JP7110686B2

JP7110686B2 - 濃度測定装置

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Publication number: JP7110686B2
Application number: JP2018072274A
Authority: JP
Inventors: 淳伊澤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2018-04-04
Filing date: 2018-04-04
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2038-04-04
Also published as: JP2019184302A

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に関する。

二酸化炭素ガスやメタンガス等の測定対象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、測定対象で吸収される波長（即ち、オン波長）のレーザ光と測定対象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の濃度を算出している。

特許文献１～３は差分吸収法を用いた濃度測定装置を開示している。また、特許文献４は、和周波発生による波長変換を行うことで、１．０８～３．３μｍの波長領域のレーザ光を単一の検出器で測定する波長測定装置を開示している。

特開２００１－１５９６０４号公報特許第５１９０７００号明細書特許第５９６２３２７号明細書特開平６－２４１９０８号公報

一般的に測定対象の吸収線（吸収波長）の幅は非常に狭く、レーザ光の中心波長が測定対象の吸収線から僅かにずれただけでも光の吸収率が低下することが知られている。また、光の吸収率が低下した状態で測定対象の濃度測定を行っていると測定値の誤差が増大するため、測定対象に照射されるレーザ光の波長を、例えば分光器を用いて正確に測定する必要がある

一方、ガス等の吸収線は、赤外領域（近赤外領域：０．７５～１．４μｍ、短波長赤外領域：１．４～３μｍ、中波長赤外領域：３～８μｍ、長波長赤外領域：８～１５μｍ）に多数存在することが知られている。しかしながら、例えば、検出すべき光の波長が１μｍを超えると、そのための検出器や光学機器のコストが増大し、結果的に装置全体のコストが増大してしまう。

そこで、本発明は、測定対象の濃度を精度良く測定でき、且つ、コストの増大を抑えることが可能な濃度測定装置の提供を目的とする。

本発明の第１の態様は濃度測定装置であって、ポンプ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源から前記ポンプ光を受け、波長変換によってモニタ光と測定対象のプローブ光とを出力する波長変換器と、前記モニタ光の波長に感度をもつ光検出器を含む前記モニタ光の波長測定器と、前記測定対象を通過する前後の前記プローブ光の強度から前記測定対象の濃度を算出する濃度算出部とを備え、前記波長変換による前記モニタ光の波長は、前記光検出器が感度をもつ可視領域から近赤外領域の波長に設定され、前記光検出器はシリコンフォトダイオードであることを要旨とする。

本発明の第２の態様は濃度測定装置であって、測定対象のプローブ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源から前記プローブ光を受け、波長変換によってモニタ光を出力する波長変換器と、前記モニタ光の波長に感度をもつ光検出器を含む前記モニタ光の波長測定器と、前記測定対象を通過する前後の前記プローブ光の強度から前記測定対象の濃度を算出する濃度算出部とを備え、前記波長変換による前記モニタ光の波長は、前記光検出器が感度をもつ可視領域から近赤外領域の波長に設定され、前記光検出器はシリコンフォトダイオードであることを要旨とする。

本発明によれば、測定対象の濃度を精度良く測定でき、且つ、コストの増大を抑えることが可能な濃度測定装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る濃度測定装置を示すブロック図である。本発明の第２実施形態に係る濃度測定装置を示すブロック図である。本発明の第１及び第２実施形態に係る波長変換器を示す構成図である。プローブ光及び参照光の各波長と、測定対象の吸収線の波長との関係を示す模式図である。

以下、本発明の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。

図１は、本発明の第１実施形態に係る濃度測定装置１０Ａを示すブロック図である。図２は、本発明の第２実施形態に係る濃度測定装置１０Ｂの構成図である。図３は、第１及び第２実施形態に係る波長変換器１２の構成図である。図４は、プローブ光及び参照光の各波長と、測定対象の吸収線の波長との関係を示す模式図である。濃度測定装置１０Ａ、１０Ｂは、レーザ光を用いた差分吸収法によって測定対象Ｓの濃度を測定する。測定対象Ｓは、例えば、工場の煙突などから排出される二酸化炭素ガスである。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の濃度測定装置１０Ａは、レーザ光源１１Ａと、波長変換器１２と、波長測定器１３と、光検出器１４と、濃度算出部１５とを備えている。これらは筐体４０内に納められており、濃度測定装置１０Ａの筐体４０から出射したレーザ光（後述のプローブ光１８Ａ）は、少なくとも、測定対象Ｓを経由して再び濃度測定装置１０Ａの筐体４０に到達するまでの間、大気中を進行する。

