JP2003344277A - 物質およびその状態の広域分布監視装置 - Google Patents

物質およびその状態の広域分布監視装置

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JP2003344277A
JP2003344277A JP2002159442A JP2002159442A JP2003344277A JP 2003344277 A JP2003344277 A JP 2003344277A JP 2002159442 A JP2002159442 A JP 2002159442A JP 2002159442 A JP2002159442 A JP 2002159442A JP 2003344277 A JP2003344277 A JP 2003344277A
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reflecting means
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JP2002159442A
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English (en)
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Masayuki Horio
正靱 堀尾
Munetaka Nakada
宗隆 中田
Masao Takayanagi
正夫 高柳
Makoto Nakashizu
真 中静
Yoshio Kano
快男 鹿野
Yoshihiro Katayama
義博 片山
Akira Yamada
山田　　晃
Kenichi Akao
賢一 赤尾
Toshiyuki Nagoshi
利之 名越
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Jasco Corp
Original Assignee
Jasco Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 本発明の目的は、ガス等の物質および温度の広域な空間
分布を把握可能な監視装置を提供することにある。 【課題】 【解決手段】 分光光度計４と、第１反射手段６，１０
及び第２反射手段８，１２からなるパス構成光学系と、
分光光度計４からの測定光をパス構成光学系へ導入する
導入光学系と、重み分布関数が位置する複数の格子点を
設定する格子点設定手段及び測定により得られた分光ス
ペクトルデータと前記重み分布関数から物質濃度分布を
算出する算出手段を備えた物質濃度分布導出部を備えた
ことを特徴とする物質の広域分布監視装置、及び赤外エ
ミッション測定による温度の広域分布監視装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は物質および温度の広
域分布監視装置、特に大気環境などを計測・監視する等
の目的で分光光度計とその付属装置をシステムとして構
成し、配置するシステム構成技術の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、計測センサーを設置して大気汚染
物質を広域監視する技術が知られている。例えば、特定
道路などに沿って適当な地点に計測センサーを設置し、
車から排出される二酸化炭素やＮＯＸなどの監視モニタ
ーが行われている。
【０００３】あるいは化学工場などにおいて、有害なＶ
ＯＣが発生していないかを監視するために、適当なポイ
ントにセンサーを設置し、モニターすること等も行われ
ている。
【０００４】最近では、環境負荷物質であるメタンの発
生状況を測定するために、オープンパスのＦＴ−ＩＲを
構成し、團場での測定、モニターも行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、測定し
ようとする場所ごとにセンサーなどの測定装置を１台づ
つ設置しなければならない従来の技術では、測定地点の
数に限界があった。例えば、道路での車による排気ガス
の濃度を計測するにも、道路に沿った主要な点で計測す
るのが精一杯で、広域の空間分布を把握することはでき
ず、例えば道路から離れるに従ってどれくらい拡散・変
化しているのかを把握することは困難であった。そし
て、仮に広域な空間分布を把握しようとすれば非現実的
な程多数の測定装置を用意しなければならず、実質的に
不可能であった。
【０００６】また、焼却炉の中で生成される燃焼ガスの
環境に対する影響が注目されているが、焼却炉中での燃
焼ガス濃度や温度分布を測定するために計測センサーを
適当な位置に設置しようとしても、高温の焼却炉中にセ
ンサーを設置することができず、測定を行うことができ
なかった。
【０００７】また、オープンパスＦＴ−ＩＲを用いた従
来技術では、測定できるのはそのパスに沿った測定値で
しかなく、空間分布として把握することは困難であっ
た。本発明は前記従来技術の課題に鑑み為されたもので
あり、その目的はガス等の物質および温度の広域な空間
