JP4431705B2 - 粒径分布測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体や固体の粒子群による照射光束の散乱光の特徴、特に散乱角に対する強度変化を検出することにより粒子群の局所における粒子群の濃度や粒径分布を決定する粒径分布測定装置に関する。

空間に浮遊する粒子群に光束を照射し、この粒子群による照射光束の散乱により生じる散乱光の強度あるいはエネルギーの散乱角に対する変化、あるいはそれと照射光束の透過率とを測定することにより、照射光束内の粒子群の粒径分布及び濃度を測定する事が出来る。本出願人は、粒子群によるレーザ散乱光の強度分布から、粒子群の濃度及び粒径分布を求めることができる粒径分布測定装置を後記特許文献１で提案している。

後記特許文献１で提案された粒径分布測定装置は、図１１に示したように、レーザ光源装置１０から単色のレーザ光１１をコリメータ１２で平行光線のレーザビーム１３にして出射し、このレーザビーム１３を測定部１４中の粒子群１５で散乱させ、散乱光１３ｓを集光レンズ１６で受光センサ１７等の検出器上に集光させるものである。受光センサ１７は、図１２に示したように、同心円状の光電変換素子１８を有しているため、散乱角θ方向へ散乱した散乱光１３ｓのエネルギーが測定できる。受光センサ１７で検出した散乱光１３ｓは、そのエネルギーに応じた電気信号１９となり、データ処理部２０でアナログ値からデジタル値に変換されてコンピュータ２２に送られ、粒子群１５の粒径分布と濃度が算出される。

粒径分布とは、図１３に示したように、粒子群１５の粒径に対して、例えばＤｉを中央粒径とするｎ個の粒径区分（Ｄ１，Ｄ２，・・・・，Ｄｉ，・・・・，Ｄｎ―１，Ｄｎ）に区分し、各粒径区分Ｄｉ毎の粒子群１５の存在頻度（確率密度）Ｗｉを求めたものである。

次に、粒子群１５の濃度Ｃと粒径分布を測定する原理を説明する。

例えば、受光センサ１７の各光電変換素子１８にｍ＝１、２、３、・・ｉ・・の番号を付し、ｉ番目の光電変換素子１８が受光する散乱光１３ｓのエネルギーＥｉは、図１４の式（１）に示したように、粒子群１５の体積基準粒径分布関数Ｗ（Ｄ）と粒径Ｄの単一粒子群による散乱角θ方向成分の散乱強度関数Ｉ（Ｄ，θ）との積を、粒径については０から∞、角度についてはその光電変換素子１８を見込む散乱角の範囲［θｉ-，θｉ+］にわたる積分で表される。式（１）中にあるＣは、粒子群の体積濃度（単位空間に存在する粒子群の総体積）に比例する値である。

ここで、式（１）におけるＷ（Ｄ）に適当な粒径分布関数を用いて、ＣとＷ（Ｄ）のパラメータ（通常、平均粒径と粒径の分散に関する２個のパラメータ）を変えながら、式（１）によって求められた散乱光１１ｓのエネルギーＥｉを成分とする算出散乱エネルギーベクトルが、各光電変換素子１８により実際に測定した各実測散乱光１１ｓのエネルギーＥｉを成分とする実測散乱エネルギーベクトルに最もよく一致するまで繰り返し計算してＣとＷ（Ｄ）のパラメータが決まる。その結果濃度Ｃと粒径分布を決定することができる。

実際には、図１４に示した式（１）の代わりに、式（１）を線形化した式（２）を解くことにより濃度Ｃと粒径分布を決定している。具体的な濃度Ｃと粒径分布の求め方は、後記特許文献１等に記載されており、公知であるから説明を省略する。

しかしながら、前記粒径分布測定装置では、レーザビーム１３で照射された全ての粒子群１５からの散乱光１３ｓを測定するため、レーザビーム１３が貫通した測定部１４の平均の濃度と粒径分布が測定されるだけで、測定部１４の局所での粒径分布及び濃度の測定は不可能であった。

このため、局所の粒径及び濃度を測定する手段として、測定部にスリットを備え、そのスリットを通過する粒子群のみを測定する方法が行なわれている。しかし、この方法はスリットによって気流が乱れ粒子群の局所の特性が変化して正しく測定できないという問題がある。

この他、測定部１４のＣＴ画像処理（コンピュータトモグラフィー）から局所の粒径及び濃度を測定することも行われている。図１５は、ＣＴ画像処理の概念図である。被写体２４に対して光源部２６及び検出器２８を平行移動しながら、多数回にて被写体２４の透過率を測定して、１回の透過プロファイルを得る。次に、光源部２６及び検出器２８をある角度だけ回転して、再度被写体２４に対して光源部２６及び検出器２８を平行移動して透過プロファイルを得る。このような測定を光源部２６及び検出器２８を１８０度の範囲にわたって回転するまで繰り返し行うことにより、多数の透過率プロファイルを得る。この多数の透過率プロファイルをコンボリューション法によるＣＴ画像処理することにより、被写体２４のＣＴ画像を作成することができる。