レーザ光源１１Ａは、波長変換器１２に入力されるポンプ光（励起光）１６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、測定対象Ｓの吸収線（吸収波長）や波長変換器１２における波長変換の仕様（変換方法、出力波長など）に応じて選定される。本実施形態では、レーザ光源１１Ａとして、パルスレーザであるＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する。Ｎｄ：ＹＡＧレーザは、二倍波である５３２ｎｍのパルスレーザ光を、１０Ｈｚ～数ｋＨｚの繰り返し周波数で出力する。レーザ光のパルス幅は、例えば数ｎｓ～数十ｎｓである。

波長変換器１２は、レーザ光源１１Ａからポンプ光１６を受け、波長変換によってモニタ光１７と測定対象Ｓのプローブ光１８とを出力する。波長変換によるモニタ光１７の波長は、後述する波長測定器１３の光検出器２２が検出可能な波長帯の波長に設定される。このような波長帯は例えば可視領域から近赤外領域である。また、プローブ光１８は、測定対象Ｓによって吸収される波長（即ちオン波長）の光、或いは、測定対象Ｓによって吸収されない波長（即ちオフ波長）の光である。後述の通り、オン波長のプローブ光１８とオフ波長のプローブ光１８は、非線形光学結晶３３の角度調整により、モニタ光１７と共に所定の周期で交互に出力される。

図３に示すように、波長変換器１２は、反射面が対向するように入射光（本実施形態ではポンプ光１６）の光軸（光路）３０に沿って配置された終端鏡３１と出力鏡３２とを有する。終端鏡３１と出力鏡３２との間隔Ｄは例えば２０ｍｍである。更に、終端鏡３１と出力鏡３２の間の光軸３０上には、波長変換を行う光学素子として、非線形光学結晶３３が設けられている。非線形光学結晶３３は、ポンプ光１６による光パラメトリック効果によって、アイドラ光としてのオン波長又はオフ波長のプローブ光１８を発生すると共に、シグナル光としてのモニタ光１７を発生する。モニタ光１７はオン波長又はオフ波長のプローブ光１８の各波長よりも短く、ポンプ光１６の波長はモニタ光１７の波長よりも短い。

終端鏡３１は、ポンプ光１６を透過させ、且つ、非線形光学結晶３３によって発生したプローブ光１８及びモニタ光１７を反射する波長特性を有する。ポンプ光１６の波長はプローブ光１８及びモニタ光１７の各波長よりも短いので、終端鏡３１は所謂ロングパスフィルター（ＬＰＦ）である。一方、出力鏡３２も、終端鏡３１と同じく、プローブ光１８及びモニタ光１７を反射する波長特性を有する。つまり、終端鏡３１及び出力鏡３２は所謂光共振器を構成する。終端鏡３１及び出力鏡３２の反射率は、プローブ光１８及びモニタ光１７に対して５０～９９．５％である。

非線形光学結晶３３は例えばＫＴＰ結晶やＢＢＯ結晶であり、ポンプ光１６による光パラメトリック効果によってプローブ光１８と、モニタ光１７とを発生する。オン波長のプローブ光１８の中心波長λｏｎは例えば２００４ｎｍ、オフ波長のプローブ光１８の中心波長λｏｆｆは例えば１９９８ｎｍである（図４参照）。この場合、モニタ光１７の波長は、オン波長のプローブ光１８が発生しているときに７２４ｎｍであり、オフ波長のプローブ光１８が発生しているときに７２５ｎｍである。

非線形光学結晶３３によって発生する光の波長は、光軸３０に対する結晶の光学軸３３ａ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３３は、この角度θを調整できるように回転ステージ３４に搭載されている。回転ステージ３４の回転と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１８が、モニタ光１７と共に、出力鏡３２から交互に出射される。

回転ステージ３４の回転及び設定角度は制御部（図示せず）によって制御される。角度θの微調整により、プローブ光１８とモニタ光１７の各波長を精度良く（例えば０．０１ｎｍ～０．１ｎｍ刻みで）制御できる。

