JP7321453B2 - レーザー式ガス濃度計 - Google Patents
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Description
本発明は、特定波長のレーザー光を、ガス置換されて密封された包装容器又は包装袋或いはこれらに類する包装体類に透過させて、当該包装体類の透過前後で変化する特定波長の吸収スペクトルに基づいて前記包装体類の内部に残留している特定ガスのガス濃度を測定するようにしたレーザー式ガス濃度計に関するものである。
従来、包装工程において、被包装物の保存期間又は賞味期間を縮めるおそれのある特定の酸化原因ガスを含んだ包装袋内の空気を除去して、不活性ガス、たとえば窒素、二酸化炭素等にガス置換してから密封するガス置換包装が行われている。これによって、包装袋内部の酸化原因ガスは除去され、被包装物、特に食品は、長期の保存期間、賞味期間を確保することができる。
そして、ガス置換包装後の検査工程において、酸化原因ガス、特に酸素の濃度が既定値以下であるかどうか検査が行われている。
しかしながら、現在主流である酸素濃度の測定方法は、サンプルとして任意に選択した包装袋に注射針を刺し、包装袋内から吸引した少量のガスの組成を検査する抜き取り検査である。当該抜き取り検査では、注射痕が形成された包装袋は廃棄しなければならない。また、検査精度を上げるためにサンプル数を増やすと検査時間が長くなり、増加する廃棄量によって経済的、時間的損失が増大する不都合があった。
そして、ガス置換包装後の検査工程において、酸化原因ガス、特に酸素の濃度が既定値以下であるかどうか検査が行われている。
しかしながら、現在主流である酸素濃度の測定方法は、サンプルとして任意に選択した包装袋に注射針を刺し、包装袋内から吸引した少量のガスの組成を検査する抜き取り検査である。当該抜き取り検査では、注射痕が形成された包装袋は廃棄しなければならない。また、検査精度を上げるためにサンプル数を増やすと検査時間が長くなり、増加する廃棄量によって経済的、時間的損失が増大する不都合があった。
これに対し、本願出願人は、包装袋を損傷することなく内部の特定ガスの濃度を測定可能なガス濃度測定装置を開発した。
特開２０１０－１０７１９７に開示されている包装袋のガス濃度測定装置１は、図７に示すように、発信器を有するレーザー発生部２と、当該レーザー発生部２に連接し、レーザー光が射出される主ヘッド３、並びに受信器を有するレーザー受光部４と、当該レーザ受光部４に連接し、レーザー光が入射される副ヘッド５とからなる。相対的に接近及び離隔自在に設けられた主ヘッド３と副ヘッド５は、、一対のグリップ６，６に把持された検査対象の包装袋Ｂを挟んで、主ヘッド３に対して副ヘッド５が正対するように配置されている。これによって、主ヘッド３から副ヘッド５へ最短距離でレーザー光が包装袋を透過することができ、包装袋内に残留している酸素等の特定ガスの濃度を測定する際に、包装袋の全数について当該包装袋を一切損傷することなく迅速に測定することができるようになった。
特開２０１０－１０７１９７に開示されている包装袋のガス濃度測定装置１は、図７に示すように、発信器を有するレーザー発生部２と、当該レーザー発生部２に連接し、レーザー光が射出される主ヘッド３、並びに受信器を有するレーザー受光部４と、当該レーザ受光部４に連接し、レーザー光が入射される副ヘッド５とからなる。相対的に接近及び離隔自在に設けられた主ヘッド３と副ヘッド５は、、一対のグリップ６，６に把持された検査対象の包装袋Ｂを挟んで、主ヘッド３に対して副ヘッド５が正対するように配置されている。これによって、主ヘッド３から副ヘッド５へ最短距離でレーザー光が包装袋を透過することができ、包装袋内に残留している酸素等の特定ガスの濃度を測定する際に、包装袋の全数について当該包装袋を一切損傷することなく迅速に測定することができるようになった。
しかしながら、上記のガス濃度測定装置１は、包装袋Ｂに対してレーザー光を透過させるとき、包装袋Ｂに主ヘッド３と副ヘッド５を吸着させたり、レーザー式ガス濃度計を構成するレーザー発生部及びレーザー受光部の内部を窒素ガスでガスパージして酸素ガスを除去してから測定し、酸素ガスのガス濃度を測定するとき、包装袋Ｂの周囲の大気の影響を極力抑えるようにしている。このように、測定対象の包装袋ごとに吸着工程を設けた場合、包装袋を測定するための時間が長くなるため、包装機の生産性が低下するおそれがある。また、レーザー式ガス濃度計でガスパージ機構を設けると、計器の構造が複雑になるため、包装機上の限られたスペースに設置することが困難となるおそれがある。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、大気雰囲気下であってもガス濃度を測定可能にすると共に、構成をシンプルにして、省スペース化を可能にしたレーザー式ガス濃度計を提供することである。
請求項１に記載のレーザー式ガス濃度計は、特定波長のレーザー光を、ガス置換されて密封された包装容器又は包装袋或いはこれらに類する包装体類に透過させて、前記包装体類の透過前後で変化する特定波長の吸収スペクトルに基づいて前記包装体類の内部に残留している特定ガスのガス濃度を測定するようにしたレーザー式ガス濃度計であって、
当該レーザー式ガス濃度計は、
前記レーザー光を射出するレーザー発生部と、
前記レーザー光を受光するレーザー受光部と、
前記レーザー発生部から前記包装体類までの入射光路、前記レーザー光が前記包装体類を透過して減衰する減衰光路、及び前記包装体類から前記レーザー受光部までの透過光路からなる前記レーザー光の総光路を有する測定部と、
前記レーザー発生部における前記レーザー光の入射強度、及び前記レーザー受光部における前記レーザー光の透過光強度から求められる前記包装体類を透過したレーザー光の透過率に基づいて、前記減衰光路上で前記包装体類内部の前記特定ガスに吸収された前記特定波長の減衰吸光度を測定して、当該減衰吸光度に基づいて前記包装体類内部の前記特定ガスの濃度を算出する計測部とを有し、
