JPS63252256A - 速度計及び速度処理方式 - 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】 （発明の利用分野） 本発明は、気体／液体に光が強く入射し、その小測定体
積を横切る粒子への光散乱を基礎とした速度測定方法及
び装置に関し、さらに詳細には。

光ファイバの配列、すなわちモザイク配列を用いるが、
光のコヒーレント特性を用いない速度測定方法及び装置
に関する。

（従来の技術） フリンヂレーザ速度計は、現在、強い乱流において三つ
の速度成分を同時に測定することができる。該速度計は
コヒーレントビームを分離するため、非常に複雑でコス
トが高いシステムになっている。ビームは使用に際して
一直線になっていなければならない、さらに通常、ビー
ムによって打たれる壁から１０＋ｎｍ未満の位置では該
速度計は、測定が不可能である。

２点速度計は壁に非常に接近しても測定が可能であるが
流体の乱流が非常に小さい（τυ〈１０％）ときのみ測
定可能である。２線速度計は壁に接近して、より乱流が
大きい流体（１，ｇ２０％）で測定が可能であるけれど
、循環する領域では動作しない、その領域では速度ベク
トルの方向は著しい変動を示し、この変動は、いかなる
粒子も測定されない線に平行に移動するからと理解され
ている。

本発明は、乱流が強い流体で、壁の近接で、極端なにせ
の光がある環境で速度測定を可能にする速度計を提供す
ることを目的とする。さらに、推進システムである空気
供給取入れ口を利用することによって、小形光プローブ
の実際的な開発に至った。

測定体積は、光が強く入射した領域からなり。

ランプによって光が入射することが可能であり、より一
般には焦点のあったレーザビームによって光が入射する
。このビームのコヒーレント特性は用いられない。

従って、本発明は、粒子を帯びた流体の流れにおいて光
が入射する測定体積と前記粒子に光が入射したとき前記
粒子によって散乱された光、前記流体の流れの速度に基
づく測定手段を含み、さらに、光ファイバのモザイク及
び測定体積の平面をモザイク入力平面に投影する光シス
テムであって、モザイク出力が測定手段へ接続されてい
るものを含むことを特徴とする速度計を提供する。

（実施例） 第１図及び第２図について説明する。光が入射する測定
体積１００を横切る粒子によって散乱する光は、光収束
器１０１によって収束され、該光収束器は散乱光を１０
０本の光ファイバからなるモザイクＩＯへ焦点を合わす
。この光ファイバモザイクの入力平面Ｐ工は測定体積に
おける平面Ｐ工′と対になっている。モザイクは、散乱
光を受けた後に空間的にエンコード化し、Ｐ１′平面に
おける流体の速度ベクトルＶの投影を検出し、２速度成
分Ｒ工及びＲ２の同時測定する手段を与える。我々はこ
のようにして二次元速度計を有することになる。例えば
、倍率１０の光収束器１０．３００μｍの直径である測
定体積である場合に各グレーデッドインデックス形ファ
イバは２２０μｍの直径と２００μ禦のコアを有し、フ
ァイバ間の盲場所が極端に制限されることを示す、異な
る方向から体積１００に向ける第２の先受部を加えて、
二つの他の成分Ｒ３及びＲ４が測定可能となり、このよ
うにして３次元速度計を実現することになる。

交互に、Ｒ４及びＲ２は例えば、測定の冗長性を確保す
るために垂直成分として選ぶことが可能である。

実際に、その距離はフリツチ、二点、二線、交叉速度計
と同じように測定体積ではなく受けた光の画像平面の中
にある。

光収束器１０１は、平面Ｐ１における粒子像が各ファイ
バの直径よりも小さいため、顕著な品質（回折によって
制限されるが）からなる必要がある。

ファイバは、第３図に示すようなマトリクスに配列され
るが、別の配列も可能であり、例えば行と列との間の空
間を除くために、ファイバ間隔を半分に等しくなる量ま
でに、１行置き（１列置き）にオフセットすることによ
って第３図から導出するパターンである。

１０□□から１０□。、。までの各ファイバは、その長
さが数ｍであり、光電子増倍管へ、つまり第４図におい
て管２０１□から２０１゜１．へそれぞれ接続される。

光ファイバの各モザイクは（マイクロレンズのモザイク
によって処理され又は処理されていなくとも）それゆえ
、複数の光電子増倍管のバッテリと関連する。

粒子が測定体積１００を通過するとき、関連する複数の
光電子増倍管２０（Ｐ□平而面粒子経路の投影線上のフ
ァイバへ接続したもの）は複数の電気的パルスを供給し
、適切な電気的な処理をすることによって、この複数の
パルスを平面Ｐ、における瞬時速度ベクトルにまでさか
のぼることが可能である。

