JP6035913B2 - Concentration measuring device and concentration measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光を用いた差分吸収法により物質の濃度を測定する濃度測定装置及び濃度測定方法に関する。 The present invention relates to a concentration measuring apparatus and a concentration measuring method for measuring a concentration of a substance by a differential absorption method using laser light.
二酸化炭素ガスやメタンガス等の測定対象物の濃度を測定する方法の1つとして、レーザ光を用いた差分吸収法が知られている。この方法では、測定対象物で吸収される波長(即ち、オン波長)のレーザ光と測定対象物で吸収されない波長(即ち、オフ波長)のレーザ光の各透過率を基に測定対象物の濃度を算出する。測定対象物に照射するレーザ光の波長は、殆どの場合、吸収を利用している関係から赤外域にある。例えば、二酸化炭素ガスの濃度の測定には2μmや4μm程度の波長のレーザ光が使用される。 As one of methods for measuring the concentration of a measurement object such as carbon dioxide gas or methane gas, a differential absorption method using laser light is known. In this method, the concentration of the measurement object is based on the transmittance of the laser light having a wavelength that is absorbed by the measurement object (that is, the ON wavelength) and the laser light having a wavelength that is not absorbed by the measurement object (that is, the OFF wavelength). Is calculated. In most cases, the wavelength of the laser light applied to the measurement object is in the infrared region due to the use of absorption. For example, laser light having a wavelength of about 2 μm or 4 μm is used for measuring the concentration of carbon dioxide gas.
近年は排出ガスの規制が厳しくなる傾向にある。特に、大規模な排出源である工場等からの二酸化炭素ガス等の排出量を抑制することは非常に重要な課題である。そこで、排気ダクトや煙突等の排気設備から排出されるガスの濃度を定期的に観測することが考えられる。ところが、排気口は通常、立ち入りが困難な高所等に設けられており、有害物質の濃度が高くなっている可能性もある。従って、測定装置を排気口の近傍に設置することは合理的ではなく、遠方から高強度のレーザ光を排気口に向けて照射し、その散乱光の強度から測定対象の濃度を算出するような手法が考えられる。これは即ちLIDARの一種である。 In recent years, exhaust gas regulations have become stricter. In particular, it is a very important issue to suppress the discharge amount of carbon dioxide gas or the like from a factory or the like which is a large-scale emission source. Therefore, it is conceivable to regularly observe the concentration of gas discharged from exhaust facilities such as exhaust ducts and chimneys. However, the exhaust port is usually provided at a high place where it is difficult to enter, and the concentration of harmful substances may be high. Therefore, it is not rational to install the measuring device in the vicinity of the exhaust port, so that a high-intensity laser beam is irradiated toward the exhaust port from a distance, and the concentration of the measurement target is calculated from the intensity of the scattered light. A method can be considered. This is a kind of LIDAR.
上述の通り、差分吸収法に用いるレーザ光の波長は赤外域にあるため、人間は目視できない。従って、遠方から測定領域を特定するには、赤外レーザと平行に可視光のレーザ光を照射し、その散乱光の目視によって測定領域を特定することが考えられる。しかしながら、測定領域がレーザ光源から数百m〜数km程度の遠方にある場合は、散乱光の特定自体が困難である。また、大強度のレーザ光が人間に当る可能性も高まるため危険である。そこで、赤外レーザの照射領域を可視光で観察する光学系を別途設けることが考えられる。特許文献1の装置は濃度測定装置ではないが、赤外レーザ光の光路の延長上にCCDカメラを設置し、赤外レーザの照射領域を目視で容易に確認できる構成を備えている。 As described above, since the wavelength of the laser light used for the differential absorption method is in the infrared region, human beings cannot see it. Therefore, in order to specify the measurement region from a distance, it is conceivable to irradiate visible laser light in parallel with the infrared laser and specify the measurement region by visual observation of the scattered light. However, when the measurement region is at a distance of about several hundred m to several km from the laser light source, it is difficult to specify the scattered light itself. Moreover, it is dangerous because the possibility that a high-intensity laser beam will hit a human is increased. Therefore, it is conceivable to separately provide an optical system for observing the irradiation region of the infrared laser with visible light. Although the apparatus of Patent Document 1 is not a concentration measuring apparatus, it has a configuration in which a CCD camera is installed on the extension of the optical path of the infrared laser light and the irradiation area of the infrared laser can be easily confirmed visually.
