JPH0439580Y2

JPH0439580Y2 -

Info

Publication number: JPH0439580Y2
Application number: JP6866886U
Authority: JP
Priority date: 1986-05-07
Filing date: 1986-05-07
Publication date: 1992-09-16
Also published as: JPS62180768U

Description

【考案の詳細な説明】（産業上の利用分野）本考案は粒子を含む流体が３次元空間を流動す
る際の運動状態を解析する装置に係り、特に微粉
炭管内や燃焼排ガスダクト内、ボイラ用バーナ装
置の風箱内などの流体の３次元運動を好適に解析
する装置に関するものである。

（従来の技術）従来、流体の速度を計測する装置としては、ピ
トー管、熱線流速計、プロペラ流速計等の接触型
流速計と、レーザードツプラ流速計、超音波流速
計等の非接触型流速計が知られている。接触型流
速計はプローブの挿入により、流れの場を乱し易
く、多点同時計測が困難である。非接触型流速計
は流れを乱すことはないものの、多点同時計測
は、やはり困難である。また、これらの流速計を
用いて、複雑な３次元流の速度分布を求めるのは
非常に多くの労力を要する。

一方、粒子が散在している流体では、その粒子
の速度を計測することにより、流れ場の様子を明
らかにすることができる。以下に述べる方法は従
来の非接触型流速計とは異なり、流体中に混在し
た粒子をトレーサとして、流れを可視化した後、
その画像データを用いて粒子の速度すなわち流体
の流れ場の全容を、定量的に明らかにするもので
ある。

可視化画像データから粒子の速度を求める装置
の第１の例としては第６図および第８図に示す構
成のものがある〔小林、佐賀：画像処理による流
れ場の解析：日本機械学会、第604回講習会教材
（流体工学の分野におけるコンピユータ利用技
術）〕。すなわち、この方法はトレーサ粒子を含む
流れ場を、露光時刻制御装置５２により露光時刻
を各々制御された３台のカメラ、５０ａ，５０
ｂ，５０ｃで撮影する。その際、カメラ５０ａで
は第７図に示すように、時刻t₀から時刻t₄まで露
光され、流跡像が撮影される。カメラ５０ｂでは
時刻t₀からΔt₂時間遅れて、ΔT₂だけ露光され、
瞬間像が得られる。カメラ５０ｃでは時刻t₃から
ΔT₃時間露光された瞬間像が撮影される。すなわ
ち、カメラ５０ｂは始点像、カメラ５０ｃは終点
像を得るものである。この３枚の写真は第８図に
示すように、TVカメラ５４で再撮影し、ADコ
ンバータ５でデイジタル信号に変換して画像処理
部４に入力する。画像処理部４では第９図に示す
フローで信号処理し、速度ベクトルを算出する。
まず、入力されたままの画像データは数十〜数
百段階の明度を有する濃淡画像であるから、これ
らを適当なしきい値で２値化する（画像データ
）。次に流跡画像はその輪郭を求め、始点およ
び終点画像はその重心位置のみを記録する（画像
データ）。流跡像の輪郭６３内に、始点６４、
終点６５が各々ただ１個ずつ存在するときは始点
から終点に向けて、その粒子が移動したわけであ
り、その間の時間は第７図からt₃−t₂であり、２
次元速度ベクトル６７が得られる。

従来技術の第２の例としては、装置構成は第８
図と同じであるが、ただ１台のカメラを用い、第
１０図に示すように流跡像を撮影するための露光
開始時にストロボを発光させ、始点の像を強調し
て流跡像に重ねた写真を得る方法がある。このよ
うにして得られた第１１図の写真を第８図に示す
装置に第１の例と同様に入力する。第１の例と同
じく、流跡像６８および始点像６９を２値化し、
流跡像からは輪郭像を求め、始点像はその重心を
求める。流跡輪郭像の中にただ１個の始点像重心
を含み、かつ始点像の輪郭が適正な形状であるこ
と等により、始点像と流跡像とを対応させる。流
跡像から粒子の移動距離が、始点像から流動方向
が明らかになり、２次元速度ベクトルが得られ
る。この第２の例は、第１の例が３枚の写真を必
要としたのに対して、ただ１枚の写真から速度ベ
クトルを得ることができるものである。

