JP4286970B2

JP4286970B2 - ガス可視化装置及びガス可視化方法

Info

Publication number: JP4286970B2
Application number: JP15531099A
Authority: JP
Inventors: 滋水谷; 哲雄田村; 雅一伊藤; 豊笠井
Original assignee: Ｎｅｃ三栄株式会社
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 1999-06-02
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2019-06-02
Also published as: JP2000346796A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はタンク等からのガスの漏洩を赤外線を利用して検知し、二次元表示させる様に成したガス可視化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ガスの漏洩を赤外光を用いて二次元的にガス漏洩個所の特定やガス濃度測定を行なう方法としてパッシブ法及びアクティブ法と呼ばれる方法が提案されている。
【０００３】
パッシブ法は赤外線カメラ装置を用いて、観測対象を監視し、ガス背景から放射される赤外光が漏洩されたガスによって吸収されて赤外線カメラ装置に入射する赤外光強度が、ガスが存在する部分と存在しない部分で変化することを利用してガスの存在を検知する様になしたものである。
【０００４】
一方、アクティブ法は図５に示す様に、観測対象のガス１或はガス漏洩の発生し得る監視対象の背景２に赤外光源照射装置３を用いて赤外光を照射して、その反射光の光強度Ｉ₁及びＩ₂の分布を赤外線カメラ装置４で検出する方法であり、パッシブ法に比べて、赤外線カメラ装置４に入射する赤外線強度が大きくなるため検出感度が向上する。
【０００５】
この様なアクティブ法を用いたガス可視化装置が特開平６−２８８８５８号公報に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特開平６−２８８８５８号公報には背景に赤外線光源照射装置から赤外光を照射する赤外光源照射装置３として大型のパワーレーザを使用しなければならないため赤外光源照射装置３の電力消費を減少させるために、パッシブ表示モードとアクティブ表示モードを切換可能にしたガス可視化装置が開示されているが、この構成では依然として広範囲に赤外線を照射するため、大型のパワーレーザ源を必要とし、赤外光照射装置３の小型化が図れなかった。
【０００７】
又、ガスに吸収される赤外線放射量或は吸収後の赤外線放射量は、経過時間によって変化するので、赤外線の照射タイミングと赤外カメラ装置の測定タイミングの同期がとれていないと、定量的に再現性のある測定が出来なかった。
【０００８】
更に、赤外光源照射装置３から照射される赤外光がガス或は監視対象の背景２に対し一様な赤外強度で照射されないとガスによる赤外線の吸収を考慮することでガス検知を行なうアクティブ法ではガス検知が困難となる。上述の特開平８−２８８８５８号公報では赤外線照射面積変更手段を設けて、照射される検出用赤外線の領域面積を変えられる様にしているが面順次的な照射であるため、赤外光照射装置の赤外線光源（パワーレーザ源）は大型化されざるを得なかった。
【０００９】
本発明は叙上の課題を解消するために成されたもので、発明が解決しようとする課題は被測定領域の各走査ポイントに一定出力で均等に赤外光を照射可能なガス可視化装置及びガス可視方法を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のガス可視化装置は、赤外光源照射手段３で被測定領域２を照射し、赤外線カメラ手段４を介して、ガスを二次元的に検出し、検出したガスを可視化する様に成したガス可視化装置に於いて、赤外線カメラ手段４の赤外線検出部５と水平及び垂直走査機構部６及び７の光路間に配設した光学部材８に設けた透孔９を介して水平及び垂直走査機構部６及び７を通して被測定領域２に照射するものであって、上記被測定領域２の二次元走査面を予め所定の走査領域に分割し、該走査領域で水平走査及び垂直走査を行なうとき各走査領域に対してレーザ赤外光を照射する様に成された上記赤外光源照射手段３と、赤外線カメラ手段４の上記水平及び垂直走査機構６及び７の２次元走査に同期して間歇的又は連続的に赤外光源照射手段３から赤外光を照射し、赤外光を検出する検出手段５と、この検出手段５により検出した赤外光の透過光強度からガスの存在部分の赤外放射のガス濃度を演算する演算手段１０と、この演算手段１０のガス濃度を二次元表示する表示手段１１とを具備して成るものである。