上記の状況を鑑み、本発明は、遠方の測定対象物の濃度を測定する際に、安全且つ確実に当該測定対象物を特定できる機能を有する濃度測定装置及び濃度測定方法の提供を目的とする。 In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a concentration measurement device and a concentration measurement method having a function of safely and reliably specifying a measurement object when measuring the concentration of a distant measurement object. .
本発明の第1の態様は、プローブ光の照射領域を実像として得ることが可能な濃度測定装置であって、励起光としてのレーザ光を発生するレーザ光源と、前記励起光の波長変換によって、測定対象物に対するオン波長及びオフ波長のプローブ光を発生するプローブ光発生部と、前記プローブ光に対して角度調整可能に設置された第1のミラーと、前記第1のミラーと前記プローブ光発生部との間に設置され、前記プローブ光と可視光のうちの何れか一方を反射し、その他方を透過する第2のミラーと、前記第2のミラーから出射した前記可視光を用いて前記プローブ光の照射領域を撮像する撮像装置と、前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射した前記プローブ光を検出する光検出器と、前記プローブ光の強度から前記測定対象物の濃度を算出する制御部とを備えることを要旨とする。 A first aspect of the present invention is a concentration measurement apparatus capable of obtaining an irradiation region of probe light as a real image, a laser light source that generates laser light as excitation light, and wavelength conversion of the excitation light, A probe light generation unit that generates on-wavelength and off-wavelength probe light with respect to the measurement object, a first mirror that can be adjusted in angle with respect to the probe light, the first mirror, and the probe light generation And a second mirror that reflects one of the probe light and visible light and transmits the other, and the visible light emitted from the second mirror, and An imaging device for imaging an irradiation region of probe light, a photodetector for detecting the probe light transmitted through or reflected from the measurement object, and the measurement pair based on the intensity of the probe light And summarized in that a control unit for calculating the density of the object.
上記濃度測定装置は、前記測定対象物からの前記プローブ光を前記光検出器に集光する光学系を更に備えてもよい。この場合、前記光学系の光軸は、前記測定対象物に向けて前記第1のミラーから出射した前記プローブ光の進行方向は略平行である。 The concentration measuring apparatus may further include an optical system for condensing the probe light from the measurement object on the photodetector. In this case, the optical axis of the optical system is substantially parallel to the traveling direction of the probe light emitted from the first mirror toward the measurement object.
本発明の第2の態様はプローブ光の照射領域を実像として得ることが可能な濃度測定方法であって、測定対象物に対するオン波長及びオフ波長のプローブ光の進行方向を前記測定対象物に向けて偏向させ、前記プローブ光の光路上に、前記プローブ光の進行方向とは逆の方向に進行する前記測定対象物からの可視光を通過させ、前記光路上で反射又は透過により前記可視光のみを取り出して当該可視光を用いた前記プローブ光の照射領域の撮像を行い、前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射した前記プローブ光を検出し、前記プローブ光の強度から前記測定対象物の濃度を算出することを要旨とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a concentration measuring method capable of obtaining an irradiation region of probe light as a real image, wherein the traveling directions of probe light having an on wavelength and an off wavelength with respect to the measurement object are directed toward the measurement object. The visible light from the measurement object traveling in the direction opposite to the traveling direction of the probe light is allowed to pass on the optical path of the probe light, and only the visible light is reflected or transmitted on the optical path. The probe light irradiation region is picked up using the visible light, the probe light transmitted through the measurement object or reflected from the measurement object is detected, and the measurement is performed from the intensity of the probe light. The gist is to calculate the concentration of the object.
本発明によれば、遠方の測定対象物の濃度を測定する際に、安全且つ確実に当該測定対象物を特定できる機能を有する濃度測定装置及び濃度測定方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when measuring the density | concentration of a distant measurement target object, the density | concentration measuring apparatus and density | concentration measuring method which have the function which can specify the said measurement target object safely and reliably can be provided.
