專利名稱：氣體成分濃度測(cè)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用激光束對(duì)氣體中的對(duì)象成分的濃度進(jìn)行測(cè)定的氣體成分濃度測(cè)
定裝置。
背景技術(shù)：
氣體中所含的特定的對(duì)象成分的濃度能夠以下方法測(cè)定。從激光射出裝置對(duì)位于遠(yuǎn)方的氣體射出具有對(duì)象成分所固有的吸收波長(zhǎng)λ工的激光。利用設(shè)置在激光照射裝置的附近的光檢測(cè)器檢測(cè)吸收波長(zhǎng)λ工的激光束被氣體中的粉塵或氣體自身散射后的散射光。在該情況下，根據(jù)激光射出裝置和激光束的散射位置的距離，在光檢測(cè)器的散射光檢測(cè)的時(shí)間上產(chǎn)生差異。將該時(shí)間特性變換為距離特性，從而得到來(lái)自所希望的區(qū)間的散射光的檢測(cè)信號(hào)。進(jìn)而，基于該檢測(cè)信號(hào)，求出針對(duì)射出時(shí)的激光束的在所述區(qū)間中的波長(zhǎng)X1的光的衰減率。另一方面，從激光射出裝置對(duì)位于遠(yuǎn)方的相同的氣體射出具有所述對(duì)象成分的非吸收波長(zhǎng)λ 2的激光，由此，同樣地求出在相同的所述區(qū)間中的波長(zhǎng)λ 2的光的衰減率。能夠基于在所述區(qū)間中的波長(zhǎng)λ工的光的衰減率和在所述區(qū)間中的波長(zhǎng)λ 2的光的衰減率，求出由所述對(duì)象成分引起的光的衰減率。進(jìn)而，能夠根據(jù)該衰減率和已知的參照數(shù)據(jù)，求出所述區(qū)間的所述對(duì)象成分的濃度。此外，作為本申請(qǐng)的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)，有下述的專利文獻(xiàn)1、2。專利文獻(xiàn)1 日本特許第3861059號(hào)。專利文獻(xiàn)2 日本特許第3699682號(hào)。在利用上述方法檢測(cè)氣體的對(duì)象成分的濃度的情況下，需要如下那樣使用價(jià)格非
常高的裝置。被氣體中的粉塵或氣體自身散射后的散射光的強(qiáng)度顯著小。因此，為了光檢測(cè)器能夠檢測(cè)出散射光，需要使用射出強(qiáng)度充分高的激光束的激光射出裝置。但是，特別是在室外射出激光束的情況下，從安全性的角度考慮，激光的強(qiáng)度受到制約。為了補(bǔ)償這樣的激光強(qiáng)度，檢測(cè)出微弱的散射光，需要使用大型、操作困難且成本高的聚光裝置等。另外，由于散射光向所有角度反射，所以，散射光與距離的平方成比例衰減。因此， 來(lái)自作為測(cè)定對(duì)象的所述區(qū)間的一端的散射光和來(lái)自該區(qū)間的另一端的散射光在光檢測(cè)器的位置上其強(qiáng)度顯著不同。因此，需要能夠檢測(cè)的強(qiáng)度范圍較大的光檢測(cè)器，所以，光檢測(cè)器的價(jià)格高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題而提出的。即，本發(fā)明的目的在于提供一種氣體成分濃度測(cè)定裝置，即使不使用射出激光強(qiáng)度高的激光射出裝置或大型聚光裝置， 也能夠取得足夠大的光檢測(cè)值，測(cè)定出所希望區(qū)間的對(duì)象成分的濃度。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種氣體成分濃度測(cè)定裝置，向氣體中射出激光束，基于通過(guò)了該氣體的所述激光束，檢測(cè)所述氣體中的對(duì)象成分的濃度，其特征在于，具有激光射出裝置，射出波長(zhǎng)為所述對(duì)象成分的光吸收波長(zhǎng)的第一激光束以及波長(zhǎng)為所述對(duì)象成分的非吸收波長(zhǎng)的第二激光束；第一以及第二散射體，位于第一激光束和第二激光束的照射范圍內(nèi)，并且，在第一激光束和第二激光束的射出方向上隔開(kāi)間隔配置；光檢測(cè)器，對(duì)由第一散射體散射的第一激光束的第一散射光、由第一散射體散射的第二激光束的第二散射光、由第二散射體散射的第一激光束的第三散射光以及由第二散射體散射的第二激光束的第四散射光進(jìn)行檢測(cè)；濃度計(jì)算裝置，基于由所述光檢測(cè)器取得的第一、第二、第三以及第四散射光的檢測(cè)值，計(jì)算第一散射體和第二散射體之間的所述對(duì)象成分的濃度。