測定対象Ｓは吸収線３５を複数もつ場合が多い。オン波長のプローブ光１８の中心波長λｏｎは、これら吸収線３５のうちの何れかの波長に一致している。但し、中心波長λｏｎと吸収線３５の波長の一致度は厳密ではなく、少なくとも吸収線３５の波長が、オン波長のプローブ光１８の線幅内に含まれていればよい。

モニタ光１７及びプローブ光１８は、波長変換器１２から出力した後、ダイクロイックミラー１９に入射する。ダイクロイックミラー１９のカットオフ波長は、モニタ光１７の波長とプローブ光１８の波長の間の値に設定されている。従って、モニタ光１７及びプローブ光１８は、共通の光路を経てダイクロイックミラー１９に入射した後、個別の光路に進行する。例えば、プローブ光１８はダイクロイックミラー１９を透過し、モニタ光１７はダイクロイックミラー１９によって反射される（図１参照）。

ダイクロイックミラー１９を経たプローブ光１８は、ビームスプリッタ２０に入射する。ビームスプリッタ２０は、プローブ光１８を、個別の光路を進行するプローブ光１８Ａ、１８Ｂに分岐させる。例えば、プローブ光１８Ａはビームスプリッタ２０を透過し、プローブ光１８Ｂはビームスプリッタ２０によって反射される（図１参照）。

ビームスプリッタ２０の分岐比（即ち反射率及び透過率）は予め設定されている。従って、後述の濃度算出部１５によって、プローブ光１８Ｂの強度を測定することで、波長変換器１２を出射した直後のプローブ光１８の強度、換言すれば、測定対象Ｓに入射する前のプローブ光１８Ａの強度を逆算できる。後述の通り、濃度算出部１５は測定対象Ｓを通過する前後のプローブ光１８の強度から測定対象Ｓの濃度を算出する。従って、プローブ光１８Ｂの強度は、濃度算出部１５がプローブ光１８Ａの透過率を算出する際の基準値として使用できる。

プローブ光１８Ａは、ビームスプリッタ２０を出射した後、測定対象Ｓを経由してビームスプリッタ２１に入射する。例えば、プローブ光１８Ａは、測定対象Ｓを通過し、測定対象Ｓの背後にある建築物等（図示せず）によって反射される。その後、プローブ光１８Ａは、再び測定対象Ｓを通過し、ビームスプリッタ２１に入射する。このとき、プローブ光１８Ａがオン波長の光であれば、プローブ光１８Ａの一部が測定対象Ｓの濃度に応じて吸収される。また、プローブ光１８Ａがオフ波長の光であれば、プローブ光１８Ａは測定対象Ｓに吸収されずに通過する。

プローブ光１８Ｂは、濃度測定装置１０Ａの筐体４０内を進行し、ビームスプリッタ２１に入射する。つまり、プローブ光１８Ｂは測定対象Ｓを経由しない。従って、プローブ光１８Ａと異なり、プローブ光１８Ｂは実質的に減衰しない。また、プローブ光１８Ｂの光路長（即ち、プローブ光１８Ｂが進行するビームスプリッタ２０からビームスプリッタ２１までの距離）は、プローブ光１８Ａの光路長よりも十分に短い。即ち、プローブ光１８Ｂの光路長は、後述する光検出の時間分解を可能にする値に設定されている。

ビームスプリッタ２１は、測定対象Ｓから到達するプローブ光１８Ａの光路と、ビームスプリッタ２０から到達するプローブ光１８Ｂの光路とを合流させ、各光路の光を光検出器１４に導く。

光検出器１４は、プローブ光１８Ａとプローブ光１８Ｂを検出する。本実施形態では、光検出器１４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、プローブ光１８の光路におけるビームスプリッタ２１の前段には、レンズ等の光学系２３が設けられている。光学系２３は筐体４０内に設置され、プローブ光１８Ａの集光率を向上させている。

濃度算出部１５は、光検出器１４によって検出されたオン波長及びオフ波長のプローブ光１８の各透過率（吸光度）から測定対象Ｓの濃度を算出する。具体的には、濃度算出部１５は、オフ波長のプローブ光１８Ａとオフ波長のプローブ光１８Ｂの各強度から、オフ波長のプローブ光１８Ａの透過率（第１の透過率）を算出する。濃度算出部１５は、更に、オン波長のプローブ光１８Ａとオン波長のプローブ光１８Ｂの各強度から、オン波長のプローブ光１８Ａの透過率（第１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。これを考慮して、濃度算出部１５は、第１の透過率を用いて第２の透過率から第３の透過率を逆算し、第３の透過率から測定対象Ｓの濃度を算出する。

