JP2010522317A - 遠隔光学式ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

電力供給ユニット及びヒューマンマシンインターフェースに接続された検出ハウジング（３０）を備え、この検出ハウジングは、非冷却マイクロボロメータマトリクス検出器（５０）にイメージを形成する赤外レンズ（４６）と、可視光下で観察領域を観察するＣＣＤ又ＣＭＯＳ型カメラ（６４）と、前記検出器を制御し且つ前記赤外信号の取得及びデジタル化を行う電気的手段アッセンブリ（６８）と、これらの信号を処理して前記観察領域のガスを検出し且つその濃度を求めるプロセッサ（８２）と、を内蔵している遠隔光学式ガス検出装置。

Description

本発明は遠隔光学式ガス検出装置に関し、詳しくは、化学プラント、製油所、ガス貯蔵施設などのような工業用地の監視に適用可能な遠隔光学式ガス検出装置に関する。

この種の装置は、特許文献１及び特許文献２から知られており、温度カメラ又は赤外撮像装置を含み、それらは測定フィルタ及び参照フィルタとかかわり、そのフィルタは順番に撮像装置の視軸上に置かれている。その測定フィルタは探索ガス(sought-after gas)の少なくとも一の特定吸収線を含む透過域を有し且つこのガスの存在に対して感度が良く、その参照フィルタは測定フィルタの透過域と比較可能な透過域を有するが、探索ガスの吸収線又は吸収線群を含まないので、このガスの存在に対して感度が低い。

測定原理は、観測されたシーンのバックグラウンドを赤外光源として利用し、かつ、視線上の探索ガス（sought-after gas）の存在を強調し、かつ、赤外イメージの微分処理によりその濃度を計算することにある。それは、観察領域の異なる温度ポイントから得られたフラックスを空間的に処理し、バックグラウンドから探知ガスをスペクトル的に区別し、かつ、誤報およびタイミングの悪い検知を一次的になくすためである。

この装置は、好ましくは、赤外３バンド(IR-III band)（８〜１４μｍ）において動作し、そのバンドは赤外２バンド(IR-II band)（３〜５μｍ）よりも広く、しかもそのバンドはより多くのフラックスが吸収されるのを可能にし、加えて大気の吸収は赤外３バンドにおいて赤外２バンドよりも小さい。

この既知の装置において、使用されたカメラは冷却カメラであり、そのカメラは適切なハウジング内にそれの冷却手段と共に入れられ、またそれはキャビネットに接続されそのキャビネットは電源供給手段、カメラ及びフィルタ制御手段、並びに、得られた信号を処理する手段の全てを内蔵し、このアッセンブリは、重く、大きく、及び常設を必要とする。

欧州特許出願公開第５４４９６２号明細書 国際公開第０３／０４４４９９号パンフレット

本発明の目的は、特に、この既知の装置を改良し、その装置の性能を向上し、その装置の使用可能性を高めることにある。

そのために、本発明は、カメラの視軸上に連続的にマウントされる測定フィルタおよび参照フィルタとかかわる赤外カメラと、
前記カメラが提供し且つ観察された領域の温度の異なる少なくとも二つのエリアのフラックスに対応する信号を処理する手段と、
備えた遠隔光学式ガス検出装置において、
該検出装置は電力供給ユニットに接続された検出ハウジングを含み、
前記検出ハウジングは、光検出器のマトリクスを有する赤外検出器と、
回転ディスクにより運ばれるフィルタアッセンブリと、
を備え、このアッセンブリは、前記レンズと前記検出器との間に配置され、且つ、レンズ及び検出器の視軸上に各フィルタを連続的に入れる動力駆動手段を含み、
前記検出ハウジングは、さらに、前記検出器を制御し、赤外信号の取得及びデジタル化を行い、且つ前記フィルタディスクを回転する手段を制御する電子ボードと、
前記検出ハウジングの動作を制御し且つ前記検出器が提供する信号にガス検出アルゴリズムを適用することにかかわるプロセッサと、
を含む遠隔光学式ガス検出装置を提案する。

上記の既知装置と比較すると、本発明にかかる装置は、コンパクトであり、内蔵型であり且つ輸送がしやすく、現場でのセットアップがより簡単であり且つ複数のガスを検出する能力を有する、という利点を有しており、その利点は特に検出ハウジング内に様々な電子制御及び処理ボード並びにプロセッサを集積化したことによるものであり、検出器が提供する信号を処理し、視線上の一以上の探索ガスを検出し、且つその探索ガスの濃度を検出している。

