JPH10501067A - 流体速度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ドップラ−シフトを利用する流体速度測定装置は、狭い線幅の光源（１）を有し、その光源からの光はビ−ム拡大器（３）を通過し、速度測定を行なうことができる例えば２次元平面の照射領域を提供する。照射領域内の小さな粒子から散乱した光は、画像システム（４）に集光され、該システム（４）では照射された領域の光散乱粒子の速度を測定するための散乱光のスペクトル分析を行なうことができる。単一のカメラ（１３）を画像システム（４）に使用して、得られた画像を同期させるための高価な電子部品の使用を回避する。また、測定精度を改良するために、この装置の選択パラメ−タ−を測定して、得られた速度測定値のばらつきを考慮する。

Description

【発明の詳細な説明】 流体速度測定装置 本発明は流体速度測定装置に関するもので、特に、ドップラ−シフトスペクト ル分析を利用した流体における全ての位置の流体速度を測定するための装置に関 するものである。 近年、例えばタ−ビンエンジンを介する流体の流れや自動車の空気力学的特性 での乱流系における流体力学の物理学に興味が増大してきている。流体力学の研 究で直面する問題の一つは、流体のいかなる位置の流速でも正確に測定すること である。非侵入型技術は一般的に１点レ−ザ−ドップラ−風力測定（ＬＤＡ）に 基礎をおいている。不幸なことに、現在までのところ、ＬＤＡを使用する結果と してそのシステムの潜在的な誤差の大きさに影響する多くの要因によって好まし くない大きな偏差を生じている。さらに、そのような技術は二次元あるいは三次 元領域にわたるデ−タを得るため繰返し空間的走査サイクルを必要とし、そのた め時間がかかり安定状態流に限定される。 流体速度を測定する別の方法は粒子画像速度測定法（ＰＩＶ）であるが、この 方法は、画像が覆われるためデ−タの検出と処理に関して問題がある。また、Ｐ ＩＶを用いての流体の流れに関する三次元情報を得ることは非常に困難なことで ある。 米国特許４９１９５３６号では、二次元領域の乱流流体系の速度を測定するた めのリアルタイムシステムがドップラ−グロ−バル速度測定法（ＤＧＶ）技術を 用いて記載されている。その記載されたリイアルタイムシステムによれば、レン ズシステムを通った光線（ビ−ム）を放射するレ−ザ−を備えている。このレン ズシステムは、ビームを、速度測定する流体のある領域に入射するシート状の光 束に広げる。流体には該流体で運ばれる粒子が散布されており、その結果、粒子 がシート状の光束を通過するとき、粒子は光を散乱させ、そして、散乱光の振動 数は、粒子の個々の速度に応じてドップラ−シフトされる。このようにして、照 射された領域での種々の流体速度の二次元画像を得ることができる。散乱光は、 該散乱光を集束させ、次いで得られたビ−ムを２つに分ける別のレンズシステム により観測される。１／２のビ−ムは基準画像カメラに向けられ、残りの１／２ のビ−ムは振動数／強度コンバ−タ−として機能するヨ−ドセルに向けられ、次 いで個別のドップラ−画像カメラに向けられる。レ−ザ−光を調整して、ヨ−ド の透過分布上の５０％の位置に対応する振動数で光を発生させる。このように散 乱した光の振動数の高振動数および低振動数の双方へのドップラ−シフトは、ヨ −ドセルから出射する散乱光の強度変化として検出することができる。このシス テムは、また同期用制御回路構成と２つのカメラからの画像の画像捕捉器とを有 し、測定された速度範囲での表示をリアルタイムで可能にする。 上記ＤＧＶ技術は、ある領域における流体の流速の測定を可能にするが、その 速度の正確な絶対測定を達成したり、そのような系での誤差を減らしたりするこ とについて問題がある。例えば、レ−ザ−から放出される光は所定の振動数から ずれる傾向があり、また入射光に対するヨ−ドセルの応答と特にその透過特性は 温度によってかなり変化する場合があり、またレンズシステムでの収差は、光学 素子を取り付ける方法の結果として光学素子にかかる応力によって、またヨ−ド セルの窓への結晶の生成によって生じることがある。散乱光ビ−ムの２つの光路 が正確に整合し、あるいは２台のカメラからの結果が誤った散乱光強度であるこ ともまた事実である。さらに、２台のカメラからの画像を同期させたり、画像取 り込みするための画像電子工学は高価で複雑でもある。その結果、速度領域測定 の鮮明度が不十分である。実際、計算された流速の±７．５ｍｓ^-1の偏差が通常 許される。 本発明は周知の流体速度測定に関する上記問題を解消し、複数のシステムで特 にしかしそれのみではないが乱流システムの高鮮明度で実質的に誤差のない速度 の絶対測定を提供するＤＧＶ技術を利用する装置と方法を提供しようとするもの である。 第１の側面によれば、本発明は、流体速度測定装置であって、狭い線幅の光源 と、光散乱物を散布した移動流体の選択領域に光源の光を向けるように配置され たレンズ手段と、前記流体の選択領域からの散乱光を分析するための画像システ ムと、前記光源の出力の振動数に対して散乱光の振動数のドップラ−シフトによ って前記選択領域の流体の速度を計算するための、前記画像装置に接続した速度 計算装置とを具備し、前記画像システムは、前記散乱光を集光し、この集光され た光を第１部分と第２部分に分割するためのビ−ム分離装置と、前記集光された 光の第１部分を受け、前記集光された光の振動数に相当する（前記集光された光 の振動数を表す）強度の光を放出するための振動数／強度コンバ−タ−と、第１ 領域と第２領域に分けられた単一画像フレ−ムを有する共通の光強度検出器と、 前記コンバ−タ−出力と前記集光された光の第２部分を別個に前記検出器の画像 フレ−ムの第１領域および第２領域にそれぞれ向けるように配置された光学手段 とを有する流体速度測定装置を提供するものである。 従って、本発明では前記振動数／強度コンバ−タ−からの出力と前記集光され た散乱光の第２部分は単一装置で測定される。