鏡面冷却式露点計
【課題】温度調整したミラーの表面が結露する際の状況に基づいて、被測定気体の露点を測定する鏡面冷却式露点計であり、被測定気体における露点の計測精度を向上させ、併せて短時間で被測定気体の露点を計測する。
【解決手段】被測定気体Ｇを供給／排出させて内部に被測定気体を流通させる計測チャンバ２と、計測チャンバの内部に収容設置されて流通する被測定気体に晒されるミラー３と、該ミラーの温度を調整する温度調整手段４と、ミラーの温度を計測する温度計測手段５と、ミラーの表面を照明する光源９と、ミラーの表面を撮像する撮像カメラ１０と、該撮像カメラからの画像情報に基づいてミラーの表面における結露／結霜の発生状況を判定する画像解析手段１０１と、画像解析部による判定の結果に基づいてミラーの温度を一定に保持すべく温度調整手段４の動作を制御する温度制御手段１０２とを具備する。
【解決手段】被測定気体Ｇを供給／排出させて内部に被測定気体を流通させる計測チャンバ２と、計測チャンバの内部に収容設置されて流通する被測定気体に晒されるミラー３と、該ミラーの温度を調整する温度調整手段４と、ミラーの温度を計測する温度計測手段５と、ミラーの表面を照明する光源９と、ミラーの表面を撮像する撮像カメラ１０と、該撮像カメラからの画像情報に基づいてミラーの表面における結露／結霜の発生状況を判定する画像解析手段１０１と、画像解析部による判定の結果に基づいてミラーの温度を一定に保持すべく温度調整手段４の動作を制御する温度制御手段１０２とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定気体が流通する計測チャンバの内部にミラーを設置し、温度調整したミラーの表面に結露が生じる状況に基づいて、被測定気体の露点を測定するよう構成した表面冷却式露点計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体あるいは電池の製造や、バイオテクノロジー関連等、厳密な湿度管理が求められる産業分野における、クリーンルームやドライルーム等の湿度管理に際しては、気体の露点を正確に測定することのできる露点計が必要とされている。
【０００３】
ここで、少ない測定誤差で気体の露点を計測し得る露点計としては、従来から一次検出方式（物体の温度を直接に測定して露点を求める方法）を採用した、表面冷却式露点計(例えば、特許文献１参照)が提供されている。
【０００４】
図１０は、従来の表面冷却式露点計における構成を示しており、この表面冷却式露点計Ａは、被測定気体Ｇが供給／排出されて流通する計測チャンバＣを備え、この計測チャンバＣの内部には、熱電モジュールＥによって温度調整されるミラーＭが収容設置されている。
【０００５】
また、上記計測チャンバＣには、ミラーＭを照明する光源Ｌａと、ミラーＭからの反射光を受光する受光素子Ｒａとが設けられ、さらに基準光を照射する光源Ｌｂと、該光源Ｌｂからの基準光を直接に受光する受光素子Ｒｂとが設けられている。
【０００６】
上述した表面冷却式露点計Ａにおいては、計測チャンバＣに被測定気体Ｇを連続して供給(連続サンプリング)し、流通する被測定気体ＧにミラーＭの表面Ｍａを晒すとともに、上記ミラーＭの表面Ｍａに被測定気体Ｇ中の水分を強制的に結露させるべく、熱電モジュールＥによって上記ミラーＭを温度制御(冷却)する。
【０００７】
上記ミラーＭの表面Ｍａに結露が生じると、光源Ｌａから出た光が結露によって乱反射し、受光素子Ｒａに受光される光量が減少することで、光源Ｌｂから出て受光素子Ｒｂに直接に受光される基準光との均衡が崩れることとなる。
【０００８】
ここで、受光素子Ｒａおよび受光素子Ｒｂが受光する光量の不均衡を、コントローラＨの比較部Ｉにおいて比較した結果に基づき、上記コントローラＨの温調部Ｊによって熱電モジュールＥを動作制御し、ミラーＭの表面Ｍａにおける結露の量が一定となるよう上記ミラーＭを温度制御する。
【０００９】
このようにして、同量の結露が生じている状態の上記ミラーＭ(表面Ｍａ)の温度が被測定気体Ｇの露点温度となり、この温度はミラーＭの近傍に設置された温度センサＳによって検知され、該温度センサＳからの出力は温度メータＴにより数値表示されることとなる。
【特許文献１】特開２００３−１９４７５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した如く、従来の表面冷却式露点計Ａにあっては、ミラーＭにおける表面Ｍａの全体に亘って結露が形成されている状況において、受光素子Ｒａおよび受光素子Ｒｂが受光する光量の不均衡に基づき、ミラーＭの表面Ｍａに対する結露の発生を判断し、さらに上述した光量の不均衡に基づいてミラーＭの温度を調整することより、被測定気体Ｇの露点温度を検出するよう構成されている。
【００１１】
ここで、上述した従来の表面冷却式露点計においては、結露が形成されているミラーＭの表面Ｍａ全体を観察の対象として、受光素子Ｒａと受光素子Ｒｂとが受光する光量の不均衡に基づき、被測定気体Ｇの露点温度を検出しているために、ミラーＭの表面Ｍａにおける結露の極く部分的で小さい変化量を、受光素子Ｒａおよび受光素子Ｒｂが受光する光量から捉えることは難しく、もって露点温度の計測精度が必ずしも十分であるとは言い難い問題があった。
【００１２】
また、従来の表面冷却式露点計においては、結露が形成されているミラーＭの表面Ｍａ全体を観察の対象とするため、計測作業を開始(計測チャンバＣへ被測定気体Ｇを供給開始)してからミラーＭの表面Ｍａ全体に結露が生成されるまでに、例えばミラーＭの直径が約１０mmの場合、被測定気体Ｇの水分量にも依るものの２時間程度の長時間を要し、このため計測作業の開始から被測定気体Ｇの露点温度を検出するまでに、極めて冗長な待ち時間を強いられる不都合があった。
【００１３】
本発明は上述した実状に鑑みて、被測定気体における露点の計測精度を向上させることができ、併せて短時間で被測定気体における露点の計測を実施することの可能な、表面冷却式露点計の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するべく、請求項１の発明に関わる表面冷却式露点計は、被測定気体を供給／排出させて内部に前記被測定気体を流通させる計測チャンバと、該計測チャンバの内部に収容設置されて流通する被測定気体に晒されるミラーと、該ミラーの温度を調整する温度調整手段と、ミラーの温度を計測する温度計測手段と、ミラーの温度を表示する温度表示手段と、ミラーの表面を照明する光源と、ミラーの表面を撮影する撮像カメラと、該撮像カメラからの画像情報に基づいてミラーの表面における結露／結霜の発生状況を判定する画像解析手段と、該画像解析手段による判定の結果に基づいてミラーの温度を一定に保持すべく温度調整手段の動作を制御する温度制御手段とを具備して成ることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項２の発明に関わる表面冷却式露点計は、請求項１の発明に関わる表面冷却式露点計において、画像解析手段は、撮像カメラにより時系列に撮影された１枚目の撮影画像における全ピクセル(画素)の輝度と、２枚目以降の各撮影画像における全ピクセル(画素)の輝度とを順次比較し、同一のピクセルにおける輝度の差分の絶対値を比較する絶対値差分法により各撮影画像の輝度階調を求め、各撮影画像における輝度階調の経時的な変化に基づいて、結露の発生を検出することを特徴としている。
【００１６】
また、請求項３の発明に関わる表面冷却式露点計は、請求項１の発明に関わる表面冷却式露点計において、画像解析手段は、撮像カメラからの画像情報を色解析することにより、ミラーの表面に発生した結露と結霜との識別を行うことを特徴としている。
【００１７】
また、請求項４の発明に関わる表面冷却式露点計は、請求項１の発明に関わる表面冷却式露点計において、撮像カメラが長焦点距離タイプの光学系を備えていることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項５の発明に関わる表面冷却式露点計は、請求項１の発明に関わる表面冷却式露点計において、撮像カメラが顕微鏡タイプの光学系を備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明に関わる表面冷却式露点計によれば、ミラーに反射する光量に基づいて露点を計測している従来の表面冷却式露点計に対して、ミラーの表面を撮影した画像を解析することにより、被測定気体における露点の計測精度を向上させることができ、併せて短時間で被測定気体における露点の計測を実施することが可能となる。
【００２０】
請求項２の発明に関わる表面冷却式露点計によれば、画像解析手段において、時系列に撮影された１枚目と２枚目以降の各撮影画像における全ピクセル(画素)の輝度とを順次比較し、絶対値差分法により求めた各撮影画像の輝度階調の経時的な変化に基づいて結露を検出することにより、被測定気体における露点の計測精度を向上させることができ、併せて短時間で被測定気体における露点の計測を実施することが可能となる。
【００２１】
請求項３の発明に関わる表面冷却式露点計によれば、撮像カメラからの画像情報を画像解析手段において色解析することで、ミラーの表面に発生した結露と結霜との識別を容易に識別でき、もって湿度の演算時において温度から他のパラメータに演算する際、露点あるいは霜点に基づいた適切な飽和蒸気圧を選択することができる。
【００２２】
請求項４の発明に関わる表面冷却式露点計によれば、撮像カメラが望遠鏡式光学系を備えているため、例えば、耐圧の目的で計測チャンバの周壁が極めて厚く、ミラーの表面から撮像カメラまでの距離が大きい場合でも、上記ミラーの表面を有効に撮影することが可能となり、もって露点の測定を確実に実施することができる。
【００２３】
請求項５の発明に関わる表面冷却式露点計によれば、撮像カメラが顕微鏡式光学系を備えていることで、ミラーの表面が極めて小さくとも有効に撮影できるため、上記ミラーを小型化することで露点計全体のコンパクト化が可能となり、また、全体形状のコンパクト化により熱容量が低下することで、温度調整時における温度変化に対する良好な応答性を得ることができ、さらに計測チャンバの小型化に伴う容積の減少により、露点計測時における被測定気体のサンプリング量を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、実施例を示す図面に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に関わる表面冷却式露点計の第１の実施例を示しており、この表面冷却式露点計１は、後に詳述する計測チャンバ２、ミラー３、熱電モジュール(温度調整手段)４、ＬＥＤ(光源)９、撮像カメラ１０、およびコントローラ１００等を具備し、これら各要素を図示していないケーシングに収容することによって、自在に持ち運びすることの可能なポータブル機器として構築されている。
