JP6243640B2 - 粒度分布測定システム及び重量換算係数算出システム - Google Patents

Description

本発明は、材料の粒度分布を測定する粒度分布測定システム、及び、粒度分布を測定するための重量換算係数を算出する重量換算係数算出システムに関する。

ダム等の建設においてコンクリートやＣＳＧ（Cemented Sand and Gravel）を製造する工程では、バッチャープラントやＣＳＧ混合プラントなどが用いられている。これらのプラントでは、使用する骨材やＣＳＧ材といった材料の粒度が所定の範囲内にあることが、品質管理で求められている。コンクリートの品質管理上、材料の粒度分布を把握する必要がある。

しかし、従来の粒度分布を管理する手法では、試料を篩いで粒径ごとに篩い分けるとともに乾燥させ、かかる試料の重量を測定して粒度分布を把握する必要があり、試験時間を要するために粒度分布の変動に対してタイムリーに対応することは困難であった。そこで、搬送ライン上を移動する材料を撮影し、その撮影結果に基づいて材料の粒度分布をリアルタイムに測定することが提案されている（例えば、特許文献１，２，３参照）。

特開２００３−０１０７２６号公報 特開２００３−０８３８６８号公報 特開２００６−０７８２３４号公報

しかし、特許文献１〜３に記載された技術では、ベルト上で搬送されている材料が重なっている場合には、骨材が土砂に埋もれて撮影されず、粒度分布を正確に測定することができないという問題がある。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、材料の粒度分布測定の精度を高めることができる粒度分布測定システム、及び、粒度分布を測定するための重量換算係数を算出する重量換算係数算出システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の粒度分布測定システムは、材料を流下させる材料流下部と、流下する前記材料を撮影する撮影部と、撮影された前記材料の粒度分布を算出する算出部と、を備え、前記算出部は、撮影画像における前記材料の粒径区分ごとの合計面積を算出する合計面積算出部と、前記撮影画像における粒径区分ごとの所定面積あたりの重量である重量換算係数が記憶される記憶部と、前記材料の粒径区分ごとの前記合計面積と前記重量換算係数とに基づいて、粒度分布を算出する粒度分布算出部と、を備え、前記重量換算係数は、粒径区分ごとの重量が既知の材料を前記材料流下部によって流下させて前記撮影部によって撮影した撮影画像における前記材料の粒径区分ごとの合計面積と、既知である前記材料の粒径区分ごとの前記重量と、に基づいて予め算出されたものであり、前記材料流下部は、傾斜板と、前記傾斜板の下流側に配置されており、前記傾斜板の表面上を流下した前記材料を鉛直方向に流下させる流下方向変換部と、を備え、前記流下方向変換部は、一対の鉛直板を備えるとともに、前記一対の鉛直板のそれぞれにおいて、一方の前記鉛直板から他方の前記鉛直板に向かって形成される複数の突起を備え、前記撮影部は、前記一対の鉛直板の間を流下した前記材料を、当該一対の鉛直板の下流側において撮影することを特徴とする。

かかる構成によると、流下する材料を撮影した撮影画像から得られた重量換算係数を用いて粒度分布を測定するので、粒度分布を高精度で測定することができる。
また、前記流下方向変換部において、一方の前記鉛直板は、前記傾斜板の前記表面の下端部の下方に設けられており、他方の前記鉛直板は、一方の前記鉛直板と対向するように設けられており、他方の前記鉛直板の上端部は、一方の前記鉛直板の上端部よりも上方に延設されていることが望ましい。

前記算出部は、流下する前記材料の所定時間当たりの重量である流下量を変更するように前記材料流下部を制御する材料流下部制御部を備え、前記合計面積算出部は、前記撮影画像における前記材料の全ての合計面積を算出し、前記材料流下部制御部は、前記材料の全ての合計面積に基づいて前記流下量を調整することが望ましい。

かかる構成によると、材料の全ての合計面積に基づいて材料の流下量を調整することによって、適正な流下量の下で粒度分布を測定することができる。

前記粒度分布算出部は、複数の前記撮影画像を用いて前記粒度分布を算出し、前記撮影部による撮影間隔は、前記材料の流下速度と、前記撮影部による上下方向の撮影幅と、に基づいて設定されていることが望ましい。

かかる構成によると、複数の撮影画像に材料が好適に撮影されるので、粒度分布の算出が容易であるとともに、多めの材料を用いて粒度分布の測定誤差を抑えることができる。

前記粒度分布測定システムは、前記材料の含水比を検出する含水比検出部を備え、前記粒度分布算出部は、前記含水比に基づいて前記重量換算係数を変更して前記粒度分布を算出することが望ましい。

かかる構成によると、含水比の変動に対応して粒度分布を好適に測定することができる。

また、本発明の重量換算係数算出システムは、材料を流下させる材料流下部と、流下する前記材料を撮影する撮影部と、撮影された前記材料の粒径区分ごとの重量換算係数を算出する算出部と、を備え、前記算出部は、撮影画像における前記材料の粒径区分ごとの合計面積を算出するとともに、粒径区分ごとの前記合計面積と、既知である前記材料の粒径区分ごとの重量と、に基づいて粒径区分ごとの前記重量換算係数を算出し、前記材料流下部は、傾斜板と、前記傾斜板の下流側に配置されており、前記傾斜板の表面上を流下した前記材料を鉛直方向に流下させる流下方向変換部と、を備え、前記流下方向変換部は、一対の鉛直板を備えるとともに、前記一対の鉛直板のそれぞれにおいて、一方の前記鉛直板から他方の前記鉛直板に向かって形成される複数の突起を備え、前記撮影部は、前記一対の鉛直板の間を流下した前記材料を、当該一対の鉛直板の下流側において撮影することを特徴とする。
また、前記流下方向変換部において、一方の前記鉛直板は、前記傾斜板の前記表面の下端部の下方に設けられており、他方の前記鉛直板は、一方の前記鉛直板と対向するように設けられており、他方の前記鉛直板の上端部は、一方の前記鉛直板の上端部よりも上方に延設されていることが望ましい。