フィルタアッセンブリ及び赤外レンズは有利な着脱交換式でありフィルタアッセンブリ及びレンズにより異なる特性を有し、これはその装置の使用分野を広げ且つその装置の非常に特殊なタスクへの適用を可能にする。

本発明のさらなる特徴によれば、
前記検出ハウジングは動力駆動手段を含み、黒体を備えたフラップで赤外レンズを覆い且つ閉じ、それの輸送及び保管中に前記レンズを保護し且つ前記検出器が提供する赤外イメージの周期的な再均一化を行い、熱ドリフトを補正するために、観察されたシーンの熱変動に適応し、
前記検出ハウジングは、さらに、ＣＣＤ型又はＣＭＯＳ型のマトリクス配列カメラを含み、例えば、可視光下で目的領域を観察し、
前記検出ハウジングは、さらに、スクリーンキーボード型のヒューマンマシンインターフェースへの接続手段を含み、かつ、ネットワークへの接続手段を含みそのネットワークは同種の別の検出ハウジングへ及び中央情報処理システムへの接続手段を含み、
検出ハウジング内部にて、前記赤外検出器は、動力駆動の可動サポートに取り付けられ、光学焦点を調整することを可能にし、
前記検出器は、マイクロボロメータの非冷却マトリクスを含み、
前記検出ハウジングは、さらに、例えば３軸コンパスのような手段を含み、高度、相対方位及び方位角に関する視軸方向の位置決めを行い、
前記検出ハウジングは、少なくとも上部及び側部が二重壁とされ、かつ前記赤外レンズに対して保護的なフロントバイザを備え、
前記検出ハウジングは、手動指向のプラットフォーム又は動力駆動のタレットにマウントされている。

添付の図面を参照して、説明のための以下の記載を読むことにより、本発明はよく理解がなされて、本発明のさらなる特徴、詳細、及び効果がより明らかとなるであろう。

既知の遠隔光学式ガス検出装置の概略図である。 この装置の手段によるガス検出原理の説明図である。 本発明にかかる検出装置の概略図である。 この装置の検出ハウジングの軸方向断面図である。

図１は既知の遠隔光学式ガス検出装置の概略図であり、赤外カメラ１０を備え、そのカメラは冷却型が好ましく且つそのカメラは断熱ハウジング１２の内部に入れられ、さらにホイール１４を備え測定フィルタ１５及び参照フィルタ１８を保持し、それらのフィルタは、順番にカメラ１０の視軸上に入れられる。

前記装置は、さらに電力供給、制御、及び処理のキャビネット２０を含み、そのキャビネットは前記カメラ１０及びそれの冷却手段、並びに、フィルタを保持するホイール１４の回転手段に接続され、またそのキャビネットは、例えばポータブルコンピュータ２４のような情報処理システムへの接続手段２２を含み、前記キャビネット２０は、さらに中央処置装置へ接続可能である。

前記測定原理は、図２のグラフにより示されており、そのグラフは波長λに対する探索ガスの透過率Ｔの変化を示し、かつ、赤外３バンド(８〜１４μｍ)に対応する波長範囲にわたって測定フィルタの透過率Ｔ１及び参照フィルタの透過率Ｔ２を示している。

前記ガス透過率曲線Ｔは、波長λ１にて吸収線２６を有し、この吸収線の振幅は、ガス濃度の関数であり、かつその幅は、例えば、数十又は数百ｎｍオーダである。

測定フィルタの透過率曲線Ｔ１は、検出されたガスの吸収線の波長λ１を含み、かつこの吸収線の幅よりも明らかに広い波長域にわたって伸びている。

参照フィルタの透過率曲線Ｔ２は、測定フィルタの透過率Ｔ１と比較すると、前記ガスの吸収線２６を多少補完しており、測定フィルタの透過率Ｔ１と実質的に同じ波長域にわたって伸びているが、吸収線２６を含んでいないからである。

測定フィルタ１６がカメラ１０の光軸上に位置すると、このカメラが受けたフラックスは、観察された領域における探索ガスの雲の有無、および、カメラの視線上の、このガスの濃度に基づいている。

参照フィルタ１８がカメラ１０の光軸上に位置している場合、受けたフラックスは、視線上の、探知ガスの存在とは無関係である。

測定フィルタ１６を通じて且つさらに参照フィルタ１８を通じてカメラ１０が連続的に受けたフラックスの割合は、観察された領域における探知ガスの濃度に基づく定量を可能にし、且つ光学系の温度及び透過率と無関係である。

