JP6530516B2 - 改良された防爆熱撮像システム - Google Patents

Description

［背景技術］
赤外線カメラは、一般に標準的カメラが可視光を用いて画像を形成する仕方と同様に、赤外線放射を用いて画像を形成する。しかし赤外線カメラは、典型的にはより長い波長、例えば１４，０００ナノメートルの照明で動作する。赤外線カメラは、画像視野内に存在する熱の、非接触での表示を提供するために、多くの用途において非常に有用である。さらに赤外線カメラは、いくつかの状況において表面温度の表示が赤外線カメラによって与えられる画像から直接的に得られうるように較正されうる。

赤外線カメラが特に有用な１つの環境は、プロセス制御と監視とにおいてである。そのような環境においては、プロセス流体、例えば、石油化学製品、スラリー、医薬品化合物、を処理し、処理施設内の様々な場所に運搬しうる。しかし、プロセス制御及び監視の環境は、環境自体が著しく可燃性の又は爆発性のガスをその中に有しうるという点で、多くの装置に対して課題を提示している。従って、そのような環境において、そこで使用される電子装置が、防爆筐体内に収容されることが重要である。そのように収容されると、例え装置の回路が、スパークを発しても、又は環境を発火させる程に高温の表面温度を有する電気部品を有していても、生じる発火は、筐体内に完全に封じ込められて周囲環境に逃げることはできない。このことはプロセス制御設備及び作業員の安全を確保するために重要である。

防爆規格の１例は、潜在的な爆発性雰囲気に関するＥｘ d規格ＥＮ60079-0及びＥＮ60079-1に対するＡＴＥＸ認証である。一般に防爆ハウジングは、破裂することなく内部爆発を封じ込める程に十分に機械的に堅牢であるために比較的大きい。一般に、そのような防爆ハウジングは、爆発圧に耐えるように設計された非常に強固な金属製の筐体である。しかし、環境の光学的センシングに依存する赤外線カメラのような装置の場合、筐体は、赤外線カメラが環境を見うるためにある種の透明な窓を備えていなければならない。赤外線エネルギーを通過させるのに用いられる典型的な窓材料は脆弱であり、損傷無しにはいかなる衝撃にも耐えることができない。しかし、爆発圧及び衝撃を封じ込めるためには、窓は比較的厚くなければならない。さらにいくつかのアプリケーションにおいては、ある種のガードは窓の前に配置される必要がある。これは、赤外線エネルギーを制限する可能性がある。従って、赤外線カメラについての防爆要件は、赤外線カメラの有効性を制限する可能性がある。危険なプロセス設備に適している赤外線カメラ／防爆ハウジングアセンブリを提供することは、そのような設備での赤外線カメラの使用における重要な進歩を示す。

防爆熱撮像システムが提供される。本システムは、熱放射が通過することを可能にするように構成された窓を有する防爆ハウジングを含む。赤外線カメラは、上記防爆ハウジング内に配置され、上記窓を通過する熱放射を受取り撮像するように配置されている。いくつかの実施態様において、投げられた物が装置に接触する場合に保護するために、網ガードが窓の前方に配置される。放射率ターゲットが、上記赤外線カメラの視野内に、上記赤外線カメラからは上記窓の反対側に配置される。温度センサは、上記赤外線カメラに動作可能に結合され、上記放射率ターゲット近傍の温度の表示を提供するように構成される。

本発明の１実施態様による防爆ハウジング内に収容された産業用赤外線カメラの概略図である。 本発明の１実施態様による高放射率ターゲットを有する網ガードの概略図である。 本発明の１実施態様による防爆ハウジング内に配置された赤外線カメラの概略図である。 本発明の１実施態様による、危険な環境において赤外線カメラを動作させる方法のフロー図である。

