JP2010066127A - 粒状体の粒度分布の測定システムおよび測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】3次元で密集した粒状体(骨材)3の集合体を撮影するための、カメラ4、照明5,6等を含む撮影装置と、該撮影装置で得たデジタル画像を画像処理して、粒状体3間の2次元の境界線を定め、さらに、該2次元の境界線に基づく粒度を、3次元の実際の粒度に近づけるために補正し、粒状体3の集合体の粒度分布を得るための情報処理装置9とを含む粒度分布の測定システム。
【選択図】図1
Description
コンクリート用砕石及び砕砂の品質は、JISで規定されている。例えば、実績率(粒形判定実績率)は、砕石で55%以上、砕砂で53%以上と規定されている。実績率が大きいほど、良好な粒度分布および丸い粒形を有し、良質の骨材であると評価されている。なお、実績率が大きいほど、同一のスランプを得るためのコンクリートの単位水量が少なくなるなどの利点がある。
実績率を大きくするためには、良好な粒度分布を有することが必要である。例えば、粒度5〜20mmの砕石骨材の粒度分布は、JIS A 5005に規定されている。
既存の篩い分け技術の一例として、振動により材料を移送し、この移送過程で材料をふるい分けるようにした振動ふるい分け装置において、進行方向に沿った多数のグリズリバーの上流側を固定し、下流側を開放した櫛状のグリズリバーユニットを段差をもって複数段直列に配設した一床目スクリーンと、その下方位置において、進行方向に沿った多数のロッドバーの上流側を固定し下流側を開放し上記グリズリバーの間隔より小さい間隔を有する櫛状のロッドバーユニットを段差をもって複数段直列に配設した二床目スクリーンとを備え、上記各グリズリバーの直下位置に、上記一床目スクリーンからすり抜けて落下する材料を受け止めて上記二床目スクリーンに供給するクッションプレートを配設してなることを特徴とする振動ふるい分け装置が提案されている(特許文献1)。
他の例として、供給岩石を大塊と細粒に選別しつつ移送するスクリーンと振動フィーダからなるスクリーン付き振動フィーダにおいて、該スクリーンは複数個の同一形状の透孔を略全面に配列した有孔平板をフィーダトラフの内部に固定するとともに、該有孔平板の上部に載置され該有孔平板の透孔と同一形状および同一配列の透孔を有する第2の有孔平板を前記振動フィーダの振動進行方向と直角に進退動自在に配設し、かつ、該第2有孔平板の進退動手段を備えたことを特徴とするスクリーン付き振動フィーダが提案されている(特許文献2)。
他の例として、所定のサイズより小さい規格内破砕石を所定サイズ孔から落し、所定のサイズより大きい規格外破砕石を下流側縁から落す振動ふるい板を備えたコンクリート廃棄材リサイクルプラントにおける選別装置において、ふるい板の上に受けた被選別物の一部分を選別しないままの状態で下流側縁から落すための樋状部をふるい板の上面に設けたことを特徴とするコンクリート廃棄材リサイクルプラントにおける選別装置が提案されている(特許文献4)。
この装置によれば、上述の篩い分けするための各種の粒度の分別手段と異なり、故障の発生や、分別手段における隙間の寸法の経時的変化などの問題は、生じにくいと考えられる。
しかし、この装置は、粒状体の2値化画像を得て、粒状体の面積に基いて粒度分布を測定するものである。このため、粒状体の形状が比較的揃っているもの(例えば、石炭)であれば、適用可能であるが、骨材用の砕石のように、粒状体の形状が必ずしも揃っていない場合には、正確な粒度分布を得ることが困難である。特に、撮像して得た画像が、細長い粒子の小径側の画像である場合、実際より小さな粒度を有するものとして測定されてしまうという問題がある。
[1] 3次元で密集した粒状体の集合体を撮影するための撮影装置と、該撮影装置で得た画像を画像処理して、上記粒状体の集合体を構成する粒状体間の2次元の境界線を定め、さらに、該2次元の境界線に基づく粒度を、3次元の実際の粒度に近づけるために補正し、上記粒状体の集合体の粒度分布を得るための情報処理装置とを含むことを特徴とする粒状体の粒度分布の測定システム。
