JPS63500402A - 現場粒径測定装置 - 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】 現場粒径測定装置 関連出願の相互参照 本願は正規に出願され正規に譲渡された以下の２つの特許出願に相互参照される 。ジョージ・エフ・シュロフおよびマイケル・ゼー・ディモントの名義で（）に 出願された「微粉化固体制御装置」と題する米国特許出願第　号（Ｃ８５０９２ ０）：およびマーク・ピー・エラモおよびジョン・エム・ホーメスの名義で（） に出願された「現場粒径測定装置のための装着兼横移動アセンブリ」と題する米 国特許出願第　号（Ｃ８６００１０）。

発明の背景 本発明は測定装置に関し、特に流体物質中に存在する粒子の粒径分布および体積 密度の測定を同時に現場で行うために使用するのに特に適した測定装置に関する 。

多くの工業プロセスの中で重要なパラメータの１つは粒径である。それ自体は、 従来では、粒子の測定を行うために利用することができる装置を用意することが 古くから知られている。このため、従来には粒子の測定を得るために使用して来 た多くのタイプの装置例が存在する。この点に関し、多くの場合、粒子の測定が 遂行される技術には識別できる差がある。このような差の存在はほとんどの部分 についてそのような装置が利用されるよう設計された特別な適用と関連される種 々の機能要求に原因している。たとえば、特定の応用に利用されるべき装置の特 別なタイプの選定において、考慮しなければならない主要因の１つは測定しよう とする粒子が成している物質の性質である。考慮しなれけばならない他の要因は 測定している時に粒子が存在する物質の性質である。考慮しなれけばならない更 に別の要因は測定すべき粒子の相対サイズである。

粒子の測定を達成するために従来技術によって今まで利用して来た手法の中には 音響法、光学計数法、電気計数法、沈降法、分離性、および表面測定法がある。

更に、粒子の測定をするためにそのような手法を適用しようとしている粒子の種 類は血液粒子、食物粒子、化学粒子、無機物粒子などを含む。加えて、前に参照 した手法の種々のものは、各種タイプのガスおよび各種タイプの液体のような色 々異なったタイプの流体物質の中に存在している粒子の測定を遂行させるために 利用しようとしているものである。

しかしながら、あいにく、上に参照した手法を実施できるようにするため今まで 従来技術において利用できる装置は１ないしそれ以上の点において都合悪く特徴 付けられることがわかった。このため、工業プロセスへの調節を必要に応じて遂 行させるのに利用することができる粒径に関する情報を発生させるため、工業プ ロセスを含む応用と関連してこのような装置を利用しようとする場合、従来形の 装置の使用を通して十分に適時な方法にておよび／または所望の精度をもって必 要情報を発生させることは不可能である。すなわち、工業プロセスへの調節を適 時に行なうための利用に関する限り、有意値とずべき情報として粒径に関する所 望情報を発生させるにはあまりに長い時間がかかることおよび／またはあまりに 多くの労力を要することが判明している。大きな測定では、これは、粒径測定を 行なうために今まで用いて来た従来装置を使って現場で測定を行なうことが不可 能であることに基づいている。結果として、今まで使用して来た従来装置を使用 するためには、測定しようとする粒子が存在する媒体から試料を収集する必要性 、この試料を粒径測定に使用すべき装置へ送る必要性、その装置によって粒径測 定を実際に行なう必要性が頻繁にあり、最終的には得られた粒径に基づいて、測 定された粒子の採取された特定の工業プロセスがうまく作動されるかどうかのサ イズにその粒子があることを確実にするために、測定は工業プロセスに対して調 節を行わなければならないものは何でも含ませている。

粒径がプロセスの好結果の作動のための重要事項とすべきことがわかっている工 業プロセスの１つの形態は、たとえば、限定する訳ではないが、微粉炭の燃焼で ある。微粉炭の燃焼に関しては、燃料として微粉炭を用いている蒸気発生装置の 必須要素は石炭をこのような用途に適したものにするために石炭を粉砕する装置 であることが長らく知られている。特に石炭の粉砕を行うためにしばしば使用さ れている装置の１つの形態は、各種タイプの装置をこの目的のために利用するこ とが知られているが、この産業にて一般にボウルミルとして参照されているもの である。ボウルミルは中で生じる石炭の微粉化、すなわち粉砕がボウルの形にい くらか似た粉砕表面上にて発生されることから主としてこの名を得ている。たと えば、ボウルミルの従来の形を示すために、ゼー・エフ・ダーレンベルグほかに 対して１９６９年９月９日に発行され本発明と同じ譲受は人に譲渡された米国特 許第３，４６５，９７１号明細書を参照する。この発明は、石炭焚き蒸気発生器 に燃料を供給するのに使用される石炭を粉砕させるに適したボウルミルの構成の 種類および作動のモードを教示している。

蒸気発生装置における燃料として微粉炭の使用に特に関係するような微粉炭の有 効燃焼は、石炭の粒径が指定の粒径分布付近に保持されていることを要する。

代表的には、中間反応石炭に対しては、２００メツシユで７０％が通過し５０メ ツシユでは１％が通過しないものである。代表的な５００■の石炭焚き蒸気発生 器発電プラントでの経済的評価に基づき、指定した粒径分布を維持させることに よって達成される炭素変換率の上昇のために、上に参照した規模の発電プラント の運転コストが年間で何十万ドルもの意味深い節約を実現することができると判 断されている。しかしながら、明らかに、指定した粒径分布に近い石炭粒径に保 持させることによって微粉炭燃料の供給される特定の発電プラントに関する限り 、実際に実現される節約は、石炭の反応速度論を含む多くの要因、すなわち使用 した特定の石炭についての粒径に対して燃焼効率がどの程度左右されるか、石炭 粒子の最適粒径分布を維持するようボウルミルをいかにうまく、いかなる頻度で 制御するかに依存している。しかし、すべての場合において石炭粒子の粒径分布 をその最適値付近に維持することはいくらか燃料の節約にはなるのである。

