(57)【要約】【課題】  基準ガスを参照することなく、ピーク強度を測定することもなく、高感度でガス濃度を測定することができるシステムおよび方法を提供する。【解決手段】  本発明のガス濃度測定システムは、対象ガスを含む測定ガスを封入する容器１０と、容器１０を透過するレーザ光を、周波数を変化させつつ照射するレーザ光照射手段１１と、容器１０を透過したレーザ光を受光し、該レーザ光の透過量を透過信号として検出する透過信号検出手段１２と、透過信号検出手段１２により検出された透過信号と周波数とから生成される吸収曲線と対象ガスの吸収がないことを表す直線とによって囲まれる、面積強度を表す面積を算出する計算手段１３とを含む。【選択図】  図１
2007046983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象ガスの濃度を測定するシステムであって、
前記対象ガスを含む測定ガスを封入する容器と、
前記容器を透過するレーザ光を、周波数を変化させつつ照射するレーザ光照射手段と、
前記容器を透過したレーザ光を受光し、該レーザ光の透過量を透過信号として検出する透過信号検出手段と、
前記透過信号検出手段により検出された前記透過信号と前記周波数とから生成される吸収曲線と前記対象ガスの吸収がないことを表す直線とによって囲まれる、面積強度を表す面積を算出する計算手段とを含む、ガス濃度測定システム。
【請求項２】
前記レーザ光照射手段と前記容器との間に配置され、前記レーザ光照射手段から照射されたレーザ光を分離する第１レーザ光分離手段と、分離されたレーザ光を受光し、参照信号として検出する参照信号検出手段とを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記レーザ光照射手段から照射されたレーザ光を分離する第２レーザ光分離手段と、前記第２レーザ光分離手段により分離された１つのレーザ光を受光し、所定の周波数間隔で共振させ、共振信号を生成する共振器と、前記共振器から得られる前記共振信号を検出する共振信号検出手段とを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記レーザ光照射手段から照射されたレーザ光を分離する第３レーザ光分離手段と、前記第３レーザ光分離手段により分離されたレーザ光を受光し、レーザ光の波長を計測する波長計とを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記レーザ光照射手段から照射されたレーザ光を分離する第３レーザ光分離手段と、前記第３レーザ光分離手段により分離された一方の第１レーザ光を受光し、レーザ光の波長を計測する波長計と、他方の第１レーザ光を受光し、分離する第２レーザ光分離手段と、前記第２レーザ光分離手段により分離された一方の第２レーザ光を受光し、所定の周波数間隔で共振させ、共振信号を生成する共振器と、前記共振器から得られる前記共振信号を検出する共振信号検出手段と、他方の第２レーザ光を受光し、分離する第１レーザ光分離手段と、前記第１レーザ光分離手段により分離された一方の第３レーザ光を受光し、参照信号として検出する参照信号検出手段とを含み、他方の第３レーザ光を前記容器に照射する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記計算手段は、測定周波数範囲における異なる周波数のレーザ光を照射させるための情報を含む複数の掃引信号を生成し、生成した前記掃引信号を前記レーザ光照射手段に送信し、前記掃引信号に対応する周波数のレーザ光を照射させ、かつ前記検出信号に含まれる検出データを記憶する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記計算手段は、前記測定周波数範囲における最後の前記掃引信号かを判定し、前記最後の掃引信号と判定されるまで、前記照射と前記記憶とを繰り返す、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記透過信号の信号レベルを変化させ、所定の透過率を表す透過信号を供給する透過信号調整手段を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記容器から前記測定ガスを吸引する吸引手段と、前記容器に前記測定ガスを供給する供給手段とを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記計算手段は、前記吸収曲線より算出される吸収係数に適合するＶｏｉｇｔ関数による近似式を生成し、前記近似式を積分することにより前記面積を算出することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
対象ガスの濃度を測定する方法であって、
前記対象ガスを含む測定ガスを封入した容器に、レーザ光を、周波数を変化させつつ照射するステップと、
前記容器を透過したレーザ光を受光し、該レーザ光の透過量を透過信号として検出するステップと、
検出された透過信号と周波数とから吸収曲線を生成し、前記吸収曲線と前記対象ガスの吸収がないことを表す直線とによって囲まれる、面積強度を表す面積を算出するステップとを含む、ガス濃度の測定方法。
【請求項１２】
