JPH0545274A

JPH0545274A - 粒子測定装置

Info

Publication number: JPH0545274A
Application number: JP3203053A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kamiwano; 満雄上和野
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1991-08-13
Filing date: 1991-08-13
Publication date: 1993-02-23
Anticipated expiration: 2015-10-10
Also published as: JP3096099B2

Abstract

(57)【要約】【構成】複数の光センサを直接に、または光導体ファ
イバによって間接的に直列配置したセンサ部を粒子の飛
散方向に対して垂直に少なくとも２組平行配設し、これ
らセンサ部をリアルタイム信号処理装置と連結してなる
粒子測定装置。【効果】粒子群をジェット噴流により高速に飛散さ
せ、一次粒子化させた後、この影像をリアルタイム画像
処理システムにより取り込み処理行なうことにより、粒
子群の形状および粒度分布を高効率、高精度で把握する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、粒子測定装置に関す
るものである。さらに詳しくは、この発明は、各種の産
業分野における固体、液体あるいは気泡粒子の粒径や飛
散速度、さらには粒径分布の高速・高効率測定を可能と
する光学系精密測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】飛散粒子の粒径や粒度分布を
直ちに測定することのできる手法は従来より各種の着想
とアプローチとによって検討されてきており、たとえば
粉体粒子群の粒度分布測定法の一つとして顕微鏡法がそ
の代表的なものとして例示される。この方法は、粒子の
大きさと形状を同時に直接観察できるため、最も多用さ
れている粒度測定法であり、沈降法、コールタカウンタ
法などの間接的測定法の基準とされているものである。
また、最近の画像処理技術の発達にともない、この方法
の測定時間の効率化ならびに測定結果の整理、表示が飛
躍的に便利になっている。

【０００３】しかしながら、従来の顕微鏡法や画像処理
技術には複数の粒子が重なり合って粒子群をなしている
場合に各粒子の測定が不可能であること、一度に多量の
粒子数を測定するために多大な労力と時間が必要なこ
と、あるいはサンプリングによる片寄りなどの問題点が
ある。このような課題を解決するために、高速で飛行す
る粒子群を直接観察し、粒径や形状を測定しようとする
ことが考えられている。そしてこの飛行粒子の測定は、
粉体輸送やプラズマ溶射等の分野においては、直接的に
観察できる方法と装置に関わる問題として重要な課題で
もある。そして、これらの飛行粒子群の観察・測定法と
しては何よりもまず光学系の利用が考えられるもする。

【０００４】しかしながら、これまでのところ、このよ
うな測定を可能とする手段は確立されていないのが実情
である。このため、高効率に、かつ精度よく簡便な手段
として粒子測定を可能とする新しい手段の実現が強く望
まれていた。そこでこの発明は、以上の通りの従来技術
の欠点を解消し、ジェット噴流により粒子群を一時粒子
化させた状態において、粒子同志の重なり合いを解消
し、高速に飛散する粒子の三次元影像を連続的に捉え、
しかも多数の粒子について測定することのできる新たな
粒子測定装置とその利用について提案するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、複数の光センサを直接に、また
は光導体ファイバによって間接的に直列配置したセンサ
部を粒子の飛散方向に対して垂直に少なくとも２組平行
配設し、これらセンサ部をリアルタイム信号処理装置と
連結してなることを特徴とする粒子測定装置を提供す
る。

【０００６】また、この発明は、これを利用した粒子測
定方法をも提供する。そして、この発明の粒子測定は、
固体、液体、または気泡粒子の各種の粒子群について、
その粒子径、飛散速度、さらには粒径分布等までをリア
ルタイムに測定することを可能とする。すなわち、ま
ず、この発明の装置について、これを原理的に説明する
と、その光学的構成は、図１に示したように、本質的
に、測定空間（２）をはさみ、光源（３）とセンサ
（５）を対向させて設置する光透過方式を採用してい
る。すなわち、光源（３）からの光を集光レンズ（４）
を介して測定空間（２）に照射させ、測定空間（２）に
流入した測定対象物の投影像を受光レンズ（４）を介し
てセンサ（５）でとらえる。

