JP2010117302A - 気体成分濃度測定装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】射出レーザ強度の高いレーザ射出装置や大型集光装置を使用しなくても、十分に大きい光検出値を取得して、所望区間における対象成分の濃度を測定できるようにする。
【解決手段】レーザ射出装置３の水平軸回りの向き、または高さを切り換えることで、地表または水面５におけるレーザ照射箇所を第１および第２の照射箇所５ａ、５ｂとの間で切り換える。第１の照射箇所５ａで散乱された第１レーザ光の第１の散乱光、第１の照射箇所５ａで散乱された第２レーザ光の第２の散乱光、第２の照射箇所５ｂで散乱された第１レーザ光の第３の散乱光、第２の照射箇所５ｂで散乱された第２レーザ光の第４の散乱光を光検出器９で検出する。光検出器９により取得した第１、第２、第３および第４の散乱光の検出値に基づいて、第１の照射位置５ａと第２の照射位置５ｂとの間における対象成分の濃度を濃度算出装置１１で算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いて、気体中の対象成分の濃度を測定する気体成分濃度測定装置と方法に関する。

気体に含まれる特定の対象成分の濃度は、次の手法で測定できる。
遠方にある気体に対し、レーザ射出装置から、対象成分に固有の吸収波長λ_１を持つレーザ光を射出する。吸収波長λ_１のレーザ光が気体中の粉塵または気体自身により散乱された散乱光を、レーザ射出装置の近傍に設けた光検出器で検出する。この場合、レーザ射出装置とレーザ光の散乱位置との距離に応じて、光検出器による散乱光検出の時間に差が生じる。この時間特性を距離特性に変換することで、所望の区間からの散乱光の検出信号を得る。さらに、この検出信号に基づいて、射出時のレーザ光に対する、前記区間における波長λ_１の光の減衰率を求める。
その一方で、遠方にある同じ気体に対し、レーザ射出装置から、前記対象成分の非吸収波長λ_２を持つレーザ光を射出することで、同様に、同じ前記区間における波長λ_２の光の減衰率を求める。
前記区間における波長λ_１の光の減衰率と、前記区間における波長λ_２の光の減衰率とに基づいて、前記対象成分による光の減衰率を求めることができる。さらに、この減衰率と既知の参照データとから、前記区間における前記対象成分の濃度を求めることができる。

なお、本願の先行技術文献として下記の特許文献１、２がある。
特許第３８６１０５９号 特許第３６９９６８２号

上述した手法で、気体の対象成分の濃度を検出する場合には、次のように非常に高価な装置を用いる必要がある。

気体中の粉塵または気体自身により散乱された散乱光の強度は、著しく小さい。そのため、光検出器が散乱光を検出できるように、十分に強度の高いレーザ光を射出するレーザ射出装置を用いる必要がある。
しかしながら、特に屋外でレーザ光を射出する場合には、安全性の観点からレーザ強度の制約ある。このようなレーザ強度を補うために、高価な大型集光装置を用いる必要がある。

そこで、本発明の目的は、射出レーザ強度の高いレーザ射出装置や大型集光装置を使用しなくても、十分に大きい光検出値を取得して、所望区間における対象成分の濃度を測定できる気体成分濃度測定装置と方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によると、気体中にレーザ光を射出し、該気体を通過した前記レーザ光に基づいて前記気体中の対象成分の濃度を検出する気体成分濃度測定装置であって、
波長が前記対象成分の光吸収波長である第１レーザ光、および、波長が前記対象成分の非吸収波長である第２レーザ光を、地表または水面に当たるように斜め下方に射出するレーザ射出装置と、
レーザ射出装置の水平軸回りの向き、または高さを切り換えることで、前記地表または水面におけるレーザ照射箇所を第１および第２の照射箇所との間で切り換える場合において、第１の照射箇所で散乱された第１レーザ光の第１の散乱光、第１の照射箇所で散乱された第２レーザ光の第２の散乱光、第２の照射箇所で散乱された第１レーザ光の第３の散乱光、第２の照射箇所で散乱された第２レーザ光の第４の散乱光を検出する光検出器と、
前記光検出器により取得した第１、第２、第３および第４の散乱光の検出値に基づいて、第１の照射位置と第２の照射位置との間における前記対象成分の濃度を算出する濃度算出装置と、を備える、ことを特徴とする気体成分濃度測定装置が提供される。

