JP4218014B2

JP4218014B2 - Fine particle concentration measuring device

Info

Publication number: JP4218014B2
Application number: JP2003062763A
Authority: JP
Inventors: 力小林
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2023-03-10
Also published as: JP2004271348A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微粒子を含む溶液における微粒子濃度を超音波を使用してを測定する微粒子濃度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、この種の微粒子濃度測定装置は、微粒子を含む溶液における微粒子濃度を超音波を使用してを測定する装置として提供されている。
図５は、従来の微粒子濃度測定装置の原理を示す構成図である。この図５において、従来の微粒子濃度測定装置１０１は、試料に超音波を照射して測定を行う測定部１０３と、この測定部１０３から得られるデータを解析して粒度分布などを表示する解析部１０５とから構成さている（例えば、非特許文献１参照）。
図６は、従来の微粒子濃度測定装置における測定部の構成例を示した斜視図である。
【０００３】
この従来の微粒子濃度測定装置１０１において測定部１０３は、図６に示すように、容器１３１の中に二つの超音波振動子１３３，１３５を配置し、かつ、超音波振動子１３３，１３５の間に試料１３７を入れた状態にし、一方の超音波振動子１３３に連続波信号Ｓｉを印加することにより当該超音波振動子１３３から試料１３７に対して超音波連続波Ａｉを供給し、他方の超音波振動子１３５から試料１３７を通過してきた超音波連続波Ａｏに対応する電気信号Ｓｉを取り出し、その電気信号Ｓｉを図示しない信号処理部で処理したデータを、前記データ解析部１０５に供給できるようにしたものである。
この微粒子濃度測定装置１０１によって、微粒子を含む溶液の微粒子濃度を測定することができる。
【非特許文献１】
桜井智宏著、「超音波減衰式高濃度粒度分布測定装置」、超音波ＴＥＣＨＮＯ、２００２年５月６日、第１１９頁〜第１２１頁。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の微粒子濃度測定装置によれば、次のような問題点があった。
（１）超音波に連続波を使用するため、測定に２〜５分かかり、測定時間に長時間を要するという問題点があった。
（２）超音波を試料に送り出す振動子と、試料を通過してきた超音波を受信する振動子と二つの振動子が必要となり、しかも、操作が不便であるという問題点があった。
（３）また、測定によっては、複数個の振動子を取り替えて使う必要があるため、操作が不便となるという問題点があった。
本発明は、上述した問題点を解消し、部品点数を少なくして操作性をよくした微粒子濃度測定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願請求項１に係る発明の微粒子濃度測定装置は、微粒子を含む溶液における微粒子濃度を超音波を使用して測定する微粒子濃度測定装置において、平凹形状に形成され、広帯域特性を有する一個の超音波振動子と、当該超音波振動子の焦点位置付近に配置された反射体とから構成され、前記超音波振動子から微粒子を含む溶液に対して広帯域の超音波パルス波を供給し、前記反射体からの反射超音波パルス波から広帯域の反射パルス信号を前記超音波振動子で受信し、微粒子濃度がゼロの水中エコーパルス波におけるスペクトルの最大値を基準として正規化して、前記広帯域の反射パルス信号の周波数スペクトルからの各周波数成分の減衰特性または中心周波数の移行度に基づいて、微粒子を含む溶液における微粒子濃度を測定する解析部とを備えたことを特徴とするものである。
本願請求項２に係る発明では、本願請求項１記載の微粒子濃度測定装置において、前記測定部の超音波振動子は、円形チタン酸鉛振動子の一面を連続した凹面形状に形成してあり、前記円形チタン酸鉛振動子の他面を平面状に形成してあり、かつ、前記円形チタン酸鉛振動子の両面に励振パルス信号を供給するための電極を設けてなることを特徴とするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態及び実施例】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１ないし図４は、本発明の実施の形態及び実施例に係る微粒子濃度測定装置を説明するためのものである。
ここに、図１は、本発明の実施の形態に係る微粒子濃度測定装置を示すブロック図である。
【０００７】
この図１において、本発明の実施の形態に係る微粒子濃度測定装置１は、微粒子を含む溶液に対して超音波パルス波(Ultrasonic pulse wave) を供給しその反射超音波パルス波から得た反射パルス信号を得る測定部３と、前記測定部３からの反射パルス信号を基に微粒子を含む溶液における微粒子濃度を測定する解析部５とを備え、微粒子を含む溶液における微粒子濃度を測定することができる装置である。
