JP2000283920A - 流動状態解析装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】固体、液体、気体からなる３相系溶液の流動状
態を高精度に測定する。 【解決手段】固形物と気泡の少なくとも一方を測定対象
物として含む液体の流動状態を解析する装置２である。
この装置２は、光ファイバ４ａ、４ｂを折り曲げた折り
曲げ部を削って形成され液体内に備えられるプローブ５
ａ、５ｂと、このプローブ５ａ、５ｂを形成する光ファ
イバ４ａ、４ｂの一端に光を投光する投光手段３と、プ
ローブ５ａ、５ｂを形成する光ファイバ４ａ、４ｂの他
端から光を受光する受光手段６と、この受光手段６によ
って受光した光の状態に基づいて、測定対象物の種別判
定、測定対象物の径測定、測定対象物の移動速度測定、
液体の容積に対する測定対象物の容積の割合測定のう
ち、少なくとも一つを実行する解析手段とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体（固相）、気
体（気相）、液体（液相）からなる３相系溶液中の固形
物ならびに気泡の径、移動特性、ホールドアップ（volu
me of material held or contained in a process：溶
液の容積に対する固形物又は気泡の容積の割合）を測定
する流動状態解析装置及び方法に関し、例えば微生物固
定化担体を利用する排水処理装置である気液固３相流動
床における固体物ならびに気泡の径、移動特性、ホール
ドアップを測定する流動状態解析装置及び方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】下水処理システム、排水処理システムに
おいては、例えば下水又は排水に微生物固定化担体が混
ぜられ、担体投入型生物反応漕を用いて浄化処理がなさ
れる。

【０００３】図６は、下水処理システムの概略を示すブ
ロック図である。

【０００４】この下水処理システム１においては、まず
流入された下水に対して第１沈殿池１ａで浄化がなされ
る。

【０００５】次に、第１沈殿池１ａで浄化された下水に
担体が加えられ、担体投入型生物反応漕１ｂによって生
物反応による浄化がなされる。

【０００６】次に、この担体投入型生物反応漕１ｂの生
物反応によって浄化された下水から担体が分離スクリー
ン１ｃによって分離される。

【０００７】そして、担体が分離された下水が第２沈殿
池１ｄで浄化され、処理水として流出される。

【０００８】ここで、例えば担体投入型生物反応漕１ｂ
等のような化学工学、生物工学上の反応装置で扱う気
体、液体、固体を含む多相溶液の流動状態を測定するこ
とは、液体の状態を各種の処理条件として利用する場合
や、反応装置内の現状を認識する場合に有用である。

【０００９】従来において、反応装置における多相溶液
の状態を測定する方法として、液体と気体を含む２相系
溶液における気泡の状態の測定方法が適用されている。
すなわち、多相溶液であっても、２相系溶液における気
泡の状態測定を行い、この気泡の状態測定により多相溶
液の状態を判断している。

【００１０】従来から利用されている２相系溶液におけ
る気泡の状態測定方法には、例えば写真撮影法、ビデオ
撮影法、透過光強度測定法、レーザードップラー法、電
気探針法、超音波反射・透過法、光プローブ法等があ
る。

【００１１】ここで、写真撮影法又はビデオ撮影法は、
溶液の映像を撮影し、この映像を画像解析して気泡の状
態を求めるものである。

【００１２】また、透過光強度測定法、レーザードップ
ラー法、電気探針法、超音波反射・透過法は、光や電
流、超音波等の信号を溶液に発信し、次に溶液を透過後
あるいは溶液から反射された後の光や電流、超音波等の
信号を受信し、この受信した信号の結果に基づいて気泡
の状態を求めるものである。

【００１３】さらに、光プローブ法は、実開昭５７−１
６６１１４号公報、実開昭５８−６９２０６号公報に開
示されている手法であり、信号の発信部、検出部及び伝
達部に光ファイバを使用する方法である。この光プロー
ブ法に利用されるセンサにおいては送信ファイバと受信
ファイバとが別々に設けられている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来においては、多相溶液の状態を調べる場合であって
も２相系溶液における気泡の状態測定方法を適用してい
る。

