JP4317728B2 - ガス濃度フラックス計測装置 - Google Patents
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Description
中屋耕ほか「浅間山東麓ダケカンバ林におけるCO2フラックスの連続観測の紹介」2002年CGERフラックスリサーチミーティング(2002年11月14日)、58頁 Thiermann, V. "A displaced-beam scintillometer for line-averaged measurements of surface layer turbulence". Tenth symposium of turbulence and diffusion, 29 Sept -2 Oct, 1992, Portland, OR., published by the American Meteorological Society, Boston, MA.: p244-p247 (1992).
(1)現状のガス濃度計は、フラックス計測に用いられている必要条件を完全に満たしていない。
従来技術の最初に示した、フラックス量の時間変化を考慮しない計測は除き、森林CO2吸収量計測等のフラックス計測に用いられるガス濃度計測には次に掲げる特性が要求される。
(i)高応答性
渦相関法でのフラックス検出には、可能な限り速い応答性が求められる。
微量成分検出のため、対象ガス以外の物質に影響を受けないことが要求される。
長時間の連続計測が必要になるので、計測の安定性が要求される。
また、光源の問題から、計測安定性にも課題を残している。
現状のクローズドパス式ガス濃度計96ではサンプリング位置近傍の領域のみに計測範囲が限定されてしまう。また、オープンパス型ガス濃度計93では光源の問題から、その計測長はせいぜい1m以下にすぎない。よって、従来方式では1m以上の、例えば、10m、100m、1km規模の広域のガス濃度変動を計測することはできない。なお、従来方式であっても、多数の計測装置を並べて計測すれば、理論的には広域のガス濃度計測も可能である。ただし、多数の計測装置を設置すると、それらの装置自身が障害物となって計測領域の状況(濃度、フラックス等)を変化させるため、正確な広域フラックス計測は不可能である。
(2)また、本発明の第2の手段のガス濃度フラックス計測装置は、第1の手段において、前記第3の偏光面復調器は前記第1の波長変調復調器の後段に設けられ、偏光面変調周波数は波長変調周波数より小さく設定されていることを特徴とする。
(3)また、本発明の第3の手段のガス濃度フラックス計測装置は、第1の手段において、前記第3の偏光面復調器は前記第1の波長変調復調器の前段に設けられ、偏光面変調周波数は波長変調周波数より大きく設定されていることを特徴とする。
(4)また、本発明の第4の手段のガス濃度フラックス計測装置は、第1の手段において、さらに、前記第1及び第2の偏光面復調器の前段に設けられ、前記偏光面変調制御装置からの偏光面変調参照信号の位相を変化させる信号位相変換器を有することを特徴とする。
(5)また、本発明の第5の手段のガス濃度フラックス計測装置は、第1の手段において、前記光源と前記第1の受光装置は同じ容器内に収納されていることを特徴とする。
(6)また、本発明の第6の手段のガス濃度フラックス計測装置は、第1の手段において、さらに、前記温度計測手段と前記圧力計測手段も前記同じ容器内に収納されていることを特徴とする。
例えば図7に示すように、波長変調TDLASでの広域ガス濃度計測装置と、シンチレーション法による広域運動量フラックス計測装置を組合せ、夫々の計測結果を、Monin-Obukhov相似則に基づいて統合することで、広域のガス濃度フラックス計測が可能となる。
例えば図9、図11、図13に示すように、波長変調TDLASにシンチレーション手法の機能を追加し、単体装置による広域のガス濃度フラックス計測装置を可能とさせる。
先ず図1を参照してTDLASを利用したガス濃度計測装置の基本構成について説明する。ガス濃度計測装置10は、光源部2、受光部3、直流成分検出器4,12、波長変調復調器5、波長変調制御装置6、波長変調復調器7,8、加算器9、LD制御装置11、A/D変換器13、コンピュータ14を備えている。光源部2は、外周が耐候性に優れた光学系容器2aで覆われ、内部に半導体レーザ光源21、参照セル25、レーザ光の一部を光学窓23に向けて透過させるとともに一部を反射するハーフミラー22、ハーフミラー22で反射されたレーザ光を参照セル25に向けて反射するミラー24、参照セル25からのレーザ光を受光する参照用受光部26を備えている。
参照セル25の内部にはガス濃度が既知の標準ガスを一定圧力で封入するか、または通流させてある。先ず、参照セル25内の既知のガス濃度と、参照セル25の既知の光学長さと、計測領域の既知の光学長さとを解析部であるコンピュータ14にデータ入力する。コンピュータ14は、メモリから所定の数式を呼び出し、3つの入力データを所定の数式の該当パラメータにそれぞれ代入し、演算によりガス濃度値を求める。求めたガス濃度値は、連続的に記録されるとともに、その時々刻々変化する様子がディスプレイ画面上に表示される。
(2つの光源と2つの計測用受光部との組合せ)