前記算出部は、既知である前記材料の含水比と、既知である乾燥状態の前記材料の全重量と、既知である乾燥状態の前記材料の粒径区分ごとの加積通過率と、に基づいて、湿潤状態の前記材料の粒径区分ごとの重量を算出し、粒径区分ごとの前記合計面積と、湿潤状態の前記材料の粒径区分ごとの前記重量と、に基づいて粒径区分ごとの前記重量換算係数を算出する構成であってもよい。

前記算出部は、複数の前記撮影画像を用いて粒径区分ごとの前記重量換算係数を算出し、前記撮影部による撮影間隔は、前記材料の流下速度と、前記撮影部による上下方向の撮影幅と、に基づいて設定されていることが望ましい。

本発明では、材料の撮影画像に基づいて行われる粒度分布測定の精度を高めることができる。

実施形態の粒度分布測定システムを示す構成図である。 実施形態の傾斜板、流下方向変換部及びスクリーンを示す斜視図である。 実施形態の算出部を示すブロック図である。 （ａ）は撮影画像を示す図、（ｂ）は二値化画像を示す図、（ｃ）は二値化画像において材料を粒径区分ごとに分類した状態を示す図、（ｄ）は（ｃ）における材料の表示状態と粒径区分との関係を示す表である。 材料が撮影される範囲と材料が撮影されない範囲とを示す模式図である。 測定された粒度分布の例を示すグラフである。 撮影画像における材料の全ての合計面積の時系列変化の一例を示すグラフである。 含水比と重量換算係数との関係の一例を示すグラフである。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。以下の実施形態では、本発明の画像撮影装置を、コンクリートの製造工程において、材料の粒度分布を測定するための粒度分布測定システムに適用した場合について説明する。

実施形態の粒度分布測定システム１は、流下する材料３の撮影画像に基づいて粒度分布を測定するシステムであり、粒度分布を測定する前段階においては、粒径区分ごとの重量換算係数を算出する重量換算係数算出システムとして機能する。粒度分布測定システム１は、図１に示すように、材料３を流下させる材料流下部２と、材料流下部２の下流側に設けられたスクリーン３０と、スクリーン３０を照らす照明部４０と、スクリーン３０の前側の空間を流下する材料３を撮影する撮影部５０と、撮影部５０から得られた材料３の撮影画像に基づいて、材料３の粒度分布を算出する算出部６０と、流下した材料３が収容されるホッパ８０と、算出された粒度分布を表示する表示部９０と、ユーザの操作に基づいて算出部６０へデータを出力する入力部１００と、材料３の含水比を検出するマイクロ波水分計１１０と、を備えている。

材料流下部２は、材料３を搬送するベルトコンベア１０と、ベルトコンベア１０の下流側に設けられた傾斜板２０と、傾斜板２０の下流側に設けられた流下方向変換部７０と、を備えている。材料３は、粒状の材料であって、粗粒材（骨材等）及び細粒材（土砂等）を含有する混合材料である。

ベルトコンベア１０は、材料３を後記する傾斜板２０に供給するためのものである。ベルトコンベア１０は、上流側及び下流側のプーリ１１と、両プーリ１１に掛け回された無端ベルト１２と、上流側のプーリ１１を回転させるモータ１３と、モータ１３の回転速度を変更するためのインバータ１４と、を備えている。

傾斜板２０は、平板であり、上流側（後側）から下流側（前側）に向けて材料３が流下する表面２０ａを有している。また、傾斜板２０は、表面２０ａの幅方向両縁部に立設された一対の側壁２１，２１と、表面２０ａに形成された複数の突起２２と、を備えている（図２参照）。
傾斜板２０の上流側の縁部は、無端ベルト１２の下流側の端部の下方に配置されている。傾斜板２０は、表面２０ａが上流側から下流側に向かうに従って下がるように傾斜しており、無端ベルト１２から排出された材料３は、表面２０ａに沿って前側に流下する。

一対の側壁２１は、図２に示すように、傾斜板２０の表面２０ａの幅方向両縁部に立設された壁であり、表面２０ａ上を流れ落ちる材料が横にこぼれるのを防ぐものである。また、一対の側壁２１の下流側の端部は、傾斜板２０の下流側の縁部よりも下流側に突出している。

突起２２は、傾斜板２０の表面２０ａに着脱自在に立設された三角錐型（△型）突起であり、三角錐の底面の一の頂点が上流側を向く姿勢で、表面２０ａの上下方向に段階的（本実施形態では四段）に配置されている。複数の突起２２は、表面２０ａ上を流れ落ちる材料を広く薄く分散させるとともに、材料を整流させるものである。各突起２２の間隔は、各突起２２の間を材料が詰まらずに通過するように設定されている。

