JPH10213536A - 粒度分布測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多重散乱を取り入れることにより、高濃度の
微粒子群の粒度分布であっても正確に粒度分布を決定で
きる方法及び装置を提供することを課題としている。 【解決手段】 多チャンネル同心円型光検出手段１０
と、前記多チャンネル同心円型光検出手段１０に接続さ
れた散乱光測定手段２０と、前記散乱光測定手段２０に
おける測定結果と多重散乱演算手段３０の演算結果とを
入力させ粒度分布パラメータを決定する粒度分布決定手
段４０とを備えた粒度分布測定装置により粒度パラメー
タを決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粉体やエアロゾル
等の微粒子群によるレーザ光の散乱強度分布を測定する
ことにより微粒子の粒度分布を決定する粒度分布測定方
法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】粉体やエアロゾル等の微粒子群によるレ
ーザ光の散乱強度分布を測定すると、レーザ光の直進方
向は別として、ある角度にピークを持っており、かかる
ピークの位置と広がりは微粒子の粒度分布と関係がある
ことはよく知られている。また、この様な散乱強度分布
はレーザ光の直進方向である光軸に関して対称である場
合がほとんどである。そこで、従来の技術をみると、同
心円状に多数の光検出チャンネルを有する光検出手段と
散乱強度分布解析手段とを備え、粒度分布を決定できる
装置がある（特開昭６−４４６４６。 浮遊粒子の濃度
及び粒径の測定方法及び装置。 図５参照。）。

【０００３】上記の従来の装置においては、一つの粒子
による散乱光強度分布を球によるレーザ光の回折、すな
わち、ベッセル関数を用いた回折強度分布で近似するも
のとし、また、多重散乱を無視して、散乱強度分布を表
す積分を実行し、粒度分布を算出するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来の
装置では、たとえば、ガソリンエンジンの燃焼室に噴射
されるガソリンの微粒子群の粒度分布等を正確に決定す
ることは困難である。その理由は、粒子密度が高く多重
散乱が生じている現象を、多重散乱を無視した演算によ
り粒度分布を決定しているため、正確な粒度分布を決定
できないためである。

【０００５】そこで、本発明は、多重散乱を取り入れる
ことにより、高濃度の微粒子群の粒度分布であっても正
確に粒度分布を決定できる方法及び装置を提供すること
を課題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め請求項１に係る発明では、微粒子群によるレーザ光の
散乱強度分布を測定することにより微粒子の粒度分布を
決定する粒度分布測定装置において、多チャンネル同心
円型光検出手段１０と、前記多チャンネル同心円型光検
出手段１０に接続された散乱光測定手段２０と、前記散
乱光測定手段２０における測定結果と多重散乱演算手段
３０の演算結果とを入力させ粒度分布パラメータを決定
する粒度分布決定手段４０とを備えるようにしている。

【０００７】また、請求項２に係る発明では、 微粒子
群によるレーザ光の散乱を測定することにより微粒子の
粒度分布を決定する粒度分布測定方法において、微粒子
群をｎ個の仮想層に分割するステップと、ｊ番目の仮想
層を散乱されることなく透過するレーザ光の透過光量Ｐ
ｔｊを（数１）とし、且つ、ｊ番目の仮想層で散乱され
るレーザ光の散乱光量Ｐｓｊを（数２）として、第ｎ層
まで繰り返し計算するステップと、演算結果であるＰｔ
ｎ、Ｐｓｎと、測定結果とを比較して、演算結果と測定
結果との間の誤差を算出するステップと、前記誤差を最
小とさせる粒度分布パラメータを決定するステップとを
有するようにしている。

【０００８】また、請求項３に係る発明では、前記多チ
ャンネル同心円型光検出手段１０のチャンネル数以上の
チャンネル数について多重散乱の演算を多重散乱演算手
段３０内で実行させるようにしている。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
しながら説明する。

【００１０】図１に本発明装置の概略を示した。本発明
装置は多チャンネル同心円型光検出手段１０と、前記多
チャンネル同心円型光検出手段１０に接続された散乱光
測定手段２０と、前記散乱光測定手段２０における測定
結果と多重散乱演算手段３０の演算結果とを入力させ粒
度分布パラメータを決定する粒度分布決定手段４０とを
備えている。

【００１１】多チャンネル同心円型光検出手段１０には
レーザ光に感度を有する半導体チップを用いる。たとえ
ば、ＨｅＮｅレーザの場合はシリコンウェファが好適で
ある。ところで、散乱角θの散乱光を収束させるための
レンズの焦点距離をｆとすると当該散乱光は光軸から距
離ｆ・θの位置に収束する。従って、多チャンネル同心
円形光検出手段１０の最大直径は光軸から距離ｆ・θの
最大値により定まる。また、当該検出手段のチャンネル
数は角度分解能に応じて、たとえば、３０等とするとよ
い。かかる光検出手段の出力は散乱光測定手段２０に導
かれる。