【００１５】しかしながら、上記の透過光強度測定法、
レーザードップラー法、電気探針法、超音波反射・透過
法は、液体と気体の間の密度、屈折率、電気伝導度等の
差を利用して溶液の状態を測定する方法であり、これら
の方法によって液体中の気泡の状態を測定しても直接測
定に関わらない固体によって液体中の信号の伝搬が妨げ
られ、精度の高い測定ができない。すなわち、これらの
方法は、気体及び液体からなる２相系溶液に適用する場
合には比較的良好な精度で測定可能であるが、３相系の
溶液の場合に適用すると、固体がその測定を妨害し、気
体の測定精度に問題が生じる。

【００１６】また、写真撮影法及びビデオ撮影法は、映
像を解析する方法であるため、２次元のモデルには適用
可能であるが、３次元のモデルのように撮影面からさら
に幅（厚さ）がある場合には撮影しきれない部分（溶液
の内部）が発生し、この部分の状態が測定不可能であ
る。

【００１７】さらに、従来の光プローブ法は、液体中に
含まれている気体の測定を主な目的としており、固体は
一般的に反射光が弱いため測定対象とされていない。こ
こで、弱い反射を生じさせる障害物を固体として検出
し、固体の状態を測定したとしても、液体中の気体及び
固体の双方を同時に計測できなくなるという問題があ
る。すなわち、この従来の光プローブ法によって３相溶
液の解析を行う場合、反射光の波形から液体に含まれて
いる固体、気体を区別することは困難である。

【００１８】このように、従来から適用されている液体
中の気体の状態を測定する方法では、固体、液体、気体
からなる３相系の状態を解析することができない。

【００１９】本発明は、以上のような実状に鑑みてなさ
れたもので、光ファイバを折り曲げ、この折り曲げ部を
削って形成される光プローブを利用することで、固体、
気体を含む液体の流動状態を高精度に解析する流動状態
解析装置及び方法を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために以下のような手段を講じた。

【００２１】第１の発明は、固形物と気泡の少なくとも
一方を測定対象物として含む液体の流動状態を解析する
装置であって、光ファイバを折り曲げた折り曲げ部を削
って形成され、液体内に備えられる少なくとも一つのプ
ローブと、プローブを形成する光ファイバの一端に光を
投光する投光手段と、プローブを形成する光ファイバの
他端から光を受光する受光手段と、受光手段によって受
光した光の状態に基づいて、測定対象物の種別判定、測
定対象物の径測定、測定対象物の移動速度測定、液体の
容積に対する測定対象物の容積の割合測定のうち、少な
くとも一つを実行する解析手段とを具備した流動状態解
析装置である。

【００２２】この第１の発明の流動状態解析装置では、
光ファイバを折り曲げた際の折り曲げ部を削ったプロー
ブが用いられる。この光ファイバの一端から投光された
光の一部は折り曲げ部から液体内に放射される。液体内
に放射された光は、固形物又は気泡に当たって反射さ
れ、再び光ファイバに入り、この光ファイバの他端に伝
達された光の光量が測定される。なお、気泡が直接プロ
ーブに接する場合もあるが、この場合には光ファイバの
一端から投光された光の一部は折り曲げ部から気泡内に
放射され、気泡内に放射された光が反射され、再び光フ
ァイバに入り、この光ファイバの他端に伝達された光の
光量が測定される。

【００２３】この光ファイバの他端に受光される光量の
変化を調べると、反射体があるか否かを識別可能であ
り、また反射体がある場合にはこの反射体が固形物か又
は気泡かを識別可能である。

【００２４】したがって、この反射光量の変化によっ
て、液体中の気体又は固体の種別判定が可能である。

【００２５】また、このプローブを２つ並べて設置し、
光ファイバの他端に伝達される光の量の変化の時間差に
よって固形物又は気泡の移動速度が求められる。

【００２６】さらに、光量の変化（固形物又は気泡の検
出されている時間長）と移動速度とによって、固形物又
は気泡の径の測定が可能である。

【００２７】さらに、光量の変化によって所定時間内に
検出される固形物又は気泡の数とこの所定時間内に検出
された固形物又は気泡の径とから固形物又は気泡の容積
を求め、この求めた容積から固形物又は気泡のホールド
アップ（充填率）を求めることができる。なお、固形物
及び気泡のホールドアップは、プローブにおけるそれぞ
れの検出時間を全測定時間で除したものとして算出する
こともできる。