第３の例としては、第１２図に示す方法があ
る。第１および第２の例が、カメラにより写した
写真をTVカメラで再度撮影するのに対して、第
３の例では、流れ場の粒子を直接、TVカメラ５
４ａ，５４ｂで撮影し、流跡信号処理器へ入力
し、流跡信号を得るとともに始点像を記録してお
き、この２つの情報から第１、第２の例と同様に
速度ベクトルを算出する。第３の例では、ホスト
コンピユータ５５は主として演算を、外部メモリ
５６は画像データの記録に用いる。第３の例で
は、TVカメラ２台を互いに直交するように配し
ており、３次元的な速度ベクトルを得ることがで
きる。

第４の例としては、本願出願人が昭和61年４月
７日に日本特許庁に出願した未公知の第１３図に
示す方法がある。この方法は撮影装置としては
TVカメラ１台を用い、スリツト光７で照明され
た空間の粒子８の運動状態を画像データとして画
像処理部４に入力して、流れ場の速度分布を求め
るものである。粒子の画像データから速度を算出
するには前述した第３の例と同様に、始点像と一
定時刻毎に入力された粒子の画像データを重ね合
わせて得られる流跡像と、最後に入力された終点
画像の３つの画像情報から第１４図の方法によ
り、３次元的な速度を算出する。最初に入力され
た始点濃淡画像４０ａ，４０ｂを２値化して、始
点２値画像４２ａ，４２ｂを得、画像メモリ２６
ｂに記録する。次に入力された濃淡画像も２値化
し、画像メモリ２６b′に記録する。第２の２値化
画像の記録された画像メモリ２６b′と始点２値画
像の記録された画像メモリ２６ｂとの間で論理和
をとり画像メモリ２６b′に記録する。ここに、
「論理和をとる」とは数学分野における集合演算
の１つであり、和集合を求める操作を意味する。
このとき、始点２値画像の記録された画像メモリ
２６ｂの内容が変化しないようにしておく必要が
ある。このように定まつた時間間隔で順次入力さ
れてくる濃淡画像を２値化して、前画像との論理
和をとると流跡の２値画像４４ａ〜ｄを得る。ま
た、最後に入力された画像から終点２値画像４３
ａ，４３ｂを得る。

次に、流跡２値画像４４ａ〜ｄと始点２値画像
４２ａ，４２ｂ、および前記流跡２値画像４４ａ
〜ｄと終点２値画像４３ａ，４３ｂとの論理積か
ら粒子の始点および終点を決定する。「論理積」
とは、前述論理和と同様、数学分野における集合
演算の１つであり、積集合を求める操作を意味す
る。画像メモリ２６ｂと画像メモリ２６b′の間で
論理積をとり、その結果を画像メモリ２６ｂに記
録することにすれば、演算の後の画像メモリ２６
ｂには、始点２値画像４２ａ，４２ｂと流跡２値
画像４４ａ〜ｄとを重ね合わせて、その重複した
部分のみが取出されて記録される。この段階で、
始点２値画像４２ａの重心が流跡２値画像４４ａ
の始点となり、流跡４４ｂの始点は４２ｂとな
る。流跡４４ｃおよび４４ｄは対応する始点がな
いことも明らかとなる。同様にして、流跡２値画
像４４ａ〜ｄの記録されている画像メモリ２６
b′と終点２値画像４３ａ，４３ｂの記録されてい
る画像メモリ２６b″との間で、論理積演算を行な
い、その結果を画像メモリ２６b″に記録する。こ
の段階で画像メモリ２６b″に記録されている画像
は、終点２値画像４３ａ，４３ｂと流跡２値画像
４４ａ〜ｄとの重複部分であり、終点２値画像４
３ａ，４３ｂはそれぞれ流跡４４ａ，４４ｃの終
点であることがわかる。流跡４４ｂ，４４ｄは対
応する終点がないことも明らかになる。ここで、
内部にただ１つの始点と終点を持つ流跡４４ａだ
けを選別し、その始点４２ａと終点４３ａの重心
位置および入力される画像の枚数、撮影周期か
ら、スリツト光で照明された平面の速度ベクトル
４５を算出することができる。一方、流跡２値画
像のうち、始点および終点のいずれをも含まない
流跡２値画像４４ｄは、始点画像撮影時刻以後に
スリツト光領域に入り、終点画像撮影時刻以前に
その領域を出た粒子であるから、スリツト光の厚
さＷと流跡４４ｄを構成する入力画像数を与えれ
ば、照明された平面状空間に垂直な方向の分速度
４６を得ることができる。スリツト光の厚みＷ等
はあらかじめ定数として設定しておくことも可能
であるが、コンソール１６から必要に応じて入力
することも可能になつている。要するに上述した
第４の例は、TVカメラ１台で、スリツト光照射
平面の２次元速度ベクトルと前記平面に垂直な速
度ベクトルを得ることができる。すなわち、３次
元速度ベクトルを得るものである。

