研究期

報No. 107平 成 29 年 12 月

四 国 電 力 株 式 会 社
株式会社四国総合研究所

研究 期 報 １ ０ ７ 号

目 次

フライアッシュコンクリートの耐久性評価に関する研究 ............................................ 1
Study on Durability Evaluation of Concrete Using Fly Ash

レーザラマン分光法による小型光学式マルチガスセンサの開発 ............................... 11
Development of a compact optical multi-gas sensor by laser
Raman spectroscopy

レーザ吸収分光方式による可搬型 NH3 濃度測定装置の開発 ....................................... 19
Development of a Portable NH3 Analyzer Based on Laser
Absorption Spectroscopy

次世代 openATOMS(openATOMS FG)の開発について...................................................... 29
Development of the openATOMS Future Generation

水力発電所配電盤における耐電圧値引き下げに関する研究 ...................................... 35
Study of reduction in withstand voltage values of switchboards inhydroelectric power stations

研究期報№107

フライアッシュコンクリートの耐久性評価に関する研究

目

的
公共工事で幅広く使用されている高炉セメントを使用したコンクリートにＦＡを混和した場合の耐塩害性に関する定量的な評価事例は殆どないのが現状である。このため，高炉セメントを使用したコンクリートにＦＡを混和した場合の耐塩害性に関する優位性を実験的に確認することにより，港湾構造物等に使用される可能性が高くなり，ＦＡの更なる有効利用拡大を図ることができる。
主な成果
１．コンクリート組織の緻密化
コンクリートのモルタル試料の細孔径分布から，材齢の経過とともに，ピー
クとなる細孔径は小径側にシフトし，コンクリート内部の組織が緻密になることが確認された。示差熱重量分析試験からは，ＦＡを混和したコンクリートでは，ＦＡ無混和に比べて，ＦＡによるポゾラン反応が起きており，材齢 28 日以降の長期強度が増進することが確認された。
２．塩化物イオンの浸透抵抗性の評価
屋外暴露試験からは，高炉セメントを使用したコンクリートにＦＡを混和した場合，普通ポルトランドセメントを使用したものよりも塩化物イオンの浸透抵抗性が高くなり，Ⅱ種外割，Ⅳ種外割の配合では，ＦＡ無混和よりも塩化物
イオンの浸透抵抗性が高くなることが確認された。
浸漬試験の結果得られた塩化物イオンの浸透抵抗性は，屋外暴露試験とほぼ同じ傾向になることを確認した。
３．ＦＡコンクリートの耐久性評価
港湾構造物にＦＡコンクリートを適用する場合の耐久性評価を行った。耐久
性評価からは，ＦＡ無混和に比べて，ＦＡを混和した配合の方が耐塩害性が向上し，Ⅱ種内割，Ⅳ種外割，Ⅱ種外割となるにしたがい，耐塩害性が高くなる
ことを確認した。

0.0200.020

BB-FA無混和-91

N-FA無混和-91

BB-Ⅱ種内20-91

N-Ⅱ種内20-91
0.015

0.015

N-Ⅱ種外20-91

細孔容積(cc/g)

細孔容積(cc/g)

BB-Ⅱ種外20-91
BB-Ⅳ種外20-91

N-Ⅳ種外20-91

0.010

0.010

0.005

0.005

0.000
0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

0.000
0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

細孔径(μm)

細孔径(μm)

図-1 細孔径分布測定結果（材齢 91 日）

見かけの拡散係数（cm2/year）

10.00
N （材齢1年）

N （材齢2年）

N （材齢4年）

N （材齢5年）

BB（材齢1年）

BB（材齢2年）

Ｎシリーズ

BB（材齢4年）

BB（材齢5年）

ＢＢシリーズ

10.00

1.00

1.00

0.10

0.10

0.01
0.01
FA無混和

Ⅱ種内割20%

Ⅱ種外割20%

FA無混和

Ⅳ種外割20%

Ⅱ種内割20%

Ⅱ種外割20%

Ⅳ種外割20%

図-2 屋外暴露供試体の見かけの拡散係数 図-3 浸漬試験供試体の見かけの拡散係数

N‐FA無混和BB‐FA無混和

潜伏期

潜伏期

進展期

進展期

N‐Ⅱ種内割BB‐Ⅱ種内割

N‐Ⅱ種外割BB‐Ⅱ種外割

N‐Ⅳ種外割BB‐Ⅳ種外割
0

20

40

60

80

100

使用期間（年）

120

140

160

180

200

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

使用期間（年）図-4 配合別の潜伏期・進展期の計算結果
研究担当者
キーワード
問い合わせ先馬越唯好（株式会社四国総合研究所 土木技術部）
武田啓二，楠瀬康公（四国電力株式会社 土木建築部）
フライアッシュ，高炉セメント，耐久性，中性化抵抗性，耐塩害性，
公共工事，コスト低減
株式会社四国総合研究所 企画部
TEL 087-843-8111（代表） E-mail jigyo_kanri@ssken.co.jp
http://www.ssken.co.jp/[無断転載を禁ず]

200

研究期報№107

レーザラマン分光法による小型光学式マルチガスセンサの開発

目
的
レーザを光源とし，ラマン効果を検出原理とする小型の光学式ガスセンサの開発。光ファイバによるレーザ光の伝送および検出対象ガスから発生するラマン散乱光の受信・検出を行う。また，狭隘部に設置可能な小型のガス検出部（センサチップ）を開発し，性能検証試験を行う。

主な成果
１．光ファイバによるレーザ光
光ファイバによるレーザ光送信
送信およびラマン
およびラマン散乱光受信
１．
光ファイバによるレーザ光
送信およびラマン
散乱光受信
本装置は，光ファイバによる励起光（レーザ）および検出対象となるラマン
散乱光の伝送を行うことによって，多様な環境におけるガス濃度計測が可能な
小型の光学式マルチガスセンサとして機能する。レーザの光ファイバへの結合
光学系およびラマン散乱光を集光するための受光光学系について検討し，センサとしての機能を高めることのできる配置・構成を見出した。
２．マイクロマシン技術の適用によるセンサチップの２．マイクロマシン技術の適用によるセンサチップの開発
マイクロマシン技術の適用によるセンサチップの開発
マイクロマシン技術を応用して小型の光学ベンチを製作し，計測対象空間へのレーザ光の照射および発生するラマン散乱光の集光を行う光学部品をコンパクトに集積配置したセンサチップ（ガス計測部）を開発した。
３．性能検証試験
水素ガスおよびメタンガスを被検ガスとして性能検証試験を行い，水素ガスの場合には 1%，メタンガスの場合には 0.2%まで検出できることを確認した。
また，信号強度と被検ガスの濃度の間には，良好な線形の相関があることが確
認できた。

図1

装置構成

図2

センサチップ外観

CH4ラマン信号強度 [a.u.]

1430 [%]
20 [%]
10 [%]

12
10
8
6
4
2
0
0

25

50

75

100

125

150

[ns]

図3

メタンガスによるラマン信号

研究担当者
キーワード
問い合わせ先図4

信号ピーク値とガス濃度の相関

市川祐嗣，荻田将一，星野礼香，杉本幸代，三木啓史，朝日一平（株式会社四国総合研究所 電子技術部）
レーザラマン分光，ガスセンサ，マルチガス，水素，メタン，光ファイ
バ，DPSS，マイクロマシン技術，MEMS
株式会社四国総合研究所 企画部
TEL 087-843-8111（代表） E-mail jigyo_kanri@ssken.co.jp
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研究期報№107

レーザ吸収分光方式による可搬型 NH3 濃度測定装置の開発

目的

原理的に保守が容易で小型軽量化にも適したレーザ吸収分光方式を採用し、排ガス中の NH3 濃度を精度よくリアルタイム測定でき、かつ操作性の高い可搬型の NH3 測定装置を開発する。実験室で基本的な測定性能を確認のうえ、石炭火力発電所の脱硝装置（各部の測定座）で実用性能を検証する。

主な成果
１．試作装置の設計製作
石炭火力発電所での使用を前提に、耐煤塵性能や耐久性･操作性･保守性等を考慮し、現場で優位性の高いシングルパス･レーザ吸収分光方式の原理に基づく試作装置を設計製作した。課題の多い排ガス中のNH3サンプリングに関しては、
セル一体型プローブや金属管嵌合接続方式等を考案し、煙道通路上の移動測定における実用性能の向上を図った。
２．実験室での性能評価
標準ガスを用いて濃度階段試験を実施した結果、測定値は供給ガス濃度に応じて安定推移し、0～100ppｍの濃度範囲で良好な測定データが得られた。また、
測定値と手分析値の比較試験では、手分析サンプル配管における吸脱着の影響
により若干の差異は生じたが、両者に十分な相関性があることを確認した。
標準ガスを対象とした試作装置の測定精度は、現時点で±5％FS（0～10ppm）、±5％RS（10～100ppm）となっている。
３．現場での性能評価
四国電力㈱橘湾発電所の脱硝出口において、試作装置による NH3 濃度測定試験を実施し、現場での総合的な性能評価を行った。
移動測定（全点分布測定）試験では、1 点を 10 分以内で測定でき、AB 両煙道（A 側：20 点、B 側：20 点）の計 40 点を 400 分（約 7 時間）で測定可能であることを確認した。また、手分析値や NH3 注入量との明確な相関性を示すデータも得られている。

受光器

煙道内
ガス
吸引

煙道外
加
熱
セ
ル

嵌合金具

加熱プローブ投光器（セル分離型・シングルパス・レーザ吸収分光方式）

図 1 煙道での測定イメージ

図 3 試作装置の外観

図 2 セル一体型プローブの外観

図 4 脱硝出口での移動測定試験状況

O2 4
濃度 3
[%]

(30 分)
測定座 M(32 分)
測定座 J

2 3 4

1 2 3 4

1

(待機)
エア吸引

(30 分)
測定座 G(30 分)
測定座 D

1 2 3

1 2 3

4

(23 分) (連続測定)
測定座 A 測定座 J

4 1 2 3 4

2

O2測定値
度

2

NH3
濃度 1
[ppm]

NH3測定値

0
12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

図 5 脱硝出口での移動測定試験データ
O2 4
濃度 3
[%]
2

● 手分析値

O2測定値

G1

NH3
濃度 1
[ppm]

0
9:30

G2

[ppm]

1.2
R² = 0.7123

0.9

G3

G4

F

測
定 0.6
値

G2

(ガイド管使用)

NH3測定値

0.3
0
10:30

11:30

12:30

13:30

14:30

15:30

16:30

17:30

0

0.3

0.6

手分析値

0.9

1.2

図 6 脱硝出口での手分析比較試験データ

研究担当者
キーワード
問い合わせ先市川幸司，海稲隆成（株式会社四国総合研究所 エネルギー技術部）
脱硝装置，NH3 濃度，排ガスサンプリング，セル一体型プローブ
レーザ吸収分光方式，可搬型測定装置
株式会社四国総合研究所 企画部
TEL 087-843-8111（代表） E-mail jigyo_kanri@ssken.co.jp
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研究期報№107

次世代 openATOMS（openATOMS_FG）の開発について

目的
低消費電力の無線通信技術を利用した IoT システムは様々なモニタリングシ

ステムへの活用が期待されているが、そのシステム構築にはマイコンや無線通信技術に関する深い知識が必要で、予想以上の時間と費用が掛かってしまうことが少なくない。この問題を軽減するために各種 IoT システムを構築する際に利用できる共通基盤技術として開発した openATOMS をベースに、データ処理
性能と無線通信性能を大幅に強化した openATOMS_FG の開発を進めている。
主な成果
１．NICE32 の開発
従来の 8bitMCU を使用した NICE8 比べて、数十倍のデータ処理性能をもつ、
32bitMCU を使用した NICE32、ならびに、その OS として S.OS_NICE32 を開発した。
２．新しい無線通信技術への対応
openATOMS で 利 用 で き た 唯 一 の 無 線 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 で あ る
2.4GHz_ZigBee に加えて、920MHz_MultiHop ならびに 920MHz_LoRa に対応しており、無線中継点での電力確保が難しい場合や、無線中継を行わず 10kmを超える通信を行う必要がある用途にも適用可能となった。
３．応用システムの開発
openATOMS_FG をベースに、いずれも従来の openATOMS では実現が不可能であった「水田環境モニタリングシステム」および「構造物振動多点同期モ
ニタリングシステム」を開発した。

図１．NICE32 試作機

図２．NC(Network Computer)

図３．水田環境モニタリングシステム

研究担当者
キーワード
問い合わせ先図４．構造物振動多点同期モニタリングシステム

中西美一（㈱四国総合研究所 電子技術部）
IoT，インターネット，無線通信，モニタリング
株式会社四国総合研究所 企画部
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研究期報№107

水力発電所配電盤における耐電圧値引き下げに関する研究

目

的
電力用設備における低圧回路の商用周波耐電圧値は，お客さまへの電力供給を担う設備の重要性を鑑みて，高水準の耐電圧値として 2kV が規定されている。
しかしながら，低圧制御回路へ侵入するサージレベルが低い 6kV 配電線連系の小水力発電所の場合，その値を 1.5kV 以下に抑制できれば，一般産業用の汎用機器を採用することが可能となり，配電盤のコスト低減が図れる。（図１）
このため，小水力発電所の低圧制御回路に発生する異常電圧現象を整理，解析することにより，一般産業用耐電圧値の適用の可能性について評価した。
主な成果
１．水力発電所における配電盤低圧回路への誘起電圧波形の観測
今回，約 14 ヶ月（平成 27 年 11 月～平成 29 年 1 月）に亘り観測を実施した。
各発電所の半径 1km の範囲で 1～17 回の落雷が観測されたが，雷サージに起因すると思われる誘起電圧波形を記録することはできなかった。これは，発電所が連系している配電線は避雷器により耐雷対策が施されており，雷サージを抑制していたと推測される。
２．雷サージ誘起電圧の解析（EMTP 解析）(1) 解析概要
前述の観測対象発電所について，その主回路や設備構成を模擬した EMTP（Electro Magnetic Transients Program）モデルを作成し，雷サージが低圧制御回路に侵入した際の最高誘起電圧値を解析により求めた。
(2) 解析結果
低圧制御回路の条件として，CVV-S ケーブルが両端接地されていれば誘起電圧を約 300V まで抑制できるという結果が得られた。
（図２）
なお，CVV-S ケーブルが片端接地の場合では，誘起電圧は 1.5kV を超える結果となった。
３．雷サージ誘起電圧の測定（発電所モデル）(1) 測定概要
実際に対象発電所と同等のケーブル敷設状況や接地環境を模擬した発電所

モデルを作成し，試験装置から電流を入力することにより低圧制御回路に誘起される異常電圧の測定を行った。（図３）(2) 測定結果
試験装置から 100～200A の範囲で電流値を変えながら，制御ケーブルに発生する誘起電圧を複数点測定し，電流値と誘起電圧値が比例関係にあることを確認した。これをもとに，EMTP 解析値と同じ 2,500A が入力された際の誘起電圧値を推定した結果，CVV-S ケーブルが両端接地されていれば，誘起電圧を約 250V まで抑制できることを確認した。（図４）

図１ 低圧制御回路へのサージ侵入経路

図２ EMTP モデル解析値

測定器（誘起電圧）：電流の流れ
配電箱①試験装置（電流入力）②主回路（CVケーブル）③開閉器⑤制御ケーブル（誘起電圧測定）

誘起電圧
コンクリートダクト
避雷器の
接地を模擬

④接地網

図３ 発電所モデルの作成状況

図４ 発電所モデル試験結果(CVV-S ケーブル両端接地）

研究担当者
キーワード
問い合わせ先寺尾武蔵（四国電力株式会社 水力部）
藤村直人，泉川雅弘（株式会社四国総合研究所
雷サージ，低圧制御回路，EMTP，誘起電圧
株式会社四国総合研究所 企画部
TEL 087-843-8111（代表） E-mail
http://www.ssken.co.jp/

電力技術部）

jigyo_kanri@ssken.co.jp[無断転載を禁ず]四国電力，四国総合研究所
研究期報１０７（2017年12月）
１－１０ページ

フライアッシュコンクリートの耐久性評価に関する研究㈱四国総合研究所 土木技術部
四国電力㈱
土木建築部
四国電力㈱
土木建築部

キーワード：

フライアッシュ
高炉セメント
耐久性
中性化抵抗性
耐塩害性

Key Words：

馬越 唯好
武田 啓二
楠瀬 康公

fly ashblast-furnace cement
durability
resistance to carbonation
resistance for salt damage

Study on Durability Evaluation of Concrete Using Fly Ash

Shikoku Research Institute, Inc., Civil Engineering Department
Tadayoshi Bakoshi
Shikoku Electric Power Co., Inc., Civil & Architectural Engineering Dapartment
Keiji Takeda, Yasutomo Kusunose

Abstract

Though it is known the resistance for salt damage of concrete using fly ash is higher than that of normal concrete
without fly ash, the resistance for salt damage of concrete using blast-furnace cement which is broadly used in
pubic works with fly ash almost never has quantitative evaluation case now. If it is confirmed the resistance for salt
damage of concrete using blast-furnace cement with fly ash is higher, it increases the potential for using
blast-furnace cement with fly ash in public works, such as harbor structures. And we can achieve to expand further
effective utilization of fly ash.
In construction such as harbor structures, use of concrete using fly ash is expected to delay corrosion of internal
rebar, to reduce the maintenance costs, and to contribute to reduction of life-cycle costs of structures.
In this study, we conducted the evaluation experiments, resistance to carbonation, penetration resistance ofchloride ion, resistance to rebar corrosion of concrete using blast-furnace cement with fly ash, and considered the
durability evaluation of the concrete.