なお、プローブ光１８Ａとプローブ光１８Ｂは、それぞれの光路長の差によって光検出器１４への到達時間が異なっている。また、オン波長とオフ波長は所定の周期で交互に設定される。従って、上述の濃度算出において、濃度算出部１５は時間分解しながら光検出器１４の検出信号を受信することで、当該検出信号を発生した光が、プローブ光１８Ａあるいはプローブ光１８Ｂであるか、また、その光がオン波長のものであるか、オフ波長のものであるかが、特定される。つまり、検出するタイミングの違いから４種類の光を特定でき、これにより濃度の算出が可能になる。

次に、本実施形態におけるプローブ光１８の波長測定について説明する。下記の通り、波長測定器１３によりモニタ光１７の波長を測定することで、間接的にプローブ光１８の波長を特定することができる。

上述の通り、波長変換器１２はポンプ光１６からモニタ光１７及びプローブ光１８を生成し、ダイクロイックミラー１９はこれらの光のうちのモニタ光１７を波長測定器１３に導く。波長測定器１３は、ダイクロイックミラー１９から出射したモニタ光１７の波長を測定する。

波長測定器１３は回折格子等を用いた分散型の分光器、或いは、干渉計を用いたフーリエ変換型の分光器であり、モニタ光１７を受ける光検出器２２を含む。光検出器２２は、可視領域から近赤外領域（０．５３２μｍ～１．０６４μｍ）に感度を持つ。このような検出器は、例えばシリコンフォトダイオードである。シリコンフォトダイオードは０．２μｍ～１．１μｍに感度をもち、比較的廉価な光検出器として知られている。ただし、光検出器２２はシリコンフォトダイオードに限られず、可視領域に感度を持つ他の廉価な光検出器でもよい。

モニタ光１７及びプローブ光１８は、光パラメトリック効果によってポンプ光１６から発生した光である。従って、モニタ光１７の角周波数及びプローブ光１８の角周波数の和は、ポンプ光１６の角周波数に等しい。換言すれば、モニタ光１７及びプローブ光１８の各波長の逆数（即ち波数）の和は、ポンプ光１６の波長の逆数（波数）に等しい。一方、ポンプ光１６の波長は既知である。従って、モニタ光１７の波長を測定することによって、プローブ光１８の波長を逆算できる。さらに、モニタ光１７は、波長変換器１２における非線形光学結晶３３の精密な角度調整によって、高精度に特定できる。従って、赤外域にあるプローブ光１８の波長も高精度に特定できる。

本実施形態では、モニタ光１７の波長は波長変換器１２によって可視領域から近赤外領域の波長に設定される。一方、光検出器２２はこの波長を含む波長帯に感度を有する。一般的にシリコンフォトダイオードのように可視領域から近赤外領域に感度をもつ光検出器は、他の波長帯に感度をもつ光検出器よりも廉価であり、冷却器を不要とした簡便な構成で波長測定器１３を構築できる。その結果、濃度測定装置全体の小型化と、製造コストの増大を抑えることができる。

（第２実施形態）
次に第２実施形態について説明する。なお、図２に示す構成において第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図２に示すように、第２実施形態ではレーザ光源１１Ａの代わりにレーザ光源１１Ｂが用いられる。レーザ光源１１Ｂは、測定対象Ｓのプローブ光１８を発生する波長可変赤外レーザである。レーザ光源１１Ｂは、オン波長のプローブ光１８の発生と、オフ波長のプローブ光１８の発生を所定の周期で交互に切り替える。プローブ光１８はビームスプリッタ２０を経て、プローブ光１８Ａ及びプローブ光１８Ｂに分岐する。分岐したプローブ光１８Ａ及びプローブ光１８Ｂは、ビームスプリッタ２１を経て、光検出器１４によって検出され、検出された各プローブ光の強度から濃度算出部１５によって測定対象Ｓの濃度が算出される。

