WO2020158365A1 - 流体測定装置 - Google Patents

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WO2020158365A1
WO2020158365A1 PCT/JP2020/000828 JP2020000828W WO2020158365A1 WO 2020158365 A1 WO2020158365 A1 WO 2020158365A1 JP 2020000828 W JP2020000828 W JP 2020000828W WO 2020158365 A1 WO2020158365 A1 WO 2020158365A1
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WO
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light
sensor element
fluid
light source
measuring device
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PCT/JP2020/000828
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Inventor
明雄 登倉
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/661—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters using light
    • G—PHYSICS
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    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
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    • G—PHYSICS
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    • G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/026—Measuring blood flow

Definitions

  • the present invention relates to a fluid measurement device, and more particularly to a fluid measurement device that measures the flow rate, flow velocity, etc. of a fluid flowing through a flow path using coherent light.
  • ⁇ Technology for measuring the flow rate and flow velocity of fluid flowing in a flow channel is widely used in the industrial and medical fields.
  • a fluid measuring device for measuring a flow rate and a flow velocity there are various types such as an electromagnetic flow meter, a vortex flow meter, a Coriolis type flow meter, an ultrasonic flow meter, and a laser flow meter, and they are properly used according to the application.
  • the laser flow meter and ultrasonic flow meter can measure the flow rate and flow velocity without contacting the fluid flowing through the flow path, and therefore need to be hygienically used or installed. It is used in applications where it is not possible to insert a flowmeter into the flow path of.
  • a laser Doppler flow meter there is a laser Doppler flow meter (for example, refer to Patent Document 1, Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).
  • the flow path is irradiated with laser light which is coherent light of one light flux or two light fluxes.
  • a scatterer having a velocity contained in the fluid in the flow path passes through the laser light irradiation region, the laser light is scattered, and the frequency of the scattered light undergoes a Doppler shift. Further, the frequency of the scattered light from a stationary object such as the channel wall does not undergo the Doppler shift.
  • FIG. 7 shows a laser Doppler flowmeter for measuring the flow rate of a pipe in which a fluid flows (hereinafter, also referred to as a tube).
  • the pipe 1 is made of a material having a light transmitting property (light from the light source unit 2). It is configured.
  • the light source light is, for example, visible light to near-infrared light
  • the tube 1 is made of, for example, vinyl chloride, and the cross section perpendicular to the flow channel direction shows, for example, a circle.
  • the fluid contains a plurality of scatterers S.
  • the laser Doppler flowmeter 100 includes a light source unit 2, a light receiving unit 3, a signal processing unit 4 that performs primary processing such as amplification and filtering of a received light signal, and an arithmetic unit 5 that performs calculation processing based on the signal.
  • the calculation result is sent to the result display unit 6 including a personal computer (PC) or a display monitor for displaying the final measurement result.
  • PC personal computer
  • the light source unit 2 is composed of, for example, a semiconductor laser element (LD element) such as a surface emitting laser, and is arranged around the tube 1 to irradiate a fluid with laser light.
  • the light receiving unit 3 is composed of, for example, a photodiode (PD element), and receives scattered light from the scatterer S in the fluid or scattered light from a stationary object such as a tube wall to perform photoelectric conversion.
  • LD element semiconductor laser element
  • PD element photodiode
  • the light source unit 2 and the light receiving unit 3 may be mounted in close proximity to one board, or may be composed of separate boards. In the conventional method, the light source unit 2 and the light receiving unit 3 are usually installed close to each other in order to reduce the size of the sensor. In this example, the light source unit 2 and the light receiving unit 3 are mounted close to the printed circuit board which is the signal processing unit 4. Further, in this example, the light source unit 2 and the light receiving unit 3 are arranged so as to be parallel to the tube axis (tube axis) J of the tube 1, that is, the direction of fluid flow (see FIG. 8A ). It may be arranged in a direction orthogonal to the flow direction (see FIG. 8B).
  • FIG. 9 shows a functional block diagram of the signal processing unit 4 and the arithmetic unit 5 shown in FIG.
  • the signal processing unit 4 includes an amplifier 41 such as a transimpedance amplifier that amplifies a weak current signal from the light receiving unit 3 and converts it into a voltage signal, and a filter 42 such as a low-pass filter or a high-pass filter that extracts a desired band.
  • the arithmetic unit 5 includes a data acquisition unit 51 such as an analog/digital conversion circuit (ADC circuit), and a calculation processing unit 52 that performs a fast Fourier transform (FFT) using a computer or the like.
  • the data acquisition unit 51 may include a secondary amplifier and filters in front of the ADC circuit.
  • FIG. 10A is a diagram showing a velocity distribution of a straight pipe having no bend in the flow path.
  • the flow in a straight pipe forms a uniform velocity distribution called laminar flow under the condition that the Reynolds number is below a certain value.
  • the velocity is small near the wall of the pipe, which is easily affected by viscosity, and the velocity is large at the center of the pipe.Since such a distribution is realized at any position of the pipe, as described above,
  • the average flow velocity and the average flow rate of the fluid flowing through the flow channel are proportional to the moving velocity of the scatterer to be detected. Therefore, the average flow velocity and the average flow rate of the fluid can be obtained by performing the calibration by multiplying the proportional constant according to the flow path.
  • FIG. 10B is a diagram showing the velocity distribution of a pipe having a curved flow path.
  • the distribution is different from the laminar flow condition seen in a straight pipe.
  • the component with a high velocity is biased to the outside of the bend (the side with a small curvature).
  • the pressure gradient due to this centrifugal force creates a flow in the direction perpendicular to the tube axis, that is, in the radial direction.
  • the fluid in the curved pipe forms a velocity distribution with a spiral, resulting in an uneven distribution.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to more accurately measure an average flow velocity or an average flow rate of a fluid including a scatterer flowing in a tube made of an elastic body. Another object of the present invention is to provide a fluid measurement device capable of performing the above.
  • the present invention includes a light source unit (2) which is arranged around a pipe (1) through which a fluid containing a scatterer (S) flows and which irradiates the fluid with coherent light.
  • First to N-th (N is an integer of 3 or more) sensor elements (SE (SE 1 to SE 3 )) including a light-receiving section (3) for receiving and photoelectrically converting interference light;
  • a signal processing unit (4 (4 1 to 4 4 )) that amplifies and filters the signal received by the light receiving unit of the N sensor element and subjected to photoelectric conversion, and a signal processed by the signal processing unit as a digital signal.
  • a calculation unit (7) for calculating at least one of a flow velocity and a flow rate of the fluid based on the signal, and any one sensor element of the first to Nth sensor elements.
  • the coherent light emitted from the light source unit of the and transmitted through the fluid flowing through the tube is received by the light receiving unit of the other predetermined sensor element, and the distance between the one sensor element and the other predetermined sensor element is , D is the distance between the light source portion and the light receiving portion of the one sensor element, and r is the radius of the outside of the tube, it is ⁇ d/2 or more and ⁇ 3r or less.
  • the fluid that is emitted from the light source unit of any one sensor element (for example, the first sensor element) of the first to Nth sensor elements (three or more sensor elements) and that flows through the tube is transmitted.
  • the received coherent light is received by another predetermined sensor element (for example, the second sensor element) whose distance from this arbitrary one sensor element is ⁇ d/2 or more and ⁇ 3r or less.
  • the light is received at the section.
  • the first to N-th (N is an integer of 3 or more) sensor elements including the light source section and the light-receiving section are arranged around the pipe, and the first to N-th sensor elements are arranged.
