(57)【要約】      （修正有）【課題】容器内を降下する粒子の描く軌跡や粒子の速度分布を検出することができる粒子軌跡検出方法を提供する。【解決手段】容器１０に収容した所定の粒径を有する複数の粒子を重力によって降下させる。容器１０の外部の異なる位置に複数の送信機２０を設ける工程と、容器１０に収容した複数の粒子の少なくとも１個に受信機を設ける工程と、受信機が複数の送信機２０から受信した信号をデータログに記録する工程と、受信機を回収する工程と、回収した受信機に記録された信号に基づいて当該粒子の軌跡を決定する工程とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器に収容した所定の粒径を有する複数の粒子が重力によって降下する際に描く軌跡を検出する方法であって、
前記容器の外部の異なる位置に複数の送信機を設ける工程と、
前記容器に収容した複数の粒子の少なくとも１個に受信機を設ける工程と、
前記受信機が前記複数の送信機から受信した信号を記録する工程と、
前記受信機を回収する工程と、
前記回収した受信機に記録された信号に基づいて当該粒子の軌跡を決定する工程と
を含む粒子軌跡検出方法。
【請求項２】
前記複数の送信機は、少なくとも４個である請求項１に記載の粒子軌跡検出方法。
【請求項３】
前記複数の送信機は、時刻情報を送信することを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子軌跡検出方法。
【請求項４】
前記複数の送信機から送信する信号の位相の基準点を設ける請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子軌跡検出方法。
【請求項５】
前記複数の送信機は、極超短波又はセンチメートル波の帯域を用いる請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子軌跡検出方法。
【請求項６】
前記粒子に受信機を設ける工程は、もとの粒子と力学的に同等になるように粒子に受信機を埋め込む工程を含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒子軌跡検出方法。
【請求項７】
前記受信機を回収する工程は、粒子に埋め込まれた受信機を取り出す工程を含む請求項１〜６のいずれか１項に記載の粒子軌跡検出方法。
【請求項８】
前記粒子の軌跡を決定する工程は、当該粒子の位置を所定の時間間隔で決定し、前記決定した位置を経時的に追跡することにより粒子の軌跡を決定する請求項１〜７のいずれか１項に記載の粒子軌跡検出方法。
【請求項９】
前記粒子の位置は、当該粒子の前記複数の送信機からの距離に基づいて決定する請求項８に記載の粒子軌跡検出方法。
【請求項１０】
前記粒子のある時刻における位置と所定時間後の位置の差分に基づいて粒子の速度分布を決定する請求項８又は９に記載の粒子軌跡検出方法。
【請求項１１】
容器に収容した所定の粒径を有する複数の粒子が重力によって降下する際に描く軌跡を検出する装置であって、
前記容器の外部の異なる位置に設けた複数の送信機と、
前記容器に収容した複数の粒子に設けた受信機と、
前記受信機を設けた少なくとも１個の粒子について、前記粒子から回収した受信機に記録された前記複数の送信機から受信した信号に基づいて、当該粒子の位置を経時的に追跡することにより軌跡を決定する演算装置と
を含む粒子軌跡検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数の粒子を収容した容器内を降下する粒子の描く軌跡を検出する粒子軌跡検出方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、サイロのような容器においては、穀物、砂利、鉱物などの所定の粒径を有する粒子を収容して貯蔵し、重力によって次第に降下させ下部の開口から取り出して提供している。また、高炉においても、供給された所定の粒径のコークスや鉱石が容器となる高炉に収容され、重力によって次第に降下している。
【０００３】
このように粒子を収容し、収容した粒子に内部を次第に降下させる容器においては、粒子が停滞することがなく、一様に降下するように、容器を適切な形状に作成することが必要になる。このため、容器内における粒子の速度分布や軌跡に関する情報が求められていた。
【０００４】
例えば、容器内における粒子の降下を実験するために、識玉と称される色付けした球をアクリルなどの透明な容器に格納し、識玉が降下する様子を容器の外部から観察する方法が用いられていた。この方法によると、例えば透明な容器内に２種類に色付けされた識玉の層を交互に堆積し、容器の下部開口を解放することで、容器に収容された識玉の降下にしたがう各層の形状の変化を観察することができる。
【０００５】
