JPH06294807A - 粒子の平均速度算出方法 - Google Patents
粒子の平均速度算出方法Info
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- JPH06294807A JPH06294807A JP8180993A JP8180993A JPH06294807A JP H06294807 A JPH06294807 A JP H06294807A JP 8180993 A JP8180993 A JP 8180993A JP 8180993 A JP8180993 A JP 8180993A JP H06294807 A JPH06294807 A JP H06294807A
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- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 61
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 title description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
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Abstract
(57)【要約】
【目的】高精度かつ低コストの速度計を構成するに適し
た、流体の粒子の平均速度算出方法を提供する。 【構成】流体中のＮ個の粒子の速度ｖi から平均速度を
ｖを 【数１】 に従って求める。
た、流体の粒子の平均速度算出方法を提供する。 【構成】流体中のＮ個の粒子の速度ｖi から平均速度を
ｖを 【数１】 に従って求める。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、流体中の複数の粒子の
平均速度を算出する粒子の平均速度算出方法に関する。
平均速度を算出する粒子の平均速度算出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】流体の速度を測定する速度計として、レ
ーザ光を一旦２分割した後に１つのスポットに重ね合わ
せることによってそのスポット内に干渉縞を生じさせ、
流体中の粒子がこの干渉縞を横切る際に生じる散乱光を
検出することにより流体の速度を測定する速度計が知ら
れており、粒子が干渉縞を横切る速度だけでなくその横
切る方向も検出するために、２分割した一方のレーザ光
の周波数をシフトした後重ね合せるヘテロダイン干渉計
を備えた速度計も知られている。
ーザ光を一旦２分割した後に１つのスポットに重ね合わ
せることによってそのスポット内に干渉縞を生じさせ、
流体中の粒子がこの干渉縞を横切る際に生じる散乱光を
検出することにより流体の速度を測定する速度計が知ら
れており、粒子が干渉縞を横切る速度だけでなくその横
切る方向も検出するために、２分割した一方のレーザ光
の周波数をシフトした後重ね合せるヘテロダイン干渉計
を備えた速度計も知られている。
【０００３】図２は、ヘテロダイン干渉計を備えた速度
計の一例を表わした概略構成図である。レーザ光源１か
ら射出されたレーザ光２は、ビームスプリッタ３により
透過レーザ光４と反射レーザ光５とに２分割される。こ
の透過レーザ光４は音響光学的光変調器６に入射し、こ
の音響光学的光変調器６により０次のレーザ光７と１次
のレーザ光８とに分けられてこの音響光学的光変調器６
から射出される。このうち０次のレーザ光はシャッタ９
で遮られるが、１次のレーザ光８は光ファイバ１０の入
光部１１に入射し、ファイバ入光用レンズ１２により集
光されて光ファイバ１０にその一端面１０ａから入射す
る。この光ファイバ１０内に入射したレーザ光８はこの
光ファイバ１０内を伝送され、この光ファイバ１０の他
端面１０ｂから射出される。この他端面１０ｂから射出
されたレーザ光８は、コリメートレンズ１２によりコリ
メートされ、さらに対物レンズ１３によりスポットＯに
集光される。
計の一例を表わした概略構成図である。レーザ光源１か
ら射出されたレーザ光２は、ビームスプリッタ３により
透過レーザ光４と反射レーザ光５とに２分割される。こ
の透過レーザ光４は音響光学的光変調器６に入射し、こ
の音響光学的光変調器６により０次のレーザ光７と１次
