JP2580011B2 - 液滴粒径測定装置 - Google Patents

液滴粒径測定装置

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JP2580011B2 JP63201737A JP20173788A JP2580011B2 JP 2580011 B2 JP2580011 B2 JP 2580011B2 JP 63201737 A JP63201737 A JP 63201737A JP 20173788 A JP20173788 A JP 20173788A JP 2580011 B2 JP2580011 B2 JP 2580011B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水滴,油滴等種々の液滴の粒子径を蒸発に要
する熱量に基づいて測定する液滴粒径測定装置に関する
ものである。
〔従来技術〕
一般に液滴等の粒径は測定することが比較的困難であ
り、従来の粒径測定装置としては、レーザ光等の光ビー
ムを測定領域に照射し測定領域を通過する液滴粒子より
得られる散乱光レベルに基づいて粒子径を測定する装置
や、液滴粒子を帯電させ一定の電界下でその移動度を測
定することによって粒子径を算出する装置が用いられて
いる。又加熱した細いワイヤであるホットワイヤ(熱
線)を測定領域に配置し一定の電流を通電しておき、液
滴がホットワイヤに接触したときにホットワイヤの一部
の温度低下によって電圧のパルス的減少を引き起こすこ
とにより電圧の変化分に基づいて粒径を測定するように
した装置が提案されている(DANIEL E.MAGNUS and DAVI
D S.MAHLER:An In−situ Liquid Droplet Sizing Syste
m,Proceedings of Advances in Particle Sampling and
Measurement,Daytona Beach,Florida,USA,October 197
9)。この測定方法では5図(a)に示すように、定電
流が通電されたワイヤ1に液滴2が接触すれば第5図
(b)に示すようにワイヤ1の温度、即ち電圧が部分的
に低下する。従って液滴2が蒸発するまで第6図に示す
ようなワイヤ両端の電圧が低下し、その電圧低下及び時
間が液滴の粒径と相関関係を有することにより粒子径を
測定するようにしたものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかるにこのような従来の粒子径測定装置では、液滴
の粒径ワイヤと両端に得られる電圧の低下する値との関
係はワイヤの熱容量等によって定まる装置固有のもので
ある。従って液滴の粒径を測定するためには、あらかじ
め粒径が既知の試料を用いて装置を校正することが必要
となり、手間がかかるという欠点があった。又ホットワ
イヤをセンサとして用いているため機械的強度が弱く、
しかもセンサを加熱して液滴を蒸発させることにより粒
径を測定しているため、長時間の使用によりセンサであ
るホットワイヤが切断し易く度々交換する必要があると
いう欠点がある。そしてセンサを交換する毎に粒径が既
知の試料を用いて校正する必要があり、取り扱いに手間
がかかるという欠点があった。
本発明はこのような従来の粒径測定装置の問題点に鑑
みてなされたものであって、液滴の蒸発に必要な熱量を
測定することにより粒径が既知の試料を用いて校正の必
要がなく、長寿命なセンサを用いて液滴の粒径を測定で
きるようにすることを技術的課題とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は液滴の粒子径を蒸発に要する熱量に基づいて
測定する測定装置であって、液滴が通過する測定領域に
配置されたフィルム型の抵抗体から成るセンサプローブ
と、センサプローブを1片に含むブリッジ回路、及び該
ブリッジ回路の対称な2点を入力としその出力をブリッ
ジ回路に帰還する演算増幅器を有するセンサ回路部と、
センサプローブに接触する液滴の蒸発に伴うセンサプロ
ーブの両端の電圧増加を液滴による電圧増加時間だけ積
分することによって電力量を検出する電力量検出手段
と、電力量検出手段によって検出された電力増加量に基
づいて液滴の粒径を測定する粒径測定手段と、を有する
ことを特徴とするものである。
〔作用〕
このような特徴を有する本発明によれば、フィルム型
のセンサプローブをブリッジ回路の一辺に接続し、ブリ
ッジ回路を平衡状態にすることにより一定温度に加熱し
て粒径測定領域に配置している。そしてセンサプローブ
に液滴が接触して蒸発する場合には、センサプローブを
一定温度に保つために印加する電圧が微小量だけ上昇す
ることとなる。従って液滴の蒸発に必要な電力の増加分
を積分して蒸発に必要な電力量を演算し、演算した電力
量と液滴が蒸発してセンサプローブと同一の温度となる
までの熱量とに基づいて液滴の粒径を測定するようにし