流下方向変換部７０は、傾斜板２０の下流側に配置され、傾斜板２０の下流側（前側）の縁部に取り付けられた前後二つの鉛直板７１，７２を有している。鉛直板７１，７２は、表面２０ａの下流側（前側）の縁部の幅と同じ幅に形成された平板であり、前後の面の法線方向が水平方向となるように配置されている。後側の鉛直板７２の上端縁部は、表面２０ａの下流側（前側）の縁部に蝶番（図示せず）によって取り付けられ、前側の鉛直板７１の上端縁部は、両側壁２１の下流側（前側）の縁部に蝶番７１ｃによって取り付けられている。

図１に示すように、両鉛直板７１，７２は、前後方向に間隔を空けて平行に配置されており、傾斜板２０から前側に向けて流下した材料３は、両鉛直板７１，７２の間に流入する。前側の鉛直板７１は、傾斜板２０から流下した材料３が前側に飛び出ないように、後側の鉛直板７２の上端縁部よりも上方に延ばされている。両鉛直板７１，７２の間隔は限定されるものではないが、両鉛直板７１，７２の間に流入した材料３が、両鉛直板７１，７２の間をスムーズに流れるように、両鉛直板７１，７２の間隔が設定されている。

前側の鉛直板７１の後面７１ａ及び後側の鉛直板７２の前面７２ａには、複数の突起７１ｂ，７２ｂが形成されている。突起７１ｂ，７２ｂは、後面７１ａ及び前面７２ａに水平方向に突設された円形断面の棒状部材である。後面７１ａ及び前面７２ａには、複数の突起７１ｂ，７２ｂが、上下方向及び幅方向に間隔を空けて配置されている。両鉛直板７１，７２の間隔及び複数の突起７１ｂ，７２ｂの間隔は、材料３について想定される最大粒径等を考慮して設定されている。

両鉛直板７１，７２の間に流入した材料３は、両鉛直板７１，７２の間を通過する。このとき、前側の鉛直板７１の後面７１ａ及び後側の鉛直板７２の前面７２ａに材料３が接触し、材料３の前後方向への移動が規制されることで、材料３の水平方向の速度成分が消失し、材料３の流下方向が鉛直下向きになる。これにより、流下方向変換部７０を通過した材料３は、鉛直下向きに直線状の軌道（軌線）で流下するようになる。

なお、含水量が大きい土砂などの材料３である場合には、粗粒物に複数の細粒物が付着して団子状に固まった状態となる。このような材料３を両鉛直板７１，７２の間に通過させた場合には、材料３が複数の突起７１ｂ，７２ｂに接触することで、粗粒物と細粒物とを分離させることができる。

スクリーン３０は、図１に示すように、流下方向変換部７０の下流側に設けられた平板である（図２参照）。このスクリーン３０は、両鉛直板７１，７２に対して平行に配置されている。さらに、スクリーン３０は、前側の鉛直板７１に対して前側にオフセットされており、前側の鉛直板７１とスクリーン３０との間に前後方向の隙間が形成されている。
なお、スクリーン３０は、両鉛直板７１，７２の間から流下した材料３が、スクリーン３０の表面３０ａに接触しないように、材料３の軌道（軌線）から離れた位置に配置されている。

照明部４０は、スクリーン３０の表面３０ａを照らす光源（ライト）であり、前側の鉛直板７１とスクリーン３０との間に形成された隙間から表面３０ａに光を照射するように構成されている。つまり、照明部４０は、図１に示す前後方向において、スクリーン３０の表面３０ａと流下する材料３との間に配置されている。

ホッパ８０は、スクリーン３０の表面３０ａ側の空間を通過した材料３を収容するものである。ホッパ８０の上側の開口部は、スクリーン３０の下流側の端部の下方に配置されている。

撮影部５０は、スクリーン３０の表面３０ａ側の空間を通過する材料３を、図１に示す後側から表面３０ａを背景として撮影し、撮影結果を後記する算出部６０に出力するカメラである。撮影部５０は、鉛直下向きに流下する材料３を水平方向から撮影するように設定されている。すなわち、撮影部５０の撮像素子の撮像面は、鉛直方向に平行な平面に配置されている。なお、撮影部５０としては、デジタル画像を取得可能なビデオカメラ又は高解像度のデジタルカメラが好適である。

算出部６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６０Ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）６０Ｂ、ＲＡＭ（Random Access Memory）６０Ｃ（図３参照）等からなるコンピュータであり、撮影部５０の撮影画像を取得し、この撮影画像に基づいて、材料３の粒径区分ごとの重量換算係数を算出、あるいは、粒度分布を算出する。算出された重量換算係数は記憶部６２に記憶され、算出された粒度分布は表示部９０へ出力される。算出部６０の詳細な構成、算出部６０による重量換算係数及び粒度分布の算出手法については、後で詳細に説明する。

表示部９０は、粒度分布を表示するディスプレイ等である。入力部１００は、ユーザの操作に基づいて、重量換算係数を算出するための既知の数値を算出部６０の重量換算係数算出部６４へ出力するキーボード、マウス等である。

マイクロ波水分計１１０は、材料３の含水比を検出する含水比検出部の一例であって、本実施形態では、ベルトコンベア１０上における材料３の含水比を検出して算出部６０へ出力する。

ここで、算出部６０による粒度分布の算出方法について説明する。図１に示す撮影部５０では、スクリーン３０の表面３０ａを背景として、上流側から下流側に向けて流れる材料３を撮影する。このとき、前後方向においてスクリーン３０の表面３０ａ側の空間を通過する材料３とスクリーン３０との間から、スクリーン３０の表面３０ａが照明部４０によって照らされているため、スクリーン３０の表面３０ａのみが明るくなり、材料３は黒い影として撮影される。そして、算出部６０は、撮影画像を二値化処理して材料３の大きさ（粒径）を算出するとともに、かかる粒径に基づいて粒度分布を算出する。

