JP3392586B2 - 光音響濃度計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、光音響効果を利用し
て、測定試料の濃度測定を行う光音響濃度計に関する。 【０００２】 【従来の技術】光音響効果は、試料にある周波数で強度
変調した光を照射すると、試料から光の変調周波数に応
じて音響信号が発生する現象である。セル中に封入した
試料に対して周期的に変調した単色光を照射すると、該
照射光は試料中の吸光物質によって吸収され、無放射緩
和によって熱変換される。この熱は周囲の気体等に拡散
し、該気体に周期的な圧力変化を起こす。光音響吸光計
は、マイクロホンや圧電素子等の音響検出器によって、
この周期的な圧力変化を検出し、吸光物質の存在を測定
する装置である。 【０００３】図１３は、光音響分光系の装置概略図であ
り、Ｘｅランプ等の高輝度光源やレーザー等の光源２か
らの光をチョッパー４で変調して光音響セル１中の試料
に照射する。光音響セルにおいて、マイクロホン等の音
響検出器により検出した光音響信号を、変調された光源
と同期した参照信号を基準にしてロックインアンプ５、
信号処理６によって測定する。なお、単色光を得るため
に分光器３を用いることもできる。 【０００４】従来、このような光音響分光系を用いて、
大気中の浮遊微粒子の濃度測定を行う光音響濃度計が知
られている。図１４は従来の光音響濃度計のブロック図
である。図１４において、従来の二重管共鳴型光音響セ
ル１０１を光音響濃度計に対して水平方向に設置する構
成としている。試料空気は吸引ポンプによってセル中の
内管に吸引導入され、半導体レーザ１０２等のレーザー
光源からレーザ光が照射される。セル内の圧力変化はマ
イクロホン等の音響検出器によって検出され、プリアン
プ１０４を介してロックインアンプ１０７に入力され
る。 【０００５】ロックインアンプ１０７は発振器１０８を
内蔵しており、半導体レーザ電源１０３を駆動して半導
体レーザ１０２の変調を行うとともに、プリアンプ１０
７からの光音響信号を半導体レーザの周期と同期して測
定する。信号処理装置１０９は、測定信号から試料空気
中の浮遊微粒子の濃度を測定し、記録器１１０等に記録
する。 【０００６】なお、プリアンプ１０５からの光音響信号
は、パワーメータ１０５及びＡ／Ｄ変換器１０６により
検出されたレーザ光の強度により、光源強度の補償を行
うことができる。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光音響濃度計では、試料空気中に含まれる微粒子が共鳴
管の管壁に付着するため、その付着微粒子がノイズ源と
なり、濃度測定の零点が変化するという問題がある。大
気中の黒煙等の濃度を長期間にわたって遠隔測定するた
めには、定期清掃の間隔が長いほうが望ましいが、この
管壁に付着する微粒子によって定期保守の間隔が短くな
る。さらに、２μｍ〜１０μｍ程度の比較的大きい粒子
の場合は、重力による沈降のため測定値が低くでるとい
う問題もある。 【０００８】本発明の出願人は、この従来の光音響濃度
計の問題点を検討した結果、共鳴管の管壁への微粒子の
付着は、共鳴管を水平設置する構成に起因していること
を見いだした。 【０００９】微粒子の共鳴管の管壁への付着や重力によ
る沈降を防止する構成として、例えば、試料空気の共鳴
管内での流速を速くして、微粒子が共鳴管の管壁に付着
する前に共鳴管を通過するよう構成することが考えられ
る。しかしながら、この速い流速による濃度測定は、例
えば、大気中の黒煙等の径が２μｍ以上の微粒子の濃度
を測定する場合には、途中配管屈曲部等での衝突による
損失が起こりやすく不適当であり、また、管内での乱流
による気流の乱れによって振動が増加してノイズが増え
るという問題も生じることになる。 【００１０】また、シースフロー方式を利用して管壁へ
の粒子の付着を防止する手段が考えられるが、従来の光
音響濃度計は共鳴管を水平設置する構成であるため、レ
ーザー光によって加熱された試料空気は共鳴管内で不安
定となり、シースフロー方式の利点が活かせない上に、
測定値が変動するという問題点も生じる。さらに、従来
の光音響濃度計の共鳴管は水平設置のため、共鳴管の軸
に対して対称に支持できないため、振動が生じやすくな
るとともに、遮音性が低下するという問題点も有してい
る。また、横方向に設置するため大きな設置面積を要す
るという問題点も有している。 【００１１】そこで、本発明は前記した従来の光音響濃
度計の問題点を解決し、試料空気中に含まれる微粒子の
