JP6084399B2 - 光学式ガスセンサおよびガス濃度監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学式ガスセンサおよびガス濃度監視方法に関し、例えば、火力発電所等のボイラの燃焼に伴って発生する脱硫前の排ガス中のガス濃度を監視することができる光学式ガスセンサおよびガス濃度監視方法に関する。

従来、大気中の公害物質の測定や、プラント施設での可燃性ガスや毒性ガスの発生監視などにガス検出器が広く使用されている。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、吸光分析法がある。

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。

ラマン散乱分光法を利用したガスセンサとしては、出願人が提案した、測定対象ガスが導入されるガスセルと、ガスセルにレーザー光を照射するレーザー装置と、ガスセルからのラマン散乱光を反射する反射機構と、反射機構により反射された前方および後方ラマン散乱光を集光するための波長選択フィルターを有する受光機構と、前方および／または後方ラマン散乱光に基づき測定対象ガスの濃度を算出する演算部と、を備えたガスセンサであって、検出対象となる一つのガスの種別に応じた波長選択フィルターを選択可能に構成されたガスセンサがある（特許文献１参照）。

吸光分析法を利用したガスセンサとしては、ガス導入部から光学セルに至るガス導入路へ基準ガスを導入する配管路と試料ガスを導入する配管路を分岐させて形成し、該夫々の配管路を三方向切換弁を介して光学セルへ接続させると共に一方の基準ガスを導入する配管路へはゼロガス生成装置を配設させた紫外線吸収方式のガス濃度測定装置において、前記ゼロガス生成装置と三方向切換弁との間へ該ゼロガス生成装置の状態を監視するセンサーを配設したガス濃度測定装置がある（特許文献２）。

特開２０１２−３７３４４号公報 特開平１０−１９７７０号公報

本発明は、高温環境（例えば、数百度以上）にあるガスの濃度（密度）を測定することができる小型の光学式ガスセンサおよびガス濃度監視方法を提供することを目的とする。
また、ＳＯ_Ｘ、ＮＯ_Ｘ、ＮＨ_３、Ｈ_２Ｓ、Ｃｌ_２等の腐食成分を含むガスの濃度を測定する際に生じる腐食性の問題を解決することができる小型の光学式ガスセンサおよびガス濃度監視方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、光源からの光を伝送する照射用耐熱光ファイバと、照射用耐熱光ファイバの端部近傍に配置される照射用耐熱レンズと、計測対象ガスからの散乱光を受光装置に伝送する受光用耐熱光ファイバと、受光用耐熱光ファイバの端部近傍に配置される受光用耐熱レンズと、照射用耐熱光ファイバおよび受光用耐熱光ファイバが配設される、耐熱材からなるベース部材とを備え、前記ベース部材が、１０ｃｍ四方以下の大きさのセラミックス系材料により構成され、前記受光用耐熱レンズが、ボールレンズからなることを特徴とする、腐食性ガス環境下用光学式ガスセンサである。
第２の発明は、第１の発明において、前記受光用耐熱光ファイバを複数備えること、前記照射用耐熱光ファイバおよび前記複数の受光用耐熱光ファイバの光軸が、同じ場所で交わ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、前記照射用耐熱光ファイバから照射する光がレーザー光であり、前記受光用耐熱レンズが受光する光がラマン散乱光であることを特徴とする。
第４の発明は、第３の発明において、前記照射用耐熱光ファイバおよび前記受光用耐熱光ファイバが、水素遮断性を有することを特徴とする。

第５の発明は、光源からの光を伝送する照射用耐熱光ファイバと、照射用耐熱光ファイバの端部近傍に配置される照射用耐熱レンズと、計測対象ガスを通過した光を受光装置に伝送する受光用耐熱光ファイバと、受光用耐熱光ファイバの端部近傍に配置される受光用耐熱レンズと、照射用耐熱光ファイバからの光を全反射により受光用耐熱光ファイバに導く耐熱プリズムと、照射用耐熱レンズ、受光用耐熱レンズおよび耐熱プリズムが配設される凹部を有し、耐熱材からなるベース部材とを備え、前記ベース部材が、１０ｃｍ四方以下の大きさのセラミックス系材料により構成され、前記照射用耐熱レンズおよび前記受光用耐熱レンズが、ボールレンズからなること、前記耐熱プリズムが、同一平面上に配設された２ｎ＋１個（ただし、ｎは１以上の自然数）のプリズムからなることを特徴とする、腐食性ガス環境下用光学式ガスセンサである。
第６の発明は、第１ないし５のいずれかの発明において、前記耐熱プリズムが、石英あるいは透明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１ないし６のいずれかの発明において、前記照射用耐熱光ファイバおよび前記受光用耐熱光ファイバが、石英系の光ファイバ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７のいずれかの発明において、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９の発明は、第１ないし８のいずれかの発明において、前記照射用耐熱レンズおよび前記受光用耐熱レンズが、石英あるいは透明セラミックスにより構成されたボールレンズからなることを特徴とする。

