JP7807982B2 - 光学式非接触速度計の校正システム及び光学式非接触速度計の校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学式非接触速度計の校正システム及び光学式非接触速度計の校正方法に関する。

非接触速度計は測定対象の速度を非接触で測定可能であり、例えばフィルムや不織布のようなシートの搬送速度の測定などに用いられている。非接触速度計の精度を維持するために、非接触速度計を校正する方法が提案されている。

特開平８－３０４４５２号公報は、既知の長さの測定対象材を設置し、移動装置により非接触速度計を任意の速度で測定対象材に対して平行移動させて、非接触速度計で測定対象材に対する相対速度を測定し、非接触速度計が測定した速度から測定対象材の測定長さを算出し、測定長さと測定対象材の既知の長さを比較することで、非接触速度計を校正することを記載している。

特開平９－１１３５２６号公報は、既知の長さの無端ベルトを一対のプーリー間に架設し、無端ベルトの回転数と既知の長さから無端ベルトの基準速度を算出し、かつ、非接触速度計で無端ベルトの速度を測定し、非接触速度計で測定した速度と基準速度を比較することで、非接触速度計を校正することを記載している。

特開２０１７－１７３２１６号公報は、移動する定盤からの散乱光を非接触速度計で検出してビート信号の周期を算出し、定盤の移動距離をビート信号の周期で除した値を、非接触速度計が測定領域に形成する干渉縞の間隔として算出して、非接触速度計を校正することを記載している。

特開平８－３０４４５２号公報 特開平９－１１３５２６号公報 特開２０１７－１７３２１６号公報

従来の非接触速度計の校正方法では、既知の長さの基準測定対象を用いるが、校正の際には、速度から長さを算出する際に、正確な測定時間を計測あるいは設定する必要があり得る。そこで、本発明は、既知の長さの基準測定対象を必要としない光学式非接触速度計の校正システム及び光学式非接触速度計の校正方法を提供することを目的の一つとする。

本発明の態様に係る光学式非接触速度計の校正システムは、校正対象の光学式非接触速度計が発する検査光に対して透明な配管と、配管に流体を供給する流体供給装置と、配管を流れる流体の速度を参照速度として計測する、配管に設けられた流速センサと、光学式非接触速度計が計測した流体の計測速度と、参照速度とに基づき、光学式非接触速度計の計測速度を校正するための校正信号を生成するための校正信号生成部と、を備える。

上記の光学式非接触速度計の校正システムが、光学式非接触速度計を保持する保持部をさらに備えていてもよい。

上記の光学式非接触速度計の校正システムにおいて、保持部が、流速センサに対向する位置に検査光が照射されるよう、光学式非接触速度計を保持してもよい。

上記の光学式非接触速度計の校正システムにおいて、流体供給装置が、複数の異なる供給速度で、配管に流体を供給してもよい。

上記の光学式非接触速度計の校正システムが、配管の温度を制御する温度制御装置をさらに備えていてもよい。

上記の光学式非接触速度計の校正システムが、光学式非接触速度計に校正信号を送信するための校正信号送信部をさらに備えていてもよい。

上記の光学式非接触速度計の校正システムにおいて、校正信号が、計測速度を、参照速度に近づけるよう、構成されていてもよい。

上記の光学式非接触速度計の校正システムにおいて、配管及び流体供給装置が、配管における流体の流れが層流になるよう構成されていてもよい。

本発明の態様に係る光学式非接触速度計の校正方法は、校正対象の光学式非接触速度計が発する検査光に対して透明な配管に流体を供給することと、光学式非接触速度計で、配管を流れる流体の速度を計測速度として計測することと、配管に設けられた流速センサで、配管を流れる流体の速度を参照速度として計測することと、計測速度と、参照速度とに基づき、計測速度を校正するための校正信号を生成することと、を含む。

