WO2012124062A1

WO2012124062A1 - 流量計測装置

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Publication number: WO2012124062A1
Application number: PCT/JP2011/056104
Authority: WO
Inventors: 敏邦黒川
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2012-09-20
Also published as: CN103443594A; JPWO2012124062A1; EP2687829A1; CN103443594B; JP5729463B2; US20140002640A1; US9562797B2; EP2687829A4

Abstract

　排ガスの質量流量を精度良く計測可能な流量計測装置を提供する。流量計測装置１において、レーザ分配器４０は、シート状のレーザをレーザ導入管２０内で一往復させ、撮像部５０は、Ｔ／ｎと、撮像のタイミングとを同期させ、かつ撮像時間をＴ／２ｎとして、第１画像～第８画像を撮像し、制御演算部９０は、連続する２周期分の第１画像～第８画像に基づいて、各画像上の複数の座標における周期Ｔあたりの排ガスの移動ベクトルを算出し、それらの移動ベクトルを一つの移動ベクトルとして平均化し、第１画像～第８画像における平均化された一つの移動ベクトルのＹ成分をそれぞれ排ガスの移動量Ｂｙ１～移動量Ｂｙ８とし、それらの算術平均を排ガスの代表移動量Ｂとし、排ガスの代表移動量Ｂから排ガスの実流速Ｓを算出し、排ガスの実流速Ｓから排ガスの実流量Ｑｍを算出し、排ガスの実流量Ｑｍに基づいて、排ガスの質量流量Ｍを算出する。

Description

流量計測装置

　本発明は、流体の流量を計測する流量計測装置に関し、特に自動車等に設けられたエンジンから排出される排ガスの質量流量を画像処理により計測する技術に関する。

　従来、気体の質量流量を計測する流量計測装置として、ピトー管又はオリフィス板等を用いた差圧式の流量計測装置、超音波センサを用いた超音波式の流量計測装置、複数の管を有するラミナエレメントを用いた層流式の流量計測装置、及びヒータ（熱線）を用いた熱線式の流量計測装置等が広く知られている。

　しかしながら、自動車等に設けられたエンジンから排出される排ガスの質量流量を計測する場合においては、上記のような流量計測装置を採用することが困難である。
　これは、排ガスが（１）ガス成分以外の物質（水蒸気が凝縮した水滴、未燃燃料、及びエンジンオイル等）を含み、（２）温度、及びエンジンの回転数の変化等による流速の変動幅が大きく、（３）エンジンの回転数及び気筒数に比例した圧力脈動を含み、（４）排気管の湾曲部等の影響によって流れに偏りが生じる、という特性を有しており、これら（１）～（４）に示す排ガスの特性により、上記の流量計測装置では精度良く排ガスの質量流量を計測することができないためである。

　また、特許文献１には、ＰＩＶ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｉｍａｇｅ　Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）処理により、ダクト内を流動する流体を解析する装置が開示されている。
　特許文献１に記載の装置は、微少な時間間隔を空けた二つの時刻において、流体が流動するダクト内にシート状のレーザを照射すると同時に、シート状のレーザによる、ダクトの内部空間の切断面の画像を撮像し、当該二つの時刻における撮像画像に基づいて、流体の粒子の移動量を算出する。このように算出された流体の粒子の移動量を用いることで、ダクト内を流動する流体の質量流量を算出することができる。

　しかしながら、特許文献１に記載の装置は、ダクト内における任意の場所を撮像することができるものの、流体の流れの偏りを考慮しておらず、排ガスの質量流量の計測に用いた場合には、精度良く排ガスの質量流量を計測することができない。

特開２００８－２１５９９９号公報

　本発明は、排ガスの質量流量を精度良く計測可能な流量計測装置を提供することを課題とする。

　本発明の流量計測装置は、エンジンから排出される排ガスの質量流量を計測する流量計測装置であって、前記排ガスがトレーサと共に内部を流動するダクトと、レーザを照射する照射部と、前記照射部から照射されるレーザを、前記排ガスの流動方向に沿って前記ダクトの内部空間を切断するようなシート状のレーザとして反射させると共に、当該シート状のレーザを、前記排ガスの流動方向に直交する方向に沿って推移させるレーザ分配器と、前記レーザ分配器によって形成されたシート状のレーザによる、前記ダクトの内部空間の切断面の画像を撮像する撮像部と、前記排ガスの質量流量を算出する制御演算部と、を具備し、前記レーザ分配器は、前記シート状のレーザを、その推移する方向に沿った、前記ダクト内の全範囲にて一往復させ、前記撮像部は、前記シート状のレーザが前記ダクト内を一往復する時間を１周期として、１周期を複数等分した時間と、撮像のタイミングとを同期させ、かつ撮像時間を１周期を複数等分した時間より短い時間として、１周期の間に一定の時間間隔を空けて複数の画像を撮像し、前記制御演算部は、連続する２周期分の前記複数の画像を前記撮像部から取得し、連続する２周期分の前記複数の画像に基づいて、各画像上の複数の座標における１周期あたりの前記排ガスの移動ベクトルを算出し、各画像上の複数の座標における前記排ガスの移動ベクトルを一つの移動ベクトルとして平均化し、各画像上の平均化された一つの移動ベクトルにおける、前記排ガスの流動方向の成分を前記排ガスの移動量とし、前記複数の画像における前記排ガスの移動量の算術平均を前記排ガスの代表移動量とし、前記排ガスの代表移動量から前記排ガスの実流速を算出し、前記排ガスの実流速から前記排ガスの実流量を算出し、前記排ガスの実流量に基づいて、前記排ガスの質量流量を算出する。

　本発明の流量計測装置において、前記撮像部による各画像の撮像時間は、１周期を複数等分した時間の半分であることが好ましい。

　本発明の流量計測装置において、前記制御演算部は、１周期よりも小さい時間間隔において算出された、各画像上の複数の座標における前記排ガスの移動ベクトルを用いて、１周期分の時間間隔において算出された、各画像上の複数の座標における前記排ガスの移動ベクトルから過誤ベクトルを除去することが好ましい。

　本発明の流量計測装置において、前記制御演算部は、連続する２周期分の前記複数の画像における前記排ガスの濃淡の等高線を抽出し、前記排ガスの濃淡の等高線が抽出された、連続する２周期分の前記複数の画像に基づいて、各画像上の複数の座標における前記排ガスの移動ベクトルを算出することが好ましい。

　本発明の流量計測装置において、前記ダクト内を流動する前記排ガスの絶対圧を計測する絶対圧計と、前記ダクトの内部と連通するように、両端部が前記ダクトに取り付けられる管状のバイパスと、前記バイパス内を流動する前記排ガスの圧力を計測する圧力計と、を更に具備し、前記制御演算部は、前記圧力計によって計測された前記バイパス内を流動する前記排ガスの圧力に基づいて、前記バイパス内の気柱の一次固有振動数を算出し、前記バイパス内の気柱の一次固有振動数から前記バイパス内における音速を算出し、前記バイパス内における音速から前記排ガス雰囲気下での音速を算出し、前記排ガス雰囲気下での音速に基づいて、前記排ガスの瞬時温度を算出し、前記排ガスの瞬時温度、前記排ガスの絶対圧、及び前記排ガスの実流量から前記排ガスの標準状態での体積流量を算出し、前記排ガスの標準状態での体積流量に基づいて、前記排ガスの質量流量を算出することが好ましい。

