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JP6986265B2 - Measurement system - Google Patents
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JP6986265B2 - Measurement system - Google Patents

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Description

本発明は、測定システム、特に、流体の壁面せん断応力を測定する測定システムに関する。 The present invention relates to a measuring system, particularly a measuring system for measuring the wall shear stress of a fluid.

流体の壁面せん断応力を測定する測定システムが知られている。流体の壁面せん断応力を測定する手法としては、例えば、流速に基づいて壁面せん断応力を推定する手法(間接測定法)、歪みゲージを用いて壁面せん断応力を直接測定する手法(直接測定法)がある。間接測定法は、流速と壁面せん断応力との間の普遍法則の成立を前提とするため、気泡流のような混相流の場合に壁面せん断応力を測定できない。また、直接測定法は、歪みゲージの時間分解能が低いため、乱流のバースト現象等が発生した場合に壁面せん断応力の急激な変化を測定できない。 A measuring system for measuring the wall shear stress of a fluid is known. As a method for measuring the wall surface shear stress of a fluid, for example, a method of estimating the wall surface shear stress based on a flow velocity (indirect measurement method) and a method of directly measuring the wall surface shear stress using a strain gauge (direct measurement method) are available. be. Since the indirect measurement method presupposes the establishment of a universal law between the flow velocity and the wall surface shear stress, the wall surface shear stress cannot be measured in the case of a multiphase flow such as a bubble flow. Further, in the direct measurement method, since the time resolution of the strain gauge is low, it is not possible to measure a sudden change in the wall surface shear stress when a turbulent burst phenomenon or the like occurs.

そこで、時間分解能が高いレーザ測定系を用いて流体の壁面せん断応力を測定する測定システムの開発が進められている。例えば、特許文献1には、レーザ光を生成する光生成ユニットと、レーザ光を分割する分光ユニットと、分割したレーザ光を集束させる集束レンズと、焦点に集束したレーザ光が浮遊粒子に衝突することによって生成された散乱光からドップラー周波数を検出する周波数分析器と、を備える測定システムが開示されている。 Therefore, the development of a measurement system for measuring the wall shear stress of a fluid using a laser measurement system with high time resolution is underway. For example, in Patent Document 1, a light generation unit that generates laser light, a spectroscopic unit that divides laser light, a focusing lens that focuses the divided laser light, and laser light focused on the focal point collide with suspended particles. Disclosed is a measurement system comprising a frequency analyzer that detects the Doppler frequency from the scattered light produced thereby.

特開2009−222716号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-22716

特許文献1の測定システムは、流体の浮遊粒子により散乱した散乱光を受光して散乱光のドップラー周波数を検出し、ドップラー周波数に基づいて壁面せん断応力を計算している、言い換えると、流体の浮遊粒子の動きに基づいて壁面せん断応力を間接的に測定している。このため、特許文献1の測定システムは、流体内の浮遊粒子が存在しない場合に壁面せん断応力を測定できない、乱流や気泡による瞬間的な壁面せん断応力の変化を測定できない、という問題がある。 The measurement system of Patent Document 1 receives scattered light scattered by suspended particles of a fluid, detects the Doppler frequency of the scattered light, and calculates the wall surface shear stress based on the Doppler frequency. In other words, the floating of the fluid. The wall shear stress is indirectly measured based on the movement of the particles. Therefore, the measuring system of Patent Document 1 has a problem that the wall surface shear stress cannot be measured when the suspended particles in the fluid do not exist, and the momentary change in the wall surface shear stress due to turbulence or bubbles cannot be measured.

本発明は、このような背景に基づいてなされたものであり、流体の壁面せん断応力を流体の流れから直接測定でき、時間分解能の高い測定システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made based on such a background, and an object of the present invention is to provide a measurement system capable of directly measuring the wall shear stress of a fluid from the flow of the fluid and having high time resolution.

上記目的を達成するために、本発明に係る測定システムは、
流体の壁面せん断応力を測定する測定システムであって、
散乱光を発光する発光手段と、
前記発光手段からの散乱光を通過させる第1の貫通孔及び第2の貫通孔を含み、前記第1の貫通孔は、流体の壁面せん断応力に応じて、流体の流れ方向に移動し、前記第2の貫通孔は、流体の壁面せん断応力が変化しても一定の位置に保持される受感手段と、
前記第1の貫通孔及び前記第2の貫通孔を通過した散乱光が互いに干渉することにより得られたビート信号を受光する受光手段と、
前記受光手段が受光したビート信号の周波数に基づいて、流体の壁面せん断応力を演算する演算手段と、
を備える。
In order to achieve the above object, the measurement system according to the present invention is
A measurement system that measures the wall shear stress of a fluid.
A light emitting means that emits scattered light and
The first through hole and the second through hole through which the scattered light from the light emitting means is passed are included, and the first through hole moves in the flow direction of the fluid according to the wall shear stress of the fluid. The second through hole is a sensation means that is held at a fixed position even if the wall shear stress of the fluid changes.
A light receiving means for receiving a beat signal obtained by the interference of scattered light passing through the first through hole and the second through hole with each other.
An arithmetic means for calculating the wall shear stress of the fluid based on the frequency of the beat signal received by the light receiving means, and
To prepare for.

前記受感手段は、
流体に接触するように配置され、流体の壁面せん断応力に応じて流体の流れ方向に移動する流体接触板を備え、
前記第1の貫通孔が前記流体接触板と連動して流体の流れ方向に移動するように構成されていてもよい。
The sensation means
It is equipped with a fluid contact plate that is arranged in contact with the fluid and moves in the flow direction of the fluid in response to the shear stress on the wall surface of the fluid.
The first through hole may be configured to move in the flow direction of the fluid in conjunction with the fluid contact plate.

前記受感手段は、
壁面せん断応力を測定する対象物に対して所定の位置に固定される支持手段と、
前記支持手段に一端が支持され、前記流体接触板に他端が固定され、前記支持手段から前記流体接触板を吊り下げている弾性変形可能な弾性変形手段と、
を備えてもよい。
The sensation means
Supporting means fixed in place with respect to the object for measuring wall shear stress,
An elastically deformable means for elastic deformation, in which one end is supported by the support means, the other end is fixed to the fluid contact plate, and the fluid contact plate is suspended from the support means.
May be provided.

前記受感手段は、前記弾性変形手段及び前記流体接触板を内部に収容するハウジングを備え、
前記流体接触板は、前記ハウジングの下端部と共に流体に接触するように前記ハウジングの下端部に隣接して配置されていてもよい。
The sensitive means includes a housing for accommodating the elastic deformation means and the fluid contact plate inside.
The fluid contact plate may be arranged adjacent to the lower end of the housing so as to come into contact with the fluid together with the lower end of the housing.

前記弾性変形手段には、前記第1の貫通孔が形成された第1の光路形成部が固定され、
前記ハウジングには、前記第2の貫通孔が形成された第2の光路形成部が固定されていてもよい。
A first optical path forming portion in which the first through hole is formed is fixed to the elastic deformation means.
A second optical path forming portion in which the second through hole is formed may be fixed to the housing.

前記第2の光路形成部は、前記第2の貫通孔に隣接して形成された開口部を備え、
前記第1の光路形成部は、前記第2の光路形成部よりも背面側に配置され、
前記開口部は、流体の壁面せん断応力に応じて前記第1の光路形成部が移動した場合であっても、前記第1の貫通孔に散乱光が通過可能となるように形成されていてもよい。
The second optical path forming portion includes an opening formed adjacent to the second through hole.
The first optical path forming portion is arranged on the back side of the second optical path forming portion.
The opening is formed so that scattered light can pass through the first through hole even when the first optical path forming portion moves according to the wall shear stress of the fluid. good.

前記第1の光路形成部及び前記第2の光路形成部は、前記ハウジングの前記発光手段側に設けられ、
前記ハウジングの前記受光手段側には、前記第1の光路形成部及び前記第2の光路形成部を通過した散乱光を外部に透過可能な透過部が設けられていてもよい。
The first optical path forming portion and the second optical path forming portion are provided on the light emitting means side of the housing.
The light receiving means side of the housing may be provided with a transmitting portion capable of transmitting scattered light that has passed through the first optical path forming portion and the second optical path forming portion to the outside.

前記測定システムは、液体の壁面せん断応力を測定する測定システムであって、
前記受感手段は、前記流体接触板と前記ハウジングとの間から前記ハウジング内に液体が浸入するように構成され、
前記測定システムは、前記ハウジングに浸入した液体の液面が前記第1の貫通孔及び前記第2の貫通孔よりも下方に位置するように、前記ハウジング内に気体を供給して液体の液面を加圧する送気手段をさらに備えてもよい。
The measuring system is a measuring system for measuring the wall shear stress of a liquid.
The sensing means is configured so that the liquid enters the housing from between the fluid contact plate and the housing.
The measurement system supplies a gas into the housing so that the liquid level of the liquid that has entered the housing is located below the first through hole and the second through hole, and the liquid level of the liquid. It may be further provided with an air supply means for pressurizing.

前記弾性変形手段は、流体の流れ方向に並べて配置された一対のワイヤであって、
一方のワイヤは、前記流体接触板の上面部の側端に固定され、他方のワイヤは、前記流体接触板の上面部の側端であって、前記一方のワイヤが固定された部分とは反対側に固定されていてもよい。
The elastic deformation means is a pair of wires arranged side by side in the flow direction of the fluid.
One wire is fixed to the side end of the upper surface portion of the fluid contact plate, and the other wire is the side end of the upper surface portion of the fluid contact plate, which is opposite to the portion to which the one wire is fixed. It may be fixed to the side.

前記発光手段は、
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を散乱させる回転散乱板と、
前記回転散乱板を一定の角速度で中心軸周りに回転させるモータと、
を備えてもよい。
The light emitting means
Laser light source and
A rotary scattering plate that scatters the laser light emitted from the laser light source,
A motor that rotates the rotary scattering plate around the central axis at a constant angular velocity,
May be provided.

前記回転散乱板と前記モータとは、ターニングベルトを介して前記モータの回転を前記回転散乱板に伝達可能となるように互いに接続されていてもよい。 The rotational scattering plate and the motor may be connected to each other via a turning belt so that the rotation of the motor can be transmitted to the rotational scattering plate.

前記受光手段は、
前記第1の貫通孔及び前記第2の貫通孔を通過した散乱光を交点に集束させ、ビート信号を生成するレンズ系と、
前記交点を含むように配置され、前記レンズ系によって生成されたビート信号を散乱させる散乱体と、
前記散乱体によって散乱されたビート信号の強度を検出する光検出素子と、
を備えてもよい。
The light receiving means is
A lens system that generates a beat signal by focusing the scattered light that has passed through the first through hole and the second through hole at an intersection.
A scatterer that is arranged to include the intersection and scatters the beat signal generated by the lens system.
A photodetector that detects the intensity of the beat signal scattered by the scatterer,
May be provided.

本発明によれば、発光手段からの散乱光を通過させる第1の貫通孔及び第2の貫通孔を含み、第1の貫通孔は、流体の壁面せん断応力に応じて、流体の流れ方向に移動し、第2の貫通孔は、流体の壁面せん断応力が変化しても一定の位置に保持される受感手段を備える。このため、流体の壁面せん断応力を流体の流れから直接測定でき、時間分解能の高い測定システムを提供できる。 According to the present invention, the first through hole and the second through hole through which the scattered light from the light emitting means is passed are included, and the first through hole is in the flow direction of the fluid according to the wall shear stress of the fluid. The second through hole is provided with a sensing means that moves and is held in a fixed position even if the wall shear stress of the fluid changes. Therefore, the wall surface shear stress of the fluid can be measured directly from the flow of the fluid, and a measurement system with high time resolution can be provided.

本発明の実施の形態1に係る測定システムの構成を示す正面図である。It is a front view which shows the structure of the measurement system which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る測定システムの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the measurement system which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る発光装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the light emitting device which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る受感装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the sensation apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る受感装置の構成を示す正面図である。It is a front view which shows the structure of the sensation apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る受光装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the light receiving device which concerns on Embodiment 1 of this invention. 流体が流れていない場合の信号光と参照光の光路を示す図である。It is a figure which shows the optical path of a signal light and a reference light when a fluid does not flow. 流体が流れている場合の信号光と参照光の光路を示す図である。It is a figure which shows the optical path of a signal light and a reference light when a fluid is flowing. 本発明の実施の形態2に係る受感装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the sensation apparatus which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3に係る発光装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the light emitting device which concerns on Embodiment 3 of this invention. 実施例1における実験装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the experimental apparatus in Example 1. FIG. 実施例1における実験条件を示す図である。It is a figure which shows the experimental condition in Example 1. FIG. 単相流におけるレイノルズ数と摩擦応力係数の時間平均値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the Reynolds number and the time average value of a friction stress coefficient in a single phase flow. 気泡流におけるレイノルズ数と摩擦応力係数の時間平均値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the Reynolds number in a bubble flow, and the time average value of a friction stress coefficient. 単相流における壁面せん断応力の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the wall surface shear stress in a single phase flow. 気泡流における壁面せん断応力の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the wall surface shear stress in a bubble flow. (a)は、実施例2における実験船の斜視図であり、(b)は、(a)の実験船の断面図である。(A) is a perspective view of the experimental ship in Example 2, and (b) is a cross-sectional view of the experimental ship of (a). (a)は、実施例2における単相流の実験条件を示す図であり、(b)は、実施例2における気泡流の実験条件を示す図である。(A) is a figure which shows the experimental condition of a single phase flow in Example 2, and (b) is a figure which shows the experimental condition of a bubble flow in Example 2. FIG. 単相流における実験船の速度と壁面せん断応力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the velocity of an experimental ship and the wall shear stress in a single phase flow. 気泡流におけるボイド率と壁面せん断応力比との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the void ratio in a bubble flow, and the wall surface shear stress ratio.

