(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方法を提供する。【解決手段】容器１０内に収容した所定の粒径を有する複数の粒子１００を重力によって次第に降下させて下部開口１２から取り出す。容器１０内に放射線を透過することにより粒子１００の描く軌跡を検出する方法である。容器１０に収容した複数の粒子１００について、標識とする放射線を遮る粒子を少なくとも１個追加する工程と、容器１０の側面に対して異なる方向から放射線を照射する複数のＸ線源２０を設ける工程と、Ｘ線源２０に容器１０を挟んでそれぞれ対向する複数の検出器３０を設ける工程と、検出器３０にて検出した信号に基づいて標識粒子の軌跡を決定する工程を含む。【選択図】図１
2015102332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に所定の粒径を有する複数の粒子を重力によって次第に降下させるとともに、前記容器内に放射線を透過することにより容器内で粒子の描く軌跡を検出する方法であって、
前記容器に収容した複数の粒子について、標識とする放射線を遮る粒子を少なくとも１個追加する工程と、
前記容器の側面に対して異なる方向から放射線を照射する複数の放射線源を設ける工程と、
前記放射線源に前記容器を挟んでそれぞれ対向する複数の検出器を設ける工程と、
前記検出器にて検出した信号に基づいて前記標識とした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】
前記検出器は、前記容器を透過した放射線の画像を検出する画像検出器である請求項１に記載の粒子軌跡検出方法。
【請求項３】
前記検出器にて所定の時間間隔で信号を検出し、前記容器内における前記標識とした粒子の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又は２に記載の粒子軌跡検出方法。
【請求項４】
前記標識とした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３に記載の粒子軌跡検出方法。
【請求項５】
前記放射線はＸ線であり、前記放射線源はＸ線源である請求項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】
前記標識とする放射線を遮る粒子は、粒子を金属塊により形成するものである請求項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】
前記標識とする放射線を遮る粒子は、粒子に金属塊を埋め込むことにより形成する請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒子軌跡検出方法。
【請求項８】
容器内に所定の粒径を有する複数の粒子を重力によって次第に降下させるとともに、前記容器内に放射線を透過することにより容器内で粒子の描く軌跡を検出する装置であって、
前記容器の側面に対して異なる方向から放射線を照射する複数の放射線源と、
前記放射線源に前記容器を挟んでそれぞれ対向する複数の検出器と、
前記容器に収容した複数の粒子に少なくとも１個追加された標識とする放射線を遮る粒子について、前記検出器にて検出した信号に基づいて経時的に位置を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、放射線源から発したＸ線などの放射線を用い、被写体を透過した放射線を検出することにより、被写体の内部を計測したり画像を取得したりする技術が提供されている（下記特許文献１〜３を参照）。また、ガス状の被験流体の測定体積中を移動するトレーサー粒子を照射し、カメラで撮影して粒子画像流速を測定する技術が提供されている（下記特許文献４を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１‐５０４９４号公報
【特許文献２】特開２０１１‐６７２４８号公報
【特許文献３】特開２０１２‐８８１７０号公報
【特許文献４】特表２０１０‐５０３８３２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】
上記放射線を用いて被写体を計測等する技術によっては、個々の粒子の軌跡や粒子の速度分布は得られなかった。上記被験流体中のトレーサー粒子を撮影する技術は、複数の粒子からなる対象には適用することができなかった。
【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、複数の粒子を収容し、粒子とともに放射線透過物質からなる容器において、この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、容器内に所定の粒径を有する複数の粒子を重力によって次第に降下させるとともに、前記容器内に放射線を透過することにより、容器内で粒子の描く軌跡を検出する方法であって、前記容器に収容した複数の粒子について、標識とする放射線を遮る粒子を少なくとも１個追加する工程と、前記容器の側面に対して異なる方向から放射線を照射する複数の放射線源を設ける工程と、前記放射線源に前記容器を挟んでそれぞれ対向する複数の検出器を設ける工程と、前記検出器にて検出した信号に基づいて前記標識とした粒子の軌跡を決定する工程とを含む。
