JPS63281017A - 流速測定装置 - 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］ 本発明は流速測定装置、さらに詳細には導管内を流れる
微粒子を含んだ流体に前方から光を照射し、微粒子から
の散乱光を後方から受光し流体の流速を測定する流速測
定装置に関する。

〔従来の技術］ 従来、ガラス管等の導管内部を流れる流体の流速測定、
特に管径がｌａｍ以下の微小細管内の流速測定方法とし
て、光を利用したレーザードツプラー法、空間フィルタ
ー法、２点相関法等の非接触無侵Ｉ測定法が知られてい
る。

［発明が解決しようとする問題点］ レーザードツプラー法は管内の測定しようとする領域に
レーザー光をしぼり込み、そこからの散乱光のドツプラ
ーシフトを検出する方式で、空間分解能や測定精度に優
れている反面、光学系の制約がきびしくアライメントが
難かしくて使いにくいなどの欠点がある０例えば、管内
の測定位置を変更する場合、光学系全体を移動させるか
、逆に対象を走査する必要があって面倒であった。

また空間フィルター法や２点相関法は１粒子像が一定間
隔の格子を横切る速度、あるいは一点間隔離れた２点を
横切る速度を光量変化で検出することで求める方式であ
るが、散乱光強度を得るためレーザードツプラー法同様
、測定領域にレーザー光をしぼり込む方式がこれまで一
般的であった。従って測定位置の変更には、やはり光学
系か対象のどちらかを移動させる必要があり、調整が面
倒であった。

一方、対象が微小領域であるため、しばしば顕微鏡対物
レンズによる拡大が行なわれるが、対物レンズの作動距
離は一般に倍率と共に短くなり対象に近接させるときに
、機械的制約から対象に近づけられないと、高倍率の対
物レンズが使用できないという問題点もあった。

従って、本発明はこのような問題点を解決するためにな
されたもので、簡単な構成で測定位置の変更ができ精度
のよい流速測定が可能な流速測定装置を提供することを
目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明はこのような目的を達成するために、導管内を流
れる微粒子を含んだ流体に前方から光を照射し微粒子か
らの散乱光を後方から検出して、流体の流速を測定する
流速測定装置において。

前方から導管を照明する照明光学系と、前記照明光学系
の光軸上で導管後方に配置され、物体の空間周波数面に
光学的空間周波数フィルタを有する二重回折光学系と、
前記二重回折光学系により受光されフィルタリングされ
た微粒子の散乱光による微粒子像を導管全断面像ととも
に拡大して結像する拡大光学系と、前記拡大光学系の結
像面に配置された検出開口と、前記検出開口を拡大導管
像内の所望位置に移動させる手段と、前記検出開口を介
して粒子像を検出する光検出手段と、前記光検出手段か
らの出力信号に従って流速を演算する信号処理回路とを
備え、前記検出開口を移動させることにより視野断面内
の測定位置を変化させる構成を採用した。

［作　用］ このような構成において、導管の管径方向に沿って全体
に一様強度で照明が行なわれる。管内の視野断面内の管
径方向のどの位置の粒子像でも常に結像されており、測
定位置の変更は拡大された像面上に設置する検出開口の
位置を変えるだけで行なえるように構成される。また一
様照明でも十分に散乱光強度を得るように、照明、検出
光学系の光軸を一致させて前方散乱光を受光する構成に
なっている。また受光系においては、散乱光を一度作動
距離が十分にとれる通常の二重回折光学系で結像し、こ
の空間像を顕微鏡系で拡大することによって対物レンズ
の作動距離の短かさによる使用倍率の制限をなくした。

従って細管内の流速の管径方向に沿った測定位置の変更
が簡単な操作で済み、また高倍率の対物レンズも必要に
応じて使用できるため実用上、大変取り扱い易い装置と
なる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に従い、本発明の詳細な説明す
る。

