JP5742771B2

JP5742771B2 - 油膜検出装置

Info

Publication number: JP5742771B2
Application number: JP2012080955A
Authority: JP
Inventors: 剛人奥村; 石飛　毅; 毅石飛
Original assignee: DKK TOA Corp
Current assignee: DKK TOA Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013210298A

Description

この発明は、浄水場や河川、湖沼等の水面（検出対象面）に存在する油膜を検出するための油膜検出装置に関するものである。

従来より、例えば、浄水場や河川、湖沼等に油膜が存在している場合には、取水の中止等の措置を行う必要があったり、工場の処理水に油膜が存在している場合には、処理工程の点検や排水の中止等の措置が必要であったりすることから、水面の油膜検出が行われている。この油膜検出装置としては、種々の方式のものが知られているが、油膜による光の反射率が水面による光の反射率よりも高いことに着目し、水面からの反射光の強度を測定して油膜を検出する油膜検出装置が知られている。

例えば、特許文献１には、光源から水面等の検出対象面にレーザ光を照射し、検出対象面からの反射光を受光して検出対象面に存在する油膜を検出する油膜検出装置において、Ｘ方向駆動電圧、Ｙ方向駆動電圧を印加してそれぞれ発生させた変位によりレーザ光を２次元的に走査し、検出対象面におけるレーザ光の照射範囲として所望の平面を形成する２次元走査部を備えた油膜検出装置が開示されている。

また、特許文献２には、水面に向けて光を照射する発光部と、水面での反射光を受光する受光部と、受光部で受光した反射光量から水面上の油膜の有無を検出する油膜検出装置であって、発光部から発せられた光を発散させ発散ビームとして水面に照射する凹レンズと、凹レンズと水面との間に設置され、発散ビームの水面での反射光が入射したとき、その入射光を入射経路と略同じ経路で水面に向けて反射する回帰性のリフレクタとを備え、リフレクタで反射された光が、水面で反射し収束ビームとなって凹レンズを透過して受光部で受光される油膜検出装置が開示されている。

一方、油膜検出装置には、フロート式と固定式とがあり、フロート式の場合には、水面に浮かべて測定するものであるため、水位の変動に常に追従することができる。しかし、例えば特許文献１や特許文献２に開示されているような固定式の場合には、水面と検出器との距離が水位の変動に応じて変化する。このため、水面に向かって略鉛直方向に光を照射するように構成して、常に水面（検出対象面）の所望の範囲に光を照射することができるようにするなどして、水位の変動に応じて変化する光学系の位置関係に起因する問題の解決は図られているが、豪雨等により水面が異常に上昇すると、平常時の水面から比較的近い位置に設置されている検出器が水没してしまうおそれがある。そこで、水面から十分に距離を離して設置しても測定することができ、かつ、精度良く油膜を検出することができる油膜検出装置が望まれている。

国際公報第２００９／０２２６４９号特開２００５−２４４１４号公報

しかしながら、例えば特許文献１のような従来の油膜検出装置の検出器は、光学系の結露防止や電気部の保護のために、図３に示すように、光源・走査部１１、凹面鏡１２、受光部１４等を収容部１５に収容し、窓１６により水密に封じるように構成されている。そして、この検出器１０の窓１６は、水平面に対して所定角度傾斜して検出器１０に取り付けられている。これは、光源１１からの出射光が、窓１６の天面および底面で反射して迷光となることを防ぐためのものであり、例えば、光源１１から出射され窓１６の天面で反射した光が凹面鏡１２へ入射したとしても、その反射光はＡの地点へと導かれ、受光部１４には入射しないようになっている。しかしながら、水平面に対して傾斜する窓１６により収容部１５を水密に封じるための構造の設計・加工は複雑であり、組み立ての作業性も悪く、コストも嵩むという課題があった。

