JPS63222238A - 空間内を移動する複数個の物体の速度、大きさ、濃度の一つ以上を測定する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は空間内を移動している複数物体の速度、濃度、
大きさなどを同時に測定する装置に係り、特に微粉炭１
．ダスト、セメント粒子などのように多数の微粒子が立
体的空間内を移動している場合のそれら各粒子の速度、
粒子径、濃度のいずれか、あるいは、それらの複数対象
について測定する装置に関するものである。

〔従来の技術〕

微粉炭を燃料とするボイラ装置においては、微粉炭製造
に用いる石炭の粉砕器とか、微粉炭燃焼用バーナの性能
を把握するために、それら装置内における微粉炭の濃度
、粒径、速度等の計測が必要不可欠である。

これらの計測のうち、濃度と粒径は装置内空間中の任意
部分から微粉を採取してきて、それを解析する方法が用
いられるが、速度はそれができないので、光学的方法が
用いられる。

よ（知られている速度計にはレーザドツプラ速度計（Ｌ
ＤＶ）がある。ＬＤＶは２本のレーザ光を交差させ、そ
の交差点にできる干渉縞を粒子が通過する際に発する光
の強弱周期から速度を算出するものである。この方法は
レーザを用いているため極めて精度の高い計測である。

なお、粒子が非常に小さくて流体と同じ速度で動いてい
ると考えられる場合には流体の流速針としても用いられ
る。

上述したレーザ式速度計は空間の一点の計測に適してい
るが、複数の粒子を同時に計測する試みが行なわれてい
る。この具体例を第１１図に示す。

第１１図において、水に含まれた粒子は流路１内をイの
方向に移動する。これをカメラ２０で撮影すると、露出
時間内に移動した粒子の軌跡像の移った写真２１が得ら
れる。これを白黒ビデオカメラ２３で撮影し、その画像
信号をコンピュータ６に取込み、軌跡の長さを露出時間
で割って粒子の速度を算出する。この結果はプリンタ２
４に出力される。この装置では一度に２００〜３００個
の粒子を解析できる。また、露出時間を短くすれば特定
時間における瞬間撮影が可能となり、非定常の場合にも
速度分布が計測できる。

さらに進んだ測定装置として第１２図および第１３図の
例がある。第１２図ではカメラの代わりにビデオカメラ
２３を用い、しかも２台直交するように据え付けている
。第１３図では２台のビデオカメラの角度をわずかに異
ならせ立体的な解析を行なっている。

これらの方法では、第１１図のように写真を用いないた
め短い所要時間で解析できる。また、３次元の解析も行
なうことができる。

第４の例としては本願発明者らの出願にかかる特願昭６
１−６６４１号がある。これを第１４図に示す。これは
厚さの薄いスリット光を照射して、対象空間の任意断面
を２次元化して、この２次元断面内を撮影して測定性能
を向上させている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述したレーザドツプラ方式による測定は高精度である
が、干渉縞を形成した空間の一点の測定しか行なえない
ため、立体的空間内の速度や濃度分布を測定する場合に
は、測定点を移動するトラバースを行なわねばならず、
測定に長時間を要する。また、粒子の速度分布が時間的
に変化しない定當流については測定できるが、速度分布
が時間的に変化する非定常流については測定できないと
いう問題がある。第１１図の例では測定装置内に写真を
用いているため現像に長時間を要し、また２次元の解析
しかできないという欠点がある。

第１２〜１３図に示した第３の例では一度に３次元の解
析を行なえるという長所はあるものの、一度に解析でき
る粒子の数は５０個程度と第１１図の例より少なくなる
。これは粒子数が多いと各々の軌跡が重なってしまい解
析不能となるためである。したがって、任意断面内の分
布を取出そうとすると断面内に粒子が数個しかないこと
になり、詳細な解析はできない。つまり、分解能が低い
。

