JP2013221757A - 長尺体の長さ測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の温度が測定毎に異なる場合でも、適切な感度で自発光画像を採取し、それに基づいて精度よく先端及び尾端位置を検出して、被測定物の長さを精度良く測定する。
【解決手段】可視光の自発光を発する温度を有する長尺体である被測定物の長さを非接触に測定する際に、被測定物の全体を、その軸方向と概直交する方向から撮像し、得られた画像に基づいて、その長さを非接触に測定する際に、撮像に先立って求めた被測定物表面の温度に基づいて、撮像の露光時間、カメラゲイン、受光レンズの絞りの少なくとも一つの撮像条件を、予め決定する関数関係より算出して決定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、鋼管や棒鋼等の高温状態での長尺体の長さ測定方法及び装置に係り、特にシームレス鋼管に用いるに好適な、被測定物の温度が測定毎に異なる場合でも適切な感度で自発光画像を採取し、それに基づいて精度よく先端及び尾端位置を検出することができ、結果として被測定物の長さを精度良く測定することが可能な長尺体の長さ測定方法及び装置に関する。

円筒状や棒状の長尺物である鋼管や棒鋼等の長さは、製品の最終段階における規格保証の面から重要なだけでなくその製造中の各段階においても、次工程の製造条件を決定する上で重要なパラメータである。

この観点から、従来より種々の測定装置や方法が提案されているが、それらは次の二つに大別される。

一つは、広く搬送材料の通過検知に用いられる光電センサー等を被測定物を搬送するライン上に沿って多数配置し、その検知タイミングと搬送ロールやプッシャーのストローク、あるいはメジャーリングロール等から知られる被測定物の移動距離とから被測定物の長さを検出するものである。

このような構成において、例えばセンサーは搬送ライン上のセンサー位置に被測定物が在る時にＯＮ信号を発するものとすると、まず被測定物を搬送ライン上で移動させ、被測定物の先端の位置基準となるセンサーの信号がＯＮとなった時点において被測定物に沿って何個のセンサーがＯＮとなっているかを検知することでセンサーの配置間隔単位での長さを知ることはできるし、より高精度な検出をするには、例えば先端の基準位置のセンサーがＯＮとなる前後で信号が切り替わった尾端側センサーの切り替わりタイミングにおける被測定物の移動距離から補間することにより被測定物の長さを検出することができる。

また、別の方法としては、特許文献１のように、被測定物の両端部を一次元イメージセンサーを有するカメラで撮像し、各端部における画像に基づいて被測定物の長さを検出する方法がある。

これらの方法において、まず多数の通過センサーを配置する第１の方法は、被測定物の長さが大幅に変化する場合、測定分解能を小さくしたい場合にセンサーの個数が増大してコスト高になり、また通過時間から補間する場合もメジャーリングロール等の測長装置が別途必要になり、また搬送速度が一定でない場合に補間演算に誤差が生じる、などの問題点がある。

これらの問題を解消する別な方法として、被測定物の一端を複数の端部検出装置で検出し、反対端の端部形状をカメラで撮像して画像解析により詳細に端部の位置を求めて長さの測定精度を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献２)。

特開平４−１８４２０５号公報 特開平１０−８２６１７号公報

しかしながら、これらの方法によっても片端の位置検知のために多数の先端通過センサーを設ける必要があるため、設置コストがかかるという問題点があった。

更に、これらの先端通過センサーとして用いられる光電スイッチや反射型近接スイッチは、鋼管や棒鋼の中間製造過程のような高温の物体に対しては自発光が外乱となって使用できず、また高温の板材の通過検知に通例用いられるＨＭＤ（Hot Metal Detector）を使用した際も、鋼管の場合には端部から火炎や高温のガス噴出がある際に測定誤差が発生する、などの問題点があった。

また、後者の特許文献２に記載の方法は測定精度の向上は期待できるが、二台以上のカメラが必要でありコスト的には不利である。

そこで、長尺の被測定物の全体を一台のカメラで撮像し、その画像を処理して得られる画像中の先尾端位置と撮像距離および光学系から定まる撮像倍率に基づいて被測定物の長さを検知する方法が考えられる。すなわち、カメラ等の撮像手段で被測定物の全体を一つの画像として採取し、適切な画像処理によりその画像中での先端および尾端部を検出し、撮像光学系およびその配置によって定まる光学倍率を乗じて被測定物の長さを算出することができる。

