JP2004538464A - ガス解析用の画像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学技術によって表面（３）上の水分凝縮物を検出するために用いられる電気回路を含む湿度計デバイスを提供する。
【解決手段】イメージングシステム（１）及び画像解析システムは、送信器及び検出器からなる光学システムに置換可能である。イメージングシステムは、センサ試料キャビティ（２１）内に取付けられ、凝縮表面を観察する。イメージングシステムは、凝縮表面上に凝縮が存在しないことを確保するため周囲の露点よりも高温に加熱された凝縮表面からのベース画像を確定する。凝縮表面が冷却を開始すると、ソフトウェアが凝縮表面の画像に問合せを行い、基準画像からの変化として凝縮の存在を検出する。イメージングシステムによって生成されたデータは、露点を見付けて定常状態の条件に到達させるようにリアルタイム制御ループで使用される。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、光学技術によって表面上の水分凝縮物を検出するために用いられる電気回路を含む湿度計デバイスに関する。具体的には、本発明の装置及び方法は、水蒸気圧の広い範囲にわたってガス中の水分レベルの迅速で正確な測定を提供する。
【背景技術】
【０００２】
鏡面冷却式の湿度計を用いる露点又は霜点の測定原理は、６０年近くにわたって定着してきている。初期のセンサは、ユーザが点検窓を用いて凝縮の存在を検出する必要があった。技術の発展と共に、凝縮を検出し露点又は霜点測定の閉ループ制御を提供する手段として、センサ内に発光器及び検知器光学システムが組み込まれた。（Ｄｕｌｋ、米国特許第３，１１２，６４８号）この方法は、既存技術を超える大きな改良であったが、依然として改良の余地を残していた。本発明の目的は、現在の凝縮検出手段に関する改善の領域に取り組み、既存技術との間に技術格差を創り出すことである。
【０００３】
露点又は霜点湿度計は、ガス試料の水分含量を測定するのに使用されることが多い。典型的な湿度計は、熱電式、極低温式、又は機械式冷凍法によって冷却され温度制御される反射性凝縮表面を含む。次いで、この表面上の凝縮或いは露形成又は霜形成は、一般に、凝縮表面からの反射光の変化を識別するように配置された光源及び光電検出器からなる光学的方法によって検出される。光学的検出デバイスは電気回路に接続され、これにより、予め設定された検出器の閾値レベルで表面冷却／加熱装置を制御するよう信号を生成する。検出器の閾値レベルは、反射光の度合い、従って冷却表面上の霜又は露の凝縮物の所定厚みに対応する。この状態において、試料ガス中の水蒸気圧力と特定の表面温度にある凝縮物表面上の水及び／又は氷の層との間に平衡条件が存在する。典型的には白金抵抗温度計又は熱電対といった温度検出デバイスが、凝縮表面に局所的に配置され、凝縮表面の平衡露点／霜点温度を測定する。
【０００４】
これらの湿度計において、凝縮表面の冷却及び温度制御装置、反射光検出デバイス、及び電気制御回路は、熱−光学式サーボ制御システムを備え、該システムは所定の光学検出器閾値限界、従って、平衡凝縮層の厚み及び対応する露点／霜点温度を維持する。
【０００５】
４つの基本的な構成要素又はサブシステムは、冷却表面湿度計、熱伝導性凝縮表面、該凝縮表面の温度を冷却し制御する方法、支持信号調整電気回路を有する温度センサ又は検出器、及び凝縮表面冷却／加熱サブシステムの閉ループ制御に好適な回路を有する光学検出システムを備える。
【０００６】
殆どの湿度計は、光電検出器に利用可能な反射光の量を最大にするために凝縮表面として反射性表面（ミラー）を用いる。典型的な凝縮表面は、銅のような高熱伝導性材料で作られ、該表面は、例えばロジウムメッキによって表面温度の均一性を最大限にするように処理された表面である。既存技術におけるミラーはまた、耐食性のため白金又はステンレス鋼で作られ、又は性能改善を付加するために金又はサファイアコーティングにより作られる。（Ｃｏｏｐｅｒ、米国特許第５，５０７，１７５号）光学凝縮表面検出法で使用されるこれらの凝縮表面に加え、凝縮表面のキャパシタンス又は他の電気的特性、凝縮表面を横断して進む音波の伝幡速度、又は凝縮表面として機能する振動結晶の共振周波数の測定といった、他の凝縮検出システム及び凝縮県縮表面は既知技術において存在する。本発明の意図するところは、上述の既存技術の各々において凝縮検出機構を改善することである。
【０００７】
冷却表面湿度計に用いられる凝縮表面冷却／加熱サブシステムの従来技術は、熱電ペルチェ接合ヒートポンプ、液体窒素又はクロロフルオロカーボンのような寒剤を用いる極低温技法（Ｂｕｃｋ、米国特許第５，４６０，４５０号）、又は機械式蒸気圧縮冷凍からなる。凝縮表面を冷却する最も一般的な方法は、１つ又はそれ以上のペルチェ接合によるものであり、これにより表面温度が、印加電圧及び電流極性の関数として降温又は昇温される。典型的な極低温サブシステムは、凝縮表面伝導経路内部の電気抵抗加熱などの、表面加熱手段と結合されて寒剤流体から凝縮表面への伝導経路を制御することにより凝縮表面温度を維持する。典型的な機械式冷凍システムは、凝縮表面伝導経路内の電気抵抗ヒータといった凝縮表面加熱手段と結合されて、凝縮表面に熱的接触する圧縮冷凍流体の膨張によって凝縮表面の温度を冷却し制御する。
【０００８】
光学湿度計検出サブシステムを使用する殆どの一般的な従来技術の方法は、発光ダイオード及び光検出器を含む。通常、これらの装置は、調整された光源と光検出器の複数の対を含み、これによって光源発光と検出器効率に対する温度の影響を最小限に抑えることができる。１つの対は、凝縮表面からの反射光に比例する制御回路への出力を与え、他方の対は、温度誘導変化を補正するのに用いられる基準出力を提供する。この基本的方法を更に高度化するには、紫外、赤外、又はマイクロ波スペクトル内の特定帯域のような選択された光源の波長を使用すること、及び光ファイバー伝送技術を使用することが含まれる。凝縮表面湿度計検出方法における他の従来技術には、表面音波デバイス、共振結晶構造体、及び電気容量／電気抵抗コンポーネントなどの非光学的手段の使用が含まれる。
【０００９】