以下、本発明に係る測定システムの実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面においては、同一又は同等の部分に同一の符号を付す。また、各実施の形態では、流体の流れ方向をX軸、X軸と垂直に交差して水平面上を延びる軸をY軸、上下方向をZ軸とする直交座標系を使用する。 Hereinafter, embodiments of the measurement system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each drawing, the same or equivalent parts are designated by the same reference numerals. Further, in each embodiment, a Cartesian coordinate system is used in which the flow direction of the fluid is the X axis, the axis perpendicular to the X axis and extending on the horizontal plane is the Y axis, and the vertical direction is the Z axis.

(実施の形態1)
図1〜図6を参照して、本発明の実施の形態1に係る測定システム1の構成を説明する。実施の形態1に係る測定システム1は、ヘテロダイン干渉法を用いて、流体の壁面せん断応力の変化に伴って変化する光のビート信号を検出することにより、流体の壁面せん断応力を測定する装置である。
(Embodiment 1)
The configuration of the measurement system 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6. The measurement system 1 according to the first embodiment is an apparatus for measuring the wall surface shear stress of a fluid by detecting a beat signal of light that changes with a change in the wall surface shear stress of the fluid by using a heterodyne interference method. be.

ヘテロダイン干渉法は、測定したい光である信号光に、わずかに位相の異なる光である参照光を干渉させてビート信号を生成し、得られたビート信号を検出器で検出することにより、信号光の位相等の情報を取得する手法である。光の周波数は非常に高いため、検出器で光を直接検出するだけでは信号光の位相等の情報を取得できないが、参照光を用いて信号光をビート信号に変換することで、信号光の位相等の情報を取得できる。 The heterodyne interferometry is a signal light by interfering a signal light, which is the light to be measured, with a reference light, which is light having a slightly different phase, to generate a beat signal, and detecting the obtained beat signal with a detector. It is a method of acquiring information such as the phase of light. Since the frequency of light is very high, it is not possible to obtain information such as the phase of signal light simply by directly detecting the light with a detector, but by converting the signal light into a beat signal using reference light, the signal light can be obtained. Information such as phase can be acquired.

以下、理解を容易にするために、流体が一様に流れている断面矩形状の管路における水の壁面せん断応力を測定する場合を例に説明するが、実施の形態1に係る測定システム1が壁面せん断応力を測定可能な流体の流れは、水の流れに限られず、壁面せん断応力の測定対象は、断面矩形状の管路に限られない。 Hereinafter, in order to facilitate understanding, a case of measuring the wall surface shear stress of water in a pipeline having a rectangular cross section in which a fluid flows uniformly will be described as an example, but the measurement system 1 according to the first embodiment will be described. However, the flow of the fluid whose wall surface shear stress can be measured is not limited to the flow of water, and the object of measuring the wall surface shear stress is not limited to the pipeline having a rectangular cross section.

図1は、測定システム1の構成を示す正面図である。測定システム1は、レーザ光を散乱させて散乱光として放射する発光装置10と、発光装置10から放射された散乱光の一部により形成された光路を流体の壁面せん断応力に応じて変化させる受感装置20と、受感装置20を通過した散乱光を受光する受光装置30と、を備える。 FIG. 1 is a front view showing the configuration of the measurement system 1. The measurement system 1 receives a light emitting device 10 that scatters laser light and radiates it as scattered light, and a receiver that changes an optical path formed by a part of the scattered light emitted from the light emitting device 10 according to the wall shear stress of the fluid. It includes a sensing device 20 and a light receiving device 30 that receives scattered light that has passed through the sensing device 20.

発光装置10、受感装置20及び受光装置30は、支持板40の上にY軸方向に並べて設置され、固定されている。支持板40は、例えば、鋼材から形成された板であり、土台、橋脚、地面等に設置されてもよい。測定システム1は、発光装置10から散乱されて放射された散乱光が、受感装置20を通過して受光装置30に入射するように構成されている。受感装置20及び支持板40の下方には、X軸方向に流体が流れる断面矩形状の管路50(対象物)が設置されている。受感装置20は、その一部が管路50の上面部に設けられた開口部51に挿入され、その下端部が管路50を流れる流体に接触するように配置されている。 The light emitting device 10, the sensitive device 20, and the light receiving device 30 are installed side by side in the Y-axis direction on the support plate 40 and fixed. The support plate 40 is, for example, a plate made of a steel material, and may be installed on a base, a pier, the ground, or the like. The measurement system 1 is configured such that the scattered light scattered and emitted from the light emitting device 10 passes through the sensitive device 20 and enters the light receiving device 30. Below the sensation device 20 and the support plate 40, a pipeline 50 (object) having a rectangular cross section through which a fluid flows in the X-axis direction is installed. A part of the sensation device 20 is inserted into an opening 51 provided in the upper surface portion of the pipeline 50, and the lower end portion thereof is arranged so as to come into contact with the fluid flowing through the pipeline 50.

図2は、測定システム1の構成を示す平面図である。図2の点線は、発光装置10から出射された散乱光の光路と、受光装置30に入射する信号光及び参照光の光路と、を示す。発光装置10にて散乱されて出射された散乱光は、その一部が受感装置20に入射する。 FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the measurement system 1. The dotted line in FIG. 2 shows an optical path of scattered light emitted from the light emitting device 10 and an optical path of signal light and reference light incident on the light receiving device 30. A part of the scattered light scattered and emitted by the light emitting device 10 is incident on the sensitive device 20.

受感装置20は、流体の壁面せん断応力の変化を直接感知する機構を備える。受感装置20は、入射した散乱光の一部から、流体の壁面せん断応力の変化に応じて光路が変化する信号光と、光路が一定不変の参照光とを形成する。信号光は、受感装置20に設けられ、流体の壁面せん断応力の変化に応じてX軸方向に移動する第1のピンホールによって形成され、参照光は、受感装置20に設けられ、受感装置20の所定の位置に固定された第2のピンホールにより形成される。 The sensation device 20 includes a mechanism that directly senses a change in the wall surface shear stress of the fluid. The sensation device 20 forms a signal light whose optical path changes according to a change in the wall shear stress of the fluid and a reference light whose optical path is constant invariant from a part of the incident scattered light. The signal light is provided in the sensitizer 20 and is formed by a first pinhole that moves in the X-axis direction in response to a change in the wall shear stress of the fluid, and the reference light is provided in the sensitizer 20 and receives. It is formed by a second pinhole fixed at a predetermined position of the sensor 20.

そして、受光装置30に入射した信号光及び参照光は、一つの交点に集束され、交点で互いに干渉してうなりを発生させ、光のビート信号を生成する。測定システム1は、ビート信号の周波数を検出することにより、流体の壁面せん断応力を算出できる。 Then, the signal light and the reference light incident on the light receiving device 30 are focused at one intersection and interfere with each other at the intersection to generate a beat and generate a beat signal of light. The measurement system 1 can calculate the wall surface shear stress of the fluid by detecting the frequency of the beat signal.

図3は、発光装置10を上方から観察した断面図である。発光装置10は、レーザ光を散乱させることにより、単一波長で位相の揃った散乱光を放射する発光手段の一例である。発光装置10は、レーザ光を出射するレーザ光源11と、レーザ光源11からのレーザ光が照射され、レーザ光を散乱させる回転可能な回転散乱板12と、回転散乱板12を中心軸周りに回転させるモータ13と、各部を収容するハウジング14と、を備える。 FIG. 3 is a cross-sectional view of the light emitting device 10 observed from above. The light emitting device 10 is an example of a light emitting means that emits scattered light having a uniform phase at a single wavelength by scattering the laser light. The light emitting device 10 rotates a laser light source 11 that emits laser light, a rotatable rotary scattering plate 12 that is irradiated with laser light from the laser light source 11 and scatters the laser light, and a rotary scattering plate 12 around a central axis. A motor 13 for causing the laser and a housing 14 for accommodating each portion are provided.

レーザ光源11は、例えば、赤色波長のレーザ光を出射するレーザ光源である。赤色波長は、あくまで一例であって、レーザ光源11が出射するレーザ光は、光のビート信号の周波数が測定可能な値である限り、いかなる波長の光であってもよい。 The laser light source 11 is, for example, a laser light source that emits a laser beam having a red wavelength. The red wavelength is merely an example, and the laser light emitted by the laser light source 11 may be light of any wavelength as long as the frequency of the beat signal of the light is a measurable value.

回転散乱板12は、例えば、ガラス材料に微細粒子を混入して形成したすりガラスからなる円盤状の部材である。回転散乱板12は、レーザ光源11から入射されたレーザ光を様々な周波数を有する散乱光に変換して散乱させる。回転散乱板12は、流体の壁面せん断応力の測定精度を向上させるために、内部の微細粒子の分布ができるだけ均一であることが望ましい。回転中の回転散乱板12に照射されたレーザ光は、あらゆる方向に散乱するが、主にレーザ光が出射された方向に向かって進行する。 The rotary scattering plate 12 is, for example, a disk-shaped member made of frosted glass formed by mixing fine particles with a glass material. The rotary scattering plate 12 converts the laser light incident from the laser light source 11 into scattered light having various frequencies and scatters the laser light. It is desirable that the rotational scattering plate 12 has a uniform distribution of fine particles inside in order to improve the measurement accuracy of the wall surface shear stress of the fluid. The laser light emitted to the rotating scattering plate 12 during rotation is scattered in all directions, but travels mainly in the direction in which the laser light is emitted.

モータ13は、例えば、回転散乱板12を回転させるサーボモータである。モータ13は、図示しない制御装置により制御され、一定の角速度で回転散乱板12を回転させる。モータ13の回転軸は、回転散乱板12の中心軸、すなわち回転散乱板12の中心点を通って回転散乱板12に垂直な向きの軸に固定されている。 The motor 13 is, for example, a servomotor that rotates the rotary scattering plate 12. The motor 13 is controlled by a control device (not shown) to rotate the rotary scattering plate 12 at a constant angular velocity. The rotation axis of the motor 13 is fixed to the central axis of the rotation scattering plate 12, that is, the axis oriented perpendicular to the rotation scattering plate 12 through the center point of the rotation scattering plate 12.

流体の壁面せん断応力の測定精度を向上させるには、回転散乱板12の中心軸がモータ13の回転軸とできるだけ一致するように、回転散乱板12をモータ13の回転軸に固定することが望ましい。回転散乱板12の中心軸がモータ13の回転軸と一致する場合、レーザ光源11から出射されたレーザ光は、回転散乱板12のふらつきが抑制されるため、散乱光の散乱の変動が抑制され、結果として流体の壁面せん断応力の測定精度を向上できる。 In order to improve the measurement accuracy of the wall surface shear stress of the fluid, it is desirable to fix the rotary scattering plate 12 to the rotary axis of the motor 13 so that the central axis of the rotary scattering plate 12 coincides with the rotary axis of the motor 13 as much as possible. .. When the central axis of the rotational scattering plate 12 coincides with the rotational axis of the motor 13, the laser light emitted from the laser light source 11 suppresses the fluctuation of the rotational scattering plate 12, so that the fluctuation of scattered light scattering is suppressed. As a result, the measurement accuracy of the wall surface shear stress of the fluid can be improved.

ハウジング14は、立方体形状に形成され、側面部に散乱光を透過可能な透過部14aを備える。透過部14aは、ガラス板又は透明な樹脂板で形成され、ハウジング14の側面部に設けられた開口に嵌め込まれて固定されている。回転散乱板12により散乱された散乱光の一部は、透過部14aを通って外部に放射される。 The housing 14 is formed in a cubic shape, and has a transmission portion 14a capable of transmitting scattered light on a side surface portion. The transmission portion 14a is formed of a glass plate or a transparent resin plate, and is fitted and fixed to an opening provided in a side surface portion of the housing 14. A part of the scattered light scattered by the rotary scattering plate 12 is radiated to the outside through the transmission portion 14a.

