JP7141057B2

JP7141057B2 - 濃度測定装置および濃度測定方法

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Publication number: JP7141057B2
Application number: JP2018162559A
Authority: JP
Inventors: 一平朝日; 育彦柳瀬; 剛洋川崎
Original assignee: Shikoku Research Institute Inc; Energy Support Corp
Current assignee: Shikoku Research Institute Inc; Energy Support Corp
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2022-09-22
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: JP2020034476A

Description

本発明は、非接触により測定対象空間に存在するガスの濃度を測定すると同時に、非接触により測定対象空間に存在する微粒子（ダスト）も測定することが可能な濃度測定装置および濃度測定方法に関する。

従来、非接触によりガスの濃度を測定する装置として、ラマン散乱分光法（レーザーラマン法）を用いた測定装置がある（たとえば特許文献１）。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。

また従来、非接触により微粒子（ダスト）を測定する装置として、レーザー光を測定対象空間に照射し、測定対象空間に存在する微粒子により散乱したレイリー散乱光を検出することで、測定対象空間に存在する微粒子の濃度を測定する技術が知られている（たとえば特許文献２）。

特開２０１５－１０５８９２号公報特開平９－２３６４１１号公報

上述したように、非接触により測定対象空間に存在するガスの濃度を測定する装置、および、非接触により測定対象空間に存在する微粒子（ダスト）を測定する装置は、それぞれ知られていたが、近年、非接触により測定対象空間に存在するガスおよび微粒子（ダスト）を単一の装置で同時に測定することができる濃度測定装置が求められていた。

本発明は、非接触により測定対象空間に存在するガスおよび微粒子の濃度を単一の装置で同時に測定することが可能な濃度測定装置および濃度測定方法を提供することを目的とする。

本発明に係る濃度測定装置は、レーザー光を出射する発振器を備えたレーザー装置と、測定対象空間からの弾性散乱光を検出する第１検出装置と、前記測定対象空間からのラマン散乱光を検出する第２検出装置と、前記第１検出装置により検出された弾性散乱光の受光信号に基づいて微粒子の濃度を測定するとともに、前記第２検出装置により検出されたラマン散乱光の受光信号に基づいてガスの濃度を測定する測定部と、を備え、前記第１検出装置および前記第２検出装置は、前記レーザー装置から照射されたレーザー光により生じた弾性散乱光とラマン散乱光とをそれぞれ同時に検出すること、前記測定部は、前記第２検出装置により検出したラマン散乱光における前記微粒子の影響による変動量を前記第１検出装置により検出した弾性散乱光の受光信号に基づいて算出し、当該算出した変動量に基づいて前記第２検出装置により検出したラマン散乱光の受光信号の信号強度を補正し、当該補正した信号強度に基づいて前記ガスの濃度を測定することを特徴とする。

上記濃度測定装置において、前記測定部は、前記測定対象空間に前記ガスが存在せず前記微粒子が存在する場合に前記第２検出装置により検出されるラマン散乱光における前記微粒子に起因する信号強度の変動量と、前記測定対象空間に前記ガスが存在せず前記微粒子が存在する場合に前記第１検出装置により検出される弾性散乱光の受光信号の信号強度との関係を予め記憶している記憶装置をさらに有し、前記測定部は、前記第１検出装置により検出した弾性散乱光の受光信号の信号強度に基づいて、前記第２検出装置により検出したラマン散乱光の受光信号の信号強度における前記微粒子の影響による変動量を算出し、当該算出した変動量を前記第２検出装置により検出したラマン散乱光の受光信号の信号強度から差し引くことで、前記第２検出装置により検出したラマン散乱光の受光信号の信号強度を補正するように構成することができる。
上記濃度測定装置において、前記レーザー装置から照射されたレーザー光により生じた弾性散乱光とラマン散乱光とを受光する受光光学系をさらに有し、前記受光光学系は、前記測定対象空間で生じた弾性散乱光およびラマン散乱光を含む光を前記第１検出装置に伝達するための第１光学系と、前記測定対象空間で生じた弾性散乱光およびラマン散乱光を含む光を前記第２検出装置に伝達するための第２光学系と、を有するように構成することができる。
上記濃度測定装置において、前記受光光学系は、前記測定対象空間から前記レーザー光の照射方向と交差する方向に放射された弾性散乱光およびラマン散乱光を含む光を反射して前記第１光学系に伝達する第１プリズムと、前記測定対象空間から前記レーザー光の照射方向と交差する方向に放射された弾性散乱光およびラマン散乱光を含む光を反射して前記第２光学系に伝達する第２プリズムと、を有するように構成することができる。
上記濃度測定装置において、前記受光光学系から前記第１検出装置または前記第２検出装置に、前記測定対象空間で生じた弾性散乱光およびラマン散乱光を含む光を伝達する光ファイバーをさらに有するように構成することができる。
上記濃度測定装置において、前記第２検出装置は、前記測定対象空間で生じた弾性散乱光およびラマン散乱光を含む光からラマン散乱光を抽出するために、回折格子または光学フィルタを有するように構成することができる。
上記濃度測定装置において、前記弾性散乱光は、レイリー散乱光およびミー散乱光であるように構成することができる。
上記濃度測定装置において、前記第２検出装置は、複数の異なる波長域のラマン散乱光を検出することができ、前記測定部は、前記第２検出装置により検出された複数の異なる波長域のラマン散乱光に基づいて前記ガスの種類を特定することができるように構成することができる。
上記濃度測定装置において、前記第２検出装置は、複数の異なる波長域のラマン散乱光を検出することができ、前記測定部は、前記第２検出装置により検出された複数の異なる波長域のラマン散乱光に基づいて複数種類のガスの濃度を測定することができるように構成することができる。

