JP2014010128A

JP2014010128A - 濃度測定装置及び濃度測定方法

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Publication number: JP2014010128A
Application number: JP2012149109A
Authority: JP
Inventors: Soichiro Omi; 聡一郎大海; Atsushi Izawa; 淳伊澤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-20
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: JP6035913B2

Abstract

【課題】遠方の測定対象物の濃度を測定する際に、安全且つ確実に当該測定対象物を特定できる機能を有する濃度測定装置を提供する。
【解決手段】励起光２３としてのレーザ光を発生するレーザ光源２２と、励起光２３の波長変換によって、測定対象物Ｓに対するオン波長及びオフ波長のプローブ光１０，１２を発生するプローブ光発生部２４と、プローブ光１０，１２に対して角度調整可能に設置されたミラー３１と、ミラー３１とプローブ光発生部２４との間に設置され、プローブ光１０，１２と可視光のうちの何れか一方を反射し、その他方を透過するミラー２９と、ミラー２９から出射した可視光を用いてプローブ光１０，１２の照射領域を撮像する撮像装置３５と、測定対象物Ｓを透過した又は測定対象物Ｓから反射したプローブ光１０，１２を検出する光検出器２６と、記プローブ光１０，１２の強度から測定対象物Ｓの濃度を算出する制御部２８とを備える。
【選択図】図１

Description

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及び濃度測定方法に関する。

二酸化炭素ガスやメタンガス等の測定対象物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、測定対象物で吸収される波長（即ち、オン波長）のレーザ光と測定対象物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物の濃度を算出する。測定対象物に照射するレーザ光の波長は、殆どの場合、吸収を利用している関係から赤外域にある。例えば、二酸化炭素ガスの濃度の測定には２μｍや４μｍ程度の波長のレーザ光が使用される。

近年は排出ガスの規制が厳しくなる傾向にある。特に、大規模な排出源である工場等からの二酸化炭素ガス等の排出量を抑制することは非常に重要な課題である。そこで、排気ダクトや煙突等の排気設備から排出されるガスの濃度を定期的に観測することが考えられる。ところが、排気口は通常、立ち入りが困難な高所等に設けられており、有害物質の濃度が高くなっている可能性もある。従って、測定装置を排気口の近傍に設置することは合理的ではなく、遠方から高強度のレーザ光を排気口に向けて照射し、その散乱光の強度から測定対象の濃度を算出するような手法が考えられる。これは即ちＬＩＤＡＲの一種である。

特開２００１−３２５０６９号公報

上述の通り、差分吸収法に用いるレーザ光の波長は赤外域にあるため、人間は目視できない。従って、遠方から測定領域を特定するには、赤外レーザと平行に可視光のレーザ光を照射し、その散乱光の目視によって測定領域を特定することが考えられる。しかしながら、測定領域がレーザ光源から数百ｍ〜数ｋｍ程度の遠方にある場合は、散乱光の特定自体が困難である。また、大強度のレーザ光が人間に当る可能性も高まるため危険である。そこで、赤外レーザの照射領域を可視光で観察する光学系を別途設けることが考えられる。特許文献１の装置は濃度測定装置ではないが、赤外レーザ光の光路の延長上にＣＣＤカメラを設置し、赤外レーザの照射領域を目視で容易に確認できる構成を備えている。

上記の状況を鑑み、本発明は、遠方の測定対象物の濃度を測定する際に、安全且つ確実に当該測定対象物を特定できる機能を有する濃度測定装置及び濃度測定方法の提供を目的とする。

本発明の第１の態様は、プローブ光の照射領域を実像として得ることが可能な濃度測定装置であって、励起光としてのレーザ光を発生するレーザ光源と、前記励起光の波長変換によって、測定対象物に対するオン波長及びオフ波長のプローブ光を発生するプローブ光発生部と、前記プローブ光に対して角度調整可能に設置された第１のミラーと、前記第１のミラーと前記プローブ光発生部との間に設置され、前記プローブ光と可視光のうちの何れか一方を反射し、その他方を透過する第２のミラーと、前記第２のミラーから出射した前記可視光を用いて前記プローブ光の照射領域を撮像する撮像装置と、前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射した前記プローブ光を検出する光検出器と、前記プローブ光の強度から前記測定対象物の濃度を算出する制御部とを備えることを要旨とする。

