WO2022097477A1 - 気泡測定装置及び気泡測定方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a bubble measuring device and a bubble measuring method.
  • the contact between mineral particles in the ore slurry and bubbles is an important mechanism. It is known that the bubble diameter is an important factor for the contact probability, and attempts have been made to grasp the bubble diameter. In particular, fine bubbles having a bubble diameter of 1 to 100 ⁇ m are called microbubbles, and are expected to have potential applications. However, the buoyancy of fine bubbles is very small, and there is a problem that it is difficult to introduce fine bubbles into an image pickup cell, which is an area for measuring bubbles, with a conventional bubble measuring device.
  • Patent Document 1 As a method for solving this problem, for example, the method shown in Patent Document 1 is disclosed.
  • the method described in Patent Document 1 is an image capturing unit that photographs a bubble to be measured, and a light intensity measuring unit that irradiates the bubble with laser light to acquire light intensity distribution data showing the intensity distribution of diffracted / scattered light.
  • a pump By connecting a pump to the image pickup unit and operating this pump, the liquid containing the air bubbles to be measured is sent to the image pickup unit and the light intensity measurement unit, and the image information acquired from the image capture unit and the light.
  • This is a method of measuring the particle size distribution of a bubble group based on the light intensity distribution data acquired from the intensity measuring unit. By such a method, the particle size distribution of the bubble group can be measured.
  • the liquid contains foreign substances other than bubbles in addition to the bubbles to be measured.
  • this discrimination is performed based on the image information acquired from the image measuring unit.
  • a mechanical method is used in which a spherical image is determined to be a bubble and a flat image is determined to be a foreign substance.
  • the image used for the determination is clearly captured to such an extent that the determination can be made appropriately.
  • the captured image of the bubble becomes a flat image and is determined to be a foreign substance, so that an appropriate determination cannot be made.
  • Patent Document 1 does not disclose a method for taking a clear image.
  • an object of the present invention is to provide a bubble measuring device and a bubble measuring method capable of clearly photographing and measuring minute bubbles.
  • the invention is a bubble measuring device for measuring bubbles moving in a liquid.
  • a measurement chamber in which a liquid containing bubbles to be measured is introduced from below and an imaging surface is provided at a position where the introduced bubbles rise.
  • An imaging device that photographs the bubbles passing through the imaging surface, and An introduction tube provided below the measurement chamber and introducing the air bubbles into the measurement chamber,
  • a supply pump provided above the measurement chamber, which sucks up the liquid containing the bubbles and supplies it to the measurement chamber. It has a flow velocity adjusting mechanism for adjusting the flow velocity of the liquid passing through the imaging surface.
  • the flow rate of the liquid passing through the imaging surface is adjusted by the flow rate adjusting mechanism according to the range in which the bubbles can be measured.
  • the range is characterized in that it is obtained in advance according to the image resolution of the photographing apparatus and the shutter speed.
  • fine bubbles can be clearly photographed and measured.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the configuration of the bubble measuring device according to the present embodiment.
  • the bubble measuring device 1 according to the present embodiment includes an introduction tube 60, a frame 70, a measurement chamber 80, an introduction tube connecting member 81, a floodlight device 90, a photographing device 100, an image processing unit 110, and the like. It is a device including a control unit 120, a supply pump 20, a flow velocity adjusting mechanism 21, a lead-out pipe 40, and a discharge pipe 50, and the introduction pipe 60 is immersed in the liquid held in the holding tank 10.
  • the introduction pipe 60 is connected below the measurement chamber 80 via the introduction pipe connecting member 81, and is provided so that the liquid can be sent to the measurement chamber 80.
  • One surface (the surface facing upward) of the measurement chamber 80 forms an image pickup surface, and an image pickup device 100 is provided so as to face the image pickup surface. Further, the light projecting device 90 is provided so as to face the other surface (the surface facing downward) of the measurement chamber 80.
  • a lead-out pipe 40 is connected to the upper end of the measurement chamber 80, and a supply pump 20 is provided at the upper end of the lead-out pipe 40.
  • a discharge pipe 50 is connected to the lower surface of the supply pump 40, and the lower end of the discharge pipe 50 is immersed in the liquid in the holding tank 10. Further, a flow velocity adjusting mechanism 21 is connected to the supply pump 20.
  • a bubble generator 30 for generating bubbles inside the liquid is connected to the holding tank 10.
  • the bubble generating device 30 generates bubbles containing fine bubbles (hereinafter, also referred to as micro bubbles) having a bubble diameter of 1 to 100 ⁇ m inside the liquid. In that case, these bubbles can be clearly photographed. Then, the bubbles can be measured based on the captured image, that is, the bubble diameter and the bubble diameter distribution (particle size distribution of the bubble group) can be measured.
  • the imaging and measurement of bubbles including microbubbles are specifically performed by going through the following steps.
  • Step 1 in a state where bubbles containing microbubbles are generated inside the liquid held in the holding tank 10, the supply pump 20 of the bubble measuring device 1 is operated, and the liquid containing the bubbles generated by the bubble generating device 30 is operated. Is introduced into the measuring chamber 80 via the introduction pipe 60. In this case, the flow velocity of the liquid passing through the imaging surface in the measurement chamber 80 is adjusted by the flow velocity adjusting mechanism 21 so as to be within the flow velocity range in which bubbles including microbubbles can be clearly photographed. (Step 1) The details of adjusting the flow velocity in the flow velocity adjusting mechanism 21 will be described later.
  • Step 2 Next, the light projecting device 90 irradiates the opposite surface of the photographing surface in the measuring chamber 80 with light, and the photographing device 100 is used to photograph bubbles passing through the photographing surface.
  • Step 2 information necessary for measuring the bubble diameter and bubble diameter distribution of bubbles contained in the liquid is acquired from the captured image, and these values are measured.
  • Step 3 the components constituting the bubble measuring device 1 will be further described.
