JP2939179B2 - 粒子充填監視方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、容器内への粒子充
填の監視方法に関するものであり、各種材料の合成・分
解のための容器内への触媒その他の粒子充填の監視方法
に関するものである。特には、石油精製のための反応容
器内に散布された触媒の堆積面の凹凸状態をリアルタイ
ムで監視するべくレーザ光を使用しての三角法による触
媒充填監視の画像処理方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】容器内への粒子の充填状態を監視する必
要があることが多い。例えば、各種材料の合成・分解の
ために触媒が使用される。石油工業においては、触媒を
使用して重質軽油を原料としオクタン価の高いガソリン
にする方法や多量の水素の存在下で触媒を使用して脱硫
と分解とを同時に行わせる方法等触媒を使用することが
多い。触媒としては、接触分解法では、例えば固体の酸
性シリカ、アルミナ粒子、ゼオライト粒子等が使用され
る。一般的には、これら触媒は、巾：０．５〜３ｍｍそ
して長さ：３〜１０ｍｍの粒子である。こうした場合、
反応容器に触媒粒子が充填されるが、触媒粒子の充填状
態が操業の効率を左右するので、均一な充填を達成する
目的で反応容器中央上方部に充填装置を設置し、充填装
置から触媒粒子を円錐状に落下せしめる散布充填が行わ
れている。

【０００３】しかし、散布充填を行っても、触媒粒子堆
積面は凹凸状に波打ち、平坦な堆積面は得られない。凹
凸状態が規定の水準を超えると、操業効率が低下するの
で充填装置に備えられた散布パラメータを制御するなど
して凹凸を修正するようにしなければならない。従来、
散布された粒子の堆積面の凹凸状態の測定は、反応容器
が深いため容易ではなく、充填装置設置面より巻き尺で
適宜の測定点を選んで実測により測定していた。測定は
例えば間隔３０分に１回そして測定点数１２点として実
施された。そのため、測定に時間を取りしかも大まか
で、更には測定精度は悪く、±５０ｍｍとなりまた堆積
面分布は最大４００ｍｍにもなった。充填操作を測定の
たびに操作を停止せねばならず、充填操作効率が悪かっ
た。

【０００４】従って、容器内に散布される粒子の堆積面
を均一にするために、それに先立って堆積面の凹凸状態
をリアルタイムで一層精確に監視・測定する技術の開発
が要望されている。例えば、触媒の充填では堆積面凹凸
状態の±２０ｍｍの測定精度が要求される。

【０００５】こうした要望にこたえて、本件出願人は先
に、容器内に粒子を充填する際レーザ光で堆積面を走査
し、反射光を検知しそして測定時の特定の走査点の位
置、レーザ光出射位置及びレーザ光検知位置から三角法
により堆積高さを測定し、その際レーザ光のビーム径を
粒子の断面積以上で且つ目標精度に応じて選択すること
を特徴とする粒子充填監視方法並びに粒子を充填する容
器に粒子充填高さより上方の水準に取付けられる、レー
ザ光で粒子堆積面を走査するため粒子の断面積以上で且
つ目標精度に応じて選択されるレーザ光ビーム径を有す
るレーザ光の発生及び走査装置及び走査点からのレーザ
反射光を検出する撮像装置と、測定時の特定の前記走査
点の位置、前記レーザ光発生及び走査装置の位置及び前
記撮像装置の位置から三角法により走査点の深さを計算
する計算装置と、堆積面深さ分布を含むデータを表示す
る表示装置とを備える粒子充填監視装置を開発した。こ
れらは、レーザ光を用いて、容器への粒子の充填に際し
てレーザ光で粒子堆積面を走査し、反射光を検知し、所
定の測定間隔で所要の測定点数において各走査点の堆積
深さを三角法で測定し、堆積面の高さ分布、中心を通る
任意の断面トレンド等を含む堆積面情報をリアルタイム
で表示することを基本とするものである。