この単一装置は、単一画像捕捉装 置を必要とし、コンバ−タ−出力の強度と速度計算装置への入力のための第２部 分の強度を自動的に同期測定する。これによって流体の流れの速度測定と計算を 単純化し、電子コントロ−ルの複雑さと強度検出器と速度計算装置間に必要な情 報サブシステムの複雑さを減らす。さらに、強度の同期が特に重要な一時的な流 体に関して正確で詳細な後測定分析を行なわせることができる。 この装置の１つの態様では、光源の光を移動流体の選択位置に集光するように 配置し、それによってその選択位置での流体の平均空間速度測定を行なうことが できる。この態様では平均空間速度測定は高い時間解像度を有する。 別の態様ではレンズ手段はビ−ム拡大器の形態になっている。このビ−ム拡大 器は、選択された２次元領域で移動流体と交差する光源の出力である、シ−ト状 の光束を形成する。これにより、移動流体の選択領域を横切って複数の異なる速 度測定を同時に行なうことが可能になる。この別の態様では、強度検出器の第１ 領域と第２領域の各々は流体の選択領域における同一の空間場所に関係する対応 画素で画素素子の対応列に分けることができる。この目的のためには、強度検出 器は電荷結合素子（ＣＣＤ）がよい。 振動数／強度コンバ−タ−は、光吸収特性が光の振動数で変化する気体と蒸気 を有するセルの形態であることが好ましい。例えば、このコンバ−タ−は、集光 された光の第１部分の光路に配置されるヨ−ドセルとすることができる。 しかも作動前に画像システムを整合する手段をさらに設けてもよい。この整合 手段は点光源の形態でよく、光学手段の素子を調整してこれにより対応画素を確 保する調整手段は同一の空間場所からの光を受光する。また、画像システムを作 動前に正確に整合する必要がない代わりに、集積された強度デ−タの後分析によ って整合を考慮したデ−タ操作を組み込むようにすることができる。 光源は、レ−ザ−、例えばアルゴンイオンレ−ザ−あるいはＮｄ：ＹＡＧレ− ザ−が好ましい。また、速度計算装置は、メモリ−を有するコンピュ−タ−の形 態でよい。このメモリ−には流体の速度を計算するため使用されるアルゴリズム が記憶される。ビ−ム分離装置は、散乱光を誘電ビ−ムスプリッタ−上に集光し て焦点を合わせるレンズ配置形態とすることができる。また、光学手段は、１つ あるいはそれ以上のミラ−と、集光された光の第２部分とコンバ−タ−出力を強 度検出器に向ける誘電ビ−ムスプリッタ−とから構成することができる。 理想的には、画像装置は、流体が動く方向に傾斜した角度で配置され、それに よって流体速度の広範囲な測定を可能にする。画像装置の流体の動きに対する角 度は、集光された散乱光の光量を最大にするよう選択される。 本発明は、さらに移動流体の速度を測定する方法であって、 前記移動流体に光散乱粒子を散布する工程と、 前記流体の選択領域を狭い線幅の光で照射する工程と、 前記流体の選択領域から散乱した光を集光し、前記集光された光を第１部分と 第２部分に分ける工程と、 前記集光された光の第１部分を、振動数／強度コンバ−タ−に通すことによっ て分析し、前記コンバ−タ−の出力強度が該コンバ−タ−を通る光の振動数の強 度とする工程と、 前記集光された光の第２部分と前記コンバ−タ−の出力を単一画像フレ−ムを 有する共通光強度検出器に向ける工程と、 前記単一画像フレ−ムに入射した、前記コンバ−タ−の出力強度と集光された 光の第２部分の強度とを測定する工程と、 前記測定強度により、散乱光の振動数と前記選択領域を照射する光の振動数に 対して散乱光の振動数のドップラ−シフトを計算し、それによって前記選択領域 の移動流体の速度を計算する工程とを具備する移動流体の速度を測定する方法を 提供する。 第２の側面によれば、本発明は、流体速度測定装置であって、狭い線幅の光源 と、光散乱粒子を散布した移動流体の選択領域に光源の出力を向けるように配置 されたレンズ手段と、前記流体の選択領域からの散乱光を分析するための画像装 置であって、前記散乱光の振動数に相当する強度の光を放出するための予め較正 された振動数／強度コンバ−タ−を有する画像装置と、流体速度測定装置の１つ あるいはそれ以上のパラメ−タ−をモニタ−するための測定装置と、流体速度測 定装置の１つあるいはそれ以上のパラメ−タ−に対して振動数／強度コンバ−タ −の較正デ−タが記憶される、アドレスで呼び出し可能なメモリ−を有する速度 計算装置を具備し、該速度計算装置は、前記画像装置と測定装置に接続され、モ ニタ−された１つあるいはそれ以上のパラメ−タ−に対して前記振動数／強度コ ンバ−タ−に入射する光の振動数と、光源からの出力光の振動数に対する散乱光 の振動数のドップラ−シフトとを計算し、それにより前記選択領域の移動流体の 速度を計算するための流体速度測定装置を提供する。 上記装置では、計算された速度がモニタ−されたパラメ−タ−に依存する量で 調整されるように、この装置の性能の変化が使用中に確実にモニタ−されること により流体速度を高い精度で測定することができる。 本発明のこの第２の側面の好ましい態様では、この装置は、ファブリ・ペロー （Fabry-Perot）干渉計と、振動数／強度コンバ−タ−を予め較正して使用する １つあるいはそれ以上のフォトダイオ−ドを有する。 好ましくは、測定装置は使用中の光源の出力振動数の変動をモニタ−する。こ の測定装置は、さらに振動数／強度コンバ−タ−と１つあるいはそれ以上のフォ トダイオ−ドを具備することができる。このように一定の出力光を確保するため の正確な光源調整は、出力光のいかなる変動もモニタ−され最終速度計算で考慮 されるため、必要がない。この測定装置は、代わりにあるいはさらに、画像装置 に予め較正された振動数／強度コンバ−タ−の温度変化をモニタ−する手段を備 えてもよい。 