(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-29
(45)【発行日】2024-09-06
(54)【発明の名称】流体可視化装置、流体可視化方法及び流体可視化プログラム
(51)【国際特許分類】
G01P 13/00 20060101AFI20240830BHJP
【ＦＩ】
G01P13/00 D
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020074936
(22)【出願日】2020-04-20
(65)【公開番号】P2021173549
(43)【公開日】2021-11-01
【審査請求日】2023-02-27
(73)【特許権者】
【識別番号】515086908
【氏名又は名称】株式会社トヨタプロダクションエンジニアリング
(74)【代理人】
【識別番号】110002516
【氏名又は名称】弁理士法人白坂
(72)【発明者】
【氏名】椛島 治樹
(72)【発明者】
【氏名】松山 勝太郎
【審査官】櫻井 健太
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－１３８２１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－２８３９９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－２１１７４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－０６４３５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－１２２３５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００８／１５６０２２（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｆ １／７０４－ １／７１６
Ｇ０１Ｐ ５／００ － ５／２６
Ｇ０１Ｐ １３／００ － １３／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
流体中に散布されたトレーサ粒子にレーザ光を照射するための複数の光源装置と、前記レーザ光を照射されたトレーサ粒子を撮影する撮影装置と、
前記複数の光源装置と前記撮影装置とに接続され、前記複数の光源装置と前記撮影装置とのそれぞれのオン／オフを制御する１又は複数の制御部と、
前記撮影装置によって撮影された画像データを受信する受信部と、
前記受信部によって受信された前記画像データを記憶する記憶部と、
前記記憶部に接続され、前記記憶部に記憶された前記画像データをもとに、前記トレーサ粒子の運動を計算し、前記流体の流動状態を計測する、解析部と、
を備え、
前記複数の光源装置は、一の光源装置のみが一定時間ｘ ｏｎ だけオン状態を持続したのち全ての光源装置が一定時間ｘ ｏｆｆ だけオフ状態となり、続いて別の一の光源装置のみが同じ一定時間ｘ ｏｎ だけオン状態を持続したのち再び全ての光源装置が一定時間ｘ ｏｆｆ だけオフ状態となるということを全ての光源装置で順次繰り返すようになっており、
前記撮影装置は一定の周期ｘ ｔ で露光を行うようになっており、
前記撮影装置の露光周期ｘ ｔ は、ｘ ｏｆｆ 以上であり、かつ、ｘ＝ｘ ｏｎ ＋ｘ ｏｆｆ の期間に２回以上の露光がなされるように設定されていることを特徴とする流体可視化装置。
【請求項2】
前記レーザ光はシートレーザであることを特徴とする請求項１に記載の流体可視化装置。
【請求項3】
流体中に散布されたトレーサ粒子に複数の光源装置を用いてレーザ光を照射するステップと、前記レーザ光を照射されたトレーサ粒子を撮影装置を用いて撮影するステップと、
撮影された画像データを記憶するステップと、
前記記憶された画像データを用いて前記トレーサ粒子の運動を解析するステップと、
を備え、
前記複数の光源装置は、一の光源装置のみが一定時間ｘ ｏｎ だけオン状態を持続したのち全ての光源装置が一定時間ｘ ｏｆｆ だけオフ状態となり、続いて別の一の光源装置のみが同じ一定時間ｘ ｏｎ だけオン状態を持続したのち再び全ての光源装置が一定時間ｘ ｏｆｆ だけオフ状態となるということを全ての光源装置で順次繰り返すようになっており、
前記撮影装置は一定の周期ｘ ｔ で露光を行うようになっており、
前記撮影装置の露光周期ｘ ｔ は、ｘ ｏｆｆ 以上であり、かつ、ｘ＝ｘ ｏｎ ＋ｘ ｏｆｆ の期間に２回以上の露光がなされるように設定されていることを特徴とする流体可視化方法。
【請求項4】
プロセッサにより実行されたときに、前記プロセッサに、流体可視化方法を実行させる命令を含むコンピュータ読取可能記憶媒体であって、前記方法は、流体中に散布されたトレーサ粒子に複数の光源装置を用いてレーザ光を照射するステップと、
前記レーザ光を照射されたトレーサ粒子を撮影装置を用いて撮影するステップと、