前記レーザ光を受光し、参照信号として検出するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記レーザ光を受光し、所定の周波数間隔で共振させ、共振信号を生成するステップと、生成した前記共振信号を検出するステップとを含む、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記レーザ光を受光し、前記レーザ光の波長を計測するステップを含む、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
測定周波数範囲における異なる周波数のレーザ光を照射させるための情報を含む複数の掃引信号を生成するステップと、生成した前記掃引信号を前記レーザ光照射手段に送信し、前記掃引信号に対応する周波数のレーザ光を照射するステップと、前記検出信号に含まれる検出データを記憶するステップとを含む、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記測定周波数範囲における最後の前記掃引信号かを判定するステップをさらに含み、前記最後の掃引信号と判定されるまで、前記照射するステップと前記記憶するステップとを繰り返す、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記透過信号の信号レベルを変化させ、所定の透過率を表す透過信号を供給するステップをさらに含む、請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記容器から前記測定ガスを吸引するステップと、前記容器に前記測定ガスを供給するステップとを含む、請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記算出するステップは、前記吸収曲線より算出される吸収係数に適合するＶｏｉｇｔ関数による近似式を生成するステップと、前記近似式を積分することにより前記面積を算出するステップとを含む、請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
対象ガスを含む測定ガスを封入する容器と、前記容器を透過するレーザ光を、周波数を変化させつつ照射するレーザ光照射手段と、前記容器を透過したレーザ光を受光し、該レーザ光の透過量を透過信号として検出する透過信号検出手段と、コンピュータとを含むガス濃度測定システムの前記コンピュータに実行させるプログラムであって、
前記レーザ光照射手段に、測定周波数範囲における異なる周波数のレーザ光を照射させるための情報を含む複数の掃引信号を生成するステップと、
生成した前記掃引信号を前記レーザ光照射手段に送信するステップと、
前記透過信号検出手段から前記掃引信号に含まれる周波数に対応する透過信号と該周波数とから吸収曲線を生成し、前記吸収曲線と前記対象ガスの吸収がないことを表す直線とによって囲まれる、面積強度を表す面積を算出するステップとを前記コンピュータに実行させる、プログラム。
【請求項２１】
前記測定周波数範囲における最後の前記掃引信号かを判定するステップをさらに含み、前記最後の掃引信号と判定されるまで、前記照射するステップと前記記憶するステップとを前記コンピュータに繰り返し実行させる、請求項２０に記載のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を光源とし、光の吸収を利用してガス濃度を測定するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油資源を利用した産業の発展に伴い、地球温暖化の問題が深刻になっている。この地球温暖化は、大気中の温室効果ガスが赤外線の一部を吸収し、その一部を地表面に再放射し、地表面を暖めることによって起こるものである。温室効果ガスには、水蒸気、石油資源を燃焼させた際に発生する二酸化炭素、天然ガスを採掘する際やごみなどから発生するメタン、一酸化窒素、フロンなどがある。近年、石油資源の消費増大等により、これら温室効果ガスが大量に排出されており、これを抑制するため、これらガスの排出量制限が設けられるようになってきている。そのため、大気中のこれらガス濃度を測定し、これらガスの濃度を監視することが必要とされている。
【０００３】
環境問題として、地球温暖化の問題のほか、大気汚染の問題も深刻になっている。汚染ガスには、一酸化炭素、ＮＯｘ、ＳＯｘ、硫化水素、アンモニア、アセチレン等があり、特に、一酸化炭素や一酸化窒素、硫化水素等は吸引すると危険である。これらガスは、濃度制限が設けられており、制限濃度を超える環境での作業等は禁止されている。したがって、作業等を行う場合には、予めその環境における各ガス濃度を測定する必要がある。
【０００４】
一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、メタン、アンモニア、その他の気体には、分子の回転や原子間の振動等により、特定波長の光を吸収する吸収帯が存在する。そこで、この吸収帯を利用したガス濃度測定法が数多く提案されている。
【０００５】
