(57)【要約】【課題】粒子移動の流動状態を直接リアルタイムにモニタリングし、多種多様な粒子の流動状態を正確に測定できる粒子流動測定装置とする。  【解決手段】粒子流動装置１内での粒子の流動速度等を測定するに際して、管壁２内にイメージファイバ３の一端部を挿入し、他端部に画像撮影装置としてのカメラ６の撮影部７を配置する。カメラ６の撮影画像をパソコン８で処理し、第１撮影画像と第２撮影画像の位相差により移動速度を測定し、流動量等を演算する。その際イメージファイバの端部には対物レンズ及び接眼レンズ、更には光学フィルタ等を用いる。また、画像撮影装置としては位相差検出半導体素子を用いても良く、更には光学マウスの光学マウスセンサ部を利用することもできる。画像撮影装置による粒子流動の撮影画像から移動速度を計測するには、予め移動速度が既知の対象、例えば所定速度で回転する円盤を撮影する等により校正しておく。【選択図】図１
2008145117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子の移動流路内に一端部が挿入されるイメージファイバと、
前記イメージファイバの他端部に配置した画像撮影装置と、
前記画像撮影装置で撮影した画像を処理し、撮影した画像から粒子の少なくとも移動速度を演算する画像処理演算装置とを備えたことを特徴とする粒子流動測定装置。
【請求項２】
前記イメージファイバの端部には、対物レンズまたは接眼レンズ、或いは両レンズを設けることを特徴とする請求項１記載の粒子流動測定装置。
【請求項３】
前記画像撮影装置は位相差検出半導体素子であることを特徴とする請求項１記載の粒子流動測定装置。
【請求項４】
前記画像撮影装置はパソコン用マウスであることを特徴とする請求項１記載の粒子流動測定装置。
【請求項５】
前記画像撮影装置によるデータは、予め移動速度が既知の対象の表面を撮影した画像データと別途求めた撮影部分の実際の速度を対応させて校正することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の粒子流動測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化装置、燃焼装置、粒子循環型除湿装置等において、粒子を用いた流動層の粒子の流動状態、更には各種粒子や粉体の流動状態を検出する粒子流動測定装置に関する。  
【背景技術】
【０００２】
粒子を流動状態にしてその中に種々の物質を混入させ、その物質の処理を行う流動層利用処理装置が各種の分野で用いられており、特に粒子を高温にしてその中に物質を混入させて高温処理を行うことは石炭燃焼装置、石炭ガス化装置として、或いは廃棄物処理装置として、更には各種物質の乾燥装置として利用されている。
【０００３】
また、除湿剤の粒子を環境空気の除湿処理部分とこれを乾燥させる再生部分の間を循環させ粒子循環型空調システムが提案されている。この粒子循環型空調システムにおいて、前記ガス化装置で用いられているような粒子状の流動媒体を下方に配置した空気吹込口からの空気により流動化した中で反応させる技術と同様に、デシカント粒子に空調用空気、或いは再生用気体を吹き込み、流動化した状態で処理を行うことも提案されている。
【０００４】
このような種々の分野で用いられている流動層による処理に際して、粒子群がどのように流動しているかを知ることは、所望の処理制御を行うために極めて重要である。そのため種々の流動粒子の流動量測定手法が提案されており、例えば流動する粒子をバタフライバルブ等で一定時間流路を切り替え、堆積する粒子の重量によって測定する手法が用いられている。また、ダウンカマー部下方のループシール室内に存在する流動粒子等の重量を歪ゲージ等によって計測することも提案されている（特許文献１）。
【０００５】
しかしながらこの手法では、一定時間を必要とするためリアルタイムでの計測を行うことができない、また、流路を切り替える場合はそのための特別な付加装置を必要とする。更に、特許文献１に記載されている技術では、センサの温度依存性が高く、補正が難しいという問題もある。
【０００６】
