JP6364305B2 - Hydrogen gas concentration measuring apparatus and method - Google Patents
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Description
本発明は、測定対象ガスの濃度を計測するためのラマン散乱光を利用したガス濃度計測装置および方法に関し、特に、レーザー誘起蛍光の影響下でも、水素ガス濃度を計測することができる計測装置および方法に関する。 The present invention relates to a gas concentration measurement apparatus and method using Raman scattered light for measuring the concentration of a measurement target gas, and in particular, a measurement apparatus capable of measuring a hydrogen gas concentration even under the influence of laser-induced fluorescence, and Regarding the method.
昨今、遠隔地から建屋内に存在するガスの濃度を計測するための技術が求められている。濃度を測定可能なガスセンサとしては、接触型のものと非接触型のものがあるが、メンテナンスの必要性が少ない非接触型のセンサーのニーズが高い。光学的ガス検出方法としては、例えば、ラマン散乱分光法(レーザーラマン法)がある。 Recently, there is a demand for a technique for measuring the concentration of gas existing in a building from a remote location. There are two types of gas sensors that can measure the concentration, a contact type and a non-contact type, but there is a great need for a non-contact type sensor that requires little maintenance. Examples of the optical gas detection method include Raman scattering spectroscopy (laser Raman method).
ここで、ラマン散乱は、単色光を分子に照射したときに、散乱光の周波数が分子の振動周波数だけ変移する現象であり、この散乱光の周波数変移量は、照射した単色光の周波数に無関係で、物質に固有の量である。そのため、特定波長のレーザー光を測定対象の物質に照射すると、レーザー光が当たった物質から、レーザー光の波長と異なる波長のラマン散乱光が発生する。また、その散乱光の強度は、その物質の密度に比例することが知られている。 Here, Raman scattering is a phenomenon in which when the molecule is irradiated with monochromatic light, the frequency of the scattered light changes by the vibration frequency of the molecule, and the frequency shift amount of the scattered light is independent of the frequency of the emitted monochromatic light. This is the amount specific to the substance. Therefore, when laser light having a specific wavelength is irradiated onto a measurement target substance, Raman scattered light having a wavelength different from the wavelength of the laser light is generated from the substance hit with the laser light. Further, it is known that the intensity of the scattered light is proportional to the density of the substance.
ところで、水素ガスを利用・貯蔵する環境では、無色・透明・無臭である水素ガスが滞留する場所に定置式の可燃性ガス検知器を設置してガスの漏洩監視を行うことが必要である。しかし、漏洩箇所の特定は携帯用のガス検知器を携えた係員の巡視点検に委ねられていたため、ガスの漏洩検知と漏洩箇所の特定を行う連続的な監視技術が求められていた。そこで、出願人は、ガスを吸引することなく非接触で検出するガス検知技術をこれまで何件も提案してきた。 By the way, in an environment where hydrogen gas is used / stored, it is necessary to monitor gas leakage by installing a stationary combustible gas detector in a place where colorless, transparent, and odorless hydrogen gas stays. However, since the location of the leak was entrusted to a patrol of a staff member who carried a portable gas detector, a continuous monitoring technique for detecting the leak of the gas and identifying the leak location was required. Therefore, the applicant has proposed a number of gas detection techniques that detect non-contact without sucking the gas.
例えば、特許文献1では、監視対象空間に光ファイバを介してレーザー光を照射し、監視対象ガスの種別に応じて、照射したレーザー光の波長からラマンシフトした波長のラマン散乱光および背景光を光ファイバ端面に結像し、ラマン散乱光対応カメラに導く一方、背景面像を可視光対応カメラに導くことにより、両カメラの光軸を一致させるガス漏洩監視方法およびシステムを提案した。 For example, in Patent Document 1, laser light is irradiated onto a monitoring target space via an optical fiber, and Raman scattered light and background light having a wavelength that is Raman shifted from the wavelength of the irradiated laser light according to the type of the monitoring target gas. We have proposed a gas leak monitoring method and system in which the optical axes of both cameras are aligned by forming an image on the end face of the optical fiber and guiding it to a Raman scattered light compatible camera while guiding the background image to a visible light compatible camera.
また、特許文献2では、測定条件が一様でない場合でも、高精度にガスの濃度を遠隔計測するための方法として、対象空間にパルス半値幅8ns以下のパルスレーザー光を照射し、窒素ガスからの散乱光をレーザー光軸と交叉する受光光軸を有する集光機構で集光し、第一の受光機構でラマン散乱光信号強度を測定する第一工程、第一工程と同期して、対象空間にレーザー光を照射し、対象ガスの散乱光をレーザー光軸と交叉する受光光軸を有する集光機構で集光し、第二の受光機構でラマン散乱光信号強度を測定する第二工程、窒素ガスと対象ガスのラマン散乱光強度の強度比に基づいて対象空間における対象ガスの濃度を計算する第三工程、とを含むガス濃度遠隔計測方法を提案した。 Further, in Patent Document 2, as a method for remotely measuring the gas concentration with high accuracy even when the measurement conditions are not uniform, the target space is irradiated with pulsed laser light having a pulse half width of 8 ns or less, and nitrogen gas is used. The first step of collecting the scattered light of the laser beam with a light collecting mechanism having a light receiving optical axis that intersects the laser optical axis and measuring the Raman scattered light signal intensity with the first light receiving mechanism, synchronized with the first step, A second step of irradiating the space with laser light, condensing the scattered light of the target gas with a condensing mechanism having a light receiving optical axis that intersects the laser optical axis, and measuring the Raman scattered light signal intensity with the second light receiving mechanism And a third step of calculating the concentration of the target gas in the target space based on the intensity ratio of the Raman scattered light intensity of the nitrogen gas and the target gas.
さらに、特許文献3では、レーザー光と水素ガスのストークス光を同時に照射して、反ストークス光を捉えるコヒーレント反ストークスラマン散乱分光法(CARS)を用いて水素ガスを可視化する方法として、監視対象空間に照射した2 以上の異なるレーザー光に起因する波長概ね309nmの被検出光を集光し、電子画像に変換し、増幅し、再度光学像に変換することで特定波長の空間強度分布を画像化することを特徴とする水素ガス及び水素火炎監視方法を提案した。
なお、CARS(coherent anti-Stokes Raman spectroscopy)については、非特許文献1に詳しい。
Further, in Patent Document 3, as a method of visualizing hydrogen gas using coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy (CARS) that simultaneously irradiates laser light and Stokes light of hydrogen gas and captures anti-Stokes light, a space to be monitored is used. The light to be detected having a wavelength of approximately 309 nm caused by two or more different laser beams irradiated on the light is condensed, converted into an electronic image, amplified, and converted into an optical image again to image a spatial intensity distribution at a specific wavelength. A hydrogen gas and hydrogen flame monitoring method was proposed.
Note that CARS (coherent anti-Stokes Raman spectroscopy) is detailed in Non-Patent Document 1.
しかしながら、レーザーラマン法による測定においては、配管、配管継手や配管バルブ等の周辺では、レーザー誘起蛍光の影響により、水素ガス濃度の測定ができない場合があった。 However, in the measurement by the laser Raman method, the hydrogen gas concentration may not be able to be measured in the vicinity of pipes, pipe joints, pipe valves and the like due to the influence of laser-induced fluorescence.