【０００７】測定空間（２）は、透明矩形管（６）等に
よって区分しておく。このような光透過方式による粒子
測定方法として、この発明者は、すでに、センサ（５）
に、複数のフォトトランジスタをエリア状に配置し、図
２に示した原理によって粒子の速度や粒径を算出する方
法を提案してもいる。この方法それ自身もリアルタイム
な粒子測定を可能とするものである。そしてこの発明の
測定装置に機能として併用してもよいものである。

【０００８】しかしながら、その後の検討において、発
明者はさらに高精度で、優れた特徴のある測定方法と、
これを具体化する装置とを完成した。すなわち、このよ
うな背景から特徴づけられるこの発明の装置の場合に
は、図３（ａ）に示したようにフォトトランジスタ等の
光センサを直列に配置した少なくとも２組のセンサ
（Ａ）（Ｂ）を、粒子の飛行方向に対して垂直に配設し
ている。

【０００９】そして、この図３（ａ）は、リニア状にフ
ォトトランジスタを配列したセンサ面上を球形粒子が通
過したときのセンサからの出力信号を模式的に示してい
る。この場合粒子のｙ方向の粒径を求めるときに、粒子
の飛散速度を算出する必要があるため２組のセンサを平
行に設置している。また、図３（ｂ）には、その時得ら
れる粒子画像例を示している。

【００１０】このような図３（ａ）（ｂ）より求められ
る飛散する粒子の二次元の速度成分は次式で与えられ
る。すなわち、センサＡにおける粒子の重心（Ｘ_iA，ｔ
₁）、センサＢにおける粒子の重心（Ｘ_iB，ｔ₂）とす
ると、粒子の飛散速度は、

【００１１】

【数１】

【００１２】である。ここで、ＬｓはセンサＡとセンサ
Ｂの間隔を示している。また、粒径は次式により得るこ
とができる。

【００１３】

【数２】

【００１４】ここで、Ｄｐ_xはｘ方向の粒径、Ｄｐ_yは
ｙ方向の粒径ｌ_xはｘ方向の粒子画像の長さ、ｎはｙ方
向の粒子画像のｆｒａｍｅ数、ｔ_CKはクロックの周期を
示している。粒子形状は粒子画像のｙ方向の粒径を前記
の最後の式を用いて補正することにより得ることができ
る。

【００１５】以上のように、一組の光学系から粒子の二
次元影像が得られるので、互いに直交する二組の光学系
を用いることにより三次元の粒子形状が同時に求められ
る。そしてこの発明は、このようなセンサにリアルタイ
ム画像処理装置を連結することからなっている。この点
についてみると、従来よりビデオカメラなどに使用され
ているイメージセンサは走査方式を用いているため、走
査時間が計測上無駄時間となり、高速流動場における測
定精度が劣化する原因となる。

【００１６】一方、この発明のリアルタイム画像処理シ
ステムでは、走査方式を用いず、センサ部であるフォト
トランジスタアレイ上のフォトトランジスタに常時正電
圧を印可しておくことによりセンサを常に活性化させて
おき、各々のフォトトランジスタからの出力信号を独自
に処理することにより、一画面の画像を同時に得ること
が可能となっている。

【００１７】なお、この発明において使用する光センサ
は、前記のフォトトランジスタに限られることはない。
光の明暗を感知することのできるセンサの任意のものが
使用できる。たとえば、フォトダイオード、光電子増倍
管（フォトチューブ）等が使用できる。そして、この発
明においては、前記のエリア状に光センサを配置した既
提案の装置と組合わせることにより、さらに機能的に複
合化することも可能である。それというのも、エリア状
に光センサを配置する場合には、粒子が飛散している三
次元空間内の軌跡が把握され、時々刻々と変わる飛散速
度（三次元速度成分）が求められるからである。

