JP5590875B2 - 流量測定装置及び流速測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流量を計測する流量測定装置及び流体の流速を計測する流速測定装置に関する。

流路内を流れるガスの流量測定方法としては、種々の方法が提案されている。例えば、特許文献１には、管内にオリフィス板を配置し、オリフィス板前後の管内差圧により管内を流れる流体流量を計測する差圧流量計が記載されている。

また、特許文献２には、流体の流動方向にある角度をもって超音波の送信素子と受信素子を相対して設置し、その超音波伝搬時間から流体の流量を計測する装置において、異なる第１の周波数と第２の周波数からなる周波数成分を有する正弦波信号の超音波を発振する手段と、流体中を伝搬した超音波の第１，第２の周波数成分の位相差を求める手段と、求めた位相差から超音波の伝搬時間を演算する手段を備え、超音波の伝搬時間から流体の流速を算出することで流量を求める流量測定装置が記載されている。

特開平０６−１７４５１０号公報 特開２００９−２２２５３４号公報

特許文献１に記載されている差圧により流量を計測する装置では、配管の内部にオリフィスを設ける必要があるため、前後に一定の直管部分を確保する必要があるなど、使用対象に制約が生じる。また、特許文献２に記載されている超音波を用いる流量測定装置では、超音波の発信源と検出器を配管に直接取り付ける。そのため、例えば、配管に流れるガスが高温である場合は、使用することができない。または、高温でも使用可能な機構を用いる必要がある。また特許文献１及び特許文献２のいずれの方式も計測に一定の時間が必要となり、応答性の向上に限界があるという問題がる。また、配管の径と流量との関係に基づいて流速も計測することができるが、同様の問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高い応答性で計測が可能であり、かつ、厳しい環境でも流量の計測が可能な流量測定装置及び流速測定装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、両端が開放され、それぞれ流体を流す流路と連結可能な主管、前記主管に連結し、前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された入射管、前記主管に連結し、前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された出射管、前記入射管と連結された第１パージ流体供給管とで構成された計測セルと、前記計測セルの前記第１パージ流体供給管にパージ流体を供給するパージ流体供給部と、前記入射管にレーザ光を入射させる発光部と、前記入射管から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射管から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、前記受光部から出力される受光信号に基づいて、前記計測セルを流れる流体の流量を算出する算出部と、各部の動作を制御する制御部と、を有すること特徴とする。

これにより、高い応答性で計測が可能であり、かつ、厳しい環境でも流量の計測が可能となる。

また、前記算出部は、前記受光部で受光した受光信号を１つの周波数で復調し、復調した信号の変動の大きさに基づいて、前記流体の流量を算出することが好ましい。１つの周波数で復調した信号の変動を用いることで、簡単な構成で流量を計測することができる。

また、前記算出部は、前記受光部で受光した受光信号を異なる２つの周波数でそれぞれ復調し、復調した２つの周波数における信号の変動の大きさに基づいて、前記流体の流量を算出することが好ましい。これにより、より高い精度で流量を計測することができる。

また、前記算出部は、前記受光部で受光した受光信号を複数の異なる周波数でそれぞれ復調し、復調した複数の周波数における信号の変動の大きさに基づいて、前記流体の流量を算出することが好ましい。これにより、より高い精度で流量を計測することができる。

また、前記算出部は、予め算出した変動と流量との関係を記憶しており、前記関係と、前記変動の大きさとに基づいて前記流体の流量を算出することが好ましい。これにより、より簡単に流量を計測することができる。

また、前記算出部は、前記入射管に流れるパージ流体の流量毎に、前記変動と前記流体の流量との関係を記憶しており、前記入射管に流れるパージ流体の流量と前記変動に基づいて前記流体の流量を算出することが好ましい。これにより、より高い精度で流量を計測することができる。

また、前記制御部は、前記算出部で算出した前記流体の流量を含む領域で変動の変化量の大きくなる前記パージ流体の流量を算出し、算出結果に基づいて、前記パージ流体供給部から前記第１パージ流体供給管に供給するパージ流体の流量を調整することが好ましい。これにより、より高い精度で流量を計測することができる。

また、前記算出部は、さらに、前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記計測セルを流れる排流体の測定対象の物質の濃度も算出することが好ましい。これにより、流れている流体について、より多くの情報を取得することができる。

また、前記受光部は、隣接して配置された複数の受光素子を有し、各受光素子で受光した光量を受光信号として出力し、前記算出部は、各受光素子から送られた受光信号の強度の比較に基づいて、前記流体の流量を算出することが好ましい。この方法でも、高い精度で流量を計測することができる。

また、前記算出部は、各受光素子から送られた受光信号の強度の比較に基づいて、前記レーザ光の到達位置を算出し、前記到達位置と基準位置とのずれに基づいて、前記流体の流量を算出することが好ましい。これにより、レーザ光の変位を検出することができ、流量を計測することができる。

また、前記算出部は、各受光素子から送られた受光信号の強度の総量と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記計測セルを流れる排流体の測定対象の物質の濃度も算出することが好ましい。これにより、流れている流体について、より多くの情報を取得することができる。

また、前記計測セルは、前記主管の、前記流体の流れ方向において前記入射管の上流側、かつ、前記入射管の近傍に、前記入射管近傍の空気の流れを乱流にする乱流発生部を有することが好ましい。これにより、流量の変化に対する受光信号の変化をより大きくすることができ、より高い精度で流量を計測することができる。

さらに、前記出射管と連結された第２パージ流体供給管を有し、前記パージ流体供給部は、第２パージ流体供給管にもパージ流体を供給することが好ましい。これにより、出射管にある窓部が汚れる可能性を低減できる。

前記算出部は、さらに、前記受光部から出力される受光信号に基づいて、前記計測セルの前記主管を流れる流体の流速を計測することが好ましい。これにより、計測セルを流れる流体の情報をより多く取得することができる。

また、前記流体は、気体であることが好ましい。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、一方の端部が測定領域と向かい合う開口であり、反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された入射管、一方の端部が前記入射管と対向し、かつ、前記測定領域と向かい合う開口であり、反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された出射管、前記入射管と連結された第１パージ流体供給管とで構成された計測セルと、前記計測セルの前記第１パージ流体供給管にパージ流体を供給するパージ流体供給部と、前記入射管にレーザ光を入射させる発光部と、前記入射管から入射され、前記測定領域を通過し、前記出射管から出射されたレーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、前記受光部から出力される受光信号に基づいて、前記測定領域を流れる流体の流速を算出する算出部と、各部の動作を制御する制御部と、を有すること特徴とする。

これにより、高い応答性で計測が可能であり、かつ、厳しい環境でも流速の計測が可能となる。

また、前記計測セルは、前記入射管の一方の端部及び前記出射管の一方の端部とそれぞれ連結され、測定対象の流体が流れる主管を有し、前記測定領域は、前記主管の一部であることが好ましい。これにより、測定対象の流れを拘束することができより高い精度で計測することができる。

