粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システム並びにそのプログラム
【課題】微粉炭等の固体の燃料粒子のみならず、液体の燃料液滴の燃焼場における挙動を把握するための基礎データを得るべく粒子または液滴の形状・径と温度との同時計測システムを提供する。
【解決手段】２本のレーザー光Ｌ１，Ｌ２の交差点に形成される測定領域を通過する火炎Ｂ中の粒子Ｐでレーザー光Ｌ１，Ｌ２が遮光されることにより形成される影に基づく粒子Ｐの形状をシャドウドップラー光学系Ｉを介して撮影するとともに、粒子Ｐの形状を表す画像信号を送出する高速度カメラ５と、カセグレン光学系IIを介して得られる測定領域中の粒子Ｐによる特定波長の２種類の光強度Ｉλ１，Ｉλ２をそれぞれ表す発光信号を送出する分光器８と、前記画像信号を処理して粒子Ｐの全部が高速度カメラ５の撮像画面に取り込まれている期間である測定可能期間を検出するとともに、前記測定可能期間に対応する前記発光信号に基づき二色温度計の原理により粒子Ｐの温度を演算するパソコン６とを有する。
【解決手段】２本のレーザー光Ｌ１，Ｌ２の交差点に形成される測定領域を通過する火炎Ｂ中の粒子Ｐでレーザー光Ｌ１，Ｌ２が遮光されることにより形成される影に基づく粒子Ｐの形状をシャドウドップラー光学系Ｉを介して撮影するとともに、粒子Ｐの形状を表す画像信号を送出する高速度カメラ５と、カセグレン光学系IIを介して得られる測定領域中の粒子Ｐによる特定波長の２種類の光強度Ｉλ１，Ｉλ２をそれぞれ表す発光信号を送出する分光器８と、前記画像信号を処理して粒子Ｐの全部が高速度カメラ５の撮像画面に取り込まれている期間である測定可能期間を検出するとともに、前記測定可能期間に対応する前記発光信号に基づき二色温度計の原理により粒子Ｐの温度を演算するパソコン６とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システム並びにそのプログラムに関し、特に固体の燃料粒子や液体の燃料液滴の燃焼場内における形状・径と温度とを同時に計測する場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
埋蔵量が多く供給安定度が高い石炭は火力発電の燃料として汎用されているが、その利用に当たっては環境汚染物質の排出量の抑制や資源の有効活用のため、低ＮＯｘ燃焼技術の開発等、燃焼技術のより一層の高度化が求められている。
【０００３】
現在、最も一般的に用いられている石炭の利用技術は、石炭を平均径４０μｍ程度に粉砕すると共に空気搬送し、バーナーで燃焼させる微粉炭燃焼方式である。かかる微粉炭燃焼方式では、微粉炭粒子が乱流場において空気と混合・燃焼する過程がＮＯｘの排出量や燃焼効率に大きく影響するため、高温の乱流場における微粉炭粒子の挙動を正確に把握することが極めて重要となる。ここで、微粉炭粒子の平均径は４０μｍ程度であるが、実際、火炉に供給される微粉炭はその径が数μｍから１００μｍ程度と広い分布を有する。一方、微粉炭の温度上昇は、径が小さいほど上昇速度が大きくなる。そこで、高温の乱流場における微粉炭粒子の挙動を正確に把握するには、微粉炭粒子の径と温度との関係を把握することが肝要である。すなわち、どの程度の径の微粉炭粒子が、どの程度の温度になっているかを知ることがＮＯｘの排出量の低減や、燃焼効率の向上等を図る上で非常に重要になってくる。
【０００４】
しかしながら、現状では微粉炭等の粒子の形状・径と温度とを同時計測するシステムは存在せず、石炭の燃焼に関連してその着火、燃焼性を評価する装置として特許文献１が存在するだけである。
【０００５】
なお、形状・径と温度とを同時に計測することは、微粉炭等の固体の燃料粒子を対象物とする場合だけでなく、液体の燃料液滴を対象物とする場合にも同様に必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２９２７１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来技術に鑑み、微粉炭等の粒子、燃料液滴等、燃焼場における粒子や液滴のみならず、一般的に粒子や液滴の挙動を把握するための基礎データを得るべく粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システム並びにそのプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の第１の態様は、２本のレーザー光の交差点に形成される測定領域を通過する粒子または液滴で前記レーザー光が遮光されることにより形成される影に基づく前記粒子または液滴の形状を第１の光学系を介して撮影するとともに、前記粒子または液滴の形状を表す画像信号を送出する撮影手段と、第２の光学系を介して得られる前記測定領域中の粒子または液滴による複数の特定波長の光強度をそれぞれ表す発光信号を送出する温度計測手段と、前記画像信号を処理して前記粒子または液滴の全部が前記撮影手段の撮像画面に取り込まれている期間である測定可能期間を検出するとともに、前記測定可能期間に対応する前記発光信号に基づき二色温度計の原理により前記粒子または液滴の温度を演算する演算処理手段とを有することを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにある。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにおいて、前記第２の光学系はカセグレン光学系であることを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにある。
【００１０】
本発明の第３の態様は、第１または第２の態様に記載する粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにおいて、前記測定可能期間は、二次元平面の前記撮像画面を格子状のセルに分割して各セルにおける前記画像信号の輝度を検出し、４辺の各エッジ部の全てのセルが高輝度部分となり、同時に前記撮像画面における前記各エッジ部の内部のセルに低輝度部分が存在する期間としたことを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにある。
【００１１】
本発明の第４の態様は、第３の態様に記載する粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにおいて、前記４辺の各エッジ部の全てのセルが高輝度部分となり、同時に前記撮像画面における前記各エッジ部の内部のセルに低輝度部分が存在する期間であっても、前記内部のセルに複数の低輝度部分が不連続な領域として存在する場合には、前記測定可能期間から除外することを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにある。
【００１２】
