管内面検査装置およびその検査方法
【課題】管内面の状態や寸法によらずに管内面を検査することができる管内面検査装置およびその検査方法を提供する。
【解決手段】本発明の実施形態は、管２内面の検査箇所にパターンを有するパターン光Ｐ１を管２内面の周方向にわたって投影する投影手段１１と、検査箇所に投影され反射されたパターン光を反射パターン光Ｐ２として投影する表示手段１２と、反射パターン光Ｐ２の形状を観測する観測手段１３とを備える。
【解決手段】本発明の実施形態は、管２内面の検査箇所にパターンを有するパターン光Ｐ１を管２内面の周方向にわたって投影する投影手段１１と、検査箇所に投影され反射されたパターン光を反射パターン光Ｐ２として投影する表示手段１２と、反射パターン光Ｐ２の形状を観測する観測手段１３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管の内面を検査する管内面検査装置およびその検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電所や化学プラントなどのプラント施設には、配管などの管状構造物（以下、単に「配管」という。）が多く設置されている。配管の内面は、配管を通る液体や気体、水蒸気により劣化する。
【０００３】
従来、劣化を診断する技術として、例えば、配管内を視覚的に確認するために撮影装置を搭載したカプセル状の装置や（例えば、特許文献１参照。）や、撮影装置を複数用いるステレオ視法で対象の寸法を測定するシステム（例えば、特許文献２参照。）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０５１３号公報
【特許文献２】特開２００９−２８２２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
配管の内部に装置を挿入し配管内部の変形を確認するためには、ＣＣＤカメラなどの観測装置を複数用いたステレオ視などの技術を用いる必要がある。ステレオ視を実施する場合、複数の観測装置で同一箇所を観測することを保障する目印が画素ごとに必要となる。
【０００６】
しかし、配管径が大きい場合には、配管周方向３６０度を１回のステレオ視で観測できず、例えば１８０度毎に分割して観測する必要がある。また、配管内面が金属光沢を強く持っている場合には、配管内面は目印となる光を吸収せず目印を設定することが困難である。以上の点から、配管内面の観察にステレオ視を用いることには限界があった。
【０００７】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、管内面の状態や寸法によらずに管内面を検査することができる管内面検査装置およびその検査方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る管内面検査装置は、上述した課題を解決するために、管内面の検査箇所にパターンを有するパターン光を前記管内面の周方向にわたって投影する投影手段と、前記検査箇所に投影され反射された前記パターン光を反射パターン光として投影する表示手段と、前記反射パターン光の形状を観測する観測手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る管内面検査装置およびその検査方法においては、管内面の状態や寸法によらずに管内面を検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態における管内面検査装置の構成図。
【図２】除塵装置としてのファンを備える管内面検査装置の構成図。
【図３】除塵装置としてのワイパーを備える管内面検査装置の構成図。
【図４】配管内面に付着物が生じた場合のパターン光の表示例を示す説明図。
【図５】配管内面に減肉が生じた場合のパターン光の表示例を示す説明図。
【図６】第２実施形態における管内面検査装置の構成図。
【図７】光源およびパターン投影装置の第１の配置例を示す管内面検査装置の構成図。
【図８】光源およびパターン投影装置の第２の配置例を示す管内面検査装置の構成図。
【図９】パターン投影装置の他の配置例を示す管内面検査装置の構成図。
【図１０】管内面検査装置の変形例を示す構成図。
【図１１】管内面検査装置の他の変形例を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１実施形態］
本発明に係る管内面検査装置およびその検査方法の第１実施形態を添付図面に基づいて説明する。各実施形態においては、管内面検査装置およびその検査方法の検査対象が径方向断面が円形の配管である例を説明する。
【００１２】
図１は、第１実施形態における管内面検査装置１の構成図である。
【００１３】
管内面検査装置１は、パターン投影装置１１と、スクリーン１２と、撮影装置１３と、照明装置１４と、視点変更装置１５と、固定装置１６と、位置特定装置１７とを備える。
【００１４】
パターン投影装置１１は、光源を有し、検査対象である配管２の内面にパターン光Ｐ１を投影する。光源の波長に制限はなく、紫外線、可視光、赤外線でもよい。光は、連続光でもパルス光でもよい。光源は、配管２外部に設置され、入射窓などを介して配管２内に光を入射してもよい。また、光源自体が配管２内部に挿入されたり、光ファイバーなどを用いて配管２内部に挿入されたりしてもよい。
【００１５】
パターン投影装置１１は、例えば、アキシコンレンズ、円筒レンズを利用した円形光や、シリンドリカルレンズを利用したライン光、または格子、スリット、ピンホールを利用した干渉稿を発生させる。以下、パターン投影装置１１が形成する円形光やライン光、干渉縞などのパターン化された光を、パターン光という。
【００１６】
スクリーン１２は、配管２内面におけるパターン光Ｐ１の反射光であるパターン光Ｐ２（反射パターン光）を吸収し、表示する。スクリーン１２は、パターン投影装置１１で採用した光源の波長に対し吸収し、発光する材質であればよい。スクリーン１２のパターンが照射される表面以外の材質は任意の材質が適応可能である。スクリーン１２の形状は、配管２に挿入できる形状であればよい。
