WO2005015183A1 - 水素ガス及び水素火炎監視方法及び装置 - Google Patents

水素ガス及び水素火炎監視方法及び装置 Download PDF

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Hideki Ninomiya
Koji Ichikawa
Hirofumi Miki
Tasuku Moriya
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Shikoku Research Institute Incorporated
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    • G01N21/65—Raman scattering
    • G01N2021/653—Coherent methods [CARS]

Definitions

  • the present invention relates to a technology for safely and accurately detecting hydrogen gas leakage and occurrence of a hydrogen flame from a distant place by visualizing hydrogen gas and a hydrogen flame that are invisible to the naked eye, and in more detail.
  • TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method and an apparatus for monitoring hydrogen gas and hydrogen flame which can be continuously monitored with less erroneous detection for operation of hydrogen gas utilization equipment such as a hydrogen supply station and a fuel cell.
  • This gas visualization device uses a laser light source that irradiates an infrared laser with the absorption wavelength of the gas to be measured, uses an image sensor to image the absorption of infrared light reflected from the background by the leaked gas, and creates a two-dimensional visible image. It is to be displayed.
  • Patent Document 1 JP-A-6-307967
  • Patent Document 2 JP-A-6-288858 Disclosure of the invention
  • Hydrogen gas is colorless, 'transparent' and odorless, and in environments where hydrogen gas is used and stored, a stationary flammable gas detector is installed at the location where the gas stays to monitor gas leakage. However, the location of the leak was left to a patrol inspection by a staff member carrying a portable gas detector. For this reason, continuous monitoring technology for detecting gas leaks and specifying leak locations has been required.
  • the present invention provides a hydrogen gas and a hydrogen flame that are invisible to the naked eye, and a highly accurate hydrogen gas and hydrogen flame by incorporating a mechanism for eliminating disturbance light. It is an object to provide a method and apparatus for monitoring a hydrogen flame. Means for solving the problem
  • the present invention has been made in order to respond to such a strong demand, and a laser light
  • This method detects the leakage of hydrogen gas by imaging the spatial intensity distribution of the Raman scattered light, using the Raman scattering phenomenon in which the wavelength of the laser light shifts by the energy corresponding to the absorption energy of the molecule when irradiated. .
  • the wavelength of Raman scattering light of hydrogen gas can be changed by changing the wavelength of the irradiation laser light s, and the laser device that can be selected for practical use is limited.
  • the wavelength of the laser light source is selected so that the monitoring wavelength of the hydrogen gas is the same as the wavelength of the ultraviolet light emission from the hydrogen flame.
  • the time gate for image capture is shortened.
  • the influence of sunlight, which is weak in a short time is reduced. Can be minimized.
  • the reflected light is handled by narrowing the transmission wavelength of the optical bandpass filter. That is, since the wavelength range of the ultraviolet light to be detected is narrow, it is possible to detect only the hydrogen gas or the ultraviolet light emitted by the flame.
  • Fluorescence is handled by using the wavelength corresponding to the anti-Stath Raman scattering wavelength as the monitoring wavelength. That is, since fluorescence always appears at a longer wavelength than the irradiation laser light, the influence of the fluorescence can be minimized by monitoring anti-Stokes light having a shorter wavelength than the laser light. However, the anti-Stokes light is rather weak and is usually difficult to measure. Therefore, a mechanism was created to mix the laser light and the laser light that matches the Raman spectrum wavelength of hydrogen to generate strong, anti-stray Raman scattered light.
  • the present invention is the following (1)-(7) hydrogen gas and hydrogen flame monitoring method.
  • Detected light with a wavelength of approximately 309 nm caused by two or more different laser beams irradiated onto the monitored space is collected, converted to an electronic image, amplified, and converted back to an optical image to obtain a specific wavelength.
  • a method for monitoring hydrogen gas and hydrogen flame characterized by imaging a spatial intensity distribution of a gas.
  • the laser light includes a laser light source having one or more wavelengths of about 355 nm, The method for monitoring hydrogen gas and hydrogen flame according to the above (1), which is a laser light source having a wavelength of approximately 416 nm.
  • a dye laser, a titanium sapphire laser, an optical parametric oscillation laser, or a hydrogen Raman cell is used as the laser light source having a wavelength of approximately 416 nm. Hydrogen gas and hydrogen flame monitoring method.
  • the present invention is a hydrogen gas and hydrogen flame monitoring device of the following (8) to (14).
  • An apparatus for monitoring hydrogen gas and hydrogen flame comprising: an imaging means for converting; and an imaging means for spatial intensity distribution of a specific wavelength.
  • the hydrogen gas and hydrogen flame monitoring device according to (8), wherein the two or more laser light sources are a laser light source having one or more wavelengths of approximately 355 nm and a laser light source having one or more wavelengths of approximately 416 nm.
  • the laser light irradiating means has an image intensifier which irradiates the laser light in a pulse form and further opens and closes the light reception in synchronization with the irradiation light of one laser light.
  • the hydrogen gas and hydrogen flame monitoring apparatus according to the above (8) or (9), wherein the condensing is performed only during a time period in which the detected light is emitted.
