WO2010055715A1 - 気体成分濃度測定装置 - Google Patents

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淳 伊澤
靖徳 濱野
伸彦 久保田
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株式会社Ihi
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    • G01N2021/392—Measuring reradiation, e.g. fluorescence, backscatter

Definitions

  • the present invention relates to a gas component concentration measuring apparatus that measures the concentration of a target component in a gas using laser light.
  • the concentration of the specific target component contained in the gas can be measured by the following method.
  • a laser beam having an absorption wavelength ⁇ 1 specific to the target component is emitted from a laser emitting device to a gas in the distance.
  • Scattered light obtained by scattering the laser light having the absorption wavelength ⁇ 1 by dust in the gas or the gas itself is detected by a photodetector provided in the vicinity of the laser irradiation device.
  • a difference occurs in the time of the scattered light detection by the photodetector in accordance with the distance between the laser emission device and the laser light scattering position.
  • the attenuation factor of the light of wavelength ⁇ 1 in the section with respect to the laser beam at the time of emission is obtained.
  • the attenuation rate of the light having the wavelength ⁇ 1 in the section and the attenuation rate of the light having the wavelength ⁇ 2 in the section the attenuation ratio of the light by the target component can be obtained.
  • the concentration of the target component in the section can be obtained from the attenuation rate and known reference data.
  • the intensity of scattered light scattered by dust in the gas or by the gas itself is extremely small. Therefore, it is necessary to use a laser emission device that emits a sufficiently high intensity laser beam so that the photodetector can detect the scattered light.
  • a laser emission device that emits a sufficiently high intensity laser beam so that the photodetector can detect the scattered light.
  • the laser intensity is emitted outdoors, there is a restriction on the laser intensity from the viewpoint of safety. In order to compensate for such laser intensity, it is necessary to use a large-sized, difficult to handle and high-cost condensing device to detect weak scattered light.
  • the scattered light is reflected at all angles, the scattered light attenuates in proportion to the square of the distance. Therefore, the intensity of the scattered light from one end of the section to be measured and the scattered light from the other end of the section are greatly different at the position of the photodetector. Therefore, a photodetector having a wide detectable intensity range is required, so that the photodetector is expensive.
  • an object of the present invention is to obtain a sufficiently large photodetection value and measure the concentration of a target component in a desired section without using a laser emitting device having a high emission laser intensity or a large condensing device.
  • An object of the present invention is to provide a gas component concentration measuring apparatus capable of performing
  • a gas component concentration measurement device that emits laser light into a gas and detects the concentration of a target component in the gas based on the laser light that has passed through the gas.
  • a laser emitting device that emits a first laser beam whose wavelength is the light absorption wavelength of the target component, and a second laser beam whose wavelength is the non-absorption wavelength of the target component;
  • First and second scatterers that are located within the irradiation range of the first laser beam and the second laser beam, and are spaced from each other in the emission direction of the first laser beam and the second laser beam, The first scattered light of the first laser light scattered by the first scatterer, the second scattered light of the second laser light scattered by the first scatterer, and the second scattered light scattered by the second scatterer.
  • a gas component concentration measuring device is provided, characterized by comprising a concentration calculating device.
  • the concentration of the target component is calculated based on the detected values of the scattered light scattered by the first and second scatterers, not the scattered light scattered by the gas. Even without using a laser emitting device having a high emission laser intensity or a large condensing device, a sufficiently large photodetection value can be obtained and the concentration of the target component in the desired section can be measured. In other words, since the laser scattered light scattered by the gas is weak, a sufficiently large scattered light detection value for calculating the target component concentration can be obtained unless a laser emitting device or a large condensing device with high emission laser intensity is used. Can not.
  • the first and second scatterers are provided, and the strong scattered light from the first and second scatterers is detected. Even if not used, a sufficiently large scattered light detection value for calculating the target component concentration can be obtained, and the concentration of the target component in the desired section can be calculated.
  • first and second scatterers are scatterers that scatter laser light over a predetermined wide range, the first and second scatterers need to be accurately aligned with the laser emitting device. Disappears.
  • the second scatterer is arranged at a position farther from the photodetector than the first scatterer, The second scatterer scatters more laser light than the first scatterer.
