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JP5573776B2 - Oxygen concentration measuring device - Google Patents
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Description

本発明は、酸素濃度計測装置に関し、特に測定対象領域に蛍光塗料を塗布し、この蛍光塗料面に励起光を照射することにより蛍光を発生させ、この蛍光強度分布を撮影することにより、測定対象領域の酸素濃度分布を計測する酸素濃度計測装置に関する。   The present invention relates to an oxygen concentration measuring apparatus, and in particular, a fluorescent paint is applied to a measurement target region, and fluorescence is generated by irradiating excitation light on the fluorescent paint surface, and the fluorescent intensity distribution is photographed, thereby measuring the measurement target. The present invention relates to an oxygen concentration measurement device that measures an oxygen concentration distribution in a region.

近年、地球環境問題が大きくクローズアップされてきている。燃料電池は、高いエネルギー変換効率を有する上に、COの排出削減に寄与するだけでなく、酸性雨の原因や大気汚染の原因となるNOx、SOx、塵埃等の排出がほとんどないクリーンな電池である。さらに、静粛性も高いという利点がある。そのため、燃料電池は、21世紀に最適なエネルギー変換装置として一部実用化されつつある。特に、燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池(PEFC)は、作動温度が低くかつ出力密度が高いため、小型化が可能であるという長所を持っている。 In recent years, global environmental problems have been greatly highlighted. A fuel cell not only has high energy conversion efficiency but also contributes to the reduction of CO 2 emissions, and is also a clean cell that emits almost no NOx, SOx, dust, etc. that cause acid rain and air pollution. It is. Furthermore, there is an advantage that silence is also high. Therefore, some fuel cells are being put into practical use as an energy conversion device that is optimal for the 21st century. In particular, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) among fuel cells has an advantage that it can be miniaturized because of its low operating temperature and high output density.

図4は、固体高分子形燃料電池の一例を示す断面図である。
固体高分子形燃料電池は、高分子固体電解質膜101を中心として酸素極102と水素極103とで挟んだ構成を有する。高分子固体電解質膜101は、例えば、炭素繊維性の多孔性クロス基材上に、高分子固体電解質を含むスラリーを塗布し、次いで焼成することにより得られたイオン交換膜である。そして、酸素極102の外側は、集電体106に担持されるとともに、水素極103の外側は、集電体107に担持されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a polymer electrolyte fuel cell.
The solid polymer fuel cell has a configuration in which a polymer solid electrolyte membrane 101 is sandwiched between an oxygen electrode 102 and a hydrogen electrode 103. The polymer solid electrolyte membrane 101 is, for example, an ion exchange membrane obtained by applying a slurry containing a polymer solid electrolyte on a carbon fiber porous cloth substrate and then baking the slurry. The outside of the oxygen electrode 102 is carried on the current collector 106, and the outside of the hydrogen electrode 103 is carried on the current collector 107.

酸素極102の外側の周縁部には、枠形状のガスケット104の内側が接触し、さらにガスケット104の外側には、複数の凹部を内側に有するセパレータ板108の内側の突出周縁部が接触している。これにより、セパレータ板108の内側と酸素極102の外側との間に、複数の凹部に対応するように複数の酸素極室109が形成されている。また、セパレータ板108は、内側と外側とを貫通するように酸素極室109に連結する酸素ガス供給口112と、内側と外側とを貫通するように酸素極室109に連結する未反応酸素ガス及び生成水取出口113とを有する。   The outer peripheral edge of the oxygen electrode 102 is in contact with the inside of the frame-shaped gasket 104, and the outer peripheral edge of the gasket 104 is in contact with the protruding peripheral edge of the separator plate 108 having a plurality of recesses inside. Yes. Thus, a plurality of oxygen electrode chambers 109 are formed between the inside of the separator plate 108 and the outside of the oxygen electrode 102 so as to correspond to the plurality of recesses. The separator plate 108 includes an oxygen gas supply port 112 connected to the oxygen electrode chamber 109 so as to penetrate the inner side and the outer side, and an unreacted oxygen gas connected to the oxygen electrode chamber 109 so as to penetrate the inner side and the outer side. And a generated water outlet 113.

一方、水素極103の外側の周縁部には、枠形状のガスケット105の内側が接触し、さらにガスケット105の外側には、複数の凹部を内側に有するセパレータ板110の内側の突出周縁部が接触している。これにより、セパレータ板110の内側と水素極103の外側との間に、複数の凹部に対応するように複数の水素極室111が形成されている。また、セパレータ板110は、内側と外側とを貫通するように水素極室111に連結する水素ガス供給口114と、内側と外側とを貫通するように水素極室111に連結する未反応水素ガス取出口115とを有する。   On the other hand, the outer periphery of the hydrogen electrode 103 is in contact with the inside of the frame-shaped gasket 105, and the outer periphery of the gasket 105 is in contact with the protruding periphery of the separator plate 110 having a plurality of recesses on the inside. doing. Thus, a plurality of hydrogen electrode chambers 111 are formed between the inside of the separator plate 110 and the outside of the hydrogen electrode 103 so as to correspond to the plurality of recesses. The separator plate 110 includes a hydrogen gas supply port 114 connected to the hydrogen electrode chamber 111 so as to penetrate the inner side and the outer side, and an unreacted hydrogen gas connected to the hydrogen electrode chamber 111 so as to penetrate the inner side and the outer side. And an outlet 115.