  • the laser light source having a wavelength of about 416 nm is a dye laser, a titanium sapphire laser, an optical parametric oscillation laser, or a hydrogen Raman cell. Hydrogen gas and hydrogen flame monitoring equipment.
  • the image forming apparatus further comprising: means for capturing a background image, and means for superimposing the image obtained by the image capturing means and the image of the spatial intensity distribution of the specific wavelength. ) Any of the hydrogen gas and hydrogen flame monitoring devices.
  • the hydrogen gas is monitored when the laser beam is irradiated, and the hydrogen flame is monitored when the laser beam is not irradiated. Hydrogen flame monitoring device.
  • the present invention since only the ultraviolet light image of the emission of the hydrogen flame and the Raman scattered light of the hydrogen gas are selected and imaged, the colorless and transparent hydrogen flame and hydrogen gas that cannot be seen with the naked eye are recognized. It becomes possible.
  • the apparatus of the present invention does not need to switch the observation wavelength, it is possible to make the apparatus configuration compact without having to prepare a plurality of light receiving apparatuses.
  • the influence of noise due to disturbance light such as sunlight, reflected light, and fluorescence can be minimized, and high-precision monitoring with less erroneous detection can be performed.
  • a laser beam of approximately 355 nm which is the third harmonic of a commonly used Q-switch laser, and a portion of the laser beam of 355 nm are photo-excited and correspond to the Raman shift of hydrogen.
  • the wavelength power S of Raman scattered light when the laser light oscillated at a wavelength of approximately 416 nm is simultaneously irradiated on hydrogen gas is completely the same as the peak wavelength 309 nm of the emission spectrum of the OH group in the flame. Focusing on this, the spatial intensity distribution of 309 nm light is imaged to detect hydrogen gas leakage and hydrogen flame.
  • FIG. 1 shows an apparatus configuration of the present invention.
  • reference numeral 10 denotes a first imaging unit according to the embodiment of the present invention
  • reference numeral 20 denotes a laser beam irradiation unit
  • reference numeral 30 denotes a second imaging unit
  • reference numeral 40 denotes a time synchronization control unit
  • Reference numeral 50 indicates image processing means.
  • a visible image of the monitored area is photographed using the second imaging means 30, an image of the hydrogen flame or hydrogen gas is photographed by the first imaging means 10, and the image processing means 50 Display two images on top of each other.
  • the laser light irradiation means 20 and the first imaging means 10 are operated by the time synchronization control means 40, and the image is imaged by the first imaging means 10 in synchronization with the laser irradiation.
  • the hydrogen gas leak monitoring device includes an imaging device 10 as imaging means for gas and flame.
  • reference numeral 11 denotes an objective lens as a condensing optical system
  • reference numeral 12 denotes an optical bandpass filter as transmission light selection means
  • reference numeral 13 denotes an image intensifier as ultraviolet light imaging means
  • reference numeral 14 denotes an image sensor.
  • the objective lens 11 includes a lens and a lens barrel, and can form an image of an observation target on a photoelectric surface of the image intensifier 13.
  • a thin-film photocathode having an external photoelectric effect is provided on the side of the optical bandpass filter 12 of the casing of the image intensifier 13 and the ultraviolet light from the optical bandpass filter 12 emits electrons by the photocathode. Converted to an image. This electron image is converged by an electron lens, multiplied by secondary electrons by a microchannel plate, and returned to an optical image again on the phosphor screen, so that weak stimulated Raman scattering light from hydrogen gas or ultraviolet light from a flame is visible. Converted to an image.
  • the visible image of the phosphor screen of the Image Intensifier 13 can be used to electrically capture gas and flame images by using an eyepiece system and an electronic image sensor, and colorless and transparent gas and flame can be monitored. It becomes.
  • the hydrogen gas leakage monitoring device includes a laser irradiation unit 20 for inducing Raman scattered light from hydrogen gas.
  • Reference numeral 21 denotes the third harmonic (wavelength: approximately 355 nm) laser oscillator of the Q switch YAG
  • reference numeral 22 denotes a laser (wavelength: approximately 416 nm) oscillator that oscillates by light excitation at a wavelength of 355 nm
  • reference numeral 23 denotes a laser light distributor
  • 25 is a mirror for laser-light superposition
  • 26 is a lens for expanding the laser beam.
  • the 355 nm laser beam emitted from the YAG laser oscillator 21 is a laser beam component.
  • the laser light is distributed by the distributor 23, and a part of the laser light is irradiated to the photo-excitation laser oscillation device 22 to oscillate a 416 nm laser.
  • the laser light transmitted through the laser distributor 23 is reflected by the mirror 24 and reflected by the mirror 25 for superimposing the laser light, and the laser light of 355 nm and 416 nm is irradiated to the monitored space through the lens 26 for expanding the laser beam. .
  • a dye laser As the photoexcitation laser device 22, a dye laser, a titanium sapphire laser, an optical parametric oscillation using a nonlinear optical effect, or a hydrogen Raman cell can be used.