【００１１】
本発明ガス可視化方法は、赤外光源照射手段３で被測定領域２を照射し、赤外線カメラ手段４を介して、ガスを二次元的に検出し、検出したガスを可視化する様に成したガス可視化方法において、赤外線カメラ手段４の赤外線検出部５と水平及び垂直走査機構部６及び７の光路間に配設した光学部材８に設けた透孔９を介して水平及び垂直走査機構部６及び７を通して被測定領域２に照射するものであって、上記被測定領域２の二次元走査面を予め所定の走査領域に分割し、該走査領域で水平走査及び垂直走査を行なうとき各走査領域に対して時分割的にレーザ赤外光を照射する様に成された赤外光源照射手段３を有し、赤外線カメラ手段４の水平及び垂直走査機構６及び７の２次元走査に同期して間歇的又は連続的に赤外光源照射手段３から赤外光を照射して赤外光を検出し、上記検出したガスの存在部分の赤外放射からガス濃度を演算して、この演算したガス濃度を二次元表示する様に成したものである。
【００１２】
本発明のガス可視化装置及びガス可視化方法によれば被測定対象領域の背景の各走査ポイントに一定出力で均等に赤外光源照射装置から赤外光を照射可能なものが得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガス可視化装置及びガス可視化方法を図１乃至図４を用いて説明する。
【００１４】
図１は本発明のガス可視化装置の系統図、図２は本発明のガス可視化装置及びガス可視化方法の赤外光照射方法の説明図、図３は本発明のガス可視化装置の他の系統図、図４は本発明の水平、垂直走査機構部と赤外光源照射装置との関係を示す説明図であり、以下、図５との対応部分には同一符号を付して説明する。
【００１５】
図１に於いて、測定対象領域である背景２は工場内に於けるガスタンク、配管、道路や家庭内のガスの漏洩を監視或は特定するため必要な個所であり、ガス濃度を測定するガスの種類としては二酸化炭素（ＣＯ₂）、メタン（ＣＨ₄）、酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ₂）等の可燃性ガス１を監視するものとする。
【００１６】
これら可燃性ガス１の赤外線による吸収は分子を構成する原子の振動及び回転によって起こり、その吸収波長は原子の質量や結合の種類で決定され、例としてＣＨ₄では吸収ピーク波長が１．７，３．４，７．０μｍに、ＣＯ₂では２．０，２．７，４．３，１５μｍに、ＮＯでは２．７，５．３μｍに、ＮＯ₂では１．４，１．９，２．７，６．３，２０μｍにあることが知られている。
【００１７】
又、赤外光源照射装置３の赤外線光源としてはガスの吸収波長帯域に合わせて発振するレーザ発振器が用いられている（以下赤外光源照射装置３をレーザ発振器と記す）。
【００１８】
一般にガスのある部分を赤外光が通過する時の通過前と通過後の光強度の関係はランバート・ベールの法則によって、厚みと濃度の関係が求められる。ランバート・ベールの式は（１）式で表される。

即ち、厚みｄと濃度ｃが大きければ赤外光は多く吸収されることになり、透過率２は（２）式で求められる。
Ｚ＝Ｉ／Ｉ₀‥‥（２）
ガス濃度は（１）式のガス濃度とガス層の厚みｄを乗算したガス積分濃度として求められるが、一般にはＣＨ₄等のガスの厚みｄに関係のない特定の場所の体積比を示すガス体積濃度（ｖ％）で表す様になされている。
【００１９】
本例に用いるレーザ発振器は半導体レーザー或は赤外線レーザ等のパルスレーザ光源からＣＨ₄等の被測定対象のガス分子に強く吸収される波長を発振するものが選択される。
【００２０】
赤外線カメラ装置４内には通常の構成と同様の水平及び垂直走査用のガルバノミラー等から構成した水平走査部６及び垂直走査部７で背景２を水平及び垂直方向に走査して赤外線検知器５に赤外光を反射ミラー等の光学部材８を介して取り込み、マイクロコンピュータ（以下ＣＰＵ）１０で構成された制御処理部１０を介して熱画像信号をＣＲＴ等の表示装置１１に表示する様に成されている。
【００２１】
本発明のガス可視化装置及びガス可視化方法では反射ミラー８の中心部にピンホール状の透孔９を穿ち、レーザ発振器３と赤外線カメラ装置４の光路が同軸となる様に配置する。
【００２２】