第２図に示すような速度計において二つの先受部がある
とき、本発明に係るレーザを基本とした光ファイバモザ
イク速度計は、このようにして、各粒子の瞬時速度ベク
トルの絶対値と空間の方向に到達する。

信号対雑音比に関するこの種の速度計の特有の利益は各
光ファイバの介在する各検出器が測定体積（同じ割合で
、近くの壁によって反射される光束）の小さい部分のみ
を“みる”ということに帰し、このようにして著しく雑
音レベルを減少させる。

この特徴は特に価値がある。なぜなら壁の近くのレーザ
速度測定の基本的制約は、にせ光からの連続バックグラ
ウンド雑音によって、光電子増倍管の飽和から生ずる。

他方１粒子が測定体積１００を通過するとき、信号はフ
リツチ型速度計の信号と全く同じである。

というのは平面Ｐ’（体積１００内）におけるモザイク
像は、典型的に２次元フリンヂ型速度計の二重交叉フリ
ンヂ格子の大きさだからである。信号対雑音比の理論的
分析では、最小壁距離が約ｉｎｎであることを示し、実
験によって確認されている。

各ファイバ１０＋、＋は光電子増倍管２０１．、へ接続
されている。ここでｉとｊは１と１０の間にある（第４
図及び第５図）。粒子の通過に応答して、光電子増倍管
のインプットに表われる複数の信号は閾増幅器２１のイ
ンプットへ個別に供給され、該増幅器はそのアウトプッ
ト２２で雑音のない論理信号を渡す。

一定の列の論理信号は、加算器３０のインプットへ供給
され、該加算器は列信号（第５図）を発生する。このよ
うにして発生した１０列の信号は、アドレスエンコーダ
３１のインプットに加えられ該エンコーダがそのインプ
ットの一つでパルスを受けると、粒子の通過に関する列
のアドレスを代表する二進コードを渡す。列信号エンコ
ーダ３１のアウトプットはコンピュータ４５のインプッ
トへ接続されている。一定の行の論理信号は加算器４０
のインプットへ供給され、該加算器は行信号を発生する
。

このようにして発生した１０行の信号はアドレスエンコ
ーダ４１のインプットへ加えられ、該エンコーダは同粒
子の通過に関する行のアドレスを代表する二進コードを
出力する。行信号エンコーダ４１のインプットはコンピ
ュータ４５の別のインプットへ接続される。

エンコーダ３１．４１は、二進アドレスコードで、制御
信号を同期回路４３へ渡し、該同期回路は列と行のアド
レスを同じに捕える時期をトリガーし、タイマ４４をス
タートさせる。該タイマは粒子が通過するに要する時間
１例えば一つのファイバから次のファイバへ又は粒子が
出合う最初のファイバから最後のファイバまでの時間を
測定する。

コンピュータ４５はデータの捕捉、貯蔵をし、乱流を特
徴づけるパラメータはもちろん各粒子と関連する速度、
方向を計算する。信号処理システムの代わりの実施例で
は、光電子増倍管、その閾増幅器は１行及び列を基本と
するよりもむしろ、どのように望まれるパターンを基本
としても関係づけられる１例えば、両者は、前記マトリ
クスに対して４５＠で平行な線に従い１粒子の通過によ
って影響を受けるファイバの座標を別の座標系で得るた
めに、関係づけられる。

第６図について説明する。一定の列の１０本の光ファイ
バは単一で一定の光電子増倍器１２０へ接続される。こ
の場合に、１０本のファイバの雑音は同一の光電子増倍
器で加えられ、このようにして信号対雑音比を下げるこ
とになる。しかしながら１０個の光電子増倍器のみが１
成分に対して要求され、２０個の光電子増倍器のみが２
成分（水平。

垂直）に対して、要求される。他方の設計との比較では
１００個が要求される。しかしながら信号は、第７図に
示すように各ファイバ端で光学的に分離（ビーム分離）
されなければならない。

１００本のファイバのそれぞれによって放出される光束
は二つの同等部分に分けられ、二つの光ファイバＦａｅ
Ｆｂへ送られる。８種ファイバは、第６図に示すように
列によって分類され、１０個の光電子増倍器に供給され
る。ｂ種のファイバは。

行による場合を除き同様に分類され、１０個の他の光電
子増倍器に供給され、そのためこの実施例では２０個の
光電子増倍器に供給される。

第８図は、正方形マトリクスパターンにおける光束のモ
ザイクを示し、中心ファイバすなわち光障壁を形成する
ファイバグループを有し、その送信信号は開始（計数開
始）信号である。このマトリクスは、その周囲にファイ
バを有し、停止（計数停止）信号を送信する他方の光障
壁を形成する。

