JP2014038070A - ガス濃度計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定条件が大きく変動する場所、湯気や霧が発生する場所でも、ガス濃度を遠隔計測することができるガス濃度計測装置および方法の提供。
【解決手段】測定場所に設置されるプローブ部と、測定場所にラマン散乱光を発生させるための測定用レーザー光発振器と、プローブ部と測定用レーザー光発振器とを接続する照射用耐熱光ファイバと、プローブ部が受光した複数の分子種からのラマン散乱光を検出する受光器と、プローブ部と受光器とを接続する受光用耐熱光ファイバと、複数の分子主のラマン散乱光の強度比に基づいて測定場所における対象ガスの濃度を演算する信号処理装置と、を備え、前記プローブ部が、照射用耐熱光ファイバからのレーザー光を測定場所に照射する照射用耐熱レンズと、測定場所のラマン散乱光を集光する受光用耐熱レンズと、耐熱材からなるベース部材とを備えて構成されるガス濃度遠隔計測装置及び当該センサを用いたガス濃度監視方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象ガスの濃度を測定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、例えば、気温、湿度、圧力、および放射線量などのパラメータが大きく変動する過酷環境下における水素ガス濃度計測装置および方法に関する。

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。

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。

光ファイバを用いたガス漏洩監視方法およびシステムとしては、出願人が提案した、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ー端面に結像し、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がある（特許文献１の段落００８４参照）。

また、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は、出願人が提案した、対象空間にレーザー光を照射し、窒素ガスからの散乱光を集光機構で集光し、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がある（特許文献２参照）。

特許第３７８３０１９号公報 国際公開第ＷＯ２００９／１０１６５９号パンフレット

しかしながら、測定条件（気温、湿度、圧力、および放射線量などのパラメータ）が大きく変動する環境下においては、従来の測定装置をそのまま用いることができなかった。

また、湯気や霧が発生する場所では、光学的な視界が確保できず、レーザーラマン法による濃度測定ができない場合があった。

そこで、本発明は、測定条件が大きく変動する場所、湯気や霧が発生する場所でも、ガス濃度を遠隔計測することができるガス濃度計測装置および方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、測定場所に設置されるプローブ部と、測定場所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測定用レーザー光発振器と、プローブ部と測定用レーザー光発振器とを接続する照射用耐熱光ファイバと、プローブ部が受光した複数の分子種からのラマン散乱光を検出する受光器と、プローブ部と受光器とを接続する受光用耐熱光ファイバと、複数の分子種のラマン散乱光の強度比に基づいて測定場所における対象ガスの濃度を演算する信号処理装置と、を備えるガス濃度遠隔計測装置であって、前記プローブ部が、照射用耐熱光ファイバからのレーザー光を測定場所に照射する照射用耐熱レンズと、測定場所のラマン散乱光を集光する受光用耐熱レンズと、耐熱材からなるベース部材とを備えて構成されることを特徴とするガス濃度遠隔計測装置である。
第２の発明は、第１の発明において、前記照射用耐熱レンズおよび前記受光用耐熱レンズが、石英またはセラミックスにより構成されることを特徴とする。
第３の発明は、第１または２の発明において、さらに、前記プローブ部に接続される加熱用耐熱光ファイバと、加熱用耐熱光ファイバの終端部に設けられた加熱用耐熱レンズと、加熱用耐熱光ファイバにプローブを加熱するための赤外線レーザー光を発振する加熱用レーザー光発振器とを備えることを特徴とする。
第４の発明は、第１ないし３のいずれかの発明において、さらに、前記プローブ部に接続される視界確保用耐熱光ファイバと、視界確保用耐熱光ファイバからのレーザー光を受光用耐熱レンズの受光軸上に照射する照射用耐熱レンズと、視界確保用耐熱光ファイバに霧を気相に相転移させるための赤外線レーザー光を伝送する視界確保用レーザー光発振器とを備えることを特徴とする。

第５の発明は、第１ないし４のいずれかの発明において、前記ベース部材の端面が１０ｃｍ四方以下の大きさに構成され、当該端面に照射用耐熱レンズおよび複数個の受光用耐熱レンズが配設されることを特徴とする。
第６の発明は、第５の発明において、前記ベース部材が、セラミックスにより構成されることを特徴とする。
第７の発明は、第６の発明において、前記ベース部材が、射出成型および焼結により製作されたセラミックスにより構成されることを特徴とする。