本発明の第５の態様は、１ステップ分の前記画像信号及び前記発光信号を読込む処理と、読込んだ画像信号に基づき前記粒子または液滴の全部が前記撮影手段の撮像画像に取り込まれている期間である測定可能期間であるか否かを判定する判定処理と、判定処理の結果測定可能期間である場合には、前記粒子または液滴の形状・径を演算するとともに前記発光信号に基づき二色温度計の原理による前記粒子または液滴の温度の演算を行う演算処理とを電子計算機に行わせることを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測プログラムにある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、２本のレーザー光の交差点に形成される測定領域を撮影する撮影手段で、前記測定領域を通過する粒子または液滴の像の全部が前記撮影手段の撮像画面に取り込まれている期間である測定可能期間に、温度計測手段により前記粒子または液滴の温度を計測するようにしたので、粒子または液滴の形状・径と温度とを同時に計測することができる。
【００１４】
この結果、前記粒子または液滴の燃焼場等における挙動を正確に把握することができる。このことにより、例えば燃焼場における固体の燃料粒子や液体の燃料液滴の燃焼の数値シミュレーションを行う場合等に有用な基礎データを容易且つ正確に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に関する図で、（ａ）は実施の形態に係る粒子の形状・径と温度との同時計測システムを示すブロック線図、（ｂ）は計測される粒子の形状の一例を模式的に示す説明図である。
【図２】図１に示すシステムにおける光学系の構成例と測定・受光領域との関係を示す説明図である。
【図３】図１に示すシステムにおける粒子の形状・径と温度との測定原理を説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る粒子の形状・径と温度との同時計測のフローを示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態における単一粒子の粒子像判別方法を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態における複数の粒子が撮像領域内に存在する場合の粒子判別手法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図１〜図６中の同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。また、本形態は微粉炭火炎内の粒子を計測対象とした場合である。
【００１７】
図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る粒子の形状・径と温度との同時計測システムを示すブロック線図である。同図に示すように、本形態において粒子の形状・径の計測系はシャドウドップラー光学系を利用して構成されている。このシャドウドップラー光学系Ｉではレーザー光源（図示せず）から出射されたレーザー光をビームスプリッタ（図示せず）で等しい強度をもつ平行な２本のレーザー光Ｌ１，Ｌ２に分離し、このレーザー光Ｌ１，Ｌ２を集光レンズ１を介して燃焼場の火炎Ｂ内で交差させる。このときの火炎Ｂは固体燃料（例えば微粉炭）の燃焼により形成されるもので、この火炎Ｂ中におけるレーザー光Ｌ１，Ｌ２の交差点が測定領域となる。交差した後のレーザー光Ｌ１，Ｌ２はコリメートレンズ２でコリメートされた後、集光レンズ３で集光され、対物レンズ４を介して撮像手段である高速度カメラ５に入射される。かくして高速度カメラ５では火炎Ｂ内の交差点に形成された測定領域の画像が撮影される。したがって、火炎Ｂ内の測定領域に燃焼に伴う粒子が存在する場合、その影として図１（ｂ）に示すような粒子Ｐの形状が撮影される。高速度カメラ５では撮影した粒子Ｐの形状を表す画像信号を演算処理手段であるパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという）６に送出する。パソコン６では、粒子Ｐの画像信号を所定の処理手順に基づき処理することにより粒子Ｐの形状及び径を計測する。かかる計測に伴う具体的な処理手順に関しては後に詳述する。
【００１８】
一方、粒子Ｐの温度を計測する温度計測系は、燃焼場における粒子Ｐの局所的な発光を検出するのに最適なカセグレン光学系IIを利用して構成されている。カセグレン光学系IIで検出した火炎Ｂの前記測定領域における局所の発光データは、光ファイバー７を介して分光器８に入力される。分光器８では前記発光データのうち特定の２種類の波長λ１、λ２の光の光強度Ｉλ１、Ｉλ２を検出し、各光強度Ｉλ１、Ｉλ２を表す発光信号をパソコン６に入力する。パソコン６では、いわゆる二色温度計の原理に基づく次式（１）の演算を行うことにより測定領域の局所の温度を演算する。なお、式（１）は波長λ１、λ２の光強度Ｉλ１、Ｉλ２の比を表しているが、同式（１）中、温度Ｔ以外は、常数乃至既知であるので、光強度Ｉλ１、Ｉλ２を計測することで粒子Ｐの温度Ｔを演算により求めることができる。
【００１９】
【数１】
【００２０】
図２は図１に示すシステムにおける光学系の構成例と測定・受光領域との関係を示す説明図である。同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は図１に示すシャドウドップラー光学系Ｉとカセグレン光学系IIとの位置関係を平面的に見た図である。図２（ａ）はレーザー光Ｌ１，Ｌ２が形成する交差点の測定領域に対してカセグレン光学系IIを直角に臨ませた場合である。この場合は図２（ｄ）に示すように、楕円形状のシャドウドップラー光学系Ｉの測定領域Ｍに対し、その中央部に円形のカセグレン光学系IIによる受光領域Ｒが形成される。図２（ｂ）はレーザー光Ｌ１，Ｌ２が形成する交差点の測定領域に対してカセグレン光学系IIを直角方向に対し傾斜させて臨ませた場合である。この場合は図２（ｅ）に示すように、シャドウドップラー光学系Ｉの測定領域Ｍに対し、その中央部に長軸が左右方向に若干広がる楕円形のカセグレン光学系IIによる受光領域Ｒが形成される。図２（ｃ）はレーザー光Ｌ１，Ｌ２が形成する交差点の測定領域に対してカセグレン光学系IIを平行に臨ませた場合である。この場合は図２（ｆ）に示すように、楕円形状のシャドウドップラー光学系Ｉの測定領域Ｍに対し、その中央部に長軸が左右方向に図２（ｅ）の場合よりもさらに広がる楕円形のカセグレン光学系IIによる受光領域Ｒが形成される。すなわち、シャドウドップラー光学系Ｉに対してカセグレン光学系IIを図２（ａ）に示す状態から図２（ｃ）に示す状態に向けて傾斜させるに伴い、測定領域Ｍ内に形成される受光領域Ｒの面積が漸増する。この結果、図２（ｃ）に示す場合が最も多くの粒子Ｐを受光領域Ｒ内に捕捉することができる。したがって、空間分解能を上げて厳密な粒子Ｐの形状・径乃至温度のデータを得たい場合には図２（ａ）に示す配置が好適であり、例えば時系列的に粒子Ｐの形状・径や温度がどのように変化するかという多くのデータを得たい場合には図２（ｃ）に示す配置が好適である。
【００２１】
なお、測定領域Ｍは、一例を挙げれば、αが８００μｍ程度、βが１００〜２００μｍ程度の極く微少な領域であり、受光領域Ｒは測定領域Ｍに内包されるさらに局所の領域である。
【００２２】
図３は図１に示すシステムにおける粒子の形状・径と温度との測定原理を説明するための説明図である。同図に示すように、粒子Ｐの画像に欠けがない範囲で光強度Ｉλ１、Ｉλ２の比により局所の温度が求まる。さらに詳言すると、図３（ａ）に示すように、火炎Ｂ中の粒子Ｐが測定領域Ｍ内の受光領域Ｒを図中下から上へ移動した場合を考える。この場合、高速度カメラ５の撮像画面５Ａに対する粒子Ｐの時系列的な位置関係は図３（ｂ）に示すようになる。すなわち、時刻ｔ０では撮像画面５Ａの撮像領域外に在った粒子Ｐが時刻ｔ１でその一部が撮像画面５Ａの撮像領域内に入り、時刻ｔ２で完全に入って時刻ｔ３までこの状態が継続され、さらに時刻ｔ４で一部が撮像領域から出て、時刻ｔ５では完全に撮像画面５Ａの撮像領域外に出てしまう。このときの時間ｔと分光器８を介して計測される粒子Ｐが発する光の強度Ｉとの関係は図３（ｃ）に示すようになる。図３（ｃ）を参照すれば明らかな通り、時刻ｔ２〜時刻ｔ３で粒子Ｐの全体からの発光信号が得られ、この期間が粒子Ｐの温度の測定可能期間ＴＬであることが分る。
