JP2006284398A

JP2006284398A - 水質センサ

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Publication number: JP2006284398A
Application number: JP2005105550A
Authority: JP
Inventors: Kenji Hijikata; 健司土方
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-04-01
Also published as: JP4420849B2

Abstract

【課題】被測定水の濁度に影響されず、測定を容易にでき、しかも光源のメンテナンスを軽減して検出感度が安定した水質センサを提供すること。
【解決手段】酵素蛍光法で測定するための所定の試薬が加えられた被測定水６を通流する透光性のセル２と、光の出射方向が何れも上記セルの中心部に向けて配設され上記被測定水に含まれる蛍光物質に対する励起光を含む光を出射する複数の紫ＬＥＤ３１、及び光の出射方向が何れも該紫ＬＥＤとは異なる所定部に向けて配設され略白色に発光する複数の白色ＬＥＤ３２を有する光源部３と、上記紫ＬＥＤによる蛍光を受光して受光量に応じた信号を出力する第１の受光素子５１、及び上記白色ＬＥＤの光を受光して受光量に応じた信号を出力する第２の受光素子５２を有する受光部５と、これらの受光素子の出力信号に基づいて上記被測定水の水質を検知する信号処理部とを備えるように構成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、被測定水中の例えば大腸菌群数を検知する場合などに好ましく用いることができる水質センサに関する。

従来の水質センサとしては、一部にレンズで構成した透明体により壁部を形成したケーシング内に、透明体を透過して水中に発光する複数の発光ダイオードを円形に羅列すると共に、この発光ダイオードの円形中心に、水中内で反応した発光ダイオードの光を受光する受光素子を配置し、受光素子の受光量を測定する回路を内蔵し、更に透明体の外面に、清掃用のワイパーを配した構成のものがある（例えば特許文献１参照。）。

特開平８−２０１２８３号公報（第１頁、図１）

上記のような従来の水質センサにおいては、発光源として複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて装置全体を小規模で経済的に構成しているが、発光源が単一波長領域のため、大腸菌センサなどの水質センサとして用いる場合には被測定水の濁度が測定値に影響する場合があるなどの課題があった。

この発明は上記のような従来技術の課題を解消するためになされたもので、被測定水の濁度に影響されず、測定を容易にでき、しかも光源のメンテナンスを軽減して検出感度が安定した水質センサを提供することを目的としている。

この発明による水質センサは、酵素蛍光法で測定するための所定の試薬が加えられた被測定水を通流する透光性のセルと、光の出射方向が何れも上記セルの中心部に向けて配設され上記被測定水に含まれる蛍光物質に対する励起光を含む光を出射する複数の紫ＬＥＤ、及び光の出射方向が何れも該紫ＬＥＤとは異なる所定部に向けて配設され略白色に発光する複数の白色ＬＥＤを有する光源部と、上記紫ＬＥＤによる蛍光を受光して受光量に応じた信号を出力する第１の受光素子、及び上記白色ＬＥＤの光を受光して受光量に応じた信号を出力する第２の受光素子を有する受光部と、上記第１及び第２の受光素子の出力信号に基づいて上記被測定水の水質を検知する信号処理部とを備えるように構成したものである。

この発明においては、透光性のセルに通流される所定の試薬が加えられた蛍光物質を含む被測定水に対して、複数の紫ＬＥＤと複数の白色ＬＥＤを照射し、第１の受光素子により蛍光を測定し、第２の受光素子により透過光を受光するようにしたので、被測定水の蛍光物質の量と濁度を同時に測定することができ、水質測定が容易となり、しかも光源のメンテナンスを軽減して検出感度が安定した水質センサが得られる。また、信号処理部で濁度による影響を補正するように構成することもできる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による水質センサとしての大腸菌センサを概念的に説明する図であり、図１（ａ）は要部の配置を示す側面断面図、図１（ｂ）は要部の配置を平面方向に見た部分断面図である。図において、水質センサ１は、図示を省略している固定部に保持され例えば残存大腸菌群数を測定対象とする下水処理水などの被測定水６を通流するパイプ状で透光性のセル２と、このセル２に向けて光を照射する光源部３と、セル２からの光を受光する受光部５と、この受光部からの出力信号に基づいて上記被測定水の水質を検知する信号処理部（図示省略）からなっている。

