JP3707241B2 - 油膜検知装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水面上の油膜を検知する装置に関する。詳しくは、浄水場、養殖場などに流入する油分、また、工場排水施設などから流出する油分を、水面上の油膜として自動的に検知する油膜検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
浄水場においては、原水の油汚染が水質事故の約半数を占め取水停止や浄水場の清掃が必要になる重大事故であるために、また、養殖場では、油の流入によって生産物が汚染または死滅する危険があるために、これらの取水施設への油の流入を常時監視する方法と装置が求められている。一方、工場排水においては、油分の混入した排水を公共水域に排出することは水質汚染として社会的な問題であり、排水基準を満たす必要があるために、処理後の排水中に油分が残っているかどうかを連続的に監視する方法と装置が求められている。
【０００３】
浄水場において取水への油の流入を自動検知する方法としては、従来から、（１）反射率測定法、（２）ＴＶカメラによる画像監視法（特開平４−８３５７５号）が知られている。また、工場排水中の油分の検知方法としては、例えば、（３）ヘキサン抽出・重量法（ＪＩＳ Ｋ０１０１，ＪＩＳ Ｋ０１０２）、（４）抽出・赤外線吸収測定法（ＪＩＳ Ｋ０１０１，ＪＩＳ Ｋ０１０２）、（５）乳化・濁度測定法、（６）蛍光測定法などが知られている。
【０００４】
しかし、これらの油分検知装置は、連続自動測定が難しいこと、微量油分の検出が困難なこと、誤動作が多いなどの問題点のあることが指摘されており、それらを解決するために、（７）偏光解析法による油膜検知装置が、本出願人らにより特願平９−９０４５３号として出願されている。
この従来の（７）偏光解析法による油膜検知装置の構成例を図５に示す。
【０００５】
この図において、円偏光特性を有するレーザー光源１を用いて、Ｐ偏光成分（図中では、Ｐ偏光成分の振動方向２を上下の矢印で示す）とＳ偏光成分（図中では、Ｓ偏光成分の振動方向３を中心に黒点のある円で示す）を均等に含む光ビーム４を、油膜５の浮遊する波立った水面６に、ある入射角７で斜めから照射する。ここで、入射角７とは入射光軸８が水面６と交わる点に立てた水面の法線９と入射光軸８とのなす角度である。水面６からの反射光１０をピンホール１１で光路制限をした後、偏光ビームスプリッタ１２に通し、Ｐ偏光成分１３とＳ偏光成分１４に分離する。分離したＰ偏光成分１３とＳ偏光成分１４をフォトダイオード１５とフォトダイオード１６で各々光電変換して各々の光量を電気信号に変換する。各々の電気信号をアンプ１７とアンプ１８でそれぞれ増幅した後、演算回路１９に入力する。演算回路１９は入力信号に基づきＰ偏光成分とＳ偏光成分の光量比を演算出力する。
【０００６】
またコンパレータ２０はＳ偏光成分の光量を増幅するアンプ１８から分岐した信号が基準電圧２１より低いことを検知し信号を出力する。ホールド回路２２は演算回路１９からの信号をコンパレータ２０の信号出力に従ってホールドする。これは、ピンホール１１の光路制限のために反射光１０がフォトダイオード１６に届かずにアンプ１８の信号レベルが低下しているとき、演算回路１９の信号をホールドしてこれを無効とするための処理である。ホールド回路２２からの信号出力を平均演算回路２３で移動平均した後、比較回路２４に入力する。比較回路２４は水面に油膜のない正常時に相当する基準値２５と入力信号を比較し、あらかじめ設定した範囲を超えたときに油膜があると判定し、外部に警報２６を出力する。
【０００７】
上記の装置では、油膜の有る水面と無い水面とで、反射した光のＰ偏光成分とＳ偏光成分との比が異なることを利用して油膜を検知している。電磁波である光は伝播方向に垂直な面内で振動する横波であるので、その面内で方向性のある振動をする。この振動の電界ベクトルの方向が偏光の特性を示す。振動が特定の方向に保たれているとき、その光ビームは直線偏光特性をもつといい、特定の方向に偏らず全ての方向に不規則に変化するときには、無偏光特性をもつという。また、電界ベクトルの軌跡が円形のものを円偏光、堕円形のものを楕円偏光と呼ぶ。これらの任意の光線の偏光成分は伝播方向に垂直で互いに直行する２つの成分に分解できる。上記の装置のように、入射光軸が水面と交わる点に立てた水面の法線および入射光軸を含む平面に平行な偏光成分（Ｐ偏光成分）と垂直な偏光成分（Ｓ偏光成分）の２つの成分を均等に含む光ビームを照射するのには、無偏光特性または円偏光特性の光ビームを照射するか、直線偏光特性の光ビームをその偏光方向が入射光軸と水面の法線を含む平面に対して４５°になるように傾けて照射すればよい。
