JPH0812144B2 - 沈降中にスペクトル光吸収測定により粒度分布を求める方法および装置 - Google Patents

沈降中にスペクトル光吸収測定により粒度分布を求める方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、透明液内の懸濁粒子の
沈降中にスペクトル光吸収を測定することにより約0.
03〜10μmの領域内の粒度分布を求める方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】光沈降(photosedimenta
tion)または光透過測定式沈降法による粒度分布分
折の方法及び装置は、古くより公知である。粒度の尺度
は、透明液中の懸濁粒子の沈降速度である。基本的に沈
降は、重力場又は遠心力の場の中で行うことができる。
量の尺度、すなわち1つの粒度区分すなわち粒度クラス
における粒子の量は、懸濁液を通る光ビームの減衰の度
合いである。
【0003】2つの異なる沈降方法が、通常使用され
る。層重畳法(ラインスタート法)では、分析開始時に
濃縮懸濁液の層を透明液の上に載せる。懸濁液法では、
分析開始時に懸濁液を均一に混合される。
【0004】懸濁液法の場合、沈降時間tに依存する光
遠心分離機(photocentrifuge)または
光透過測定式遠心分離機内での透過率測定値T(t)か
ら粒度分布q(x)が積分方程式
【数11】 ここで、
【数12】 から数値解析により求められる。ここで、K(πx/
λ)は物質に依存する光吸収関数、ρは懸濁液の密
度、ηは懸濁液の粘度、ρは固体粒子の密度、cは定
数、ωは遠心分離機の単位時間当たり回転数、rはキュ
ベットの内側半径、Rは透過率測定のための半径であ
る。
【0005】光吸収関数Kは、粒度分布q3 (t)を計
算するためには、既知でなければならない。従来の技術
では、光吸収関数Kを一定とするか、または、光吸収関
数をミー理論(Mie theory)により計算す
る。前者の場合、光波長に対して粒子が小さいと誤差が
大きくなる。後者は、粒子が球状であり、粒子の光学的
データが既知である場合にのみ可能である。しかし、光
学的データは、ほとんどの場合分かっておらず、粒子が
球状の場合も稀である。
【0006】粒子が互いに平行な直線経路に沿って沈降
する重力場での光沈降の場合、スペクトル光沈降法と呼
ばれる、光吸収関数を分析中に実験的に求めうる方法が
知られている。この方法では、分析は異なる波長の光で
行わなければならない。これに関しては、第4回粒度分
析会議(the Fourth ParticleSi
ze Analysis Conference)(1
981年9月21〜24日、英国Loughborou
gh University of Technolo
gyにて開催)でのR.Weichertの発表論文の
予稿の28頁から35頁を参照のこと。
【0007】遠心分離機内での光透過測定による沈降分
折の場合、スペクトル光透過測定式沈降法はこれまで応
用できなかった。何故ならばこの場合、重力の場の中で
のスペクトル光透過測定式沈降法の前提である粒子の沈
降経路の平行性の条件が満足されないからである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、分析
する粒子の光吸収関数が分からなくとも粒度分布を求め
ることができるように遠心分離機内での光透過測定によ
る沈降分析の方法及び装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する方法
及び装置は、特許請求の範囲の各請求項に記載されてい
る。
【0010】沈降時間tに依存する異なる光波長λでの
透過率測定値T(λ,t)から光吸収関数Kと粒度分布
3 (t)の双方が、積分方程式
【数13】 ここで、
【数14】 の数値解析により求められる。ここで、K(πx/λ)
は物質に依存する光吸収関数、ρf は懸濁液の密度、η
は懸濁液の粘度、ρs は固体粒子の密度、cは定数、ω
は遠心分離機の単位時間当たりの回転数、rはキュベッ
トの内側半径、Rは透過率測定を行う半径である。
【0011】異なる波長λ(i=1,2,...)に
対して、積分方程式の数値解析を別個に行うことによ
り、Φ(λ,x)=K(πx/λ)q(x)が得
られる。その際、重み付け特異解分解法(method
of weighted singular val
ue decomposition)が用いられる。Φ
(λ,x)(i=1,2,...)を用いることによ
り、K(α=πx/λ)とq(λ,x)が得られ
る。そこで、
【数15】 が決定される。α>35であるので、K(α)はフ
ラウンホーファー近似法から得ることができる。従っ
て、q(x)が、K(α)及びΦ(λ,x)=K
(πx/λ)q(x)から決定される。
【0012】この方法を実施するための装置は、粒子を
含む懸濁液の入ったキュベットを有する。透過率測定T
(λ、t)は、例えば3つから5つ、特には4つの異な
る波長λ1 、λ2 、λ3 、λ4 で行われる。好ましく