より詳細には、算出部６０は、図３に示すように、機能部として、合計面積算出部６１と、記憶部６２と、粒度分布算出部６３と、重量換算係数算出部６４と、ベルトコンベア制御部６５と、含水比監視部６６と、を備える。かかる機能部のうち、記憶部６２は、ＣＰＵ６０ＡのワークエリアであるＲＡＭ６０Ｃ内に具現化される。また、合計面積算出部６１、粒度分布算出部６３、重量換算係数算出部６４、ベルトコンベア制御部６５及び含水比監視部６６は、ＣＰＵ６０Ａ内に具現化されている。すなわち、ＣＰＵ６０Ａは、ＲＯＭ６０Ｂに格納された粒度分布測定及び重量換算係数算出のためのプログラム６７を読み出して実行することによって、合計面積算出部６１、粒度分布算出部６３、重量換算係数算出部６４、ベルトコンベア制御部６５及び含水比監視部６６として機能する。

合計面積算出部６１は、撮影画像における材料３の粒径区分ごとの合計面積を算出し、算出結果を粒度分布算出部６３及び重量換算係数算出部６４へ出力するとともに、撮影画像における材料３の全ての合計面積（総合計面積）を算出し、ベルトコンベア制御部６５へ出力する。本実施形態において、粒径区分は、混合材料である材料３の粒径に関して、５［ｍｍ］以下、５［ｍｍ］よりも大きく１０［ｍｍ］以下、１０［ｍｍ］よりも大きく２０［ｍｍ］以下、２０［ｍｍ］よりも大きく４０［ｍｍ］以下、４０［ｍｍ］よりも大きく８０［ｍｍ］以下、の５つの区分として設定されている（図４（ｄ）参照）。

記憶部６２には、撮影画像における所定面積あたりの重量である重量換算係数が粒径区分ごとに記憶されている。

粒度分布算出部６３は、合計面積算出部６１から出力された材料３の粒径区分ごとの合計面積を取得するとともに、粒径区分ごとの重量換算係数を記憶部６２から読み出し、材料３の粒径区分ごとの前記合計面積と前記重量換算係数とに基づいて、粒度分布を算出し、算出結果を表示部９０へ出力する。

重量換算係数算出部６４は、粒度分布を算出する前段階において、合計面積算出部６１から出力された材料３の粒径区分ごとの合計面積と、入力部１００からの各種データ（重量換算係数を算出するための既知の数値）と、を取得し、取得された合計面積及び各種データに基づいて、粒径区分ごとの重量換算係数を算出して記憶部６２に記憶させる。重量換算係数の較正手法については、後で詳細に説明する。

ベルトコンベア制御部６５は、材料３の流下量を変更するように材料流下部２を制御する材料流下部制御部の一例であって、本実施形態では、合計面積算出部６１から出力された材料３の全ての合計面積を取得し、取得された材料３の全ての合計面積に基づいて、インバータ１４を介してモータ１３の回転速度を制御することによって、材料３の流下量を変更する。材料３の流下量の変更手法については、後で詳細に説明する。

含水比監視部６６は、マイクロ波水分計１１０によって検出された材料３の含水比を取得して粒度分布算出部６３へ出力する。本実施形態において、粒度分布算出部６３は、含水比監視部６６から出力された含水比を取得し、取得された含水比が大きいほど重量換算係数が大きくなるように当該重量換算係数を変更して粒度分布を算出する。重量換算係数の変更手法については、後で詳細に説明する。

＜重量換算係数の較正手法＞
続いて、粒径区分ごとの重量換算係数を予め算出するための較正手法について説明する。ここで、粒度分布測定システム１は、粒径区分ごとの重量換算係数を算出する重量換算係数算出システムとして機能し、詳細には、合計面積算出部６１及び重量換算係数算出部６４の組み合わせが、撮影された材料３の粒径区分ごとの重量換算係数を算出する算出部として機能する。

まず、採掘された材料３に関して、湿潤状態における粒径区分ごとの含水比と、乾燥状態における粒径区分ごとの加積通過率と、乾燥状態における全体の重量と、を測定する。続いて、かかる材料３、すなわち、粒度分布が既知な混合材である材料３（乾燥状態の重量Ｓ［ｇ］）のをベルトコンベア１０に均一に載せる。かかる材料３は、傾斜板２０及び流下方向変換部７０を介して流下する。撮影部５０は、流下する材料３を撮影する。

ここで、材料３の粒度分布が既知であるとは、湿潤した材料３の粒径区分ごとの重量が既知であることを意味する。本実施形態では、乾燥状態の材料３の粒径区分ごとの加積通過率（すなわち、重量）、乾燥状態の全ての材料３の重量と、粒径区分ごとの含水比と、が既知であって、算出部６０の重量換算係数算出部６４は、入力部１００から出力されたこれら既知のデータを取得し、乾燥した材料３の粒径区分ごとの重量、乾燥状態の全ての材料３の重量と、粒径区分ごとの含水比と、に基づいて、湿潤した材料３の粒径区分ごとの重量を算出することができる。

続いて、算出部６０の合計面積算出部６１が、材料３が流下中のＭ［枚］の撮影画像を用いて、粒径区分ごとの合計面積［ｐｉｘ］を算出する。

まず、合計面積算出部６１は、図４（ａ）に示す撮影画像を撮影部５０から取得する。続いて、合計面積算出部６１は、予め設定された閾値を用いて撮影画像を二値化処理することによって、図４（ｂ）に示す二値化画像を生成する。図４（ｂ）では、二値化処理によって輪郭が明確になった材料を白抜きで描いている。