（考案が解決しようとする問題点）上記従来技術のうち、第１および第２の例で
は、写真を介して画像処理部へ画像データを入力
しており、リアルタイムで処理できないこと、得
られる速度ベクトルは２次元であり、ボイラ火
炉、バーナからの噴流等、旋回を伴うような複雑
な３次元流には適用しにくいという問題がある。
また、第３の例では、リアルタイムで処理でき、
３次元的な流れも計測することができるが、２台
のTVカメラを必要とする上、TVカメラの焦点
深度の限界もあり、計測対象となるダクト、配管
等の大きさ、形状におのずと制限がある。第４の
例では台１〜台３の例に見られる問題点は克服さ
れるが、スリツト光照射平面に垂直な方向の粒子
速度を算出する際に、スリツト光照射平面の厚み
方向に急激に運動方向を変える粒子に対しては誤
差を生じる。すなわち、第１５図−イの場合は正
常にスリツト光照射平面に垂直な方向の粒子速度
を算出できるが、同図ロの場合は誤りとなる。こ
のような誤差を極力小さくする第１の方法はスリ
ツト光の厚みを薄くして、スリツト光照射平面内
で、粒子が急激な方向変化を起こす確率を低くす
ることである。しかしながら、スリツト光の厚み
にもおのずと下限がある。第２の方法は、スリツ
ト光照射装置２の位置を、その照射した平面に直
角な方向に変化させて、それぞれスリツト光照射
装置位置に対応する速度分布を得た後、これらの
速度分布を比較し、周囲の速度ベクトルと矛盾を
きたす測定値は採用しないことである。従来、こ
の種の装置において、スリツト光照射装置の移動
は入力を中心に行なわれており、測定対象となる
スリツト光照射平面相互の距離および平行度を正
確に保持するのは非常に困難であり、また多くの
労力を必要としていた。

（問題点を解決するための手段）本考案では上記問題点を解決するために、粒子
を含み空間内を移動する流体の運動を、粒子の移
動軌跡より解析する装置において、上記空間の微
小厚さの平面状空間を照射するスリツト光照射装
置と、照射された平面状空間内の粒子の移動を撮
影する撮影装置と、撮影された粒子の画像をデイ
ジタル信号に変換する装置と、デイジタル化され
た上記画像信号を取込み、記録し、かつ演算する
画像処理部と、この画像処理部からの信号により
スリツト光照射装置もしくは同装置のスリツト光
照射部を移動させる駆動装置とを備えた流体運動
解析装置を提供するものである。

（作用）複雑な３次元的な動きをする粒子の速度を算出
する際に、複数のスリツト光照射平面位置に対応
する、それぞれの速度分布を得た後、これらの速
度分布を比較し、周囲の速度ベクトルと矛盾をき
たす測定値を除去するというような操作をする場
合に必要な、スリツト光照射装置の移動を人手に
よらず、駆動装置によつているため、迅速、かつ
正確に行なうことができる。また、移動前後のス
リツト光照射平面相互の平行度の保持も容易とな
る。前記スリツト光照射平面相互の平行度が維持
できない場合は、速度ベクトルの算出位置に狂い
を生じ、得られたフローパターンは大幅な誤差を
含むことになるものである。