【０００８】
前記測定部３は、図１に示すように、微粒子を含む溶液(Aqueous solution of particles) からなる試料を入れる容器３１と、前記容器３１の内部の一方に配置され平凹（Plano-concave)形状に形成された超音波振動子(Transducer)３３と、前記容器３１の内部の他方側であって、当該超音波振動子３１の焦点位置付近に配置された反射体(Reflector) ３５とから構成されている。
【０００９】
前記解析部５は、前記測定部３の超音波振動子３３に励振パルス信号を供給し、かつ、前記測定部３の前記測定部３の反射体３５からの反射パルス波に対応する反射パルス信号を超音波振動子３３から取込んで所定のデータに変換するパルス処理手段５１と、前記パルス処理手段５１からの所定のデータを取込み、前記所定のデータを基に微粒子濃度を測定できるデータ解析処理手段５３とから構成されている。
前記パルス処理手段５１は、前記測定部３の超音波振動子３３に励振パルス信号を供給し、かつ、前記測定部３の反射体３５からの反射パルス波に対応する反射パルス信号を超音波振動子３３から取込むパルサー(Pulser)５１ａと、前記パルサー５１ａからの反射パルス信号をデジタル化するデジダルオシロスコープ(Digital oscilloscope)５１ｂとから構成されいてる。
【００１０】
前記データ解析処理手段５３は例えばパーソナルコンピュータ（Personal computer 、以下、「コンピュータ」という）で構成されており、このコンピュータには、オペレーティングシステムと、当該濃度を測定する解析プログラムとか少なくとも記憶されている。
上記コンピュータは、図示しないが、各種の処理や演算を実行するコンピュータ本体と、前記コンピュータ本体に接続され処理内容を表示するディスプレイと、前記コンピュータ本体に接続され必要なデータを入力するキーボードと、前記コンピュータ本体に接続され処理の指示等に使用されるマウスと、前記コンピュータ本体に接続されハードコピーを得ることができるプリンタと、その他の機器（例えば外部記憶装置）とを備えている。
【００１１】
前記コンピュータ本体は、各種演算処理を実行する中央処理ユニットと、オペレーティングシステムやアプリケーションプログラムを展開記憶する主メモリと、キーボードやマウスやプリンタとのインターフェースである入力出力ポートと、前記高速シリアルバス用のインターフェースと、オペレーティングシステムやアプリケーションプログラムや各種データを格納するハードディスク装置と、その他必要な機器とが内蔵されている。また、前記コンピュータのコンピュータ本体は、当該ハードディスク装置に、所定のオペレーティングシステムと、アプリケーションプログラムとして解析プログラムやその他のプログラムが格納されている。
【００１２】
さらに、上記コンピュータは、電源スイッチを投入すると、コンピュータ本体において、ハードディスク装置からオペレーティングシステムが主メモリに展開記憶されて実行された後、さらに、解析プログラムのアプリケーションプログラムが起動されることにより、解析プログラムが主メモリに展開記憶されて解析が可能になるようになっている。
【００１３】
図２は、本発明の実施の形態に係る微粒子濃度測定装置で使用される超音波振動子の構成を示す図であって、図２（ａ）が正面図を、図２（ｂ）が断面図を、それぞれ示したものである。
前記測定部３の超音波振動子３３は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、直径ｄの円形チタン酸鉛振動子３３ａの一面を曲率半径ｒで連続した凹面形状に形成してあり、前記円形チタン酸鉛振動子３３ａの他面を平面状に形成してあり、かつ、前記円形チタン酸鉛振動子３３ａの両面（平面状の面と、凹面状の面の双方）に励振パルス信号を供給するための電極３３ｂ，３３ｃを設けて構成されている。なお、符号３３ｄ，３３ｅは前記電極３３ｂ，３３ｃに接続したリード線であり、このリード線３３ｄ，３３ｅに励振パルス信号を印加できるようになっている。
【００１４】
このような微粒子濃度測定装置１によって微粒子濃度が測定できることについて以下に詳細に説明する。
まず、本発明の原理を簡単に説明する。本発明では、広帯域性を持つ１個のプラノコンケーブ（平凹面）形超音波振動子３３から放射される広帯域の超音波を利用し、リアルタイムで微粒子の濃度を測定している。この本発明で提案している測定方法は、広帯域の超音波パルスを用いて、その周波数スペクトルの減衰特性からリアルタイムで測定するものであり、従来の方式と比べて取り扱いが簡単で、得られる情報量も大変豊富なことが特徴である。
【００１５】
ここでは、まず、粒子径が１００［μｍ］未満の微粒子を含む水溶液について、濃度に対する超音波の減衰特性等から濃度を測定できることを説明する。
