JP2012220313A

JP2012220313A - 気体検出装置

Info

Publication number: JP2012220313A
Application number: JP2011085547A
Authority: JP
Inventors: Emiko Kurata; 恵美子倉田; Toshiro Nakajima; 利郎中島; Hiroyuki Kono; 裕之河野; Hajime Nakajima; 一仲嶋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-11-12

Abstract

【課題】赤外光を使って特定の気体を検出する気体検出装置において、低濃度の特定の気体を検出し検出結果を見やすく表示する気体検出装置を提供すること。
【解決手段】赤外光を放射する赤外光源と、被検出ガスによって吸収される波長の赤外光を透過し赤外光源から放射される赤外光をガス漏れ検知領域を通して受ける光学フィルタと、光学フィルタを透過した赤外光を画像データに変換する画像撮影手段と、ガス漏れ検知領域に存在する被検出ガスを除去する気体除去手段と、気体除去手段を停止させたときの画像撮影手段の出力および気体除去手段を作動させたときの画像撮影手段の出力から差分画像データを生成する差分画像生成手段と、差分画像生成手段の出力を表示する画像表示手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外光を使って特定の気体を検出する気体検出装置に関するものである。

特定の気体を検出する技術としては、特定の気体が特定の波長の光を強く吸収する特性を利用する方式がある。従来の気体検出装置では、赤外光源からの光を気体の存在を判定したい空間に対して放射し、その空間を通過した光を特定波長の光のみを透過するフィルタに通し、フィルタを通った光を画面表示信号に変換し表示装置に表示する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３１７３６６号公報

従来の気体検出装置では、表示装置に表示された映像情報において、特定の領域とそれ以外の領域の表示信号に差があることを確認し、気体が検出されたことを確認していた。そのため、低濃度の気体を検出したいときには、特定領域の表示信号とそれ以外の領域の表示信号との差が小さくなり、検出が困難であるという問題があった。

本発明は前記のような問題を解決するためになされたもので、低濃度の特定の気体を検出し検出結果を見やすく表示する気体検出装置を提供することを目的としている。

本発明による気体検出装置は、赤外光を放射する赤外光源と、被検出ガスによって吸収される波長の赤外光を透過し赤外光源から放射される赤外光をガス漏れ検知領域を通して受ける光学フィルタと、光学フィルタを透過した赤外光を画像データに変換する画像撮影手段と、ガス漏れ検知領域に存在する被検出ガスを除去する気体除去手段と、気体除去手段を停止させたときの画像撮影手段の出力および気体除去手段を作動させたときの画像撮影手段の出力から差分画像データを生成する差分画像生成手段と、差分画像生成手段の出力を表示する画像表示手段とを備えるものである。

本発明によれば、赤外光を放射する赤外光源と、被検出ガスによって吸収される波長の赤外光を透過し赤外光源から放射される赤外光をガス漏れ検知領域を通して受ける光学フィルタと、光学フィルタを透過した赤外光を画像データに変換する画像撮影手段と、ガス漏れ検知領域に存在する被検出ガスを除去する気体除去手段と、気体除去手段を停止させたときの画像撮影手段の出力および気体除去手段を作動させたときの画像撮影手段の出力から差分画像データを生成する差分画像生成手段と、差分画像生成手段の出力を表示する画像表示手段とを備えているので、低濃度の気体を検出し見やすく表示することができる。

本発明の実施の形態１による気体検出装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態１による気体検出装置の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１による画像撮影手段によって得られた画像データ、および、画像データの処理を説明するための図である。本発明の実施の形態２による気体検出装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態２による気体検出装置の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態３による気体検出装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態３による気体検出装置の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態４による気体検出装置の構成を示す図である。

実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１による気体検出装置の構成を示す図である。配管９には被検出ガス１０が封入されており、配管９に亀裂が生じたときなどに被検出ガス１０が配管９の外側に漏れ出すガス漏れが発生する。本発明の実施の形態１による気体検出装置は、配管９が示された被検出領域において、ガス漏れによって配管９の外側に漏れ出した被検出ガス１０を検出するものである。

赤外光源１は、ランプ光源、レーザーダイオード、ＬＥＤ、ヒーター、気体レーザーなど、被検出ガス１０が吸収する波長の赤外光を含む光を放射するものであれば、どのようなものでも構わない。赤外光源１が放射する光には、必ずしも可視領域の波長の光が含まれている必要はない。効率よく光量を得るために、赤外光源１と配管９の間に集光レンズやミラーを設置しても良い。また、広範囲に照射したい場合は、赤外光源１と配管９の間に拡散板を配置しても良い。また、赤外光源１は、面状であっても良い。

