JP2009276308A

JP2009276308A - ガス計測装置

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Publication number: JP2009276308A
Application number: JP2008130319A
Authority: JP
Inventors: Hajime Sannomiya; 肇三宮; Kiyotaka Uchida; 清孝内田
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2028-05-19
Also published as: JP5121566B2

Abstract

【課題】レーザ光を用いたガス計測装置における計測可能なガス濃度のダイナミックレンジを拡大する。
【解決手段】ポンプ光を発生する第１レーザ光源１４と、シグナル光を発生する第２レーザ光源１５と、ポンプ光とシグナル光の差周波光を発生する差周波光発生部１６と、ガス計測領域２に照射されたレーザ光を検知して受光強度に応じた出力を発生する光検知部１８と、光検知部１８の出力に基づいて計測対象ガスの濃度を測定するコントロールユニット１１とを備え、ポンプ光、シグナル光及び差周波光の各波長を、計測対象ガスの異なる光吸収波長帯のモル吸光係数の高い光吸収波長にそれぞれ設定してガス計測領域２に照射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いて計測対象ガスの濃度を計測するガス計測装置に関し、特に、計測対象ガスに対する計測可能なガス濃度のダイナミックレンジを拡大する技術に関する。

レーザ光を利用してガス濃度を計測する従来のガス計測装置としては、例えば、特許文献１、２等に記載されたものがある。特許文献１に記載されたガス計測装置は、シグナル光と差周波光のそれぞれの波長を、試料ガス中に含まれる異なるガスそれぞれの光吸収帯に対応する波長に設定し、測定ガスに照射した時の光の透過率（入射光強度と出射光強度との比で、出射光強度／入射光強度で表される）を計測することにより、複数のガスの濃度を同時に計測する構成である。
また、特許文献２に記載されたガス計測装置は、１つのポンプ光と互いに周波数の異なる複数のシグナル光を用いて、複数のガスの光吸収帯にそれぞれ対応する波長を有する複数の差周波光を生成し、この複数の差周波光を測定ガスが充填されたセルに入射し、その時の透過率を計測することにより、複数のガスの濃度を同時に計測する構成である。
特開２００６−３００７６０号公報特開２００７−７８５６６号公報

ところで、ガス媒質を通過したレーザ光はガス媒質による吸収を受け、そのガス媒質の光の透過率Ｔ（Ｉo／Ｉｉ：Ｉｏはガス媒質を通過した光強度、Ｉｉはガス媒質に入射する光強度）は、ランバート・ベールの法則により、下記の（１）式で表せる。
ｌｏｇＴ＝−εＣＬ（１）
ここで、εはガス媒質のモル吸光係数であり、光をガス媒質に入射したときにそのガス媒質がどれくらいの光を吸収するかを示す波長毎の係数である。Ｃはガス媒質のモル濃度であり、Ｌは光が通過するガス媒質の厚さである。
上記（１）式から、透過率Ｔは、カラム濃度ＣＬ（ガス媒質のモル濃度Ｃとガス媒質の厚さをＬの積）とモル吸光係数εに依存し、ガス媒質は複数の光吸収波長を有し、各光吸収波長毎にモル吸収係数εが異なる。このことは、測定ガスの透過率Ｔの変化による濃度の計測感度が光吸収波長毎に異なることを示している。そして、一般的に、波長が短い程モル吸収係数εは小さくなる。従って、上記（１）式に基づけば、波長が短い程、ガス濃度が高いときに透過率の変化が大きく高濃度検出に適しており、波長が長い程、ガス濃度が低いときに透過率の変化が大きく低濃度検出に適している。

しかしながら、上述の特許文献１，２に記載された従来のガス計測装置では、計測に利用する差周波光やシグナル光の波長を、対応する測定ガスのある特定の光吸収波長に設定する構成であるため、測定対象ガスの計測可能なガス濃度範囲が限定されてしまうという問題がある。

本発明は上記問題点に着目してなされたもので、計測対象ガスにおける計測可能な濃度のダイナミックレンジを拡大できるガス計測装置を提供することを目的とする。また、利便性や低コスト性に優れたガス計測装置を提供することを目的とする。

このため、本発明は、ガス計測領域にレーザ光を照射して計測対象ガスの濃度を計測するガス計測装置において、ポンプ光を発生する第１レーザ光源と、シグナル光を発生する第２レーザ光源と、前記ポンプ光と前記シグナル光から前記両者の差周波光を発生する差周波光発生手段と、前記ガス計測領域に照射されたレーザ光を検知して受光強度に応じた出力を発生する光検知手段と、該光検知手段の出力に基づいて前記計測対象ガスの濃度を測定する濃度計測手段と、を備え、前記ポンプ光、シグナル光及び差周波光のうち、差周波光を含む２以上のレーザ光の各波長を、前記計測対象ガスの異なる光吸収波長帯のモル吸光係数の高い光吸収波長にそれぞれ設定して前記ガス計測領域に照射する構成としたことを特徴とする。