【００２３】
また、高速度カメラ５で撮影した測定可能期間ＴＬにおける粒子Ｐの形状を表す画像信号をパソコン６で処理することによりその形状及び径を計測することができる。かかる画像信号と二色温度計の原理に基づき演算される粒子Ｐの温度データとを対応させることにより所定の粒子Ｐの形状・径と温度との同時計測が可能となる。
【００２４】
かかる粒子Ｐの形状・径と温度との同時計測は、例えば図４に示すような手順でパソコン６において実施される。図４は本発明の実施の形態に係る粒子Ｐの形状・径と温度との同時計測のフローを示すフローチャートである。
【００２５】
本形態は、一定のサンプリング周期で高速度カメラ５により撮像した画像信号をパソコン６の記憶装置（図示せず）に予め記憶させておき、この記憶データを処理する場合である。そこで、データ解析開始と同時に１ステップ分の画像信号と発光信号とを読み出す（ステップＳＴ１参照）。
【００２６】
次に、画像信号による粒子Ｐの画像を判定する（ステップＳＴ２参照）。すなわち、撮像画面５Ａ内における粒子Ｐの画像の欠けの有無を判定し、欠けがない場合（図３（ｂ）の時刻ｔ２〜ｔ３のように粒子Ｐの形状の全体が撮像画面５Ａに含まれている場合）を粒子Ｐの形状・径が演算可能な場合であるとして粒子Ｐの形状・径の演算を行う（ステップＳＴ３参照）と同時に、そのときの粒子Ｐの温度の演算を行う（ステップＳＴ４参照）。その後、それぞれの演算結果を対応付け、粒子Ｐの形状・径及び温度のデータとして記憶装置に記憶させるとともに、パソコン６の表示部６Ａに表示させる（ステップＳＴ５参照）。
【００２７】
ステップ１の処理で、粒子Ｐが検出されないか、または検出されても欠けが存在すると判定された場合（図３（ｂ）の時刻ｔ０〜ｔ１または時刻ｔ４〜ｔ５の場合）は次のステップの画像信号及び発光信号の存在の有無を判定する（ステップＳＴ６参照）。
【００２８】
次のステップのデータがない場合は、データ解析を終了させ（ステップＳＴ７参照）、データがある場合は次のステップに進み（ステップＳＴ８参照）、ステップＳＴ１〜ステップＳＴ６の処理を繰り返す。
【００２９】
上記ステップＳＴ２に示す画像信号による粒子像の判定処理は、具体的には図５または図６に示すような態様で行われる。本形態に係る粒子像の判定処理に関する具体的な処理手順を、その代表的な３種類の態様についてそれぞれ詳説する。
【００３０】
図５は単一粒子Ｐの、図６は複数粒子の粒子像判別方法を示す説明図である。両図には、撮像画面５Ａの各セルを格子状に区切られた一つの矩形として模式的に示すとともに、粒子Ｐと撮像画面５Ａとの位置関係を示している。
【００３１】
ここで、各セルの輝度を次のように仮定する。
１） 特定のセルの全ての領域が粒子Ｐを検出していない場合、そのセルの輝度を１００とする。
【００３２】
２） 特定のセルの全ての領域が粒子Ｐで占められている場合、そのセルの輝度を０（図中５に黒塗り部として表記）とする。
【００３３】
３） 粒子Ｐの輪郭部にあたるセルの輝度は、０を超え、１００未満（図５中にグレー部部として表記）とする。
【００３４】
＜単一粒子の判別方法Ｉ＞
本例は、単一の粒子Ｐが撮像画面５Ａの下方から撮像画面５Ａを通過して上方に抜ける場合である。
【００３５】
ａ） 粒子Ｐが図５（ａ）に示す位置では、全セルの輝度が１００であるので、粒子Ｐは未検出であり、計測不可と判定する。
【００３６】
ｂ） 粒子Ｐが図５（ｂ）に示す位置では、一部のエッジのセルの輝度がグレーであるので粒子Ｐは検出されているが、粒子Ｐがエッジに存在しており、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００３７】
ｃ） 粒子Ｐが図５（ｃ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐは検出されているが、粒子Ｐがエッジに存在しており、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００３８】
ｄ） 粒子Ｐが図５（ｄ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐは検出されているが、粒子Ｐがエッジに存在しており、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００３９】
ｅ） 粒子Ｐが図５（ｅ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐが検出されている。しかも、エッジ部の全てのセルの輝度が１００であるので、全部の形状が取り込まれている。そこで、かかる状態の画像信号に基づき粒子の形状・径を計測する。ここで、形状は、例えば図５（ｅ）中のグレー領域の形状で近似的に求めることができる。また、径は、例えば輝度が０またはグレーとなっているセルの数に基づき演算により求めることができる。さらに詳言すると、例えば輝度が０のセルはその数を単純に加算するとともに、グレーのセルは各セルに関し輝度が１００の場合の何％であるかを求め、その割合を係数として各セル毎に加算し、両者の合計の値に対し、セルの径（既知）を掛けてやれば良い。
【００４０】
ｆ） 粒子Ｐが図５（ｆ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐが検出されている。しかも、図５（ｅ）と同様に、エッジ部の全てのセルの輝度が１００であるので、全部の形状が取り込まれている。そこで、かかる状態の画像信号に基づき粒子Ｐの形状・径を計測する。
【００４１】
ｇ） 粒子Ｐが図５（ｇ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐは検出されているが、粒子Ｐがエッジに存在しており、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００４２】
ｈ） 粒子Ｐが図５（ｈ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐは検出されているが、エッジの一部のセルの輝度が０またはグレーであり、エッジに粒子Ｐが存在しており、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００４３】
ｉ） 粒子Ｐが図５（ｉ）に示す位置では、全セルの輝度が１００であるので、粒子Ｐは未検出であり、計測不可と判定する。
【００４４】
＜単一粒子の判別方法II＞
本例は、粒子Ｐが図５の紙面に対し直角に移動した場合である。この場合には粒子Ｐが撮像画面５Ａに対して、（II−１）ａ）粒子Ｐなし、ｂ）図５（ｅ）または図５（ｆ）に示す状態、ｃ）粒子Ｐなしと変化する場合と、（II−２）ａ）粒子Ｐなし、ｂ）図５（ｃ）または図５（ｇ）に示す状態、ｃ）粒子Ｐなしと変化する場合とが考えられる。
【００４５】
これらのうち、（II−１）に示す場合は、図５（ｅ）または図５（ｆ）に示す状態で、一部のセルの輝度が０またはグレーとなるので粒子Ｐが検出され、しかもエッジ部の全てのセルの輝度が１００であるので、かかる状態の画像信号に基づき粒子Ｐの形状・径を計測する。