【００２５】
図１に示す如く、本実施例における表面冷却式露点計１は、被測定気体Ｇが供給／排出されて流通する計測チャンバ２を備具しており、この計測チャンバ２は導入口２ｉと排出口２ｏとを有し、これら導入口２ｉおよび排出口２ｏを介して、矢印ｉおよび矢印ｏで示す如く被測定気体Ｇの供給／排出が為される。
【００２６】
また、上記計測チャンバ２の内部には、被測定気体Ｇ中の水分を結露／結霜させるためのミラー３が収容されており、このミラー３は、温度調整手段としての熱電モジュール４の上方に突出したサポート４ｓに設置され、上記熱電モジュール４の動作に基づいて温度調整、特に上記ミラー３の表面３ａが所望の温度となるよう調整される。
【００２７】
また、上記サポート４ｓにおけるミラー３の近傍には、上記ミラー３の温度(詳しくは表面３ａの温度)を計測するための、温度計測手段としての温度センサ５が設置されており、この温度センサ５に接続された温度表示手段としての温度メータ６によって、上記温度センサ５からの出力が露点温度として数値表示される。
【００２８】
さらに、上述したサポート４ｓにミラー３等の設けられた熱電モジュール４は、ベースプレート７上に固定設置されているとともに、上記サポート４ｓの上部からミラー３を露呈させた態様で、全体を硬質発泡ウレタン等の断熱材から成る断熱ブロック８によって囲繞されている。
【００２９】
一方、上記計測チャンバ２には、ミラー３の表面３ａを照明するための、ＬＥＤ(発光ダイオード)等から成る光源９が設置されているとともに、上記光源９によって照明されたミラー３の表面３ａを撮影する、詳しくは上記ミラー３の表面３ａに発生する結露／結霜の状況を、画像として撮影するための撮像カメラ１０が設置されている。
【００３０】
因みに、上記撮像カメラ１０としては、後述する理由からカラー撮影が可能であることと併せ、後述する如く時系列で画像を撮影する必要から、デジタルビデオカメラあるいはタイムラプス撮影の可能なデジタルスチルカメラ等が採用されており、さらに上記撮像カメラ１０は、撮影した画像情報を後述するパーソナルコンピュータ等の処理装置へ直接に入力し得る仕様を有している。
【００３１】
上記撮像カメラ１０は、制御用ＰＣ(パーソナルコンピュータ)等から成るコントローラ１００に接続されており、該撮像カメラ１０からの画像情報は、コントローラ１００の画像解析部(画像解析手段)１０１に送られ、この画像解析部１０１における解析結果に基づいて、コントローラ１００の温度制御部(温度制御手段)１０２から熱電モジュール(温度調整手段)４に制御信号が送られ、上述したミラー３(表面３ａ)に対する温度の調節が実行されることとなる。
【００３２】
ここで、上述した構成の表面冷却式露点計１は、『被測定気体が流通する計測チャンバの内部にミラーを設置し、冷却したミラーの表面が結露する際の状況に基づいて、被測定気体の露点を測定するよう構成した』点において、従来の表面冷却式露点計(図１０参照)と共通するものの、ミラー３の表面３ａにおける結露／結霜の状況を、計測チャンバ２に設けた撮像カメラ１０で直接に撮影し、撮影した画像を観察(画像解析)することにより判断している点において、上記従来の表面冷却式露点計とは大きく相違するものである。
【００３３】
上述した表面冷却式露点計１において、被測定気体Ｇの露点温度を測定するには、先ず、計測の開始（図２に示したフローチャートにおける“step１”）に際して、被測定気体Ｇをミラー３における表面３ａ上に流通させるべく、矢印ｉおよび矢印ｏで示すように導入口２ｉおよび排出口２ｏを介して、計測チャンバ２の内部に被測定気体Ｇを連続して供給(連続サンプリング)する。
【００３４】
次いで、上記ミラー３における表面３ａに、被測定気体Ｇ中の水分を強制的に結露させるよう、熱電モジュール４によって上記ミラー３(表面３ａ)の温度を制御する（図２のフローチャートにおける“step２”）。具体的には、計測チャンバ２の内部に被測定気体Ｇを連続サンプリングしている状態において、上記ミラー３の温度を徐々に低下させる制御を実行する。
【００３５】
上述した如き、ミラー３の温度制御を実行している状況において、上記ミラー３の表面３ａを撮像カメラ１０によって直接に撮影する（図２のフローチャートにおける“step３”）。詳しくは、１／３０sec 毎の時系列においてインターバル撮影を実行する。
【００３６】
上記撮像カメラ１０によって撮影された画像(画像情報)は、コントローラ１００の画像解析部１０１に送られ、この画像解析部１０１において、後に詳述する態様で画像解析が実施され（図２のフローチャートにおける“step４”）、結露が発生したか否かの判断が為される（図２のフローチャートにおける“step５”）。
【００３７】
上記ミラー３の表面３ａに結露が発生した後は、コントローラ１００の温度制御部１０２によって熱電モジュール４の動作を制御し（図２のフローチャートにおける“step６”）、ミラー３の表面３ａにおける結露の量が一定となるように、上記ミラー３(表面３ａ)の温度を調整する。
【００３８】
このようにして、同量の結露が生じている状態の上記ミラー３(表面３ａ)の温度が被測定気体Ｇの露点温度となり、この温度はミラー３の近傍に設置された温度センサ５によって検知され、該温度センサ５からの出力は温度メータ６により露点温度として数値表示され、この数値を読み取ることで被測定気体Ｇの露点温度測定は終了となる（図２のフローチャートにおける“step７”）。
【００３９】
以下では、コントローラ１００の画像解析部１０１における、結露を判別するための具体的な画像解析の手法（絶対値差分法）を詳述に説明する。
【００４０】
上述した如く、ミラー３の温度制御(冷却)を実行している状況において、ミラー３の表面３ａは撮像カメラ１０によって撮影されており、図３に示す如く、ミラー３の表面３ａを撮影した画像Ｘは、縦方向に番号Ａ〜Ｒ、横方向に番号ａ〜ｒを附され、縦横に配列された多数のピクセル(画素)“Ａａ”〜“Ｒｒ”によって構築されている。
【００４１】
なお、撮像カメラ１０によって撮影された画像の全ピクセル数は、撮影画像に要求される分解能や、画像解析部１０１における処理能力に基づいて、任意に設定し得るものであることは言うまでもない。
【００４２】
一方、ミラー３の温度制御(冷却)を実行している状況において、上述した如くミラー３の表面３ａは、撮像カメラ１０によって１／３０sec 毎の時系列でインターバル撮影されており、撮影画面の画像解析にあたっては、先ず１枚目の撮影画像と２枚目の撮影画像とを比較し、次いで１枚目の撮影画像と３枚目の撮影画像とを比較し、以下、常に１枚目の撮影画像に対してｎ枚目の撮影画像を比較する処理(差分化処理)を行う。
因みに、上述の如くインターバル撮影された１枚目の撮影画像をＸ１、２枚目の撮影画像をＸ２、以下、…ｎ枚目の撮影画像をＸｎと称する。
【００４３】
画像解析にあたっては、先ず、図４(ａ)に示す１枚目の撮影画像Ｘ１の各ピクセル“Ａａ”〜“Ｒｒ”と、これらピクセル“Ａａ”〜“Ｒｒ”に対応する、図４(ｂ)に示す２枚目の撮影画像Ｘ２の各ピクセル“Ａａ”〜“Ｒｒ”との輝度を比較し、全てのピクセル“Ａａ”〜“Ｒｒ”における輝度の差分を検出する。
【００４４】
ここで、１枚目の撮影画像Ｘ１と２枚目の撮影画像Ｘ２との、同一ピクセルにおける輝度の差分を絶対値Δｔとすると、
例えば、ピクセル“Ａａ”における絶対値Δｔは、
｜Ｘ１“Ａａ”−Ｘ２“Ａａ”｜＝Δｔ“Ａａ”
また、ピクセル“Ｒｒ”における絶対値Δｔは、
｜Ｘ１“Ｒｒ”−Ｘ２“Ｒｒ”｜＝Δｔ“Ｒｒ”
という関係式が成り立つ。
【００４５】
全てのピクセル“Ａａ”〜“Ｒｒ”におけるΔｔ(輝度の差分の絶対値)を検出し、各ピクセル“Ａａ”〜“Ｒｒ”における差分の絶対値Δｔを２５６階調に分解することで、１枚目の撮影画像Ｘ１に対する２枚目の撮影画像Ｘ２の「ヒストグラム(輝度分布図)」を作成する。
因みに、輝度の差分が“０”の(輝度の変化のない)ピクセルについてはキャンセル(無視)されることとなる。
【００４６】
以下、同様にして、１枚目の撮影画像Ｘ１に対する３枚目以降の撮影画像Ｘ３、Ｘｎ(ｎ枚目の撮影画像)…を順次比較して差分化処理を行い、各ピクセル“Ａａ”〜“Ｒｒ”における輝度の差分の絶対値Δｔに基づいて、比較した撮影画像毎(１枚目に対する３枚目の撮影画像Ｘ３、１枚目に対するｎ枚目の撮影画像Ｘｎ、…)の「ヒストグラム」を作成する。
【００４７】
ここで、計測の進行に伴ってミラー３の表面３ａに結露が発生し、図４(ａ)に示す１枚目の撮影画像Ｘ１に対して、図４(ｂ)に示すｎ枚目の撮影画像Ｘｎに水滴(露)Ｖが撮影されると、この水滴Ｖが付着した中央部のピクセル“Ｌｃ”、および周辺の各ピクセル“Ｋｂ”、“Ｋｃ”、“Ｋｄ”、“Ｌｂ”、“Ｌｄ”、“Ｍｂ”、“Ｍｃ”、“Ｍｄ”の輝度が著しく増大することとなり、ｎ枚目の撮影画像Ｘｎにおける「ヒストグラム」は、１つ前の撮影画像Ｘ(ｎ−１)の「ヒストグラム」に対して大きく変化することとなる。
【００４８】
図６は、上述した如く作成した各「ヒストグラム」の“平均”、“標準偏差”および“変化量”を時系列にプロットしたグラフであり、このグラフ中のｎ枚目(破線位置)の「ヒストグラム」における“平均”、“標準偏差”および“変化量”が大きく変化している状況を見て取ることができる。
【００４９】
上述した図６のグラフから明らかな如く、時系列に撮影された撮影画像の「ヒストグラム」における輝度階調の経時的な変化に基づいて、詳しくは、上記輝度階調が大きく変化したことから結露の発生を検出でき、併せて結露の発生した時点を特定することができる。
【００５０】
なお、結露の発生を検出するに際しては、例えば、或る時点の撮影画像における「ヒストグラム」の“平均”の値が、１つ前の撮影画像における「ヒストグラム」の“平均”の倍以上であれば『結露が発生しているものと見倣す』等、検出の感度を任意に設定し得ることは言うまでもない。
【００５１】
さらに、結露の発生を検出する方法としては、各ピクセルの輝度(彩度)を２５６階調に分解したヒストグラムにおいて、平均値あるいはピーク値の経時的な移動に基づいて結露を検知する、従来の表面冷却式露点計と同様の検知方法を採用することも可能である。
