特許 7520746 水質画像センサおよびそれに適用される温度調節方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-12

(45)【発行日】2024-07-23

(54)【発明の名称】水質画像センサおよびそれに適用される温度調節方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 33/18 20060101AFI20240716BHJP

【ＦＩ】

G01N33/18 F

G01N33/18 A

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021026391

(22)【出願日】2021-02-22

(65)【公開番号】P2022128075

(43)【公開日】2022-09-01

【審査請求日】2023-12-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】小林 伸次

(72)【発明者】

【氏名】有村 良一

(72)【発明者】

【氏名】城田 昭彦

(72)【発明者】

【氏名】小城 和高

(72)【発明者】

【氏名】早見 徳介

(72)【発明者】

【氏名】金谷 道昭

(72)【発明者】

【氏名】横山 雄

【審査官】小澤 理

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－２０２７７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１３９７６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２０７３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２９４４３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１０４８０６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ３３／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被観測水を保持する観測水槽と、
前記観測水槽内の前記被観測水を撮像する撮像部と、
前記撮像部による撮像の結果に基づいて、前記被観測水の水質を監視する監視部と、
前記観測水槽に導入される前記被観測水と熱交換を行う熱交換器と、
前記観測水槽の周囲の温度を測定する第１の温度センサと、
前記観測水槽に導入される前記被観測水の温度を測定する第２の温度センサと
を具備し、
前記熱交換器は、前記観測水槽に導入される前記被観測水を加熱する加熱部と、冷却する冷却部とを含み、
前記熱交換器は、前記加熱部による前記被観測水の加熱、または前記冷却部による前記被観測水の冷却によって、前記第１の温度センサによって測定される温度と、前記第２の温度センサによって測定される温度とを一致させるように、前記熱交換を行う、水質画像センサ。

【請求項2】

被観測水を保持する観測水槽と、
前記観測水槽内の前記被観測水を撮像する撮像部と、
前記撮像部による撮像の結果に基づいて、前記被観測水の水質を監視する監視部と、
前記観測水槽に導入される前記被観測水と熱交換を行う熱交換器と
を具備し、
前記監視部は、前記撮像部による撮像の結果に基づいて、前記被観測水の鉛直方向における移動速度と、水平方向における移動速度とを算出し、
前記熱交換器は、前記観測水槽に導入される前記被観測水を加熱する加熱部と、冷却する冷却部とを含み、前記加熱部による前記被観測水の加熱、または前記冷却部による前記被観測水の冷却によって、前記水平方向における移動速度が、前記鉛直方向における移動速度よりも大きくなるように、前記熱交換を行う、水質画像センサ。

【請求項3】

被観測水を保持する観測水槽と、
前記観測水槽内の前記被観測水を撮像する撮像部と、
前記撮像部による撮像の結果に基づいて、前記被観測水の水質を監視する監視部と、
前記観測水槽の周囲を冷却するための冷却水と熱交換を行う熱交換器と、
前記観測水槽の周囲を覆うように配置された断熱カバーと
を具備し、
前記熱交換器は、前記断熱カバーの内側の空気を循環させるための空気循環器を有する、水質画像センサ。

【請求項4】

前記熱交換器は、前記冷却水を加熱する機能と、冷却する機能との両方を備えた加熱冷却素子を含む、請求項３に記載の水質画像センサ。

【請求項5】

前記観測水槽の周囲の温度を測定する第１の温度センサと、
前記観測水槽に導入される前記被観測水の温度を測定する第２の温度センサとをさらに具備し、
前記熱交換器は、前記加熱冷却素子による前記冷却水の加熱または冷却によって、前記第１の温度センサによって測定される温度と、前記第２の温度センサによって測定される温度とを一致させるように、前記熱交換を行う、請求項４に記載の水質画像センサ。

【請求項6】

前記断熱カバーの内部に、前記冷却水を導入するための導水路を設けた、請求項３乃至５のうち何れか１項に記載の水質画像センサ。

【請求項7】

前記監視部は、前記撮像部による撮像の結果に基づいて、前記被観測水の鉛直方向における移動速度と、水平方向における移動速度とを算出し、
前記熱交換器は、前記加熱冷却素子による前記冷却水の加熱または冷却によって、前記水平方向における移動速度が、前記鉛直方向における移動速度よりも大きくなるように、前記熱交換を行う、請求項４に記載の水質画像センサ。

【請求項8】

水質画像センサに具備された観測水槽内の被観測水の温度を測定し、
前記観測水槽の周囲の温度を測定し、
前記被観測水の温度と、前記観測水槽の周囲の温度とを一致させるような温度調節を行う、前記水質画像センサのための温度調節方法。

【請求項9】

水質画像センサに具備された観測水槽内の被観測水を撮像し、
前記撮像の結果に基づいて、前記被観測水の鉛直方向における移動速度と、水平方向における移動速度とを算出し、
前記水平方向における移動速度が、前記鉛直方向における移動速度よりも大きくなるように、前記観測水槽の周囲の温度、または前記観測水槽内の前記被観測水の温度を調節する、前記水質画像センサのための温度調節方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、水質の変動を画像により監視する水質画像センサおよびそれに適用される温度調節方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、上下水道の水質の変動を監視する水質センサには、一般的に濁度計、ｐＨ計、導電率計などが使用されていた。近年では、水中の微生物や、微小の浮遊物をカメラで撮像し、撮像された２次元の画像データから、水中に含まれる微生物や藻類の種類、浮遊物の大きさやその量などを解析することによって、水質の変動を画像によりモニタリングする水質画像センサが使用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－２０２７７０号公報