また、予め空気速度等の所定の操作条件における粒子循環量を測定しておき、そのときの操作条件を検出することにより粒子循環量を推算する手法も存在する。しかしながらこの手法では、操作条件が同じでも温度条件等の環境条件が変化した場合に、実際にその値であるか否かの確証がないという問題があるほか、リアルタイムな粒子循環量を計測することができない。
【０００７】
更に、実際に流動している粒子群を外部からビデオ撮影可能とし、その撮影画像を二次元ＦＦＴ等を用い、ＰＩＶ、空間フィルタ法等により位相差を検出し、画像の平面の中での粒子の移動速度を測定することも考えられる。しかしながら、この手法は演算時間がかかり、また計測実績がなく実際に循環流動層の循環モニタリングに適用できるか否かに多くの疑問がある。
【０００８】
また、例えば堰を通過する粒子群の高さや、板等への衝突圧力のような、粒子循環量によって変化する値を見積もる手法もある。しかしながら、この手法は真の粒子群の移動量を測定するものではなく推測するものであるため、測定する条件によって誤差が大きくなり、またセンサの温度依存性がある等、正確な測定を行うことができない問題がある。
【０００９】
その他、流動粒子の循環路において最も安定的に流動しているダウンカマー部で流下する流動粒子群の速度を、例えば目視計測により、或いは光ファイバを用い、或いは静電センサを用いて計測する手法もある。このうち光ファイバを用いる手法では、例えば光電センサや光電スイッチ、赤外線センサ、レーザセンサなどの光センサを用いて測定するものであり、単位時間内に存在する流動粒子の量を検出することにより行われる。しかしながらこの手法では、燃焼炉では粒子の発光を利用してダウンカマーにおける降下速度が測定できるが、比較的低温で反応処理が行われるガス化炉では発光がそれほど大きくなく、そのままでは利用することができない。また粒子に対する依存性が高く、例えば反応場で粒径等の物性が変わってしまう系に対しては適用が困難である。
【００１０】
その対策として本件出願人により、例えば図５に示すような流動粒子の流速を計測し、粒子流動量を計測する手法を提案している（特許文献２）。この手法は同文献に詳細に説明しているが、これを要約すると、ダウンカマー部２９等の流動粒子の循環路中に流動粒子冷却用の冷熱源供給管２５、流動粒子を加熱するため流動粒子中に酸素を吹き込む酸素供給管２６のうち少なくとも片方を配置し、その下流に上流側温度検出用光ファイバー２７と下流側温度検出用光ファイバー２８を配置する。それにより、流動粒子が循環している上流で粒子を加熱或いは冷却し、各光ファイバーで温度変化を検出した時間差と両光ファイバーの距離によって粒子の循環速度を測定して粒子循環量を得ることができる、というものである。
【特許文献１】特開２００３−１８５１１６号公報
【特許文献２】特開２００５−２３３４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本件出願人により提案している上記の技術により、比較的低温で反応処理が行われるガス化炉に対しても有効に適用でき、正確な粒子循環量を得ることができるものであるが、この手法は冷熱供給或いは酸素の供給を必要とし、更に光ファイバーを２箇所に設ける必要があり、装置が大型化し、比較的高価なものとなる。また、計測する２点間の距離を短くすると局所情報でしかなくなり、２点間をある程度長くすると、それぞれの点の信号の対応する情報を識別するのが難しくなってくるという問題もあり、また、適度なサンプリング周期を考慮する必要もある。
【００１２】
したがって本発明は、前記従来の種々の問題点を解決することができる流動粒子の計測手法を提案するものであり、粒子移動の方向を含んだ移動速度をリアルタイムにモニタリングできるようにし、広範囲の種類の粒子や広範囲の粒径の粒子等、多種多様な粒子の移動速度を測定し、それによりそれらの粒子の流動量を正確に測定できる粒子流動測定装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
近年、比較的安価に入手可能になったデバイスにコンピュータ用の光学マウスがある。光学マウスの内部には画素数は低いが撮影素子があり、１５００Ｈｚから高速なものでは６５００Ｈｚ程度の画像処理を行い、マウス移動量の信号をパソコンに伝達している。そこで、この光学マウスの底部の検出部に粒子群移動の情報を導けば、オンラインモニタリングすることができると考え、これを実験により確かめ、更にこの手法をより汎用性の高い測定手法に発展させ、本発明に至ったものである。
