专利名称：气体成分浓度测定装置和方法
技术领域：
本发明涉及使用激光对气体中的对象成分的浓度进行测定的气体成分浓度测定装置和方法。
背景技术：
在气体中包含的特定的对象成分的浓度能够以下述方法测定。从激光射出装置对位于远方的气体射出具有对象成分所固有的吸收波长λ工的激光。利用在激光射出装置的附近设置的光检测器，对吸收波长λ工的激光通过气体中的粉尘或气体自身而散射的散射光进行检测。在该情况下，对应于激光射出装置和激光的散射位置的距离，在光检测器的散射光检测时间中产生差。通过将该时间特性变换为距离特性， 获得来自所希望的区间的散射光的检测信号。进而，基于该检测信号，求取相对于射出时的激光的、所述区间中的波长X1的光的衰减率。另一方面，对于位于远方的相同的气体，从激光射出装置射出具有所述对象成分的非吸收波长λ2的激光，由此同样地求取相同的所述区间中的波长λ 2的光的衰减率。基于所述区间中的波长X1的光的衰减率、和所述区间中的波长λ2的光的衰减率，能够求取所述对象成分的光的衰减率。进而，能够根据该衰减率和已知的参照数据，求取所述区间中的所述对象成分的浓度。再有，作为本申请的在先技术文献，有下述的专利文献1、2。专利文献1 日本专利第3861059号； 专利文献2 日本专利第3699682号。在以上述的方法检测气体的对象成分的浓度的情况下，如下述那样需要使用非常
昂贵的装置。通过气体中的粉尘或气体自身而散射的散射光的强度显著小。因此，为了光检测器能够检测散射光，需要使用射出强度充分高的激光的激光射出装置。可是，特别是在屋外射出激光的情况下，从安全性的观点出发，有激光强度的制约。为了弥补这样的激光强度，为了检测出微弱的散射光，需要使用大型并难以操作且成本高的聚光装置。

发明内容
本发明正是为了解决上述的现有的问题点而构思的。即，本发明的目的在于提供一种气体成分浓度测定装置和方法，即使不使用射出激光强度高的激光射出装置、大型且操作困难的聚光装置，也能够取得充分大的光检测值，测定所希望区间中的对象成分的浓度。为了实现上述目的，根据本发明，提供一种气体成分浓度测定装置，对气体中射出激光，基于通过了该气体的所述激光对所述气体中的对象成分的浓度进行检测，其特征在于，具备
3激光射出装置，将波长为所述对象成分的光吸收波长的第1激光、和波长为所述对象成分的非吸收波长的第2激光以射到地表或水面的方式向斜下方射出；
光检测器，在通过切换激光射出装置的绕水平轴的朝向或高度，在第1和第2照射处所之间切换所述地表或水面的激光照射处所的情况下，检测在第1照射处所中散射的第1激光的第1散射光、在第1照射处所中散射的第2激光的第2散射光、在第2照射处所中散射的第1激光的第3散射光、和在第2照射处所中散射的第2激光的第4散射光；以及
浓度计算装置，基于通过所述光检测器取得的第1、第2、第3和第4散射光的检测值， 计算第1照射位置和第2照射位置之间的所述对象成分的浓度。根据上述本发明的气体成分浓度测定装置，因为不基于通过气体散射的散射光， 而基于通过地表或水面散射的散射光的检测值来计算对象成分的浓度，所以即使不使用射出激光强度高的激光射出装置、大型聚光装置，也能取得充分大的光检测值，测定所希望区间中的对象成分的浓度。S卩，由于以气体散射的激光散射光弱，所以不使用射出激光强度高的激光射出装置、大型聚光装置的话，就不能获得充分大的对象成分浓度计算用的散射光检测值。相对于此，在本发明中，利用地表或水面，检测地表或水面导致的强散射光，因此即使不使用射出高强度激光的激光射出装置、大型聚光装置，也能获得充分大的对象成分浓度计算用的散射光检测值，能够计算所希望区间中的对象成分的浓度。进而，仅切换激光射出装置的绕水平轴的朝向或高度，就能够简单地变更对象成分的浓度测定区间。