【０００６】図１（ａ）は、反応容器１において上方部
中央に設置された充填装置３から触媒粒子Ｃを円錐状に
散布充填している様相と、形成された凹凸状に波打った
触媒粒子の堆積面Ｓの状態を図示すると共に、充填装置
とほぼ同じ高さ水準で反応容器壁に取付けられた粒子充
填監視装置としてのレーザ発生及び走査装置５と撮像装
置９とを示す。レーザ発生及び走査装置５は走査レーザ
ビーム６を発生する。撮像装置９は所定視野内でレーザ
反射光を検知する。更に、測定時の特定の走査点の位
置、レーザ光発生及び走査装置の位置及び撮像装置の位
置から三角法により走査点における堆積面の深さを計算
する計算装置としてのコンピュータ１１及び堆積面深さ
分布を含むデータを表示する装置としてのＣＲＴ１３
が、反応容器外部の適宜の位置の監視室内に設置され、
レーザ発生及び走査装置と撮像装置とに信号線１５で接
続されている。図１（ｂ）は、充填装置３、レーザ発生
及び走査装置５及び撮像装置９の水準から下方に堆積面
Ｓを見た断面図であり、走査レーザビーム６による堆積
面Ｓの走査の様相を示す。走査レーザビーム６により堆
積面を一端から他端まで左右に走査しながら、一定間隔
で走査点の反射光を検出することにより堆積面の監視が
行われる。

【０００７】図２は、レーザ発生及び走査装置５及び撮
像装置７の容器壁への取付け様相を示す。レーザ発生及
び走査装置５は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ、半導体レー
ザのような適宜のレーザ源７とレーザ光を堆積面を走査
するように左右前後に走査するレーザスキャナ８とから
構成される。プリズムのような光学的手段の傾きを順次
変更することによりレーザビームの出射方向を変更する
ことができる。レーザ源７及びレーザスキャナ８は触媒
粒子充填中触媒のダストが発生するため防塵対策として
エアーライン１６に接続される防塵カバー１７内部及び
その直下にそれぞれ配置されそして防塵用エアーがエア
ーライン１６から防塵カバー１７を通して常時吹き出さ
れる。防塵カバー１７は適宜の固定金具１８により反応
容器壁に取付けられる。撮像装置９は代表的にはＣＣＤ
カメラ１０であり、同じくエアーライン１６に接続され
る防塵カバー１９内部に配置され、固定金具２０により
反応容器壁に取付けられる。これらは中央に充填装置
（図示省略）を支持するトレイ上に支持される。

【０００８】カメラの視野は、反応容器の内径、ＣＣＤ
の撮像面の寸法、カメラの焦点距離、堆積面までの距離
に依存し、例えば反応容器の内径が４ｍで、ＣＣＤ撮像
面の寸法が１／２インチ型で、焦点距離ｆ＝１２ｍｍ撮
像レンズの場合、回収画像縦方向の視野は、堆積面距
離：−１０ｍでは３ｍとなりそして堆積面距離：−５ｍ
では１．５ｍとなり、全時間域で反応容器内部全景が監
視できない状況が存在しうる。そうした場合には、複数
のカメラ、場合によっては複数のレーザ発生及び走査装
置が使用されうる。例えば、焦点距離９ｍｍ撮像レンズ
を使用する場合、４カメラ×２レーザ方式、３カメラ×
１レーザ方式等が考慮されうる。図３は４カメラ×２レ
ーザ方式を示したものである。−５ｍの視野及び−１０
ｍの視野が点線で示されている。４カメラ×２レーザ方
式の方が３カメラ×１レーザ方式よりもカメラ〜レーザ
間隔を広くとれ、広範囲、高精度の測定が可能となる。

