JP2010096726A - 電子画像比色法によるガス濃度測定システムおよび測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比色法によりガス濃度を測定する際に、撮影環境のバラツキを減らす。
【解決手段】外光の侵入を抑えたケース内に検知紙１２、照明装置１３、および撮影装置１４を配置する。これにより、撮影環境を一定に保つことができるので、撮影した画像データを用いてオゾン暴露量を算出する際、撮影環境の違いによるオゾン濃度測定の誤差を除去することが可能となる。また、温湿度測定装置１５により、オゾン濃度測定装置１０内の温湿度を計測し、オゾン濃度算出装置１６がその温湿度を用いて計算したオゾン暴露量を補正する。これにより、より正確なオゾン暴露量を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、比色法によりガス濃度を測定する技術に関する。

現在、ＮＯ_ｘ，ＳＰＭ（Suspended Particulate Matter），光化学オキシダントによる大気汚染が生じ、環境に対する影響が問題となってきている。光化学オキシダントの主成分であるオゾンガス（Ｏ_３）は、工場、事務所や自動車から排出されるＮＯ_ｘや炭化水素などの汚染物質が太陽光線の照射を受けて光化学反応を起こすと生成され、光化学スモッグの原因となる。また、コロナ放電手段を備えた各種機器、例えば静電式複写機、レーザープリンタ、ＬＥＤファクシミリ等の装置においても、コロナ放電手段の動作中にオゾンガスやＮＯ_ｘガスが発生する。オゾンガスは強力な酸化能を有しているため、空気中の濃度が一定（０．１ｐｐｍ）以上になると、それ自身の毒性により呼吸器系を刺激し、微量でも長時間吸入すると有害とされている。

このため、オゾンガス等の有害ガスの濃度分布の調査や、地球環境への影響評価、個人のオゾンガス被爆の影響評価を行って、環境を監視する必要がある。オゾンガスについては安価で小型軽量かつ個人や家庭で使用することができるオゾン濃度測定器が各種開発されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

簡易なオゾン濃度測定器として、非特許文献１に記載のオゾン濃度検知紙が知られている。このオゾン濃度検知紙は、オゾンガスに暴露されると退色する検知紙とオゾンガスの濃度に対応した色見本を備えている。この検知紙は、セルロース濾紙に、オゾンガスに反応すると退色する色素、保湿剤、酸、水等を加えて調整した検知溶液を含浸させて、風乾することにより作製される。

上記検知紙は、ガスと反応して可視領域の反射スペクトルが変化する。従来は、人間の目による目視もしくは、このスペクトル変化が最大である波長の反射率の変化を測定することにより対象ガスの濃度を算出した。しかし、目視による濃度測定はおおまかな濃度しか判断できない。また、分光光度計や特定波長の反射率の変化を測る専用の装置を利用した場合は、正確な測定が可能になる反面、測定装置が高価であるために一般ユーザーが自ら購入して使用できるものではなかった。このような状況の中、デジタルカメラ等で検知紙を撮影し、撮影した画像から検知紙の色情報を抽出してオゾン濃度を算出する試みがなされている。
特開２００４−１４４７２９号公報 特開平０９−２７４０３２号公報 特開２０００−０８１４２６号公報 "オゾンサンプラ"、［online］、エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株式会社、［平成２０年１０月８日検索］、インターネット〈URL：https://shop.ntt-at.co.jp/ozone/000_product0/〉

しかしながら、撮影環境（光源の種類や照度）が一定でない場所で撮影した画像は、ＲＧＢ値などの色情報の絶対値でオゾン濃度を算出する場合に誤差が大きいという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、撮影環境のバラツキを減らし、より正確にガス濃度を算出することにある。