本発明の第２側面によれば、移動流体の速度を測定する方法であって、 振動数／強度コンバ−タ−を較正し、該較正デ−タをメモリ−に記憶させる工 程と、 前記移動流体に光散乱粒子を散布する工程と、 前記流体の選択領域を狭い線幅の光で照射する工程と、 前記移動流体の速度を計算するために使用される装置の１つあるいはそれ以上 のパラメ−タ−をモニタ−する工程と、 前記移動流体の選択領域から散乱した散乱光を、出力強度が散乱光の振動数に 相当する前記較正された振動数／強度コンバ−タ−によって分析する工程と、 前記振動数／強度コンバ−タ−の出力強度を測定する工程と、 散乱光の振動数と前記選択領域を照射する光の振動数に対して散乱光の振動数 のドップラ−シフト、及びそれによって前記選択領域の移動流体の速度を、前記 記憶された較正デ−タに関する測定出力デ−タとモニタ−された１つあるいはそ れ以上のパラメ−タ−とによって計算する工程とを具備する移動流体の速度を測 定する方法を提供する。 理想的には画像システムの振動数／強度コンバ−タ−は、このコンバ−タ−の 出力強度を、既知の異なった温度で光の既知の種々の振動数に対して測定するこ とによって較正される。較正中はコンバ−タ−に入射する光の振動数はファブリ ・ペロー干渉計によって測定され、コンバーターの出力強度はフォトダイオ−ド によって測定することができる。 第３の側面によれば、本発明は、振動数／強度コンバ−タ−を提供する。この 振動数／強度コンバ−タ−は、チャンバ−を区画しかつ光に対して実質的に透明 な対向する窓を有するハウジングと、該ハウジング内に搭載されかつ前記ハウジ ングの窓に面するように整合された、光に対して実質的に透明な窓を有する吸収 装置とを具備する。該吸収装置は、光吸収特性が光の振動数で変化する気体ある いは蒸気を有する吸収チャンバ−を区画し、さらに該吸収チャンバーと連絡した 下向き部材を有する。前記コンバーターは、さらに前記ハウジングを略一定の温 度に保持し、それによって前記吸収チャンバーを略一定の温度に保持するための 温度制御装置を具備する。該温度制御装置は、前記吸収装置の下向き部材を前記 ハウジングのチャンバ−及び吸収チャンバ−の温度より低い温度に保持するため の冷却手段を有する。 このように振動数／強度コンバ−タ−の精度が改良される。窓への気体あるい は蒸気の凝結が防止され、気体あるいは蒸気の密度が略一定に保持される。 好ましくは冷却手段はフィンガ−の形態の下向き部材周囲に取り付けされた電 子ク−ラ−の形態である。 第４の側面によれば、本発明は、光学素子を取り付ける方法を提供するもので あり、その方法では、金属が光学素子の端部に蒸着され、その後、光学素子は、 支持体を光学素子の端部の金属に取り付けることにより、該支持体上に設けられ る。好ましくは、該支持体ははんだ付けによって金属に取り付けられる。 このようにして、光学素子に作用するストレスによって生じる光学収差が少な い光学素子を確実に装備することができる。また、光学素子が振動数／強度コン バ−タ−セルの窓の形態である場合は、セルの寿命は窓を上記方法によってセル に取り付けることで大きく改良される。 光と光源に対する基準は、可視領域での振動数を有するが赤外線と紫外線振動 数にわたる電磁放射に対する基準である。従って、光に略透明な窓に対する基準 は上記振動数で光に略透明な窓に該等する。 さらに、光源の出力の狭い線幅に対する基準は、非常に制限された、すなわち 狭い振動数の範囲の光源の出力に対する基準として意味付けられる。すなわち、 振動数のドップラ−シフトが振動数／強度コンバ−タ−の出力強度の変化によっ て検出できるほど十分に狭い範囲である。従って、光の線幅はコンバ−タ−内の 活性気体あるいは蒸気の吸収特性より十分に小さくなければならない。モノクロ の光源が適当である。 本発明の実施態様は添付図面を参照して例により説明される。 図１は本発明に係る流体測定装置の線図である。 図２は図１の画像システムの拡大図である。 図３は図１の較正システムを示す図である。 図４は図２の画像システムで使用された振動数／強度コンバ−タ−を概略的に 示す図である。 図５は図４のコンバ−タ−の１つのコ−ナ−の構造を詳細に示す図である。 図６は散乱角度に対する散乱力の関係を示すグラフである。 図７は異なった温度でヨ−ドセルの透過分布を示すグラフである。 図１に示した流体速度測定装置は、米国特許第4,919,536号に記載されたＤＧ Ｖ技術に関する改良を利用して提供するものである。この米国特許第4,919,536 号の内容はこの明細書中に参照として引用してある。図１に示した装置は、一般 的に、光源１、較正システム２、ビ−ム拡大器３、画像システム４および速度計 算装置５からなっている。光源１はレ−ザ−光源で、原子あるいは分子吸収特性 にわたり同調可能な狭い線幅の光を発生する。好ましい分子吸収特性はヨ−ドの 場合であり、そのためレ−ザ−光源１はヨ−ドの吸収特性で同調可能である。適 当なレ−ザ−光源の例として５１４．５ｎｍの光を放出するアルゴンイオンレ− ザ−、あるいは５３２ｎｍの光を放出する振動数２重パルス型のＮｄ：ＹＡＧレ −ザ−がある。レ−ザ−光源の線幅は、ドップラ−シフト光の異なった振動数が 程度を変えて吸収され、画像システム４の出力光強度が異なった振動数に対して 変化するように、関連する原子あるいは分子、この場合、ヨ−ドの吸収特性の幅 より有意に狭められる必要がある。この狭い線幅は中間キャビティ−エタロンの 使用によりアルゴンイオンレ−ザ−で、また注入散布の使用によりＮｄ：ＹＡＧ レ−ザ−で達成することができる。 速度フィ−ルドの正確な絶対測定を得ようとするために、レ−ザ−光源１から の出力は、測定された放出光の振動数の形態での較正デ−タを速度計算装置５に 出力する較正システム２によってモニタ−される。較正システム２のより詳細な 説明は後述する図３の説明でなされる。 ビ−ム拡大器３は、例えば円筒レンズの組み合わせのレンズシステムの形態で あり、光ビ−ムをレ−ザ−光源１から、流体の流れの平面Ｘ−Ｘを照らすために 使用するシ−ト状の光束まで拡大させる。それは測定される平面Ｘ−Ｘを介する 流体の速度である。 流体の流れに入射するシ−ト状の光束は、流れの中に散布された微粒子により 散乱され、集光された画像システム４によって分析される散乱光である。流れの 中に散布された微粒子のサイズは、その粒子が流体の自然の動きに確実に追従す るようなものでなければならない。