第１図は本発明の測定装置全体の概略図であり、光源に
レーザーを用いた例を示す、レーザー光源ｌから放出さ
れる光はレンズ２で一度収束した後発散される。この発
散光をレンズ３で十分に広がった光束の平行ビームに変
換した後、絞り４を介して微粒子５ａが流れるガラス管
５を照明する。絞り４はガラス管５の管径と同程度以上
の径の開口４ａを有し、ガラス管は管径方向Ｈに沿って
全体がほぼ一様な強度で照射される。この様子が第２図
に概略図示されている。

ガラス管内を流れる被測定流体中の微小粒子５ａによっ
て散乱された光は第１図のレンズ７、レンズ９からなる
二重回折系によって像面ｌＯに移動する粒子像が形成さ
れる。レンズ７、レンズ９の各焦点距離をＦａ、Ｆｂと
すると、二重回折系は図中に示すごとく、ガラス管５の
管内の対象位置とレンズ７、空間周波数フィルター８の
各間をＦａに設置し、空間周波数フィルター８、レンズ
９、像面１０の各間をＦｂに設定することで構成される
。この二重回折系を用いることで空間周波数面に空間周
波数フィルター８を設定でき、像面１０にはフィルタリ
ングされた像が形成できる０例えば第３図に示すごとく
、中心の遮蔽部分８ａは直流光を含む低周波成分の光を
カットでき、外側の遮蔽部分８ｂは不要な高周波ノイズ
光をカットできる。これらの径は目的の状況において最
良な像を得るように調整することができる。

また像面ｌＯの像の倍率はＦａとＦｂの比によって任意
に設定できる。この検出光学系の光軸６′は第２図に示
すごとく照明光学系の光軸６と一致しており、両光学系
は一線上にあるため、微小粒子の前方散乱光を利用する
ように構成されている。従って十分な散乱強度がとれる
ためレーザードツプラー法のように１点にビームを集光
する必要はなく、管全体を照射し、全体の像を形成する
ことができる。また前方散乱を利用するために生じる直
流（通過）光や、ガラス管５の壁面散乱光は空間周波数
フィルター８で効果的に除去される。

像面ｌＯに形成された粒子像は一対の対物レンズｌｌａ
と接眼レンズｆｌｂからなる顕微鏡（拡大）光学系１１
によって拡大され、検出面に設置した検出開口１３上に
改めて再結像する。拡大された粒子像が検出開口１３を
横切って移動するのに伴って生ずる光量変化を集光レン
ズ１４を介して光電子増倍管（フォトマル）１５等の光
検出器で受光し、出力信号は信号処理回路３０に送られ
る。

一方顕微鏡接眼しンズｌｌｂを出射した光はハーフミラ
−１２を介して一部反射され、中心が検出開口１３の中
心と一致した十字線状レチクル１６を介して、接眼レン
ズ１７で観測者１８が拡大粒子像を目視観察できる。な
お、レチクル１６は後に述べるように検出開口１３と連
動している０ｗＪ微鏡対物レンしｌｌａは像面１０上の
空間像をとらえるため、第４図に示すような高倍率で作
動距離Ｄ（対物レンズ先端部１１ａ′から対象物フォー
カス面２１までの距離）が短いレンズの場合でも、対象
面がフォーカス面にくるようにいくらでも近接可能であ
る。これを直接ガラス管５に対物レンズｌｌａを近接さ
せて拡大像を得ようとすると、状況によっては機械的制
約から対象面をフォーカス面にもってくる。ことができ
ない場合が生じていたが、本発明ではこの問題が解決で
きるため、実用上大きな利点となる。

出力信号は第５図に示す信号処理回路３０に送られ、増
幅器３１で増幅され、電気的フィルター３２で不要信号
が除去されて相関器３３に送られる。相関器３３で得ら
れた相関関数データはマイクロコンピュータ３４で必要
な相関時間が算出され速度が決定される。結果はＣＲＴ
ディスプレイ３５やプリンタ３６に出力される。光子相
関処理を行なう場合は、光電子増倍管１５に光子計数用
を使用し、第６図のごと〈出力パルス信号は光子計数ユ
ニット３１′を介して広帯域増幅器３１で増幅した後、
相関器３３で光子相関関数が得られ、あとは第５図の場
合と同様に処理される。