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本実施形態に係る濃度測定装置の構成図である。図2は、本実施形態に係るプローブ光発生部の構成図である。図3は、図2に示すプローブ光発生部の変形例である。図4は、本実施形態に係るプローブ光及び参照光の各波長と、測定対象物の吸収線の波長との関係を示す模式図である。図1に示すように、本実施形態の濃度測定装置は、レーザ光源22と、プローブ光発生部24と、光学フィルタ27と、ミラー(第2のミラー)29と、ミラー(第1のミラー)31と、光検出器26と、制御部(濃度算出部)28と、撮像装置35とを備える。
FIG. 1 is a configuration diagram of a concentration measuring apparatus according to the present embodiment. FIG. 2 is a configuration diagram of the probe light generator according to the present embodiment. FIG. 3 is a modification of the probe light generator shown in FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing the relationship between the wavelengths of the probe light and the reference light according to this embodiment and the wavelength of the absorption line of the measurement object. As shown in FIG. 1, the concentration measuring apparatus according to the present embodiment includes a
レーザ光源22は、後段のプローブ光発生部24に入力される励起光(ポンプ光)23としてのレーザ光を発生する。レーザ光の波長や発振モード(パルス発振又は連続発振)は、プローブ光発生部24における波長変換の仕様(変換方法、出力波長など)に応じて選定する。本実施形態では、パルスレーザ光源であるNd:YAGレーザを使用する。Nd:YAGレーザは、基本波である1064nmのパルスレーザ光を、数ns〜数十nsのパルス幅、且つ、10Hz〜数kHzの繰り返し周波数で出力する。
The
プローブ光発生部24は、励起光23の波長変換によって、測定対象物に対するオン波長のプローブ光10及びオフ波長のプローブ光12(図4参照)を発生する。以下、説明の便宜上、オフ波長のプローブ光12を単に参照光12と称する場合がある。吸収の感度を高める観点からは、図4に示すように、プローブ光10の波長λonが測定対象物Sの吸収線14の波長に一致していることが好ましい。しかしながら、少なくとも吸収線14の波長が、プローブ光10の線幅内に含まれていれば吸収を確認することは可能である。
The
図2に示すように、プローブ光発生部24は、反射面が対向するように光軸(光路)20に沿って配置された終端鏡32と出力鏡34とを有する。出力鏡34と終端鏡32との間隔Dは例えば20mmである。更に、終端鏡32と出力鏡34の間の光軸20上には、波長変換を行う光学素子として、非線形光学結晶36が設けられている。後述するように、非線形光学結晶36は、励起光23の光パラメトリック発振によってプローブ光10及び参照光12を発生する。
As shown in FIG. 2, the
終端鏡32は、励起光23を透過させ、且つ、非線形光学結晶36によって発生したプローブ光10及び参照光12を反射する波長特性を有する。通常、励起光23の波長はプローブ光10及び参照光12の各波長よりも短いので、終端鏡32は所謂ロングパスフィルター(LPF)である。一方、出力鏡34も、終端鏡32と同じく、プローブ光10及び参照光12を反射する波長特性を有する。従って、終端鏡32及び出力鏡34は所謂光共振器を構成する。終端鏡32及び出力鏡34のプローブ光10及び参照光12に対する反射率は50〜99.5%である。
The
非線形光学結晶36は例えばKTP結晶やBBO結晶であり、励起光23による光パラメトリック発振によってオン波長のプローブ光10及びオフ波長の参照光12を発生する。プローブ光10の中心波長λonは例えば2004nm、参照光12の中心波長λoffは例えば1993nmである。非線形光学結晶36によって発生する光の波長は、励起光23の光軸に対する結晶の光学軸36aの角度θを調整することで適宜変更可能である。そこで、本実施形態の非線形光学結晶36は、この角度θを調整できるように回転ステージ38に搭載されている。即ち、回転ステージ38の回転・逆回転を例えば所定の周期で繰り返すことで、プローブ光10及び参照光12が出力鏡34から交互に出射され、測定対象物Sに照射される。なお、回転ステージ38の回転は制御部(図示せず)によって制御される。
The nonlinear
なお、本実施形態のプローブ光発生部については、次のように変形できる。図3に示すプローブ光発生部25は、図2に示すプローブ光発生部24の変形例である。図2のプローブ光発生部24では、波長変換を行う光学素子として非線形光学結晶36を用いていた。一方、図3のプローブ光発生部25は、波長変換を行う光学素子としてレーザ結晶46を用いる。レーザ結晶46は、例えば、Tm:YAG、Tm:YLF、Tm:YVO4、Tm,Ho:YAG、Tm,Ho:YLF、Tm,Ho:YVO4などある。これらのうちの何れかをレーザ結晶46に用いる場合、励起光23を発生するレーザ光源には半導体レーザ(LD)を使用する。半導体レーザは、励起光23として中心波長が例えば785nmの光を発生する。半導体レーザから出射した光は、レーザ結晶46内での変換効率を上げるため、レンズ等の光学系48によってレーザ結晶46に集光される。