他の利益は石炭粒子の粒径分布をうまく制御することからも発生する。これに関 し、石炭粒子の粒径分布の良好な分布により蒸気発生器での燃焼生成物の付着が 減るということが挙げられる。加えて、石炭粒子の粒径分布に片寄りが発生して いる場合には、これを、測定済み石炭粒子の微粉化を行ったボウルミルの作動に 関連した問題検出のための保守および診断助力として提供するようなことに使用 することができる。また、石炭粒径の測定を行うことで貯えられた情報を使用し てボウルミルの運転を通して連続制御をすることができる。更に別の可能性は給 炭パイプ中の燃料対空気比の表示を得るために石炭粒径分布測定を行なうことか ら得られた情報を使用することであり、これにより、すべてに周知な方法にて、 ボウルミルから微粉炭粒子の燃焼を行う蒸気発生器に微粉炭粒子が運ばれる。

したがって、従来においては、正確な粒径測定を迅速に得ることができるような 作動のモードを実施する新規かつ改良された形の粒径測定装置の必要性が明らか にされた。すなわち：オンライン測定から得た情報を適時に得、これによってこ の情報を、粒径が重要なパラメータである工業プロセスに関して制御するために 使用できるようにするような、粒径のオンライン測定を与えることができる新規 かつ改良された形の粒径分析機の必要が明らかにされた。換言すれば、粒径分布 の測定に基づいた調整が必要と思われる時、現場での粒径分布によって工業プロ セスに対する調整をすることができる新規かつ改良された形の粒径分析機を得よ うとしている。加えて、粒径分布測定をなすと同時に、現場の体積密度の測定を 一緒に得ることもできることを更に特徴とするそのような粒径分析機を得ようと している。

したがって、本発明の目的は流体物質中に存在する粒子のサイズの測定を得るよ う作動する新規かつ改良された測定装置を提供するようにある。

本発明の他の目的は粒径の正確な測定を迅速に得ることができるようにした新規 かつ改良された粒径測定装置を提供するにある。

本発明の一層他の目的は流体物質中に存在する粒子のサイズの現場測定をなすこ とができる新規かつ改良された粒径測定装置を提供するにある。

本発明の更なる目的は流体物質中に存在する粒子の粒径分布の現場測定を行うよ う作動する新規かつ改良された粒径測定装置を提供するにある。

本発明の一層更なる目的は流体物質中に存在する粒子の粒径分布の現場測定をな すと同時に流体物質中に存在する粒子の体積密度の現場測定を行うよう作動する 新規かつ改良された粒径測定装置を提供するにある。

本発明の更に別の目的は粒径に関する情報を十分に適時な方法で発生させて粒径 測定から得られた情報に基づいて工業プロセスに関する制御を行うことができる 新規かつ改良された粒径測定装置を提供するにある。

本発明のなお一層別の目的は製造および作動が比較的簡単である一方、提供する のに比較的費用がかからない新規かつ改良された粒径測定装置を提供するにある 。

発明の要約 本発明によれば、粒子のサイズの測定をなすのに特に適した測定装置が提供され る。このため、この対象の測定装置は流体物質中に存在する粒子の粒径分布およ び体積密度の測定を同時かつ現場で行うよう作動する。その構成の性質によれば 、対象の測定装置は本質的に２つの主要素、すなわち光源部およびプローブヘッ ド部から成る。光源部は好ましくはヘリウムネオンレーザ−の形式のものがよい 。このレーザーからの光は光フアイバケーブルによってプローブヘッドに送られ 、光がケーブルから出た時空間的にろ波され平行光線束にされる。平行にされた 後、光は第１の焦点レンズに伝達される。この第１の焦点レンズは試料経路を横 切った平行光を、試料経路の第１の焦点レンズが置かれた側と反対の側に置いた 第２の焦点レンズに焦点を合わせるよう作用する。試料経路を横切って通る途中 で、レーザー光は試料経路中に存在する粒子によって散乱させられる。散乱され た光は第２の焦点レンズによって集められ、光の強さ分布をつみ取る検出装置へ 焦点が合うよう設計されている。検出装置によって受けられた光分布から粒径分 布を推理することができ、一方、成るパラメータ式を使って体積密度が計算され る。

図面の簡単な説明 第１図は本発明に従って構成された粒径測定装置に使用することができる光源部 の一実施例の側面図である。

第１ａ図は本発明に従って構成された粒径測定装置に使用することができる光源 部の他の実施例の略示図である。

第２図は本発明に従って構成された粒径測定装置のプローブヘッド部の部分断面 側面図である。

第３図は実質的に第２図の線３−３に沿って見た第２図の本発明に従って構成さ れた粒径測定装置のプローブヘッド部の断面図である。

第４図は実質的に第２図の線４−４に沿って見た第２図の本発明に従って構成さ れた粒径測定装置のプローブヘッド部の断面図である。

第５図は実質的に第２図の線５−５に沿って見た第２図の本発明に従って構成さ れた粒径測定装置のプローブヘッド部の断面図である。

第６図はプローブヘッド部の構成要素間に存在する関係を示した本発明に従って 構成された粒径測定装置のプローブヘッド部の一部の断面図である。

好適な実施例の説明 図面、特にその第１図、第１ａ図および第２図を参照すれば、そこには流体物質 中に存在する粒子の粒径分布および体積密度の測定を同時かつ現場で行うよう使 用するのに特に適した測定装置が示されている。本発明の最良の実施態様によれ ば、目的の粒径測定装置は２つの主要素、すなわち図面の第１図に参照符号１０ によって一般的に示した光源部と、図面の第２図に参照符号１２によって一般的 に示したプローブヘッド部との２つの主要素から成る。

本発明に従って構成された粒径測定装置の光源部１０のこの種の構成をまず考え てみると、このためには特に図面の第１図を参照する。本発明の最良の実施形態 によれば、好ましくは本発明の粒径測定装置に使用される光源は第１図に参照符 号１４によって一般的に示したヘリウムネオンレーザ−がよい。本発明の粒径測 定装置の以下の説明のために光源１４はガスレーザー、すなわちヘリウムネオン レーザ−であるとして述べるが、光源１４は本発明の主旨を逸脱しない半導体レ ーザーの形式をとることもできると理解すべきである。すなわち、所望の作動モ ードを持った本発明の粒径測定装置を与えるために使用される光源はレーザーを 必要とするだけで、この目的のために使用されるレーザーの特定の形態はガスレ ーザーまたは半導体レーザーのいずれでもよい。このため、図面の第１ａ図を参 照して、半導体レーザーを包含し本発明に従って構成された粒径測定装置の光源 １４として使用するのに適当な、参照符号１０′によって一般的に示した、光源 部を後で説明することになろう。