凝縮検出の現在の手段に関しては、幾つかの良く知られた改善の可能性が存在する。これらの可能性の全ては、光学システムが１つの情報源、すなわち検出器での光レベルの変化だけを提供するという事実を中心に展開する。
【００１０】
凝縮表面上の試料ガス流の汚染の影響は、凝縮湿度計においてかなりの障害を示す可能性がある。凝縮表面上の異物は、凝縮表面上の水／氷と試料ガス流中の水蒸気圧との間に存在する平衡条件を乱す可能性がある。加えて、凝縮表面上の汚染は反射光に偏差を与える可能性があり、これは検出サブシステムによって「偽の」露又は霜の層が存在するものとして判断され、従って露点又は霜点測定における誤差を生じさせる恐れがある。
【００１１】
汚染に対応して、これらの影響を最小限とするよう設計された従来技術における公布された幾つかの方法が示されている。（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ、米国特許第２，８９３，２３７号、Ｂｉｓｂｅｒｇ、米国特許第３，６２３，３５６号、Ｈａｒｄｉｎｇ、米国特許第４，２１６，６６９号、Ｄｏｓｏｒｅｔｚ、米国特許第４，６２９，３３３号、Ｓｃｈｗｉｅｓｏｗ、米国特許第５，２２７，６３６号）最も初期の既存技術は、可溶性の汚染物質を吸収するために凝縮物でミラーを充満させ、引き続いて急速に加熱することによって汚染物質を蒸発させることを説明している。他の既存技術は、凝縮表面を充満させて汚染物質を強制的に一体化させ、次いで凝縮物を蒸発させて、汚染物がミラー表面にわたって均一に分布するのではなく局所領域に再分布させることを説明している。別の既存技術には、凝縮又は汚染の何れかによって吸収されるように調整された波長を用いる複式光学デバイス、汚染を物理的に除去するために凝縮表面上に用いられる機械的ワイパー又は圧縮ガスノズル、及び汚染溶媒和及び緩やかな表面研磨による「ドライアイス」（ＣＯ₂）清浄法がある。
【００１２】
凝縮表面汚染による誤差に加え、露又は霜相の識別に由来する曖昧さにより、凝縮湿度計の露点又は霜点にかなりの不正確さが存在する可能性がある。液相水は、ギブスの自由エネルギーの法則によって支配される、よく知られている過冷却の原理によって、バルク凍結点を下回る−４０℃程度の低温で存在し得ることはよく知られている。既存技術における多くの検出サブシステムには、凝縮表面上に何れの相が存在するかを識別する有効な手段が無い。水の飽和蒸気圧は、ゴフ＝グラッチの式によって律則される平衡条件に何れの相が存在するかに依存するので、この露点／霜点領域においては露点又は霜点誤差が発生し易い。
【００１３】
従来技術において、循環鏡面冷却式の湿度計（Ｃｏｏｐｅｒ、Ｐｒｏｔｉｍｅｔｅｒ、米国特許第５，５０７，１７５）は、前回の露点温度測定値を超えて凝縮表面を継続的に加熱した後で、再冷却して露層を再形成することによって、この影響に対処している。該デバイスは、凝縮が固相状態に相変化するのに十分なほど露点／霜点温度に長く留まらないので、この方法では液相の凝縮を常時測定することになる。凝縮が液相にあることを常に認知することにより、相の差異に関連する誤差は除かれる。しかしながら、この継続的な循環方法は、低霜点での加熱と冷却、及び凝縮層の再形成のプロセスに非常に時間がかかるので、低霜点測定においては非現実的なものとなる。
【００１４】
凝縮表面湿度計には、システム応答時間及び検出感度に起因する別の複雑な問題が存在する。低霜点温度（−６０℃以下）では、該検出方法の感度が比較的低いため、所定の霜層厚みの形成及び識別を妨げる。通常の光学検出システムの感度は、実用的な信号対雑音比を得て再現可能で実用的な測定を行うために、出力信号に測定可能な変化を生成するのに十分大きな量の凝縮表面への霜の凝縮を必要とする。従来技術において、これらの低温度の露点での長い平衡応答時間を低減させる試みが行われ、これは、センサの空洞部に若干量の水蒸気を導入して、凝縮表面に水分を供給し、これにより表面凝縮の速度を増大させるものである。凝縮表面への水蒸気の導入は初期露層の成長を開始させるのに役立つが、制御ループでの発振を生じることもまた知られている。
【００１５】
同様な応答時間の問題が、過冷却水が存在できる領域（０℃乃至−４０℃）において発生する。この領域で測定すると、初期の凝縮層は液相水の形態である。０℃より低い水の平衡相は固相であるため、凝縮はこの平衡相内にはない。現在の検出システムは、水の液相と固相とを識別できないので、正確な霜点測定を行うためには、システムは、この層が凍って氷になるのに要する時間待たなければならない。凝縮相を確実にする１つの手段は、過冷却の原理は本来動的なものであって、過渡的な影響であることを理解することによる。十分な時間が与えられると、過冷却液相水は常に平衡固相に変化し、正確な露点測定を行うことが可能となる。この相遷移時間は現在の光学システムの応答時間を非実用的なものにする。
【００１６】
既存技術において改良すべき他の領域は、凝縮表面で得られる情報がデバイスのユーザに提供される方式である。殆どの既存技術においては、情報は、英数字の露点又は霜点測定値の形態、又は空気容積内に存在する水分の量を表す何らかの他の形態で最終ユーザに提供される。このことは、工業標準のＬＥＤ、ＬＣＤ、又は他の型式のディスプレイ製品を用いてこの値を表示することによって通常行われている。凝縮表面の状態に関する付加的な情報についての必要性にユーザが気付いた場合に、ユーザに可視的なフィードバックを提供する概念は、既存技術において提示された。（Ｌｅｏｎｅ、米国特許第２，９７９，９５０号）他の既存技術では、凝縮表面の状態の拡大視野を最終ユーザに与えるために顕微鏡を付加する選択肢を提供した。本発明で提示される概念は、イメージングセンサ及び凝縮表面のデータ抽出のための解析システムを利用するものである。この概念は、ビデオ画像における凝縮表面の状態を示す付加的特徴を有し、該ビデオ画像を最終ユーザに提供して、凝縮表面の状態を視覚的に観察ことができる。
【特許文献１】
米国特許第３，１１２，６４８号
【特許文献２】
米国特許第５，５０７，１７５号
【特許文献３】
米国特許第５，４６０，４５０号
【特許文献４】
米国特許第２，８９３，２３７号
【特許文献５】
米国特許第３，６２３，３５６号
【特許文献６】
米国特許第４，２１６，６６９号
【特許文献７】
