JPH05264433A - 気泡測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液内を移動する気泡の粒径、速度および分布
を正確かつ効率的に測定する。 【構成】 液中を通過する光を出力する光源を設けた。
また、この光源によって出力され、液を通過した光を受
光するセンサとして、気泡の移動方向を横切る方向に複
数の光センサからなる線状配置センサを４系統配置し
た。ここで、４系統のセンサのうち直交関係にある各セ
ンサにより、センサを通過する気泡の側面の画像を実効
的に捉らえる。そして、信号処理回路により、これらの
センサの出力信号を処理し、液中を移動する気泡の位
置、速度、粒径およびその分布を求めるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、気泡測定装置に関す
るものである。さらに詳しくは、この発明は、各種の産
業分野における気泡粒子の粒径や飛散速度、さらには粒
径分布の高速・高効率測定を可能とする光学系精密測定
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】飛散粒子の粒径や粒度分布を直ちに測定
することのできる手法は従来より各種の着想とアプロー
チとによって検討されてきており、たとえば粉体粒子群
の粒度分布測定法の一つとして顕微鏡法がその代表的な
ものとして例示される。この方法は、粒子の大きさと形
状を同時に直接観察できるため、最も多用されている粒
度測定法であり、沈降法、コールタカウンタ法などの間
接的測定法の基準とされているものである。また、最近
の画像処理技術の発達にともない、この方法の測定時間
の効率化ならびに測定結果の整理、表示が飛躍的に便利
になっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
粉体粒子を測定する技術は優れたものが各種提案されて
いたが、しかし、液内を移動する気泡の分布を効率的に
求めることができる装置は従来なかった。この発明は、
上述した事情に鑑みてなされたものであり、液内の気泡
の分布を効率的に測定することができる気泡測定装置を
提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明は、液中を移動
する気泡の分布を測定する気泡測定装置であって、前記
液を通過する光を出力する光源と、前記光源によって出
力され、前記液を通過した光を受光する手段であって、
前記気泡の移動方向を横切る方向に配列された複数の光
センサからなる線状配置センサが少なくとも２系統並設
されてなる光検知手段と、前記各線状配置センサの出力
信号に基づき、前記液中を移動する気泡の位置、速度、
粒径およびその分布を求める信号処理手段とを具備する
ことを特徴とする。

【０００５】

【作用】上記構成によれば、光源から発した光の通過経
路を気泡が横切ると、それに伴って線状配置センサにお
ける気泡に対応した位置の光センサの出力信号が変化す
る。この変化に基づいて、信号処理手段により、気泡の
位置、速度、粒径および気泡の分布が求められる。

【０００６】

【実施例】以下、図面を参照し本発明の一実施例を説明
する。図１はこの発明の一実施例による気泡測定装置の
検出部１の構成を示す斜視図である。攪拌槽内における
任意の空間位置において、気泡個数、気泡径、気泡形状
などを検出するため、４個のプローブＡ、Ｂ、Ｃおよび
Ｄからなる検出部２００を用いる。各プローブは、直径
0.05mmの受光用光導体ファイバ（三菱レイヨン製エス
カ）を９６本帯状に束ねたものであり、同図に示すよう
に２組ずつが直交する方向に設置されている。これらの
受光用光導体ファイバの各一端には光源（後述）から発
せられる光が入射する。ｚ軸方向にプローブＡ，Ｂおよ
びＣ，Ｄという具合に各２個のプローブを配置したの
は、気泡のｚ軸方向の移動速度を算出する必要があるか
らである。

