JP2002148270A - 粒子速度の測定方法及び粒子速度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 画像処理法を有効に活用して、ブラスト噴流
中の投射材のような、粒径の小さな粒子の速度を測定す
る。 【解決手段】 噴射ノズル１１から噴射される圧縮空気
とともに圧送された投射材Ｐを含む噴流Ｊを、ストロボ
１２とデジタルカメラ１３とを用いて撮影した多重露光
のシャドウ写真を画像処理装置２０に取込み、上記シャ
ドウ写真の中から、２つの同一粒子と推定される粒子像
を抽出し、上記粒子の画像上での位置関係を演算して上
記粒子の移動距離を測定して上記固体粒子の速度を算出
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、ブラスト
処理における投射材の噴流のように、気体あるいは液体
から成る流体に固体粒子が混入した二相噴流中の固体粒
子の投射速度を測定する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属の接着前処理である下地荒らしや表
面処理や金属表面に付着しているサビ，バリ，スケール
などの除去、あるいは治具や金型表面に付着した塗装剤
などを除去する方法として、研磨砂あるいは鉄，銅，
鉛，アルミニウムなどの金属片など細粒状の投射材を圧
縮空気に混入して圧送し、処理材の表面に吹き付けて、
上記処理材表面を研磨するブラスト処理が知られてい
る。このようなブラスト処理を効率よく行うためには、
上記投射材の処理材に与える衝撃力（投射力）を適正に
制御する必要がある。上記投射力は、投射材の噴射速度
を測定することで推定することができるが、現状では、
投射材の噴射速度を精度よく測定することのできる装置
は実用化されていなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来、空間を飛翔する
固体の速度を測定する方法としては、連続的にあるいは
所定の間隔をおいて、超音波あるいは電磁波を固体に照
射しその反射波の情報から上記固体の移動速度を検出す
るを測定する方法や、レーザードップラー効果を利用し
た方法があるが、これらの装置は非常に高価である上、
操作が複雑であり実用的ではなかった。すなわち、レー
ザードップラー測定法では、装置の操作が複雑でかつ装
置が専用機であるため、広い設置場所が必要である上、
レーザー，カメラ，レンズ等の高価な部品が一体化され
ているので扱いにくいという欠点がある。また、超音波
あるいは電磁波を用いた測定方法では、上記投射材の粒
径が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍと小さいだけでなく、速度
も１０ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓと高速であるため、十分な
測定精度を得ることができなかった。また、上記噴流を
通常の順光撮影で撮影して、上記撮影された写真から固
体粒子の速度を算出する方法も考えられるが、上記投射
材の粒径サイズが小さいので、接写レンズを用いて拡大
して撮影しなければならないため、高度な技術を必要と
するだけでなく、非常に強い照明が必要となり、熱の発
生や使用電力の点からも実用的ではない。

【０００４】本発明は、従来の問題点に鑑みてなされた
もので、画像処理法を有効に活用して、ブラスト噴流中
の投射材のような、粒径の小さな粒子の速度を測定する
方法とその装置とを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の粒子速度の測定方法は、流体に固体粒子が混入した噴
流の多重露光のシャドウ写真を撮影した後、上記シャド
ウ写真の中から、少なくとも２つの同一粒子と推定され
る粒子像を抽出して上記粒子の移動距離を測定し、上記
移動距離と撮影間隔とに基づいて、上記固体粒子の速度
を算出するようにしたことを特徴とする。

【０００６】請求項２に記載の粒子速度の測定方法は、
上記粒子像を画像処理装置に取込み、上記粒子像の画像
上での位置関係を演算して上記粒子の移動距離を測定す
るようにしたことを特徴とする。

【０００７】請求項３に記載の粒子速度測定装置は、噴
射手段から噴出される、流体に固体粒子が混入した噴流
に光を照射する手段と、上記噴流の多重露光のシャドウ
写真を撮影する撮影手段とを備えるとともに、上記撮影
手段により撮影されたシャドウ写真の中から、少なくと
も２つの同一粒子と推定される粒子像を含む画像を取り
込んで画像処理する手段と、上記粒子の画像から上記粒
子の移動距離を算出する手段と、上記算出された移動距
離と撮影間隔とに基づいて、上記固体粒子の速度を算出
する手段とを備えた画像処理装置を備え、上記撮影され
た多重露光のシャドウ写真を取り込んで画像処理し、上
記固体粒子の速度を算出するようにしたものである。

