赤外線サーモグラフィのアプリケーションへの対応とセンサの波長特性ならびに画像処理技術の応用

非冷却型赤外線サーモカメラは、その利便性と高性能化、低価格化により、様々な分野での利用が拡大している。しかしながら、非冷却2次元赤外線センサ（UFPA）の性能の限界から、適用できるアプリケーションに制約が生じている。

この課題に対し、UFPAの波長特性や画像処理技術を活用した応用により、非冷却型赤外線サーモカメラの性能を向上させ、アプリケーション適用範囲を広げた。

はじめに

　近年、非冷却2次元赤外線センサ（UFPA）は、MEMS技術の向上などにより、狭ピッチ・多画素化、高性能化、低価格化が進んでいる。

その恩恵を受け、赤外線サーモグラフィカメラ（以下、サーモカメラ）も高性能化・低価格化が進み、様々な分野で利用が拡大するとともにニーズも多様化している。

わが国では、主に研究・開発分野での利用を中心に発展してきたが、近年では、工場のプラント設備や建築物・道路などのインフラ維持管理、感染症による発熱者のスクリーニングなど、社会の安心・安全を守るための検査装置としても大きな注目を浴びている。

このように、様々な分野で利用が拡大しているサーモカメラだが、一方でUFPAの性能（応答速度、感度、素子ピッチ／画素数）の限界から適用できるアプリケーションに制約が生じている。

これに対し、日本アビオニクス（以下、当社）は画像処理技術を活用することでUFPAの性能限界を超えた熱画像を得ることに成功し、アプリケーションに適用している。

また、短波長領域にまで感度のある国産センサの特性を活かし、従来冷却型赤外線カメラで実施していた火炎越し計測を非冷却型赤外線カメラで実現した。　本稿では、アプリケーション要求に対するサーモカメラの課題とその課題を解決する技術を中心に紹介する。

プラント設備診断の維持管理

1）プラント設備の老朽化
　日本では高度経済成長期時代に建造されたインフラや工場設備の劣化・老朽化が急速に進行しており、これに対する維持管理や安全性の確保が大きな課題となっている。

特に、老朽化や複雑化が進んだ発電所や工場プラントなどにおける重大な事故が増加の傾向にあり、危惧されている。消防庁の「平成27年度中の危険物に係る事故の概要」（図1）によれば、前年に比べ事故発生件数は減少するも、過去15年間は500件以上あり依然として高い水準で推移している^1）。

図1　危険物施設における火災および流出事故発生件数の推移

特に石油化学プラントでの重大事故が多発している背景として、2007年問題などで熟練者が大量離脱したことによる技術伝承の不足、業務のアウトソーシングに起因する現場力の低下、設備やシステムの複雑化と老朽化などが挙げられている^2）。

2）状態監視による予防保全
　近年、工場の設備保全において予知保全の考えから「状態監視」が重要視されている。「状態監視」では、計測器などを使って稼働中の設備の健全性を定量的にチェックし、設備異常の予知や異常個所の特定を行う。

これにより、生産ラインや設備の稼働を確保でき、分解点検の際に作業者のミスで設備を壊してしまう「いじり壊し」のリスクをなくすことができる。特に機械設備の状態監視では、油・振動・温度の3点に着目して設備の健全性を確認する。

サーモカメラでは、「非接触」・「リアルタイム」・「画像化」というメリットを活かし、稼働中の機械や歯車やベアリングをはじめとする回転体等の機械要素に接触することなく安全に、損傷に伴う熱の発生個所を確認することが可能である。

3）設備診断用モデル「サーモフレックス F50」
　「サーモフレックス F50」は、タッチパネル式の「コントローラ」と小型の「カメラヘッド」が脱着できる新しいスタイルのサーモカメラである（図2）。

図2　新しいスタイルのサーモカメラ「サーモフレックス　F50」

「見上げる」「見下ろす」「潜り込む」「取り付ける」「中に入れる」という自由なスタイルで撮影できるため、複雑に入り組んだプラント設備を隅々まで点検することが可能である。

電気設備やケーブルモータ軸受けやベアリングの配管など、稼働中の設備の状態をあらゆるアングルで確認し、従来のサーモカメラでは見えなかったリスクを可視化することができる（図3、4）。以下に、その特長を示す。

: 図3　電気設備の異常発熱

: 図4　ベアリングなど回転体軸受けの発熱

●特長1：脱着機構によるフリーアングル撮影
　特許出願中の脱着機構により、カメラヘッドとコントローラが簡単に回転・分離。この構造により、あらゆるアングルでの現場計測が可能となる（図5、6）。

: 図5　下から覗きこんでの撮影

: 図6　隙間に潜り込ませての撮影

●特長2：フォーカスフリーの広角レンズ
　レンズは70°タイプと35°タイプがあり、近距離でも広いエリアを映し出す。狭い通路での配電盤も1画面の撮影で済む（図7）。フォーカス調整が不要なため、初心者でも簡単に扱うことができる。

図7　配電盤を70°広角撮影（可視合成機能を使用）

●特長3：市販アクセサリに取り付けて様々なシーンで活用
　カメラヘッドとコントローラに三脚用のネジ穴を備えており、市販のカメラアクセサリと組み合わせることで、ウェアラブルスタイルや棒カメラスタイルなど、様々な使い方が可能となる（図8）。

図8　ウェアラブルスタイル
（三脚ネジ穴で市販アクセサリを活用）

●特長4：タッチパネルによるかんたん操作
コントローラはタッチパネルを採用しており、温度スケール設定、ズーム表示、可視合成の調整、測定オブジェクトの移動などの操作をスマートフォン感覚で直感的に行うことができる（図9）。また、記録、温度スケールなど頻度の高い操作はボタンで行うことができ、手袋をしたままでも操作が可能である。