のレーザ光８とに分けられてこの音響光学的光変調器６
から射出される。このうち０次のレーザ光はシャッタ９
で遮られるが、１次のレーザ光８は光ファイバ１０の入
光部１１に入射し、ファイバ入光用レンズ１２により集
光されて光ファイバ１０にその一端面１０ａから入射す
る。この光ファイバ１０内に入射したレーザ光８はこの
光ファイバ１０内を伝送され、この光ファイバ１０の他
端面１０ｂから射出される。この他端面１０ｂから射出
されたレーザ光８は、コリメートレンズ１２によりコリ
メートされ、さらに対物レンズ１３によりスポットＯに
集光される。
【０００４】一方ビームスプリッタ３で反射されたレー
ザ光５は、ミラー１４で反射された後ファイバ入光用レ
ンズ１５により集光されて光ファイバ１６の一端面１６
ａからこの光ファイバ１６に入射されこの光ファイバ１
６内を伝送されてその他端面から射出される。この他端
面１６ｂから射出されたレーザ光５は、コリメートレン
ズ１７によりコリメートされ、対物レンズ１３により集
光されてレーザ光８と同様にスポットＯに集光する。
ザ光５は、ミラー１４で反射された後ファイバ入光用レ
ンズ１５により集光されて光ファイバ１６の一端面１６
ａからこの光ファイバ１６に入射されこの光ファイバ１
６内を伝送されてその他端面から射出される。この他端
面１６ｂから射出されたレーザ光５は、コリメートレン
ズ１７によりコリメートされ、対物レンズ１３により集
光されてレーザ光８と同様にスポットＯに集光する。
【０００５】図３は、図２に示したスポットＯを拡大し
て表わした図である。このスポットＯには互いに異なる
角度から２本のレーザ光５，８が照射されるため、この
スポットＯ上でこの２本のレーザ光が干渉し、図３に示
すような干渉縞が形成される。但し、レーザ光８は音響
光学的光変調器６で周波数がシフトされた１次のレーザ
光であり、一方レーザ光５は周波数がシフトされていな
いレーザ光であるため互いにその周波数が異なり、従っ
て図３に示すような干渉縞は瞬間的な状態を表わしたも
のであって実際にはこのような干渉縞が流れた状態とな
りこのままでは干渉縞を視認することはできない。
て表わした図である。このスポットＯには互いに異なる
角度から２本のレーザ光５，８が照射されるため、この
スポットＯ上でこの２本のレーザ光が干渉し、図３に示
すような干渉縞が形成される。但し、レーザ光８は音響
光学的光変調器６で周波数がシフトされた１次のレーザ
光であり、一方レーザ光５は周波数がシフトされていな
いレーザ光であるため互いにその周波数が異なり、従っ
て図３に示すような干渉縞は瞬間的な状態を表わしたも
のであって実際にはこのような干渉縞が流れた状態とな
りこのままでは干渉縞を視認することはできない。
【０００６】ここで図２に示すように、スポットＯに集
光された２本の光ビーム５，８の光路間の成す角の１／
２をθとしたとき、互いに隣接する干渉縞の間隔δp
（図３参照）は、 δp ＝λ／（２・sin θ） ……（１） と表わされる。
光された２本の光ビーム５，８の光路間の成す角の１／
２をθとしたとき、互いに隣接する干渉縞の間隔δp
（図３参照）は、 δp ＝λ／（２・sin θ） ……（１） と表わされる。
【０００７】ここで粒子ｐがスポットＯ内を干渉縞を横
切る方向に速度ｖで通過する場合を考える。この粒子ｐ
で散乱された光は、図２に示す対物レンズ１３を通りさ
らに集光レンズ１８を通って光検出器１９に入射し、こ
の散乱光が電気信号として検出される。このとき、音響
光学的光変調器６の駆動周波数をｆA とすると２本のレ
ーザ光５，８の各周波数が互いにｆA だけ異なり、この
ためこの干渉縞はこの周波数ｆA に対応した速度で流れ
ることとなり、レーザ光の波長をλとしたとき、光検出
器１９では ｆ＝ｆA ＋２・ｖ・ｓｉｎθ／λ ……（２） の周波数の信号が得られることになる。ここで（２）式
の粒子ｐの速度ｖは、粒子ｐが干渉縞の右から左に横切
るか左から右に横切るかにより正又は負の値をとるた
め、光検出器１９で得られた信号の周波数ｆがｆ＜ｆA
であるかもしくはｆ＞ｆA であるかに応じて粒子ｐがス
ポットＯ内をいずれの方向に横切ったかを知ることがで
き、また ｜ｆ−ｆA ｜＝｜２・ｖ・ｓｉｎθ／λ｜ ……（３） により粒子ｐの速さ｜ｖ｜を知ることができる。
切る方向に速度ｖで通過する場合を考える。この粒子ｐ