【００１７】
スクリーン１２は、除塵装置としてのファン２１およびワイパー２２を有する。
【００１８】
図２は、除塵装置としてのファン２１を備える管内面検査装置１の構成図である。
【００１９】
図３は、除塵装置としてのワイパー２２を備える管内面検査装置１の構成図である。
【００２０】
なお、図２および図３においては、説明の関係上必要な構成のみを示し、他の構成は省略する。
【００２１】
除塵装置は、スクリーン１２表面上の不純物を除去する。ファン２１は、スクリーン１２上の不純物を除去するのに効果的な、例えばスクリーン１２の中心位置に設けられる。ワイパー２２は、スクリーン１２の中心位置を支点に回転し、スクリーン１２上の不純物を除去する。なお、スクリーン１２は、ファン２１およびワイパー２２の双方を有しても、いずれか一方を有してもよい。
【００２２】
撮影装置１３は、スクリーン１２上に表示されるパターン光Ｐ２および視点変更装置１５で反射する検査対象を観測するために撮影する。撮影装置１３は、スクリーン１２および視点変更装置１５に投影される観測対象が撮影可能な位置に配置される。撮影装置１３は、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラや一眼レフカメラ、ビデオカメラなど配管２内環境に適した機器である。
【００２３】
照明装置１４は、撮影装置１３に向かって配管２内部の検査箇所を照明する。照明装置１４は、パターン光とは異なり、リング状のライトガイドなどを用いて配管の広範囲を照射する。光源は、ＬＥＤライトなど波長によらず光を発生可能なものが好ましい。なお、照明装置１４は、図１のようにスクリーン１２上（スクリーン１２周囲）に限らず、配管２内面を照らす位置に配置されればよい。
【００２４】
視点変更装置１５は、スクリーン１２と撮影装置１３との間に配置され、配管２内面のイメージを撮影装置１３で観測させる。視点変更装置１５は、パターン投影装置１１により投影される光の波長に対して、高い反射率を持ち、例えば、アルミミラーやガラスミラーである。
【００２５】
固定装置１６は、パターン投影装置１１、スクリーン１２の配置関係を固定し、これらを配管２内で移動させるための装置である。固定装置１６は、さらに撮影装置１３、照明装置１４および視点変更装置１５を固定してもよい。
【００２６】
位置特定装置１７は、管内面検査装置１の検査位置を特定する。位置特定装置１７は、例えば光の到達時間より管内面検査装置１の移動距離を算出するレーザ測位計や、配管２内に挿入される管内面検査装置１の挿入距離を制御するためのメカニカルな機構に距離計測機能を持たせたものを適用することができる。また、位置特定装置１７は、配管２の周方向における凹凸の位置を評価するため、電子コンパスなどの地磁気センサや、ジャイロセンサ、加速度センサを適用することもできる。
【００２７】
次に、第１実施形態における管内面検査装置１の作用について説明する。
【００２８】
配管２内部においては、配管２が含有する物質の析出や付着などにより配管２の内径が小さくなる事象や、配管２の減肉などにより配管の内径が大きくなる事象が起こる。管内面検査装置１は、これらの事象の発生を検査するために用いられる。
【００２９】
まず、管内面検査装置１は、配管２内部に挿入され、パターン投影装置１１が検査箇所にパターン光Ｐ１を投影する位置まで移動される。パターン投影装置１１は、配管２内面の検査箇所にパターン光Ｐ１を投影する。
【００３０】
例えば、パターン投影装置１１が円筒状の配管２に正円形のパターン光Ｐ１を投影する場合、パターン投影装置１１は、投影角θでパターン光Ｐ１を配管２内面に投影する。パターン光Ｐ１は、配管２の軸方向の同一位置において、配管２内面の周方向に均一に（周方向３６０度にわたって）投影される。パターン光Ｐ１は、配管２内面で反射し、反射光は円形光のパターン光Ｐ２としてスクリーン１２に表示される。
【００３１】
撮影装置１３は、スクリーン１２に表示されたパターン光Ｐ２を撮影し、観測する。観測されたパターン光Ｐ２は、画像処理によりパターンの輝度が最も高い位置や輝度重心が計算されることにより、形状が決定される。
【００３２】
ここで、配管２の内径が周方向において均一である場合、スクリーン１２は正円形のパターン光Ｐ２が表示される。しかし、配管２の内面に付着物の発生や減肉により凹凸がある場合、パターン投影装置１１から照射される光は配管２内面において正反射されず、パターン光Ｐ２はゆがんで表示される。
【００３３】
管内面検査装置１は、このパターン光Ｐ２の形状を撮影装置１３で観測することにより、配管２の内径の変化を観察する。
【００３４】
図４は、配管２内面に付着物３が生じた場合のパターン光Ｐ２の表示例を示す説明図である。
【００３５】
図５は、配管２内面に減肉４が生じた場合のパターン光Ｐ２の表示例を示す説明図である。
【００３６】
図４に示すように、正常時の配管２半径（中心からの距離）がｒであるのに対し、配管２内面に付着物３が生じた箇所は、半径ｒよりも小さい半径ｒ´となる。よって、付着物３が発生した位置（半径ｒ´位置）で反射しスクリーン１２に表示されるパターン光は、配管２の半径がｒである場合に投影されるパターン光Ｐ２の半径（中心からの距離）Ｒよりも小さい半径Ｒ´となる。
【００３７】
図５に示すように、配管２内面に減肉４が生じた箇所は、半径ｒよりも大きい半径ｒ´となる。よって、減肉４が発生した位置（半径ｒ´位置）で反射しスクリーン１２に表示されるパターン光は、配管２の半径がｒである場合に投影されるパターン光Ｐ２の半径Ｒよりも大きい半径Ｒ´となる。
【００３８】
このように、管内面検査装置１は、スクリーン１２に表示されるパターン光Ｐ２の形状を観察することにより、配管２の内径の変化を検査することができる。
【００３９】
ここで、パターン投影装置１１とスクリーン１２との距離、およびパターン投影装置１１の投影角θは管内面検査装置１固有の値であるため、パターン光Ｐ２の形状に基づいて配管２内面の半径の増減を求めることができる。
