JP2008046077A - 粒度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動する粉粒体の粒度および粒度分布を、粉粒体の搬送量変化に依存することなく、リアルタイムに自動測定するための粒度測定方法を提供する。
【解決手段】ベルトコンベア２２で搬送されている粉粒体２４の表面の変位を変位計１２で測定し、測定変位を示す変位計１２からの出力信号をデータ収集装置１４により所定のサンプリング時間で読み取り、これを変位データとして収集する。演算処理装置１６によってデータ収集装置１４が収集した変位データをウェーブレット変換して時系列にプロットした図形から粒径を測定し、粒度分布を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、ベルトコンベア等の搬送装置によって搬送される粉粒体の粒度および粒度分布をリアルタイムで連続して測定するための粒度測定方法に関する。

粉粒体を取り扱う工業においては、品質管理等を目的として、粉粒体の粒度および粒度分布の測定が適宜行われている。例えば、ベルトコンベアで運搬される粉粒体の粒度分布を行う場合には、適当な頻度で一定量の粉粒体を採取し、これを粒径の大きい粉粒体の場合には篩い分け等により、また粒径の小さい粉粒体の場合にはレーザー回折法による粒度測定装置等により、測定している。このような粒度管理は、人手を要し、しかもリアルタイムで連続して測定することができないという問題がある。

そこで、このような問題を解決するために、例えば、ベルトコンベアで搬送される粉粒体層の表面を整流板で平坦にならして、光学式変位計によりその表面の微少変位を微小長さごとにミリ秒単位で測定し、光学式変位計の電圧信号を変位出力値としてデータ集積装置に取り込み、その変位出力値の変化から微少長さ間の変位出力値差の絶対値である変位差を順次算出し、平均することにより平均変位差を算出し、予め作成しておいた粉粒体の平均粒径を平均変位差との関係式から平均粒径を算出するオンライン粒径測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このようなオンライン粒径測定装置では、搬送される粉粒体の表面を整流板で平坦にする必要があるので、搬送される粉粒体の量が多くなったり逆に少なくなったりする生産現場に適用した場合には、その都度、整流板の位置を調節しなければならず、そのための制御装置が必要になる。また、このインライン粒径測定装置で粒度分布の幅広い粉粒体の粒径測定に適応すると、粉粒体の表面を平らにしてもその凹凸が大きくなるので、測定誤差が大きくなりやすい。さらに、このオンライン粒径測定装置では、粉粒体の平均粒径を求めることはできても、粒度分布を求めることができない。
特開２００２−２４３６２１号公報（図１，段落［０００９］等）

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、移動する粉粒体の粒度および粒度分布を、粉粒体の搬送量変化に依存することなく、リアルタイムに自動測定することができる粒度測定方法を提供することを目的とする。

本発明の粒度測定方法では、移動体に載せられて移動している粉粒体の表面の変位を変位計により所定のサンプリング時間で測定し、こうして得られた変位データを時系列にプロットした図形において、粒子間の接触もしくは重なりを示す部分を不連続点として検出することで粒径を測定して粒度分布を求めるものである。

不連続点の検出方法としては、前記変位データをウェーブレット変換して時系列にプロットした図形から検出する方法が好適に用いられるが、各サンプリング点での数値微分を求め前後の数値微分データとの差を比較することにより検出する方法を用いてもよい。

本発明に係る粒度測定は、変位計、データ収集装置、演算処理装置を組み合わせて実施することができるが、１回の測定に必要とされる時間は数十秒と短時間であるため、粉粒体を取り扱う工業等において、移動する粉粒体の粒度および粒度分布を、粉粒体の搬送量変化に依存することなく、リアルタイムに自動測定することができる。これにより、工程管理の省力化することができ、さらに粉粒体を原料として製造される製品の不良発生防止に優れた効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１に本方法により粒度測定を行うシステムの概略構成を示す。

システム１０は、移動体たるベルトコンベア２２に載せられて搬送されている粉粒体２４の表面の変位を測定する変位計１２と、所定のサンプリング時間で測定された変位について変位計１２から出力される出力信号を採取するデータ収集装置１４と、データ収集装置１４が収集した変位データから粉粒体２４の粒度および粒度分布を求めるための演算処理装置１６から構成されている。