撮影された画像データを記憶するステップと、
前記記憶された画像データを用いて前記トレーサ粒子の運動を解析するステップと、
を備え、
前記複数の光源装置は、一の光源装置のみが一定時間ｘ ｏｎ だけオン状態を持続したのち全ての光源装置が一定時間ｘ ｏｆｆ だけオフ状態となり、続いて別の一の光源装置のみが同じ一定時間ｘ ｏｎ だけオン状態を持続したのち再び全ての光源装置が一定時間ｘ ｏｆｆ だけオフ状態となるということを全ての光源装置で順次繰り返すようになっており、
前記撮影装置は一定の周期ｘ ｔ で露光を行うようになっており、
前記撮影装置の露光周期ｘ ｔ は、ｘ ｏｆｆ 以上であり、かつ、ｘ＝ｘ ｏｎ ＋ｘ ｏｆｆ の期間に２回以上の露光がなされるように設定されていることを特徴とするコンピュータ読取可能記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、流体可視化装置、流体可視化方法及び流体可視化プログラムに関し、特に、流体の流動状態を計測する流体可視化装置、流体可視化方法及び流体可視化プログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
気流等の流体の流動状態を計測するための方法として、粒子画像流速測定法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ、ＰＩＶ）が知られている（特許文献１乃至３参照）。ＰＩＶは、領域内に散布した微小トレーサ粒子に対してシートレーザを照射し、可視化されたトレーサ粒子を撮影することにより、シートレーザによる計測断面におけるトレーサ粒子の流動状態を計測する方法である。この方法において、流体の流動状態を３次元的に計測するためには、複数の計測断面における計測が必要である。複数の計測断面を計測する場合、複数のレーザを切り替えて照射し、撮影装置のオンのタイミングと複数のレーザのそれぞれのオンのタイミングを同期させることで、複数の計測断面における計測が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１７－１３８２１８号公報
【文献】特開２００８－２６０３３号公報
【文献】特開２０１０－１１７１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
流体の流動状態の精度良い計測のためには、複数のレーザを高速に切り替える必要がある。しかしながら、複数のレーザを高速に切り替えると、レーザの電圧の立ち上がりの途中で電圧が下降する等、レーザがオンになる時間が短くなる恐れがあり、複数のレーザと撮影装置を高速で同期させることが困難になる。さらに、レーザや撮影装置の変更等の度に同期を調整する必要が生じ、容易かつ迅速に計測することが出来なくなる。
【0005】
上記問題点を鑑み、本発明は、レーザ照射と撮影装置の露光を同期させることなく撮影を行うことにより、流体の流動状態の３次元的な計測を容易かつ迅速に行うことを可能にする流体可視化装置、流体可視化方法及び流体可視化プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の第１の態様は、流体可視化装置であって、流体中に散布されたトレーサ粒子にレーザ光を照射するための複数の光源装置と、レーザ光を照射されたトレーサ粒子を撮影する撮影装置と、複数の光源装置と撮影装置とに接続され、複数の光源装置と撮影装置とのそれぞれのオン／オフを制御する１又は複数の制御部と、撮影装置によって撮影された画像データを受信する受信部と、受信部によって受信された画像データを記憶する記憶部と、記憶部に接続され、記憶部に記憶された画像データをもとに、トレーサ粒子の運動を計算し、流体の流動状態を計測する、解析部と、を備え、複数の光源装置のオン／オフの周期をｘ、複数の光源装置のすべてがオフ状態である期間をｘｏｆｆ、複数の光源装置のそれぞれがオン状態を持続する期間をｘｏｎ、複数の光源装置のうちの１つがオンとなったのち複数の光源装置のすべてがオフとなる動作を複数の光源装置の全てにおいて繰り返し、ｘ＝ｘｏｎ＋ｘｏｆｆであり、撮影装置の露光回数は複数の光源装置のオン／オフ周期ｘの１周期の間に２回以上であり、撮影装置の露光周期はｘｏｆｆ以上であることを要旨とする。
【0007】
本発明の第１の態様において、レーザ光はシートレーザであってよい。
【0008】
本発明の第２の態様は、流体可視化方法であって、流体中に散布されたトレーサ粒子に複数の光源装置を用いてレーザ光を照射するステップと、レーザ光を照射されたトレーサ粒子を撮影装置を用いて撮影するステップと、撮影された画像データを記憶するステップと、記憶された画像データを用いてトレーサ粒子の運動を解析するステップと、を備え、複数の光源装置のオン／オフの周期をｘ、複数の光源装置のすべてがオフ状態である期間をｘｏｆｆ、複数の光源装置のそれぞれがオン状態を持続する期間をｘｏｎ、複数の光源装置のうちの１つがオンとなったのち複数の光源装置のすべてがオフとなる動作を複数の光源装置の全てにおいて繰り返し、ｘ＝ｘｏｎ＋ｘｏｆｆであり、撮影装置の露光回数は複数の光源装置のオン／オフ周期ｘの１周期の間に２回以上であり、撮影装置の露光周期はｘｏｆｆ以上であることを要旨とする。