次に、固体高分子形燃料電池の動作について説明する。水素が水素ガス供給口114から複数の水素極室111を順番に流通するとともに、酸素が酸素ガス供給口112から複数の酸素極室109を順番に流通すると、水素は水素極103により水素イオンと電子とに分離する。水素極103で発生した水素イオンは、高分子固体電解質膜101を選択的に透過する。そして、透過した水素イオンは、酸素極102で酸素と反応し、水となる。このとき、水素極103で発生した電子は、水素極103から外部負荷(図示せず)を通って酸素極102に向かうように流れる。つまり、外部負荷に電流が流れることになる。   Next, the operation of the polymer electrolyte fuel cell will be described. When hydrogen flows through the plurality of hydrogen electrode chambers 111 in order from the hydrogen gas supply port 114 and oxygen flows through the plurality of oxygen electrode chambers 109 in turn from the oxygen gas supply port 112, hydrogen is converted into hydrogen ions by the hydrogen electrode 103. Separated into electrons. Hydrogen ions generated at the hydrogen electrode 103 selectively permeate the polymer solid electrolyte membrane 101. The permeated hydrogen ions react with oxygen at the oxygen electrode 102 to become water. At this time, electrons generated at the hydrogen electrode 103 flow from the hydrogen electrode 103 toward the oxygen electrode 102 through an external load (not shown). That is, current flows to the external load.

ところで、固体高分子形燃料電池を普及させるには、コストをはじめ、いろいろな技術課題を解決する必要がある。例えば、固体高分子形燃料電池は、運転時間の経過とともに電池性能が劣化するため、劣化に伴う電池寿命が重要な課題となっている。このような技術課題を解決するためには、酸素が酸素ガス供給口112から複数の酸素極室109にどのように流通したり、複数の酸素極室109でどのように反応したりするのかを解析する必要がある。   By the way, in order to spread the polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to solve various technical problems including cost. For example, since the polymer performance of a solid polymer fuel cell deteriorates with the passage of operating time, the battery life associated with the deterioration is an important issue. In order to solve such a technical problem, how oxygen flows from the oxygen gas supply port 112 to the plurality of oxygen electrode chambers 109 and how it reacts in the plurality of oxygen electrode chambers 109 is determined. It is necessary to analyze.

そこで、複数の酸素極室109の酸素濃度分布を計測する酸素濃度計測方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。このような酸素濃度計測方法では、測定対象領域となる複数の酸素極室109のセパレータ板108を透明な材料で構成するとともに、セパレータ板108にルテニウム錯体塗料(蛍光塗料)をスプレーや刷毛等を用いて塗布した模擬燃料電池を作製している。そして、蛍光塗料面に励起光(波長470nm)を照射することにより蛍光(約600nm)を発生させ、この蛍光強度分布を撮影している。このとき、蛍光塗料面は、励起光により蛍光を発生させるが、酸素濃度が高い箇所では酸素により蛍光が消光される。これにより、撮影した蛍光強度分布に基づいて、複数の酸素極室109の酸素濃度分布を計測することができる。   Therefore, an oxygen concentration measurement method for measuring the oxygen concentration distribution of the plurality of oxygen electrode chambers 109 has been disclosed (see, for example, Patent Document 1). In such an oxygen concentration measurement method, the separator plates 108 of the plurality of oxygen electrode chambers 109 to be measured regions are made of a transparent material, and a ruthenium complex paint (fluorescent paint) is sprayed or brushed on the separator plate 108. A simulated fuel cell coated by using this is produced. Then, the fluorescent paint surface is irradiated with excitation light (wavelength 470 nm) to generate fluorescence (about 600 nm), and this fluorescence intensity distribution is photographed. At this time, the fluorescent paint surface generates fluorescence by excitation light, but the fluorescence is quenched by oxygen at a location where the oxygen concentration is high. Thereby, the oxygen concentration distribution of the plurality of oxygen electrode chambers 109 can be measured based on the photographed fluorescence intensity distribution.

さらに、このような酸素濃度計測方法を用いるための酸素濃度計測装置も開発されている。図3は、従来の酸素濃度計測装置の一例を示す概略構成図である。
酸素濃度計測装置51は、光照射部10と、撮像部20と、蛍光塗料が塗布された検査体Sが配置される配置部30と、酸素濃度計測装置51全体の制御を行うコンピュータ90とを備える。なお、地面に水平な一方向をX方向とし、地面に水平でX方向と垂直な方向をY方向とし、X方向とY方向とに垂直な方向をZ方向とする。
Furthermore, an oxygen concentration measuring apparatus for using such an oxygen concentration measuring method has been developed. FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an example of a conventional oxygen concentration measuring apparatus.
The oxygen concentration measurement device 51 includes a light irradiation unit 10, an imaging unit 20, an arrangement unit 30 on which an inspection object S to which a fluorescent paint is applied is arranged, and a computer 90 that controls the entire oxygen concentration measurement device 51. Prepare. One direction horizontal to the ground is defined as an X direction, a direction horizontal to the ground and perpendicular to the X direction is defined as a Y direction, and a direction perpendicular to the X direction and the Y direction is defined as a Z direction.