【００２８】ゆえに、多相溶液に含まれる固形物及び気
泡の双方の状態を同時に測定することができ、また削り
部から放射されて多相溶液中を透過する光の反射により
測定がなされるため、３次元的な反応装置における多相
溶液の流動状態も良好に測定できる。

【００２９】第２の発明は、固形物と気泡の少なくとも
一方を測定対象物として含む液体の流動状態を解析する
方法であって、光ファイバを折り曲げた折り曲げ部を削
って形成された少なくとも一つのプローブを前記液体内
に備え、プローブを形成する光ファイバの一端から光を
投光し、プローブを形成する光ファイバの他端から光を
受光し、受光された光の状態に基づいて、測定対象物の
種別判定、測定対象物の径測定、測定対象物の移動速度
測定、液体の容積における測定対象物の容積の割合測定
のうち、少なくとも一つを実行する流動状態解析方法で
ある。

【００３０】この第２の発明の流動状態解析方法は、上
記第１の発明の流動状態解析解析装置で実施される解析
方法であり、第１の発明と同様の作用効果を得ることが
できる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。

【００３２】本実施の形態においては、光ファイバを折
り曲げて削った光プローブを用いて、この光プローブの
前方に気相又は固相があるか否かを解析し、気相又は固
相の状態を解析することでこの気相及び固相を含む液相
の流動状態を解析する流動状態解析装置について説明す
る。

【００３３】図１は、本実施の形態に係る流動状態解析
装置の構成を示すブロック図である。

【００３４】この流動状態解析装置２は、主に投光器３
と、２本の光ファイバ４ａ、４ｂを加工して生成される
２つの光プローブ５ａ、５ｂと、受光器６と、データ処
理装置７とから構成される。

【００３５】投光器３は、各光ファイバ４ａ、４ｂの一
端側に光を投光するレーザ投光用コリメータであり、例
えば波長６５０ｎｍの赤色レーザ発光ダイオード３ａ、
３ｂ（ｍａｘ１．５ｍＷ）が２つ利用される。

【００３６】各光プローブ５ａ、５ｂは、一端が投光器
３に接続され他端が受光器６に接続された光ファイバ４
ａ、４ｂを折り曲げ、この折り曲げ部の先端を削って生
成される。折り曲げ部の先端からは投光器３によって光
ファイバ４ａ、４ｂに投光されたレーザの一部が放射さ
れ、この放射先に固相又は気相等のような反射体がある
とこの放射されたレーザが反射され、この反射体による
反射光が再び折り曲げ部の先端から光ファイバ４ａ、４
ｂ内に取り入れられる。

【００３７】図２は、光プローブ５ａ、５ｂを生成する
ために光ファイバを折り曲げて削る状態を示す図であ
る。

【００３８】光ファイバ４の折り曲げの曲率及び研削量
は、反射体が固相であるか気相であるかを反射光量から
分別可能な領域となるように設定される。

【００３９】一般的に、気相についてはどのような研削
量においても十分な反射感度が得られるため、固相につ
いて良好な反射感度が得られるような折り曲げ曲率及び
研削量が用いられる。

【００４０】すなわち、反射光の応答は、３相溶液の条
件（固形物の形状、表面性状、３相のホールドアップ、
吹き込みガス量等の条件）によって異なるため、気相、
液相、固相とで異なる応答波形が発生するように、光フ
ァイバ４の折り曲げ曲率及び研削量は調整される。

【００４１】なお、ここでは光ファイバ４の折り曲げ部
先端の削り量は、反射光の量が反射体によって最も異な
るような削り量をトライアンドエラーによって定めると
する。

