CN102216755A - 气体成分浓度测定装置 - Google Patents
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Abstract
一种气体成分浓度测定装置，不用射出激光强度高的激光射出装置或大型聚光装置也能取得足够大的光检测值，测定所期望区间的对象成分的浓度。具有：激光射出装置（3），射出波长为对象成分的光吸收波长的第一激光束及波长为对象成分的非吸收波长的第二激光束；第一及第二散射体（5、7），在第一激光束和第二激光束照射范围并在第一激光束和第二激光束的射出方向隔着间隔配置；光检测器（9），检测第一散射体（5）散射的第一、第二激光束的第一、第二散射光、第二散射体（7）散射的第一、第二激光束的第三、第四散射光；浓度计算装置（11），基于光检测器（9）的检测值计算第一散射体（5）和第二散射体（7）间的对象成分浓度。
Description
技术领域
本发明涉及使用激光束对气体中的对象成分的浓度进行测定的气体成分浓度测定装置。
背景技术
气体中所含的特定的对象成分的浓度能够以下方法测定。
从激光射出装置对位于远方的气体射出具有对象成分所固有的吸收波长λ1的激光。利用设置在激光照射装置的附近的光检测器检测吸收波长λ1的激光束被气体中的粉尘或气体自身散射后的散射光。在该情况下，根据激光射出装置和激光束的散射位置的距离，在光检测器的散射光检测的时间上产生差异。将该时间特性变换为距离特性，从而得到来自所希望的区间的散射光的检测信号。进而，基于该检测信号，求出针对射出时的激光束的在所述区间中的波长λ1的光的衰减率。
另一方面，从激光射出装置对位于远方的相同的气体射出具有所述对象成分的非吸收波长λ2的激光，由此，同样地求出在相同的所述区间中的波长λ2的光的衰减率。
能够基于在所述区间中的波长λ1的光的衰减率和在所述区间中的波长λ2的光的衰减率，求出由所述对象成分引起的光的衰减率。进而，能够根据该衰减率和已知的参照数据，求出所述区间的所述对象成分的浓度。
此外，作为本申请的现有技术文献，有下述的专利文献1、2。
专利文献1：日本特许第3861059号。
专利文献2：日本特许第3699682号。
在利用上述方法检测气体的对象成分的浓度的情况下，需要如下那样使用价格非常高的装置。
被气体中的粉尘或气体自身散射后的散射光的强度显著小。因此，为了光检测器能够检测出散射光，需要使用射出强度充分高的激光束的激光射出装置。
但是，特别是在室外射出激光束的情况下，从安全性的角度考虑，激光的强度受到制约。为了补偿这样的激光强度，检测出微弱的散射光，需要使用大型、操作困难且成本高的聚光装置等。
另外，由于散射光向所有角度反射，所以，散射光与距离的平方成比例衰减。因此，来自作为测定对象的所述区间的一端的散射光和来自该区间的另一端的散射光在光检测器的位置上其强度显著不同。因此，需要能够检测的强度范围较大的光检测器，所以，光检测器的价格高。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术的问题而提出的。即，本发明的目的在于提供一种气体成分浓度测定装置，即使不使用射出激光强度高的激光射出装置或大型聚光装置，也能够取得足够大的光检测值，测定出所希望区间的对象成分的浓度。