  • the coherent light emitted from the light source section of any one of the sensor elements and transmitted through the fluid flowing through the tube has a distance of ⁇ d/2 or more from the light source section of this one sensor element.
  • the forward scattered light can be selectively detected and flows through the tube made of an elastic body. It is possible to more accurately measure the average flow velocity and the average flow rate of the fluid including the scatterer. Further, by averaging the received light signals of the first to Nth sensor elements, it becomes possible to further reduce the influence of the change in the velocity distribution of the fluid due to the bending of the pipe.
  • FIG. 1 is a sectional view showing an element arrangement in a fluid measuring device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a diagram showing the arrangement of the light source unit and the light receiving unit in the sensor element.
  • FIG. 2B is a diagram showing the arrangement of the light source unit and the light receiving unit in the sensor element.
  • FIG. 3A is a diagram showing another example in which the sensor elements are arranged around the tube at equal angular intervals.
  • FIG. 3B is a diagram showing another example in which the sensor elements are arranged around the tube at equal angular intervals.
  • FIG. 3C is a diagram showing another example in which the sensor elements are arranged at equal angular intervals around the tube.
  • FIG. 3A is a diagram showing another example in which the sensor elements are arranged around the tube at equal angular intervals.
  • FIG. 3B is a diagram showing another example in which the sensor elements are arranged around the tube at equal angular intervals.
  • FIG. 3C is
  • FIG. 4A is a diagram showing an example in which light from light source units of a plurality of sensor elements is received by a light receiving unit of one sensor element.
  • FIG. 4B is a diagram showing an example in which light from the light source units of the plurality of sensor elements is received by the light receiving unit of one sensor element.
  • FIG. 4C is a diagram showing an example in which light from the light source units of the plurality of sensor elements is received by the light receiving unit of one sensor element.
  • FIG. 4D is a diagram showing an example in which light from the light source units of the plurality of sensor elements is received by the light receiving unit of one sensor element.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an element arrangement in the fluid measuring device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example in which the light receiving section in the same sensor element is used to receive the backscattered light.
  • FIG. 7 is a figure which shows the structure of the conventional fluid measuring device.
  • FIG. 8A is a diagram showing an arrangement of a light source unit and a light receiving unit in a conventional fluid measurement device.
  • FIG. 8B is a diagram showing the arrangement of the light source unit and the light receiving unit in the conventional fluid measurement device.
  • FIG. 9 is a functional block diagram of the signal processor and the calculator.
  • FIG. 10A is a diagram showing a velocity distribution in a straight pipe (a laminar flow state).
  • FIG. 10B is a diagram showing a velocity distribution in a bent pipe (non-laminar flow state).
  • FIG. 11 is a diagram showing a distance d between the light source unit and the light receiving unit in the integrated sensor.
  • the detected value fluctuates due to changes in the position where the sensor is placed and the bending state. become.
  • One of the methods for solving this problem is to enlarge the area where the velocity information of the detected scatterer is obtained and average the values. For this purpose, it is necessary to increase the distance between the light source section and the light receiving section so that scattered light generated from a wide range can be received.
  • the intensity of scattered light is weak, if the distance between the light source section and the light receiving section is simply increased, the light diffuses during repeated multiple scattering, and the light intensity may become weak enough to make detection difficult. is there. Further, in a medium that absorbs light, scattered light is attenuated due to absorption.
  • the size (particle size) of red blood cells which are scatterers, is about the same as the wavelength used for measurement, and the scattering in this case is called “Mie scattering”.
  • This type of scattering has the intensity of forward scattered light that is about 10 times stronger than that of back scattered light, and can compensate for the attenuation of light due to the distance between the light source unit and the light receiving unit.
  • the light source section and the light receiving section are arranged in a "transmitted light detection arrangement" so as to receive transmitted light from the light source (light transmitted through the fluid flowing through the tube (including forward scattered light)), and the forward scattered light is selectively It should be possible to detect it. Further, since this arrangement detects transmitted light, it has an effect that information on the concentration of the scatterer can be obtained from the amount of attenuation of the transmitted light caused by absorption/scattering by the scatterer.
  • the light source section and the light receiving section can be arranged as independent elements, a sensor element in which the light source section and the light receiving section are provided close to one substrate (hereinafter, also referred to as “integrated sensor element”). It is advantageous to arrange a plurality of pipes around the pipe because data at various positions can be obtained and the number of data itself increases, so that measurement accuracy can be improved.
  • the distance between the light source and the light receiving part is an important factor when the light source part and the light receiving part are "transmitted light detection arrangement".
  • the longer the optical path the easier it becomes to receive scattered light generated from a wider range, and the effect of averaging the velocity distribution may increase.
  • the intensity of the forward scattered light is high, the longer the optical path, that is, the transmission distance, the more easily the forward scattered light undergoes diffusion attenuation or absorption attenuation due to multiple scattering, and the received light signal intensity decreases.
  • the distance between the light source part and the light receiving part in the measurement is shorter than that in the complete transmission arrangement.
  • the optimal number of sensor elements was three or more.
  • the optimum distance between the light source unit and the light receiving unit in the measurement is equal to or less than the distance Lth between the adjacent sensor elements when the three integrated sensor elements are arranged at equal angular intervals. Do you get it.
  • the distance Lth between adjacent sensor elements is ⁇ 3r, where r is the outer radius of the tube (radius of the outer diameter).
  • the present invention is more effective than the conventional method of receiving the backscattered light by using the light source unit and the light receiving unit of the integrated sensor, because the optical path length in the measurement becomes large and the velocity distribution averaging effect is obtained. Is the case. If the distance between the light source part and the light receiving part in the integrated sensor is set as d (see FIG. 11), the average optical path length of the conventional type for receiving backscattered light is estimated to be the arc length ⁇ d/2, and therefore the measurement is performed. The optimum distance between the light source unit and the light receiving unit in is ⁇ d/2 or more, which has been confirmed by verification.
  • the distance between the sensor elements is preferably ⁇ d/2 or more and ⁇ 3r or less. ..
  • the adjacent sensor element receives light, but also the sensor element adjacent to the adjacent sensor element (first adjacent element), that is, the adjacent sensor element is sandwiched therebetween.
  • Light may be received by a matching sensor element (second adjacent element), but in this case as well, the distance between the light source section and the light receiving section in measurement may be equal to or less than the above-described distance Lth between adjacent sensor elements. Needless to say, it is desirable. In this case, the optimum number of sensor elements is 6 or more.
  • the backscattered light can be received by using the light receiving part in the same element. Therefore, the received light signal of the backscattered light is added to calculate the flow rate and the flow velocity. Good.
  • each light receiving unit since it is easy to perform processing such as normalization of the light quantity, the number of light source units received by each light receiving unit is one (each light receiving unit does not receive light from two light source units). However, if the measurement accuracy is not adversely affected, light from a plurality of light source units may be received at the same time.
  • FIG. 1 shows a sectional view of an element arrangement in a fluid measuring device 101 according to the first embodiment.
  • the same components as those described with reference to FIG. 7 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • vinyl chloride having an inner diameter 2r of 5.6 mm is used as the tube 1, and an integrated sensor element SE in which the light source unit 2 and the light receiving unit 3 are provided close to one substrate is provided. 3 are arranged around the pipe 1 at equal angular intervals (120° intervals). In this case, the distances between the light source section 2 and the light receiving section 3 of the adjacent sensor elements SE are equal among the three sensor elements SE.