続いて、合計面積算出部６１は、二値化画像を用いて画像中の材料３の粒径を算出するとともに、算出された粒径に基づいて材料３を粒径区分ごとに分類し（図４（ｃ）参照）、材料３の粒ごとの面積を算出するとともに、材料３の粒ごとの粒径及び面積に基づいて、粒径区分ごとの合計面積を算出し、算出結果を重量換算係数算出部６４へ出力する。

続いて、算出部６０の重量換算係数算出部６４が、１［枚］の撮影画像に撮影されている材料３の重量［ｇ］を算出する。ここで、１［枚］の撮影画像に撮影されている材料３の重量［ｇ］としては、理論値が用いられる。

ここで理論値を用いるのは、図５に示すように、撮影部５０による撮影タイミングの関係上、流下する材料３の全てを撮影するように設定するよりも、理論値を用いる方が容易であるためである。図５に示すように、撮影部５０による撮影タイミングの関係上、材料３が撮影される範囲Ｐ１→材料３が撮影されない範囲Ｑ１→材料３が撮影される範囲Ｐ２→材料３が撮影されない範囲Ｑ２→材料３が撮影される範囲Ｐ３→…と、定期的な間隔で材料３が撮影されない範囲が存在する。すなわち、ベルトコンベア１０に敷き並べられた材料３の全てを撮影することはできず、また、撮影画像に含まれる材料３の重量を直接計測することは困難である。

また、撮影部５０による撮影タイミングを流下する材料３の全てを撮影するように設定することも可能であるが、設定に失敗した場合には、隣接する材料３が撮影される範囲同士が重なってしまうことがあり、この場合には、重複して撮影された材料３に関する処理が困難である。

理論値は、ベルトコンベア１０上の材料３を均一に敷き並べることによって単位時間当たりの流下量Ｆ［ｇ／ｓ］を決定するとともに、材料３が撮影画像の撮影範囲内を通過する通過時間［ｓ］をハイスピードカメラによって動画撮影してその動画を分析することで算出することができる。

流下量Ｆに関しては、材料３の重量（乾燥状態）がＨ［ｇ］、かかる材料３がベルトコンベア１０に敷き並べられた長さがＹ［ｍ］、ベルトコンベア１０の速度がＶ［ｍ／ｓ］である場合には、流下量Ｆ［ｇ／ｓ］は、Ｆ＝Ｈ・Ｖ／Ｙによって算出される。

また、通過時間に関しては、測定対象の材料３の１つの粒を粒度分布測定時と同一条件で流下させ、撮影範囲内を何コマで通過するかを分析し、フレームレートから分かる１コマ当たりの時間と通過コマ数とに基づいて算出される。フレームレートＪ［ｓ／コマ］で材料３の１つの粒が撮影範囲を落下するコマ数（通過コマ数）がＫ［コマ］である場合には、通過時間は、Ｊ・Ｋ［ｓ］である。撮影画像１枚当たりの材料３の重量（乾燥状態）Ｇ［ｇ／枚］は、Ｇ＝Ｆ・Ｊ・Ｋ［ｇ／枚］となり、撮影画像Ｍ［枚］に撮影される材料３の合計重量（乾燥状態）Ｓ［ｇ］は、Ｓ＝Ｇ・Ｍによって算出される。

例えば、フレームレートが２４０［ｆｐｓ］、通過コマ数が２８［コマ］であれば、通過時間は、２８÷２４０≒０．１１７［ｓ］となる。材料３の単位時間当たりの流下量が４３００［ｇ／ｓ］であれば、理論上、１コマ（画像１枚）当たりに撮影される材料３の重量は、０．１１７×４３００＝５０３［ｇ］となる。

続いて、算出部６０の重量換算係数算出部６４が、表１に示す重量換算係数の一般化計算式の各パラメータ（入力部１００からの既知のデータ、及び、合計面積算出部６１からの算出結果）に基づいて、粒径区分ごとの重量換算係数を算出する。

加積通過率Ａ,Ｂ,Ｃ,Ｄ,１（×１００［％］）（換言すると、乾燥した材料３の粒径区分ごとの重量百分率）と、乾燥した材料３の全ての粒径区分の合計重量Ｓ［ｇ］と、粒径区分ごとの含水比ｗ１,ｗ２,ｗ３,ｗ４,ｗ５［％］とは、較正を行う前の段階で既知であり、また、撮影画像の合計枚数Ｍ［枚］と、粒径区分ごとの画像面積ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ［ｐｉｘ］は、較正作業によって得られて既知となる。

ここで、一例として、粒径区分５［ｍｍ］以下の場合における重量換算係数の算出手法について説明する。かかる粒径区分では、乾燥状態の材料３の粒径区分別重量百分率Ａは加積通過率Ａと同じ値であり、粒径区分別乾燥重量Ｓ１は、下記式によって求められる。
Ｓ１＝Ｓ・Ａ