　本発明の流量計測装置において、前記ダクト内を流動する前記排ガスの空燃比を計測する空燃比計を更に具備し、前記制御演算部は、前記排ガスの空燃比、及び前記排ガスの元となった燃料の性状に基づいて、前記排ガスの平均分子量を算出し、前記排ガスの平均分子量から前記排ガスの密度を算出し、前記排ガスの密度に基づいて、前記排ガスの質量流量を算出することが好ましい。

　本発明によれば、排ガスの質量流量を精度良く計測できる。

本発明の一実施形態における流量計測装置を示す図。レーザ分配器、撮像部、絶対圧計、空燃比計、及び温度計測部の制御演算部に対する関係を示すブロック図。レーザ分配器によるレーザの分配、及び撮像部による撮像のタイミングを示す図。撮像部による撮像のタイミングを示す図。撮像部によって１周期の間に撮像された複数の画像を示す図。排ガスの質量流量の算出工程を示すフローチャート。ＰＩＶ処理の様子を示す図であり、（ａ）は、第一の時刻において撮像された画像を示す図、（ｂ）は、第二の時刻において撮像された画像を示す図、（ｃ）は、第一の時刻から第二の時刻までにおける流体の移動ベクトルを示す図。等高線画像が作成される様子を示す図であり、（ａ）は、濃淡画像を示す図、（ｂ）は、等高線画像を示す図。本発明に係るＰＩＶ処理の様子を示す図。トレーサと外乱物質との間における粒子時定数の違いを示す図。トレーサと外乱物質との間における所定の速度に到達するのに要する時間の違いを示す図。トレーサと外乱物質との間における移動量の分布の違いを示す図であり、（ａ）は、１周期分の時間間隔におけるトレーサ及び外乱物質の移動量の分布を示す図、（ｂ）は、１周期よりも小さい時間間隔におけるトレーサ及び外乱物質の移動量の分布を示す図。過誤ベクトルが除去される様子を示した図。排ガスの瞬時温度の算出工程を示すフローチャート。排ガスの密度の算出工程を示すフローチャート。

　以下では、図１～図５を参照して、本発明に係る流量計測装置の一実施形態である流量計測装置１について説明する。
　流量計測装置１は、自動車等に設けられたエンジンから排出される排ガスの流量（厳密には、質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］）を計測する装置である。
　なお、図１における矢印Ｙの指す方向を排ガスの流動方向とし、排ガスの流動方向における上流側を単に「上流側」、排ガスの流動方向における下流側を単に「下流側」と記す。
　また、図１における矢印Ｘの指す方向を流量計測装置１の後方向として前後方向を規定し、図１における矢印Ｚの指す方向を流量計測装置１の上方向として上下方向を規定する。

　図１に示すように、流量計測装置１は、トレーサ導入管１０、レーザ導入管２０、照射部３０、レーザ分配器４０、撮像部５０、絶対圧計６０・６０、空燃比計７０、温度計測部８０、及び制御演算部９０（図２参照）を具備する。

　トレーサ導入管１０は、略円筒状のダクトであり、その内部を排ガスが流動するように、排ガスの流動経路上に配置されている。詳細には、トレーサ導入管１０は、その上流側の端部において、自動車等の排気管Ｅ１と接続されている。トレーサ導入管１０の内部には、トレーサ分配器１１に貯留されたトレーサが導入され、排ガスと共にトレーサがトレーサ導入管１０内を流動する。
　ここで、トレーサとは、排ガスを可視化するために用いられる粒子状の物質である。通常、排ガスを直接撮像することはできないが、トレーサが混入された排ガスにレーザ等が照射されると、トレーサによるミー散乱が生じて散乱光が発生するため、排ガスにトレーサを混入することで、トレーサを排ガスとして可視化して、排ガスの撮像を行うことが可能となる。
　トレーサ分配器１１は、所定量のトレーサを貯留する部材であり、トレーサ導入管１０の内部にトレーサを供給する。

　トレーサ導入管１０は、その下流側の端部において、レーザ導入管２０と接続されている。つまり、上流側にトレーサ導入管１０が配置され、下流側にレーザ導入管２０が配置されている。

　レーザ導入管２０は、筒状のダクトであり、外周形状が略直方体状に形成され、内周形状がトレーサ導入管１０の内周面に対して面一となるように形成されている。レーザ導入管２０は、トレーサ導入管１０と同様に、その内部を排ガスが流動するように、排ガスの流動経路上に配置されている。詳細には、レーザ導入管２０は、その下流側の端部において、自動車等の排気管Ｅ２と接続されている。
　こうして、排気管Ｅ１からトレーサ導入管１０へと流入した排ガスは、トレーサ導入管１０においてトレーサが混入され、レーザ導入管２０へと流動した後、排気管Ｅ２に流出することとなる。

　照射部３０は、レーザ分配器４０に向けて、ビーム状のレーザを照射する部材である。

　レーザ分配器４０は、照射部３０から照射されたビーム状のレーザを、排ガスの流動方向に沿ってレーザ導入管２０の内部空間を切断するようなシート状のレーザとして反射させる部材であり、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー等が適用される。レーザ分配器４０は、排ガスの流動方向に対して平行に延出する軸４１に揺動可能に設けられ、レーザ導入管２０の上方に配置されている。レーザ分配器４０は、その揺動角度に応じた角度で、シート状のレーザをレーザ導入管２０の上面に形成されたレーザ導入窓２１を通して、レーザ導入管２０の内部に入射させる。
　なお、レーザ導入窓２１は、レーザ分配器４０によって形成されたシート状のレーザをレーザ導入管２０の内部に導入可能な透過性を有する素材からなり、レーザ導入管２０の上面において、レーザ導入管２０の外周面から内周面にかけて形成されている。

　撮像部５０は、レーザ導入管２０の前面に形成された撮像用窓２２を介して、シート状のレーザによるレーザ導入管２０の内部空間の切断面を撮像する部材である。撮像部５０は、その撮像方向と、排ガスの流動方向とが直交するように、撮像用窓２２の前方に配置されている。そのため、撮像部５０による撮像画像は、ＹＺ平面（排ガスの流動方向と上下方向とが成す面）の画像となる。
　なお、撮像用窓２２は、レーザ導入管２０の内部をレーザ導入管２０の外部から撮像可能とするための透明な部材であり、レーザ導入管２０の前面において、レーザ導入管２０の外周面から内周面にかけて形成されている。