上記光源部３は、光の出射方向が何れもセル２の略中央部２ａに向けられかつ該中央部２ａから略等距離に配設され、発光色が紫外領域の励起光を含む紫色に発光する複数の紫ＬＥＤ３１と、これら複数の紫ＬＥＤ３１の上方部にずらして設けられ以下に説明する第２の受光素子５２の方向に向けて略白色に発光する複数の白色ＬＥＤ３２と、これら複数の紫ＬＥＤ３１及び白色ＬＥＤ３２を保持する弓形に形成された樹脂製の保持部材３０からなっている。上記紫ＬＥＤ３１及び白色ＬＥＤ３２は、保持部材３０に設けられた貫通孔３０ａに嵌合保持されている。なお、図１（ｂ）では便宜上、紫ＬＥＤ３１及び白色ＬＥＤ３２が同一平面に画かれているが、実際は横から見たときは図１（ａ）に示すように図の上下方向にずらして配設されている。

また、上記受光部５は、セル２中の被測定水６に含まれる蛍光物質が紫ＬＥＤによって励起されて発光した主に可視領域の蛍光を受光し、光の強度に応じた信号を出力する第１の受光素子５１と、白色ＬＥＤ３２から照射され、セル２を透過した光を受光して受光量に応じた信号を出力する第２の受光素子５２を用いて構成されている。なお、第１の受光素子５１と、第２の受光素子５２とは、側方から見たときに図１（ａ）に示すように、紫ＬＥＤ３１、及び白色ＬＥＤ３２の位置にあわせて図の上下にずらして配設されている。

なお、上記セル２、光源部３、受光部５は図示を省略しているケーシングに収容、固定されており、紫ＬＥＤ３１、及び白色ＬＥＤ３２を発光させるための点灯回路、受光部５の第１の受光素子５１、及び第２の受光素子５２の検出信号を演算処理して大腸菌群数を算出する信号処理回路の構成などは公知の従来技術を適宜選択して用いることができるものであるので、図示及び説明を省略している。

次に、上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。下水処理水などの大腸菌群を含む被測定水に、予め酵素蛍光法で測定するための試薬４−ＭＵＧ（メチルウンベリフェロン−β−Ｄ−ガラクトビラノシド）を加えると、大腸菌群だけが保有している酵素β−ガラクトシダーゼと反応して、紫ＬＥＤ３１の発光色に含まれる３８０ｎｍの光によって４５０ｎｍの蛍光を発する蛍光物質４−ＭＵ（メチルウンベリフェロン）を生成する。上記のように試薬で予め処理された被測定水６は、セル２に通流される。そこに、光源部３の複数の紫ＬＥＤ３１から発光される励起光（３８０ｎｍの近紫外光）を照射すると、被測定水６中に含まれる蛍光物質４−ＭＵが４５０ｎｍの蛍光を発する。

上記蛍光の強度ないしは光量は被測定水６に含まれる大腸菌群の濃度に応じて変化するので、大腸菌群数（濃度）の異なる複数の既知の試料について予め光量を測定して得られたキャリブレーション曲線を用いて、第１の受光素子５１が受光した上記４５０ｎｍの蛍光を図示省略している信号処理回路で処理することにより、被測定水６に含まれる大腸菌群数が容易に検出される。上記複数個の紫ＬＥＤ３１は、出射された光束がセル２の中央部２ａに集中するように扇形に配置されているので、励起光の光量不足を補い、また光量のバラツキが平均化されている。

一方、第２の受光素子５２は、複数の白色ＬＥＤ３２から出射された略白色の光を、被測定水６が通流されたセル２を介して受光し、その出力信号を図示省略している信号処理回路により処理することで、光の減衰量、即ち吸光度から被測定水６の濁度の検知が同時に行なわれる。なお、第１の受光素子５１は、被測定水６に含まれる蛍光物質の蛍光を検知するものであるので、設置位置はセル２に対し、光源部３の反対側でなくてもよい。また、上下方向や被測定水６の通流方向などは何れも図示のものに限定されないことは言うまでもない。さらに、被測定水６の検出対象は必ずしも大腸菌でなくてもよく、同様の効果が期待できる。

上記のようにこの実施の形態１によれば、紫ＬＥＤ３１、白色ＬＥＤ３２の光はフィラメント式のランプや放電ランプに比べて指向性が高いため、集光のためにプリズムやレンズを用いる必要がなく、部品点数を少なく、構造を簡単にすることができる。上記光源部３は紫ＬＥＤ３１及び白色ＬＥＤ３２をそれぞれ複数用いているが、保持部材３０はプラスチックからなり若干の弾性を有しているので、貫通孔３０ａに嵌め込むだけで取り付けでき、組立も簡単である。また、紫ＬＥＤ３１及び白色ＬＥＤ３２を用いたことにより、従来のフィラメント式のランプや放電ランプと比較して、光源の輝度低下による感度の低下を長期間に渡って最小限にすることができる。