共鳴管の管壁への付着を防止することができ、付着微粒
子による測定感度の低下を防止することができる光音響
濃度計を提供することを目的とする。 【００１２】 【課題を解決するための手段】本発明は、断続光ビーム
を共鳴管内の中心軸に沿って照射し、共鳴管内の測定試
料による光ビームの吸光により発生する断続音を検出し
て、測定試料の濃度測定を行う光音響濃度計において、
共鳴管を垂直方向に設置し、また、共鳴管内において測
定試料を中心軸側に沿う軸流とし、緩衝用気体を周面側
にサヤ状の流れの軸流を形成する整流導入手段を備える
ことによって、試料空気中に含まれる微粒子の共鳴管の
管壁への付着を防止し、付着微粒子による測定感度の低
下を防止する。 【００１３】本発明の音響濃度計は、共鳴管内に導入さ
れる測定試料に対して、断続的に光ビームを照射して光
音響効果によって測定するものである。そして、この音
響濃度計の測定試料としては、例えば黒煙等の微粒子を
含む大気に適用することができ、吸気路を介して外部か
ら共鳴管中に導入することができる。 【００１４】本発明の共鳴管は垂直方向に設置され、導
入された測定試料はこの共鳴管の軸に沿って垂直方向に
流れるものである。 【００１５】共鳴管内において、測定試料は中心軸を軸
方向に移動し、緩衝用気体は測定試料を囲んでサヤ状の
流れとし、測定試料が共鳴管の内周面と接しないように
して軸方向に移動する。これによって、測定試料と緩衝
用気体は、共鳴管内で二重の層流となって流れる。ま
た、緩衝用気体は、測定試料が共鳴管の内周面との接触
を防止するというシースフローとしての作用を行う。 【００１６】本発明の緩衝用気体は、導入手段を介して
光音響濃度計の外部から共鳴管内に導入した気体を用い
ることも、また、前記導入手段を備えることなく、濃度
計の遮音容器内に含まれる気体を用いることもできる。 【００１７】本発明の光音響濃度計において、緩衝用気
体を外部より導入する導入手段を設ける場合には、共鳴
管内に測定試料と清浄な気体からなる緩衝用気体を整流
し導入してシースフロー状とする。これによって、共鳴
管の軸中心側を測定試料とし内周面側を清浄な気体とす
る層流の軸流を形成する。これによって、測定試料と共
鳴管の内周面との接触を防止して、管壁への微粒子の付
着を防止する。 【００１８】また、本発明の光音響濃度計において、緩
衝用気体を外部より導入する導入手段を設けない場合に
は、共鳴管が設けられている遮音容器内の気体を緩衝用
気体として用い、共鳴管の軸中心側を測定試料とし内周
面側を容器内にある気体とし、整流導入手段により層流
の軸流を形成して、測定試料と共鳴管の内周面との接触
を防止して、管壁への微粒子の付着を防止する。 【００１９】本発明の第１の実施態様は、整流導入手段
を垂直設置した共鳴管の下端に設置するものであり、こ
れによって、共鳴管内に導入された測定試料を下から上
に向かって流して、共鳴管に対して偏りのない流れを形
成することができ、さらにレーザーの加熱による測定試
料の上昇流の影響を減少させることができる。 【００２０】本発明の第２の実施態様は、整流導入手段
を垂直設置した共鳴管の上端に設置するものであり、こ
れによって、共鳴管内に導入された測定試料を上から下
に向かって流して、共鳴管に対して偏りのない流れを形
成することができる。 【００２１】本発明の第３の実施態様は、整流導入手段
に編み目状あるいは格子状の整流部を備えるものであ
り、これによって、共鳴管内に緩衝用気体を層流で導入
することができる。 【００２２】本発明の第４の実施態様は、整流導入手段
に径の異なる２つの環状体を備えるものであり、これに
よって、一方の環状体は測定試料を共鳴管の軸側に導入
し、他方の環状体はシースフロー気体を共鳴管の内周面
側に導入することができる。 【００２３】本発明の第５の実施態様は、先端を共鳴管
の軸の近傍に配置する測定試料導入管と共鳴管の内径よ
りわずかに小さな径の環状体とを、整流導入手段に備え
るものであり、これによって、導入管は測定試料を共鳴
管の軸側に導入し、環状体はシースフロー気体を共鳴管
の内周面側に導入することができる。 【００２４】本発明の第６の実施態様は、共鳴管に導入
する測定試料の流量と清浄な気体の流量は、共鳴管内に
おける両者の境界流速がほぼ等しくなるものであり、こ
れによって、共鳴管内には層流が形成することができ
る。 【００２５】 【作用】本発明の光音響濃度計が備える共鳴管内に、整
流導入手段によって測定試料を導入するとともにレーザ
ー光を照射して、光音響効果によって測定試料の気体中