さらに、遷音速を含む場合、例えば、タ−ビ ンの分析では、粒子は衝撃波に関連した速度での段階的変化に応答する能力を持 たねばならない。上記流体速度測定装置では約０．５μｍのサイズと比重１の粒 子が流体への散布に使用される。勿論、粒子のサイズが乱流の程度と流体の流れ の平均速度に依存して変化することは明らかである。０．５μｍないし１０．０ μｍの直径の粒子は、流体によっては使用することが可能である。粒子は高屈折 率を有する材料を除くラテックスから作ら、従って、光散乱指数が適当な値とな る。粒子は利用できるレ−ザ−能と画像システムの感度との間のバランスにより 数が１０ｍｍ^-3のように少ないか、あるいは１０，０００ｍｍ^-3まで散布するこ とができる。 照射される領域あるいは平面を観測する角度、すなわち散乱角度も、流体の流 速を測定するのに最終的に使用される散乱光の強度に影響を与える。図６は散乱 パワ−対散乱角度の関係を示すグラフである。これは、０．５μｍの粒径と１． ４の屈折率を使用して得られた結果である。グラフからわかるように、散乱パワ −の変化は全く無視できず、散乱は前方向で最も強い。しかしながら、広範囲な 速度測定を行うためには、散乱はある傾斜角度で観測する必要があり、前散乱方 向も後散乱方向も視角としては使用されない。その代わりに側面視角が使用され る。２つの最小値が側面散乱角度約７５°と１５０°とで発生する。散乱光強度 が低く、そのため流速の検出と測定を困難にするので、理想的には散乱パワ−が 最小である散乱角度は避ける必要がある。図１には約１３５°の散乱角度が示さ れている。 画像システムに入射する散乱光はシ−ト状の光の平面Ｘ−Ｘを介して流体の流 速を分析するために使用される。画像システム４を図２に拡大して示す。その画 像システム４は、散乱光をトランスファ−レンズとしても知られる第２レンズ８ の後側の焦平面に集光して焦点を合わせる第１レンズ７の形態の光学手段からな る。トランスファ−レンズ８は、平行光を第１誘電ビ−ムスプリッタ−９に出力 する。この第１誘電ビ−ムスプリッタ−９は、平行光を基準ビ−ム路とヨ−ドセ ルビ−ム路にと分ける。さらに、第１ミラ−１０の形態の光学手段は、基準光ビ −ムを第２誘電ビ−ムスプリッタ−１１の方向へ反射する。ヨ−ドセル光ビ−ム は、振動数／強度コンバ−タ−として機能するヨ−ドセル６を介して第２ミラ− まで透過し、該第２ミラ−はヨ−ドセル６から出る光を第２誘電ビ−ムスプリッ タ−１１の方向へ反射する。第２ビ−ムスプリッタ−１１は、２つの画像を基準 ビ−ム路とヨ−ドセルビ−ムから単一画像フレ−ムを有する共通のカメラ１３の レンズに向ける。画像システム４の透過率／反射率特性は、例えば、使用前の均 一強度のタ−ゲットを観測することによって測定することができる。各々の光学 素子は非偏光性であるのが好適である。 第１レンズ７とトランスファ−レンズ８は、収差を最小にし、利用できる視界 を増大させるために多重素子レンズとすることができる。望むならば、ビ−ム拡 大器３も多重素子レンズとすることができる。 カメラ１３は電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラであり、その出力は画像捕捉装置 １４に送られる。画像捕捉装置１４は、低ノイズ画像捕捉が可能なように、比較 的低速（例えば、数百ｋＨｚ）で作動する１６ビットのアナログ／ディジタルコ ンバ−タ−を有する。画像捕捉装置１４は、カメラ１３と特に露出時間も制御す る。 速度測定装置の作動前に、カメラ１３が入力した基準ビ−ム路とヨ−ドセルビ −ム路からの複数の画像を空間的に整合するための手段（装置）が設けられって いる。カメラ１３の画像フレ−ムは、理想的にはサイズが大きくしかも十分高い ウェル容量を有する画素の二次元アレイに分けられる。その二次元アレイは２つ の隣接するフィ−ルドあるいは領域に分けられ、各々のフィ−ルドは、それ自身 の画素の二次元サブアレイを有している。２つのフィ−ルドの第１フィ−ルドの 各画素は、第２フィ−ルドの１つの画素に対応しており、対応する各対の画素は 平面Ｘ−Ｘ上の選択された空間位置に関係する。使用の際、対をなした画素と各 フィ−ルドの画素はタ−ゲットの同一空間位置の画像を作る。このように対をな した画素は、対象の平面Ｘ−Ｘの同一空間位置を観測して、対をなした画素ベ− スでの流体の流れの速度測定がヨ−ドの吸収曲線と比較するために実施される。 画像システム４の粗い整合のためにテストタ−ゲットが設けられ、該テストタ− ゲットが画像装置４を介して観察され、対の画素中の画像の整合を確保する適宜 箇所に、画像システムの複数の素子が調整される。次に、速度測定装置の作動の 前に、２つのビ−ム路の微整合のために点光源を少なくとも２つの分離画素対で 観測することができる。点光源を動かすことによって画像システム４の幾何学的 特性も測定することができる。 図４にヨ−ドセル６が詳細に示されている。ヨ−ドセル６は対向する窓１６を 有した外ケ−ス又はハウジング１５を備えている。これら対向する窓１６がある 端部壁は画像システム４のビ−ム路に整合している。窓１６は関連する振動数で 照明するため実質的に透明であり、理想的には反射防止膜を有している。外ケ− ス１５は、加熱チャンバ−１７を区画しており、その温度はケ−ス（図示せず） の周囲に取り付けた手段によって綿密に制御される。チャンバ−１７内に吸収セ ル１８が窓１６とビ−ム路に整合するように取り付けられる。吸収セル１８はヨ −ド蒸気を含み、その底に吸収セル１８の内部と連絡する下向きに突き出たフィ ンガ−１９を有する。フィンガ−１９の周囲にはチャンバ−１７の温度よりわず かに低い温度にセットされた温度制御ブロック２０がある。そのブロック２０は フィンガ−１９を吸収セル１８の本体の温度より低い温度に確実に保持する。 この配置によって吸収セル１８の本体の擬似「冷間スポット」が確実に防止さ れ、またケ−ス１５の窓１６に面する吸収セル１８の光学面にヨ−ド結晶が形成 されるのを防止できる。