上記の光学式非接触速度計の校正方法が、流速センサに対向する位置に検査光が照射されるよう、光学式非接触速度計を配置することをさらに含んでいてもよい。

上記の光学式非接触速度計の校正方法において、複数の異なる供給速度で、配管に流体を供給してもよい。

上記の光学式非接触速度計の校正方法が、配管の温度を制御することをさらに含んでいてもよい。

上記の光学式非接触速度計の校正方法が、非接触速度計に校正信号を送信することをさらに含んでいてもよい。

上記の光学式非接触速度計の校正方法において、校正信号が、計測速度を、参照速度に近づけるよう、構成されていてもよい。

上記の光学式非接触速度計の校正方法において、配管における流体の流れが層流になるよう、配管に流体を流してもよい。

本発明によれば、既知の長さの基準測定対象を必要としない光学式非接触速度計の校正システム及び光学式非接触速度計の校正方法を提供することができる。

図１は、実施形態に係る光学式非接触速度計の校正システムを示す模式図である。 図２は、実施形態に係る流速センサの模式的斜視図である。 図３は、実施形態に係る流速センサの模式的断面図である。 図４は、実施形態に係る光学式非接触速度計を示す模式図である。 図５は、実施形態に係る光学式非接触速度計を示す模式図である。 図６は、実施形態に係る光学式非接触速度計を示す模式図である。 図７は、実施形態に係る参照速度と計測速度との関係を示す模式的なグラフである。 図８は、実施形態に係る参照速度と計測速度との関係を示す模式的なグラフである。 図９は、実施形態に係る光学式非接触速度計の校正方法のフローチャートである。 図１０は、実施形態に係る光学式非接触速度計の校正システムを示す模式図である。 図１１は、実施形態に係る光学式非接触速度計の校正システムを示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

実施形態に係る光学式非接触速度計の校正システムは、図１に示すように、校正対象の光学式非接触速度計１０が発する検査光に対して透明な配管２０と、配管２０に流体を供給する流体供給装置３０と、配管２０を流れる流体の速度を参照速度として計測する、配管２０に設けられた流速センサ４０と、光学式非接触速度計１０が計測した流体の計測速度と、参照速度とに基づき、光学式非接触速度計１０の計測速度を校正するための校正信号を生成するための校正信号生成部３０１と、を備える。

流体は液体であっても気体であってもよい。流体は、例えば、検査光を散乱させる特性、検査光を反射する特性、検査光を回折させる特性、及び検査光の透過特性に変調を与える特性の少なくともいずれかを有する。流体は、検査光を散乱させる物質、検査光を反射する物質、検査光を回折させる物質、及び検査光を吸収する物質の少なくともいずれかを含んでいてもよい。物質の検査光を散乱させる特性、物質の検査光を反射する特性、物質の検査光を回折させる特性、又は物質の検査光を吸収する特性は、検査光の波長に応じて選択されてもよい。物体は、粒子を構成していてもよい。液体の例としては、水、塩水、及び油が挙げられるが、特に限定されない。

流体供給装置３０は、例えば、流体を収容する容器３１、容器３１と配管２０を接続する流路３２、流路３２に設けられた流量制御機械３３を備える。容器３１内の流体は、重力を利用して、流路３２を介して配管２０に一方向に送られ得る。あるいは、容器３１内の流体は、ポンプ等の流体機械を用いて、流路３２を介して配管２０に送られ得る。またあるいは、容器３１内の流体は、容器３１内に加えられる圧力によって、流路３２を介して配管２０に送られ得る。流量制御機械３３は、配管２０に供給される流体の流量を制御する。流量制御機械３３としては、バルブ、及びフローコントローラ―が使用可能である。流体の流量は、配管２０の口径に基づいて設定してもよい。流体供給装置３０は、複数の異なる供給速度で、配管２０に流体を供給してもよい。流体供給装置３０は、圧力変動を吸収するダンパーをさらに備えていてもよい。