  • the introduction pipe 60 is a pipe material having both ends open. One end is immersed in the liquid held in the holding tank 10, and the other end is connected to the introduction pipe connecting member 81.
  • the introduction pipe connecting member 81 In the present embodiment, in order to introduce the bubbles taken into the introduction tube 60 into the measurement chamber 80, not only the buoyancy of the bubbles themselves but also the power generated by operating the supply pump 20 described later is generated. It will be used.
  • the measuring chamber 80 is composed of a plurality of transparent members.
  • the material of these members is vinyl chloride.
  • a member having a high light transmittance can be preferably used so that the light projected from the light projecting device 90 passes through the measuring chamber 80 and can be measured by the photographing device 100.
  • the light transmittance of the member is preferably 80% or more, more preferably 90% or more in the visible light region having a wavelength of 400 nm to 700 mm.
  • glass acrylic, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate or the like can be used in addition to vinyl chloride.
  • vinyl chloride is inexpensive, highly processable, and highly transparent, it can be suitably used as a member of the measuring chamber 80.
  • acrylic has higher transparency than vinyl chloride, is not easily scratched, and has less decrease in transparency, so that it can be suitably used for installation in places where replacement is difficult.
  • the measuring chamber 80 is provided with a main member 82, and a first lid member 83 and a second lid member 84 so as to sandwich the main member 82.
  • the outer shape of the main member 82 has a thick quadrangular plate shape, that is, a flat quadrangular prism shape.
  • the main member 82 is provided with a measuring hole 82a having a relatively large diameter.
  • the axial direction of the measuring hole 82a coincides with the thickness direction (hereinafter, this direction may be referred to as the thickness direction of the main member 82) of the thinnest thickness of the quadrangular prism form of the main member 82.
  • the surface on the right side of the first lid member 83 is referred to as a transparent inclined surface, and among the transparent inclined surfaces, the surface is referred to as a transparent inclined surface.
  • the portion where the measuring hole 82a is located is referred to as a measuring unit 83a.
  • this transparent inclined surface corresponds to the photographing surface.
  • the measuring chamber 80 is further composed of an introduction pipe connecting member 81 provided on the lower side of the main member 82 and a lead-out pipe connecting member 85 provided on the upper side of the main member 82, and is composed of the introduction pipe connecting member.
  • the introduction pipe 60 is connected via 81.
  • the introduction pipe connecting member 81 has a passage hole and both the introduction pipe connecting member 81 and the outlet pipe connecting member 85 have a tubular structure
  • the measuring chamber 80 communicates in the vertical direction through these members. It has a structure. By communicating in this way, the liquid can be passed through the transparent inclined surface in the measurement chamber 80, that is, the photographing surface, and bubbles in the liquid can be introduced from the introduction tube 60.
  • the upper surface of the introduction pipe connecting member 81 is tilted from the horizontal plane by an inclination angle ⁇ . Since the upper surface of the introduction pipe connecting member 81 is tilted in this way, when the measuring chamber 80 is arranged so that the axis of the introduction pipe connecting member 81 is in the vertical direction, the transparent inclined surface including the measuring portion 83a is formed. It tilts from the vertical by the tilt angle ⁇ . That is, the normal of the transparent inclined surface faces downward, and the transparent inclined surface faces diagonally downward.
  • the inclination angle ⁇ is determined so that the transparent inclined surface is located at the position where the bubbles rising from the introduction port. In the present embodiment, the tilt angle ⁇ is 15 degrees, but it may be set to various angles depending on the application.
  • the diameter L1 of the measuring hole 82a of the main member 82 constituting the bubble measuring device 1 of the present embodiment is longer than the diameter of the inner surface of the introduction pipe 60.
  • the diameter L1 of the measuring hole 82a is the length in the left-right direction of the measuring portion 83a when the transparent inclined surface is viewed from the front.
  • the main member 82 is provided with a measuring hole 82a as described above, and is provided with an expanded communication portion for communicating the measuring hole 82a with the introduction pipe 60.
  • the extended communication portion has a groove shape.
  • the length in the left-right direction up to the measuring portion 83a of the groove portion of the enlarged communication portion increases from the lower side to the upper side at a constant rate.
  • the depth of the groove shape of the extended communication portion has a depth of 1/3 of the length in the thickness direction of the main member 82.
  • the floodlight device 90 irradiates the measurement unit 83a with a predetermined type of light from one surface of the measurement chamber 80. This facilitates photography in the measurement chamber 80.
  • the lighting means for example, surface lighting such as a white LED is preferably used.
  • the photographing device 100 a digital camera or the like capable of photographing at least either a still image or a moving image is preferably used. It is preferable that the size and quantity of bubbles photographed by the imaging device 100 are analyzed by software that performs image processing.
  • the photographing device 100 may use various photographing devices as long as the bubbles can be appropriately photographed.
  • the photographing apparatus 100 has an image resolution capable of separating bubbles to be measured according to their sizes and photographing them.
  • the image resolution is a value obtained by the following equation (1), and is a value indicating how many mm one pixel of the pixels arranged in a grid pattern on the image pickup device 100 of the photographing apparatus 100 corresponds to. be.
  • the imaging field of view (Y direction) is 100 mm
  • the image resolution of the photographing apparatus having 480 pixels in the Y direction is 100 [mm]
  • ⁇ 480 pixels 0.208 [mm].
  • FIG. 3A is a diagram showing a state of image recognition when a bubble having a bubble diameter of 10 ⁇ m is photographed by an imaging device having an image resolution of 10 ⁇ m
  • FIG. 3B is a diagram showing the same bubble as described above with an imaging device having an image resolution of 1 ⁇ m. It is a figure which showed the state of the image recognition at the time of taking a picture in.
  • FIG. 3A is a diagram showing a state of image recognition when a bubble having a bubble diameter of 10 ⁇ m is photographed by an imaging device having an image resolution of 10 ⁇ m
  • FIG. 3B is a diagram showing the same bubble as described above with an imaging device having an image resolution of 1 ⁇ m. It is a figure which showed the state of the image recognition at the time of taking a picture in.