【０００８】請求項４に記載の粒子速度測定装置は、上
記画像処理する手段に取り込まれた同一粒子と推定され
る粒子の画像をマーキングして指定する手段を備えると
ともに、上記マーキングされた粒子像のそれぞれの位置
データを演算する手段と、上記演算された各粒子像の位
置データから、上記粒子の噴流の軸方向成分及び直交成
分の移動距離と、回転角度とを算出する手段とを備えた
画像処理装置を備え、、上記算出された軸方向成分及び
直交成分の移動距離と回転角度と、上記撮影間隔とか
ら、上記特定粒子の速度の軸方向成分及び直交成分と回
転速度とを算出するようにしたものである。

【０００９】請求項５に記載の粒子速度測定装置は、透
明ケースを設け、この透明ケースに上記噴射手段を固定
するとともに、上記ストロボとカメラとを、上記透明ケ
ースの外側に配設し、噴射された固体粒子がストロボや
カメラに飛散するのを防ぐようにしたものである。

【００１０】請求項６に記載の粒子速度測定装置は、実
際のブラスト処理と同様に、噴流の下方に、噴流を衝突
させるための処理材を配設するとともに、固体粒子の散
乱方向に、上記噴流の方向に対して傾斜した邪魔板を設
けて、固体粒子の跳ね返りを防止し、落下する固体粒子
のみを撮影できるようにしたものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面に基づき説明する。図１は本実施の形態に係わ
る粒子速度測定装置１０の構成を示す図で、１１は圧縮
空気とともに圧送された研磨砂などの投射材Ｐを噴射す
る噴射ノズル、１２は上記噴射ノズルからの噴流Ｊに光
を照射するストロボ、１３は上記ストロボの照射に連動
して上記噴流Ｊの多重露光写真を撮影する、高解像度Ｃ
ＣＤ撮像素子を搭載したデジタルカメラ、１４は上記デ
ジタルカメラ１３の露出時間や遅延時間、多重露出の回
数などを設定するとともに、ストロボ１２の照射のタイ
ミングとデジタルカメラ１３の撮影のタイミングとを制
御するコントローラ、２０は上記デジタルカメラ１３の
出力である、撮影された多重露光のシャドウ写真の画像
データを取り込んで画像処理し、上記噴流中の固体粒子
の速度を算出する画像処理装置である。

【００１２】図２は画像処理装置２０の構成を示すブロ
ック図で、２１は映像データ入力手段、２２はキーボー
ドやマウスを備えた画像操作手段、２３は上記撮影され
た多重露光のシャドウ写真を取り込んで画像中の粒子像
の位置データを演算する画像データ演算手段、２４は上
記位置データ粒子の画像からの上記粒子の移動距離を算
出する移動距離算出手段、２５は上記算出された移動距
離と、コントローラ１５から送られてきた多重露光の撮
影間隔とに基づいて、上記固体粒子の速度を算出する粒
子速度算出手段、２６は映像データ入力手段２１から入
力された多重露光のシャドウ写真の画像を表示する画像
表示手段であるディスプレイである。なお、上記多重露
光の撮影間隔は、画像操作手段２２を用いて入力しても
よい。画像データ演算手段２３は、画像処理装置２０に
取り込まれた上記粒子像から少なくとも２つの同一粒子
と推定される粒子像を抽出してそれぞれの位置データを
演算する。同一粒子と推定は、ソフトウエアによって、
各粒子像の輪郭の座標を算出して実質合同な粒子像を推
定することにより可能であるが、粒子像が多く、粒子像
の一部が重なった場合などは演算処理が複雑でなるの
で、本実施の形態では、測定者がディスプレイ２６の画
面上で同一粒子像を推定して、画像操作手段２２を操作
してこの推定された２個の粒子像の輪郭に沿って予めマ
ーキングし、このマーキングされた２つの粒子像の位置
データを画像データ演算手段２１で算出する。移動距離
算出手段２４は、上記演算された各粒子像の位置データ
から、上記粒子のそれぞれについて、噴流の軸方向成分
及び直交成分の移動距離と、回転角度とを算出する。粒
子速度算出手段２５は、上記算出された上記算出された
軸方向成分及び直交成分の移動距離と回転角度と、撮影
間隔とから、上記特定粒子の速度の軸方向成分及び直交
成分と回転速度とを算出する。