第８の発明は、第１ないし４のいずれかの発明において、前記プローブ部が、前記照射用耐熱レンズを有する測定用レーザー光照射部と、前記受光用耐熱レンズが配設された拡径された開口を有するカバー部材とを備え、前記ベース部材が、測定用レーザー光照射部およびカバー部材を収納する箱体からなり、前記受光器が、前記受光用耐熱レンズにより集光されたラマン散乱光を各分子種に対応する波長域に分光する分光器および複数の光検出器を備えることを特徴とする。
第９の発明は、第１ないし４のいずれかの発明において、前記プローブ部が、前記照射用耐熱レンズを有する測定用レーザー光照射部と、前記受光用耐熱レンズが配設された拡径された開口を有するカバー部材と、前記受光用耐熱レンズにより集光されたラマン散乱光を各分子種に対応する波長域に分光する波長選択光学素子とを備え、前記ベース部材が、測定用レーザー光照射部およびカバー部材を収納する箱体からなり、前記受光器が、各分子種に対応する複数の光検出器を備え、前記受光用耐熱光ファイバが、波長選択光学素子および複数の光検出器と接続された複数本の光ファイバからなることを特徴とする。

第１０の発明は、第１ないし９のいずれかの発明に係るガス濃度遠隔計測装置を用いたガス濃度遠隔計測方法であって、前記プローブ部を、圧力、並びに、気温、湿度、および／または放射線量が変動する建屋内の測定場所に設置し、プローブ部からラマン散乱光を発生させるためのレーザー光を照射し、集光した複数の分子種のラマン散乱光の強度比に基づいて測定場所における対象ガスの濃度を計測することを特徴とするガス濃度遠隔計測方法である。
第１１の発明は、第３の発明に係るガス濃度遠隔計測装置を用いたガス濃度遠隔計測方法であって、前記プローブ部を、結露が発生する建屋内の測定場所に設置し、赤外線レーザー光が照射され環境温度より高温となったプローブ部からラマン散乱光を発生させるためのレーザー光を照射し、集光した複数の分子種のラマン散乱光の強度比に基づいて測定場所における対象ガスの濃度を計測することを特徴とするガス濃度遠隔計測方法である。
第１２の発明は、第４の発明に係るガス濃度遠隔計測方法であって、前記プローブ部を、湯気や霧が発生する建屋内の測定場所に設置し、測定場所に、プローブ部から霧を気相に相転移させるための赤外線レーザー光を照射し、その直後にラマン散乱光を発生させるためのレーザー光を照射し、集光した複数の分子種のラマン散乱光の強度比に基づいて測定場所における対象ガスの濃度を計測することを特徴とするガス濃度遠隔計測方法である。
第１３の発明は、第１０ないし１２のいずれかの発明において、前記対象ガスが、水素ガスであることを特徴とする。

本発明によれば、測定条件が大きく変動する場所、湯気や霧が発生する場所でも、ガス濃度を遠隔計測することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るガス濃度測定装置の構成図である。 本発明の第１実施形態に係るセンサチップの構成図である。（ａ）は側面断面図であり、（ｂ）は正面図である。 本発明の第２実施形態に係るガス濃度測定システムの構成図である。 本発明の第３実施形態に係るガス濃度測定装置の構成図である。 本発明の第４実施形態に係るガス濃度測定装置の構成図である。

以下、例示に基づき本発明を説明する。
複数種類のガスからなる混合ガスにレーザー光を照射し、複数の狭帯域フィルターを用いて各分子スペクトルのピークを検出することができることが知られている。例えば、表１に示すＨ_２、Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２などのガスにおいては、レーザービームなどの光線の波長からラマンシフトした波長にピークが観測される。混合ガスにおいて、各ガスのラマンスペクトルがピークを備え、かつ、スペクトル線の重なりが無い場合には、各フィルターにより各ガスの濃度を測定することができる。

しかしながら、観測されるラマン散乱光強度は、測定条件に左右され一様でない。例えば、気温、湿度、圧力、および放射線量などのパラメータが大きく変動する過酷環境下においては、観測されるラマン散乱光強度の変動が激しいため、従来のレーザーラマン法をそのまま用いたのでは、ガス濃度を精度良く計測できない。また、湯気や霧の存在下では、視界確保ができず、ラマン散乱光を観測できない場合すらある。本発明では、レーザーラマン法を用いる場合に生じる次の測定条件に起因する測定誤差の問題を解決することで、過酷環境下で高精度にガス濃度を測定するための技術手段を提供する。
（１）圧力および温度の変動
（２）耐熱性および熱膨張性
（３）腐食性ガスの存在
（４）結露
（５）湯気や霧存在下の視界確保

《第１実施形態》
第１実施形態のガス濃度測定装置は、完全防爆型のプローブ部から測定環境にレーザー光を照射し、測定環境に存在する主たる分子種のラマン散乱光強度の比から対象ガス濃度を算出する。本実施形態のガス濃度測定装置は、測定対象ガスの種類や照射するレーザー光の波長に応じて異なる透過波長の光学フィルターを用いることで様々なガスの濃度測定を行うことができるが、以下では水素ガスの濃度を測定する場合の構成例を説明する。

