JPH05297013A - 流速測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非接触で指向性なく粒子の速度を測定できる
ようにすること。 【構成】 特定の強度分布を有する光ビームをレーザダ
イオード４で周期的に発生し、測定領域で集束させる。
そして光ビームと垂直な方向の微粒子からの散乱光をビ
ーム強度補正素子８を介して受光する。得られたパルス
列から包絡線波形を推定する。そしてその包絡線波形を
正規化することによって、球形の測定領域の中心部を粒
子が通過したときの包絡線を推定して通過時間を測定
し、流速を測定している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微粒子からの散乱光に基
づいてその速度を検出する流速測定装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来光散乱式の測定装置として、例えば
特公昭63-25285号に示されているように、２本のレーザ
ビームを測定領域で交差するように照射し、そのレーザ
ビームが交差した測定領域に干渉縞を形成して、測定領
域を通過する微粒子からの散乱光に基づいて粒子の速度
や粒子径を測定するようにした装置が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の測定装置では、光学系の構成が複雑となり大型
化するだけでなく、粒子に対して指向性を有し、特定の
方向成分の速さしか検出することができないという欠点
があった。

【０００４】本発明はこのような従来の速度測定装置の
問題点に鑑みてなされたものであって、小型で非接触で
あり、無指向性で粒子の方向にかかわらず粒子速度を測
定できる流速測定装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は周期的にクロッ
ク信号を発振するクロック発振器と、クロック発振器の
クロック出力によって駆動され所定の強度分布、ビーム
径を有する光ビームを発生する光源と、光源の光ビーム
を測定領域で集束させる光学手段と、光ビームと散乱光
の受光軸とを実質的に直角に交差させ、測定領域を通過
する粒子からの散乱光を集光し、光源と同一の感度分布
で電気信号に変換する受光手段と、クロック発振器のク
ロックに対応して周期的に得られる受光手段の出力か
ら、所定数以上の散乱光レベルのパルス列を保持するパ
ルス列保持手段と、パルス列保持手段に保持されている
パルス列に基づいてピークを所定値とした包絡線波形を
推定する包絡線推定手段と、包絡線推定手段により推定
された包絡線に対して設定される所定の閾値を越える包
絡線波形の時間を測定する時間測定手段と、時間測定手
段により測定された時間を速度情報に変換する速度変換
手段と、を具備することを特徴とするものである。

【０００６】

【作用】このような特徴を有する本発明によれば、クロ
ック発振器によって周期的に光源を駆動して光学手段に
よって光ビームを測定領域に集束させている。そして測
定領域を通過する微粒子があれば、散乱光が受光手段に
よって受光される。従って光源が断続的に駆動されるた
め測定領域を通過する間には複数の受光信号が得られる
が、そのレベルを所定数以上パルス列保持手段によって
保持する。そしてこのパルス列に基づいて光源の強度分
布と受光手段の感度分布から、ピーク値を所定値とした
パルス波の包絡線波形を推定する。そして推定された包
絡線信号に対して所定の閾値を設定し、この閾値を越え
る時間を測定する。こうすれば測定領域のいずれの点を
通過しても常に中央部分を通過したものと取り扱うこと
ができる。従ってこの時間を測定領域に対応した速度信
号に変換して出力している。

【０００７】

【実施例】図１は本発明の一実施例による流速測定装置
の全体構成を示すブロック図である。本図においてクロ
ック発振器１は周期的にパルス列を発生する発振器であ
って、外部に接続された周波数可変回路２によってその
周期を連続して変化できるように構成される。このクロ
ック信号はＬＤ駆動回路３に与えられる。ＬＤ駆動回路
３は光源であるレーザダイオード４をクロック周波数に
応じて断続的に駆動するものである。レーザダイオード
４により発生した光ビームはコリメータレンズ５によっ
て平行な光ビームに変換され、更に集束レンズ６によっ
て測定領域で所定のビーム径に集束される。ここでコリ
メータレンズ５と集束レンズ６は光源の光ビームを測定
領域に集束する光学手段を構成している。