上述の本発明による気体成分濃度測定装置によると、気体により散乱した散乱光ではなく、地表または水面により散乱した散乱光の検出値に基づいて対象成分の濃度を算出するので、射出レーザ強度の高いレーザ射出装置や大型集光装置を使用しなくても、十分に大きい光検出値を取得して、所望区間における対象成分の濃度を測定できる。
即ち、気体で散乱されたレーザ散乱光は弱いため、射出レーザ強度の高いレーザ射出装置や大型集光装置を使用しなければ、十分に大きい対象成分濃度算出用の散乱光検出値を得ることができない。これに対し、本発明では、地表または水面を利用して、地表または水面による強い散乱光を検出するので、高強度レーザを射出するレーザ射出装置や大型集光装置を使用しなくても、十分に大きい対象成分濃度算出用の散乱光検出値を得ることができ、所望区間における対象成分の濃度を算出できる。

さらに、レーザ射出装置の水平軸回りの向き、または高さを切り換えるだけで、対象成分の濃度測定区間を簡単に変更できる。

本発明の好ましい実施形態によると、第１レーザ光および第２レーザ光は、斜め下向きでかつ水平方向に近い向きに、レーザ射出装置から、遠方にある第１および第２の照射箇所へ射出される。

これにより、次のように濃度測定誤差を無視することができる。濃度測定の対象となる区間の距離は、図１、図４を参照すると、Ｌ_２−Ｌ_１であるが、この距離Ｌ_２−Ｌ_１は、厳密には、第１の照射箇所５ａと第２の照射箇所５ｂとの距離Ｌ_１，２と一致しない。これに対し、前記の実施形態では、レーザ光は、斜め下向きでかつ水平方向に近い向き（例えば、水平面に対して１度以下の角度で斜め下方に向く方向）に、遠方にある第１および第２の照射箇所５ａ、５ｂへ射出されるので、前記距離の不一致を無視することができる。

また、上記目的を達成するため、本発明によると、気体中にレーザ光を射出し、該気体を通過した前記レーザ光に基づいて前記気体中の対象成分の濃度を検出する気体成分濃度測定方法であって、
レーザ射出装置を用いて、波長が前記対象成分の光吸収波長である第１レーザ光、および、波長が前記対象成分の非吸収波長である第２レーザ光を、地表または水面に照射するように斜め下方に射出し、
前記レーザ射出装置の水平軸回りの向き、または高さを切り換えることで、前記地表または水面におけるレーザ照射箇所を第１および第２の照射箇所との間で切り換え、
第１の照射箇所で散乱された第１レーザ光の第１の散乱光、第１の照射箇所で散乱された第２レーザ光の第２の散乱光、第２の照射箇所で散乱された第１レーザ光の第３の散乱光、第２の照射箇所で散乱された第２レーザ光の第４の散乱光を光検出器で検出し、
前記光検出器により取得した第１、第２、第３および第４の散乱光の検出値に基づいて、第１の照射位置と第２の照射位置との間における前記対象成分の濃度を算出する、ことを特徴とする気体成分濃度測定方法が提供される。

上述した本発明によると、射出レーザ強度の高いレーザ射出装置や大型集光装置を使用しなくても、十分に大きい光検出値を取得して、所望区間における対象成分の濃度を測定できる。

本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態による気体成分濃度測定装置１０の構成図である。この気体成分濃度測定装置１０は、気体中にレーザ光を射出し、該気体を通過した前記レーザ光に基づいて前記気体の対象成分の濃度を検出する装置である。この対象成分は、例えば、二酸化炭素、アンモニア、メタン、二酸化硫黄ガス（ＳＯ_２）などの硫化ガス（ＳＯ_ｘ）、または、一酸化窒素（ＮＯ）などの窒素酸化ガス（ＮＯ_ｘ）であってよい。
気体成分濃度測定装置１０は、レーザ射出装置３、光検出器９、および濃度算出装置１１を備える。

