特開 2023-50352 煙霧透過率測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023050352

(43)【公開日】2023-04-11

(54)【発明の名称】煙霧透過率測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/59 20060101AFI20230404BHJP

【ＦＩ】

G01N21/59 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021160411

(22)【出願日】2021-09-30

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100131495

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 健児

(72)【発明者】

【氏名】堀上 卓磨

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA05

2G059BB01

2G059CC19

2G059EE01

2G059GG02

2G059JJ11

2G059JJ17

2G059KK01

2G059MM14

2G059NN07

(57)【要約】

【課題】道路トンネル内の煙霧透過率測定に用いられる煙霧透過率測定装置において、校正は設定間隔（通常は２週間程度）でしか行えず、メンテナンス性の低い遮蔽機構を用いている。
【解決手段】本発明の煙霧透過率測定装置の投光部１１には、ＬＥＤ１２と、投光レンズ１３と、投光レンズ１３を光学系汚れから保護する防塵窓Ａ１４を有し、受光部１６は、受光素子１９と、校正用受光素子２３と、受光レンズ１８と、受光レンズ１８を光学系汚れから保護する防塵窓Ｂ１７を有し、ＬＥＤ１２で投射された光を投光部１１内から受光部１６内に直接伝搬する光ファイバーケーブル２１を有し、ＬＥＤ１２から投射された光は防塵窓Ａ１４、光ファイバーケーブル２１および、防塵窓Ｂ１７を通過し、校正用受光素子２３に入光し、防塵窓Ａ１４および防塵窓Ｂ１７の光学系汚れによる校正用受光素子２３の出力低下を補正することにより常時校正を行う。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源を有する投光部と、前記光源から投射された光を受光する受光器を有する受光部と、前記受光器から出力される電気信号を演算処理する処理部を有し、前記投光部と前記受光部の間を測定空間とする煙霧透過率測定装置において、
前記投光部内から前記受光部内に直接伝搬する光ファイバーケーブルが敷設され、
前記投光部は、前記光源を光学系汚れから保護する防塵窓Ａを有し、
前記受光部は、前記受光器を光学系汚れから保護する防塵窓Ｂと、校正用受光素子を有し、
前記光源で投射された光は、
前記防塵窓Ａ、前記測定空間、前記防塵窓Ｂを経由して前記受光素子に入るとともに、
前記防塵窓Ａ、前記光ファイバーケーブル、前記防塵窓Ｂを経由して前記校正用受光素子に入る煙霧透過率測定装置。

【請求項2】

前記処理部は、所定の校正周期ごとに、前記校正用受光素子の出力を校正光出力Ｔｏとして測定し、
最新の校正光出力Ｔｏ_ｎと前回測定の校正光出力Ｔｏ_ｎ－１と前回の補正値ゲインＫ_ｎ－１を用い、（式１）によって最新の補正値ゲインＫ_ｎを求める請求項１記載の煙霧透過率測定装置。
Ｋ_ｎ＝Ｋ_ｎ－１×（Ｔｏ_ｎ－１／Ｔｏ_ｎ） ・・・・・・（式１）

【請求項3】

前記処理部は、所定の測定周期ごとに、前記受光器の出力を測定光出力Ｔｍとして測定し、
前記最新の校正光出力Ｔｏ_ｎと前記最新の補正値ゲインＫ_ｎと前記測定光出力Ｔｍを用い、（式２）によって、煙霧透過率を求める請求項２記載の煙霧透過率測定装置。
煙霧透過率（％）＝Ｋ_ｎ×（Ｔｍ／Ｔｏ_ｎ）×１００ ・・・・・・（式２）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、道路トンネル内の煙霧透過率測定に使用される煙霧透過率測定装置の光学系汚れの校正に関するものである。

【背景技術】

【0002】

道路トンネル内では、走行する自動車の排出ガス中に含まれる有害物質により視界が妨げられ、道路トンネル利用者の安全な通行に影響を及ぼす。そこで、道路トンネル内におけるヒトの目による見え方を煙霧透過率として数値化し、その測定デ－タをもとに換気設備の制御を行う方法が実施されている。