［発明を実施するための態様］
赤外線カメラが危険な環境において使用されるとき、上述のように通常は防爆ハウジング内に設けられる。赤外線技術は、特殊な材料から成る光学窓を必要とし、そのような材料が物理的衝撃を受ける場合に、潜在的に損傷を受ける可能性がある。従って、そのような衝撃を受ける機会を減らすために、網ガード又は他の物理的構造が、ハウジングの赤外線窓を衝撃から保護するために用いられる。このような網ガードは、衝撃を低減又は除去するのに有用であるが、赤外線カメラの動作に影響を及ぼす可能性がある。例えば網ガードは、カメラの視野の部分を遮り、及び／又は赤外線画像を減衰させる可能性がありうる。さらに、赤外線窓自体が、時間が経つにつれて又は特定の出来事や損傷に応じて汚れることがある。これは測定における劣化につながりうる。

本発明の実施態様は、一般に、赤外線カメラの窓の外側であるが該カメラの視野内に、基準温度センサ及び放射率ターゲットを配置する。いくつかの実施態様において、基準温度センサは、該カメラに対して基準温度測定点を提供するために網ガード上に配置される抵抗温度装置である。さらに、該ＲＴＤ（抵抗温度装置）からの温度測定は、潜在的に汚れたレンズ又は窓、及び窓の透過率効果からの信号低下によって影響を受けたときに、該ガード及び信号の減衰を補償するために使用されうる。

図１は、本発明の１実施態様による防爆ハウジング内に収容された産業用赤外線カメラの概略図である。カメラ１００は、視覚スペクトルの波長より長い波長を有する熱放射に対して敏感である多数の要素又はピクセルを含む赤外線センサ１０２を含む。センサ１０２は、ハウジング１０４内に配置され、ハウジング１０４は一般に金属から形成され、爆発に耐えその中に封じ込めうるように設計されている。したがって、ハウジング１０４は、いくつかの実施態様において、上述したような１以上の防爆規格に従いうる。ハウジング１０４は、センサ１０２が赤外線を受け取りうる光学窓１０６を含む。光学窓１０６は、筐体１０４の内部に爆発を限定するのに機械的に十分頑健であり、赤外線放射を通すために十分透明であるところの材料で寸法取られ且つ形成されている。

いくつかの実施態様において、窓１０６は、物体からの衝撃を受けた場合に損傷を受けうる材料で形成される。したがって、カメラ１００はまた、窓１０６の上に配置された網ガード１０８を含む。網ガード１０８は、図１に示された実施態様において、ハウジング１０４にボルトで又は別の仕方で固定されているカラー（襟）１１０で終端された多数の十字線で形成されている。したがって、窓１０６に衝突するはずの物体は、代わりに網ガード１０８に衝突する。

本発明の１実施態様によれば、温度センサ２１２（図３に示される）は、カラー１１０又は網ガード１０８に熱的に結合されるか、又はその内部に配置される。このようにして、網ガード及び／又はカラー１１０の温度を測定することができる。代替的に、温度センサ２１２は、該ターゲット１１２上に取り付けられてもよく、該ターゲット１１２と一体化されてもよい。さらに、図２に示されたように、網ガード１０８の少なくとも１つのセルは、高放射率反射ターゲット１１２で占有されている。該ターゲット１１２の放射率は、選択されるか、又は別の方法で知られており、１の実施態様において、例え窓１０６が損傷を受け又は汚れる場合でも、有効に撮像されうるように相対的に高い。さらに、放射率ターゲット１１２を撮像すること、及びカラー１１０又は網ガード１０８の温度を測定することによって、赤外線カメラは較正されうる。これは、センサ１０２を有する撮像用ターゲット１１２が、該ターゲット１１２の温度の指標を提供するからである。次に、カラー１１０又は網ガード１０８内に配置された温度センサを用いて、ターゲット１１２の近傍お温度を物理的に測定することは、画像誘導温度が測定された基準温度から偏移する度合いの指示を提供する。１実施態様において、ターゲット１１２は、接触温度計を含むか、又は接触温度計に結合される。センサ又は温度計によって測定された温度と光学的に導出された測定との間の偏差は、窓１０６への損傷又は窓１０６が汚れているという表示を示すことができる。このようにして、赤外線カメラは、このような有害な窓効果を調整又は他の方法で補償し、効果的に機能し続けることができる。換言すれば、基準温度センサを用いて、網ガード１０８上の温度センサ２１２のようなセンサは、カメラの基準点を生成し、網ガード１０８の減衰と考えられる汚れたレンズの信号を補償するために、温度センサからの追加の温度測定基準を提供する。しかし、高放射率ターゲット１１２が汚染から保護されている状況では、温度センサからの別個の測定なしで温度評価を行うことができる。この光学的に導出された値は次に、網ガードを見ているピクセルのどれかをオフセットするために使用しうる。さらに、網ガードを横断する画像の均一性が、測定されるか又は他の方法で決定され、窓１０６がどの程度汚れているかの表示を提供するのに用いられうる。理想的には、網ガードの画像は、すべて同じ温度であるか又は通常の状態での勾配プロファイルに従う。窓１０６が汚れている場合、プロファイルはもはや一様でも段階的でもない。グリッドの局所的測定はノイズのように見えよう。