[2] 上記撮影装置が、上記粒状体の集合体の上方に配設されたカメラと、該カメラの視野の両端の上方に配設された一対の照明を含む前記[1]に記載の粒状体の粒度分布の測定システム。
[3] 上記情報処理装置において、上記2次元の境界線に基づく粒度が、最小外接長方形の短辺、最小フェレー径、最大フェレー等価長方形の短辺、最大フェレー等価楕円の短軸、モーメント等価長方形の短辺、およびモーメント等価楕円の短軸のいずれかであり、かつ、上記3次元の実際の粒度に近づけるための補正が、一定の補正係数によるものである前記[1]又は[2]に記載の粒状体の粒度分布の測定システム。
[4] 上記粒状体が骨材である前記[1]〜[3]のいずれかに記載の粒状体の粒度分布の測定システム。
[5] 3次元で密集した粒状体の集合体を撮影する工程と、撮影で得た画像を画像処理して、上記粒状体の集合体を構成する粒状体間の2次元の境界線を定める工程と、上記2次元の境界線に基づく粒度を、3次元の実際の粒度に近づけるために補正して、上記粒状体の集合体の粒度分布を得る工程とを含むことを特徴とする粒状体の粒度分布の測定方法。
本発明のシステム等は、篩い分けのための隙間を有する分別手段を含まないので、故障が少ない。また、従来の分別手段においては、隙間の寸法が粒状体の衝突によって経時的に変化して測定精度が低下するという問題が生じていたのに対し、本発明においては、粒度分布の測定の精度を経時的に低下させることがなく、長期間に亘って測定結果の正確性(信頼性)を確保することができる。
本発明のシステム等は、3次元で密集した粒状体の集合体を対象にして撮影しているにもかかわらず、粒度分布を正確に測定することができる。このため、粒度分布の測定の正確性を確保するために、粒状体の集合体を2次元(換言すると、粒状体同士の上下方向の重なり合いを有しない平面状)に広げるという操作を行なう必要がなく、測定を容易に短時間で効率的に行うことができる。
図1に示す本発明の粒状体の粒度分布の測定システム1において、引き出し可能なパレット2の上に、測定対象物である骨材3が、3次元で密集した状態で載置されている。
ここで、「3次元で密集した状態」とは、骨材の集合体において、骨材同士が水平方向に2次元で連なるばかりでなく、上下方向(鉛直方向)に重なり合う骨材が存在することをいう。骨材は、測定の効率性等の観点から、骨材の集合体の全体に亘って、上下方向に2 個以上重なり合う状態で載置されることが好ましい。
この点、本発明では、3次元で密集した状態で骨材を載置しているため、骨材の載置作業を短時間で容易に行うことができる。
なお、本明細書において、粒度とは、粒状体における短軸の寸法をいう。ここで、短軸とは、粒状体の断面において最も長い寸法を有する軸(長軸)に対して、垂直な方向の幅の寸法をいう。
骨材以外の粒状体の例としては、各種金属鉱物、非金属鉱物(例えば、非鉄鉱物)、破砕して骨材を製造するために採石された原石等が挙げられる。
骨材は、細骨材と粗骨材のいずれでもよい。
粗骨材の種類としては、コンクリート用石灰石粗骨材、土木用石灰石粗骨材、コンクリート用砕石粗骨材、土木用砕石粗骨材、コンクリート廃材から製造した再生粗骨材、採掘切羽で採掘され破砕機で破砕して得られる砕石原石、ならびに、天然骨材である川砂利、陸砂利、およびそれらを破砕して得られる砕石等が挙げられる。
骨材3を撮影するための撮影装置は、カメラ4、照明5、6、および遮光幕7によって構成されている。なお、遮光幕7は省略しうることもある。カメラ4としては、デジタル画像が得られるものであればよく、例えば、CCDカメラ、CMOSカメラ、ビデオカメラ等が挙げられる。中でも、CCDカメラは、感度の観点から好ましい。
照明は、図1中に符号5、6として示すように、カメラ4の視野の両端の上方に一対の照明として配設することが好ましい。つまり、一対(2つ)の照明の間に、カメラを配設することが好ましい。この場合、照明を1つのみ配設した場合に比べて、照明で照らし出された骨材の表面と、影とのコントラストが大きくなり、骨材間の境界線をより明確化することができる。