【０００７】図２に本実施例による気泡測定装置の全体
構成を示す。同図において、１０３および１０４は透明
アクリル製の攪拌槽および角槽である。また、１０１は
攪拌モータ、１０２は攪拌モータ１０１によって回転駆
動されるＲｕｓｈｔｏｎタービン翼であり、槽底より、
液深の1/4の高さに設置されている。攪拌液は常温の水
道水を用いる。翼回転速度は2.33ｓ^-1とした。また、１
０９は攪拌モータ１０１のトルクを測定するトルク計で
ある。１０５はバッフルであり、攪拌槽１０１の内周壁
に４枚取り付けられている。１０８はエアコンプレッ
サ、１０７はエアコンプレッサ１０８から出力される空
気の流量を測定する流量計である。１０６は単孔ノズル
であり、攪拌槽１０３の底のタービン翼１０２の直下の
位置に設置されている。エアコンプレッサ１０８から出
力された空気はこの単孔ノズル１０６から槽内に放出さ
れ、気泡となって上方へ移動する。図１に示した検出部
２００はタービン翼１０２の上方に配置される。ここ
で、図２における上下方向は図１におけるｚ軸の方向と
一致している。１１１は光源としてのハロゲンランプで
あり、検出部２００に対し、図１のｘ軸方向の光を投光
する。この光は図１におけるプローブＡおよびＢによっ
て取り込まれる。また、図２において図示が省略されて
いるが、図１のｙ軸方向の光を投光するハロゲンランプ
が設置されており、このハロゲンランプの光はプローブ
ＣおよびＤによって取り込まれる。図２において１１０
はプローブＡ，Ｂ，ＣおよびＤを構成する９６×４本の
受光用光導体ファイバである。ハロゲンランプ１１１か
らの光はこれらの受光用光導体ファイバを介し９６×４
個のフォトトランジスタ１１２に導かれる。フォトトラ
ンジスタ１１２は、受光量に応じた電気信号を測定回路
１１３に出力する。測定回路１１３はフォトトランジス
タ１１２から供給される電気信号に対する信号処理を行
い、検出部２００を下から上へと通過する気泡の測定を
行う。１１４はマイクロコンピュータであり、測定回路
１１３の動作を制御すると共に測定回路１１３から得ら
れる測定結果を用いた演算処理を行う。

【０００８】図３に本実施例における信号処理に係る構
成のブロックダイアグラムを示す。同図において、ブロ
ックＩ〜ＩＶは、各々プローブＡ〜Ｂに対応して設けら
れたブロックであり、各ブロックは９６個のフォトトラ
ンジスタ１１２と、これらのフォトトランジスタの出力
信号を２値化する９６個の比較回路１３１と、比較回路
１３１から得られるデジタル信号を記憶する気泡データ
用ＲＡＭ１３２とで構成されている。フォトトランジス
タ１１２は、高感度で、指向性がせまく、迅速な応答特
性をもつものを選定することが好ましい。本実施例で
は、フォトトランジスタとして、シャープ製のＰＴ５０
１Ａを使用した。このフォトトランジスタは高感度、高
指向性である。なお、フォトトランジスタの応答速度は
１０μｓである。各フォトトランジスタ１１２は常時活
性化状態となっており、それらの出力信号は比較回路１
３１に入力される。比較回路１３１は、トランジスタに
よる基本的な反転増幅回路により構成した。図４に１ビ
ット分の回路図を示す。抵抗Ｒ１は応答速度をなるべく
低下させないものを選んだ。９６個のフォトトランジス
タの各出力信号は比較回路１３１によって２値化され、
９６ビットのデジタル信号となって気泡データ用ＲＡＭ
１３２に送られる。この気泡データＲＡＭは９６ビット
×３２ｋワードの記憶容量を有する。気泡データＲＡＭ
１３２の各アドレスには比較回路１３１から供給される
９６ビットのデジタル信号が書き込まれる。このデジタ
ル信号の各ビットの値は、対応するフォトトランジスタ
が気泡の影となった場合にＬ、そうでない場合にＨとな
っている。

【０００９】図５に気泡Ｔ、光導体ファイバ１１０、フ
ォトトランジスタ１１２、およびこれらの光学系によっ
て撮像されたイメージＩＭの関係を示す。図５において
ハッチングのなされた部分は、気泡Ｔに対応した位置に
あるフォトトランジスタ１１２の出力信号に基づいて検
知される気泡Ｔの影像である。さて、ビデオカメラなど
に使用されているイメージセンサは走査方式を用いてい
るため、走査時間が計測上無駄時間となり、高速流動場
における測定精度が劣化する原因となる。しかしなが
ら、本実施例は、ビデオカメラなどのような走査方式を
用いず、上記の通りセンサを構成する各フォトトランジ
スタに常時正電圧を印加しセンサを常時活性化させ、各
フォトトランジスタの出力信号を同時に処理するもので
あるから、一画面の画像を同時に得ることができ、極め
て高速な画像処理が可能となっている。本測定システム
の応答性は、使用しているフォトトランジスタの応答性
に依存し、フォトトランジスタの応答速度１０μｓであ
るので、本装置は１秒あたり最大１０万画面の影像を捉
えることができる。