【００１２】
前記検出器は、前記容器を透過した放射線の画像を検出する画像検出器であってもよい。前記検出器にて所定の時間間隔で信号を検出し、前記容器内における前記標識とした粒子の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。前記標識とした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。前記放射線はＸ線であり、前記放射線源はＸ線源であってもよい。
【００１３】
前記標識とする放射線を遮る粒子は、粒子を金属塊により形成するものでもよい。前記標識とする放射線を遮る粒子は、粒子に金属塊を埋め込むことにより形成してもよい。
【００１４】
本発明に係る粒子軌跡検出装置は、容器内に所定の粒径を有する複数の粒子を重力によって次第に降下させるとともに、前記容器内に放射線を透過することにより容器内で粒子の描く軌跡を検出する装置であって、前記容器の側面に対して異なる方向から放射線を照射する複数の放射線源と、前記放射線源に前記容器を挟んでそれぞれ対向する複数の検出器と、前記容器に収容した複数の粒子に少なくとも１個追加された標識とする放射線を遮る粒子について、前記検出器にて検出した信号に基づいて経時的に位置を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】
【００１５】
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】
【００１６】
【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４】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５】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。
【図６】他の実施の形態を示す図である。
【図７】他の実施の形態のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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とともに放射線透過物質からなる容器１０に適用される。
【００１９】
粒子軌跡検出装置は、容器１０の上部開口１１から粒子１００が供給されて容器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。
【００２０】
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、一般には透過するＸ線のような放射線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。
【００２１】
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。
【００２２】
この容器１０は、放射線透過物質であって、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。
【００２３】
この容器１０に収容される粒子１００は、放射線透過物質からなり、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。また、この粒子１００は略一様な形状と重量を有している。このような粒子１００は、例えばガラス又はポリカーボネートのようなプラスチックによって形成することができる。
【００２４】
粒子軌跡検出装置は、容器１０内における粒子１００の挙動を観察するための放射線としてＸ線を用い、放射線源としてX線を照射するＸ線源２０を有している。図中では、便宜上、１個のＸ線源２０のみ示されているが、実際には容器１０の側面に対して複数の方向からＸ線を照射するように複数のＸ線源２０が設けられている。
【００２５】
また、粒子軌跡検出装置は、容器１０を透過したＸ線を検出する検出器３０を有している。各Ｘ線源２０から照射されたＸ線を検出するように、複数のＸ線源２０について容器１０を挟んでそれぞれ対向するように複数の検出器３０が設けられている。図中では、容器１０の側面に検出器３０が設置されている。
【００２６】
この検出器３０には、個々の粒子１００を検出することができるような解像度を有し、容器１０内を降下する粒子１００の運動に追随できるような時定数を有するような画像検出器を使用することができる。例えば、ＣＣＤイメージセンサを利用することができる。
【００２７】
この粒子軌跡検出装置においては、Ｘ線のような放射線を透過するような放射線透過物質からなる粒子１００の他に、標識として使用するために放射線を遮る金属塊により形成された粒子（以下、標識粒子という。）が用意される。この金属塊は、放射線を遮断する性質のある鉄、鉛などで作成することができる。
【００２８】
この標識粒子は、容器内に収容された多数の粒子１００中において、降下中に他の放射線透過物質からなる粒子１００と同様な挙動を示すように、その粒径、形状、重量が決定される。
【００２９】
この標識粒子は、Ｘ線のような放射線を遮る点を除くと放射線透過物質からなる粒子１００と同様の性質を有し、この標識粒子を追跡することによって容器１０内において粒子１００が降下する動きを観察することができる。