光学フィルタ２は、赤外光源１から放射されガス漏れ検知領域を通過した赤外光を受ける位置に配置される。また、光学フィルタ２は、被検出ガス１０が吸収する波長の赤外光のみを透過するものである。

光学フィルタ２は、被検出ガス１０が吸収する赤外光の波長に合わせて、選択する。例えば、被検出ガス１０がＣＯ_２、ＣＯ、ＣＨ_４であれば波長２〜５μｍの赤外光を吸収するので、光学フィルタ２は波長２〜５μｍの赤外光を透過するものを用いる。ＳＦ_６、フロン系ガスであれば８〜１２μｍの赤外光を吸収するので、光学フィルタ２は波長８〜１２μｍの赤外光を透過するものを用いる。また、背景気体と検出対象気体とを区別するために、検出対象ではない気体の吸収波長帯域を光学フィルタ２の透過帯域から外してもよい。例えば、大気中でＳＦ_６を検出する場合は、ＳＦ_６が吸収する赤外光の波長は１０．６μｍなので、光学フィルタ２は波長１０．６μｍの赤外光を透過するものを用いる。この場合は、背景気体として例えばＣＯ_２が想定されるが、ＣＯ_２が吸収する赤外光の波長が２〜５μｍなので、ＳＦ_６のみを検出することができる。光学フィルタ２は、検出対象となる気体が１種類の場合は１種類のフィルタを使用する。検出対象となる気体が複数ある場合は、光学フィルタ２を複数枚準備し、手動もしくは自動で入れ替えても良い。また、光学フィルタ２を使用する代わりに、干渉計、プリズム、回折格子などを用いて特定波長の光成分を分光して画像撮影手段３に入力するようにしても良い。あるいは、画像撮影手段３の前面に集光レンズや集光ミラーを設置する場合は、これらの表面に特定波長の赤外光のみを透過する膜を蒸着しても良い。

画像撮影手段３は、光学フィルタ２を通過した赤外光を受光し、画像データに変換するものである。画像撮影手段３は、赤外光を検出する素子を２次元配列したものであり、素子の出力を画像データとして出力する。赤外光を検出する素子としては、サーモパイル、ポロメーター、焦電素子などの熱型検出素子や、フォトダイオード、フォトトランジスタなどの量子型検出素子などがある。また、それぞれの素子をライン上に１次元に配列し、短手方向にスキャンすることにより、２次元配列したときと同様に画像データを取得するようにしても良い。画像撮影手段３は、赤外光を検出する素子の出力を画像データとして出力するため、被検出ガス１０の存在位置や濃度分布をわかりやすく把握することができる。また、それぞれの素子において効率よく検出するために、画像撮影手段３のそれぞれの素子の前面に受光レンズや集光ミラーを設置しても良い。

気体除去手段４は、ガス漏れ検知領域の空気を吸引する、または、ガス漏れ検知領域に向かって空気を送りだすことにより、ガス漏れ検知領域に存在する被検出ガス１０を除去するものである。被検出ガス１０がプラズマあるいは化学処理によって除去可能なものであれば、プラズマあるいは化学処理によって被検出ガス１０を除去してもかまわない。

図２を用いて、本発明の実施の形態１による気体検出装置の動作について説明する。図２は、本発明の実施の形態１による気体検出装置の動作を示すフローチャートである。ステップＳ０１では、画像取得制御手段５が気体除去手段４を停止状態にする。この状態では、配管９の周囲には被検出ガス１０が漏れ出している状態である。次に、ステップＳ０２において、画像取得制御手段５は画像撮影手段３に画像データ取得を指示し、画像撮影手段３は画像データを取得する。画像撮影手段３では、赤外光源１から放射され配管９の近傍を通った赤外光を受光し、画像データとして出力する。

図３は、本発明の実施の形態１において、画像撮影手段３によって得られた画像データ、および、画像データの処理を説明するための図である。図３（ａ）は、画像撮影手段３の撮影領域１1を示している。この例では、配管９に破損があり、被検出ガス１０が漏れ出している。よって、気体除去手段４が停止している状態では、この領域には配管９と被検出ガス１０が存在する。この状態において、画像取得制御手段５から画像撮影手段３に画像データ取得の指示が出される。画像撮影手段３が取得した画像データの例が、図３（ｂ）に示された画像データ１２である。この例では、画像撮影手段３の赤外光を検出する素子が赤外光を強く検出した場所が白く表示されている。例えば、配管９の部分は、赤外光源１からの赤外光が配管９によって遮られたため、黒い部分１３となって表れる。被検出ガス１０が存在する部分は、被検出ガス１０によって特定の波長の赤外光が吸収されたため、薄く黒い部分１４となって表れる。被検出ガス１０の濃度が濃い場合は、画像データ１２における領域１４の色の濃さも濃くなる。何も無い部分は、赤外光源１からの赤外光がそのまま画像撮影手段３に到達するため、白い領域となって表れている。ステップＳ０３では、画像撮影手段３が図３（ｂ）に示された画像データ１２を差分画像生成手段６に出力し、図３（ｂ）に示された画像データ１２が画像メモリ７に保存される。