  • FIG. 3A is a diagram showing a state of image recognition when a bubble having a bubble diameter of 10 ⁇ m is photographed by an imaging device having an image resolution of 10 ⁇ m
  • FIG. 3B is a diagram
  • FIG. 3C is a diagram showing a state of image recognition when a bubble having a bubble diameter of 5 ⁇ m is photographed by an imaging device having an image resolution of 10 ⁇ m
  • FIG. 3D is a diagram showing the same bubble as described above with an image resolution of 1 ⁇ m. It is a figure which showed the state of image recognition at the time of taking a picture by an apparatus.
  • both a bubble having a bubble diameter of 10 ⁇ m and a bubble having a bubble diameter of 5 ⁇ m are image-recognized as one pixel, that is, the bubble diameter is 10 ⁇ m or less. Bubbles are image-recognized as one pixel, and image recognition cannot be performed separately for each size.
  • a photographing device having an image resolution of 1 ⁇ m as shown in FIGS. 3 (b) and 3 (d).
  • a bubble having a bubble diameter of 10 ⁇ m is recognized as 91 pixels, and a bubble having a bubble diameter of 5 ⁇ m is recognized as 32 pixels, and the image can be recognized separately for each size. In this way, the smaller the image resolution, the more small bubbles can be separated from the large bubbles for image recognition.
  • the photographing apparatus 100 has an image resolution capable of separating bubbles to be measured according to their sizes and photographing them. That is, the photographing apparatus 100 has an image resolution capable of recognizing the smallest bubble among the bubbles to be measured.
  • the measurement target is a bubble containing microbubbles having a bubble diameter of 1 to 100 ⁇ m
  • a photographing device having an image resolution of 1 ⁇ m is used. This makes it possible to separate bubbles of 1 ⁇ m or more for each size and perform image recognition.
  • the image resolution of the photographing apparatus 100 does not have to be the same as the size of the smallest bubble among the bubbles to be measured, and may have a smaller value. This makes it possible to separate the bubbles to be measured for each size and perform image recognition.
  • the photographing apparatus 100 does not have an image resolution capable of recognizing an image for each size of the bubble, the image of the captured bubble does not reflect the actual morphology of the bubble. It is not preferable to measure bubbles based on such an image.
  • the exposure time (shutter speed) of the photographing apparatus 100 is set to the exposure time required for the brightness of the captured image to have a brightness sufficient for measuring bubbles. Has been done.
  • the exposure time it is preferable that the exposure time is as short as possible. As a result, it is possible to prevent blurring of the captured bubble image.
  • the exposure time is set to 1/2000 second.
  • the supply pump 20 is a pump that sucks up the liquid containing bubbles from the holding tank 10 and supplies it to the measurement chamber 80.
  • various pumps may be used as long as the liquid can be appropriately pumped.
  • a tube pump provided with a roller for sending liquid inside is used as a supply pump 20, a discharge pipe 40 described later is connected to the suction side, and a discharge pipe 50 described later is connected to the discharge side.
  • the flow velocity adjusting mechanism 21 adjusts the flow velocity of the liquid generated by operating the supply pump 20, and in this example, the drive device for driving the liquid feeding roller of the supply pump 20. Since is a brushless motor, an applied voltage control circuit for controlling the applied voltage to the brushless motor is used. By adjusting the applied voltage to the brushless motor using the applied voltage control circuit, the speed (rotation speed) of the brushless motor is adjusted, and the amount of liquid discharged from the supply pump 20, that is, the imaging surface of the measuring chamber 80 is measured. The flow velocity of the passing liquid is adjusted.
  • the flow rate adjusting mechanism 21 may be any means as long as the amount of liquid discharged from the supply pump 20, that is, the flow rate of the liquid passing through the imaging surface of the measuring chamber 80 can be adjusted. More specifically, the type is not particularly limited as long as the speed of the drive device can be controlled according to the type of the drive device used in the supply pump 20. For example, when an AC motor is used for the drive device of the supply pump 20, it may be an inverter circuit for controlling the drive frequency of the AC motor, or when a servo motor is used for the drive device of the supply pump 20. , A driver circuit provided with a speed control unit of a servo motor or the like may be used. Further, the flow velocity adjusting mechanism 21 does not have to be provided independently, and may be provided so as to be included in one of the components of the supply pump 20, for example.
  • the flow velocity of the liquid passing through the photographing surface of the measuring chamber 80 is set in advance in a range in which bubbles can be appropriately measured in the image resolution and the shutter speed of the photographing apparatus 100 to be used.
  • the bubble measuring device 1 it is investigated how much the flow velocity can be measured by the photographing device 100. As described above, if the image resolution of the photographing apparatus 100 is small and the shutter speed is short, the fluid flow velocity is set high, but if the image resolution is large and the shutter speed is long, the fluid speed is set slow. In this case, consideration is given so that the flow velocity is such that the bubbles do not adhere to the photographing surface or coalesce the bubbles.
  • a bubble generator having a known bubble diameter distribution particle size distribution of a bubble group
  • the bubble diameter distribution generated from the bubble generator is measured, and the result is referred to as a known bubble diameter distribution. It can be done by comparison.
  • the range of the flow velocity of the liquid capable of measuring bubbles is determined by the capacity of the photographing device 100, the flow rate of the fluid suitable for the photographing device 100 to be used is investigated in advance. Then, the flow velocity of the fluid corresponding to the imaging device 100 is determined, and in the actual bubble measurement, the flow velocity of the fluid passing through the imaging surface is set in a predetermined range or a predetermined value within the range. Thereby, in the actual bubble measurement, it is possible to set an appropriate flow velocity at which the bubble can be measured, and the bubble can be measured clearly.
  • the flow velocity of the liquid passing through the photographing surface of the measuring chamber 80 is adjusted to 200 mm / sec with respect to the photographing apparatus 100 having an image resolution of 1 ⁇ m and an exposure time of 1/2000 seconds.
