JP2008232780A - 非接触振動計測システム、非接触振動計測方法及びコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＩＶの技術を応用した非接触タイプでありながら、速度データ算出のための計算負荷を軽減し、速やかな振動計測を可能にする。
【解決手段】 本発明は、測定対象内の時系列のマーカー画像間の速度データを時空間微分法により解析する。時間微分法は、輝度関数が不変であるとして時系列画像間で対応をとったものであり、Ｘ方向、Ｙ方向の速度データを簡素な計算式で求めることができるため、計算負荷が大きく軽減される。また、低空間周波数成分のマーカーを測定対象に設けて撮像する構成とするか、あるいは、ローパスフィルタを設けてマーカー画像から高空間周波数成分をカットする構成とすることにより、高空間周波数成分の影響を軽減でき、演算エラーを抑制できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、種々の剛体の振動を非接触で、特に、発電施設における高温配管などの振動を非接触で測定可能な非接触振動計測システム、非接触振動計測方法及びコンピュータプログラムに関する。

発電施設における高温配管の振動を計測する技術としては、まず、加速度センサ等を配管に取り付け、配管の機械的な振動を電気信号に変換し、加速度等の時間変化から振動を計測する技術がある。しかし、このようにセンサを直接配管に接触させる技術は、センサの熱的耐久性の問題、プラント内に設置することによる他機器との干渉、高所作業や足場設置の妨げになる等の問題があり、非接触で計測する手段とすることが望ましい。非接触による計測技術としては、レーザー変位計を用いることが一般的に知られているが、レーザー変位計の計測距離は、超ロングレンジタイプと言われるのものでも最長５０ｃｍ程度に過ぎない。従って、レーザー変位計を用いる場合でも、測定対象から５０ｃｍ程度かそれ以下の距離しか離れることができず、高温配管に近接した場所で計測作業を行わなければならない等の問題があった。

このため、本出願人は、特許文献１として、数ｍ〜数十ｍ離間した位置から測定対象の振動を計測できる粒子画像流速測定法（以下、「ＰＩＶ」という）を応用した画像処理による振動計測技術を提案している。
ＰＣＴ／ＪＰ２００６／３２１３６９号明細書

特許文献１において提案しているＰＩＶを応用した解析手法は、速度データ（加速度又は速度）の算出に相互相関法を用いている。このため、計算量が多く、処理に時間がかかるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、ＰＩＶの技術を応用した非接触タイプでありながら、速度データ算出のための計算負荷を軽減し、速やかな振動計測を可能にした非接触振動計測システム、非接触振動計測方法及びコンピュータプログラムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１記載の本発明の非接触振動計測システムは、撮像手段により所定の撮像時間間隔で撮像された測定対象内の時系列のマーカー画像を比較して、前記マーカー画像の挙動を解析し、前記測定対象の振動を計測する画像処理手段を備えた非接触振動計測システムであって、
前記画像処理手段に、前記時系列のマーカー画像間の速度データを時空間微分法により解析する手段が設定されていることを特徴とする。
請求項２記載の本発明の非接触振動計測システムは、撮像手段により所定の撮像時間間隔で撮像された測定対象内の時系列のマーカー画像を比較して、前記マーカー画像の挙動を解析し、前記測定対象の振動を計測する画像処理手段を備えた非接触振動計測システムであって、
前記測定対象に設けられるマーカーが、低空間周波数成分で構成されてなり、
前記画像処理手段に、前記時系列のマーカー画像間の速度データを時空間微分法により解析する手段が設定されていることを特徴とする。
請求項３記載の本発明の非接触振動計測システムは、前記マーカーは、所定の撮像時間間隔で撮像される測定対象の画像間の最大移動距離をＬmax(pixel)としたときに、10Ｌmax(pixel)以上の空間周波数からなるものであることを特徴とする。
請求項４記載の本発明の非接触振動計測システムは、撮像手段により所定の撮像時間間隔で撮像された測定対象内の時系列のマーカー画像を比較して、前記マーカー画像の挙動を解析し、前記測定対象の振動を計測する画像処理手段を備えた非接触振動計測システムであって、
前記画像処理手段に、前記時系列のマーカー画像間の速度データを時空間微分法により解析する手段が設定されていると共に、
前記時空間微分法を適用する前処理手段として、撮像した前記マーカー画像から高空間周波数成分をカットするローパスフィルタを備えてなることを特徴とする。
請求項５記載の本発明の非接触振動計測システムは、前記ローパスフィルタは、所定の撮像時間間隔で撮像される測定対象の画像間の最大移動距離をＬmax(pixel)としたときに、10Ｌmax(pixel)未満の空間周波数をカットするように設定されていることを特徴とする。
請求項６記載の本発明の非接触振動計測システムは、前記撮像手段が長焦点光学系を備え、長距離離間した前記測定対象を撮像可能な長距離型であることを特徴とする。

