JP2010164365A - ガス濃度測定方法及びガス濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】包装容器の種類等に関わらず、包装容器内のガス体に含まれる酸素ガスの濃度を正確に測定することができるガス濃度測定方法とガス濃度測定装置を提供する。
【解決手段】ガス濃度測定装置１０は、出射手段１１でレーザ光を変調して酸素ガスの吸収スペクトルと略同一な特定波長を有する主波長レーザＬｍと該特定波長以外の所定波長を有する副波長レーザＬｓが形成される。投光レンズユニット２２と入射手段１２の受光レンズユニット２５とは光軸が同一直線上に配されている。そして、包装容器３１内のガス体で波長吸収された主波長レーザと副波長レーザを受光素子３５で光電変換する。主波長レーザは主検出信号を介して直流的な主測定値に形成され、副波長レーザも副検出信号を介して同様な副測定値に形成される。処理手段１７で主測定値から副測定値を差し引き、所定の係数を乗じることにより、包装容器内のガス体に含まれた酸素ガスの濃度が測定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス体に対してレーザ光を投射して、該レーザ光が前記ガス体で吸収された被吸収量に基づいて、前記ガス体に含まれる被測定ガスの濃度を測定するガス濃度測定方法とガス濃度測定装置に関し、特に包装容器内に被包装物を充填した後、当該包装容器内を不活性ガスでガス置換する包装方法及び包装機において、包装容器内のガス体に含まれる酸素ガスの濃度を測定するガス濃度測定方法及びガス濃度測定装置に関する。

被包装物の酸化防止のため、包装容器内を窒素ガス等の不活性ガスでガス置換して密封する包装機が知られている。当該包装機で包装したとき、一定数の包装容器群の中から所定数のサンプルを抽出して、包装容器内の残留酸素ガスが測定されている。

しかし、上記のサンプル抽出検査は、包装容器内のガス体を吸い出すために注射針が包装容器に刺し込まれて、包装容器に孔が形成されることから、抽出されたサンプルである包装容器は当該ガス体の測定後に廃棄されている。そして、一般的にサンプル検査は、包装工程とは別に行われている。
したがって、包装容器と被包装物の廃棄による製品ロスと、別工程で行われるサンプル検査による時間的なズレが問題であった。
そこで、近年、レーザ光を利用した非破壊検査が行われている。当該非破壊検査によれば、包装工程中に検査工程を組み込み、包装容器の密封と同時に若しくはその前後に検査することができる。

ここで、レーザ光を利用した非破壊検査の一例として、特開２０００−２３０９００号に開示されている車両用アルコール検出装置は、一方のレーザ光源からアルコール吸収波長λ１のパルス状のレーザービームＬＢ１を走行車両に向けて出射し、他方のレーザ光源から参照波長λ２のパルス状のレーザービームＬＢ２を時間差をおいてレーザービームＬＢ１と同一光路で出射し、両レーザービームＬＢ１，ＬＢ２を共通のフォトダイオードによって検出している。
そして、参照波長λ２の受光量データＤ２からアルコール吸収波長λ１の受光量データＤ１を差し引いたアルコール濃度データＤａが所定の閾値Ｄｒｅｆ以上のときに、車内にアルコール成分が有りとしてアルコール検出信号Ｓａを出力し、走行車両の車内のアルコール成分を、車両の走行状態のまま遠隔から検出している。

特開２０００−２３０９００号公報

上記の車両用アルコール検出装置によれば、走行する車両内のアルコールガス含有量が所定の閾値を超えた場合に、アルコール検出信号が検出されている。また、波長λ２のレーザによって、レーザ光が光路上でアルコールガス以外の成分や埃等で散乱されて生じた測定誤差を排除することができる。
しかしながら、当該車両用アルコール検出装置によれば、アルコールガスが車内にあるか否かの判断しか成されていない。そのため、車内が一定量の濃度以上を有するアルコールガスで充満されていることは検出することができるものの、当該アルコールガスの濃度の正確な測定値を得ることができない。
また、波長λ１のレーザー光ＬＢ１を出射する光源と波長λ２のレーザ光ＬＢ２を出射する光源を別体に構成している。そのため、両レーザ光の波長特性の相異から測定結果にバラツキが生じるおそれがあり、さらに、出射しているレーザの波長が異なる光源のＬＥＤが異なることから、当該ＬＥＤが発熱することによって生じる温度ドリフトの発生時が異なる。そのため、正確な測定値を得ることができない。