図面の第１図を更に参照すると、これを参照すると最もよく理解されるようにレ ーザー１４は第１図に参照符号１６によって一般的に示した囲いの中に全体が収 容されるように設計されている。より詳しく言えば、図面の第１図の例示した囲 い１６は基部１８と、２つの端壁２０と、頂壁２２と、第１図には１つしか見ら れない２つの側壁２４とから成る。図面に示されるように、レーザー１６はこれ が第１図に２６で見られる支持ブロックの上に乗せるようにされて囲い１６の中 に装着するように設計されている。支持ブロック２６はねじ付き固定具（図示せ ず）のような従来の適当な形の固定手段を使って基部１８の内面に適当に固定さ れている。支持ブロック２６の上に支持関係をもってレーザー１４を保持するた めに、好ましくは、第１図に参照符号２８によって示したレーザークランプによ って支持ブロック２６にレーザー１４を留めるようにするのがよい。レーザーク ランプ２８と支持ブロック２６との間にレーザー１４を留めるのに必要なりラン プ作用はレーザークランプ２８を支持ブロック２６と相互係合させるために利用 することができるねじ付き固定具（図示せず）のような従来の適当な形の固定手 段を使って行われるのがよい。

レーザー１４はその電力を第１図に参照符号３ｏによって一般に示したレーザー 電源から得る。レーザー電源３０は好ましくはねじ付き固定具（図示せず）のよ うな従来の任意の形式の固定手段を使用して囲い１６の中のその基部１８の内面 上に適当に装着されるのがよい。レーザー電源３０はヘリウムネオンレーザ−に 電力を与える目的で使用するのに適当な任意の市販タイプの形式のレーザー電源 を採ることができる。第１図に示したようなレーザー電源３０は第１図に参照符 号３２によって表したケーブルによってレーザー１４に接続され、これを介して レーザー電源３０からレーザー１４へ電力が供給される。レーザー電源３０自体 はまた図面の第１図に３４で示したケーブルによって外部電源（図示せず）に接 続され、これからレーザー電源３０用の電力が与えられる。

このため、ケーブル３４は、囲い１６の端壁２０の一方にこの目的のための開口 （図示せず）を介して出ており、そのようにするときには第１図に３６で示した 導管取付は具を介して貫通させるようにしている。

レーザー１４が発生する光のビームに合わせて間隔を置いて装着されているのは 第１図に参照符号３８によって一般的に示した光フアイバカブラである。光フア イバカブラ３８はレーザー１４から光のビームを受けてこの光のビームを第１図 および第２図の両図に参照符号４０によって表した光フアイバケーブルに結合さ せるように設計されている。光フアイバケーブル４０は光源部１０のレーザー１ ４からの光のビームを本発明の粒径測定装置のプローブヘッド部１２へ伝送させ る作用をするように設計されている。このため、光フアイバケーブル４０は図面 の第１図および第２図を参照することによって最もよく理解されるように、光源 部１０からプローブヘッド部１２まで延ばすのに十分な長さに作られている。上 述のように使用するのに適していて市販品が利用できる任意の従来形の光フアイ バカブラを、本発明の粒径測定装置の光ファイバカブラ３８として使用するのに 選定してもよい。たとえば限定する訳ではないが、本発明の粒径測定装置の光フ ァイバカブラ３８として使用するのに適していると考えられる市販の光フアイバ カブラの１つの形はニューポートリサーチよりＦ９１５として市販されているも のである。

先に述べたように、図面の第１図に示した光源１４はまた本発明の主旨から逸脱 することなく半導体レーザーの形を採ることもできる。このため、ここで第１ａ 図を参照すると光源としてレーザーダイオードを利用し参照符号９８によって表 した光源部１０′を示しているのが見られる。このように、第１図に示した光源 部１０のこの種の構成を述べた記載に関連して前に参照した図面の第１図におい て符号１４で示したヘリウムネオンガスレーザーの代わりに、本発明に従９て構 成された粒径測定装置用光源としてレーザーダイオード９８を同様によく役立て ることができる。したがって、図面の第１ａ図を更に参照すると、レーザーダイ オード９８から発せられたレーザー光は第１ａ図に示した光源部１０′のこの種 の構成に従って、第１ａ図に参照符号１００で表した球面レンズによって受けら れる。この球面レンズ１００から、レーザー光は第１ａ図に参照符号１０２によ って表したグレーデッドインデックスレンズに伝達され、その後第１ａ図に参照 符号１０４によって認識することができるロッドレンズに伝達される。ロッドレ ンズ１０４を出た後、レーザー光は、図面の第１図のヘリウムネオンガスレーザ ー、すなわち光源１４によって発生された光が光源部１０から本発明の粒径測定 装置のプローブヘッド部１２へ光フアイバケーブル４０によって伝達される方法 の記載に関してここに前述したと同様の方法で、第１ａ図に参照符号１０６によ って認識される単一モードファイバにより本発明の粒径測定装置のプローブヘッ ド部１２へ伝達されるよう設計されている。

本発明の粒径測定装置のこの種の構成の記載を続けるが、次はプローブヘッド部 １２の構成に注意を向ける。

このためには特に図面の第２図を参照する。プローブヘッド部は第２図を参照す ることによって最もよく理解されるように、第２図に参照符号４２によって一般 的に示した光学的囲いを包含している。本発明の最良の実際態様によれば、この 光学囲い４２は好適には管状部材、すなわちパイプ状部材の形を成し、その一端 は第２図に４４で見られるように、更に述べる目的のためにねじが切られている 。光学囲い４２のねじ付き端を介して、本発明の粒径測定装置の光源部１０内に 設けられたレーザー１４より発生の光のビームをその光源部からプローブヘッド 部１２へ伝送させる前述の光フアイバケーブル４０はプローブヘッド部１２へ入 るように構成されている。