第１０の発明は、高温・高圧下で可燃ガス、空気および水蒸気が混在する環境に第１ないし９のいずれかの発明に係る光学式ガスセンサを設置し、１種以上のガス密度を連続測定することを特徴とするガス濃度監視方法である。
第１１の発明は、ＳＯ_Ｘ、ＮＯ_Ｘ、ＮＨ_３、Ｈ_２Ｓおよび／またはＣｌ_２を含む排ガスの排気管に第１ないし９のいずれかの発明に係る光学式ガスセンサを設置し、ＳＯ_Ｘ、ＮＯ_Ｘ、ＮＨ_３、Ｈ_２ＳおよびＣｌ_２からなる群から選択される１種以上のガスの濃度を連続測定することを特徴とするガス濃度監視方法である。
第１２の発明は、第１１の発明において、前記排ガスが、火力発電所のボイラから排出される排ガスであることを特徴とする。

本発明によれば、高温環境にあるガスの濃度を測定することができる小型の光学式ガスセンサおよびガス濃度監視方法を提供することが可能となる。
また、ＳＯ_Ｘ、ＮＯ_Ｘ、ＮＨ_３、Ｈ_２Ｓ、Ｃｌ_２等の腐食成分を含むガスの濃度を測定する際に生じる腐食性の問題を解決することができる小型の光学式ガスセンサおよびガス濃度監視方法を提供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システムの構成図である。 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）は平面図、（ｂ）は側面図である。 濃度２５％水素ガスに対するラマン散乱光信号の時間波形である。 水素ガス濃度とラマン散乱光信号強度（ピーク値）の相関を示すグラフである。 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２実施形態に係るセンサチップの構成図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の第２実施形態に係るアンモニアガスの濃度別の紫外吸収スペクトルである。 本発明の第２実施形態に係るアンモニアガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る二酸化硫黄ガスの濃度別の紫外吸収スペクトルである。 本発明の第２実施形態に係る二酸化硫黄ガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフである。 本発明の第３実施形態に係るセンサチップの構成図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である 本発明の第２実施形態に係るアンモニアガスの濃度別の紫外吸収スペクトルである。 本発明の第２実施形態に係るアンモニアガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る二酸化硫黄ガスの濃度別の紫外吸収スペクトルである。 本発明の第２実施形態に係る二酸化硫黄ガス濃度と吸収係数の相関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実施形態はラマン散乱型ガス濃度測定システムに関する。
第１実施形態のガス濃度測定システムでは、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。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。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ことが知られているが、以下では水素ガス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システムの構成図である。第１実施形態のガス濃度測定システムは、レーザー光源装置１と、受光装置２と、照射用光ファイバ３と、受光用光ファイバ４と、センサチップ１０と、を主要な構成要素とする。

レーザー光源装置１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。レーザー光源装置１は、図示しないコンピュータと接続されており、コンピュータ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。レーザー光源装置１から発振されたレーザー光は、照射用光ファイバ３を介してセンサチップ１０へ伝送される。

本実施形態に係る受光装置２は、光学フィルター２１および光検出器２２を備える２台の受光装置からなり、測定対象ガスからのラマン散乱光を、センサチップ１０および受光用光ファイバ４を介して受光する。本実施形態とは異なり、受光装置２の数を１台としてもよく、これに伴い、受光用光ファイバ４を１本とし、或いは、複数本の受光用光ファイバ４からのラマン散乱光を１つの受光装置２に導入して大きな電気信号を得るようにしてもよい。同様に受光装置２の数を３台以上としてもよい。
光学フィルター２１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。光学フィルター２１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２２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。

受光装置２は、図示しないコンピュータと接続されており、このコンピュータには専用の分析ソフトが導入されている。コンピュータは、光検出器２２の検出信号から、センサチップ１０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にリアルタイム表示させることができる。