为了实现上述目的，本发明提供一种气体成分浓度测定装置，向气体中射出激光束，基于通过了该气体的所述激光束，检测所述气体中的对象成分的浓度，其特征在于，具有：激光射出装置，射出波长为所述对象成分的光吸收波长的第一激光束以及波长为所述对象成分的非吸收波长的第二激光束；第一以及第二散射体，位于第一激光束和第二激光束的照射范围内，并且，在第一激光束和第二激光束的射出方向上隔开间隔配置；光检测器，对由第一散射体散射的第一激光束的第一散射光、由第一散射体散射的第二激光束的第二散射光、由第二散射体散射的第一激光束的第三散射光以及由第二散射体散射的第二激光束的第四散射光进行检测；浓度计算装置，基于由所述光检测器取得的第一、第二、第三以及第四散射光的检测值，计算第一散射体和第二散射体之间的所述对象成分的浓度。
根据上述本发明的气体成分浓度测定装置，不是基于由气体散射的散射光的检测值，而是基于由第一以及第二散射体散射的散射光的检测值计算对象成分的浓度，所以，即使不使用射出激光强度高的激光射出装置或大型聚光装置，也能够取得足够大的光检测值，测定所期望区间的对象成分的浓度。
即，由气体散射的激光散射光弱，所以，如果不使用射出激光强度高的激光射出装置或大型聚光装置，就不能得到足够大的对象成分浓度计算用的散射光检测值。相对于此，在本发明中，设置第一以及第二散射体，检测第一以及第二散射体的较强的散射光，所以，即使不使用射出高强度激光的激光射出装置或大型聚光装置，也能够得到足够大的对象成分浓度计算用的散射光检测值，能够计算所望区间的对象成分的浓度。
进而，第一以及第二散射体是在预定的较宽的范围使激光束散射的散射体，所以，不需要使第一以及第二散射体的朝向与激光射出装置准确地匹配。
根据本发明的优选的实施方式，第二散射体配置在比第一散射体更远离所述光检测器的位置，第二散射体比第一散射体更多地使激光束散射。
在该实施方式中，第二散射体配置在比第一散射体更远离所述光检测器的位置，第二散射体比第一散射体更多地使激光束散射，所以，如下那样，来自位于远离的位置的第二散射体的散射光也能以适当的强度到达光检测器。
散射光向各个方向散射，从而与传播距离的平方成比例地使强度下降。因此，对于来自位于远离光检测器的位置的第二散射体的散射光的强度来说，在光检测器的位置，与来自位于光检测器侧的第一散射体的散射光的强度相比，大幅度减小。因此，必须将光检测器的能够检测的强度范围设定得大。
相对于此，在上述的实施方式中，第二散射体更多地使激光束散射，所以，来自第二散射体的散射光也以适当的强度到达光检测器。例如，适当设定第二散射体使激光束散射的程度，从而能够使来自第二散射体的散射光到达光检测器时具有的强度与来自第一散射体的散射光到达光检测器时具有的强度大致相同（优选相同）。此时，即使具有较小的能够检测的强度范围的光检测器也能够使用。
另外，根据本发明的优选的实施方式，第一以及第二散射体分别具有将多个线状构件隔开间隔配置的形状、格子形状或球形状。
根据上述的本发明，即使不使用射出激光强度高的激光射出装置或大型聚光装置，也能够取得足够大的光检测值，测定所期望区间的对象成分的浓度。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的气体成分浓度测定装置的结构图。
图2是利用光检测器所取得的检测信号的波形。
图3是本发明的第二实施方式的气体成分浓度测定装置的结构图。
图4是本发明的第三实施方式的气体成分浓度测定装置的结构图。
图5是利用了气体成分浓度测定装置的气体成分浓度测定系统的结构图。
具体实施方式
基于附图对用于实施本发明的优选实施方式进行说明。此外，对在各图中共用的部分标注相同的附图标记，省略重复的说明。
[第一实施方式]
图1是本发明的第一实施方式的气体成分浓度测定装置10的结构图。该气体成分浓度测定装置10是如下装置：向气体中射出激光束，基于通过了该气体的所述激光束，检测所述气体的对象成分的浓度。该对象成分例如是二氧化碳、氨气、甲烷、二氧化硫气体（SO2）等硫化气体（SOx）或者一氧化氮（NO）等氧化氮气体（NOx）。