【０００９】レーザビームの走査による堆積面の測定に
おいては、レーザビームが容器底部の堆積面に確実に届
く必要がある。即ち、容器空間を落下する触媒粒子によ
ってレーザビームが遮断されることのないようにしなけ
ればならない。レーザビーム径を触媒粒子の断面積以
上、好ましくは１０倍以上とすることによりレーザビー
ムの走査による堆積面の測定が可能であることが確認さ
れた。レーザビームの上限は、必要とする測定精度（数
ｃｍ以下）とレーザ走査点スポットの輝度から決定され
るべきであり、本発明目的には通常の反応容器で２〜３
ｃｍが上限である。例えば精度５ｃｍの達成にはレーザ
ビームの直径の上限は３ｃｍである。ここで、触媒粒子
の断面積は、粒子の最大投影面積（粒子に平行光を照射
した時にできる影の面積の最大値）である。

【００１０】レーザスキャナの制御及び撮像装置からの
画像処理及び三角測量計算は専用のコンピュータにより
処理を行う。処理データは、磁気ディスク、光磁気ディ
スク等のストレージマシンに保存すると共に、ＣＲＴ画
面上にリアルタイム表示される。ＣＲＴ画面には様々の
充填情報が表示されうる。図４は、一例としての堆積面
モニタの基本画面構成図である。堆積面の分布状態、選
択された特定の断面の堆積面表示等がリアルタイム表示
される。

【００１１】こうして得られた堆積面分布情報により、
堆積面の分布が一定となるように充填装置からの散布状
態が修正される。図５は充填装置３の例を示し、（ａ）
はその側面図そして（ｂ）は底面スリットを示す。装置
の側面には４か所の側面スリット２１が設けられており
そして底面２２には（ｂ）に示す下部スリット２３が設
けられている。底面には回転円盤２４が取付けられてい
る。側面スリットには調整可能な開閉扉が設けられる。
また、下部スリット２３も調整可能である。得られた堆
積面情報に基づいて、側面及び下部スリットの開度及び
回転円盤の回転数を調整することにより散布状態を制御
することができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このレーザ光走査によ
る粒子充填監視方法は、粒子堆積面の凹凸状態をリアル
タイムで従来より一層精確に監視・測定することを可能
としたが、実際の観測に当って、大量のデータを精度を
維持したまま短時間に処理することや堆積した粒子と散
布中の粒子とを区別することの点で改善の余地を残して
いる。本発明の課題はこれらを画像処理により行う処理
手順を確立することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】レーザ光で粒子堆積面を
走査する場合、堆積面をｍ×ｎのマトリックスに分割
し、各マトリックス上の点へレーザを順番に照射する
が、例えば１０×１０＝１００点を短時間で走査せねば
ならない。従って、カメラでレーザの画像を採取するに
当たり、画像処理に要する時間を考慮すると通常は数フ
レームしか採取できない。問題は、堆積面のマトリック
ス上の点に向けて照射されるレーザ光路に散布落下中の
粒子が横切り、堆積面に当っているレーザスポットの判
別を困難ならしめることである。１フレーム中には通常
多数のレーザ光路を横切る粒子が光って見える。数フレ
ームの画像を積分することで、光路中の散布粒子による
輝点は連続した線となる。ここで、予め登録してあるレ
ーザスポットの画像に最も近い画像を選択することで、
堆積面に当っているレーザスポットと光路中の散布粒子
による輝点とを区別することが可能となる。その上で、
予め選択した画像の重心位置を求め、レーザスポットの
座標とする。画像処理に要する時間を短縮するために、
レーザースポットが当ると予測される点から一定の範囲
内のみを画像処理する。その点から堆積面の凹凸の最大
値（深さ方向）／２以上の範囲即ち一辺が堆積面の凹凸
の最大値（深さ方向）以上の四角形範囲を画像処理すれ
ばよい。

【００１４】かくして、本発明は、容器内に粒子を充填
する際レーザ光で堆積面を走査し、反射光を検知しそし
て測定時の特定の走査点の位置、レーザ光出射位置及び
レーザ光検知位置から三角法により堆積高さを測定する
粒子充填監視方法において、堆積面をｍ×ｎのマトリッ
クスに分割し、マトリックス上の点へレーザを順番に照
射して走査を行い、各点で採取された数フレームの画像
を積分して予め登録してあるレーザスポットの画像に最
も近い画像を選択して、その画像の重心位置を求めレー
ザスポットとする画像処理を行い、レーザースポットが
当ると予測される点から堆積面の凹凸の最大値（深さ方
向）／２以上の所定の範囲内のみを画像処理することを
特徴とする粒子充填監視方法を提供する。

