JP2006266730A - 液面位置監視システム及び液面位置監視プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】圧力容器のような不透明で上部が開放されていない容器内の液面位置を確実に監視することができる液面位置監視システムを提供する。
【解決手段】圧力容器１内の液面高さを液面計１１を用いて監視する監視システムであって、液面計１１の画像を撮影するＩＴＶカメラ１３と、カメラ１３により取得された画像データを画像処理し、液面領域の特徴形状を抽出する形状抽出手段２７と、異なる時間に取得された第１・第２画像データに対して、形状抽出手段２７による処理を施した後、両画像データの差分画像データを演算する差分画像演算手段２８を備え、差分画像データから抽出される液面領域の変動データに基づいて、液面位置を抽出する液面位置抽出手段２９と、液面計１１に付与された上限・下限位置に基づいて、許容範囲を設定する許容範囲設定手段３２と、液面位置が許容範囲にあるか否かを判定する判定手段３０と、許容範囲にない場合、異常信号を出力する異常信号出力手段３３とを備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、容器内の液面の高さを液面計を用いて監視する液面位置監視システム及びこのシステムに用いられる液面位置監視プログラムに関するものである。

液面高さを監視すべき容器として、例えば、ボイラー設備に使用される圧力容器があげられる。ボイラー設備では圧力容器内に純水を供給し、これを加熱して気化させてスチームとし、他のプラントへ供給する。化学工場では、スチームは重要なユーティリティの１つであり、安定的な供給が必要とされる。

ボイラー設備では、スチームを発生させるための圧力容器に差圧式液面計が設置されており、この差圧式液面計からの信号に基づいて、容器内の液面位置が適切な範囲となるように、供給される純水の量、加熱量などが自動的に制御されている。また、厚生労働省管轄のボイラー則（ボイラー及び圧力容器安全規則）において遠隔制御されているボイラー設備では、圧力容器内部の液面位置を監視するために、自動検知装置のほかに目視確認するためのサイトグラス式の液面計が義務付けられている。すなわち、上記の差圧式液面計のほかにサイトグラス式の液面計（以下、サイトグラス式液面計を単に「液面計」ということがある。）を用いた監視を行っている。

例えば、圧力容器に２つの液面計を設け、一方の液面計は、オペレータが１日に決められた回数パトロールするときに目視で確認するために使用される。もう一方の液面計は、監視カメラにより撮影し、監視室に設けられたモニターで撮影した液面計の画像を観察することで、液面位置を監視する。

液面計による監視される液面位置には、予め上限位置と下限位置とが設定される。液面が上昇して上限位置を超えた場合、スチームを供給する配管に水が浸入することがある。配管へ水が浸入すると、ウォーターハンマー現象が発生し、大きな音が発生すると共に配管や、下流プラントの機器を破損する恐れがある。また、液面の上昇が急激な水の供給によるものである場合、ボイラーの熱バランスが崩れ、スチームの安定供給に支障が生じる。

また、液面位置が低下して下限位置を下回った場合、ボイラーの空焚きをする恐れが生じる。ボイラー設備では、水の加熱に使用する熱量が多いため、空焚きをすると配管等の溶融が生じ、ボイラー設備の損傷に至る。以上のように、液面の上限・下限位置を監視する必要がある。

自動的に容器内の液面位置を検出するための監視システムを開示する先行技術として、下記特許文献１，２が知られている。特許文献１は、容器の液面の高さを画像処理により計測するものであり、カメラより取り込んだ液面表面付近の画像中の側壁の状況と液体表面の状況を画像解析し、側壁と液面の境界位置を推定する。具体的には、側壁に斜めの直線を描画し、液体の上方での直線像と液体中での直線像の位置関係に基づき、液面位置を取得する。

特許文献２では、内容液が充填された飲料缶の開口端の上部側方にテレビカメラを設置し、缶端上部と液面上端部を撮影し、輪郭強調処理を施すことで、缶端上部と液面境界部の輪郭線を抽出する。そして、缶端上部と液面までの高さを計測することで充填量が適正か否かを判定するものである。
特開平７−３３３０３９号公報 特開平９−２１８０７７号公報