  • the wavelengths of the irradiation laser light are 355 nm and 416 nm, and the observation wavelength in this example is 309 ⁇ m, which is shorter than the wavelength of the laser light. Since it appears at a longer wavelength than that, it is possible to prevent the influence of ambient fluorescence on hydrogen gas observation.
  • the hydrogen gas leakage monitoring device includes a second imaging device 30 that captures a monitoring target area as a background image.
  • Reference numeral 31 denotes an electronic imaging device
  • reference numeral 32 denotes an objective lens
  • reference numeral 33 denotes a short-wavelength cutoff optical filter.
  • the wavelength region to be photographed is set to about 420 nm or more by the short-wavelength cutoff optical filter 33.
  • the wavelength selection conditions in the imaging device 30 are at least such that the OH group of the flame, the emission wavelength of 309 nm, which is the Raman scattering wavelength from hydrogen gas, and the wavelength of the irradiation laser light, 355 nm and 416 nm, are not transmitted or insensitive. I have.
  • the laser is synchronized with the laser irradiation signal. It is good to take an image during the time when the camera is not illuminated.
  • the hydrogen gas leakage monitoring device is a time synchronization device that synchronizes the time between a laser irradiation device 20 for inducing Raman scattered light from hydrogen gas and an imaging device 10 as an imaging means for Raman scattered light of hydrogen gas.
  • the control device 40 is provided.
  • the time synchronization control device 40 is formed by connecting the above-described imaging device 10 for ultraviolet light with an image intensifier and the laser irradiation device 20 via a cable.
  • the voltage applied to the electron lens of the image intensifier 13 is controlled in synchronization with the irradiation of laser light to turn on / off the arrival of electrons to the microchannel plate. By doing so, only the light in the time zone in which the induced Raman scattered light of hydrogen gas caused by the laser is observed is multiplied by the microchannel plate. This ONZOFF gate operation can minimize the influence of disturbance from sunlight, illumination light, or flame.
  • the hydrogen gas leakage monitoring device includes an image processing device 50.
  • Reference numeral 51 denotes a personal computer having an image processing program
  • reference numeral 52 denotes a display monitor.
  • the personal computer 51 is connected to the above-mentioned image pickup device 10 for ultraviolet light with an image intensifier, the image pickup device 30 as a background image pickup device, and the time synchronization control device 40 via a cable. .
  • the personal computer 51 includes a monitoring control program for performing monitoring control and an image processing program, and is configured by input means such as a keyboard or a mouse.
  • the monitoring control program has a function of generating a warning by text and sound when hydrogen gas or flame is detected, or notifying a monitoring office or the like. Further, it may be set so that the supply of the target gas is stopped or the fire prevention processing is performed.
  • the image processing program has a function of simultaneously displaying, on one monitor screen 52, an image of the imaging device 10 for ultraviolet light with an image intensifier and an image of the imaging device 30 as background image imaging means.
  • the hydrogen flame and hydrogen gas images can be easily recognized, and they can be colored and superimposed and displayed.
  • FIG. 2 and FIG. 3 show experimental data supporting the present invention.
  • FIG. 2 shows the emission spectrum distribution in the ultraviolet region when hydrogen gas is burned. This In the experiment, the laser irradiation device 20 stops laser oscillation. The light was received during a time period of 1000 microseconds.
  • the emission of the hydrogen flame has a peak at 309 nm and is observed with a spectral width of 5 nm.
  • the observation time (light reception time) of the emission of the hydrogen flame was shortened, the received signal was weakened, and it was difficult to image in the observation time period of less than 1 microsecond.
  • FIG. 3 shows a spectrum when hydrogen gas is observed by irradiating a laser from the laser irradiation device 20.
  • a dye laser was used for the optical pumping laser device 22, and the oscillation pulse width of the YAG laser and the dye laser was about 10 nanoseconds.
  • BIS-MSB p-bis (o-methylstyryl) benzene
  • the light was received in a time zone of 100 nanoseconds after the laser irradiation.
  • emission of 309nm is observed when 355nm and 416nm light are irradiated simultaneously (Fig. 3 (a)), and 309nm light is not observed when either laser beam is cut off. (Fig. 3 (b) and (c)).
  • the peak wavelength of the Raman scattered light of hydrogen gas and the peak wavelength of the ultraviolet emission of the hydrogen flame are both 309 nm, which are completely the same, the leakage of the hydrogen gas and the generation of the hydrogen flame have an ultraviolet wavelength of 309 nm. It became possible to monitor by light.
  • the gas can be monitored by operating the YAG laser 21 of the laser irradiation device 20, and the flame can be monitored by stopping the YAG laser 21. In this way, the gas and flame monitoring modes can be switched simply by oscillating / stopping the YAG laser 21.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a leaked gas imaging device 1 according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 2 is a diagram showing an emission spectrum distribution of a hydrogen flame in an ultraviolet region.
  • FIG. 3a Diagram showing the spectrum of Raman scattered light emitted from hydrogen gas (when 355nm and 416nm lasers are irradiated)
  • Figure 3b Diagram showing the spectral spectrum of Raman scattered light emitted from hydrogen gas (when only 355 nm laser is irradiated)
  • Imaging device that captures the area to be monitored
  • continuous monitoring with less erroneous detection can be performed in a hydrogen gas utilization facility such as a hydrogen supply station or a fuel cell. It becomes possible.

