JP2010117303A - 気体成分濃度測定装置 - 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気体成分濃度測定装置を提供する。
【解決手段】波長が対象成分の光吸収波長である第１レーザ光、および、波長が対象成分の非吸収波長である第２レーザ光を射出するレーザ射出装置３と、第１レーザ光と第２レーザ光の照射範囲内に位置するとともに、第１レーザ光と第２レーザ光の射出方向に間隔を置いて配置される第１および第２の散乱体５、７と、第１の散乱体５で散乱された第１レーザ光、第２レーザ光の第１、第２の散乱光、第２の散乱体７で散乱された第１レーザ光、第２レーザ光の第３、第４の散乱光を検出する光検出器９と、光検出器９の検出値に基づいて、第１の散乱体５と第２の散乱体７との間における対象成分の濃度を算出する濃度算出装置１１と、を備える。
【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、レーザ照射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。

また、散乱光は、あらゆる角度に反射するものであるため、散乱光は距離の２乗に比例して減衰する。従って、測定対象である前記区間の一端からの散乱光とこの区間の他端からの散乱光では、光検出器の位置においてその強度が大きく異なる。従って、検出可能強度範囲が広い光検出器が必要となるため、光検出器が高価なものとなる。

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レーザ光を射出するレーザ射出装置と、
第１レーザ光と第２レーザ光の照射範囲内に位置するとともに、第１レーザ光と第２レーザ光の射出方向に間隔を置いて配置される第１および第２の散乱体と、
第１の散乱体で散乱された第１レーザ光の第１の散乱光、第１の散乱体で散乱された第２レーザ光の第２の散乱光、第２の散乱体で散乱された第１レーザ光の第３の散乱光、および、第２の散乱体で散乱された第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の散乱体と第２の散乱体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、第１および第２の散乱体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、第１および第２の散乱体を設け、第１および第２の散乱体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、第１および第２の散乱体は、所定の広い範囲にわたってレーザ光を散乱させる散乱体であるので、第１および第２の散乱体の向きを、レーザ射出装置に対して正確に合わせる必要がなくなる。

本発明の好ましい実施形態によると、第２の散乱体は、第１の散乱体よりも前記光検出器から遠い位置に配置され、
第２の散乱体がレーザ光を散乱させる度合いは、第１の散乱体がレーザ光を散乱させる度合いよりも大きい。

この実施形態では、第２の散乱体は、第１の散乱体よりも前記光検出器から遠い位置に配置され、第２の散乱体がレーザ光を散乱させる度合いは、第１の散乱体がレーザ光を散乱させる度合いよりも大きいので、次のように、遠い位置にある第２の散乱体からの散乱光も適切な強度で光検出器に到達できる。
散乱光は、様々な方向に散乱することで伝播距離の２乗に比例して強度が低下する。従って、光検出器から遠くにある第２の散乱体からの散乱光の強度は、光検出器の位置において、光検出器の側にある第１の散乱体からの散乱光の強度よりも大幅に小さくなってしまう。そのため、光検出器の検出可能強度範囲を大きく設定しなければならなくなる。
これに対し、前記の実施形態では、第２の散乱体がレーザ光を散乱させる度合いは大きいので、第２の散乱体からの散乱光も適切な強度で光検出器に到達できる。例えば、第２の散乱体がレーザ光を散乱させる度合いを適切に設定することで、第２の散乱体からの散乱光が光検出器に到達した時に持つ強度を、第１の散乱体からの散乱光が光検出器に到達した時に持つ強度と同じ程度（好ましくは、同じ）にすることができる。この場合、小さい検出可能強度範囲を持つ光検出器でも使用可能である。

また、本発明の好ましい実施形態によると、第１および第２の散乱体の各々は、複数のワイヤ状部材を間隔をおいて配置した形状、格子形状、または、球形状を有する。

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、第１および第２の散乱体５、７、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。
レーザ射出装置３は、レーザ光の進行方向と直交する方向へレーザ光を適切な寸法に広げる光学系（図示せず）を有する。この光学系により、レーザ光は、前記寸法を持ってレーザ射出装置３から射出される。この寸法により、レーザ光を、第１および第２の散乱体５、７に容易に当てることできる。

第１および第２の散乱体５、７は、第１レーザ光と第２レーザ光の照射範囲内に位置するとともに、第１レーザ光と第２レーザ光の射出方向に間隔を置いて配置される。

光検出器９は、第１の散乱体５で散乱された第１レーザ光の第１の散乱光、第１の散乱体５で散乱された第２レーザ光の第２の散乱光、第２の散乱体７で散乱された第１レーザ光の第３の散乱光、および、第２の散乱体７で散乱された第２レーザ光の第４の散乱光を検出する。