したがって、上記の課題を解決しようとする本願発明は、包装機の包装工程において、包装容器の種類や被包装物に関わらず、包装容器内の酸素ガスの濃度を遠隔的に正確に測定することができるガス濃度測定方法と、当該ガス濃度測定方法を行うにあたって、レーザ光の特性を容易に補償することができるガス濃度測定装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載のガス濃度測定方法は、包装容器内に被包装物を充填した後、当該包装容器内を不活性ガスでガス置換する包装工程を有し、
前記包装容器内のガス体に対してレーザ光を投射して、
該レーザ光が前記ガス体で吸収された被吸収量に基づいて、前記ガス体に含まれる酸素ガスの濃度を測定するガス濃度測定方法であって、
前記レーザ光を変調して、帯域内に前記酸素ガスの吸収スペクトルを有する特定波長が印加された主波長レーザと、該特定波長を除く所定の波長が印加された副波長レーザとを形成し、前記主波長レーザ及び前記副波長レーザを単一光源から同一光路上へ、連続して出射する出射手段と、
該出射手段から出射され、前記ガス体を透過して、該ガス体に含まれる酸素ガスで散乱吸収された主波長レーザ、及び前記ガス体を透過して、前記酸素ガス以外で散乱吸収された副波長レーザが、連続して入射される入射手段と、
該入射手段に入射された主波長レーザの光量を電気量に変換すると共に該主波長レーザの入射位置を特定して主検出信号を形成し、副波長レーザの光量を電気量に変換すると共に該副波長レーザの入射位置を特定して副検出信号を形成する光電変換手段と、
該光電変換手段で変換された主波長レーザに相当する主検出信号と、副波長レーザに相当する副検出信号とを所定の倍率で増幅する増幅手段と、
該増幅手段で増幅され、連続して伝送されている主検出信号と副検出信号を分割する分割手段と、
該分割手段で分割された主検出信号と副検出信号をパルス状に変調して、主測定値と副測定値に変換するパルス変調手段と、
該パルス変調手段で変換された主測定値から副測定値を差し引いて、前記ガス体に含まれる前記酸素ガスで吸収された光量に相当する酸素ガス吸収値を形成し、該酸素ガス吸収値に基づいて、前記ガス体に含まれる前記酸素ガスの濃度を示す出力値を形成する処理手段と、
前記出射手段の主波長レーザを電気的に変換した基準信号と前記主検出信号とを同期する同期手段とを有し、
前記包装容器内の前記ガス体に含まれる前記酸素ガスの濃度を測定することを特徴とする。

請求項２に記載のガス濃度測定装置は、包装容器内に被包装物を充填した後、当該包装容器内を不活性ガスでガス置換する包装工程を有する包装機に搭載され、
前記包装容器内のガス体に対してレーザ光を投射して、
該レーザ光が前記ガス体で吸収された被吸収量に基づいて、前記ガス体に含まれる酸素ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置であって、
レーザ励起源とレーザ媒質を有する光共振器とからなり、レーザ光を連続して出射可能な光源回路、
前記レーザ光を変調して、帯域内に前記酸素ガスの吸収スペクトルを有する特定波長が印加された主波長レーザと、該特定波長を除く所定の波長が印加された副波長レーザとを形成する入力側変調回路、及び前記主波長レーザと前記副波長レーザを同一光軸上に出射する投光レンズユニットを有する出射手段と、
前記ガス体を透過して、該ガス体に含まれる酸素ガスで散乱吸収された主波長レーザ、及び前記ガス体を透過して、前記酸素ガス以外で散乱吸収された副波長レーザが、連続して入射される受光レンズユニットを備えた入射手段と、
前記主波長レーザの光量を電気量に変換し、該主波長レーザの入射位置を特定して形成した主検出信号を出力すると共に、前記副波長レーザの光量を電気量に変換し、該副波長レーザの入射位置を特定して形成した副検出信号を出力する平面状の受光素子を備えた光電変換手段と、
該光電変換手段で変換された主波長レーザに相当する主検出信号と、副波長レーザに相当する副検出信号とを増幅する第１増幅回路を備えた増幅手段と、
該増幅回路で増幅され、連続して伝送されている主検出信号と副検出信号とを分割する分割回路を備えた分割手段と、
該分割回路から出力された主検出信号と副検出信号をパルス状に変調して、主測定値と副測定値に変換する出力側変調回路と、変調された前記主測定値を増幅する第２増幅回路と前記副測定値を増幅する第３増幅回路を備えたパルス変調手段と、
前記主測定値から前記副測定値を差し引いて、前記ガス体に含まれる前記酸素ガスで吸収された光量に相当する酸素ガス吸収値を形成し、該酸素ガス吸収値に基づいて、前記ガス体に含まれる前記酸素ガスの濃度を示す出力値を形成する演算処理回路を備えた処理手段と、
前記入力側変調回路で形成された主波長レーザを電気的に変換した基準信号と、前記主検出信号とを同期する同期回路を備えた同期手段とを有し、
前記包装容器内の前記ガス体に含まれる前記酸素ガスの濃度を測定することを特徴とする。

請求項３に記載のガス濃度測定装置は、請求項２に記載の発明において、前記入力側変調回路で、前記主波長レーザの前記特定波長を設定したとき、該特定波長に対して僅かに変位した波長を有するレーザ光が、前記副波長レーザの前記所定波長として自動的に設定されるようにしたことを特徴とする。

請求項４に記載のガス濃度測定装置は、請求項２若しくは請求項３に記載の発明において、前記入力側変調回路で、前記主波長レーザ及び前記副波長レーザを同一な所定の周期を有するパルス状に形成し、前記主波長レーザの周期に対して、前記副波長レーザの周期が重ならないように位相をずらして、主波長レーザと副波長レーザが同一の前記光源と同一の前記投光レンズユニットから出射されるようにしたことを特徴とする。

請求項５に記載のガス濃度測定装置は、請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、前記投光レンズユニットの光軸と、前記受光レンズユニットの光軸とが同一直線上に配置されていることを特徴とする。