分布を把握可能な監視装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明の物質の広域分布監視装置は、分光光度計と、
物質濃度分布を測定するために設定した空間の周囲上に
相対するように設置され、該空間の周囲上を移動手段に
より移動可能な第１反射手段及び第２反射手段からなる
パス構成光学系と、分光光度計からの測定光をパス構成
光学系へ導入する導入光学系と、前記空間内に、重み分
布関数Ｗ（ｒ）（ｒ：前記空間内における特定中心位置
からの距離ベクトル）が位置する複数の格子点を設定す
る格子点設定手段と、測定により得られた分光スペクト
ルデータと前記重み分布関数から前記物質濃度分布を算
出する算出手段を備えた物質濃度分布導出部を備え、前
記導入光学系から導入された測定光を第１反射手段で受
けて反射し、第１反射手段及び第２反射手段で構成され
る光学パスへ送り出して第２反射手段に入射させ、第２
反射手段に入射した測定光をそのまま前記光学パス上を
正反対の方向に進むように反射して第１反射手段へ戻
し、再び第１反射手段から前記導入光学系を経て分光光
度計に戻るように前記パス構成光学系及び導入光学系が
設定され、前記移動手段により配置される第１反射手段
及び第２反射手段の位置で指定され、且つ前記空間を網
羅するように複数設定された前記光学パスごとの測定か
ら得られる分光スペクトルデータと、前記重み分布関数
から、前記算出手段により次の操作に基づき物質濃度分
布を算出することを特徴とする。 ＜算出手段による操作＞
【数１３】 ここで、 Ｂｋ：光学パスＰｋについて測定を行い得られた分光ス
ペクトルデータから得られた濃度値 Ａｌ：格子点ｌにおける重み分布関数のスケール ｒｋｌ：格子点ｌから光学パスＰｋまでの距離ベクトル εｋ：残差 式
【数１３】から、未知のＡｌを最小２乗法により次式：
【数１４】 を最小にするＡｌとして算出する。さらに前記空間内の
点ｓの濃度Ｃ（ｓ）を次式：
【数１５】 ここで、 ｒｌｓ：格子点ｌから点ｓまでの距離ベクトルで算出す
る
【０００９】また、前記装置において、前記空間として
正方形または長方形の空間を設定し、前記光学パスとし
て前記正方形または長方形の一辺と平行な複数の直交す
るパスを設定し、前記算出手段は次の操作により物質濃
度分布を算出することが好適である。 ＜算出手段による操作＞
【数１６】 ここで、 Ｂｉｊ：光学パスＰｉｊについて測定を行い得られた分
光スペクトルデータから算出して得られた濃度値 ｉ＝１の場合：前記正方形または長方形の辺Ｘに平行な
パス ｉ＝２の場合：前記正方形または長方形の、辺Ｘと直交
する辺Ｙに平行なパス Ａｇ，ｈ：格子点（Ｕｇ，Ｖｈ）における重み分布関数
のスケール Ｘ：辺Ｘ方向の座標点 Ｙ：辺Ｙ方向の座標点 εｉｊ：残差 式
【数１６】から、未知のＡｇ，ｈを最小２乗法により次
式：
【数１７】 を最小にするＡｇ，ｈとして算出する。さらに前記空間
内の点（Ｘ，Ｙ）の濃度Ｃ（Ｘ，Ｙ）を次式：
【数１８】 で算出する
【００１０】また、前記装置において、前記空間として
平行四辺形の空間を設定し、前記光学パスとして前記平
行四辺形の一辺と平行な複数の斜交するパスを設定する
ことが好適である。
【００１１】また、前記装置において、前記パス構成光
学系を２組備え、その１組を前記正方形、長方形または
平行四辺形の空間の相対する各辺上に第１、第２反射手
段を設置して構成し、他の１組を、他の相対する各辺上
に第１、第２反射手段を設置して構成することが好適で
ある。
【００１２】また、前記装置において、前記空間として
正方形の空間を設定し、前記光学パスとして前記空間内
を網羅するように扇形に複数のパスを設定することが好
適である。
【００１３】また、前記装置において、第１反射手段及
び第２反射手段の反射方向を調節する反射方向調節手段
をることが好適である。
【００１４】また、前記装置において、第１反射手段は
平面鏡であり、且つ第２反射手段はコーナーキューブミ
ラーであることが好適である。
【００１５】また、前記装置において、前記分光光度計
はフーリエ変換型分光光度計または紫外・可視・近赤外
分光光度計であることが好適である。
【００１６】また、前記装置において、大気中のＣＯ２
濃度を、大気中の１３ＣＯ２濃度および既知の大気中に
おける１３ＣＯ２／ＣＯ２存在比から算出し、ＮＯＸ、
ＳＯ Ｘ等の大気中における低濃度の有害物質の物質濃度
分布を得るための装置構成と同じ構成で大気中のＣＯ２
濃度を測定することが好適である。
【００１７】また、本発明に係る物質の広域分布監視装
置は、分光光度計と、物質濃度分布を測定する空間の周
囲上に相対するように設定され、前記空間の周囲上を移
動手段により移動可能な反射手段及びパス設定点からな
るパス構成光学系と、パス構成光学系からの赤外エミッ
ションを分光光度計へ導入する導入光学系と、前記空間
内に、重み分布関数Ｗ（ｒ）（ｒ：前記空間内における
特定中心位置からの距離ベクトル）が位置する複数の格
子点を設定する格子点設定手段と、測定により得られた
赤外エミッションスペクトルデータと前記重み分布関数