しかしながら、各特許文献１，２については、次に説明するような課題を有する。特許文献１は、容器内の液面の状態を直接撮影することにより得られる画像に基づいて、液面の監視を行うものであるが、容器自体が透明性を有しない場合は監視が困難である。ボイラー設備のような圧力容器や、その他の危険物などの貯蔵所では、容器に機械的な強度が要求されるため、容器自体に透明性がないのが普通である。従って、かかる透明性を有しない容器の場合、液面計を使用するのが一般的であるが、液面計は縦長に形成されるため、特許文献１のように斜めの直線を描画することが難しく、直線を描画したとしても垂直な状態になる。従って、特許文献１に開示されるような方法を採用できないことになる。

また、特許文献２によるシステムの場合、容器の上方が開放されている必要があるが、圧力容器のような場合は、上方は開放されていないため、採用することができない。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、圧力容器のような不透明で上部が開放されていない容器内の液面位置を確実に監視することができる液面位置監視システム及び液面位置監視プログラムを提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る液体収容容器管理システムは、
容器内の液面の高さを液面計を用いて監視する液面位置監視システムであって、
液面計を含む画像を撮影する撮像装置と、
撮像装置により取得された画像データを画像処理することで、液面位置を含む液面領域の特徴形状を抽出する形状抽出手段と、
異なる時間に取得された第１画像データと第２画像データに対して、形状抽出手段による処理を施した後、両画像データの差分画像データを演算する差分画像演算手段を備え、
取得された差分画像データから抽出される液面領域の変動データに基づいて、液面位置を抽出する液面位置抽出手段と、
液面計に関して予め設定された液面の上限位置と下限位置に基づいて、許容範囲を設定する許容範囲設定手段と、
抽出された液面位置が前記許容範囲にあるか否かを判定する判定手段と、
液面位置が許容範囲にない場合、異常信号を出力する異常信号出力手段とを備えたことを特徴とするものである。

この構成による液面位置監視システムの作用・効果を説明する。このシステムでは、液面の高さを計測するために液面計（例えば、サイトグラス式液面計）を使用する。容器と液面計を接続することで、容器の上部が開放されておらず、不透明であっても計測可能である。撮像装置は、液面計を含む画像を撮影する。撮像装置により取得された画像データを画像処理することで、液面位置を含む液面領域の特徴形状を抽出する処理を行う。例えば、液面位置の輝度が他の領域と異なることに基づいて、形状を抽出可能である。そして、異なる時間に取得された画像データに対して、形状抽出手段による特徴形状の抽出を行った後、画像処理後の両画像データの差分画像データを演算する。これは、液面位置は全く固定された位置にあるのではなく、絶えず位置変動しているという特性を利用するものであり、正常な状態で液面位置が変動していれば、差分画像データから変動データ（液面領域の変動成分）を抽出することができる。この変動データに基づいて、液面位置を抽出することができる。

一方、液面計に関して、予め液面位置の上限位置と下限位置が許容範囲として設定される。抽出された液面位置がこの許容範囲にあるか否かを判定し、許容範囲にない場合は、異常信号を出力し、オペレータに対して異常が発生したことを報知することができる。その結果、圧力容器のような不透明で上部が開放されていない容器内の液面位置を確実に監視することができる液面位置監視システムを提供することができる。

本発明に係る上限位置と下限位置は、液面計に直接付与された上限位置マークと下限位置マークに基づいて設定されるものであり、前記許容範囲設定手段は、撮影された画像に含まれる上限位置マークと下限位置マークを自動認識することで許容範囲を設定することが好ましい。

液面計に対して直接、上限位置マークと下限位置マークを付与することができ、撮像装置は、これらのマークを含めて液面計を撮影する。そして、許容範囲設定手段は、画像に含まれる上限位置マークと下限位置マークとを画像処理等の方法により自動認識し、許容範囲を表すデータを設定することができる。液面計に直接付与することで、撮像装置と液面計の配置関係が変化したとしても、常に正しい許容範囲を設定することができる。

