(57)【要約】【課題】空間的に分布する被測定ガスの濃度を平均としてまたは局所的に測定することができるガス濃度測定装置を提供する。【解決手段】検出光を放射する検出光放射部と、前記検出光が物体に照射された場合に前記物体から反射される反射光を受光する受光部と、前記受光部が受光した前記反射光から、被検出ガスのコラム密度を測定するコラム密度測定部と、前記検出光放射部から前記物体に至る前記検出光の光路長を測定する光路長測定部と、前記コラム密度および前記光路長に基づき、前記被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有するガス濃度測定装置を提供する。【選択図】図１
2014055858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出光を放射する検出光放射部と、
前記検出光が物体に照射された場合に前記物体から反射される反射光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した前記反射光から、被検出ガスのコラム密度を測定するコラム密度測定部と、
前記検出光放射部から前記物体に至る前記検出光の光路長を測定する光路長測定部と、
前記コラム密度および前記光路長に基づき、前記被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、
を有するガス濃度測定装置。
【請求項２】
前記濃度計算部が、前記コラム密度を前記光路長で割ることにより、前記検出光の光路に沿った前記被検出ガスの平均濃度を計算する
請求項１に記載のガス濃度測定装置。
【請求項３】
前記コラム密度および前記光路長を一時的に記録する一時記録部をさらに有し、
前記濃度計算部が、前記コラム密度測定部により測定された現在のコラム密度と前記一時記録部から読み出された前のコラム密度との差であるコラム密度差、および、前記光路長測定部により測定された現在の光路長と前記一時記録部から読み出された前の光路長との差である光路長差、を計算し、前記コラム密度差を前記光路長差で割ることにより、前記光路長差を生じた前記光路の変更領域における前記被検出ガスの濃度を計算する
請求項１に記載のガス濃度測定装置。
【請求項４】
所定の照射領域において前記検出光の放射方向を調整する放射方向調整部をさらに有し、
前記放射方向調整部により前記検出光の放射方向が第１方向に調整されている第１状態において、前記コラム密度測定部および前記光路長測定部のそれぞれが前記コラム密度および前記光路長をそれぞれ測定し、測定された前記コラム密度および前記光路長を前記一時記録部に記録し、
前記放射方向調整部により前記検出光の放射方向が第１方向とは異なる第２方向に調整されている第２状態において、前記コラム密度測定部および前記光路長測定部のそれぞれが前記コラム密度および前記光路長をそれぞれ測定し、測定された前記コラム密度および前記光路長と、前記一時記録部から読み出された前記コラム密度および前記光路長とから、前記濃度計算部が、前記コラム密度差および前記光路長差を計算し、さらに前記被検出ガスの濃度を計算する
請求項３に記載のガス濃度測定装置。
【請求項５】
前記濃度計算部が計算した前記被検出ガスの濃度を表示する表示部をさらに有し、
前記所定の照射領域が、一次元または二次元に配列された複数の副領域に区分され、
前記複数の副領域のそれぞれにおいて、前記第１状態における前記コラム密度および前記光路長の記録と前記第２状態における前記被検出ガスの濃度の計算とが行われ、
前記複数の副領域のそれぞれに対応した前記表示部の表示領域に、前記複数の副領域のそれぞれに対応した前記被検出ガスの濃度を表示する
請求項４に記載のガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度測定装置に関する。特に、被測定ガスが有毒ガスまたは可燃性ガス等危険性を伴うガスであっても、漏洩または発生箇所から離れて安全に濃度測定が可能なガス濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、特許文献１には、メタン等ガス分子の赤外光吸収特性を利用して、メタン、二酸化炭素等のガスを検出するガス検出装置が開示されている。