から前記物質濃度分布を算出する算出手段を備えた物質
濃度分布導出部を備え、前記反射手段及び前記パス設定
点で構成される光学パス上で発生し、該光学パス上を該
反射手段の方向へ向けて発している赤外エミッション
を、該反射手段で受けて前記導入光学系へ導入するよう
に前記パス構成光学系及び導入光学系が設定され、前記
移動手段により配置される前記反射手段及び前記パス設
定点の位置で指定され、且つ前記空間を網羅するように
複数設定された前記光学パスごとに測定を行い得られた
赤外エミッションスペクトルデータと、前記重み分布関
数から、前記算出手段は次の操作により物質濃度分布を
算出することを特徴とする。 ＜算出手段による操作＞
【数１９】 ここで、 Ｂｋ：光学パスＰｋについて測定を行い得られた赤外エ
ミッションスペクトルデータから得られた濃度値 Ａｌ：格子点ｌにおける重み分布関数のスケール ｒｋｌ：格子点ｌから光学パスＰｋまでの距離ベクトル εｋ：残差 式
【数１９】から、未知のＡｌを最小２乗法により次式：
【数２０】 を最小にするＡｌとして算出する。さらに前記空間内の
点ｓの濃度Ｃ（ｓ）を次式：
【数２１】 ここで、 ｒｌｓ：格子点ｌから点ｓまでの距離ベクトルで算出す
る
【００１８】また、前記装置において、前記空間として
正方形または長方形の空間を設定し、前記光学パスとし
て前記正方形または長方形の一辺と平行な複数の直交す
るパスを設定し、前記算出手段は次の操作により物質濃
度分布を算出することが好適である。 ＜算出手段による操作＞
【数２２】 ここで、 Ｂｉｊ：光学パスＰｉｊについて測定を行い得られた赤
外エミッションスペクトルデータから得られた濃度値 ｉ＝１の場合：前記正方形または長方形の辺Ｘに平行な
パス ｉ＝２の場合：前記正方形または長方形の、辺Ｘと直交
する辺Ｙに平行なパス Ａｇ，ｈ：格子点（Ｕｇ，Ｖｈ）における重み分布関数
のスケール Ｘ：辺Ｘ方向の座標点 Ｙ：辺Ｙ方向の座標点 εｉｊ：残差 式
【数２２】から、未知のＡｇ，ｈを最小２乗法により次
式：
【数２３】 を最小にするＡｇ，ｈとして算出する。さらに前記空間
内の点（Ｘ，Ｙ）の濃度Ｃ（Ｘ，Ｙ）を次式：
【数２４】 で算出する
【００１９】また、前記装置において、前記濃度値は赤
外エミッションスペクトルデータとして得られた放射ス
ペクトルの中に観測される、測定対象物質特有のピーク
の高さから算出することが好適である。
【００２０】また、本発明に係る温度の広域分布監視装
置は、前記濃度値の代わりに、赤外エミッションスペク
トルデータとして得られた放射エネルギー分布のピーク
波数から温度値を算出し、前記空間内の点における濃度
Ｃの代わりに、前記空間内の点における温度Ｔを算出す
ることを特徴とする。
【００２１】また、前記装置において、前記分光光度計
は分光蛍光光度計または赤外エミッション測定装置であ
ることが好適である。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
の形態を説明する。図１には、本発明の一実施形態に係
る物質の広域分布監視装置の概略構成が示されている。
本実施形態の装置構成は、頂点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４
で定まる正方形の空間での二酸化炭素分布を計測するた
めのものである。
【００２３】同図に示す物質の広域分布監視装置２は、
フーリエ変換型分光光度計（分光光度計）４と、正方形
の空間の辺上に相対するように設置された１対の反射鏡
である平面鏡（第１反射手段）６とコーナーキューブミ
ラー（第２反射手段）８からなる１組のパス構成光学系
と、平面鏡（第１反射手段）１０とコーナーキューブミ
ラー（第２反射手段）１２からなるもう１組のパス構成
光学系を備えている。そして、分光光度計４からの測定
光をパス構成光学系へ導入するための平面鏡１４を有す
る導入光学系を備えている。
【００２４】パス構成光学系は２個１組の反射鏡で構成
される。本実施形態では、反射鏡として平面鏡とコーナ
ーキューブミラーの組み合わせを使用し、コーナーキュ
ーブミラーに入射した光が必ず正反対の方向に反射され
て同じパスを戻ることが保証されるようにしている。
【００２５】１組のパス構成光学系は辺Ｌ１（Ｑ１Ｑ
２）およびＬ３（Ｑ３Ｑ４）に平行な光学パスを構成
し、平面鏡６をＬ２（Ｑ１Ｑ３）上、コーナーキューブ
ミラー８をＬ４（Ｑ２Ｑ４）上に設置する。空間の４つ
の辺Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４上には、それぞれ反射鏡を
動かすための直線のレールが設置されており、パルスモ
ーター（移動手段）駆動によりレールに沿ってこれらの
反射鏡が適当な位置に移動できるようにしている。
【００２６】他の１組のパス構成光学系はＬ２およびＬ
４に平行な光学パスを構成し、平面鏡１０をＬ３上、コ
ーナーキューブミラー１２をＬ１上に設置し、同様にパ
ルスモーター駆動でレール上の適当な位置に移動でき
る。
【００２７】各パス構成光学系を構成する対辺上の平面
鏡とコーナーキューブミラーは、それぞれ相対するよう