図2は本発明の検討例としてのガス濃度フラックス計測装置の全体構成を示す図である。なお、本検討例のガス濃度フラックス計測装置10Bが上述したガス濃度計測装置10と重複する部分の説明は省略する。
(単一光源と2つの計測用受光部との組合せ)
図3は他の本発明の検討例のガス濃度フラックス計測装置の全体構成を示す図である。なお、本検討例のガス濃度フラックス計測装置10Bが上述の装置10,10Aと重複する部分の説明は省略する。
(単一光源と単一の計測用受光部との組合せ)
図4は、本発明の実施の形態に係るガス濃度フラックス計測装置の全体構成を示す図である。なお、本実施形態のガス濃度フラックス計測装置10Cが上述の装置10,10A,10Bと重複する部分の説明は省略する。
実施例及び検討例としてTDLASガス濃度計測装置と超音波流速計とを組み合わせたガス濃度フラックス計測装置を用いて森林観測タワー上においてCO2フラックスと濃度を計測した例について説明する。
本検討例1では、本発明の検討例によるガス濃度フラックス計測を実証するために、図5(b)に示すように、波長可変TDLAS式ガス濃度計測装置と超音波流速計を1つの容器2b内に組み込んだ計測部2Dを森林観測タワー91上に設置し、両者の計測結果を渦相関法で解析し、森林観測タワー91上でのCO2濃度フラックスを計測した。なお、計測領域100のガスは、サンプリング管95を通って森林観測タワー91上の計測部2D内に導入するようにした。また、サンプリング管95のガス採取端側にCO2計93および前処理器94をそれぞれ設け、比較確認用としてCO2濃度を実際に測定するとともに採取ガスを所定の方法で前処理した。さらに、制御/解析部19Dはタワー近傍の観測室90内に設けた。
次に、検討例2として図7を参照してTDLASでの広域ガス濃度計測装置とシンシレーション手法を組み合わせた森林観測タワー間の広域CO2フラックスを計測した例について説明する。なお、本検討例2が上記の検討例1と重複する部分の説明は省略する。
検討例3として図9を参照して半導体レーザ方式ガス濃度フラックス計測装置を用いて森林観測タワー間の広域CO2フラックスを計測した例について説明する。なお、本検討例3が上記の検討例と重複する部分の説明は省略する。
検討例4として図11を参照して半導体レーザ方式ガス濃度フラックス計測装置を用いて森林観測タワー間の広域CO2フラックス計測について説明する。なお、本検討例4が上記の検討例と重複する部分の説明は省略する。
実施例1として図13を参照して半導体レーザ方式ガス濃度フラックス計測装置を用いて森林観測タワー間の広域CO2フラックス計測する場合について説明する。なお、本実施例1が上記の各検討例と重複する部分の説明は省略する。
10A〜10H…ガス濃度フラックス計測装置
11,11a,11b…LD制御装置(レーザ出力制御装置)
12…第2の直流成分検出器(参照用)
13…A/D変換器
14…データ解析/記録/表示部(解析装置;パソコン)
15…偏光面変調制御装置
16…信号位相変換器
17a,17b,18…偏光面変調復調器
19D〜19H…制御/解析部
2,2A〜2H…光源部(計測部)
2a…光学系容器、2b…保護容器
20…光学系ユニット
21…レーザ光源
22,22a〜22c…ハーフミラー
23,23a,23b…光学窓
24…ミラー
25…参照セル
26,29b…参照用受光部(第2の受光装置)
27,27A,27G…偏光面変調装置(偏光面回転装置)
28,28a,28b…レーザダイオード(LD)
29a…フォトダイオード(第1の受光装置)
29b…フォトダイオード(第2の受光装置)
29c,29d…フォトダイオード(第3の受光装置)
3,3A〜3H,31,33,34…第1の計測用受光部(第1の受光装置)
32,33,34…第2の計測用受光部(第3の受光装置)
3a…光学系容器
4,41,42…第1の直流成分検出器(計測用)
5…第1の波長変調復調器(濃度計測用)
6…波長変調制御装置
7…第2の波長変調復調器(濃度校正用)
8…第3の波長変調復調器(レーザ波長固定化信号用)
9…加算器
51…超音波流速計
52…温度センサ
53…圧力センサ
58…偏光面変調制御器
59…偏光面変調器(偏光面回転器)
61,62…波長変調波形発生器
63a〜63d,64a〜64d…位相敏感検波器
65a〜65d…ローパスフィルタ
66…波長掃引波形発生器
67…切替スイッチ
70…シンチレーション計測ユニット
71,72…レーザ発振器
73a,73b…光学窓
90…観測室
91,92…タワー
93…オープンパス型CO2計
95…サンプリング管
96…クローズパス型CO2計
100…計測領域
T1…温度計測器
P1…圧力計測器
S1〜S192…信号
Claims (6)
- 計測対象ガスに固有な吸収波長のレーザ光を計測領域に向けて発振する単一の光源と、
前記光源の出力動作を制御するレーザ出力制御装置と、
前記光源から発振されるレーザの発振波長に対して変調を加えるための変調信号を出力し、かつ、その変調に同期した参照信号を出力する波長変調制御装置と、
計測領域を透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第1の受光装置と、