拡大像は照明光学系と同一光軸上で形成されるので、検
出開口１３の面には第７図（Ａ）のごとくガラス管内視
野断面像が見え上下にガラス管壁像５′が見える。そこ
で第７図（Ｂ）のように視野断面内の所望の測定位置に
検出開口１３を設置する。検出開口は像が移動する方向
の長さをし、管径方向の幅をＷとする０位置設定は、レ
チクル１６を用いて行なう、即ち第７図（Ｂ）に示すレ
チクル１６の十字線（ｘ−ｙ）１６ａの交差中心原点１
６ｂが検出開口１３の中心に一致し、両者は連動してｘ
、Ｙ方向のシフト及び回転が可能になっている。測定者
は接眼レンズ１７を介して拡大像を見ながら所望の位置
にレチクル１６の中心をもってくるだけで、検出開口１
３が簡単に設定できるので非常に取り扱い易い０例えば
レチクル中心を管壁付近に合わせると、検出開口１３は
第７図（Ｂ）の１３’の泣きに設定できる０幅Ｗは管径
方向の栄域を制限しているので空間分解能を上げるため
にはＷを小さくする必要がある。

次に、今１個の粒子像が速度Ｖで幅がＬの開口を横切っ
ていったとすると理想的にはＴ　＝　Ｌ　／　ｖに相当
する時間幅Ｔの方形波信号が得られ、その自己相関関数
は第８図（Ａ）のようになる、相関値がゼロになる点ま
での遅れ時間がこの場合の相関時間τａであり、τａ　
＝　Ｔ　＝　Ｌ　／　ｖとなる。

従ってτａを測定することでＶが求まり、光学系倍率で
割れば実際の流速が求まる。

しかし、実際には粒子像は有限の広がりを持ち（無限小
の点ではない）、次々と到来してくるため自己相関関数
は理論値からずれて第８図（Ｂ）のようになる、そこで
相関値が局になる遅れ時間をτａ　／　２としてτａを
求めればよい、更に精度を確定するには補正計数Ｃをτ
ａにかけてやりＣＴａをτａの代わりに用いる。補正係
数Ｃは実験的にあらかじめ一度較正しておくだけで良い
。

なお相関時間τａは検出矩形開口１３の長さＬを変えて
も変化するため、相関器３３が相関値を演算する時の単
位時間となるサンプル時間の設定を長さしを調整するこ
とで広範囲の中から選択できるという利点がある０通常
は取り扱う対象信号の周波数帯域で一意的に決まってし
まっていた。

次に他の検出開口の実施例を説明する。第７図（Ｂ）に
示す検出開口１３の代わりに第９図（Ａ）に示すように
、像の移動方向（図中のＸ軸方向）に沿って同一な２つ
の検出矩形開口１９ａと１９ｂを一定間隔ｄだけ離して
設置する。これらを透過した光を１つの光電子増倍管で
受光し出力信号の自己相関関数を求めると第９図（Ｂ）
のようになる、この場合、２番目のピークＰまでの遅れ
時間が相関時間τｂとなる。τｂ　＝　ｄ　／　ｖの関
係があるので、τｂを測定することによって流速を決定
することができる。

さらに、第９図（Ａ）　で各開口１９ａと１９ｂを透過
した光を第１θ図に示すごとく各々別の光電子増倍管１
５ａと１５ｂで受光し、各出力信号（ａ）と（ｂ）を信
号処理回路３０′に送って第１１図のごとく増幅器３１
ａ、３１ｂ、フィルター３２ａ、３２ｂを通した後１両
信号の相互相関関数を相関器３３で求めると第１３図の
ようになる。この場合も相関のピークまでの遅れ時間が
相関時間τｂとなる。

光子相関処理を行なう時は光電子増倍管１５ａ、１５ｂ
に光子計数用を使用し、出力パルス信号（ａ′）と（ｂ
′）は各々第１２図に図示したごとく光子計数ユニット
３１ａ’と３１ｂ′、増幅器３１ａと３１ｂを介して相
関器３３で光子相関関数が得られ、あとは第１１図と同
様な処理がなされる。