レーザ射出装置３は、波長が前記対象成分の光吸収波長λ_１である第１レーザ光、および、波長が前記対象成分の非吸収波長λ_２である第２レーザ光を、地表または水面５に当たるように斜め下方へ射出する。好ましくは、第１レーザ光は、光吸収波長λ_１の波長成分のみを有し、第２レーザ光には、前記光吸収波長λ_１の成分が含まれていない。
図１のように、レーザ射出装置３の水平軸回りの向きを切り換えることで、前記地表または水面５におけるレーザ照射箇所を第１および第２の照射箇所５ａ、５ｂとの間で切り換えられるようになっている。例えば、レーザ射出装置３が、所定の水平軸の回りに任意の揺動位置へ揺動可能に支持体に支持されてよい。レーザ射出装置３を揺動させることで、その水平軸回りの向きを調節、変更したら、適切な手段でレーザ射出装置３を一定揺動位置に保持してよい。図１では、実線が、第１の照射箇所５ａへ向くレーザ射出装置３を示し、破線が、第２の照射箇所５ｂへ向くレーザ射出装置３を示す。なお、第１および第２の照射箇所５ａ、５ｂは、レーザ射出装置３から遠方にある。
好ましくは、第１レーザ光および第２レーザ光は、斜め下向きでかつ水平方向に近い射出方向に、レーザ射出装置３から、遠方にある第１および第２の照射箇所５ａ、５ｂへ射出される。この射出方向は、例えば、水平面（即ち、地表または水面５）に対して１度以下の角度で斜め下方を向く。従って、図１において、第１レーザ光と第２レーザ光が水平に射出されたものとみなすことができ、第１の照射箇所５ａから第２の照射箇所５ｂまでの距離Ｌ_１，２を、Ｌ_１，２＝Ｌ_２−Ｌ_１とみなすことができる。なお、一例では、Ｌ_１は１０００ｍ程度であり、Ｌ_１，２は１０ｍである。

光検出器９は、第１の照射箇所５ａで散乱された第１レーザ光の第１の散乱光、第１の照射箇所５ａで散乱された第２レーザ光の第２の散乱光、第２の照射箇所５ｂで散乱された第１レーザ光の第３の散乱光、第２の照射箇所５ｂで散乱された第２レーザ光の第４の散乱光を検出する。
光検出器９は、集光装置として凸レンズ９ａを有していてよい。本実施形態では、比較的強度が大きい前記第１〜第４の散乱光が光検出器９へ到達するので、凸レンズ９ａは大型でなくてもよい。
なお、光検出器９は、レーザ射出装置３に固定されており、レーザ射出装置３と一体的に、前記水平軸回りの向きが切り換えられる。

濃度算出装置１１は、前記光検出器９により取得した第１、第２、第３および第４の散乱光の検出値に基づいて、第１の照射位置と第２の照射位置との間における前記対象成分の濃度を算出する。

図２は、本発明の第１実施形態による気体成分濃度測定方法を示すフローチャートである。この気体成分濃度測定方法は、上述の気体成分濃度測定装置１０を用いて行われる。この方法について、上述と重複する説明は省略するが、上述の内容は、この方法において実施されてよい。

ステップＳ１において、レーザ射出装置３を用いて、波長が前記対象成分の光吸収波長λ_１である第１レーザ光を、地表または水面５の第１の照射箇所５ａへ当たるように斜め下方に射出する。この例では、レーザ射出装置３の水平軸回りの向きを第１の向きとすることで、第１レーザ光を、地表または水面５における第１の照射箇所５ａに照射する。
ステップＳ２において、第１の照射箇所５ａで散乱された第１レーザ光の第１の散乱光を、光検出器９により検出する。
ステップＳ３において、レーザ射出装置３の水平軸回りの向きを第１の向きに維持した状態で、レーザ射出装置３により、波長が前記対象成分の非吸収波長λ_２である第２レーザ光を、第１の照射箇所５ａに照射する。
ステップＳ４において、第１の照射箇所５ａで散乱された第２レーザ光の第２の散乱光を、光検出器９により検出する。
ステップＳ５において、レーザ射出装置３の水平軸回りの向きを第２の向きとすることで、レーザ射出装置３により、波長が前記対象成分の光吸収波長λ_１である第１レーザ光を、レーザ射出装置３から第２の照射箇所５ｂに照射する。
ステップＳ６において、第２の照射箇所５ｂで散乱された第１レーザ光の第３の散乱光を、光検出器９により検出する。
ステップＳ７において、レーザ射出装置３の水平軸回りの向きを第２の向きに維持した状態で、レーザ射出装置３により、波長が前記対象成分の非吸収波長λ_２である第２レーザ光を第２の照射箇所５ｂに照射する。
ステップＳ８において、第２の照射箇所５ｂで散乱された第２レーザ光の第４の散乱光を、光検出器９により検出する。
ステップＳ９において、前記光検出器９により取得した第１、第２、第３および第４の散乱光の検出値に基づいて、第１の照射位置５ａと第２の照射位置５ｂとの間における前記対象成分の濃度を算出する。

