JPH07111440B2

JPH07111440B2 - ガスの流れの計測方法

Info

Publication number: JPH07111440B2
Application number: JP3195472A
Authority: JP
Inventors: 正道一本松; 雅司西垣; 光平野; 健中島; 裕二池田
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1991-03-01
Filing date: 1991-08-05
Publication date: 1995-11-29
Anticipated expiration: 2010-11-29
Also published as: JPH04348281A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスの流れの計測方法
に関する。

【０００２】なお、ここでいう「ガスの流れの計測」と
は、ガスの流速の計測のみならず、ガス流分布の可視化
による計測をも意味するものである。

【０００３】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】レーザー
計測装置を用いたガス流速計測をはじめとする光計測装
置を用いたガスの流れの計測に使用するシーディング粒
子としては、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＣ等の多孔質粒
子（平均粒子径０．５〜１５０μｍ程度）が用いられて
いた。レーザー計測装置を用いたガス流速の計測方法の
例としては、レーザードップラー流速計、フェーズドッ
プラー流速計などを用いた方法が挙げられる。この場合
は、平均粒子径０．５〜１０μｍ程度の粒子が用いられ
ていた。

【０００４】また、その他のガスの流れの計測方法の例
としては、フラッシュランプやパルスレーザーなどの瞬
間的かつ強力な光源を用いて、シーディング粒子の分布
を写真撮影することによりガスの流れを計測する方法が
挙げられる。この場合には、平均粒子径５〜１５０μｍ
程度の粒子が用いられていた。

【０００５】また、多孔質粒子としては、共沈法により
製造したもの、天然物を利用したものなどが挙げられ
る。

【０００６】従来より使用されている代表的なシーディ
ング粒子の電子顕微鏡写真を、図３〜図１４に示す。
（図３、４はホワイトカーボン、図５、６はＴｉＯ_２、
図７、８はタルク、図９、１０はＴｉＯ_２＋タルク、図
１１、１２は関東ロームから採取したもの、図１３、１
４は白色溶融アルミナの写真である。）しかし、このよ
うなシーディング粒子は、写真にも明瞭に現れているよ
うに、下記１〜５のような欠点があり、ガスの流れ計測
誤差を大きくしていた。

【０００７】１）シーディング粒子の形状が不定型であ
るため、光検出器によって検出されるべき光の散乱断面
積は、光検出時における粒子の向きによって異なる。２）粒子の粒径分布が広く、光の散乱断面積が粒子毎で
異なり、比較的大きい粒子が２つ以上の光の干渉ジマに
おいて同時に光を散乱する。

【０００８】３）粒子の見かけ比重が重いため、粒子が
ガスの流れに充分追従しない。

【０００９】４）粒径分布が広く見掛け比重の分布もあ
るため、粒子のガス流れに対する追従性がばらつき、ガ
ス流れの定量的評価ができない。

【００１０】５）粒子の表面に凹凸があり、粒子同志が
互いに引っ掛かって凝集を起こし、実効粒子径が増大す
る。

【００１１】また、シーディング粒子をガス流体へ混入
する従来の方法としては、例えば、スクリューフィーダ
ーで押し出したシーディング粒子を気流により吹き出す
方法、あるいはシーディング粒子を溶媒に懸濁させた
後、超音波加湿器で噴霧する方法などがある。

【００１２】しかし、上記した方法にあっては、いずれ
もシーディング粒子の供給量が一定しないため、結果的
に計測誤差の原因となっていた。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そこで、上記の問題を解
決するために、次のような手段を講じた。

【００１４】すなわち、第１の発明である計測方法は、
光計測装置によるガスの流れの計測方法において、直径
０．５〜１５０μｍのセラミックス多孔質の球状粒子を
シーディング粒子として用いた方法である。

【００１５】前記計測方法のうち、レーザードップラー
流速計などのレーザー計測装置を用いたガス流速の計測
方法にあっては、直径０．５〜１０μｍの球状粒子を用
いることが好適である。その中でも、直径１．５〜２．
５μｍの球状粒子を用いることがさらに好適である。

【００１６】また、写真撮影を用いたガスの流れの計測
方法にあっては、直径５〜１５０ｍμｍの球状粒子を用
いることが好適である。その中でも、直径３０〜１００
μｍの球状粒子を用いることがさらに好適である。