光照射部10は、励起光(波長470nm)を出射するレーザ光源15と、電子シャッタ12と、拡散フィルタ13と、レンズ14と、励起光の強度Iを検知するパワーメータ11と、励起光を2方向へ分割するハーフミラー16とを有する。
このような光照射部10の構成において、レーザ光源15で出射された励起光は、ハーフミラー16で2方向へ分割される。ハーフミラー16で分割された励起光が進行する2方向のうちの1方向の励起光は、電子シャッタ12と拡散フィルタ13とレンズ14とをこの順で通過して、配置部30の測定対象領域に照射されるようになっている。一方、ハーフミラー16で分割された励起光が進行する2方向のうちの残りのもう1つの方向の励起光は、パワーメータ11で強度Iが検出されるようになっている。
なお、レーザ光源15は、出射する励起光の強度Iを調整することが可能となっており、コンピュータ90からの制御信号によって制御されるようになっている。
The light irradiation unit 10 includes a laser light source 15 that emits excitation light (wavelength 470 nm), an electronic shutter 12, a diffusion filter 13, a lens 14, a power meter 11 that detects the intensity I of the excitation light, and excitation light. And a half mirror 16 divided in two directions.
In such a configuration of the light irradiation unit 10, the excitation light emitted from the laser light source 15 is divided into two directions by the half mirror 16. One of the two directions in which the excitation light divided by the half mirror 16 travels passes through the electronic shutter 12, the diffusion filter 13, and the lens 14 in this order, and the measurement target region of the placement unit 30. It comes to be irradiated. On the other hand, the intensity I of the remaining one of the two directions in which the excitation light divided by the half mirror 16 travels is detected by the power meter 11.
The laser light source 15 can adjust the intensity I of the excitation light to be emitted and is controlled by a control signal from the computer 90.

撮像部20は、レンズ21aを有する高速撮影カメラ(撮像装置)21を有する。高速撮影カメラ21は、複数の光検出素子が行方向と列方向とに並べられたものであり、各光検出素子にはそれぞれの位置に応じた輝度値の蛍光が入射するようにしてある。したがって、各光検出素子の出力信号は、配置部30の測定対象領域の各位置ごとの蛍光の輝度値を表すことになる。
なお、高速撮影カメラ21は、絞り値Fと露光時間Tとを調整することが可能となっており、コンピュータ90からの制御信号によって制御されるようになっている。
The imaging unit 20 includes a high-speed photographing camera (imaging device) 21 having a lens 21a. The high-speed photographing camera 21 has a plurality of light detection elements arranged in a row direction and a column direction, and fluorescence of a luminance value corresponding to each position is incident on each light detection element. Therefore, the output signal of each photodetecting element represents the luminance value of the fluorescence for each position of the measurement target region of the placement unit 30.
The high-speed photographing camera 21 can adjust the aperture value F and the exposure time T, and is controlled by a control signal from the computer 90.

また、検査体SにX方向から励起光を照射するとともに、−X方向に進行する蛍光を検出するために、励起光を透過させるとともに蛍光を反射する平板形状のミラー31が配置されている。これにより、X方向に進行する励起光は、ミラー31を透過することにより、配置部30の測定対象領域に照射され、配置部30の測定対象領域で発生した蛍光は、−X方向に進行して、ミラー31によって進行方向を変え、さらにミラー32によって進行方向を変え、高速撮影カメラ21に入射するようになっている。   Further, in order to irradiate the inspection object S with the excitation light from the X direction and detect the fluorescence traveling in the −X direction, a flat plate-shaped mirror 31 that transmits the excitation light and reflects the fluorescence is disposed. Thereby, the excitation light traveling in the X direction passes through the mirror 31 and is irradiated to the measurement target region of the placement unit 30, and the fluorescence generated in the measurement target region of the placement unit 30 travels in the −X direction. Thus, the traveling direction is changed by the mirror 31, and the traveling direction is further changed by the mirror 32 so as to be incident on the high-speed photographing camera 21.

コンピュータ90は、CPU(制御部)91とメモリ(記憶部)94とを備え、さらにモニタ(表示装置)42と操作部(入力装置)43とが連結されている。また、CPU91が処理する機能をブロック化して説明すると、レーザ光源15を制御する光源制御部91aと、高速撮影カメラ21を制御する撮像装置制御部91bとを有する。   The computer 90 includes a CPU (control unit) 91 and a memory (storage unit) 94, and a monitor (display device) 42 and an operation unit (input device) 43 are connected to each other. Further, the functions processed by the CPU 91 will be described in a block form. The CPU 91 includes a light source control unit 91 a that controls the laser light source 15 and an imaging device control unit 91 b that controls the high-speed photographing camera 21.