根据本发明的优选实施方式，第1激光和第2激光在斜向下且接近于水平方向的朝向，从激光射出装置向第1和第2照射处所射出。由此，能够如下述那样忽视浓度测定误差。当参照图1、图4时，虽然成为浓度测定的对象的区间的距离是L2-L1，但该距离L2-L1严密地说与第1照射处所fe和第2照射处所 5b的距离Lli2不一致。相对于此，在所述实施方式中，因为激光在斜向下且接近于水平方向的朝向(例如，以相对于水平面以1度以下的角度朝向斜下方的方向)向第1和第2照射处所fejb射出，所以能够忽视上述距离的不一致。此外，为了实现上述目的，根据本发明，提供一种气体成分浓度测定方法，对气体中射出激光，基于通过了该气体的所述激光对所述气体中的对象成分的浓度进行检测，其特征在于，
使用激光射出装置，将波长为所述对象成分的光吸收波长的第1激光、和波长为所述对象成分的非吸收波长的第2激光以向地表或水面照射的方式向斜下方射出，
通过切换所述激光射出装置的绕水平轴的朝向或高度，在第1和第2照射处所之间切换所述地表或水面的激光照射处所，
以光检测器检测在第1照射处所中散射的第1激光的第1散射光、在第1照射处所中散射的第2激光的第2散射光、在第2照射处所中散射的第1激光的第3散射光、和在第2 照射处所中散射的第2激光的第4散射光，
基于通过所述光检测器取得的第1、第2、第3和第4散射光的检测值，计算第1照射位置和第2照射位置之间的所述对象成分的浓度。根据上述的本发明，即使不使用射出激光强度高的激光射出装置、大型聚光装置，
4也能够取得充分大的光检测值，测定所希望的区间中的对象成分的浓度。


图1是表示本发明的第1实施方式的气体成分浓度测定装置的结构图。图2是表示本发明的第1实施方式的气体成分浓度测定方法的流程图。图3表示通过光检测器取得的检测信号的波形。图4是表示本发明的第2实施方式的气体成分浓度测定装置的结构图。
具体实施例方式基于附图对用于实施本发明的最优的实施方式进行说明。再有，在各图中对共同的部分赋予同一符号，省略重复的说明。[第1实施方式]
图1是表示本发明的第1实施方式的气体成分浓度测定装置10的结构图。该气体成分浓度测定装置10是对气体中射出激光，基于通过了该气体的所述激光来检测所述气体的对象成分的浓度的装置。该对象成分例如是二氧化碳、氨、甲烷、二氧化硫气体(SO2)等的硫化气体(SOx)、或一氧化氮(NO)等的氧化氮气体(NOx)。气体成分浓度测定装置10具备激光射出装置3、光检测器9、以及浓度计算装置 11。激光射出装置3将波长为所述对象成分的光吸收波长λ工的第1激光、和波长为所述对象成分的非吸收波长λ2的第2激光以射到地表或水面5的方式向斜下方射出。优选第1激光仅具有光吸收波长λ工的波长成分，第2激光不包含所述光吸收波长λ工的成分。如图1所示，通过切换激光射出装置3的绕水平轴的朝向，在第1和第2照射处所 5ajb之间切换所述地表或水面5中的激光照射处所。例如，激光射出装置3以能够绕规定的水平轴向任意的摆动位置摆动的方式被支撑体支承。通过使激光射出装置3摆动，对其绕水平轴的朝向进行调节、变更，以适合的单元将激光射出装置3保持在固定的摆动位置即可。在图1中，实线表示朝向第1照射处所fe的激光射出装置3，虚线表示朝向第2照射处所恥的激光射出装置3。再有，第1和第2照射处所5ajb位于离激光射出装置3的远方(在下述的例子中是IOOOm左右)。优选第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，从激光射出装置3向第1和第2照射处所5ajb射出。该射出方向例如相对于水平面(即、地表或水面5) 以1度以下的角度朝向斜下方。