この停止障壁は正方形状をする閉じた線上にあるがどん
な他の閉じた幾何学的形状でも使用が可能である。

正方形状では、完全なモザイクを横切る粒子は、まず、
考慮されていない停止信号を発生する０次いで粒子は中
心ファイバで開始信号を、周辺ファイバの一つで停止信
号を発生させる。該周辺ファイバは、開始−停止の対を
トリガーする速度ベクトルの絶対値及び方向を測定する
の□に有用である。

この機構が従来の二点速度計に対しての明確な改良であ
る。従来速度計では二点を接続する線の方向を変えるた
めに、乱流での速度ベクトルの角度分布を決定するため
にその組立体を回転することが必要であった。

本発明は二点速度計としてファイバのグループ化又はモ
ザイクである二本のファイバを選択することによっても
使用できる。二点を接続する線の方向は、固定開始ファ
イバ（又はファイバのグループ）を選択することによっ
て、停止信号を与えるファイバを変化させることによっ
て、容易に変化させることができる。このような変化は
、関連する光ファイバからの信号を選択することによっ
てつくられる。

本発明はさらに二線速度計として、二つの列、二つの行
又は二つの対角線から信号をとることによって使用でき
る。

さらに１本発明の速度計は、流体の直接視覚化を提供す
ることができる。この応用では、時間領域のデータは失
われるが粒子の軌跡は光束を時間で積分することによっ
て貯えられる。この目的のため、光電子増倍器はスクリ
ーンで見えるようにするためモザイクパターンに配列さ
れた発光ダイオードに接続される。光フアイバマトリク
スのファイバはイメージインテンシファイア管（例えば
マイクロチャネル）へ接続され該管は電荷移送素子（Ｃ
ＴＤ）のモザイクへ又は写真、ビデオレコーダへインタ
フェイスで接続される。

第９図は本発明の速度計のプローブ形状についての実施
例であり、該プローブは推進システムの空気取入れ口の
流れで測定できるように設計する。

図中の７０は横方向の光の接近を欠く空気スリーブを示
す。唯一の可能な光の接近は、光ファイバ５１及び６１
によって、流れに沿ったスリーブ端を経ることである。

この空気スリーブ内に連結式棒７１がある。該棒の上流
部７２には、放出ヘッド５０及び受はヘッド６０を支持
する据え付は部７３を設ける。該両ヘッドは第１０図又
は第１１図でそれぞれ詳細に説明される。

放出光ヘッドは光ファイバ５１に供給するレーザ５２を
含む。ファイバ５１から離れる発散ビームは、対物レン
ズ５３によって焦点を合わせられ、測定体積１００に集
められる。この実施例での典型的なものの実際の寸法は
以下の通りである。光ファイバ５１は、１００μｍの直
径であり、ビーム初期発散角はα２０．３ラジアンであ
り、対物レンズは焦点距離２０ｍｍであり、直径１０ｎ
ａであり、測定体積は対物レンズから８０ｍｍ離れ、直
径約３００μｍである。

第１１図の６１は、モザイクパターンに配列された１０
０本の光ファイバの束を示す、ファイバはシース６２に
よって束ねられる。モザイクｌロインプツト平面６３は
、カセグレン式反射望遠ｆｉ　６４　、６５の鏡の後方
に用いら九る。この望遠鏡は管状据え付は部６６に固定
され、光ファイバモザイクと離れないようにする。留め
ねじ６７は、カセグレン式反射望遠ｆｉ（エアゾルによ
って散乱される光束の収束器）とファイバモザイクとか
らなる一体の組立体として全体を固定するために用いら
れる。

この例では、望遠鏡は二つのレンズシステム６４及び６
５からなり、適切な屈折率で相互に結合され、第１次及
び第２次鏡をそれぞれ形成する端部に反射表面６４及び
６５を有する。最後に１図中の６８は、プリズムを示し
、その全反射面６９は、第２次鏡６５を支持する望遠鏡
面に結合される。

この機構の典型的な数値については、望遠鏡直径は２０
■で、その倍率がｌＯで、開口６１■（ｆ１５）である
、このことは６４の背面は測定体積から約１００■の位
置にあることを意味する。

第１１図では、放出ヘッド５０及び受はヘッド６０が示
され、該両者は第９図の据え付は部７３によって支持さ
れている。実際に、放出ヘッド５０及び受はヘッド６０
は円筒形ケースに収容され、棒７２によって支持されて
いる。従って、このことは取扱い容易な“ペンスル形”
プローブを提供することになる。