配管２０は、少なくとも光学式非接触速度計１０が発する検査光が照射される部分が検査光に対して透明であればよい。配管２０は、流体に乱流が生じないように構成されることが好ましい。配管２０及び流体供給装置３０の少なくともいずれかは、配管２０における流体の流れが層流になるよう構成されていることが好ましい。配管２０は、例えば直管であり、所定の長さを有する。流速センサ４０は、例えば、配管２０の側面に設けられる。流速センサ４０は、例えば、配管２０の外側面に当接している。流速センサ４０が設けられた配管２０の内側面の近傍に凹凸がないことが好ましい。流速センサ４０は、配管２０を流れる流体の速度を計測可能であれば、特に限定されない。流速センサ４０の例としては、熱式流速センサ、超音波流速センサ、及び電磁式流速センサが挙げられる。流体の種類に応じて、流速センサ４０の種類を選択してもよい。流速センサ４０は、光学式非接触速度計１０とは異なる種類の速度計であることが好ましい。例えば、流速センサ４０は、非光学式流速センサである。

熱式流速センサの例として、マイクロフローセンサが挙げられる。マイクロフローセンサは、例えば、図２及び図３に示すように、キャビティ４６が設けられた基板４１、基板４１上にキャビティ４６を覆うように配置された絶縁膜４５、絶縁膜４５に設けられたヒータ４２、ヒータ４２より上流側に設けられた上流側測温抵抗素子４３、及びヒータ４２より下流側に設けられた下流側測温抵抗素子４４を備える。

絶縁膜４５のキャビティ４６を覆う部分は、断熱性のダイヤフラムを構成している。ヒータ４２は、キャビティ４６を覆う絶縁膜４５の中心に配置されており、配管２０を流れる流体を加熱する。上流側測温抵抗素子４３はヒータ４２より上流側の流体の温度を検出するために用いられ、下流側測温抵抗素子４４はヒータ４２より下流側の流体の温度を検出するために用いられる。

配管２０内の流体が静止している場合、ヒータ４２で加えられた熱は、上流方向と下流方向へ対称的に拡散する。したがって、上流側測温抵抗素子４３及び下流側測温抵抗素子４４の温度は等しくなり、上流側測温抵抗素子４３及び下流側測温抵抗素子４４の電気抵抗は等しくなる。これに対し、配管２０内の流体が上流から下流に流れている場合、ヒータ４２が発した熱は、下流方向に運ばれる。したがって、上流側測温抵抗素子４３の温度よりも、下流側測温抵抗素子４４の温度が高くなる。そのため、上流側測温抵抗素子４３の電気抵抗と下流側測温抵抗素子４４の電気抵抗との間に差が生じる。下流側測温抵抗素子４４の電気抵抗と上流側測温抵抗素子４３の電気抵抗の差は、配管２０内の流体の速度や流量と相関関係がある。そのため、下流側測温抵抗素子４４の電気抵抗と上流側測温抵抗素子４３の電気抵抗の差から、配管２０内を流れる流体の速度や流量を算出可能である。

図１に示す流速センサ４０が超音波式流速センサである場合、超音波式流速センサは、例えば、配管２０の側面に当接する超音波発振子を備え、流体の移動による超音波周波数の変化を利用して流体の流速を計測する。流速センサ４０が電磁式流速センサである場合、電磁式流速センサは、流体の移動による電磁誘導の変化を利用して流体の流速を計測する。

光学式非接触速度計１０は、配管２０内の流体に検査光を照射し、少なくとも流体からの反射光に基づき、流体の速度を算出する。

光学式非接触速度計１０は、レーザードップラー式速度計であってもよい。光学式非接触速度計１０がレーザードップラー式速度計である場合、光学式非接触速度計１０は、図４に示すように、レーザー光を発する光源２０１を備える。レーザー光は、コリメートレンズ２０２を経て、ハーフミラー２０３で二分割される。分割された一方のレーザー光は、ミラー２０４で反射され、二つのレーザー光は、それぞれ、入射角θで配管２０に入射し、干渉する。配管２０内で生じた散乱光又は反射光は、集光レンズ２０５で集光され、受光素子２０６で受光される。