また、前記流体は、気体であることが好ましい。

本発明にかかる流量測定装置は、高い応答性で計測が可能であり、かつ、厳しい環境でも流量の計測が可能となるという効果を奏する。

図１は、本発明の流量測定装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す流量測定装置の計測セルの一部を拡大して示す拡大模式図である。 図３は、レーザ光の経路を説明するための説明図である。 図４は、周波数とノイズとの関係を示すグラフである。 図５は、排ガス流量とノイズとの関係を示すグラフである。 図６は、排ガス流量とノイズとの関係を示すグラフである。 図７は、周波数とノイズとの関係を示すグラフである。 図８−１は、流量測定装置の他の実施形態の一部の概略構成を示す模式図である。 図８−２は、図８−１の部分拡大図である。 図９−１は、流量測定装置の他の実施形態の受光部の概略構成を示す模式図である。 図９−２は、図９−１に示す流量測定装置の動作を説明するための説明図である。 図９−３は、図９−１に示す流量測定装置の動作を説明するための説明図である。 図１０は、受光部の他の一例の概略構成を示す模式図である。 図１１は、本発明の流速測定装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。 図１２−１は、図１１に示す流速測定装置の計測セルの一部を拡大して示す拡大模式図である。 図１２−２は、図１１に示す流速測定装置の計測セルを排ガス流れ方向に平行な方向から見た模式図である。

以下に、本発明にかかる流量測定装置及び流速測定装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、流量測定装置は、流路を流れる種々の気体（ガス）、液体等の流体の流量、流速を計測することができる。例えば、排ガス浄化装置をディーゼルエンジンに取付、ディーゼルエンジンから排出される排ガス流量を計測してもよい。なお、排ガスを排出する機関、つまり測定対象のガスを排出（供給）する装置は、これに限定されず、ガソリンエンジンや、ガスタービン等種々の内燃機関に用いることができる。また、内燃機関を有する装置としては、車両、船舶、発電機等種々の装置が例示される。さらに、ゴミ焼却炉、ボイラ等の燃焼機器及び高温かつ流量、流速変動がある流量、流速計測対象から排出される排ガスの流量、流速を計測することもできる。なお、以下の実施形態では、配管を流れる排ガスの流量を計測する場合として説明する。また、後ほど説明するが、以下の実施形態で説明する流量測定装置の装置構成で、配管を流れる流速も計測することができる。

図１は、本発明の流量測定装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。また、図２は、図１に示す流量測定装置の計測セルの一部を拡大して示す拡大模式図である。図１に示すように流量測定装置１０は、計測セル１２と、計測手段１４と、パージガス供給手段１６とを有する。ここで、流量測定装置１０は、排ガスＡが流れる配管６と配管８との間に設けられている。また、排ガスＡは、配管６の上流側から供給され、配管６、流量測定装置１０、配管８を通過し、配管８よりも下流に排出される。なお、配管６の上流側には、排ガスの発生装置（供給装置）が配置されている。

計測セル１２は、基本的に主管２０と、入射管２２と、出射管２４とを有する。また、入射管２２には、窓２６と、パージガス供給管３０とが設けられており、出射管２４は、窓２８と、パージガス供給管３２が設けられている。主管２０は、筒状の管状部材であり、一方の端部が配管６と連結され、他方の端部が配管８と連結されている。つまり、主管２０は、排ガスＡが流れる流路の一部となる位置に配置されている。これにより、排ガスＡは、配管６、主管２０、配管８の順に流れる。また、配管６を流れる排ガスは、基本的に全て主管２０を流れる。

入射管２２は、管状部材であり、一方の端部が主管２０に連結されている。また、主管２０は、入射管２２との連結部が、入射管２２の開口（端部の開口）と略同一形状の開口となっている。つまり、入射管２２は、主管２０と、空気の流通が可能な状態で連結されている。また、入射管２２の他方の端部には、窓２６が設けられており、窓２６により封止されている。なお、窓２６は、光を透過する部材、例えば、透明なガラス、樹脂等で構成されている。これにより、入射管２２は、窓２６が設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。

入射管２２は、図１及び図２に示すように、窓２６側の端部の開口（つまり、窓２６により塞がれている開口）の面積と、主管２０側の端部（つまり、主管２０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。なお、入射管２２の形状は円筒形状に限定されず、空気及び光を通過させる筒型の形状であればよく、種々の形状とすることができる。例えば、断面が四角、多角形、楕円、非対称曲面となる形状としてもよい。また筒形状の断面の形状、径が位置によって変化する形状でもよい。なお、入射管２２は、後述するパージガスが安定して流れる形状とすることが好ましい。

また、入射管２２には、さらにパージガス供給管３０が連結されている。パージガス供給管３０は、図２に示すように、窓２６が封止されている端部と主管２０と連結されている端部との間に配置されている。パージガス供給管３０は、パージガス供給手段１６から供給されたパージガスを入射管２２に案内する。また、パージガス供給管３０は、パージガスの噴出し口となる部分が窓２６側に向けて傾斜している。

出射管２４は、入射管２２と略同一形状の管状部材であり、一方の端部が主管２０に連結され、出射管２４の他方の端部には、窓２８が設けられている。出射管２４も、主管２０と空気が流通可能な状態で、窓２８が設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。また、出射管２４は、中心軸が入射管２２の中心軸と略同一となる位置に配置されている。つまり、入射管２２と出射管２４とは、主管２０の対向する位置に配置されている。

また、出射管２４も、窓２８側の端部の開口（つまり、窓２８により塞がれている開口）の面積と、主管２０側の端部（つまり、主管２０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。なお、出射管２４も形状は円筒形状に限定されず、空気及び光を通過させる筒型の形状であればよく、種々の形状とすることができる。例えば、断面が四角、多角形、楕円、非対称曲面となる形状としてもよい。また筒形状の断面の形状、径が位置によって変化する形状でもよい。なお、出射管２４も、後述するパージガスが安定して流れる形状とすることが好ましい。

また、出射管２４の、窓２８が封止されている端部と主管２０と連結されている端部との間には、パージガス供給管３２が連結されている。パージガス供給管３２は、パージガス供給手段１６から供給されたパージガスを出射管２４に案内する。また、パージガス供給管３２も吹出し口が窓２８側を向いた形状である。

次に、計測手段１４は、発光部４０と、光ファイバ４２と、受光部４４と、光源ドライバ４６と、算出部４８と、制御部５０とを有する。

発光部４０は、所定波長のレーザ光を発光させる発光素子である。光ファイバ４２は、発光部４０から出力されたレーザ光を案内し、窓２６から計測セル１２内に入射させる。

受光部４４は、計測セル１２の主管２０の内部を通過し、出射管２４の窓２８から出力されたレーザ光を受光する受光部である。なお、受光部４４は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の光検出器を備え、光検出器によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。受光部４４は、受光したレーザ光の強度（光量）を受光信号として、算出部４８に送る。

光源ドライバ４６は、発光部４０の駆動を制御する機能を有し、発光部４０に供給する電流、電圧を調整することで、発光部４０から出力されるレーザ光の波長、強度を調整する。また、光源ドライバ４６は、制御部５０により制御される。

算出部４８は、受光部４４で受光したレーザ光の強度の信号（受光信号）に基づいて、計測セル２０を流れる排ガスの流量を算出する。なお、算出方法については、後述する。

制御部５０は、各部の動作を制御する制御機能を有し、必要に応じて、各部の動作を制御する。なお、制御部５０は、計測手段１４の制御のみならず、流量測定装置１０の全体の動作を制御する。つまり、制御部５０は、流量測定装置１０の動作を制御する制御部である。