－1－1. はじめに本研究では，高炉セメントを使用したコンクリートにＦ

四国電力㈱では，石炭火力発電所からの副産物であＡを混和した場合の中性化に対する抵抗性，塩化物イる石炭灰が年間約 30 万ｔ発生しており，その約 1/2 はセオンの浸透抵抗性および鉄筋腐食に対する抵抗性にメント原料として利用されている。また，石炭火力発電所

関する試験を実施するとともに，コンクリートの耐久性評

から排出される石炭灰の 9 割を占めるフライアッシュ（以価について考察した結果について報告する。

下「ＦＡ」）を資材として有効利用する技術の開発が重要
2. コンクリートの配合と圧縮強度な課題となっている。

2.1 使用材料および配合条件

ＦＡの有効利用技術として，瀬戸内海における海砂の採取禁止，天然の骨材資源の枯渇化や自然環境の保本研究で使用した材料を表-1 に示す。

全の観点から，ＦＡを細骨材の一部に代替使用したコンセメントは，普通ポルトランドセメントおよび高炉セメン

クリートの長期材齢強度，耐凍害性，水密性等について

ト B 種を使用し，ＦＡは，四国電力㈱橘湾発電所産の JIS

1)2)

調査し ，実施工への適用性試験 を実施した。また，

A 6201 に適合するⅡ種およびⅣ種を使用した。

強熱減量が高く，JIS 規格に適合しないＦＡの増加対策

配合条件は，粗骨材の最大寸法 20mm，水結合材比

として，未燃カーボン量の多いＦＡを使用したコンクリー

55%とし，目標スランプおよび目標空気量は運搬時のロ

3)

4)トの性状調査 や道路擁壁工事の実構造物施工 等をスを考慮して，9.0cm，5.0%に設定した。

行ってきた。ＦＡの更なる有効利用を目的として，粉体

ＦＡの種類と置換率については，現場で一般に使用

5)系の高流動コンクリートへの適用性 について調査した。

されているⅡ種・Ⅳ種灰と 10～20%のＦＡ置換率を基にさらに最近では，トンネル工事におけるリバウンドが少な決定した。

い吹付けコンクリートや水中不分離性コンクリートへの適以上を踏まえ，ＦＡ種別ごとに，セメント代替や細骨材

6)用 などコストダウンを可能とする技術開発がある。

代替の各種代替材として混和した効果を比較するため，

ＦＡを混和したコンクリートは，通常のコンクリートに比ＦＡ無混和，Ⅱ種内割置換（セメントの内割で，セメント

7)

べて耐塩害性が高いことは知られている が，公共工事置換），Ⅱ種外割置換（セメントの外割で，細骨材置換），で幅広く使用されている高炉セメントを使用したコンクリ

Ⅳ種外割置換とした。セメントの種類，ＦＡの置換率によートにＦＡを混和した場合の耐塩害性に関する定量的って設定したコンクリート配合を表-2 に示す。

な評価事例は殆どないのが現状である。このため，高炉表-1 使用材料

セメントにＦＡを混和したコンクリートが，耐塩害性に優材料

種類・性質など

れていることを確認できれば，港湾構造物など公共工事で使用される可能性が高くなり，ＦＡの更なる有効利用拡大を図ることができる。

セメント

フライアッシュ

持管理費を低減することができ，構造物のライフサイク

密度：3.16ｇ/ｃｍ3, ブレーン値：3,210ｃｍ2/ｇ

高炉セメントB種(BB)

密度：3.02ｇ/ｃｍ3, ブレーン値：3,780ｃｍ2/ｇ

JIS A 6201Ⅱ種フライアッシュ 密度：2.33ｇ/ｃｍ3, ブレーン値：4,150ｃｍ2/ｇ
JIS A 6201Ⅳ種フライアッシュ 密度：2.20ｇ/ｃｍ3, ブレーン値：1,750ｃｍ2/ｇ

また，港湾構造物等にＦＡコンクリートを使用すること
により，内部にある鉄筋の腐食を遅らせ，その結果，維普通ポルトランドセメント(N)

密度：2.68ｇ/ｃｍ3, ＦＭ：2.80

細骨材

砕砂（石灰岩砕砂）

粗骨材

砕石2005（石灰岩砕石) 密度：2.70ｇ/ｃｍ3, ＦＭ：6.60
AE減水剤

リグニンスルホン酸化合物とポリオール複合体

混和剤

ルコスト低減に寄与することが期待される。

AE剤

変性ロジン酸化合物系陰イオン界面活性剤

表-2 コンクリートの配合
配 合

セメント

FAⅡ種

FAⅣ種
外割

(cm)

(%)

(%)

単 位 量 (kg/m3 )セメント

フライアッシュ水C

内割Fc 外割Fs

W

細骨材

粗骨材

内割

外割

N-FA無混和

0

0

0

44.0

273

0

0

150

847

1088

N-Ⅱ種内割20

20

0

0

41.0

210

52

0

144

793

1153

N

内割

スランプ W/(C+Fc) 細骨材率

0

20

0

39.0

300

0

126

165

581

1145

N-Ⅳ種外割20

0

0

20

39.0

309

0

118

170

575

1131

BB-FA無混和

0

0

43.0

269

0

0

148

828

1104

N-Ⅱ種外割20

BB-Ⅱ種内割20
BB-Ⅱ種外割20
BB-Ⅳ種外割20

BB

0

0

9.0

55

20

0

0

40.0

206

52

0

142

775

1172

0

20

0

38.0

296

0

123

163

566

1161

0

0

20

37.0

305

0

112

168

545

1166

－2－

AE減水剤

石灰岩砕砂 石灰岩砕石

C×1.0%

2.2 圧縮強度発現

70

圧縮強度試験は JIS A 1132 および JIS A 1108 に準じ7日60て実施した。所定の材齢まで標準養生を行ったコンクリ

28日
91日

圧縮強度（N/㎜2）

ートの材齢 7 日，28 日，91 日における圧縮強度試験結果を図-1 に示す。
高炉セメント B 種（BB），普通ポルトランドセメント（N）とも，ＦＡ無混和に比べてⅡ種内割は，圧縮強度が減少した。これはセメントの内割配合であり，単位セメント量が

50

40

30

20

減少するためと考えられた。
10

ＦＡ無混和に比べてⅡ種外割，Ⅳ種外割は，圧縮強度が増加した。これは，単位セメント量はほぼ同じであり，0

ＦＡ混和によるマイクロフィラー効果とポゾラン反応によるものと考えられた。また，Ⅳ種外割よりⅡ種外割の方
図-1 圧縮強度試験結果

が，強度が増加する傾向が見られた。これはⅣ種に比べて，Ⅱ種の方がブレーン比表面積が大きいことから，
マイクロフィラー効果がより大きく働いたことによるものであると考えられた。

0.020

ＦＡの同一混和条件では，高炉セメント B 種と普通ポ

N-FA無混和-7N-Ⅱ種内20%-7

ルトランドセメントを比較すると，ほぼ同程度の強度発現

Ｎ-Ⅱ種外20%-70.015

Ｎ-Ⅳ種外20%-7

細孔容積(cc/g)が見られた。
3. コンクリート組織の緻密化
3.1 コンクリートの細孔構造

0.010

0.005

(1) 細孔径分布の測定
コンクリート組織の緻密化について定量的に把握する

0.000
0.001

0.01

0.1

ため，水銀圧入式ポロシメータを用いて，コンクリート内

1

10

100

1000

細孔径(μm)部の細孔径分布の測定を実施した。
コンクリート試料は，所定の材齢まで 20℃水中養生を0.020行ったφ10cm×20cm の円柱供試体を用いて，5mm 以

BB-FA無混和-7

下に粉砕し，モルタル部分のみを取り出し，アセトンにBB-Ⅱ種内20%-70.015

数日間浸漬させ水和反応を止めた後，4 日間の D-dry

BB-Ⅱ種外20%-7

細孔容積(cc/g)

BB-Ⅳ種外20%-7

乾燥を行い試料とした。
(2) 細孔径分布測定結果

0.010

0.005

材齢 7 日におけるモルタル試料の細孔径分布測定結果を図-2(a)に示す。

0.000
0.001

細孔径が 0.05μm 以上の細孔容積を比較すると，Ⅱ

0.01

0.1

1

10

100

細孔径(μm)

種内割が最も大きく，次にＦＡ無混和，Ⅳ種外割，Ⅱ種
外割の順に小さくなる傾向が見られた。

図-2(a) 細孔径分布測定結果（材齢 7 日）

細孔容積が最大ピークとなる細孔径は，普通ポルトラ
ンドセメントを用いた場合，高炉セメントを用いた場合とも，0.03μm～0.05μm 程度となった。

－3－

1000

0.020

材齢 91 日におけるモルタル試料の細孔径分布測定

N-FA無混和-91

結果を図-2(b)に示す。

N-Ⅱ種内20-910.015

細孔径が 0.05μm 以上の細孔容積を比較すると，ＦＡ

N-Ⅱ種外20-91

細孔容積(cc/g)

N-Ⅳ種外20-91

無混和が最も大きく，次にⅡ種内割，Ⅳ種外割，Ⅱ種外
割の順に小さくなる傾向が見られた。
細孔容積が最大ピークとなる細孔径は，普通ポルトラ

0.010

0.005

ンドセメントを用いた場合は 0.02μm～0.04μm となり，
高炉セメントを用いた場合は 0.01μm～0.04μm となっ

0.000
0.001

0.01

0.1

1

た。ピークとなる細孔径は，ＦＡ無混和，Ⅱ種内割，Ⅳ種

10

100

1000

細孔径(μm)

外割，Ⅱ種外割の順に小さくなった。

0.020
BB-FA無混和-91

材齢の経過とともに，細孔容積がピークとなる細孔径

BB-Ⅱ種内20-910.015

は小径側にシフトしており，コンクリート内部の組織が緻

BB-Ⅱ種外20-91

細孔容積(cc/g)

BB-Ⅳ種外20-91

密化することが確認された。
3.2 ポゾラン反応性の検討

0.010

0.005

(1) 示差熱重量分析試験の方法
ポゾラン反応の可能性について検討するため，示差

0.000
0.001

熱重量分析試験装置を用いて，モルタル中の Ca(OH)2

0.01

0.1

1

10

100

1000

細孔径(μm)の含有率を測定した。

図-2(b) 細孔径分布測定結果（材齢 91 日）

コンクリート試料は，5mm 以下に粉砕し，モルタル部分のみを取り出し，アセトンに数日間浸漬させ水和反応

5%7日を止めた後，さらに 150μm 以下に微粉砕・ふるい分け
4%

し，40℃炉乾燥させたものを試料とした。

28日

Ca(OH)2含有率

91日(2) 示差熱重量分析試験結果
材齢 7 日，28 日，91 日におけるモルタル試料を用いた示差熱重量分析試験から得られた TG-DTA 曲線を

3%

2%

1%

解析し，Ca(OH)2 含有率を算出した結果を図-3 に示す。

0%コンクリート中のセメントの水和反応の進行に伴い，Ca(OH)2 は生成され増加する。
ＦＡ無混和の場合，水和反応の進行に伴い，Ca(OH)25%7日の含有率は材齢とともに増加する結果となった。
4%

Ca(OH)2 含有率（％）

Ⅱ種内割の場合，材齢 28 日，91 日における Ca(OH)2の含有率が材齢７日と変化しない結果となり，水和反応に伴う Ca(OH)2 の生成量とポゾラン反応による Ca(OH)2の消費量とがほぼ同量になったためと考えられた。
Ⅳ種外割の場合，材齢 91 日以降ポゾラン反応による

28日
91日

3%

2%

1%

Ca(OH)2 の消費量が増加するため，Ca(OH)2 の含有率が減少したと考えられた。

0%

Ⅱ種外割の場合，材齢 28 日以降ポゾラン反応によるCa(OH)2 の消費量が増加するため，それ以降のCa(OH)2 の含有率は減少したと考えられた。

図-3 示差熱重量分析試験結果－4－したがって，ＦＡを混和したコンクリートでは，ＦＡ無混

ＦＡコンクリート構造物に対する耐塩害性の長期評価

和に比べて，ＦＡによるポゾラン反応が起きており，材齢を行うため，実海域において，港湾構造物を模擬し，実28 日以降の長期強度が増進したと考えられた。

構造物寸法に近い大型供試体を用いた屋外暴露試験を実施した。

4. 促進中性化試験

平成 24 年 1 月，表-2 に示す 8 配合のコンクリート供

4.1 促進中性化試験の方法

試体（150cm×100cm×50cm）を作製し，上面と底面の２中性化に対する抵抗性を確認するため，ＣＯ2 濃度

面を除く，４面をエポキシ樹脂塗料で被覆した後，28 日

5％の促進中性化試験 8)を実施した。

間気中養生を行った。写真-1 に示すように，大型供試

コンクリート供試体は，断面が 1 辺 10cm の正方形で，体を平成 24 年 2 月に火力発電所構内の護岸前面海域

長さを 40cm とした。供試体は型枠を脱型した後，材齢 4の干満帯部に設置し，屋外暴露試験を開始した。

週まで温度 20±2℃の水中で養生を行った。材齢 4 週
後，温度 20±2℃，相対湿度 60±5％の恒温恒湿室において，材齢 13 週まで養生した。中性化の促進条件は，
24

温度 20±2℃，相対湿度 60±5％，ＣＯ2 濃度 5±0.2％とした。

N-FA無混和N-Ⅱ種内20%
N-Ⅱ種外20%
N-Ⅳ種外20%
BB-FA無混和
BB-Ⅱ種内20%
BB-Ⅱ種外20%BB-Ⅳ種外20%20

4.2 促進中性化試験結果
中性化深さ（mm）

16

促進日数と中性化深さの関係を図-4 に示す。
Ⅱ種内割の場合，ＦＡ無混和より中性化深さは大きくなるものの，Ⅱ種外割，Ⅳ種外割の場合には，ＦＡ無混
和より中性化深さは小さくなり，中性化に対する抵抗性が高い傾向が見られた。

12

8

4

また，Ⅳ種外割よりもⅡ種外割の方が，中性化深さは小さく，中性化に対する抵抗性が高い傾向が見られた。

0

高炉セメントに比べて普通ポルトランドセメントの方が，

0

28

56

84

112

140

168

促進日数 (日)同じ材齢における中性化深さは小さく，中性化に対する
図-4 促進日数と中性化深さの関係抵抗性が高い傾向が見られた。これは，高炉セメントにはセメントの内割で高炉スラグが 30～60％入っているた
め，セメント量が少ない上に，高炉スラグの水硬反応により水酸化カルシウムが消費され pH が低下する時期が早くなるためと考えられた。
高炉セメントを用いたコンクリートは，普通ポルトランド

満潮位

セメントを用いたコンクリートよりも中性化抵抗性が低下
するものの，ＦＡを外割りで混和することにより，普通ポルトランドセメントを用いたコンクリートと同程度の中性化
抵抗性を確保できることが確認された。
5. 塩化物イオンの浸透抵抗性
5.1 屋外暴露試験(1) 屋外暴露試験の方法

写真-1 屋外暴露試験状況（干満帯）

コンクリート構造物の耐久性の検討を行う際には，通常供試体を自然の海洋環境に置き，コンクリートの品質変化を調査する方法 9)が行われる。

－5－

(2) 屋外暴露試験結果

FA 無混和に比べて，Ⅱ種外割，Ⅳ種外割の方が見

屋外暴露試験に供したコンクリート供試体からコア（φかけの拡散係数が小さく，Ⅱ種外割，Ⅳ種外割は塩化10cm×50cm）を採取して，深さ方向の塩化物イオン濃物イオンの浸透抵抗性が高くなることが確認された。

度の測定を行った。その際，塩化物イオン濃度がより高浸漬試験の見かけの拡散係数は，屋外暴露試験のくなると考えられる底面側のコアを用いた。

結果とほぼ同じ傾向になることを確認した。

屋外暴露供試体のコンクリート表面からの距離と全塩
化物イオン量の関係から，見かけの拡散係数を回帰分
10.00

析により求めた。屋外暴露試験の配合ごとの見かけの拡散係数を図-5 に示す。
見かけの拡散係数（cm2/year）

高炉セメントを使用したコンクリートに FA を混和した
場合の見かけの拡散係数は，普通ポルトランドセメントを使用したものよりも小さく，塩化物イオンの浸透抵抗性が高くなることが確認された。
Ⅱ種外割，Ⅳ種外割の配合では，見かけの拡散係数
は FA 無混和よりも小さく，Ⅱ種外割，Ⅳ種外割は塩化N （材齢1年）