また、従来の油膜検出装置は、例えば図３や特許文献１の図６、図８等に示す凹面鏡１２、４０のように焦点位置がシフトしているいわゆる軸外し放物面鏡等を使用して、検出対象面からの反射光が受光部により遮られないようにして、少ない面積であっても効率的に集光することができるようにしているが、さらに精度良く油膜を検出するためには、凹面鏡を大きくする必要がある。しかし、大型の軸外し放物面鏡を製作するには大きなブロックから削り出さなければならないためコストが嵩み、また、凹面鏡を大きくすると検出器の口径も大きくなるため、上述のような傾斜した窓を組み込むと、検出器の垂直方向の寸法も大きくなり検出器が大型化する、という課題があった。

さらに、例えば特許文献２のような従来の油膜検出装置は、水面での反射光を回帰性リフレクタで反射させて光を往復させて検出するものであるため、反射光の減衰量が大きく、水面との距離が離れると受光部に届く光量が極めて小さくなり、感度良く測定することができなくなってしまう、という課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、水面（検出対象面）との距離が離れている場合であっても、確実に精度良く油膜を検出することができる油膜検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明は、水平方向に広がる検出対象面に対して略平行に設置される検出器内に、少なくとも光源と凹面鏡と受光部とを収容する収容部と、該収容部を水密に封じる窓とを備え、前記光源から前記検出対象面に向けて光を照射し、前記検出対象面からの反射光を前記凹面鏡により集光して前記受光部に受光させることにより、前記検出対象面に存在する油膜を検出する油膜検出装置において、前記光源は、前記凹面鏡の上方に配置され、略鉛直方向に光を出射し、前記凹面鏡は、当該凹面鏡の光軸が水平方向に対して直交するように配置されるとともに、当該凹面鏡の光軸よりずれた位置に、前記光源からの出射光を通過させる貫通孔を有しており、前記受光部は、前記凹面鏡の光軸上の焦点位置に配置されることを特徴とする。

また、前記窓は、前記検出器の水平断面に対して平行に配設されるとともに、当該窓の一部に前記出射光を透過させる出射窓が水平面に対して所定角度傾斜して設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、検出対象面に向けて光源から略鉛直方向に光が照射され、検出対象面から反射した光を集光する凹面鏡がその光軸が水平方向に直交するように配置され、かつ、受光部が凹面鏡の光軸上の焦点位置に配置される（すなわち、軸外し凹面鏡ではない凹面鏡を用いる）ことにより、水面（検出対象面）までの距離が離れている場合であっても、確実に精度良く油膜を検出することができる。また、検出器内の収容部を水密に封じる窓は、検出器の水平断面に対して平行に配設されるため、収容部を水密に封じる構造は一般的なものでよく、加工が容易で組み立ての作業性も良い油膜検出装置を提供することができる。さらに、窓の一部に、出射光を透過させる出射窓が水平面に対して所定角度傾斜して設けられていることにより、検出器の大型化を回避しつつ精度良く油膜を検出することができる油膜検出装置を提供することができる。

この発明の実施の形態における油膜検出装置の検出器の構成例および作用を模式的に示す概略断面図である。この発明の実施の形態における油膜検出装置を下面（水面）側から見た底面図であり、受光部と、出射窓との位置関係を示す図である。従来の油膜検出装置の検出器の構成例および作用を模式的に示す概略断面図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
この発明における油膜検出装置は、光源としてレーザ光源を用いた光学式（光反射法）によるものである。これは、水面と油膜との光の反射率の差を利用した方法である。一般的に、水面による光の反射率は約２％、油膜による光の反射率は３〜４％の間を推移すると言われており、油膜からの反射光の方が１．５〜２倍くらい強い。そこで、一定の強さの光を水面に当てて、反射光の強さ（受光量）を検出器により測定し、変換器により各種演算処理を行うことにより、油膜の有無を検出・判別することができる。そして、油膜を検出すると警報を出力するようになっており、これにより、取水の中止等の判断が行われる。