パージガス供給手段１６は、配管５１と、ポンプ５２と、ドライヤ５４と、流量計５６と、を有し、計測セル１２のパージガス供給管３０、３２に所定流量の空気を供給する。なお、本実施形態では、空気を供給しているが、ボンベ等を使用してパージガスとして窒素などを供給する構成としてもよい。

配管５１は、パージガス供給管３０、３２と連結している。また、配管５１には、パージガス供給管３０、３２から最も遠い側（空気の流れの上流）から順に、ポンプ５２、ドライヤ５４、流量計５６が配置されている。ポンプ５２は、配管５１に空気を供給することで、パージガス供給管３０、３２に空気を供給する。また、ポンプ５２は、制御部５０により動作が制御される。

ドライヤ５４は、配管５１を流れる空気を乾燥させる乾燥機構である。ドライヤ５４として、空気中に含まれる水分を低減することができればよく、種々の吸湿機構、吸湿材料を用いることができる。

流量計５６は、配管５１を流れる空気の量、つまり、流量を計測する。流量計５６は、計測した流量の情報を制御部５０に送る。なお、配管５１には、基本的にポンプ５２から送られる空気が通過するため、流量が安定している。このため、通常用いる種々の流量計を使用することができる。

パージガス供給手段１６は、制御部５０が、流量計５６での計測結果に基づいてパージガスの流量を制御することで、配管５１を流れる空気の量を制御することができ、パージガス供給管３０から入射管２２に供給する空気の量、流速、パージガス供給管３２から出射管２４に供給する空気の量を所定の量とすることができる。また、ドライヤ５４で空気を乾燥させることで、流量計５６に水分が付着する可能性を低減することができる。流量測定装置１０は、以上のような構成である。

次に、流量測定装置１０による流量の計測方法について説明する。まず、流量測定装置１０の計測手段１４は、発光部４０からレーザ光を出射させると、出射されたレーザ光Ｌは、光ファイバ４２、窓２６、入射管２２、主管２０、出射管２４、窓２８の順に通過し、受光部４４に入射する。このとき、流量測定装置１０は、パージガス供給手段１６により、パージガス供給管３０から入射管２２にパージガスＧを供給し、パージガス供給管３２から出射管２４にもパージガスＧを供給する。これにより、入射管２２と出射管２４内に排ガスが進入することを抑制し、排ガスに含まれる微粒子等が、窓２６、２８に付着することを抑制することができる。

ここで、パージガス供給手段１６により供給されるパージガスＧと、主管２０を流れる排ガスＡとは、異なる性質の空気、具体的には、ガスの温度が異なる。このため、図２に示すように、パージガス供給手段１６から供給され入射管２２を通り主管２０に到達するパージガスＧと、主管２０を流れる排ガスＡとが混合される領域に温度境界層８０が形成されることを、本発明者らは知見した。また、温度境界層８０を境界としてパージガスＧと排ガスＡとの温度が異なることで、屈折率が異なる値となる。

このため、図３に示すように、レーザ光Ｌは、温度境界層８０を通過することで、屈折する。ここで、図３は、レーザ光の経路を説明するための説明図である。例えば、図３に示すように、温度境界層８０がレーザ光Ｌの進行方向に対して、θ１傾斜していると仮定できる場合、温度境界層８０を通過することにより、温度境界層８０とのなす角がθ２のレーザ光Ｌとなる。これにより、θ１とθ２との差分だけ、光の進行方向が変化し、到達位置が変化する。

ここで、この温度境界層８０は、不安定である。そのため、温度境界層８０とみなすことができる層の角度は時間よって変化し、レーザ光Ｌの到達位置も、時間によって変化する。このように到達位置が変化すると、受光部がレーザ光を受光する位置が変化する。つまり計測している条件が変化する。このレーザ光Ｌの到達位置の変化は、受光部４４の受信信号を復調した結果にノイズ（信号の変動）として現れる。なお、この信号の変動は、他の物性値を計測する場合はノイズとなるが、本発明では、この信号の変動が流量を求めるための測定対象の値となる。なお、本実施形態の説明では、便宜上、信号の変動をノイズという。

ここで、本発明者らは、このノイズについて鋭意検討した結果、ノイズと主管２０を流れる流量との間に相関関係があることを見出した。流量測定装置１０は、その関係に基づいて流量を算出する。以下、詳細に説明する。

まず、排ガス流量を種々の値に変化させ、それぞれの排ガス流量の場合について、受光信号を種々の周波数で復調し、復調した周波数と復調した結果のノイズとの関係を計測した。また、本計測では、排ガスの流量を０（つまり排ガスを流さない場合）とした場合、６１ｍ^３／ｈとした場合、１１６ｍ^３／ｈとした場合、１６０ｍ^３／ｈとした場合、１９９ｍ^３／ｈとした場合、２５８ｍ^３／ｈとした場合について復調した周波数とノイズとの関係を計測した。なお、これらの計測は、排ガスの流量を変化させた点以外は、同一の条件で計測を行った。計測した結果を、図４に示す。図４は、周波数とノイズとの関係を示すグラフである。図４は、縦軸をノイズ（ｄＢ）とし、横軸を周波数（ｋＨｚ）とした。なお、周波数とは、受光部で検出した受光信号を復調した周波数である。図４に示すように、発生するノイズの大きさは、排ガスの流量によって変化することがわかる。また、基本的に、排ガスの流量が大きくなれば、ノイズも大きくなることがわかる。

次に、この計測結果に基づいて、復調周波数２００ｋＨｚの場合のノイズと排ガス流量との関係を算出した。算出結果を図５に示す。ここで、図５は、排ガス流量とノイズとの関係を示すグラフである。また、図５は、縦軸をノイズ（σ（Ａ）／Ｉ（×１０^−６／ｍ））とし、横軸を排ガス流量（Ｎｍ^３／ｈ）とした。図５に示すように、復調周波数２００ｋＨｚでは、排ガス流量に応じて、ノイズの大きさが変化する。

流量測定装置１０は、上記関係を用いて、ノイズの大きさから流量を算出する。具体的には、予め実験、計測により、図５に示すようなノイズの大きさと排ガス流量との関係を算出し、算出部４８に記憶させておく。算出部４８は、受光部４４から送られてくる受光信号を周波数２００ｋＨｚで復調し、復調した結果（信号）のノイズの大きさを検出する。その後検出したノイズの大きさと、記憶しているノイズの大きさと排ガス流量との関係とに基づいて、排ガス流量を算出する。

このように、流量測定装置１０は、発光部から発光されたレーザ光を受光した受光部の受光信号の復調の際に発生するノイズから配管の流量を算出することができる。また、測定にレーザ光を用いているため、短時間で測定することができる。具体的には、光を用いていることで、発光から受光までの時間を音波等よりも短くすることができる。また、ノイズを算出するために必要な測定時間、算出時間も短くすることができる。これにより、応答性を高くすることができる。また、連続的に流量を算出することもできる。