CARSを用いる特許文献3に記載の方法は、レーザー誘起蛍光の影響を受けない反ストークス光を計測するものであるが、レーザー光とストークス光が同時に届かない場所、すなわち配管、パッキンあるいは配管バルブの向こう側の水素ガスを検知することはできなかった。 The method described in Patent Document 3 using CARS measures anti-Stokes light that is not affected by laser-induced fluorescence. However, the laser beam and Stokes light cannot reach at the same time, that is, in piping, packing, or piping valves. The other side of the hydrogen gas could not be detected.
レーザー光と水素ガスのストークス光を光ファイバで計測箇所まで伝送した場合、伝送中に偏光が崩れ、出口ではランダム偏光の光となり、反ストークス光の発生効率が低くなるという課題がある。
また、偏波保持光ファイバは一般的にコア径が細く、レーザー光やストークス光を光ファイバに入れる結合効率が低いという課題がある。
When laser light and Stokes light of hydrogen gas are transmitted to a measurement location using an optical fiber, the polarization is lost during transmission, and light is randomly polarized at the exit, resulting in low generation efficiency of anti-Stokes light.
In addition, the polarization maintaining optical fiber generally has a small core diameter, and there is a problem that the coupling efficiency for introducing laser light or Stokes light into the optical fiber is low.
そこで、本発明は、所望の計測箇所までレーザー光やストークス光を伝送することができ、しかも配管、配管継手や配管バルブの表面近傍等のレーザー誘起蛍光の影響下でも、CARSにより水素ガス濃度を計測することができる計測装置および方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention can transmit laser light and Stokes light to a desired measurement location, and also adjust the hydrogen gas concentration by CARS even under the influence of laser-induced fluorescence in the vicinity of the surface of piping, piping joints, and piping valves. An object of the present invention is to provide a measuring apparatus and method capable of measuring.
本発明の第一の態様の水素ガス濃度計測装置は、計測箇所の水素ガスにラマン散乱光を発生させるためのレーザー光を発振するレーザー光源と、水素ガスからのラマン散乱光を検出する受光器と、一方の端部にレーザー光源からのレーザー光L1を入射すると、他方の端部からレーザー光およびストークス光L2を出射するラマンセルと、ラマン散乱光の信号強度に基づいて計測箇所における水素ガスの濃度を算出する制御部と、レーザー光源、受光器、ラマンセルおよび制御部を備える本体部と、計測箇所に設置されるプローブ部と、プローブ部と本体部とを光学的に接続する光伝送路と、を備える水素ガス濃度計測装置において、前記プローブ部が、出射口と、レーザー光のビーム径を絞って出射口から計測箇所に出射する凸レンズと、レーザー光の焦点位置よりも手前に反射物が来るように位置決めする位置決めガイドを備えて構成され、前記光伝送路が、前記本体部と前記プローブ部とを関節部に設けられた複数枚のミラーによりレーザー光、ストークス光および反ストークス光を伝送する多関節光伝送路からなり、前記受光器が、水素ガスからの反ストークス光を計測する第一の受光器および水素ガスからのストークス光を計測する第二の受光器を備えて構成され、前記本体部に、前記ラマンセルが第一位置および第二位置を切り換え自在に配置されており、前記制御部が、前記ラマンセルが照射路上にある第一位置においては第一の受光器からの信号に基づき水素ガスの濃度を算出し、前記ラマンセルが照射路外にある第二位置においては第二の受光器からの信号に基づき水素ガスの濃度を算出することを特徴とする。 A hydrogen gas concentration measuring device according to a first aspect of the present invention includes a laser light source that oscillates laser light for generating Raman scattered light in hydrogen gas at a measurement location, and a light receiver that detects Raman scattered light from hydrogen gas. When the laser light L1 from the laser light source is incident on one end, the Raman cell that emits the laser light and the Stokes light L2 from the other end, and the hydrogen gas at the measurement location based on the signal intensity of the Raman scattered light A control unit for calculating the concentration, a main body unit including a laser light source, a light receiver, a Raman cell, and a control unit, a probe unit installed at a measurement location, and an optical transmission path that optically connects the probe unit and the main body unit In the hydrogen gas concentration measurement apparatus comprising: the probe unit, an exit port, a convex lens that squeezes the beam diameter of the laser light and exits from the exit port to the measurement location; A plurality of mirrors comprising a positioning guide for positioning the reflector so that the reflecting object comes before the focal position of the user light, and the optical transmission path is provided with the body portion and the probe portion at the joint portion; It consists of an articulated optical transmission line that transmits laser light, Stokes light, and anti-Stokes light, and the light receiver measures the first light receiver that measures anti-Stokes light from hydrogen gas and the Stokes light from hydrogen gas. The Raman cell is arranged on the main body so as to be switchable between a first position and a second position, and the control unit is configured so that the Raman cell is on the irradiation path. At the position, the concentration of hydrogen gas is calculated based on the signal from the first light receiver, and at the second position where the Raman cell is outside the irradiation path, it is based on the signal from the second light receiver. And calculating the concentration of hydrogen gas can.
本発明の第一の態様の水素ガス濃度計測方法は、上記第一の態様の水素ガス濃度計測装置を用いた水素ガス濃度計測方法であって、レーザー誘起蛍光を生じる反射物がレーザー光の焦点位置よりも手前に位置するように前記プローブ部を配置し、計測箇所の水素ガス濃度を計測することを特徴とする。 The hydrogen gas concentration measurement method according to the first aspect of the present invention is a hydrogen gas concentration measurement method using the hydrogen gas concentration measurement device according to the first aspect, wherein the reflector that generates laser-induced fluorescence is the focal point of the laser beam. The probe unit is arranged so as to be positioned in front of the position, and the hydrogen gas concentration at the measurement location is measured.
本発明の第二の態様の水素ガス濃度計測装置は、計測箇所の水素ガスにラマン散乱光を発生させるためのレーザー光を発振するレーザー光源と、水素ガスからのラマン散乱光を検出する受光器と、一方の端部にレーザー光源からのレーザー光L1を入射すると、他方の端部からレーザー光およびストークス光L2を出射するラマンセルと、ラマン散乱光の信号強度に基づいて計測箇所における水素ガスの濃度を算出する制御部と、レーザー光源、受光器、ラマンセルおよび制御部を備える本体部と、計測箇所に設置されるプローブ部と、プローブ部と本体部とを光学的に接続する光伝送路と、を備える水素ガス濃度計測装置において、前記プローブ部が、レーザー光を計測箇所に照射する直角プリズムを有する照射部と、計測箇所からのラマン散乱光を受光する直角プリズムを有する受光部とを備えて構成され、前記光伝送路が、前記本体部と前記プローブ部とを関節部に設けられた複数枚のミラーによりレーザー光およびストークス光を伝送する多関節光伝送路と、計測箇所の水素ガスからの反ストークス光を伝送する光ファイバとを備えてなり、前記受光器が、水素ガスからの反ストークス光を計測する受光器からなり、前記制御部が、前記受光器からの信号に基づき水素ガスの濃度を算出することを特徴とする。 A hydrogen gas concentration measuring apparatus according to a second aspect of the present invention includes a laser light source that oscillates laser light for generating Raman scattered light in hydrogen gas at a measurement location, and a light receiver that detects Raman scattered light from hydrogen gas. When the laser light L1 from the laser light source is incident on one end, the Raman cell that emits the laser light and the Stokes light L2 from the other end, and the hydrogen gas at the measurement location based on the signal intensity of the Raman scattered light A control unit for calculating the concentration, a main body unit including a laser light source, a light receiver, a Raman cell, and a control unit, a probe unit installed at a measurement location, and an optical transmission path that optically connects the probe unit and the main body unit In the hydrogen gas concentration measuring apparatus, the probe unit includes an irradiation unit having a right-angle prism that irradiates the measurement site with laser light, and a llama from the measurement site. A light receiving portion having a right-angle prism for receiving scattered light, and the light transmission path emits laser light and Stokes light by a plurality of mirrors provided at the joint portion of the main body portion and the probe portion. Comprising an articulated light transmission path for transmission and an optical fiber for transmitting anti-Stokes light from hydrogen gas at a measurement location, and the light receiver comprises a light receiver for measuring anti-Stokes light from hydrogen gas, The control unit calculates the concentration of hydrogen gas based on a signal from the light receiver.