【００４０】
検査箇所における配管２の内径が軸方向に均一である場合、すなわち配管２の内面が軸方向に平行である場合、パターン投影装置１１、スクリーン１２間の距離をＬ、配管２内面の半径をｒ、パターン投影装置１１によるパターン光Ｐ１の投影角をθとすると、スクリーン１２に表示されるパターン光Ｐ２の半径Ｒは式（１）のようになる。
【００４１】
［数１］
Ｒ＝２ｒ−Ｌｔａｎθ ……（１）
【００４２】
付着物３や減肉４の発生により半径ｒがΔｒ増減したと仮定すると、その変化量ΔＲは式（１）より｛２（ｒ＋Δｒ）−Ｌｔａｎθ｝―｛２ｒ−Ｌｔａｎθ｝＝２Δｒとなる。半径ｒの変化が発生した配管２の範囲は、配管２の軸方向に沿って走査し、投影されるパターン光Ｐ２の半径の増減を観察することで確認できる。
【００４３】
また、検査箇所における配管２の内面が軸方向に対して傾きを有する場合や、配管２の内面が付着物３などの発生により正常な状態に比べΦ度傾いた場合、正常な反射角より２Φだけずれ（図１参照）、パターン光Ｐ２の半径Ｒは式（２）のようになる。
【００４４】
【数２】
【００４５】
式（１）、（２）中のθ、Ｌは装置固有の値であるから、パターン光Ｐ２の半径Ｒは配管２内面の半径ｒ、軸方向に対する傾きΦの関数として表すことができる。
【００４６】
なお、管内面検査装置１においては、配管２内の塵、埃や水滴などの不純物がスクリーン１２に付着すると、パターン光Ｐ２の形状の変化が配管２内面の凹凸によるものか、スクリーン１２の不純物であるのか評価が困難になる恐れがある。そこで、検査開始時や検査中において、ファン２１やワイパー２２の除塵装置で不純物を除去することで、パターン光Ｐ２の変形が配管２内面の変形によるものであることを保障し、高精度な検査を実施することができる。
【００４７】
また、管内面検査装置１は、照明装置１４および視点変更装置１５を備えるため、上述のように配管２に異常が確認された箇所を視認することもできる。
【００４８】
照明装置１４は、検査箇所の周辺に光を照射する。視点変更装置１５は、照明された配管２内面のイメージを反射し、撮影装置１３はこのイメージを撮影する。検査者は、撮影装置１３の映像を確認することにより、配管２内面を正面から観測できる。また、管内面検査装置１は、位置特定装置１７を備えるため、異常が確認された位置を特定できる。
【００４９】
以上のような第１実施形態における管内面検査装置１およびその検査方法は、配管２の内面の状態や、配管径の大小によらずに配管２内面の形状を検査することができる。
【００５０】
具体的には、配管２の内面が金属光沢を有することにより光が反射され、ステレオ視を用いた検査方法を用いることが困難である場合であっても、配管２内面における反射を利用して配管径の変化を観察でき、また変形長を評価することができる。
【００５１】
また、パターン投影装置１１の投影角度の調整により、配管径によらずに配管２の周方向３６０度を一度に検査することができる。すなわち、管内面検査装置１は、広範囲を一度に検査することができる。このため、管内面検査装置１は、配管２の軸方向の走査を行えばよく、検査時間を短縮することができる。
【００５２】
さらに、管内面検査装置１は、観測対象の形状に依存するパターン光Ｐ２を観察すると同時に、検査対象を正面から観測することができ、凹凸の色、形状を評価することができる。管内面検査装置１は、配管２への付着物の種類、劣化の原因調査にも役立てることができる。
【００５３】
また、管内面検査装置１は、異常が発見された箇所を特定できるため、配管２の取替や補修などの作業の工程を最小限に抑えることが可能である。
【００５４】
［第２実施形態］
本発明に係る管内面検査装置の第２実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００５５】
図６は、第２実施形態における管内面検査装置３１の構成図である。
【００５６】
第２実施形態における管内面検査装置３１が第１実施形態と異なる点は、パターン投影装置が複数個設けられる点である。第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００５７】
パターン投影装置１１ａは、検査箇所である配管２の内面に投影角θａでパターン光Ｐ１ａを投影する。パターン投影装置１１ｂは、配管２の内面に投影角θｂでパターン光Ｐ１ｂを投影する。投影角θａ、θｂは、配管２の内面においてほぼ同一の位置にパターン光Ｐ１ａ、Ｐ１ｂを投影するように設定される。
【００５８】
パターン投影装置１１ａ、１１ｂは、固定装置１６によって配管２の同軸上に、スクリーン１２までの距離を異ならせて固定される。パターン投影装置１１ａ、１１ｂは、発生する光の波長を異ならせたり、照射タイミングを異ならせたりして、パターン光Ｐ１ａ、Ｐ１ｂを区別可能にしてもよい。
【００５９】
パターン投影装置１１ａ、１１ｂは、それぞれ光源を有する。パターン投影装置１１ａ、１１ｂは、それぞれ個別に光源を有しもよいし、図７、８に示すように共通の光源を利用してもよい。
【００６０】
図７は、光源３２およびパターン投影装置１１ａ、１１ｂの第１の配置例を示す管内面検査装置３１の構成図である。
【００６１】
パターン投影装置１１ａ、１１ｂは、ビームスプリッターなどの分光装置３３を用いて１つの光源３２から照射された光を２つに分光する。分光された光は、それぞれミラー３４で光路調整された後、パターン投影装置１１ａ、１１ｂへ入射される。
【００６２】
図８は、光源３２およびパターン投影装置１１ａ、１１ｂの第２の配置例を示す管内面検査装置３１の構成図である。
【００６３】
パターン投影装置１１ａは、軸方向に沿って中心部に光路３５を有する。光源３２から照射された光は、光路３５を通り、パターン投影装置１１ｂに入射される。
【００６４】
スクリーン１２は、配管２内面におけるパターン光Ｐ１ａの反射光であるパターン光Ｐ２ａを吸収し、表示する。また、スクリーン１２は、配管２内面におけるパターン光Ｐ１ｂの反射光であるパターン光Ｐ２ｂを吸収し、表示する。