例えば、赤外線を利用した赤外吸収測定法が提案されている（特許文献１参照）。この赤外吸収測定法は、試料ガス中の測定対象成分の赤外吸収を測定しながら、その赤外吸収中において測定対象成分を示すピーク領域の吸光面積が所定の範囲内になるように、試料ガスを減圧し、吸光面積および減圧時の試料ガスの圧力から、試料ガス中の測定対象成分の濃度を算出するものである。
【０００６】
しかしながら、赤外線は、分解能が低いため、分子が密集した状態では測定をすることができず、上記のように減圧しなければならない。そこで、高い分解能をもつレーザ光を利用した吸収測定法およびガス濃度測定装置が提案されている（例えば、特許文献２〜特許文献５参照）。
【０００７】
吸収帯を利用したガス濃度測定装置は、所定距離ほど離間して光源部と受光部とを配置し、光源部の半導体レーザにより周波数変調されたレーザ光を測定対象ガスの雰囲気に通し、その透過光を受光部のフォト検出器で受けたときの出力信号から測定対象ガスのガス濃度を測定するものである。受光部の出力信号から検出される変調周波数の基本波検波信号は、強度変調に起因する大きなオフセットが生じ、このため、低濃度である測定対象ガス濃度を高感度で測定するためには、基本波検波信号に比べてオフセットの著しく小さい、変調周波数の２倍の周波数の２倍波検波信号が用いられている（特許文献５参照）。ガス濃度を測定する場合、測定ガス吸収線に合わせた波長の測定光が測定ガス雰囲気を通ると、測定ガスにより測定光が吸収され、濃度に応じた強度で２倍波検波信号が生成される。この２倍波検波信号の強度変化と、基本波検波信号の強度変化との比率の値は、ガス濃度に比例するため、この値に係数を掛けることで、ガス濃度を算出することができる。
【０００８】
半導体レーザの発振波長は、半導体レーザの動作温度により変化する性質があり、半導体レーザに流す電流値によっても発振波長が変化する性質を有している。したがって、安定した２倍波検波信号を得るためには、半導体レーザの発振波長を吸収線の中心と一致させて安定化する必要がある。一般に、半導体レーザモジュールを使用している半導体レーザ発振波長安定化装置は、波長安定化用ガスとしての測定対象ガスを封入した参照ガスセルにレーザ光を通す。そして、測定対象ガスの１つの吸収線を利用してその最大吸収点を検出して、その最大吸収点に位置するように半導体レーザの動作温度、電流を変化させている。
【０００９】
ガス濃度の測定は、まず、半導体レーザモジュール内の半導体レーザからレーザ光を測定光として出射する。測定光は、反射ミラーによってダイクロイックミラーに向けて反射し、レーザポインタからのガイド光と合波した後、測定雰囲気に向けて出射される。測定対象ガスの測定雰囲気を通り反射してくる光は、集光レンズで集光され、受光器によって検出される。受光器によって検出された電気信号は、増幅器によって所定の増幅度で増幅された後、受光信号検出器に入力される。増幅器では、基本波検波信号と２倍波検波信号とが測定対象ガスの濃度範囲内で同等の検出レベルになるように入力される信号を増幅する。受光信号検出器では、入力される信号から基本波検波信号と２倍波検波信号を検波して演算手段に入力する。演算手段では、受光信号検出器から入力される基本波検波信号と２倍波検波信号との比に基づいて測定対象ガスのガス濃度を演算する。
【００１０】
この方法では、上述したように、２倍波検波信号を安定化するために、半導体レーザの発振波長を吸収線の中心と一致させて安定化する必要がある。このため、参照ガスセルを必要とし、また、ガス濃度を演算するために、基本波検波信号と２倍波検波信号とを、測定対象ガスの濃度範囲内で同等の検出レベルになるように増幅する必要がある。したがって、高い分解能をもつレーザ光を使用して、基準ガスを参照することなく、かつピーク強度を測定することもなく、大気中のガス濃度を測定することができるシステムおよび方法の提供が望まれている。
【特許文献１】特開２００４−２２６１０４号公報
【特許文献２】特開平７−２７０３０８号公報
【特許文献３】特開平７−２７７０１号公報
【特許文献４】特開平５−７９９７６号公報
【特許文献５】特開２００５−１０６５２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基準ガスを参照することなく、ピーク強度を測定することもなく、高感度でガス濃度を測定することができるシステムおよび方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者等は、上記課題に鑑みて鋭意検討を加えてきたところ、物質固有の吸収が得られる周波数を含む周波数範囲内でレーザ光の周波数を変化させて得られる、ピークを有する吸収曲線と、その物質を含まない場合の吸収がないことを表す直線とによって囲まれる面積で表される面積強度が、測定ガス中に他の物質を含むか否かにかかわらず、純物質の圧力のみに依存することを見出した。これにより、その物質の濃度は、吸収曲線から面積強度を算出し、その面積強度からその物質の圧力を得、その圧力を測定ガスの全圧で除することにより、簡単に得ることができる。
【００１３】
また、吸収曲線は、Ｖｏｉｇｔ関数で近似することができることを見出した。これにより、Ｖｏｉｇｔ関数による近似式を積分することにより、上記面積強度を簡単に得ることができる。
【００１４】
