JP2023030579A - ナノバブル濃度の評価システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易にナノバブル水の濃度を評価できる、ナノバブル濃度の評価システムを提供する。【解決手段】ナノバブル濃度の評価システムＳは、ナノバブル水が貯留される容器２と、容器２にレーザ光を照射するレーザ光源１と、容器２内のレーザ光の経路の画像を撮影するカメラ３と、カメラ３によって撮影された画像に基づいて、ナノバブル水の濃度を評価する演算部としてのコンピュータ４と、を備えている。演算部としてのコンピュータ４は、カメラ３によって撮影された画像の輝度の平均値又はＲＧＢ値の平均値に基づいて、ナノバブル水の濃度を計算するようにされている。【選択図】図１

Description

本発明は、ナノバブル濃度の評価システムに関するものである。

一般に、１μｍ以下のナノレベルの微細な気泡は、ナノバブル又はウルトラファインバブルと呼ばれている。このナノバブルは、水中でも長時間安定して滞留し続けることが可能であり、ナノバブルを含む水（ナノバブル水）は、水質の改善や機器の洗浄等のさまざまな用途への適用が進められている。

ところで、ナノバブル水に含有される微細な気泡（ナノバブル）は、水中では目視することができない。水中におけるナノバブルの濃度、粒径分布を評価する方法としては、「動的光散乱法」、「レーザー回折散乱法」といった手法が知られているが、いずれも高価な専用の測定機器を必要としている。

また、例えば特許文献１のナノバブル発生確認装置は、貯水槽と、レーザー光源と、覗き窓と、から構成されて、可視光レーザーを散乱させて覗き窓を通じて観察できるようになっている。そのため、水中のナノバブルの有無を確認できる、とされている。

特開２０１７－２１１２１３号公報

しかしながら、従来の専用の測定機器は高価であるうえ、現場で簡易に濃度を評価できるものではなかった。一方、特許文献１のナノバブル発生確認装置は、覗き窓を通じて目視するものであり、ナノバブル水の濃度を評価できるものではなかった。

そこで、本発明は、簡易にナノバブル水の濃度を評価できる、ナノバブル濃度の評価システムを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明のナノバブル濃度の評価システムは、ナノバブル水が貯留される容器と、前記容器にレーザ光を照射するレーザ光源と、前記容器内のレーザ光の経路の画像を撮影するカメラと、前記カメラによって撮影された前記画像に基づいて、ナノバブル水の濃度を評価する演算部と、を備えている。

このように、本発明のナノバブル濃度の評価システムは、ナノバブル水が貯留される容器と、容器にレーザ光を照射するレーザ光源と、容器内のレーザ光の経路の画像を撮影するカメラと、カメラによって撮影された画像に基づいて、ナノバブル水の濃度を評価する演算部と、を備えている。このような構成であれば、簡易な構成を用いながらも、ナノバブル水の濃度を評価できる、ナノバブル濃度の評価システムとなる。

実施例１のナノバブル濃度の評価システムの構成を説明する平面図である。 変形例のナノバブル濃度の評価システムの構成を説明する平面図である。 実施例１のナノバブル濃度の評価システムの制御系の構成を説明するブロック図である。 実施例１のナノバブル濃度の評価システムの制御の流れを説明するフロー図である。 実施例２のナノバブル濃度の評価システムの実験の撮影方法である。 実施例２のナノバブル濃度の評価システムの実験結果の画像である。 実施例２のナノバブル濃度の評価システムの実験結果のグラフである。

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。ただし、以下の実施例に記載されている構成要素は例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（構成）
まず、図１を用いて本発明のナノバブル濃度の評価システムＳの全体構成を説明する。ナノバブル濃度の評価システムＳは、図１に示すように、容器２にレーザ光を照射するレーザ光源１と、ナノバブル水が貯留される容器２と、容器２内のレーザ光の経路の画像を撮影するカメラ３と、カメラ３によって撮影された画像に基づいて、ナノバブル水の濃度を評価する演算部としてのコンピュータ４と、撮影用の暗箱５を備えている。

