2013 Fiscal Year Annual Research Report
多波長偏光を用いた非接触2次元サブミクロン粒径・数密度計測
| Project/Area Number |
25289036
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
|
| Research Institution | Gunma University |
|---|
Principal Investigator |
荒木 幹也 群馬大学, 理工学研究院, 准教授 (70344926)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
志賀 聖一 群馬大学, 理工学研究院, 教授 (00154188)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
|
| Keywords | 粒径計測 / 偏光 / 非接触計測 / 微粒子 / サブミクロン |
|---|
| Research Abstract |
本研究では，「非接触」かつ「2次元」の「サブミクロン」粒径計測法開発を目論む．電子顕微鏡のような採取計測では，「採取すること」によって微粒子の「粒径・組成」が変わり，さらに「時間履歴・空間分布」の貴重な情報が失われる．そこで，非接触計測法である「偏光比法」に着目する．その決定的な弱点であった「計測範囲の狭さ」を，多波長光源を用いることで解消した．これにより，「非接触」かつ「2次元」でサブミクロン粒子の「粒径」「数密度」を同時計測できる手法となると期待される．
平成25年度は，ポリスチレン標準粒子を用いた計測精度検証から着手した．さらにこの技術を実用場に適用するため，「層流拡散火炎中で生成するすす粒子」に着目し，その粒径計測セットアップを構築した．光源に，数種類の直線偏光レーザ光源を用いる．レーザ光偏波面を45 度傾けた状態でシート光を形成し，計測対象に入射する．散乱光撮影に，デジタルCCDカメラ2台を用いる．それぞれ，偏波面に垂直・平行成分の散乱光を取得する．光源波長を変化させながら計測を行い，多波長データを取得する．この1セットのデータから，各波長での偏光比空間分布を求め，各点での粒径・数密度を算出する．燃料にはブタンを用いた．燃料は，円形ノズルから上向きに噴出し，層流拡散火炎を形成する．この層流拡散火炎にレーザシートを入射し，すす粒子からの散乱光をカメラで取得する．すすの赤熱発光（輝炎）による広帯域波長のノイズが重畳するため，狭帯域バンドパスフィルタを設置した．得られた輝度情報から偏光比の空間分布を求め，すす粒子の粒径ならびに数密度の空間分布を算出した．予備実験の結果では，すす粒径は約30 nmであった．従来の報告よりも粒径が過小評価されている可能性があり，次年度，問題点の洗い出しならびに計測法改善を行っていく予定である．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
交付申請書では，平成25年度～平成26年度の研究実施計画に，以下の3点を掲げた．【計画1】石英セル中の標準粒子を用いた「計測精度検証」，【計画2】微粒子発生装置を用いた「実噴霧計測」，【計画3】拡散火炎から生成する「すす粒子の粒径計測」，の3点である．本研究では，実用場への応用として「すす粒子の粒径計測」が最終目標にある．交付申請書にも記載したように，火炎中のすす粒子は極めて困難な計測対象ではあるが，最終的に達成したい目標と考えている．交付申請書に掲げた【計画1】～【計画3】は，そこに至るステップである．
平成25年度の研究終了時点で，それぞれ以下の状況にある．【計画1】「計測精度検証」は完了，【計画2】「すす粒子計測」のメドが立ったため次ステップに移行，【計画3】「すす粒径計測」のためのセットアップ構築ならびに予備実験開始．
最終目標に到達するため，計画2の手順をスキップし，すす粒子の粒径計測を前倒しして開始した．予備実験の結果は「研究実績の概要」に示したように，従来の計測結果と比較し，粒径を過小評価している可能性がある．標準粒子では問題なく計測ができることから，「火炎」の存在による様々な問題が原因と考えられる．平成26年度は，問題点の洗い出しならびに計測法改善を行い，火炎中のすす粒子の粒径計測にメドをつけたいと考えている．
平成25年度終了時点で，【計画3】のステップに着手しており，データ取得も開始されている．平成26年度中に【計画3】のステップを完了することは十分に可能であると考えており，研究計画はおおむね順調に進展しているといえる．
|
| Strategy for Future Research Activity |
本研究は，その最終目標である「火炎中のすす粒子の粒径計測」に着手する段階まで進展しているものの，得られた初期データは，現実の粒子径とかい離している可能性がある．問題点として，【問題1】火炎によるすすの赤熱発光（輝炎），【問題2】カメラの感度直線性，【問題3】データ処理アルゴリズム，の3点があげられる．
【問題1】最大の問題は「火炎」の存在そのものである．火炎によりすす粒子は加熱され，放射による発光（輝炎）を呈する．広帯域波長におよぶ輝炎は，レーザによる散乱光に重畳し，計測にとってやっかいなノイズとなる．狭帯域バンドパスフィルターを用いて除去を試みたが，十分とは言えない可能性がある．次年度は，狭帯域フィルタのみならず，画像差分による輝炎信号の除去アルゴリズムを開発し，光学系のみならず，信号処理系側でもノイズ対策を実施する．
【問題2】カメラの感度直線性は当然ながら確認済みである．しかしながら，本研究で提案する「多波長偏光比法」では，散乱光強度の比が100倍程度もある信号を，高い精度で計測する必要がある．感度直線性の再検証（特に，輝度の低い信号領域での直線性）を実施し，本計測法に耐える計測精度を実現する．
【問題3】偏光比から粒径を判定するアルゴリズムは，常に改良を加え続けているが，多数の候補から「正しい粒径」を短い時間で抽出する手法の開発が遅れている．研究計画も後半に入ってくるため，迅速なデータ処理を行うことができるアルゴリズム開発を行い，研究推進に弾みをつけたい．
|
| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
「次年度使用額」は，平成25年度の「補助事業に要する経費」のおよそ1%であり，ほぼすべての配分額が研究経費として執行された状態にある．この「次年度使用額」は，年度末まで実施していた実験の消耗品費（燃料，試料ガス等）の一部であり，ほぼ計画通り実験が終了したため，わずかに残された経費である．
「次年度使用額」は，平成26年度の実験計画を遂行するための消耗品費（燃料，試料ガス等）として使用する計画である．
|
Research Products
(1 results)