N （材齢2年）

N （材齢4年）

N （材齢5年）

BB（材齢1年）

BB（材齢2年）

BB（材齢4年）

BB（材齢5年）

Ⅱ種外割20%

Ⅳ種外割20%

1.00

0.10

物イオンの浸透抵抗性が高くなることが確認された。
Ⅳ種外割よりも，Ⅱ種外割の方が見かけの拡散係数が小さい傾向が見られた。これはⅡ種の方がブレーン

0.01
FA無混和

Ⅱ種内割20%比表面積が大きいことから，組織が緻密になるためであ
図-5 屋外暴露供試体の見かけの拡散係数

ると考えられた。
5.2 浸漬試験(1) 浸漬試験の方法
室内で実施できる耐塩害性の促進試験として，塩水

側面,底面をｴﾎﾟｷｼ樹脂で被覆への浸漬試験を実施した。浸漬試験では，直径 10cm，Cl-

高さ 15cm の円柱供試体を作製し，前処理として，以下の処理を行った。

NaCl
NaCl10%・12 時間乾燥させた後，打込み側の 1 面を残し，他の１面・円周面をエポキシ樹脂で被覆。
図-6 浸漬試験の実施状況

・被覆したエポキシ樹脂が硬化するまで 4 日間放置した後，温度 20℃の水中で 24 時間以上保存。
供試体を温度 20±2℃，濃度 10％の塩化ナトリウム10.00

水溶液中に完全に浸漬する。浸漬試験の実施状況を

Ｎシリーズ

図-6 に示す。

ＢＢシリーズ
1.00(2) 浸漬試験結果
浸漬試験の結果得られた深さ方向の塩化物イオン
濃度の分布から，塩化物イオンの見かけの拡散係数を0.10求め，図-7 に示す。
高炉セメントを使用したコンクリートに FA を混和した
0.01

場合の見かけの拡散係数は，普通ポルトランドセメント

FA無混和

Ⅱ種内割20%

Ⅱ種外割20%

Ⅳ種外割20%を使用したものよりも小さく，塩化物イオンの浸透抵抗
図-7 浸漬試験供試体の見かけの拡散係数性が高くなることが確認された。

－6－

6. 鉄筋腐食に関する検討
6.1 塩害による構造物の劣化過程
程を図-8 に示す。構造物の使用期間により，潜伏期，
進展期，加速期，劣化期に分けられる。

鋼材の腐食量

塩害によるコンクリート構造物中の鋼材腐食の劣化過

通常のコンクリート

耐塩害性が劣る

鋼材の腐食開始

コンクリートに腐食
ひび割れ発生耐塩害性が優れる
使用期間

潜伏期には塩分の浸入・蓄積が進み，鋼材が腐食をンクリート表面での腐食ひび割れ発生に至る。
通常のコンクリートに比べて，鋼材の腐食開始時期やコンクリート表面の腐食ひび割れ発生時期がより遅くな部材の性能低下開始し，進展期における内部ひび割れの進展により，コ

潜伏期

進展期

加速期

劣化期

ることによって，耐塩害性に優れていると定量的に評価することができる。
図-8 塩害による鋼材腐食の劣化過程
6.2 自然電位の連続計測
従来のコンクリート標準示方書（2007 年）によれば，コンクリート中の鉄筋腐食開始時の塩化物イオン濃度を

ﾃﾞｰﾀﾛｶﾞｰ照合電極

1.2kg/m3 とみなしてよいとされてきた。10)しかし，鋼材の腐食状態と鋼材位置における塩化物
イオン濃度から腐食発生限界塩化物イオン濃度が求まる場合は，その値を用いることを原則とする 11)ことから，実験により腐食発生時における塩化物イオン濃度を求上面および底面(かぶり面)以外の4面をｴﾎﾟｷｼ系樹脂にて被覆めることとした。

NaCl 10%水溶液

塩化物添加量を 0.6kg/m3, 0kg/m3 とした供試体を作製し，図-9 に示すように，上面と底面以外の側面 4 面を図-9 自然電位の連続計測方法

エポキシ系樹脂で被覆し，塩化ナトリウム 10％水溶液に浸漬して，6 個の供試体の自然電位を連続計測した。
自然電位が急激に低下した時点を，腐食開始と判定

Fick の拡散方程式の解の式

生状況の観察から，鉄筋のリブの部分に腐食が見られ


X


C ( X , t )  C ' ＋ ( C 0－ C ' ・) １－ erf  2 Dct  
Dc：見かけの拡散係数，C0：表面塩化物イオン濃度，た。これは，リブの凹凸によってコンクリートと鉄筋の付

C’：初期塩化物イオン濃度，X：かぶり，t：供用期間

し，同時にコンクリート供試体を割裂し，かぶり面側の内部の鉄筋が腐食を開始していることを確認した。腐食発

着面に空隙ができやすいためと考えられた。
Fick の拡散方程式の解を用いて算定した腐食発生
6.3 腐食発生限界塩化物イオン濃度の算定

限界塩化物イオン濃度を表-3 に示す。

自然電位が低下した供試体について，浸透深さ方向

Fick の拡散方程式の解により計算した腐食発生限界の塩化物量を分析し，浸漬期間から腐食発生時の塩化塩化物イオン濃度を統計処理して求めた平均区間推定物イオン濃度を算出した。

（信頼度 95％）の値は，塩化物添加量 0kg/m3 の配合で1.79kg/m3 であり，塩化物添加量 0.6kg/m3 の配合で各供試体について，深さごとの塩化物イオン濃度分1.90kg/m3 となった。

布から，見かけの拡散係数を求めた。
見かけの拡散係数および表面塩化物イオン濃度を用

コンクリート標準示方書（2013 年）11)に準拠して，普通

いて，自然電位が低下した浸漬日数におけるかぶり位

ポルトランドセメントを用いた場合で，水セメント比 55％

置での塩化物イオン濃度を，次の Fick の拡散方程式のの時の腐食発生限界塩化物イオン濃度は，1.75kg/m3 と解の式により計算した。

なり，ほぼ同程度の値となることを確認した。

－7－

表-3 腐食発生限界塩化物イオン濃度の算定
配合

塩化物
添加量
(kg/m 3)

0.0

N-FA
無混和

0.6

N-Ⅱ種
内割

N-Ⅳ種
外割

BB-FA
無混和

0.6

供試体
番号

自然電位
低下時の浸
漬日数(日)
t

鉄筋
かぶり
(cm)
X

見かけの
拡散係数Dc

表面塩化物
イオン濃度C02

初期塩化物
イオン濃度C'3(cm /年)

腐食発生限界塩化物イオン濃度(kg/m 3)

3(kg/m )

Fick式

(kg/m )

平均区間推定

5

223

2.83

3.368

12.09

0

1.97

6

264

2.89

3.945

10.47

0

2.37

2

273

3.16

3.261

12.97

0

1.98

4

283

2.95

3.318

10.48

0

2.03

1

290

3.15

3.545

11.61

0

2.14

3

428

3.11

3.176

12.76

0

3.25

1

211

3.08

2.640

16.12

0.48

1.70

6

240

3.00

3.096

12.63

0.48

2.15

5

254

2.91

2.631

14.51

0.48

2.28

2

267

3.04

3.021

15.27

0.48

2.68

4

278

3.06

2.741

13.73

0.48

2.26

3

331

3.11

3.024

13.68

0.48

2.92

1

725

2.53

0.506

16.77

0.48

1.70

3

747

2.88

0.506

29.46

0.48

1.80

2

923

2.96

0.473

22.86

0.48

1.73

6

1162

2.91

0.469

25.43

0.48

2.78

5

1339

2.97

0.455

25.63

0.48

3.10

5

1190

2.95

0.407

23.34

0.48

2.09

1.79

1.75

1.90

0.6

0.6

示方書

－

1.67

－

－

－

1.67

10

6.4 腐食開始後の鉄筋の腐食速度

室内気中鉄筋が腐食を開始した後の腐食速度について検討

N-FA無混和N-Ⅱ種内20%
N-Ⅱ種外20%
N-Ⅳ種外20%
BB-FA無混和
BB-Ⅱ種内20%
BB-Ⅱ種外20%BB-Ⅳ種外20%

屋外暴露

質量損失速度 (mg/c㎡/年)8するため，腐食発生限界塩化物イオン濃度を超えた内在塩分量を含んだコンクリート供試体を作製し，腐食速度を求めた。
内在塩分量を 3kg/m3，5kg/m3 とした供試体を 6 個作
製し，材齢 28 日まで封かん養生した後，分極抵抗法により腐食速度（質量損失速度）を測定した。

6
塩化物添加量：3.0kg/m3

4

2

屋外暴露した供試体の各材齢における配合ごとに腐食速度を測定した結果を図-10 に示す。

0

高炉セメントの方が普通ポルトランドセメントに比べて，0.4～0.8 倍程度に腐食速度は減少する傾向が見られ，

40

Ⅱ種外割，Ⅳ種外割の腐食速度は，ＦＡ無混和の場合

35

質量損失速度 (mg/c㎡/年)の 0.2～0.6 倍，0.3～0.6 倍程度に減少する傾向が見られた。内在塩分量 5kg/m3 の方が 3kg/m3 に比べて 1.5～14 倍程度腐食速度は増加する傾向が見られた。屋外
暴露した供試体の腐食速度は，配合ごとにほぼ一定値に収束する傾向が見られた。
環境条件の違いで比較すると，屋外暴露の方が，室

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1400

1600

材齢 (日)(15.8℃温度補正)
N-FA無混和N-Ⅱ種内20%
N-Ⅱ種外20%
N-Ⅳ種外20%
BB-FA無混和
BB-Ⅱ種内20%
BB-Ⅱ種外20%BB-Ⅳ種外20%30

塩化物添加量：5.0kg/m3

25
室内気中

屋外暴露

20
15
10

内気中養生に比べて，腐食速度は増加する傾向が見ら
れたが，これは屋外暴露の場合には，降水に伴う水の5供給による影響が現れたためと考えられた。

0

0

200

(15.8℃温度補正)

400

600

800

1000

1200

材齢 (日)

図-10 腐食開始後の鉄筋の腐食速度－8－6.5 腐食ひび割れ発生時の鉄筋腐食量

表-4 腐食ひび割れ発生時の鉄筋腐食量

コンクリート表面に腐食ひび割れが発生した時の鉄筋の腐食量を求めるため，促進腐食環境下で，供試体に腐食ひび割れ発生時の鉄筋腐食量(mg/cm2 )配 合

腐食ひび割れを発生させ，その時点の鉄筋の腐食量を求めた。内在塩分量を 5kg/m3 とし養生期間 1 カ月の供試体を作製し，促進腐食試験を実施した。環境条件は，

FA無混和

68.1

Ⅱ種内割

62.1

Ⅱ種外割

48.9

Ⅳ種外割

50.1

FA無混和

46.1

Ⅱ種内割

44.7

Ⅱ種外割

51.8

Ⅳ種外割

54.8

N

温度 70℃，相対湿度 90%の高温高湿環境下で，コンクリ
ート表面に腐食ひび割れが発生するまで実施した。
腐食ひび割れ発生時の鉄筋腐食量を算定した結果
BBの一例を表-4 に示す。
7. 耐久性評価に関する検討
港湾構造物にＦＡコンクリートを使用する場合の鉄筋のかぶりを最小 5ｃｍとした。
塩化物イオンの見かけの拡散係数および腐食発生限

N‐FA無混和

潜伏期

界塩化物イオン濃度から，鉄筋の腐食が開始するまでの期間（潜伏期の期間）を算出し，腐食開始後の腐食速度および腐食ひび割れ発生時の鉄筋腐食量から，腐食進展期
N‐Ⅱ種内割N‐Ⅱ種外割ひび割れ発生までの期間（進展期の期間）を算出した。
配合別の潜伏期・進展期の計算結果を図-11 に示す。

N‐Ⅳ種外割潜伏期・進展期の期間はⅡ種外割が最も長く，次に

0

20

40

60

Ⅳ種外割，Ⅱ種内割，ＦＡ無混和の順に短くなる傾向が

80

100

120

140

160

180

200

使用期間（年）見られた。
したがって，普通ポルトランドセメントを用いた場合，

BB‐FA無混和

潜伏期

高炉セメントを用いた場合も，ＦＡ無混和に比べて，ＦＡを混和した場合の方が耐塩害性が向上し，Ⅱ種内割，進展期
BB‐Ⅱ種内割

Ⅳ種外割，Ⅱ種外割となるにしたがい，耐塩害性が高くなることが確認された。

BB‐Ⅱ種外割

BB‐Ⅳ種外割

8. ライフサイクルコストの試算
0

港湾構造物の例として，ＲＣケーソン式岸壁を対象と

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

使用期間（年）

してライフサイクルコストの検討を行った。
ＲＣケーソン式岸壁の建設工事費は，国土交通省に

図-11 配合別の潜伏期・進展期の計算結果

おける工事実績を参考にしている土木学会四国支部の「四国版フライアッシュを結合材として用いたコンクリートの配合設計・施工指針」12)の工事費を参考に，170,000

両者のライフサイクルコストを比較するには，耐用年千円/函と設定した。

数が異なるため，建設工事費で直接比較することはでき

ＦＡコンクリートを使用する際は，生コン発注先のプラ

ず，現在価値の年経費で比較することとした。

ントにおいてＦＡの貯蔵サイロ等の準備がなく，材料費

建設工事費の単年あたりの LCC（ライフサイクルコス

が高価となる場合について検討した。

ト）を図-12 に示す。ＦＡコンクリートは初期コストが高額とコンクリート構造物の耐久性評価に関する検討結果

なるが，供用終了までの期間が長いことから，単年度あから，普通コンクリート（ＦＡ無混和），ＦＡコンクリートは，たりのライフサイクルコストで比較すると，普通コンクリー

配合によって耐用年数が異なることが分かった。

トよりも安価となることが確認された。

－9－単年あたりのLCC（千円/年）

8,000

今回の実験結果より，高炉セメントを使用したコンクリ
ートにＦＡを混和した場合，コンクリートの耐塩害性がさ6,000

らに改善できることが明らかになった。
以上のことから，港湾構造物にＦＡコンクリートを使用

4,000

することにより，鉄筋の腐食を遅らせ，その結果，トータ
ルの維持管理費を低減することができ，構造物のライフ

2,000

サイクルコスト低減に貢献することが期待される。
0
FA無混和

Ⅱ種内割

Ⅱ種外割

Ⅳ種外割

[参考文献]

3,000

単年あたりのLCC（千円/年）

1)馬越唯好，河野清，山地功二，川崎真治：非ＪＩＳ灰を細骨材の一部に代替したコンクリートの耐久性，コンクリ
2,000

ート工学年次論文集，Vol.19，No.1，pp349-354，1997
2)馬越唯好，濱崎修：非ＪＩＳ灰を細骨材の一部に代替したコンクリートの性質，コンクリート工学年次論文集，

1,000

Vol.20，No.2，pp133-138，1998
3)馬越唯好，大内泰志，村上俊夫：強熱減量の異なるフ
0
FA無混和

Ⅱ種内割

Ⅱ種外割

ライアッシュを多量に使用したコンクリートの性状，セメン

Ⅳ種外割

図-12 単年あたりのﾗｲﾌｻｲｸﾙｺｽﾄの試算結果

ト・コンクリート論文集，Vol.52，pp314-319，1998
4)馬越唯好，橋本親典，山地功二：Ⅲ種フライアッシュ

9. まとめを多量に用いたコンクリートの実構造物施工，コンクリー

高炉セメントを使用したコンクリートにＦＡを混和した

ト工学年次論文集，Vol.21，No.2，pp139-144，1999

場合のコンクリートに関する試験・耐久性について考察

5)馬越唯好，富加見徳治，武田啓二：フライアッシュをした結果得られた知見は，以下のとおりである。

多量使用した高流動コンクリートの基礎的研究，コンクリ・細孔径分布から，材齢の経過とともに，ピークとなる細ート工学年次論文集，Vol.22，No.2，pp865-870，2000

孔径は小径側にシフトし，コンクリート内部の組織が6)日本コンクリート工学会四国支部：フライアッシュコンク

緻密になることが確認された。

リートの耐久性評価研究委員会報告，pp169-174，2013

示差熱重量分析からは，ＦＡを混和したコンクリートで

7)土木学会，循環型社会に適合したフライアッシュコン

は，ＦＡ無混和に比べて，ＦＡによるポゾラン反応がクリートの最新利用技術，コンクリートライブラリー132，

起きており，材齢 28 日以上の長期強度が増進した。

pp129-136，2009

・促進中性化試験からは，高炉セメントを用いたコンクリ

8)下岡直哉，馬越唯好，上田隆雄，宮田啓志：フライア

ートは，普通ポルトランドセメントを用いたものよりも中ッシュコンクリートの塩害および中性化に対する評価に性化抵抗性が低下するものの，ＦＡを外割りで混和す

ついて，平成 25 年度土木学会四国支部技術研究発表

ることにより，普通ポルトランドセメントを用いたコンクリ

会，第Ⅴ部門，pp303-304，2013

ートと同程度の中性化抵抗性を確保できる。

9)竹田宣典ほか：種々の海洋環境条件におけるコンクリ

・屋外暴露試験からは，高炉セメントを使用したコンクリ

ートの塩分浸透と鉄筋腐食に関する実験的研究，土木ートにＦＡを混和した場合，普通ポルトランドセメントを学会論文集, No.599, pp91-104, 1998.8

使用したものよりも塩化物イオンの浸透抵抗性が高く

10)土木学会：コンクリート標準示方書[維持管理編]，

なり，Ⅱ種外割，Ⅳ種外割の配合では，ＦＡ無混和よpp114-115，2007

りも塩化物イオンの浸透抵抗性が高くなる。

11)土木学会：コンクリート標準示方書[維持管理編]，

・耐久性評価からは，ＦＡ無混和に比べて，ＦＡを混和しpp173-176，2013

た配合の方が耐塩害性が向上し，Ⅱ種内割，Ⅳ種外12)土木学会四国支部：四国版フライアッシュを結合材と割，Ⅱ種外割となるにしたがい，耐塩害性が高くなるして用いたコンクリートの配合設計・施工指針，

ことが分かった。

pp139-143，2016－10－四国電力，四国総合研究所
研究期報１０７（2017年12月）
１１－１８ページ

レーザラマン分光法による小型光学式マルチガスセンサの開発㈱四国総合研究所 電子技術部㈱四国総合研究所 電子技術部㈱四国総合研究所 電子技術部㈱四国総合研究所 電子技術部㈱四国総合研究所 電子技術部㈱四国総合研究所 電子技術部

キーワード：

レーザラマン分光
マルチガスセンサ
光ファイバ
マイクロマシン技術

Key Words：

市川
荻田
星野
杉本
三木
朝日

祐嗣
将一
礼香
幸代
啓史
一平

Laser Raman Spectroscopy
Multi-gas Sensor
Optical Fiber
Micromachining Technique

Development of a compact optical multimulti-gas sensor by laser Raman spectroscopy

Shikoku Research Institute, Inc., Electronics Technology Department
Yuji Ichikawa, Masakazu Ogita, Ayako Hoshino, Sachiyo Sugimoto, Hirofumi Miki, Ippei Asahi

Abstract

A compact optical multi-gas sensor was developed using laser Raman spectroscopy. Its light source is a DPSS laser
and its detector is a photomultiplier tube (side-on type). It has a micro sensing part called sensor chip. The sensor
chip is connected to the light source and detector with optical fibers. Laser beam propagates through atransmission fiber and be emitted from the sensor chip to the air. The sensor chip collects Raman scattering light oftarget gas and transmit it to the detector through receiving fibers. To make the sensor chip compact, we applied
micromachining techniques to make a micro optical bench (MOB) which can arrange small optics with highaccuracy. A performance test was implemented and the result was that the sensor could detect 1% H2 gas and 0.2%
CH4 gas.