【００４６】
一方、（II−２）に示す場合は、図５（ｃ）または図５（ｇ）に示す状態で、一部のセルの輝度が０またはグレーとなるので粒子Ｐが検出されるが、一部のエッジ部のセルの輝度が０またはグレーであり、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００４７】
＜複数の粒子の判別方法＞
本例は、複数の粒子Ｐが撮像画面５Ａの下方から撮像画面５Ａを通過して上方に抜ける場合である。
【００４８】
ａ） 粒子Ｐ１，Ｐ２が図６（ａ）に示す位置では、全セルの輝度が１００であるので、粒子Ｐ１，Ｐ２は未検出であり、計測不可と判定する。
【００４９】
ｂ） 粒子Ｐ１，Ｐ２が図６（ｂ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐ１は検出されているが、粒子Ｐ１がエッジに存在しており、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００５０】
ｃ） 粒子Ｐ１，Ｐ２が図６（ｃ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐ１が検出されている。しかも、エッジ部の全てのセルの輝度が１００であるので、粒子Ｐ１の全部の形状が取り込まれた場合である。そこで、この場合の画像信号に基づき粒子Ｐ１の形状・径を計測する。
【００５１】
ｄ） 粒子Ｐ１，Ｐ２が図６（ｄ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐ１が検出されている。しかし粒子Ｐ２のため、輝度が０を超え、且つ１００未満のセルが不連続な状態で存在している。そこで、この場合は計測不可と判定する。粒子Ｐ１，Ｐ２の温度が異なる場合があり、何れを基準に温度の計測を行えば良いかが定まらないからである。
【００５２】
ｅ） 粒子Ｐ１，Ｐ２が図６（ｅ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐ１が検出されている。しかし粒子Ｐ２のため、輝度が０を超え、且つ１００未満のセルが不連続な状態で存在している。そこで、この場合は、図６（ｄ）と同様に、計測不可と判定する。かかる場合を測定可能期間ＴＬとして二色温度計の原理に基づき温度を演算すると、粒子Ｐ１，Ｐ２の温度が異なる場合、両者の平均温度が演算されてしまい、計測した形状の粒子Ｐ１または粒子Ｐ２に対応する温度を正確に計測することができないからである。
【００５３】
ｆ） 粒子Ｐ１，Ｐ２が図６（ｆ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐ２が検出されている。しかも、エッジ部の全てのセルの輝度が１００であるので、図６（ｃ）と同様に、粒子Ｐ２の全部の形状が取り込まれた場合である。そこで、この場合の画像信号に基づき粒子Ｐ２の形状・径を計測する。
【００５４】
ｇ） 粒子Ｐ１，Ｐ２が図６（ｇ）に示す位置では、一部のエッジのセルの輝度がグレーであるので粒子Ｐ２は検出されているが、粒子Ｐ２がエッジに存在しており、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００５５】
なお、上記実施の形態では燃焼場における粒子Ｐ，Ｐ１，Ｐ２の形状・径と温度とを同時計測する場合について説明したが、燃焼場における粒子Ｐ，Ｐ１，Ｐ２に限定する必要はなく、燃焼場における液滴とすることもできる。より一般に、粒子または液滴の形状・径と温度とを同時計測する場合にも適用できる。例えば、排気ガス中の粒子状物質を計測することもできる。要は、シャドウドップラー光学系Ｉを介して高速度カメラ５で、レーザー光Ｌ１，Ｌ２の交差点における形状を撮影し得るものであれば良い。
【００５６】
また、上記実施の形態では、一定のサンプリング周期で高速度カメラ５により撮像した画像信号をパソコン６の記憶装置（図示せず）に予め記憶させておき、この記憶データを処理するようにしたが、これに限るものではない。パソコン６における１ステップ分の情報処理に要する時間が短ければ、高速度カメラ５で撮像した画像信号をリアルタイムで処理することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は固体の燃料粒子または液体の燃料液滴の燃焼場における形状・径と温度とを同時計測して粒子あるいは液滴の挙動の数値シミュレーションを行う産業分野において良好に適用し得る。
【符号の説明】
【００５８】
Ｉ シャドウドップラー光学系
II カセグレン光学系
Ｌ１，Ｌ２ レーザー光
Ｂ 火炎
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２ 粒子
λ１、λ２ 波長
Ｉλ１、Ｉλ２ 光強度
Ｍ 測定領域
Ｒ 受光領域
ＴＬ 測定可能期間
１、３ 集光レンズ
２ コリメートレンズ
４ 対物レンズ
５ 高速度カメラ
５Ａ 撮像画面
６ パソコン
７ 光ファイバー
８ 分光器
【技術分野】
【０００１】
本発明は粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システム並びにそのプログラムに関し、特に固体の燃料粒子や液体の燃料液滴の燃焼場内における形状・径と温度とを同時に計測する場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
埋蔵量が多く供給安定度が高い石炭は火力発電の燃料として汎用されているが、その利用に当たっては環境汚染物質の排出量の抑制や資源の有効活用のため、低ＮＯｘ燃焼技術の開発等、燃焼技術のより一層の高度化が求められている。
【０００３】
現在、最も一般的に用いられている石炭の利用技術は、石炭を平均径４０μｍ程度に粉砕すると共に空気搬送し、バーナーで燃焼させる微粉炭燃焼方式である。かかる微粉炭燃焼方式では、微粉炭粒子が乱流場において空気と混合・燃焼する過程がＮＯｘの排出量や燃焼効率に大きく影響するため、高温の乱流場における微粉炭粒子の挙動を正確に把握することが極めて重要となる。ここで、微粉炭粒子の平均径は４０μｍ程度であるが、実際、火炉に供給される微粉炭はその径が数μｍから１００μｍ程度と広い分布を有する。一方、微粉炭の温度上昇は、径が小さいほど上昇速度が大きくなる。そこで、高温の乱流場における微粉炭粒子の挙動を正確に把握するには、微粉炭粒子の径と温度との関係を把握することが肝要である。すなわち、どの程度の径の微粉炭粒子が、どの程度の温度になっているかを知ることがＮＯｘの排出量の低減や、燃焼効率の向上等を図る上で非常に重要になってくる。
【０００４】
しかしながら、現状では微粉炭等の粒子の形状・径と温度とを同時計測するシステムは存在せず、石炭の燃焼に関連してその着火、燃焼性を評価する装置として特許文献１が存在するだけである。
【０００５】