【文献】特開２００５－３２６２４３号公報

【文献】特開平９－２１７４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したように、上下水道の水質変動のモニタリングに水質画像センサを使用する際、その観測対象である水中の微生物や、微小の浮遊物のサイズは、数μｍ～数十μｍのオーダである。

【0005】

水質画像センサは、観測対象を含む被観測水を、例えば石英セル製の観測水槽に保持した状態で撮像する。その際、観測水槽の周囲の空気の温度（以降、「周囲温度」とも称する）が、観測水槽内の観測対象を含む水（以降、「被観測水」とも称する）の温度よりも高いと、観測水槽の周囲から、観測水槽の外壁を介して、観測水槽の内部へと熱が流入し、観測水槽の内壁近傍の水が加熱され、上昇流が発生する。逆に、周囲温度が、被観測水の温度よりも低いと、観測水槽の内部から、観測水槽の外壁を介して、観測水槽の外部へと熱が流出し、観測水槽の内壁近傍の水が冷却され、下降流が発生する。

【0006】

すなわち、周囲温度と被観測水との間に温度差がある場合、観測対象は、熱対流によって移動する。そして、この熱対流による移動速度は、周囲温度と被観測水との温度差が大きくなるほど増加する。

【0007】

したがって、水質画像センサによって、観測対象を高倍率の光学系を用いて撮像し、撮像された２次元の画像データから、前述した解析を行おうとしても、熱対流による移動速度が大きい場合、解析中に観測対象が光学系の視野内で移動し、解析が完了する前に視野から外れてしまい、結果として、信頼性の高い監視結果を得ることができない場合がある。

【0008】

本発明が解決しようとする課題は、信頼性の高い監視結果を得ることができる水質画像センサおよびそれに適用される温度調節方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

実施形態の水質画像センサは、観測水槽と、撮像部と、監視部と、熱交換器とを具備する。観測水槽は、被観測水を保持する。撮像部は、観測水槽内の被観測水を撮像する。監視部は、撮像部による撮像の結果に基づいて、被観測水の水質を監視する。熱交換器は、観測水槽に導入される被観測水と熱交換を行う。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサの部分的な構成例を示す概念図である。

【図2】水質画像センサにおけるサンプリング水槽から観測水槽までの構成例を示すブロック図である。

【図3】サンプリング水槽の構成例を示す概念図である。

【図4】観測水槽が水中に配置される例を示す模式図である。

【図5】監視部によってなされる被観測水の水質監視方法の一例を説明する図である。

【図6】第１の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサの動作例を示すフローチャートである。

【図7】第２の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサの部分的な構成例を示す概念図である。

【図8】水質画像センサにおけるサンプリング水槽から観測水槽までの構成例を示すブロック図である。

【図9】第２の実施形態の変形例１における水質画像センサの部分的な構成例を示す概念図である。

【図10】第２の実施形態の変形例１における水質画像センサにおけるサンプリング水槽から観測水槽までの構成例を示すブロック図である。

【図11】第２の実施形態の変形例２における水質画像センサにおけるサンプリング水槽から観測水槽までの構成例を示すブロック図である。

【図12】第２の実施形態の変形例３における水質画像センサの部分的な構成例を示す概念図である。

【図13】パイプを折り曲げて角コイル状に形成されたジャケットの構成例を示す平面図である。

【図14】第３の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサの動作例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に、本発明の各実施形態を、図面を参照して説明する。

【0012】

［第１の実施形態］
第１の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサについて説明する。

【0013】

図１は、第１の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサの部分的な構成例を示す概念図である。

【0014】

図２は、水質画像センサにおけるサンプリング水槽から観測水槽までの構成例を示すブロック図である。

【0015】

図３は、サンプリング水槽の構成例を示す概念図である。

【0016】

本実施形態の水質画像センサ１０は、図１に例示されるように、光源１２、観測水槽１４、接眼レンズ１６、鏡筒１８、撮像部２０、および監視部２２を備えている。

【0017】

サンプリング水槽３０は、図３に例示されるように、例えば上下水道に接続された導入配管３１を介して、上下水道からの試料水Ａを受け取り、試料水Ａから、観測水槽１４の容積に対応する量の試料水Ａをサンプリングし、サンプリングした試料水Ａを、被観測水Ｓとして、サンプリング配管３３を介して、観測水槽１４へ向けて送液する。

【0018】

また、サンプリング水槽３０では、サンプリング配管３３の取込口を覆うように、金属メッシュ３２が設けられている。これによって、試料水Ａに含まれる粒径の大きな粒子等が、被観測水Ｓとともに観測水槽１４へ送液されないようにしている。

【0019】

また、サンプリング水槽３０には、堰３４および排出配管３５が設けられており、堰３４を越流した試料水Ａは、排出配管３５を介して、サンプリング水槽３０から排出される。また、堰３４の高さは、サンプリング配管３３の取込口の先端よりも高くなっているので、サンプリング水槽３０内における試料水Ａの液位は、サンプリング配管３３の取込口が常に液浸するように、サンプリング配管３３の取込口よりも高く一定に保たれる。

【0020】

図２に示すように、サンプリング水槽３０から観測水槽１４までのサンプリング配管３３の途中には、温度センサ４２および熱交換器４０が設けられ、さらに観測水槽１４の外側近傍には温度センサ４４が設けられている。

