JP4704340B2 - パイプライン中の気体および液体を測定する光学式流量計 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、パイプ中を流れる流体の速度を測定する計測装置に関し、典型的には、天然ガスの輸送などの工業応用例で体積流量(flow volume rate)を求めるために利用される。より詳細には、本発明は、パイプ壁の透明な窓を通
してパイプ内で２本の光ビームを合焦させる光学系と、流体によって運ばれる微粒子が一方の合焦スポットから他方の合焦スポットに移動するとき、これらの粒子によって散乱される光の飛行時間の遅れを検出することに関する。

パイプラインの運転その他の工業的な工程では、流量計を使用して、パイプラインを通って移動するガスまたは流体の流量を測定する。オリフィス・プレート、ピトー管、ベンチュリ計、渦流計、コリオリ効果による計測器、面積流量計、およびタービン流量計を含めて、パイプ中の流量を求める多くの機械的な方法があるが、これらは一般に、パイプ内に挿入されて障害となり得る構造を必要とする。多くの応用例では、この障害構造により、流体の流れが乱れ、圧力降下が生じるので望ましくない。さらに、機械式センサの多くでは、測定可能な効果を得るのに必要とされるガスの圧力または流量はかなり大きい。これは、炭層でのメタン生成など貯留層の圧力が極めて低いか、流体が大気または大型保存容器に放出されるような応用例では問題である。

パイプの軸線に対して斜めに、またはパイプの軸線に沿って指向される超音波ビームの音響速度のドップラ・シフトを測定する超音波式計測器も知られている。超音波式計測器の多くは、超音波トランスデューサを設置するために、パイプ壁にくぼみを必要とする。
これは、それらの空洞部に汚染物が堆積する傾向があるので望ましくない。超音波ビームの経路に対応するために長いパイプ区間が必要とされ、これは、特にパイプ径が大きい場合には、扱いにくく、費用がかかることがある。他のタイプの超音波式流量計では、クランプ式トランスデューサを使用して、パイプの壁を貫通して超音波を放射するが、動作圧が低く、流量が少ないと、精度上の性能の問題がある。

パイプ中の流体の流量を測定する光学的な技術もよく知られており、一般に、２つの範疇に分かれる。レーザ・ドップラ流速計は、単一のコヒーレント・レーザを使用し、これを２本のビームに分割して測定点で交差するように送出する。これらの交差するレーザ・ビームは、流体の流れの軸線に沿って明帯と暗帯が交互に並ぶ干渉光パターンを生成する。測定ゾーンを通過する粒子により光が散乱し、そのため、粒子の速度に比例する変調周期で周期的に変化する光信号が生成される。この技術は、多数の大型散乱粒子が存在する複雑な流れを測定する際に有用であるが、多数の強度極大値に光が分散するので検出効率は低く、小型の粒子では、光が十分に散乱せず、効果的に測定されない。

流体の速度は、一般に２焦点レーザ法と称する技術を利用して測定することもできる。このシステムは、パイプ軸線に沿って既知の距離だけ分離した２つの合焦スポットがパイプ内に形成されるように、１本または複数本のレーザ・ビームからの光を方向づける送出光学系を必要とする。これら２つの合焦スポットを通過する流体の流れの中の粒子により光が散乱し、これらの散乱光は、収集光学系によって光検出器に送られる。得られる信号は短いインパルスからなり、隣接するパルス間の時間遅れを測定することによって、粒子の速度を求めることができる。送出光の強度は２つのスポットにのみ集中するので、２焦点レーザ法の感度は、レーザ・ドップラ流速計システムよりも優れている。このことは、天然ガスなど、極めて微細な、しばしば直径１ミクロン未満である粒子しか含まないある種の流体では重要である。

粒子によって所与の角度で散乱される光の量は、これらの粒子のサイズ、形状、表面の性質、透明度／不透明度、屈折率、および導電率を含め多くの変数に依存する。これらの影響の組合せは極めて複雑であり、ミー（Ｍｉｅ）散乱およびレーリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）散乱などの一般理論では、実際の結果を正確に予測することができない。そのため、ほとんどの場合、実験的な研究を利用して個々の系を特徴づける。ただし、ミー理論は、散乱挙動の全体的な傾向の基本的な理解を得るのに有用である。例えば、ミー理論により、（入射光の波長に近いか、あるいはそれよりも小さい）極めて微細な粒子によって散乱される光の量は、大部分が極めて狭い前方散乱角内に入ることが予測される。図１は、入射光の６波長分に等しい直径を有する球形の透明な液滴によって散乱される光の９０％以上が、１０度の前方円錐角内で生じることを示している。

粒子によって散乱される光を識別する２スポット・レーザ光学系の能力は、検出光学系によって収集される光の量だけでなく、検出器に到達する非散乱光をどのくらい少なくし得るかにも依存する。例えば、入射光の発散円錐形未満の角度で散乱する光は、非散乱光によって検出器が目隠しされてしまうので有効に検出することができない。散乱光のコントラストまたは検出能は、基本的に、散乱検出光と非散乱検出光のコントラスト比によって制限される。