しかし、透過率は粒子群１５の粒径分布にも大きく依存して変わるため、透過率によるＣＴ画像は粒子群の濃度分布を正確に表さないという問題がある。

そこで、本出願人は、濃度Ｃに関するＣＴ画像を作成する改良された粒径分布測定装置を下記特許文献２で提案している。この粒径分布測定装置について以下に説明する。

特許文献１に開示の粒径分布測定装置を用いると、粒子群１５の粒径分布が求まるので、平均粒径（正確にはザウター平均粒径ＳＭＤ＝Σ粒径^３／Σ粒径^２）も求まる。また、前記粒径分布測定装置では、測定部１４に粒子群１５が存在するときの受光センサ４の中心の光電変換素子の出力Ｅと、測定部１４に粒子群１５が存在しないときの受光センサ４の中心の光電変換素子の出力Ｅoとから、レーザ光１１の透過率（Ｅ／Ｅｏ）も求まる。すると、粒子群１５の濃度Ｃを特許文献２の式１（特許文献２の段落００１９参照）から求めることもできる。しかし、その式１は誤っているので以下に正しい式を表す。

C=(1/kL)*SMD*Ln(Eo/E) （３）
ただし、k：散乱係数、C：単位空間当りの粒子群の総体積、
L:光路長。

こうして、測定された平均粒径ＳＭＤと透過率Ｅ／Ｅｏから濃度Ｃが求まる。種々の方向から測定した濃度Ｃが求まれば、濃度Ｃに関するＣＴ画像が作成できる。一方、透過率（Ｅ／Ｅｏ）の測定値からも透過率に関するＣＴ画像も作成できる。こうして、濃度に関するＣＴ画像と、透過率に関するＣＴ画像が作成できれば、両画像の各点について、（３）式を用いて平均粒径ＳＭＤを算出することができる。
特開２００２−３４０７８０号公報 特開２０００−９６３０号公報 特許第３１３４０５５号

しかしながら、前記特許文献２に開示された粒径分布測定装置では、ＣＴ画像上の各点での平均粒径ＳＭＤを求めるのに、濃度ＣのＣＴ画像と透過率T（Ｅ／Ｅｏ）の各ＣＴ画像とを求め、両ＣＴ画像での局所における濃度Ｃと透過率（Ｅ／Ｅｏ）を使用しているが、この濃度Ｃは相対値であるため、そのままでは平均粒径ＳＭＤの絶対値が求まらず、また較正を行っても精度が不足するという問題があった。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、噴霧された粒子群に関して、局所における粒径分布や平均粒径ＳＭＤなどの粒子群に関するパラメータを高精度に得ることができる粒径分布測定装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明では、測定面に分散された粒子群に光束を照射する光源部と、前記粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーを検出するための複数の光電変換素子を配設した検出器とを備え、該検出器の出力を解析することにより前記粒子群の濃度及び粒径分布を測定する粒径分布測定装置において、前記光束を前記測定面内で前記粒子群に対して並進走査させながら、前記各光電変換素子の検出したエネルギーから、前記粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーに関するプロファイルを求め、それから、所定角度回転させ前記並進走査と同様に前記粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーに関するプロファイルを求める一連の操作を所定回数繰り返し、前記粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーに関するプロファイルから、コンピュータトモグラフィーの手法で前記散乱光の散乱角毎にＣＴ画像を作成し、前記各ＣＴ画像上の座標（ｊ、ｋ）の点からの散乱光のエネルギーＥｉ（ｊ、ｋ）を読み取り、それらの散乱光のエネルギーに基づいて局所の粒子群の濃度及び粒径分布を決定することを特徴とする。

請求項２に係る発明では、測定面に分散された粒子群に光束を照射する光源部と、前記粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーを検出するための複数の光電変換素子を配設した検出器とを備え、該検出器の出力を解析することにより前記粒子群の濃度及び粒径分布を測定する粒径分布測定装置において、前記光束を前記測定面内で前記粒子群に対して並進走査させながら、前記各光電変換素子の検出したエネルギーから前記粒子群の濃度及び粒径分布を求め、前記濃度に前記粒径分布から求まる各粒径区分の存在頻度を乗算して各粒径区分毎の濃度Ｃｉを算出することにより、前記粒子群の各粒径区分毎の濃度Ｃｉに関するプロファイルを求め、それから、所定角度回転させ前記並進走査と同様に前記粒子群の各粒径区分毎の濃度Ｃｉに関するプロファイルを求める一連の操作を所定回数繰り返し、前記粒子群の各粒径区分毎の濃度Ｃｉに関するプロファイルから、コンピュータトモグラフィーの手法で前記粒径区分毎にＣＴ画像を作成し、前記各ＣＴ画像上の座標（ｊ，ｋ）の点における濃度Ｃｉ（ｊ，ｋ）を読み取り、それらの濃度Ｃｉ（ｊ，ｋ）に基づいて局所の粒子群の濃度と粒径分布を算出することを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項１または２に係る発明において求められた局所の粒径分布を初期値として光束に沿った多重散乱シミュレーションを行い、その結果予測される散乱光の散乱角毎のエネルギーが測定された散乱角毎のエネルギーと最もよく一致するように初期値に修正をくわえ、前記多重散乱シミュレーションを繰り返して最もよく会う局所の粒径分布を求めることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、請求項１から３のいずれかに係る発明において、前記測定面における局所の粒子群の濃度あるいは代表粒径を等高線表示し、任意の局所を指定することにより、該局所の粒径分布を表示するようにしたことを特徴とする。