【0021】

温度センサ４２は、サンプリング配管３３において、熱交換器４０よりも上流側に設けられ、観測水槽１４に導入される被観測水Ｓの温度を測定し、測定結果を、熱交換器４０へ出力する。

【0022】

温度センサ４４は、観測水槽１４の外側近傍に設けられ、観測水槽１４の周囲の温度を測定し、測定結果を、熱交換器４０へ出力する。

【0023】

熱交換器４０は、温度センサ４２によって測定される被観測水Ｓの温度と、温度センサ４４によって測定される観測水槽１４の周囲の温度とを一致させるように、観測水槽１４に導入される被観測水Ｓと熱交換を行う。

【0024】

熱交換器４０は、この熱交換のために、加熱部および冷却部を備えている。加熱部は、例えば、ヒータによって実現できる。また、冷却部は、冷却水による冷却によって実現できる。また、加熱と冷却との両機能を有するペルチェ素子によっても実現できる。

【0025】

そして、熱交換器４０は、温度センサ４２からの測定結果が、温度センサ４４からの測定結果よりも低い場合には、加熱部によって被観測水Ｓを加熱し、逆に、温度センサ４２からの測定結果が、温度センサ４４からの測定結果よりも高い場合には、冷却部によって被観測水Ｓを冷却する。

【0026】

このようにして、サンプリング水槽３０から送液された被観測水Ｓは、熱交換器４０によって、観測水槽１４の周囲の温度と一致するように熱交換された後に、観測水槽１４へ導入される。

【0027】

観測水槽１４は、被観測水Ｓを保持するための、例えば石英セル製の透明な容器である。被観測水Ｓの中には、水質画像センサ１０によって水質観測される観測対象が含まれている。観測対象は、前述したように、被観測水Ｓ中の微生物や、微小の浮遊物である。

【0028】

観測水槽１４は、空気環境に配置されることも、水中環境に配置されることもある。したがって、温度センサ４４は、観測水槽１４が空気環境に配置された場合、観測水槽１４の周囲の気温を測定する一方、観測水槽１４が水中環境に配置された場合、観測水槽１４の周囲の水温を測定する。

【0029】

図４は、観測水槽が水中に配置される例を示す模式図である。

【0030】

観測水槽１４を水中環境に配置する場合には、図４に例示するように、内部に水を含む専用容器４８内に、周囲が水で囲まれるように観測水槽１４を配置することによって実現する。なお、図４では、煩雑化を避けるために、観測水槽１４以外の図示を省略している。

【0031】

図１に戻って示すように、撮像部２０は、観測水槽１４内の被観測水Ｓを撮像する部位であって、例えば、ＣＣＤカメラ、Ｃ－ＭＯＳカメラなどの撮像素子によって実現できる。

【0032】

光源１２は、撮像部２０による撮像のために、観測水槽１４を照明する。観測水槽１４は、前述したように、例えば石英セル製の透明容器であるので、光源１２からの光によって、観測水槽１４内の被観測水Ｓを照明することができる。

【0033】

鏡筒１８の先端、すなわち、観測水槽１４側には、接眼レンズ１６が固定されている。また、鏡筒１８は、非観測水槽側（図１中における左側）が、撮像部２０本体内に収納可能に構成されており、図１中左右方向に伸縮可能に移動できる。これによって、観測水槽１４に保持されている被観測水Ｓ内の観測対象と、接眼レンズ１６との間の距離を調整できるので、接眼レンズ１６のピント調整が可能となり、接眼レンズ１６によって鮮明に拡大表示された観測対象の像を、撮像部２０に送ることを可能としている。

【0034】

これによって、撮像部２０は、被観測水Ｓに含まれる観測対象を、鮮明に撮像できる。撮像部２０は、撮像結果、すなわち、撮像された画像を、監視部２２へ出力する。

【0035】

監視部２２は、撮像部２０による撮像結果に基づいて、被観測水Ｓの水質を監視する部位であって、例えば、コンピュータによって実現できる。

【0036】

以下に、監視部２２によってなされる被観測水Ｓの水質監視方法を、図５を用いて説明する。

【0037】

図５は、監視部によってなされる被観測水の水質監視方法の一例を説明する図である。

【0038】

図５（ａ）は、観測水槽１４内において熱対流がない状態において、観測水槽１４に対して水平方向に電位を印加した場合における被観測水Ｓ中の観測対象Ｗの移動を示す図である。

【0039】

観測水槽１４内において熱対流がない状態において、観測水槽１４に対して、図示しない電位印加手段によって、水平方向（すなわち、撮像部２０によって左右方向として撮像される方向）に電位を印加した場合、図５（ａ）に示すように、被観測水Ｓ中の観測対象Ｗは、水平方向に移動する。監視部２２は、この水平方向における移動速度をリアルタイムで算出することによって、被観測水Ｓの水質の変動を監視することができる。

【0040】

一方、図５（ｂ）および図５（ｃ）は、観測水槽１４内において熱対流がある状態において、観測水槽１４に対して水平方向に電位を印加した場合における被観測水Ｓ中の観測対象Ｗの移動を示す図である。図５（ｂ）は、熱対流として上昇流がある場合であり、図５（ｃ）は、熱対流として下降流がある場合である。

【0041】

熱対流として上昇流がある状態では、観測対象Ｗは、上昇する。したがって、この状態で観測水槽１４に対して水平方向に電位を印加した場合、図５（ｂ）に示すように、観測対象Ｗは、上昇しながら水平方向に移動するので、監視部２２によって算出される水平方向における移動速度は、実際の値よりも低くなる。