【００１４】
本発明に係る粒子流動測定装置はより具体的には、粒子群の移動流路内に一端部が挿入されるイメージファイバと、前記イメージファイバの他端部に配置した画像撮影装置と、前記画像撮影装置で撮影した画像を処理し、撮影した画像から粒子群の少なくとも移動速度を演算する画像処理演算装置とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る他の粒子流動測定装置は、前記粒子流動測定装置において、前記イメージファイバの端部には対物レンズまたは接眼レンズ、或いは両レンズを設けることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る他の粒子流動測定装置は、前記粒子流動測定装置において、  前記画像撮影装置は位相差検出半導体素子であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る他の粒子流動測定装置は、前記粒子流動測定装置において、  前記画像撮影装置はパソコン用マウスであることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る他の粒子流動測定装置は、前記粒子流動測定装置において、  前記画像撮影装置によるデータは、予め移動速度が既知である表面を撮影した画像データと実際の速度を対応させて校正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は上記のように構成したので、粒子移動の方向を含んだ移動速度を実際の粒子の移動状態で直接リアルタイムにモニタリングすることができ、広範囲の種類の粒子や広範囲の粒径の粒子等、多種多様な粒子の移動速度及び流動量等の粒子の流動状態を正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、粒子の流動状態の測定を直接リアルタイムで行うことができるようにするという課題を、粒子の移動流路内に一端部が挿入されるイメージファイバと、前記イメージファイバの他端部に配置した画像撮影装置と、前記画像撮影装置で撮影した画像を処理し、撮影した画像から粒子の少なくとも移動速度を演算する画像処理演算装置とを備えることにより実現した。
【実施例１】
【００２１】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１（ａ）は本発明の最も基本的な粒子流動量測定装置を示しており、例えばガス化炉内の流動層、或いは粒子循環型デシカント空調装置の粒子流動管１の管壁２内にイメージファイバ３の一端部４を挿入し、他端部５に近接して画像撮影装置としてのカメラ６の撮影部７を配置し、このカメラ６によって高速で粒子流動管１内の粒子群の移動状態を撮影している。条件によってはイメージファイバの一端より光源Xからの光を導いたり、検出端付近に別途光源を設ける等により撮影しやすくする。カメラ６による粒子移動状態の撮影画像はパソコン８に入力し、画像処理を行うことにより所定時間内の粒子群の移動方向と移動量のデータを得て、それにより粒子群の流動量を測定することができる。なお、パソコン８は画像処理を行い、撮影された画像から撮影された物体の移動速度等を演算するものであり、したがってこの作動を行うパソコン８は画像処理演算装置ということができる。
【００２２】
このような画像処理による速度検出は、従来より広く用いられている移動画面撮影による速度検出手法を採用することができるが、その際には例えば図１（ｂ）〜（ｅ）による手法により粒子流動管１における粒子移動速度Ｖｄ及び粒子流動量Ｑｄを求めることができる。即ち同図（ｂ）のような第１撮影画像を撮影した後、同図（ｃ）のような第２撮影画像を得たとき、両画像の位相差が検出され、同図（ｄ）のように両画像のｘ方向移動量Ｃｘとｙ方向移動量Ｃｙを求めることができ、この値は粒子流動管内の粒子移動量に対応させることができる。
【００２３】