２開口を用いると第９図（Ｂ）あるいは第１３図のごと
くピークとしてはっきり分かるため、粒子像が有限な広
がりを有し、複数個法々と到来してくるような実際の場
合でもピークは全体に広がるが中心を読みとれば良く、
検出開口が一つの第８図（Ｂ）の場合に比べて測定精度
が向上し、較正も必要なくなる。特に第９図の実施例は
１つの光検出器で十分なため簡単で実用的である。これ
らの場合も相関器３３のサンプル時間は２開口間の間隔
ｄを調整することで設定の自由度が増す。

さらに他の方法として、第７図（Ｂ）の検出矩形開口１
３の代わりに第１４図（Ａ）および（Ｂ）に示すごとく
矩形状マスク内にスリット列２０ａのような格子縞を有
する格子状空間フィルター２０を、格子縞が像の移動方
向と直角になるように設置し、格子を透過した光を受光
検出して得られる信号の自己相関関数を求める。出力信
号の直流分を含む低周波成分を除去しないで測定した場
合第１５図（Ａ）のようにピークが繰り返す分布を示す
、この繰り返し時間が相関時間τＣであり、ｆｃ　＝　
Ｐ　／　ｖとなる。ここでＰは第１４図（Ｂ）に示すご
とく空間フィルター２０の縞間隔である。そこでτＣｔ
−測定することにより流速を決定することができる。一
方ここでは、信号のパワースペクトルを求めると第１５
図（Ｂ）となり、２番目のビムクの中心周波数ｆｃはｆ
ｃ＝ｌ／τｃ　＝　ｖ　／　Ｐとなるため、ｆｃを求め
ることによっても流速を決定することができる。空間フ
ィルターを用いる場合も、相関時間τＣ１あるいはピー
ク周波数ｆｃを決めやすく第８図（Ｂ）のような１検出
矩形間口による結果でのあいまいさがない分だけ、測定
結果の精度も良好になる。

