707 群馬大学 天谷先生 - jst · collimator lens particle grid interval d g normal component...
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1
ロンキールーリングを用いた遠距離用レーザー流速計の開発
群馬大学大学院工学研究科
機械システム工学専攻
教授 天谷賢児
准教授 舩津賢人
2
研究背景
レーザーを用いた非接触流れ場計測
産業分野への応用=安価で簡単な計測システムの構築が必要
比較的遠距離(5m以上)からの計測システムの開発
3
Laser beam
Collimator lens
Particle
Grid intervaldg
Normal component of particle velocity
Grid velocityVg
Ronchi-ruling
L
Vロンキールーリング
レンズ
グリッド速度
グリッド間隔
粒子速度
粒子レーザー光
測定原理
4
測定原理
gdVf =粒子散乱光の変動信
号の周波数
グリッドが移動する場合の粒子散乱光の変動信号の周波数 g
g
dVV
f+
=
5
laserbeam
測定原理
6
実験装置
He-Ne LaserMotor
Ronchi-ruling
Collimator lens
Aperture
FFT analyzer
Photomultiplier
Optical fiber
Condenser lens
Pipe flow Particles
ロンキールーリング
光ファイバー
FFT
光電子増倍管
モーター
レーザー
コリメーターレンズ
アパーチャー
コンデンサーレンズ
粒子パイプ流れ
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散乱光信号
8
0 0.5 1 1.5 2
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3(×10-6)
時間 s 周波数 f [kHz]
散乱光信号電圧
[V]
強度
[-]
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
散乱光信号とスペクトル
9
Frequency f [kHz]
Mag
nitu
de M
AG
[-]
0 0.2 0.4 0.6
0.5
1
0.5
1
0.5
1
1.5(×10-6)
流速とスペクトルの変化
g
g
dVV
f+
=
速度 V を算出
g
gg
drV
fω+
=
)(2
gg
g ffnr
V −=π
10
Re=1176Re= 730
-1 -0.5 0 0.5 10
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
Radius ratio r/R [-]
Velo
city
V [m
/s]
速度分布測定例(1)
管内層流
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速度分布測定例(2)
Velo
city
V [m
/s]
Radius ratio r/R [-]
Re=4451Logarithmic lawExponential law
Re=6138
-1 -0.5 0 0.5 10
0.1
0.2
0.3管内乱流
12
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
平均速度 Vm [mm/s]
レイノルズ数 Re[-]
管中心最大速度
V 0[m
m/s
]
MeasurementTheoretical
0 100 200 300 400
100
200
300
400
最大速度の計測結果
13
0 40 80 120 1600
4
8
12
16
Injection pressure p kPa
Velo
city
V
m
/s
Ronchi–rulingHigh–speed video
噴霧測定への応用例
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Laser Collimatorlens
Condenserlens
Photomultiplier
P.C.
Data logger
Digital video camera
Piston
Cylinder
Piston diameter 32mmClank radius 24mm
脈動流への応用
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脈動流脈動流V
olta
ge V
olt[
V]
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
Time t [s]0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1
32
64
96
128
Sca
le a
120
100
80
60
40
20
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Vel
ocity
Vm
[mm
/s]
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-400
-200
0
200
400
0.62 0.63 0.64 0.65
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
Volta
ge V
olt
[V]
0.62 0.63 0.64 0.65
1
32
64
96
128
Time t [s]
Sca
le a
0.87 0.88 0.89 0.9
1
32
64
96
128
Sca
le a
0.87 0.88 0.89 0.9
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
Volta
ge V
olt
[V]
Time t [s]
16
Time t [s]
Vel
ocity
V[m
m/s
]
Time t [s]
Vel
ocity
V[m
m/s
]n=1[rps] n=1.25[rps]
Water velocity on central axis of pipeVelocity of vertical motion of water surface
0 0.2 0.4 0.6 0.8-400
-200
0
200
400
Water velocity on central axis of pipeVelocity of vertical motion of water surface
0 0.25 0.5 0.75 1-400
-200
0
200
400
脈動流の測定結果
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遠距離計測への応用
5m以上
2次元計測
18
遠距離計測装置
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遠距離計測結果(362.8nmレーザー:赤)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Particle velocity V m/s
Mae
surin
g ve
loci
ty
Vm
m/s
λ = 362.8 nm
a = 1.143 mm
dp = 1.4 mm
L = 6.0 m
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遠距離計測結果(532nmレーザー:緑)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Particle velocity V m/s
Mae
surin
g ve
loci
ty
Vm
m/s
λ = 532 nm
a = 1.44 mm
dp = 1.4 mm
L = 6.0 m
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従来技術とその問題点
既に実用化されているものとしてLDV(レーザードップラー流速計)がある.
空間分解能・時間分解能に優れるが,遠距離計測を行うには極めて高価なシステムとなり,広く利用されるまでには至っていない.
本装置は,空間分解能・時間分解能には劣るものの,安価で簡単な計測装置の構築が可能
本技術の適用によりコストが1/2~1/3程度まで削減されることが期待される.
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想定される用途
• 工場プラント内での流れ計測
• プラント配管内の流れ簡易計測
• 室内流れ環境の監視
• 屋外の比較的大きなスケールの流れ場計測
想定される業界
• 想定されるユーザー
環境計測,モニタリング等
食品・エネルギー・プラント関係企業・研究所等
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実用化に向けた課題• 現在,6m程度の遠距離計測が可能なところまで開発を行った.今後,より遠距離で計測が可能なシステムに改善をはかりたい.
• 実際の種々の流れ場への適用例を増やし,問題点を抽出したい.
• 現在,流れ場の2次元計測が可能になっているが,レーザー光線の照射方向の測定方法を確立し,3次元化をはかりたい.
• 実用化に向けて,より高速流れ(数10m/s)まで測定できるシステムを構築したい.(現在数m/s)
企業への期待• 未解決部分については,光学系の高精度化により克服できると考えている.様々な計測技術を取り扱う企業様との共同研究を希望.
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称
:流体速度計測方法およびその装置• 出願番号:特開2007-212271• 出願人 :群馬大学• 発明者 :田部井勝稲,天谷賢児
舩津賢人,高草木文雄
お問い合わせ先群馬大学 研究・知的財産戦略本部 群馬大学TLO
TLO長 大澤 隆男e-mail [email protected] 0277-30-1171 FAX 0277-30-1178