さらに、観察領域の温度の異なる二つのポイント又は二つのエリアが提供するフラックスは、二つのフィルタを介して連続的に観察され、これらの二つのポイント又はこれらの二つのエリアは探知ガス雲を介してカメラ１０により観察されるので、これはガス雲の実際の放出なしに、測定フィルタを介したこれらの二つのポイント又はこれらの二つのエリアからのフラックスを微分することにより、さらに参照フィルタを介した同じフラックスを微分することにより、次にこれらの差の比をとることにより、行うことができる。

詳しくは、特許文献２に記載されているように、複数のガスを検出するため、さらにフィルタアッセンブリを使用することが可能であり、そのアッセンブリの透過域は、検出されるガスの吸収線に基づいて互いに決定され、したがって、あるガスを検出する参照フィルタとして使用可能なフィルタは別のガスを検出する測定フィルタとして使用可能であり、或いはその逆も可能であり、フィルタはペアまたはグループで組み合わされ、それぞれのペア又はグループは、一以上のガスを検出することを目的としている。

各透過域において観察された領域の画像を得るために、観察波長域にわたって広がり且つ重なる可能性のある透過域を有するフィルタアッセンブリを使用することも可能であり、その結果得られる画像は次に、広域測定フィルタを通じて観察された画像および広域参照フィルタを通じて観察された画像を再構成するよう求められる。

本発明にかかる遠隔光学式ガス検出装置は、実質的に既知の装置と異なり、図３に概略的に示されるように、検出ハウジング３０が、好ましくは非冷却マイクロボロメータのマトリクス赤外検出器（これは長期間にわたって連続的な監視を可能にする）、赤外レンズ、及び動力駆動のフィルタアッセンブリのみを含むのでなく、同様に電子ボードのセットを含み、赤外検出器を制御し且つこの検出器が提供する赤外信号の取得及びデジタル化を行い、またボードを含みこのハウジング内部に内蔵された様々なメカニズムを制御し、また視軸方向の位置決め手段、可視光下で観察領域を観察するカラーＣＣＤ又はＣＭＯＳカメラ、使用された手段の全てを制御し且つ得られた信号にガス検出アルゴリズムを適用する操作プロセッサ、及び、ハウジング３０の内部電力供給回路の配電及び保護を確実にする電子回路ユーティリティシステムを含んでおり、バッテリ３４又は配電ネットワークに接続された外部ハウジング３２が提供する一般的な電力供給とは異なる。

検出ハウジング３０はヒューマンマシンインターフェース３６とネットワーク３８とに接続され、そのネットワークは同種の別の検出ハウジング３０及び遠隔中央情報処置装置４０への接続手段を備える。検出ハウジング３０は、三脚４２により保持された手動指向プラットフォームに、又は、検出ハウジング３０から制御及び駆動される動力駆動タレット４４に、マウントすることができる。

本発明の一の詳細な実施形態において、検出ハウジング３０は６７０ｍｍ×２８０ｍｍ×３３０ｍｍオーダの寸法および約１８ｋｇの重量を有し、またバッテリ３４を備えた電源ユニット３２は１７０ｍｍ×１２０ｍｍ×１２５ｍｍオーダの寸法および約４ｋｇの重量を有し、その結果、本発明にかかる装置全体は、可搬型となり、現場でのセットアップが容易となり、かつ内蔵型となる。

より詳細な手法においては、図４に示されるように、検出ハウジング３０が、赤外レンズ４６を含み、そのレンズはそれの前部がハウジング３０の前壁４８の窓の後方に取り付けられており、また非冷却マイクロボロメータのマトリクス赤外検出器５０を含み、その検出器はレンズ４６の後方にて動力駆動サポート５２にマウントされており、そのサポートはハウジング３０内部にて検出ハウジング構成要素を保持するフレーム５４に案内されており、検出器５０、サポート５２の軸方向運動は、動作条件（レンズ特性４６、動作温度、フィルタアッセンブリの構成など）に基づく、光学的なフォーカスを可能にする。この配置は、熱ドリフトのためフォーカスを修正する場合にカメラショットのスケールおよび正確な視野を維持するという利点を有するので、観察されたシーンの空間的な修正を行うことなく、視野および分析分解能に関して、このドリフトの補正を行うという利点を有する。

フィルタ５８を保持するディスク５６は、レンズ４６の後部と検出器５０との間に配置され且つサポート６０に取り外し可能にマウントされ、そのサポート６０は、ディスク５６を回転する動力駆動手段と、それの回転軸に対するディスクの角度位置及びレンズの軸上に置かれたフィルタの角度位置を位置決めする指標手段と、を備え、ディスク５６が保持するフィルタ５８の数は、例えば六つである。