このプラノコンケーブ形の超音波振動子３３は、図示のように厚さが連続的に変化しているために、広い周波数帯域の超音波の放射が可能であり、さらに超音波放射面が凹面状であるため、収束した超音波の放射も可能としたものである。このため、この超音波振動子３３にインパルス電圧を印可すると、リンギングの少ない収束した超音波パルスを放射できるものである。
【００１６】
また、本発明に係る微粒子濃度測定装置１による測定は、図１に示すように、微粒子を溶かした水溶液を収容した容器３１の内部の一方の側に、この超音波振動子３３を配置し、かつ、超音波振動子３３の焦点近辺であって容器３１の他方側に反射体３５を配置し、当該超音波振動子３３に解析部５のパルス処理手段５１から励振パルス信号を供給して水溶液に広帯域パルス波を与え、反射体３５からのエコーを超音波振動子３３で受波し、これを解析部５のパルス処理手段５１で反射パルス信号として受信し、所定のデータに変換してデータ解析処理手段５３に与えて、解析を行う。
【００１７】
また、微粒子の濃度を変えたときに、変化する受波パルス周波数スペクトルをデータ解析処理手段５３で調べる。
ここで、用いたプラノコンケーブ形超音波振動子３３は、基本共振周波数が１〜１０［ＭHz］の広帯域振動子である。また、超音波振動子３３に与える励振パルス信号（電圧）としては、パルス幅が６０［ｎ秒］で５［Ｖ_p-p ］の矩形パルスを供給した。本実施の形態においては一矩形パルス波信号を供給してこの反射を受けるようにしたが、これは数個からなるパルス波であっても良い。
【００１８】
また、水に溶かす微粒子は、平均粒径７５［μｍ］以下のカオリン（陶土）と、平均粒径４［μｍ］のマツモトマイクロスフェアＦ−０４Ｅ（松本油脂製薬製）の２種類を使用した。
また、水１［l］に対して、０［ｍｇ］の微粒子、１００［ｍｇ］の微粒子、２００［ｍｇ］の微粒子、３００［ｍｇ］の微粒子、４００［ｍｇ］の微粒子、及び、５００［ｍｇ］の微粒子を溶かして、微粒子濃度を０［ｍｇ／l］、１００［ｍｇ／l］、２００［ｍｇ／l］、３００［ｍｇ／l］、４００［ｍｇ／l］、及び、５００［ｍｇ／l］とした混濁水溶液を用いて測定した。
【００１９】
図３は、本発明の実施の形態に係る微粒子濃度測定装置によって、カオリンとマイクロスフェアの濃度を増加させたときのエコーパルス信号の周波数スペクトルを示す特性図であって、図３（ａ）がカオリン(kaolin)の場合の周波数スペクトルを、図３（ｂ）がマイクロスフェア(Micro sphere)の場合の周波数スペクトルを、それぞれ示した図である。図３におけるそれぞれの特性図の縦軸は微粒子濃度がゼロの水中エコーパルス波におけるスペクトルの最大値を基準として正規化（Nomalized magnitude ［ｄＢ］）してあり、横軸は周波数（Frequency ）［ＭHz］をとっている。
【００２０】
また、水溶液における微粒子濃度をそれぞれ０〜５００［ｍｇ／l］づつ増加させて当該微粒子濃度測定装置１で測定した。
その結果、図３（ａ）のカオリンの場合は、濃度の増加とともに１〜１０［ＭHz］の周波数帯で各周波数成分が一様に減衰することがわかる。
次に、カオリンよりも粒径の小さいマイクナススフェアの場合では、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）の結果と同様に濃度が高いほど減衰が大きいが、高周波成分の減衰が周波数に比べて大きいこともわかる。このため、エコーパルス波の中心周波数も濃度の増加とともに低周波側に移行してゆくことがわかる。これは、ここで用いてみた２つの微粒子の大きさや性質の違いによって生じたものと考えられる。
【００２１】
このことより、従来の複数個の狭帯域の超音波振動子を利用して超音波の周波数を変化させて測定するよりも、本発明の微粒子濃度測定装置１のように、１個の広帯域超音波振動子３３を用いて広帯域超音波パルス波で測定するほうが、簡単に微粒子の濃度だけではなく、同時に、その粒子の大きさなどの性質も調べられる。
【００２２】
図４は、本発明の実施の形態に係る微粒子濃度測定装置において、図３に示す測定結果を用いてそれぞれの微粒子濃度に対する周波数成分の変化を調べた結果の一例を示す特性図であり、図４（ａ）がカオリンの場合の減衰特性図であり、図４（ｂ）がマイクロスフェアの場合の減衰特性である。また、図４にいて、各特性図の縦軸は、それぞれの周波数における水中での値を基準として正規化（Nomalized magnitude ［ｄＢ］）したものである。また、図４( ａ）に示す特性図の横軸はカリオンによる濃度(Concentration of kaolin in water)［ｍｇ／l］であり、図４（ｂ）に示す特性図の横軸はマイクロスフェアによる濃度(Concentration of microsphere in water) ［ｍｇ／l］である。
【００２３】
この図４（ａ）において、カオリンについては、エコーパルス波の中心周波数付近の５［ＭHz］のときの変化を示したものである。
また、図４（ｂ）において、マイクロスフェアについては、パルス波の中心周波数が濃度とともに変化してしまうため、２［ＭHz］のときの変化を示したものである。
これら図４（ａ）及び図４（ｂ）の結果から、微粒子濃度の増加とともに、周波数が減少している。本発明では、この関係を使用することにより微粒子濃度を測定している。