図4は、受感装置20をXZ平面で切断した断面図である。受感装置20は、流体の壁面せん断応力に応じて、発光装置10から放射された散乱光の光路を変化させる受感手段の一例である。受感装置20は、円筒形状のハウジング21と、ハウジング21の上端部に固定された支持部22と、支持部22に固定され、支持部22から吊り下げられた一対のワイヤ23と、流体に接触するように一対のワイヤ23の先端部に支持され、流体の壁面せん断応力に応じて流体の流れ方向に移動する流体接触板24と、を備える。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the sensitive device 20 cut along the XZ plane. The sensitizing device 20 is an example of a sensitizing means that changes the optical path of the scattered light emitted from the light emitting device 10 according to the wall surface shear stress of the fluid. The sensory device 20 includes a cylindrical housing 21, a support portion 22 fixed to the upper end portion of the housing 21, a pair of wires 23 fixed to the support portion 22 and suspended from the support portion 22, and a fluid. A fluid contact plate 24, which is supported by the tips of the pair of wires 23 so as to be in contact with each other and moves in the flow direction of the fluid according to the shear stress on the wall surface of the fluid, is provided.

ハウジング21は、受感装置20の各部を内部に収容する部材である。ハウジング21は、例えば、ステンレス等の金属材料から形成された円筒形状の部材である。ハウジング21は、その下端部に設けられ、支持板40に設置可能なフランジ21aを備える。 The housing 21 is a member that houses each part of the sensing device 20 inside. The housing 21 is a cylindrical member made of a metal material such as stainless steel. The housing 21 is provided at the lower end thereof and includes a flange 21a that can be installed on the support plate 40.

フランジ21aは、ステンレス等から形成された円盤形状の部材であって、同一円周上に間隔を空けて配置された複数の貫通孔21bを備える。貫通孔21bは、ボルトが挿通可能であり、支持板40の雌ネジ穴と合致する位置に形成されている。このため、貫通孔21bにボルトが挿通され、支持板40の雌ねじ穴にボルトがねじ込まれることにより、フランジ21aが支持板40に取り外し可能に固定される。 The flange 21a is a disk-shaped member made of stainless steel or the like, and includes a plurality of through holes 21b arranged at intervals on the same circumference. The through hole 21b is formed at a position where a bolt can be inserted and coincides with the female screw hole of the support plate 40. Therefore, the bolt is inserted into the through hole 21b, and the bolt is screwed into the female screw hole of the support plate 40, so that the flange 21a is detachably fixed to the support plate 40.

図5は、受感装置20を発光装置10側から、すなわち、図4と同じ方向から観察した様子を示す正面図である。ハウジング21は、その側面部に開口が形成されており、この開口に参照光の光路を形成する第2の光路形成部26が固定されている。第2の光路形成部26は、例えば、金属材料から形成された板状部材である。 FIG. 5 is a front view showing a state in which the sensitive device 20 is observed from the light emitting device 10 side, that is, from the same direction as in FIG. An opening is formed in the side surface portion of the housing 21, and a second optical path forming portion 26 forming an optical path for reference light is fixed to the opening. The second optical path forming portion 26 is, for example, a plate-shaped member formed of a metal material.

第2の光路形成部26は、第2のピンホール(第2の貫通孔)26aと、第2のピンホール26aに隣接して形成された開口部26bと、を備える。第2のピンホール26aは、例えば、Y軸方向に貫通して形成された円形の貫通孔であって、入射した散乱光の一部を通過させて参照光の光路を形成する。開口部26bは、例えば、Y軸方向に貫通して形成された円形状の貫通孔である。 The second optical path forming portion 26 includes a second pinhole (second through hole) 26a and an opening 26b formed adjacent to the second pinhole 26a. The second pinhole 26a is, for example, a circular through hole formed through the Y-axis direction, and passes a part of the incident scattered light to form an optical path of the reference light. The opening 26b is, for example, a circular through hole formed so as to penetrate in the Y-axis direction.

開口部26bの背面側には、第1の光路形成部25が配置されている。第1の光路形成部25は、Y軸方向に貫通して形成され、散乱光が入射したときに信号光の光路を形成する第1のピンホール(第1の貫通孔)25aを備える。開口部26bは、背面側に配置された第1の光路形成部25が流体の壁面せん断応力によってX軸方向に移動した場合でも、散乱光が第1のピンホール25aに入射するように、すなわち、第1のピンホール25aが常に外部から視認可能となるように形成されている。 A first optical path forming portion 25 is arranged on the back surface side of the opening portion 26b. The first optical path forming portion 25 is formed so as to penetrate in the Y-axis direction, and includes a first pinhole (first through hole) 25a that forms an optical path for signal light when scattered light is incident. The opening 26b is provided so that scattered light is incident on the first pinhole 25a even when the first optical path forming portion 25 arranged on the back surface side moves in the X-axis direction due to the wall shear stress of the fluid. , The first pinhole 25a is formed so as to be always visible from the outside.

図4に戻り、ハウジング21の側面部であって、第1の光路形成部25及び第2の光路形成部26の反対側に位置する部分には、別の開口が設けられている。この開口には、レーザ光を透過可能な透過部27が固定されている。透過部27は、例えば、ガラス板又は透明な樹脂板から形成されている。このため、散乱光が第1のピンホール25aを通過することにより形成された信号光と、散乱光が第2のピンホール26aを通過することにより形成された参照光とは、いずれも透過部27を通ってハウジング21の外部に出射される。 Returning to FIG. 4, another opening is provided in the side surface portion of the housing 21, which is located on the opposite side of the first optical path forming portion 25 and the second optical path forming portion 26. A transmission portion 27 capable of transmitting laser light is fixed to this opening. The transmission portion 27 is formed of, for example, a glass plate or a transparent resin plate. Therefore, the signal light formed by the scattered light passing through the first pinhole 25a and the reference light formed by the scattered light passing through the second pinhole 26a are both transmitted portions. It is emitted to the outside of the housing 21 through 27.

支持部22は、ハウジング21の上端部に固定され、ワイヤ23を支持する支持手段の一例である。支持部22は、例えば、ステンレス等の金属材料から形成されたキャップ状の部材である。支持部22は、円形状の上面部と、上面部の側端部から下方に延びる筒状の側面部と、を備える。支持部22は、例えば、ハウジング21の上部に溶接、締まり嵌め等の手段によって固定されている。 The support portion 22 is an example of a support means that is fixed to the upper end portion of the housing 21 and supports the wire 23. The support portion 22 is a cap-shaped member formed of, for example, a metal material such as stainless steel. The support portion 22 includes a circular upper surface portion and a cylindrical side surface portion extending downward from the side end portion of the upper surface portion. The support portion 22 is fixed to the upper part of the housing 21 by means such as welding and tightening.

ワイヤ23は、一端が支持部22に固定され、他端が流体接触板に固定され、支持部22から流体接触板24を吊り下げる弾性変形可能な弾性変形手段の一例である。ワイヤ23は、例えば、ピアノ線から構成されている。ワイヤ23は、第1のワイヤ23aと、第2のワイヤ23bと、を含む。第1のワイヤ23aと第2のワイヤ23bは、流体の流れ方向(X軸方向)に並べて配置されている。 The wire 23 is an example of elastically deformable means in which one end is fixed to the support portion 22 and the other end is fixed to the fluid contact plate, and the fluid contact plate 24 is suspended from the support portion 22. The wire 23 is composed of, for example, a piano wire. The wire 23 includes a first wire 23a and a second wire 23b. The first wire 23a and the second wire 23b are arranged side by side in the fluid flow direction (X-axis direction).

第1の光路形成部25は、第1のワイヤ23aに接着、溶接等の手段により固定されている。第1の光路形成部25は、YZ平面上に配置された板状部材であり、第1のワイヤ23aの変形に追従してX軸方向に移動する。 The first optical path forming portion 25 is fixed to the first wire 23a by means such as adhesion and welding. The first optical path forming portion 25 is a plate-shaped member arranged on the YZ plane, and moves in the X-axis direction following the deformation of the first wire 23a.

ワイヤ23の先端部は、流体接触板24の上面部に接着等の手段で固定されている。流体の壁面せん断応力を正確に測定するために、ワイヤ23の先端部は、流体接触板24に対して折れ曲がることがないように強固に固定されることが望ましい。 The tip of the wire 23 is fixed to the upper surface of the fluid contact plate 24 by means such as adhesion. In order to accurately measure the wall shear stress of the fluid, it is desirable that the tip of the wire 23 is firmly fixed to the fluid contact plate 24 so as not to bend.

ワイヤ23の機械的特性(例えば、バネ係数)は、測定される流体の種類、温度、壁面せん断応力の大きさ、変動幅、急峻性、気泡や乱流の有無等を考慮して、ユーザが適宜選択する。例えば、低応力場を測定する場合、ワイヤ23のバネ係数は大きいことが望ましく、高応力場を測定する場合、ワイヤ23のバネ係数は小さいことが望ましい。 The mechanical properties (eg, spring constant) of the wire 23 are determined by the user in consideration of the type of fluid to be measured, temperature, magnitude of wall shear stress, fluctuation range, steepness, presence of bubbles and turbulence, and the like. Select as appropriate. For example, when measuring a low stress field, it is desirable that the spring coefficient of the wire 23 is large, and when measuring a high stress field, it is desirable that the spring coefficient of the wire 23 is small.

ワイヤ23は、流体接触板24がX軸方向に移動した場合でも、第1の光路形成部25のZ軸方向への移動が無視できる程度に十分な長さを有することが望ましい。ワイヤ23にピアノ線を用いた場合、ワイヤ23の長さは、例えば、約10cm〜約30cmである。 It is desirable that the wire 23 has a sufficient length so that the movement of the first optical path forming portion 25 in the Z-axis direction can be ignored even when the fluid contact plate 24 moves in the X-axis direction. When a piano wire is used for the wire 23, the length of the wire 23 is, for example, about 10 cm to about 30 cm.

流体接触板24は、流体に直接接触し、流体からの壁面せん断応力に応じて流体の流れ方向(X軸方向)に移動する板状部材である。流体接触板24は、軽量かつ剛性のある材料、例えば、ステンレス等の金属材料から形成される円盤形状の部材である。流体接触板24は、例えば、外径10mm、厚さ0.2mmの寸法で形成されている。 The fluid contact plate 24 is a plate-shaped member that comes into direct contact with the fluid and moves in the flow direction (X-axis direction) of the fluid in response to the wall shear stress from the fluid. The fluid contact plate 24 is a disk-shaped member formed of a lightweight and rigid material, for example, a metal material such as stainless steel. The fluid contact plate 24 is formed, for example, with dimensions having an outer diameter of 10 mm and a thickness of 0.2 mm.

流体接触板24の外径及び厚さは、流体の種類、壁面せん断応力の大きさ、変動幅、急峻性、気泡や乱流の有無、金属加工の容易性等を考慮して、任意の値に設定できる。流体接触板24は、例えば、外径5mm〜20mm、厚さ0.1mm〜1.0mmの範囲内であることが好ましい。流体接触板24の外径が小さい場合、局所的な壁面せん断応力を測定できるため、乱流の壁面せん断応力の測定に好適である。また、流体接触板24の外径が大きい場合、壁面せん断応力の全体的な傾向を効果的に測定できる。 The outer diameter and thickness of the fluid contact plate 24 are arbitrary values in consideration of the type of fluid, the magnitude of wall shear stress, the fluctuation range, steepness, the presence or absence of bubbles or turbulence, the ease of metal processing, and the like. Can be set to. The fluid contact plate 24 is preferably in the range of, for example, an outer diameter of 5 mm to 20 mm and a thickness of 0.1 mm to 1.0 mm. When the outer diameter of the fluid contact plate 24 is small, the local wall surface shear stress can be measured, which is suitable for measuring the wall surface shear stress of turbulent flow. Further, when the outer diameter of the fluid contact plate 24 is large, the overall tendency of the wall surface shear stress can be effectively measured.

図6は、受光装置30を上方から観察した断面図である。受光装置30は、受感装置20を通過した二つの散乱光を互いに干渉させ、互いに干渉した散乱光から得られたビート信号を受光する受光手段の一例である。 FIG. 6 is a cross-sectional view of the light receiving device 30 observed from above. The light receiving device 30 is an example of a light receiving means that causes two scattered lights that have passed through the sensitive device 20 to interfere with each other and receives a beat signal obtained from the scattered light that interferes with each other.

受光装置30は、受感装置20を通過した散乱光を一つの交点に集光してビート信号を生成するレンズ系31と、ビート信号を散乱させる散乱体32と、散乱体32によって散乱させられたビート信号を受光する光検出素子33と、を備える。受光装置30の各部は、ハウジング34内に設置されている。 The light receiving device 30 is scattered by a lens system 31 that collects scattered light that has passed through the sensitive device 20 at one intersection to generate a beat signal, a scattering body 32 that scatters the beat signal, and a scattering body 32. It is provided with a photodetection element 33 that receives a light-receiving beat signal. Each part of the light receiving device 30 is installed in the housing 34.

レンズ系31は、平行レンズ31aと、集光レンズ31bと、を備える。平行レンズ31aは、第1のピンホール25aを通過した信号光及び第2のピンホール26aを通過した参照光を、互いに平行な光路を進むように屈折させる。集光レンズ31bは、平行レンズ31aを通過した信号光及び参照光を、一つの交点で交差するように集束させる。 The lens system 31 includes a parallel lens 31a and a condenser lens 31b. The parallel lens 31a refracts the signal light that has passed through the first pinhole 25a and the reference light that has passed through the second pinhole 26a so as to travel in an optical path parallel to each other. The condenser lens 31b focuses the signal light and the reference light that have passed through the parallel lens 31a so as to intersect at one intersection.