米国特許第４，６２９，３３３号
【特許文献８】
米国特許第５，２２７，６３６号
【特許文献７】
米国特許第２，９７９，９５０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
現在の光学サブシステムにおける最新の２つの課題は、湿度計の光学システム及び凝縮表面の製造に関する。
【００１８】
最良の信号対騒音比を得るためには、発光器と検出器が凝縮表面に光学的に整列されていることが重要である。光学的整列が得られない場合には、検出器の反射信号が減少し、システムの精度及び応答時間が悪影響を受けることになる。更に、ある既存技術の光学システムは、これらの型式のデバイスに共通な温度の影響を最小限にするため、測定対と基準対の２組の構成要素を必要とする。湿度計の適用は広範な作動温度を要することから、光学的構成要素からの信号は、熱的ドリフトが誤った測定の要因にならないことを確実にするため、この温度範囲にわたって整合される必要がある。
【００１９】
既存技術の大部分の凝縮表面は、高度に研磨された金属製ミラーを、乾燥状態で検出器に達する放射光の反射率を最大にすることができる凝縮表面として使用する。この型式の構成要素に関連する製造コストは高くなる可能性があり、継続的なサポートは高いコストを要する。更に、凝縮表面が日常的保守又は作動中に損傷（例えば擦過傷又は孔傷）を受けた場合、検出器によって受信される信号は減少し、システムは最終的には補修を要するであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、凝縮表面上の凝縮の存在及び状態を検出するための新規のインテリジェント手段を提供する。本発明の１つの主要な目的は、既存技術に通常備えられている光学システムを改良することであり、通常これは、イメージングシステムを備える発光器及び光検出器からなる。従来技術のシステムとは違って、本発明のイメージングシステムは、従来技術のシステムでは得られない多くの情報を提供する能力を有する。
【００２１】
好ましい実施形態において、イメージングシステムは、直接視野方向内で凝縮表面の上にある圧力カバーの下側に取付けられ、検知システムを形成する。このイメージングシステムからの出力は、解析システムに電気的に接続される。凝縮表面が、試料キャビティに送入され、又はこれを通過する試料ガスの露点より低温に冷却されると、水分はガス流から凝縮表面上への凝縮を開始することになる。凝縮表面の画像は、イメージングシステムによって継続的に処理される。凝縮が成長すると、イメージングシステムは、信号を制御ループに出力して、露を所定レベルに維持するよう凝縮表面を加熱及び冷却する。この所定の露レベルに到達すると、温度センサからの測定値が取得され露点として報告される。
【００２２】
この凝縮検出の方法は、凝縮表面の状態についての複数の情報源を提供するイメージング解析システムで利用可能な種々の解析アルゴリズムを用いることによって上述の問題点を解決することから、従来技術よりも優れている。該方法は過冷却水に関連する問題を解決する。検出システムを「トレーニング」して液相凝縮と凍結凝縮との可視的差異を識別することによって、相の差異に関連する誤差なしに実際の露点又は霜点を報告することができる。
【００２３】
また、微粒子状汚染を見つけ出すように新規検出システムを「トレーニング」することができる。システムに汚染の存在が疑われる場合、表面を局所的露点より高温に加熱し、この画像が「基準」画像と比較される。加熱状態において、画像間の差異は汚染として解釈され、保守業務を開始することができる。この新規の検出システムはまた、非常に大きい信号対騒音比及び高い感度を有し、これにより応答時間を短縮することができる。この増大した感度は、計器を「より薄い」凝縮層上で制御することを可能にし、そのため露層を成長させるのに要する時間が短縮され、これによってより広い霜点測定範囲が可能となる。
【００２４】
また、この新規の検出システムは、従来技術のシステムの製造中に要求される正確な集束及び整列を必要としなくなる。組み込まれると、本発明のイメージングシステムは、凝縮表面上の正確な関心領域を問合せすることができるように画像トリミングを可能にする。最後に、凝縮表面の表面仕上げはもはや重要では無くなる。従来技術の検出システムは、最大の信号対騒音比を得るため高度に研磨された表面に依存する傾向にあり、凝縮表面上のミラーのわずかなかすり傷でさえも性能を低下させることになる。本発明のイメージングシステムを用いると、凝縮表面を周期的に加熱して凝縮物を除去することができ、従って新しい基準画像を取得することができる。このような新しい基準表面を連続的に確定することにより、作動中に必然的に生じるかすり傷は基準画像によって基準から外される。
【００２５】
本発明の１つの目的は、凝縮検出の手段として露点湿度計に用いられる光学システムに改良を行うことである。これらの改善は、現在の技術の湿度計の光学システムが液相凝縮と固相凝縮との相の差異を識別不能であることに関連する誤差を排除し、過冷却水領域（０℃乃至４０℃）及び低露点領域（−６０℃以下）の両方のシステムの応答時間を短縮させ、汚染の存在及び湿度計のメンテナンスに関連する誤差を低減するための汚染検出の方法を導入することによって、デバイスの性能を改善する。付加的な改善は、湿度計の製造プロセスにおいて例えば、測定及び基準の光学構成要素のセットの熱的補償についての必要性を最少にし、測定及び基準の光学セットの適切な光学的整列を達成するプロセスを最小限に抑え、反射性凝縮表面の製造及び維持管理の要求を最少にすることにより提供される。
【００２６】
他の目的は、凝縮表面の領域をより小さい領域のマトリックスに再現可能に分解することを可能にし、表面の小領域の各々の状態を識別する能力を与えるシステムを提供することである。
【００２７】
他の目的は、凝縮表面上の凝縮の存在を単ミクロンの範囲にまで識別できるシステムを提供することである。
【００２８】
他の目的は、とりわけ−６０℃以下の領域の露点で、既存技術に存在する代表的な光学システムの感度を高めることによって既存技術の測定の範囲を増大させることができるシステムを実現させることである。
【００２９】