【００１２】散乱光測定手段２０は図示しない制御手段
の指令で散乱光の強度をチャンネルごとに測定する。そ
のためまず、レーザ光を遮断して各チャンネルのノイズ
を測定しておく。つぎに、微粒子群により散乱されたレ
ーザ光の強度をチャンネルごとに測定して前記ノイズを
差し引いた値を各チャンネルの測定値とする。かかる各
チャンネルの測定値は散乱光測定手段２０または図示し
ない制御手段等の中に格納される。

【００１３】一方、多重散乱演算手段３０は微粒子群を
ｎ個の仮想層に分割して多重散乱を演算で求めるもので
ある。ここで、多重散乱の演算を開始するために、５つ
のパラメータを図示しない入力手段から多重散乱演算手
段に入力する。第１のパラメータは微粒子群に入射する
レーザ光強度Ｐ０である。Ｐ０は微粒子群が存在しない
状態で光軸状に収束されたレーザ光強度を測定すること
により求める。

【００１４】第２のパラメータは仮想層１層当たりの仮
想透過率ｔである。ｔは多重散乱が無視できる場合の透
過率の値であって、経験的に妥当な値とするとよい。経
験によると、ｔは０．８前後である。

【００１５】第３のパラメータは微粒子群の透過率Ｔで
ある。ここで、微粒子群の透過率Ｔとは、微粒子群が存
在する状態で散乱光測定手段２０の光軸状に収束された
レーザ光強度をＰ０で割った値をいう。Ｔを入力するの
は仮想層の数ｎを生成するためであって、このＴを用い
て仮想層の数ｎを（ｌｎＴ）／（ｌｎｔ）とする。

【００１６】第４のパラメータは粒度分布の式Ｄであ
る。Ｄとしては、ロージン・ラムラー分布関数だけでな
く、ＬＯＧーＮＯＲＭＡＬ分布関数や抜山・棚沢分布関
数等所望のものを選択できる。

【００１７】第５のパラメータは散乱振幅の式Ｆであ
る。Ｆとしては、回折の式だけでなく、ミー散乱の式や
レーリー散乱の式等所望のものを選択できる。

【００１８】このように必要なパラメータを入力した
後、多重散乱の演算が行われる。演算結果は多重散乱演
算手段３０から粒度分布決定手段に導かれる。

【００１９】粒度分布決定手段４０は、まず、散乱光測
定手段２０における測定結果Ｐｏｂｓと多重散乱演算手
段３０の演算結果Ｐｃｕｌｃとをチャンネルごとに比較
して誤差を算出する。そして、上記チャンネルごとの誤
差又は上記チャンネルごとの誤差の自乗を総和した値Ｅ
を図示しないメモリ手段に格納する。そして最後に、こ
のような値Ｅを最小とさせる粒度分布を決定するのであ
る。

【００２０】図２に本発明装置の多重散乱演算手段３０
内で実行される演算を模式的に示した。このモデルでは
レーザ光Ｌ０が第１層に入射すると、Ｌ０は方向を変え
ないで第１層を透過し第２層に入射するレーザ光Ｌｔ
と、方向を変えて第２層に入射するＬｓとに分かれるも
のとしている。第２層、第３層、・・・、第ｎ層におい
ても同様である。従って、このようなスキームの下で図
２のように枝分かれするレーザ光の各強度をすべて追跡
計算することが多重散乱の演算の実行である。すなわ
ち、このスキームを用いる限り、アルゴリズムはどのよ
うなものであってもかまわないものである。尚、請求項
２に係る発明は図２のスキームを高速に実行できる方法
のひとつである。

【００２１】図３には図２のスキームを実行する一つの
方法を示した。

【００２２】図３のフローチャート中ステップＳ１は、
微粒子群の仮想層の数ｎ等のパラメータを入力するステ
ップである。各パラメータの意味は多重散乱演算手段３
０に入力する各パラメータの意味と全く同じである。

【００２３】ステップＳ２は、図２におけるレーザ光Ｌ
ｔの強度をＰ０＊ｔと置くと同時に、同じく図２におけ
るレーザ光Ｌｓの強度をＰ０＊Ｓｐと置くステップであ
る。ここで、Ｓｐは物理的散乱因子であり、Ｆ＝Ｆ
（θ、ｘ）、Ｄ＝Ｄ（Ｘ）とするとＳｐ＝∫Ｆ（θ、
ｘ）＊Ｄ（Ｘ）ｄｘである。ここで、積分範囲は０から
∞までである。

