JPH08201413A

JPH08201413A - ２次元流速測定装置

Info

Publication number: JPH08201413A
Application number: JP3420695A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Hamano; 靖徳濱野; Toshiro Fujimori; 俊郎藤森; Shigeru Yamaguchi; 滋山口; Masataka Obara; 正孝小原
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】測定領域に可視域の強い背景光があっても粒
子群と簡単に分別してコントラストのある高精度の測定
ができる２次元流速測定装置を提供すること。【構成】バーナーＢの火炎中の流れＦに粒子Ｐを入
れ、この粒子群１６に対して紫外光パルスレーザー１１
を光学系１７でシート状にして照射して可視化する。そ
して、可視化された粒子群１６の画像をカメラ１８で連
続的やある微少時間ごとに撮影し、粒子群１６の位置の
変化からコンピュータ２０で解析して流速ベクトルを演
算する。測定領域に火炎自体が可視光の発光源として存
在しても紫外光のレーザーを照射するようにして紫外光
透過フィルタ１９で分別し、高いコントラストの粒子群
１６だけの画像を得て流速を求めるようにしている。こ
れにより、大きなパワーのレーザーを照射すること無
く、コントラストの大きい画像を得て粒子群１６の流速
を測定でき、背景光の影響を極力小さくして高精度に測
定できるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、２次元流速測定装置
に関し、火炎中の燃料ガスのような明るい可視光を伴う
流れの２次元流速を背景光によるノイズを低減して高精
度に測定できるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】燃焼の基礎解析を行う手法の一つとして
火炎中の燃料ガスの流速を計測する必要がある場合があ
り、種々の流速測定装置が用いられている。

【０００３】従来から使用されている流速測定装置とし
て、例えばピトー管やレーザードップラー流速計（ＬＤ
Ｖ）が使用されているが、これらの流速測定装置はいず
れもある点の流速が測定できるに過ぎず、平面内での流
速（大きさと方向）の同時計測ができない。

【０００４】そこで、平面内の流れの流速を測定できる
２次元流速測定装置として、ＰＩＶ装置（Particle Ima
ge Velocimetry）が開発されており、その測定原理を示
す図３（ａ）のように、測定対象の流れＦにトレーサと
なる微小粒子Ｐを入れ、この粒子群１に対してレーザー
光源２，２から光学系３を用いてシート状に照射して流
れＦ内の粒子群１を可視化し、この可視化した粒子群１
を所定時間ごとにカメラ４などで撮影して画像を得る。
そして、同図（ｂ）に示すように、撮影時の異なる画像
５を解析して粒子Ｐの速度ベクトルＶから演算によって
流速を求めるものである。

【０００５】このＰＩＶ装置によれば、平面内の流れＦ
に入れた粒子群１を可視化して粒子群１の画像５から２
次元の平面内での流速を測定できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来、このＰＩＶ装置
では、粒子群１を可視化するため照射するレーザー光源
２，２としてＮd ：ＹＡＧレーザーの第２高調波が用い
られ、波長５３２nmの可視光のレーザーをシート状にし
て照射するようにしている。

【０００７】そこで、この可視光のレーザーをシート状
に照射して火炎中の燃料ガスの流れの流速を測定しよう
とすると、測定領域に粒子群以外に火炎自体が発光源と
して存在するため、火炎自体とレーザーで可視化された
火炎中の粒子群との分別が困難で火炎自体がノイズ源と
なって測定精度が低下してしまうという問題がある。

【０００８】このような火炎の波長領域は、例えば図４
（ａ）に示すようなヴォルフハルト・パーカーバーナ６
を用いてプロパン酸素拡散火炎を作り、その上端中央を
原点とする直交座標を想定し、高さｙが10mmのところの
火炎の発光スペクトルをｘ軸上の位置を変えて求める
と、同図（ｂ）に示すように、一般的な赤い炎（ｘ＝1.
5mm ）では、主として４００nm以上の可視光領域であ
り、特別な青い炎（ｘ＝-1.9mm）では、青から緑の可視
光領域とそれより弱い紫外領域からなる。