【0003】

道路トンネル内の煙霧透過率測定に用いられる、従来の煙霧透過率測定装置は、一般的に投光部と受光部を１００ｍ離して設置されている。投光部に設けられた光源は、受光部に向けて光を投射し、受光部に設けられた受光素子は、その投射された光を受光する。受光素子は、受光した光を電気信号（受光信号）に変換する。煙霧透過率は、受光信号を処理部で演算処理することにより得られる。投光部の光源から投射された光は、道路トンネル内に存在する煤煙の微粒子の吸収および散乱により減衰して受光素子に到達するので、受光信号を変換して得られる煙霧透過率は、道路トンネル内の汚れの度合いに応じたものとなる。そして、この煙霧透過率は、処理部で演算処理することにより得られる。また、道路トンネル用換気制御装置（トンネル内に設置されたジェットファンとその運転制御を行う制御盤等）は、算出された煙霧透過率を基に道路トンネル内の視環境改善のための換気機運転を行う。

【0004】

この種の煙霧透過率測定装置は、長期間の使用で光学系（投光部および受光部内の防塵窓等、光が通過する部位）が汚れると、受光素子で受光する光量が低下し、受光素子の出力により算出している煙霧透過率が低下してしまうため、光学系の汚れを校正する機能を有している（例えば、特許文献１参照）。

【0005】

以下、その煙霧透過率測定装置の光学系汚れの校正方法について図３および図４を参照しながら説明する。

【0006】

受光部１０６は、箱型の筐体に円筒状の受光筒１２２を設け、受光筒１２２の開口に測定光が入射するものである。受光部１０６の内部には、遮蔽板１１４と遮蔽板１１４を動かすロータリーソレノイド１１３が設けられている。遮蔽板１１４は、受光筒１２２の開口を開閉するよう、ロータリーソレノイド１１３によって回転させられる。ロータリーソレノイド１１３は、処理部１１６からの指示により駆動する。図４に示すように処理部１１６がＯＦＦ指令を送ると、ロータリーソレノイド１１３は、受光部１０６の開口を開放するよう、遮蔽板１１４を回転させ、遮蔽板１１４は遮蔽ＯＦＦ状態の位置となる。その結果、投光部１０１の光源１０２からの光は、開口を通って受光素子１０９に到達する。一方、処理部１１６がＯＮ指令を送ると、ロータリーソレノイド１１３は、受光部１０６開口を遮蔽するよう、遮蔽板１１４を回転させ、遮蔽板１１４は遮蔽ＯＮ状態の位置となる。その結果、光源１０２の光は、開口を通過せず、受光素子１０９に到達しないことになる。

【0007】

そして、投光部１０１と受光部１０６の間には、光ファイバーケーブル１１１が設けられている。光ファイバーケーブル１１１の一端側は、投光部１０１内で、防塵窓１０４を挟んで光源１０２と対向して設けられている。光ファイバーケーブル１１１の他端側は、受光部１０６内で、防塵窓１０７を挟んで受光素子１０９と対向して設けられている。なお、光ファイバーケーブル１１１は、その途中に光スイッチ１１２が設けられ、光スイッチ１１２の動作により、他端側からの光の放射をＯＮ／ＯＦＦする。また、光ファイバーケーブル１１１には、端部にコリメータ１１０、１１５、１１８，１１９が設けられており、受光した光を平行光線として投射する（光ファイバーケーブル１１１は、光スイッチ１１２の取付部において切断されているので、切断箇所にもコリメータ１１８，１１９が設けられている）。

【0008】

光スイッチ１１２は、煙霧透過率測定装置が煙霧透過率を測定する場合（通常時）には、遮断状態となり、煙霧透過率測定装置が校正を行う場合（校正時）には、開放状態となる。

【0009】

校正は通常、２週間程度の間隔で行われる。校正を行う際には、処理部１１６は、ロータリーソレノイド１１３に対しＯＮ指令を出力するとともに、光スイッチ１１２を開放状態にする。この状態で、投光部１０１からの光は、光ファイバーケーブル１１１を経由してコリメータ１１５から投射される。そして、防塵窓１０７および受光レンズ１０８を介して受光素子１０９で受光し、受光素子１０９は、最新校正光の出力信号を出力する。処理部１１６は、この最新校正光の出力信号と、前回の校正光の出力信号と比較する。校正光の出力信号は、光学系の汚れに応じて信号レベルが低下するため、前回値との差分によって、光学系の汚れを補正している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開昭５９－１１６０３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