【００１０】また、より微細な気泡の影像を精度良く捉
えるためには、センサ部に気泡の影像を高倍率で拡大投
影し、分解能を向上させることが望ましい。実際、フォ
トトランジスタとして外径が5.7mmのものを用いて９６
個を直接リニア状に並べると、547.2mmもの長さにな
る。しかしながら、この大きさに適切な投影像を得るの
に必要な高倍率の光学系の構成は極めて困難である。そ
こで、図６に示したように直径0.5mmの光導体ファイバ
１１０を９６本直列に配列し、もう一端を各々のフォト
トランジスタ１１２へ導いた。このことにより、受光面
を４８mmに縮小し、より微小な気泡を捉えることが可能
である。

【００１１】再び図３に戻り、気泡データ用ＲＡＭ１３
２内の記憶情報を処理する他の構成要素について説明す
る。クロックパルス発生回路１３３は一定周波数のクロ
ックを発生する。このクロックは気泡存在確認回路１３
６に供給されると共にクロックパルスカウンタ１３４に
よってカウントされる。気泡存在確認回路１３６にはブ
ロックＩ〜ＩＶにおける各比較回路１３１の出力信号が
供給される。ここで、気泡がプローブＡおよびＣによっ
て撮影されるエリア、すなわち、ＡおよびＢを２辺とす
る正方形の内側を通過している場合は、ブロックＩの比
較回路１３１およびブロックＩＩの比較回路１３１は共
に少なくとも１ビットがＬであるデジタル信号を出力す
る。この結果、気泡存在確認回路１３６はプローブＡお
よびＣの撮影アリア内に気泡が在ることを確認する。ま
た、気泡がプローブＢおよびＤによって撮影されるエリ
ア、すなわち、ＢおよびＤを２辺とする正方形の内側を
通過している場合はブロックＩＩＩの比較回路１３１お
よびブロックＩＶの比較回路１３１は共に少なくとも１
ビットがＬであるデジタル信号を出力する。この結果、
気泡存在確認回路１３６はプローブＢおよびＤの撮影ア
リア内に気泡が在ることを確認する。気泡存在確認回路
１３６は、上記のようにして気泡の存在を確認した場合
にＲＡＭ制御回路１３７に存在確認信号を出力する。こ
の結果、ＲＡＭ制御回路１３７により、各ブロックの気
泡データ用ＲＡＭ１３２に書き込みアドレスおよび書き
込み指令が送られ、各ブロックの比較回路１３１の出力
デジタル信号（９６ビット）が気泡データ用ＲＡＭ１３
２に書き込まれる。クロックパルスカウンタ１３４は計
時手段として設けられたものであり、そのカウント値は
気泡存在確認回路１３６がプローブＡおよびＢの撮影エ
リアに到着したことを確認した時点でクリアされる。そ
して、プローブＡおよびＢによる撮影エリアを立ち去る
時点でのカウント値、プローブＣおよびＤの撮影エリア
に到着した時点でのカウント値、プローブＣおよびＤの
撮影エリアから立ち去った時点でのカウント値が時間デ
ータとして時間データ用ＲＡＭに書き込まれる。このよ
うにすることで、長時間測定を可能にしている。図８に
プローブＡ、Ｂを順次通過する気泡Ｔおよびその際の各
プローブに対応した比較回路１３１の出力信号を例示す
る。また、図８（ｂ）にこの場合に観測されるｘ軸方向
から見た気泡Ｔの画像を例示する。図９に以上説明した
動作のタイムチャートを示す。同様にプローブＣおよび
Ｄによりｙ軸方向から見た気泡Ｔの画像が観測される。
このようにして気泡Ｔが３次元的に観測される。また、
図１０に気泡データ用ＲＡＭ１３２のライトサイクルを
示す。この装置では、３２キロバイトのＣＭＯＳスタテ
ックＲＡＭを使用し、ＷＲ、ＣＳのパルス幅をそれぞれ
２２５ns、５００nsとしている。１１４は３２ビットマ
イクロコンピュータＰＣ−９８０１ＲＡ５（ＮＥＣ社
製）である。また、信号処理回路とのインターフェース
ボード１１４ａとして、双方向入出力モジュールＷ−Ｂ
ＵＳ（９８）（コンテック社製）を使用している。マイ
クロコンピュータ１１４は、各ブロックの気泡データ用
ＲＡＭ１３２の記憶情報および時間データ用ＲＡＭ１３
５の記憶情報をＲＡＭ制御回路１３７およびインターフ
ェース回路１１４ａを介して取り込み、これらに基づ
き、槽内の気泡分布を求める演算処理を行う。