受光素子２０６から得られるドップラー信号の周波数Ｆと、流体の速度Ｖと、レーザー光の波長λと、レーザー光の入射角θと、の関係は、下記（１）式で与えられる。
F=(2V/λ)sinθ (1)
レーザー光の波長λと、レーザー光の入射角θと、は、予め取得可能である。ドップラー信号の周波数Ｆは、受光素子２０６で受光した光の時間変化をフーリエ変換することにより取得可能である。そのため、ドップラー信号の周波数Ｆを取得することにより、光学式非接触速度計１０は、流体の速度Ｖを算出する。

光学式非接触速度計１０は、自己結合式速度計であってもよい。光学式非接触速度計１０が自己結合式速度計である場合、光学式非接触速度計１０は、図５に示すように、レーザー光を発する光源２１１を備える。レーザー光は配管２０に入射する。配管２０内で生じた散乱光又は反射光は、照射光と同じ光路を逆に進む。光源２１１内の光共振器に再侵入する戻り光は、光共振器において生成されたレーザー光と干渉する。この干渉は、光共振器の中で自己結合効果が起きることを意味する。自己結合により生じた干渉波形を受光素子２１２で検出する。干渉波形の周期に基づき、光学式非接触速度計１０は、流体の速度を算出する。

光学式非接触速度計１０は、空間フィルタ式速度計であってもよい。光学式非接触速度計１０が空間フィルタ式速度計である場合、光学式非接触速度計１０は、図６に示すように、光を発する光源２２１を備える。光源２２１はレーザー光源であってもよいし、ＬＥＤであってもよい。配管２０内の流体は、集光された光で、光学式非接触速度計１０の受光光学系に対して暗視野照明となるよう、斜め方向から照射される。配管２０内で生じた散乱光又は反射光は、集光レンズ２２２で集光され、周期的な透過率分布を有する格子２２３上に、流体の像を形成する。

受光光学系の倍率をＭ、流体の速度をＶとすると、格子２２３上の像は速度ＭＶで移動する。格子２２３からの透過光を、受光素子２２４で受光する。受光素子２２４が受光する透過光の信号の周期Ｆは、格子２２３の間隔をｐとすると、下記（２）式で与えられる。
F=MV/p (2)
受光光学系の倍率Ｍ、格子２２３の間隔ｐと、は予め取得可能であるため、周波数Ｆを測定することにより、光学式非接触速度計１０は、流体の速度Ｖを算出する。

図１に示す光学式非接触速度計１０の応答速度と流速センサ４０の応答速度が一致するように、光学式非接触速度計１０及び流速センサ４０の少なくともいずれかの応答速度を調整してもよい。

実施形態に係る光学式非接触速度計の校正システムは、光学式非接触速度計１０を保持する保持部５０をさらに備えていてもよい。保持部５０は、例えば、流速センサ４０に対向する位置に検査光が照射されるよう、光学式非接触速度計１０を保持する。

校正信号生成部３０１は、計測速度を、参照速度に近づけるための校正信号を生成する。光学式非接触速度計１０は、有線又は無線で、校正信号生成部３０１に、計測速度を送信する。流速センサ４０は、有線又は無線で、校正信号生成部３０１に、参照速度を送信する。校正信号生成部３０１は、光学式非接触速度計１０から計測速度を受信し、流速センサ４０から参照速度を受信する。

校正信号生成部３０１は、計測速度と、参照速度と、を比較する。例えば、図７に示すように、計測速度と、参照速度が、同じである場合は、校正信号生成部３０１は、校正信号を生成しない。図８（ａ）に示すように、計測速度が、参照速度より速い場合、校正信号生成部３０１は、計測速度が参照速度と等しくなるよう、計測速度を校正する校正信号を生成する。図８（ｂ）に示すように、計測速度が、参照速度より遅い場合、校正信号生成部３０１は、計測速度が参照速度と等しくなるよう、計測速度を校正する校正信号を生成する。

