JPH03115950A - 粒度分布測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は分散飛翔状態の粒子群に光を照射したときに生
ずる光散乱現象を利用した、いわゆる光散乱法に基づく
粒度分布測定装置に関し、特に分布が広範囲に亘る粒子
群の粒度分布を測定するのに適した粒度分布測定装置に
関する。

〈従来の技術〉 ミーの散乱理論ないしはフラウンホーファ回折理論を用
いた粒度分布測定装置においては、従来、レンズを用い
て前方散乱／回折光の内の４０°以内程度の所定の微小
角度以下の光を集光して、リングデテクタないしはアレ
イデテクタ上に散乱ないしは回折像を結ばせ、その強度
分布を測定してこれを粒度分布に換算するとともに、広
範囲の粒度分布を測定する場合には、上記の角度を越え
る前方散乱光や側方散乱光、更には後方散乱光について
、１個ないしは複数の光センサを用いて強度を測定し、
別途粒度分布に換算して、最後に両者を接続することに
よって、被測定粒子群の全体の粒度分布を求めている。

〈発明が解決しようとする課題〉 以上のような従来の粒度分布測定装置では、前方微小角
散乱（回折）光の強度分布パターンと、それ以外の前方
、側方および後方散乱光の強度分布パターンとは全く別
々に取り扱われており、それぞれのデータに基づいて別
々に求められた粒度分布を後で接続するという点におい
て理論的な根拠があいまいであり、正確な粒度分布が得
られているという保証はない。つまり、従来の粒度分布
測定装置では、広範囲の粒度分布を正確に測定すること
は困難であった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、広範囲
にわたる粒度分布を正確に測定することのできる粒度分
布測定装置の提供を目的としている。

〈課題を解決するための手段〉 上記の目的を達成するため、本発明では、従来と同様に
、粒子群による回折／散乱光の内、前方所定角度以下の
回折／散乱光はレンズで集光してアレイセンサ（リング
デテクタないしはアレイデテクタ）によってその強度分
布を測定するとともに、粒子群による散乱光の内、上記
の角度を越える前方散乱光、側方散乱光および後方散乱
光はアレイセンサとは別個に設けた１個もしくは複数の
光センサによって測定するが、アレイセンサおよび光セ
ンサの出力のデジタル変換データを、統一的な散乱光強
度分布ベクトルの成分として用い、そのデータから、散
乱光強度分布ベクトルを粒度分布ベクトルに変換するた
めのあらかじめ設定されている変換係数行列を用いた演
算により、粒子群の粒度分布を一挙に算出する演算手段
を備えたことによって特徴付けられる。

く作用〉 粒子にレーザ光等の光を照射すると、空間的に回折／散
乱光の強度分布パターンが生ずるが、このパターンは、
粒子の大きさによって変化する。

種々の大きさの粒子が混在している粒子群に光を照射し
た場合、粒子群から生ずる光強、炭分布パターンはそれ
ぞれの粒子からの回折／散乱光の重ね合わせとなる。

これをベクトル、行列で表現すると、 ｒ＝Ａ＋ となる。ここでｒは光強度分布ベクトルで、ｆは粒度分
布ベクトルである。また、Ａは粒度分布ベクトル（を光
強度分布ベクトル１に変換する係数行列である。

実際の計算手法において、Ｔの成分（要素）は各回折／
散乱角度においてアレイセンサないしは光センサによっ
て検出される光強度データである。

従って、アレイセンサおよびそれとは別の光センサによ
る、前方微小角散乱／回折光とそれ以外の前方散乱光、
側方散乱光および後方散乱光の全データを統一的な光強
度分布ベクトルでの要素として取り扱うことの理論的矛
盾はなく、このようなｔを用いるとともに、変換係数行
列Ａを求めておくことによって（後述）、−挙に粒度分
布ベクトルＩの成分を求めることができる。

＝５ 〈実施例〉 図面は本発明実施例の構成図である。

レーザ光源１から出たレーザ光はフローセル２に照射さ
れる。フローセル２内には、被測定粒子群を媒液中に分
散させた懸濁液３が紙面に直行する方向に流されており
、照射されたレーザ光は粒子によって散乱ないしは回折
される。

照射レーザ光の進行方向、フローセル２の前方にはレン
ズ４が配設されているとともに、更にその前方にはその
焦点位置にリングデテクタ５が配設されている。リング
デテクタ５は、レンズ４の光軸を中心として互いに半径
の異なるリング状ないしは半リング状の受光面を持つ光
センサを複数個同心状に配列したもので、フローセル２
内の粒子による散乱／回折光の内、４０’以内の散乱／
回折角の光はレンズ４によってこのリングデテクタ５上
に集光される。