Abstract

　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。 　２以上のレーザー光源と、監視対象空間におけるレーザー光に起因する波長概ね３０９ｎｍの被検出光の集光手段と、当該被検出光を電子画像に変換し、増幅し、再度光学像に変換する結像手段と、特定波長の空間強度分布の画像化手段とを有することを特徴とする水素ガス及び水素火炎監視装置。

Description

明 細 書
水素ガス及び水素火炎監視方法及び装置
技術分野
[0001] 本発明は、肉眼で見えない水素ガス及び水素火炎を可視画像化することにより水 素ガスの漏洩及び水素火炎の発生の有無を遠方から安全且つ高精度に行う技術に 関し、更に詳しくは、例えば、水素供給ステーションや燃料電池などの水素ガス利用 設備の運用のために、誤検知が少なく連続監視が可能な水素ガス及び水素火炎の 監視方法及び装置に関する。
背景技術
[0002] 従来の可燃性漏洩ガス検知は、吸引したガスをセンサー部分に直接接触させて電 気抵抗や電流値などの変化を以てガス濃度を計測するものである。し力しながら、従 来のガス検知器では、一つの検知器が監視できる領域が狭ぐガスがその検知器に 到達しない限りは検知は不可能というセンサー式のものであったため、風向きや設置 位置によってはガス漏れの際の失報に繋がる危険性があった。また、例えば、ガス精 製所等においては非常に多数のガス検知器の設置が必要となり、費用的な問題も大 きかった (特許文献 1)。
[0003] 一方、上記問題を解決するために、遠隔よりガス漏れの存在を監視するガス可視化 装置が提案されている。このガス可視化装置では、測定対象ガスの吸収波長をもつ 赤外線レーザーを照射するレーザー光源を用いて、背景から反射される赤外線の漏 洩ガスによる吸収をイメージセンサーで撮像し、 2次元可視画像化して表示するもの である。
[0004] し力 ながら、このような従来のガス可視化装置では、非常に大型で強力なレーザ 一光源が必要であり、価格的な問題が大きぐまた、天候状態や温度により得られる 2 次元画像が大きく影響され、ガス漏れの発生と太陽の射し込みの区別がつきにくいと レ、う問題もあり、実際のガス監視には適していなかった（特許文献 2)。
特許文献 1：特開平 6 - 307967号公報
特許文献 2：特開平 6 - 288858号公報 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 水素ガスは、無色 '透明'無臭であり、水素ガスを利用 ·貯蔵する環境では、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が、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。 このため、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。
[0006] また、火炎の発する紫外線を検出して警報を発報させる装置が実用化されている 、昼間時の太陽光の下では火炎が肉眼で見えない水素火炎は、当該装置が動作 しても着火位置を安全に特定することは不可能であるため、最適な処置を講じること が困難であった。しかも、検出する紫外線の波長域が広いため、火炎の発する以外 の紫外線 (例えば、ガラス窓に反射した太陽光線)までも検出することがあり、誤動作 が多レ、など信頼性に欠けてレ、るとレ、う問題がある。
[0007] カロえて、水素ガスと水素火炎を同時に監視しょうとする場合、水素ガスの監視波長 と水素火炎の監視波長が異なる場合が多々あり、これに対応するためには観測波長 を切り替える機構あるいはそれぞれの観測波長用の検出器が必要であり、装置構成 が複雑になるという問題があった。
[0008] さらに、レーザーを照射して水素ガスのラマン散乱光を観測する場合、外乱光によ るノイズの発生により監視精度が下がるという問題がある。注意すべき外乱光には、 (i)太陽光、（ii)反射光、（iii)監視対象内にある壁材ゃ水 ·油膜等からの蛍光の 3つがあ る。特にレーザーに起因する蛍光は、照射レーザー光の波長よりも長波長側に広範 囲に出現し水素ガスの検知を妨害するが、根本的な対応方法は提言されていなかつ た。
[0009] そこで、上記課題を解決するために、本発明は、肉眼で見えない水素ガスと水素火 炎を可視画像化し、さらには外乱光を排除する仕組みを取り入れることで高精度に 水素ガス及び水素火炎の監視をする方法及び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
[0010] 本発明は、このような強い要望にこたえるためになされたものであり、レーザー光を 照射すると、分子の吸収エネルギーに相当するエネルギーだけレーザー光の波長が シフトするラマン散乱現象を用い、このラマン散乱光の空間強度分布を画像化するこ とで水素ガスの漏洩を検知するものである。
[0011] 水素ガスのラマン散乱光波長は、照射レーザー光の波長を変えることで変更するこ とができる力 s、実用的なものとするためには選択できるレーザー装置が限られるため