次に、ステップＳ０４では、画像取得制御手段５が気体除去手段４を作動させ、画像撮影手段３の撮影領域１1から被検出ガス１０が除去される。図３（ｃ）は、その時の様子を示している。気体除去手段４によって被検出ガス１０が除去されたため、撮影領域１1には配管９のみが存在する。

ステップＳ０５では、画像取得制御手段５が気体除去手段４を作動させたまま、画像撮影手段３に画像データ取得の指示が出され、画像撮影手段３が画像データを取得する。そのときの画像撮影手段３の出力画像の例が、図３（ｄ）に示された画像データ１５である。配管９が赤外光を遮ることによって現れる黒い部分１３のみの画像となる。ステップＳ０６では、画像撮影手段３が、図３（ｄ）に示された画像データ１５を差分画像生成手段６に出力する。

ステップＳ０７では、差分画像生成手段６が、ステップＳ０６において画像撮影手段３から出力されてきた図３（ｄ）に示された画像データ１５と、メモリに保存されている図３（ｂ）に示された画像データ１２との差分画像として、図３（ｅ）に示された画像データ１６を生成する。画像データ１６では、被検出ガス１０が存在していた部分のみが薄く黒い部分１７となって表れている。差分画像生成手段６は、生成した差分画像データ１６を画像表示手段８へ出力する。

なお、差分画像生成手段６において、差分画像データ１６に対して画像強調処理を行って出力してもかまわない。例えば、図３（ｅ）に示された差分画像データ１６において、真っ白の部分を「０」真黒の部分を「２５６」としたとき、「画像データの値に定数をかける」「画像データの値に一定の値を加える」などの処理を行うことにより、図３（ｅ）に示された差分画像データ１６の薄く黒い部分１７を、図３（ｆ）に示された強調画像データ１８の濃く黒い部分１９のようになるように、強調する。このような処理を行うことにより、差分画像データ１６では色が薄く確認が困難であった薄く黒い部分１７が、強調画像データ１８では濃く黒い部分１９に変換され、確認が容易となる。

ステップＳ０８では、差分画像生成手段から出力された画像データを、画像表示手段８で表示する。画像表示手段８に表示された画像を確認することにより、被検出ガス１０を検出することができる。

なお、気体除去手段４を停止状態にしたまま画像撮影手段３において時間を変えて複数枚の画像を撮影し、差分画像生成手段６の処理をして画像表示手段８に表示させることにより、被検出ガス１０の存在の時間的変化を確認することが可能であり、例えば、配管９から被検出ガス１０が間欠的に噴出している状態などを確認することもできる。

従来の気体検出装置では、例えば、図３（ｂ）に示された画像データ１２において被検出ガス１０が存在する領域１４と周りの白い領域との画像データの差を見ることにより、領域１４を認識し、被検出ガス１０が存在することを検出していた。しかしながら、被検出ガス１０の赤外光吸収量が小さい場合は領域１４とその周囲の領域との画像データの差が小さくなり、被検出ガス１０の存在を検出することが非常に困難であった。本発明の実施の形態１による気体検出装置では、気体除去手段４によって被検出ガス１０が無い状態を作り出し、その状態で画像データを取得し、被検出ガス１０が存在する状態で撮影した画像データとの差分画像データを生成することにより、被検出ガス１０の検出がより容易になる。

なお、実施の形態１では、気体除去手段４を停止させた状態で１枚の画像を取得し、気体除去手段４を作動させた状態で１枚の画像を取得して、処理するものとしたが、気体除去手段４を停止させた状態で複数枚の画像を取得しそれらを平均化処理した画像を１枚作成し、気体除去手段４を作動させた状態で複数枚の画像を取得して平均化した画像を１枚作成し、後の処理を行ってもかまわない。この場合は、画像データに重畳したランダムノイズを低減させることができ、また、気体除去手段４の動作や被検出ガス１０の噴出が安定しない場合でも、複数枚撮影した画像を平均化した画像を使うことにより、より安定した検出結果を得ることができる。