に含まれる微粒子の濃度を測定する。整流導入手段は、
測定試料とともに清浄な気体を共鳴管に導入する。この
導入において、測定試料を共鳴管の軸側に導入し、他
方、清浄な気体を共鳴管の内周面側に導入する。 【００２６】この整流導入手段による導入によって、共
鳴管内における測定試料の流路はレーザー光が通過する
軸中心付近となり、共鳴管内における清浄な気体は測定
試料を囲んでシースフロー状とし、測定試料が共鳴管の
内周面の管壁と接触しないための緩衝用気体の役をな
す。測定試料は緩衝用気体によって共鳴管の内周面と分
離され、測定試料中の微粒子は共鳴管の内周面の管壁と
接触しない。したがって、共鳴管の測定試料中の微粒子
による汚染を防止することができる。 【００２７】また、共鳴管に導入する測定試料の流量と
緩衝用気体の流量を調節して、共鳴管内における両者の
流速をほぼ等しくする。この両気体のほぼ等しい流速お
よび共鳴管の垂直設置によって、測定試料とシースフロ
ー気体の共鳴管中における流れは層流の軸流とする。こ
れによって、測定試料の流れを安定したものとすること
ができ、濃度測定の感度を向上させることができる。 【００２８】緩衝用気体を共鳴管に導入する手段として
は、光音響濃度計の外部から清浄な気体を導入する構
成、あるいは装置内の気体を循環させる構成を適用する
ことができる。 【００２９】また、共鳴管を垂直設置する構成とし、共
鳴管等の構成部材を装置の中心軸に集中して配置するこ
とによって、測定装置をほぼ軸対称に支持することがで
き、振動の発生を抑えてるとともに遮音性を向上させる
ことができる。 【００３０】また、共鳴管を垂直設置する構成とするこ
とによって、測定装置の設置面積を縮小することができ
るとともに、共鳴管の長さを長くすることが可能とな
り、測定感度を向上させることができる。 【００３１】 【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳
細に説明する。 【００３２】図１は、本発明の光音響濃度計の構成を説
明するブロック図であり図２，図４は本発明の光音響濃
度計の要部を説明するブロック図であり、図３は共鳴管
内の流速分布を説明するための図である。 【００３３】図１の光音響濃度計の構成は、本発明の第
１の実施例の構成を示している。図１において、本発明
の光音響濃度計１０は、遮音容器１８内に収められる測
定機構部と、遮音容器１８内に試料気体や緩衝用気体を
導入するための吸気機構２０と、遮音容器１８内から試
料気体や緩衝用気体を導出するための排気機構３０を備
えている。 【００３４】遮音容器１８内には、音響検出器１５を取
り付けた共鳴管１２が垂直方向に設置されている。共鳴
管１２は、遮音容器１８内に垂直に設置されたベース１
１に対して、例えば振動吸収材等からなる支持部材によ
って取り付けられている。共鳴管１２および支持部材
は、遮音容器１８に対してほぼ軸中心付近に設け、これ
によって、軸対称の構造とすることができる。 【００３５】また、共鳴管１２の一方の開放端には整流
導入手段１３が設けられ、他方の開放端には導出手段１
９が設けられる。整流導入手段１３は遮音容器１８の外
の吸気機構２０から導入される試料気体や緩衝用気体を
共鳴管１２内に導く手段であり、一方、導出手段１９は
共鳴管１２を通過した試料気体や緩衝用気体を遮音容器
１８外の排気機構３０に導出する手段である。なお、整
流導入手段１３の構成例および共鳴管１２内における気
体の流れについては後述する。 【００３６】さらに、共鳴管１２の一方の端部には、整
流導入手段１３（もしくは導出手段１９）を挟んでレー
ザー光源１４が設置されており、レーザー光を共鳴管１
２内の軸方向に導入する。また、レーザー光源１４が設
けられる位置と反対側にある遮音容器１８の端部面には
窓１７が設けられ、さらに、この窓１７の外側に吸光材
２７が設けられている。窓１７は、レーザー光は透過さ
せるが遮音性のある例えばガラス等の素材により形成
し、また、吸光材２７ではレーザー光を吸収して熱変換
を行う素材により形成する。したがって、レーザー光源
１４から放射されたレーザー光は、共鳴管内を通過した
後に窓１７を通って吸光材２７で吸収される。なお、吸
光材２７を熱伝導性吸光材を用いることができ、変換さ
れた熱が吸光材を変形することなく外部等に伝達して放
出する場合には、吸光材２７を遮音容器１８内に収納す
る構成とすることもできる。 【００３７】なお、遮音容器１８は、内部に設置された
機構部分の保守点検等のために、Ｏリング等の分離機構
によって、遮音可能に接合および開放が可能な構成とす