図３は、本発明の１実施態様による爆発防止ハウジング内に配置された赤外線カメラの概略図である。システム２００は、赤外線カメラ２０６が窓２０４を通過する赤外線を見ることを可能にする防爆光学窓２０４を有する防爆ハウジング２０２を含む。網ガード２０８は、窓２０４を衝撃から保護するために窓２０４の前に配置される。さらに、高放射率ターゲット２１０及び温度センサ２１２は、網ガード２０８又は網ガード２０８を囲むカラーに近接して設けられる。温度センサ２１２は、１実施態様においてカメラ２０６内に配置される測定回路２１４に動作可能に結合される。図３において示された実施態様が、温度センサ２１２と測定回路２１４との間の直接的な物理的結合を示す一方、本発明の実施態様は、温度を示す情報を測定回路２１４へ伝えるために、無線方式の利用を明示的に考えている。特に、近距離場通信技術を用いることができ、そこでは電磁エネルギーが窓２０４を介して、温度センサに結合された受動ＲＦＩＤ構造へ結合される。受動ＲＦＩＤ構造の応答は、温度を測定回路２１４へ示すことができる。これは、ハウジング２０２内への侵入がよりわずかしか必要とされないという点で特に有利である。

赤外線カメラ２０６は、赤外線センサ２１８に結合された制御器２１６を含む。１実施例において、赤外線センサ２１８はマイクロボロメータである。この構造は一般的に、検出器材料に衝突し、それを加熱し、ひいてはその電気抵抗を変化させるところの７〜１４μｍの波長を有する赤外線を受け取るように構成されている。抵抗変化は、画像を生成するために測定され、様々な温度に処理されうる。しかし本発明の実施態様は、窓２０４を通過する熱放射を検出するための任意の適切な構造を含みうる。制御器２１６は、既知の技術に従って熱画像を生成するために赤外線センサ２１８と相互作用するよう構成されている。さらに、制御器２１６は、熱画像データを追加の装置に伝達するために、通信回路２２０に結合される。例えば、通信回路２２０は、既知の無線通信技術及びプロトコル、例えば、WIFI、Bluetooth（登録商標）、に従って通信することができる無線通信回路を含みうる。さらに、通信回路２２０は、既知のプロセス産業標準プロトコル、例えばＩＥＣ６２５９１（WirelessHART（登録商標））、に従って通信するように構成されうる。さらに、いくつかの実施態様において、カメラ２０６は、別の窓（図示せず）を介して潜在的に視認可能な局所ディスプレイを生成するように構成されたディスプレイモジュール２２２を含みうる。

本発明の実施態様によれば、制御器２１６は、ハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組み合わせによって、測定回路２１４が温度センサ２１２を介して網ガードの温度の指示を取得するように構成されている。さらに制御器２１６はまた、その視野に高放射率ターゲット２１０に対応する１部分を含む熱画像を得るように構成されている。制御器２１６は、該ターゲット２１０を撮像し、この画像に基づいて高放射率ターゲット２１０の第１の熱表示を生成する。さらに制御器２１６はまた、温度センサ２１２からの測定された温度に基づいて、高放射率ターゲット２１０の熱表示を生成する。次に（熱画像から得られた）第１の熱表示と（温度センサから得られた）基準温度とを対照して、制御器２１６は、２つの温度が異なる程度を判定することができる。この違いは、窓への損傷を示す可能性がある。さらにその違いは、較正を得るために制御器２１６によって用いられうる。従って、この違いを適用することにより、制御器２１６は、補償された熱画像を生成しうる。