当該ガス検出装置では、検出光として赤外レーザ光を用い、被検出ガスを通過した検出光の乱反射光の受光信号を２ｆ同期検波することにより、被検出ガスの濃度が低い場合であっても被検出ガスの存在を高感度に検出することが可能になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２３５４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来のガス検出装置により得られる測定量は、被検出ガスのコラム密度、すなわち被検出ガスの濃度に被検出ガスの厚みを乗じた量であり、当該ガス検出装置の測定により、被検出ガスの濃度を直ちに知ることはできない。また、当該ガス検出装置による被検出ガスの検出で判明することは、検出光の光路の何処かに被検出ガスが存在することに留まり、測定量であるコラム密度は、検出光が通過する経路における被検出ガスの厚みに応じて変化するので、局所的な被検出ガスの濃度を知ることはできない。さらに、測定した結果をビジュアルに表現して、ガス漏洩等の実態の視認性を高める要請もある。
【０００５】
本発明の目的は、空間的に分布する被測定ガスの濃度を平均としてまたは局所的に測定することができるガス濃度測定装置を提供することにある。また、本発明の目的は、測定結果の視認性を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、検出光を放射する検出光放射部と、前記検出光が物体に照射された場合に前記物体から反射される反射光を受光する受光部と、前記受光部が受光した前記反射光から、被検出ガスのコラム密度を測定するコラム密度測定部と、前記検出光放射部から前記物体に至る前記検出光の光路長を測定する光路長測定部と、前記コラム密度および前記光路長に基づき、前記被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有するガス濃度測定装置を提供する。
【０００７】
前記濃度計算部として、前記コラム密度を前記光路長で割ることにより、前記検出光の光路に沿った前記被検出ガスの平均濃度を計算するものを例示することができる。あるいは、前記コラム密度および前記光路長を一時的に記録する一時記録部をさらに有してもよく、前記濃度計算部として、前記コラム密度測定部により測定された現在のコラム密度と前記一時記録部から読み出された前のコラム密度との差であるコラム密度差、および、前記光路長測定部により測定された現在の光路長と前記一時記録部から読み出された前の光路長との差である光路長差、を計算し、前記コラム密度差を前記光路長差で割ることにより、前記光路長差を生じた前記光路の変更領域における前記被検出ガスの濃度を計算するものを例示することができる。
【０００８】
所定の照射領域において前記検出光の放射方向を調整する放射方向調整部をさらに有してもよく、この場合、前記放射方向調整部により前記検出光の放射方向が第１方向に調整されている第１状態において、前記コラム密度測定部および前記光路長測定部のそれぞれが前記コラム密度および前記光路長をそれぞれ測定し、測定された前記コラム密度および前記光路長を前記一時記録部に記録し、前記放射方向調整部により前記検出光の放射方向が第１方向とは異なる第２方向に調整されている第２状態において、前記コラム密度測定部および前記光路長測定部のそれぞれが前記コラム密度および前記光路長をそれぞれ測定し、測定された前記コラム密度および前記光路長と、前記一時記録部から読み出された前記コラム密度および前記光路長とから、前記濃度計算部が、前記コラム密度差および前記光路長差を計算し、さらに前記被検出ガスの濃度を計算することができる。
【０００９】
前記濃度計算部が計算した前記被検出ガスの濃度を表示する表示部をさらに有し、前記所定の照射領域が、一次元または二次元に配列された複数の副領域に区分されてもよく、この場合、前記複数の副領域のそれぞれにおいて、前記第１状態における前記コラム密度および前記光路長の記録と前記第２状態における前記被検出ガスの濃度の計算とが行われ、前記複数の副領域のそれぞれに対応した前記表示部の表示領域に、前記複数の副領域のそれぞれに対応した前記被検出ガスの濃度を表示してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１のガス濃度測定装置１００を示した構成図である。
【図２】実施の形態２のガス濃度測定装置２００を示した構成図である。