本発明の第二の態様の水素ガス濃度計測方法は、上記第二の態様の水素ガス濃度計測装置を用いた水素ガス濃度計測方法であって、レーザー誘起蛍光を生じる反射物近傍に配置した前記プローブ部を配置し、計測箇所の水素ガス濃度を計測することを特徴とする。 A hydrogen gas concentration measurement method according to a second aspect of the present invention is a hydrogen gas concentration measurement method using the hydrogen gas concentration measurement device according to the second aspect, and is disposed near a reflector that generates laser-induced fluorescence. A probe unit is arranged, and the hydrogen gas concentration at the measurement location is measured.
本発明によれば、所望の計測箇所までレーザー光やストークス光を伝送することができ、しかもレーザー誘起蛍光の影響がある場所でも、水素ガス濃度を計測することが可能となる。 According to the present invention, laser light or Stokes light can be transmitted to a desired measurement location, and the hydrogen gas concentration can be measured even in a location that is affected by laser-induced fluorescence.
以下、例示に基づき本発明を説明する。
《第1実施形態》
第1実施形態の水素ガス濃度計測装置1は、CARSを用いることでレーザー誘起蛍光の影響を回避し、高感度で応答の速い漏洩検知を可能とするものであり、水素分子と光の相互作用のみにより水素ガスを検知するため、計測部(20、30)に電気系を一切含まない点に特徴がある。
CARSでは、レーザー光(2光子)とストークス光(1光子)で発生する分子の分極を利用して、反ストークス光を発生させる。分極(ベクトル)は電界に比例して発生し、レーザー光(2光子)とストークス光(1光子)による3次の分極の大きさはレーザー光(2光子)とストークス光(1光子)の電界の積となる。このため、レーザー光(2光子)とストークス光(1光子)の電界が揃っている場合に分極(べクトル)が最大となり、発生する反ストークス強度も最大となる。また、気体は等方性物質であり、3次の電気感受率はどの方向についても同じであるため、反ストークス光の強度は分極の大きさで決まる。すなわち、電界の方向(光の偏光方向)を揃えることで、レーザー光(2光子)とストークス光(1光子)による反ストークス光(1光子)の発生効率を高くすることができる。
Hereinafter, the present invention will be described based on examples.
<< First Embodiment >>
The hydrogen gas concentration measuring apparatus 1 according to the first embodiment avoids the influence of laser-induced fluorescence by using CARS, enables leak detection with high sensitivity and quick response, and interaction between hydrogen molecules and light. Since hydrogen gas is detected only by this, the measurement part (20, 30) is characterized in that it does not include any electrical system.
In CARS, anti-Stokes light is generated by utilizing the polarization of molecules generated by laser light (two photons) and Stokes light (one photon). Polarization (vector) is generated in proportion to the electric field, and the magnitude of the third-order polarization by the laser beam (two-photon) and the Stokes beam (one-photon) is the electric field of the laser beam (two-photon) and the Stokes beam (one-photon). The product of For this reason, when the electric fields of the laser beam (two-photon) and the Stokes beam (one-photon) are aligned, the polarization (vector) is maximized, and the generated anti-Stokes intensity is also maximized. Further, since gas is an isotropic substance and the third-order electrical susceptibility is the same in any direction, the intensity of anti-Stokes light is determined by the magnitude of polarization. That is, by making the direction of the electric field (light polarization direction) uniform, the generation efficiency of anti-Stokes light (one photon) by laser light (two photons) and Stokes light (one photon) can be increased.
図1は、第1実施形態の水素ガス濃度計測装置1の構成図である。この計測装置1は、本体部10と、光伝送路20と、プローブ30とを主要な構成要素とする。
本体部10は、レーザー光をパルス状に発振するレーザー光源11と、各機器の制御および信号処理を行う制御部12と、レーザー光よりも波長の長いラマン散乱光であるストークス光(波長416nm)を発生させるための光学系(ラマンセル)と、計測箇所の水素ガスからの反ストークス光(波長309nm)を検出する受光器17とを備えて構成される箱体である。
レーザー光源11は、例えば、出力1mJで波長355nmのレーザー光を発振するYAGレーザー発振器等の単一光源である。レーザー光源11は、専用の制御プログラムが導入されている制御部12とBNC同軸ケーブル等からなる信号線で接続されており、制御部12からの発振指示を受けてレーザー光を所定のパルス幅(例えば5ns)で発振する。
FIG. 1 is a configuration diagram of a hydrogen gas concentration measuring apparatus 1 according to the first embodiment. The measuring apparatus 1 includes a main body unit 10, an optical transmission line 20, and a probe 30 as main components.
The main body 10 includes a laser light source 11 that oscillates laser light in a pulse shape, a control unit 12 that controls each device and performs signal processing, and Stokes light (wavelength 416 nm) that is Raman scattered light having a wavelength longer than that of the laser light. Is a box that includes an optical system (Raman cell) for generating the light and a light receiver 17 that detects anti-Stokes light (wavelength 309 nm) from hydrogen gas at a measurement location.
The laser light source 11 is a single light source such as a YAG laser oscillator that oscillates laser light having a wavelength of 355 nm with an output of 1 mJ. The laser light source 11 is connected to a control unit 12 in which a dedicated control program is introduced and a signal line made up of a BNC coaxial cable or the like. Upon receiving an oscillation instruction from the control unit 12, the laser light is sent to a predetermined pulse width ( For example, oscillation occurs at 5 ns).
ラマンセルは、本体部10に着脱可能に配置され、ラマンセルの一方の端部にレーザー光源1からのレーザー光L1を入射すると、他方の端部からレーザー光およびストークス光L2が出射される。ラマンセルからの出射光L2は、本体部10の光出入口から光伝送路20へ入射される。ラマンセルは、水素ガス高圧充填セルからなり、一対の凸レンズと水素ガス高圧充填セルとが別々に設けられているレンズ別体型と、両端に凸レンズが取り付けられたレンズ一体型とがある。 The Raman cell is detachably disposed on the main body 10. When the laser light L1 from the laser light source 1 is incident on one end of the Raman cell, the laser light and the Stokes light L2 are emitted from the other end. The outgoing light L2 from the Raman cell enters the optical transmission line 20 from the light entrance of the main body 10. The Raman cell is composed of a hydrogen gas high-pressure filling cell, and includes a separate lens type in which a pair of convex lenses and a hydrogen gas high-pressure filling cell are separately provided, and a lens integrated type in which convex lenses are attached to both ends.