因此，在图1中，能够看作是第1激光和第2激光水平地射出，能够将从第1照射处所fe到第2照射处所恥的距离Lli2看作是Lli2=L2-Lp再有，作为一个例子，L1是IOOOm左右，Llj2是10m。光检测器9检测在第1照射处所fe散射的第1激光的第1散射光、在第1照射处所fe散射的第2激光的第2散射光、在第2照射处所恥散射的第1激光的第3散射光、以及在第2照射处所恥散射的第2激光的第4散射光。光检测器9作为聚光装置具有凸透镜9a。在本实施方式中，因为强度比较大的所述第广第4散射光到达光检测器9，所以凸透镜9a不是大型的也可。再有，光检测器9固定于激光射出装置3，与激光射出装置3整体地切换所述绕水平轴的朝向。浓度计算装置11基于通过光检测器9取得的第1、第2、第3和第4散射光的检测值，计算第1照射位置fe和第2照射位置恥之间的对象成分的浓度。图2是表示本发明的第1实施方式的气体成分浓度测定方法的流程图。该气体成分浓度测定方法使用上述的气体成分浓度测定装置10来进行。针对该方法，省略与上述重复的说明，但在该方法中实施上述内容。在步骤Sl中，使用激光射出装置3，将波长为所述对象成分的光吸收波长λ工的第 1激光以射到地表或水面5的第1照射处所fe的方式向斜下方射出。在该例子中，通过使激光射出装置3的绕水平轴的朝向为第1朝向，从而将第1激光向地表或水面5的第1照射处所fe照射。在步骤S2中，通过光检测器9检测在第1照射处所fe中散射的第1激光的第1 散射光。在步骤S3中，在将激光射出装置3的绕水平轴的朝向维持在第1朝向的状态下， 通过激光射出装置3，将波长为所述对象成分的非吸收波长λ 2的第2激光向第1照射处所 5a照射。在步骤S4中，通过光检测器9检测在第1照射处所fe中散射的第2激光的第2 散射光。在步骤S5中，使激光射出装置3的绕水平轴的朝向为第2朝向，通过激光射出装置3，将波长为所述对象成分的光吸收波长λ工的第1激光从激光射出装置3向第2照射处所5a照射。在步骤S6中，通过光检测器9检测在第2照射处所恥中散射的第1激光的第3 散射光。在步骤S7中，在将激光射出装置3的绕水平轴的朝向维持在第2朝向的状态下， 通过激光射出装置3，将波长为所述对象成分的非吸收波长λ 2的第2激光向第2照射处所 5b照射。在步骤S8中，通过光检测器9检测在第2照射处所恥中散射的第2激光的第4 散射光。在步骤S9中，基于通过所述光检测器9取得的第1、第2、第3和第4散射光的检测值，计算第1照射位置fe和第2照射位置恥之间的所述对象成分的浓度。(浓度的计算)
图3表示通过光检测器9取得的检测信号。具体地，是将在上述的步骤S2、S4、S6、S8 中取得的检测信号重合了的图表。在该图中，横轴表示时间，纵轴表示与上述的第1、第2、 第3和第4散射光的强度成比例的电压值。横轴的原点0表示从激光射出装置3射出第 1激光或第2激光的时刻。在显示装置(未图示)显示检测信号。再有在该图中，、=21^八， t2=2L2/c。在这里，c是光速。利用朗伯-比尔定律，能够以下述方式计算从第1照射处所fe到第2照射处所恥的区间(即，在图1中以Lli2表示的区间)中的对象成分的浓度。在该计算中，如上述那样， 看作是第1激光和第2激光水平地射出，进行看作是Lli2=L2-L1的近似。首先，根据朗伯-比尔定律，以下的数式(1)成立。
6
在该数式(1)中，各文字的定义如下所述。角标x:l 或 2，
Tx(Ax)图1表示的距离L1或L2中的、对具有波长光的透射率，
Tx'图1表示的距离L1或1^2中的气体的光吸收以外的原因导致的光的透射率，
α (λχ)相对于波长λ χ的光的、每单位长度或单位浓度的所述对象成分的光吸收系
数，