かかる構成では、計測対象ガスのある光吸収波長帯のモル吸光係数の高い光吸収波長に差周波光の波長を設定し、計測対象ガスの別の光吸収波長帯のモル吸光係数の高い光吸収波長にポンプ光とシグナル光の少なくとも１つのレーザ光の波長を設定する。これら２つ以上のレーザ光をガス計測領域に照射し、ガス計測領域を通過したレーザ光の強度を光検知手段で検知し、それぞれの検知出力に基づいて濃度計測手段でガス濃度を計測する。これにより、それぞれのレーザ光の計測対象ガスに対する計測可能な濃度範囲が異なるようになるので、計測対象ガスを広い濃度範囲で計測できるようになる。

請求項２のように、差周波光を含む２以上のレーザ光の前記各設定波長は、モル吸光係数値の比が所定の範囲内の光吸収波長帯とするとよい。この場合、請求項３のように、前記モル吸光係数値の比を１００〜１００００倍程度とすれば、前記ポンプ光、シグナル光及び差周波光のうち差周波光を含む２以上のレーザ光の各波長を利用したガス計測において計測対象ガスの濃度測定レンジが連続するようになる。

請求項４のように、前記差周波光を含む２以上のレーザ光の組を、２以上の計測対象ガス数に対応する組数設け、各組の前記差周波光を含む２以上のレーザ光の波長を、各計測対象ガスの異なる光吸収波長帯のモル吸光係数の高い光吸収波長に設定する構成とするとよい。
かかる構成では、複数種のガスを同時に計測でき、しかも、それぞれ広い範囲の濃度を計測できるようになる。

請求項５のように、前記ポンプ光、シグナル光及び差周波光の各波長を、前記計測対象ガスの異なる光吸収波長帯のモル吸光係数の高い光吸収波長に設定して前記ガス計測領域に照射するとよい。
かかる構成では、ポンプ光、シグナル光及び差周波光の３つのレーザ光を用いることで、より広い範囲で計測対象ガスのガス濃度を計測できるようになる。

請求項６のように、前記第１及び第２光源からのレーザ光の波長を掃引制御して前記差周波光を含む２以上のレーザ光の各波長を前記各設定波長を含めてそれぞれ掃引し、前記濃度計測手段は、前記光検知手段からの出力変化に基づいて計測対象ガスの濃度を計測する構成とする。

また、請求項７のように、前記第１及び第２光源からのレーザ光の波長を制御して、前記ポンプ光及びシグナル光のいずれか一方のレーザ光と前記差周波光の各波長を前記計測対象ガスの異なる光吸収波長帯のモル吸光係数の高い光吸収波長にそれぞれ設定すると共に残りのレーザ光を前記計測対象ガスの光吸収波長帯以外の波長に設定し、前記濃度計測手段は、前記光検知手段からの前記一方のレーザ光と差周波光に基づく各出力値と前記残りのレーザ光に基づく出力値との比率から計測対象ガスの濃度を計測する構成としてもよい。

請求項８のように、前記第１及び第２光源から発生するレーザ光を連続波とする。また、請求項９のように、前記第１及び第２光源から発生するレーザ光をパルス波としてもよく、この場合、請求項１０のように、前記パルス波を時間変調するとよい。

請求項１１のように、前記第１及び第２レーザ光源、前記差周波光発生手段、前記光検知手段及び前記濃度計測手段を備えた装置本体と、該装置本体から出射して前記ガス計測領域を通過したレーザ光を反射する反射体とを備え、前記反射体からの反射光を前記装置本体側で検知する構成とする。この場合、請求項１２のように、前記装置本体に、当該装置本体から出射するレーザ光を走査する光走査手段を設けるようにしてもよい。請求項１１又は１２の構成において、反射体は、請求項１３のように、再帰反射体とするとよい。

また、請求項１４のように、前記第１及び第２レーザ光源、前記差周波光発生手段及び前記濃度計測手段を備えた装置本体と前記光検知手段とを、前記ガス計測領域を挟んで配置し、前記装置本体から出射して前記ガス計測領域を通過したレーザ光を前記光検知手段で検知し、光検知手段の検知出力を前記装置本体側に送信する構成としてもよい。

本発明のガス計測装置によれば、差周波光を含めて２つ以上のレーザ光でガス濃度の計測を行う構成としたので、計測対象ガスの測定可能は濃度のダイナミックレンジを拡大できる。また、差周波光を用いるレーザに比べて寿命が短い量子カスケードレーザや液体窒素冷却が必要な鉛塩レーザ等を利用することなく、ガス計測に有効な中間赤外域の波長を用いてガス濃度を計測できる。従って、利便性や低コスト性に優れた実用的効果の大きいガス計測装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るガス計測装置の実施形態を示す概略構成図である。
図１において、本実施形態のガス計測装置は、装置本体１と、装置本体１から出射されガス計測領域２を通過したレーザ光を反射する反射体３とを備える。