なお、形状・径と温度とを同時に計測することは、微粉炭等の固体の燃料粒子を対象物とする場合だけでなく、液体の燃料液滴を対象物とする場合にも同様に必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２９２７１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来技術に鑑み、微粉炭等の粒子、燃料液滴等、燃焼場における粒子や液滴のみならず、一般的に粒子や液滴の挙動を把握するための基礎データを得るべく粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システム並びにそのプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の第１の態様は、２本のレーザー光の交差点に形成される測定領域を通過する粒子または液滴で前記レーザー光が遮光されることにより形成される影に基づく前記粒子または液滴の形状を第１の光学系を介して撮影するとともに、前記粒子または液滴の形状を表す画像信号を送出する撮影手段と、第２の光学系を介して得られる前記測定領域中の粒子または液滴による複数の特定波長の光強度をそれぞれ表す発光信号を送出する温度計測手段と、前記画像信号を処理して前記粒子または液滴の全部が前記撮影手段の撮像画面に取り込まれている期間である測定可能期間を検出するとともに、前記測定可能期間に対応する前記発光信号に基づき二色温度計の原理により前記粒子または液滴の温度を演算する演算処理手段とを有することを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにある。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにおいて、前記第２の光学系はカセグレン光学系であることを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにある。
【００１０】
本発明の第３の態様は、第１または第２の態様に記載する粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにおいて、前記測定可能期間は、二次元平面の前記撮像画面を格子状のセルに分割して各セルにおける前記画像信号の輝度を検出し、４辺の各エッジ部の全てのセルが高輝度部分となり、同時に前記撮像画面における前記各エッジ部の内部のセルに低輝度部分が存在する期間としたことを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにある。
【００１１】
本発明の第４の態様は、第３の態様に記載する粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにおいて、前記４辺の各エッジ部の全てのセルが高輝度部分となり、同時に前記撮像画面における前記各エッジ部の内部のセルに低輝度部分が存在する期間であっても、前記内部のセルに複数の低輝度部分が不連続な領域として存在する場合には、前記測定可能期間から除外することを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにある。
【００１２】
本発明の第５の態様は、１ステップ分の前記画像信号及び前記発光信号を読込む処理と、読込んだ画像信号に基づき前記粒子または液滴の全部が前記撮影手段の撮像画像に取り込まれている期間である測定可能期間であるか否かを判定する判定処理と、判定処理の結果測定可能期間である場合には、前記粒子または液滴の形状・径を演算するとともに前記発光信号に基づき二色温度計の原理による前記粒子または液滴の温度の演算を行う演算処理とを電子計算機に行わせることを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測プログラムにある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、２本のレーザー光の交差点に形成される測定領域を撮影する撮影手段で、前記測定領域を通過する粒子または液滴の像の全部が前記撮影手段の撮像画面に取り込まれている期間である測定可能期間に、温度計測手段により前記粒子または液滴の温度を計測するようにしたので、粒子または液滴の形状・径と温度とを同時に計測することができる。
【００１４】
この結果、前記粒子または液滴の燃焼場等における挙動を正確に把握することができる。このことにより、例えば燃焼場における固体の燃料粒子や液体の燃料液滴の燃焼の数値シミュレーションを行う場合等に有用な基礎データを容易且つ正確に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に関する図で、（ａ）は実施の形態に係る粒子の形状・径と温度との同時計測システムを示すブロック線図、（ｂ）は計測される粒子の形状の一例を模式的に示す説明図である。
【図２】図１に示すシステムにおける光学系の構成例と測定・受光領域との関係を示す説明図である。
【図３】図１に示すシステムにおける粒子の形状・径と温度との測定原理を説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る粒子の形状・径と温度との同時計測のフローを示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態における単一粒子の粒子像判別方法を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態における複数の粒子が撮像領域内に存在する場合の粒子判別手法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図１〜図６中の同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。また、本形態は微粉炭火炎内の粒子を計測対象とした場合である。
【００１７】
図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る粒子の形状・径と温度との同時計測システムを示すブロック線図である。同図に示すように、本形態において粒子の形状・径の計測系はシャドウドップラー光学系を利用して構成されている。このシャドウドップラー光学系Ｉではレーザー光源（図示せず）から出射されたレーザー光をビームスプリッタ（図示せず）で等しい強度をもつ平行な２本のレーザー光Ｌ１，Ｌ２に分離し、このレーザー光Ｌ１，Ｌ２を集光レンズ１を介して燃焼場の火炎Ｂ内で交差させる。このときの火炎Ｂは固体燃料（例えば微粉炭）の燃焼により形成されるもので、この火炎Ｂ中におけるレーザー光Ｌ１，Ｌ２の交差点が測定領域となる。交差した後のレーザー光Ｌ１，Ｌ２はコリメートレンズ２でコリメートされた後、集光レンズ３で集光され、対物レンズ４を介して撮像手段である高速度カメラ５に入射される。かくして高速度カメラ５では火炎Ｂ内の交差点に形成された測定領域の画像が撮影される。したがって、火炎Ｂ内の測定領域に燃焼に伴う粒子が存在する場合、その影として図１（ｂ）に示すような粒子Ｐの形状が撮影される。高速度カメラ５では撮影した粒子Ｐの形状を表す画像信号を演算処理手段であるパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという）６に送出する。パソコン６では、粒子Ｐの画像信号を所定の処理手順に基づき処理することにより粒子Ｐの形状及び径を計測する。かかる計測に伴う具体的な処理手順に関しては後に詳述する。
【００１８】