窓２０４に集まる塵及び／又はほこりは、時間の経過とともに窓２０４の透過率を変化させる結果となりうる。赤外線温度が基準温度に対してオフセットを有する場合に、ユーザは、システムが精度を失っていること、及び窓２０４は汚れ清掃をする必要があるという警告を受け取りうる。この指示は、上記の補償に加え又はその代わりに提供されうる。１実施例において、相対湿度によって引き起こされ検出された透過率の変化は、オフセットが突然にかつ熱画像内で比較的均一に現れる場合に、示されうる。さらに、基準温度センサ２１２はまた、ハウジング２０２内の内部加熱を潜在的に始動又は開始するために、周囲温度に関する情報を提供するように用いられうる。

図４は、本発明の１実施態様による、危険な環境において赤外線カメラを動作させる方法のフロー図である。方法３００はブロック３０２で始まり、そこでは、温度が、赤外線カメラの防爆ハウジングの１部分を形成する光学窓の外部で測定される。上述されたように、この熱表示は、網ガード、又は網ガードを取り囲んで取り付けられたカラー上に取り付けられた温度センサによって生成されうる。温度センサは、温度に対応する電気的指示を提供しうる任意の適切な装置としうる。このような装置の例は、熱電対、ＲＴＤ、サーミスタなどを包含する。温度測定は好ましくは、赤外線カメラそれ自体、例えば、図３に対するカメラ２０６によって実行される。しかし温度測定は、外部装置によって実行され、赤外線カメラへ単に伝達され又は通信されうる。次にブロック３０４で、赤外線カメラは、その防爆ハウジングの外側に配置された高放射率ターゲットを撮像する。高放射率ターゲットを撮像することにより、そのような高放射率ターゲットの温度の表示が生成される。次にブロック３０６で、１実施例において、赤外線カメラは、較正又は診断指示を生成するために、測定された温度と高放射率ターゲットの画像誘導温度との間の違いを用いるであろう。ブロック３０８で、赤外線カメラは視野を撮像するように手配される。この撮像された視野は、ハウジングの光学窓の損傷、並びに光学窓上の塵又はほこりの存在、又はそれらの組み合わせによって影響され得る。ブロック３０６で得られた較正を用いて、方法３００は、ブロック３１０で示されるように、赤外線カメラが補償画像を提供することを可能にする。しかし、適用される較正の程度に基づいて、赤外線カメラはまた、起こりうる光学窓への損傷及び／又はその上への塵又はほこりを指示する診断表示を与えうる。最後に、較正された視野画像は、ブロック３１２で示されるように出力される。この出力は、カメラのディスプレイを介して局所的に、通信、例えば無線通信を介して遠隔的に、又はそれらの組み合わせを介して提供されうる。さらに、一旦赤外線カメラが較正されると、窓２０４（図３に示される）を塵及び／又はほこりから守るために、一定時間後に交換されるところのＩＲ（赤外線）箔が使用されうる。

Claims (23)

