JP2014025832A

JP2014025832A - 煙霧透過率測定装置

Info

Publication number: JP2014025832A
Application number: JP2012166778A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Fujimoto; 訓藤本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2014-02-06

Abstract

【課題】トンネル内に設置する煙霧透過率測定装置の自動校正には、光ファイバーを応用した校正方法が使用されているが、投光部と受光部の距離が１００ｍあるため光ファイバーケーブルが非常に高額となる、また、ケーブルが折れやすく曲げにくいという性質から現地施工が難しい、という課題があった。
【解決手段】投光部１と受光部６にそれぞれ遮蔽板４と遮蔽板９を設け、それぞれの遮蔽板上にフォトＩＣ５と光源１０を発光素子−受光素子が対となるように配置して、フォトＩＣ５、フォトＩＣ７の出力電圧値を、初期の光源の劣化、光学レンズのない状態と比較することで、光源の劣化と光学レンズの汚れによる光の減衰量から透過率の補正値を演算し、測定中の透過率に加えることで光ファイバーを使用しない安価で正確な自動校正方法が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、道路トンネル内の透過率測定に使用される煙霧透過率測定装置の透過率の補正方法に関する。

従来、道路トンネル内の透過率測定に用いられる煙霧透過率測定装置は、トンネル内の煤煙が投射光を吸収、散乱することによって投射光が減衰することで透過率を判定している。煙霧透過率測定装置をトンネル内に設置したあとは、煤煙による光学レンズの汚れや、光源の経年劣化により投射光が減衰して透過率が低下するため、透過率が低めに出る傾向となる。

また、トンネル内の透過率が低い＝煙霧濃度が高い場合、トンネル内の交通の安全を確保するために、トンネル内の送風機などの換気設備を稼動させてトンネル内の煙霧濃度を下げるしくみとなっている。しかし、光源の劣化や光学レンズの汚れによる投射光の減衰は、本来は不要な換気設備の稼動を促し、換気設備の電気料金を高くする要因となり好ましくない。

さらに、トンネル内は２４時間通行のため、煙霧透過率測定装置は常時稼動させる必要があり、光源の交換や、光学レンズの汚れを清掃するなどのメンテナンスを頻繁に行うことは容易ではない。

そこで、光学レンズの汚れや光源劣化による透過率の低下を自動で補正する機能が必要となる。

透過率の自動補正については、投光部の投射光を、光ファイバーケーブルを通してトンネル内の雰囲気を介さず直接受光部へ伝送し、透過率測定値がある設定値未満になった時に透過率値を強制的に上昇させる光ファイバーを応用した校正方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

以下、図２を用いてその構成を説明する。この煙霧透過率測定装置は、投光部１０１、受光部１０２、信号処理部１０３、光源１０４、光学レンズ１０５、遮蔽板１０６、マイクロレンズ１０７、光電管１０８、増幅回路１０９、光スイッチ１１０、校正回路１１１、光ファイバーケーブル１１２から構成されている。信号処理部１０３は、一定周期ごとに校正機能を動作させる。通常の透過率測定時は、遮蔽板１０６を開いて投光部１０１からの投射光を受光部１０２で電気信号に変換させ、信号処理部１０３でトンネル内の透過率に変換して測定する。この間、光スイッチ１１０をＯＦＦにするので光ファイバーケーブル１１２による光は受光部１０２へは投射されない。校正時は、遮蔽板１０６を閉じて光スイッチ１１０をＯＮにして、マイクロレンズ１０７で受光した投光部１０１の投射光を、光スイッチ１１０を通して受光部１０２へ伝送し、受光部１０２にて電気信号に変換させる。信号処理部１０３では校正時、この透過率がある設定値未満ならば信号処理部１０３における、受光部１０２の電気信号を増減できるゲイン調整回路で受光部１０２の電気信号を増加させることで透過率を上昇させて設定値以上になるまで上昇を継続し、設定値以上になれば校正を終了する。これにより、光源１０４の劣化、光学レンズ１０５の汚れ、及び光電管１０８の劣化による透過率の低下分を、信号処理部１０３の校正回路１１１の増幅により補正することができる。

特開昭６１−９６４４２号公報

しかしながら、特許文献１による補正方法は、一般には投光部と受光部は１００ｍ離して設置されるため、光ファイバーケーブル自体の費用が数十万円〜百万円超と非常に高額となる。また、光ファイバーケーブルは物理的な力に弱く曲げにくい性質があり、現地でのケーブル施工を困難にしている、という課題がある。