これらの方法では被測定物の自発光画像を常に適切な撮像条件により採取することが必要となるが、鋼管やビレットなど高温の中間製品は、製造品種ごとに中間工程位置での製造法上の最適温度がさまざまであり、例えば中間圧延の位置での温度が８００℃〜１２５０℃の範囲でさまざまに設定されており、また実際の温度は搬送タイミングの差などで同一品種でも３０〜５０℃程度ばらつく場合がある。すると、この温度ばらつきによって自発光の強度が１０倍〜１００倍程度変化することになるが、自発光画像の撮像感度が温度に比べて低すぎると、被測定物の自発光画像と周囲の反射光や背景光とを適切に識別することが困難になり、逆に撮像感度が高すぎると、自発光画像がハレーションを起こし、先端および尾端の火炎等を誤検出したり、カメラの種類によってはブルーミング、スミアなどで知られるように、過大入力となった画素の電荷が他の位置の画素に影響を与え、自発光画像にノイズが発生して先尾端が適切に検出できない、という可能性がある。

なお、被測定物の温度を測定に適した温度に制御することも考えられるが、現実的ではない。

本発明は、前記のような問題点を解決し、一台の撮像手段で低コストな自発光を発する温度を有する長尺の被測定物の長さを測定するにあたって、被測定物の温度が測定毎に異なる場合でも、適切な感度で自発光画像を採取し、それに基づいて精度よく先端および尾端位置を検出することで被測定物の長さを精度よく測定できるようにすることを課題とする。

本発明は、可視光の自発光を発する温度を有する長尺体である被測定物の長さを非接触に測定する方法において、前記被測定物の全体を、その軸方向と概直交する方向から撮像し、得られた画像に基づいて、その長さを非接触に測定する際に、前記撮像に先立って求めた被測定物表面の温度に基づいて、撮像の露光時間、カメラゲイン、受光レンズの絞りの少なくとも一つの撮像条件を、予め決定する関数関係より算出して決定することにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記被測定物表面の温度を、温度計で測定することができる。

あるいは、前記被測定物表面の温度を、加熱炉設定値から求めることができる。

又、前記撮像条件の内、露光時間のみを変化させることができる。

あるいは、前記撮像条件の内、先ず露光時間を変化させ、露光時間の変化で対応できない時に、カメラゲイン及び／又は受光レンズの絞りを変化させることができる。

本発明は、又、可視光の自発光を発する温度を有する長尺体である被測定物の長さを非接触に測定する装置において、撮像に先立って被測定物表面の温度を求める手段と、前記撮像に先立って求めた被測定物表面の温度に基づいて、撮像の露光時間、カメラゲイン、受光レンズの絞りの少なくとも一つの撮像条件を、予め決定する関数関係より算出して決定する手段と、前記被測定物の全体を、その軸方向と概直交する方向から撮像する手段と、得られた画像に基づいて、その長さを非接触に測定する手段と、を備えたことを特徴とする、長尺体の長さ測定装置を提供するものである。

ここで、前記被測定物表面の温度を測定する温度計を備えることができる。

あるいは、前記被測定物表面の温度を、加熱炉設定値から求める手段を備えることができる。

又、前記撮像条件の内、露光時間のみを変化させる手段を備えることができる。

あるいは、前記撮像条件の内、先ず露光時間を変化させ、露光時間の変化で対応できない時に、カメラゲイン及び／又は受光レンズの絞りを変化させる手段を備えることができる。

本発明にかかる自発光を発する温度を有する長尺体の長さ測定技術により、一台の撮像手段による低コストな装置構成によって、被測定物の温度が測定毎に異なる場合でも、適切な感度で自発光画像を採取し、それに基づいて精度よく先端及び尾端位置を検出することができ、結果として被測定物の長さを精度良く測定することができるようになる。