【００４２】図３は、光プローブ５ａ、５ｂの外観を示
す側面図であり、２つの光プローブ５ａ、５ｂが組み合
わされている。

【００４３】各光プローブ５ａ、５ｂは、ぞれぞれ直径
０．２５ｍｍの光ファイバ４ａ、４ｂが折り曲げられ、
この折り曲げ部の先端が削られて形成される。各光ファ
イバ４ａ、４ｂは、それぞれタイゴン・チューブ３０
ａ、３０ｂ内を通過し、外径１．２ｍｍ、内径０．８ｍ
ｍのステンレス管８ａ、８ｂの一端側から挿入され、折
り曲げ部がステンレスパイプ８ａ、８ｂの他端側に１．
５ｍｍ突き出た状態でエポキシ樹脂９により固定されて
いる。また、２本のステンレスパイプ８ａ、８ｂは、そ
れぞれの軸が平行になり、それぞれが有する光ファイバ
４ａ、４ｂの折り曲げ部の中心距離が２．０ｍｍとなる
ように外径４ｍｍのステンレス棒３１に固定されてい
る。さらにこのステンレス棒３１が外径４．２ｍｍのス
テンレス管１０に固定されている。このステンレス管１
０とタイゴン・チューブ３０ａ、３０ｂはエポキシ樹脂
９により固定されている。

【００４４】ステンレス管１０の軸方向の長さは２２ｍ
ｍであり、ステンレス棒３１はステンレス管１０から軸
方向に１５ｍｍ突出しており、さらにステンレス管８
ａ、８ｂはステンレス管１０から軸方向に２０ｍｍ突出
している。

【００４５】図１の受光器６は、各光ファイバ４ａ、４
ｂの他端側で検出される微弱の光信号を電気信号に変換
し、増幅してデータ処理装置７に出力する装置であり、
光電子増倍管（Photomultiplier）１１ａ、１１ｂ、マ
ルチ出力型直流安定化電源１２、フォトセンサアンプ１
３ａ、１３ｂとから構成される。

【００４６】マルチ出力型直流安定化電源１２は、高圧
電源を光電子増倍管１１ａ、１１ｂに提供する装置であ
り、ここでは−（４００〜１５００）Ｖ、１Ａの電源を
提供可能な装置が利用されている。

【００４７】光電子増倍管１１ａ、１１ｂは、波長１８
５〜８５０ｎｍの範囲で光を受光可能な装置であり、受
光した光を電気信号としてフォトセンサアンプ１３ａ、
１３ｂに出力する装置である。

【００４８】フォトセンサアンプ１３ａ、１３ｂは、光
電子増倍管１１ａ、１１ｂから出力された電気信号を増
幅してデータ処理装置７に出力する。

【００４９】データ処理装置７は、フォトセンサアンプ
１３ａ、１３ｂから入力したアナログの電気信号をＡ／
Ｄ変換器によってデジタルの電気信号に変換する。ま
た、このデータ処理装置７は、ソフトウェアとして電気
信号のデジタルサンプリング用プログラム、信号処理用
プログラム、統計解析用プログラムを備えている。

【００５０】図４は、データ処理装置７で得られる電気
信号の変化状態例を示す図である。

【００５１】光プローブの前方を気泡が通過した場合に
は、データ処理装置７で観測される電気信号の電圧値が
大きく上昇する。そこで、気泡識別用のしきい値ＴＢを
定め、このしきい値ＴＢを電気信号の電圧値が超える場
合を気泡通過状態Ｂと考えることができる。

【００５２】また、光プローブの前方を固形物が通過し
た場合には、電気信号の電圧値が気泡の通過時ほどでは
ないが上昇する。そこで、固形物識別用のしきい値ＴＰ
を定め、このしきい値ＴＰを電気信号の電圧値が超える
場合を固形物通過状態Ｐと考える。

【００５３】したがって、このデータ処理装置７は、上
記ソフトウェア群の処理により、電気信号の電圧の変化
状態としきい値ＴＢ、ＴＰとを比較し、各光プローブ５
ａ、５ｂの前方の固相又は気相の有無を判定する。

【００５４】また、２つの光プローブ５ａ、５ｂによっ
て固形物又は気泡が検出される時間差と２つの光プロー
ブ５ａ、５ｂの折り曲げ部の距離とに基づいて、検出さ
れた固形物又は気泡の移動速度を求める。