当該計測部が、前記総光路上で前記レーザー光が前記特定ガスに吸収された前記特定波長の総吸光度から、
前記入射光路上で前記レーザー光が前記特定ガスに吸収された前記特定波長の入射吸光度と、
前記透過光路上で前記レーザー光が前記特定ガスに吸収された前記特定波長の透過吸光度とを除外して、
前記減衰光路上における前記特定波長の前記減衰吸光度を計測し、
当該減衰吸光度と前記減衰光路の光路長に基づいて、前記包装体類内部の前記特定ガスの濃度を算出するようにして、
前記入射吸光度と前記透過吸光度が、大気雰囲気下で所定の外乱によって変化するとき、
前記レーザー光を前記測定部へ複数回射出して、前記総光路上における前記特定ガスの総平均吸光度を求め、
当該総平均吸光度と複数回の測定回数、及び測定された実測値のバラツキに基づいて、前記入射吸光度と前記透過吸光度を補正する標準偏差及び補正吸光度を定めて、
前記包装体類内部の前記減衰光路上における前記特定波長の前記減衰吸光度を計測するとき、
前記補正吸光度で補正された前記入射吸光度と前記透過吸光度を適用するようにしたことを特徴とする。
当該レーザー式ガス濃度計は、
前記レーザー光を射出するレーザー発生部と、
前記レーザー光を受光するレーザー受光部と、
前記レーザー発生部から前記包装体類までの入射光路、前記レーザー光が前記包装体類を透過して減衰する減衰光路、及び前記包装体類から前記レーザー受光部までの透過光路からなる前記レーザー光の総光路を有する測定部と、
前記レーザー発生部における前記レーザー光の入射強度、及び前記レーザー受光部における前記レーザー光の透過光強度から求められる前記包装体類を透過したレーザー光の透過率に基づいて、前記減衰光路上で前記包装体類内部の前記特定ガスに吸収された前記特定波長の減衰吸光度を測定して、当該減衰吸光度に基づいて前記包装体類内部の前記特定ガスの濃度を算出する計測部とを有し、
当該計測部が、前記総光路上で前記レーザー光が前記特定ガスに吸収された前記特定波長の総吸光度から、
前記入射光路上で前記レーザー光が前記特定ガスに吸収された前記特定波長の入射吸光度と、
前記透過光路上で前記レーザー光が前記特定ガスに吸収された前記特定波長の透過吸光度とを除外して、
前記減衰光路上における前記特定波長の前記減衰吸光度を計測し、
当該減衰吸光度と前記減衰光路の光路長に基づいて、前記包装体類内部の前記特定ガスの濃度を算出するようにして、
前記入射吸光度と前記透過吸光度が、大気雰囲気下で所定の外乱によって変化するとき、
前記レーザー光を前記測定部へ複数回射出して、前記総光路上における前記特定ガスの総平均吸光度を求め、
当該総平均吸光度と複数回の測定回数、及び測定された実測値のバラツキに基づいて、前記入射吸光度と前記透過吸光度を補正する標準偏差及び補正吸光度を定めて、
前記包装体類内部の前記減衰光路上における前記特定波長の前記減衰吸光度を計測するとき、
前記補正吸光度で補正された前記入射吸光度と前記透過吸光度を適用するようにしたことを特徴とする。
請求項２に記載のレーザー式ガス濃度計は、請求項１に記載の発明において、前記減衰光路の光路長が所定の長さで一定であることを特徴とする。
請求項３に記載のレーザー式ガス濃度計は、請求項１に記載の発明において、前記入射光路と前記透過光路が大気雰囲気下であることを特徴とする。
請求項４に記載のレーザー式ガス濃度計は、前記減衰光路の光路長が、前記入射光路又は前記透過光路の光路長よりも長いことを特徴とする。
請求項５に記載のレーザー式ガス濃度計は、請求項１に記載の発明において、前記外乱が、前記大気雰囲気の気温又は気圧、或いは前記入射光路又は前記透過光路の光路長の変化によるものであることを特徴とする。
本発明に係るレーザー式ガス濃度計によれば、レーザー発生部から射出したレーザー光の入射光強度と、測定対象の包装体を透過してレーザー受光部へ入射されたレーザー光の透過光強度を測定して、入射光に対する透過光の透過率を測定するようにした。当該透過率に基づいて、レーザー発生部とレーザー受光部間で吸収されたレーザー光の総吸光度を求めることができるので、当該総吸光度からレーザー発生部から包装体までの入射光が特定ガスに吸収された入射吸光度と、包装体からレーザー受光部までの透過光が特定ガスに吸収された透過光吸光度を引くと、包装体内で特定ガスに吸収された減衰吸光度を求めることができる。この減衰吸光度と、包装体内部の光路長に基づいて包装体内部のガス濃度を測定するようにした。
これによって、包装体内部以外、すなわちレーザー光の入射光または透過光が特定ガスに吸収されるような場合であっても、ガス濃度を測定することができる。
また、入射光に係る入射吸光度と透過光に係る透過吸光度を含めた総吸光度を測定して、当該総吸光度から包装体内部に係る減衰吸光度を求めるようにしたので、入射光又は透過光が特定ガスに吸収された場合であっても、包装体内部の特定ガスのガス濃度を測定することができる。そのため、入射光又は透過光の光路上をガスパージして特定ガスを除去する必要が無くなるので、レーザー式ガス濃度計の構成をシンプルにすることができ、たとえば、包装機上に設置するとき、省スペース化を図ることができる。
さらに、レーザー光を複数回射出して総光路上における総平均吸光度を求めて、当該総平均吸光度から補正吸光度を求めるようにした。当該補正吸光度を入射吸光度又は透過吸光度に適用することによって、外乱によって測定値が乱れた場合であっても、所定の範囲内に収めることができ、包装体内部の特定ガスのガス濃度を測定することができる。
これによって、包装体内部以外、すなわちレーザー光の入射光または透過光が特定ガスに吸収されるような場合であっても、ガス濃度を測定することができる。