湿潤状態の材料３の含水比ｗ１は既知であるため、湿潤状態の材料３の重量は、Ｓ１・（１＋ｗ１）となる。

一方、湿潤状態の材料３の重量は、材料３の合計面積ａと、重量換算係数Ｘ１と、を用いてａ・Ｘ１となるため、下記式が成立する。
ａ・Ｘ１＝Ｓ１・（１＋ｗ１）

したがって、粒径区分５［ｍｍ］以下の場合における重量換算係数Ｘ１は、下記式によって求められる。
Ｘ１＝Ｓ１・（１＋ｗ１）／ａ

かかる較正方法を用いて実際に重量換算係数を算出した例を表２に示す。

算出部６０の重量換算係数算出部６４は、表２の粒径区分と重量換算係数とを関連付けて記憶部６２に記憶させる。

図６は、表２の例に基づいて算出された粒度分布を示すグラフである。ここでは、粒度分布を算出するにあたって、後記する材料の流下量の調整手法及び重量換算係数の変更手法は行われていない。図６に示す粒度分布において、ＪＩＳ法によって得られる粒度分布との間における加積通過率の誤差は、撮影画像の平均枚数が２００［枚］の場合、概ね±３［％］であり、粒度分布測定システム１が粒度分布を高精度で測定することができることがわかる。

＜従来の重量換算係数の算出手法＞
比較例として、従来の重量換算係数の算出手法について説明する。従来は、以下の１〜４のステップによって重量換算係数が算出されている。
１．粒径区分ごとに材料を床に並べて撮影する。
２．撮影された画像を解析して、材料の粒径区分ごとの合計面積を算出する。
３．材料の粒径区分ごとの合計重量を測定する。
４．材料の粒径区分ごとの合計重量を材料の粒径区分ごとの合計面積で割ることによって、粒径区分ごとの重量換算係数を算出する。

従来の手法によって算出された重量換算係数を用い、本実施形態に係る粒度分布測定システム１によって粒度分布を測定しようとした場合には、各粒径区分を混合した材料（混合材料）を流下させた状態で撮影するので、小さい材料が大きい材料の影になったり、材料同士がくっついてしまったりと、床に並べられた状態とは異なる状態で材料を撮影して粒度分布を算出するので、算出精度が落ちてしまうという問題が生じる。

これに対し、本実施形態の粒度分布測定システム１は、流下する材料３を撮影した撮影画像から得られた重量換算係数を用いて粒度分布を測定するので、粒度分布を高精度で測定することができる。

＜材料の流下量の調整手法＞
続いて、撮影画像における材料３の全ての合計面積を用いて材料３の流下量を調整する手法について説明する。

本実施形態において、図３に示す合計面積算出部６１は、撮影画像における材料３の全ての合計面積を算出してベルトコンベア制御部６５へ出力する。ベルトコンベア制御部６５は、合計面積算出部６１から出力された材料３の全ての合計面積を取得し、取得された材料３の全ての合計面積に基づいて、材料３の全ての合計面積が大きいほど、流下量が小さくなるように材料流下部を制御する。

ここで、撮影画像における材料３の全ての合計面積の基準値Ｒ［ｐｉｘ］は、重量換算係数を算出する際に使用される複数の撮影画像における材料３の全ての合計面積の平均値（１［枚］当たりの合計面積）に基づいて設定される。

本実施形態において、ベルトコンベア制御部６５は、複数（例えば、５０〜１００［枚］の撮影画像を１セットとして材料３の全ての合計面積を算出する。そのため、基準値Ｒ［ｐｉｘ］は、前記平均値に１セット分の枚数を掛けた値となる。

図７に示すように、ベルトコンベア制御部６５は、基準値Ｒを基に許容範囲を設定しており、材料３の全ての合計面積を時系列で監視する。材料３の全ての合計面積が許容範囲から外れたら（下限値Ｒ_Ｄ未満となった場合、又は、上限値Ｒ_Ｕを超えた場合）、ベルトコンベア制御部６５は、材料３の流下量を調整して基準値Ｒに近づけるようにインバータ１４を制御する。ここで、撮影画像における材料３の全ての合計面積の現在の値をＲ_Ｎ、モータ１３の回転速度の現在の値をＶ_Ｎとしたとき、ベルトコンベア制御部６５は、モータ１３の目標回転速度Ｖ_ＰをＶ_Ｐ＝Ｖ_Ｎ・Ｒ／Ｒ_Ｎによって算出し、モータ１３の回転速度が目標回転速度Ｖ_Ｐとなるようにインバータ１４を制御する。図７の例では、時刻ｔ１以降において、ベルトコンベア制御部６５は、モータ１３の回転速度を小さくすることによって、材料３の全ての合計面積を基準値Ｒに近づける。

このように、本実施形態の粒度分布測定システム１は、材料３の全ての合計面積に基づいて材料３の流下量を調整することによって、適正な流下量の下で粒度分布を測定することができる。

＜重量換算係数の変更手法＞
続いて、材料３の含水比を用いて重量換算係数を変更する手法について説明する。

本実施形態において、図３に示す含水比監視部６６は、マイクロ波水分計１１０によって検出された材料３の含水比を取得して粒度分布算出部６３へ出力する。粒度分布算出部６３は、含水比監視部６６から出力された含水比を取得し、取得された含水比に基づいて、含水比が大きいほど重量換算係数が大きくなるように当該重量換算係数を変更して粒度分布を算出する。

本実施形態では、重量換算係数算出部６４は、含水比と重量換算係数とを関連付けて記憶部６２に記憶させており、図８に示すように、記憶部６２に記憶された重量換算係数は、含水比が大きいほど段階的に大きくなるように設定されている。含水比が一定の範囲では重量換算係数が同じ値としたのは、含水比の小さい変動は質量換算係数に与える影響が小さいことが実験によってわかっているためであり、このようにすることで、重量換算係数の更新頻度を下げることができる。粒度分布算出部６３は、マイクロ波水分計１１０によって検出された含水比に応じた粒径区分ごとの重量換算係数を記憶部６２から読み出し、読み出された粒径区分ごとの重量換算係数に基づいて粒度分布を算出する。