前記装置本体１は、コントロールユニット１１と、該コントロールユニット１１からの指令を受けてそれぞれ駆動する第１及び第２駆動制御部１２、１３と、第１駆動制御部１２により駆動制御されてポンプ光を発生する第１レーザ光源１４と、第２駆動制御部１３により駆動制御されてシグナル光を発生する第２レーザ光源１５と、第１及び第２レーザ光源１４、１５から入射するポンプ光とシグナル光から両者の差周波光を発生する差周波光発生部１６と、差周波光発生部１６から出射されるポンプ光、シグナル光及び差周波光を透過させると共に反射体３からの反射光を反射させるビームスプリッタ１７と、ビームスプリッタ１７からの反射光を検知してその受光強度に応じた出力を発生してコントロールユニット１１に入力する光検知部１８と、を備えて構成される。

前記コントロールユニット１１は、第１及び第２レーザ光源１４、１５からそれぞれ発生するポンプ光とシグナル光の各波長の設定値を、それぞれ第１及び第２駆動制御部１２、１３に指令する。また、光検知部１８の検知出力に基づいてガス計測領域２における計測対象ガスの濃度計測を行う。従って、コントロールユニット１１は、濃度計測手段の機能を備える。

前記第１及び第２駆動制御部１２、１３は、第１及び第２レーザ光源１４、１５からそれぞれ発生するポンプ光とシグナル光の各波長がコントロールユニット１１から指令された波長値となるように、第１及び第２レーザ光源１４、１５それぞれの駆動電流値及び温度を制御するもので、図２に構成例を示す。尚、第１及び第２駆動制御部１２、１３は同一の構成であるので、図２において第１駆動制御部１２の構成を説明し、第２駆動制御部１３については説明を省略する。

図２において、第１駆動制御部１２は、制御部１２Ａと、温度制御部１２Ｂと、電流制御部１２Ｃとを備える。制御部１２Ａは、内蔵したメモリ（図示せず）に、レーザ光の波長と温度と電流との対応関係の設定一覧が予め記憶されている。レーザ光源から発生するレーザ光の波長は、電流と温度に依存し、レーザ光源の温度と駆動電流を変化させることでレーザ光の波長を可変制御できる。従って、制御部１２Ａは、コントロールユニット１１から第１レーザ光源１４で発生するポンプ光の設定波長指令値を受けると、前記設定一覧に基づいてその設定波長に対応した駆動電流と温度を決定し、これら決定された温度と駆動電流値に基づいて温度制御部１２Ｂと電流制御部１２Ｃをそれぞれ駆動制御する。温度制御部１２Ｂは、第１レーザ光源１４に組込まれているペルチェ素子等の加熱冷却素子１４ａを制御して第１レーザ光源１４が前記決定された温度となるよう制御する。また、電流制御部１２Ｃは、前記決定された駆動電流を第１レーザ光源１４に供給する。第１レーザ光源１４には、前記発熱素子１４ａの他に温度センサ１４ｂとフォトダイオード１４ｃが組込まれており、温度センサ１４ｂ及びフォトダイオード１４ｃの各検出値を制御部１２Ａに入力し、制御部１２Ａは、入力した各検出値に基づいて第１レーザ光源１４から発生するポンプ光の波長が設定波長となるよう第１レーザ光源１４の駆動電流及び温度をフィードバック制御する。これにより、所望の波長を有する連続波のポンプ光やシグナル光を安定して発生させることができる。

前記差周波光発生部１６は、分極反転構造を有する強誘電体の非線形光学結晶からなり、ポンプ光（波長λｐ、周波数ωｐとする）とシグナル光（波長λｓ、周波数ωｓとする）を入射して、１／λｉ＝（１／λｐ）−（１／λｓ）、ωｉ＝ωｐ−ωｓを満たす、波長λｉ、周波数ωｉの差周波光を発生するものであり、例えば分極反転周期構造を持つニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ₃（ＰＰＬＮ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ−ＰｏｌｅｄＬＮ）或いは分極反転周期構造を持つタンタル酸リチウムＬｉＴａＯ₃（ＰＰＬＴ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ−ＰｏｌｅｄＬＴ）等を用いる。尚、ポンプ光、シグナル光及び差周波光の各波長の大小関係は、λｐ＜λｓ＜λｉである。