また、入射光に係る入射吸光度と透過光に係る透過吸光度を含めた総吸光度を測定して、当該総吸光度から包装体内部に係る減衰吸光度を求めるようにしたので、入射光又は透過光が特定ガスに吸収された場合であっても、包装体内部の特定ガスのガス濃度を測定することができる。そのため、入射光又は透過光の光路上をガスパージして特定ガスを除去する必要が無くなるので、レーザー式ガス濃度計の構成をシンプルにすることができ、たとえば、包装機上に設置するとき、省スペース化を図ることができる。
さらに、レーザー光を複数回射出して総光路上における総平均吸光度を求めて、当該総平均吸光度から補正吸光度を求めるようにした。当該補正吸光度を入射吸光度又は透過吸光度に適用することによって、外乱によって測定値が乱れた場合であっても、所定の範囲内に収めることができ、包装体内部の特定ガスのガス濃度を測定することができる。
本実施例に係るレーザー式ガス濃度計について、添付した図面にしたがって説明する。図１は、本実施例に係るレーザー式ガス濃度計の構成の概略を示すブロック図である。
レーザー式ガス濃度計１０は、レーザー光を射出するレーザー発生部１１と、レーザー光を受光するレーザー受光部１２と、レーザー発生部１１とレーザー受光部１２間に設置され、測定対象の特定ガスをガス濃度を測定可能な測定部１３とからなる。
レーザー式ガス濃度計１０は、レーザー光を射出するレーザー発生部１１と、レーザー光を受光するレーザー受光部１２と、レーザー発生部１１とレーザー受光部１２間に設置され、測定対象の特定ガスをガス濃度を測定可能な測定部１３とからなる。
レーザー発生部１１は、図１に示すように、レーザー光源１４と、当該光源１４から射出するレーザー光の波長を特定の波長に設定し、所定の光強度に調整する制御部１５とを有している。
レーザー光源１４は、波長が可変可能なダイオードからなる半導体レーザー素子を備え、近赤外領域のレーザー光を出力可能に形成されている。本実施例に係る半導体レーザー素子は、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ Ｂａｃｋ：分布帰還形）レーザーと呼ばれる高出力の半導体レーザー素子である。
制御部１５は、半導体レーザー素子から出力されるレーザー光の波長を測定対象の特定ガス固有の特定波長に調整して、レーザー光が所定の入射光強度で射出されるように増幅する制御を行うように形成されている。また制御部１５は、計測部１７に対して、射出する入射光強度に係る入射光信号を出力するように形成されている。
ここで、本実施例に係るレーザー式ガス濃度計が測定する特定ガスは、酸素ガス（Ｏ２）である。当該酸素ガス固有の吸収波長帯は７６０ｎｍ帯であり、当該吸収波長帯に含まれる複数の吸収線のうち、一の吸収線に係る特定波長がレーザー光の出力波長として選択される。
レーザー光源１４は、波長が可変可能なダイオードからなる半導体レーザー素子を備え、近赤外領域のレーザー光を出力可能に形成されている。本実施例に係る半導体レーザー素子は、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ Ｂａｃｋ：分布帰還形）レーザーと呼ばれる高出力の半導体レーザー素子である。
制御部１５は、半導体レーザー素子から出力されるレーザー光の波長を測定対象の特定ガス固有の特定波長に調整して、レーザー光が所定の入射光強度で射出されるように増幅する制御を行うように形成されている。また制御部１５は、計測部１７に対して、射出する入射光強度に係る入射光信号を出力するように形成されている。
ここで、本実施例に係るレーザー式ガス濃度計が測定する特定ガスは、酸素ガス（Ｏ２）である。当該酸素ガス固有の吸収波長帯は７６０ｎｍ帯であり、当該吸収波長帯に含まれる複数の吸収線のうち、一の吸収線に係る特定波長がレーザー光の出力波長として選択される。
レーザー受光部１２は、図２に示すように、測定部１３を透過して減衰したレーザー光を受光する受光センサ１６と、当該受光センサ１６からの受光信号に基づいて、ガス濃度を計測する計測部１７とを有している。
受光センサ１６は、測定部１３を透過したレーザー光の透過光強度を電気的な透過光信号に変換する素子、たとえば、フォトダイオードからなる。これによって、測定部１３を透過して減衰したレーザー光の透過光強度を電気的に処理することができる。
計測部１７は、透過光強度に係る透過光信号と、レーザー発生部１１の制御部１５から出力されたレーザー光の入射光強度に係る入射光信号に基づいて透過率を計算し、当該透過率に基づいてレーザー光の特定ガスによる吸光度を求め、当該吸光度に基づいて包装袋内の特定ガスのガス濃度を計測するように形成されている。
受光センサ１６は、測定部１３を透過したレーザー光の透過光強度を電気的な透過光信号に変換する素子、たとえば、フォトダイオードからなる。これによって、測定部１３を透過して減衰したレーザー光の透過光強度を電気的に処理することができる。
計測部１７は、透過光強度に係る透過光信号と、レーザー発生部１１の制御部１５から出力されたレーザー光の入射光強度に係る入射光信号に基づいて透過率を計算し、当該透過率に基づいてレーザー光の特定ガスによる吸光度を求め、当該吸光度に基づいて包装袋内の特定ガスのガス濃度を計測するように形成されている。
測定部１３は、図１に示すように、測定対象に対してレーザー光を透過可能に構成されている。
ここで、測定対象は、包装袋又は包装容器或いはこれらに類する包装体類５０であって、たとえば、ポリ袋、パウチのような包装袋、又は瓶、プラスチックケース等のような包装容器のように、各種包装に供されるものである。本実施例において、これら包装体類５０に係るレーザー光の透過率は、０．００００１％以上、１００％未満と想定されている。すなわち、本実施例に係るレーザー式ガス濃度計は、包装体類５０が着色されている場合であってもレーザー光が透過するようであれば有効である。