【0042】

熱対流として下降流がある状態では、観測対象Ｗは、下降する。したがって、この状態で観測水槽１４に対して水平方向に電位を印加した場合、図５（ｃ）に示すように、観測対象Ｗは、下降しながら水平方向に移動するので、同様に、監視部２２によって算出される水平方向における移動速度は、実際の値よりも低くなる。

【0043】

実施形態の水質画像センサ１０によれば、熱交換器４０によって、観測水槽１４の周囲の温度と一致させるように熱交換された被観測水Ｓが観測水槽１４に導入される。したがって、観測水槽１４では、熱対流が発生しないか、あるいは非常に小さいので、観測水槽１４に対して水平方向に電位を印加した場合の観測対象Ｗの移動は、図５（ａ）に示すようになる。

【0044】

したがって、監視部２２によって算出される水平方向における移動速度は、実際の値に近いものとなるので、本実施形態の水質画像センサ１０は、被観測水Ｓの水質の変動に関して、信頼性の高い監視結果を得ることができる。

【0045】

次に、以上のように構成した第１の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサの動作例を説明する。

【0046】

図６は、第１の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサの動作例を示すフローチャートである。

【0047】

本実施形態の水質画像センサ１０によって、例えば、上下水道水の水質を監視する際には、図３に例示されるように、サンプリング水槽３０において、上下水道に接続された導入配管３１を介して、上下水道水を試料水Ａとして取得する（Ｓ１）。

【0048】

サンプリング水槽３０では、試料水Ａから、観測水槽１４の容積に対応する量の試料水Ａがサンプリングされ、サンプリングされた試料水Ａが、被観測水Ｓとして、サンプリング配管３３を介して、観測水槽１４へ向けて送液される（Ｓ２）。

【0049】

図２に示すように、サンプリング水槽３０から観測水槽１４までのサンプリング配管３３の途中には、温度センサ４２および熱交換器４０が設けられている。熱交換器４０は、熱交換を行うために、加熱部および冷却部を備えている。

【0050】

サンプリング配管３３を介して送液されている被観測水Ｓは、温度センサ４２によって温度が測定され、測定結果が、熱交換器４０へ出力される（Ｓ３）。

【0051】

一方、熱交換器４０には、温度センサ４４によって測定された、観測水槽１４の周囲の温度の測定結果も出力される。熱交換器４０では、温度センサ４２からの測定結果と、温度センサ４４からの測定結果とを用いて、被観測水Ｓに対して、被観測水Ｓの温度を、観測水槽１４の周囲の温度と一致させるような熱交換が行われる。

【0052】

具体的には、温度センサ４２からの測定結果が、温度センサ４４からの測定結果よりも低い場合（Ｓ４：＜）には、熱交換器４０は加熱部（例えば、ヒータ）を動作させる。これによって、被観測水Ｓは、加熱される（Ｓ５）。

【0053】

逆に、温度センサ４２からの測定結果が、温度センサ４４からの測定結果よりも高い場合（Ｓ４：＞）には、熱交換器４０は冷却部を動作（例えば、冷却水を循環）させる。これによって、被観測水Ｓは、冷却される（Ｓ６）。

【0054】

ステップＳ５およびステップＳ６の後、ステップＳ３の動作に戻り、ステップＳ３からステップＳ５またはステップＳ６までの動作が、温度センサ４２からの測定結果が、温度センサ４４からの測定結果と等しくなる（Ｓ４：＝）まで繰り返され、その後、被観測水Ｓが、観測水槽１４に導入される（Ｓ７）。したがって、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度と、観測水槽１４の周囲の温度とは一致化が図られている。

【0055】

観測水槽１４には、図示しない電位印加手段によって、水平方向に電位が印加されている。

【0056】

また、観測水槽１４の近傍には光源１２が設けられ、観測水槽１４は、例えば石英セルのような透明材料で製造されているので、観測水槽１４に保持された被観測水Ｓは、光源１２からの光によって明るく照明される。さらに、鏡筒１８の伸縮によってピント調整された接眼レンズ１６によって、被観測水Ｓに含まれる微生物や微小の浮遊物のような観測対象Ｗが鮮明に拡大表示された画像が、撮像部２０によって撮像され、撮像結果が、監視部２２へ出力される（Ｓ８）。

【0057】

監視部２２では、撮像部２０による撮像結果に基づいて、被観測水Ｓの水質が監視される（Ｓ９）。

【0058】

このように、観測水槽１４に導入される被観測水Ｓの温度は、観測水槽１４の周囲の温度と一致するように制御されるので、観測水槽１４内では熱対流は発生しない。したがって、観測水槽１４に対して水平方向に電位を印加された場合、観測水槽１４中の観測対象Ｗの移動は、図５（ａ）に示すように、水平方向となる。

【0059】

監視部２２では、この水平方向における移動速度が、リアルタイムで算出されることによって、被観測水Ｓの水質の変動が監視される。

【0060】

もしも観測水槽１４に導入される被観測水Ｓの温度と、観測水槽１４の周囲の温度とが一致していない場合、観測水槽１４では、熱対流によって、上昇流または下降流が発生するので、観測対象Ｗは、図５（ｂ）や図５（ｃ）に示すように、電位印加により水平方向に移動することに加えて、上下方向の移動も生じるために、監視部２２によって算出される水平方向における移動速度は、実際の値よりも低くなる。