他の目的は、凝縮表面の状態のリアルタイムな視覚的表示をユーザに提示するシステムを実現させることである。
【００３０】
他の目的は、凝縮表面に存在する凝縮の相を判定できるシステムを実現させることである。
【００３１】
他の目的は、凝縮表面に存在する凝縮の相を決定できないことによる既存技術に存在する測定誤差、応答時間の遅れ、及びソフトウェア調整を解決することができるシステムを実現させることである。
【００３２】
他の目的は、凝縮表面の寸法、形状、材料及び表面特性を変更することにより、性能を向上させることが可能となるシステムを提供することである。
【００３３】
他の目的は、既存技術の光学システムに関連する温度の影響を最小限に抑えることにより、既存技術の製造を簡素化するシステムを実現させることである。
【００３４】
他の目的は、既存技術の光学システムに関連する正確な製造及び光学的組立てを最小限に抑えることにより、既存技術の製造を簡素化するシステムを実現させることである。
【００３５】
他の目的は、既存技術に関連する反射性ミラー凝縮表面の生成に必要とされる製造についての要求を最小限に抑えることにより、既存技術の製造を簡素化するシステムを実現させることである。
【００３６】
他の目的は、既存技術に存在する高度反射性凝縮表面を維持するために要求される対応を最小限に抑えることにより、既存技術で要求されるメンテナンスを低減するシステムを提供することである。
【００３７】
他の目的は、既存技術の光学システムに優る、イメージングシステムの感度を向上させることによって改善された応答時間を有するシステムを提供することである。更に、この感度の向上は、凝縮表面の凝縮の低減量、従って凝縮表面に存在する可能性のある汚染物の減少によってメンテナンスの低減が可能となるであろう。
【００３８】
本発明の、これら及び他の目的は、本発明の好ましい実施形態を説明する添付図面を考慮した以下の詳細な記述からより明らかになるであろう。
【００３９】
従って、１つの実施形態において、本発明はガス解析のための画像処理装置に関し、該画像処理装置は、
２つの端部を有するチャンバを収容し、その一方の端部に凝縮表面が配置された、解析されるべきガスを前記チャンバへ導入するための少なくとも１つのチャネルを有する中央本体部と、
前記凝縮表面とは反対側にある前記チャンバの端部に配置された画像取得デバイスと、
前記凝縮表面の取得画像を解析するための処理デバイスと、
を備える。
【００４０】
好ましくは、この画像処理装置において、凝縮表面は、画像取得デバイスのレンズに面する反射面を有するミラーである。有利には、処理デバイスはマイクロプロセッサ／マイクロコンピュータである。ある実施形態において、該装置は自動制御システムを更に備える。
【００４１】
特定の好ましい実施形態において、画像処理装置は、凝縮表面の近傍に配置された温度センサを更に備える。有利には、温度センサは中央本体部の下に配置された基部組立体内に収容される。より好ましくは、温度センサは凝縮表面の下に配置される。
【００４２】
特定の好ましい実施形態において、画像処理装置は、温度センサ及び凝縮表面の近傍に配置されたヒートポンプを更に備える。有利には、ヒートポンプは中央本体部の下に配置された基部組立体内に収容される。より好ましくは、ヒートポンプは温度センサの下に配置される。
【００４３】
特定の好ましい実施形態において、画像処理装置は、冷却プレートを更に備える。有利には、冷却プレートはヒートポンプの下に配置される。
【００４４】
特定の好ましい実施形態において、画像処理装置は、圧力カバーに取付けられた画像取得デバイスを有し、これにより該装置は、大気圧よりも高圧又は大気圧よりも低圧（真空）の何れかに加圧されることが可能となる。有利には、圧力カバーは、中央本体部に係合するときに気密シールを形成する。特定の好ましい実施形態において、圧力カバーは密封された電気コネクタを更に備え、該コネクタを画像取得デバイスの出力配線が通過する。
【００４５】
特定の好ましい実施形態において、画像処理装置は、温度センサからの入力部を更に備える。有利には、画像処理装置は、画像取得デバイスからの入力部を更に備える。より好ましくは、画像処理装置は、画像取得デバイス及びヒートポンプへの出力部を更に備える。
【００４６】
本発明によるガス解析のための画像処理装置の１つの特に好ましい実施形態は、
２つの端部を有するチャンバを収容し、その一方の端部に、画像取得デバイスのレンズに面する反射面を有する凝縮表面が配置され、解析されるべきガスを前記チャンバへ導入するための少なくとも１つのチャネルを有する中央本体部と、
前記凝縮表面とは反対側にある前記チャンバの端部に配置された画像取得デバイスと、
を備え、
前記画像取得デバイスが、前記中央本体部に係合するときに密封を形成するカバーに取付けられ、前記カバーは前記画像取得デバイスの出力配線を通す密封式電気コネクタを有し、
前記凝縮表面の近傍に配置された温度センサと、
前記温度センサの近傍に配置されたヒートポンプと、
前記ヒートポンプの近傍に配置された冷却プレートと、
前記凝縮表面の取得画像を解析するための処理デバイスと、
を備える。
【００４７】
本発明によるガス解析のための画像処理装置の１つの特に好ましい実施形態は、
２つの端部を有するチャンバを収容し、その一方の端部に、画像取得デバイスのレンズに面する反射性鏡面と上面と下面とを有する凝縮表面が配置され、解析されるべきガスを前記チャンバへ導入するための少なくとも１つのチャネルを有する中央本体部と、
前記凝縮表面とは反対側にある前記チャンバの端部に配置された画像取得デバイスと、
を備え、
前記画像取得デバイスが、前記中央本体部に係合するときに密封を形成する圧力カバーに取付けられ、前記圧力カバーは前記画像取得デバイスの出力配線を通す密封式電気コネクタを有し、前記画像処理装置が更に、
温度センサ、ヒートポンプ、及び冷却プレートを有し、前記温度センサは前記凝縮表面の下面の下に配置され、前記ヒートポンプは前記温度センサの下に配置され、前記冷却プレートは前記ヒートポンプの下に配置される基部組立体と、
前記温度センサ及び画像取得デバイスからの入力部を有する、前記凝縮表面の取得画像を解析するための処理デバイスと、
を備え、