（実施例）第１図に本考案の実施例を示す。本考案は粒子
８を含む流体９が流れるダクト１内に、スリツト
光７を照射するスリツト光照射装置２、前記スリ
ツト光照射装置２を移動させる駆動装置１２、照
射された平面を撮影する撮影装置３、ADコンバ
ータ５、画像処理部４とで、主に構成されてい
る。なお、画像処理は処理したい画像をTVカメ
ラ等で撮影し、そのアナログ信号をADコンバー
タでデイジタル化して、コンピユータに入力、す
なわちメモリに記録した後、目的とする演算を行
ない、その後DAコンバータでアナログ信号に変
換してモニタTV等の出力装置に出力するのが普
通である。したがつて、画像処理部４としては、
中央処理装置（CPU：Central Processing
Unit）を１個有し、画像データの記録が可能な
メモリを持つた汎用ミニコンピユータ装置あるい
はマイクロコンピユータ装置を用いることもでき
るが、第２図に示すようなシステム全体をマイク
ロコンピユータからなるシステムプロセツサ１７
により制御し、画像を記録しておく画像メモリ２
６と画像間演算を行なう画像演算ユニツト２５と
アドレスプロセツサ２４から構成された画像プロ
セツサ２３を、システムバス１９を介して前記シ
ステムプロセツサ１７に接続したものを用いるこ
とができる。

撮影装置３としては通常TVカメラを用い、
ADコンバータ５を介して画像メモリ２６に接続
されている。モニタTV６はDAコンバータ２７
を介して画像メモリ２６に接続されている。シス
テム制御のために、あるいは画像処理過程で用い
る定数データを入力するために、システムプロセ
ツサ１７にはコンソールデイスプレイ１６が接続
されている。本例では、システムバス１９には、
補助メモリとしてフロツピーデイスク２１、固定
デイスク２２を接続することもできる。また、シ
ステムバス１９には信号出力部１１が接続されて
いる。スリツト光照射装置２の駆動装置１２は制
御部１３およびモータ１４を備えており、制御部
１３は信号ケーブル２９を介して、画像処理部４
内の信号出力部１１と接続されている。モータ１
４としては通常ステツプモータが使用される。モ
ータ１４の回転は駆動軸７３および伝達機構７４
を介して、駆動装置１２のレール７２の上に位置
するスリツト光照射装置２の摺動に変換されるよ
うになつている。

まず、スリツト光照射装置の初期位置を設定す
る。初期位置の設定はシステムプロセツサ１７が
あらかじめ入力されているデータに基づくか、ま
たはコンソール１６から入力されるデータに基づ
いて、信号出力部１１、信号ケーブル２９を介し
て、駆動装置制御部１３へ指令を発し、制御部１
３ではその指令に基づいてモータ１４を動作せし
めることによつて実行される。

次に、スリツト光照射装置２によりダクト内に
スリツト光７を照射すれば、粒子８は光を反射す
るため微小な厚さＷを有する平面状空間内の粒子
の運動状態を可視化、すなわちトレーサ粒子とし
て適当なものを選べば、ダクト内の流れ場を可視
化することができる。この平面状空間における粒
子の動きをスリツト光の平面に垂直な方向から撮
影装置３で撮影すれば、連続した瞬間画像を得る
ことができる。撮影装置３の画像信号をADコン
バータ５でデイジタル化し、画像処理部４の画像
メモリ２６に連続して複数枚入力する。次に、従
来技術の第４の例で前述したものとほぼ同様の、
第１４図に示す一連の画像処理操作を行なう。１
つのスリツト光照射平面において、速度ベクトル
を算出する処理が終了した時点で、システムプロ
セツサ１７は信号出力部１１を介して、再び駆動
装置制御部１３へ、スリツト光照射装置２の移動
を指令する。スリツト光照射装置２が新しい位置
へ設定されたら再び、粒子画像を撮影して、その
平面の速度ベクトルを算出する。このような動作
を繰返し、注目する測定平面における速度ベクト
ルが、両隣の測定平面における速度ベクトルと矛
盾しないかをチエツクする。チエツクの方法は、
注目位置の前後左右および上下において、速度ベ
クトルの方向と大きさを比較することにより実施
される。このようにして、異状な値があれば、測
定値として採用しないことにする。