（構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係るガス濃度測定装置の構成図である。第１実施形態のガス濃度測定システムは、プローブ部１０と、光送受信系２０と、制御系３０と、を主要な構成要素とする。

（プローブ部）
プローブ部１０は、光ファイバに接続された完全防爆型のガス検出部を構成する。プローブ部１０を構成するセンサチップ１１は、光送受信系２０と光ファイバにより接続されているので、光ファイバの長さを調節することにより、センサチップ１１のみを遠隔地（例えば、原子炉建屋内）に設置し、可燃性ガスの濃度を測定することが可能である。
本実施の形態のセンサチップ１１は、ベース部材１４と、マイクロレンズ１５および１６ａ〜１６ｇとを備え、レーザー光出射部を構成する照射用光ファイバ１２および第１ないし第４受光部を構成する受光用光ファイバ１３ａ〜１３ｈと接合される。

ベース部材１４は、マイクロレンズ１５および１６ａ〜１６ｇが配設される、例えば数十ｍｍ四方の寸法を有する円柱状部材であり、センサチップ１１の本体を構成する。試作品では、ベース部材１４をφ５０ｍｍかつ長さ６０ｍｍの円柱状に構成した。ベース部材１４は、（例えば、４００℃以上、好ましくは７００℃以上の耐熱性を有する）ＳＵＳやセラミックスなどの耐熱材により構成される。好ましくは、次に述べる２つの理由から、ベース部材１１をセラミックス系材料により構成する。

第１に、熱膨張性が小さいことが挙げられる。高温状態に伴う膨張率が極めて小さいため、光軸のズレが抑えられるという利点がある。例えば、熱膨張係数を比較すると、ステンレス（ＳＵＳ３０４）に対する熱膨張係数は、アルミナは約１／２．５であり、窒化珪素は約１／７である。
第２に、化学的安定性が高いことが挙げられる。酸、アルカリに対する耐食性が高く、腐食性ガス環境下においても長期連続稼働ができる。例えば、酸溶液／アルカリ溶液に浸した場合の1日当たりの腐食量を比較すると、ステンレス（ＳＵＳ３０４）に対するアルミナの腐食量は約１／１００である。

セラミックス系材料としては、アルミナ、窒化珪素、フォルステライト、ステアタイト、マグネシア、結晶化ガラスが例示される。セラミックスからなるベース部材１１は、例えば、マシナブルセラミックスを用いた精密切削加工、または、金型を用いた射出成型および焼結により形成することができるが、精度と量産の観点からは後者の方法が優れている。

セラミックスは割れの問題があるので、他の部品との接合には（例えば、４００℃以上、好ましくは７００℃以上の耐熱性を有する）耐熱接着材（例えば、シリカ、マイカ、アルミナなどを主成分とするセラミックス接着剤）、耐熱セラミックスネジ（例えば、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素などを主成分とするネジ）を用いることが好ましい。
試作品では、コーニング社（Corning Incorporated）製マコール（主成分シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム）を用いてベース材１４を構成し、各部品を耐熱温度が１２００〜２４００℃である朝日化学工業社製スミセラム（主成分シリカ、アルミナ）により接合した。

レーザー光出射部は、照射用光ファイバ１２と、出射用レンズ１５とから構成される。
照射用光ファイバ１２は、耐熱性に優れた光ファイバ（１５分間で３８０℃に達する火災温度曲線で加熱されても耐える性能を備えることが好ましい）であり、例えば、石英系の光ファイバを用いる。高温耐性を有する市販の光ファイバとしては、例えば、ＣｅｒａｍＯｐｔｅｃ社製ＵＶＮＳポリイミドコート（使用温度範囲：−１９０℃〜４００℃）が好適である。石英ファイバ素線に金属被覆を施すことにより石英と同等の１０００℃程度の耐熱性をもたせると共に耐放射線性を加味することもできる。水素存在環境下で用いる場合には、水素遮断性を有するものを用いることが好ましい。
照射用光ファイバ１２は原則１本でよいが、２以上の異なるレーザー光（例えば、３５５ｎｍと４１６ｎｍのレーザー光）をミキシングする場合には、２本以上設けてもよい。

出射用レンズ１５は、凸レンズの作用を奏する（例えば、４００℃以上、好ましくは７００℃以上の耐熱性を有する）耐熱マイクロレンズであり、例えば、石英、透明セラミックスにより構成される。出射用レンズ１５は、図２に示すように、ベース部材１１との端面の中心に配置され、耐熱接着材によりベース部材１４に固定される。