制御システムが前記画像取得デバイス及び前記ヒートポンプへの出力部を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
図１は、提案されたイメージングシステム１、試料キャビティ２、凝縮表面３、温度センサ４、ヒートポンプ５、及び冷却プレート６で構成された代表的な露点湿度計の断面を示す。
【００４９】
イメージングシステムは、必要とされる対応電子機器を備える、例えばＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサなどのイメージングセンサから構成される。例えばデジタル又はアナログの生ビデオ信号であるイメージングシステム出力は、凝縮の存在及び状態を検出する目的のため該出力を処理する制御回路に電子的に供給される。イメージングシステム１は、視野方向が、例えば凝縮表面の真上といった凝縮表面３で確立されるような方法で圧力カバー１１に対して内側に取付けられる。イメージングシステムは、例えばガラス円板１２である光学的に透明な円板で環境的に制御された容積の試料キャビティから密閉することができる。例えば高反射性ミラーである凝縮表面３は、例えば銅である高度に熱伝導性の材料で作製され、均一な表面温度を達成するよう、表面処理された例えばロジウムである。また、既存技術におけるミラーは、耐食性のため白金又はステンレス鋼で作製されており、又は性能改善を付加するため、金又はサファイヤ表面で作製されている。（Ｃｏｏｐｅｒ、米国特許第５，５０７，１７５号）ミラーは、試料キャビティ２内に配置され、測定のために存在する試料ガスがミラー３に直接接触している状態が保証される。
【００５０】
試料キャビティ２は、例えば８及び９といった連続測定用の入口及び出口を試料ガスに与える耐圧容積を提供するように構成される。ミラー３は、例えば、凝縮表面の反対の面にネジを機械加工することによって、修理用に取り外し可能となる特徴が追加される。このネジはミラーブロック７と結合され、該ブロックは、例えば銅などの高い熱伝導性の材料から作製され、ミラーと密接な熱的結合を維持するが試料ガスからは密封されたままである。ミラーブロックは、ミラー３の温度を測定できるようにするため、例えば白金抵抗素子である温度測定デバイス４を備えて構成される。ミラーブロック７はまた、例えば、要求に応じてミラー３の温度を変化させることができるペルチェ熱電クーラ（ＴＥＣ）５などの熱除去デバイスと熱的に接触する。ＴＥＣ５は、例えば液冷冷却プレート６などの第２の熱除去デバイスと熱的に直接接触し、該プレート６は、例えば銅又は黄銅である高伝導性材料で製造され、ＴＥＣ５によってミラー３から除去された熱を該システムから除去可能にする。ＴＥＣ５、イメージングシステム１からの出力及び温度デバイス４は、イメージングシステム１の出力に基づきＴＥＣ５を調節する電子制御回路の一部である。例えば、ミラー３上に凝縮が存在することに起因する出力の所定変位といった、正確な信号をイメージングシステム１から受け取ると、ミラー３の温度が温度デバイス４から読み取られ、試料ガスの露点又は霜点として伝達される。
【００５１】
図１に同様に示されるように、イメージングシステム１内のイメージングセンサは、試料キャビティ２に、例えば可視スペクトル又はＩＲスペクトルで作動する発光器である照明源１０が取り付けられることが必要とされる。この照明源は、イメージングシステム内部のイメージングセンサが、試料キャビティ２内部のミラー３の光レベルの変化に応答できるようにする。発光器の波長及び方位は、イメージングシステム１内部のイメージングセンサが最適感度となるように選択される。これを達成する１つの手段は、ミラー３に送られる光が、ミラー３に凝縮が無い状態のときにイメージングシステム１内部のイメージングセンサの視野領域から外れて配向されるように、発光器１０を例えば４５°に取り付けることである。この方位において、イメージングシステム１は、暗領域として乾燥凝縮表面を示すデータを提示することになる。この構成において、電源投入時には、制御回路はイメージングシステム１からの出力データに基づきミラー３を冷却することになる。ミラーの表面温度が試料ガスの露点よりも低くなると、ミラー３の表面に凝縮が形成される。ミラー表面に凝縮が存在すると、発光器から配向された光の一部がイメージングシステム内のイメージングセンサに配向されて、出力信号の変化が生じる。上述のプロセスは、光源１０、イメージングシステム１、及びミラー３の間の幾つかの固有の幾何学的方位で達成することができる。光レベルに変化を生じさせることを目的とした各方位は、ミラーの凝縮の有無に応じてイメージングシステム内のイメージングセンサによって観察された。
【００５２】
図２は、イメージングシステムの開始プロセスと、後続の基準情報の収集を説明している。電源が投入（２０）されると、凝縮表面がペルチェ熱ポンプによって加熱（２１）され、凝縮表面温度が試料キャビティ２１の露点を確実に上回るようにされる。凝縮表面が加熱された後、イメージングシステムからの初期基準画像が解析システムに送られる（２２及び２３）。この初期画像は、例えばエッジ検出アルゴリズムなどの解析アルゴリズムを適用する（２４）ことによって、画像内の凝縮表面の位置を定めるのに使用される。エッジ検出アルゴリズムは、生成された画像内の各ピクセルにおける輝度測定値の偏差を定めることによって作動する。各ピクセルの輝度レベルは、８ビットのグレースケールを用いて記述される。光を全く受光せず完全に黒いピクセルのグレースケール値は０であり、光で飽和され完全に白いピクセルのグレースケール値は２５５である。凝縮表面の位置が決定する（２５）と、凝縮表面の周囲が幾何学的に定められ、凝縮表面の周囲の内側領域が、後続の全ての解析における関心領域（ＲＯＩ）として定められる（２６）。ＲＯＩの決定の直後に、該領域の基準画像が、後続の比較のためにシステムメモリ内に格納される（２７）。ＲＯＩが決定されると、後続の画像のＲＯＩが、例えばヒストグラムアルゴリズムなどの解析アルゴリズムを用いて解析される（２８）。ヒストグラムアルゴリズムは、ＲＯＩ内の各ピクセルの輝度レベルの統計レポートを作成する（２９）。関心のある主要値が、例えばグレースケール分布の平均及び標準偏差、それぞれＧＳａｖｇ及びＧＳｓｔｄｅｖといった統計レポートから抽出される。これら初期画像のＲＯＩのグレースケール分布統計値は、基準値として格納される（３０）。乾燥した凝縮表面の標準的な値は低く、例えば、ＧＳａｖｇについて４０乃至６０であり、ＧＳｓｔｄｅｖについて１５乃至２０である。