図2(a)に示すレンズ別体型では、円筒状の水素ガス高圧充填セル13の側面中心は、レーザー光源11の照射口と同心とされており、水素ガス高圧充填セル13の両側面にはレンズ14,15が配置されている。レンズ14,15は同一焦点距離を有する凸レンズであり、水素ガス高圧充填セル13の長手方向の中心に焦点位置を合わせて配置される。 In the separate lens type shown in FIG. 2A, the center of the side surface of the cylindrical hydrogen gas high-pressure filling cell 13 is concentric with the irradiation port of the laser light source 11. Lenses 14 and 15 are arranged. The lenses 14 and 15 are convex lenses having the same focal length, and are arranged with their focal positions aligned with the longitudinal center of the hydrogen gas high-pressure filling cell 13.
レンズ別体型の試験例では、レンズ14(石英製)とレンズ15(BK7製)は共に焦点距離が30cmのものを用い、水素ガス高圧充填セル13の長さは47cmとした。レンズ14とレンズ15の焦点距離が同じであるため、水素ガス高圧充填セル13を挿入しても取り外しても、レーザー光のビーム径は変わらない。レンズ15の材質をBK7製としたのは、水素ガス高圧充填セル13から発生する反ストークス光を減衰させるためである。機能試験を行ったところ、ストークス光ビームは水素ガス充填圧力5気圧以上で観測され、7気圧以上で安定した。 In the separate lens type test example, both the lens 14 (made of quartz) and the lens 15 (made of BK7) have a focal length of 30 cm, and the length of the hydrogen gas high-pressure filling cell 13 is 47 cm. Since the focal lengths of the lens 14 and the lens 15 are the same, the beam diameter of the laser beam does not change even when the hydrogen gas high-pressure filling cell 13 is inserted or removed. The reason why the lens 15 is made of BK7 is to attenuate the anti-Stokes light generated from the hydrogen gas high-pressure filling cell 13. When a functional test was performed, the Stokes light beam was observed at a hydrogen gas filling pressure of 5 atm or higher and stabilized at 7 atm or higher.
図2(b)に示すレンズ一体型では、円筒状の水素ガス高圧充填セル13の一方の側面端部にレンズ14が設けられ、もう一方の側面端部にレンズ15が設けられている。このように、ラマンセルは、レンズ14,15が固定された態様の水素ガス高圧充填セルにより構成される場合もある。このレンズ一体型でも、ラマンセル(13,14,15)を挿入しても取り外しても、レーザー光のビーム径は変わらない。レンズ一体型の試験例では、レンズ14(石英製)とレンズ15(BK7製)は共に焦点距離が15cmのものを用い、水素ガス高圧充填セル13の長さは30cmとした。機能試験を行ったところ、ストークス光ビームは水素ガス充填圧力6気圧以上で観測され、8気圧以上で安定した。 In the lens-integrated type shown in FIG. 2B, a lens 14 is provided at one side end of the cylindrical hydrogen gas high-pressure filling cell 13, and a lens 15 is provided at the other side end. Thus, the Raman cell may be configured by a hydrogen gas high-pressure filling cell in which the lenses 14 and 15 are fixed. The beam diameter of the laser beam does not change even if this lens integrated type or the Raman cell (13, 14, 15) is inserted or removed. In the lens-integrated test example, both the lens 14 (made of quartz) and the lens 15 (made of BK7) have a focal length of 15 cm, and the length of the hydrogen gas high-pressure filling cell 13 is 30 cm. When a functional test was performed, the Stokes light beam was observed at a hydrogen gas filling pressure of 6 atm or more and stabilized at 8 atm or more.
第1実施形態では、ラマンセルを着脱可能に構成し、ラマンセルを照射路から取り外してもガス濃度計測を行うことが可能な構成としている。ラマンセルが照射路から取り外された位置(第一位置)にある際はレーザー光L1が計測箇所Aへの照射光となり、ラマンセル12が照射路に取り付けられた位置(第二位置)にある際はレーザー光L2が計測箇所Aへの照射光となる。上述のレンズ別体型では、水素ガス高圧充填セル13のみが照射路から取り外される態様(レンズ14,15は照射路にある態様)を含めて第一位置と呼ぶものとする。 In the first embodiment, the Raman cell is configured to be detachable, and the gas concentration can be measured even when the Raman cell is detached from the irradiation path. When the Raman cell is at the position (first position) removed from the irradiation path, the laser beam L1 becomes irradiation light to the measurement location A, and when the Raman cell 12 is at the position (second position) attached to the irradiation path. The laser light L2 becomes irradiation light to the measurement location A. In the above-described separate lens type, the first position including the mode in which only the hydrogen gas high-pressure filling cell 13 is removed from the irradiation path (the mode in which the lenses 14 and 15 are in the irradiation path) will be referred to.
ミラー16は、レーザー光源11から発振されたレーザー光を透過し、計測箇所Aからの反ストークスラマン散乱光を受光器17に反射するダイクロイックミラーである。ミラー16は、水素ガスからの反ストークスラマン散乱光を確実に反射すべく、309nmを含む波長域に高い反射率を有するものを使用する。
ラマンセルとミラー16の間には、ラマンセルから発生する反ストークス光を遮断するために、325nm以下の光を遮断するロングパスフィルタ18を配置する。
The mirror 16 is a dichroic mirror that transmits the laser light oscillated from the laser light source 11 and reflects the anti-Stokes Raman scattering light from the measurement location A to the light receiver 17. As the mirror 16, a mirror having a high reflectance in a wavelength region including 309 nm is used in order to reliably reflect the anti-Stokes Raman scattering light from the hydrogen gas.
Between the Raman cell and the mirror 16, a long pass filter 18 that blocks light of 325 nm or less is disposed in order to block anti-Stokes light generated from the Raman cell.
受光器17は、第一の受光器17aと、第二の受光器17bとから構成される。
第一の受光器17aは、図5(a)に示すように、フィルタ41と、凸レンズ42と、光ファイバ43と、分光器44とを備えて構成される。第一の受光器17aは、照射路にラマンセルを装着した場合に(第一位置で)使用される。すなわち、第一の受光器17aは、レーザー光(波長355nm)とラマンセルで発生したストークス光(波長416nm)を計測箇所Aに照射し、配管やバルブ等のレーザー誘起蛍光が生ずる反射物Rからの反ストークス反射光(波長309nm)を光伝送路20を介して受光する。
フィルタ41は、レーザー光(波長355nm)と水素ガスのストークス光(波長416nm)を遮断し、反ストークス光(波長309nm)を透過するショートパスフィルタから構成されている。凸レンズ42は、光ファイバ43の一方の端部に受光したストークス光を集光する。光ファイバ43の他方の端部は、CCD検出器を備える分光器44に接続されている。分光器44は、図示しないケーブルにより制御部12と接続されている。
分光器の替わりに、反ストークス光(波長309nm)を透過するバンドパスフィルタと、光を電気信号の変換する光電子増倍管やアバランシュホトダイオード等を組み合わせてもよい。
The light receiver 17 includes a first light receiver 17a and a second light receiver 17b.