に連動して動き、その位置が定められる。
【００２８】図２には導入光学系の概略構成が示されて
いる。フーリエ変換型分光光度計４から取り出した測定
光は、導入光学系を構成する２個の平面鏡１４、１６に
よりパスを構成する平面鏡６あるいは平面鏡１０に導入
される。平面鏡６、平面鏡１０のどちらに測定光を導入
するかの選択は、平面鏡１６の方向の切り替えにより行
われる。
【００２９】また、図３に示すように平面鏡１６のみを
設置し、その方向の切り替えにより平面鏡６あるいは平
面鏡１０に導入するようにしてもよい。
【００３０】本装置による測定は次のようにして行う。
まず、最初の位置に光学パスを設定する。即ち、図４に
示すように、光学パスをＰ１１に設定し、それに適切な
位置Ｘ１に平面鏡１０とコーナーキューブミラー１２を
位置させる。導入光学系の前記平面鏡１６は、測定光が
平面鏡１０に向かう方向へ向ける。このようにして、分
光光度計から出た測定光は導入光学系を経て平面鏡１０
へ入射され、平面鏡１０で反射した測定光は光学パスＰ
１１上を進みコーナーキューブミラー１２へ入射する。
コーナーキューブミラー１２で反射された測定光は光学
パスＰ１１上を往復するように進み平面鏡１０へ入射さ
れ、平面鏡１０で反射した測定光は再び導入光学系を経
てフーリエ変換型分光光度計４に戻る。測定光は光学パ
スＰ１１を往復する時に、そこに存在する二酸化炭素か
ら吸収を受け、光学パスＰ１１における赤外吸収スペク
トルが測定される。
【００３１】次に、図５に示すように、光学パスをＰ２
１に設定し、平面鏡６とコーナーキューブミラー８をＹ
１に位置させる。導入光学系の前記平面鏡１６は、平面
鏡６に光を送る方向に設定する。この状態で上記と同様
に赤外吸収スペクトルを測定する。
【００３２】そして、この一連の操作をＰ１２、Ｐ２
２、Ｐ１３、Ｐ２３と順次繰り返し、最終的にＰ１ｎ、
Ｐ２ｎまで行い、空間を適当な間隔のパス群で網羅する
ように設定された各光学パスについて測定が行われる。
測定された赤外吸収スペクトルデータは、図示しないコ
ンピュータの記憶手段に記憶される。
【００３３】こうして得られたスペクトル群から各パス
での二酸化炭素濃度を、２３５０ｃｍ−１付近の特性吸
収帯のピーク高さを用い、ランベルト−ベールの法則に
基づく検量線法で算出する。この検量線法が最も簡便で
あるが、他の気体成分による妨害がある場合には、ＣＬ
Ｓ、ＰＬＳ、ＰＣＲなどの多変量解析手法を用いること
も好ましい。
【００３４】最後に、分布の算出を次のように行う。ま
ず重み分布関数としてｓｉｎｒ／ｒ、ガウス関数など中
心点からの距離だけに依存し、方位には依存しない関数
を採用し、図６に示した、空間を縦横等しい間隔に刻ん
だ格子点２０（Ｕｇ，Ｖｈ；ｇ，ｈ＝１〜ｍ）の上に置
く。
【００３５】各格子点上の重み分布関数からあるパスへ
の寄与率は、格子点からパスまでの距離だけに依存する
ので、これをＷ（ｒ）とすると、格子点（Ｕｇ，Ｖｈ）
のＰ １ｊに対する寄与率はＷ（｜Ｘｊ−Ｕｇ｜））、Ｐ
２ｊに対する寄与率はＷ（｜Ｙｊ−Ｖｈ｜）となる。
【００３６】パスＰｉｊについて観測された濃度値をＢ
ｉｊ、格子点（Ｕｇ，Ｖｈ）の重み分布関数のスケール
をＡｇｈとすると、ＢｉｊとＡｇｈの間には、残差も含
めて次のような関係式が成り立つ。
【数２５】
【００３７】ここで未知なのはＡｇｈであり、最小２乗
法により次式：
【数２６】 を最小にするＡｇｈとして算出する。さらに空間内の点
（Ｘ，Ｙ）の濃度Ｃ（Ｘ，Ｙ）は次式で算出する。
【数２７】
【００３８】このように、各光学パスについて得られた
濃度値はそのパス上に沿っての濃度の積算値であるが、
これを設定した各格子点においた重み分布関数からの寄
与の和とすることができる。格子点の重み分布関数から
の寄与は、格子点からパスまでの距離だけに依存するの
で、寄与率はパスと格子点だけから容易に求めることが
でき、これを用いて最小２乗法で各格子点の重み分布関
数のスケールを算出する。ある点の濃度はその点に対す
る全ての重み分布関数からの寄与の和として算出する。
これを空間の全点について行うことにより、二酸化炭素
濃度の空間分布が得られる。
【００３９】なお、格子点の設定、及び濃度の算出は、
図示しないコンピュータ（物質濃度分布導出部）のＣＰ
Ｕ等の演算手段（算出手段、格子点設定手段）で行われ
る。
【００４０】物質濃度分布を測定する空間、光学パスの
設定は、本実施形態に限らず、２次元、３次元を問わず
各種の設定ができる。例えば図７に示した正方形の空間
や、あるいは長方形の空間の他にも、実際に測定を行う
空間やシステムの設置場所の制約に応じて、例えば図８
に示すように平行四辺形の空間を設定し、光学パスとし
てその平行四辺形の一辺と平行な複数の斜交するパスを
設定することもできる。あるいは図９に示すように正方
形の空間を設定し光学パスとして空間内を網羅するよう
に扇形に複数のパスを設定することもできる。
【００４１】このような各種の２次元、３次元空間設
定、及び各種の光学パス設定に適用可能な、前記におい
て説明した実施形態での分布算出操作をさらに一般化し
た分布算出操作を以下に示す。