また、光源部３に複数の紫ＬＥＤ３１及び白色ＬＥＤ３２を用いたことで、光源の光量を増加させ感度を上げることができる。また、紫ＬＥＤ３１及び白色ＬＥＤ３２の個体差による光量のばらつきが平均化されることにより、光源交換時の精度のばらつきを低く押さえることができる。また、一般にＬＥＤは長寿命であるため、光源交換などのメンテナンスの頻度を大幅に削減することが出来、メンテナンスの手間や費用を削減できる効果がある。また、被測定水６の濁度を同時に測定できるので、測定が簡単となり、しかも測定に要する所要時間を短縮することができる。

実施の形態２．
図２及び図３はこの発明の実施の形態２による水質センサを説明するもので、図２は光学系における測定要素を概念的に示す構成図、図３は測定値の補正方法を概念的に示すグラフ図である。なお、この実施の形態２は、上記図１に示す実施の形態１と同様の光学系を用い、図示省略している信号処理回路により、濁度の影響を除くようにしたものである。なお、図に示す符号（数字）は上記図１に示す実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

次に動作について図１も参照して説明する。光源部３の白色ＬＥＤ３２は可視光ａを出射し、被測定水６の濁度による光の吸収・散乱により減衰した可視光ｂが第２の受光素子５２で検知される。一方、光源部３の紫ＬＥＤ３１は近紫外領域の励起光ｃを出射し、被測定水６に含まれる蛍光物質がこの励起光により可視領域の蛍光を発光し、この蛍光ｄが第１の受光素子５１で検知される。しかし、第１の受光素子５１で検知される光は被測定水６に含まれる濁度のため、上記第２の受光素子５２で検知される光と同様に減衰している。この実施の形態２では図３に示すように、第１の受光素子５１で検知された蛍光（測定値）ｄに対し、第２の受光素子５２で検知された被測定水６の濁度による減衰光量ｅを、図示省略している信号処理回路によりバイアスとして蛍光（測定値）ｄに加える補正を行い、蛍光（補正値）ｆに示すような補正曲線を得ることにより、被測定水６の濁度の大腸菌群測定への影響をキャンセルしている。

上記のようにこの実施の形態２によれば、被測定水６の濁度の大腸菌群測定への影響をキャンセルすることで、濁度による測定誤差を小さくすることができる。また、大腸菌群測定のための濁度除去装置などが不要となるため、装置の簡素化や部品費用を削減できるという更なる効果が得られる。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３による水質センサを概念的に示す構成図である。この実施の形態３では、光源部３に用いる紫ＬＥＤとして、発光波長が互いに異なる紫外領域の励起光を発光する紫ＬＥＤ３１Ａ〜３１Ｅが複数個ずつ（図では複数個目の図示を省略している）設けられており、各紫ＬＥＤ３１Ａ〜３１Ｅは何れも出射方向がセル２の中央部２ａに向くように弓形に形成された樹脂成形品からなる保持部材３０に嵌め込まれ、固定されている。そして、セル２に対し光源部３の反対側には分光手段としての分光フィルタ４を介して受光素子５３を設けた受光部５が配設され、受光素子５３の出力は図示を省略している信号処理部で処理される。

上記のように構成された実施の形態３においては、測定するための公知の試薬を加えた被測定水６は、セル２に導入される。そこに、光源部の紫ＬＥＤ３１Ａ〜３１Ｅから複数の波長の励起光を照射され、得られた複数の蛍光が分光手段である分光フィルタ４で分光され、分光された各波長毎の光量を受光素子５４により検出し、その信号を図示省略している信号処理部で処理して被測定水６中の成分が特定されるように構成されている。

上記のような実施の形態３によれば、実施の形態１と同様の効果が得られる他、被測定水６中の試料により得られる蛍光の強弱がその試料によって異なるため、その波長の分布から、被測定水中の例えば銅、クロム、鉛、マンガンなど重金属イオンの量やシアンなど試料の種類を特定することが可能となる。また、使用する試薬によってその対象試料を特定のものに絞る事が可能であり、例えば、水中の重金属イオンセンサ、毒物センサ、水の硬度計、色度計などへの応用が可能である。

実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４による水質センサの要部を概念的に示す図であり、図５（ａ）は内部の光学系を透視して示す正面図、図５（ｂ）は側面図、図５（ｃ）は内部の光学系を透視して示す平面図である。この実施の形態４では、被測定水の中に浸漬するように形成されたホルダ７の検出部７１に複数の紫ＬＥＤ３１と受光部５を配した構造である。受光部５には受光素子５４が組み込まれている。光源となる紫ＬＥＤ３１と受光部５の間の、被測定水が自由に交換する間隙部８を仮想セルとし、そこに、光源の紫ＬＥＤ３１から励起光を照射し、得られた蛍光を受光部５により検出している。複数個の紫ＬＥＤ３１は、間隙部８で光束が集中するように扇形に配置されている。なお、間隙部８は透光性の材料によって形成され、複数の紫ＬＥＤ３１の保持部材は図示を省略しているが、上記実施の形態１と同様に構成されている。