【図３】ガス濃度測定装置２００の測定原理を説明するための概念図である。
【図４】ガス濃度測定装置２００の使用態様の一例を示した概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（実施形態１）
図１は、ガス濃度測定装置１００を示した構成図である。ガス濃度測定装置１００は、検出光放射部１０２、受光部１０４、コラム密度測定部１０６、光路長測定部１０８、測距用光源１１０、濃度計算部１２０、表示部１３０および制御部１４０を有する。ガス濃度測定装置１００は、検出光放射部１０２から検出光１１２を放射し、被検出ガス１５０を通過した検出光１１２が物体１６０に反射されて生じた反射光１１６を受光し、当該反射光１１６からから被検出ガス１５０のコラム密度を測定する。また、ガス濃度測定装置１００は、測距用光源１１０から測距光１１４を放射し、物体１６０までの距離（光路長）を測定する。さらに、ガス濃度測定装置１００は、コラム密度と光路長から被検出ガス１５０の濃度を計算する。なお、検出光１１２と測距光１１４は、たとえばミラー１１８からなる光学系により光軸が一致される。
【００１２】
検出光放射部１０２は、検出光１１２を放射する。検出光１１２は、コヒーレント光またはインコヒーレント光の何れでもよいが、コラム密度の測定に同期検波を用いる場合、検出光１１２はコヒーレント光であることが好ましい。検出光１１２は、被検出ガス１５０に吸収される必要があり、被検出ガス１５０に応じて適切な波長を選択する。たとえば、被検出ガス１５０がメタンである場合、検出光１１２として発振波長が１．６５μｍ帯の赤外レーザ光を用いることができる。被検出ガス１５０が硫化水素である場合、検出光１１２として発振波長が１．９１μｍ帯の赤外レーザ光を用いることができる。なお、コラム密度の測定に同期検波を用いる場合、検出光１１２の波長は、被検出ガス１５０の吸収帯中心波長に調整されることが望ましい。検出光放射部１０２に半導体レーザ発振器を用いる場合、被検出ガス１５０を封入した標準セルを準備し、当該標準セルでの光吸収を参照して、検出光１１２の発振波長が被検出ガス１５０の吸収帯中心波長に一致するよう半導体レーザ発振器の動作温度等を調整することができる。
【００１３】
受光部１０４は、検出光１１２が物体１６０に照射された場合に物体１６０から反射される反射光１１６を受光する。受光部１０４として、たとえばフォトダイオード、フォトマルチプライヤー等の光電変換素子とその駆動検出回路を例示することができる。この場合、受光部１０４は、受光した反射光１１６の強度に応じた電気信号を発生する。受光部１０４には、たとえばバンドパスフィルタ等の光学フィルタ、スリット、分光機構等の適切な光学系を備えてもよい。
【００１４】
コラム密度測定部１０６は、受光部１０４が受光した反射光１１６から、被検出ガス１５０のコラム密度を測定する。受光部１０４として光電変換素子を用いる場合、コラム密度測定部１０６は、受光部１０４が出力する信号を処理し、検出光１１２の被検出ガス１５０による光吸収量を計測する。
【００１５】
たとえば、同期検波を用いて光吸収量を計測する場合、以下のような原理を用いる。すなわち、検出光１１２としてレーザ光を用い、当該レーザ光の発振波長が被検出ガス１５０の吸収帯中心波長に一致する場合、被検出ガス１５０を透過した光には、被検出ガス１５０の光吸収による２倍波が含まれるようになる。一方、検出光１１２が物体１６０によって散乱され反射光１１６として検出される割合は、被検出ガス１５０の有無によって左右されないので、受光した反射光１１６に含まれる基本波の強度に対する２倍波の強度を測定すれば、測定値は光路に沿った光吸収量を表すことになる。このような測定法を同期検波と称する。光吸収量は光路に存在する被検出ガス１５０の分子数に比例するから、光路長に依存した被検出ガス１５０の濃度（コラム密度）に換算することができる。このようにしてコラム密度を測定することができる。
【００１６】
コラム密度測定部１０６は、同期検波による測定法に限らず、他の測定法を採用することもできる。たとえば、検出光１１２に、被検出ガス１５０に吸収される第１波長の光と被検出ガス１５０に吸収されない第２波長の光を含め、反射光１１６に含まれる第２波長の光の強度に対する第１波長の光の強度を測定して被検出ガス１５０による光吸収量を測定することもできる。
【００１７】