また、実施の形態１では、先に気体除去手段４を停止させた状態で画像データを取得するとしたが、先に気体除去手段４を作動させた状態で撮影し、その後に気体除去手段４を停止して被検出ガス１０が十分に発生する時間だけ待ってから画像データを取得するようにしても良い。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２による気体検出装置の構成を示す図である。図４を本発明の実施の形態１による気体検出装置の構成を示す図である図１と比べると、気体除去手段４が気体噴射手段２０と気体供給手段２１に変更されている以外は、同じである。

気体噴射手段２０は、気体供給手段２１から供給される気体をガス漏れ検知領域に噴射する。気体供給手段２１に封入されている気体は、光学フィルタ２の透過波長域の光、すなわち、被検出ガス１０によって吸収される波長域の光を吸収しない特性を持ったものである。例えば、被検出ガス１０としてＳＦ_６を検出したい場合、光学フィルタ２は波長１０．６μｍの光を選択して透過するようにする。この場合、気体供給手段２１には、１０．６μｍの光を吸収しない気体として、例えば窒素を封入する。

本発明の実施の形態２による気体検出装置の動作を、図５を用いて説明する。図５を本発明の実施の形態１による気体検出装置の動作を示すフローチャートである図２と比べると、ステップＳ０１がステップＳ０９に、ステップＳ０４がステップＳ１０に変わっている以外は、同じである。

ステップＳ０９では、画像取得制御手段５が気体噴射手段２０を停止状態にする。この状態は、実施の形態１において気体除去手段４を停止させた状態と同じである。

ステップＳ１０では、画像取得制御手段５が気体噴射手段２０を作動させ、ガス漏れ検知領域に向かって気体供給手段２１に封入されている気体を噴射する。

実施の形態１においては、気体除去手段４を作動させて、ガス漏れ検知領域の空気を吸引する、または、ガス漏れ検知領域に向かって空気を送風するとしていたが、画像撮影手段３によって撮影される領域の周辺あるいは気体除去手段４の周辺に光学フィルタ２を透過する波長域の赤外光を吸収する気体が存在した場合、これらの気体がガス漏れ検知領域に送りこむことになってしまい、被検出ガス１０以外の気体によっても赤外光の吸収が発生してしまう。この場合、被検出ガス１０の存在を正しく検知できないことになる。

本発明の実施の形態２による気体検出装置においては、気体噴射手段２０は気体供給手段２１に封入されている気体をガス漏れ検知領域に噴射するので、光学フィルタ２を透過し画像撮影手段３に届く赤外光が減衰することがなく、被検出ガス１０をより正確に安定して検出することができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３による気体検出装置の構成を示す図である。図６を本発明の実施の形態１による気体検出装置の構成を示す図である図１と比べると、差分画像生成手段６の出力が画像表示手段８に入力されるとともに濃度算出手段２２に入力され、濃度算出手段２２の出力が画像表示手段８に入力されている以外は、同じである。

本発明の実施の形態３による気体検出装置の動作を、図７を用いて説明する。図７を本発明の実施の形態１による気体検出装置の動作を示すフローチャートである図２と比べると、ステップＳ０１からステップＳ０６までは同じである。

実施の形態３では、ステップＳ１１において、差分画像生成手段６の出力が画像表示手段８および濃度算出手段２２に出力される。濃度算出手段２２へは、差分画像生成手段６から例えば図３（ｅ）で示される差分画像データ１６が出力される。

ステップＳ１２では、濃度算出手段２２において、入力された差分画像データに示された被検出ガスの存在を示す領域のデータから、被検出ガスの濃度を算出する。濃度算出手段２２では、図３（ｅ）に示された差分画像データ１６において、真っ白の部分を「０」真黒の部分を「２５６」としたとき、「０」以外のデータを持つ領域の平均値を求める。図３（ｅ）の例では、薄く黒い部分１７が「０」以外のデータを持つ領域に当たるため、領域１７のデータ値の平均値を求め、これを被検出ガスの濃度とする。次に、求められた濃度の値を画像表示手段８に出力する。平均値を求める演算は、複数回取得した画像データから行ってもかまわない。

ステップＳ１３では、画像表示手段８において差分画像生成手段６から入力された差分画像データと濃度算出手段２２から入力された濃度の値とを、表示する。

なお、濃度算出手段２２における処理は、差分画像データから求められた平均値をあらかじめ準備した変換テーブルによって被検出ガス１０の濃度値を示すデータに変換して出力しても良い。また、差分画像データから求めた平均値から演算処理によって濃度値を示すデータに変換してもよい。被検出ガス１０の濃度をｎ、被検出ガス１０が吸収する光の波長をλ、被検出ガス１０が存在する領域に入射する光量をＩ_λ（０）、被検出ガス１０が存在する領域の厚さ（光路長）をｓ、光量Ｉ_λ（０）の光が光路長ｓの被検出ガス１０を透過した後の光量をＩ_λ（ｓ）、被検出ガス１０に固有な比例乗数をＫ_λとすると、それぞれの関係は以下のように表わすことができる。