なお、レーザ光源を用いる光学式の油膜検出装置は、ファイバー式や静電容量式のような接触式ではない（非接触式である）というメリットだけではなく、他の光源（例えば、ＬＥＤ光源等）に比べて、光量が大きく、直線性も良いので、水面までの距離が離れている場合であっても反射光を検出することができる、というメリットがある。

図１は、この発明の実施の形態における油膜検出装置の検出器２０の構成例および作用を模式的に示す概略断面図である。この実施の形態における油膜検出装置は、図１に示すような検出器２０と、図示しない変換器とから構成されている。検出器２０と変換器とは、ケーブルにより接続され、検出器２０で測定された反射光の強さ（受光量）に基づく信号が変換器に送られるようになっている。また、変換器は、各種演算処理を行い油膜の有無を検出・判別し、油膜を検出すると警報を出力したり、表示部に状態を表示したりすることができるようになっている。さらに、変換器は、検出器２０を制御する制御信号を出力することもできる。

検出器２０は、光源・走査部２１、凹面鏡２２および受光部２４を収容する収容部２５と、収容部２５を水密に封じる窓２６とを備え、検出対象面である水面１９、２９上に、水面１９、２９と略平行（水平方向に対して略平行）になるように設置される。なお、検出器２０の筐体は、光を透過しない材質で形成されており、窓２６（出射窓２７を含む）以外から収容部２５内へ光が入り込むことはない。

光源・走査部２１は、レーザ光源と、レーザ光を走査する走査部とを備え、レーザ光を走査することにより、検出対象面におけるレーザ光の照射範囲として所望の平面を形成することができるようになっている。ここで、レーザ光を走査するための構成としては、例えば特許文献１に示された従来例と同様に振動素子などを用いることができる。そして、光源・走査部２１は、凹面鏡２２の上方に配置され、出射されたレーザ光が水面（検出対象面）１９、２９に向けて略鉛直方向に照射されるように取り付けられている。

また、この実施の形態における油膜検出装置で使用される凹面鏡２２は、その反射面により集光した光が焦点を結ぶ焦点位置が、反射面の中心軸上にあるもの、すなわち、光軸Ｚと中心軸とが一致するもの（いわゆる軸外し凹面鏡ではないもの）である。また、凹面鏡２２は、光軸Ｚが水平方向に対して直交するように配置されるとともに、光軸Ｚよりずれた位置に貫通孔２３を有しており、光源・走査部２１から出射され貫通孔２３を通過して水面１９、２９により反射してきた光を、反射面により集光して光軸Ｚ上の焦点位置に配置された受光部２４に入射させることができるようになっている。この凹面鏡２２は、いわゆる軸外し凹面鏡ではないものであればよく、通常の放物面鏡、楕円面鏡などを用いることができる。また、貫通孔２３の大きさは、光源・走査部２１により出射され走査される光が透過する範囲と同じかやや大きい程度であることが好ましい。なお、水面１９、２９からの反射光を効率的に検出する上で、貫通孔２３の位置は凹面鏡２２の光軸Ｚ（凹面鏡２２の中心部）に近い方が好ましいが、貫通孔２３を通過した光が直接受光部２４に入射しないような位置にする必要がある。

この実施の形態における油膜検出装置の窓２６は、検出器２０内の収容部を水密に封じるように検出器２０の水平断面に対して平行に取り付けられている。また、窓２６は、その一部に、水平面に対して所定角度傾斜した出射窓２７を有している。
出射窓２７は、光源・走査部２１の鉛直方向に位置し、光源から出射された光を透過させるようになっている。出射窓２７の傾斜角度は、光源から出射され出射窓２７の天面および底面で反射した光が、（１）凹面鏡２２から外れた位置（例えばＢ地点）に導かれるような角度であること、（２）凹面鏡２２に入射してさらに反射したとしても、検出器２４に入射せず、かつ、窓２６（出射窓２７部分を含む）を介して検出器２０の外部に出ないような角度であること、のいずれかを満たすことを条件に、凹面鏡２２の曲率、受光部２４の大きさ、出射窓２７の位置等に応じて決定することができる。また、出射窓２７の大きさは、光源・走査部２１により出射され走査される光が透過する範囲と同じかやや大きい程度であることが好ましい。
なお、窓２６および出射窓２７は、光源から出射される光および反射光を透過させるものであればよく、加工のし易さ、重量、コスト等の点から、アクリルなどの透明樹脂により形成することが好ましいが、材質に限定はなく、ガラス等を用いることもできる。