請求項１に記載のガス濃度測定方法によれば、包装容器内のガス体に含まれる酸素ガスの測定値と、出射手段から入射手段に至る光路上に存在する塵埃による散乱吸収や、包装容器表面の反射等によって生じる測定誤差とを、帯域内に前記酸素ガスの吸収スペクトルに対応する特定波長を備えた主波長レーザで吸収させている。対して、特定波長以外の所定の波長を有する副波長レーザで測定誤差を吸収させている。
そして、波長吸収された主波長レーザを光電変換して主検知信号を形成し、さらに、該主検知信号を変調して主測定値を形成している。また、波長吸収された副波長レーザを光電変換して副検知信号を形成し、さらに副検知信号を変調して副測定値を形成している。
最終的には、測定誤差でかさ上げされた主測定値から測定誤差からなる副測定値を差し引いて酸素ガス濃度測定値を算出し、当該酸素ガス濃度測定値に基づいて、包装容器内のガス体に含まれる酸素ガスの濃度を測定している。
これにより、出射手段と入射手段との間に配された包装容器内のガス体に含まれる酸素ガスの濃度を高精度で測定することができる。

請求項２に記載のガス濃度測定装置によれば、単一の光源回路から発振され、投光レンズの光軸上に出射される主波長レーザと副波長レーザで包装容器内のガス体に含まれる酸素ガスの濃度を高精度で測定することができる。
また、酸素ガスの濃度測定に単一の光源から発せられる主波長レーザ及び副波長レーザからなるレーザ光を利用した。そのため、包装容器内のガス体に含まれる酸素ガスの濃度を測定する検査工程を非破壊検査音することができるので、従来のようにサンプル検査をする必要が無い。そのため、抽出したサンプルを廃棄処分しなくても良く、製品の歩留まりを良くすることができる。
加えて、従来のサンプル検査において、サンプルを抽出することによって生じていた検査工程と包装工程との間のタイムラグは、本願発明のガス濃度測定装置を包装工程中に組み込むことによって無くすことができる。
さらに、主波長レーザと副波長レーザから、測定誤差を含んだ主測定値と、測定誤差と等価の副測定値を形成して、主測定値に含まれる測定誤差を副測定値で相殺するようにした。そのため、包装容器の表面のツヤ、該包装容器の色、該包装容器の傾きや測定部の通過位置等に関わらず、包装容器内のガス体に含まれる酸素ガスの濃度を高精度で測定することができる。
さらに、単一の光源回路から出射されるレーザ光を入力側変調回路で変調することによって、特定波長を有する主波長レーザと特定波長以外の所定の波長を有する副波長レーザとを、一台のレーザ装置で形成するようにした。そのため、主波長レーザと副波長レーザの波長以外の特性が同調するので、当該レーザ装置は安定したレーザ光を供給することができる。
さらにまた、安定したレーザ光を供給することができるので、包装容器を投光レンズユニットと受光レンズユニットに密着させなくても正確な測定をすることができる。そのため、ガス濃度測定装置の耐久性を高くすることができる。

請求項３に記載のガス濃度測定装置によれば、入力側変調回路で主波長レーザの波長を特定したときに、当該特定した波長に対して僅かに変位した所定の波長が、副波長レーザの波長として自動的に、主波長レーザからシフトして定まるようにした。そのため、主波長レーザと副波長レーザを容易に設定することができる。
そして、上記のように単一のレーザ装置から主波長レーザと副波長レーザを出射することができるので、回路構成を簡略化することができ、メンテナンスや調整が容易なガス濃度測定装置を提供することができる。

請求項４に記載のガス濃度測定装置によれば、主波長レーザと副波長レーザを同一の光源と同一の投光レンズユニットを介して出射するようにした。これにより、光軸を一つにまとめることができ、受光素子への入射角度を一定にすることができるので、正確な酸素ガスの濃度測定をすることができる。また、主波長レーザと副波長レーザを同一のパルス状に出射し、該主波長レーザの周期に対し副波長レーザの周期が重ならないように位相をずらすことにより、主波長レーザと副波長レーザの干渉を防ぎ、分割を容易にすることができる。

請求項５に記載のガス濃度測定装置によれば、投光レンズユニットの光軸と受光レンズユニットの光軸を同一直線上に配した。これにより、包装容器の特定箇所を主波長レーザと副波長レーザが透過するので、光軸のズレによる測定誤差を無くすことができ、包装容器内のガス体に含まれる酸素ガスの濃度の測定精度を高くすることができる。

本実施例に係るガス濃度測定装置の構成の概略を示すブロック図である。 本実施例に係るガス濃度測定装置の各変換点での信号等の波形を示す説明図である。 本実施例に係るガス濃度測定方法を示すフローチャートである。 本実施例に係るガス濃度測定方法で酸素ガスが吸収されるスペクトルを示す説明図である。

本願発明に係る実施例を添付した図面にしたがって説明する。ガス濃度測定装置の構成の概略を図１に示す。
ガス濃度測定装置１０は、出射手段１１と、入射手段１２と、光電変換手段１３と、増幅手段１４と、分割手段１５と、パルス変調手段１６と、処理手段１７と、同期手段１８とから構成されている。