  • the adjustment is made in the range of 100 to 200 mm / sec, which suppresses adhesion and coalescence of bubbles to the photographing surface and enables clear imaging of bubbles.
  • parameters suitable for grasping the bubble state such as bubble diameter and bubble diameter distribution are selected and used as an index for grasping the bubble state.
  • the control unit 120 is a means for controlling the supply pump 20 and the flow rate adjusting mechanism 21, and may be configured as, for example, a microprocessor having a CPU (Central Processing Unit) 121 and a memory 122.
  • the memory 122 may store an appropriate flow velocity range of the fluid according to the photographing device 100, and the supply pump 20 and the fluid velocity adjusting mechanism 21 may be operated and controlled so that the fluid has an appropriate flow velocity range. ..
  • control unit 120 may also control the operation of the light projecting device 90, the photographing device 100, the image processing device 110, the bubble generating device 30, and the like, if necessary.
  • control unit 120 is not an essential configuration requirement and may be provided as needed.
  • one end of the outlet pipe 40 is connected to the outlet pipe connecting member 85 of the measurement chamber 80, and the other end is connected to the suction side of the supply pump 20 to supply a liquid containing bubbles from the measurement chamber 80. It is a pipe material for transporting to the pump 20.
  • one end of the discharge pipe 50 is connected to the discharge side of the supply pump 20, and the other end is immersed in the liquid held in the holding tank 10, and the liquid discharged from the supply pump 20 is immersed in the holding tank 10. It is a pipe material for transporting to.
  • the frame 70 is a support member for supporting the measurement chamber 80, the light projecting device 90, and the photographing device 100.
  • Example 1 After 18 L of fresh water was put into the holding tank, the bubble generator connected to the holding tank was operated to generate microbubbles in the fresh water.
  • a bubble measuring device was prepared in which the image resolution of the photographing device was set to 1 ⁇ m and the exposure time (shutter speed) was set to 1/2000 seconds, the introduction tube was immersed in fresh water, and the tube pump was operated. At this time, the rotation speed of the roller in the tube pump was adjusted so that the flow rate of fresh water flowing through the imaging surface in the measurement chamber was 200 mm / sec.
  • the image of the bubble that was taken was blurred. It was not possible to obtain a clear image of bubbles, and it was not possible to measure the bubble diameter distribution of microbubbles based on the obtained image.
  • the microbubbles can be reliably measured by appropriately setting the flow velocity of the fluid according to the capacity of the photographing device. , The quality of beneficiation can be improved.
