(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窓領域波長帯と炭酸ガスの特性吸収波長帯を分光測定しつつ観測視野を走査し、両信号より観測視野内物体表面の熱赤外放射等価温度と、モニタリング装置から該物体までの観測視野空間の気温を算出して比較することにより該熱赤外放射等価温度が該気温と異なることを確認したうえで視野を固定し、前記２波長帯の測定に加えて被測定ガスの特性吸収波長帯を分光測定し、すべての信号の経時変化を監視することにより特定ガスを検出することを特徴とする大気環境モニタリング装置。
【請求項２】
被測定ガスの特性吸収波長帯信号の経時変化から炭酸ガスの特性吸収波長帯信号の経時変化を差し引いた信号を監視することを特徴とする請求項１記載の大気環境モニタリング装置。
【請求項３】
水蒸気の特性吸収波長帯を分光測定し、その信号で被測定ガスの特性吸収波長帯信号を補正することを特徴とする請求項１または２のいづれかに記載の大気環境モニタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は大気環境モニタリングシステムにおける大気汚染ガス等の特定ガスの測定装置および都市ガス漏れ監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガス漏れ検出装置として、特開平4-93745に記載されたものが知られている。
【０００３】
図３に従来のガス漏れ検出装置の構成を示しており、同図に示すように、大気の透過窓領域の波長を通す赤外線フィルターと集光光学系と赤外検出器と前置信号処理部で構成される窓バンド赤外線検出系１、被測定ガスの特性吸収波長を通す赤外線フィルターと集光光学系と赤外検出器と前置信号処理部で構成される被測定ガス吸収バンド赤外線検出系２、および両者の信号を比較し警報信号を出力する信号処理系１１１で構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
比較的小型化が容易なパッシブ計測方式の赤外センサを用いて、前項で述べたガス漏れ検出装置が考案されているが、この装置においては窓バンド赤外線検出系１と被測定ガス吸収バンド赤外線検出系２の出力信号の差でガス漏れが検出できるようになっているので、図２に示すように窓バンド赤外線検出系の信号強度から得られる観測視野内の熱赤外線放射物体表面８の熱赤外放射等価温度T1と被測定ガス吸収バンド赤外線検出系２の信号強度から得られる被測定ガスの熱赤外放射等価温度Tgが同じ場合、被測定ガスの有無にかかわらず被測定ガス吸収バンド信号は不変でまったく検出不可能である。
【０００５】
すなわち、ガスの検出には被測定ガスからの同ガス吸収バンド赤外放射Tgrが有効で、被測定ガスがなければT1に等価な被測定ガス吸収バンド赤外放射１０１が計測され、ガスが存在すれば図２に示すように、１０１は被測定ガスにより吸収され、被測定ガス自体からの熱赤外放射１０２がTgrとして計測される。１０２はTgに等価な赤外放射であり、もしTgがT1と等しければ１０２は１０１と等しく、被測定ガスの有無にかかわらず不変で、被測定ガスの検出は不可能である。
【０００６】
なお、８の熱赤外放射の窓バンド熱赤外放射９は被測定ガスによる吸収はないので、T1が一定であれば被測定ガスの有無にかかわらず不変であり、T1が一定であることの確認に利用する。仮に変動がある場合は、その変動による影響を補正することに利用できる。
【０００７】
以上の説明で明らかなように、被測定ガスの検出を可能にするためには、TgとT1の温度差が、１０１と１０２の差が検出できる値以上でなければならない。
【０００８】
特開平4-93745号公報においてもこのことは記述されており、配管からの高温ガスの漏れを検出する場合には十分大きな熱赤外放射等価温度差が高い確率で生ずるとしている。しかし、広域での特定ガスの測定や都市ガス漏れを監視するための大気環境モニタリングにおいては、両者間の熱赤外放射等価温度差が十分大きいことを期待することはできず、むしろ温度差はほとんどない場合が一般的であると考えられる。
【０００９】
本発明は、このような問題を克服して、大気環境モニタリング装置において、比較的小型化が容易なパッシブ計測方式で、昼夜連続の大気汚染ガス等の特定ガスの測定および都市ガス漏れの監視を可能にすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、大気中に均一に存在する炭酸ガスの特性吸収波長帯を計測して観測視野内の気温T0を測定する気温バンド赤外線検出系を追加し、観測視野内の熱赤外線放射物体表面８の熱赤外放射等価温度T1と気温T0を比較し、センサの視野を走査して十分温度差があるような熱赤外放射面に視野を設定することにより、被測定ガスの有無を検出することができるようにしたものである。
