專利名稱：氣體成分濃度測定裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用激光對氣體中的對象成分的濃度進行測定的氣體成分濃度測定裝置和方法。
背景技術(shù)：
在氣體中包含的特定的對象成分的濃度能夠以下述方法測定。從激光射出裝置對位于遠(yuǎn)方的氣體射出具有對象成分所固有的吸收波長λ工的激光。利用在激光射出裝置的附近設(shè)置的光檢測器，對吸收波長λ工的激光通過氣體中的粉塵或氣體自身而散射的散射光進行檢測。在該情況下，對應(yīng)于激光射出裝置和激光的散射位置的距離，在光檢測器的散射光檢測時間中產(chǎn)生差。通過將該時間特性變換為距離特性， 獲得來自所希望的區(qū)間的散射光的檢測信號。進而，基于該檢測信號，求取相對于射出時的激光的、所述區(qū)間中的波長X1的光的衰減率。另一方面，對于位于遠(yuǎn)方的相同的氣體，從激光射出裝置射出具有所述對象成分的非吸收波長λ2的激光，由此同樣地求取相同的所述區(qū)間中的波長λ 2的光的衰減率?；谒鰠^(qū)間中的波長X1的光的衰減率、和所述區(qū)間中的波長λ2的光的衰減率，能夠求取所述對象成分的光的衰減率。進而，能夠根據(jù)該衰減率和已知的參照數(shù)據(jù)，求取所述區(qū)間中的所述對象成分的濃度。再有，作為本申請的在先技術(shù)文獻，有下述的專利文獻1、2。專利文獻1 日本專利第3861059號； 專利文獻2 日本專利第3699682號。在以上述的方法檢測氣體的對象成分的濃度的情況下，如下述那樣需要使用非常
昂貴的裝置。通過氣體中的粉塵或氣體自身而散射的散射光的強度顯著小。因此，為了光檢測器能夠檢測散射光，需要使用射出強度充分高的激光的激光射出裝置?？墒?，特別是在屋外射出激光的情況下，從安全性的觀點出發(fā)，有激光強度的制約。為了彌補這樣的激光強度，為了檢測出微弱的散射光，需要使用大型并難以操作且成本高的聚光裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是為了解決上述的現(xiàn)有的問題點而構(gòu)思的。即，本發(fā)明的目的在于提供一種氣體成分濃度測定裝置和方法，即使不使用射出激光強度高的激光射出裝置、大型且操作困難的聚光裝置，也能夠取得充分大的光檢測值，測定所希望區(qū)間中的對象成分的濃度。為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明，提供一種氣體成分濃度測定裝置，對氣體中射出激光，基于通過了該氣體的所述激光對所述氣體中的對象成分的濃度進行檢測，其特征在于，具備
3激光射出裝置，將波長為所述對象成分的光吸收波長的第1激光、和波長為所述對象成分的非吸收波長的第2激光以射到地表或水面的方式向斜下方射出；
光檢測器，在通過切換激光射出裝置的繞水平軸的朝向或高度，在第1和第2照射處所之間切換所述地表或水面的激光照射處所的情況下，檢測在第1照射處所中散射的第1激光的第1散射光、在第1照射處所中散射的第2激光的第2散射光、在第2照射處所中散射的第1激光的第3散射光、和在第2照射處所中散射的第2激光的第4散射光；以及
濃度計算裝置，基于通過所述光檢測器取得的第1、第2、第3和第4散射光的檢測值， 計算第1照射位置和第2照射位置之間的所述對象成分的濃度。根據(jù)上述本發(fā)明的氣體成分濃度測定裝置，因為不基于通過氣體散射的散射光， 而基于通過地表或水面散射的散射光的檢測值來計算對象成分的濃度，所以即使不使用射出激光強度高的激光射出裝置、大型聚光裝置，也能取得充分大的光檢測值，測定所希望區(qū)間中的對象成分的濃度。S卩，由于以氣體散射的激光散射光弱，所以不使用射出激光強度高的激光射出裝置、大型聚光裝置的話，就不能獲得充分大的對象成分濃度計算用的散射光檢測值。相對于此，在本發(fā)明中，利用地表或水面，檢測地表或水面導(dǎo)致的強散射光，因此即使不使用射出高強度激光的激光射出裝置、大型聚光裝置，也能獲得充分大的對象成分濃度計算用的散射光檢測值，能夠計算所希望區(qū)間中的對象成分的濃度。