キール（Ｋｉｅｌ）他の特許文献１に記載されているものなど、以前の２スポット・レーザ式光学流量計では、図２ａおよび図２ｂに示すように、入射光の軸線から収集光学系の光軸をずらすことによって、検出される光散乱信号のコントラストが最適化される。これにより、非散乱光によって生じる信号のバイアスが最小限に抑えられるが、散乱光のうちわずかな量しか集光開口に結合されない。天然ガスなど、自然に存在する散乱粒子のサイズが極めて小さいある種の例では、これが制限因子になることがあり、検出される散乱
光レベルが低いために信号対雑音比が悪化する。

２スポット・レーザ流速計は、粒子状の塵または煙霧質など、比較的大型の（入射光の１０波長分よりも大きい）粒子の流れを特徴づけることでも知られている。ヘアーストン（Ｈａｉｒｓｔｏｎ）他の特許文献２は、集光開口と入射ビーム軸線が同じ直線上に並ぶ状態で２スポット・レーザ法を利用して、ノズルから放出される煙霧質のサイズおよび速度を測定するシステムを教示している。非散乱光は、測定ゾーンの反対側に位置する中央遮蔽物によって遮蔽され、光は大きな角度で散乱し、集光開口を通過して、光検出器に集光される。この応用例では粒子が比較的大きいので、検出光の振幅は、それほど大きな問題にならず、そのため、感度を犠牲にすることなく大型の中央遮蔽物を使用することができる。

キール他およびヘアーストン他が述べている光学系はどれも、テレセントリック光学系すなわち平行光学系を特徴とし、これらの光学系によって、流れの方向に直交して方向づけられる送出光ビームが生成される。これは、ある種の応用例では、特に、流体が高圧下のガスである場合に重要である。大部分の低圧ガスの屈折率は１近辺で変化するが、貯留層の圧力が高いと、ガスの密度がより高くなることにより屈折率がかなり大きくなり、それによって、この媒体を通過する光の光学的な屈折角が変化することになる。このため、光軸が流れの軸線と直交していない場合には、合焦スポットの間隔に視差タイプのずれが生じることがあり、その結果、測定誤差が生じる。

天然ガス坑井など、流れを測定するある種の環境では、かなりの量の水分、液状炭化水素、粒子その他の汚染物が光学窓に被着し、経時的に透過光の効率が劣化することがある。この問題は、光学式計測装置を長期間意図的に定位置で放置する応用例に関する従来技術では有効に対処されていない。他の多くのパイプラインの応用例で、光学窓、特にのぞきガラスが使用されており、節目ごとにこれらの窓を清浄にするいくつかの改善措置が開発されている。しかし、付着物に対する耐性を有するとともに、光の透過効率の変動が許容される光学系を開発することが望ましい。

また、多くの工業的な応用例では、パイプ中を流れる粒子のサイズおよび形状に関する情報は、工程中での流体の品質を特徴づけ、監視するために極めて望ましいものである。このようなデータにより、例えば、天然ガス処理工場で使用する濾過手段の品質、ポンプの状態、およびパイプの腐食レベルが検証される。粒子サイズの測定に特化したレーザ装置が知られているが、これらの使用は主に、実験室の制御された環境に限定され、これらの装置は、振動および位置合わせ不良の影響を受けやすいために、現場での応用例に適しているとはみなされない。
米国特許第６,１２８,０７２号 米国特許第５,５６１,５１５号

したがって、本発明の目的は、パイプ中の流体の流速を、パイプの軸線に沿って整列した既知の離間距離を有する２つの集光ビームから、流体によって運ばれる微粒子によって散乱する光の飛行時間の遅れを測定することによって求める装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、パイプの狭い隙間に挿入することができ、パイプ内の流体の流れを乱さないように、対合する各パイプ部分の内径に一致する滑らかな壁を有する流量計測装置を提供することにある。

また、本発明の目的は、光学系の検出感度を最大にすることである。より具体的には、
本発明の目的は、散乱放射の検出効率を最大にし、非散乱入射光の検出を最小限に抑えることにある。

また、本発明の目的は、流体の流れの中を搬送される汚染物の蓄積によって生じるパイプ壁の光学窓の汚染を、これらの窓の透明度を監視し、光検出器の利得を調節することによって補償し得る光学系を提供することである。

また、本発明の目的は、高い動作圧で圧縮される搬送ガスの屈折率の変化の影響を受けない光学系を提供することである。
本発明の別の目的は、狭い前方角内で収集される光の量に対して、大きな角度で散乱する光の量を求めることによって、流体の流れによって運ばれる散乱粒子のサイズおよび形状を特徴づけることもできる光学系を提供することにある。