【００１７】前記シーディング粒子が中空球状粒子であ
ることが好適である。

【００１８】前記シーディング粒子がＳｉＯ_２よりなる
ことが好適である。

【００１９】７０％以上の前記シーディング粒子の粒子
径が、平均粒子径±５０％の範囲内であることが好適で
ある。

【００２０】前記シーディング粒子は逆ミセル法により
製造されることが好適である。

【００２１】この場合、シーディング粒子原料を含有す
る水溶液を孔径のほぼ均一な多孔質ガラス膜あるいは孔
径のほぼ均一な細孔を有する高分子膜から有機溶媒に押
出して径のそろった逆ミセルを形成することにより、前
記シーディング粒子を製造することがさらに好ましい。
一例として、ＳｉＯ_２粒子を製造する場合には、前記シ
ーディング粒子原料として珪酸ナトリウムなどが用いら
れる。

【００２２】メジャーリングホイール式粉体フィーダー
により、前記シーディング粒子をレーザー計測装置に供
給することが好適である。

【００２３】

【作用】光計測装置を用いたガスの流れの計測に使用さ
れるシーディング粒子が球状であれば、光検出器によっ
て検出されるべき光の散乱断面積は、光検出時における
粒子の向きに関係なく一定となる。また、表面に引っ掛
かりを生じるような凹凸が存在しないため、２つ以上の
シーディング粒子が凝集しながら流体中を流れるような
ことはない。これらにより、ガスの流れの計測精度を向
上させることができる。

【００２４】シーディング粒子が中空球状粒子であれ
ば、見掛け比重が小さくなり、ガスの流れに追従しやす
くなる。これにより、ガスの流れの計測精度をより一層
向上させることができる。なお、前記中空球状のシーデ
ィング粒子は球状のシーディング粒子よりも、高い計測
精度が得られ、特に高速流体中において両者の差異は顕
著である。

【００２５】前記中空球状粒子における殻の厚みには特
に限定はないが、粒子の直径に対して１／３〜１／１０
であることが好ましい。１／１０未満であれば、流体中
において破壊し易く、また１／３を超えれば、中空であ
ることの効果があまり得られない。

【００２６】前記シーディング粒子の素材としては、白
色で化学的に安定であれば特に限定はなく、炭酸カルシ
ウム、炭酸バリウムなどのアルカリ土類金属炭酸塩；珪
酸カルシウム、珪酸マグネシウム、酸化銅などのアルカ
リ土類金属珪酸塩；ＳｉＯ_２、酸化鉄、アルミナ等の金
属酸化物などが挙げられる。これらのうち、ＳｉＯ_２が
安価で、かつ耐熱性に優れている点から好ましい。耐熱
性に優れていれば、高温流体中でも破壊されることなく
充分使用し得る。

【００２７】シーディング粒子の粒径分布は狭いほど望
ましいが、７０％以上の前記シーディング粒子の粒子径
が、平均粒子径±５０％の範囲内であれば、ほぼ均一な
光の散乱断面積を得ることができる。また、気流中にお
けるシーディング粒子の挙動、言い換えれば、ガスの流
れに対する追従のしやすさがほぼ一定となる。また、サ
ンプルデータレートが増加しても、平均有効データ率が
低下しない。すなわち、例えばレーザードップラー流速
計を用いたガス流速の計測方法において、従来では、単
位時間当りのデータ数（サンプルデータレート）を増や
すためにシーディング粒子の供給量を増加させても、平
均有効データ率が低下してしまい、サンプルデータレー
トは余り増加しない。しかし、本発明の方法を用いる
と、従来よりも大きな粒子濃度まで平均有効データ率が
低下しないため、サンプルデータレートを容易に増加さ
せることができる。

【００２８】前記シーディング粒子を製造する際、逆ミ
セル法を採用すれば、球状のあるいは中空球状の多孔質
なシーディング粒子を安価に、しかも容易に製造するこ
とができる。