【0061】

以上説明したように、本実施形態の水質画像センサ１０によれば、観測水槽１４に導入される被観測水Ｓの温度は、観測水槽１４の周囲の温度と一致するように制御されるので、観測水槽１４内では熱対流は発生しない。したがって、観測水槽１４に対して水平方向に電位を印加した場合、観測水槽１４内で観測対象Ｗは、上下方向には移動しないので、監視部２２は、観測水槽１４中の観測対象Ｗの水平方向における移動速度を、高い精度で算出することができる。その結果、被観測水Ｓの水質の変動に関して、信頼性の高い監視結果を得ることが可能となる。

【0062】

［第２の実施形態］
第２の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサについて説明する。

【0063】

以下の説明では、第１の実施形態で説明した部分と同一部分については、同一符号を用いて示し、重複説明を避け、異なる箇所について説明する。

【0064】

図７は、第２の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサの部分的な構成例を示す概念図である。

【0065】

図８は、水質画像センサにおけるサンプリング水槽から観測水槽までの構成例を示すブロック図である。

【0066】

第２の実施形態の水質画像センサ１０Ａは、空気環境において設置されるものであって、第１の実施形態の水質画像センサ１０とは異なり、光源１２、観測水槽１４、接眼レンズ１６、鏡筒１８、撮像部２０、および熱交換器４１の周囲を、断熱材で構成された断熱カバー５０で覆うとともに、温度センサ４２、４４を省略した構成をしている。また、第１の実施形態同様、図示していないが、観測水槽１４に電位を印加する電位印加手段も備えている。

【0067】

水質画像センサ１０Ａは、水質画像センサ１０と同様に、サンプリング水槽３０によって取得された試料水Ａの一部を、サンプリング配管３３を介して、観測水槽１４へ向けて送液する。しかしながら、水質画像センサ１０とは異なり、サンプリング配管３３には、温度センサ４２も熱交換器４０も設けられていない。

【0068】

また、水質画像センサ１０Ａでは、サンプリング水槽３０からの排出配管３５が、断熱カバー５０の内側に取り込まれるように設けられている。排出配管３５には、断熱カバー５０の内側において、空気循環器４１ａを備えた熱交換器４１が設けられている。空気循環器４１ａは、例えばファンによって実現され、断熱カバー５０の内側の空気を循環させる。

【0069】

また、断熱カバー５０は、断熱カバー５０の外側と内側との間での熱の移動を遮断する。

【0070】

なお、図７でも、煩雑化を避けるために、サンプリング配管３３、排出配管３５、および熱交換器４１を省略している。

【0071】

以上のように構成した第２の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサによれば、観測水槽１４内の被観測水Ｓと、断熱カバー５０の内側に取り込まれる試料水Ａとは、ともにサンプリング水槽３０から供給されるので、それぞれの水温は同一であるとみなされる。

【0072】

そして、断熱カバー５０の内側では、断熱カバー５０の外側との熱の出入りが遮断された状態で、空気循環器４１ａによって空気が循環されるので、断熱カバー５０の内側において、断熱カバー５０の内側の空気と試料水Ａとの間での熱交換が促進される。

【0073】

この熱交換によって、最終的には、断熱カバー５０の内側の空気の温度と、観測水槽１４内の被観測水Ｓとの温度の一致化が図られるので、観測水槽１４内での熱対流の発生が阻止される。

【0074】

その結果、第１の実施形態で説明したように、観測水槽１４内で観測対象Ｗは、上下方向には移動しなくなるので、監視部２２は、観測水槽１４中の観測対象Ｗの水平方向における移動速度を、高い精度で算出することができ、もって、被観測水Ｓの水質の変動に関して、信頼性の高い監視結果を得ることが可能となる。

【0075】

（第２の実施形態の変形例１）
第２の実施形態の変形例１について説明する。

【0076】

図９は、第２の実施形態の変形例１における水質画像センサの部分的な構成例を示す概念図である。

【0077】

図１０は、第２の実施形態の変形例１における水質画像センサにおけるサンプリング水槽から観測水槽までの構成例を示すブロック図である。

【0078】

図９は、図７に対応しており、図１０は、図８に対応しているので、それぞれ相違点のみ説明する。

【0079】

本変形例における水質画像センサは、図１０に例示するように、図８に示す構成とは異なり、サンプリング水槽３０からの排出配管３５は、断熱カバー５０の内側には取り込まれない。代わりに、冷却水Ｃを貯液した冷却水水槽６０を備え、冷却水水槽６０からの冷却水Ｃが内部を流れる排出配管６２が、断熱カバー５０の内部に取り込まれるように構成される。

【0080】

排出配管６２には、熱交換器４１が設けられている。熱交換器４１は、図１０のように、断熱カバー５０の内側に設けられても、図９のように、断熱カバー５０と一体化されて設けられていても良い。熱交換器４１は、例えばファンのように、断熱カバー５０の内側の空気を循環させる空気循環器４１ａと、例えばペルチェ素子やヒートシンクのような加熱冷却素子４１ｂとを備えている。

【0081】

サンプリング水槽３０と冷却水水槽６０とは、同一環境に設置する。これによって、観測水槽１４内の被観測水Ｓの水温と、断熱カバー５０の内側に取り込まれる冷却水Ｃの水温とは同一となる。

【0082】

以上のように構成した第２の実施形態の変形例１の水質画像センサでも、断熱カバー５０の内側では、断熱カバー５０の外側との熱の出入りが遮断された状態で、空気循環器４１ａによって空気が循環されるので、断熱カバー５０の内側において、断熱カバー５０の内側の空気と冷却水Ｃとの間での熱交換が促進される。