従来の煙霧透過率測定装置においては、上記の通り長期間の使用で投光部と受光部の防塵窓が汚れるため、校正を行っている。校正時には、遮蔽板１１４がロータリーソレノイド１１３の回転運動によって遮蔽板１１４の位置がズレることがある。これについて図４を用いて説明する。図４は空間１０５側から受光部１０６内部を見た時の遮蔽機構を示した図である。ロータリーソレノイド１１３の軸には、先端に遮蔽板１１４を固定した腕部品１２０が取り付けられている。ロータリーソレノイド１１３の軸と腕部品１２０はネジで固定されている。すなわち、ロータリーソレノイド１１３の回転によって、遮蔽板１１４を動かして受光筒１２２の開口を開閉する。ロータリーソレノイド１１３が回転を繰り返すと、遮蔽板１１４を固定しているネジが緩むことがある。そのため、ロータリーソレノイド１１３の回転が遮蔽板１１４にうまく伝わらずに、受光筒１２２の開口部が完全に遮蔽されず、メンテナンスが必用という課題を有していた。

【0012】

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、校正用受光素子を受光部内に配置することにより、正確でメンテナンス性を向上した煙霧透過率測定装置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】

【0013】

上記課題を解決するため、本発明は、光源を有する投光部と、前記光源から投射された光を受光する受光器を有する受光部と、前記受光器から出力される電気信号を演算処理する処理部を有し、前記投光部と前記受光部の間を測定空間とする煙霧透過率測定装置において、
前記投光部内から前記受光部内に直接伝搬する光ファイバーケーブルが敷設され、
前記投光部は、前記光源を光学系汚れから保護する防塵窓Ａを有し、
前記受光部は、前記受光器を光学系汚れから保護する防塵窓Ｂと、校正用受光素子を有し、
前記光源で投射された光は、
前記防塵窓Ａ、前記測定空間、前記防塵窓Ｂを経由して前記受光素子に入るとともに、
前記防塵窓Ａ、前記光ファイバーケーブル、前記防塵窓Ｂを経由して前記校正用受光素子に入るものであり、これにより、所期の目的を達成するものである。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、受光部は、測定空間を通過した測定光を受光する受光器と、校正用の光ファイバーケーブルを通過した校正光を受光する校正用受光素子を有するので、測定光と校正光を同時に受光できることになる。これにより、従来設定間隔（通常は２週間程度）でしか行えなかった校正が常時行えるようになり、従来メンテナンスが必要であった遮蔽機構が不要となる。そのため、より正確でメンテナンス性を向上させて光学系汚れを校正することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施の形態１にかかる煙霧透過率測定装置の概略構成図

【図2】同実施の形態１の煙霧透過率測定装置の処理部フローチャート

【図3】従来の煙霧透過率測定装置構成図

【図4】従来の煙霧透過率測定装置の遮蔽部拡大図

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

【0017】

（実施の形態１）
図１は、道路トンネル用煙霧透過率測定装置の構成図を示している。

【0018】

煙霧透過率測定装置は、一端側を開口した筒型の筐体を有した投光部１１と、同じく一端側を開口した筒型の筐体を有した受光部１６と、出力信号を処理する処理部２５で構成されている。

【0019】

初めに、通常測定で用いる構成を説明する。投光部１１は光源２６（ＬＥＤ１２と投光レンズ１３）を備えている。ＬＥＤ１２と投光レンズ１３は、投光部１１内に一直線に配置され、ＬＥＤ１２から投射された光は、投光レンズ１３で偏向されて後述する受光部１６に入射される。防塵窓Ａ１４は投光部１１外の空気と投光レンズ１３が直接接しないように、投光部１１の筐体内を開口側と投光部１１側に二分するように設けられている。すなわち、光源２６から投射された光は、防塵窓Ａ１４を通って受光部１６へ到達することになる。

【0020】

受光部１６は、受光器２７（受光素子１９と受光レンズ１８）を備えている。投光部１１と同様に、受光素子１９と受光レンズ１８は、受光部１６内に一直線に配置されている。そして、光源２６から投射された光は、受光レンズ１８で偏向され受光素子１９で受光される。また、防塵窓Ｂ１７は受光部１６外の空気と受光レンズ１８が直接接しないように、受光部１６の筐体内を開口側と受光部１６側に二分するように設けられている。受光器２７は、光源２６からの光を検出し、処理部２５へ電気信号として伝達する。なお、詳しくは後述するが、受光部１６内には、校正用受光素子２３が備えられている。

【0021】

投光部１１と受光部１６は、一般的に１００ｍ離れた場所に設置される。投光部１１と受光部１６の配置の際には、投光部１１の光源２６から投射された光が受光部１６の受光器２７で受光できるように、投光部１１、受光部１６の光軸が合わせられている。

【0022】

処理部２５は、受光器２７から伝達された電気信号を用いて煙霧透過率を算出する。煙霧透過率とは、投光部１１と受光部１６の間の測定空間１５におけるヒトの目による見え方を数値化したものである。道路トンネル内の空気の汚れ度合いは、一般的に、投光部１１と受光部１６の間の１００ｍの測定空間１５での煙霧透過率を用いて表している。