  • Bubble measuring device 10 Holding tank 20
  • Supply pump 21 Flow velocity adjusting mechanism 30
  • Bubble generating device 40 Outlet pipe 50
  • Discharge pipe 60 Introductory pipe 70
  • Frame 80 Measuring chamber 81
  • Introducing pipe connecting member 82 Main member 82a Measuring hole 83a Measuring unit 83
  • First lid Member 84 Second lid member 85
  • Outlet tube connection member 90 Floodlight device 100
  • Imaging device 110 Image processing unit 120 Control unit 121 CPU 122 memory

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Abstract

液体中を移動する気泡を測定する気泡測定装置であって、　測定対象の気泡を含む液体を下側から導入し、導入された前記気泡が上昇してくる位置に撮影面が設けられた、計測チャンバと、　前記撮影面を通過する前記気泡を撮影する撮影装置と、　前記計測チャンバの下方に設けられ、前記計測チャンバに前記気泡を導入する導入管と、　前記計測チャンバの上方に設けられ、前記気泡を含む前記液体を吸い上げて前記計測チャンバへ供給する供給ポンプと、　前記撮影面を通過する前記液体の流速を調整する流速調整機構と、を有し、　前記撮影面を通過する前記液体の流速が、前記流速調整機構により、前記気泡が測定可能となる範囲に合わせて調整されており、　前記範囲が、前記撮影装置の画像分解能、及びシャッター速度に応じて予め求められていること、を特徴とする。

Description

気泡測定装置及び気泡測定方法
　本発明は、気泡測定装置及び気泡測定方法に関する。
　浮選において、鉱石スラリー中の鉱物粒子と気泡との接触は重要な機構である。その接触確率に関し、気泡径は重要な因子であることが知られており、気泡径を把握する試みがこれまでなされてきた。特に、気泡径が１～１００μｍの微細な気泡はマイクロバブルと呼ばれ、応用の可能性が期待されている。しかし、微細な気泡は浮力が非常に小さく、従来の気泡測定装置では、気泡を測定するエリアである撮像セルに微細な気泡を導入することが難しいという問題があった。
　この問題を解決するための方法として、例えば、特許文献１に示す方法が開示されている。特許文献１に記載の方法は、測定対象の気泡を撮影する画像撮影部、および、気泡にレーザー光を照射して回折・散乱光の強度分布を表す光強度分布データを取得する光強度測定部にポンプを接続し、このポンプを作動させることにより、測定対象の気泡を含む液体を画像撮影部、および、光強度測定部へと送液し、画像撮影部から取得される画像情報と、光強度測定部から取得される光強度分布データに基づいて、気泡群の粒度分布を測定する方法である。かかる方法により、気泡群の粒度分布を測定することができる。
特開２０１８－４４５０号公報
　ところで、液体中には測定対象の気泡のほかに気泡以外の異物が含まれている。特許文献１に記載の方法では、測定対象の気泡と気泡以外の異物との識別を行うため、この識別を画像測定部から取得される画像情報に基づいて行っている。具体的には、球形状の画像を気泡と判定し、一方、扁平形状の画像を異物と判定する、という機械的な方法で行っている。こうした判定を適切に行うためには、判定に用いられる画像が、判定を適切に行うことのできる程度に鮮明に撮影されていることが必要である。撮影された気泡の像にブレが生じた場合などは、撮影された気泡の像は扁平形状の画像となるので異物と判定されてしまい、適切な判定を行うことができない。
　しかしながら、上述の特許文献１に記載の方法には、鮮明な画像を撮影するための方法は開示されていない。
　そこで、本発明は、微細な気泡を鮮明に撮影して測定することのできる、気泡測定装置及び気泡測定方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る発明は、液体中を移動する気泡を測定する気泡測定装置であって、
　測定対象の気泡を含む液体を下側から導入し、導入された前記気泡が上昇してくる位置に撮影面が設けられた、計測チャンバと、
　前記撮影面を通過する前記気泡を撮影する撮影装置と、
　前記計測チャンバの下方に設けられ、前記計測チャンバに前記気泡を導入する導入管と、
　前記計測チャンバの上方に設けられ、前記気泡を含む前記液体を吸い上げて前記計測チャンバへ供給する供給ポンプと、
　前記撮影面を通過する前記液体の流速を調整する流速調整機構と、を有し、
　前記撮影面を通過する前記液体の流速が、前記流速調整機構により、前記気泡が測定可能となる範囲に合わせて調整されており、
　前記範囲が、前記撮影装置の画像分解能、及びシャッター速度に応じて予め求められていること、を特徴とする。
　本発明によれば、微細な気泡を鮮明に撮影して測定することができる。
気泡測定装置の装置構成を示した概略図である。 計測チャンバの詳細図である。 気泡径が１０μｍの気泡を画像分解能が１０μｍの撮影装置で撮影したときの画像認識の様子を示した図である。 気泡径が１０μｍの気泡を画像分解能が１μｍの撮影装置で撮影したときの画像認識の様子を示した図である。 気泡径５μｍの気泡を画像分解能が１０μｍの撮影装置で撮影したときの画像認識の様子を示した図である。 気泡径５μｍの気泡を画像分解能が１μｍの撮影装置で撮影したときの画像認識の様子を示した図である。 気泡測定装置を用いて測定した気泡の測定結果である。
　以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
　図１は、本実施の形態に係る気泡測定装置の構成を示す概略図である。本実施の形態に係る気泡測定装置１は、導入管６０と、フレーム７０と、計測チャンバ８０と、導入管接続部材８１と、投光装置９０と、撮影装置１００と、画像処理部１１０と、制御部１２０と、供給ポンプ２０と、流速調整機構２１と、導出管４０と、排出管５０とを備える装置であり、導入管６０が保持槽１０に保持された液体に浸漬されている。