ることができる。 【００３８】吸気機構２０は、少なくとも試料気体を導
入する機構部分を備えており、さらに、本発明の第１の
実施例では緩衝用気体を外部より導入する機構部分を備
えている。なお、緩衝用気体を外部より導入する機構部
分を備えない構成については、本発明の第２の実施例で
説明する。 【００３９】測定試料を導入する機構部分は、図１にお
いては、三方コック２２によって３種類の試料気体を選
択し、第１吸気管２１ａを介して整流導入手段１３への
導入を行う。一つは、大気サンプリング２３を試料気体
とするものである。この大気サンプリング２３の導入管
の途中に、例えば２μカットサイクロン等のフィルタ２
４を設置し、これによって、サンプリング中の測定対象
の微粒子のみを共鳴管１２に導入することができる。そ
の他、遠隔地等で採集容器２５内に採集しておいた試料
気体を導入することもできる。 【００４０】また、フィルタ２６によって大気中の微粒
子を除去して得られるゼロ点気を用いることによって、
光音響濃度計の校正を行うことができる。 【００４１】一方、第１の実施例が備える緩衝用気体を
導入する機構部分は、マスフロー流量制御部２８にから
の清浄な気体を第２吸気管２１ｂを介して整流導入手段
１３への導入を行う。したがって、整流導入手段１３に
は、試料気体と清浄な気体が導入されることになる。 【００４２】また、排気機構３０は、マスフロー流量制
御部３２と吸引ポンプ３３を備え、排気管３１を介して
導出手段１９から少なくとも試料気体を導出する。な
お、本発明の第１の実施例では、試料気体と共に緩衝用
気体の導出も行う。したがって、吸気機構２０および排
気機構３０の流量を制御して、共鳴管１２内を流れる気
体の流量を制御することができる。 【００４３】図２に示す本発明の光音響濃度計の要部ブ
ロック図は、垂直方向に設置した共鳴管１２に対して、
整流導入手段１３を下方に設け、導出手段１９を上方に
設ける構成例である。 【００４４】整流導入手段１３は、試料気体と緩衝用気
体とを共鳴管１２内に導入するための機構である。試料
気体は第１吸気管２１ａを試料気体流路として整流導入
手段１３に導かれ、本発明の第１の実施例では、緩衝用
気体は第２吸気管２１ｂを清浄気体流路として整流導入
手段１３に導かれ、また、本発明の第２の実施例では、
遮音容器１８内の気体が緩衝用気体として整流導入手段
１３に導かれる。なお、図２では、外部から導入する場
合の整流導入手段１３を破線によって囲って示してい
る。 【００４５】第１吸気管２１ａは共鳴管１２の中心軸近
傍に試料気体を導入し、第２吸気管２１ｂは共鳴管１２
の内周面側に緩衝用気体を導入する。なお、共鳴管１２
の軸中心にはレーザー光が通されるため、第１吸気管２
１ａの先端は該レーザー光を遮断しない程度の中心軸近
傍に配置される。 【００４６】共鳴管１２内において、第１吸気管２１ａ
から導入された試料気体は共鳴管１２の中心軸に沿って
上方に流れ、他方、第２吸気管２２ａあるいは遮音容器
１８から導入された緩衝用気体は試料気体を囲むように
して共鳴管１２の内周面側を上方に流れる。 【００４７】したがって、試料気体と共鳴管１２の管壁
との間には緩衝用気体が存在し、試料気体と共鳴管１２
の内周面との接触を防止している。緩衝用気体は、清浄
な気体であるため共鳴管１２の内周面の管壁を汚染する
ことはない。 【００４８】共鳴管１２の上端に達した試料気体および
緩衝用気体は、導出手段１９から排気管３１を介して排
気される。なお、本発明の第２実施例では、主に試料気
体が排気される。 【００４９】整流導入手段１３は、共鳴管１２内におい
て試料気体および緩衝用気体が層流を形成するよう導入
を行う。なお、この層流を形成するための構成について
は、図６から図１１等の構成例を用いて後述する。ま
た、整流導入手段１３に導入される試料気体の流量と緩
衝用気体の流量は、共鳴管１２内で層流が牽制されるよ
う流量調節が行われる。例えば、共鳴管１２内における
試料気体の流速と緩衝用気体の境界層の流速がほぼ等し
くなるように、その供給流量を設定することによって行
うことができる。 【００５０】図３は、共鳴管内の試料気体と緩衝用気体
の流速分布を説明する図である。図３において、軸中心
を流れる試料気体の流速は、共鳴管の内周面側を流れる
緩衝用気体の流速より低速であり、また、これら２つの
気体の境界層にはおける流速は等しくなっている。これ
によって、共鳴管内において層流の軸流が形成される。 【００５１】共鳴管１２内の層流の一例として、例え
ば、共鳴管１２の内側直径を１２ｍｍとし、内側の試料