測定部１３におけるレーザー光に係る光路は、図１に示すように、レーザー発生部１１からレーザー受光部１２までの光路を総光路２０とし、当該総光路２０は、レーザー発生部１１から包装体類５０まで入射光に係る入射光路２１、包装体類５０内部でレーザー光が特定ガスに吸収されて減衰する減衰光路２２、包装体類５０からレーザー受光部１２まで透過光に係る透過光路２３からなる。
ここで、測定対象は、包装袋又は包装容器或いはこれらに類する包装体類５０であって、たとえば、ポリ袋、パウチのような包装袋、又は瓶、プラスチックケース等のような包装容器のように、各種包装に供されるものである。本実施例において、これら包装体類５０に係るレーザー光の透過率は、０．００００１％以上、１００％未満と想定されている。すなわち、本実施例に係るレーザー式ガス濃度計は、包装体類５０が着色されている場合であってもレーザー光が透過するようであれば有効である。
測定部１３におけるレーザー光に係る光路は、図１に示すように、レーザー発生部１１からレーザー受光部１２までの光路を総光路２０とし、当該総光路２０は、レーザー発生部１１から包装体類５０まで入射光に係る入射光路２１、包装体類５０内部でレーザー光が特定ガスに吸収されて減衰する減衰光路２２、包装体類５０からレーザー受光部１２まで透過光に係る透過光路２３からなる。
上記の構成を有するレーザー式ガス濃度計１０は、波長可変半導体レーザー吸収分光法によって特定ガスを分析するものである。
波長可変半導体レーザー吸収分光法（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＴＤＬＡＳ）とは、半導体レーザー素子から出力されたレーザー光に係る所定の入射光強度と、測定対象となる特定ガス含んだ気体を封じたセルを透過して、当該特定ガスに吸収された透過後のレーザー光に係る透過光強度とから透過率を求めて、透過率に基づくレーザー光の吸光度からガス濃度を測定する方法である。
特定ガスを含めて気体はそれぞれ固有の吸収波長帯を有し、当該吸収波長帯にはより強く光を吸収する波長に係る吸収線が複数本含まれていることが知られている。ＴＤＬＡＳは、出力するレーザー光の近赤外領域の波長を、測定対象となる特定ガスの複数本の吸収線のうち、一本の吸収線に係る特定波長に合致するように変調し、増幅するように構成されている。そして、セルの透過前後で変化する特定波長の吸収スペクトルに基づいてレーザー光の吸光度を求めてガス濃度を測定している。
波長可変半導体レーザー吸収分光法（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＴＤＬＡＳ）とは、半導体レーザー素子から出力されたレーザー光に係る所定の入射光強度と、測定対象となる特定ガス含んだ気体を封じたセルを透過して、当該特定ガスに吸収された透過後のレーザー光に係る透過光強度とから透過率を求めて、透過率に基づくレーザー光の吸光度からガス濃度を測定する方法である。
特定ガスを含めて気体はそれぞれ固有の吸収波長帯を有し、当該吸収波長帯にはより強く光を吸収する波長に係る吸収線が複数本含まれていることが知られている。ＴＤＬＡＳは、出力するレーザー光の近赤外領域の波長を、測定対象となる特定ガスの複数本の吸収線のうち、一本の吸収線に係る特定波長に合致するように変調し、増幅するように構成されている。そして、セルの透過前後で変化する特定波長の吸収スペクトルに基づいてレーザー光の吸光度を求めてガス濃度を測定している。
波長可変半導体レーザー吸収分光法（ＴＤＬＡＳ）は、ランバート・ベールの法則に基づいてガス濃度を測定するものである。ランバート・ベールの法則とは、入射光強度をＩ０、包装袋Ｂを透過した透過光強度をＩｔ、入射光に対する透過光の透過率をＴとして、光路長をＬ、ガス濃度をＣとすると，特定波長の吸収スペクトルで射出されたレーザー光の吸光度Ａとの間に、数式１が成立する関係である。ここでεは測定対象となる所定のガスがレーザー光を吸収する固有の吸収係数である。
ここで、レーザー発生部１１とレーザー受光部１２間に設けた測定部１３について、図１に示すように、総光路２０に係る総光路長をＬとし、総光路２０で吸収されたガス濃度をＣとすると、数式１のように、入射光強度Ｉ０と、透過光強度Ｉｔから、総光路２０上で特定波長の吸収スペクトルで射出されたレーザー光の総吸光度Ａが定まり、総光路上で吸収されたガス濃度Ｃを求めることができる。
そして、総光路長Ｌは、入射光路長Ｌ０、包装体類内部の減衰光路長Ｌａ、透過光路長Ｌｔの和であって、総吸光度Ａは、入射光路２１で吸光された入射吸光度Ａ０、包装体類内部の減衰光路２２で吸光された減衰吸光度Ａａ、透過光路２３で吸光された透過吸光度Ａｔの和である。
したがって、入射光路２１上の特定ガスのガス濃度をＣ０、透過光路２３上の特定ガスのガス濃度をＣｔとすると、減衰光路２２上、すなわち包装体類５０内部のガス濃度をＣａは、数式２で求めることができる。
したがって、入射光路２１上の特定ガスのガス濃度をＣ０、透過光路２３上の特定ガスのガス濃度をＣｔとすると、減衰光路２２上、すなわち包装体類５０内部のガス濃度をＣａは、数式２で求めることができる。
数式２の（２）式によれば、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔに対して、包装体類５０内部の減衰光路長Ｌａを相対的に長くした場合、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔにおけるガス濃度の影響を小さくすることができる。
したがって、たとえば、レーザー発生部１１とレーザー受光部１２を接離自在に構成して、測定対象の包装体類５０の長さ、すなわち減衰光路長Ｌａに対して入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔが相対的に極めて短くなるように調整可能にすれば良い。これによって、包装体類５０内部の特定ガスのガス濃度Ｃａの測定精度を向上させることができる。