【００２４】
本発明の実施の形態に係る微粒子濃度測定装置１では、プラノコンケース形超音波振動子３３から放射される広帯域超音波パルスを測定すべき水溶液の試料に放射し、かつ、反射体３５から反射されてくるエコーパルス波に対応する反射パルス信号を超音波振動子３３によって取り出し、その水溶液の試料の濃度に応じた反射パルス信号のスペクトルの変化から試料である液体中の微粒子濃度を測定するようにしたものである。
【００２５】
その結果、従来の装置では、複数の異なる超音波振動子を用いて測定しなければならず、測定に時間がかかっていたが、本発明の微粒子濃度測定装置１では、プラノコンケーブ形超音波振動子３３及びに広帯域の超音波パルスを用いることができるため、１回の送受波で大量のデータを得ることができ、微粒子のおおきささなどの情報も広帯域の超音波をも用いることにより、同時に測定できる。
本発明の実施の形態に係る微粒子濃度測定装置１によれば、測定の簡素化と、リアルタイム化が図られると考えられる。
また、本発明の実施の形態に係る微粒子濃度測定装置１によれば、２種類の微粒子の粒子濃度と、周波数成分の変化から、濃度の増加とともに周波数成分が曲線的に減衰していることから、これを用いて確実に濃度測定が可能となる。
【００２６】
以上説明したように本発明の実施の形態に係る微粒子濃度測定装置１によれば、超音波に広帯域パルス波を使用したため、短時間に測定ができ、また、超音波を試料に送り出す振動子と、試料を通過してきた超音波を受信する振動子とが共通のものでよく、部品点数が少なくなり、かつ、操作が簡単となり、しかも、一つの超音波振動子のみでよいため、操作が簡単で測定が容易である。
なお、上記実施の形態では、超音波振動子３３の一面に球面状の凹部を形成したものとして説明したが、これに限定されることなく、例えば放物面状の凹部を形成してもよいし、円錐状の凹部としてもよい。また、前記超音波振動子３３の凹部は、連続した面の凹部でなく、階段状をした面の凹部に形成してもよく、広域特性と収束性を示せば、平板形状でもあってもよく、どのような形状であってもかまわない。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような効果がある。
（１）超音波に広帯域パルス波を使用したため、短時間に測定ができるという利点がある。
（２）超音波を試料に送り出す振動子と、試料を通過してきた超音波を受信する振動子とが共通のものでよく、部品点数が少なくなり、かつ、操作が簡単である。
（３）一つの超音波振動子のみでよいため、操作が簡単で測定が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る微粒子濃度測定装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る微粒子濃度測定装置で使用される超音波振動子の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る微粒子濃度測定装置によって、カオリンとマイクロスフェアの濃度を増加させたときのエコーパルス信号の周波数スペクトルを示す特性図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る微粒子濃度測定装置において、図３に示す測定結果を用いてそれぞれの微粒子濃度に対する周波数成分の変化を調べた結果の一例を示す特性図である。
【図５】従来の微粒子濃度測定装置の原理を示す構成図である。
【図６】従来の微粒子濃度測定装置における測定部の構成例を示した斜視図である。
【符号の説明】
１微粒子濃度測定装置
３測定部
５解析部
３１容器
３３超音波振動子(Transducer)
３３ａ円形チタン酸鉛振動子
３３ｂ，３３ｃ電極
３５反射体(Reflector)
５１パルス処理手段
５１ａパルサー(Pulser)
５１ｂデジダルオシロスコープ(Digital oscilloscope)
５３データ解析処理手段（Personal computer ）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fine particle concentration measuring apparatus that measures the fine particle concentration in a solution containing fine particles using ultrasonic waves.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, this kind of fine particle concentration measuring apparatus is provided as an apparatus for measuring the fine particle concentration in a solution containing fine particles using ultrasonic waves.