【００１１】
ここで、被測定ガスの熱赤外放射等価温度Tgがほぼ気温T0に等しい場合、気温T0とT1との温度差が十分になっていれば、被測定ガスの熱赤外放射等価温度TgとT1との温度差は十分確保できることになる。また、もし被測定ガスの熱赤外放射等価温度TgがT0とは異なる場合でも、大気と被測定ガスが混ざり合い、T0が変化するのでこの信号の経時変化も加味して比較することにより被測定ガスを検出することができる。
【００１２】
したがって、この発明によれば、大気環境モニタリング装置において、比較的小型化が容易なパッシブ計測方式にて、昼夜連続で大気汚染ガス等の特定ガスの測定あるいは都市ガス漏れの監視を可能にすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、窓領域波長帯と炭酸ガスの特性吸収波長帯を分光測定しつつ観測視野を走査し、両信号より観測視野内物体表面の熱赤外放射等価温度と、モニタリング装置から該物体までの観測視野空間の気温を算出して比較することにより該熱赤外放射等価温度が該気温と異なることを確認したうえで視野を固定し、前記２波長帯の測定に加えて被測定ガスの特性吸収波長帯を分光測定し、すべての信号の経時変化を監視することにより特定ガスを検出することを特徴とする大気環境モニタリング装置としたものであり、観測視野を走査し、気温バンドと窓バンドを分光測定して、これら２波長帯の信号より視野内の熱赤外放射等価温度T1と被測定ガスの存在し得る視野内空間の気温T0を算出して比較することによりT1とT0が異なることを確認したうえで視野を固定して、被測定ガス吸収バンドを分光測定し、前記２波長帯の信号と該信号の経時変化を監視することにより大気汚染ガス等の特定ガスの測定あるいは都市ガス漏れ現象を検出することを特徴とし、被測定ガス吸収バンド信号より得られる熱赤外放射等価温度Tgr（図２の１０２）の経時変化ΔTgrと気温バンド信号より得られる熱赤外放射等価温度T0r（図２の１０）の経時変化ΔT0rを比較することにより大気汚染ガス等の特定ガスの測定信号あるいは都市ガス漏れ現象の検出信号が得られるという作用を有する。
【００１４】
すなわち被測定ガスが存在しない場合、視野内空間での被測定ガス吸収バンドの吸収はなく、TgrはT1に等しい。次に、測定視野空間に被測定ガスが発生した場合、熱赤外放射面からの被測定ガス吸収バンドの赤外線は途中で被測定ガス７により吸収されて、赤外検出系は被測定ガスからの熱赤外放射を測定することになり、被測定ガスの温度Tgに対応した熱赤外放射量を受けることになるので、TgrはT1からTgになる。T0が被測定ガスの温度Tgと同じ場合、T1はT0との差が検出可能なように視野設定してあるので、TgrはT1からTg＝T0に変化し、その経時変化ΔTgr＝｜T0-T1｜を監視することにより大気汚染ガス等の特定ガスの測定あるいは都市ガス漏れ現象を検出することができる。
【００１５】
T0が被測定ガスの温度Tgと異なる場合、T1がほとんど変わらない間に大気中に混入した被測定ガスのためT0がTgとの間の温度T0'になるので、気温バンド信号より得られる熱赤外放射等価温度T0rの変化量ΔT0rをTgrの変化量ΔTgrより差し引けば、ΔT＝｜ΔTgr-ΔT0r｜＝｜(T0'-T1)-(T0'-T0)｜＝｜T0-T1｜となり、Tg＝T0の場合と同等の変化量になる。したがって、その経時変化ΔTを監視することにより大気汚染ガス等の特定ガスの測定あるいは都市ガス漏れ現象を検出することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、被測定ガスの特性吸収波長帯信号の経時変化から炭酸ガスの特性吸収波長帯信号の経時変化を差し引いた信号を監視することを特徴とする請求項１記載の大気環境モニタリング装置としたものであり、被測定ガス吸収バンド信号の経時変化から気温バンド信号の経時変化を差し引いた信号を監視することを特徴とし、T0が被測定ガスの温度Tgと異なる場合でも、気温バンド信号より得られる熱赤外放射等価温度T0rの変化量ΔT0rを被測定ガス吸収バンド信号Tgrの変化量ΔTgrよりあらかじめ差し引いてあるので、Tg＝T0の場合と同等の信号変化を得るとともに、Tg＝T0の場合も包含してモニタリングできるという作用を有する。