－11－

レーザラマン分光法による小型光学式マルチガスセンサの開発

1. はじめに（a） フィルタなし

ガスセンサとは，ガスに感応してその存在を検試料知したり，ガス濃度を電気信号などに変換して出（b） 緑黄フィルタ，
紫青フィルタを太陽光光路に挿入（c） 紫青フィルタを太陽光
光路，緑黄フィルタを観察光路に挿入太陽光

力したりする素子もしくは装置のことである。一
般家庭におけるガス漏れ警報器から自動車エン

紫青色を
透過

ジンの制御に至るまで広く使用されており，現代×

社会において無くてはならない技術となってい

緑黄色を
透過

る。検出対象となるガスは，都市ガスのような可
図1

燃性ガスから自動車・発電所の排ガス，産業用のC. V. Raman らによる原理検証実験

特殊ガスまで多岐にわたり，それぞれのガスに応じた検出方式が必要となっている。現在主流とな料中の光路は見えなくなった。ところが，緑黄フっている検出方法は，接触燃焼式，半導体式など，ィルタを試料と観察者の間に移動すると，再び太対象ガスの化学反応を利用したいわゆる化学セ

陽光の光路が目視できるようになった。これは，ンサであるが，使用条件が限定される場合が多く，試料に入射した紫青色の光によってより波長のガスの選択性にも課題がある

1) 2)

。

長い緑黄色の光が新たに発生したためである。こ著者らは，これらの背景を踏まえ，化学反応式のような現象が起こるのは，光を構成する光子とのガスセンサに代わるものとして，光学的計測原

試料分子との間でエネルギのやり取りが起こる

理に基づいたガスセンサの開発に取り組んできためである。ラマン散乱が起こる際には，入射光た。光学式ガスセンサは，応答速度が速い，複数光子のもつエネルギの一部が分子の内部エネル

種のガスに対応できる，防爆構造が取りやすい等

ギに変化し，光子のエネルギがその分低下する。

の長所があるものの，検出感度や装置の小型化な

光のエネルギと波長との間には，E = hc/λで表さ

どに課題があり，化学反応式と比較して普及が進れる関係があるため，光子のエネルギが低下する

んでいない。本研究では，波長 532nm の DPSSと，光の波長は長波長側にシフトすることになる。

レーザを光源として使用し，検出対象のガスから発生するラマン散乱光の強度は入射光の強度と発生するラマン散乱光を捉えることで計測を行比較して極めて弱く，また，試料が気体の場合にう小型の光学式ガスセンサ（以下，本装置）の開はさらに弱い。このため，ラマン散乱光の検出に発を行ったので，報告する。

は，光電子増倍管等の高感度の光検出器が用いられる 4)。

2. 計測原理
2.2 ガス種の同定・濃度計測

2.1 ラマン効果
本装置は，光と物質の相互作用により生じるラガスを構成する分子の内部エネルギは，連続的マン効果を計測の原理とする。ラマン効果は，イな値を取るのではなく，分子の種類によって決まンドの物理学者 C .V. Raman によって 1928 年に発った特定の値のみを取る（エネルギの量子化）。

見された光学現象の一種であり，物質に光を入射

これに対応して，ラマン効果によって発生するラ

させると，ラマン散乱光と呼ばれる入射光と異な

マン散乱光も，ガス分子の種類によって決まる特った波長の光が発生する現象である。図 1 に定の波長となる。入射光の波長に対してラマン散

3)Raman らが行った実験の概要を示す 。レンズを乱光の波長がどの程度変化するかを示す値をラ用いて太陽光を絞り込み，試料に入射させると，

マンシフトといい，分子固有の値であるため，発試料中の太陽光の光路がはっきりと目視できた。

生するラマン散乱光の波長を調べることで存在

次に，紫青色を透過して緑黄色を吸収する紫青フ

するガスの種類を同定することが可能である。表ィルタと，緑黄色を透過して紫青色を吸収する緑

1 に主なガスのラマンシフトおよび入射波長

黄フィルタの 2 つのフィルタを用意し，2 枚のフ

532nm の場合のラマン散乱光の波長を示す。

ィルタを重ねて太陽光と試料の間に置くと，太陽発生するラマン散乱光の強度は，入射光と相互

光は 2 枚のフィルタによって完全に吸収され，試作用する分子の数に比例するため，同一の圧力の－12－レーザラマン分光法による小型光学式マルチガスセンサの開発下では，ガスの濃度に比例する。したがって，事およびそれらを接続して光の送受信を行う光フ

前に検量線となるデータを取得しておくことで，

ァイバにより構成される。レーザヘッドから発振

ガス濃度を算出することができる。また，大気中したレーザ光は送信用ファイバに導入され，センでの計測であれば，大気の約 8 割を占める窒素ガ

サチップ先端から計測対象となる空間に放射さスによるラマン信号をリファレンスとして，対象れる。発生したラマン散乱光をセンサチップ内のガスの濃度を計算できる

5) 6) 7)。

受光光学系により集光し，受信用ファイバで検出

このようにしてガス濃度の計測を行うために器まで伝送する。配管や機器の内部等の狭隘部には，本装置によって検出されたラマン散乱光によおけるガス濃度の計測を可能とするため，センサ

る信号の強度と，検出対象空間に存在するガスのチップの小型化を目指して開発を行った。また，

濃度との間に線形の相関関係が成り立たねばな

センサチップは光学部品および固定用の部材のらない。したがって，信号強度の線形性は本装置みで構成されるため，回路等の電気系を一切含まのガスセンサとしての性能を評価するにあたっず，可燃性ガスの検知が必要な場合にも防爆エリての重要な指標の一つであり，線形性が高いほどア内に設置することができる。

正確な計測が可能であるといえる。
3.2 レーザ光源
レーザ光源
表1

主なガスのラマンシフトおよびラマン散乱

励 起 光 源 と し て ， DPSS / Nd:YAG レ ー ザ波長（ストークス光，入射波長 532nm）（Spectra Physics 社製 Explorer）を使用した。発振波長は 532nm，パルスエネルギ 200µJ，パルス
幅 3ns（FWHM），繰り返し周波数 1kHz である。

ラマンシフト[cm-1]

ラマン散乱波長
[nm]

水素

4160

683.2

メタン

3017

633.7

窒素

2331

607.3

品質といった特徴をもつ。図 3 にフラッシュラン

酸素

1556

580.0

プ励起固体レーザと DPSS レーザの基本構成の比

二酸化炭素

1285

571.0

較を示す。

DPSS とは Diode Pumped Solid State の略で，半導体レーザによって励起された固体レーザの意である。従来のフラッシュランプ励起の固体レーザと比較して，小型，長寿命，高効率，高いビーム

レーザ材料

後部鏡

出力鏡
レーザ出力

3. 装置構成
3.1 概要
放電管
水冷装置

高圧・大電流電源(a) フラッシュランプ励起固体レーザ

後部鏡

図2

出力鏡

装置構成
レーザ材料
半導体レーザ(LD)

本装置は，励起光源であるレーザ発振器，検出(b) DPSS レーザ器である光電子増倍管，ガス計測を行う箇所に設置して使用するガス計測部（以下，センサチップ）

－13－

図3

レーザの基本構成の比較

レーザ出力

レーザラマン分光法による小型光学式マルチガスセンサの開発

従来のフラッシュランプ励起固体レーザは，放で，装置本体から離れた地点や機器内部等の狭隘

電管を点灯・発光させるために高圧・大電流の電部においてもガス濃度の計測が可能である。

源を必要とし，放電管やレーザ媒質の冷却が必須であるため，レーザヘッドおよびその周辺装置が大型化してしまう。また，ランプ光は発散光であり，効率よく集光してレーザ媒質を励起することが難しい。加えて，放電管の発光スペクトルは広範囲にわたり，レーザ媒質の励起に必要な波長の光のみを選択的に発生させることはできない。これらのことから，フラッシュランプ励起の固体レーザでは，エネルギ効率を高めることが難しかった。

図4

光ファイバの構造

一方，DPSS レーザでは，フラッシュランプの代わりに半導体レーザ（Laser Diode, 以下 LD）

励起光であるレーザ光をセンサチップまで伝によってレーザ媒質の励起を行う。1980 年代後送する際，最も大きく損失が生じるのは，レーザ

半頃より LD の高出力化・長寿命化が実現された本体から自由空間中に発振されたレーザ光が，光ことによって実用化が進んだ。LD はフラッシュ

ファイバの端面からファイバ内部に入射（結合）

ランプと比較してスペクトル幅が数 nm と極めてする部分である。発生するラマン散乱光の強度は狭く，また集光が容易であるため，レーザ媒質の励起光のエネルギに比例するため，センサとして吸収係数が高い波長域において，レーザ発振するの感度を高めるには結合効率を高くする必要が空間領域のみを選択的に励起することができる。

ある。そのため，図 5 に示すような結合試験を行放電管励起 Nd:YAG レーザの場合，17%程度の吸い，効率を高めるための条件について検討した。

収効率にとどまっていたのに対し，LD 励起の場

レーザをファイバに入射させるには，カップリ

合には，容易に 90%以上の吸収効率が得られる。

ングレンズによってレーザのビーム径をファイ

これによりエネルギ効率が飛躍的に向上し，レー

バのコア径以下に絞る必要がある。コア径の大き

ザの高出力化の際に問題となっていた発熱が抑なマルチモードファイバを使用すれば，レーザ光

制され，小型・高効率化，高安定動作が可能となのファイバへの結合は容易であるが，センサチッ

った。LD 励起による DPSS レーザの実現により，

プ側で出射する際にビームの広がり角が大きく

固体レーザの可能性が大きく広がったといえる 8) 。

なり，迷光等の悪影響が出やすくなる。反対にコ
ア径を小さくしすぎると，レーザのエネルギ密度

3.3 光ファイバによるレーザ光の伝送が高くなり，ファイバ端面の損傷が起きやすくな

一般に，光学式のガスセンサは，レーザ発振器

る。本装置のレーザパルスエネルギは 200µJ であや光検出器，光学部品やその固定具など，多数のり，石英ファイバ端面の損傷閾値を 26 J/cm2 とす

部品からなる大型の装置であることが多く，設置

る 9) 10)と，ファイバのコア径がおおよそ 20µm 以できる場所が限られていた。

上では，端面の石英に損傷は起こらないと考えら

そこで，ガスの計測地点に必要な要素だけをまれる。しかし実際には，ファイバへの結合試験中

とめて集積配置したセンサチップを製作し，装置に端面の損傷がたびたび起こった。これは，ファ本体と光ファイバで接続して励起用レーザ光のイバのコネクタもしくはフェルールとファイバ

送信およびラマン散乱光の受信を行う構成とす

素線を接着しているエポキシ接着剤の損傷が主ることで，計測地点の選択において高い自由度をな原因ではないかと考えられる。本装置で使用すもたせることを可能にした。一般的な光ファイバ

るレーザは，比較的エネルギが高く，強く集光すの構造を図 4 に示す。屈折率の異なるコアとクラるとエポキシが焼けて蒸発し，残留物が端面に付ッドの境界面での全反射により，低損失で光を伝着するため，そこから損傷が生じるものと考えら送することができる。光ファイバを延設することれる。ここでは，損傷を防ぎつつ，迷光等の影響－14－レーザラマン分光法による小型光学式マルチガスセンサの開発を最小限に抑えるため，使用するファイバのコアに，従来の概念では，ラマン分光計測にあたり光径を 200µm とした。レンズとファイバ端面の距

送受信光学系の小型化と，感度の確保は二律背反離を調整し，端面でのレーザのエネルギ密度を最の関係にあり，実用上，小型化は困難であると考適化することにより，損傷のリスクが減り，8 割

えられてきた。

程度の効率で結合することができるようになっ

そこで，著者らは，送受信光学系の集積化によた。

る小型化とラマン散乱光の高い集光性能の両立の可能性について検討を行い，ラマン散乱光の励起光源と集光光学系を可能な限り接近させることにより，小口径のレンズによっても大きな受光
立体角を確保することができ，得られるラマン散
乱光強度を高めることができることを見出した。
図 6 にセンサチップの送受信光学系配置を示す。

(a) 光学配置

図6

センサチップの光学系配置

図 6 に示すとおり，送信光ファイバから照射され た レ ー ザ 光 を マ イ ク ロ レ ン ズ (Edmund 社 製
BK7 ボールレンズ，φ2.5mm)によりコリメート
し，観測空間へ照射した。ラマン散乱光は，レーザ光軸に垂直な断面において，電場の振動方向に対し直角方向に強く放射される指向性を有するが，光ファイバ伝送されたレーザ光は，偏光が崩(b) 結合試験の様子れるため，本装置ではレーザ光軸の周囲全方位に一様に放射される。ここでは，そのうち後方散乱

図5

レーザの光ファイバへの結合と呼ばれる，レーザ光の進行方向に対し反対の方向に放射されるラマン散乱光を取得する形式とした。これにより，センサチップ前方へ光の放射

3.4 センサチップを行う端子とラマン散乱光を集光する端子を同本装置では，観測箇所にセンサチップを配置し，光ファイバにより伝送されたレーザ光をセンサ

一方向に向けて集積することが可能となり，小型化できるとともに取回しが簡便となる。

チップ前方の空間に照射する。これに伴い，対象また，集光光学系の配置は，受光感度向上のたとなるガス分子により生じたラマン散乱光を集め，2 チャンネルの受光系を設けるとともに受信光するとともに，受信用光ファイバに結合し，検光ファイバの視野が長距離にわたってレーザビ

出器まで伝送する。

ームと交差する無限共役比デザインを採用した。

センサチップは小型であるほど，本装置の用途

これらの光学系は，光学部品としては極めて小は拡大する。一方で，ラマン散乱光は極めて微弱型となるマイクロレンズや光ファイバフェルー

であるため，一般的には感度を確保するために比ルにより構築され，配置を精度良く実現する必要較的大口径の集光レンズが用いられる。このようがある。また，一般に光学系の高精度配置は光学－15－

レーザラマン分光法による小型光学式マルチガスセンサの開発

ステージ等の高精度アライメント機構により実

一般に，光を検出して数値化・データ化を行う

現されるものであるが，これらの機構の使用はセ

ためには，光電効果によって光のエネルギを電ンサチップの大型化につながる。

流・電圧といった電気信号に変換し，処理する必そのため著者らは，小型光学部品をアライメン

要がある。光電効果とは，物質に光を照射した際トフリーで高精度配置することができる小型光に物質の表面から電子が放出される現象のこと

学ベンチ(Micro Optical Bench，以下 MOB)を新たであり，この原理を利用した光検出器に光電管がに開発した。MOB の製作にあたっては，マイクある。光電子増倍管は，この光電管を応用したもロマシン技術を適用することにより，小型化およのであり，図 8 に示すような構造をもつ。