【００２４】ステップ３は、仮想層の数ｎが１であるか
否かを判断するステップである。ｎが１である時は多重
散乱の演算を行わずに直ちに粒度分布の決定を行う。

【００２５】ステップ４からステップ７は多重散乱の演
算を行うステップである。ここでは特に、ステップ６に
おいて、レーザ光の強度分布を与える式を単純化してい
る。すなわち、第ｊ番目の仮想層への入射角によらず、
仮想透過率ｔと物理的散乱因子Ｓｐは一定であるとして
いる。これは仮想層の厚さが小さく、微粒子の形状が球
から極端に変形されていない限り有効である。フローチ
ャート中透過光Ｐｔとあるのは第ｊ番目の仮想層で方向
を変えられずに第（ｊ＋１）番目の仮想層に入射するレ
ーザ光の強度である。このＰｔは、たとえば、図２の第
２層に示されたレーザ光ＬｔｔとＬｓｔのそれぞれの強
度の和である。また、フローチャート中散乱光Ｐｓとあ
るのは第ｊ番目の仮想層で方向を変えられて第（ｊ＋
１）番目の仮想層に入射するレーザ光の強度である。こ
のＰｓは、たとえば、図２の第２層に示されたレーザ光
ＬｓｓとＬｔｓのそれぞれの強度の和である。

【００２６】ところで、ステップ６における幾何的散乱
因子Ｓｇは本発明装置において多チャンネル同心円形光
検出手段１０を採用しているために導入する必要のある
因子である。そこで、図４を参照して幾何的散乱因子Ｓ
ｇについて説明する。

【００２７】図４において、Ｌ１は光軸とある角度θを
なして進行するレーザ光を表している。レーザ光Ｌ１は
このまま進行すれば多チャンネル同心円型光検出手段１
０のリング状のチャンネルの一つであるＲ３に到達する
はずである。しかし、多重散乱により、Δθだけ進行方
向が変えられると、このレーザ光はＬ２の直線で示すよ
うに（θ−Δθ）の方向に進行してチャンネルＲ１上の
点Ｘに到達する。従って、レーザ光Ｌ１が角度Δθだけ
散乱された結果、多チャンネル同心円型光検出手段１０
のリングＲ１に到達する確率は同心円群Ｃ１の中のチャ
ンネルリングＲ１のと同心円群Ｃ２の中のチャンネルリ
ングＲ２が重なり合う斜線部分の面積Ｓ（Ｒ１∩Ｒ２）
を同心円群Ｃ２の中のチャンネルリングＲ２の面積Ｓ
（Ｒ２）で割ったものである。すなわち、幾何的散乱因
子Ｓｇは＝Ｓ（Ｒ１∩Ｒ２）／Ｓ（Ｒ２）である。

【００２８】ところで、本発明装置では測定の角度分解
能はチャンネル数によって決まっている。すなわち、レ
ーザ光の進行する角度は各チャンネルを表す離散変数で
置き換えてもよい。そこで、幾何的散乱因子Ｓｇは入射
角ｐの光が角度ｑだけ方向を変えられた場合に角度ｒの
光線となってチャンネルｒに到達する確率Ｓｐｑｒとし
てマトリクス表示できる。すなわち、本発明方法を高速
に実行するには、マトリクスであるＳｇ（Ｓｇ＝Ｓｐq
ｒ ここでｐ,q,ｒは整数）をあらかじめすべて計算し
てメモリに格納しておくとよい。

【００２９】かくして、第ｎ層までの繰り返し計算を終
了するとステップ７からステップ８に移行する。多チャ
ンネル同心円型形検知手段１０の光軸に入射する光量は
Ｐ０＊Ｔであるので、軸上のチャンネルを除外した散乱
光強度分布Ｐｃｕｌｃは（Ｐｔｎ＋Ｐｓｎ−Ｐ０＊Ｔ）
である。

【００３０】そこで、ステップ８において、演算結果の
Ｐｃｕｌｃとｓ散乱光測定手段２０の測定結果であるＰ
ｏｂｓとの間の誤差をチャンネルごとに求め、当該誤差
又は当該誤差の自乗をすべてのチャンネルについて総和
した値Ｅをメモリに格納する。

【００３１】最後に、ステップ９で粒度分布を決定す
る。このステップ９では、粒度分布関数のパラメータを
変化させて上記の値Ｅを計算させ、その結果として値Ｅ
を最小とさせる分布関数のパラメータを見いだすことで
粒度分布を決定するのである。