は、透過率測定の精度をさらに高めるために、例えば5
mm及び20mmの2つの異なる層厚(互いに重なる)
を有するキュベットを用いるのが便利である。透過率測
定の可能な粒度領域を広げるために、例えば2mm及び
20mmの2つの異なる沈降距離を設けると有利であ
る。複数の沈降レベル、すなわち遠心分離機の異なる半
径での測定により、粒度領域は大幅に広げられる。
【0013】測定データを数学的に処理する際、各波長
λi に対して先ず、Φ(λi ,x)=K(πx/λi
3 (x)を、対応する透過率測定値から計算する。次
いでK(α)が、
【数16】 により求められ、最後にq3 (x)が、K(α)及びΦ
(λi ,x)=K(πx/λi )q3 (x)から求めら
れる。
【0014】本発明により、物質の光学的物性データす
なわち吸光係数の知識なしに、0.03〜10μmの微
細な粒度分布において光沈降を実施することが可能とな
る。広い粒度領域での測定が可能となり、分析時間が比
較的短い。本発明では沈降方向がほぼ一定であり、この
懸濁液を通過する光ビームが細い。細い光ビームを通過
させるためには光源の放射強度が高くなければならな
い。
【0015】さらに、制御された回転速度dω/dt=
f(ω)の遠心分離機を用いることが好ましい。何故な
らば、これにより広い粒度分布にわたる測定が可能とな
り、沈降方向がほぼ一定となるからである。
【0016】回転速度が制御された遠心分離機を用いる
場合、回転速度は分析開始時には小さい。このときに、
すぐに沈降する大きい粒子が検出される。次いで回転数
が計算機により制御されて、連続的に上昇する。その
際、懸濁液の渦流が発生しないように注意しなければな
らない。分析の終了近く、回転速度が高いとき、小さい
粒子も測定により検出される。
【0017】遠心力の場でのスペクトル光透過測定式沈
降法は、遠心力場において、少なくとも2つの異なる光
波長を有する光吸収測定で行われなければならない。
【0018】
【実施例】次に本発明を実施例に基づいて添付図を参照
しながら詳細に説明する。図1には測定装置の基本的な
構成が示されている。光源1から出た光によりスリット
1が照射される。このスリットは、図示されていないレ
ンズにより、キュベット3の中央に結像する。
【0019】対物レンズの背後にはビームスプリッタ2
があって、光ビームを基準ビームと測定ビームとに分割
する。測定ビームは、レベルl1 の測定のための上部の
部分測定ビームとレベルl2 のための下部の部分測定ビ
ームとに分割される。基準ビームは、その他のレンズに
より、光伝導体の開口部へ収束される。光伝導体は独立
した3つの枝部に分割される。
【0020】キュベット3の背後には前記の2つのレベ
ルに、それぞれレンズ4がある。レンズ4の収束平面内
に、光学軸を中心として、小径の光伝導体(光学繊維
束)が配置されている。透過率測定のため、この2つの
光伝導体を通って、光は複数の測定箱の中に導かれる。
測定箱間の切り換えは、シャッターにより可能である。
図1には複数の測定箱のうちの1つのみが示されてい
る。各測定箱は、基準ビーム伝導部と測定ビーム伝導部
を有する。
【0021】ビームスプリッタキューブ(splitt
er cube)により、光伝導体から来る光は、4つ
に分割され、4つの異なる干渉フィルターF1 ないしF
4 によって狭い波長領域(λ1 ないしλ4 )に制限さ
れ、それぞれの光検出器D1 からD4 に到達する。光検
出器D1 ないしD4 は、内蔵型ハイブリッド増幅器とと
もに、光ダイオードを有する。光出力に比例する電圧信
号が生じる。
【0022】その際、同一の焦点距離のレンズが、ダイ
オードの活性の検出部分に、光伝導体を結像するために
用いられ、ビームスプリッタキューブのある領域内で光
がほぼ平行になる。
【0023】さらに本発明の装置は、前記の積分方程式
に従って、測定されデジタル化された信号を所望の粒度
分布に変換するための分析手段を有する。この分析手段
としては、コンピュータを用いることができる。
【0024】図2および図3に、4つの波長λ1 からλ
4 のための4つの光検出器により求められる、粒度x
(対数横軸目盛り)に依存する透過率測定曲線Tを、そ
れぞれ沈降レベル2mm又は20mmの場合で、双方と
もに20mmのキュベット深さ(ビーム方向)の場合に
ついて示す。
【0025】
【発明の効果】本発明によれば、懸濁液中の分析する粒
子の光吸収関数が分からなくとも粒度分布を求めること
ができるため、より広い粒度範囲にわたって、迅速で正
確な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による測定装置の一実施例の基本的な構
成を示す。
【図2】4つの波長λ1 からλ4 のための4つの光検出
器により求められる、粒度x(対数横軸目盛り)に対す
る透過率測定曲線Tを、それぞれ沈降レベル2mm又は
20mmの場合で、双方ともに20mmのキュベット深
さの場合について示す。
【図3】4つの波長λ1 からλ4 のための4つの光検出
器により求められる、粒度x(対数横軸目盛り)に対す