【００１３】次に、粒子速度の測定方法について説明す
る。本実施の形態では、図３に示すように、透明ケース
から成る計測用ブラスト室（以下、ブラスト室という）
１５の天井部１５ａに噴射ノズル１１を設置し、実際の
ブラスト処理と同様に、上記ブラスト室１５の中央部に
ワーク保持台１６を設けて、これにワークＷを固定し、
このワークＷに噴射ノズル１１から圧縮空気とともに噴
出される投射材Ｐを衝突させるとともに、上記投射材Ｐ
を含む噴流Ｊにストロボから光を照射しながら、デジタ
ルカメラ１３を用いて、上記噴流Ｊの状態を所定の撮影
間隔を置いて２回シャドウ撮影し、後述するように、上
記撮影された多重露光のシャドウ写真を画像処理して投
射材Ｐの落下速度を測定する。なお、上記図３では、コ
ントローラ１４と画像処理装置２０は省略した。デジタ
ルカメラ１３とストロボ１２とは、上記ブラスト室１５
の対向する側面１５ｂ，１５ｃのそれぞれの外側に、ス
トロボ１２の照射光がシャドウ撮影するデジタルカメラ
１３のレンズに直接入るようにセットする。なお、シャ
ドウ撮影であるので、ストロボ１２からの照射光を特に
強くする必要はない。上記デジタルカメラ１３のレンズ
は、撮影対象となる投射材Ｐのザイズや噴出圧などによ
って適宜選択されるもので、必要に応じて接写レンズや
ズームレンズを用いてもよい。また、撮影間隔及び露光
時間は、２回撮影された粒子像の位置が識別可能である
ように、投射材Ｐの速度に応じて調整する。なお、Ｚは
ブラスト室１５の上部に設けられた、噴射ノズル１１か
らの噴流を遮断するためのシャッターで、通常は開放状
態にある。

【００１４】また、上記ワークＷによる投射材Ｐの散乱
方向には、上記噴流Ｊの方向に対して互いに反対方向へ
傾斜した邪魔板１７を、交互に上，下方向に複数段設け
て投射材Ｐの跳ね返りを防止するようにしている。これ
により、噴出された投射材Ｐは、上記落下する邪魔板１
７の傾斜面に沿って下方に流れ、ブラスト室１５の床面
１５ｄに落下するので、落下する投射材Ｐのみを撮影す
ることができる。上記ブラスト室１５の床面１５ｄに落
下した投射材Ｐは、ブラスト室１５の側面（ここでは側
面１５ｃ）の下方に設けられた吸引手段１８の吸込み口
１８Ｓからブラスト室１５の外部へ排出される。なお、
所定時間に噴射された投射材Ｐの重量を測定する場合に
は、所定のタイミングでシャッターＺを開閉するととも
に、上記邪魔板１７の下方に、落下した投射材Ｐを回収
する回収槽１９を配設して上記落下した投射材Ｐを回収
する。

【００１５】図４（ａ）は、画像処理装置２０に取り込
まれディスプレイ２６の画面上に表示された多重露光の
シャドウ写真の画像を示す模式図で、測定者は、上記画
像から２つの同一粒子を推定し、画像操作手段２２であ
るキーボードあるいはマウスを操作して、同図の太い実
線で示すように、上記推定された２つの粒子像Ａ，Ｂの
輪郭に沿ってそれぞれマーキングを施す。本実施の形態
では、測定者が上記画像から２つの同一粒子を推定する
ので、例えば、画像操作手段２２であるキーボードある
いはマウスを操作して、上記推定された２つの粒子像
Ａ，Ｂの輪郭に沿って、同図の太い実線で示すようなマ
ーキングを施す。本実施の形態では、測定者がディスプ
レイ２６の画面上で同一粒子像を推定して、その粒子像
の輪郭をマーキングするようにしているので、例えば、
図４（ｂ）に示すように、同一の粒子像Ｃ，Ｄの一部が
重なった場合であっても、上記粒子の粒子像Ｃ，Ｄの輪
郭をマーキングすることができる。