Note that the probe light generator of this embodiment can be modified as follows. A
図3に示すように、レーザ結晶46の出射側と出力鏡34との間には、レーザ結晶46から出射した光の波長を選別する波長調整機構42が設置される。波長調整機構42は、例えばエタロンやプリズムであり、波長調整機構42を搭載した回転ステージ44の回転によって、出力鏡34へ進行する光の波長を選別できる。つまり、回転ステージ44の回転・逆回転を例えば所定の周期で繰り返すことで、プローブ光10及び参照光12を交互に出射させることができる。
As shown in FIG. 3, a
プローブ光発生部24(25)から出射したプローブ光10及び参照光12は、光学フィルタ27を通過し、ミラー29に入射する。光学フィルタ27は、赤外線透過・可視光吸収フィルタであり、プローブ光10及び参照光12を透過させると共に、プローブ光発生部24(25)で発生した可視光のレーザ光が下流に進行するのを防止する。なお、可視光のレーザ光が発生しない場合は省略してもよい。
The
ミラー29は、プローブ光10及び参照光12と、可視光とのうちの何れか一方を反射し、その他方を透過するダイクロイックミラーである。ミラー29は、後段のミラー31とプローブ光発生部24(25)との間に設置される。ミラー29は、図1に示すように、プローブ光10及び参照光12を全反射ミラー31に向けて反射し、全反射ミラー31から反射された可視光をそのまま透過させ、当該可視光を撮像装置35へ導く。換言すると、プローブ光10等の光路上で反射又は透過により可視光のみを取り出し、当該可視光を撮像装置35へ導く。
The
ミラー31は、アルミコーティングミラー等の全反射ミラーであり、プローブ光10、参照光12、可視光の何れも反射する。即ち、ミラー31は、オン波長及びオフ波長のプローブ光10,12の進行方向を測定対象物Sに向けて偏向させると共に、プローブ光10,12の光路上に、当該プローブ光10,12の進行方向とは逆の方向に進行する測定対象物Sからの可視光を通過させる。ミラー31は、これらの光に対して角度(反射角度)調整可能な二軸の角度調整機構33に設置されており、測定対象物Sに向けて二次元的に照射位置を操作できる。なお、角度調整機構33は制御部28によって制御されている。
The
ミラー29を挟んでミラー31が設けられた側と反対側には、撮像装置35が設置されている。撮像装置35は、例えばCCDカメラであり、ミラー29から出射した可視光を用いてプローブ光10,12の照射領域を撮像する。測定対象物Sからミラー29までの間、プローブ光10,12も可視光も同じ光路上に位置している。従って、撮像装置35の光軸を、可視光の光軸に合わせると、プローブ光10,12の照射位置は視野の中央に位置することなる。つまり、容易に照射位置の選定、特定ができる。また、可視光のレーザ光のような大強度の光の照射が不要になるので、照射位置の選定、特定を安全に行うこともできる。
An
光検出器26は、測定対象物Sを透過した又は測定対象物Sから反射した、プローブ光10及び参照光12を検出する。本実施形態では、光検出器26として、周知の半導体検出器を使用する。半導体検出器は、光の強度に比例した電圧を検出信号として出力する。なお、光検出器26の前段にはプローブ光10及び参照光12を集光するためのレンズ等の光学系30が設けられており、集光率を向上させている。
The
本実施形態の光学系30の光軸30aは、測定対象物Sに向けてミラー31から出射したプローブ光10,12の進行方向と略平行である。本実施形態の濃度測定装置は、遠方の測定対象物を想定しており、光学系30の焦点距離を極力大きな値に設定している。この場合、プローブ光10,12の照射位置の変更による、光学系30の視野からのプローブ光10,12の逸脱を極力抑えることができる。
The
制御部28は、濃度測定装置の全体を制御する。更に、制御部28は、光検出器26によって検出されたプローブ光10及び参照光12の各透過率(吸光度)から測定対象物Sの濃度を算出する。具体的には、制御部28は、測定対象物Sを経由した参照光12の強度から、参照光12の透過率(第1の透過率)を算出する。制御部28は、更に、測定対象物Sを経由したプローブ光10の強度から、プローブ光10の透過率(第2の透過率)を算出する。第2の透過率は、第1の透過率に、測定対象物Sへの吸収による透過率(第3の透過率)を乗じたものであることを考慮して、制御部28は、第1の透過率を用いて、第2の透過率から第3の透過率を逆算する。その結果、第3の透過率から測定対象物Sの濃度を算出する。
The
なお、本実施形態では測定対象物として二酸化炭素ガスを挙げたが、本発明が適用される測定対象物はこれに限られず、他の種のガスにも適用可能である。また、気体以外の相(即ち、液体や固体)にも適用可能である。 In the present embodiment, carbon dioxide gas is used as the measurement object. However, the measurement object to which the present invention is applied is not limited to this, and can be applied to other types of gases. Moreover, it is applicable also to phases (namely, liquid and solid) other than gas.