で散乱された光は、図２に示す対物レンズ１３を通りさ
らに集光レンズ１８を通って光検出器１９に入射し、こ
の散乱光が電気信号として検出される。このとき、音響
光学的光変調器６の駆動周波数をｆA とすると２本のレ
ーザ光５，８の各周波数が互いにｆA だけ異なり、この
ためこの干渉縞はこの周波数ｆA に対応した速度で流れ
ることとなり、レーザ光の波長をλとしたとき、光検出
器１９では ｆ＝ｆA ＋２・ｖ・ｓｉｎθ／λ ……（２） の周波数の信号が得られることになる。ここで（２）式
の粒子ｐの速度ｖは、粒子ｐが干渉縞の右から左に横切
るか左から右に横切るかにより正又は負の値をとるた
め、光検出器１９で得られた信号の周波数ｆがｆ＜ｆA
であるかもしくはｆ＞ｆA であるかに応じて粒子ｐがス
ポットＯ内をいずれの方向に横切ったかを知ることがで
き、また ｜ｆ−ｆA ｜＝｜２・ｖ・ｓｉｎθ／λ｜ ……（３） により粒子ｐの速さ｜ｖ｜を知ることができる。
【０００８】ここで音響光学的光変調器６の駆動周波数
ｆA を例えば８０ＭＨｚとしたとき、光検出器１９で得
られる信号の周波数ｆは、 ｆ＝８０ＭＨｚ±数ＭＨｚ ……（４） 程度となる。上記のような原理に基づいたヘテロダイン
干渉計を備えたレーザドップラ速度測定器を用いること
により流体中の粒子の速度が測定される。
ｆA を例えば８０ＭＨｚとしたとき、光検出器１９で得
られる信号の周波数ｆは、 ｆ＝８０ＭＨｚ±数ＭＨｚ ……（４） 程度となる。上記のような原理に基づいたヘテロダイン
干渉計を備えたレーザドップラ速度測定器を用いること
により流体中の粒子の速度が測定される。
【０００９】図４は、流体速度の時間変化を示す図であ
る。尚、この図における丸印は、その流速時に測定され
る粒子を模式的に示している。粒子は、流体中に均一に
分布していても、流体の速度が速いときには単位時間あ
たりの流体の流量が増加するため、図４に示すように、
測定される粒子の数が増加する。一方、流体の速度が遅
いときには、単位時間あたりの流体の流量が減少するた
め、測定される粒子の数が減少する。このため、測定さ
れた各粒子の速度を平等に取り扱って加算平均により流
体の平均速度を算出すると不都合が生じる。
る。尚、この図における丸印は、その流速時に測定され
る粒子を模式的に示している。粒子は、流体中に均一に
分布していても、流体の速度が速いときには単位時間あ
たりの流体の流量が増加するため、図４に示すように、
測定される粒子の数が増加する。一方、流体の速度が遅
いときには、単位時間あたりの流体の流量が減少するた
め、測定される粒子の数が減少する。このため、測定さ
れた各粒子の速度を平等に取り扱って加算平均により流
体の平均速度を算出すると不都合が生じる。
【００１０】（５）式は、測定された粒子速度加算平均
を表した式である。
を表した式である。
【００１１】
【数２】
【００１２】加算平均速度は、測定された各粒子の速度
ｖi （１≦ｉ≦Ｎ：Ｎは測定された粒子の数）が互いに
加算され、この加算値がＮで除算されることにより得ら
れる。（５）式に基づき加算平均速度が算出されると、
この平均速度は、上記のように速度の速い粒子が多く測
定されたものであるため、実際の平均速度より速くなる
というバイアス効果が生じたものとなってしまう。
ｖi （１≦ｉ≦Ｎ：Ｎは測定された粒子の数）が互いに
加算され、この加算値がＮで除算されることにより得ら
れる。（５）式に基づき加算平均速度が算出されると、
この平均速度は、上記のように速度の速い粒子が多く測
定されたものであるため、実際の平均速度より速くなる
というバイアス効果が生じたものとなってしまう。
【００１３】そこで、粒子速度が速いときには図３に示
すスポットＯを通過するために要する粒子の通過時間が
短く、また粒子速度が遅いときにはその通過時間が長い
ことに着目した重み付き平均式が用いられて平均速度が
算出されている。図５は、粒子が、スポットＯを通過す
るに要する通過時間を示す受信信号の一例である。
すスポットＯを通過するために要する粒子の通過時間が
短く、また粒子速度が遅いときにはその通過時間が長い
ことに着目した重み付き平均式が用いられて平均速度が
算出されている。図５は、粒子が、スポットＯを通過す
るに要する通過時間を示す受信信号の一例である。
【００１４】粒子がスポットＯを通過する際にはこの粒
子により光が散乱される。この光の散乱されている時間
