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

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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

7

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

19

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

20

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 rip-admin@eng.gunma-u.ac.jpTEL 0277-30-1171 FAX 0277-30-1178