本発明において、前記差分画像データに基づいて、液面領域の変動データが抽出されなかった場合、前記異常信号出力手段により異常信号を出力することが好ましい。

液面領域の変動データが抽出されない場合は、何らかの異常が発生しているものと考えられる。例えば、画像内に液面位置が存在しない、液面位置は存在するが全く変動がない（配管詰まり等により）などの現象が考えられる。そこで、かかる場合に異常信号を出力することで、異常が発生していることを確実に報知することができる。

本発明において、液面計を正面側から照明する第１照明装置と、
液面計を背面側から照明する第２照明装置と、
第２照明装置と液面計の間に挿入される光拡散板とを備えていることが好ましい。

液面計を正面側から照明することで、明るい画像を取り込むことができ、画像処理による液面位置の抽出を行いやすくなる。また、背面側にも照明装置を設け、光拡散板により均一に背面から照明するようにしている。これにより、液面位置のコントラストをあげることができ、画像処理による抽出を更に精度の高いものにすることができる。

本発明に係る液面位置監視システムに用いられる液面位置監視プログラムは、
撮像装置により取得された画像データを画像処理することで、液面位置を含む液面領域の特徴形状を抽出する処理と、
異なる時間に取得された第１画像データと第２画像データに対して、形状抽出手段による処理を施した後、両画像データの差分画像データを演算する処理と、
取得された差分画像データから抽出される液面領域の変動データに基づいて、液面位置を抽出する処理と、
液面計に関して予め設定された液面の上限位置と下限位置に基づいて、許容範囲を設定する処理と、
抽出された液面位置が前記許容範囲にあるか否かを判定する処理と、
液面位置が許容範囲にない場合、異常信号を出力する処理とをコンピュータに実行させることを特徴とするものである。

本発明において、差分画像データに基づいて、液面領域の変動データが抽出されなかった場合、異常信号を出力する処理を実行することが好ましい。かかる液面位置監視プログラムによる作用・効果は、既に説明したとおりである。

本発明において、画像データに対して横方向の平均化を行う平均化処理と、
この平均化処理された画像データにおける変化のある領域を抽出するための微分処理と、
この微分処理された画像データから前記特徴形状を抽出する処理とを実行することが好ましい。

特徴形状を抽出するにあたり、まず画像データに対して横方向の平均化処理を行う。液面位置は、水平な状態であるから、液面位置以外の高さに存在するノイズ成分を平均化処理により除去する。ついで、微分処理を行うことで液面位置を含む領域を際立たせる。液面位置では、輝度変化が大きいので、微分処理を行うことで輝度変化の大きな領域を抽出することができる。次に、特徴形状を抽出する処理を実行する。例えば、抽出された輝度変化の大きな領域と、予め設定してある形状データとを比較することで、最終的に液面位置を含む液面領域を抽出することができる。このように段階的に画像処理を行っていくことで、液面領域を正確に抽出できるようになる。

本発明に係る液面位置監視システム（液面位置監視プログラム）の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、システムの概要を示す模式図である。図１において、（ａ）は正面図（ｂ）は側面図を示す。

＜液面位置監視システムの構成＞
図１は、ボイラー設備に使用される圧力容器１を示している。圧力容器１の下部から配管２により給水される。圧力容器内の水は自然又は強制的に循環され、この途中で加熱され、その一部がスチーム（水蒸気）となる。スチームは配管４により圧力容器１の上部から送り出され、第２加熱部５において過熱される。これにより、乾燥スチームがプラントへ送られる。

圧力容器１内には、水が常時収容された状態であるが、その液面位置は予め決められた範囲に収まっていなければならない。液面位置が高くなりすぎると、スチームを供給する配管４に水が浸入することがある。この配管４へ水が浸入すると、ウォーターハンマー現象が発生し、大きな音が発生すると共に配管４が破損する恐れがある。また、液面の上昇が急激な水の供給によるものである場合、ボイラーの熱バランスが崩れ、スチームの安定供給に支障が生じる。また、液面位置が低下して下限位置を超えた場合、ボイラーの空焚きをする恐れが生じる。ボイラー設備では、水の加熱に使用する熱量が多いため、空焚きをすると配管等の溶融が生じ、ボイラー設備の損傷に至る。