As shown in FIG. 5A, the first light receiver 17 a includes a filter 41, a convex lens 42, an optical fiber 43, and a spectrometer 44. The first light receiver 17a is used (at the first position) when a Raman cell is attached to the irradiation path. That is, the first light receiver 17a irradiates the measurement location A with laser light (wavelength 355 nm) and Stokes light (wavelength 416 nm) generated by the Raman cell, and reflects from the reflector R that causes laser-induced fluorescence such as piping and bulbs. Anti-Stokes reflected light (wavelength 309 nm) is received via the optical transmission line 20.
The filter 41 is composed of a short-pass filter that blocks laser light (wavelength 355 nm) and hydrogen gas Stokes light (wavelength 416 nm) and transmits anti-Stokes light (wavelength 309 nm). The convex lens 42 condenses the Stokes light received at one end of the optical fiber 43. The other end of the optical fiber 43 is connected to a spectroscope 44 having a CCD detector. The spectroscope 44 is connected to the control unit 12 by a cable (not shown).
Instead of the spectroscope, a bandpass filter that transmits anti-Stokes light (wavelength 309 nm), a photomultiplier tube that converts light into an electric signal, an avalanche photodiode, or the like may be combined.
第二の受光器17bは、図5(b)に示すように、フィルタ45と、凸レンズ46と、光電子増倍管47とを備えて構成される。第二の受光器17bは、照射路からラマンセルを取り外した場合に(第二位置で)使用される。すなわち、第二の受光器17bは、レーザー光のみを計測箇所Aに照射し、水素ガスからのストークス光(波長416nm)を計測するために用いられる。フィルタ45は、レーザー光(波長355nm)を遮断するロングパスフィルタ(エッジフィルタ)と水素ガスのストークス光(波長416nm)に実質的に透過波長中心を有する波長選択フィルタ(干渉フィルタ)とから構成されている。
凸レンズ46は、光電子増倍管47に計測箇所Aから伝送されたストークス光を集光する。光電子増倍管47は、図示しないケーブルにより制御部12と接続されている。
As shown in FIG. 5B, the second light receiver 17 b includes a filter 45, a convex lens 46, and a photomultiplier tube 47. The second light receiver 17b is used (at the second position) when the Raman cell is removed from the irradiation path. That is, the second light receiver 17b is used to irradiate only the laser beam to the measurement location A and measure the Stokes light (wavelength 416 nm) from hydrogen gas. The filter 45 includes a long-pass filter (edge filter) that blocks laser light (wavelength 355 nm) and a wavelength selection filter (interference filter) that has a transmission wavelength center substantially in the Stokes light of hydrogen gas (wavelength 416 nm). Yes.
The convex lens 46 condenses the Stokes light transmitted from the measurement location A to the photomultiplier tube 47. The photomultiplier tube 47 is connected to the control unit 12 by a cable (not shown).
第一の受光器17aと第二の受光器17bの切り替えは、操作指令に基づき機械がラマンセルの照射路からの着脱と受光器17a,17bの切り替えを自動で行う切替機構を設けて行ってもよいし、手動で行ってもよい。 Switching between the first light receiver 17a and the second light receiver 17b may be performed by providing a switching mechanism in which the machine automatically attaches / detaches the Raman cell from the irradiation path and switches between the light receivers 17a and 17b based on an operation command. It can be done manually or manually.
制御部12は、受光器17からの反ストークス光またはストークス光の電気信号と検量線に基づきガス濃度を算出し、本体部10に設けられた表示装置(図示せず)に実質的にリアルタイムで表示する。ガス濃度を算出するための検量線は、既知濃度の観測対象ガスを充填したガスセルにおいて、予めガス濃度とラマン散乱光強度の相関を求めることにより作成したものを用いる。制御部12が有する専用ソフトウェアは、分析を行う時間間隔、分析の回数、発光スペクトル強度の加算回数、発光スペクトル信号強度の平均回数、信号強度から濃度を求めるための係数を設定することが可能である。 The control unit 12 calculates the gas concentration based on the anti-Stokes light from the light receiver 17 or the electric signal of the Stokes light and the calibration curve, and substantially in real time on a display device (not shown) provided in the main body unit 10. indicate. As a calibration curve for calculating the gas concentration, a calibration curve prepared in advance by obtaining a correlation between the gas concentration and the Raman scattered light intensity in a gas cell filled with the observation target gas having a known concentration is used. The dedicated software of the control unit 12 can set a time interval for analysis, the number of analyzes, the number of additions of emission spectrum intensity, the average number of emission spectrum signal intensities, and a coefficient for obtaining a concentration from the signal intensity. is there.
光伝送路20は、本体部10から計測箇所Aまで照射光(L1またはL2)を複数枚のミラーにより伝送する多関節光伝送路である。光伝送路20を光ファイバにより構成しなかったのは、上述のとおり、伝送中に偏光が崩れ、反ストークス光の発生効率が低くなるからである。
第1実施形態では、図3に示すように、多関節ミラーにより光伝送路20を構成した。この多関節ミラーは、入射口21と、7つの関節部22a〜22gと、7つの関節部にそれぞれ設けられたミラー23a〜23gと、出射口24と、筒部25a〜25hとを備えて構成される。本体部10から出射された照射光(L1またはL2)は入射口21を経て出射口24からプローブ30へ伝送され、プローブ30に入射された計測箇所Aからの反ストークスラマン散乱光は出射口24を経て入射口21から本体部10へ伝送される。
The optical transmission path 20 is an articulated optical transmission path that transmits irradiation light (L1 or L2) from the main body 10 to the measurement location A using a plurality of mirrors. The reason why the optical transmission line 20 is not configured by an optical fiber is that, as described above, the polarization is lost during transmission, and the generation efficiency of anti-Stokes light is reduced.
In the first embodiment, as shown in FIG. 3, the optical transmission line 20 is configured by an articulated mirror. The multi-joint mirror includes an entrance port 21, seven joint portions 22a to 22g, mirrors 23a to 23g provided at the seven joint portions, an exit port 24, and cylindrical portions 25a to 25h. Is done. Irradiation light (L 1 or L 2) emitted from the main body 10 is transmitted from the emission port 24 to the probe 30 through the incident port 21, and anti-Stokes Raman scattered light from the measurement point A incident on the probe 30 is emitted from the emission port 24. Then, the light is transmitted from the entrance 21 to the main body 10.
第1実施形態では、医療用に用いられる炭酸ガスレーザメス用多関節反射鏡のミラーを紫外線用ミラーに取り替えることで作製した。ミラー23a〜23gは、波長300−420nmの波長を反射するミラーであり、1枚あたりの反射率が99%以上である。7つの関節部を回動させることで任意の計測箇所に出射口24に接続されたプローブ30を配置することができ、配管等の障害物の裏側を計測することも可能である。なお、光伝送路を構成する関節およびミラーの枚数は例示の数に限定されず、任意の数(例えば各3〜10個)とすることが可能である。 In 1st Embodiment, it produced by replacing the mirror of the multi-joint reflector for carbon dioxide laser scalpels used for medical purposes with the mirror for ultraviolet rays. The mirrors 23a to 23g are mirrors that reflect a wavelength of 300 to 420 nm, and the reflectance per sheet is 99% or more. By rotating the seven joints, the probe 30 connected to the emission port 24 can be arranged at an arbitrary measurement location, and the back side of an obstacle such as a pipe can be measured. Note that the number of joints and mirrors constituting the optical transmission path is not limited to the illustrated number, and may be any number (for example, 3 to 10 each).
