JP2002267595A - 小型多成分検出器 - Google Patents

小型多成分検出器

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JP2002267595A JP2001111966A JP2001111966A JP2002267595A JP 2002267595 A JP2002267595 A JP 2002267595A JP 2001111966 A JP2001111966 A JP 2001111966A JP 2001111966 A JP2001111966 A JP 2001111966A JP 2002267595 A JP2002267595 A JP 2002267595A
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Toru Uchida
徹 内田
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    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 上水の管理項目であって、吸光光度法を原理
とする濁度及び色度を同時に測定する小型で安価な検出
器を提供する。 【解決手段】 400nm以下の近紫外線の発光チップ
と、600nm〜660nmの発光チップを単一のラン
プ構造に組み入れた発光ダイオードを光源として、単一
の光路系のなかで、各チップを一定の周波数で切換えな
がら発光させて、セルへの照射光とセル中の被測定液体
を通過のちの透過光とを、それぞれ光電変換素子で電気
信号に変換して演算することにより被測定液体中の濁度
と色度を同時に測定する。単一の光路系で測定可能なの
で、従来より安価・小型に検出器を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発案は、飲料に供する浄水
の水質を測定するための吸光度検出器に関連し、特に多
数の測定地点に数多く配備するための装置の小型化・廉
価化に関している。
【従来の技術】浄水源から各末端にいたる給水ラインの
水質の管理は、特に都市部において、給水パイプが複雑
に入り組んでいる場合に、パイプの材質の経年劣化の監
視なども含めて、よりきめ細かい管理が必要になってき
ている。この場合、pH、導電率、濁度、色度、残留塩
素などの水質基準に係わる省令上の基本的な測定項目を
測定する計器を、数多い測定ポイントに配備するために
は、計器の小型化と低廉化は不可欠の社会的要請になっ
ている。上記の基本的な測定項目のうち、pH、導電
率、残留塩素などは、被測定液体に電気化学的な電極を
挿入することで測定が可能であり、この電気化学的な電
極そのものを小さくすることで、小型化が可能であり、
また各電極を、集積化することによって、更に小型・廉
価化が可能になる。
【0002】一方、色度の発生する原因は、被測定液体
中に存在する主にフミン質等による溶解性あるいはコロ
イド性有機物質、溶解性の鉄やマンガンなどであり、こ
れらの物質によって起こる光の吸収スペクトルは、紫外
線から近紫外線の波長領域にピークを持つている。色度
は一般には、被測定液体と色度標準液とを比較して行な
う比色法で検定される。水質基準に関する省令では、色
度の測定を上述の比色法のほかに波長390nm付近の
吸光度によって行う透過光測定法が記述されており、各
種の色度計が開発されている。また、浄水に限らず被測
定液体の各種溶解性成分の定量的な検査を行う際に、紫
外線から可視光領域にかけてのいずれかの波長における
吸光度を指標としている例もある。
【0003】波長390nm付近における吸光度の測定
は、光源としてハロゲンランプ、タングステンランプ、
ヨウ素ランプ、または重水素管などを用い、光源からの
光ビームをバンドパスフィルターを通して被測定液体に
照射し、透過した光電変換素子で光電変換したときの電
気信号から得られる透過光強度と、照射光強度を光電変
換したときの電気信号から得られる照射光強度とから求
められる。また濁度も約600nmの入射光に対する濁
質成分による透過光ないし散乱強度を測定して求める光
学的な原理にもとづいている。これら光学的な原理にも
とづく装置は、光学系が複雑になるので、小型化・廉価
化にはいくつかの課題がある。
【0004】発明者らは、過去の検討において水道水の
色度・濁度を単一の光学セルで測定し、小型化・廉価化
を図る提案を行った。この段階では、図1のように、入
射光として、600nmや390nm付近の光を得るた
めには、光源としてハロゲンランプ、タングステンラン
プ、ヨウ素ランプ、または重水素管などを用い、光源か
らの光ビームをバンドパスフィルターを通すか、高価な
回折格子を用いて分光するなど複雑な構造をとってお
り、一定の大きさを占めざるを得ないうえに、廉価化に
も限界が生じていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、浄