そこで、圧力容器１内の液面位置を監視するためのシステムが必要となる。まず、差圧計６が圧力容器１に取り付けられており、圧力容器１内の上部と下部の圧力差を監視する。ボイラー制御部７は、差圧計６による検出結果に基づいて、水の供給量や水に対する加熱温度を制御して、液面位置が適切な範囲に収まるように制御する。差圧計６については、１箇所しか図示していないが、実際は２箇所設けられる。差圧計６を用いた制御は、遠隔制御（自動制御）によるものであり、ボイラー則によれば、液面位置を自動検知する場合には、目視確認のための液面計の設置も合わせて行う必要がある。そこで、図１に示すように第１液面計１１と第２液面計１２の２つの液面計が設けられている。これら液面計１１，１２は、サイトグラス式であり、外部から目視観察をすることができる。

液面計１１，１２は圧力容器１内と通じており、圧力容器１内の液面位置と同じ液面位置が液面計１１，１２のガラス面を通じて観察することができる。第２液面計１２は、監視員の監視パトロールに基づいて、直接目視観察するものである。パトロールは、例えば、１日数回行われるものであり、液面位置を直接観察することで、異常が発生していないか否かを監視するものである。

もう一方の第１液面計１１は、ＩＴＶカメラ１３（工業用監視カメラであり撮像装置に相当する）により撮影され、撮影された液面計１１の画像は、監視室に設けられているモニター１４に表示される。監視員は、このモニター１４を見ることで、第１液面計１１の液面位置を監視し、異常が発生していないかどうかを監視する。また、ＩＴＶカメラ１３により撮影された画像データを画像処理するための画像処理装置１５が設けられており、液面位置を自動的に抽出し、異常が発生しておれば警報を発するシステムを備えている。

＜液面位置監視システムの機能＞
次に、図２により、液面位置監視システムの機能を中心に詳細に説明する。図２には、第1液面計１１（以下、単に液面計という）が示されており、液面計１１のケースに、上限位置マークＭ１と下限位置マークＭ２が描かれている。各マークＭ１，Ｍ２は、テープ貼り付け、マジック等の適宜の方法により付与することができる。この設定された上限位置と下限位置の間に液面位置が存在しておれば、正常であると判定できる。液面計１１の画像は、ＩＴＶカメラ１３により撮影されるが、液面計１１とＩＴＶカメラ１３は、遮光ボックス１０により遮蔽されており、撮像に際してノイズとなる外光を遮蔽している。

液面計１１の正面側には、第１照明装置１６が配置され、背面側には第２照明装置１７が配置される。これら照明装置１６，１７により、液面計１１を照明して、液面位置のコントラストを際立たせることができる。照明装置１６は、マークＭ１，Ｍ２を明瞭にする効果もある。さらに、背面側の第２照明装置１７と液面計１１の間には、光拡散板１８が配置されており、光を均一になるように拡散させた状態で背後から照明する。照明装置１７の光源の画像が目立たないようにするためである。

画像データ受信部２０は、ＩＴＶカメラ１３が撮影した画像信号を受信する。受信された画像信号は、表示処理部２１により所定の処理が行われた後、モニター１４の画面に映し出される。画像データ受信部２０により受信された画像信号は、Ａ／Ｄ変換部２２にも送られ、デジタルの画像データに変換処理される。この画像データが、画像処理装置１５へと送信される。画像処理装置１５は、汎用のパソコンに画像処理プログラムをインストールすることで構成することができる。