図9　タッチパネルでかんたん操作

●特長5：防塵・防滴構造、1m落下、耐熱設計
　IP67の防塵・防滴構造と1m落下にも耐える堅牢性により、安心して道具として扱うことができる。ストラップで首から吊り下げることで落下防止になるだけではなく、いつでも両手をフリーにすることができ、他の作業の邪魔にならない（図10）。

図10　首下げで両手フリー　落下の心配もなし

さらに、小型のカメラヘッドは70℃の環境にも耐えるため、設備や恒温槽の中に差し込んでの計測が可能となる。

波長特性や画像処理技術による新たなニーズへの対応

1）燃焼炉内点検のニーズ
東日本大震災以降、原子力発電所が再稼動できない状況の中、電力メーカは不足している電力を火力発電で補っている。

石炭火力のボイラー内は、燃焼によって溶融したクリンカが伝熱管に付着し、効率的な熱交換を妨げるとともに、安全運転の障害となる。

稼動率を低下させずに燃焼炉内のクリンカの有無や除去効果を確認したいが、火炎の強烈な輝きにより、炉内を直接目視することが困難である^3）。

これに対し、3.8μm近辺の波長帯の赤外線は、火炎や燃焼時に生成される炭酸ガス（CO₂）等を透過するので、燃焼炉内を観察することが可能となる。

しかし、一般的に普及しているサーモカメラは、測定波長帯が8～14μmの“非冷却型”センサを搭載しているため、波長特性の不一致により計測できない。

3.8μm近辺の赤外線を検出するには、短波長帯に感度をもつ「冷却型」センサを搭載した、高額かつ重量が3kg以上あるサーモカメラを使用する必要があり、メンテナンスに多くの費用や時間が掛かるなど、現場への普及の妨げとなっていた。

2）炎越し計測用モデル「R300BP-TF」
　この課題を受けて、当社は短波長帯にまで感度のある「国産非冷却型センサ」の優れた感度特性を活かし、火炎の影響が除去されるバンドパスフィルタを組み合わせて、3.8μm近辺の赤外線を検出することのできる火炎越し計測用サーモカメラ「R300BP-TF」を開発した（図11）。

図11　炎越し測定モデル「R300BP-TF」

図12に示すように、火炎から放射される赤外線の中心波長は約4.5μmであるのに対し、約4.0μm以下では炭酸ガスによる赤外線の吸収が小さくなり、火炎の透過率は高くなる。

図12　炎越し測定と火炎測定の測定波長

さらに、水蒸気の吸収による赤外線の減衰は3.6μm以下で顕著となるので、波長3.8μm付近の赤外線を選択的に検出することで、火炎あるいは水蒸気の影響を受けることなく、火炎越しに対象物の温度を安定的に計測することが可能となる。

本製品は冷却器が不要のためメンテナンスフリーとなり、高額な冷却器の保守費用がゼロに抑えられる。また、高額な冷却型モデルと比較して、価格はおよそ半分となり、ユーザが導入しやすくなった。

さらに、質量わずか1.5kgのポータブルタイプで、バッテリ駆動により持ち運んで簡単に撮影することが可能である。

これにより、火炎越しで燃焼炉内部の設備診断やクリンカの付着状況確認等を容易に行うことができるようになった。ボイラー内部の可視画像例を図13、火炎越し計測用サーモカメラ熱画像例を図14に示す。

: 図13　ボイラ―内部の可視画像

: 図14　ボイラー内部のサーモカメラ画像

3）石炭搬送ベルトコンベアにおける発火監視のニーズ
　火力発電所では、貯炭場やサイロから石炭を運び出しバンカへ移動させる石炭輸送ベルトコンベアに関する火災が度々発生している。火災検知器には、主に熱感知線（線上での温度を監視する導線式温度検知器）がベルトコンベアの下部に配線されている。

局部的な温度上昇により、導線間の短絡が生じ電気抵抗の低下によって検知するものである ^3）。しかし、リアルタイムで広範囲の温度分布を監視することはできない。

このため、「非接触」・「リアルタイム」・「画像化」ができるサーモカメラによる監視が適している（図15～17）。

: 図15　監視用モデル「TS600」

: 図16　防爆型設置用モデル「SZ320」

図17　石炭搬送コンベア発火監視システム

4）『画像流れ補正技術』による温度精度の向上
　非冷却型サーモカメラに搭載されているUFPAは、熱時定数により応答速度が決定される。動体を検出する場合、または旋回台で視野を移動するシーンで、画像流れが発生し温度を把握することができない実物と異なる形状になり、誤判定が生じるという問題が起こる。

当社はこの課題に対し、「画像流れ補正」技術を開発した。UFPAの出力はセンサ素子の温度上昇量に比例する。温度上昇は熱的な事象であり、熱伝導方程式で定式化される線形な応答である。

したがって、ある1つのセンサ素子の出力は、センサ素子のインパルス応答と、センサ素子に入力する赤外線エネルギーの時系列データとの畳み込みで定量化することができる。

計測対象の物体が移動する場合、ある時刻、ある素子に入射された赤外線エネルギーは、次の時刻では隣接素子に入射し、さらに次の時刻には2素子離れた素子に入射し、ということが繰り返し生じ、結果的に複数の素子に渡って同一の赤外線エネルギーが入射することとなる。

これは線形な事象であるので、センサのインパルス応答に基づいて、複数の素子出力から対象物の赤外線エネルギーを推定することが可能となる。

「画像流れ補正」技術の効果を検証するために、赤外線カメラを1フレームあたり10画素移動する速度で動かしながら、温度97℃の黒体を計測した。図18には、参照用として赤外線カメラを静止した状態で計測した結果も示してある。