さらに、光は、光ファイバ等で案内することができるため、発光部、受光部を直接配管に設ける必要がない。そのため、電子部品（回路等）を厳しい条件におく必要がなくなり、種々の環境下で使用することができる。例えば高温になる配管を流れる排ガスの流量も計測することができる。

なお、上記実施形態では、一例として、受光信号を２００ｋＨｚで復調したが、本発明はこれに限定されず、復調する周波数には、任意の周波数を用いることができる。また、算出部が、受光信号を復調する方法としては、種々の構成を用いることができる。例えば、特定の周波数成分のみを通過させるバンドパスフィルタを用いて、対象となる周波数成分を抽出することで、受信信号を所定の周波数成分で復調することができる。なお、バンドパスフィルタを用いた場合は、装置構成を簡単にすることができ、装置を安価にすることができる。また流量算出のために行う演算を少なくすることができる。また、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform、高速フーリエ変換）演算装置や、スペクトラムアナライザ（Spectrum analyzer）を用いることでも復号することができる。なお、ＦＦＴ演算装置や、スペクトラムアナライザを用いた場合は、受信信号を一定周波数領域に渡って復調することができる。

ここで、上記実施形態では、１つの周波数（２００ｋＨｚ）で復調した受光信号（つまり、受光信号の復調した結果の１つの周波数成分）のノイズに基づいて、流量を算出したが、本発明はこれに限定されない。流量算出装置は、異なる２つの周波数で復調した受光信号（つまり、受光信号の復調した結果の２つの周波数成分）のノイズに基づいて、流量を算出してもよい。以下、図６を用いて説明する。なお、図６に示す例では、２００ｋＨｚで受光信号を復調した際のノイズと、排ガス流量との関係と、２０ｋＨｚで受光信号を復調した際のノイズと排ガス流量との関係を用いる。ここで、図６は、排ガス流量とノイズとの関係を示すグラフである。また、図６は、縦軸を２００ｋＨｚで復号した場合、２０ｋＨｚで復号した場合のノイズ（σ（Ａ）／Ｉ（×１０^−６／ｍ））とし、横軸を排ガス流量（Ｎｍ^３／ｈ）とした。なお、図６に示すノイズと排ガスの流量との関係も図４に示す計測結果に基づいて算出することができる。

流量測定装置１０は、予め実験、計測により、図６に示すようなノイズの大きさと排ガス流量との関係を算出し、算出部４８に記憶させておく。算出部４８は、受光部４４から送られてくる受光信号を周波数２００ｋＨｚと周波数２０ｋＨｚで復調し、それぞれの周波数について、復調した結果（信号）のノイズの大きさを検出する。その後検出した２つのノイズの大きさと、記憶しているノイズの大きさと排ガス流量との関係とに基づいて、排ガス流量を算出する。このように、２つの周波数成分を用いても、排ガス流量を計測することができる。

また、図６に示すように、ノイズの大きさが大きく変化する流量は、復調する周波数によって異なる。具体的には、周波数２００ｋＨｚで復調した場合は、排ガス流量が、流量４０Ｎｍ^３／ｈ以下では、ノイズの大きさの大きさが変化しないが、流量５０Ｎｍ^３／ｈから９０Ｎｍ^３／ｈの範囲では、ノイズが大きく変化する。また、周波数２０ｋＨｚで復調した場合は、排ガス流量が、流量６０Ｎｍ^３／ｈ以下では、ノイズの大きさが大きく変化するが、流量６０Ｎｍ^３／ｈから１００Ｎｍ^３／ｈの範囲では、ノイズの大きさがほとんど変化しない。このように、周波数によって、検出しやすい流量の範囲が異なる。これにより複数の周波数で復調させ、その検出結果を用いて流量を算出することでより高い精度で流量を算出することができる。なお、流量測定装置１０は、排ガス流量に応じて、算出結果を算出する復調周波数を切り替えるようにしてもよい。

例えば、２００ｋＨｚでのノイズから算出した排ガス流量と、２０ｋＨｚでのノイズから算出した排ガス流量とで、算出した流量が異なる場合は、流量の大きさに応じて、優先度を判定して、優先順位の高い計測結果を、排ガス流量とする。具体的には、算出結果の流量が６０Ｎｍ^３／ｈ以下のときは、２０ｋＨｚで復調した結果のノイズから算出された流量を用い、算出結果の流量が６０Ｎｍ^３／ｈより大きいときは、２００ｋＨｚで復調した結果のノイズから算出された流量を用いる。なお、２つの算出結果の相関関係を用いて算出してもよい。また、平均値を算出値としてもよい。

また、受光信号を２つの周波数で復調させる場合は、例えばバンドパスフィルタを２つ設ければよい。

また、復調する周波数は、２つにも限定されず、その数は限定されない。また、周波数で復調した結果を２つ以上用いる場合は、計測結果の相関関係に基づいて、排ガスの流量を算出すればよい。つまり、予め、各周波数で復調した場合について、ノイズと流量との関係を算出しておき、複数の算出結果を相対的に比較することで、排ガス流量を算出する。このように、復調する周波数を多くすることで、より高い精度で排ガス流量を算出することができる。なお、このように複数の周波数で復号する場合は、復号する周波数毎にバンドパスフィルタを設けてもよいが、上述したＦＦＴ変換装置や、スペクトラムアナライザにより受光波長を一定波長域において解析することで、復調してもよい。なお、復調する周波数を切り替え（調整）できる場合は、排ガスの流量が少ない（低流量）時には、パージ流量を多くし、排ガスの流量が多い（高流量）ときには、パージ流量を少なくすることが好ましい。これにより、計測感度を高くすることができる。なお、判定するための流量は、直前の流量を用いてもよいし、概算で算出した流量を用いてもよい。

ここで、流量測定装置１０は、さらに、入射管２２を流れるパージガスの流量にも基づいて、排ガス流量を算出することが好ましい。具体的には、上述したノイズの大きさと排ガス流量との関係をパージガスの流量毎に計測し、計測した関係を記憶しておき、入射管２２を流れるパージガスの流量を計測し、計測結果に基づいて、使用するノイズの大きさと排ガス流量との関係を選択するようにすることが好ましい。

以下、図７を用いて説明する。ここで、図７は、周波数とノイズとの関係を示すグラフである。図７は、縦軸をノイズ（ｄＢ）とし、横軸を周波数（ｋＨｚ）とした。なお、周波数は、受光部で検出した受光信号を復調した周波数である。図７には、パージ流量を１ｌ／ｍｉｎ、５ｌ／ｍｉｎ、１０ｌ／ｍｉｎとした場合について、周波数とノイズとの関係を計測した結果を示している。なお、測定は、パージ流量以外は、同じ条件で行った。図７に示すように、パージ流量が変化すると、周波数とノイズとの関係も変化する。つまり、同一周波数で復調しても、パージ流量が変化するとノイズの大きさが変化する。

これに対して、入射管２２を流れるパージガスの流量にも基づいて、排ガス流量を算出することで、高い精度で排ガスの流量を計測することが可能となる。つまり、パージ流量の変化により、排ガス流量の計測結果に誤差が生じることを抑制することができる。なお、パージ流量が変化しない構成の場合は、パージガスの流量に応じて、使用するノイズの大きさと排ガス流量との関係を切り替えなくとも高い精度で計測を行うことが可能となる。

