(57)【要約】【課題】粒径毎に粒子の個数を計測できる粒子分離計測装置および粒子分離計測方法を提供する。【解決手段】ふるい１１、１２、１３は、粒子が移動する方向に低くなるように階段状にずらして配置され、かつ、ふるいの目が後段に行くにしたがって大きくなるように配置されて、流体中に混合している、あるいは混合した状態にある粒子をふるい分ける。センサ１８、１９、２０は、ふるいの下に配置され、ふるいから落下する粒子の衝突を検知する。センサ２１は、水路板１７から落下する粒子の衝突を検知する。アナライザ２２は、センサ１８、１９、２０、２１に接続され、衝突回数を計測して移動土砂量を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子が移動する方向に低くなるように階段状にずらして配置され、かつ、ふるいの目が後段に行くにしたがって大きくなるように配置されて、流体中に混合している、あるいは混合した状態にある粒子をふるい分ける複数個のふるいと、
前記ふるいの下に配置され、ふるいから落ちる粒子の衝突を検知するセンサ手段と、
前記センサ手段と結線されて信号を受信して粒子の数を計測する計測手段と、
を備えることを特徴とする粒子分離計測装置。
【請求項２】
前記ふるいは、粒子を前記ふるいに導くための粒子載置手段を、前記ふるいと同じ高さで備えることを特徴とする請求項１に記載の粒子分離計測装置。
【請求項３】
粒子が移動する方向に低くなるように傾斜させるとともに階段状にずらして配置され、かつ、間隔自体を粒径として小さい順番に並べるように配置されて、流体中に混合している、あるいは混合した状態にある粒子をふるい分ける複数個の粒子載置手段と、
前記粒子載置手段の間隔でふるい分けられた粒子の衝突を検知するセンサ手段と、
前記センサ手段と結線されて信号を受信して粒子の数を計測する計測手段と、
を備えることを特徴とする粒子分離計測装置。
【請求項４】
前記センサ手段は、粒子が衝突すると反射波が変化するＦＢＧセンサであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の粒子分離計測装置。
【請求項５】
一方向に移動する流体中に複数個のふるいを、ふるいの目が小さい順に並ぶように設置し、流体中に混合している、あるいは混合した状態にある粒子をふるいの目の大きさの順に分離し、分離されたそれぞれの粒子の数を計測することを特徴とする粒子分離計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体によって運ばれる粒子の量を計測する粒子分離計測装置および粒子分離計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
荒廃した山地をはじめとする土地から土砂が流出すると、河床が上昇して河川の流れが変わることがある。また、ダム等により土砂の供給が遮断されると、水みちが固定したり、河床が低下したりする。このような現象は、河川の形を変えて周囲への被害を与えるばかりでなく、生活用水を取水することが不便になる場合も少なくない。このようなことから、河川での土砂の管理が重要な課題となってきている。
河川での土砂の管理を行うことは、河川を構成する水という流体の中で、土砂という粒子を管理することであり、土砂粒子の粒径と分量を分離して計測することが必要になる。粒径と分量を測定（モニタリング）することで、ダムの放水量を決定したり、河川を改修したりするデータとすることができるからである。
【０００３】
このような河川での土砂の管理を行うことを目的として、ハイドロフォンと呼ばれる方法が従来知られていた（非特許文献１参照）。この方法は、土砂の衝突音と衝突回数を測定できるセンサを河床等の所定の場所に設置し、土砂がセンサに衝突する衝突音とその数を音の大きさ毎に集計して、その集計値から土砂量や粒径に変換する方法である。
【非特許文献１】小竹  利明、他“魚野川上流域におけるハイドロフォンを用いた流砂量観測について”、［平成２０年２月４日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.hrr.mlit.go.jp/library/kenkyukai/h19/pdf/e/e_07.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ハイドロフォンの方法により土砂量や粒径を測定することが一応は可能であったが、この方法で実際に観測している物理量は、センサへの粒子の衝突音の回数（以下「パルス数」という。）とその音の大きさのみである。そこで、パルス数から土砂量および粒径に変換するためには、あらかじめキャリブレーション式を構築しておくなどの工程が不可欠であり、その時々の条件や河川の流速、場所による粒子の分布などの影響を受けるという欠点があった。