本発明の原理を説明するための、自発光を発する温度を有する長尺体を撮像した画像の一例を示す図 同じく、図１より温度が２００℃高い長尺体を撮像した画像の一例を示す図 同じく、図１より温度が１００℃低い長尺体を撮像した画像の一例を示す図 同じく、黒体炉の炉内温度とカメラの露光時間の関係の例を示すグラフ 本発明の第１実施形態の処理手順を示すフロー図 本発明の第２実施形態の処理手順を示すフロー図 本発明の第３実施形態の処理手順を示すフロー図 本発明を実施するための長尺体の長さ測定装置の実施例１を示す構成図 実施例１の装置による測定結果を、作業者の実測結果と比較した精度検証結果を示す図 比較例の装置による測定結果を、作業者の実測結果と比較した精度検証結果を示す図 本発明を実施するための長尺体の長さ測定装置の実施例２を示す構成図 本発明を実施するための長尺体の長さ測定装置の実施例３を示す構成図

以下、図を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以降では被測定物である自発光を発する温度を有する長尺体を単に被測定物と表記することとする。

図１は、本発明の測定対象となる自発光を発する温度を有する長尺体を、その全長が視野に入るようにして撮像した画像の一例である。

図２は、図１と同一撮像条件により、図１より温度が２００℃高い被測定物を撮像した画像の一例であるが、図２のように被測定物の自発光強度に対してカメラゲインが高い、露光時間が長い、受光レンズの絞り数値が小さいなどにより撮像感度が高いと、画像のハレーションが著しくなり先尾端のエッジ部の周辺の反射光が顕著になって、先尾端部の誤検出につながるおそれがある。

図３は、図１と同一撮像条件により、図１より温度が１００℃低い被測定物を撮像した画像であるが、逆に撮像感度が低いことで、被測定物の画像のエッジが不明瞭となることで、先尾端部の測定誤差が生じるおそれがある。

図４は同一のカメラで、いろいろな温度に設定した黒体炉内を撮像し、黒体炉内の画像の輝度がカメラの画素値の最大値（８ビット画素値であれば２２５）となるように露光時間を調整した時の、黒体炉の炉内温度とカメラの露光時間の関係である。このグラフから判るように、レンズ絞りやカメラゲインを固定とし、自発光体の画像の画素値が一定となる露光時間は、温度の指数関数で表現される。よって、この関数を実験式として導出し、被測定物の温度を公知の手段で測定して、前記の実験式で露光時間を設定すれば、被測定物の自発光画像の画素値が適切な範囲となる画像をいつでも取得することができ、先尾端位置の検出を正確に行えるようになる。

以下、図５に示す第１実施形態について、具体的な流れを説明する。

まず、ステップＳ１で、図４に相当する温度と露光時間の関係式Ｔｅｘ＝ｆ（Ｔ）を導出する。これは温度可変設定が可能な黒体炉を用いたり、実際にさまざまな温度に加熱した被測定物を撮像し、画素値がある一定値となるよう露光時間を調整することで取得できる。

次いでステップＳ２で、被測定物の温度Ｔｔを測定する。これは公知の放射温度計、接触式温度計を用いればよいが、加熱炉で被測定物を均熱状態まで加熱保持し、炉から出した直後に撮像する場合は、加熱炉の設定温度や、それに温度低下分の修正量を加えた温度で代用することもできる。

次いで、ステップＳ３で、ＴｔからＴｅｘを算出する。

次いで、ステップＳ４で、Ｔｅｘをカメラに送信し設定する。

次いで、ステップＳ５で、被測定物を撮像する。

次いで、ステップＳ６で、撮像した画像より先尾端位置を検出して長さを算出する。具体的には、被測定物を撮像した画像から先端と尾端の位置が画素単位で算出されるので、あとは各種知られている画素分解能の設定方法により、画素単位を実寸に置き換えて被測定物の長さを算出すればよい。

なお、上記の説明では、撮像感度としてレンズ絞りやカメラゲインは一定として、露光時間のみを変化させるようにしたが、これらを組み合わせるようにしても同等の効果が得られる。