また、上述では、パージ流量に応じて、使用するノイズの大きさと排ガス流量との関係を選択するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、検出されるノイズが、所定の範囲となるように、パージ流量を調整するようにしても良い。つまり、ノイズが計測を行いやすい範囲となるように積極的にパージ流量を調整するようにしてもよい。例えば、排ガスの流量が少ない（低流量）である場合には、パージ流量を多くすることで計測感度を高くすることができる。また、排ガスの流量が多い（高流量）である場合には、パージ流量を少なくすることで計測感度を高くすることができる。

ここで、流量測定装置は、温度境界層の周辺に乱流を発生させる乱流発生機構を設けることが好ましい。以下、図８−１および図８−２を用いて説明する。図８−１は、流量測定装置の他の実施形態の一部の概略構成を示す模式図であり、図８−２は、図８−１の部分拡大図である。

図８−１に示す計測セル９０は、乱流発生部となる突起部９２を有する。突起部９２は、主管２０の、排ガス流れ方向において入射管２２よりも上流側で、かつ、入射管２２の近傍、つまり、主管２０と入射管２２との接続部の近傍に配置されている。突起部９２は、排ガス流れの上流側に凸であり、図８−２に示すように、突起部９２よりも下流側に乱流を発生させる。

このように乱流発生部となる突起部９２を設けることで、レーザ光の通過経路に乱流（カルマン渦等）を発生させることができ、温度境界層より乱れるため、ノイズをより大きくすることができる。このように、ノイズを大きくできることで、計測しやすくできる。これにより、計測感度をより高くすることができる。このように、ノイズを計測しやすくできることで、流量も算出しやすくすることができる。また、検出値となるノイズが大きくなることで、より高い感度で計測を行うことができる。つまり、乱流発生部を設けることで、排ガスの流量の変化に対するノイズの大きさ（受光信号の特性）の変化をより大きくすることができる、これにより、より高い精度で流量を計測することができる。

ここで、流量測定装置１０は、排ガスの流量に加え、排ガスに含まれる特定の物質の濃度も測定するようにしてもよい。なお、流量測定装置１０は、基本的に新たな装置を設けることなく、検出値に基づいて算出部で計算を行うことで濃度を計測することができる。

まず、濃度を計測する場合は、発光部４０を、測定対象の物質が吸収する近赤外波長域のレーザ光を発光させる発光素子とする。例えば、計測対象が一酸化窒素の場合、発光部４０は、一酸化窒素を吸収する近赤外波長域のレーザ光を発光させる発光素子を有する。また、計測対象が二酸化窒素の場合、発光部４０は、二酸化窒素を吸収する近赤外波長域のレーザ光を発光させる発光素子を有する。また、計測対象が亜酸化窒素の場合、発光部４０は、亜酸化窒素を吸収する近赤外波長域のレーザ光を発光させる発光素子を有する。なお、測定対象が複数の物質である場合、発光部４０は、夫々の物質が吸収する波長域の光を出射する発光素子を複数備えるようにしてもよい。また光源ドライバ４６、制御部５０は、算出部４８に、発光部４０から出力しているレーザ光の強度の情報を出力する。

算出部４８は、受光部４４から送られた信号（受光信号）と、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件とに基づいて、計測対象の物質の濃度を算出する。具体的には、算出部４８は、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件に基づいて、発光部４０から出力されるレーザ光の強度を算出し、受光部から送られた受信信号に基づいて、受光したレーザ光の強度を算出する。算出部４８は、この発光したレーザ光の強度と受光したレーザ光の強度と比較し、排ガスＡに含まれる測定対象の物質の濃度を算出する。

具体的には、発光部４０から出力された近赤外の波長域のレーザ光Ｌは、光ファイバ４２から計測セル１２の所定経路、具体的には、窓２６、入射管２２、主管２０、出射管２４、窓２８を通過した後、受光部４４に到達する。このとき、計測セル１２内の排ガスＡ中に測定対象の物質が含まれていると、計測セル１２を通過するレーザ光が吸収される。そのため、レーザ光Ｌは、排ガスＡ中の測定対象の物質の濃度によって、受光部４４に到達するレーザ光の出力が変化する。受光部４４は、受光したレーザ光を受光信号に変換し、算出部４８に出力する。また、制御部５０及び光源ドライバ４６は、発光部４０から出力したレーザ光Ｌの強度を算出部４８に出力する。算出部４８は、発光部４０から出力した光の強度と、受光信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から計測セル１２内を流れる排ガスＡの測定対象物の濃度を算出する。このように計測手段１４は、いわゆるＴＤＬＡＳ方式（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy：可変波長ダイオードレーザー分光法）を用いることで、出力したレーザ光の強度と、受光部４４で検出した受光信号とに基づいて主管２０内の所定位置、つまり、測定位置を通過する排ガスＡ中の測定対象物質の濃度を、算出及び／または計測することができる。また、計測手段１４は、連続的に測定対象物質の濃度を、算出及び／または計測することができる。

なお、流量測定装置は、ガスに含まれる特定物質の濃度も計測する場合は、装置を調整することで、具体的には、出力するレーザ光の波長を調整することで、種々の物質の濃度を計測することができる。測定対象としては種々の物質としては、窒素酸化物、硫化酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア等が例示される。

このように、流量測定装置は、基本的に装置構成を増加させることなく、排ガスの流量と特定物質の排ガス中の濃度を同時に計測することができる。なお、上記実施形態では、より高い精度で、かつ所望の物質のみを選択して計測できるため、ＴＤＬＡＳ方式により濃度を計測したが、本発明はこれに限定されず、主管内を通過したレーザ光を受光して濃度を計測する種々の方法を用いることができる。

次に、図９−１から図９−３を用いて、流量測定装置の他の実施形態を説明する。ここで、図９−１は、流量測定装置の他の実施形態の受光部の概略構成を示す模式図である。図９−２及び図９−３は、図９−１に示す流量測定装置の動作を説明するための説明図である。なお、図９−１に示す受光部を有する流量測定装置は、受光部の形状を除いて他の構成は、上述した流量測定装置１０と同様である。

図９−１に示す受光部１００は、４つの受光素子１０２、１０４、１０６、１０８を有する。ここで、受光素子１０２、１０４、１０６、１０８は、それぞれフォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の光検出器であり、受光したレーザ光の強度（光量）を受光信号として算出部４８に送る。また、４つの受光素子１０２、１０４、１０６、１０８は、同一形状であり、隣接して配置されている。具体的には、受光素子１０２は、一辺が受光素子１０４と接し、該一辺に接する他の一辺が受光素子１０６と接している。また、受光素子１０４は、一辺が受光素子１０２と接し、該一辺に接する他の一辺が受光素子１０８と接している。また、受光素子１０６は、一辺が受光素子１０２と接し、該一辺に接する他の一辺が受光素子１０８と接している。また、受光素子１０８は、一辺が受光素子１０６と接し、該一辺に接する他の一辺が受光素子１０４と接している。つまり、受光部１００は、中心を原点とし各素子の境界の辺をｘ軸、ｙ軸としたｘｙ平面とすると、第１象限に受光素子１０２が配置され、第２象限に受光素子１０６が配置され、第３象限に受光素子１０８が配置され、第４象限に受光素子１０４が配置された構成となる。