　絶対圧計６０・６０は、流量計測装置１における排ガスの絶対圧Ｐｍ［ｋＰａ・ａｂｓ］を計測する部材である。絶対圧計６０・６０は、レーザ導入管２０の上面において、レーザ導入窓２１を挟むようにレーザ導入管２０の上流側及び下流側にそれぞれ配置されている。絶対圧計６０・６０によって計測された二つの異なる位置（レーザ導入管２０の上流側及び下流側）における排ガスの絶対圧の平均値は、排ガスにおけるシート状のレーザが照射される部分の絶対圧Ｐｍ［ｋＰａ・ａｂｓ］として扱われる。これは、本来であれば、排ガスにおけるシート状のレーザが照射される部分の絶対圧Ｐｍ［ｋＰａ・ａｂｓ］を直接計測することが望ましいが、撮像部５０による排ガスの撮像の都合上、当該部分の絶対圧を計測するように絶対圧計６０を配置することが困難なためである。ただし、一つの絶対圧計６０によって計測された排ガスの絶対圧を排ガスにおけるシート状のレーザが照射される部分の絶対圧Ｐｍ［ｋＰａ・ａｂｓ］とすること等も可能である。

　空燃比計７０は、流量計測装置１における排ガスの空燃比Ｒｍを計測する部材であり、トレーサ導入管１０の上部に配置されている。

　温度計測部８０は、流量計測装置１における排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］を計測する部材であり、バイパス８１と、圧力計８２とを具備する。なお、厳密には、排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］は、温度計測部８０によって直接的に計測されるものではなく、圧力計８２によって計測された、バイパス８１内を流動する排ガスの圧力、及び空燃比Ｒｍ等に基づいて算出される。排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］を算出する方法の詳細については後述する。

　バイパス８１は、レーザ導入管２０の内部と連通する管状部材であり、撮像用窓２２よりも下流側に配置されている。バイパス８１の両端部は、排ガスの流動方向に沿って互いに離間した状態で、バイパス８１の内部とレーザ導入管２０の内部とが連通するように、レーザ導入管２０の下面に取り付けられている。

　圧力計８２は、バイパス８１内を流動する排ガスの圧力を計測する部材であり、バイパス８１に取り付けられている。

　図２に示すように、制御演算部９０は、レーザ分配器４０及び撮像部５０と電気的に接続されており、レーザ分配器４０及び撮像部５０の動作を制御する。

　図３に示すように、制御演算部９０は、レーザ分配器４０によって反射されたシート状のレーザがレーザ導入管２０内の前後方向における全範囲を推移するように、レーザ分配器４０を所定の範囲（図３において二点鎖線で示されるレーザ分配器４０の位置Ｐ１から位置Ｐ２までの範囲）において揺動させる。
　図３に示す位置Ｐ１をレーザ分配器４０の初期位置とすると、レーザ分配器４０が位置Ｐ２まで回動し、再び位置Ｐ１に戻るまで（一往復）がレーザ分配器４０の１周期（「周期Ｔ［ｓ］」と規定する）となっている。換言すれば、レーザ分配器４０によって反射されたシート状のレーザがレーザ導入管２０内の前後方向における全範囲にて一往復する時間が周期Ｔ［ｓ］となっている。

　ここで、周期Ｔ［ｓ］をｎ等分（本実施形態においては、ｎ＝８）して、レーザ分配器４０が初期位置である位置Ｐ１にある時間をｔ０とし、ｔ０からＴ／ｎ［ｓ］経過した時間をｔ１とし、ｔ１からＴ／ｎ［ｓ］経過した時間をｔ２とし、ｔ２からＴ／ｎ［ｓ］経過した時間をｔ３とし、ｔ３からＴ／ｎ［ｓ］経過した時間、つまりレーザ分配器４０が位置Ｐ２に到達した時間をｔ４とし、ｔ４からＴ／ｎ［ｓ］経過した時間をｔ５とし、ｔ５からＴ／ｎ［ｓ］経過した時間をｔ６とし、ｔ６からＴ／ｎ［ｓ］経過した時間をｔ７とし、ｔ７からＴ／ｎ［ｓ］経過した時間、つまりレーザ分配器４０が再び位置Ｐ１に戻ってきた時間をｔ８とする。斯かる場合、図３（ａ）に示すように、ｔ０からｔ４までの時間（Ｔ／２［ｓ］）でレーザ分配器４０が位置Ｐ１から位置Ｐ２へと回動し、これが周期Ｔ［ｓ］におけるシート状のレーザの往路となる。更に、図３（ｂ）に示すように、ｔ４からｔ８までの時間（Ｔ／２［ｓ］）でレーザ分配器４０が位置Ｐ２から位置Ｐ１へと回動し、これが周期Ｔ［ｓ］におけるシート状のレーザの復路となる。
　このようにレーザ分配器４０が揺動することで、排ガスの流動方向に沿って延出するシート状のレーザの照射位置が推移し、当該レーザがＴ／２［ｓ］で、レーザ導入管２０内の前後方向における全範囲において分配されることとなる。

　制御演算部９０は、撮像部５０にレーザ導入管２０の撮像用窓２２を介して、シート状のレーザによるレーザ導入管２０の内部空間の切断面を、周期Ｔ［ｓ］の間に一定の時間間隔を空けて、ｎ回（本実施形態においては、ｎ＝８）撮像させる。
　詳細には、撮像部５０は、その撮像時間（シャッタの開き時間）をＴ／ｎ［ｓ］の５０％（Ｔ／２ｎ［ｓ］）として、ｔ０からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまで撮像を行い（図３（ａ）におけるＡ１の範囲参照）、ｔ１からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまで撮像を行い（図３（ａ）におけるＡ２の範囲参照）、ｔ２からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまで撮像を行い（図３（ａ）におけるＡ３の範囲参照）、ｔ３からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまで撮像を行い（図３（ａ）におけるＡ４の範囲参照）、ｔ４からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまで撮像を行い（図３（ｂ）におけるＡ５の範囲参照）、ｔ５からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまで撮像を行い（図３（ｂ）におけるＡ６の範囲参照）、ｔ６からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまで撮像を行い（図３（ｂ）におけるＡ７の範囲参照）、ｔ７からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまで撮像を行う（図３（ｂ）におけるＡ８の範囲参照）。

　この時の撮像部５０のシャッタの状態を図４に示す。
　図４によれば、撮像部５０のシャッタは、ｔ０からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまでの間、ｔ１からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまでの間、ｔ２からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまでの間、ｔ３からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまでの間、ｔ４からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまでの間、ｔ５からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまでの間、ｔ６からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまでの間、及びｔ７からＴ／２ｎ［ｓ］経過するまでの間において開き、その他の時間においては閉じている。

　このように、レーザ分配器４０の周期Ｔ［ｓ］の１／ｎと、撮像部５０の撮像のタイミングとを同期させ、かつ撮像部５０の撮像時間（シャッタの開き時間）をＴ／ｎ［ｓ］の５０％（Ｔ／２ｎ［ｓ］）とし、シート状のレーザが周期Ｔ［ｓ］において推移する際の往路及び復路合わせてｎ個の撮像画像を取得することで、レーザ導入管２０内の前後方向における全範囲を撮像する。
　これにより、レーザ導入管２０内の前後方向における異なる位置での排ガスの流れを把握しつつ、レーザ導入管２０の内部全体を撮像することができる。
　なお、本実施形態においては、撮像部５０による各撮像画像の撮像時間を１周期をｎ等分した時間の半分、つまりＴ／２ｎ［ｓ］としたが、これに限定するものではなく、１周期をｎ等分した時間よりも短い時間であればよい。