根據(jù)上述本發(fā)明的氣體成分濃度測(cè)定裝置，不是基于由氣體散射的散射光的檢測(cè)值，而是基于由第一以及第二散射體散射的散射光的檢測(cè)值計(jì)算對(duì)象成分的濃度，所以，即使不使用射出激光強(qiáng)度高的激光射出裝置或大型聚光裝置，也能夠取得足夠大的光檢測(cè)值，測(cè)定所期望區(qū)間的對(duì)象成分的濃度。S卩，由氣體散射的激光散射光弱，所以，如果不使用射出激光強(qiáng)度高的激光射出裝置或大型聚光裝置，就不能得到足夠大的對(duì)象成分濃度計(jì)算用的散射光檢測(cè)值。相對(duì)于此， 在本發(fā)明中，設(shè)置第一以及第二散射體，檢測(cè)第一以及第二散射體的較強(qiáng)的散射光，所以， 即使不使用射出高強(qiáng)度激光的激光射出裝置或大型聚光裝置，也能夠得到足夠大的對(duì)象成分濃度計(jì)算用的散射光檢測(cè)值，能夠計(jì)算所望區(qū)間的對(duì)象成分的濃度。進(jìn)而，第一以及第二散射體是在預(yù)定的較寬的范圍使激光束散射的散射體，所以， 不需要使第一以及第二散射體的朝向與激光射出裝置準(zhǔn)確地匹配。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，第二散射體配置在比第一散射體更遠(yuǎn)離所述光檢測(cè)器的位置，第二散射體比第一散射體更多地使激光束散射。在該實(shí)施方式中，第二散射體配置在比第一散射體更遠(yuǎn)離所述光檢測(cè)器的位置， 第二散射體比第一散射體更多地使激光束散射，所以，如下那樣，來(lái)自位于遠(yuǎn)離的位置的第二散射體的散射光也能以適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度到達(dá)光檢測(cè)器。散射光向各個(gè)方向散射，從而與傳播距離的平方成比例地使強(qiáng)度下降。因此，對(duì)于來(lái)自位于遠(yuǎn)離光檢測(cè)器的位置的第二散射體的散射光的強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，在光檢測(cè)器的位置，與來(lái)自位于光檢測(cè)器側(cè)的第一散射體的散射光的強(qiáng)度相比，大幅度減小。因此，必須將光檢測(cè)器的能夠檢測(cè)的強(qiáng)度范圍設(shè)定得大。相對(duì)于此，在上述的實(shí)施方式中，第二散射體更多地使激光束散射，所以，來(lái)自第二散射體的散射光也以適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度到達(dá)光檢測(cè)器。例如，適當(dāng)設(shè)定第二散射體使激光束散射的程度，從而能夠使來(lái)自第二散射體的散射光到達(dá)光檢測(cè)器時(shí)具有的強(qiáng)度與來(lái)自第一散射體的散射光到達(dá)光檢測(cè)器時(shí)具有的強(qiáng)度大致相同(優(yōu)選相同)。此時(shí)，即使具有較小的能夠檢測(cè)的強(qiáng)度范圍的光檢測(cè)器也能夠使用。另外，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，第一以及第二散射體分別具有將多個(gè)線狀構(gòu)件隔開(kāi)間隔配置的形狀、格子形狀或球形狀。根據(jù)上述的本發(fā)明，即使不使用射出激光強(qiáng)度高的激光射出裝置或大型聚光裝置，也能夠取得足夠大的光檢測(cè)值，測(cè)定所期望區(qū)間的對(duì)象成分的濃度。


圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的氣體成分濃度測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖2是利用光檢測(cè)器所取得的檢測(cè)信號(hào)的波形。圖3是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的氣體成分濃度測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明的第三實(shí)施方式的氣體成分濃度測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖5是利用了氣體成分濃度測(cè)定裝置的氣體成分濃度測(cè)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式基于附圖對(duì)用于實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。此外，對(duì)在各圖中共用的部分標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，省略重復(fù)的說(shuō)明。[第一實(shí)施方式]
圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的氣體成分濃度測(cè)定裝置10的結(jié)構(gòu)圖。該氣體成分濃度測(cè)定裝置10是如下裝置向氣體中射出激光束，基于通過(guò)了該氣體的所述激光束，檢測(cè)所述氣體的對(duì)象成分的濃度。該對(duì)象成分例如是二氧化碳、氨氣、甲烷、二氧化硫氣體(SO2) 等硫化氣體(SOx)或者一氧化氮(NO)等氧化氮?dú)怏w(N0X)。氣體成分濃度測(cè)定裝置10具有激光射出裝置3、第一以及第二散射體5、7、光檢測(cè)器9以及濃度計(jì)算裝置11。激光射出裝置3射出波長(zhǎng)為所述對(duì)象成分的光吸收波長(zhǎng)λ工的第一激光束以及波長(zhǎng)為所述對(duì)象成分的非吸收波長(zhǎng)λ 2的第二激光束。優(yōu)選第一激光束僅具有光吸收波長(zhǎng)λ i 的波長(zhǎng)成分，并且，在第二激光束中不包含所述光吸收波長(zhǎng)X1的成分。激光射出裝置3具有將激光束向與激光束的行進(jìn)方向正交的方向擴(kuò)展為適當(dāng)?shù)某叽绲墓鈱W(xué)系統(tǒng)(未圖示)。利用該光學(xué)系統(tǒng)，激光束以具有所述尺寸的方式從激光射出裝置3射出。根據(jù)該尺寸，能夠容易地將激光束照射到第一以及第二散射體5、7上。第一以及第二散射體5、7位于第一激光束和第二激光束的照射范圍內(nèi)，并且，在第一激光束和第二激光束的射出方向上隔開(kāi)預(yù)定的間隔配置。該間隔能夠任意設(shè)定。光檢測(cè)器9對(duì)被第一散射體5散射后的第一激光束的第一散射光、被第一散射體5 散射后的第二激光束的第二散射光、被第二散射體7散射后的第一激光束的第三散射光以及被第二散射體7散射后的第二激光束的第四散射光進(jìn)行檢測(cè)。濃度計(jì)算裝置11基于由所述光檢測(cè)器9取得的第一、第二、第三以及第四散射光的檢測(cè)值，對(duì)在第一散射體5和第二散射體7之間的區(qū)間中的所述對(duì)象成分的濃度進(jìn)行計(jì)算。更詳細(xì)地對(duì)氣體成分濃度測(cè)定裝置10的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。第二散射體7配置在比第一散射體5更遠(yuǎn)離光檢測(cè)器9的位置。在該情況下，優(yōu)選第二散射體7比第一散射體5更多地使激光束散射。在圖1的例子中，第一以及第二散射體5、7是將多個(gè)線狀構(gòu)件隔開(kāi)預(yù)定的間隔平行配置而成的，但是，可以使第二散射體7中的線狀構(gòu)件的密度高于第一散射體5中的線狀構(gòu)件的密度。例如，如圖1所示，第一散射體5是將多個(gè)線狀構(gòu)件從激光射出裝置3隔開(kāi)預(yù)定的間隔L1平行配置的形狀的散射體，第二散射體7是如下的格子狀的散射體除了這樣平行配置的多個(gè)線狀構(gòu)件外，在與它們交叉(例如正交)的方向上，進(jìn)一步將多個(gè)線狀構(gòu)件從激光射出裝置3隔開(kāi)預(yù)定的間隔L2平行配置。來(lái)自激光射出裝置3的激光在通過(guò)第一散射體5時(shí)，失去與第一散射體5碰撞的激光束部分。該損失在通過(guò)第一散射體5后利用光的衍射來(lái)補(bǔ)充。因此，以如下方式設(shè)定第一散射體5的結(jié)構(gòu)要素(線狀構(gòu)件)的尺寸通過(guò)第一散射體5的激光束在到達(dá)第二散射體7之前，所述損失被補(bǔ)充。第一以及第二散射體5、7也可以不總是設(shè)置在測(cè)定對(duì)象成分濃度的區(qū)間的兩端。 即，僅在測(cè)定對(duì)象成分濃度時(shí)，暫時(shí)將第一以及第二散射體5、7配置在所述區(qū)間的兩端即可。如圖1所示，光檢測(cè)器9具有凸透鏡9a作為聚光裝置。在本實(shí)施方式中，強(qiáng)度比較大的第一 第四散射光到達(dá)光檢測(cè)器9，所以，凸透鏡9a可以不是大型。(濃度的計(jì)算)
