特許 6248850 流体試料測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6248850

(24)【登録日】2017年12月1日

(45)【発行日】2017年12月20日

(54)【発明の名称】流体試料測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/65 20060101AFI20171211BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/65

【請求項の数】5

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-151541(P2014-151541)

(22)【出願日】2014年7月25日

(65)【公開番号】特開2016-29342(P2016-29342A)

(43)【公開日】2016年3月3日

【審査請求日】2016年10月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001069

【氏名又は名称】特許業務法人京都国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】畠堀 貴秀

(72)【発明者】

【氏名】田窪 健二

【審査官】 吉田 将志

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００６−５０１４８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０２９４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１５６５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５４３６４６５（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００、０１

１７−７４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

a) 内部を流体試料が流通する筒状部と、
b) 前記筒状部の側壁面に設けられた窓部と、
c) 前記窓部を通じて前記筒状部内部の測定点に励起光を照射する励起光学系と、
d) 前記測定点における流体試料からの測定光を前記窓部を通じて検出する検出光学系と、
e) 前記筒状部の側壁面の、前記励起光の光軸上の位置を含む領域に設けられた、該励起光の光軸と非平行な法線を持つ反射面を有する反射部と、
を備え、
前記反射面に黒色めっき処理が施されている
ことを特徴とする流体試料測定装置。

【請求項2】

前記反射面に平滑化処理が施されており、該処理により形成された加工痕の方向が、該反射面に入射する励起光の光軸及び該反射面で鏡面反射した励起光の光軸を含む面と平行であることを特徴とする請求項１に記載の流体試料測定装置。

【請求項3】

a) 内部を流体試料が流通する筒状部と、
b) 前記筒状部の側壁面に設けられた窓部と、
c) 前記窓部を通じて前記筒状部内部の測定点に励起光を照射する励起光学系と、
d) 前記測定点における流体試料からの測定光を前記窓部を通じて検出する検出光学系と、
e) 前記筒状部の側壁面の、前記励起光の光軸上の位置を含む領域に設けられた、該励起光の光軸と非平行な法線を持つ反射面を有する反射部と、
を備え、
前記反射面に平滑化処理が施されており、該処理により形成された加工痕の方向が、該反射面に入射する励起光の光軸及び該反射面で鏡面反射した励起光の光軸を含む面と平行である
ことを特徴とする流体試料測定装置。

【請求項4】

前記反射面の面精度の算術平均粗さRaがRa≦3.2μmであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体試料測定装置。

【請求項5】

前記反射面が、前記流体試料を透過した励起光を、該流体試料が流通する下流側に反射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の流体試料測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流体試料に励起光を照射し、該流体試料からの散乱光や発光を測定する流体試料測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

気体試料や液体試料といった流体試料に含まれる成分の特定や定量のために用いられる装置の一つにラマン分光分析装置がある。
ラマン分光測定では、試料に励起光を照射し、試料によりラマン散乱された光（ラマン散乱光）を測定してラマンスペクトルを作成する。ラマンスペクトルでは、励起光の波長よりも長波長側にストークス線、短波長側に反ストークス線が現れる。励起光の波長と、ストークス線（あるいは反ストークス線）の波長の差に対応するエネルギーは、分子の固有振動のエネルギーを反映する。そのため、このエネルギーの大きさから試料に含まれる物質を特定することができる。また、ラマン散乱スペクトルに現れるストークス線や反ストークス線の強度から、該ストークス線あるいは反ストークス線に対応する物質を定量することができる。