一方、上空にある衛星から受信した信号に基づいて位置情報を提供する衛星測位システムとしてグローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）が提供されている。また、このＧＰＳに適用し、衛星を捕捉する時間を短くするために受信タイミングを保持する技術が提供されている（下記の特許文献１を参照）。ＧＰＳの測位情報を基地局の測位情報と組み合わせる技術も提供されている（下記の特許文献２を参照）。ＧＰＳの測位情報を受信する小型受信機も市販されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００‐１９３７３０号公報
【特許文献２】特開２００１‐０９９９０９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】フー他（He et al.）著、「矩形ホッパ内における非球体粒子流の離散要素法モデリング（Discrete element method modeling of non-spherical granular flow in rectangular hopper）」、「化学工学と処理  処理強化（Chemical engineering and Processing: Process Intensification）」、（オランダ）、エルゼビア・ベーフェー（Elsevier B.V）、第４９巻、２０１０年、ｐ．１５１−１５８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記識玉を用いる方法によると、他の粒子に隠れてしまう粒子を観測することができなかった。また、得られる情報は色付けした粒子の層の平均的な挙動に制限され、個々の粒子の挙動を特定することはできなかった。
【０００９】
上記ＧＰＳによる測位情報は、上空に衛星が見えるような視野を確保することが必要であり、容器に収容された複数の粒子の位置情報を求めるために適用することはできなかった。
【００１０】
本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、複数の粒子を収容する容器において、この容器内を降下する個々の粒子の描く軌跡や粒子の速度分布を検出することができるような粒子軌跡検出方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の課題を解決するために、本発明に係る粒子軌跡検出方法の発明は、容器に収容した所定の粒径を有する複数の粒子が重力によって降下する際に描く軌跡を検出する方法であって、前記容器の外部の異なる位置に複数の送信機を設ける工程と、前記容器に収容した複数の粒子の少なくとも１個に受信機を設ける工程と、前記受信機が前記複数の送信機から受信した信号を記録する工程と、前記受信機を回収する工程と、前記回収した受信機に記録された信号に基づいて当該粒子の軌跡を決定する工程とを含む。
【００１２】
前記複数の送信機は、少なくとも４個であってもよい。前記複数の送信機は、時刻情報を送信してもよい。前記複数の送信機から送信する信号の位相の基準点を設けてもよい。前記複数の送信機は、極超短波又はセンチメートル波の帯域を用いてもよい。
【００１３】
前記粒子に受信機を設ける工程は、もとの粒子と力学的に同等になるように粒子に受信機を埋め込む工程を含んでもよい。前記受信機を回収する工程は、粒子に埋め込まれた受信機を取り出す工程を含んでもよい。
【００１４】
前記粒子の軌跡を決定する工程は、当該粒子の位置を所定の時間間隔で決定し、前記決定した位置を経時的に追跡することにより粒子の軌跡を決定してもよい。上記粒子の位置は、当該粒子の前記複数の送信機からの距離に基づいて決定してもよい。前記粒子のある時刻における位置と所定時間後の位置の差分に基づいて粒子の速度分布を決定してもよい。
【００１５】
本発明に係る粒子軌跡検出装置は、容器に収容した所定の粒径を有する複数の粒子が重力によって降下する際に描く軌跡を検出する装置であって、前記容器の外部の異なる位置に設けた複数の送信機と、前記容器に収容した複数の粒子に毛置けた受信機と、前記受信機を設けた少なくとも１個の粒子について、前記粒子から回収した受信機に記録された前記複数の送信機から受信した信号に基づいて、当該粒子の位置を経時的に追跡することにより軌跡を決定する演算装置とを含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、容器内を降下する個々の粒子について、位置や軌跡、速度分布を確定することができる。本発明は、個々の粒子の挙動を観察することが可能であり、先行技術では得られないような詳細な粒子の挙動に関する情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る粒子軌跡検出装置の実施の形態の概略的な構成を示す図である。
【図２】実施の形態に係る粒子軌跡検出装置における一連の動作を示すフローチャートである。
【図３】実施の形態において測定対象に受信機を設ける工程を説明する図である。