光学囲い４２の他端は閉止するようにされている。これは第２図に参照符号４６ によって一般的に表した従来では一般にフリーズプラグと呼ばれるものの使用を 通じて行われる。第２図に符号４６を与えたフリーズプラグの如きフリーズプラ グのこの種の構成および作動のモードは周知なので、本発明の理解を得るために ここでその詳細を述べる必要性はないと考える。ただ、フリーズプラグ４６は、 光学囲い４２の内径を越えた直径を与えるよう適当に寸法決めされ第２図に参照 符号４８によって認識される第１部材を包含し、この第１部材４８が第２図に示 した方法で光学囲い４２の開放端と接触係合するよう位置決めされる時、第１部 材４８は光学囲い４２のその他方の開放端を閉止するよう作用する、と言うに止 める。フリーズプラグ４６は更に、図面の第２図に５０で示した第２部材を包含 する。第１部材４８に対比して、第２部材５０は第２図に見られるようにその右 側端にて測定したときに光学囲い４２の内径よりも小さな直径を与えるよう適当 に寸法決めされて第２図に方法で光学囲い４２に挿入できる。第１部材４８と第 ２部材５０との間には、ねじ付き固定具５４とナツト５６との締めっけによって 第１部材４８と第２部材５０との間が圧縮されるようになると光学囲い４２の内 壁表面との間でシールがもたらされるとした、第２図に参照符号５２によって認 識される適当に寸法決めされた圧縮性材料体が挿置されている。

図面の第２図を更に参照すると、これからは、ねじ付き端４４を介して光学囲い ４２に入った後の光フアイバケーブル４０が光学囲い４２のほぼ全長にわたって 延びているのを見ることができる。図面の第２図を参照して最も良く理解される ように、第２図に見られるような右側端の光フアイバケーブル４０は第２図に参 照符号６０によって一般的に表した光フアイバカブラと協力的に関連されている 。光ファイバカブラ６０は光フアイバケーブル４０を介してレーザー１４から伝 送されて来た光のビームを、この光ビームがプローブヘッド部１２の中に設けら れた光フアイバケーブル４０の端部に達した時、それから放出させるように設計 されている。他端、すなわち光源部１０の中に設けられた光フアイバケーブル４ ０の端部が結合されている光ファイバカブラ３８の場合のように、上述の用途に 適している市販品が利用できる従来の形の光フアイバカブラを、本発明の粒径測 定装置の光フアイバカブラとして使用するよう選択することができる。更に、た とえば限定する訳ではないが、本発明の粒径測定装置の光ファイバカブラ６０と して使用するのに適当と思われる市販の光フアイバカブラの１つの形態はセイコ ーインストルメンツからＳＦ−ＬＡなる名で市販されているものである。

光フアイバカブラ６０によって光フアイバケーブル４０から減結合された後、光 フアイバケーブル４０から出るレーザー光ビームは空間的にろ波され平行光線束 にされる。平行にする必要性は、レーザー光ビームが円錐形の形で光フアイバケ ーブル４０から出ることから生じている。その結果として、後述から°明らかに なるように、光線に関する限りは、光フアイバケーブル４０を出た光線が収束す るモードから平行化後に光線が互いに平行となるモードｌ＼の変化を行わせる必 要がある。このため、光ファイバカブラ６０を囲むようにして第２図に参照符号 ６２によって一般的に表したコリメータ囲いが位置されている。平行化に続いて 、レーザー光ビームは第２図に参照符号６４によって一般的に認識される第１の 焦点手段に当てるようにされている。発明の最良の実施態様によれば、この第１ の焦点手段６４は好ましくは、当業者には色消しレンズとして周知の特殊調整レ ンズとするのがよい。

本発明の粒径測定装置の正しい作動のためには、レーザー光ビームが出る光フア イバケーブル４０の端部から予め定めた距離のところにレンズ６４を配置するこ とが重要である。詳述すると、本発明の最良の実施態様によれば、レンズ６４は 光フアイバケーブル４０の端部から焦点距離だけ離れて位置されるべきである。

レンズ６４は更に第２図に参照符号６６によって一般的に示した第１のレンズホ ルダ／隔壁手段の中に適宜装着されるようにされている。図面の第２図を更に参 照すると、前述のコリメータ囲い６２は本発明の実施例に従って、第１のレンズ ホルダ／隔壁手段６６の所定位置にねじ込むことによって固定される。このため 、コリメータ囲い６２および第１のレンズホルダ／隔壁手段６６の双方に適当に 選ばれた複数のねじ山が設けられ、それらの間で前述のねじ込みを成すため互い にかみ合うようにしている。最後に、第２図の例を参照すれば、第１のレンズホ ルダ／隔壁手段６６は光学囲い４２の両端の中間点に隔壁を確立するよう光学囲 い４２の中に位置されていることが明らかとなろう。図面の第２図に示したプロ ーブヘッド部１２の実施例のこの種構成によれば、第２図には１つだけが符号６ ７にて見ることができる０リングが好ましくは第１のレンズホルダ／隔壁手段６ ６の光学囲い４２への適当なアライメントおよび挿入を行う助けとなるように使 用されるのがよい。

本発明の要旨をなす粒径測定装置の十分な作動を行わせるためには、レンズ６４ はきれいに保たれていること、すなわちその正面の表面、すなわち図面の第２図 により見られるようにレンズ６４の左端に汚染物を集めさせないことが重要であ る。従って、本発明の最良の実施態様によれば、好適にはレンズ６４の前述の正 面の表面に清浄空気を流すようにしている。このため、第１のレンズホルダ／隔 壁手段６６はその中に清浄空気を流すように第２図に参照符号６８によって認識 される通路手段を適当に形成している。通路手段６８は図面の第３図および第４ 図に符号５８で見られる清浄空気供給管に適当な方法で作動的に接続され、次い で前述のために使用するのに適した清浄空気供給源に流体流関係をもって接続す るようにされている。空気は好ましくは本発明の最良の実施態様に従って清浄流 体のように使用されるのがよいが、これに関して使用するよう選択された流体が 被測定粒子を乗せている流体と同じ屈折率を有する限り、この目的に対して他の タイプの流体を使用することもできる。そうではなく、もし清浄流体の屈折率が 被測定粒子を乗什ている流体の屈折率と違っていたとすれば、本発明の粒径測定 装置の使用を通して得られた粒子の測定値の精度は不利な方向に影響されること になる。

