研究期

報No. 1162022 年 6 月

四 国 電 力 株 式 会 社
四国電力送配電株式会社
株式会社四国総合研究所

研究期報１１６号

目次

通信線と障害物との離隔距離異常検知システムの開発 ............................................... 1
Development of a system to detect abnormal separation distances automaticallyamong communication cables and surrounding obstacles

非常用ディーゼル発電機燃料弁冷却水系統管理の高度化に関する研究 ...................... 7
Research on improving water control of fuel valve cooling water system in
emergency diesel generator

コンクリート柱用鉄筋破断診断装置「新型ＣＰチェッカー」の開発........................ 14
The development of “Advanced CP Checker,” A Rebar Breakage Diagnostic Device
for Concrete Poles

既設アナログカメラを活用したデジタル ITV システムの開発 .................................. 22
Development of the Digital ITV System Utilizing Existing Analog Cameras

コヒーレントアンチストークスラマン散乱による漏えい水素ガス検知技術（第 1 報） ......................................................................... 31
Leakage hydrogen gas detection technology using coherent anti-Stokes Raman
spectroscopy (the first report)

研究期報№116

通信線と障害物との離隔距離異常検知システムの開発

目

的電力会社では、電力系統を安定かつ効率的に運用するため、制御所と変電所や発電所等との間に架空通信ケーブル（通信線）を敷設・整備しており、定期的に保守員が直接目視による巡視点検を行い保安を確保している。
今回、通信線の巡視点検作業の効率化をねらいに、通信線と障害物との離隔距
離異常を自動検知するシステムを開発したので報告する。
主な成果
1. システム概要
本システムは、MMS（Mobile Mapping System）やカメラで構成するセンサにより収集したデータを独自開発したソフトウェアで処理して、離隔距離異常の有無や異常個所を自動検知するものである。（図 1）
特に、3 次元点群などの大容量データを効率的に処理するために、6 つのス
テップに分けて分析・処理して電柱や通信線、障害物を認識して異常判定するのが特長である。（図 2）2.

フィールド試験による検証
国道沿いの通信線を対象に計測したデータの処理を行い、開発したシステムが有効に機能することを確認した。（図 3）

離隔距離異常検知
・異常の有無・異常個所

通信線路設備

センサ
障害物
接触

通信線
車両

障害物

図1

データ
分析

通信線と障害物との離隔距離異常検知システム
３次元点群
設備ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽ（電柱位置）

電柱認識

点群分割

地上高計算

フィルタリング

トラックデータ（測定位置）

直線モデル抽出

設備ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽ（通信線位置）対象通信線選択曲線モデル抽出

通信線認識

図2

物体認識の処理フロー

450

離隔距離異常パラメータ

400
350
300

離隔距離異常

250
200
150
100

離隔距離異常

50
0

0

50

100

150

200

250

300

350

距離(m)

400

450

500

550

離隔距離異常パラメータ（離隔距離異常パラメータ）

図3
研究担当者

キーワード
問い合わせ先

600

650
電柱

（点群画像）

離隔距離異常検知結果

阿部 素久，松木 一隆（株式会社四国総合研究所 電子アグリ技術部）
中山 博之（四国電力送配電株式会社 通信システム部）
通信線，巡視点検，MMS，3 次元点群，離隔距離
株式会社四国総合研究所 経営企画部
TEL 087-843-8111（代表） E-mail jigyo_kanri@ssken.co.jp
https://www.ssken.co.jp/[無断転載を禁ず]

研究期報№116

非常用ディーゼル発電機燃料弁冷却水系統管理の高度化に関する研究目

的ディーゼル発電機は、一般的に燃料系統、潤滑油系統、冷却水系統等から構成
され、冷却水系統に用いられる系統水には、不純物等による腐食を防止するため、純水処理の他、金属材料の種類や温度等の環境条件に応じて、溶存酸素の除去や腐食抑制剤が適用されている。
今回、検討の対象とした伊方発電所非常用ディーゼル発電機の燃料弁冷却水
系統には純水処理が採用され、これまで腐食に起因するトラブル等は発生していないものの、一部の機器では部分的な腐食により定期的な部品取替が必要となっていたことから、腐食抑制方法の検討が望まれていた。
本研究では、ディーゼル発電機燃料弁冷却水系統の腐食抑制・防止について水質管理の面から検討し、設備の信頼性確保および点検頻度や部品取替のさらなる合理化を目的とした。
主な成果
1. 腐食原因の推定
燃料弁冷却水系統における燃料噴射弁のノズル弁座（低合金鋼）にて、ジャケットノズル（ステンレス鋼）との接触面で発生する腐食痕により部品取替となるケースが多かった。腐食原因を冷却水の水質分析等により検討した結果、微小なすきま部で生じる異種金属接触腐食やすきま腐食等の可能性が示唆された。
2. 腐食抑制方法に関する検討
腐食原因から有効と推察された種々の腐食抑制方法について、燃料噴射弁をはじめとする材料を対象に、試験片を用いたラボ試験を実施した結果、NO2 塩系
不働態被膜型インヒビターを用いた方法（NO2 処理）が有効であることが確認された。また、NO2 塩系不働態被膜型インヒビターを対象として、銘柄の異なる薬剤および NO2 濃度について腐食量の比較試験を実施した結果、当該系統に適した腐食抑制剤および NO2 濃度を確認した。

弁本体(弁座側)

ノズル弁座(噴射口側)

ノズル弁座(弁本体側)

2.5mm

3mm
(赤両矢印：1mm 以下で交換)

図１ 燃料噴射弁の腐食状況

Fe

O2

2+

金属 卑

Fe2+
Fe2+

OH-

冷却水

OHO2

（酸素を含む純水）

低酸素濃度溶液

OHO2
OHO2

電子の流れ

異種金属接触腐食

すきま腐食

電子の流れ

金属 貴

図２ 推定された燃料噴射弁の腐食原因の概要
接触面
処理方法

S45C

SNCM815

接触面
SNCM815

SUS420J2

純水処理

NO2 処理図３ 腐食試験後のテストピース外観（一例）

研究担当者
キーワード
問い合わせ先石川裕史，山本松平，大鹿浩功（株式会社四国総合研究所 化学バイオ技術部）
ディーゼル発電機，燃料弁冷却水，燃料噴射弁，異種金属接触腐食，腐食抑制剤，亜硝酸塩
株式会社四国総合研究所 経営企画部
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研究期報№116

コンクリート柱用鉄筋破断診断装置「新型ＣＰチェッカー」の開発

目的
コンクリート柱の維持管理に広く活用されている当社製品「ＣＰチェッカー」
において、最新の磁気センサである TMR（トンネル磁気抵抗）センサを活用して、
鉄筋破断箇所を 3 次元的にセンシングすることでより高度な鉄筋破断診断を実現する手法を考案し、その社会実装として「新型ＣＰチェッカー」を開発する。

主な成果
1. TMR センサの活用
TMR センサの低消費電力の特徴をＣＰチェッカーのバッテリ持続時間に活かすことで、これまで単 3 電池 4 本で 8 時間の持続時間であったものを、単 3 電
池 2 本で 50 時間以上に延ばすことができ、バッテリ寿命の延長と電池削減による軽量化が実現できた。
2. 3D（3 次元）破断判定手法の考案
破断箇所から漏洩する磁束の計測において、これまで電柱内部から外側への
１方向のみであったものを、3 軸の TMR センサ 4 個を活用して破断箇所を挟む側方も併せて立体的に漏洩磁束を測定することで、一方の磁極のみが存在する端部と両方の磁極が存在する破断部を判別できるようになり、破断判定性能が向上した。
3. コンクリート柱モックアップの作成
ＣＰチェッカーの性能評価を行うにあたり、実際のコンクリート柱を忠実に模擬したモックアップを作成した。コンクリート中も空気中と同様な透磁率とみなせるため、内部の鉄筋位置やその模擬破断位置を確認しながら計測できる構造にすることで、3D 破断診断手法の性能評価に大きく貢献した。

（a）従来のＣＰチェッカー（b）新型ＣＰチェッカー

図 1 従来および新型ＣＰチェッカーの破断箇所測定方法の比較（a）センサユニット（b）レコーダユニット
図2

研究担当者

キーワード
問い合わせ先（c）磁石ユニット
新型ＣＰチェッカーの外観

高岡哲也，山地洋一郎，平田和也（株式会社四国総合研究所 産業応用技術部）
中西美一（株式会社四国総合研究所 電子アグリ技術部）
内田徹，三島敏裕（株式会社四国総合研究所 経営企画部）
ＣＰチェッカー，コンクリート柱，電柱，鉄筋破断，水素脆化，
漏洩磁束法，TMR センサ，MI センサ，磁気センサ、磁束密度

株式会社四国総合研究所 経営企画部
TEL 087-843-8111（代表） E-mailhttps://www.ssken.co.jp/

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研究期報№116

既設アナログカメラを活用したデジタル ITV システムの開発

目

的本研究では，従来型のアナログ方式の ITV システムをデジタル化するため，既設のアナログカメラや同軸ケーブルを最大限に活用し，デジタルカメラへの部分取替や増設が可能で，かつ同一システム上で両方式のカメラを運用できる
デジタル ITV システムを開発する。
主な成果
1. 西条発電所向けデジタル ITV システムの設計
表 1 に示す基本設計仕様を実現するため，一般的なデジタルカメラ方式(AHD，
HD-TVI，HD-CVI，HD-SDI，IP)について，カメラ画素数，映像伝送距離，他社機
器との互換性，映像遅延，旋回式カメラ有無を比較した。その結果，同仕様を満たすためには HD-SDI 方式が最も有望であることが分かった。
2. 低周波同軸ケーブルを用いた HD-SDI 信号伝送試験
HD-SDI 方式は，高周波同軸ケーブルを使用することを前提としており，既設の低周波同軸ケーブルを使用する場合は減衰量が大きくなり，伝送可能距離の短縮が懸念される。
そこで，HD-SDI 信号伝送試験として，模擬ケーブルを使用したラボ試験や，
実ケーブルを使用した現地試験を行った。それらの結果やケーブル劣化時の尤度を考慮し，低周波同軸ケーブルにおける減衰量が 62.5dB(距離換算 300m)以内であれば HD-SDI カメラを適用し，それ以上の場合は IP カメラを適用することとした。(図 1，表 2)
3. 統合 ITV システムの製作
汎用デジタル方式をベースとし，低周波同軸ケーブルを活用してアナログカ
メラ・デジタルカメラを任意に選定可能な統合 ITV システムの設計を行い，基本仕様を全て満たしていることを確認した。なお同システムは，西条発電所新 1号機運転開始時に，実運用を開始する予定である。(図 2)

表 1 基本設計仕様
1
2
3

4

5

表 2 HD-SDI 信号伝送試験結果(ラボ)

新 1 号 ITV に 2 号 ITV を統合したシステムを構築する。
汎用デジタルカメラ方式を使用したシステムとする。
アナログカメラとデジタルカメラが混在する環境において，すべてのカメラを一様に制御し，映像を一様に監視できる。
カメラの取替や増設は，製造メーカや機種の 制約なく，1 台毎にアナログ，デジ
タルを任意に選定できる。
2 号 ITV は，既設アナログカメラ毎に敷設されているケーブルを流用することで設備投資を抑制する。

ケーブル長[m]カメラ映像状態(○：良好 ×不良)
EX-SDI
EX-SDI
変換器
変換器
無
有
○
○

ケーブル
減衰量
(実測値)
[dB]

3C2V
(試験)

7C2V※
(現場)

23.5

50

47

100

○

○

22.4

70.5

150

○

○

32.4

94

200

×

○

42.5

117.5

250

×

○

52.5

141

300

×

○

62.5

164.5

350

×

○

72.6

12.6

188

400

×

○

82.3

211.5

450

×

×

91.0

235

500

×

×

100

※ケーブル長(7C2V)は，ケーブル減衰量(カタログ値)から算出
した推定値

映像
変換器

重畳器
①アナログカメラ

(

デ
ジ
Ｈタ
Ｄル
Ｓ映
Ｄ像
Ｉ切
替
器

-

300m 未満

EX-SDI
変換器

EX-SDI
変換器)

300m～1000m
映像データ
変換器

LAN・同軸変換器

LAN・同軸変換器(a)②デジタルカメラ＜制御室＞
アナログカメラ

ITV 制御装置＜現場＞
デジタルカメラ(HD-SDI)

低周波同軸ケーブル(既設)デジタルカメラ(IP)
その他ケーブル

図 1 デジタル化時のカメラ構成(b) ITV 操作ソフトウェア
図 2 統合 ITV システム
研究担当者
キーワード
問い合わせ先海稲隆成，土田雅彦（株式会社四国総合研究所 エネルギー技術部）
ITV，同軸ケーブル，減衰率，アナログカメラ，HD-SDI カメラ，
IP カメラ，デジタル化
株式会社四国総合研究所 経営企画部
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研究期報№116

コヒーレントアンチストークスラマン散乱による漏えい水素ガス検知技術（第 1 報）目

的CARS（Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy：コヒーレントアンチストー
クスラマン分光法）を適用し，水素のアンチストークス光を発生させて計測する
ことにより，計測箇所に近接してレーザ誘起蛍光を発生する物体がある場合においても漏えい位置の探査を可能とする水素ガス検知技術を開発する。
主な成果
1. 可搬型装置を目指した光源の構築
ラマン効果を用いてガスを計測する場合，ラマン散乱光のうちレーザ波長より長波長に発生するストークス光を捉える手法が一般的であるが，計測箇所の背後に近接して壁や配管等が存在する場合，それらにレーザ光が照射されることにより発生するレーザ誘起蛍光が強力な外乱光となり，微量な漏えいの検知が困難となる。そこで，本研究では，レーザ波長より短波長に発生するアンチス
トークス光を検知することでレーザ誘起蛍光の影響を回避して水素を検知する技術の開発を行った。
常温，大気圧下で水素のアンチストークス光を得るため，CARS を適用したが，
CARS ではレーザ波長とストークス波長の 2 種の光を同時に計測対象に入射する必要がある。
本研究では，可搬型装置を目指し，レーザ光を二分岐し，一方の光路にラマンセルを配置して発生させたストークス光と，もう一方の光路に入射したレーザ
光をポンプ光として水素に照射し，アンチストークス光を発生させる二軸型光源を考案した。セル長 400 mm のラマンセルを適用し，光源を構築した。
2. 光源の照射条件の最適化構築した光源を用い，条件を変化させてアンチストークス光計測試験を実施
して照射条件を最適化し，ポンプ光とストークス光の強度比 𝑅(= 𝐼S ⁄𝐼P )を 0.140≤ 𝑅 ≤ 0.173 としたときに，アンチストークス光が最大となることを実験的に確認した。

図 1 光源の構成および最適化試験の配置

図 2 光源の照射条件最適化試験結果の一例
レーザ光強度を(a)10.4 MW/cm2，(b)8.32 MW/cm2，(c)6.99 MW/cm2 としたときの計測結果（ラマンセル圧力：0.7 MPa）
研究担当者
キーワード
問い合わせ先杉本幸代，朝日一平（株式会社四国総合研究所 電子アグリ技術部）
アンチストークス，レーザ，水素，漏えい検知器，
コヒーレントアンチストークスラマン分光法
株式会社四国総合研究所 経営企画部
TEL 087-843-8111（代表） E-mail jigyo_kanri@ssken.co.jp
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研究期報１１6 (2022年6月) １－6

通信線と障害物との離隔距離異常検知システムの開発㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部
四国電力送配電㈱ 通信システム部

キーワード：

通信線
巡視点検
MMS
3 次元点群
離隔距離

Key Words：

阿部
松木
中山

素久
一隆
博之

Communication cable
Patrolling operation
Mobile Mapping System
3D point cloudSeparation distance

Development of a system to detect abnormal separation distances automatically among communication cables andsurrounding obstacles

Shikoku Research Institute, Inc., Electronics and Agricultural Technology Department
Motohisa Abe and Kazutaka Matsugi
Shikoku Electric Power Transmission & Distribution Company, Incorporated
Telecommunication Systems Department
Hiroyuki Nakayama

Abstract

We have developed a system that can detect abnormal conditions of separation distances among communication
cables and surrounding obstacles to streamline patrolling operations on communication cables.
We have developed a prototype system that can detect abnormal conditions of separation distances amongcommunication cables and surrounding obstacles automatically, and confirmed that system’s availability throughvarious experiments in the real field. That prototype system analyzes a group of 3D point data measured by
MMS(3D-LiDAR) technology.