フローセル２の周囲には、レンズ４およびデテクタ５と
異なる角度で例えば３個の光センサ６゜７および８が配
設されており、それぞれの配設角度に応じて、フローセ
ル２内の粒子による４０゜を越える所定角度の前方散乱
光、側方散乱光および後方散乱光の強度を検出すること
ができる。

リングデテクタ５の各素子、および各光センサ６．７．
８からの出力信号は、それぞれプリアンプ９・・・・９
、マルチプレクサ１０を介してｌ−Ｄ変換器１１に導か
れて順次デジタル変換され、入出力インターフェース１
２を経由して演算部１３に採り込まれる。

演算部１３はＣＰＵ１３ａ、ＲＯＭ１３ｂ、ＲＡ　Ｍ　
１３　ｃ等を備えたコンピュータシステムを主体として
構成されており、リングデテクタ５内の各素子および各
光センサ６．７．８からの光強度データをＲＡＭ　１３
　ｃ内に採り込み、これらのデータを用いて、ＲＯＭ１
３ｂに書き込まれた後述する変換式により、被測定粒子
の粒度分布を一挙に算出することができる。なお、この
演算部１３には、粒度分布の算出結果を印字および表示
するプリンタ１４およびＣＲＴ１５が接続されている。

次に、演算部１３における演算の手法について述べる。

フローセル２内には大きさの異なる粒子が混在しており
、これらによる散乱／回折光の強度分布パターンは各粒
子からの散乱／回折光の重ね合わせとなり、前記したよ
うにマトリクスで表現すると、 Ｔ’＝、４４　　　　　　・・・・（１）となる。ただ
し、 である。

Ｖは光強度分布ベクトルであり、その要素ｒ。

（ｉ＝１．２．　・・・・ｍ）は、リングデテクタ５の
各素子によって検出される前方微小角散乱／回折光の強
度である。ｒ□　（ｉ＝ｍ＋１．ｍ＋２．・・・・ｐ）
は、光センサ６．７．８により検出された前方、側方、
後方散乱光の強度である。

ｆは粒度分布ベクトルである。粒度分布範囲を有限とし
、この範囲内をｎ分割し、それぞれの分割区間内を一つ
の粒子径Ｄｊで代表させる。（の要素ｆ、Ｎ＝１．２．
・・・・ｎ）は、粒子径Ｄ、に対応する粒子量である。

Ａは、粒度分布子を光強度分布Ｔに変換する係数行列で
ある。Ａの要素ａｉ、ｊ　　（１＝１，２．・・・ｍ、
ｍ＋Ｌ−・−、ｐ　；　ｊ＝１．２．−−−−、ｎ）の
物理的意味は、粒子径Ｄｊの単位粒子量の粒子群によっ
て回折／散乱した光のｉ番目の素子に対する入射光強度
である。

ａ８．、の数値は、光源の波長、偏光成分、光学系の配
置等に基づいて、理論的に計算することが＝９＝ できる。これには、粒子径が光源となるレーザ光の波長
に比べて充分に大きい場合には、フラウンホーファ回折
理論を用いる。しかし、粒子径がレーザ光の波長と同程
度か、あるいはそれより小さいサブミクロン領域の場合
には、ミー散乱理論を用いる必要がある。フラウンホー
ファ回折理論は、前方微小角散乱において、粒子径が波
長に比べて充分大きな場合に有効なミー散乱理論の優れ
た近似であると考えるとこができる。

さて、（１）〜（３）式は、レンズ４によって集光され
た前方微小角散乱光の強度分布パターンと、それ以外の
前方、側方、後方散乱光の強度パターンが統一的に取り
扱われており、これらの式に基づけば、広範囲の粒度分
布を一挙に計算して求めることができる。この計算方法
は一般的にインバースプロブレム（逆問題）と呼ばれる
ものであり、様々な手法がある。例えば、最小自乗法を
用いると、（１）式に基づいて粒度分布（ベクトル）子
は次の（４）式によって計算できる。

ｆ−（ＡＴＡ）−’ＡＴｒ　　　・＝・・（４）０ ただし、ＡＴはＡの転置行列であり、０−１は逆行列を
現す。

（４）式の右辺において、前記したように光強度分布（
ベクトル）Ｔの各要素はリングデテクタ５および前方、
側方、後方に置かれた光センサ６．７．８で検出される
光強度の値であり、また、係数行列Ａは、フラウンホー
ファ回折理論あるいはミー散乱理論を用いて、あらかじ
め計算できるので、それらの既知のデータを用いて（４
）式の計算を実行すれば粒度分布（ベクトル）（が−挙
に求まることになる。