【００５２】
以上、詳述した構成の表面冷却式露点計１によれば、撮像カメラ１０でミラー３における表面３ａの全体を観察しつつ、表面３ａの極く一部に発生した結露を検出することによって、結露の発生に関わる微細な変化を捉えることができるため、「ミラーにおける表面の全体に結露が形成された状態において露点の計測を行っている」従来の表面冷却式露点計に比べ、被測定気体Ｇの露点計測に関わる精度を大幅に向上させることが可能となる。
【００５３】
また、上述した構成の表面冷却式露点計１によれば、撮像カメラ１０で常にミラー３の表面３ａを全体に亘って観察し、極く一部に結露が生じたことを検出した時点でミラー３の温度調整を行って、被測定気体Ｇの露点温度を計測することが可能であるため、「ミラーにおける表面の全体に結露が形成された状態において露点の計測を行っている」従来の表面冷却式露点計に比べ、計測作業を開始してから結露が発生し始める早い時期において温度制御することで、短時間において被測定気体Ｇの露点を計測することが可能となる。
【００５４】
また、上述した構成の表面冷却式露点計１によれば、ミラー３の表面３ａを撮影した画像を解析することにより、詳しくは、画像解析部１０１において、時系列に撮影された１枚目の撮影画像Ｘ１と、２枚目以降の各撮影画像Ｘ２、Ｘ３…における全ピクセル(画素)の輝度とを順次比較し、絶対値差分法により求めた各撮影画像の輝度階調の経時的な変化に基づいて結露を検出することにより、被測定気体Ｇにおける露点の計測精度を向上させることができ、併せて短時間で被測定気体Ｇにおける露点の計測を実施することが可能となる。
【００５５】
さらに、上述した構成の表面冷却式露点計１によれば、撮像カメラ１０で時系列に撮影された画像の解析をリアルタイムに実施しているので、露量の変化、言い換えれば結露の発生を１／３０sec のレスポンスで捕らえることが可能となり、もって従来の鏡面冷却式露点計における致命的な欠陥と指摘されていた、計測時における応答性の遅さを解消することができる。
【００５６】
ところで、従来の表面冷却式露点計(例えば、図１０参照)においては、ミラー表面の汚れに対処することは困難であったが、上述した実施例の表面冷却式露点計１では、上記ミラー３の表面３ａを撮像カメラ１０によって撮影した、結露の生じていない基準となる１枚目の撮影画像Ｘ１と、２枚目以降の各撮影画像Ｘ２、Ｘｎ…とを、コントローラ１００の画像解析部１０１において差分化処理することで、上記ミラー３の表面３ａにおける汚れや化学物質の付着等を、画像情報(データ)から除去することができる。
【００５７】
例えば、図４(ａ)および図５(ａ)に示す如く、１枚目の撮影画像Ｘ１におけるピクセル“Ｆｐ”に汚れＷが写っている場合、この汚れＷは、図４(ａ)に示す２枚目の撮影画像Ｘ２、および図５(ｂ)に示すｎ枚目の撮影画像Ｘｎのピクセル“Ｆｐ”にも存在するが、上述した如く１枚目の撮影画像Ｘ１に対する２枚目以降の撮影画像Ｘ２、Ｘｎ…について、輝度の差分が“０”のピクセルに関してはキャンセル(無視)されることとなる。
【００５８】
このように、上述した如き画像処理(差分化処理)により、汚れや傷等に起因する画像情報のノイズ成分が除去され、誤検出が未然に防止されることによって、結露／結霜の検出感度が向上することとなり、もって計測精度の大幅な向上を達成することが可能となる。
【００５９】
なお、上述した如く１枚目の撮影画像Ｘ１と２枚目以降の撮影画像Ｘ２、Ｘｎ…とを差分化処理することで、上記ミラー表面の汚れや化学物質の付着等のみならず、撮像カメラ１０における光学系(レンズ)の傷や汚れ等についても、同様にして画像情報(データ)からキャンセルすることができ、もって計測精度の大幅な向上を達成し得ることは言うまでもない。
【００６０】
さらに、上述した如き１枚目の撮影画像Ｘ１に対する２枚目以降の撮影画像Ｘ２、Ｘｎ…を差分化処理することと併せて、撮像カメラ１０により時系列に撮影される撮影画像を、常に直前に撮影された撮影画像に対して差分化処理することで、計測中に供給される被測定気体Ｇの汚染に起因する、ミラー表面のコンタミネーション(実験汚染)をキャンセルすることができ、もって計測精度の大幅な向上を達成することが可能となる。
【００６１】
一方、上述した表面冷却式露点計１において、被測定気体中の水分がミラー３の表面３ａに付着した状況では、上記ミラー３(表面３ａ)の温度が０℃以上であれば結露が形成され、上記ミラー３(表面３ａ)の温度が０℃以下であれば結霜が形成されることとなる。
【００６２】
ここで、上述した表面冷却式露点計１では、コントローラ１００の画像解析部１０１において、撮像カメラ１０から送られた画像情報(カラーの撮影画像)を色解析することにより、ミラー３の表面３ａに結露が生じているのか、あるいは結霜が形成されているのかを識別することができる。
【００６３】
すなわち、上述した構成の表面冷却式露点計１においては、露点と霜点とを判別する機能が得られ、これにより湿度の演算時において温度から他のパラメータに演算する際、露点あるいは霜点に基づいた適切な飽和蒸気圧を選択することが可能となる。
【００６４】
図７および図８は、本発明に関わる表面冷却式露点計の第２の実施例を示しており、この表面冷却式露点計１′は、例えば耐圧タンク内における水素ガスの露点等、高圧容器の内部における被測定気体の露点温度を計測するために提供された装置である。
【００６５】
本実施例の表面冷却式露点計１′は、耐圧容器を構成する計測チャンバ２′を備具しており、該計測チャンバ２′には導入口２ｉ′および排出口２ｏ′が設けられ、これら導入口２ｉ′と排出口２ｏ′とを介して、矢印ｉおよび矢印ｏで示す如く被測定気体Ｇが供給／排出される。
【００６６】
計測チャンバ２′の内部に収容されたミラー３′は、ロッド状を呈するサポート４ｓ′の先端に設置され、計測チャンバ２′を貫通する上記サポート４ｓ′の基端に設置された温度調整手段４′により、上記ミラー３′(表面３ａ′)が所望の温度となるよう調整される。
【００６７】
上記サポートロッド３ｒ′におけるミラー３′の近傍には、温度センサ(温度計測手段)５′が設置され、この温度センサ５′に接続された温度メータ６′により、上記温度センサ５′からの出力(ミラー３′の温度)が数値表示される。
【００６８】
一方、上記計測チャンバ２′の外部には、ＬＥＤ(発光ダイオード)等から成る光源９′と、該光源９′によって照明されたミラー３′の表面３ａ′を撮影する撮像カメラ１０′とが設置され、これら光源９′および撮像カメラ１０′は、それぞれ計測チャンバ２′の周壁２ｗ′に設置された投光用ガラス窓２ｌ′および観察用ガラス窓２ｃ′に外部から臨む態様で配設されている。
【００６９】
上記撮像カメラ１０′はコントローラ１００′に接続され、撮像カメラ１０′からの画像情報は、コントローラ１００′の画像解析部(画像解析手段)１０１′に送られ、この画像解析部１０１′における解析結果に基づいて、コントローラ１００′の温度制御部(温度制御手段)１０２′から熱電モジュール４′に制御信号が送られ、上述したミラー３′の温度調節が為される。
【００７０】
ここで、上述した表面冷却式露点計１′においては、例えば４０ＭＰａ以上の高圧力下における露点の計測を実施するため、計測チャンバ２′における周壁２ｗ′は、その厚さ寸法ｔが耐圧を考慮して約１０〜２０mmに設定されており、上記周壁２ｗ′に設置された観察用ガラス窓２ｃ′等も、同じく耐圧を考慮して約１０〜２０mmの厚さ寸法に設定されている。
【００７１】
また、例えば水素ガスを被測定気体として取り扱う場合、強い腐食性や水素脆化を招く等の不都合から、従来の表面冷却式露点計における受光素子(フォトセンサ)や、本実施例における撮像カメラ１０′等の精密機器を、計測チャンバ２′の内部に設置することは困難なので、本実施例の表面冷却式露点計１′では、上記撮像カメラ１０′を計測チャンバ２′の外部に配設することで対応している。
【００７２】
反面、上述した如く撮像カメラ１０′を計測チャンバ２′の外部に配置することにより、肉厚(約１０〜２０mm)の周壁２ｗ′および観察用ガラス窓２ｃ′を挟むため、ミラー３′から撮像カメラ１０′までの撮影距離が著しく増大する不都合がある。因みに、従来の表面冷却式露点計(図１０参照)では、光源(ＬＥＤ)とミラーおよび受光素子との距離を長く設定できず、通常、５cm以内の近距離に設置されている。
【００７３】
そこで、本実施例における表面冷却式露点計１′では、肉厚(約１０〜２０mm)の観察用ガラス窓２ｃ′を介しても、ミラー３′の表面３ａ′を確実に撮影し得るよう、上記撮像カメラ１０′に長焦点距離タイプの光学系を採用している。
【００７４】
上述した構成の表面冷却式露点計１′によれば、撮像カメラ１０′の光学系に長焦点距離タイプを採用したことで、例えば、高圧力下での露点計測を実施するべく肉厚の計測チャンバを備えた表面冷却式露点計のように、ミラーから撮像カメラまでの距離を大きく設定している状況でも、被測定気体の露点を測定することが可能となる。
【００７５】
ここで、上述した表面冷却式露点計１′の構成は、撮像カメラ１０′の光学系が長焦点距離タイプである以外、図１に示した第１の実施例における表面冷却式露点計１と基本的に変わるところはなく、また、被測定気体の露点を計測するための動作態様(画像解析および温度制御等)に関しても、第１の実施例における表面冷却式露点計１と基本的に変わるところはない。
【００７６】
すなわち、第２の実施例における表面冷却式露点計１′では、撮像カメラ１０′の光学系を長焦点距離タイプとすることで、肉厚の計測チャンバを具備した構造であっても、支障なく高圧力下(例えば４０ＭＰａ)における被測定気体の露点計測を実施することが可能となる。
【００７７】
さらに、第２の実施例における表面冷却式露点計１′では、上述した第１の実施例における表面冷却式露点計１と同様にして、被測定気体Ｇにおける露点の計測精度を向上させることができ、かつ短時間で被測定気体Ｇにおける露点の計測を実施することが可能となる。
【００７８】
図９は、本発明に関わる表面冷却式露点計の第３の実施例を示しており、この表面冷却式露点計１″は、外観形状の可及的なコンパクト化を目的として提供された装置である。
【００７９】
本実施例の表面冷却式露点計１″は、被測定気体Ｇが供給／排出されて流通する計測チャンバ２″を備具しており、該計測チャンバ２″は導入口２ｉ″と排出口２ｏ″とを有し、これら導入口２ｉ″と排出口２ｏ″とを介して、矢印ｉおよび矢印ｏで示す如く被測定気体Ｇが供給／排出される。
【００８０】