請求項７記載の本発明の非接触振動計測方法は、撮像手段により所定の撮像時間間隔で撮像された測定対象内の時系列のマーカー画像を比較し、前記マーカー画像の挙動を解析して前記測定対象の振動を計測する非接触振動計測方法であって、
前記時系列のマーカー画像間の速度データを、時空間微分法による解析手段を用いて求めることを特徴とする。
請求項８記載の本発明の非接触振動計測方法は、前記測定対象に、低空間周波数成分のマーカーを設けて撮像することを特徴とする。
請求項９記載の本発明の非接触振動計測方法は、前記マーカーとして、所定の撮像時間間隔で撮像される測定対象の画像間の最大移動距離をＬmax(pixel)としたときに、10Ｌmax(pixel)以上の空間周波数からなるものを用いることを特徴とする。
請求項１０記載の本発明の非接触振動計測方法は、前記時空間微分法を適用する前処理として、撮像した前記マーカー画像から高空間周波数成分をカットするフィルタリング処理を行うことを特徴とする。
請求項１１記載の本発明の非接触振動計測方法は、前記フィルタリング処理では、所定の撮像時間間隔で撮像される測定対象の画像間の最大移動距離をＬmax(pixel)としたときに、10Ｌmax(pixel)未満の空間周波数をカットすることを特徴とする。
請求項１２記載の本発明の非接触振動計測方法は、前記撮像手段として、長焦点光学系を用い、長距離離間した前記測定対象を撮像して計測することを特徴とする。
請求項１３記載の本発明の非接触振動計測方法は、前記測定対象として配管系を撮像し、該配管系の振動を計測することを特徴とする。

請求項１４記載のコンピュータプログラムは、撮像手段により所定の撮像時間間隔で撮像された測定対象内の時系列のマーカー画像を比較し、前記マーカー画像の挙動を解析して前記測定対象の振動を計測する非接触振動計測システムにおける画像処理手段を構成するコンピュータプログラムであって、
前記時系列のマーカー画像間の速度データを、時空間微分法により求める工程を備えていることを特徴とする。
請求項１５記載のコンピュータプログラムは、前記時空間微分法を適用する前処理手段として、撮像した前記マーカー画像から高空間周波数成分をカットするフィルタリング手段を備えていることを特徴とする。
請求項１６記載のコンピュータプログラムは、前記フィルタリング手段は、所定の撮像時間間隔で撮像される測定対象の画像間の最大移動距離をＬmax(pixel)としたときに、10Ｌmax(pixel)未満の空間周波数をカットするように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、測定対象内の時系列のマーカー画像間の速度データを時空間微分法により解析する。時間微分法は、輝度関数が不変であるとして時系列画像間で対応をとったものであり、Ｘ方向、Ｙ方向の速度データを簡素な計算式で求めることができるため、計算負荷が大きく軽減される。