【0083】

この熱交換によって、最終的には、断熱カバー５０の内側の空気の温度と、観測水槽１４内の被観測水Ｓとの温度の一致化が図られるので、観測水槽１４内での熱対流の発生が阻止される。

【0084】

その結果、第１の実施形態で説明したように、観測水槽１４内で観測対象Ｗは、上下方向には移動しなくなるので、監視部２２は、観測水槽１４中の観測対象Ｗの水平方向における移動速度を、高い精度で算出することができ、もって、被観測水Ｓの水質の変動に関して、信頼性の高い監視結果を得ることが可能となる。

【0085】

（第２の実施形態の変形例２）
第２の実施形態の変形例２について説明する。

【0086】

図１１は、第２の実施形態の変形例２における水質画像センサにおけるサンプリング水槽から観測水槽までの構成例を示すブロック図である。

【0087】

図１１は、図１０に対応しているので、図１０との相違点のみ説明する。

【0088】

本変形例における水質画像センサは、図１１と図１０との比較から明らかないように、変形例１の水質画像センサに、温度センサ４２、４４を設けた構成をしている。

【0089】

温度センサ４２は、サンプリング水槽３０と断熱カバー５０との間、すなわち断熱カバー５０の外側のサンプリング配管３３上に設けられており、サンプリング配管３３内を流れる被観測水Ｓの温度を測定して、測定結果を熱交換器４１へ出力する。

【0090】

温度センサ４４は、断熱カバー５０の内側の、観測水槽１４の近傍に設けられており、断熱カバー５０の内側の空気の温度を測定して、測定結果を熱交換器４１へ出力する。

【0091】

熱交換器４１は、これら測定結果に基づいて、加熱冷却素子４１ｂを制御することによって、被観測水Ｓの温度に、観測水槽１４の近傍の気温を一致させる熱交換を行う。

【0092】

具体的には、温度センサ４２からの測定結果（すなわち、被観測水Ｓの温度）の方が、温度センサ４４からの測定結果（すなわち、観測水槽１４の周囲の気温）よりも高い場合、観測水槽１４の周囲の気温を上げるために、加熱冷却素子４１ｂの加熱機能を動作させるによって冷却水Ｃを加熱する。逆に、温度センサ４２からの測定結果（すなわち、被観測水Ｓの温度）の方が、温度センサ４４からの測定結果（すなわち、観測水槽１４の周囲の気温）よりも低い場合、観測水槽１４の周囲の気温を下げるために、加熱冷却素子４１ｂの冷却機能を動作させることによって冷却水Ｃを冷却する。

【0093】

断熱カバー５０の内側の空気は、空気循環器４１ａによって循環されている。したがって、冷却水Ｃの加熱に伴い、断熱カバー５０の内側の温度が上昇し、最終的には、被観測水Ｓの温度と、断熱カバー５０の内側の空気の温度との一致化が図られる。また、冷却水Ｃの冷却に伴い、断熱カバー５０の内側の温度が下降し、最終的には、被観測水Ｓの温度と、断熱カバー５０の内側の空気の温度との一致化が図られる。

【0094】

これによって、観測水槽１４内での熱対流の発生が阻止され、観測水槽１４内で観測対象Ｗは、上下方向には移動しなくなるので、第１の実施形態で説明したように、監視部２２は、観測水槽１４中の観測対象Ｗの水平方向における移動速度を、高い精度で算出することができ、もって、被観測水Ｓの水質の変動に関して、信頼性の高い監視結果を得ることが可能となる。

【0095】

（第２の実施形態の変形例３）
第２の実施形態の変形例３について説明する。

【0096】

図１２は、第２の実施形態の変形例３における水質画像センサの部分的な構成例を示す概念図である。

【0097】

本変形例の水質画像センサは、前述した変形例１および変形例２をさらに変形したものであって、断熱カバー５０の内側に取り込まれる排出配管６２を、断熱カバー５０の内部あるいは内壁面に設けられた導水路５２によって実現するものである。

【0098】

図１２は、導水路５２を、断熱カバー５０の内壁面に設けた例を示している。

【0099】

導水路５２は、例えば、１）パイプを折り曲げて角コイル状に形成されたジャケット（図１３参照）、２）断熱カバー５０の内壁面に切削加工により設けられた水路、３）断熱カバー５０の内壁面のうち４面に配置された水冷ヒートシンク板、４）冷却水Ｃの入口および出口が設けられた魔法瓶構造等によって実現することができるがこれらに限定されない。

【0100】

図１３は、パイプを折り曲げて角コイル状に形成されたジャケットの構成例を示す平面図である。

【0101】

図１３に例示するジャケット５２ａは、上記１）に対応するものである。ジャケット５２ａの両端は、図１０や図１１に例示されている排出配管６２に接続されており、これによって、冷却水水槽６０からの冷却水Ｃが、ジャケット５２ａに送られ、蛇行した経路に沿って移動することによって、断熱カバー５０の内側の空気との熱交換効率を高めることができる。

【0102】

このような導水路５２が設けられた断熱カバー５０を、図１０に示す変形例１の水質画像センサや、図１１に示す変形例２の水質画像センサに適用することによって、ジャケット５２ａ内の冷却水Ｃと、断滅カバー５０の内側の空気との熱交換がより促進されるので、それに応じて、断滅カバー５０の内側の空気の温度と、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度とがより迅速に一致化される。

【0103】

その結果、観測水槽１４内での熱対流を阻止できるので、本変形例の水質画像センサもまた、第１の実施形態と同様に、被観測水Ｓの水質の変動に関して、信頼性の高い監視結果を得ることができる。

