JPH0765960B2 - 固体濃度・粒度分布の超音波測定方法 - Google Patents
固体濃度・粒度分布の超音波測定方法Info
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- JPH0765960B2 JPH0765960B2 JP60504790A JP50479085A JPH0765960B2 JP H0765960 B2 JPH0765960 B2 JP H0765960B2 JP 60504790 A JP60504790 A JP 60504790A JP 50479085 A JP50479085 A JP 50479085A JP H0765960 B2 JPH0765960 B2 JP H0765960B2
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- ultrasonic
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- Acoustics & Sound (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は懸濁液中における固体の濃度と粒度分布とを同
時に測定する方法に関する。同方法においては、5つ以
上の周波数の超音波で懸濁液を照射して、固体粒子によ
る超音波の吸収量を測定及び評価する。本発明はこのよ
うな方法を実施する装置にも関する。
時に測定する方法に関する。同方法においては、5つ以
上の周波数の超音波で懸濁液を照射して、固体粒子によ
る超音波の吸収量を測定及び評価する。本発明はこのよ
うな方法を実施する装置にも関する。
懸濁液は、原材料の回収・加工、化学工業及び食品製造
においてしばしば遭遇する。本発明における懸濁液は、
まったく一般的に、液中の非常に微細な固体粒子のすっ
きりした分布のみならず、液中の不溶解性液体の微細な
液滴又は気泡の分布をも含むものと理解すべきである。
工業加工技術におけるこのような工程を監視及び制御す
るには、粒子の濃度及び寸法分布につき測定値が必要と
なる。測定及び制御は通常流れている系で行われるので
以下の要件を満たさなければならない。
においてしばしば遭遇する。本発明における懸濁液は、
まったく一般的に、液中の非常に微細な固体粒子のすっ
きりした分布のみならず、液中の不溶解性液体の微細な
液滴又は気泡の分布をも含むものと理解すべきである。
工業加工技術におけるこのような工程を監視及び制御す
るには、粒子の濃度及び寸法分布につき測定値が必要と
なる。測定及び制御は通常流れている系で行われるので
以下の要件を満たさなければならない。
a 測定は瞬時に行わなければならない。換言すれば測
定結果は流れている懸濁液が殆ど移動しない間に入手す
る必要がある。
定結果は流れている懸濁液が殆ど移動しない間に入手す
る必要がある。
b 流れている系が測定によって影響を受けてはならな
い。
い。
c サンプリング操作は避けなければならない。特に対
象物質が毒性・腐食性を有するか又は高温・高圧の場合
には特に避けなければならない。
象物質が毒性・腐食性を有するか又は高温・高圧の場合
には特に避けなければならない。
これらの条件の結果として、粒子濃度及び粒度分布は篩
又は沈降分析(沈降計又は光学沈降計)では測定できな
い。レーザビームの散乱による測定のような他の方法は
上記の要件を満たすものであるが透明な媒体に限定され
る。いわゆるクールター計数器の方法は、一定の電導性
液体に限定される上に、測定に要する狭い毛細管が容易
に閉塞するのでトラブルを起こしやすい。
又は沈降分析(沈降計又は光学沈降計)では測定できな
い。レーザビームの散乱による測定のような他の方法は
上記の要件を満たすものであるが透明な媒体に限定され
る。いわゆるクールター計数器の方法は、一定の電導性
液体に限定される上に、測定に要する狭い毛細管が容易
に閉塞するのでトラブルを起こしやすい。
他方、超音波を利用する方法は、超音波で照射可能ない
かなる液体にも適用できる。周知の通り、吸収媒体中の
放射強度の減衰は吸収係数を含むベールの法則に従う。
超音波による懸濁液中の固体濃度の測定方法はDE−OS 2
2 57 802により知られている。そこでは、2つの周波数
の超音波で懸濁液を照射して吸収による放射強度の減衰
を測定する。固体粒子の容積百分率の寄与及び幾何学的
平均粒子径を計算するために特に吸収データを用いる。
それによって粒子が形成される統計的法則が知られてい
れば、粒度分布を正確に決めるためにこれらのデータが
用いられるであろう。しかし、一般的にこれは事実に反
する。すなわち、粒度分布は既知の関数には従わない。
それ故に、そこで得られる方法は粒度分布の個々のパラ