本発明に係る濃度測定方法は、レーザー光を測定対象空間に照射し、前記測定対象空間からの弾性散乱光を第１検出装置で受光するとともに、前記測定対象空間からのラマン散乱光を第２検出装置で受光する受光工程、前記第１検出装置で検出された弾性散乱光の受光信号に基づいて微粒子の濃度を測定するとともに、前記第２検出装置で検出されたラマン散乱光の受光信号に基づいてガスの濃度を測定する濃度測定工程、を備え、前記受光工程において、前記第１検出装置および前記第２検出装置は、前記レーザー光に起因する弾性散乱光とラマン散乱光とをそれぞれ同時に検出すること、前記濃度測定工程において、前記第２検出装置により検出したラマン散乱光における前記微粒子の影響による変動量を前記第１検出装置により検出した弾性散乱光の受光信号に基づいて算出し、当該算出した変動量に基づいて前記第２検出装置により検出したラマン散乱光の受光信号の信号強度を補正し、当該補正した信号強度に基づいて前記ガスの濃度を測定することを特徴とする。

本発明によれば、非接触により測定対象空間に存在するガスおよび微粒子（ダスト）を単一の装置で同時に測定することができる。

本実施形態に係る濃度測定装置を示す構成図である。本実施形態に係る受光光学系の構成を示す構成図である。微粒子が存在する場合と存在しない場合のラマン散乱光の受光信号の信号強度の一例を示すグラフである。微粒子が存在しない場合における、メタンガスの濃度と、ラマン散乱光の受光信号の信号強度との関係の一例を示す図である。第１検出装置により検出されるレイリー散乱光の受光信号の信号強度と、第２検出装置により検出されるラマン散乱光の受光信号の信号強度において、レイリー散乱光に起因する信号強度との関係の一例を示す図である。他の実施形態に係る受光光学系の構成を示す構成図である。他の実施形態に係る濃度測定装置を示す構成図である。

以下に、図に基づいて、本実施形態に係る濃度測定装置を説明する。図１は、本実施形態に係る濃度測定装置１を示す構成図である。濃度測定装置１は、図１に示すように、レーザー装置１０と、受光光学系２０と、第１検出装置３０と、第２検出装置４０と、第１光ファイバー５０と、第２光ファイバー６０と、測定部７０とを一体的に備えている。そして、濃度測定装置１は、レーザー装置１０により測定対象空間Ｓに対してレーザー光を照射することで、レーザー装置１０から照射されたレーザー光により生じた弾性散乱光とラマン散乱光とを第１検出装置３０および第２検出装置４０でそれぞれ同時に検出し、測定することができる。なお、本実施形態では、測定対象のガスとして、メタンガスの濃度を測定する構成を例示するが、濃度測定装置１が測定可能なガスは特に限定されず、たとえば、ＣＯ_２，Ｏ_２，ＣＯ，Ｎ_２，Ｈ_２Ｓ，Ｈ_２，ＮＨ_３を測定対象とすることができる。また、本実施形態では、弾性散乱光として、微粒子（平均粒径が数十ｎｍ～数十μｍのダスト粒子）により弾性散乱したレイリー散乱光を受光する構成を例示するが、弾性散乱光はレイリー散乱光に限定されず、レイリー散乱光およびミー散乱光を検出する構成とすることもできるし、ミー散乱光のみを検出する構成とすることもできる。なお、図１においては、電気信号の伝達を実線で示し、光の伝達を破線で示している（後述する図７も同様）。

レーザー装置１０は、被照射物に照射するためのパルスレーザー光を発振し、照射する。レーザー装置１０は、図１に示すように、レーザー光源１１、偏光ビームスプリッタ１２、λ／２波長板１３、凸レンズ１４、およびピンホール１５を有する。

レーザー光源１１は、特に限定されないが、本実施形態においては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを使用する。また本実施形態において、レーザー光源１１は、基本波である３５５ｎｍのパルスレーザー光を、数ｎｓ～数十ｎｓのパルス幅、且つ、１０Ｈｚ～数ｋＨｚの繰り返し周波数で出力する。レーザー装置１０から照射されたパルスレーザー光は、偏光ビームスプリッタ１２に入射される。