【００５５】さらに、光プローブ５ａ、５ｂのいずれか
の前方を固形物又は気泡が通過する時間と先で測定され
た固形物又は気泡の移動速度とに基づいて、いずれかの
光プローブ前方の固形物又は気泡の径を求める。

【００５６】さらに、所定時間内に検出された固形物又
は気泡の数、当該所定時間内に測定された固形物又は気
泡の径、先で測定された固形物又は気泡の移動速度とに
基づいて、固形物又は気泡のホールドアップを計算で求
める。

【００５７】上記のような構成を有する流動状態解析装
置２によって実行される流動状態解析動作について以下
に説明する。

【００５８】本実施の形態に係る流動状態解析装置２
は、例えばアルコール製造処理や排水処理などで利用さ
れる生物化学反応漕内の３相溶液の流動状態を解析す
る。

【００５９】この生物化学反応漕の３相溶液内には、こ
の流動状態解析装置２の２つの光プローブ５ａ、５ｂが
設置されており、投光器３からのレーザが各光ファイバ
４ａ、４ｂの一端に投光される。

【００６０】投光器３から投光されたレーザは、各光フ
ァイバ４ａ、４ｂによって伝達されるが、このレーザの
一部は各光ファイバ４ａ、４ｂの折り曲げ部でクラッド
層に漏出され、さらに削り部から溶液中に放出される。

【００６１】ここで、光プローブ５ａ、５ｂの削り部か
ら放出されるレーザの放出先（以下、「光プローブの前
方」という）に固形物や気泡がある場合には、この放出
されたレーザが固形物や気泡によって反射される。そし
て、この反射された光は、再び光プローブ５ａ、５ｂの
削り部から光ファイバ４ａ、４ｂ内部に取り入れられ、
放出されなかったレーザとともに光ファイバ４ａ、４ｂ
の他端側に導かれる。

【００６２】受光器６では各光ファイバ４ａ、４ｂの他
端側に導かれたレーザの光量が検出され、この検出され
た光量に関するデータがデータ処理装置７に出力され
る。

【００６３】データ処理装置７では、光量の変化に基づ
いて各光プローブ５ａ、５ｂの前方に固形物又は気泡が
あるか否かが判定される。また、２つの光プローブ５
ａ、５ｂの前方に固形物又は気泡があると判定された場
合の時間差と２つの光プローブ５ａ、５ｂの折り曲げ部
の距離に基づいて、固形物又は気泡の移動速度が測定さ
れる。さらに、光プローブ５ａ、５ｂのいずれかの前方
に固形物又は気泡があると判定された時間長（光プロー
ブ前方を固形物又は気泡が通過する時間）と測定された
固形物又は気泡の移動速度とに基づいて、この光プロー
ブ前方に存在する固形物又は気泡の径が測定される。さ
らに、所定時間内に測定された固形物又は気泡の径から
気泡又は固体の体積が推定され、この気泡又は固体の体
積と、所定時間内に測定された固形物又は気泡の数と、
測定された固形物又は気泡の移動速度とに基づいて、固
形物又は気泡のホールドアップが測定される。

【００６４】以上説明したように、本実施の形態に係る
流動状態解析装置２においては、光ファイバ４ａ、４ｂ
を２つに折り曲げ、その先端を削り取って形成した光プ
ローブ５ａ、５ｂが液体中に配置され、この光プローブ
５ａ、５ｂを構成する光ファイバ４ａ、４ｂで伝達され
る光の量が検出される。

【００６５】すなわち、光ファイバ４ａ、４ｂを削った
ことにより入射光の一部が３相溶液中に放射され、固形
物や気泡に当たって反射した光が再び光プローブ５ａ、
５ｂ内に取り込まれる。そして、この反射光の信号が解
析され、３相溶液の流動状態が解析される。

