技術紹介

分光分析の現場計測への応用
倉田 孝男 *TakaoKurata

紫外線から赤外線までの光の吸収を利用した分光分析の応用例について述べる。分光分析の原理は比較的単純であり、古くから利用されている分析法である。近年、分光器の小型化や小型化やデータ解析技術の進歩で、現場での計測が可能となってきており、今後の発展が期待されている。本
報告は、これまで検討してきた分光分析の応用例について紹介する。
キーワード：分光分析、小型分光器、現場計測で、これらの利点を生かした新しい分野への分光
１．はじめに分析の応用について検討してきた。そのうちのいくつかを紹介する。

分光分析計といえば、温度コントロールが整っている実験室の中に設置してあるもと考えられて２．分光分析の原理きた。一般に分光計は大きくて重く、振動に弱いので持ち運べず、気温変化や湿度に影響されるの物質はそれぞれの物質固有の波長の光を吸収すで、十分管理された部屋に入れる必要があった。

る。一般に吸収の割合は物質の濃度に比例するのこのため、サンプルは現場から採取して実験室まで、入射光強度と透過光強度より濃度を求める方で持ち運ばなければならず、十分に前処理をして法を吸収分光法と呼ぶ。

から計測した。対象物以外の混合物が混ざると、

図 1 はガスの計測を例に説明しているが、ガス以測定値が影響するからである。近年、安価で小型外、液体でも固体でも同様である。ガスの部分を液の分光器が市販され始めている。その中には振動体または個体にそれぞれ置き換えて考えればよい。にも強く、持ち運び可能なものが出てきた。また
不純物のノイズ信号を計算処理で除く技術の進歩によって、必ずしも前処理が必要ではなくなってきた。サンプルを採取するより、分光器を現場にもっていって計測したほうが効率的である。小型
分光器の使用は非接触、非破壊で、現場での計測が可能になるので、広い応用が期待されている。
図１

当社は石川島播磨重工業技術開発本部と共同＊研究開発事業部

研究支援部

吸収分析の基本原理図

基盤技術 G 次長―39―

IIC REVIEW/2005/10. No.34

一般に光は、いろいろな波長の光が混ざってお３．コンクリート劣化診断装置

り、この状態は白色光と呼ばれる。分光器は波長を分ける装置であり、たとえば図 2 に示すようにコンクリートが劣化していくことが注目されてプリズムを使えば、光を波長で分けることができきており、定期的に維持管理していく必要が指摘る。

されている（1）。例えばコンクリート中の塩化物イ

このとき、光路中にガスがあると、ガス種で決オン濃度や中性化度は、劣化の度合いを示す指標

まった波長の光の強度がガス濃度に応じて弱くなとなっているが、現状ではドリル等でサンプルをるので、波長からガス種がわかり、光の減り方かとって計測するしか方法がない。一方、分光分析

ら濃度がわかる。

法を用いれば、図 4 のようにコンクリートの表面分光計測の基本は、図 3（ア）に示すように光に光を当てて、反射した光のスペクトルから、コを透過する方法であるが、それ以外にも 2 つの方ンクリートを破壊することがなく、ほとんど瞬時法も活用できる。（イ）の反射方式は、試料に反に劣化度が求められるので期待されている。

射した光を分析する方法で、不透明な試料に適用

図 5 は中性化度の指標となる水酸化カルシウムできる。また（ウ）の散乱方式は、濁った液体な濃度について、分光分析で求めたものと、従来法ど、半透明な試料に適用できる。

である熱重量計測で求めたものを比較したもので

図２

分光分析

図４

図３

分光分析の方式の例―40―

コンクリートの分光計測

現場で非破壊計測が可能である。また、光は遠くまでとばせることを利用して、図 6 のように遠隔で広範囲の計測システムへの展開を検討している。
４．オンライン煙道中 SO3 分析計
分光分析は計測時間が速いのでオンライン計測によく利用されている。その中で、三酸化硫黄濃度分析装置について検討した。三酸化硫黄は重油
図５焚ボイラなどで発生するガスで、酸腐食の原因と分光計測による結果（吸光度）と熱重量計測の結果の比較なるが有効な分析法は存在しなかった。三酸化硫