計測チャンバ２″の内部に収容されたミラー３″は、直径２mm〜３mmのロッド状を呈するサポート４ｓ″の先端に設置されており、上記サポート４ｓ″に設けられたコイルヒータ等の温度調整手段４″により、上記ミラー３″(表面３ａ″)が所望の温度となるよう調整される。
【００８１】
上述したロッド状を呈するサポート４ｓ″の基端は、計測チャンバ２″を閉止するベース４ｂ″に固定設置されており、上記ベース４ｂ″の外方には放熱用の空冷フィン４ｆ″が設けられている。
【００８２】
また、上記サポート４ｓ″におけるミラー３″の近傍には、温度センサ(温度計測手段)５″が設置され、この温度センサ５″に接続された温度メータ６″により、上記温度センサ５″からの出力(ミラー３″の温度)が数値表示される。
【００８３】
一方、上記計測チャンバ２″には、ＬＥＤ(発光ダイオード)等から成る光源９″と、該光源９″によって照明されたミラー３″の表面３ａ″を撮影する撮像カメラ１０″とが設置されている。
【００８４】
上記撮像カメラ１０″はコントローラ１００″に接続され、撮像カメラ１０″からの画像情報は、コントローラ１００″の画像解析部(画像解析手段)１０１″に送られ、該画像解析部１０１″における解析結果に基づいて、コントローラ１００″の温度制御部(温度制御手段)１０２″から温度調整手段４″に制御信号が送られ、上述したミラー３″(表面３ａ″)の温度調節が為される。
【００８５】
ここで、本実施例の表面冷却式露点計１″においては、サポート４ｓ″の先端に設置されているミラー３″の直径が、約２mm〜３mmの極めて小さな寸法に設定されており、上記ミラー３″に合わせてサポート４ｓ″も細いロッド状を呈している。
【００８６】
さらに、本実施例の表面冷却式露点計１″では、上述のように直径が約２mm〜３mmであるために、面積の極めて小さい上記ミラー３″の表面３ａ″を確実に撮影し得るよう、撮像カメラ１０″に顕微鏡タイプの光学系が採用されている。
【００８７】
ところで、一般的な表面冷却式露点計におけるミラーの直径は、通常、本実施例における表面冷却式露点計１″のミラー３″に比べて大きく、例えば、６mm〜１０mm程度の直径に設定されている。因みに、従来の表面冷却式露点計(図１０参照)では、光源(ＬＥＤ)の構造上、ミラーを照明する光軸を直径５mm以内に絞り込むことは不可能である。
【００８８】
このため、従来の一般的な表面冷却式露点計においては、直径の大きさ故にミラーの表面面積が広く、被測定気体の供給を開始してから、ミラーの表面に結露が形成されたのち、被測定気体の露点温度を検出するまでに、例えば１〜２時間程度の長い計測時間を要する不都合がある。
【００８９】
これに対して、本実施例における表面冷却式露点計１″では、上述した如くミラー３″の直径が小さく、該ミラー３″の表面３ａ″の面積が狭小となるため、被測定気体Ｇの供給を開始してから、ミラー３″の表面３ａ″に結露が形成されたのち、被測定気体Ｇの露点温度を検出するまでの計測時間を、例えば３０分程度にまで大幅に短縮することが可能となる。
【００９０】
また、一般的な表面冷却式露点計では、上述の如くミラーの直径が大きいことから、装置の全体に亘って形状の大型化を招来することとなり、特にミラー周辺を構成する部品の大型化に伴って熱容量が増大することで、加熱／冷却時における応答性が悪く温度調整が困難となる不都合があった。
【００９１】
これに対して、本実施例における表面冷却式露点計１″では、上述した如くミラー３″の直径が約２mm〜３mmと小さく、またミラー３″を支持するサポート４ｓ″も細いロッド状を呈しているため、ミラー周辺を構成する部品の熱容量が大幅に低減し、加熱／冷却時の応答性(温度追従性)が極めて良好なものとなる。
【００９２】
因みに、本実施例の表面冷却式露点計１″においては、細いロッド状のサポート４ｓ″に、温度調整手段４″としてのコイルヒータを巻き付けるとともに、温度センサ５″としてのシース型温度センサを内挿することで、ミラー３″の周辺を構成する部品の可及的なコンパクト化を達成して熱容量を小さく抑え、もって加熱／冷却時の温度変化量に対する良好な応答性を達成している。
【００９３】
また、本実施例における表面冷却式露点計１″では、上述の如くミラー３″の直径が小さいため、装置全体のコンパクト化を達成でき、特に被測定気体Ｇの供給／排出される計測チャンバ２″が小型化し、該計測チャンバ２″の内容積が減少することにより、計測時においてサンプリングする被測定気体Ｇが微量で済むこととなる。
【００９４】
さらに、一般的な表面冷却式露点計においては、低水分量の被測定気体の露点を計測する場合、結露に３〜４時間もの待機時間を必要とするのに対して、上述した如く、コンパクト化を達成した本実施例の表面冷却式露点計１″では、計測チャンバ２″の小型化により、結露までの待機時間を３０分程度にまで短縮することが可能となる。
【００９５】
ここで、上述した表面冷却式露点計１″の構成は、撮像カメラ１０″の光学系が顕微鏡タイプである以外、図１に示した第１の実施例における表面冷却式露点計１、あるいは図７、図８に示した第２の実施例における表面冷却式露点計１′と基本的に変わるところはなく、また、被測定気体の露点を計測するための動作態様(画像解析および温度制御等)に関しても、上述した表面冷却式露点計１および表面冷却式露点計１′と基本的に変わるところはない。
【００９６】
すなわち、第３の実施例における表面冷却式露点計１″では、撮像カメラ１０″の光学系を顕微鏡タイプとすることで、ミラー３″の直径(表面３ａ″の面積)を極小化して、被測定気体Ｇの露点計測に要する時間を大幅に短縮することができ、併せて、ミラー３″および該ミラー３″周辺の構成部品を可及的に小型化して熱容量を小さく抑え、加熱／冷却時の温度変化量に対する応答性を良好なものと成し得る。
【００９７】
さらに、第３の実施例における表面冷却式露点計１″では、上述した第１の実施例における表面冷却式露点計１、および第２の実施例における表面冷却式露点計１′と同様にして、被測定気体Ｇにおける露点の計測精度を向上させることができ、かつ短時間で被測定気体Ｇにおける露点の計測を実施し得ることは勿論である。
【００９８】
なお、上述した各実施例においては、撮像カメラにより撮影された画像情報を、“絶対値差分法”を用いた画像解析手法によって処理し、結露が発生したか否かの判断を行なう例を示したが、上述した「“絶対値差分法”を用いた画像解析手法」以外の様々な画像解析の手法をも有効に採用し得ることは言うまでもない。
【００９９】
また、上述した各実施例においては、各々に専用の光学系を装備した撮像カメラを設置しているが、カメラ本体に対して光学系(交換レンズ)を交換可能とし、標準タイプ、長焦点距離タイプ、あるいは顕微鏡タイプ等の光学系(交換レンズ)を、適宜に選択してカメラ本体に装着することで、様々な仕様の露点計に対応させることができる。
【０１００】
さらに、本願発明に関わる「表面冷却式露点計」の利用範囲は、上述した実施例に限定されるものではなく、例えばドライルームでの低露点ガスの測定、ドライエアーラインの性能確認、各種ガスボンベ内の水分率測定、浸炭炉内や恒温恒湿槽の露点管理、研究開発分野での湿度データ管理、および湿度の校正基準器（湿度標準器）等、様々な技術分野において有効に適用し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明に関わる表面冷却式露点計の第１の実施例を概念的に示す断面側面図。
【図２】本発明の表面冷却式露点計における露点の計測工程を示すフローチャート。
【図３】本発明に関わる表面冷却式露点計の撮像カメラによる撮影画像を示す概念図。
【図４】(ａ)および(ｂ)は、撮像カメラによる１枚目の撮影画像および２枚目の撮影画像を示す概念図。
【図５】(ａ)および(ｂ)は、撮像カメラによる１枚目の撮影画像およびｎ枚目の撮影画像を示す概念図。
【図６】本発明に関わる表面冷却式露点計の計測時における各撮影画像の輝度階調を時系列に示したグラフ。
【図７】本発明に関わる表面冷却式露点計の第２の実施例を概念的に示す断面側面図。
【図８】図７中の VIII−VIII 線断面図。
【図９】本発明に関わる表面冷却式露点計の第３の実施例を概念的に示す断面側面図。
【図１０】従来の表面冷却式露点計を示す概念的な断面側面図。
【符号の説明】
【０１０２】
１、１′、１″…表面冷却式露点計、
２、２′、２″…計測チャンバ、
２ｉ、２ｉ′、２ｉ″…導入口、
２ｏ、２ｏ′、２ｏ″…排出口、
３、３′、３″…ミラー、
３ａ、３ａ′、３ａ″…表面、
４…熱電モジュール(温度調整手段)、
４′、４″…温度調整手段、
４ｓ、４ｓ′、４ｓ″…サポート、
５、５′、５″…温度センサ(温度計測手段)、
６、６′、６″…温度メータ(温度表示手段)、
７…ベースプレート、
８…断熱ブロック、
９、９′、９″…光源、
１０、１０′、１０″…撮像カメラ、
１００、１００′、１００″…コントローラ、
１０１、１０１′、１０１″…画像解析部(画像解析手段)、
１０２、１０２′、１０２″…温度制御部(温度制御手段)、
Ｘ１、Ｘ２、〜Ｘｎ…撮影画像、
Ａａ〜Ｒｒ…ピクセル(画素)、
Ｇ…被測定気体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定気体が流通する計測チャンバの内部にミラーを設置し、温度調整したミラーの表面に結露が生じる状況に基づいて、被測定気体の露点を測定するよう構成した表面冷却式露点計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体あるいは電池の製造や、バイオテクノロジー関連等、厳密な湿度管理が求められる産業分野における、クリーンルームやドライルーム等の湿度管理に際しては、気体の露点を正確に測定することのできる露点計が必要とされている。
【０００３】
ここで、少ない測定誤差で気体の露点を計測し得る露点計としては、従来から一次検出方式（物体の温度を直接に測定して露点を求める方法）を採用した、表面冷却式露点計(例えば、特許文献１参照)が提供されている。
【０００４】
図１０は、従来の表面冷却式露点計における構成を示しており、この表面冷却式露点計Ａは、被測定気体Ｇが供給／排出されて流通する計測チャンバＣを備え、この計測チャンバＣの内部には、熱電モジュールＥによって温度調整されるミラーＭが収容設置されている。
【０００５】
また、上記計測チャンバＣには、ミラーＭを照明する光源Ｌａと、ミラーＭからの反射光を受光する受光素子Ｒａとが設けられ、さらに基準光を照射する光源Ｌｂと、該光源Ｌｂからの基準光を直接に受光する受光素子Ｒｂとが設けられている。