【０００８】さてこの光ビームと実質的に垂直に方向に
散乱光を集光するための集光レンズ７が設けられる。そ
して集光レンズ７の背後には、受光軸の中心を最も透過
量を大きくしその周囲を連続的に透過量を少なくし、受
光した散乱光の強度を補正するビーム強度補正素子８が
配置される。更にその背後には散乱光を集光するコリメ
ータレンズ９が設けられる。又コリメータレンズ９の焦
点位置には受光素子１０が設けられる。ここでは説明を
容易にするため、受光素子１０は例えば中心付近に微小
なアパチャを介してその範囲内の信号を受光するものと
し、受光範囲では感度分布は一定とする。集光レンズ７
〜受光素子１０は散乱光を所定の感度分布（例えばガウ
ス分布）で受光する受光手段を構成している。

【０００９】受光素子１０は散乱光をそのレベルに対応
した電気信号に変換するものであって、その出力は増幅
器１１を介してＡ／Ｄ変換器１２に与えられる。Ａ／Ｄ
変換器１２にはクロック発振器１のクロックのタイミン
グでサンプリング信号が与えられており、このタイミン
グ毎に増幅器１１の出力をＡ／Ｄ変換するものである。
Ａ／Ｄ変換出力は入力インターフェース１３を介して演
算処理部１４に与えられる。演算処理部１４はＣＰＵと
そのプログラムを記憶するＲＯＭ、及びデータを一次保
持するＲＡＭ等によって構成されている。この演算処理
部１４は連続して得られるパルス列を保持して包絡線を
推定し、それに対応した時間を測定して速度に変換する
ものである。そしてその出力は速度情報を表示するため
の表示器１５に与えられる。

【００１０】次に本実施例の動作について波形図及びフ
ローチャートを参照しつつ説明する。動作を開始する
と、まずクロック発振器１は周波数可変回路２で初期設
定される周期によってクロック信号を発振し、そのタイ
ミングでレーザダイオード４が駆動される。従って測定
領域では所定の周期毎に光ビームが集束されることとな
る。そしてこの測定領域を微小な粒子が通過すれば、集
光レンズ７，ビーム強度補正素子８及びコリメータレン
ズ９を介して受光素子１０に散乱光が得られる。

【００１１】さて本発明では図２（ａ）に示すように、
光ビーム２１の投光軸と散乱光受光範囲２２の受光軸と
を実質的に直角となるように配置している。光ビーム２
１の右端には光ビームの強度分布、受光範囲２２の下端
には受光素子１０を含めた感度分布を示している。そう
すれば図２（ｂ）に測定部分の拡大図を示すように、光
ビーム２１の断面及び受光範囲２２の断面はいずれも円
であるため、受光領域２３は完全な球となる。

【００１２】これに加えてレーザダイオード４の光強度
分布は図２（ａ）に示すように通常ガウス分布であり、
その軸に垂直な距離Ｘに対して光強度の分布Ｉは以下の
式で示される。 Ｉ＝（ exp（−ｘ² ／２））² 通常はこのピーク値に対して exp（−２）のレベル、即
ち13.5％のレベルを光ビームの範囲としている。さて測
定領域２３の球の直径ｄはレンズ６，７の夫々の焦点距
離をｆ、光の波長をλ、コリメータレンズ５により広げ
られた光ビームの直径をＤとすれば、次式で示される。 ｄ＝４ｆλ／πＤ

【００１３】又受光手段の感度分布もこれと同一、即ち
ガウス分布となるようにしておく。そうすれば測定領域
２３の中心をいずれの方向に通過しても、同一の散乱強
度が得られることとなる。