气体成分浓度测定装置10具有激光射出装置3、第一以及第二散射体5、7、光检测器9以及浓度计算装置11。
激光射出装置3射出波长为所述对象成分的光吸收波长λ1的第一激光束以及波长为所述对象成分的非吸收波长λ2的第二激光束。优选第一激光束仅具有光吸收波长λ1的波长成分，并且，在第二激光束中不包含所述光吸收波长λ1的成分。
激光射出装置3具有将激光束向与激光束的行进方向正交的方向扩展为适当的尺寸的光学系统（未图示）。利用该光学系统，激光束以具有所述尺寸的方式从激光射出装置3射出。根据该尺寸，能够容易地将激光束照射到第一以及第二散射体5、7上。
第一以及第二散射体5、7位于第一激光束和第二激光束的照射范围内，并且，在第一激光束和第二激光束的射出方向上隔开预定的间隔配置。该间隔能够任意设定。
光检测器9对被第一散射体5散射后的第一激光束的第一散射光、被第一散射体5散射后的第二激光束的第二散射光、被第二散射体7散射后的第一激光束的第三散射光以及被第二散射体7散射后的第二激光束的第四散射光进行检测。
浓度计算装置11基于由所述光检测器9取得的第一、第二、第三以及第四散射光的检测值，对在第一散射体5和第二散射体7之间的区间中的所述对象成分的浓度进行计算。
更详细地对气体成分浓度测定装置10的结构进行说明。
第二散射体7配置在比第一散射体5更远离光检测器9的位置。在该情况下，优选第二散射体7比第一散射体5更多地使激光束散射。
在图1的例子中，第一以及第二散射体5、7是将多个线状构件隔开预定的间隔平行配置而成的，但是，可以使第二散射体7中的线状构件的密度高于第一散射体5中的线状构件的密度。例如，如图1所示，第一散射体5是将多个线状构件从激光射出装置3隔开预定的间隔L1平行配置的形状的散射体，第二散射体7是如下的格子状的散射体：除了这样平行配置的多个线状构件外，在与它们交叉（例如正交）的方向上，进一步将多个线状构件从激光射出装置3隔开预定的间隔L2平行配置。
来自激光射出装置3的激光在通过第一散射体5时，失去与第一散射体5碰撞的激光束部分。该损失在通过第一散射体5后利用光的衍射来补充。因此，以如下方式设定第一散射体5的结构要素（线状构件）的尺寸：通过第一散射体5的激光束在到达第二散射体7之前，所述损失被补充。
第一以及第二散射体5、7也可以不总是设置在测定对象成分浓度的区间的两端。即，仅在测定对象成分浓度时，暂时将第一以及第二散射体5、7配置在所述区间的两端即可。
如图1所示，光检测器9具有凸透镜9a作为聚光装置。在本实施方式中，强度比较大的第一~第四散射光到达光检测器9，所以，凸透镜9a可以不是大型。
（浓度的计算）
图2表示由光检测器9取得的检测信号。在该图中，横轴表示时间，纵轴表示与上述的第一、第二、第三以及第四散射光的强度成比例的电压值。检测信号显示在显示装置（未图示）上。此外，在该图中，t1=2L1/c，t2=2L2/c。在此，c为光速。
利用郎伯-比尔定律（Lambert-Beer law），能够以如下方式计算出从第一散射体5至第二散射体7的区间的对象成分的浓度。
首先，根据郎伯-比尔定律，下式（1）成立。
在该式（1）中，各文字的定义如下。
下标x：1或2；
Tx（λx）：图1所示的距离L1或L2的针对具有波长λx的光的透过率；
Tx’：图1所示的距离L1或L2的由气体进行的光吸收以外的因素（第一以及第二散射体5、7等）引起的光的透过率；
α（λx）：针对波长λx的光的每单位长度以及单位浓度的所述对象成分的光吸收系数；
Nx：距离Lx的所述对象成分的平均浓度；
Lx：图1所示的距离L1或L2 。
在此，光检测器9检测的光检测强度与Tx（λx）成比例，所以，当将从Tx（λx）向电压的变换系数设为E时，关于L1，下式（2）、（3）成立。