【００１６】次に、図５に示すような、同一粒子像と推
定され、マーキングを施された２つの粒子像Ａ，Ｂの位
置データを、画像データ演算手段２１により演算する。
なお画面上では、投射材Ｐの落下方向をＸ軸とし、落下
方向と直角な方向をＹ軸とし、座標軸の原点Ｏは噴射ノ
ズル１１の噴射口の位置とする。画像データ演算手段２
１は、上記粒子像Ａ，Ｂの輪郭の座標を読み取り、それ
ぞれの重心位置Ｇ，ｇの座標を演算し、これを上記粒子
像Ａ，Ｂの位置データとして移動距離算出手段２４にお
くる。なお、粒子像Ａ，Ｂの距離がある程度離れている
場合には、測定者が画面上で指定した上記粒子像Ａ，Ｂ
内の点を重心Ｇ，ｇとして使用しても精度的には問題な
い。移動距離算出手段２４は、上記演算された重心位置
Ｇ，ｇ間の距離Ｌを求めて、これを上記粒子像の噴流の
移動距離とする。また、軸方向成分及び直交成分の移動
距離は上記距離Ｌの正射影ｘ及びｙとして求められ、回
転角θは、画面上にない原点Ｏと上記重心位置Ｇ，ｇと
をそれぞれ結んだ線分ＯＧ，Ｏｇとのなす角度として求
められる。粒子速度算出手段２５は、上記算出された移
動距離Ｌ，ｘ，ｙ及び回転角θと、コントローラ１４か
ら送られてきた多重露光の撮影間隔Ｔ１とから、下記の
式により、上記粒子の速度Ｖとその軸方向成分ｕ及び直
交成分ｖと、回転速度ωとを算出する。 Ｖ＝Ｌ／Ｔ１、ｕ＝ｘ／Ｔ１、ｖ＝ｙ／Ｔ１ ω＝θ／Ｔ１ 本実施の形態では、複数個の粒子速度の軸方向成分ｕ_ｉ
＝／Ｔ１（ｉ＝１，２，‥‥）を測定し、その平均値を
投射材Ｐの落下速度とした。

【００１７】

【実施例】上記構成の粒子速度測定装置１０を用い、投
射材の噴出圧（ノズル直前圧）を変化させるとともに、
撮影間隔Ｔ１，露光時間Ｔ２を適宜選定して多重露光の
シャドウ写真を撮影して画像処理することにより投射材
の噴射速度を測定した。その結果を以下の表１に示す。

【表１】 上記表１より、投射材の落下速度は噴出圧の増加にした
がって増加するが、必ずしも噴出圧には比例しないの
で、投射力を正確に評価するには、噴射圧ではなく、投
射材の噴射速度を測定する必要があることが確認され
た。

【００１８】なお、上記実施の形態では、デジタルカメ
ラ１３で撮影した多重露光のシャドウ写真のデータを画
像処理装置２０に取り込んで画像処理し、上記噴流中の
固体粒子の速度を算出したが、フィルム式のカメラを用
いてシャドウ写真を撮影した後これを現像し、上記現像
写真をスキャナー等で読み込みデジタル化して画像処理
装置２０に取り込むようにしてもよい。また、上記例で
は、多重露光の回数を２回としたが、これに限るもので
はなく、多重露光の回数，撮影間隔及び露光時間は、そ
れぞれ、噴射圧や投射材Ｐの種類などにより適宜決定さ
れるものである。また、移動距離と回転角は、測定者が
画面上で、推定された２つの粒子像Ａ，Ｂの輪郭に沿っ
てマーキングを施した後、どちらか一方の粒子像をマウ
ス操作でドラックしてキーボード上で回転させること
で、他方の粒子像に重ね合わせるような移動・回転操作
を施し、この移動量と回転量から求めるようにしてもよ
い。なお、この操作は、同一の粒子像の一部が重なった
場合に特に有効である。また、投射材Ｐの種類によって
は、粒子の形状が揃っていて見分けにくい場合があるの
で、そのときには、特徴のある形状の試験粒子を投射材
に混合して噴射させ、上記投射材の像から粒子速度を求
めるようにしてもよい。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
流体に固体粒子が混入した噴流の多重露光のシャドウ写
真を撮影した後、上記シャドウ写真を画像処理装置に取
込み、上記シャドウ写真の中から、少なくとも２つの同
一粒子と推定される粒子像の画像上での位置関係を演算
して上記粒子の移動距離を測定して上記固体粒子の速度
を算出するようにしたので、ブラスト噴流中の投射材の
ような、粒径の小さな粒子の速度を正確にかつ容易に測
定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施の形態に係わる粒子速度測定装置を示
す図である。