－ 1 －通信線と障害物との離隔距離異常検知システムの開発

1. はじめに

特に、車両で移動しながら計測するには、セン電力会社では、電力系統を安定かつ効率的に運

サの自己位置と姿勢を正確に把握する必要がある

用するために、制御所と変電所や発電所等との間ことから MMS（Mobile Mapping System）を採用しに架空通信ケーブル（以下、「通信線」という）をた。
MMS（3D-LiDAR）により得られるデータは、物体

敷設・整備している。
これら広範囲にわたる通信線の保安を確保する

表面の位置情報とレーザ反射率値からなる点の集ために、定期的に保守員が現地を徒歩で移動しな合（3 次元点群）であり、カメラは、色情報がなくがら直接目視により巡視点検を行っている。

物体の形状を視認しにくい 3D-LiDAR の弱点を補

過去の巡視点検記録によると、異常事例として

うためのものである。

「障害物」
通信線と他のケーブルや樹木等（以下、

データ処理部には、計測した 3 次元点群から通という）との接触が最も多く報告されている。

信線や障害物の位置や形状を求め、その位置関係

そこで、通信線の巡視点検の作業時間の短縮等をねらいに、通信線と障害物との離隔距離異常検から離隔距離異常を自動検知する独自開発のソフトウェアを搭載する。
設備データベースには、電柱の緯度・経度およ知システムを開発したので報告する。
本システムは、車両で移動しながら通信線と障び電柱毎の通信線架設位置の各データを収容する。

害物との離隔距離をセンサで計測して、異常の有無や異常個所を自動検知するものである。（図 1）

3. データ処理
センサ部の MMS（3D-LiDAR）やカメラで収集した

離隔距離異常検知・異常の有無
・異常個所

センサ
通信線

障害物
接触

データを独自開発したソフトウェアで処理して、離隔距離異常の有無や異常個所を自動検知する。
その主な処理内容は次の通りである。

データ
分析

3.1 物体認識

車両

障害物

本システムでは、大容量データを効率的に処理するために、図 3 のように 6 つのステップに分け

図 1 システムイメージて分析・処理して、電柱、通信線、障害物を認識する。

2. システム構成

３次元点群

本システムは、図 2 のように、センサ部とデー
タ処理部で構成する。
センサ部
MMS

設備ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽ（電柱位置）

データ処理部
3次元点群

物体認識
電柱

3D-LiDAR

離隔距離
異常検知

出力
(UI)

電柱認識

点群分割

通信線
トラックデータ

障害物

地上高計算

フィルタリング

トラックデータ（測定位置）

直線モデル抽出

設備ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽ（通信線位置）対象通信線選択

トラックデータ

カメラ

映像

画像抽出

設備
ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽ

図 2 システム構成

曲線モデル抽出

センサ部には、離れた場所から通信線およびその周辺の物体の状態を安定して計測できる 3DLiDAR （ 3-DimensionalLight

Detection

andRanging）とカメラを使用する。

－ 2 －

通信線認識

図 3 物体認識の処理フロー

通信線と障害物との離隔距離異常検知システムの開発（1） 電柱認識処理（3） フィルタリング処理

MMS（3D-LiDAR）で計測した 3 次元点群の中から、通信線を架設している電柱を識別する。

点群処理を短時間かつ高精度に行うために、電柱間の点群をさらに、「地上高」、「電柱間空間にお設備データベースの電柱の緯度・経度を点群座ける平面との距離」、「反射率」の 3 つの指標を用標に変換し、その近傍の点群を走査して分布が最

いて通信線が存在する点群の絞り込みを行う。

も円柱に近い点群を電柱点群と識別する。（図 4）

特に、「電柱間空間における平面との距離」によるフィルタリングでは、図 6 のように電柱間空

識別した
電柱点群

設備データベースの電柱位置間における平面から一定距離だけ離れた点群を通信線点群ではないとして除外する。
青い点群は削除電柱

電柱

電柱間空間における平面

走査範囲

図 4 電柱認識方法の原理
２本の電柱の間の平面から一定距離にある点群が通信線が存在する範囲（2） 点群分割処理

図 6 電柱間空間における平面との距離による

MMS（3D-LiDAR）で計測した 3 次元点群の中からフィルタリングの原理

効率的に通信線を認識するために、通信線点群が存在する可能性が高い点群の絞り込みを行う。
電柱間に敷設されている通信線はカテナリー曲（4） 直線モデル抽出処理

線で近似できるが、計測した 3 次元点群から直接カテナリー曲線を導くことは容易ではない。

領域から、RANSAC（RANdom SAmple Consensus：ロ

そこでまず、直線による折れ線近似を行うために電柱間の点群を小さな区間（10～20m）に分割する。

点群分割処理およびフィルタリングをした点群
バスト推定アルゴリズム）を使って直線モデルを
抽出する。

（図 5）

具体的には、ランダムに 2 点をサンプリングし、この点群分割を行うことで、通信線点群はほぼ

その 2 点を通る直線モデルに対し、その近傍に存

直線状に分布する形になる。

在する点の数が最も多い直線モデルを最適なモデ
ルとして抽出する。1 つの直線モデルを抽出すると、対象の点群領域から直線モデル近傍の点群を

電柱

中心

中心

中心

電柱

除去して、さらに別の直線モデルを抽出する。
この処理を繰り返すことにより、電柱間に存在する全ての直線モデルを抽出する。

・・・

なお、電柱間を結んだ直線の方向から大きく外

・・・
区間１

区間２

区間３

れる直線モデルは、支線や引き込み線であるため除外する。

図 5 点群分割方法の原理

－ 3 －

（図 7）

通信線と障害物との離隔距離異常検知システムの開発

電柱

電柱

電柱

電柱

基準ベクトル
基準ベクトルとの角度差大
基準ベクトルと
の角度差小

通信線

対象外線路

対象線路

基準ベクトルと
の角度差大

対象外線路

図 9 物体認識処理の例

電柱間の基準ベクトルとの角度差が大きい線路は抽出
対象から除外3.2 離隔距離異常検知

図 7 方向による直線モデル抽出の原理

点群を障害物とし、通信線モデルに接近または接3 次元点群のうちで、通信線近傍の電柱以外の触している障害物を自動判定する。
一般に、3D-LiDAR によって得られる点群の分布（5） 対象通信線選択処理
抽出した直線モデルの中から、設備データベーには一定の広がりがあるので、一定の距離（半径スの通信線架設位置と「直線モデルの連続性」のr）の領域を通信線、その外側を離隔領域と定義し、2 つの条件を使って、巡視点検対象の通信線モデそれぞれの領域に含まれる点数の比（以下、「離隔

ルを選択する。

距離異常パラメータ」という）により判定する。
（図 10）

ここで「直線モデルの連続性」による選択とは、隣接する区間の直線モデルは連続であるという考えのもと、区間の境界で同じ位置に存在する直線

離隔

離隔

通信線

モデルを選択するものである。
（6） 曲線モデル抽出処理
R

選択した区間毎の直線モデルから曲線モデル（2次曲線）を抽出する。

ﾓﾃﾞﾙ

具体的には、直線モデルを合成した折れ線近似rモデルを用いて 2 次曲線モデルの初期パラメータ（両端の座標および中心点の高さ）を設定し、こ

通信線点群
障害物点群

のパラメータを微調整して、曲線モデルと直線モ
デルとの距離が最も小さくなる曲線モデルを抽出
する。

（図 8）

領域１

離隔距離異常パラメータ＝離隔領域の点数
通信線領域の点数

図 10 離隔距離異常パラメータ

領域3
領域2

抽出した通信線モデルに沿って、離隔距離異常
パラメータを計算し、一定の値以上となる場合は
直線モデル

直線モデルから曲線モデル（２次曲線）を作成し、パラメー
タを微調整して最も点群の形状に近い曲線を見つける。

図 8 曲線モデルの抽出の原理

曲線モデル

離隔距離異常として検出させる。
特に、離隔距離異常と判定した場所については、カメラで撮影した画像および点群画像を個別に出力表示できる仕様にした。

－ 4 －通信線と障害物との離隔距離異常検知システムの開発

樹木接触

図 11 ユーザーインターフェース
4. フィールド試験による検証
国道沿いの通信線を対象に計測した 3 次元点群を本システムで処理した。
図 12 は計測した一部区間の離隔距離異常パラメータを図示したもので、横軸は線路距離、縦軸
は各地点における離隔距離異常パラメータ値である。
Pole07 から Pole08 の間で、離隔距離異常パラ
メータ値が大きくなっているが、これは樹木が通離隔距離異常信線に接触している個所である。
図 13 は離隔距離異常パラメータの異常閾値を200 として処理した結果であり、樹木の接触状況

図 13 離隔距離異常検知結果レポートの例

を写真と点群画像で確認できるなど、開発したシステムの有効性を確認した。

5. まとめ
通信線の巡視点検作業の効率化をねらいに、通450

信線と障害物の離隔距離異常検知システムを開発

離隔距離異常パラメータ

400
350

した。

300

離隔距離異常250

MMS（3D-LiDAR）を用いて測定した 3 次元点群200

データから、通信線と障害物の離隔距離異常を自

150
100

動検知するシステムを試作し、実フィールドで機

50
0

0

50

100

150

200

250

300

350

距離(m)

400

450

500

550

600

離隔距離異常パラメータ

650

能の有効性を確認した。

電柱

将来の実用化に向けて、
 GPU 対応や高速アルゴリズムの適用等による

図 12 離隔距離異常パラメータの計算結果

さらなる処理の高速化
 低価格 MMS 等の採用による低コスト化などが今後の課題である。
［謝辞］
本研究は、四国電力送配電㈱通信システム部殿
より委託を受け実施したもので、ご協力いただいた関係各位に深く感謝いたします。

－ 5 －通信線と障害物との離隔距離異常検知システムの開発［参考文献］
1） 伊東敏：「自動運転のためのセンサシステム入門」，日刊工業新聞社, 2019 年 9 月
2） 榎本圭高 他：「モービルマッピングシステム
を用いた架空線路構造物点検支援システムの設計と評価」，電子情報通信学会論文誌 B,
Vol.J100-B No.12, 電子情報通信学会

通信ソサイエティマガジン, 2017 年 12 月
3） 和氣正樹 他：「MMS（モービルマッピングシ
ステム）を用いた 3D 設備管理技術」，電子情報通信学会

通信ソサイエティマガジン,2018 年 12 巻 1 号－ 6 －四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所
研究期報１１6 (2022年6月) 7－13

非常用ディーゼル発電機燃料弁冷却水系統管理の高度化に関する研究㈱四国総合研究所 化学バイオ技術部㈱四国総合研究所 化学バイオ技術部㈱四国総合研究所 化学バイオ技術部

キーワード：

ディーゼル発電機
燃料弁冷却水燃料噴射弁
異種金属接触腐食
腐食抑制剤
亜硝酸塩

Key Words：

石川 裕史
山本 松平
大鹿 浩功

diesel generator
fuel valve cooling water
fuel injection valve
galvanic corrosion
corrosion inhibitor
nitriteResearch on improving water control of fuel valve cooling water system in emergency diesel generator

Shikoku Research Institute, Inc., Chemical Technology and Biotechnology Department
Hirofumi Ishikawa, Shohei Yamamoto, Hironori Oshika

Abstract

Pure water treatment is used for fuel valve cooling water system in emergency diesel generators in Ikata Nuclear
Power Station. Although no troubles caused by corrosion have occurred so far, it has been necessary to replace partsdue to partial corrosion in the fuel injection valve. Therefore, it has been desired to study a method for suppressing
corrosion.
We examined the corrosion control of fuel valve cooling water system in emergency diesel generators. As a result, it
was suggested that the nitrite corrosion inhibitor can suppress the corrosion on the contact surface of the fuelinjection valve.

－ 7 －非常用ディーゼル発電機燃料弁冷却水系統管理の高度化に関する研究

燃料噴射弁は弁本体（炭素鋼）、ノズル弁座（低合1. はじめにディーゼル発電機（以下、D/G という）は、一般

金鋼）、ジャケットノズル（ステンレス鋼）が金属

的に燃料系統、潤滑油系統、冷却水系統等から構接触しており、特にノズル弁座では、ジャケット

成され、冷却水系統に用いられる系統水には、不ノズルとの接触面における腐食痕の発生により部

純物等による腐食を防止するため、純水処理の他、品取替が必要となるケースが多く見られた。

金属材料の種類や温度等の環境条件に応じて、溶表-1 系統機器に用いられる主要構成材料

存酸素の除去や腐食抑制剤が適用されている。
今回、検討の対象とした伊方発電所非常用 D/G の
燃料弁冷却水系統には純水処理が採用され、これまで腐食に起因するトラブル等は発生していない
ものの、一部の機器では部分的な腐食により定期的な部品取替が必要となっていたことから、腐食抑制方法の検討が望まれていた。

装置・機器
主
要
構
成
材
料

本研究では、D/G 燃料弁冷却水系統の腐食抑制・防止について水質管理の面から、設備の信頼性確保および点検頻度や部品取替のさらなる合理化を

材料

主配管

亜鉛メッキ鋼

枝管

銅

胴

炭素鋼

伝熱管
その他
（ポンプ、タンク等）
弁本体

チタン

配管
冷却器

ノズル弁座

燃料噴射弁

ジャケット
ノズル

目的に検討した結果について報告する。

銅合金、炭素鋼等
炭素鋼（S45C）
低合金鋼（SNCM815）
ステンレス鋼（SUS420J2）

弁本体
ジャケットノズル

2. 腐食状況調査

燃料油噴射

2.1 燃料弁冷却水系統の概要
図-1 に、D/G 燃料弁冷却水系統の概略図を示す。
当該系統は、タンク、ポンプ、冷却器等から構成
され、冷却水は、D/G 機関内で燃料噴射弁を冷却す

ノズル弁座る。また、燃料弁冷却水タンクが大気開放となっているが、冷却器（二次冷却器）を有する等、密図-2 燃料噴射弁の概要図

閉系統に近い構造となっている。なお、D/G の冷却
水温度は停止時で約 25℃であるが、1 回／月の運
転時は約 40℃である。
表-1 に当該系統に使用される主要構成材料、
図-2 に燃料噴射弁の概要図を示す。主配管には、亜鉛メッキ鋼、冷却器の胴側には炭素鋼が使用され、