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の散乱体５と第２の散乱体７との間の区間における前記対象成分の濃度を算出する。

気体成分濃度測定装置１０の構成について、より詳細に説明する。

第２の散乱体７は、第１の散乱体５よりも前記光検出器９から遠い位置に配置されている。この場合、好ましくは、第２の散乱体７がレーザ光を散乱させる度合いは、第１の散乱体５がレーザ光を散乱させる度合いよりも大きい。
図１の例では、第１および第２の散乱体５、７は、複数のワイヤ状部材が間隔を置いて平行に配置されたものであるが、第２の散乱体７でのワイヤ状部材の密度を、第２の散乱体７でのワイヤ状部材の密度よりも高くする。例えば、図１のように、第１の散乱体５は、複数のワイヤ状部材が間隔をおいて平行に配置された形状のものであり、このように平行に配置された複数のワイヤ状部材に加えて、これらに交差（例えば直交）する方向に、さらに複数のワイヤ状部材が間隔をおいて平行に配置された格子状のものを第２の散乱体７としてよい。

レーザ射出装置３からのレーザ光は、第１の散乱体５を通過する時に、第１の散乱体５に衝突したレーザ光部分を失う。この欠損は、第１の散乱体５の通過後に、光の回折により補完される。従って、第１の散乱体５の構成要素（ワイヤ状部材）の寸法を、第１の散乱体５を通過したレーザ光が、第２の散乱体７に到達するまでに、前記欠損が補完されるように設定する。

第１および第２の散乱体５、７は、対象成分濃度を測定する区間の両端に常設しなくてもよい。即ち、対象成分濃度の測定時においてのみ、一時的に、第１および第２の散乱体５、７を前記区間の両端に配置するだけでよい。

図１のように、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。

（濃度の算出）
図２は、光検出器９により取得した検出信号を示す。図２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。図２の検出信号は、表示装置（図示せず）に表示されてよい。図２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の散乱体５から第２の散乱体７までの区間における対象成分の濃度を算出できる。

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（第１および第２の散乱体５、７など）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。

第１実施形態による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、第１および第２の散乱体５、７による散乱光の検出値に基づいて気体中の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３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、第１および第２の散乱体５、７を設け、第１および第２の散乱体５、７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３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、第１および第２の散乱体５、７は、所定の広い範囲にわたってレーザ光を散乱させる散乱体であるので、第１および第２の散乱体５、７の向きを、レーザ射出装置３に対して正確に合わせる必要がなくなる。

また、第１実施形態では、第２の散乱体７がレーザ光を散乱させる度合いは大きいので、第２の散乱体７からの散乱光も適切な強度で光検出器９に到達できる。好ましくは、第２の散乱体７がレーザ光を散乱させる度合いを適切に設定することで、第２の散乱体７からの散乱光が光検出器９に到達した時に持つ強度を、第１の散乱体５からの散乱光が光検出器９に到達した時に持つ強度と同じにする。これにより、小さい検出可能強度範囲を持つ光検出器９でも使用可能である。

［第２実施形態］
図３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１および第２の散乱体５、７は、図３に示すように、ガラスに、傷、汚れ、内包物、または、これらの組み合わせを意図的に付加したものである。第２実施形態における他の構成は、第１実施形態と同じである。
なお、第２実施形態において、第２の散乱体７がレーザ光を散乱させる度合いを、第１の散乱体５がレーザ光を散乱させる度合いよりも大きくするために、ガラス７に付加される傷、汚れ、内包物などの程度、密度を、ガラス５に付加される傷、汚れ、内包物などの程度、密度よりも大きくしている。

［第３実施形態］
図４は、本発明の第３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１および第２の散乱体５、７は、図４に示すように、ポールの先端に取り付けられた球状部材である。第３実施形態における他の構成は、第１実施形態と同じである。
なお、第３実施形態において、第２の散乱体７がレーザ光を散乱させる度合いを、第１の散乱体５がレーザ光を散乱させる度合いよりも大きくするために、図４では、第２の散乱体７を構成する球状部材の数を、第１の散乱体５を構成する球状部材の数よりも多くしている。

［気体成分濃度測定システム］
図５は、上述の気体成分濃度測定装置１０を利用した気体成分濃度測定システム２０の構成図である。この気体成分濃度測定システム２０は、上述した第１実施形態、第２実施形態または第３実施形態の気体成分濃度測定装置１０、環境観測衛星１３、データ解析装置１５、表示装置１７、および移動手段１９を有する。