　導入管６０は計測チャンバ８０の下方に導入管接続部材８１を介して接続され、計測チャンバ８０に液体を送液可能に設けられている。計測チャンバ８０の一方の面（上方を向いている面）は撮像面をなし、撮像面に対向して撮像装置１００が設けられている。また、計測チャンバ８０の他方の面（下方を向いている面）に対向して、投光装置９０が設けられている。計測チャンバ８０の上端には導出管４０が接続され、導出管４０の上端に供給ポンプ２０が設けられている。供給ポンプ４０の下面に排出管５０が接続されており、排出管５０の下端は保持槽１０内の液体に浸漬している。また、供給ポンプ２０には流速調整機構２１が接続されている。
　保持槽１０には、液体の内部に気泡を発生させるための気泡発生装置３０が接続されている。本実施の形態に係る気泡測定装置１は、例えば、この気泡発生装置３０によって液体の内部に気泡径が１～１００μｍの微細な気泡（以下、マイクロバブルともいう。）を含む気泡を発生させた場合、これらの気泡を鮮明に撮影することができる。そして、この撮影された画像に基づいて気泡の測定、つまり、気泡径や気泡径分布（気泡群の粒度分布）などの測定を行うことができる。
　本実施の形態において、マイクロバブルを含む気泡の撮影と測定は、具体的には、以下の各ステップを経ることによって行われる。
　まず、保持槽１０に保持された液体の内部にマイクロバブルを含む気泡を発生させた状態において、気泡測定装置１の供給ポンプ２０を作動させ、気泡発生装置３０で発生させた気泡を含んだ液体を、導入管６０を経由して計測チャンバ８０内に導入する。この場合、計測チャンバ８０内の撮影面を通過する液体の流速は、マイクロバブルを含む気泡を鮮明に撮影することのできる流速範囲となるように、流速調整機構２１によって調整されている。（ステップ１）なお、流速調整機構２１における流速の調整の詳細は後述する。
　次に、計測チャンバ８０内の撮影面の反対面に投光装置９０から光を照射し、撮影装置１００を用いて撮影面を通過する気泡を撮影する。（ステップ２）
　次に、撮影した画像から液体に含まれる気泡の気泡径や気泡径分布等の計測に必要な情報を取得し、それらの値を計測する。（ステップ３）
　以下、気泡測定装置１を構成する構成要素についてさらに説明する。
　（導入管）
　本実施の形態において、導入管６０は両端が解放された管材である。一端は保持槽１０に保持された液体に浸漬され、他端は導入管接続部材８１に接続されている。本実施の形態では、導入管６０内に取り込まれた気泡を計測チャンバ８０内へと導入するために、気泡自体が有する浮力だけでなく、後述の供給ポンプ２０を作動させることにより発生する動力が利用される。
　（計測チャンバ）
　本実施の形態において、計測チャンバ８０は複数の透明な部材から構成されている。本実施形態では、これらの部材の材質は塩化ビニルである。部材の材質としては投光装置９０から投光される光が計測チャンバ８０を透過して撮影装置１００で計測できるよう光透過率の高い部材を好適に用いることができる。部材の光透過率は波長４００ｎｍ～７００ｍｍの可視光領域で８０％以上が好ましく、９０％以上がさらに好ましい。
　上述の光学特性を満足する部材としては塩化ビニルの他にガラス、アクリル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート等を用いることができる。
　塩化ビニルは安価で加工性が高く透明性も高いため計測チャンバ８０の部材として好適に用いることができる。またアクリルは塩化ビニルよりも透明性が高く、傷が付きにくく透明度の低下が少ないため、交換が難しい場所への設置に好適に用いることができる。
　計測チャンバ８０には、図２に示すように、主部材８２と、この主部材８２を挟むように、第１ふた部材８３と第２ふた部材８４とが設けられている。主部材８２の外形は、厚みのある四角形の板形状、すなわち扁平な四角柱の形状をしている。主部材８２には、径が比較的大きな計測孔８２ａが設けられている。この計測孔８２ａの軸線方向は、主部材８２の四角柱形態のもっとも薄い厚さの、厚さ方向（以下この方向を主部材８２の厚さ方向と称することがある）と一致している。この計測孔８２ａをふさぐように、主部材８２を、第１ふた部材８３と第２ふた部材８４とで挟み込むことで、計測孔８２ａ部分が、計測孔８２ａの軸線方向に閉じられた空間となる。
　ここで、主部材８２と第１ふた部材８３と第２ふた部材８４とで構成される空間のうち、第１ふた部材８３の右側の面を透明傾斜面と称し、この透明傾斜面のうち、計測孔８２ａが位置している部分を測定部８３ａと称する。本実施の形態において、この透明傾斜面が撮影面に相当する。
　計測チャンバ８０は、さらに主部材８２の下側に設けられている導入管接続部材８１と、主部材８２の上側に設けられている導出管接続部材８５とを含んで構成され、導入管接続部材８１を介して導入管６０が接続されている。ここで、導入管接続部材８１は通過孔を有し、導入管接続部材８１と導出管接続部材８５はいずれも筒状構造であるので、これらの部材を通して、計測チャンバ８０は上下方向に連通した構造となっている。このように連通していることにより、計測チャンバ８０内の透明傾斜面、つまり、撮影面に液体を通過させることが可能になるとともに、液体内の気泡を導入管６０から導入することができる。
　また、導入管接続部材８１の上面は、水平面から傾き角θだけ傾いている。このように導入管接続部材８１の上面が傾いていることにより、導入管接続部材８１の軸線が鉛直方向となるように計測チャンバ８０が配置されたとき、測定部８３ａを含む透明傾斜面が、鉛直から傾き角θだけ傾く。すなわち、透明傾斜面の法線が下向きになり、透明傾斜面が斜め下を向く姿勢となる。傾き角θは、導入口からの気泡の上昇してくる位置に透明傾斜面が位置するように決定される。本実施形態では傾き角θは１５度であるが、用途に応じて種々の角度に設定してよい。なお、測定部８３ａを傾斜させることにより、気泡の撮影の際、気泡にピントを合わせることが容易となる。
　本実施形態の気泡測定装置１を構成する主部材８２の計測孔８２ａの直径Ｌ１は、導入管６０の内面の直径よりも長くなっている。ここで、計測孔８２ａの直径Ｌ１は、透明傾斜面を正面から見たときの測定部８３ａの左右方向の長さである。
　また主部材８２には、上述したように計測孔８２ａが設けられるとともに、この計測孔８２ａと導入管６０とを連通させるための拡大連通部が設けられている。拡大連通部は、溝形状である。拡大連通部の溝部分の測定部８３ａにいたるまでの左右方向の長さが、下側から上側に向けて一定の割合で長くなっている。拡大連通部の溝形状の深さは、主部材８２の厚さ方向の長さの１／３の深さを有している。
　（投光装置）
　本実施の形態において、投光装置９０は、計測チャンバ８０の一方の面からあらかじめ定められた種類の光を測定部８３ａに照射する。これにより、計測チャンバ８０内の撮影が容易となる。照明手段としては、例えば、白色ＬＥＤなどの面照明などが好適に用いられる。
　（撮影装置）