燃料油

冷却水

2.2 腐食原因の推定
燃料噴射弁の腐食状況を図-3 に示す。燃料噴射
弁の押棒穴と冷却水流路の距離は、弁本体側で約3mm、噴射口側で約 2.5mm である。各部材のうち、使用に伴って流路近傍で生じる腐食痕と押棒穴までの距離が 1mm 以下となったものは、部品交換の対象となる。
推定された燃料噴射弁の腐食原因の概要を図-4に示す。金属接触面の冷却水流路近傍では、わずかに減肉している箇所が一部確認されたが、同箇所からは Cl や SO4 等の腐食因子は検出されなかった。また、冷却水（純水）中は、溶存酸素を含む
ことから、各材料間で有意な電位差が生じる場合の異種金属接触腐食や微小なすきま部で生じる酸

図-1 D/G 燃料弁冷却水系統の概略図

素濃淡電池腐食（すきま腐食）の可能性が示唆さ
れた。

－ 8 －

非常用ディーゼル発電機燃料弁冷却水系統管理の高度化に関する研究

3.2 腐食抑制方法の比較試験

押棒穴

腐食箇所
(流路の周囲)(1) 試験材料
表-3 に、試験片の主な化学組成を示す。試験材

冷却水流路
燃料油流路

料には、当該系統の主要構成材料である亜鉛メッ
キ 鋼 （ SS400 に 溶 融 亜 鉛 メ ッ キ 処 理 ）、 炭 素 鋼

弁本体(弁座側)

ノズル弁座(噴射口側)（STPT370）、リン青銅鋳物（CAC502C）および燃料噴射弁に用いられている炭素鋼（S45C）、低合金鋼（SNCM815）、ステンレス鋼（SUS420J2）の試験片を選定した。

ノズル弁座(弁本体側)

2.5mm

なお、燃料噴射弁に用いられている 3 種の試験3mm

片 は 、 燃 料 噴 射 弁 を 模 擬 し そ れ ぞ れ S45C と(赤両矢印：1mm 以下で交換)

図-3 燃料噴射弁の腐食状況

孔をインシュロックで固定）したものを使用した。

冷却水（酸素を含む純水）

表-3 試験片の主な化学組成（Weight %）

電子の流れ

Fe

SNCM815、SNCM815 と SUS420J2 を面接触（上下の

2+

O2

Fe2+
Fe2+
OHO2

OHOHO2OH-

低酸素濃度溶液

金属 卑

電子の流れ

材料

STPT
370

CAC
502C

寸法

50mm×100mm(φ4mm 孔×1)

S45C

SNCM
815

SUS
420J2

50mm×100mm(φ4mm 孔×2 上下,
φ5mm 孔×1 中央)

金属 貴

C

0.22

-

0.44

0.14

0.31

異種金属接触腐食

Si

0.21

0.00

0.24

0.27

0.42

図-4 推定された燃料噴射弁の腐食原因の概要

Mn

0.68

-

0.66

0.44

0.42

P

0.02

0.21

0.01

0.01

0.02

S

0.01

-

0.02

0.02

0.01

Cu

-

Bal.

0.15

0.03

-

O2

すきま腐食

3 腐食抑制方法の検討
3.1 腐食抑制方法の選定推定された燃料噴射弁の腐食対策として、選定した腐食抑制方法を表-2 に示す。溶存酸素の除去

Cr

-

-

0.12

0.84

13.1

Ni

-

0.14

0.07

4.18

0.22

Mo

-

-

-

0.17

-

Fe

Bal.

0.01

Bal.

Bal.

Bal.

や材料間の電位差低減等が期待される種々のイン

Sn

-

9.39

-

-

-

ヒビター等を用いた処理方法について試験片を用

Pb

-

0.00

-

-

-

いたラボ試験を行った。また、燃料噴射弁以外の

Zn

-

0.15

-

-

-

Al

-

0.00

-

-

Sb

-

0.00

-

-

-

規格

JISG
3456

JISH
5121

JISG
4051

JISG
4053

JISG
4303

材料の腐食へ及ぼす影響についても確認した。
表-2 選定した腐食抑制方法
処理方法

処理内容

備考

(2) 試験方法

①純水処理

純水使用

現状処理方法②アルカリ処理

NaOH を添加

定期的に pH8.5～9.5に調整たしたアクリル樹脂製の試験容器に各試験片を浸③Mo 処理メーカ推奨薬品濃度(3000ppm)で添加

Mo 酸塩系不働態被膜型インヒビター

漬し、浸漬開始から約 1 ヶ月後における脱酸化被④NO2 処理メーカ推奨薬品濃度(5000ppm)で添加

NO2 塩系不働態被膜型インヒビター⑤N2H4 処理

N2H4 を添加

定期的に pH8.5～9.5に調整⑥低 DO 処理

脱気処理後に連続
N2 曝気

DO0.5ppm 以下を目標に調整

試験の状況を図-5 に示す。40℃の各試験液を満膜処理後の腐食量（亜鉛メッキ鋼については水側への溶出量）および試験後の試験片外観を比較した。
また、実機において腐食が懸念されている燃料
噴射弁については、試験後における試験片の接触－ 9 －非常用ディーゼル発電機燃料弁冷却水系統管理の高度化に関する研究

25

腐食痕の測定を行った。測定は、研磨後の接触面を撮影した画像を、画像処理ソフト（ImageJ）を用いて色調差を白黒の 2 極分化し、試験片中央孔（φ5mm）周囲の黒色部を腐食痕面積とした。

腐食量(mg/dm2/day)20

腐食量(mg/dm2/day)

面を回転式自動研磨機で 30 秒研磨（#4000）し、

15

S45C

15
10
5
0

15

※S45Cと接触

1050①②③④⑤⑥0.5

SNCM815※SUS420J2と接触

105

腐食量(mg/dm2/day)

腐食量(mg/dm2/day)20

SNCM815①②③④⑤⑥

SUS420J2

0.4
0.3
0.2
0.1

0

腐食量 (mg/dm2/day)

水側への溶出量 (mg/dm2/day)

15(3) 試験結果(a) 腐食量測定
各試験片の腐食量の測定結果を図-6 に示す。

10

1.0

10

図-5 試験状況（一例）

腐食量(mg/dm2/day)

0①②③④⑤⑥①②③④⑤⑥15
1.5
亜鉛
STPT370
CAC502C
メッキ鋼

5

0.5

0

5

0

0.0
①②③④⑤⑥①②③④⑤⑥①②③④⑤⑥

現状の処理である①純水処理に対して、②アル

図-6 各処理における腐食量の比較

カリ処理では、亜鉛メッキ鋼を除いて腐食量が増（〇：各測定値、●：平均値）

加し、③Mo 処理についても S45C における SNCM815との接触面や亜鉛メッキ鋼で腐食量が増加した。

接触面
処理方法

一方、⑤N2H4 処理、⑥低 DO 処理は SUS420J2 を

S45C

SNCM815

接触面
SNCM815

SUS420J2

除いて腐食量が低下しており、④NO2 処理について
も、亜鉛メッキ鋼において溶出量が増加したもの①の、特に腐食が懸念されていた燃料噴射弁の材料

純水処理

については、腐食量が低下した。
(b) 試験片外観観察
試験後に回収した燃料噴射弁の試験片外観観察
結果を図-7 に示す。

④
NO2 処理試験片の外観を観察した結果、①純水処理に対して、腐食量の低下が見られた⑤N2H4 処理および⑥低 DO 処理は、S45C と SNCM815 の接触面において全 体に腐食痕 が見られた。 また、 SNCM815 と

⑤
N2H4
処理

SUS420J2 の接触面では腐食痕は小さかったが、⑥
低 DO 処理の方が腐食痕は軽微であり、燃料噴射弁以外の材料についても腐食の進行が抑制できてい
⑥

た。

低 DO

一方、④NO2 処理では、亜鉛メッキ鋼においてメッ

処理

キ腐食による腐食痕が見られたが、その他の材料
では外観的な腐食は確認されず、接触浸漬した。

図-7 各処理における試験片外観の比較（一例）－ 10 －

非常用ディーゼル発電機燃料弁冷却水系統管理の高度化に関する研究

燃料噴射弁の材料についても全ての組み合わせで型インヒビターを対象に、銘柄の異なる薬剤を用腐食痕はほとんど生じなかった。

いて腐食量の比較試験を行った。また、NO2 処理にて懸念された亜鉛メッキ鋼の腐食抑制を考慮し、適切な NO2 濃度等についても合わせて検討した。

(c) 腐食痕面積測定
面接触させた各燃料噴射弁試験片における腐食痕面積の測定結果を図-8、接触面における腐食痕(1) 試験材料の状況を図-9 に示す。

燃料噴射弁の材料については、炭素鋼（S45C）、

接触浸漬時のテストピース中央孔（φ5mm）周囲

低合金鋼（SNCM815）およびステンレス鋼（SUS420J2）の腐食痕面積を比較した結果、④NO2 処理により各の 3 種を面接触（上下の孔をインシュロックで固材料間の接触面で生じる腐食を顕著に抑制できる定）したものを使用した。また、腐食抑制条件のことを確認した。また、⑥低 DO 処理も接触面の腐検討のために亜鉛メッキ鋼（SS400 に溶融亜鉛メッ

食を低減できる傾向が見られたが、SNCM815 におキ処理）を使用した。

ける S45C との組み合わせでは純水処理と同程度の腐食痕面積であった。

(2) 試験方法

これらの試験結果から、燃料噴射弁の接触面で試験に用いた NO2 系薬剤を表-4 に示す。各 NO2生じている腐食抑制方法については、④NO2 処理が系薬剤を添加し、NO2 濃度を調整した各試験液に、最も腐食抑制効果の大きい方法であると考えられ

燃料噴射弁の面接触した試験片を浸漬させ、約 1た。

ヶ月後における脱酸化被膜処理後の腐食量および60
腐食痕面積(mm2)

50

S45C
※SNCM815と接触

60
50

SNCM815※S45Cと接触

6050

試験片外観を比較した。なお、試験温度は、加速

SNCM815

的な試験条件として 70℃にて行った。

※SUS420J2と接触

40

40

40

また、燃料噴射弁の材料にて腐食抑制効果が認

30

30

30

められた薬剤銘柄については、亜鉛メッキ鋼への

20

20

20

10

10

10

0

0

0

①②③④⑤⑥①②③④⑤⑥

腐食抑制効果の検討のため、NO2 濃度および水温を調整して、腐食量（水側への溶出量）の測定を行った。
①②③④⑤⑥

図-8 腐食痕面積の測定結果①純水処理④NO2 処理表-4 試験に用いた NO2 系薬剤⑥低 DO 処理

NO2 系
薬剤銘柄

製品 A

製品 B

製品 C

推奨
NO2 濃度(ppm)

1200～1500

150～300

250～450

備考

3.2 の
試験で使用

－

pH 調整
に NaOHが必要↓画像処理後(孔を除く黒色部を腐食痕として測定)(3) 試験結果(a) 腐食量測定
燃料噴射弁の材料における純水処理に対する腐食量を図-10 に示す。
面接触させた燃料噴射弁構成材料では、純水処

図-9 SNCM815（SUS420J2 と接触）の腐食痕の状理と比較して薬剤銘柄に関わらず NO2 濃度 150ppm

況（一例）

以上で腐食を抑制できることを確認した。また、製品 A では、SNCM815 および SUS420J2 において NO2

3.3 腐食抑制剤の選定
3.2 (3)の試験結果から、燃料噴射弁への腐食抑制効果が大きいと考えられた NO2 塩系不働態被膜

濃度 300ppm と比較して NO2 濃度 500～700ppm の方が腐食量を低減できる傾向が見られた。

－ 11 －

非常用ディーゼル発電機燃料弁冷却水系統管理の高度化に関する研究

一方、製品 B および製品 C では、メーカ推奨濃温については、より低い水温の方が腐食量を抑制度である NO2 濃度 300ppm において、純水処理と比できると考えられ、実機における水温を考慮し較して各材料ともに腐食量は少なかった。

た場合、運転時（40℃）はおよそ 1 回／月であり、腐食量比(mg/mg, vs 純水処理）停止時（25℃）の方が長期間となることから、NO2
10

燃料噴射弁

濃度 500ppm 程度とすることで腐食量を現状の純●塗潰し：S45C○白抜き：SNCM815
×：SUS420J2

水処理と同等以下に抑制できると考えられる。

1
純水処理

0.01

(NO2 濃度)

製品B

0.1

接触面

処理方法
S45C

SNCM815

接触面
SNCM815

SUS420J2

製品C
製品A

純水処理
(0ppm)

0500
1000
NO2濃度(ppm)

1500

図-10 NO2 系薬剤を用いた各材料の腐食量比（対純水処理）NO2 処理製品 A(150ppm)(b) 試験片外観観察
脱酸化被膜処理後の試験片の外観観察結果を
図-11 に示す。
製品 A について、NO2 濃度 150ppm では S45C とSNCM815 間および SNCM815 と SUS420J2 間において腐食痕が確認されたが、NO2 濃度 300～700ppm で

NO2 処理製品 A(300ppm)

は、燃料噴射弁に用いられる各材料について、接触面で生じる腐食を顕著に抑制できることを確認
NO2 処理した。
一方、製品 B および製品 C では製品 A と比較して、特に S45C と SNCM815 の接触面が顕著に腐食し製品 A(500ppm)ていた。これは、製品 B および製品 C ともに腐食
量は製品 A と大きな差が見られないことから、材料間の電位差にともない局所的な異種金属接触腐NO2 処理食が生じている可能性が示唆された。

(700ppm)

製品 A

以上の結果から、燃料噴射弁の接触面における腐食抑制方法は、製品 A を使用して、NO2 濃度
500ppm 程度で管理する方法が特に優れている結果となった。

NO2 処理製品 B(300ppm)(c) 亜鉛メッキ鋼に及ぼす NO2 濃度と水温の影響
燃料噴射弁の接触面において腐食抑制効果が確認された製品 A を用いて、亜鉛メッキ鋼の腐食に

NO2 処理製品 C

及ぼす NO2 濃度と水温の影響について試験した結(300ppm)

果を図-12 に示す。
試験した結果、NO2 濃度の上昇とともに、亜鉛メッ
キ鋼における腐食量の上昇が見られた。また、水図-11 各処理における試験片外観の比較（一例）－ 12 －

非常用ディーゼル発電機燃料弁冷却水系統管理の高度化に関する研究

以上の結果から、燃料噴射弁の接触面および亜5)

松川安樹ら：「水道水中における亜鉛の腐食挙

鉛メッキ鋼に対する腐食抑制方法として、製品 A

動に及ぼすアニオンの 影響」,材料と 環境を用いて NO2 濃度 500ppm 程度で管理する方法が最Vol.57 (2008)
6) 山手利博：「建築設備配管系における異種金属も適していると考えられる。

接触腐食と対策」, 竹中技術研究報告 No.64

水側への溶出量比(mg/mg, vs 純水処理)

2.5(2008)

水温40℃
(運転時)

2.0
1.5

純水処理

1.0
水温25℃
（停止時)

0.5
0.0

0

500
1000
NO2濃度(ppm)