進而，僅切換激光射出裝置的繞水平軸的朝向或高度，就能夠簡單地變更對象成分的濃度測定區(qū)間。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，第1激光和第2激光在斜向下且接近于水平方向的朝向，從激光射出裝置向第1和第2照射處所射出。由此，能夠如下述那樣忽視濃度測定誤差。當(dāng)參照圖1、圖4時，雖然成為濃度測定的對象的區(qū)間的距離是L2-L1，但該距離L2-L1嚴(yán)密地說與第1照射處所fe和第2照射處所 5b的距離Lli2不一致。相對于此，在所述實施方式中，因為激光在斜向下且接近于水平方向的朝向(例如，以相對于水平面以1度以下的角度朝向斜下方的方向)向第1和第2照射處所fejb射出，所以能夠忽視上述距離的不一致。此外，為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明，提供一種氣體成分濃度測定方法，對氣體中射出激光，基于通過了該氣體的所述激光對所述氣體中的對象成分的濃度進行檢測，其特征在于，
使用激光射出裝置，將波長為所述對象成分的光吸收波長的第1激光、和波長為所述對象成分的非吸收波長的第2激光以向地表或水面照射的方式向斜下方射出，
通過切換所述激光射出裝置的繞水平軸的朝向或高度，在第1和第2照射處所之間切換所述地表或水面的激光照射處所，
以光檢測器檢測在第1照射處所中散射的第1激光的第1散射光、在第1照射處所中散射的第2激光的第2散射光、在第2照射處所中散射的第1激光的第3散射光、和在第2 照射處所中散射的第2激光的第4散射光，
基于通過所述光檢測器取得的第1、第2、第3和第4散射光的檢測值，計算第1照射位置和第2照射位置之間的所述對象成分的濃度。根據(jù)上述的本發(fā)明，即使不使用射出激光強度高的激光射出裝置、大型聚光裝置，
4也能夠取得充分大的光檢測值，測定所希望的區(qū)間中的對象成分的濃度。


圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式的氣體成分濃度測定裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖2是表示本發(fā)明的第1實施方式的氣體成分濃度測定方法的流程圖。圖3表示通過光檢測器取得的檢測信號的波形。圖4是表示本發(fā)明的第2實施方式的氣體成分濃度測定裝置的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式基于附圖對用于實施本發(fā)明的最優(yōu)的實施方式進行說明。再有，在各圖中對共同的部分賦予同一符號，省略重復(fù)的說明。[第1實施方式]
圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式的氣體成分濃度測定裝置10的結(jié)構(gòu)圖。該氣體成分濃度測定裝置10是對氣體中射出激光，基于通過了該氣體的所述激光來檢測所述氣體的對象成分的濃度的裝置。該對象成分例如是二氧化碳、氨、甲烷、二氧化硫氣體(SO2)等的硫化氣體(SOx)、或一氧化氮(NO)等的氧化氮氣體(NOx)。氣體成分濃度測定裝置10具備激光射出裝置3、光檢測器9、以及濃度計算裝置 11。激光射出裝置3將波長為所述對象成分的光吸收波長λ工的第1激光、和波長為所述對象成分的非吸收波長λ2的第2激光以射到地表或水面5的方式向斜下方射出。優(yōu)選第1激光僅具有光吸收波長λ工的波長成分，第2激光不包含所述光吸收波長λ工的成分。如圖1所示，通過切換激光射出裝置3的繞水平軸的朝向，在第1和第2照射處所 5ajb之間切換所述地表或水面5中的激光照射處所。例如，激光射出裝置3以能夠繞規(guī)定的水平軸向任意的擺動位置擺動的方式被支撐體支承。通過使激光射出裝置3擺動，對其繞水平軸的朝向進行調(diào)節(jié)、變更，以適合的單元將激光射出裝置3保持在固定的擺動位置即可。在圖1中，實線表示朝向第1照射處所fe的激光射出裝置3，虛線表示朝向第2照射處所恥的激光射出裝置3。