なお、重量換算係数は、必ずしも、含水比が大きいほど当該重量換算係数が大きくなるとは限らず、含水比が大きいほど重量換算係数が小さくなるように設定される場合もある。

また、粒度分布算出部６３は、マイクロ波水分計１１０の検出位置と撮影部５０による撮影位置との距離とモータ１３の回転速度とを考慮して、重量換算係数の適用タイミングを設定することも可能である。

このように、本実施形態の粒度分布測定システム１は、含水比の変動に対応して粒度分布を好適に測定することができる。

以上説明したように、本実施形態の粒度分布測定システム１は、流下する材料３を撮影した撮影画像から得られた重量換算係数を用いて粒度分布を測定するので、粒度分布を高精度で測定することができる。

また、本実施形態の粒度分布測定システム１は、複数の撮影画像に材料３が好適に撮影されるので、粒度分布の算出が容易であるとともに、多めの材料３を用いて粒度分布の測定誤差を抑えることができる。

また、以上のような粒度分布測定システム１では、図１に示すように、材料３を傾斜板２０の表面２０ａに沿って流下させることで、材料３を拡散させることができる。
さらに、流下方向変換部７０を通過した材料３は、スクリーン３０から離れた位置を通過するため、スクリーン３０の表面３０ａが材料３によって汚れるのを防ぐことができる。
これにより、撮影部５０が材料３を撮影したときに、材料３が重なることなく、また、スクリーン３０の汚れも撮影されなくなるため、撮影画像上の材料３を正確に認識することができる。

また、傾斜板２０から流下した材料３は、水平方向の速度成分を有した状態で、流下方向変換部７０に流入するが、流下方向変換部７０を通過することで、水平方向の速度成分が消失し、鉛直下向きに直線状に流下する。これにより、流下方向変換部７０を通過した材料３は、撮影部５０の撮像素子の撮像面に平行な平面に沿って流下することになる。
スクリーン３０の前側を通過する材料３に水平方向の速度成分が含まれていると、材料３の落下軌道が放物線となり、撮像面から撮影領域内の各材料３までの距離が、撮影領域の上側と下側とで一定にならないため、算出部６０において空間分解能に差異が生じてしまう。これに対して、本実施形態の粒度分布測定システム１では、撮像面から撮影領域内の各材料３までの距離が一定になるので、撮影画像上で材料３の大きさを正確に測定することができる。

また、スクリーン３０の表面３０ａ側の空間を通過する材料３よりもスクリーン３０の表面３０ａ側からスクリーン３０の表面３０ａを照らすことで、スクリーン３０が明るくなり、材料３は黒い影として撮影される。これにより、材料３に模様がある場合でも、撮影画像上で材料３の外形を明確に認識することができる。

したがって、本実施形態の粒度分布測定システム１では、材料３の撮影画像に基づいて、粒度分布を正確に測定することができる。

また、粗細粒の分離装置を用いた従来の設備構成に比べて、流下方向変換部７０を設けることで、粒度分布測定システム１の設備構成を小型化することができる。

また、本実施形態の粒度分布測定システム１は、材料３の全ての合計面積に基づいて材料３の流下量を調整することによって、適正な流下量の下で粒度分布を測定することができる。

また、本実施形態の粒度分布測定システム１は、含水比の変動に対応して粒度分布を好適に測定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更が可能である。
例えば、材料３の流下量の調整手法を行わない場合には、インバータ１４及びベルトコンベア制御部６５は、省略可能である。
また、重量換算係数の変更手法を行わない場合には、マイクロ波水分計１１０及び含水比監視部６６は、省略可能である。
また、撮影部５０による撮影間隔は、複数の撮影画像に材料３が重複して撮影されることなく、かつ、全ての材料３を撮影可能な間隔であって、撮影範囲の上端における材料３の落下速度と、撮影範囲の上下方向の撮影幅と、に基づいて設定されていてもよい。この場合には、図５に示す範囲Ｑ１，Ｑ２が存在しないので、前記した材料３の重量（既知の値）Ｈ［ｇ］と重量（理論値）Ｓ［ｇ］とが等しくなる。ここで、撮影範囲の上端における材料３の落下速度は、材料３の材料流下部２からの落下初速度と、材料流下部２の下端と撮影範囲の上端との距離と、に基づいて算出することが可能である。
また、材料流下部２に対するスクリーン３０、照明部４０及び撮影部５０の位置関係は、図１の前後方向において反転していてもよい。

また、材料流下部２は、前記したものに限定されない。例えば、流下方向変換部７０は、省略可能である。

また、傾斜板２０の突起２２の形状は、前記した三角錐型（△型）に限定されず、フィン型（Ｉ型）、ピン型（○型）、折り曲げ板の折り曲げ部分を上に向けた型（∧型）等を用いることができる。さらに、これらの複数の形状の突起を組み合わせてもよい。

また、鉛直板７１，７２の突起７１ｂ，７２ｂの形状は、前記した円形断面の棒状部材（ピン型）に限定されず、円錐形状や板状等の形状を用いることができる。さらに、これらの複数の形状の突起を組み合わせてもよい。