本発明のガス濃度測定システムは、対象ガスを含む測定ガスを封入する容器と、その容器を透過するレーザ光を、周波数を変化させつつ照射するレーザ光照射手段と、その容器を透過したレーザ光を受光し、その受光したレーザ光の透過量を透過信号として検出する透過信号検出手段と、透過信号検出手段により検出された透過信号と周波数とから生成される吸収曲線と対象ガスの吸収がないことを表す直線とによって囲まれる、面積強度を表す面積を算出する計算手段とを含む。なお、純ガス（単一成分からなるガス）であれば、測定ガスと対象ガスは同一となり、混合ガスであれば、測定ガスは、その混合ガスを意味し、対象ガスは、混合ガス中の測定したい純ガスを意味する。
【００１５】
また、レーザ光照射手段と容器との間に配置され、レーザ光照射手段から照射されたレーザ光を分離する第１レーザ光分離手段と、分離されたレーザ光を受光し、参照信号として検出する参照信号検出手段とを含んで構成することができる。これにより、レーザ光照射手段が周波数を変化させつつ照射する際のパワー変動が生じたとしても、この参照信号の変化に基づいて透過信号を補正して正しい透過信号を得ることができ、精度を維持することができる。
【００１６】
さらに、上記レーザ光照射手段から照射されたレーザ光を分離する第２レーザ光分離手段と、第２レーザ光分離手段により分離された１つのレーザ光を受光し、所定の周波数間隔で共振させ、共振信号を生成する共振器と、共振器から得られる共振信号を検出する共振信号検出手段とを含んで構成することができる。この共振信号として得られた曲線のピーク値を、吸収曲線における周波数軸として採用することで、周波数軸を較正することができ、ヒステリシスがあるなどし、リニアな掃引ができず、吸収ピークの位置が測定毎に異なるという問題を解決することができる。
【００１７】
また、レーザ光照射手段から照射されたレーザ光を分離する第３レーザ光分離手段と、第３レーザ光分離手段により分離されたレーザ光を受光し、レーザ光の波長を計測する波長計とをさらに含んで構成することができる。これにより、対象ガスが吸収される周波数範囲を含む測定周波数範囲を決定することができる。
【００１８】
上記計算手段は、測定周波数範囲における異なる周波数のレーザ光を照射させるための情報を含む複数の掃引信号を生成し、生成した掃引信号をレーザ光照射手段に送信し、掃引信号に含まれる周波数のレーザ光を照射させ、かつ検出信号に含まれる検出データを記憶する。また、計算手段は、測定周波数範囲における最後の掃引信号かを判定し、最後の掃引信号と判定されるまで、照射と記憶とを繰り返す。なお、掃引信号は、周波数の小さいもの又は大きいものから順にレーザ光照射手段に送信され、その順に検出される検出信号に含まれる検出データを、その順に記憶する。これにより、その順に読み出すことで、容易に吸収曲線を生成することができる。
【００１９】
本発明では、透過信号の信号レベルを変化させ、所定の透過率を表す透過信号を供給する透過信号調整手段を含むことができる。対象ガスが吸収される周波数範囲を除く、測定周波数範囲の一部において、透過信号調整手段によって透過信号の信号レベルを所定の電圧に減衰し、その減衰した信号を計算手段に供給し、所定時間保持した後、信号レベルを減衰した分だけ信号を昇圧し、減衰させる前の信号レベルに戻す。これにより、吸収曲線の直線部分に凹部を描くことができ、これを、所定の透過率であることを表す印として用いることができる。
【００２０】
本発明では、容器から測定ガスを吸引する吸引手段と、容器に測定ガスを供給する供給手段とをさらに含むことができる。対象ガス圧力を減圧することにより、検出感度を更に向上させることができる。
【００２１】
また、ガス濃度測定方法を提供することもできる。このガス濃度測定方法は、対象ガスを含む測定ガスを封入した容器に、レーザ光を、周波数を変化させつつ照射するステップと、容器を透過したレーザ光を受光し、透過量を表す透過信号として検出するステップと、検出された透過信号と周波数とから吸収曲線を生成し、吸収曲線と対象ガスの吸収がないことを表す直線とによって囲まれる、面積強度を表す面積を算出するステップとを含む。
【００２２】
本発明は、さらに、対象ガスを含む測定ガスを封入する容器と、容器を透過するレーザ光を、周波数を変化させつつ照射するレーザ光照射手段と、容器を透過したレーザ光を受光し、透過量を表す透過信号として検出する透過信号検出手段と、コンピュータとを含むガス濃度測定システムにおいて、そのコンピュータに実行させるプログラムも提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のガス濃度測定システムおよび方法を提供することにより、基準ガスを参照する必要がなく、ピーク強度を測定する必要もなく、簡単な構成で、簡単な操作で、かつ高感度でガス濃度を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を図面に示した具体的な実施の形態をもって説明するが、本発明は、後述する実施の形態に限定されるものではない。
【００２５】