散乱体32は、信号光と参照光との交点を含むように配置され、レンズ系31を通過した光を散乱させる。散乱体32は、例えば、回転散乱板12と同様に、微細粒子を含むすりガラスで形成されている。流体の壁面せん断応力の変化に応じて、信号光の光路が変化するため、ビート信号の進行方向の予測は困難である。このため、散乱体32を用いてビート信号を散乱させることにより、ビート信号の一部を光検出素子33に確実に入射させることができる。 The scatterer 32 is arranged so as to include an intersection of the signal light and the reference light, and scatters the light that has passed through the lens system 31. The scatterer 32 is made of frosted glass containing fine particles, like the rotary scattering plate 12, for example. Since the optical path of the signal light changes according to the change in the wall shear stress of the fluid, it is difficult to predict the traveling direction of the beat signal. Therefore, by scattering the beat signal using the scatterer 32, a part of the beat signal can be reliably incident on the photodetection element 33.

光検出素子33は、散乱光のビート信号の強度を検出し、ビード信号の強度に対応する信号を出力するセンサである。光検出素子33は、例えば、光電効果型の光検出器である。光検出素子33は、微弱なビート信号を増幅する増幅器と、ノイズの影響を除去するために、増幅したビート信号から特定の周波数帯(例えば、約90Hz〜約150Hz)の信号を抽出するバンドパスフィルタと、フィルタリングされたビート信号を記憶するデータロガーと、に電気的に接続されている。データロガーに記憶されたビート信号は、有線又は無線の通信回路を介して演算装置(図示せず)に送信され、流体の壁面せん断応力の演算に利用される。 The photodetection element 33 is a sensor that detects the intensity of the beat signal of scattered light and outputs a signal corresponding to the intensity of the bead signal. The photodetector 33 is, for example, a photoelectric effect type photodetector. The photodetection element 33 is an amplifier that amplifies a weak beat signal, and a bandpass that extracts a signal in a specific frequency band (for example, about 90 Hz to about 150 Hz) from the amplified beat signal in order to eliminate the influence of noise. It is electrically connected to a filter and a data logger that stores the filtered beat signal. The beat signal stored in the data logger is transmitted to an arithmetic unit (not shown) via a wired or wireless communication circuit, and is used for calculating the wall shear stress of the fluid.

なお、バンドパスフィルタが信号として抽出する特定の周波数帯の範囲は、実験を繰り返すことにより経験的に設定される。また、管路50内に流体が流れていない場合にビート周波数が約50kHz〜約150kHzになるように、第1のピンホール25a及び第2のピンホール26aとレンズ系31とが互いに位置決めされている。 The range of a specific frequency band extracted by the bandpass filter as a signal is empirically set by repeating the experiment. Further, the first pinhole 25a and the second pinhole 26a and the lens system 31 are positioned with each other so that the beat frequency becomes about 50 kHz to about 150 kHz when no fluid is flowing in the pipeline 50. There is.

ハウジング34は、立方体形状に形成され、その側面部にレーザ光を透過可能な透過部34aを備える。透過部34aは、ガラス板又は透明な樹脂板から形成され、側面部の開口に嵌め込まれて固定されている。受感装置20を通過した散乱光は、透過部34aを通ってハウジング34の内部に入射する。 The housing 34 is formed in a cubic shape, and has a transmitting portion 34a capable of transmitting laser light on its side surface portion. The transmission portion 34a is formed of a glass plate or a transparent resin plate, and is fitted and fixed to the opening of the side surface portion. The scattered light that has passed through the sensation device 20 passes through the transmission portion 34a and enters the inside of the housing 34.

演算装置は、光検出素子33が検出したビート信号を処理して生成した信号を受信し、受信した信号からビート信号の周波数(以下、ビート周波数と称する)を取得し、ビート周波数から流体の壁面せん断応力を演算する演算手段の一例である。演算装置は、例えば、汎用コンピュータであって、プログラムを記憶するメモリと、メモリに記憶されたプログラムを実行するプロセッサを備える。以上が、測定システム1の構成である。 The arithmetic unit receives a signal generated by processing the beat signal detected by the photodetection element 33, acquires the frequency of the beat signal (hereinafter referred to as the beat frequency) from the received signal, and obtains the frequency of the beat signal (hereinafter referred to as the beat frequency) from the beat frequency on the wall surface of the fluid. This is an example of a calculation means for calculating shear stress. The arithmetic unit is, for example, a general-purpose computer and includes a memory for storing a program and a processor for executing the program stored in the memory. The above is the configuration of the measurement system 1.

次に、図7及び図8を参照して、実施の形態1に係る測定システム1が流体の壁面せん断応力を測定する仕組みを説明する。以下、受感装置20は、流体接触板24が管路50内の流体に接触しており、流体の流れに応じて流れ方向(X軸方向)に移動するように管路50に設置されているものとする。 Next, with reference to FIGS. 7 and 8, the mechanism by which the measurement system 1 according to the first embodiment measures the wall surface shear stress of the fluid will be described. Hereinafter, the sensing device 20 is installed in the pipeline 50 so that the fluid contact plate 24 is in contact with the fluid in the pipeline 50 and moves in the flow direction (X-axis direction) according to the flow of the fluid. It is assumed that there is.

図7は、管路50内の流体が流れていない場合の信号光及び参照光の光路を示す図である。まず、レーザ光源11から出射されたレーザ光は、一定の角速度ωで回転中の回転散乱板12に入射する。次いで、回転散乱板12にて散乱した散乱光は、透過部14aを通って、その一部が受感装置20に向けて放射される。そして、発光装置10から放射された散乱光が、受感装置20の第1のピンホール25a及び第2のピンホール26aを通過することにより、信号光及び参照光が形成される。 FIG. 7 is a diagram showing an optical path of signal light and reference light when the fluid in the pipeline 50 is not flowing. First, the laser light emitted from the laser light source 11 is incident on the rotating scattering plate 12 rotating at a constant angular velocity ω. Next, the scattered light scattered by the rotary scattering plate 12 passes through the transmission portion 14a, and a part of the scattered light is radiated toward the sensitive device 20. Then, the scattered light radiated from the light emitting device 10 passes through the first pinhole 25a and the second pinhole 26a of the sensing device 20, so that the signal light and the reference light are formed.

次に、第1のピンホール25aからの信号光及び第2のピンホール26aからの参照光は、それぞれ受光装置30の透過部34aを通過して、受光装置30の内部に入射する。受光装置30に入射した信号光及び参照光は、レンズ系31によって集束させられ、一つの交点で交わることにより、互いに干渉して光のビート信号に変換される。信号光及び参照光の交点に散乱体32が配置されているため、変換されたビート信号は散乱し、最終的に光検出素子33にて受光される。 Next, the signal light from the first pinhole 25a and the reference light from the second pinhole 26a pass through the transmission portion 34a of the light receiving device 30, and enter the inside of the light receiving device 30. The signal light and the reference light incident on the light receiving device 30 are focused by the lens system 31, and when they intersect at one intersection, they interfere with each other and are converted into a beat signal of light. Since the scatterer 32 is arranged at the intersection of the signal light and the reference light, the converted beat signal is scattered and finally received by the photodetection element 33.

ビート信号の生成について、より詳細に説明すると、第1のピンホール25aを通過した信号光と、第2のピンホール26aを通過した参照光とは、回転散乱板12から異なる向きに放射された散乱光を用いて形成されているため、それぞれ周波数が異なる。互いに周波数が異なる信号光と参照光とが干渉することにより、うなりが発生してビート信号が生成される。 To explain the generation of the beat signal in more detail, the signal light passing through the first pinhole 25a and the reference light passing through the second pinhole 26a were radiated from the rotational scattering plate 12 in different directions. Since it is formed using scattered light, each has a different frequency. When the signal light and the reference light having different frequencies interfere with each other, a beat is generated and a beat signal is generated.

流体の壁面せん断応力が発生していないとき、すなわち初期状態におけるビート周波数fd1は、以下の式で表される。ただし、fは、参照光の周波数、fは、流体の壁面せん断応力が発生していない場合の信号光の周波数、rは、回転散乱板12におけるレーザ光が照射される部分の半径、λは、光の波長、φは、第1のピンホール25aに入射する散乱光と第2のピンホール26aに入射する散乱光とのなす角(散乱角)である。
d1=|f−f|=2ωr/λ×sin(φ/2) …(1)
The beat frequency f d1 in the initial state when the wall surface shear stress of the fluid is not generated is expressed by the following equation. However, f 1 is the frequency of the reference light, f 2 is the wavelength of the signal light when the wall surface shear stress of the fluid is not generated, and r is the radius of the portion of the rotary scattering plate 12 to which the laser light is irradiated. λ is the wavelength of light, and φ is the angle (scattering angle) between the scattered light incident on the first pinhole 25a and the scattered light incident on the second pinhole 26a.
f d1 = | f 1 −f 2 | = 2ωr / λ × sin (φ / 2)… (1)

図8は、管路50内を流体の流れている場合の信号光及び参照光の光路を示す図である。図8では、流体の流れにより流体接触板24に壁面せん断応力が作用しているため、図7に比べて流体接触板24が流体の流れ方向(X軸方向)に移動している。これに伴い、流体接触板24を支持している第1のワイヤ23aが変形してX軸方向に移動する。このため、第1のワイヤ23aに固定された第1の光路形成部25の第1のピンホール25aは、流体の壁面せん断応力に応じて、X軸方向に移動する。 FIG. 8 is a diagram showing an optical path of signal light and reference light when a fluid is flowing in the pipeline 50. In FIG. 8, since the wall surface shear stress acts on the fluid contact plate 24 due to the fluid flow, the fluid contact plate 24 moves in the fluid flow direction (X-axis direction) as compared with FIG. 7. Along with this, the first wire 23a supporting the fluid contact plate 24 is deformed and moves in the X-axis direction. Therefore, the first pinhole 25a of the first optical path forming portion 25 fixed to the first wire 23a moves in the X-axis direction according to the wall surface shear stress of the fluid.

このとき、第1のピンホール25aを通過した信号光は、図8の点線に示すように、図7の場合の信号光(図8の実線で示す)と異なる角度で平行レンズ31aに入射する。第1のピンホール25aの位置が変化したことにより、信号光の第1のピンホール25aから交点までの光路長が変化するため、交点における信号光の位相も変化する。第2のピンホール26aは、受光装置30との相対的な位置関係が一定となるように配置されているため、流体の壁面せん断応力が変化しても、交点における参照光の位相は変化しない。このため、流体の壁面せん断応力が発生すると、信号光と参照光との間の位相差が変化する。この位相差の変化が散乱光の干渉により発生するビート信号のビート周波数を変化させる。 At this time, the signal light that has passed through the first pinhole 25a is incident on the parallel lens 31a at an angle different from the signal light in the case of FIG. 7 (shown by the solid line in FIG. 8) as shown by the dotted line in FIG. .. Since the position of the first pinhole 25a changes, the optical path length from the first pinhole 25a of the signal light to the intersection changes, so that the phase of the signal light at the intersection also changes. Since the second pinhole 26a is arranged so that the relative positional relationship with the light receiving device 30 is constant, the phase of the reference light at the intersection does not change even if the wall shear stress of the fluid changes. .. Therefore, when the wall shear stress of the fluid is generated, the phase difference between the signal light and the reference light changes. This change in phase difference changes the beat frequency of the beat signal generated by the interference of scattered light.

流体の壁面せん断応力の発生に伴い、第1のピンホール25aがX軸方向に移動すると、信号光の周波数はfからfに変化し、散乱角はφからφ’に変化することにより、ビート信号のうなりが変化する。流体の壁面せん断応力の測定時におけるビート周波数fd2は、以下の式で表される。
d2=|f−f|=2ωr/λ×sin(φ’/2) …(2)
With the occurrence of the wall shear stress of the fluid, the first pin hole 25a is moved in the X-axis direction, the frequency of the signal light changes from f 2 to f 3, the scattering angle by changing the phi 'from phi , The beat signal growls. The beat frequency f d2 at the time of measuring the wall surface shear stress of the fluid is expressed by the following equation.
f d2 = | f 1 −f 3 | = 2ωr / λ × sin (φ'/2)… (2)

さらに、流体の壁面せん断応力τとビード周波数の差(fd2−fd1)とは、以下の式に示す関係を有する。ただし、係数kは、実験を繰り返すことにより決定される係数である。例えば、ワイヤ23としてピアノ線を用いる場合であって、重力単位系を用いるときの係数は、k=0.0317であり、国際単位系(International System of Units:SI)を用いるときの係数は、k=3.964である。
τ=k×(fd2−fd1) …(3)
Further, the difference between the wall shear stress τ w of the fluid and the bead frequency (f d2- f d1 ) has the relationship shown in the following equation. However, the coefficient k is a coefficient determined by repeating the experiment. For example, when a piano wire is used as the wire 23, the coefficient when using the gravitational unit system is k = 0.0317, and the coefficient when using the International System of Units (SI) is k = 3.964.
τ w = k × (f d2- f d1 )… (3)

管路内に流体が流れている場合、演算装置は、流体のせん断応力に応じて変化したビート周波数から、式(3)を用いて流体の壁面せん断応力を算出できる。また、流体の壁面せん断応力が発生していない場合、流体の壁面せん断応力の測定時におけるビート周波数fd2は、初期状態のビート周波数fd1と一致するため(fd2=fd1)、演算装置は、式(3)を用いて流体の壁面せん断応力τがゼロであると算出できる。 When the fluid is flowing in the pipeline, the arithmetic unit can calculate the wall surface shear stress of the fluid by using the equation (3) from the beat frequency changed according to the shear stress of the fluid. Further, when the wall surface shear stress of the fluid is not generated, the beat frequency f d2 at the time of measuring the wall surface shear stress of the fluid matches the beat frequency f d1 in the initial state (f d2 = f d1 ). Can be calculated using Eq. (3) as the wall shear stress τ w of the fluid is zero.