【０００９】なお、図中のｘ＝0.5mm のところは火炎の
ない領域である。

【００１０】また、火炎を伴う測定以外の場合でも計測
対象の周囲の明るさが背景光となり、この背景光が粒子
群の画像のコントラストを低下させてしまい、これによ
っても測定精度が低下するばかりか、測定対象が可視光
の少ないものに限られてしまうという問題が生じる。

【００１１】このため、粒子群を可視化するためのレー
ザーの強さを増大し、コントラストを高める必要があ
り、レーザー装置を大型化しなければならず、ＰＩＶ装
置の大型化を招き、一般的な計測装置として用いるのに
不適当となるという問題が生じていた。

【００１２】この発明は上記従来技術の問題点に鑑みて
なされたもので、測定領域に可視光の発光源があっても
粒子群と簡単に分別することができ、コントラストを低
下させること無く精度良く測定することができる２次元
流速測定装置を提供しようとするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
この発明の請求項１記載の２次元流速測定装置は、可視
光の背景光を有する流れを測定対象とする２次元流速測
定装置であって、光源としての紫外光をパルス状に照射
するレーザーと、前記測定対象となる流れに入れられる
粒子群と、前記紫外光パスルレーザーを前記測定対象の
粒子群にシート状に照射するレーザー照射手段と、この
レーザー照射手段で照射されたシート状のレーザー光上
の粒子群の画像を所定時間ごとに撮影する画像撮影手段
と、この画像撮影手段で撮影された複数の画像から粒子
群の位置の変化を求めて流速を演算する画像解析手段と
からなることを特徴とするものである。

【００１４】また、請求項２記載の２次元流速測定装置
によれば、請求項１記載の構成に加え、前記画像撮影手
段に紫外光だけを透過するフィルタを設置して構成した
ことを特徴とするものである。

【００１５】

【作用】この２次元流速測定装置によれば、測定対象で
ある可視光の背景光を有する流れに粒子を入れ、この粒
子群に対して光源としての紫外光パルスレーザーをレー
ザー照射手段でシート状にして照射して可視化するよう
にし、可視化された粒子群の画像を画像撮影手段で連続
的やある微少時間ごとの所定時間ごとに撮影し、粒子群
の位置の変化から画像解析手段で流速を演算するように
しており、火炎を測定対象とする場合のように、測定領
域に火炎自体が可視光の発光源として存在しても紫外光
のレーザーを照射するようにして紫外光透過フィルタ等
で火炎と粒子群を分別し、高いコントラストの粒子群だ
けの画像を得て流速を求めることができるようにしてい
る。

【００１６】これにより、大きなパワーのレーザーを照
射すること無く、コントラストの大きい画像を得て粒子
群の流速を測定することができるとともに、背景光の影
響を極力小さくして高精度に測定することができるよう
になる。

【００１７】また、請求項２記載の２次元流速測定装置
によれば、画像撮影手段に紫外光のみを透過するフィル
タを設置するようにしており、背景光となる可視光線等
の影響がない測定対象の粒子のみを鮮明に撮影すること
ができ、一層高精度に測定することができるようにな
る。

【００１８】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図面に基づき詳
細に説明する。図１はこの発明の２次元流速測定装置の
一実施例にかかる概略構成図である。

【００１９】この２次元流速測定装置１０は、図１に示
すように、可視光を発光する流れの一例であるバーナー
Ｂの火炎中の燃料ガスの２次元流速の測定に用いられ
る。

【００２０】この発光流の２次元流速測定装置１０は、
流れを可視化するための光源として２台の紫外線領域の
光を発する紫外光レーザー１１，１１が備えられてお
り、例えばＹＡＧレーザーの３倍波を用いたり、Ｎ2 レ
ーザーや希ガスとハロゲンとの間の励起状態化合物を与
える混合ガスを用いるエキシマレーザーが用いられ、装
置のコンパクト化を図るため、図１に示すように、上下
方向に配置されてフレーム１２に取付けられ、上方にレ
ーザーを発するようにしてある。