ている。
〔実施例の説明〕
第1図は本発明の一実施例による粒径測定装置の構成
を示す図である。本図において、ダクト11は測定すべき
液滴を含む空気を測定領域に導いている。測定領域には
ダクト11内にノズル12が設けられ、ノズル12に対向させ
てフィルム型のセンサプローブ13を配置する。フィルム
型のセンサプローブ13は例えば前面が楔形状に形成され
一定の幅を有する部材であって、石英等のベースに白金
やニッケル等がコーティングされたものを用いてもよ
く、又円柱形状や円錐形状のベースに金属をコーティン
グしたものを用いてもよい。そしてこのセンサプローブ
13はセンサ回路部14に接続される。センサ回路部14は後
述するようにセンサプローブ13を一定温度に加熱すると
共にその電圧増加分を検出するものであり、その出力は
電力量検出手段15に与えられる。電力量検出手段15は増
加する電力量を検出するものであり、その出力は粒径検
出手段16に与えられる。粒径検出手段16はセンサプロー
ブの温度と液滴温度や液滴の種類等に基づいて粒径を検
出するものである。一方ダクト11には液滴を取り除くト
ラップ17を介して流量計18及びポンプ19が接続される。
粒量計18はダクト12を通過する液滴を含む空気の流量を
測定するものである。
さてセンサ回路部14は第2図に示すようにセンサプロ
ーブ13を一片とし、固定抵抗R1,R2及び感温抵抗R3から
成るブリッジ回路21を有している。ブリッジ回路21は抵
抗R2とR3、及び抵抗R1とプローブ13の中点a,bの両端の
電圧を夫々演算増幅器22の入力端に与えている。演算増
幅器22はそのブリッジ回路の電圧差を増幅してブリッジ
回路に帰還することによってブリッジ回路21を常に平衡
状態に保つものである。ここでブリッジ回路21及び演算
増幅器22はセンサ回路部14を構成している。センサ回路
部14はセンサプローブ13の温度を測定対象となる液滴の
沸点よりやや高く、例えば20℃程度高い温度に保つもの
とし、例えば水滴の場合には120℃の一定温度に保って
おく。さて演算増幅器22の出力は波形を観測するための
オシロスコープ23及びA/D変換器24に与えられる。A/D変
換器24は所定のタイミングで演算増幅器22の出力をデジ
タル信号に変換するものであって、その出力はCPU25に
与えられる。CPU25はメモリ26が接続され、出力手段と
して表示部27が接続される。CPU25はA/D変換された信号
を処理して粒径を検出するものであり、前述した電力量
検出手段15及び粒径検出手段16を構成している。
次に本発明による粒径測定の原理について説明する。
こここでフィルム型のセンサプローブ13の両端に印加さ
れている電圧をVoとし、Rをセンサプローブ13の抵抗値
とする。抵抗値Rはセンサプローブとセンサ温度とによ
って定まり、センサ温度を120℃としたときには抵抗値
Rは数Ω〜+数Ωの値となる。ここでセンサプローブ13
に印加される電圧、即ち定常電圧Voはセンサ部分の気体
の流速によって定まりサンプリング流量やプローブの形
状に依存する。例えば定常電圧Voは1〜1.5V程度であ
り、水滴がセンサに衝突したときの電圧増加量は例えば
ピーク時で10〜20mVとなる。さてある液滴がセンサプロ
ーブ13に衝突したときの印加電圧の増加をΔVとする
と、電力増加量ΔPは次式で与えられる。
ΔP=(Vo+ΔV)2/R−Vo2/R ≒2VoΔV/R ……(1) さて1個の液滴がセンサプローブ13に接触したときに
蒸発するために必要な熱量ΔQは電力増加量ΔPを電力
が増加する時間、即ち1パルスの区間積分することによ
って求められる。
ΔQ=∫ΔPdt=(2Vo/R)∫ΔVdt ……(2) ∫ΔVdtはオシロスコープ23の出力電圧の変化する期
間のパルス面積で算出される。さて液滴が加熱されセン
サと等しい温度の蒸気になるのに熱量ΔQが必要である
とすれば、液滴の粒径dは次式で与えられる。
d=(6ΔQ/cρπ)1/3 ……(3) ここでcはセンサプローブ13に与えられる液滴と同じ
温度にある単位質量の液がセンサと等しい温度の蒸気に
なるのに必要な熱量、例えば水滴の場合初期温度が20
℃,センサ温度が120℃であればc=2645J/gであり、ρ
は液の密度である。
次に本実施例の動作について説明する。ポンプ19を駆
動し未知の液滴を生じている領域からの液滴をダクト11
を介して測定領域に吸引する。そして液滴をノズル12の
中央に配置したホットフィルム型のセンサプローブ13の
近傍を通過させれば、その一部の液滴は各熱されたセン
サプローブ13と接触して蒸発する。従って演算増幅器22
より第3図に示すように各液滴の蒸発毎にパルス状に電
圧が上昇する信号が得られる。ここで前述したパルス電
圧ΔVは夫々第3図においてΔV1,ΔV2……として示さ
れる。そしてこのパルス電圧が与えられるΔt1,Δt2
…の期間、パルス電圧を積分し式(2)で示された2Vo/
Rを乗算することによって個々の液滴の蒸発に必要な熱