　撮像部５０によって撮像されたｎ個（本実施形態においては、ｎ＝８）の画像を図５に示す。
　ＹＺ平面（排ガスの流動方向と上下方向とが成す面）上に位置する撮像画像が、Ｘ軸（前後方向）に沿ってｎ個配置されている。図５におけるＡ１～Ａ８は図３におけるＡ１～Ａ８に対応しており、Ａ１の範囲で撮像された画像を「第１画像」とし、Ａ２の範囲で撮像された画像を「第２画像」とし、以下同様に「第８画像」までを定義し、レーザ導入管２０内における前後方向の位置を考慮すると、後方向に向かうに従って、第１画像、第８画像、第２画像、第７画像、第３画像、第６画像、第４画像、第５画像の順に配置される。このように配置されたｎ個の撮像画像は、レーザ導入管２０の内部全体における排ガスの状態を表すこととなる。
　なお、図５における複数の白塗りの円は、排ガスに混入されたトレーサを示している。

　また、図２に示すように、制御演算部９０は、絶対圧計６０・６０、空燃比計７０、及び温度計測部８０と電気的に接続されており、絶対圧計６０・６０によって計測された排ガスの絶対圧Ｐｍ［ｋＰａ・ａｂｓ］、空燃比計７０によって計測された排ガスの空燃比Ｒｍ、及び温度計測部８０によって計測された排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］に基づいて、流量計測装置１における排ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］を算出する。

　以下では、図６～図１５を参照して、制御演算部９０による排ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］の算出について詳細に説明する。

　図６に示すように、ステップＳ１において、制御演算部９０は、撮像部５０によって撮像された、連続する２周期分の第１画像～第８画像、つまり合計１６個の撮像画像を取得する。
　詳細には、制御演算部９０は、周期Ｔ［ｓ］の間に第１画像～第８画像を撮像部５０に撮像させた後、再度周期Ｔ［ｓ］の間に第１画像～第８画像を撮像部５０に撮像させることにより、２周期分の第１画像～第８画像を取得する。
　このように撮像された第１画像～第８画像においては、１周期目に撮像された画像と、２周期目に撮像された画像との間に、それぞれ周期Ｔ［ｓ］分の時間間隔を有することとなる。
　制御演算部９０は、２周期分の第１画像～第８画像を取得した後、制御段階をステップＳ２に移行する。

　ステップＳ２において、制御演算部９０は、２周期分の第１画像～第８画像に対して、ＰＩＶ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｉｍａｇｅ　Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）処理を行う。

　ここで、ＰＩＶ処理とは、互いに微少時間間隔を空けた第一の時刻、及び第二の時刻において流体（本実施形態においては、排ガス）の撮像を行うことによって得られた二枚の撮像画像のパターンマッチングを行うことにより、流体の各位置における移動量を算出する手法である。なお、本実施形態における第一の時刻と第二の時刻との時間間隔は、周期Ｔ［ｓ］である。

　ここでは、相互相関法を用いたＰＩＶ処理について説明する。
　図７（ａ）に示すように、第一の時刻において撮像された画像をｆ（ｙ，ｚ）と表し、図７（ｂ）に示すように、第一の時刻よりも後の時刻である第二の時刻において撮像された画像をｇ（ｙ，ｚ）と表した場合に、画像ｆ（ｙ，ｚ）における座標（ｙ，ｚ）を中心とするｍ×ｎピクセルの範囲に対して、画像ｇ（ｙ，ｚ）における座標（ｙ，ｚ）を中心とするｍ×ｎピクセルの範囲をずらしつつ、下記の数１の如く、相互相関係数Ｒ_ｆｇが最大となる座標（ｙ＋ξ，ｚ＋η）を抽出する。
　これを繰り返すことで、図７（ｃ）に示すように、第一の時刻から第二の時刻までの流体の移動量を算出することができる。なお、図７（ｃ）に示す黒塗り矢印は、流体の移動ベクトルを表している。

　流量計測装置１においては、上記のような従来の相互相関法を用いたＰＩＶ処理とは異なるＰＩＶ処理を行う。以下では、流量計測装置１におけるＰＩＶ処理について説明する。

　第一に、濃淡分布を有する画像ｆ（ｙ，ｚ）、及び濃淡分布を有する画像ｇ（ｙ，ｚ）を取得する。これは、流体に混入させるトレーサとして、一般的にＰＩＶ処理において用いられる物質ではなく、煙草又は線香の煙等を用いることによって実現することが可能である。
　なお、本実施形態においては、図６におけるステップＳ１が行われる際に、排ガスに混入させればよい。

　第二に、濃淡分布を有する画像ｆ（ｙ，ｚ）、及び濃淡分布を有する画像ｇ（ｙ，ｚ）をそれぞれ濃淡の情報が失われない程度の階調（例えば、５～１０階調）を有する画像（以下、「濃淡画像ｆ（ｙ，ｚ）」、及び「濃淡画像ｇ（ｙ，ｚ）」と記す）に変換する。
　図８（ａ）に濃淡画像ｆ（ｙ，ｚ）を示す。

　第三に、濃淡画像ｆ（ｙ，ｚ）、及び濃淡画像ｇ（ｙ，ｚ）に対して、それぞれラプラシアンフィルタ等によるエッジ検出を行った後、二値化を行う。こうして、濃淡画像ｆ（ｙ，ｚ）、及び濃淡画像ｇ（ｙ，ｚ）における濃淡の等高線が抽出された画像（以下、「等高線画像ｆ（ｙ，ｚ）」、及び「等高線画像ｇ（ｙ，ｚ）」と記す）が作成される。
　図８（ｂ）に等高線画像ｆ（ｙ，ｚ）を示す。

　第四に、等高線画像ｆ（ｙ，ｚ）、及び等高線画像ｇ（ｙ，ｚ）に対して、下記の数２を用いて、ＰＩＶ処理を行う。

　このように、流量計測装置１におけるＰＩＶ処理は、従来のＰＩＶ処理とは異なり、上記の数２の如く論理演算を用いて、比較的情報量の少ない等高線画像ｆ（ｙ，ｚ）、及び等高線画像ｇ（ｙ，ｚ）に対して行うため、ＰＩＶ処理に要する時間を短縮することができる。
　したがって、本実施形態における制御演算部９０に、比較的処理速度の低い演算用のＤＳＰ又はＣＰＵを適用することができ、流量計測装置１の製造コストを低減することができる。
　また、ＰＩＶ処理に用いられる画像（画像ｆ（ｙ，ｚ）、及び画像ｇ（ｙ，ｚ））のサイズが従来のＰＩＶ処理では間に合わない程度に大きい場合であっても、良好にＰＩＶ処理を行うことができる。

　制御演算部９０は、ステップＳ２（図６参照）において、２周期分の第１画像～第８画像に対して、上記の如くＰＩＶ処理を行う。
　こうして、図９に示すように、互いに周期Ｔ［ｓ］分の時間間隔を有する２周期分の第１画像～第８画像から、第１画像～第８画像に分布する、複数の座標における周期Ｔ［ｓ］あたりの排ガスの移動ベクトルを得ることができる。なお、図９における第１画像～第８画像上の黒塗り矢印は、排ガスの移動ベクトルを表している。