【0104】

［第３の実施形態］
第３の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサについて説明する。

【0105】

以下では、第１および第２の実施形態で説明した部分と同一部分については、同一符号を用いて示し、重複説明を避け、異なる箇所について説明する。

【0106】

第３の実施形態の水質画像センサは、温度情報に基づくことなく、撮像部２０による撮像の結果に基づいて、観測水槽１４内の被観測水Ｓの熱対流を阻止するようにしたものである。

【0107】

このため、図８および図１０に例示するように、温度センサ４２、４４を備えていない構成において好適に適用される。

【0108】

図５（ｂ）および図５（ｃ）を用いて説明したように、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度と、観測水槽１４の周囲の温度とが一致していない場合、観測水槽１４では、熱対流によって、上昇流または下降流が発生する。

【0109】

監視部２２は、撮像部２０による撮像の結果に基づいて、被観測水Ｓの鉛直方向（図中上下方向）における移動速度と、水平方向（図中左右方向）における移動速度とを算出する。鉛直方向における移動速度は、例えば、異なる時間において撮像された２つの画像における観測対象Ｗの、鉛直方向における移動量を、各画像が撮像された時間差で除することによって算出することができる。同様に、鉛直方向における移動速度は、例えば、異なる時間において撮像された２つの画像における観測対象Ｗの、鉛直方向における移動量を、各画像が撮像された時間差で除することによって算出することができる。

【0110】

観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度よりも、観測水槽１４の周囲の温度の方が高い場合、観測水槽１４の周囲から、観測水槽１４の中へと熱が流入し、観測水槽１４において上昇流が生じるために、鉛直方向における移動速度は正の値となる。

【0111】

逆に、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度よりも、観測水槽１４の周囲の温度の方が低い場合、観測水槽１４の中から、観測水槽１４の周囲から熱が流出し、観測水槽１４において下降流が生じるために、鉛直方向における移動速度は負の値となる。

【0112】

これら移動速度の絶対値は、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度と、観測水槽１４の周囲の温度との差に対応する。

【0113】

熱交換器４１は、被観測水Ｓの水平方向における移動速度が、鉛直方向における移動速度よりも大きくない場合、なるように、被観測水Ｓの水平方向における移動速度が、鉛直方向における移動速度よりも大きくなるまで、以下のような熱交換を行う。

【0114】

例えば、図１０に示すように、熱交換器４１が、加熱冷却素子４１ｂを備えている構成においては、鉛直方向における移動速度が正の値である場合、熱交換器４１は、加熱冷却素子４１ｂに、冷却水Ｃを冷却させる。一方、鉛直方向における移動速度が負の値である場合、熱交換器４１は、加熱冷却素子４１ｂに、冷却水Ｃを加熱させる。

【0115】

空気循環器４１ａの動作によって、断熱カバー５０内の空気は循環されるので、冷却水Ｃが冷却されると、それに応じて、断熱カバー５０の内側の空気が冷却され、断熱カバー５０内の空気の温度は、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度へ接近する。逆に、冷却水Ｃが加熱されると、それに応じて、断熱カバー５０の内側の空気が加熱され、断熱カバー５０内の空気の温度は、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度へ接近する。

【0116】

水平方向における移動速度が、鉛直方向における移動速度よりも大きくない場合、熱交換器４１は、被観測水Ｓの水平方向における移動速度が、鉛直方向における移動速度よりも大きくなる（被観測水Ｓの移動方向が、水平方向に対して角度±４５°以下になる）まで、上述したような熱交換を繰り返す。これによって、断熱カバー５０内の空気の温度は、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度との一致化が図られ、観測水槽１４内の被観測水Ｓの熱対流を阻止することができる。例えば、被観測水Ｓの水平方向における移動速度が４μｍ／秒である場合、鉛直方向における移動速度は、－４～＋４μｍ／秒の範囲内になるように制御される。

【0117】

なお、図８に示すように、熱交換器４１が、空気循環器４１ａしか備えておらず、加熱冷却素子４１ｂを備えていない構成では、上述したような加熱および冷却は実施できないものの、例えば、熱交換器４１が、被観測水Ｓの鉛直方向における移動速度の絶対値に応じて、空気循環器４１ａの風量を動的に制御することによって代替することができる。

【0118】

具体的には、被観測水Ｓの鉛直方向における移動速度の絶対値が大きい場合には、大風量で、逆に、絶対値が小さい場合には、低風量で動作するように、空気循環器４１ａを制御する。こうすることによっても、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度と、観測水槽１４の周囲の温度との一致化を図ることができるので、観測水槽１４内の被観測水Ｓの熱対流を阻止することができる。

【0119】

これによって、観測水槽１４内での熱対流を阻止し、被観測水Ｓの水質の変動に関して、信頼性の高い監視結果を得ることができる。

【0120】

次に、以上のように構成した第３の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサの動作について説明する。

【0121】

図１４は、第３の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサの動作例を示すフローチャートである。

【0122】

図１４では、図６と同じ動作については、同じステップ番号を付すことによって、重複説明を避け、異なる動作について説明する。

【0123】

監視部２２では、ステップＳ８において撮像部２０から出力された撮像結果に基づいて、被観測水Ｓの鉛直方向における移動速度と、水平方向における移動速度とが算出される（Ｓ１１）。

