JP6901089B2 - Measuring device - Google Patents
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Description
本明細書に開示する技術は、計測装置に関する。 The techniques disclosed herein relate to measuring devices.
特許文献1には、管を流れる流体中の粒子の速度を計測する計測装置が開示されている。特許文献1の計測装置は、管を流れる流体に向けて超音波ビームを照射する送信機と、送信機から照射された超音波ビームが管を流れる流体中の粒子に当たって散乱することによって生じる超音波エネルギーを受信する受信機を備えている。特許文献1の計測装置では、受信機が超音波エネルギーを受信すると、それに応じた信号が出力される。また、この計測装置では、超音波エネルギーの受信に応じて出力された信号がフーリエ変換されて周波数スペクトルが生成される。そして、生成された周波数スペクトルを処理部が解析することによって、管を流れる流体中の粒子の速度が計算される。 Patent Document 1 discloses a measuring device for measuring the velocity of particles in a fluid flowing through a tube. The measuring device of Patent Document 1 is a transmitter that irradiates an ultrasonic beam toward a fluid flowing through a tube, and an ultrasonic wave generated by the ultrasonic beam emitted from the transmitter hitting particles in the fluid flowing through the tube and scattering. It is equipped with a receiver that receives energy. In the measuring device of Patent Document 1, when the receiver receives the ultrasonic energy, a signal corresponding to the ultrasonic energy is output. Further, in this measuring device, the signal output in response to the reception of ultrasonic energy is Fourier transformed to generate a frequency spectrum. Then, the processing unit analyzes the generated frequency spectrum to calculate the velocity of the particles in the fluid flowing through the tube.
流体中の粒子の速度を計測する計測装置では、処理部が周波数スペクトルを解析してその周波数スペクトルにおけるピーク周波数を特定し、特定したピーク周波数に基づいて流体中の粒子の速度を演算することがある。しかしながら、従来技術では周波数スペクトルにおけるピーク周波数を明確に特定することができない場合があった。例えば従来技術では、図12に示すように、周波数スペクトルにおける横軸(周波数)に対する縦軸(例えば電圧)の値が大きく変化する部分201(いわゆる崖と呼ばれる部分)が出現することがあるが、縦軸のピークの値が出現せず、ピーク周波数を明確に特定できないことがあった。この原因は、管を流れる流体中には無数の粒子が存在しており、それら無数の粒子のそれぞれが個別の速度を有しているからであると考えられる。粒子を含む流体が速度分布を持たず同じ速度で移動する場合には、周波数スペクトルには一個のピークが検出される。その一個のピークの尖鋭の程度は粒子の散乱状態に大きく左右される。周波数スペクトル解析に基づく速度の検出ではそのピークの尖鋭の度合いが精度を決める要因となる。管を流れる流体のように管内で低速度から高速度の速度分布を有するような流体の流れの場合は、一個のピークは検出されない。管を流れる流体の速度を検出する際には、速度分布のなかで、低速ではなく、最高速度の部分の速度を検出することが重要である。この最高速度の部分は周波数スペクトルでは、いわゆる崖と呼ばれる部分201として出現する。この崖と呼ばれる部分201の値を明確に特定することが最高速度の検出の精度を高めることになる。従って、管を流れる流体の速度を正確に計測するためには、ある断面形状を有する管(例えば真円の管)において最高速度(断面が真円の場合、管の中心部の速度)を検出することが管を流れる流体の速度を正確に測定するために重要である。そこで本明細書は、周波数スペクトルにおけるピーク周波数を明確に特定することができ、そのピーク周波数に基づいて流体中の粒子の速度を演算することができる技術を提供する。
In a measuring device that measures the velocity of particles in a fluid, the processing unit analyzes the frequency spectrum, identifies the peak frequency in the frequency spectrum, and calculates the velocity of the particles in the fluid based on the specified peak frequency. is there. However, there are cases where the peak frequency in the frequency spectrum cannot be clearly specified by the prior art. For example, in the prior art, as shown in FIG. 12, a portion 201 (a portion called a so-called cliff) in which the value of the vertical axis (for example, voltage) greatly changes with respect to the horizontal axis (frequency) in the frequency spectrum may appear. In some cases, the peak value on the vertical axis did not appear and the peak frequency could not be clearly specified. It is considered that this is because innumerable particles exist in the fluid flowing through the tube, and each of these innumerable particles has an individual velocity. When a fluid containing particles does not have a velocity distribution and moves at the same velocity, one peak is detected in the frequency spectrum. The degree of sharpness of one peak largely depends on the scattering state of the particles. In speed detection based on frequency spectrum analysis, the degree of sharpness of the peak is a factor that determines the accuracy. In the case of a fluid flow having a low to high velocity distribution in the pipe, such as a fluid flowing through the pipe, no single peak is detected. When detecting the velocity of the fluid flowing through the pipe, it is important to detect the velocity of the maximum velocity part of the velocity distribution, not the velocity. This maximum velocity portion appears in the frequency spectrum as a so-called