Nx 距离Lx中的所述对象成分的平均浓度， Lx 图1表示的距离L1或“。在这里，光检测器9的光检测强度与Τχ(λχ)成比例，因此当将 WTxUx)向电压的变换系数设为E时，针对L1,以下的数式(2)、(3)成立。
χ T ν χ e
χ N . χ 当将数式(2)除以数式(3)时，获得以下的数式(4λ
* / V1(A1)^V1(A2)能够以光检测器9的计测来取得，Lp α ( λ》、α ( λ 2)是已知的， 因此通过对数式(4)进行变形，以下述的数式(5)的方式求取K。
N . = - I η IV, { A ,) /Vi (λ ,) I /2 L , I Cr (λ τ) - C 4 , 针对L2，也同样地以下述的数式(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，求取的区间中的对象成分的浓度Nt以下述的数式(7)表示c
因此，通过将数式(5)、(6)以及LpL2代入数式(7)，能够计算对象成分的浓度Nt。这样的浓度Nt的计算通过浓度计算装置11来执行。即，数式(5广(7)的运算通过浓度计算装置11来执行。根据上述的第1实施方式的气体成分浓度测定装置10，因为不基于通过气体散射的散射光，而基于通过地表或水面5散射的散射光的检测值来计算对象成分的浓度，所以即使不使用射出激光强度高的激光射出装置、大型聚光装置，也能取得充分大的光检测值， 测定所希望区间中的对象成分的浓度。S卩，由于以气体散射的激光散射光弱，所以不使用射出激光强度高的激光射出装置、大型聚光装置的话，就不能获得充分大的对象成分浓度计算用的散射光检测值。相对于此，在本实施方式中，利用地表或水面5，检测地表或水面5导致的强散射光，因此即使不使用射出高强度激光的激光射出装置、大型聚光装置，也能获得充分大的对象成分浓度计算用的散射光检测值，能够计算所希望区间中的对象成分的浓度。进而，仅切换激光射出装置3的绕水平轴的朝向或高度，就能够简单地变更对象成分的浓度测定区间。此外，因为第1激光和第2激光在斜向下且接近于水平方向的朝向，从激光射出装置3向第1和第2照射处所5ajb射出，所以如下述那样能够忽视浓度测定误差。虽然成为浓度测定的对象的区间的距离是L2-L1，但该距离L2-L1严密地说与第1照射处所fe和第 2照射处所恥的距离Lli2不一致。相对于此，在本实施方式中，因为激光在斜向下且接近于水平方向的朝向(例如，以相对于水平面以1度以下的角度朝向斜下方的方向)向第1和第 2照射处所5ajb射出，所以能够忽视上述距离的不一致。[第2实施方式]
图4是表示本发明的第2实施方式的气体成分浓度测定装置10的结构图。在第2实施方中，代替切换激光射出装置3的绕水平轴的朝向，而切换激光射出装置3的高度，由此在第1和第2照射处所fe、5b之间切换地表或水面5中的激光照射处所。 在图4中，实线表示朝向第1照射处所fe的激光射出装置3，虚线表示朝向第2照射处所恥的激光射出装置3。例如，激光射出装置3以能够在铅直方向向任意的高度滑动的方式被支承体支承。对激光射出装置3的高度进行调节、变更，以适合的单元将激光射出装置3保持在固定高度即可。第2实施方式的其它结构和工作，以及使用第2是实施方式的气体成分浓度测定装置10的气体成分浓度测定方法与第1实施方式相同。再有，在第2实施方式中，在上述的步骤S1、S3中，通过使激光射出装置3为第1高度，能够将第1激光和第2激光照射到地表或水面5的第1照射处所fe，在上述步骤S5、S7中，通过使激光射出装置3为第2高度， 能够将第1激光和第2激光照射到地表或水面5的第2照射处所fe。此外，光检测器9与第1实施方式同样地，固定于激光射出装置3，与激光射出装置3整体地切换高度。此外，在上述的各实施方式中，测定了作为第1照射处所fe和第2照射处所恥之间的1个区间的对象成分的浓度，但测定2个以上的区间中的对象成分的浓度也可。即，通过依次切换激光射出装置3的绕水平轴的朝向、或高度，从而以向第1照射处所fe、第2照射处所恥、第3照射处所的顺序切换所述地表或水面5中的激光照射处所。