気体の径を４ｍｍ、その外側の緩衝用気体の内径を４ｍ
ｍ，外径を６ｍｍとすることができる。また、試料気体
と緩衝用気体の供給流量を、この共鳴管の径，層流にお
ける両者の比率，および共鳴管における層流の速度によ
り定めることができる。 【００５２】また、整流導入手段１３および導出手段１
９は、共鳴管１２の両端部において隙間を設けて設置
し、共鳴管１２の端部を開放端として形成している。こ
の構成によって、共鳴管１２の端部は光音響効果を奏す
るための音響的な節部を形成する。また、導入された気
体の一部を該隙間を介して通過させ、遮音容器１８内に
おいて、整流導入手段１３および導出手段１９を通る還
流４２の流路を形成することができる。この還流４２
は、共鳴管１２内における安定な層流を形成する効果を
奏している。 【００５３】したがって、共鳴管１２内において、試料
気体はレーザー光が通過する中心軸に沿って低速の安定
した層流として流れ、また、試料気体中の微粒子が共鳴
管の管壁に付着することもないため、測定対象の微粒子
の濃度を光音響効果を用いて高感度で測定を行うことが
できる。 【００５４】次に、図４に示す本発明の光音響濃度計の
要部ブロック図は、垂直方向に設置した共鳴管１２に対
して、整流導入手段１３を上方に設け、導出手段１９を
下方に設ける構成例である。 【００５５】この整流導入手段を上方に設置する構成例
は、共鳴管１２内に導入された試料気体および緩衝用気
体は導出手段１９に向かって下降するものであり、その
他の構成は前記図２に示した構成例とほぼ共通してい
る。この構成例における試料気体および緩衝用気体の共
鳴管１２内における流れは、前記図２の構成例とその流
路の方向が異なっているが、その動作についてはほぼ同
様である。図４において、外部から導入する場合の整流
導入手段１３を破線によって囲って示している。 【００５６】（本発明の第１実施例）次に、本発明の光
音響濃度計の第１実施例の要部の構成および整流導入手
段１３の第１の構成例について、図５，図６を用いて説
明する。 【００５７】図５に示す光音響濃度計の整流導入手段
は、図６（ｂ）に示す格子状あるいは編み目状の気体を
通過させるような、ある程度の周期的構造を備えた整流
部を備えている。第２吸気管２１ｂから導入された清浄
気体は、この整流部を通過することによって乱流を発生
することなく遮音容器１８内を上方に流れる。また、こ
の整流導入手段の上方において、共鳴管１２の中心軸の
近傍に設けられた第１吸気管２１ｂの先端からは試料気
体を導入する。これによって、共鳴管１２内の中心軸に
は試料気体が導入され、その外側には緩衝用気体４１が
導入されて、共鳴管１２内において、試料気体と緩衝用
気体の層流の軸流が形成させる。 【００５８】また、共鳴管１２の外側においても、導入
された緩衝用気体の一部が流れる。 【００５９】共鳴管１２の他方の端部側に設けられた導
出手段は、図６（ａ）に示す格子状あるいは編み目状の
気体を通過させる、ある程度の周期的構造を備えた整流
部を備えている。この整流部を通過した試料気体４０お
よび緩衝用気体４１は排気管３１を介して排気される。 【００６０】なお、図６（ａ），（ｂ）の整流部の中心
付近のレーザー光が通過する部分は、レーザー光の通過
を阻害しないよう構成されている。 【００６１】以下、本発明の光音響濃度計に用いる他の
整流導入手段の構成例について図７から図１１を用いて
説明する。 【００６２】図７は、整流導入手段の第２の構成例を示
す概略図である。図７において、整流導入手段１３は、
試料気体を導入するための第１の環状体５１と緩衝用気
体を導入するための第２の環状体５２とを備えている。
第１の環状体５１は、第１吸気管２１ａの先端に取り付
けられ、環状の第１開口部５３が形成された管体であ
る。この第１開口部５３の径は少なくとも共鳴管１２の
内周径より小径とし、第１開口部５３が中心軸の近傍の
位置となるよう配置する。そして、第１の環状体５１の
中心部分と共鳴管１２の中心軸とを軸合わせして設置
し、レーザー光４３を該中心部分を通過させて共鳴管１
２内に導く。 【００６３】また、第２の環状体５２は、第２吸気管２
１ｂの先端に取り付けられ、環状の第２開口部５４が形
成された管体である。第２開口部５４の径は少なくとも
共鳴管１２の内周径より小径とし、かつ前記第１開口部
５３の配置の径より大径とする。そして、第２の環状体
５２の中心部分と共鳴管１２の中心軸とを軸合わせして
設置し、レーザー光４３を該中心部分を通過させて共鳴
管１２内に導く。 【００６４】この構成において、第１の環状体５１の第