び高精度化を実現した。開発した MOB に光学部品を配置したセンサチップの外観を図 7 に示す。

光電面（陰極）集束電極

光電子増倍管センサチップの MOB は，ガラス基板上にそれぞれの光学部品を高精度配置・固定するための厚入射光

膜樹脂構造体をフォトリソグラフィにより形成した構造となっている。マイクロマシン技術にお
ステムピン
一次電子
ダイノード
二次電子
アノード(陽極）

ける樹脂構造形成の一般的な寸法オーダは数十～数百 µm であるが，これを小型光学部品への適図8用が可能な数 mm オーダまで引き上げることで，光電子増倍管の構造

本装置の MOB の製作が可能となる。このため，
従来のフォトリソグラフィにおけるプロセスに

陰極と陽極の間に 1000V 程度の高い電圧をか

基づき，寸法精度を確保しつつ，厚膜の樹脂構造

け，陰極から放出された電子を増幅させて取り出を形成することができるプロセス技術を開発すことで，光電面に入射する光を高い感度で検出

し,MOB の製作に適用した。

することができる。光電子増倍管には大きく分けてヘッドオン型とサイドオン型の 2 つのタイプがあるが，本装置では，検出感度のより高いサイ
ドオン型の光電子増倍管（浜松ホトニクス社製
R3896）を使用した。
(2) 光学フィルタ
ラマン散乱光を検出するには，レーザ光や他の散乱光・蛍光等から波長選択によって分離する必要がある。波長分離の方法には，回折格子・プリズムにより分光する方法と，光学フィルタにより波長選択を行う方法があるが，本装置では，光学フィルタによって波長選択を行った後，光電子増

図7

MOB により小型光学部品が集積配置され倍管に光を入射させる構成とした（図 9）。
受信ファイバによって伝送された光には，対象たセンサチップ外観

ガスによって生じたラマン散乱光以外にも，レー3.5 検出部ザ光と同波長の散乱光であるレイリー散乱光，レ(1) 光電子増倍管ーザの反射等により受光系に混入した迷光，レー

ラマン散乱光は極めて微弱な光であり，精度良ザの照射によって発生する蛍光等が含まれていく検出するためには高感度の光検出器が必要とる。受信ファイバから出射した光は，コリメートなる。現在一般的に使用されている光検出器の中レンズによって平行光とした後，まずロングパス

で 最 も 感 度 が 高 い の は ， 光 電 子 増 倍 管 （ Photo

エッジフィルタ（レーザ光透過率 0.0001%以下，Multiplier Tube, PMT）である。

ラマン散乱光透過率 95%以上）によってレーザ波－16－レーザラマン分光法による小型光学式マルチガスセンサの開発

長とそれよりも短い波長成分が除かれる。その後，

間と呼び，これには時間的なばらつきがあるため，対象ガスのラマン散乱波長に合致した透過特性

走行時間が長いと実際の信号のパルス幅よりもをもつバンドパスフィルタによってさらに波長広がって検出される。また，信号の上昇（5.5ns）

選択され，光電子増倍管の光電面に入射する。バと下降（3.6ns）にも一定の時間を要する。本装置

ンドパスフィルタを対象ガスに応じて切り替えで使用したサイドオン型の光電子増倍管は，高いることにより，様々なガスに対応することのでき感度を有する反面，構造的に電子走行時間が長くるマルチガスセンサとして使用できる。

なり，パルス幅が実際よりも広くなるという特徴がある。
図 11 の信号ピーク値とガス濃度の間には，良好な線形の相関関係があることが見て取れる。本
センサの検出下限は，H2 ガスでは 1%，CH4 ガス
では 0.2%であった。H2 ガスに関しては，爆発下限濃度である 4%の 1/4 にあたる 1%のガスを検出することができているが，実用に際してはさらに
その 1/10 にあたる 0.1%を検知する必要がある。
受信光ファイバのコア径や受光レンズの径を拡

図9大することによって信号強度の増加が見込める

受信光学系の構成

ため，今後，改良により高感度化することが可能であると考えられる。

4 . 性能検証試験
製作した小型ガスセンサを用いて，ガス濃度計

14CH4ラマン信号強度 [a.u.]

測試験を行った。対象ガスとして， CH4 （メタン）および H2（水素）を使用した。試験では，ガスセルにセンサチップを挿入し，フロート式流量計で N2（窒素）ガスとの流量比を調整することによって濃度制御を行った。
被検ガスとして CH4 を使用した場合に発生するラマン散乱光の波長は，励起波長 532nm に対して 634nm，H2 の場合には 683nm となる。これ

30 [%]
20 [%]
10 [%]

12
10
8
6
4
2
0
0

らの波長は，大気中の窒素（607nm）および酸素

25

50

75

100

125

150

[ns]

（580nm）のラマン散乱波長から十分離れている
ため，バンドパスフィルタによって波長分離でき，

図 10

CH4 ラマン信号（時間波形）

大気中での計測が可能である。
ラマン散乱光信号はレーザ光のパルス発振と同期してオシロスコープ（Tektronix

DPO7104）

で取得し，512 回の平均化処理を行った。CH4 ガスからのラマン散乱光信号の測定結果例を図 10に，H2 および CH4 ガスからのラマン散乱光信号
ピーク値とガス濃度の相関を図 11 に示す。
図 10 のラマン散乱光信号の時間波形は，レーザのパルス幅が 3ns（FWHM）であるのに対して
12ns（ FWHM）程度の幅をもっているが，これは，検出器である光電子増倍管の特性によるものである。光電面（陰極）から飛び出した電子が増幅
図 11

されて陽極に到達するまでの時間を電子走行時－17－

ラマン信号ピーク値とガス濃度の相関レーザラマン分光法による小型光学式マルチガスセンサの開発

5 . まとめ［参考文献］DPSS / Nd:YAG レーザ（発振波長 532nm，パル

三浦則雄：「化学レポート：現状と将来 ディ

1)

スエネルギ 200µJ，繰り返し周波数 1kHz）を励起

ビジョン 10，分析化学，1-4-6 ガスセンサー」，

光源とし，ラマン効果を検出原理とする小型の光日本化学会 (2008)

学式ガスセンサの開発を行った。
ファイバ伝送式とすることで装置の適用範囲

術」，水素エネルギーシステム，Vol.19，No.1，が広がった。また，マイクロマシン技術により，狭隘部に設置して計測することのできる小型のpp.496-51，(1994)
濱口宏夫，岩田耕一

3)

センサチップ（MOB）を製作した。

編著：「ラマン分光法」，

講談社 (2015)

性能検証試験の結果，H2 ガスの場合には 1%，

4)

CH4 ガスの場合には 0.2%まで検出可能であり，Derek A. Long: “The Raman Effect”, John Wileyand Sons, pp.3-152 (2002)

信号強度の線形性も良好であることを確認した。

5)

今後は，現場での適用を視野に，光源・検出器・信号処理装置等を一体化した可搬型装置本体の小林哲彦：「水素および可燃性ガスセンサ技

2)

R. M. Measures: “Laser Remote Sensing”, John
Wiley and Sons, New York, p.108 (1984)
朝日一平 他 : 「低出力レーザによる水素ガ

6)

製作や，光学配置の検討による検出感度の向上に

ス濃度遠隔計測」，電気学会論文誌 C，Vol.130，

取り組んでいく予定である。

No.7，pp.1145-1150 (2010)
二宮英樹，朝日一平，杉本幸代，島本有造：

7)
［ 謝辞］
謝辞］

「ラマン散乱効果を利用した水素ガス濃度遠本研究開発の一部は，平成 22，23 年度経済産

隔計測技術の開発」，電気学会論文誌 C，Vol.129，

業省地域イノベーション創出研究開発事業の一環として行われたものであり，関係者各位に深く

No.7，pp.1181-1185 (2009)
レーザー学会編 : 「レーザーハンドブック」,

8)

感謝致します。

オーム社, pp.311-319 (2005)
9)

B. C. Stuart, M. D. Feit, A. M. Rubenchik, B. W.
Shore, M. D. Perry: “Laser-Induced Damage inDielectrics with Nanosecond to Subpicosecond
Pulses”, Phys. Rev. Lett. 74 (1995)

10)W.

B. C. Stuart, M. D. Feit, A. M. Rubenchik, B.
Shore,

femtosecond

M.

Perry:“Nanosecondtolaser-inducedD.

breakdownindielectrics”, Phys. Rev. B53 (1996)－18－

四国電力，四国総合研究所
研究期報１０７（2017年12月）
１９－２８ページ

レーザ吸収分光方式による可搬型 NH3 濃度測定装置の開発㈱四国総合研究所 エネルギー技術部㈱四国総合研究所 エネルギー技術部

キーワード：Key Words：

脱硝装置
NH3 濃度
排ガスサンプリング
セル一体型プローブ
レーザ吸収分光方式
可搬型測定装置

市川 幸司
海稲 隆成

Denitration equipment
Ammonia concentration
Exhaust gas sampling
Cell integrated probe
Laser absorption spectroscopy
Portable analyzer

Development of a Portable NH3 Analyzer Based on Laser Absorption Spectroscopy
Shikoku Research Institute, Inc., Energy Engineering Department
Koji Ichikawa, Takashige Kaine

Abstract

We developed a portable analyzer based on laser absorption spectroscopy using a transmission type gas sensor,
in order to measure NH3 concentration efficiently and precisely in a gas duct of a coal-fired power plant.
In general, NH3 concentration is one of the most important criteria to confirm denitration efficiency of a catalyst
and a dispersed state of NH3 in the duct. NH3 is a most adsorptive and desorptive substance contained in exhaustgas of boiler. Accordingly, it is very difficult to sample and analyze NH3. It had been sampled regularly at an outlet of
denitration equipment and measured by manual analysis at a chemical laboratory. However, it is time consuming
work by chemical specialists, and is intermittent measuring.
In this paper, we describe the portable analyzer with a cell integrated probe and a position adjusting mechanismof projector/receiver. The analyzer can realize to sample the exhaust gas stably and to measure NH3 concentration inreal time at many measuring points while moving along a passage on the duct.

－19－レーザ吸収分光方式による可搬型 NH3 濃度測定装置の開発

1. はじめに
石炭火力発電所では、ボイラ排ガス処理系統の主メントに付着して閉塞を引き起こし、プラントの安定運転を阻害する要因となっている。1)2）

要設備である脱硝装置の運用管理のため、煙道内

従って、石炭火力発電所における脱硝装置の適の排ガスを対象に NH3（アンモニア）の濃度分布測定

切な運用と性能維持は不可欠であり、そのためにはを定期的に実施している。この分布測定は手間のか

NH3 の注入量および注入バランスを把握しておく必かる長時間作業となっており、また手分析による間欠要がある。その具体的な手段として、脱硝出口（煙道測定であるため、従来からリアルタイムに濃度を確認

内）の NH3 濃度分布測定は非常に重要な作業であり、できる測定装置の開発が望まれていた。

発電所では煙道（通路上）を移動しながら、脱硝出

そこで当所では、手分析作業の代替用として、保守が容易で小型軽量化にも適したレーザ吸収分光

口の各測定座を対象に、短時間で簡便に NH3 濃度を測定できる装置へのニーズが高い。

方式を採用し、排ガス中の NH3 濃度を精度よくリアル

また、高価な触媒の取替周期延長や部分取替にタイムに測定でき、かつ操作性の高い可搬型の NH3

よるコスト低減に向けて、脱硝各部（上部・中間部・出濃度測定装置を開発し、様々な観点から実用性能

口）での NH3 濃度測定に基づく触媒性能評価へのを検証している。実験室で試作装置の基本性能を確装置活用も期待されている。

認のうえ、脱硝装置の各部（上部・中間部・出口）で
NH3 濃度測定試験を開始し、脱硝出口では既に良好な結果が得られている。
本稿では、開発の背景、試作装置の測定方式と基本仕様について説明した後、実験室および脱硝出口での試験結果を示し、本装置の実用性能に関する考察と今後の装置活用に向けた展望を述べる。
2. 開発の背景
石炭火力発電所のボイラ排ガス中に含まれる
NOx(窒素酸化物)は、煙道の排ガス処理設備を経由して煙突から大気中に排出される。この代表的な大気汚染物質である NOx の排出量を低減するため、(a)脱硝各部における測定座の配置

ボイラの直後には脱硝装置が設置されている。脱硝装置では、排ガス中に NOx 還元剤として NH3 を注入

NH3 測定座

測定座周辺

し、そのガスが高温の触媒層を通過する際に、NOxと NH3 が選択的に反応して無害な N2(窒素)と H2O(水蒸気)に変換される。この方法による NOx 低減は
SCR(選択触媒還元)と呼ばれ、発電プラントにおける最も標準的な脱硝方式である。脱硝装置と NH3 測定座の状況を図 1 に示す。

(b)脱硝上部の状況（上図(a)の①）脱硝装置が所期の性能を発揮するためには、運
転状況に応じて過不足なく NH3 注入量を制御し、か測定座周辺（煙道通路）

NH3 測定座

つ触媒層に対して NH3 を均等に分散注入しなければならない。ここで、NH3 の過剰注入や脱硝触媒の性能低下が生じると、脱硝装置の出口におけるリーク(未反応)NH3 濃度が上昇し、この NH3 が排ガス中の三酸化硫黄（SO3)と反応して 酸性硫安(NH4HSO4)が生成される。粘着性の高い酸性硫安は、排ガス中(c)脱硝出口の状況（上図(a)の④）の煤塵とともに後流の 空気予熱器（AH)熱交換エレ

図 1 脱硝装置と NH3 測定座－20－

レーザ吸収分光方式による可搬型 NH3 濃度測定装置の開発

2.1 NH3濃度測定方式の比較

分光方式について、可搬型装置の開発と実機適用

ボイラ排ガスを対象とした代表的なNH3 濃度測定を念頭におき、以下のとおり具体的な比較検討を加手法として、一般にNOx変換方式（間接測定）とレーえる。

ザ吸収分光方式（直接測定）が知られている。

(1) 透過型（シングルパス式）

前者は従来から日本国内での使用実績が豊富な投光器から照射されたレーザ光を受光器で直接技術であるが、処理が複雑で保守面に課題がある。

受光する方式であり、図 3（a）に示すとおり通常は非

後者は欧米を中心に実用化が進んでいる新しい技

サンプリング(煙道対向設置)測定に適用される。この術で、応答が速く点検保守が容易なことから、海外

方式では、煙道の両側にガイド管を取付けて実質的では急速に普及しつつあり、将来的には国内でも普な光路長を短縮し、煤塵による受光レベルの低下を及する可能性が高い。

抑制する必要がある。同方式による常設型装置に関(1) ＮＯx 変換方式

しては、他社の先駆的な取組みがあり、実機での有高温触媒を用いてサンプル排ガス中の NH3 と NOx

効性を示す試験結果が報告されている。3）を反応させ、それに伴う NOx の濃度変化を化学発光

一方、可搬型装置の開発を念頭において、この透式または非分散型赤外吸収式の NOx 計で測定し、過型を図 3（b）のようにサンプリング測定に適用する

間接的に NH3 濃度を求める方法である。

と、その原理上、セル分離(排ガス流入経路と光学系

図 2 に示すとおり、触媒を通過した排ガスと通過しの分離)が可能である。投光部と受光部の間にセルていない排ガスについて、それぞれ NOx 濃度を測定(両端ガラス)を配置し、セル内に排ガスを吸引する方

し、両者の差分から等価的に NH3 濃度を算出する。

法、すなわち「セル分離型･シングルパス･レーザ吸

NOｘに変換した時点でサンプリングは容易になるが、収分光方式」を採用すれば、従来からサンプリング

差分に伴う誤差（計器差・系統差）が避けられない。

測定において常に問題となってきた排ガス流入によ

同方式による NH3 分析計は、従来から発電所で使用る汚損の影響を大幅に軽減できる。また、セル両端されてきたが、低濃度域では十分な性能を発揮でき

ガラスの内面が汚損された場合でも、セル分離型でていないのが実情である。

あればガラスの取外しが可能な構造とすることができ、また、サンプル排ガス中の煤塵や水分を除去して清掃等の対応も容易となる。

NOx 計内部の汚損を防止する必要があるため、大型

煙道内

煙道外

の前処理装置が設置されており、保守点検が課題とプローブなっている。

(NH3→NOx)
高温
触媒(2) レーザ吸収分光方式
NH3 を直接測定する方法である。近赤外領域における NH3 固有の光吸収特性（波長 1.5μｍ・2.0μｍ・(NH3 濃度：①と②の差分)

前処理装置(煤塵･水分除去)

NOx 計①

前処理装置(煤塵･水分除去)

NOx 計②排気排気

図 2 NOx 変換方式による NH3 濃度測定の基本構成

2.2μｍ）に着目した分光測定が一般的であり、広く

煙道壁

煙道壁

煙道内

普及している通信用 LD（半導体レーザ）を活用できが主流となっている。

ガイド管

投光器

受光器

ることから、1.5μｍ帯を対象とした測定方式(センサ)