【００１８】このような原理的特徴を有するこの発明の
粒子測定装置について、さらに以下の具体例によって詳
しく説明する。

【００１９】

【実施例】この発明の測定装置においては、より微細な
粒子の影像を精度良く捉えるためには、センサ部に粒子
の影像を高倍率で拡大投影し、分解能を向上させること
が望ましい。実際、フォトトランジスタとして外径が5.
7mm のものを用いて９６個を直接リニア状に並べると、
547.2mm もの長さになる。しかしながら、この大きさに
適切な投影像を得るのに必要な高倍率の光学系の構成は
極めて困難である。

【００２０】そこで図４に示したように直径0.5mm の光
導体ファイバ（三菱樹脂製、エスカ）９６本を直列に配
列し、もう一端を各々のフォトトランジスタへ導いた。
このことにより、受光面を４８mmに縮小し、より微小な
粒子を捉えることが可能となった。図５（ａ）（ｂ）
は、この発明の装置例の概略と、測定系配置状況を示し
たものである。試料投入口（２）から投入させた粒子群
は、ブロア（１）により発生させられたジェット噴流に
より一次粒子化され透明矩形管（５）内を通過する。こ
のとき、透明矩形管（５）に垂直に設置したセンサ
（Ａ）（Ｂ）と（Ｃ）（Ｄ）により粒子の影像を捉え
る。光学系は、光透過方式とした。また、粒子の影像を
三次元同時に捉えるため二組の光学系（Ａ）（Ｂ）と
（Ｃ）（Ｄ）を互いに直交させて設置した。

【００２１】光源（３）からの光は集光レンズ（４）を
介して測定空間（１０）において粒子に照射され、レン
ズ（４）を介してセンサ（Ａ）（Ｂ）と（Ｃ）（Ｄ）と
が検知する。この場合、センサは、図４に示したよう
に、光導体ファイバ（６）を用い、フォトトランジスタ
アレイ（７）によって検知と、その信号を、信号処理回
路（８）から、マイクロコンピュータ（９）へと導いて
いる。

【００２２】そして、この発明においては、具体的に、
高速に飛散する粒子の影像を捉え、粒子形状の認識およ
び粒径を測定するため、リアルタイムで画像を取り込
む、信号処理システムを作成している。図６は、信号処
理システムのブロックダイアグラムを示したものであ
る。この信号処理システムは、リニアフォトトランジス
タアレイ、アナログ信号処理部、デジタル信号処理部、
３２ビットマイクロコンピュータ、および各種補助出力
装置からなる。ここで、リニアフォトトランジスタアレ
イからの出力信号が高速に送られるため、Ａ−Ｄ変換し
ながら直接マイクロコンピュータで処理することは困難
である。このため、デジタル信号処理部にバッファメモ
リを設けることにより、測定中データはバッファメモリ
に蓄えられ、測定終了後コンピュータへ転送し処理を行
う。

【００２３】また、作成した回路は、９６個のフォトト
ランジスタからの信号を処理する回路を１ブロックと
し、４ブロックから成っており、３８４個のフォトトラ
ンジスタからの信号を同時に処理することが可能であ
る。さらに、今後このブロックを増やし、回路の一部を
変更することにより、より拡張した構成を取ることが可
能である。

【００２４】図７には、信号処理の概要を示した。図７
（ａ）〜（ｄ）は図６の（ａ）〜（ｄ）の信号に対応す
る。リニアフォトトランジスタアレイからは、常時信号
を出力させておき、この信号を増幅後、ＴＴＬレベルに
二値化する。その後、この信号により、所定の周波数に
設定されたクロックパルス（ＣＫ）を粒子の存在してい
る部分、すなわち、光が粒子により遮断されフォトトラ
ンジスタの出力がＬの状態の部分のみ通過させ、この信
号を全フォトトランジスタについて重ね合わせ、ＲＡＭ
制御信号を作り出す。このＲＡＭ制御信号により、フォ
トトランジスタの状態、すなわち粒子が存在しているの
か、いないのかを８ビット３２キロワードのＳ−ＲＡＭ
に記憶している。このようにいったんＲＡＭに記憶した
データを３２ビットマイクロコンピュータに転送し、各
種処理を行いデータを粒子画像に再構成し、ＣＲＴディ
スプレイ・プリンタに出力する。

