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粒子計測ソリューション : 粒度分布・粒径・噴霧流速

粒子計測ソリューション | 粒度分布・粒径・噴霧流速

西華デジタルイメージでは、長年にわたるレーザー計測のノウハウを活かし、様々な粒子計測のソリューションを提供します。噴霧側/粉体側の双方にお使いいただける計測機器類をラインナップ。自動車、化学、電機、建築土木、製紙、環境計測、食品、化粧品、医薬品、塗料など様々な業界分野での研究開発や品質管理の向上に寄与します。

第二回粒度分布セミナー「ナノ粒子計測の基礎」開催のお知らせ
2019年9月26日に、第二回粒度分布セミナー「ナノ粒子計測の基礎」を開催いたします。本セミナーでは、近年その需要が高まっているナノ粒子計測についての計測手法について、実際の機械を使用しながらご説明いたします。

粒度分布とは


一口に粒子径といっても、その定義によって様々に存在します。粒子計の測定は、定義に倣って各種の測定原理が存在します。したがって、計測したい材料に応じ、適切な計測手段を選定する必要があります。さまざまな粒子径をもつ粒子が含まれる割合を粒度分布と呼びますが、この粒度分布は粒子径の定義に拠ります。規格としてはJIS規格があり、JIS Z 8801としてふるい分けによる手法が定義されています。ふるいの目と残った試料の質量を計測するというシンプルな方式ですが、微粒子は計測することが極めて困難な手法です。粒子径の計測手法の代表的なものは下図のようなものが存在します。

 

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 計測手法(装置名)  測定径  メリット デメリット 
動的散乱法(湿式)
光子相関 
0.5nm ~ 100nm  ナノオーダー
粒子計測
 主に湿式
 イオントラップ法  20nm ~ 数μm  ナノオーダー
粒子計測
 サンプリング
 レーザー回折法
フラウンホーファー
 0.1μm ~ 数cm  非球体計測  高濃度に弱い
分布関数使用
 位相ドップラー法  0.5μm ~ 数cm(球体)  速度同時計測、
高濃度計測可能
球形粒子のみ 
シャドー画像
粒子径計測法 
 1μm ~
(精度は10μm ~ )
 形状計測可能、
可視化
 高濃度に弱い
LII
(レーザー誘起インカデッセンス)
数nm ~ ナノオーダー
すす計測
カーボン系のみ
Time of flight法 10μm ~ 簡易計測 移動方向が一定

粒子計測関連製品ラインナップ

2本のレーザー光を交差させた際に生じる干渉縞を、計測対象の粒子・液滴を通過させることで粒径、流速を測定するシステムです。一体型のフルターンキー方式で1D、2Dなど様々な機器をラインナップ。

位相ドップラー式(PDI)

レーザーが粒子を通過する際に、粒径によって錯乱光の光の角度によって強度分布が異なる現象を利用した粒度計測機器です。様々な計測レンジを備えており、これまでになく安価でありながら高精度に粒度分布を計測可能です。

レーザー回折式(FLD)

計測対象物のバックグラインドから光源を当てる事により、影絵のように浮かび上がらせ撮影した画像から解析。粒径解析専用ソフト(SCANDIUM)を用いる事で、多様な手法で粒径解析が可能になります。

シャドウグラフ(画像粒子計測法)

レーザー誘起加熱方(LII)は、高エネルギーのレーザーですす(炭素)を加熱した際の励起光を400nmと700nmに分光し、分光された励起加熱光を演算することで粒子数,Primary 粒子径平均値等をその場計測可能なシステムです。

レーザー励起加熱法(LII)

レーザー回折式粒度分布測定装置(FLD)とは

レーザー回折式粒度分布測定装置(FLD)とは

レーザー回折式粒度分布測定装置(Fraunhofer Laser Diffraction : FLD)とは、レーザー光が計測対象となる粒子を通過する際に起こる錯乱光の強度を演算することで粒径、粒度分布を測定する装置です。粒子のサイズによって、散乱する光の強度が角度によって異なる現象を利用しています。粒子の直径が大きいときには、小さい角度の散乱光の強度が強くなり、粒径が小さいときには先ほどとは逆に大きい角度の散乱光の強度が強くなります。この錯乱光の角度による強度分布を計測し、既知の粒径対強度分布(回折錯乱像のパターン)より粒径を導き出します。このときに用いられるのがフラウンフォーファーの回折理論とミーの回折理論です。レーザー回折式粒度分布測定装置は、特定の波長より同じ回折錯乱像を描くようになるために測定できる粒径には下限が存在します。

