JPS63149541A - 流体中の粒子計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は流体中の粒子計測装置、さらに詳細には流体中
に混入している粒子の粒子径および数密度を光子計数法
を用いて測定する装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、このような装置では１粒子を含む測定セル中の流
体にレーザー光を照射し、その散乱光を光電子増倍管を
用いて粒子特性を求めている。

この場合、流体中に混入している粒子の粒子径が小さく
なるにつれて、レーザーを照射された粒子からの散乱光
は微弱になる。微弱光検出に対しては、光電子増倍管を
アナログ的に用いるよりも、光子計数法として用いる方
が有効な手段であることが知られている。

まず、従来の装置を第３図を用いて説明する。

第３図において、レーザー光源１から放出されたレーザ
ー光は、レンズ２によって測定領域３に集光される。Ａ
１１定領域３は、流体が流れている測定用セル４の内部
である。測定領域内に粒子が通過すると１粒子は入射レ
ーザー光を散乱する０粒子によって散乱させられた光を
レンズ５で集光し、スリット６上に結像させる。スリッ
トを通過した光は光電子増倍管７の光電面に到達する。

この時、光を粒子、すなわち光子として考えると、光電
面に到達した光子は光電効果により光電面から電子を放
出させる。光電面から放出された電子は、光電子増倍管
７の内部で１０６倍程度増幅され、光電子増倍管の出力
信号となる。この出力信ｆＪ見 号を全面増幅器８で増幅し、波高弁別器９に通す、波高
弁別器のしきい値は光電子増倍管の光電面から電子が１
個だけ放出した時の信号に対応する電圧または電浣の下
限に設定しておく、前置増幅器８で増幅された信号が、
波高弁別器９のしきい値より高い時は、波高弁別器９か
らパルスが出力される。このパルスはパルス波形整形回
路１０によってパルス波形が整えられ、光電子パルスと
して出力される。この光電子パルスを計数する方法が光
子計数法である。光子計数法においては、粒子からの散
乱光強度は単位時間毎の光電子パルス数に対応する。従
って、一定時間間隔内の光電子パルス数を計数すれば、
その計数値から流体中の粒子の粒子径や数密度を求める
ことができる。

しかし、流体中に混入している粒子の粒子径が小さくな
るにつれて、レーザー光を照射された粒子からの散乱光
が微弱になり１粒子からの光子の放出過程が確率的にな
る。従って、単位時間毎の光電子パルス数の計数値のゆ
らぎが大きくなる。

このゆらぎは１粒子特性を求める上で問題となる。この
光電子パルスの計数値のゆらぎをみかけ上小さくし、粒
子特性を求めやすくするために。

演算処理が必要になる。

この演算処理方法としては、移動平均法が有効である。

移動平均法を説明するために、ある時刻ｔからある時間
Δｔの間に計数した光電子パルス数をＮ（ｔ）とする、
以後、このΔｔをサンプルタイムと称する。ｔ＋Δｔか
らｔ＋２・Δｔの間に計数した光電子パルス数をＮ（ｔ
＋１）と表わすことにする。この表現方法では、ｋを整
数として、 １−１　　＋Δ　ｔ　　　　　　　　　　　　　　Ｎ（
ｔ）ｔ　＋Δ　ｔ−ｔ＋２　　・　Δｔ　　　　　　Ｎ
（ｔ＋１）ｔ＋２　　・　Δ　ｔ−ｔ＋３　　・Δｔ　
　　Ｎ（ｔ＋２）ｔ＋ｋ　　・　Δ　ｔ−ｔ＋（ｋ＋１
）　　・　Δ　ｔＮ（ｔ＋ｋ） と表わすことができる。移動平均の処理方法は。

である、ここで、Ｍは加算回数である。このような処理
を行うと、光電子パルスの計数値のゆらぎをみかけ上小
さくでき、粒子特性が求めやすくなる。

従来の方法では、第３図においてパルス波形整形回路１
０から出力された光電子パルスをパルス計数回路１１で
計数し、その計数値をメモリ回路１２で記憶させ、演算
処理で計数値を読み込み、移動平均の演算処理を行って
いる。