【0023】

次に、校正測定で用いる構成を説明する。

【0024】

道路トンネルに設置される煙霧透過率測定装置において、投光部１１内の防塵窓Ａ１４および受光部１６内の防塵窓Ｂ１７は、ムラなく一様に汚れると推定される。防塵窓Ａ１４、防塵窓Ｂ１７ともに筐体内に収められ、トンネル内において発生する局所的な汚れを受けにくいからである。このことを利用し、光源２６から投射された光が防塵窓Ｂ１７の異なる位置を通過しても同様の出力を得られるという考えのもと、本発明に至った。以下、詳細を説明する。

【0025】

投光部１１と受光部１６の間には、光ファイバーケーブル２１が設けられている。光ファイバーケーブル２１の一端側は、投光部１１内で、防塵窓Ａ１４を挟んで光源２６と対向して設けられている。光ファイバーケーブル２１の他端側は、受光部１６内で、防塵窓Ｂ１７を挟んで校正用受光素子２３と対向して設けられている。なお、光ファイバーケーブル２１には、端部にコリメータ２０、２２が設けられており、受光した光を平行光線として投射する。光ファイバーケーブル２１の受光部１６側端部は、投光部１１側に向けて配置されている。すなわち、光ファイバーケーブル２１の受光部１６側端部は、防塵窓Ｂ１７に対し、受光器２７と同じ側に設けられている。

【0026】

校正用受光素子２３は、防塵窓Ｂ１７を挟んで光ファイバーケーブル２１の受光部１６側端部（コリメータ２２側）と対向して配置されている。そして、校正用受光素子２３は、光ファイバーケーブル２１（コリメータ２２）から投射される校正光以外の光を受光しないよう、筒状の校正用受光素子カバー２４を備えている。図１に示すように、校正用受光素子２３は、防塵窓Ｂ１７に対し、測定空間１５側に配置されるので、防塵窓Ｂ１７に付着する汚れを阻害しないよう、十分小さい径とすることが好ましい。また、校正用受光素子カバー２４は筒状としたが、校正光以外の光を遮るような形状であれば筒状に限られるものではない。

【0027】

上記構成による煙霧透過率測定装置の校正方法について説明する。

【0028】

まず、投光部１１、あるいは受光部１６内の汚れについて説明する。この種の煙霧透過率測定装置では、道路トンネル内に存在する煤煙の微粒子が投光部１１あるいは受光部１６内に侵入することになる。投光部１１内に侵入した煤煙の微粒子は、防塵窓Ａ１４に付着して、防塵窓Ａ１４を通過する光量を低下させることになる。同様に、受光部１６内に侵入した煤煙の微粒子は、防塵窓Ｂ１７に付着して、防塵窓Ｂ１７を通過する光量を低下させることになる。すなわち、煙霧透過率測定装置を長期間使用すると、トンネル内の正確な煙霧透過率を測定することが難しくなるので、防塵窓Ａ１４と防塵窓Ｂ１７の光学系の汚れを補正するため校正を行う。

【0029】

煙霧透過率を測定する場合、受光器２７は、測定空間１５を通った測定光を受光し、測定信号として出力する。すなわち、光源２６から投射された光は、防塵窓Ａ１４、測定空間１５（投光部１１と受光部１６の間）、防塵窓Ｂ１７を通過して、受光器２７で受光する。受光器２７は、受光した測定光を電気信号として出力し、処理部２５に伝達する。処理部２５は、後述する校正によって得られた最新のゲインＫ_ｎを用いて、測定空間１５の煙霧透過率を算出している。

【0030】

一方で、煙霧透過率測定装置が校正を行う場合、すなわち、汚れてきた光学系の校正を行う場合（校正測定）、校正用受光素子２３は、測定空間１５を経由せず、光ファイバーケーブル２１を通った校正光を受光し、校正信号として出力する。すなわち、光源２６から投射された光は、防塵窓Ａ１４、光ファイバーケーブル２１、防塵窓Ｂ１７を通過して校正用受光素子２３に入光する。校正用受光素子２３は、受光した校正光を電気信号として出力し、処理部２５に伝達する。処理部２５は、出力の変化により防塵窓Ａ１４および防塵窓Ｂ１７の汚れに起因する受光量の低下分をゲインＫ_ｎとして算出する。ゲインＫ_ｎは、光学系の汚れ度合いを示し、０～１の数値である（初期値は１）。