位相ドップラー粒子分析計(PDI)とは

位相ドップラー粒子分析計(PDI)とは

位相ドップラー粒子分析計(PDI)は、速度に加えて球形液滴のサイズを測定するためのレーザードップラー速度計(LDV)の応用技術です。非接触で液滴及び個体粒子の流速、粒径の計測が可能です。PDIは、LDV同様交差して測定領域を形成するため、干渉縞を形成する2つのレーザービームを使用します。適切な角度と、前方散乱方向に配置されたディテクター間のレーザー光は、流滴が通過することで錯乱されます。LDVシステムとは異なり、PDIシステムのレシーバレンズは4つのセグメントに分割され、これらのセグメントによって集められた散乱光は別々の光検出器に向けられます。各光検出器によって観測されるドップラー差周波数は同一であり、それらのいずれか1つを用いて従来のLDVのように粒子速度を推定することができます。さらに、任意の2つの信号間の位相差は、粒子または液滴の直径と、線形の関係にあります。従ってPDIにおいて位相が測定され、球状粒子の直径を推測するために使用されます。非球形の粒子が通過した場合もドップラー信号は発生しますが、システムソフトウェアに組み込まれた独自の位相検証論理に基づいて排除されます。1次元~ 3次元速度分布、平均速度、RMS速度、粒子径・流速相関図、時系列データ、各種ヒストグラム(粒子径、U,V速度)、 PVC、粒子径(D10、D20、D30、D32:ザウター平均)、抜山・棚沢分布関数、Flux濃度(cc/sec/cm2)、Rosin Rammler分布関数、Log-Normal関数、メディアン分布流速域に応じてサンプリング周波数、ローパスフィルタ等のパラメーターの自動設定機能など用途に応じて、発光・受光部が分かれたモジュラー式と、一体型ターンキー式をお選び頂けます。各種スプレー、自動車インジェクターの噴霧解析用QC装置として最適です。

シャドウグラフ法(画像粒子計測法)とは

シャドウグラフ法(画像粒子計測法)とは

シャドウグラフ法(画像粒子計測法)とは、計測したい粒子群に対して、バックグラウンド照明つまり背景方向から照明を照射し、カメラで粒子の画像を取得し、影絵(シャドウグラフ)となった粒子の画像を基に専用ソフトウエアで解析する事で個数カウント、側長、面積、角度、ポリゴン、輝度、形状など様々な計測が可能なシステムです。計測結果はexcel形式での出力にも対応しており、データの集計も容易におこなえます。シャドウグラフ画像の解析精度向上のための前処理として、濃度調整や平滑化、スパイク除去を始め、様々なフィルタ機能を備えています。 特に影ムラ除去(シェーディング補正)や、特定の帯域の輝度補正(DCE)、粒界 抽出(セパレータ )などのフィルタは高精度な解析の実行に非常に有効です。撮影した画像からは、面積、円相当径、周囲長等の他、形状、座標、濃度、最近 傍粒子間距離、等100以上の項目を自動で算出可能です。選択時は各項目に 解説が表示されます。また、複数画像一括処理や定型処理を簡単にマクロ化可能です。 粒子の自動解析では検出対象の二値化の精度が重要ですが、実際の撮影 では二値化の妨げになる影や明るさのムラが多く発生します。DCEフィル ターは任意の帯域のみのゲインを調整し、抽出に適したコントラストに最適化 します。他、背景除去に適したシェーディング補正機能もあります。粒子解析を行う際、正確に粒子を分離、検出することが求められますが、単純な二値化処理のみだと、隣り合った粒子を分離することが困難です。セパレータフィルタを用いることで、粒子の境界に補助線を這わせ、粒子を分離できます。粒子が明るい/暗い場合、密度が高い/低い場合など、様々な条件で高精度に粒子を分離します。1枚ずつの解析はもちろん、複数枚の画像を一括処理、解 析(スタック処理)し、データを累算していくことも可能です。 また、取得したシャドウグラフ画像をPIV解析する事で流れのある(噴霧状態にある)粒子の流速や流速分布を同時に解析する事も可能です。