環境観測衛星１３は、太陽光が地表または水面で反射した反射光を検出し、この検出データを送信する。この検出データには、前記反射光の通過領域を示す位置データも含まれている。

データ解析装置１５は、環境観測衛星１３から送信された前記検出データを受信して、この検出データを解析する。この解析は、前記対象成分の濃度が、所定の規定値よりも高い領域があるかを判断するものである。データ解析装置１５は、前記対象成分の濃度が所定の規定値よりも高い領域があると判断すると、異常であるとして、その旨の異常信号を出力する。この異常信号には、前記対象成分の濃度が所定の規定値よりも高い領域の位置・領域を示す位置情報も含まれている。

表示装置１７は、データ解析装置１５から前記異常信号を受け、この異常信号に基づいて、前記規定値よりも濃度が高い気体成分と、この気体成分が前記規定値よりも濃度が高くなっている位置位置・領域を表示する。人が、この表示を見て、目的地（当該位置・領域またはその付近）へ移動手段１９で気体成分濃度測定装置１０を移動させることができる。なお、表示装置１７は、移動手段１９に搭載されていてもよい。

移動手段１９は、図５の例では、気体成分濃度測定装置１０が積載される車両であるが、気体成分濃度測定装置１０が積載される航空機、気球、飛行船、船舶などであってもよい。移動手段１９が前記目的地へ到達すると、人が、レーザ射出装置３、光検出器９、第１および第２の散乱体５、７を、例えば図１のように所望の位置に配置する。なお、レーザ射出装置３と光検出器９は、移動手段１９に搭載されたままであってもよい。
第１および第２の散乱体５、７を配置したら、第１実施形態と同様に、第１および第２の散乱体５、７の間の区間における前記対象成分の濃度を測定する。
なお、前記対象成分がＣＯ_２である場合には、移動手段１９は、ＣＯ_２を排出しないもの（例えば電気自動車）であるのがよい。

上述の気体成分濃度測定システム２０では、環境観測衛星１３による検出データにより、気体の対象成分が異常な濃度となっている領域が存在するかを調査でき、このような領域が存在する場合には、移動手段１９によりその領域へ移動して気体成分濃度測定装置１０により濃度を詳細に測定することができる。
これにより、広範囲にわたって、気体の対象成分の濃度異常値を詳細に検出でき、しかも、濃度測定時においてのみ、気体成分濃度測定装置１０を測定領域に一時的に配置するだけでよくなる。

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。

例えば、本発明で使用する前記各散乱体は、各実施形態で述べたもの以外の散乱体であってもよい。

また、上述の各実施形態では、２つの散乱体５、７を用いたが、３つ以上の散乱体を、第１レーザ光と第２レーザ光の照射範囲内に位置させるとともに、第１レーザ光と第２レーザ光の射出方向に間隔を置いて配置してもよい。この場合には、第１実施形態と同じ方法で、第１および第２の散乱体５、７の間の区間だけでなく、第２および第３の散乱体の間の区間など、複数の区間における対象成分の濃度を同時に測定することができる。
即ち、光検出器９は、上述した第１〜第４の散乱光に加えて、第３の散乱体で散乱された第１レーザ光の第５の散乱光、および、第３の散乱体で散乱された第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の散乱体７と第３の散乱体との間における前記対象成分の濃度も同時に算出する。

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。 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。 本発明の第３実施形態による気体成分濃度測定装置の構成図である。 気体成分濃度測定装置を利用した気体成分濃度測定システムの構成図である

符号の説明

３ レーザ射出装置、５ 第１の散乱体、７ 第１の散乱体、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、１３ 環境観測衛星、１５ データ解析装置、１７ 表示装置、１９ 移動手段、２０ 気体成分濃度測定システム

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レーザ光を射出するレーザ射出装置と、
   第１レーザ光と第２レーザ光の照射範囲内に位置するとともに、第１レーザ光と第２レーザ光の射出方向に間隔を置いて配置される第１および第２の散乱体と、
   第１の散乱体で散乱された第１レーザ光の第１の散乱光、第１の散乱体で散乱された第２レーザ光の第２の散乱光、第２の散乱体で散乱された第１レーザ光の第３の散乱光、および、第２の散乱体で散乱された第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の散乱体と第２の散乱体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２の散乱体は、第１の散乱体よりも前記光検出器から遠い位置に配置され、
   第２の散乱体がレーザ光を散乱させる度合いは、第１の散乱体がレーザ光を散乱させる度合いよりも大きい、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. 第１および第２の散乱体の各々は、複数のワイヤ状部材を間隔をおいて配置した形状、格子形状、または、球形状を有する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の気体成分濃度測定装置。

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