  • the second scatterer is arranged at a position farther from the photodetector than the first scatterer, and the second scatterer scatters more laser light than the first scatterer. Therefore, as described below, scattered light from the second scatterer located at a distant position can reach the photodetector with an appropriate intensity. Scattered light is scattered in various directions, and its intensity decreases in proportion to the square of the propagation distance. Therefore, the intensity of the scattered light from the second scatterer at a position away from the photodetector is greater than the intensity of the scattered light from the first scatterer at the photodetector side at the position of the photodetector. Will be much smaller. For this reason, the detectable intensity range of the photodetector must be set large.
  • the second scatterer scatters a lot of laser light, so that the scattered light from the second scatterer can reach the photodetector with an appropriate intensity.
  • the intensity of the scattered light from the second scatterer when it reaches the photodetector is obtained from the first scatterer.
  • the intensity can be the same as (preferably the same) as the intensity of the scattered light when it reaches the photodetector.
  • a photodetector having a small detectable intensity range can also be used.
  • each of the first and second scatterers has a shape in which a plurality of wire-like members are arranged at intervals, a lattice shape, or a spherical shape.
  • a sufficiently large light detection value can be acquired and the concentration of the target component in a desired section can be measured without using a laser emitting device having a high emission laser intensity or a large condensing device.
  • the waveform of the detection signal acquired by the photodetector is shown.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a gas component concentration measuring apparatus 10 according to a first embodiment of the present invention.
  • the gas component concentration measuring device 10 is a device that emits laser light into a gas and detects the concentration of the target component of the gas based on the laser light that has passed through the gas.
  • the target component is, for example, carbon dioxide, ammonia, methane, a sulfurized gas (SO x ) such as sulfur dioxide gas (SO 2 ), or a nitrogen oxidizing gas (NO x ) such as nitrogen monoxide (NO).
  • the gas component concentration measuring device 10 includes a laser emitting device 3, first and second scatterers 5 and 7, a photodetector 9, and a concentration calculating device 11.
  • the laser emitting device 3 emits a first laser light having a wavelength of the light absorption wavelength ⁇ 1 of the target component and a second laser light having a wavelength of the non-absorption wavelength ⁇ 2 of the target component.
  • the first laser light has only the wavelength component of the light absorption wavelength ⁇ 1
  • the second laser light does not contain the component of the light absorption wavelength ⁇ 1 .
  • the laser emitting device 3 has an optical system (not shown) that spreads the laser light to an appropriate dimension in a direction orthogonal to the traveling direction of the laser light. By this optical system, the laser light is emitted from the laser emitting device 3 with the above dimensions. With this dimension, the laser beam can be easily applied to the first and second scatterers 5 and 7.
  • the first and second scatterers 5 and 7 are located within the irradiation range of the first laser beam and the second laser beam, and are spaced apart from each other in the emission direction of the first laser beam and the second laser beam. Be placed. This interval can be set arbitrarily.
  • the photodetector 9 includes a first scattered light of the first laser light scattered by the first scatterer 5, a second scattered light of the second laser light scattered by the first scatterer 5, and a second The third scattered light of the first laser light scattered by the second scatterer 7 and the fourth scattered light of the second laser light scattered by the second scatterer 7 are detected.
  • the concentration calculation device 11 determines whether the first scatterer 5 and the second scatterer 7 are based on the detection values of the first, second, third, and fourth scattered light acquired by the photodetector 9. The concentration of the target component in the interval is calculated.
  • the configuration of the gas component concentration measuring apparatus 10 will be described in more detail.
  • the second scatterer 7 is arranged at a position farther from the photodetector 9 than the first scatterer 5.
  • the second scatterer 7 scatters laser light more than the first scatterer 5.
  • the first and second scatterers 5 and 7 are formed by arranging a plurality of wire-like members in parallel at a predetermined interval.
  • the density of the member may be higher than the density of the wire member in the second scatterer 7.
  • the first scatterer 5 has a shape in which a plurality of wire-like members are arranged in parallel with a predetermined distance L 1 from the laser emitting device 3.
  • the defect is complemented by light diffraction after passing through the first scatterer 5. Therefore, the defect is complemented by the size of the constituent elements (wire-like members) of the first scatterer 5 until the laser light that has passed through the first scatterer 5 reaches the second scatterer 7.
  • the first and second scatterers 5 and 7 do not have to be permanently installed at both ends of the section for measuring the target component concentration. That is, only when measuring the target component concentration, the first and second scatterers 5 and 7 need only be temporarily arranged at both ends of the section.