レーザー励起加熱法 (LII)とは

レーザー励起加熱法 LIIとは

レーゼー励起加熱法(LII)では、典型的には20ns未満、100mJまでの高エネルギーなパルスレーザーを使用して、レーザビームの経路内に存在するか、または経路内を通過するすすを急速に加熱させます。元素状の炭素粒子(すす)はレーザビームの吸収光と相互作用し、熱に変換されて粒子温度を上昇させます。この時粒子は、周囲の温度から、すす気化の直下の温度、より正確には昇華温度(約4000~4400oK)まで加熱されます。すす粒子から放出される熱放射または白熱光は、収光系および光検出器を用いて測定されます。キャリブレーションを行い、得られたデータの解析を行う事で、すすの体積分率、一次すす粒子サイズ、および比表面積に関する情報を得ることができます。この方法は多くが非侵入型ですので、非常に広い範囲の火炎中のすす濃度とサンプリングを用いた環境条件下での、その場測定(in-situ)が可能です。

各方式の特徴

 これまでにない低価格を実現
 体積粒子径(V10、V50、V90)、数粒子径(N10、N50、N90)、ザウター粒子径(SMD)、体積分布表示、ロージンラムラー分布、Logスケール分布等多彩な表示に対応
 平行光によりレーザー発光部と受光部が分離、計測エリア可変
 受光部を動かした際の再アライメント不要
 操作が容易なソフトウエア
 セパレート式につき計測エリアが可変

FLD レーザー回折式粒度分布測定装置

■ 噴霧粒子の速度、粒子径、Flux、個数密度を同時計測
 時系列計測可能
■ ポイント計測(空間分解能の精度)
 
高い計測精度と繰り返し性
 高速データ取り込み・解析
 発光系・受光系分離型とワンパッケージタイプ有り
 オートマチックパラメーターセットアップ
 PDIの権威者であるDr.William Bachaloが開発

PDI 位相ドップラー粒子分析計

粒子径・速度ヒストグラム

 画像解析ソフトウエア のDetection機能により解析
 比較的大きな粒径を計測する事が可能(10um以上)
 オンライン画像解析
 粒子分離ツール(パレータフィルタ)による高精度な解析
 ROI設定可   

シャドウグラフ法

 システム全体が堅固なボックスに収納されており優れた可搬性
 すすの質量及び体積濃度,表面積,粒子数,Primary 粒子径平均値
 時系列計測可能(20Hz)
 in-situ及び非接触計測

 ポイント計測(空間分解能の精度)
 広い計測範囲,凝集体(aggregation)のサイズに制限されない
 高い計測精度と繰り返し性
 高速データ取り込み・解析

レーザー励起加熱法 LII

業種別アプリケーション

You can see by side scrolling.

自動車 医療・製薬 化学 工業 その他

インクジェクターの噴霧粒子の速度、粒子径、Flux、個数密度の同時計測

噴霧の共同解析

噴霧粒子の形状解析

水中、液中、オイル中のバブルの挙動、形状解析

渦巻噴射弁(スワールインジェクタ)