図１は、ガス濃度測定システムの第１実施形態を示した図である。図１に示すガス濃度測定システムは、測定ガスを封入する容器１０と、容器１０を透過するレーザ光を、周波数を変化させつつ照射するレーザ光照射手段１１と、容器１０を透過したレーザ光を受光し、レーザ光の透過量を表す透過信号として検出する透過信号検出手段１２と、透過信号検出手段１２により検出された透過信号と周波数とから生成される吸収曲線と対象ガスの吸収がないことを表す直線とによって囲まれる、面積強度を表す面積を算出する計算手段１３とを含んで構成されている。なお、対象ガスの濃度は、この面積強度が、対象ガスの圧力に依存することから、対象ガスの圧力を測定ガスの全圧で除することにより算出することができる。詳細については、以下に詳述する。
【００２６】
測定ガスとしては、一酸化炭素、二酸化炭素、一酸化窒素、メタンなどの純ガスや空気などの混合ガスとすることができ、対象ガスとしては、測定ガスが純ガスであれば、一酸化炭素、二酸化炭素、一酸化窒素、メタンなどの純ガス、測定ガスが混合ガスであれば、その混合ガス中に含まれる純ガスとされる。本発明では、特に減圧することなく、また、混合ガスであっても、特定の対象ガスの濃度を測定することができる。
【００２７】
容器１０は、光路長１０ｍ〜１００ｍの長光路セルとすることができる。長光路セルは、例えば、内部に複数のミラー１０ａ、１０ｂ、１０ｃを含み、コンパクトにしつつ、光路長を確保することができる多重光路とされている。この容器１０内には、上記の測定ガスが封入される。所定の周波数のレーザ光が容器１０に照射され、封入された測定ガス中にその周波数のレーザ光を吸収するガス成分が含まれている場合、そのガス成分がレーザ光を吸収し、容器１０から出射されるレーザ光の透過量が減少する。
【００２８】
レーザ光照射手段１１としては、光帰還型の近赤外インジウム−アルミニウム−ガリウム−ヒ素半導体レーザ等の半導体レーザを挙げることができる。光帰還型の半導体レーザは、小型化、軽量化が容易であり、色素レーザや固体レーザと異なり励起用光源が不要で、電流供給により容易に発振するという利点を有する。対象ガスが二酸化炭素の場合、二酸化炭素の吸収帯が約１．４μｍ〜約１．６μｍにもあることから、１．５μｍ領域または１．６μｍ領域のものを使用する。このように、対象ガスの吸収帯に応じて適切なものを使用することができる。また、レーザ光は周波数を変化させつつ照射されるが、その変化させる掃引速度は、例えば、１ＧＨｚ／１０ｍｓとすることができる。この速度は、以下に説明する計算手段１３の処理能力とレーザ光照射手段１１の性能に応じて決定することができる。
【００２９】
透過信号検出手段１２は、容器１０を透過したレーザ光を受光し、例えば、電圧信号として検出する検出器とすることができる。この電圧信号は、アナログ信号であり、アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）によりデジタル信号に変換して計算手段１３に送ることができる。
【００３０】
計算手段１３は、プログラムが記録媒体を備えるコンピュータとすることができ、プログラムを実行して、上記のデジタル信号を受け取り、電圧値から算出される吸光度と周波数との関係を表す吸収曲線を生成する。また、計算手段１３は、吸収曲線と、吸収がないことを表す直線とによって囲まれる面積を算出し、その面積から対象ガスの濃度を算出する。
【００３１】
ここで、図２に、吸収曲線を示す。図２では、吸収曲線２０ａ、２０ｂは吸光度ｋνｌと周波数との関係を表したものとされ、吸収がないことを表す直線２１によって囲まれる領域２２ａ、２２ｂを形成している。この領域２２ａ、２２ｂの面積が、面積強度となる。この面積は、以下のＶｏｉｇｔ関数を適用して近似式を得、その近似式を積分することにより算出することができる。
【００３２】
【数１】
2007046983.tif 000003
【００３３】
Ｉ（ν）は、透過光の量を示し、Ｉ０（ν）は、セルに入射する光の量を示し、ｋνは、吸収係数を示し、ｌは、セルの長さを示す。式１を変形し、次式を得る。
【００３４】
【数２】
2007046983.tif 000004
【００３５】
式２を周波数軸へ変換し、Ｖｏｉｇｔ関数を適用する。Ｖｏｉｇｔ関数の一般式を次式で表す。一般式であるため、ｘとｙの関数とされている。
【００３６】
【数３】
2007046983.tif 000005
【００３７】
式３中のＡはピークを示し、ｗＧは高さが半分となるガウス分布のピーク幅を示し、ｗＬは高さが半分となるローレンツ分布のピーク幅を示し、ｘｃはピーク中心を示す。このピーク中心ｘｃには、中心周波数を適用することができる。ガウス分布のピーク幅は一般に次式で表される。
【００３８】
【数４】
2007046983.tif 000006
【００３９】
Ａはピークを示し、ｗＧは高さが半分となるピーク幅を示し、ｘｃはピーク中心を示す。また、ローレンツ分布のピーク幅は一般に次式で表される。
【００４０】
【数５】
2007046983.tif 000007
【００４１】
Ａはピークを示し、ｗＬは高さが半分となるピーク幅を示し、ｘｃはピーク中心を示す。高さが半分となるピーク幅ｗＬ（半値全幅）は、ドップラー幅ΔνＤと呼ばれ、次式で表すことができる。
【００４２】
【数６】
2007046983.tif 000008
【００４３】