FIG. 5 is a block diagram showing the principle of a conventional fine particle concentration measuring apparatus. In FIG. 5, a conventional fine particle concentration measurement apparatus 101 includes a measurement unit 103 that performs measurement by irradiating a sample with ultrasonic waves, and an analysis unit that analyzes data obtained from the measurement unit 103 and displays a particle size distribution and the like. 105 (see, for example, Non-Patent Document 1).
FIG. 6 is a perspective view showing a configuration example of a measurement unit in a conventional fine particle concentration measurement apparatus.
[0003]
In this conventional fine particle concentration measuring apparatus 101, the measuring unit 103 has two ultrasonic transducers 133 and 135 disposed in a container 131 and a space between the ultrasonic transducers 133 and 135, as shown in FIG. In the state where the sample 137 is put in, the continuous wave signal Si is applied to one ultrasonic transducer 133 to supply the ultrasonic continuous wave Ai from the ultrasonic transducer 133 to the sample 137, and the other ultrasonic transducer 133 An electrical signal Si corresponding to the ultrasonic continuous wave Ao that has passed through the sample 137 from the acoustic wave oscillator 135 is extracted, and data obtained by processing the electrical signal Si by a signal processing unit (not shown) can be supplied to the data analysis unit 105. It is a thing.
This fine particle concentration measuring apparatus 101 can measure the fine particle concentration of a solution containing fine particles.
[Non-Patent Document 1]
Tomohiro Sakurai, “Ultrasonic attenuation type high-concentration particle size distribution analyzer”, Ultrasonic TECHNO, May 6, 2002, pp. 119-121.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional fine particle concentration measuring apparatus has the following problems.
(1) Since a continuous wave is used for ultrasonic waves, the measurement takes 2 to 5 minutes, and there is a problem that a long time is required for the measurement.
(2) A vibrator that sends ultrasonic waves to the sample, a vibrator that receives the ultrasonic waves that have passed through the sample, and two vibrators are required, and the operation is inconvenient.
(3) In addition, depending on the measurement, it is necessary to replace a plurality of vibrators, and there is a problem that the operation becomes inconvenient.
An object of the present invention is to provide a fine particle concentration measuring apparatus that solves the above-described problems and has improved operability by reducing the number of parts.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the fine particle concentration measuring device according to the first aspect of the present invention is a fine particle concentration measuring device that measures the fine particle concentration in a solution containing fine particles using ultrasonic waves, and is formed in a plano-concave shape. And an ultrasonic transducer having a broadband characteristic, and a reflector disposed in the vicinity of the focal position of the ultrasonic transducer, and the broadband ultrasonic wave is applied to a solution containing fine particles from the ultrasonic transducer. A pulse wave is supplied, a broadband reflected pulse signal is received from the reflected ultrasonic pulse wave from the reflector by the ultrasonic transducer, and is normalized based on the maximum value of the spectrum in an underwater echo pulse wave with a fine particle concentration of zero. It turned into, based on the transition of the damping characteristics or the center frequency of each frequency component from the frequency spectrum of the reflected pulse signal of the wide band, in a solution containing fine particles It is characterized in that it comprises an analysis unit for measuring the particle concentration.
In the invention according to claim 2 of the present application, in the fine particle concentration measurement apparatus according to claim 1 of the present application, the ultrasonic transducer of the measurement unit is formed in a continuous concave shape on one surface of a circular lead titanate transducer, The other surface of the circular lead titanate vibrator is formed in a planar shape, and electrodes for supplying an excitation pulse signal are provided on both surfaces of the circular lead titanate vibrator. It is.
[0006]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 4 are diagrams for explaining a fine particle concentration measuring apparatus according to embodiments and examples of the present invention.
FIG. 1 is a block diagram showing the fine particle concentration measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
[0007]
In FIG. 1, a fine particle concentration measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention supplies an ultrasonic pulse wave to a solution containing fine particles, and a reflected pulse obtained from the reflected ultrasonic pulse wave. A measurement unit 3 that obtains a signal and an analysis unit 5 that measures the concentration of fine particles in a solution containing fine particles based on the reflected pulse signal from the measurement unit 3 can be used to measure the concentration of fine particles in a solution containing fine particles. Device.
[0008]
As shown in FIG. 1, the measurement unit 3 includes a container 31 for storing a sample made of a solution containing fine particles (Aqueous solution of particles), and a plano-concave shape disposed in one of the containers 31. And a reflector 35 disposed on the other side inside the container 31 and in the vicinity of the focal position of the ultrasonic transducer 31. ing.