第1実施形態のプローブ30は、図4に示すように、円筒状の胴部31と、胴部31内に設けられた凸レンズ32と、出射口34を有する先端部33と、開口を有する取付部35と、位置決めガイド36とを備えて構成される。プローブ30は、胴部31の端部に設けられた取付部35により光伝送路20に接続される。取付部35の開口には、光伝送路20を経た照射光(L1またはL2)が入射され、凸レンズ32によりビーム径を絞られて出射口34から計測箇所Aに出射される。ここで、凸レンズ32が、レーザー光(波長 355nm)、ストークス光(波長416nm)のビーム径を絞り、出射口と反射物Rとの間で各光のビームウエストが重なるよう作用することが重要である。 As shown in FIG. 4, the probe 30 according to the first embodiment includes a cylindrical body 31, a convex lens 32 provided in the body 31, a tip 33 having an emission port 34, and an attachment having an opening. A portion 35 and a positioning guide 36 are provided. The probe 30 is connected to the optical transmission line 20 by an attachment portion 35 provided at the end of the body portion 31. Irradiation light (L 1 or L 2) that has passed through the optical transmission path 20 is incident on the opening of the attachment portion 35, the beam diameter is reduced by the convex lens 32, and the light is emitted from the emission port 34 to the measurement location A. Here, it is important that the convex lens 32 functions to reduce the beam diameter of the laser light (wavelength 355 nm) and Stokes light (wavelength 416 nm) so that the beam waist of each light overlaps between the exit port and the reflector R. is there.
出射口には、複数本の棒状部材からなるガイド36が設けられている。ガイド36の先端位置は、レーザー光の焦点位置(波長355nm)と反ストークス光(波長309nm)の焦点位置の間の範囲に設定されている。前記ビームウエスト内から出た反ストークス光(波長309nm)が光伝送路20を十分に通過できるようにするためには、レーザー光の焦点位置よりも手前(好ましくは反ストークス光の焦点位置)に配管等の反射物Rが来るように、位置決めガイド36で位置決めすることが重要である。同じレンズを通過する際において、短波長の光ほど焦点距離が短くなるからである。ガイド36は例示の構成に限定されず、例えば、パイプに通気穴を空けたもの、金網をパイプ状に巻いたもので構成してもよい。 A guide 36 made up of a plurality of rod-like members is provided at the emission port. The tip position of the guide 36 is set in a range between the focal position of the laser light (wavelength 355 nm) and the focal position of the anti-Stokes light (wavelength 309 nm). In order to allow the anti-Stokes light (wavelength 309 nm) emitted from the beam waist to sufficiently pass through the optical transmission line 20, it is located before the focal position of the laser beam (preferably the focal position of the anti-Stokes light). It is important to position with the positioning guide 36 so that the reflector R such as piping comes. This is because, when passing through the same lens, the focal length becomes shorter as the light has a shorter wavelength. The guide 36 is not limited to the illustrated configuration, and may be configured by, for example, a pipe with a vent hole or a wire mesh wound in a pipe shape.
図6は、第1実施形態に係るレンズの集光特性を誇張して示した図である(先端部33および照射口34は図示省略)。同図に示すように、波長が短くなると物質の屈折率は高くなるので、短波長の光に対してレンズ焦点距離は短くなる。このため、反ストークス光(波長309nm)の焦点位置に物体表面(すなわち309nmの点光源)があると、その光はレンズで平行光線となり、遠くまで伝送できることとなる。 FIG. 6 is an exaggerated view showing the light collection characteristics of the lens according to the first embodiment (the tip 33 and the irradiation port 34 are not shown). As shown in the figure, since the refractive index of the substance increases as the wavelength becomes shorter, the lens focal length becomes shorter with respect to light having a shorter wavelength. For this reason, if there is an object surface (that is, a point light source with a wavelength of 309 nm) at the focal position of the anti-Stokes light (wavelength 309 nm), the light becomes a parallel light beam through the lens and can be transmitted far.
第1実施形態のプローブ30によれば、計測場所Aにレーザー光とストークス光を照射し、水素ガスから発生する反ストークス光を集光することで、水素ガスを吸引することなく非接触でガス濃度を検出することが可能である。 According to the probe 30 of the first embodiment, the measurement location A is irradiated with laser light and Stokes light, and the anti-Stokes light generated from the hydrogen gas is collected, so that the gas can be contacted without sucking the hydrogen gas. It is possible to detect the concentration.
図7は、第1実施形態に係る水素ガス濃度の計測試験の説明図である。同図左側に図示しないプローブ30を配置し、水素ガスを充填したガスセル37のガラス窓38を通してレーザー光とストークス光(L2)を集光照射した。ガスセル37の背面のアルミ板39から反射散乱した反ストークス光L3をプローブ30で計測した。この計測試験では、プローブ30の凸レンズ32は石英製、口径5cm、焦点距離10cmのものを用いた。 FIG. 7 is an explanatory diagram of a hydrogen gas concentration measurement test according to the first embodiment. A probe 30 (not shown) is arranged on the left side of the drawing, and laser light and Stokes light (L2) are condensed and irradiated through a glass window 38 of a gas cell 37 filled with hydrogen gas. The anti-Stokes light L3 reflected and scattered from the aluminum plate 39 on the back surface of the gas cell 37 was measured by the probe 30. In this measurement test, the convex lens 32 of the probe 30 was made of quartz, having a diameter of 5 cm and a focal length of 10 cm.
図8は、ラマンセル(13,14,15)を照射路に配置し、第一の受光器17aにより反ストークス光を受光する測定試験の結果を示すグラフである。図8から、水素ガス濃度と信号強度に相関関係が見られること、アルミ板から反射した反ストークス光をガラス窓越しに測定可能であることが確認された。 FIG. 8 is a graph showing the results of a measurement test in which Raman cells (13, 14, 15) are arranged in the irradiation path and anti-Stokes light is received by the first light receiver 17a. From FIG. 8, it was confirmed that there was a correlation between the hydrogen gas concentration and the signal intensity, and that the anti-Stokes light reflected from the aluminum plate could be measured through the glass window.
以上に説明した第1実施形態の水素ガス濃度計測装置1によれば、所望の計測箇所まで照射光を伝送することができ、しかも配管、配管継手や配管バルブの表面近傍等のレーザー誘起蛍光の影響下でも、CARSにより水素ガス濃度を計測することが可能である。 According to the hydrogen gas concentration measuring apparatus 1 of the first embodiment described above, the irradiation light can be transmitted to a desired measurement location, and the laser-induced fluorescence of the vicinity of the surface of the pipe, pipe joint, pipe pipe, etc. Even under the influence, it is possible to measure the hydrogen gas concentration by CARS.
《第2実施形態》
第2実施形態の水素ガス濃度計測装置1は、主に光伝送路50およびプローブ60において相違し、その他の構成は第1実施形態と同様である。以下では、第1実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する構成については説明を割愛する。
<< Second Embodiment >>
The hydrogen gas concentration measuring apparatus 1 of the second embodiment is mainly different in the optical transmission path 50 and the probe 60, and the other configuration is the same as that of the first embodiment. Below, it demonstrates centering on the point which is different from 1st Embodiment, and omits description about a common structure.