偏光ビームスプリッタ１２は、レーザー光源１１から出射されたレーザー光を、Ｓ偏光の反射光と、Ｐ偏光の透過光とに分割する。具体的には、レーザー光のＳ偏光成分が偏光ビームスプリッタ１２により反射されてＳ偏光の反射光として射出される。また、レーザー光のＰ偏光は、偏光ビームスプリッタ１２を透過してＰ偏光の透過光として射出される。また、偏光ビームスプリッタ１２の後方（レーザー光源１１と反対側）にはλ／２波長板１３が配置されており、偏光ビームスプリッタ１２で分割されたＰ偏光がλ／２波長板１３に入射されて偏光方位が変更される。なお、Ｓ偏光はλ／２波長板１３に入射されずに排出される。λ／２波長板１３は、光学軸を入射光の偏光方位からθ傾けることにより、出射光の偏光方位を入射光方位に対し２θ傾けるものであり、たとえば、λ／２波長板１３の偏光方位を４５°傾けると、レーザー光の直線偏光を、それと直交する直線偏光に変換することができる。また、λ／２波長板１３は、図示しない波長板回転機構により回転角を調整することが可能である。このような波長板回転機構の一例として、λ／２波長板１３を固定した固定枠を、ヘリコイド溝（螺旋溝）が内面に形成された回転筒に嵌合した機構が挙げられる。この場合、回転筒を回転させることで、λ／２波長板１３の回転角を調整することができる。なお、λ／２波長板１３は、後述する凸レンズ１４とピンホール１５との間に配置してもよい。

凸レンズ１４は、拡散したレーザー光を収束する。ピンホール１５は、たとえば開口径が１ｍｍφの孔である。凸レンズ１４で収束された光は、ピンホール１５で絞られて、測定対象空間Ｓにおいて１ｍｍφの大きさとなるように調整される。なお、凸レンズ１４は、平凸レンズにより構成してもよい。

図２は、本実施形態に係る受光光学系２０の構成を示す構成図である。受光光学系２０は、図２に示すように、レーザー装置１０から測定対象空間Ｓに対してレーザー光Ｌ１が照射され、それにより、測定対象空間Ｓに存在するガスや微粒子から生じた光（レイリー散乱光およびラマン散乱光を含む光）Ｌ２，Ｌ３を受光する。図２に示すように、受光光学系２０は、第１凸レンズ２１、第２凸レンズ２２、第３凸レンズ２３、第１ファイバーフェルール２４、および第２ファイバーフェルール２５を備える。

第１凸レンズ２１は、レーザー装置１０により照射されたレーザー光を測定対象空間Ｓで合焦させるためのレンズである。また、第２凸レンズ２２は、測定対象空間Ｓから放出された光Ｌ２（レイリー散乱光およびラマン散乱光を含む）を集光し、第１光ファイバー５０に集光した光を伝達するためのレンズである。第１光ファイバー５０の先端位置は第１ファイバーフェルール２４で位置決めされており、第２凸レンズ２２で集光された光を第１光ファイバー５０に伝達することができる。同様に、第３凸レンズ２３は、測定対象空間Ｓから放出された光Ｌ３（レイリー散乱光およびラマン散乱光を含む）を集光し、第２光ファイバー６０に集光した光を伝達するためのレンズである。第２光ファイバー６０の先端位置も第２ファイバーフェルール２５で位置決めされており、第３凸レンズ２３で集光された光を第２光ファイバー６０に伝達することができる。

第１検出装置３０は、第１光ファイバー５０を介して伝達された光Ｌ２（レイリー散乱光およびラマン散乱光を含む）から、微粒子によるレイリー散乱光を抽出し、抽出したレイリー散乱光の強度に応じた信号強度の受光信号を出力する。図１に示すように、第１検出装置３０は、光ファイバー端部３１、集光レンズ３２、平凸レンズ３３、バンドパスフィルタ３４、および光センサ３５を有する。

受光光学系２０から第１光ファイバー５０を介して伝達された光Ｌ２（レイリー散乱光およびラマン散乱光を含む）は、光ファイバー端部３１を介して、集光レンズ３２に射出される。集光レンズ３２は、光ファイバー端部３１から射出された光を集光し、集光した光を平凸レンズ３３に照射する。平凸レンズ３３は、集光レンズ３２により集光された光を平行光とし、バンドパスフィルタ３４に出力する。バンドパスフィルタ３４は、たとえばレイリー散乱光の波長である３５５ｎｍ周辺（レーザー装置１０から放出されるレーザー光の波長と同じ波長周辺）の光を選択的に透過し、ラマン散乱光などの他の波長の光を遮断する。これにより、測定対象空間Ｓに照射され、測定対象空間Ｓに存在する微粒子（ダスト）により反射されたレイリー散乱光が、光センサ３５により選択的に受光される。そして、光センサ３５は、受光したレイリー散乱光の強度に応じた受光信号を測定部７０に出力する。なお、光センサ３５は、一つの光センサから構成されたもの（例えば、アバランシェフォトダイオードまたは光電子増倍管）であってもよいし、複数の光センサによって構成されたマルチチャンネル型センサ（たとえば、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサ）であってもよい。本実施形態では、光センサ３５として光電子増倍管を用いている。