請求項５に係る発明では、請求項１から４に係る発明において、前記光源部及び前記検出器は、前記光束が前記測定面と直交方向に移動可能にされたことを特徴とする。

請求項６に係る発明では、請求項１から５に係る発明において、前記粒子群が前記測定部に繰り返し分散される粒子群において、並進走査におけるあらかじめ決められた複数の位置における前記粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーを、それぞれ、分散開始時刻から所定時間後に検出し、前記散乱角毎のエネルギーからコンピュータトモグラフィーの手法で、前記粒子群の前記所定時間後の前記測定面の局所における粒子群の濃度と粒径分布を算出することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、光束を粒子群に対して測定面内において所定角度毎に並進走査したときの検出器出力から、粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーを検出し、コンピュータトモグラフィーの手法で前記散乱光の散乱角毎にＣＴ画像を作成し、前記各ＣＴ画像上の座標（ｊ、ｋ）の点からの散乱光のエネルギーＥｉ（ｊ、ｋ）を読み取り、それらの散乱光のエネルギーに基づいて局所の粒子群の濃度及び粒径分布を決定したから、局所における粒子群の粒径分布や代表粒径等の粒子群に関するパラメータを高精度に得られる。

請求項２に係る発明によれば、光束を粒子群に対して測定面内において並進走査及び回転走査したときの検出器出力から粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーを検出して各光束内の粒子群の濃度と粒径分布とを算出し、さらに前記濃度に前記粒径分布から求まる各粒径区分の存在頻度を乗算して各粒径区分毎の濃度Ｃｉを算出することにより、前記粒子群の各粒径区分毎の濃度Ｃｉに関するプロファイルを求め、前記粒子群の各粒径区分毎の濃度Ｃｉに関するプロファイルから、コンピュータトモグラフィーの手法で前記粒径区分毎にＣＴ画像を作成し、前記各ＣＴ画像上の座標（ｊ，ｋ）の点における濃度Ｃｉ（ｊ，ｋ）を読み取り、それらの濃度Ｃｉ（ｊ，ｋ）に基づいて前記粒子群の前記測定面の局所における粒径区分毎の濃度を決定し、それらから局所における粒子群の濃度と粒径分布を算出したから、局所における粒子群の粒径分布や平均粒径等の粒子群に関するパラメータを高精度に得られる。

請求項３に係る発明によれば、請求項１又は２に係る発明において、求められた局所の粒径分布を初期値として光束に沿った多重散乱シミュレーションを行い、その結果予測される散乱光の散乱角毎のエネルギーが測定された散乱角毎のエネルギーと最もよく一致するように初期値に修正をくわえ、前記シミュレーションを繰り返して最もよく合う局所の粒径分布を決定するから、多重散乱の影響が出る高濃度の粒子群でも、局所における粒径分布や平均粒径等の粒子群に関するパラメータを得られる。

請求項４に係る発明によれば、さらに、測定面における局所の粒子群の濃度あるいは代表粒径を等高線表示し、任意の局所を指定することにより、該局所の粒径分布を表示するようにしたから、局所における粒子群の濃度、粒径分布、平均粒径等の粒子群に関するパラメータ等を把握し易い。

請求項５に係る発明によれば、さらに、前記光源部及び前記検出器は、前記測定面と直交方向に移動可能にされたから、前記測定面を移動させることができ、これによって、測定部に分散された粒子群の粒径分布や平均粒径等の粒子群に関するパラメータの３次元空間内での状態を知ることができる。

請求項６に係る発明によれば、並進走査におけるあらかじめ決められた複数の位置における前記粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーを、それぞれ、前記粒子群の分散開始時刻から所定時間後に検出し、前記散乱角毎のエネルギーからコンピュータトモグラフィーの手法で、前記粒子群の前記所定時間後の前記測定面の局所における粒子群の濃度と粒径分布を算出するようにしたので、粒子群が繰り返し分散される場合、例えば非定常噴霧における粒子群の測定面の局所における粒子群の濃度、粒径分布、平均粒径等の粒子群に関するパラメータが決定できる。また、所定時間を変化させた測定を行うことによって上記パラメータの時系列測定が可能になる。