プローブ光１８はレーザ光源１１Ａによって直接生成され、測定対象Ｓに入射する。従って、レーザ光源１１Ａからビームスプリッタ２０までの間に、ダイクロイックミラー１９を設置する必要はない。その代わり、第２実施形態では、ダイクロイックミラー１９が設置された箇所に、ビームスプリッタ２４が設置される。ビームスプリッタ２４は所定の分岐比で、プローブ光１８を分岐する。分岐した一方のプローブ光１８はビームスプリッタ２０に入射する。分岐した他方のプローブ光１８は波長変換器１２に入射する。つまり、本実施形態では、波長変換器１２の光軸３０がプローブ光１８の光路に一致する。

波長変換器１２は、プローブ光１８をモニタ光１７に変換する。この場合、プローブ光１８は既に測定対象Ｓの吸収線及びその付近の波長に設定されている。そのため、波長変換器１２は、非線形光学結晶３３を用いて、プローブ光１８の逓倍波（例えば２倍波）をモニタ光１７として発生する。非線形光学結晶３３は、例えば、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＤＫＤＰ、ＬｉＮｂＯ_３などの結晶である。

波長測定器１３は、波長変換器１２から出射したモニタ光１７の波長を測定する。この測定は第１実施形態で述べたものと同一であり、光検出器２２にはシリコンフォトダイオードなどの可視領域から近赤外領域に感度をもつ光検出器が用いられる。

なお、図３に示す波長変換器１２は、１対の鏡（終端鏡３１、出力鏡３２）と、その間に非線形光学結晶３３を設けた所謂パラメトリック発振器（ＯＰＯ）である。しかしながら、光検出器２２の感度或いは出力されたモニタ光１７の強度が十分に得られる状況であれば、１対の鏡（終端鏡３１、出力鏡３２）を省略してもよい。この場合、波長変換器１２は、パラメトリック発振器（ＯＰＧ）或いはパラメトリック増幅器（ＯＰＡ）として機能する。

第２実施形態でも、第１実施形態と同様の効果が得られる。即ち、レーザ光源１１Ｂの波長を直接制御するため、その波長を高精度に設定でき、モニタ光１７の波長も高精度に特定できる。従って、赤外域にあるプローブ光１８の波長も高精度に特定できる。また、可視領域から近赤外領域に感度をもつ光検出器が用いられるため、濃度測定装置全体の小型化と、製造コストの増大を抑えることができる。

なお、本実施形態では測定対象として二酸化炭素ガスを挙げたが、測定対象はこれに限られず、メタンガスなど他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。

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。

１０Ａ…濃度測定装置、１０Ｂ…濃度測定装置、１１Ａ…レーザ光源、１１Ｂ…レーザ光源、１２…波長変換器、１３…波長測定器、１４…光検出器、１５…濃度算出部、１６…ポンプ光（励起光）、１７…モニタ光、１８、１８Ａ、１８Ｂ…プローブ光、１９…ダイクロイックミラー、２０、２１、２４…ビームスプリッタ、２２…光検出器、２３…光学系、３０…光軸（光路）、３１…終端鏡、３２…出力鏡、３３…非線形光学結晶、３３ａ…光学軸、３４…回転ステージ、３５…吸収線、４０…筐体、Ｄ…間隔、Ｓ…測定対象

Claims

ポンプ光を発生するレーザ光源と、
前記レーザ光源から前記ポンプ光を受け、波長変換によってモニタ光と測定対象のプローブ光とを出力する波長変換器と、
前記モニタ光の波長に感度をもつ光検出器を含む前記モニタ光の波長測定器と、
前記測定対象を通過する前後の前記プローブ光の強度から前記測定対象の濃度を算出する濃度算出部と
を備え、
前記波長変換による前記モニタ光の波長は、前記光検出器が感度をもつ可視領域から近赤外領域の波長に設定され、
前記光検出器はシリコンフォトダイオードである、
濃度測定装置。
測定対象のプローブ光を発生するレーザ光源と、
前記レーザ光源から前記プローブ光を受け、波長変換によってモニタ光を出力する波長変換器と、
前記モニタ光の波長に感度をもつ光検出器を含む前記モニタ光の波長測定器と、
前記測定対象を通過する前後の前記プローブ光の強度から前記測定対象の濃度を算出する濃度算出部と
を備え、
前記波長変換による前記モニタ光の波長は、前記光検出器が感度をもつ可視領域から近赤外領域の波長に設定され、
前記光検出器はシリコンフォトダイオードである、
濃度測定装置。