JPS6255545A - 粒径測定装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 この発明は微小な粒子の径を測定する粒径測定装置に関
する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来から用いられている粒径測定法の１つに前方微小角
散乱法と呼ばれる方法がある。この方法を用いた装置と
して本願発明者は、先に第６図に示す装置を（特開昭５
９−７０９４４号公報に掲載）発明した。

この装置の測定原理を簡単に説明する。レーザ装置１か
も出力される単色ビームをレンズ２を用いて適当な径の
平行ビーム３にし、被測定粒子４に照射する。被測定粒
子により散乱された光を測定すべき散乱角θ（θ＝０１
．θ２．・・・θＲ）に配置した光ファイバ５で受光し
、干渉フィルタ６を通して迷光を除去し、フォトディテ
クタ１２、アンプ１３により電気信号に変換・増巾した
のち１通常、ミニコンビコータあるいはマイクロコンピ
ュータで構成される散乱光強度分布−粒径分布変換袋な
１０Ｖｃ入力し、測定した散乱光強度分布１）（ｆ（θ
１）。

■（θ２）、・・・Ｉ（θ３）の集合）から（１）式を
用いて粒径分布ｎ０を求める。

■（ｏ）＝　Ｊ’ｉ　（Ｄ　、θ）ｎ（Ｄ）　ｄＤ　　
　　（１）ここで、　　ｌ（Ｄ、θ）は、直径りの粒子
１個による散乱光強度で、あらかじめ散乱理論に基づい
て計算しておく。

この装置では、フォトディテクタ１２としてシリコン、
フォトダイオードあるいは光電を増倍管　　・を用いて
いたため、レーザビーム内に粒子数が少ない場合には、
間欠的に散乱光強度分布を測定せざるを得なかった。ま
た、センサの感度に比して散乱光強度を高くしてＳ／Ｎ
の良い散乱光強度分布ヲ得ていた。しかし、近年には１
粒子数が少なくても連続的に、また散乱強度が低くても
Ｓ／Ｈの良い測定が望まれ、また、粒径分布を測定でき
ることが望まれてきた。

〔発明の目的〕

この発明は上述した従来装置の要望に鑑み為されたもの
で、粒子数が小さい場合にも粒径分布を測定できる粒径
測定装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

フォトディテクタとして蓄積型フォトディテクタを用い
ることにより、ある時間内に散乱された散乱光により励
起された電荷を蓄積し、電荷量が十分大きくなった時点
で、との′電荷量を取り出して粒径分布を測定する粒径
測定装置である。

〔発明の効果〕

この発明により粒子数が少ない場合にもまた小さい場合
にもまた散乱光強度が低くても粒径分布を測定すること
ができる。

〔発明の実施例〕

この発明の実施例を第１図を用いて説明する。

レーザ装置ｌから出力される単色の平行ビームを、レン
ズ２を用いて適当な径の平行ビーム３にして、被測定粒
子４に照射する。被測定粒子４により散乱された光を、
測定すべき散乱角に配置した光ファイバ５により受光し
、蓄積型フォトディテクタ７に導びく。蓄積型フォトデ
ィテクタ７の前にシャッタ１９を配置し、粒子数により
適当な時間シャッタを開き、散乱光による電荷が十分蓄
積された時点でシャッタ１９を閉じる。

次に蓄積型フォトディテクタ７Ｆ、７２．・・・７Ｒの
アウトプットゲートを、マルチプレクサを用いて、順次
開くことにより、蓄積部フォトディテクタに蓄積された
電荷を順次アンプへ導き、電圧へ変換Φ増巾する０以上
のようにすると散乱光強度分布１（ｏ）　（１（θ１）
、Ｉ（θ２）、−Ｉ（θル）ノ集合）を測定することが
できる。

第２に示した蓄積型フォトディテクタ２１は、ＣＯＤ（
Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）の感光
部と同じもので、フォトダイオード２２の光電変換部と
ＭＯＳキャパシタ２３からなる蓄積部より構成されてい
る。入射した光２４はフォトダイオード２２で光電変、
換され、隣接したＭＯＳキャパシタ２３に信号電荷とし
て蓄積される。信号電荷を外部へ取り出す場合はアウト
プット・ゲート電極２７にアウトプットゲート２６から
電圧をかけると、蓄積された電荷を外部へ出力２５から
取り出すことができる。