一方、粒子Ｐの温度を計測する温度計測系は、燃焼場における粒子Ｐの局所的な発光を検出するのに最適なカセグレン光学系IIを利用して構成されている。カセグレン光学系IIで検出した火炎Ｂの前記測定領域における局所の発光データは、光ファイバー７を介して分光器８に入力される。分光器８では前記発光データのうち特定の２種類の波長λ１、λ２の光の光強度Ｉλ１、Ｉλ２を検出し、各光強度Ｉλ１、Ｉλ２を表す発光信号をパソコン６に入力する。パソコン６では、いわゆる二色温度計の原理に基づく次式（１）の演算を行うことにより測定領域の局所の温度を演算する。なお、式（１）は波長λ１、λ２の光強度Ｉλ１、Ｉλ２の比を表しているが、同式（１）中、温度Ｔ以外は、常数乃至既知であるので、光強度Ｉλ１、Ｉλ２を計測することで粒子Ｐの温度Ｔを演算により求めることができる。
【００１９】
【数１】
【００２０】
図２は図１に示すシステムにおける光学系の構成例と測定・受光領域との関係を示す説明図である。同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は図１に示すシャドウドップラー光学系Ｉとカセグレン光学系IIとの位置関係を平面的に見た図である。図２（ａ）はレーザー光Ｌ１，Ｌ２が形成する交差点の測定領域に対してカセグレン光学系IIを直角に臨ませた場合である。この場合は図２（ｄ）に示すように、楕円形状のシャドウドップラー光学系Ｉの測定領域Ｍに対し、その中央部に円形のカセグレン光学系IIによる受光領域Ｒが形成される。図２（ｂ）はレーザー光Ｌ１，Ｌ２が形成する交差点の測定領域に対してカセグレン光学系IIを直角方向に対し傾斜させて臨ませた場合である。この場合は図２（ｅ）に示すように、シャドウドップラー光学系Ｉの測定領域Ｍに対し、その中央部に長軸が左右方向に若干広がる楕円形のカセグレン光学系IIによる受光領域Ｒが形成される。図２（ｃ）はレーザー光Ｌ１，Ｌ２が形成する交差点の測定領域に対してカセグレン光学系IIを平行に臨ませた場合である。この場合は図２（ｆ）に示すように、楕円形状のシャドウドップラー光学系Ｉの測定領域Ｍに対し、その中央部に長軸が左右方向に図２（ｅ）の場合よりもさらに広がる楕円形のカセグレン光学系IIによる受光領域Ｒが形成される。すなわち、シャドウドップラー光学系Ｉに対してカセグレン光学系IIを図２（ａ）に示す状態から図２（ｃ）に示す状態に向けて傾斜させるに伴い、測定領域Ｍ内に形成される受光領域Ｒの面積が漸増する。この結果、図２（ｃ）に示す場合が最も多くの粒子Ｐを受光領域Ｒ内に捕捉することができる。したがって、空間分解能を上げて厳密な粒子Ｐの形状・径乃至温度のデータを得たい場合には図２（ａ）に示す配置が好適であり、例えば時系列的に粒子Ｐの形状・径や温度がどのように変化するかという多くのデータを得たい場合には図２（ｃ）に示す配置が好適である。
【００２１】
なお、測定領域Ｍは、一例を挙げれば、αが８００μｍ程度、βが１００〜２００μｍ程度の極く微少な領域であり、受光領域Ｒは測定領域Ｍに内包されるさらに局所の領域である。
【００２２】
図３は図１に示すシステムにおける粒子の形状・径と温度との測定原理を説明するための説明図である。同図に示すように、粒子Ｐの画像に欠けがない範囲で光強度Ｉλ１、Ｉλ２の比により局所の温度が求まる。さらに詳言すると、図３（ａ）に示すように、火炎Ｂ中の粒子Ｐが測定領域Ｍ内の受光領域Ｒを図中下から上へ移動した場合を考える。この場合、高速度カメラ５の撮像画面５Ａに対する粒子Ｐの時系列的な位置関係は図３（ｂ）に示すようになる。すなわち、時刻ｔ０では撮像画面５Ａの撮像領域外に在った粒子Ｐが時刻ｔ１でその一部が撮像画面５Ａの撮像領域内に入り、時刻ｔ２で完全に入って時刻ｔ３までこの状態が継続され、さらに時刻ｔ４で一部が撮像領域から出て、時刻ｔ５では完全に撮像画面５Ａの撮像領域外に出てしまう。このときの時間ｔと分光器８を介して計測される粒子Ｐが発する光の強度Ｉとの関係は図３（ｃ）に示すようになる。図３（ｃ）を参照すれば明らかな通り、時刻ｔ２〜時刻ｔ３で粒子Ｐの全体からの発光信号が得られ、この期間が粒子Ｐの温度の測定可能期間ＴＬであることが分る。
【００２３】
また、高速度カメラ５で撮影した測定可能期間ＴＬにおける粒子Ｐの形状を表す画像信号をパソコン６で処理することによりその形状及び径を計測することができる。かかる画像信号と二色温度計の原理に基づき演算される粒子Ｐの温度データとを対応させることにより所定の粒子Ｐの形状・径と温度との同時計測が可能となる。
【００２４】
かかる粒子Ｐの形状・径と温度との同時計測は、例えば図４に示すような手順でパソコン６において実施される。図４は本発明の実施の形態に係る粒子Ｐの形状・径と温度との同時計測のフローを示すフローチャートである。
【００２５】
本形態は、一定のサンプリング周期で高速度カメラ５により撮像した画像信号をパソコン６の記憶装置（図示せず）に予め記憶させておき、この記憶データを処理する場合である。そこで、データ解析開始と同時に１ステップ分の画像信号と発光信号とを読み出す（ステップＳＴ１参照）。
【００２６】
次に、画像信号による粒子Ｐの画像を判定する（ステップＳＴ２参照）。すなわち、撮像画面５Ａ内における粒子Ｐの画像の欠けの有無を判定し、欠けがない場合（図３（ｂ）の時刻ｔ２〜ｔ３のように粒子Ｐの形状の全体が撮像画面５Ａに含まれている場合）を粒子Ｐの形状・径が演算可能な場合であるとして粒子Ｐの形状・径の演算を行う（ステップＳＴ３参照）と同時に、そのときの粒子Ｐの温度の演算を行う（ステップＳＴ４参照）。その後、それぞれの演算結果を対応付け、粒子Ｐの形状・径及び温度のデータとして記憶装置に記憶させるとともに、パソコン６の表示部６Ａに表示させる（ステップＳＴ５参照）。
【００２７】
ステップ１の処理で、粒子Ｐが検出されないか、または検出されても欠けが存在すると判定された場合（図３（ｂ）の時刻ｔ０〜ｔ１または時刻ｔ４〜ｔ５の場合）は次のステップの画像信号及び発光信号の存在の有無を判定する（ステップＳＴ６参照）。
【００２８】
次のステップのデータがない場合は、データ解析を終了させ（ステップＳＴ７参照）、データがある場合は次のステップに進み（ステップＳＴ８参照）、ステップＳＴ１〜ステップＳＴ６の処理を繰り返す。
【００２９】
上記ステップＳＴ２に示す画像信号による粒子像の判定処理は、具体的には図５または図６に示すような態様で行われる。本形態に係る粒子像の判定処理に関する具体的な処理手順を、その代表的な３種類の態様についてそれぞれ詳説する。
【００３０】
図５は単一粒子Ｐの、図６は複数粒子の粒子像判別方法を示す説明図である。両図には、撮像画面５Ａの各セルを格子状に区切られた一つの矩形として模式的に示すとともに、粒子Ｐと撮像画面５Ａとの位置関係を示している。
【００３１】
ここで、各セルの輝度を次のように仮定する。
１） 特定のセルの全ての領域が粒子Ｐを検出していない場合、そのセルの輝度を１００とする。
【００３２】
２） 特定のセルの全ての領域が粒子Ｐで占められている場合、そのセルの輝度を０（図中５に黒塗り部として表記）とする。
【００３３】
３） 粒子Ｐの輪郭部にあたるセルの輝度は、０を超え、１００未満（図５中にグレー部部として表記）とする。
【００３４】
＜単一粒子の判別方法Ｉ＞
本例は、単一の粒子Ｐが撮像画面５Ａの下方から撮像画面５Ａを通過して上方に抜ける場合である。
【００３５】
ａ） 粒子Ｐが図５（ａ）に示す位置では、全セルの輝度が１００であるので、粒子Ｐは未検出であり、計測不可と判定する。
【００３６】
ｂ） 粒子Ｐが図５（ｂ）に示す位置では、一部のエッジのセルの輝度がグレーであるので粒子Ｐは検出されているが、粒子Ｐがエッジに存在しており、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００３７】