第１受光部は、水素分子からのラマン散乱光を計測する部分であり、受光用光ファイバ１３ａ，１３ｂおよび受光用レンズ１６ａ，１６ｂとから構成される。第２受光部は、窒素分子からのラマン散乱光を計測する部分であり、受光用光ファイバ１３ｃ，１３ｄおよび受光用レンズ１６ｃ，１６ｄとから構成される。第３受光部は、水蒸気分子からのラマン散乱光を計測する部分であり、受光用光ファイバ１３ｅ，１３ｆおよび受光用レンズ１６ｅ，１６ｆとから構成される。第４受光部は、酸素分子からのラマン散乱光を計測する部分であり、受光用光ファイバ１３ｇ，１３ｈおよび受光用レンズ１６ｇ，１６ｈとから構成される。
なお、第１ないし第４受光部は、それぞれを１本の受光光ファイバと１個の受光用レンズとの組み合わせにより構成してもよい。

受光用光ファイバ１３ａ〜１３ｈは、照射用光ファイバ１２と同様、耐熱性に優れた光ファイバであり、例えば、石英系の光ファイバを用いる。水素存在環境下で用いる場合には、水素遮断性を有するものを用いることが好ましい。

受光用レンズ１６ａ〜１６ｈは、いずれも凸レンズの作用を奏する（例えば、４００℃以上、好ましくは７００℃以上の耐熱性を有する）耐熱マイクロレンズであり、例えば、石英、透明セラミックスにより構成される。受光用レンズ１６ａ〜１６ｈは、図２に示すように、ベース部材１１の端面かつ出射用レンズ１５の周囲に放射状に等間隔に配置され、耐熱接着材によりベース部材１４に固定される。ここで、同一の受光部を構成する受光用レンズ（例えば、レンズ１６ａとレンズ１６ｂ）は、中心に対して対称に配置することが好ましい。
熱膨張性の観点からは、ベース部材１４、レンズ１５および１６ａ〜１６ｈの全てをセラミックスで製作することが好ましい。なお、試作品では、レンズ１５および１６ａ〜１６ｈにφ２．５ｍｍの石英製ボールレンズを用いた。

（光送受信系）
光送受信系２０は、測定用レーザー光発振器２１と、受光器２２と、冷却器２３と、筐体２４とから構成される。
測定用レーザー光発振器２１は、例えば、波長３５５ｎｍのレーザー光を発振するＹＡＧレーザー等の光源である。この発振器２１は、専用の制御プログラムが導入されている信号処理装置３２とＢＮＣ同軸ケーブル等からなる信号線３５で接続されており、制御系３０からの発振指示を受けてレーザー光をパルス状に発振する。測定用レーザー光発振器２１から発振されたレーザー光は、照射用光ファイバ１２を介してセンサチップ１１へ伝送される。
レーザー光発振器については内部の励起光源と光学結晶の寿命が問題となるが、ＤＰＳＳレーザー（半導体励起固体レーザー）を用いることにより連続運転時の励起光源および光学結晶の寿命が１００００時間以上（メーカ保有データによる）となる。また、光電子増倍管を受光器２２に用いた場合、最大定格電流の使用条件下における平均寿命は１００００時間程度（メーカ社内試験結果による）である。いずれも寿命が１年を超えることから、連続観測の用途にも十分に実用可能である。

受光器２２は、光学フィルターと、光検出器とを備え、測定対象ガスからのラマン散乱光を、センサチップ１１および受光用光ファイバ１３ａ〜１３ｈを介して受光する。
光学フィルターは、水素ガスのラマン散乱光スペクトル波長である４１６．５ｎｍ付近に透過波長中心を持つ光学バンドパスフィルターである。この光学フィルターは、測定対象ガスの種類や照射するレーザー光の波長に応じて異なる透過波長のものに交換することができる。
光検出器は、受光した光の強度に比例して電気信号を発生する機器であり、例えば、光電子増倍管、アバランシェホトダイオード、ホトトランジスタ、ＣＣＤにより構成される。

受光器２２は、専用の制御プログラムが導入されている信号処理装置３２とＢＮＣ同軸ケーブル等からなる信号線３６で接続されている。信号処理装置３２は、受光器２２の検出信号から、センサチップ１１付近に存在するガスの種類や濃度を算出することができ、算出結果を表示装置３１にリアルタイム表示させることができる。
冷却器２３は、測定用レーザー光発振器２１を冷却し一定温度に制御するための市販機器であり、測定用レーザー光発振器２１を空冷または水冷するものを用いることができる。
筐体２４は、測定用レーザー光発振器２１、受光器２２および冷却器２３を収納する。光送受信系２０が高放射線環境に置かれる場合には、筐体２４を鉛やタングステン等で被覆した遮蔽体としてもよい。