【００５３】
基準画像及び取得された基準統計値が格納されると、ヒートポンプ用のコントローラが凝縮表面の冷却を開始する（３１）。凝縮表面が冷却を始めると、イメージングシステムは、例えば毎秒３０画像といった高速で画像を生成する。各画像のＲＯＩは、ヒストグラムを用いて解析される。ヒストグラムアルゴリズムは各画像におけるＧＳａｖｇ及びＧＳｓｔｄｅｖを報告する（３２）。凝縮表面の温度が試料キャビティ内の露点に達すると、凝縮表面上で凝縮の形成が始まる（３３）。凝縮表面上への凝縮形成は、ＧＳａｖｇ及びＧＳｓｔｄｅｖを増大させる（３４）。ＧＳａｖｇが、例えば１００乃至１２０ＧＳａｖｇ単位といった制御レベルを超えて増大した場合、制御ループは凝縮表面の加熱を開始して凝縮表面上の凝縮の継続的な成長を遅くする。コントローラは、典型的には１００乃至１２０ＧＳａｖｇ単位である制御値を維持するように凝縮表面温度を変化させる（３５）。ＧＳａｖｇがこの定常状態の条件に到達すると、凝縮表面温度が、試料キャビティ内の雰囲気露点として温度デバイスから読み出される（３６）。
【００５４】
図３は、イメージングシステムからの出力データの統合と、既存技術の一実施例からの電気光学制御回路を用いた解析システムによる後続処理の一実施例を示すフローチャートである。このフローチャートは、１つ又はそれ以上の従来技術の特許（Ｈａｒｄｉｎｇ、米国特許第４，２１６，６６９号）で示されるような詳細な電気制御理論を示すことを意図するものではない。このフローチャートは、この発明で説明された光学システムと既存技術との統合の例を示すことを意図している。
【００５５】
イメージングシステム１が提供する出力データは、凝縮表面３の状態を含む関心領域を表すビデオ信号である。出力データは、試料キャビティの照明技法、ビデオ画像の強調に使用することができる何らかのフィルタリング又はアルゴリズム、並びに測定されている実際の露点を含む、多くのパラメータの関数である。更に、出力データのフォーマットは、制御回路へ出力される前にイメージングセンサの出力に対して行われる処理又は解析のレベルに依存する。出力データは、イメージングセンサの技術がアナログかデジタルであるかに依存すると共に、イメージングセンサの解像度に依存することになる。フォ−マットに関係なく、共通のスレッドは、イメージングシステムからの出力データが、例えば、イメージングシステムの焦点領域を表す生デジタルデータ又はビットマップといったビデオ信号である点である。ビデオ信号が実際にアナログである場合、解析における１つの可能性のある選択肢は、ビデオ信号をアナログ信号からデジタル信号に変換することである。本明細書で示されるフローチャートは、デジタル技術であることを想定し、或いはアナログ又は他の技術である場合に例えば生デジタル信号への変換が行われることを想定したイメージングシステムからの出力ビデオデータの使用を記述している。
【００５６】
また、生デジタル信号の出力は、既存技術において既に理解されている技法である。イメージングシステムと解析システム間のインターフェースは、例えば既存技術の「スマート・イメージングセンサ」におけるような、イメージングシステムにローカルに配置された解析システムと例えば直接同期させることができ、或いは、例えば産業用標準コントローラデバイス又はＰＣ様デバイスである、遠隔配置の解析システムに直接同期させることができる。更に、イメージングシステムからローカル配置又は遠隔配置の何れの解析システムへの出力データの出力も、例えば先入れ先出しメモリを用いて処理することができ、ここで最新画像が継続的にイメージングシステムによって格納され、更なる処理のために解析システムによって読み出される。この処理は、データ抽出の目的でデジタル画像に解析アルゴリズムを適用すること、又は、例えばフラットパネルディスプレイ上でエンドユーザに提示されるべき可視画像を生成するソフトウェア業務を適用することを含むことができる。更に、この処理は、制御回路の回路内に格納され、事前設定条件によって必要に応じ所定シーケンスで呼び出される「組込み」アルゴリズムによって実行することができる。また、ビデオ信号の処理は、既存技術「フレームグラバ」によって実行することができる。これらのフレームグラバは、多くの種類のビデオ信号を受け取り、ビデオ信号からデータを抽出する目的でビデオ信号を受信するアルゴリズムを適用するインターフェースをユーザに提供する。使用された方法に関係なく、本明細書で示される実施例は、ビデオデータ出力及び操作の当業者が、同じ目標を達成することができる多くの方法の１つである。
【００５７】
本発明のこの実施形態において示される技法は、例えば、６４０×４８０ピクセルの解像度を有する白黒イメージングセンサを備えるイメージングシステムを含む。イメージングセンサ内の各ピクセルは、例えば８ビットである輝度のデジタル値によって記述され、ここで色の欠如はゼロの値によって表され、飽和した光は値２５５で表される。この白黒画像は、生デジタル画像として、先入れ先出しメモリチップに出力される（４０）。次いで、この生デジタル画像は、イメージングシステムによって出力される次の画像によって上書きされるか、或いは、解析システムが該画像を先入れ先出しメモリチップから、処理、データ抽出又は画像表示のために該生デジタル画像を消去するまで一時的に格納される（４１及び４２）。この画像が解析システムに出力されると、開始シーケンスによって既に定められたＲＯＩに関して、例えばヒストグラムアルゴリズムなどの解析アルゴリズムを用いて画像が解析される（４３）。ヒストグラムアルゴリズムは、各ピクセルの輝度値を示す統計データセットを生成する。次いで、解析回路は、例えば平均値及び標準偏差といったヒストグラムの代表値の出力ストリングを生成する。出力ストリングにおいて提示されるデータは、制御回路がペルチェ熱電クーラを作動させ、所定の制御値が達成されるまで加熱及び／又は冷却するのに利用される。出力ストリングにより所定値が出力されると、温度デバイスから温度が読み出され（４６）、測定されている試料ガスの露点としてシステムに報告される。