ｃ） 粒子Ｐが図５（ｃ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐは検出されているが、粒子Ｐがエッジに存在しており、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００３８】
ｄ） 粒子Ｐが図５（ｄ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐは検出されているが、粒子Ｐがエッジに存在しており、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００３９】
ｅ） 粒子Ｐが図５（ｅ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐが検出されている。しかも、エッジ部の全てのセルの輝度が１００であるので、全部の形状が取り込まれている。そこで、かかる状態の画像信号に基づき粒子の形状・径を計測する。ここで、形状は、例えば図５（ｅ）中のグレー領域の形状で近似的に求めることができる。また、径は、例えば輝度が０またはグレーとなっているセルの数に基づき演算により求めることができる。さらに詳言すると、例えば輝度が０のセルはその数を単純に加算するとともに、グレーのセルは各セルに関し輝度が１００の場合の何％であるかを求め、その割合を係数として各セル毎に加算し、両者の合計の値に対し、セルの径（既知）を掛けてやれば良い。
【００４０】
ｆ） 粒子Ｐが図５（ｆ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐが検出されている。しかも、図５（ｅ）と同様に、エッジ部の全てのセルの輝度が１００であるので、全部の形状が取り込まれている。そこで、かかる状態の画像信号に基づき粒子Ｐの形状・径を計測する。
【００４１】
ｇ） 粒子Ｐが図５（ｇ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐは検出されているが、粒子Ｐがエッジに存在しており、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００４２】
ｈ） 粒子Ｐが図５（ｈ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐは検出されているが、エッジの一部のセルの輝度が０またはグレーであり、エッジに粒子Ｐが存在しており、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００４３】
ｉ） 粒子Ｐが図５（ｉ）に示す位置では、全セルの輝度が１００であるので、粒子Ｐは未検出であり、計測不可と判定する。
【００４４】
＜単一粒子の判別方法II＞
本例は、粒子Ｐが図５の紙面に対し直角に移動した場合である。この場合には粒子Ｐが撮像画面５Ａに対して、（II−１）ａ）粒子Ｐなし、ｂ）図５（ｅ）または図５（ｆ）に示す状態、ｃ）粒子Ｐなしと変化する場合と、（II−２）ａ）粒子Ｐなし、ｂ）図５（ｃ）または図５（ｇ）に示す状態、ｃ）粒子Ｐなしと変化する場合とが考えられる。
【００４５】
これらのうち、（II−１）に示す場合は、図５（ｅ）または図５（ｆ）に示す状態で、一部のセルの輝度が０またはグレーとなるので粒子Ｐが検出され、しかもエッジ部の全てのセルの輝度が１００であるので、かかる状態の画像信号に基づき粒子Ｐの形状・径を計測する。
【００４６】
一方、（II−２）に示す場合は、図５（ｃ）または図５（ｇ）に示す状態で、一部のセルの輝度が０またはグレーとなるので粒子Ｐが検出されるが、一部のエッジ部のセルの輝度が０またはグレーであり、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００４７】
＜複数の粒子の判別方法＞
本例は、複数の粒子Ｐが撮像画面５Ａの下方から撮像画面５Ａを通過して上方に抜ける場合である。
【００４８】
ａ） 粒子Ｐ１，Ｐ２が図６（ａ）に示す位置では、全セルの輝度が１００であるので、粒子Ｐ１，Ｐ２は未検出であり、計測不可と判定する。
【００４９】
ｂ） 粒子Ｐ１，Ｐ２が図６（ｂ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐ１は検出されているが、粒子Ｐ１がエッジに存在しており、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００５０】
ｃ） 粒子Ｐ１，Ｐ２が図６（ｃ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐ１が検出されている。しかも、エッジ部の全てのセルの輝度が１００であるので、粒子Ｐ１の全部の形状が取り込まれた場合である。そこで、この場合の画像信号に基づき粒子Ｐ１の形状・径を計測する。
【００５１】
ｄ） 粒子Ｐ１，Ｐ２が図６（ｄ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐ１が検出されている。しかし粒子Ｐ２のため、輝度が０を超え、且つ１００未満のセルが不連続な状態で存在している。そこで、この場合は計測不可と判定する。粒子Ｐ１，Ｐ２の温度が異なる場合があり、何れを基準に温度の計測を行えば良いかが定まらないからである。
【００５２】
ｅ） 粒子Ｐ１，Ｐ２が図６（ｅ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐ１が検出されている。しかし粒子Ｐ２のため、輝度が０を超え、且つ１００未満のセルが不連続な状態で存在している。そこで、この場合は、図６（ｄ）と同様に、計測不可と判定する。かかる場合を測定可能期間ＴＬとして二色温度計の原理に基づき温度を演算すると、粒子Ｐ１，Ｐ２の温度が異なる場合、両者の平均温度が演算されてしまい、計測した形状の粒子Ｐ１または粒子Ｐ２に対応する温度を正確に計測することができないからである。
【００５３】
ｆ） 粒子Ｐ１，Ｐ２が図６（ｆ）に示す位置では、一部のセルの輝度が０またはグレーであるので粒子Ｐ２が検出されている。しかも、エッジ部の全てのセルの輝度が１００であるので、図６（ｃ）と同様に、粒子Ｐ２の全部の形状が取り込まれた場合である。そこで、この場合の画像信号に基づき粒子Ｐ２の形状・径を計測する。
【００５４】
ｇ） 粒子Ｐ１，Ｐ２が図６（ｇ）に示す位置では、一部のエッジのセルの輝度がグレーであるので粒子Ｐ２は検出されているが、粒子Ｐ２がエッジに存在しており、全部の形状が取り込まれているとは限らないので、計測不可と判定する。
【００５５】
なお、上記実施の形態では燃焼場における粒子Ｐ，Ｐ１，Ｐ２の形状・径と温度とを同時計測する場合について説明したが、燃焼場における粒子Ｐ，Ｐ１，Ｐ２に限定する必要はなく、燃焼場における液滴とすることもできる。より一般に、粒子または液滴の形状・径と温度とを同時計測する場合にも適用できる。例えば、排気ガス中の粒子状物質を計測することもできる。要は、シャドウドップラー光学系Ｉを介して高速度カメラ５で、レーザー光Ｌ１，Ｌ２の交差点における形状を撮影し得るものであれば良い。
【００５６】
また、上記実施の形態では、一定のサンプリング周期で高速度カメラ５により撮像した画像信号をパソコン６の記憶装置（図示せず）に予め記憶させておき、この記憶データを処理するようにしたが、これに限るものではない。パソコン６における１ステップ分の情報処理に要する時間が短ければ、高速度カメラ５で撮像した画像信号をリアルタイムで処理することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は固体の燃料粒子または液体の燃料液滴の燃焼場における形状・径と温度とを同時計測して粒子あるいは液滴の挙動の数値シミュレーションを行う産業分野において良好に適用し得る。