（制御系）
制御系３０は、表示装置３１と、信号処理装置３２と、電源３３と、筐体３４とから構成される。
表示装置３１は、信号処理装置３２からの出力を表示する液晶モニタ等の装置である。
信号処理装置３２は、専用の制御プログラムが導入されているパーソナルコンピュータである。この制御プログラムは、測定環境に存在する主たる分子種のラマン散乱光強度の比から対象ガス濃度を算出する。すなわち、測定環境に存在する主たる分子種（例えば、窒素、酸素、水蒸気、水素）のラマン散乱光を同時に計測して個々の分子密度を算出し、密度の比を算出する。この算法によれば、ガス密度の比は圧力変化に左右されないため、圧力が変化する環境下でも高精度に対象ガスの濃度を測定することが可能である。
また、温度変化・高温環境で高精度に対象ガスの濃度を測定するためには、振動ラマン散乱光ピーク強度のみを観測すること、または、予め取得した温度別散乱光ピーク強度のデータベースにより補正することが好ましい。

電源３３は、表示装置３１および信号処理装置３２に電力を供給すると共に、電源ケーブル３７を介して光送受信系２０に電力を供給する。
筐体３４は、表示装置３１、信号処理装置３２および電源３３を収納する。筐体３４と光送受信系の筐体２４とを一体に構成してもよい。

以上に説明した第１実施形態のガス濃度測定装置によれば、圧力および温度が大きく変動する環境下にあるガスの濃度を、例えば５０ｍの遠隔から測定することができる。また、プローブは、石英、セラミックスのみで構成した場合には、耐放射線性および耐腐食性も高く、小型かつシンプルな構造のため耐震性が高い。さらに、センサチップをセラミックスのみで構成した場合には、耐放射線性および耐腐食性に加え、耐熱性および熱膨張性の問題も解決することができる。

《第２実施形態》
第２実施形態は、第１実施形態のガス濃度測定装置において、結露防止手段を付加したガス濃度測定装置に関する。本実施形態のガス濃度測定装置は、加熱用レーザー光を光ファイバにより伝送し、観測空間に曝されるプローブ部を加熱することで結露を防ぐことを可能としている。

（構成）
図３は、本発明の第２実施形態に係るガス濃度測定装置の構成図である。第２実施形態のガス濃度測定システムは、プローブ部１０と、光送受信系２０と、制御系３０と、を主要な構成要素とする。以下では、第１実施形態と同様の要素については説明を割愛する。

（プローブ部）
プローブ部１０は、第１実施形態と同様、光ファイバに接続された完全防爆型のガス検出部であり、ベース部材１４と、マイクロレンズ１５および１６ａ〜１６ｇとを備えるセンサチップ１１により構成され、照射用光ファイバ１２ａおよび１２ｂ並びに受光用光ファイバ１３ａ〜１３ｈと接合される。
照射用光ファイバ１２ａおよび受光用光ファイバ１３は、第１実施形態と同様である。
加熱用の照射用光ファイバ１２ｂは、例えば、１０６４ｎｍの波長のレーザー光をセンサチップ１１に伝送し、センサチップ１１を環境温度より高温に加熱することにより、受光部の結露を防止する。加熱用の照射用光ファイバ１２ｂの終端は加熱用耐熱レンズ（例えば、石英製レンズ）に接続されており、加熱用耐熱レンズによりセンサチップ１１の加熱に必要な照射パワー密度を満たす形状にビームを整形する。

センサチップ１１の熱容量をＣ、上昇させる温度をΔＴとして、Ｑ＝Ｃ・ΔＴより求まる熱量Ｑが近赤外領域のレーザーの出力としてセンサチップ１１に与えられる。この際、照射する近赤外波長におけるセンサチップ材料の吸収量と目標温度により定まるセンサチップ材料の放射量（放熱量）を加味しながら加熱用耐熱レンズにより必要なパワー密度を確保する。照射用光ファイバ１２ｂは、照射用光ファイバ１２ａおよび受光用光ファイバ１３と干渉しない位置であれば、センサチップ１１の任意の位置に配置することができる。

（光送受信系）
光送受信系２０は、測定用レーザー光発振器２１ａと、加熱用レーザー光発振器２１ｂと、受光器２２と、冷却器２３と、筐体２４とから構成される。測定用レーザー光発振器２１ａ、受光器２２、冷却器２３および筐体２４は、第１実施形態と同様である。
加熱用レーザー光発振器２１ｂは、例えば、１０６４ｎｍの波長のＮｄ：ＹＡＧレーザー等の光源である。この発振器２１ｂは、専用の制御プログラムが導入されている信号処理装置３２とＢＮＣ同軸ケーブル等からなる信号線３５ｂで接続されており、制御系３０からの発振指示を受けてレーザー光を発振する。加熱用レーザー光発振器２１ｂから発振されたレーザー光は、照射用光ファイバ１２ｂを介してセンサチップ１１へ伝送され、センサチップ１１を加熱する。