［発明が解決しようとする問題点］ 前述ような従来の方法で、演算装置を用いて光電子パル
スの計数値をみかけ上小さくし、散乱光強度から粒子の
粒子径を求める場合、演算時間が必要となり、実時間（
リアルタイム）で流体中の粒子の粒子径や数密度を求め
ることができなくなる。

また、単純に散乱光強度だけから流体中の粒子の粒子径
を求めようとすると、流体によって散乱させられる背景
光強度と粒子からの散乱光強度が同程度になった場合、
背景光と散乱光の区別が困難になり、計測誤差が大きく
なる。ここで、粒子は測定領域を有限の時間で通過する
ので、粒子からの散乱光は時間幅を持つようになる。こ
の時間幅を測定することによって１粒子からの散乱光で
あるか否かを識別できる。この識別も演算装置で演算処
理を行っていたのでは演算時間が必要となり、実時間（
リアルタイム）で流体中の粒子の粒子径や数密度を求め
ることができなくなる。

従って１本発明はこのような１７ｇ題点を解決するため
になされたもので、光子計数法による光電子パルスの計
数値のゆらぎをみかけ上小さくするための移動平均を実
時間（リアルタイム）で行い、さらに散乱光の時間幅を
測定し、背景光と散乱光の識別を実時間（リアルタイム
）で行い、流体中の粒子の粒子径や数密度を実時間で計
測できる粒子計測装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ このような問題点を解決するため、本発明では、流体中
粒子からのレーザー散乱光から得られる光電子パルスの
計数値に対して、移動平均処理を行い、粒子の粒径分布
を求める流体中の粒子計測装置において１粒子が流れる
流体中にレーザー光を照射するレーザー光源と、粒子か
らのレーザー散乱光を受光して電気信号に変換する手段
と、前記光電変換手段からの信号を散乱光強度に応じた
数のパルスにするパルス発生手段と、前記パルス発生手
段からのパルスを計数し、移動平均処理の加算回数Ｍに
対応する（Ｍ＋１）個のノくルス計数回路と、前記（Ｍ
＋１）個のパルス計数回路を制御し、順次作動させる回
路と、前記パルス計数回路の計数値とあらかじめ設定し
た設定値とを比較する比較器と、前記比較器からの出力
信号に対応する時間幅を測定する回路とを設け、前記時
間幅の測定に従い、散乱光が粒子からの散乱光であるか
否かを実時間で判断する構成を採用した。

［作　用］ このような構成では、パルス計数に（Ｍ＋１）個の計数
回路が用いられており、前記（Ｍ＋１）個の計数回路を
（Ｍ＋１）ビットのシフトレジスタで制御するので、移
動平均を実時間で処理することができる。さらに、あら
かじめ設定した設定値と、一定時間で計数した光電子パ
ルス計数値を比較する比較器を用いて、散乱光の時間幅
を測定しているので、ΔＩＩＩ定している散乱光が粒子
からの散乱光であるかどうかを実時間で認識できる。さ
らに、比較器とラッチ回路を用いて散乱光のピーク値を
実時間で検出できる。このピーク値から光子計数法を用
いて流体中の粒子の粒子径や数密度を実時間で計測でき
る。

［実施例］ 以下、第１図と第２図を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。

第１図には、本発明装置の構成が図示されており、同図
において７ＪＩＪＢ図の同一部分には同一参照符号を付
し、その説明は省略する。

本発明装置では、光電子パルスを得るところまでは、第
３図装置と同一である。

上述した移動平均を表わす（１）式は、時刻りにおいて
Ｍ・Δｔの時間の間、光電子パルスを計数したことに対
応する。すなわち１Ｍ・Δｔの時間で光電子パルスを計
数すれば、時刻ｔｏにおけるＳ　（ｔｏ）は求めること
ができる。さらに、（Ｍ＋１）個の計数回路を用いれば
、Ｓ　（ｔ）の時間変化が計測できる。