図面の第２図を再び参照すると、それからは、前述の通路手段６８のほかに、第 １のレンズホルダ／隔壁手段６６もまたその中に第２図にて符号７０で示される 開口を形成しであるのを見ることができる。開ロア０は２つの機能を果たすよう にされている。第１に、開ロア０はレンズ６４の表面を流過する清浄空気の出口 として機能する。第２に、開ロア０はレンズ６４と正しくアライメントが出され て、後述のようにこの開ロア０を介して平行光ビームを通過させるためにレンズ ６４によって平行光ビームに焦点が合わせられている。開ロア０の大きさに関す る限り、この開ロア０はレーザー光ビームの直径に関して大きさが決められる。

詳述すると、開ロア０は好ましくは、レーザー光ビームの直径よりも直径をわず かに小さくしてレンズ６４から来る光ビームの外側フリンジがこの開ロア０を通 過しないよう、すなわち除去するように寸法法めされるのがよい。

本発明の粒径測定装置のプローブヘッド部１２のこの種の構成の説明を続けると 、図面の第２図に見られるように、プローブヘッド部１２は第２図に参照符号７ ２で一般的に表した第２のレンズホルダ／隔壁手段を与えている。前述の第１の レンズホルダ／隔壁手段６６と同様に、この第２のレンズホルダ／隔壁手段７２ は光学囲い４２の中に設置されるように設計されており、これによってその中に 第２のレンズホルダ／隔壁手段７２による隔壁が確立される。このため、図面の 第２図に示したプローブヘッド部１２のこの種の構成によれば、第２図には１つ だけが符号７３にて見ることができるＯリングが好ましくは第２のレンズホルダ ／隔壁手段７２の光学囲い４２への適当なアライメント出しおよび挿入を行う助 けとなるように使用されるのがよい。第２のレンズホルダ／隔壁手段７２更には 第１のレンズホルダ／隔壁手段６６を光学囲い４２の中の所定位置に固定させる ために任意の適当な従来形の固定手段（図示せず）を利用することができる。図 面の第２図を参照して見られるように、光学囲い４２の中にそのように設定され る時、第２のレンズホルダ／隔壁手段７２は所定の距離を置いて位置させるよう に第１のレンズホルダ／隔壁手段６６から適宜離間されている。本発明の粒径測 定装置の前述の説明のために、光学囲い４２に形成された開口、すなわち第１の レンズホルダ／隔壁手段６６と第２のレンズホルダ／隔壁手段との間に存在する 空間は資料経路と呼び、その記載と関連して認識を容易にするためここでは第２ 図に参照符号７４で示しである。光学囲い４２の内側から試料経路７４を密封す るため、好ましくは、溶接のような適当な従来形式の固着手段を使用して第１の レンズホルダ／隔壁手段６６と第２のレンズホルダ／隔壁手段７２との両方に、 第２図に符号７６で見られるシールプレートを固着するとよい。

第２のレンズホルダ／隔壁手段７２はその名が示すように、第２図に参照符号７ ８によって一般的に認識される第２の焦点手段を保持させるよう設計されている 。

本発明の最良の実施態様によれば、第２の焦点手段７８は好ましくは、当業者に は色消しレンズとして周知の特殊調整レンズとするのがよい。後述する理由で色 消しレンズ７８はこれの大きさがレンズ６４の大きさを越えるような寸法を与え るよう形象的に作られている。

前に参照したレンズ６４の場合のように、本発明の要旨をなす粒径測定装置の十 分な作動を行うという見地から同様に、レンズ７８はきれいに保たれていること 、すなわちその正面の表面、すなわち図面の第２図により見られるようにレンズ ７８の右端に汚染物を集めさせないことが重要である。したがって、本発明の最 良の実施独様によれば、好適にはレンズ７８の前述の正面の表面に清浄空気を流 すようにしている。このため、第２のレンズホルダ／隔壁手段７２はその中に清 浄空気を流すように第２図に参照符号７９によって認識される通路手段を適当に 形成している。通路手段７９は前述の目的のために使用するのに適した清浄空気 供給源に流体流関係をもって接続するようにされている。ここでもまた、空気は 好ましくは本発明の最良の実施態様に従って清浄流体のように使用されるのがよ いが、これに関して使用するよう選択された流体が被測定粒子を乗せている流体 と同じ屈折率を有する限り、この目的に対して他のタイプの流体を使用すること もできる。そうではなく、もし、清浄流体の屈折率が被測定粒子の乗せている流 体の屈折率と違っていたとすれば、本発明の粒径測定装置の使用を通して得られ た粒子の測定値の精度は不利な方向に影響されることになる。

更に、構成の本質により、図面の第２図に示されているように、第２のレンズホ ルダ／隔壁手段７２は第２図に符号８０で示される開口を有し、これは、前述の ように第１のレンズホルダ／隔壁手段６６が適宜備えている開ロア０と整合され ているが試料経路７４の開ロア４とは反対の側に配置されるよう第２のレンズホ ルダ／隔壁手段７２の中に形成されている。開口８０はこれが開ロア０より大き な寸法を与えるよう形象的に作られている。

基本的に、これの理由は開ロア０から出る光ビームが試料経路７４を横切って集 められることによる。試料経路７４を横切る途中で、以下に十分に述べる方法に て光ビームを集中的に含む光線は試料経路７４の領域に存在する粒子にぶつかる 結果、散乱させられる。このため、開口８０は、試料経路７４の領域に存在する 粒子にぶつかることによって散乱させられた光線が開口８０内で捕獲され、実質 的にそこを通って第２焦点手段、すなわち色消しレンズ７８に伝達されることを 確実にするに十分な大きさに適宜寸法が定められている。要するに、本発明の最 良の実施態様によれば、開口８０は開ロアｏより大きく作られているのである。

これは光線が開ロアｏを出た時は散乱されていないがこれが開口８ｏに達した時 は少なくともいくらかは散乱されていることを補償する必要性から生じたもので ある。これに関し、開口８゜が作られる正確な寸法は光線が散乱される程度の関 数になっており、この程度は光線が当たることによって光線が散乱させられる粒 子の寸法の関数であり、程度は非常に少ないが開口８０が作られる正確な寸法は 試料経路７４の寸法の関数にもなっている。最後に、開口８゜はレンズ７８の表 面を流れる清浄流体の出口としての更なる機能をも果たしていることをここに述 べておく。