また、測定部１３全体を窒素ガス（Ｎ２）でガスパージして特定ガスを除去するような構成の場合、或いは測定部１３が大気雰囲気下にある場合、入射光路２１上のガス濃度Ｃ０と透過光路２３上のガス濃度Ｃｔは、同一値か或いは互いに近似した値であるとみなすことができるから、透過光路２３上のガス濃度をＣ０と置いて、入射光路２１上のガス濃度Ｃ０でまとめることができる。
これによって、ガスパージされた環境だけではなく、大気雰囲気下であっても包装体類５０内部のガス濃度Ｃａを計測することができる。
さらに、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔが減衰光路長Ｌａに対して相対的に無視できるほど短い場合であって、入射光路２１上のガス濃度Ｃ０と透過光路２３上のガス濃度Ｃｔが総光路２０上のガス濃度Ｃと同一値又は近似することができる場合、包装体類５０内部のガス濃度Ｃａは、総光路長Ｌに対する減衰光路長Ｌａの比で求めることができる。
このとき、減衰光路Ｌａが一定、すなわち、包装体類５０の大きさが一定であって、包装体類５０内部の減衰光路２２が一定であることが好ましい。これによって、包装体類内部のガス濃度Ｃａを安定して求めることができる。
したがって、たとえば、レーザー発生部１１とレーザー受光部１２を接離自在に構成して、測定対象の包装体類５０の長さ、すなわち減衰光路長Ｌａに対して入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔが相対的に極めて短くなるように調整可能にすれば良い。これによって、包装体類５０内部の特定ガスのガス濃度Ｃａの測定精度を向上させることができる。
また、測定部１３全体を窒素ガス（Ｎ２）でガスパージして特定ガスを除去するような構成の場合、或いは測定部１３が大気雰囲気下にある場合、入射光路２１上のガス濃度Ｃ０と透過光路２３上のガス濃度Ｃｔは、同一値か或いは互いに近似した値であるとみなすことができるから、透過光路２３上のガス濃度をＣ０と置いて、入射光路２１上のガス濃度Ｃ０でまとめることができる。
これによって、ガスパージされた環境だけではなく、大気雰囲気下であっても包装体類５０内部のガス濃度Ｃａを計測することができる。
さらに、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔが減衰光路長Ｌａに対して相対的に無視できるほど短い場合であって、入射光路２１上のガス濃度Ｃ０と透過光路２３上のガス濃度Ｃｔが総光路２０上のガス濃度Ｃと同一値又は近似することができる場合、包装体類５０内部のガス濃度Ｃａは、総光路長Ｌに対する減衰光路長Ｌａの比で求めることができる。
このとき、減衰光路Ｌａが一定、すなわち、包装体類５０の大きさが一定であって、包装体類５０内部の減衰光路２２が一定であることが好ましい。これによって、包装体類内部のガス濃度Ｃａを安定して求めることができる。
ここで、特定ガスを含む大気は、気圧、気温によって単位当たりの密度が時々刻々と変化している。すなわち、単位当たりの大気中に含まれる特定ガスの原子、又は分子の数もまた、それに応じて時々刻々と変化しているので、ＴＤＬＡＳによって、特定ガスの複数本の吸収線のうち、一本の吸収線に係る特定波長に合致するレーザー光を射出した場合、当該レーザー光を吸収する原子又は分子の単位当たりの数が気圧又は気温で変化するため、それに基づいて測定されるガス濃度は安定しなくなるおそれがある。
また、包装体類５０が所定の包装袋であるような場合には、当該包装袋に密封されている不活性ガスの量や内圧に応じて、包装袋の厚さ、すなわち、減衰光路長Ｌａが変化し、これに伴って、総光路長Ｌに対する入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔもまた変化する。
また、包装体類５０が所定の包装袋であるような場合には、当該包装袋に密封されている不活性ガスの量や内圧に応じて、包装袋の厚さ、すなわち、減衰光路長Ｌａが変化し、これに伴って、総光路長Ｌに対する入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔもまた変化する。
上記のような時々刻々と変化する気圧、気温といったレーザー式ガス濃度計１０の周辺環境の変化、或いは、包装体類５０の厚みや長さによって変化する減衰光路長Ｌａに基づいて変化する入射光路長Ｌ０又は透過光路長Ｌｔ長さといった外乱によって、包装体類５０内部のガス濃度Ｃａは容易に変化してしまうおそれがある。
そこで、本実施例に係るレーザー式ガス濃度計１０は、測定時間を所定の長さに定め、当該測定時間内で複数回レーザー光を総光路２０上へ射出することによって、複数の実測値を得るように構成されている。
そこで、本実施例に係るレーザー式ガス濃度計１０は、測定時間を所定の長さに定め、当該測定時間内で複数回レーザー光を総光路２０上へ射出することによって、複数の実測値を得るように構成されている。
複数の実測値に基づいて、レーザー発生部１１から総光路２０上に射出されたレーザー光が包装体類５０を含む測定部１３を透過してレーザー受光部１２で受光されたときの総吸光度Ａについて、その平均である総平均吸光度Ａａｖを求めることができる。そして、総平均吸光度Ａａｖと測定回数、測定した実測値のバラツキから、標準偏差と、補正吸光度Ａｃを得ることができる。
さらに、標準偏差に基づく補正吸光度Ａｃを総吸光度Ａの実測値に対して適用することによって、実測値を補正した計測値を所定の範囲内に収めることができる。ここで、補正吸光度Ａｃは、総光路２０上全ての吸光度に影響を及ぼすものであるから、総吸光度Ａに対する補正吸光度Ａｃの補正率を求めて、当該補正率を入射光路２１上の入射吸光度Ａ０、及び透過光路２３上の透過吸光度Ａｔに対して適用することによって、包装体類５０内部のガス濃度Ｃａの測定精度を向上させることができる。