濃度算出手段２２では、測定するガスの種類や測定する環境に応じて、式（１）のＩ_λ（０）、ｓ、Ｋ_λの値をあらかじめ設定しておく。次に差分画像生成手段６から入力された差分画像データ１６における「０」以外のデータを持つ領域１７の平均値を求め、この値からあらかじめ準備した変換テーブルなどを用いてＩ_λ（ｓ）を求める。このようにして得られた値を用いて、式（１）から濃度ｎの値を求める。

本発明の実施の形態３による気体検出装置においては、気体検出結果を映像だけでなく数字として示すことにより、より分かりやすく検出結果を確認することができる。

実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４による気体検出装置の構成を示す図である。図８を本発明の実施の形態１による気体検出装置の構成を示す図である図１と比べると、赤外光源１が赤外光照射手段２３と赤外光反射板２４に変更されている以外は、同じである。また、本発明の実施の形態４による気体検出装置の動作は、本発明の実施の形態１による気体検出装置の動作と同じである。

赤外光照射手段２３から放射された赤外光２５は、赤外光反射板２４で反射した後に配管９の近傍を通り、さらに光学フィルタ２を通り、画像撮影手段３に入力される。実施の形態４による気体検出装置では、赤外光反射板２４は薄い装置として実現することが容易であり、配管９が近接して存在する場合でもその隙間に設置することが可能である。また、赤外光照射手段２３から放射された赤外光２５が配管９の近傍を通って赤外光反射板２４に到達し、赤外光反射板２４によって反射された赤外光２５が再び配管９の近傍を通って画像撮影手段３に入力されるような配置にしもかまわない。この場合、赤外光照射手段２３から放射された赤外光２５が配管９の近傍を２回通ることになるので、被検出ガス１０による赤外光の減衰がより大きくなり、より低濃度の被検出ガス１０を検出することができる。

１赤外光源
２光学フィルタ
３画像撮影手段
４気体除去手段
６差分画像生成手段
８画像表示手段
２０気体噴射手段
２１気体供給手段
２２濃度算出手段
２３赤外光照射手段
２４赤外光反射板

Claims

赤外光を放射する赤外光源と、
被検出ガスによって吸収される波長の赤外光を透過し前記赤外光源から放射される赤外光をガス漏れ検知領域を通して受ける光学フィルタと、
前記光学フィルタを透過した赤外光を画像データに変換する画像撮影手段と、
前記ガス漏れ検知領域に存在する前記被検出ガスを除去する気体除去手段と、
前記気体除去手段を停止させたときの前記画像撮影手段の出力および前記気体除去手段を作動させたときの前記画像撮影手段の出力から差分画像データを生成する差分画像生成手段と、
前記差分画像生成手段の出力を表示する画像表示手段と
を備える気体検出装置。
赤外光を放射する赤外光源と、
被検出ガスによって吸収される波長の赤外光を透過し前記赤外光源から放射される赤外光をガス漏れ検知領域を通して受ける光学フィルタと、
前記光学フィルタを透過した赤外光を画像データに変換する画像撮影手段と、
前記被検出ガスによって吸収される波長域の光を吸収しない特性を持った気体を供給する気体供給手段と
前記気体供給手段から供給された前記気体を前記ガス漏れ検知領域に噴射する気体噴射手段と、
前記気体噴射手段を停止させたときの前記画像撮影手段の出力および前記気体噴射手段を作動させたときの前記画像撮影手段の出力から差分画像データを生成する差分画像生成手段と、
前記差分画像生成手段の出力を表示する画像表示手段と
を備える気体検出装置。
差分画像生成手段は差分画像データを強調して出力することを特徴とする請求項１または２に記載の気体検出装置。
差分画像生成手段の出力画像から被検出ガスの濃度を算出する濃度算出手段を備え、
画像表示手段は濃度算出手段の出力をあわせて表示することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の気体検出装置。
赤外光源は赤外光照射手段と赤外光反射板とから構成され、赤外光照射手段から照射され赤外光反射板で反射された赤外光がガス漏れ検知領域を通して光学フィルタに届くことを特徴とした請求項１から４のいずれか１項に記載の気体検出装置。