  • the photodetector 9 has a convex lens 9a as a condensing device.
  • the convex lens 9a since the first to fourth scattered light having relatively high intensity reaches the photodetector 9, the convex lens 9a may not be large.
  • FIG. 2 shows a detection signal acquired by the photodetector 9.
  • the horizontal axis indicates time
  • the vertical axis indicates a voltage value proportional to the intensity of the first, second, third, and fourth scattered light.
  • the detection signal is displayed on a display device (not shown).
  • t 1 2L 1 / c
  • t 2 2L 2 / c.
  • c is the speed of light.
  • the concentration of the target component in the section from the first scatterer 5 to the second scatterer 7 can be calculated as follows.
  • T x ( ⁇ x ) T x ′ ⁇ exp ⁇ 2 ⁇ ( ⁇ x ) ⁇ N x ⁇ L x ⁇ (1)
  • T x ( ⁇ x ) transmittance for light having wavelength ⁇ x at distance L 1 or L 2 shown in FIG.
  • T x ′ light transmittance due to factors other than light absorption of gas at the distance L 1 or L 2 shown in FIG.
  • ⁇ ( ⁇ x ) light absorption coefficient of the target component per unit length and unit concentration for light of wavelength ⁇ x
  • N x average concentration of the target component at distance L x
  • L x Distance L 1 or L 2 shown in FIG.
  • the light detection intensity by the photodetector 9 is proportional to T x ( ⁇ x), when the E transform coefficients to voltage T x ( ⁇ x), for L 1, the following equation (2 ), (3) holds.
  • V 1 ( ⁇ 1 ) E ⁇ T 1 ′ ⁇ exp ⁇ 2 ⁇ ( ⁇ 1 ) ⁇ N 1 ⁇ L 1 ⁇ (2)
  • V 1 ( ⁇ 2 ) E ⁇ T 1 ′ ⁇ exp ⁇ 2 ⁇ ( ⁇ 2 ) ⁇ N 1 ⁇ L 1 ⁇ (3)
  • Equation (4) is obtained.
  • N 1 ⁇ ln ⁇ V 1 ( ⁇ 1 ) / V 1 ( ⁇ 2 ) ⁇ / 2L 1 ⁇ ( ⁇ 1 ) ⁇ ( ⁇ 2 ) ⁇ (5)
  • N 2 ⁇ ln ⁇ V 2 ( ⁇ 1 ) / V 2 ( ⁇ 2 ) ⁇ / 2L 2 ⁇ ( ⁇ 1 ) ⁇ ( ⁇ 2 ) ⁇ (6)
  • Nt (N 1 ⁇ L 1 ⁇ N 2 ⁇ L 2 ) / (L 2 ⁇ L 1 ) (7)
  • the concentration Nt of the target component can be calculated by substituting the equations (5) and (6) and L 1 and L 2 into the equation (7).
  • Such calculation of the density Nt is executed by the density calculation device 11. That is, the calculations of equations (5) to (7) are executed by the concentration calculation device 11.
  • the concentration of the target component in the gas is not based on the scattered light scattered by the gas but based on the detected values of the scattered light by the first and second scatterers 5 and 7. Therefore, it is possible to obtain a sufficiently large light detection value and measure the concentration of the target component in a desired section without using a laser emitting device having a high emission laser intensity or a large condensing device. That is, since the laser scattered light scattered by the gas is weak, a sufficiently large scattered light detection value for calculating the target component concentration can be obtained unless the laser emitting device 3 or the large condensing device having a high emission laser intensity is used. I can't.
  • the first and second scatterers 5 and 7 are provided, and the strong scattered light from the first and second scatterers 5 and 7 is detected. Even without using the device 3 or the large condensing device, a sufficiently large scattered light detection value for calculating the target component concentration can be obtained, and the concentration of the target component in the desired section can be calculated.
  • first and second scatterers 5 and 7 are scatterers that scatter laser light over a predetermined wide range, the direction of the first and second scatterers 5 and 7 is determined by the laser emitting device 3. It is no longer necessary to match exactly with respect to.
  • the scattered light from the second scatterer 7 can reach the photodetector 9 with an appropriate intensity.