、本発明においては、水素ガスの監視波長を水素火炎が発する紫外線発光スぺタト ル波長と同じになるようにレーザー光源波長を選択した。
[0012] また、外乱光によるノイズを最小限とするための工夫もある。
太陽光による影響を少なくするためには、画像取り込みの時間ゲートを短くすること で対応している。すなわち、パルス幅の短いレーザー光を照射した時に短時間だけ パルス状に発光する水素ガスのラマン散乱光だけを時間を限って観測することで、短 時間では微弱な強度である太陽光線の影響を最小限とすることができる。
反射光については、光学バンドパスフィルターの透過波長を狭くすることで対応し ている。すなわち、検出する紫外線の波長域が狭いため、水素ガスあるいは火炎の 発する紫外線だけを検出することが可能となる。
蛍光については、反スト一タスラマン散乱波長に相当する波長を監視波長に利用 することで対応している。すなわち、蛍光は必ず照射レーザー光よりも長波長に出現 することから、レーザー光よりも短波長の反ストークス光を監視することで、蛍光による 影響を最小限とすることができる。し力 ながら、反ストークス光はかなり微弱であり、 通常は測定が難しい。そこで、レーザー光と水素のラマンスペクトル波長に一致した レーザー光をミキシングすることで、強レ、反スト一タスラマン散乱光が発生する仕組み を構成した。
[0013] 本発明は、以下の（1)一 (7)の水素ガス及び水素火炎監視方法である。
(1) 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 30 9nm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。
(2) 前記レーザー光は、 1以上の波長が概ね 355nmのレーザー光源と、 1以上の 波長が概ね 416nmのレーザー光源である上記（1)の水素ガス及び水素火炎監視 方法。
(3) 前記レーザー光をパルス状に照射し、レーザー光の照射パルスに同期して受 光の開閉を行い、前記被検出光が発光する時間帯のみ前記集光を行う上記（1)又 は（2)の水素ガス及び水素火炎監視方法。
(4) 前記概ね 416nmのレーザー光源に、色素レーザー、チタンサファイアレーザ 一、光パラメトリック発振レーザー又は水素ラマンセルを使用することを特徴とする上 記（1)なレ、し (3)のレ、ずれかの水素ガス及び水素火炎監視方法。
(5) さらに監視対象空間の背景画像を撮像し、当該背景画像と前記特定波長の 空間強度分布の画像とを重畳させることを特徴とする上記（1)ないし (4)のいずれか の水素ガス及び水素火炎監視方法。
(6) 前記背景画像の撮像は、 309nm、 355nm及び 416nmの波長に不感である ことを特徴とする上記（5)の水素ガス及び水素火炎監視方法。
(7) レーザー光の照射時に水素ガスを監視し、レーザー光の非照射時に水素火 炎を監視することを特徴とする上記（1)ないし (6)のいずれかの水素ガス及び水素火 炎監視方法。
また、本発明は、以下の（8)— (14)の水素ガス及び水素火炎監視装置である。
(8) 2以上のレーザー光源と、監視対象空間におけるレーザー光に起因する波長 概ね 309nmの被検出光を集光手段と、当該被検出光を電子画像に変換し、増幅し 、再度光学像に変換する結像手段と、特定波長の空間強度分布の画像化手段とを 有することを特徴とする水素ガス及び水素火炎監視装置。
(9) 前記 2以上のレーザー光源は、 1以上の波長が概ね 355nmのレーザー光源 と、 1以上の波長が概ね 416nmのレーザー光源である上記（8)の水素ガス及び水素 火炎監視装置。
(10) 前記レーザー光照射手段はレーザー光をパルス状に照射し、さらにレーザ 一光の照射ノ^レスに同期して受光の開閉を行うイメージインテンシフアイヤーを有し
、前記被検出光が発光する時間帯のみ前記集光を行う上記（8)又は（9)の水素ガス 及び水素火炎監視装置。 (11) 前記概ね 416nmのレーザー光源は、色素レーザー、チタンサファイアレー ザ一、光パラメトリック発振レーザー又は水素ラマンセルであることを特徴とする上記（ 8)なレ、し（10)のレ、ずれかの水素ガス及び水素火炎監視装置。
(12)さらに背景画像の撮像手段を有し、当該撮像手段による画像と前記特定波長 の空間強度分布の画像とを重畳させる手段を有することを特徴とする上記（8)なレ、し (11)のいずれかの水素ガス及び水素火炎監視装置。
(13)前記撮像手段は、 309nm、 355nm及び 416nmの波長に不感であることを 特徴とする上記（12)の水素ガス及び水素火炎監視装置。
(14) レーザー光の照射時に水素ガスを監視し、レーザー光の非照射時に水素 火炎を監視することを特徴とする上記（8)なレ、し（13)のレ、ずれかの水素ガス及び水 素火炎監視装置。
発明の効果
[0015] 本発明によれば、水素火炎の発光と水素ガスのラマン散乱光の紫外光像のみを選 択し、撮像化するので、無色'透明の肉眼では見えない水素火炎と水素ガスを認識 可能となる。