  • the light source section 2 and the light receiving section 3 in the sensor element SE are arranged in the tube 1 as seen from the peripheral surface side of the tube 1, as shown in FIGS. 2A and 2B. They are arranged close to each other in a direction intersecting with the tube axis J at a predetermined angle ⁇ .
  • 2A is a view seen from the peripheral surface side of the tube 1
  • FIG. 2B is a sectional view taken along line IIb-IIb in FIG. 2A.
  • the angle ⁇ is set to 90° in this example, it is not limited to 90°, and it is desirable that the angle ⁇ is within the range of 70° to 110° (90° ⁇ 20°).
  • the light emitted from the light source section 2 of the sensor element SE 1 and transmitted through the fluid flowing through the tube 1 is received by the light receiving section 3 of the sensor element SE 2. It is arranged as light transmitted through the fluid flowing through the emitted pipe 1 from the light source unit 2 of the sensor element SE 2 is arranged as is received by the light receiving unit 3 of the sensor element SE 3, the sensor element SE 3 The light emitted from the light source unit 2 and transmitted through the fluid flowing through the tube 1 is arranged to be received by the light receiving unit 3 of the sensor element SE 1 .
  • the light source unit 2 is equipped with a surface emitting laser element (LD) in the near infrared region as a light source.
  • LD surface emitting laser element
  • a photodiode (PD) is provided as a light receiving unit 3 adjacent to the light source unit 2 with an interval of about 1 to 2 mm, and the light source unit 2 and the light receiving unit 3 form an integrated sensor element SE. ing.
  • the sensor element SE is mounted on a printed circuit board including the signal processing unit 4.
  • the sensor element SE mounted on this printed circuit board is called a sensor head.
  • the functional block diagram of the signal processing unit 4 is similar to that of FIG.
  • An arithmetic unit 7 is provided after the signal processing units 4 1 to 4 3 provided for the sensor elements SE 1 to SE 3 .
  • the calculation unit 7 includes a data acquisition unit 71 such as an analog/digital conversion circuit (ADC circuit) and a calculation processing unit 72 that performs a fast Fourier transform (FFT) using a computer or the like.
  • ADC circuit analog/digital conversion circuit
  • FFT fast Fourier transform
  • the component arrangement of the signal processing units 4 1 to 4 3 can be appropriately omitted or changed according to the measurement situation, such as moving the filters in the signal processing units 4 1 to 4 3 to the arithmetic unit 7.
  • the signal processing units 4 1 to 4 3 may be provided as a single signal processing unit in the preceding stage of the calculation unit 7.
  • the light emitted from the light source section 2 of any one sensor element SE is received by the light receiving section 3 of the adjacent sensor element SE.
  • the light source unit 2 of the sensor element SE 1 irradiates the fluid flowing through the tube 1 serving as the flow path with the coherent light source light (coherent light).
  • the fluid contains a scatterer S that scatters light from the light source.
  • Vinyl chloride is transparent and transparent to the wavelength of light emitted from the light source.
  • the concentration of the scatterer S When the concentration of the scatterer S is low, most of the scattering is single scattering, but as the concentration increases, it reaches the light receiving unit 3 of the sensor element SE 2 through multiple times of scattering. The transmitted light that did not cause scattering and the reflected/scattered light from the stationary tube wall are also received.
  • the light received by the light receiving portion 3 of the sensor element SE 2 is converted into an electric signal, but a beat signal is generated between the light whose frequency has been changed by the Doppler shift and the light whose frequency has not changed (the change is extremely small). It is generated and is detected as an AC component.
  • Electric signal receiving section 3 of the sensor element SE 2 outputs is normally weak, the output current since the order of about .mu.A, using an amplification circuit such as a transimpedance amplifier disposed in the signal processing unit 4 2 It is amplified and converted into a voltage signal of a level easy to handle, for example, about 1V. Next, the amplified signal is branched, and only one high-frequency (AC) component is extracted from one signal through a high-pass filter. An appropriate value of about 1 to 100 Hz can be selected as the cutoff frequency of the high pass filter.
  • AC high-frequency
  • the signal on the non-filter side is converted into a digital signal by the ADC circuit in the data acquisition unit 71 in the next calculation unit 7, and then time averaged to average out the high frequency component and extract it as a DC component. Used for standardization, etc. Since this DC component changes depending on the transmittance of the liquid, that is, the concentration of the scatterer S in the liquid, the change of the DC component excluding the fluctuation of the output of the laser element gives the concentration information of the scatterer S. Therefore, by measuring the correspondence relationship between the concentration and DC component of the measurement target and the flow velocity correlation feature amount described later with a tube used in advance, and creating a calibration table, the DC component from which the output fluctuation of the laser element is subtracted is calculated. It is possible to correct the density of the scatterer S relating to the flow velocity correlation characteristic amount used.
  • the high-frequency component is usually one to two digits smaller than the DC component, so after amplification by a secondary amplifier to a value suitable for signal processing, a low-pass filter removes high-frequency components not required for signal processing. It is sent to the calculation unit 7.
  • the cutoff frequency of the low-pass filter depends on the flow velocity of the scatterer S, but may be 20 MHz, for example.
  • the high frequency component converted into the digital signal is sent to the calculation processing unit 72.
  • the calculation processing unit 72 obtains a power spectrum by performing a Fourier transform by FFT and calculating the power thereof. When the power spectrum is obtained, the product sum of the power P and the frequency f is calculated over a predetermined frequency range by the following equation (1), and the flow velocity correlation characteristic amount ⁇ is obtained.
  • ⁇ ⁇ (P(fi) ⁇ f) (1)
  • the calculation processing unit 72 adds an operation such as multiplying these three flow velocity correlation feature quantities ⁇ by a calibration coefficient, and calculates, for example, an average flow rate value from the three flow velocity correlation feature quantities ⁇ to which this operation is added, Fluid measurement is realized by sending to the display unit 6.
  • an operation such as multiplying these three flow velocity correlation feature quantities ⁇ by a calibration coefficient
  • a correction calculation for correcting the frequency characteristic of the amplification/filter circuit can be appropriately performed.
  • the integrated sensor elements SE are arranged at equal angular intervals around the tube 1, and then the light emitted from the light source unit 2 of any one sensor element SE is passed through the fluid flowing through the tube 1.
  • Light is received by the light receiving unit 3 of the adjacent sensor element SE.
  • the light receiving section 3 of the adjacent sensor element SE is used to receive the scattered light.
  • scattered light can be received from a wider fluid area than before, and the velocity distribution can be averaged over a wider area.
  • the received light signals of the plurality of sensor elements SE were averaged to perform fluid measurement.
  • the present embodiment it was possible to reduce the influence of the change in velocity distribution due to the bending of the pipe 1 by 12% or more as compared with the conventional case.
  • the transmitted light detection arrangement that can selectively receive the forward scattered light having a high scattering intensity is used, the influence of the scattered light being attenuated is canceled by the increase in the optical path as compared with the conventional case, and the same level as the conventional case is obtained. It was possible to receive a scattered signal of a magnitude.
  • three sensor elements SE are arranged around the tube 1 at equal angular intervals (three sensors), but four sensor elements SE are arranged (four sensors) as shown in FIG. 3A.
  • five pieces may be arranged (5 sensors) as shown in FIG. 3B, or six pieces may be arranged (6 sensors) as shown in FIG. 3C.
  • the light source unit of the sensor element SE 2 in the light receiving section 3 of the sensor element SE 3 the light from the 2 as it received, and to receive light from the light source section 2 of the sensor element SE 3 receiving section 3 of the sensor elements SE 1, but as shown in FIG.