また、本例のように、複数の画像メモリ２６お
よびシステムプロセツサ１７と独立した画像演算
ユニツト２５を有する場合は、画像の入力とその
他の演算とを並列的に実施することもでき、スリ
ツト光照射装置２の移動指令は、画像の入力が完
了した時点で発しておくこともできる。このよう
な方法をとると速度ベクトルを算出する演算を実
行しながら、スリツト光照射装置２を次の測定位
置に設定することができ、多数の面を測定する場
合は、総測定時間を短縮することができる。

本考案の第２の実施例を第３図に示す。本実施
例はスリツト光照射装置を発光部３０とスリツト
光照射部３２に分割し、その間を光伝送ケーブル
で接続し、駆動装置１２にはスリツト光照射部３
２を設置したものである。本実施例では、駆動装
置１２にかかる重量が軽減でき、モータ１４の小
型化、消費動力の低減を図ることができる。ま
た、主として電気をエネルギー源とする発光部を
流体９から離すことができ、安全面からも有利と
なる。

本考案の第３の実施例を第４図および第５図に
示す。発光器３３の周囲は発光部ケーシング３４
で囲まれているが、一方向だけは開放されてい
る。この開放された面に、スリツト３６を有する
しやへい板３５が設けられ、発光器３３の発する
光はスリツト３６を通つてスリツト光７となり、
ダクト１内に照射される。しやへい板３５の一部
にはラツク３７が設けられ、ピニオン３８を介し
て、モータ１４で駆動される。モータ１４は前述
の第１および第２の実施例と同様、駆動装置制御
部１３に接続されている。本例ではシステムプロ
セツサ１７からの指令を受けて、最終的には、し
やへい板３５が移動し、スリツト光７の位置を変
えることになる。第３の実施例では、前述した２
つの例よりもさらにモータ１４の小型化、消費動
力の低減を図ることができる。

（考案の効果）本考案によれば、複雑な３次元の動きをする粒
子の速度を算出する際に、複数のスリツト光照射
平面位置に対応する速度分布をそれぞれ得た後、
これらの速度分布を比較し、周囲の速度ベクトル
と矛盾をきたすような測定値を除去する場合に必
要なスリツト光照射装置の移動を人手によらず、
画像処理部により制御される駆動装置によつてい
るため、移動のタイミングが適切となり、また方
向、距離の制御も容易となる。したがつて、移動
に要する時間の短縮化、移動前後のスリツト光照
射平面相互の平行度および距離を正確に保持する
ことが可能となり、省力化、測定精度の向上に大
いに寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案の実施例を説明するための全
体構成図、第２図は、第１図における画像処理装
置の詳細図、第３図は、本考案の第２の実施例を
説明する図、第４図は、本考案の第３の実施例
図、第５図は、第４図のＡ−A′断面図、第６図
は、従来技術の説明図、第７図は、第６図の従来
技術の動作説明図、第８図は、従来技術説明図、
第９図は、第８図における従来技術における処理
の流れを示す図、第１０図は、従来技術の第２の
例の動作説明図、第１１図は、従来技術の第２の
例において得られる結果を示す図、第１２図は、
従来技術の第３の例の説明図、第１３図は、本願
考案者らが出願中の未公知の技術の説明図、第１
４図は、第１３図に示した技術における処理のフ
ローを示す図、第１５図は、第１３図のＢ−
B′断面図の一部を示す図である。１……ダクト、２……スリツト光照射装置、３
……撮影装置、４……画像処理装置、５……AD
コンバータ、７……スリツト光、８……粒子、９
……流体、１０……流動方向、１１……スリツト
光照射装置に対する信号出力部、１２……駆動装
置、１３……駆動装置制御部、１４……モータ、
１５……移動方向。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

粒子を含み空間内を移動する流体の運動を、粒
子の移動軌跡より解析する装置において、上記空
間の微小厚さの平面状空間を照射するスリツト光
照射装置と、照射された平面状空間内の粒子の移
動を撮影する撮影装置と、撮影された粒子の画像
をデイジタル信号に変換する装置と、デイジタル
化された上記画像信号を取込み、記録し、かつ演
算する画像処理装置と、この画像処理装置からの
信号によりスリツト光照射装置もしくは同装置の
スリツト光照射部を移動させる駆動装置とを備え
たことを特徴とする粒子を含み空間を移動する流
体の運動解析装置。