原画像データ保存部２３には、デジタル変換された原画像データが格納される。原画像データという用語は、液面位置の抽出を行うための画像処理前の状態の画像データを示すものとして定義する。原画像データ保存部２３は、例えば、フレームメモリのような記憶手段で構成することができる。平均化処理手段２４は、原画像データに対して横方向の平均化処理を行う機能を有する。この平均化処理は、ノイズ成分を除去して、液面位置を抽出しやすくするために行われる。

微分処理手段２５は、平均化処理された画像データに対して微分処理を行う。微分処理は、輝度変化の大きな部分を抽出するために行われるものであり、液面位置を含む液面領域を抽出しようとする処理である。液面位置では、他の部分と比べて輝度変化が大きいという特性を利用したものである。二値化処理手段２６は、微分処理された画像データに対して、二値化処理を行う。デジタル変換するときに、２４ビットのカラー原画像データに変換されているが、８ビットの輝度データを用いて二値化することで、特徴形状の抽出を容易にする。形状抽出手段２７は、二値化処理された画像データに含まれる特徴形状を抽出する処理である。液面位置は、水平線により構成されるので、液面位置を含む液面領域は、水平方向に長い矩形に近い形状となっている。そこで、抽出された特徴形状と予め設定している矩形形状とを比較して、画像データ中における液面領域を抽出する。

差分画像演算手段２８は、異なる時間で得られた第１原画像データと第２原画像データを夫々画像処理して得られた画像データ（形状抽出手段２７による処理が済んだ画像）の差分を演算して差分画像データを得る。液面位置抽出手段２９は、演算された差分画像データから液面位置を抽出する。１つの画像データから液面位置を抽出するのではなく、時間的に異なる２つの原画像データを画像処理して液面位置を抽出するのは、次の理由による。

すなわち、圧力容器１内には、絶えず水が供給されてスチームが発生している。従って、液面位置は一定ではなく、時間的に高さ位置が変動している。また、高さ位置が変動している状態は、正常であるとも言える。例えば、配管２に詰まりが生じた場合、液面位置の変動が一時的に見られなくなるが、これは正常な状態ではない。従って、異なる画像データの差分を求めることで、変動データを取得し、これに基づいて、液面位置を抽出することができる。

判定手段３０は、抽出された液面位置に基づいて、異常が発生していないかどうかを判定する。そのために、予め許容範囲が設定されている。許容範囲は、液面計１１に付与されている上限位置マークＭ１と下限位置マークＭ２に基づいて、設定することができる。すなわち、液面計１１の画像を取り込んだときに、マーク抽出手段３１によりマークＭ１，Ｍ２を抽出する。この抽出処理についても、形状抽出手段２７機能に基づいて、行うことができる。マークＭ１，Ｍ２については、自動認識しやすいように、周囲とのコントラストが大きくなるような色で付与すると共に、自動認識しやすい形状としておくのが好ましい。許容範囲設定手段３２は、検出されたマークＭ１，Ｍ２の情報に基づいて、上限位置データと下限位置データを設定して記憶させる。なお、マークＭ１，Ｍ２の位置は、全ての画像データにおいて自動認識させるのが最良であるが、液面位置とは異なり、時間的に変動することがないので、最初にデータを取得して設定した後は、マークＭ１，Ｍ２の自動認識処理を行う必要はない。ＩＴＶカメラ１３の位置を変更した場合などは、改めて許容範囲の設定を行う。ただし、カメラ位置にズレが生じることも考えられるため、一定時間（数分、数秒）ごとにマークＭ１，Ｍ２の自動認識を行うようにするのが好ましい。
マークＭ１，Ｍ２を液面計１１に直接付与しているので、ＩＴＶカメラ１３の位置を変更したとしても、自動認識処理により、容易に許容範囲の設定変更を行うことができる。また、液面計１１は詰まりがないかどうかの通水テストを行うために、定期的に圧力容器１から取り外すことがあるが、液面計１１に直接マークＭ１，Ｍ２を付与していれば、液面位置とその許容範囲の相対関係については変化がなく、常に同じ条件で使用することができる。