撮像装置制御部91bは、操作部43で所望の絞り値Fと所望の露光時間Tとが入力されると、入力された絞り値Fと露光時間Tとなるように、高速撮影カメラ21を制御し、その後、高速撮影カメラ21から蛍光強度分布画像を取得する制御を行う。
光源制御部91aは、操作部43で励起光の所望の強度Iが入力されると、入力された励起光の強度Iとなるように、パワーメータ11で検出された強度Iに基づいてレーザ光源15を制御する。
When the desired aperture value F and the desired exposure time T are input from the operation unit 43, the imaging device control unit 91b controls the high-speed imaging camera 21 so that the input aperture value F and the exposure time T are obtained. Thereafter, control for acquiring a fluorescence intensity distribution image from the high-speed photographing camera 21 is performed.
When the desired intensity I of the excitation light is input from the operation unit 43, the light source controller 91a is configured to be a laser light source based on the intensity I detected by the power meter 11 so that the intensity I of the input excitation light is obtained. 15 is controlled.

特開2006−331733号公報JP 2006-331733 A

ところで、上述したような酸素濃度計測装置51で蛍光強度分布画像を取得するには、高速撮影カメラ21の絞り値Fや露光時間Tや励起光の強度I等を適切に調整する必要がある。
例えば、高速撮影カメラ21の絞り値Fの調整に関しては、必要な焦点深度dを確保した上で、絞り値Fをできるだけ開放して取得画像を明るくなるようにしたい。
By the way, in order to acquire a fluorescence intensity distribution image with the oxygen concentration measuring apparatus 51 as described above, it is necessary to appropriately adjust the aperture value F, the exposure time T, the intensity I of excitation light, and the like of the high-speed photographing camera 21.
For example, regarding the adjustment of the aperture value F of the high-speed camera 21, it is desired to secure the necessary depth of focus d and open the aperture value F as much as possible to brighten the acquired image.

また、高速撮影カメラ21の露光時間Tの調整に関しては、蛍光塗料面が酸素により消光されないときに得られる最大輝度値が、例えば撮影可能最大輝度値の半分の輝度値程度になるようにしたい。
さらに、励起光の強度Iの調整に関しては、蛍光塗料に強い強度Iの励起光を照射すると、蛍光の輝度値が大きくなるが、蛍光塗料そのものが励起光によって劣化することがあり、できるだけ弱い強度Iの励起光を照射したい。
Regarding the adjustment of the exposure time T of the high-speed photographing camera 21, it is desired that the maximum luminance value obtained when the fluorescent paint surface is not quenched by oxygen is, for example, about half the luminance value that can be photographed.
Furthermore, regarding the adjustment of the intensity I of the excitation light, when the fluorescent paint is irradiated with excitation light having a strong intensity I, the luminance value of the fluorescence increases, but the fluorescent paint itself may be deteriorated by the excitation light, and the intensity is as weak as possible. I want to irradiate I excitation light.

しかしながら、高速撮影カメラ21の絞り値Fや露光時間Tや励起光の強度I等を適切に調整するには、時間がかかり、使用者によって調整した値が異なることがあった。
そこで、本発明は、高速撮影カメラの絞り値Fや露光時間Tや励起光の強度I等を容易に調整することができる酸素濃度計測装置を提供することを目的とするものである。
However, it takes time to appropriately adjust the aperture value F, the exposure time T, the excitation light intensity I, and the like of the high-speed photographing camera 21, and the adjusted value may differ depending on the user.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an oxygen concentration measuring apparatus that can easily adjust the aperture value F, exposure time T, excitation light intensity I, and the like of a high-speed photographing camera.

上記課題を解決するためになされた本発明の酸素濃度計測装置は、酸素消光性を有する蛍光塗料が塗布された測定対象領域に、励起光を照射する光源を有する光照射部と、前記測定対象領域に塗布された蛍光塗料面の蛍光強度分布を撮影する撮像装置を有する撮像部と、前記蛍光強度分布に基づいて、前記測定対象領域の酸素濃度分布を計測する制御部とを備え、前記撮像装置の絞り値F及び前記撮像装置の露光時間Tを調整することが可能となるとともに、前記光源から出射される励起光の強度Iを調整することが可能な酸素濃度計測装置であって、前記光源から出射される励起光の初期強度I を記憶する記憶部を備え、入力操作が行われる入力装置をさらに有し、前記制御部は、前記入力装置で測定者によって蛍光塗料面の蛍光強度分布画像を取得することが確保される焦点深度dが入力されることにより、焦点深度dと絞り値Fとの関係式を用いて、前記撮像装置の絞り値Fを設定するとともに、前記入力装置で測定者によって入力された測定時間間隔tを前記撮像装置の初期露光時間T とし、撮影された蛍光強度分布画像の輝度値が高い場合には、前記撮像装置の露光時間Tを変更し、一方、蛍光強度分布画像の輝度値が低い場合には、前記励起光の強度Iを変更するようにしている。 The oxygen concentration measuring device of the present invention made to solve the above-mentioned problems is a light irradiation unit having a light source that irradiates excitation light to a measurement target region to which a fluorescent paint having an oxygen quenching property is applied, and the measurement target An imaging unit having an imaging device that captures the fluorescence intensity distribution of the fluorescent paint surface applied to the region, and a control unit that measures the oxygen concentration distribution of the measurement target region based on the fluorescence intensity distribution, it becomes possible to adjust the aperture value F and an exposure time T of the image pickup device of the apparatus, an oxygen concentration measuring device capable of adjusting the intensity I of the excitation light emitted from the light source, the a storage unit for storing the initial intensity I s of the exciting light emitted from the light source, further comprising an input device input operation is performed, the control unit, the fluorescence intensity of the fluorescent paint surface by the measurer by the input device Min By inputting the depth of focus d that ensures the acquisition of the cloth image, the aperture value F of the imaging device is set using the relational expression between the depth of focus d and the aperture value F, and the input device in the measurement time interval t which is input by the measurer as the initial exposure time T S of the image pickup apparatus, when the luminance value of the captured fluorescence intensity distribution image is high, to change the exposure time T of the image pickup device, On the other hand, when the luminance value of the fluorescence intensity distribution image is low, the intensity I of the excitation light is changed .