１開口部５３から試料気体４０を放出し、第２の環状体
５２の第２開口部５４から緩衝用気体４１を放出する。
放出された両気体の共鳴管１２内における流路におい
て、共鳴管１２の中心軸側が試料気体４０で、共鳴管１
２の内周面側が緩衝用気体４１の層流の軸流が形成さ
れ、試料気体４０に対してレーザー光４３が照射され
る。 【００６５】なお、図７において、第１の環状体５１お
よび第２の環状体５２を囲む筒状の壁部を形成して、気
体の流れを制御することもできる。 【００６６】図８は、整流導入手段の第３の構成例を示
す概略図である。図８において、整流導入手段１３は、
試料気体を導入するための突出部６１と、緩衝用気体を
導入するための環状体６２とを備えている。突出部６１
は、第１吸気管２１ａの先端に取り付けられ、その先端
に第１開口部６３が形成された管体である。この第１開
口部６３は、中心軸を通過するレーザー光を遮断しない
程度の中心軸の近傍位置に配置する。 【００６７】また、環状体６２は、第２吸気管２１ｂの
先端に取り付けられ、環状の第２開口部６４が形成され
た管体である。第２開口部６４の径は少なくとも共鳴管
１２の内周径より小径とし、かつ第１開口部６３の配置
位置より外側となる大きさである。そして、環状体６２
の中心部分と共鳴管１２の中心軸とを軸合わせして設置
し、レーザー光４３を該中心部分を通過させて共鳴管１
２内に導く。 【００６８】この構成において、突出部６１の第１開口
部６３から試料気体４０を放出し、第２の環状体６２の
第２開口部６４から緩衝用気体４１を放出する。放出さ
れた両気体の共鳴管１２内における流路においては、共
鳴管１２の中心軸側が試料気体４０で、共鳴管１２の内
周面側が緩衝用気体４１の層流の軸流が形成され、試料
気体４０に対してレーザー光４３が照射される。 【００６９】なお、図７において、第１の環状体５１お
よび第２の環状体５２を囲む筒状の壁部を形成して、気
体の流れを制御することもできる。 【００７０】図９は、整流導入手段の第４の構成例を示
す概略図である。図９において、整流導入手段１３は、
試料気体を導入するための流路７１と、緩衝用気体を導
入するための流路７２とが形成された環状体７０を備え
ている。流路７１は、図示しない第１吸気管２１ａの先
端に取り付けられ、その流路の先端には複数個の第１開
口部７３が形成されている。この第１開口部７３は、中
心軸を通過するレーザー光を遮断しない程度の中心軸の
近傍位置に勘定に配置されている。 【００７１】また、流路７２は図示しない第２吸気管２
１ｂの先端に取り付けられ、複数個の第２開口部７４が
形成されている。第２開口部７４が環状体７０の共鳴管
側の端面に形成される配置の径は、少なくとも共鳴管１
２の内周径より小径とし、かつ前記第１開口部７３の配
置位置より外側となる大きさである。そして、環状体７
０の中心に形成した貫通孔と共鳴管１２の中心軸とを軸
合わせして設置し、レーザー光４３を該中心部分を通過
させて共鳴管１２内に導く。 【００７２】この構成において、第１開口部７３から試
料気体４０を放出し、第２開口部７４から緩衝用気体４
１を放出する。放出された両気体の共鳴管１２内におけ
る流路においては、共鳴管１２の中心軸側が試料気体４
０で、共鳴管１２の内周面側が緩衝用気体４１の層流の
軸流が形成され、試料気体４０に対してレーザー光４３
が照射される。なお、第１開口部７３，第２開口部７４
は、環状の開口部により形成することもできる。 【００７３】図１０は、整流導入手段の第５の構成例を
示す概略図である。図１０において、整流導入手段１３
は、同心円の第１環状体８１，第２環状体８２，および
第３環状体８３を備えた環状体であり、第３環状体８３
の内周面側の筒部をレーザー光４３が通過する通過部と
し、第２環状体８２の内周面と第３環状体８３の外周面
との間に挟まれる環状体部分を試料気体を導入するため
の流路とし、第１環状体８１の内周面と第２環状体８２
の外周面との間に挟まれる環状体部分を緩衝用気体を導
入するための流路とする。また、第１環状体８１の外周
面の径は、少なくとも共鳴管１２の径よりも小径に形成
されている。 【００７４】緩衝用気体を導入するための流路には、第
２吸気管２１ｂの先端が接続され、環状体部分には整流
板８４が放射状に設置されている。また、緩衝用気体気
体を導入するための流路には、第１吸気管２１ａの先端
が接続され、環状体部分には整流板８５が放射状に設置
されている。 【００７５】この構成において、第２吸気管２１ｂを介
して導入された緩衝用気体４１は、第１環状体８１の内