　なお、このように算出された第１画像～第８画像の複数の座標における排ガスの移動ベクトルには、正規のトレーサではなく、水蒸気が凝縮した水滴、未燃燃料、及びエンジンオイル等の排ガスに含まれる物質（以下、「外乱物質」と記す）に起因する過誤ベクトルが含まれているおそれがある。これは、レーザ導入管２０内の排ガスにレーザが照射された際に、トレーサと同様に外乱物質でも散乱光が発生することが原因である。

　このような外乱物質による影響を解消するために、第１画像～第８画像の複数の座標における排ガスの移動ベクトルから過誤ベクトルを除去する。以下では、過誤ベクトルを除去する方法について説明する。

　第１画像～第８画像から直接的にトレーサと外乱物質との違いを判別することはできない。しかしながら、図１０に示すように、トレーサと外乱物質との間においては、流体（本実施形態においては、排ガス）が静止状態から流動し始めた際における当該流体に含まれる粒子（本実施形態においては、トレーサ、又は外乱物質）の速度が流体の速度の６３％に到達するまでの時間を示す時定数τ_ｐ（以下、「粒子時定数τ_ｐ」と記す）に比較的大きな差がある。そのため、下記の如く、トレーサの粒子時定数τ_ｐと、外乱物質の粒子時定数τ_ｐとの差に起因する事象を利用することで、第１画像～第８画像の複数の座標における排ガスの移動ベクトルから過誤ベクトルを除去することが可能である。
　なお、粒子時定数τ_ｐは、下記の数３を用いて算出可能である。

　図１１に示すように、外乱物質は、トレーサに比べて、粒子時定数τ_ｐが大きいため、所定の速度（排ガスの流速）に到達するのに要する時間が大きくなり、ＰＩＶ処理において算出される移動量が小さくなる。したがって、移動量が所定の値以下である移動ベクトルを過誤ベクトルとして判別することが可能となる。

　しかしながら、排ガスの移動ベクトルを算出するための時間、つまりＰＩＶ処理が行われる２画像間の撮像時間間隔が周期Ｔ［ｓ］の場合には、排ガスが静止状態から流動し始めてからのトレーサの移動量と外乱物質の移動量との差が比較的小さいため、図１２（ａ）の如く、トレーサの分布と外乱物質の分布とが重なり、過誤ベクトルを判別するための閾値を決定することが困難である。
　そこで、図１１に示すように、排ガスの移動ベクトルを算出するための時間、つまりＰＩＶ処理が行われる２画像間の撮像時間間隔を周期Ｔ［ｓ］よりも小さい値（本実施形態においては、Ｔ／５［ｓ］）とし、排ガスが静止状態から流動し始めてからのトレーサの移動量と外乱物質の移動量との差を比較的大きくすることで、図１２（ｂ）の如く、トレーサの分布と外乱物質の分布とを分離させる。
　これにより、過誤ベクトルを判別するための閾値を決定することが可能となり、排ガスの複数の移動ベクトルから過誤ベクトルを除去することができる。
　なお、本実施形態においては、トレーサの分布における移動量の中央値と、外乱物質の分布における移動量の中央値との算術平均が過誤ベクトルを判別するための閾値として採用される。
　また、本実施形態においては、過誤ベクトルを判別するための閾値を決定する際における、排ガスの移動ベクトルを算出するための時間をＴ／５［ｓ］としたが、これに限定するものではなく、トレーサの移動量と外乱物質の移動量との差が顕著となる値を採用すればよい。

　ここでは、具体的な過誤ベクトルの除去方法について説明する。
　第一に、通常の（周期Ｔ［ｓ］での）ＰＩＶ処理とは別に、周期Ｔ［ｓ］よりも小さい周期（本実施形態においては、Ｔ／５［ｓ］）でのＰＩＶ処理を行う。
　第二に、トレーサの分布、及び外乱物質の分布から過誤ベクトルを判別するための閾値を決定する。
　第三に、決定された閾値より過誤ベクトルを判別し、当該過誤ベクトルの座標を記録する。
　第四に、図１３の如く、通常の（周期Ｔ［ｓ］での）ＰＩＶ処理により算出された複数の座標における排ガスの移動ベクトルから、過誤ベクトルの座標と一致する移動ベクトルを除去する。

　このような処理が第１画像～第８画像に対して行われ、第１画像～第８画像に存在する過誤ベクトルが除去されることで、ＰＩＶ処理における外乱物質の影響による誤差を低減することができる。
　制御演算部９０は、過誤ベクトルの除去を含むＰＩＶ処理を行った後、制御段階をステップＳ３に移行する。

　図６に示すように、ステップＳ３において、制御演算部９０は、第１画像上の複数の座標における排ガスの移動ベクトルを一つの移動ベクトルとして平均化し、当該平均化された一つの移動ベクトルのＹ成分（排ガスの流動方向の成分）を移動量Ｂｙ１［ｍ］として算出し、以下同様に、第２画像において移動量Ｂｙ２［ｍ］を算出し、第３画像において移動量Ｂｙ３［ｍ］を算出し、第４画像において移動量Ｂｙ４［ｍ］を算出し、第５画像において移動量Ｂｙ５［ｍ］を算出し、第６画像において移動量Ｂｙ６［ｍ］を算出し、第７画像において移動量Ｂｙ７［ｍ］を算出し、第８画像において移動量Ｂｙ８［ｍ］を算出する。
　制御演算部９０は、移動量Ｂｙ１［ｍ］～移動量Ｂｙ８［ｍ］を算出した後、制御段階をステップＳ４に移行する。

　ステップＳ４において、制御演算部９０は、移動量Ｂｙ１［ｍ］～移動量Ｂｙ８［ｍ］の算術平均を代表移動量Ｂ［ｍ］として算出する。
　制御演算部９０は、代表移動量Ｂ［ｍ］を算出した後、制御段階をステップＳ５に移行する。

　ステップＳ５において、制御演算部９０は、下記の数４を用いて、排ガスの実環境下での流速Ｓ［ｍ／ｓ］（以下、「実流速Ｓ［ｍ／ｓ］」と記す）を算出する。
　制御演算部９０は、排ガスの実流速Ｓ［ｍ／ｓ］を算出した後、制御段階をステップＳ６に移行する。

　ステップＳ６において、制御演算部９０は、下記の数５を用いて、排ガスの実環境下での流量Ｑｍ［ｍ^３／ｓ］（以下、「実流量Ｑｍ［ｍ^３／ｓ］」と記す）を算出する。
　なお、数５におけるＡ［ｍ^２］は、排ガスの流路面積、つまりレーザ導入管２０の内部空間における排ガスの流動方向に直交する方向に沿った断面積を示している。
　制御演算部９０は、排ガスの実流量Ｑｍ［ｍ^３／ｓ］を算出した後、制御段階をステップＳ７に移行する。