フィンガ−１９がセル本体によって温度が低く保持され るので、いかなるヨ−ド結晶２１も光学面から離れたフィンガ−１９内に形成さ れることになる。 温度制御ブロック２０の代わりに、フィンガ−１９の端部に取り付けた電子ク −ラ−を、該フィンガ−１９を吸収セル１８の本体よりも温度を低く維持するの に用いることができる。双方の配置ではガス相の気体分子密度はセル内で一定に 保持され、それによりセルを通る光に対する一貫した吸収応答が確実となる。勿 論、ハロゲンあるいは金属蒸気を含有する他の吸収セルがヨ−ドセルの代わりに 使用できる。吸収セル１８の温度変化がわずかでも、セルの吸収特性とそれによ る装置の測定精度を顕著に変化させることが判明している。上記ヨ−ドセル６で は、ヨ−ドセルの温度を正確に制御することができ、それにより絶対速度測定を 前述したように高精度で行うことが可能になる。 図示していないが、反射防止膜を同様に付着した吸収セル窓が、擬似反射と光 学的損失を最小にするように、光学軸に対し非直角で取り付けられる。さらに、 前記吸収セルはこの明細書で説明した装置に関する以外の状況やシステムで使用 できることが理解されよう。 さらに、吸収セル本体の製造と、特に窓の取り付け方法は窓をゆがめる場合が あり、ビ−ム路での光学収差を起こすストレスになることが判明している。図５ では、壁１８’と１８”を備えた吸収セル１８のコ−ナ−が示されている。壁１ ８’と１８”に生じるいかなるストレスをも減少させるように、金属２２を壁１ ８’と１８”の両端に蒸着させることによってセルが構成される。その後、金属 ２２上への低温はんだ付け／ろう付け２３によって互いにその端部に沿って壁１ ８’と１８”が取り付けられる。このようにして修正されなかった収差を減少す ることができる。さらに、セルの寿命が改善され、セル内への他の気体の侵入も 防止されることが判明た。これと同様のプロセスを本装置の別の光学素子にも適 用できる。光学素子の収差が最小化される上記装置と別個の光学素子にも本プロ セスを適用できる。 金属、例えば銅をガラス窓のような光学素子の端部に配置する一つの方法は以 下の通りである。磁気的集束曲りビ−ム光源を備えた電子ビ−ム蒸着器は１×１ ０^-4ｍｂａｒの圧力で保持されるチャンバ−内で使用される。セラミックるつぼ もチャンバ−内に配置され、水冷の銅ブロックに取り付けられる。銅蒸着材をセ ラミックるつぼに入れ、タ−ゲット、この場合ガラス窓の端部をチャンバ−内に 置き、約５０℃の温度で保持する。電圧５ｋｖ、電流定格３５０ｍＡで３０００ オングストローム／分の典型的な蒸着速度を作り出す。これらの条件下で蒸発プ ロセスを約１５分間行なう。タ−ゲットに堆積した不要の銅をホトリソグラフィ −技術で取り除き、銅の堆積を望まないタ−ゲット上の領域を蒸発ステ−ジの間 マスクをしておく。 本流体速度測定装置は流体の速度の正確な絶対測定を可能にする。較正システ ム２はこの装置の１つあるいはそれ以上のパラメ−タ−のモニタ−として設けら れる。図示した装置では、較正システムが検出しモニタ−するパラメ−タ−の１ つがレ−ザ−光源の出力の変化である。このようにして、速度計算装置５は、レ −ザ−光源１からの出力の振動数と強度の変化の最終的な速度計算の調整を行な い、その結果、計算速度の許容偏差を減少させることが可能になる。レ−ザ−光 源１から出た光の一部は、ビ−ム路から拡大器３に向けられず、代わりに光源誘 電ビ−ムスプリッタ−２４によって較正システム２に向けられる。 較正システム２を図３にさらに詳しく示す。基準吸収セル２５は、第１較正フ ォトダイオ−ド２６によってレ−ザ−光源１の出力振動数の変動をモニタ−する ために使用される較正システム２内に設けられる。第１較正フォトダイオ−ド２ ６は基準吸収セル２５からの出力を受ける。第２較正フォトダイオ−ド２７はレ −ザ−光源１の出力の強度の変動をモニタ−するために設けられる。較正誘電ビ −ムスプリッタ−２８は、基準吸収セル２５と第２較正フォトダイオ−ド２７の 双方へ光を供給するために、光源ビ−ムスプリッタ−２４からのビ−ム路内に配 置される。基準吸収セル２５の異なった光振動数への応答が知られている場合、 レ−ザ−光源の出力の正確な測定を行なうことができる。 従って、基準吸収セル２５はレ−ザ−放出を連続的にモニタ−するための振動 数標準器として使用される。標準アルゴンイオンレ−ザ−は２つのタイプの周波 数変動を示すことが知られている。第１のタイプの変動は共振器の膨張と収縮を 起こす熱影響によるものであり、第２のタイプの変動はキャビティミラ−分離で の急速振動により生じるものである。水冷流は後者の変動の主要因であると考え られている。前者のタイプの変動を考える限り、振動数変調は、縦共鳴モ−ド（ 大体の分離１４０ＭＨｚ）間の出力振動数の遅いドリフトとして明示され、そし て元の振動数への急速な「モ−ドホップ」バックとして明示される。共振器の温 度が上昇している場合に、この振動数変調は、ウォ−ムアップの間、顕著に現れ る。一旦温まると、モ−ドホップ期間の長さはわずかであり、必要ならばオシロ スコ−プでモ−ドホップをモニタ−するため走査式ファブリ・ペロー干渉計を使 用することができる。 後者のタイプの変動は、前者に重複したａｃ成分と考えられる。後者のタイプ は、そのタイムスケ−ルがＣＣＤカメラ１３の積分期間に匹敵する場合があるの で、特に重要である。走査式ファブリ・ペロー干渉計はレ−ザ−放出におけるこ れらの高振動数変動をモニタ−するのに適当ではなく、そのため代わりに基準吸 収セル２５がペクトル分析装置として使用される。レ−ザ−放出の振動数での高 振動数変動は基準吸収セル２５からの出力変動に等しくなる。レ−ザ−放出の強 度変動は第２較正フォトダイオ−ド２７で検出されるが、これらの変動中の強度 は第１較正フォトダイオ−ド２６で検出される。高速アナログ／ディジタルコン バ−タ−（図示せず）は各々の較正フォトダイオ−ド２６、２７からの出力を同 時に捕捉し変換し、そして得られたディジタルな結果を速度計算装置５に入力す る。