【００２９】また、逆ミセルを作る際、反応物質の水溶
液を孔径のほぼ均一な多孔質ガラス膜あるいは孔径のほ
ぼ均一な細孔を有する高分子膜から有機溶媒に押し出す
方法を用いた場合には、粒子径が揃った、言い換えれば
粒径分布の狭い粒子を得ることができ、シーディング粒
子としてさらに望ましい。

【００３０】シーディング粒子を、メジャーリングホイ
ール式粉体フィーダーによりレーザー計測装置に供給す
れば、その供給量を定量的に供給することができ、計測
精度の向上がより顕著に現れる。従来の方法では計測精
度が低かっため、一測定毎に計測精度の維守のための計
測部の条件設定が必要であった。しかし、本方法ではそ
れが不要となったため、一定時間内に多くの測定ができ
るようになる。

【００３１】写真撮影を用いたガスの流れの計測方法に
あっては、供給時のシーディング粒子の分布を一定にで
きるため、それ以後の粒子分布、すなわちガス分布を正
確に計測することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によりガスの流れの計測精度が著
しく向上した。

【００３３】

【実施例】本発明をより一層明らかにするために、以下
に実施例を挙げる。

【００３４】実施例１平均粒子径１．５μｍ、標準偏差０．３μｍのＳｉＯ_２
からなる多孔質な中空球状シーディング粒子（殻の厚み
は粒子の直径に対して１／５）を用いて、メジャーリン
グホイール式粉体フィーダーおよびスクリューフィーダ
ーによる供給テストを行った。

【００３５】メジャーリングホイール式粉体フィーダ
ー、スクリューフィーダーの双方とも高い精度で供給す
ることができたが、特にメジャーリングホイール式粉体
フィーダーを用いれば、シーディング粒子を０．３±
０．０１ｇ／ｍｉｎの精度でレーザー計測装置に供給す
ることができ、スクリューフィーダーよりも約５倍高い
供給精度を得ることができた。レーザー計測装置を用い
たガス流速の計測において、計測装置への粒子の供給精
度が高ければ、ガス流速の計測装置によって得られる計
測精度も当然のことながら高いことが容易に予測され
る。

【００３６】比較例１従来から用いられていた凝集性の平均粒子径１．５μｍ
のＳｉＯ_２からなるシーディング粒子を用いて、メジャ
ーリングホイール式粉体フィーダーおよびスクリューフ
ィーダーによる供給テストを行なった。メジャーリング
ホイール式ではシーディング粒子が凝集してしまい、シ
ーディング粒子を供給できなかった。

【００３７】スクリューフィーダーによるシーディング
粒子の供給精度は、０．３±０．１４ｇ／ｍｉｎであ
り、実施例１と比較すれば、球状のシーディング粒子を
使用した方が、レーザー計測装置への供給精度が高いこ
とが判った。レーザー計測装置を用いたガス流速の計測
において、計測装置への粒子の供給精度が高ければ、ガ
ス流速の計測装置によって得られる計測精度も当然のこ
とながら高いことが容易に予測される。

【００３８】参考例１および比較例２従来より用いられている、非凝集性の平均粒子径５μｍ
のＴｉＯ_２からなるシーディング粒子を用いて、メジャ
ーリングホイール式粉体フィーダー（参考例１）、及び
スクリューフィーダー（比較例２）による供給テストを
行なった。供給精度はそれぞれ、０．３±０．０２ｇ／
ｍｉｎ、０．３±０．０８ｇ／ｍｉｎであり、メジャー
リングホイール式粉体フィーダーの計測精度が優れてい
ることが判った。

【００３９】実施例３７０％の粒子の粒子径が平均粒子径１．５μｍ±０．４
μｍの範囲内であるＳｉＯ_２からなる中空球状のシーデ
ィング粒子（殻の厚みは粒子の直径に対して１／５）を
用い、下記の条件でレーザー計測装置による円筒内の空
気流の速度を測定した（平均流速約２０ｍ／ｍｉｎ）。

【００４０】１．測定装置ファイバータイプレーザードップラー流速計（仕様）レーザー：Ｈｅ−Ｎｅレーザーレーザーパワー８ｍＷ×２レンズ径：５５ｍｍ２．測定条件測定中心周波数：２０ＭＨｚバンド幅：±１６ＭＨｚ有効サンプル数：５，０００シグナルゲイン：２４ｄＢフォトマル電圧：７６０Ｖ結果を、表１に記載する。