【0009】
本発明の第３の態様は、プロセッサにより実行されたときに、前記プロセッサに、流体可視化方法を実行させる命令を含むコンピュータ読取可能記憶媒体であって、方法は、流体中に散布されたトレーサ粒子に複数の光源装置を用いてレーザ光を照射するステップと、レーザ光を照射されたトレーサ粒子を撮影装置を用いて撮影するステップと、撮影された画像データを記憶するステップと、記憶された画像データを用いてトレーサ粒子の運動を解析するステップと、を備え、複数の光源装置のオン／オフの周期をｘ、複数の光源装置のすべてがオフ状態である期間をｘｏｆｆ、複数の光源装置のそれぞれがオン状態を持続する期間をｘｏｎ、複数の光源装置のうちの１つがオンとなったのち複数の光源装置のすべてがオフとなる動作を複数の光源装置の全てにおいて繰り返し、ｘ＝ｘｏｎ＋ｘｏｆｆであり、撮影装置の露光回数は複数の光源装置のオン／オフ周期ｘの１周期の間に２回以上であり、撮影装置の露光周期はｘｏｆｆ以上であることを要旨とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、レーザ照射と撮影装置の露光を同期させることなく撮影を行うことにより、流体の流動状態の３次元的な計測を容易かつ迅速に行うことを可能にする流体可視化装置、流体可視化方法及び流体可視化プログラムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。実施形態に係る図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【0013】
又、実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、各構成要素の構成や配置、レイアウト等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【0014】
（実施形態）
本発明の実施形態に係る流体可視化装置の一例を図１に示す。図１に示す流体可視化装置１０は、撮影装置１０１、第１光源装置１０２ａ、第２光源装置１０２ｂ、第３光源装置１０２ｃ、図示しないが、撮影装置１０１と第１～第３光源装置１０２ａ～１０２ｃとのそれぞれに接続され、これらを制御する制御装置、撮影装置１０１に接続され、得られた画像データから流体の流動状態を解析する解析装置から構成される。図１に示す流体可視化装置は、第１光源装置１０２ａがオンの状態であり、第１光源装置１０２ａからレーザ光１０４が照射されている。レーザ光１０４は、流体の計測する領域に向けて照射されている。計測領域内にはトレーサ粒子１０３が散布されており、第１光源装置１０２ａから照射されたレーザ光１０４によってトレーサ粒子１０３は可視化されている。第１～第３光源装置１０２ａ～１０２ｃは、ここではシートレーザ発信機である。以下、第１～第３光源装置１０２ａ～１０２ｃを第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃとする。
本発明の実施形態に係る流体可視化装置の一例を図１に示す。図１に示す流体可視化装置１０は、撮影装置１０１、第１光源装置１０２ａ、第２光源装置１０２ｂ、第３光源装置１０２ｃ、図示しないが、撮影装置１０１と第１～第３光源装置１０２ａ～１０２ｃとのそれぞれに接続され、これらを制御する制御装置、撮影装置１０１に接続され、得られた画像データから流体の流動状態を解析する解析装置から構成される。図１に示す流体可視化装置は、第１光源装置１０２ａがオンの状態であり、第１光源装置１０２ａからレーザ光１０４が照射されている。レーザ光１０４は、流体の計測する領域に向けて照射されている。計測領域内にはトレーサ粒子１０３が散布されており、第１光源装置１０２ａから照射されたレーザ光１０４によってトレーサ粒子１０３は可視化されている。第１～第３光源装置１０２ａ～１０２ｃは、ここではシートレーザ発信機である。以下、第１～第３光源装置１０２ａ～１０２ｃを第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃとする。
【0015】
図１に示す流体可視化装置の構成を図２に示す。撮影装置１０１、第１シートレーザ光源装置１０２ａ、第２シートレーザ光源装置１０２ｂ、第３シートレーザ光源装置１０２ｃはそれぞれ制御部２０１に接続されており、制御部２０１によってそれぞれのオン／オフが制御されている。制御部２０１は設定部２０２に接続されており、設定部２０２によって撮影装置１０１、第１シートレーザ光源装置１０２ａ、第２シートレーザ光源装置１０２ｂ、第３シートレーザ光源装置１０２ｃのそれぞれのオン／オフのタイミングが設定される。撮影装置１０１は、さらに受信部２０３に接続され、撮影装置１０１によって撮影された画像データは受信部２０３に送信される。受信部２０３はさらに記憶部２０４に接続され、撮影装置１０１によって撮影された画像データは記憶部２０４に記憶される。記憶部２０４は解析部２０５に接続され、解析部２０５において、記憶部２０４に記憶された画像データをもとに、流体の流動状態が解析される。