また、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。 Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment, is shown by the description of the scope of claims, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the description of the scope of claims.
10…プローブ光、12…参照光(プローブ光)、14…吸収線、20…光軸、22…レーザ光源、23…励起光、24,25…プローブ光発生部、26…光検出器、27…光学フィルタ、28…制御部、29…ミラー(第2のミラー)、30…光学系、31…ミラー(第1のミラー)、32…終端鏡、34…出力鏡、35…撮像装置、36…非線形光学結晶、36a…光学軸、38…回転ステージ、42…波長調整機構、44…回転ステージ、46…レーザ結晶、48…光学系
DESCRIPTION OF
Claims (3)
励起光としてのレーザ光を発生するレーザ光源と、
前記励起光の波長変換によって、測定対象物に対するオン波長及びオフ波長のプローブ光を発生するプローブ光発生部と、
前記プローブ光に対して角度調整可能に設置された第1のミラーと、
前記第1のミラーと前記プローブ光発生部との間に設置され、前記プローブ光と可視光のうちの何れか一方を反射し、その他方を透過する第2のミラーと、
前記第2のミラーから出射した前記可視光を用いて前記プローブ光の照射領域を撮像する撮像装置と
前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射した前記プローブ光を検出する光検出器と、
前記プローブ光の強度から前記測定対象物の濃度を算出する制御部と
を備えることを特徴とする濃度測定装置。 A concentration measuring device capable of obtaining an irradiation region of probe light as a real image,
A laser light source that generates laser light as excitation light;
A probe light generator for generating on-wavelength and off-wavelength probe light for the measurement object by wavelength conversion of the excitation light;
A first mirror installed to be adjustable in angle with respect to the probe light;
A second mirror that is installed between the first mirror and the probe light generator, reflects one of the probe light and visible light, and transmits the other;
An imaging device that images the irradiation region of the probe light using the visible light emitted from the second mirror, and a photodetector that detects the probe light transmitted through the measurement object or reflected from the measurement object When,
And a control unit that calculates the concentration of the measurement object from the intensity of the probe light.
前記光学系の光軸は、前記測定対象物に向けて前記第1のミラーから出射した前記プローブ光の進行方向と平行であることを特徴とする請求項1に記載の濃度測定装置。 An optical system for condensing the probe light from the measurement object on the photodetector;
The concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein an optical axis of the optical system is parallel to a traveling direction of the probe light emitted from the first mirror toward the measurement object.
測定対象物に対するオン波長及びオフ波長のプローブ光の進行方向を前記測定対象物に向けて偏向させ、
前記プローブ光の光路上に、前記プローブ光の進行方向とは逆の方向に進行する前記測定対象物からの可視光を通過させ、
前記光路上で反射又は透過により前記可視光のみを取り出して当該可視光を用いた前記プローブ光の照射領域の撮像を行い、
前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射した前記プローブ光を検出し、
前記プローブ光の強度から前記測定対象物の濃度を算出する
ことを特徴とする濃度測定方法。 A concentration measurement method capable of obtaining an irradiation region of probe light as a real image,
Deflecting the traveling direction of on-wavelength and off-wavelength probe light toward the measurement object toward the measurement object;
Visible light from the measurement object traveling in the direction opposite to the traveling direction of the probe light is passed on the optical path of the probe light,
Taking out only the visible light by reflection or transmission on the optical path and imaging the irradiation area of the probe light using the visible light,
Detecting the probe light transmitted through the measurement object or reflected from the measurement object;
A concentration measurement method, wherein the concentration of the measurement object is calculated from the intensity of the probe light.
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