本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。まず、図１〜図５を用いて、第１の実施例について説明する。図１は、本発明の一実施例に係る粒径分布測定装置の全体概略図である。図２は、前記粒径分布測定装置で、所定断面での粒子群の粒径分布を求める方法を説明する図である。図３は、前記粒径分布測定装置によって得られた所定断面の局所での粒径分布を示す図である。図４の（Ａ）は、前記粒径分布測定装置によって得られた所定断面での平均粒径ＳＭＤに関する二次元図である。図４の（Ｂ）は、前記粒径分布測定装置によって得られた濃度に関するＣＴ画像である。図４の（Ｃ）は、同じく透過率に関するＣＴ画像である。

本実施例の粒径分布測定装置は、図１に示したように、コンピュータ２２で制御される図示しないノズル駆動部によって開閉されるノズル１９から噴霧された粒子群１５の粒径分布を測定するもので、ノズル１９が固定されており、レーザ光源装置１０とコリメータ１２からなる光源部２６と、集光レンズ１６と受光センサ１７からなる検出器２８が、水平方向へ平行移動Ｐｈと測定部（測定面）１４回りに回転Ｒと上下方向、すなわち測定面と直交方向への平行移動Ｐｖできるようになっている。このことを除いて、図１１に示した従来の粒径分布装置と同じ構造をしている。したがって、図１において、図１１と同じ部分には同じ符号を付して、粒径分布測定装置の構造については、これ以上の説明を省略する。

なお、本実施例では、受光センサ１７は、３０個の同心円状の光電変換素子１８から構成しているが、この光電変換素子１８の数は、ＣＴ画像の要求精度やコンピュータ２２の処理速度等により変更可能である。また、本実施例では、光源部２６からはレーザビーム１３を出射したが、波長が狭い範囲で一定している光束を発射できれば、レーザビーム１３でなくてもよい。さらに、本実施例では、光源部２６と検出器２８とは、コンピュータ２２によって制御される図示しない駆動機構によって水平面内で平行移動Ｐｈ、Ｐｖと回転Ｒをさせたが、光源部２６と検出器２８を固定しておき、レーザビーム１３をガルバノミラーなどにより光学的に平行移動又は回転させてもよく、或るいは、ノズル１９を水平方向又は鉛直方向に平行移動或いは回転させてもよい。

ところで、本実施例の平均粒径ＳＭＤを求める方法は、前記特許文献２に記載の方法とは大きく相違している。以下に、本実施例の粒径分布測定装置で粒子群１５の平均粒径ＳＭＤの二次元図を作成する方法を説明する。

この粒径分布測定装置においては、ノズル１９から粒子群を噴霧させた状態で、図１５に示したように、光源部２６と検出器２８を水平方向に平行移動Ｐｈさせながら、光源部２６から出射したレーザビーム１３の粒子群１５による散乱光を検出器２８で受光し、光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉを測定して、従来のものと同じく、レーザビーム１３の光束内の粒子群１５の濃度Ｃ、粒径分布及びレーザ光１１の透過率Ｔを測定するステップを行う。そして、このステップにおいて、濃度Ｃと透過率Ｔに関するプロファイルを得る。

このステップにおいて粒径分布を求めることとは、粒径区分を３０区分とし、前記特許文献1に記載の粒径分布測定装置と同様に、各粒径区分Ｄｉ毎の粒子群１５の存在頻度（確率密度）Ｗｉを求めることである（図１３参照）。この粒径区分の数は通常、光電変換素子１８の素子数と同じである。また粒径区分の数と光電変換素子１８の素子数はＣＴ画像の要求精度やコンピュータ２２の処理速度等により変更可能である。これにより、濃度Ｃと粒子群１５の存在頻度Ｗｉから、各粒径区分Ｄｉ毎の粒子群１５の濃度ＣｉをＣｉ＝Ｃ＊Ｗｉから算出して、各粒径区分Ｄｉ毎の粒子群１５の濃度Ｃｉに関する３０のプロファイルも求める。

次に、光源部２６と検出器２８を測定部１４回りに所定角度たとえば３．６度回転Ｒして、光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉを測定して、粒子群１５の濃度Ｃ、粒径分布及びレーザ光の透過率Ｔを測定し、前記ステップと同じく、濃度Ｃと、各粒径区分Ｄｉ毎の粒子群１５の濃度Ｃｉを算出して、濃度Ｃ、各粒径区分Ｄｉ毎の粒子群１５の濃度Ｃｉに関する３０のプロファイルと、透過率Ｔに関するプロファイルを得るステップを行う。こうして光源部２６と検出器２８を測定部１４回りに３．６度づつ、回転Ｒしながら１８０°の範囲全部を走査できるように前記ステップを５０回繰り返し行い、各回毎に、濃度Ｃ、各粒径区分Ｄｉ毎の粒子群１５の濃度Ｃｉに関する３０のプロファイル、透過率Ｔに関するプロファイルを得る。この所定角度は通常は一定である場合がＣＴ処理に適している。この繰り返し測定回数と所定角度は、ＣＴ画像の要求精度やコンピュータ６の処理速度等により変更可能である。