カメラ4で得たデジタル画像は、カメラ4にUSBケーブル8を介して接続されているパーソナルコンピュータ(情報処理装置)9に送信され、パーソナルコンピュータ9にて画像処理される。パーソナルコンピュータ9には、骨材粒度分布解析ソフトウェアがインストールされている。
2次元の境界線を確定した後、骨材3に関わる特徴データを算出する。特徴データの算出方法としては、BLOB解析を用いることができる。算出するデータとしては、面積、重心、慣性主軸、各種の等価図形などが挙げられる。
本明細書において、最小外接長方形の短辺とは、骨材の2次元の形状(隣接する他の骨材との境界線によって定まる形状)に対して、面積が最小となる外接長方形の短辺をいう。
最小フェレー径とは、骨材の2次元の形状を平行な2直線で挟み込んだ場合における幅の最小値をいう。
最大フェレー等価長方形の短辺とは、骨材の2次元の形状を平行な2直線で挟み込んだ場合における最大の幅を長辺として、骨材の面積と同じ面積を有する長方形を想定したときの当該長方形の短辺をいう。
最大フェレー等価楕円の短軸とは、最大フェレー等価長方形の長辺と同じ寸法の長軸を有し、かつ、最大フェレー等価長方形の面積と同じ面積を有する楕円を想定したときの当該楕円の短軸をいう。
モーメント等価長方形とは、骨材の2次元の形状に対して、慣性主軸、慣性モーメント及び面積が等しい長方形をいう。
モーメント等価楕円とは、骨材の2次元の形状に対して、慣性主軸、慣性モーメント及び面積が等しい楕円をいう。
中でも、最小外接長方形の短辺、最小フェレー径は、粒状体の粒度に関する前記の定義による寸法に近い値であることから好ましい。
粒度分布を算出する際に用いる骨材の体積は、骨材の2次元の形状と等価な図形(以下、等価図形ともいう。)を用いて算出される体積である。等価図形に基づく体積としては、最大フェレー等価長方形を、長辺に平行な中心軸の周りに回転させて得られる回転円柱の体積や、最大フェレー等価楕円を長軸の周りに回転させて得られる回転体の体積や、モーメント等価長方形を、長辺に平行な中心軸の周りに回転させて得られる回転円柱の体積や、モーメント等価楕円を長軸の周りに回転させて得られる回転体の体積などが挙げられる。
このうち、モーメント等価楕円を長軸の周りに回転させて得られる回転体の体積は、粒度分布の測定の精度が高いことから好ましい。
このように実際の粒度より短い粒度を有するとして骨材の一部の粒度を定めることによる、骨材の実際の粒度分布と骨材の前記の算出法(本発明の方法)による粒度分布との差は、本発明においては、補正によって解消を図るものである。
このような補正の例としては、前述の等価図形に基づく体積の算出法の種類に応じて、一定の補正係数を定めることが挙げられる。この場合、骨材の粒度分布の全体に対して、一定の補正係数(本明細書において、粒度補正係数ともいう。)を乗ずることによって、骨材の3次元の形状(骨材の実際の形状)に基づく粒度分布とほぼ等しい粒度分布を得ることができる。
ここで、粒度補正係数について説明すると、次のとおりである。
画像として投影されている骨材の形状から得られる粒度(粒径)は、奥行きを無視したものである。奥行きが、画像から得られる粒度より大きい場合、実際の粒度は奥行きであるため、画像から得られる粒度は、実際の粒度より小さいことになる。
一方、Watershed法による領域分割は、領域分割線を推定するものであり、そのアルゴリズムの特性上、がたつきのある形状では、実際とは異なる領域分割を行う可能性がある。この可能性は、骨材の形状や照明の当て方などの影響を受ける。
以上の2つの点より、骨材の実際の粒度と、画像処理で得られる骨材の粒度には、差異があるといえる。
この差異は、骨材のサンプル数を増やすことによって、代表性を持つ一定の比率に収束すると考えられることに着目し、画像処理で得られた骨材の各粒の寸法に係数を掛けて、粒度分布を求めることを着想したものである。