以上説明したように、実施の形態1に係る測定システム1は、発光装置10からの散乱光を通過させる第1のピンホール25a及び第2のピンホール26aを含み、第1のピンホール25aは、流体の壁面せん断応力に応じて流体の流れ方向に移動し、第2のピンホール26aは、流体の壁面せん断応力が変化しても一定の位置に維持される受感装置20を備える。このため、測定システム1は、流体の壁面せん断応力を流体の流れから直接測定でき、乱流や気泡流に対応可能な高い時間分解能を実現できる。 As described above, the measurement system 1 according to the first embodiment includes a first pinhole 25a and a second pinhole 26a through which scattered light from the light emitting device 10 is passed, and the first pinhole 25a is a first pinhole 25a. The second pinhole 26a is provided with a sensing device 20 that moves in the flow direction of the fluid according to the wall shear stress of the fluid and is maintained at a constant position even if the wall shear stress of the fluid changes. Therefore, the measurement system 1 can directly measure the wall shear stress of the fluid from the flow of the fluid, and can realize a high time resolution that can cope with turbulent flow and bubble flow.

また、実施の形態1に係る測定システム1は、流体に接触するように配置され、流体の壁面せん断応力に応じて流体の流れ方向に移動する流体接触板24を備える。このため、流体接触板24が流体の壁面せん断応力を流体の流れから直接受感でき、その結果として、流体の壁面せん断応力を精度よく測定できる。 Further, the measurement system 1 according to the first embodiment includes a fluid contact plate 24 which is arranged so as to be in contact with the fluid and moves in the flow direction of the fluid according to the wall shear stress of the fluid. Therefore, the fluid contact plate 24 can directly sense the wall shear stress of the fluid from the flow of the fluid, and as a result, the wall shear stress of the fluid can be measured accurately.

さらに、実施の形態1に係る測定システム1は、測定対象に固定された支持部22から流体接触板24を吊り下げている弾性変形可能な一対のワイヤ23を備える。このため、測定システム1の軽量化を実現できると共に、流体接触板24が流体の流れに追従しやすくなり、その結果、流体の壁面せん断応力をさらに精度よく測定できる。 Further, the measurement system 1 according to the first embodiment includes a pair of elastically deformable wires 23 that suspend the fluid contact plate 24 from the support portion 22 fixed to the measurement target. Therefore, the weight of the measurement system 1 can be reduced, and the fluid contact plate 24 can easily follow the flow of the fluid. As a result, the wall shear stress of the fluid can be measured more accurately.

(実施の形態2)
図9を参照して、本発明の実施の形態2に係る測定システムの構成を説明する。実施の形態2に係る測定システムは、実施の形態1に係る測定システム1と異なり、気泡等が含まれる混相流の壁面せん断応力を測定するために、受感装置20の上部からハウジング21内に気体を供給するように構成されている。実施の形態2では、壁面せん断応力の測定対象である流体が、管路50内を流れる海水、地下水等の液体であるものとする。
(Embodiment 2)
The configuration of the measurement system according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9. Unlike the measurement system 1 according to the first embodiment, the measurement system according to the second embodiment is different from the measurement system 1 according to the first embodiment, in order to measure the wall surface shear stress of the mixed phase flow containing bubbles and the like, from the upper part of the sensitizing device 20 into the housing 21. It is configured to supply gas. In the second embodiment, it is assumed that the fluid for which the wall surface shear stress is to be measured is a liquid such as seawater or groundwater flowing in the pipeline 50.

図9は、図4と同様に受感装置20をXZ平面で切断した断面図であり、液体の一部が受感装置20の下方からハウジング21内に浸入している様子を示す。理解を容易にするために、第2の光路形成部26及び第2のピンホール26aを点線で図示している。受感装置20は、ハウジング21の内側面と流体接触板24の外周面との間からハウジング21内に液体が浸入可能に形成されている。ワイヤ23がハウジング21内に浸入した液体に浸されるため、壁面せん断応力の測定結果に影響するワイヤ23の振動が抑制される。 FIG. 9 is a cross-sectional view of the sensitive device 20 cut along the XZ plane as in FIG. 4, and shows a state in which a part of the liquid has penetrated into the housing 21 from below the sensitive device 20. For ease of understanding, the second optical path forming portion 26 and the second pinhole 26a are shown by dotted lines. The sensation device 20 is formed so that liquid can enter the housing 21 from between the inner surface of the housing 21 and the outer peripheral surface of the fluid contact plate 24. Since the wire 23 is immersed in the liquid that has entered the housing 21, the vibration of the wire 23 that affects the measurement result of the wall surface shear stress is suppressed.

受感装置20の支持部22は、上面部から下面部に向けて貫通する貫通孔22aを備える。貫通孔22aは、空気を送気可能なチューブ28を介してハウジング21内に気体を供給する送気装置29に接続されている。送気装置29は、例えば、コンプレッサ、シリンジ等を備える。 The support portion 22 of the sensation device 20 includes a through hole 22a that penetrates from the upper surface portion to the lower surface portion. The through hole 22a is connected to an air supply device 29 that supplies gas into the housing 21 via a tube 28 capable of supplying air. The air supply device 29 includes, for example, a compressor, a syringe, and the like.

送気装置29は、ハウジング21内に気体を供給することで、ハウジング21内に浸入した液体がレーザ光の経路に侵入しないように、言い換えると、ハウジング21内に浸入した液体の液面が第1のピンホール25a及び第2のピンホール26aよりも下方に位置するように、液体の液面を加圧する送気手段の一例である。より詳細に説明すると、送気装置29は、ハウジング21内に浸入した液体の液面の位置を、流体接触板24の上面部と第1のピンホール25a及び第2のピンホール26aとの間に保持するように、ハウジング21内に気体を供給することで液体の液面を加圧する。送気装置29により供給される気体は、例えば、空気、窒素ガス等である。 The air supply device 29 supplies gas into the housing 21 so that the liquid that has entered the housing 21 does not enter the path of the laser beam, in other words, the liquid level of the liquid that has entered the housing 21 is the first. This is an example of an air supply means that pressurizes the liquid level of the liquid so as to be located below the pinhole 25a of the first pinhole 25a and the pinhole 26a of the second pinhole 26a. More specifically, the air supply device 29 positions the liquid level of the liquid that has entered the housing 21 between the upper surface portion of the fluid contact plate 24 and the first pinhole 25a and the second pinhole 26a. The liquid level of the liquid is pressurized by supplying a gas into the housing 21 so as to hold the liquid. The gas supplied by the air supply device 29 is, for example, air, nitrogen gas, or the like.

送気装置29は、ハウジング21内の液体の液面の位置を流体接触板24の上面部と第1のピンホール25a及び第2のピンホール26aとの間に保持するために、ハウジング21内の気体を一定の圧力(例えば、約14〜約131kPa)で加圧する。ハウジング21内の気体を一定の圧力に保持することにより、ハウジング21内の液体の液面の位置は、周囲環境の変化に応じて多少変化するものの、流体接触板24の上面部と第1のピンホール25a及び第2のピンホール26aとの間に保持される。 The air supply device 29 is provided in the housing 21 in order to hold the position of the liquid level of the liquid in the housing 21 between the upper surface portion of the fluid contact plate 24 and the first pinhole 25a and the second pinhole 26a. The gas is pressurized at a constant pressure (eg, about 14 to about 131 kPa). By holding the gas in the housing 21 at a constant pressure, the position of the liquid level of the liquid in the housing 21 changes slightly according to the change in the surrounding environment, but the upper surface portion of the fluid contact plate 24 and the first one. It is held between the pinhole 25a and the second pinhole 26a.

なお、ハウジング21の側壁面には、ユーザがハウジング21内の液体の液面位置を視認するために、ハウジング21の下端部の近傍から第2のピンホール26aの近傍までZ軸方向に延びる透明な観察窓を設けてもよい。 The side wall surface of the housing 21 is transparent extending in the Z-axis direction from the vicinity of the lower end portion of the housing 21 to the vicinity of the second pinhole 26a so that the user can visually recognize the liquid level position of the liquid in the housing 21. An observation window may be provided.

気泡等を含む液体がハウジング21内に浸入して、発光装置10から放射されるレーザ光の経路に侵入すると、気泡等がレーザ光の経路を塞いでレーザ光を散乱させる結果、壁面せん断応力の測定精度に影響を及ぼす可能性がある。しかし、実施の形態2に係る測定システムは、上記のように構成されているため、気泡等がレーザ光の経路を塞ぐおそれがなく、気泡等を含む混相流であっても壁面せん断応力を高い精度で測定できる。 When a liquid containing bubbles or the like infiltrates into the housing 21 and enters the path of the laser light radiated from the light emitting device 10, the bubbles or the like block the path of the laser light and scatter the laser light, resulting in wall shear stress. It may affect the measurement accuracy. However, since the measurement system according to the second embodiment is configured as described above, there is no possibility that bubbles or the like block the path of the laser beam, and the wall surface shear stress is high even in a mixed phase flow containing the bubbles or the like. It can be measured with accuracy.

また、実施の形態2に係る測定システムは、ワイヤ23がハウジング21内に浸入した液体に浸されるように構成されているため、液体の存在によりワイヤ23の振動を抑制できる。その結果、液体の壁面せん断応力に含まれるノイズを低減でき、壁面せん断応力を高い精度で測定できる。 Further, in the measurement system according to the second embodiment, since the wire 23 is configured to be immersed in the liquid that has penetrated into the housing 21, the vibration of the wire 23 can be suppressed by the presence of the liquid. As a result, the noise included in the wall surface shear stress of the liquid can be reduced, and the wall surface shear stress can be measured with high accuracy.

(実施の形態3)
図10を参照して、本発明の実施の形態3に係る測定システムの構成を説明する。実施の形態3に係る測定システムは、実施の形態1、2に係る測定システムと異なり、モータ13の回転軸からの動力を、ターニングベルト等の動力伝達手段を介して回転散乱板12の回転軸に伝達するように構成されている。
(Embodiment 3)
The configuration of the measurement system according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 10. Unlike the measurement systems according to the first and second embodiments, the measurement system according to the third embodiment transfers power from the rotation shaft of the motor 13 to the rotation shaft of the rotation scattering plate 12 via a power transmission means such as a turning belt. It is configured to communicate to.

図10は、ターニングベルト15及びプーリー16を備える発光装置10の構成を示す断面図である。ターニングベルト15及びプーリー16は、モータ13の回転軸からの動力を回転散乱板12の回転軸に伝達する動力伝達手段の一例である。ターニングベルト15は、プーリー16の周りに沿って変形可能なベルトである。ターニングベルト15は、例えば、ゴム、エラストマ等のプーリー16の周りに沿って変形可能であると共に、動力を伝達可能な程度に剛性がある材料から形成されている。 FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of a light emitting device 10 including a turning belt 15 and a pulley 16. The turning belt 15 and the pulley 16 are examples of power transmission means for transmitting power from the rotation shaft of the motor 13 to the rotation shaft of the rotation scattering plate 12. The turning belt 15 is a belt that can be deformed along the circumference of the pulley 16. The turning belt 15 is made of a material that is deformable along the circumference of a pulley 16 such as rubber or elastomer and is rigid enough to transmit power.

プーリー16は、モータ13の回転軸の先端部に設けられた第1のプーリー16aと、回転散乱板12の回転軸の基端部に設けられた第2のプーリー16bと、を備える。第1のプーリー16aと第2のプーリー16bとは、ハウジング14内で同一平面上に配置されている。第1のプーリー16a及び第2のプーリー16bには、両者を機械的に接続するようにターニングベルト15が取り付けられている。このため、モータ13により第1のプーリー16aが回転すると、第1のプーリー16aの回転がターニングベルト15を介して第2のプーリー16bに伝達され、第2のプーリー16bの回転に伴い回転散乱板12が回転する。 The pulley 16 includes a first pulley 16a provided at the tip of the rotation shaft of the motor 13, and a second pulley 16b provided at the base end of the rotation shaft of the rotation scattering plate 12. The first pulley 16a and the second pulley 16b are arranged on the same plane in the housing 14. A turning belt 15 is attached to the first pulley 16a and the second pulley 16b so as to mechanically connect them. Therefore, when the first pulley 16a is rotated by the motor 13, the rotation of the first pulley 16a is transmitted to the second pulley 16b via the turning belt 15, and the rotation scattering plate is accompanied by the rotation of the second pulley 16b. 12 rotates.