この受光部１００は、例えば、温度境界層の通過時にレーザ光が屈折しなかったら、図９−２に示すように、上述した原点部分にレーザ光１１０が到達し、４つの受光素子１０２、１０４、１０６、１０８に均等に光が到達する。これに対して、レーザ光が温度境界層の通過時に屈折すると、例えば、図９−３に示すように、レーザ光１１０の到達位置が受光素子１０４側に移動し、受光素子１０６には、レーザ光が受光しない状態となる。このように受光部１００は、レーザ光の到達位置がずれると、各受光素子が受光する光が増減し、受光信号が変動する。また、各受光素子の受光光量は、変動するが、４つの受光素子が受光した光の強度を合計することで、到達したレーザ光の総量を算出することができる。

これにより、受光部１００を有する流量測定装置は、１つの受光素子が受光した受光信号のノイズから排ガス流量を算出することができる。また、４つの受光素子が受光した受光信号の総量から測定対象の排ガス濃度を計測することができる。これにより、レーザ光の到達位置が変化した場合でも、到達した光を全て受光し、その受光した強度から測定対象の濃度を計測できるため、より高い精度で測定対象の濃度を計測することができる。

また、上記実施形態では、１つの受光素子で検出した受光信号のノイズにより上述した方法で流量を算出したが、これには限定されない。例えば、各受光素子の受光量を比較して流量を算出するようにしてもよい。つまり、ノイズとして、４つの受光素子１０２、１０４、１０６、１０８の相対変化を算出するようにしてもよい。具体的には、受光量の増減から、レーザ光の揺らぎ、変動、また、移動量を算出し、その結果から流量を算出するようにしてもよい。

例えば、パージ流量と排ガス流量との相対関係が変化すると、温度境界層の形状も変化する。これにより、レーザ光の揺らぎの周波数は、変動速度、また、原点からの最大移動距離が変化する。算出部は、予め実験等で算出したこれらの関係を記憶しておき、受光信号に基づいて、算出した結果（各受光素子の受光量の比、変化の周波数等）と記憶している関係とから、流量を算出する。

また、算出部４８は、４つの受光素子１０２、１０４、１０６、１０８の相対関係から、レーザ光の到達位置を算出し、その到達位置と原点との距離から、排ガス流量を算出するようにしてもよい。つまり、上述したように、レーザ光の最大移動距離（原点からの変位量）は、パージ流量と排ガス流量との相対関係から算出することができる。これにより、レーザ光の移動距離を算出することでも排ガスの流量を算出することができる。

なお、上記実施形態では、レーザ光の到達位置を４つの受光素子の受光量のバランスに基づいて算出したが、本発明はこれに限定されない。図１０を用いて、受光部の他の一例について説明する。ここで、図１０は、受光部の他の一例の概略構成を示す模式図である。図１０に示す受光部１３０は、受光素子１３２がマトリックス状に配置されている。具体的には、６４個の受光素子１３２が縦８個、横８個ずつの行列で配置されている。受光部１３０の６４個の受光素子１３２は、それぞれ受光信号を算出部４８に送る。

このように、受光素子をマトリックス状に配置することで、受光した受光素子の位置に基づいて、レーザ光の到達位置を算出することもできる。例えば、８×８の中心にレーザ光１４０が到達した場合は、中央の４つの受光素子が光を検出する。この場合は、４つの受光素子の中心を到達位置とすればよい。また、レーザ光が移動し、レーザ光の到達位置が位置１４２となったときも、受光した４つの受光素子の中心を到達位置とすればよい。また、さらにレーザ光が移動して、レーザ光の到達位置が位置１４４となったときは、光を受光する受光素子は、１つとなる。この場合は、その１つの受光素子の位置を到達位置とすればよい。

このように、多数の受光素子をマトリックス状に配置することで、受光量のバランスを検出しなくとも、レーザ光の到達位置を検出することができる。また、流量測定装置は、到達位置の情報から流量を算出することができる。なお、受光素子の配置順序は、本実施形態には限定されない。例えば、中心部付近は、受光素子を光に配置し、中心から離れるに従って疎になるように配置してもよい。

なお、流量測定装置は、上記実施形態にも限定されない。流量測定装置は、排ガスの流量とパージガスの流量との相対関係によりレーザ光の到達位置変動の特性が変化することを利用し、受光部の受光信号に基づいて排ガス流量を算出する種々の方法を用いることができる。つまり、本発明の流量測定装置は、受光部から送られる受光信号に基づいて、レーザ光の到達位置変動の種々の特性（ノイズ、変動位置、移動距離）を算出することで、また、必要に応じて、パージガスの流量も加味することで、排ガスの流量を算出する。

なお、上述したように、パージガス供給管３０、３２の吹出し口を窓２６、２８側に向けて配置することで、窓２６、２８周辺に効率よくパージガスを供給することができ、窓２６、２８が汚れることをより確実に防止することができる。このため、パージガス供給管３０、３２の吹出し口を窓２６、２８側に向けて配置することが好ましいが、本発明は、これに限定されない。例えば、入射管、出射管の軸に垂直な方向にパージガスを排出するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、入射管と出射管を同軸上に設けたがこれには限定されない。例えば、計測セル内に光学ミラーを設け、入射管の窓から入射されたレーザ光を測定セル内の光学ミラーで多重反射させた後、出射管の窓に到達させるようにしてもよい。このようにレーザ光を多重反射させることで、計測セル４４内のより多くの領域を通過させることができる。これにより、計測セル４４内を流れる排ガスの濃度の分布（排ガスの流量や密度のばらつき、排ガス内の濃度分布のばらつき）の影響を小さくすることができ、正確に濃度を検出することができる。

また、上記実施形態では、いずれも計測セルの主管と、排ガスを流す配管とを別部材としたが、一体としてもよい。例えば、計測セルの主管が排ガスを排出する装置に直接連結してもよい。

また、計測セルの主管の管形状は、レーザ光が通過できればよく、断面が円となる管としても、断面が多角形になる管としても、断面が楕円形となる管としてもよい。また、管の内周の断面と外周の断面が異なる形状となってもよい。また、入射管、出射管も上述したように形状は限定されない。

また、上記実施形態では、配管を流れるガスの流量を計測したが、本発明はこれに限定されず、流速の計測も可能である。例えば、上述した受光信号と流量との関係と、流量と流速との関係を用いることで流速を算出することができる。つまり、配管の径は一定であるので、算出した流量を配管の径で割ることにより流速を算出することができる。また、受光信号と流量との関係との関係のように、予め関係を算出しておくことで、受光信号の計測値から流速を算出することができる。つまり、算出部による算出方法、算出式を変更することで、流量測定装置を流速測定装置として用いることができる。また、流量測定装置に流速測定機能を持たせることもできる。このように、流速を計測する場合も上述したように、高い応答性で計測ができ、かつ、厳しい環境下での計測ができる。

また、流速を計測する場合は、配管（流路）内を流れるガス（流体）の流速を計測することに限定されず、入射管と出射管との間（レーザ光の通過経路）を測定領域とし、その測定領域を流れる流体の流速を計測することができる。つまり、閉じられた流路を流れる流体に限定されず、開放された測定領域を流れる流体の流速も計測することができる。