再有，第1和第2照射處所5ajb位于離激光射出裝置3的遠(yuǎn)方(在下述的例子中是IOOOm左右)。優(yōu)選第1激光和第2激光在斜向下且接近于水平方向的射出方向，從激光射出裝置3向第1和第2照射處所5ajb射出。該射出方向例如相對于水平面(即、地表或水面5) 以1度以下的角度朝向斜下方。因此，在圖1中，能夠看作是第1激光和第2激光水平地射出，能夠?qū)牡?照射處所fe到第2照射處所恥的距離Lli2看作是Lli2=L2-Lp再有，作為一個例子，L1是IOOOm左右，Llj2是10m。光檢測器9檢測在第1照射處所fe散射的第1激光的第1散射光、在第1照射處所fe散射的第2激光的第2散射光、在第2照射處所恥散射的第1激光的第3散射光、以及在第2照射處所恥散射的第2激光的第4散射光。光檢測器9作為聚光裝置具有凸透鏡9a。在本實施方式中，因為強度比較大的所述第廣第4散射光到達光檢測器9，所以凸透鏡9a不是大型的也可。再有，光檢測器9固定于激光射出裝置3，與激光射出裝置3整體地切換所述繞水平軸的朝向。濃度計算裝置11基于通過光檢測器9取得的第1、第2、第3和第4散射光的檢測值，計算第1照射位置fe和第2照射位置恥之間的對象成分的濃度。圖2是表示本發(fā)明的第1實施方式的氣體成分濃度測定方法的流程圖。該氣體成分濃度測定方法使用上述的氣體成分濃度測定裝置10來進行。針對該方法，省略與上述重復(fù)的說明，但在該方法中實施上述內(nèi)容。在步驟Sl中，使用激光射出裝置3，將波長為所述對象成分的光吸收波長λ工的第 1激光以射到地表或水面5的第1照射處所fe的方式向斜下方射出。在該例子中，通過使激光射出裝置3的繞水平軸的朝向為第1朝向，從而將第1激光向地表或水面5的第1照射處所fe照射。在步驟S2中，通過光檢測器9檢測在第1照射處所fe中散射的第1激光的第1 散射光。在步驟S3中，在將激光射出裝置3的繞水平軸的朝向維持在第1朝向的狀態(tài)下， 通過激光射出裝置3，將波長為所述對象成分的非吸收波長λ 2的第2激光向第1照射處所 5a照射。在步驟S4中，通過光檢測器9檢測在第1照射處所fe中散射的第2激光的第2 散射光。在步驟S5中，使激光射出裝置3的繞水平軸的朝向為第2朝向，通過激光射出裝置3，將波長為所述對象成分的光吸收波長λ工的第1激光從激光射出裝置3向第2照射處所5a照射。在步驟S6中，通過光檢測器9檢測在第2照射處所恥中散射的第1激光的第3 散射光。在步驟S7中，在將激光射出裝置3的繞水平軸的朝向維持在第2朝向的狀態(tài)下， 通過激光射出裝置3，將波長為所述對象成分的非吸收波長λ 2的第2激光向第2照射處所 5b照射。在步驟S8中，通過光檢測器9檢測在第2照射處所恥中散射的第2激光的第4 散射光。在步驟S9中，基于通過所述光檢測器9取得的第1、第2、第3和第4散射光的檢測值，計算第1照射位置fe和第2照射位置恥之間的所述對象成分的濃度。(濃度的計算)
圖3表示通過光檢測器9取得的檢測信號。具體地，是將在上述的步驟S2、S4、S6、S8 中取得的檢測信號重合了的圖表。在該圖中，橫軸表示時間，縱軸表示與上述的第1、第2、 第3和第4散射光的強度成比例的電壓值。橫軸的原點0表示從激光射出裝置3射出第 1激光或第2激光的時刻。在顯示裝置(未圖示)顯示檢測信號。再有在該圖中，、=21^八， t2=2L2/c。在這里，c是光速。利用朗伯-比爾定律，能夠以下述方式計算從第1照射處所fe到第2照射處所恥的區(qū)間(即，在圖1中以Lli2表示的區(qū)間)中的對象成分的濃度。在該計算中，如上述那樣， 看作是第1激光和第2激光水平地射出，進行看作是Lli2=L2-L1的近似。首先，根據(jù)朗伯-比爾定律，以下的數(shù)式(1)成立。
6
在該數(shù)式(1)中，各文字的定義如下所述。角標(biāo)x:l 或 2，
Tx(Ax)圖1表示的距離L1或L2中的、對具有波長光的透射率，
Tx'圖1表示的距離L1或1^2中的氣體的光吸收以外的原因?qū)е碌墓獾耐干渎剩?br> α (λχ)相對于波長λ χ的光的、每單位長度或單位濃度的所述對象成分的光吸收系