【００４２】＜算出操作＞
【数２８】 ここで、 Ｂｋ：光学パスＰｋについて測定を行い得られた分光ス
ペクトルデータから得られた濃度値 Ａｌ：格子点ｌにおける重み分布関数のスケール ｒｋｌ：格子点ｌから光学パスＰｋまでの距離ベクトル εｋ：残差 式
【数２８】から、未知のＡｌを最小２乗法により次式：
【数２９】 を最小にするＡｌとして算出する。さらに前記空間内の
点ｓの濃度Ｃ（ｓ）を次式：
【数３０】 ここで、 ｒｌｓ：格子点ｌから点ｓまでの距離ベクトルで算出す
る。
【００４３】以上説明した本発明の装置において、第１
反射手段及び第２反射手段の反射方向を調節する反射方
向調節手段を備えることが好適である。
【００４４】また、分光光度計としては、フーリエ変換
型分光光度計、紫外・可視・近赤外分光光度計等が適用
される。本発明の装置によれば、分光光度計は１台ある
いは２台のみ用いれば広域の濃度分布を測定できる。
【００４５】また、前記移動手段として車を使用して、
反射手段を車に搭載し、適当な道路上を走行させて移動
させることもできる。
【００４６】さらに、数百ｍ程度の幅を有する空間を測
定する場合、Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓ
ｙｓｔｅｍ（ＧＰＳ）により反射手段の位置を特定して
移動させる態様としてもよい。
【００４７】また、本発明の装置を用いて得られた濃度
分布は、ガスの検知管等により測定の妥当性を判断する
ことができる。
【００４８】本発明の装置によれば、物質の広域分布を
監視することが可能となる。本装置を用いて、大気中に
おける低濃度の有害物質であるＮＯＸ、ＳＯＸ等と共に
ＣＯ ２濃度分布を同じシステム構成で同時監視すること
ができれば有効であるが、大気中のＣＯ２濃度はＮ
ＯＸ、ＳＯＸ等のそれに比して大幅に高く、光学パスに
おいて測定光が多量に吸収を受けるので、同じシステム
構成でこれらを同時監視することは困難である。
【００４９】そこで、本装置をより有効に利用する手段
として、大気中のＣＯ２濃度を、大気中の１３ＣＯ２濃
度測定から得る方法をとることができる。即ち、１３Ｃ
Ｏ２であれば大気中の濃度が十分に低く、ＮＯＸ、ＳＯ
Ｘ等と同じシステム構成で測定することができる。そし
て、大気中のＣＯ２における１３ＣＯ２存在比は既知で
あるので、これの濃度から大気中のＣＯ２濃度を計算す
ることができる。したがって、この方法によればＮ
ＯＸ、ＳＯＸ等と共にＣＯ２濃度分布を同じシステム構
成で同時監視することができる。
【００５０】次に、赤外エミッション測定による物質お
よび温度の広域分布監視装置について説明する。図１０
には、本発明の一実施形態に係る、赤外エミッション測
定により燃焼炉内等における温度分布と燃焼で生じてい
るガスの濃度分布を監視する装置の概略構成が示されて
いる。
【００５１】同図に示す物質の広域分布監視装置１０２
は、分光蛍光光度計（分光光度計）１０４と（測定空間
外に配置される）、正方形の空間の辺上に相対するよう
に設定された平面鏡（反射手段）１０６とパス設定点１
０８からなる１組のパス構成光学系と、平面鏡（反射手
段）１１０とパス設定点１１２からなるもう１組のパス
構成光学系を備えている。そして、パス構成光学系から
の赤外エミッションを分光蛍光光度計１０４へ導入する
ための平面鏡１１４を有する導入光学系を備えている。
導入光学系は前記図２および図３に示したような構成と
している。
【００５２】１組のパス構成光学系は辺Ｌ１（Ｑ１Ｑ
２）およびＬ３（Ｑ３Ｑ４）に平行な光学パスを構成
し、平面鏡１０６をＬ２（Ｑ１Ｑ３）上、パス設定点１
０８をＬ４（Ｑ２Ｑ４）上に設置する。空間の４つの辺
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４上には、平面鏡を動かすための
直線のレールが設置されており、パルスモーター（移動
手段）駆動によりレールに沿って平面鏡が適当な位置に
移動できるようにしている。
【００５３】他の１組のパス構成光学系はＬ２およびＬ
４に平行な光学パスを構成し、平面鏡１１０をＬ３上、
パス設定点１１２をＬ１上に設置し、同様にパルスモー
ター駆動でレール上の適当な位置に移動できる。
【００５４】各パス構成光学系を構成する対辺上の平面
鏡とパス設定点は、それぞれ相対するように連動して設
定され、その位置が定められる。
【００５５】本装置による測定は次のようにして行う。
まず、最初の位置に光学パスを設定する。即ち、図１１
に示すように、光学パスをＰ１１に設定し、それに適切
な位置Ｘ１に平面鏡１１０とパス設定点１１２を位置さ
せる。導入光学系の前記平面鏡１１６は、測定光が平面
鏡１１０から分光蛍光光度計１０４に向かう方向へ向け
る。平面鏡１１０及びパス設定点１１２で構成される光
学パス上で発生し、該光学パス上を平面鏡１１０の方向
へ向けて発している燃焼ガスの赤外エミッションは、平
面鏡１１０で反射して導入光学系へ導入され、分光蛍光
光度計１０４に戻る。このようにして赤外エミッション
スペクトルを測定する。
【００５６】次に、図１２に示すように、光学パスをＰ
２１に設定し、平面鏡１０６とパス設定点１０８をＹ１