【0016】
なお、図２では１つの制御部２０１が撮影装置１０１と第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのオン／オフを制御している。しかしながら、後述するように、本発明の実施形態に係る流体可視化装置によれば、撮影装置１０１と第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのオン／オフの同期をとる必要がない。従って、複数の制御部が撮影装置１０１と第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのそれぞれのオン／オフを個別に制御してもよい。
【0017】
また、本実施形態に係る流体可視化装置は第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃの３つの光源装置を備えているが、第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃはシートレーザ発信器であるので、流体の流動状態を３次元的に計測するためには、少なくとも２つの光源装置があればよい。これらの光源装置は、これらの光源装置から照射されるシートレーザが互いに平行となるように配置されていてもよく、また互いに平行とならないように配置されていてもよい。
【0018】
図１の流体可視化装置による計測の際のレーザ照射と撮影装置の露光のタイミング図を図３及び図４に示す。横軸は時間ｔであり、縦軸は第１シートレーザ光源装置１０２ａ、第２シートレーザ光源装置１０２ｂ、第３シートレーザ光源装置１０２ｃ、撮影装置１０１のそれぞれのオン／オフを表している。なお、図３と図４とでは、第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃと、撮影装置１０１のオン／オフのタイミングが異なっている。
【0019】
図５は、図３の一部を拡大した図である。図５では第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのオン／オフのタイミングを重ねて表示している。図３及び図５に示すように、第１シートレーザ光源装置１０２ａ、第２シートレーザ光源装置１０２ｂ、第３シートレーザ光源装置１０２ｃの順にレーザ照射を行うとする。第１シートレーザ光源装置１０２ａがオンになってから第２シートレーザ光源装置１０２ｂがオンになるまで、第２シートレーザ光源装置１０２ｂがオンになってから第３シートレーザ光源装置１０２ｃがオンになるまで、及び第３シートレーザ光源装置１０２ｃがオンになってから第１シートレーザ光源装置１０２ａがオンになるまでの時間、即ち光源の周期をｘ［ｓ］とする。図５に示すように、第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのそれぞれはｘｏｎ［ｓ］の間オン状態を持続したのち、ｘｏｆｆ［ｓ］の間オフ状態を持続する。従って、ｘ＝ｘｏｎ＋ｘｏｆｆである。図３、図４及び図５に示すように、撮影装置１０１の露光回数を、光源の１周期につき２回以上とする。また、撮影装置１０１の露光周期、即ち露光と次の露光との間の時間ｘｔは、ｘｏｆｆ［ｓ］以上、即ちｘｔ≧ｘｏｆｆとする。
【0020】
第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃ及び撮影装置１０１のオン／オフのタイミングとして、上記のように露光回数及び露光周期を設定することにより、光源の１周期内の複数回の露光のうち、少なくとも１回は光源装置がオンの状態のときに露光する。従って、第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのオンのタイミングに対して撮影装置１０１のオンのタイミングの同期をとることなく、第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのそれぞれによってレーザ照射されたときの画像データを得ることが出来る。
【0021】
図３に示すように、ｔ１における撮影装置１０１のオンのタイミングにおいて第１シートレーザ光源装置１０２ａがオンになっており、第１シートレーザ光源装置１０２ａによってレーザ照射されたときの画像データを得ることが出来る。ｔ２における撮影装置１０１のオンのタイミングにおいて第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのいずれもオンになっておらず、画像データを得ることが出来ない。ｔ３における撮影装置１０１のオンのタイミングにおいて第２シートレーザ光源装置１０２ｂがオンになっており、第２シートレーザ光源装置１０２ｂによってレーザ照射されたときの画像データを得ることが出来る。このように、１つおきの撮影装置１０１のオンのタイミングにおいて画像データを得ることが出来る。