出射手段１１は、光源回路２０と、入力側変調回路２１と、投光レンズユニット２２とからなる。
光源回路２０は、レーザの励起源（図示略）と、レーザ媒質を備えた光共振器（図示略）とからなり、レーザ光Ｌ_０が形成されている。本実施例においては、レーザ媒質が半導体であって、励起源から少数キャリアの電子が注入される半導体レーザを用いたが、これに限定されるものではなく、レーザ媒質として、気体、固体、液体等を用いたＨｅ−Ｎｅレーザ、ＹＡＧレーザ、色素レーザ等を用いても良い。
入力側変調回路２１では、光源回路２０からのレーザ光Ｌ_０を変調し、前記酸素ガスの吸収波長と同一の特定波長λ_０を有する主波長レーザＬｍと、該特定波長を除く所定の波長λを有する副波長レーザＬｓとが形成されている。そして、主波長レーザＬｍの特定波長λ_０が設定されたときに、副波長レーザＬｓの波長λが自動的に定まるように構成されている。
ここで、酸素ガスは、７６３．５ｎｍの吸収スペクトルを有する。該吸収スペクトルは赤色を呈する。したがって、該吸収スペクトルが主波長レーザＬｍの帯域内に納まるように、主波長レーザＬｍは、特定波長λ_０を７６３．５ｎｍを中心とした帯域幅が０．０００３ｎｍの波長とする。一方、副波長レーザＬｓの波長λは、主波長レーザＬｍの特定波長λ_０を除く波長を有している。ただし、特定波長λ_０と大きく相違する波長の場合、光源回路２０や後述する受光素子に大きく負荷が掛かることから、７６３．５ｎｍを中心に±０．０５ｎｍの範囲内の波長であることが好ましい。
また、図２（ａ）に示すように、入力側変調回路２１では、形成した主波長レーザＬｍと副波長レーザＬｓとを同一の周期を有するパルス波に整流し、主波長レーザＬｍの周期に対して、副波長レーザＬｓの周期をπずらして発振している。
これにより、主波長レーザＬｍと副波長レーザＬｓの波長干渉を防ぎ、後述する分割回路４５で主波長レーザＬｍと副波長レーザＬｓの分割を容易にすることができる。
投光レンズユニット２２は、凸レンズ２２ａと凹レンズ２２ｂを適宜組み合わせて形成されている。本実施例においては、単一の凸レンズ２２ａ及び凹レンズ２２ｂで図示したが、複数の凸レンズ及び凹レンズを用いることもできる。
該投光レンズユニット２２は、入力側変調回路２１で変調された主波長レーザＬｍと副波長レーザＬｓを同一光軸上に投光している。

入射手段１２は、受光レンズユニット２５を有している。該受光レンズユニット２５は、凸レンズ２５ａと凹レンズ２５ｂを適宜組み合わせて形成され、投光レンズユニット２２に対向して配されている。また該受光レンズユニット２５の光軸と、投光レンズユニット２２の光軸とは、同一直線上に配されている。
出射手段１１と入射手段１２との間には、測定部３０が設けられている。当該測定部３０は、被包装物が充填された包装容器３１が配設されている。
出射手段１１から出射された主波長レーザＬｍと副波長レーザＬｓは、包装容器３１内のガス体を透過して受光レンズユニット２５に入射される。
ここで、主波長レーザＬｍは、その一部が、包装容器３１内のガス体に含まれる酸素ガスと包装容器３１周辺の塵埃等で散乱吸収されると共に包装容器３１表面で反射されている。また、副波長レーザＬｓは、その一部が包装容器３１周辺の塵埃等で散乱吸収されると共に包装容器３１表面で反射されている。

光電変換手段１３は、複数個のフォトダイオードを平板状に配して形成された位置受光素子３５（以下「ＰＳＤ」という）からなる。なお、位置受光素子３５として、相補性金属酸化半導体（ＣＭＯＳ）或いは電荷転送素子（ＣＣＤ）を用いても良い。
ＰＳＤ３５では、図２（ｂ）に示すように、主波長レーザＬｍの光量を電気量に変換し、該主波長レーザＬｍの入射位置を特定して形成した主検出信号Ｐｍを出力すると共に、副波長レーザＬｓの光量を電気量に変換し、該副波長レーザＬｓの入射位置を特定して形成した副検出信号Ｐｓが出力される。

増幅手段１４は、ＯＰアンプからなる第１増幅回路４０を有している。
当該第１増幅回路４０では、ＰＳＤ３５で変換された主波長レーザＬｍに相当する主検出信号Ｐｍと、副波長レーザＬｓに相当する副検出信号Ｐｓとが増幅されている。

分割手段１５は、主検出信号Ｐｍと副検出信号Ｐｓを分割する分割回路４５から形成されている。分割回路４５は、所定の閾値でクリッピングして、閾値以上の値を有する主検出信号Ｐｍと閾値以下の値を有する副検出信号Ｐｓとに分割するクリッパ回路が好ましい。
分割回路４５の入力端子では、第１増幅回路４０から主検出信号Ｐｍと副検出信号Ｐｓが連続して入力されている。そのため、図２（ｂ）に示すように、主検出信号Ｐｍのパルス周期と、位相がπずれている副検出信号Ｐｓのパルス周期に基づいて、分割回路４５で各検出信号を取り出し、主検出信号Ｐｍを主検出信号線４６に出力し、副検出信号Ｐｓを副検出信号線４７に出力している。