【００１４】さて微粒子がこの測定領域２３の球の中心
を任意の方向に通過したときには、図３（ａ１）に示す
信号が得られる。このパルス列は、光源であるレーザダ
イオード４の強度分布と受光手段の感度分布により定ま
る包絡線波形Ａ１に沿ったパルスであり、点灯するタイ
ミングのレベルを有する信号となっている。そしてこの
粒子が中心ではなく、測定領域２３の周辺を同一の速度
で通過したときには図３（ｂ１）に示すレベルの低い信
号が得られる。又これより小さい粒子が中心を通過した
ときも同じレベルの低い信号が得られる。しかしこれら
はいずれもレーザダイオード４の強度分布と受光手段の
感度分布により定まる包絡線波形Ａ２を有している。又
これより速度の速い微粒子が測定領域２３の中心を通過
した場合には、図３（ｃ１）に示すように包絡線波形Ａ
１を時間軸に縮めた包絡線波形Ａ３に沿ったパルス列と
なる。

【００１５】さて演算処理部１４では動作を開始する
と、まず図４に示すステップ31においてＡ／Ｄ変換器１
２より入力インターフェース１３を介してＡ／Ｄ変換入
力があるかどうかをチェックする。Ａ／Ｄ変換入力があ
ればステップ32に進んで演算処理手段内のメモリにスト
アし、ステップ33に進んでそのパルスが連続しているか
どうかをチェックする。連続している場合にはステップ
31に戻ってＡ／Ｄ変換入力を待受けて同様の処理を繰り
返す。パルスが連続しなくなればステップ34に進んでメ
モリにストアされたパルス数が所定数、例えば４以上か
どうかをチェックする。４以上であればルーチン35に進
んでこのデータ列に一致する分布の曲線を推定する。こ
の曲線は式（１）に示す曲線であって、変数ｘは任意の
値とする。図３の（ａ２）は（ａ１）の波形を正規化し
て包絡線を算出したものであり、（ｂ２），（ｃ２）も
夫々（ｂ１），（ｃ１）の入力パルスの包絡線を推定し
てそのピーク値を一定となるように正規化したものであ
る。そしてルーチン36に進んでピーク値に対して一定の
レベルを閾値として図３（ａ２），（ｂ２），（ｃ２）
に示すように包絡線波形の閾値Ｖthを越える時間を算出
する。

【００１６】そうすれば図３に示すように、微粒子が測
定領域２３の中心を通った場合だけでなくその周辺を通
った場合にも、正規化することによって同一速度であれ
ば全て同一の包絡線波形となり、その時間を測定するこ
とができる。そしてコリメータレンズ５及び９の光径Ｄ
はあらかじめ既知であり、測定領域２３の大きさｄも既
知であるため、これを通過する時間Ｔ１又はＴ２に基づ
いて粒子の速度を測定することができる。この場合には
粒子がどの方向を通過しても、又必ずしも測定領域２３
の中心を通過する必要はなく、その周辺をかすめた場合
にもその速度を検出することができる。従ってルーチン
37において時間を速度信号に変換し、表示器１５によっ
て表示している（ステップ38）。

【００１７】ここでマイクロコンピュータ１４はステッ
プ31〜33において入力インターフェースＢを介して連続
して得られるパルス列をメモリに保持するパルス列保持
手段１６の機能を達成しており、ルーチン35においてこ
うして得られたパルス列に基づいて包絡線波形を推定す
る包絡線推定手段１７の機能を達成している。又ルーチ
ン36, 37において夫々推定された包絡線に基づいて所定
閾値を越える時間を算出する時間測定手段１８、及びこ
の時間をクロック発振器１の周期に基づいて速度に変換
する速度変換手段１９の機能を達成している。

【００１８】さてステップ34において得られたパルス数
が４未満であれば、ステップ39に進んでメモリをクリア
する。そしてステップ40に進んでクロック発振器１のク
ロック周波数を変更する。例えば粒子が高速でありパル
ス数が４未満の場合に、クロック周期を短くすることに
よって必要なクロック数を得るようにしている。こうす
ればステップ31に戻って同様の処理を繰り返すことによ
って、粒子の通過により必要な数のパルス数が得られ
る。以後同様の処理を行うことによって、粒子の速度を
算出することができる。ここでマイクロコンピュータ１
４はステップ39,40においてパルス数が少ないときにク
ロック発振器の周期を変更する周期調整手段２０の機能
を達成している。こうすれば検出領域とは非接触で粒子
の速度を検出することができる。従って粒子が含まれる
流体、例えば空気流の流速や水等の液体の流速を測定す
ることができる。