すなわち、本実施例のナノバブル濃度の評価システムＳの構成要素のうち、レーザ光源１と容器２は、暗箱５の内部に収容されている。この暗箱５は、内面が黒色に着色された、密閉された箱である。したがって、暗箱５の内部は、箱を閉じた状態では、レーザ光以外の外部からの光が入射しないようになっている。

そして、暗箱５は、レーザ光源設置部５１と、容器設置部５２と、カメラ設置部５３と、を内部の定められた位置に有する。レーザ光源設置部５１は、例えば、四角形の暗箱５の第１側面に設置されて、レーザ光源１からレーザ光が対向する第３側面に向けて照射されるようにされている。また、容器設置部５２は、第１側面と第３側面の中間位置に配置される。さらに、カメラ設置部５３は、暗箱５の第２側面に設置される。

したがって、レーザ光源１と、容器２と、カメラ３と、の位置関係は、図示したように容器２内のレーザ光の経路を、真横（垂直方向）からカメラ３で撮影できるような位置になる。なお、レーザ光源１と、容器２と、カメラ３と、の位置関係は、図示したように容器２内のレーザ光の経路をカメラ３が真横（垂直方向）から見るように配置されることが好ましいが、必ずしも図示した関係に限定されるものではなく、斜め方向から撮影できるものであってもよい。

さらに、暗箱５には、レーザ光源１や容器２（ナノバブル水）の脱着のための開閉機構（不図示）を有することが好ましい。開閉機構は、具体的には、容器設置部５２を開閉するだけの蓋であってもよいし、暗箱５の全体を開閉する構造であってもよい。

レーザ光源１は、レーザ光を容器２に向かって照射する。レーザ光源１としては、例えば、レーザポインタを用いることができる。レーザ光源１は、レーザ光源設置部５１に配置される。レーザ光の色（波長）は、ナノバブルの粒径にもよるが、緑色のものを用いることが視認性の点で優れている。

レーザ光源１から照射されたレーザ光は、容器２の側面を経て、容器２内のナノバブル水を通過する。この際には、いわゆるチンダル現象によって、ナノバブルと衝突したレーザ光が水中に散乱されて輝く。この現象を側方から見ると、レーザ光の経路が薄く輝くように見えるのである。

容器２は、ナノバブル水を貯留（収容）する容器である。容器２としては、例えば、ビーカーなどのガラス製の円筒容器を用いることができる。ただし、容器２の形状は、円筒形状に限定されるものではなく、四角形状（箱状）の容器であってもよい。また、容器２は、暗箱５の中央付近の容器設置部５２に配置される。容器２には、ナノバブル水、すなわちナノバブルが溶存する水が貯留される。

なお、ナノバブル水の発生装置は、どのようなものであってもよいが、例えば、微細孔式のものを用いることができる。この微細孔式の発生装置は、きわめて細かい空隙を有する特殊なカーボンセラミックに空気を送り込むことにより、ナノバブル水を生成する。この発生装置は、連続的にナノバブル水を生成することができ、さらに複数台を直列に連結すれば、ナノバブルの混入量を増やすことも可能である。そして、この発生装置は、通水する運転時間を長くすることで、ナノバブル濃度を高くすることができる。

カメラ３は、容器２内のレーザ光の経路（通り路）を、これと直交する方向から撮影する。すなわち、カメラ３は、容器２内を直進するレーザ光の光路に直交する位置に設置される。カメラ３としては、例えば、マニュアル操作することが可能な（すなわち、各種設定を固定して使用可能な）、市販のデジタルカメラ（一眼レフ）を用いることができる。カメラ３で撮影されたレーザ光の画像は、演算部としてのコンピュータ４に伝送されるか、記憶媒体を介して搬送される。

演算部としてのコンピュータ４は、カメラ３で撮影された画像を解析することによって、ナノバブル水の濃度を評価（推定）する。コンピュータ４としては、市販のノートパソコンを用いることができる。ここにおいて、『濃度を評価する』とは、濃度を定性的又は定量的に計算することを言う。