【０００８】
図６に水面、入射光、Ｐ偏光面、Ｓ偏光面との相互関係を示す。Ｐ偏光成分とＳ偏光成分は水面で各々独立に反射されると考えることができる。そしてその反射光強度は、フレネルの反射係数で規定され、光線の入射する入射角度と媒質の屈折率（または誘電率）によって各々独立に変化する。そのために水面に油膜が存在する場合には、油と水の屈折率の違いによってＰ偏光成分とＳ偏光成分の反射光強度が各々独立に変化する。そこで、反射光のＰ偏光成分とＳ偏光成分を分離し、各々の反射光強度をそれぞれ測定し、その比をとると、油膜の存在によってその値が変わるため、これにより油膜を検知することができる。
【０００９】
この手段の特徴は、光学的な測定であるため複雑な操作を必要とせず簡便に連続的に油膜を検知できることの他に、水面の波立ちや浮遊する異物の影響を受けにくく、正確で高感度に油膜を検知できることである。水面が波立ったり異物が浮遊してくると乱反射光が生じるため、単に反射光の強度をモニタするだけであると、その強度が変化して安定な測定が行えず感度が低下してしまう。これに対してＰ偏光成分とＳ偏光成分の比をモニタするようにすると、水面が波立って反射光の強度が変化しても、一定の反射角で受光しているかぎり偏光成分の比は変化しにくいため、安定で高感度な測定を行うことができる。また、水面に浮遊する異物がある場合、ある範囲の入射角度でモニタすれば、Ｓ偏光成分をＰ偏光成分で除した比は、油膜の存在により水に比べて大きくなるのに対し、異物の場合は偏光が解消してその比は小さくなるため、この違いによって油膜と異物を判別することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の偏光解析法による油膜検知装置は、水面の波立ちや浮遊する異物の影響を受けにくく、正確で高感度に油膜を検知できる。しかし、油膜のない水面の測定信号と油膜の測定信号とを安定に識別し、かつ、異物の影響を受けないようにするためには、照射光の入射角度を大きくしなければならない。
【００１１】
図７には、油膜の無い水面と油膜の浮遊する水面における、入射角に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分の反射光量比（以下、偏光比と記す）の実測例が、図８には、油膜の浮遊する水面における、入射角に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分それぞれの反射光量の実測例が示されている。このデータはレーザ光の波長は６３３ｎｍ、油膜の厚さは１μｍ、屈折率は１．４５の条件で得られたものである。図７から、これらの条件において油膜のある場合と無い場合の偏光比の差が大きいのは入射角４５°〜８０°であることがわかる。しかし、図８に示すように、４５°〜６０°付近では、Ｐ偏光成分の信号強度がゼロに近くなり、偏光比を求めるための信号処理でゼロ付近の除算が発生し演算結果が不安定になるために、入射角度を６０°以下にすることができない。
【００１２】
次に、入射角が小さいときには、油膜と異物を判別することができなくなる。それは以下の理由による。水面の光の反射率はＳ偏光成分の方がＰ偏光成分よりも大きいため、照射光のＳ偏光成分光量とＰ偏光成分光量が同じ場合には、反射光の偏光比（Ｓ偏光／Ｐ偏光）は１よりも大きくなる。水面に異物がある場合、異物の表面は光学的に粗い場合が多く、偏光が解消し反射光の偏光比は１に近くなるため、一般的に異物の偏光比は水に比べ小さくなる。次に、油膜の場合は、図６において、油膜のブリュースタ角の５６°( ブリュースタ角＝ｔａｎ^-1（ｎ），ｎ: 油膜の屈折率）付近を境として、この角度より大きい入射角度では油膜の偏光比（Ｓ偏光／Ｐ偏光）が水に比べて大きくなるのに対し、この角度より小さい入射角度では油膜の偏光比が水に比べて小さくなる。このように、ブリュースタ角付近より小さい入射角度では油膜の偏光比も異物の偏光比と同じように水の偏光比に比べて小さくなる、このため異物と油膜を判別することができない。
【００１３】
以上の結果として、油膜の安定な検知のためには、照射光の入射角を大きくしなければならない。しかし、入射角が大きいと、水面と光学系との距離が近くなり、水面が波立っていると光学系に水飛沫がかかるという問題が生じる。また、入射角を一定にしたまま水面と光学系の距離を離そうとすると、投光部と受光部の距離が長くなり、光学系が大きくなるという問題が生じる。