ここで、「酸素消光性を有する蛍光塗料」としては、例えば、バインダにポリスチレン等の酸素透過性のある高分子材料が用いられ、色素に白金ポルフィリンやルテニウム等の紫外から青色の励起光に反応して発光し、かつ、酸素消光性を有する材料が用いられたもの等が挙げられる。
また、「測定時間間隔」とは、計測しようとする酸素濃度分布の測定時間間隔(時間分解能)のことをいう。
Here, as the “fluorescent paint having oxygen quenching properties”, for example, a polymer material having oxygen permeability such as polystyrene is used as a binder, and the dye reacts with ultraviolet to blue excitation light such as platinum porphyrin or ruthenium. And the like using a material that emits light and has an oxygen quenching property.
The “measurement time interval” refers to a measurement time interval (time resolution) of the oxygen concentration distribution to be measured.

本発明の酸素濃度計測装置によれば、入力装置で焦点深度d及び測定時間間隔tを入力すると、例えば、焦点深度dと絞り値Fとの関係式を用いて、関係式に焦点深度dが代入されることにより、絞り値Fが自動的に設定される。また、入力装置で入力された測定時間間隔tを撮像装置の初期露光時間間隔Tとすることにより撮影された蛍光強度分布画像の輝度値に基づいて、撮像装置の露光時間Tが自動的に設定される。 According to the oxygen concentration measuring apparatus of the present invention, when the depth of focus d and the measurement time interval t are input by the input device, for example, using the relational expression between the depth of focus d and the aperture value F, the depth of focus d is expressed in the relational expression. By substituting, the aperture value F is automatically set. Further, based on the luminance value of the fluorescence intensity distribution image captured by the initial exposure time interval T S of the image pickup apparatus the measurement time interval t which is input by the input device, the exposure time T is automatically in the imaging apparatus Is set.

以上のように、本発明の酸素濃度計測装置によれば、高速撮影カメラの絞り値Fや露光時間Tを容易に調整することができる。   As described above, according to the oxygen concentration measuring apparatus of the present invention, the aperture value F and the exposure time T of the high-speed camera can be easily adjusted.

(他の課題を解決するための手段及び効果)
また、上記の発明において、下記式(1)を記憶する記憶部を備え、前記制御部は、式(1)に前記入力装置で測定者によって入力された焦点深度dを代入することにより前記撮像装置の絞り値Fを設定するようにしてもよい。
d=±(ε×F) ・・・(1)
ここで、εは許容錯乱円径である。
(Means and effects for solving other problems)
Further, in the above invention, a storage unit that stores the following formula (1) is provided, and the control unit substitutes the depth of focus d input by the measurer with the input device into the formula (1). the aperture value F of the device may be Unishi due to set the.
d = ± (ε × F) (1)
Here, ε is an allowable circle of confusion .

また、上記の発明によれば、前記光源から出射される励起光の強度Iを調整することが可能となっており、前記光源から出射される励起光の初期強度Iを記憶する記憶部を備えるとともに、前記制御部は、前記初期強度Iの励起光を照射することにより撮影された蛍光強度分布画像の輝度値に基づいて、前記光源から出射される励起光の強度Iを設定することができるFurther, according to the invention, and it is possible to adjust the intensity I of the excitation light emitted from the light source, a storage unit for storing the initial intensity I s of the exciting light emitted from the light source comprising Rutotomoni, wherein, based on the luminance value of the fluorescence intensity distribution image taken by irradiating the excitation light of the initial intensity I s, sets the intensity I of the excitation light emitted from the light source Can

本発明の一実施形態である酸素濃度計測装置の一例を示す概略構成図。1 is a schematic configuration diagram showing an example of an oxygen concentration measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. 本発明の調整方法について説明するためのフローチャート。The flowchart for demonstrating the adjustment method of this invention. 従来の酸素濃度計測装置の一例を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows an example of the conventional oxygen concentration measuring apparatus. 固体高分子形燃料電池の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of a polymer electrolyte fuel cell.

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and it goes without saying that various aspects are included without departing from the spirit of the present invention.