【００３２】また、多チャンネル同心円型光検出手段１
０のチャンネル数以上のチャンネル数について多重散乱
の演算を多重散乱演算手段３０内で実行させるようにす
ればより正確な多重散乱の結果が得られる。その理由
は、微粒子群中のある仮想層において一旦多チャンネル
同心円型光検出手段１０が検出しうる最大角度以上の角
度を有する光線が生じても、その後に引き続いて生じる
多重散乱のために当該角度が減じられることにより、多
チャンネル同心円型光検出手段１０のいずれかのチャン
ネルで当該光線が検知されることがあるからである。従
って、多重散乱の演算に使用するチャンネル数が多い
程、原理上、演算精度は向上するが、演算時間は長くな
る。そこで、たとえば、多チャンネル同心円型光検出手
段１０のチャンネル数が３０である時には、３２チャン
ネルで多重散乱の演算を行う等のようにする。但し、演
算において採用するチャンネル数は上記の例に限定され
るものでないことはいうまでもない。

【００３３】

【発明の効果】請求項１に係る発明本発明によれば、多
重散乱演算手段３０と粒度分布決定手段を備えているの
で、高濃度の微粒子群であっても、粒度分布を正確に決
定できる。

【００３４】また、請求項２に係る発明によれば、多重
散乱を高速に演算できる方法が提供されているので、高
濃度の微粒子群であっても、粒度分布を正確に決定でき
るのみならず、回折近似に限定されず、更には特定の粒
度分布関数に限定されることなく、粒度分布を決定する
ことができる。特に、幾何的散乱因子Ｓｇをあらかじめ
計算してメモリに格納しておくことができるので、多重
散乱の演算を高速に実行できるという効果が生じてい
る。

【００３５】また、請求項３に係る発明によれば、多チ
ャンネル同心円型光検出手段１０のチャンネル数以上の
チャンネル数を使って多重散乱の演算を行うので、正確
に多重散乱の効果を取り入れることができる。

【００３６】なお、請求項１又は２に係る発明によれ
ば、特に多重散乱を取り入れる必要がない等の従来の場
合には従来通りに粒度分布を決定できるので、装置とし
ての使い勝手がよいという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の粒度分布測定装置

【図２】微粒子群中の仮想層におけるレーザ光の透過と
散乱を表す模式図

【図３】本発明の粒度分布測定方法

【図４】幾何的散乱因子の説明図

【図５】従来の粒度分布測定装置

【符号の説明】

１０ 多チャンネル同心円型光検出手段 ２０ 散乱光測定手段 ３０ 多重散乱演算手段 ４０ 粒度分布決定手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微粒子群によるレーザ光の散乱強度分
   布を測定することにより微粒子の粒度分布を決定する粒
   度分布測定装置において、 多チャンネル同心円型光検出手段１０と、 前記多チャンネル同心円型光検出手段１０に接続された
   散乱光測定手段２０と、 前記散乱光測定手段２０における測定結果と多重散乱演
   算手段３０の演算結果とを入力させ粒度分布パラメータ
   を決定する粒度分布決定手段４０とを備えたことを特徴
   とする粒度分布測定装置。
2. 【請求項２】 微粒子群によるレーザ光の散乱を測定
   することにより微粒子の粒度分布を決定する粒度分布測
   定方法において、 微粒子群をｎ個の仮想層に分割するステップと、 ｊ番目の仮想層を散乱されることなく透過するレーザ光
   の透過光量Ｐｔｊを（数１）とし、且つ、ｊ番目の仮想
   層で散乱されるレーザ光の散乱光量Ｐｓｊを（数２）と
   して、第ｎ層まで繰り返し計算するステップと、 演算結果であるＰｔｎ、Ｐｓｎと、測定結果とを比較し
   て、演算結果と測定結果との間の誤差を算出するステッ
   プと、 前記誤差を最小とさせる粒度分布パラメータを決定する
   ステップとを有する粒度分布測定方法。 【数１】 Ｐｔｊ＝（Ｐｔ（ｊ−１）＋Ｐｓ（ｊ−
   １））＊ｔ（ここに、ｔは仮想層１層当たりの透過率） 【数２】 Ｐｓｊ＝（Ｐｔ（ｊ−１）＋Ｐｓ（ｊ−
   １））＊Ｓｐ＊Ｓｇ（ここに、Ｓｐは物理的散乱因子、
   Ｓｇは幾何的散乱因子）
3. 【請求項３】 前記多チャンネル同心円型光検出手段
   １０のチャンネル数以上のチャンネル数について多重散
   乱の演算を多重散乱演算手段３０内で実行させることを
   特徴とする請求項１記載の粒度分布測定装置。