【図４】実施の形態において測定対象に受信機を設ける一連の工程を示すフローチャートである。
【図５】実施の形態において容器に粒子を供給して計測する工程を説明する図である。
【図６】実施の形態に係る粒子軌跡検出装置における動作を概略的に示す図である。
【図７】実施の形態において粒子の軌跡を検出する原理を説明する図である。
【図８】実施の形態において粒子の速度を検出する原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を適用した粒子軌跡検出方法及び装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は、実施の形態に係る粒子軌跡検出装置の概略的な構成を示す図である。この粒子軌跡検出装置は、種々の粒径の粒子１００を内部に収容するための、所定の幅、奥行き、高さを有する容器１０であって、粒子１００とともに所定の帯域の電磁波を透過する物質からなる容器１０に適用される。
【００２０】
粒子１００は、容器１０の上部開口１１から供給されて容器１０内に収容され、容器１０内を重力にしたがい降下し、下部開口１２から提供される。粒子軌跡検出装置は、容器１０内で粒子１００が描く軌跡を検出する。
【００２１】
この容器１０は、図１に示すように、例えば、幅と奥行きが略等しい略直方体形状を有している。容器１０の形状は、粒子１００を収容することができるようなものであればよいが、一般には電磁波が透過する際の屈折を避けるために側面の形状にはできるだけ平面が用いられる。
【００２２】
この容器１０においては、上部開口１１から供給された粒子が、その内部に一旦収容された後、下部開口１２から提供される。このため、下部開口１２は所定の流量の粒子を提供するように所定の断面積に設定されている。一般に、下部開口１２の断面積は、上部開口１１や容器１０体の断面積より小さくされている。
【００２３】
この容器１０は、所定の帯域の電磁波を透過する物質であって、その内部に収容する粒子１００を保持できるような強度を有するような材料で構成されればよい。例えばガラス又はアクリルのようなプラスチックによって形成することができる。また、必要があれば、容器１０の外部から観察できるように、透明な材料で形成することもできる。
【００２４】
この容器１０に収容される粒子１００は、所定の帯域の電磁波を透過する物質からなり、この容器１０内に収容されて次第に降下するものであって、この容器１０の幅、奥行き、高さなどの寸法と比べて実質的に小さい粒径を有するものである。
【００２５】
本実施の形態では、粒子１００の粒径は略２０ｃｍである。この粒子１００は、このような略一様な粒径とともに、略一様な形状と重量を有している。このような粒子１００は、例えば塩化ビニル、ポリプロピレンのようなプラスチックによって形成することができる。
【００２６】
粒子軌跡検出装置は、容器１０の外側に５個の送信機２０を有している。各送信機２０は、高精度クロック２１とアンテナ２２を有し、高精度クロック２１から供給されたクロック信号に基づいてアンテナ２２から容器１０に向けて時刻情報を送信している。
【００２７】
本実施の形態では、送信機２０は、ＧＰＳの規格である１５７５．７２ＭＨｚの電磁波を３０秒の時間間隔で所定時間にわたって送信している。なお、送信機２０は、この周波数に限らず極超短波、センチメートル波などの所定の帯域の周波数を用いて、所定時間間隔で所定期間にわたる信号を送信するようにすることもできる。
【００２８】
送信機２０は、後述する受信機５０が位置を決められるように、異なる位置に少なくとも４個以上を設けることが必要である。本実施の形態では、容器１０を中心として略均等な位置に５個の送信機２０を設けているが、これに限られない。容器１０の外部の異なった位置に４個以上の送信機２０を設ければよい。
【００２９】
粒子軌跡検出装置は、制御部３０を有している。この制御部３０は、計算機３１からの指示にしたがい粒子軌跡検出装置の全体を制御している。例えば、計算機３１は、送信機２０とＬＡＮケーブルなどで接続され、送信機２０に向けて制御信号を送り、送信機２０の起動や終了などの動作を制御する。
【００３０】
この計算機３１は、後述する粒子軌跡検出方法の一連のステップを可能にするように、所定のプログラムを読み込んで一連の手順を実行する。この計算機３１は、粒子軌跡などの検出のために用いるデータを格納するための記憶装置を備えている。
【００３１】
また、計算機３１は、基準点としてアンテナ３２において送信機２０からの信号を受信し、複数の送信機２０から送信される電磁波の位相が整合するように調整する。これによって、複数の送信機２０が送信する時刻情報の電磁波がこの基準点において同位相になるように調整される。
【００３２】
図２は、粒子軌跡検出装置において実行される粒子軌跡検出方法の一連の動作を示すフローチャートである。最初のステップＳ１１では、粒子軌跡検出方法に用いる送信機２０、受信機５０、測定対象となる粒子１００などを準備する。