【００６６】この流動状態解析装置２においては、送信
側から受光側まで伝達されるレーザ光線が一本の光ファ
イバ４ａ、４ｂによって導かれる。したがって、この流
動状態解析装置の光プローブ５ａ、５ｂは、従来の光プ
ローブ法で用いられるセンサ（送信ファイバと受信ファ
イバが別となっている）に比べ、反射光の検出感度が約
１０倍以上、場合によっては１００倍近く向上する。

【００６７】したがって、この光プローブ５ａ、５ｂを
介して伝達されるレーザ光の光量は、当該光プローブ５
ａ、５ｂの前方に液相のみが存在する場合、気相が存在
する場合、固相が存在する場合でそれぞれ大きく相違す
るため、光プローブ５ａ、５ｂの前方における固形物や
気泡の有無判定が可能となる。

【００６８】また、この光プローブ５ａ、５ｂを２つ並
べて配置することで固形物又は気泡の移動速度が測定さ
れる。

【００６９】さらに、測定された固形物又は気泡の移動
速度と一方の光プローブ５ａ、５ｂの前方を固形物又は
気泡が通過する時間とに基づいて、固形物又は気泡の径
が測定される。

【００７０】さらに、観測された固形物又は気泡の数
と、測定された固形物又は気泡の移動速度と、各固形物
又は気泡の径とに基づく演算によって、固形物又は気泡
のホールドアップが測定される。

【００７１】したがって、３相溶液中に含まれる固形物
及び気泡の双方の状態を同時に測定することができる。

【００７２】また、本実施の形態においては、光プロー
ブ５ａ、５ｂを構成する光ファイバ４ａ、４ｂの削り部
から３相溶液中に放射されたレーザ光の反射具合によっ
て固形物と気泡のうちの少なくとも一つの状態が測定さ
れるため、３次元的に３相溶液内部の流動状態が解析可
能である。

【００７３】なお、本実施の形態に係る流動状態解析装
置２の構成要素において採用されている各寸法は一例に
すぎず、測定対象や測定状況によって最適な寸法に変更
可能である。

【００７４】

【実施例】（実施例１）本発明の第１の実施の形態に係
る流動状態解析装置２の測定精度について以下に説明す
る。なお、ここでは既知の値及びビデオ撮影法による測
定値と、本発明によって得られる測定値とを比較し、精
度の良否を判断する。

【００７５】図５は、本発明の流動状態解析装置２によ
って測定された値の精度調査を行うための２次元気泡モ
デル水槽を示す斜視断面図である。

【００７６】ここでは例として、内寸が幅１ｍ、空気を
吹き込まない状態での有効水深２ｍ、奥行き３ｃｍの２
次元気泡モデル水槽１４が適用されている。

【００７７】また、この２次元気泡モデル水槽１４に
は、この水槽１４の中央付近を縦に区切る仕切り板１５
が設けられている。

【００７８】この２次元気泡モデル水槽１４には固形物
１６を含む水が満たされる。なお、固形物１６として
は、直径４．０ｍｍ、比重１．０３のプラスチックビー
ズを用いる。また、ここでは、液体に対するホールドア
ップ（充填率）が体積換算で３％となる量の固形物１６
が水に含まれている。

【００７９】さらに、この２次元気泡モデル水槽１４に
は、仕切り板１５で分けられた一方の底部に空気吹き込
み用のディフューザ１７が設置されており、このディフ
ューザ１７から空気が水中に吹き込まれて気泡１８が生
成され、固形物１６及び水が流動化される。

【００８０】第１の実施の形態に係る流動状態解析装置
２による流動状態の解析位置は、仕切り板１５で分けら
れた２次元気泡モデル水槽２の一方側の上部、中部、下
部、及び仕切り板１５で分けられた他方側の上部、中
部、下部の６点である。

【００８１】表１は、既知の値、ビデオ撮影法による測
定結果、本発明による測定結果の測定値の比較を示して
いる。

【００８２】なお、本発明による測定結果である固形物
１６又は気泡１８の移動速度には、測定点Ｂで測定され
た移動速度を用いている。また、この移動速度以外の測
定値としては、測定点Ａ〜Ｆで測定された値の平均値を
用いている。