粉粒体２４の粒度および粒度分布には制限はなく、測定可能な粉粒体の粒度は、変位計１２の分解能に依存する。換言すれば、測定する粉粒体２４の粒度や粒度分布の大凡の値等は予めわかっている場合が多いので、その粒度や粒度分布に適合する粒径測定可能範囲や分解能を有する変位計を選択すればよい。変位計１２には非接触方式のものが用いられ、特に光学式変位計が好適に用いられる。このような光学式変位計には、三角測量や共焦点の原理を利用したものや、レーザー（またはＬＤ）照射光とその反射光の位相差を利用したもの等があるが、どのような測定方法を用いたものでも構わない。

図２に変位計１２による粉粒体２４の表面変位の測定態様を模式的に示す。変位計１２は、粉粒体２４の上空の所定の高さ位置に固定される。その高さ位置は、粉粒体２４の高さの変化を考慮して、変位計１２に粉粒体２４が衝突しないように設定する。

変位計１２は測定した変位（粉粒体２４の表面までの距離）をデータ収集装置１４に出力する。例えば、変位計１２が所定のサンプリング時間で粉粒体２４に光を照射し、反射光を受光しているタイプのものであり、測定された変位が電圧値に変換されて変位計１２から出力されている場合、データ収集装置１４は、これを収集する。これにより、図２に示すように、１個の粒子の表面の複数箇所で距離測定が行われることになる。

１個の粒子における測定点を多くすることにより、測定精度を高めることができる。そのため、変位計１２のサンプリング時間は、粉粒体２４の平均粒径とコンベア２２による粉粒体２４の搬送速度を考慮して、適宜、定められる。例えば、粉粒体２４の平均粒径が小さい場合には変位計１２のサンプリング時間を短くする必要がある。またベルトコンベア２２による粉粒体２４の搬送速度が速くなる場合も、変位計１２のサンプリング時間を短くする必要がある。

データ収集装置１４が収集した変位データを時系列でプロットすると、図３上図に示されるように、長さの違う円弧が複数連なったプロットが得られる。データ収集装置１４が読み取った電圧値は、長さの単位を有する変位データに変換することができるので、図３上図では縦軸パラメータとして長さの単位を有する変位を用いているが、多くの場合、データ収集装置１４が収集した電圧値そのものを縦軸パラメータとして用いることで図３上図のようなプロットが作成され、これにより電圧値から変位へのデータ変換の負荷をなくすことができる。

なお、図３上図のような綺麗なプロットは、先に図２に示したように粉粒体が球形であって、その表面に凹凸もない理想的な状況下でのものである。実際には粉粒体は全体的には球形であってもその表面に凹凸があったり、不定形のものが混在していたりするために、このような粉粒体についての変位データの時系列プロットは、人間の判断で個々の粉粒体に区別することができるような単純なプロットにはならない場合が殆どである。

図３上図の横軸は、元々、時間軸であるが、この横軸はベルトコンベア２２の搬送速度（ｖ）とサンプリング時間（ｔ）との積を単位とする軸に置換することができる。つまり、横軸を長さ軸に変換することができ、１個の弧の横軸長さが１個の粒子について測定された粒径（以下「測定粒径」）となる。

このように、変位計１２が実際に測定する距離は、図３上図の円弧を得るためのものであって、その距離の絶対値が円弧の大きさを決定するものではない。つまり、変位計１２が設置される高さが一定の場合に、粉粒体２４の平均的な表面の高さが、粉粒体２４の量の変化によって上下しても、測定粒径の算出には何ら影響を与えない。そのため、粉粒体２４の表面高さを一定に保つ必要はない。

演算処理装置１６としてはパーソナルコンピュータを用いることができる。パーソナルコンピュータは、データ収集装置１４との間で制御信号およびデータ信号の送受信を行うためのインターフェースボードを備えている。パーソナルコンピュータは、後述するデータ処理を行うためのソフトウェア（制御プログラム、計算プログラム等）およびハードウェア（ＣＰＵ、ＨＤＤ、メモリ、ディスプレイ、キーボード、マウス等）を備えていることは言うまでもない。