異常信号出力手段３３は、判定手段３０により異常があると判定した場合に、異常信号を出力する。異常信号が出力された場合は、その旨を報知させるようにする。報知方法としては、モニター１４の画面に表示させたり、警告ブザーで表示させたりする。異常のないように応じて、報知態様を変えることが好ましい。

許容範囲入力部３４は、キーボードやマウス等の入力手段を用いて、許容範囲を設定させる機能を有する。先ほどは、マーク抽出手段３１の機能により許容範囲を設定する方法を説明したが、オペレータの操作に基づいて、許容範囲を設定するようにしてもよい。例えば、画面に映し出されているマークＭ１，Ｍ２の位置をマウスでクリックして位置を指定し、これに基づいて許容範囲を設定することができる。

画像処理装置１５の各機能については、液面位置監視プログラム（ソフトウェア）により実現することができるが、本発明としては、その機能の一部もしくは全部をハードウェアで構成してもよい。

＜監視手順＞
次に、図２に示す液面位置監視システムにおける処理手順を図３のフローチャート、図４の画像処理の内容を示す図、図５の画像処理の具体的な内容を示す図に基づいて、説明する。

まず、ＩＴＶカメラ１３により画像を取り込む（＃１）。取り込んだ画像には、液面計１１の画像と液面計１に付与された上限位置マークＭ１と下限位置マークＭ２の画像も含まれる。次に、これらマークＭ１，Ｍ２の位置を画像処理により自動認識し、許容範囲の設定を行う（＃３）。なお、この許容範囲を設定する処理は、毎回行うのが最良であるが変化がないため、毎回行う必要はなく、ＩＴＶカメラ１３の位置を変更したときなど、撮影場所の条件に変更があった場合のみ行えばよい。ただし、カメラ位置にズレが生じることも考えられるため、一定時間毎にマークＭ１，Ｍ２の自動認識を行うようにするのが好ましい。なお、自動認識させる方法に代えて、許容範囲入力部３４からの入力値に基づいて、設定してもよい。

取り込んだ画像（原画像データ）に対して、平均化処理手段２４により、横方向の平均化処理を行う（＃４）。この処理に用いられるフィルターを図５（ａ）に示す。フィルターは１×３の行列式で表され、注目画素をＡとした場合、その左右両隣にある画素データＥ，Ｉを用いて平均化する。これにより、図４の（ａ１）に示すようなノイズ成分を含む原画像データは、（ａ２）に示すようにノイズ成分が緩和された画像データに変換させられる。なお、平均化する場合のフィルターの大きさは１×３でなくてもよく、例えば、１×５，１×７・・・としてもよい。

平均化処理を行った画像データに対して、縦方向の微分処理を行う（＃５）。この処理により、縦方向に変化のある領域が強調されて抽出される。この微分処理を行うときのフィルターの例を図５（ｂ）に示す。注目画素をＡとした場合、その上下にある画素Ｃ，Ｇを用いて、強調させる。上下の画素の輝度値に差があるほど、強調されることになる。フィルターは、縦方向に３×１の行列で示されるが、これを例えば、５×１，７×１・・・の行列としてもよい。また、演算処理するときの係数ｎ，ｍについては、適宜決めることができる。微分処理された結果得られる画像が、図４（ａ３）に示される。

次に、微分処理された画像データに対して二値化処理を行う（＃６）。ＩＴＶカメラ１３から取り込んだ画像データは、２４ビットのカラー画像であるが、8ビットの輝度データを用いて、これを二値化して、１か０かいずれかの状態の画素に振り分ける。二値化する時のしきい値は、微分処理された画像データのヒストグラムに基づいて、適切な値をしきい値とすることができる。しきい値は、動的しきい値としてもよいし、静的しきい値としても良い。二値化処理を行った後、形状抽出手段２７の機能に基づいて、特徴形状の抽出処理を行う（＃７）。これは、液面位置を特定するために行う処理である。液面位置は、本来水平線として構成されるので、抽出される液面領域の形状も、この液面位置に対応して横長の矩形となるべきである。二値化処理された画像データの中には、図４（ａ３）に示すように、液面位置以外の情報（液面計のガラス枠の縁）も含まれている。このような情報は不要なノイズ情報であるから、特徴形状を抽出して、本来必要な液面領域の情報のみを抽出する。そこで、予め、横長の矩形（長方形）を登録しておき、この矩形データと類似度の高い領域を画像（ａ３）から抽出する。抽出された結果、（ａ４）に示すような画像データが取得される。