本発明は上記のような従来の課題を解決するものであり、投光部と受光部にそれぞれ遮蔽板を設け、投光部の遮蔽板上には受光素子、受光部の遮蔽板上には発光素子をそれぞれの発光素子、受光素子と向かい合わせに配置する。そして、透過率の測定中に一定周期で透過率の測定を停止してそれぞれの遮蔽板を閉じ、各受光素子の出力を予め記憶させた受光素子の初期出力と比較し、その差異を演算する。初期出力とは、光源の劣化、光学レンズの汚れがない初期のそれぞれの受光素子の出力を指す。この比較演算の結果は、光源の劣化、光学レンズの汚れによる光の減衰量に相当し、この演算結果から透過率の補正値を計算することができる。この計算した透過率の補正値を測定中の透過率に加えることにより、透過率は光源の劣化や光学レンズの汚れ分を補正した値となる。これにより、光ファイバーを使用しない、安価で正確な、透過率を自動補正する方法を提供することができる。

第一の発光素子を搭載した投光部と、第一の受光素子を搭載した受光部と、前記投光部と前記受光部の各々に配置された光学レンズと、前記投光部から投光した光を、前記光学レンズを介して受光部で受光して、前記第一の受光素子の出力電圧値から透過率を演算する信号処理手段を備え、空気中の煙霧の状態を測定する煙霧透過率測定装置において、前記第一の発光素子側から見て前記光学レンズの向こう側に配置された第一の遮蔽板と、前記第一の受光素子側から見て前記光学レンズの向こう側に配置された第二の遮蔽板と、前記第一の遮蔽板上に前記第一の発光素子と対向して配置した第二の受光素子と、前記第二の遮蔽板上に前記第一の受光素子と対向して配置した第二の発光素子と、前記第一の遮蔽板を閉じた状態で、前記第一の発光素子の光を受光した前記第二の受光素子の初期出力電圧値を記憶した第一の記憶手段と、前記第二の遮蔽板を閉じた状態で、前記第二の発光素子の光を受光した前記第一の受光素子の初期出力電圧値を記憶した第二の記憶手段を備え、通常の透過率測定時に、一定周期で前記第一の遮蔽板と前記第二の遮蔽板を閉じ、前記第一の受光素子と前記第二の受光素子の出力電圧値を取り込んで、前記第一の記憶手段の記憶電圧値と前記第二の記憶手段の記憶電圧値とを比較して、それぞれの電圧値の差異を演算し、その差異電圧値から透過率の補正値を演算する比較演算手段と、前記信号処理手段の透過率と前記比較演算手段の演算結果の透過率補正値を合算する補正演算手段とを備え、前記第一と第二の遮蔽板で透過率の測定を一時的に中断し、前記第一の発光素子の劣化と前記光学レンズの汚れによる光の減衰量を透過率補正値として算出し、その算出結果を測定中の透過率に加えることで透過率を自動補正できるようにしたことを特徴としたものである。

本発明によれば、光ファイバーを使用しない、安価で正確な透過率の補正方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１の構成を示す図従来の構成を示す簡略図

本発明の請求項１記載の発明は、第一の発光素子を搭載した投光部と、第一の受光素子を搭載した受光部と、前記投光部と前記受光部の各々に配置された光学レンズと、前記投光部から投光した光を、前記光学レンズを介して受光部で受光して、前記第一の受光素子の出力電圧値から透過率を演算する信号処理手段を備え、空気中の煙霧の状態を測定する煙霧透過率測定装置において、前記第一の発光素子側から見て前記光学レンズの向こう側に配置された第一の遮蔽板と、前記第一の受光素子側から見て前記光学レンズの向こう側に配置された第二の遮蔽板と、前記第一の遮蔽板上に前記第一の発光素子と対向して配置した第二の受光素子と、前記第二の遮蔽板上に前記第一の受光素子と対向して配置した第二の発光素子と、前記第一の遮蔽板を閉じた状態で、前記第一の発光素子の光を受光した前記第二の受光素子の初期出力電圧値を記憶した第一の記憶手段と、前記第二の遮蔽板を閉じた状態で、前記第二の発光素子の光を受光した前記第一の受光素子の初期出力電圧値を記憶した第二の記憶手段を備え、通常の透過率測定時に、一定周期で前記第一の遮蔽板と前記第二の遮蔽板を閉じ、前記第一の受光素子と前記第二の受光素子の出力電圧値を取り込んで、前記第一の記憶手段の記憶電圧値と前記第二の記憶手段の記憶電圧値とを比較して、それぞれの電圧値の差異を演算し、その差異電圧値から透過率の補正値を演算する比較演算手段と、前記信号処理手段の透過率と前記比較演算手段の演算結果の透過率補正値を合算する補正演算手段から構成されたものである。