さらに、標準偏差に基づく補正吸光度Ａｃを総吸光度Ａの実測値に対して適用することによって、実測値を補正した計測値を所定の範囲内に収めることができる。ここで、補正吸光度Ａｃは、総光路２０上全ての吸光度に影響を及ぼすものであるから、総吸光度Ａに対する補正吸光度Ａｃの補正率を求めて、当該補正率を入射光路２１上の入射吸光度Ａ０、及び透過光路２３上の透過吸光度Ａｔに対して適用することによって、包装体類５０内部のガス濃度Ｃａの測定精度を向上させることができる。
また、所定の測定時間内で複数回実測することによって、上記の補正吸光度Ａａｖを得ると共に、総吸光度Ａに対する補正吸光度Ａａｖの補正率を、ガス濃度測定時に実測値に対してフィードバックすることによって、計測値を所定の範囲内に含まれた所定の値へ収束させることができ、より一層測定精度を向上させることができる。
上記の構成を有するレーザー式ガス濃度計１０の効果を検証する複数の実験を行った。当該各実験の実験結果について添付した図面にしたがって説明する。図２は第１実験例の結果を示すグラフ、図３は第２実験例の結果を示すグラフ、図４は第３実験例の結果を示すグラフである。
まず、第１実験について、図２にしたがって説明する。
第１実験は、測定部１３上の減衰光路２２に係る減衰光路長Ｌａを１７ｍｍに設定したものである。ここで、上記したように、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔは、減衰光路長Ｌａに対して相対的に十分短くなるように、すなわち、レーザー発生部１１と包装体類５０、又は包装体類５０とレーザー受光部１２の距離が、包装体類５０の長さよりも短くなるように設置した。これによって、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔは、本第１実験では無視するものとする。
そして、測定時間は３００ｍｓに設定し、当該測定時間内で１０００回、測定部１３上にレーザー光を照射した。
図２は、測定部１３に包装体類５０を設置していない場合の測定結果を示すグラフである。すなわち、総光路長Ｌと減衰光路長Ｌａが一致しているとみなせる場合の測定結果である。このとき、酸素ガスのガス濃度に係る測定値の標準偏差は、０．０５％であった。
また、測定部１３に減衰光路長Ｌａを十分に確保できる透明なポリエチレン製の包装袋を設置して、同様の実験を行ったところ、酸素ガスのガス濃度に係る測定値の標準偏差は、０．０８％を示し、包装体類５０を設置していないときと比べて測定値のバラツキが大きくなった。これは、レーザー光が包装体類５０へ入射するとき、及び当該レーザー光が包装体類５０を透過するとき、測定部１３の雰囲気と包装体類５０との境界面上で、レーザー光の反射或いは散乱が発生したためと考えられる。
第１実験は、測定部１３上の減衰光路２２に係る減衰光路長Ｌａを１７ｍｍに設定したものである。ここで、上記したように、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔは、減衰光路長Ｌａに対して相対的に十分短くなるように、すなわち、レーザー発生部１１と包装体類５０、又は包装体類５０とレーザー受光部１２の距離が、包装体類５０の長さよりも短くなるように設置した。これによって、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔは、本第１実験では無視するものとする。
そして、測定時間は３００ｍｓに設定し、当該測定時間内で１０００回、測定部１３上にレーザー光を照射した。
図２は、測定部１３に包装体類５０を設置していない場合の測定結果を示すグラフである。すなわち、総光路長Ｌと減衰光路長Ｌａが一致しているとみなせる場合の測定結果である。このとき、酸素ガスのガス濃度に係る測定値の標準偏差は、０．０５％であった。
また、測定部１３に減衰光路長Ｌａを十分に確保できる透明なポリエチレン製の包装袋を設置して、同様の実験を行ったところ、酸素ガスのガス濃度に係る測定値の標準偏差は、０．０８％を示し、包装体類５０を設置していないときと比べて測定値のバラツキが大きくなった。これは、レーザー光が包装体類５０へ入射するとき、及び当該レーザー光が包装体類５０を透過するとき、測定部１３の雰囲気と包装体類５０との境界面上で、レーザー光の反射或いは散乱が発生したためと考えられる。
次に、第２実験について、図３にしたがって説明する。
第２実験は、第１実験の減衰光路長Ｌａの長さを１７ｍｍとしたこと対して、減衰光路長Ｌａを３８ｍｍとした点が相違する。また、第１実験と同様に、上記したように、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔは、減衰光路長Ｌａに対して相対的に十分短くなるように、すなわち、レーザー発生部１１と包装体類５０、又は包装体類５０とレーザー受光部１２の距離が、包装体類５０の長さよりも短くなるように設置した。これによって、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔは、本第２実験では無視するものとする。
そして、第１実験と同様に、測定時間を３００ｍｓに設定し、当該測定時間内で１０００回、測定部１３上にレーザー光を照射した。
図３は、測定部１３に包装体類５０を設置した場合の測定結果を示すグラフである。ここで、包装体類５０は、第１実験において補助的に行った実験で使用した包装袋であって、減衰光路長Ｌａを十分に確保できる透明なポリエチレン製の包装袋とする。
このとき、酸素ガスのガス濃度に係る測定値の標準偏差は、０．０３１％であった。第１実験に係る図３と比べて、測定値が所定の範囲内に収まっていることが明らかである。