パルス変調手段１６は、主検出信号Ｐｍが伝送される主検出信号線４６上に設けられた出力側主変調回路５０及び該出力側主変調回路５０に連続して設けられた第２増幅回路５１と、副検出信号Ｐｓが伝送される副検出信号線４７上に設けられた出力側副検出回路及び該出力側副変調回路５２に連続して設けられた第３増幅回路５３とからなる。
分割回路４５から細切れに伝送されてくる主検出信号Ｐｍは、図２（ｃ）に示すように、出力側主変調回路５０でパルス変調され、続いて第２増幅回路５１で増幅されて、直流化された主測定値Ａ１に形成される。
また、分割回路４５から細切れに伝送されてくる副検出信号Ｐｓは、図２（ｃ）に示すように、出力側副変調回路５２でパルス変調され、続いて第３増幅回路５３で増幅されて、直流化された副測定値Ａ２に形成される。

処理手段１７は、演算処理回路５５からなる。
演算処理回路５５では、減算処理と乗算処理とが行われる。
減算処理は、主測定値Ａ１から副測定値Ａ２相当分を差し引く処理のことをいう。これにより、主波長レーザＬｍが受けた包装容器３１外の空気中に含まれる塵埃等による散乱吸収及び包装容器３１表面の反射等の測定誤差が、副波長レーザＬｓが受けた包装容器３１外の空気中に含まれる塵埃等による散乱吸収及び包装容器３１表面の反射で相殺される。したがって、主測定値Ａ１から副測定値Ａ２を差し引いた値は、包装容器３１内のガス体に含まれた酸素ガスによって吸収された酸素ガス吸収値Ａ０となる。
乗算処理は、酸素ガス吸収値Ａ０に対し、酸素ガスの分子吸光係数を乗じる処理のことをいう。これにより、主測定値Ａ１から副測定値Ａ２相当分を差し引いて形成した酸素ガス吸収値Ａ０から、包装容器３１内のガス体に含まれた酸素ガスの濃度を示す出力値を形成することができる。

同期手段１８は、入力側変調回路２１で主波長レーザＬｍを変調するパルス状の基準信号と、受光素子に入射された主波長レーザＬｍを電気的に変換したパルス状の主検出信号Ｐｍとを同期する同期回路６０からなる。
これにより、出射手段１１の主波長レーザＬｍの出射タイミングに対して、入射手段１２での入射タイミングを同期させることができるので、主波長レーザＬｍに基づく主検出信号Ｐｍ及び主測定値Ａ１を特定しやすくすることができる。

さらに、ガス濃度測定装置１０には、上記の出射手段１１、入射手段１２、光電変換手段１３、増幅手段１４、分割手段１５、パルス変調手段１６、処理手段１７、及び同期手段１８を実行するためのプログラム、すなわちガス濃度測定方法が記憶された外部記憶媒体と、該外部記憶媒体からプログラムを呼び出して各手段を制御する中央演算装置と、該中央演算装置での演算結果が一時的に留保されるメモリが設けられている。

上記構成を有するガス濃度測定装置１０は、次に示す測定方法によりガス濃度が測定される。以下、明細書に添付した図面にしたがって説明する。ガス濃度測定方法のフローチャートを図３に示す。

ステップ１００は、主波長レーザＬｍと副波長レーザＬｓの出射手段１１を実行するためのステップである。
主波長レーザＬｍとは、光源回路２０から出射されたレーザ光Ｌ_０が入力側変調回路２１へ入力され、酸素ガスの吸収スペクトルと同じ、７６３．５ｎｍを中心とし、その帯域幅が０．０００３ｎｍの特定波長λ_０が印加されたレーザ光をいう。
副波長レーザＬｓとは、光源回路２０から出射されたレーザ光Ｌ_０が入力側変調回路２１へ入力され、主波長レーザＬｍの特定波長λ_０以外の所定の波長λが印加されたレーザ光をいう。本実施例においては、副波長レーザＬｓの波長λは、７６３．５ｎｍを中心に±０．０５ｎｍの範囲内の波長としたが、当該波長に限定されるものではない。
形成された主波長レーザＬｍと副波長レーザＬｓは、投光レンズユニット２２の同一光軸上に位相をπずらして出射される。これにより、主波長レーザＬｍと副波長レーザＬｓの位相干渉を防ぐことができる。また好ましくは、主波長レーザＬｍと副波長レーザＬｓは、パルス状の波形で出射される。パルス波形に形成することにより、後述するステップ１３５の同期を容易にすることができる。

ステップ１０５は、入射手段１２を実行するためのステップである。
ここで、入射手段１２の受光レンズユニット２５に至る前に、主波長レーザＬｍと副波長レーザＬｓは測定部３０に配された包装容器３１を透過する。そして、主波長レーザＬｍは包装容器３１内のガス体に含まれる酸素ガスで波長吸収される。一方、副波長レーザＬｓは当該酸素ガスで波長吸収されない。
また、主波長レーザＬｍ及び副波長レーザＬｓは、包装容器３１周辺の塵埃等の浮遊微粒子による吸収・散乱、包装容器３１表面の汚れや傷による反射・散乱、包装容器３１の材質による吸収、包装容器３１内の浮遊被包装物による吸収・散乱等の測定誤差によって、波長吸収される。
このように波長吸収された主波長レーザＬｍ及び副波長レーザＬｓが受光レンズユニット２５に連続して入射される。