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、水蒸気の特性吸収波長帯を分光測定し、その信号で被測定ガスの特性吸収波長帯信号を補正することを特徴とする請求項１または２のいづれかに記載の大気環境モニタリング装置であり、水蒸気の特性吸収波長帯の分光測定信号で、被測定ガス吸収バンド信号を補正することを特徴とし、被測定ガス吸収バンドが水蒸気の吸収波長帯と重なることにより影響を受ける場合、その影響を補正する作用を有する。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図１を用いて説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は本発明による大気環境モニタリング装置を示し、図１において窓バンド赤外線検出系１は、大気の透過窓領域の波長帯を測定して視野内物体表面の熱赤外放射等価温度を計測する作用を行うもので、大気の透過窓領域の波長を通す赤外線フィルター１１、集光光学系１２、赤外検出器１３、前置信号処理部１４、信号出力端子１５から構成されている。被測定ガス吸収バンド赤外線検出系２は、被測定ガスの特性吸収波長帯を測定して被測定ガスが存在している場合に視野内空間の被測定ガスの熱赤外放射等価温度を計測する作用を行うもので、被測定ガスの特性吸収波長を通す赤外線フィルター２１、集光光学系２２、赤外検出器２３、前置信号処理部２４、信号出力端子２５から構成されている。気温バンド赤外線検出系３は、炭酸ガスの特性吸収波長帯を測定して視野内空間の気温を計測する作用を行うもので、炭酸ガスの特性吸収波長を通す赤外線フィルター３１、集光光学系３２、赤外検出器３３、前置信号処理部３４、信号出力端子３５から構成されている。
【００２０】
視野走査機構部４は、３つの赤外線検出系を収納しそれらの視野方向を走査する作用を行うもので、視野捜査部と構体から構成されている。信号処理系５は、信号出力端子１５、２５、３５からの信号を受け、信号処理を行って、視野内物体表面の熱赤外放射等価温度T1と被測定ガスの存在し得る視野内空間の気温T0との差が規定の値以上になるまで視野走査指令信号を出し、視野が設定された状態でガス漏れ警報信号を出力する作用を行うもので、電気回路部とガス漏れ警報信号出力端子５１および視野捜査指令信号出力端子５２から構成されている。
【００２１】
都市ガスの主成分であるメタンガスを検出する場合、3.25、7.6μm付近に特性吸収帯があるので、たとえば7.6μmを透過する赤外線フィルターを被測定ガス吸収バンド赤外線検出系２に用いれば、都市ガスのもれ現象の検出が可能である。また、大気汚染ガスである窒素酸化物のひとつであるN2Oを検出する場合、4.7 、7.8μm付近に特性吸収帯があるので、たとえば7.8μmを透過する赤外線フィルターを被測定ガス吸収バンド赤外線検出系２に用いればよい。
【００２２】
窓バンド赤外線検出系１では、大気の透過窓領域の波長帯として、2.3、3.5、10μm付近に透過帯があるので、たとえば10μmを透過する赤外線フィルターを窓バンド赤外線検出系１に用いればよい。
【００２３】
気温バンド赤外線検出系３では、炭酸ガスの特性吸収波長帯が、4.3、14〜16μmにある。したがって、たとえば吸収係数の大きな14.7μm付近を透過する赤外線フィルターを気温バンド赤外線検出系３に用いればよい。炭酸ガスは大気中に約350ppmの割合で均一に存在しており、吸収係数の大きな波長帯の赤外放射を計測すれば放射率は常に１であり、その放射強度から気温を算出することができる。
【００２４】
赤外線検出器は常温で動作する熱型検出器が簡便で、焦電型赤外検出器が推奨できる。焦電型赤外検出器を採用する場合、図１には記載していないが、入射赤外線を一定の周期で断続するチョッパーを用いることが望ましい。
【００２５】
なお、計測したい赤外線の波長が2〜3μm程度に短い場合、半導体型赤外線検出器でも常温で使用できるが、視野内物体表面の熱赤外放射等価温度T1が常温近傍だと2〜3μmの赤外線放射強度が弱すぎて計測が困難になるので、その観点での設計検討が必要である。
【００２６】
赤外線検出素子の寸法を0.5mm角とし、集光光学系の焦点距離を100mmすると視野寸法は100m離れたところで1m角となる。集光光学系は熱赤外線に透明なゲルマニウムレンズあるいは反射凹面鏡を用いればよい。
【００２７】