量ΔQが夫々算出される。そしてΔQに基づいて各液滴
の粒径dを式(3)により算出することにより粒径が算
出される。
第4図(a),(b)は液滴の粒径を粒径データに対
して統計処理を行いその分布をグラフ化したものであっ
て、液滴として夫々水及びエチルアルコールの場合の例
を示している。このように水以外の液滴についても蒸発
に必要な熱量cと液の密度が変化するだけで同様にして
測定することができる。しかしエチルアルコールでは気
化熱が小さく蒸発に要する熱量も小さくなり、出力パル
スのパルス幅が短くなる。従って気化熱が小さい液滴で
は複数の液滴が同時に衝突して蒸発する可能性が少なく
なり、高濃度の液滴も測定することが可能である。
このように本発明ではホットフィルム型のプローブを
用いて定温度モードでその蒸発に要する電力量に基づい
て粒径を算出するようにしている。従って比熱や気化熱
等の熱力学的データが知られている種々の液滴,例えば
水滴,油滴,アルコール液滴等について測定が可能であ
る。しかも測定前にこの装置の感度等を校正する必要が
なく、粒径を測定することができる。又ホットワイヤに
較べてホットフィルムを用いることによって取り扱いが
容易となり、長寿命化することが可能である。
又本実施例ではセンサプローブ13の温度を液滴の蒸発
温度よりも所定温度高くなるように設定しているが、任
意の値に選択することもできる。しかし単位時間内に多
くのパルスを観測するためにはパルスの重なりを避ける
ためパルス幅が狭い方が有利となり、この点からはセン
サ温度が高い方が好ましい。しかしセンサ温度をあまり
高くすればセンサプローブの破損の可能性が増す。又セ
ンサ温度を低くすればパルス幅の広がりのためピーク値
はノズルレベルまで下がって測定ができなくなる。従っ
て水滴の測定の場合にはセンサプローブ13の温度は例え
ば70〜170℃程度の範囲で変化させることができるが、
液滴の蒸発温度以上でセンサの寿命があまり短くならな
いような温度を選択することが好ましい。
〔発明の効果〕
このように本発明によれば、液滴がプローブと同一の
温度の蒸気となるまでに必要な熱量を直接測定している
ため、粒径が既知の試料を用いて装置を校正することな
く正確な粒径測定が可能となる。そしてセンサとして一
定温度に加熱したフィルム型のセンサプローブを用いて
いるため、センサ強度がホットワイヤに較べて強く、交
換の頻度を極めて少なくすることができる。又センサプ
ローブを交換しても新たなセンサプローブで直接プロー
ブと同一温度の蒸気になるまでに要する熱量が測定され
るため、複雑な校正の必要がなく容易に粒径を測定する
ことができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例による粒径測定装置の構成を
示すブロック図、第2図はセンサ回路部の構成を示すブ
ロック図、第3図は粒径測定時にオシロスコープで観測
される出力電圧を示す図、第4図(a)及び第4図
(b)は夫々水及びエチルアルコールを試料として用い
たときの粒径分布の一例を示すグラフ、第5図は従来の
粒径測定装置の主要部を示す図、第6図は液滴接触時の
電圧変化を示すグラフである。 11……ダクト、12……ノズル、13……ホットフィルム型
センサプローブ、14……センサ回路部、15……電力量検
出手段、16……粒径検出手段、21……ブリッジ回路、22
……演算増幅器、24……A/D変換器、25……CPU、26……
メモリ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中嶋 昌宏 大阪府吹田市清水2番1号 日本科学工 業株式会社内 (72)発明者 佐藤 行成 大阪府吹田市清水2番1号 日本科学工 業株式会社内 (72)発明者 加野 元 大阪府吹田市清水2番1号 日本科学工 業株式会社内

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】液滴が通過する測定領域に配置されたフィ
    ルム型の抵抗体から成るセンサプローブと、 前記センサプローブを1片に含むブリッジ回路、及び該
    ブリッジ回路の対称な2点を入力としその出力をブリッ
    ジ回路に帰還する演算増幅器を有するセンサ回路部と、 前記センサプローブに接触する液滴の蒸発に伴う前記セ
    ンサプローブの両端の電圧増加を液滴による電圧増加時
    間だけ積分することによって電力量を検出する電力量検
    出手段と、 前記電力量検出手段によって検出された電力増加量に基
    づいて液滴の粒径を測定する粒径測定手段と、を有する
    ことを特徴とする液滴粒径測定装置。
  2. 【請求項2】前記センサプローブは液滴の蒸発温度より
    高い一定温度に加熱されたものであることを特徴とする
    請求項1記載の液滴粒径測定装置。
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