このために、第１図に図示したように、（Ｍ＋１）個の
パルス計数回路２１，２２．・・・２（Ｍ＋１）が設け
られる。各パルス計数回路はナンド回路を介してパルス
波形整形回路１０に接続されており、シフトレジスタ５
１のカウント出力端子（１、２、・・・Ｍ＋　１）から
の信号に応じてカウント動作し、その計数値をそれぞれ
ラッチ回路３１．３２．・・・３（Ｍ＋１）にラッチす
る。各ラッチ回路の後段には選択回路４１，４２．・・
・４（Ｍ＋１）が接続されており１選択性号に応じてラ
ッチ回路にラッチされている計数値を比較器５５で比較
し、その結果を計数回路５６で計数する。

また、計数を行う基準クロックを発生する基準クロック
発生器５４が設けられており、基準クロックは賜分周器
５３を介してタイマー信号発生回路５２に入力され、タ
イマー信号発生回路５２からの信号がシフトレジスタ５
１のタイマ一端子に入力される。

上述した計数回路５６は比較器５７に接続され、所定値
と比較される。さらに、散乱光強度のピーク値を得るた
めにラッチ回路５８とそのラッチ回路の値と、パルス計
数回路２１，２２．・・・２（Ｍ＋１）の計数値とを比
較する比較器５９が設けられる。

ラッチ回路５８の出力はに個の比較器６１゜６２．６Ｋ
に接続され、ピーク値かに段階に区分される。各比較器
からの出力はデコーダ７１に接続され、またデコーダ７
１は計数回路８１゜８２、・・・８Ｋに接続され、に段
階に区分されて粒子計数が行われ、その結果が表示器９
１　、９２　。

・・・９Ｋに表示される。

このような構成の計数装置の動作を、第２図のタイミン
グチャート図を参照して説明する。

第２図は移動平均処理のための加算回数Ｍを２としたと
きのタイミングチャート図であり、加算回数Ｍが２であ
るので、第１図におけるパルス計数回路２（Ｍ＋１）は
パルス計数回路２３であり、ラッチ回路３（Ｍ＋１）は
ラッチ回路３３であり、選択回路４（Ｍ＋１）は選択回
路４３である。さらに、リセットＲ（Ｍ＋１）はリセッ
トＲ３であり、ラッチＬ（Ｍ＋１）はラッチＬ３であり
、セレクトＳ（Ｍ＋１）はセレクトＳ３である。

パルス波形整形回路１０から得られる粒子からの散乱光
強度に対応した光電子パルスが各パルス計数回路の前段
に接続されたゲート回路に入力される。基準クロック発
生器５４から得られる基準クロックを分周回路５３で局
分周し、クロックＣ２をつくる。ここで、基準クロック
とクロックＣ１は同じ信号である。またクロックＣ２の
１周期がサンプルタイムΔｔとなる。

このクロックＣ２がタイマー信号発生回路５２に入力さ
れ、タイマー信号ＴＭが出力される。このタイマー信号
ＴＭは、パルス計数回路２１〜２３の光電子パルスの計
数時間を決定する。いま、加算回数Ｍを２としたので、
加算回数に対応する光電子パルスの計数時間はクロック
Ｃ２の２周期分である。従って、タイマー信号ＴＭは、
クロックＣ２の２周期の時間がハイレベルで、次のクロ
ックＣ２の１周期の時間がローレベルとなり、この動作
を繰り返す、一般的に任意のＭ回の加算の時にはタイマ
ー信号ＴＭはクロックＣ２のＭ周期の時間がハイレベル
で、次のクロックＣ２の１周期の時間がローレベルとな
り、この動作を繰り返す信号となる。