照射用光ファイバ３および受光用光ファイバ４は、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。例えば、火力発電所煙道排ガス（３６０℃）に適用できる耐熱性を実現するためには、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。水素存在環境下で用いる場合には、照射用光ファイバ３および受光用光ファイバ４に、水素遮断性を有するものを用いることが好ましい。

センサチップ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し、例えば配管の内部などに設置されるプローブとして機能する。センサチップ１０は、レーザー光源装置１および受光装置２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１０のみを遠隔地に設置することが可能である。
センサチップ１０は、図２に示すように、照射孔１２および受光孔１３ａ，１３ｂが設けられたベース部材１１と、照射用レンズ７と、受光用レンズ８とから構成される。

ベース部材１１は、例えば数ｍｍ〜数十ｍｍ四方の寸法を有する板状部材であり、センサチップ１０の本体を構成する。試作品では、ベース材１１を、１２×１５×４．５ｍｍの主材１１ａおよび１２×１５×２ｍｍの天板１１ｂから構成した。
ベース部材１１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１１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。

ベース部材１１には、照射用光ファイバ３の先端に設けられたフェルール５を固定するための凹部と、受光用光ファイバ４ａ，４ｂの先端に設けられたフェルール６ａ，６ｂを固定するための凹部とが設けられている。これらの凹部は、溝である場合もあれば穴である場合もある。フェルール５およびフェルール６ａ，６ｂは、上記の凹部に嵌合されることで光軸が所定の角度をもって交わるように配置され、耐熱接着材により固定される。例えば、光ファイバ３の光軸（Ｌ１）と光ファイバ４の光軸とのなす角が、５°〜３０°となるように配置する。
なお、受光用光ファイバ４の本数は２本に限定されず、３本以上としてもよい。複数の受光用ファイバを用いる構成においては、１本の光ファイバ毎に特定のガス種のラマン散乱波長を選択するフィルターと受光素子を取り付けて複数のガス種のラマン散乱光を同時に測定するようにしてもよい。

ベース部材１１の一端面には、照射孔１２および受光孔１３ａ，１３ｂが設けられている。
照射用レンズ７は照射孔１２またはその端部に配置され、受光用レンズ８ａ，４２ｂは受光孔１３ａ，１３ｂまたはその端部に配置される。照射用レンズ７の照射孔１２と反対側の近傍には照射用光ファイバ３の端部が配置され、受光用レンズ８ａの受光孔１３ａと反対側の近傍には受光用光ファイバ４ａの端部が配置され、受光用レンズ８ｂの受光孔１３ｂと反対側の近傍には受光用光ファイバ４ｂの端部が配置される。
レンズ７および８ａ，８ｂ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）耐熱レンズであり、耐熱接着材によりベース部材１１にそれぞれ固定されている。レンズ７および８ａ，８ｂは、例えば、石英、透明セラミックスにより構成される。熱膨張性の観点からは、ベース部材１１、レンズ７および８ａ，８ｂ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７および８ａ，８ｂにφ２．５ｍｍの石英製ボールレンズを用いた。

以上に説明したセンサチップ１０をガスセルに配置し、ガスセル内に濃度２５％の水素ガスを導入してガス濃度を測定したところ、第１実施形態のガス濃度測定システムによりガスの濃度を精度良く測定できることが確認された。図３に濃度２５％水素ガスに対するラマン散乱光信号の時間波形を、図４に水素ガス濃度とラマン散乱光信号強度（ピーク値）の相関のグラフを示す。

以上に説明した第１実施形態のガス濃度測定システムによれば、高温環境（例えば、３００℃以上または５００℃以上）にあるガスの濃度を測定することができる。具体的には、例えば、約３６０℃の高温環境にある火力発電所の排ガス分析に用いることが可能である。本発明のセンサチップは１０００℃以上の耐熱性を確保することも可能である。
また、ベース部材をセラッミックスにより構成した場合には、硫黄（Ｓ）成分を含むガスの濃度を測定する際に生じる腐食性の問題を解決することができる光学式ガスセンサを提供することが可能である。具体的には、脱硫前のＳＯ_Ｘを多く含む火力発電所の排ガス分析に好適である。
さらに、第１実施形態のガス濃度測定システムは、高放射線環境での利用にも適している。

《第２実施形態》
第２実施形態は吸光型ガス濃度測定システムに関する。
（構成）
図５は、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。第２実施形態のガス濃度測定システムは、紫外光源装置５１と、受光装置５２と、照射用光ファイバ５３と、受光用光ファイバ５４と、センサチップ６０と、を主要な構成要素とする。