校正信号は、図１に示す光学式非接触速度計１０の計測速度を校正できれば、特に限定されない。例えば、校正信号は、光学式非接触速度計１０が算出した計測速度に乗じる係数や式を含んでいてもよい。式は一次式であってもよいし、多項式であってもよい。あるいは、校正信号は、光学式非接触速度計１０が計測速度の算出に用いる光学系の感度や電気回路の電気信号の強度及び周波数を校正する信号であってもよい。

実施形態に係る非接触速度計の校正システムは、校正信号生成部３０１が生成した校正信号を光学式非接触速度計１０に送信するための校正信号送信部３０２をさらに備える。光学式非接触速度計１０は、校正信号を受信し、校正信号に基づき、校正された計測速度を算出するよう構成される。

実施形態に係る非接触速度計の校正システムは、流体供給装置３０、光学式非接触速度計１０、及び流速センサ４０の少なくともいずれかを有線又は無線を介して制御するための制御部３０３をさらに備えていてもよい。制御部３０３は、流体供給装置３０が配管２０の供給する流体の流量及び流速の少なくともいずれかを制御する。制御部３０３は、光学式非接触速度計１０の速度計測の開始と停止を制御する。制御部３０３は、流速センサ４０の速度計測の開始と停止を制御する。

校正信号生成部３０１、校正信号送信部３０２、及び制御部３０３は、例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）３００に含まれる。

次に、図９を参照して、実施形態に係る光学式非接触速度計の校正方法を説明する。

ステップＳ１０１で、制御部３０３の指示により、配管２０内の流体が流れていない状態で、光学式非接触速度計１０が流体の速度の計測を開始し、光学式非接触速度計１０が計測する計測速度をゼロにリセットする。ステップＳ１０２で、制御部３０３の指示により、配管２０内の流体が流れていない状態で、流速センサ４０が流体の速度の計測を開始し、流速センサ４０が計測する参照速度をゼロにリセットする。

ステップＳ１０３で、制御部３０３の指示により、流体供給装置３０が、配管２０に所定の流量で流体を供給する。配管２０内の流体の流速が安定する所定の時間が経過した後、ステップＳ１０４で、制御部３０３の指示により、光学式非接触速度計１０が流体の速度の計測し、計測速度を校正信号生成部３０１に送信する。ステップＳ１０５で、制御部３０３の指示により、流速センサ４０が流体の速度の計測し、参照速度を校正信号生成部３０１に送信する。ステップＳ１０３とステップＳ１０４は、並行して実施されてもよい。

ステップＳ１０６で、制御部３０３の指示により、流体供給装置３０及び流速センサ４０が流体の速度の計測を終了する。ステップＳ１０７で、校正信号生成部３０１は、受信した参照速度と計測速度に基づき、校正信号を生成する。ステップＳ１０８で、校正信号送信部３０２は、校正信号生成部３０１が生成した校正信号を光学式非接触速度計１０に送信する。光学式非接触速度計１０は、校正信号を受信し、以後、校正された計測速度を算出するよう構成される。

なお、ステップＳ１０３からステップＳ１０６を、複数の異なる流体の供給速度で実施してもよい。この場合、複数の異なる流体の供給速度のいずれにおいても、計測速度が参照速度と等しくなるよう、校正信号生成部３０１は、校正信号を生成する。

上記のように本発明を実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。

例えば、図１０に示すように、実施形態に係る光学式非接触速度計の校正システムは、計測速度と参照速度にタイプスタンプを付与する時刻情報提供装置４００をさらに備えていてもよい。時刻情報提供装置４００は、光学式非接触速度計１０及び流速センサ４０と有線又は無線を介して通信し、光学式非接触速度計１０及び流速センサ４０に時刻情報を送信する。時刻情報提供装置４００は、光学式非接触速度計１０及び流速センサ４０と無線接続するためのＣＰＵ３００のアクセスポイントに接続されていてもよい。

