JPH11326187A - 油膜検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】浄水場、養殖場に流入する微量の油分や工場排
水施設から流出する微量の油分を、反射光のＳ／Ｐ偏光
比で自動的に検知する従来の油膜検知装置は、照射光の
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があり、解決が望まれてい
た。 【解決手段】Ｓ／Ｐ偏光比の対数変換、および直線偏光
特性のレーザ光源の利用によって、入射角度を従来の７
０度から４０度に小さくでき、光学系を大きくすること
なく波による水飛沫の問題を解決し、安定した油膜検知
が可能になった。また、設置条件の制約が緩和され、実
用性が向上した。

Description

【発明の詳細な説明】

【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４−８３５
７５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１
８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２
２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２
６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６３３ｎ
ｍ、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。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明の第１の装置では、偏光解析法による油膜検
知装置において、反射光のＰ偏光成分とＳ偏光成分の信
号の対数変換と減算を行う信号演算手段を技術的手段と
して採用することとする。この第１の装置は、反射光の
偏光比を演算する方法として、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分
の光量信号を対数アンプなどで対数変換した後に減算回
路によって減算し、対数変換された偏光比を求めるよう
にしたので、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、発明した油膜検知装置は、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。

【００１６】本発明の第２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。この第２
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、本発明を２つの実施例にも
とづき説明する。 ［発明の実施例］ ［実施例１］発明の第１の実施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】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、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、実施例１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。 ［実施例２］発明の第２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】

【表１】実施例１および２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、反射光のＰ偏
光成分とＳ偏光成分の信号の対数変換と減算を行う信号
演算手段や、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】油膜検知装置の第１の発明例の模式図

【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】油膜検知装置の第２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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福田 政克 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 多田 弘 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、 前記信号処理手段が、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の信号を
   対数変換した後に減算する信号演算手段を備えることを
   特徴とする油膜検知装置。
2. 【請求項２】油膜の浮遊する水面に、Ｐ偏光成分とＳ偏
   光成分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。
3. 【請求項３】請求項２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。