前記光検知部１８は、図３に示すように、３つのビームスプリッタ２１Ａ〜２１Ｃと、３つの光学フィルタ２２Ａ〜２２Ｃと、３つの光検知素子（例えばフォトダイオード）２３Ａ〜２３Ｃとを備える。ビームスプリッタ２１Ａは、波長λｉの差周波光を透過し波長λｐのポンプ光と波長λｓのシグナル光を反射し、ビームスプリッタ２１Ｂは、波長λｓのシグナル光透過し波長λｐのポンプ光を反射し、ビームスプリッタ２１Ｃは、波長λｐのポンプ光を反射する。光学フィルタ２２Ａは、波長λｉの差周波光のみを透過する狭帯域透過フィルタであり、光学フィルタ２２Ｂは、波長λｓのシグナル光のみを透過する狭帯域透過フィルタであり、光学フィルタ２２Ｃは、波長λｐのポンプ光のみを透過する狭帯域透過フィルタである。光検知素子２３Ａは、レーザ波長λｉにおいて感度良好な素子であり、光検知素子２３Ｂは、レーザ波長λｓにおいて感度良好な素子であり、光検知素子２３Ｃは、レーザ波長λｐにおいて感度良好な素子である。

前記反射体３は、再帰反射体、平面鏡又は拡散反射体のいずれを用いてもよい。尚、再帰反射体を用いれば、コストを低減でき、装置本体１側との光軸合わせ等の作業が容易になる。

次に、本実施形態のガス計測装置によるガス計測動作について、一酸化炭素を計測対象ガスとした場合を例に説明する。
尚、ガス濃度の計測方法としては、レーザ光の波長を計測対象ガスの光吸収波長を含めて掃引し、その時の光検知出力の変化状態に基づいてガス濃度を計測するは波長掃引方式による方法と、計測対象ガスの光吸収波長と一致した波長のレーザ光の受光強度と光吸収波長帯以外の波長のレーザ光の受光強度をそれぞれ計測して両者の比率からガス濃度を計測する２波長方式による方法がある。ここでは、前者の計測方法について説明する。

一酸化炭素は、図４に示すように、１．６μｍ、２．３μｍ、４．６μｍ付近に光吸収波長帯があり、モル吸光係数εの高い光吸収波長（例えば、１．５６８μｍ、２．３３２μｍ、４．６１０μｍ）が存在する。コントロールユニット１１は、前記光吸収波長を含むように、ポンプ光の波長λｐを１．６μｍ付近で掃引設定し、シグナル光の波長λｓを２．３μｍ付近で掃引設定し、差周波光の波長λｉを４．６μｍ付近で掃引設定する。コントロールユニット１１からの指令により、第１駆動部１２は、予め記憶されている波長、温度及び駆動電流の設定一覧に基づいて制御部１２Ａによって温度制御部１２Ｂ及び電流制御部１２Ｃを制御し、第１レーザ光源１４からコントロールユニット１１の指令に基づいた設定波長のポンプ光を発生させる。これにより、第１レーザ光源１４から１．６μｍ付近で波長λｐが掃引制御されたポンプ光が発生する。同様にして、第２駆動部１３は第２レーザ光源１５を駆動制御し、第２レーザ光源１５から２．３μｍ付近で波長λｓが掃引制御されたシグナル光が発生する。発生したポンプ光及びシグナル光は差周波発生部１６に入射し、前述した１／λｉ＝（１／λｐ）−（１／λｓ）の条件を満たす差周波光が発生する。これらポンプ光、シグナル光及び差周波光は、ビームスプリッタ１７を透過し、装置本体１外部に放射されてガス計測領域２を透過し、反射体３によって反射される。反射体３からの反射光は、装置本体１のビームスプリッタ１７で反射されて光検知部１８に入射する。光検知部１８に入射した反射光は、図３に示すように、３つのビームスプリッタ２１Ａ〜２１Ｃと３つの光学フィルタ２２Ａ〜２２Ｃによって分離され、差周波光は光検知素子２３Ａで検知され、シグナル光は光検知素子２３Ｂで検知され、ポンプ光は光検知素子２３Ｃで検知される。光検知部１８の各光検知素子２３Ａ〜２３Ｃは、受光強度に応じた出力を発生してコントロールユニット１１に送信する。

コントロールユニット１１では、指令した波長とその時の光検知部１８から送信された出力値に基づくポンプ光、シグナル光及び差周波光の各受光強度（Ｉｏ）と装置本体１からの出射光強度（Ｉｉ）とに基づいて、ポンプ光、シグナル光及び差周波光の透過率Ｔ（Ｉｏ／Ｉｉ）を演算する。これにより、ポンプ光、シグナル光及び差周波光について、図５に示す透過率Ｔと波長λの関係がそれぞれ得られる。そして、ポンプ光、シグナル光及び差周波光について、図５から透過率Ｔの極小値が求まる。