また、直接の測定ではないので粒径および土砂量については推定値であった。そこで、粒径毎に粒子の個数を計測して土砂量を測定できる装置や方法が望まれていた。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、粒径毎に粒子の個数を計測できる粒子分離計測装置および粒子分離計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の粒子分離計測装置は、粒子が移動する方向に低くなるように階段状にずらして配置され、かつ、ふるいの目が後段に行くにしたがって大きくなるように配置されて、流体中に混合している、あるいは混合した状態にある粒子をふるい分ける複数個のふるいと、前記ふるいの下に配置され、ふるいから落ちる粒子の衝突を検知するセンサ手段と、前記センサ手段と結線されて信号を受信して粒子の数を計測する計測手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
前記ふるいは、粒子を前記ふるいに導くための粒子載置手段を、前記ふるいと同じ高さで備えることが好ましい。
【０００８】
また、本発明の粒子分離計測装置は、粒子が移動する方向に低くなるように傾斜させるとともに階段状にずらして配置され、かつ、間隔自体を粒径として小さい順番に並べるように配置されて、流体中に混合している、あるいは混合した状態にある粒子をふるい分ける複数個の粒子載置手段と、前記粒子載置手段の間隔でふるい分けられた粒子の衝突を検知するセンサ手段と、前記センサ手段と結線されて信号を受信して粒子の数を計測する計測手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
前記センサ手段は、粒子が衝突すると反射波が変化するＦＢＧセンサであることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の粒子分離計測方法は、一方向に移動する流体中に複数個のふるいを、ふるいの目が小さい順に並ぶように設置し、流体中に混合している、あるいは混合した状態にある粒子をふるいの目の大きさの順に分離し、分離されたそれぞれの粒子の数を計測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、流体によって運ばれる粒子を粒径によって分離できるので、粒径毎に粒子の個数を計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の粒子分離計測装置の一例を説明する図である。図１に示す粒子分離計測装置は、１段目のふるい１１と、２段目のふるい１２と、３段目のふるい１３を備えており、ふるい１１、１２、１３は、粒子が移動する方向に低くなるように階段状にずらして配置され、かつ、ふるいの目が後段に行くにしたがって大きくなるように配置されて、流体中に混合している、あるいは混合した状態にある粒子をふるい分ける。それぞれのふるい１１、１２、１３には、粒子をふるいに導くための水路板１４、１５、１６（粒子載置手段）が、それぞれふるいと同じ高さで配置されている。また、３段目のふるい１３の後にも、水路板１７が階段状に段差を設けて配置されている。また、ふるい１１、１２、１３の下には、ふるいから落ちる粒子の衝突を検知するセンサ１８、１９、２０（センサ手段）が配置され、さらに、水路板１７の後にも水路板１７から落ちる粒子の衝突を検知するセンサ２１が配置されている。さらに、センサ１８、１９、２０、２１にはアナライザ２２（計測手段）が接続されている。
【００１３】
ふるい１１、１２、１３と水路板１４、１５、１６、１７の配置は、縦方向に同一の高さで配置することも可能であるが、図１に示すようにふるいの目の大きさ程度の段差をつけると重力による沈降と分離が可能になるため、より好ましい。
また、水路板１７の後にセンサ２１を配置したが、これを配置しない構成も考えられる。
【００１４】
ふるいの目は後段に行くにしたがって大きくなるようにしており、１段目のふるい１１は、粒径２ｍｍ以下の土砂を分離できる大きさとし、２段目のふるい１２は、粒径４．８ｍｍ以下の土砂を分離できる大きさとし、３段目のふるい１３は、粒径１９ｍｍ以下の土砂を分離できる大きさとした。この際の２ｍｍ、４．８ｍｍ、１９ｍｍは例示であって、適宜設計により変更できるが、土木工学・地質学では一般に粒径２ｍｍ以下の土砂を砂、それより大きく粒径４．８ｍｍ程度以下の土砂を細礫、それより大きく粒径１９ｍｍ以下の土砂を中礫と呼んで区別しているので、工学的分類のためには本実施の形態のような粒径の分け方が望ましい。
【００１５】