1500

図-12 亜鉛メッキに及ぼす NO2 濃度と水温の影響（対純水処理）4. まとめ燃料噴射弁の接触面で発生していた腐食原因は、異種金属接触腐食である可能性が示唆された。これらの腐食抑制方法を検討した結果、NO2 塩系不働態被膜型インヒビターである製品 A を用いて、燃料噴射弁の接触面の腐食抑制できることが示唆された。また、NO2 塩系不働態被膜型インヒビターを使用することで腐食が懸念された亜鉛メッキ鋼については、NO2 濃度を 500ppm 程度で管理すること
で、腐食量を現状の純水処理と同等以下に抑制できることを確認した。今後、実機適用に向けた試運用および評価をおこなう予定である。
［謝辞］
本研究は、四国電力㈱原子力本部殿より委託を受け実施したもので、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)

荒牧國次：「腐食抑制剤の作用」, 材料と環境,

2)

堀正：「ベンゾトリアゾールの性状と用途およ

56 (2007)
び使用方法」, 防食技術
3)

原信義：「金属腐食の基礎概念」, Journal of
the Vacuum Society of Japan, Vol.44, No.10(2001)

4)

迫田章人ら：「亜鉛めっきの耐食性と腐食生成物との関係」, 表面技術, Vol.40 (1989)－ 13 －

四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所
研究期報１１6 (2022年6月) １4－21

コンクリート柱用鉄筋破断診断装置「新型ＣＰチェッカー」の開発㈱四国総合研究所 産業応用技術部
高岡山地㈱四国総合研究所 産業応用技術部㈱四国総合研究所 産業応用技術部
平田㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部 中西
内田㈱四国総合研究所 経営企画部
三島㈱四国総合研究所 経営企画部
キーワード：Key Words：

ＣＰチェッカー
漏洩磁束法
鉄筋破断
コンクリート柱TMR センサ―

哲也
洋一郎
和也
美一
徹
敏裕

CP Checker
Magnetic Flux Leakage
rebar breakage
concrete poles
TMR sensor

The development of “Advanced CP Checker,” A Rebar Breakage Diagnostic Device for Concrete Poles
Shikoku Research Institute, Inc., Industry Application Technology Department
Tetsuya Takaoka, Yoichiro Yamaji, Kazunari Hirata
Shikoku Research Institute, Inc., Electronics and Agricultural Technology Department
Yoshikazu Nakanishi
Shikoku Research Institute, Inc., Corporate Planning Department
Toru Uchida, Toshihiro Mishima
Abstract
Concrete poles, which are important infrastructure equipment for achieving a stable power supply, are installedon the assumption that they will be used for a long period. Also, deterioration over time occurs during that time,causing surface peeling, cracking, etc., too. Therefore, the electric power company that manages the concrete poles
regularly inspect these poles by visual inspection and tapping to confirm their soundness.
The strength of the concrete pole is closely related to the condition of the rebars. If the condition of rebars being
broken or corroded can be confirmed in advance, the concrete pole will be able to rebuild at an earlier stage thanwhen the deterioration can be visually confirmed from the surface. If it is possible to find such rebar breakage, therisk of breaking concrete poles will be suppressed.
In response to such demands, in 2004, we developed a rebar breakage diagnostic device "CP Checker", a device
that can non-destructively confirm the rebar breakage in concrete poles and has sold more than 500 products so far.
Recently, electronic devices, such as sensors, have undergone remarkable evolution. Since these devices can be
expected to make a significant contribution to the diagnosis of rebar breakage, we have developed the "Advanced
CP checker" that uses the latest magnetic sensors.

－ 14 －

コンクリート柱用鉄筋破断診断装置「新型ＣＰチェッカー」の開発となり水分が浸入しやすくなること、経年劣化に

1. はじめに電力安定供給の実現において重要なインフラ

よるコンクリートのひび割れ箇所からも水分が設備である電柱は、コンクリート製のものが主体

浸入しやすくなることなど、外部からの雨水の浸となっている。コンクリート柱は長期の利用を前入による腐食が懸念される。更に、そのような状提として設置されているが、その間に経年劣化が況下において、製造時に主鉄筋に与えたプレスト

生じ、表面の剥離、ひび割れ、接合面の割れなど

レスや電柱のたわみなどによる応力が発生するが発生することが知られている。電力会社など電ことにより、水素脆化が原因となる遅れ破壊に柱を管理するインフラ事業者においては、コンク

よって鉄筋破断が発生する可能性もある 2、3）。

リート柱に対して目視や打音などにより定期的に点検を実施して健全性を確認している。

コンクリートを斫り、鉄筋を目視で確認した結果に関して、当社で調査した範囲では、鉄筋破断

コンクリート柱の強度は鉄筋の状態と密接にはコンクリートのひび割れ箇所や型枠の合わせ関係している。鉄筋が破断、腐食しているなどの目跡付近に集中して発生する傾向が確認されて状態が予め確認できれば、表面から目視で確認でいる。一方、コンクリートのひび割れがあってもきる状態に至るよりも早い段階でコンクリート

鉄筋破断が発生していない事例も多く確認され柱の建て替えなどを判断することができるため、ており、ひび割れ確認を中心とした目視点検だけ折損などの発生リスクを抑えることができる。

でなくコンクリート柱内部の鉄筋の状態も確認

このような要求を受け、当社では 2004 年に鉄できれば、無駄に建て替える割合を減らすことが筋破断診断装置「ＣＰチェッカー」という、コンできるため、現場からは鉄筋の状態を確認する手

クリート柱の鉄筋破断を非破壊で確認できる装法が求められていた 4）。

置を開発し、これまで 500 台以上の製品を販売している。
販売開始から 18 年経過した現在、センサ等の電子部品はめざましい進化を遂げており、鉄筋破断診断への活用においても大きな貢献が期待できる。今回、最新の磁気センサを活用した「新型ＣＰチェッカー」を開発したため、その概要について報告する。
2. コンクリート柱製造工程と鉄筋破断のメカニズム
コンクリート柱の製造工程を以下に、製造工程
概念図を図 1 に示す 1、2）。
①

主鉄筋と螺旋筋とを溶接あるいは手編みにより組み立てる。

②
③

④

図1

コンクリート柱の製造工程概念図 1）組み立てた鉄筋を 2 分割された型枠内に配置する。

3. ＣＰチェッカーによる鉄筋破断診断

主鉄筋に所定の緊張力（プレストレス）を与

3.1 ＣＰチェッカー

えた状態でコンクリートを型枠内に入れ、電このようなニーズに基づき、2003 年頃から当社

柱を周方向に回転させながらコンクリート

ではＣＰチェッカーの開発に着手した。ＣＰを注入し、遠心力によって締め固める（遠心チェッカーの外観を図 2 に示す。ＣＰチェッカー

成形）。

は本体であるセンサユニット、測定波形のグラフ

遠心成形後、蒸気養生して型枠を外し、検査

表示と記録を行うレコーダユニット、コンクリー

工程を経て完成となる。

ト柱の鉄筋を磁化させるための磁石ユニットの 3

上記工程③の遠心成形時には、型枠の合わせ目ユニットで構成される。ＣＰチェッカーではコンから僅かな水分が出るが、完成後はこれが通り道

クリート柱の鉄筋を磁石ユニットで磁化させた－ 15 －

コンクリート柱用鉄筋破断診断装置「新型ＣＰチェッカー」の開発

後、磁化範囲をセンサユニットで走査させて破断

コンクリート柱内部では主鉄筋はコンクリー

箇所の有無を診断する。破断の可能性が高い箇所

トで固められているが、空気中もコンクリート中付近でセンサを走査させた場合には、ＣＰチェッも透磁率はほぼ同じとして扱える。そのため、漏カーが LED ランプとブザー音で破断ありを警告

洩磁束法ではコンクリートを使わずにモックアッする。

プを構築することが可能である。

（a）センサユニット（a）STEP1

磁石で鉄筋を磁化（b）レコーダユニット（c）磁石ユニット
図2

ＣＰチェッカーの外観（b）STEP2

3.2 漏洩磁束法

図3

センサで磁束の乱れを検出

鉄筋周辺の磁束密度分布例

ＣＰチェッカーによる鉄筋破断診断では、コンクリート表面から永久磁石で内部の鉄筋を磁化

3.3 破断点検出

するステップ 1 と、破断箇所における磁束の乱れ

ＣＰチェッカーにおける鉄筋の破断点検出では、を磁気センサで検出して破断箇所を特定するス

2 個の磁気センサを用いる。2 個の磁気センサを

テップ 2 の 2 ステップで破断診断を行う。各ステ同じ直線上に一定間隔をおいて配置し、検査対象

ップにおける主鉄筋および磁石、磁気センサ周辺となる主鉄筋の直上を 2 個の磁気センサが同じの磁束線を図 3 に示す。ステップ 1 で鉄筋を磁化

直線上を移動するよう走査する。破断のない鉄筋すると、破断がある箇所ではそこで鉄筋が不連続上を走査する場合は、図 4（a）に示すような磁な端部となるため、そこに N／S の磁極が発生す

束線が発生し、端部を除く区間では概ね線形的にる。ステップ 2 では、この磁極から漏れ出る磁束滑らかに変化する。

を磁気センサで検出し、その局所的な変化を捉え

仮に、主鉄筋に破断箇所があった場合、破断箇て破断の有無を判定する。この手法は、破断部分

所には図 4（b）に示すような磁束線が発生してから漏れ出る磁束を測定して破断箇所を特定す

おり、コンクリート柱の軸中心から表面に向かう

5）

る方法であり、漏洩磁束法と呼ばれる 。

方向、即ち図 4 にて上向きの方向の磁束を測定す－ 16 －

コンクリート柱用鉄筋破断診断装置「新型ＣＰチェッカー」の開発

ると、破断箇所付近の短い区間に N／S 極が発生が登場しており、このようなセンサを活用した高することで磁束密度の極大／極小値が発生し、S性能な鉄筋破断診断を行うため、ＣＰチェッカー

字曲線の特徴を示す。

の性能向上について検討した。

図 4（b）に赤色で示す磁束密度波形では、極大・極小値の中間位置を破断点とすると、破断点

4.1 新型センサの活用

は磁束密度波形を微分した波形において、傾きが新型ＣＰチェッカーでは、TMR（トンネル磁気最大となる箇所で求まる。波形の微分は、数値計

抵抗）センサという最新の磁気センサを活用した。

算では微小区間の差分を求めることに相当する

TMR センサの仕様を表 1 に示す。

が、これにヒントを得て、ＣＰチェッカーでは 2個のセンサ測定値の差分を求め、その絶対値が一

表1）

して検出する⁵ 。
測定磁束密度の鉄筋に垂直な成分
測定位置
健全鉄筋の波形

着磁端の波形

着磁端の波形ＳＮ

TMR センサの仕様例

項
目
種別
軸
センシング
範囲
デジタル出力
供給電圧
供給電流
電流消費

定値以上大きく変化する箇所を破断点の候補と

動作温度
パッケージ
サイズ

Ｎ
Ｓ
着磁範囲
鉄 筋

内
容
磁気抵抗
3 軸（X,Y,Z）
感度：10nT/LSB
レンジ：±1.2mT
18 ビット
1.7V～1.98V
2.5mA
0.5μA(電源断時)
0.03mA～0.20mA（測定モードによる）-30℃～85℃
11-pin LGA
1.6mm×1.6mm×0.58mm

TMR センサは絶縁体を 2 層の強磁性体で挟んだ
磁束線

磁気トンネル接合で構成され、外部磁界の方向に（a）健全時対して鋭敏に電気抵抗が変化するトンネル磁気

測定磁束密度の鉄筋に垂直な成分
破断による波形
測定位置

抵抗効果を利用したセンサである。その特徴としては、小型、低消費電力、広い測定レンジなどが挙げられるが、従来の MI センサは単軸型である

着磁端の波形のに対して、今回の TMR センサは 3 軸型であるという点も大きな特徴の一つである。

着磁端の波形ＳＮ Ｓ

図 5 に従来および新型ＣＰチェッカーにおけＮるセンサの配置を示す。従来のＣＰチェッカーでは、Z 軸方向のみの単軸の MI センサ 3 個を配置

着磁範囲

し、走査方向と同じ方向に配置したセンサ 2 個で
破 断

鉄 筋

測定する。これに対して、新型ＣＰチェッカーで
磁束線

は、3 軸の TMR センサ 4 個を配置し、走査方向と同じ方向に配置したセンサ 2 個で従来のＣＰ（b）破断時図4

チェッカーと同じ Z 軸方向の測定を行い、それに健全および破断時の磁束密度分布

直交する方向に配置したセンサ 2 個で Y 軸方向の測定を行う。新型ＣＰチェッカーでは、走査方向4. 新型センサによる鉄筋破断診断の性能向上
ＣＰチェッカー開発時は、当時最新のセンサでに直交する方向に配置した 2 個のセンサにより、あり、小型、高感度の MI（磁気インピーダンス）

破断箇所から漏洩する磁束線を走査方向から見センサを用いていたが、現在はより小型で高感度、た両側面からも測定することができる。

低消費電力などの特徴をもった高性能なセンサ－ 17 －

なお、従来のＣＰチェッカーにおいては、センコンクリート柱用鉄筋破断診断装置「新型ＣＰチェッカー」の開発

サ S1、S2 の中点を破断箇所として推定し、新型
ＣＰチェッカーにおいては、センサ S1～S4 の中点を破断箇所として推定する。図 6 に従来のＣＰチェッカーと新型ＣＰチェッカーにおける測定方法の比較を図示する。
新型ＣＰチェッカーの S1、S2 については、従来のＣＰチェッカーの S1、S2 と同じデータを測定しており、新型ＣＰチェッカーの測定結果は、（a）センサヘッド部分

従来のＣＰチェッカーの測定結果と互換性を有している。
4.2 3D（3 次元）破断判定手法
新型ＣＰチェッカーでは、前述の 4 個のセンサでの測定値を用いて下記のように破断判定を行う。
【3D 破断判定手法】
以下の 2 段階のスクリーニングにより、立体的に破断箇所を検出する。
① 1 次スクリーニング
図 5（c）のセンサ S1、S2 について Z 軸方向（b）従来のＣＰチェッカー

図5の磁束密度の差分の絶対値が、設定閾値以上（c）新型ＣＰチェッカーとなった場合に、その位置を破断判定候補とセンサヘッド部分のセンサ配置

する。閾値に以上なった点（開始点：𝑡𝑡𝑠𝑠 ）と

閾値以下に戻った点（終了点：𝑡𝑡𝑒𝑒 ）を求める。

② 2 次スクリーニング

1 次スクリーニングの開始点と終了点における図 5（c）のセンサ S3、S4 の Y 軸方向の磁束密度を求める。これらの値が、下記の式（1）から（3）を満足すれば、測定結果を破断であると判断する。
�𝑆𝑆3𝑦𝑦 (𝑡𝑡𝑠𝑠 ) − 𝑆𝑆3𝑦𝑦 (𝑡𝑡𝑒𝑒 )� > 𝐴𝐴（a）従来のＣＰチェッカーによる測定例