第２検出装置４０は、第２光ファイバー６０を介して伝達された光Ｌ３（レイリー散乱光およびラマン散乱光を含む）から、補正前ラマン散乱光を抽出し、抽出した補正前ラマン散乱光の強度に応じた信号強度の受光信号を出力する（なお、後述するように抽出したラマン散乱光にはレイリー散乱光の影響があるため、補正処理が必要である）。図１に示すように、第２検出装置４０は、光ファイバー端部４１、集光レンズ４２、エッジフィルタ４３、バンドパスフィルタ４４、および光センサ４５を有する。

受光光学系２０から第２光ファイバー６０を介して伝達された光Ｌ３（レイリー散乱光およびラマン散乱光を含む）は、光ファイバー端部４１を介して、集光レンズ４２に射出される。集光レンズ４２は、光ファイバー端部４１から射出された光を集光し、集光した光をエッジフィルタ４３に射出する。エッジフィルタ４３は、集光レンズ４２により集光された光から、レーザー光に対応する波長（本実施形態では３５５ｎｍ）を含む短波長、もしくは長波長側の光を遮断し、その他の波長の光を選択的に透過させる。さらに、エッジフィルタ４３の後方であって、光センサ４５の前には、測定対象ガス（本実施形態ではメタンガス）のラマン散乱光を選択的に受光するためのバンドパスフィルタ４４が配置されている。このように、本実施形態では、エッジフィルタ４３およびバンドパスフィルタ４４により、測定対象空間Ｓに存在するガスにより生じたラマン散乱光を、光センサ４５において選択的に受光することができる。そして、光センサ４５は、受光したラマン散乱光の強度に応じた受光信号を測定部７０に出力する。なお、光センサ４５は、光センサ３５と同様に、一つの光センサから構成されたもの（例えば、アバランシェフォトダイオードまたは光電子増倍管）であってもよいし、複数の光センサによって構成されたマルチチャンネル型センサ（たとえば、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサ）であってもよい。本実施形態では、光センサ３５と同様に、光センサ４５として光電子増倍管を用いている。また、バンドパスフィルタ４４は、複数枚のフィルタが装着可能なフィルターホイールに実装することができる。この場合、他のガス種のラマン散乱波長に対応する透過波長帯域のバンドパスフィルタを別のポジションに実装してホイールを回転させることにより、メタンガス以外の分子の計測も可能となる。

測定部７０は、第１検出装置３０で測定されたレイリー散乱光の受光信号に基づいて、測定対象空間Ｓに存在する微粒子（ダスト）を測定するとともに、第２検出装置４０で測定したラマン散乱光の受光信号に基づいて、測定対象空間Ｓに存在するガスの濃度を測定する。なお、レイリー散乱光の受光信号に基づく微粒子の濃度の測定方法については、公知の方法で行うことが可能である。一方で、ラマン散乱光の受光信号に基づくガスの濃度の測定方法については、後述するように、補正前ラマン散乱光の受光信号に含まれるレイリー散乱光の影響を除去するため、補正前ラマン散乱光の受光信号を補正する処理を行い、補正後の受光信号に基づいて、測定対象空間Ｓに存在するガスの濃度を測定する。

すなわち、図３に示すように、微粒子（ダスト）が存在する場合（図３のＡに示す）と、微粒子が存在しない場合（図３に示すＢに示す）とで、第２検出装置４０で検出されるラマン散乱光の受光信号の信号強度に差が生じ、微粒子（ダスト）の存在が、ラマン散乱光に影響することが分かる。具体的には、（Ｂ）微粒子（ダスト）が存在しない場合と比べて、（Ａ）微粒子（ダスト）が存在する場合には、ラマン散乱光の受光信号の信号強度が高くなることが分かった。より具体的には、図３は、第２検出装置４０で検出されたラマン散乱光の受光信号の時間波形を示しており、ラマン散乱光の受光信号の信号強度の最大値が、（Ｂ）微粒子（ダスト）を含まない場合では３７ｍＶ程度であったが、（Ａ）微粒子（ダスト）を含む場合には６５ｍＶ程度となった。なお、図３に示す例では、測定対象空間Ｓであるガスセル内に、（Ａ）微粒子（ダスト）として線香の煙を充填するとともに、メタンガスを５０％の濃度で充填した場合と、（Ｂ）微粒子（ダスト）を含めずに、メタンガスのみを５０％の濃度で充填した場合とで、ラマン散乱光の受光信号の信号強度を測定しており、（Ａ）および（Ｂ）はともに測定対象空間Ｓのメタンガスの濃度は同じ５０％となっている。