演算処理装置１６は、データ収集装置１４が収集した変位データを、予め定められた数で構成されるユニットとして括る。例えば、数万点の変位データを１ユニットとする。ここでは、演算処理装置１６は、ウェーブレット変換によりユニットごとに変位データを時系列にプロットした図形を作成するものとする。その図形が図３下図に示されている。

図３下図に示される通りの、ウェーブレット変換により作成された図形の不連続点は、粒子間の接触もしくは重なりを示す部分であり、演算処理装置１６はこの不連続点を検出する。つまり、演算処理装置１６は、縦軸のマイナス領域にある立ち上がり開始から縦軸のプラス領域にある立ち上がり終了までを１個の粒子としてカウントする。

このウェーブレット変換によって、図３上図のプロットが複雑であっても、変位データを個々の粒子に分離することができる。また、ウェーブレット変換後も横軸の属性は維持されるので、粒子ごとの測定粒径を容易に算出することができる。こうして粒子数とその測定粒径を知ることができるので、粒度分布および粒度（一般的には、平均粒径）を求めることができる。

以上の説明はウェーブレット変換を利用して不連続点を検出する方法についてのものであるが、不連続点の検出方法はこれに限られるものではない。例えば、各測定点で数値微分を求め、それについて前後の差を比較することによって、不連続点を求めることもできる。ある測定点（時間ｔ）での数値微分は、サンプリング時間をΔｔ、ある測定点（時間ｔ）での変位データをｘ（ｔ）、次の測定点（時間ｔ＋Δｔ）での変位データをｘ（ｔ+Δｔ）としたときに、“（ｘ（ｔ+Δｔ）−ｘ（ｔ））÷Δｔ”で与えられる。

しかしながら、このようにして求めた測定粒径は、変位計１２が粉粒体２４の表面の変位を測定しているために、粉粒体２４の搬送過程で粉粒体２４の高さ方向にセグリゲーション（粒度のばらつき）が発生した場合には測定誤差が生じやすい。その場合は測定粒径を補正する必要がある。

この補正は、予め作成しておいた篩い分け法やレーザー回折／散乱式粒度測定装置等による粉粒体２４の粒度分布分析結果を用いて行う。具体的には、測定平均粒径をｘとし、篩い分け法により求めた平均粒径をｙとしたときに、“ｙ＝ａｘ＋ｂ（但し、ａ，ｂは粉粒体の種類、粉粒体の搬送速度等に依存して決定される係数）”の関係を満たす補正式を求める。

この補正式は、粉粒体のｘ，ｙを測定して、最小二乗法により係数ａ，ｂを求めることで得られる。

次にこれらの構成装置を用いて、実際にリアルタイムに粒度および粒度分布測定を自動で行う場合について述べる。最初に演算処理装置１６のディスプレイに、測定条件を設定するための画面が表示される。この測定条件としては、ベルトコンベア搬送速度、１ユニットを構成する測定点数、サンプリング周期、サンプリング時間が挙げられる。ここでサンプリング周期とは、１ユニットのデータ収集および粒度計算が終了し次のユニットのデータ収集に移るまでの時間間隔である。実際には数十秒程度の間隔が用いられる。

オペレータが測定条件を設定し測定が開始されると、変位計１２は設定されたサンプリング時間で粉粒体２４の表面までの距離を測定し、これをデータ収集装置１４に送る。データ収集装置１４は変位計１２から送られてきた変位データを収集する。設定された点数の変位データが得られたところで、一度、変位データの収集は中断される。１ユニットのデータ解析が、変位量を時系列にプロットした図形（図３上図）を作成し、これをウェーブレット変換して時系列にプロットした図形（図３下図）を作成し、この図形から粒径を測定して粒度分布を求めるという手順で行われ、その結果がディスプレイに表示される。

そして、最初の１ユニットの測定開始からサンプリング周期時間が経過したら、２回目の粒度および粒度分布測定が同様にして開始され、以降、同様の測定が繰り返し行われる。このような計算プロセスで得られる各種データは、１ユニットごとに演算処理装置１６が具備するＨＤＤ等に記憶される。

演算処理装置１６は、ユニットごとの測定で得られる粒度（平均粒径）や粒度分布幅が予め定めた値や範囲に納まっていない場合や、ユニットごとの測定結果の差が予め定めた値以上である場合（つまり、例えば平均粒径の変化が大きい場合）には、警報が発令されて、オペレータに注意が促されるようにすることができる。