　本実施の形態において、撮影装置１００は、少なくとも静止画または動画のいずれかを撮影することができるデジタルカメラなどが好適に用いられる。この撮影装置１００で撮影された気泡のサイズおよび数量は、画像処理を行うソフトウェアで解析されることが好ましい。撮影装置１００は、気泡を適切に撮影できる限り、種々の撮影装置を用いてよい。本実施の形態において、撮影装置１００は測定対象の気泡を大きさごとに分離して撮影することが可能な画像分解能を有している。
　ここで、画像分解能とは、以下の式（１）によって求められる値であり、撮影装置１００の撮像素子に格子状に並ぶ画素（ピクセル）の１画素が何ｍｍに相当するのかを表す値である。例えば、撮像視野（Ｙ方向）を１００ｍｍとした場合、Ｙ方向の画素数が４８０画素の撮影装置の画像分解能は、１００［ｍｍ］÷４８０画素＝０．２０８［ｍｍ］となる。
　画像分解能＝撮像視野（Ｙ方向）［ｍｍ］÷撮像素子の画素数（Ｙ方向）　　（１）
　図３Ａ～３Ｄは、撮影装置の画像分解能と測定可能な気泡の大きさとの関係について説明するための図である。図３Ａは、気泡径が１０μｍの気泡を画像分解能が１０μｍの撮影装置で撮影したときの画像認識の様子を示した図であり、図３Ｂは、上記と同じ気泡を画像分解能が１μｍの撮影装置で撮影したときの画像認識の様子を示した図である。そして、図３Ｃは、気泡径５μｍの気泡を画像分解能が１０μｍの撮影装置で撮影したときの画像認識の様子を示した図であり、図３Ｄは、上記と同じ気泡を画像分解能が１μｍの撮影装置で撮影したときの画像認識の様子を示した図である。
　画像分解能が１０μｍの撮影装置では、図３Ａ及び図３Ｃに示されるとおり、気泡径が１０μｍの気泡も、気泡径が５μｍの気泡も、１ピクセルとして画像認識され、つまり、気泡径が１０μｍ以下の気泡は１ピクセルとして画像認識されて、大きさごとに分離して画像認識を行うことができないのに対し、画像分解能が１μｍの撮影装置では、図３（ｂ）（ｄ）に示されるとおり、気泡径が１０μｍの気泡は９１ピクセル、気泡径が５μｍの気泡は３２ピクセルとして画像認識され、大きさごとに分離して画像認識を行うことができる。このように、画像分解能が小さな値になる程、小さな気泡を大きな気泡から分離して画像認識することが可能である。
　さて、本実施の形態において、撮影装置１００は、上述したように、測定対象の気泡を大きさごとに分離して撮影することが可能な画像分解能を有している。つまり、撮影装置１００は、測定対象の気泡のなかで最も小さな気泡を画像認識することが可能な画像分解能を有している。本例では、気泡径が１～１００μｍのマイクロバブルを含む気泡を測定対象としているため、１μｍの画像分解能を有した撮影装置が用いられている。これにより、１μｍ以上の気泡を大きさごとに分離して画像認識を行うことが可能である。なお、撮影装置１００の画像分解能は、測定対象の気泡のなかで最も小さな気泡の大きさと同一の大きさである必要はなく、より小さな値を有していればよい。これにより、測定対象の気泡を大きさごとに分離して画像認識を行うことが可能である。
　一方、撮影装置１００が気泡を大きさごとに画像認識することが可能な画像分解能を有していない場合、撮影された気泡の画像は実際の気泡の形態を反映したものとなっていないため、このような画像に基づいて気泡の測定を行うことは好ましくない。
　また、本実施の形態において、撮影装置１００の露出時間（シャッター速度）は、撮影された画像の明るさが気泡の測定を行うことができる程度の明るさを有するために必要な露出時間に設定されている。露出時間の設定に際し、露出時間はできるだけ小さな時間であることが好ましい。これにより、撮影した気泡の画像にブレが生じてしまうことを抑制することができる。本例では、露出時間は１／２０００秒に設定されている。
　（供給ポンプ２０）
　本実施の形態において、供給ポンプ２０は、気泡を含む液体を保持槽１０から吸い上げて計測チャンバ８０へと供給するポンプである。供給ポンプ２０は、液体を適切に送液できる限り、種々のポンプを用いてよい。本例では、内部に送液用のローラーを備えたチューブポンプが供給ポンプ２０として用いられ、吸い込み側に後述の導出管４０が接続され、吐き出し側に後述の排出管５０が接続されている。
　（流速調整機構２１）
　本実施の形態において、流速調整機構２１は、前記の供給ポンプ２０を作動させることによって生じる液体の流速を調整するもので、本例では、供給ポンプ２０の送液用のローラーを駆動させる駆動装置がブラシレスモーターであることから、このブラシレスモーターへの印加電圧を制御する印加電圧制御回路が用いられている。印加電圧制御回路を用いてブラシレスモーターへの印加電圧を調整することにより、ブラシレスモーターの速度（回転数）が調整され、供給ポンプ２０からの液体の吐出量、即ち、計測チャンバ８０の撮影面を通過する液体の流速が調整されるようになっている。
　なお、流速調整機構２１は、供給ポンプ２０からの液体の吐出量、即ち、計測チャンバ８０の撮影面を通過する液体の流速が調整することができれば、その手段は問わない。より詳細には、供給ポンプ２０に用いられる駆動装置の種類に応じてこの駆動装置の速度制御を行うことができるものであれば、種類は特に限られない。例えば、供給ポンプ２０の駆動装置に交流モーターが用いられる場合には、交流モーターの駆動周波数を制御するインバーター回路であってもよいし、供給ポンプ２０の駆動装置にサーボモーターが用いられる場合には、サーボモーターの速度制御部を備えたドライバ回路などであってもよい。また、流速調整機構２１は独立して設けられている必要はなく、例えば、供給ポンプ２０の構成要素の一つに含まれるようにして設けられていてもよい。
　さて、本実施の形態において、計測チャンバ８０の撮影面を通過する液体の流速は、使用する撮影装置１００の画像分解能とシャッター速度において、適切に気泡が測定できる範囲を予め定めておく。具体的には、本実施形態に係る気泡測定装置１を用いて、どの位の流速であれば、撮影装置１００で測定可能であるかを調べておく。上述のように、撮影装置１００の画像分解能が小さく、シャッター速度が短ければ、流体の流速を速く設定するが、画像分解能が大きく、シャッター速度が長い場合には、流体の速度を遅く設定する。この場合、気泡が撮影面に付着したり、気泡に合一が生じたりすることのない流速となるように考慮する。上記は、例えば、気泡径分布（気泡群の粒度分布）が既知である気泡発生装置を準備し、この気泡発生装置から発生させた気泡径分布を測定し、その結果を既知の気泡径分布と比較することによって行うことができる。
　このように、撮影装置１００の能力により、気泡の測定が可能な液体の流速の範囲が定まるので、予め使用する撮影装置１００に適した流体の流速を予め調べておく。そして、撮影装置１００に応じた流体の流速を定めておき、実際の気泡測定では、予め定められた範囲、又はその範囲内の所定値に、撮影面を通過する流体の流速を設定する。これにより、実際の気泡測定において、気泡測定可能な適切な流速を設定することができ、クリアに気泡を測定することができる。