【0124】

鉛直方向における移動速度は、例えば、異なる時間において撮像された２つの画像における観測対象Ｗの、鉛直方向における移動量を、各画像が撮像された時間差で除することによって算出される。同様に、水平方向における移動速度は、例えば、異なる時間において撮像された２つの画像における観測対象Ｗの、水平方向における移動量を、各画像が撮像された時間差で除することによって算出される。

【0125】

観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度よりも、観測水槽１４の周囲の温度の方が高い場合、鉛直方向における移動速度は正の値となり、逆に、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度よりも、観測水槽１４の周囲の温度の方が低い場合、鉛直方向における移動速度は負の値となる。移動速度の絶対値は、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度と、観測水槽１４の周囲の温度との差に対応する。

【0126】

熱交換器４１では、被観測水Ｓの水平方向における移動速度が、鉛直方向における移動速度よりも大きくなるように、熱交換が行われる。以下の説明では、図１０のように、熱交換器４１が加熱冷却素子４１ｂを備えている構成の水質画像センサを例に説明する。

【0127】

ステップＳ１１において算出された水平方向における移動速度が、鉛直方向における移動速度よりも大きい場合（Ｓ１２：Ｙｅｓ）、監視部２２において、撮像部２０による撮像結果に基づいて、被観測水Ｓの水質が監視される（Ｓ９）。

【0128】

一方、ステップＳ１１において算出された水平方向における移動速度が、鉛直方向における移動速度よりも大きくない場合（Ｓ１２：Ｎｏ）、鉛直方向における移動速度の値に応じて（Ｓ１３）、熱交換器４１による冷却水Ｃの冷却動作または加熱動作が行われる。

【0129】

具体的には、鉛直方向における移動速度が正の値である場合（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、熱交換器４１は、加熱冷却素子４１ｂによって、冷却水Ｃを冷却させる（Ｓ１４）。一方、鉛直方向における移動速度が、負の値である場合（Ｓ１３：Ｎｏ）、熱交換器４１は、加熱冷却素子４１ｂによって、冷却水Ｃを加熱させる（Ｓ１５）。

【0130】

空気循環器４１ａの動作によって、断熱カバー５０内の空気は循環されるので、ステップＳ１４のように冷却水Ｃが冷却されると、それに応じて、断熱カバー５０の内側の空気が冷却され、断熱カバー５０内の空気の温度は、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度へ接近する。逆に、ステップＳ１５のように、冷却水Ｃが加熱されると、それに応じて、断熱カバー５０の内側の空気が加熱され、断熱カバー５０内の空気の温度は、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度へ接近する。

【0131】

ステップＳ１４およびステップＳ１５の後、ステップＳ８の動作に戻り、ステップＳ８からステップＳ１４またはステップＳ１５までの動作が、被観測水Ｓの水平方向における移動速度が、鉛直方向における移動速度よりも大きくなる（被観測水Ｓの移動方向が、水平方向に対して角度±４５°以下になる）まで繰り返されることによって、断熱カバー５０内の空気の温度と、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度との一致化が図られる。

【0132】

これによって、観測水槽１４内での熱対流が阻止されるので、観測水槽１４に対して水平方向に電位を印加された場合、観測水槽１４中の観測対象Ｗの移動は、図５（ａ）に示すようになるため、監視部２２は、観測水槽１４中の観測対象Ｗの水平方向における移動速度を、高い精度で算出することができ、結果として、被観測水Ｓの水質の変動に関して、信頼性の高い監視結果を得ることが可能となる。

【0133】

なお、図８のように、熱交換器４１が、加熱冷却素子４１ｂを備えていない場合、上記のステップＳ１４およびＳ１５は省略されるが、熱交換器４１が、空気循環器４１ａを、ステップＳ１１において算出された鉛直方向における移動速度の絶対値に応じて風量を動的に制御すること、すなわち、絶対値が大きい場合には、大風量で動作し、絶対値が小さい場合には、小風量で動作するように制御することによって、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度と、観測水槽１４の周囲の温度との一致化を促進することが可能である。

【0134】

このように、第３の実施形態の温度調節方法が適用された水質画像センサは、温度情報を使わずに、撮像部２０による撮像の結果に基づいて、観測水槽１４内の被観測水Ｓの温度と、観測水槽１４の周囲の温度とを一致させるように熱交換を実施できるので、例えば図２や図１１に例示されているような温度センサ４２、４４は不要となる。したがって、温度センサ４２、４４を備えていない簡素化された構成で実現することができる。また、図２のように、断熱カバー５０を備えていない構成であっても、温度センサ４２、４４を排除した構成で実現することが可能である。

【0135】

以上説明したように、本実施形態の水質画像センサによれば、温度情報を使わなくても、観測水槽１４内での熱対流を阻止することができ、もって、第１の実施形態と同様に、被観測水Ｓの水質の変動に関して、信頼性の高い監視結果を得ることができる。

【0136】

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同様に、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ものである。

【符号の説明】

【0137】

１０、１０Ａ・・水質画像センサ、１２・・光源、１４・・観測水槽、１６・・接眼レンズ、１８・・鏡筒、２０・・撮像部、２２・・監視部、３０・・サンプリング水槽、３１・・導入配管、３２・・金属メッシュ、３４・・堰、３５・・排出配管、４０、４１・・熱交換器、４１ａ・・空気循環器、４１ｂ・・加熱冷却素子、４２、４４・・温度センサ、４８・・専用容器、５０・・断熱カバー、５２・・導水路、５２ａ・・ジャケット、６０・・冷却水水槽、６２・・排出配管、Ａ・・試料水、Ｃ・・冷却水、Ｓ・・被観測水、Ｗ・・観測対象

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】