周面と第２環状体８２の外周面との間に挟まれる環状体
部分を通って共鳴管１２側に放出され、また、第１吸気
管２１ａを介して導入された試料気体４０は、第２環状
体８２の内周面と第３環状体８３の外周面との間に挟ま
れる環状体部分を通って共鳴管１２側に放出される。な
お、このとき、環状体部分に設けられた整流板８４，８
５は、共鳴管１２内の流れが層流なるよう流れを調整す
ることができる。 【００７６】これによって、共鳴管１２内における流路
においては、共鳴管１２の中心軸側が試料気体４０で、
共鳴管１２の内周面側が緩衝用気体４１となる層流の軸
流が形成され、試料気体４０に対してレーザー光４３が
照射される。 【００７７】図１１は、整流導入手段の第６の構成例を
示す概略図である。図１１において、整流導入手段１３
は、試料気体を導入するための第１の環状体９１と緩衝
用気体を導入するための第２の環状体９２とを備えてい
る。第１の環状体９１は、第１吸気管２１ａの先端に取
り付けられ、共鳴管１２を向いた面上に環状の第１開口
部９３が形成された管体である。この第１開口部９３が
第１の環状体９１の環状開口部の径は少なくとも共鳴管
１２の内周径より小径とし、第１開口部９９が中心軸の
近傍の位置となるよう配置する。そして、第１の環状体
９１の中心部分と共鳴管１２の中心軸とを軸合わせして
設置し、レーザー光４３を該中心部分を通過させて共鳴
管１２内に導く。 【００７８】また、第２の環状体９２は、第２吸気管２
１ｂの先端に取り付けられ、内周面に環状の第２開口部
９４が形成された環状体であり、第２開口部９４は環状
体９２の内部に環状に形成された環状みぞ９５と連結し
ている。そして、第２の環状体９２の中心部分と共鳴管
１２の中心軸とを軸合わせして設置し、レーザー光４３
を該中心部分を通過させて共鳴管１２内に導く。 【００７９】この構成において、第１の環状体９１の第
１開口部９３から試料気体４０を放出し、第２の環状体
９２の第２開口部９４から緩衝用気体４１を放出する。
放出された両気体の共鳴管１２内における流路において
は、共鳴管１２の中心軸側が試料気体４０で、共鳴管１
２の内周面側が緩衝用気体４１となる層流軸流が形成さ
れ、試料気体４０に対してレーザー光４３が照射され
る。 【００８０】（本発明の第２実施例）次に、本発明の光
音響濃度計の第２実施例の構成例について、図１２を用
いて説明する。第２実施例は、外部から清浄な気体を共
鳴管内に導入する機構部を供えず、遮音容器１８内の気
体を緩衝用気体として共鳴管に導入するものである。 【００８１】この構成以外の部分については、実施例１
の構成と同様であるため、以下では主に相違する構成部
分について説明する。 【００８２】図１２において、遮音容器１８内に導入さ
れる気体は試料気体のみであり、第１吸気管２１ａによ
り共鳴管１２の軸中心付近に導入される。この構成は前
記した第１実施例と同様である。共鳴管１２内に導入さ
れた試料気体は、共鳴管１２内の軸中心に導入されると
きに、遮音容器１８内の気体の内で付近に存在する気体
を引き込む。この引き込まれた気体は、試料気体を周囲
から囲むようにして緩衝用気体として共鳴管１２の内周
面側を流れる。 【００８３】共鳴管１２内において、試料気体４０の流
速は緩衝用気体４１より速く、境界層における両者の流
速は等しくなる。これによって、試料気体４０と緩衝用
気体４１は層流の軸流を構成する。試料気体４０はレー
ザー光を受けて、光音響効果による濃度測定が行われ
る。 【００８４】共鳴管１２の端部には排気手段が設けら
れ、共鳴管１２を流れてきた試料気体４０は排気管３１
を通って排気される。緩衝用気体４１は、一部は試料気
体４０とともに排気されるが、ほとんどの気体は遮音容
器１８内の共鳴管１２の外側を通って、共鳴管１２の導
入口側に流れる貫流となる。 【００８５】試料気体は、共鳴管１２の内周面と接触す
ることなく共鳴管１２を通過して排気され、一方、緩衝
用気体４１は遮音容器１８内を循環する。緩衝用気体４
１は徐々に試料気体によって汚染されるが、その汚染状
態は少なく、これによる共鳴管１２の内周面の汚染は、
十分な測定精度を得る程度に抑えられる。 【００８６】また、遮音容器１８内にフィルタあるいは
集塵機を設けることによって、循環する緩衝用気体を清
浄化する構成とすることもできる。 【００８７】（実施例の効果）レーザー光により加熱さ
れる試料気体の移動方向は垂直方向であるため、共鳴管
を垂直方向に設置することによって、試料気体の安定し
た層流を得ることができ、また、共鳴管の管壁への付着
や大きな粒子の沈降を防止することができる。また、整