  • the sensor element SE 2 so as to receive light from the light source section 2 of the sensor element SE 1, SE 3 receiving section 3 receives light from the light source section 2 of the sensor element SE 1, SE 2 by the light receiving unit 3 of the sensor element SE 3
  • the light receiving section 3 of the sensor element SE 1 may receive the light from the light source section 2 of the sensor elements SE 2 , SE 3 .
  • FIG. 5 shows a sectional view of the element arrangement in the fluid measuring device according to the second embodiment of the present invention.
  • Adjacent element SE is configured to receive scattered light.
  • the backscattered light is received using the light receiving unit 3 in the same sensor element SE, and the light reception signals of this backscattered light are also averaged together. To calculate the flow rate or flow velocity.
  • the second adjacent element is used to receive the scattered light, and the received light signal of the back scattered light is also combined to calculate the flow rate or the flow velocity.
  • the scattered light may be received by using the first adjacent element, and the flow rate or the flow velocity may be calculated by combining this signal. In this case, it was possible to reduce the influence of the change in velocity distribution due to the bending of the tube 1 by 20% or more as compared with the conventional case.
  • the fluid measurement device has the same arrangement and measurement configuration as in the second embodiment, but as described above, the scatterer in which the direct-current component corresponding to the transmitted light has the light absorption characteristic. We paid attention to the fact that it increases or decreases depending on the concentration of S.
  • the output fluctuation of the laser element is calculated in the calculation unit 7.
  • the flow velocity correlation characteristic amount due to the change in the concentration of the scatterer S was corrected.
  • the flow velocity correlation characteristic amount of the fluid in the tube which does not depend on the concentration of the scatterer S, for example, the average flow rate.
  • the third embodiment as in the second embodiment, it is possible to reduce the influence of the change in the velocity distribution due to the bending of the tube 1 by 18% or more as compared with the conventional case, and further, the scattering. It was possible to reduce the fluctuation of the flow rate value depending on the concentration of the body S by 15% or more. As a result, it was possible to reduce the variation in flow rate value by 22% or more in total.

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Abstract

散乱体（Ｓ）を含む流体が流れる管（１）の周囲に、それぞれ光源部（２）と受光部（３）とを備える第１～第Ｎ（Ｎは３以上の整数）のセンサ素子（ＳＥ）を等角度間隔で配置して、第１～第Ｎのセンサ素子（ＳＥ）のうち任意の１つのセンサ素子（ＳＥ１）の光源部（２）から出射され管を流れる流体を透過した可干渉光が他の所定のセンサ素子（ＳＥ２）の受光部（３）で受光されるようにする。このとき、任意の１つのセンサ素子（ＳＥ）と他の所定のセンサ素子（ＳＥ）との間の距離を、任意の１つのセンサ素子（ＳＥ）の光源部（２）と受光部（３）との間の距離をｄとし、管１の外側の半径をｒとした場合、πｄ／２以上で、かつ√３ｒ以下とすることによって、弾性体からなる管を流れる散乱体を含む流体の平均流速や平均流量をより正確に測定する。

Description

流体測定装置
　本発明は、流体測定装置、特に可干渉光を用いて流路を流れる流体の流量、流速等を測定する流体測定装置に関する。
　流路を流れる流体の流量や流速を測定する技術が工業・医療分野などで幅広く利用されている。流量や流速を測定する流体測定装置としては、電磁流量計、渦流量計、コリオリ式流量計、超音波流量計、レーザ流量計など様々な種類があり、用途に応じて使い分けられている。このうち、レーザ流量計と超音波流量計は流路を流れる流体に接触することなく非接触で流量や流速を測定することが可能であるため、衛生的であることを必要とする用途や既設の流路に流量計を挿入することが出来ない用途などにおいて利用されている。
　ところで、超音波流量計は精度が高く幅広く用いられているものの、小型化を図るとどうしても高コストになってしまう問題があった。この点、レーザ流量計は小型化が容易であるため、小型の流量計を安価に製造することが可能である。
　レーザ流量計としては、レーザドップラー流量計がある（例えば、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２参照）。このレーザドップラー流量計では、１光束あるいは２光束の可干渉光であるレーザ光を、流路に照射する。流路内の流体に含まれる速度を持つ散乱体がレーザ光の照射領域を通過するとレーザ光が散乱され、散乱光の周波数はドップラーシフトを受ける。また、流路壁等の静止した物体からの散乱光の周波数はドップラーシフトを受けない。
　このようなドップラーシフトを受けた散乱光とドップラーシフトを受けない散乱光を、同時にフォトダイオードなどで受け、電気信号に変換すると、ヘテロダイン検波が行われてビート信号が観測される。観測されるビート信号の周波数スペクトルを算出してピーク周波数を抽出すると、散乱体の移動速度を求めることができる。流れが層流であった場合、流路を流れる流体の平均流速や平均流量は、上述した方法により求めた散乱体の移動速度と比例関係となるため、流路に応じた比例定数を乗じて較正することで流体の平均流速や平均流量を求めることができる。
　ここで、従来のレーザドップラー流量計の構成について図７を用いて説明する。図７は流体が流れる管（以下、チューブとも呼ぶ。）の流量を測るためのレーザドップラー流量計であり、管１は光源光（光源部２からの光）に対して透過性を有する材料から構成されている。光源光が例えば、可視光から近赤外光の場合は、管１は例えば、塩化ビニルから構成されており、流路方向に対して垂直な断面は、例えば円形を示している。流体には複数の散乱体Ｓが含まれている。
　このレーザドップラー流量計１００は、光源部２、受光部３、受光信号の増幅やフィルタリング等の一次処理を行う信号処理部４、信号を基にした計算処理等を行う演算部５から構成されており、演算結果は最終的な計測結果を表示するためのパーソナルコンピュータ（ＰＣ）や表示モニタ等からなる結果表示部６へ送られる。
　光源部２は例えば、面発光レーザ等の半導体レーザ素子（ＬＤ素子）から構成されており、管１の周囲に配置されて流体にレーザ光を照射する。受光部３は例えばフォトダイオード（ＰＤ素子）から構成されており、流体内の散乱体Ｓからの散乱光、または管壁等の静止物体からの散乱光を受光して光電変換を行う。
　光源部２と受光部３は、１つの基板に近接して実装されていても良いし、別々の基板から構成されていても良い。従来方式では通常、センサを小型化するために光源部２と受光部３とは近接して設置される場合が多い。本例では、光源部２と受光部３とは、信号処理部４であるプリント基板に近接して実装されている。また、本例では、光源部２と受光部３は管１の管軸（チューブ軸）Ｊ、すなわち流体の流れの方向と平行になるように配置されているが（図８Ａ参照）、流体の流れの方向に対して直交する方向に配置される場合もある（図８Ｂ参照）。
　図７に示した信号処理部４および演算部５の機能ブロック図を図９に示す。信号処理部４は、受光部３からの微弱な電流信号を増幅して電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ等の増幅器４１、および所望の帯域を抽出するローパスフィルタやハイパスフィルタ等のフィルタ４２から構成されている。演算部５は、アナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ回路）等のデータ取得部５１と、計算機等を用いて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等を行う計算処理部５２とから構成されている。データ取得部５１には、ＡＤＣ回路の手前に２次増幅器やフィルタ類が組み込まれている場合もある。
特開昭５７－０５９１７３号公報
A. K. Jayanthy, et. al., "MEASURING BLOOD FLOW: TECHNIQUES AND APPLICATIONS - A REVIEW", International Journal of Recent Research and Applied Studies, 6 (2011) pp.203～216. Armand Pruijmboom, et. al., "VCSEL-based miniature laser-Doppler interferometer", Proc. of SPIE, Vol. 6908 (2008) pp.69080I-1～69080I-7.