検出器５０を制御し且つその検出器が受けた赤外信号の取得及びデジタル化を行う電子ボードは、ハウジング内部の６２のところで、検出器５０の後方に、マウントされている。

ＣＣＤ又はＣＭＯＳカメラ６４は、ハウジング３０の内部にて、赤外レンズ４６の下方、ハウジングの前壁の窓６６の後方に、マウントされており、可視光下で観察されたシーンのイメージを撮る。

電子指令制御手段６８は、ハウジング３０のさまざまな機構を制御することにかかわり、フレーム５４により検出器５０及びそれのサポート５２の後方に保持されており、これらの機構は、フィルタ５８を保持する動力駆動ディスク５６と、検出器５０のための動力駆動サポート５２と、温度制御手段と、レンズ４６を覆い且つ保護する手段７０と、を備え、その手段はハウジングの前面４８の上部により保持され且つそれは図４に示された検出器５０の動作位置とレンズ４６前部上の下向き位置との間で旋回することができ、これらの手段７０は、それの表面に黒体７４を保持するフラップ７２を備え、その黒体はレンズ４６の前部をカバーすることを目的としており、またハウジング３０の内部にマウントされた駆動手段７６を備え、またフラップ７２が前述した二つの位置間で横軸周りに旋回できるようにする。

フラップ７２は、レンズ４６の前部が覆われ且つ閉じられるようにして、検出器５０を使用しない際にそのレンズを保護しており、詳しくはハウジング３０の輸送及び保管中に、黒体７４は、レンズ４６の前部に置かれ、赤外画像の周期的な再均一化を可能とし、観察された領域の熱変化に適応し、且つ、レンズ４６及びその後方に配置された窓を含む全体メージ取得連鎖(chain)構成部材の全ての熱ドリフトを補正する。

機構７０はハウジング３０の前部にマウントされバイザ７８の下方にあり、そのバイザはハウジング３０上壁に取り付けられ且つ前方に伸び、直達日射による照明からレンズ４６を保護している。

太陽にさらされることによる過熱に対する追加的保護は、図４に示されるような、ハウジング３０の二重壁により提供され、それの側面および上面に設けられている。

手段８０は、ハウジング内部にマウントされ、例えば、検出器５０の動力駆動サポート５２の下方にマウントされ、相対方位、高度及び方位角に関する視軸方向を位置決めし、これらの手段は、例えば、３軸コンパスを備える。

ハウジングの内部では、ハウジング３０の後面がプロセッサ８２を保持し、そのプロセッサは検出ハウジングの構成部材の全ての制御にかかわり且つ検出器５０により供給された信号にガス検出アルゴリズムを適用し、そのプロセッサはまた外部手段（ヒューマンマシンインターフェース３６、ネットワーク３８、中央処理装置４０）とのやりとりにかかり、かつ、ハウジング３０が固定できる動力駆動タレット４４の制御にかかわる。プロセッサ８２は、ハウジング３０の後部区画に位置し、ハウジング前部に位置する赤外検出器５０と分けられ、かつ冷却手段８４と接触し、その冷却手段は、ラジエータ及びファンを備え、熱がハウジング３０の後面から排出されるようにしている。

最後に、電気的手段８６は、フレーム５４にマウントされ、ハウジングの後部のところにマウントされ、電源供給ユニット３２に接続されて電気エネルギを配分すること及びハウジング３０の内部電源供給手段を保護することを確実に行なっている。

本発明にかかる装置は、以下のように動作する。
スタートアップでは、六つのフィルタがディスク５６により運ばれ順番に使用されて、全てのガスが検出され、それらのガスは六つのフィルタの組合せにより検出可能であり、そのディスクの回転サイクルは、その上、連続的であり、かつ、その六つのスペクトルパスは、それぞれ信号取得に使われた六つのディスクに対応する。

代替的に、オペレータは特定のガスを選択することができ、そのガスはディスク５６の六つのフィルタの組合せにより検出可能なものの中から選択でき、そして選択されたガスに対応するフィルタに限定して信号を取得している。このため分析サイクルは、必要なスペクトルパスの回数に基づき、加速することができる。この選択は、現場でヒューマンマシンインターフェース３６により、又は、遠隔でネットワーク３８を通じて中央処理ユニット４０から行うことができる。