ガイド管
レーザ光

透過型（シングルパス式）・反射型（デュアルパス
式）・多重反射型（マルチパス式)の 3 種類があり、基(a)非サンプリング方式（煙道壁に対向設置）

本的に、透過型は煙道に対向設置して、反射型は煙道内

煙道に直接挿入して、多重反射型は煙道から排ガスをサンプリングして測定する用途に適している。

煙道外

プローブ

2.2 レーザ吸収分光方式の優位性
保守性、また小型軽量化の必要性等も勘案すると、レーザ吸収分光方式の優位性が高い。

セル
レーザ光

投光器

ドレン
ポット

受光器

上述の状況を踏まえ、現場での耐久性･操作性･

排気(b)サンプリング方式（煙道外に設置・排ガス吸引）

ここでは、それぞれ特徴のある3種類のレーザ吸収

図 3 透過型（シングルパス式）の現場適用イメージ－21－

レーザ吸収分光方式による可搬型 NH3 濃度測定装置の開発

但し、一光路（シングルパス）におけるレーザ光の2.3 可搬型装置開発における課題と透過型の採用

光量変化を測定するので、セル長（光路長）によって現場でのサンプリング機能を必要とする可搬型の検出感度が制約され、低濃度域で十分な測定性能装置開発においては、上述のとおり排ガス流入経路を得られない可能性がある。

と光学系をガラスで分離することにより、光学系の汚(2) 反射型（デュアルパス式）

損を防止して測定性能を維持でき、かつ保守も容易

投光器から照射されたレーザ光をミラーで 1 回だなことから透過型が最も実用的であると考えられる。

け反射して受光器で検出する方式であり、図 4 に示

また、光学系の汚損と並んで課題となるのは、排すとおり通常は非サンプリング(煙道直接挿入)測定

ガスのサンプリング方法である。NH3は吸脱着性が高に適用される。

く、しかも排ガス中には煤塵や水分も含まれているた反射型に関しては、以前の研究で代表点の傾向

め、煙道内からガス状のNH3を安定的にサンプリング

監視用として常設型 NH3 測定装置を別途開発し、することは非常に難しい。また、煙道における多数の

H22 年から四国電力㈱橘湾発電所の脱硝出口で実測定座を対象に、NH3 の移動測定を効率的に短時運用中である。排ガス温度が低下した場合にプロー間で実施するためには、プローブの着脱やセルの位

ブ(セラミックフィルタ)への NH3 吸着等によって測定

置調整が容易で、しかも現場での繰返し操作に耐え誤差が生じるが、プラント定常運転時(排ガス温度

る強度と気密性を確保することも不可欠である。

350℃以上)における稼動状況は良好である。煙道内

これらの課題を解決するため、図6に示す加熱プロの排ガスが同フィルタを浸透通過してプローブ内（光ーブと加熱セルの一体化や嵌合接続によるプローブ

路長上）に達し、測定値に反映されるまでに 90 秒ほ

着脱方式のほか、セル位置を自在に調整できるスラ

ど時間遅れはあるが、実用上の支障はない。4)

イドレール方式等の採用について検討し、試行錯誤

また同装置は、定期的な自動ゼロ校正機能によっを重ねながら装置開発を進めた。

てドリフトを抑制し、長期間に亘って測定精度を維持

煙道壁

煙道内
ミラー

る場合はあるが、ほぼメンテナンスフリーで長期連続投受光器できる。ゼロ校正前後の測定値に若干の差異が生じ
プローブ
レーザ光

稼働できていることから、実機でのレーザ吸収分光
方式および反射型の有効性を示す一例であると言える。但し、同装置のプローブは堅牢かつ大型の重図 4 反射型（デュアルパス式）の現場適用イメージ

量物であり、移動測定には不向きである。
一方、サンプリングによる複数点の移動測定・リア

ガス吸引

ルタイム測定を前提とした可搬型装置の開発におい

ガス排気
ガス吸引

加熱セル

て、反射型の測定方式を適用すると、後述の多重反(3) 多重反射型（マルチパス式）

投光器

レーザ光
反射
ﾐﾗｰ

図5（a）に示すとおり、投光器から照射されたレー

投光器

ないため実用的ではない。

加熱セル

受光器

受光器

射型と同様、排ガス流入に伴うミラー汚損が避けられ

ガス排気

レーザ光
透過
ｶﾞﾗｽ

透過
ｶﾞﾗｽ

反射
ﾐﾗｰ

(b)透過型(a)多重反射型

図 5 多重反射型と透過型の原理比較

ザ光をミラーで繰返し反射して受光器で検出する方式であり、光路長を最も長く確保でき高感度であるた

受光器

め、低濃度域のNH3測定に適している。
煙道内

多重反射型に関しては、事前に現場試験を行ったが、排ガスが多重反射セルに直接流入するため、煤

ガス
吸引

塵の多い石炭火力プラントでは特に内部ミラーの汚損が問題となる。一体化されたセルとミラーが200℃

加熱プローブ

煙道外
嵌合金具

加
熱
セ
ル

以上に加熱された状態となっており、ミラーが汚損されても簡単に取外すことができないため、保守面にも大きな課題があり実用的ではない。

投光器

図 6 加熱プローブ・セルの一体化と嵌合接続の考案－22－

レーザ吸収分光方式による可搬型 NH3 濃度測定装置の開発

3. 試作装置の設計製作

気体の状態方程式として記述される。更に、アボガド

上述の比較検討結果を踏まえ、最も実用性が高いと考えられる透過型（シングルパス式）を採用し、ロの法則によると、その分子数は気体の種類に依存しない。

「セル分離型･シングルパス･レーザ吸収分光方式」

これらの基本原理を踏まえ、レーザ吸収分光方式の試作装置を設計製作した。

によって排ガス中の NH3 濃度を測定する場合、NH33.1 測定方式の吸収波長と同波長のレーザ光を照射して吸光量

試作装置は、排ガスをサンプリングして加熱セルを計測し、ランベルト・ベールの法則に基づいて濃度に導き、レーザ光を照射して NH3 固有の波長におけに換算する。その値に対して、状態方程式に準じたる吸光量を計測し、その値に圧力･温度補正を加え圧力補正と温度補正を行えば、セル内の NH3 濃度をて濃度を算出している。基本構成を図 7 に、NH3 の正確に算出できる。
なお、ランベルト・ベールの法則は NH3 手分析（吸吸収スペクトルを図 8 に示す。
一般に、物質（分子）の固有状態（エネルギー準

光光度法による比色分析）の基本原理でもある。

位）は不連続の値をとり、各状態間の準位差と等しい
エネルギーをもつ光が照射されると、分子は光を吸収して励起され、エネルギーの低い準位（基底状態）からエネルギーの高い準位（励起状態）に遷移する。
この過程において、個々の物質は種類ごとに異なった光吸収特性を示すことが知られている。吸収分光
波長[μｍ]

法は、この特性（吸収スペクトル）を調べることにより（PNNL スペクトルデータベースより抜粋）

物質を特定する手法である。
ここで、ランベルト・ベールの法則によると、気体中における吸光量は分子数（濃度）と光路長（セル長）

ランベルト・ベールの法則
吸光度＝-ℓog（Ｉ/Ｉ0）＝εc L

ε： 吸光係数c ： 濃度に比例する。またボイル・シャルルの法則によると、一定体積の気体中に存在する分子数は、圧力と比例L ： 光路長(セル長)関係に、温度と反比例関係にあり、それらの関係は

図8

入射光

透過光

Ｉ0

Ｉ
L

NH3 の吸収スペクトルと測定の基本原理

濃度測定部
受光器
サンプリング部

加熱プローブ

嵌合金具

加
熱
セ
ル

ドレン
ポット

流量計

ガス
吸引

P

ガス
排出

O2 計

圧力
センサ

投光器
測定制御部
ｱﾙﾐｹｰｽ
圧力
表示器
温度
調節器

図 7 試作装置の基本構成

－23－

信号
変換器

タブレット
ＰＣ

レーザ吸収分光方式による可搬型 NH3 濃度測定装置の開発

3.2 装置仕様

算制御･補正処理および画面表示処理を実行する。

試作装置は、サンプリング部･濃度測定部･測定制

これにより、セルの圧力と温度に応じた NH3 濃度

御部から構成され、煙道通路上を移動しながら、各補正を行い、濃度(リアルタイム・ヒストリカル)トレンド

測定座で容易にプローブの抜差しを行い、リアルタイ

グラフやスペクトル波形を表示し、測定精度の確保なムに NH3 濃度を確認できる仕様となっている。装置

らびに視認性・操作性の向上を図っている。

の外観を図 9 に、測定画面を図 10 に示す。

プローブ
(カバー装着状態)(1) サンプリング部

投光器

濃度測定部

受光器

サンプリング部に関しては、上述のセル一体型プ
ローブや金属管嵌合接続方式等を考案し、煙道通路上の移動測定におけるプローブ抜差しの時間短

測定制御部

セル一体型プローブ(移動時の仮置状態)縮を図ったほか、O2 計により気密性（エアリーク）を常時確認できる仕様となっている。
現場での操作性向上を図るため、測定性能への影響を十分に確認しながら、セル長は350ｍｍまで、プローブ長は600ｍｍまで短縮した。セルはマントルヒータで、プローブはフレキヒータで所定の温度まで加熱している。
なお、材質はセルおよびプローブともにSUS304である。一般にSUS316の方が耐腐食性は高いが、NH3のサンプリングには適していないことが報告されている。5）(2) 濃度測定部（投受光部）(a)試作装置全体

特殊ガラス

嵌合金具

濃度測定部は、セル内に吸引されたガスに対して投光器からレーザ光を照射し、受光器で透過光（吸光量）を計測する。この吸光量から圧力・温度補正前の NH3 濃度を算出してタブレット PC に送信する。

サンプリング部

投光器と受光器の間にセルを配置し、投受光器がセル両端の特殊ガラスによって完全に分離されてい(b)セル一体型プローブ

るため、排ガス流入による光学系（投受光器側）の汚図 9 試作装置の外観損は生じない。但し、セル両端のガラス内面は、排ガ
ス流入に伴う経時的な汚損が避けられないため、現場で簡単に取外し清掃できるよう、ガラスの着脱が容易な構造となっている。
また、各測定座の位置に合せてセル位置を自在に調整できるよう、スライドレール式移動機構による
水平位置調整およびアルミジャッキによる高さ調整の機能を備えている。
(3) 測定制御部
測定制御部については、温度調節器と圧力表示器をアルミケースに収納し、信号変換器経由で同ケ
ースとタブレット PC を USB ケーブル 1 本で接続する構成となっている。
タブレット PC は、投受光器・温度調節器・圧力表（濃度階段試験時の表示例）

示器にコマンドを送信してデータを取得し、各種の演図 10 タブレット PC の測定画面

－24－

加熱セル

加熱プローブレーザ吸収分光方式による可搬型 NH3 濃度測定装置の開発

ガイド管

4. 試作装置の性能評価

模擬測定座

加熱セル
受光器

実験室および現場(脱硝出口)で試作装置の性能評価試験を行い、以下のとおり良好な測定結果が得られている。なお、装置の基本仕様を表 1 に示す。
4.1 実験室での測定試験

ガス
供給点

アルミ
ジャッキ
ド
スライド
レール

投光器

実験室では、実機を模擬した測定座とガイド管を製作し、そのガイド管にセル一体型プローブを装着

タブレット
PC

して試験を行った。標準ガス（NH3・N2）は、流量調整器（マスフローコントローラ）経由でガイド管の先端かO2 計ら供給した。

ドレンポット

低濃度域と高濃度域において測定試験を行い、

図 12 実験室での試験状況

下記のとおり、所期の目標精度を達成できている。
試験系統を図 11 に、試験状況を図 12 に示す。

供給ガス濃度（5→4→3→2→1→0）(1) 低濃度域の測定性能評価
低濃度域に関しては、5ppm から 1ppm ずつ濃度をNH3 濃度[ppm]

下げていく階段試験を行った。その結果、図 13 に示
すとおり、測定値は供給ガス濃度に対して±0.5ppmの範囲内で安定推移し、目標精度を十分満足する
データが得られた。この濃度域では吸脱着の影響が顕著となるため誤差を生じやすいが、サンプル流量

図 13 低濃度域の試験データなど試験条件を最適化することで精度よく測定できている。
供給ガス濃度（100→80→60→40→20→0）(2) 高濃度域の測定性能評価
高濃度域に関しては、100ppm から 20ppm ずつ濃度を下げていく階段試験を行った。その結果、図 14NH3 濃度[ppm]に示すとおり、測定 値は供給ガス濃 度に対して±5.0％の範囲内に収まっており、低濃度域と同様に目標精度を十分満足するデータが得られた。
なお、実験室における測定値と手分析値との比較

図 14 高濃度域の試験データ

試験結果については割愛するが、低濃度域・高濃度
域において両者の高い相関性を確認できている。
受光器

MFC

NH3

NH3 捕集管

排気

P

吸着剤

投光器

ドレン
ポット

吸収液

模擬測定座
フランジ

可搬型 NH3 濃度測定装置
本体
流量計

MFC

加熱プローブ加熱セル

セル出口分岐混合ガス供給嵌合金具N2※MFC:ﾏｽﾌﾛｰｺﾝﾄﾛｰﾗ

手分析サンプリング

図 11 標準ガスによる試験系統ブロック図

－25－

流量計

排気

レーザ吸収分光方式による可搬型 NH3 濃度測定装置の開発

表 1 試作装置の基本仕様

4.2 脱硝出口での測定試験
測定原理

シングルパス･レーザ吸収分光方式

サンプリング方式

セル一体型プローブ（加熱吸引）

測定濃度0～100ppm（測定下限:0.5ppm）

測定精度±5.0 % FS (0～10ppm）±5.0 % RS (10～100ppm）

ガイド管（外管：SUS、内管：アルミ）は 4 本であること

更新周期

1.0 秒

から、両煙道における移動測定の対象は計 40 点と移動測定時間

10 分以内／点

四国電力㈱橘湾発電所の脱硝出口で、試作装置
による NH3 測定試験を実施し、現場での実用性能を検証した。
脱硝出口の測定座(フランジ)は、A･B 各煙道に 5個ずつ配置されている。各測定座のサンプリング用なる。既設測定座の状況を図 15 に、移動測定のイメージを図 16 に、また試験状況を図 17 に示す。
試作装置による移動測定試験を実施した結果、
図 18 に示すとおり装置移動やプローブ抜差しの時間も含め、1 個所あたり 10 分以内で測定可能であり、現場での操作性に関する所期の目標を達成できた。
また、測定値とセル出口分岐サンプリングによる手分析値との比較試験では、図 19 に示すとおり測定
値が 1.5ppm 未満、手分析値が 1ppm 未満で推移し、両者の相関性も確認できた。更に図 20 の連続測定試験では、NH3 注入量との連動性を示唆する測定値(a)移動測定試験状況が得られている。
SUS ガイド管
アルミ管(内径 8ｍｍ)

手分析サンプル
プローブ挿入孔装置サンプル(b)セル一体型プローブの装着状況

図 15 脱硝出口の既設測定座

図 17 脱硝出口での試験状況※図中 1～4 は長短 4 種類の既設ガイド管（SUS 外管・アルミ内管、先端フィルタ付）。同管内にセル一体型プローブを順次挿入して移動測定実施。

図 16 脱硝出口における移動測定のイメージ－26－

レーザ吸収分光方式による可搬型 NH3 濃度測定装置の開発(30 分)
測定座 M
1

O2
濃度
[%]

O2測定値

NH3
濃度
[ppm]

NH3測定値

2 3 4(32 分)
測定座 J
1

2 3

(待機)
エア吸引

(30 分)
測定座 G

4

3

1 2

4

(30 分)
測定座 D
1 2 3(23 分) (連続測定)
測定座 A 測定座 J
4 1 2 3 42（脱硝装置 B 出口測定座：M→J→G→D→A）

図 18 脱硝出口における移動測定試験データ● 手分析値

O2測定値

G1

G2

NH3
濃度
[ppm]

G3

G4

F

G2

[ppm]
測定値

O2
濃度
[%]

NH3測定値

図 19 脱硝出口での手分析比較試験データ

手分析値

試験終了
▼

試験開始
▼
装置調整

NH3 流量

NH3
濃度
[ppm]

NH3 測定値NH3
流量[kg/h]

図 20 脱硝出口での連続測定試験データ
5. 考察と展望

握という観点からは大きなメリットである。

実験室および現場における各種試験結果を踏ま一方、JIS準拠の手分析（吸光光度法・イオンクロ

え、試作装置の実用性能について考察し、今後の装マトグラフ法）では、煤塵に付着したNH3 や酸性硫安置活用に関する可能性と展望を以下に述べる。

も含めたトータルのNH3が分析対象となり、煤塵の有

5.1 脱硝出口での手分析代替用としての評価

無が分析結果に反映される。従って、ガス状のNH3(1) 測定性能についてだけを対象とした手分析を行う場合は、サンプリング

脱硝出口における手分析値と測定値には高い相時に円筒濾紙等を用いて、できる限り微細な煤塵ま関性があり、絶対値も同レベルで推移していることかで除去する必要がある。

ら、試作装置の測定性能は良好であると言える。これ(2) 操作性・保守性等については本装置の測定値をセル出口分岐サンプリングによ移動測定(全点分布測定)において、1点を10分以る手分析値と比較した場合の評価である。本稿では内で測定でき、A・B両煙道（A側：20点、B側：20点）