アルゴンイオンレ−ザ−の出力振動数の変動は１０ＭＨｚの振幅で２００Ｈ ｚの発振オ−ダ−であることが判明した。そのような変動は計算速度で６ｍ／ｓ までの誤差を示すであろう。しかしながら、ＣＣＤカメラ１３の積分期間の間、 レ−ザ−光源をモニタ−することによって、そのような変動は速度計算装置５に より原因がわかる。 理想的には基準吸収セル２５は、その構造が画像システム４の吸収セル６と実 質的に同一である。従って、基準吸収セル２５はヨ−ドセルであり、その温度は 制御器（コントロ−ラ−）２９で綿密にモニタ−され、制御される。このセルの 温度は、もし温度制御が実施されないならば、２０℃から４５℃まで変化する。 制御器２９は閉ル−プ温度コントロ−ルを使用してヨ−ドセル２５の温度を略一 定に確実に保持する。さらに、ヨ−ドセル２５は高熱慣性（余熱）を有するよう に構成されている。基準ヨ−ドセル２５の温度は知られているので、画像ヨ−ド セル６が異なった温度で使用されても、使用中は測定レ−ザ−振動数を画像シス テム４のヨ−ドセル６に関連づけることができる。 その代わり、あるはさらに、較正システム２は画像システム４におけるヨ−ド セル６の温度をモニタ−するための温度測定装置を有する。このようにセル６の 本体のいかなる温度変化も最終的な速度計算で考慮することができる。温度変化 がわずかでもセルの応答に影響することが示された。この点については図７を参 照する必要があり、２０℃ないし４５℃の間の温度変化が可能である。 従って、較正あるいは測定システム２は、セル６を通る主ビ−ム路に平行ある いは所定の角度で光を透過する別の光源（図示せず）を有する。フォトダイオ− ド（図示せず）はその別の光源からの放出ビ−ムを検出する。放出ビ−ムの強度 の変化がセル６の温度の変動の基準として使用される。この目的のため別の光源 は安定した一定の強度光ビ−ムを発生することが可能であるか、あるいは別の光 源からの出力の変化が、ビ−ムスプリッタ−による出力光の分割、また２つの検 出器を使用することによってモニタ−され、放出ビ−ムの強度変化、それによっ てセルの温度の比較測定を行なうことができる。また、この配置はセル６の温度 を積極的に制御するのに使用することができる。従って、フォトダイオ−ドで検 出された放出光の測定された強度変化はいずれも温度制御手段にフィ−ドバック され温度を確実に一定に保持する。別の光源は光源１から得てもよく、また光源 １と別個の光源から得てもよい。 流体速度測定の作動前に、較正あるいは測定システム２を使用して吸収セルの 透過特性を測定する。振動数と温度に関する吸収セルの既知の透過機能は正確な 流体速度計算に寄与する。図７は選択した温度でのヨ−ドセルの透過分布に関す る実験デ−タのグラフである。流体速度測定システムは、測定装置の作動前に例 えばヨ−ドセルの吸収セルの透過特性の較正を素早く単純にその場で直ちに行な うことができる。 ヨ−ドセルの較正のために、作動中の測定装置のモニタ−に関して前に説明し たシステムと同様の較正システムを利用するが、そのシステムを図３に示す。し かしながら、この場合、基準吸収セル２５は較正すべき吸収セル６で代えること ができる。さらに、走査式ファブリ・ペロー干渉計３０が付加される。この干渉 計は、追加した別の較正誘電ビ−ムスプリッタ−３１によって光源誘電ビ−ムス プリッタ−２４からの一部のレ−ザ−放出を受光する。較正システム２が流速測 定装置の作動中に使用される場合、干渉計３０とビ−ムスプリッタ−３１はその 場に配置されていないため点線のボックス内に示してある。吸収セル６の出力が 較正フォトダイオ−ド２６でモニタ−されると、干渉計３０は同時にレ−ザ−放 出の振動数をモニタ−する。次に、（較正フォトダイオ−ド２７からの）レ−ザ −振動数と強度に対する吸収セル６の出力強度と温度とが記録される。レ−ザ− 振動数とセル温度とが変化すると、吸収セル６の動作特性が測定され、速度計算 装置５のメモリ−に記憶される。干渉計３０は、セルの較正の間、熱的に安定な 環境に取り付けることによって略一定の温度に保持される。 流体速度測定装置の動作は以下の通りである。 先ず、後に画像システム４で使用するヨ−ドセル６を、図３に示した較正シス テム２を使用して較正する。光源１からのレ−ザ−放出によりその利得帯域幅を 掃引させ、そしてその掃引中の振動数の変化を干渉計３０で測定する。同時にレ −ザ−放出を較正中のヨ−ドセル６にも行ない、第１較正フォトダイオ−ド２６ によって測定されたセルからの出力強度と第２較正フォトダイオ−ド２７によっ て測定されたレ−ザ−放出強度との比を、振動数に対するセル透過特性に関する デ−タを提供しながら測定する。この動作中、干渉計３０とヨ−ドセル６の両方 の温度が一定に保持される。その後、種々のヨ−ドセル６の温度で較正を繰り返 し、そしてこのようにして振動数と温度に関するヨ−ドセルの透過分布を測定し 、その結果を速度計算装置のメモリ−に記憶する。 ヨ−ドセルの前較正の後、セルを画像システム４に取り付ける。前較正の間、 レ−ザ−１の光源１の全ての出力がセル較正で使用できるように、勿論、光源ビ −ムスピリッタ−２４をミラ−に代えられることが理解されよう。一旦、較正さ れたヨ−ドセル６を画像システムに取り付けてしまうと、画像システムを介する ２つのビ−ム路は整合する。上述したように、粗整合はテストタ−ゲットを見て 行なう。次に、点光源を用いることによって正確な整合を行なう。点光源の２つ のビ−ム路からの画像が、対応する画素素子のＣＣＤカメラ１３の画素列の隣接 フィ−ルドに出現するように、２つのビ−ム路からの画像を配置する。点光源の 位置は、ビ−ム路を画素列の両方の大きさに整合させるように変えられる。 ここで流体速度測定装置が作動体制になる。前に説明したように作動中に干渉 計３０と対応するビ−ムスプリッタ−３１を較正システム２から外し、較正され たヨ−ドセル６に代えて画像装置４に移動した基準ヨ−ドセル２５を付加する。 基準ヨ−ドセル２５も較正してあるのが好適である。 