上記その他の目的を達成するために、パイプを通って流れる流体によって運ばれる微粒子の速度を測定する装置が提供される。最も一般的には、この速度測定値を用いてパイプ中の流体の流量を求める。この装置は、少なくとも１つの光源および第１光学レンズ系を備え、２本の光ビームを生成し、これらのビームをパイプ壁の第１の窓を通るように指向し、パイプの容積内で一対の合焦スポットを形成する。これらの合焦スポットは、パイプ断面内では同じ位置にあるが、流れの方向に平行な軸線に沿って離間されている。これら２つの焦点に一致する経路に沿って移動する流体の流れの中を運ばれる微粒子は、光を連続的に散乱させ、それぞれの散乱が発生する時間の遅れは、これらの粒子の速度に反比例する。

パイプ壁には、第１の窓のほぼ反対側に第２の窓も設けられる。それにより、第２の窓の開口を通過する散乱光の一部を収集し、これらの散乱光を、第２光学レンズ系によって光検出手段に指向する手段が提供される。信号検出の完全性を改善するために、第２光学系の焦点面内に２つの光検出器手段を配置することができる。各光検出器手段は、それぞれの合焦スポットによって散乱される光を受容するように位置合わせされる。

第２窓のところで、またはその後方でビームを遮るように配置された不透明な遮蔽物を使用して非散乱光を遮蔽し、それによって非散乱光が検出器に到達しないようにする手段も設けられる。この遮蔽物は、非散乱光の大部分または全部を遮蔽するような寸法に設定されるが、検出される散乱光のコントラストが最大になるように第２の窓の開口よりは小さい。

第１光学系、第１の窓、第２の窓、不透明な遮蔽物、および第２光学系の中心は、概ねパイプの流れの方向にほぼ直交する共通な光軸上に位置する。２本の光ビームは、共通の同一光軸に沿って指向されるが、各合焦スポットは、焦点面において中心軸線からほぼ等しい距離だけ側方に分離されている。この装置はさらに、流れの方向に平行なパイプ軸線と、光軸およびパイプ軸線の双方に直交する横軸線とを有することを特徴とする。パイプに入射する光のビームの横軸線方向の収束度を小さくして合焦スポットを広げ、流体の流れの中を移動する粒子に対して散乱断面積をより大きくする手段も設けられる。

検出光を、入射光強度にほぼ比例する電気信号に変換する別の手段が設けられる。散乱粒子が各焦点を通過するとき、光のパルスが散乱し、それぞれの検出器によって受光され、電気パルスが生成される。これら電気パルス間の時間遅れを電子的に求める手段が設けられ、合焦スポットの間隔が既知であれば、粒子の速度を計算することができる。粒子速度にほぼ比例する流量を求めるさらなる手段が設けられる。

本発明の上記その他の特徴および利点をさらに理解するために、以下の詳細な説明および図面を参照する。

図２に、パイプ中の流体の流量を、この流体の流れによって運ばれる微粒子の速度を測定することによって求めるための、好ましい実施形態に従って構築された光学式流量計を示す。この流量計装置は、パイプ１２上で隣接するフランジ１１の間に挿入された光学機械ヘッド１０と、２つのレーザ光源１４、２つの散乱信号用光検出器５４,５５、および
電子処理回路１５を含む電気光学アセンブリ１３と、電気光学アセンブリ１３と光学機械ヘッド１０とを接続する光ファイバ延長ケーブル導管１６とからなる。この構成では、光学機械ヘッド１０において電位が存在しないように、電気光学アセンブリ１３を離れたところに配置することができる。これは、パイプを通過する天然ガスなどの流体が、火花または短路によって発火し得る場合に望ましい。さらに、光学機械ヘッド１０における光ファイバの端子に電子回路および光源からの熱負荷がかからないため、それらの端子は、小型かつ堅固になり、寸法的に安定する。

図３ａおよび３ｂにより詳細に示すこの好ましい実施形態の光学機械ヘッド１０は、パイプラインのフランジ間に固定され得る剛体プレート・ハウジング１７を備える。剛体プレート・ハウジング１７は、パイプ内径とほぼ一致する直径を有する中央孔１８を有することによって、流体が乱れることなく流れる連続した密封通路を形成する。中央孔１８は、２つの窓１９,２０を含む。送出光ビーム２１，２２が、送出窓１９から中央孔１８に
入射し、非散乱光ビーム２３，２４、ならびに散乱光ビーム２５，２６が、中央孔１８の反対側の収集窓２０を通過して収集開口２７に入る。好ましい実施形態では、窓１９,２
０はともに、中央孔１８の円筒形の曲率に一致する形状に形成されて、滑らかな連続表面を形成することにより、流体の流れの乱れが最小限に抑えられ、流体の流れに存在し得る汚染物の付着を低減する。本発明の別の実施形態では、流体の流れを密封し、パイプの流れに対して光を入出させることができるように、パイプ壁の内径にほぼ一致する内径の光学的に透明な一定長の管をハウジング・プレート１７の中央孔１８に挿入してもよい。