式６中、Ｍは分子量を示し、ｃは光速を示し、ｋβはボルツマン定数を示し、νは周波数を示し、Ｔは絶対温度を示す。光速ｃは３×１０８ｍ／ｓで、ボルツマン定数は１．３８×１０−２３Ｊ・ｓである。例えば、二酸化炭素のドップラー幅は、分子量Ｍが７．３３×１０−２６ｋｇであり、レーザ光の波長が１．５７４μｍで、絶対温度Ｔが３００Ｋであるならば、上記式６により、ドップラー幅ΔνＤは、約３５６ＭＨｚと算出することができる。
【００４４】
図２では、純ガスと、混合ガス中に含まれる同じ純ガスの２種類のガスの吸収曲線２０ａ、２０ｂが表されている。混合ガスは他のガス成分を含むため、低いピークを示すが、広い周波数範囲にわたって、その純ガスが吸収されている。これらの純ガスの圧力は、いずれも同じ圧力であり、純ガスのみの吸収曲線２０ａと直線２１とによって囲まれる領域２２ａの面積と、その純ガスを含む混合ガスの吸収曲線２０ｂと直線２１とによって囲まれる領域２２ｂの面積は、ほぼ同じ面積となる。
【００４５】
図３に、対象ガスとして二酸化炭素を用い、対象ガスの圧力が２．７ｋＰａ、５．３ｋＰａ、１０．７ｋＰａとなるように空気圧を増加した場合の面積強度の変化を示す。縦軸は面積強度Ａ（ａｕ）を示し、横軸は全圧（ｋＰａ）を示す。ここで、単位ａｕは、任意単位を示す。図３に示すように、対象ガスの圧力が同じであれば、全圧が変化しても、ほぼ同じ面積強度となっている。
【００４６】
図４に、面積強度と圧力との関係を示す。縦軸は、面積強度を示し、横軸は対象ガスである二酸化炭素の圧力を示す。図４に示すように、面積強度は二酸化炭素の圧力に依存し、二酸化炭素の圧力の一次関数として表すことができる。これにより、面積を算出することで、二酸化炭素の圧力を算出することができ、この算出した圧力を全圧で除することにより、二酸化炭素の濃度を算出することができる。図３および図４は、二酸化炭素について説明したが、その他のガスにも適用することができる。
【００４７】
再び図２を参照すると、多数のピークを示す曲線２３ａ、２３ｂ、各吸収曲線２０ａ、２０ｂの裾の一部２４が凸状に表されているのが示されている。多数のピークを示す曲線２３ａ、２３ｂは、吸収曲線における周波数目盛りを構成するものである。図２では、約１．５ＧＨｚごとにピークを有する曲線２３ａと、約３００ＭＨｚごとにピークを有する曲線２３ｂとを示している。また、凸状のものは、吸収曲線において、例えば、透過率９０％がどの程度かを明示的に示す印とされる。ここでは、吸収曲線から面積を得ることを説明してきたが、上記式２の関係から、透過率Ｔ（ν）と周波数との関係を表す透過率曲線でも同様にして、面積を算出することができる。図５に透過率曲線を例示するが、透過率曲線は吸収曲線とは反対に下に凸のピークを有する曲線となる。
【００４８】
図６は、ガス濃度測定システムの第２実施形態を示した図である。図６に示すガス濃度測定システムでは、図１に示すシステムに、さらに、レーザ光照射手段１１と容器１０との間に配置され、レーザ光照射手段１１から照射されたレーザ光を分離する第１レーザ光分離手段６０と、分離されたレーザ光を受光し、参照信号として検出する参照信号検出手段６１とを含んでいる。容器１０、レーザ光照射手段１１、透過信号検出手段１２、計算手段１３についてはすでに説明したので、ここでは、第１レーザ光分離手段６０と、参照信号検出手段６１について説明する。
【００４９】
第１レーザ光分離手段６０は、レーザ光照射手段１１から出射されたレーザ光を、容器１０に向かうレーザ光と、参照信号検出手段６１に向かうレーザ光とに分離する。この第１レーザ光分離手段６０としては、ビームスプリッタを用いることができる。
【００５０】
参照信号検出手段６１は、第１レーザ光分離手段６０によって分離されたレーザ光を受光し、それを参照信号として検出する。参照信号は、上記の透過信号と同様、電圧信号として得ることができる。この参照信号は、レーザ光照射手段１１が周波数を変化させつつ照射する際、パワー変動が生じた場合に、透過信号を補正し、精度を維持するために使用される。このようなパワー変動等がない場合、参照信号は、図２および図５に示す吸収がないことを表す直線２１と同様、周波数軸に平行な直線となる。しかしながら、レーザ光照射手段１１のパワーが減少した場合、図２および図５に示す吸収曲線および透過率曲線が紙面に向かって右に傾斜したグラフとなり、参照信号も、右に傾斜した直線で表されることとなる。各透過信号からそれに対応する各参照信号を引いた差分信号は、いずれの場合においても同じ値として得られる。したがって、この差分信号を計算手段１３に送ることで、パワー変動が起こるか否かにかかわらず、高い精度で面積を算出することができる。
【００５１】
図６では、透過信号と参照信号とを受け取り、透過信号から参照信号を引き、差分信号を算出し、これを計算手段１３に送る差分信号生成手段６２を含むことができる。差分信号生成手段６２としては、差動アンプを用いることができる。
【００５２】
図７は、ガス濃度測定システムの第３実施形態を示した図である。図７に示すシステムは、図６に示すシステムに、さらに、レーザ光照射手段１１から照射されたレーザ光を分離する第２レーザ光分離手段７０と、その第２レーザ光分離手段７０により分離されたレーザ光を受光し、所定の周波数間隔で共振させ、共振信号を生成する共振器７１と、共振器７１から得られる共振信号を検出する共振信号検出手段７２とを含んで構成されている。図６に示すシステムについては、すでに説明したので、ここでは、第２レーザ光分離手段７０、共振器７１、共振信号検出手段７２について説明する。