図1は、本発明の一実施形態である酸素濃度計測装置の一例を示す概略構成図である。なお、上述した従来の酸素濃度計測装置51と同様のものについては、同じ符号を付している。
酸素濃度計測装置1は、光照射部10と、撮像部20と、蛍光塗料が塗布された検査体Sが配置される配置部30と、酸素濃度計測装置1全体の制御を行うコンピュータ40とを備える。なお、地面に水平な一方向をX方向とし、地面に水平でX方向と垂直な方向をY方向とし、X方向とY方向とに垂直な方向をZ方向とする。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of an oxygen concentration measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the thing similar to the conventional oxygen concentration measuring apparatus 51 mentioned above.
The oxygen concentration measuring device 1 includes a light irradiation unit 10, an imaging unit 20, an arrangement unit 30 on which an inspection object S coated with a fluorescent paint is arranged, and a computer 40 that controls the entire oxygen concentration measuring device 1. Prepare. One direction horizontal to the ground is defined as an X direction, a direction horizontal to the ground and perpendicular to the X direction is defined as a Y direction, and a direction perpendicular to the X direction and the Y direction is defined as a Z direction.

コンピュータ40は、CPU(制御部)41とメモリ(記憶部)44とを備え、さらにモニタ(表示装置)42と操作部(入力装置)43とが連結されている。また、CPU41が処理する機能をブロック化して説明すると、レーザ光源15を制御する光源制御部41aと、高速撮影カメラ21を制御する撮像装置制御部41bと、光源制御部41aと撮像装置制御部41bとに指示信号を出力する算出部41cとを有する。
また、メモリ44は、焦点深度dと絞り値Fとの関係を示す式(1)を記憶する関係式記憶領域44aと、レーザ光源15から出射される励起光の初期強度I(例えば、出射可能最大強度の10%の強度等)を記憶する初期データ記憶領域44bと、最適範囲輝度値(例えば、高速撮影カメラ21の最大撮影可能輝度値の40%〜60%の輝度値等)を記憶する最適範囲輝度値記憶領域44cとを有する。
d=±(ε×F) ・・・(1)
ここで、εは許容錯乱円径である。
The computer 40 includes a CPU (control unit) 41 and a memory (storage unit) 44, and a monitor (display device) 42 and an operation unit (input device) 43 are connected to each other. In addition, the functions processed by the CPU 41 will be described as a block. A light source control unit 41a that controls the laser light source 15, an imaging device control unit 41b that controls the high-speed photographing camera 21, a light source control unit 41a, and an imaging device control unit 41b. And a calculation unit 41c that outputs an instruction signal.
In addition, the memory 44 stores a relational expression storage area 44a that stores the relation (1) indicating the relation between the focal depth d and the aperture value F, and the initial intensity I s of the excitation light emitted from the laser light source 15 (for example, emission An initial data storage area 44b for storing an intensity of 10% of the maximum possible intensity, and an optimum range luminance value (for example, a luminance value of 40% to 60% of the maximum imageable luminance value of the high-speed camera 21). And an optimum range luminance value storage area 44c.
d = ± (ε × F) (1)
Here, ε is an allowable circle of confusion .

算出部41cは、操作部43で焦点深度dと測定時間間隔tとが入力されると、式(1)に操作部43で入力された焦点深度dを代入することにより、高速撮影カメラ21の絞り値Fを算出して設定し、操作部43で入力された測定時間間隔tを高速撮影カメラ21の初期露光時間Tとするとともに励起光の強度Iを初期強度Iにする指示信号を、光源制御部41aと撮像装置制御部41bとに出力する制御をまず行う。その後、撮影された蛍光強度分布画像の輝度値に基づいて、高速撮影カメラ21の露光時間Tと励起光の強度Iとを算出して設定する指示信号を、光源制御部41aと撮像装置制御部41bとに出力する制御を次に行う。 When the depth of focus d and the measurement time interval t are input by the operation unit 43, the calculation unit 41c substitutes the depth of focus d input by the operation unit 43 into Expression (1), thereby and calculates and sets the aperture value F, an instruction signal to the initial intensity I s of the intensity I of the excitation light with the measurement time interval t which is input by the operation unit 43 as the initial exposure time T S of the high-speed imaging camera 21 First, control to output to the light source control unit 41a and the imaging device control unit 41b is performed. Thereafter, based on the luminance value of the photographed fluorescence intensity distribution image, an instruction signal for calculating and setting the exposure time T and the intensity I of the excitation light of the high-speed photographing camera 21 is set as the light source control unit 41a and the imaging device control unit. Next, the control to output to 41b is performed.

撮像装置制御部41bは、算出部41cからの指示信号が入力されると、指示信号に基づいて高速撮影カメラ21を制御し、その後、高速撮影カメラ21から蛍光強度分布画像を取得する制御を行う。
光源制御部41aは、算出部41cからの指示信号が入力されると、指示信号とパワーメータ11で検出された強度Iとに基づいてレーザ光源15を制御する。
When the instruction signal from the calculation unit 41c is input, the imaging device control unit 41b controls the high-speed photographing camera 21 based on the instruction signal, and then performs control for acquiring a fluorescence intensity distribution image from the high-speed photographing camera 21. .
When the instruction signal from the calculation unit 41 c is input, the light source control unit 41 a controls the laser light source 15 based on the instruction signal and the intensity I detected by the power meter 11.