が、図５に示すように、スポットＯを通過するために要
する、粒子の通過時間ｔｔi である。この通過時間ｔｔ
i は、その粒子の速度により異なっており、粒子の平均
速度が、この通過時間ｔｔi の差により算出される。
（６）式は、粒子の平均速度を算出する重み付き平均式
である。
子により光が散乱される。この光の散乱されている時間
が、図５に示すように、スポットＯを通過するために要
する、粒子の通過時間ｔｔi である。この通過時間ｔｔ
i は、その粒子の速度により異なっており、粒子の平均
速度が、この通過時間ｔｔi の差により算出される。
（６）式は、粒子の平均速度を算出する重み付き平均式
である。
【００１５】
【数３】
【００１６】この（６）式により算出された粒子の平均
速度は、（５）式により算出された平均速度より実際の
平均速度に近いものとなる。
速度は、（５）式により算出された平均速度より実際の
平均速度に近いものとなる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の粒子の平均
速度を算出する（６）式では、粒子の速度とともにこの
粒子のスポットＯ（図３参照）の通過時間ｔｔi が必要
であるため、図５に示すような信号波形から通過時間ｔ
ｔi のパルス幅を有するパルス信号を生成する回路やそ
のパルス信号のパルス幅を測定するカウンタ等が必要と
なり、これによりこの速度測定器の製造コストが嵩むと
いう問題がある。
速度を算出する（６）式では、粒子の速度とともにこの
粒子のスポットＯ（図３参照）の通過時間ｔｔi が必要
であるため、図５に示すような信号波形から通過時間ｔ
ｔi のパルス幅を有するパルス信号を生成する回路やそ
のパルス信号のパルス幅を測定するカウンタ等が必要と
なり、これによりこの速度測定器の製造コストが嵩むと
いう問題がある。
【００１８】また、この通過時間ｔｔi 自体も、粒子の
スポット内での通過位置により異なるため、精度向上に
は限界がある。本発明は、上記事情に鑑み、製造コスト
が低く、かつ粒子の平均速度即ち流速を高精度に求め得
る速度計を構成することのできる粒子の平均速度算出方
法を提供することを目的とする。
スポット内での通過位置により異なるため、精度向上に
は限界がある。本発明は、上記事情に鑑み、製造コスト
が低く、かつ粒子の平均速度即ち流速を高精度に求め得
る速度計を構成することのできる粒子の平均速度算出方
法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の粒子の平均速度算出方法は、流体中のＮ個の
粒子の測定された速度ｖi （１≦ｉ≦Ｎ）からこのＮ個
の粒子の平均速度ｖを、
の本発明の粒子の平均速度算出方法は、流体中のＮ個の
粒子の測定された速度ｖi （１≦ｉ≦Ｎ）からこのＮ個
の粒子の平均速度ｖを、
【００２０】
【数４】
【００２１】により算出することを特徴とするものであ
る。
る。
【００２２】
【作用】本発明の粒子の平均速度算出方法は、以下の手
順により求められたものである。図３に示すスポットＯ
を通過する粒子の通過速度をｖi 、その粒子のスポット
Ｏの通過距離をＬとすると、この粒子のスポットＯの通
過時間はＬ／ｖi となる。この通過時間Ｌ／ｖi を
（６）式のｔｔi に代入すると、この平均速度ｖは、
順により求められたものである。図３に示すスポットＯ
を通過する粒子の通過速度をｖi 、その粒子のスポット
Ｏの通過距離をＬとすると、この粒子のスポットＯの通
過時間はＬ／ｖi となる。この通過時間Ｌ／ｖi を
（６）式のｔｔi に代入すると、この平均速度ｖは、
【００２３】
【数５】
【００２４】となる。このように、粒子のスポットＯの
通過速度ｖi とスポットＯを通過する粒子数を求めるこ
とにより、平均流速を求めることができる。したがって
この平均速度を求めるための回路構成が簡単となり、低
コストの速度計を実現することができる。また、この平
均流速即ち流速は（６）式の算出方法と同一の精度に保
持される。
通過速度ｖi とスポットＯを通過する粒子数を求めるこ
とにより、平均流速を求めることができる。したがって
この平均速度を求めるための回路構成が簡単となり、低
コストの速度計を実現することができる。また、この平
均流速即ち流速は（６）式の算出方法と同一の精度に保
持される。