　ステップＳ７において、制御演算部９０は、下記の数６を用いて、排ガスの標準状態（２０℃、１気圧）での体積流量Ｑｓ［ｍ^３／ｓ］（以下、「スタンダード流量Ｑｓ［ｍ^３／ｓ］」と記す）を算出する。
　ステップＳ６において算出された排ガスの実流量Ｑｍ［ｍ^３／ｓ］は、温度及び圧力に応じて値が変化するため、標準状態に換算され、スタンダード流量Ｑｓ［ｍ^３／ｓ］として用いられる。
　なお、数６におけるＰｍ［ｋＰａ・ａｂｓ］は、前述のように、絶対圧計６０・６０によって計測される排ガスの絶対圧Ｐｍ［ｋＰａ・ａｂｓ］である。絶対圧計６０・６０による排ガスの絶対圧Ｐｍ［ｋＰａ・ａｂｓ］の計測は、ステップＳ７の実施前に（例えば、ステップＳ２と並行に）行われる。
　また、数６におけるＴｍ［℃］は、前述のように、温度計測部８０によって計測される排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］である。排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］は、前述のように、温度計測部８０によって直接的に計測されるものではなく、圧力計８２によって計測された、バイパス８１内を流動する排ガスの圧力、及び空燃比Ｒｍ等に基づいて算出される。排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］の算出は、ステップＳ７の実施前に（例えば、ステップＳ２と並行に）行われる。

　ここでは、排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］の算出方法について詳細に説明する。
　図１４に示すように、排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］は、瞬時温度算出工程Ｓ１０を経て算出される。
　瞬時温度算出工程Ｓ１０においては、ステップＳ１１～ステップＳ１７が順次行われる。

　ステップＳ１１において、制御演算部９０は、バイパス８１における気柱の一次固有振動数ｆｎ［Ｈｚ］を算出する。
　詳細には、圧力計８２によって計測されたバイパス８１内を流動する排ガスの圧力に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行い、ゲインの一番高い周波数をバイパス８１における気柱の一次固有振動数ｆｎ［Ｈｚ］として抽出する。
　制御演算部９０は、一次固有振動数ｆｎ［Ｈｚ］を算出した後、制御段階をステップＳ１２に移行する。

　ステップＳ１２において、制御演算部９０は、排ガス雰囲気下での音速Ｃ［ｍ／ｓ］を算出する。
　詳細には、ステップＳ１１にて算出された一次固有振動数ｆｎ［Ｈｚ］を用いて、バイパス８１内における音速Ｃｂ［ｍ／ｓ］を下記の数７の如く算出した後、音速Ｃｂ［ｍ／ｓ］を用いて、排ガス雰囲気下での音速Ｃ［ｍ／ｓ］を下記の数８の如く算出する。
　なお、数７におけるＬ［ｍ］は、バイパス８１の長手方向（排ガスの流動方向）の長さである。
　また、数８におけるｄ［ｍ］は、バイパス８１の内径である。

　制御演算部９０は、音速Ｃ［ｍ／ｓ］を算出した後、制御段階をステップＳ１３に移行する。

　ステップＳ１３において、制御演算部９０は、流量計測装置１における排ガスの元となった燃料の性状情報であるＨ／Ｃ（水素と炭素との原子数比）、及びＯ／Ｃ（酸素と炭素との原子数比）を取得する。なお、これらの情報は、燃料の種類によって予め決定されているものである。
　制御演算部９０は、排ガスの空燃比Ｒｍを取得した後、制御段階をステップＳ１４に移行する。

　ステップＳ１４において、制御演算部９０は、空燃比計７０によって計測された排ガスの空燃比Ｒｍを取得する。
　制御演算部９０は、排ガスの空燃比Ｒｍを取得した後、制御段階をステップＳ１５に移行する。

　ステップＳ１５において、制御演算部９０は、排ガスの各成分（Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ、Ｈ_２）のモル分率に基づいて、排ガスの平均分子量Ｍｍ［ｋｇ／ｍｏｌ］を算出する。

　ここでは、排ガスの平均分子量Ｍｍ［ｋｇ／ｍｏｌ］を算出するために必要となる、排ガスの各成分（Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ、Ｈ_２）のモル分率の算出方法について説明する。
　排ガスの各成分のモル分率は、空燃比Ｒｍが理論空燃比Ｒよりも大きい場合（リーン時）、空燃比Ｒｍが理論空燃比Ｒに等しい場合、及び空燃比Ｒｍが理論空燃比Ｒよりも小さい場合（リッチ時）、それぞれにおける反応式に基づいて算出される。
　なお、理論空燃比Ｒは、流量計測装置１における排ガスの元となった燃料の種類によって予め決定されているものである。

　ステップＳ１４にて取得された空燃比Ｒｍが理論空燃比Ｒよりも大きい場合、つまりリーン時における反応式は、ステップＳ１３にて取得されたＨ／Ｃの値をｙとすると、下記の数９のように表される。
　この時、φ＝Ｒ／Ｒｍ、ｎ＝ｙが成立し、未知数φ、ｎが算出される。

　空燃比Ｒｍが理論空燃比Ｒに等しい場合における反応式は、ステップＳ１３にて取得されたＨ／Ｃの値をｙ、Ｏ／Ｃの値をｚとすると、下記の数１０のように表される。
　この時、φ＝１、ｎ＝（１＋０．２５ｙ－０．５ｚφ）／０．２０９９が成立し、未知数φ、ｎが算出される。

　ステップＳ１４にて取得された空燃比Ｒｍが理論空燃比Ｒよりも小さい場合、つまりリッチ時における反応式は、下記の数１１のように表される。
　この時、φ＝ａ＋ｂ、１＋ｎ／４＝ａ＋ｂ／２＋ｃ／２、ｎφ＝２ｃ＋２ｄ、ｂｃ／ａｄ＝Ｋが成立し、未知数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、φ、ｎが算出される。なお、Ｋは平衡定数である。

　こうして、それぞれの反応式に基づいて、排ガスの各成分（Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ、Ｈ_２）のモル分率が算出される。

　排ガスの平均分子量Ｍｍ［ｋｇ／ｍｏｌ］は、上記のように算出された排ガスの各成分（Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ、Ｈ_２）のモル分率に基づいて算出可能である。
　詳細には、排ガスの各成分（Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ、Ｈ_２）において、そのモル分率とモル質量との積算を行った後、それらの積算値を合計することで、排ガスの平均分子量Ｍｍ［ｋｇ／ｍｏｌ］が算出される。
　制御演算部９０は、排ガスの平均分子量Ｍｍ［ｋｇ／ｍｏｌ］を算出した後、制御段階をステップＳ１６に移行する。

　ステップＳ１６において、制御演算部９０は、排ガスの平均比熱比κを算出する。
　平均比熱比κは、下記の数１２の如く算出可能である。
　なお、数１２におけるＤ２は、ＣＯ等の２原子分子の割合を示し、数１２におけるＤ３は、Ｈ_２Ｏ等の３原子分子の割合を示しており、ステップＳ１５の結果により算出可能である。

　制御演算部９０は、排ガスの平均比熱比κを算出した後、制御段階をステップＳ１７に移行する。

　ステップＳ１７において、制御演算部９０は、排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］を算出する。
　詳細には、まず、ステップＳ１２にて算出された音速Ｃ［ｍ／ｓ］、ステップＳ１５にて算出された平均分子量Ｍｍ［ｋｇ／ｍｏｌ］、及びステップＳ１６にて算出された平均比熱比κを用いて成立する下記の数１３に示す式を変換することにより、排ガスの絶対温度Ｔａ［Ｋ］を下記の数１４の如く算出する。その後、排ガスの絶対温度Ｔａ［Ｋ］の単位を変換することにより、排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］が算出されることとなる。なお、数１３及び数１４におけるＲは、気体定数である。