図４は、微粒子（ダスト）が存在しない場合における、メタンガスの濃度と、ラマン散乱光の受光信号の強度との関係を示すグラフである。図４に示すように、微粒子（ダスト）が存在しない場合、メタンガスの濃度と、ラマン散乱光の受光信号の強度とは線形の相関関係にある。図３に示す例では、メタンガスの濃度を５０％としており、図４に示すグラフを参照すると、メタンガスの濃度が５０％の場合のラマン散乱光の受光信号の信号強度は３５ｍＶ程度となっている。これは、図３における微粒子（ダスト）が存在しない場合（図３のＢで示す場合）の受光信号の信号強度とほぼ一致する。そうすると、図３に示す例において、（Ａ）微粒子（ダスト）が存在する場合のラマン散乱光の受光信号の信号強度である約６５ｍＶと、（Ｂ）微粒子（ダスト）が存在しない場合のラマン散乱光の受光信号の信号強度である約３７ｍＶとの差である約２８ｍＶが、微粒子（ダスト）の影響によるラマン散乱光の受光信号の信号強度の変動量Ｖと言えることとなる。

そこで、発明者は、測定対象空間Ｓであるガスセルに、ガスを含めないで、微粒子（ダスト）のみを異なる濃度で充填し、第１検出装置３０で検出されるレイリー散乱光の受光信号の信号強度と、第２検出装置４０で検出されるラマン散乱光の受光信号の信号強度との関係を予め測定し、図５に示すように、グラフにした。なお、この場合、測定対象空間Ｓにガスは充填されていないため、第２検出装置４０で検出されるラマン散乱光の受光信号の信号強度は、微粒子（ダスト）の影響によるラマン散乱光の受光信号の信号強度の変動量Ｖと言え、そのため、図５に示すグラフは、レイリー散乱光の受光信号の信号強度と、微粒子（ダスト）の影響によるラマン散乱光の受光信号の信号強度の変動量Ｖとの関係を示すグラフと言える。図５に示すように、レイリー散乱光の受光信号の信号強度と、微粒子（ダスト）の影響によるラマン散乱光の受光信号の信号強度の変動量Ｖとにも、線形の相関関係があることが分かる。

本実施形態では、図５に示すように、予め求めた、レイリー散乱光の受光信号の信号強度と、微粒子（ダスト）の影響によるラマン散乱光の受光信号の信号強度の変動量Ｖとの関係を、測定部７０の記憶装置７１に予め記憶しておく。これにより、測定部７０は、記憶装置に記憶したレイリー散乱光の受光信号の信号強度と、微粒子（ダスト）の影響によるラマン散乱光の受光信号の信号強度の変動量Ｖとの関係を参照することで、第１検出装置３０で検出したレイリー散乱光の受光信号の信号強度から、微粒子（ダスト）の影響によるラマン散乱光の受光信号の信号強度の変動量Ｖを求め、求めた変動量Ｖに基づいて、実際のラマン散乱光に応じた受光信号の信号強度を求めることができ、測定対象空間Ｓのガスの濃度を適切に測定することができる。

具体的には、測定部７０は、まず、第１検出装置３０により検出されたレイリー散乱光の受光信号の信号強度を取得する。そして、測定部７０は、図５に示すような、レイリー散乱光の受光信号の信号強度と、微粒子（ダスト）の影響によるラマン散乱光の受光信号の信号強度の変動量Ｖとの関係とを参照し、第１検出装置３０が検出したレイリー散乱光の受光信号の信号強度から、微粒子（ダスト）の影響によるラマン散乱光の受光信号の信号強度の変動量Ｖを算出する。さらに、測定部７０は、第２検出装置４０から出力されたラマン散乱光の受光信号の信号強度から、算出したラマン散乱光の受光信号の信号強度の変動量Ｖを差し引き、実際のラマン散乱光の受光信号の信号強度を算出する。そして、測定部７０は、図４に示すように、実際のラマン散乱光の受光信号の信号強度と、測定対象ガスの濃度との関係に基づいて、実際のラマン散乱光の受光信号の信号強度から、測定対象ガスの濃度を予測することができる。なお、測定部７０の記憶装置７１には、図４に示すように、測定対象ガスの濃度と、実際のラマン散乱光の受光信号の信号強度との関係が、予め記憶されている。また、測定部７０は、図４に示す実際のラマン散乱光の受光信号の信号強度と、測定対象ガスの濃度との関係、および、図５に示すレイリー散乱光の受光信号の信号強度と、微粒子（ダスト）の影響によるラマン散乱光の受光信号の信号強度の変動量Ｖとの関係を、関係式として記憶しておいてもよいし、テーブルとして記憶しておいてもよい。