【００１５】こうして、本発明においては、堆積面の走
査範囲をｍ×ｎのマトリックスに分割し、マトリックス
上の点へレーザを順番に照射することによりレーザ光で
粒子堆積面を走査する。カメラでレーザの画像を１点当
り数フレーム採取する。数フレームの画像を積分し、予
め登録してあるレーザスポットの画像に最も近い画像を
選択して、その画像の重心位置を求め、レーザスポット
とする。堆積した粒子の精度の良い認識を画像処理で行
うが、画像処理に要する時間を短縮するために、レーザ
ースポットが当ると予測される点から一定の範囲内のみ
を画像処理する。その点から堆積面の凹凸の最大値（深
さ方向）／２以上の範囲即ち一辺が堆積面の凹凸の最大
値（深さ方向）以上の四角形範囲を画像処理すれば堆積
した粒子の精度の良い認識を行うことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】すでに図１において説明したよう
に、本発明方法は、反応容器１において上方部中央に設
置された充填装置３から粒子Ｃを円錐状に散布充填する
に際して、充填装置とほぼ同じ高さ水準で反応容器壁に
取付けられた粒子充填監視装置としてのレーザ発生及び
走査装置５と撮像装置（カメラ）９とによって、形成さ
れつつある凹凸状に波打った触媒粒子の堆積面Ｓの状態
を監視しながら充填を行う。レーザ発生及び走査装置５
は走査レーザビーム６を発生する。撮像装置９は所定視
野内で画像を採取してレーザ反射光を検知する。走査レ
ーザビーム６により堆積面を一端から他端まで左右に走
査しながら、一定間隔で走査点の反射光を検出すること
により堆積面の監視が行われる。更に、測定時の特定の
走査点の位置、レーザ光発生及び走査装置の位置及び撮
像装置の位置から三角法により走査点における堆積面の
深さを計算する計算装置・画像処理装置としてのコンピ
ュータ１１及び堆積面深さ分布を含むデータを表示する
ＣＲＴ１３が、反応容器外部の適宜の位置の監視室内に
設置されている。カメラの視野は、反応容器の内径、Ｃ
ＣＤの撮像面の寸法、カメラの焦点距離、堆積面までの
距離に依存し、全時間域で反応容器内部全景が監視でき
るように、複数のカメラと複数のレーザ発生及び走査装
置が使用されうる。例えば、焦点距離９ｍｍ撮像レンズ
を使用する場合、４カメラ×２レーザ方式、３カメラ×
１レーザ方式等が考慮されうる。

【００１７】粒子充填監視の処理手順としては、図６に
示すように、まず初期化としてカメラ１０、レーザの位
置の絶対座標系、カメラ１０の撮像角、レーザスキャナ
８の振り角及び３点のマーカーＭの絶対座標系を入力す
る。その後、マーカーにレーザスポットを合わせ画像処
理装置でマーカーの位置を測定して、レーザスキャナの
取付け方向及びカメラの配向を補正する。絶対座標系で
のデータから底面（堆積面）での走査範囲を計算する。

【００１８】走査範囲をｍ×ｎ、例えば１０×１０のマ
トリックスに分割し、各マトリックス上の点へレーザを
順番に照射することによりレーザ光で粒子堆積面を走査
する。予め、どの点にどのレーザを照射するか、どのカ
メラでどのレーザ画像を採取するかをテーブルとして決
定しておく。粒子充填が進行するにつれて堆積面が次第
に高くなり、カメラとレーザとの視野範囲が変わってく
るからカメラ・レーザの組合せテーブルを充填面の高さ
毎に変更することができる。例えば、高さ１ｃｍ単位で
２０個の組合せテーブルを持つことができ、粒子充填高
さが進行するにつれ組合せテーブルを変更していく。