これで、図２に示したように、全粒径範囲に関する濃度Ｃに関するＣＴ画像ＣＴ０の他に、粒径区分Ｄ１の濃度Ｃ１に応じたＣＴ画像ＣＴ１、粒径区分Ｄ２の濃度Ｃ２に応じたＣＴ画像ＣＴ２、以下同様に粒径区分Ｄ３０の濃度Ｃ３０に応じたＣＴ画像ＣＴ３０まで、３０枚のＣＴ画像ＣＴ１〜ＣＴ３０を作成することができる。この３０枚のＣＴ画像から、同じ座標（ｊ，ｋ）の点（画素、ピクセル）での濃度Ｃｉ（ｊ，ｋ）を読み取ると、図３に示したように、各点での粒径区分Ｄｉ毎の粒子群の存在頻度（確率密度）すなわち局所での粒径分布を求めることができる。この粒径分布からは、点線で示したように、粒径Ｄｉ以下の粒子群の累計頻度も求まる。こうして求められた局所の粒径分布は、位置（座標）を指定されると、図示しない表示装置に表示できるようになっている。

また、座標（ｊ，ｋ）の点での粒子群の粒径分布及び累計頻度が求まると、この点での平均粒径ＳＭＤ（ｊ、ｋ）、累計頻度１０％、５０％、９０％の粒径等は勿論、粒径分布に関する種々の定義による平均粒径が簡単に求まる。そして、図４の（Ａ）に示したように、平均粒径ＳＭＤを濃淡で表した二次元図を作成することができる。また、濃淡をカラーで表示することも可能である。もちろん、濃度又は平均粒径ＳＭＤ等のパラメータは、等高線（図示省略）で示すこともできる。

このように、本実施例では、粒径分布測定装置で求めた粒子群の濃度Ｃと粒径分布から各粒径区分Ｄｉ毎の粒子群の濃度Ｃｉを算出し、各粒径区分Ｄｉ毎の粒子群の濃度ＣｉのデータをＣＴ処理して、各粒径区分Ｄｉ毎の粒子群の濃度Ｃｉに関するＣＴ画像ＣＴ１〜ＣＴ３０を作成したから、これらのＣＴ画像ＣＴ１〜ＣＴ３０の指定された座標（ｊ、ｋ）上における粒子群１５の濃度Ｃｉを読み取ることにより、指定された座標（ｊ、ｋ）上での粒径分布を正確に算出することができる。この粒径分布に基づいて、平均粒径ＳＭＤ（ｊ，ｋ）等の粒子群に関する諸パラメータを求めているから、これらの諸パラメータは、従来の粒径分布装置から得られたものより高精度で絶対値が求められる。

一方、全粒径に関する濃度Ｃに関するＣＴ画像ＣＴ０及び透過率Ｔに関するＣＴ画像も、図４の（Ｂ）と（Ｃ）に示したように図示しない表示装置に表示される。

光源部２６と受光器２８をノズル１９から上下方向に平行移動させながら適宜位置において、前記したように、全粒径の粒子群１５の濃度Ｃに関するＣＴ画像を作成するとともに、平均粒径ＳＭＤの二次元図を作成すれば、全粒径の粒子群１５の濃度Ｃ及び平均粒径ＳＭＤの３次元空間内での状態も知ることができる。

次に、図５を用いて、第２の実施例について説明する。本実施例の粒径分布測定装置も第１の実施例に係る粒径分布測定装置と同じものを用いるが、各点での濃度と粒径分布を求める方法が異なる。

本実施例の粒径分布測定装置においては、光源部２６と検出器２８を水平方向へ平行移動Ｐｈさせながら、光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉを測定して、レーザビーム１３の光束内の粒子群１５のレーザ光１１の透過率Ｔを求める。そして、従来と同じように、透過率Ｔに関するプロファイルを得るステップを行う。このステップにおいては、さらに、受光センサ１７の３０個の光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉ、すなわち散乱角毎の散乱光のエネルギーＥｉに関するプロファイルも求める。

次に、光源部２６と検出器２８を測定部１４回りに３．６度回転して、光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉを測定して、レーザ光の透過率Ｔと光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉに関するプロファイルも求めるステップを行う。このステップを５０回繰り返し行い、各回毎に、透過率Ｔ及び光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉに関するプロファイルも求める。このステップの繰り返し測定回数は、ＣＴ画像の要求精度やコンピュータ６の処理速度等により変更可能である。

これで、図５に示したように、光電変換センサ１８（ｍ＝１）で検出した散乱光のエネルギーＥ１に関するＣＴ画像ＣＴ’１、光電変換センサ１８（ｍ＝２）で検出した散乱光のエネルギーＥ２に関するＣＴ画像ＣＴ’２、以下同様に光電変換センサ１８（ｍ＝ｉ）で検出した散乱光のエネルギーに関するＣＴ画像ＣＴ’ｉ、光電変換センサ１８（ｍ＝３０）で検出した散乱光のエネルギーＥ３０に関するＣＴ画像ＣＴ’３０まで、３０枚のＣＴ画像ＣＴ’１〜ＣＴ’３０を作成することができる。