試料経路７４を横切って開口８０に受けられた後の散乱光は次にレンズ７８に進 む。レンズ７８は散乱光を受け、その散乱光を、第２図に参照符号８２によって 一般的に表した後述する検出手段に集めさせる作用をするようにしている。レン ズ７８は前述のようにレンズ６４よりも形象的に大きく作られている。この理由 は開口８０が開ロア０よりも大きく作られている理由と本質的に同じである。す なわち、レンズ６４に集められた時の光線はまだ散乱を受けていないのに対して 、レンズ７８によって受けられた時は試料経路７４を通る途中で散乱の影響を受 けるからである。

図面の第２図および第５図を参照することで最もよく理解できるように、本発明 の最良の実施態様による検出手段８２は好ましくはリング状部材の形を採るのが よい。更に説明すると、リング状部材８２は複数の円弧状リング切片を与えるよ うにされており、これら切片の夫々は図面の第２図および第５図の両図において 同じ参照符号、すなわち８４によって表されている。加えて、その中心において 、リング状部材８２は第２図および第５図の両図に符号８６で見られる貫通形成 の光学ポートを有している。

第２図に参照符号８８で示した検出器ホルダ／隔壁手段は本発明の例示した実施 例に従って、光学囲い４２の中にリング状部材８２を適当に位置決めするために 使用される。このため、前述の第１のレンズホルダ／隔壁手段６６および第２の レンズホルダ／隔壁手段７２と同様に、検出器ホルダ／隔壁手段８８もまた２つ の機能を果たしている。すなわち、検出器ホルダ／隔壁手段８８はリング状部材 ８２を光学囲い４２の中の所定位置に保持する手段として作用する。加えて、検 出器ホルダ／隔壁手段８８はまた、図面の第２図を参照することにより見られる ように光学囲い４２の右端に向かい合った左端に接近してリング状部材８２を位 置させるよう光学囲い４２の中でその長さに沿って間を置いた地点に隔壁を確立 させる役目をしている。リング状部材８２がレンズ７８に関して設置される正確 な場所はレンズの焦点距離の関数であり、これは本発明の要旨である粒径測定装 置を使って測定しようとしている粒子のサイズの関数になっている。すなわち、 リング状部材８２をレンズ７８からどれ位置れて位置させるかを確立するレンズ ７８の焦点距離はリング状部材８２が作用する粒径の範囲を決定する。

更に、リング状部材８２が備えている各種円弧状リング切片、すなわちリング８ ４間に与えられた半径方向の間隔は本発明に従って構成された粒径測定装置を使 って測定しようとしている粒子のサイズの関数である。要するに、ここで達成し ようとしている目的は、リング状部材８２の各リング８４間に存在する半径方向 間隔が本発明の粒径測定装置によって測定しようとしている粒子のサイズに合っ た間隔であることを確保する距離だけレンズ７８からリング状部材８２を離すこ とである。

リング状部材８２の各半径方向リング８４に存在する光エネルギの量は光線が試 料経路７４を進む時にレーザー１４によって作られた光を散乱させる粒子のサイ ズの関数である。このため、試料経路７４を横切る時の光ビームの散乱の影響は 、粒子のサイズがより大きいとリング状部材８２の中心の近く、すなわちリング 状部材８２の検出器中心８６の近くに位置されたリング８４における光の強さが より強くなる。逆もまた真で、すなわち、粒子のサイズがより小さいとリング状 部材８２の中心から最も遠いところ、すなわちリング状部材８２の検出器中心８ ６から最も離れたところに位置されたリング８４における光の強さがより強くな るのである。結果として、リング状部材８２の各種半径方向リング８４にて見ら れる光の強さを観測することがら粒径を定めることに関する決定をなすことがで きる。

本発明の最良の実施態様によれば、この上うな粒径を定めることに関する決定は 本発明の粒径測定装置のプローブヘッド部１２自体以外の場所でなされる。この ため、リング状部材８２の半径方向リング８４の夫々および光学ポート、すなわ ち検出器中心、８６は図面の第２図に符号９０で示された複数の光フアイバケー ブルと協力的に関連している。当業者にはよく知られているように、これら光フ アイバケーブル９０の夫々は光導体に似た方法で機能するようにされている。半 径方向リング８４の特定の１つとリング状部材８２の光学ポート、すなわち検出 器中心、８６とに関連した光フアイバケーブル９０の各グループはその他端にお いて第６図に参照符号９２で示した１個のフォトダイオードに接続されている。

すなわち、各リング８４およびリング状部材８２の光学ポート、すなわち検出器 中心、８６は複数の光フアイバケーブル９０を介して個々のフォトダイオード９ ２に接続されているのである。この意図は各フォトダイオード９２が所定の組の 光フアイバケーブル９０を介して接続されている特定の半径方向リング８４およ びリング状部材８２の光学ポート、すなわち検出器中心、８６において見られる 光に対して妨害のない焦点のような機能を各フォトダイオード９２が有すること である。これらフオトダイオード９２の夫々は更に、各フォトダイオード９２が 所定の組の光フアイバケーブル９０を介して接続されている特定の半径方向リン グ８４およびリング状部材８２の光学ポート、すなわち検出器中心、８６におい て見られる光の強さに比例した電流を周知方法にて発生させるよう機能する。こ の電流は、本発明の要旨をなす粒径測定装置を使用しようとする特定応用の種類 に基づいて後述する各種用途に提供することができる。

図面の第６図を更に参照すると、そこに示された本発明の実施例によれば、フォ トダイオード９２は第６図に参照符号９３によって示されたケーブル／ダイオー ドホルダを使って所定位置に適宜保持される。更に、本発明の最良の実施態様に よれば、フォトダイオード９２と協力的に関連されるのは第６図に示されるよう に、第６図に符号９５で見られる５Ａ−１００型増幅器基板と、第６図に符号９ ７で示した２０ビンコネクタとがある。したがって、フォトダイオード９２によ って発生され増幅された後の信号は、本発明に従って構成された粒径測定装置を 使って得られた粒径に関する情報を利用しようとする適当な場所に２０ピンコネ クタ９７から供給するようにされている。