トンネル内の透過率の測定中に、一定周期で透過率の測定を停止し、投光部と受光部の遮蔽板を閉じ、投光部と受光部それぞれに設置された受光素子の出力を測定し、記憶手段に記憶した初期出力と比較してその差異から透過率補正値を演算する。そして、測定中の透過率に透過率補正値を加算する。

これにより、投光部の光源の劣化と光学レンズの汚れによる投射光の減衰量を受光素子の出力電圧値の差異から算出し、それを透過率補正値に変換した上で測定中の透過率に加えることで、透過率を自動的に補正できる、という効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に示すように、煙霧透過率測定装置は、大きく投光部、受光部、処理部から成り、投光部と受光部をトンネル内で１００ｍ離して設置し、投光部の投射光を受光部の受光素子で、そのときの受光素子の出力電圧値を信号処理部で透過率に変換するものである。

本発明では、投光部１は第一の発光素子としての光源２と、光学レンズ３、第一の遮蔽板としての遮蔽板４、遮蔽板４の上に光源２と向かい合わせに配置した第二の受光素子としてのフォトＩＣ５から構成されている。

一方、受光部６は第一の受光素子としてのフォトＩＣ７と、光学レンズ８、第二の遮蔽板としての遮蔽板９、遮蔽板９の上にフォトＩＣ７と向かい合わせに配置した第二の発光素子としての光源１０から構成されている。

信号処理手段であるマイクロコンピュータ１１と、透過率補正値を合算する補正値演算手段としてのマイクロコンピュータ１５とから透過率測定装置全体が構成されている。

マイクロコンピュータ１１はフォトＩＣ７の出力電圧値を透過率に変換するものである。

光源２と光学レンズ３、光学レンズ８の汚れによる投射光の減衰量から透過率補正値を演算するために、第一の記憶手段としてのメモリ１２と、第二の記憶手段としてのメモリ１３と、比較手段としてのマイクロコンピュータ１４を備えている。

マイクロコンピュータ１５は、マイクロコンピュータ１１の透過率とマイクロコンピュータ１４の透過率補正値を合算するものである。

ここでいう透過率とは、トンネル内に煙霧が無い、空気がきれいな状態での投射光によるフォトＩＣ７の出力電圧を最大値としたときの、フォトＩＣ７の出力電圧値を最大値として１００％とした値を指し、トンネル内の光の透過しやすさを％表示で表したものである。例えば、トンネル内がきれいな状態でのフォトＩＣ７の出力電圧値を仮に５Ｖとしたときに、トンネル内の煙霧濃度が高くなってフォトＩＣ７への投射光が減衰し、フォトＩＣ７の出力電圧が４Ｖに低下したときは、透過率は４Ｖ／５Ｖ×１００＝８０（％）となる。この透過率の値により、トンネル内の視界状況を把握するものである。

煙霧透過率測定装置はトンネル内の煙霧を２４時間監視測定する必要があるため、光源は劣化が進みやすく発光量が低下しやすい。

また、光学レンズ３と光学レンズ８はトンネル内の空気にさらされた状態で使用されるので、これら光学レンズの汚れを防ぐために投光部１や受光部６の筒を長くするなどの工夫を施し、内部に煤煙が入りづらい構造とするなどの工夫を施している。

しかし、煤煙の進入を完全に防ぐことは難しく、進入してきた煤煙がレンズ表面に付着する。

光源２の劣化や、光学レンズ３、光学レンズ８の汚れで投射光が減衰すると、透過率が低下してトンネル内の煙霧濃度は実際より高いと判定される。

トンネル内の煙霧濃度は透過率を元に換気設備を制御することで一定値以下に維持されるしくみとなっているが、煙霧濃度が高くなると換気設備の稼働率が増して過剰に換気設備を稼動させることになる。