第１の本発明に係るガス濃度測定システムは、ガス検知装置が撮影した画像データを用いてガス濃度算出装置がガス暴露量を算出するガス濃度測定システムであって、ガス検知装置は、ガス暴露量に応じて色が変化するガス暴露量検知手段と、ガス暴露量検知手段を環境光から遮蔽する遮蔽手段と、遮蔽手段に配置された開口部と、ガス暴露量検知手段に対して照明光を照射する遮蔽手段内に配置された照明手段と、ガス暴露量検知手段を撮影して画像データを得る遮蔽手段内に配置された撮影手段と、を有することを特徴とする。

上記ガス濃度測定システムにおいて、ガス検知装置は、ガス暴露量検知手段近辺の温度及び湿度を計測する温湿度計測手段をさらに有することを特徴とする。

上記ガス濃度測定システムにおいて、ガス濃度算出装置は、画像データ、温度及び湿度の入力を受け付ける入力手段と、ガス暴露量検知手段の色情報とガス暴露量との関係、温度及び湿度とガス暴露量との関係を格納した格納手段と、画像データからガス暴露量検知手段の色情報を抽出し、格納手段を参照してガス暴露量を算出する算出手段と、格納手段を参照し、温度及び湿度を用いて算出したガス暴露量を補正する補正手段と、を有することを特徴とする。

上記ガス濃度測定システムにおいて、ガス検知装置は、照明光が一定となるように照明手段を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする。

上記ガス濃度測定システムにおいて、開口部に排気手段を備えたことを特徴とする。

第２の本発明に係るガス濃度測定方法は、ガス暴露量に応じて色が変化するガス暴露量検知手段を環境光を遮蔽した状態で照明光を照射して撮影した画像データとガス暴露量検知手段近辺で計測した温度及び湿度を入力するステップと、画像データからガス暴露量検知手段の色情報を抽出するステップと、ガス暴露量検知手段の色情報とガス暴露量との関係を格納した格納手段を参照して画像データから抽出した色情報からガス暴露量を算出するステップと、温度及び湿度とガス暴露量との関係を格納した格納手段を参照して算出したガス暴露量を補正するステップと、を有することを特徴とする。

本発明にあっては、開口部を備えた遮蔽手段によりガス暴露検知手段を環境光から遮蔽し、照明手段、撮影手段を用いてガス暴露検知手段を撮影することにより、撮影環境を一定に保つことができるので、撮影した画像データを用いてオゾン暴露量を算出する際に、撮影環境の違いによる誤差を除去することが可能となる。

本発明にあっては、ガス暴露検知手段近辺の温湿度を計測し、その温湿度を用いて算出したオゾン暴露量を補正することにより、より正確なオゾン暴露量を得ることができる。

本発明にあっては、ガス暴露検知手段に照射する照明光が一定となるように照明手段を制御することにより、照明光のバラツキを抑制し、撮影環境を一定に保つことができる。

このように、本発明によれば、撮影環境のバラツキを減らし、より正確にガス濃度を算出することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。オゾンガス濃度の測定について説明するが、もちろん他のガスにも同様に適用可能である。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態におけるオゾン濃度測定システムの構成を示すブロック図である。同図に示すオゾン濃度測定システムは、オゾン濃度測定装置１０、オゾン濃度算出装置１６を有し、オゾン濃度算出装置１６は、ネットワーク２０を介して情報収集装置３０に接続される。オゾン濃度測定装置１０は、検知紙１２、照明装置１３、撮影装置１４、および温湿度測定装置１５を外光の侵入をおさえたケースに収納している。オゾン濃度測定装置１０は、照明装置１３、撮影装置１４を用いて検知紙１２を撮影し、温湿度測定装置１５を用いてケース内の温度、湿度を測定する。オゾン濃度算出装置１６は、オゾン濃度測定装置１０から画像データ、温度データ、および湿度データを受信し、受信した各データに基づいてオゾン濃度を算出して、ネットワーク２０を介して情報収集装置３０へ送信する。

検知紙１２は、オゾンガスに暴露されて可視領域の反射スペクトルが変化する比色式のオゾン検知紙である。例えば、非特許文献１に示したオゾン検知紙を利用する。図２に示すように、検知領域１２１の境界にマーカー１２２を配置してもよい。