割愛したが、セルの前段すなわちセル入口分岐サンの計40点を400分（約7時間）で測定可能であること

プリングによる比較試験も行い、ほぼ同等の結果がから、所期の機能を発揮できていると言える。

得られている。場所・時刻およびサンプルガスの同一

開発当初は、加熱状態のプローブとセルを接続・性という観点から、セル出口分岐サンプリングの方が分離する作業等に手間がかかり、安全性･気密性･

妥当性は高いと考えられる。

耐久性が課題となっていたが、セル一体型プローブ

試作装置（レーザ吸収分光方式）は原理上、ガスの採用によって解消できている。また、プローブの煙として存在するNH3 濃度の測定を前提としており、レ

道壁貫通部(測定座内と測定座外のプローブ連結

ーザ透過率の極端な低下がない範囲（透過率60％部)は通常のネジ込み式ではなく、金属嵌合・耐熱融以上）において、基本的に測定値は煤塵の有無に

着テープ方式を採用したことで、プローブの着脱操影響されない。これは排ガス中のNH 3ガス濃度の把作も非常に容易となっている。

－27－

レーザ吸収分光方式による可搬型 NH3 濃度測定装置の開発の代替用として完成度の高い装置に仕上げる予定

既設ガイド管の先端には SUS フィルタ（2μｍメッシである。

ュ）が常時装着されているが、同フィルタを通過する
微細な煤塵やガイド管内に残留した煤塵等は除去

また、脱硝各部の NH3 測定値に基づく触媒層ごとできず、装置側に流入する。しかし、煤塵の存在下の性能評価の可能性について検討するほか、NH3でも原理的にロバスト性の高いセル分離型･シングル

濃度分布に応じた短時間でタイムリーな NH3 注入量

パス･レーザ吸収分光方式の長所を活かし、装置側調整およびバランス調整への適用可能性についても（サンプル加熱ライン）にはフィルタを一切使用せず調査し、脱硝装置の運用効率化に向けて本装置の測定が可能である。このように特別な前処理が不要

有効活用を図っていきたい。

で、加熱ラインにおけるフィルタ着脱作業も生じない［謝辞］

ことは、保守面における大きなメリットである。

本研究は、四国電力㈱火力部からの委託を受け

5.2 脱硝各部での装置活用に向けて実施した。装置開発および現場試験にご協力いただ

現在、触媒層ごとの脱硝性能の実態を把握する

いた関係各位に深く感謝の意を表する。

ため、試作装置を活用して脱硝上部・中間部においても測定試験を開始し、NH3 濃度の長期的な変末筆ながら、具体的な試作装置の開発に際して、化傾向について調査中である。

ソフト・ハード両面で絶大なる協力をいただいたミクロ

また、NH3 注入バランス調整への装置活用の可電子㈱の門脇渉氏と㈱ブレインズの小野実氏に、能性という観点からは、必ずしも脱硝出口での様々な条件での手分析試験を鋭意実施していただ

NH3 濃度分布測定に限定することなく、脱硝中間

いた四電ビジネス㈱の前田博史氏に、またレーザ式部や脱硝上部での濃度分布測定の可能性・有効性

ガス分析計に関する最新情報等を適宜提供いただについても調査検討が必要であると思われる。

いた西華産業㈱および中外テクノス㈱の関係各位に、これに関しては、脱硝各部における NH3 濃度のこの場を借りて心からお礼申し上げたい。

高低（測定の難易度）、測定座の仕様（煙道外への突出長）、煙道通路の状況(作業空間)等も勘案［参考文献］しながら、従来よりも濃度分布測定作業が容易で、

1) 金森、三池、伊藤、一之瀬：「石炭火力発電所のかつ NH3 注入量(注入弁の開度調整)との関連性

排 煙 系 閉 塞 対 策 」 , 火 力 原 子 力 発 電 ,Vol.65,を確認しやすい方法を見出し、その妥当性を検証

pp40-44（2014）

していきたい。

2) 久次米、島尾：「橘湾発電所空気予熱器の運転

なお、脱硝各部（上部・中間部・出口の 3 フロ

中水洗装置における実運用試験結果について」,

ア）での測定作業を考えると、装置の更なる小型

火力原子力発電,Vol.66,pp124-128(2014)

化が望ましい。今回の試作装置は、最も一般的な

3) 馬目、田鹿、近藤、田上、杉山、土橋：「石炭焚き近赤外域の吸収特性を利用しているが、NH3 の吸収

ボイラ空気予熱器閉塞抑制のための脱硝出口リが格段に強い近紫外域に着目した装置開発についークアンモニア連続監視」,火力原子力発ても検討中である。今のところ干渉成分の影響や紫電,Vol.68, pp431-436（2016）

外光源の性能など課題は多いが、検出感度を維持

4) 山地：「四国電力における技術革新の歩み」,電しつつ、セルの短縮や投受光器の小型化が可能な方式として、将来的に有望と考えられる。6）7）

気評論,Vol.98,ｐｐ170-172（2013）5) 毛利、本多、島崎、浜島：「石炭火力排煙脱硝における未反応アンモニア分析計の検討」火力原

6. まとめ

子力発電,Vol.35,ｐｐ57-65（1981）

レーザ吸収分光技術の活用やセル一体型プロー

6） 福地、二宮：「高濃度 SO2 含有ガス中における微ブの考案等により、多数の測定座を対象に排ガス中量 NH3 の紫外吸収分光測定」電気学会論文誌の NH3 濃度を効率的に移動測定できる装置を開発

A,Vol.131,No.7,ｐｐ540-546（2011）

し、その実用性能を検証した。

7) 朝日、杉本、星野、二宮ほか：「紫外吸収分光法

実運用に向け、今後も橘湾発電所の脱硝出口でを用いた高温ガス計測装置の開発」四国電力・

引続き測定試験を実施してデータを蓄積し、手分析

四国総研研究期報,Vol.102,ｐｐ19-27（2015）－28－

四国電力，四国総合研究所
研究期報１０７（2017年12月）
２９－３４ページ

次世代 openATOMS(openATOMS_FG)の開発について㈱四国総合研究所 電子技術部

キーワード：

IoT
インターネット
無線通信
モニタリング

Key Words：

中西

美一

IoT
Internet
Wireless communication
Monitoring

Development of the openATOMS Future Generation

Shikoku Research Institute, Inc., Electronics Technology Department
Yoshikazu Nakanishi

Abstract

IoT has been one of key words of recent technology trend that can contribute to make society more convenientand safety.

On the other hand, it is not so easy to develop and utilize IoT systems in the real world.

IoT is acomplex assembly of various types of technologies including microcomputers and radio communication devices.
Application system engineers don’t have enough time to study each individual technology that is composing IoT
systems, because of they are always busy to understand problems in the real world and make up practicalresolutions to resolve those difficult problems.

They obviously need well designed and easy to use common

platform technology that can be used in IoT system development.
The openATOMS_FG was designed as common platform technology to develop and operate various IoT systems
in the real world.

In this article, basic components of the openATOMS_FG and two practical application systems

based on the openATOMS_FG are described.

－29－

次世代 openATOMS(openATOMS_FG)の開発について

１．はじめに

２．NICE32 の開発

インターネットは 1960 年に発明されたとされるが、openATOMS で は NICE と し て 8bit コ ア の

その実用性が一般に認識されたのは 1993 年の NCSAMCU(Micro Controller Unit)を使用している。(以降、Mosaic という革新的な Web ブラウザの誕生により、8bitMCU の NICE を NICE8 とする。) NICE8 の RAM

IT の専門家ではない極普通の人々とのインターフェ

容量は 4KB しかなく、NICE8 上で十分なデータ処理ースを獲得して以降であると思われる。元来インターができないことが大きな課題であった。

ネットはコンピュータ間の通信ネットワークとして設

新しく開発した NICE32 では 32bitMCU を使用し計されたものであるが、この 25 年の間に人と人を繋ている。RAM 容量が従来の 4KB から 256KB へと 64

ぐネットワークに進化したと言えるのではないかと個倍となり、またデータ処理速度も数十倍になったため、人的には思っている。

従来は上位のコンピュータで行っていた計測データ処

そしてこれからは身の回りの全ての物がインターネ

理の大部分を NICE32 上で行えるようになった。これ

ットに繋がる IoT(Internet of Things)の時代と騒がれにより、データ処理のリアルタイム性が向上すると共ている。Things とは物質という意味ではなく、小さなに、消費電力の大きい無線データ通信を大幅に削減でコンピュータを内蔵した物体のことであるので本来のきることとなり、NICE32 の消費電力は NICE8 の 1/3

目的に戻っただけのことであるが、57 年前との大きな程度に低減され、用途によっては単三型の Li 乾電池×

違いは、現在の我が国では殆ど全ての人がインターネ

2 本で 10 年以上連続動作させることができるようにットに繋がっていて、当時は現在の日本円に換算してなった。

数千万円もしたコンピュータがワンコイン(500 円程度)になったことであろう。

このメモリ容量とデータ処理速度の大きさにより、
例えば、振動加速度データを収集しながらリアルタイ

IoT は正確には Internet of Tiny computers のこと

ムに FFT 演算処理を行うという芸当も可能となってである。ちっぽけであっても立派なコンピュータであいる。通信速度の遅い無線通信ネットワークでは振動るので、そう簡単にはインターネットに繋がらない。

加速度データのような大量のデータ送信が難しく、可厄介なのは Tiny computer はワンコインなのでインタ

能な限り NICE32 上でデータ処理を行い、無線送信すーネットに繋ぐために多くの時間とお金を掛けられなるデータ量を減らす必要がある。これは頭脳明晰で仕いことである。

事のできる部下は上司への報告も最小限で済むのと同

当社では、IoT 応用システムが普及するためにはじ理屈である？

様々な用途の実用システム構築に利用でき、その開発

最新の 32bitMCU はその価格からは想像できないと運用コストを劇的に低減できる共通基盤技術が必要ほど高性能で、データ処理速度の向上とメモリ容量のであると考え、2007 年頃から openATOMS の開発を増強に加えて外部デバイスインターフェースも充実し行ってきた。幸いにも openATOMS はささやかな成功ており、様々なセンサやアクチュエータを UART、SPI、を収め、当社のいくつかの製品で利用されているが、I2C、ADC、DAC 等の標準化されたインターフェース

当初の設計から 10 年が経過し、現在の社会に散在すで接続できるようになっている。
NICE32 用の OS としては、NICE8 用に独自開発しる様々な課題に挑戦するには少々力不足を感じるようた S.OS_NICE8 と同様に、低消費電力化のために常になってきた。
openATOMS では前述の Tiny computer のことを時は CPU コア(システムクロック)を停止しておいて、NICE(Networked Intelligent CEll)と呼んでいるが、必 要 時 の み CPU コ ア を 起 動 す る 方 式 の 独 自2007 年の技術では十分な intelligence を与えることがOS(S.OS_NICE32)を開発して使用している。システできなかった。(明らかに名前負けしていた。)

さら

ムクロックの停止とは車のアイドリングストップのよに、Networked の部分にもこの 10 年間でいくつかのうなもので、消費電流はアイドリング時の 1/1000 以

技 術 革 新 が あ っ た た め 、 こ の intelligence と下の 1μA 程度となるため、電池電源で数年間動作さ

networking 機能の大幅な強化を目指して、2016 年かせる必要がある NICE32 には不可欠の機能である。最ら次世代 openATOMS(openATOMS_FG)の開発を進新の MCU ではシステムクロックの起動時間が 1μsec

めている。本稿ではその概要を報告する。

程度と短くなっており、システムクロックを停止していても緊急を要する外部イベント入力に対応できるが、－30－

次世代 openATOMS(openATOMS_FG)の開発について

システムクロックの起動・停止は非常に繊細な動作で無線通信ネットワークの応用が進むにつれ、上記のこの機能の実装は相当に大変な作業である。この部分

課題を何とか解決しようということになり登場したのの設計をしていると「この場合はこうなって…、そのが、2.4GHz に比べて電波の曲がりが良く、空中での場合はああなって…」と自然と独り言が多くなり、同減衰も少ないため、障害物の多い環境下でも安定した

僚からは変なおじさんと思われているに違いない。

長距離通信性能が期待できる 920MHz 帯の電波の利

また、NICE32 では前述の外部デバイスインターフ

用と、高精度の時刻同期技術により無線中継ノードをェースを介して様々なセンサやアクチュエータを接続

含む全ての無線通信デバイスを間欠動作とすることで、する必要があり、そのためのデバイスドライバソフト

無線通信ネットワーク全体の消費電力を大幅に低減可

ウェアの開発は結構大変な作業となる。このデバイス能とした 920MHz_MultiHop 技術である。

ドライバを S.OS_NICE32 の一部として提供すること

さらには、通信速度を極端に下げ通信距離を極端にで実用アプリケーションシステムの開発効率は飛躍的延ばすという逆転の発想で生まれた技術が 920MHzに向上するが、世の中に存在する優れたデバイスを継_LoRa 等の LPWA(Low Power Wide Area の略)技術で続的に調査し、そのデバイスドライバを開発し続けるある。河川の上流で鉄砲水が発生したという情報をというのも骨の折れる仕事である。優れたデバイスの10km 下流の民家に知らせるには 1BPS(手旗信号程

99%は日本語以外の言語を喋る研究者や技術者によっ度)の通信速度で十分である。下流の民家の住人は数百て開発されており、彼ら彼女らの共通言語は英語であMBPS の通信速度を持つスマホで世界の裏側の情報る。１つのデバイスのデバイスドライバを開発するたを動画で見ることができるが、1BPS の IoT が無けれめに、時には数百ページの英文ドキュメントを隅々まば 10 分後に自宅が濁流に飲み込まれることを知るこ

で読まなければならないことを想像して頂ければこのとができないという事実からこの 1BPS の価値を容易

仕事の過酷さを少しは理解して貰えるだろう。

に理解することができるであろう。

近年では、Tickless OS と呼ばれる CPU コアを停止

920MHz 帯を利用する無線通信デバイスには、特別できる汎用 OS の開発も進んでいるため、将来的にはな手続きをせずに使用できる電波出力が 20mW 以下

汎用 OS の採用を予定しているが、汎用の Tickless OSのタイプ(特定小電力無線局)と地方総合通信局への申ではデイバスドライバの構造が複雑になりその開発に

請 と 電 波 使 用 料 (500 円 ／ 年 程 度 ) の 納 付 が 必 要 な

多大な時間と労力が必要となるため、現時点での採用

250mW 出力タイプ(簡易無線局)があり、電波出力がは時期尚早と判断したというのは言い訳で、OS の開10mW 以下に制限されている 2.4GHz 帯に比べて通信

発は純粋に楽しいのである。

距離を確保し易いというのも大きな利点である。
250mW は 20mW の 12.5 倍であるが、通信可能距離はその√になり 3.5 倍程度となる。

３．新しい無線通信技術への対応
openATOMS で使用できる無線通信ネットワーク技

openATOMS_FG で は 、 こ れ ま で 利 用 し て い た術は 2.4GHz_ZigBee のみであった。優れた技術であ2.4GHz_ZigBee に加えて、920MHz_MultiHop おより、現在でも十分に活躍しているが、以下のような課び 920MHz_LoRa を利用可能とした。無線通信技術の題があり openATOMS の利用拡大の制限となってい選択肢が増え、従来の 2.4GHz_ZigBee では適用が難た。

しかった無線中継点での電力確保が難しい場合や、無線中継を行わず 10km を超える通信を行う必要がある①

2.4GHz の電波は直進性が強く、障害物による通用途にも適用可能となっている。
NICE32 と無線通信デバイスは UART で接続され信障害を受けやすい。
②③④

電波出力が 10mW 以下に制限されていて、屋外でるため、ハードウェア的には簡単に交換可能であるが、の見通し通信距離が最大 500m 程度と短い。

通信プロトコルは製品毎に異なるため、各通信デバイ

既に 2.4GHz 帯を利用している機器が広く普及しス毎にデバイスドライバの開発が必要である。

ており、電波障害を受ける可能性が高い。

S.OS_NICE32 では各通信デバイスのプロトコルの違ZigBee では無線中継ノードの低消費電力化が考いをこのデバイスドライバが吸収し、無線データ通信

慮されておらず、中継ノードの電源確保が難しい。

のための共通 API をアプリケーションソフトウェアに提供しており、アプリケーションシステムの開発者－31－次世代 openATOMS(openATOMS_FG)の開発について

は無線通信方式の違いを殆ど意識せずにすむようにな

ヒソヒソ話で情報を伝達するのに対し、920MHz_っている。実用システムの構築では、その要求仕様に

LoRa は大声でゆっくり叫ぶようなものである。ヒソ

応じて適切な無線通信技術を選択あるいは組み合わせ

ヒソ話は複数の経路を同時に実行できるが、皆が大声て使用する必要があるが、共通 API がないと使用するで叫ぶと簡単に学級崩壊してしまう。

無線通信技術に合わせてアプリケーションソフトウェ
４．NICE32 試作機と NC(Network Computer)