この特有の実施例とはかかわりなく、本発明は流体の流
れの外側で、従来の方法で、窓を通過する流体の媒体へ
向けることによって用いられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一つの光ファイバモザイクを具備
する速度計、第２図は本発明に係る二つの光ファイバモ
ザイクを具備する速度計、第３図はモザイクを形成する
光ファイバのインプット平面、第４図は光ファイバに接
続された光電子増倍器、第５図は電気信号を加算する速
度計の信号処理システムの概略図、第６図及び第７図は
光及び電気信号を加算する速度計信号処理システムの概
略図、第８図は開始ファイバ及び停止ファイバを具備す
る光ファイバモザイク、第９図、第１０図及び第１１図
はそれぞれ本発明ｌこ係る空気取入れ口、速度計の送信
及び受はヘッドである。 １０：光ファイバ、　　　１００：測定体積、２０：光
電子増倍器、　　２１：閾増幅器、３０．４０：加算器
、　　　　３１，４１：アドレスコーダ、４３：同期回
路、　　　　４５：コンピュータ、５０：放出ヘッド１
、　　５１．６１：光ファイバ、５２：レーザ、　　　
　　５３：対物レンズ、　　６４、（ｉ５：カセグレン
式反射望遠鏡、７０：空気スリーブ、　　７１：連結棒
。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）微粒子を含む流体の測定体積と； 前記測定体積へ光を強く入射する手段と； 粒子によって散乱された光から前記流体の速度を導出す
   る手段と； 光ファイバモザイクと； 少なくとも測定体積の対象平面を前記モザイクのインプ
   ット平面に投影する光システムと；光ファイバモザイク
   のアウトプットを前記速度導出手段へ接続する手段とを
   含むことを特徴とする速度計。
2. （２）二つの光ファイバモザイクと； 測定体積の二つの異なった対象平面を前記二つの光ファ
   イバモザイクのインプット平面にそれぞれ投影する二つ
   の光システムと； 光ファイバモザイクのアウトプットを速度成分を導出す
   る手段へ接続する手段とを含むことを特徴とする請求項
   １に記載の速度計。
3. （３）投影光システムが第１次鏡及び第２次鏡を具備す
   るカセグレン式反射望遠鏡であり、光ファイバモザイク
   が望遠鏡第１次鏡の開口部後方に位置することを特徴と
   する請求項１に記載の速度計。
4. （４）複数のモザイク光ファイバのアウトプットが閾増
   幅器へ接続され行列マトリクスに配列された光電子増倍
   器へそれぞれ接続され、前記マトリクスの一つ又は同じ
   列の光電子増倍器の閾増幅器のアウトプットが行信号を
   形成する加算器へ接続され、行信号及び列信号が速度成
   分の値になっていることを特徴とする請求項１に記載の
   速度計。
5. （５）モザイク光ファイバが行列マトリクスで配置され
   ファイバのアウトプットが、共通の行及び列の光電子増
   倍器にまとめて接続される二つの光ファイバに２等分さ
   れることを特徴とする請求項１又は４に記載の速度計。
6. （６）空気投入パイプの流体の速度を測定するために前
   記パイプ内でその長手方向の側面に沿って相互連結部を
   形成する棒と； 前記棒によって形成される支持部と； 前記支持部に取り付けられ、前記パイプへ外部レーザ発
   生器から光ファイバを経て供給される内部レーザ増幅器
   と； 前記支持部に取り付けられた光システム及び光ファイバ
   モザイク、流体の体積平面の像を光ファイバモザイクイ
   ンプット平面に形成する前記光システム、ファイバビー
   ムをモザイクのアウトプットに形成する光ファイバ、空
   気投入パイプ内を通り、速度測定手段へ接続されている
   前記ビームとを含むことを特徴とする速度計。
7. （７）パイプ内に挿入された流体の速度を測定するため
   に外部レーザ発生器、光システム及び光ファイバモザイ
   クに接続された光ファイバを経て供給されるレーザ増幅
   器、流体体積平面の像を光ファイバモザイクインプット
   平面に形成する前記光システム、流体速度測定手段へ接
   続されるビームを形成する光ファイバを含む円筒形ケー
   スの形状である測定プローブを含むことを特徴とする速
   度計。
8. （８）測定体積が微粒子を含む流体で形成され、前記体
   積に光が入射して、光を受けた粒子によってつくられる
   パルスが集められ、そのパルスから流体速度が導出され
   る速度処理方法であって、測定体積平面を光ファイバモ
   ザイクインプット平面へ光投影し； 光電子増倍器をモザイクファイバのアウトプットへ接続
   し； 光電子増倍器によってつくられたパルスから流体の速度
   測定を導出することを特徴とする速度処理方法。