紫外光源装置５１は、キセノンランプ、重水素ランプなどの紫外線を照射する光源を備えている。紫外光源装置５１は、図示しないコンピュータと接続されており、コンピュータからの照射指示を受けて所定のタイミングで紫外線を照射する。紫外光源装置５１から照射された紫外光は、照射用光ファイバ５３を介してセンサチップ６０へ伝送される。

受光装置５２は、図示しない分光器と、図示しない光検出器を備える。受光装置５２は、センサチップ６０が受光した紫外光を、受光用光ファイバ５４を介して受信する。受光装置５２は、分光器で紫外光中の特定の範囲（例えば、２００〜３５０ｎｍの範囲）の波長を分光し、それを光検出器で検出する。
受光装置５２は、図示しないコンピュータと接続されており、このコンピュータには専用の分析ソフトが導入されている。コンピュータは、受光装置５２の検出信号から、センサチップ６０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にリアルタイム表示させることができる。紫外線吸収分析でのガス中の濃度の検出は、例えば、既知濃度の紫外線吸収スペクトルを取得し、吸光度を濃度毎にプロットした検量線を作成した後で、未知濃度の吸光度と対比することで、ガスの濃度を求める。

照射用光ファイバ５３および受光用光ファイバ５４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、照射用光ファイバ５３および受光用光ファイバ５４に、水素遮断性を有するものを用いることが好ましい。

センサチップ６０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し、例えば配管の内部などに設置されるプローブとして機能する。センサチップ６０のみを遠隔地に設置することが可能である点は、第１実施形態と同様である。
センサチップ６０は、図６に示すように、光路空間６２が設けられたベース部材６１と、照射用レンズ５７と、受光用レンズ５８と、プリズム５９とから構成される。

ベース部材６１は、例えば数ｍｍ〜数十ｍｍ四方の寸法を有する板状部材であり、センサチップ６０の本体を構成する。試作品の寸法は、１８×３９×１１ｍｍである。ベース部材６１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。膨張性や腐食性の観点からはセラミックス系材料により構成することが好ましく、また、精度の観点から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好ましい点も、第１実施形態と同様である。

ベース部材６１には、照射用光ファイバ５３の先端に設けられたフェルール５５を固定するための凹部と、受光用光ファイバ５４の先端に設けられたフェルール５６を固定するための凹部とが設けられている。これらの凹部は、溝である場合もあれば穴である場合もある。フェルール５５およびフェルール５６は、それぞれの光軸のなす角が、平行になるように配置する。

照射用光ファイバ５３の端部には照射用レンズ５７が配置され、受光用光ファイバ５４の端部には受光用レンズ５８が配置される。レンズ５７および５８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）耐熱レンズであり、耐熱接着材によりベース部材６１にそれぞれ固定されている。レンズ５７および５８は、例えば、石英、透明セラミックスにより構成される。試作品では、レンズ５７，５８に、φ５ｍｍの石英製ボールレンズを用いた。

ベース部材６１には、外気と連通する凹部である光路空間６２が設けられている。光路空間６２の一方の内側面にはレンズ５７，５８が配置され、他方の内側面にはプリズム５９が配置される。ベース部材６１には、プリズム５９を配置するための略三角形の切り欠き部が設けられている。ここで、ベース部材６１の切り欠き部の面とプリズム５９の反射面の裏面とが、面の全てにわたって当接することは必要ではない。全反射とは、屈曲率が大きい媒質から屈折率が小さい媒質へ光が入射するとき、その境界面を光が透過せず全て反射する現象をいうが、空隙があっても全反射は実現される。レンズ５７，５８とプリズム５９の間隔を広げることで、吸光の光路長を長くすることもできる。

プリズム５９は、（例えば、４００℃以上、好ましくは７００℃以上の耐熱性を有する）耐熱性に優れた石英、透明セラミックスなどの材により構成したものを用いる。反射体として金属蒸着ミラーを用いた場合の耐熱温度は２００℃程度であるが、反射体として石英プリズムを用いたセンサチップは１０００℃以上の耐熱性を確保することも可能である。プリズム５９は、耐熱接着材によりベース部材６１にそれぞれ固定される。熱膨張性の観点からは、ベース部材６１、レンズ５７，５８およびプリズム５９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、プリズム５９ａ〜５９ｃに、５．０ｍｍ×５．０ｍｍの石英製４５度全反射プリズムを用いた。