即ち、水平及び垂直走査機構部と赤外線検知器５の光路間の反射ミラー８の透孔９を通過したレーザ赤外光１２は赤外カメラ装置４の水平走査部６及び垂直走査部７の光路と同軸的に測定対象領域の背景２に照射される様に成されている。
【００２３】
本例の赤外線カメラ装置４による赤外光源照射装置であるレーザ発振器３からの照射タイミングは図２に示す様に、赤外線カメラ装置４が測定対象領域である背景２を水平走査Ｈ及び垂直走査Ｖを行なう際に所定の二次元走査面の各走査領域ＨＶ₁，ＨＶ₂，ＨＶ₃‥‥に水平及び垂直走査される毎にレーザ発振器３からレーザ赤外光１２を時分割的に照射し、赤外線カメラ装置は各走査領域ＨＶ₁，ＨＶ₂，ＨＶ₃‥‥の領域毎の赤外光を検知する受信を行う様に同期を合わせた測定が行なわれる。
【００２４】
本発明では上述の様にレーザ赤外光１２を背景２の走査面全体に照射する場合に比べて各走査領域ＨＶ₁，ＨＶ₂‥‥毎に一定出力で均等にレーザ赤外光１２を小容量の半導体レーザ等で照射することができて、ガス検出をより正確に行うことができる様になる。
【００２５】
図３及び図４は本発明の他の形態例を示すガス可視化装置の系統図と水平、垂直走査機構部と赤外光源照射装置との関係を示すもので、本例では、レーザ発振器３を赤外線カメラ装置４に内蔵させて、小型化を図った構成としたものである。
【００２６】
図３に於いて、４は全体として、赤外線カメラ装置を示すもので、ＡＣアダプタ１３からの電源電圧は電源制御部１４を介して赤外カメラ装置４内のレーザ発振部３、レーザ制御部１５、ＣＰＵ等で構成されたメインの制御処理部１０等に供給される。
【００２７】
ＣＰＵ１０はメモリカード等の記録部１６、ＣＲＴ或はＬＣＤ等の表示部１１並びに操作部１８とバス等で相互に接続されている。
【００２８】
記録部１６は赤外光の測定データの書き込み、読み出しを行なって、ＣＰＵ１０内の演算手段を介して、赤外光のガス濃度を検出して、表示部１１上にガス濃度画像を可視化表示する。勿論、通常の背景の熱温度分布画像の表示も可能になされている。
【００２９】
ＣＰＵ１０は赤外カメラ制御部１９を介して、通常の赤外線カメラ装置４の水平走査部６及び垂直走査部７、対物レンズ２０、フィルタ２５、チョッパ２１を制御し、赤外光２３を背景２から取り込みＭＣＴ等の検知部５で得たガス濃度に対応した赤外光２３を検出し、赤外カメラ制御部１９を介してＣＰＵ１０内に取り込み、ガスの存在部分と、ガスの存在しない部分の赤外放射の差からガス濃度を演算手段で演算して、表示部１７に可視化表示する。
【００３０】
ＣＰＵ１０で制御されるレーザ制御部１５はレーザ発振器３を駆動制御し、前記した反射ミラー等から構成された結合光学部８の透孔９を介して水平、垂直走査部６，７の光路と同軸にレーザ発振器３から背景２にレーザ赤外光１２を照射する。
【００３１】
図１及び図２では背景２を水平方向及び垂直方向に各走査領域ＨＶ₁，ＨＶ₂，ＨＶ₃‥‥毎に時分割し、レーザ赤外光１２の照射を行なった後に赤外線カメラ装置４の受信を交互に行なったが、図３の場合はレーザ赤外光は水平及び垂直走査期間中、常時、レーザ発振器３から連続的に照射する様にレーザ制御部１５が制御している。
【００３２】
図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）で図４（Ａ）は水平（Ｈ）及び垂直（Ｖ）走査部６及び７の平面図、図４（Ｂ）は正面図、図４（Ｃ）は側面図を示すものである。
【００３３】
図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に於いて、６ａ及び７ａはＨガルバノミラー駆動部及びＶガルバノミラー駆動部を示し、水平及び垂直用のＨガルバノミラー６ｂ及びＶガルバノミラー７ｂを所定回動範囲回動させて、水平及び垂直走査を行なって、赤外線カメラ装置４の窓部２４からＶガルバノミラー７ｂ→Ｈガルバノミラー６ｂ→反射ミラー８→対物レンズ２０→フィルタ２５→チョッパ２１（図３参照）→検出部５の光路を介して赤外光２３を取り込むと共にレーザ発振器３からレーザ赤外光１２を放射し、反射ミラー８の透孔９を通過し、Ｈガルバノミラー６ｂ→Ｖガルバノミラー７ｂ→窓部２４を介して、レーザ赤外光１２を背景２に連続的或は時分割的に間歇的に照射する様に成されている。
【００３４】
本発明のガス可視化装置及びガス可視化方法では背景２のＣＨ₄等の可燃性のガス１等が存在しない赤外光２３によって観測された出力値を基準にし、この時の（２）式で示した透過率を１００％とし、ＣＨ₄によって赤外光２３が吸収されて赤外線カメラ装置４に到達した赤外光２３が減少した画像の濃淡の減算式は除算をＣＰＵ１０の演算手段で行ない空間的な透過率分布を表示部１１のＣＲＴ等に色表示する様に成しているのでレーザ光を走査面全体に照射する場合に比べ、各走査ポイントに一定出力で均等に照射することができるため、ガス検出をより正確に行うことができる。