上述した実施形態では１個の変位計１２を備えた構成であったが、図４の変位計配置例を示した平面図にあるように、ベルトコンベア２２による粉粒体２４の搬送方向と直交し、かつ、ベルトコンベア２２の粉粒体の載置面に平行な方向（つまり、ベルトの幅方向）に、変位計１２を複数配置した構成とすることも好ましい。

このような構成は、図４に示すように、例えばベルトの搬送方向中央から下側に大粒体が存在し上側に小粒体が存在するような粒子の偏り、つまりベルトの幅方向でのセグリゲーションが発生し、１カ所での測定では正確な粒度を測定することができないラインに、好適に設けられる。このようなセグリゲーションは、ベルトコンベアを複数台乗り継いでいるようなラインで見られる現象である。

複数の変位計１２ごとにデータ収集装置１４を設けるか、１台のデータ収集装置１４でデータサンプリングをまかなうかは、データ収集装置１４のキャパシティに依存する。いずれにしても、演算処理装置１６が全ての測定データを一括して解析する。

本発明の実施の形態は上述のものに限定されるものではない。例えば、粉粒体を搬送するための移動体としてベルトコンベアを取り上げたが、例えば、所定量の粉粒体が収容された上面解放型の容器（コンテナ）が、一定の間隔で搬送されるようなローラーコンベア（またはロープウェイ型の搬送装置）であっても、その容器ごとの粒度および粒度分布を測定することができる。

その場合には、容器の前端と後端がそれぞれ所定位置を通過する時間を測定するセンサを設け、このセンサが容器の前端を検知してから後端を検知するまでの間に、変位計１４から変位量のサンプリングを行い、容器ごとに得られたデータから粒度および粒度分布を求めればよい。

セメント工場のクリンカ粉砕機へ供給されるクリンカの粒度測定に適用した実施例について説明する。

ベルトコンベア速度０．９ｍ／秒で搬送されているクリンカについて、その表面変位を変位計で測定した。ここで変位計としては、三角測距方式の光学式変位計（キーエンス社製、型番LK−G400）を用い、変位データのサンプリング時間を２００μ秒とし、５００００点の変位データを１ユニットとして、データ採取を行った。こうして得られた変位データを、演算処理装置としてパーソナルコンピュータを用いて解析し、粒度分布および平均粒径を求めた。その結果を図５に示す。本発明による粒度測定方法によって求められた粒度分布および平均粒径と篩い分け法によって求めたそれは良く一致していることが分かる。

このことから本発明による粒度測定方法を篩い分け法に代えて用いることが可能であることが確認された。また、１ユニットの測定時間は１０秒であり、演算時間は１０秒程度であったことから、トータルの測定時間は２０秒程度であった。このことから、本発明による粒度測定方法を篩い分け法に代えて用いることで、正確リアルタイムな測定を自動で実施可能なことが確認された。

粒度測定のための概略構成を示す図。 変位計による粉粒体の表面変位の測定態様を模式的に示す図。 変位データのプロットとウェーブレット変換後の曲線を示す図。 複数の変位計を配置する場合の配置例を示す平面図。 オンライン粒度測定装置と篩い分け法によるクリンカの平均粒径測定結果を示すグラフ。

符号の説明

１０…システム、１２…変位計、１４…データ収集装置、１６…演算処理装置、２２…ベルトコンベア、２４・２４ａ・２４ｂ…粉粒体。

Claims (4)

1. 移動体に載せられて移動している粉粒体の表面の変位を所定のサンプリング時間で測定し、
   こうして得られた変位データを時系列にプロットした図形から粒子間の接触もしくは重なりを示す部分を不連続点として検出し、これより粒径を測定して粒度分布を求めることを特徴とする粒度測定方法。
2. 前記不連続点の検出にウェーブレット変換を用いることを特徴とする請求項１に記載の粒度測定方法。
3. 前記粉粒体の表面の変位測定は、前記粉粒体の表面への照射光とその反射光とを用いて行うことを特徴とする請求項１にまたは請求項２に記載の粒度測定方法。
4. 前記粉粒体の表面の変位測定は、前記移動体の粉粒体の載置面に対して、複数箇所で行われていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の粒度測定方法。

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