照明装置１３は、検知紙１２に対して光を照射し、撮影装置１４は、光が照射された検知紙１２を撮影して画像データを取得する。照明装置１３としてデジタルカメラのフラッシュを利用してもよいが、検知紙１２の正確な色情報を取得するために、１ＷのＬＥＤを５〜２０個程度使用したＬＥＤライトが好適である。ＬＥＤとしては、特に、白色ＬＥＤもしくは６２０ｎｍ付近の波長の赤色ＬＥＤがよい。撮影装置１４としては、デジタルカメラ、ｗｅｂカメラなど電子画像データが取得できるものを使用する。

温湿度測定装置１５は、例えば温湿度ロガーを利用する。測定した温度、湿度のデータを自動的にオゾン濃度算出装置１６へ送信する機能があるとよい。

これら検知紙１２、照明装置１３、撮影装置１４、および温湿度測定装置１５は、外気取り込み口１１を備え、外光が遮蔽されたケース内に収容される。オゾン濃度算出装置１６をケース内に収容してもよい。図３は、オゾン濃度測定装置１０のケースの外気取り込み口１１を含む断面を示す図である。同図に示すように、オゾン濃度測定装置１０のケースは、外気取り込み口１１を設けて外気を取り込め、かつ外光がケース内に入らない構造であればよい。

なお、外気取り込み口１１としてルーバー構造を備えたケースが好適である。例えば、百葉箱を使用するとよい。図３に示すケースでは、測定場所の風速が遅い場合、エアフローが十分でなく、オゾンを検出できない場合があったが、外気取り込み口１１をルーバー構造にすることにより、十分なエアフローを確保し、風速が遅い日においてもオゾン濃度を正確に測定できることが実験によって確認された。

オゾン濃度算出装置１６は、撮影装置１４から画像データを受信して検知紙１２の検知領域１２１を特定し、検知領域１２１の色情報を取得してオゾン暴露量を計算する。そして、温湿度測定装置１５から温度データ、湿度データを受信し、その温度、湿度に基づいて計算したオゾン暴露量を補正する。

図４は、オゾン濃度算出装置１６の構成を示すブロック図である。同図に示すオゾン濃度算出装置１６は、入力部１６１、算出部１６２、および格納部１６３を備える。オゾン濃度算出装置１６を、演算処理装置、記憶装置、メモリ等を備えたコンピュータにより構成して、各部の処理がプログラムによって実行されるものとしてもよい。このプログラムはオゾン濃度算出装置１６が備える記憶装置に記憶されており、磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等の記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

入力部１６１は、オゾン濃度測定装置１０から検知紙１２を撮影した画像データを入力し、検知紙１２の色情報（ＲＧＢの各値と平均値）を取得する。さらに、入力部１６１は、オゾン濃度測定装置１０内部の温度データ、湿度データを入力する。

オゾン濃度測定装置１０内において検知紙１２および撮影装置１４の配置位置を固定しておき、撮影された画像データに色情報を取得する範囲を予め設定し、その範囲に含まれるピクセルのＲＧＢ値の平均値を算出することで検知紙１２の色情報が得られる。もしくは、図２に示すように、検知領域１２１の境界にマーカー１２２を配置し、パターン認識などでマーカー１２２を検知し、マーカー１２２からの相対位置、例えば４つのマーカー１２２を結ぶ交点の周囲１００×１００ピクセルなどで座標を指定して、色情報を取得するものでもよい。

格納部１６３は、ＲＧＢ値とオゾン暴露量との関係を示すテーブル、温湿度と補正係数との関係を示すテーブルを格納する。

算出部１６２は、格納部１６３を参照し、取得した検知紙１２の色情報に基づいてオゾン暴露量を算出する。検知紙１２のＲＧＢ値は、オゾン暴露量に比例してＲの値が増加する。そのため、Ｒの値が０〜２５５（２５６段階）の場合、以下の式でオゾン暴露量が算出できる。