この３０枚のＣＴ画像ＣＴ’１〜ＣＴ’３０から、同じ座標（ｊ，ｋ）の点（画素、ピクセル）からの散乱光のエネルギーＥｉ（ｊ，ｋ）に関する分布を読み取ると、各点での濃度と粒径区分Ｄｉ毎の粒子群の存在頻度（確率密度）すなわち粒径分布を求めることができる。こうして座標（ｊ，ｋ）の点での粒径分布が求まれば、この点での粒径Ｄｉ以下の粒子群の累計頻度、平均粒径ＳＭＤ（ｊ、ｋ）等の粒子群に関する諸パラメータが簡単に求まる。そして、図４の（Ａ）に示したように、平均粒径ＳＭＤの二次元図を作成することができる。また、透過率Ｔに関するプロファイルからは、従来と同様な方法で、図４の（Ｂ）に示したような透過率についてのＣＴ画像が作成される。

次に、図６〜図１０を用いて、第３の実施例について説明する。本実施例の粒径分布測定装置は、図６に示したように、パルス発生器９がコンピュータ２２、ノズル駆動部７、レーザ発光装置１０、検出器２８に接続されている。パルス発生器９が駆動パルスＫを発生すると、ノズル駆動部７がノズル１９を開いてノズル１９から粒子群を噴霧させる。また、パルス発生器９は、駆動パルスＫ発生後、所定周期の同期信号Ｓを検出器２８に送って、所定周期で検出器２８を作動させるようになっている。このことを除いて、本実施例の粒径分布測定装置は、図1に示した粒径分布装置と同じ構造をしている。したがって、図６において、図１と同じ部分には同じ符号を付して、粒径分布測定装置の構造については、これ以上の説明を省略する。

この粒径分布測定装置においては、ノズル１９から噴霧された粒子群に関して、指定された断面における平均粒径の二次元図と濃度及び透過率に関するＣＴ画像を時系列的に作成できる。これらの図を作成する方法を以下に説明する。

この粒径分布測定装置においては、まず、光源部２６と検出器２８をノズル１９の噴射口から所定距離、例えば２０ｍｍに固定して、パルス発生器９から駆動パルスＫをノズル駆動部７に送り、ノズル１９から粒子群１５を噴霧させる。パルス発生器９は、駆動パルスＫを発生させた後、所定周期（例えば０．２ｍ秒）の同期信号Ｓをレーザ発光装置１０と検出器２８に送って、これらを作動させる。これにより、図７の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示したように、所定周期で、レーザビーム１３の光束内の粒子群１５のレーザ光１１の透過率Ｔ、光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉを測定するステップを実行する。

前記ステップを終えると、光源部２６と検出器２８を水平方向へ平行移動させ、再びパルス発生器９が駆動パルスＫを発生して、図７の（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）のように、前記ステップを実行する。以下、同様に光源部２６と検出器２８を水平方向へ平行移動させながら、図７の（Ｇ）、（Ｈ）、（Ｉ）のように、前記ステップを繰り返す。

これらのステップを終えた後は、図８に示したように、光源部２６と検出器２８を測定部１４回りに３．６度回転Ｒして、前記ステップを繰り返して、光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉを測定して、透過率Ｔ、各光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉに関する所定時間間隔毎に測定するステップを５０回は繰り返し行う。

これらのステップを全て終えた後に、駆動パルスＫから１．４ｍ秒後の測定値を集めると、図８に示したように、レーザビーム１３は、平行移動と回転しながら測定部（測定面）１４を照射したことになるので、駆動パルスＫから１．４ｍ秒後の透過率Ｔと各光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉに関して、色々な角度で測定部１４をレーザビーム１３で照射したときのプロファイルが得られる。以下、同様に駆動パルスＫから所定時間間隔毎の透過率Ｔと各光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉに関するプロファイルを得る。

こうして必要なプロファイルの全てが得られると、図９に示したように、駆動パルスＫから所定時間後、例えば１．４ｍ秒後の各光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉに関する全てのプロファイルから、前記第２実施例と同様に、各光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉに関する３０枚のＣＴ画像ＣＴ１,１（ｍ＝１）、ＣＴ１,２（ｍ＝２）・・・・・・・・ＣＴ１,ｉ（ｍ＝ｉ）、ＣＴ１,ｉ＋１（ｍ＝ｉ＋１）・・・・・・・・ＣＴ１,３０（ｍ＝３０）を得る。この３０枚のＣＴ画像から、前記第２実施例と同様に、局所における粒径分布と濃度を求める。粒径分布が求まれば、粒径Ｄｉ以下の粒子群の累計頻度、平均粒径ＳＭＤ（ｊ、ｋ）等の粒子群に関する諸パラメータも簡単に求まり、図１０の（Ａ）に示したように、平均粒径ＳＭＤの二次元図を作成することができる。また、従来と同様な方法で、濃度と透過率についての各ＣＴ画像も作成される。図１０の（Ｄ）に濃度についてのＣＴ画像の例を示す。

