JP2016080349A - 水素ガス濃度計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】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濃度を算出する制御部１２と、本体部と、計測箇所に設置されるプローブ部３０と、プローブ部と本体部１０とを光学的に接続する光伝送路２０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、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る。【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特許第３７８３０１９号公報 特許第５１５９７９９号公報 特許第３８３００５０号公報

M.D.Levenson、S.S.Kano；「非線形レーザー分光学」（初版）、オーム社、P159-182、1989．

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

第１実施形態に係るガス濃度計測装置の構成図である。 ラマンセルと２枚のレンズの配置関係を説明する要部側面図である。 第１実施形態に係る光伝送路の側面図である。 第１実施形態に係るプローブの要部透過側面図である。 第１実施形態に係る受光器の構成図である。 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。 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。 第１実施形態に係る水素ガス濃度と信号強度を示すグラフである。 第２実施形態に係るプローブの要部透過側面図である。 第２実施形態に係る水素ガス（濃度１００％）の放出量と信号強度を示すグラフである。 第２実施形態に係る水素ガス（濃度４％）の放出量と信号強度を示すグラフである。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

《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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 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

Claims (4)

1. 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水素ガス濃度計測装置。
2. 請求項１に記載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水素ガス濃度計測方法。
3. 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水素ガス濃度計測装置。
4. 請求項３に記載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水素ガス濃度計測方法。