（取得した検知紙のＲの値−検知紙のＲの値の初期値）×４
例えば、検知紙１２のＲの値が、初期値が４０、１５分後が５０、３０分後が６５と変化した場合、測定開始から１５分後までのオゾン暴露量は、（５０−４０）×４＝４０ｐｐｂ×ｈｏｕｒであり、測定開始から３０分後までのオゾン暴露量は、（６５−４０）×４＝１００ｐｐｂ×ｈｏｕｒとなる。よって、測定開始から１５分後から３０分後までの１５分間には、６０ｐｐｂ×ｈｏｕｒのオゾン暴露量であると算出できる。

また、平均オゾン濃度は、オゾン暴露量を時間で割ることにより算出できる。上記の場合、測定開始から１５分間（０．２５時間）の平均オゾン濃度は、４０÷０．２５＝１６０ｐｐｂと計算され、次の１５分間の平均オゾン濃度は、６０÷０．２５＝２４０ｐｐｂと計算される。

さらに、算出部１６２は、算出したオゾン暴露量をオゾン濃度測定装置１０内部の温湿度に応じた補正を行う。検知紙１２の感度は、温湿度条件によって変化するので、検知紙１２周囲の温度データ、湿度データを入力し、格納部１６３を参照してオゾン暴露量を補正する。具体的には、下記の式により補正が可能である。

補正オゾン暴露量＝算出したオゾン濃度／｛（０．０１５３×ＲＨ＋０．０８３３）×（０．０１３６×Ｔ＋０．７３）｝
ここで、ＲＨは相対湿度（％）、Ｔは温度（℃）を示す。これにより、より正確なオゾン暴露量が算出できる。

また、照明装置１３の劣化や個体差により検知紙１２の色情報が変化する可能性があるため、検知紙１２の余白部分や別の白い紙などの白色部分を含めて撮影し、オゾン濃度算出装置１６は、検知紙１２のＲの値を白色部分のＲの値で割った値をオゾン暴露量の算出に用いてもよい。例えば、次の式でオゾン暴露量が算出できる。

｛（検知紙のＲの値／白紙のＲの値）−（検知紙のＲの値の初期値／白紙のＲの値）｝×６００
これにより、照明条件にバラツキが生じても、より正確にオゾン暴露量が算出できる。

次に、オゾン濃度算出装置がオゾン暴露量を求める処理の流れについて説明する。図５は、オゾン濃度算出装置１６がオゾン暴露量を求める処理の流れを示すフローチャートである。

入力部１６１は、オゾン濃度測定装置１０で撮影された検知紙１２の画像データ、温度データ、および湿度データを読み込む（ステップＳ５０１）。

続いて、得られた画像データにおける検知紙１２の検知領域１２１を特定し（ステップＳ５０２）、検知領域１２１の色情報を取得する（ステップＳ５０３）。

算出部１６２は、取得した色情報からオゾン暴露量を算出する（ステップＳ５０４）。また、前回測定時との差分および経過時間からその間のオゾン濃度を計算する。

そして、算出したオゾン暴露量を温度データ、湿度データにより感度変化の影響を補正する（ステップＳ５０５）。補正されたオゾン暴露量は、ネットワーク２０を介して情報収集装置３０へ送信される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、外光の侵入を抑えたケース内に検知紙１２、照明装置１３、および撮影装置１４を配置することにより、撮影環境を一定に保つことができるので、撮影した画像データを用いてオゾン暴露量を算出する際、撮影環境の違いによるオゾン濃度測定の誤差を除去することが可能となる。

本実施の形態によれば、温湿度測定装置１５により、オゾン濃度測定装置１０内の温湿度を計測し、オゾン濃度算出装置１６がその温湿度を用いて計算したオゾン暴露量を補正することにより、より正確なオゾン暴露量を得ることができる。