【0022】
図４に示す第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのオンのタイミングは、図３に示すタイミングと比較すると、ｘｏｆｆ［ｓ］のずれが生じている。このことにより、ｔ１における撮影装置１０１のオンのタイミングにおいて第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのいずれもオンになっておらず、画像データを得ることが出来ない。ｔ２における撮影装置１０１のオンのタイミングにおいて第１シートレーザ光源装置１０２ａがオンになっており、第１シートレーザ光源装置１０２ａによってレーザ照射されたときの画像データを得ることが出来る。このように、撮影装置１０１の露光回数を、光源の１周期につき２回以上とし、撮影装置１０１の露光周期ｘｔがｘｔ≧ｘｏｆｆを満たすように第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃ及び撮影装置１０１のオンのタイミングを設定すれば、第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃと撮影装置１０１のオンのタイミングの同期をとることなく、第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのそれぞれによってレーザ照射されたときの画像データを得ることが出来る。
【0023】
図６に示すフローチャートを参照しながら、本実施形態に係る流体可視化方法を説明する。ステップＳ６０１において、流体中に散布されたトレーサ粒子に第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃを用いてレーザ光を照射する。ここで、第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのオン／オフのタイミングは、図３、図４及び図５に示すタイミングで行う。すなわち、第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのオン／オフの周期をｘ、すべてがオフ状態である期間をｘｏｆｆ、それぞれがオン状態を持続する期間をｘｏｎ、ｘ＝ｘｏｎ＋ｘｏｆｆであるとし、第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのうち、１つがオンとなったのちすべてがオフとなる動作を第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのすべてについて繰り返すように第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのオン／オフを制御する。
【0024】
ステップＳ６０２において、レーザ光を照射されたトレーサ粒子を撮影装置１０１を用いて撮影する。ここで、撮影装置の露光のタイミングについても、図３、図４及び図５に示すタイミングで行う。すなわち、撮影装置の露光回数は第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃのオン／オフ周期ｘの１周期の間に２回以上であり、かつ撮影装置の露光周期はｘｏｆｆ以上となるように撮影装置の露光のタイミングを制御する。
【0025】
ステップＳ６０３において、撮影装置１０１によって撮影された画像データを受信部２０３を介して記憶部２０４に記憶する。
【0026】
ステップＳ６０４において、記憶部２０４に記憶された画像データを用いて解析部２０５においてトレーサ粒子の運動を解析する。
【0027】
以上述べたように、本実施形態に係る流体可視化装置によれば、第１～第３シートレーザ光源装置１０２ａ～１０２ｃと撮影装置１０１のオンのタイミングの同期をとることなく、流体の流動状態を３次元的に計測することができる。このため、複数の光源を高速に切り替えて流体の流動状態の３次元的な計測を行うことが可能になる。更に、光源や撮影装置の変更等の度に同期を調整する必要がなく、容易かつ迅速に計測することが可能となる。
【0028】
以上、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【0029】
１０１ 撮影装置
１０２ａ～１０２ｃ 第１～第３シートレーザ光源装置
１０３ トレーサ粒子
１０４ レーザ光
２０１ 制御部
２０２ 設定部
２０３ 受信部
２０４ 記憶部
２０５ 解析部
１０２ａ～１０２ｃ 第１～第３シートレーザ光源装置
１０３ トレーサ粒子
１０４ レーザ光
２０１ 制御部
２０２ 設定部
２０３ 受信部
２０４ 記憶部
２０５ 解析部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】