第１４図に示した第４の例では、スリット光の面内の速
度成分は求められるが、この面に直角な成分は求まらな
い。

以上のように、ビデオカメラを用いた計測法が開発され
つつあるが、いずれも、分解能と３次元性の両方を満足
できないという問題点を有している。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、
空間内を移動する複数個の物体の速度、大きさ、濃度等
を物体の移動軌跡により測定する装置において、上記空
間内の微小厚さの平面状複数空間をそれぞれ異なる色彩
のスリット光により照射する装置と、照射された空間内
の物体の移動軌跡をカラー画像に撮影する装置と、撮影
された物体の移動画像を解析する装置とからなることを
特徴とする空間内を移動する複数物体の速度、大きさ、
濃度の一つ以上を測定する装置である。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図に示す。本発明は流体に含まれ
た粒子が流れる流路１と平行光３を発する光源２とカラ
ービデオカメラ４とその画像を解析するためのコンピユ
ークロとカラなる。

流体に含まれた粒子は流路ｌ内を流れ方向イに沿って流
れる。この際、流路は曲がっているので粒子の空間濃度
、速度は一様ではなくある分布を持つ。

この粒子の流れに平行光３を照射する。平行光は赤、黄
、青、緑と４色のスリット光がそれぞれの色のフィルタ
を使って４層に重なって作られている。流路１の外周と
内部は透明に作られているので、内部はこの４色のスリ
ット光で照射される。

各粒子はその位置に対応した色の粒子となって見える。

これをカラービデオカメラ４で平行光３に垂直な方向か
ら観察する。

このカメラで撮影した画像を解析して速度を算出するの
であるが、その方法を第２図で説明する。

第２図は第１図のカーラビデオカメラ４で撮影した連続
したビデオ画面を８枚重ねて表示したものである。通常
ビデオ画面は毎秒３０コマで撮影されるので、そのコマ
間隔は１／３０秒である。

したがって第２図は８／３０秒間に移動した粒子の軌跡
である。画面には３個の粒子Ａ、Ｂ、Ｃがあり、それぞ
れが移動している。まず、Ａの粒子に着目すると、最初
は画面左側で赤く映っているが、それが徐々に右側に移
動するにつれて、色が黄、青、緑と順に変化している。

ここで、画面の上下方向をＸ、左右方向をＹ、画面に垂
直、つまり、スリット光に垂直な方向をＺとする。Ｘ方
向、Ｙ方向の移動速度は時々刻々の移動距離をコマ間隔
１／３０秒で割って算出する。一方、Ｚ方向の速度は色
が変化するのに２コマ要しているからスリット光の間隔
（例えばＺｌ）を２／３０秒で割って求めることができ
る。

画面にはＡの粒子のように観測期間中に赤から緑へと変
′化する、つまり、平行光を完全に通過するものだけで
はなく、観測期間の途中から平行光に入ってくる粒子Ｂ
、途中から平行光を出てしまう粒子Ｃなどもあるが、い
ずれも同様にして解析できる。

この解析はコンピュータ６を使って行なうが、速度の解
析だけでな（、空間密度（濃度）とが粒子の大きさ、形
状も画像解析によって行なうことができる。

本実施例では流路を透明容器で作っているので流路の任
意の部分を測定できる。また、画像の入力装置としてビ
デオカメラを用いているため、民生用の安価なものが使
用できる。

さて、本実施例では粒子のサイズが直径１ｆｌ程度のも
のでは、計測可能な範囲はＯ〜０．６　ｍ　／　ｓまで
である。それ以上高速になるとビデオカメラでは粒子を
追跡することができなくなった。測定可能な速度の範囲
は使用するカメラの撮影コマ数とスリット光の厚みで決
まる。この例ではコマ数が３０コマ／秒、スリット光（
各色）の厚みが２Ｑ　＋ｎなので０．６　ｍ　／　ｓが
最大となっている。

なお、一度に解析できる粒子の最大数は約２００個であ
った。したがって、各色のスリット光内では５０個が解
析可能で、第１４図の例に比し分解能の低下はほとんど
なく、第１３図の例よりは格段に高い。これは、第１２
．１３図の場合には、奥行き方向の位置（Ｚ方向）の異
なる粒子が同じ色となって映り区別がつかなくなるのに
対し、本発明では色が変わって映るので、その区別が可
能となるためである。

本発明では、色の異なる多重のスリット光を照射するこ
とにより、空間に浮遊した粒子はその位置に応じた色の
粒子となって観察される。したがって、スリット光に垂
直な方向からカメラで撮影すれば色によってカメラに垂
直な方向の位置がわかる。そして、これらの粒子の位置
を追跡し解析すれば粒子の移動速度を求めることができ
る。