ところで、上記と同様な考え方に基づき、より広範囲で
高分解能な粒度分布を測定する手法について説明する。

すなわち、光源の波長、偏光成分、光学系の配Ｗ（レン
ズ４の焦点距離、センサ、デテクタの配置等）などの測
定条件を変化させた場合について考えてみる。

ある測定条件（仮に条件にとする）において、前方微小
角散乱光および前方、側方、後方散乱光の光強度分布パ
ターンについて、合計ＰｋＯ数の入射光量のデータを得
たとする。

測定条件が異なれば、粒度分布（ベクトル）が同じであ
っても、光強度分布（ベクトル）と係数行列も異なる。

測定条件ｋにおける光強度分布ベクトルをｒア、係数行
列をＡ□とすると、（１）と同様に、 Ｔ’＊＝Ａｋ＋　　　　　−・−（ｓ）の関係が成り立
つ。同一のザンブル（同一の粒度分布）に対してｑ回の
異なった測定条件で散乱光の強度分布パターンの測定を
行ったとすると、それらを合成して次の（６）式で表現
できる。

ｔ′＝Ａ′ｆ　　　　・・・・（６） ただし、 は、それ自身がベクトルであり、Ａｈ（ｋ＝１２１０．
・・、ｑ）はそれ自身が行列である。従って、Ｔ′は（
ｐ菫＋ｐ２＋・・・・Ｐｈ＋・・・・ｐｑ）次のベクト
ルであり、Ａｋは（Ｐ＋＋Ｐｚ＋・・・・ｐｗ十・・・
・ｐｑ）Ｘｎ次の行列となる。

このような方法で異なった複数の測定条件で得られた光
強度分布パターンを統一的に取り扱えば、（１）式と同
様に、（４）式のような手法でより広範囲で高分解能で
、かつ、より正確な粒度骨を一挙に計算して求めること
ができる。従って、図面の実施例において光源１の波長
、偏光成分を変更し得るらようにするとともに、光学系
の配置（レンズ４の焦点距離やデテクタ５、センサ６等
の配置等）を可変にすることにより、これを実現できる
。

なお、この場合、光源はレーザ光源に限らず、ハロゲン
光源から取り出した複数の単一波長光を用いることもで
きる。また、偏光フィルタによって光の偏光成分を変更
することによっても測定条件は変えられる。

更に、前方微小角散乱光用の集光レンズの焦点３ 距離の可変機構は、レンズの変更のほか、ズームレンズ
の採用によっても実現可能である。

更にまた、本発明では、前記した実施例のようなデテク
タと散乱光集光用レンズの配置のほか、レンズを光源と
フローセルの間に配設する、いわゆる逆フーリエ系と称
される光学系を用いたものにも同様に適用し得ることは
勿論である。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、集光ようのレン
ズとアレイセンサにより測定された前方微小角散乱光の
強度分布パターンと、これとは別に配設された光センサ
による上記角度を越える前方、側方および後方散乱光の
強度分布パターンとを統一的に取り扱い、これを用いて
、変換係数行列によって一挙に粒度分布を測定するので
、従来のように別々に算出した粒度分布を後で接続する
手法に比べて、広範囲の粒度分布をより正確に、かつ、
高分解能で測定することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明実施例構成図である。 　４− ７゜ １ １・・・・レーザ光源 ２・・・・フローセル ３・・・・懸濁液 ４・・・・レンズ ５・・・・リングデテクタ ８・・・・光センサ ９・・・・プリアンプ ３・・・・演算部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　分散飛翔状態の粒子群に平行光束を照射することによ
   って得られる、粒子群による回折／散乱光の強度分布を
   測定することによって、粒子群の粒度分布を測定する装
   置において、粒子群による回折／散乱光の内、前方所定
   角度以下の回折／散乱光を集光するレンズと、そのレン
   ズによって集光された回折／散乱光の強度分布を検出す
   るアレイセンサと、粒子群による散乱光の内、上記角度
   を越える前方散乱光、側方散乱光および後方散乱光のい
   ずれかを入射してその強度を検出する１個もしくは複数
   の光センサと、上記アレイセンサおよび上記光センサの
   出力のデジタル変換データを採り込んで、その各データ
   を統一的な散乱光強度分布ベクトルの成分として用い、
   そのデータから、散乱光強度分布ベクトルを粒度分布ベ
   クトルに変換するためのあらかじめ設定されている変換
   係数行列を用いた演算により、粒子群の粒度分布を一挙
   に算出する演算手段を備えたことを特徴とする粒度分布
   測定装置