以上に説明したセンサチップ６０をガスセルに配置し、ガスセル内にアンモニアガスあるいは二酸化硫黄ガスを導入してガス濃度を測定したところ、数ｐｐｍオーダーでガスの濃度を測定できることが確認された。図７にアンモニアガスの濃度別の紫外吸収スペクトルを、図８にアンモニアガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフを示す。また、図９に二酸化硫黄ガスの濃度別の紫外吸収スペクトルを、図１０に二酸化硫黄ガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフを示す。

以上に説明した第２実施形態のガス濃度測定システムによれば、第１実施形態と同様に、高温環境（例えば、約３６０℃）および高放射線環境にあるガスの濃度を測定することができる。
また、ベース部材をセラッミックスにより構成した場合には、第１実施形態と同様に、硫黄（Ｓ）成分を含むガスの濃度を測定する際に生じる腐食性の問題を解決することができる光学式ガスセンサを提供することが可能である。

《第３実施形態》
第３実施形態は吸光型ガス濃度測定システムに関する。第３実施形態は、ガスセンサチップ７０以外の構成は第２実施形態と同じであるので、以下ではガスセンサチップ７０以外の要素については説明を割愛する。
ガスセンサチップ７０は、図１１に示すように、光路空間７２が設けられたベース部材７１と、照射用レンズ５７と、受光用レンズ５８と、プリズム５９ａ〜５９ｃとから構成される。

ベース部材７１は、第２実施形態のベース部材６１より僅かに大きい（例えば、１０ｃｍ四方以下）板状部材であり、耐熱性に優れた石英、透明セラミックスなどの材により構成される。試作品の寸法は、２２×３８×９ｍｍである。膨張性や腐食性の観点からはセラミックス系材料により構成することが好ましく、また、精度の観点から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好ましい点も、第１および第２実施形態と同様である。

ベース部材７１に設けられた凹部にフェルール５５，５６が固定される点は、第２実施形態と同様である。また、光ファイバ５３，５４の端部にはレンズ５７，５８が配置される点も第２実施形態と同様である。試作品では、レンズ５７，５８にφ５ｍｍの石英製ボールレンズを用いた。

ベース部材７１には、外気と連通する凹部である光路空間７２が設けられている。本実施形態では、３つのプリズムにより６回の反射を行うことで、光路Ｌ３を長くとすることを可能としている。そのため、本実施形態は、第２実施形態と比べより高精度にガス濃度を計測することが可能である。なお、プリズムの数は３個に限定されず、５個以上（すなわち、２ｎ＋１個）としてもよい。

ベース部材７１には、プリズム５９ａ〜５９ｃを配置するための略三角形の切り欠き部が３つ設けられている。レンズ５７，５８と対向する光路空間７２の内側面に２つの切り欠き部が設けられ、レンズ５７，５８側の光路空間７２の内側面に１つの切り欠き部が設けられている。
プリズム５９ａ〜５９ｃは、第２実施形態と同様であり、耐熱接着材によりベース部材７１にそれぞれ固定される。試作品では、プリズム５９ａ〜５９ｃに５．０ｍｍ×５．０ｍｍの石英製４５度全反射プリズムを用いた。

以上に説明したセンサチップ７０をガスセルに配置し、ガスセル内にアンモニアガスを導入してガス濃度を測定したところ、数ｐｐｍオーダーでガスの濃度を測定できることが確認された。図１２にアンモニアガスの濃度別の紫外吸収スペクトルを、図１３にアンモニアガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフを示す。また、図１４に二酸化硫黄ガスの濃度別の紫外吸収スペクトルを、図１５に二酸化硫黄ガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフを示す。

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。

本発明は、高温環境にあるガスの濃度を測定する用途に好適である。また、ベース部材にセラミックスを用いた構成においては、金属に腐食が生じる成分を含むガスの濃度を測定する用途に特に好適である。金属に対しセラミックスの適用が優位となる環境としては、例えば、次の用途が挙げられる。
（１）発電所排ガス
高温、蒸気充満、ＳＯ_Ｘ・ＮＯ_Ｘ・ＮＨ_３等腐食性ガス雰囲気
（２）自動車排ガス
高温、蒸気充満、ＳＯ_Ｘ・ＮＯ_Ｘ等腐食性ガス雰囲気
（３）化学工場、上水処理場、製紙工場
塩素(Ｃｌ_２)含有雰囲気
（４）石油精製、アンモニア製造工場、製鉄所排ガス、火山・温泉地帯、下水処理場
硫化水素(Ｈ_２Ｓ)含有雰囲気
（５）化学肥料工場
アンモニア（ＮＨ_３）含有雰囲気
（６）水・海水等腐食性を有する液体中