【０００６】
上述した表面冷却式露点計Ａにおいては、計測チャンバＣに被測定気体Ｇを連続して供給(連続サンプリング)し、流通する被測定気体ＧにミラーＭの表面Ｍａを晒すとともに、上記ミラーＭの表面Ｍａに被測定気体Ｇ中の水分を強制的に結露させるべく、熱電モジュールＥによって上記ミラーＭを温度制御(冷却)する。
【０００７】
上記ミラーＭの表面Ｍａに結露が生じると、光源Ｌａから出た光が結露によって乱反射し、受光素子Ｒａに受光される光量が減少することで、光源Ｌｂから出て受光素子Ｒｂに直接に受光される基準光との均衡が崩れることとなる。
【０００８】
ここで、受光素子Ｒａおよび受光素子Ｒｂが受光する光量の不均衡を、コントローラＨの比較部Ｉにおいて比較した結果に基づき、上記コントローラＨの温調部Ｊによって熱電モジュールＥを動作制御し、ミラーＭの表面Ｍａにおける結露の量が一定となるよう上記ミラーＭを温度制御する。
【０００９】
このようにして、同量の結露が生じている状態の上記ミラーＭ(表面Ｍａ)の温度が被測定気体Ｇの露点温度となり、この温度はミラーＭの近傍に設置された温度センサＳによって検知され、該温度センサＳからの出力は温度メータＴにより数値表示されることとなる。
【特許文献１】特開２００３−１９４７５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した如く、従来の表面冷却式露点計Ａにあっては、ミラーＭにおける表面Ｍａの全体に亘って結露が形成されている状況において、受光素子Ｒａおよび受光素子Ｒｂが受光する光量の不均衡に基づき、ミラーＭの表面Ｍａに対する結露の発生を判断し、さらに上述した光量の不均衡に基づいてミラーＭの温度を調整することより、被測定気体Ｇの露点温度を検出するよう構成されている。
【００１１】
ここで、上述した従来の表面冷却式露点計においては、結露が形成されているミラーＭの表面Ｍａ全体を観察の対象として、受光素子Ｒａと受光素子Ｒｂとが受光する光量の不均衡に基づき、被測定気体Ｇの露点温度を検出しているために、ミラーＭの表面Ｍａにおける結露の極く部分的で小さい変化量を、受光素子Ｒａおよび受光素子Ｒｂが受光する光量から捉えることは難しく、もって露点温度の計測精度が必ずしも十分であるとは言い難い問題があった。
【００１２】
また、従来の表面冷却式露点計においては、結露が形成されているミラーＭの表面Ｍａ全体を観察の対象とするため、計測作業を開始(計測チャンバＣへ被測定気体Ｇを供給開始)してからミラーＭの表面Ｍａ全体に結露が生成されるまでに、例えばミラーＭの直径が約１０mmの場合、被測定気体Ｇの水分量にも依るものの２時間程度の長時間を要し、このため計測作業の開始から被測定気体Ｇの露点温度を検出するまでに、極めて冗長な待ち時間を強いられる不都合があった。
【００１３】
本発明は上述した実状に鑑みて、被測定気体における露点の計測精度を向上させることができ、併せて短時間で被測定気体における露点の計測を実施することの可能な、表面冷却式露点計の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するべく、請求項１の発明に関わる表面冷却式露点計は、被測定気体を供給／排出させて内部に前記被測定気体を流通させる計測チャンバと、該計測チャンバの内部に収容設置されて流通する被測定気体に晒されるミラーと、該ミラーの温度を調整する温度調整手段と、ミラーの温度を計測する温度計測手段と、ミラーの温度を表示する温度表示手段と、ミラーの表面を照明する光源と、ミラーの表面を撮影する撮像カメラと、該撮像カメラからの画像情報に基づいてミラーの表面における結露／結霜の発生状況を判定する画像解析手段と、該画像解析手段による判定の結果に基づいてミラーの温度を一定に保持すべく温度調整手段の動作を制御する温度制御手段とを具備して成ることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項２の発明に関わる表面冷却式露点計は、請求項１の発明に関わる表面冷却式露点計において、画像解析手段は、撮像カメラにより時系列に撮影された１枚目の撮影画像における全ピクセル(画素)の輝度と、２枚目以降の各撮影画像における全ピクセル(画素)の輝度とを順次比較し、同一のピクセルにおける輝度の差分の絶対値を比較する絶対値差分法により各撮影画像の輝度階調を求め、各撮影画像における輝度階調の経時的な変化に基づいて、結露の発生を検出することを特徴としている。
【００１６】
また、請求項３の発明に関わる表面冷却式露点計は、請求項１の発明に関わる表面冷却式露点計において、画像解析手段は、撮像カメラからの画像情報を色解析することにより、ミラーの表面に発生した結露と結霜との識別を行うことを特徴としている。
【００１７】
また、請求項４の発明に関わる表面冷却式露点計は、請求項１の発明に関わる表面冷却式露点計において、撮像カメラが長焦点距離タイプの光学系を備えていることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項５の発明に関わる表面冷却式露点計は、請求項１の発明に関わる表面冷却式露点計において、撮像カメラが顕微鏡タイプの光学系を備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明に関わる表面冷却式露点計によれば、ミラーに反射する光量に基づいて露点を計測している従来の表面冷却式露点計に対して、ミラーの表面を撮影した画像を解析することにより、被測定気体における露点の計測精度を向上させることができ、併せて短時間で被測定気体における露点の計測を実施することが可能となる。
【００２０】
請求項２の発明に関わる表面冷却式露点計によれば、画像解析手段において、時系列に撮影された１枚目と２枚目以降の各撮影画像における全ピクセル(画素)の輝度とを順次比較し、絶対値差分法により求めた各撮影画像の輝度階調の経時的な変化に基づいて結露を検出することにより、被測定気体における露点の計測精度を向上させることができ、併せて短時間で被測定気体における露点の計測を実施することが可能となる。
【００２１】
請求項３の発明に関わる表面冷却式露点計によれば、撮像カメラからの画像情報を画像解析手段において色解析することで、ミラーの表面に発生した結露と結霜との識別を容易に識別でき、もって湿度の演算時において温度から他のパラメータに演算する際、露点あるいは霜点に基づいた適切な飽和蒸気圧を選択することができる。
【００２２】
請求項４の発明に関わる表面冷却式露点計によれば、撮像カメラが望遠鏡式光学系を備えているため、例えば、耐圧の目的で計測チャンバの周壁が極めて厚く、ミラーの表面から撮像カメラまでの距離が大きい場合でも、上記ミラーの表面を有効に撮影することが可能となり、もって露点の測定を確実に実施することができる。
【００２３】
請求項５の発明に関わる表面冷却式露点計によれば、撮像カメラが顕微鏡式光学系を備えていることで、ミラーの表面が極めて小さくとも有効に撮影できるため、上記ミラーを小型化することで露点計全体のコンパクト化が可能となり、また、全体形状のコンパクト化により熱容量が低下することで、温度調整時における温度変化に対する良好な応答性を得ることができ、さらに計測チャンバの小型化に伴う容積の減少により、露点計測時における被測定気体のサンプリング量を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、実施例を示す図面に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に関わる表面冷却式露点計の第１の実施例を示しており、この表面冷却式露点計１は、後に詳述する計測チャンバ２、ミラー３、熱電モジュール(温度調整手段)４、ＬＥＤ(光源)９、撮像カメラ１０、およびコントローラ１００等を具備し、これら各要素を図示していないケーシングに収容することによって、自在に持ち運びすることの可能なポータブル機器として構築されている。
【００２５】
図１に示す如く、本実施例における表面冷却式露点計１は、被測定気体Ｇが供給／排出されて流通する計測チャンバ２を備具しており、この計測チャンバ２は導入口２ｉと排出口２ｏとを有し、これら導入口２ｉおよび排出口２ｏを介して、矢印ｉおよび矢印ｏで示す如く被測定気体Ｇの供給／排出が為される。
【００２６】
また、上記計測チャンバ２の内部には、被測定気体Ｇ中の水分を結露／結霜させるためのミラー３が収容されており、このミラー３は、温度調整手段としての熱電モジュール４の上方に突出したサポート４ｓに設置され、上記熱電モジュール４の動作に基づいて温度調整、特に上記ミラー３の表面３ａが所望の温度となるよう調整される。
【００２７】
また、上記サポート４ｓにおけるミラー３の近傍には、上記ミラー３の温度(詳しくは表面３ａの温度)を計測するための、温度計測手段としての温度センサ５が設置されており、この温度センサ５に接続された温度表示手段としての温度メータ６によって、上記温度センサ５からの出力が露点温度として数値表示される。
【００２８】
さらに、上述したサポート４ｓにミラー３等の設けられた熱電モジュール４は、ベースプレート７上に固定設置されているとともに、上記サポート４ｓの上部からミラー３を露呈させた態様で、全体を硬質発泡ウレタン等の断熱材から成る断熱ブロック８によって囲繞されている。
【００２９】
一方、上記計測チャンバ２には、ミラー３の表面３ａを照明するための、ＬＥＤ(発光ダイオード)等から成る光源９が設置されているとともに、上記光源９によって照明されたミラー３の表面３ａを撮影する、詳しくは上記ミラー３の表面３ａに発生する結露／結霜の状況を、画像として撮影するための撮像カメラ１０が設置されている。
【００３０】
因みに、上記撮像カメラ１０としては、後述する理由からカラー撮影が可能であることと併せ、後述する如く時系列で画像を撮影する必要から、デジタルビデオカメラあるいはタイムラプス撮影の可能なデジタルスチルカメラ等が採用されており、さらに上記撮像カメラ１０は、撮影した画像情報を後述するパーソナルコンピュータ等の処理装置へ直接に入力し得る仕様を有している。
【００３１】
上記撮像カメラ１０は、制御用ＰＣ(パーソナルコンピュータ)等から成るコントローラ１００に接続されており、該撮像カメラ１０からの画像情報は、コントローラ１００の画像解析部(画像解析手段)１０１に送られ、この画像解析部１０１における解析結果に基づいて、コントローラ１００の温度制御部(温度制御手段)１０２から熱電モジュール(温度調整手段)４に制御信号が送られ、上述したミラー３(表面３ａ)に対する温度の調節が実行されることとなる。
