2017 Fiscal Year Research-status Report
適応応答補償による熱流体センサ動特性の飛躍的改善と可視化計測への展開
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16K06117
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
田川 正人 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80163335)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 熱流体計測 / 可視化計測 / 温度センサ / 熱電対 / 画像計測 / 熱線流速計 / 温度場 / 速度場 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
流体温度場スキャナは，筆者らが先に開発した流体温度場の二次元可視化計測法であり，取り扱いが容易で信頼性の高いことが特長である．具体的には，多数の二線式熱電対を一列に配置した掃引可能な棒状プローブ（細線熱電対列）に適応応答補償法と画像位置計測を融合することで実現される．
本研究では，流体温度場スキャナを発展させて，新たな可視化計測法の基礎となる二つの技術を開発した．まず，流体温度場の三次元可視化計測法の基礎となる計測法の開発である．流体温度場スキャナで温度場を三次元可視化計測するには，先に開発した温度計測と二つのカメラによる温度プローブの三次元画像位置計測を融合させる必要がある．しかしながら，これを実現するには，CCDカメラと画像処理ボードの増設および計算機の高速化が必要であり，それらの要求性能と必要経費を綿密に評価する必要がある．そこで，Microsoft Kinect（キネクト）による距離測定システムと単一の二線式熱電対プローブを組み合わせることにより，簡易的な流体温度場の三次元可視化計測を実現した．このシステムは流体温度場スキャナの簡易版ではあるが，温度プローブで測定対象場を自在に走査することにより，塗り絵のように流体温度場を三次元的にリアルタイムで可視化できる手法であり，その有効性を実証した．次に，流体温度場スキャナの概念を応用して，流体の「速度場」の二次元可視化計測法を開発した．速度場の測定には熱線流速計10組を一列に配置した棒状プローブを作製し，これとプローブ画像位置計測を融合することにより流体速度場の可視化計測を実現した．本計測法はPIVのようにレーザを使用する可視化計測法に比べて安全性が格段に高く，また，散乱粒子が不要であるために清潔性の点でも有利である．このような速度場の可視化計測法はまったく新しい技術であり，適用範囲も広いため今後の発展が期待できる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現在の流体温度場スキャナの簡易版として，一組の二線式熱電対からなる温度プローブを測定対象内で自在に動かすことにより，塗り絵のように流体温度場の二次元分布を可視化できる手法の開発に成功した．さらに，Microsoft Kinect（キネクト）による距離測定システムと単一の二線式熱電対プローブを組み合わせることにより，簡易的な流体温度場の三次元可視化計測を実現した．このシステムは流体温度場スキャナの簡易版ではあるが，温度プローブで測定対象場を自在に走査することにより，塗り絵のように流体温度場を三次元的にリアルタイムで可視化できる手法であり，その有効性を実証した．本研究の最終目標である二つの高速度CCDカメラと棒状温度プローブによる流体温度場の三次元可視化計測法の実現には，現在のシステムにCCDカメラと画像処理ボードを増設し，計算機の高速化を図る必要があるが，この簡易システムを基礎とすることにより，それらの要求性能と必要経費を綿密に評価することができる．
また，流体温度場スキャナの開発で培ってきた技術と経験を基礎として，流体の「速度場」の可視化計測法の開発に成功した．速度場の可視化計測法の実現は本研究の開始時には想定していなかった成果である．本計測法では，速度測定に熱線流速計を利用するので，PIVのようにレーザを使用する可視化計測法に比べて安全性が格段に高く，また，散乱粒子が不要であるために清潔性の点でも有利である．このような速度場の可視化計測法はまったく新しい技術であり，適用範囲も広いため今後の発展が期待できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は，一組の二線式熱電対を測定対象場で自在に走査することにより，流体温度の二次元分布を塗り絵のように実時間で可視化できる手法の開発に成功し，その有効性を検証した．この手法は簡便で実用性が高いことから，今後も継続的に研究を進めて流体温度場を可視化計測する標準的な方法として確立したい．これを発展させて，温度測定値を測定対象の三次元空間に提示できる可視化計測システムの開発にも着手する．具体的には，高速度CCDカメラ二台を用いて，一組の二線式熱電対の位置を三次元空間で測定するとともに，熱電対出力を適応応答補償して，測定対象の三次元空間内に二線式熱電対が描く軌跡を流体温度に応じた色で表示する可視化システムを開発する．さらに，このシステムを基礎として，多数の二線式熱電対を一直線上に配置した温度プローブが描く曲面を，流体温度に対応する色で染めて提示する可視化システムを構築する．
また，所期の目的にはなかった「速度場」の可視化計測に成功したことから，この技術の基礎を確立するとともに，実用性を高める研究に着手する．具体的には，熱線流速計の校正方法の簡略化，平均速度分布および速度変動の実効値の合理的な推定法の確立に取り組む．
さらに，飛行温度センサ（家屋火災実験や大型燃焼装置など大規模空間の温度場を計測する方法）の基礎となる技術の開発に着手する．飛行温度センサの概形は全長40 cmほどの矢であり，その先端に一組の二線式熱電対が装着される．開発段階では，飛行温度センサを天井から吊るし，振り子のように飛行させて試験する．この飛行温度センサ（プロトタイプ）の軌跡を高解像の高速度CCDカメラ1台を用いて2次元測定することにより，温度センサの飛行軌跡に沿った温度分布を測定対象の画像上に重ねて提示する計測システムを開発する．
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| Causes of Carryover |
本年度には高速度CCDカメラ1台を新規に導入して，三次元可視化計測に取り組む計画であった．しかし，現有設備であるCCDカメラが古くなっていて，本年度に購入したCCDカメラシステムとの整合性に問題が生じて，CCDカメラ2台の協調制御が困難であったため，画像処理ボードの増設と計算機の高速化を見送ることにした．そのため，主として，三次元可視化システムの構築に計上していた予算が差額として発生した．以上が次年度使用額が生じた理由である．その一方で，簡易版としてMicorsoft Kinectによる三次元可視化計測システムを構築して，本格的な三次元可視化計測システムに要求される基本性能と必要経費を綿密に評価することにした．また，新たに導入したCCDカメラの性能に見合うように，これまで構築してきた可視化システムを更新して，信頼性と性能の向上を図った．
（使用計画）
次年度以降に，流体温度を測定対象の三次元空間に提示できる可視化計測システムの開発に着手する予定であり，次年度使用額を使用して高速度カメラを新たに導入する計画である．
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