以上に説明した第２実施形態のガス濃度測定装置によれば、第１実施形態のガス濃度測定装置において生じうる結露の問題を解決することができる。

《第３実施形態》
第３実施形態は、大気中分子の振動ラマン散乱や回転ラマン散乱を観測するプローブ部を備えるガス濃度測定装置に関する。

（構成）
図４は、本発明の第３実施形態に係るガス濃度測定装置の構成図である。第３実施形態のガス濃度測定システムは、プローブ部１０と、光送受信系２０と、制御系３０と、を主要な構成要素とする。以下では第１実施形態と同一の要素については説明を割愛する。

（プローブ部）
プローブ部１０は、光ファイバに接続された完全防爆型のガス検出部を構成する。プローブ部１０は、光送受信系２０と光ファイバにより接続されているので、光ファイバの長さを調節することにより、プローブ部１０のみを遠隔地（例えば、原子炉建屋内）に設置し、可燃性ガスの濃度を測定することが可能である。
プローブ部１０は、照射用光ファイバ１２と、受光用光ファイバ１３と、レーザー光照射部１７と、受光部１８と、ベース部材（筐体）１９と、を備える。

照射用光ファイバ１２および受光用光ファイバ１３は、第１実施形態と同様、耐熱性に優れた光ファイバであり、例えば、石英系の光ファイバを用いる。水素存在環境下で用いる場合には、水素遮断性を有するものを用いることが好ましい。
レーザー光照射部１７は、凸レンズの作用を奏する出射用レンズ１０１を有している。出射用レンズ１０１は、（例えば、４００℃以上、好ましくは７００℃以上の耐熱性を有する）耐熱レンズであり、例えば、石英、透明セラミックスにより構成される。

受光部１８は、外乱光を遮蔽するカバー部材１０２と、受光用レンズ１０３ａ〜１０３ｃとから構成される。カバー部材１０２は、外乱光が受光用光ファイバ１３に入射することを防止するための拡径された開口を有する部材であり、例えば、ＳＵＳにより構成される。受光用レンズ１０３ａは集光のための凸レンズである。受光用レンズ１０３ｂは、平行光を導くために必要とされる凹レンズである。受光用レンズ１０３ｃは、結像のための凸レンズである。受光用レンズ１０３ａ〜１０３ｃは、いずれも（例えば、４００℃以上、好ましくは７００℃以上の耐熱性を有する）耐熱レンズであり、例えば、石英、透明セラミックスにより構成される。ベース部材（筐体）１９は、プローブ部１０の構成要素を収納するための箱体であり、例えば、ＳＵＳにより構成される。

単一の受光部１８により集光された主たる分子種からのラマン散乱光は、一本の受光用光ファイバ１３を介して分光器に伝送され、複数の光検出器で一括で同時に検出される。これとは異なり、単一の受光部１８により集光した光をダイクロイックミラー等の波長選択光学素子を用いて分光し、各分子種に対応する光検出器と接続される複数の光ファイバに導入するようにしてもよい。例えば、３５５ｎｍのレーザー光を用いて窒素と水素を計測する場合、窒素ラマン波長３８６ｎｍと水素ラマン波長４１６ｎｍの中間にあたる４００ｎｍ付近で分割するダイクロイックミラーにより分光した後、それぞれを受光用光ファイバ１３ａ，１３ｂに導入する。

（光送受信系）
光送受信系２０は、測定用レーザー光発振器２１と、受光器２２と、冷却器２３と、筐体２４とから構成される。
測定用レーザー光発振器２１は、例えば、波長３５５ｎｍのレーザー光を発振するＹＡＧレーザー等の光源である。この発振器２１は、専用の制御プログラムが導入されている信号処理装置３２とＢＮＣ同軸ケーブル等からなる信号線３５で接続されており、制御系３０からの発振指示を受けてレーザー光をパルス状に発振する。測定用レーザー光発振器２１から発振されたレーザー光は、照射用光ファイバ１２を介してレーザー光照射部１７へ伝送される。
受光器２２は、分光器と、光検出器とを備え、測定場所の主たる分子種からのラマン散乱光を、受光部１８および受光用光ファイバ１３を介して受光する。
冷却器２３は、第１実施形態と同様である。また、制御系３０も第１実施形態と同様である。