散乱された光線をフォトダイオードに直接というよりはリング状部材８２のよう なリング状部材に集めるという構成を利用している結果、いくつか特徴的な利点 を得ている。その１つは検出器手段８２のように光フアイバケーブル９０が接続 された検出器手段を成す光フアイバ検出器が、散乱された光線を直接フォトダイ オードに集めるようにした場合に必要とすべき構成要素を用意するためのコスト よりも低いコストで提供され得ることから生じている。ここでは特に、リング状 部材８２および光フアイバケーブル９ｏの使用を通して発生させることができる ような光線の散乱を生ぜしめる粒子のサイズに関した同じ情報を発生させるのに 必要な多くのフォトダイオードを与えることに関連したコストが参照される。図 面の第２図に見られる検出器手段８２および光フアイバケーブル９０の様式で構 成されるような光フアイバ検出器の使用から得られる利点の他の１つは、光フア イバ検出器が本発明の粒径測定装置の光学部分と電気部分との間に防壁を確立す るよう作用することである。それ自体では、本発明の粒径測定装置の電気部分か ら光学部分を分離することによって、測定しようとする粒子を含んだ流体媒体の 性質が、本発明に従って構成された粒径測定装置にあるような方法では光学部分 およびその電気部分を分離していない粒径測定装置の使用を危険にさせるような 応用にも本発明の粒径測定装置を利用することができる。

本発明の粒径測定装置のプローブヘッド部１２の構成についての記載を完全にす るため、図面の第２図に例示した実施例によれば、光学囲い４２のねじ付き端４ ４におけるプローブヘッド部１２は第２図に参照符号９４で表した装着フランジ と協力的に関連している。第２図に示したように、この装着フランジ９４は装着 フランジ９４を光学囲い４２に固定するために好ましくは内側にねじ山を有して 、光学囲い４２のねじ付き端４４とねじ作用により保合さけることができる。続 いて、装着フランジ９４を使用したことによって、プローブヘッド部１２に与え た試料経路７４が本発明の粒径測定装置を使用してサイズに関する測定を得よう としている粒子を乗せた流体媒体の流れに関して適当に位置されるように、本発 明の粒径測定装置のプローブヘッド部１２を位置させることができる。このため 、流体媒体の流れの中にプローブヘッド部１２を差し出すことによって生ぜしめ られるプローブヘッド部１２の摩耗に関して心配がない応用の場合、本発明の粒 径測定装置のプローブヘッド部１２は測定しようとしている粒子を乗せた流体媒 体の流れの中に永久的に設置してもよい。これは、第２図に符号９６で見られる 開口に受けられ装着フランジ９４がこの目的のために適当に備えている従来のね じ付き留め具（図示せず）のような従来の形の固定手段（図示仕ず）を使用し、 装着フランジ９４およびプローブヘッド部１２を適当な支持体（図示せず）に固 着させることによって達成できる。本発明の粒径測定装置のプローブヘッド部１ ２の摩耗が心配な他の応用について、および／または粒子を乗せた流体媒体の流 れの幅が色々な場所において粒子の測定を行わせる、すなわちプローブヘッド部 １２の光学囲い４２の中に与えた試料経路７４を流れの中の各種地点に位置させ 得るほどに十分に広いという理由で、本発明の粒径測定装置のプローブヘッド部 １２を流れの中に周期的に挿入したりそれから引込めたりする作動のモードを使 用する必要がある。本発明の粒径測定装置を使用して測定を得ようとしている粒 子を乗せた流体媒体の流れの中におけるプローブヘッド部１２、したがって試料 経路７４のその上うな挿脱を行うのに適した機構は、本願の出願と同時にマーク ・ビー・エラモおよびジョン・エム・ホーメスの名義で出願した「現場粒径測定 装置のための装着兼横移動アセンブリ」と題する正規に譲渡された同時系属米国 特許出願第　号（Ｃ８６００１０）の要旨を成すものである。

ここで、本発明の要旨をなす粒径測定装置の作動のモードの説明をすることにす る。このために、特に図面の第１図および第２図を参照する。本発明の粒径測定 装置の作動のモードによれば、ヘリウムネオンレーザ−１４からの光は、本発明 に従って構成された粒径測定装置の光源部ＩＯからそのプローブヘッド部１２へ 光フアイバケーブル４０を介して伝達される。プローブヘッド部１２の中では、 光は光フアイバケーブル４０から出、空間的にろ波され、平行光線束にされる。

その後、平行にされた光のビームは試料経路７４を横切るようにされる。試料経 路７４を横切る途中で、光は試料経路７４の領域に存在する粒子に当る結果、散 乱される。この散乱された光はレンズ７８によって集められ、そしてその散乱光 を検出器手段８２に集光させるようにする。検出器手段８２によって観察される 光の強さ分布は光が当ることによって光を散乱させる粒子のサイズを表す。検出 器手段８２は臨界粒径に一致した半径方向リング８４およびリング状部材８２の 光学ポート、すなわち検出器中心、８６における光エネルギを集めるように最適 化されている。この検出器手段８２からの光は複数のフォトダイオード９２に伝 達され、これらの夫々はその特定のフォトダイオード９２によって受光された光 の強さを表す電流を発生するよう機能する。フォトダイオード９２から発せられ たこれら電流は種々の異なる手段に使用することができる。これに関してたとえ ば限定する訳ではないが、これら電流は、各種異なった装置に供給されて受けた 後に更なる処理および／または分析を行わせるような信号の様式で作用できるも のである。これに関連して、前述のように、検出器手段８２によって観察された 光分布から試料経路７４内に存在する粒子の粒径分布を推理することができる。

他方、試料経路７４に存在する粒子の体積密度は観測された粒子密度を観測され た光透過に適合させることによって計算することができる。このため、観測され た光透過は次式に従うものここに、Ｌ−経路長さ、Ｃ＝消像断面積、λ＝波長、 Ｄ−液滴の直径、およびＮ＝粒径分布。更に、上記式のため、液滴サイズ分布は 、大きな粒子ではフラウンホーファー回折理論を、小さな粒子にはＭＩＥ散乱理 論を使用して、強さ分布のデコンボリューションによって計算される。

本発明の粒径測定装置の利用に特に適していると思われる１つの特別な応用はボ ウルミルにて微粉化された石炭の粒径測定動作を含んだものである。詳述すれば 、本発明の粒径測定装置は、石炭の微粉化を行い、本発明の粒径測定装置を使っ て得られた粒径測定値に基づいてボウルミルの作動に関する制御を行うよう使用 されるタイプのボウルミルと協力的に関連させることができる。本発明に従って 構成された粒径測定装置を使用してボウルミルの作動に関するそのような制御を 行う方法は、本願の出願と同時にジョージ・エフ・シュロフおよびマイケル・ゼ ー・ディモントの名義で出願した［微粉化固体制御装置」と題する正規に譲渡さ れた同時係属米国特許出願第　号（Ｃ８５０９２０）の要旨を成すものである。