1. 防爆熱撮像システムであって、
   熱放射が通過することを可能にするように構成されている窓を有する防爆ハウジングと、
   前記防爆ハウジング内に配置され、前記窓を通過する熱放射を受取り且つ撮像するように置かれた赤外線カメラと、
   前記赤外線カメラの視界内ではあるが、前記赤外線カメラからは前記窓の反対側に配置された放射率ターゲットと、及び
   前記赤外線カメラに動作可能に結合され、前記放射率ターゲット近傍の温度表示を提供するように構成された温度センサと、
   を含み、
   前記窓の前に配置されたガードをさらに備え、
   前記放射率ターゲットが前記ガード内に配置されている、
   上記防爆熱撮像システム。
2. 前記赤外線カメラは、前記温度センサに動作可能に結合された制御器を含み、前記制御器は、前記放射率ターゲットの画像に基づいて前記放射率ターゲットの画像ベース温度を決定し、且つ前記温度表示を前記画像ベース温度と比較するように構成されている、請求項１に記載の防爆熱撮像システム。
3. 前記制御器は、前記比較に基づいて窓への損傷及び／又はその上への塵又はほこりを指示する診断表示を生成するように構成されている、請求項２に記載の防爆熱撮像システム。
4. 前記制御器は、前記比較に基づいて較正情報を生成するように構成されている、請求項２に記載の防爆熱撮像システム。
5. 前記較正情報は、その後の熱画像形成のために用いられる、請求項４に記載の防爆熱撮像システム。
6. 前記窓は、衝撃からの損傷を受け易い材料で形成されている、請求項１に記載の防爆熱撮像システム。
7. 前記温度センサは、前記ガードに取り付けられている、請求項１に記載の防爆熱撮像システム。
8. 前記温度センサは、前記ガードを前記防爆ハウジングに取り付けるところのカラーに取り付けられている、請求項１に記載の防爆熱撮像システム。
9. 前記ガードは十字線で形成された網ガードである、請求項１に記載の防爆熱撮像システム。
10. 前記温度センサは、前記赤外線カメラの測定回路に動作可能に結合されている、請求項１に記載の防爆熱撮像システム。
11. 前記温度センサは、前記赤外線カメラに無線で結合されている、請求項１０に記載の防爆熱撮像システム。
12. 前記赤外線カメラは、画像データを遠隔装置へ無線通信するように構成されている、請求項１に記載の防爆熱撮像システム。
13. 前記無線通信は、無線プロセス産業標準プロトコルに従う、請求項１２に記載の防爆熱撮像システム。
14. 前記赤外線カメラは、マイクロボロメータを含んでいる、請求項１に記載の防爆熱撮像システム。
15. 前記制御器は、前記放射率ターゲット近傍の温度の前記表示に基づいて前記ハウジングのヒータを関与させるように構成されている、請求項２に記載の防爆熱撮像システム。
16. 前記ハウジングは、防爆規格に準拠している、請求項１に記載の防爆熱撮像システム。
17. 前記放射率ターゲットと前記温度センサとは、一体型ユニットを構成している、請求項１に記載の防爆熱撮像システム。
18. 前記温度センサが前記放射率ターゲットに取り付けられている、請求項１に記載の防爆熱撮像システム。
19. 危険な環境において熱撮像システムを動作させるための方法であって、
    赤外線カメラを防爆ハウジング内に配置すること、及び前記赤外線カメラを前記ハウジングの窓を通して見るように方向付けること、
    前記赤外線カメラに放射率ターゲットを撮像させること、及びこの画像に基づいて前記放射率ターゲットの画像誘導温度を決定すること、
    温度センサを用いて前記放射率ターゲットの近傍の基準温度を測定すること、及び
    前記窓の状態を示す情報を生成するために前記画像誘導温度を前記基準温度と比較すること、
    を包含する、
    上記方法。
20. 前記窓の状態に基づいて窓への損傷及び／又はその上への塵又はほこりを指示する診断表示を提供することをさらに包含する、請求項１９に記載の方法。
21. 前記比較に基づいて較正情報を生成すること、及びその後の熱画像において前記較正情報を使用することをさらに包含する、請求項１９に記載の方法。
22. 防爆熱撮像システムであって、
    熱放射を可能にするように構成された窓を有する防爆ハウジングと、
    前記防爆ハウジング内に配置され、かつ前記窓を通過する熱放射を受け且つ撮像するように配置された赤外線カメラと、
    前記赤外線カメラからは前記窓の反対側に配置された網ガードと、
    前記網ガード内に配置されることで汚染から保護され且つ前記赤外線カメラの視野内に配置された放射率ターゲットと、
    を備え、
    前記赤外線カメラは、前記放射率ターゲットと、前記網ガードを撮像するオフセットピクセルとを撮像するように構成されている、
    上記防爆熱撮像システム。
23. 前記システムは、前記網ガードの画像を横切っての均一性に基づいて前記窓の汚染に関する表示を提供するように構成されている、請求項２２に記載の防爆熱撮像システム。

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