たとえば、第１検出装置３０から出力されたレイリー散乱光の受光信号の信号強度が１０ｍＶであり、第２検出装置４０から出力されたラマン散乱光の受光信号の信号強度が、図３のＢに示すように、６５ｍＶである場合、測定部７０は、図５に示すレイリー散乱光の受光信号の信号強度と、微粒子（ダスト）の影響によるラマン散乱光の受光信号の信号強度の変動量Ｖとの関係を参照し、レイリー散乱光の受光信号の信号強度１０ｍＶから、微粒子（ダスト）の影響によるラマン散乱光の受光信号の信号強度の変動量Ｖを３０ｍＶとして算出する。そして、測定部７０は、第２検出装置４０から出力されたラマン散乱光の受光信号の信号強度６５ｍＶから、ラマン散乱光の受光信号の信号強度の変動量Ｖの３０ｍＶを差し引いて、実際のラマン散乱光の受光信号の信号強度を３５ｍＶとして算出する。さらに、測定部７０は、図４に示す測定対象ガスの濃度と、実際のラマン散乱光の受光信号の信号強度との関係を参照し、実際のラマン散乱光の受光信号の信号強度３５ｍＶから、測定対象ガスの濃度を５０％として算出することができる。

以上のように、本実施形態に係る濃度測定装置１では、測定対象空間Ｓにレーザー光を照射するレーザー装置１０と、測定対象空間Ｓからのレイリー散乱光を検出する第１検出装置３０と、測定対象空間Ｓからのラマン散乱光を検出する第２検出装置４０と、第１検出装置３０により検出されたレイリー散乱光の受光信号の信号強度に基づいて微粒子の濃度を測定するとともに、第２検出装置４０により検出されたラマン散乱光の受光信号に基づいてガスの濃度を測定する測定部７０と、を備え、第１検出装置３０および第２検出装置４０が、レーザー装置１０から照射されたレーザー光により生じたレイリー散乱光とラマン散乱光とをそれぞれ同時に検出する。これにより、本実施形態に係る濃度測定装置１では、非接触により測定対象空間に存在するガスおよび微粒子（ダスト）を単一の装置で同時に連続して測定することができる。そのため、本実施形態に係る濃度測定装置１は、たとえば、工場などで排出されるばい煙のダストやＳＯｘなどのガスを同時に連続して測定する用途に用いることが可能となる。すなわち、従来では、非接触により測定対象空間に存在するガスの濃度を測定する装置、および、非接触により測定対象空間に存在する微粒子（ダスト）を測定する装置がそれぞれ知られていたが、これらの２台の装置を用いてガスと微粒子とを測定する場合、２台の装置を同期させて、ガスと微粒子（ダスト）とを同時に測定することは困難であった（２台同時にレーザー光を照射させても実際には僅かに時差が生じてしまい、ガスと微粒子（ダスト）との測定時刻に僅かに時差が生じてしまっていた）。これに対して、本実施形態に係る濃度測定装置では、同じレーザー光に起因して生じたガスと微粒子（ダスト）を測定することができるため、同期を行うことなく、ガスと微粒子（ダスト）とを同時に連続して測定することが可能である。

また、上述したように、測定対象空間Ｓに微粒子（ダスト）が存在する場合には、測定対象空間Ｓからのラマン散乱光には、微粒子（ダスト）の影響も含まれてしまうが、本実施形態に係る濃度測定装置１では、測定部７０が、第２検出装置４０により検出したラマン散乱光の受光信号の信号強度を、第１検出装置３０により検出したレイリー散乱光の受光信号の信号強度に基づいて補正することで、第２検出装置４０により検出したラマン散乱光の受光信号の信号強度から微粒子（ダスト）の影響を除外し、実際のラマン散乱光の受光信号の信号強度を取得することができるため、測定対象空間Ｓに微粒子（ダスト）が存在する場合でも、測定対象空間Ｓに存在するガスを適切に測定することができる。測定対象空間Ｓは例示のガスセルに限定されず、開放空間であってもよいし、煙道のように流れを伴う空間であってもよい。

特に、本実施形態では、測定部７０が、第２検出装置４０により検出されるラマン散乱光の受光信号の信号強度のうちレイリー散乱光に起因する信号強度と、第１検出装置３０により検出されるレイリー散乱光の受光信号の信号強度との関係を予め記憶しており、第１検出装置３０により検出したレイリー散乱光の受光信号の信号強度に基づいて、第２検出装置４０により検出されるラマン散乱光の受光信号の信号強度におけるレイリー散乱光に起因する信号強度を求め、第２検出装置４０により検出したラマン散乱光の受光信号の信号強度と、レイリー散乱光に起因する信号強度との差分を、実際のラマン散乱光の受光信号の信号強度として算出することで、測定対象空間Ｓに微粒子（ダスト）が存在する場合でも、測定対象空間Ｓに存在するガスを適切に測定することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態例について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の記載に限定されるものではない。上記実施形態例には様々な変更・改良を加えることが可能であり、そのような変更または改良を加えた形態のものも本発明の技術的範囲に含まれる。