水の水質管理を数多い測定ポイントで行うことを可能に
するために、その隘路となっていた主要測定項目のう
ち、光学的な原理によっている被測定液体中の濁度と色
度を同時に測定することが可能で、水道端末のどこにで
も取り付けることがが可能な程度に簡素かつ小型で安価
な多成分吸光度検出器を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】発明者らは、色度・濁度
を同時に測定するための小型で安価な光源として、発光
ダイオードに着目した。周知のように発光ダイオード
は、化合物半導体のpn接合に順方向に電圧を加えて、
p領域に電子をn領域に正孔を注入すると、接合面の近
辺で少数キャリアの一部と多数キャリアが再結合して光
を放出するものである。この発光面は発光チップ構造と
呼ばれる。光源として用いる場合は、この発光チップを
ガラスや透明プラスチックで覆ってレンズ効果を持たせ
て性能を向上させるために、図2のようなランプ構造を
取る。図2において、ランプ構造はは発光チップ(A)
8、発光チップ(B)9、レンズ部分10からなる。
【0007】ここでとくに400nm以下の近紫外線光
を発光する発光チップと、異なる発光波長を有する発光
チップを近接して単一のランプ構造に埋め込み、それぞ
れのチップを短い周期でを交互に発光させることによっ
て、400nm以下の近紫外線光を含む複数の波長の光
源とすることが可能になる。より具体的には、370n
mと660nmの発光波長を選択することによって、光
学的方法にもとづく水道水の水質監視項目である色度と
濁度の同時測定が可能な吸光度検出器のための小型で安
価な光源とすることができる。
【0008】発光ダイオードのランプ構造からは、時間
ごとに発光させるための電圧を印加する発光チップを切
り替えることによって、指定された時間ごとに異なった
波長の光を得ることができる。複数の発光チップからの
光をセル中の被測定液体へ照射して、この照射光とセル
中の被測定液体を通過したのちの透過光とを、それぞれ
光電変換素子で電気信号に変換して演算することによ
り、400nm以下の吸収波長を含む吸収波長の異なる
被測定液体の複数成分の吸光度を測定し検出することが
できる。とりわけ400nm以下の近紫外線の発光チッ
プと、660nmの光の発光チップを単一のランプ構造
に組み入れた発光ダイオードを光源として、単一の光路
系において、上記各チップを一定の周波数で切換えなが
ら発光させて、セルに照射される照射光とセル中の被測
定液体を通過したのちの透過光とを、それぞれ光電変換
素子で電気信号に変換して演算することにより被測定液
体中の濁度と色度を同時に測定することが可能になり、
小型で安価な光源部を用いているので、水道端末のどこ
にでも取り付けが可能な安価・小型な水道水の濁度と色
度を同時に測定する多成分検出器を構成することが可能
になった。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明の実施例形態を以下に示
す。図3において、発光ダイオード1は660nmの発
光チップと370nmの発光チップを組み込んでいる。
このこの発光ダイオードは端子が3本引き出されてお
り、それぞれの発光チップのpn接合への順方向の印加
を約70Hzの周期で切り替えている。反射ミラー2
で、660nmの光、370nmの光も共に、反射し
て、ともに受光部3に導入されるようになっている。こ
こで、660nmの発光チップからの発光スペクトルで
は半値幅が25nm、370nmの発光チップからの発
光スペクトルでは半値幅が65nmであって、濁度・色
度の測定用の光源としては、遜色のない性能であった。
【0010】試料液体が流入するセル4は、光の発生す
る面や光の反射する面、光が入射する面など測定に影響
する内壁の面の気泡や汚れは、試料水入口5から入って
きた試料水とともに試料水出口6の方向に回転式のワイ
パー(図示はしていない)で洗い流される構造になって
いる。受光部3は、シリコンフォトセルで、入射した光
のエネルギーの強さに応じて電流が流れるようになって
いる。ここでシリコンフォトセルの受光面は、7〜8m
m角の面積を有している。ランプ構造の発光ダイオード
の光源に埋め込まれた複数の発光チップの位置は、近接
しているものの、異なる。しがって反射ミラー4で光源
である発光ダイオードからの入射光を反射して、受光素
子にいたる測定光路が660nmの場合と370nmの
場合で、わずかなずれを生じるが、シリコンフォトセル
の受光面が、7〜8mm角の面積を有しているので、ど
ちらの発光ダイオードが点灯した場合でも、受光素子は
この光を受光することができ、単一の構成で、光学系を
構成することが可能になっている。また発光ダイオード
の近傍にある参照光受光部7は光の強度を補正するため
に設けた。この場合、660nmと370nmの発光ダ
イオードを周期的に切り替えて使用する。発光ダイオー
ドを連続的に点灯せず、周期的にオンオフを繰り返して