上記濃度測定装置は、前記測定対象物からの前記プローブ光を前記光検出器に集光する光学系を更に備えてもよい。この場合、前記光学系の光軸は、前記測定対象物に向けて前記第１のミラーから出射した前記プローブ光の進行方向は略平行である。

本発明の第２の態様はプローブ光の照射領域を実像として得ることが可能な濃度測定方法であって、測定対象物に対するオン波長及びオフ波長のプローブ光の進行方向を前記測定対象物に向けて偏向させ、前記プローブ光の光路上に、前記プローブ光の進行方向とは逆の方向に進行する前記測定対象物からの可視光を通過させ、前記光路上で反射又は透過により前記可視光のみを取り出して当該可視光を用いた前記プローブ光の照射領域の撮像を行い、前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射した前記プローブ光を検出し、前記プローブ光の強度から前記測定対象物の濃度を算出することを要旨とする。

本発明によれば、遠方の測定対象物の濃度を測定する際に、安全且つ確実に当該測定対象物を特定できる機能を有する濃度測定装置及び濃度測定方法を提供できる。

本発明の一実施形態に係る濃度測定装置の構成図である。本発明の一実施形態に係るプローブ光発生部の構成図である。本発明の一実施形態に係るプローブ光発生部の構成図であり、図２の変形例である。本発明の一実施形態に係るプローブ光及び参照光の各波長と、測定対象物の吸収線の波長との関係を示す模式図である。

以下、本発明の一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。

図１は、本実施形態に係る濃度測定装置の構成図である。図２は、本実施形態に係るプローブ光発生部の構成図である。図３は、図２に示すプローブ光発生部の変形例である。図４は、本実施形態に係るプローブ光及び参照光の各波長と、測定対象物の吸収線の波長との関係を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の濃度測定装置は、レーザ光源２２と、プローブ光発生部２４と、光学フィルタ２７と、ミラー（第２のミラー）２９と、ミラー（第１のミラー）３１と、光検出器２６と、制御部（濃度算出部）２８と、撮像装置３５とを備える。

レーザ光源２２は、後段のプローブ光発生部２４に入力される励起光（ポンプ光）２３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、プローブ光発生部２４における波長変換の仕様（変換方法、出力波長など）に応じて選定する。本実施形態では、パルスレーザ光源であるＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する。Ｎｄ：ＹＡＧレーザは、基本波である１０６４ｎｍのパルスレーザ光を、数ｎｓ〜数十ｎｓのパルス幅、且つ、１０Ｈｚ〜数ｋＨｚの繰り返し周波数で出力する。

プローブ光発生部２４は、励起光２３の波長変換によって、測定対象物に対するオン波長のプローブ光１０及びオフ波長のプローブ光１２（図４参照）を発生する。以下、説明の便宜上、オフ波長のプローブ光１２を単に参照光１２と称する場合がある。吸収の感度を高める観点からは、図４に示すように、プローブ光１０の波長λｏｎが測定対象物Ｓの吸収線１４の波長に一致していることが好ましい。しかしながら、少なくとも吸収線１４の波長が、プローブ光１０の線幅内に含まれていれば吸収を確認することは可能である。

図２に示すように、プローブ光発生部２４は、反射面が対向するように光軸（光路）２０に沿って配置された終端鏡３２と出力鏡３４とを有する。出力鏡３４と終端鏡３２との間隔Ｄは例えば２０ｍｍである。更に、終端鏡３２と出力鏡３４の間の光軸２０上には、波長変換を行う光学素子として、非線形光学結晶３６が設けられている。後述するように、非線形光学結晶３６は、励起光２３の光パラメトリック発振によってプローブ光１０及び参照光１２を発生する。

終端鏡３２は、励起光２３を透過させ、且つ、非線形光学結晶３６によって発生したプローブ光１０及び参照光１２を反射する波長特性を有する。通常、励起光２３の波長はプローブ光１０及び参照光１２の各波長よりも短いので、終端鏡３２は所謂ロングパスフィルター（ＬＰＦ）である。一方、出力鏡３４も、終端鏡３２と同じく、プローブ光１０及び参照光１２を反射する波長特性を有する。従って、終端鏡３２及び出力鏡３４は所謂光共振器を構成する。終端鏡３２及び出力鏡３４のプローブ光１０及び参照光１２に対する反射率は５０〜９９．５％である。