図２は、この発明の実施の形態における油膜検出装置を下面（水面）側から見た底面図であり、受光部２４と、出射窓２７との位置関係を示す図である。前述のとおり、貫通孔２３の位置は凹面鏡２２の光軸Ｚ（凹面鏡２２の中心部）に近い方が好ましいが、貫通孔２３を通過した光が直接受光部２４に入射しないようにする必要がある。したがって、出射窓２７も受光部２４とは重ならない位置に設けられており、出射窓２７へ向かう光が受光部２４により遮られることはないようになっている。すなわち、光軸Ｚ（凹面鏡２２の中心部）から少しだけずれた位置に、光軸と平行して、光源・走査部２１、貫通孔２３および出射窓２７が配置されている。
なお、薄板２４ａは、受光部２４を凹面鏡２２の光軸Ｚ上の焦点位置に固定するために検出器２０へ取り付けられているものであり、受光部２４の位置を微調整することができるようになっているが、図１においては図示を省略している。

次に、図１を参照しながら、この実施の形態における油膜検出装置の動作および作用を説明する。
光源・走査部２１により出射され走査された光は、破線に示すような広がりをもった範囲で略鉛直方向に照射される。この光は、窓２６の一部に設けられた出射窓２７内を透過するようになっている。出射窓２７は所定角度傾斜しているため、その天面および底面で反射した光は凹面鏡２２から外れたＢ地点に導かれるようになっており、油膜検出の支障となる迷光となることはない。

出射窓２７を透過した光は水面１９、２９で反射し、窓２６を透過して凹面鏡２２を介して受光部２４に到達する。図１の破線は、光の照射範囲の外縁において、水面１９、２９が完全な平面であるとした場合の光路を表しているが、実際の測定においては、水面１９、２９には揺らぎ（波）があるため、反射光が常に一定の光路で凹面鏡２２に戻るということはなく、凹面鏡２２の反射面が広いほど、油膜を検出する可能性が高まる。
また、水面１９は、水位が高くなっているときの状態を示すものであり、水面２９は、水位が低いときの状態を示すものである。光源・走査部２１から出射された光は、略鉛直方向に照射されるため、水位が変動しても、水面１９、２９に光が照射される平面が常に形成され、表面反射した光を凹面鏡２２で捉えることができる。
なお、凹面鏡２２として放物面鏡を用いた場合、光軸に対して平行な光の全てが焦点に集光されるわけであるが、受光部２４にある程度の面積（受光面の広さ）をもたせておくことにより、完全な平行光でない反射光も集光することができる。
受光部２４で検出した光の強さ（受光量）に基づく信号は、変換器に送られて各種演算処理され、油膜の有無の判断に用いられる。そして、油膜を検出した場合には、警報信号を出力する等の処理が行われる。

このように、光源・走査部２１、貫通孔２３および出射窓２７を凹面鏡２２の中心よりずれた位置に光軸と平行して配置することにより、受光部２４を凹面鏡２２の光軸Ｚ上の焦点位置に配置しても、光源・走査部２１から出射されるレーザ光を、受光部２４が遮ってしまうことがなく、水面（検出対象面）１９、２９からの反射光を効率よく集光することができる。

また、光源・走査部２１からの光は略鉛直方向に出射されるため、検出器２０と検出対象面との距離が変わっても、すなわち水面の高さが変動しても（図１の水面１９、水面２９参照）、検出対象面に確実に光を照射することができ、その検出対象面からの反射光を確実に集めることができる。