【0003】

特許文献１には、発電用ガスタービンに供給される燃料ガスが流れる配管（本管）の途中に設けられた分岐管内を流れる燃料ガス（被測定ガス）に励起光を照射し、被測定ガスからのラマン散乱光を測定して燃料ガス中の各成分の濃度を測定する装置が記載されている。この装置では、分岐管の壁面に設けられた窓部を通じて被測定ガスの流れに直交する方向に励起光を入射し、被測定ガスによって散乱されたラマン散乱光を測定する。このとき、被測定ガスを透過して分岐管の壁面で反射した光を検出してしまうとラマンスペクトルのノイズになってしまう。そこで、レーザ光の光路上に位置する分岐管の壁面に、内部に凹凸が形成された空間を有するレーザ光封じ込め手段を配置し、被測定ガスを透過した励起光をその内部で拡散及び吸収することによってノイズを低減している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４１６０８６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本管から分岐管に取り込んだガスを測定する装置では、分岐管の径が大きくなるほど、本管から分岐管に取り込まれた被測定ガスが測定位置に到達するまでに時間がかかり、測定のリアルタイム性が悪くなる。そのため、通常は分岐管の径を、測定光学系を配置可能な範囲でできるだけ小さくして測定のリアルタイム性を高めている。しかし、上述のように分岐管の壁面にレーザ光を内部に封じ込めるために十分な容積を持った空間を設けると、分岐管内部のガス流通空間の大きさに対してレーザ光封じ込め手段の内部空間の割合が大きくなり、分岐管を流れる被測定ガスが散乱防止手段の内部に滞留しやすくなる。すると、本管から分岐管に取り込まれてすぐに測定位置に到達したガスと、本管から分岐管に取り込まれた後に散乱防止手段の内部で滞留したガスが測定位置に混在して測定の正確性が失われてしまう。
ここでは本管から分岐管に取り込んだ気体試料からのラマン散乱光を測定する場合を例に挙げて説明したが、本管を流れる気体試料をそのまま測定する装置において本管の壁面に散乱防止手段を設けた場合にも、同様の問題が生じる。また、試料が液体である場合や、試料からの発光を測定する場合などにも同様の問題が生じる。

【0006】

本発明が解決しようとする課題は、流体試料に励起光を照射して該流体試料からの散乱光や発光を測定する流体試料測定装置において、測定の正確性を損なうことなくノイズ光を低減することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために成された本発明に係る流体試料測定装置は、
a) 内部を流体試料が流通する筒状部と、
b) 前記筒状部の側壁面に設けられた窓部と、
c) 前記窓部を通じて前記筒状部内部の測定点に励起光を照射する励起光学系と、
d) 前記測定点における流体試料からの測定光を前記窓部を通じて検出する検出光学系と、
e) 前記筒状部の側壁面の、前記励起光の光軸上の位置を含む領域に設けられた、該励起光の光軸と非平行な法線を持つ反射面を有する反射部と、
を備えることを特徴とする。

【0008】

上記筒状部は、内部を流体試料が流通可能な形状であればよく、円筒状や角筒状のものを用いることができる。
本発明に係る流体試料測定装置は、例えば、励起光の光軸を筒状部の側壁面に垂直な方向からずらすように、筒状部と励起光学系の相対的な位置関係を設定することにより構成することができる。この場合には、筒状部の側壁そのものが反射面となる。
また、励起光の光軸を筒状部の側壁面に対して垂直な方向とし、励起光が照射される側壁面の位置に、励起光の光軸と非平行な法線を持つ反射面を有する部材を取り付けることによって構成することもできる。

【0009】

本発明に係る流体試料測定装置では、励起光の光路上に位置する筒状部の側壁面の法線と励起光の光軸とが非平行であるため、流体試料を透過して筒状部の側壁面で鏡面反射した光は筒状部の窓部に向かわない。そのため、この反射光が窓部を通って検出光学系に導入されることがない。また、本発明に係る流体試料測定装置では、流体試料の流通空間が筒状部の内部のみであり流体試料が滞留することがないため、正確な測定を行うことができる。

【0010】

本発明に係る流体試料測定装置では、筒状部の壁面で鏡面反射した励起光が検出光学系に導入されることを防ぐことができる。しかし、筒状部の壁面で拡散反射する励起光の割合が高い場合には、拡散反射した励起光の一部が窓部を通って検出光学系に導入されてしまう。

【0011】

そこで、前記反射面には黒色めっき処理が施されていることが好ましい。これにより、光吸収率を高め、拡散反射する励起光の光量を抑えることができる。
あるいは、前記反射面には平滑化処理が施されていることが好ましい。これにより、窓部が位置しない方向に励起光をより多く鏡面反射させてノイズ光を抑えることができる。平滑化処理された反射面とは、例えば、機械加工によって実現可能であるRa(算術平均粗さ)≦3.2μmの反射面である。

【0012】

また、機械加工等によって反射面に平滑化処理を施すと、通常、直線状や円弧状の加工痕が形成される。本発明に係る流体試料測定装置では、このような加工痕の方向が、反射面に入射する励起光の光軸及び反射面で鏡面反射する励起光の光軸を含む面（励起光の入射面）と平行であることが好ましい。加工痕が延びる方向と直交する方向には微細な凹凸が存在し、この凹凸が並ぶ方向に拡散反射した励起光が拡がる。上記のように、加工痕の方向と励起光の入射面を平行にすると、拡散反射した励起光が拡がる方向が励起光の入射面に垂直な方向になり、窓部には入射しない。そのため、窓部に向かう励起光の光量をより一層抑えることができる。なお、加工痕が円弧状である場合には、励起光の照射位置における該円弧の接線を上記の入射面と平行にする。

