(57)【要約】【課題】妨害物質による測定誤差の増大を抑えることが可能な濃度測定装置を提供する。【解決手段】濃度測定装置１０は、測定対象のオン波長とオフ波長のプローブ光を出力する光源１１と、測定対象を通過する前後の各プローブ光の強度から測定対象の濃度を算出する濃度算出部１３とを備える。オン波長は、測定対象とその他の物質による各吸収量の差が、オフ波長における各吸収量の差よりも大きい値に設定される。【選択図】図１
2019184303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象のオン波長とオフ波長のプローブ光を出力する光源と、
前記測定対象を通過する前後の前記各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、
前記オン波長は、前記測定対象とその他の物質による各吸収量の差が、前記オフ波長における前記各吸収量の差よりも大きい値に設定される、
濃度測定装置。
【請求項２】
前記測定対象は二酸化炭素ガスであり、前記他の物質は水蒸気である、
請求項１に記載の濃度測定装置。
【請求項３】
前記オン波長は２００９．４ｎｍ〜２０１１．４ｎｍの範囲内に設定され、前記オフ波長は２０３５．８ｎｍ〜２０３６．２ｎｍの範囲内に設定される、
請求項２に記載の濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
関連文献として、特許文献１はオン波長とオフ波長のレーザ光を同時に照射する大気汚染物質モニタリング装置を開示している。また、特許文献２は同一の受光面でオン波長とオフ波長のレーザ光を受ける濃度測定装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５９６０４号公報
【特許文献２】特開２０１４−００２１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
測定対象が存在する空間内には他の物質も存在している場合が多い。この「他の物質」の吸収線（吸収波長）が、測定対象のオン波長又はオフ波長と重畳している場合、当該他種の物質による光吸収が、測定対象の濃度を測定する上での誤差要因となる。以下、説明の便宜上、このような他種の物質を妨害物質と称する。
【０００６】
妨害物質が大気中の窒素ガスや酸素ガスのように定常的に（安定的に）存在するものである場合、測定対象の測定期間内において妨害物質の濃度は殆ど変化しない。従って、妨害物質の吸収波長と吸収量を予め把握しておくことによって測定結果を補正し、誤差を低減することができる。しかしながら、妨害物質が水蒸気のように時間的変動が激しいものである場合、このような補正で誤差を低減することは困難である。この場合、使用されるレーザ光の波長を増やす等の処置により、測定対象の濃度測定と同様の測定を妨害物質に対しても行う必要が生じてしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、妨害物質による測定誤差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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は濃度測定装置であって、測定対象のオン波長とオフ波長のプローブ光を出力する光源と、前記測定対象を通過する前後の前記各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、前記オン波長は、前記測定対象とその他の物質による各吸収量の差が、前記オフ波長における前記各吸収量の差よりも大きい値に設定されることを要旨とする。
【０００９】
前記測定対象は二酸化炭素ガスであり、前記他の物質は水蒸気であってもよい。
【００１０】
前記オン波長は２００９．４ｎｍ〜２０１１．４ｎｍの範囲内に設定され、前記オフ波長は２０３５．８ｎｍ〜２０３６．２ｎｍの範囲内に設定されてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、妨害物質による測定誤差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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る濃度測定装置を示すブロック図である。
【図２】二酸化炭素ガスと水蒸気の吸収スペクトルである。
【図３】本実施形態に係る波長変換器を示す構成図である。
【図４】図３に示す波長変換器の変形例を示す構成図である。
【図５】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る濃度測定装置１０を示すブロック図である。本実施形態の濃度測定装置１０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。図１に示すように、濃度測定装置１０は、光源１１と、光検出器１２と、濃度算出部１３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１０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１０の筐体４０に到達するまでの間、大気中を進行する。
【００１５】
光源１１は、レーザ発振器１４と、波長変換器１５Ａとを備え、測定対象Ｓのオン波長とオフ波長のプローブ光１８を出力する。レーザ発振器１４は、波長変換器１５Ａ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１５Ａ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、レーザ発振器１４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。
【００１６】
波長変換器１５Ａは、レーザ発振器１４からポンプ光１６を受け、波長変換によって測定対象Ｓのプローブ光１８を出力する。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、所定の周期で交互に出力される。
【００１７】
図２は、二酸化炭素ガスと水蒸気の吸収スペクトルである。プローブ光１８のオン波長は、測定対象Ｓとその他の物質による各吸収量（透過率）の差が、オフ波長における各吸収量（透過率）の差よりも大きい値に設定される。例えば、測定対象Ｓとして二酸化炭素ガス、その他の物質として水蒸気を想定した場合、図２に示すように、オン波長は２００９．４ｎｍ〜２０１１．４ｎｍの範囲内に設定され、オフ波長は２０３５．８ｎｍ〜２０３６．２ｎｍの範囲内に設定される。この図に示すように、オン波長では二酸化炭素ガスの透過率が０．６〜０．７であるのに対して、水蒸気（湿度１００％）の透過率は１に近い。一方、オフ波長では二酸化炭素ガスと水蒸気の各透過率は１に近く、同程度である。
【００１８】
図３は、本実施形態に係る波長変換器１５Ａの構成図である。この図に示すように、波長変換器１５Ａ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、アイドラ光よりも波長の短いシグナル光としてのモニタ光（図示せず）を発生する。
【００１９】