使用した場合には、点灯のたびに、発生する光の強度
は、微妙に異なるために、吸光度測定装置に用いる光源
の使用方法としては、最適ではないが、点灯を繰り返す
たびに、そのときの光の強度を参照として計測しておい
て、補正することにより、この不具合を解消することが
できる。
【0011】色度の標準物質である塩化白金コバルト溶
液の吸収スペクトルは400nm以下の波長に吸収極大
を有しているので、この濁度と色度を同時に測定する液
体の多成分吸光度測定装置は、小型・簡易な構成ではあ
るが、液体の色度を測定するうえで、十分な感度を有し
ている。本発明になる濁度と色度を同時に測定する吸光
度測定装置を用いて、色度の標準物質塩化白金コバルト
溶液と濁度の標準物質のフォルマジンを、測定セルに導
入して繰り返し、測定したときの吸光度の再現性は良好
な結果を示していた。
【0012】
【発明の効果】上述のように400nm以下の近紫外線
の発光チップと、660nmの光発光チップを単一のラ
ンプ構造に組み入れた発光ダイオードを光源として、単
一の光路系において、上記各チップを一定の周波数で切
換えながら発光させて、セルへの照射光とセル中の被測
定液体を通過したのちの透過光とを、それぞれ光電変換
素子で電気信号に変換して演算することにより被測定液
体中の濁度と色度を同時に測定することが可能にしてい
るので、(1)図3に示す本発明による光学系は光源側
から受光側の距離が反射一回分を含めて5cm程度で、
従来の濁度と色度を同時に測定する多成分吸光度測定装
置と較べて、格段に小型になっており、水道端末のどの
部分にも容易に取り付けることが可能な程度の大きさで
ある、(2)光源の駆動のために特に大型の電源装置を
必要とせず、DC電源を用いて12V程度を印加するこ
とで動作し、チップ構造を基礎にした小型のランプ構造
で、小型で量産可能であるために、安価になる、(3)
特に色度測定において、小型・安価な構成であるにもか
かわらず、感度維持され、増強されている、などの効果
が確認された。なお、この実施例では水道水中の色度と
濁度を測定する例を示したが、この実施例に限定され
ず、400nm以下の近紫外線の波長域に測定に利用可
能な吸収を有する成分と、可視域に測定利用可能は吸収
を有する成分との多成分の吸光度測定を小型・簡易に構
成することが可能であり、多数の場所に大量に測定器を
配備することが必要な場合に、簡素かつ小型で安価な多
成分吸光度測定装置を提供することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の水道水の色度と濁度を同時に測定する吸
光度測定器の例である。
【図2】複数の発光チップを内蔵した発光ダイオードの
ランプ構造を示す説明図である。
【符号の説明】
8 発光チップ(A) 9 発光チップ(B) 10 レンズ部分
【図3】本発明にかかる光学系を示す説明図である。
【符号の説明】
1 光源部(発光ダイオード) 2 反射ミラー 3 受光部 4 測定セル 5 試料水入口 6 試料水出口 7 参照光受光部
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成13年3月22日(2001.3.2
2)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】符号の説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【符号の説明】 1 光源部(発光ダイオード) 2 反射ミラー 3 受光部 4 測定セル 5 試料水入口 6 試料水出口 7 参照光受光部 8 発光チップ(A) 9 発光チップ(B) 10 レンズ部分

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】400nm以下の近紫外線の発光チップを
    含む複数の発光チップを単一のランプ構造に組み入れた
    発光ダイオードを光源とし、複数の発光チップをセル中
    の被測定液体への照射光とセル中の被測定液体の透過光
    とを、それぞれ光電変換素子で電気信号に変換して演算
    することにより、被測定液体の多成分の吸光度を測定す
    ることを特長とする液体の多成分吸光度検出器。
  2. 【請求項2】400nm以下の近紫外線の発光チップ
    と、600nm〜660nmの発光チップを単一のラン
    プ構造に組み入れた発光ダイオードを光源として、単一
    の光路系において、上記各チップを一定の周波数で切換
    えながら発光させて、セル中の被測定液体中照射光とセ
    ル中の被測定液体の透過光とを、それぞれ光電変換素子
    で電気信号に変換して演算することにより被測定液体中
    の濁度と色度を同時に測定することを特徴とする液体の
    多成分吸光度検出器。
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