【００２５】作成した信号処理システムにより一度に測
定できる粒子数は、光学系倍率・クロック周波数、粒子
の飛散速度によるが、約５００個から７００個であった
が、粒子データ用ＲＡＭの容量を増やすことにより、さ
らに多くの粒子を一度に測定することが可能となる。な
お、センサ部としては、フォトトランジスタを直列に配
列したものを使用するが、フォトトランジスタアレイを
撮像デバイスとして使用する場合、高感度で、指向性が
せまく、迅速な応答特性をもつものを選定することが好
ましい。

【００２６】また、実際の測定システムにおいては、フ
ォトトランジスタとしてシャープ製のＰＴ５０１Ａを使
用した。このフォトトランジスタは高感度、高指向性で
ある。このフォトトランジスタ９６個を１組とするセン
サ部４組を作成した。図８は、アナログ信号処理部の回
路の詳細を示したものである。フォトトランジスタから
の信号はトランジスタによる基本的な反転増幅回路で抵
抗Ｒ１は応答速度をなるべく低下させないものを選ん
だ。トランジスタにより増幅された信号は、ＴＴＬ−Ｉ
Ｃに入ることにより自動的に二値化される。

【００２７】なお、この回路でのフォトトランジスタの
応答速度は１０μｓである。ディジタル信号処理回路に
ついては省略するとして、アナログ信号処理部からの信
号は、Ｄフィリップフロップにおいて、クロック（Ｃ
Ｋ）と同期させる。この出力信号は粒子が存在する場合
にはＬレベルとなる。この信号とＣＫからシングルショ
ットパルスを発生させた信号よりＯＲ出力を得る。すな
わち、粒子の存在する場合のみシングルショットパルス
を通過させることにより、測定空間内の粒子の存在が確
認できることになる。その後、このパルスによりＲＡＭ
書き込み用のタイミングパルスを発生させる。図９にそ
のライトサイクルタイミングチャートを示した。この信
号処理システムでは、３２キロバイトのＣＭＯＳスタテ
ックＲＡＭを使用し、ＷＲ、ＣＳのパルス幅をそれぞれ
２２５ns、５００nsとしている。また、画像データは、
フォトトランジスタ１個に対し１ビットのメモリを割り
当て、粒子が存在している場合には０を、粒子が不在の
場合には１を記憶する。したがって、１ブロックあたり
ＲＡＭ１２個を３２キロバイト×９６ビットとして使用
している。

【００２８】一方、時間データはＣＫパルスをカウント
している。まず、測定が始まると同時にＣＫパルスをカ
ウントし、上述のシングルショットパルスによってＲＡ
Ｍに記憶する。また、観測空間内に粒子が存在しない場
合にはＣＫのカウントのみを行い、その後粒子の存在を
認識したときに、そのときのカウント数をＲＡＭに記憶
する。ここで、ＣＫのカウンタはＲＡＭにカウント数を
記憶させたのちすぐにクリアし、粒子データ用ＲＡＭの
使用効率を高め、長時間測定を可能にしている。

【００２９】時間記憶用のＲＡＭは、上述のものを３２
キロバイト×１６ビットとして使用し、書き込みのタイ
ミングも同様のものとしている。信号処理システムは制
御およびデータ処理に３２ビットマイクロコンピュータ
ＰＣ−９８０１ＲＡ５（ＮＥＣ社製）、信号処理回路と
のインターフェースボードとして、双方向入出力モジュ
ールＷ−ＢＵＳ（９８）（コンテック社製）を使用して
いる。

【００３０】以上の装置例によって、まず、単一の球形
粒子および不規則形状粒子の測定を行った。測定対象粒
子としては、直径6.0mm のアセタール樹脂製球形粒子、
ならびに不規則形状の砂粒子を用いた。光学系倍率は2.
0 倍とした。測定システムの基準信号の周期は15.8μｓ
（周波数63.3kHz 、画面数６３３００画面／ｓ）とし
た。これらより、測定分解能はｘ方向が0.25mm、ｙ方向
が0.08mmとなった。