非線形光学結晶３６は例えばＫＴＰ結晶やＢＢＯ結晶であり、励起光２３による光パラメトリック発振によってオン波長のプローブ光１０及びオフ波長の参照光１２を発生する。プローブ光１０の中心波長λｏｎは例えば２００４ｎｍ、参照光１２の中心波長λｏｆｆは例えば１９９３ｎｍである。非線形光学結晶３６によって発生する光の波長は、励起光２３の光軸に対する結晶の光学軸３６ａ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３６は、この角度θを調整できるように回転ステージ３８に搭載されている。即ち、回転ステージ３８の回転・逆回転を例えば所定の周期で繰り返すことで、プローブ光１０及び参照光１２が出力鏡３４から交互に出射され、測定対象物Ｓに照射される。なお、回転ステージ３８の回転は制御部（図示せず）によって制御される。

なお、本実施形態のプローブ光発生部については、次のように変形できる。図３に示すプローブ光発生部２５は、図２に示すプローブ光発生部２４の変形例である。図２のプローブ光発生部２４では、波長変換を行う光学素子として非線形光学結晶３６を用いていた。一方、図３のプローブ光発生部２５は、波長変換を行う光学素子としてレーザ結晶４６を用いる。レーザ結晶４６は、例えば、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｔｍ：ＹＶＯ_４、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＶＯ_４などある。これらのうちの何れかをレーザ結晶４６に用いる場合、励起光２３を発生するレーザ光源には半導体レーザ（ＬＤ）を使用する。半導体レーザは、励起光２３として中心波長が例えば７８５ｎｍの光を発生する。半導体レーザから出射した光は、レーザ結晶４６内での変換効率を上げるため、レンズ等の光学系４８によってレーザ結晶４６に集光される。

図３に示すように、レーザ結晶４６の出射側と出力鏡３４との間には、レーザ結晶４６から出射した光の波長を選別する波長調整機構４２が設置される。波長調整機構４２は、例えばエタロンやプリズムであり、波長調整機構４２を搭載した回転ステージ４４の回転によって、出力鏡３４へ進行する光の波長を選別できる。つまり、回転ステージ４４の回転・逆回転を例えば所定の周期で繰り返すことで、プローブ光１０及び参照光１２を交互に出射させることができる。

プローブ光発生部２４（２５）から出射したプローブ光１０及び参照光１２は、光学フィルタ２７を通過し、ミラー２９に入射する。光学フィルタ２７は、赤外線透過・可視光吸収フィルタであり、プローブ光１０及び参照光１２を透過させると共に、プローブ光発生部２４（２５）で発生した可視光のレーザ光が下流に進行するのを防止する。なお、可視光のレーザ光が発生しない場合は省略してもよい。

ミラー２９は、プローブ光１０及び参照光１２と、可視光とのうちの何れか一方を反射し、その他方を透過するダイクロイックミラーである。ミラー２９は、後段のミラー３１とプローブ光発生部２４（２５）との間に設置される。ミラー２９は、図１に示すように、プローブ光１０及び参照光１２を全反射ミラー３１に向けて反射し、全反射ミラー３１から反射された可視光をそのまま透過させ、当該可視光を撮像装置３５へ導く。換言すると、プローブ光１０等の光路上で反射又は透過により可視光のみを取り出し、当該可視光を撮像装置３５へ導く。

ミラー３１は、アルミコーティングミラー等の全反射ミラーであり、プローブ光１０、参照光１２、可視光の何れも反射する。即ち、ミラー３１は、オン波長及びオフ波長のプローブ光１０，１２の進行方向を測定対象物Ｓに向けて偏向させると共に、プローブ光１０，１２の光路上に、当該プローブ光１０，１２の進行方向とは逆の方向に進行する測定対象物Ｓからの可視光を通過させる。ミラー３１は、これらの光に対して角度（反射角度）調整可能な二軸の角度調整機構３３に設置されており、測定対象物Ｓに向けて二次元的に照射位置を操作できる。なお、角度調整機構３３は制御部２８によって制御されている。