なお、カメラゲインを変化させるとノイズレベルが変化し、受光レンズ絞りを変化させると被写体深度が変化するので、先ず、露光時間を変化させるのが望ましい。

また、上記のように露光時間を操作量として変化させるときに、被測定物の温度下限や温度上限に対して露光時間の設定範囲内で適切な撮像ができない場合は、図６に示す第２実施形態のようにカメラゲインを変化させたり、図７に示す第３実施形態のように、先ずカメラゲインを変化させ、次いで受光レンズ絞りを変化させることができる。

図８は、本発明にかかる自発光を発する温度を有する長尺体の長さ測定装置の一例である実施例１を示す構成図である。

図８において、１は被測定物、２は搬送装置、３はエリアセンサカメラ（単にカメラとも称する）、４はレンズ、５はカメラ駆動回路、６は例えば電気／光変換器を用いた画像延長送信回路、７は光ファイバケーブル、８は例えば光／電気変換器を用いた画像延長受信回路、９は画像入力回路、１０は演算装置、１１は表示装置、１２は耐熱保護カバー、１３は温度計、１４は演算回路である。

ここにおいて、搬送装置２は被測定物１をある製造工程から次の製造工程に移動させるものであり、被測定物１がカメラ３の露光時間の範囲内で安定して撮影できるように支えるものであればよい。

カメラ３は被測定物１が搬送装置２上にある時に、その全長の自発光画像を撮影するものであり、その配置は被測定物１の全体が見通せて、かつその撮影方向が搬送装置２上の被測定物１の中心線が直交し、かつ撮影方向と前記中心線の交点が撮像視野の凡そ中心に位置するように配置するのが望ましく、その撮影タイミングは、全長が視野内に入るのを検知するか、先端ないし尾端の位置を検知する図示しないリミットスイッチにより決定するような構造であってもよい。

また、撮像視野は、被測定物１の最大長さがカバーできるように、レンズ４の倍率や撮像距離を決定すればよく、カメラ３の画素数としては、被測定物１の長さを９ｍ、検出すべき長さの精度を５ｍｍとして、その半分の分解能を有するように、被測定物方向の画素数を４０００画素程度以上とするのがよい。

更に、カメラ３、レンズ４は熱間での鋼材圧延工程の工場内に設置されるので、耐熱保護カバー１２や図示しない冷却機構を設けるのが好適であり、またカメラ３と画像入力回路９の距離が１０ｍを超える長距離になる場合が多いので、公知の電気／光変換器などを用いた画像延長送信回路６、光ファイバケーブル７、画像延長受信回路８を使用して画像のノイズを抑えるのが好適である。

画像入力回路９は、前記のようにして伝送された画像信号を、演算装置１０内で演算可能な数値データに変換するものであり、通例はパーソナルコンピュータや工業用コンピュータで構成される演算装置１０やカメラ３に合わせて、それらの規格に適合する画像入力ボードとして市販されているものを用いればよい。

演算装置１０は、第１実施形態の図５で説明したような手順に従って、撮影した画像から被測定物１の長さを算出し、且つ長さ単位に変換して表示装置１１に表示するが、エッジ探索に用いる解析範囲やエッジ検出しきい値は、操業現場での撮像テストなどで定まるパラメータとして、図示しない入力装置で設定するかプログラムに内蔵させるとよく、また演算結果は、これも図示しないデータ伝送装置を用いて次工程に情報を送るようにしてもよい。

温度計１３は、搬送装置２上で被測定物１が撮像位置に到達する前に被測定物１の温度を測定するものであるが、先に説明したとおり別手段で代用することもできる。

演算回路１４は、先に説明したようなＴｅｘ＝ｆ（Ｔ）の関数形を保持しておいて温度計１３の値に応じて露光時間Ｔｅｘを算出するものである。露光時間の設定に関しては、カメラ３の機能に応じてアナログ電圧発生回路や通信コマンドなどを用いた、図示しない手段により実施可能である。