【００５８】
解析システムによって実行される次の段階は、報告された露点が、過冷却水が存在することで知られる所定の温度内にあるか否かを確認する（４８）ことである。過冷却水は、０℃のバルク凍結点よりも低温で存在する動力学的な液相水であり、理論的には−４０℃程の低温で存在できる。液体水の水蒸気と固体氷の水蒸気との間に蒸気圧の差があることから、正確に測定するためにはこれらを区別する必要がある。既存技術には、この温度範囲内の凝縮相を識別する能力がないため、定常状態での応答時間の延長及び測定誤差の増大につながる可能性がある。報告された露点がこの所定の範囲内にある場合には、イメージングセンサからの出力画像は、例えばｂｌｏｂ解析アルゴリズムといった追加のアルゴリズムを用いて解析され、凝縮相を求めることになる（５０）。ｂｌｏｂ解析アルゴリズムにより、例えば輝度、形状、寸法、量、並びに他の幾何学的特性の組み合せなどのある種の特徴を含むピクセル群に対してＲＯＩがピクセルレベルで問合せ可能となる。識別された「ｂｌｏｂｓ」のこれらのパラメータは、ヒストグラムアルゴリズムからの統計値と共に出力ストリングに付加され、制御回路に出力される（５１）。ミラー表面上にどのように異なる凝縮相が形成されるかは既存技術で周知であるので、ｂｌｏｂ解析アルゴリズムによって出力ストリングで出力されるパラメータから凝縮相を求めることができる。出力ストリングが凍結凝縮を示す場合には（５２）、計器は霜点を報告することになる（５３）。さもなければ、データが液相凝縮を示す場合には、計器は露点を報告することになる（５４）。この技法は、本明細書で説明された本発明が、従来技術のシステムにおいては問題を生じたこの温度領域における迅速で正確な測定を行うことを可能とする。
【００５９】
図４は、凝縮表面上の汚染を処理するプロセスを示している。従来技術のシステムにおけるこのテーマは、多年にわたり多くの注目を集めてきた。汚染は、凝縮湿度計の唯一の欠点であると長い間考えられており、その存在に対処するための多くの方法が当技術分野において示されてきた。例えば、Ｃｏｒｉｏｌｉｓに付与された米国特許第２，８９３，２３７号、Ｂｉｓｂｅｒｇに付与された米国特許第３，６２３，３５６号、Ｈａｒｄｉｎｇに付与された米国特許第４，２１６，６６９号、Ｄｏｓｏｒｅｔｚに付与された米国特許第４，６２９，３３３号及びＳｃｈｗｉｅｓｏｗに付与された米国特許第５，２２７，６３６号を基準されたい。最も初期の既存技術では、ミラーを凝縮物で充満させて可溶性の汚染物を吸収させ、引き続いて急速に加熱することによって汚染物を蒸発させることが説明されている。他の既存技術は、凝縮表面を充満させて汚染物を強制的に一体化させ、次いで凝縮物を蒸発させて、汚染物をミラー表面にわたって均一に分布させずに、局部的に密集したポケット内に再分布させることを説明している。別の既存技術は、凝縮又は汚染の何れかによって吸収されるように調整された波長を用いた複式光学デバイスを提示している。汚染補償のメカニズムは、汚染物が凝縮湿度計によって処理されるという点で更なる改良が全て行われている。これらのメカニズムの大部分の共通のテーマは、これらの情報源が凝縮表面の全領域からの反射光の蓄積に限定されることである。
【００６０】
本発明で説明されたプロセスは、凝縮表面を何千もの小さな領域に幾何学的に分割しこれらの領域の各々を表すデータを解析するイメージングテクノロジーの能力を利用することによって既存技術を改良する。幾何学的分解能の大きさは、イメージングセンサの解像度によってのみ限定される。例えば、６４０×４８０ピクセルのイメージングセンサが直径０．１２５インチの凝縮表面を解析する場合は、システムは７．５ミクロン×１０ミクロンの面積を解像することができる。この面積を解像することができることに加えて、説明された本発明は、同じ箇所を短時間で繰り返し位置決め及び／又は追跡することもできる。
【００６１】
例えばｂｌｏｂ解析などの解析アルゴリズムと共にこの技法を用いると（６１）、提案された発明は、幾何学的特性及び／又は反射特性が表面温度によって変化しない「ｂｌｏｂｓ」を識別する（６２）。所定の時間周期にわたる、これらの汚染「ｂｌｏｂｓ」の特性を識別して解析し（６３）、及び「ｂｌｏｂｓ」を汚染として識別（６４）した後、凝縮表面上に占める領域は、解析される関心領域から除くことができる（６５）。この汚染識別及び解析領域からの除去のプロセスは、既存技術において示される自動清浄プロセスと併せて、ユーザのメンテナンスに要求される時間間隔を大幅に低減させることになる。
【００６２】
別の懸念される領域は可溶性汚染である。可溶性汚染は、凝縮表面上に溶質の膜蒸着を残留する能力があり、間違った露点測定値をもたらす可能性がある。凝縮への核生成の影響は既存技術においてよく理解されており、ギブスの自由エネルギー則に支配される。核生成は、凝縮の形成障壁が低いことに起因して最初に凝縮が形成される表面上の優先的領域が存在することに影響する。凝縮表面に汚染膜が存在すると、該表面の表面エネルギーが変化し、凝縮生成の順序が変わることになる。汚染のない凝縮表面の凝縮形成の履歴を認識する（６６）ことによって、「ｂｌｏｂ」アルゴリズムで識別されたどのような偏差も、膜汚染の存在を示す（６７）か、又は凝縮表面の表面エネルギーを変化させた何か別の手段を示す（６８）ことにつながる。この類の汚染識別は、点検要求の起動に利用して、誤った測定の可能性を排除することができる。これらの汚染「ｂｌｏｂｓ」を示す情報は、イメージングシステムからの出力ストリングに付加され、決定されたＲＯＩからの除去（６９）するよう制御回路に提供される。
【００６３】
上述のように、解析システムと共にイメージングシステムを使用して、ビデオ画像を生成し引続き処理する概念が提示された。本発明の目標の１つは、凝縮検出システムに存在する既存技術を改良することである。具体的には、画像生成におけるデジタルイメージングセンサの使用、及びデータ抽出のためのエッジ検出、ヒストグラム、及びｂｌｏｂ解析アルゴリズムの適用、及びこれに続く制御回路による処理及び制御である。本明細書の全体の目的は、凝縮検出の目的のための画像解析及びデータ抽出の概念を提示することである。凝縮検出及び／又は画像処理の当業者には、この同じ概念を実施することができる無数の可能性が存在することは明白である。可能性の数は、画像処理アルゴリズムの現在又は将来にわたる利用可能性によってのみ限定される。本明細書の意図は、前記の一般的概念を説明すること、並びに従来技術の凝縮検出に対する改良を実施する場合の幾つかの選択肢の１つを提示することである。