ミラー２９を挟んでミラー３１が設けられた側と反対側には、撮像装置３５が設置されている。撮像装置３５は、例えばＣＣＤカメラであり、ミラー２９から出射した可視光を用いてプローブ光１０，１２の照射領域を撮像する。測定対象物Ｓからミラー２９までの間、プローブ光１０，１２も可視光も同じ光路上に位置している。従って、撮像装置３５の光軸を、可視光の光軸に合わせると、プローブ光１０，１２の照射位置は視野の中央に位置することなる。つまり、容易に照射位置の選定、特定ができる。また、可視光のレーザ光のような大強度の光の照射が不要になるので、照射位置の選定、特定を安全に行うこともできる。

光検出器２６は、測定対象物Ｓを透過した又は測定対象物Ｓから反射した、プローブ光１０及び参照光１２を検出する。本実施形態では、光検出器２６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、光検出器２６の前段にはプローブ光１０及び参照光１２を集光するためのレンズ等の光学系３０が設けられており、集光率を向上させている。

本実施形態の光学系３０の光軸３０ａは、測定対象物Ｓに向けてミラー３１から出射したプローブ光１０，１２の進行方向と略平行である。本実施形態の濃度測定装置は、遠方の測定対象物を想定しており、光学系３０の焦点距離を極力大きな値に設定している。この場合、プローブ光１０，１２の照射位置の変更による、光学系３０の視野からのプローブ光１０，１２の逸脱を極力抑えることができる。

制御部２８は、濃度測定装置の全体を制御する。更に、制御部２８は、光検出器２６によって検出されたプローブ光１０及び参照光１２の各透過率（吸光度）から測定対象物Ｓの濃度を算出する。具体的には、制御部２８は、測定対象物Ｓを経由した参照光１２の強度から、参照光１２の透過率（第１の透過率）を算出する。制御部２８は、更に、測定対象物Ｓを経由したプローブ光１０の強度から、プローブ光１０の透過率（第２の透過率）を算出する。第２の透過率は、第１の透過率に、測定対象物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とを考慮して、制御部２８は、第１の透過率を用いて、第２の透過率から第３の透過率を逆算する。その結果、第３の透過率から測定対象物Ｓの濃度を算出する。

なお、本実施形態では測定対象物として二酸化炭素ガスを挙げたが、本発明が適用される測定対象物はこれに限られず、他の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。

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。

１０…プローブ光、１２…参照光（プローブ光）、１４…吸収線、２０…光軸、２２…レーザ光源、２３…励起光、２４，２５…プローブ光発生部、２６…光検出器、２７…光学フィルタ、２８…制御部、２９…ミラー（第２のミラー）、３０…光学系、３１…ミラー（第１のミラー）、３２…終端鏡、３４…出力鏡、３５…撮像装置、３６…非線形光学結晶、３６ａ…光学軸、３８…回転ステージ、４２…波長調整機構、４４…回転ステージ、４６…レーザ結晶、４８…光学系

Claims

プローブ光の照射領域を実像として得ることが可能な濃度測定装置であって、
励起光としてのレーザ光を発生するレーザ光源と、
前記励起光の波長変換によって、測定対象物に対するオン波長及びオフ波長のプローブ光を発生するプローブ光発生部と、
前記プローブ光に対して角度調整可能に設置された第１のミラーと、
前記第１のミラーと前記プローブ光発生部との間に設置され、前記プローブ光と可視光のうちの何れか一方を反射し、その他方を透過する第２のミラーと、
前記第２のミラーから出射した前記可視光を用いて前記プローブ光の照射領域を撮像する撮像装置と
前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射した前記プローブ光を検出する光検出器と、
前記プローブ光の強度から前記測定対象物の濃度を算出する制御部と
を備えることを特徴とする濃度測定装置。
前記測定対象物からの前記プローブ光を前記光検出器に集光する光学系を更に備え、
前記光学系の光軸は、前記測定対象物に向けて前記第１のミラーから出射した前記プローブ光の進行方向と平行であることを特徴とする請求項１に記載の濃度測定装置。
プローブ光の照射領域を実像として得ることが可能な濃度測定方法であって、
測定対象物に対するオン波長及びオフ波長のプローブ光の進行方向を前記測定対象物に向けて偏向させ、
前記プローブ光の光路上に、前記プローブ光の進行方向とは逆の方向に進行する前記測定対象物からの可視光を通過させ、
前記光路上で反射又は透過により前記可視光のみを取り出して当該可視光を用いた前記プローブ光の照射領域の撮像を行い、
前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射した前記プローブ光を検出し、
前記プローブ光の強度から前記測定対象物の濃度を算出する
ことを特徴とする濃度測定方法。