�𝑆𝑆4𝑦𝑦 (𝑡𝑡𝑠𝑠 ) − 𝑆𝑆4𝑦𝑦 (𝑡𝑡𝑒𝑒 )� > 𝐵𝐵

（1）
（2）

�𝑆𝑆3𝑦𝑦 (𝑡𝑡𝑠𝑠 ) − 𝑆𝑆3𝑦𝑦 (𝑡𝑡𝑒𝑒 )� ∙ �𝑆𝑆4𝑦𝑦 (𝑡𝑡𝑠𝑠 ) − 𝑆𝑆4𝑦𝑦 (𝑡𝑡𝑒𝑒 )� < 0 （3）ここで𝑆𝑆3𝑦𝑦 (𝑡𝑡𝑠𝑠 )、𝑆𝑆3𝑦𝑦 (𝑡𝑡𝑒𝑒 )は、①の開始点𝑡𝑡𝑠𝑠 および開始点𝑡𝑡𝑒𝑒 のセンサ S3 の Y 軸方向の磁束密度測定値であり、同様に𝑆𝑆4𝑦𝑦 (𝑡𝑡𝑠𝑠 )、𝑆𝑆4𝑦𝑦 (𝑡𝑡𝑒𝑒 )は、センサ S4 の Y 軸方向の磁束密度測定値である。

また、A および B は変化に対する閾値である。

破断点はセンサが破断箇所を走査して通過し（b）新型ＣＰチェッカーによる測定例

図6

従来および新型ＣＰチェッカーの破断箇所た後のタイミングで判定されるため、推定される測定方法の比較

破断点は 1 次スクリーニングで抽出した𝑡𝑡𝑠𝑠 と𝑡𝑡𝑒𝑒 の－ 18 －

コンクリート柱用鉄筋破断診断装置「新型ＣＰチェッカー」の開発中点としている。
破断を示す波形例を図 7 に示す。これは、新型
ＣＰチェッカーのレコーダユニット画面に表示

5. 新型ＣＰチェッカーの性能評価
5.1 新型ＣＰチェッカーの試作されるグラフである。上側のグラフは S1、S2 の Z

図 8 に新型ＣＰチェッカーの外観を示す。従来

軸方向の磁束密度を青と赤、S3、S4 の Y 成分の磁と同様に新型ＣＰチェッカーにおいても、センサ

束密度を緑と茶で表したもので、縦軸に磁束密度ユニット、レコーダユニット、磁石ユニットの 3（μT）、横軸に測定時間（秒）をとったものであユニットでの構成とした。

る。下側のグラフは、S1、S2 の Z 軸方向の磁束密センサユニットに関しては、現場での聞き取り度の差分値を表示しており、この値が閾値を超え調査を実施して筐体の大幅な見直しを行い、使用

る開始／終了点の点線を上側のグラフと共有し頻度の少ない機構部分を簡素化することで、従来ている。上側のグラフで 2 次スクリーニングを行よりも小型、軽量化を図った。中でも TMR センサ

い、破断と判定される場合は、上下のグラフで桃の特徴である低消費電力を活かすことにより、Ｃ色の破断推定位置の線を共有する。図 7 のような

Ｐチェッカーのバッテリ持続時間を、これまで単典型的な破断を示す例では、S3 および S4 の波形

3 乾電池 4 本で 8 時間であったものを、単 3 乾電が交差する形で表される。

池 2 本で 50 時間以上に延長することができ、電池本数の削減により軽量化にも貢献した。
また、レコーダユニットにおいても AndroidOS【上側グラフの波形】
赤：S1_Z 軸、青：S2_Z 軸
緑：S3_Y 軸、茶：S4_Y 軸の測定値への変更や、BLE（Bluetooth Low Energy）への対応、3D 破断判定手法による判定結果表示など

磁束密度(μT)②２次スクリーニングの判定条件により、１次ス
クリーニング範囲の中点を破断推定値とする。

の機能アップが行われている。

S3_Y の傾き
S4_Y の傾き（a）センサユニット

破断推定位置

測定時間(秒)
終了点 te（b）レコーダユニット
開始点 ts①１次スクリーニングによる開始／終了点抽出。
【下側グラフ（１次スクリーニング）の波形】
青：S1_Z 軸と S2_Z 軸の差分値

図7（c）磁石ユニット
図8

破断を示す波形例－ 19 －

新型ＣＰチェッカーの外観

コンクリート柱用鉄筋破断診断装置「新型ＣＰチェッカー」の開発

5.2 コンクリート柱モックアップの作成
ＣＰチェッカーの性能評価を行うにあたり、実際のコンクリート柱を忠実に模擬したモックアップを作成した。前述のように、コンクリート
中も空気中も透磁率はほぼ同じとみなせるため、主鉄筋を破断と判定

モックアップの鉄筋は空間中に配置し、内部の鉄筋や破断の位置を確認しながら測定が行えるよ
うな構造とした。模擬破断は鉄筋を切断して 0～5mm 程度のギャップで模擬した。モックアップの外観を図 9 に示す。

図 10

螺旋筋直下の主鉄筋模擬破断の測定例（2）主鉄筋直上の螺旋筋が破断している場合
主鉄筋には破断が無く、主鉄筋と交差する箇所の螺旋筋のみが破断している場合の測定例として測定結果と該当部分の写真を図 11 に示す。
主鉄筋上を走査しているので、主鉄筋と螺旋筋が交差する部分は磁束密度が局所的に変化する
ため、部分的に 1 次スクリーニングで検出されているが、S3、S4 の Y 軸方向の磁束密度の変化が小さいため 2 次スクリーニングでは破断として検出されないことを確認した。
図9

コンクリート柱モックアップの外観

5.3 測定例測定例として、モックアップを用いて螺旋筋の直下にある主鉄筋が破断している場合と、主鉄筋の直上にある螺旋筋が破断している場合につい主鉄筋の破断なしと判定て測定を行った。
（1）螺旋筋直下の主鉄筋が破断している場合
螺旋筋の直下に主鉄筋の破断がある場合の測定例として、測定結果と該当部分の写真を図 10に示す。
螺旋筋直下の破断ということで、主鉄筋の破断部分から漏洩する磁束が上側の螺旋筋に遮られて測定値が低下する可能性が懸念されたが、特に大きな影響はなく、主鉄筋の破断が検出できていることを確認した。
図 11－ 20 －

主鉄筋直上の螺旋筋模擬破断の測定例

コンクリート柱用鉄筋破断診断装置「新型ＣＰチェッカー」の開発

6. まとめ当社が 2004 年から販売を開始した鉄筋破断診
断機「ＣＰチェッカー」において、最新型の磁気センサである TMR センサを活用し、高性能な鉄筋破断診断を実現した「新型ＣＰチェッカー」を開発した。実際のコンクリート柱を忠実に再現した
モックアップを作成して各種模擬破断の測定結果について性能評価を行った結果、従来のＣＰチェッカーよりも詳細に破断診断できることを確認した。
今後、製品の量産化を進めて行き、現在のＣＰチェッカーの後継機種として販売する予定である。
［参考文献］
1)㈱四国総合研究所：「コンクリート柱用鉄筋
破断非破壊診断装置 ＣＰチェッカーM BT」，
ＣＰチェッカーM BT 取扱説明資用料（2022）

2)

大日コンクリート工業㈱：「コンクリートポール 点検手引 書」，大 日コン クリート 工業（2017）

3)

上庄拓哉ら：「コンクリート電柱内鉄筋の水素 脆 化 予 測 技 術 」， NTT 技 術 ジ ャ ー ナ ル
2021.4（2021）

4)

四国電力㈱：「旧規格電柱の折損事故とその対策について（電柱の点検等の実施に係る国からの指示について）」,四国電力プレスリリース（平成 18 年 12 月 8 日）（2006）

5)㈱四国総合研究所：「ＣＰチェッカーM BT 簡
易操作説明資料」、ＣＰチェッカーM BT 製品
資料（2019）6)上田洋、工藤輝大、佐々木孝彦「コンクリー
ト電柱の劣化診断と維持管理」，鉄道総研報
告，第 18 巻，第 10 号，pp.3-8（2004）－ 21 －

四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所
研究期報１１6 (2022年6月) 22－30

既設アナログカメラを活用したデジタルＩＴＶシステムの開発㈱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(現：四国計測工業㈱ 西条事業所)

キーワード：

工業用テレビシステム
同軸ケーブル
減衰率
アナログカメラ
HD-SDI カメラ
IP カメラKey Words：

海稲
土田

隆成
雅彦

ITV system
Coaxial cable
Attenuation rate
Analog camera
HD-SDI camera
IP camera

Development of the Digital ITV System Utilizing Existing Analog Cameras

Shikoku Research Institute, Inc., Energy Engineering Department
Takashige Kaine and Masahiko Tsuchida

Abstract

We have developed a new digital ITV system that can operate both digital and analog cameras on the digital system
including existing analog cameras and existing low-frequency coaxial cables.
Conventional ITV system is based on an analog system in many cases and it is not compatible with digital cameras.
It is very difficult to operate digital cameras on a conventional ITV system and replacement of the entire analog
system is usually required in order to introduce new digital cameras.
In this paper, we describe the method of digitized analog ITV system, the result of HD-SDI signal transmission
tests in low-frequency coaxial cables, and the outline of the digital ITV system operated in a thermal power plant.

－ 22 －

既設アナログカメラを活用したデジタル ITV システムの開発

1. はじめにアの選定や各種試験，ならびに ITV 制御装置のソ

火力発電所では，複数のカメラやその制御装置，

フトウェア製作等を行った。

映像切替器やモニタ等の機器を組合わせたシステ
ム(Industrial Television System 以下，ITV シ＜基本設計仕様＞

ステム)を設置し，中央制御室等から現場各所を遠① 新 1 号 ITV に 2 号 ITV を統合したシステム

隔監視している。

を構築する。

ITV システムは，通常の監視はもとより現場異② 汎用デジタルカメラ方式を使用したシステ

常時の監視が遠隔ででき，運転員の省力化にもつムとする。

ながるため重要性が高まっており，高画質・高機③ アナログカメラとデジタルカメラが混在す

能なデジタルカメラによる監視機能の強化が求める環境において，すべてのカメラを一様に制られている。

御し，映像を一様に監視できる。

従来型であるアナログ方式の ITV システムは，④ カメラの取替や増設は，製造メーカや機種のデジタル方式との互換性がないため，これまでは

制約なく，1 台毎にアナログ，デジタルを任同一システム上で両方式のカメラを運用すること意に選定できる。

は困難であった。デジタルカメラを新たに導入す⑤ 2 号 ITV は，既設アナログカメラ毎に敷設さるためには，アナログ方式の ITV システム全体をれているケーブルを流用することで設備投デジタル方式に更新することが一般的であるが，資を抑制する。

更新費用が高額となるため，ユーザの大半は，アナログ方式を使い続けているのが実情であった。

3.2 2 号 ITV システム概略

本稿では，既設アナログシステムを最大限に活2 号 ITV のシステム概略を図 1 に示す。2 号機で用し，デジタルカメラへの部分取替や増設が可能

は，制御室Ⅰと制御室Ⅱにそれぞれ独立した ITVで，かつ同一システム上で両方式のカメラを運用

システムが導入されている。現場各所に設置されできるデジタル ITV システムを開発したので報告

たアナログカメラは，重畳器を介してアナログ映する。

像切替器と低周波同軸ケーブルで接続されている。
ITV 制御装置は，ITV モニタに出力するカメラ映

2. 統合 ITV システム開発の背景

像の選択や，カメラ操作に用いる制御信号(パン・

四国電力㈱西条発電所では，1 号機のリプレー
ス工事に伴い新設する中央制御室(以下，新中央制

チルト・ズームを制御する信号：以下，カメラ制御信号)を送信している。

御室)に，現行の主要設備用の制御室Ⅰと，周辺設

カメラ毎に敷設されている既設同軸ケーブルは備用の制御室Ⅱを統合し，新 1 号機と現行 2 号機

最長で数百メートルあり，再敷設する場合は工事の運転監視を行う計画である。

費が高額となるため，可能な限り流用することを新中央制御室においてカメラを一様に制御・監計画している。しかし，既設同軸ケーブルはアナ視する計画のため，新 1 号機用 ITV システム(以ログカメラ用の低周波同軸ケーブル ※1 であるた

下，新 1 号 ITV：デジタル方式)と現行 2 号機用 ITVめ，高周波のデジタル信号を送信する場合は減衰システム(以下，2 号 ITV：アナログ方式)を統合しが大きくなり，伝送距離が短くなることが想定さた ITV システム (以下，統合 ITV)による現場監視れる。

が必要となった。

そこで低周波同軸ケーブルにおけるデジタルカ

統合 ITV の開発にあたり，基本設計仕様を次項のように定め，将来的に完全デジタル化への移行

メラ適用の可否を評価するため，デジタルカメラ
方式の比較検討を行った。

も可能なシステムとして開発した。
※1 高周波同軸ケーブルと区別するため，アナログカメラ用

3. 統合 ITV システムの設計

同軸ケーブルを低周波同軸ケーブルと記載

3.1 基本設計仕様
基本設計仕様を以下に定め，最適なハードウェ－ 23 －

既設アナログカメラを活用したデジタル ITV システムの開発

ITV
モニタ(NTSC)

ITV
制御装置

ア
ナ
ロ
グ
映
像
切
替
器

い可能性がある。

重畳器(d) 映像遅延
映像遅延には，撮影した映像をカメラ内部で最長
数百 m

信号処理する時間(カメラ内部信号処理遅延)と，

カメラ(37 台)ITV モニタで映像を表示中に別のカメラに切替えた場合に，その映像がモニタに表示され始めるまでの時間(モニタ映像切替遅延)がある。ア
ナログカメラに慣れている場合，0.5 秒以上の＜制御室Ⅰ＞

遅延があれば，映像遅延として認識される場合

＜現場＞

が多い。

(a) 2 号 ITV(主要設備)(e) 旋回式カメラ
ITV
モニタ(NTSC)

ITV
制御装置

ア
ナ
ロ
グ
映
像
切
替
器

カメラの撮影範囲によっては，水平方向に対し仰角・俯角両方向の撮影が必要となる。ドー

重畳器

ム型カメラは，構造上カメラの背面が撮影でき
最長
数百 m

ず撮影範囲が限られるため，設置個所の状況に

カメラ
(9 台)

より設置台数を増やす必要性があり，旋回式カメラの有無が重要となる場合がある。

＜制御室Ⅱ＞＜現場＞(2) デジタルカメラ方式の選定(b) 2 号 ITV(周辺設備)

監視用途 として一般的 なデジタルカメラ方式

2 号 ITV システム概略(AHD，HD-TVI，HD-CVI，HD-SDI，IP)の仕様をそれ

図1

ぞれ比較した。(表 1)
3.3 デジタルカメラ方式の比較検討(a) AHD，HD-TVI，HD-CVI 方式(1) 比較項目の選定

低周波同軸ケーブルの使用を前提に開発されデジタルカメラ方式の選定にあたり，以下の項

たカメラで，高画質のカメラ映像を約 500m 伝送

目について比較した。

することができる。しかしこれらのカメラは，(a) カメラ画素数

同じカメラ方式であってもメーカが異なれば互

デジタルモニタの一般的な画素数は 200 万画
素(解像度 1980×1080)であるため，鮮明な画像を表示するためには，カメラも同画素数が必要となる。

換性が保証されておらず，映像が映らない可能性がある。
このため，これらの方式の統合 ITV への適用は見送ることとした。

アナログカメラ映像(36 万画素)をデジタルモ(b) HD-SDI 方式

ニタに表示した場合，約 6 倍の拡大となり，映SMPTE 292M(Society of Motion Picture and

像の不鮮明さが顕著となる。また将来的に，画

Television Engineers：米国映画テレビ技術者

像処理による異常検知等の機能を付加する場合

協 会)で 規定され た放送用 標準規格 で， SMPTE

も高画素数の映像が望ましい。

170M で規定されたアナログ放送規格(NTSC)の後(b) 映像伝送距離

継規格であり，高周波同軸ケーブルを使用して低周波同軸ケーブルを使用するためには，カ100m の映像伝送が可能である。HD-SDI 信号の周メラ映像信号が現場適用に支障のない距離