に位置させる。導入光学系の平面鏡１１６は、平面鏡１
０６から赤外エミッションを受ける方向に設定する。こ
の状態で上記と同様に赤外エミッションスペクトルを測
定する。
【００５７】そして、この一連の操作をＰ１２、Ｐ２
２、Ｐ１３、Ｐ２３と順次繰り返し、最終的にＰ１ｎ、
Ｐ２ｎまで行い、空間を適当な間隔のパス群で網羅する
ように設定された各光学パスについて測定が行われる。
測定された赤外エミッションスペクトルデータは、図示
しないコンピュータの記憶手段に記憶される。
【００５８】こうして得られたスペクトル群から各パス
での燃焼ガス濃度を、赤外エミッションスペクトルデー
タとして得られた放射スペクトルの中に観測される、ガ
ス特有のピークの高さから算出する。このとき、他の気
体成分による妨害がある場合には、ＣＬＳ、ＰＬＳ、Ｐ
ＣＲなどの多変量解析手法を用いることもできる。
【００５９】最後に、空間内の濃度分布を前述の実施形
態と同様の手法で算出する。また、以上説明したような
赤外エミッション測定による方法によれば、前記濃度値
の代わりに、赤外エミッションスペクトルデータとして
得られた放射エネルギー分布のピーク波数から温度値を
算出し、前記同様の算出操作を行うことで空間内の任意
の点における濃度Ｃの代わりに、前記空間内の任意の点
における温度Ｔを算出することも可能である。そしてこ
の方法によれば、焼却炉内のような高温下での温度分布
も測定することが可能になる。
【００６０】以上説明した赤外エミッション測定による
方法においても、物質濃度分布を測定する空間、光学パ
スの設定は、本実施形態に限らず、２次元、３次元を問
わず各種の設定ができる。そして前述の
【数２８】〜
【数３０】で示した、一般化した分布算出操作を適用す
れば、このような各種の空間設定、光学パス設定におい
て測定を行うことができる。
【００６１】なお、このようなシステムには、赤外エミ
ッション測定装置、分光蛍光光度計等の分光光度計が適
用される。
【００６２】以上説明した本発明の装置を利用した応用
例としては、以下の測定例が例示される。 （１）廃棄されて地中に残存する揮発性汚染物質の分布
測定 工場跡地中に残存するトリハロメタンの濃度と分布を測
定するためにシステムを構成し、前述の実施形態におけ
る二酸化炭素濃度分布の測定と同様のシステム構成が適
用される。ガス濃度算出のために、二酸化炭素の場合の
２３５０ｃｍ− １付近のバンドの代わりに、トリハロメ
タンに特有の吸収バンドを用いる。このように、本発明
によれば種々の温室効果ガスの濃度分布を測定すること
ができる。 （２）埋め立て地、圃場におけるメタンの発生状態分布
の測定システム （３）化学工場などにおけるＶＯＣ放出の監視システム （４）建物内のシックハウス物質発生状況の測定システ
ム （５）大型建物内の換気状況の監視システム （６）事故などによる有毒ガス漏出現場における濃度分
布の計測システム （７）有毒ガス汚染状況の緊急監視システム
【００６３】
【発明の効果】以上説明したように本発明の物質および
温度の広域分布監視装置によれば、パス構成光学系によ
り空間の測定を行い、重み分布関数を用いて分布を算出
することとしたので、広域分布の監視が可能となる。ま
た、赤外エミッション測定により、高温化における燃焼
ガスおよび温度分布の広域監視が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る装置の概略構成図
である。
【図２】 導入光学系の概略構成図である。
【図３】 導入光学系の概略構成図である。
【図４】 図１の装置の測定操作説明図である。
【図５】 図１の装置の測定操作説明図である。
【図６】 格子点の設定例である。
【図７】 空間および光学パスの設定例である。
【図８】 空間および光学パスの設定例である。
【図９】 空間および光学パスの設定例である。
【図１０】 赤外エミッション測定を行う、本発明の一
実施形態に係る装置の概略構成図である。
【図１１】 図１０の装置の測定操作説明図である。
【図１２】 図１０の装置の測定操作説明図である。
【符号の説明】
４：フーリエ変換型分光光度計、６：平面鏡、８：コー
ナーキューブ、１０：平面鏡、１２：コーナーキュー
ブ、１４：平面鏡、１６：平面鏡、２０：格子点、１０
４：分光蛍光光度計、１０６：平面鏡、１０８：パス設
定点、１１０：平面鏡、１１２：パス設定点、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高柳 正夫 東京都府中市幸町２−40 Ｂ−106 (72)発明者 中静 真 東京都三鷹市新川６−38−22−105 (72)発明者 鹿野 快男 東京都北区浮間４−26−１−103 (72)発明者 片山 義博 東京都練馬区貫井３−47−14 (72)発明者 山田 晃 埼玉県狭山市中央２−16−７ (72)発明者 赤尾 賢一 東京都八王子市石川町2967番地の５ 日本 分光株式会社内 (72)発明者 名越 利之 東京都八王子市石川町2967番地の５ 日本 分光株式会社内 Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB02 CC04 CC05 CC06 CC13 EE10 EE12 FF01 HH01 HH02 HH03 JJ01 JJ13 MM01