[0009]
The analysis unit 5 supplies an excitation pulse signal to the ultrasonic transducer 33 of the measurement unit 3 and a reflected pulse signal corresponding to a reflected pulse wave from the reflector 35 of the measurement unit 3 of the measurement unit 3. Is obtained from the ultrasonic transducer 33 and converted into predetermined data, and data analysis processing for taking in the predetermined data from the pulse processing means 51 and measuring the particle concentration based on the predetermined data And means 53.
The pulse processing means 51 supplies an excitation pulse signal to the ultrasonic transducer 33 of the measurement unit 3 and ultrasonically oscillates the reflected pulse signal corresponding to the reflected pulse wave from the reflector 35 of the measurement unit 3. The pulsar 51a is taken in from the child 33, and a digital oscilloscope 51b that digitizes the reflected pulse signal from the pulsar 51a.
[0010]
The data analysis processing means 53 is composed of, for example, a personal computer (hereinafter referred to as “computer”), and at least an operating system and an analysis program for measuring the concentration are stored in the computer.
Although not shown, the computer includes a computer main body for executing various processes and operations, a display connected to the computer main body for displaying processing contents, a keyboard connected to the computer main body for inputting necessary data, A mouse connected to the computer main body and used for processing instructions and the like, a printer connected to the computer main body and capable of obtaining a hard copy, and other devices (for example, an external storage device) are provided.
[0011]
The computer main body includes a central processing unit that executes various arithmetic processes, a main memory that develops and stores an operating system and application programs, an input / output port that is an interface with a keyboard, a mouse, and a printer, and the high-speed serial bus An interface, a hard disk device that stores an operating system, application programs, and various data, and other necessary devices are incorporated. The computer main body of the computer stores a predetermined operating system and an analysis program and other programs as application programs in the hard disk device.
[0012]
Furthermore, when the computer turns on the power switch, the computer program is executed after the operating system is expanded and stored in the main memory from the hard disk device, and then the analysis program is started. Is expanded and stored in the main memory so that it can be analyzed.
[0013]
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an ultrasonic transducer used in the fine particle concentration measurement apparatus according to the embodiment of the present invention, in which FIG. 2 (a) is a front view and FIG. 2 (b) is a cross section. Each figure is shown.
As shown in FIGS. 2A and 2B, the ultrasonic transducer 33 of the measurement unit 3 has a concave shape in which one surface of a circular lead titanate transducer 33a having a diameter d is continuous with a radius of curvature r. The other surface of the circular lead titanate vibrator 33a is formed in a planar shape, and both surfaces of the circular lead titanate vibrator 33a (both a flat surface and a concave surface) ) Are provided with electrodes 33b and 33c for supplying an excitation pulse signal. Reference numerals 33d and 33e denote lead wires connected to the electrodes 33b and 33c, and an excitation pulse signal can be applied to the lead wires 33d and 33e.
[0014]
The fact that the particle concentration can be measured by such a particle concentration measuring apparatus 1 will be described in detail below.
First, the principle of the present invention will be briefly described. In the present invention, the concentration of fine particles is measured in real time using broadband ultrasonic waves radiated from a single plano-concave (plano-concave) ultrasonic transducer 33 having broadband properties. The measurement method proposed in the present invention uses a broadband ultrasonic pulse to measure in real time from the attenuation characteristics of the frequency spectrum, and is easier to handle than the conventional method, and the information obtained The feature is that the amount is very abundant.
[0015]
Here, first, it will be explained that the concentration of an aqueous solution containing fine particles having a particle diameter of less than 100 [μm] can be measured from the attenuation characteristics of ultrasonic waves with respect to the concentration.
Since the thickness of the plano-concave ultrasonic transducer 33 continuously changes as shown in the drawing, it is possible to emit ultrasonic waves in a wide frequency band, and the ultrasonic radiation surface is concave. Therefore, it is possible to emit focused ultrasonic waves. For this reason, when an impulse voltage is applied to the ultrasonic transducer 33, a converged ultrasonic pulse with little ringing can be emitted.
[0016]
Further, in the measurement by the fine particle concentration measuring apparatus 1 according to the present invention, as shown in FIG. 1, the ultrasonic vibrator 33 is disposed on one side of a container 31 containing an aqueous solution in which fine particles are dissolved. In addition, a reflector 35 is disposed in the vicinity of the focal point of the ultrasonic transducer 33 and on the other side of the container 31, and an excitation pulse signal is supplied to the ultrasonic transducer 33 from the pulse processing means 51 of the analysis unit 5. A broadband pulse wave is applied to the echo wave, and the echo from the reflector 35 is received by the ultrasonic transducer 33. This is received as a reflected pulse signal by the pulse processing means 51 of the analysis unit 5, and converted into predetermined data. The analysis processing means 53 gives the analysis.
