JP2018096863A - 濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】海洋又は湖沼の二酸化炭素濃度とｐＨを同時に測定することが可能な濃度測定装置を提供すること。
【解決手段】濃度測定装置は、中空のガラス球の外表面に、二酸化炭素に感度を有する光学ケミカルセンサと、水素イオンに感度を有する光学ケミカルセンサと、酸素に感度を有する光学ケミカルセンサが設けられており、それぞれの光学ケミカルセンサに対してガラス球内部から励起光を照射し、それぞれの光学ケミカルセンサで発生した蛍光をガラス球内部で検出し、検出信号に基づき二酸化炭素濃度とｐＨと酸素濃度を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、濃度測定装置に関する。

近年、大気中の二酸化炭素濃度が増加し続けており問題視されている。大気中の二酸化炭素は、海水や陸水に溶けて炭酸水素イオンや炭酸イオンの濃度を増加させ、海洋等の酸性化をもたらす。地球環境の変動を把握する上で、海洋等の二酸化炭素濃度とｐＨを同時に測定することが求められている。二酸化炭素の濃度を測定する濃度測定装置としては、赤外分光法を用いたものが知られているが、赤外分光法では、海水中の二酸化炭素濃度を測定することが困難である。

特開２００９−１４３９７号公報

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、海洋又は湖沼の二酸化炭素濃度とｐＨを同時に測定することが可能な濃度測定装置を提供することにある。

（１）本発明は、海洋又は湖沼の水中に溶存する物質の濃度を測定する濃度測定装置であって、中空のガラス球と、二酸化炭素に感度を有する第１の光学ケミカルセンサと、水素イオンに感度を有する第２の光学ケミカルセンサと、前記第１の光学ケミカルセンサに照射する励起光を発生し、前記第１の光学ケミカルセンサからの蛍光を検出する第１の光発生検出部と、前記第２の光学ケミカルセンサに照射する励起光を発生し、前記第２の光学ケミカルセンサからの蛍光を検出する第２の光発生検出部と、前記第１の光発生検出部からの信号に基づき二酸化炭素濃度を測定する第１の測定部と、前記第２の光発生検出部からの信号に基づきｐＨを測定する第２の測定部と、前記第１の測定部で測定されたデータ及び前記第２の測定部で測定されたデータを記録する制御装置とを含み、前記第１の光学ケミカルセンサ及び前記第２の光学ケミカルセンサは、前記ガラス球の外表面に設けられ、前記第１の光発生検出部、前記第２の光発生検出部、前記第１の測定部、前記第２の測定部及び前記制御装置は、前記ガラス球の内部に格納される、濃度測定装置に関する。

本発明によれば、耐圧性能の高い中空のガラス球の外表面に、二酸化炭素に感度を有する光学ケミカルセンサと、水素イオンに感度を有する光学ケミカルセンサとを設け、それぞれの光学ケミカルセンサに対してガラス球内部から励起光を照射し、励起光に応じてそれぞれの光学ケミカルセンサで発生した蛍光をガラス球内部で検出して二酸化炭素濃度とｐＨとを測定するように構成することで、海洋又は湖沼の二酸化炭素濃度とｐＨとを同時に測定することが可能な濃度測定装置を実現することができる。

（２）また本発明に係る濃度測定装置では、酸素に感度を有する第３の光学ケミカルセンサと、前記第３の光学ケミカルセンサに照射する励起光を発生し、前記第３の光学ケミカルセンサからの蛍光を検出する第３の光発生検出部と、前記第３の光発生検出部からの信号に基づき酸素濃度を測定する第３の測定部とを更に含み、前記第３の光学ケミカルセンサは、前記ガラス球の外表面に設けられ、前記第３の光発生検出部及び前記第３の測定
部は、前記ガラス球の内部に格納されるように構成してもよい。

本発明によれば、海洋又は湖沼の二酸化炭素濃度とｐＨと酸素濃度とを同時に測定することが可能な濃度測定装置を実現することができる。

本実施形態の濃度測定装置の構成を模式的に示す図である。 本実施形態の濃度測定装置の一部平面図である。 本実施形態の濃度測定装置の一部側面図である。 ガラス球の外表面に貼付されたセンサを示す図である。 本実施形態の濃度測定装置による試験結果を示す図である。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．構成
図１は、本実施形態の濃度測定装置の構成を模式的に示す図である。なお本実施形態の濃度測定装置は図１の構成要素の一部を省略した構成としてもよい。濃度測定装置１は、海洋又は湖沼の二酸化炭素濃度（ｐＣＯ_２：二酸化炭素分圧）、ｐＨ（水素イオン濃度）及び酸素濃度（ＤＯ：溶存酸素量）を測定する装置として構成されている。