　しかしながら、このようなレーザドップラー流量計１００において、管１は弾性を有しているため、流路が曲りやすい。流路の曲りなどは流速分布の偏りを発生させる原因となる。この様子を図１０Ａおよび図１０Ｂに模式的に示す。
　図１０Ａは、流路に曲りがない直管の速度分布を示す図である。直管の流れは、レイノルズ数が一定値以下の条件において層流と呼ばれる一様な速度分布を形成している。粘性の影響を受けやすい管壁の付近は速度が小さく、管の中心部で速度が大きい分布をしており、このような分布が管のどの位置でも実現しているため、上述したように、流路を流れる流体の平均流速や平均流量は、検出される散乱体の移動速度と比例関係となる。このため、流路に応じた比例定数を乗じて較正することで流体の平均流速や平均流量を求めることができる。
　一方、図１０Ｂは、流路に曲りがある管の速度分布を示す図である。この場合は曲りによる影響のため、直管で見られる層流状態と異なった分布となっている。具体的には、曲り形状と流体の速度によって生じる遠心力により、速度の大きい成分が曲りの外側（曲率の小さい側）に偏っていく。さらにこの遠心力による圧力勾配が管の軸と垂直方向、すなわち動径方向の流れを作り出す。結局これらの流れ成分の合成により、曲りがある管における流体は螺旋を伴う速度分布を形成し、一様でない分布となる。しかも、管の曲率が場所ごとに揺らぐような場合には、上述した効果が複雑にからみあう速度分布が形成されることになる。検出される散乱体の移動速度は局所的な領域の移動速度であるため、流速分布の偏りを反映して計測位置によって大きく揺らぐことになり、移動速度から流体の平均流速や平均流量を求めることが非常に困難になる。
　本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、弾性体からなる管を流れる散乱体を含む流体の平均流速や平均流量をより正確に測定することが可能な流体測定装置を提供することにある。
　このような目的を達成するために本発明は、散乱体（Ｓ）を含む流体が流れる管（１）の周囲に配置され、それぞれ前記流体に可干渉光を照射する光源部（２）と可干渉光を受光して光電変換する受光部（３）とを備える第１～第Ｎ（Ｎは３以上の整数）のセンサ素子（ＳＥ（ＳＥ１～ＳＥ３））と、前記第１～第Ｎのセンサ素子の受光部で受光され、光電変換された信号の増幅、およびフィルタリングを行う信号処理部（４（４１～４４））と、前記信号処理部で処理された信号をデジタル信号に変換し、当該信号をもとに前記流体の流速および流量の少なくとも１つを算出する演算部（７）とを備え、前記第１～第Ｎのセンサ素子のうちの任意の１つのセンサ素子の光源部から出射され前記管を流れる流体を透過した可干渉光は他の所定のセンサ素子の受光部で受光され、前記１つのセンサ素子と前記他の所定のセンサ素子との間の距離は、前記１つのセンサ素子の光源部と受光部との間の距離をｄとし、前記管の外側の半径をｒとした場合、πｄ／２以上で、かつ√３ｒ以下とされていることを特徴とする。
　本発明では、第１～第Ｎのセンサ素子（３つ以上のセンサ素子）のうちの任意の１つのセンサ素子（例えば、第１のセンサ素子）の光源部から出射され管を流れる流体を透過した可干渉光が、この任意の１つのセンサ素子との間の距離がπｄ／２以上で、かつ√３ｒ以下とされている他の所定のセンサ素子（例えば、第２のセンサ素子）の受光部で受光される。これにより、後述する前方散乱光を選択的に検出することができるようになり、管が弾性体からなる場合であっても、散乱体を含む流体の平均流速や平均流量をより正確に測定することが可能となる。また、第１～第Ｎのセンサ素子の受光信号を平均化するようにして、管の曲りに起因する流体の速度分布変化の影響をより低減することが可能となる。
　なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。
　以上説明したように、本発明によれば、光源部と受光部とを備える第１～第Ｎ（Ｎは３以上の整数）のセンサ素子を管の周囲に配置し、第１～第Ｎのセンサ素子のうちの任意の１つのセンサ素子の光源部から出射され管を流れる流体を透過した可干渉光が、この任意の１つのセンサ素子の光源部との間の距離がπｄ／２以上で、かつ√３ｒ以下とされている他の所定のセンサ素子の受光部で受光されるようにしたので、前方散乱光を選択的に検出することができるようになり、弾性体からなる管を流れる散乱体を含む流体の平均流速や平均流量をより正確に測定することが可能となる。また、第１～第Ｎのセンサ素子の受光信号を平均化するようにして、管の曲りに起因する流体の速度分布変化の影響をより低減することが可能となる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る流体測定装置における素子配置を示す断面図である。 図２Ａは、センサ素子内における光源部と受光部との配置を示す図である。 図２Ｂは、センサ素子内における光源部と受光部との配置を示す図である。 図３Ａは、センサ素子を管の周囲に等角度間隔で配置した別の例を示す図である。 図３Ｂは、センサ素子を管の周囲に等角度間隔で配置した別の例を示す図である。 図３Ｃは、センサ素子を管の周囲に等角度間隔で配置した別の例を示す図である。 図４Ａは、複数のセンサ素子の光源部からの光を１つのセンサ素子の受光部で受光するようにした例を示す図である。 図４Ｂは、複数のセンサ素子の光源部からの光を１つのセンサ素子の受光部で受光するようにした例を示す図である。 図４Ｃは、複数のセンサ素子の光源部からの光を１つのセンサ素子の受光部で受光するようにした例を示す図である。 図４Ｄは、複数のセンサ素子の光源部からの光を１つのセンサ素子の受光部で受光するようにした例を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態２に係る流体測定装置における素子配置を示す断面図である。 図６は、同一のセンサ素子内の受光部を用いて後方散乱光を受光するようにした例を示す図である。 図７は、従来の流体測定装置の構成を示す図である。 図８Ａは、従来の流体測定装置における光源部と受光部の配置を示す図である。 図８Ｂは、従来の流体測定装置における光源部と受光部の配置を示す図である。 図９は、信号処理部および演算部の機能ブロック図である。 図１０Ａは、直管（層流状態）における速度分布を示す図である。 図１０Ｂは、曲がった管（非層流状態）における速度分布を示す図である。 図１１は、一体型センサにおける光源部と受光部の距離ｄを示す図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。先ず、実施の形態の説明に入る前に、本発明の概要について説明する。
〔発明の概要〕
　上述したように、管が弾性体などから構成され、管に曲りが生じ得る場合に、移動速度から流体の平均流速や平均流量を求めることが非常に困難になる理由は、検出される散乱体の速度情報は局所的な領域のものであるからである。
　このため、管の位置で速度分布が変化しているような速度分布が一様でない状況においては、センサが配置される位置や曲り状態が変化することにより、検出される値が揺らいでしまうことになる。この問題を解決するための方法の一つは、検出される散乱体の速度情報が得られる領域を拡大し、その値を平均化することである。このためには、光源部と受光部との間の距離を離し、広い範囲から発生する散乱光を受光できるようにする必要がある。
　しかしながら、散乱光の強度は弱いため、ただ光源部と受光部との間の距離を離しただけでは多重散乱を繰り返すうちに拡散してしまい、検出困難な程、光強度が弱くなる可能性がある。また、光の吸収がある媒質では散乱光が吸収により減衰してしまう。