本明細書に開示する計測装置は、管を流れる流体中の粒子の速度を計測する。この計測装置は、前記管を流れる流体に向かって進行する第1のレーザー光と、第1のレーザー光と異なる方向から前記管を流れる流体に向かって進行する第2のレーザー光を照射するレーザー光照射装置と、前記レーザー光照射装置から照射された第1のレーザー光と第2のレーザー光が前記管を流れる流体中の粒子に当たることによって生じる散乱光を受光する受光装置と、処理装置を備えている。前記受光装置が、前記管を流れる流体中の粒子によって生じた散乱光を受光するとその散乱光の強さに応じた信号を出力し、前記処理装置が、前記受光装置から出力された信号をフーリエ変換して第1の周波数スペクトルを生成し、生成された第1の周波数スペクトルを下記の式(1)によって変換して第2の周波数スペクトルを生成し、第2の周波数スペクトルにおけるピーク周波数に基づいて流体中の粒子の速度を演算する。
この構成によれば、フーリエ変換によって生成された第1の周波数スペクトルを処理装置が式(1)によって変換して第2の周波数スペクトルを生成する。これによって、第2の周波数スペクトルにおけるピーク周波数を明確にすることができる。すなわち、処理装置がフーリエ変換を実行して第1の周波数スペクトルを生成するだけでは、ピーク周波数を明確に特定することができない場合がある。この原因は、管を流れる流体中には無数の粒子が存在しており、それら無数の粒子のそれぞれが個別の速度を有しているからであると考えられる。しかしながら、上記の構成によれば、処理装置がフーリエ変換を実行した後に、式(1)による変換を実行するので、周波数スペクトルを重み付けによって補正することができ、第2の周波数スペクトルにおけるピーク周波数が明確に出現するようになる。これによって、ピーク周波数を明確に特定することができ、そのピーク周波数に基づいて流体中の粒子の速度を演算することができる。そのため、流体中の粒子の速度を精度良く演算することができる。 According to this configuration, the processing apparatus transforms the first frequency spectrum generated by the Fourier transform by the equation (1) to generate the second frequency spectrum. This makes it possible to clarify the peak frequency in the second frequency spectrum. That is, the peak frequency may not be clearly specified only by the processing device performing the Fourier transform to generate the first frequency spectrum. It is considered that this is because innumerable particles exist in the fluid flowing through the tube, and each of these innumerable particles has an individual velocity. However, according to the above configuration, since the processing device executes the Fourier transform and then the transformation according to the equation (1), the frequency spectrum can be corrected by weighting, and the peak frequency in the second frequency spectrum can be adjusted. It will appear clearly. Thereby, the peak frequency can be clearly specified, and the velocity of the particles in the fluid can be calculated based on the peak frequency. Therefore, the velocity of particles in the fluid can be calculated accurately.
上記の計測装置において、前記受光装置が、受光素子と、前記受光素子と前記管の間に形成されている中空の光通過孔を備えていてもよい。前記光通過孔が、前記管から前記受光素子に向かう方向に延びており、前記管を流れる粒子によって生じた散乱光が前記光通過孔を通過して前記受光素子に入射してもよい。 In the above measuring device, the light receiving device may include a light receiving element and a hollow light passing hole formed between the light receiving element and the tube. The light passing hole may extend in a direction from the tube toward the light receiving element, and scattered light generated by particles flowing through the tube may pass through the light passing hole and enter the light receiving element.
この構成によれば、受光装置が光通過孔を通過した散乱光のみを受光することができ、受光装置が周囲から余分な光を受光することを抑制できる。そのため、流体中の粒子の速度を精度良く演算することができる。 According to this configuration, the light receiving device can receive only the scattered light that has passed through the light passing hole, and it is possible to suppress the light receiving device from receiving excess light from the surroundings. Therefore, the velocity of particles in the fluid can be calculated accurately.