【００６５】
次に、第２実施形態における管内面検査装置３１の作用について説明する。
【００６６】
第１実施形態で説明したとおり、スクリーン１２に投影されるパターン光Ｐ２ａ、Ｐ２ｂの半径Ｒａ、Ｒｂ（半径Ｒ）は上述した式（２）で表される。
【００６７】
式（２）中のパターン投影装置１１ａ、１１ｂの投影角θａ、θｂ（投影角θ）、パターン投影装置１１ａ、１１ｂとスクリーン１２との間の距離Ｌａ、Ｌｂ（距離Ｌ）は装置固有の値である。このため、式（２）の半径Ｒは、配管２内面の軸方向に対する傾きΦと、配管２内面の半径（配管２中心から内面までの距離）ｒとを変数とする関数である。
【００６８】
管内面検査装置３１は、複数個のパターン投影装置１１ａ、１１ｂを有するため、傾きΦと半径ｒを変数とする２本の式から連立方程式を得る。配管２内面の形状は、この連立方程式を解くことにより求まる。
【００６９】
このとき、固定装置１６は、パターン投影装置１１ａ、１１ｂと、スクリーン１２とを同軸上に固定する。これにより、式（２）に現れるパラメータであるパターン投影装置１１ａ、１１ｂとスクリーン１２との距離Ｌａ、Ｌｂや管内面検査装置３１の幾何学的関係が固定される。管内面検査装置３１は、スクリーン１２に投影されるパターン光Ｐ２ａ、Ｐ２ｂの観測を同条件で行いうる。
【００７０】
図９は、パターン投影装置１１ａ、１１ｂの他の配置例を示す管内面検査装置３１の構成図である。
【００７１】
パターン投影装置１１ｂは、スクリーン１２との距離Ｌｂの位置から、配管２の軸方向に対して垂直方向に光を照射する。すなわち、パターン投影装置１１ｂは、投影角θｂが９０度となるように光を照射する。
【００７２】
パターン投影装置１１ｂから照射された光により形成されるパターン光Ｐ２ｂは、配管２内面が軸方向と平行である場合に配管２内面で全反射する。よって、パターン光Ｐ２ｂはスクリーン１２上に表示されない。
【００７３】
これに対し、配管２内面が軸方向に対して傾きΦを有する場合、パターン投影装置１１ｂから照射された光により形成されるパターン光Ｐ２ｂは、配管２内面の傾きに依存した方向に反射される。よって、スクリーン１２には、パターン光Ｐ２ｂが表示される。
【００７４】
管内面検査装置３１は、パターン光Ｐ２ｂの有無によって配管２内面の傾きの有無を検査することができ、また２種類のパターン光Ｐ２ａ、Ｐ２ｂから得られるスクリーン１２の中心までの距離Ｒａ、Ｒｂより、配管２の内径（半径ｒ´）、傾きΦを算出することができる。
【００７５】
第２実施形態における管内面検査装置３１およびその検査方法は、第１実施形態で奏する効果に加え、パターン光Ｐ２ａ、Ｐ２ｂの半径Ｒａ、Ｒｂを観測することにより、変形の程度のみならず配管２内面の傾きΦを含めた配管２内面の形状を特定することができる。
【００７６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００７７】
図１０は、管内面検査装置の変形例を示す構成図である。
【００７８】
図１１は、管内面検査装置の他の変形例を示す構成図である。
【００７９】
例えば、撮影装置１３は、パターン投影装置１１と同軸上に設置され、パターン投影装置１１とスクリーン１２との間や、パターン投影装置１１よりさらにスクリーン１２から離れた位置に設置してもよい。
【００８０】
また、視点変更装置１５Ａ、１５Ｂは、多角形、円形などの平面形状であっても、円錐のような立体形状でもよい。この場合、撮影装置１３は、視点変更装置１５Ａ、１５Ｂで反射する配管２内面が撮影できる位置に配置される。
【００８１】
さらに、スクリーン１２は、撮影装置１３と同様の構成を有しパターン光Ｐ２を投影できる複数のカメラでもよく、得られた投影画像からパターン光Ｐ２の強度分布を測定してもよい。
【符号の説明】
【００８２】
１、３１ 管内面検査装置
２ 配管
１１、１１ａ、１１ｂ パターン投影装置
１２ スクリーン
１３ 撮影装置
１４ 照明装置
１５、１５Ａ、１５Ｂ 視点変更装置
１６ 固定装置
１７ 位置特定装置
２１ ファン
２２ ワイパー
３２ 光源
３３ 分光装置
３４ ミラー
３５ 光路
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ１ａ、Ｐ２ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ２ｂ パターン光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管の内面を検査する管内面検査装置およびその検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電所や化学プラントなどのプラント施設には、配管などの管状構造物（以下、単に「配管」という。）が多く設置されている。配管の内面は、配管を通る液体や気体、水蒸気により劣化する。
【０００３】
従来、劣化を診断する技術として、例えば、配管内を視覚的に確認するために撮影装置を搭載したカプセル状の装置や（例えば、特許文献１参照。）や、撮影装置を複数用いるステレオ視法で対象の寸法を測定するシステム（例えば、特許文献２参照。）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０５１３号公報
【特許文献２】特開２００９−２８２２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
配管の内部に装置を挿入し配管内部の変形を確認するためには、ＣＣＤカメラなどの観測装置を複数用いたステレオ視などの技術を用いる必要がある。ステレオ視を実施する場合、複数の観測装置で同一箇所を観測することを保障する目印が画素ごとに必要となる。
【０００６】
しかし、配管径が大きい場合には、配管周方向３６０度を１回のステレオ視で観測できず、例えば１８０度毎に分割して観測する必要がある。また、配管内面が金属光沢を強く持っている場合には、配管内面は目印となる光を吸収せず目印を設定することが困難である。以上の点から、配管内面の観察にステレオ視を用いることには限界があった。