【００３０】
粒子軌跡検出装置は、Ｘ線源２０と検出器３０に接続され、これらＸ線源２０と検出器３０を制御するとともに、検出器３０にて検出された画像データに基づいて標識粒子の軌跡を検出する演算装置として作動するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０を有している。
【００３１】
パーソナルコンピュータ４０は、以下で示すような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、プログラムを読み込んで所定の手順を実行する。このパーソナルコンピュータ４０は、粒子軌跡を検出するために用いる画像データを格納するため、大容量の記憶装置を備えている。
【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、粒子軌跡検出のために必要になる容器１０、粒子１００、金属塊による標識粒子などを準備する。
【００３３】
具体的には、図３（ａ）に示すように、複数の放射線透過物質からなる粒子１０１と複数の金属塊による標識粒子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。
【００３４】
図３（ａ）中に示すように、放射線透過物質からなる粒子１０１と金属塊による標識粒子１０２は降下中に同様の挙動を示すような粒径、形状を有している。また、図中では明らかではないが、降下中に同様の挙動を示すような重量、表面形状などを有している。
【００３５】
ステップＳ１２では、Ｘ線源２０と検出器３０をパーソナルコンピュータ４０に接続する。例えば、これらをＬＡＮケーブルで相互に接続し、制御信号や測定データが送受できるようにする。そして、パーソナルコンピュータ４０は、粒子軌跡検出のための所定のプログラムを始動させる。
【００３６】
ステップＳ１３では、検出器３０で取得する画像の時間間隔や画像の分解能などを設定する。ここで、検出器３０では所定の時間間隔で連続した動画となる画像データを取得するが、検出するデータの精度、画像データを格納する記憶装置の容量や画像処理の速度を考慮して、適切な時間間隔と分解能に設定する。
【００３７】
例えば、画像を取得する時間間隔は、標識粒子１０２が容器１０の上部開口１１に供給されてから下部開口１２から提供されるまで所定の時間間隔で得られた位置が、軌跡として描ける程度の精度になるように設定することができる。また、画像の分解能は、例えば粒子１００の粒径と同程度のものとすることができる。
【００３８】
これらの時間間隔と分解能は、例えばパーソナルコンピュータ４０の備えるコンソールから入力することができる。また、予め設定した所定の数値をデフォルトとして読み込むこともできる。
【００３９】
ステップＳ１４では、計測を実行し、容器１０内における標識粒子１０２の位置を検出する。図３（ｂ）に示すように、容器１０内には、放射線透過物質からなる粒子１０１と標識粒子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。
【００４０】
図４（ａ）は、粒子軌跡検出装置による計測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の上面図である。便宜上、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。また、便宜上、ｘ軸とｙ軸に沿って設けられたＸ線源２０は平行なＸ線を照射する面光源とし、これら面光源に容器１０を挟んで検出器３０がそれぞれ対向して設けられている。
【００４１】
Ｘ線源２０から容器１０に向けて照射されたＸ線は、容器１０内に収容された粒子１００に含まれる５個の標識粒子Ａ〜Ｅによって遮られる。これらの標識粒子Ａ〜Ｅは、各検出器３０の露光面７１、７２において、Ｘ線によって露光されない非露光スポットＡ〜Ｅとして観察される。
【００４２】
なお、本実施の形態では、便宜上、５個の標識粒子Ａ〜Ｅについて例示するが、本発明はこれに限定されることはない。識別粒子は、粒子１００内において、１個以上であって互いに標識として区別することができるような個数であればよい。
【００４３】
パーソナルコンピュータ４０は、このような計測が所定の時間間隔で所定の解像度により所定時間にわたって行われるようにＸ線源２０と検出器３０を制御する。パーソナルコンピュータ４０は、Ｘ線源２０から所定の時間間隔でＸ線が照射され、検出器３０において所定の時間間隔と所定の解像度で画像データを取得するようにする。検出器３０によって取得された画像データは、パーソナルコンピュータ４０に送られて記憶装置に格納される。
【００４４】
ステップＳ１５では、パーソナルコンピュータ４０が記憶装置に格納された画像データを読み出して画像処理を実施し、各測定時刻における標識粒子Ａ〜Ｅの位置を決定する。例えば、図４（ａ）において、露光面Ａ  ７１の非露光スポットＡ〜Ｅに対応するｙｚ面内における標識粒子Ａ〜Ｅの位置が決定され、露光面Ｂ  ７２の非露光スポットＡ〜Ｅに対応するｘｚ面内における標識粒子Ａ〜Ｅの位置が決定される。
【００４５】
さらに、パーソナルコンピュータ４０は、これらｙｚ面とｘｚ面内における標識粒子Ａ〜Ｅの位置を合成し、標識粒子Ａ〜Ｅのｘｙｚ座標における位置を決定する。図４（ｂ）は、このようにして提供された標識粒子Ａ〜Ｅの位置を容器１０に重ね合わせて示す斜視図である。