一方、時空間微分法は、輝度値の微分を計算することになるため、画像内の高空間周波数成分の影響を受けやすく、それによって演算エラーが生じる場合があるが、低空間周波数成分のマーカーを測定対象に設けて撮像する構成とするか、あるいは、ローパスフィルタを設けてマーカー画像から高空間周波数成分をカットする構成とすることにより、かかる高空間周波数成分の影響を軽減でき、演算エラーを抑制できる。

また、撮像手段として長焦点光学系を用いることにより、測定対象から十分離間した位置から計測できるため、設置場所の自由度が高く、プラント内で邪魔になることも抑制できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて更に詳しく説明する。図１は、本発明の一の実施形態に係る非接触振動計測システム１を示し、撮像手段としての、長焦点光学系３を備えたＣＣＤカメラ２、コンピュータ４等を備えて構成される。

ＣＣＤカメラ２に、長焦点光学系３が装着されるが、長焦点光学系３としては、単焦点系のレンズ（以下、「単レンズ」という）を用いることが好ましい。この場合、ターレットを設け、複数種類の単レンズを選択可能な構成とすることがより好ましい。ターレットを用いることにより、単レンズの自動選択も可能となる。ズーム機能を有するレンズの場合、一般に像面湾曲が大きい点が欠点であるが、高屈折率のガラスで安定した像が得られるものであれば使用できる。なお、本実施形態では、撮像手段として、ＣＣＤ撮像素子を備えたカメラ（ＣＣＤカメラ）を使用しているが、これに代え、ＣＭＯＳ撮像素子を備えたカメラを用いることもできる。

コンピュータ４は、図１及び図２に示したように、ＣＣＤカメラ２に接続され、ＣＣＤカメラ２の駆動を制御する制御手段４１と、ＣＣＤカメラ２により撮影された画像信号を受信して所定の処理を行う画像取り込み手段４２及び画像処理手段４３とを備えてなる。ＣＣＤカメラ２は、測定対象のマーカー画像を微小時間間隔で連続的に撮像する。制御手段４１は、ＣＣＤカメラ２の焦点距離の調整等を行う。画像取り込み手段４２は、ＣＣＤカメラ２からのマーカー画像の信号をデジタル化するフレームグラバボードを備えてなる。画像処理手段４３は、コンピュータプログラムからなり、フレームグラバボードから出力されるデジタル画像信号を解析処理する。なお、画像処理手段４３の前段に、像の歪み収差などを補正する回路を設けることもできる。

ここで、本実施形態の測定対象は剛体である。図４に示した発電施設の配管Ａ等も剛体と見なしており、ＣＣＤカメラ２によって撮像する際には、撮像視野に目的とする測定対象（例えば、配管Ａ）以外の物体が入らないようにセッティングすることが、高い測定精度を得るために好ましい。マーカーＢは、測定対象である配管Ａ等の表面に貼り付けたりして設けることができるが、配管Ａ等の表面に直接、印刷や転写等して設けることもできる。マーカーＢは、図５及び図６に示したように、空間周波数の低い模様であることが好ましい。空間周波数が高いと、時空間微分法による解析処理のエラー要因となるからである。ここでいう空間周波数の低いマーカー（低空間周波数成分のマーカー）とは、画像がＴ時間毎にサンプリングされたとして、 被測定物体の画像毎の最大移動距離をＬmax(pixel)とすると、10Ｌmax(pixel)以上の空間周波数からなるマーカーをいう。また、マーカーには２波長以上の空間周波数成分を含む方が望ましい。この場合、複数の空間周波数成分を持つように容易に濃淡を作成可能な、Ｂｅｓｓｅｌ関数を用いて作成する方が望ましい。