このタイマー信号ＴＭとクロックＣ２がシフトレジスタ
５１に入力され、カウントＴＩ、カウントＴ２．　カラ
ン）Ｔ３の制御信号が作られ、それぞれパルス計数回路
２１，２２．２３に入力される。カウントＴｌ、カウン
トＴ２．カウン）Ｔ３は光電子パルスの計数に関与する
制御信号であり、これらの制御信号がハイレベルのとき
に、それぞれの制御信号に関与するパルス計数回路２１
．２２．２３が光電子パルスを計数する。これらの制御
信号がローレベルのときには、それぞれの制御信号に関
与するパルス計数回路２１゜２２．２３は光電子パルス
を計数せず、その間にパルス計数回路２１，２２．２３
の計数値はそれぞれのパルス計数回路２１，２２．２３
に対応するラッチ回路３１．３２．３３によりラッチさ
れる。その後、パルス計数回路２１，２２．２３をリセ
ット信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を介して初期状態に設定する
。

カウントＴ１、カウントＴ２、カウントＴ３の時間的関
係は、カウントＴｌがハイレベルになってからクロー、
りＣ２の１周期分、すなわちサンプルタイム分の時間Δ
ｔだけ遅れてカウントＴ２がハイレベルになる。さらに
、カウントＴ２がハイレベルになってから、クロックＣ
２の１周期分の時間だけ遅れてカウントＴ３がハイレベ
ルになる。このような操作を順次行って、カウントＴｌ
がハイレベルになってから任意のＭに対してＭ・Δｔだ
け遅れてカウントＴ（Ｍ＋１）がハイレベルになる。こ
のような制御方法によって。

ｓ　（Ｈの時間変化を計測できる。

セレクトＳｌ、セレクトＳ２、セレクトＳ３は、それぞ
れカラン）Ｔｌ、カウントＴ２、カラン）Ｔ３を反転さ
せて得られる制御信号である。

セレクトｓ１，３２．Ｓ３は比較器５５に光電子パルス
の計数値を入力するパルス計数回路を選択する制御信号
である。従って、これらの制御信号によって同時に２つ
以上のパルス計数回路が選択されないようにする。これ
らの制御信号がハイレベルのときに、比較器５５に光電
子パルスの計数値が入力される。

ラッチＬ１、ラッチＬ２．ラッチＬ３はパルス計数回路
２１，２２．２３で計数された計数値をラッチ回路３１
，３２．３３でラッチするための制御信号である。これ
らの制御信号がハイレベルのときのパルス計数回路の計
数値がラッチされる。ラッチＬ１はクロックＣ１とクロ
ックＣ２とセレノ）Ｓ２のすべての信号がハイレベルに
なったときにハイレベルとなる。同様に、ラッチＬ２は
クロックＣ１とクロックＣ２とセレクトＳ２のすべての
信号がハイレベルになったときにハイレベルとなり、ラ
ッチＬ３はクロックＣＩとクロックＣ２とセレクトＳ３
のすべての信号が／＼イレベルになったときにハイレベ
ルとなり、それぞれラッチ回路３１，３２．３３に入力
される。

光電子パルスを計数するパルス計数回路２１゜２２．２
３を初期状態に設定するためのリセット信号Ｒ１，Ｒ２
，Ｒ３がクロックｃ２と各カウントＴＩ、カウントＴ２
、カウントＴ３から形成される。それぞれのリセット信
号がハイレベルのとき、対応するパルス計数回路が初期
状態に設定される。リセットＲ１はクロックＣ２とカウ
ントＴＩが同時にローレベルになったときにハイレベル
となる。同様に、リセットＲ２はクロックＣ２とカウン
トＴ２が同時にローレベルになっときにハイレベルとな
り、リセットＲ３はクロックＣ２とカウントＴ３が同時
にローレベルになったときにハイレベルとなる。

セレクトＳｔ、セレクトＳ２．セレクトＳ３によって選
択された各パルス計数回路２１，２２゜２３の光電子パ
ルスの計数値は、比較器５５に入力される。この比較器
では、あらかじめ設定したデータより大きい計数値が入
力されたときに、比較器５５の出力信号であるレベルＬ
Ｖがハイレベルとなる。比較器５５にあらかじめ設定し
たデータより大きい計数値が連続的に入力されても、比
較ｒｊ５５からの出力信号はハイレベルのままである。