【０００７】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、管内面の状態や寸法によらずに管内面を検査することができる管内面検査装置およびその検査方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る管内面検査装置は、上述した課題を解決するために、管内面の検査箇所にパターンを有するパターン光を前記管内面の周方向にわたって投影する投影手段と、前記検査箇所に投影され反射された前記パターン光を反射パターン光として投影する表示手段と、前記反射パターン光の形状を観測する観測手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る管内面検査装置およびその検査方法においては、管内面の状態や寸法によらずに管内面を検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態における管内面検査装置の構成図。
【図２】除塵装置としてのファンを備える管内面検査装置の構成図。
【図３】除塵装置としてのワイパーを備える管内面検査装置の構成図。
【図４】配管内面に付着物が生じた場合のパターン光の表示例を示す説明図。
【図５】配管内面に減肉が生じた場合のパターン光の表示例を示す説明図。
【図６】第２実施形態における管内面検査装置の構成図。
【図７】光源およびパターン投影装置の第１の配置例を示す管内面検査装置の構成図。
【図８】光源およびパターン投影装置の第２の配置例を示す管内面検査装置の構成図。
【図９】パターン投影装置の他の配置例を示す管内面検査装置の構成図。
【図１０】管内面検査装置の変形例を示す構成図。
【図１１】管内面検査装置の他の変形例を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１実施形態］
本発明に係る管内面検査装置およびその検査方法の第１実施形態を添付図面に基づいて説明する。各実施形態においては、管内面検査装置およびその検査方法の検査対象が径方向断面が円形の配管である例を説明する。
【００１２】
図１は、第１実施形態における管内面検査装置１の構成図である。
【００１３】
管内面検査装置１は、パターン投影装置１１と、スクリーン１２と、撮影装置１３と、照明装置１４と、視点変更装置１５と、固定装置１６と、位置特定装置１７とを備える。
【００１４】
パターン投影装置１１は、光源を有し、検査対象である配管２の内面にパターン光Ｐ１を投影する。光源の波長に制限はなく、紫外線、可視光、赤外線でもよい。光は、連続光でもパルス光でもよい。光源は、配管２外部に設置され、入射窓などを介して配管２内に光を入射してもよい。また、光源自体が配管２内部に挿入されたり、光ファイバーなどを用いて配管２内部に挿入されたりしてもよい。
【００１５】
パターン投影装置１１は、例えば、アキシコンレンズ、円筒レンズを利用した円形光や、シリンドリカルレンズを利用したライン光、または格子、スリット、ピンホールを利用した干渉稿を発生させる。以下、パターン投影装置１１が形成する円形光やライン光、干渉縞などのパターン化された光を、パターン光という。
【００１６】
スクリーン１２は、配管２内面におけるパターン光Ｐ１の反射光であるパターン光Ｐ２（反射パターン光）を吸収し、表示する。スクリーン１２は、パターン投影装置１１で採用した光源の波長に対し吸収し、発光する材質であればよい。スクリーン１２のパターンが照射される表面以外の材質は任意の材質が適応可能である。スクリーン１２の形状は、配管２に挿入できる形状であればよい。
【００１７】
スクリーン１２は、除塵装置としてのファン２１およびワイパー２２を有する。
【００１８】
図２は、除塵装置としてのファン２１を備える管内面検査装置１の構成図である。
【００１９】
図３は、除塵装置としてのワイパー２２を備える管内面検査装置１の構成図である。
【００２０】
なお、図２および図３においては、説明の関係上必要な構成のみを示し、他の構成は省略する。
【００２１】
除塵装置は、スクリーン１２表面上の不純物を除去する。ファン２１は、スクリーン１２上の不純物を除去するのに効果的な、例えばスクリーン１２の中心位置に設けられる。ワイパー２２は、スクリーン１２の中心位置を支点に回転し、スクリーン１２上の不純物を除去する。なお、スクリーン１２は、ファン２１およびワイパー２２の双方を有しても、いずれか一方を有してもよい。
【００２２】
撮影装置１３は、スクリーン１２上に表示されるパターン光Ｐ２および視点変更装置１５で反射する検査対象を観測するために撮影する。撮影装置１３は、スクリーン１２および視点変更装置１５に投影される観測対象が撮影可能な位置に配置される。撮影装置１３は、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラや一眼レフカメラ、ビデオカメラなど配管２内環境に適した機器である。
【００２３】
照明装置１４は、撮影装置１３に向かって配管２内部の検査箇所を照明する。照明装置１４は、パターン光とは異なり、リング状のライトガイドなどを用いて配管の広範囲を照射する。光源は、ＬＥＤライトなど波長によらず光を発生可能なものが好ましい。なお、照明装置１４は、図１のようにスクリーン１２上（スクリーン１２周囲）に限らず、配管２内面を照らす位置に配置されればよい。
【００２４】
視点変更装置１５は、スクリーン１２と撮影装置１３との間に配置され、配管２内面のイメージを撮影装置１３で観測させる。視点変更装置１５は、パターン投影装置１１により投影される光の波長に対して、高い反射率を持ち、例えば、アルミミラーやガラスミラーである。
【００２５】
固定装置１６は、パターン投影装置１１、スクリーン１２の配置関係を固定し、これらを配管２内で移動させるための装置である。固定装置１６は、さらに撮影装置１３、照明装置１４および視点変更装置１５を固定してもよい。
【００２６】