【００３２】
ここで、上述した構成の表面冷却式露点計１は、『被測定気体が流通する計測チャンバの内部にミラーを設置し、冷却したミラーの表面が結露する際の状況に基づいて、被測定気体の露点を測定するよう構成した』点において、従来の表面冷却式露点計(図１０参照)と共通するものの、ミラー３の表面３ａにおける結露／結霜の状況を、計測チャンバ２に設けた撮像カメラ１０で直接に撮影し、撮影した画像を観察(画像解析)することにより判断している点において、上記従来の表面冷却式露点計とは大きく相違するものである。
【００３３】
上述した表面冷却式露点計１において、被測定気体Ｇの露点温度を測定するには、先ず、計測の開始（図２に示したフローチャートにおける“step１”）に際して、被測定気体Ｇをミラー３における表面３ａ上に流通させるべく、矢印ｉおよび矢印ｏで示すように導入口２ｉおよび排出口２ｏを介して、計測チャンバ２の内部に被測定気体Ｇを連続して供給(連続サンプリング)する。
【００３４】
次いで、上記ミラー３における表面３ａに、被測定気体Ｇ中の水分を強制的に結露させるよう、熱電モジュール４によって上記ミラー３(表面３ａ)の温度を制御する（図２のフローチャートにおける“step２”）。具体的には、計測チャンバ２の内部に被測定気体Ｇを連続サンプリングしている状態において、上記ミラー３の温度を徐々に低下させる制御を実行する。
【００３５】
上述した如き、ミラー３の温度制御を実行している状況において、上記ミラー３の表面３ａを撮像カメラ１０によって直接に撮影する（図２のフローチャートにおける“step３”）。詳しくは、１／３０sec 毎の時系列においてインターバル撮影を実行する。
【００３６】
上記撮像カメラ１０によって撮影された画像(画像情報)は、コントローラ１００の画像解析部１０１に送られ、この画像解析部１０１において、後に詳述する態様で画像解析が実施され（図２のフローチャートにおける“step４”）、結露が発生したか否かの判断が為される（図２のフローチャートにおける“step５”）。
【００３７】
上記ミラー３の表面３ａに結露が発生した後は、コントローラ１００の温度制御部１０２によって熱電モジュール４の動作を制御し（図２のフローチャートにおける“step６”）、ミラー３の表面３ａにおける結露の量が一定となるように、上記ミラー３(表面３ａ)の温度を調整する。
【００３８】
このようにして、同量の結露が生じている状態の上記ミラー３(表面３ａ)の温度が被測定気体Ｇの露点温度となり、この温度はミラー３の近傍に設置された温度センサ５によって検知され、該温度センサ５からの出力は温度メータ６により露点温度として数値表示され、この数値を読み取ることで被測定気体Ｇの露点温度測定は終了となる（図２のフローチャートにおける“step７”）。
【００３９】
以下では、コントローラ１００の画像解析部１０１における、結露を判別するための具体的な画像解析の手法（絶対値差分法）を詳述に説明する。
【００４０】
上述した如く、ミラー３の温度制御(冷却)を実行している状況において、ミラー３の表面３ａは撮像カメラ１０によって撮影されており、図３に示す如く、ミラー３の表面３ａを撮影した画像Ｘは、縦方向に番号Ａ〜Ｒ、横方向に番号ａ〜ｒを附され、縦横に配列された多数のピクセル(画素)“Ａａ”〜“Ｒｒ”によって構築されている。
【００４１】
なお、撮像カメラ１０によって撮影された画像の全ピクセル数は、撮影画像に要求される分解能や、画像解析部１０１における処理能力に基づいて、任意に設定し得るものであることは言うまでもない。
【００４２】
一方、ミラー３の温度制御(冷却)を実行している状況において、上述した如くミラー３の表面３ａは、撮像カメラ１０によって１／３０sec 毎の時系列でインターバル撮影されており、撮影画面の画像解析にあたっては、先ず１枚目の撮影画像と２枚目の撮影画像とを比較し、次いで１枚目の撮影画像と３枚目の撮影画像とを比較し、以下、常に１枚目の撮影画像に対してｎ枚目の撮影画像を比較する処理(差分化処理)を行う。
因みに、上述の如くインターバル撮影された１枚目の撮影画像をＸ１、２枚目の撮影画像をＸ２、以下、…ｎ枚目の撮影画像をＸｎと称する。
【００４３】
画像解析にあたっては、先ず、図４(ａ)に示す１枚目の撮影画像Ｘ１の各ピクセル“Ａａ”〜“Ｒｒ”と、これらピクセル“Ａａ”〜“Ｒｒ”に対応する、図４(ｂ)に示す２枚目の撮影画像Ｘ２の各ピクセル“Ａａ”〜“Ｒｒ”との輝度を比較し、全てのピクセル“Ａａ”〜“Ｒｒ”における輝度の差分を検出する。
【００４４】
ここで、１枚目の撮影画像Ｘ１と２枚目の撮影画像Ｘ２との、同一ピクセルにおける輝度の差分を絶対値Δｔとすると、
例えば、ピクセル“Ａａ”における絶対値Δｔは、
｜Ｘ１“Ａａ”−Ｘ２“Ａａ”｜＝Δｔ“Ａａ”
また、ピクセル“Ｒｒ”における絶対値Δｔは、
｜Ｘ１“Ｒｒ”−Ｘ２“Ｒｒ”｜＝Δｔ“Ｒｒ”
という関係式が成り立つ。
【００４５】
全てのピクセル“Ａａ”〜“Ｒｒ”におけるΔｔ(輝度の差分の絶対値)を検出し、各ピクセル“Ａａ”〜“Ｒｒ”における差分の絶対値Δｔを２５６階調に分解することで、１枚目の撮影画像Ｘ１に対する２枚目の撮影画像Ｘ２の「ヒストグラム(輝度分布図)」を作成する。
因みに、輝度の差分が“０”の(輝度の変化のない)ピクセルについてはキャンセル(無視)されることとなる。
【００４６】
以下、同様にして、１枚目の撮影画像Ｘ１に対する３枚目以降の撮影画像Ｘ３、Ｘｎ(ｎ枚目の撮影画像)…を順次比較して差分化処理を行い、各ピクセル“Ａａ”〜“Ｒｒ”における輝度の差分の絶対値Δｔに基づいて、比較した撮影画像毎(１枚目に対する３枚目の撮影画像Ｘ３、１枚目に対するｎ枚目の撮影画像Ｘｎ、…)の「ヒストグラム」を作成する。
【００４７】
ここで、計測の進行に伴ってミラー３の表面３ａに結露が発生し、図４(ａ)に示す１枚目の撮影画像Ｘ１に対して、図４(ｂ)に示すｎ枚目の撮影画像Ｘｎに水滴(露)Ｖが撮影されると、この水滴Ｖが付着した中央部のピクセル“Ｌｃ”、および周辺の各ピクセル“Ｋｂ”、“Ｋｃ”、“Ｋｄ”、“Ｌｂ”、“Ｌｄ”、“Ｍｂ”、“Ｍｃ”、“Ｍｄ”の輝度が著しく増大することとなり、ｎ枚目の撮影画像Ｘｎにおける「ヒストグラム」は、１つ前の撮影画像Ｘ(ｎ−１)の「ヒストグラム」に対して大きく変化することとなる。
【００４８】
図６は、上述した如く作成した各「ヒストグラム」の“平均”、“標準偏差”および“変化量”を時系列にプロットしたグラフであり、このグラフ中のｎ枚目(破線位置)の「ヒストグラム」における“平均”、“標準偏差”および“変化量”が大きく変化している状況を見て取ることができる。
【００４９】
上述した図６のグラフから明らかな如く、時系列に撮影された撮影画像の「ヒストグラム」における輝度階調の経時的な変化に基づいて、詳しくは、上記輝度階調が大きく変化したことから結露の発生を検出でき、併せて結露の発生した時点を特定することができる。
【００５０】
なお、結露の発生を検出するに際しては、例えば、或る時点の撮影画像における「ヒストグラム」の“平均”の値が、１つ前の撮影画像における「ヒストグラム」の“平均”の倍以上であれば『結露が発生しているものと見倣す』等、検出の感度を任意に設定し得ることは言うまでもない。
【００５１】
さらに、結露の発生を検出する方法としては、各ピクセルの輝度(彩度)を２５６階調に分解したヒストグラムにおいて、平均値あるいはピーク値の経時的な移動に基づいて結露を検知する、従来の表面冷却式露点計と同様の検知方法を採用することも可能である。
【００５２】
以上、詳述した構成の表面冷却式露点計１によれば、撮像カメラ１０でミラー３における表面３ａの全体を観察しつつ、表面３ａの極く一部に発生した結露を検出することによって、結露の発生に関わる微細な変化を捉えることができるため、「ミラーにおける表面の全体に結露が形成された状態において露点の計測を行っている」従来の表面冷却式露点計に比べ、被測定気体Ｇの露点計測に関わる精度を大幅に向上させることが可能となる。
【００５３】
また、上述した構成の表面冷却式露点計１によれば、撮像カメラ１０で常にミラー３の表面３ａを全体に亘って観察し、極く一部に結露が生じたことを検出した時点でミラー３の温度調整を行って、被測定気体Ｇの露点温度を計測することが可能であるため、「ミラーにおける表面の全体に結露が形成された状態において露点の計測を行っている」従来の表面冷却式露点計に比べ、計測作業を開始してから結露が発生し始める早い時期において温度制御することで、短時間において被測定気体Ｇの露点を計測することが可能となる。
【００５４】
また、上述した構成の表面冷却式露点計１によれば、ミラー３の表面３ａを撮影した画像を解析することにより、詳しくは、画像解析部１０１において、時系列に撮影された１枚目の撮影画像Ｘ１と、２枚目以降の各撮影画像Ｘ２、Ｘ３…における全ピクセル(画素)の輝度とを順次比較し、絶対値差分法により求めた各撮影画像の輝度階調の経時的な変化に基づいて結露を検出することにより、被測定気体Ｇにおける露点の計測精度を向上させることができ、併せて短時間で被測定気体Ｇにおける露点の計測を実施することが可能となる。
【００５５】
さらに、上述した構成の表面冷却式露点計１によれば、撮像カメラ１０で時系列に撮影された画像の解析をリアルタイムに実施しているので、露量の変化、言い換えれば結露の発生を１／３０sec のレスポンスで捕らえることが可能となり、もって従来の鏡面冷却式露点計における致命的な欠陥と指摘されていた、計測時における応答性の遅さを解消することができる。
【００５６】
ところで、従来の表面冷却式露点計(例えば、図１０参照)においては、ミラー表面の汚れに対処することは困難であったが、上述した実施例の表面冷却式露点計１では、上記ミラー３の表面３ａを撮像カメラ１０によって撮影した、結露の生じていない基準となる１枚目の撮影画像Ｘ１と、２枚目以降の各撮影画像Ｘ２、Ｘｎ…とを、コントローラ１００の画像解析部１０１において差分化処理することで、上記ミラー３の表面３ａにおける汚れや化学物質の付着等を、画像情報(データ)から除去することができる。
【００５７】
例えば、図４(ａ)および図５(ａ)に示す如く、１枚目の撮影画像Ｘ１におけるピクセル“Ｆｐ”に汚れＷが写っている場合、この汚れＷは、図４(ａ)に示す２枚目の撮影画像Ｘ２、および図５(ｂ)に示すｎ枚目の撮影画像Ｘｎのピクセル“Ｆｐ”にも存在するが、上述した如く１枚目の撮影画像Ｘ１に対する２枚目以降の撮影画像Ｘ２、Ｘｎ…について、輝度の差分が“０”のピクセルに関してはキャンセル(無視)されることとなる。