[0016] 本発明の装置は、観測波長を切り替える必要がないため、受光装置を複数用意す る必要が無ぐ装置構成をコンパクトなものとすることができる。
[0017] 本発明によれば、太陽光、反射光、蛍光等の外乱光によるノイズの影響を最小限 にすることが可能であり、誤検知の少ない高精度な監視が可能となる。
発明を実施するための最良の形態
[0018] 本発明は、一般的に使用されている Qスィッチャグレーザーの第 3高調波である概 355nmのレーザー光と、この 355nmのレーザー光の一部で光励起して水素のラマ ンシフトに相当する波長で発振させた概 416nmのレーザー光を、水素ガスに同時に 照射した時のラマン散乱光の波長力 S、火炎中の OH基の発光スペクトルのピーク波 長である 309nmと完全に同一になることに着目して、 309nmの光の空間強度分布 を画像化して水素ガスの漏洩と水素火炎の検知を行うものである。
[0019] 以下、本発明の実施の一態様を図面を用いて説明するが、本発明はこれに限定さ れるものではない。 [0020] 図 1は本発明の装置構成である。図 1において、符号 10は本発明の実施の形態に かかる第 1の撮像手段を、符号 20はレーザー光照射手段を、符号 30は第 2の撮像 手段を、符号 40は時間同期制御手段を、符号 50は画像処理手段を示す。
[0021] 本発明においては、第 2の撮像手段 30を用いて監視区域の可視画像を撮影し、第 1の撮像手段 10で水素火炎あるいは水素ガスの映像を撮影し、画像処理手段 50で 上記 2つの画像を重ねて表示する。このとき、水素ガスを監視する場合は、時間同期 制御手段 40によってレーザー光照射手段 20と第 1の撮像手段 10を動作させ、レー ザ一照射に同期させて第 1の撮像手段 10で映像を撮影する。
[0022] 水素ガス漏洩監視装置はガスと火炎の撮像手段としての撮像装置 10を備えている 。図 1の符号 11は集光光学系としての対物レンズ、符号 12は透過光選択手段として の光学バンドパスフィルター、符号 13は紫外光撮像手段としてのイメージインテンシ フアイヤー、符号 14は撮像素子である。対物レンズ 11は、レンズ及び鏡筒を備えたも のであり、観察対象の像をイメージインテンシフアイヤー 13の光電面に結像可能とさ れている。
[0023] イメージインテンシフアイヤー 13の筐体の光学バンドパスフィルター 12側には薄膜 の外部光電効果を有する光電面が設けられており、光学バンドパスフィルター 12か らの紫外光は光電面によって電子像に変換される。この電子像は電子レンズで収束 されてマイクロチャンネルプレートによって 2次電子増倍され、蛍光面で再度光学像 に戻されることによって水素ガスからの微弱な誘導ラマン散乱光あるいは火炎からの 紫外線は可視像に変換される。イメージインテンシフアイヤー 13の蛍光面の可視像 は接眼レンズ系と電子的撮像素子を用いることによって、ガスと火炎の画像を電気的 に捉えることができ、無色 '透明のガスと火炎が監視可能となる。
[0024] 水素ガス漏洩監視装置は、水素ガスからのラマン散乱光を誘起するためのレーザ 一照射装置 20を備えてレ、る。符号 21は Qスィッチ YAGの第 3高調（波長：概 355nm )レーザー発振装置、符号 22は波長 355nmの光励起で発振するレーザー（波長： 概 416nm)発振装置、符号 23はレーザー光分配器、符号 24は鏡、符号 25はレー ザ一光重ね合わせ用鏡、符号 26はレーザービーム拡大用レンズである。
[0025] YAGレーザー発振装置 21から放射される 355nmのレーザー光はレーザー光分 配器 23によって分配され、一部のレーザー光が光励起レーザー発振装置 22に照射 され 416nmのレーザーを発振させる。レーザー分配器 23を透過したレーザー光は 鏡 24で反射され、レーザー光重ね合わせ用鏡 25で反射され、 355nmと 416nmの レーザー光がレーザービーム拡大用レンズ 26を介して監視対象空間に照射される。
[0026] 光励起レーザー装置 22は、色素レーザー、チタンサファイアレーザーあるいは非 線形光学効果を利用した光パラメトリック発振や水素ラマンセルが利用できる。
なお、このような構成を採用することで、 2台の光源を同時に照射することができ、装 置構成をコンパクトなものとすることを可能としてレ、る。
[0027] 照射レーザー光の波長が 355nmと 416nmであり、本実施例の観測波長が 309η mとレーザー光の波長よりも短波長であり、レーザー光に誘起される蛍光が必ず照射 レーザー光の波長よりも長波長に出現することから、水素ガス観測における周辺蛍光 の影響を防止できる。
[0028] 水素ガス漏洩監視装置は、監視対象領域を背景画像として撮影する第 2の撮像装 置 30を備えている。符号 31は電子撮像素子、符号 32は対物レンズ、符号 33は短波 長遮断光学フィルターである。撮影対象波長領域は短波長遮断光学フィルター 33 によって概 420nm以上に設定されている。撮像装置 30における波長選択条件は、 少なくとも、火炎の OH基の発光波長と水素ガスからのラマン散乱波長である 309nm および照射レーザー光の波長である 355nmと 416nmの光を透過しないか不感とな つている。