【００１２】＜測定＞以上説明した気泡測定装置を用い
て気泡の振舞を測定した。通気攪拌槽内全域を局所的に
測定するために槽内を図１１に符号Ｍによって示すよう
にメッシュに分割し、分割された各領域内に検出部２０
０を配置した。また、全メッシュ数を４０とした。

【００１３】（センサの測定への影響）攪拌槽内におけ
るセンサの影響を調べるために、各メッシュごとに図１
２に示すように検出部２００の位置の10mm上に300mlの
ビーカー１４０を設置して、検出部２００を入れた状態
と入れない状態において、毎秒当たりに測定領域を通過
する気泡の体積を測定した。通気量3.47×10^-4m³/s（ロ
ーディング状態）と4.83×10^-4m³/s（フラッディング状
態）のそれぞれの状態で測定した結果、槽内のセンサ挿
入の影響は約6%程度であった。これより、本実施例で用
いた検出部２００は、槽底からセンサの検出部の測定断
面までは槽内において影響が少ないものと考えられる。

【００１４】（測定データの算出方法）ここで、測定デ
ータの算出方法について説明する。ただし、以下に記載
される各数式における各種記号の定義は次の通りであ
る。 Ｄ：翼径［mm］，ｄ_B：気泡径［mm］，Ｈ：液高［m
m］，Ｈ’：翼高さ［mm］，ｈ：センサの槽底からの高
さ［mm］，Δｈ_i：気泡の重ね幅［mm］，ｉ：槽内の全
メッシュ数［−］，Ｌ：センサ間隔［mm］，Ｎ：翼回転
速度［ｓ^-1］，Ｎ_B：気泡個数［個／ｓ］，ｎ：サンプ
リング回数［−］，Ｐ_o：無通気時の動力［Ｗ］，Ｐ_g：
通気時の動力［Ｗ］，Ｑ_G：通気量［m³／ｓ］，ｒ：セ
ンサの槽中心からの距離［mm］，ΔＳ_i：気泡の断面積
［m²］，Ｔ：槽径［mm］，ｔ：時間［ｓ］：Δｔ：サン
プリング間隔［ｓ］，ｕ_B：気泡浮遊・分散速度［m／
ｓ］，ＶB：気泡体積［m³］，σ：標準偏差［−］，−
は平均値 図１３に通気量を1.17×10^-3m³/sとし、検出部２００が
気泡を捉えたときの出力画像例（計測における生デー
タ）を示した。検出部が気泡を捉えたときの出力画像か
ら、気泡浮遊分散速度は数１により気泡影像の重心の移
動速度と経過時間から算出する。気泡径ｄ_Bx,ｄ_Byは気
泡影像から直接、ｄ_Bzは数２のように気泡影像のｚ方向
のフレーム数、サンプリング間隔および気泡浮遊分散速
度から算出する。気泡体積は数３〜数５のように気泡の
断面積を楕円と考えて、楕円柱の体積の積み重ねとして
算出する。

【数１】

【数２】

【数３】

【数４】

【数５】 なお、この画像例の分解能はｘ，ｙ方向が光導体ファイ
バの径である0.5mm、ｚ方向が約0.02mmであった。

【００１５】（単一気泡の測定）図１４に検出部２００
を槽中心から半径方向に100mm、バッフル間中央、槽底
からの高さ200,300,370,450mmの４か所にトラバースさ
せた場合の気泡形状（ｚ方向のスケールの補正を行った
後の画像例）、気泡径、気泡体積および気泡個数を示し
た。

【００１６】（通気係数と動力の関係）通気係数（Ｑ_G/
ＮＤ³）と攪拌動力（Ｐ_g/Ｐ_o）との関係は図１５に示す
ようになる。なお、以下に示すデータは図１５中の
（ａ）〜（ｄ）の条件のものである。

【００１７】（気泡径と気泡個数の測定結果）図１６に
はｘ方向の平均気泡径分布を図１７には毎秒当たりの平
均気泡個数分布をそれぞれに示した。図１６，１７の左
図の〜はセンサの高さ方向の設置位置を示し、その
右の（ａ）〜（ｄ）のグラフは横軸にセンサの槽中心か
らの半径方向の距離、縦軸に平均気泡径、平均気泡個数
をそれぞれとった。図１６よりローディング域である
（ａ）〜（ｃ）では翼近傍を除く領域では、ほぼ同一の
気泡径を示す気泡が槽内に広がっているのに対し、フラ
ッディング域である（ｄ）では軸に近づくほど、また液
上部に行くほど気泡が大きくなるのがわかる。これらの
ことは主にフラッディング域では通気量が大きいため
に、液上部で気泡の合体が起こり、かつ槽内の圧力が軸
方向で異なることが関与しているものと推察される。ま
た図１７よりローディング域とフラッディング域の気泡
個数はいずれも軸に近づくほど多くなるが、フラッディ
ング域の方がその現象が顕著に現れていることがわか
る。