アを作り直さなければならない。

図１に NICE32 の試作機を示す。2.4GHz_ZigBee、920MHz_MultiHop、920MHz_LoRa の３種類の無線

３.１ 2.4GHz_ZigBee の特徴
2.4GHz_ZigBee は無線通信ネットワークが一般に

通信デバイスから２つまで接続でき、同時に通信がで普及するきっかけとなった技術である。先行する多く

きるようにしており、異なる無線通信方式間のゲートの技術をバランス良く組み合わせると共に、それらのウェイとしても機能する。また FAT32 形式の microSD

特許問題を解決したことにより多くの無線通信デバイ

メモリ(最大 32GB)を搭載可能としており、初期設定

スメーカの参入を促した結果デバイスも安価になり、ファイルデータの読み込みや大量の計測データの保存

当社でもコスト制限の厳しい農業用の環境モニタリンも可能である。
openATOMS_FG 応用システムの多くは低消費電力

グシステム等で使用している。
一方、ZigBee には通信信頼性と消費電力の点で課題であることを要求するため、低消費電力動作に定評のもあり、同じ 2.4GHz 帯を使用しながらもそれらの課ある 32bitMCU を選定するとともに、接続するセンサ

題の解決を目指した新しい技術もいくつか提案されておよび無線通信デバイスの電源をきめ細かく制御するいる。

ことで低消費電力動作を実現している。

３.２ 920MHz_MultiHop の特徴
屋外での１ホップの通信距離が電波出力 20mW のタイプで最大 1,000m 程度あり、30 ホップ程度までのマルチホップ機能により自動的に無線通信経路が構築される。また、無線通信ネットワーク全体を間欠動作させることにより、無線中継ノードを含めて無線通信
デバイスを低消費電力動作させることができるため、電源確保の困難な場合でも大規模な無線通信ネットワークを構築し易いという特徴を持つ。連続動作時の通信速度は 100KBPS と比較的高速であるが、低消費電力化の為に間欠動作とした場合は通信速度が低下する。
図１．NICE32 試作機
３.３ 920MHz_LoRa の特徴
通信速度を下げ、受信感度を上げるという戦略で電図２に NC(Network Computer)を示す。NC には前波出力が 20mW のタイプで屋外での見通し通信距離

述の３種類の無線通信デバイスから１つを選択してを最大 5km 程度確保できる。無線通信デバイスのレ

UART インターフェースで接続する。NC には無線通

ベルではマルチホップ通信機能は搭載されていないた

信ネットワークとインターネットを接続するゲートウ

め、１つの親局に対して複数の子局が直接通信するス

ェイ機能と、NICE 群から収集したデータを蓄積・解ター型ネットワークとなる。実用的な通信速度は

析する一種のクラウドサーバ機能が搭載されており、

1KBPS 程度と低く、大量のデータ送信には適さない。

後者の機能を利用する場合はより直感的に理解し易い

920MHz_LoRa の使用で注意すべきことは、１つの「データ収集ユニット」という名称で呼んでいる。

ノードの無線データ送信回数と１送信当たりの時間を

近年ではインターネット通信コストも低く、レンタ

可能な限り小さくすることである。教室内での情報伝

ルクラウドサーバも手軽に利用できるため、インター達に例えるなら、920MHz_MultiHop が隣通しの早口

ネット上のクラウドサーバにデータを蓄積するシステ－32－次世代 openATOMS(openATOMS_FG)の開発について

ムが多いが、大地震の発生時等には高い確率でインタな本稿の読者であれば、このシステムが水田の水位にーネット接続は長時間停止するため、アプリケーショ

留まらず、道路の冠水状況監視や河川の水位監視にもンによっては現場設置のクラウドサーバが必要である。

利用できることは容易に想像できるであろう。

openATOMS では設計当初からローカルのクラウドサ
ーバとインターネット上のより強力なクラウドサーバ
を組み合わせて利用できるようにしている。これはopenATOMS の想定適用分野に当初から自然災害モニ
タリングが含まれていたためである。

図３．水田環境モニタリングシステム
５.２ 構造物振動多点同期モニタリングシステム
図４に構造物振動多点同期モニタリングシステムの図２．NC(Network Computer)

センサユニットを示す。無線通信デバイスとして920MHz_MultiHop を使用し、センサデバイスとして

５．応用システムの開発
openATOMS_FG は既に十分に実用的なレベルに仕上がっており、現在 openATOMS_FG をベースに様々

高精度の加速度センサを搭載している。最大 200Hz(変更可能)でサンプリングした３軸の加速度波形データを内蔵の NICE32 でリアルタイムに分析できる。

な実用システムの検討・試作を進めている。以下に試本システムは当社の建築技術の研究者からの依頼で作した「水田環境モニタリングシステム」および「構開発したものである。原理は簡単で、ビル等の構造物

造物振動多点同期モニタリングシステム」について紹

内の複数個所の３軸加速度を±5msec 程度の時刻同期介する。

誤差で高精度に計測できれば、その２重時間積分値から各計測点の基準点からの移動距離を時々刻々と計算

５.１ 水田環境モニタリングシステム
図３に水田環境モニタリングシステムを示す。無線

でき、地震による振動が構造物へ与えるダメージの診断に役立つとのことである。

通信デバイスとして 920MHz_LoRa を使用し、センサ

原理は簡単であるが、分散配置された多数のセンサ

デバイスとして水位センサならびに水温センサを搭載

ユニットの内部時計の誤差を±5msec 以内に維持しつしている。センサユニットの消費電力は小さく、単三

つ、いつ発生するか分からない地震による振動を常時型の Li 乾電池×2 本で 5 年以上動作する設計となって監視し、いざという時には複数個所で同時に収集したいる。

大量の３軸加速度波形データを通信速度の遅い

なぜ水田環境モニタリングかと言うと、個々の監視

920MHz_MultiHop 無線通信でデータ収集ユニットへポイントの情報量とその監視頻度は少ないが、大きな確実に回収するという結構凄い機能を、安価に、そし通信距離が必要という要求が 920MHz_LoRa の実用てたったの６か月で開発しろという注文であった。

性評価に適しているからである。最も重要な情報は水驚くことに、本システムのプロトタイプは２か月程位である。計測範囲は 0～200mm 程度で計測分解能は度で出来上がったのである。必要な機能の大部分は1mm で十分なのでデータ長は 8bit であり、計測間隔

openATOMS_FG に用意されており、２か月という時は１時間以上で良いため、１計測点当たりに必要な無間の大半は、時刻同期機能の実現と大量の加速度波形

線通信速度は 0.002BPS 程度という計算となる。

の効率的な無線伝送メカニズムの開発の費やすことと広大なエリアの水位を電池電源の簡単なセンサユニ

なったが、本開発により、openATOMS_FG には高精ットを設置するだけで遠隔監視できるのである。聡明度の時刻同期メカニズムと低速の無線通信ネットワー－33－

次世代 openATOMS(openATOMS_FG)の開発について

クによる大量データ送信メカニズムという新たな機能

報 No.90,pp24-34(2008.6)が追加されることとなった。当社では openATOMS

2)中西美一：「オンデマンド・モニタリングシステム技_FG の開発と並行して、その応用システムを積極的に術の開発」，平成 22 年電気学会 C 部門大会講演論文集

開発している。理由は簡単で基盤技術に搭載する各種機能の開発には、それを必要とする実用システムへの理解が不可欠だからである。

図４．構造物振動多点同期モニタリングシステム(センサユニット)試作機
６．まとめ
openATOMS_FG の開発概要とその応用システムの一例を紹介した。IoT とは Internet of Tiny computersであるという独自の解釈に異論を唱える専門家も多いと思うが、Things がインターネットに繋がるという誇大表現が IoT の本質の理解を妨げているようにも思われる。遠い将来には Tiny computer に搭載された AIによりそれがまるで生物のように振る舞い、勝手にイ
ンターネットに繋がるようになるかもしれないが、それまでは、真に実用的な IoT システムを構築・運用するためには openATOMS_FG のような優れた共通基盤技術と、社会に散在する課題を理解しその解決に取り組む熱意に溢れた研究者や技術者の弛まぬ努力が必要であると記して本報告のまとめとしたい。
７．謝辞
本研究の一部は、四国電力㈱事業企画部殿ならびに土木建築部殿より委託を受け実施したものである。ご協力いただいた関係各位に深く感謝いたします。
[参考文献]
1)中西美一：「オンデマンド・モニタリングシステム技
術(ATOMS)の開発」,四国電力.四国総合研究所 研究期－34－四国電力，四国総合研究所
研究期報１０７（2017年12月）
３５－３８ページ

水力発電所配電盤における耐電圧値引き下げに関する研究

四国電力㈱
水力部
㈱四国総合研究所 電力技術部㈱四国総合研究所 電力技術部（現：四国電力㈱考査室）

キーワード：

雷サージ
低圧制御回路
EMTP
誘起電圧

Key Words：

寺尾 武蔵
藤村 直人
泉川 雅弘

lightning surge
low voltage control circuits
Electro Magnetic Transients Programinduced voltage

Study of reduction in withstand voltage values of switchboards in hydroelectric power stations

Shikoku Electric Power Co., Inc., Hydro Power Plant Dapartment
Takezou Terao
Shikoku Research Institute, Inc., Electric Power Department
Naoto Fujimura, Masahiro Izumikawa

Abstract

The commercial frequency withstand voltage value of low voltage circuits in power equipment is specified to be
2kV. This is a high value, taking into consideration the importance of the equipment responsible for supplying
electricity to customers.
However, in the case of small hydroelectric power plants with 6 kV distribution line interconnected systems,
where the surge level in low voltage control circuits is low, general purpose equipment suitable for generalindustries can be used. This results in cost reduction if the withstand voltage value of switchboards can besuppressed to 1.5 kV or less.
Thus, we have evaluated the possibility of using the withstand voltage values that are normally in use in generalindustries in small hydroelectric power plants by studying and analyzing abnormal voltage phenomena occurringin low voltage control circuits of small hydroelectric power plants.

－35－

水力発電所配電盤における耐電圧値引き下げに関する研究

1．はじめに電力用設備における低圧回路の商用周波耐電圧値は，お客さまへの電力供給を担う設備の重要性を鑑みて，ＪＥ
Ｍ「電力用保護継電器一般編」（1963 年）により，高水準の耐電圧値として 2kV が規定されており，当社では，小水力発電設備も含めた全ての電力用設備に 2kV が適用されている。
しかしながら，低圧制御回路へ侵入するサージレベルが低い 6kV 配電線連系の小水力発電所の場合，その値を 1.5kV 以下に抑制できれば，一般産業用の汎用機器を採用することが可能となり，配電盤のコスト低減が図れる。
図 2 一般産業用配電盤の故障要因（図１）
このため，小水力発電所の低圧制御回路に発生する

2.2 水力発電所における配電盤低圧回路への誘起電圧

異常電圧現象を整理，解析することにより，一般産業用耐波形の観測

電圧値の適用の可能性について評価した。

(1) 観測概要
運転中の小水力発電所において，雷サージ等による

2．評価内容と結果
2.1 一般産業用機器の故障要因調査

配電盤低圧回路に使用されている制御ケーブルの余り(1) 調査概要

芯（配電盤側）に波形記録装置を接続し，誘起電圧波形

配電盤製造メーカを対象に，一般産業用機器の故障の観測を行った。

件数とその要因について聞取り調査を行った。

(2) 観測対象発電所
一般的に低圧制御回路の誘起電圧が高くなる主な要(2) 調査結果

因は，配電盤製造メーカの把握する配電盤故障件数は，過去５年間で280件であり，うち雷サージに起因するものは７件

・要因１：接地抵抗が比較的高い（全体の 2.5%）との回答を得た。（図２）・要因２：放電電流が配電柱の避雷器よりも接地網に流入する割合が高い

本データは顧客よりメーカへ通知のあった件数である

・要因３：配電箱と配電盤が離れており，接地網が分割さが，雷サージに起因する故障の割合は少なく，一般産業

れ，接地抵抗差が大きい用配電盤の異常電圧に対する故障リスクは極めて低い，

上記３項である。要因１は，各発電所の接地抵抗値が技という見解であった。

図１ 低圧制御回路へのサージ侵入経路－36－

水力発電所配電盤における耐電圧値引き下げに関する研究

術基準値（A 種接地工事：10Ω）を満たす範囲では大差

2.4 雷サージ誘起電圧の測定（発電所モデル）が無いため対象外とし，要因２に該当する発電所（発電所(1) 測定概要

Ａとする）と要因３に該当する発電所（発電所Ｂとする），

実際に対象発電所と同等のケーブル敷設状況や接地

および上記要因に該当しない発電所（発電所Ｃとする）の環境を模擬した発電所モデルを作成し，試験装置から電合計３ヶ所を対象とした。

流を入力することにより低圧制御回路に誘起される異常(3) 観測結果

電圧の測定を行った。

今回，約 14 ヶ月（平成 27 年 11 月～平成 29 年 1 月）

発電所モデルにおける雷サージ印加点は，発電所引に亘り観測を実施した。各発電所の半径 1km の範囲で 1込配電柱とし，試験装置から主回路（CV ケーブル）およ～17回の落雷が観測されたが，雷サージに起因すると思び開閉器を介して接地網へ流れる回路構成とした。そのわれる誘起電圧波形を記録することはできなかった。こCV ケーブルや接地網の付近に低圧制御回路（制御ケー

れは，発電所が連系している配電線は避雷器により耐雷ブル）を配置し，主回路に試験電流が流れた時に誘起さ対策が施されており，雷サージを抑制していたと推測される電圧値を実測した。（図４）

れる。

測定器
（誘起電圧）：電流の流れ

2.3 雷サージ誘起電圧の解析（EMTP 解析）

配電箱

①試験装置
（電流入力）(1) 解析概要

②主回路（CVケーブル）

前述の観測対象発電所について，その主回路や設備③開閉器⑤制御ケーブル（誘起電圧測定）

構成を 模擬し た EMTP （ Electro Magnetic Transients
Program）モデルを作成し，雷サージが低圧制御回路に侵入した際の最高誘起電圧値を解析により求めた。
誘起電圧

モデル作成の手法および各定数の設定は，低圧回路
サージの実証試験によりシミュレーションモデルの定数をコンクリートダクト

定めた「保護制御システムのサージ対策技術」（電気協同

避雷器の
接地を模擬

研究 第 57 巻 第 3 号）や，「発変電所及び地中送電線の耐雷設計ガイド（2011 年改訂版）」（電力中央研究所報告：④接地網

図４ 発電所モデルの作成状況

H06）に基づき作成した。

(2) 測定結果

また，侵入が想定される雷サージ電流は，一般的な配試験装置から 100～200A の範囲で電流値を変えなが電線用避雷器の公称放電電流である 2,500A とした。

ら，制御ケーブルに発生する誘起電圧を複数点測定し，(2) 解析結果

電流値と誘起電圧値が比例関係にあることを確認した。こ低圧制御回路の条件として，CVV-S ケーブルが両端れをもとに，EMTP 解析値と同じ 2,500A が入力された際接地されていれば誘起電圧を約 300V まで抑制できるとの誘起電圧値を推定した結果，CVV-S ケーブルが両端いう結果が得られた。（図３）

接地されていれば，誘起電圧を約250V まで抑制できるこ

なお，CVV-S ケーブルが片端接地の場合では，誘起とを確認した。（図５）

電圧は 1.5kV を超える結果となった。

図３ ＥＭＴＰモデル解析値

図５ 発電所モデル試験結果 （CVV-S ケーブル両端接地）－37－

水力発電所配電盤における耐電圧値引き下げに関する研究

また，CVV-S ケーブル（片端接地）の場合は発電所Ａ
およびＢの誘起電圧が 1.5kV を超えることを確認した。
（図６）

図６ 発電所モデル試験結果 （CVV-S ケーブル片端接地）
更に，この実測結果と EMTP 解析結果は，ほぼ同等の値となったことから，今回作成したEMTPモデルの信頼性も確認できた。（表１）
表１ 誘起電圧測定結果の比較
発電所Ａ
モデル

誘起電圧

ＥＭＴＰ

発電所Ｂ
モデル

ＥＭＴＰ

発電所Ｃ
モデル

ＥＭＴＰ

250V
287V
206V
198V
91V
92V
(▲83%) (▲81%) (▲86%) (▲87%) (▲94%) (▲94%)（）：1.5kVに対する比率

3. まとめ今回の研究結果より，一般産業用配電盤への雷サー
ジに起因する故障事例は極めて少なく，また 6kV 配電線
連系の小水力発電所においては，配電線の耐雷対策などによって雷サージが侵入する可能性も低い。更に，雷サージが侵入したとしても，低圧制御回路に使用する
CVV-S ケーブルが両端接地されていれば，誘起電圧を1.5kV 未満へ抑制できるため，一般産業用配電盤を採用することは可能であることが分かった。
今後は，研究対象外であった小水力発電所についても，
ＥＭＴＰ解析で確認し，制御ケーブルを両端接地することで，一般産業用配電盤の採用を進め，コスト低減に努め
る。

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最後に執筆者、編集ならびに審査にあたられた方々のご協力に対して厚くお礼申し上げます。

研 究 期 報第 107 号

編集兼発行人川

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