ある骨材に対し、補正後の粒度分布と篩による試験で得られた実際の粒度分布との偏差が小さくなる係数を求め、この係数を、異なる粒度分布を持つ骨材の解析に割り当ててみたところ、良好な結果が得られたものである。
これらから、画像解析で得られた寸法に一定の係数を掛けて補正することによって、実際の粒度分布に近い粒度分布を得ることができるといえる。この係数を粒度補正係数と呼ぶことにした。
なお、粒度補正係数は、カメラの解像度、照明の種類、照射角度等の撮影条件や、骨材の性状(形状、色など)により、値が変わるものと考えられる。
このように、粒度補正係数は、骨材の性状などにより値が変わるため、すべての骨材に適用可能な一定の値として定めることはできないが、例えば、後述の実施例の場合、最大フェレー等価長方形に基づく体積の算出法の場合に1.60、最大フェレー等価楕円に基づく体積の算出法の場合に1.25、モーメント等価長方形に基づく体積の算出法の場合に1.50、モーメント等価楕円に基づく体積の算出法の場合に1.55などである。
図2に示す本発明の粒状体の粒度分布の測定システム11において、コンベア12の上に、測定対象物である骨材13が、3次元で密集した状態で載置されている。
コンベア12としては、ベルトコンベア、チェーンコンベア、ローラーコンベアの中から任意のものを適宜選択し、あるいは組み合わせて使用することができる。
骨材13を撮影するための撮影装置は、カメラ14、照明(光源)15、16、および遮光幕17によって構成されている。なお、遮光幕17は省略しうる場合もある。
カメラ14で得た画像は、カメラ14にUSBケーブル18を介して接続されている情報処理装置19に送信され、情報処理装置19にて画像処理される。情報処理装置19は、例えば、工業用パーソナルコンピュータ(カメラI/Fを含む。)、UPS等によって構成されている。情報処理装置19の工業用パーソナルコンピュータには、骨材粒度分布解析ソフトウェアがインストールされている。
情報処理装置19における粒度分布測定方法は、上述の図1の場合と同様である。
図2に示すようなコンベアを含むシステムを用いる場合、粒度分布を測定する対象物である骨材が大量であっても、骨材の粒度分布の測定を連続的に短時間で行うことができる。この場合、骨材の粒度分布の変化を把握することによって、骨材の性状の変化、骨材を得る際に用いた篩い分け手段の網目の磨耗の程度や、篩い分け手段を含むプラント装置全体の異常を、早期に察知することができる。
[実施例1]
(A)測定装置及び試料
図1に示すシステムを用いて、図3に示すデジタル画像を得た。さらに、骨材間の境界線を明確にするために、上述のWatershed法を含む一連の処理法を用いて、デジタル画像を画像処理して、図4に示す画像を得た。
画像を得るために用いた照明装置等は、次のとおりである。
(1)照明装置:高周波蛍光灯照明、2個(Panasonic社製、消費電力27W)
(2)撮影装置:カメラ(製品名:IXY500、キャノン社製、焦点距離:8mm、ワークディスタンス:700mm、画像サイズ:640×480(2048×1536から切り出し)、実解像度:0.25mm/ピクセル)
(3)サンプル:砂岩砕石5〜20mm(有恒鉱業社製、「砕石2005」ともいう。)
なお、撮影の対象となったサンプル(砕石)の集合体は、4〜6個程度積み重なるように3次元で密集して敷き詰めたものであり、撮影対象領域として52cm×38cmの面積を有するものであった。
補正後の骨材の粒度分布の測定結果を表3に示す。また、表3に示す結果をグラフ化したものを、図5に示す。なお、図5中、「砕石2005」の2本の線は、「砕石1505」の2本の線(上方)と「砕石2015」の2本の線(下方)の中間に位置するものであり、重なっているため、1本の線のように見えている。
図5に示すように、本発明のシステムを用いた骨材の粒度分布は、試験成績書の値とほぼ一致している。特に、等価図形として、モーメント等価長方形、モーメント等価楕円を用いた場合には、良く一致していることがわかる。