　これを解決するためには、より散乱強度の強い方向の散乱光を検出する必要がある。すなわち、従来技術のように、光源部と受光部との間の距離が近い場合は、必然的に散乱体の後方に散乱される光源部からの光（以下、「後方散乱光」）と呼ぶ。）を受光するが、本実施の形態に係る流体測定装置では、これに代わり散乱体の前方に散乱される光源部からの光（以下、「前方散乱光」と呼ぶ。）を受光することによりこの問題は解決される。「前方散乱光」は流体を透過する（通過する）光路を進むため、後述する「透過光」には前方散乱光が含まれる。
　流量計でよく計測される血液では、散乱体である赤血球のサイズ（粒径）が計測に用いられる波長と同程度であり、この場合の散乱は「Ｍｉｅ散乱」と呼ばれる。この種類の散乱は後方散乱光よりも、前方散乱光の強度が１０倍程度強く、光源部と受光部との間の距離を離したことによる光の減衰分を補うことができるからである。
　したがって、光源部と受光部を、光源からの透過光（管を流れる流体を透過した光（前方散乱光を含む））を受光するような「透過光検出配置」にして前方散乱光を選択的に検出できるようにすればよい。さらに、この配置は透過光を検出するため、散乱体による吸収・散乱に起因する透過光の減衰量から散乱体の濃度に関する情報も得ることができるという効果を有する。
　光源部と受光部を独立の素子として配置することもできるが、光源部と受光部とを１つの基板に近接して設けたセンサ素子（以下、「一体型のセンサ素子」とも呼ぶ。）を管の周囲に複数配置する方が、様々な位置におけるデータを取ることができ、データ数自体が増えるため、計測精度を高めるには有利である。
　一方で、光源部と受光部とを「透過光検出配置」とする場合、光源部と受光部との間の距離は重要な要素である。光路が長い方が、より広範囲から発生する散乱光を受光しやすくなり、速度分布の平均化効果が大きくなる場合がある。しかしながら、前方散乱光の強度は強いとはいえ、光路、すなわち透過距離が長いほど、前方散乱光でも多重散乱による拡散減衰や吸収減衰が起こりやすくなり受光信号強度が低下する。
　受光信号強度や平均化の効果を確かめるための検証として、管の周囲に、例えば光源部と受光部とを備える４つのセンサを等角度間隔（９０°毎）に設置した場合、管の直径を結ぶような光源部と受光部の配置（以下、このような配置を「完全透過配置」と呼ぶ。）において希薄濃度の流体を測定し、４つのセンサ信号を平均化した場合よりも、隣り合う位置にあるセンサで透過光を受光して（隣接センサ配置）流体を測定し、４つのセンサ信号を平均化した方が管の曲りによる影響が少ないことが今回初めて実験的に確かめられた。
　このような検証により、管の曲りによる影響を効果的に低減するためには、測定における光源部と受光部との間の距離は完全透過配置よりも短い方が良く、複数の一体型のセンサ素子を用いる場合には、最適なセンサ素子数は３個以上であることが確かめられた。また、測定における光源部と受光部との間の最適な距離は、一体型のセンサ素子３個を等角度間隔で配置した場合の隣り合うセンサ素子間の距離Ｌｔｈ以下であることが望ましいことが分かった。この場合、隣り合うセンサ素子間の距離Ｌｔｈは、管の外側の半径（外径の半径）をｒとすると√３ｒとなる。
　また、本発明が、一体型センサの光源部と受光部を利用して後方散乱光を受光する従来方式に比べて効果を発揮するのは、測定における光路長が大きくなり速度分布の平均化効果が大きくなる場合である。一体型センサにおける光源部と受光部の距離をｄとおくと（図１１参照）、後方散乱光を受光する従来型の平均的な光路長は弧の長さπｄ／２と見積もれるため、測定における光源部と受光部との間の最適な距離は、πｄ／２以上であり、検証によっても確かめられている。そこで、センサ素子間の距離をπｄ／２以上に設定しておくことで、センサ素子内部における光源部と受光部の配置関係に起因する多少の変動はあるものの、光源部と受光部の配置関係の詳細によらず本発明が効果を発揮する光路長が実現されることになる。したがって、複数の一体型のセンサ素子を用いる場合、可干渉光を照射するセンサ素子と可干渉光を受光するセンサ素子間の距離は、πｄ／２以上で、かつ√３ｒ以下であることが望ましい。
　配置するセンサ素子の数が増えた場合、隣りのセンサ素子で受光するだけでなく、隣りのセンサ素子（第１隣接素子）のさらに隣りのセンサ素子、すなわち隣りのセンサ素子を間に挟んで隣り合うセンサ素子（第２隣接素子）でも受光することが考えられるが、この場合でも、測定における光源部と受光部との間の距離は上述した隣り合うセンサ素子間の距離Ｌｔｈ以下であることが望ましいのはいうまでもない。この場合、最適なセンサ素子数は６個以上となる。
　また、一体型のセンサ素子を用いる場合には、同一素子内の受光部を用いれば後方散乱光を受光することができるため、この後方散乱光の受光信号を加えて流量や流速を算出してもよい。
　また、計測においては、光量の規格化等の処理が行いやすくなるため、各受光部で受ける光源部の数は１つである（各受光部は２つの光源部からの光を受光しない）ことが望ましいが、計測精度に悪影響がない場合は同時に複数の光源部からの光を受光しても良い。
〔実施の形態１〕
　以下、本発明の実施の形態１に係る流体測定装置について図面を参照しながら説明する。図１に、実施の形態１に係る流体測定装置１０１における素子配置の断面図を示す。同図において、図７を参照して説明した構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
　本実施の形態では、管１として例えば内径２ｒが５．６ｍｍの塩化ビニルを使用しており、光源部２と受光部３とを１つの基板に近接して設けた一体型のセンサ素子ＳＥを、管１の周囲に等角度間隔（１２０゜間隔）で３つ配置している。この場合、隣り合うセンサ素子ＳＥの光源部２と受光部３との間の距離は３つのセンサ素子ＳＥ間で等しくなる。
　本実施の形態において、センサ素子ＳＥ（ＳＥ１～ＳＥ３）内の光源部２と受光部３とは、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、管１の周面側から見て管１の管軸Ｊと所定の角度θで交わる方向に近接して配置されている。図２Ａは管１の周面側から見た図、図２Ｂは図２ＡにおけるIIｂ－IIｂ線断面図である。なお、この例において、角度θは９０゜とされているが、９０゜に限られるものではなく、７０゜～１１０゜（９０゜±２０゜）の範囲内の角度であることが望ましい。
　また、本実施の形態において、センサ素子ＳＥ１～ＳＥ３は、センサ素子ＳＥ１の光源部２から出射され管１を流れる流体を透過した光がセンサ素子ＳＥ２の受光部３で受光されるような配置とされ、センサ素子ＳＥ２の光源部２から出射され管１を流れる流体を透過した光がセンサ素子ＳＥ３の受光部３で受光されるような配置とされ、センサ素子ＳＥ３の光源部２から出射され管１を流れる流体を透過した光がセンサ素子ＳＥ１の受光部３で受光されるような配置とされている。
　光源部２には、光源として、近赤外領域の面発光レーザ素子（ＬＤ）が実装されている。この場合、出力変動が少ない安定したレーザ素子を光源として用いるのが望ましいが、レーザ素子の出力をモニタし、補正しても良い。また、光源部２の隣りに、フォトダイオード（ＰＤ）が約１～２ｍｍの間隔をあけて受光部３として設けられ、この光源部２と受光部３とで一体型のセンサ素子ＳＥが構成されている。
　センサ素子ＳＥは、信号処理部４を備えるプリント基板に実装されている。このプリント基板に実装されたセンサ素子ＳＥはセンサヘッドと呼ばれる。信号処理部４の機能ブロック図は図９と同様である。センサ素子ＳＥ１～ＳＥ３に対して設けられた信号処理部４１～４３の後段には演算部７が設けられている。演算部７は、アナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ回路）等のデータ取得部７１と、計算機等を用いて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等を行う計算処理部７２とから構成されている。