実施例に係る計測装置1について図面を参照して説明する。実施例に係る計測装置1は、図1に示すように、透明な管61に固定されて使用される。計測装置1は、固定具62によって管61に固定されている。管61内には流路60が形成されており、その流路60に流体Fが流れている。流体Fは管61の軸方向(長手方向)に沿って流れている。
The measuring device 1 according to the embodiment will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the measuring device 1 according to the embodiment is fixed to a
管61を流れる流体F中には無数の粒子Rが存在している。図1には代表として1個の粒子Rが示されている。無数の粒子Rは流体F中に拡散して存在している。無数の粒子Rの中には、例えば、管61内の流路60の中心部を通過する粒子Rもあれば、流路60の周縁部を通過する粒子Rもある。また、無数の粒子Rの速度は様々であり、速度が速い粒子Rもあれば、速度が遅い粒子Rもある。一般的に、層流の場合、管61内の流路60の中心部を流れる流体F中の粒子Rの速度が、流路60の周縁部を流れる流体F中の粒子Rの速度よりも速くなる。流路60の中心部を流れる流体F中の粒子Rの速度が最も速くなる。計測装置1は、管61内の流路60を流れる流体F中の粒子Rの速度vを計測する装置である。流体F中の粒子Rの速度vを計測することによって、流体Fの流速を知ることができる。
Innumerable particles R are present in the fluid F flowing through the
管61内の流路60を流れる流体Fは、例えば血液である。流体F中の粒子Rは、例えば血液中の赤血球である。計測装置1によって血液中の赤血球の速度を計測することができる。これによって、血液の流速を知ることができる。医療現場では、患者の体内を流れる血液を体外に送り出し、体外に送り出した血液を再び体内に送り戻す体外循環が行われることがある。この体外循環では、体外循環用の管が患者の血管に接続され、患者の血管を流れる血液が体外循環用の管に流入し、体外循環用の管を流れた血液が再び患者の血管に戻される。実施例に係る計測装置1によって体外循環用の管61を流れる血液(流体F)中の赤血球(粒子R)の速度vを計測することができる。
The fluid F flowing through the
図1に示すように、計測装置1は、レーザー光照射装置2と、受光装置3と、処理装置9を備えている。レーザー光照射装置2は、発光素子21と、コリメーターレンズ22と、回折格子23と、第1のミラー241と、第2のミラー242を備えている。
As shown in FIG. 1, the measuring device 1 includes a laser
発光素子21は、例えばレーザーダイオード(LD)である。発光素子21は、コリメーターレンズ22と対向するように配置されている。発光素子21は、コリメーターレンズ22に向けてレーザー光Lを発光する。発光素子21が発光したレーザー光Lがコリメーターレンズ22に入射する。発光素子21は、回折格子23と第1のミラー241及び第2のミラー242との間に配置されている。発光素子21は、第1のミラー241及び第2のミラー242が配置されている方向とは反対側にレーザー光Lを発光する。
The
コリメーターレンズ22は、発光素子21と回折格子23の間に配置されている。コリメーターレンズ22は、発光素子21が発光したレーザー光Lを平行光にして出射する。コリメーターレンズ22から出射したレーザー光L(平行光)は、回折格子23に入射する。
The
回折格子23は、コリメーターレンズ22と対向するように配置されている。回折格子23は、可動式になっており、移動装置25によって回折格子23を移動させることができる。移動装置25は、回折格子23と第1のミラー241及び第2のミラー242との間の距離を変えることができる。移動装置25は、例えば機械式の装置であり、ボルトを回すことによって回折格子23を上下動させることができる。回折格子23を上下動させることによって、第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が後述するように流路60に入射したときに、それらが流路60内で交差する点の位置を調節することができる。また、第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が交差する点を上下方向に連続的に動かすこともできる。
The
回折格子23は、光の回折を利用して回折格子23に入射したレーザー光Lを第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2に分ける。回折格子23は、反射型の回折格子である。回折格子23に入射したレーザー光Lが回折格子23で反射するときに第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2に分かれる。発光素子21が発光したレーザー光Lが回折格子23で反射することによって第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2に分かれる。
The
回折格子23によって生じた第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2は、異なる方向に進行する。第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2は、発光素子21とコリメーターレンズ22を結ぶ線に関して線対称になるように進行する。図1に示す例では、第1のレーザー光L1が右斜め上方に向かって進行し、第2のレーザー光L2が左斜め上方に向かって進行する。第1のレーザー光L1が第1のミラー241に向かって進行し、第2のレーザー光L2が第2のミラー242に向かって進行する。第1のレーザー光L1の波長と第2のレーザー光L2の波長は同じ波長である。また、第1のレーザー光L1の周波数と第2のレーザー光L2の周波数は同じ周波数である。
The first laser beam L1 and the second laser beam L2 generated by the