【００２１】また、これら２台の紫外線領域の光を発す
る紫外光パルスレーザー１１，１１を運転するためフレ
ーム１２にレーザー電源１３とレーザー用熱交換器１４
が搭載されるとともに、制御装置１５が搭載してある。

【００２２】これら２台の紫外光パルスレーザー１１，
１１から発せられた紫外線領域の光は、測定対象の流れ
Ｆに入れたトレーサとしての微小な粒子Ｐの粒子群１６
にシート状に照射するためレーザー照射手段としての光
学系１７に送られるようになっている。このレーザー照
射手段としての光学系１７は、２つのレーザー光を結合
して１つの連続パルス発光ビームを作る結合光学部と、
シート状の光を作るシリンドリカルレンズ及び球面レン
ズと、回転機構を備えたミラー等とで構成されている。

【００２３】こうしてレーザー照射手段としての光学系
１７によってシート状にされた紫外線領域のレーザービ
ームはバーナーＢの火炎中の燃料ガスに入れた粒子Ｐに
照射され、粒子群１６を可視化（ここでは、紫外線領域
のレーザーが照射されるので、そのまま肉眼で見ること
ができる状態となっているものでない）する。

【００２４】こうして紫外光で可視化した粒子群１６
は、所定時間毎に撮影する画像撮影手段を構成するカメ
ラ１８で撮影される。このカメラ１８では、紫外光のみ
を透過させることができるフィルタ１９を介して撮影さ
れ、背景の光やバーナーＢの火炎自体の発光による光を
分別した状態で撮影する。このカメラ１８としては、粒
子画像の空間分解能の高い方が良いことから通常のフィ
ルムを用いるカメラが使用されるが、ＣＣＤカメラを用
いるようにすることもできる。

【００２５】このカメラ１８での粒子群１６の微少時間
ごとの撮影は、制御装置１５により、同期制御回路を用
いてコントロールされ、最初のレーザーパルス発光、イ
メージシフト用ミラーの駆動、カメラの露光開始の同期
などの制御が行われ、適切な連続パルス光による粒子写
真画像が得られる。

【００２６】こうして得られた粒子写真画像は、画像解
析手段としてのコンピュータ２０にて解析され、２次元
での流速が演算される。

【００２７】すなわち、この粒子写真画像からデジタル
画像が作られ、このデジタル画像に基づいて粒子画像デ
ータを２回の２次元高速フーリエ変換演算処理により空
間相関演算を行って変位量を求めたり、あるいは最初は
光学的フーリエ変換でヤング縞の形成を行い、さらに１
回の高速フーリエ変換処理を行って変位量と、イメージ
シフト量、パスル時間間隔からの粒子の速度が決定され
るが、実際には、粒子画像フィルムを微小領域に区分・
探査し、小出力のレーザーを照射して粒子対の直接画像
ないしはヤング干渉縞の模様をＣＩＤカメラで捉え、コ
ンピュータ処理で自動的に速度に変換することが行われ
る。

【００２８】このようにバーナーＢの火炎中の燃料ガス
に微小なトレーサとしての粒子Ｐ（粒径１〜２０ミクロ
ン）を入れてこれに紫外線領域のレーザー光をシート状
に照射し、これを紫外線透過フィルタを介してカメラで
撮影して画像を得、これを解析して２次元流速を求める
ようにしているので、ある瞬間の粒子群の画像と、微少
時間後の粒子群の画像から、粒子の位置の変位が判り、
流速を求めることができる。

【００２９】また、測定領域に火炎のような発光源があ
っても紫外線領域のレーザー光を照射するようにしてい
るので、可視光線を通さず、紫外光だけを透過するフィ
ルタを用いて撮影することで、粒子群の鮮明な画像を得
ることができるとともに、背景の光の影響も極力減らす
ことができる。

【００３０】したがって、粒子群の２次元流速を高精度
に計測することができる。なお、実験では、バーナーの
火炎に波長３０８nmの紫外レーザーを照射し、火炎中の
粒子をカメラで撮影したところ、フィルタを使用しない
場合や５３２nmのバンドパスフィルタを使用した場合に
は、火炎が背景光として残るのに対し、３１０nmのバン
ドパスフィルタを使用して撮影した場合には、火炎がほ
とんど見えなくなり、粒子だけを撮影できることを確認
している。