數(shù)，
Nx 距離Lx中的所述對象成分的平均濃度， Lx 圖1表示的距離L1或“。在這里，光檢測器9的光檢測強度與Τχ(λχ)成比例，因此當(dāng)將 WTxUx)向電壓的變換系數(shù)設(shè)為E時，針對L1,以下的數(shù)式(2)、(3)成立。
χ T ν χ e
χ N . χ 當(dāng)將數(shù)式(2)除以數(shù)式(3)時，獲得以下的數(shù)式(4λ
* / V1(A1)^V1(A2)能夠以光檢測器9的計測來取得，Lp α ( λ》、α ( λ 2)是已知的， 因此通過對數(shù)式(4)進行變形，以下述的數(shù)式(5)的方式求取K。
N . = - I η IV, { A ,) /Vi (λ ,) I /2 L , I Cr (λ τ) - C 4 , 針對L2，也同樣地以下述的數(shù)式(6)的方式求取Ν2。
N -- I η IV, (1,) /V , i λ ,) I /2 L - 1 α U :) — α 另一方面，求取的區(qū)間中的對象成分的濃度Nt以下述的數(shù)式(7)表示c
因此，通過將數(shù)式(5)、(6)以及LpL2代入數(shù)式(7)，能夠計算對象成分的濃度Nt。這樣的濃度Nt的計算通過濃度計算裝置11來執(zhí)行。即，數(shù)式(5廣(7)的運算通過濃度計算裝置11來執(zhí)行。根據(jù)上述的第1實施方式的氣體成分濃度測定裝置10，因為不基于通過氣體散射的散射光，而基于通過地表或水面5散射的散射光的檢測值來計算對象成分的濃度，所以即使不使用射出激光強度高的激光射出裝置、大型聚光裝置，也能取得充分大的光檢測值， 測定所希望區(qū)間中的對象成分的濃度。S卩，由于以氣體散射的激光散射光弱，所以不使用射出激光強度高的激光射出裝置、大型聚光裝置的話，就不能獲得充分大的對象成分濃度計算用的散射光檢測值。相對于此，在本實施方式中，利用地表或水面5，檢測地表或水面5導(dǎo)致的強散射光，因此即使不使用射出高強度激光的激光射出裝置、大型聚光裝置，也能獲得充分大的對象成分濃度計算用的散射光檢測值，能夠計算所希望區(qū)間中的對象成分的濃度。進而，僅切換激光射出裝置3的繞水平軸的朝向或高度，就能夠簡單地變更對象成分的濃度測定區(qū)間。此外，因為第1激光和第2激光在斜向下且接近于水平方向的朝向，從激光射出裝置3向第1和第2照射處所5ajb射出，所以如下述那樣能夠忽視濃度測定誤差。雖然成為濃度測定的對象的區(qū)間的距離是L2-L1，但該距離L2-L1嚴(yán)密地說與第1照射處所fe和第 2照射處所恥的距離Lli2不一致。相對于此，在本實施方式中，因為激光在斜向下且接近于水平方向的朝向(例如，以相對于水平面以1度以下的角度朝向斜下方的方向)向第1和第 2照射處所5ajb射出，所以能夠忽視上述距離的不一致。[第2實施方式]
圖4是表示本發(fā)明的第2實施方式的氣體成分濃度測定裝置10的結(jié)構(gòu)圖。在第2實施方中，代替切換激光射出裝置3的繞水平軸的朝向，而切換激光射出裝置3的高度，由此在第1和第2照射處所fe、5b之間切換地表或水面5中的激光照射處所。 在圖4中，實線表示朝向第1照射處所fe的激光射出裝置3，虛線表示朝向第2照射處所恥的激光射出裝置3。例如，激光射出裝置3以能夠在鉛直方向向任意的高度滑動的方式被支承體支承。對激光射出裝置3的高度進行調(diào)節(jié)、變更，以適合的單元將激光射出裝置3保持在固定高度即可。第2實施方式的其它結(jié)構(gòu)和工作，以及使用第2是實施方式的氣體成分濃度測定裝置10的氣體成分濃度測定方法與第1實施方式相同。再有，在第2實施方式中，在上述的步驟S1、S3中，通過使激光射出裝置3為第1高度，能夠?qū)⒌?激光和第2激光照射到地表或水面5的第1照射處所fe，在上述步驟S5、S7中，通過使激光射出裝置3為第2高度， 能夠?qū)⒌?激光和第2激光照射到地表或水面5的第2照射處所fe。此外，光檢測器9與第1實施方式同樣地，固定于激光射出裝置3，與激光射出裝置3整體地切換高度。此外，在上述的各實施方式中，測定了作為第1照射處所fe和第2照射處所恥之間的1個區(qū)間的對象成分的濃度，但測定2個以上的區(qū)間中的對象成分的濃度也可。即，通過依次切換激光射出裝置3的繞水平軸的朝向、或高度，從而以向第1照射處所fe、第2照射處所恥、第3照射處所的順序切換所述地表或水面5中的激光照射處所。