以上のように、観察時間を長くすることにより、粒子数
の小さい場合にも多数の粒子による散乱光強度分布を測
定することができる。この散乱光強度分布は前述、の（
１）式を用いて粒径分布を求める。

又保持されるので、増巾すべき信号が蓄積型フォトディ
テクタとマルチプレクサを用いることによね、電荷を電
圧に変換するアンプの数を１個にすることができる。

すなわちアンプは第３図に示すようなチャージ・アンプ
を用いても、また、第４図に示すような回路を用いても
よい。

第３図のチャージ・アンプ２７の動作を次に述べる。ま
ず測定に入る前にリセットスイッチ２８ｔ−閉じコンデ
ンサ２９に蓄えられている電荷をクリアし、リセットス
イッチ２８を開く。次にマルチプレクサ３０がアクセス
した蓄積型フォトディテクタのアウトプット・ゲート電
極２６に電圧が印加され、アウトプットゲートが開き、
蓄積型フォトディテクタ２１に蓄えられた電荷がコンデ
ンサ２９に流入する。コンデンサ２９に蓄えられた電荷
をチャージ・アンプ２７で電圧に変換・増巾する。

第４図はＣＣＤの出力部として用いられているものであ
る。リセットスイッチ２８を閉じ、コンデンサ２９の電
位をソース電圧に固定したのち、リセットスイッチ２８
を開く。次にマルチプレクサ３０がアクセスするとアウ
トプットゲート２７が開き、蓄えられた電荷がコンデン
ｆ２９に流入。

電位が降下する。この電位降下をＦＥＴ　）ランジスタ
３１のソースホロワにて検知、出力する。

測定された散乱光強度分布■（のは、通常ミニコンビコ
ータあるいはマイクロコンピュータで枯成される散乱光
強度分布−粒径分布変換装置ｒｃＡ／Ｄ変換器等を用い
て入力される。′ 散乱光強度分布−粒径分布変換装置１ｉｌｏ内では次の
２つの計算方法を用いて、散乱光強度分布から粒径分布
へ変換する。

１つは１分布関数近似法と名付けた方法である。

まず粒径分布ｎ（２）の分布関数１例えば正規分布、対
数正規分布等を仮定する。

次ｖｃ（２）式のＥが最小になるように分布パラメータ
、例えば平均、標準偏差を決定する。

Ｅ＝い（θ）−Ｊｉ（Ｄ、θ）ｎ（Ｄ）ｄＤ　１２（２
）もう１つは束縛積分方程式法と名付けた方法である。

（１）式において、測定すべき粒径範囲を〔Ｄｍｌ□。

Ｄｍａｘ　）とし、この区間をＮ分割すると。

となる。ここで分割小区間（Ｄｊ’−１，Ｄｊ）内でｎ
ｏが一定としてｎ（ＤＪ）と近似すれば となる。

と置けば、（３）式は Ｉ（の；、Σ　ｉ、（Ｄｊ、θ）ｎ（ＤＪ）　　　　　
　　　　　　　　　　　　（６）コ＝１ となる。散乱光強度分布の測定散乱角をθ１．θ２゜・
・・θａとすると となる。こζで　／Ｉｔメ下蒙り とおくと、（７）式は ＋＝Ｇｎ（ｌυ とベクトル表示できる。

０υ式の、■；ｎ１．ｎ２．・・・ｎＮが滑らかである
という第１の条件、具体的には粒径分布の３次の差分の
２乗和、すなわち をある値以下に押えるという条件と■；　ｎ１ｓｎ２＋
・・・ｎＮが正あるいはＯであるというｆｇ２の条件の
もとての最小二乗率を求める。第１の条件のもとでの最
小二乗率は、Ｌａｇｒａｎｇｅの未定乗数法により、未
定乗数をｒとして （Ｇｎ−１）米（Ｇｎ−１）＋ｒｎ％ ｉ２ ’ｔｉ小にすればよい。ａｚ式では ｑ　＝　（ＫＱ）米ｃＫｒｌ）　＝　ｎ’ＫＸ４１　＊
ｎ’Ｈｎ　　　　　　　（１３ここで（Ｇｎ−１）“は
Ｇｎ−１の転送行列を示し。