8再有，以其它的顺序切换照射处所也可。在该情况下，光检测器9在上述的第广第4散射光之外，还检测在第3照射处所中散射的第1激光的第5散射光、以及在第3照射处所中散射的第2激光的第6散射光，浓度检测装置11基于通过所述光检测器9取得的第3、第4、 第5和第6散射光的检测值，也计算第2照射处所恥和第3照射处所之间的所述对象成分的浓度。在进一步增加测定对象成分的浓度的区间的情况下也是同样的。
本发明并不限于上述的实施方式，当然能够在不脱离本发明的主旨的范围中施加各种变更。
权利要求
1.一种气体成分浓度测定装置，对气体中射出激光，基于通过了该气体的所述激光对所述气体中的对象成分的浓度进行检测，其特征在于，具备激光射出装置，将波长为所述对象成分的光吸收波长的第1激光、和波长为所述对象成分的非吸收波长的第2激光以向地表或水面照射的方式向斜下方射出；光检测器，在通过切换激光射出装置的绕水平轴的朝向或高度，在第1和第2照射处所之间切换所述地表或水面的激光照射处所的情况下，检测在第1照射处所中散射的第1激光的第1散射光、在第1照射处所中散射的第2激光的第2散射光、在第2照射处所中散射的第1激光的第3散射光、和在第2照射处所中散射的第2激光的第4散射光；以及浓度计算装置，基于通过所述光检测器取得的第1、第2、第3和第4散射光的检测值， 计算第1照射位置和第2照射位置之间的所述对象成分的浓度。
2.根据权利要求1所述的气体成分浓度测定装置，其特征在于，在斜向下且接近于水平方向的朝向，从激光射出装置向第1和第2照射处所射出第1和第2激光。
3.一种气体成分浓度测定方法，对气体中射出激光，基于通过了该气体的所述激光对所述气体中的对象成分的浓度进行检测，其特征在于，使用激光射出装置，将波长为所述对象成分的光吸收波长的第1激光、和波长为所述对象成分的非吸收波长的第2激光以向地表或水面照射的方式向斜下方射出，通过切换所述激光射出装置的绕水平轴的朝向或高度，在第1和第2照射处所之间切换所述地表或水面的激光照射处所，以光检测器检测在第1照射处所中散射的第1激光的第1散射光、在第1照射处所中散射的第2激光的第2散射光、在第2照射处所中散射的第1激光的第3散射光、和在第2 照射处所中散射的第2激光的第4散射光，基于通过所述光检测器取得的第1、第2、第3和第4散射光的检测值，计算第1照射位置和第2照射位置之间的所述对象成分的浓度。
全文摘要
本发明即使不使用射出激光强度高的激光射出装置、大型聚光装置，也能够取得充分大的光检测值，测定所希望的区间中的对象成分的浓度。通过切换激光射出装置(3)的绕水平轴的朝向或高度，在第1和第2照射处所(5a，5b)之间切换地表或水面(5)的激光照射处所，以光检测器(9)检测在第1照射处所(5a)中散射的第1激光的第1散射光、在第1照射处所(5a)中散射的第2激光的第2散射光、在第2照射处所(5b)中散射的第1激光的第3散射光、和在第2照射处所(5b)中散射的第2激光的第4散射光，基于通过光检测器(9)取得的第1、第2、第3和第4散射光的检测值，以浓度计算装置(11)计算第1照射位置(5a)和第2照射位置(5b)之间的对象成分的浓度。
文档编号G01N21/49GK102216756SQ20098014533
公开日2011年10月12日 申请日期2009年8月3日 优先权日2008年11月14日
发明者久保田伸彦, 伊泽淳, 滨野靖德 申请人:株式会社 Ihi