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 分光光度計と、物質濃度分布を測定する
    ために設定した空間の周囲上に相対するように設置さ
    れ、該空間の周囲上を移動手段により移動可能な第１反
    射手段及び第２反射手段からなるパス構成光学系と、 分光光度計からの測定光をパス構成光学系へ導入する導
    入光学系と、 前記空間内に、重み分布関数Ｗ（ｒ）（ｒ：前記空間内
    における特定中心位置からの距離ベクトル）が位置する
    複数の格子点を設定する格子点設定手段と、測定により
    得られた分光スペクトルデータと前記重み分布関数から
    前記物質濃度分布を算出する算出手段を備えた物質濃度
    分布導出部を備え、 前記導入光学系から導入された測定光を第１反射手段で
    受けて反射し、第１反射手段及び第２反射手段で構成さ
    れる光学パスへ送り出して第２反射手段に入射させ、第
    ２反射手段に入射した測定光をそのまま前記光学パス上
    を正反対の方向に進むように反射して第１反射手段へ戻
    し、再び第１反射手段から前記導入光学系を経て分光光
    度計に戻るように前記パス構成光学系及び導入光学系が
    設定され、 前記移動手段により配置される第１反射手段及び第２反
    射手段の位置で指定され、且つ前記空間を網羅するよう
    に複数設定された前記光学パスごとの測定から得られる
    分光スペクトルデータと、前記重み分布関数から、前記
    算出手段により次の操作に基づき物質濃度分布を算出す
    ることを特徴とする物質の広域分布監視装置。 ＜算出手段による操作＞ 【数１】 ここで、 Ｂｋ：光学パスＰｋについて測定を行い得られた分光ス
    ペクトルデータから得られた濃度値 Ａｌ：格子点ｌにおける重み分布関数のスケール ｒｋｌ：格子点ｌから光学パスＰｋまでの距離ベクトル εｋ：残差 式 【数１】から、未知のＡｌを最小２乗法により次式： 【数２】 を最小にするＡｌとして算出する。さらに前記空間内の
    点ｓの濃度Ｃ（ｓ）を次式： 【数３】 ここで、 ｒｌｓ：格子点ｌから点ｓまでの距離ベクトルで算出す
    る
  2. 【請求項２】 請求項１記載の装置において、 前記空間として正方形または長方形の空間を設定し、 前記光学パスとして前記正方形または長方形の一辺と平
    行な複数の直交するパスを設定し、 前記算出手段は次の操作により物質濃度分布を算出する
    ことを特徴とする物質の広域分布監視装置。 ＜算出手段による操作＞ 【数４】 ここで、 Ｂｉｊ：光学パスＰｉｊについて測定を行い得られた分
    光スペクトルデータから算出して得られた濃度値 ｉ＝１の場合：前記正方形または長方形の辺Ｘに平行な
    パス ｉ＝２の場合：前記正方形または長方形の、辺Ｘと直交
    する辺Ｙに平行なパス Ａｇ，ｈ：格子点（Ｕｇ，Ｖｈ）における重み分布関数
    のスケール Ｘ：辺Ｘ方向の座標点 Ｙ：辺Ｙ方向の座標点 εｉｊ：残差 式 【数４】から、未知のＡｇ，ｈを最小２乗法により次
    式： 【数５】 を最小にするＡｇ，ｈとして算出する。さらに前記空間
    内の点（Ｘ，Ｙ）の濃度Ｃ（Ｘ，Ｙ）を次式： 【数６】 で算出する
  3. 【請求項３】 請求項１記載の装置において、 前記空間として平行四辺形の空間を設定し、 前記光学パスとして前記平行四辺形の一辺と平行な複数
    の斜交するパスを設定したことを特徴とする物質の広域
    分布監視装置。
  4. 【請求項４】 請求項２または３記載の装置において、 前記パス構成光学系を２組備え、その１組を前記正方
    形、長方形または平行四辺形の空間の相対する各辺上に
    第１、第２反射手段を設置して構成し、他の１組を、他
    の相対する各辺上に第１、第２反射手段を設置して構成
    したことを特徴とする物質の広域分布監視装置。
  5. 【請求項５】 請求項１記載の装置において、 前記空間として正方形の空間を設定し、 前記光学パスとして前記空間内を網羅するように扇形に
    複数のパスを設定したことを特徴とする物質の広域分布
    監視装置。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載の装置に
    おいて、 第１反射手段及び第２反射手段の反射方向を調節する反
    射方向調節手段を備えたことを特徴とする物質の広域分
    布監視装置。
  7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかに記載の装置に
    おいて、 第１反射手段は平面鏡であり、且つ第２反射手段はコー
    ナーキューブミラーであることを特徴とする物質の広域
    分布監視装置。