当用式（2）除以式（3）时，能够得到下式（4）。
V1（λ1）、V1（λ2）能够通过光检测器9的计测来取得，L1、α（λ1）、α（λ2）为已知，所以，通过对式（4）进行变形，能够如下式（5）那样求出N1。
关于L2，也同样地如下式（6）那样求出N2 。
另一方面，所求出的所述区间的所述对象成分的浓度Nt用下式（7）表示。
因此，在式（7）中代入式（5）、（6）以及L1、L2，从而能够计算出所述对象成分的浓度Nt 。
这样的浓度Nt的计算由浓度计算装置11执行。即，式（5）~（7）的运算由浓度计算装置11执行。
根据第一实施方式的气体成分浓度测定装置10，不是基于由气体散射的散射光的检测值而是基于由第一以及第二散射体5、7散射的散射光的检测值，计算出气体中的对象成分的浓度，所以，即使不使用射出激光强度高的激光射出装置或大型聚光装置，也能够取得足够大的光检测值，测定出所期望区间的对象成分的浓度。
即，由气体散射的激光散射光弱，所以，如果不使用射出激光强度高的激光射出装置3或大型聚光装置，就不能够得到足够大的对象成分浓度计算用的散射光检测值。相对于此，在本发明中，设置第一以及第二散射体5、7，检测由第一以及第二散射体5、7散射的强的散射光，所以，即使不使用射出高强度激光的激光射出装置3或大型聚光装置，也能够得到足够大的对象成分浓度计算用的散射光检测值，计算出所期望区间的对象成分的浓度。
进而，第一以及第二散射体5、7是在预定的较宽的范围使激光束散射的散射体，所以，不需要使第一以及第二散射体5、7的朝向与激光射出装置3准确地匹配。
另外，在第一实施方式中，第二散射体7使激光束散射得多，所以，来自第二散射体7的散射光也能够以适当的强度到达光检测器9。优选通过适当设定第二散射体7使激光束散射的程度，由此，使来自第二散射体7的散射光到达光检测器9时具有的强度与来自第一散射体5的散射光到达光检测器9时具有的强度相同。由此，能够使用具有较小的能够检测的强度范围的光检测器9。
[第二实施方式]
图3是本发明的第二实施方式的气体成分浓度测定装置10的结构图。
如图所示，第一以及第二散射体5、7是有意在玻璃上附加损伤、污垢、内置物或者它们的组合而成的散射体。第二实施方式中的其他结构与第一实施方式相同。
此外，在第二实施方式中，为了使第二散射体7比第一散射体5更多地使激光束散射，使附加在玻璃7上的损伤、污垢、内置物的程度、密度大于附加在玻璃5上的损伤、污垢、内置物等的程度、密度。
[第三实施方式]
图4是本发明第三实施方式的气体成分浓度测定装置10的结构图。
如图所示，第一以及第二散射体5、7是安装在杆（pole）的前端的球状构件。第三实施方式中的其他结构与第一实施方式相同。
此外，在第三实施方式中，为了使第二散射体7比第一散射体5更多地使激光束散射，在图4中，使构成第二散射体7的球状构件的数目多于构成第一散射体5的球状构件的数目。
[气体成分浓度测定系统]
图5是利用了上述的气体成分浓度测定装置10的气体成分浓度测定系统20的结构图。该气体成分浓度测定系统20具有上述的第一实施方式、第二实施方式或第三实施方式的气体成分浓度测定装置10、环境观测卫星13、数据分析装置15、显示装置17以及移动机构19。
环境观测卫星13检测太阳光在地表或水面反射的反射光，并发送该检测数据。该检测数据中还包括表示所述反射光的通过区域的位置数据。
数据分析装置15接收从环境观测卫星13发送的所述检测数据，并且分析该检测数据。在该分析中，判断是否存在所述对象成分的浓度比预定的规定值高的区域。数据分析装置15在判断为存在所述对象成分的浓度比预定的规定值高的区域时，作为异常，输出表示异常的异常信号。该异常信号中还包括表示所述对象成分的浓度比预定的规定值高的区域的位置、区域的位置信息。