　本例では、計測チャンバ８０の撮影面を通過する液体の流速は、画像分解能が１μｍであり露出時間が１／２０００秒に設定された撮影装置１００に対して、２００ｍｍ／秒に調整されているが、１００～２００ｍｍ／秒の範囲に調整されていればよく、これにより、気泡の撮影面へ付着や合一が生じてしまうことが抑制され、気泡を鮮明に撮影することができる。
　なお、気泡の測定は、気泡径、気泡径分布等の気泡の状態を把握するのに適したパラメータが選択され、気泡状態を把握する指標として用いられる。
　（制御部）
　制御部１２０は、供給ポンプ２０及び流量調整機構２１を制御する手段であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置）１２１及びメモリ１２２を有するマイクロプロセッサとして構成されてもよい。この場合、メモリ１２２に撮影装置１００に応じた適切な流体の流速範囲を記憶させておき、供給ポンプ２０及び流体速度調機構２１を流体が適切な流速範囲となるように運転制御してもよい。
　また、制御部１２０は、必要に応じて、投光装置９０や、撮影装置１００や、画像処理装置１１０や、気泡発生装置３０等の動作も制御してもよい。
　なお、制御部１２０は必須の構成要件ではなく、必要に応じて備えられてよい。
　（その他の構成要素）
　本実施形態において、導出管４０は、一端が計測チャンバ８０の導出管接続部材８５に接続され、他端が供給ポンプ２０の吸い込み側に接続されており、気泡を含む液体を計測チャンバ８０から供給ポンプ２０へ輸送するための管材である。
　また、排出管５０は、一端が供給ポンプ２０の吐き出し側に接続されており、他端が保持槽１０に保持された液体に浸漬されており、供給ポンプ２０から排出された液体を保持槽１０へ輸送するための管材である。
　また、フレーム７０は、計測チャンバ８０、投光装置９０及び撮影装置１００を支持するための支持部材である。
　［実施例］
　［実施例１］
　保持槽に淡水１８Ｌを入れた後、この保持槽に接続された気泡発生装置を作動させて淡水内にマイクロバブルを発生させた。
　次に、撮影装置の画像分解能が１μｍ、露出時間（シャッター速度）が１／２０００秒に設定された気泡測定装置を準備し、導入管を淡水内へ浸漬し、チューブポンプを作動させた。このとき、チューブポンプ内のローラーの回転数を、計測チャンバ内の撮影面を流れる淡水の流量が２００ｍｍ／秒となるように調整した。
　次に、撮影面を流れる淡水に含まれる気泡を撮影し、得られた画像に画像処理を行って気泡の測定を行った。その測定結果を図４に示す。鮮明な気泡の画像が得られ、得られた画像に基づいてマイクロバブルの気泡径分布を測定することができた。
　［比較例１］
　チューブポンプ内のローラーの回転数を、計測チャンバ内の撮影面を流れる淡水の流量が３００ｍｍ／秒となるように調整した以外は、実施例１と同様にして行った。
　しかし、撮影された気泡の画像にブレが生じてしまった。鮮明な気泡の画像を得ることができず、得られた画像に基づいてマイクロバブルの気泡径分布を測定することはできなかった。
　このように、本実施例によれば、撮影装置に対して流体の流速を調整することにより、マイクロバブルの気泡の測定を行うことができ、気泡状態を適切に把握できることが示された。
　以上説明したように、本実施形態に係る気泡測定装置及び気泡測定方法によれば、撮影装置の能力に応じて流体の流速を適切に設定することにより、マイクロバブルを確実に測定することができ、選鉱の品質を向上させることができる。
　以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施形態及び実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
　本願は、日本特許庁に２０２０年１１月６日に出願された基礎出願2020-185831号の優先権を主張するものであり、その全内容を参照によりここに援用する。
１　　気泡測定装置
１０　保持槽
２０　供給ポンプ
２１　流速調整機構
３０　気泡発生装置
４０　導出管
５０　排出管
６０　導入管
７０　フレーム
８０　計測チャンバ
８１　導入管接続部材
８２　主部材
８２ａ　計測孔
８３ａ　測定部
８３　第１ふた部材
８４　第２ふた部材
８５　導出管接続部材
９０　投光装置
１００　撮影装置
１１０　画像処理部
１２０　制御部
１２１　ＣＰＵ
１２２　メモリ

Claims (5)

  1. 　液体中を移動する気泡を測定する気泡測定装置であって、
    　測定対象の気泡を含む液体を下側から導入し、導入された前記気泡が上昇してくる位置に撮影面が設けられた、計測チャンバと、
    　前記撮影面を通過する前記気泡を撮影する撮影装置と、
    　前記計測チャンバの下方に設けられ、前記計測チャンバに前記気泡を導入する導入管と、
    　前記計測チャンバの上方に設けられ、前記気泡を含む前記液体を吸い上げて前記計測チャンバへ供給する供給ポンプと、
    　前記撮影面を通過する前記液体の流速を調整する流速調整機構と、を有し、
    　前記撮影面を通過する前記液体の流速が、前記流速調整機構により、前記気泡が測定可能となる範囲に合わせて調整されており、
    　前記範囲が、前記撮影装置の画像分解能、及びシャッター速度に応じて予め求められていること、を特徴とする、気泡測定装置。
  2. 　前記流速調整機構は、前記供給ポンプからの吐出量を調整することにより前記液体の流速を調整する、請求項１に記載の気泡測定装置。
  3. 　前記撮影装置の前記画像分解能が１μｍであり、前記シャッター速度が１／２０００秒に設定され、前記気泡の最小気泡径が１μｍであるときに、前記流速調整機構は、前記撮影面を通過する前記液体の流速が１００～２００ｍｍ／秒の流速範囲に調整する請求項１または２に記載の気泡測定装置。
  4. 　予め調べた前記気泡が測定可能な前記液体の流速を記憶する記憶手段と、
    　前記記憶手段に記憶された前記液体の流速に応じて前記流速調整機構を制御する制御手段と、を更に有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の気泡測定装置。
  5. 　液体中を移動する気泡を測定する気泡測定方法であって、
    　測定対象の気泡を含む液体を、撮影面を有する計測チャンバ内に下方から導入する工程と、
    　前記撮影面を通過する気泡を、撮影装置を用いて撮影する工程と、
    　前記撮影装置を用いて撮影した画像から、前記気泡を測定する工程と、を有し、
    　前記気泡を含む液体を前記計測チャンバ内に導入する工程は、予め調べた、前記撮影装置の画像分解能とシャッター速度で前記気泡が測定可能な流速に合わせた状態で行われる気泡測定方法。
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