たとえば、上述した実施形態では、受光光学系２０として、図２に示す構成を例示したが、この構成に限定されず、たとえば、図６に示すように、受光光学系２０ａは、直角プリズム２６，２７をさらに備える構成とすることができる。ここで、ラマン散乱光はレーザー光の光軸に対して９０°の角度をなす位置において強度が最も高くなる指向性を有しており、図６に示すように、直角プリズム２７を用いて、レーザー光の光軸に対して９０°の角度をなす位置を測定することで、ラマン散乱光の受光強度を高くすることができる。

また、上述した実施形態に係る濃度測定装置１では、図１に示すように、第２検出装置４０が、光ファイバー端部４１、集光レンズ４２、エッジフィルタ４３、バンドパスフィルタ４４、および光センサ４５を有する構成を例示したが、この構成に限定されず、たとえば、図７に示すように、濃度測定装置１ａにおいて、第２検出装置４０ａを、光ファイバー端部４１、集光レンズ４２、凸レンズ４６、回折格子４７、ピンホール４８、凸レンズ４９、バンドパスフィルタ４４、および光センサ４５を有する構成としてもよい。回折格子４７としては、測定対象ガスのラマン散乱光の波長に応じた波長領域の光を分光できるようにブレーズ角が調整されたブレーズド回折格子を用いることができる。回折格子４７から放出された光はピンホール４８で絞られた後、凸レンズ４９で集光され、バンドパスフィルタ４４に入射される。これにより、上述した実施形態と同様に、測定対象ガスのラマン散乱光を、光センサ４５において選択的に受光することができる。

さらに、上述した実施形態では、第２検出装置４０が、測定対象空間Ｓに存在する単一のガスに起因するラマン散乱光を検出する構成を例示したが、これとは異なり、第２検出装置４０で測定対象空間Ｓに存在する複数種類のガスに起因するラマン散乱光を検出し、測定部７０によりガスの種類を特定するように構成することもできる。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に固有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、物質に固有の量となる。そのため、たとえば第２検出装置４０に、複数枚の異なる透過中心波長を有するフィルタが装着可能なフィルターホイールを実装させ、各種類のガスに由来するラマン散乱光の波長に対応する透過波長帯域のバンドパスフィルタをそれぞれ別のポジションに実装しておき、フィルターホイールを回転させて、各バンドパスフィルタでラマン散乱光を受光し、各受光信号を測定部７０に送信することで、測定対象空間Ｓに存在するガスの種別を特定することができる。ここで、各受光信号を上述と同様の処理により補正することが好ましい。また、フィルターホイールを回転させる駆動装置を設け、測定部７０によりフィルターホイールを自動で回転させるように構成してもよい。また、上述のフィルターホイールに代え、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構成を採用することでガスの種別を特定するようにしてもよい。

また、第２検出装置４０を、第１のガス種のラマン散乱光を検出する光学系および受光信号出力装置と、第２のガス種のラマン散乱光を検出する光学系および受光信号出力装置とを備えて構成することにより、複数種類のガスの濃度を同時に測定可能に構成してもよく、さらに第３以降のガス種のラマン散乱光を検出するように構成してもよい（この場合も各光学系で抽出したラマン散乱光の受光信号を補正することが好ましい）。

１，１ａ…濃度測定装置
１０…レーザー装置
１１…レーザー光源
１２…偏光ビームスプリッタ
１３…λ／２波長板
１４…凸レンズ１４
１５…ピンホール
２０，２０ａ…受光光学系
２１…第１凸レンズ
２２…第２凸レンズ
２３…第３凸レンズ
２４…第１ファイバーフェルール
２５…第２ファイバーフェルール
３０…第１検出装置
３１…光ファイバー端部
３２…集光レンズ
３３…平凸レンズ
３４…バンドパスフィルタ
３５…光センサ
４０，４０ａ…第２検出装置
４１…光ファイバー端部
４２…集光レンズ
４３…エッジフィルタ
４４…バンドパスフィルタ
４５…光センサ
４６…凸レンズ
４７…回折格子
４８…ピンホール
４９…凸レンズ
５０…第１光ファイバー
６０…第２光ファイバー
７０…測定部