[0017]
Further, the data analysis processing means 53 examines the received pulse frequency spectrum that changes when the concentration of the fine particles is changed.
Here, the used plano-concave ultrasonic transducer 33 is a broadband transducer having a fundamental resonance frequency of 1 to 10 [MHz]. Further, as the excitation pulse signal (voltage) applied to the ultrasonic transducer 33, a rectangular pulse having a pulse width of 60 [nsec] and 5 [ _Vpp ] was supplied. In the present embodiment, one rectangular pulse wave signal is supplied to receive this reflection, but this may be a pulse wave consisting of several pieces.
[0018]
As fine particles to be dissolved in water, two kinds of kaolin (ceramic clay) having an average particle size of 75 [μm] or less and Matsumoto Microsphere F-04E (manufactured by Matsumoto Yushi Seiyaku) having an average particle size of 4 [μm] were used.
Also, 0 [mg] fine particles, 100 [mg] fine particles, 200 [mg] fine particles, 300 [mg] fine particles, 400 [mg] fine particles, and 500 [mg] fine particles with respect to 1 [l] water. mg] fine particles were dissolved, and the fine particle concentrations were 0 [mg / l], 100 [mg / l], 200 [mg / l], 300 [mg / l], 400 [mg / l], and 500 [mg / l]. It was measured using a turbid aqueous solution of [mg / l].
[0019]
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the frequency spectrum of the echo pulse signal when the concentrations of kaolin and microspheres are increased by the fine particle concentration measuring apparatus according to the embodiment of the present invention. FIG. It is the figure which each showed the frequency spectrum in case of kaolin (kaolin), and the frequency spectrum in case FIG.3 (b) is a microsphere (Microsphere). The vertical axis of each characteristic diagram in FIG. 3 is normalized (Nomalized magnitude [dB]) based on the maximum value of the spectrum in the underwater echo pulse wave having a fine particle concentration of zero, and the horizontal axis is the frequency [MHz]. ] Is taken.
[0020]
Further, the fine particle concentration in the aqueous solution was increased by 0 to 500 [mg / l] and measured with the fine particle concentration measurement apparatus 1.
As a result, in the case of the kaolin of FIG. 3A, it can be seen that each frequency component is uniformly attenuated in the frequency band of 1 to 10 [MHz] as the concentration increases.
Next, in the case of the micronus sphere having a particle diameter smaller than that of kaolin, as shown in FIG. 3 (b), the higher the concentration, the higher the attenuation as in the result of FIG. 3 (a). It can also be seen that is larger than the frequency. For this reason, it can be seen that the center frequency of the echo pulse wave also shifts to the low frequency side as the concentration increases. This is considered to be caused by the difference in size and property between the two fine particles used here.
[0021]
Thus, rather than performing measurement by changing the frequency of ultrasonic waves using a plurality of conventional narrow-band ultrasonic transducers, a single broadband ultrasonic wave as in the fine particle concentration measurement apparatus 1 of the present invention. When the measurement is performed with a broadband ultrasonic pulse wave using the sonic transducer 33, not only the concentration of the fine particles but also properties such as the size of the particles can be examined at the same time.
[0022]
FIG. 4 is a characteristic diagram showing an example of a result of examining changes in frequency components with respect to respective particle concentrations using the measurement results shown in FIG. 3 in the particle concentration measuring apparatus according to the embodiment of the present invention. 4 (a) is an attenuation characteristic diagram in the case of kaolin, and FIG. 4 (b) is an attenuation characteristic in the case of a microsphere. In FIG. 4, the vertical axis of each characteristic diagram is normalized (Nomalized magnitude [dB]) based on a value in water at each frequency. In addition, the horizontal axis of the characteristic diagram shown in FIG. 4 (a) is concentration of kaolin (concentration of kaolin in water) [mg / l], and the horizontal axis of the characteristic diagram shown in FIG. 4 (b) is the concentration due to microspheres. (Concentration of microsphere in water) [mg / l].
[0023]
In FIG. 4A, for kaolin, the change at 5 [MHz] near the center frequency of the echo pulse wave is shown.
In FIG. 4B, the microsphere shows the change at 2 [MHz] because the center frequency of the pulse wave changes with the concentration.
From the results shown in FIGS. 4A and 4B, the frequency decreases as the fine particle concentration increases. In the present invention, the fine particle concentration is measured by using this relationship.
[0024]
In the fine particle concentration measuring apparatus 1 according to the embodiment of the present invention, a broadband ultrasonic pulse radiated from the plano-concase ultrasonic transducer 33 is radiated to the sample of the aqueous solution to be measured and reflected from the reflector 35. The reflected pulse signal corresponding to the echo pulse wave is extracted by the ultrasonic transducer 33, and the fine particle concentration in the liquid as the sample is measured from the change in the spectrum of the reflected pulse signal according to the concentration of the sample in the aqueous solution. It is a thing.