前置信号処理部では信号処理系で扱い易い程度に増幅し、信号処理系で必要なデータT1、T0r、Tgrを得る。これらのデータを継続的に観測し、経時変化を監視することにより、以下のような手順で大気汚染ガス等の特定ガスの測定あるいは都市ガス漏れ現象を検出することができる。
【００２８】
被測定ガスが存在しない場合、視野内空間での被測定ガスの特性吸収波長帯の吸収はなく、TgrはT1に等しい。次に、測定視野空間に被測定ガスが漏れ出た場合、熱赤外放射面からの被測定ガス吸収バンドの赤外線は途中で被測定ガス７により吸収されて、赤外検出系は被測定ガスからの熱赤外放射を測定することになり、被測定ガスの温度Tgに対応した熱赤外放射量を受けることになるので、TgrはT1からTgになる。T0が被測定ガスの温度Tgと同じとすれば、T1はT0との差が検出可能なように視野設定してあるので、TgrはT1からTg＝T0に変化し、その経時変化ΔTgr＝｜T0-T1｜を監視することにより被測定ガスを検出することができる。
【００２９】
（実施の形態２）
図１の構成で信号処理系５において、被測定ガス吸収バンド信号の経時変化ΔTgrから気温バンド信号の経時変化ΔT0rを差し引いた信号を監視することにより、T0が被測定ガスの温度Tgと異なる場合でも以下のように被測定ガスを検出することができる。
【００３０】
すなわち、T1がほとんど変わらない短時間の間に大気中に混入した被測定ガスのためT0がTgとの間の温度T0'になるので、気温バンド信号より得られる熱赤外放射等価温度T0rの変化量ΔT0rをTgrの変化量ΔTgrより差し引けば、ΔT＝｜ΔTgr-ΔT0r｜＝｜(T0'-T1)-(T0'-T0)｜＝｜T0-T1｜となり、Tg＝T0の場合と同等の変化量になる。したがって、その経時変化ΔTを監視することにより被測定ガスを検出することができる。また、仮にT0が被測定ガスの温度Tgと同じでも以上の関係式は成り立っているので、被測定ガスの検出は可能である。つまり、温度Tgの値如何に関係なく監視が可能である。
【００３１】
（実施の形態３）
図１には記載していないが、水蒸気の特性吸収波長帯の分光測定をする水蒸気バンドを追加すると、その信号で被測定ガス吸収バンド信号を補正することができる。水蒸気の特性吸収波長帯は、5.2〜6.5μmにあるので、たとえば6μmを透過する赤外線フィルターを水蒸気バンド赤外線検出系に用いればよい。
【００３２】
被測定ガスの特性吸収波長帯が水蒸気の吸収波長帯と重なることにより影響を受ける場合、本実施形態によりその影響を補正することができる。すなわち、水蒸気バンドの信号により視野内空間の水蒸気量が算出できるので、その水蒸気量が被測定ガス吸収バンドで与える減衰率が計算でき、その減衰率で補正が可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、大気環境モニタリング装置において、比較的小型化が容易なパッシブ計測方式で、昼夜連続で大気汚染ガス等の特定ガスの測定あるいは都市ガス漏れの監視を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による大気環境モニタリング装置を示す構成図
【図２】本発明の一実施の形態による大気環境モニタリング装置に入射する赤外線放射とその放射源を示す模式図
【図３】従来のガス漏れ検出装置の構成図
【符号の説明】
１  窓バンド赤外線検出系
２  被測定ガス吸収バンド赤外線検出系
３  気温バンド赤外線検出系
４  視野走査機構部
５  信号処理系
６  大気環境モニタリング装置
７  被測定ガス
８  観測視野内の熱赤外線放射物体表面
９  観測視野内の熱赤外線放射物体表面からの窓バンド熱赤外放射
１０  炭酸ガス特性吸収波長帯（気温バンド）での熱赤外放射
１１、２１、３１  各バンドの赤外線フィルター
１２、２２、３２  各バンドの集光光学系
１３、２３、３３  各バンドの赤外検出器
１４、２４、３４  各バンドの前置信号処理部
１５、２５、３５  各バンドの信号出力端子
５１  特定ガス検出信号出力端子
５２  視野捜査指令信号出力端子
１０１  観測視野内物体表面からの被測定ガス吸収バンド熱赤外放射
１０２  被測定ガスからの同ガス吸収バンド赤外放射
１１１  従来のガス漏れ検出装置の信号処理系
１１２  従来のガス漏れ検出装置の警報信号出力端子
【図１】
0003663955.tif 000002
【図２】
0003663955.tif 000003
【図３】
0003663955.tif 000004