具体的には、コンピュータ４は、画像の輝度の平均値を画像処理によって算出することで、あるいは、画像のＲ、Ｇ、Ｂの値の平均値を算出することで、容器２内のナノバブル水の濃度を推定する。

さらに、現場で使用された水の濁度の影響を除くために、所定時間の運転後のナノバブル濃度は、運転後の状態から運転前の状態－すなわちナノバブルの溶存量がゼロの状態－の輝度やＲ、Ｇ、Ｂの値の平均値を、差し引くことも好ましい。

そして、実施例２で後述するように、コンピュータ４は、カメラ３によって撮影された画像の輝度の平均値又はＲＧＢ値の平均値と、ナノバブル水の濃度と、の関係をあらかじめキャリブレーションによって計算で求めておき、これを利用してナノバブル水の濃度を推定することが好ましい。

このキャリブレーションは、例えば、あらかじめ性能のわかっているナノバブル発生装置を用いることで実施できる。すなわち、性能のわかっているナノバブル発生装置であれば、生成されたナノバブル水のナノバブル濃度も既知であるから、これを利用してキャリブレーション（較正）を行うことができる。

（変形例）
次に、図２を用いて、変形例のナノバブル濃度の評価システムＳ１について説明する。変形例のナノバブル濃度の評価システムＳ１は、実施例と略同様に、レーザ光源１と、容器２と、暗箱５と、を備えているが、カメラ３及びコンピュータ４の代わりに、携帯型端末としてのスマートフォン６を備えている。

このように、カメラ３としてスマートフォン６のカメラを利用する場合には、スマートフォン６内のアプリによって、ナノバブル水の撮影から、画像処理、濃度算出までを完結させることができる。

（制御系の構成）
次に、図３のブロック図を用いて、ナノバブル濃度の評価システムＳの制御系の構成について説明する。ナノバブル濃度の評価システムＳは、図１でも説明したように、レーザ光源１と、容器２と、これらを収容する暗箱５と、容器２を撮影するカメラ３と、濃度を演算する演算部４と、から構成される。このうち、カメラ３と演算部４は、１台のスマートフォン６中に同時に搭載されることも可能である。

したがって、容器５内のナノバブル水にレーザ光源１からレーザ光が照射されると、カメラ３によって撮影される。撮影された画像は、演算部４に送られて、演算部４においてナノバブル濃度が演算される。

（制御の流れ）
次に、図４のフローチャートを用いて、ナノバブル濃度の評価システムＳの制御の流れについて説明する。

はじめに、あらかじめキャリブレーションによって、ナノバブル水を撮影した画像の輝度やＲ値、Ｇ値、Ｂ値の平均値と、ナノバブル濃度と、の関係を表現する近似式を求めておく（ステップＳ１）。例えば、最小二乗法を用いて、一次近似式（ｙ＝ａｘ＋ｂ； ｙ：濃度； ｘ：平均値； ａ、ｂ：定数）を求めることができる。

次に、現場において、ナノバブル発生装置を所定時間だけ運転してナノバブル水を生成する（ステップＳ２）。ナノバブル濃度は、ナノバブル発生装置の運転時間に応じて増加していく。

次に、生成されたナノバブル水を容器２に入れ（ステップＳ３）、暗箱５内の容器設置部５２に配置し、蓋を閉める（ステップＳ４）。

次に、レーザ光源１（緑色のレーザポインタ）をＯＮにして、容器２（内のナノバブル水）にレーザ光を照射する（ステップＳ５）。そうすると、これを側方から見ると、チンダル現象によって、レーザ光の経路が緑色に輝く。

次に、カメラ３によって、容器２を側方から撮影する（ステップＳ６）。すなわち、レーザ光の経路を垂直方向から撮影する。撮影された画像は、有線又は無線によって演算部であるコンピュータ４に伝送されるか、記憶媒体を介してコンピュータ４に搬送される。

そして、演算部としてのコンピュータ４では、あらかじめ求めておいた近似式を用いて、画像の輝度の平均値やＲ値、Ｇ値、Ｂ値の平均値などから、ナノバブル水の濃度を計算する（ステップＳ７）。