显示装置17从数据分析装置15接收所述异常信号，基于该异常信号，显示浓度比所述规定值高的气体成分和该气体成分的浓度比所述规定值高的位置、区域。人观察该显示，能够利用移动机构19使气体成分浓度测定装置10向目的地（该位置、区域或其附近）移动。此外，显示装置17也可以搭载在移动机构19上。
在图5的例子中，移动机构19是装载有气体成分浓度测定装置10的车辆，但也可以是装载气体成分浓度测定装置10的航空器、气球、飞艇、船舶等。当移动机构19到达所述目的地时，人将激光射出装置3、光检测器9、第一以及第二散射体5、7例如如图1那样配置在所希望的位置。此外，激光射出装置3和光检测器9也可以搭载在移动机构19上。
配置第一以及第二散射体5、7后，与第一实施方式同样，测定第一以及第二散射体5、7之间的区间的所述对象成分的浓度。
此外，在所述对象成分为CO2的情况下，移动机构19可以是不排出CO2的机构（例如电动汽车）。
在上述的气体成分浓度测定系统20中，能够根据环境观测卫星13的检测数据，调查是否存在气体的对象成分为异常浓度的区域，在存在这种区域的情况下，能够利用移动机构19向该区域移动，并利用气体成分浓度测定装置10详细地测定浓度。
由此，能够在宽范围详细地检测气体的对象成分的浓度异常值，并且，仅在浓度测定时，将气体成分浓度测定装置10暂时配置在测定区域即可。
在本发明中所使用的所述各散射体也可以是在各实施方式中叙述的散射体以外的散射体。
另外，在上述各实施方式中，使用了两个散射体5、7，但也可以使3个以上的散射体位于第一激光束和第二激光束的照射范围内，并且，在第一激光束和第二激光束的射出方向隔开间隔配置。在该情况下，能够利用与第一实施方式相同的方法，不仅是第一以及第二散射体5、7之间的区间，而且能够同时对第二以及第三散射体之间的区间等多个区间的对象成分的浓度进行测定。
即，除了检测上述的第一~第四散射光，光检测器9还能够检测由第三散射体散射的第一激光束的第五散射光以及由第三散射体散射的第二激光束的第六散射光，浓度计算装置11基于由所述光检测器9取得的第三、第四、第五以及第六散射光的检测值，同时计算出第二散射体7和第三散射体之间的所述对象成分的浓度。
本发明不限于上述的实施方式，当然能够在不脱离本发明的宗旨的范围内进行各种变更。
Claims (3)
1.一种气体成分浓度测定装置，向气体中射出激光束，基于通过了该气体的所述激光束，对所述气体中的对象成分的浓度进行检测，其特征在于，具有：
激光射出装置，射出波长为所述对象成分的光吸收波长的第一激光束以及波长为所述对象成分的非吸收波长的第二激光束；
第一以及第二散射体，位于第一激光束和第二激光束的照射范围内，并且，在第一激光束和第二激光束的射出方向上隔开间隔配置；
光检测器，对由第一散射体散射的第一激光束的第一散射光、由第一散射体散射的第二激光束的第二散射光、由第二散射体散射的第一激光束的第三散射光以及由第二散射体散射的第二激光束的第四散射光进行检测；
浓度计算装置，基于由所述光检测器取得的第一、第二、第三以及第四散射光的检测值，计算第一散射体和第二散射体之间的所述对象成分的浓度。
2.如权利要求1所述的气体成分浓度测定装置，其特征在于，
第二散射体配置在比第一散射体更远离所述光检测器的位置，
第二散射体比第一散射体更多地使激光束散射。
3.如权利要求1或2所述的气体成分浓度测定装置，其特征在于，
第一以及第二散射体分别具有将多个线状构件隔开间隔配置的形状、格子形状或者球形状。
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