（濃度の算出）
図３は、光検出器９により取得した検出信号を示す。具体的には、図３は、上述のステップＳ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８で取得した検出信号を重ね合わせたグラフである。図３において、横軸は時間を示し、縦軸は、上述の第１、第２、第３および第４の散乱光の強度に比例する電圧値を示す。横軸の原点０は、第１レーザ光または第２レーザ光をレーザ射出装置３から射出した時点を示す。図３の検出信号は、表示装置（図示せず）に表示されてよい。図３において、ｔ_１＝２Ｌ_１／ｃであり、ｔ_２＝２L_２／ｃである。ここで、ｃは光速である。

ランベルト・ベールの法則を利用して、以下のように第１の照射箇所５ａから第２の照射箇所５ｂまでの区間（即ち、図１においてＬ_１，２で示す区間）における対象成分の濃度を算出できる。この算出では、上述のように、第１レーザ光と第２レーザ光が水平に射出されたものとみなし、Ｌ_１，２＝Ｌ_２−Ｌ_１とみなす近似を行う。

まず、ランベルト・ベールの法則により、次の式（１）が成り立つ。

Ｔ_ｘ（λ_ｘ）＝T_ｘ'×ｅｘｐ{−２α（λ_ｘ）×Ｎ_ｘ×L_ｘ} ・・・（１）

この式（１）において、各文字の定義は次の通りである。
添え字ｘ：１または２
Ｔ_ｘ（λ_ｘ）：図１に示す距離L_１またはL_２における、波長λ_ｘを持つ光に対する透過率
T_ｘ'：図１に示す距離L_１またはL_２における気体の光吸収以外の要因による光の透過率
α（λ_ｘ）：波長λ_ｘの光に対する、単位長さおよび単位濃度あたりの前記対象成分の光吸収係数
Ｎ_ｘ：距離Ｌ_ｘにおける前記対象成分の平均濃度
Ｌ_ｘ：図１に示す距離L_１またはL_２

ここで、Ｔ_ｘ（λ_ｘ）は、光検出器９による光検出強度に相当するので、光検出器９による光検出強度から電圧への変換係数をＥとすると、Ｌ_１について、次の式（２）、（３）が成り立つ。

Ｖ_１（λ_１）＝Ｅ×T_１’×ｅｘｐ{−２α（λ_１）×Ｎ_１×L_１} ・・・（２）

Ｖ_１（λ_２）＝Ｅ×T_１'×ｅｘｐ{−２α（λ_２）×Ｎ_１×L_１} ・・・（３）

式（２）を式（３）で割ると、次の式（４）が得られる。

Ｖ_１（λ_１）／Ｖ_１（λ_２）＝ｅｘｐ［−２Ｎ_１Ｌ_１｛α（λ_１）−α（λ_２）｝］
・・・（４）

Ｖ_１（λ_１）、Ｖ_１（λ_２）は、光検出器９による計測で取得でき、Ｌ_１、α（λ_１）、α（λ_２）は既知であるので、式（４）を変形することで、次の式（５）のようにＮ_１が求まる。