【0031】

次に、処理部２５の動作について説明する。

【0032】

処理部２５は、校正用受光素子２３の出力を所定の校正周期ごとに校正光出力Ｔｏとして測定する。最新の校正用受光素子２３の出力を受光量Ｔｏ_ｎとし、校正周期１周期分前の出力を受光量Ｔｏ_ｎ－１とする。この受光量の変化が、光学系の汚れに起因して発生する。すなわち、最新の受光量Ｔｏ_ｎが前回受光量Ｔｏ_ｎ－１と等しくなるよう、汚れ度合いに対応するゲインＫ_ｎを求める。現在保有するゲインをＫ_ｎ－１として、今回校正時、すなわち最新のゲインＫ_ｎは次式で算出される。

【0033】

Ｋ_ｎ＝Ｋ_ｎ－１×（Ｔｏ_ｎ－１／Ｔｏ_ｎ） ・・・・・・（式１）
受光器２７の出力を受光量Ｔｍとすると、校正後の煙霧透過率は次式で算出される。

【0034】

煙霧透過率（％）＝Ｋ_ｎ×（Ｔｍ／Ｔｏ_ｎ）×１００ ・・・・・・（式２）
このようにして、光学系の汚れを補正した煙霧透過率を算出することができる。

【0035】

また、測定用に受光器２７を用い、校正用に校正用受光素子２３を用いることによって、校正周期を短くすることができる。この校正方法について図２のフローチャートを用いて説明する。

【0036】

光源２６から投射された光は測定光用の受光素子１９と校正光用の校正用受光素子２３別々で受光される。図２の右側、校正測定のフローで示すように、処理部２５は、測定光の測定においては、校正によって得られた最新のゲインＫ_ｎを用いて煙霧透過率を出力している。煙霧透過率の出力は、測定光のサンプリング周期ごとに行われる。

【0037】

一方、図２の左側、通常測定のフローで示すように、処理部２５は、校正光の測定を測定光の計測とは独立して行うことができるので、校正光のサンプリング周期（校正周期）ごとに行うことができる。ゲインＫ_ｎの算出は、上述の通りである。

【0038】

このように、図２における通常測定と校正測定とは独立して行われる。したがって、校正測定によって得られた最新のゲインＫ_ｎを通常測定（測定光の測定）に用いて煙霧透過率を算出することにより、光学系の汚れによる出力信号低下分を常時考慮した煙霧透過率の測定を行うことが可能となる。

【0039】

ここで、経験的に道路トンネル内の汚れに起因する光学系の汚れの度合いは、１日程度では微小で煙霧透過率の変化に影響がなく、時間経過によって光学系の汚れ度合いが改善しないことが分かっている。そのため、校正測定のサンプリング周期は、１日以下であれば問題無いが、設置場所の環境によってはサンプリング周期をかなり短い周期、例えば５秒程度に設定してもよい。

【0040】

このように、受光器２７と校正用受光素子２３を用いることにより、通常の測定光の測定と校正光の測定を同時に行うことが可能になる。そして、常時、正確な煙霧透過率を出力することができる。また、従来のようなロータリーソレノイド、遮蔽板を用いた駆動機構を必要としないため、メンテナンス頻度を抑制し、常に校正作業を行うことができる。そして、従来では駆動機構を用いていたため、校正作業を約２週間周期で行っていたが、校正周期を短くして正確な煙霧透過率を求めることができる。

【産業上の利用可能性】

【0041】

本発明によれば、道路トンネル内で用いる煙霧透過率測定装置のような光学系の測定装置の校正に利用することができる。

【符号の説明】

【0042】

１１ 投光部
１２ ＬＥＤ
１３ 投光レンズ
１４ 防塵窓Ａ
１５ 測定空間
１６ 受光部
１７ 防塵窓Ｂ
１８ 受光レンズ
１９ 受光素子
２０ コリメータ
２１ 光ファイバーケーブル
２２ コリメータ
２３ 校正用受光素子
２４ 校正用受光素子カバー
２５ 処理部
２６ 光源
２７ 受光器
１０１ 投光部
１０２ 光源
１０３ 投光レンズ
１０４ 防塵窓
１０５ 空間
１０６ 受光部
１０７ 防塵窓
１０８ 受光レンズ
１０９ 受光素子
１１０ コリメータ
１１１ 光ファイバーケーブル
１１２ 光スイッチ
１１３ ロータリーソレノイド
１１４ 遮蔽板
１１５ コリメータ
１１６ 処理部
１１８ コリメータ
１１９ コリメータ
１２０ 腕部品
１２１ 受光部筐体底面
１２２ 受光筒

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】