【００１９】尚本実施例はレーザダイオード４の強度分
布及び受光手段の感度分布をガウス分布としているが、
他の強度分布を有する光源及び受光手段を用いてもよ
い。又本実施例では受光素子１０自体は感度分布がな
く、ビーム強度補正素子８によって感度分布をガウス分
布としているが、受光素子１０自体がガウス分布を有す
るものであればビーム強度補正素子８は不要となる。又
ビーム強度を補正する補正素子８もガウス分布のものに
限らず任意のものを選択することができる。これらの場
合にはその強度分布に対応した特性の包絡線を推定する
ことが必要となる。

【００２０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、測定領域を球形としており、いずれの方向に粒子が
通過した場合にもその速度を検出できる。従って非接触
で無指向性の流速測定装置とすることが可能である。し
かも従来の光ビームを測定領域で交差させる形態の流速
測定装置に比べて、比較的簡単な構成で装置を実現する
ことができるという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による粒子計測装置の全体構
成を示すブロック図である。

【図２】（ａ）は本実施例の光学系と光ビーム及び散乱
光の関係を示す図、（ｂ）は測定領域の拡大図である。

【図３】（ａ１），（ｂ１），（ｃ１）は本実施例によ
り得られる受光信号レベルの変化を示す図、（ａ２），
（ｂ２），（ｃ２）はそのレベルに対応した包絡線の推
定波形を示す図である。

【図４】本実施例の動作を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ クロック発振器 ２ 周波数可変回路 ３ ＬＤ駆動回路 ４ レーザダイオード ５，９ コリメータレンズ ６ 集束レンズ ７ 集光レンズ ８ ビーム強度補正素子 １０ 受光素子 １２ Ａ／Ｄ変換器 １４ 演算処理部 １６ パルス列保持手段 １７ 包絡線推定手段 １８ 時間測定手段 １９ 速度変換手段 ２０ 周期調整手段 ２１ 光ビーム ２２ 受光範囲 ２３ 測定領域

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期的にクロック信号を発振するクロッ
   ク発振器と、 前記クロック発振器のクロック出力によって駆動され所
   定の強度分布、ビーム径を有する光ビームを発生する光
   源と、 前記光源の光ビームを測定領域で集束させる光学手段
   と、 前記光ビームと散乱光の受光軸とを実質的に直角に交差
   させ、前記測定領域を通過する粒子からの散乱光を集光
   し、前記光源と同一の感度分布で電気信号に変換する受
   光手段と、 前記クロック発振器のクロックに対応して周期的に得ら
   れる前記受光手段の出力から、所定数以上の散乱光レベ
   ルのパルス列を保持するパルス列保持手段と、 前記パルス列保持手段に保持されているパルス列に基づ
   いてピークを所定値とした包絡線波形を推定する包絡線
   推定手段と、 前記包絡線推定手段により推定された包絡線に対して設
   定される所定の閾値を越える包絡線波形の時間を測定す
   る時間測定手段と、 前記時間測定手段により測定された時間を速度情報に変
   換する速度変換手段と、を具備することを特徴とする流
   速測定装置。
2. 【請求項２】 連続したパルス列が所定数以下のとき
   に、前記クロック発振器の周期が短くなるように変化さ
   せる周期調整手段を含むものであることを特徴とする請
   求項１記載の流速測定装置。
3. 【請求項３】 前記受光手段は、散乱光の受光軸の中心
   が強く周辺が弱くなるようにビーム強度を補正するビー
   ム強度補正素子を含むものであることを特徴とする請求
   項１又は２記載の流速測定装置。