換気設備は大型の送風機を稼動させるため、電気料金が高くなり過剰な稼動は好ましくない。

よって、トンネル内の煙霧濃度は正確に測定する必要があるが、トンネルは２４時間使用されるため、透過率の測定を頻繁に停止してメンテナンスを行うことは容易でない。

そこで、光源の劣化や光学レンズの汚れを何らかの方法で判定し、自動で補正する機能が必要となる。

これに対して従来から使用されている方法が光ファイバーを使用して光源の劣化と光学レンズの汚れを判定し、補正する方法である。しかし、１００ｍの光ファイバーケーブルは非常に高額であり、また、光ファイバーケーブルは物理的な力に弱く曲げにくい性質から現地施工がやりづらい、という課題があった。

本発明では光ファイバーを使用せずに光源２の劣化と光学レンズ３、光学レンズ８の汚れによる投射光の減衰量を演算し、透過率を自動補正する構成をすでに説明した。

以下、その構成にもとづいて、透過率を自動補正する動作を説明する。

まず、メモリ１２とメモリ１３にフォトＩＣ５とフォトＩＣ７の初期の出力電圧値をそれぞれ記憶させる。

具体的には、投光部１では遮蔽板４を閉じた状態で光源２を通電し、その投射光によるフォトＩＣ５の出力電圧値をメモリ１２に記憶する。受光部６でも同様に、遮蔽板９を閉じた状態で光源１０に通電し、その投射光によるフォトＩＣ７の出力電圧値をメモリ１３に記憶する。

この作業は光源２の劣化する前、及び光学レンズが汚れる前に行う必要があり、煙霧透過率測定装置の施工時、つまり現地納入調整直後に行う必要がある。

トンネル内に設置した後は、遮蔽板４、遮蔽板９は閉じない状態で光源２の投射光によるフォトＩＣ７の出力電圧値をマイクロコンピュータ１１で透過率に変換する。光源２の投射光は、トンネル内の煙霧により吸収、散乱するため減衰するが、その減衰量はフォトＩＣ７の出力電圧値の低下となって現れる。つまり、トンネル内の煙霧濃度が高くなるとフォトＩＣ７の出力電圧が低下し、透過率が低下する。

トンネル内に設置したのち時間が経過すると、光源２の劣化や光学レンズ３、光学レンズ８の汚れが進み、透過率が低下する。この透過率の低下を自動で補正するために、マイクロコンピュータ１４では、一定の周期で光源２の劣化と光学レンズ３、光学レンズ８による投射光の減衰量をフォトＩＣ５とフォトＩＣ７の出力電圧値から算出し、それを透過率の補正値に変換する。

具体的には、まず、通常の透過率の測定を停止する。次に、投光部で遮蔽板４を閉じて、光源２の投射光によるフォトＩＣ５の出力電圧値をマイクロコンピュータ１４に取り込み、メモリ１２に記憶した初期の出力電圧値と比較する。

光源２に劣化がなく光学レンズ３が汚れていない場合は、フォトＩＣ５の出力電圧値は初期出力電圧値と同じとなるが、光源２の劣化、あるいは光学レンズ３に汚れがあると、フォトＩＣ５の出力電圧値は初期出力電圧値と比べて低くなる。

このフォトＩＣ５の初期出力電圧値と、遮蔽板４を閉じた状態での出力電圧値との電圧差は、光源２の劣化と光学レンズ３の汚れにより投射光が減衰したことで発生しているものである。この電圧差分を透過率に換算すれば、換算透過率は光源２の劣化と光学レンズ３の汚れによる透過率の低下分として扱うことができる。

例えば、フォトＩＣ５の初期出力電圧値を５Ｖで調整し、一定時間経過後の遮蔽板４を閉じた状態の出力電圧値が４．８Ｖであったとすると、光源２の劣化及び光学レンズ３の汚れによる出力電圧低下は５Ｖ−４．８Ｖ＝０．２Ｖとなる。

これを透過率に換算するには、前述のフォトＩＣ７の透過率のフルスケール０〜５Ｖが０〜１００％に相当することから、フォトＩＣ５の出力電圧低下分をフォトＩＣ７の最大電圧で除算すればよく、０．２Ｖ／５Ｖ×１００＝４（％）となる。この４（％）が、光源２の劣化および光学レンズ３の汚れによる透過率の低下分と考えることができる。ここで算出した透過率の低下分は、通常測定の透過率とフルスケールを合わせて算出しているため、通常測定の透過率に足し引きして扱うことができる。

また、本実施の形態はフォトＩＣ５とフォトＩＣ７の最大電圧値を一致させて説明しているが、素子の特性やその他の都合によりフルスケールが一致しない場合は、マイクロコンピュータ１４でフォトＩＣ５のフルスケールをフォトＩＣ７に合わせて透過率の低下分を計算する必要がある。