前記検出は、レンズ４６により検出器５０に形成されたイメージ全体にわたって有効である。イメージされたシーンの最初の分析では、約３０〜４０秒を要して最適な検出性能に達する。次回、行われた測定と表示とは、２秒オーダの頻度でリフレッシュすることができる。

オペレータは、さらに、検出器５０に形成されたイメージの特定領域を選択することができ、それは環境に応じて目的領域として又は禁制領域として処理される。

概して言えば、本発明は長期間にわたって観察された場所の連続的な監視を確実に行うことを可能とし、かつ制御に影響を与えることなく、検出されたガスの濃度を測定する際に、観察されたシーンの温度変動の影響を含まないようになり、誤報を減らし、装置の応答時間及びそのスペクトル選択性を向上する。

３０ 検出ハウジング
３２ 電源ユニット
３４ バッテリ
３６ ヒューマンマシンインターフェース
３８ ネットワーク
４０ 遠隔中央情報処置装置
４２ 三脚
４４ 手動指向プラットフォーム又は動力駆動タレット
４６ 赤外レンズ
５０ 検出器
５２ 動力駆動サポート
５４ フレーム
５８ フィルタ
５６ 動力駆動ディスク
６０ サポート
６４ ＣＣＤ又はＣＭＯＳカメラ
６８ 電子指令制御手段
７２ フラップ
７４ 黒体
７８ バイザ
８２ プロセッサ
８６ 電気的手段

Claims (11)

1. カメラの視軸上に連続的にマウントされる測定フィルタおよび参照フィルタ（５８）を伴う赤外カメラと、
   前記カメラが提供し且つ観察領域の温度の異なる少なくとも二つのエリアのフラックスに対応する信号を処理する手段と、
   を備えた遠隔光学式ガス検出装置において、
   該検出装置は電力供給ユニット（３２）に接続された検出ハウジング（３０）を含み、
   前記検出ハウジング（３０）は、光検出器の二次元配列を有する赤外検出器（５０）と、
   前記検出器（５０）の前にマウントされた赤外レンズ（４６）と、
   回転ディスク（５６）により保持されたフィルタアッセンブリ（５８）と、
   を備え、このアッセンブリは、前記レンズ（４６）と前記検出器（５０）との間に配置され、かつ、前記レンズ及び検出器の前記視軸上に各フィルタを連続的に入れる動力駆動手段を含み、
   前記検出ハウジング（３０）は、さらに、前記検出器（５０）を制御し、前記赤外信号の取得及びデジタル化を行い、前記フィルタ（５８）を坦持した前記ディスク（５６）の回転手段を制御する電子ボードと、
   前記検出ハウジングの動作制御にかかわり且つ前記検出器（５０）が供給する前記信号にガス検出アルゴリズムを適用するプロセッサ（８２）と、
   を含むことを特徴とする遠隔光学式ガス検出装置。
2. 前記検出ハウジング（３０）は動力駆動手段（７０）を含み、黒体（７４）を備えたフラップ（７２）で前記赤外レンズ（４６）を覆い且つ閉じ、その輸送中及び保管中に前記レンズを保護し且つ前記検出器が提供する赤外イメージの周期的な再均一化を行い、熱ドリフトを補正するために前記観察されたシーンの熱的変動に適応することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記検出ハウジング（３０）は、さらに、ＣＣＤ型又はＣＭＯＳ型のマトリクス配列カメラを含み、例えば、可視光下で目的領域を観察することを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記検出ハウジング（３０）は、さらに、スクリーンキーボード型のヒューマンマシンインターフェース（３６）への接続手段を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記検出ハウジング（３０）は、ネットワーク（３８）への接続手段を含み、そのネットワークは同種の別の検出ハウジング（３０）へ及び中央情報処理システム（４０）への接続手段を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記検出器は、さらに、マイクロボロメータの非冷却マトリクスを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記検出器（５０）は、前記検出ハウジング（３０）の内部にて運動案内付きの動力駆動サポート（５２）に取り付けられ、光学焦点を調節することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記赤外レンズ（４６）及び前記フィルタッセンブリ（５６，５８）は、取り外し可能であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記検出ハウジング（３０）が、例えば３軸コンパスのような手段（８０）を含み、高度、相対方位及び方位角に関する視軸方向を位置決めすることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記検出ハウジング（３０）は、少なくともその上部及び側部が二重壁となされ、かつ、前記赤外レンズ（４６）に対して保護的なフロントバイザ（７８）を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記検出ハウジング（３０）は、手動指向プラットフォームに又は動力駆動タレット（４４）にマウントされていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。

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