ふるい１１、１２、１３の下、および水路板１７の後には、土砂が衝突すると反応するセンサが備えられている。このセンサには一般のセンサが広く適用できるが、最も好ましいのはＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）センサである。図２は、ＦＢＧセンサを説明する図であり、光ファイバ２５に設けられたＦＢＧセンサ部２４を拡大して示している。ＦＢＧセンサでは、１本の光ファイバ２５に直列に複数のＦＢＧセンサ部２４を設けることができる。ＦＢＧセンサとは、光ファイバ２５のコア部２６の屈折率を一定の周期Λで変化させたもので、特定の波長（Ｂｒａｇｇ波長）の光のみを選択的に反射するものである。屈折率を一定の周期Λで変化させたグレーティング部２７に土砂などの粒子が衝突し、歪みが与えられると、Ｂｒａｇｇ波長がシフトするため、衝突を光信号に変換してカウントすることができる。
【００１６】
図３は、ＦＢＧセンサの一例を示す図である。ＦＢＧセンサ３１は、ＦＢＧ加工された光ファイバを１本以上有し、耐衝撃性のある硬質ゴム物体（望ましくは管、箱）３２の上部に、または挟まれて、設置されることにより、防水性を有しているとともに、上部からの粒子の衝突を光の歪みとして信号化して外部に伝えることができる。
【００１７】
４つのセンサ（好ましくはＦＢＧセンサ）１８、１９、２０、２１により得られた光信号は電気信号に変換されて、または光信号のまま、粒子の数を計測する計測手段であるアナライザ（コンピュータ）２２に入力される。アナライザ（コンピュータ）２２は、各センサからの電気または光の信号を計測して、どのふるいの位置に何回の土砂が落ちたか、位置情報と衝突回数を記録する。
【００１８】
上述した本発明の粒子分離計測装置は、一方向に移動する流体中に、ふるいの目が小さい順に並ぶように設置される。具体的には、第１段目のふるいが、河川の上流側となるように本発明の粒子分離計測装置は設置される。河川における土砂の粒子は、水により運搬されるが、この粒子分離計測装置を土砂とともに水が流れて通るとき、ふるいの部分で目の大きさにあわせ、当該の目より小さい土砂は重力の作用で沈降してふるいの下に設置されたセンサに衝突することになる。センサは衝突の刺激を受けると、これを信号としてアナライザ（コンピュータ）に伝え、アナライザ（コンピュータ）は集計を行う。これにより、粒径と土砂量を分離して記録することができる。
【００１９】
図４は、本発明の粒子分離計測装置の他の例を説明する図である。上述した実施の形態では、ふるいを用いて粒子の選別を行ったが、図４に示すように、水路板の間隔自体を粒径として粒子の選別を行うようにしてもよい。
複数の水路板１４、１５、１６、１７（粒子載置手段）は、粒子が移動する方向に低くなるように傾斜させるとともに階段状にずらして配置され、かつ、水路板の間隔自体を粒径として小さい順番に並べるように配置されて、流体中に混合している、あるいは混合した状態にある粒子をふるい分ける。
水路板１４と水路板１５との間隔を２ｍｍとし、水路板１５と水路板１６との間隔を４．８ｍｍとし、水路板１６と水路板１７との間隔を１９ｍｍとした。
さらに、水路板と水路板との間の段差部には、水路板の間隔でふるい分けられた粒子の衝突を検知するセンサ１８、１９、２０、２１（センサ手段）が配置され、センサ１８、１９、２０、２１にはアナライザ２２（計測手段）が接続されている。
【００２０】
なお、上述した実施の形態では、ふるいの段数を３段としたが、段数は複数であれば４段でも５段でもよい。
また、上述した実施の形態では、水と土砂を例示しているものの、その対象は流体と粒子であればよく、ふるいの目およびセンサの感度を適宜適切な値に変更することにより、本発明の粒子分離計測装置は、水と土砂以外の系に対しても適用が可能である。例えば、大気中でのゴミの大きさによる分別などにも利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の粒子分離計測装置の一例を説明する図である。
【図２】ＦＢＧセンサを説明する図である。
【図３】ＦＢＧセンサの一例を示す図である。
【図４】本発明の粒子分離計測装置の他の例を説明する図である。
【符号の説明】
【００２２】
１１，１２，１３  ふるい
１４，１５，１６，１７  水路板
１８，１９，２０，２１  センサ
２２  アナライザ
２４  ＦＢＧセンサ部
２５  光ファイバ
２６  コア部
２７  グレーティング部
３１  ＦＢＧセンサ
３２  硬質ゴム物体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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