送出レンズ系２８は、光学機械プレート・ハウジング１７において送出窓開口３０から外周まで径方向に延びる送出レンズ孔２９に収容される。送出レンズ系２８は、典型的には、筒状の機械ハウジング３１に収容され、これら全体により、この系の光軸３２が確立される。図４ａおよび図４ｂに、より見やすいように、送出レンズ系２８をパイプ断面に対して相対的にサイズを誇張して示す。２本の送出光ファイバ３３，３４は、二穴フェルール３５内で終端し、光軸３２の両側に、光軸から等間隔で配置される。ファイバ３３，３４の先端がともにパイプの軸線３６に整列するように、フェルール３５は光軸３２を中心として回転される。送出光ビーム２１，２２は、送出光ファイバ３３，３４から発散し、光軸３２にほぼ平行である。送出光ビーム２１，２２は、ファイバ結合レンズ３７によってコリメートされ、次いで、送出対物レンズ３８によって集光され、送出窓１９を通り、中央孔１８の中に、パイプの軸線３６に沿って離間した２つの１次焦点３９，４０が形成される。１次焦点３９と１次焦点４０との離間距離は、送出用の結合レンズ３７および対物レンズ３８の焦点距離を選択することによって、以下の式に従って決定される。

Ｄ＝ｄ_ｄ ^＊ｆ_ｄｏ／ｆ_ｄｃ
上記式中、Ｄは、パイプ内の焦点スポットの軸線方向における離間距離であり、ｄ_ｄは、光ファイバ３３と光ファイバ３４との軸線方向における離間距離、ｆ_ｄｏは、送出対物レンズ３８の焦点距離、ｆ_ｄｃは、送出結合レンズ３７の焦点距離である。

好ましい実施形態では、送出用の結合レンズ３７と対物レンズ３８との光路方向における間隔は、これらのレンズの焦点距離の和に等しくなるように選択される。こうすると、
当技術分野でテレセントリック光学系と称される系が形成される。すなわち、焦点面における主光線が、光軸に平行なままとなる。図４ａに示すように、送出光ビーム２１，２２は、光学系の軸線３２に平行であり、かつ、パイプの軸線３６および送出窓１９の表面に直交する軸線に沿って投射される。これは、天然ガスなどの圧縮性ガスの屈折率が内圧に応じて変化する応用例では重要なことである。非テレセントリック系の場合には、焦点スポット間隔は、圧縮性流体の屈折率の変化によって生じる視差のために変化し、その結果、速度測定誤差が生じることになる。

図４ａを参照すると、円柱レンズ４１は、送出光学系２８内に配置されて、ビームの焦点を１次焦点３９，４０から離れるように移動させ、光学系の軸線３２に沿って２つの２次線状焦点４２，４３を形成する。これは、１次焦点３９，４０において各ビームの幅を広げて、２つの光のシートにする効果を有し、よって速度測定ゾーンにおいて流体の流れを捕らえる断面積が増加する。好ましい実施形態では、円柱レンズ４１の焦点距離は、これら２本のビームが、光学系の軸線３２上の収集窓２０の表面または同表面の後に位置する共通のポイントにおいて、２つの同一線上の線状焦点４２，４３を形成するように選択される。

２次焦点４２，４３においては、入射する非散乱送出ビーム２３，２４の断面積は最小になる。２次焦点面における非散乱ビームのプロファイルよりもわずかに大きく寸法を設定されたほぼ薄い矩形形状の光学的に不透明な遮蔽物４４が、非散乱送出ビーム２３，２４の大部分または全部を捕らえるように配置されている。これにより、遮蔽されていない収集開口２７に入射する散乱光の量を最大にすることができ、そのため、光信号の検出感度が最適化される。より具体的には、小寸の矩形不透明遮蔽物４４によって範囲が定められるビームのプロファイルの範囲を最小にすることにより、非散乱ビーム２３，２４からの偏向を受けることなく、可能な限り最小の角度の散乱光２５，２６が収集開口２７に入射し得る。

図３ａおよび図３ｂに戻ると、この好ましい実施形態の集光レンズ系４５は、送出レンズ孔２９の反対側のほぼ同一直線上にあり、かつ収集窓開口２７から光学機械プレート・ハウジング１７の外周まで径方向に延びる集光レンズ孔４６内に収容される。図５ａおよび図５ｂを参照すると、より見やすいように、パイプ断面に対して相対的にサイズが誇張して示されている集光レンズ系４５は、対物レンズ４７およびファイバ結合集光レンズ４８からなる。収集開口２７に入射する散乱光ビーム２５，２６は集光されて、対応する２本の散乱収集光ファイバ４９，５０に入る。これらの光ファイバは、焦点のところに配置され、中央孔１８の１次焦点スポット３９，４０のそれぞれに対応している。散乱収集ファイバ４９，５０のコア径は、速度測定ゾーンにおける光のシートの幅全域の点から生成される散乱光ビーム２５，２６のかなりの部分を受容するように寸法が設定される。この光のシートの幅は、以下の式によって決まる。