【００１４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、偏光解析法による油膜検知装置において、照射光の入射角度を小さくし、光学系を大きくすることなく、水面と光学系の距離を離し、波による水飛沫の影響の少ない安定した計測が可能な油膜検知装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明の装置では、偏光解析法による油膜検知装置において、水面からの反射光のＳ偏光成分の光量がＰ偏光成分の光量よりも小さくなるように、照射光のＰ偏光成分とＳ偏光成分の光量を調整した投光手段を技術的手段として採用することとする。この装置は、水面からの反射光の偏光比が１より小さくなるように、照射光のＰ偏光成分光量とＳ偏光成分光量を調整しているため、まず、水の反射光の偏光比は１より小さくなる。次に、異物の場合は、照射光の偏光が解消するため、その偏光比は１に近くなり、水の偏光比よりも一般に大きくなる。一方、油膜の偏光比はブリュースタ角付近より小さい入射角度では水の偏光比に比べて小さくなるため、その違いによって異物と油膜の判別が行える。このように、発明した油膜検知装置は、入射角度が小さい場合にも異物と油膜の判別が行えるため、照射光の入射角度を小さくでき、光学系を大きくすることなく、水面と光学系の距離を離すことが可能で、波による水飛沫の影響の少ない安定した油膜検知が行える。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、実施例にもとづき説明する。
［参考例］参考例としての油膜検知装置を図１に示す。この図において、従来の油膜検知装置例として示した図５の符号と同一のものは同一物を示している。
【００１８】
参考例が、図５に示す従来の油膜検知装置と異なるのは、フォトダイオード１５とフォトダイオード１６で各々光電変換されたＰ偏光成分とＳ偏光成分の各々の光量信号が、対数アンプ２７と対数アンプ２８で各々対数変換された後に、減算回路２９で減算され、対数変換された偏光比が求められることである。
その他の信号処理は、図５に示す従来の装置と同じである。
【００１９】
図２に、参考例の装置で油膜の無い水面と油膜が浮遊する水面のそれぞれについて測定した対数変換後の反射光のＰ偏光成分信号（対数アンプ２７の出力）を入射角の関数として示す。また、図３に、対数変換された偏光比（減算回路２９の出力）を入射角の関数として示す。ここで、レーザ光の波長は６３３ｎｍ、油膜の膜厚は１μｍ、屈折率は１．４５である。
【００２０】
図２から、入射角４５°〜６０°付近におけるＰ偏光成分の信号強度は、対数変換されているため水と油膜の違いが良く現れていることがわかる。また、図３から、この入射角度範囲においても、対数変換された偏光比の出力（減算回路２９の出力）に油膜のある場合と無い場合の差が現れていることがわかる。以上のように、発明の第１の実施例の装置は、入射角度が４５°〜６０°と小さく反射光のＰ偏光成分の光量がゼロに近くになった場合でも、偏光比の評価はＰ偏光成分とＳ偏光成分の信号の減算で行なえゼロ付近の除算を行なわなくて済むため、演算の不安定化が防止でき、安定な偏光比の演算が行える。このため、照射光の入射角度を小さくでき、光学系を大きくすることなく、水面と光学系の距離を離すことが可能で、波による水飛沫の影響の少ない安定した油膜検知が行える。
［発明の実施例］
［実施例］発明の実施例としての油膜検知装置を図４に示す。この図において、従来の油膜検知装置例として示した図５の符号と同一のものは同一物を示している。
【００２１】
本発明の実施例が、図５に示す従来の油膜検知装置と異なるのは、投光手段として、直線偏光特性のレーザ光源３０を用い、その偏光方向を入射光軸と水面の法線を含む平面に対して傾けることによって、投光手段のＰ偏光成分とＳ偏光成分の光量を調整し、水面からの反射光のＳ偏光成分の光量がＰ偏光成分の光量よりも小さくなるようにしたことである。その他の信号処理は、図５に示す従来の装置と同じである。
【００２２】
例えば、入射角度が４０度、レーザ光の波長が６３３ｎｍの場合には、レーザ光源の偏光方向を入射光軸と水面の法線を含む平面に対して１．５５°だけ傾けると、水面からの反射光の偏光比（Ｓ偏光／Ｐ偏光）の測定値は０．２になる。この時に、照射光のＳ偏光成分とＰ偏光成分の光量比は１：３７である。そして、膜厚１μｍ、屈折率１．４８の油膜の反射光の偏光比（Ｓ偏光／Ｐ偏光）の測定値は約０．１５となり水の偏光比よりも小さくなる。一方、木の葉、木片などの異物の偏光比の測定値は表１に示したように水の偏光比よりも大きくなるので油膜と判別が可能になる。 以上のように、発明の第２の実施例の装置は、入射角度が小さい場合にも異物と油膜の判別が行えるため、照射光の入射角度を小さくでき、光学系を大きくすることなく、水面と光学系の距離を離すことが可能で、波による水飛沫の影響の少ない安定した油膜検知が行える。