濃度測定装置１は、ガラス球１０と、３つのセンサ２０（２０−１、２０−２、２０−３）と、３つのデータ処理基板３０（３０−１、３０−２、３０−３）と、制御装置５０と、電源部７０とを含む。ガラス球１０は、透明なガラス製の真球体であり、その内部に真球の中空部を有している。３つのセンサ２０は、ガラス球１０の外表面に貼付され、３つのデータ処理基板３０、制御装置５０及び電源部７０を含むその他の構成要素は、ガラス球１０の内部（中空部）に格納される。

センサ２０は、励起光に応じて蛍光を発生するシート状の光学ケミカルセンサである。センサ２０−１（第１の光学ケミカルセンサ）は、二酸化炭素に感度を有する蛍光物質を含み、蛍光の強度及び消失時間が二酸化炭素濃度に依存して変化する（二酸化炭素によって蛍光の発生が阻害される）特性を有するセンサである。センサ２０−２（第２の光学ケミカルセンサ）は、水素イオンに感度を有する蛍光物質を含み、蛍光の強度及び消失時間がｐＨに依存して変化する（水素イオンによって蛍光の発生が阻害される）特性を有するセンサである。センサ２０−３（第３の光学ケミカルセンサ）は、酸素に感度を有する蛍光物質を含み、蛍光の強度及び消失時間が酸素濃度に依存して変化する（酸素によって蛍光の発生が阻害される）特性を有するセンサである。

データ処理基板３０は、光発生検出部３１（３１−１、３１−２、３１−３）と測定部３２（３２−１、３２−２、３２−３）とを含む。

光発生検出部３１は、励起光を発生する光源と、蛍光を検出する光検出器とを備える。光発生検出部３１−１（第１の光発生検出部）は、センサ２０−１に照射する励起光を発生し、センサ２０−１で発生した蛍光を検出する。光発生検出部３１−２（第２の光発生検出部）は、センサ２０−２に照射する励起光を発生し、センサ２０−２で発生した蛍光を検出する。光発生検出部３１−３（第３の光発生検出部）は、センサ２０−３に照射する励起光を発生し、センサ２０−３で発生した蛍光を検出する。光発生検出部３１には、光ファイバーケーブル４０（４０−１、４０−２、４０−３）の一端部が接続され、光フ
ァイバーケーブル４０の他端部は、ガラス球１０の内表面における各センサ２０に対向する位置に固定される。光発生検出部３１で発生した励起光は、光ファイバーケーブル４０を伝搬し、ガラス球１０の壁を透過してセンサ２０に照射される。この励起光に応じてセンサ２０で発生した蛍光は、ガラス球１０の壁を透過して光ファイバーケーブル４０を伝搬し、光発生検出部３１に入射する。

測定部３２−１（第１の測定部）は、光発生検出部３１−１からの検出信号に基づき、センサ２０−１で発生した蛍光の消失時間（蛍光強度が所定の閾値を超えてから下回るまでの時間）を求め、求めた蛍光消失時間から二酸化炭素濃度を算出する。測定部３２−２（第２の測定部）は、光発生検出部３１−２からの検出信号に基づき、センサ２０−２で発生した蛍光の消失時間を求め、求めた蛍光消失時間からｐＨを算出する。測定部３２−３（第３の測定部）は、光発生検出部３１−３からの検出信号に基づき、センサ２０−３で発生した蛍光の消失時間を求め、求めた蛍光消失時間から酸素濃度を算出する。測定部３２で測定されたデータは中継器６０（ＵＳＢハブ）を介して制御装置５０に送信される。

制御装置５０は、演算処理装置（プロセッサ）と記憶部を含む。制御装置５０としては、例えばタブレットＰＣを用いることができる。制御装置５０は、データ処理基板３０に制御信号を送信して、光発生検出部３１に所定の時間間隔で励起光（パルス光）を発生させる制御を行う。また、制御装置５０は、各測定部３２から繰り返し送信されてくる測定データ（二酸化炭素濃度、ｐＨ、酸素濃度）を、時刻情報に対応付けて時系列データとして記憶部に記録する（ロギングする）。