  • the intensity of the scattered light from the second scatterer 7 when the second scatterer 7 reaches the light detector 9 is set by appropriately setting the degree of scattering of the laser light by the first scatterer 7.
  • the intensity of the scattered light from the scatterer 5 is the same as the intensity when it reaches the photodetector 9.
  • the photodetector 9 having a small detectable intensity range can be used.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of the gas component concentration measuring apparatus 10 according to the second embodiment of the present invention.
  • the first and second scatterers 5 and 7 are obtained by intentionally adding scratches, dirt, inclusions, or a combination thereof to glass.
  • Other configurations in the second embodiment are the same as those in the first embodiment.
  • the second scatterer 7 since the second scatterer 7 scatters more laser light than the first scatterer 5, the degree and density of scratches, dirt, inclusions, etc. added to the glass 7. Is larger than the degree and density of scratches, dirt, inclusions and the like added to the glass 5.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of the gas component concentration measuring apparatus 10 according to the second embodiment of the present invention.
  • the first and second scatterers 5 and 7 are spherical members attached to the tip of the pole.
  • Other configurations in the third embodiment are the same as those in the first embodiment.
  • the number of spherical members constituting the second scatterer 7 is shown in FIG. 4. The number of spherical members constituting the first scatterer 5 is increased.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a gas component concentration measurement system 20 using the gas component concentration measurement device 10 described above.
  • This gas component concentration measurement system 20 includes the gas component concentration measurement device 10, the environment observation satellite 13, the data analysis device 15, the display device 17, and the moving means of the first embodiment, the second embodiment, or the third embodiment described above. 19
  • the environmental observation satellite 13 detects reflected light reflected by the sun or the surface of the water, and transmits this detection data.
  • the detection data also includes position data indicating the passage area of the reflected light.
  • the data analysis device 15 receives the detection data transmitted from the environment observation satellite 13 and analyzes the detection data. This analysis is to determine whether there is a region where the concentration of the target component is higher than a predetermined specified value. If the data analysis device 15 determines that there is a region where the concentration of the target component is higher than a predetermined specified value, the data analysis device 15 outputs an abnormal signal indicating that it is abnormal. This abnormal signal also includes position information indicating the position / area of the area where the concentration of the target component is higher than a predetermined specified value.
  • the display device 17 receives the abnormal signal from the data analysis device 15, and based on the abnormal signal, the gas component having a concentration higher than the prescribed value and the concentration of the gas component being higher than the prescribed value. Display position / area. A person can see the display and move the gas component concentration measuring apparatus 10 to the destination (the position / region or the vicinity thereof) by the moving means 19.
  • the display device 17 may be mounted on the moving unit 19.
  • the moving unit 19 is a vehicle on which the gas component concentration measuring device 10 is loaded, but may be an aircraft, a balloon, an airship, a ship, or the like on which the gas component concentration measuring device 10 is loaded.
  • the moving means 19 reaches the destination, a person arranges the laser emitting device 3, the photodetector 9, and the first and second scatterers 5 and 7 at desired positions as shown in FIG.
  • the laser emitting device 3 and the photodetector 9 may remain mounted on the moving unit 19. If the 1st and 2nd scatterers 5 and 7 are arrange
  • the gas component concentration measurement system 20 described above it is possible to investigate whether there is a region where the target component of the gas has an abnormal concentration based on the detection data from the environment observation satellite 13, and when such a region exists.
  • the concentration can be measured in detail by the gas component concentration measuring device 10 after moving to the region by the moving means 19.
  • the concentration abnormal value of the gas target component can be detected in detail over a wide range, and the gas component concentration measuring device 10 only needs to be temporarily arranged in the measurement region only during the concentration measurement.
  • the scatterers used in the present invention may be scatterers other than those described in each embodiment.
  • the two scatterers 5 and 7 are used. However, three or more scatterers are positioned within the irradiation range of the first laser light and the second laser light, and the first laser is used. You may arrange
  • the sixth scattered light of the scattered second laser light is also detected, and the concentration calculation device 11 is based on the detection values of the third, fourth, fifth and sixth scattered light acquired by the photodetector 9.
  • the concentration of the target component between the second scatterer 7 and the third scatterer is also calculated simultaneously.