【発明の効果】

【0013】

本発明に係る流体試料測定装置では、流体試料を透過して筒状部の側壁面で鏡面反射した光は筒状部の窓部には向かわないため、この反射光が検出光学系に導入されることがない。また、本発明に係る流体試料測定装置では、流体試料が滞留することがないため正確に流体試料を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に係る流体試料測定装置の一実施例であるガス成分測定装置の構成を説明する図。

【図2】反射面における励起光の拡散反射の方向を説明する図。

【図3】別の実施例であるガス成分測定装置の構成を説明する図。

【図4】さらに別の実施例であるガス成分測定装置の構成を説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明に係る流体試料測定装置の実施例を説明する。
本実施例の流体試料測定装置は、図１に示すように、被測定ガスが流通する本管１１に接続された分岐管１２に設けられ、該分岐管１２を流れる被測定ガスを測定するガス成分測定装置である。図１では、ガス成分測定装置の構成各部を図示するために、本管１１の内径と分岐管１２の内径を同程度で記載しているが、実際には、分岐管１２の内径は本管１１の内径よりも十分に小さく設定されており、本管１１を流れる被測定ガスのごく一部がサンプリングされて分岐管１２に導入される。

【0016】

本実施例のガス成分測定装置は、被測定ガスに照射する励起光を発するレーザ光源１３、レーザ光源１３から発せられた光を分岐管１２の側壁面に設けられた窓部１５の方向に反射するミラー１４、分岐管１２の側壁面の、励起光の光軸上の位置を含む領域に配置された反射部材１６、分岐管１２内部の測定点Ｍにおける試料からのラマン散乱光のうち、窓部１５から出射した光を集光するレンズを含む受光光学系１７、及び受光光学系１７により集光された光を検出する検出器１８を備えている。また、レーザ光源１３から発せられた光を測定点Ｍに集光させるためのレンズ等を含む照射光学系（図示なし）が適宜に用いられる。レーザ光源１３及び照射光学系は本発明の励起光学系に相当し、受光光学系１７及び検出器１８が本発明の検出光学系に相当する。

【0017】

反射部材１６の反射面は、励起光の光軸と非平行な法線を持つ向きに設定されている。これにより、被測定ガスを透過して分岐管２の側壁面に達した光（透過光）が窓部１５以外の方向に鏡面反射され、窓部１５及び受光光学系１７を通って検出器１８に入射することを防いでいる。

【0018】

本実施例の反射部材１６の反射面は、透過光を被測定ガスが流れる下流側に鏡面反射するような方向に設定されている。反射面は、透過光を窓部１５以外の方向に鏡面反射させる向きであればこれ以外の向きであってもよいが、反射面が上流側を向いているとガスに含まれるダストによって反射面の汚染や損傷が起き、ノイズ光が増加してしまう可能性がある。従って、反射面が励起光を被測定ガスが流通する下流側に反射するように設定することが望ましい。

【0019】

上記構成を採ることにより、反射面で鏡面反射した透過光が検出器に入射することを防ぐことができる。しかし、反射面で拡散反射する光は様々な方向に向かうため、拡散反射光の光量が多くなると、拡散反射光の一部が窓部１５及び受光光学系１７を通じて検出器１８に入射してしまう。そこで、本実施例では、反射面を機械加工により平滑化している
。これにより、透過光をより多く鏡面反射させ拡散反射光の光量を抑えている。また、反射面に黒色めっき処理を施して光吸収率を高め、拡散反射光の光量を抑えている。

【0020】

反射面に機械加工を施して平滑化すると、通常、反射面に直線状や円弧状の加工痕が形成される。本実施例の反射面には直線状の加工痕が形成されている。
図２(a)に示すように、加工痕が延びる方向（以下、「加工痕の方向」という。）と、反射面に入射する励起光の光軸及び反射面で鏡面反射する励起光の光軸を含む面（以下、「励起光の入射面」という。）が平行である場合、加工痕間の微細な凹凸が存在する方向が励起光の入射面に垂直な方向になる。拡散反射した励起光はこの凹凸が存在する方向に拡がるが、この光は窓部１５に向かわない。一方、図２(b)に示すように、加工痕の方向と励起光の入射面が垂直である場合、反射面で拡散反射した励起光は該励起光の入射面の面内方向に拡がり、その一部が窓部１５に到達してしまう。そのため、本実施例では、反射面に形成された加工痕の方向が励起光の入射面と平行になるように反射部材１６に配置している。なお、加工痕が円弧状である場合には、励起光の照射位置における該円弧の接線が上記の入射面と平行になるように反射部材を配置すればよい。