メータを示すことはできるが粒度分布自体を定めること
はできない。この場合における超音波の2つの周波数
は、吸収量が懸濁液の特性パラメータによって敏感に影
響されるように選定する。その結果、周波数は共に比較
的近接して選ばれる。
かなる液体にも適用できる。周知の通り、吸収媒体中の
放射強度の減衰は吸収係数を含むベールの法則に従う。
超音波による懸濁液中の固体濃度の測定方法はDE−OS 2
2 57 802により知られている。そこでは、2つの周波数
の超音波で懸濁液を照射して吸収による放射強度の減衰
を測定する。固体粒子の容積百分率の寄与及び幾何学的
平均粒子径を計算するために特に吸収データを用いる。
それによって粒子が形成される統計的法則が知られてい
れば、粒度分布を正確に決めるためにこれらのデータが
用いられるであろう。しかし、一般的にこれは事実に反
する。すなわち、粒度分布は既知の関数には従わない。
それ故に、そこで得られる方法は粒度分布の個々のパラ
メータを示すことはできるが粒度分布自体を定めること
はできない。この場合における超音波の2つの周波数
は、吸収量が懸濁液の特性パラメータによって敏感に影
響されるように選定する。その結果、周波数は共に比較
的近接して選ばれる。
本発明の目的は、上記の要件a乃至cを満たしかつ粒度
分布を正確に測定できる、懸濁液中の固体濃度及び粒度
分布を測定する方法及び装置を提供することにある。
分布を正確に測定できる、懸濁液中の固体濃度及び粒度
分布を測定する方法及び装置を提供することにある。
この問題を解決する方法及びそれに対応する装置の特徴
は請求の範囲に述べる。
は請求の範囲に述べる。
通常所与のいかなる懸濁液においても、粒子の直径の上
下の限界値は良く知られている。従って、高い方の周波
数に属する超音波の波長が予想される最小粒子の直径よ
り小さく、かつ低い方の周波数に属する超音波の波長が
予想される最大粒子の直径より大きくなるように、所与
の懸濁液に対して2つの周波数を設定することができ
る。これはたとえ粒度がまったく分からなくても可能で
ある。何故ならば、100kHz乃至100MHzの間の周波数で通
常存在する粒度の全範囲に対処できるからである。さら
に、超音波の所与の周波数における固体粒子の当該粒度
に対する吸収係数は既知である。
下の限界値は良く知られている。従って、高い方の周波
数に属する超音波の波長が予想される最小粒子の直径よ
り小さく、かつ低い方の周波数に属する超音波の波長が
予想される最大粒子の直径より大きくなるように、所与
の懸濁液に対して2つの周波数を設定することができ
る。これはたとえ粒度がまったく分からなくても可能で
ある。何故ならば、100kHz乃至100MHzの間の周波数で通
常存在する粒度の全範囲に対処できるからである。さら
に、超音波の所与の周波数における固体粒子の当該粒度
に対する吸収係数は既知である。
所与の周波数に対する吸収係数は限られた長さの粒度範
囲△xi内では近似的に一定と考えられる。
囲△xi内では近似的に一定と考えられる。
本発明によれば、粒度分布、換言すれば、粒子寸法の関
数としての粒子の濃度は段階関数の形で決定される。段
階関数の増分は粒度範囲で、これは所望の精度に対して
いかなる小さな値にすることもできる。例えば、十分正
確な粒度分布を決定するためには10粒度範囲で十分であ
る。この場合、粒度分布は各粒度範囲についてこの寸法
の各固体粒子に対応する濃度を決定することによって得
られる。換言すれば、粒度分布を決定するためには一連
の粒度範囲の各粒子の濃度をそれぞれ決定しなければな
らない。
数としての粒子の濃度は段階関数の形で決定される。段
階関数の増分は粒度範囲で、これは所望の精度に対して
いかなる小さな値にすることもできる。例えば、十分正
確な粒度分布を決定するためには10粒度範囲で十分であ
る。この場合、粒度分布は各粒度範囲についてこの寸法
の各固体粒子に対応する濃度を決定することによって得
られる。換言すれば、粒度分布を決定するためには一連
の粒度範囲の各粒子の濃度をそれぞれ決定しなければな
らない。
本発明に従って或る粒度範囲の固体粒子の未知濃度がそ
れぞれ決定される。その理由は、懸濁液をそれぞれ異な
った周波数fjの複数の超音波で照射し、かつ各周波数に
つき超音波の吸収を測定することにある。各寸法範囲の
粒子はこの周波数及び寸法範囲に対して既知と見なされ
る吸収係数に応じて吸収に加わるので、測定される全体
の吸収量Ajは、全粒度範囲に亘る粒子に対する合計とし
て表されることになり、周波数は一定範囲で繰り返され
るパラメータとなる。
れぞれ決定される。その理由は、懸濁液をそれぞれ異な
った周波数fjの複数の超音波で照射し、かつ各周波数に
つき超音波の吸収を測定することにある。各寸法範囲の
粒子はこの周波数及び寸法範囲に対して既知と見なされ