電源部７０は、データ処理基板３０と制御装置５０に電源電圧を供給する。電源部７０としては、密閉型バッテリーを用いることができる。図１に示す例では、制御装置５０への電源電圧は、変圧器７１により変圧（例えば、１２Ｖから２Ｖに降圧）されて、中継器６０を介して制御装置５０に供給される。また、図１に示す例では、データ処理基板３０に電源電圧を供給するか否かを切り替える電源スイッチ７２と、制御装置５０に電源電圧を供給するか否かを切り替える電源スイッチ７３が設けられている。

図２は、濃度測定装置１の一部平面図であり、図３は、濃度測定装置１の一部側面図である。図２、図３では、光ファイバーケーブル４０の一端部４１（４１−１、４１−２、４１−３）と他端部４２（４２−１、４２−２、４２−３）とを繋ぐケーブル、制御装置５０、中継器６０、変圧器７１等の図示を省略している。ガラス球１０は、上半球部１１と下半球部１２の２つに分割されている（図３参照）が、図２では、上半球部１１の図示を省略している。

データ処理基板３０（３０−１、３０−２、３０−３）はシャーシ８０上に取り付けられる。シャーシ８０には、シャーシ８０をガラス球１０内部に保持するためのレバー８１とハンドル８２が設けられている。ハンドル８２を図中矢印Ａの方向に回すと、レバー８１先端部がガラス球１０（下半球部１２）の内表面に向かって移動し、レバー８１先端とシャーシ８０の２つの突起部８３がガラス球１０（下半球部１２）の内表面に押し付けられる。このように、シャーシ８０は、レバー８１先端と突起部８３の３点でガラス球１０内部に安定的に保持される。なお、突起部８３の先端には、緩衝材として機能するゴムシート８４が設けられている。

シャーシ８０の下方には、電源部７０が配置される。電源部７０は、ガラス球１０の中空部の底部に固定されたベース部材７４に取り付けられる。また、シャーシ８０の上方には、制御装置５０を保持するシャーシ（図示省略）が配置される。

ガラス球１０の内表面には、光ファイバーケーブル４０の他端部４２をセンサ２０（２０−１、２０−２、２０−３）に対向する位置に固定するためのソケット９０（９０−１、９０−２、９０−３）が取り付けられている。ソケット９０の、ガラス球１０内表面に接触する面は、ガラス球１０内表面に沿う形状に加工されており、ガラス球１０内表面に密着して接着される。ソケット９０にはネジ穴が設けられており、このネジ穴に光ファイバーケーブル４０の他端部４２をねじ込むことで、他端部４２の先端をガラス球１０の内表面に密着させた状態で固定することができる。

図４は、ガラス球１０の外表面に貼付されたセンサ２０を示す図である。図４に示すように、ガラス球１０の外表面のセンサ２０が貼付される位置には、センサ２０の径よりも大きな径を有する保護シール９１が貼付される。保護シール９１は中央部に開口９２を有し、開口９２の径はセンサ２０の径よりも小さくなっている。例えばセンサ２０の径が１０ｍｍである場合、保護シール９１の径を３０ｍｍ、開口９２の径を８ｍｍとする。保護シール９１をセンサ２０の上から貼付することで、センサ２０がガラス球１０の外表面から剥がれ落ちることを防止することができる。また、保護シール９１として遮光性の高いものを用いることで、ノイズ源となる光の侵入を抑制することができる。

本実施形態の濃度測定装置によれば、装置の構成要素を格納する容器として、耐圧性能の高い形状を有し、且つ、光の透過度の高いガラスで形成されたガラス球を用いることで、海洋や湖沼の水深が深い場所での測定を実現するとともに、複数種類の光学式センサを利用した二酸化炭素濃度、ｐＨ及び酸素濃度の同時測定を実現することができる。また、本実施形態の濃度測定装置では、測定データを連続的に記録することができるため、海上或いは湖沼上の船舶等から濃度測定装置を吊り下げて水中を降下或いは上昇させることで、容易に二酸化炭素濃度、ｐＨ及び酸素濃度の鉛直プロファイルを測定することができる。