ここでは、前記第２実施例と同様な方法で局所における粒径分布を求めたが、前記第1実施例と同様な方法で局所における粒径分布を求めてもよい。すなわち、１．４ｍ秒後の各光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉに関する全てのプロファイルから、粒径区分Ｄ１の濃度Ｃ１に応じたＣＴ画像ＣＴ１、粒径区分Ｄ２の濃度Ｃ２に応じたＣＴ画像ＣＴ２、以下同様に粒径区分Ｄ３０の濃度Ｃ３０に応じたＣＴ画像ＣＴ３０まで、３０枚のＣＴ画像ＣＴ１〜ＣＴ３０を作成して、これらのＣＴ画像から局所における粒径分布を求めてもよい。

次に、駆動パルスＫから例えば１．６ｍ秒後の各光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉに関する全てのプロファイルからも、各光電変換素子１８毎の散乱光のエネルギーＥｉに関する３０枚のＣＴ画像ＣＴ２,１（ｍ＝１）、ＣＴ２,２（ｍ＝２）・・・・・・・・ＣＴ２,ｉ（ｍ＝ｉ）、ＣＴ２,ｉ＋１（ｍ＝ｉ＋１）・・・・・・・・ＣＴ２,３０（ｍ＝３０）を得る。そして、局所における粒径分布と粒子群に関する諸パラメータを求め、平均粒径ＳＭＤの二次元図を作成し、さらに、濃度と透過率についての各ＣＴ画像も作成する。図１０の（Ｂ）と（Ｅ）に、平均粒径ＳＭＤの二次元図と濃度のＣＴ画像の例を示す。

以下同様に、駆動パルスＫから所定時間間隔毎について、ノズル１９の噴射口から２０ｍｍの断面内の局所における粒径分布と粒子群に関する諸パラメータを求め、平均粒径ＳＭＤの二次元図を作成し、さらに濃度と透過率についての各ＣＴ画像も作成する。勿論他の代表粒径の二次元図を得る事も出来る。図１０の（Ｃ）と（Ｆ）に、平均粒径ＳＭＤの二次元図と濃度のＣＴ画像の例を示す。

ノズル１９から２０ｍｍの測定部１４に関する測定を終えると、光源部２６と検出器２８をノズル１９から所定距離、例えば２５ｍｍに移動して、前述したように、所定時間間隔でノズル１９から２５ｍｍの断面内の局所における粒径分布と粒子群に関する諸パラメータを求め、平均粒径ＳＭＤの二次元図を作成し、さらに濃度と透過率についての各ＣＴ画像も作成する。

以下、同様に、所定時間間隔でノズル１９から所定距離間隔の断面内の局所における粒径分布と粒子群に関する諸パラメータを求め、平均粒径ＳＭＤの二次元図を作成し、さらに濃度と透過率についての各ＣＴ画像も作成する。以上の測定を完了すると、指定された局所における指定された時刻の粒径分布と粒子群に関する諸パラメータを表示することができる。

この粒径分布測定装置においては、粒子群の濃度が濃い場合の多重散乱の影響を考慮したＣＴ画像の作成も可能である。第１の実施例または第２の実施例によって粒子群の局所の粒径分布と濃度が求まる。その値を基にして測定ごとの光束に沿った多重散乱シミュレーションを行い、その結果予測される散乱光の散乱角毎のエネルギーを求めることが可能である。予測された散乱角毎のエネルギーと測定された散乱角毎のエネルギーとが最もよく合うように局所の粒径分布と濃度を、多重散乱シミュレーションを繰り返すことにより求めることができる。このようにして求められた局所の粒径分布と濃度は粒子群の濃度が濃い場合の多重散乱の影響を考慮しているのでより精度の高いＣＴ画像である。なお多重散乱シミュレーションは前記特許文献３によって可能である。

本発明の第１の実施例に係る粒径分布測定装置の全体概略図である。 前記粒径分布測定装置で、所定断面での粒子群の粒径分布を求める方法を説明する図である。 前記粒径分布測定装置によって得られた所定断面の局所での粒径分布を示す図である。 （Ａ）は、前記粒径分布測定装置によって得られた所定断面での平均粒径ＳＭＤに関する二次元図である。（Ｂ）は、前記粒径分布測定装置によって得られた濃度に関するＣＴ画像である。（Ｃ）は、前記粒径分布測定装置によって得られた透過率に関するＣＴ画像である。 本発明の第２の実施例に係る粒径分布測定装置で、所定時間間隔で粒子群の粒径分布を求める方法を説明する図である。 本発明の第３の実施例に係る粒径分布測定装置の全体概略図である。 前記第３の実施例に係る粒径分布測定装置で、所定時間間隔毎に所定断面での散乱角毎の散乱光強度に関するＣＴ画像を作成する方法を説明する図である。 前記第３の実施例係る粒径分布測定装置で、ノズルから粒子群を噴霧後の所定時間後におけるレーザビームの照射状況を説明する図である。 前記第３の実施例係る粒径分布測定装置で、所定時間間隔毎に所定断面での粒子群の粒径分布を求める方法を説明する図である。 （Ａ）は、前記第３の実施例の粒径分布測定装置によって得られたＳＭＤに関する二次元図、（Ｂ）は、濃度に関するＣＴ画像である。 従来の粒径分布測定装置の全体概略図である。 受光センサを説明する図である。 粒子群の粒径分布を説明する図である。 散乱角θ方向への散乱光のエネルギーを表す式である。 ＣＴ画像処理を説明する概念図である。