【００４１】

【表１】

【００４２】表１から明らかなように、サンプルデータ
レートが増加しても、計測精度を示す代表的指標の一つ
である平均有効データ率は余り低下せず、比較例３に比
べ、計測精度がよくなっていることが判る。

【００４３】実施例４９０％の粒子の粒子径が１〜５μｍの範囲内であり、Ｓ
ｉＯ_２からなる中空球状のシーディング粒子（殻の厚み
は粒子の直径に対して１／５）を用い、実施例３と同様
の実験を行なった。その結果を、表２に記載する。

【００４４】

【表２】

【００４５】表２から明らかなように、実施例３と比べ
るとシーディング粒子の粒径分布が広いために平均有効
データ率は劣るものの、高サンプルデータレートでも安
定した有効データ率が得られた。

【００４６】比較例３従来の代表的なシーディング粒子である、図３、４に示
す湿性法ホワイトカーボン（平均一次粒子径０．２μ
ｍ、平均凝集粒子径（実効粒子径）６μｍ、日本シリカ
工業株式会社製、ＮＩＰＳＩＬＳＳ−５０Ｆ）を用い
て、参考例１と同様の実験を行なった。その結果を表３
に記載する。

【００４７】

【表３】

【００４８】表３から明らかなように、平均有効データ
率は、実施例３、４に比べ全体的に低く、特に高いサン
プルデータレートでは極端に低い結果となった。

【００４９】前記ホワイトカーボンを使用する代わりと
して、図３〜図１４に示すような従来のシーディング粒
子を使用しても、上記と同様の結果が得られることが容
易に予測できる。

【００５０】実施例５球状のシーディング粒子を使用した場合の計測精度と、
中空球状のシーディング粒子を使用した場合の計測精度
とを、レーザー計測装置におけるガス流体の速度を変え
て（低速時および高速時）調べるために、７０％の粒子
の粒子径が平均粒子径２．５±０．７μｍの範囲にある
球状粒子（図１、２参照）を用いて実施例３と同様の実
験を行なった。結果を表４に示す。

【００５１】

【表４】

【００５２】表４から明らかなように、双方とも、低速
時および高速時において、高い計測精度が得られたが、
特に高速時には、球状のシーディング粒子よりも中空球
状のシーディング粒子の方が計測精度が高かった。

【００５３】実施例６および比較例４従来から用いられている平均粒子径５μｍ、粒子比重６
ｇ／ｃｍ^３のＴｉＯ_２製流体可視化用シーディング粒子
（比較例４に相当）と、前記シーディング粒子とほぼ同
一の平均流体追随挙動を持つ平均粒子径３０μｍ、粒子
比重約１ｇ／ｃｍ^３のＳｉＯ_２製多孔質球状粒子（実施
例６に相当、７２％が粒子径±５０％の範囲に入ってい
る。）を用い、写真撮影法により流体の可視化実験を行
なった。その結果、多孔質球状粒子における粒子１個当
たりの平均反射光量は、従来の粒子のそれの約２０倍で
あった。

【００５４】また、層流領域における粒子の流れの広が
り幅にあっては、多孔質球状粒子は従来の粒子の約０．
８〜０．５倍であった。

【００５５】平均流体追随挙動がほぼ同一である場合に
おいて、平均反射光量すなわち信号量がより大きく、層
流領域における粒子の流れの広がり幅がより狭ければ、
当然のことながらガスの流れの計測精度が高いことが容
易に推測される。

【００５６】また、比較例４で使用したシーディング粒
子の代わりとして、図３〜図１４に示すような従来のシ
ーディング粒子を使用しても、上記と同様の結果が得ら
れることが容易に予測できる。

【００５７】実施例７および比較例５さらに、上記平均粒子径３０μｍのＳｉＯ_２製多孔質球
状粒子を用いる代わりに、平均粒子径１００μｍのＳｉ
Ｏ_２製多孔質球状粒子（実施例７に相当、７２％が粒子
径±５０％の範囲に入っている。）を用い、またこれと
ほぼ同一の流体追随挙動を持つＴｉＯ_２製流体可視化用
シーディング粒子（比較例５に相当）を用いて、上記と
同じ可視化実験を行なった。