第1のミラー241と第2のミラー242は、回折格子23と管61の間に配置されている。第1のミラー241と第2のミラー242は、互いに向かい合っている。回折格子23によって生じた第1のレーザー光L1が第1のミラー241に入射し、第2のレーザー光L2が第2のミラー242に入射する。第1のミラー241は第1の反射面43を備えている。第2のミラー242は第2の反射面44を備えている。第1の反射面43と第2の反射面44は、互いに向かい合っている。第1の反射面43では、第1のミラー241に入射した第1のレーザー光L1が反射する。第2の反射面44では、第2のミラー242に入射した第2のレーザー光L2が反射する。
The
第1のミラー241の第1の反射面43で反射した第1のレーザー光L1は、管61内の流路60に入射する。また、第2のミラー242の第2の反射面44で反射した第2のレーザー光L2も、管61内の流路60に入射する。第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が、管61内の流路60を流れる流体Fに向かって進行する。第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2は、互いに異なる方向から流体Fに向かって進行する。第1のレーザー光L1は、流路60の下流側から流体Fに向かって進行する。第2のレーザー光L2は、流路60の上流側から流体Fに向かって進行する。第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が互いに異なる方向から流体Fに照射される。流路60の流れる流体F中の粒子Rに第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が照射される。第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2は、流路60内で互いに重なり合い干渉する。
The first laser beam L1 reflected by the first reflecting
管61内の流路60には流体F(例えば血液)が流れており、流体F中には無数の粒子R(例えば赤血球)が存在している。流路60に入射した第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が流体F中の粒子Rに当たると、第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が散乱する。第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2は、互いに異なる方向から粒子Rに当たる。第1のレーザー光L1は、流路60の下流側(粒子Rの進行方向側)から粒子Rに当たる。一方、第2のレーザー光L2は、流路60の上流側(粒子Rの進行方向と反対側)から粒子Rに当たる。
A fluid F (for example, blood) flows through the
第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が流体F中の粒子Rに当たって散乱すると散乱光が生じる。第1のレーザー光L1が粒子Rで散乱することによって第1の散乱光P1が生じる。また、第2のレーザー光L2が粒子Rで散乱することによって第2の散乱光P2が生じる。第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2の散乱によって生じた第1の散乱光P1と第2の散乱光P2は、様々な方向に向かって進行する。 When the first laser light L1 and the second laser light L2 hit the particles R in the fluid F and scatter, scattered light is generated. The first scattered light P1 is generated by the first laser light L1 being scattered by the particles R. Further, the second scattered light P2 is generated by the second laser light L2 being scattered by the particles R. The first scattered light P1 and the second scattered light P2 generated by the scattering of the first laser light L1 and the second laser light L2 travel in various directions.
第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が粒子Rで散乱するときに、ドップラーシフトによってそれぞれの周波数が変化する。第1のレーザー光L1の散乱で生じた第1の散乱光P1の周波数f1は、第1のレーザー光L1の周波数と異なる周波数である。また、第2のレーザー光L2の散乱で生じた第2の散乱光P2の周波数f2は、第2のレーザー光L2の周波数と異なる周波数である。また、第1の散乱光P1の周波数f1と第2の散乱光P2の周波数f2は、互いに異なる周波数である。 When the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are scattered by the particles R, their respective frequencies are changed by the Doppler shift. The frequency f1 of the first scattered light P1 generated by the scattering of the first laser light L1 is a frequency different from the frequency of the first laser light L1. Further, the frequency f2 of the second scattered light P2 generated by the scattering of the second laser light L2 is a frequency different from the frequency of the second laser light L2. Further, the frequency f1 of the first scattered light P1 and the frequency f2 of the second scattered light P2 are different frequencies from each other.
