の円筒状レンズ２３が第６図ａ，
ｂに示すように張り付けられており、交叉領域か
ら光学系の光軸に沿つて反射される反射光はこれ
らの円筒状レンズ２２，２３によつて集束され
る。こうすれば二つの円筒状レンズ２２，２３の
働きによつて得られる反射光を一つの凸レンズで
集光するときと同一の効果が得られることとな
る。この場合にも光ビームＣ，Ｄを含む面名で光
ビームＣ，Ｄの中間に受光軸が位置するように円
筒状レンズ２３及び反射鏡６を配置する。こうし
て得られた平行な反射光は第１図に示す実施例と
同様に反射鏡６によつて反射され、集光レンズ７
によつて集光されて光電変換器８に与えられる。
以後の各ブロツクの構成及び動作は第１発明の実
施例と同様であり、断続の有無によつて夫々のレ
ーザビームＣ，Ｄに対応する反射光毎にバンドパ
スフイルタ１０、ローパスフイルタ１１によつて
分離され波形整形回路１２，１３によつて波形整
形が行われる。そしてこれらの波形整形回路１
２，１３からの出力が一致するときに一致検出回
路１４は出力を出す。そのときに波形整形回路１
３から得られるパルス幅をパルス幅検出回路１５
によつて検出し、入力インターフエース１６を介
してマイクロコンピユータ１７に伝えることは前
述した実施例と同様である。

このようにすれば球体状の粒子である気泡が平
板状の測定領域２４を通過すればその通過時間の
データが得られるため、短時間で多数のデータを
得ることが可能となる。ここで第６図ｂに示すよ
うに測定領域２４の幅ｗはレーザビームＣ，Ｄの
光径によつて定まり、奥行きｌは一致検出回路１
４の一致出力を与える範囲によつて調整すること
が可能である。即ち一致検出回路１４を二つの波
形整形回路１２，１３の出力が一瞬でも一致する
際に出力を与えるものとすればその奥行きｌをも
つとも広くすることが可能であり、又両者の出力
が例えば50％以上一致した時に一致検出回路１４
より出力を与えるものとすれば、それに応じて測
定領域２４を奥行きｌを狭めることが可能とな
る。

〔実施例の変形例〕

以上説明した各実施例はいずれも一方のレーザ
ビームをブラツグセルを用いて断続させそれによ
つて二つのレーザビームを信号処理計で分離して
いるが、異なつた波長を有する二本のレーザビー
ムを用いその波長の相違に基づいて二つの反射光
を分離してもよく、又夫々のレーザビームの偏光
方向を異ならせその偏光方向の相違に基づいて二
つのレーザビームの反射光を分離するようにして
もよい。

又以上説明した二つの発明の夫々の実施例で
は、反射光を鏡によつて反射させ集光レンズによ
つてその反射光を集光して光電変換器に導くよう
にしているが、光フアイバ等を用いて光学系部と
電気信号処理部とを分離するように構成すること
ができることは言うまでもない。

尚第２発明の実施例では円筒状レンズと組み合
わせて反射光を集光させるために小径の円筒状レ
ンズを用いたが、円筒状レンズの反射光が通過す
る中心線上に開口を設けておきその部分に凸レン
ズを配置すれば、光軸に沿つた反射光を平行光線
とし、もしくは反射光を一点で集光せしめること
も可能である。