特徴形状（液面領域）が抽出されなかった場合、何らかの異常が発生しているものとして、異常信号を出力し、警報表示をする（＃８，９，１０）。液面領域が抽出されない場合とは、例えば、撮影画像内に液面位置が存在しない場合や、ＩＴＶカメラ１３が故障しており、正常に画像信号が入力されていない状態、液面計１１の表面に汚れがあるため抽出できない、などの原因が考えられる。正常に検出された液面領域は、画像（ａ４）に示すように、水平線に平行な矩形（略矩形）形状となる。

液面領域が抽出された場合、差分画像演算手段２８の機能を利用して、差分画像データを演算する（＃１１）。これは、時間的に異なる画像同士の差分を演算することで得ることができる。図４（ｃ）に示すように、ＩＴＶカメラ１３から取得される画像は、画像１、画像２、画像３・・・・のように、連続的に入力されてくるので、時間的に隣接している画像同士の差を演算して差分１、差分１、差分３・・・のように、差分画像データも連続的に演算する。なお、差分を演算すべき画像同士の時間間隔については、適宜設定することができ、例えば、数秒間隔で原画像データを画像処理し、画像処理された画像（ａ４）同士の差分を演算する。

図４（ｂ）に差分演算を行う様子が概念的に示される。画像Ｇ１と画像Ｇ２との差分を演算すると、変動データを含む差分画像Ｇ３が取得される（＃１２）。ボイラーの圧力容器１における液面位置の特性は、常に液面位置が変動していることである。液面位置が変動しており、かつ、変動範囲が許容範囲内であれば正常であると判定することができる。液面位置が変動していれば、差分画像Ｇ３は液面位置に相当するほぼ水平直線の画像が得られる。この液面位置の高さが、予め設定している許容範囲内にあるかどうかを判定する（＃１３）。許容範囲内にあれば、正常であると判定する。また、異常であれば、ステップ＃９に移行し、異常信号を出力する（＃１０）。

液面位置が変動していれば、その変動成分としての差分画像が得られるので、許容範囲との比較が可能である。また、液面位置が変動していない場合は、差分画像を演算すると、画像Ｇ３に見られるような変動データがないことになる。この場合も、異常であるとして、異常信号を出力する。液面位置に変化がないのは、配管詰まりにより水が供給されていない可能性があるので、異常信号を出力するようにする。

＜実験例＞
本発明に係る処理手順（ソフトウェア）により実際に液面位置を抽出できるか否かを確認するために、模擬的に画像を撮影して実験を行った。図６に示すように、背景として上限位置と下限位置を示すマークＭ１，Ｍ２を付与した板４０を設置した。この板４０の前面に、液面位置と似た水平線４１ａを引いた樹脂製の棒４１を上下に動かしながら、模擬的に画像を撮影した。この模擬画像に対して、既に説明したような画像処理を行い、図６（ｂ）に示すように、液面位置Ｌを抽出することができた。なお、画像処理を行う範囲は領域Ｒで示される範囲である。画像のうち、液面位置が存在する領域は決まっているので、取り込んだ画像の全体に対して画像処理を行う必要はなく、必要範囲のみを画像処理すればよい。これにより、処理時間を短縮化することができる。

ここでは液面位置Ｌを中心として幅は液面より若干大きくし、高さは液面の単位時間の変化より十分大きくして、領域Ｒの範囲を決定した。液面位置が抽出できなかった場合、画像処理を行う範囲を画面全体又は液面計全体が確認できる領域まで広げ、液面位置が抽出できた場合に画像処理範囲を必要範囲とするようにした。また、５回連続して異常であると認識した場合に異常信号を出力するようにした。
＜別実施形態＞
本実施形態において、容器の例としてボイラー設備の圧力容器をあげて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の容器内の液面位置を監視する場合にも応用できるものである。