第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2の散乱によって生じた様々な散乱光のうち、受光装置3に向かって進行する第1の散乱光P1と第2の散乱光P2を受光装置3が受光する。受光装置3は、管61とレーザー光照射装置2の間に配置されている。受光装置3は、流路60と対向するように配置されている。受光装置3は、固定具(図示省略)によってレーザー光照射装置2に固定されている。
Of the various scattered lights generated by the scattering of the first laser light L1 and the second laser light L2, the
図2に示すように、受光装置3は、受光素子31と、遮光性の箱体38を備えている。受光素子31は、例えばフォトダイオード(PD)である。箱体38内に受光素子31が配置されている。
As shown in FIG. 2, the
箱体38は、前壁38aと、後壁38bと、一対の側壁38c、38cを備えている。前壁38aは、管61(図2には図示せず)と受光素子31の間に配置されている。後壁38bは、受光素子31とレーザー光照射装置2(図2には図示せず)の間に配置されている。一対の側壁38c、38cは、前壁38aと後壁38bの間に配置されている。箱体38の後壁38bに受光素子31が固定されている。箱体38の前壁38aは受光素子31から離れた位置に配置されている。前壁38aには中空の光通過孔35が形成されている。
The
光通過孔35は、管61(図2には図示せず)と受光素子31の間に形成されている。光通過孔35は、管61から受光素子31に向かう方向(図2の上下方向)に延びている。光通過孔35は、入射口36と出射口37を備えている。管61を流れる流体F中の粒子Rによって生じた第1の散乱光P1と第2の散乱光P2が光通過孔35の入射口36から光通過孔35に入射する。管61内の流路60から受光素子31に向かって進行する第1の散乱光P1と第2の散乱光P2が光通過孔35に入射する。光通過孔35に入射した第1の散乱光P1と第2の散乱光P2は、光通過孔35を通過して、光通過孔35の出射口37から出射する。出射口37から出射した第1の散乱光P1と第2の散乱光P2が受光素子31に入射する。受光素子31は、第1の散乱光P1と第2の散乱光P2が干渉して重なり合った干渉散乱光を受光する。
The
図3及び図4に示すように、受光素子31は、有効受光領域312と受光面313を備えている。有効受光領域312は、受光素子31の中央部に形成されている。有効受光領域312は、入射する光を電気信号に変換することができる領域である。受光素子31は、有効受光領域312に入射する干渉散乱光を有効に受光することができる。受光面313は、有効受光領域312の表面である。受光素子31は、受光面313に入射する干渉散乱光を受光することができる。受光素子31は、干渉散乱光を受光すると、その干渉散乱光の強さに応じた電気信号を出力する。本実施例では、受光素子31は、干渉散乱光の強さに応じた電圧値を出力する。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
図5に示すように、処理装置9は、発光素子21と受光素子31に電気的に接続されている。処理装置9は、発光素子21が発光するレーザー光Lと、受光素子31が受光する干渉散乱光(第1の散乱光P1と第2の散乱光P2が重なり合った光)に基づいて、管61を流れる流体F中の粒子Rの速度vを演算する。処理装置9は、ドップラーシフトに基づく演算方法によって粒子Rの速度vを演算する。
As shown in FIG. 5, the
次に、処理装置9が粒子Rの速度vを演算する処理の一例について説明する。上述したように、計測装置1では、受光装置3の受光素子31が、干渉散乱光を受光するとその干渉散乱光の強さに応じた電圧値を出力する。受光素子31から出力される信号は、図6に示すように、時間と電圧の関係で示すことができる。処理装置9は、受光素子31から出力される信号を受信する。
Next, an example of processing in which the
続いて処理装置9は、受光素子31から出力された信号をフーリエ変換する第1の変換処理を実行する。処理装置9は、第1の変換処理を実行して第1の周波数スペクトルを生成する。第1の周波数スペクトルは、図6に示すように、周波数と電圧の関係で示すことができる。処理装置9は、例えばFFT(高速フーリエ変換)アナライザーによってフーリエ変換を行うことができる。フーリエ変換は、時間の関数を周波数の関数に変換することができる手法である。フーリエ変換については、よく知られているので詳細な説明を省略する。
Subsequently, the
続いて処理装置9は、図7に示すように、第1の変換処理によって生成された第1の周波数スペクトルを下記の式(1)によって変換する第2の変換処理を実行する。処理装置9は、第2の変換処理を実行して第2の周波数スペクトルを生成する。ただし、下記の式(1)において、fiは、第1の周波数スペクトルにおける任意の周波数である。また、fmaxは、第1の周波数スペクトルにおける最大周波数である。また、Viは、第1の周波数スペクトルにおける任意の周波数(fi)に対応する強さの値である。すなわち、Viは、第1の周波数スペクトルにおいて横軸を周波数としたときの、任意の周波数(fi)に対応する縦軸の値である。また、Piは、第2の周波数スペクトルにおける任意の周波数に対応する強さの値である。すなわち、Piは、第2の周波数スペクトルにおいて横軸を周波数としたときの、任意の周波数(fi)に対応する縦軸の値である。第2の周波数スペクトルは、周波数と電圧レベルの関係で示すことができる。αは、任意の係数である。αは、例えば予め実験的に求めておくことができる。なお、下記の式(1)を展開すると式(1)´となる。