【００８３】

【表１】

【００８４】この表１の測定結果が示すように、本発明
により測定された固形物１６の径は４．０３ｍｍであ
り、固形物１６の径として既に知られている値４．０ｍ
ｍとほぼ同様である。

【００８５】また、本発明により測定された固形物１６
のホールドアップは３．０５％であり、固形物１６のホ
ールドアップとして既に知られている値３．０％とほぼ
同様である。

【００８６】さらに、本発明により測定された固形物１
６の移動速度２１．２ｃｍ／秒、気泡１８の径３．２ｍ
ｍ、気泡１８の移動速度３３．４ｃｍ／秒、気泡１８の
ホールドアップ２．３％は、それぞれビデオ撮影法によ
り測定された固形物１６の移動速度２１．１ｃｍ／秒、
気泡１８の径３．２ｍｍ、気泡１８の移動速度３３．３
ｃｍ／秒、気泡１８のホールドアップ２．２％とほぼ同
様である。すなわち、本発明により測定された各測定値
は、ビデオ撮影法により測定された各測定値と±５％以
内の差しか有さない結果となる。

【００８７】以上の比較結果により、本発明を適用する
ことで、３相溶液における固相及び気相の移動速度、
径、ホールドアップの測定が高精度に可能であり、良好
な流動状態の解析が可能なことが分かる。

【００８８】（実施例２）本発明は液体中に放出された
光の反射具合に基づいて流動状態を解析するため、２次
元的な状態の３相溶液に限られず、３次元的な状態の３
相溶液に対して流動解析が可能である。

【００８９】上記の実施例１において精度の良否判定を
２次元モデルで行ったのは、本発明以外の流動状態の解
析手法では３次元モデルにおける気泡の径、気泡の移動
速度が測定不能であり、本発明と他の方法とで結果の比
較ができないためである。

【００９０】しかしながら、３次元モデルにより良否判
定を行う場合であっても、固形物の径、固形物のホール
ドアップに関しては既知の値と本発明による測定値とを
比較すればよく、また気体のホールドアップに関しては
演算で推定される値と本発明による測定値とを比較すれ
ば測定精度の良否判定が可能となる。

【００９１】すなわち、ここでは、固形物の径は、先の
実施例１の場合と同様に予め径が知られている固形物を
水に含ませる。また、固形物のホールドアップは、水へ
の固形物の投入量から予め求める。さらに、気体のホー
ルドアップは、｛（気泡を吹き込んでいる時の水面の高
さ−気泡を吹き込まない時の水面の高さ）×水槽の垂直
方向の断面積｝により算出される。そして、これらの値
と、本発明による測定値とを比較し、良否判定を試み
る。

【００９２】以上のような点に鑑み、ここでは３次元モ
デルとして、内径が３０ｃｍであり高さが４ｍの外筒管
と、内径が１７ｃｍであり外径が１８ｃｍであり高さが
３．７ｍの内筒管とから構成されるドラフトチューブ式
の反応装置（ドラフト管つき気泡塔）により良否判定を
試みる。なお、このドラフトチューブ式の反応装置で
は、内筒管内部を気泡が上昇し、内筒管と外筒管の間を
戻り水が流れる。

【００９３】このドラフトチューブ式反応装置におい
て、本発明により測定された固体の径は、既に知られて
いる固体の径と±５％以内の差しか有さない。また、本
発明により測定された固体のホールドアップも、既に知
られている固体のホールドアップと±５％以内の差しか
有さない。さらに、本発明により測定された気泡のホー
ルドアップも、算出された気泡のホールドアップと±５
％以内の差しか有さない。

【００９４】以上の比較結果により、本発明を適用する
ことで、３次元のモデルにおいても、３相溶液における
固相及び気相の径、ホールドアップ等の測定が高精度に
可能であることが分かる。

【００９５】

【発明の効果】以上詳記したように本発明では、光ファ
イバを折り曲げ、この折り曲げ部の先端を削って形成し
たプローブを３相溶液内に備える。そして、この光ファ
イバの一端に投光した光を光ファイバの他端において受
光し、検出する。