このデータにより図１（ｅ）（１）に示すように粒子の実際の移動量ＣＬを求めることができ、それにより同図（２）に示すように単位時間ｔの粒子の移動速度ＶＬをＶＬ＝ＣＬ／ｔで求めることができる。また、この粒子流動管１が流動層のダウンカマー部であるとき、このダウンカマー部の粒子群降下速度Ｖｄは同図（３）のようにＶｄ＝Ｃｙ／ｔで求めることができる。更にダウンカマー部の粒子流動量Ｑｄは同図（４）に示すように、Ｑｄ＝Ｖｄρｐ（１−εｄ）Ａｄにより求めることができる。なおここでρｐは粒子密度、εｄはダウンカマー部の空隙率、Ａｄはダウンカマー部の断面積である。
【実施例２】
【００２４】
本発明は粒子流動管１内の粒子の状態を検出するに際して、単にイメージファイバ３を用いるのみではなく、例えば図２（ａ）に示すように、イメージファイバ３の粒子流動管１内の端部に対物レンズ９を設け、カメラ６の撮影部７側に接眼レンズ１０を設けても良い。また、カメラ６の撮影部７には、図示するように光学フィルタ１１を設けても良い。
【００２５】
このように対物レンズ９及び接眼レンズ１０を用いることにより、細いイメージファイバ３を用いても広範囲の粒子流動状態の画像を取り込み、これを拡大して明瞭にカメラで撮影することができ、また、光学フィルタ１１を設けることにより、粒子の温度等による発色状態の変化による撮影画像の変化を調節することができ、より正確な粒子移動速度、粒子流動量の計測を行うことができる。
【実施例３】
【００２６】
前記実施例においては、イメージファイバ３で導いた粒子流動管１内の粒子の移動状態をカメラ６により撮影したものであるが、例えば図２（ｂ）に示すように、イメージファイバ３の端部の接眼レンズ１０に直接画像撮影装置としての位相差検出半導体素子１２を設けて画像を取り込み、これをパソコン８に入力して、前記と同様の手法により粒子流動速度、粒子流動量の計測を行うこともできる。
【実施例４】
【００２７】
本発明は更に、前記実施例３における位相差検出半導体素子１２の一態様としての、通常のコンピュータに用いられている光学マウスを用いることもできる。その態様を図３に模式的に示しており、図３に示す例においては実験で行った例を示している。なお、本発明は前記「課題を解決するための手段」に記載したように、この実験により本発明の有用性を確認し、前記各実施例によって本発明を更に広く実施することができることを見出したものである。以下にその実験の概要を簡単に説明する。
【００２８】
実験に使用した光学マウスはＵＳＢ接続の市販の光学マウス１３を用い、従来のガス化炉と略同様の構成からなる粒子流動装置１４を作成して、流動層が形成され粒子が落下するダウンカマー部１５に前記各実施例と同様のイメージファイバ３の端部を挿入し、イメージファイバ３の他端部に直接光学マウス１３の光学マウスセンサ部１６に一致させて固定している。なお、粒子流動装置１４はダウンカマー部１５の下部にエアコンプレッサ１７からの高圧空気を流量制御器１９を介して供給し、粒子を流動化し下降できるようにしている。また、エアコンプレッサ１７からの高圧空気はライザ部２１の下端にも流量制御器１８を介して導いており、ライザ部下端にはダウンカマー部１５からの粒子が供給される。ダウンカマー部１５の上方に配置したサイクロン２０において接線方向に開口しているライザー部２１の下端部において、高圧空気を供給可能としている。
【００２９】
それにより、エアコンプレッサ１７の作動時にはダウンカマー部１５の粒子は流動状態となり、またライザー部２１の下端から内部に供給される高圧空気によりダウンカマー部１５からの粒子が上方に搬送され、サイクロン２０内に接線方向に噴出する。サイクロン２０内の粒子は螺旋状に落下し、粉体は前記下方から供給されている流動用空気と共に排出し、粒子のみが流動用空気に対向してその重力によりダウンカマー部に堆積する。堆積している粒子群の流動状態をイメージファイバ３で光学マウスセンサ部１６に導く。
【００３０】