　こうして、瞬時温度算出工程Ｓ１０において、排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］が算出される。
　排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］は、既存の温度計では、高応答で直接的に計測することが困難であるが、数ｋＨｚオーダで応答する圧力計（例えば、圧力計８２）が多数存在するため、圧力を用いることで、高精度に算出することができる。このように、圧力に基づいて、排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］を算出する利点は、圧力の値の絶対精度は良好でなくとも、圧力変化、つまり気柱振動における周波数が正確であれば、温度を精度良く算出することができる点である。したがって、瞬時温度算出工程Ｓ１０にて排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］を算出することにより、排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］を精度良く算出することができる。

　図６に示すように、制御演算部９０は、排ガスの絶対圧Ｐｍ［ｋＰａ・ａｂｓ］、及び排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］を用いて、上記の数６の如く、排ガスのスタンダード流量Ｑｓ［ｍ^３／ｓ］を算出した後、制御段階をステップＳ８に移行する。

　ステップＳ８において、制御演算部９０は、下記の数１５を用いて、排ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］を算出する。
　なお、数１５におけるρｓ［ｋｇ／ｍ^３］は、排ガスの密度ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］である。排ガスの密度ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］は、排ガスの平均分子量Ｍｍ［ｋｇ／ｍｏｌ］に基づいて算出される。排ガスの平均分子量Ｍｍ［ｋｇ／ｍｏｌ］の算出は、ステップＳ７の実施前に（例えば、ステップＳ２と並行に）行われる。

　ここでは、排ガスの密度ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］の算出方法について詳細に説明する。
　図１５に示すように、排ガスの密度ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］は、密度算出工程Ｓ２０を経て算出される。
　密度算出工程Ｓ２０においては、ステップＳ２１～ステップＳ２４が順次行われる。

　ステップＳ２１～ステップＳ２３は、それぞれ瞬時温度算出工程Ｓ１０のステップＳ１３～ステップＳ１５（図１４参照）と同様であるため、説明を省略する。
　なお、瞬時温度算出工程Ｓ１０が密度算出工程Ｓ２０よりも先に行われている場合においては、ステップＳ２１～ステップＳ２３を別途行うことなく、ステップＳ１３～ステップＳ１５の結果を採用することが可能である。

　ステップＳ２４において、制御演算部９０は、排ガスの密度ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］を算出する。
　密度ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］は、平均分子量Ｍｍ［ｋｇ／ｍｏｌ］を用いて、気体の状態方程式から、下記の数１６の如く算出される。なお、数１６におけるＲは、気体定数である。

　こうして、密度算出工程Ｓ２０において、排ガスの密度ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］が算出される。
　上記のように、排ガスの密度ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］は、燃料性状の情報（Ｈ／Ｃ、Ｏ／Ｃ）、及び実運転領域の空燃比Ｒｍを用いて算出される。
　これにより、排ガスの密度ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］を精度良く算出することができる。

　最終的に、制御演算部９０は、密度算出工程Ｓ２０にて算出された排ガスの密度ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］、及び排ガスのスタンダード流量Ｑｓ［ｍ^３／ｓ］を用いて、上記の数１５の如く、排ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］を算出するのである。

　流量計測装置１においては、以上のような処理が繰り返し行われ、制御演算部９０によるガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］の算出がリアルタイムに行われることとなる。

　以上のように、流量計測装置１は、自動車等に設けられたエンジンから排出される排ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］を計測する装置であって、排ガスがトレーサと共に内部を流動するレーザ導入管２０と、ビーム状のレーザを照射する照射部３０と、照射部３０から照射されるビーム状のレーザを、排ガスの流動方向に沿ってレーザ導入管２０の内部空間を切断するようなシート状のレーザとして反射させると共に、当該シート状のレーザを、前後方向に推移させるレーザ分配器４０と、レーザ分配器４０によって形成されたシート状のレーザによる、レーザ導入管２０の内部空間の切断面の画像を撮像する撮像部５０と、排ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］を算出する制御演算部９０と、を具備し、レーザ分配器４０は、前記シート状のレーザを、レーザ導入管２０内の前後方向における全範囲にて一往復させ、撮像部５０は、前記シート状のレーザがレーザ導入管２０内を一往復する時間を周期Ｔ［ｓ］として、周期Ｔ［ｓ］をｎ等分（本実施形態においては、ｎ＝８）した時間と、撮像のタイミングとを同期させ、かつ撮像時間を周期Ｔ［ｓ］をｎ等分した時間の半分として、周期Ｔ［ｓ］の間に一定の時間間隔を空けて、第１画像～第８画像を撮像し、制御演算部９０は、連続する２周期分の第１画像～第８画像を撮像部５０から取得し、連続する２周期分の第１画像～第８画像に基づいて、各画像上の複数の座標における周期Ｔ［ｓ］あたりの排ガスの移動ベクトルを算出し、各画像上の複数の座標における排ガスの移動ベクトルを一つの移動ベクトルとして平均化し、第１画像～第８画像における平均化された一つの移動ベクトルのＹ成分（排ガスの流動方向の成分）をそれぞれ排ガスの移動量Ｂｙ１［ｍ］～移動量Ｂｙ８［ｍ］とし、排ガスの移動量Ｂｙ１［ｍ］～移動量Ｂｙ８［ｍ］の算術平均を排ガスの代表移動量Ｂ［ｍ］とし、排ガスの代表移動量Ｂ［ｍ］から排ガスの実流速Ｓ［ｍ／ｓ］を算出し、排ガスの実流速Ｓ［ｍ／ｓ］から排ガスの実流量Ｑｍ［ｍ^３／ｓ］を算出し、排ガスの実流量Ｑｍ［ｍ^３／ｓ］に基づいて、排ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］を算出する。
　これにより、レーザ導入管２０内における排ガスの流れに偏り、又は脈動が生じている場合でも、排ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］を精度良く計測できる。

　また、制御演算部９０は、周期Ｔ［ｓ］よりも小さい時間間隔（本実施形態においては、Ｔ／５［ｓ］）において算出された、各画像上の複数の座標における排ガスの移動ベクトルを用いて、周期Ｔ［ｓ］分の時間間隔において算出された、各画像上の複数の座標における前記排ガスの移動ベクトルから過誤ベクトルを除去する。
　これにより、排ガスの移動量Ｂｙ１［ｍ］～移動量Ｂｙ８［ｍ］を精度良く算出することができ、延いては排ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］を精度良く計測できる。

　また、制御演算部９０は、連続する２周期分の第１画像～第８画像における排ガスの濃淡の等高線を抽出し、排ガスの濃淡の等高線が抽出された、連続する２周期分の第１画像～第８画像に基づいて、各画像上の複数の座標における排ガスの移動ベクトルを算出する。
　これにより、ＰＩＶ処理に要する時間を短縮することができる。したがって、制御演算部９０に、比較的処理速度の低い演算用のＤＳＰ又はＣＰＵを適用することができ、流量計測装置１の製造コストを低減することができる。
　また、第１画像～第８画像のサイズが従来のＰＩＶ処理では間に合わない程度に大きい場合であっても、良好にＰＩＶ処理を行うことができる。

