SprayQuantAI®（SQA）は、スプレーや流れの中の個々の液滴を時間分解で特性評価するための光学測定システムです。本システムは、従来型[1]およびAIベース[2][3]のTSTOF測定原理を組み合わせています。測定プローブ（MSO）、制御ユニット（CU）、ソフトウェアで構成されています。
運転中、MSOプローブは個々の液滴からの光学信号を検出します。続いてCUがこれらの信号を処理し、液滴径、液滴速度、液滴数を算出します。最後に、システムは測定結果をホストHMIへ送信するか、アナログインターフェースを介して出力します。
測定原理と科学的背景
TSTOF測定原理はSprayQuantAI®の技術的基盤です。文献[1]は従来型TSTOF法について述べています。さらに、文献[2]および[3]は光散乱信号のAIベース解析について述べています。
MSO – 測定プローブ
光学測定
MSOはSprayQuantAI®の光学センシング部です。測定中、個々の液滴が光学測定領域を通過し、光散乱信号を発生させます。システムはこれらの信号から液滴径、速度、数を求めます。
さらに、AIアプローチにより、光散乱信号の構造から液滴の組成を求めることができます[3]。また、MSOの位置を変化させることで、液滴の軌跡を推定することも可能です[4]。
MSOは、異なる測定距離に対応するさまざまな光学構成をサポートしています：62.4 mm、125 mm、250 mm。想定される液滴測定範囲は約2 µmからです。また、速度範囲は最大250 m/sに及びます。
MSO技術仕様
| パラメータ | 仕様 |
|---|---|
| 測定原理 | インコヒーレント光散乱 + TSTOF |
| 測定対象 | スプレーおよび流れの中の個々の液滴 |
| 測定量 | 液滴径、速度、数、不透明度、濃度 |
| 信号処理 | 従来型およびAI支援型処理 |
| 最小液滴径 | > 2 µm |
| 最大液滴速度 | < 250 m/s |
| 作動距離 | 光学構成に応じて62.5 mm、125 mmまたは250 mm |
| レーザー波長 | 構成に応じて405–450 nm |
| レーザー出力 | 3 mW、5 mWまたは10 mW |
| 全長 | 182 mm |
| 最大高さ | 74.9 mm |
| 前面幅 | 32 mm |
CU – 制御ユニット
信号処理とシステム統合
CUは、信号処理とシステム制御の中核となるコンポーネントです。MSOプローブから光学測定信号を受信し、内部で処理します。
制御ユニットは、液滴の径、速度、数、不透明度などの測定パラメータを算出します。その後、得られたデータをEthernet経由でホストコンピュータへ送信します。
同時に、CUはアナログ4–20 mAインターフェースを介して測定結果を出力します。さらに、デジタルI/Oインターフェースにより、試験装置、オートメーションシステム、産業プロセスへの統合が可能です。
制御ユニット技術仕様
| パラメータ | 仕様 |
|---|---|
| 主な機能 | 測定信号処理とシステム制御 |
| 算出量 | 液滴径、速度、数、組成 |
| ホスト通信 | Ethernet |
| デジタルインターフェース | デジタル入力 4点（24 V） デジタル出力 4点（24 V） |
| アナログインターフェース | アナログ入力 4点（4–20 mA） アナログ出力 4点（4–20 mA） |
| ホストシステム | Ethernet接続付きWindowsコンピュータ |
| 測定データ出力 | SprayQuantAI®ソフトウェアによるCSV アナログインターフェース（4–20 mA） |
| 運転表示灯 | 光学系および測定ハードウェアが運転可能な状態であることを示します |
| 測定表示灯 | 測定データの取得中であることを示します |
| モニタリング表示灯 | 選択した構成で対応している場合、モニタリング運転中であることを示します |
| レーザー表示灯 | レーザードライバーの電源が有効であることを示します |
| 電源表示灯 | 制御ユニットの電源がオンであることを示します |
| レーザーキー | レーザードライバーの電源を有効にします |
| 電源スイッチ | 制御ユニットの主電源を操作します |
| 幅 | 251 mm |
| 奥行 | 211 mm |
| 高さ | 109 mm |
ソフトウェア
測定処理と可視化
SprayQuantAI®測定ソフトウェアはC++で記述されており、低消費電力のHMI上で動作します。制御ユニットがすべての測定計算を行い、Ethernet経由でHMIと通信します。
そのため、ソフトウェアは測定の可視化、システム構成、測定データの保存に専念できます。後続の解析のため、ソフトウェアは測定値をCSV形式で保存します。
標準の測定データ構造には、日付、時刻、サイズ、速度、数が含まれます。
技術デモンストレーション
以下の動画では、実際の測定およびモニタリング用途におけるSprayQuantAI®をご覧いただけます。
参考文献
[1] Schaefer, W., Li, L., Stegmann, P., & Terada, M. (2026). Technical report on the TSTOF measurement method: Technical basics. Photonics, 13(1), 56. https://doi.org/10.3390/photonics13010056
[2] Schaefer, W., & Li, L. (2024). Particle characterization by analyzing light scattering signals with a machine learning approach. Applied Optics, 63(29), 7701–7711. https://doi.org/10.1364/AO.531346
[3] Walter Schäfer, Egor Goldenberg, Magd Fekri Shaif Al-Naggar, Wladimir Schaufler,
AI-assisted determination of refractive index and mass concentration of individual spray droplets using TSTOF light-scattering signals, International Journal of Heat and Fluid Flow, 2026, 110417, ISSN 0142-727X, https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2026.110417.
[4] Schäfer, W. Neues optisches Messverfahren für Rotationszerstäuber. J Oberfl Techn 66, 52–53 (2026). https://doi.org/10.1007/s35144-026-3895-3