ステップ１１０は、光電変換手段１３を実行するためのステップである。
ここでは、受光レンズユニット２５に隣接して配されたＰＳＤ３５で、受光した光の光量が電気量を有する検出信号に変換される。すなわち、主波長レーザＬｍの光量が電気量に変換されると共に該主波長レーザＬｍの入射位置が特定されて、主波長レーザＬｍから主検出信号Ｐｍが形成される。
また、同様に、副波長レーザＬｓの光量が電気量に変換されると共に該副波長レーザＬｓの入射位置が特定されて、副検出信号Ｐｓが形成される。

ステップ１１５は、増幅手段１４を実行するためのステップである。
上記ステップ１１０で形成された主検出信号Ｐｍと副検出信号Ｐｓは比較的弱い出力の信号であるため、第１増幅回路４０で所定の倍率に増幅される。

ステップ１２０は、分割手段１５を実行するためのステップである。
上記ステップ１１０で増幅された主検出信号Ｐｍと副検出信号Ｐｓは、連続して伝送されているので、本ステップでこれを分割する。これにより、一定の間隔を有する主検出信号Ｐｍが主検出信号線４６に出力され、同様に、副検出信号Ｐｓが副検出信号線４７に出力される。

ステップ１２５は、パルス変調手段１６を実行するためのステップである。
上記ステップ１２０を経た主検出信号Ｐｍと副検出信号Ｐｓは、一定の間隔を有する細切れの状態で出力されるので、本ステップで一旦パルス変調して、整流し、直流的な信号に変換する。
すなわち、主検出信号Ｐｍは主測定値Ａ１に変換され、副検出信号Ｐｓは副測定値Ａ２に変換される。

ステップ１３０は、処理手段１７を実行するためのステップである。
処理手段１７は、減算処理ステップ１３１と乗算処理ステップ１３２とからなる。
減算処理ステップ１３１は、主測定値Ａ１から副測定値Ａ２を差し引いて、前記ガス体に含まれる前記酸素ガスで吸収された光量に相当する酸素ガス吸収値Ａ０を形成するステップである。
乗算処理ステップ１３２は、酸素ガス吸収値Ａ０と、予め外部記憶媒体に記憶されている酸素ガスの吸収スペクトルが光を吸収する吸光係数とから、包装容器３１内のガス体に含まれる酸素ガスの濃度Ｃ０を示す出力値が形成するステップである。

ステップ１３５は、同期手段１８を実行するためのステップである。
ここでは、入力側変調回路２１の主波長レーザＬｍの出射タイミングとＰＳＤ３５における主波長レーザＬｍの入射タイミングとが同期されている。
これにより、同一の光源回路２０から出射され、同一光軸上を経て、同一のＰＳＤ３５に入射され、波長のみが相違する主波長レーザＬｍと副波長レーザＬｓを容易に区別することができる。

ステップ１４０は、測定部３０に包装容器３１があるか否かを判断するステップである。
包装容器３１が測定部３０にあるとき、繰り返し測定して、出力値が平均化される。そのため、より高い精度で濃度Ｃ０を測定することができる。

上記ステップを備えたプログラムを外部記憶媒体から呼び出し、光電変換手段１３で得た主検出信号Ｐｍと副検出信号Ｐｓ、処理手段１７で得た主測定値Ａ１、副測定値Ａ２、酸素ガス吸収値Ａ０をＣＰＵで制御し、演算することによって、前記包装容器３１内の前記ガス体に含まれる前記酸素ガスの濃度を測定することができる。

さらに、ステップ１３０の処理手段１７を構成する減算処理ステップ１３１及び乗算処理ステップ１３２について、添付した図４にしたがって、説明する。
酸素ガスの吸収スペクトルのうち、７６３．５ｎｍ近傍の吸収スペクトル分布曲線Ｓ_０を実線で示す。このときの酸素ガスの濃度をＣ_０とする。
また、酸素ガス以外のガス体が有するスペクトル分布線Ｓ_１を一点鎖線で示す。このときのガス体の濃度をＣ_１とする。
そして、７６３．５ｎｍの特定波長λ_０を有する主波長レーザＬｍと、７６３．４５ｎｍの波長λを有する副波長レーザＬｓを実線で示す。

ここで、濃度Ｃ_１は、主波長レーザＬｍと副波長レーザＬｓが包装容器３１を透過する際に、
１）包装容器３１内のガス体で吸収された吸収量
２）包装容器３１の材質により吸収された擬似吸収量
３）包装容器３１の表面の汚れ、傷で反射又は散乱された擬似吸収量
４）包装容器３１内の浮遊微粒子、例えば小麦粉等で散乱された擬似吸収量
５）包装容器３１外の浮遊塵埃で散乱又は吸収された擬似吸収量
のガス体による吸収量とガス体以外の擬似吸収量とを総和した吸収総量とみなすことができる。したがって、略直線状に表されるスペクトル分布線Ｓ_１は、包装容器３１内のガス体と包装容器３１周辺のガス体及び微粒子による測定誤差とみなすことができる。