一酸化炭素ＣＯについて、１．６μｍ、２．３μｍ、４．６μｍ付近におけるモル吸光係数の高い前述の光吸収波長（１．５６８μｍ、２．３３２μｍ、４．６１０μｍ）における透過率Ｔとカラム濃度ＣＬとの関係を示すと図６のような関係になっている。従って、図６の透過率Ｔとカラム濃度ＣＬの関係の設定一覧を予め記憶させておくことにより、得られた各波長毎の透過率から一酸化炭素のカラム濃度を求めればよい。

ここで、実用的なガス計測においては、透過率Ｔが略Ｔ＝１や略Ｔ＝０であると、計測精度が低下したり計測不可能になったりする。安定した計測精度を得るには、計測したいカラム濃度の範囲において、透過率が０〜１の間で変化することが望ましい。このことを考慮すると、図６から分かるように、一酸化炭素ＣＯに関して言えば、レーザ光の波長が１．５６８μｍの時の測定可能な濃度範囲は、概ね５×１０⁴〜１０⁷ｐｐｍ・ｍであり、波長が２．３３２μｍの時の測定可能な濃度範囲は、概ね５００〜１０⁵ｐｐｍ・ｍであり、波長が４．６１０μｍの時の測定可能な濃度範囲は、概ね１〜５００ｐｐｍ・ｍである。

従って、本実施形態のように、ポンプ光、シグナル光及び差周波光の各波長を、一酸化炭素の異なる光吸収波長帯におけるモル吸光係数の高い波長を含めて掃引させることで、低濃度から高濃度まで広い範囲で一酸化炭素の濃度を計測することができ、一酸化炭素の測定可能な濃度範囲のダイナミックレンジを拡大することができる。

計測対象ガスの濃度計測に際しては、ポンプ光、シグナル光及び差周波光の各波長を、計測対象ガスの異なる光吸収波長帯に設定するが、この場合、互いの波長帯のモル吸光係数値の比が所定範囲内（１００倍〜１００００倍程度）である波長帯を選択することが望ましい。具体的には、モル吸光係数値の高いもの、中程度のもの及び小さいものにおいて、高いものと中程度のものとの比及び中程度のものと小さいものとの比のそれぞれの比が１００倍〜１００００倍程度であればよい。

図７に、一酸化炭素、二酸化炭素及びメタンについて、これらガスの濃度計測に使用可能なポンプ光、シグナル光及び差周波光の各波長帯を表にして示した。尚、図７の表中、上段は使用可能な光吸収波長帯（単位はμｍである）であり、下段はその波長帯においてモル吸光係数の高い値を示す光吸収波長（単位はｎｍである）の一例である。図７に示すように、一酸化炭素の濃度を、ダイナミックレンジを広く計測するためには、ポンプ光を１．５６〜１．５９μｍ、シグナル光を２．３１〜２．３８μｍ及び差周波光を４．５２〜４．８１μｍとすることが望ましく、ポンプ光を１５６７ｎｍ、シグナル光を２３７３ｎｍ及び差周波光を４６１７ｎｍとすることがより好適である。また、二酸化炭素の濃度計測には、ポンプ光を１．３３〜１．３５μｍ、シグナル光を１．９５〜１．９７μｍ及び差周波光を４．２１〜４．３１μｍとすることが望ましく、ポンプ光を１３４２ｎｍ、シグナル光を１９５８ｎｍ及び差周波光を４２７２ｎｍとすることがより好適である。さらに、メタンの濃度計測には、ポンプ光を１．３１〜１．４３μｍ、シグナル光を２．２４〜２．４１μｍ及び差周波光を３．２２〜３．３８μｍとすることが望ましく、ポンプ光を１３３６ｎｍ、シグナル光を２２６２ｎｍ及び差周波光を３２６１ｎｍとすることがより好適である。
また、図８は、図７におけるポンプ光、シグナル光及び差周波光それぞれの光吸収波長帯とモル吸光係数の関係を示す。

尚、図９の表に示すように、例えば、ポンプ光の波長を１４３６ｎｍの波長を含めて掃引制御し、シグナル光の波長を２３２２ｎｍの波長を含めて掃引制御し、差周波光の波長を３７６５ｎｍの波長を含めて掃引制御すれば、これら各波長は、図８に示すように二酸化炭素、一酸化炭素、メタンの光吸収波長に合致しているので、これら複数のガスの濃度を同時に計測することもできる。尚、図９の表中のレーザ波長において、上段は使用可能な光吸収波長帯（単位はμｍである）であり、下段はその波長帯においてモル吸光係数の高い値を示す光吸収波長（単位はｎｍである）の一例である。