流導入手段を共鳴管に対して下方に設置することによっ
て、レーザーの加熱による測定試料の上昇流の影響を減
少させることができる。 【００８８】共鳴管を垂直方向に設置することによっ
て、共鳴管を軸対称に支持する構成とすることができ、
振動発生を減少させ遮音性を向上させることができる。
また、整流導入手段を共鳴管に対して下方に設置するこ
とによって、重量のあるレーザー光源装置を光音響濃度
計の下方に設けることができ、振動に対する安定性を向
上させて、遮音性を向上させることができる。 【００８９】共鳴管を垂直方向に設置することによっ
て、装置の設置面積を減少させることができ、長い共鳴
管を用いることができる。これによって、濃度測定の感
度を向上させることができる。 【００９０】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
試料空気中に含まれる微粒子の共鳴管の管壁への付着を
防止することができ、付着微粒子による測定感度の低下
を防止することができる光音響濃度計を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の光音響濃度計の一実施例の構成を説明
する図である。 【図２】本発明の光音響濃度計の要部を説明する図であ
る。 【図３】本発明の共鳴管内の試料気体と緩衝用気体の流
速分布を説明する図である。 【図４】本発明の光音響濃度計の要部を説明する図であ
る。 【図５】本発明の光音響濃度計の第１実施例の要部の構
成を説明する図である。 【図６】本発明の光音響濃度計の第１実施例の整流導入
手段の第１の構成例を示す概略図である。 【図７】整流導入手段の第２の構成例を示す概略図であ
る。 【図８】整流導入手段の第３の構成例を示す概略図であ
る。 【図９】整流導入手段の第４の構成例を示す概略図であ
る。 【図１０】整流導入手段の第５の構成例を示す概略図で
ある。 【図１１】整流導入手段の第６の構成例を示す概略図で
ある。 【図１２】本発明の光音響濃度計の第２実施例の要部の
構成を説明する図である。 【図１３】光音響分光系の装置概略図である。 【図１４】従来の光音響濃度計のブロック図である。 【符号の説明】 １０…光音響濃度計、１１…ベース、１２…共鳴管、１
３…整流導入手段、１４…レーザー光源、１５…音響検
出器、１６…プリアンプ、１７…窓、１８…遮音容器、
１９…導出手段、２０…吸気機構、２１…吸気管、２２
…３方コック、２３…大気サンプリング、２４，２６…
フィルタ、２５…採集容器、２７…吸光材、２８，３２
…マスフロー流量制御部、３０…排気機構、３１…排気
管、３３…吸引ポンプ、４０…試料気体、４１…緩衝用
気体、４３…レーザー光、５１，８１…第１環状体、５
２，６２，８２…第２環状体、５３，６３，７３，９３
…第１開口部、５４，６４，７４，９４…第２開口部、
６１…突出部、７０，９１，９２…環状体、７１，７２
…流路、８３…第３環状体，８４，８５…整流板、９５
…環状溝。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 健次 茨城県つくば市東１丁目１番 工業技術 院物質工学工業技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−5939（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−60441（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−12047（ＪＰ，Ｕ) 特表 平５−508007（ＪＰ，Ａ) 加藤健次，「半導体レーザー光音響法 による大気中の元素状炭素浮遊粒子の実 時間分析法の開発」，分析化学，日本, 社団法人日本分析化学会，1994年４月５ 日，第43巻第４号，第317−323頁 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28 G01N 21/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 断続光ビームを共鳴管内の中心軸に沿っ
   て照射し、共鳴管内の測定試料による光ビームの吸光に
   より発生する断続音を検出して、測定試料の濃度測定を
   行う光音響濃度計において、前記共鳴管を垂直方向に設
   置し、該共鳴管内において、測定試料を中心軸側に、緩
   衝用気体を内周面側とする軸流を形成する整流導入手段
   を備えたことを特徴とする光音響濃度計。