【００２３】
実施例の図には油膜検知装置の設置方法が示されていないが、水位の変化しない水槽ではその周囲に固定して、水位の変化する河川、海洋等では浮きフロートに乗せて水面に浮かして設置する方法を採用することができる。また、太陽光などの外乱光の影響があるときには、受光部の光電変換器の前に投光ビームの波長のみを通す干渉フィルタを設けたり、投光ビームを変調してその変調周波数のみを信号処理部で選別したりして、外乱光の影響を除くことができる。
【００２４】
実施例では、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の両方を含む光ビームを用いたが、２つのレーザ光源を用いてＰ偏光特性を有する光ビームとＳ偏光特性を有する光ビームを交互に照射して、偏光ビームスプリッタ１２を省略して、反射光のＰ偏光成分とＳ偏光成分の強度を１つの光電変換器１５で測定するようにしても、実施例と同じ性能が得られる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の油膜検知装置は、浄水場、養殖場などに流入する油分、また、工場排水施設などから流出する油分を、水面上の油膜として自動的に検知する油膜検知装置に関し、従来の装置の問題点である、入射角度が大きいために、水面と光学系の距離が近くなり波による水飛沫の影響で安定した計測が行えないという問題を解決するために考案されたものであり、水面からの反射光のＳ偏光成分の光量がＰ偏光成分の光量よりも小さくなるように照射光のＰ偏光成分とＳ偏光成分の光量を調整した投光手段を用いることによって、入射角度を小さくでき、光学系を大きくすることなく水面と光学系の距離を離すことができるため、波による水飛沫の影響の少ない安定した油膜検知が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】油膜検知装置の参考例の模式図
【図２】油膜の無い水面と油膜の浮遊する水面における、対数変換後の反射光のＰ偏光成分信号の変化を入射角の関数として示した図
【図３】油膜の無い水面と膜膜の浮遊する水面における、偏光比の変化を入射角の関数として対数スケールで示した図
【図４】油膜検知装置の発明例の模式図
【図５】従来の油膜検知装置の模式図
【図６】水面、入射光、Ｐ偏光面、Ｓ偏光面との相互関係の説明図
【図７】油膜の無い水面と膜膜の浮遊する水面における、偏光比の変化を入射角の関数として示した図
【図８】油膜の浮遊する水面における、反射光のＰ偏光成分とＳ偏光成分の変化を入射角の関数として示した図
【符号の説明】
１ ： レーザ光源
２ ： Ｓ偏光成分の振動方向
３ ： Ｐ偏光成分の振動方向
４ ： 光ビーム
５ ： 油膜
６ ： 水面
７ ： 入射角
８ ： 入射光軸
９ ： 水面の法線
１０ ： 反射光
１１ ： ピンホール
１２ ： 偏光ビームスプリッタ
１３ ： Ｐ偏光成分
１４ ： Ｓ偏光成分
１５，１６： フォトダイオード
１７，１８： アンプ
１９ ： 演算回路
２０ ： コンパレータ
２１ ： 基準電圧
２２ ： ホールド回路
２３ ： 平均演算回路
２４ ： 比較回路
２５ ： 基準値
２６ ： 警報
２７，２８： 対数アンプ
２９ ： 減算回路

Claims (2)

1. 油膜の浮遊する水面に、入射光軸が水面と交わる点に立てた水面の法線および入射光軸を含む平面に平行な偏光成分（以下、Ｐ偏光成分と記す）と前記平面に垂直な偏光成分（以下、Ｓ偏光成分と記す）の両方の成分を含む光ビームを斜めから照射する投光手段と、前記水面からの反射光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分ける偏光分離手段と、分離したＰ偏光成分とＳ偏光成分の光量を各々電気信号に変換する光電変換手段と、この光電変換手段からのＰ偏光成分とＳ偏光成分の光量比に基づき水面上の油膜の有無を判定する信号処理手段とを備える油膜検知装置において、
   水面からの反射光のＳ偏光成分の光量がＰ偏光成分の光量よりも小さくなるように、照射光のＰ偏光成分とＳ偏光成分の光量を調整した投光手段を備えることを特徴とする油膜検知装置。
2. 請求項１の装置において、投光手段として、直線偏光特性のレーザ光源を用い、その偏光方向を入射光軸と水面の法線を含む平面に対して傾けることによって、投光手段のＰ偏光成分とＳ偏光成分の光量を調整することを特徴とする油膜検知装置。

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