【００３３】
具体的には、複数の送信機２０を容器１０の外部の異なる位置に設け、制御部３０の計算機３１に接続する。計算機３１は、送信機２０を起動するように制御した後、基準点のアンテナ３２において各送信機２０から送信された電磁波の信号の位相が揃うように各送信機２０の位相を調整する。
【００３４】
また、このステップＳ１１においては、測定対象となる粒子１００を準備する。この粒子１００は、一様な粒径、形状、重量を有するものであり、例えば所定の基準にしたがって選別してもよい。
【００３５】
ステップＳ１２では、測定対象の粒子１００に受信機５０を埋め込む。図３（ａ）に示す測定対象の粒子１０１と受信機５０を用意する。本実施の形態では、粒子１０１の粒径は例えば略２０ｃｍであり、受信機５０のサイズは例えば略１０〜１５ｃｍである。受信機５０のサイズは粒子１０１の粒径より小さく、受信機５０は粒子１０２の内部に格納することができる。
【００３６】
この受信機５０は、送信機２０から送られた信号を受信するアンテナ、データログを保存するＲＡＭなどの半導体記憶素子、全体を制御するマイクロコントローラ、電源などを含んでいる。本実施の形態はＧＰＳ規格の信号を採用しているので、市販のＧＰＳ小型受信機を利用することもできる。
【００３７】
図４は、粒子１０１に受信機５０を埋め込む一連のステップを示すフローチャートである。この図にしたがって説明すると、最初のステップＳ２１では、粒子１０１に受信機５０を格納するための穴１０１ａを開ける。図３（ｂ）においては、粒子１０１に所定の口径を有する所定の深さの穴１０１ａが形成されている。
【００３８】
ステップＳ２２では、粒子１０１の穴１０１ａに受信機５０を格納する。図３（ｂ）においては、粒子１０１の穴１０１ａの内部に、この粒子１０１のほぼ中心の位置を占めるようにこの穴１０１ａを通って受信機５０が埋め込まれた状態が示されている。
【００３９】
ステップＳ２３では、受信機５０を埋め込んだ粒子の穴１０１ａを埋める。図３（ｂ）に示す受信機５０が穴１０１ａに格納された状態において、穴１０１ａに蓋１０１ｂをかぶせて塞ぐことにより、粒子１０１に受信機５０を埋め込む工程を終えることができる。
【００４０】
ここで、粒子１０１への受信機５０の埋め込みは、受信機５０を埋め込んだ粒子が他の粒子１０１と同様の挙動を示すように、力学的に同様の性質を持つように留意する。例えば、受信機が埋め込んだ粒子が他の粒子１０１と同様の重量、見かけ上の密度となることはもちろん、力学的にバランスを取るために受信機５０は粒子１０１の略中心に埋め込まれる。
【００４１】
ステップＳ１３では受信機５０を含む測定対象の粒子１０１を容器１０に投入し、測定を開始する。図５（ａ）に示すように、測定対象である粒子１０１と受信機５０を埋め込んだ測定対象の粒子１０２を準備し、これらを十分に混ぜ合わせた粒子１００を容器１０の上部開口１１から投入する。
【００４２】
図５（ｂ）に示すように、容器１０内には、粒子１０１と受信機が埋め込まれた粒子１０２が混在して収容され、これらの粒子１００が下部開口１２に向けて次第に降下している。このような状態において、受信機５０によって粒子１０２の位置の測定が行われる。
【００４３】
図６は、測定の工程を説明する図である。容器１０内を重力にしたがい降下する粒子１００には、受信機５０を埋め込んだ粒子１０２が混在している。この粒子１０２において、受信機５０は複数の送信機２０から送られた時刻情報と電磁波の干渉の情報を半導体記憶素子にデータログとして格納する。
【００４４】
受信機５０は、粒子１０１に埋め込まれてから動作を開始し、粒子１０２から取り出されるまで信号を受信する動作を続ける。この間、受信機５０が埋め込まれた粒子１０２が容器１０に上部開口１１から収容されて下部開口１２から取り出されるまでデータログに残した記録によって、この粒子１０２の位置などが決定される。
【００４５】
ステップＳ１４では、受信機５０を回収し、計算機３１にデータログを保存し、このデータログを分析する。図６において、容器１０の下部開口１２からは、容器１０に収容された粒子１００が次第に落下する。下部開口１２の直下には、下部開口１２から落下した粒子１００を回収するために図示しない他の容器が設けられている。
【００４６】
このように回収した粒子１００には、受信機５０を埋め込んだ粒子１０２とともに受信機５０を埋め込んでいない粒子１０１が含まれている。回収した粒子１００からは、受信機を埋め込んだ粒子１０２が取り出される。
【００４７】
例えば、粒子１００が透明な材料からできている場合には、受信機５０を埋め込んだ粒子１０２を目視にて探して取り出すことができる。粒子１００が不透明な材料からできている場合にも、電磁的な性質の差異を利用して受信機５０を埋め込んだ粒子１０２を見つけることができる。
【００４８】