  8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載の装置に
    おいて、 前記分光光度計はフーリエ変換型分光光度計または紫外
    ・可視・近赤外分光光度計であることを特徴とする物質
    の広域分布監視装置。
  9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれかに記載の装置に
    おいて、 大気中のＣＯ２濃度を、大気中の１３ＣＯ２濃度および
    既知の大気中における １３ＣＯ２／ＣＯ２存在比から算
    出し、ＮＯＸ、ＳＯＸ等の大気中における低濃度の有害
    物質の物質濃度分布を得るための装置構成と同じ構成で
    大気中のＣＯ２濃度を測定することを特徴とする物質の
    広域分布監視装置。
  10. 【請求項１０】 分光光度計と、 物質濃度分布を測定する空間の周囲上に相対するように
    設定され、前記空間の周囲上を移動手段により移動可能
    な反射手段及びパス設定点からなるパス構成光学系と、 パス構成光学系からの赤外エミッションを分光光度計へ
    導入する導入光学系と、 前記空間内に、重み分布関数Ｗ（ｒ）（ｒ：前記空間内
    における特定中心位置からの距離ベクトル）が位置する
    複数の格子点を設定する格子点設定手段と、測定により
    得られた赤外エミッションスペクトルデータと前記重み
    分布関数から前記物質濃度分布を算出する算出手段を備
    えた物質濃度分布導出部を備え、 前記反射手段及び前記パス設定点で構成される光学パス
    上で発生し、該光学パス上を該反射手段の方向へ向けて
    発している赤外エミッションを、該反射手段で受けて前
    記導入光学系へ導入するように前記パス構成光学系及び
    導入光学系が設定され、 前記移動手段により配置される前記反射手段及び前記パ
    ス設定点の位置で指定され、且つ前記空間を網羅するよ
    うに複数設定された前記光学パスごとに測定を行い得ら
    れた赤外エミッションスペクトルデータと、前記重み分
    布関数から、前記算出手段は次の操作により物質濃度分
    布を算出することを特徴とする物質の広域分布監視装
    置。 ＜算出手段による操作＞ 【数７】 ここで、 Ｂｋ：光学パスＰｋについて測定を行い得られた赤外エ
    ミッションスペクトルデータから得られた濃度値 Ａｌ：格子点ｌにおける重み分布関数のスケール ｒｋｌ：格子点ｌから光学パスＰｋまでの距離ベクトル εｋ：残差 式 【数７】から、未知のＡｌを最小２乗法により次式： 【数８】 を最小にするＡｌとして算出する。さらに前記空間内の
    点ｓの濃度Ｃ（ｓ）を次式： 【数９】 ここで、 ｒｌｓ：格子点ｌから点ｓまでの距離ベクトルで算出す
    る
  11. 【請求項１１】 請求項１０記載の装置において、 前記空間として正方形または長方形の空間を設定し、 前記光学パスとして前記正方形または長方形の一辺と平
    行な複数の直交するパスを設定し、 前記算出手段は次の操作により物質濃度分布を算出する
    ことを特徴とする物質の広域分布監視装置。 ＜算出手段による操作＞ 【数１０】 ここで、 Ｂｉｊ：光学パスＰｉｊについて測定を行い得られた赤
    外エミッションスペクトルデータから得られた濃度値 ｉ＝１の場合：前記正方形または長方形の辺Ｘに平行な
    パス ｉ＝２の場合：前記正方形または長方形の、辺Ｘと直交
    する辺Ｙに平行なパス Ａｇ，ｈ：格子点（Ｕｇ，Ｖｈ）における重み分布関数
    のスケール Ｘ：辺Ｘ方向の座標点 Ｙ：辺Ｙ方向の座標点 εｉｊ：残差 式 【数１０】から、未知のＡｇ，ｈを最小２乗法により次
    式： 【数１１】 を最小にするＡｇ，ｈとして算出する。さらに前記空間
    内の点（Ｘ，Ｙ）の濃度Ｃ（Ｘ，Ｙ）を次式： 【数１２】 で算出する
  12. 【請求項１２】 請求項１０または１１記載の装置にお
    いて、前記濃度値は赤外エミッションスペクトルデータ
    として得られた放射スペクトルの中に観測される、測定
    対象物質特有のピークの高さから算出することを特徴と
    する物質の広域分布監視装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１０または１１記載の装置にお
    いて、前記濃度値の代わりに、赤外エミッションスペク
    トルデータとして得られた放射エネルギー分布のピーク
    波数から温度値を算出し、前記空間内の点における濃度
    Ｃの代わりに、前記空間内の点における温度Ｔを算出す
    ることを特徴とする温度の広域分布監視装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１０〜１３のいずれかに記載の
    装置において、前記分光光度計は分光蛍光光度計または
    赤外エミッション測定装置であることを特徴とする物質
    または温度の広域分布監視装置。
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