[0025]
As a result, in the conventional apparatus, measurement must be performed using a plurality of different ultrasonic transducers, and the measurement takes time. However, in the fine particle concentration measurement apparatus 1 of the present invention, the plano-concave ultrasonic vibration is used. Since a broadband ultrasonic pulse can be used for the child 33 and a large amount of data can be obtained by one transmission / reception wave, information such as the magnitude of fine particles can be obtained simultaneously by using a broadband ultrasonic wave. It can be measured.
According to the fine particle concentration measurement apparatus 1 according to the embodiment of the present invention, it is considered that simplification of measurement and real time can be achieved.
Further, according to the fine particle concentration measuring apparatus 1 according to the embodiment of the present invention, the frequency component attenuates in a curve as the concentration increases due to the particle concentration of two kinds of fine particles and the change of the frequency component. This makes it possible to reliably measure the concentration.
[0026]
As described above, according to the fine particle concentration measurement apparatus 1 according to the embodiment of the present invention, since a broadband pulse wave is used for the ultrasonic wave, the measurement can be performed in a short time, and the vibrator for sending the ultrasonic wave to the sample The transducer that receives the ultrasonic wave that has passed through the sample may be the same, the number of parts is reduced, the operation is simple, and only one ultrasonic transducer is required, so the operation is simple Measurement is easy.
In the above-described embodiment, the description has been given on the assumption that a spherical concave portion is formed on one surface of the ultrasonic transducer 33. However, the present invention is not limited to this, and for example, a parabolic concave portion may be formed. And it is good also as a conical recessed part. In addition, the concave portion of the ultrasonic transducer 33 may be formed in a concave portion on a stepped surface instead of a concave portion on a continuous surface, or may have a flat plate shape as long as it shows a wide range characteristic and convergence. Any shape can be used.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, the present invention has the following effects.
(1) Since a broadband pulse wave is used for ultrasonic waves, there is an advantage that measurement can be performed in a short time.
(2) The vibrator for sending ultrasonic waves to the sample and the vibrator for receiving the ultrasonic waves that have passed through the sample may be common, the number of parts is reduced, and the operation is simple.
(3) Since only one ultrasonic transducer is required, the operation is simple and the measurement is easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a fine particle concentration measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an ultrasonic transducer used in the fine particle concentration measurement apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a frequency spectrum of an echo pulse signal when the concentrations of kaolin and microspheres are increased by the fine particle concentration measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
4 is a characteristic diagram showing an example of a result obtained by examining changes in frequency components with respect to respective particle concentrations using the measurement results shown in FIG. 3 in the particle concentration measuring apparatus according to the embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 5 is a block diagram showing the principle of a conventional fine particle concentration measuring apparatus.
FIG. 6 is a perspective view showing a configuration example of a measurement unit in a conventional fine particle concentration measurement apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fine particle concentration measuring apparatus 3 Measuring part 5 Analyzing part 31 Container 33 Ultrasonic transducer (Transducer)
33a Circular lead titanate vibrators 33b, 33c Electrode 35 Reflector
51 Pulse processing means 51a Pulser (Pulser)
51b Digital oscilloscope
53 Data analysis processing means (Personal computer)

Claims

In a fine particle concentration measuring apparatus that measures the fine particle concentration in a solution containing fine particles using ultrasonic waves,
It is composed of a single ultrasonic transducer having a flat and concave shape and having broadband characteristics, and a reflector disposed in the vicinity of the focal position of the ultrasonic transducer. From the ultrasonic transducer to a solution containing fine particles In contrast, a broadband ultrasonic pulse wave is supplied, a broadband reflected pulse signal is received from the reflected ultrasonic pulse wave from the reflector by the ultrasonic transducer, and a spectrum of an underwater echo pulse wave having a fine particle concentration of zero is received . An analysis unit that normalizes with respect to a maximum value and measures the concentration of fine particles in a solution containing fine particles based on the attenuation characteristics of each frequency component from the frequency spectrum of the broadband reflected pulse signal or the shift degree of the center frequency. A fine particle concentration measuring apparatus comprising:

The ultrasonic transducer of the measurement unit is formed in a continuous concave shape on one surface of a circular lead titanate transducer, the other surface of the circular lead titanate transducer is formed in a planar shape, and 2. The fine particle concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein electrodes for supplying an excitation pulse signal are provided on both surfaces of the circular lead titanate vibrator.