２．ガラス球の封入手順
次に、ガラス球１０を封入（密閉）する手順について説明する。まず、電源スイッチ７２、７３がオンになっていることを確認して、下半球部１２の上に上半球部１１を被せ、上半球部１１と下半球部１２の合わせ面を一致させて１つの全球体にする。次に、上半球部１１に設けられたバキュームポートのボルトを外し、バキュームポートに真空ポンプのホースを接続し、真空ポンプにより吸引を行う。ガラス球１０内部に設置した圧力計を見ながら、ガラス球１０内部を所定の気圧（例えば、７００〜８００ｈＰａ）まで減圧し、バキュームポートのボルトを締める。最後に、上半球部１１と下半球部１２の合わせ面の境界線の上にブチルテープを巻きつけ、更に、ブチルテープの上に防食テープを巻きつける。

３．試験結果
本実施形態の濃度測定装置を用いて、二酸化炭素濃度（ｐＣＯ_２）、ｐＨ及び酸素濃度（ＤＯ）を測定する試験を琵琶湖で行った。本試験では、ガラス球１０として、直径３３ｃｍ、ガラス厚１３ｍｍ、耐圧８０００ｍの耐圧ガラス球を使用した。また、センサ２０−１、２０−２、２０−３として、ＰｒｅＳｅｎｓ社製の３種類のセンサチップ（二酸化炭素センサ、ｐＨセンサ、酸素センサ）を使用した。

この濃度測定装置を取り付けた金属製フレームを、湖上の船舶から吊り下げ、水深０ｍから９５ｍまで降下させながら測定した時系列の測定データを取得した。また、金属製フレームには深海用のＣＴＤ（Conductivity Temperature Depth profiler）を取り付けておき、ＣＴＤにより、水中の塩分、水温、圧力（深度）の時系列の観測データを取得した。濃度測定装置で取得した時系列の測定データを、ＣＴＤで取得した時系列の観測データに基づき深度毎の測定データに換算し、ｐＣＯ_２、ｐＨ、ＤＯの鉛直プロファイルを求め
た。図５に試験結果を示す。この試験結果から、本実施形態の濃度測定装置により、ｐＣＯ_２、ｐＨ及びＤＯの鉛直プロファイル観測を実現できることが確認された。

以上、本実施形態あるいは変形例について説明したが、本発明はこれら本実施形態あるいは変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１…濃度測定装置、１０…ガラス球、１１…上半球部、１２…下半球部、２０…センサ、３０…データ処理基板、３１…光発生検出部、３２…測定部、４０…光ファイバーケーブル、４１…一端部、４２…他端部、５０…制御装置、６０…中継器、７０…電源部、７１…変圧器、７２，７３…電源スイッチ、７４…ベース部材、８０…シャーシ、８１…レバー、８２…ハンドル、８３…突起部、８４…ゴムシート、９０…ソケット、９１…保護シール、９２…開口

Claims (2)

1. 海洋又は湖沼の水中に溶存する物質の濃度を測定する濃度測定装置であって、
   中空のガラス球と、
   二酸化炭素に感度を有する第１の光学ケミカルセンサと、
   水素イオンに感度を有する第２の光学ケミカルセンサと、
   前記第１の光学ケミカルセンサに照射する励起光を発生し、前記第１の光学ケミカルセンサからの蛍光を検出する第１の光発生検出部と、
   前記第２の光学ケミカルセンサに照射する励起光を発生し、前記第２の光学ケミカルセンサからの蛍光を検出する第２の光発生検出部と、
   前記第１の光発生検出部からの信号に基づき二酸化炭素濃度を測定する第１の測定部と、
   前記第２の光発生検出部からの信号に基づきｐＨを測定する第２の測定部と、
   前記第１の測定部で測定されたデータ及び前記第２の測定部で測定されたデータを記録する制御装置とを含み、
   前記第１の光学ケミカルセンサ及び前記第２の光学ケミカルセンサは、前記ガラス球の外表面に設けられ、
   前記第１の光発生検出部、前記第２の光発生検出部、前記第１の測定部、前記第２の測定部及び前記制御装置は、前記ガラス球の内部に格納される、濃度測定装置。
2. 請求項１において、
   酸素に感度を有する第３の光学ケミカルセンサと、
   前記第３の光学ケミカルセンサに照射する励起光を発生し、前記第３の光学ケミカルセンサからの蛍光を検出する第３の光発生検出部と、
   前記第３の光発生検出部からの信号に基づき酸素濃度を測定する第３の測定部とを更に含み、
   前記第３の光学ケミカルセンサは、前記ガラス球の外表面に設けられ、
   前記第３の光発生検出部及び前記第３の測定部は、前記ガラス球の内部に格納される、濃度測定装置。