【００４６】
パーソナルコンピュータ４０は、所定の時間間隔ごとの標識粒子Ａ〜Ｅの位置を経時的に追跡することにより、各標識粒子Ａ〜Ｅの軌跡を決定する。図４（ｂ）において、このようにして得られた軌跡は標識粒子Ａ〜Ｅを通る破線によって示され、矢印によって標識粒子Ａ〜Ｅが降下する方向が示されている。
【００４７】
なお、このステップＳ１５の画像処理においては、便宜上、ｘｙｚ直交座標系と平行Ｘ線を用いて説明したが、本発明はこれらに限定されることはない。一般に、複数のＸ線源２０を用いて異なる方向から容器１０を照射する場合には、各標識粒子Ａ〜Ｅの位置等を決定することができる。
【００４８】
また、パーソナルコンピュータ４０は容器１０内における粒子１００の速度分布も決定する。図５は、粒子１００の速度を決定する原理を説明する図である。図５（ａ）には時刻ｔにおける標識粒子Ａ〜Ｅの位置が示され、図５（ｂ）には時間δｔの経過後の時刻ｔ＋δｔにおける標識粒子Ａ〜Ｅの位置が示されている。
【００４９】
これらの時刻ｔと時刻ｔ+δｔにおける標識粒子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、標識粒子Ａ〜Ｅの速度ｕを決定することができる。図５（ｃ）には、時刻ｔにおける標識粒子Ａ〜Ｅの位置と各標識粒子Ａ〜Ｅの速度ｕが示されている。
【００５０】
このように、ステップＳ１５において、パーソナルコンピュータ４０は、標識粒子Ａ〜Ｅの画像データを画像処理することによって、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している。
【００５１】
ステップＳ１６では、パーソナルコンピュータ４０は、ステップＳ１５で得られた粒子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４（ｂ）に示した軌跡、図５（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。
【００５２】
また、パーソナルコンピュータ４０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。
【００５３】
〔変形例〕
上述の実施の形態では標識粒子１０２を金属塊によって形成したが、この変形例において標識粒子は放射線透過物質からなる粒子に金属塊を埋め込むことによって作成する。
【００５４】
図６は、変形例における標識粒子を説明する図である。図６（ａ）に示すような放射線透過物質からなる粒子２０１と金属塊２０２を用意する。金属塊２０２は、粒子２０１の内部に格納するため、粒子２０１より小さな粒径を有している。
【００５５】
図７は、変形例において標識粒子を作成するための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２０１に金属塊２０２を格納するための穴を開ける。図６（ｂ）においては、粒子２０１に所定の口径を有する所定の深さの穴が形成されている。
【００５６】
ステップＳ２２では、放射線透過物質からなる粒子２０１の穴２０１ａに金属塊２０２を格納する。図６（ｂ）においては、粒子２０１の穴２０１ａの内部に、この粒子２０１のほぼ中心の位置を占めるようにこの穴２０１ａを通って金属塊２０２が埋め込まれた状態が示されている。
【００５７】
ステップＳ２２では、金属塊２０２を埋め込んだ粒子２０１の穴２０１ａ穴を埋める。図６（ｂ）に示す金属塊２０２が穴２０１ａに格納された状態において、穴２０１ａに蓋２０１ｂをかぶせて塞ぐことにより、粒子２０１に金属塊２０２を埋め込む工程を終えることができる。
【００５８】
なお、この後で、粒子２０１の穴２０１ａを蓋２０１ｂで塞いだ部分が滑らかな表面になるように、さらに加工を施す場合もある。金属塊２０２を埋め込んだ標識粒子は、全体として元の放射線透過物質からなる粒子２０１と同様の重量を有するようになされている。
【００５９】
この変形例における標識粒子は、放射線透過物質からなる粒子２０１の内部に金属塊２０２を埋め込んだものであるので、例えば摩擦等の表面に関わる性質については、放射線透過物質からなる粒子２０１と同一である。したがって、容器１０内における粒子１００の降下において、標識粒子が他の放射線透過物質と同等の挙動をすることが担保される。
【００６０】
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。
【００６１】
また、上述の実施の形態では、放射線源としてＸ線源を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば短波長の電磁波や、適切な粒子線を使用することもできる。
【符号の説明】
【００６２】
１０  容器
１１  上部開口
１２  下部開口
２０  Ｘ線源
３０  検出器
４０  パーソナルコンピュータ
１００  粒子
【図１】
2015102332.tif 000003
【図２】
2015102332.tif 000004
【図３】
2015102332.tif 000005
【図４】
2015102332.tif 000006
【図５】
2015102332.tif 000007
【図６】
2015102332.tif 000008
【図７】
2015102332.tif 000009