る吸収係数に応じて吸収に加わるので、測定される全体
の吸収量Ajは、全粒度範囲に亘る粒子に対する合計とし
て表されることになり、周波数は一定範囲で繰り返され
るパラメータとなる。
固体粒子の全寸法スペクトルをn範囲に分ける場合に
は、各寸法範囲△xiに対し固体粒子のn個の未知濃度ci
を決める必要がある。1つの一次式では幾つもの未知量
を計算できないので、複数の周波数fjを放射して一連の
一次式が得られるようにする。
は、各寸法範囲△xiに対し固体粒子のn個の未知濃度ci
を決める必要がある。1つの一次式では幾つもの未知量
を計算できないので、複数の周波数fjを放射して一連の
一次式が得られるようにする。
一般的にn個の未知量を含む一連の一次式の明快な解を
得るには合計n個の独立一次式が必要である。それゆえ
に、本発明の特殊な形態においては周波数の異なる超音
波の数と粒子範囲の数とが等しい。
得るには合計n個の独立一次式が必要である。それゆえ
に、本発明の特殊な形態においては周波数の異なる超音
波の数と粒子範囲の数とが等しい。
特に有利な条件下においては、周波数の数が少なくても
十分である。しかし、この場合には一連の数式には数個
の解のベクトルが含まれるが、それらから、求める解の
ベクトルを他の限界条件により決めることができる。い
かなる粒度分布においても、求める個々の粒度範囲の濃
度間には一定の数値関係がある。寸法範囲の限界範囲に
おける低濃度の値から始まって中央値に到達するまで濃
度は一様に増加してから減少する。非常に多くの場合に
おいて、たとえ異なった周波数の超音波の数が粒度範囲
の数より小さくても、この限界条件に基づいて未知濃度
の求める解を決定することができる。
十分である。しかし、この場合には一連の数式には数個
の解のベクトルが含まれるが、それらから、求める解の
ベクトルを他の限界条件により決めることができる。い
かなる粒度分布においても、求める個々の粒度範囲の濃
度間には一定の数値関係がある。寸法範囲の限界範囲に
おける低濃度の値から始まって中央値に到達するまで濃
度は一様に増加してから減少する。非常に多くの場合に
おいて、たとえ異なった周波数の超音波の数が粒度範囲
の数より小さくても、この限界条件に基づいて未知濃度
の求める解を決定することができる。
他方では、特に不利な条件下において、粒度範囲の数よ
りも多きい数の測定周波数を選ぶことによって、測定精
度の改善を図ることができる。
りも多きい数の測定周波数を選ぶことによって、測定精
度の改善を図ることができる。
全体の固体濃度は、寸法範囲内の濃度値を統合(合計)
することによって、固体粒度分布から直接結果として生
じることは明らかである。
することによって、固体粒度分布から直接結果として生
じることは明らかである。
粒子は前述の通り必ずしも固体粒子である必要はなく、
ガス状又は液状粒子であることもあるが、その直径はい
わゆる等価の直径であって粒子の有効断面に対応すべき
ことが分かる。定義された直径はこのようにして球状以
外の粒子にも関連づけられる。
ガス状又は液状粒子であることもあるが、その直径はい
わゆる等価の直径であって粒子の有効断面に対応すべき
ことが分かる。定義された直径はこのようにして球状以
外の粒子にも関連づけられる。
本発明に基づく粒度分布測定装置の特徴は複数の異なっ
た周波数の超音波を発生させるための装置にある。従っ
て、周波数fjは、最低周波数f1の波長が予想最大粒子の
直径より大きくなると共に最高周波数fmの波長が予想最
小粒子の直径より小さくなるように選ぶ。波長λjと粒
径xとの関係については周波数fjは必ずしも上記条件を
厳密に満たす必要がないことに留意すべきである。他
方、この条件を満たせば、xj>λjの範囲及びxj>λj
の範囲の両方において、全体の吸収量Ajに対する部分xj
の貢献度がすべての粒度の級xiにつき測定されることが
保証される。x=λの範囲内の吸収係数aijは特に際立
って変化するので、これによって可能な最大測定精度が
保証される。検出すべき粒度に関して不確実な場合に
は、状況に対応して周波数を選定することによって、計
測器の測定範囲を極く初めから広くしておかなければな
らない。
た周波数の超音波を発生させるための装置にある。従っ
て、周波数fjは、最低周波数f1の波長が予想最大粒子の
直径より大きくなると共に最高周波数fmの波長が予想最
小粒子の直径より小さくなるように選ぶ。波長λjと粒
径xとの関係については周波数fjは必ずしも上記条件を
厳密に満たす必要がないことに留意すべきである。他
方、この条件を満たせば、xj>λjの範囲及びxj>λj
の範囲の両方において、全体の吸収量Ajに対する部分xj
の貢献度がすべての粒度の級xiにつき測定されることが
保証される。x=λの範囲内の吸収係数aijは特に際立