以上に説明した第３実施形態のガス濃度測定装置によれば、圧力および温度が大きく変動する環境下にあるガスの濃度の空間分布を、例えば５０ｍの遠隔から測定することができる。

《第４実施形態》
第４実施形態は、第３実施形態のガス濃度測定装置において、湯気や霧がある場合の視界確保手段を付加したガス濃度測定装置に関する。本実施形態のガス濃度測定装置は、測定用レーザー光の照射の直前に、水の吸収が大きい赤外線レーザー光（例えば、ＣＯ_２レーザー光）を照射し、測定領域中の水分子を気体（透明）にすることで視界を確保し、霧存在環境下でもガス濃度の測定を可能としている。

（構成）
図５は、本発明の第４実施形態に係るガス濃度測定装置の構成図である。第４実施形態のガス濃度測定システムは、プローブ部１０と、光送受信系２０と、制御系３０と、を主要な構成要素とする。以下では、第３実施形態と同様の要素については説明を割愛する。

（プローブ部）
プローブ部１０は、第３実施形態と同様、光ファイバに接続された完全防爆型のガス検出部を構成する。プローブ部１０は、照射用光ファイバ１２ａ，１２ｂと、受光用光ファイバ１３と、測定用レーザー光照射部１７ａと、視界確保用レーザー光照射部１７ｂと、受光部１８と、ベース部材（筐体）１９と、を備える。照射用光ファイバ１２ａ、受光用光ファイバ１３、測定用レーザー光照射部１７ａ、受光部１８およびベース部材（筐体）１９は、第３実施形態と同様である。
照射用光ファイバ１２ｂは、視界確保用レーザー光発振器２１ｂが発振した赤外線レーザーを視界確保用レーザー光照射部１７ｂに伝送する。視界確保用レーザー光照射部１７ｂは、赤外線レーザー光を、受光部１８の受光光軸上に照射する。この波長のレーザー光は、水に吸収されると熱に変わるところ、霧（液相）を気相に相転移させる作用をする。このため、受光部１８の受光光軸上の霧が解消され、ガスの濃度測定に必要な視界を確保することが可能となる。

（光送受信系）
光送受信系２０は、測定用レーザー光発振器２１ａと、視界確保用レーザー光発振器２１ｂと、受光器２２と、冷却器２３と、筐体２４とから構成される。測定用レーザー光発振器２１ａ、受光器２２、冷却器２３および筐体２４は、第３実施形態と同様である。
視界確保用レーザー光発振器２１ｂは、例えば、１０．６μｍの波長のＣＯ_２レーザー等の光源である。発振器２１ｂは、専用の制御プログラムが導入されている信号処理装置３２とＢＮＣ同軸ケーブル等からなる信号線３５ｂで接続されており、制御系３０からの発振指示を受けてレーザー光を発振器２１ａの発振の直前にパルス状に発振する。視界確保用レーザー光発振器２１ｂから発振されたレーザー光は、照射用光ファイバ１２ｂを介してセンサチップ１１へ伝送される。

制御プログラムは、第３実施形態と同様、測定環境に存在する主たる分子種のラマン散乱光強度の比から対象ガス濃度を算出する。ここで、制御プログラムは、水が気体になると体積が約１０００倍になるため、飽和水上気密度以上の水蒸気量については１／１０００に換算補正する手段を備えることが好ましい。

以上に説明した第４実施形態のガス濃度測定装置によれば、湯気や霧による視界不良の環境下にあるガスの濃度を遠隔から測定することができる。なお、第１および第２実施形態のガス濃度測定装置においても、視界確保用レーザー光発振器２１ｂに接続された視界確保用光ファイバおよび照射用マイクロレンズをセンサチップ１１に配置すれば、同様の効果を実現することが可能である。

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。

１０ プローブ部
１１ センサチップ
１２ 照射用光ファイバ
１３ 受光用光ファイバ
１４ ベース部材
１５，１６ マイクロレンズ
１７ レーザー光照射部
１８ 受光部
１９ ベース部材（筐体）
２０ 光送受信系
２１ レーザー光発振器
２２ 受光器
２３ 冷却器
２４ 筐体
３０ 制御系
３１ 表示装置
３２ 信号処理装置
３３ 電源
３４ 筐体
３５，３６ 信号線
３７ 電源ケーブル

Claims (13)