Ｎ_１＝−ｌｎ｛Ｖ_１（λ_１）／Ｖ_１（λ_２）｝／２Ｌ_１｛α（λ_１）−α（λ_２）｝
・・・（５）

Ｌ_２についても、同様にして、次の式（６）のようにＮ_２が求まる。

Ｎ_２＝−ｌｎ｛Ｖ_２（λ_１）／Ｖ_２（λ_２）｝／２Ｌ_２｛α（λ_１）−α（λ_２）｝
・・・（６）

一方、求める前記区間における前記対象成分の濃度Ｎｔは、次の式（７）で表される。

Ｎｔ＝（Ｎ_１×Ｌ_１−Ｎ_２×Ｌ_２）／（Ｌ_２−Ｌ_１）・・・（７）

従って、式（７）に、式（５）、（６）およびＬ_１、Ｌ_２を代入することで、前記対象成分の濃度Ｎｔを算出することができる。
このような濃度Ｎｔの算出は、濃度算出装置１１により実行される。即ち、式（５）〜（７）の演算が濃度算出装置１１により実行される。

上述の第１実施形態の気体成分濃度測定装置１０によると、気体により散乱した散乱光ではなく、地表または水面５により散乱した散乱光の検出値に基づいて対象成分の濃度を算出するので、射出レーザ強度の高いレーザ射出装置や大型集光装置を使用しなくても、十分に大きい光検出値を取得して、所望区間における対象成分の濃度を測定できる。
即ち、気体で散乱されたレーザ散乱光は弱いため、射出レーザ強度の高いレーザ射出装置や大型集光装置を使用しなければ、十分に大きい対象成分濃度算出用の散乱光検出値を得ることができない。これに対し、本実施形態では、地表または水面５を利用して、地表または水面５による強い散乱光を検出するので、高強度レーザを射出するレーザ射出装置や大型集光装置を使用しなくても、十分に大きい対象成分濃度算出用の散乱光検出値を得ることができ、所望区間における対象成分の濃度を算出できる。

さらに、レーザ射出装置３の水平軸回りの向き、または高さを切り換えるだけで、対象成分の濃度測定区間を簡単に変更できる。

また、第１レーザ光および第２レーザ光は、斜め下向きでかつ水平方向に近い向きに、レーザ射出装置３から、遠方にある第１および第２の照射箇所５ａ、５ｂへ射出されるので、次のように濃度測定誤差を無視することができる。濃度測定の対象となる区間の距離は、Ｌ_２−Ｌ_１であるが、この距離Ｌ_２−Ｌ_１は、厳密には、第１の照射箇所５ａと第２の照射箇所５ｂとの距離Ｌ_１，２と一致しない。これに対し、本実施形態では、レーザ光は、斜め下向きでかつ水平方向に近い向き（例えば、水平面に対して１度以下の角度で斜め下方に向く方向）に、遠方にある第１および第２の照射箇所５ａ、５ｂへ射出されるので、前記距離の不一致を無視することができる。

［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態による気体成分濃度測定装置１０の構成図である。

第２実施形態では、レーザ射出装置３の水平軸回りの向きを切り換える代わりに、レーザ射出装置３の高さを切り換えることで、前記地表または水面５におけるレーザ照射箇所を第１および第２の照射箇所５ａ、５ｂとの間で切り換える。図４では、実線が、第１の照射箇所５ａへ向くレーザ射出装置３を示し、破線が、第２の照射箇所５ｂへ向くレーザ射出装置３を示す。
例えば、レーザ射出装置３が、鉛直方向に任意の高さへスライド可能に支持体に支持されてよい。レーザ射出装置３の高さを調節、変更したら、適切な手段でレーザ射出装置３を一定高さに保持してよい。

第２実施形態の他の構成と動作、および、第２実施形態の気体成分濃度測定装置１０を用いた気体成分濃度測定方法は、第１実施形態と同じである。なお、第２実施形態において、上述のステップＳ１、Ｓ３で、レーザ射出装置３を第１の高さとすることで、第１レーザ光および第２レーザ光を、地表または水面５における第１の照射箇所５ａに照射し、上述のステップＳ５、Ｓ７で、レーザ射出装置３を第２の高さとすることで、第１レーザ光および第２レーザ光を、地表または水面５における第２の照射箇所５ａに照射する。また、光検出器９は、第１実施形態と同様にレーザ射出装置３に固定されており、レーザ射出装置３と一体的に、高さが切り換えられる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