って変化するので、これによって可能な最大測定精度が
保証される。検出すべき粒度に関して不確実な場合に
は、状況に対応して周波数を選定することによって、計
測器の測定範囲を極く初めから広くしておかなければな
らない。
本発明に基づく装置の好ましい改変によれば、送信機の
基本波及び高調波を用いることにより、異なった超音波
送信機の必要数を減らすことができる。基本波及び高調
波を別々に連続して一定時間照射しるか若しくは全部を
同時に照射して受信及び測定を行うことができる。
基本波及び高調波を用いることにより、異なった超音波
送信機の必要数を減らすことができる。基本波及び高調
波を別々に連続して一定時間照射しるか若しくは全部を
同時に照射して受信及び測定を行うことができる。
パルスエコー操作に従って測定を行えば、構造上の構成
要素に起因する費用をさらに低減できる。その場合に
は、同一の圧電発振器が、断続的に短い超音波パルスの
送信機として働くと共に反対側の反射器で反射されて生
じるエコーの受信機として働く。このように超音波は測
定区域を2度通過する。
要素に起因する費用をさらに低減できる。その場合に
は、同一の圧電発振器が、断続的に短い超音波パルスの
送信機として働くと共に反対側の反射器で反射されて生
じるエコーの受信機として働く。このように超音波は測
定区域を2度通過する。
超音波送信機を連続的に照射しる場合には、懸濁液を囲
む壁に対して90゜以外の角度で吸収経路を設定すること
により定在波を避ける。
む壁に対して90゜以外の角度で吸収経路を設定すること
により定在波を避ける。
本発明の有利な変形は従属請求項に明記する。
以下図面を参照して更に本発明につき記述する。計測区
域(部分)10は、超音波が、固体濃度及び粒度分布を測
定すべき流れる懸濁液を通過するように設ける。当該計
測区域は超音波送信機12及び超音波受信機14で定められ
る。
域(部分)10は、超音波が、固体濃度及び粒度分布を測
定すべき流れる懸濁液を通過するように設ける。当該計
測区域は超音波送信機12及び超音波受信機14で定められ
る。
懸濁液を含有する計測区域10の他に、超音波が粒子を含
まない液体を横切る別の計測区域、すなわち比較計測区
域16がある。この補助的な計測区域は、測定装置全体の
零点較正のために役立つと共に測定用送信機及び受信機
本体12、14に対応する送信機12′及び受信機14′を具備
する。
まない液体を横切る別の計測区域、すなわち比較計測区
域16がある。この補助的な計測区域は、測定装置全体の
零点較正のために役立つと共に測定用送信機及び受信機
本体12、14に対応する送信機12′及び受信機14′を具備
する。
スイッチ18、20は、計測区域10又は比較計測区域16のい
ずれが、rf(無線周波数)発生器22から照射周波数を供
給されるか、若しくは超音波の吸収によって減衰される
強度を測定するために受信信号をrf計測器24に与えるか
を取り扱う。
ずれが、rf(無線周波数)発生器22から照射周波数を供
給されるか、若しくは超音波の吸収によって減衰される
強度を測定するために受信信号をrf計測器24に与えるか
を取り扱う。
図中送信機12は複数の、すなわち2以上の異なる周波数
の超音波源を表す。受信及び測定の詳細ならびに超音波
の発生及び超音波による懸濁液の照射方法等について
は、当業者に周知なのでここで述べる必要はない。
の超音波源を表す。受信及び測定の詳細ならびに超音波
の発生及び超音波による懸濁液の照射方法等について
は、当業者に周知なのでここで述べる必要はない。
制御装置26は、特に周波数、強度及びパルスエコー操作
を用いる場合に若し所望ならパルス持続時間を設定する
のに役立つ。
を用いる場合に若し所望ならパルス持続時間を設定する
のに役立つ。
コンピュータ28は前述の方法で粒度分布及び固体濃度を
計算する。
計算する。
複数の周波数fj、すなわち1≦j≦mは、最高周波数fm
の超音波の波長が測定すべき最小粒子の直径xminにほぼ
等しいか又はそれより小さくなるようにかつ最低周波数
f1の超音波の波長が測定すべき最大粒子の直径xmaxにほ
ぼ等しいか又はそれより大きくなるように照射しるため
に用いられる。
の超音波の波長が測定すべき最小粒子の直径xminにほぼ
等しいか又はそれより小さくなるようにかつ最低周波数
f1の超音波の波長が測定すべき最大粒子の直径xmaxにほ
ぼ等しいか又はそれより大きくなるように照射しるため
に用いられる。
ある周波数fjの超音波に関して測定される懸濁液の吸収
量は次の合計で表される。
量は次の合計で表される。
ここでaijは、ある一定の周波数fjにおける大きさ(寸
法)が粒度範囲△xi内にある固体粒子の吸収係数で、ci
は、懸濁液中のこの寸法範囲△xiの各粒子の濃度であ