である。

０３式を最小にするｎは。

ｊｌ＝（Ｑ米Ｇ＋ｒＨ）−’Ｇ米１（１９である。

（ｌ！９式で与えられるｎが第２の条件を満足する解で
あるためにはＫｕｈｎ−Ｔｕｃｋｅｒの定理を変形した
次の定理を満足すればよい。

く（定理）〉 Ｖ＝Ｇ米（Ｇｎｌ　）＋ｒＨｎ１１ なるｙが ｎｊ＝ｏなるｊに対してはｙｊ≧ｏｎηｎ　ｊ＞Ｏなる
ｊに対してはｙｊ＝ｏ　　　　（（υである。

すなわち上の定理を満足する。（ｔ９式のｎが第１およ
び第２のもとてのα９式の最小二乗解である。゛以上が
束縛積分方程式法である。

散乱光強度分布の測定強度範囲が広く、対数アンプを用
いて測定範囲を圧縮した場合などは（１）式・二に換え
てα９式 ％式％ を用いたほうがよい。この場合は、分布関数近似法と束
縛積分方程式法も１式に対応して変形した対数分布関数
近似法、対数束縛積分方程式法を用いる必要がある。

対数分布関数近似法は（２）式に換えて（イ）式を最小
にする。

Ｅ’＝　　ＬｏｇＩ（の−Ｌｏｇ（Ｕｐ、θ）ｎ（Ｄ）
ｄＤ）　　２　　　　　＠対数束縛積分方程式法では、
１．Ｇに対数変換の↑を左から乗じた σ＝ＴＧ　　　　　　　　　　　　　　　＠〒＝Ｔ＋　
　　　　　　　　　　　　　　（至）ＩＧ、ｌに換えて
用いればよい。

〔発明の他の実施例〕

第５図に本発明の他の実施例を示す、これは、散乱光強
度分布の測定部を測定グローブ２ｏにまとめたものであ
る。レーザ光をレンズ３２光フアイバ３３を用いて測定
領域近傍まで導き、コリメータレンズ３４で平行ビーム
にして、測定領域３５に照射する。測定領域内に存在す
る粒子４による散乱光を光ファイバ５で受光し散乱光強
度分布を測定する。

ここで、コリメータレンズによる散乱光が粒子による散
乱光を測定する際のノイズとなるので、このノイズを除
去するためにコリメータの前方に開口３６を備えた筒３
７を設けた。

その他の動作は先に述べた実施例と同じである。

このように測定プローブにまとめることにより、蒸気タ
ービン中の水滴径の測定などが容易に行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図は蓄
積型フォトディテクタの構造を示断面図。 第３図および第４図は電荷を測定するだめの回路図、第
５図はこの発明の他の実施例を示す構成図、第６図は従
来装置を示す構成図である。 １・・・レーザ　　２・・・レンズ　３・・・平行・単
色ビーム４・・・被測定粒子　５・・・光ファイバ６・
・・干渉フィルタ　７・・・蓄積型フォトディテクタ８
・・・アンプ　９・・・マルチプレクサｉｏ・・・散乱
光強度分布−粒径分布変換装置１１・・・表示装置　１
２・・・フすトディテクタ１３・・・アンプ　１４・・
・レンズ　１５・・・光ファイバ１６・・・コリメータ
レンズ　１７・・・開口を備えた筒１８・・・測定領域
　１９・・・シャッタ２０・・・測定グローブ 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　竹　花　喜久男 θ　　　　　　　　　　　　　　　＼ −１＋＋ 第　　２　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ装置、光ファイバ、フォトディテクタより成る散
   乱光強度分布（散乱角と散乱光強度との関係）の測定系
   と測定した散乱光強度分布を粒径分布へ変換装置とから
   構成され前記フォトディテクタを蓄電型のフォトディテ
   クタ粒径測定装置。