続いて処理装置9は、第2の変換処理によって生成された第2の周波数スペクトルにおけるピーク周波数に基づいて粒子Rの速度vを演算する。処理装置9は、第2の周波数スペクトルにおけるピーク周波数を用いて、下記の式(2)によって粒子Rの速度vを演算することができる。ただし、下記の式(2)において、fpeakは、第2の周波数スペクトルにおけるピーク周波数である。ピーク周波数は、第2の周波数スペクトルにおいて最も高い電圧レベルに対応する周波数である。また、その近傍の周波数をピーク周波数としてもよい。また、vは、管61を流れる流体F中の粒子Rの速度である。また、λは、第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2の波長である。また、θは、第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2の交差角度の1/2の角度である(図1参照)。
以上の説明から明らかなように、実施例に係る計測装置1は、管61を流れる流体Fに向かって進行する第1のレーザー光L1と、第1のレーザー光L1と異なる方向から管61を流れる流体Fに向かって進行する第2のレーザー光L2を照射するレーザー光照射装置2を備えている。また、計測装置1は、レーザー光照射装置2から照射された第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が管61を流れる流体F中の粒子Rに当たることによって生じる干渉散乱光を受光する受光装置3と、処理装置9を備えている。受光装置3が、管61を流れる流体F中の粒子Rによって生じた干渉散乱光を受光するとその干渉散乱光の強さに応じた信号(例えば電圧値)を出力する。また、処理装置9が、受光装置3から出力された信号をフーリエ変換して第1の周波数スペクトルを生成し(図6参照)、生成された第1の周波数スペクトルを下記の式(1)によって変換して第2の周波数スペクトルを生成し(図7参照)、第2の周波数スペクトルにおけるピーク周波数に基づいて流体中の粒子の速度を演算する。
As is clear from the above description, the measuring device 1 according to the embodiment has the first laser beam L1 traveling toward the fluid F flowing through the
この構成によれば、第2の周波数スペクトルにおけるピーク周波数を明確にすることができる。すなわち、処理装置9がフーリエ変換を実行して第1の周波数スペクトルを生成するだけでは、ピーク周波数を明確に特定することができない場合がある。この原因は、管61を流れる流体F中には無数の粒子Rが存在しており、それら無数の粒子Rのそれぞれが個別の速度を有しているからであると考えられる。しかしながら、上記の構成によれば、処理装置9がフーリエ変換を実行した後に、式(1)による変換を実行するので、周波数スペクトルを重み付けによって補正することができ、第2の周波数スペクトルにおけるピーク周波数が明確に出現するようになる。(fi/fmax)αで重み付けをすることによってピーク周波数が明確に出現する。これによって、第2の周波数スペクトルにおけるピーク周波数を明確に特定することができ、そのピーク周波数に基づいて流体F中の粒子Rの速度vを演算することができる。そのため、流体F中の粒子Rの速度を精度良く演算することができる。ピーク周波数を明確に特定することができるので、流路60の中心部を流れる流体F中の粒子Rの速度を演算することができる。
According to this configuration, the peak frequency in the second frequency spectrum can be clarified. That is, the peak frequency may not be clearly specified only by the
また、上記の計測装置1では、受光装置3が、受光素子31と、受光素子31と管61の間に形成されている中空の光通過孔35を備えている。また、光通過孔35が、管61から受光素子31に向かう方向に延びており、管61を流れる粒子Rによって生じた干渉散乱光が光通過孔35を通過して受光素子31に入射する。そのため、受光装置3が光通過孔35を通過した散乱光のみを受光することができ、受光装置3が周囲から余分な光を受光することを抑制できる。そのため、流体F中の粒子Rの速度を精度良く演算することができる。
Further, in the above-mentioned measuring device 1, the
以上、一実施例について説明したが、具体的な態様は上記実施例に限定されるものではない。以下の説明において、上述の説明における構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。 Although one embodiment has been described above, the specific embodiment is not limited to the above embodiment. In the following description, the same components as those in the above description will be designated by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
上記の実施例では、受光装置3から出力される信号が電圧値であったが、この構成に限定されるものではなく、受光装置3から電流値が出力されてもよい。
In the above embodiment, the signal output from the
また、上記で説明した光通過孔35の形状は特に限定されるものではない。例えば、図8に示すように、光通過孔35の形状が平面視において円形状であってもよい。または、図9に示すように、光通過孔35の形状が平面視において多角形状であってもよい。また、図10に示すように、複数の光通過孔35が平面視においてスリット状に形成されていてもよい。