本発明では、色の異なるスリット光が照射されるので、
各スリット光内の粒子数は１　（Ｉｌｌのスリット光を
照射する場合と同じに維持できる。すなわち、高分解能
な解析を行なうことができる。

また、粒子のスリット光に垂直な方向の速度成分は、各
粒子が各スリット光を通過していく際の色の変化から求
める。つまり、スリット光の間隔は予めわかっているの
で、その間隔を色の変化に要した時間で割って算出する
。

なお、第１図において、スリット光ａ、ｂ、ｃ、ｄに色
をつける方法としては、光源２のスリット部にそれぞれ
の色のフィルタを設ける、あるいはプリズム装置を使用
するなどの手段があるが、フィルタによるものが簡単で
ある。

本発明の他の実施例を第３図以下に示す。

第３図は流路に窓８を２ケ所設けて使用したもので、大
型のダクトなどに使用する。流体は気体でも液体でもか
まわない。第４図は円筒形の容器の周りに角形の容器を
付加し、測定に際し粒子がレンズ効果によって歪むこと
を防止したものである。角形の容器内には円筒容器内の
流体と同じものが入れである。この方法を用いれば、ど
んな形状の流路でも測定できる。第５．６図は色の異な
る平行光の発生方法を示したものである。第５図は紙面
の垂直方向に延びた一定長さの線状のランプ１０の前に
シリトリカルレンズ１１を設け、その前に多色のカラー
フィルタ１２を配して多色の平行光を発生させている。

この場合、光源を動かしても光が一緒に移動する便利さ
がある。第６図はカラーフィルタ１２を流路１に張りつ
けている。

この場合、第５図に較べ色のついた部分が短いため、隣
接した色同士の重なりを低減でき、精度が上がる。

第７図はａ　％　ｄまでの一対の多層平行光をさらに３
層にして実施したもので、計測範囲を拡大している。各
層の区別は粒子のボケ具合によって判断する。つまり、
遠方にカメラの焦点を合わせておけば近くなるに従って
粒子はポケて大きく映るのでこれを利用して区別を行な
う。

第８図は光源にストロボを用いカメラに周期させて発光
させたものである。この場合、各コマに映る粒子像は完
全に静止するので粒径の測定精度が向上する。１３は電
源、１４は電線、１５は周期用ケーブルである。

第９図はビデオカメラ４の後にビデオレコーダ１８を付
加したもので、記録したものを後から再生して解析でき
る。

第１０図は光源にトラバース装置１６を付加しコンピュ
ータで連動制御することによって、計測範囲を一層拡大
したものである。１７はトラバース用電源である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、３次元空間内の粒子について、速度、
粒子径、濃度、形状などの測定を極めて容易に行なうこ
とができる。特に測定対象となる粒子数が多い場合でも
通用可能であり、測定に要する時間も少なくてすむとい
う利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を示す斜視図、第２図は、第
１図の実施例におけるビデオカメラに映った像の模式図
、第３〜４図は、本発明の他の実施例を示す斜視図、第
５．６．７．８図は、それぞれ光源の具体的実施例を示
す説明図、第９図は、ビデオレコーダを備えた実施例を
示す説明図、第１０図は、光源移動可能とした実施例を
示す説明図、第１１〜１４図は、従来技術の説明図であ
る。 １・・・流路、２・・・スリット光光源、３・・・スリ
ット光、４・・・カラービデオカメラ、５・・・ケーブ
ル、６・・・コンピュータ。 代理人　弁理士　川　北　武　長 第５図 第６図 第９図 第１３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 空間内を移動する複数個の物体の速度、大きさ、濃度等
   を物体の移動軌跡により測定する装置において、上記空
   間内の微小厚さの平面状の複数空間をそれぞれ異なる色
   彩のスリット光により照射する装置と、照射された空間
   内の物体の移動軌跡をカラー画像に撮影する装置と、撮
   影された物体の移動画像を解析する装置とからなること
   を特徴とする空間内を移動する複数物体の速度、大きさ
   、濃度の一つ以上を測定する装置。