【００２５】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１は、粒子のスポットＯの通過時間を示す信号波形図で
ある。本実施例では１０００個の粒子を測定し、この１
０００個の粒子のうちの９９０個の粒子１は、その速度
が１００ｍ／ｓ、残りの１０個の粒子２は、その速度が
１ｍ／ｓであった。
１は、粒子のスポットＯの通過時間を示す信号波形図で
ある。本実施例では１０００個の粒子を測定し、この１
０００個の粒子のうちの９９０個の粒子１は、その速度
が１００ｍ／ｓ、残りの１０個の粒子２は、その速度が
１ｍ／ｓであった。
【００２６】（７）式に示す粒子の平均速度算出方法に
より、本実施例で測定された１０００個の粒子の平均速
度を算出する。 平均速度ｖ＝１０００／（（１／１００）×９９０＋（１／１）×１０） ＝１０００／（９．９＋１０） ＝５０．２５１ ［ｍ／ｓ］ ここで、比較のため（５）式に示す加算平均により平均
速度を算出すると、 平均速度ｖ＝（１００×９９０＋１×１０）／１０００ ＝９０．０１ ［ｍ／ｓ］ このように、加算平均により算出された平均速度は、バ
イアス効果が生じたため、実際の平均速度より約４９
［ｍ／ｓ］速いものとなっている。
より、本実施例で測定された１０００個の粒子の平均速
度を算出する。 平均速度ｖ＝１０００／（（１／１００）×９９０＋（１／１）×１０） ＝１０００／（９．９＋１０） ＝５０．２５１ ［ｍ／ｓ］ ここで、比較のため（５）式に示す加算平均により平均
速度を算出すると、 平均速度ｖ＝（１００×９９０＋１×１０）／１０００ ＝９０．０１ ［ｍ／ｓ］ このように、加算平均により算出された平均速度は、バ
イアス効果が生じたため、実際の平均速度より約４９
［ｍ／ｓ］速いものとなっている。
【００２７】
【発明の効果】以上、説明したように本発明の粒子の平
均速度算出方法によれば、通過する粒子の個数と粒子の
通過速度から直接に平均速度が求められるため、この演
算に要する回路構成が簡単であり、高精度かつ低コスト
の速度計が実現される。
均速度算出方法によれば、通過する粒子の個数と粒子の
通過速度から直接に平均速度が求められるため、この演
算に要する回路構成が簡単であり、高精度かつ低コスト
の速度計が実現される。
【図１】受信信号を示す図である。
【図２】ヘテロダイン干渉計を備えた速度計の一例を表
わした概略構成図である。
わした概略構成図である。
【図３】図２に示したスポットＯを拡大して表わした図
である。
である。
【図４】流体速度の時間変化を示す図である。
【図５】受信信号を示す図の一例である。
１ 速度が１００ｍ／ｓの粒子 ２ 速度が１ｍ／ｓの粒子
Claims (1)
- 【請求項１】 流体中のＮ個の粒子の測定された速度ｖ
i （１≦ｉ≦Ｎ）から該Ｎ個の粒子の平均速度ｖを、 【数１】 により算出することを特徴とする粒子の平均速度算出方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8180993A JPH06294807A (ja) | 1993-04-08 | 1993-04-08 | 粒子の平均速度算出方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8180993A JPH06294807A (ja) | 1993-04-08 | 1993-04-08 | 粒子の平均速度算出方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06294807A true JPH06294807A (ja) | 1994-10-21 |
Family
ID=13756827
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8180993A Pending JPH06294807A (ja) | 1993-04-08 | 1993-04-08 | 粒子の平均速度算出方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06294807A (ja) |
-
1993
- 1993-04-08 JP JP8180993A patent/JPH06294807A/ja active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20021119 |