以下、図１１、図１２−１及び図１２−２を用いて、流速測定装置の一例について説明する。ここで、図１１は、本発明の流速測定装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。また、図１２−１は、図１１に示す流速測定装置の計測セルの一部を拡大して示す拡大模式図であり、図１２−２は、図１１に示す流速測定装置の計測セルを排ガス流れ方向に平行な方向から見た模式図である。なお、流速測定装置２００は、排ガスを排出する排出供給装置及びその配管との関係と、算出部２１０の算出方法が異なるのみで、他の構成は、流量測定装置１０と同様である。したがって、流速測定装置２００のうち、流量測定装置１０と同様の構成である部分には、同一の符号を付して、その説明を省略し、以下、流速測定装置２００に特有の構成について説明する。

図１１に示すように、流速測定装置２００は、計測セル２０２と、計測手段２０４と、パージガス供給手段１６とを有し、配管９から排出される排ガスＡが所定の測定領域を通過する際の流速を計測する。なお、配管９から排出された排ガスは、一部の排ガスＡが測定領域を通過し、一部の排ガスＡ´は、測定領域を通過しない。

計測セル２０２は、基本的に、入射管２２と、出射管２４とを有する。また、入射管２２には、窓２６と、パージガス供給管３０とが設けられており、出射管２４は、窓２８と、パージガス供給管３２が設けられている。つまり、計測セル２０２は、主管を備えていない以外は、計測セル１２と同様の構成である。次に、入射管２２と出射管２４の配置位置を説明する。

入射管２２は、図１１、図１２−１及び図１２−２に示すように排ガスＡの排出方向において、配管９の終端よりも下流側で、配管９から一定距離離間した位置に配置されている。また、入射管２２は、図１２−２に示すように、一方の端部（パージガスが排出される端部）が、配管９の開口面の延長線で囲われた領域よりも内側に配置されている。

また、出射管２４も排ガスＡの排出方向において、配管９の終端よりも下流側で、配管９から一定距離離間した位置に配置されている。また、入射管２２は、図１２−２に示すように、一方の端部（パージガスが排出される端部）が、配管９の開口面の延長線で囲われた領域よりも内側に配置されている。さらに、出射管２４は、入射管２２に対向して配置されている。具体的には、一方の端部が、入射管２２の一方の端部と向かい合う位置で、かつ、入射管２２と出射管２４との間に排ガスＡが流れる位置に配置されている。なお、入射管２２と出射管２４とは、任意の支持部により配置位置を固定することができる。

計測セル２０２は、このような構成であり、窓２６から入射管２２に入射されたレーザ光は、入射管２２と出射管２４との間の空間（測定領域）を通過する。この測定領域を通過したレーザ光は、出射管２２、窓２８を通過して、受光部４４で受光される。

次に、計測手段２０４は、発光部４０と、光ファイバ４２と、受光部４４と、光源ドライバ４６と、算出部２１０と、制御部５０とを有する。なお、発光部４０と、光ファイバ４２と、受光部４４と、光源ドライバ４６と、制御部５０とは、上述した計測手段１４の各部と同様であるので、説明は省略する。

算出部２１０は、上述したように、受光信号と流速との関係が予め記憶されており、受光部４４から送られた受光信号に基づいて、測定領域を流れる排ガスの流速を算出する。なお、算出については、後述する。

流速測定装置２００は、パージガス供給手段１６により入射管２２及び出射管２４にパージガスを供給する。また、測定領域（つまり、入射管２２及び出射管２４との間）には、配管９から排出される排ガスＡが流れている。これにより、図１２−１及び図１２−２に示すように、入射管２２のパージガスの出口（一方の端部）には、パージガスＧと排ガスＡとが混ざることで生じる温度境界層２２０が形成される。このように、温度境界層２２０が形成されることで、受光信号に（ノイズ）変動が生じる。また、この変動は、パージガスＧの流速と、排ガスＡの流速との関係によって変化する。

算出部２１０には、この流速と受光信号の変動との関係が実験等により予め算出されて記憶されており、計測時に、受光信号に基づいて流速を算出する。つまり、算出結果が流量から流速となるが、基本的に上述した方法と同様で流速を算出する。

このように、流速測定装置は、入射管にパージガスを供給しつつ、測定領域にレーザ光を通過させ、その受光信号を計測することで、流速を算出することができる。また、流速測定装置は、本実施形態のように、測定対象の排ガスを流す主管を設けることなく、測定を行うことができる。このため、測定領域を自由に設定することができ、計測の自由度をより高くすることができる。例えば入射管と出射管との距離を種々の距離に変化させることで、各位置での流速を計測することができる。また。排ガスの排出開口からの距離も種々の距離とすることができる。さらに、例えば、配管内の任意の位置の流速等も計測することができる。

なお、流速測定装置の場合も、その他各種条件に基づいて、受光信号と流速との関係を複数記憶しておき、各種条件に基づいて、使用する関係を切り替えることでより正確に算出することもできる。

また、上記実施形態は、いずれも気体のガスを測定対象としたが、液体の場合も同様に流量と流速とを計測することができる。つまり、流体であれば気体、液体を問わず計測することができる。なお、液体の流量、流速を計測する場合は、パージ流体として液体を用いることが好ましい。

以上のように、本発明にかかる流量測定装置及び流速測定装置は、流体の流量または流速の計測に有用である。

６、８ 配管
１０ 流量測定装置
１２ 計測セル
１４ 計測手段
１６ パージガス供給手段
２０ 主管
２２ 入射管
２４ 出射管
２６、２８ 窓
３０、３２ パージガス供給管
４０ 発光部
４２ 光ファイバ
４４ 受光部
４６ 光源ドライバ
４８ 算出部
５０ 制御部
５２ ポンプ
５４ ドライヤ
５６ 流量計
２００ 流速測定装置

Claims (26)