また、この発明の実施の形態における油膜検出装置では、検出器２０内の収容部２５を水密に封じる窓２６を、検出器２０の水平断面に対して平行に配設するようにしたため、収容部を水密に封じる構造は一般的なものでよく、加工が容易で組み立ての作業性も良い。

出射窓２７は、光源・走査部２１から出射されたレーザ光が、窓２６の天面および底面で反射した光が迷光となって受光部２４で検出されてしまうことを防ぐため、光軸に対して斜め、すなわち、水平面に対して所定角度傾斜して設けられている。ここで、図１に示すこの実施の形態における油膜検出装置において、図３に示す従来の油膜検出装置と同様に、１枚の窓を斜めに取り付けたとすると、上下方向の寸法もかなり大きくなってしまう。そこで、この発明の実施の形態においては、窓２６は検出器２０の水平断面に対して平行に配設し、光源・走査部２１から出射されたレーザ光が透過する出射窓２７のみを光軸に対して斜めに（水平面に対して所定角度傾斜して）設置するように構成した。

その結果、図３に示す従来の油膜検出装置と同様に、この発明の実施の形態における油膜検出装置においても、光源・走査部２１から出射されたレーザ光が窓２６で反射して迷光となることが防止され、精度良く油膜を検出することができる。

また、従来では受光部を検出器の端に設置する必要があり、効率よく集光できる受光部の位置を調整することは手間がかかる作業であったが、いわゆる軸外し凹面鏡ではない凹面鏡２２を使用する場合には中心に光が集まるため、受光部２４を中心に設置すれば必然的に効率よく集光することができる。さらに、凹面鏡２２は、いわゆる軸外し凹面鏡（凹面鏡１２）に比べて安価で作りやすいというメリットもある。

また、検出器２０内の収容部２５を水密に封じる窓２６を、検出器２０の水平断面に対して平行に配設するようにし、光源・走査部２１から出射されたレーザ光が透過する位置であるごく一部分のみを光軸に対して斜めに形成された出射窓２７としたので、従来の凹面鏡よりも大きい凹面鏡を使用したとしても、高さ方向の大きさは従来と同程度にすることができ、スペース効率がよい。

以上のように、この発明の実施の形態における油膜検出装置によれば、コストアップや大型化を回避しつつ、測定精度や組み立ての作業性を向上させることができ、従来の油膜検出装置では、水面（検出対象面）１９までの距離が例えば５ｍ前後までしか確実には油膜が検出できなかったとすると、この実施の形態における油膜検出装置によれば、水面（検出対象面）２９までの距離が例えば１０ｍ前後であっても油膜を検出することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１０，２０検出部、１１，２１光源・走査部、１２，２２凹面鏡、１４，２４受光部、１５，２５収容部、１６，２６窓、１９，２９水面（検出対象面）、２３貫通孔、２４ａ薄板、２７出射窓。

Claims

水平方向に広がる検出対象面に対して略平行に設置される検出器内に、少なくとも光源と凹面鏡と受光部とを収容する収容部と、該収容部を水密に封じる窓とを備え、前記光源から前記検出対象面に向けて光を照射し、前記検出対象面からの反射光を前記凹面鏡により集光して前記受光部に受光させることにより、前記検出対象面に存在する油膜を検出する油膜検出装置において、
前記光源は、前記凹面鏡の上方に配置され、略鉛直方向に光を出射し、
前記凹面鏡は、当該凹面鏡の光軸が水平方向に対して直交するように配置されるとともに、当該凹面鏡の光軸よりずれた位置に、前記光源からの出射光を通過させる貫通孔を有しており、
前記受光部は、前記凹面鏡の光軸上の焦点位置に配置される
ことを特徴とする油膜検出装置。
前記窓は、前記検出器の水平断面に対して平行に配設されるとともに、当該窓の一部に前記出射光を透過させる出射窓が水平面に対して所定角度傾斜して設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の油膜検出装置。