ここで、酸素濃度計測装置1で高速撮影カメラ21の絞り値Fや露光時間Tや励起光の強度I等を調整する調整方法について説明する。図2は、調整方法について説明するためのフローチャートである。
まず、ステップS101の処理において、測定者は、蛍光塗料が塗布された検査体Sを配置部30に配置する。
次に、ステップS102の処理において、測定者は、操作部43で焦点深度dと測定時間間隔tとを入力する。つまり、酸素濃度計測装置1では、所望の絞り値Fと所望の露光時間Tと励起光の所望の強度Iとは入力されない。
Here, an adjustment method for adjusting the aperture value F, the exposure time T, the intensity I of the excitation light, and the like of the high-speed photographing camera 21 with the oxygen concentration measuring apparatus 1 will be described. FIG. 2 is a flowchart for explaining the adjustment method.
First, in the process of step S <b> 101, the measurer places the inspection body S to which the fluorescent paint is applied on the placement unit 30.
Next, in the process of step S <b> 102, the measurer inputs the focal depth d and the measurement time interval t with the operation unit 43. That is, in the oxygen concentration measuring apparatus 1, a desired aperture value F, a desired exposure time T, and a desired intensity I of excitation light are not input.

次に、ステップS103の処理において、算出部41cは、式(1)に操作部43で入力された焦点深度dを代入することにより、高速撮影カメラ21の絞り値Fを算出して設定する。
次に、ステップS104の処理において、算出部41cは、操作部43で入力された測定時間間隔tを高速撮影カメラ21の初期露光時間Tとするように設定する。
次に、ステップS105の処理において、算出部41cは、励起光の強度Iを初期強度Iにするように設定する。
Next, in the process of step S103, the calculation unit 41c calculates and sets the aperture value F of the high-speed shooting camera 21 by substituting the depth of focus d input by the operation unit 43 into Equation (1).
Next, in the process of step S <b> 104, the calculation unit 41 c sets the measurement time interval t input by the operation unit 43 to be the initial exposure time T S of the high-speed photographing camera 21.
Next, in the process of step S105, calculation unit 41c sets the intensity I of the excitation light to the initial intensity I s.

次に、ステップS106の処理において、撮像装置制御部41bは、高速撮影カメラ21から蛍光強度分布画像を取得する。
次に、ステップS107の処理において、算出部41cは、撮影された蛍光強度分布画像における最大輝度値が最適範囲輝度値(例えば高速撮影カメラ21の最大撮影可能輝度値の40%〜60%の輝度値)に対してどのようになっているかを判定する。撮影された蛍光強度分布画像における最大輝度値が最適範囲(例えば40%〜60%の輝度値)内に入っている場合には、調整完了として本フローチャートを終了させることになる。
Next, in the process of step S <b> 106, the imaging device control unit 41 b acquires a fluorescence intensity distribution image from the high-speed shooting camera 21.
Next, in the process of step S107, the calculation unit 41c determines that the maximum luminance value in the photographed fluorescence intensity distribution image is an optimal range luminance value (for example, a luminance that is 40% to 60% of the maximum imageable luminance value of the high-speed imaging camera 21). Value). When the maximum luminance value in the photographed fluorescence intensity distribution image is within the optimum range (for example, a luminance value of 40% to 60%), this flowchart is terminated as the adjustment is completed.

一方、撮影された蛍光強度分布画像における最大輝度値が最適範囲の最大輝度値(例えば高速撮影カメラ21の最大撮影可能輝度値の60%の輝度値)を上回る場合には、ステップS108の処理において、算出部41cは、現在の露光時間Tより短くなるように設定して、ステップS106の処理に戻る。このとき、例えば、算出部41cは、2分探索法等を用いて露光時間Tを算出したり、例えば10%短くなるように算出する。   On the other hand, when the maximum luminance value in the photographed fluorescence intensity distribution image exceeds the maximum luminance value in the optimum range (for example, the luminance value that is 60% of the maximum imageable luminance value of the high-speed imaging camera 21), in the process of step S108 The calculation unit 41c sets the exposure time T to be shorter than the current exposure time T, and returns to the process of step S106. At this time, for example, the calculation unit 41c calculates the exposure time T using a binary search method or the like, or calculates it to be 10% shorter, for example.

また、撮影された蛍光強度分布画像における最大輝度値が最適範囲の最小輝度値(例えば高速撮影カメラ21の最大撮影可能輝度値の40%の輝度値)を下回る場合には、ステップS109の処理において、算出部41cは、励起光の強度Iが出射可能最大強度であるか否かを判定する。励起光の強度Iが出射可能最大強度であると判定した場合には、調整不可として本フローチャートを終了させることになる。
一方、励起光の強度Iが出射可能最大強度でないと判定した場合には、ステップS110の処理において、算出部41cは、現在の励起光の強度Iより例えば10%強くなるように設定して、ステップS106の処理に戻る。
Further, when the maximum luminance value in the photographed fluorescence intensity distribution image is lower than the minimum luminance value in the optimum range (for example, the luminance value of 40% of the maximum imageable luminance value of the high-speed imaging camera 21), in the process of step S109. The calculation unit 41c determines whether or not the intensity I of the excitation light is the maximum intensity that can be emitted. When it is determined that the intensity I of the excitation light is the maximum intensity that can be emitted, this flow chart is terminated with the adjustment impossible.
On the other hand, if it is determined that the intensity I of the excitation light is not the maximum intensity that can be emitted, the calculation unit 41c sets, for example, 10% stronger than the intensity I of the current excitation light in the process of step S110, The process returns to step S106.