コンクリート中の Ca
（OH）
2 の濃度

黄は、波長 230 nm 以下の紫外線領域の波長を吸収するが、図 7 のようにガス中に共存する二酸化硫ある。サンプルは、コンクリートを 0 から 3 ヶ月間中性化促進器で中性化させて、中性化度にばらつきを持たせたものを用いた。熱重量分析は、コンクリートを粉にするなどの前処理をしてから、測定するのに数時間を要するのにたいして、分光分析では数秒で計測可能である。
熱分析の場合、コンクリートを粉にするときに骨材（石など）が混ざる。このため、分光分析の結果（吸光度）と若干のばらつきが生じているが、吸光度と熱重量分析との結果はほぼ一致している。
分光分析では、表面に光を当てるだけなので、

図６

図７ SO3 と SO2 の吸収スペクトル

遠隔からのコンクリート劣化診断―

41―

IIC REVIEW/2005/10. No.34

黄と三酸化硫黄の吸収ピークはほとんど重なって図 10 はメロンの吸収スペクトルである。糖度のいるため、計測は不可能と考えられてきていた。

吸収は 920 nm 付近にあることがわかっているが、しかし近年のデータ処理手法の進歩により両者をそれ以外にも、糖分が溶けることによって水の吸分離して濃度を計測できるようになった（2）。図 8

収スペクトルが変化する。スペクトルの変化を総は SO2 と SO3 の濃度の割合を変えて混合したガス合的にデータ解析することで、糖分の濃度が求め中の SO 3 ガス濃度を計測したものである。SO 2 濃られる。図 11 は、メロン 50 個の糖度を従来糖度度によらず SO3 濃度が求められることがわかる。

計（BRIX 糖度）と分光分析によって果皮の上から計測した糖度を比較したグラフである。

図 8 SO2 濃度によらず SO3 濃度が計測できる例
図 10

メロンの吸収スペクトル５．メロン糖度計
分光分析は非破壊で計測できるので、植物や生物などの内部を非侵襲で計測する装置が開発されている。糖度によって水溶液の吸収スペクトルが変わることを利用するものである。図 9 はメロンの糖度を非破壊で計測する装置の概略図である。

図 11 BRIX 濃度と分光分析結果の比較（富良野産メロン 50 サンプルの測定）

６．プラスチック種類判別センサ
プラスチックスの表面に光を当てて、その反射
図 9 メロン糖度計測

光の波形から種類を選別することも可能である。

―42―

図 12

プラスチックボトルの判別装置の原理

図 12 はプラスチックボトルの自動選別装置の概面的に漏れなくガスを検知するものである。プラ

要を示した図である。プラスチックスの種類ごとント等、ガスリークの生じる個所を特定できないに反射スペクトルの形が異なるのを利用して、ス広範囲なエリアで有効に活用できると考えられペクトルの特徴から統計処理を行って種類を判別る。屋外などではガスは風によって速やかに拡散する。非接触、高速で瞬時に計測できることが特してしまい、一般のガス検知器では検知できない徴である。

場合がある。レーザによる計測では、光路上にあるガスを全て積算して検出するので、ガスを検出

７．広範囲ガス検知モニターする確率が高くなることが確かめられている。図
13 はプラント設備上での漏洩を面的に捕らえる目分光分析の例として、小型分光器を中心に述べてきたが、石川島播磨重工業と当社では光源に半的で光路を配置した例である。

導体レーザを使った広範囲ガス検知モニターにつ以前の半導体レーザは冷却が必要であり装置が大いても検討している（3）。レーザ光が遠くまで届く型化していたが、大型の冷却装置が不要なものが開ことを利用して、測定範囲に光路を複数配置して、発されてきているので、今後の実用化が期待できる。

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IIC REVIEW/2005/10. No.34

図 13

広範囲ガス検知モニターの光路配置の例

８．終わりに参考文献

今まで検討してきた分光分析の手法を解説し（1）魚本健人：非破壊検査に期待するものた。分光器が小さくなったことで、現場への持込ント・コンクリートが可能となり、さらにデータ処理方法の進歩によ

PP.1-8693 号

2004 年 11 月

（2）倉田孝男、伊沢淳他： SO3 連続計測計の開発

り、吸収が重なっても分離できるようになってきている。サンプルの前処理の必要性がなくなり、石川島播磨技報

分光分析は手軽に出来るようになってきているの

PP.52-57

第 43 巻 2 号

2003 年 3 月（3）草葉義夫、剣持庸一他：レーザを用いた LNG

で、多くの分野での実用化の可能性が広がってきている。今回は、いままで検討してきた応用例を漏洩監視システムの開発紹介したが、今後はこれら特徴を考慮して、分光第 32 巻 6 号 1992 年 11 月

分析適用範囲の拡大に向けて取り組んでいく所存である。

―

セメ

44―

石川島播磨技報

PP.467-472