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の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に対して５０〜９９．５％である。
【００２０】
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を発生する。後述の通り、オン波長のプローブ光１８の中心波長λｏｎは例えば２０１０ｎｍ、オフ波長のプローブ光１８の中心波長λｏｆｆは例えば２０３５ｎｍである（図５参照）。
【００２１】
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、オン波長とオフ波長のプローブ光１８が、出力鏡３２から交互に出射される。
【００２２】
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の波長を精度良く（例えば０．０１〜０．１ｎｍ刻みで）制御できる。
【００２３】
なお、本実施形態の波長変換器１５Ａは、次のように変形できる。図４に示す波長変換器１５Ｂは、図３に示す波長変換器１５Ａの変形例である。図３の波長変換器１５Ａでは、波長変換を行う光学素子として非線形光学結晶３３を用いていた。一方、図４の波長変換器１５Ｂは、波長変換を行う光学素子としてレーザ結晶３５を用いる。レーザ結晶３５は、例えば、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｔｍ：ＹＶＯ４、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＶＯ４などある。これらのうちの何れかをレーザ結晶３５に用いる場合、ポンプ光１６を発生するレーザ発振器１４として半導体レーザ（ＬＤ）を使用することができる。半導体レーザは、中心波長が例えば７８５ｎｍの光を発生する。レーザ発振器１４から出射したポンプ光１６は、レーザ結晶３５内での変換効率を上げるため、レンズ等の光学系３６によってレーザ結晶３５に集光される。
【００２４】
図３に示すように、レーザ結晶３５の出射側と出力鏡３２との間には、レーザ結晶３５から出射した光の波長を選別する光学素子３７が設置される。光学素子３７は、例えばエタロンやプリズムであり、光学素子３７を搭載した回転ステージ３４の角度調整によって、出力鏡３２へ進行する光の波長を選別できる。つまり、回転ステージ３４の揺動を所定の角度範囲と所定の周期で繰り返すことにより、オン波長とオフ波長のプローブ光１８を交互に出射させることができる。
【００２５】
図５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。この図に示すように、測定対象Ｓは吸収線３８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３８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３８の波長の一致度は厳密ではなく、少なくとも吸収線３８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。
【００２６】
光源１１から出射したプローブ光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）。
【００２７】
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１３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１５Ａ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１３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１３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。
【００２８】
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。
【００２９】
プローブ光１８Ｂは、濃度測定装置１０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。
【００３０】
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１２に導く。
【００３１】
光検出器１２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１２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。
【００３２】
濃度算出部１３は、光検出器１２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（吸収量）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１３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１３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１３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。
【００３３】
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１２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１３は時間分解しながら光検出器１２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。
【００３４】
上述の通り、プローブ光１８のオン波長は、測定対象Ｓとその他の物質による各吸収量（透過率）の差が、オフ波長における各吸収量（透過率）の差よりも大きい値に設定される。従って、当該他の物質の濃度変化に伴って吸収量が変化したとしても、オン波長とオフ波長における吸収量の比を取ることにより妨害ガスによる影響を低減することができ、計測対象ガスの濃度測定にける誤差の増大を抑えることができる。この誤差は、オン波長とオフ波長の計測時間が、当該他の物質の濃度の変化速度に対して小さいほど、効果的に抑制できる。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【符号の説明】
【００３７】
１０…濃度測定装置、１１…光源、１２…光検出器、１３…濃度算出部、１４…レーザ発振器、１５Ａ、１５Ｂ…波長変換器、１６…ポンプ光（励起光）、１８、１８Ａ、１８Ｂ…プローブ光、２０、２１…ビームスプリッタ、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…レーザ結晶、３６…光学系、３７…光学素子、３８…吸収線、４０…筐体、Ｄ…間隔、Ｓ…測定対象
【図１】
2019184303.tif 000003
【図２】
2019184303.tif 000004
【図３】
2019184303.tif 000005
【図４】
2019184303.tif 000006
【図５】
2019184303.tif 000007