Claims

レーザー光を出射する発振器を備えたレーザー装置と、
測定対象空間からの弾性散乱光を検出する第１検出装置と、
前記測定対象空間からのラマン散乱光を検出する第２検出装置と、
前記第１検出装置により検出された弾性散乱光の受光信号に基づいて微粒子の濃度を測定するとともに、前記第２検出装置により検出されたラマン散乱光の受光信号に基づいてガスの濃度を測定する測定部と、を備え、
前記第１検出装置および前記第２検出装置は、前記レーザー装置から照射されたレーザー光により生じた弾性散乱光とラマン散乱光とをそれぞれ同時に検出すること、
前記測定部は、前記第２検出装置により検出したラマン散乱光における前記微粒子の影響による変動量を前記第１検出装置により検出した弾性散乱光の受光信号に基づいて算出し、当該算出した変動量に基づいて前記第２検出装置により検出したラマン散乱光の受光信号の信号強度を補正し、当該補正した信号強度に基づいて前記ガスの濃度を測定することを特徴とする、濃度測定装置。
前記測定部は、前記測定対象空間に前記ガスが存在せず前記微粒子が存在する場合に前記第２検出装置により検出されるラマン散乱光における前記微粒子に起因する信号強度の変動量と、前記測定対象空間に前記ガスが存在せず前記微粒子が存在する場合に前記第１検出装置により検出される弾性散乱光の受光信号の信号強度との関係を予め記憶している記憶装置をさらに有し、
前記測定部は、前記第１検出装置により検出した弾性散乱光の受光信号の信号強度に基づいて、前記第２検出装置により検出したラマン散乱光の受光信号の信号強度における前記微粒子の影響による変動量を算出し、当該算出した変動量を前記第２検出装置により検出したラマン散乱光の受光信号の信号強度から差し引くことで、前記第２検出装置により検出したラマン散乱光の受光信号の信号強度を補正する請求項１に記載の濃度測定装置。
前記レーザー装置から照射されたレーザー光により生じた弾性散乱光とラマン散乱光とを受光する受光光学系をさらに有し、
前記受光光学系は、前記測定対象空間で生じた弾性散乱光およびラマン散乱光を含む光を前記第１検出装置に伝達するための第１光学系と、前記測定対象空間で生じた弾性散乱光およびラマン散乱光を含む光を前記第２検出装置に伝達するための第２光学系と、を有する、請求項１または２に記載の濃度測定装置。
前記受光光学系は、前記測定対象空間から前記レーザー光の照射方向と交差する方向に放射された弾性散乱光およびラマン散乱光を含む光を反射して前記第１光学系に伝達する第１プリズムと、前記測定対象空間から前記レーザー光の照射方向と交差する方向に放射された弾性散乱光およびラマン散乱光を含む光を反射して前記第２光学系に伝達する第２プリズムと、を有する、請求項３に記載の濃度測定装置。
前記受光光学系から前記第１検出装置または前記第２検出装置に、前記測定対象空間で生じた弾性散乱光およびラマン散乱光を含む光を伝達する光ファイバーをさらに有する、請求項３または４に記載の濃度測定装置。
前記第２検出装置は、前記測定対象空間で生じた弾性散乱光およびラマン散乱光を含む光からラマン散乱光を抽出するために、回折格子または光学フィルタを有する、請求項１ないし５のいずれかに記載の濃度測定装置。
前記弾性散乱光は、レイリー散乱光およびミー散乱光である、請求項１ないし６のいずれかに記載の濃度測定装置。
前記第２検出装置は、複数の異なる波長域のラマン散乱光を検出することができ、
前記測定部は、前記第２検出装置により検出された複数の異なる波長域のラマン散乱光に基づいて前記ガスの種類を特定することができる、請求項１ないし７のいずれかに記載の濃度測定装置。
前記第２検出装置は、複数の異なる波長域のラマン散乱光を検出することができ、
前記測定部は、前記第２検出装置により検出された複数の異なる波長域のラマン散乱光に基づいて複数種類のガスの濃度を測定することができる、請求項１ないし８のいずれかに記載の濃度測定装置。
レーザー光を測定対象空間に照射し、前記測定対象空間からの弾性散乱光を第１検出装置で受光するとともに、前記測定対象空間からのラマン散乱光を第２検出装置で受光する受光工程、
前記第１検出装置で検出された弾性散乱光の受光信号に基づいて微粒子の濃度を測定するとともに、前記第２検出装置で検出されたラマン散乱光の受光信号に基づいてガスの濃度を測定する濃度測定工程、を備え、
前記受光工程において、前記第１検出装置および前記第２検出装置は、前記レーザー光に起因する弾性散乱光とラマン散乱光とをそれぞれ同時に検出すること、
前記濃度測定工程において、前記第２検出装置により検出したラマン散乱光における前記微粒子の影響による変動量を前記第１検出装置により検出した弾性散乱光の受光信号に基づいて算出し、当該算出した変動量に基づいて前記第２検出装置により検出したラマン散乱光の受光信号の信号強度を補正し、当該補正した信号強度に基づいて前記ガスの濃度を測定することを特徴とする、濃度測定方法。