また縞間隔ｐを変えれば、相関器のサンプル時間やパワ
ースペクトルの周波数レンジを広範囲に選択できる点は
先述の方法と同様である。

本発明にて対象流体の奥行方向の領域制限は検出光学系
の焦点深度を浅くすることで行なう、また光源にはレー
ザー光以外の通常の白色光等を使うこともできる。対象
ガラス管は本発明が特に１ｍｍ〜５００　Ｂｍ以下の管
径の場合に効果的であることから、一般に毛細管等に利
用することができる。散乱粒子は例えば１０ＩＬｍφ程
度のポリスチレンラテックス粒子等を混入すると効果的
だが、勿論自然な浮遊粒子でも良好に測定できることは
言うまでもない、結像の収差が問題となるときは二重回
折系のレンズ７やレンズ９に写真機用の組み合わせレン
ズを用いることもできる０本発明は光源にレーザー光を
用いて流体移動に伴なう像面スペックルの並進を観測し
て流速を求める場合にも適用できる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、拡大した対象像を
単純構造の検出開口で観察して相関をとるという原理的
に全く簡単な構成で、１ｍｍφ以下の微小細管内の流速
測定が可能になる。しかも測定位置が従来の光利用微小
細管内流速測定法（レーザードツプラー法等）に比べ非
常に簡単に変更、設定可能であり、光干渉効果を使って
いないことから機械的構成も簡単になり、取り扱い易く
、極めて実用的な流速測定装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の概略構成を示した構成図、第２図
は照明光学系による導管の均一な照明状態を示した概略
斜視図、第３図は空間周波数フィルタの説明図、第４図
は顕微鏡光学系の作動距離を示した説明図、第５図、第
６図は信号処理回路の異なる実施例を示したブロック図
、第７図（Ａ）はＥ＊鏡先光学系拡大像を示した説明図
、第７図（Ｂ）はレチクルと検出開口による拡大像の測
定状態を示した説明図、第８図（Ａ）。 （Ｂ）は一つの検出開口による自己相関関数の特性図、
第９図（Ａ）は二つの検出開口による測定を示した説明
図、：４９図（Ｂ）は第９図（Ａ）より得られる信号の
自己相関関数を示した特性図、第１Ｏ図は二つの検出開
口からの得られる信号を別々の光検出器で検出する実施
例の構成図、第１１図、第１２図は第１０図の実施例に
用いられる信号処理回路の異なる実施例を示した構成図
、第１３図は第１１図、第１２図の回路で得られる信号
の相互相関関数を示した特性図、第１４図（Ａ）、（Ｂ
）は格子状空間フィルタを検出開口とした実施例の説明
図、第１５図（Ａ）、（Ｂ）は、格子状空間フィルタに
より得る信号の相関関数及びパワースペクトルを示した
特性図である。 １・・・レーザー光源　　４・・・絞り５・・・ガラス
管　　　　８・・・空間周波数フィルタ１１・・・顕微
鏡光学系　１３・・・検出開口１６・・・レチクル 第５図 第６図 ■ （Ａ）　　　　　　　　　　　（Ｂ） 第８図 ■ 第９図 第１０図 第１１図 第１２図 」−一　　　記ＩＪ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）導管内を流れる微粒子を含んだ流体に前方から光を
   照射し微粒子からの散乱光を後方から検出して、流体の
   流速を測定する流速測定装置において、 前方から導管を照明する照明光学系と、 前記照明光学系の光軸上で導管後方に配置され、物体の
   空間周波数面に光学的空間周波数フィルタを有する二重
   回折光学系と、 前記二重回折光学系により受光されフィルタリングされ
   た微粒子の散乱光による微粒子像を導管全断面像ととも
   に拡大して結像する拡大光学系と、 前記拡大光学系の結像面に配置された検出開口と、 前記検出開口を拡大導管像内の所望位置に移動させる手
   段と、 前記検出開口を介して粒子像を検出する光検出手段と、 前記光検出手段からの出力信号に従って流速を演算する
   信号処理回路とを備え、 前記検出開口を移動させることにより視野断面内の測定
   位置を変化させることを特徴とする流速測定装置。 ２）前記検出開口は一つの矩形開口である特許請求の範
   囲第１項に記載の流速測定装置。 ３）前記信号処理回路は光検出手段の出力信号の自己相
   関関数から微粒子像の速度と検出開口の大きさで定まる
   相関時間を測定し流速を演算する特許請求の範囲第２項
   に記載の流速測定装置。 ４）前記検出開口は、拡大粒子像の移動方向に沿って所
   定距離隔てて配置された二つの矩形状開口である特許請
   求の範囲第１項に記載の流速測定装置。 ５）前記信号処理回路は光検出手段の出力信号の自己相
   関関数から微粒子像の速度と二つの検出開口間隔で定ま
   る相関時間を測定して流速を演算する特許請求の範囲第
   ４項に記載の流速測定装置。 ６）前記二つの検出開口にそれぞれ対応して光検出手段
   を設け、各光検出手段からの出力信号の相互相関関数か
   ら微粒子速度と二つの検出開口の間隔で決まる相関時間
   を測定して流速を演算する特許請求の範囲第４項に記載
   の流速測定装置。 ７）前記検出開口は、格子縞が微粒子像の移動方向とほ
   ぼ直角になるように配置された格子状空間フィルタであ
   る特許請求の範囲第１項に記載の流速測定装置。 ８）前記格子を透過した光を光検出手段で受光して得ら
   れる信号の自己相関関数から速度と格子間隔で決まる相
   関時間を測定して、あるいは信号のパワースペクトルか
   ら速度と格子間隔で決まる中心周波数を測定して流速を
   演算する特許請求の範囲第７項に記載の流速測定装置。 ９）前記照明光学系は、導管の管径方向にほぼ均一な強
   度で導管を照明する特許請求の範囲第１項から第８項ま
   でのいずれか１項に記載の流速測定装置。 １０）前記照明光学系の照明光源がレーザー光源である
   特許請求の範囲第１項から第９項までのいずれか１項に
   記載の流速測定装置。