　なお、信号処理部４１～４３におけるフィルタを演算部７に移す等、信号処理部４１～４３の部品配置は計測状況に応じて適宜省略および変更をすることができる。例えば、信号処理部４１～４３を１つの信号処理部として、演算部７の前段に設けるなどしてもよい。
　この流体測定装置１０１において、任意の１つのセンサ素子ＳＥの光源部２から出射された光は、隣りのセンサ素子ＳＥの受光部３で受光される。例えば、センサ素子ＳＥ１の光源部２から、干渉性を有する光源光（可干渉光）を流路となる管１を流れる流体に照射する。流体には光源光を散乱する散乱体Ｓが含まれている。塩化ビニルは透明であり、光源光波長に対して透過性を有している。光源光が散乱体Ｓによって散乱されると、その一部はセンサ素子ＳＥ２の受光部３によって受光される。散乱体Ｓの濃度が低い場合には大部分の散乱は単散乱であるが、濃度が増加するにつれて複数回の散乱を経て、センサ素子ＳＥ２の受光部３に到達することになる。散乱を起こさなかった透過光や静止している管壁からの反射・散乱光も同様に受光される。
　センサ素子ＳＥ２の受光部３で受光された光は電気信号に変換されるが、ドップラーシフトにより周波数が変化した光と周波数の変化がない（変化が極めて少ない）光との間でビート信号が発生し、それが交流成分となって検出される。センサ素子ＳＥ２の受光部３が出力する電気信号は通常微弱であり、出力電流はμＡのオーダー程度であるため、信号処理部４２に配置されているトランスインピーダンスアンプなどの増幅回路を用いて増幅し、例えば１Ｖ程度の扱いやすいレベルの電圧信号に変換する。次に増幅信号を分岐し、一方の信号にハイパスフィルタを通して高周波（交流）成分のみを取り出す。ハイパスフィルタのカットオフ周波数としては１～１００Ｈｚ程度の適切な値を選択することができる。
　フィルタを通さない側の信号は、次の演算部７におけるデータ取得部７１内のＡＤＣ回路でデジタル信号に変換した後、時間平均を取ることで高周波成分を平均化して直流成分として取り出し、信号の規格化等に用いる。この直流成分は液体の透過率、すなわち液体中の散乱体Ｓの濃度によって変化するため、レーザ素子の出力の変動を除いた直流成分の変化は散乱体Ｓの濃度情報を与える。従って、測定対象の濃度と直流成分と後述する流速相関特徴量との対応関係を、事前に使用するチューブにおいて測定して較正表を作成することで、レーザ素子の出力変動を差し引いた直流成分を利用した、流速相関特徴量に関する散乱体Ｓの濃度補正を行うことができる。
　高周波成分は通常、直流成分よりも一桁から２桁程度値が小さいため、２次アンプによりさらに信号処理に適した値まで増幅した後、ローパスフィルタにより信号処理に必要としない高周波成分を取り除き、演算部７に送られる。ローパスフィルタのカットオフ周波数は散乱体Ｓの流速により異なるが、例えば２０ＭＨｚであればよい。
　演算部７では、データ取得部７１内のＡＤＣ回路により、信号処理部４２からの高周波成分をデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換された高周波成分は計算処理部７２に送られる。計算処理部７２は、ＦＦＴによりフーリエ変換し、そのパワーを算出することでパワースペクトルを得る。パワースペクトルが得られたら、パワーＰと周波数ｆとの積和を、以下に示す式（１）により所定の周波数範囲に亘って演算し、流速相関特徴量νとする。
　ν＝Σ（Ｐ（ｆｉ）×ｆ）　・・・・(１)
　上述においては、センサ素子ＳＥ１の光源部２からの光を管１を流れる流体を通して隣りのセンサ素子ＳＥ２の受光部３で受光した場合について説明したが、センサ素子ＳＥ２の光源部２からの光を管１を流れる流体を通して隣りのセンサ素子ＳＥ３の受光部３で受光した場合にも、またセンサ素子ＳＥ３の光源部２からの光を管１を流れる流体を通して隣りのセンサ素子ＳＥ１の受光部３で受光した場合にも、同様にして流速相関特徴量νが得られる。
　計算処理部７２は、これら３つの流速相関特徴量νに較正係数を乗算するなどの演算を加え、この演算が加えられた３つの流速相関特徴量νから例えば平均流量値を算出して、結果表示部６に送ることで流体計測を実現する。なお、流速相関特徴量νを算出する際に適宜、増幅・フィルタ回路の周波数特性を補正する補正演算を行うことができる。また、ＡＤＣ、計算処理を適切に設計して、直流成分等を用いた入射光強度・反射度合に応じた補正演算等を行うことができる。
　本実施の形態では、一体型のセンサ素子ＳＥを管１の周囲に等角度間隔で配置したうえで、任意の１つのセンサ素子ＳＥの光源部２から出射された光を管１を流れる流体を通して隣りのセンサ素子ＳＥの受光部３で受光する。具体的には、隣りのセンサ素子ＳＥの受光部３を用いて散乱光を受光する。これにより、従来よりも広範囲の流体領域から散乱光を受光することができ、速度分布をより広範囲の領域に亘って平均化することができた。また、複数のセンサ素子ＳＥの受光信号を平均化して、流体計測を行うことができた。
　この結果として、本実施の形態では、管１の曲りに起因する速度分布変化の影響を従来よりも１２％以上低減することが可能であった。このとき、散乱強度が強い前方散乱光を選択的に受光することができる透過光検出配置にしたため、光路が従来よりも増えたことで散乱光が減衰する影響を相殺し、従来と同程度の大きさの散乱信号を受光することができた。
　なお、この実施の形態では、センサ素子ＳＥを管１の周囲に等角度間隔で３個配置（３センサ）するようにしたが、図３Ａに示すように４個配置（４センサ）するようにしてもよく、図３Ｂに示すように５個配置（５センサ）するようにしてもよく、図３Ｃに示すように６個配置（６センサ）するようにしてもよい。この場合、管１の曲りに起因する速度分布変化の影響を従来よりも４センサで１４％、５センサで１５％、６センサで１６％以上低減することが可能であった。
　また、この実施の形態では、センサ素子ＳＥ２の受光部３でセンサ素子ＳＥ１の光源部２からの光を受光するようにし、センサ素子ＳＥ３の受光部３でセンサ素子ＳＥ２の光源部２からの光を受光するようにし、センサ素子ＳＥ１の受光部３でセンサ素子ＳＥ３の光源部２からの光を受光するようにしたが、図４Ａに示すように、センサ素子ＳＥ２の受光部３でセンサ素子ＳＥ１，ＳＥ３の光源部２からの光を受光するようにし、センサ素子ＳＥ３の受光部３でセンサ素子ＳＥ１，ＳＥ２の光源部２からの光を受光するようにし、センサ素子ＳＥ１の受光部３でセンサ素子ＳＥ２，ＳＥ３の光源部２からの光を受光するようにしてもよい。図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃに示した４センサ，５センサ，６センサの場合も同様である（図４Ｂ，図４Ｃ，図４Ｄ参照）。
〔実施の形態２〕
　本発明の実施の形態２に係る流体測定装置における素子配置の断面図を図５に示す。
　実施の形態２では、６つの一体型のセンサ素子ＳＥ（ＳＥ１～ＳＥ６）を管１の周囲に等角度間隔（６０゜間隔）で並ぶように配置している。
　また、実施の形態２では、隣りのセンサ素子（第１隣接素子）ＳＥではなく、隣りのセンサ素子ＳＥのさらに隣りのセンサ素子、すなわちセンサ素子ＳＥを間に挟んで隣り合うセンサ素子（第２隣接素子）ＳＥで散乱光を受光する構成としている。
　また、実施の形態２では、これと同時に、図６に示すように、同一のセンサ素子ＳＥ内の受光部３を用いて後方散乱光を受光し、この後方散乱光の受光信号も合わせて平均化し、流量または流速を算出するようにしている。
　このようにすることによって、管１の曲りに起因する速度分布変化の影響を従来よりも１８％以上低減することが可能であった。
　なお、この実施の形態２では、第２隣接素子を用いて散乱光を受光する構成とし、後方散乱光の受光信号も合わせて流量または流速を算出するようにしたが、これに加えて、さらに第１隣接素子を用いて散乱光を受光し、この信号も合わせて流量または流速を算出するようにしてもよい。この場合は、管１の曲りに起因する速度分布変化の影響を従来よりも２０％以上低減することが可能であった。
〔実施の形態３〕