Ｗ＝ｗ_ｃ ^＊ｆ_ｃｏ／ｆ_ｃｃ
上記式中、Ｗは、１次焦点３９，４０における受容散乱場の幅であり、ｗ_ｃは、散乱収集光ファイバ４９，５０のコア径、ｆ_ｃｏは、集光対物レンズ４７の焦点距離、ｆ_ｃｃは、集光結合レンズ４８の焦点距離である。

光学系の軸線３２に沿った速度測定ゾーンの長さを決める光学系の焦点深度は、送出光ビーム２１，２２のビーム・ウェストの長さならびに集光レンズ系４５の焦点深度の影響を受ける。これら双方のパラメータは、上記の制約に従ってレンズを選択することによって調節され得るが、構成要素の物理的なサイズおよびハウジングの寸法によって課される制限がある。この光学系によって実現される焦点深度は、不透明な遮蔽物４４のサイズおよび形状の影響も受ける。場合によっては、集光レンズ系４５の焦点深度を狭くして、光
軸３２に沿った散乱測定ゾーンの範囲をさらに制限することが望ましい。これは、光軸３２の中心において不透明な遮蔽物４４のサイズを大きくして、図６に示すように、遮蔽物４４を矩形帯状部分と、それに重なる円形中央スポットからなる形状にすることによって実現し得る。

別の好ましい実施形態では、図７ａおよび図７ｂに示すように、第２の一対の基準集光ファイバ５１，５２が、不透明な遮蔽物４４の直前に配置され、非散乱光ビーム２３，２４からの光を結合する手段が提供される。中央反射体５３が遮蔽物４４の中央に配置され、それによって、入射する非散乱光ビーム２３または非散乱光ビーム２４のそれぞれの一部が、対応する基準ファイバ５１または基準ファイバ５２に指向され、次いで、矩形帯形状の不透明な遮蔽物４４の長手方向の背後を通って、集光レンズ孔４６の外周開口の外側に送られる。基準ファイバ５１，５２に結合された非散乱光ビーム２３，２４によって生成される信号レベルを用いて、（図示しない）光学窓１９,２０に付着する汚染物の蓄積
のために、あるいは、光源強度の変動のために、経時的に低下し得る入射光の全体的強度を監視することができる。

図８を参照すると、散乱集光ファイバ４９，５０ならびに基準集光ファイバ５１，５２は、送出ファイバ３３，３４と束ねられ、共通の延長ケーブル導管１６で覆われて、光学機械ヘッド１０からいくらか離れたところに配置され得る光学電気アセンブリ１１に接続される。集光ファイバ４９，５０、ならびに集光ファイバ５１，５２は、対応する散乱信号用光検出器５４,５５、ならびに基準信号用光検出器５６，５７に結合される。散乱集
光ファイバ４９，５０に結合され、散乱信号検出器５４，５５に伝達される光により、粒子が速度測定ゾーンを通過するときに電気パルスが生成される。２つの散乱検出器５４，５５からの各電気信号を相関させることによって飛行時間の遅れを求める電子処理回路１５が設けられる。基準検出器５６，５７によって生成される基準信号を用いて、散乱検出器回路６０の利得を調節することによって、光学窓１９,２０の付着物による光信号の低
下を補償することができる。

本発明の代替実施形態では、図９ａおよび図９ｂに示すように、テレセントリック送出レンズ系２８は、（複合レンズとし得る）送出結合レンズ６１と、２つの小平面６３，６４を有する改変されたフェルール６２とを提供する。これら２つの小平面は、フェルール６２の表面を研磨したものであり、光学系の軸線３２から等しく傾斜している。得られる送出光ビーム２１，２２は、送出光ファイバ３３，３４から出射するときにある角度で屈折し、送出結合レンズ６１の前方の、その焦点距離に等しい距離において光軸３２と交差する。そのため、よりコンパクトな光学構成で、同じテレセントリック配置が形成される。

図９ａおよび図９ｂも参照すると、送出レンズ系２８に、ファイバ・フェルール６２の後に配設された送出円柱結合レンズ６５を追加して、送出光ビーム２１，２２を横軸線方向にコリメートしてもよい。これにより、送出円柱レンズ６５の焦点距離を選択することによって、１次焦点スポット３９，４０における光のシートの幅を独立に制御することができる。また、送出円柱レンズ６５によって生じる焦点のずれを補償するために、円柱対物レンズ４１（負レンズ）の焦点距離も短縮する必要があり、それにより、２次焦点４２，４３は、不透明な遮蔽物の面４４に一致して保持される。