る。このようにして形成される一連の一次式は、粒度範
囲の関数としての未知量ciに関してそれ自体公知の方法
で解かれる。これによって粒度分布が直接与えれれる。
法)が粒度範囲△xi内にある固体粒子の吸収係数で、ci
は、懸濁液中のこの寸法範囲△xiの各粒子の濃度であ
る。このようにして形成される一連の一次式は、粒度範
囲の関数としての未知量ciに関してそれ自体公知の方法
で解かれる。これによって粒度分布が直接与えれれる。
図面の簡単な説明 第1図は、各周波数における吸収係数の依存性を示すグ
ラフである。
ラフである。
第2図は、本発明を実施する装置を図式的に示す。
Claims (10)
- 【請求項1】懸濁液中の固体の濃度及び粒度分布を同時
に測定する方法において、前記懸濁液を複数の超音波で
照射して該固体粒子による該超音波の吸収量を計測かつ
評価する方法であって、最高周波数fmの超音波の波長が
測定すべき最小粒子の直径xminとほぼ等しいか又はそれ
より小さくなるように、かつ最低周波数f1の超音波の波
長が測定すべき最大粒子の直径xmaxとほぼ等しいか又は
それより大きくなるように、複数の周波数fj(f1≦fi≦
fm)を選ぶと共に、粒度範囲の数が5に等しいかまたは
それより大きいことを特徴とする方法。 - 【請求項2】前記複数の周波数の数が粒度範囲の数と等
しい、請求項1の方法。 - 【請求項3】前記粒度範囲を予想すべき最小及び最大粒
子の直径の対数の間で等間隔に決める、請求項1又は2
の方法。 - 【請求項4】高調波を利用して単一の発振器により複数
の異なった周波数の超音波を発生させる、請求項1乃至
3のいずれか1つの方法。 - 【請求項5】前記吸収量をパルスエコー操作により測定
する、請求項1乃至4のいずれか1つの方法。 - 【請求項6】前記懸濁液を、1つ又はそれ以上の超音波
送信機の基本波及び高調波により照射する、請求項1乃
至5のいずれか1つの方法。 - 【請求項7】前記懸濁液を、1つ又はそれ以上の超音波
送信機12の各基本波及び高調波の1つにより連続的に照
射する、請求項6の方法。 - 【請求項8】1つ又はそれ以上の送信機12を、それぞれ
同時に前記基本波若しくは1つ又はそれ以上の前記高調
波で照射し、複数周波数の超音波の該吸収量を同時に測
定する、請求項6の方法。 - 【請求項9】前記パルスエコー操作において、前記超音
波送信機12を受信機としても使用し、計測区域内の該超
音波送信機12と反対側に1つ以上の音響反射器を設け
る、請求項6乃至8のいずれか1つの方法。 - 【請求項10】前記超音波送信機12を連続的に照射し、
超音波が90゜以外の角度で前記懸濁液を取り囲む壁面を
通過するように前記計測区域を設ける、請求項6乃至8
のいずれか1つの方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE3438798A DE3438798C2 (de) | 1984-10-23 | 1984-10-23 | Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Feststoffkonzentration und der Korngrößenverteilung in einer Suspension mittels Ultraschall |
| DE3438798.6 | 1984-10-23 | ||
| PCT/EP1985/000560 WO1986002727A1 (fr) | 1984-10-23 | 1985-10-23 | Procede et dispositif de mesure a ultrasons de la concentration de solides et de la repartition granulometrique dans une suspension |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62500612A JPS62500612A (ja) | 1987-03-12 |
| JPH0765960B2 true JPH0765960B2 (ja) | 1995-07-19 |
Family
ID=6248577
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60504790A Expired - Fee Related JPH0765960B2 (ja) | 1984-10-23 | 1985-10-23 | 固体濃度・粒度分布の超音波測定方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
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