上記実施形態では、波長掃引方式による濃度計測方法について説明したが、前述した２波長方式により濃度を計測してもよい。
２波長方式により濃度計測を行う場合について説明する。
２波長方式では、コントロールユニット１１において、ポンプ光とシグナル光のいずれか一方の波長を、計測対象ガスの光吸収波長帯のモル吸光係数の高い波長λｏｎに設定し、他方を計測対象ガスの光吸収波長帯以外の波長λｏｆｆに設定する。この際、波長λｏｎと波長λｏｆｆをポンプ光とシグナル光の両者から生成される差周波光の波長が、計測対象ガスの光吸収波長帯のモル吸光係数の高い波長λｏｎとなるように選定する。

コントロールユニット１１からの指令により、上述のように設定されたポンプ光、シグナル光及び差周波光が装置本体１からガス計測領域２に照射され、反射体３からの反射光が光検知部１８で検知され、各レーザ光の検知出力がコントロールユニット１１に送信される。この場合、図１０に示すように、波長λｏｆｆのレーザ光は吸収がなく透過率Ｔｏｆｆは略１となり、波長λｏｎのレーザ光は吸収を受けて透過率Ｔｏｎは極小値となる。そして、波長λｏｆｆのレーザ光の透過率Ｔｏｆｆ相当の受信強度Ｉｏｆｆと波長λｏｎのレーザ光の透過率Ｔｏｎ相当の受信強度Ｉｏｎの比率（Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ）を演算することにより、計測対象ガスの濃度を測定できる。即ち、ガス濃度が低いときはガスによる吸収が少なく反射光の強度は強くなりＩｏｎが大きいので、比率（Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ）は１に近づく。従って、比率が大きい程ガス濃度が低いと判定する。

そして、図６に基づけば、ポンプ光と差周波光の波長を光吸収波長（λｏｎ）に設定し、シグナル光の波長を光吸収波長以外の波長（λｏｆｆ）に設定した場合は、計測対象ガスの低濃度域（１〜５００ｐｐｍ・ｍ）と高濃度域（５×１０⁴〜１０⁷ｐｐｍ・ｍ）のガス計測が可能であり、シグナル光と差周波光の波長を光吸収波長（λｏｎ）に設定し、ポンプ光の波長を光吸収波長以外の波長（λｏｆｆ）に設定した場合は、低濃度域（１〜５００ｐｐｍ・ｍ）と中濃度域（５００〜１０⁵ｐｐｍ・ｍ）のガス計測が可能となる。

上記の２波長方式によりガス濃度を測定する場合、光吸収波長以外の波長λｏｆｆによる受信強度を測定するので、この受信強度を計測対象ガスが存在しない時の値と見なして、光吸収波長（λｏｎ）による受信強度を補正することで、ガス濃度の測定精度を向上できる利点がある。

上記の実施形態では、ポンプ光、シグナル光及び差周波光の３つのレーザ光を使用する例を示したが、本発明は、ポンプ光及びシグナル光のうち少なくとも１つのレーザ光と差周波光を使用すればよく、これにより、従来のガス計測装置よりもガス濃度測定レンジを拡大して計測対象ガスのガス濃度を計測できるようになる。

図１１に、ポンプ光、シグナル光及び差周波光のうち、差周波光を含む２つ以上のレーザ光を使用してガス濃度を計測する本発明のガス計測装置における、計測方式毎の使用レーザ光と測定可能な測定レンジの対応関係を示す。

上記実施形態は、計測対象ガスが単一の場合の例であるが、ガスのポンプ光を発生するレーザ光源、シグナル光を発生するレーザ光源及び差周波光発生部の組を、複数の計測対象ガス数に対応する組数設け、各組のポンプ光、シグナル光及び差周波光の波長を、それぞれの計測対象ガスの異なる光吸収波長帯のモル吸光係数の高い波長に設定することにより、複数の計測対象ガスのガス濃度を広い濃度範囲で同時に測定することができる。

このように複数種のガスを同時に計測する場合に、互いの計測対象ガスの光吸収波長帯が接近している場合は、ガスに共通のモル吸光係数の高い波長を設定することで、ポンプ光又はシグナル光を共有することができ、これにより、レーザ光源を節約できる。

図１２に、ポンプ光又はシグナル光を共有することができるガス種の組合せの例を示す。図１２において、二酸化炭素とメタン（組合せ１）ではポンプ光を共有し、一酸化炭素とメタン（組合せ２）ではシグナル光を共有し、二酸化炭素、メタン及び一酸化炭素（組合せ３）ではシグナル光を共有することができる。尚、図１２において、表中の数値は各光の波長を示し、上段の波長の単位はμｍであり、下段の波長の単位はｎｍである。