本発明の別の実施形態では、図１０ａおよび図１０ｂに示すように、送出レンズ系２８および１次集光レンズ系４５の光学系の軸線３２に直交する角度で、２次集光レンズ系６６が、光学機械プレート・ハウジング１７の第３の孔６８の第３光学窓６７の後に配設される。２次集光レンズ系６６には遮蔽物または基準ファイバは組み込まれないが、その他の点では、２次集光レンズ系６６は１次集光レンズ系４５と同じとすることができる。第
２の一対の集光ファイバ６９，７０が、２次収集開口７１に結合される散乱光を受容するように配設され、（図示しない）第２の一対の測定用光検出器に接続される。光学系の軸線３２から離れて大きな角度で散乱する光の量は、散乱粒子のサイズに大きく依存する。そのため、各光学信号の強度の比を測定することによって、流体の流れによって運ばれる散乱粒子のサイズについての情報を求めることができる。

図１１に示す本発明のさらに別の実施形態では、第１集光系２７の開口よりも大きい開口７３を備えた第２集光レンズ系７２が提供される。これら双方の系は同一直線上に配置されている。第２集光レンズ系７２は、双方の系の開口７３と開口２７の相違によって画定される立体角内の、より大きな角度で散乱した光を収集する。各系によって収集された光の量を比較すると、粒子のサイズおよび形状についての情報が得られる。

６５０ｎｍの波長の光を使用して、３ミクロンの油液滴の散乱光の効率を前方散乱角の関数として示すグラフ。 収集光学系の軸線が送出光学系の軸線とある角度で交差することを示す、従来技術で使用する光学系のパイプ軸線に沿った断面図。 収集光学系の軸線が送出光学系の軸線とある角度で交差することを示す、従来技術で使用する光学系のパイプ軸線に直交した断面図。 別々の光学機械ヘッド、電気光学アセンブリが光ファイバ延長ケーブルによって接続される本発明の好ましい実施形態を示すシステム図。 本発明の光学機械ヘッド・アセンブリ部分のパイプ軸線に直交した断面図。 本発明の光学機械ヘッド・アセンブリ部分の光軸に沿った断面図。 より見やすいように、パイプ断面に対して相対的にサイズを誇張した好ましい実施形態の送出光学系を示す、パイプ軸線に沿った断面図。 より見やすいように、パイプ断面に対して相対的にサイズを誇張した好ましい実施形態の送出光学系を示す、パイプ軸線に直交した断面図。 より見やすいように、パイプ断面に対して相対的にサイズを誇張した好ましい実施形態の収集光学系を示す、パイプ軸線に直交した断面図。 より見やすいように、パイプ断面に対して相対的にサイズを誇張した好ましい実施形態の収集光学系を示す、パイプ軸線に沿った断面図。 本発明の好ましい実施形態とともに使用し得る、薄い矩形帯状部と円形中央スポットの結合体からなる不透明な遮蔽物の形状を示す図。 本発明の好ましい実施形態の不透明な遮蔽物の前方に配設された中央反射体および２本の基準集光ファイバからなる基準収集光学アセンブリを示す図。 本発明の好ましい実施形態の不透明な遮蔽物の前方に配設された中央反射体および２本の基準集光ファイバからなる基準収集光学アセンブリを示す図。 光学系の効率の低下を補償するのに使用する電子処理回路および信号の流れのブロック図を示す、別々の光学機械ヘッド、電気光学アセンブリ、および延長ケーブルからなる本発明のシステム図。 光学系の軸線に対してある角度で研磨された小平面を有する改変されたフェルールと、送出ビームを集光し、パイプ区間にわたって主光線を光軸と平行に維持するために設けられた単一の結合レンズからなる本発明の代替実施形態を示す、パイプ軸線に沿った断面図。 光学系の軸線に対してある角度で研磨された小平面を有する改変されたフェルールと、送出ビームを集光し、パイプ区間にわたって主光線を光軸と平行に維持するために設けられた単一の結合レンズからなる本発明の代替実施形態を示す、パイプ軸線に直交した断面図。 大きな角度で散乱する光を検出する第２収集光学系を提供して、検出された光信号の振幅を用いて、散乱粒子のサイズを求める本発明の代替実施形態を示す、パイプ軸線に直交した断面図。 大きな角度で散乱する光を検出する第２収集光学系を提供して、検出された光信号の振幅を用いて、散乱粒子のサイズを求める本発明の代替実施形態を示す、光学系の軸線に沿った断面図。 第２収集光学系が第１収集光学系の軸線と同一直線上にある、収集光学系の代替実施形態の図。

Claims (29)