光学マウスセンサ部１６で得られる画像は周知の光学マウスで得られる画像であり、前記図１（ｂ）（ｃ）に示したものとほぼ同様である。光学マウス１３内の信号処理回路ではその画像を前記図１（ｄ）と同様に処理し、その処理信号はパソコン８に入力する。パソコン８では通常のパソコンで利用されているマウス２２からの信号処理を行うソフトとは異なるソフトによって、図１（ｄ）の信号に基づき図１（ｅ）の演算等を行うことにより、粒子の移動速度Ｖ及び流動量Ｑを演算することができる。なお、通常のマウスは図１（ｄ）のデータにより、マウスの移動方向、移動速度、移動量等のデータを演算し、その演算データをモニタ画面のポインタ移動等に用いている。また、光学マウスは光源を備えているので別途光源を用いること無く画像を得ることができるが、必要に応じて前記と同様の光源を用いても良い。
【００３１】
上記のような光学マウスを用いてイメージファイバで導いた粒子の移動状態を撮影した画像から粒子の移動速度データを得るに際しては、例えば図４に示すような検定装置を用いて予めマウスの撮影画像と撮影物体の移動速度の相関データを得ておくことにより容易に、且つ正確な計測が可能となる。図４に示す例においては、モータ２３により回転円盤２４を所定速度で回転し、その回転円盤２４の表面２５に近接してイメージファイバ３の端部を配置する。
【００３２】
このイメージファイバ３の他端部に前記図４と同様に光学マウス１３の光学マウスセンサ部１６を配置し、光学マウスで撮影した画像を前記と同様に処理する。その処理結果の移動速度に関連したデータと、予め得られている回転円盤２４の表面２５におけるイメージファイバ端部の配置部分の速度と対応することにより、光学マウスで得られる画像の移動速度を正確に校正することができる。なお、この校正手法は前記の各実施例において、カメラや位相差検出半導体素子を用いる場合においても同様に採用することができる。
【００３３】
上記のような装置を用いて実際に作動させたデータと、従来から行われている目視による測定と比較した結果、それぞれの測定法に各々特性はあるものの、光学マウスを用いることにより実際に粒子が流動している状態において、その粒子の移動速度及び流動量をオンラインで正確に測定することができることを確認した。このような装置は安価に得られるため、特に実験等に広く用いることができる。更にガス化炉、粒子循環型デシカント空調装置の粒子処理層における流動粒子の測定に際しては、前記実施例１〜３のような装置を用い、より正確で確実な測定を行うことができるようになる。
【産業上の利用分野】
【００３４】
本発明は原理的に粒径等の粒子物性や温度等の環境雰囲気に依存しないため、粉体分野における広範囲な利用が考えられる。即ち、上記のように、ガス化装置、燃焼装置、廃棄物処理装置、粒子循環型除湿装置等に用いることができ、高温の粒子でも実際の流動状態で直接、正確に測定することができるものである。本発明はこのような粒子以外に、より粒子径の小さいことにより粉体状となった微粒子の測定にも用いることができ、したがって粉体輸送装置等、広範囲の分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例１の概要図である。
【図２】（ａ）は同実施例２の概要図であり、（ｂ）は同実施例３の概要図である。
【図３】同実施例４の概要図である。
【図４】同実施例４におけるマウスデータ校正装置の概要図である。
【図５】本発明者等が先に提案している粒子流動測定装置を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  粒子流動装置
２  管壁
３  イメージファイバ
４  一端部
５  他端部
６  カメラ
７  撮影部
８  パソコン
９  対物レンズ
１０  接眼レンズ
１１  光学フィルタ
１２  位相差検出半導体素子
１３  光学マウス
１４  粒子流動装置
１５  ダウンカマー部  
１６  光学マウスセンサ部
１７  エアコンプレッサ
１８  ライザ用ガス流量制御器
１９  ダウンカマー用ガス流量制御器
２０  サイクロン
２１  ライザ部
２２  マウス  
２３  モータ
２４  回転円盤
２５  表面
【図１】
2008145117.tif 000003
【図２】
2008145117.tif 000004
【図３】
2008145117.tif 000005
【図４】
2008145117.tif 000006
【図５】
2008145117.tif 000007