本発明によれば、計測対象ガスの濃度測定レンジを拡大でき、また、本発明では、寿命の短い量子カスケードレーザや液体窒素冷却が必要な鉛塩レーザ等を利用することなく、ガス計測に有効な中間赤外域（３〜５μｍ）の波長を差周波光によって生成したことで、第１に量子カスケードレーザよりも長寿命であるため低コストを実現でき、第２に鉛塩レーザよりも利便性よくかつ安価で小型化を実現できた。

このような特徴を有する本発明のガス計測装置の用途として、配管からのガス漏洩検知において、配管近傍（高濃度）から配管から離れてガスが拡散した状態（低濃度）まで幅広く検知することが可能となる。また、災害現場や火事現場等のように毒性ガスの濃度が未知な場所で、その安全度合又は危険度合を遠隔的に判断することが可能である。また、複数種の有毒ガス等が存在する可能性がある災害現場、火事現場、製鉄所及び化学プラントにおけるガス計測にも利用でき、医療診断における呼気診断等にも適用できる。

本発明のガス計測装置は、上記実施形態の構成に限らない。例えば、上記反射型の実施形態では、差周波光発生部１６からポンプ光、シグナル光及び差周波光を照射するよう構成したが、図１３に示すように、ビームスプリッタ３１〜３３を設け、ポンプ光とシグナル光をそれぞれ直接にガス計測領域に照射するようにしてもよい。この場合、差周波光発生部１６に不具合や故障が発生した場合でも、相対的に故障の少ないポンプ光源やシグナル光源からのポンプ光やシグナル光によるガス濃度計測が可能であるので、高濃度のガス計測を継続でき、フェールセーフ性に優れるという利点がある。尚、図１の実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

また、図１４に示すように、反射型において、装置本体１に、当該装置本体１から出射するレーザ光を走査する光走査手段として、例えば半導体製造技術を利用したプレーナ型の光走査装置４０を設け、装置本体１から出射するレーザ光で、ガス計測領域２を走査する構成としてもよい。この場合、反射体３として、再帰反射体、拡散反射体、凹面鏡等を使用する。このような構成にすれば、計測対象ガスの空間中における分布状態を測定できる。前記光走査装置４０としては、特許第２７２２３１４号に記載された電磁駆動式のガルバノミラーを適用することができる。尚、図１４では、第１及び第２光源１４、１５と差周波光発生部１６を含めてレーザ光発光部４１として示した。

また、図１５に示すように、光検知部１８を装置本体１と分離し、別体の受信部５０に設け、ガス計測領域２を挟んで装置本体１と受信部５０を配置する透過型の配置構成としてもよい。かかる構成では、装置本体１から出射されガス計測領域２を透過したレーザ光を、受信部５０の光検知部１８で検知する。光検知部１８の検知情報は、無線又は有線で装置本体１側のコントロールユニット１１へ送信する。

また、図１６に示すように、透過型配置において、装置本体１と受信部５０との間に、例えば図示のように反射ミラーＭ１、Ｍ２を設け、装置本体１から出射したレーザ光の経路を、前記反射ミラーＭ１、Ｍ２で変更して受信部５０の光検知部１８へ導くよう構成してもよい。この構成によれば、一直線上のガス計測だけでなく、１つのガス計測装置で、例えば工場の建物周囲等のガス漏洩監視等が可能である。尚、反射ミラーは少なくとも１つ以上配置すればよく、反射ミラーの配置、数は、図示の例に限るものでないことは言うまでもない。

また、図１７に示すように、計測対象ガスを封入できるガスセル６０を装置本体１に組込み、ガスセル６０内にレーザ光を導入し、レーザ光を対向配置した反射ミラーＭ３、Ｍ４で複数回往復させ、光検知部１８で検知する構成としてもよい。

尚、これまでの説明ではレーザ光源からのレーザ光の発振方法を連続波としたが、パルス波としてもよい。パルス波を用いた場合は、連続波と比較してエネルギー密度が高くなるため、ガス計測におけるＳ/Ｎ比が向上する。このため、ガスの測定距離を長くできたり、計測精度を向上させたりすることができる。また、パルス波を時間変調することにより、レーザ光の出射時刻と光検知部で受光されたときの受光時刻の差から距離情報を取得し、レーザ光の経路長を算出することで、計測経路長の平均ガス濃度を演算することが可能となる。

本発明に係るガス計測装置の実施形態を示す概略構成図第１駆動制御部の構成例を示す図光検知部の構成例を示す図一酸化炭素の光吸収波長とモル吸光係数の関係を示す図波長掃引方式によるガス濃度計測原理の説明図一酸化炭素の透過率Ｔとカラム濃度ＣＬとの関係を示す図計測対象ガスと計測に使用するポンプ光、シグナル光及び差周波光の波長の例を示す図図７に示す各計測対象ガスの光吸収波長とモル吸光係数の関係を示す図複数種のガスを同時計測する場合のガス種とポンプ光、シグナル光及び差周波光の各波長の例を示す図２波長方式によるガス濃度計測原理の説明図計測方式毎の使用レーザ光と測定可能な測定レンジの対応関係を示す図ポンプ光又はシグナル光を共有できるガス種の組合せの例を示す図レーザ光の照射構成の別の例を示す図反射型配置でレーザ光を走査する構成例を示す図透過型配置の構成例を示す図透過型配置の別の構成例を示す図ガスセルを用いる構成例を示す図