光学式非接触速度計１０は、計測速度を送信する際に、時刻情報に基づき、計測速度にタイムスタンプを付与する。流速センサ４０は、参照速度を送信する際に、時刻情報に基づき、参照速度にタイムスタンプを付与する。校正信号生成部３０１は、タイムスタンプに基づき、同じ時刻に送信された計測速度と参照速度を比較する。これにより、精度の高い校正信号を生成可能である。

また、例えば、図１１に示すように、実施形態に係る光学式非接触速度計の校正システムは、配管２０の温度を制御する温度制御装置２１をさらに備えていてもよい。流体の流速が低い場合、配管２０内の温度勾配により、流体に対流が生じる場合がある。温度制御装置２１は、配管２０の温度が一定になるように、配管２０の温度を制御する。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を包含するということを理解すべきである。

１０・・・光学式非接触速度計、２０・・・配管、２１・・・温度制御装置、３０・・・流体供給装置、３１・・・容器、３２・・・流路、３３・・・流量制御機械、４０・・・流速センサ、４１・・・基板、４２・・・ヒータ、４３・・・上流側測温抵抗素子、４４・・・下流側測温抵抗素子、４５・・・絶縁膜、４６・・・キャビティ、５０・・・保持部、２０１・・・光源、２０２・・・コリメートレンズ、２０３・・・ハーフミラー、２０４・・・ミラー、２０５・・・集光レンズ、２０６・・・受光素子、２１１・・・光源、２１２・・・受光素子、２２１・・・光源、２２２・・・集光レンズ、２２３・・・格子、２２４・・・受光素子、３０１・・・校正信号生成部、３０２・・・校正信号送信部、３０３・・・制御部、４００・・・時刻情報提供装置

Claims (7)

1. 校正対象の光学式非接触速度計が発する検査光に対して透明な配管と、
   前記配管に流体を供給する流体供給装置と、
   前記配管を流れる流体の速度を参照速度として計測する、前記配管に設けられた流速センサと、
   前記光学式非接触速度計が計測した前記流体の計測速度と、前記参照速度とに基づき、前記光学式非接触速度計の計測速度を校正するための校正信号を生成するための校正信号生成部と、
   前記光学式非接触速度計を保持する保持部と、
   を備え、
   前記保持部が、前記流速センサに対向する位置に前記検査光が照射されるよう、前記光学式非接触速度計を保持する、
   光学式非接触速度計の校正システム。
2. 前記流体供給装置が、複数の異なる供給速度で、前記配管に前記流体を供給する、請求項１に記載の光学式非接触速度計の校正システム。
3. 前記配管の温度を制御する温度制御装置をさらに備える、請求項１に記載の光学式非接触速度計の校正システム。
4. 前記光学式非接触速度計に前記校正信号を送信するための校正信号送信部をさらに備える、請求項１に記載の光学式非接触速度計の校正システム。
5. 前記校正信号が、前記計測速度を、前記参照速度に近づけるよう、構成されている、請求項１に記載の光学式非接触速度計の校正システム。
6. 前記配管及び前記流体供給装置が、前記配管における前記流体の流れが層流になるよう構成されている、請求項１に記載の光学式非接触速度計の校正システム。
7. 校正対象の光学式非接触速度計が発する検査光に対して透明な配管に流体を供給することと、
   前記光学式非接触速度計で、前記配管を流れる流体の速度を計測速度として計測することと、
   前記配管に設けられた流速センサで、前記配管を流れる流体の速度を参照速度として計測することと、
   前記計測速度と、前記参照速度とに基づき、前記計測速度を校正するための校正信号を生成することと、
   を含み、
   前記流速センサに対向する位置に前記検査光が照射されるよう、前記光学式非接触速度計を配置する、
   光学式非接触速度計の校正方法。