【００５３】
第２レーザ光分離手段７０は、図６に示す第１レーザ光分離手段６０と同様、レーザ光照射手段１１から出射されたレーザ光を、２つに分離する。図７では、２つに分離されたレーザ光は、１つが、第１レーザ光分離手段６０に向かい、もう１つが、共振器７１に入射される。
【００５４】
共振器７１は、図２および図５に示す吸収曲線および透過率曲線に、目盛りの役割を果たす共振信号を生成するために使用される。共振信号は、例えば、３００ＭＨｚごとにピークを有する曲線を生成することができ、このピーク部分を目盛りとして使用することができる。このように、周波数軸の目盛りとして採用することで、周波数軸を較正することができ、ヒステリシスがある場合や、リニアな掃引ができない場合、吸収ピークの位置が測定毎に異なるという問題を解決することができる。
【００５５】
この共振信号を検出するために、共振信号検出手段７２が使用される。共振信号検出手段７２は、この共振信号を、透過信号や参照信号と同様、電圧信号として計算手段１３に送ることができる。第２レーザ光分離手段７０、共振器７１、共振信号検出手段７２は、１組に限らず、複数組設けることもできる。これにより、図２に示すように、複数の目盛りを得ることができる。これら第２レーザ光分離手段７０、共振器７１、共振信号検出手段７２は、図６に示すシステムに限らず、図１に示すシステムに含めることもできる。
【００５６】
図８は、ガス濃度測定システムの第４実施形態を示した図である。図８に示すシステムは、図７に示すいずれかのシステムに、さらに、レーザ光照射手段１１から照射されたレーザ光を分離する第３レーザ光分離手段８０と、その第３レーザ光分離手段８０により分離されたレーザ光を受光し、レーザ光の波長を計測する波長計８１とを含んで構成されている。本発明では、図１または図６に示すシステムに、第３レーザ光分離手段８０および波長計８１を含む構成であってもよい。
【００５７】
第３レーザ光分離手段８０は、図６に示す第１レーザ光分離手段６０、図７に示す第２レーザ光分離手段７０と同様であり、１つのレーザ光を２つに分離する。分離されたレーザ光は、１つが、第２レーザ光分離手段７０に向かい、もう１つが、波長計８１に入射される。波長計８１は、レーザ光の波長を計測するために使用され、ここでは、対象ガスが吸収される周波数範囲を含む測定周波数範囲を決定するために使用される。測定周波数範囲は、対象ガスの吸収が起こる周波数範囲より広い周波数範囲として決定されるが、その範囲は、その対象ガスの吸収が起こる周波数範囲より広い範囲であればいかなる範囲であってもよい。なお、周波数は、レーザ光の速度を波長で除することにより算出される。
【００５８】
図１、図６、図７および図８には図示していないが、本発明では、透過信号の信号レベルを変化させ、所定の透過率を表す透過信号を供給する透過信号調整手段をさらに含むことができる。対象ガスが吸収される周波数範囲を除く、測定周波数範囲の一部において、透過信号調整手段によって透過信号の信号レベルを所定の電圧に減衰し、その減衰した信号を計算手段に供給し、所定時間保持した後、信号レベルを減衰した分だけ信号を昇圧し、減衰させる前の信号レベルに戻すことにより、吸収曲線および透過率曲線の直線部分に凹部および凸部を描くことができ、これを、所定の透過率であることを表す印として用いることができる。この印により、ピークにおける透過率を容易に把握することができる。透過信号調整手段は、電子回路とすることができ、電子回路で１００％透過したときの電圧を分圧させることにより、透過信号の５０％や９０％といった所定レベルの信号を発生させることができる。
【００５９】
図９は、ガス濃度測定システムの第５実施形態を示した図である。図９に示すシステムは、図８に示すシステムに、容器１０から測定ガスを吸引する吸引手段９０と、容器１０に測定ガスを供給する供給手段９１とを含んで構成されている。吸引手段９０によって対象ガス圧力を減圧することにより、検出感度を更に向上させることができる。
【００６０】
吸引手段９０としては、真空ポンプなど吸引できるものであればいかなるものであってもよい。また、吸引手段９０を使用せず、単にバルブのみの構成とし、バルブを開くことで、測定ガスを抜いてもよい。供給手段９１としては、ファン、ブロワ、圧縮機などを挙げることができる。容器１０内を所定圧力まで減圧し、また、吸引する前の全圧に戻すため、容器１０には圧力計を備えることができる。本発明では、図８に示すシステムに限らず、図１または図６または図７に示すシステムに、吸引手段９０および供給手段９１を含む構成であってもよい。
【００６１】
本願は、ガス濃度測定方法も提供する。ガス濃度測定方法は、図１、図６〜図９に示すシステムを使用して実施することができ、容器１０に測定ガスを封入し、容器１０にレーザ光を、周波数を変化させつつ照射する。容器１０を透過したレーザ光を、透過信号検出手段１２により受光し、レーザ光の透過量を透過信号として検出する。検出された透過信号を、計算手段１３に送り、計算手段１３において、この透過信号と周波数とから吸収曲線を生成し、生成した吸収曲線と対象ガスの吸収がないことを表す直線とによって囲まれる、面積強度を表す面積を算出する。
【００６２】