第2のプーリー16bが固定された回転散乱板12の回転軸は、ハウジング14に固定された枠体17に対して先端側及び基端側の2つの箇所で回転可能に支持されている。このため、回転散乱板12は、ふらつくことなくその回転軸周りに回転できる。枠体17は、回転散乱板12の回転軸と共にレーザ光源11を支持している。このため、レーザ光源11から放射されたレーザ光は、回転散乱板12の所定の位置に照射される。 The rotation axis of the rotation scattering plate 12 to which the second pulley 16b is fixed is rotatably supported at two points, the tip end side and the base end side, with respect to the frame body 17 fixed to the housing 14. Therefore, the rotary scattering plate 12 can rotate around its rotation axis without wobbling. The frame body 17 supports the laser light source 11 together with the rotation axis of the rotation scattering plate 12. Therefore, the laser light emitted from the laser light source 11 is irradiated to a predetermined position of the rotary scattering plate 12.

実施の形態1、2の測定システムのように回転散乱板12がモータ13の回転軸に直接固定されている場合、モータ13の組み付け精度等に由来するモータ13の回転軸のふらつきが回転散乱板12の回転に影響を及ぼし、回転散乱板12から放射される散乱光の品質が低下するおそれがある。しかし、実施の形態3に係る測定システムは、上記のように構成されているため、モータ13の回転軸のふらつきがターニングベルト15及びプーリー16で吸収される。したがって、回転散乱板12を回転軸周りに安定して回転させることができ、回転散乱板12からの均一な散乱光の放射を実現できる。その結果、流体の壁面せん断応力を高い精度で測定できる。 When the rotary scattering plate 12 is directly fixed to the rotary shaft of the motor 13 as in the measurement systems of the first and second embodiments, the wobbling of the rotary shaft of the motor 13 due to the assembly accuracy of the motor 13 and the like is the rotary scattering plate. It affects the rotation of the 12 and may deteriorate the quality of the scattered light emitted from the rotating scattering plate 12. However, since the measurement system according to the third embodiment is configured as described above, the wobbling of the rotating shaft of the motor 13 is absorbed by the turning belt 15 and the pulley 16. Therefore, the rotary scattering plate 12 can be stably rotated around the rotation axis, and uniform emission of scattered light from the rotary scattering plate 12 can be realized. As a result, the wall surface shear stress of the fluid can be measured with high accuracy.

(実施例1)
次に、図11〜図16を参照して、測定システム1が、単相流及び気泡流における流体の壁面せん断応力を正確に測定できるかどうかを検証した結果を示す。本検証では、水平チャネルにおける内部流れにおいて流体の壁面せん断応力を測定した。
(Example 1)
Next, with reference to FIGS. 11 to 16, the results of verifying whether the measurement system 1 can accurately measure the wall surface shear stress of the fluid in the single-phase flow and the bubble flow are shown. In this verification, the wall shear stress of the fluid was measured in the internal flow in the horizontal channel.

図11は、本検証にて使用した実験装置の概略を示す図である。左右に延びているチャネルは、断面が矩形状であり、気泡を視認可能とするために、透明なアクリル樹脂から形成されている。チャネルの内部には、タンクからラインポンプを介して供給された水が、左から右に向かって流されている。チャネルの全長は6000mm、高さは20mm、幅は160mmである。測定システム1は、流れが十分に発達した領域の流体の壁面せん断応力を測定するため、チャネルの先端から3750mm離れた位置にある。チャネルの先端から2250mmの位置には、チャネル内に気泡を注入する気泡注入器が取り付けられている。 FIG. 11 is a diagram showing an outline of the experimental device used in this verification. The channels extending to the left and right have a rectangular cross section and are made of a transparent acrylic resin so that bubbles can be visually recognized. Inside the channel, water supplied from the tank via a line pump flows from left to right. The total length of the channel is 6000 mm, the height is 20 mm, and the width is 160 mm. The measurement system 1 is located at a position 3750 mm away from the tip of the channel in order to measure the wall shear stress of the fluid in the region where the flow is sufficiently developed. A bubble injector for injecting bubbles into the channel is attached at a position 2250 mm from the tip of the channel.

図12は、本検証の実験条件を示すデータテーブルである。Reは、平均流速Uで定義された並行平板間レイノルズ数である。本検証では、図12に示す実験条件で実験を行った。本検証では、ラインポンプを、インバータを用いて制御することにより、チャネル内を流れる水の流量を変化させ、レイノルズ数Reを適宜変化させた。 FIG. 12 is a data table showing the experimental conditions of this verification. Re m is the Reynolds number between parallel plates defined by the average flow velocity U m. In this verification, the experiment was performed under the experimental conditions shown in FIG. In this verification, the line pump, by controlling using an inverter to vary the flow rate of the water flowing through the channel was properly changed Reynolds number Re m.

本検証では、光検出素子33で検出された光のビート信号は、以下の手法で解析した。まず、光検出素子33で検出したビート信号を、75〜99Hzの周波数帯の信号を通過させるバンドパスフィルタで処理し、その後、処理された信号の強度をデータロガーに記録した。そして、データロガーに記憶されたビート信号に、短時間フーリエ変換(Short Time Fourier Transform:S−FT)を適用することにより、周波数解析を行った。具体的には、本検証で取得された合計1048576点のデータを128点ずつにまとめ、8192区間ごとに周波数解析を行った。これにより、時間256μsごと、周波数3.9Hz刻みで、250Hzまでのパワースペクトルを得た。各区間におけるパワースペクトルの上位10個の周波数を平均することにより、各区間におけるビート信号の周波数を取得した。 In this verification, the beat signal of the light detected by the photodetection element 33 was analyzed by the following method. First, the beat signal detected by the photodetection element 33 was processed by a bandpass filter that passes a signal in the frequency band of 75 to 99 Hz, and then the strength of the processed signal was recorded in a data logger. Then, the beat signal stored in the data logger, short-time Fourier transform: by applying (Short Time Fourier Transform S T -FT ), it was carried out frequency analysis. Specifically, the data of a total of 1048576 points acquired in this verification was summarized into 128 points each, and frequency analysis was performed for each 8192 section. As a result, a power spectrum up to 250 Hz was obtained at intervals of 256 μs in frequency increments of 3.9 Hz. The frequency of the beat signal in each section was obtained by averaging the frequencies of the top 10 power spectra in each section.

図13は、単相流の場合におけるレイノルズ数Reと摩擦抵抗係数Cfの時間平均値との関係を示すグラフである。各プロットは、複数回測定した値に基づく摩擦抵抗係数Cfの平均値である。実線は、以下に示すDeanによる平行平板間流れの経験式で計算される摩擦抵抗係数Cfの値である。 Figure 13 is a graph showing the relationship between the time average value of the friction coefficient Cf and the Reynolds number Re m in the case of single-phase flow. Each plot is the average value of the frictional resistance coefficient Cf based on the values measured multiple times. The solid line is the value of the frictional resistance coefficient Cf calculated by the empirical formula of the flow between parallel plates by Dean shown below.

Deanの経験式は以下のように表される。
Re=√(2/Cf)×exp[0.41(√(2/Cf)−2.4] …(4)
Dean's empirical formula is expressed as follows.
Re m = √ (2 / Cf) × exp [0.41 (√ (2 / Cf) -2.4]… (4)

図13に示すように、摩擦抵抗係数Cfの測定値は、Deanの経験式から導出した摩擦抵抗係数Cfの理論値とよく一致している。レイノルズ数Reが6000〜8000の場合、標準偏差は24%であり、レイノルズ数Reが9000〜22000の場合、標準偏差は10%であった。 As shown in FIG. 13, the measured value of the frictional resistance coefficient Cf is in good agreement with the theoretical value of the frictional resistance coefficient Cf derived from Dean's empirical formula. If the Reynolds number Re m is 6000 to 8000, the standard deviation is 24%, the Reynolds number Re m if the 9000-22000, the standard deviation was 10%.

なお、摩擦抵抗係数Cfと壁面せん断応力τは、以下の式を満たすことが知られている。ただし、ρは密度、uは流速である。
Cf=2τ/ρu …(5)
Incidentally, the frictional resistance coefficient Cf and the wall shear stress tau w are known to satisfy the following expression. However, [rho is the density, u m is flow rate.
Cf = 2τ w / ρu m … (5)

式(5)を考慮すると、上記の実験結果は、測定システム1が、単相流において系統誤差10%以内で壁面せん断応力τを計測できることを示している。 Considering the equation (5), the above experimental results show that the measurement system 1 can measure the wall surface shear stress τ w within a systematic error of 10% in a single phase flow.

図14は、気泡流の場合におけるレイノルズ数Reと摩擦抵抗係数Cfの時間平均値との関係を示すグラフである。各プロットは、複数回測定した摩擦抵抗係数Cfの平均値である。実線は、Deanによる平行平板間流れの経験式で計算される摩擦抵抗係数Cfの値である。 Figure 14 is a graph showing the relationship between the time average value of the friction coefficient Cf and the Reynolds number Re m in the case of bubble flow. Each plot is the average value of the frictional resistance coefficient Cf measured multiple times. The solid line is the value of the frictional resistance coefficient Cf calculated by the empirical formula of the flow between parallel plates by Dean.

図14に示すように、摩擦抵抗係数Cfの測定値は、Deanの経験式から導出した摩擦抵抗係数Cfの理論値とよく一致している。レイノルズ数Reが6000〜8000の場合、標準偏差は27%であった。また、レイノルズ数Reが9000〜22000の場合、標準偏差は10%以内であった。このことは、測定システム1が、気泡流においても、系統誤差10%以内で壁面せん断応力τを計測できることを示している。 As shown in FIG. 14, the measured value of the frictional resistance coefficient Cf is in good agreement with the theoretical value of the frictional resistance coefficient Cf derived from Dean's empirical formula. If the Reynolds number Re m is 6000 to 8000, the standard deviation was 27%. Moreover, Reynolds number Re m if the 9000-22000, the standard deviation was within 10%. This indicates that the measurement system 1 can measure the wall surface shear stress τ w within a systematic error of 10% even in a bubble flow.

図15は、レイノルズ数Reが22000の単相流における、壁面せん断応力τの時間変動を示すグラフである。図15の波形からは、高周波変動及び低周波変動の存在を確認できる。高周波変動は、光学系の電子ノイズが原因であると推測される。低周波変動は、流体の壁面せん断応力の変化を捉えたものである。壁面せん断応力が、乱流の縦渦構造の変化によってスパイク状に変化していることを確認できる。このことは、測定システム1が、乱流による壁面せん断応力の変動を検出できることを示している。 15, in the single-phase flow Reynolds number Re 22000 is a graph showing the time variation of wall shear stress tau w. From the waveform of FIG. 15, the existence of high frequency fluctuation and low frequency fluctuation can be confirmed. It is presumed that the high frequency fluctuation is caused by the electronic noise of the optical system. The low frequency fluctuation captures the change in the wall shear stress of the fluid. It can be confirmed that the wall surface shear stress changes like a spike due to the change in the vertical vortex structure of the turbulent flow. This indicates that the measurement system 1 can detect fluctuations in the wall surface shear stress due to turbulence.

図16は、レイノルズ数Reが22000の気泡流における、微細気泡による摩擦抵抗低減効果領域外の壁面せん断応力τの時間変化を示すグラフである。気泡流のボイド率は20%以下であった。低周波変動は、単相流の場合と同様に、流体の壁面せん断応力の変化を捉えたものである。このことは、測定システム1が、気泡のバーストによる壁面せん断応力の変動を検出できることを示している。 16, in the bubble flow Reynolds number Re 22000 is a graph showing the time variation of wall shear stress tau w outside the frictional resistance reduction effect region by fine bubbles. The void ratio of the bubble flow was 20% or less. The low-frequency fluctuation captures the change in the wall shear stress of the fluid, as in the case of single-phase flow. This indicates that the measurement system 1 can detect fluctuations in the wall shear stress due to the burst of bubbles.

ノイズ成分を除くために2τを超えるピークをスパイクと定義して、図15、図16の場合における、全計測区間内のスパイク数をカウントした。単相流の場合、スパイク数は16であるのに対し、気泡流の場合、スパイク数は17であった。したがって、気泡流の場合の摩擦抵抗低減効果領域外におけるバーストの発生頻度は、単相流の場合と同程度であることが理解できる。 Define a spike peaks exceeding 2.tau w to remove noise components, FIG. 15, in the case of FIG. 16, and counts the number of spikes in the total measurement interval. In the case of single-phase flow, the number of spikes was 16, whereas in the case of bubble flow, the number of spikes was 17. Therefore, it can be understood that the frequency of burst occurrence outside the frictional resistance reduction effect region in the case of bubble flow is about the same as in the case of single-phase flow.