画像処理手段４３では、ＣＣＤカメラ２により微小時間間隔をおいて撮像された二時刻のマーカー画像を時空間微分法を用いて比較解析するコンピュータプログラムとしての時空間微分法による解析手段４３１を備えている。時空間微分法は、輝度関数ｆ（Ｘ，Ｙ，ｔ）が不変であるとして時系列画像間で対応をとって速度データを求めるものである。すなわち、第１時刻におけるマーカー画像の時刻ｔでの明るさをｆ（Ｘ，Ｙ，ｔ）とし、そのマーカー画像が、微小時間後Δｔの第２時刻に、距離ΔＸ、ΔＹだけ離れ、明るさが変化しないとすると、
ｆ（Ｘ，Ｙ，ｔ）＝ｆ（Ｘ＋ΔＸ，Ｙ＋ΔＹ，ｔ＋Δｔ） ・・・（１）
となる。（１）式の右辺をテイラー展開して二次以上を微小であるとして切り捨てると次の式が得られる。
（∂ｆ／∂ｔ）＋ｕ（∂ｆ／∂Ｘ）＋ｖ（∂ｆ／∂Ｙ）＝０ ・・・（２）
上記（２）式の左辺の各偏微分を差分近似して求めると、ｕ：Ｘ方向速度データ、ｖ：Ｙ方向速度データを未知数とする連立方程式が得られる。
時空間微分法による解析手段４３１は、上記（２）式を用いて連立方程式を作成し、マーカー画像のＸ方向、Ｙ方向の速度データｕ，ｖを求める。この速度データから、測定対象である配管Ａの振動状態がわかる。

一方、測定対象に空間周波数の低いマーカーＢを設けることができない場合は、測定対象の表面にもともと施されている模様をマーカーとして利用し、それを撮像してマーカー画像を得る。この場合、得られたマーカー画像が、高空間周波数成分を含む場合もある。そこで、画像処理手段４３には、図３に示したように、コンピュータプログラムとしてのフィルタリング手段であるローパスフィルタ４３２を設定しておくことが好ましい。ローパスフィルタ４３２を用いてマーカー画像を前処理すると、マーカー画像から高空間周波数成分がカットされるため、その後、上記時空間微分法を適用した際の演算エラーが抑制される。なお、フィルタリングする基準となる空間周波数は、上記と同様に、10Ｌmax(pixel)であり、10Ｌmax(pixel)未満の空間周波数をローパスフィルタでカットすることが好ましい。

本実施形態によれば、長焦点光学系３を備えているため、高温配管等の測定対象を数ｍ〜数十ｍ、あるいは必要に応じてそれ以上離れた位置から撮像可能である。また、マーカー画像の解析を時空間微分法を用いて行うため、計算負荷が小さく、迅速な計算処理が可能である。

図１は、本発明の一の実施形態に係る非接触振動計測システムの概要を示す図である。 図２は、上記実施形態に係る非接触振動計測システムのコンピュータの概略構成を示すブロック図である。 図３は、上記実施形態にコンピュータに設定した画像処理手段の他の構成例を示すブロック図である。 図４は、測定対象である配管にマーカーを設けた状態を示す概念図である。 図５は、低空間周波数成分のマーカーの模様の一例を示す図である。 図６は、低空間周波数成分のマーカーの模様の他の例を示す図である。

符号の説明

１ 非接触振動計測システム
２ ＣＣＤカメラ
３ 長焦点光学系
４ コンピュータ
４１ 制御手段
４２ 画像取り込み手段
４３ 画像処理手段
４３１ 時空間微分法による解析手段
４３２ ローパスフィルタ
Ａ 配管
Ｂ マーカー

Claims (16)