関心ある流体の流れ領域にシ−ト状の光束としてのレ−ザ−放出を向けるよう に、レ−ザ−光源１とビ−ム拡大器３とを配置する。流れフィ−ルドに散布する 手段、例えば、動作直前に、適当な大きさにした粒子を満たしたピストンチュ− ブ（図示せず）を設ける。その作業中、流体と散布物を圧縮してテスト中のシス テムに押し込める。照射された領域を粒子が移動すると、該粒子は光を散乱させ て、散乱光の振動数は以下の式にしたがうドップラ−シフト振動数である。 ドップラ−シフトは０−ｉ方向の速度成分に敏感であるあるため、速度の３成 分は３つの画像システムを使用することによって導かれる。しかしながら、その 装置に対する物理的制限のため、通常、画像システムは３つの非直交成分を測定 するように形成されており、その結果は続けて分析される。 この流体速度測定装置は、気体とエアゾ−ルのような液体との混合物のような ２相流の速度を測定するために使用される。液体のエアゾ−ル粒子の平均サイズ は、粒子が気体の速度に追随するのに好ましくない。従って、エアゾ−ル粒子で 散乱した光と、気体流内の散布粒子により散乱した光を続けてあるいは同時にモ ニタ−することによって、気体速度と別個にエアゾ−ル粒子速度の情報を得るこ とができる。当然、この装置は気体か液体に浮遊する固体粒子の速度を測定する ためにも使用できる。前述した各々の場合において、前述の装置では２相流の速 度を正確に測定することができる。 さらに、前述した流体速度測定装置は一時的なタ−ビンシミュレ−ションを用 いて使用される。これらの状況では、速度測定の結果はリアルタイムでは要求さ れないが、その代わり、全デ−タを集めた後に計算し、それによりデ−タの高速 解析を可能にする。 測定装置の作動中、画像システム４の基準ビ−ム路からの強度と共に、ＣＣＤ カメラで受けた画像ヨ−ドセル６からの強度を、画像捕捉装置１４を経由して速 度計算装置５にディジタル方式で入力し記憶する。速度計算装置５は、画像シス テム４を通る２つのビ−ム路間の強度の違いに基づいて流体速度フィ−ルドを計 算するようにプグラムした一般的な目的のコンピュ−タ−の形態になっている。 画像ヨ−ドセル６の透過特性をコンピュ−タ−５のメモリ−に記憶し、続いて式 （１）のようなアルゴリズムに沿って較正を行なう。レ−ザ−１の変動も較正シ ステム２を経由してコンピュ−タ−５に入力する。この情報では流体の流れの速 度の正確な絶対値が作られる。 正確な相対的強度測定がなされるように、画像システムの反射／透過特性を測 定するのが勿論理解されることである。 パルスＮｄ：ＹＡＧレ−ザ−をアルゴンレ−ザ−の代わりに使用する場合に、 流体速度測定装置を同様に作動し、流速の固定フィ−ルド画像を得ることができ る。レ−ザ−パルスと画像システム４との同期は適当にトリガ−される非同期式 リセットカメラを使用することにより行なわれる。 １個のカメラが基準セルビ−ムと吸収セルビ−ムの双方を写すために使われる ので、画像捕捉装置とその後の結果分析の制御回路構成は非常に単純化される。 さらに、基準セル画像と吸収セル画像間の同期は不要である。さらに、ＣＣＤカ メラ１３の動的範囲を増すために、低ノイズ液体窒素および／またはペルチェ冷 却ＣＣＤカメラが使用できる。また、該カメラによる測定精度の改良は、非常に 低速での速度測定、例えば自動車の空気力学の速度測定が可能であることを意味 する。また、装置は、離れた流体の流れを観測する望遠鏡と共に使用できる。 上記流体速度測定装置は、流体の流れの１点での平均速度を測定するためにも 使用できる。この測定を行なうため、ビ−ム拡大器３は、光源からの光を流体の 流れ中の１点である中央部に焦点を合わせるレンズに入れ替えられる。次に、そ の地点における流体から散乱した光を、該地点での流体速度の平均測定ができる ように、吸収セル６上に焦点を合わせる。画像の空間解析を要しないので、この 別の配置ではＣＣＤカメラを２つのフォトダイオ−ド、１つは基準画像用、そし て１つは吸収セル画像用に代えられることは勿論理解されよう。これによって速 度測定に対し、より高度な時間解析を持たせることが可能となる。点光源の使用 により、装置の動作中、画像平面の主局部領域に写像することが可能となる。さ らに、適当な較正では、散乱光にて広がるドップラ−シフトの程度の分析によっ て流体の温度を測定し、そして流体の密度を測定するために、前述した流体速度 測定装置が同様に使用される。 上記光学システムは精密な整合と測定用の複数の光学繊維を組み込んだり利用 することができることが勿論明らかである。この装置と方法の他への適用と改造 は本発明の精神と範囲を逸脱することなく考えられる。 上記装置について測定精度の絶対レベルはレ−ザ−振動数の精度により限定を 受け、ノイズ成分も許容される必要がある。上記装置は計算された流体速度に対 し±０．７５ｍｓ^-1の測定偏差がある。これは前に述べたように、この値の１０ 倍までの偏差を与える従来システムと対照的である。 従って、上記装置と方法については有意でより正確な流体速度フィ−ルドの３ 次元測定を達成することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ソープ，スティーヴン・ジョン イギリス国オックスフォード オーエック ス１・３ピージェイ，パークス・ロード （番地なし），ディパートメント・オブ・ エンジニアリング・サイエンス，ユニバー シティ・オブ・オックスフォード