1. パイプを通って流れる流体によって運ばれる粒子の速度を測定する装置であって、
   （ａ）２本の分離した光ビームを生成するための２本の光ファイバに接続された少なくとも１つの光源と、
   （ｂ）パイプ壁に位置する第１の手段であって、パイプ内の流体の流れを収容し、前記光ビームをパイプの内部に入射させるための第１の手段と、
   （ｃ）単一の開口および単一の光軸を有するテレセントリック送出光学系であって、前記２本の光ビームがパイプの断面内では同じ位置に整列しているが、パイプの軸線に沿って既知の離間距離で異なる地点に位置する２つの焦点スポットをパイプ内に形成するように、前記パイプ壁に位置する第１手段を通して、それらの光ビームを指向する送出光学系と、
   （ｄ）パイプ壁に位置する第２の手段であって、第１光学窓のほぼ反対側のパイプ壁に配設され、パイプ内の流体の流れを収容し、パイプの内部から光を出射させ得る第２の手段と、
   （ｅ）流体によって運ばれる粒子によって散乱する光を検出し、時間的に変化する検出光の振幅を、対応する測定用電子信号に変換する少なくとも１つの測定用光検出器手段と、
   （ｆ）送出光学系の光軸と実質的に同一直線上に位置する光軸を有する収集光学系であって、流体の流れの中を運ばれる粒子によって散乱する光を、焦点スポットから画定される第１の立体角内に収集し、散乱光を測定用光検出器手段に焦点する収集光学系と、
   （ｇ）焦点スポットの後方の光軸上に配設された非散乱光を吸収する不透明な遮蔽物であって、該遮蔽物は焦点スポットからの第２立体角を画定し、第２立体角は、第１立体角の遮蔽されない部分を通過する散乱光が、測定用光検出器手段に達するように、第１立体角よりも狭い、遮蔽物と、
   （ｈ）光検出器手段によって検出された測定用電子信号を受け取る電子処理手段であって、前記測定用電子信号を処理して、２つの焦点スポットを通過する粒子の飛行時間の遅れを求める電子処理手段、および粒子の速度または流量を計算するさらなる手段とを備える装置。
2. 前記テレセントリック送出光学系は、焦点距離を有する焦点レンズを備え、前記２本の
   光ファイバは、該光ファイバの端部に２つの小平面を有し、それらの２つの小平面は、前記光ビームを、前記送出系の前記光軸に向けて屈折させ、前記焦点レンズの前方において、同焦点レンズの焦点距離に等しい距離のところで前記光軸と交差させるように、前記送出系の前記光軸から等しく傾斜している、請求項１に記載の装置。
3. 前記光源は１つ以上のレーザ装置からなる請求項１に記載の装置。
4. 前記光検出器手段は、光検出器に結合された光ファイバを備える請求項１に記載の装置。
5. 前記光検出器手段は、第１の光検出器場および第２の光検出器場を含み、第１の光検出器場および第２の光検出器場は、前記２つの焦点スポットのうちの第１焦点スポットから散乱する光が第１光検出器場に結合され、前記２つの焦点スポットのうちの第２焦点スポットから散乱する光が第２光検出器場に結合されるように、位置合わせされる請求項１に記載の装置。
6. 前記光検出器手段は、第１の光検出器手段に結合される第１の収集光ファイバおよび第２の光検出器手段に結合される第２の収集光ファイバを備える請求項５に記載の装置。
7. 前記送出光学系および前記収集光学系の光軸は、前記流れの方向に実質的に直交する請求項１に記載の装置。
8. 前記２本の光ビームのそれぞれの主光線は、前記パイプの前記軸に実質的に直交し、そのため主光線は前記流体の屈折率が変化しても偏位しない請求項１に記載の装置。
9. サイズおよび形状が前記パイプの断面に実質的に一致する中央孔を備えた機械ハウジングが前記パイプラインに挿入されて、前後のパイプ部分に組み合わされることによって、流体が流れる連続的な密封通路を形成し、前記機械ハウジングには、前記パイプ壁に位置する第１の手段および第２の手段、前記送出光学系、および前記収集光学系が組み込まれる請求項１に記載の装置。
10. 前記パイプ壁に位置する第１の手段および第２の手段は、前記パイプの内壁の表面に実質的に一致する実質的に円筒形の内面を有する第１の透明な光学窓および第２の透明な光学窓を備える請求項１に記載の装置。
11. 前記パイプ壁に位置する第１の手段および第２の手段が一定長の透明な管によって置き換えられ、前記管は、前記パイプの内径に一致する内径を有して、前記パイプ内の前記流体を収容するとともに、前記送出光学系から前記収集光学系を介して光を通すことができる請求項１に記載の装置。
12. 前記送出光学系は、前記パイプの断面内で前記焦点スポットの幅を広げる円柱光学レンズ手段を含む請求項１に記載の装置。
13. 前記円柱光学レンズ手段は、前記ビームが、一対の焦点線部分であって、前記パイプの流れに平行な軸線を有し、かつ前記光学系の軸線の中心を通る該一対の焦点線部分を形成するように、前記不透明な遮蔽物の平面において第２の焦点を生成する、請求項１２に記載の装置。