　また、レーザ導入管２０内を流動する排ガスの絶対圧Ｐｍ［ｋＰａ・ａｂｓ］を計測する絶対圧計６０・６０と、レーザ導入管２０の内部と連通するように、両端部がレーザ導入管２０に取り付けられる管状のバイパス８１と、バイパス８１内を流動する排ガスの圧力を計測する圧力計８２と、を更に具備し、制御演算部９０は、圧力計８２によって計測されたバイパス８１内を流動する排ガスの圧力に基づいて、バイパス８１内の気柱の一次固有振動数ｆｎ［Ｈｚ］を算出し、バイパス８１内の気柱の一次固有振動数ｆｎ［Ｈｚ］からバイパス８１内における音速Ｃｂ［ｍ／ｓ］を算出し、バイパス８１内における音速Ｃｂ［ｍ／ｓ］から排ガス雰囲気下での音速Ｃ［ｍ／ｓ］を算出し、排ガス雰囲気下での音速Ｃ［ｍ／ｓ］に基づいて、排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］を算出し、排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］、排ガスの絶対圧Ｐｍ［ｋＰａ・ａｂｓ］、及び排ガスの実流量Ｑｍ［ｍ^３／ｓ］から排ガスのスタンダード流量Ｑｓ［ｍ^３／ｓ］を算出し、排ガスのスタンダード流量Ｑｓ［ｍ^３／ｓ］に基づいて、排ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］を算出する。
　これにより、排ガスの瞬時温度Ｔｍ［℃］を精度良く算出することができ、延いては排ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］を精度良く計測できる。

　また、レーザ導入管２０内を流動する排ガスの空燃比Ｒｍを計測する空燃比計７０を更に具備し、制御演算部９０は、排ガスの空燃比Ｒｍ、及び排ガスの元となった燃料の性状情報（Ｈ／Ｃ、Ｏ／Ｃ）に基づいて、排ガスの平均分子量Ｍｍ［ｋｇ／ｍｏｌ］を算出し、排ガスの平均分子量Ｍｍ［ｋｇ／ｍｏｌ］から排ガスの密度ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］を算出し、排ガスの密度ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］に基づいて、排ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］を算出する。
　これにより、排ガスの密度ρｓ［ｋｇ／ｍ^３］を精度良く算出することができ、延いては排ガスの質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］を精度良く計測できる。

　本発明は、ＰＩＶ処理により流体の質量流量を計測する流量計測装置に利用可能である。

　１　　流量計測装置
　１０　トレーサ導入管
　２０　レーザ導入管
　３０　照射部
　４０　レーザ分配器
　５０　撮像部
　６０　絶対圧計
　７０　空燃比計
　８０　温度計測部
　８１　バイパス
　８２　圧力計
　９０　制御演算部

Claims

　エンジンから排出される排ガスの質量流量を計測する流量計測装置であって、
　前記排ガスがトレーサと共に内部を流動するダクトと、
　レーザを照射する照射部と、
　前記照射部から照射されるレーザを、前記排ガスの流動方向に沿って前記ダクトの内部空間を切断するようなシート状のレーザとして反射させると共に、当該シート状のレーザを、前記排ガスの流動方向に直交する方向に沿って推移させるレーザ分配器と、
　前記レーザ分配器によって形成されたシート状のレーザによる、前記ダクトの内部空間の切断面の画像を撮像する撮像部と、
　前記排ガスの質量流量を算出する制御演算部と、を具備し、
　前記レーザ分配器は、前記シート状のレーザを、その推移する方向に沿った、前記ダクト内の全範囲にて一往復させ、
　前記撮像部は、前記シート状のレーザが前記ダクト内を一往復する時間を１周期として、１周期を複数等分した時間と、撮像のタイミングとを同期させ、かつ撮像時間を１周期を複数等分した時間より短い時間として、１周期の間に一定の時間間隔を空けて複数の画像を撮像し、
　前記制御演算部は、
　連続する２周期分の前記複数の画像を前記撮像部から取得し、
　連続する２周期分の前記複数の画像に基づいて、各画像上の複数の座標における１周期あたりの前記排ガスの移動ベクトルを算出し、
　各画像上の複数の座標における前記排ガスの移動ベクトルを一つの移動ベクトルとして平均化し、
　各画像上の平均化された一つの移動ベクトルにおける、前記排ガスの流動方向の成分を前記排ガスの移動量とし、
　前記複数の画像における前記排ガスの移動量の算術平均を前記排ガスの代表移動量とし、
　前記排ガスの代表移動量から前記排ガスの実流速を算出し、
　前記排ガスの実流速から前記排ガスの実流量を算出し、
　前記排ガスの実流量に基づいて、前記排ガスの質量流量を算出する、
　ことを特徴とする流量計測装置。
　前記撮像部による各画像の撮像時間は、１周期を複数等分した時間の半分である、
　ことを特徴とする請求項１に記載の流量計測装置。
　前記制御演算部は、
　１周期よりも小さい時間間隔において算出された、各画像上の複数の座標における前記排ガスの移動ベクトルを用いて、１周期分の時間間隔において算出された、各画像上の複数の座標における前記排ガスの移動ベクトルから過誤ベクトルを除去する、
　ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流量計測装置。
　前記制御演算部は、
　連続する２周期分の前記複数の画像における前記排ガスの濃淡の等高線を抽出し、
　前記排ガスの濃淡の等高線が抽出された、連続する２周期分の前記複数の画像に基づいて、各画像上の複数の座標における前記排ガスの移動ベクトルを算出する、
　ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の流量計測装置。
　前記ダクト内を流動する前記排ガスの絶対圧を計測する絶対圧計と、
　前記ダクトの内部と連通するように、両端部が前記ダクトに取り付けられる管状のバイパスと、
　前記バイパス内を流動する前記排ガスの圧力を計測する圧力計と、を更に具備し、
　前記制御演算部は、
　前記圧力計によって計測された前記バイパス内を流動する前記排ガスの圧力に基づいて、前記バイパス内の気柱の一次固有振動数を算出し、
　前記バイパス内の気柱の一次固有振動数から前記バイパス内における音速を算出し、
　前記バイパス内における音速から前記排ガス雰囲気下での音速を算出し、
　前記排ガス雰囲気下での音速に基づいて、前記排ガスの瞬時温度を算出し、
　前記排ガスの瞬時温度、前記排ガスの絶対圧、及び前記排ガスの実流量から前記排ガスの標準状態での体積流量を算出し、
　前記排ガスの標準状態での体積流量に基づいて、前記排ガスの質量流量を算出する、
　ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の流量計測装置。
　前記ダクト内を流動する前記排ガスの空燃比を計測する空燃比計を更に具備し、
　前記制御演算部は、
　前記排ガスの空燃比、及び前記排ガスの元となった燃料の性状に基づいて、前記排ガスの平均分子量を算出し、
　前記排ガスの平均分子量から前記排ガスの密度を算出し、
　前記排ガスの密度に基づいて、前記排ガスの質量流量を算出する、
　ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の流量計測装置。