1. 両端が開放され、それぞれ流体を流す流路と連結可能な主管、前記主管に連結し、前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された入射管、前記主管に連結し、前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された出射管、前記入射管と連結された第１パージ流体供給管とで構成された計測セルと、
   前記計測セルの前記第１パージ流体供給管にパージ流体を供給するパージ流体供給部と、
   前記入射管にレーザ光を入射させる発光部と、
   前記入射管から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射管から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、
   前記受光部から出力される受光信号に基づいて、前記計測セルを流れる流体の流量を算出する算出部と、
   各部の動作を制御する制御部と、を有し、
   前記算出部は、前記入射管に流れるパージ流体が前記流路を流れる前記流体と混合されることで生成される温度境界層を前記レーザ光が通過することで、前記レーザ光に生じる変動を検出し、検出した変動に基づいて前記流体の流量を算出すること特徴とする流量測定装置。
2. 両端が開放され、それぞれ流体を流す流路と連結可能な主管、前記主管に連結し、前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された入射管、前記主管に連結し、前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された出射管、前記入射管と連結された第１パージ流体供給管とで構成された計測セルと、
   前記計測セルの前記第１パージ流体供給管にパージ流体を供給するパージ流体供給部と、
   前記入射管にレーザ光を入射させる発光部と、
   前記入射管から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射管から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、
   前記受光部から出力される受光信号に基づいて、前記計測セルを流れる流体の流量を算出する算出部と、
   各部の動作を制御する制御部と、を有し、
   前記算出部は、前記受光部で受光した受光信号を少なくとも１つの周波数で復調し、復調した信号の変動の大きさと前記入射管に流れるパージ流体の流量とに基づいて、前記流体の流量を算出すること特徴とする流量測定装置。
3. 前記算出部は、前記受光部で受光した受光信号を１つの周波数で復調し、復調した信号の変動の大きさに基づいて、前記流体の流量を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の流量測定装置。
4. 前記算出部は、前記受光部で受光した受光信号を異なる２つの周波数でそれぞれ復調し、復調した２つの周波数における信号の変動の大きさに基づいて、前記流体の流量を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の流量測定装置。
5. 前記算出部は、前記受光部で受光した受光信号を複数の異なる周波数でそれぞれ復調し、復調した複数の周波数における信号の変動の大きさに基づいて、前記流体の流量を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の流量測定装置。
6. 前記算出部は、予め算出した変動と流量との関係を記憶しており、前記関係と前記変動の大きさとに基づいて前記流体の流量を算出することを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の流量測定装置。
7. 前記算出部は、前記入射管に流れるパージ流体の流量毎に、前記変動と前記流体の流量との関係を記憶しており、
   前記入射管に流れるパージ流体の流量と前記変動に基づいて前記流体の流量を算出することを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の流量測定装置。
8. 前記制御部は、前記算出部で算出した前記流体の流量を含む領域で変動の変化量の大きくなる前記パージ流体の流量を算出し、算出結果に基づいて、前記パージ流体供給部から前記第１パージ流体供給管に供給するパージ流体の流量を調整することを特徴とする請求項７に記載の流量測定装置。
9. 前記算出部は、さらに、前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記計測セルを流れる前記流体の測定対象の物質の濃度も算出することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の流量測定装置。
10. 前記受光部は、隣接して配置された複数の受光素子を有し、各受光素子で受光した光量を受光信号として出力し、
    前記算出部は、各受光素子から送られた受光信号の強度の比較に基づいて、前記流体の流量を算出することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の流量測定装置。
11. 前記算出部は、各受光素子から送られた受光信号の強度の比較に基づいて、前記レーザ光の到達位置を算出し、前記到達位置と基準位置とのずれに基づいて、前記流体の流量を算出することを特徴とする請求項１０に記載の流量測定装置。
12. 前記算出部は、各受光素子から送られた受光信号の強度の総量と、前記発光部で出力したレーザ光の強度とに基づいて、前記計測セルを流れる前記流体の測定対象の物質の濃度も算出することを特徴とする請求項１０または１１に記載の流量測定装置。
13. 前記計測セルは、前記主管の、前記流体の流れ方向において前記入射管の上流側、かつ、前記入射管の近傍に、前記入射管近傍の空気の流れを乱流にする乱流発生部を有することを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の流量測定装置。
14. さらに、前記出射管と連結された第２パージ流体供給管を有し、
    前記パージ流体供給部は、第２パージ流体供給管にもパージ流体を供給することを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の流量測定装置。
15. 前記算出部は、さらに、前記受光部から出力される受光信号に基づいて、前記計測セルの前記主管を流れる流体の流速を計測することを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の流量計測装置。
16. 前記流体は、気体であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の流量計測装置。
17. 一方の端部が測定領域と向かい合う開口であり、反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された入射管、一方の端部が前記入射管と対向し、かつ、前記測定領域と向かい合う開口であり、反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された出射管、前記入射管と連結された第１パージ流体供給管とで構成された計測セルと、
    前記計測セルの前記第１パージ流体供給管にパージ流体を供給するパージ流体供給部と、
    前記入射管にレーザ光を入射させる発光部と、
    前記入射管から入射され、前記測定領域を通過し、前記出射管から出射されたレーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、
    前記受光部から出力される受光信号に基づいて、前記測定領域を流れる流体の流速を算出する算出部と、
    各部の動作を制御する制御部と、を有し、
    前記算出部は、前記入射管に流れるパージ流体が前記流路を流れる前記流体と混合されることで生成される温度境界層を前記レーザ光が通過することで、前記レーザ光に生じる変動を検出し、検出した変動に基づいて前記流体の流速を算出すること特徴とする流速測定装置。
18. 一方の端部が測定領域と向かい合う開口であり、反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された入射管、一方の端部が前記入射管と対向し、かつ、前記測定領域と向かい合う開口であり、反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された出射管、前記入射管と連結された第１パージ流体供給管とで構成された計測セルと、
    前記計測セルの前記第１パージ流体供給管にパージ流体を供給するパージ流体供給部と、
    前記入射管にレーザ光を入射させる発光部と、
    前記入射管から入射され、前記測定領域を通過し、前記出射管から出射されたレーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、
    前記受光部から出力される受光信号に基づいて、前記測定領域を流れる流体の流速を算出する算出部と、
    各部の動作を制御する制御部と、を有し、
    前記算出部は、前記受光部で受光した受光信号を少なくとも１つの周波数で復調し、復調した信号の変動の大きさと前記入射管に流れるパージ流体の流量とに基づいて、前記流体の流速を算出すること特徴とする流量測定装置。
19. 前記算出部は、前記受光部で受光した受光信号を１つの周波数で復調し、復調した信号の変動の大きさに基づいて、前記流体の流速を算出することを特徴とする請求項１７または１８に記載の流速測定装置。
20. 前記算出部は、前記受光部で受光した受光信号を異なる２つの周波数でそれぞれ復調し、復調した２つの周波数における信号の変動の大きさに基づいて、前記流体の流速を算出することを特徴とする請求項１７または１８に記載の流速測定装置。
21. 前記算出部は、前記受光部で受光した受光信号を複数の異なる周波数でそれぞれ復調し、復調した複数の周波数における信号の変動の大きさに基づいて、前記流体の流速を算出することを特徴とする請求項１７または１８に記載の流速測定装置。
22. 前記算出部は、予め算出した変動と流速との関係を記憶しており、前記関係と前記変動の大きさとに基づいて前記流体の流速を算出することを特徴とする請求項１８から２１のいずれか１項に記載の流速測定装置。
23. 前記算出部は、前記入射管に流れるパージ流体の流量毎に、前記変動と前記流体の流速との関係を記憶しており、
    前記入射管に流れるパージ流体の流量と前記変動に基づいて前記流体の流速を算出することを特徴とする請求項１８から２１のいずれか１項に記載の流速測定装置。
24. 前記制御部は、前記算出部で算出した前記流体の流速を含む領域で変動の変化量の大きくなる前記パージ流体の流量を算出し、算出結果に基づいて、前記パージ流体供給部から前記第１パージ流体供給管に供給するパージ流体の流量を調整することを特徴とする請求項２３に記載の流速測定装置。
25. 前記計測セルは、前記入射管の一方の端部及び前記出射管の一方の端部とそれぞれ連結され、測定対象の流体が流れる主管を有し、
    前記測定領域は、前記主管の一部であることを特徴とする請求項１７から２４のいずれか１項に記載の流速測定装置。
26. 前記流体は、気体であることを特徴とする請求項１７から２５のいずれか１項に記載の流速測定装置。

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