1. 測定場所に設置されるプローブ部と、
   測定場所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測定用レーザー光発振器と、
   プローブ部と測定用レーザー光発振器とを接続する照射用耐熱光ファイバと、
   プローブ部が受光した複数の分子種からのラマン散乱光を検出する受光器と、
   プローブ部と受光器とを接続する受光用耐熱光ファイバと、
   複数の分子種のラマン散乱光の強度比に基づいて測定場所における対象ガスの濃度を演算する信号処理装置と、を備えるガス濃度遠隔計測装置であって、
   前記プローブ部が、照射用耐熱光ファイバからのレーザー光を測定場所に照射する照射用耐熱レンズと、測定場所のラマン散乱光を集光する受光用耐熱レンズと、耐熱材からなるベース部材とを備えて構成されることを特徴とするガス濃度遠隔計測装置。
2. 前記照射用耐熱レンズおよび前記受光用耐熱レンズが、石英またはセラミックスにより構成されることを特徴とする請求項１のガス濃度遠隔計測装置。
3. さらに、前記プローブ部に接続される加熱用耐熱光ファイバと、加熱用耐熱光ファイバの終端部に設けられた加熱用耐熱レンズと、加熱用耐熱光ファイバにプローブを加熱するための赤外線レーザー光を発振する加熱用レーザー光発振器とを備えることを特徴とする請求項１または２のガス濃度遠隔計測装置。
4. さらに、前記プローブ部に接続される視界確保用耐熱光ファイバと、視界確保用耐熱光ファイバからのレーザー光を受光用耐熱レンズの受光軸上に照射する照射用耐熱レンズと、視界確保用耐熱光ファイバに霧を気相に相転移させるための赤外線レーザー光を伝送する視界確保用レーザー光発振器とを備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかのガス濃度遠隔計測装置。
5. 前記ベース部材の端面が１０ｃｍ四方以下の大きさに構成され、当該端面に照射用耐熱レンズおよび複数個の受光用耐熱レンズが配設されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかのガス濃度遠隔計測装置。
6. 前記ベース部材が、セラミックスにより構成されることを特徴とする請求項５のガス濃度遠隔計測装置。
7. 前記ベース部材が、射出成型および焼結により製作されたセラミックスにより構成されることを特徴とする請求項６のガス濃度遠隔計測装置。
8. 前記プローブ部が、前記照射用耐熱レンズを有する測定用レーザー光照射部と、前記受光用耐熱レンズが配設された拡径された開口を有するカバー部材とを備え、
   前記ベース部材が、測定用レーザー光照射部およびカバー部材を収納する箱体からなり、
   前記受光器が、前記受光用耐熱レンズにより集光されたラマン散乱光を各分子種に対応する波長域に分光する分光器および複数の光検出器を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかのガス濃度遠隔計測装置。
9. 前記プローブ部が、前記照射用耐熱レンズを有する測定用レーザー光照射部と、前記受光用耐熱レンズが配設された拡径された開口を有するカバー部材と、前記受光用耐熱レンズにより集光されたラマン散乱光を各分子種に対応する波長域に分光する波長選択光学素子とを備え、
   前記ベース部材が、測定用レーザー光照射部およびカバー部材を収納する箱体からなり、
   前記受光器が、各分子種に対応する複数の光検出器を備え、
   前記受光用耐熱光ファイバが、波長選択光学素子および複数の光検出器と接続された複数本の光ファイバからなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかのガス濃度遠隔計測装置。
10. 請求項１ないし９のいずれかのガス濃度遠隔計測装置を用いたガス濃度遠隔計測方法であって、
    前記プローブ部を、圧力、並びに、気温、湿度、および／または放射線量が変動する建屋内の測定場所に設置し、プローブ部からラマン散乱光を発生させるためのレーザー光を照射し、集光した複数の分子種のラマン散乱光の強度比に基づいて測定場所における対象ガスの濃度を計測することを特徴とするガス濃度遠隔計測方法。
11. 請求項３のガス濃度遠隔計測装置を用いたガス濃度遠隔計測方法であって、
    前記プローブ部を、結露が発生する建屋内の測定場所に設置し、赤外線レーザー光が照射され環境温度より高温となったプローブ部からラマン散乱光を発生させるためのレーザー光を照射し、集光した複数の分子種のラマン散乱光の強度比に基づいて測定場所における対象ガスの濃度を計測することを特徴とするガス濃度遠隔計測方法。
12. 請求項４のガス濃度遠隔計測装置を用いたガス濃度遠隔計測方法であって、
    前記プローブ部を、湯気や霧が発生する建屋内の測定場所に設置し、測定場所に、プローブ部から霧を気相に相転移させるための赤外線レーザー光を照射し、その直後にラマン散乱光を発生させるためのレーザー光を照射し、集光した複数の分子種のラマン散乱光の強度比に基づいて測定場所における対象ガスの濃度を計測することを特徴とするガス濃度遠隔計測方法。
13. 前記対象ガスが、水素ガスであることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれかのガス濃度遠隔計測方法。