【００９６】この光ファイバで伝達される光の一部は、
プローブの削り部から溶液中に放出されるが、この放出
された光は放出先に固形物又は気泡のような測定対象物
があれば反射され、再びプローブ内部に取り込まれる。

【００９７】また、プローブを形成する際の光ファイバ
の折り曲げや削りは、プローブ内部に取り込まれる反射
光の量が反射対象物の種別によって大きく変化するよう
に行われている。

【００９８】したがって、本発明においては、プローブ
の削り部から放出された光の放出先に固形物又は気泡が
あるか否かを高精度に識別可能である。

【００９９】また、上記のプローブを２つ用いることに
より、識別された固形物又は気泡の移動速度、径、ホー
ルドアップが高精度に測定される。

【０１００】したがって、本発明を適用することで、多
相溶液に含まれている固形物及び気泡の双方の状態を同
時に解析することができる。

【０１０１】また削り部から放射されて多相溶液中を透
過する光の反射により測定がなされるため、３次元的な
反応装置における多相溶液内部の流動状態も良好に解析
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る流動状態解析装置の
構成を示すブロック図。

【図２】光プローブを生成するために光ファイバを折り
曲げて削る状態を示す図。

【図３】光プローブの外観を示す側面図。

【図４】データ処理装置で得られる電気信号の変化状態
例を示す図。

【図５】本発明の流動状態解析装置によって測定された
値の精度調査を行うための２次元気泡モデル水槽を示す
斜視断面図。

【図６】下水処理システムの概略を示すブロック図。

【符号の説明】

１…下水処理システム ２…流動状態解析装置 ３…投光器 ３ａ、３ｂ…赤色レーザ発光ダイオード ４ａ、４ｂ…光ファイバ ５ａ、５ｂ…光プローブ ６…受光器 ７…データ処理装置 ８ａ、８ｂ、１０…ステンレス管 ３０ａ、３０ｂ…タイゴン・チューブ ３１…ステンレス棒 ９…エポキシ樹脂 １１ａ、１１ｂ…光電子増倍管 １２…マルチ出力型直流安定化電源 １３ａ、１３ｂ…フォトセンサアンプ １４…２次元気泡モデル水槽 １５…仕切り板 １６…固形物 １７…ディフューザ １８…気泡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土屋 活美 徳島県徳島市南常三島町２丁目１番地 徳 島大学工学部化学応用工学科内 Ｆターム(参考） 2F065 AA26 AA61 CC00 FF32 FF44 GG06 JJ05 JJ17 LL02 NN13 QQ01 QQ03 QQ08 QQ25 2G059 AA05 BB04 CC20 EE02 FF07 GG01 GG03 HH01 HH02 HH06 JJ17 KK02 KK03 MM05 MM09

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固形物と気泡の少なくとも一方を測定対
   象物として含む液体の流動状態を解析する装置であっ
   て、 光ファイバを折り曲げた折り曲げ部を削って形成され、
   前記液体内に備えられる少なくとも一つのプローブと、 前記プローブを形成する光ファイバの一端に光を投光す
   る投光手段と、 前記プローブを形成する光ファイバの他端から光を受光
   する受光手段と、 前記受光手段によって受光した光の状態に基づいて、前
   記測定対象物の種別判定、前記測定対象物の径測定、前
   記測定対象物の移動速度測定、前記液体の容積に対する
   前記測定対象物の容積の割合測定のうち、少なくとも一
   つを実行する解析手段とを具備したことを特徴とする流
   動状態解析装置。
2. 【請求項２】 固形物と気泡の少なくとも一方を測定対
   象物として含む液体の流動状態を解析する方法であっ
   て、 光ファイバを折り曲げた折り曲げ部を削って形成された
   少なくとも一つのプローブを前記液体内に備え、 前記プローブを形成する光ファイバの一端から光を投光
   し、 前記プローブを形成する光ファイバの他端から光を受光
   し、 前記受光された光の状態に基づいて、前記測定対象物の
   種別判定、前記測定対象物の径測定、前記測定対象物の
   移動速度測定、前記液体の容積における前記測定対象物
   の容積の割合測定のうち、少なくとも一つを実行するこ
   とを特徴とする流動状態解析方法。