【００３１】ついで、実際に、不規則形状粒子の粒度分
布の測定を行った。実験装置は上述のものを使用し、測
定対象粒子は不規則形状の砂粒子を用いた。光学系倍率
は4.7 倍とした。また、測定システムの基準信号の周期
は15.8μｓとした。測定分解能はｘ方向0.11mm、ｙ方向
0.01mmであった。＜単一粒子の測定結果＞図１０（ａ）はセンサが直径６
mmの球形粒子を捉えたときの粒子影像の一例を示したも
のである。粒子の飛散速度は9.89ｍ／ｓであった。ま
た、図１０（ｂ）にはｙ方向の補正を行った後の画像お
よび画像より求めた粒径を示した。画像に若干の乱れが
あるが、これは各々のセンサの特性が異なるためであ
り、各センサの出力信号の増幅値を調整できるように
し、出力値をそろえることにより球として捉えることが
可能である。

【００３２】図１１（ｂ）にセンサが不規則形状粒子を
捉えたときの粒子影像の一例を示した。粒子の飛散速度
は10.53 ｍ／ｓであった。図１１（ｂ）のｙ方向の補正
を行った後の粒子影像およびそれより求めた粒子径を示
した。＜粒子群の粒度分布の測定結果＞図１２は、不規則形状
粒子の粒径の個数分布を示したものである。測定粒子数
は６００個であった。粒径は、ｘ方向のＦｅｒｅｔ径を
用いた。粒子の飛散速度の平均値は約3.5 ｍ／ｓであっ
た。

【００３３】図１３にこの結果より求めた不規則形状粒
子の粒度分布曲線を示した。また、ふるい分け法により
得た粒度分布曲線を破線で示した。この発明の測定法で
求めたメジアン径は1.74mmであり、ふるい分け法で求め
たメジアン径は1.53mmであった。二つの方法により求め
た粒度分布曲線はほぼ一致した形状を示しているが、こ
の発明の測定法により求めた粒度分布曲線の方がふるい
分け法により求めたものより大きな粒径となっている。
これは、この発明の測定法では、粒径値をＦｅｒｅｔ径
により求めたためであると考えられる。

【００３４】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、粒子群をジェット噴流により高速に飛散させ、一
次粒子化させた後、この影像をリアルタイム画像処理シ
ステムにより取り込み処理を行うことにより、粒子群の
形状および粒度分布を高効率、高精度で把握することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光透過方式による測定を示した原理構成図であ
る。

【図２】フォトトランジスタをエリア配置したセンター
を例示した原理斜視図である。

【図３】（ａ）（ｂ）は、この発明の光学系を示した構
成模式図である。

【図４】この発明のセンサ部の一例を示した側面図であ
る。

【図５】（ａ）（ｂ）は、この発明の測定装置を示した
構成図である。

【図６】この発明の装置のリアルタイム処理回路を例示
したブロック図である。

【図７】信号処理を示したタイムフロー図である。

【図８】アナログ信号処理部の回路図である。

【図９】ライトサイクルタイミングチャート図である。

【図１０】

【図１１】単一粒子の把握像図である。

【図１２】粒径個数分布図である。

【図１３】粒度分布曲線図である。

【符号の説明】

１ブロア２試料投入口３ランプ４レンズ５透明矩形管６光導体ファイバ７フォトトランジスタアレイ８信号処理回路９マイクロコンピュータ１０測定空間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の光センサを直接に、または光導体
ファイバによって間接的に直列配置したセンサ部を粒子
の飛散方向に対して垂直に少なくとも２組平行配設し、
これらセンサ部をリアルタイム信号処理装置と連結して
なることを特徴とする粒子測定装置。
【請求項２】請求項１の装置からなる固体、液体また
は気泡粒子の粒径、飛散速度および／または粒径分布の
測定装置。
【請求項３】請求項１または２の測定装置を用いるこ
とを特徴とする粒子測定方法。
【請求項４】請求項１の装置において、エリア状に光
センサを配置したセンサ部も併せて有することを特徴と
する粒子測定装置。