液面位置監視システムの概要を示す模式図 液面位置監視システムの機能を示すブロック図 監視システムの処理手順を説明するフローチャート 画像処理の内容を概念的に示す図 画像処理に使用するフィルターの例を示す図 実験例を示す図

符号の説明

１ 圧力容器
１０ 遮光ボックス
１１ 第１液面計
１２ 第２液面計
１３ ＩＴＶカメラ
１４ モニター
１５ 画像処理装置
１６ 第１照明装置
１７ 第２照明装置
１８ 光拡散板
２０ 画像データ受信部
２４ 平均化処理手段
２５ 微分処理手段
２６ 二値化処理手段
２７ 形状抽出手段
２８ 差分画像演算手段
２９ 液面位置抽出手段
３０ 判定手段
３１ マーク抽出手段
３２ 許容範囲設定手段
３３ 異常信号出力手段
３４ 許容範囲入力部
Ｍ１ 上限位置マーク
Ｍ２ 下限位置マーク

Claims (7)

1. 容器内の液面の高さを液面計を用いて監視する液面位置監視システムであって、
   液面計を含む画像を撮影する撮像装置と、
   撮像装置により取得された画像データを画像処理することで、液面位置を含む液面領域の特徴形状を抽出する形状抽出手段と、
   異なる時間に取得された第１画像データと第２画像データに対して、形状抽出手段による処理を施した後、両画像データの差分画像データを演算する差分画像演算手段を備え、
   取得された差分画像データから抽出される液面領域の変動データに基づいて、液面位置を抽出する液面位置抽出手段と、
   液面計に関して予め設定された液面の上限位置と下限位置に基づいて、許容範囲を設定する許容範囲設定手段と、
   抽出された液面位置が前記許容範囲にあるか否かを判定する判定手段と、
   液面位置が許容範囲にない場合、異常信号を出力する異常信号出力手段とを備えたことを特徴とする液面位置監視システム。
2. 前記上限位置と下限位置は、液面計に直接付与された上限位置マークと下限位置マークに基づいて設定されるものであり、前記許容範囲設定手段は、撮影された画像に含まれる上限位置マークと下限位置マークを自動認識することで許容範囲を設定することを特徴とする請求項１に記載の液面位置監視システム。
3. 前記差分画像データに基づいて、液面領域の変動データが抽出されなかった場合、前記異常信号出力手段により異常信号を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の液面位置監視システム。
4. 液面計を正面側から照明する第１照明装置と、
   液面計を背面側から照明する第２照明装置と、
   第２照明装置と液面計の間に挿入される光拡散板とを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の液面位置監視システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液面位置監視システムに用いられる液面位置監視プログラムであって、
   撮像装置により取得された原画像データを画像処理することで、液面位置を含む液面領域の特徴形状を抽出する処理と、
   異なる時間に取得された第１画像データと第２画像データに対して、形状抽出手段による処理を施した後、両画像データの差分画像データを演算する処理と、
   取得された差分画像データから抽出される液面領域の変動データに基づいて、液面位置を抽出する処理と、
   液面計に関して予め設定された液面の上限位置と下限位置に基づいて、許容範囲を設定する処理と、
   抽出された液面位置が前記許容範囲にあるか否かを判定する処理と、
   液面位置が許容範囲にない場合、異常信号を出力する処理とをコンピュータに実行させることを特徴とする液面位置監視プログラム。
6. 差分画像データに基づいて、液面領域の変動データが抽出されなかった場合、異常信号を出力する処理を実行することを特徴とする請求項５に記載の液面位置監視プログラム。
7. 画像データに対して横方向の平均化を行う平均化処理と、
   この平均化処理された画像データにおける変化のある領域を抽出するための微分処理と、
   この微分処理された画像データから前記特徴形状を抽出する処理とを実行することを特徴とする請求項5又は６に記載の液面位置監視プログラム。

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