光路長測定部１０８は、検出光放射部１０２から物体１６０に至る検出光１１２の光路長を測定する。光路長測定部１０８として、光学式距離計、超音波式距離計、光波（レーザ光線、電波）測距儀等を例示することができる。光路長測定部１０８としてレーザ測距儀を用いる場合、測距用光源１１０として、たとえば半導体レーザを挙げることができる。測距用光源１１０から放射された測距光１１４の光軸と検出光１１２の光軸は、ミラー１１８からなる光学系により一致されているので、測距光１１４による距離測定によって検出光１１２の光路長を正確に測定することができる。測距用光源１１０と検出光放射部１０２とが同様のレーザ光を放射する場合、両者を兼用することも可能である。
【００１８】
濃度計算部１２０は、コラム密度測定部１０６が測定したコラム密度および光路長測定部１０８が測定した光路長に基づき、被検出ガス１５０の濃度を計算する。本実施形態１のガス濃度測定装置１００の濃度計算部１２０では、コラム密度を光路長で割ることにより、検出光１１２の光路に沿った被検出ガス１５０の平均濃度を計算することができる。
【００１９】
表示部１３０は、濃度計算部１２０が計算した被検出ガス１５０の濃度を表示する。本実施形態１のガス濃度測定装置１００における表示部１３０は、濃度計算部１２０が計算した被検出ガス１５０の平均濃度を表示する。制御部１４０は、ガス濃度測定装置１００に含まれる各部の制御を実行する。
【００２０】
ガス濃度測定装置１００によれば、コラム密度測定部１０６によるコラム密度の測定と共に、光路長測定部１０８により光路長を測定する。このため、コラム密度と光路長とから、光の通過距離に依存しない被検出ガス１５０の濃度を測定することができる。従来の測定では、コラム密度の測定に留まり、測定値の単位にはｐｐｍ・ｍのように長さの次元が含まれていたが、本実施形態１のガス濃度測定装置１００による測定単位には、長さの次元は含まれず、ガス濃度測定装置１００の測定値は、ｐｐｍのような密度の単位のみで表されることになる。
【００２１】
なお、ガス濃度測定装置１００において、測距光１１４に可視レーザ光を用いることができる。この場合、可視レーザ光が照射されている場所が測定箇所であることが目視でき、測距光１１４を、測定箇所を示すガイド光に用いることができる。
【００２２】
（実施形態２）
図２は、ガス濃度測定装置２００を示した構成図である。ガス濃度測定装置２００は、実施形態１で説明したガス濃度測定装置１００の構成に加え、一時記録部２１０および放射方向調整部２３０を有する。実施形態１で説明した、検出光放射部１０２、受光部１０４、コラム密度測定部１０６、光路長測定部１０８および測距用光源１１０については、ほぼ同様であり説明を省略する。ガス濃度測定装置２００は、実施形態１と同様にコラム密度および光路長を測定するが、測定したコラム密度および光路長は、一旦、一時記録部２１０に記録し、放射方向調整部２３０により光路を少し変更して測定したコラム密度および光路長との差から被検出ガス１５０の濃度を計算する。なお、検出光１１２と測距光１１４が、たとえばミラー１１８からなる光学系により光軸が一致されることは実施形態１と同様であるが、本実施形態２のガス濃度測定装置２００では、ガイド光放射部２２０を備える。ガイド光放射部２２０が放射するガイド光２２２の放射方向は、たとえばミラー２２４からなる光学系により、検出光１１２および測距光１１４の放射方向と概略一致するように調整される。
【００２３】
一時記録部２１０は、コラム密度および光路長を一時的に記録する。一時記録部２１０として、レジスタ等の半導体メモリを例示することができる。制御部１４０がＣＰＵ等のマイクロプロセッサで構成される場合、一時記録部２１０は、制御部１４０の内部に含まれてもよい。
【００２４】
放射方向調整部２３０は、ガイド光２２２の照射位置を中心とした所定の照射領域において検出光１１２および測距光１１４の放射方向を調整するものである。検出光１１２と測距光１１４の放射方向は別々に調整されてもよい。放射方向調整部２３０として、ポリゴンミラー等の光学系を例示することができる。
【００２５】
ガイド光放射部２２０はガイド光２２２を放射する。ガイド光２２２は、測定領域を指し示す光であり、たとえば可視レーザ光を例示することができる。制御部１４０は、濃度計算部１２０、一時記録部２１０、放射方向調整部２３０等ガス濃度測定装置２００に含まれる各部の制御を実行する。