以上説明したように、本検証を通して、測定システム1が系統誤差10%以内で壁面せん断応力を測定できること、単相流において乱流による壁面せん断応力のピークを測定できることを確認できた。また、気泡流の場合の摩擦抵抗低減効果領域外におけるバーストの発生頻度は、単相流の場合と同程度であることが理解できた。したがって、測定システム1が、従来の測定システムと比べて、高い時間分解能を有していることが確認できた。 As described above, through this verification, it was confirmed that the measurement system 1 can measure the wall surface shear stress within 10% of the systematic error and can measure the peak of the wall surface shear stress due to the turbulent flow in the single phase flow. In addition, it was understood that the frequency of burst occurrence outside the frictional resistance reduction effect region in the case of bubble flow is about the same as in the case of single-phase flow. Therefore, it was confirmed that the measurement system 1 has a higher time resolution than the conventional measurement system.

(実施例2)
次に、図17〜図20を参照して、測定システム1が外部流れにおいて壁面せん断応力を正確に測定できるかどうかを、測定システム1を装着した実験船を曳航水槽内で曳航させ、検証した結果を示す。
(Example 2)
Next, with reference to FIGS. 17 to 20, whether or not the measurement system 1 can accurately measure the wall surface shear stress in the external flow was verified by towing the experimental ship equipped with the measurement system 1 in the towing tank. The results are shown.

図17(a)は、曳航水槽内で曳航されたアクリル製の実験船を示す斜視図であり、図17(b)は、図17(a)の実験船の断面図である。図17(a)では、実験船の船首は下側に、実験船の船尾は上側に図示されている。曳航水槽は、長さ80m、幅8m、深さ3.5mである。実験船の船首には、船首から0.65mの位置に、実験船の後方に向けて曳航水槽内の地下水に気泡を注入する気泡注入器が設けられている。また、実験船の船尾には、船首から3.35mの位置に壁面せん断応力を測定するための測定システム1が設けられている。 17 (a) is a perspective view showing an acrylic experimental ship towed in a towed water tank, and FIG. 17 (b) is a cross-sectional view of the experimental ship of FIG. 17 (a). In FIG. 17A, the bow of the experimental ship is shown on the lower side, and the stern of the experimental ship is shown on the upper side. The towing tank has a length of 80 m, a width of 8 m, and a depth of 3.5 m. The bow of the experimental ship is provided with a bubble injector at a position 0.65 m from the bow to inject bubbles into the groundwater in the towed water tank toward the rear of the experimental ship. Further, at the stern of the experimental ship, a measurement system 1 for measuring the wall surface shear stress is provided at a position 3.35 m from the bow.

図18(a)は、気泡を注入しない場合(単相流)における実験条件を示すデータテーブルであり、図18(b)は、気泡を注入した場合(気泡流)における実験条件を示すデータテーブルである。本検証では、単相流及び気泡流のそれぞれについて、曳航水槽内に地下水を張った状態で、図18(a)、図18(b)に示す実験条件で実験船を曳航し、流体の壁面せん断応力を測定した。なお、気泡流の場合、実験船を1.5m/s、2.25m/s、3.0m/sで曳舟させ、実験船の速度毎にボイド率を変化させて壁面せん断応力を測定した。ボイド率は、流体の単位体積あたりに含まれるボイド(気泡)の体積比率である。 FIG. 18A is a data table showing experimental conditions when bubbles are not injected (single-phase flow), and FIG. 18B is a data table showing experimental conditions when bubbles are injected (bubble flow). Is. In this verification, the experimental ship was towed under the experimental conditions shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b) with groundwater filled in the towed water tank for each of the single-phase flow and the bubble flow, and the wall surface of the fluid was towed. Shear stress was measured. In the case of bubble flow, the experimental vessel was towed at 1.5 m / s, 2.25 m / s, and 3.0 m / s, and the void ratio was changed for each speed of the experimental vessel to measure the wall surface shear stress. Porosity is the volume ratio of voids (air bubbles) contained in a unit volume of fluid.

図19は、単相流の場合における壁面せん断応力τと実験船の速度Uとの関係を示すグラフである。図19のグラフの各点は、測定システム1により実際に測定されたデータであり、実線は、Prandtl−Schlichtingの式に基づく理論値である。受感装置20(変位計)の測定可能範囲は、2.6Pa〜12.4Pa(標準偏差3%未満)であった。図19に示すように、外部流れが単相流の場合、流速の増加に応じて壁面せん断応力τが増加する様子を確認できた。 FIG. 19 is a graph showing the relationship between the wall surface shear stress τ w and the velocity U m of the experimental ship in the case of a single-phase flow. Each point in the graph of FIG. 19 is data actually measured by the measurement system 1, and the solid line is a theoretical value based on the formula of Prandtl-Schlichting. The measurable range of the sensing device 20 (displacement meter) was 2.6 Pa to 12.4 Pa (standard deviation less than 3%). As shown in FIG. 19, when the external flow is a single-phase flow, it can be confirmed that the wall surface shear stress τ w increases as the flow velocity increases.

図20は、気泡流の場合における壁面せん断応力比τ/τとボイド率αδとの関係を示すグラフである。壁面せん断応力τは、ボイド率αδがゼロの場合の壁面せん断応力である。図20に示すように、外部流れが気泡流の場合、実験船の速度が速いほど摩擦抵抗低減効果が得られることが確認できた。また、流速が3.0m/sの場合、気泡の量を増やしてボイド率αδが増加するにつれて、壁面せん断応力比τ/τが低下し、摩擦抵抗低減効果が得られることが確認できた。 FIG. 20 is a graph showing the relationship between the wall surface shear stress ratio τ w / τ 0 and the void ratio α δ in the case of bubble flow. The wall surface shear stress τ 0 is the wall surface shear stress when the void ratio α δ is zero. As shown in FIG. 20, when the external flow is a bubble flow, it was confirmed that the higher the speed of the experimental ship, the more the frictional resistance reducing effect can be obtained. It was also confirmed that when the flow velocity is 3.0 m / s, the wall surface shear stress ratio τ w / τ 0 decreases as the amount of bubbles increases and the void ratio α δ increases, and the effect of reducing frictional resistance can be obtained. did it.

以上説明したように、本検証を通して、外部流れにおいても内部流れと同様に壁面せん断応力の測定が可能であることを確認できた。また、外部流れにおいて気泡流を発生させることにより、内部流れの場合と同様に摩擦抵抗低減効果が得られることを確認できた。 As explained above, through this verification, it was confirmed that the wall surface shear stress can be measured in the external flow as well as in the internal flow. Further, it was confirmed that the frictional resistance reducing effect can be obtained as in the case of the internal flow by generating the bubble flow in the external flow.

(変形例)
本発明は上記の実施形態に限られず、以下に述べる変形も可能である。
(Modification example)
The present invention is not limited to the above embodiment, and the modifications described below are also possible.

上記実施の形態では、レーザ光源11から出射するレーザ光を用いて散乱光を形成していたが、本発明はこれに限られない。例えば、光源として、発光ダイオード等を用いてもよい。 In the above embodiment, the scattered light is formed by using the laser light emitted from the laser light source 11, but the present invention is not limited to this. For example, a light emitting diode or the like may be used as the light source.

上記実施の形態では、受感装置20のハウジング21は円筒形状であったが、本発明はこれに限られない。ハウジング21は、内部に一対のワイヤ23及び流体接触板24を収容可能であればよく、例えば、断面形状が楕円、多角形の筒状部材であってもよい。また、ハウジング21の内部に流体が入り込んだとしても、測定精度に影響を及ぼさないため、必ずしもハウジング21の断面形状と流体接触板24の形状が一致している必要はなく、互いに異なる形状に形成してもよい。 In the above embodiment, the housing 21 of the sensing device 20 has a cylindrical shape, but the present invention is not limited to this. The housing 21 may be a cylindrical member having an elliptical or polygonal cross-sectional shape, as long as it can accommodate a pair of wires 23 and a fluid contact plate 24 inside. Further, even if the fluid enters the inside of the housing 21, it does not affect the measurement accuracy. Therefore, the cross-sectional shape of the housing 21 and the shape of the fluid contact plate 24 do not necessarily have to match, and the shapes are formed different from each other. You may.

上記実施の形態では、ハウジング21と支持部22とが別体であったが、本発明はこれに限られない。例えば、ハウジング21と支持部22とを一体に構成して、一つのハウジングとしてもよい。 In the above embodiment, the housing 21 and the support portion 22 are separate bodies, but the present invention is not limited to this. For example, the housing 21 and the support portion 22 may be integrally configured to form one housing.

上記実施の形態では、第1の貫通孔及び第2の貫通孔として、第1のピンホール25a及び第2のピンホール26aを用いていたが、本発明はこれに限られない。第1の貫通孔及び第2の貫通孔は、例えば、楕円形、多角形等の貫通孔、スリット等であってもよい。 In the above embodiment, the first pinhole 25a and the second pinhole 26a are used as the first through hole and the second through hole, but the present invention is not limited to this. The first through hole and the second through hole may be, for example, an elliptical or polygonal through hole, a slit or the like.

上記実施の形態では、開口部26bは円形の貫通孔であったが、本発明はこれに限られない。開口部26bは、第1のピンホール25aがX軸方向に移動したとしても観察可能な形状であればよく、例えば、矩形状、スリット状であってもよい。 In the above embodiment, the opening 26b is a circular through hole, but the present invention is not limited to this. The opening 26b may have a shape that can be observed even if the first pinhole 25a moves in the X-axis direction, and may be, for example, rectangular or slit-shaped.

上記実施の形態では、ハウジング21の開口にガラス板又は透明な樹脂板からなる透過部27を固定していたが、本発明はこれに限られない。例えば、ハウジング21内部に入り込んだ流体を排出するために、ハウジング21に開口を設けたままにしてもよい。 In the above embodiment, the transmission portion 27 made of a glass plate or a transparent resin plate is fixed to the opening of the housing 21, but the present invention is not limited to this. For example, the housing 21 may be left open to drain the fluid that has entered the housing 21.

上記実施の形態では、透過部14a、27、34aはハウジング14、21、34の開口に固定されていたが、本発明はこれに限られない。例えば、透過部14a、27、34aは、開口に対して着脱自在に構成されてもよい。この場合、透過部14a、27、34aを取り外して清掃することで汚れ等を除去できるため、壁面せん断応力の測定精度の低下を抑制できる。 In the above embodiment, the transmission portions 14a, 27, 34a are fixed to the openings of the housings 14, 21, 34, but the present invention is not limited to this. For example, the transmissive portions 14a, 27, 34a may be configured to be detachably attached to the opening. In this case, since dirt and the like can be removed by removing and cleaning the transmission portions 14a, 27, and 34a, it is possible to suppress a decrease in the measurement accuracy of the wall surface shear stress.

上記実施の形態では、流体接触板24を一対のワイヤ23で吊していたが、本発明はこれに限られない。流体接触板24が流体の流れ方向から傾くことなく流体の流れ方向に移動する構成であれば、流体接触板24を支持する部材は、いかなる部材であってもよく、流体接触板24をゴム又はエラストマからなる部材で支持してもよい。 In the above embodiment, the fluid contact plate 24 is suspended by a pair of wires 23, but the present invention is not limited to this. As long as the fluid contact plate 24 is configured to move in the fluid flow direction without tilting from the fluid flow direction, the member supporting the fluid contact plate 24 may be any member, and the fluid contact plate 24 may be made of rubber or It may be supported by a member made of an elastoma.

上記変形例に関連して、例えば、ゴム又はエラストマからなる一対の板状弾性部材を、それぞれY軸方向を向くようにして、X軸方向に並べて配置してもよい。板状弾性部材は、Y軸方向を向いているので、Y軸方向には変形しにくく、X軸方向には変形しやすいため、X軸方向に作用する流体の壁面せん断応力を精度よく測定できる。 In connection with the above modification, for example, a pair of plate-shaped elastic members made of rubber or elastomer may be arranged side by side in the X-axis direction so as to face the Y-axis direction. Since the plate-shaped elastic member faces the Y-axis direction, it is difficult to deform in the Y-axis direction and easily deforms in the X-axis direction, so that the wall surface shear stress of the fluid acting in the X-axis direction can be measured accurately. ..

上記実施の形態では、ワイヤ23としてピアノ線を用いていたが、本発明はこれに限られない。例えば、ワイヤ23としてステンレス線、硬鋼線、鉄線等を用いてもよい。また、ワイヤ23は2本であったが、本発明はこれに限られず、例えば、3本以上であってもよい。 In the above embodiment, the piano wire is used as the wire 23, but the present invention is not limited to this. For example, a stainless wire, a hard steel wire, an iron wire, or the like may be used as the wire 23. Further, the number of wires 23 is two, but the present invention is not limited to this, and for example, three or more wires may be used.