次に、本実施例の動作について説明する。

図９は、実施例１の長尺体の長さ測定装置の測定結果を、較正値として作業者が搬送装置２上の被測定物１に沿って設置したスケール（直尺）を用いて実測した結果との差と、対象の表面温度の実績値と画像中の鋼管部のうち、ハレーションしている画素の割合を、測定順に系列グラフとしてプロットしたものである。比較実験として、演算回路１４の動作を停止し、露光時間を固定値として同程度の本数の測定を行った結果を図１０に示す。これらのグラフから判る通り、ハレーションの割合が多い測定例では測定誤差が増大し、結果として図１０の比較実験では、図９の実施例に比べ測定精度が悪化しているのが判る。これに対し実施例１の動作である図９では、目視チェックとの偏差が１００ｍｍ以内に収束しており、本発明の有効性が確認された。

図１１は、本発明の別の実施例２を説明するための構成図であるが、これは実施例１の装置構成において、演算装置１０の代わりに、図６の演算フローで動作する別の演算装置２０で置き換えると共に、カメラゲイン調整回路１５を加えたものである。

図１２は、本発明の更に別の実施例３を説明するための構成図であるが、これは実施例２の装置構成において、演算装置２０の代わりに、図７の演算フローで動作する別の演算装置３０で置き換えると共に、レンズ絞り調整機構１６を加えたものである。

１…被測定物
２…搬送装置
３…（エリアセンサ）カメラ
４…レンズ
５…カメラ駆動回路
６…画像延長送信回路
７…光ファイバケーブル
８…画像延長受信回路
９…画像入力回路
１０、２０、３０…演算装置
１１…表示装置
１２…耐熱保護カバー
１３…温度計
１４…演算回路
１５…カメラゲイン調整回路
１６…レンズ絞り調整機構

Claims (10)

1. 可視光の自発光を発する温度を有する長尺体である被測定物の長さを非接触に測定する方法において、
   前記被測定物の全体を、その軸方向と概直交する方向から撮像し、得られた画像に基づいて、その長さを非接触に測定する際に、
   前記撮像に先立って求めた被測定物表面の温度に基づいて、撮像の露光時間、カメラゲイン、受光レンズの絞りの少なくとも一つの撮像条件を、予め決定する関数関係より算出して決定することを特徴とする、長尺体の長さ測定方法。
2. 前記被測定物表面の温度を、温度計で測定することを特徴とする、請求項１に記載の長尺体の長さ測定方法。
3. 前記被測定物表面の温度を、加熱炉設定値から求めることを特徴とする、請求項１に記載の長尺体の長さ測定方法。
4. 前記撮像条件の内、露光時間のみを変化させることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の長尺体の長さ測定方法。
5. 前記撮像条件の内、先ず露光時間を変化させ、露光時間の変化で対応できない時に、カメラゲイン及び／又は受光レンズの絞りを変化させることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の長尺体の長さ測定方法。
6. 可視光の自発光を発する温度を有する長尺体である被測定物の長さを非接触に測定する装置において、
   撮像に先立って被測定物表面の温度を求める手段と、
   前記撮像に先立って求めた被測定物表面の温度に基づいて、撮像の露光時間、カメラゲイン、受光レンズの絞りの少なくとも一つの撮像条件を、予め決定する関数関係より算出して決定する手段と、
   前記被測定物の全体を、その軸方向と概直交する方向から撮像する手段と、
   得られた画像に基づいて、その長さを非接触に測定する手段と、
   を備えたことを特徴とする、長尺体の長さ測定装置。
7. 前記被測定物表面の温度を測定する温度計を備えたことを特徴とする、請求項６に記載の長尺体の長さ測定装置。
8. 前記被測定物表面の温度を、加熱炉設定値から求める手段を備えたことを特徴とする、請求項６に記載の長尺体の長さ測定装置。
9. 前記撮像条件の内、露光時間のみを変化させる手段を備えたことを特徴とする、請求項６乃至８のいずれかに記載の長尺体の長さ測定装置。
10. 前記撮像条件の内、先ず露光時間を変化させ、露光時間の変化で対応できない時に、カメラゲイン及び／又は受光レンズの絞りを変化させる手段を備えたことを特徴とする、請求項６乃至８のいずれかに記載の長尺体の長さ測定装置。