フランクフルト・アム・マインで開催されたACHEMA 2012において、ダルムシュタット工科大学の研究者が、流れの中の個々の液滴および粒子のサイズと速度を測定する新しい光学的手法を発表しました。この測定技術は2012年6月18日から22日まで、ホール9.2、ブースA66で実演されました。

この展示会は、タイムシフト・タイムオブフライト法（略称TSTOF）に基づく実用的な測定装置が初めて公開された場となりました。初期のプロトタイプは、TU Darmstadtの流体力学・空気力学研究所において、Walter SchäferがProf. Cameron Tropeaとともに行った博士研究から生まれました。この研究は後に、ai-quantonおよびその後の光学式スプレー計測システム開発の重要な技術的基盤となりました。

ACHEMA 2012について

ACHEMAは、化学工学、プロセス技術、バイオテクノロジー、実験室機器、計測機器、オートメーション、産業用生産技術を対象とした国際的な展示会および会議です。研究者、装置メーカー、エンジニア、プラント運営者、産業界の意思決定者を結び付けています。

第30回ACHEMAは2012年6月18日から22日までMesse Frankfurtで開催されました。5日間の会期中、約167,000人の参加者が56か国の3,773の企業・研究機関の展示を訪れました。出展者は約136,400平方メートルの展示スペースを使用しました。（DECHEMA）

会場では、実験室機器や分析装置から、完全な産業プラント、プロセスオートメーション、ポンプ、包装システム、安全技術に至るまで、幅広い技術が紹介されました。エネルギー効率とバイオエコノミーは、2012年の展示会の重要なテーマでした。

ACHEMAは常に、産業見本市と学術会議を組み合わせてきました。そのため、大学の研究から生まれた新しい測定手法を実際の産業用途へと移転するのに適したプラットフォームとなっています。公式の歴史的レビューでも、ACHEMA 2012における双方向型・体験型の展示の重要性が強調されています。

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

個々の液滴および粒子を測定する新しい手法

TU Darmstadtが発表した測定装置は、スプレーおよび粒子診断における中心的な課題、すなわち完全には透明でない個々の粒子を確実に測定するという課題に取り組むものでした。

多くの既存の光学測定装置は、透明で均質な液滴に対しては良好に機能します。しかし、測定対象の液滴に以下が含まれる場合、信頼性の低い結果が得られることがあります。

研究チームはタイムシフト法を拡張し、不透明な粒子や、懸濁液またはエマルションを含む液滴からの光散乱信号も評価できるようにしました。

TSTOF測定技術とは？

TSTOFはTime-Shift Time-of-Flightの略です。定義された測定体積内を移動する個々の液滴または粒子を特性評価するための光学的測定原理です。

特定の空間強度分布を持つ集束ライトシートが測定領域を照射します。液滴がライトシートを通過すると、1つまたは複数の光検出器に向けて光を散乱します。

検出器は、変化する光強度を時間分解信号として記録します。信号特徴の位置、順序、幅、形状には、液滴とその運動に関する情報が含まれています。

光学構成と評価方法に応じて、システムは次のようなパラメータを求めることができます。

この手法は個々の粒子イベントを解析します。そのため、検出された各液滴の情報を保持したまま統計的分布を提供できます。

Photonics 2026 – TSTOF Measurement Technique for Spray Characterization of Complex Fluids such as Paint, Milk, Coffee, Slurry, and More

サイズと速度はどのように求められるのか？

整形された照明により、記録された光散乱信号に特徴的なピークが生じます。

液滴がライトシートの定義された領域を横切るのに要する時間から、その速度に関する情報が得られます。同時に、特徴的な散乱特徴間の時間間隔から、粒子または液滴の直径に関する情報が得られます。

システムは単一の強度値だけでなく時間依存の信号を評価するため、利用可能な光学情報をより多く活用できます。

このアプローチは、さらなる統計解析や最新の機械学習手法の基盤にもなります。ただし、ACHEMA 2012では、光散乱信号の物理的解釈と測定装置の実用的な実装に重点が置かれていました。

不透明な液滴の測定

発表された開発の重要な特徴の一つは、光学的に複雑な粒子からの信号を処理できることでした。

懸濁液は、液体中に分散した固体物質を含みます。エマルションは、完全には混ざり合わない2つ以上の液相を含みます。塗料の液滴には、顔料、バインダー、溶剤、その他の成分が含まれることがあります。

これらの物質は、光が液滴内をどのように透過し、どのように散乱されるかを変化させます。その結果、信号は透明な水滴から得られる信号と大きく異なる場合があります。

新しい手法は、記録された信号特性を利用して、粒子や液滴が完全に透明でない場合でも信頼性の高いサイズおよび速度情報を取得しました。これにより、産業用途の可能性が広がりました。