圖2表示由光檢測(cè)器9取得的檢測(cè)信號(hào)。在該圖中，橫軸表示時(shí)間，縱軸表示與上述的第一、第二、第三以及第四散射光的強(qiáng)度成比例的電壓值。檢測(cè)信號(hào)顯示在顯示裝置(未圖示)上。此外，在該圖中，、=21^八，t2=2L2/c。在此，c為光速。利用郎伯-比爾定律(Lambert-Beer law)，能夠以如下方式計(jì)算出從第一散射體 5至第二散射體7的區(qū)間的對(duì)象成分的濃度。首先，根據(jù)郎伯-比爾定律，下式(1)成立。在該式(1)中，各文字的定義如下。下標(biāo)χ 1 或 2 ；
Tx ( λ x)圖1所示的距離L1或L2的針對(duì)具有波長(zhǎng)λ χ的光的透過(guò)率； Τχ’圖1所示的距離L1或1^2的由氣體進(jìn)行的光吸收以外的因素(第一以及第二散射體 5、7等)引起的光的透過(guò)率；
α (λχ)針對(duì)波長(zhǎng)λ χ的光的每單位長(zhǎng)度以及單位濃度的所述對(duì)象成分的光吸收系
數(shù)；
Nx 距離Lx的所述對(duì)象成分的平均濃度； Lx:圖1所示的距離L^L2。在此，光檢測(cè)器9檢測(cè)的光檢測(cè)強(qiáng)度與Tx ( λ χ)成比例，所以，當(dāng)將從Tx ( λ χ)向電壓的變換系數(shù)設(shè)為E時(shí)，關(guān)于L1，下式(2)、(3)成立。 當(dāng)用式(2)除以式(3)時(shí)，能夠得到下式(4)。 V1 ( λ J、V1 ( λ 2)能夠通過(guò)光檢測(cè)器9的計(jì)測(cè)來(lái)取得，L1, α ( λ α ( λ 2)為已知，所以，通過(guò)對(duì)式(4)進(jìn)行變形，能夠如下式(5)那樣求出N1。
權(quán)利要求
1.一種氣體成分濃度測(cè)定裝置，向氣體中射出激光束，基于通過(guò)了該氣體的所述激光束，對(duì)所述氣體中的對(duì)象成分的濃度進(jìn)行檢測(cè)，其特征在于，具有激光射出裝置，射出波長(zhǎng)為所述對(duì)象成分的光吸收波長(zhǎng)的第一激光束以及波長(zhǎng)為所述對(duì)象成分的非吸收波長(zhǎng)的第二激光束；第一以及第二散射體，位于第一激光束和第二激光束的照射范圍內(nèi)，并且，在第一激光束和第二激光束的射出方向上隔開(kāi)間隔配置；光檢測(cè)器，對(duì)由第一散射體散射的第一激光束的第一散射光、由第一散射體散射的第二激光束的第二散射光、由第二散射體散射的第一激光束的第三散射光以及由第二散射體散射的第二激光束的第四散射光進(jìn)行檢測(cè)；濃度計(jì)算裝置，基于由所述光檢測(cè)器取得的第一、第二、第三以及第四散射光的檢測(cè)值，計(jì)算第一散射體和第二散射體之間的所述對(duì)象成分的濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體成分濃度測(cè)定裝置，其特征在于， 第二散射體配置在比第一散射體更遠(yuǎn)離所述光檢測(cè)器的位置， 第二散射體比第一散射體更多地使激光束散射。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氣體成分濃度測(cè)定裝置，其特征在于，第一以及第二散射體分別具有將多個(gè)線狀構(gòu)件隔開(kāi)間隔配置的形狀、格子形狀或者球形狀。
全文摘要
一種氣體成分濃度測(cè)定裝置，不用射出激光強(qiáng)度高的激光射出裝置或大型聚光裝置也能取得足夠大的光檢測(cè)值，測(cè)定所期望區(qū)間的對(duì)象成分的濃度。具有激光射出裝置(3)，射出波長(zhǎng)為對(duì)象成分的光吸收波長(zhǎng)的第一激光束及波長(zhǎng)為對(duì)象成分的非吸收波長(zhǎng)的第二激光束；第一及第二散射體(5、7)，在第一激光束和第二激光束照射范圍并在第一激光束和第二激光束的射出方向隔著間隔配置；光檢測(cè)器(9)，檢測(cè)第一散射體(5)散射的第一、第二激光束的第一、第二散射光、第二散射體(7)散射的第一、第二激光束的第三、第四散射光；濃度計(jì)算裝置(11)，基于光檢測(cè)器(9)的檢測(cè)值計(jì)算第一散射體(5)和第二散射體(7)間的對(duì)象成分濃度。
文檔編號(hào)G01N21/27GK102216755SQ20098014533
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2009年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者久保田伸彥, 伊澤淳, 濱野靖德 申請(qǐng)人:株式會(huì)社 Ihi