１ レーザー装置
２ 受光装置
３ 照射用光ファイバ
４ 受光用光ファイバ
５，６ フェルール
７，８ レンズ
１０ センサチップ
１１ ベース材
１２ 照射孔
１３ 受光孔
２１ 光学フィルタ
２２ 光検出器
２３ 筐体
５１ 紫外光源装置
５２ 受光装置
５３ 照射用光ファイバ
５４ 受光用光ファイバ
５５，５６ フェルール
５７，５８ レンズ
５９ プリズム
６０ センサチップ
６１ ベース材
６２ 光路空間
７１ ベース材
７２ 光路空間

Claims (12)

1. 光源からの光を伝送する照射用耐熱光ファイバと、
   照射用耐熱光ファイバの端部近傍に配置される照射用耐熱レンズと、
   計測対象ガスからの散乱光を受光装置に伝送する受光用耐熱光ファイバと、
   受光用耐熱光ファイバの端部近傍に配置される受光用耐熱レンズと、
   照射用耐熱光ファイバおよび受光用耐熱光ファイバが配設される、耐熱材からなるベース部材とを備え、
   前記ベース部材が、１０ｃｍ四方以下の大きさのセラミックス系材料により構成され、
   前記受光用耐熱レンズが、ボールレンズからなることを特徴とする、腐食性ガス環境下用光学式ガスセンサ。
2. 前記受光用耐熱光ファイバを複数備えること、
   前記照射用耐熱光ファイバおよび前記複数の受光用耐熱光ファイバの光軸が、同じ場所で交わることを特徴とする請求項１の光学式ガスセンサ。
3. 前記照射用耐熱光ファイバから照射する光がレーザー光であり、前記受光用耐熱レンズが受光する光がラマン散乱光であることを特徴とする請求項１または２の光学式ガスセンサ。
4. 前記照射用耐熱光ファイバおよび前記受光用耐熱光ファイバが、水素遮断性を有することを特徴とする請求項３の光学式ガスセンサ。
5. 光源からの光を伝送する照射用耐熱光ファイバと、
   照射用耐熱光ファイバの端部近傍に配置される照射用耐熱レンズと、
   計測対象ガスを通過した光を受光装置に伝送する受光用耐熱光ファイバと、
   受光用耐熱光ファイバの端部近傍に配置される受光用耐熱レンズと、
   照射用耐熱光ファイバからの光を全反射により受光用耐熱光ファイバに導く耐熱プリズムと、
   照射用耐熱レンズ、受光用耐熱レンズおよび耐熱プリズムが配設される凹部を有し、耐熱材からなるベース部材とを備え、
   前記ベース部材が、１０ｃｍ四方以下の大きさのセラミックス系材料により構成され、
   前記照射用耐熱レンズおよび前記受光用耐熱レンズが、ボールレンズからなること、
   前記耐熱プリズムが、同一平面上に配設された２ｎ＋１個（ただし、ｎは１以上の自然数）のプリズムからなることを特徴とする、腐食性ガス環境下用光学式ガスセンサ。
6. 前記耐熱プリズムが、石英あるいは透明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の光学式ガスセンサ。
7. 前記照射用耐熱光ファイバおよび前記受光用耐熱光ファイバが、石英系の光ファイバにより構成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの光学式ガスセンサ。
8. 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１ないし７のいずれかの光学式ガスセンサ。
9. 前記照射用耐熱レンズおよび前記受光用耐熱レンズが、石英あるいは透明セラミックスにより構成されたボールレンズからなることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかの光学式ガスセンサ。
10. 高温・高圧下で可燃ガス、空気および水蒸気が混在する環境に請求項１ないし９のいずれかの光学式ガスセンサを設置し、１種以上のガス密度を連続測定することを特徴とするガス濃度監視方法。
11. ＳＯ_Ｘ、ＮＯ_Ｘ、ＮＨ_３、Ｈ_２Ｓおよび／またはＣｌ_２を含む排ガスの排気管に請求項１ないし９のいずれかの光学式ガスセンサを設置し、ＳＯ_Ｘ、ＮＯ_Ｘ、ＮＨ_３、Ｈ_２ＳおよびＣｌ_２からなる群から選択される１種以上のガスの濃度を連続測定することを特徴とするガス濃度監視方法。
12. 前記排ガスが、火力発電所のボイラから排出される排ガスであることを特徴とする請求項１０のガス濃度監視方法。