【0021】

なお、面精度やめっき処理の程度は、求められる測定精度に応じて適宜に設定することができる。従って、それほど高い測定精度が求められない場合には、例えば、機械加工のみを施して面精度をRa≦3.2μmに抑えた低コストの反射面を用いることもできる。一方、極めて高い測定精度が求められる場合には、分岐管１２の測定点Ｍ近傍の領域では、内壁面にも黒色めっき処理等の拡散反射防止処理を施すことが好ましい。これにより、透過光が分岐管１２の壁面で拡散反射して検出部１８に入射する可能性を更に低減することができる。

【0022】

図３に、本発明に係る流体試料測定装置の別の実施例であるガス成分測定装置の要部構成を示す。このガス成分測定装置も、上記同様に、光源２３、ミラー２４、窓部２５、反射部材２６、受光光学系２７、及び検出器２８を備えている。図１の実施例では、分岐管１２の側壁面に配置した反射部材１６の反射面を傾けることによって被測定ガスを透過した光（透過光）をガスの下流側に鏡面反射させていたが、この実施例では、光源２３とミラー２４を含む励起光学系、及び受光光学系２７と検出器２８を含む検出光学系に対して分岐管２２を傾けることによって透過光をガスの下流側に鏡面反射させている。

【0023】

この構成では、反射部材２６の反射面を、分岐管２２の側壁面に対して平行にすることができる。反射面は、透過光を窓部２５以外の方向に鏡面反射するように設けられていればよいが、分岐管２２の側壁面に対して平行に設定すると反射部材２６の作製が容易になる。なお、本実施例の構成においても、反射部材２６の反射面に適宜の表面加工処理と黒色めっき処理を施して透過光の拡散反射を抑えることが望ましい。

【0024】

図４に、本発明に係る流体試料測定装置のさらに別の実施例であるガス成分測定装置の要部構成を示す。このガス成分測定装置も、上述した２つの実施例と同様に、光源３３、ミラー３４、窓部３５、反射部材３６、受光光学系３７、及び検出器３８を備えている。この実施例は、反射部材３６が配置される領域で分岐管３２の内径が大きくなっており、反射部材３６を配置しても側壁面に段差が生じないように構成されている点で上述の実施例の構成と異なる。図１及び図３により説明した実施例の構成では反射部材１６、２６を配置することによって分岐管１２、２２の側壁面に段差が生じるため、その段差となる面（流通する被測定ガスが衝突する面）に被測定ガスに含まれるダストが付着する可能性がある。ダストが付着すると、付着したダストが集まって塊が作られ、この塊が徐々に大きくなって反射面に覆い被さってしまう恐れがある。反射面に覆い被さったダストの塊に励起光が照射されると、ノイズ光が発生する。もし、ガスの測定中に、このノイズ光が取り込まれると測定に誤差が生じてしまう。これに対し、図４に示す構成では、反射部材３６の位置に段差が存在しないため、被測定ガスのダストが付着することがなく、ダストに由来するノイズ光によって測定に誤差が生じる恐れがない。

【0025】

上記の各実施例はいずれも一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。上記実施例は、本管１１を流れる被測定ガスの一部を分岐管１２に導入し、分岐管１２において被測定ガスを測定するものであったが、本管１１を流れる被測定ガスそのものを測定する場合にも同様の構成を採ることができる。
また、上記実施例はいずれも被測定ガスからのラマン散乱光を測定する装置としたが、測定対象試料は液体であってもよく、また、試料からの発光を測定する装置であってもよい。
さらに、上記の各実施例ではいずれも、分岐管の側壁面に、分岐管とは別の反射部材を配置したが、例えば図３に示した構成では、分岐管の側壁面そのものを反射面とすることができる。この場合には、分岐管の側壁面のうちの、反射面として使用する領域に平坦化処理やめっき加工を施すことが好ましい。

【符号の説明】

【0026】

１１…本管
１２、２２、３２…分岐管
１３、２３、３３…レーザ光源
１４、２４、３４…ミラー
１５、２５、３５…窓部
１６、２６、３６…反射部材
１７、２７、３７…受光光学系
１８、２８、３８…検出器
Ｍ…測定点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】