そして、比較器５５にあらかじめ設定したデータより小
さい計数値が入力されたとき、比較器からの出力信号は
ローレベルになる。ここで、比較器５５にあらかじめ設
定するデータは１粒子からの散乱光と流体からの散乱光
とを区別するためのしきい値に対応する。

比較器５５の出力信号であるレベルＬＶが連続的にハイ
レベルである間のクロックＣ２のカウント数を計数回路
５６で計数する。この動作は、粒子からの散乱光の時間
幅を計測することに対応する。計数回路５６の計数値が
比較器５７にあらかじめ設定した設定値より大きくなっ
たら、比較器５７の出力信号であるレベルカウントＬｖ
Ｃがハイレベルになる。レベルカウントＬＶＣがハイレ
ベルになったことにより、散乱光の時間幅に関する条件
が満たされたことになる。

粒子からの散乱光が弱くなり、光電子パルスの計数値が
比較器５５にあらかじめ設定した設定値より小さくなる
と、比較器５５の出力信号であるレベルＬＶがローレベ
ルになる。

ラッチ回路５８と比較器５９によって、レベルＬＶがハ
イレベルである間の光電子パルスの計数値の最大値を検
出する。ラッチ回路５８に選択回路４１，４２．４３か
らの出力が入力され、さらにラッチ回路５８の出力が比
較器５９に入力される。初期状態におけるラッチ回路５
８の出力値はゼロである。レベルＬＶがハイレベルであ
る間の光電子パルスの計数値の最大値を検出するために
、ラッチ回路５８の出力値と選択回路４１゜４２．４３
からの出力値を比較する。ラッチ回路５８の出力値が選
択回路４１，４２．４３からの出力値より小さいと、比
較器５９の出力信号であるピークコンベアーＰＣはハイ
レベルとなる。比較器５７の出力信号と比較器５９の出
力信号とクロックＣ２のすべての信号がハイレベルにな
ると、ピークホールドＰＨがハイレベルとなる。

ピークホールドＰＨがハイレベルになると、ラッチ回路
５８に入力されている光電子パルス計数値がラッチ回路
５８にラッチされる。比較器５９に入力されている光電
子パルスの計数値がラッチ回路５８からの出力値より小
さければ、比較器５９からの出力信号はローレベルであ
るので、ピークホールドＰＨはローレベルであり、ラッ
チ回路５８に入力されている光電子パルスの計数値はラ
ッチ回路５８にラッチされず、ラッチ回路５８の出力値
は変化しない、この動作により、比較器５５の出力信号
であるレベルＬＶがハイレベルである間の光電子パルス
の計数値の最大値を検出することができる。

ラッチ回路５８の出力は常に比較器６１゜６２、・・・
６Ｋに送られている。比較器６１゜６２、・・・６にの
それぞれに、あらかじめ設定するデータは粒子径に依存
する散乱光強度に対応する。ラッチ回路５８の出力値が
比較器６１゜６２、・・・６にのそれぞれに、あらかじ
め設定したデータより大きいときには、複数の該当する
比較器の出力信号がハイレベルとなり、その出力信号は
デコーダ７１を介して計数回路８１，８２゜・・・８に
のいずれか１つの計数回路を選択する。

粒子数密度を計測するための計数回路８１゜８２、・・
・８Ｋに入力されるピークＰは、クロックＣ１がハイレ
ベルでレベルＬＶがローレベルでレベルカウントＬＶＣ
がハイレベルのときにハイレベルとなる。ピークＰがハ
イレベルになるときには、ラッチ回路５８には粒子から
の散乱光の光電子パルスの計数値の最大値がラッチされ
ている。

デコーダ７１によって計数回路８１，８２．・・・８に
の中の、前記最大値に対応する計数回路が選択されてい
る。従って、ピークＰがハイレベルになることによって
、前記計数回路の計数値が増加する。