また、傾斜板２０の傾斜角度、並びに、突起２２の高さや向きは、材料３の大きさ等に応じて適宜に設定されるものである。

１ 粒度分布測定システム（重量換算係数算出システム）
２ 材料流下部
３ 材料
１０ ベルトコンベア
１３ モータ
１４ インバータ
２０ 傾斜板
３０ スクリーン
４０ 照明部
５０ 撮影部
６０ 算出部
６１ 合計面積算出部
６２ 記憶部
６３ 粒度分布算出部
６４ 重量換算係数算出部
６５ ベルトコンベア制御部（材料流下部制御部）
７０ 流下方向変換部
８０ ホッパ
１１０ マイクロ波水分計（含水比検出部）

Claims (9)

1. 材料を流下させる材料流下部と、
   流下する前記材料を撮影する撮影部と、
   撮影された前記材料の粒度分布を算出する算出部と、
   を備え、
   前記算出部は、
   撮影画像における前記材料の粒径区分ごとの合計面積を算出する合計面積算出部と、
   前記撮影画像における粒径区分ごとの所定面積あたりの重量である重量換算係数が記憶される記憶部と、
   前記材料の粒径区分ごとの前記合計面積と前記重量換算係数とに基づいて、粒度分布を算出する粒度分布算出部と、
   を備え、
   前記重量換算係数は、粒径区分ごとの重量が既知の材料を前記材料流下部によって流下させて前記撮影部によって撮影した撮影画像における前記材料の粒径区分ごとの合計面積と、既知である前記材料の粒径区分ごとの前記重量と、に基づいて予め算出されたものであり、
   前記材料流下部は、
   傾斜板と、
   前記傾斜板の下流側に配置されており、前記傾斜板の表面上を流下した前記材料を鉛直方向に流下させる流下方向変換部と、
   を備え、
   前記流下方向変換部は、一対の鉛直板を備えるとともに、前記一対の鉛直板のそれぞれにおいて、一方の前記鉛直板から他方の前記鉛直板に向かって形成される複数の突起を備え、
   前記撮影部は、前記一対の鉛直板の間を流下した前記材料を、当該一対の鉛直板の下流側において撮影する
   ことを特徴とする粒度分布測定システム。
2. 前記流下方向変換部において、
   一方の前記鉛直板は、前記傾斜板の前記表面の下端部の下方に設けられており、
   他方の前記鉛直板は、一方の前記鉛直板と対向するように設けられており、
   他方の前記鉛直板の上端部は、一方の前記鉛直板の上端部よりも上方に延設されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の粒度分布測定システム。
3. 前記算出部は、流下する前記材料の所定時間当たりの重量である流下量を変更するように前記材料流下部を制御する材料流下部制御部を備え、
   前記合計面積算出部は、前記撮影画像における前記材料の全ての合計面積を算出し、
   前記材料流下部制御部は、前記材料の全ての合計面積に基づいて前記流下量を調整する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の粒度分布測定システム。
4. 前記粒度分布算出部は、複数の前記撮影画像を用いて前記粒度分布を算出し、
   前記撮影部による撮影間隔は、前記材料の流下速度と、前記撮影部による上下方向の撮影幅と、に基づいて設定されている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の粒度分布測定システム。
5. 前記材料の含水比を検出する含水比検出部を備え、
   前記粒度分布算出部は、前記含水比に基づいて前記重量換算係数を変更して前記粒度分布を算出する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の粒度分布測定システム。
6. 材料を流下させる材料流下部と、
   流下する前記材料を撮影する撮影部と、
   撮影された前記材料の粒径区分ごとの重量換算係数を算出する算出部と、
   を備え、
   前記算出部は、撮影画像における前記材料の粒径区分ごとの合計面積を算出するとともに、粒径区分ごとの前記合計面積と、既知である前記材料の粒径区分ごとの重量と、に基づいて粒径区分ごとの前記重量換算係数を算出し、
   前記材料流下部は、
   傾斜板と、
   前記傾斜板の下流側に配置されており、前記傾斜板の表面上を流下した前記材料を鉛直方向に流下させる流下方向変換部と、
   を備え、
   前記流下方向変換部は、一対の鉛直板を備えるとともに、前記一対の鉛直板のそれぞれにおいて、一方の前記鉛直板から他方の前記鉛直板に向かって形成される複数の突起を備え、
   前記撮影部は、前記一対の鉛直板の間を流下した前記材料を、当該一対の鉛直板の下流側において撮影する
   ことを特徴とする重量換算係数算出システム。
7. 前記流下方向変換部において、
   一方の前記鉛直板は、前記傾斜板の前記表面の下端部の下方に設けられており、
   他方の前記鉛直板は、一方の前記鉛直板と対向するように設けられており、
   他方の前記鉛直板の上端部は、一方の前記鉛直板の上端部よりも上方に延設されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の重量換算係数算出システム。
8. 前記算出部は、既知である前記材料の含水比と、既知である乾燥状態の前記材料の全重量と、既知である乾燥状態の前記材料の粒径区分ごとの加積通過率と、に基づいて、湿潤状態の前記材料の粒径区分ごとの重量を算出し、粒径区分ごとの前記合計面積と、湿潤状態の前記材料の粒径区分ごとの前記重量と、に基づいて粒径区分ごとの前記重量換算係数を算出する
   ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の重量換算係数算出システム。
9. 前記算出部は、複数の前記撮影画像を用いて粒径区分ごとの前記重量換算係数を算出し、
   前記撮影部による撮影間隔は、前記材料の流下速度と、前記撮影部による上下方向の撮影幅と、に基づいて設定されている
   ことを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の重量換算係数算出システム。