計算手段においてデータを取得し、記憶するためのフローを図１０に示す。ステップ１０００で開始し、ステップ１０１０で掃引信号を生成する。この掃引信号は、レーザ光を所定の周波数で照射させるための信号である。図１０では、周波数をステップ状に変化させるものとして示されている。測定周波数範囲と周波数の変化割合を入力することにより、必要な数の、適切な周波数で照射させるための掃引信号を生成することができる。例えば、６０００ＭＨｚ〜７０００ＭＨｚの測定周波数範囲で、変化割合を１０ＭＨｚとすれば、６０００ＭＨｚ、６０１０ＭＨｚ、…、７０００ＭＨｚの１０１個の周波数データを含む掃引信号を生成する。なお、各掃引信号は、レーザ光照射手段に与える周波数データと、番号データとを含み、これらデータはこれらの順に記憶手段に記憶される。そして、番号データの順に、レーザ光照射手段に送られる。次に、ステップ１０２０で、計算手段がレーザ光照射手段に生成した掃引信号を送る。この場合、掃引信号に含まれる番号データを保持する。掃引信号を受けてレーザ光照射手段は、その掃引信号で決定された周波数にレーザ光を調整して照射する。容器を透過したレーザ光は、ステップ１０３０で、レーザ光の透過量を透過信号として透過信号検出手段で受け取り、その透過信号を計算手段が取得する。
【００６３】
ステップ１０４０で、掃引信号が最後か否かを判断する。ステップ１０１０で、測定周波数範囲と変化割合とから必要な数の掃引信号が決定されるため、その数と、番号データとを比較することにより判断することができる。最後ではないと判断した場合、ステップ１０５０に進み、保持した番号データと、透過信号から得られる電圧値などの透過データとを関連付けて記憶手段に記憶する。記憶後、ステップ１０２０に戻り、次の掃引信号をレーザ光照射手段に送る。ステップ１０４０で、掃引信号が最後であると判断した場合、ステップ１０６０に進み、最後のデータを記憶し、ステップ１０７０で終了する。
【００６４】
次に、計算手段において、記憶したデータからガス濃度を算出するフローを図１１に示す。ステップ１１００で開始し、ステップ１１１０で、記憶手段から周波数データと、透過信号に含まれる透過データとを読み出す。それぞれ番号データが関連付けられているため、番号データに基づき、周波数データと透過データとを関連付けて読み出すことができる。ステップ１１２０で、周波数データと透過データとから吸収曲線を生成する。上記式１を使用して各周波数に対する吸収係数ｋνをそれぞれ算出することで、吸光度ｋνｌを算出することができ、この吸光度と周波数とから生成することができる。ステップ１１３０で、吸収曲線の近似式を導出する。近似式は、上記のＶｏｉｇｔ関数として導出することができる。ステップ１１４０で、吸収曲線と吸収がないことを表す直線とによって囲まれる面積を、上記近似式を積分することにより算出する。ステップ１１５０で、面積と対象ガスの圧力との関係から、対象ガスの圧力を算出し、この対象ガスの圧力を全圧で除することにより、対象ガスの濃度を算出し、ステップ１１６０で終了する。これらの処理は、プログラムをコンピュータに実行させることにより実現することができ、このプログラムはコンピュータ可読な記録媒体に記録することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明のガス濃度測定システムおよび方法は、温室効果ガス以外のガスに対しても適用することができ、トンネル工事におけるトンネル坑内のガス濃度測定、パイロットプラントにおける塔内、槽内、炉内のガス濃度測定、自動車の排気ガス中のＮＯｘ濃度やＳＯｘ濃度の測定に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明のガス濃度測定システムの第１実施形態を示した図。
【図２】吸収曲線を示した図。
【図３】面積強度と全圧との関係を示した図。
【図４】面積強度と対象ガスの圧力との関係を示した図。
【図５】透過率曲線を示した図。
【図６】本発明のガス濃度測定システムの第２実施形態を示した図。
【図７】本発明のガス濃度測定システムの第３実施形態を示した図。
【図８】本発明のガス濃度測定システムの第４実施形態を示した図。
【図９】本発明のガス濃度測定システムの第５実施形態を示した図。
【図１０】計算手段において、データを取得し、記憶するためのフローを示した図。
【図１１】計算手段において、記憶したデータからガス濃度を算出するフローを示した図。
【符号の説明】
【００６７】
１０…容器、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…ミラー、１１…レーザ光照射手段、１２…透過信号検出手段、１３…計算手段、２０ａ、２０ｂ…吸収曲線、２１…直線、２２ａ、２２ｂ…領域、２３ａ、２３ｂ…曲線、２４…一部、６０…第１レーザ光分離手段、６１…参照信号検出手段、６２…差分信号生成手段、７０…第２レーザ光分離手段、７１…共振器、７２…共振信号検出手段、８０…第３レーザ光分離手段、８１…波長計、９０…吸引手段、９１…供給手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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