上記のように構成された実施の形態４においては、実施の形態１と同様の大腸菌センサの他、受光素子５４にＵＶ領域に感度を有する例えばフォトダイオードなどを用いることにより、被測定水中の有機物が紫外線を吸収することを利用して、光源部３の紫ＬＥＤ３１から出射されたＵＶ光の吸光度を測定するＵＶ計を構成し、例えばＣＯＤやＢＯＤなどの水質を測定することができる。

この実施の形態４は、光源部３を実施の形態１と同様に構成していることにより、構造が簡単で組立も容易であり、しかも光源のメンテナンスを軽減して検出感度が安定した水質センサが得られる。また、従来のＵＶランプと比較して、光源の輝度低下による感度の低下を長期間に渡って最小限にすることができる。また、検出部７１の光源に複数の紫ＬＥＤ３１を用いたことで、光源の光量を増加させ感度を上げることができる。また、紫ＬＥＤ３１の個体差による光量のばらつきが平均化されることにより、光源交換時の精度のばらつきが低く押さえられるなどの利点がある。また、ＬＥＤ光はフィラメントランプや放電ランプに比べて指向性が高いため、集光のためにプリズムやレンズを用いる必要がなく、部品点数を少なくする事が可能である。また、ＬＥＤは長寿命であるため、光源交換などのメンテナンスの頻度を大幅に削減することが出来、メンテナンスの手間や費用を削減できる。

この発明の実施の形態２による水質センサとしての大腸菌センサの要部を概念的に説明する図であり、図１（ａ）は要部の配置を示す側面断面図、図１（ｂ）は要部の配置を平面方向に見た部分断面図である。この発明の実施の形態１による水質センサの光学系における測定要素を概念的に示す構成図。図２に示す水質センサによる測定値の補正方法を概念的に示すグラフ図。この発明の実施の形態３による水質センサを概念的に示す構成図。この発明の実施の形態４による水質センサの要部を示す図であり、図５（ａ）は内部の光学系を透視して示す正面図、図５（ｂ）は側面図、図５（ｃ）は内部の光学系を透視して示す平面図。

符号の説明

１水質センサ、２セル、２ａ中央部、３光源部、３０保持部材、３０ａ貫通孔、３１、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ紫ＬＥＤ、３２白色ＬＥＤ、４分光手段（分光フィルタ）、５受光部、５１第１の受光素子、５２第２の受光素子、５３、５４受光素子、６被測定水、７ホルダ、７１検出部、８間隙部。

Claims

酵素蛍光法で測定するための所定の試薬が加えられた被測定水を通流する透光性のセルと、光の出射方向が何れも上記セルの中心部に向けて配設され上記被測定水に含まれる蛍光物質に対する励起光を含む光を出射する複数の紫ＬＥＤ、及び光の出射方向が何れも該紫ＬＥＤとは異なる所定部に向けて配設され略白色に発光する複数の白色ＬＥＤを有する光源部と、上記紫ＬＥＤによる蛍光を受光して受光量に応じた信号を出力する第１の受光素子、及び上記白色ＬＥＤの光を受光して受光量に応じた信号を出力する第２の受光素子を有する受光部と、上記第１及び第２の受光素子の出力信号に基づいて上記被測定水の水質を検知する信号処理部とを備えたことを特徴とする水質センサ。
上記信号処理部は、上記第２の受光素子によって検出された上記被測定水の濁度による白色光の減衰分を上記第１の受光素子による受光量にバイアスとして加えるようにしてなることを特徴とする請求項１に記載の水質センサ。
被測定水を通流する透光性のセルと、光の出射方向が何れも上記セルに向けて配設された発光波長が互いに異なる複数のＬＥＤを有する光源部と、上記セルからの光を分光手段を介して受光して受光量に応じた信号を出力する受光素子と、この受光素子の出力信号に基づいて上記被測定水の水質を検知する信号処理部とを備えたことを特徴とする水質センサ。
被測定水を受入れるための所定の間隙部が形成されたホルダと、このホルダに対し上記間隙部の一側に保持され光の出射方向が何れも上記間隙部の所定の略１点に集中するように配設された紫色に発光する複数の紫ＬＥＤを有する光源部と、上記ホルダに対し上記間隙部の他側に保持され上記光源部方向からの光を受光して受光量に応じた信号を出力する受光素子とを備えたことを特徴とする水質センサ。