車体塗装用エアロゾルスプレー

オイルポンプ・燃料ポンプのキャビデーション

燃料電池 MEAのカーボン粒子・粒子層の物性評価

触媒粒子の結晶粒径

排ガス中のすす

ネブライザーの薬剤分布

製剤、薬剤の粒度

医薬品(粉体)の比表面積 

光触媒(酸化チタン)の物性評価

CFRP、炭素繊維複合材料の層間強化材の粒度評価

エマルジョンの粒径

インクジェットプリンタの各種評価

水スプレー、エアロゾルの噴霧

スクリュー、ポンプの気泡、キャビテーション

金属粉末、微粒子の粒径、粒度

エマルジョンの粒径

カーボンブラック、活性炭の粒度分布

セラミック素材の粒度検査

電極材料の粒度、物性評価

二次電池の材料、極材の比表面積、粒度計測

ポリエチレンペレット

ゼオライト

スラリー

パルプ

トナー

システム一覧

1D-PDI

光軸調整が不要なフルターンキー方式の1次元の粒径、粒速計測システム

1D-PDI 位相ドップラー粒子分析計

2D-PDI

2波長を用いた非接触の粒子径およびUV成分速度の同時計測システム

ターンキー式PDI TK-1

3D-PDI

3波長を用いた非接触で粒子径及び U V W 成分速度の同時計測システム

3D-PDI 位相ドップラー粒子分析計

ターンキー式PDI TK1

1次元の位相ドップラー式粒子分析で1~600μmの粒径に対応

ターンキー式PDI TK-1

ターンキー式PDI TK2

1次元の位相ドップラー式粒子分析で6~1200μmの粒径に対応

ターンキー式PDI TK-2

FLD-311

計測エリア長60mmのコンパクトな卓上型噴霧粒度分布計

FLD-311

FLD-319A

1-500umの粒径に対応、計測エリアの変更可能な噴霧粒度分布計

FLD-1000
 

レーザーシャドウグラフ

バックグラウンド照明による影絵的撮影法による粒子解析システム

レーザーシャドウグラフ

レーザー色素シャドウグラフ

光源を変更し計測精度を向上させた画像法による粒子解析システム

レーザー色素シャドウグラフ
 

仕様(概略)

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PDI-仕様の概要 
測定可能粒子径 : 0.5~3,000μm(球形粒子)

■ 粒子径精度 : ±0.3μm

 測定可能流速 : -100 ~200m/sec

 速度精度 : ±0.1%

■ 
最大データレート : 250,000Drops/sec

 光源:532 nm(1次元)、660 nm(2次元)DPSSレーザー内蔵

■ 受光部スリット:50, 100, 250, 500, 1000 um 内蔵

 ディテクター:高感度フォトマル内蔵

 High Pass Filter:5,20 MHz

 Low Pass Filter:8種自動設定(100 kHz – 80 MHz)

 インターフェース:High-Speed PCI インターフェースカード

発光系仕様
口径 85 mm
ビーム径/ビーム間隔 2mm / 50mm
焦点距離1、2、3 350mm、500mm、1000mm
周波数シフト 40MHz
受光系仕様
口径 100 mm
焦点距離1 、2、3 F = 350 mm 、F = 500 mm 、F = 1000 mm 

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  FLD-319A   FLD-311
方式  フラウンホーファー式レーザー回折法 
粒子径  1μm ~ 500μm  0.1μm ~ 100μm
計測精度  < 1%(CRM D50) 
再現精度  < 1%(CRM D50) 
データレート  2KHz 
使用レーザー  LDポンプレーザー 532nm
p>40mW
 ダイオードレーザー 650nm
p>1mW
計測エリア 0.1 ~ 10m可変   6cm固定
寸法 発光部:L369×W295×H360mm
受光部:L858×W295×H360mm
L660×W260×H450mm
重量 発光部:23kg
受光部:45kg
30kg
Coming soon….

動作原理(概略)

PDI 位相ドップラー粒子分析計

速度算出はこのドップラーバースト信号の山の部分をカウントすることによって得られます。速度が遅い場合には広い幅の山なりの間隔になり(低周波数)、逆に速い場合には狭い幅の山なりの間隔になります(高周波数)。干渉縞の間隔は一定なので、微粒子が通過すると、周波数特性をもった規則正しい信号が発生し、 この周波数から速度は次式で表されます。

V=σ*f V:粒子(流体)速度 (m/sec) σ:干渉縞間隔 (μm) f:ドップラー信号周波数 (MHz)

液滴などの球形粒子がこの交差ポイントを通過すると、ここで得られるドップラー周波数fは、検知器の場所によって位相ずれを起こします。この位相ずれ(位相差)が球形粒子の大きさとリニアな関係になるために、粒子径を求めることができます。

PDI 位相ドップラー粒子分析計

2本のレーザ光を絞り、交差させるとそのポイントには規則正しい明・暗のコントラストの縞模様が生じます。これを干渉縞(Fringe)と呼び、この一定のFringe間隔は次式で求められます。この2本のレーザ光の交差したポイントに、流体中に混入された固体粒子または気体中の液滴が通過すると干渉縞はコントラストを描きます。このコントラストを受光部で検知し、電圧に変換すると、元々レーザ光のもつGaussian特性(中心部強度が大)から山なりになり、ドップラーバースト信号といわれるものが形成されます。



レーザー光が粒子に当たった場合に、光は散乱したり回折を起こしたりします。このとき、小さい粒子では散乱角が拡がり、大きい粒子では散乱角が狭くなります(ミー散乱)。 この散乱光を独立したチャネルディテクターで受光し、粒度分布を形成します。FLD-1000シリーズではスリット構造になっており、レーザー発振部、受光部を0.1m~10mの範囲でセパレートし、広範囲のスプレー計測まで対応できます。

Coming soon….

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