本実施の形態によれば、検知紙１２の白色部分を含めて撮影し、その白色部分の色情報を用いてオゾン暴露量を算出することにより、照明条件のバラツキを考慮してオゾン暴露量を算出することができる。

本実施の形態によれば、外気取り込み口１１をルーバー構造にすることで十分なエアフローを確保できるので、風速が遅い日においてもオゾン濃度を正確に測定することが可能となる。

［第２の実施の形態］
図６は、第２の実施の形態におけるオゾン濃度測定システムの構成を示すブロック図である。同図に示すオゾン濃度測定システムは、オゾン濃度測定装置１０、オゾン濃度算出装置１６を有し、オゾン濃度測定装置１０とオゾン濃度算出装置１６とはネットワーク２０を介して接続される。本オゾン濃度測定システムは、第１の実施の形態と同様に、オゾンガスに暴露されて変色する検知紙を撮影し、撮影した画像データから検知紙の色情報を抽出し、その色情報に基づいてオゾン暴露量を算出するものであり、環境光を遮蔽して撮影条件を一定にすることでより正確にオゾン濃度を算出する。以下、第１の実施の形態と異なる点について説明する。

第２の実施の形態におけるオゾン濃度測定装置１０は、交換手段付き検知紙６２、インターバル撮影機能付きの撮影装置６４を備える。これにより、使用済みの検知紙６２を自動で交換するとともに、撮影装置６４が一定時間毎に検知紙６２を撮影することができる。さらに、撮影装置６４が無線ＬＡＮ機能を備え、無線ＬＡＮのアクセスポイント６６を配置する。これにより、撮影装置６４がネットワーク２０を介してオゾン濃度算出装置１６に撮影した画像データを送信することができる。温湿度測定装置１５が測定した温度データ、湿度データもアクセスポイント６６、ネットワーク２０を介してオゾン濃度算出装置１６に送信される。

また、第２の実施の形態におけるオゾン濃度測定装置１０は、照明装置１３の発光を検知紙６２に直接照射せず、レフ板１３１で乱反射させて照射する。これにより、照度ムラを抑制することが可能となる。拡散板を透過させた光を検知紙６２に照射してもよい。

さらに、照明装置１３の印加電圧を制御する制御装置１３２を備え、照明装置１３の照度のバラツキを補正する。制御装置１３２は、撮影装置６４が撮影した検知紙６２の余白部分あるいは検知紙６２の近くに配置した白紙のＲＧＢ値を受信し、このＲＧＢ値が一定になるように照明装置１３の印加電圧にフィードバックをかける。基準値よりＲＧＢ値が高い（照度が高い）場合には印加電圧を下げ、基準値よりＲＧＢ値が低い（照度が低い）場合には印加電圧を上げることで、照明装置１３の劣化あるいは個体差による影響を抑制することができる。この照明装置１３の制御は、検知紙６２の撮影前に毎回行う。何度か印加電圧の調整を繰り返すことで照度を一定に保つことができる。照明装置１３が電球の場合は、印加電圧を変えることでスペクトルが変化してしまうが、照明装置１３としてＬＥＤを用いた場合は、スペクトルに対する影響が少ないため有効である。

また、第２の実施の形態におけるオゾン濃度測定装置１０は、ケースの側面にブラシレスＤＣファンモータ６１を備える。オゾン濃度測定装置１０のケースの開口部面積が小さくために外部の空気が入りにくく、オゾンが検出されにくい場合でも、ケースにブラシレスＤＣファンモータ６１を配置することで、オゾン濃度測定に十分なエアフローが得られる上、検知紙６２付近の空気の流量が一定となり、ケース外の風速の影響を受けにくくなり、オゾン濃度測定感度が安定する。

本実施の形態によれば、交換手段付き検知紙６２、インターバル撮影機能付きの撮影装置６４を備えることにより、検知紙を取り替える必要がなく、長時間にわたるオゾン暴露量の測定が可能となる。さらに、消費電力の少ないハードウェアでオゾン濃度測定装置１０を構成することにより、電源のない屋外においても数日〜数週間の連続モニタリングが可能となる。