【００１９】各マトリックス上の点へのレーザ画像をカ
メラで採取するが、走査を短時間で行わねばならないた
めに、例えば１０×１０＝１００点を３０秒以内で走査
しなければならないために、１点当り最大で数十フレー
ム、画像処理に要する時間を考慮すると通常は数フレー
ムしか採取できない。精度の問題から３フレーム以上そ
して処理時間の問題から１０フレーム以下とすることが
推奨される。

【００２０】容器内に散布されそして堆積される粒子
は、散布量、粒子の大きさと落下速度、容器の大きさ等
に応じて或る平均空間密度で容器内を落下していく。画
像１フレーム当りの露光時間は、マトリックス数、走査
時間、画像処理時間等に応じて定められるが、通常数十
分の１秒の短時間である。しかし、１フレーム中にレー
ザ光路を横切る粒子はかなりの数に及び、それらが光っ
て見えることになる。

【００２１】カメラと関連するフレームメモリーは縦横
に群列をなすピクセルから構成されるが、レーザ光路を
横切る粒子により例えば数ピクセル毎に輝点が生じてい
ることになる。従って、数〜１０フレーム分の画像を積
分すれば図７に示すようにレーザ光路を横切る散布粒子
による輝点は連続した線となる。図８に示すような予め
登録してあるレーザスポットの画像に最も近い画像を選
択して、その画像の重心位置を求め、レーザスポットの
座標とする。画像処理に要する時間を短縮するために、
レーザースポットが当ると計算から予測される点から一
定の範囲内のみを画像処理する。その点から堆積面の凹
凸の最大値（深さ方向）／２以上の範囲即ち一辺が堆積
面の凹凸の最大値（深さ方向）以上の四角形範囲を画像
処理すればよい。堆積面の凹凸の最大値は、ｍ×ｎのマ
トリックスの測定毎に更新される。なお、散布の初期状
態（粒子が、散布において要求される堆積面の凹凸の最
大（目標）値の高さまで堆積するまで）までは、堆積面
の凹凸の最大値は散布において要求される堆積面の凹凸
の最大（目標）値で代用することができる。また、散布
の初期だけでなく、散布の終了まで、画像処理に堆積面
の凹凸の最大値を用いず、この値で一定として画像処理
を行っても構わない。例えばレーザースポットが当ると
予測される点の周囲４０ｃｍ〜１ｍ分の範囲のみを画像
処理する。

【００２２】こうした画像処理の後、レーザ及びカメラ
の絶対座標系とレーザの振り角及びレーザスポットの座
標からレーザの当っている点の距離を求める。この走査
をすべてのマトリックスにおける点において繰り返す。
すべての点における測定を終えると、測定された距離の
平均値を計算し、次のレーザ測定の基準値とし、レーザ
照射位置を再計算する。この後、グラフィック出力す
る。こうした画像処理流れのフローチャートを図９に示
す。

【００２３】

【実施例】直径約３ｍそして高さ約１８ｍの鋼製円筒容
器に容器上端より約５ｍに充填装置を固定し、直径０．
５〜１．５ｍｍそして長さ３〜５ｍｍの円筒状セラミッ
クス触媒粒子（断面積：０．０１５２ｃｍ² 〜０．０７
８３ｃｍ² ）を堆積速度約１ｍ／時間で空間的に散布
し、堆積面をレーザビームにより走査しそして堆積面の
凹凸状態を測定した。マトリックス測定点数は１０×１
０の１００点とし、測定間隔は約３０秒に１回とした。
各点あたり５フレームの画像を採取した。測定は、半導
体レーザビームスキャンとＣＣＤカメラによる堆積面の
三角測量によった。レーザビームは３０ｍＷの半導体レ
ーザを使用した。レーザビーム径は１０ｍｍであった。
カメラは、焦点距離８ｍｍの１／２インチ３８万画素モ
ノクロＣＣＤカメラを使用した（最低被写体照度：０．
２Ｌｕｘ）。５１２×５１２ピクセル画像処理装置を使
用した（尚、認識精度としては、０．１ピクセル単位で
レーザスポットの座標を求めた。）。カメラの露光時間
は１フレーム当り１／６０秒であった。レーザースポッ
トが当ると計算された点の周囲４０ｃｍ〜１ｍ分の範囲
のみを画像処理した。堆積面までの距離１０ｍにおいて
±１７ｍｍの測定精度が得られそして堆積面までの距離
５ｍにおいて±１０ｍｍの測定精度が得られた。