以上のように、酸素濃度計測装置1によれば、高速撮影カメラ21の絞り値Fや露光時間Tや励起光の強度I等を容易に調整することができる。   As described above, according to the oxygen concentration measuring apparatus 1, the aperture value F, the exposure time T, the intensity I of excitation light, and the like of the high-speed photographing camera 21 can be easily adjusted.

本発明は、測定対象領域に蛍光塗料を塗布し、この蛍光塗料面に励起光を照射することにより蛍光を発生させ、この蛍光強度分布を撮影することにより、測定対象領域の酸素濃度分布を計測する酸素濃度計測装置等に利用することができる。   The present invention measures the oxygen concentration distribution in the measurement target area by applying fluorescent paint to the measurement target area, generating fluorescence by irradiating the fluorescent paint surface with excitation light, and photographing the fluorescence intensity distribution. It can be used for an oxygen concentration measuring device.

1 酸素濃度計測装置
10 光照射部
15 レーザ光源
20 撮像部
21 高速撮影カメラ(撮像装置)
40 制御部
43 入力装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oxygen concentration measuring device 10 Light irradiation part 15 Laser light source 20 Imaging part 21 High-speed imaging camera (imaging apparatus)
40 control unit 43 input device

Claims (2)

酸素消光性を有する蛍光塗料が塗布された測定対象領域に、励起光を照射する光源を有する光照射部と、
前記測定対象領域に塗布された蛍光塗料面の蛍光強度分布を撮影する撮像装置を有する撮像部と、
前記蛍光強度分布に基づいて、前記測定対象領域の酸素濃度分布を計測する制御部とを備え、
前記撮像装置の絞り値(F)及び前記撮像装置の露光時間(T)を調整することが可能となるとともに、前記光源から出射される励起光の強度(I)を調整することが可能な酸素濃度計測装置であって、
前記光源から出射される励起光の初期強度(I s )を記憶する記憶部を備え、
入力操作が行われる入力装置をさらに有し、
前記制御部は、前記入力装置で測定者によって蛍光塗料面の蛍光強度分布画像を取得することが確保される焦点深度(d)が入力されることにより、焦点深度(d)と絞り値(F)との関係式を用いて、前記撮像装置の絞り値(F)を設定するとともに、
前記入力装置で測定者によって入力された測定時間間隔(t)を前記撮像装置の初期露光時間(T S )とし、
撮影された蛍光強度分布画像の輝度値が高い場合には、前記撮像装置の露光時間(T)を変更し、一方、蛍光強度分布画像の輝度値が低い場合には、前記励起光の強度(I)を変更することを特徴とする酸素濃度計測装置。
A light irradiation unit having a light source for irradiating excitation light to a measurement target region to which a fluorescent paint having oxygen quenching property is applied;
An imaging unit having an imaging device for photographing the fluorescence intensity distribution of the fluorescent paint surface applied to the measurement target region;
A controller that measures the oxygen concentration distribution in the measurement target region based on the fluorescence intensity distribution;
It is possible to adjust the aperture value (F) of the imaging device and the exposure time (T) of the imaging device, and to adjust the intensity (I) of excitation light emitted from the light source. A concentration measuring device,
A storage unit for storing the initial intensity (I s ) of excitation light emitted from the light source ;
It further has an input device on which an input operation is performed,
The control unit receives the depth of focus (d) and the aperture value (F) by inputting the depth of focus (d), which is ensured by the measurer to acquire the fluorescence intensity distribution image of the fluorescent paint surface with the input device. ) And the aperture value (F) of the imaging device is set using a relational expression with
The measurement time interval (t) input by the measurer with the input device is the initial exposure time (T S ) of the imaging device ,
When the luminance value of the captured fluorescence intensity distribution image is high, the exposure time (T) of the imaging device is changed, whereas when the luminance value of the fluorescence intensity distribution image is low, the intensity of the excitation light ( An oxygen concentration measuring apparatus characterized by changing I) .
下記式(1)を記憶する記憶部を備え、
前記制御部は、式(1)に前記入力装置で測定者によって入力された焦点深度(d)を代入することにより前記撮像装置の絞り値(F)を設定することを特徴とする請求項1に記載の酸素濃度計測装置。
d=±(ε×F) ・・・(1)
ここで、εは許容錯乱円径である。
A storage unit for storing the following formula (1) is provided,
Wherein the control unit, wherein, wherein the benzalkonium set aperture value (F) of the imaging device by substituting the input depth of focus (d) by the measurer by the input device to the formula (1) Item 2. The oxygen concentration measuring device according to Item 1.
d = ± (ε × F) (1)
Here, ε is an allowable circle of confusion .
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