また、測定部１３に包装体類５０を設置せずに同様の実験を行ったところ、酸素ガスのガス濃度に係る測定値の標準偏差は、０．０２８％を示した。
すなわち、総光路２０を長くすると共に、包装体類５０内部の減衰光路２２もまた長くすることによって、測定値のバラツキを抑えることができ、測定精度を向上させることができるということを確認することが出来た。
第２実験は、第１実験の減衰光路長Ｌａの長さを１７ｍｍとしたこと対して、減衰光路長Ｌａを３８ｍｍとした点が相違する。また、第１実験と同様に、上記したように、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔは、減衰光路長Ｌａに対して相対的に十分短くなるように、すなわち、レーザー発生部１１と包装体類５０、又は包装体類５０とレーザー受光部１２の距離が、包装体類５０の長さよりも短くなるように設置した。これによって、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔは、本第２実験では無視するものとする。
そして、第１実験と同様に、測定時間を３００ｍｓに設定し、当該測定時間内で１０００回、測定部１３上にレーザー光を照射した。
図３は、測定部１３に包装体類５０を設置した場合の測定結果を示すグラフである。ここで、包装体類５０は、第１実験において補助的に行った実験で使用した包装袋であって、減衰光路長Ｌａを十分に確保できる透明なポリエチレン製の包装袋とする。
このとき、酸素ガスのガス濃度に係る測定値の標準偏差は、０．０３１％であった。第１実験に係る図３と比べて、測定値が所定の範囲内に収まっていることが明らかである。
また、測定部１３に包装体類５０を設置せずに同様の実験を行ったところ、酸素ガスのガス濃度に係る測定値の標準偏差は、０．０２８％を示した。
すなわち、総光路２０を長くすると共に、包装体類５０内部の減衰光路２２もまた長くすることによって、測定値のバラツキを抑えることができ、測定精度を向上させることができるということを確認することが出来た。
さらに、第３実験について、図４にしたがって説明する。
第３実験は、第２実験と同様に、減衰光路長Ｌａを３８ｍｍに設定している。そして、第２実験と同様に、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔは、減衰光路長Ｌａに対して相対的に十分短くなるように、すなわち、レーザー発生部１１と包装体類５０、又は包装体類５０とレーザー受光部１２の距離が、包装体類５０の長さよりも短くなるように設置した。これによって、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔは、本第３実験では無視するものとする。
第３実験では、既に包装体類５０内部の酸素ガスのガス濃度を所定の低酸素濃度に調整した包装袋を５個用意した。それらのガス濃度は、包装袋Ｂ１が０．３％、包装袋Ｂ２が０．２５％、包装袋Ｂ３が０．５％、包装袋Ｂ４が０．２％、包装袋Ｂ５が０．３５％となるように調整されている。
そして、測定部１３に対し、各包装袋の位置を変えてそれぞれ２０回測定することを５回繰り返した。したがって、測定回数は各包装袋ごとに１００回となっている。図４に示すグラフは、包装袋Ｂ１～包装袋Ｂ５について、測定した結果を示すものである。
それぞれ異なる低酸素濃度に調整された包装袋を変え、当該包装袋の位置を変えて測定した総測定回数５００回の標準偏差は０．０４％であった。
また、図４のグラフから明らかなように、酸素ガスのガス濃度を０．５％に調整した包装袋Ｂ３を第３実験で検出することが出来ていることを確認することができた。
第３実験は、第２実験と同様に、減衰光路長Ｌａを３８ｍｍに設定している。そして、第２実験と同様に、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔは、減衰光路長Ｌａに対して相対的に十分短くなるように、すなわち、レーザー発生部１１と包装体類５０、又は包装体類５０とレーザー受光部１２の距離が、包装体類５０の長さよりも短くなるように設置した。これによって、入射光路長Ｌ０と透過光路長Ｌｔは、本第３実験では無視するものとする。
第３実験では、既に包装体類５０内部の酸素ガスのガス濃度を所定の低酸素濃度に調整した包装袋を５個用意した。それらのガス濃度は、包装袋Ｂ１が０．３％、包装袋Ｂ２が０．２５％、包装袋Ｂ３が０．５％、包装袋Ｂ４が０．２％、包装袋Ｂ５が０．３５％となるように調整されている。
そして、測定部１３に対し、各包装袋の位置を変えてそれぞれ２０回測定することを５回繰り返した。したがって、測定回数は各包装袋ごとに１００回となっている。図４に示すグラフは、包装袋Ｂ１～包装袋Ｂ５について、測定した結果を示すものである。
それぞれ異なる低酸素濃度に調整された包装袋を変え、当該包装袋の位置を変えて測定した総測定回数５００回の標準偏差は０．０４％であった。
また、図４のグラフから明らかなように、酸素ガスのガス濃度を０．５％に調整した包装袋Ｂ３を第３実験で検出することが出来ていることを確認することができた。
ここで、本願出願人は、本実施例に係るレーザー式ガス濃度計１０を組み込んだガス濃度測定装置において、包装体類５０内部に封じた酸素ガスのガス濃度を検査したとき、包装体類５０内に満たされている不活性ガスのガス濃度に対して、酸素ガスのガス濃度が０．２％以下の場合が正常値となるように設定している。そして、当該酸素ガスのガス濃度が０．２％～０．５％の場合を許容範囲とし、ガス濃度が０．５％以上の場合には不良品と判定して、０．５％以上の酸素ガスが封入されている包装体類５０を排除するように設定している。また、品質保証の観点から、ガス濃度の測定値の標準偏差は、０．０３３％以内に収めることを目標としている。