14. 前記不透明な遮蔽物の前方で、かつ前記第２の光学窓の後方において、前記非散乱光の一部を遮り、遮られた光を少なくとも１つの基準検出器手段に結合し、遮られた光から検
    出された信号レベルを用いて、前記測定用光検出手段の回路の利得を調節して、前記入射光強度の変動を補償する手段が設けられる請求項１に記載の装置。
15. 第１の検出光信号および第２の検出光信号の振幅比を比較することによって、前記流体の流れ中を移動する粒子のサイズおよび形状の少なくともいずれかを分析するために、送出光軸および第１収集軸線と同じ面内に位置し、前記焦点スポットと交差する第２の収集軸線を有する第２の収集光学系が設けられ、前記流体の流れの中の粒子によって散乱する光は、第２の光検出器手段に結合されて、第２の検出光信号を生成する請求項１に記載の装置。
16. 前記第２収集光学系の前記軸線は、前記第１収集光軸と実質的に同一直線上に位置し、前記第２収集光学系は、前記第１収集光学系よりも大きな光学開口を有し、該光学開口はより大きな散乱角で散乱光を収集することを可能にする、請求項１５に記載の装置。
17. 前記テレセントリック送出光学系は、前記ビームが、一対の焦点線部分であって、前記パイプの軸線に平行であり、前記光学系の軸線の中心を通る、同一直線上にある該一対の焦点線部分を形成するように、前記パイプの断面内で前記焦点スポットの幅を広げ、前記不透明な遮蔽物面において第２の焦点を生成する円柱状の光学レンズ手段を備える、請求項１に記載の装置。
18. 前記光源は１つ以上のレーザ装置からなる請求項１７に記載の装置。
19. 前記光検出器手段は、光検出器に結合された光ファイバを備える請求項１７に記載の装置。
20. 前記光検出器手段は、第１の光検出器場および第２の光検出器場を含み、第１の光検出器場および第２の光検出器場は、前記２つの焦点スポットのうちの第１焦点スポットから散乱する光が該第１光検出器場に結合され、前記２つの焦点スポットのうちの第２焦点スポットから散乱する光が該第２光検出器場に結合されるように、位置合わせされる請求項１７に記載の装置。
21. 前記光検出器手段は、第１の光検出器手段に結合された第１の収集光ファイバと、第２の光検出器手段に結合された第２の収集光ファイバとを備える請求項２０に記載の装置。
22. 前記送出光学系および前記収集光学系の前記光軸は、前記流れの方向に実質的に直交する請求項１７に記載の装置。
23. 前記２本の光ビームのそれぞれの主光線は、前記パイプの前記軸に実質的に直交し、そのため、該主光線は、前記流体の屈折率が変化しても偏位しない請求項１７に記載の装置。
24. サイズおよび形状が前記パイプの断面に実質的に一致する中央孔を備えた機械ハウジングが前記パイプラインに挿入されて、前後のパイプ部分に組み合わされることによって、流体が流れる連続的な密封通路を形成し、前記機械ハウジングには、前記パイプ壁に位置する第１の手段および第２の手段、前記送出光学系、および前記収集光学系が組み込まれる請求項１７に記載の装置。
25. 前記パイプ壁に位置する第１の手段および第２の手段は、前記パイプの内壁の表面に実質的に一致する実質的に円筒形の内面を有する第１の透明な光学窓および第２の透明な光学窓を備える請求項１７に記載の装置。
26. 前記パイプ壁に位置する第１の手段および第２の手段が一定長の透明な管によって置き換えられ、前記管は、前記パイプの内径に一致する内径を有して、前記パイプ内の前記流体を収容するとともに、前記送出光学系から前記収集光学系を介して光を通すことができる請求項１７に記載の装置。
27. 前記不透明な遮蔽物の前方で、かつ前記第２の光学窓の後方において、前記非散乱光の一部を遮り、遮られた光を少なくとも１つの基準検出器手段に結合し、遮られた光から検出された信号レベルを用いて、前記測定用光検出手段の回路の利得を調節して、前記入射光強度の変動を補償する手段が設けられる請求項１７に記載の装置。
28. 第１の検出光信号および第２の検出光信号の振幅比を比較することによって、前記流体の流れ中を移動する粒子のサイズおよび形状の少なくともいずれかを分析するために、送出光軸および第１収集軸線と同じ面内に位置し、前記焦点スポットと交差する第２の収集軸線を有する第２の収集光学系が設けられ、前記流体の流れの中の粒子によって散乱する光は、第２の光検出器手段に結合されて、第２の検出光信号を生成する請求項１７に記載の装置。
29. 前記第２収集光学系の前記軸線は、前記第１収集光軸と実質的に同一直線上に位置し、前記第２収集光学系は、前記第１収集光学系よりも大きな光学開口を有し、該光学開口はより大きな散乱角で散乱光を収集することを可能にする、請求項２８に記載の装置。

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