前記第1の受光装置から出力された信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を出力する第1の直流成分検出器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第1の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、計測領域の計測対象ガス濃度に比例した信号を出力する第1の波長変調復調器と、
前記光源から発振されるレーザを2つ以上に分配する光学系と、
濃度が既知の前記計測対象ガスが封入され、前記光学系により分配されて計測領域に向かわなくなったレーザが前記封入ガス中を透過するような位置に配置された参照セルと、
前記参照セル内の封入ガスを透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第2の受光装置と、
前記第2の受光装置から出力された信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を出力する第2の直流成分検出器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第2の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、前記参照セル内の封入ガス濃度に比例した信号を出力する第2の波長変調復調器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第2の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の奇数次高調波成分を検出し、レーザ波長を計測対象ガスの吸収波長に固定化するための基準信号を出力する第3の波長変調復調器と、
前記第1の波長変調復調器、第2の直流成分検出器および第2の波長変調復調器から出力された信号に基づいて、計測領域中のガス濃度および固体粒子濃度を算出し、その算出結果を出力する解析装置と、
前記波長変調制御装置からの変調信号と前記第3の波長変調復調器からのレーザ波長固定化信号とを加算し、その加算信号を前記レーザ出力制御装置への外部制御信号として出力する加算器と、
計測領域の温度を計測し、その計測値に応じた信号を前記解析装置に出力する温度計測手段と、
計測領域の圧力を計測し、その計測値に応じた信号を前記解析装置に出力する圧力計測手段と、を具備するガス濃度フラックス計測装置であって、
さらに、外部制御されるファラデー回転子を有し、前記単一の光源から発振されるレーザの偏光面を回転させる偏光面回転装置と、
前記ファラデー回転子の回転角度を制御し、レーザ偏光面を縦偏光と横偏光に一定周期で切り替えさせる偏光面変調制御装置と、
前記偏光面変調制御装置からの強度変調参照信号に基づいて前記第1の受光装置の出力信号中から偏光面変調に同期した信号を検出し、計測領域を透過してきた縦偏光レーザの受光強度に比例した信号を計測部レーザ吸収量信号として前記解析装置に出力する第1の偏光面復調器と、
前記偏光面変調制御装置からの強度変調参照信号に基づいて前記第1の受光装置の出力信号中から偏光面変調に同期した信号を検出し、計測領域を透過してきた横偏光レーザの受光強度に比例した信号を計測部レーザ吸収量信号として前記解析装置に出力する第2の偏光面復調器と、
前記偏光面変調制御装置からの強度変調参照信号に基づいて前記第1の受光装置の出力信号中から偏光面変調に同期した信号を検出し、計測領域を透過してきたレーザの受光強度に比例した信号を濃度計測信号として前記解析装置に出力する第3の偏光面復調器と、を有し、
前記解析装置は、前記第1、第2及び第3の偏光面復調器からそれぞれ入力される信号を用いてレーザ透過率の時間変化を求め、求めたレーザ透過率の時間変化からガス密度の時間変化を導出し、さらにガス密度の時間変化から計測対象ガスの乱れの状態を把握するためにMonin-Obukhov相似則に基づく解析を行い、その解析結果を用いて計測領域の運動量フラックス、計測対象ガスの濃度フラックスおよび計測対象ガス濃度を演算により求めることを特徴とするガス濃度フラックス計測装置。 - 前記第3の偏光面復調器は前記第1の波長変調復調器の後段に設けられ、偏光面変調周波数は波長変調周波数より小さく設定されていることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記第3の偏光面復調器は前記第1の波長変調復調器の前段に設けられ、偏光面変調周波数は波長変調周波数より大きく設定されていることを特徴とする請求項1記載の装置。
- さらに、前記第1及び第2の偏光面復調器の前段に設けられ、前記偏光面変調制御装置からの偏光面変調参照信号の位相を変化させる信号位相変換器を有することを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記光源と前記第1の受光装置は同じ容器内に収納されていることを特徴とする請求項1記載の装置。
- さらに、前記温度計測手段と前記圧力計測手段も前記同じ容器内に収納されていることを特徴とする請求項1記載の装置。
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