波数は 1.485GHz と高く，低周波同軸ケーブルを(300m 程度)を伝送できることが必要である。

使用した場合は伝送可能距離がさらに短くなる(c) 互換性

が，ケーブル両端に EX-SDI(Extended Serial

同じ方式のカメラを使用した場合においても，メーカや機種を問わず映像の送受信が保証されていなければ，ITV モニタに映像が表示できな－ 24 －

Digital Interface)変換器を接続することで，約 300m まで延長できる可能性がある。(図 2)
同規格を満たしている機器は，メーカが異な既設アナログカメラを活用したデジタル ITV システムの開発

る場合にも互換性が保証されている。映像遅延(c) IP 方式

は，目視では判別できない程度であるため，本撮影した映像をインターネットプロトコルに稿では遅延なしとしている。また旋回式カメラ

準拠したデータ形式に変換し，伝送する方式での機種もあり，その通信コマンドが公開されてある。低周波同軸ケーブルにそのまま接続している場合が多い。

の伝送はできないが，LAN-同軸変換器を付加す以上から，HD-SDI 方式は伝送可能距離の制約ることで，1000m 程度までは問題なく動画が送を満たす場合には，統合 ITV への適用に最も有信できる。

望な方式であると考えられる。

IP 方式は，撮影した映像を H.264 等の方式で圧縮処理する時間と，カメラ切替時に通信を確立する時間により遅延が発生する。前者は 1 秒程度であるが，原理上短縮することは困難である。後者は数秒程度あるが，映像データ変換器を付加し通信状態を常時確立させておくことで，遅延を解消できると考えられる。
また映像データ変換器は，IP 映像の HD-SDI 映

図2

像信号への変換・常時出力，さらに ITV モニタ

EX-SDI 変換器にカメラ映像だけを表示させるための画像処理
表1
方式

画素数

デジタルカメラ仕様比較

映像
伝送距離

映像遅延 ※2
互換性

旋回式
カメラ

評価

無

△

適用困難

無

無

○

カメラ内部
信号処理

モニタ
映像切替

×

無

○

※1

AHD
（Analog High Definition）
HD-TVI（High Definition
Transport Video
Interface）

デ
ジ
タ
ル
カ
メ
ラ

参
考

200 万

約 500m

HD-CVI（High Definition
Composite Video
Interface）
100m 未満(EX-SDI
変換器無)HD-SDI(High Definition Serial
Digital Interface)

200 万

IP
(Internet Protocol)

200 万

1000m※3(LAN 同軸
変換器有)

○

約1秒

数秒
→無 ※4

○

NTSC
(National Television
Standards Committee)

36 万

約 500m○無無○約 300m(EX-SDI
変換器有)○：対応可 △：通常の方法では対応困難 ×：対応不可
当社調べ：インターネットや聞取り等で主要な機器を調査したため，市販カメラ全ての調査は未実施※1 低周波同軸ケーブルを使用した場合の想定距離※2 目視で確認できない程度の遅延は無と記載※3 映像伝送に支障のない通信速度を確保できると想定した距離を記載※4 映像データ変換器使用時－ 25 －

適用可(ケーブル長300m 未満：
HD-SDI
300m 以上：IP)－(ｱﾅﾛｸﾞｶﾒﾗ)

既設アナログカメラを活用したデジタル ITV システムの開発

機能(ブラウザ上に表示される操作画面と映像画試験概要，使用した装置は図 4 の通りである。

面から，映像画面のみを抽出・拡大)を有したソフ

RF ジェネレータより 742.5MHz，10dBm の信号を出

トウェアをインストールしている。(図 3)

力し，接続する同軸ケーブルの本数を増やしなが以上から，IP 方式は統合 ITV への適用は可能で

ら強度測定を行った。測定の結果，信号強度はケーあり，映像伝送距離が長いため適用範囲も広くな

ブル本数に比例して減少し，その減少量 を同軸るが，付加機器数が多くなることと若干の遅延がケーブル減衰量とすると，測定値と理論値はほぼ発生するため，優位性は HD-SDI 方式にあると考え一致し，本試験方法が妥当であることが確認できられる。

た。(図 5)
なお試験用に製作した同軸ケーブルは，関西通信電線㈱製 3C2V，ケーブル長：23.5m，減衰量：396dB／km(770MHz)であり，コネクタを含めた 1 本
当たりの減衰量は 9.9dB／本(770MHz)で，現場に敷設している低周波同軸ケーブル(7C2V)50m と同(a)使用前

図3程度である。

カメラ映像画面

操作画面(b)使用後

映像データ変換器使用前／後の映像比較

10dBm＠742.5MHz
信号発生装置(RF ジェネレータ)

４. 低周波同軸ケーブルを用いた HD-SDI 信号伝送

信号強度測定装置(スペクトラム
アナライザ)

HD-SDI 方式は統合 ITV への適用が最も有望であ

同軸ケーブル 1～10 本・Agilent
・アドバンテスト社製
technologies 社製
・型番：R3162
・型番：N9310A

るが，伝送可能距離が限られるため，HD-SDI 方式(a)試験方法

試験の適用範囲を明らかにする試験を行った。
HD-SDI 方式は，(一社)電波産業会「1125/60 方-42.5dBm

式 HDTV 信号のビット直列インターフェース規格」
において，同軸ケーブルの減衰量が，HD-SDI 信号-2.62dBm

受信強度の 1/2 クロック周波数 742.5MHz において 20dB 以

742.5MHz下であれば，映像伝送が保障されるよう規定され周波数742.5MHzている。この減衰量は，高周波同軸ケーブル(5CFB)(b) 信号受信強度(c) 信号受信強度(同軸ケーブル 1 本)

(同軸ケーブル 5 本)の距離に換算すると約 100m であるが，低周波同軸

図4ケーブルを使用する場合は減衰量がより大きくな
るため，信号伝送試験により減衰量と映像伝送可

低周波同軸ケーブルの減衰量測定試験
100

否の関係性を評価した。

実測値
理論値

減衰量 [dB]80

４.1 ラボ試験(1) 試験方法および妥当性確認
既設低周波同軸ケーブルの減衰量を市販の測定

40
20

機器(ネットワークアナライザ)を用いて測定する

0

場合，ケーブルを閉回路にしなければならないが，

0

既設低周波同軸ケーブルは両端が相当距離離れて

50

減衰量 ＝
出力信号強度－受信強度
100 150 200 250

同軸ケーブル長(3C2V) [m]

いるため閉回路の作成は困難である。
そこで，信号発生装置(RF ジェネレータ)と信号

60

図5

強度測定装置(スペクトラムアナライザ)をそれぞにより減衰量を測定することとした。

－ 26 －

低周波同軸ケーブル減衰量測定試験結果

既設アナログカメラを活用したデジタル ITV システムの開発(2) HD-SDI 信号伝送試験

カメラ制御状態も確認した。なおカメラ接続時にHD-SDI 信号の低周波同軸ケーブルにおける伝は，それぞれ変換器を付加している。(図 7)

送距離を測定するため，同軸ケーブルの接続本数

表 3 に試験結果を示す。ケーブル減衰量 81dB(地を増やしながら，HD-SDI カメラ映像をモニタ表示

点 C)までは，HD-SDI カメラ，IP カメラの映像状

し，その状態を確認した。

態，カメラ制御状態とも良好であった。減衰量がEX-SDI 変換器を接続しない場合は，ケーブル減

88dB である地点 D では，HD-SDI カメラ映像は映ら

衰量 32.4dB(現場敷設ケーブル長 150m 相当)までず制御もできなかったが，IP カメラは映像・制御

映像が映ることを確認できたが，現場では十分なとも良好であった。前述のラボ試験においても，

距離ではなく，伝送距離の延長が必要である。

ケーブル減衰量 82.3dB の場合は良好で，91dB でEX-SDI 変換器を付加した場合は，ケーブル減衰量 82.3dB(現場敷設ケーブル長 400m 相当)まで映はカメラ映像が映らなかったことより，ほぼ同様の試験結果となった。(表 3)

像が映ることを確認できた。同変換器を付加する

これらの試験結果や，同軸ケーブルの経年劣化ことにより伝送距離が 2 倍以上延長できることを等による減衰量増加を考量し(尤度 20dB 程度)，統確認できた。(図 6，表 2)

合 ITV ではケーブル減衰量が 62.5dB(距離換算300m)以内であれば HD-SDI カメラを適用し，それITV モニタ

EX-SDI
変換器

以上において IP カメラを適用することとした。

アナログカメラ(既設)

HD-SDIカメラ

同軸ケーブル(23.5m/本)

信号発生器
(試験用)

EX-SDI
変換器

図6

HD-SDI 信号伝送試験状況(ラボ)

表2

HD-SDI 信号伝送試験結果(ラボ)

ケーブル長[m]
3C2V
(試験用)

7C2V※
(現場)

23.5
47
70.5
94
117.5
141
164.5
188
211.5
235

50
100
150
200
250
300
350
400
450
500

カメラ映像状態(○：良好 ×不良)
EX-SDI
EX-SDI
変換器
変換器
無
有
○
○
○
○
○
○
×
○
×
○
×
○
×
○
×
○
×
×
×
×

IP カメラ
(試験用)

HD-SDI カメラ(試験用)(a) 試験状況(現場カメラ側)
ITV モニタ
(既設)

ケーブル
減衰量
(実測値)
[dB]
12.6
22.4
32.4
42.5
52.5
62.5
72.6
82.3
91.0
100

信号強度測定器(試験用)

ITV モニタ(試験用)

ITV 制御装置(試験用)(b)試験状況(制御室側)

図7HD-SDI 信号伝送試験状況(現地)表3※現場ケーブル長は，7C2V ケーブルの減衰量から算出した推定値

4.2 現地試験
現場敷設している低周波同軸ケーブル 4 本を選定して両端を解線し，現場カメラ側に信号発生器
を，制御室側に信号強度測定装置を接続して，ケーブル減衰量を測定した。またあわせて，HD-SDI カ
メラ，IP カメラを接続した場合の映像伝送状態やHD-SDI 信号伝送試験結果(現地)

試験
個所

ケーブル
減衰量
[dB]

地点Ａ
地点Ｂ
地点Ｃ
地点Ｄ

48
58
81
88

○：良好

HD-SDI カメラ
※1
映像

制御

映像

制御

○
○
○
×

○
○
○
×

○
○
○
○

○
○
○
○

×：不良

※1 ミカミ製 PTC-113-HDSDI－ 27 －IP カメラ※2※2 ミカミ製 PTC-113-HDIP

既設アナログカメラを活用したデジタル ITV システムの開発

5. 低周波同軸ケーブルを活用したデジタル化時のカメラ構成

6. 統合 ITV システム製作
6.1 ハードウェア

低周波同軸ケーブルを流用したまま既設アナロ

統合 ITV の外観を図 9 に，概略を図 10 に示す。

グカメラを HD-SDI カメラや IP カメラに取替える

カメラ 58 台のうち，流用している 2 号 ITV 用アナ

場合は，既存のアナログ映像切替器(NTSC 方式)を

ログカメラ(計 36 台)は，将来的に HD-SDI カメラ

デジタル映像切替器(HD-SDI 方式)に取替え，変換への置換も可能である。(表 4)器を付加することで取替可能となる。なお，カメタ(12 台)に任意のカメラ映像を出力することがラの取替は任意のカメラ 1 台単位でできるほか，

でき，操作 PC(5 台)それぞれから映像切替やカメ取替時に再度アナログカメラを選定することもでラ操作が可能である。

きる。それぞれの方法を以下に記載する。

全ての ITV モニ

操作 PC のカメラ操作信号は，制御 PC に送信され，それらに対応するカメラ毎の制御信号に変換

5.1 既設アナログカメラ活用方法

した後，カメラへと送信している。また制御 PC は

映像変換器を用いて NTSC 信号を HD-SDI 信号に

予備機を 1 台有しており，制御 PC1 にトラブルが変換し，デジタル映像切替器に入力することで，発生した場合は，自動で制御 PC2 に制御が移行す

既設のアナログカメラと低周波同軸ケーブルを活る。

用することができる。なお，カメラ制御信号を映

なお，概略図には，現在のシステム構成(既設機

像信号に重畳し，同軸ケーブルで伝送する重畳器

器・新設機器)に加え，将来的なデジタルカメラへは既設流用が可能である。(図 8-①)の取替・増設時の機器構成も記載している。

5.2 デジタルカメラへの取替方法
既設同軸ケーブル長が 300m 未満の場合は HD-

ITV モニタ

操作 PC
モニタ

SDI カメラを，それ以上の場合は IP カメラを選定
し，各変換器(EX-SDI 変換器／LAN・同軸変換器)を付加することで，低周波同軸ケーブルを活用したデジタルカメラへの取替が可能である。
各変換器は，カメラ制御信号の重畳機能も有しているため,重畳器の設置は不要である。また IP(a) モニタ

カメラは，前述の映像データ変換器の付加が追加で必要となる。(図 8-②)

(

デ
ジ
Ｈ
タ
Ｄ
ル
Ｓ映
Ｄ像
Ｉ切
替
器

映像
変換器

重畳器
①アナログカメラ-

EX-SDI
変換器

300m 未満

LAN・同軸変換器

300m～1000m LAN・同軸

EX-SDI
変換器)(b) ITV 制御装置

映像データ
変換器

図9

変換器
②デジタルカメラ＜制御室＞
アナログカメラ

表4＜現場＞

デジタルカメラ(HD-SDI)

低周波同軸ケーブル(既設)

図8

統合 ITV システム外観(工場試験時)

デジタルカメラ(IP)

カメラ設置個所
新 1 号 ITV
2 号 ITV(主要設備)
2 号 ITV(周辺設備)

その他ケーブル

デジタル化時のカメラ構成－ 28 －

カメラ設置台数
アナログ
カメラ
固定
0
19
2

旋回
0
8
7

[台]
HD-SDI
カメラ
固定
11
10
0

旋回
0
1
0

既設アナログカメラを活用したデジタル ITV システムの開発

変換器(LAN/485)

HUB

ITV
モニタ

ITV
モニタ

デ
ジ
タ
ル
映
像
切
替
器

In

映像
変換器
(NTSC→
HD－SDI)Out

EX-SDI
変換器

EX-SDI
変換器(HD-SDI)

HUB

重畳器(RS485)

重畳器
(電源)
)

Out

変換器
(LAN／同軸)

映像データ
変換器
制御 PC1

変換器(LAN／同軸)

現場

制御室Ⅰ

2 号 ITV(主要設備)

制御 PC2
(予備)

デ
ジ
タ
ル
映
像
切
替
器

変換器
(LAN/485)

HUB(HD-SDI)

デ
ジ
タ
ル
映
像
切
替
器
(HD-SDI)

In

映像
変換器
(NTSC→
HD－SDI)

操作 PC1

映像データ
変換器

重
畳
器

EX-SDI
変換器

EX-SDI
変換器

変換器(LAN／同軸)

変換器(LAN／同軸)

現場

制御室Ⅱ

2 号 ITV(周辺設備)
In

重畳器
(電源)

)

変換器
(LAN/485)