【００６４】
本発明を好ましい実施形態を含み詳細に説明してきた。しかしながら、当業者には、本発明の開示を検討すると本発明の修正及び／又は改良を行うことができ、それでも尚、特許請求の範囲に示される本発明の範囲及び精神内にあることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】組み込まれた本発明の画像検出システムの好ましい実施形態を備える代表的な鏡面冷却式の湿度計センサの断面図。
【図２】解析システムが初期測定シーケンスを取得する段階を説明する、イメージングシステムの開始プロセスを記述するフローチャート。
【図３】イメージングシステムからの出力の統合及び解析システムによって実行される処理を示すフローチャート。
【図４】凝縮表面上の汚染の存在に対処するのに使用される１つの概念を説明するフローチャート。
【符号の説明】
【００６６】
１ イメージングシステム
２ 試料キャビティ
３ 凝縮表面
４ 温度センサ
５ ヒートポンプ
６ 冷却プレート

Claims (19)

1. ２つの端部を有するチャンバを収容し、その一方の端部に凝縮表面が配置された、解析されるべきガスを前記チャンバへ導入するための少なくとも１つのチャネルを有する中央本体部と、
   前記凝縮表面とは反対側にある前記チャンバの端部に配置された画像取得デバイスと、
   前記凝縮表面の取得画像を解析するための処理デバイスと、
   を備えるガス解析のための画像処理装置。
2. 前記凝縮表面が、前記画像取得デバイスのレンズに面する反射面を有するミラーであることを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
3. 前記処理デバイスが、マイクロプロセッサ／マイクロコンピュータであることを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
4. 自動制御システムを更に備える請求項１に記載の画像処理装置。
5. 前記凝縮表面の近傍に配置された温度センサを更に備える請求項１に記載の画像処理装置。
6. 前記温度センサが、前記中央本体部の下に配置された基部組立体内に収容されていることを特徴とする請求項５に記載の画像処理装置。
7. 前記温度センサが、前記凝縮表面の下に配置されることを特徴とする請求項６に記載の画像処理装置。
8. 前記温度センサ及び前記凝縮表面の近傍に配置されたヒートポンプを更に備える請求項７に記載の画像処理装置。
9. 前記ヒートポンプが、前記中央本体部の下に配置された基部組立体内に収容されることを特徴とする請求項８に記載の画像処理装置。
10. 前記ヒートポンプが、前記温度センサの下に配置されることを特徴とする請求項８に記載の画像処理装置。
11. 冷却プレートを更に備える請求項１に記載の画像処理装置。
12. 前記冷却プレートが、前記ヒートポンプの下に配置されることを特徴とする請求項１１に記載の画像処理装置。
13. 前記画像取得デバイスが、圧力カバーに取付けられることを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
14. 前記圧力カバーが、前記中央本体部に係合するときに密封部を形成することを特徴とする請求項１３に記載の画像処理装置。
15. 前記温度センサからの入力部を更に備える請求項１３に記載の画像処理装置。
16. 前記画像取得デバイスからの入力部を更に備える請求項１３に記載の画像処理装置。
17. 前記画像取得デバイス及び前記ヒートポンプへの出力部を更に備える請求項１３に記載の画像処理装置。
18. ２つの端部を有するチャンバを収容し、その一方の端部に、画像取得デバイスのレンズに面する反射面を有する凝縮表面が配置され、解析されるべきガスを前記チャンバへ導入するための少なくとも１つのチャネルを有する中央本体部と、
    前記凝縮表面とは反対側にある前記チャンバの端部に配置された画像取得デバイスと、
    を備えるガス解析のための画像処理装置であって、
    前記画像取得デバイスが、前記中央本体部に係合するときに密封を形成するカバーに取付けられ、前記カバーは前記画像取得デバイスの出力配線を通す密封式電気コネクタを有し、前記画像処理装置が更に、
    前記凝縮表面の近傍に配置された温度センサと、
    前記温度センサの近傍に配置されたヒートポンプと、
    前記ヒートポンプの近傍に配置された冷却プレートと、
    前記凝縮表面の取得画像を解析するための処理デバイスと、
    を備える画像処理装置。
19. 露点解析のための画像処理装置であって、
    ２つの端部を有するチャンバを収容し、その一方の端部に、画像取得デバイスのレンズに面する反射性鏡面と上面と下面とを有する凝縮表面が配置され、解析されるべきガスを前記チャンバへ導入するための少なくとも１つのチャネルを有する中央本体部と、
    前記凝縮表面とは反対側にある前記チャンバの端部に配置された画像取得デバイスと、
    を備えるガス解析のための画像処理装置であって、
    前記画像取得デバイスが、前記中央本体部に係合するときに密封を形成する圧力カバーに取付けられ、前記圧力カバーは前記画像取得デバイスの出力配線を通す密封式電気コネクタを有し、前記画像処理装置が更に、
    温度センサ、ヒートポンプ、及び冷却プレートを有し、前記温度センサは前記凝縮表面の下面の下に配置され、前記ヒートポンプは前記温度センサの下に配置され、前記冷却プレートは前記ヒートポンプの下に配置される基部組立体と、
    前記温度センサ及び画像取得デバイスからの入力部を有する、前記凝縮表面の取得画像を解析するための処理デバイスと、
    を備え、制御システムが前記画像取得デバイス及び前記ヒートポンプへの出力部を有することを特徴とする画像処理装置。

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