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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隔てて配置される第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。

Description

気体成分濃度測定装置
　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λ１を持つレーザ光を射出する。吸収波長λ１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λ１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λ２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λ２の光の減衰率を求める。
　前記区間における波長λ１の光の減衰率と、前記区間における波長λ２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、微弱な散乱光を検出するために大型で取り扱いが困難かつコストの高い集光装置などを用いる必要があった。
　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。
　本発明は上述した従来の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、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することが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離れた位置に配置され、
　第２の散乱体は、第１の散乱体よりも多くレーザ光を散乱させる。
　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離れた位置に配置され、第２の散乱体は、第１の散乱体よりも多くレーザ光を散乱させるので、次のように、離れた位置にある第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、光検出器から離れた位置にある第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の散乱体は多くレーザ光を散乱させるので、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隔てて配置した形状、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。
　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（ＳＯ２）などの硫化ガス（ＳＯｘ）、または、一酸化窒素（ＮＯ）などの窒素酸化ガス（ＮＯｘ）である。
　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λ１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λ２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λ１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λ１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所定の間隔を隔てて配置される。この間隔は、任意に設定することができる。
　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よりも光検出器９から離れた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は、第１の散乱体５よりも多くレーザ光を散乱させる。
　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所定の間隔を隔て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のがよい。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レーザ射出装置３から所定の間隔Ｌ１を隔て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レーザ射出装置３から所定の間隔Ｌ２を隔てて平行に配置された格子状のものを第２の散乱体７とする。
　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を有する。本実施形態では、比較的強度が大きい第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。この図において、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。検出信号は、表示装置（図示せず）に表示される。なおこの図において、ｔ１＝２Ｌ１／ｃであり、ｔ２＝２L２／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。
　Ｔｘ（λｘ）＝Ｔｘ’×ｅｘｐ｛－２α（λｘ）×Ｎｘ×Ｌｘ｝　・・・（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、
　Ｔｘ（λｘ）：図１に示す距離Ｌ１またはＬ２における、波長λｘを持つ光に対する透過率、
　Ｔｘ’：図１に示す距離Ｌ１またはＬ２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（λｘ）：波長λｘ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、
　Ｎｘ：距離Ｌｘにおける前記対象成分の平均濃度、
　Ｌｘ：図１に示す距離Ｌ１またはＬ２
　ここで、光検出器９による光検出強度は、Ｔｘ（λｘ）に比例するので、Ｔｘ（λｘ）から電圧への変換係数をＥとすると、Ｌ１について、次の式（２）、（３）が成り立つ。
Ｖ１（λ１）＝Ｅ×T１’×ｅｘｐ{－２α（λ１）×Ｎ１×L１}　・・・（２）
Ｖ１（λ２）＝Ｅ×T１’×ｅｘｐ{－２α（λ２）×Ｎ１×L１}　・・・（３）
　式（２）を式（３）で割ると、次の式（４）が得られる。
　Ｖ１（λ１）／Ｖ１（λ２）＝ｅｘｐ［－２Ｎ１Ｌ１｛α（λ１）－α（λ２）｝］　・・・（４）
　Ｖ１（λ１）、Ｖ１（λ２）は、光検出器９による計測で取得でき、Ｌ１、α（λ１）、α（λ２）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Ｎ１が求まる。
　　Ｎ１＝－ｌｎ｛Ｖ１（λ１）／Ｖ１（λ２）｝／２Ｌ１｛α（λ１）－α（λ２）｝　・・・（５）
　Ｌ２についても、同様にして、次の式（６）のようにＮ２が求まる。　
　Ｎ２＝－ｌｎ｛Ｖ２（λ１）／Ｖ２（λ２）｝／２Ｌ２｛α（λ１）－α（λ２）｝　・・・（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＝（Ｎ１×Ｌ１－Ｎ２×Ｌ２）／（Ｌ２－Ｌ１）　・・・（７）
　従って、式（７）に、式（５）、（６）およびＬ１、Ｌ２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が多くレーザ光を散乱させるので、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、第１の散乱体５よりも多くレーザ光を散乱させるために、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、第１の散乱体５よりも多くレーザ光を散乱させるために、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・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ＣＯ２である場合には、移動手段１９は、ＣＯ２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隔てて配置してもよい。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。

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隔てて配置される第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離れた位置に配置され、
    　第２の散乱体は、第１の散乱体よりも多くレーザ光を散乱させる、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. 　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隔てて配置した形状、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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