図４の点線で表すように、実際に包装容器３１を透過した光は、酸素ガスのスペクトル分布曲線Ｓ_０に、酸素ガス以外の吸収総量の吸収スペクトル分布線Ｓ_１を加算した実測吸収スペクトル曲線Ｓ_２を有している。
そのため、主波長レーザＬｍと実測吸収スペクトル分布曲線が交差した点が、ＰＳＤ３５で主波長レーザＬｍの光量を電気量に変換したときに、主検出信号Ｐｍとして出力される。
また、副波長レーザＬｓと実測吸収スペクトル分布曲線が交差した点が、ＰＳＤ３５で副波長レーザＬｓの光量を電気量に変換したときに、副検出信号Ｐｓとして出力される。

ここで、主波長レーザＬｍが濃度Ｃ_０の酸素ガスで吸収された場合の吸光係数をε_０とし、主波長レーザＬｍが濃度Ｃ_１のガス体で吸収された場合の吸光係数をε_１とする。また、副波長レーザＬｓが濃度Ｃ_０の酸素ガスで吸収された場合の吸光係数をε_２とし、副波長レーザＬｓが濃度Ｃ_１のガス体で吸収された場合の吸光係数をε_３とする。

さらに、主波長レーザＬｍと副波長レーザＬｓの光路長ｌは同一であって、変化しないものとする。
そして、図４に示すように、主波長レーザＬｍの特定波長λ_０では、酸素ガス以外のガス体は光をほとんど吸収しないので、ε_０＝ε_ａと置く。逆に、副波長レーザＬｓの波長λでは酸素ガスは光をほとんど吸収しないので、ε_２＝０とみなすことができる。また、スペクトル分布線Ｓ_２から、ε_２とε_３とは略等価とみなすことができるので、これをε_ｂと置く。
これにより、主測定値Ａ_１、副測定値Ａ_２は、下記のように表される。

上記の行列式を展開すると、濃度Ｃ_０と濃度Ｃ_１は、下記の数式のように表される。

したがって、酸素ガス吸収値Ａ０は、Ａ_０＝Ａ_１−Ａ_２＝Ｃ_０×ε_ａとなる。そのため、包装容器３１内のガス体に含まれる酸素ガスの濃度Ｃ_０は、酸素ガスの吸収係数の逆数をｋとした場合、酸素ガス濃度Ｃ_０は、Ｃ_０＝ｋＡ_０となる。
これにより、包装容器３１内の酸素ガスの濃度は、主検出信号Ｐｍから副検出信号Ｐｓを差し引いた酸素ガス吸収値Ａ０と酸素ガスの吸光係数とから求めることができる。
一方、濃度Ｃ_１とみなすことができる包装容器３１内のガス体及び包装容器３１周辺のガス体の測定誤差は、副検出信号Ｐｓと、副波長レーザＬｓの吸光係数とから求めることができる。

本実施例のガス測定装置によれば、包装容器３１の表面の汚れや皺、包装容器３１の材質による透過光の吸収或いは包装容器３１での散乱や反射による擬似吸収を補償することができ、包装容器３１内のガス体に含まれる酸素ガスの濃度を正確に測定することができる。
また、投光レンズユニット２２の光軸と受光レンズユニット２５の光軸を同一直線上に配したことにより、光源回路２０が高温になることにより発生するレーザ光Ｌ_０の温度ドリフトや、受光素子のＰＳＤ３５が高温になることにより発生する温度ドリフトを補償することができる。

なお、本願発明は、包装容器３１内のガス体に含まれる酸素ガスを測定するものであるが、測定対象のガス体はこれに限定されるものではなく、レーザ光の特定波長λ_０を測定対象ガス体の吸収スペクトルに設定することにより、様々なガス体の濃度を正確に高精度で測定することができる。

１０…ガス濃度測定装置、１１…出射手段、１２…入射手段、１３…光電変換手段、１４…増幅手段、１５…分割手段、１６…パルス変調手段、１７…処理手段、１８…同期手段、
２０…光源回路、２１…入力側変調回路、２２…投光レンズユニット、２２ａ…投光レンズを構成する凸レンズ、２２ｂ…投光レンズを構成する凹レンズ、
２５…受光レンズユニット、２５ａ…受光レンズを構成する凸レンズ、２５ｂ…受光レンズを構成する凹レンズ、
３０…測定部、３１…包装容器、
３５…位置受光素子、
４０…第１増幅回路
４５…分割回路、４６…主検出信号線、４７…副検出信号線
５０…出力側主変調回路、５１…第２増幅回路、５２…出力側副検出回路、５３…第３増幅回路、
５５…演算処理回路、
６０…同期回路、
Ｌ_０…レーザ光、Ｌｍ…主波長レーザ、Ｌｓ…副波長レーザ、
λ_０…主波長レーザの特定波長、λ…副波長レーザの波長
Ｐｍ…主検出信号、Ｐｓ…副検出信号、
Ａ１…主測定値、Ａ２…副測定値、
Ａ０…酸素ガス吸収値、
Ｓ_０…酸素ガスの７６３．５ｎｍ近傍の吸収スペクトル分布曲線、Ｃ_０…酸素ガスの濃度、
Ｓ_１…酸素ガス以外のガス体が有するスペクトル分布線、Ｃ_１…ガス体の濃度、
Ｓ_２…実測吸収スペクトル曲線、
ε_０…主波長レーザが濃度Ｃ_０の酸素ガスで吸収された場合の吸光係数、
ε_１…主波長レーザが濃度Ｃ_１のガス体で吸収された場合の吸光係数、
ε_２…副波長レーザが濃度Ｃ_０の酸素ガスで吸収された場合の吸光係数、
ε_３…副波長レーザが濃度Ｃ_１のガス体で吸収された場合の吸光係数、