【００３５】
上述の場合はＣＲＴ等の表示部１１上にガス漏洩部のガス濃度画像を可視表示する場合を説明したが赤外線カメラ装置で得た通常の熱赤外画像にガス濃度画像を重畳表示することで、ガス濃度位置が判断し易いガス可視化装置及びガス可視化方法が提供可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば次の各項に示す効果が得られる。
（１）従来の様に広い範囲に亘って赤外光源照射装置からレーザ赤外光を照射する場合に比べて小容量のレーザ発振器を用いることができて消費電力を小さくすることができる。
（２）レーザ光を走査面全体に照射する場合に比べ、各走査ポイントに一定出力で均等に照射することができるため、ガス検出をより正確に行える。
（３）通常の熱赤外画像にガス濃度画像を重ねて表示する事により、ガス濃度の位置が判断し易くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス可視化装置の１形態例を示す系統図である。
【図２】本発明の赤外光照射方法の説明図である。
【図３】本発明のガス可視化装置の他の形態例を示す系統図である。
【図４】本発明のガス可視化装置に用いる水平、垂直走査機構部と赤外光源照射装置との関係を示す説明図である。
【図５】従来のガス検知方法の説明図である。
【符号の説明】
１‥‥ガス、２‥‥背景、３‥‥赤外光源照射装置（レーザ発振器）、４‥‥赤外線カメラ装置、８‥‥反射ミラー（結合光学部）、９‥‥透孔、１０‥‥制御処理部（ＣＰＵ）、１７‥‥表示部

Claims

赤外光源照射手段で被測定領域を照射し、赤外線カメラ手段を介して、ガスを二次元的に検出し、検出したガスを可視化する様に成したガス可視化装置に於いて、
上記赤外線カメラ手段の赤外線検出部と水平及び垂直走査機構部の光路間に配設した光学部材に設けた透孔を介して、該水平及び垂直走査機構部を通して上記被測定領域に照射するものであって、上記被測定領域の二次元走査面を予め所定の走査領域に分割し、該走査領域で水平走査及び垂直走査を行なうとき各走査領域に対してレーザ赤外光を照射する様に成された上記赤外光源照射手段と、
上記赤外線カメラ手段の上記水平及び垂直走査機構の２次元走査に同期して間歇的又は連続的に上記赤外光源照射手段から赤外光を照射し、該赤外光を検出する検出手段と、
上記検出手段により検出した赤外光の透過光強度からガスの存在部分の赤外放射のガス濃度を演算する演算手段と、上記演算手段のガス濃度を二次元表示する表示手段とを具備して成ることを特徴とするガス可視化装置。
前記赤外光源照射手段からの前記二次元走査面の各走査ポイントの赤外線照射を前記赤外線カメラ手段の受信タイミングを同期させ、該赤外線照射と該赤外線カメラ手段の受信を交互に行なう様に間歇的に照射及び受信を行う様に成したことを特徴とする請求項１記載のガス可視化装置。
前記赤外光源照射手段からの前記二次元走査面への赤外線照射を前記赤外線カメラの前記水平及び垂直走査期間に同期して連続的に照射及び受信を行う様に成したことを特徴とする請求項１記載のガス可視化装置。
前記表示手段には演算手段で演算したガス濃度と前記赤外線カメラ手段で撮像した赤外二次元画像を重畳して表示して成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のいずれか１項記載のガス可視化装置。
赤外光源照射手段で被測定領域を照射し、赤外線カメラ手段を介して、ガスを二次元的に検出し、検出したガスを可視化する様に成したガス可視化方法に於いて、上記赤外線カメラ手段の赤外線検出部と水平及び垂直走査機構部の光路間に配設した光学部材に設けた透孔を介して該水平及び垂直走査機構部を通して上記被測定領域に照射するものであって、上記被測定領域の二次元走査面を予め所定の走査領域に分割し、該走査領域で水平走査及び垂直走査を行なうとき各走査領域に対してレーザ赤外光を照射する様に成された上記赤外光源照射手段を有し、上記赤外線カメラ手段の上記水平及び垂直走査機構の２次元走査に同期して間歇的又は連続的に上記赤外光源照射手段から赤外光を照射して該赤外光を検出し、この検出した赤外光によって上記検出したガスの存在部分の赤外放射からガス濃度を演算して、上記演算したガス濃度を二次元表示する様に成したことを特徴とするガス可視化方法。