なお、上記のステップＳ２～ステップＳ７は、運転時間ごとに、すなわち濃度ごとに繰り返すことによって、ナノバブル濃度の経時変化を求めることができる。このように濃度の経時変化を求めておけば、所定の濃度に達するまでの時間を逆算することも可能となる。

以下、図５～図７を用いて、実施例１と略同様の構成によって実施された実験について説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については同一符号を付して説明する。

（実験条件）
この実験では、図５に示すように、実施例１のナノバブル濃度の評価システムＳを模擬的に再現した。すなわち、暗室内のテーブル上に図５に示す、簡易システムを構築したものである。実験では、微細孔式のナノバブル発生装置を用いてナノバブル水を生成した。ナノバブル水を採取するタイミングとして、７つのサンプル（開始前、開始後１分、５分、１０分、３０分、６０分、９０分）を採取して画像を取得した。

実験では、レーザ光源１として、緑色のレーザポインタを用い、サンプルの入った容器２としてのガラス瓶と、カメラ３としてのデジタル一眼レフカメラと、を配置して、暗室内で撮影を実施した。一眼レフカメラによって撮影する際には、カメラ３の設定（ＩＳＯ感度、シャッタースピード、Ｆ値）を固定し、マニュアルフォーカスで撮影した。

撮影された画像は、画像解析ソフトを用いて画像解析を行った。撮影した画像について、レーザ光の経路の近傍を１２００×１５０ピクセルのサイズでトリミングし、トリミングした画像について画像全体のＲ値、Ｇ値、Ｂ値、及び輝度（０．２９９Ｒ＋０．５８７Ｇ＋０．１１４Ｂ）の平均値を算出した。

（実験結果）
実際に撮影し、トリミングした画像を図６に示した。これらの写真から、運転時間が長くなるにつれて緑色の線の色が濃くなり、画像が明るくなることを確認した。

次に、先に示した手順で撮影し、ＲＧＢ値及び輝度の平均値を算出した結果を図７に示した。図７は、全てのサンプルに対して、撮影は３回実施したものの平均値を算出し、開始前のデータを引いた値をプロットしたグラブである。

実験の結果、ＲＧＢ値、輝度いずれについても、発生装置の運転時間が長くなるにつれて、値が大きくなることが確認できた。また、緑色レーザを使用していることから、特にＧ値がおおきくなった。各数値の上昇傾向については、開始後１０分までのデータに比べて、以後のデータの上昇カーブが緩やかになる傾向がみられた。このことから、運転時間が長くなると、ナノバブルが次第に溶存しにくくなる可能性が示唆された。

なお、この他の構成および作用効果については、実施例１と略同様であるため説明を省略する。

（効果）
次に、実施例１、２で説明したナノバブル濃度の評価システムＳの奏する効果を列挙して説明する。

（１）上述してきたように、実施例のナノバブル濃度の評価システムＳは、ナノバブル水が貯留される容器２と、容器２にレーザ光を照射するレーザ光源１と、容器２内のレーザ光の経路の画像を撮影するカメラ３と、カメラ３によって撮影された画像に基づいて、ナノバブル水の濃度を評価する演算部としてのコンピュータ４と、を備えている。このような構成であれば、簡易な構成を用いながらも、ナノバブル水の濃度を評価できる、ナノバブル濃度の評価システムとなる。特に、カメラ３で撮影された画像をコンピュータ４で解析処理することによって、ナノバブル濃度を定量的に評価することが可能になる。

加えて、レーザ光源１、カメラ３、及びコンピュータ４として市販の機器を用いることができるため、装置全体を安価なものにできる。さらに、事前にナノバブル発生装置に応じたキャリブレーションは必要になるが、どのようなナノバブル発生装置であっても対応することができる。

（２）また、演算部としてのコンピュータ４は、カメラ３によって撮影された画像の輝度の平均値又はＲＧＢ値の平均値に基づいて、ナノバブル水の濃度を計算するようにされているため、容器２内に貯留されたナノバブル水の全体の平均的な濃度を、画像を利用して計算することができる。