【００３１】次に、この２次元流速測定装置１０を用い
て燃焼解析を行う場合の一つとして、重力の影響を無く
すため微小重力実験用の落下装置に搭載した場合を図２
に示した。

【００３２】この微小重力実験用の落下装置では、実験
装置が搭載される内カプセル２１内に燃焼試験用のバー
ナーＢとともに２次元流速測定装置１０が搭載され、バ
ーナーＢと一体にカメラ１８が取付けられ、制御装置１
５によって流速の測定が制御される。

【００３３】この発光流の２次元流速測定装置１０は、
小型コンパクトに構成されているので、落下試験用のカ
プセル内にも十分搭載することができ、微小重力下での
火炎中の燃料ガスの流速を測定することによって重力の
影響の無い状態を再現でき、燃焼解析に貢献できる。

【００３４】

【発明の効果】以上、一実施例とともに具体的に説明し
たようにこの発明の２次元流速測定装置によれば、測定
対象である可視光の背景光を有する流れに粒子を入れ、
この粒子群に対して光源としての紫外光パルスレーザー
をレーザー照射手段でシート状にして照射して可視化す
るようにし、可視化された粒子群の画像を画像撮影手段
で連続的やある微少時間ごとの所定時間ごとに撮影し、
粒子群の位置の変化から画像解析手段で流速を演算する
ようにしたので、火炎を測定対象とする場合のように、
測定領域に火炎自体が可視光の発光源として存在しても
紫外光のレーザーを照射するようにして紫外光透過フィ
ルタ等で火炎と粒子群を分別し、高いコントラストで粒
子群だけの画像を得て流速を求めることができる。

【００３５】これにより、大きなパワーのレーザーを照
射すること無く、コントラストの高い画像を得て粒子群
の流速を測定することができるとともに、背景光の影響
を極力小さくして高精度に測定することができる。

【００３６】また、この発明の請求項２記載の２次元流
速測定装置によれば、画像撮影手段に紫外光のみを透過
するフィルタを設置するようにしたので、背景光となる
可視光線等の影響がない測定対象の粒子のみを高いコン
トラストで鮮明に撮影することができ、一層高精度に測
定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の２次元流速測定装置の一実施例の概
略構成図である。

【図２】この発明の２次元流速測定装置を微小重力実験
用の落下装置に搭載した場合の一実施例にかかる概略断
面図である。

【図３】この発明の２次元流速測定装置の測定原理の説
明図である。

【図４】この発明の２次元流速測定装置の測定対象の一
例の火炎を発するバーナーと発光スペクトルの説明図で
ある。

【符号の説明】

１０２次元流速測定装置１１紫外光パスルレーザー１２フレーム１３レーザー電源１４レーザー用熱交換器１５制御装置１６粒子群１７光学系（レーザー照射手段）１８カメラ（画像撮影手段）１９フィルタ（紫外線のみ透過）２０コンピュータ（画像解析手段）ＢバーナーＦ流れ（測定対象）Ｐ粒子（トレーサ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小原正孝神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地石川島播磨重工業株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可視光の背景光を有する流れを測定対象と
する２次元流速測定装置であって、光源としての紫外光
をパルス状に照射するレーザーと、前記測定対象となる
流れに入れられる粒子群と、前記紫外光パスルレーザー
を前記測定対象の粒子群にシート状に照射するレーザー
照射手段と、このレーザー照射手段で照射されたシート
状のレーザー光上の粒子群の画像を所定時間ごとに撮影
する画像撮影手段と、この画像撮影手段で撮影された複
数の画像から粒子群の位置の変化を求めて流速を演算す
る画像解析手段とからなることを特徴とする２次元流速
測定装置。
【請求項２】前記画像撮影手段に紫外光だけを透過する
フィルタを設置して構成したことを特徴とする請求項１
記載の２次元流速測定装置。