次に、受光部６でも同様に、遮蔽板９を閉じ、光源１０に通電し発光させ、フォトＩＣ７の出力電圧値とメモリ１３に記憶した初期出力電圧値を比較する。このフォトＩＣ７の初期出力電圧値と遮蔽板９を閉じた状態の出力電圧値の電圧差分を透過率に換算すれば、この透過率は投光部と同様に光学レンズ８の汚れによる透過率の低下分として扱うことができる。

したがって、投光部におけるフォトＩＣ５の出力電圧値の差異から算出した透過率低下分と、受光部におけるフォトＩＣ７の出力電圧値の差異から算出した透過率低下分を合算すれば、光源２の劣化と光学レンズ３、光学レンズ８の汚れによる透過率の低下分を算出したことになる。

そして、演算が終了すると、マイクロコンピュータ１４からマイクロコンピュータ１５に透過率の低下分を補正値として出力し、遮蔽板４と遮蔽板９を元に戻し、通常の透過率の測定ができる状態に復帰させる。

マイクロコンピュータ１５では、マイクロコンピュータ１１の透過率と、マイクロコンピュータ１４の透過率の補正値を合算し、最終の透過率に変換する。これにより、光源２の劣化と、光学レンズ３と光学レンズ８の汚れによる投射光の減衰量を補正し、トンネル内の煙霧濃度のみを測定対象とした透過率を得ることができる。

なお、遮蔽板を使用して減衰量を算出するために必要な時間は数秒であるため、光源１０の通電による劣化は発生しないと考えてよい。

また、光源２、光源１０には従来は白熱球が使用されていたが、今後は光源の寿命が長いＬＥＤ素子を使用することが望ましい。

さらに、本発明では機能分担ごとにマイクロコンピュータを用意した構成としたが、マイクロコンピュータ１１、マイクロコンピュータ１４、マイクロコンピュータ１５は一つのマイクロコンピュータで兼用してもその効果に差異を生じない。

本発明は、トンネル内の煙霧透過率を測定する装置に適用できる。

１投光部
２光源
３光学レンズ
４遮蔽板
５フォトＩＣ
６受光部
７フォトＩＣ
８光学レンズ
９遮蔽板
１０光源
１１マイクロコンピュータ
１２メモリ
１３メモリ
１４マイクロコンピュータ
１５マイクロコンピュータ

Claims

第一の発光素子を搭載した投光部と、第一の受光素子を搭載した受光部と、前記投光部と前記受光部の各々に配置された光学レンズと、前記投光部から投光した光を、前記光学レンズを介して受光部で受光して、前記第一の受光素子の出力電圧値から透過率を演算する信号処理手段を備え、空気中の煙霧の状態を測定する煙霧透過率測定装置において、前記第一の発光素子側から見て前記光学レンズの向こう側に配置された第一の遮蔽板と、前記第一の受光素子側から見て前記光学レンズの向こう側に配置された第二の遮蔽板と、前記第一の遮蔽板上に前記第一の発光素子と対向して配置した第二の受光素子と、前記第二の遮蔽板上に前記第一の受光素子と対向して配置した第二の発光素子と、前記第一の遮蔽板を閉じた状態で、前記第一の発光素子の光を受光した前記第二の受光素子の初期出力電圧値を記憶した第一の記憶手段と、前記第二の遮蔽板を閉じた状態で、前記第二の発光素子の光を受光した前記第一の受光素子の初期出力電圧値を記憶した第二の記憶手段を備え、通常の透過率測定時に、一定周期で前記第一の遮蔽板と前記第二の遮蔽板を閉じ、前記第一の受光素子と前記第二の受光素子の出力電圧値を取り込んで、前記第一の記憶手段の記憶電圧値と前記第二の記憶手段の記憶電圧値とを比較して、それぞれの電圧値の差異を演算し、その差異電圧値から透過率の補正値を演算する比較演算手段と、前記信号処理手段の透過率と前記比較演算手段の演算結果の透過率の補正値を合算する補正演算手段とを備え、前記第一と第二の遮蔽板で透過率の測定を一時的に中断し、前記第一の発光素子の劣化と前記光学レンズの汚れによる光の減衰量を透過率補正値として算出し、その算出結果を測定中の透過率に加えることで透過率を自動補正できるようにしたことを特徴とした煙霧透過率測定装置。