Further, the shape of the
また、上記の実施例では、受光装置3の箱体38が前壁38aを備えており、前壁38aに光通過孔35が形成されていたが、この構成に限定されるものではなく、箱体38が前壁38aを備えておらず、箱体38の前側が開放されていてもよい。よって、光通過孔35が無くてもよい。
Further, in the above embodiment, the
また、計測装置1におけるレーザー光照射装置2の構成は、上記の実施例に限定されるものではない。例えば、レーザー光照射装置2の発光素子21、第1のミラー241、第2のミラー242等の配置構成は上記の実施例に限定されるものではない。図11は、他の実施例に係る計測装置の概略構成を示す図である。図11に示すように、レーザー光照射装置2は、発光素子21と、コリメーターレンズ22と、ビームスプリッタ26と、第1のミラー241と、第2のミラー242を備えている。発光素子21は、管61の長手方向に対して斜めにレーザー光Lを発光する。コリメーターレンズ22は、発光素子21が発光したレーザー光Lを平行光にして出射する。コリメーターレンズ22から出射したレーザー光L(平行光)は、ビームスプリッタ26に入射する。
Further, the configuration of the laser
ビームスプリッタ26では、入射したレーザー光Lの一部が反射し、他の一部が透過する。ビームスプリッタ26は、レーザー光Lを透過及び反射する。このビームスプリッタ26をハーフミラーと呼ぶ場合もある。ビームスプリッタ26で反射したレーザー光Lが第1のレーザー光L1となり、ビームスプリッタ26を透過したレーザー光Lが第2のレーザー光L2となる。レーザー光Lがビームスプリッタ26で透過及び反射して、第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2に分かれる。
In the
ビームスプリッタ26は、第1のミラー241と第2のミラー242の間に配置されている。ビームスプリッタ26で反射したレーザー光L(第1のレーザー光L1)は、第1のミラー241に向かって進行する。また、ビームスプリッタ26を透過したレーザー光L(第2のレーザー光L2)は、第2のミラー242に向かって進行する。第1のレーザー光L1は、第1のミラー241の第1の反射面43で反射し、その後、管61内の流路60に入射する。また、第2のレーザー光L2は、第2のミラー242の第2の反射面44で反射し、その後、管61内の流路60に入射する。このような構成によっても、第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2を管61内の流体Fに向かって照射することができる。
The
上記の実施例では、第1のミラー241と第2のミラー242を用いていたが、この構成に限定されるものではなく、ミラーに代えて、端面を十分に研磨したガラスブロック等のレーザー光を全反射する部材を用いてもよい。
In the above embodiment, the
上記の実施例では、反射型の回折格子23を用いていたが、この構成に限定されるものではなく、反射型に代えて、透過型の回折格子を用いてもよい。この場合、発光素子21とコリメーターレンズ22と透過型の回折格子が並ぶ順序が、図1に示す順序と逆になる(図示省略)。
In the above embodiment, the reflection
また、受光装置3及び受光素子31が配置される位置は特に限定されるものではなく、散乱光を受光することができる位置であればよい。例えば、受光装置3及び受光素子31が、管61を挟んで発光素子21と反対側に配置されていてもよい。また、発光素子21管61と受光素子31が一直線状に並んでいなくてもよい。
Further, the position where the
上記の実施例では、回折格子23を上下動させることによって第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が流路60内で交差する点の位置を調節することができる構成であったが、この構成に限定されるものではない。他の実施例では、回折格子23ではなく、管61を上下動させることによって第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が交差する点の位置を調節してもよい。あるいは、レーザー光照射装置2の全体を上下動させることによって第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が交差する点の位置を調節してもよい。
In the above embodiment, the position of the point where the first laser beam L1 and the second laser beam L2 intersect in the
上記の実施例では、箱体38の前壁38aに形成されている光通過孔35が中空の構成であったが、この構成に限定されるものではなく、光通過孔35に光透過性を有する部材が配置されていてもよい。例えば、光通過孔35にガラスが充填されていてもよい。
In the above embodiment, the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above. The technical elements described herein or in the drawings exhibit their technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques illustrated in the present specification or drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes itself has technical usefulness.