上記実施の形態では、発光装置10、受感装置20及び受光装置30は、別々のハウジングを備えていたが、本発明はこれに限られない。例えば、発光装置10、受感装置20、受光装置30の各構成を一つのハウジングに収容してユニット化してもよい。 In the above embodiment, the light emitting device 10, the sensitive device 20, and the light receiving device 30 are provided with separate housings, but the present invention is not limited to this. For example, each configuration of the light emitting device 10, the sensitive device 20, and the light receiving device 30 may be housed in one housing and unitized.

上記実施の形態3では、動力伝達手段としてターニングベルト15及びプーリー16を例示していたが、本発明はこれに限られない。例えば、動力伝達手段として金属チェーンからなるターニングベルトと当該金属チェーンと係合する歯車とを用いてもよい。 In the third embodiment, the turning belt 15 and the pulley 16 have been exemplified as the power transmission means, but the present invention is not limited to this. For example, as the power transmission means, a turning belt made of a metal chain and a gear engaged with the metal chain may be used.

上記実施の形態では、測定システム1を断面矩形状の管路50に固定して、管路50内の流体(内部流れ)の壁面せん断応力を測定する場合を例示したが、本発明はこれに限られない。例えば、測定システム1を船舶の外板等に固定して、船舶の外板に作用する流体(外部流れ)の壁面せん断応力を測定してもよい。 In the above embodiment, the case where the measurement system 1 is fixed to the pipeline 50 having a rectangular cross section and the wall surface shear stress of the fluid (internal flow) in the conduit 50 is measured has been exemplified. Not limited. For example, the measurement system 1 may be fixed to the outer panel of a ship to measure the wall shear stress of the fluid (external flow) acting on the outer panel of the ship.

上記変形例に関連して、船舶の外板に作用する流体の壁面せん断応力に基づいて、船舶の対流速度を導出できる。従来、船舶の対地速度の測定が行われてきたが、航行中の船舶における対流速度の測定は実現できていなかった。導出された対流速度を用いて船舶に搭載されたエンジン等の動力源の制御を行った場合、燃費を改善することができる。特に、船舶がタンカーのような大型船の場合、燃費を大幅に改善できる。 In connection with the above modification, the convection velocity of the ship can be derived based on the wall shear stress of the fluid acting on the outer panel of the ship. Conventionally, the ground speed of a ship has been measured, but the measurement of the convection speed of a ship in transit has not been realized. When the power source such as the engine mounted on the ship is controlled by using the derived convection speed, the fuel consumption can be improved. In particular, when the ship is a large ship such as a tanker, fuel efficiency can be significantly improved.

また、船舶の海面との間における摩擦抵抗を低減するために、微細気泡を乱流境界層に注入する技術が知られているが、測定システム1を用いることにより、船舶の海面との接触場における、気泡による摩擦抵抗低減現象の詳細な実証実験が可能になる。このため、船舶ごとに測定システム1を用いて実証実験を行うことにより、乱流境界層に微細気泡を流入する量、位置、タイミング等を最適化することができる。 Further, a technique of injecting fine bubbles into the turbulent boundary layer in order to reduce the frictional resistance with the sea surface of the ship is known, but by using the measurement system 1, the contact field with the sea surface of the ship is known. A detailed demonstration experiment of the frictional resistance reduction phenomenon due to bubbles becomes possible. Therefore, by conducting a demonstration experiment using the measurement system 1 for each ship, it is possible to optimize the amount, position, timing, etc. of fine bubbles flowing into the turbulent boundary layer.

上記実施の形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな実施の形態が可能である。各実施の形態や変形例で記載した構成要素は自由に組み合わせることが可能である。また、特許請求の範囲に記載した発明と均等な発明も本発明に含まれる。 The above embodiments are examples, and the present invention is not limited thereto, and various embodiments are possible without departing from the spirit of the invention described in the claims. The components described in each embodiment and modification can be freely combined. The present invention also includes inventions equivalent to those described in the claims.

1 測定システム
10 発光装置
11 レーザ光源
12 回転散乱板
13 モータ
14、21、34 ハウジング
14a、27、34a 透過部
15 ターニングベルト
16 プーリー
16a 第1のプーリー
16b 第2のプーリー
17 枠体
20 受感装置
21a フランジ
21b 貫通孔
22 支持部
23 ワイヤ
23a 第1のワイヤ
23b 第2のワイヤ
24 流体接触板
25 第1の光路形成部
25a 第1のピンホール
26 第2の光路形成部
26a 第2のピンホール
26b、51 開口部
28 チューブ
29 送気装置
30 受光装置
31 レンズ系
31a 平行レンズ
31b 集光レンズ
32 散乱体
33 光検出素子
40 支持板
50 管路
1 Measurement system 10 Light emitting device 11 Laser light source 12 Rotating scattering plate 13 Motors 14, 21, 34 Housings 14a, 27, 34a Transmissive part 15 Turning belt 16 Pulley 16a First pulley 16b Second pulley 17 Frame 20 Sensing device 21a Flange 21b Through hole 22 Support part 23 Wire 23a First wire 23b Second wire 24 Fluid contact plate 25 First light path forming part 25a First pinhole 26 Second light path forming part 26a Second pinhole 26b, 51 Opening 28 Tube 29 Air feeder 30 Light receiving device 31 Lens system 31a Parallel lens 31b Condensing lens 32 Scatterer 33 Photodetection element 40 Support plate 50 Pipeline

Claims (12)

流体の壁面せん断応力を測定する測定システムであって、
散乱光を発光する発光手段と、
前記発光手段からの散乱光を通過させる第1の貫通孔及び第2の貫通孔を含み、前記第1の貫通孔は、流体の壁面せん断応力に応じて、流体の流れ方向に移動し、前記第2の貫通孔は、流体の壁面せん断応力が変化しても一定の位置に保持される受感手段と、
前記第1の貫通孔及び前記第2の貫通孔を通過した散乱光が互いに干渉することにより得られたビート信号を受光する受光手段と、
前記受光手段が受光したビート信号の周波数に基づいて、流体の壁面せん断応力を演算する演算手段と、
を備える測定システム。
A measurement system that measures the wall shear stress of a fluid.
A light emitting means that emits scattered light and
The first through hole and the second through hole through which the scattered light from the light emitting means is passed are included, and the first through hole moves in the flow direction of the fluid according to the wall shear stress of the fluid. The second through hole is a sensation means that is held at a fixed position even if the wall shear stress of the fluid changes.
A light receiving means for receiving a beat signal obtained by the interference of scattered light passing through the first through hole and the second through hole with each other.
An arithmetic means for calculating the wall shear stress of the fluid based on the frequency of the beat signal received by the light receiving means, and
A measurement system equipped with.
前記受感手段は、
流体に接触するように配置され、流体の壁面せん断応力に応じて流体の流れ方向に移動する流体接触板を備え、
前記第1の貫通孔が前記流体接触板と連動して流体の流れ方向に移動するように構成されている、
請求項1に記載の測定システム。
The sensation means
It is equipped with a fluid contact plate that is arranged in contact with the fluid and moves in the flow direction of the fluid in response to the shear stress on the wall surface of the fluid.
The first through hole is configured to move in the fluid flow direction in conjunction with the fluid contact plate.
The measurement system according to claim 1.
前記受感手段は、
壁面せん断応力を測定する対象物に対して所定の位置に固定される支持手段と、
前記支持手段に一端が支持され、前記流体接触板に他端が固定され、前記支持手段から前記流体接触板を吊り下げている弾性変形可能な弾性変形手段と、
を備える、
請求項2に記載の測定システム。
The sensation means
Supporting means fixed in place with respect to the object for measuring wall shear stress,
An elastically deformable means for elastic deformation, in which one end is supported by the support means, the other end is fixed to the fluid contact plate, and the fluid contact plate is suspended from the support means.
To prepare
The measurement system according to claim 2.
前記受感手段は、前記弾性変形手段及び前記流体接触板を内部に収容するハウジングを備え、
前記流体接触板は、前記ハウジングの下端部と共に流体に接触するように前記ハウジングの下端部に隣接して配置されている、
請求項3に記載の測定システム。
The sensitive means includes a housing for accommodating the elastic deformation means and the fluid contact plate inside.
The fluid contact plate is arranged adjacent to the lower end of the housing so as to be in contact with the fluid together with the lower end of the housing.
The measurement system according to claim 3.
前記弾性変形手段には、前記第1の貫通孔が形成された第1の光路形成部が固定され、
前記ハウジングには、前記第2の貫通孔が形成された第2の光路形成部が固定されている、
請求項4に記載の測定システム。
A first optical path forming portion in which the first through hole is formed is fixed to the elastic deformation means.
A second optical path forming portion in which the second through hole is formed is fixed to the housing.
The measurement system according to claim 4.
前記第2の光路形成部は、前記第2の貫通孔に隣接して形成された開口部を備え、
前記第1の光路形成部は、前記第2の光路形成部よりも背面側に配置され、
前記開口部は、流体の壁面せん断応力に応じて前記第1の光路形成部が移動した場合であっても、前記第1の貫通孔に散乱光が通過可能となるように形成されている、
請求項5に記載の測定システム。
The second optical path forming portion includes an opening formed adjacent to the second through hole.
The first optical path forming portion is arranged on the back side of the second optical path forming portion.
The opening is formed so that scattered light can pass through the first through hole even when the first optical path forming portion moves according to the wall shear stress of the fluid.
The measurement system according to claim 5.
前記第1の光路形成部及び前記第2の光路形成部は、前記ハウジングの前記発光手段側に設けられ、
前記ハウジングの前記受光手段側には、前記第1の光路形成部及び前記第2の光路形成部を通過した散乱光を外部に透過可能な透過部が設けられている、
請求項5又は6に記載の測定システム。
The first optical path forming portion and the second optical path forming portion are provided on the light emitting means side of the housing.
On the light receiving means side of the housing, a transmitting portion capable of transmitting scattered light that has passed through the first optical path forming portion and the second optical path forming portion is provided.
The measurement system according to claim 5 or 6.
前記測定システムは、液体の壁面せん断応力を測定する測定システムであって、
前記受感手段は、前記流体接触板と前記ハウジングとの間から前記ハウジング内に液体が浸入するように構成され、
前記測定システムは、前記ハウジングに浸入した液体の液面が前記第1の貫通孔及び前記第2の貫通孔よりも下方に位置するように、前記ハウジング内に気体を供給して液体の液面を加圧する送気手段をさらに備える、
請求項4から7のいずれか1項に記載の測定システム。
The measuring system is a measuring system for measuring the wall shear stress of a liquid.
The sensing means is configured so that the liquid enters the housing from between the fluid contact plate and the housing.
The measurement system supplies a gas into the housing so that the liquid level of the liquid that has entered the housing is located below the first through hole and the second through hole, and the liquid level of the liquid. Further equipped with an air supply means to pressurize,
The measurement system according to any one of claims 4 to 7.
前記弾性変形手段は、流体の流れ方向に並べて配置された一対のワイヤであって、
一方のワイヤは、前記流体接触板の上面部の側端に固定され、他方のワイヤは、前記流体接触板の上面部の側端であって、前記一方のワイヤが固定された部分とは反対側に固定されている、
請求項3から8のいずれか1項に記載の測定システム。
The elastic deformation means is a pair of wires arranged side by side in the flow direction of the fluid.
One wire is fixed to the side end of the upper surface portion of the fluid contact plate, and the other wire is the side end of the upper surface portion of the fluid contact plate, which is opposite to the portion to which the one wire is fixed. Fixed to the side,
The measurement system according to any one of claims 3 to 8.
前記発光手段は、
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を散乱させる回転散乱板と、
前記回転散乱板を一定の角速度で中心軸周りに回転させるモータと、
を備える、
請求項1から9のいずれか1項に記載の測定システム。
The light emitting means
Laser light source and
A rotary scattering plate that scatters the laser light emitted from the laser light source,
A motor that rotates the rotary scattering plate around the central axis at a constant angular velocity,
To prepare
The measurement system according to any one of claims 1 to 9.
前記回転散乱板と前記モータとは、ターニングベルトを介して前記モータの回転を前記回転散乱板に伝達可能となるように互いに接続されている、
請求項10に記載の測定システム。
The rotational scattering plate and the motor are connected to each other via a turning belt so that the rotation of the motor can be transmitted to the rotational scattering plate.
The measurement system according to claim 10.
前記受光手段は、
前記第1の貫通孔及び前記第2の貫通孔を通過した散乱光を交点に集束させ、ビート信号を生成するレンズ系と、
前記交点を含むように配置され、前記レンズ系によって生成されたビート信号を散乱させる散乱体と、
前記散乱体によって散乱されたビート信号の強度を検出する光検出素子と、
を備える、
請求項1から11のいずれか1項に記載の測定システム。
The light receiving means is
A lens system that generates a beat signal by focusing the scattered light that has passed through the first through hole and the second through hole at an intersection.
A scatterer that is arranged to include the intersection and scatters the beat signal generated by the lens system.
A photodetector that detects the intensity of the beat signal scattered by the scatterer,
To prepare
The measurement system according to any one of claims 1 to 11.
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