したがって、本発明によれば、流体物質中に存在する粒子のサイズの測定を得る よう作用する新規かつ改良された測定装置が提供される。更に、本発明の粒径測 定装置はこれを使用することで粒径の正確な測定を迅速に得ることができるよう になる。加えて、本発明によれば、粒径測定装置が提供され、これを使用するこ とにより流体物質中に存在する粒子のサイズの現場測定を行うことが可能となる 。更に、本発明の粒径測定装置は流体物質中に存在する粒子の粒径分布の現場測 定をなすよう作動する。更に、本発明による粒径測定装置は流体物質中に存在す る粒子の粒径分布の現場測定をなすと同時に流体物質中に存在する粒子の体積密 度の現場測定を行うよう作用する。また、本発明の粒径測定装置はこれを使用す ることによって十分に適当な方法で粒径に関する情報を発生させることができ、 これによって粒径測定装置から得られた情報に基づいて工業プロセスに関する制 御を行うことができる。更に、本発明による粒径測定装置は製造および作動が比 較的簡単である一方、提供するのに比較的費用がかからないものが提供される。

ここには我々の発明の１つの実施例だけを示し、記載したが、いくつかは前に示 唆した変更を更に当業者によって容易になすことができる。したがって、我々は ここに示唆した変更、更には本発明の真の精神および範囲に該当する他の変更を 請求の範囲によってカバーしたつもりである。

国際調査報告 １゛・“自−ＩＩ・Ｏ＾１＾ａｄｉｔ畠電”’”’ＰＣＴ／ＵＳ８７１００３０ ８Ｐ、ＮＢＩＥＸ　Ｔｏ　＝’Ｆ！Ｅ　ｒＮＴＥＲ＋ＩＡＴＺＯＮＡＬ　５ＥＡ ＲＣＨＲＥＰＯＲＴ　ＣＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １流体物質中に存在する粒子のサイズの測定を得る粒径測定装置において、 ａ．被測定粒子を含有した流体物質が通過する試料経路を形成したプローブヘッ ド部と、 ｂ．複数の個々の光線から成る光のビームを発生させる光源と、 ｃ．前記光源に光学的に結合されて前記光源から光のビームを伝える光伝達手段 と、 ｄ．前記試料経路の一方の側に位置されるようにして前記プローブヘッド部の中 に装着され、前記光伝達手段にこれからの光のビームを受けるよう光学的に結合 され、光のビームが前記試料経路を横切る時に前記試料経路に存在する流体物質 中に含有された粒子が光のビームの個々の光線の散乱を生ぜしめるように前記試 料経路を横切る光のビームに焦点を合わせた第１焦点手段と、 ｅ．前記試料経路の他方の側に位置されかっ前記第１焦点手段とのアライメント を出すようにして前記プローブヘッド部の中に装着され、前記試料経路を横切っ て通る途中で散乱させられた光線を捕獲するようにした第２焦点手段と、 ｆ．この第２焦点手段にこれからの散乱および平行にされた光線を受けるよう光 学的に結合され、受けた散乱光線の光の強さに基づいて前記試料経路を横切る間 に光線を散乱させる粒子のサイズに関する信号を発生させる検出器手段と、 を包含する粒径測定装置。 ２光源はレーザーを包含する請求の範囲第１項記載の粒径測定装置。 ３レーザーはヘリウムネオンレーザーを包含する請求の範囲第２項記載の粒径測 定装置。 ４レーザーは半導体レーザーを包含する請求の範囲第２項記載の粒径測定装置。 ５光伝達手段は光ファイバケーブルを包含する請求の範囲第２項記載の粒径測定 装置。 ６第１焦点手段は第１の色消しレンズを包含する請求の範囲第５項記載の粒径測 定装置。 ７第１焦点手段はプローブヘッド部の中に装着された第１の色消しレンズを保持 するものであって光のビームを通すよう形成した第１の開口を有する第１のレン ズホルダ手段を更に包含する請求の範囲第６項記載の粒径測定装置。 ８第２焦点手段は第２の色消しレンズを包含する請求の範囲第７項記載の粒径測 定装置。 ９第２焦点手段はプローブヘッド部の中に装着された第２の色消しレンズを保持 するものであって散乱された光線を受けるよう形成した第２の開口を有する第２ のレンズホルダ手段を更に包含する請求の範囲第８項記載の粒径測定装置。 １０第２の色消しレンズは第１の色消しレンズより大きい請求の範囲第９項記載 の粒径測定装置。 １１第２の開口は第１の開口より大きい請求の範囲第１０項記載の粒径測定装置 。 １２検出器手段は中に複数の半径方向リングを形成したリング状部材を包含する 請求の範囲第１１項記載の粒径測定装置。 １３検出器手段はまたそれぞれがリング状部材の複数の半径方向リングの１つに 光学的に結合された複数グルーブの光ファイバケーブルを包含する請求の範囲第 １２項記載の粒径測定装置。 １４検出器手段はそれぞれが複数グルーブの光ファイバケーブルの１つに光学的 に結合された複数のフォトダイオードを更に包含する請求の範囲第１３項記載の 粒径測定装置。 １５流体物質中に存在する粒子の測定を行う方法において、 成 ａ．複数の個々の光線から成る光のビームを発生させ、 ｂ．被測定粒子を含有する流体物質に光のビームを当てて流体物質中の粒子によ って光のビームの個々の光線に散乱を生じさせ、 ｃ．散乱された光線を受け、 ｄ．散乱された光線を検出器上に集めさせ、ｅ．散乱された光線の光の強さに基 づいて光線の散乱を生ぜしめた粒子のサイズに相当する信号を発生させる ことから成る、流体物質中に存在する粒子の測定を行う方法。 １６光のビームはヘリウムネオンレーザーによって発生される請求の範囲第１５ 項記載の流体物質中に存在する粒子の測定を行う方法。 １７光のビームは半導体レーザーによって発生される請求の範囲第１５項記載の 流体物質中に存在する粒子の測定を行う方法。