JP3580766B2 - 液中粒子のオンライン画像解析装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液中粒子のオンライン画像解析装置に関する。本明細書において、液中粒子とは液体中に混入している固体粒子をいい、液体の種類にも粒子の種類にも制限はない。代表的な例としては、潤滑油中の摩耗粒子がある。
ところで、潤滑油中の摩耗粒子の個数や粒径分布、形状を把握することは摺動面の損傷予知あるいは潤滑油の管理などに有効であり、油中摩耗粒子の形状パラメータ情報を得る事でより信頼性の高い潤滑診断・管理を行うことができる。本発明は、例えばこのような目的に使用されるオンライン画像解析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、油中の摩耗粒子を計測する技術としてパーティクルカウンタを用いて、摩耗粒子のモニタリングを行う計測診断システムが開発されてきている。これらは、いずれも管路内を流れる油に光（例えば、レーザ光）を照射し、粒子による散乱や減衰（消散）による映像を観察し、計数できるようにしたものである。この方法では、摩耗粒子の個数や粒径分布は計測できるが、粒子の形状情報を得ることは不可能である。しかも、油中に混在する気泡と摩耗粒子の識別ができないという問題があった。この場合、摺動面の損傷予知も不正確なものとならざるをえない。
また、油中の摩耗粒子を観察する技術として画像処理装置を用いて、摩耗粒子のモニタリングを行う潤滑診断システムが開発されてきている。これらは、対象の潤滑油を少量サンプリングしてプレパラート上に塗布し顕微鏡で拡大し、カメラ等で撮影できるようにしたものである。カメラ等で撮影した情報を二値化処理すれば、摩耗粒子の形状特徴を得ることは可能であり、摺動面の損傷予知が不可能ではない。
しかるに、従来の技術では、管路中の油の摩耗粒子をオンラインで計測するのではなく、サンプリング液中から収集した粒子を観察（オフライン計測）するため、正確な分布を計測するためには長いデータ処理時間と労力を要した。また、オフライン計測では潤滑状態の異常を示唆する結果が得られた時点ではすでに摺動面は壊滅的な損傷に至っていることもある。この場合、摺動面の損傷予知は有効なものとは言えない。
一方、オンラインで画像解析を試行した装置では、管路中の油の流れる方向に対し、直角な方向から油中の粒子を撮影するので、粒子が撮影可能領域を通過する時間が短かすぎるという難点があった。このため、粒子の形状や数を正確に把握することができなかったり、油中に混在する気泡と摩耗粒子の識別ができないという問題があった。この場合も、摺動面の損傷予知は不正確なものとならざるをえない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑み、液中の粒子の形状、数量等の情報を正確に検知できる液中粒子のオンライン画像解析装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の液中粒子のオンライン画像解析装置は、液体を流す管路と、管路中を流れる液中の粒子を撮影するカメラと、液中の粒子を照明する光源と、該カメラで撮影された画像から液中粒子の形状パラメータ情報を計測・解析する情報処理装置とからなり、前記管路の途中に透明材料で作製したクランク状の撮影用管路を設けると共に、当該撮影用管路のうち前後の管路部分に対して垂直に接続される管路内の流路中心線上に前記カメラ及び前記光源を対向配置してあることを特徴とする。
【０００５】
請求項１の発明によれば、撮影用管路を流れる液体の流れ方向とカメラの中心軸が一致するので、計測領域内を通過する粒子の個数が増加し、また板状の粒子を側面からでなく正面から撮影できるので、形状的な特徴を誤認することがないので、正確な形状パラメータ情報を得ることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
画像解析装置の概略図を図１に示す。１と２は管路であり、潤滑油等が図示しないポンプで引かれて、図中左から図中右へ流れるようになっている。３は撮影用管路で、後に詳述するように、管路１，２間に対し垂直に接続されている。４は撮影用のカメラであって、例えばＣＣＤ カメラが用いられる。５は光源である。６は公知のパーティクルカウンターであって、シグナルプロセッサー６ａ、フォトディテクタ６ｂ、レーザーダイオード６ｃとから構成されている。７はパーソナルコンピュータ等の情報処理装置で、カメラ４やパーティクルカウンタ６からの情報に基づき、液中粒子の解析を行う手段である。
なお、後述する実験では、ＣＣＤ カメラはキーエンス製ＶＨ−６３００ 、フレームグラバボードにはμ−Ｔｅｃｈ 製ＭＶ−１０００ を使用した。カメラ４からの画像はＳビデオでフレームグラバボードに入力され、自作プログラムにより処理される。
【０００７】
つぎに、撮影用管路の詳細を図２に示す。撮影用管路３は透明な材料が用いられ、内部に形成された流路３ａは、前後の管路１，２に対し垂直に接続されている。換言すれば、管路１，２，３はクランク状に接続されている。そして、撮影用管路３内の流路３ａにおける中心軸の延長線上にカメラ４と光源５が配置されている。
この構成をとることにより、流路３ａを通過する間にカメラ４で撮影できる粒子の個数が増加する。また、板状粒子が管路１中を流れるとき、板状粒子は平面方向が流れに平行に移動するが、流路３ａ内ではそのままの姿勢で上昇してくるので、カメラ４はその平面形状を撮影することができる。さらに、大きさの違いから生じる摩耗粒子の流速差による粒径分布の偏りも極力小さくできる。
【０００８】