【００５８】
このように、上述した如き画像処理(差分化処理)により、汚れや傷等に起因する画像情報のノイズ成分が除去され、誤検出が未然に防止されることによって、結露／結霜の検出感度が向上することとなり、もって計測精度の大幅な向上を達成することが可能となる。
【００５９】
なお、上述した如く１枚目の撮影画像Ｘ１と２枚目以降の撮影画像Ｘ２、Ｘｎ…とを差分化処理することで、上記ミラー表面の汚れや化学物質の付着等のみならず、撮像カメラ１０における光学系(レンズ)の傷や汚れ等についても、同様にして画像情報(データ)からキャンセルすることができ、もって計測精度の大幅な向上を達成し得ることは言うまでもない。
【００６０】
さらに、上述した如き１枚目の撮影画像Ｘ１に対する２枚目以降の撮影画像Ｘ２、Ｘｎ…を差分化処理することと併せて、撮像カメラ１０により時系列に撮影される撮影画像を、常に直前に撮影された撮影画像に対して差分化処理することで、計測中に供給される被測定気体Ｇの汚染に起因する、ミラー表面のコンタミネーション(実験汚染)をキャンセルすることができ、もって計測精度の大幅な向上を達成することが可能となる。
【００６１】
一方、上述した表面冷却式露点計１において、被測定気体中の水分がミラー３の表面３ａに付着した状況では、上記ミラー３(表面３ａ)の温度が０℃以上であれば結露が形成され、上記ミラー３(表面３ａ)の温度が０℃以下であれば結霜が形成されることとなる。
【００６２】
ここで、上述した表面冷却式露点計１では、コントローラ１００の画像解析部１０１において、撮像カメラ１０から送られた画像情報(カラーの撮影画像)を色解析することにより、ミラー３の表面３ａに結露が生じているのか、あるいは結霜が形成されているのかを識別することができる。
【００６３】
すなわち、上述した構成の表面冷却式露点計１においては、露点と霜点とを判別する機能が得られ、これにより湿度の演算時において温度から他のパラメータに演算する際、露点あるいは霜点に基づいた適切な飽和蒸気圧を選択することが可能となる。
【００６４】
図７および図８は、本発明に関わる表面冷却式露点計の第２の実施例を示しており、この表面冷却式露点計１′は、例えば耐圧タンク内における水素ガスの露点等、高圧容器の内部における被測定気体の露点温度を計測するために提供された装置である。
【００６５】
本実施例の表面冷却式露点計１′は、耐圧容器を構成する計測チャンバ２′を備具しており、該計測チャンバ２′には導入口２ｉ′および排出口２ｏ′が設けられ、これら導入口２ｉ′と排出口２ｏ′とを介して、矢印ｉおよび矢印ｏで示す如く被測定気体Ｇが供給／排出される。
【００６６】
計測チャンバ２′の内部に収容されたミラー３′は、ロッド状を呈するサポート４ｓ′の先端に設置され、計測チャンバ２′を貫通する上記サポート４ｓ′の基端に設置された温度調整手段４′により、上記ミラー３′(表面３ａ′)が所望の温度となるよう調整される。
【００６７】
上記サポートロッド３ｒ′におけるミラー３′の近傍には、温度センサ(温度計測手段)５′が設置され、この温度センサ５′に接続された温度メータ６′により、上記温度センサ５′からの出力(ミラー３′の温度)が数値表示される。
【００６８】
一方、上記計測チャンバ２′の外部には、ＬＥＤ(発光ダイオード)等から成る光源９′と、該光源９′によって照明されたミラー３′の表面３ａ′を撮影する撮像カメラ１０′とが設置され、これら光源９′および撮像カメラ１０′は、それぞれ計測チャンバ２′の周壁２ｗ′に設置された投光用ガラス窓２ｌ′および観察用ガラス窓２ｃ′に外部から臨む態様で配設されている。
【００６９】
上記撮像カメラ１０′はコントローラ１００′に接続され、撮像カメラ１０′からの画像情報は、コントローラ１００′の画像解析部(画像解析手段)１０１′に送られ、この画像解析部１０１′における解析結果に基づいて、コントローラ１００′の温度制御部(温度制御手段)１０２′から熱電モジュール４′に制御信号が送られ、上述したミラー３′の温度調節が為される。
【００７０】
ここで、上述した表面冷却式露点計１′においては、例えば４０ＭＰａ以上の高圧力下における露点の計測を実施するため、計測チャンバ２′における周壁２ｗ′は、その厚さ寸法ｔが耐圧を考慮して約１０〜２０mmに設定されており、上記周壁２ｗ′に設置された観察用ガラス窓２ｃ′等も、同じく耐圧を考慮して約１０〜２０mmの厚さ寸法に設定されている。
【００７１】
また、例えば水素ガスを被測定気体として取り扱う場合、強い腐食性や水素脆化を招く等の不都合から、従来の表面冷却式露点計における受光素子(フォトセンサ)や、本実施例における撮像カメラ１０′等の精密機器を、計測チャンバ２′の内部に設置することは困難なので、本実施例の表面冷却式露点計１′では、上記撮像カメラ１０′を計測チャンバ２′の外部に配設することで対応している。
【００７２】
反面、上述した如く撮像カメラ１０′を計測チャンバ２′の外部に配置することにより、肉厚(約１０〜２０mm)の周壁２ｗ′および観察用ガラス窓２ｃ′を挟むため、ミラー３′から撮像カメラ１０′までの撮影距離が著しく増大する不都合がある。因みに、従来の表面冷却式露点計(図１０参照)では、光源(ＬＥＤ)とミラーおよび受光素子との距離を長く設定できず、通常、５cm以内の近距離に設置されている。
【００７３】
そこで、本実施例における表面冷却式露点計１′では、肉厚(約１０〜２０mm)の観察用ガラス窓２ｃ′を介しても、ミラー３′の表面３ａ′を確実に撮影し得るよう、上記撮像カメラ１０′に長焦点距離タイプの光学系を採用している。
【００７４】
上述した構成の表面冷却式露点計１′によれば、撮像カメラ１０′の光学系に長焦点距離タイプを採用したことで、例えば、高圧力下での露点計測を実施するべく肉厚の計測チャンバを備えた表面冷却式露点計のように、ミラーから撮像カメラまでの距離を大きく設定している状況でも、被測定気体の露点を測定することが可能となる。
【００７５】
ここで、上述した表面冷却式露点計１′の構成は、撮像カメラ１０′の光学系が長焦点距離タイプである以外、図１に示した第１の実施例における表面冷却式露点計１と基本的に変わるところはなく、また、被測定気体の露点を計測するための動作態様(画像解析および温度制御等)に関しても、第１の実施例における表面冷却式露点計１と基本的に変わるところはない。
【００７６】
すなわち、第２の実施例における表面冷却式露点計１′では、撮像カメラ１０′の光学系を長焦点距離タイプとすることで、肉厚の計測チャンバを具備した構造であっても、支障なく高圧力下(例えば４０ＭＰａ)における被測定気体の露点計測を実施することが可能となる。
【００７７】
さらに、第２の実施例における表面冷却式露点計１′では、上述した第１の実施例における表面冷却式露点計１と同様にして、被測定気体Ｇにおける露点の計測精度を向上させることができ、かつ短時間で被測定気体Ｇにおける露点の計測を実施することが可能となる。
【００７８】
図９は、本発明に関わる表面冷却式露点計の第３の実施例を示しており、この表面冷却式露点計１″は、外観形状の可及的なコンパクト化を目的として提供された装置である。
【００７９】
本実施例の表面冷却式露点計１″は、被測定気体Ｇが供給／排出されて流通する計測チャンバ２″を備具しており、該計測チャンバ２″は導入口２ｉ″と排出口２ｏ″とを有し、これら導入口２ｉ″と排出口２ｏ″とを介して、矢印ｉおよび矢印ｏで示す如く被測定気体Ｇが供給／排出される。
【００８０】
計測チャンバ２″の内部に収容されたミラー３″は、直径２mm〜３mmのロッド状を呈するサポート４ｓ″の先端に設置されており、上記サポート４ｓ″に設けられたコイルヒータ等の温度調整手段４″により、上記ミラー３″(表面３ａ″)が所望の温度となるよう調整される。
【００８１】
上述したロッド状を呈するサポート４ｓ″の基端は、計測チャンバ２″を閉止するベース４ｂ″に固定設置されており、上記ベース４ｂ″の外方には放熱用の空冷フィン４ｆ″が設けられている。
【００８２】
また、上記サポート４ｓ″におけるミラー３″の近傍には、温度センサ(温度計測手段)５″が設置され、この温度センサ５″に接続された温度メータ６″により、上記温度センサ５″からの出力(ミラー３″の温度)が数値表示される。
【００８３】
一方、上記計測チャンバ２″には、ＬＥＤ(発光ダイオード)等から成る光源９″と、該光源９″によって照明されたミラー３″の表面３ａ″を撮影する撮像カメラ１０″とが設置されている。
【００８４】
上記撮像カメラ１０″はコントローラ１００″に接続され、撮像カメラ１０″からの画像情報は、コントローラ１００″の画像解析部(画像解析手段)１０１″に送られ、該画像解析部１０１″における解析結果に基づいて、コントローラ１００″の温度制御部(温度制御手段)１０２″から温度調整手段４″に制御信号が送られ、上述したミラー３″(表面３ａ″)の温度調節が為される。
【００８５】
ここで、本実施例の表面冷却式露点計１″においては、サポート４ｓ″の先端に設置されているミラー３″の直径が、約２mm〜３mmの極めて小さな寸法に設定されており、上記ミラー３″に合わせてサポート４ｓ″も細いロッド状を呈している。
【００８６】
さらに、本実施例の表面冷却式露点計１″では、上述のように直径が約２mm〜３mmであるために、面積の極めて小さい上記ミラー３″の表面３ａ″を確実に撮影し得るよう、撮像カメラ１０″に顕微鏡タイプの光学系が採用されている。
【００８７】
ところで、一般的な表面冷却式露点計におけるミラーの直径は、通常、本実施例における表面冷却式露点計１″のミラー３″に比べて大きく、例えば、６mm〜１０mm程度の直径に設定されている。因みに、従来の表面冷却式露点計(図１０参照)では、光源(ＬＥＤ)の構造上、ミラーを照明する光軸を直径５mm以内に絞り込むことは不可能である。
【００８８】
このため、従来の一般的な表面冷却式露点計においては、直径の大きさ故にミラーの表面面積が広く、被測定気体の供給を開始してから、ミラーの表面に結露が形成されたのち、被測定気体の露点温度を検出するまでに、例えば１〜２時間程度の長い計測時間を要する不都合がある。
【００８９】
これに対して、本実施例における表面冷却式露点計１″では、上述した如くミラー３″の直径が小さく、該ミラー３″の表面３ａ″の面積が狭小となるため、被測定気体Ｇの供給を開始してから、ミラー３″の表面３ａ″に結露が形成されたのち、被測定気体Ｇの露点温度を検出するまでの計測時間を、例えば３０分程度にまで大幅に短縮することが可能となる。