符号の説明

１装置本体
２ガス計測領域
３反射体
１１コントロールユニット
１２第１駆動制御部
１３第２駆動制御部
１４第１レーザ光源
１５第２レーザ光源
１６差周波光発生部
１８光検知部
４０光走査部
５０受信部

Claims

ガス計測領域にレーザ光を照射して計測対象ガスの濃度を計測するガス計測装置において、
ポンプ光を発生する第１レーザ光源と、
シグナル光を発生する第２レーザ光源と、
前記ポンプ光と前記シグナル光から前記両者の差周波光を発生する差周波光発生手段と、
前記ガス計測領域に照射されたレーザ光を検知して受光強度に応じた出力を発生する光検知手段と、
該光検知手段の出力に基づいて前記計測対象ガスの濃度を測定する濃度計測手段と、
を備え、
前記ポンプ光、シグナル光及び差周波光のうち、差周波光を含む２以上のレーザ光の各波長を、前記計測対象ガスの異なる光吸収波長帯のモル吸光係数の高い光吸収波長にそれぞれ設定して前記ガス計測領域に照射する構成としたことを特徴とするガス計測装置。
差周波光を含む２以上のレーザ光の前記各設定波長は、モル吸光係数値の比が所定の範囲内の光吸収波長帯とすることを特徴とする請求項１に記載のガス計測装置。
前記モル吸光係数値の比は、１００〜１００００倍程度とする請求項２に記載のガス計測装置。
前記差周波光を含む２以上のレーザ光の組を、２以上の計測対象ガス数に対応する組数設け、各組の前記差周波光を含む２以上のレーザ光の波長を、各計測対象ガスの異なる光吸収波長帯のモル吸光係数の高い光吸収波長に設定する構成とした請求項１〜３のいずれか１つに記載のガス計測装置。
前記ポンプ光、シグナル光及び差周波光の各波長を、前記計測対象ガスの異なる光吸収波長帯のモル吸光係数の高い光吸収波長に設定して前記ガス計測領域に照射する構成とした請求項１〜４のいずれか１つに記載のガス計測装置。
前記第１及び第２光源からのレーザ光の波長を掃引制御して前記差周波光を含む２以上のレーザ光の各波長を前記各設定波長を含めてそれぞれ掃引し、前記濃度計測手段は、前記光検知手段からの出力変化に基づいて計測対象ガスの濃度を計測する構成とした請求項１〜５のいずれか１つに記載のガス計測装置。
前記第１及び第２光源からのレーザ光の波長を制御して、前記ポンプ光及びシグナル光のいずれか一方のレーザ光と前記差周波光の各波長を前記計測対象ガスの異なる光吸収波帯のモル吸光係数の高い光吸収波長にそれぞれ設定すると共に残りのレーザ光を前記計測対象ガスの光吸収波長帯以外の波長に設定し、前記濃度計測手段は、前記光検知手段からの前記一方のレーザ光と差周波光に基づく各出力値と前記残りのレーザ光に基づく出力値との比率から計測対象ガスの濃度を計測する構成とした請求項１〜５のいずれか１つに記載のガス計測装置。
前記第１及び第２光源から発生するレーザ光を連続波とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のガス計測装置。
前記第１及び第２光源から発生するレーザ光をパルス波とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のガス計測装置。
前記パルス波を時間変調する請求項９に記載のガス計測装置。
前記第１及び第２レーザ光源、前記差周波光発生手段、前記光検知手段及び前記濃度計測手段を備えた装置本体と、該装置本体から出射して前記ガス計測領域を通過したレーザ光を反射する反射体とを備え、前記反射体からの反射光を前記装置本体側で検知する構成とした請求項１〜１０のいずれか１つに記載のガス計測装置。
前記装置本体に、当該装置本体から出射するレーザ光を走査する光走査手段を設けた請求項１１に記載のガス計測装置。
前記反射体は、再帰反射体とする請求項１１又は１２に記載のガス計測装置。
前記第１及び第２レーザ光源、前記差周波光発生手段及び前記濃度計測手段を備えた装置本体と前記光検知手段とを、前記ガス計測領域を挟んで配置し、前記装置本体から出射して前記ガス計測領域を通過したレーザ光を前記光検知手段で検知し、光検知手段の検知出力を前記装置本体側に送信する構成とした請求項１〜１０のいずれか１つに記載のガス計測装置。