In

映像データ
変換器

In

EX-SDI
変換器

EX-SDI
変換器

変換器(LAN／同軸)

変換器(LAN／同軸)

HUB
現場

新中央制御室HD-SDI
旋回式ｶﾒﾗ
HD-SDI
固定式ｶﾒﾗ

新 1 号 ITVIP
旋回式ｶﾒﾗ

既設機器(流用)

ｱﾅﾛｸﾞ
旋回式ｶﾒﾗ図 10

低周波同軸ｹｰﾌﾞﾙ(既設)

信号ｹｰﾌﾞﾙ

新設機器

高周波同軸ｹｰﾌﾞﾙ(新設)LAN ｹｰﾌﾞﾙ

取替/増設時の機器(将来)同軸ｹｰﾌﾞﾙ(盤内)

光ファイバ
(新設)

統合 ITV システム構成概略図－ 29 －

既設アナログカメラを活用したデジタル ITV システムの開発

6.2 ソフトウェア

ITV モニタ選択画面(図 11-(a))より，カメラ映製作したソフトウェアは， ITV 操作ソフトウェ

像を出力したい ITV モニタを選択した後に，構内ア(操作 PC 用)と， ITV 制御ソフトウェア(制御 PC

カメラ配置図が表示されたカメラ選択画面 (図用)に分かれている。ITV 操作ソフトウェアの主要11-(b))にてカメラを選択する。選択すると，デジ画面イメージを図 11 に示す。

タル映像切替器が制御され，その映像が所定のITV モニタに表示される。
選択したカメラが旋回式カメラの場合，自動でカメラ操作画面に切替り，所定のカメラ操作ができる。このカメラ操作画面はカメラ機種によらず同様であるため，ユーザはカメラ種別の違いを意識することなくカメラ操作が可能である。
(図 11-(c))
またプリセット機能も有しており，所定の場所を事前に登録することで，その場所を選択すると，カメラの自動旋回が可能である。

(a) ITV モニタ選択画面

7. まとめ汎用デジタル方式をベースとし，低周波同軸ケーブルを活用してアナログカメラ・デジタルカ
メラが任意に適用可能な統合 ITV システムの設計を行い，基本仕様を全て満たしていることを確認した。
統合 ITV システムは，西条発電所新 1 号機運転開始時に，実運用を開始する予定である。
［謝辞］
本研究は，四国電力㈱火力部殿からの委託を受けて実施したもので，発電所をはじめご協力いた(b) カメラ選択画面

だいた関係各位に深謝する。
［参考文献］
1) 土田雅彦，海稲隆成: “既設アナログカメラなどを活用したプラント監視カメラシステムのデジタル化”,Electrical Review, Vol.107,
No.4, pp.46-50 (2022)
2) (一社)電波産業会「1125/60方式HDTV信号のビット直列インターフェース規格」(c) カメラ操作画面

図 11

統合 ITV ソフトウェア主要画面－ 30 －

四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所
研究期報１１6 (2022年6月) 31－40

コヒーレントアンチストークスラマン散乱による漏えい水素ガス検知技術（第 1 報）㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部

キーワード：

アンチストークス
レーザ
水素
漏えい検知器
コヒーレントアンチストークス
ラマン分光法Key Words：

杉本
朝日

幸代
一平

Anti-Stokes
Laser
Hydrogen
Leak detector
CARS

Leakage hydrogen gas detection technology using coherent anti-Stokes Raman spectroscopy(the first report)

Shikoku Research Institute, Inc., Electronics and Agricultural technology Department
Sachiyo Sugimoto, Ippei Asahi

Abstract

Hydrogen is expected as a next-generation clean energy to replace a fossil energy. To expand its use in daily life,
its safety must be ensured. This paper reports about the development of leakage hydrogen gas detection technology
using coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (CARS). For that purpose, the light source configuration was devisedin which the laser beam (355 nm) is split into two optical paths and a Raman cell filled hydrogen gas is arranged on
the one side. For efficiently generating anti-Stokes light of target hydrogen gas, irradiation conditions between pumplight (355 nm)(IP) and Stokes light (416 nm)(IS) from the Raman cell were investigated. As a result, it was found thatwhen the irradiation ratio R(=IS/IP) was 0.140≤R≤0.173, the generation efficiency of the anti-Stokes light was high.
When the irradiation ratio R is adjusted within the above range, the high generation efficiency of the anti-Stokes
light can be maintained even if the laser light intensity and hydrogen gas pressure to the Raman cell are changed.
This study proposes a prospect for a concrete optimization method for the light source condition of the opticalhydrogen gas leak detector using CARS.

－ 31 －

コヒーレントアンチストークスラマン散乱による漏えい水素ガス検知技術（第 1 報）

1. 序論

ザ波長より短波長に発生するアンチストークス光

水素は使用に際し CO2 を排出せず，エネルギキャを捉え，計測箇所に近接してレーザ誘起蛍光を発リアとして再生可能エネルギ等を貯蔵，運搬，利生する物体がある場合においても漏えい位置の探用することができる特性を持つ。兼ねてよりク査を可能とする水素ガス検知技術を開発した。

リーンエネルギとして注目されていたが

1)

，2020

目標検知濃度については一般的な水素検知器の年 10 月に「2050 年カーボンニュートラル宣言」

警報設定値である濃度 500 ppm とし，目標計測時がなされたことにより，水素への期待が更に高間については水素センサの応答速度 15)-17) 以下をまっている。水素の普及には，水素を取り扱う様々目指し 1 s とした。

な場面において安全が担保されていることが必須

本稿では，水素のアンチストークス光を発生さであり，我々は，水素関連施設の安全運用に資すせるための光源の開発について述べる。可搬型装る技術として，水素ガス遠隔計測装置

2),3)

や水素

火炎可視化装置 4)をこれまでに開発してきた。

置を目指して光源の構成を検討し，アンチストー
クス光の発生効率の高い照射条件を見出した。

水素ガス遠隔計測装置はレーザ照射により発生する水素のラマン散乱光（レーザ波長と異なる波

2. 計測原理

長に散乱する非常に微弱な光）をエコーとして捉

ラマン散乱は，分子の電子・振動・回転状態にえるライダ（LIDAR：Light Detection and Ranging，

対応するエネルギ準位間の遷移によって観測され

5),6)

光検出と測距）である。ライダは近年，自動車の周辺監視や運転アシストなどに適用され，ライる光の非弾性散乱である。図 1 にラマン効果の概念を示す。

ダという言葉を耳にする機会が多くなった。この場合のライダは障害物などの固体標的（ハードターゲット）が計測対象のライダであり，「 LiDAR」と表記されることが多い 7)。一方，気象・環境計
測用のライダは「Lidar」や「LIDAR」と表記される場合が多く，微粒子やガスなど（ソフトターゲット）を計測対象とする 8)-13)。これらは同じライダと呼ばれる装置であるが，用途が大きく異なるため，それぞれ異なる方向性で発展を遂げてきた 14)。

図1

ラマン効果の概念

ソフトターゲットを計測対象とするライダはパルス動作させたレーザを光源として適用し，計測対ラマン散乱光の散乱強度は，入射光と同一の波象物質から生じる後方散乱光をライダエコーとし長に散乱する弾性散乱であるレイリー散乱光に対て捉え，捉えた光の強度や偏光解消度，周波数等

し 10-3 と極めて小さく，ガスを計測する場合，十を解析することにより，気体の密度，分子種，風分な散乱光強度を得るため，通常レーザ光を励起

向風速，粒子の粒径分布や形状等を明らかにする。

光源として用いる。ガスにレーザ光を照射すると，また，レーザ光の出射とライダエコー受信の時間

ガス分子とレーザ光の相互作用により，レーザ光差から計測対象物質までの距離が得られる。

と異なる波長にラマン散乱光が発生し，そのうち水素ガス遠隔計測装置は離れた場所から水素の存在する位置とその濃度を知ることができる優れレーザ波長に対し長波長の散乱光をストークス光，
短波長の散乱光をアンチストークス光と呼ぶ。

た装置であるが，ラマン散乱光のうちレーザ波長

本研究では，水素のラマン散乱光のうちアンチより長波長に発生するストークス光を捉えるため，

ストークス光を計測対象とする。前述したとおり，

計測箇所の背後に近接して壁や配管等が存在する

ストークス光を計測する場合，レーザ誘起蛍光が場合，それらにレーザ光が照射されることにより外乱となるが，アンチストークス光を検知するこ発生するレーザ誘起蛍光が強力な外乱光となり，とにより，レーザ誘起蛍光の影響を回避して水素

微量な漏えいの検知が困難となる。

を検知することが可能となる。

そこで，本研究では，ラマン散乱光のうちレー－ 32 －

常温，大気圧下において，アンチストークス光コヒーレントアンチストークスラマン散乱による漏えい水素ガス検知技術（第 1 報）の強度はストークス光に対し非常に弱い。観測さンチストークス光の波数ベクトル 𝒌P ，𝒌S ，𝒌AS が,れるストークス光とアンチストークス光の強度比

2𝒌P = 𝒌S + 𝒌AS

は，物質の電子が基底状態にある確率と励起状態にある確率の比と同一であると近似でき 18)，
𝐼AS
h𝜈R
= exp (−
)
𝐼S
k𝑇

(2)

で表される位相整合条件を満たす必要があり，アンチストークス光は 2𝒌P − 𝒌S の方向に指向性を(1)

持って散乱される。(2)式を満たす最も容易な配置
は，すべての波数ベクトルが同一線上にあるで表される。ここで 𝐼𝐴𝑆 はアンチストークス光強Collinear CARS の配置（図 3）であり，本研究で度，𝐼𝑆 はストークス光強度，h はプランク定数，はこの配置を適用した。

k はボルツマン定数，𝑇 は絶対温度，𝜈R はラマン
シフトである。
(1)式より，常温（300 K 付近）において水素（ラ図3マンシフト 4160 cm-1 19)）のアンチストークス光はストークス光に対しおよそ 2.2×10-9 の強度となるため，単にレーザ光を照射することで水素のアンチストークス光を検出することは困難である。

CARS により発生するアンチストークス光の強度 𝑃AS は，
2

2 2 4π2 𝜔AS
2
𝑃AS = ( ) () |3𝜒 (3) | 𝑃P 2 𝑃S
𝜆P
c2

そこで本研究では，常温，大気圧下においてア
ンチストークス光を 検出可能とするため，CARS（Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy：コ
ヒーレントアンチストークスラマン分光法）20)-22)を適用した。図 2 に CARS のエネルギ準位図を示す。

Collinear CARS の配置(3)で表される。ここで，𝑃P はポンプ光強度，𝑃S はス
トークス光強度，𝜆P はポンプ光波長，𝜔AS はアン
チストークス光角周波数，c は光速，𝜒 (3) は 3 次の非線形感受率である。
(3)式より，アンチストークス光強度はポンプ光
強度の 2 乗に比例し，ストークス光強度に比例する。また，𝜒 (3) は分子密度 𝑁 に比例するため，
𝑃AS は分子密度，即ちガス濃度の 2 乗に比例する。
3. 装置構成

図2

Nd:YAG レーザの第 3 高調波（波長 355 nm）をポ

CARS のエネルギ準位図

ンプ光として用い，CARS により水素を計測するた
CARS はコヒーレントラマン効果の一つであり，めには，何らかの方法でストークス波長（416 nm）

角周波数 𝜔P のポンプ光と，角周波数 𝜔S のスの光を発生させ，ポンプ光と同時に同軸で計測箇

トークス光を重ねて物質に入射したとき，これら所に照射する必要がある。

の周波数差 ∆𝜔 = 𝜔P − 𝜔S により物質のラマン活

水素のストークス光を得る方法は，BBO（Beta-

性振動が共鳴的に励起され，位相の揃った非線形

Barium Borate，𝛽-BaB2O4）結晶と 2 枚のミラーに分極が光路に沿って生じ，この分極と入射光とがより構成される光パラメトリック発振器（Optical

相 互 作 用 し て 周 波 数 𝜔AS = 𝜔P + (𝜔P − 𝜔S ) =Parametric Oscillator，OPO）を用いる 23)，また2𝜔P − 𝜔S のアンチストークス光がコヒーレント

は高圧で水素を充填したラマンセルを用いる 24)，な光束として生じる現象である。本研究では，ポのいずれかが考えられる。前者は，BBO 結晶へ入射

ンプ光として Nd:YAG レーザの第 3 高調波（波長するレーザ光の角度により波長を制御するため，

355 nm）を用いたため，ストークス波長は 416 nm，精密に入射角度を調整し，その状態を保持する必アンチストークス波長は 309 nm となる。

要がある。加えて，結晶の温度が波長の安定性に

CARS においては，ポンプ光，ストークス光，ア

大きく影響するため，結晶の温度を最適化して保－ 33 －

コヒーレントアンチストークスラマン散乱による漏えい水素ガス検知技術（第 1 報）持する必要があり，水素関連施設等の現場で使用これを解決するため，ポンプ光とストークス光する可搬型装置に適用する場合，振動や周囲環境

それぞれに対し 1 台のレーザ装置を用いれば，その温度変動により波長にずれが生じる可能性があ

れらの強度が独立制御可能となるが，レーザ装置

る。一方，ラマンセルは，レーザ光軸上に配置すは高価であるため，低コスト化の観点から，1 台のることで，容易に水素のストークス光を得ること

レーザ装置からポンプ光とストークス光を得て，ができるため，本研究では，ラマンセルをストー

かつ前述の課題を解決する手段として，レーザ光

クス光源として用いることとした。

を二分岐し，一方の光路にラマンセルを配置し，ラマンセルをストークス光源として用いる場合，それぞれの光路に入射するレーザ光の比率を制御

レーザ光をラマンセルに入射させ，ラマンセルに可能な光源を考案し，本研究に適用することとしおいて発生したストークス光と，変換されずに通た。図 4 に光源の構成および最適化試験の配置を，過したレーザ光をポンプ光として利用する方法が

表 1 に光源および検知器の仕様を示す。

最も簡単な構成である 25)。しかしながら，この構

光源として Q スイッチ Nd:YAG レーザの第 3 高成において，ラマンセルに入射するレーザ光の強調波（波長 355 nm，パルスエネルギ 30 mJ max，度を増加させるとストークス光の強度は増加させ繰返し周波数 20 Hz，パルス幅 5.5 ns）を用いた。

られるが，ポンプ光（変換されずに通過するレー

強度 𝐼L のレーザ光を，偏光ビームスプリッタ

ザ光）の強度を増加させることは困難である

26)。

キューブ（PBS(B)）により二分岐させた。λ/2 波

前述したとおり，(3)式より，アンチストークス光

長板（WP(A)）を PBS(B)の前に配置し，WP(A)を回

強度はポンプ光強度の 2 乗に比例するため，ポン

転させることでそれぞれの光路へのレーザ光の入プ光強度を増加させることが感度の大幅な向上に射比を変化させることができる。WP(A)の回転角度

繋がるが，この構成ではレーザ出力を上げることに対する 2 つの光路間の入射比を図 5 に示す。

による大幅な感度向上の実現は困難である。

図4

光源の構成および最適化試験の配置－ 34 －

コヒーレントアンチストークスラマン散乱による漏えい水素ガス検知技術（第 1 報）

表1光源および検知器の仕様

装置
レーザ
型式 / メーカ
方式
波長
パルスエネルギ
パルス幅
繰返し周波数
ラマンセル
充填ガス
光路長
内径
分光器
型式 / メーカ
波長範囲
グレーティング
スリット幅
波長分解能
受光光学素子ダイクロイックミラー（DM2）
バンドパスフィルタ仕様
Ultra100 / Quantel
Q-switched Nd:YAG（フラッシュランプ励起）
355 nm
30 mJ 最大
5.5 ns20 Hz
100%水素400 mm
12 mm
QE65Pro / Ocean Optics
200～590 nm ブレーズ波長 300 nm
600 lines/mm
25 μm
0.99 nm透過率（355 nm，416 nm) 95%
反射率（309 nm) 99%
中心波長 310 nm，半値全幅 10 nm，透過率 16%