第2実施形態のプローブ60は、図9に示すように、照射部(61,63,64,65)と、受光部(62,66,67)と、照射部および受光部を連結固定する連結具69a,69bとを備えて構成される。照射部は、円筒状の照射管61と、平凸レンズ63と、取付部64と、第1直角プリズム65とを備えて構成される。受光部は、円筒状の受光管62と、第2直角プリズム66と、凸レンズ67とを備えて構成される。 As shown in FIG. 9, the probe 60 of the second embodiment includes an irradiation unit (61, 63, 64, 65), a light receiving unit (62, 66, 67), and a connection that fixes and fixes the irradiation unit and the light receiving unit. It is comprised including the tools 69a and 69b. The irradiation unit includes a cylindrical irradiation tube 61, a plano-convex lens 63, a mounting unit 64, and a first right-angle prism 65. The light receiving unit includes a cylindrical light receiving tube 62, a second right-angle prism 66, and a convex lens 67.
プローブ60は、照射管61の端部に設けられた取付部64により光伝送路50に接続される。取付部64の開口には、光伝送路50を経た照射光L2が入射され、凸レンズ63によりビーム径を絞られて出射口から第1直角プリズム65に入射される。本実施形態例では、凸レンズ63とプリズム65を、309nmの透過率が低いBK7製のものを用いて構成した。なお、本実施形態例では凸レンズ63を平凸レンズにより構成したが、単なる凸レンズにより構成してもよい。 The probe 60 is connected to the optical transmission line 50 by an attachment portion 64 provided at the end of the irradiation tube 61. Irradiation light L <b> 2 that has passed through the optical transmission path 50 is incident on the opening of the mounting portion 64, the beam diameter is reduced by the convex lens 63, and the light enters the first right-angle prism 65 from the exit. In this embodiment, the convex lens 63 and the prism 65 are made of BK7 having a low transmittance of 309 nm. In this embodiment, the convex lens 63 is a plano-convex lens, but it may be a simple convex lens.
第1直角プリズム65に入射された光は、第1直角プリズム65の真横に位置する第2直角プリズム66に入射される。第1直角プリズム65と第2直角プリズム66との間の空間が計測箇所Aとなる。本実施形態例では、プリズム66とレンズ67を、309nmの透過率が高い石英製のものを用いて構成した。 The light incident on the first right-angle prism 65 is incident on a second right-angle prism 66 located directly beside the first right-angle prism 65. A space between the first right-angle prism 65 and the second right-angle prism 66 is the measurement location A. In this embodiment, the prism 66 and the lens 67 are made of quartz having a high transmittance of 309 nm.
計測箇所Aからの反ストークス光(波長309nm)は、第2直角プリズム66により90度曲げられ、受光管62に導かれる。受光管62には、照射部に接続された光ファイバ68の端部に入射光を集光する凸レンズ67が設けられている。光ファイバ68は、計測箇所Aからの反ストークス光を受光器17へ伝送する。 The anti-Stokes light (wavelength 309 nm) from the measurement location A is bent 90 degrees by the second right-angle prism 66 and guided to the light receiving tube 62. The light receiving tube 62 is provided with a convex lens 67 that condenses incident light at the end of the optical fiber 68 connected to the irradiation section. The optical fiber 68 transmits the anti-Stokes light from the measurement location A to the light receiver 17.
第2実施形態の光伝送路50は、照射光路は第1実施形態と同様の多関節光伝送路であるが、受光光路として多関節光伝送路に併設した光ファイバ68を備える点で第1実施形態と相違する。
本体部10は第1実施形態と同様であるが、第2実施形態ではラマンセルの位置を切り換え可能に構成せず、ラマン散乱光を受光する受光器17を、第1実施形態の受光器17aのみから構成している点で第1実施形態と相違する。
The optical transmission path 50 of the second embodiment is an articulated optical transmission path similar to that of the first embodiment, but the optical transmission path 50 of the second embodiment is the first in that it includes an optical fiber 68 attached to the articulated optical transmission path as a light receiving optical path. It is different from the embodiment.
The main body 10 is the same as in the first embodiment, but in the second embodiment, the position of the Raman cell is not switchable, and the light receiver 17 that receives the Raman scattered light is only the light receiver 17a of the first embodiment. It differs from 1st Embodiment by the point comprised from.
図10および図11は、ラマンセル(13,14,15)を照射路に配置し、第一の受光器17aにより反ストークス光を受光する測定試験の結果を示すグラフである。図10の測定試験では、内径1mmのノズルから水素ガス(濃度100%)を計測箇所Aに放出し、反ストークス光を計測することにより行った。図11の測定試験では、内径1mmのノズルから水素ガス(濃度4%、窒素ガス希釈)を計測箇所Aに放出し、反ストークス光を計測することにより行った。
図10および図11から、水素ガス流量および水素ガス放出量と信号強度に相関関係が見られることが確認された。なお、CARS信号強度は、ガス密度の二乗に比例することが知られている。
FIG. 10 and FIG. 11 are graphs showing the results of a measurement test in which Raman cells (13, 14, 15) are arranged in the irradiation path and anti-Stokes light is received by the first light receiver 17a. In the measurement test of FIG. 10, hydrogen gas (concentration 100%) was discharged from the nozzle having an inner diameter of 1 mm to the measurement location A, and the anti-Stokes light was measured. In the measurement test of FIG. 11, hydrogen gas (concentration 4%, nitrogen gas dilution) was discharged from the nozzle having an inner diameter of 1 mm to the measurement location A, and the anti-Stokes light was measured.
From FIG. 10 and FIG. 11, it was confirmed that there was a correlation between the hydrogen gas flow rate and the hydrogen gas release amount and the signal intensity. It is known that the CARS signal intensity is proportional to the square of the gas density.
以上に説明した第2実施形態の水素ガス濃度計測装置1によれば、所望の計測箇所まで照射光を伝送することができ、しかも配管、配管継手や配管バルブの表面近傍等のレーザー誘起蛍光の影響下でも、CARSにより水素ガス濃度を計測することが可能である。 According to the hydrogen gas concentration measuring apparatus 1 of the second embodiment described above, the irradiation light can be transmitted to a desired measurement location, and the laser-induced fluorescence of the vicinity of the surface of the pipe, pipe joint, pipe pipe, etc. Even under the influence, it is possible to measure the hydrogen gas concentration by CARS.
以上、本開示にて幾つかの実施形態を例示として詳細に説明したが、本発明の新規な教示および有利な効果を実質的に逸脱しない改変例も本発明の範囲に含まれる。 Although some embodiments have been described in detail in the present disclosure as examples, modifications that do not substantially depart from the novel teachings and advantageous effects of the present invention are also included in the scope of the present invention.