符号の説明

１０ レーザ発光装置（光源部）
１３ レーザビーム（光束）
１４ 測定部（測定面）
１５ 粒子群
１７ 受光センサ（検出器）
１８ 光電変換素子
１９ ノズル
θ 散乱角
Ｃ 粒子群の濃度
Ｄｉ 粒径区分
Ｃｉ 粒径区分Ｄｉの粒子の濃度
ＣＴｉ 粒径区分Ｄｉの粒子群の濃度Ｃｉに基づくＣＴ画像
Ｃｉ（ｊ，ｋ） 座標（ｊ，ｋ）での粒径区分Ｄｉの粒子群の濃度
ＳＭＤ ザウター平均粒径
ＣＴ’ｉ 光電変換素子（ｍ＝ｉ）の出力に基づくＣＴ画像
Ｅｉ（ｊ，ｋ） 座標（ｊ，ｋ）からの散乱光のエネルギー
ＣＴh,i 所定時間間隔毎の光電変換素子（ｍ＝ｉ）の出力に基づくＣＴ画像
Ｗｉ 粒径区分Ｄｉの存在頻度

Claims (6)

1. 測定面に分散された粒子群に光束を照射する光源部と、前記粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーを検出するための複数の光電変換素子を配設した検出器とを備え、該検出器の出力を解析することにより前記粒子群の濃度及び粒径分布を測定する粒径分布測定装置において、
   前記光束を前記測定面内で前記粒子群に対して並進走査させながら、前記各光電変換素子の検出したエネルギーから、前記粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーに関するプロファイルを求め、それから、所定角度回転させ前記並進走査と同様に前記粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーに関するプロファイルを求める一連の操作を所定回数繰り返し、
   前記粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーに関するプロファイルから、コンピュータトモグラフィーの手法で前記散乱光の散乱角毎にＣＴ画像を作成し、前記各ＣＴ画像上の座標（ｊ、ｋ）の点からの散乱光のエネルギーＥｉ（ｊ、ｋ）を読み取り、それらの散乱光のエネルギーに基づいて局所の粒子群の濃度及び粒径分布を決定することを特徴とする粒径分布測定装置。
2. 測定面に分散された粒子群に光束を照射する光源部と、前記粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーを検出するための複数の光電変換素子を配設した検出器とを備え、該検出器の出力を解析することにより前記粒子群の濃度及び粒径分布を測定する粒径分布測定装置において、
   前記光束を前記測定面内で前記粒子群に対して並進走査させながら、前記各光電変換素子の検出したエネルギーから前記粒子群の濃度及び粒径分布を求め、前記濃度に前記粒径分布から求まる各粒径区分の存在頻度を乗算して各粒径区分毎の濃度Ｃｉを算出することにより、前記粒子群の各粒径区分毎の濃度Ｃｉに関するプロファイルを求め、それから、所定角度回転させ前記並進走査と同様に前記粒子群の各粒径区分毎の濃度Ｃｉに関するプロファイルを求める一連の操作を所定回数繰り返し、
   前記粒子群の各粒径区分毎の濃度Ｃｉに関するプロファイルから、コンピュータトモグラフィーの手法で前記粒径区分毎にＣＴ画像を作成し、前記各ＣＴ画像上の座標（ｊ，ｋ）の点における濃度Ｃｉ（ｊ，ｋ）を読み取り、それらの濃度Ｃｉ（ｊ，ｋ）に基づいて局所の粒子群の濃度と粒径分布を算出することを特徴とする粒径分布測定装置。
3. 請求項１または２において求められた局所の粒径分布を初期値として光束に沿った多重散乱シミュレーションを行い、その結果予測される散乱光の散乱角毎のエネルギーが測定されたエネルギーと最もよく一致するように初期値に修正をくわえ、前記多重散乱シミュレーションを繰り返して最もよく合う粒径分布を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の粒径分布測定装置。
4. 前記測定面における局所の粒子群の濃度あるいは代表粒径を等高線表示し、任意の局所を指定することにより、該局所の粒径分布を表示するようにしたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の粒径分布測定装置。
5. 前記光源部及び前記検出器は、前記測定面と直交方向に移動可能にされたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の粒径分布測定装置。
6. 前記粒子群が前記測定部に繰り返し分散される粒子群において、前記並進走査におけるあらかじめ決められた複数の位置における前記粒子群による散乱光の散乱角毎のエネルギーを、それぞれ、前記粒子群の分散開始時刻から所定時間後に検出し、前記散乱光の散乱角毎のエネルギーからコンピュータトモグラフィーの手法で、前記粒子群の前記所定時間後の前記測定面の局所における粒子群の濃度と粒径分布を算出することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の粒径分布測定装置。

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