1 :計測装置
2 :レーザー光照射装置
3 :受光装置
9 :処理装置
21 :発光素子
31 :受光素子
35 :光通過孔
38 :箱体
60 :流路
61 :管
F :流体
L :レーザー光
L1 :第1のレーザー光
L2 :第2のレーザー光
P1 :第1の散乱光
P2 :第2の散乱光
R :粒子
1: Measuring device 2: Laser light irradiation device 3: Light receiving device 9: Processing device 21: Light emitting element 31: Light receiving element 35: Light passing hole 38: Box body 60: Flow path 61: Tube F: Fluid L: Laser light L1 : First laser light L2: Second laser light P1: First scattered light P2: Second scattered light R: Particles
Claims (2)
前記管を流れる流体に向かって進行する第1のレーザー光と、第1のレーザー光と異なる方向から前記管を流れる流体に向かって進行する第2のレーザー光を照射するレーザー光照射装置と、
前記レーザー光照射装置から照射された第1のレーザー光と第2のレーザー光が前記管を流れる流体中の粒子に当たることによって生じる散乱光を受光する受光装置と、
処理装置を備えており、
前記受光装置が、前記管を流れる流体中の粒子によって生じた散乱光を受光するとその散乱光の強さに応じた信号を出力し、
前記処理装置が、前記受光装置から出力された信号をフーリエ変換して第1の周波数スペクトルを生成し、生成された第1の周波数スペクトルを下記の式(1)によって変換して第2の周波数スペクトルを生成し、第2の周波数スペクトルにおけるピーク周波数に基づいて流体中の粒子の速度を演算する、計測装置。
fiは、第1の周波数スペクトルにおける任意の周波数であり、
fmaxは、第1の周波数スペクトルにおける最大周波数であり、
Viは、第1の周波数スペクトルにおいて横軸を周波数としたときの、任意の周波数(fi)に対応する縦軸の値であり、
Piは、第2の周波数スペクトルにおいて横軸を周波数としたときの、任意の周波数(fi)に対応する縦軸の値であり、
αは、任意の係数である。 A measuring device that measures the velocity of particles in a fluid flowing through a tube.
A laser light irradiating device that irradiates a first laser beam traveling toward a fluid flowing through the tube and a second laser beam traveling toward a fluid flowing through the tube from a direction different from the first laser beam.
A light receiving device that receives scattered light generated by the first laser light and the second laser light radiated from the laser light irradiating device hitting particles in a fluid flowing through the tube.
Equipped with a processing device
When the light receiving device receives the scattered light generated by the particles in the fluid flowing through the tube, it outputs a signal corresponding to the intensity of the scattered light.
The processing device Fourier transforms the signal output from the light receiving device to generate a first frequency spectrum, and converts the generated first frequency spectrum by the following equation (1) to generate a second frequency. A measuring device that generates a spectrum and calculates the velocity of particles in a fluid based on the peak frequency in the second frequency spectrum.
f i is any frequency in the first frequency spectrum,
f max is the maximum frequency in the first frequency spectrum.
V i is the time of a horizontal axis represents a frequency in a first frequency spectrum, a value on the vertical axis corresponding to an arbitrary frequency (f i),
P i is the time of a horizontal axis represents a frequency in a second frequency spectrum, the value of the vertical axis corresponding to an arbitrary frequency (f i),
α is an arbitrary coefficient.
前記光通過孔が、前記管から前記受光素子に向かう方向に延びており、前記管を流れる粒子によって生じた散乱光が前記光通過孔を通過して前記受光素子に入射する、請求項1に記載の計測装置。
The light receiving device includes a light receiving element and a hollow light passing hole formed between the light receiving element and the tube.
According to claim 1, the light passing hole extends in a direction from the tube toward the light receiving element, and scattered light generated by particles flowing through the tube passes through the light passing hole and is incident on the light receiving element. The measuring device described.
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