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 流体速度測定装置であって、狭い線幅の光源と、光散乱物を散布した移動 流体の選択領域に光源の出力を向けるように配置されたレンズ手段と、前記流体 の選択領域からの散乱光を分析するための画像システムと、前記光源の出力の振 動数に対して散乱光の振動数のドップラ−シフトに依存して前記選択領域の流体 の速度を計算するための、前記画像装置に接続した速度計算装置とを具備し、前 記画像システムは、前記散乱光を集光し、この集光した光を第１部分と第２部分 に分けるためのビ−ム分離装置と、前記集光された光の第１部分を受光し、前記 集光された光の振動数に相当する強度の光を放出するための振動数／強度コンバ −タ−と、第１領域と第２領域に分けられた単一画像フレ−ムを有する共通の光 強度検出器と、前記コンバ−タ−出力と前記集光された光の第２部分を別個に前 記検出器の画像フレ−ムの第１領域と第２領域とにそれぞれ向けるように配置さ れた光学手段とを有することを特徴とする流体速度測定装置。 ２． 流体速度測定装置であって、狭い線幅の光源と、光散乱粒子を散布した移 動流体の選択領域に光源の出力を向けるように配置されたレンズ手段と、前記流 体の選択領域からの散乱光を分析するための、前記集光された光の振動数に相当 する強度の光を放出するための予め較正された振動数／強度コンバ−タ−を有す る画像システムと、流体速度測定装置の１つあるいはそれ以上のパラメ−タ−を モニタ−するための測定装置と、流体速度測定装置の１つあるいはそれ以上のパ ラメ−タ−に対して振動数／強度コンバ−タ−の較正デ−タが記憶されるアドレ スで呼び出し可能なメモリ−を有する速度計算装置を具備し、前記速度計算装置 は、モニタ−された１つあるいはそれ以上のパラメ−タ−に対して前記振動数／ 強度コンバ−タ−に入射する光の振動数と、光源の振動数に対して散乱光の振動 数のドップラ−シフトとを計算し、それにより前記選択領域の移動流体の速度を 計算するために、前記画像装置と測定装置に接続されることを特徴とする流体速 度測定装置。 ３． 請求項１あるいは２に記載の流体速度測定装置にして、 レンズ手段が前記光源と前記移動流体との間に設けられ、選択された二次元領 域において、前記光がシート状の形態で交差して焦点が合わされることを特徴と する装置。 ４． 請求項３に記載の流体速度測定装置にして、 前記強度検出器の第１領域と第２領域は前記流体の選択領域における同一の空 間場所に関係する対応画素を備えた画素素子の対応列に分けられることを特徴と する装置。 ５． 請求項４に記載の流体速度測定装置にして、 前記強度検出器は、電荷結合素子（ＣＣＤ）であることを特徴とする装置。 ６ 請求項１又は２に記載の流体速度測定装置にして、 レンズ手段が前記光源と前記移動流体との間に設けられ、前記移動流体中の選 択位置に前記光が焦点を合わされて、前記選択位置での前記流体の平均空間速度 の測定を可能にすることを特徴とする装置。 ７． 請求項５又は６に記載の流体速度測定装置にして、 前記振動数／強度コンバ−タ−は、光吸収特性が光の振動数によって変化する 気体または蒸気を有するセルの形態にあることを特徴とする装置。 ８． 請求項７に記載の流体速度測定装置にして、 前記振動数／強度コンバ−タ−はヨ−ドセルであることを特徴とする装置。 ９． 請求項１〜８のいずれか１項に記載の流体速度測定装置にして、 前記光源はレ−ザ−であることを特徴とする装置。 １０．請求項２に記載の流体速度測定装置にして、 前記測定装置は、前記光源の出力の振動数変動を測定するために適用されるこ とを特徴とする装置。 １１．請求項１０に記載の流体速度測定装置にして、 前記測定装置は、振動数／強度コンバ−タ−を具備することを特徴とする装置 。 １２．請求項１０又は１１に記載の流体速度測定装置にして、 前記測定装置は１つあるいはそれ以上のフォトダイオ−ドを具備することを特 徴とする装置。 １３．移動流体の速度を測定する方法であって、 前記移動流体に光散乱粒子を散布する工程と、 前記流体の選択領域に狭い線幅の光を照射する工程と、 前記流体の選択領域から散乱した光を集光し、前記集光された光を第１部分と 第２部分に分ける工程と、 前記集光された光の第１部分を、振動数／強度コンバ−タ−に通すことによっ て分析し、前記コンバ−タ−の出力強度をコンバ−タ−を通る光の振動数の強度 とする工程と、 前記集光された光の第２部分と前記コンバ−タ−の出力を単一画像フレ−ムを 有する共通光強度検出器に向ける工程と、 前記単一画像フレ−ムに入射する、前記コンバ−タ−の出力強度と前記集光さ れた光の第２部分の強度を測定する工程と、 前記測定された強度により、散乱光の振動数と、前記選択領域を照射する光の 振動数に対する散乱光の振動数のドップラ−シフトとを計算し、それによって前 記選択領域の移動流体の速度を計算する工程とを具備することを特徴とする測定 方法。 １４． 移動流体の速度を測定する方法であって、 振動数／強度コンバ−タ−を較正し、該較正デ−タをメモリ−に記憶させる工 程と、 前記移動流体に光散乱粒子を散布する工程と、 前記流体の選択領域に狭い線幅の光を照射する工程と、 前記移動流体の速度を計算するために使用される装置の１つあるいはそれ以上 のパラメ−タ−をモニタ−する工程と、 前記移動流体の選択領域から散乱した光を、出力強度が散乱光の振動数となる 前記較正された振動数／強度コンバ−タ−によって分析する工程と、 前記コンバ−タ−の出力強度を測定する工程と、 前記測定された出力強度及び記憶された較正デ−タに関する１つ又は２つのパ ラメータによって、散乱光の振動数と、前記選択領域を照らす光の振動数に対す る散乱光の振動数のドップラ−シフトを計算し、それによって前記選択領域の移 動流体の速度を計算する工程とを具備することを特徴とする測定方法。 １５． 振動数／強度コンバ−タ−であって、チャンバ−を区画し光に対して実 質的に透明な対向する窓を有するハウジングと、前記ハウジング内に設けられ前 記ハウジングの窓に面するように配置された光に対して実質的に透明な窓を有す る吸収装置と、前記ハウジング略一定の温度に保持し、それによって前記吸収チ ャンバ−を略一定の温度に保持するため温度制御装置とを具備し、前記吸収装置 は、光吸収特性が光の振動数で変化する気体あるいは蒸気を有する吸収チャンバ −を区画し、前記吸収装置は、さらに前記吸収チャンバ−と連絡する下向き部材 を有しており、前記温度制御装置は、前記吸収装置の下向き部材を前記ハウジン グチャンバ−と吸収チャンバ−の温度より低い温度に保持するための冷却手段を 有することを特徴とする振動数／強度コンバ−タ−。