位置特定装置１７は、管内面検査装置１の検査位置を特定する。位置特定装置１７は、例えば光の到達時間より管内面検査装置１の移動距離を算出するレーザ測位計や、配管２内に挿入される管内面検査装置１の挿入距離を制御するためのメカニカルな機構に距離計測機能を持たせたものを適用することができる。また、位置特定装置１７は、配管２の周方向における凹凸の位置を評価するため、電子コンパスなどの地磁気センサや、ジャイロセンサ、加速度センサを適用することもできる。
【００２７】
次に、第１実施形態における管内面検査装置１の作用について説明する。
【００２８】
配管２内部においては、配管２が含有する物質の析出や付着などにより配管２の内径が小さくなる事象や、配管２の減肉などにより配管の内径が大きくなる事象が起こる。管内面検査装置１は、これらの事象の発生を検査するために用いられる。
【００２９】
まず、管内面検査装置１は、配管２内部に挿入され、パターン投影装置１１が検査箇所にパターン光Ｐ１を投影する位置まで移動される。パターン投影装置１１は、配管２内面の検査箇所にパターン光Ｐ１を投影する。
【００３０】
例えば、パターン投影装置１１が円筒状の配管２に正円形のパターン光Ｐ１を投影する場合、パターン投影装置１１は、投影角θでパターン光Ｐ１を配管２内面に投影する。パターン光Ｐ１は、配管２の軸方向の同一位置において、配管２内面の周方向に均一に（周方向３６０度にわたって）投影される。パターン光Ｐ１は、配管２内面で反射し、反射光は円形光のパターン光Ｐ２としてスクリーン１２に表示される。
【００３１】
撮影装置１３は、スクリーン１２に表示されたパターン光Ｐ２を撮影し、観測する。観測されたパターン光Ｐ２は、画像処理によりパターンの輝度が最も高い位置や輝度重心が計算されることにより、形状が決定される。
【００３２】
ここで、配管２の内径が周方向において均一である場合、スクリーン１２は正円形のパターン光Ｐ２が表示される。しかし、配管２の内面に付着物の発生や減肉により凹凸がある場合、パターン投影装置１１から照射される光は配管２内面において正反射されず、パターン光Ｐ２はゆがんで表示される。
【００３３】
管内面検査装置１は、このパターン光Ｐ２の形状を撮影装置１３で観測することにより、配管２の内径の変化を観察する。
【００３４】
図４は、配管２内面に付着物３が生じた場合のパターン光Ｐ２の表示例を示す説明図である。
【００３５】
図５は、配管２内面に減肉４が生じた場合のパターン光Ｐ２の表示例を示す説明図である。
【００３６】
図４に示すように、正常時の配管２半径（中心からの距離）がｒであるのに対し、配管２内面に付着物３が生じた箇所は、半径ｒよりも小さい半径ｒ´となる。よって、付着物３が発生した位置（半径ｒ´位置）で反射しスクリーン１２に表示されるパターン光は、配管２の半径がｒである場合に投影されるパターン光Ｐ２の半径（中心からの距離）Ｒよりも小さい半径Ｒ´となる。
【００３７】
図５に示すように、配管２内面に減肉４が生じた箇所は、半径ｒよりも大きい半径ｒ´となる。よって、減肉４が発生した位置（半径ｒ´位置）で反射しスクリーン１２に表示されるパターン光は、配管２の半径がｒである場合に投影されるパターン光Ｐ２の半径Ｒよりも大きい半径Ｒ´となる。
【００３８】
このように、管内面検査装置１は、スクリーン１２に表示されるパターン光Ｐ２の形状を観察することにより、配管２の内径の変化を検査することができる。
【００３９】
ここで、パターン投影装置１１とスクリーン１２との距離、およびパターン投影装置１１の投影角θは管内面検査装置１固有の値であるため、パターン光Ｐ２の形状に基づいて配管２内面の半径の増減を求めることができる。
【００４０】
検査箇所における配管２の内径が軸方向に均一である場合、すなわち配管２の内面が軸方向に平行である場合、パターン投影装置１１、スクリーン１２間の距離をＬ、配管２内面の半径をｒ、パターン投影装置１１によるパターン光Ｐ１の投影角をθとすると、スクリーン１２に表示されるパターン光Ｐ２の半径Ｒは式（１）のようになる。
【００４１】
［数１］
Ｒ＝２ｒ−Ｌｔａｎθ ……（１）
【００４２】
付着物３や減肉４の発生により半径ｒがΔｒ増減したと仮定すると、その変化量ΔＲは式（１）より｛２（ｒ＋Δｒ）−Ｌｔａｎθ｝―｛２ｒ−Ｌｔａｎθ｝＝２Δｒとなる。半径ｒの変化が発生した配管２の範囲は、配管２の軸方向に沿って走査し、投影されるパターン光Ｐ２の半径の増減を観察することで確認できる。
【００４３】
また、検査箇所における配管２の内面が軸方向に対して傾きを有する場合や、配管２の内面が付着物３などの発生により正常な状態に比べΦ度傾いた場合、正常な反射角より２Φだけずれ（図１参照）、パターン光Ｐ２の半径Ｒは式（２）のようになる。
【００４４】
【数２】
【００４５】
式（１）、（２）中のθ、Ｌは装置固有の値であるから、パターン光Ｐ２の半径Ｒは配管２内面の半径ｒ、軸方向に対する傾きΦの関数として表すことができる。
【００４６】
なお、管内面検査装置１においては、配管２内の塵、埃や水滴などの不純物がスクリーン１２に付着すると、パターン光Ｐ２の形状の変化が配管２内面の凹凸によるものか、スクリーン１２の不純物であるのか評価が困難になる恐れがある。そこで、検査開始時や検査中において、ファン２１やワイパー２２の除塵装置で不純物を除去することで、パターン光Ｐ２の変形が配管２内面の変形によるものであることを保障し、高精度な検査を実施することができる。
【００４７】
また、管内面検査装置１は、照明装置１４および視点変更装置１５を備えるため、上述のように配管２に異常が確認された箇所を視認することもできる。
【００４８】
照明装置１４は、検査箇所の周辺に光を照射する。視点変更装置１５は、照明された配管２内面のイメージを反射し、撮影装置１３はこのイメージを撮影する。検査者は、撮影装置１３の映像を確認することにより、配管２内面を正面から観測できる。また、管内面検査装置１は、位置特定装置１７を備えるため、異常が確認された位置を特定できる。
【００４９】