[0029] また、レーザー照射に起因する蛍光が、監視対象領域を背景画像として撮影する 第 2の撮像装置 30に悪影響をおよぼすほど強く観測される場合は、レーザー照射信 号と同期して、レーザーが照射されていない時間帯に画像を撮影するようにしても良 レ、。
[0030] 水素ガス漏洩監視装置は、水素ガスからのラマン散乱光を誘起するためのレーザ 一照射装置 20と水素ガスのラマン散乱光の撮像手段としての撮像装置 10の時間同 期を行う時間同期制御装置 40を備えている。時間同期制御装置 40は、前述のィメ ージインテンシフアイヤー付き紫外線対応用の撮像装置 10とレーザー照射装置 20と がケーブルを介して接続されてレ、る。 [0031] 水素ガスを監視する場合に、レーザー光の照射ノ^レスに同期させてイメージインテ ンシフアイヤー 13の電子レンズに印加する電圧を制御してマイクロチャンネルプレー トへの電子の到達を ON/OFFさせることにより、レーザーに起因する水素ガスの誘 導ラマン散乱光を観測する時間帯の光のみをマイクロチャンネルプレートで増倍する 。この ONZOFFのゲート動作により、太陽光や照明光あるいは火炎からの外乱の影 響を最小限に抑えることができる。
[0032] 水素火炎の〇H基から発せられる光は連続して発光しており、これに対して水素ガ スのラマン散乱光はレーザーが照射されている時間だけに発光する。このため、レー ザ一光が照射されていない時間帯あるいはレーザー照射を停止して撮像素子で 30 9nmの光を受光することで火炎の発光を、レーザー光照射の時間に同期して撮像素 子で 309nmの光を受光することで水素ガスのラマン散乱光を、それぞれ区別して観 測できる。
[0033] 水素ガス漏洩監視装置は、画像処理装置 50を備えてレ、る。符号 51は画像処理プ ログラムを有するパーソナルコンピュータ、符号 52は表示用モニターである。パーソ ナルコンピュータ 51には、前述のイメージインテンシフアイヤー付き紫外線対応用の 撮像装置 10と、背景画像撮像手段としての撮像装置 30と、時間同期制御装置 40が ケーブルを介して接続されてレ、る。
[0034] パーソナルコンピュータ 51は監視制御を行う監視制御プログラムと画像処理プログ ラムを備えており、キーボード或いはマウス等の入力手段で構成される。
[0035] 監視制御プログラムは、水素ガスあるいは火炎が検出されたときに文字及び音で警 報を発生し、若しくは監視事務所等に通報する機能を有する。また、対象ガスの供給 停止或いは防火処理を行うよう設定しても良い。
[0036] 画像処理プログラムは、イメージインテンシフアイヤー付き紫外線対応用の撮像装 置 10の画像と、背景画像撮像手段としての撮像装置 30の画像を一つのモニター画 面 52の中に同時に表示する機能を有し、背景画像の中に水素火炎および水素ガス 画像を認識しやすレ、色に着色して重ねて表示可能とされてレ、る。
[0037] 図 2及び図 3に本発明を裏付ける実験データを示す。
図 2は、水素ガスを燃焼させた場合の紫外線領域の発光スペクトル分布である。こ の実験では、レーザー照射装置 20はレーザー発振を停止している。受光は 1000マ イク口秒の時間帯で行った。
なお、水素火炎の発光は 309nmにピークを持ち土 5nmのスペクトル幅で観測され る。水素火炎の発光の観測時間 (受光時間）を短くすると受信信号が弱くなり、 1マイ クロ秒以下の観測時間帯では画像化が困難であった。
[0038] 図 3は、レーザー照射装置 20からレーザーを照射して水素ガスを観察した場合の 分光スペクトルである。この実験では、光励起レーザー装置 22に色素レーザーを用 いており、 YAGレーザーおよび色素レーザーの発振パルス幅は約 10ナノ秒である。 色素は BIS—MSB (p-bis (o-methylstyryl) benzene)を 1ミリモルの濃度でジォキ サンに溶解して使用した。受光はレーザー照射から 100ナノ秒の時間帯で行った。 図 3に示すように、 355nmと 416nmの光を同時に照射した場合に 309nmの発光が 観測され（図 3 (a) )、どちらかのレーザー光を遮断した場合には 309nmの光は観測 されなくなる（図 3 (b)と (c) )。
[0039] このように 355nmと 416nmの異なる波長を有するレーザー光をミキシングすること で、いずれかの波長のレーザー光を照射した際には観測することができなかった水 素ガスを監視することが可能となった。
更には、水素ガスのラマン散乱光のピーク波長と水素火炎の紫外線発光のピーク 波長は、共には 309nmであり完全に一致するため、水素ガスの漏洩と水素火炎の 発生とを 309nmの波長の紫外線光で監視することが可能となった。