8再有，以其它的順序切換照射處所也可。在該情況下，光檢測器9在上述的第廣第4散射光之外，還檢測在第3照射處所中散射的第1激光的第5散射光、以及在第3照射處所中散射的第2激光的第6散射光，濃度檢測裝置11基于通過所述光檢測器9取得的第3、第4、 第5和第6散射光的檢測值，也計算第2照射處所恥和第3照射處所之間的所述對象成分的濃度。在進一步增加測定對象成分的濃度的區(qū)間的情況下也是同樣的。
本發(fā)明并不限于上述的實施方式，當(dāng)然能夠在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍中施加各種變更。
權(quán)利要求
1.一種氣體成分濃度測定裝置，對氣體中射出激光，基于通過了該氣體的所述激光對所述氣體中的對象成分的濃度進行檢測，其特征在于，具備激光射出裝置，將波長為所述對象成分的光吸收波長的第1激光、和波長為所述對象成分的非吸收波長的第2激光以向地表或水面照射的方式向斜下方射出；光檢測器，在通過切換激光射出裝置的繞水平軸的朝向或高度，在第1和第2照射處所之間切換所述地表或水面的激光照射處所的情況下，檢測在第1照射處所中散射的第1激光的第1散射光、在第1照射處所中散射的第2激光的第2散射光、在第2照射處所中散射的第1激光的第3散射光、和在第2照射處所中散射的第2激光的第4散射光；以及濃度計算裝置，基于通過所述光檢測器取得的第1、第2、第3和第4散射光的檢測值， 計算第1照射位置和第2照射位置之間的所述對象成分的濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體成分濃度測定裝置，其特征在于，在斜向下且接近于水平方向的朝向，從激光射出裝置向第1和第2照射處所射出第1和第2激光。
3.一種氣體成分濃度測定方法，對氣體中射出激光，基于通過了該氣體的所述激光對所述氣體中的對象成分的濃度進行檢測，其特征在于，使用激光射出裝置，將波長為所述對象成分的光吸收波長的第1激光、和波長為所述對象成分的非吸收波長的第2激光以向地表或水面照射的方式向斜下方射出，通過切換所述激光射出裝置的繞水平軸的朝向或高度，在第1和第2照射處所之間切換所述地表或水面的激光照射處所，以光檢測器檢測在第1照射處所中散射的第1激光的第1散射光、在第1照射處所中散射的第2激光的第2散射光、在第2照射處所中散射的第1激光的第3散射光、和在第2 照射處所中散射的第2激光的第4散射光，基于通過所述光檢測器取得的第1、第2、第3和第4散射光的檢測值，計算第1照射位置和第2照射位置之間的所述對象成分的濃度。
全文摘要
本發(fā)明即使不使用射出激光強度高的激光射出裝置、大型聚光裝置，也能夠取得充分大的光檢測值，測定所希望的區(qū)間中的對象成分的濃度。通過切換激光射出裝置(3)的繞水平軸的朝向或高度，在第1和第2照射處所(5a，5b)之間切換地表或水面(5)的激光照射處所，以光檢測器(9)檢測在第1照射處所(5a)中散射的第1激光的第1散射光、在第1照射處所(5a)中散射的第2激光的第2散射光、在第2照射處所(5b)中散射的第1激光的第3散射光、和在第2照射處所(5b)中散射的第2激光的第4散射光，基于通過光檢測器(9)取得的第1、第2、第3和第4散射光的檢測值，以濃度計算裝置(11)計算第1照射位置(5a)和第2照射位置(5b)之間的對象成分的濃度。
文檔編號G01N21/49GK102216756SQ20098014533
公開日2011年10月12日 申請日期2009年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者久保田伸彥, 伊澤淳, 濱野靖德 申請人:株式會社 Ihi