　本発明の実施の形態３に係る流体測定装置については、実施の形態２と同様の配置、計測構成であるが、前述したように透過光に相当する直流成分が、光吸収特性を備える散乱体Ｓの濃度に応じて増減することに着目した。
　具体的には、測定対象の濃度と直流成分と流速相関特徴量との対応関係を、事前に使用するチューブ等において測定して較正表を作成した後、演算部７において、レーザ素子の出力変動を差し引いた直流成分をこの較正表に照らし合わせることで散乱体Ｓの濃度変化に起因する流速相関特徴量を補正した。これにより散乱体Ｓの濃度に依存しない管内流体の流速相関特徴量、例えば平均流量を計測する事が可能であった。
　このようにすることにより、実施の形態３では、実施の形態２と同様に、管１の曲りに起因する速度分布変化の影響を従来よりも１８％以上低減することが可能であり、さらに散乱体Ｓの濃度に依存する流量値変動を１５％以上低減することが可能であった。これにより、流量値変動低減効果としては合わせて２２％以上の低減が可能であった。
〔実施の形態の拡張〕
　以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　１…管、２…光源部、３…受光部、４（４１～４３）…信号処理部、４１…増幅器、４２…フィルタ、６…結果表示部、７…演算部、７１…データ取得部、７２…計算処理部、ＳＥ（ＳＥ１～ＳＥ６）…センサ素子、Ｓ…散乱体、１０１…流体測定装置。

Claims (7)

  1. 　散乱体を含む流体が流れる管の周囲に配置され、それぞれ前記流体に可干渉光を照射する光源部と可干渉光を受光して光電変換する受光部とを備える第１～第Ｎ（Ｎは３以上の整数）のセンサ素子と、
    　前記第１～第Ｎのセンサ素子の受光部で受光され、光電変換された信号の増幅、およびフィルタリングを行う信号処理部と、
    　前記信号処理部で処理された信号をデジタル信号に変換し、当該信号をもとに前記流体の流速および流量の少なくとも１つを算出する演算部とを備え、
    　前記第１～第Ｎのセンサ素子のうちの任意の１つのセンサ素子の光源部から出射され前記管を流れる流体を透過した可干渉光は他の所定のセンサ素子の受光部で受光され、
    　前記１つのセンサ素子と前記他の所定のセンサ素子との間の距離は、
    　前記１つのセンサ素子の光源部と受光部との間の距離をｄとし、前記管の外側の半径をｒとした場合、πｄ／２以上で、かつ√３ｒ以下とされている
    　ことを特徴とする流体測定装置。
  2. 　請求項１に記載された流体測定装置において、
    　前記第１～第Ｎのセンサ素子は、
    　前記管の周囲に等角度間隔で配置されている
    　ことを特徴とする流体測定装置。
  3. 　請求項１又は２に記載された流体測定装置において、
    　前記他の所定のセンサ素子は、
    　前記１つのセンサ素子と隣り合うセンサ素子である
    　ことを特徴とする流体測定装置。
  4. 　請求項１又は２に記載された流体測定装置において、
    　前記Ｎは６以上の整数とされ、
    　前記他の所定のセンサ素子は、
    　前記１つのセンサ素子の隣りのセンサ素子を間に挟んで前記１つのセンサ素子と隣り合うセンサ素子である
    　ことを特徴とする流体測定装置。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載された流体測定装置において、
    　前記演算部は、
    　前記１つのセンサ素子の光源部から出射され前記管を流れる流体を透過して前記他の所定のセンサ素子の受光部で受光された光に加えて、前記１つのセンサ素子の光源部から出射され前記１つのセンサ素子の受光部で受光された前記散乱体により散乱された散乱光をもとに、前記流体の流速および流量の少なくとも１つを算出する
    　ことを特徴とする流体測定装置。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載された流体測定装置において、
    　前記演算部は、
    　前記第１～第Ｎのセンサ素子の受光部で受光された信号の平均値をもとに前記流体の流速および流量の少なくとも１つを算出する
    　ことを特徴とする流体測定装置。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載された流体測定装置において、
    　前記演算部は、
    　前記第１～第Ｎのセンサ素子の受光部により検出された透過光の信号をもとに、前記流体の濃度情報を算出し、前記算出された前記流体の流速および流量の少なくとも１つの値を該濃度情報によって補正する
    　ことを特徴とする流体測定装置。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102521173B1 (ko) * 2020-10-29 2023-04-13 국방과학연구소 유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 방법
US12018965B2 (en) * 2022-03-28 2024-06-25 Defiant Engineering Llc Axial LiDAR doppler analyzer

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58195122A (ja) * 1982-04-27 1983-11-14 エルサグ・インターナショナル・ビー・ブイ 質量流量測定方法
JP2001183200A (ja) * 1999-12-28 2001-07-06 Tokimec Inc 流量計及び流量測定方法
DE102009055799A1 (de) * 2009-11-19 2011-06-01 Technische Universität Dresden Laser-Doppler-Sensor zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen in Strömungsbereichen von Strömungskanälen
JP2012255745A (ja) * 2011-06-10 2012-12-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 流体測定器および流体測定方法
JP2018009923A (ja) * 2016-07-15 2018-01-18 日本電信電話株式会社 流体測定装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58195122A (ja) * 1982-04-27 1983-11-14 エルサグ・インターナショナル・ビー・ブイ 質量流量測定方法
JP2001183200A (ja) * 1999-12-28 2001-07-06 Tokimec Inc 流量計及び流量測定方法
DE102009055799A1 (de) * 2009-11-19 2011-06-01 Technische Universität Dresden Laser-Doppler-Sensor zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen in Strömungsbereichen von Strömungskanälen
JP2012255745A (ja) * 2011-06-10 2012-12-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 流体測定器および流体測定方法
JP2018009923A (ja) * 2016-07-15 2018-01-18 日本電信電話株式会社 流体測定装置

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