[0040] レーザー照射装置 20の YAGレーザー 21を動作させることでガス監視を行うことが でき、 YAGレーザー 21を停止することで火炎監視を行うことができる。このように YA Gレーザー 21の発振/停止操作だけでガスと火炎の監視態勢を切り替えることがで きる。
図面の簡単な説明
[0041] [図 1]本願の実施の形態に係る漏洩ガス撮像装置 1の構成を示す模式図
[図 2]水素火炎の紫外線領域の発光スペクトル分布を示す図
[図 3a]水素ガスから発せられるラマン散乱光の分光スペクトルを示す図（355nmと 416nmのレーザーを照射した場合） [図 3b]水素ガスから発せられるラマン散乱光の分光スぺクトノレを示す図（355nmのレ 一ザ一だけを照射した場合）
[図 3c]水素ガスから発せられるラマン散乱光の分光スぺクトノレを示す図（416nmのレ 一ザ一だけを照射した場合）
符号の説明
[0042] 10 水素ガス'火炎撮像装置
11 対物レンズ
12 光学バンドパスフィルター （透過光選択手段）
13 イメージインテンシフアイヤー (紫外光撮像手段）
14 電子撮像素子
20 レーザー照射装置
21 Qスィッチ YAGの第 3高調（波長： 355nm)レーザー発振装置
22 光励起で発振するレーザー（波長 : 416nm)発振装置
23 レーザー光分配器
24 鏡
25 レーザー光重ね合わせ用鏡
26 レーザービーム拡大用レンズ
30 監視対象領域を撮影する撮像装置
31 電子撮像素子
32 対物レンズ
33 短波長遮断光学フィルター
40 時間同期制御装置
50 画像処理装置
51 パーソナルコンピュータ
52 表示用モニター
産業上の利用可能性
[0043] 本発明の水素ガス及び水素火炎の監視方法及び装置によれば、水素供給ステー シヨンや燃料電池などの水素ガス利用設備において、誤検知が少ない連続監視が 可能となる。

Claims

請求の範囲
[1] 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。
[2] 前記レーザー光は、 1以上の波長が概ね 355nmのレーザー光源と、 1以上の波長 が概ね 416nmのレーザー光源である請求項 1の水素ガス及び水素火炎監視方法。
[3] 前記レーザー光をノ^レス状に照射し、レーザー光の照射パルスに同期して受光の 開閉を行い、前記被検出光が発光する時間帯のみ前記集光を行う請求項 1又は 2の 水素ガス及び水素火炎監視方法。
[4] 前記概ね 416nmのレーザー光源に、色素レーザー、チタンサファイアレーザー、 光パラメトリック発振レーザー又は水素ラマンセルを使用することを特徴とする請求項
1なレ、し 3のレ、ずれかの水素ガス及び水素火炎監視方法。
[5] さらに監視対象空間の背景画像を撮像し、当該背景画像と前記特定波長の空間 強度分布の画像とを重畳させることを特徴とする請求項 1ないし 4のいずれかの水素 ガス及び水素火炎監視方法。
[6] 前記背景画像の撮像は、 309nm、 355nm及び 416nmの波長に不感であることを 特徴とする請求項 5の水素ガス及び水素火炎監視方法。
[7] レーザー光の照射時に水素ガスを監視し、レーザー光の非照射時に水素火炎を監 視することを特徴とする請求項 1ないし 6のいずれかの水素ガス及び水素火炎監視 方法。
[8] 2以上のレーザー光源と、
監視対象空間におけるレーザー光に起因する波長概ね 309nmの被検出光の集 光手段と、
当該被検出光を電子画像に変換し、増幅し、再度光学像に変換する結像手段と、 特定波長の空間強度分布の画像化手段とを有することを特徴とする水素ガス及び 水素火炎監視装置。
[9] 前記 2以上のレーザー光源は、 1以上の波長が概ね 355nmのレーザー光源と、 1 以上の波長が概ね 416nmのレーザー光源である請求項 8の水素ガス及び水素火炎 監視装置。
[10] 前記レーザー光源はレーザー光をパルス状に照射し、
さらにレーザー光の照射パルスに同期して受光の開閉を行うイメージインテンシファ ィヤーを有し、前記被検出光が発光する時間帯のみ前記集光を行う請求項 8又は 9 の水素ガス及び水素火炎監視装置。
[11] 前記概ね 416nmのレーザー光源は、色素レーザー、チタンサファイアレーザー、 光パラメトリック発振レーザー又は水素ラマンセルであることを特徴とする請求項 8な レ、し 10のレ、ずれかの水素ガス及び水素火炎監視装置。
[12] さらに背景画像の撮像手段を有し、
当該撮像手段による画像と前記特定波長の空間強度分布の画像とを重畳させる手 段を有することを特徴とする請求項 8なレ、し 11のレ、ずれかの水素ガス及び水素火炎 監視装置。
[13] 前記撮像手段は、 309nm、 355nm及び 416nmの波長に不感であることを特徴と する請求項 12の水素ガス及び水素火炎監視装置。
[14] レーザー光の照射時に水素ガスを監視し、レーザー光の非照射時に水素火炎を監 視することを特徴とする請求項 8ないし 13のいずれかの水素ガス及び水素火炎監視 装置。
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