10 本体部
11 レーザー光源
12 制御部
13 水素ガス高圧充填セル
14,15 凸レンズ
16 ダイクロイックミラー
17 受光器
18 ロングパスフィルタ
20,50 光伝送路
30,60 プローブ
21 入射口
22 関節部
23 ミラー
24 出射口
25 筒部
31 胴部
32 凸レンズ
33 先端部
34 (出射口)凸レンズ
35 取付部
36 ガイド
41 フィルタ
42 凸レンズ
43 光ファイバ
44 分光器
45 フィルタ
46 凸レンズ
47 光電子増倍管
61 照射管
62 受光管
63 平凸レンズ
64 取付部
65 第1直角プリズム
66 第2直角プリズム
67 凸レンズ
A 計測箇所
L1 レーザー光
L2 レーザー光とストークス光
L3 反ストークス光
R 反射物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Main body part 11 Laser light source 12 Control part 13 Hydrogen gas high pressure filling cell 14 and 15 Convex lens 16 Dichroic mirror 17 Light receiver 18 Long pass filter 20 and 50 Optical transmission path 30 and 60 Probe 21 Entrance 22 Joint part 23 Mirror 24 Exit 25 Tube portion 31 Body portion 32 Convex lens 33 Tip portion 34 (Exit port) Convex lens 35 Mounting portion 36 Guide 41 Filter 42 Convex lens 43 Optical fiber 44 Spectrometer 45 Filter 46 Convex lens 47 Photomultiplier tube 61 Irradiation tube 62 Receptor tube 63 Planoconvex lens 64 Mounting portion 65 First right-angle prism 66 Second right-angle prism 67 Convex lens A Measurement location L1 Laser light L2 Laser light and Stokes light L3 Anti-Stokes light R Reflector
Claims (4)
水素ガスからのラマン散乱光を検出する受光器と、
一方の端部にレーザー光源からのレーザー光L1を入射すると、他方の端部からレーザー光およびストークス光L2を出射するラマンセルと、
ラマン散乱光の信号強度に基づいて計測箇所における水素ガスの濃度を算出する制御部と、
レーザー光源、受光器、ラマンセルおよび制御部を備える本体部と、
計測箇所に設置されるプローブ部と、
プローブ部と本体部とを光学的に接続する光伝送路と、を備える水素ガス濃度計測装置において、
前記プローブ部が、出射口と、レーザー光のビーム径を絞って出射口から計測箇所に出射する凸レンズと、レーザー光の焦点位置よりも手前に反射物が来るように位置決めする位置決めガイドを備えて構成され、
前記光伝送路が、前記本体部と前記プローブ部とを関節部に設けられた複数枚のミラーによりレーザー光、ストークス光および反ストークス光を伝送する多関節光伝送路からなり、
前記受光器が、水素ガスからの反ストークス光を計測する第一の受光器および水素ガスからのストークス光を計測する第二の受光器を備えて構成され、
前記本体部に、前記ラマンセルが第一位置および第二位置を切り換え自在に配置されており、
前記制御部が、前記ラマンセルが照射路上にある第一位置においては第一の受光器からの信号に基づき水素ガスの濃度を算出し、前記ラマンセルが照射路外にある第二位置においては第二の受光器からの信号に基づき水素ガスの濃度を算出することを特徴とする水素ガス濃度計測装置。 A laser light source that oscillates laser light to generate Raman scattered light in hydrogen gas at the measurement location;
A receiver that detects Raman scattered light from hydrogen gas;
A Raman cell that emits laser light and Stokes light L2 from the other end when the laser light L1 from the laser light source is incident on one end;
A controller that calculates the concentration of hydrogen gas at the measurement location based on the signal intensity of the Raman scattered light;
A main body including a laser light source, a light receiver, a Raman cell, and a control unit;
A probe unit installed at a measurement location;
In a hydrogen gas concentration measuring device comprising an optical transmission line that optically connects the probe part and the main body part,
The probe unit includes an exit port, a convex lens that narrows the beam diameter of the laser beam and exits from the exit port to the measurement location, and a positioning guide that positions the reflector so that it comes closer to the focal point of the laser beam. Configured,
The optical transmission path consists of a multi-joint optical transmission path that transmits laser light, Stokes light, and anti-Stokes light by a plurality of mirrors provided at the joint portion of the main body portion and the probe portion,
The light receiver is configured to include a first light receiver that measures anti-Stokes light from hydrogen gas and a second light receiver that measures Stokes light from hydrogen gas,
In the main body, the Raman cell is disposed so as to be switchable between a first position and a second position,
The controller calculates the concentration of hydrogen gas based on a signal from the first light receiver at the first position where the Raman cell is on the irradiation path, and the second position at the second position where the Raman cell is outside the irradiation path. A hydrogen gas concentration measuring apparatus that calculates the concentration of hydrogen gas based on a signal from a photoreceiver.
レーザー誘起蛍光を生じる反射物がレーザー光の焦点位置よりも手前に位置するように前記プローブ部を配置し、計測箇所の水素ガス濃度を計測することを特徴とする水素ガス濃度計測方法。 A hydrogen gas concentration measurement method using the hydrogen gas concentration measurement device according to claim 1,
A method for measuring a hydrogen gas concentration, comprising: arranging the probe portion so that a reflector that generates laser-induced fluorescence is positioned in front of a focal position of a laser beam, and measuring a hydrogen gas concentration at a measurement location.
水素ガスからのラマン散乱光を検出する受光器と、
一方の端部にレーザー光源からのレーザー光L1を入射すると、他方の端部からレーザー光およびストークス光L2を出射するラマンセルと、
ラマン散乱光の信号強度に基づいて計測箇所における水素ガスの濃度を算出する制御部と、
レーザー光源、受光器、ラマンセルおよび制御部を備える本体部と、
計測箇所に設置されるプローブ部と、
プローブ部と本体部とを光学的に接続する光伝送路と、を備える水素ガス濃度計測装置において、
前記プローブ部が、レーザー光を計測箇所に照射する直角プリズムを有する照射部と、計測箇所からのラマン散乱光を受光する直角プリズムを有する受光部とを備えて構成され、
前記光伝送路が、前記本体部と前記プローブ部とを関節部に設けられた複数枚のミラーによりレーザー光およびストークス光を伝送する多関節光伝送路と、計測箇所の水素ガスからの反ストークス光を伝送する光ファイバとを備えてなり、
前記受光器が、水素ガスからの反ストークス光を計測する受光器からなり、
前記制御部が、前記受光器からの信号に基づき水素ガスの濃度を算出することを特徴とする水素ガス濃度計測装置。 A laser light source that oscillates laser light to generate Raman scattered light in hydrogen gas at the measurement location;
A receiver that detects Raman scattered light from hydrogen gas;
A Raman cell that emits laser light and Stokes light L2 from the other end when the laser light L1 from the laser light source is incident on one end;
A controller that calculates the concentration of hydrogen gas at the measurement location based on the signal intensity of the Raman scattered light;
A main body including a laser light source, a light receiver, a Raman cell, and a control unit;
A probe unit installed at a measurement location;
In a hydrogen gas concentration measuring device comprising an optical transmission line that optically connects the probe part and the main body part,
The probe unit is configured to include an irradiation unit having a right-angle prism that irradiates a measurement spot with laser light, and a light-receiving unit having a right-angle prism that receives Raman scattered light from the measurement spot,
The optical transmission path includes an articulated optical transmission path for transmitting laser light and Stokes light by a plurality of mirrors provided at the joint between the main body part and the probe part, and anti-Stokes from hydrogen gas at a measurement location. An optical fiber that transmits light,
The receiver comprises a receiver that measures anti-Stokes light from hydrogen gas,
The hydrogen gas concentration measuring apparatus, wherein the control unit calculates a hydrogen gas concentration based on a signal from the light receiver.
レーザー誘起蛍光を生じる反射物近傍に配置した前記プローブ部を配置し、計測箇所の水素ガス濃度を計測することを特徴とする水素ガス濃度計測方法。 A hydrogen gas concentration measuring method using the hydrogen gas concentration measuring device according to claim 3,
A method for measuring a hydrogen gas concentration, comprising: arranging the probe unit disposed in the vicinity of a reflector that generates laser-induced fluorescence, and measuring a hydrogen gas concentration at a measurement location.
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