また、上述の各実施形態では、第１の照射箇所５ａと第２の照射箇所５ｂの間である１つの区間における対象成分の濃度を測定したが、２つ以上の区間における対象成分の濃度を測定してもよい。
即ち、レーザ射出装置３の水平軸回りの向き、または高さを順に切り換えることで、前記地表または水面５におけるレーザ照射箇所を第１の照射箇所５ａ、第２の照射箇所５ｂ、第３の照射箇所へと順に切り換える。なお、他の順序で照射箇所を切り換えてもよい。この場合、光検出器９は、上述した第１〜第４の散乱光に加えて、第３の照射箇所で散乱された第１レーザ光の第５の散乱光、および、第３の照射箇所で散乱された第２レーザ光の第６の散乱光も検出し、濃度算出装置１１は、前記光検出器９により取得した第３、第４、第５および第６の散乱光の検出値に基づいて、第２の照射箇所５ｂと第３の照射箇所との間における前記対象成分の濃度も算出する。対象成分の濃度を測定する区間をさらに増やす場合も同様である。

本発明の第１実施形態による気体成分濃度測定装置の構成図である。 本発明の第１実施形態による気体成分濃度測定方法を示すフローチャートである。 光検出器により取得した検出信号の波形を示す。 本発明の第２実施形態による気体成分濃度測定装置の構成図である。

３ レーザ射出装置、５ 地表または水面、５ａ 第１の照射箇所、５ｂ 第２の照射箇所、９ 光検出器、９ａ 凸レンズ、１０ 気体成分濃度測定装置、１１ 濃度算出装置

Claims (3)

1. 気体中にレーザ光を射出し、該気体を通過した前記レーザ光に基づいて前記気体中の対象成分の濃度を検出する気体成分濃度測定装置であって、
   波長が前記対象成分の光吸収波長である第１レーザ光、および、波長が前記対象成分の非吸収波長である第２レーザ光を、地表または水面に照射するように斜め下方に射出するレーザ射出装置と、
   レーザ射出装置の水平軸回りの向き、または高さを切り換えることで、前記地表または水面におけるレーザ照射箇所を第１および第２の照射箇所との間で切り換える場合において、第１の照射箇所で散乱された第１レーザ光の第１の散乱光、第１の照射箇所で散乱された第２レーザ光の第２の散乱光、第２の照射箇所で散乱された第１レーザ光の第３の散乱光、第２の照射箇所で散乱された第２レーザ光の第４の散乱光を検出する光検出器と、
   前記光検出器により取得した第１、第２、第３および第４の散乱光の検出値に基づいて、第１の照射位置と第２の照射位置との間における前記対象成分の濃度を算出する濃度算出装置と、を備える、ことを特徴とする気体成分濃度測定装置。
2. 第１レーザ光および第２レーザ光は、斜め下向きでかつ水平方向に近い向きに、レーザ射出装置から、遠方にある第１および第２の照射箇所へ射出される、ことを特徴とする請求項１に記載の気体成分濃度測定装置。
3. 気体中にレーザ光を射出し、該気体を通過した前記レーザ光に基づいて前記気体中の対象成分の濃度を検出する気体成分濃度測定方法であって、
   レーザ射出装置を用いて、波長が前記対象成分の光吸収波長である第１レーザ光、および、波長が前記対象成分の非吸収波長である第２レーザ光を、地表または水面に照射するように斜め下方に射出し、
   前記レーザ射出装置の水平軸回りの向き、または高さを切り換えることで、前記地表または水面におけるレーザ照射箇所を第１および第２の照射箇所との間で切り換え、
   第１の照射箇所で散乱された第１レーザ光の第１の散乱光、第１の照射箇所で散乱された第２レーザ光の第２の散乱光、第２の照射箇所で散乱された第１レーザ光の第３の散乱光、第２の照射箇所で散乱された第２レーザ光の第４の散乱光を光検出器で検出し、
   前記光検出器により取得した第１、第２、第３および第４の散乱光の検出値に基づいて、第１の照射位置と第２の照射位置との間における前記対象成分の濃度を算出する、ことを特徴とする気体成分濃度測定方法。

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