この計測値は、表示器９１，９２．・・・９Ｋによって
表示される。測定領域の体積と流体の流速と測定時間か
ら測定した流体の体積がわかるので、各粒子径区分にお
ける粒子数密度を求めることができる。

ラッチ回路５８は、ラッチリセットＬＲがローレベルに
なることにより初期状態に設定される。

ラッチリセットＬＲはクロックＣＩとレベルＬＶとレベ
ルカラン）　ＬＶＣが、すべてローレベルになったとき
にローレベルとなる。

また、計数回路５６はレベル」ノセッ）　ＬＶＲがハイ
レベルになることにより、初期状態に設定される。レベ
ルリセットＬＶＲは、クロックＣ１とレベルＬＶがとも
にローレベルになったときにハイレベルとなる。

このようにして、光子計数法によって得られた時系列デ
ータのゆらぎを小さくするために、移動平均を行い、粒
子からの散乱光であることを認識するために散乱光の時
間幅を計測し、さらに散乱光のピーク値から粒子の粒子
径を求めることによって、実時間で流体中の粒子の粒子
径や数密度を求めることができる。

さらに、実施例では移動平均の加算回数を２回として説
明したが、この加算回数は任意のＭ回にも拡張できるこ
とはもちろんである。

また、実施例では散乱光の時間幅については、下限につ
いてのみ説明したが、上限についても制限を加えられる
ことはもちろんである。

［発明の効果］ 以上、説明したように、本発明によれば、光電子パルス
の計数のために、移動平均処理の加算回数に対応した（
Ｍ＋１）個のパルス計数回路を用い、これを順次作動さ
せて移動平均処理を行っているので、光電子パルスの計
数値のゆらぎを小さくできる。さらに、散乱光の時間幅
を計測することによって、その散乱光が粒子からの散乱
光であるか否かを認識し、粒子計測を実時間で求めるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の構成を示すブロック図、第２図は
動作を説明するタイミングチャート図、第３図は従来の
構成を示すブロック図である。 ２１〜２３・・・パルス計数回路 ３１〜３３・・・ラッチ回路 ４１〜４３・・・選択回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）流体中粒子からのレーザー散乱光から得られる光電
   子パルスの計測値に対して、移動平均処理を行い、粒子
   の粒径分布を求める流体中の粒子計測装置において、 粒子が流れる流体中にレーザー光を照射するレーザー光
   源と、 粒子からのレーザー散乱光を受光して電気信号に変換す
   る手段と、 前記光電変換手段からの信号を散乱光強度に応じた数の
   パルスにするパルス発生手段と、 前記パルス発生手段からのパルスを計数し、移動平均処
   理の加算回数Ｍに対応する（Ｍ＋１）個のパルス計数回
   路と、 前記（Ｍ＋１）個のパルス計数回路を制御し、順次作動
   させる回路と、 前記パルス計数回路の計数値とあらかじめ設定した設定
   値とを比較する比較器と、 前記比較器からの出力信号に対応する時間幅を測定する
   回路とを設け、 前記時間幅の測定に従い、散乱光が粒子からの散乱光で
   あるか否かを実時間で判断するようにしたことを特徴と
   する流体中の粒子計測装置。 ２）前記時間幅が所定値より大きくなったときに粒子か
   らのレーザー散乱光であると判断し、粒子計測を行うこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の流体中の
   粒子計測装置。 ３）前記粒子計測は、散乱強度のピーク値を得るために
   ラッチ回路と、そのラッチ回路の値と前記パルス計数回
   路の計数値とを比較する比較器と、 前記ピーク値をＫ段階に区分することによって粒子径区
   分をＫ段階に区分するためのＫ個の比較器と、 前記Ｋ個の比較器からの出力をデコードするデコーダー
   と、 前記デコーダーからの出力を計数することによってＫ段
   階の粒子径区分における粒子数密度を求める計数回路と
   を用いて行われることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項に記載の流体中の粒子計測装置。