以上のような第１実施形態における管内面検査装置１およびその検査方法は、配管２の内面の状態や、配管径の大小によらずに配管２内面の形状を検査することができる。
【００５０】
具体的には、配管２の内面が金属光沢を有することにより光が反射され、ステレオ視を用いた検査方法を用いることが困難である場合であっても、配管２内面における反射を利用して配管径の変化を観察でき、また変形長を評価することができる。
【００５１】
また、パターン投影装置１１の投影角度の調整により、配管径によらずに配管２の周方向３６０度を一度に検査することができる。すなわち、管内面検査装置１は、広範囲を一度に検査することができる。このため、管内面検査装置１は、配管２の軸方向の走査を行えばよく、検査時間を短縮することができる。
【００５２】
さらに、管内面検査装置１は、観測対象の形状に依存するパターン光Ｐ２を観察すると同時に、検査対象を正面から観測することができ、凹凸の色、形状を評価することができる。管内面検査装置１は、配管２への付着物の種類、劣化の原因調査にも役立てることができる。
【００５３】
また、管内面検査装置１は、異常が発見された箇所を特定できるため、配管２の取替や補修などの作業の工程を最小限に抑えることが可能である。
【００５４】
［第２実施形態］
本発明に係る管内面検査装置の第２実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００５５】
図６は、第２実施形態における管内面検査装置３１の構成図である。
【００５６】
第２実施形態における管内面検査装置３１が第１実施形態と異なる点は、パターン投影装置が複数個設けられる点である。第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００５７】
パターン投影装置１１ａは、検査箇所である配管２の内面に投影角θａでパターン光Ｐ１ａを投影する。パターン投影装置１１ｂは、配管２の内面に投影角θｂでパターン光Ｐ１ｂを投影する。投影角θａ、θｂは、配管２の内面においてほぼ同一の位置にパターン光Ｐ１ａ、Ｐ１ｂを投影するように設定される。
【００５８】
パターン投影装置１１ａ、１１ｂは、固定装置１６によって配管２の同軸上に、スクリーン１２までの距離を異ならせて固定される。パターン投影装置１１ａ、１１ｂは、発生する光の波長を異ならせたり、照射タイミングを異ならせたりして、パターン光Ｐ１ａ、Ｐ１ｂを区別可能にしてもよい。
【００５９】
パターン投影装置１１ａ、１１ｂは、それぞれ光源を有する。パターン投影装置１１ａ、１１ｂは、それぞれ個別に光源を有しもよいし、図７、８に示すように共通の光源を利用してもよい。
【００６０】
図７は、光源３２およびパターン投影装置１１ａ、１１ｂの第１の配置例を示す管内面検査装置３１の構成図である。
【００６１】
パターン投影装置１１ａ、１１ｂは、ビームスプリッターなどの分光装置３３を用いて１つの光源３２から照射された光を２つに分光する。分光された光は、それぞれミラー３４で光路調整された後、パターン投影装置１１ａ、１１ｂへ入射される。
【００６２】
図８は、光源３２およびパターン投影装置１１ａ、１１ｂの第２の配置例を示す管内面検査装置３１の構成図である。
【００６３】
パターン投影装置１１ａは、軸方向に沿って中心部に光路３５を有する。光源３２から照射された光は、光路３５を通り、パターン投影装置１１ｂに入射される。
【００６４】
スクリーン１２は、配管２内面におけるパターン光Ｐ１ａの反射光であるパターン光Ｐ２ａを吸収し、表示する。また、スクリーン１２は、配管２内面におけるパターン光Ｐ１ｂの反射光であるパターン光Ｐ２ｂを吸収し、表示する。
【００６５】
次に、第２実施形態における管内面検査装置３１の作用について説明する。
【００６６】
第１実施形態で説明したとおり、スクリーン１２に投影されるパターン光Ｐ２ａ、Ｐ２ｂの半径Ｒａ、Ｒｂ（半径Ｒ）は上述した式（２）で表される。
【００６７】
式（２）中のパターン投影装置１１ａ、１１ｂの投影角θａ、θｂ（投影角θ）、パターン投影装置１１ａ、１１ｂとスクリーン１２との間の距離Ｌａ、Ｌｂ（距離Ｌ）は装置固有の値である。このため、式（２）の半径Ｒは、配管２内面の軸方向に対する傾きΦと、配管２内面の半径（配管２中心から内面までの距離）ｒとを変数とする関数である。
【００６８】
管内面検査装置３１は、複数個のパターン投影装置１１ａ、１１ｂを有するため、傾きΦと半径ｒを変数とする２本の式から連立方程式を得る。配管２内面の形状は、この連立方程式を解くことにより求まる。
【００６９】
このとき、固定装置１６は、パターン投影装置１１ａ、１１ｂと、スクリーン１２とを同軸上に固定する。これにより、式（２）に現れるパラメータであるパターン投影装置１１ａ、１１ｂとスクリーン１２との距離Ｌａ、Ｌｂや管内面検査装置３１の幾何学的関係が固定される。管内面検査装置３１は、スクリーン１２に投影されるパターン光Ｐ２ａ、Ｐ２ｂの観測を同条件で行いうる。
【００７０】
図９は、パターン投影装置１１ａ、１１ｂの他の配置例を示す管内面検査装置３１の構成図である。
【００７１】
パターン投影装置１１ｂは、スクリーン１２との距離Ｌｂの位置から、配管２の軸方向に対して垂直方向に光を照射する。すなわち、パターン投影装置１１ｂは、投影角θｂが９０度となるように光を照射する。
【００７２】
パターン投影装置１１ｂから照射された光により形成されるパターン光Ｐ２ｂは、配管２内面が軸方向と平行である場合に配管２内面で全反射する。よって、パターン光Ｐ２ｂはスクリーン１２上に表示されない。
【００７３】
これに対し、配管２内面が軸方向に対して傾きΦを有する場合、パターン投影装置１１ｂから照射された光により形成されるパターン光Ｐ２ｂは、配管２内面の傾きに依存した方向に反射される。よって、スクリーン１２には、パターン光Ｐ２ｂが表示される。
【００７４】
管内面検査装置３１は、パターン光Ｐ２ｂの有無によって配管２内面の傾きの有無を検査することができ、また２種類のパターン光Ｐ２ａ、Ｐ２ｂから得られるスクリーン１２の中心までの距離Ｒａ、Ｒｂより、配管２の内径（半径ｒ´）、傾きΦを算出することができる。