【図２】 画像処理装置の構成を示すブロック図でであ
る。

【図３】 粒子速度測定装置の外観を示す模式図であ
る。

【図４】 多重露光のシャドウ写真の粒子像を示す図で
ある。

【図５】 粒子の移動速度の測定方法を示す図である。

【符号の説明】

１０ 粒子速度測定装置、１１ 噴射ノズル、１２ ス
トロボ、１３ デジタルカメラ、１４ コントローラ、
１５ 計測用ブラスト室、１６ ワーク保持台、１７
邪魔板、１８ 吸引手段、１８Ｓ 吸込み口、１９ 回
収槽、２０ 画像処理装置、２１ 映像データ入力手
段、２２ 画像操作手段、２３ 画像データ演算手段、
２４ 移動距離算出手段、２５ 粒子速度算出手段、２
６ ディスプレイ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体に固体粒子が混入した噴流の多重露
   光のシャドウ写真を撮影した後、上記シャドウ写真の中
   から、少なくとも２つの同一粒子と推定される粒子像を
   抽出して上記粒子の移動距離を測定し、上記固体粒子の
   速度を算出するようにしたことを特徴とする粒子速度の
   測定方法。
2. 【請求項２】 上記粒子像を画像処理装置に取込み、上
   記粒子像の画像上での位置関係を演算して上記粒子の移
   動距離を測定するようにしたことを特徴とする請求項１
   に記載の粒子速度の測定方法。
3. 【請求項３】 噴射手段から噴出される、流体に固体粒
   子が混入した噴流に光を照射する手段と、上記噴流の多
   重露光のシャドウ写真を撮影する撮影手段とを備えると
   ともに、上記撮影手段により撮影されたシャドウ写真の
   中から、少なくとも２つの同一粒子と推定される粒子像
   を含む画像を取り込んで画像処理する手段と、上記粒子
   の画像から上記粒子の移動距離を算出する手段と、上記
   算出された移動距離と撮影間隔とに基づいて、上記固体
   粒子の速度を算出する手段とを備えた画像処理装置を備
   えたことを特徴とする粒子速度測定装置。
4. 【請求項４】 上記画像処理装置は、上記画像処理する
   手段に取り込まれた同一粒子と推定される粒子の画像を
   マーキングして指定する手段を備えるとともに、上記マ
   ーキングされた粒子像のそれぞれの位置データを演算す
   る手段と、上記演算された各粒子像の位置データから、
   上記粒子の噴流の軸方向成分及び直交成分の移動距離
   と、回転角度とを算出する手段とを備えたことを特徴と
   する請求項３に記載の粒子速度測定装置。
5. 【請求項５】 透明ケースを設け、この透明ケースに上
   記噴射手段を固定するとともに、上記光照射手段と撮影
   手段とを、上記透明ケースの外側に配設したことを特徴
   とする請求項３または請求項４に記載の粒子速度測定装
   置。
6. 【請求項６】 噴流の下方に、噴流を衝突させるための
   処理材を配設するとともに、固体粒子の散乱方向に、上
   記噴流の方向に対して傾斜した邪魔板を設けたことを特
   徴とする請求項５に記載の粒子速度測定装置。