【００９０】
また、一般的な表面冷却式露点計では、上述の如くミラーの直径が大きいことから、装置の全体に亘って形状の大型化を招来することとなり、特にミラー周辺を構成する部品の大型化に伴って熱容量が増大することで、加熱／冷却時における応答性が悪く温度調整が困難となる不都合があった。
【００９１】
これに対して、本実施例における表面冷却式露点計１″では、上述した如くミラー３″の直径が約２mm〜３mmと小さく、またミラー３″を支持するサポート４ｓ″も細いロッド状を呈しているため、ミラー周辺を構成する部品の熱容量が大幅に低減し、加熱／冷却時の応答性(温度追従性)が極めて良好なものとなる。
【００９２】
因みに、本実施例の表面冷却式露点計１″においては、細いロッド状のサポート４ｓ″に、温度調整手段４″としてのコイルヒータを巻き付けるとともに、温度センサ５″としてのシース型温度センサを内挿することで、ミラー３″の周辺を構成する部品の可及的なコンパクト化を達成して熱容量を小さく抑え、もって加熱／冷却時の温度変化量に対する良好な応答性を達成している。
【００９３】
また、本実施例における表面冷却式露点計１″では、上述の如くミラー３″の直径が小さいため、装置全体のコンパクト化を達成でき、特に被測定気体Ｇの供給／排出される計測チャンバ２″が小型化し、該計測チャンバ２″の内容積が減少することにより、計測時においてサンプリングする被測定気体Ｇが微量で済むこととなる。
【００９４】
さらに、一般的な表面冷却式露点計においては、低水分量の被測定気体の露点を計測する場合、結露に３〜４時間もの待機時間を必要とするのに対して、上述した如く、コンパクト化を達成した本実施例の表面冷却式露点計１″では、計測チャンバ２″の小型化により、結露までの待機時間を３０分程度にまで短縮することが可能となる。
【００９５】
ここで、上述した表面冷却式露点計１″の構成は、撮像カメラ１０″の光学系が顕微鏡タイプである以外、図１に示した第１の実施例における表面冷却式露点計１、あるいは図７、図８に示した第２の実施例における表面冷却式露点計１′と基本的に変わるところはなく、また、被測定気体の露点を計測するための動作態様(画像解析および温度制御等)に関しても、上述した表面冷却式露点計１および表面冷却式露点計１′と基本的に変わるところはない。
【００９６】
すなわち、第３の実施例における表面冷却式露点計１″では、撮像カメラ１０″の光学系を顕微鏡タイプとすることで、ミラー３″の直径(表面３ａ″の面積)を極小化して、被測定気体Ｇの露点計測に要する時間を大幅に短縮することができ、併せて、ミラー３″および該ミラー３″周辺の構成部品を可及的に小型化して熱容量を小さく抑え、加熱／冷却時の温度変化量に対する応答性を良好なものと成し得る。
【００９７】
さらに、第３の実施例における表面冷却式露点計１″では、上述した第１の実施例における表面冷却式露点計１、および第２の実施例における表面冷却式露点計１′と同様にして、被測定気体Ｇにおける露点の計測精度を向上させることができ、かつ短時間で被測定気体Ｇにおける露点の計測を実施し得ることは勿論である。
【００９８】
なお、上述した各実施例においては、撮像カメラにより撮影された画像情報を、“絶対値差分法”を用いた画像解析手法によって処理し、結露が発生したか否かの判断を行なう例を示したが、上述した「“絶対値差分法”を用いた画像解析手法」以外の様々な画像解析の手法をも有効に採用し得ることは言うまでもない。
【００９９】
また、上述した各実施例においては、各々に専用の光学系を装備した撮像カメラを設置しているが、カメラ本体に対して光学系(交換レンズ)を交換可能とし、標準タイプ、長焦点距離タイプ、あるいは顕微鏡タイプ等の光学系(交換レンズ)を、適宜に選択してカメラ本体に装着することで、様々な仕様の露点計に対応させることができる。
【０１００】
さらに、本願発明に関わる「表面冷却式露点計」の利用範囲は、上述した実施例に限定されるものではなく、例えばドライルームでの低露点ガスの測定、ドライエアーラインの性能確認、各種ガスボンベ内の水分率測定、浸炭炉内や恒温恒湿槽の露点管理、研究開発分野での湿度データ管理、および湿度の校正基準器（湿度標準器）等、様々な技術分野において有効に適用し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明に関わる表面冷却式露点計の第１の実施例を概念的に示す断面側面図。
【図２】本発明の表面冷却式露点計における露点の計測工程を示すフローチャート。
【図３】本発明に関わる表面冷却式露点計の撮像カメラによる撮影画像を示す概念図。
【図４】(ａ)および(ｂ)は、撮像カメラによる１枚目の撮影画像および２枚目の撮影画像を示す概念図。
【図５】(ａ)および(ｂ)は、撮像カメラによる１枚目の撮影画像およびｎ枚目の撮影画像を示す概念図。
【図６】本発明に関わる表面冷却式露点計の計測時における各撮影画像の輝度階調を時系列に示したグラフ。
【図７】本発明に関わる表面冷却式露点計の第２の実施例を概念的に示す断面側面図。
【図８】図７中の VIII−VIII 線断面図。
【図９】本発明に関わる表面冷却式露点計の第３の実施例を概念的に示す断面側面図。
【図１０】従来の表面冷却式露点計を示す概念的な断面側面図。
【符号の説明】
【０１０２】
１、１′、１″…表面冷却式露点計、
２、２′、２″…計測チャンバ、
２ｉ、２ｉ′、２ｉ″…導入口、
２ｏ、２ｏ′、２ｏ″…排出口、
３、３′、３″…ミラー、
３ａ、３ａ′、３ａ″…表面、
４…熱電モジュール(温度調整手段)、
４′、４″…温度調整手段、
４ｓ、４ｓ′、４ｓ″…サポート、
５、５′、５″…温度センサ(温度計測手段)、
６、６′、６″…温度メータ(温度表示手段)、
７…ベースプレート、
８…断熱ブロック、
９、９′、９″…光源、
１０、１０′、１０″…撮像カメラ、
１００、１００′、１００″…コントローラ、
１０１、１０１′、１０１″…画像解析部(画像解析手段)、
１０２、１０２′、１０２″…温度制御部(温度制御手段)、
Ｘ１、Ｘ２、〜Ｘｎ…撮影画像、
Ａａ〜Ｒｒ…ピクセル(画素)、
Ｇ…被測定気体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定気体を供給／排出させて、内部に前記被測定気体を流通させる計測チャンバと、
前記計測チャンバの内部に収容設置されて、流通する前記被測定気体に晒されるミラーと、
前記ミラーの温度を調整する温度調整手段と、
前記ミラーの温度を計測する温度計測手段と、
前記ミラーの温度を表示する温度表示手段と、
前記ミラーの表面を照明する光源と、
前記ミラーの表面を撮影する撮像カメラと、
前記撮像カメラからの画像情報に基づいて、前記ミラーの表面における結露／結霜の発生状況を判定する画像解析手段と、
前記画像解析手段による判定の結果に基づいて、前記ミラーの温度を一定に保持するべく、前記温度調整手段の動作を制御する温度制御手段と、
を具備して成ることを特徴とする表面冷却式露点計。
【請求項２】
前記画像解析手段は、前記撮像カメラにより時系列に撮影された１枚目の撮影画像における全ピクセルの輝度と、２枚目以降の各撮影画像における全ピクセルの輝度とを順次比較し、同一のピクセルにおける輝度の差分の絶対値を比較する絶対値差分法により各撮影画像の輝度階調を求め、前記各撮影画像における輝度階調の経時的な変化に基づいて、結露の発生を検出することを特徴とする請求項１記載の表面冷却式露点計。
【請求項３】
前記画像解析手段は、前記撮像カメラからの画像情報を色解析することにより、前記ミラーの表面に発生した結露と結霜との識別を行うことを特徴とする請求項１記載の表面冷却式露点計。
【請求項４】
前記撮像カメラが、長焦点距離タイプの光学系を備えて成ることを特徴とする請求項１記載の表面冷却式露点計。
【請求項５】
前記撮像カメラが、顕微鏡タイプの光学系を備えて成ることを特徴とする請求項１記載の表面冷却式露点計。
【請求項１】
被測定気体を供給／排出させて、内部に前記被測定気体を流通させる計測チャンバと、
前記計測チャンバの内部に収容設置されて、流通する前記被測定気体に晒されるミラーと、
前記ミラーの温度を調整する温度調整手段と、
前記ミラーの温度を計測する温度計測手段と、
前記ミラーの温度を表示する温度表示手段と、
前記ミラーの表面を照明する光源と、
前記ミラーの表面を撮影する撮像カメラと、
前記撮像カメラからの画像情報に基づいて、前記ミラーの表面における結露／結霜の発生状況を判定する画像解析手段と、
前記画像解析手段による判定の結果に基づいて、前記ミラーの温度を一定に保持するべく、前記温度調整手段の動作を制御する温度制御手段と、
を具備して成ることを特徴とする表面冷却式露点計。
【請求項２】
前記画像解析手段は、前記撮像カメラにより時系列に撮影された１枚目の撮影画像における全ピクセルの輝度と、２枚目以降の各撮影画像における全ピクセルの輝度とを順次比較し、同一のピクセルにおける輝度の差分の絶対値を比較する絶対値差分法により各撮影画像の輝度階調を求め、前記各撮影画像における輝度階調の経時的な変化に基づいて、結露の発生を検出することを特徴とする請求項１記載の表面冷却式露点計。
【請求項３】
前記画像解析手段は、前記撮像カメラからの画像情報を色解析することにより、前記ミラーの表面に発生した結露と結霜との識別を行うことを特徴とする請求項１記載の表面冷却式露点計。
【請求項４】
前記撮像カメラが、長焦点距離タイプの光学系を備えて成ることを特徴とする請求項１記載の表面冷却式露点計。
【請求項５】
前記撮像カメラが、顕微鏡タイプの光学系を備えて成ることを特徴とする請求項１記載の表面冷却式露点計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１０７３３８（Ｐ２０１０−１０７３３８Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７９３４３（Ｐ２００８−２７９３４３）
【出願日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【出願人】（５９５１４５４９６）株式会社第一科学 (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【出願人】（５９５１４５４９６）株式会社第一科学 (3)
【Ｆターム（参考）】
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