【符号の説明】
【００５８】
Ｉ シャドウドップラー光学系
II カセグレン光学系
Ｌ１，Ｌ２ レーザー光
Ｂ 火炎
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２ 粒子
λ１、λ２ 波長
Ｉλ１、Ｉλ２ 光強度
Ｍ 測定領域
Ｒ 受光領域
ＴＬ 測定可能期間
１、３ 集光レンズ
２ コリメートレンズ
４ 対物レンズ
５ 高速度カメラ
５Ａ 撮像画面
６ パソコン
７ 光ファイバー
８ 分光器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本のレーザー光の交差点に形成される測定領域を通過する粒子または液滴で前記レーザー光が遮光されることにより形成される影に基づく前記粒子または液滴の形状を第１の光学系を介して撮影するとともに、前記粒子または液滴の形状を表す画像信号を送出する撮影手段と、
第２の光学系を介して得られる前記測定領域中の粒子または液滴による複数の特定波長の光強度をそれぞれ表す発光信号を送出する温度計測手段と、
前記画像信号を処理して前記粒子または液滴の全部が前記撮影手段の撮像画面に取り込まれている期間である測定可能期間を検出するとともに、前記測定可能期間に対応する前記発光信号に基づき二色温度計の原理により前記粒子または液滴の温度を演算する演算処理手段とを有することを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システム。
【請求項２】
請求項１に記載する粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにおいて、
前記第２の光学系はカセグレン光学系であることを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載する粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにおいて、
前記測定可能期間は、二次元平面の前記撮像画面を格子状のセルに分割して各セルにおける前記画像信号の輝度を検出し、４辺の各エッジ部の全てのセルが高輝度部分となり、同時に前記撮像画面における前記各エッジ部の内部のセルに低輝度部分が存在する期間としたことを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システム。
【請求項４】
請求項３に記載する粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにおいて、
前記４辺の各エッジ部の全てのセルが高輝度部分となり、同時に前記撮像画面における前記各エッジ部の内部のセルに低輝度部分が存在する期間であっても、前記内部のセルに複数の低輝度部分が不連続な領域として存在する場合には、前記測定可能期間から除外することを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システム。
【請求項５】
１ステップ分の前記画像信号及び前記発光信号を読込む処理と、読込んだ画像信号に基づき前記粒子または液滴の全部が前記撮影手段の撮像画像に取り込まれている期間である測定可能期間であるか否かを判定する判定処理と、判定処理の結果測定可能期間である場合には、前記粒子または液滴の形状・径を演算するとともに前記発光信号に基づき二色温度計の原理による前記粒子または液滴の温度の演算を行う演算処理とを電子計算機に行わせることを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測プログラム。
【請求項１】
２本のレーザー光の交差点に形成される測定領域を通過する粒子または液滴で前記レーザー光が遮光されることにより形成される影に基づく前記粒子または液滴の形状を第１の光学系を介して撮影するとともに、前記粒子または液滴の形状を表す画像信号を送出する撮影手段と、
第２の光学系を介して得られる前記測定領域中の粒子または液滴による複数の特定波長の光強度をそれぞれ表す発光信号を送出する温度計測手段と、
前記画像信号を処理して前記粒子または液滴の全部が前記撮影手段の撮像画面に取り込まれている期間である測定可能期間を検出するとともに、前記測定可能期間に対応する前記発光信号に基づき二色温度計の原理により前記粒子または液滴の温度を演算する演算処理手段とを有することを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システム。
【請求項２】
請求項１に記載する粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにおいて、
前記第２の光学系はカセグレン光学系であることを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載する粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにおいて、
前記測定可能期間は、二次元平面の前記撮像画面を格子状のセルに分割して各セルにおける前記画像信号の輝度を検出し、４辺の各エッジ部の全てのセルが高輝度部分となり、同時に前記撮像画面における前記各エッジ部の内部のセルに低輝度部分が存在する期間としたことを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システム。
【請求項４】
請求項３に記載する粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システムにおいて、
前記４辺の各エッジ部の全てのセルが高輝度部分となり、同時に前記撮像画面における前記各エッジ部の内部のセルに低輝度部分が存在する期間であっても、前記内部のセルに複数の低輝度部分が不連続な領域として存在する場合には、前記測定可能期間から除外することを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測システム。
【請求項５】
１ステップ分の前記画像信号及び前記発光信号を読込む処理と、読込んだ画像信号に基づき前記粒子または液滴の全部が前記撮影手段の撮像画像に取り込まれている期間である測定可能期間であるか否かを判定する判定処理と、判定処理の結果測定可能期間である場合には、前記粒子または液滴の形状・径を演算するとともに前記発光信号に基づき二色温度計の原理による前記粒子または液滴の温度の演算を行う演算処理とを電子計算機に行わせることを特徴とする粒子及び液滴の形状・径と温度との同時計測プログラム。
【図４】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１３５８０（Ｐ２０１２−１３５８０Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５１４４１（Ｐ２０１０−１５１４４１）
【出願日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
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