【００１８】（気泡の分散状態の定義）図１８には槽内
全域における気泡の分散状態として、気泡径ｄ_Bxと毎秒
あたりの気泡個数Ｎ_Bのそれぞれの平均値ａｖ．と標準
偏差σ（下記数６参照）を示した。

【数６】 ここで、αはｄ_Bx,Ｎ_Bの各々を示すものとする。図中の
ａｖ．は平均値を表し、ｄ_Bxの単位はmm、Ｎ_Bは個／ｓ
であり、実験条件は図１６，１７と同様である。同表で
は特にフラッディング域でのｄ_Bx,Ｎ_Bのσ値は非常に大
となり槽内の気泡の気泡径や気泡個数が偏って発生して
おり、ほとんど気泡が分散していないことを示してい
る。さらに、通気攪拌槽内における気泡の分散状態を定
量的に表示するために数６のαをｄ_Bx ^3,Ｎ_Bとして、こ
の標準偏差を槽内全域にわたる毎秒当たりに検出される
気泡体積の偏差値と定義する。この値を縦軸に、通気係
数を横軸にとったものを図１９に示した。同図の曲線が
極小値をとったときに、気泡は最も槽内に平均的に分散
されている。

【００１９】以上本発明を液内の気泡分布の測定に適用
した実施例を説明したが、本発明は液体内の固体あるい
は異種の液体の粒の分布の測定にも適用可能である。ま
た、プローブおよびセンサは本実施例のもの以外のもの
を用いても良い。例えば本願出願人が既に特願昭−号に
おいて提案した装置において使用されているセンサを使
用してもよい。図２０に同センサの構成を示す。このセ
ンサによれば、多くのフォトトランジスタを必要とはす
るものの、図７に示すように気泡Ｔの正確な２次元画像
が一括して得られる。

【００２０】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
れば、液中の気泡の分布を効率的かつ正確に得ることが
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例による気泡測定装置の検
出部の構成を示す斜視図である。

【図２】 同実施例の全体構成を示す図である。

【図３】 同実施例の信号処理系を示すブロック図であ
る。

【図４】 同実施例における比較回路の構成を示す回路
図である。

【図５】 同実施例における光学系の構成を示す模式図
である。

【図６】 同実施例におけるプローブの構成を示す図で
ある。

【図７】 図２０に示す別の構成のセンサを用いた場合
の検出信号を示す図である。

【図８】 同実施例におけるプローブを通過する気泡、
その際の比較回路の出力信号および観測される気泡の画
像を例示する図である。

【図９】 同実施例の動作を説明するタイムチャートで
ある。

【図１０】 同実施例におけるＲＡＭのライトサイクル
のタイムチャートである。

【図１１】 同実施例による気泡の測定について説明す
る図である。

【図１２】 同実施例による気泡の測定について説明す
る図である。

【図１３】 同実施例による気泡の画像の観測結果を示
す図である。

【図１４】 同実施例による気泡の測定結果を示す図で
ある。

【図１５】 同実施例による測定の際の動力線図であ
る。

【図１６】 同実施例による平均気泡径分布の測定結果
を示す図である。

【図１７】 同実施例による気泡の平均個数分布の測定
結果を示す図である。

【図１８】 同実施例による気泡の分散状態の測定結果
を示す図である。

【図１９】 同実施例による槽内全域にわたる気泡体積
の偏差値の測定結果を示す図である。

【図２０】 センサの別の構成を示す図である。

【符号の説明】 Ａ，Ｂ，ＣおよびＤ……プローブ、２００……検出部、
１１０……受光用光導体ファイバ、１１２……フォトト
ランジスタ、１１３……測定回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液中を移動する気泡の分布を測定する気
   泡測定装置であって、 前記液を通過する光を出力する光源と、 前記光源によって出力され、前記液を通過した光を受光
   する手段であって、前記気泡の移動方向を横切る方向に
   配列された複数の光センサからなる線状配置センサが少
   なくとも２系統並設されてなる光検知手段と、 前記各線状配置センサの出力信号に基づき、前記液中を
   移動する気泡の位置、速度、粒径およびその分布を求め
   る信号処理手段とを具備することを特徴とする気泡測定
   装置。