る透過率測定曲線Tを、それぞれ沈降レベル2mm又は
20mmの場合で、双方ともに20mmのキュベット深
さの場合について示す。
【符号の説明】
1 光源 2 ビームスプリッタ 3 キュベット 4 レンズ F1 〜F4 フィルタ D1 〜D4 光検出器

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 沈降時間(t)に依存する異なる波長λ
    i (i=1,2,...)の光の懸濁液透過率を測定し
    て粒度分布q3 (x)を計算する、透明液内の懸濁粒子
    の沈降中にスペクトル光吸収測定により粒度分布を求め
    る方法において、沈降を遠心力の場の中で行なうこと
    と、沈降時間(t)に依存する異なる波長λi (i=
    1,2,...)の光透過率T(λ、t)を測定し、メ
    モリに記憶することと、それぞれの使用光波長λi (i
    =1,2,...)および記憶された光透過率値Tにつ
    いて積分方程式 【数1】 ただし、 【数2】 を、数値解析(重み付け特異解値分解法)によって別個
    に解くことにより、そして、 【数3】 から、 【数4】 により(ここで、K(α0 )はフラウンホーファー近似
    法により求められる)、 【数5】 を決定して、粒度分布q3 (x)を求めることを特徴と
    する沈降中にスペクトル光吸収を測定することにより約
    0.03〜10μmの範囲内の粒度分布を求める方法。
  2. 【請求項2】 少なくとも2つ、例えば4つの波長
    λ1 ,λ2 ,λ3 ,λ4について、沈降時間(t)に対
    する光透過率T(λ,t)の測定を行うことを特徴とす
    る請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 複数の、特に2つの、例えば5mm及び
    20mmの層厚における沈降時間(t)に対する光透過
    率T(λ,t)の測定を行うことを特徴とする請求項1
    に記載の方法。
  4. 【請求項4】 複数の、特に2つの、例えば2mm及び
    20mmの沈降距離について、沈降時間(t)に対する
    光透過率T(λ,t)の測定を行うことを特徴とする請
    求項1に記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記測定中に遠心加速度を、広い粒度範
    囲のカバーと、ほぼ一定の沈降とをねらって変化させる
    ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 【請求項6】 初めに荒い粒子の沈降速度にあわせた小
    さい回転速度で、次いで連続的に上昇する回転速度で、
    最終的には小さい粒子を沈降させるために高い回転速度
    で前記測定が行われることを特徴とする請求項5に記載
    の方法。
  7. 【請求項7】 透明液中の粒子の懸濁液を収容するため
    の透明測定用キュベットと、異なる波長λ(i=1,
    2,...)の光ビーム束で該測定用キュベットを照射
    するための照明手段と、沈降中に光透過率T(λ,t)
    を測定するための少なくとも1つの光検出器と、透過率
    測定結果から粒度分布を計算するための分析手段である
    コンピュータとを備えた粒子のスペクトル光吸収測定に
    より粒度分布を求める装置において、少なくとも1つの
    測定用キュベットを収容するための光遠心分離機が設け
    られていることと、該分析手段が、それぞれの使用光波
    長λ(i=1,2,...)および記憶された光透過
    率値Tについて積分方程式 【数6】 ただし、 【数7】 を、数値解析(重み付け特異解値分解法)によって別個
    に解くことにより、そして、 【数8】 から、 【数9】 により(ここで、K(α)はフラウンホーファー近似
    法により求められる)、 【数10】 を決定して、粒度分布q(x)を求めることができる
    ようになっていることを特徴とする沈降中にスペクトル
    光吸収測定により粒度分布を求める装置。
  8. 【請求項8】 前記照明装置が、3つから5つ、例えば
    4つの異なる光波長λ1 、λ2 、...で前記測定用キ
    ュベットを照射することを特徴とする請求項7に記載の
    装置。
  9. 【請求項9】 前記測定用キュベットが、例えば5mm
    及び20mmの2つの異なる懸濁液の層厚のために形成
    されていることを特徴とする請求項7に記載の装置。
  10. 【請求項10】 測定用キュベットが例えば2mm及び
    20mmの異なる沈降距離を有することを特徴とする請
    求項7に記載の装置。
  11. 【請求項11】 光遠心分離機が回転数調整可能である
    ことを特徴とする請求項7から請求項10のうちのいず
    れか1つの請求項に記載の装置。
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