（３）さらに、演算部としてのコンピュータ４は、カメラ３によって撮影された画像の輝度の平均値又はＲＧＢ値の平均値と、ナノバブル水の濃度と、の関係をあらかじめキャリブレーションによって計算しておくようにされているため、近似式を利用してナノバブル濃度を画像に基づいて迅速に計算できる。

（４）このレーザ光源１は、レーザ光として緑色のレーザ光を照射するようにされていることによって、カメラ３によって撮影された画像中で散乱光を効率よくとらえることができる。

（５）また、容器２を所定位置に保持する暗箱５であって、内面が黒色にされるとともに、外部からの光を遮断する、暗箱５をさらに備え、暗箱５には、レーザ光源１が設置されるレーザ光源設置部５１と、カメラ３が設置されるカメラ設置部５３と、が設けられる。このように、暗箱５を備えることで、施工現場においても、簡易に暗室を構成して画像を撮影することが可能となる。

つまり、一般に施工現場に所定の暗室を構築することは困難であるところ、暗箱５であれば、どのような外部環境であっても簡易に暗室を構築することができる。さらに、レーザ光源１や容器２やカメラ３の配置を限定しておくことで、同じ条件で繰り返し濃度を計測（推定）することができるようになる。

加えて、このように現場で簡易的に濃度を確認できれば、ナノバブル水の発生装置の定期的な性能確認が簡易にできるので、例えば、屋外等で連続的に使用している発生装置の維持管理（メンテナンス時期の把握）が容易になる。

さらに、カメラレンズの最短撮影距離にもよるが、例えば、４０ｃｍ×４０ｃｍ×２０ｃｍ程度の暗箱５に収めることができる。

（６）また、カメラ３と演算部４は、スマートフォンやタブレットなどの１つの携帯型端末に配置されていることも好ましい。そうすれば、端末のアプリケーションを利用することで、撮影から濃度の計算までを１つのデバイス中で実施することができる。加えて、携帯側端末を利用できれば、よりいっそう外部環境に左右されずに、計測環境を簡易かつ迅速に構築することができる。

以上、図面を参照して、本発明の実施例１、２を詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、実施例では、レーザ光源１から緑色のレーザ光を照射する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、レーザ光の色や波長はどのようなものであってもよい。

Ｓ ナノバブル濃度の評価システム
１ レーザ光源
２ 容器
３ カメラ
４ コンピュータ（演算部）
５ 暗箱
５１ レーザ光源設置部
５２ 容器設置部
５３ カメラ設置部
６ スマートフォン（携帯型端末）

Claims (6)

1. ナノバブル水が貯留される容器と、
   前記容器にレーザ光を照射するレーザ光源と、
   前記容器内のレーザ光の経路の画像を撮影するカメラと、
   前記カメラによって撮影された前記画像に基づいて、ナノバブル水の濃度を評価する演算部と、を備える、ナノバブル濃度の評価システム。
2. 前記演算部は、前記カメラによって撮影された前記画像の輝度の平均値又はＲＧＢ値の平均値に基づいて、ナノバブル水の濃度を計算するようにされている、請求項１に記載された、ナノバブル濃度の評価システム。
3. 前記演算部は、前記カメラによって撮影された前記画像の輝度の平均値又はＲＧＢ値の平均値と、ナノバブル水の濃度と、の関係をあらかじめキャリブレーションによって計算しておくようにされている、請求項２に記載された、ナノバブル濃度の評価システム。
4. 前記レーザ光源は、レーザ光として緑色のレーザ光を照射するようにされている、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された、ナノバブル濃度の評価システム。
5. 前記容器を所定位置に保持する暗箱であって、内面が黒色にされるとともに、外部からの光を遮断する、暗箱をさらに備え、
   前記暗箱には、前記レーザ光源が設置されるレーザ光源設置部と、前記カメラが設置されるカメラ設置部と、が設けられる、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載された、ナノバブル濃度の評価システム。
6. 前記カメラと前記演算部は、１つの携帯型端末に配置されている、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載された、ナノバブル濃度の評価システム。

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