1. 撮像手段により所定の撮像時間間隔で撮像された測定対象内の時系列のマーカー画像を比較して、前記マーカー画像の挙動を解析し、前記測定対象の振動を計測する画像処理手段を備えた非接触振動計測システムであって、
   前記画像処理手段に、前記時系列のマーカー画像間の速度データを時空間微分法により解析する手段が設定されていることを特徴とする非接触振動計測システム。
2. 撮像手段により所定の撮像時間間隔で撮像された測定対象内の時系列のマーカー画像を比較して、前記マーカー画像の挙動を解析し、前記測定対象の振動を計測する画像処理手段を備えた非接触振動計測システムであって、
   前記測定対象に設けられるマーカーが、低空間周波数成分で構成されてなり、
   前記画像処理手段に、前記時系列のマーカー画像間の速度データを時空間微分法により解析する手段が設定されていることを特徴とする非接触振動計測システム。
3. 前記マーカーは、所定の撮像時間間隔で撮像される測定対象の画像間の最大移動距離をＬmax(pixel)としたときに、10Ｌmax(pixel)以上の空間周波数からなるものであることを特徴とする請求項３記載の非接触振動計測システム。
4. 撮像手段により所定の撮像時間間隔で撮像された測定対象内の時系列のマーカー画像を比較して、前記マーカー画像の挙動を解析し、前記測定対象の振動を計測する画像処理手段を備えた非接触振動計測システムであって、
   前記画像処理手段に、前記時系列のマーカー画像間の速度データを時空間微分法により解析する手段が設定されていると共に、
   前記時空間微分法を適用する前処理手段として、撮像した前記マーカー画像から高空間周波数成分をカットするローパスフィルタを備えてなることを特徴とする非接触振動計測システム。
5. 前記ローパスフィルタは、所定の撮像時間間隔で撮像される測定対象の画像間の最大移動距離をＬmax(pixel)としたときに、10Ｌmax(pixel)未満の空間周波数をカットするように設定されていることを特徴とする請求項４記載の非接触振動計測システム。
6. 前記撮像手段が長焦点光学系を備え、長距離離間した前記測定対象を撮像可能な長距離型であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載の非接触振動計測システム。
7. 撮像手段により所定の撮像時間間隔で撮像された測定対象内の時系列のマーカー画像を比較し、前記マーカー画像の挙動を解析して前記測定対象の振動を計測する非接触振動計測方法であって、
   前記時系列のマーカー画像間の速度データを、時空間微分法による解析手段を用いて求めることを特徴とする非接触振動計測方法。
8. 前記測定対象に、低空間周波数成分のマーカーを設けて撮像することを特徴とする請求項７記載の非接触振動計測方法。
9. 前記マーカーとして、所定の撮像時間間隔で撮像される測定対象の画像間の最大移動距離をＬmax(pixel)としたときに、10Ｌmax(pixel)以上の空間周波数からなるものを用いることを特徴とする請求項８記載の非接触振動計測方法。
10. 前記時空間微分法を適用する前処理として、撮像した前記マーカー画像から高空間周波数成分をカットするフィルタリング処理を行うことを特徴とする請求項７記載の非接触振動計測方法。
11. 前記フィルタリング処理では、所定の撮像時間間隔で撮像される測定対象の画像間の最大移動距離をＬmax(pixel)としたときに、10Ｌmax(pixel)未満の空間周波数をカットすることを特徴とする請求項１０記載の非接触振動計測方法。
12. 前記撮像手段として、長焦点光学系を用い、長距離離間した前記測定対象を撮像して計測することを特徴とする請求項７〜１１いずれか１に記載の非接触振動計測方法。
13. 前記測定対象として配管系を撮像し、該配管系の振動を計測することを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１に記載の非接触振動計測方法。
14. 撮像手段により所定の撮像時間間隔で撮像された測定対象内の時系列のマーカー画像を比較し、前記マーカー画像の挙動を解析して前記測定対象の振動を計測する非接触振動計測システムにおける画像処理手段を構成するコンピュータプログラムであって、
    前記時系列のマーカー画像間の速度データを、時空間微分法により求める工程を備えていることを特徴とするコンピュータプログラム。
15. 前記時空間微分法を適用する前処理手段として、撮像した前記マーカー画像から高空間周波数成分をカットするフィルタリング手段を備えていることを特徴とする請求項１４記載のコンピュータプログラム。
16. 前記フィルタリング手段は、所定の撮像時間間隔で撮像される測定対象の画像間の最大移動距離をＬmax(pixel)としたときに、10Ｌmax(pixel)未満の空間周波数をカットするように設定されていることを特徴とする請求項１５記載のコンピュータプログラム。