ここで、試験成績書の値とは、篩を用いてサンプル(砕石)20kgを手作業で篩い分けることによって得た粒度分布の測定結果の値である。
(A)測定装置及び試料
図1に示すシステムを用いて、デジタル画像を得た。さらに、骨材間の境界線を明確にするために、上述のWatershed法を含む一連の処理法を用いて、デジタル画像を画像処理して、処理済みの画像を得た。
画像を得るために用いた照明装置等は、次のとおりである。
(1)照明装置:高周波蛍光灯照明、2個(Panasonic社製、消費電力27W)
(2)撮影装置:カメラ(製品名:IXY500、キャノン社製、焦点距離:11mm、ワークディスタンス:670mm、画像サイズ:1024×768(2048×1536から切り出し)、実解像度:0.23mm/ピクセル)
(3)サンプル:
以下の3種を用いた。
砂岩砕石5〜20mm(有恒鉱業社製、「砕石2005」ともいう。)
砂岩砕石5〜15mm(有恒鉱業社製、「砕石1505」ともいう。)
砂岩砕石15〜20mm(有恒鉱業社製、「砕石2015」ともいう。)
なお、撮影の対象となったサンプル(砕石)の集合体は、4〜6個程度積み重なるように3次元で密集して敷き詰めたものであり、撮影対象領域として47cm×35cmの面積を有するものであった。
前記の処理画像をBLOB解析する際に、等価図形としてモーメント等価楕円を採用し、粒度および体積を算出した。
等価図形による粒度および体積を求めた後、これらの値に基いて、骨材の粒度分布を得た。次いで、骨材の粒度分布に対して、補正係数として1.2を乗じて、補正した。
補正後の骨材の粒度分布の測定結果を表5に示す。また、表5に示す結果をグラフ化したものを、図6に示す。なお、図6中、「砕石2005」の2本の線は、「砕石1505」の2本の線(上方)と「砕石2015」の2本の線(下方)の中間に位置するものであり、重なっているため、1本の線のように見えている。
図6に示すように、本発明のシステムを用いた骨材の粒度分布は、試験成績書の値とほぼ一致していた。
ここで、試験成績書の値とは、篩を用いてサンプル(砕石)20kgを手作業で篩い分けることによって得た粒度分布の測定結果の値である。
2 パレット
3,13 骨材
4,14 カメラ
5,6,15,16 照明(光源)
7,17 遮光幕
8,18 USBケーブル
9,19 情報処理装置
12 コンベア
Claims (5)
- 3次元で密集した粒状体の集合体を撮影するための撮影装置と、
該撮影装置で得た画像を画像処理して、上記粒状体の集合体を構成する粒状体間の2次元の境界線を定め、さらに、該2次元の境界線に基づく粒度を、3次元の実際の粒度に近づけるために補正し、上記粒状体の集合体の粒度分布を得るための情報処理装置と
を含むことを特徴とする粒状体の粒度分布の測定システム。 - 上記撮影装置が、上記粒状体の集合体の上方に配設されたカメラと、該カメラの視野の両端の上方に配設された一対の照明を含む請求項1に記載の粒状体の粒度分布の測定システム。
- 上記情報処理装置において、上記2次元の境界線に基づく粒度が、最小外接長方形の短辺、最小フェレー径、最大フェレー等価長方形の短辺、最大フェレー等価楕円の短軸、モーメント等価長方形の短辺、およびモーメント等価楕円の短軸のいずれかであり、かつ、上記3次元の実際の粒度に近づけるための補正が、一定の補正係数によるものである請求項1又は2に記載の粒状体の粒度分布の測定システム。
- 上記粒状体が骨材である請求項1〜3のいずれか1項に記載の粒状体の粒度分布の測定システム。
- 3次元で密集した粒状体の集合体を撮影する工程と、
撮影で得た画像を画像処理して、上記粒状体の集合体を構成する粒状体間の2次元の境界線を定める工程と、
上記2次元の境界線に基づく粒度を、3次元の実際の粒度に近づけるために補正して、上記粒状体の集合体の粒度分布を得る工程と
を含むことを特徴とする粒状体の粒度分布の測定方法。
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