【００５８】平均粒子径１００μｍのＳｉＯ_２製多孔質
球状粒子の方が、平均反射光量、及び層流領域における
粒子の流れの広がり幅、の双方に優位な結果が得られ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例５で使用した粒子の電子顕微鏡写真であ
る（倍率２，０００倍）。

【図２】実施例５で使用した粒子の電子顕微鏡写真であ
る（倍率１０，０００倍）。

【図３】比較例３で使用した粒子の電子顕微鏡写真であ
る（倍率１０，０００倍）。

【図４】比較例３で使用した粒子の電子顕微鏡写真であ
る（倍率５０，０００倍）。

【図５】従来より使用されていた粒子（ＴｉＯ_２）の電
子顕微鏡写真である（倍率１０，０００倍）。

【図６】従来より使用されていた粒子（ＴｉＯ_２）の電
子顕微鏡写真である（倍率５０，０００倍）。

【図７】従来より使用されていた粒子（タルク）の電子
顕微鏡写真である（倍率１，０００倍）。

【図８】従来より使用されていた粒子（タルク）の電子
顕微鏡写真である（倍率１０，０００倍）。

【図９】従来より使用されていた粒子（ＴｉＯ_２＋タル
ク）の電子顕微鏡写真である（倍率１０，０００倍）。

【図１０】従来より使用されていた粒子（ＴｉＯ_２＋タ
ルク）の電子顕微鏡写真である（倍率５０，０００
倍）。

【図１１】従来より使用されていた粒子（関東ロームか
ら採取したもの）の電子顕微鏡写真である（倍率１０，
０００倍）。

【図１２】従来より使用されていた粒子（関東ロームか
ら採取したもの）の電子顕微鏡写真である（倍率５０，
０００倍）。

【図１３】従来より使用されていた粒子（白色溶融アル
ミナ）の電子顕微鏡写真である（倍率２，０００倍）。

【図１４】従来より使用されていた粒子（白色溶融アル
ミナ）の電子顕微鏡写真である（倍率１０，０００
倍）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池田裕二兵庫県神戸市灘区水車新田字宮坂111−１ −205

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シーディング粒子としてセラミックスの多
孔質粒子を用いた光計測装置によるガスの流れの計測方
法において、前記シーディング粒子が、直径０．５〜１５０μｍの球
状粒子であることを特徴とするガスの流れの計測方法。
【請求項２】レーザードップラー流速計などのレーザー
計測装置を用いて、ガス流速を計測する方法において、前記シーディング粒子が、直径０．５〜１０μｍの球状
粒子であることを特徴とする請求項１に記載のガスの流
れの計測方法。
【請求項３】フラッシュランプやパルスレーザー等の瞬
間的かつ強力な光源を用いて、シーディング粒子の分布
を写真撮影することにより、ガスの流れを計測するガス
の流れの計測方法において、前記シーディング粒子が、直径５〜１５０μｍの球状粒
子であることを特徴とする請求項１に記載のガスの流れ
の計測方法。
【請求項４】前記シーディング粒子が中空球状粒子であ
ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載
のガスの流れの計測方法。
【請求項５】前記シーディング粒子がＳｉＯ_２よりなる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の
ガスの流れの計測方法。
【請求項６】７０％以上のシーディング粒子の粒子径
が、平均粒子径±５０％の範囲内であることを特徴とす
る請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスの流れの計
測方法。
【請求項７】前記シーディング粒子が逆ミセル法により
製造されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１
項に記載のガスの流れの計測方法。
【請求項８】シーディング粒子原料を含有する水溶液を
孔径のほぼ均一な多孔質ガラス膜あるいは孔径のほぼ均
一な細孔を有する高分子膜から有機溶媒に押出して逆ミ
セルを形成することにより、前記シーディング粒子が製
造されたことを特徴とする請求項７に記載のガスの流れ
の計測方法。
【請求項９】メジャーリングホイール式粉体フィーダー
により、前記シーディング粒子をレーザー計測装置など
の光計測装置に供給することを特徴とする請求項１〜８
のいずれか１項に記載のガスの流れの計測方法。