ミラー（DM1）により合波し，光路を一致させ，誘多膜ミラーにより反射し，ラマン分光用ロングパ
スフィルタ（325 nm 以上透過）を通過させて計測
対象の水素に照射した。ラマンセルにおいては，計測に不要な高次のストークス光やアンチストー
クス光も発生するため，高次のストークス光は誘多膜ミラーにより分離し，アンチストークス光はロングパスフィルタにより遮断した。
計測対象の水素を充填したガスセルにポンプ光
図5とストークス光を同時に照射し，ガスセルの後段

ラマンセル光路とバイパス光路の入射比のWP(A)の回転角度依存性に配置したダイクロイックミラー（DM2）によりア
ンチストークス光をポンプ光とストークス光からP 偏光はラマンセルを配置した光路に入射され，分離した。アンチストークス光は CCD 小型分光器

ラマンセルを通過することで，ストークス光（416（計測対象波長 200～590 nm，波長分解能 0.99 nm）nm）に変換される。ラマンセルを用いた波長変換により計測した。分光器への入射光学系には，集の実施例を見ると，それらの多くは光路長 1 m を光レンズとして直径 20 mmφ，焦点距離 40 mm の超えるセルを用いているが，本研究では可搬性を凸レンズ，外乱光を抑制するためバンドパスフィ

考慮して，セル長 400 mm のラマンセルを用いた。

ルタ（中心波長 310 nm），コア径 450 μm の光ファ

一方，S 偏光はバイパス光路に入射され，ポンプ光イバを用いた。

として利用した。計測対象の水素に照射する際の構築した光源を用い，図 4 に示した▼の位置に偏光方向をストークス光と一致させるために，バおける強度比 𝑅(= 𝐼S ⁄𝐼P ) の最適条件を検討し，各

イパス光路にλ/2 波長板（WP(B)）を配置し，S 偏条件において最大のアンチストークスを得るため，

光を P 偏光に調整した。

試験を実施した。

ポンプ光およびストークス光はダイクロイック－ 35 －

コヒーレントアンチストークスラマン散乱による漏えい水素ガス検知技術（第 1 報）

4. 試験結果

有効口径 16 mmφ）により計測し，アンチストー

図 4 に示した装置構成において，WP(A)の回転角度を変化させ，ポンプ光強度 𝐼P ，ストークス光強クス光強度 𝐼AS は前述したとおり CCD 小型分光器
により計測した。

度 𝐼S ，アンチストークス光強度 𝐼AS を計測した。
計測は以下の条件について実施した。

3.5 mm を適用して実施した。また，ポンプ光を計
2(1) レ ー ザ 光 強 度 𝐼L を 10.4 MW/cm ， 8.32
2

𝐼L ，𝐼P ，𝐼S の評価は,図 4 の▼位置でのビーム径2測する場合には，中心波長 355 nm，半値全幅 10MW/cm ，6.99 MW/cm と変化（パルスエネルギ

nm，355 nm における透過率 30%のバンドパスフィ

はそれぞれ 5.5 mJ，4.4 mJ，3.7 mJ），ラマ

ルタを，ストークス光を計測する場合には，中心ンセルへの水素充填圧力は 0.7 MPa

波長 415 nm，半値全幅 10 nm，416 nm における透(2)ラマンセルへの水素充填圧力を 0.7 MPa，0.6

過率 45%のバンドパスフィルタを，パワーセンサ

MPa，0.5 MPa と変化，レーザ光強度 𝐼L はの前に配置して計測を実施し，光強度をフィルタ

10.4 MW/cm2の透過率を考慮して評価した。条件(1)の結果を図

ポンプ光およびストークス光の強度は，パワー

6 に，条件(2)の結果を図 7 に示す。

センサ（Ophir 社製，10A-P，波長範囲 0.15～8 μm，

図6𝐼L を(a)10.4 MW/cm 2，(b)8.32 MW/cm 2，(c)6.99 MW/cm2 としたときの計測結果（ラマンセル水素充填圧力：0.7 MPa）

図7

ラマンセル水素充填圧力を(a)0.7 MPa，(b)0.6 MPa，(c)0.5 MPa としたときの計測結果（𝐼L ：10.4 MW/cm 2）－ 36 －

コヒーレントアンチストークスラマン散乱による漏えい水素ガス検知技術（第 1 報）

図 6，図 7 の両者について，WP(A)の回転角度が表 2 および表 3 に，各条件においてアンチス増加すると，𝐼P は減少し，𝐼S は増加し，WP(A)のトークス光 𝐼AS が最大となる場合の 𝑅(= 𝐼S ⁄𝐼P )

回転角の最適値は，試験条件に応じて変化した。

を整理した。表 2 は条件(1)，表 3 は条件(2)に対図 6 に示すとおり，レーザ光強度 𝐼L が小さくする結果である。

なると，アンチストークス光を効率よく発生させ

表 2 および表 3 に示すとおり，0.140 ≤ 𝑅 ≤るために，WP(A)の回転角を大きくし，ラマンセル

0.173 の範囲で，アンチストークス光の発生効率へのレーザ光の照射強度を上げる必要がある。

が最適化された。

また，図 7 に示すとおり，ラマンセルへの水素

ここで，ラマンセルにおける照射光のストーク

充填圧力が低下すると，アンチストークス光を効

ス光への変換効率を α とし，α とラマンセル経路

率よく発生させるために，WP(A)の回転角を大きくへの 𝐼L の入射比 β を各条件について整理した。

し，ラマンセルへのレーザ光の照射強度を上げる

表 4 は条件(1)，表 5 は条件(2)に対する結果であ必要がある。

る。

(3)式より，アンチストークス光は(𝐼P )2と 𝐼Sに比例することを示したが，図 6 および図 7 において，(𝐼P)2

表4

× 𝐼S と 𝐼AS の WP(A)の回転角度依存性は酷似しており，試験結果と理論が一致すること

𝐼AS が最大となる場合の α および β（𝐼L ：10.4
MW/cm2，8.32 MW/cm2，6.99 MW/cm2）

レーザ光
強度 (𝑰𝐋 )が確認された。

ラマンセルへの
入射光強度(𝑰𝐋 -𝑰𝐏 )

変換
効率
α

入射比
β

いずれの場合も，WP(A)の回転角度が過度に大き[MW/cm2]

く，バイパス光路のポンプ光強度が減少し過ぎる

10.4

6.02

0.122

0.578

8.32

5.64

0.080

0.680

6.99

5.38

0.042

0.769

と，アンチストークス光が著しく低下した。また，
WP(A)の回転角度が過度に小さく，ラマンセル光路のストークス光が減少し過ぎる場合も同様に，ア[MW/cm2]

ンチストークス光が著しく減少した。
表5
表2

𝐼AS が最大となるときの強度比 𝑅(= 𝐼S ⁄𝐼P )（𝐼L ：10.4 MW/cm2，8.32 MW/cm 2，6.99 MW/cm2）

レーザ光
強度 (𝑰𝐋 )
2

表3

ポンプ光
強度 (𝑰𝐏 )ストークス光
強度 (𝑰𝐒 )2[MW/cm ][MW/cm ][MW/cm ]

10.4

4.37

0.736

0.168

8.32

2.67

0.462

0.170

6.99

1.62

0.229

0.140

𝐼AS が最大となるときの強度比 𝑅(= 𝐼S ⁄𝐼P )（ラマンセル水素充填圧力：0.7 MPa，0.6 MPa，0.5
MPa）

ラマンセル
水素充填圧力ポンプ光
強度 (𝑰𝐏 )ストークス光
強度 (𝑰𝐒 )2

ラマンセル
水素充填圧力強度比
𝑹(= 𝑰𝐒 ⁄𝑰𝐏 )2

強度比𝑹(= 𝑰𝐒 ⁄𝑰𝐏 )

[MPa]

2

[MW/cm ][MW/cm ]

0.7

5.03

0.776

0.154

0.6

4.35

0.639

0.148

0.5

3.17

0.548

0.173

𝐼AS が最大となる場合の α および β（ラマンセル
水素充填圧力：0.7 MPa，0.6 MPa，0.5 MPa）

[MPa]

ラマンセルへの
入射光強度(𝑰𝐋 -𝑰𝐏 )[MW/cm2]

変換
効率
α

入射比
β

0.7

5.37

0.144

0.516

0.6

6.04

0.106

0.581

0.5

7.21

0.075

0.694

(3)式に，𝐼P = (1 − 𝛽)𝐼L および 𝐼S = 𝛼𝛽𝐼L を代入すると，
𝐼𝐴𝑆 = C𝛼𝛽(1 − 𝛽)2 𝐼L 3(4)が得られる。ここで，C は定数である。同様に強度比 𝑅 = 𝐼S ⁄𝐼P は，
𝑅=

𝛼𝛽
1−𝛽

(5)

として表される。(4)式に基づき，変換効率 𝛼＝0.05，0.1，0.15 とし，𝐼AS の 𝛽 依存性を算出し－ 37 －

コヒーレントアンチストークスラマン散乱による漏えい水素ガス検知技術（第 1 報）

た。計算結果は図 8 に示すとおりであり，𝛽＝0.33得られる計算結果に沿う試験結果が得られると推のときに 𝐼AS が最大となった。

測されるが，試験では，𝛽 が小さくなるとラマン
セルでの変換効率が著しく低下し，試験結果と計
算結果の乖離が確認された。試験結果は，𝐼L の強度が大きいほど，またはラマンセルへの水素充填
圧力が高いほど，𝐼AS が理論的な最大条件（𝛽＝0.33）に近付くことを示している。
本試験の目的は，可搬型装置を目指し効率良くアンチストークス光を生成するため，実用的な設定の下で光源の入射条件を最適化することであり，理論式には含まれていない物理的制約が存在する。
これらは，例えば，ラマンセルの長さ，ラマンセ

図8𝛽 の変化に対する 𝐼AS の計算結果

ルにレーザ光を照射するために凸レンズの焦点距（𝛼＝0.05，0.1，0.15）

離，ラマンセルの圧力範囲，レーザ光の強度範囲

次に，(5)式に基づき，変換効率 𝛼＝0.05，0.1，
0.15 の場合の強度比 𝑅 = 𝐼S ⁄𝐼P の 𝛽 依存性を確認した。計算結果と試験結果を図 9 に示す。

などである。これらの条件が変化すると，ラマン
セルにおける変換効率は変化するが，装置の現場適用を目指して適用した設定では，強度比 𝑅 =𝐼S ⁄𝐼P を 0.140 ≤ 𝑅 ≤ 0.173 の狭い範囲に固定して，最大の 𝐼AS を得られることが明らかとなった。
5. 結論
本研究では，CARS を適用して水素のアンチス
トークス光を発生させて計測することにより，計測箇所に近接してレーザ誘起蛍光を発生する物体がある場合においても漏えい位置の探査を可能とする水素ガス検知技術を開発した。
可搬型装置を目指し，レーザ光を二分岐し，一方の光路にラマンセルを配置し て発生させたス
トークス光と，もう一方の光路に入射したレーザ
光をポンプ光として水素に照射し，アンチストー
クス光を発生させる二軸型光源を考案した。セル

図9

長 400 mm のラマンセルを適用し，光源を構築し試験結果の 𝛽 依存性および 𝛽 の変化に対する強度比 𝑅(= 𝐼S ⁄𝐼P ) の計算結果（𝛼＝0.05，
0.1，0.15）

た。
構築した光源により，照射条件を最適化し，ポ

図 9 に示すとおり，試験において得られた強度
比 𝑅(= 𝐼S ⁄𝐼P ) は 0.001～10 の範囲内で大きく変化したが，𝐼AS は 0.140 ≤ 𝑅 ≤ 0.173 の非常に狭い範囲で最大となった。
図 8 に示した計算結果では 𝛽＝0.33 のときに𝐼AS が最大となるが，試験において最大となったのは，0.516 ≤ 𝛽 ≤ 0.769 のときであった。

ン プ 光 と ス ト ー ク ス 光 の 強 度 比 𝑅(= 𝐼S ⁄𝐼P ) を
0.140 ≤ 𝑅 ≤ 0.173 としたときに，アンチストー
クス光が最大となることを実験的に確認した。
次報では，微量漏えい水素の検知を目指し，最適化した光源を適用して開発した水素ガスリーク
ディテクタの構成及び水素計測試験について報告する。

試験において，ラマンセルでの変換効率が，𝛽によらず一定の値を維持していれば，理論による－ 38 －

コヒーレントアンチストークスラマン散乱による漏えい水素ガス検知技術（第 1 報）

Vol.124，No.5，pp.1100-1105 (2004)［謝辞］
この成果は，国立研究開発法人新エネルギー・

13) 福地哲生，名雪琢弥，藤井隆，根本孝七：「ラ

産 業 技 術 総 合 開 発 機 構 （ NEDO ） の 委 託 業 務

マン散乱とミー散乱を併用したレーザレーダ（JPNP13002）の結果得られたものです。ご協力いを 用 い た 大 気 観 測 」， 電 気 学 会 論 文 誌 C，

ただいた関係各位に深く感謝いたします。

Vol.123，No.10，pp.1714-1720 (2003)
14) 椎名達雄：「LiDAR と Lidar 研究・技術の攻［参考文献］

勢と融合」，計測と制御，第 59 巻，第 5 号，

1)

pp.297-299 (2020)

川合弘敏：「水素エネルギー技術」，電気学会
論文誌 D，Vol.135，No.5，p.6 (2015)2)15) 鈴木健吾：「各種ガスセンサと水素検知・警報システム」，日本燃焼学会誌，Vol.61，No.195，

朝日一平，二宮英樹，杉本幸代：「低出力レー

pp.30-36 (2019)

ザによる水素ガス濃度遠隔計測」，電気学会論3)

4)

文誌 C，Vol.130，No.7，pp.1145-1150 (2010)16) 北口久雄：「水素用ガスセンサの現状と課題」，

荻田将一，杉本幸代，朝日一平，椎名達雄：

水 素 エ ネル ギ ー シス テ ム， Vol.30， No.2，「昼間屋外計測可能なマルチガスラマン

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LIDAR の開発」，第 38 回レーザセンシング

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シンポジウム予稿集，レーザセンシング学会，

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nanosensor in a 1% H2-N2 mixture”, Micro

三木啓史，星野礼香，荻田将一，市川祐嗣，& Nano Letters, Vol.13, Issue 2, pp.149-153(2018)

杉本幸代，朝日一平：「画像伝送手法による水素火炎の可視化技術」，四国電力，四国総合研18) 濵口宏夫，平川暁子：「ラマン分光法」，学会

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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 116 号

編集兼発行人本

塚

正（無断転載を禁ず）

敏㈱四国総合研究所

発行㈱四国総合研究所〒761-0192
香川県高松市屋島西町 2109 番地 8
ＴＥＬ（087）843－8111
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