【００２６】
本実施形態２のガス濃度測定装置２００における濃度計算部１２０は、コラム密度測定部１０６により測定された現在のコラム密度と一時記録部２１０から読み出された前のコラム密度との差であるコラム密度差を計算する。また、光路長測定部１０８により測定された現在の光路長と一時記録部２１０から読み出された前の光路長との差である光路長差を計算する。さらに、コラム密度差を光路長差で割ることにより光路長差を生じた光路の変更領域における被検出ガス１５０の濃度を計算する。
【００２７】
つまり、放射方向調整部２３０により検出光１１２の放射方向が第１方向に調整されている第１状態において、コラム密度測定部１０６および光路長測定部１０８のそれぞれがコラム密度および光路長をそれぞれ測定し、測定されたコラム密度および光路長を一時記録部２１０に記録し、放射方向調整部２３０により検出光１１２の放射方向が第１方向とは異なる第２方向に調整されている第２状態において、コラム密度測定部１０６および光路長測定部１０８のそれぞれがコラム密度および光路長をそれぞれ測定し、測定されたコラム密度および光路長と、一時記録部２１０から読み出されたコラム密度および光路長とから、濃度計算部１２０が被検出ガス１５０の濃度を計算する。
【００２８】
図３は、ガス濃度測定装置２００の測定原理を説明するための概念図である。まず、検出光１１２および測距光１１４の照射位置を、図３における上側の矢印Ａで示す位置としてコラム密度および経路長を測定する。この時のコラム密度をＶ、経路長をＬとして一時記録部２１０に記録する。次に、検出光１１２および測距光１１４の照射位置を下側の矢印Ｂで示す位置に変更してコラム密度および経路長を測定する。この時のコラム密度をＶ＋ΔＶ、経路長をＬ＋ΔＬとする。経路長差ΔＬを生じた光経路に係る部分のコラム密度は、コラム密度差ΔＶであり、コラム密度差ΔＶを経路長差ΔＬで割った値（ΔＶ／ΔＬ）は、光路長差を生じた光路の変更領域における被検出ガス１５０の濃度である。
【００２９】
ガス濃度測定装置２００によれば、光路を少し変更して光路長差を生じさせ、当該光路長差を生じた変更領域における被検出ガス１５０の濃度が計測できるため、局所的なガス濃度を測定することができる。たとえばガス漏れ等を発生している場所は、局所的に高濃度になっていると思われ、このような場所におけるガス濃度を知ることができる。漏洩ガスが可燃性、毒性等を有する危険ガスである場合、離れた場所からガス濃度を測定することができ、安全上のメリットも大きい。
【００３０】
図４は、ガス濃度測定装置２００の使用態様の一例を示した概念図である。ガス濃度測定装置２００では、測定領域である照射領域２４０が、二次元に配列された複数の副領域２４２に区分されており、複数の副領域２４２のそれぞれにおいて、濃度の計算が行われる。すなわち、副領域２４２のそれぞれにおいて、第１状態におけるコラム密度および光路長の記録と第２状態における被検出ガス１５０の濃度の計算とが行われる。さらに、ガス濃度測定装置２００では、複数の副領域２４２のそれぞれに対応した表示部１３０の表示領域に、複数の副領域２４２のそれぞれに対応した被検出ガス１５０の濃度を表示する。濃度の表示方式として、たとえば図４に示すような、濃度に応じた濃淡（グレースケール）を採用することができる。これにより、測定結果の視認性を高めることができる。なお、濃度の表示方式は、色による表示であってもよい。照射領域２４０は、一次元に区分されてもよい。
【００３１】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００３２】
１００…ガス濃度測定装置、１０２…検出光放射部、１０４…受光部、１０６…コラム密度測定部、１０８…光路長測定部、１１０…測距用光源、１１２…検出光、１１４…測距光、１１６…反射光、１１８…ミラー、１２０…濃度計算部、１３０…表示部、１４０…制御部、１５０…被検出ガス、１６０…物体、２００…ガス濃度測定装置、２１０…一時記録部、２２０…ガイド光放射部、２２２…ガイド光、２２４…ミラー、２３０…放射方向調整部、２４０…照射領域、２４２…副領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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