図４から明らかなように、ガス濃度が０．５％である包装袋Ｂを検出することができていることから、本実施例に係るレーザー式ガス濃度計１０は、大気雰囲気下であってもガス濃度を測定することができる。
しかしながら、求める標準偏差に対して、第３実験では十分な標準偏差を得ることが出来ていない。
したがって、目標とする標準偏差０．０３３％以内に納めるためには、たとえば、総光路長Ｌと減衰光路長Ｌａを延ばして検知感度を向上させると共に、減衰光路長Ｌａに対してさらに入射光路長Ｌ０及び透過光路長Ｌｔを相対的に短く納めるように包装体類５０を保持する装置を設けた場合、さらに標準偏差に係る値を改善することができるものと思われる。
図４から明らかなように、ガス濃度が０．５％である包装袋Ｂを検出することができていることから、本実施例に係るレーザー式ガス濃度計１０は、大気雰囲気下であってもガス濃度を測定することができる。
しかしながら、求める標準偏差に対して、第３実験では十分な標準偏差を得ることが出来ていない。
したがって、目標とする標準偏差０．０３３％以内に納めるためには、たとえば、総光路長Ｌと減衰光路長Ｌａを延ばして検知感度を向上させると共に、減衰光路長Ｌａに対してさらに入射光路長Ｌ０及び透過光路長Ｌｔを相対的に短く納めるように包装体類５０を保持する装置を設けた場合、さらに標準偏差に係る値を改善することができるものと思われる。
本実施例に係るレーザー式ガス濃度計１０によれば、レーザー発生部１１とレーザー受光部１２の間の測定部１３が大気雰囲気下にあっても、測定部１３に配置した包装体類５０内部の特定ガスのガス濃度を測定できるようにした。これによって、ガスパージに係る装置を省くことができるので、本実施例に係るレーザー式ガス濃度計１０を用いるガス濃度測定装置の構成を簡略化することができ、さらに、これによって、包装機上に限られたスペースへ容易に取り付けることができる。
１０…レーザー式ガス濃度計、
１１…レーザー発生部、１２…レーザー受光部、１３…測定部、
１４…レーザー光源、１５…制御部、１６…受光センサ、１７…計測部、
２０…総光路、２１…入射光路、２２…減衰光路、２３…透過光路、
５０…包装体類、
１…従来のガス濃度測定装置、２…従来のレーザー発生部、３…主ヘッド、４…従来のレーザー受光部、５…副ヘッド、６…グリップ、
Ｂ…包装袋。
１１…レーザー発生部、１２…レーザー受光部、１３…測定部、
１４…レーザー光源、１５…制御部、１６…受光センサ、１７…計測部、
２０…総光路、２１…入射光路、２２…減衰光路、２３…透過光路、
５０…包装体類、
１…従来のガス濃度測定装置、２…従来のレーザー発生部、３…主ヘッド、４…従来のレーザー受光部、５…副ヘッド、６…グリップ、
Ｂ…包装袋。
Claims (5)
- 特定波長のレーザー光を、ガス置換されて密封された包装容器又は包装袋或いはこれらに類する包装体類に透過させて、前記包装体類の透過前後で変化する特定波長の吸収スペクトルに基づいて前記包装体類の内部に残留している特定ガスのガス濃度を測定するようにしたレーザー式ガス濃度計であって、
当該レーザー式ガス濃度計は、
前記レーザー光を射出するレーザー発生部と、
前記レーザー光を受光するレーザー受光部と、
前記レーザー発生部から前記包装体類までの入射光路、前記レーザー光が前記包装体類を透過して減衰する減衰光路、及び前記包装体類から前記レーザー受光部までの透過光路からなる前記レーザー光の総光路を有する測定部と、
前記レーザー発生部における前記レーザー光の入射強度、及び前記レーザー受光部における前記レーザー光の透過光強度から求められる前記包装体類を透過したレーザー光の透過率に基づいて、前記減衰光路上で前記包装体類内部の前記特定ガスに吸収された前記特定波長の減衰吸光度を測定して、当該減衰吸光度に基づいて前記包装体類内部の前記特定ガスの濃度を算出する計測部とを有し、
当該計測部が、前記総光路上で前記レーザー光が前記特定ガスに吸収された前記特定波長の総吸光度から、
前記入射光路上で前記レーザー光が前記特定ガスに吸収された前記特定波長の入射吸光度と、
前記透過光路上で前記レーザー光が前記特定ガスに吸収された前記特定波長の透過吸光度とを除外して、
前記減衰光路上における前記特定波長の前記減衰吸光度を計測し、
当該減衰吸光度と前記減衰光路の光路長に基づいて、前記包装体類内部の前記特定ガスの濃度を算出するようにして、
前記入射吸光度と前記透過吸光度が、大気雰囲気下で所定の外乱によって変化するとき、
前記レーザー光を前記測定部へ複数回射出して、前記総光路上における前記特定ガスの総平均吸光度を求め、
当該総平均吸光度と複数回の測定回数、及び測定された実測値のバラツキに基づいて、前記入射吸光度と前記透過吸光度を補正する標準偏差及び補正吸光度を定めて、
前記包装体類内部の前記減衰光路上における前記特定波長の前記減衰吸光度を計測するとき、
前記補正吸光度で補正された前記入射吸光度と前記透過吸光度を適用するようにしたことを特徴とするレーザー式ガス濃度計。 - 前記減衰光路の光路長が所定の長さで一定であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー式ガス濃度計。
- 前記入射光路と前記透過光路が大気雰囲気下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー式ガス濃度計。
- 前記減衰光路の光路長が、前記入射光路又は前記透過光路の光路長よりも長いことを特徴とする請求項１に記載のレーザー式ガス濃度計。
- 前記外乱が、前記大気雰囲気の気温又は気圧、或いは前記入射光路又は前記透過光路の光路長の変化によるものであることを特徴とする請求項１に記載のレーザー式ガス濃度計。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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