本実施の形態によれば、照明装置１３の発光をレフ板１３１で乱反射させることにより、照度ムラを抑制することが可能となる。さらに、照明装置１３の照度を一定に保つ制御装置１３２を備えることにより、照明装置１３の劣化あるいは個体差による影響を抑制することができる。

本実施の形態によれば、オゾン濃度測定装置１０のケースの側面にブラシレスＤＣファンモータ６１を備えることにより、オゾン濃度測定に十分なエアフローが得られる上、検知紙６２付近の空気の流量が一定となり、ケース外の風速の影響を受けにくくなり、オゾン濃度測定感度が安定する。

第１の実施の形態におけるオゾン濃度測定システムの構成を示すブロック図である。 検知紙の様子を示す平面図である。 オゾン濃度測定装置のケースの断面を示す断面図である。 オゾン濃度算出装置の構成を示すブロック図である。 オゾン濃度算出装置がオゾン暴露量を求める処理の流れを示すフローチャートである。 第２の実施の形態におけるオゾン濃度測定システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０…オゾン濃度測定装置
１１…外気取り込み口
１２…検知紙
１２１…検知領域
１２２…マーカー
１３…照明装置
１３１…レフ板
１３２…制御装置
１４…撮影装置
１５…温湿度測定装置
１６…オゾン濃度算出装置
１６１…入力部
１６２…算出部
１６３…格納部
６１…ブラシレスＤＣファンモータ
６２…検知紙
６４…撮影装置
６６…アクセスポイント
２０…ネットワーク
３０…情報収集装置

Claims (6)

1. ガス検知装置が撮影した画像データを用いてガス濃度算出装置がガス暴露量を算出するガス濃度測定システムであって、
   前記ガス検知装置は、
   ガス暴露量に応じて色が変化するガス暴露量検知手段と、
   前記ガス暴露量検知手段を環境光から遮蔽する遮蔽手段と、
   前記遮蔽手段に配置された開口部と、
   前記ガス暴露量検知手段に対して照明光を照射する前記遮蔽手段内に配置された照明手段と、
   前記ガス暴露量検知手段を撮影して画像データを得る前記遮蔽手段内に配置された撮影手段と、
   を有することを特徴とするガス濃度測定システム。
2. 前記ガス検知装置は、前記ガス暴露量検知手段近辺の温度及び湿度を計測する温湿度計測手段をさらに有することを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定システム。
3. 前記ガス濃度算出装置は、
   前記画像データ、前記温度及び湿度の入力を受け付ける入力手段と、
   前記ガス暴露量検知手段の色情報とガス暴露量との関係、前記温度及び湿度とガス暴露量との関係を格納した格納手段と、
   前記画像データから前記ガス暴露量検知手段の色情報を抽出し、前記格納手段を参照してガス暴露量を算出する算出手段と、
   前記格納手段を参照し、前記温度及び湿度を用いて算出した前記ガス暴露量を補正する補正手段と、
   を有することを特徴とする請求項２記載のガス濃度測定システム。
4. 前記ガス検知装置は、前記照明光が一定となるように前記照明手段を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のガス濃度測定システム。
5. 前記開口部に排気手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のガス濃度測定システム。
6. ガス暴露量に応じて色が変化するガス暴露量検知手段を環境光を遮蔽した状態で照明光を照射して撮影した画像データと前記ガス暴露量検知手段近辺で計測した温度及び湿度を入力するステップと、
   前記画像データから前記ガス暴露量検知手段の色情報を抽出するステップと、
   前記ガス暴露量検知手段の色情報とガス暴露量との関係を格納した格納手段を参照して前記画像データから抽出した前記色情報からガス暴露量を算出するステップと、
   前記温度及び湿度とガス暴露量との関係を格納した前記格納手段を参照して算出した前記ガス暴露量を補正するステップと、
   を有することを特徴とするガス濃度測定方法。

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