【００２４】以上、反応容器への触媒粒子の充填監視に
ついて特に説明したが、本発明は、上記実施例に限られ
るものではなく、貯蔵サイロへの穀粒の充填監視などの
その他の粒子の容器への充填監視に広く応用できる。ま
た、粒子については、特に限定されないが、粒子の充填
制御が難しく充填監視の必要性の高い、等方性でない粒
子、例えばアスペクト比（長径／短径）が２以上の粒子
が好ましい対象とされる。

【００２５】

【発明の効果】レーザ光で容器内の粒子堆積面を走査
し、反射光を検知して三角法により堆積高さを測定する
に当り、画像処理により、大量のデータを精度を維持し
たまま短時間に処理すること、堆積した粒子と散布中の
粒子とを区別すること、そして堆積した粒子の精度の良
い認識を行うことを可能とした。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は、反応容器において充填装置から
粒子を散布充填し、堆積面の状態を測定し、それを表示
する装置の配置状態を示し、そして図１（ｂ）は走査レ
ーザビームによる堆積面の走査の様相を示す説明図であ
る。

【図２】レーザ発生及び走査装置並びに撮像装置の容器
壁への取付け様相を示す説明図である。

【図３】４カメラ×２レーザ方式のレーザ及びカメラ配
置例を示し、−５ｍの視野及び−１０ｍの視野を点線で
示す。

【図４】堆積面モニタの基本画面構成図である。

【図５】充填装置例を示し、（ａ）は側面図そして
（ｂ）は底面スリットを示す。

【図６】カメラの撮像角、レーザスキャナの振り角及び
３点のマーカーの絶対座標系とマトリックスを示す説明
図である。

【図７】フレーム分の画像の積分の結果としてレーザ光
路を横切る散布粒子による輝点が連続した線となること
を示す説明図である。

【図８】予め登録してあるレーザスポットの画像例を示
す。

【図９】画像処理流れのフローチャートである。

【符号の説明】

Ｃ 触媒粒子 Ｓ 触媒粒子堆積面 １ 反応容器 ３ 充填装置 ５ レーザ発生及び走査装置 ６ 走査レーザビーム ７ レーザ源 ８ レーザスキャナ ９ 撮像装置 １０ カメラ １１ コンピュータ １３ ＣＲＴ １５ 信号線 １６ エアーライン １７、１９ 防塵カバー １８、２０ 固定金具 ２１ 側面スリット ２２ 底面 ２３ 下部スリット ２４ 回転円盤 Ｍ マーカー

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 B01J 4/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 容器内に粒子を充填する際レーザ光で堆
   積面を走査し、反射光を検知しそして測定時の特定の走
   査点の位置、レーザ光出射位置及びレーザ光検知位置か
   ら三角法により堆積高さを測定する粒子充填監視方法に
   おいて、堆積面をｍ×ｎのマトリックスに分割し、マト
   リックス上の点へレーザを順番に照射して走査を行い、
   各点で採取された数フレームの画像を積分して予め登録
   してあるレーザスポットの画像に最も近い画像を選択し
   て、その画像の重心位置を求めレーザスポットとする画
   像処理を行い、そしてレーザースポットが当ると予測さ
   れる点から一定の範囲内のみを画像処理することを特徴
   とする粒子充填監視方法。
2. 【請求項２】 上記粒子が触媒であることを特徴とする
   請求項１の粒子充填監視方法。