【００７５】
第２実施形態における管内面検査装置３１およびその検査方法は、第１実施形態で奏する効果に加え、パターン光Ｐ２ａ、Ｐ２ｂの半径Ｒａ、Ｒｂを観測することにより、変形の程度のみならず配管２内面の傾きΦを含めた配管２内面の形状を特定することができる。
【００７６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００７７】
図１０は、管内面検査装置の変形例を示す構成図である。
【００７８】
図１１は、管内面検査装置の他の変形例を示す構成図である。
【００７９】
例えば、撮影装置１３は、パターン投影装置１１と同軸上に設置され、パターン投影装置１１とスクリーン１２との間や、パターン投影装置１１よりさらにスクリーン１２から離れた位置に設置してもよい。
【００８０】
また、視点変更装置１５Ａ、１５Ｂは、多角形、円形などの平面形状であっても、円錐のような立体形状でもよい。この場合、撮影装置１３は、視点変更装置１５Ａ、１５Ｂで反射する配管２内面が撮影できる位置に配置される。
【００８１】
さらに、スクリーン１２は、撮影装置１３と同様の構成を有しパターン光Ｐ２を投影できる複数のカメラでもよく、得られた投影画像からパターン光Ｐ２の強度分布を測定してもよい。
【符号の説明】
【００８２】
１、３１ 管内面検査装置
２ 配管
１１、１１ａ、１１ｂ パターン投影装置
１２ スクリーン
１３ 撮影装置
１４ 照明装置
１５、１５Ａ、１５Ｂ 視点変更装置
１６ 固定装置
１７ 位置特定装置
２１ ファン
２２ ワイパー
３２ 光源
３３ 分光装置
３４ ミラー
３５ 光路
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ１ａ、Ｐ２ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ２ｂ パターン光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管内面の検査箇所にパターンを有するパターン光を前記管内面の周方向にわたって投影する投影手段と、
前記検査箇所に投影され反射された前記パターン光を反射パターン光として投影する表示手段と、
前記反射パターン光の形状を観測する観測手段とを備えることを特徴とする管内面検査装置。
【請求項２】
前記投影手段は、前記管軸に沿った同軸上の異なる位置に複数設けられ、前記複数の投影手段は、前記管内面のほぼ同一位置に前記パターン光をそれぞれ投影する請求項１記載の管内面検査装置。
【請求項３】
前記複数の投影手段の一方は、前記配管の軸方向に対して垂直方向にパターン光を投影する請求項２記載の管内面検査装置。
【請求項４】
前記投影手段と前記表示手段と配置関係を固定する固定手段をさらに備えた請求項１〜３のいずれか一項記載の管内面検査装置。
【請求項５】
前記検査箇所を照明する照明手段と、
前記検査箇所のイメージを反射し、前記観測手段に観測させる反射手段とをさらに備えた請求項１〜４のいずれか一項記載の管内面検査装置。
【請求項６】
前記管内面における前記検査箇所を特定する位置特定手段をさらに備えた請求項１記載の管内面検査装置。
【請求項７】
前記表示手段に付着する不純物を除去する除塵手段をさらに備えた請求項１記載の管内面検査装置。
【請求項８】
管内面の検査箇所にパターンを有するパターン光を前記管内面の周方向にわたって投影する投影ステップと、
前記検査箇所に投影された前記パターン光を前記検査箇所で反射させる反射ステップと、
前記反射された反射パターン光を投影する表示ステップと、
前記反射パターンの形状を観測する観測ステップとを備えることを特徴とする管内面検査方法。
【請求項１】
管内面の検査箇所にパターンを有するパターン光を前記管内面の周方向にわたって投影する投影手段と、
前記検査箇所に投影され反射された前記パターン光を反射パターン光として投影する表示手段と、
前記反射パターン光の形状を観測する観測手段とを備えることを特徴とする管内面検査装置。
【請求項２】
前記投影手段は、前記管軸に沿った同軸上の異なる位置に複数設けられ、前記複数の投影手段は、前記管内面のほぼ同一位置に前記パターン光をそれぞれ投影する請求項１記載の管内面検査装置。
【請求項３】
前記複数の投影手段の一方は、前記配管の軸方向に対して垂直方向にパターン光を投影する請求項２記載の管内面検査装置。
【請求項４】
前記投影手段と前記表示手段と配置関係を固定する固定手段をさらに備えた請求項１〜３のいずれか一項記載の管内面検査装置。
【請求項５】
前記検査箇所を照明する照明手段と、
前記検査箇所のイメージを反射し、前記観測手段に観測させる反射手段とをさらに備えた請求項１〜４のいずれか一項記載の管内面検査装置。
【請求項６】
前記管内面における前記検査箇所を特定する位置特定手段をさらに備えた請求項１記載の管内面検査装置。
【請求項７】
前記表示手段に付着する不純物を除去する除塵手段をさらに備えた請求項１記載の管内面検査装置。
【請求項８】
管内面の検査箇所にパターンを有するパターン光を前記管内面の周方向にわたって投影する投影ステップと、
前記検査箇所に投影された前記パターン光を前記検査箇所で反射させる反射ステップと、
前記反射された反射パターン光を投影する表示ステップと、
前記反射パターンの形状を観測する観測ステップとを備えることを特徴とする管内面検査方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−１９７８６（Ｐ２０１３−１９７８６Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５３７５６（Ｐ２０１１−１５３７５６）
【出願日】平成２３年７月１２日（２０１１．７．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１２日（２０１１．７．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]