更に上述した各実施例では水槽中の気泡径を計
測する気泡計測装置について説明したが、空中を
浮遊する液体粒子等他の粒子についても本発明を
適用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願の第１の発明による気泡計測装置
の一実施例の構成を示すブロツク図、第２図ａ〜
ｃは本願の気泡計測装置の基本的な原理を示す原
理図、第３図ａ〜ｃはその原理を説明するグラ
フ、第４図は第１実施例の各部の波形を示す波形
図、第５図は本願の第２の発明の気泡計測装置を
示す斜視図、第６図ａ及び第６図ｂは円筒状レン
ズ２２によるレーザビームの集光状態を示す側面
図及び上面図である。 １……He−Neレーザ、２……ビームスプリツ
タ、３……発振器、５……集束レンズ、６……反
射鏡、８……光電変換器、１０……バンドパスフ
イルタ、１１……ローパスフイルタ、１２，１３
……波形整形回路、１４……一致検出回路、１５
……パルス幅検出回路、１７……マイクロコンピ
ユータ、２０，２１……コリメートレンズ、２
２，２３……円筒状レンズ、２４……測定領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 分離可能で互いに平行な第１、第２の光ビー
   ムを発生する光源と、 前記第１、第２の光ビームを測定領域において
   交叉せしめる光学手段と、 前記第１、第２の光ビームを含む面内で該光ビ
   ームの中間に受光軸を有し、前記第１、第２の光
   ビームの交叉領域を通過する鏡状の球体状粒子か
   らの反射光を受光し電気信号に変換する光電変換
   器と、 前記光電変換器より得られる反射波信号を第
   １、第２の光ビームの性質に基づいて第１の光ビ
   ームの第１の反射波信号及び第２の光ビームの第
   ２の反射波信号として分離する反射信号分離手段
   と、 前記反射信号分離手段により分離された第１、
   第２の反射波信号のうち時間軸上で一致する信号
   を検出する一致検出手段と、 前記一致検出手段の出力に基づいて測定粒子の
   前記ビームの交叉領域を通過する時間を検出する
   通過時間検出手段と、を具備することを特徴とす
   る粒子計測装置。 ２ 前記第１、第２の光ビームの少なくとも一方
   は所定の周波数で断続された光ビームであり、前
   記反射信号分離手段はその光ビームの信号断続の
   周波数により反射波信号を分離するものであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の粒子
   計測装置。 ３ 前記第１、第２の光ビームは互いに異なる偏
   光方向を有する光ビームであり、前記反射信号分
   離手段は偏光フイルタから成るものであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の粒子計測
   装置。 ４ 分離可能で互いに平行な第１、第２の光ビー
   ムを発生する光源と、 前記第１、第２の光ビームを互いに同一の一方
   向にのみ集束させ、断面が薄い楕円状の光径とし
   て一点で交叉せしめる円弧柱状に形成された円弧
   状レンズを有する光学手段と、 前記第１、第２の光ビームを含む面内で該光ビ
   ームの中間に受光軸を有し、前記第１、第２の光
   ビームの交叉領域を通過する鏡面状の球体状粒子
   からの反射光を受光し電気信号に変換する光電変
   換器と、 前記光電変換器より得られる反射波信号を第
   １、第２の光ビームの性質に基づいて第１の光ビ
   ームの第１の反射波信号及び第２の光ビームの第
   ２の反射波信号として分離する反射信号分離手段
   と、 前記反射信号分離手段により分離された第１、
   第２の反射波信号のうち時間軸上で一致する信号
   を検出する一致検出手段と、 前記一致検出手段の出力に基づいて測定粒子の
   前記ビームの交叉領域を通過する時間を検出する
   通過時間検出手段と、を具備することを特徴とす
   る粒子計測装置。 ５ 前記第１、第２の光ビームの少なくとも一方
   は所定の周波数で断続された光ビームであり、前
   記反射信号分離手段はその光ビームの信号断続の
   周波数により反射波信号を分離するものであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の粒子
   計測装置。 ６ 前記第１、第２の光ビームは互いに異なる偏
   光方向を有する光ビームであり、前記反射信号分
   離手段は偏光フイルタから成るものであることを
   特徴とする特許請求の範囲第４項記載の粒子計測
   装置。 ７ 前記光学手段は、前記第１、第２の光ビーム
   の中間位置の前記円筒状レンズに隣接して前記円
   筒状レンズの長軸方向と異なる方向に向けて設け
   られ、前記測定領域からの反射光を集光する第２
   の円筒状レンズを有することを特徴とする特許請
   求の範囲第４項記載の粒子計測装置。