前方散乱および後方散乱構成

この光学システムは、前方散乱構成と後方散乱構成のいずれでも動作させることができました。

前方散乱構成では、検出器はレーザービームの本来の方向に、主に粒子を透過するか粒子の周囲を進む光を観測します。

後方散乱構成では、照明が来る側へ散乱して戻る光を検出します。照明部と検出部をプロセスのほぼ同じ側から動作させられるため、この構成は実用上の重要な利点をもたらします。

そのため、測定プローブは光学的アクセスが限られた設備を含むさまざまな設置条件に対応できます。前方散乱と後方散乱の構成を選択できることで、この技術は実験室での実験にも産業環境にも活用しやすくなりました。

コンパクトな装置設計

研究開発により、測定装置のよりコンパクトな実装も可能になりました。

小型の測定システムには、いくつかの利点があります。

ACHEMAでの発表は、高度な光学的液滴解析が必ずしも大規模で非常に複雑な実験設備を必要としないことを示しました。当初のイベント説明によれば、コンパクトな構成は必要な投資コストの削減も目的としていました。

屈折率の測定

研究チームは、この装置で個々の液滴または粒子の相対屈折率を求められるかどうかについても検討しました。

屈折率は、物質中を光がどのように伝搬するかを表します。屈折率は特徴的な散乱特徴の位置と強度に影響します。そのため、屈折率の情報は異なる物質や相を区別するのに役立ちます。

2つの検出器を使用することで、冗長な光学情報が得られます。粒子サイズと速度も考慮すれば、この追加情報は屈折率の推定に役立ちます。

初期の研究で挙げられた応用例の一つは、混合着氷条件下での水滴と氷晶の判別でした。両者は大気実験や空気力学実験で同時に発生することがありますが、その光学特性は異なります。

噴霧乾燥への応用

噴霧乾燥は、液体原料を加熱ガス流中に微粒化することで、乾燥した粒子に変換するプロセスです。

液滴のサイズと速度は、以下に影響します。

さらに、噴霧乾燥の原料はエマルションや懸濁液であることが多くあります。そのため、複雑な液滴を解析できる測定手法は、プロセス開発とモニタリングにおいて明確な利点をもたらします。

ACHEMA 2012での発表では、噴霧乾燥がこの新しい測定技術の主要な産業応用分野の一つとして挙げられました。

スプレー塗装への応用

塗装およびコーティングプロセスでは、液滴のサイズと速度が、コーティング材料の表面への到達の仕方や表面との相互作用に影響します。

関連する効果には以下があります。

塗料の液滴は、顔料やその他の成分が光を吸収・散乱するため、測定が難しいことがよくあります。したがって、不透明で不均質な液滴を評価できる能力は、実際の塗料スプレーの光学的特性評価に新たな可能性を開きました。

食品産業への応用

食品産業の多くの製品は、エマルションや懸濁液で構成されています。例として、牛乳、クリーム、フレーバーエマルション、液体濃縮物、粒子を含む混合物などが挙げられます。

微粒化の際、個々の液滴の特性は、乾燥、コーティング、カプセル化、混合、そして最終製品の品質に影響を与える可能性があります。

ACHEMA 2012で発表された技術は、こうした液滴が理想的な透明液体のように振る舞わなくても測定できることを目指していました。そのため、食品産業はもう一つの有望な応用分野となりました。

産業プロセスモニタリングにおける重要性

ACHEMAでの発表は、大学の研究で開発された光学的測定原理が、どのように産業用測定装置へと発展し得るかを示しました。

主な利点は次のとおりです。

これらの特性により、この技術は科学実験だけでなく、プロセス開発、品質管理、産業モニタリングにおいても重要なものとなりました。

最初のプロトタイプからその後の測定技術へ

最初のプロトタイプは、2008年から2012年にかけて行われた博士研究の中で生まれました。ACHEMA 2012での発表により、TSTOFアプローチがプロセス産業の大規模な国際的聴衆に紹介されました。

2013年、ai-quantonはTU Darmstadtのスピンオフとして設立されました。その後の研究開発により、新しい測定装置、信号処理手法、特許、AI支援による解析アプローチが生まれました。

その後のシステムでは、TSTOF測定原理が以下と組み合わされました。

物理的な測定プロセスは、引き続き時間分解光散乱信号の検出に基づいています。現在使用されている製品名や技術名はその後の開発を指すものであり、基礎となる光学原理と混同しないようご注意ください。

ACHEMA 2012の歴史的意義

ACHEMA 2012は、学術研究と産業応用の間の重要な転換点となりました。

このイベントにより、研究者たちは新しい測定アプローチが理想的な透明液滴以外も解析できることを実証できました。懸濁液、エマルション、顔料を含む材料、その他の光学的に複雑な粒子系にも対応できるのです。

世界最大級のプロセス産業イベントでプロトタイプを発表したことで、噴霧乾燥、コーティング技術、食品製造、化学工学、プロセス計測の分野の潜在的ユーザーと直接接点を持つことができました。

こうしてACHEMA 2012は、TSTOF測定技術の歴史とその後のai-quantonの発展における初期のマイルストーンとなりました。