画像解析プログラムのフローチャートを図３に示す。カメラ４からの画像はフレームグラバボードを介し、コンピュータに入力される（１００ ）。その後、二値化し（１０１ ）、摩耗粒子を撮影する確率が極めて小さいので、１５画像をまとめ（１０２ ）、二値化像の論理和を求め（１０３ ）、フィルタ処理を行う（１０４ ）。ついで、摩耗粒子の形状特徴を判別する（１０５ ）。形状特徴としては、粒径、アスペクト比、複雑度、慣性等価楕円アスペクト比を計測するとよい。慣性等価楕円アスペクト比は気泡の判別に使用できる（１０５ ）。なお、実験では、粒子として認識した大きさは解像度の関係から粒径５μｍ以上、また、形状特徴の計測は２０μｍ以上の粒子について行った。計測可能な最大濃度は４００００ 個／ｍｌ 程度である。最後にデータを保存し（１０６ ）、履歴を残しておけば、継続的長期的な損傷予知に有益である。
【０００９】
つぎに、本実施形態の装置について性能確認実験を行ったので、その結果を説明する。平均粒径４０μｍの球形のガラスビーズを５２８，０００ 個／１の濃度で水に混ぜて、流量３００ｍｌ／ｍｉｎ で循環させて計測を行った。５分間に計測された１４２ 個についての粒径頻度分布を図４に示す。図には比較のために顕微鏡による計測結果を実線で示す。画像解析による結果は顕微鏡による最頻値および分布とよく一致している。また、形状特徴として、アスペクト比−複雑度の図を図５に示す。アスペクト比、複雑度は１．２ 以下にそれぞれ１１９ 個、６６個、１．３ 以下にそれぞれ１２２ 個、１２３ 個分布していて、計測個数の８６％が１．３ 以下に存在している。従って、本装置は、計測対象を球として認識し、その大きさも正しく計測しているといえる。
【００１０】
油中には気泡が球状で存在する。図６は油中粒子の計測画像の代表例の二値化画像である。球形は気泡、不定形は摩耗粒子と推定される。気泡が球形であることを利用し、計測される形状パラメータのそれぞれにしきい値を定め、気泡の判別を行った。ＮＡＳ 等級７程度の新油を静置後、攪拌せずに計測した場合、１５分間の測定での計測粒子数はほとんど零であった。この油を攪拌し、気泡を発生させて１５分間計測した。従って、計測結果のほぼすべてが気泡であると推測される。図７の（ａ） に計測された粒径分布、（ｂ） に気泡判別後の粒子（気泡）の粒径分布、（ｃ） に気泡として判別されなかった粒子の粒径分布を示す。２４４ 個計測された内、粒径２０μｍ以下では画素数の点から判別が難しくなるため、５０％程度しか判別できないが、形状特徴の計測対象とした粒径２０μｍ以上の個数１７３ 個については、約８０％の１３５ 個を気泡として判別できた。
試作した画像解析装置の有効性を確認するため、ＷＪ２ の摩耗実験に適用した。
油中においてすべり速度ｖ＝０．６／ｓｅｃ で、シリンダ（Ｓ５５Ｃ）、オン・プレート（ＷＪ２） 型試験機で荷重を変化させて実験を行った。特徴的な摩耗形態を示した荷重５００Ｎについて、画像解析を行った。
その結果、摩擦距離５、１０および１５ｋｍで粒径２０μｍ以上の粒子について、画像解析による粒径の頻度分布と、比較のため顕微鏡により計測した粒径の頻度分布を図８および図９に示す。メンブレンフィルタでろ過後、光学顕微鏡で計測した結果（図９）では、５０μｍ以上の粒子がほとんどない。これは試料油のサンプリングのまずさによるものと考えられる。しかし、図８および図９では、すべり距離５ｋｍ 〜１０ｋｍにおける約２０μｍの摩耗粒子の急増など、同じ傾向が得られている。形状特徴（アスペクト比、複雑度）のすべり距離に伴う時間変化（図は紙面の都合で省略する）では、摩耗粒子のＳＥＭ 観察などによる形状特徴の変化と同じ傾向を示していて、ＷＪ２ のすべり距離に伴う摩耗形態の変化を確実に捉えていることがわかった。
【００１１】
試作した画像解析装置によって、油中に混在する気泡と摩耗粒子を判別し、オンラインで、摩耗粒子の粒径分布、形状特徴を精度良く計測できた。今後、この画像解析装置とパーティクルカウンタを併用することで、より信頼性の高い潤滑診断システムの構築を目指す。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、撮影用管路を流れる液体の流れ方向とカメラの中心軸が一致するので、計測領域内を通過する粒子の個数が増加し、また板状の粒子を側面からでなく正面から撮影できるので、形状的な特徴を誤認することがないので、正確な形状パラメータ情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る画像解析装置のブロック図である。
【図２】計測管路の拡大側面図である。
【図３】画像解析のフローチャートである。
【図４】ガラスビーズの粒径頻度分布を示す説明図である。
【図５】ガラスビーズのアスペクト比−複雑度の説明図である。
【図６】計測画像の二値化画像である。
【図７】（ａ） は計測された粒径の分布図、（ｂ） は気泡判別後の粒子（気泡）の粒径分布図、（ｃ） は気泡として判別されなかった粒子の粒径分布図である。
【図８】本発明の解析装置による粒径の頻度分布と摩擦距離に伴う変化を示すグラフである。
【図９】顕微鏡により計測した粒径の頻度分布と摩擦距離に伴う変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 管路
２ 管路
３ 撮影用管路
４ カメラ
５ 光源
６ パーティクルカウンター
７ 情報処理装置

Claims (1)

1. 液体を流す管路と、管路中を流れる液中の粒子を撮影するカメラと、液中の粒子を照明する光源と、該カメラで撮影された画像から液中粒子の形状パラメータ情報を計測・解析する情報処理装置とからなり、
   前記管路の途中に透明材料で作製したクランク状の撮影用管路を設けると共に、当該撮影用管路のうち前後の管路部分に対して垂直に接続される管路内の流路中心線上に前記カメラ及び前記光源を対向配置してある液中粒子のオンライン画像解析装置。

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