このようにして粒子１００から取り出した受信機５０を埋め込んだ粒子１０２は、図３（ｂ）で示した蓋１０１ｂが外されて穴１０１ａの内部から受信機５０が取り出される。受信機５０を埋め込んだ粒子１０２を適切な手段により割断することにより受信機５０を取り出すこともできる。
【００４９】
粒子１０２から取り出された受信機５０は、計算機３１に接続され、半導体記憶素子に格納されたデータログが読み出されて計算機３１の記憶装置に格納される。このように受信機５０から計算機３１にデータログを転送する作業は、取り出されたすべての受信機５０について行われる。
【００５０】
計算機３１は、所定のプログラムにしたがい、記憶装置に格納した各受信機５０のデータログを用い、受信機５０を埋め込んだ各粒子１０２の軌跡を決定する演算を行う。
【００５１】
計算機３１は、受信機５０が複数の送信機２０からそれぞれ信号を受信した時刻を記録したログデータに受信機５０に信号を送った複数の送信機２０の位置データなどを併せ、先行技術に属する所定の演算を実施することにより、各送信機２０からの受信機５０までの距離などを求める。そして、所定の時間間隔で当該粒子１０２の位置を所定誤差で決定する。
【００５２】
本実施の形態では、各送信機２０から送信される電磁波の位相は基準点において揃えられ、受信機５０のデータログには各送信機２０から信号を受信した際の電磁波の位相差による干渉も記録されている。計算機３１は、この位相差の記録も併せて干渉測位方式によって計算することにより、電磁波の波長の数ｃｍ程度までの高い精度で位置を決定することができる。
【００５３】
なお、このような干渉測位方式による演算方法は、ＧＰＳのＲＴＫ測位や高速スタティック測位として汎用されている。本実施の形態においても、このような汎用された測位方法を流用することができる。
【００５４】
図７（ａ）は、軌跡を決定する原理を説明する図である。この図は、粒子１００を収容した略直方体形状の容器１０の上面、正面、側面を示す三面図である。便宜上、容器１０の高さの比率を小さくし、略矩形の容器１０の各辺の方向にｘｙ軸、紙面に垂直な方向にｚ軸を設定する。
【００５５】
計算機３１による演算によって、受信機５０を埋め込んだ粒子１０２の所定の時間間隔における位置が決定される。図中においては、このような受信機５０を埋め込んだ粒子１０２として、ある時刻における粒子Ａ〜Ｅが例示されている。
【００５６】
計算機３１は、所定の時間間隔ごとの粒子Ａ〜Ｅの位置を経時的に追跡することにより、粒子Ａ〜Ｅの軌跡を決定する。図７（ｂ）において、このようにして得られた軌跡は粒子Ａ〜Ｅを通る破線によって示され、矢印によって粒子Ａ〜Ｅが降下する方向が示されている。
【００５７】
また、計算機３１は容器１０内における粒子１０２の速度分布も決定する。図８は、粒子１０２の速度を決定する原理を説明する図である。図８（ａ）には時刻ｔにおける粒子Ａ〜Ｅの位置が示され、図８（ｂ）には時間δｔの経過後の時刻ｔ＋δｔにおける粒子Ａ〜Ｅの位置が示されている。
【００５８】
これらの時刻ｔと時刻ｔ+δｔにおける粒子Ａ〜Ｅの位置の差分を求め、この差分を経過時間δｔで除することにより、粒子Ａ〜Ｅの速度ｕを決定することができる。図８（ｃ）には、時刻ｔにおける粒子Ａ〜Ｅの位置と各粒子Ａ〜Ｅの速度ｕが示されている。
【００５９】
このように、計算機３１は演算装置として、各受信機５０に記録されたデータログを用いて所定の演算を実施することによって、容器１０の内部を降下する粒子１００の描く軌跡、速度分布などを決定することができる。
【００６０】
さらに、計算機３１は、粒子１００の軌跡、速度分布などのデータを可視化する。例えば、レンダリングにより図７（ｂ）に示した軌跡、図８（ｃ）に示した速度などを容器１０上に重ね合わせた斜視図を作成することができる。また、ＣＧなどにより粒子１００動きを表現するアニメーションを作成することもできる。
【００６１】
計算機３１は、これら軌跡、速度分布を物理的に解釈する。例えば、容器１０内において粒子１００が適切な速度分布を形成し、容器１０が収容した粒子１００を円滑に提供する動作をしているかどうかを数値化して判断することができる。さらに、容器１０が規定の性能を満たしているかどうかを例えば規格値と比較して確認することもできる。
【００６２】
なお、上述の実施の形態は、容器１０内における粒子１００の動作をシミュレーションする場合など適用されるが、本発明はこれに限定されない。例えば、高炉内のコークスの流れや、サイロ内におけるトウモロコシなどの粒形食物の流れの計測にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１０  容器
１１  上部開口
１２  下部開口
２０  送信機
３０  制御部
３１  計算機
５０  受信機
１００  粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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