Claims (5)

1. 包装容器内に被包装物を充填した後、当該包装容器内を不活性ガスでガス置換する包装工程を有し、前記包装容器内のガス体に対してレーザ光を投射して、該レーザ光が前記ガス体で吸収された被吸収量に基づいて、前記ガス体に含まれる酸素ガスの濃度を測定するガス濃度測定方法であって、
   前記レーザ光を変調して、帯域内に前記酸素ガスの吸収スペクトルを有する特定波長が印加された主波長レーザと、該特定波長を除く所定の波長が印加された副波長レーザとを形成し、前記主波長レーザ及び前記副波長レーザを単一光源から同一光路上へ、連続して出射する出射手段と、
   該出射手段から出射され、前記ガス体を透過して、該ガス体に含まれる酸素ガスで散乱吸収された主波長レーザ、及び前記ガス体を透過して、前記酸素ガス以外で散乱吸収された副波長レーザが、連続して入射される入射手段と、
   該入射手段に入射された主波長レーザの光量を電気量に変換すると共に該主波長レーザの入射位置を特定して主検出信号を形成し、副波長レーザの光量を電気量に変換すると共に該副波長レーザの入射位置を特定して副検出信号を形成する光電変換手段と、
   該光電変換手段で変換された主波長レーザに相当する主検出信号と、副波長レーザに相当する副検出信号とを所定の倍率で増幅する増幅手段と、
   該増幅手段で増幅され、連続して伝送されている主検出信号と副検出信号を分割する分割手段と、
   該分割手段で分割された主検出信号と副検出信号をパルス状に変調して、主測定値と副測定値に変換するパルス変調手段と、
   該パルス変調手段で変換された主測定値から副測定値を差し引いて、前記ガス体に含まれる前記酸素ガスで吸収された光量に相当する酸素ガス吸収値を形成し、該酸素ガス吸収値に基づいて、前記ガス体に含まれる前記酸素ガスの濃度を示す出力値を形成する処理手段と、
   前記出射手段の主波長レーザを電気的に変換した基準信号と前記主検出信号とを同期する同期手段とを有し、
   前記包装容器内の前記ガス体に含まれる前記酸素ガスの濃度を測定することを特徴とするガス濃度測定方法。
2. 包装容器内に被包装物を充填した後、当該包装容器内を不活性ガスでガス置換する包装工程を有する包装機に搭載され、前記包装容器内のガス体に対してレーザ光を投射して、該レーザ光が前記ガス体で吸収された被吸収量に基づいて、前記ガス体に含まれる酸素ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置であって、
   レーザ励起源とレーザ媒質を有する光共振器とからなり、レーザ光を連続して出射可能な光源回路、及び前記レーザ光を変調して、帯域内に前記酸素ガスの吸収スペクトルを有する特定波長が印加された主波長レーザと、該特定波長を除く所定の波長が印加された副波長レーザとを形成する入力側変調回路、及び前記主波長レーザと前記副波長レーザを同一光軸上に出射する投光レンズユニットを有する出射手段と、
   前記ガス体を透過して、該ガス体に含まれる酸素ガスで散乱吸収された主波長レーザ、及び前記ガス体を透過して、前記酸素ガス以外で散乱吸収された副波長レーザが、連続して入射される受光レンズユニットを備えた入射手段と、
   前記主波長レーザの光量を電気量に変換し、該主波長レーザの入射位置を特定して形成した主検出信号を出力すると共に、前記副波長レーザの光量を電気量に変換し、該副波長レーザの入射位置を特定して形成した副検出信号を出力する平面状の受光素子を備えた光電変換手段と、
   該光電変換手段で変換された主波長レーザに相当する主検出信号と、副波長レーザに相当する副検出信号とを増幅する第１増幅回路を備えた増幅手段と、
   該増幅回路で増幅され、連続して伝送されている主検出信号と副検出信号とを分割する分割回路を備えた分割手段と、
   該分割回路から出力された主検出信号と副検出信号をパルス状に変調して、主測定値と副測定値に変換する出力側変調回路と、変調された前記主測定値を増幅する第２増幅回路と前記副測定値を増幅する第３増幅回路を備えたパルス変調手段と、
   前記主測定値から前記副測定値を差し引いて、前記ガス体に含まれる前記酸素ガスで吸収された光量に相当する酸素ガス吸収値を形成し、該酸素ガス吸収値に基づいて、前記ガス体に含まれる前記酸素ガスの濃度を示す出力値を形成する演算処理回路を備えた処理手段と、
   前記入力側変調回路で形成された主波長レーザを電気的に変換した基準信号と、前記主検出信号とを同期する同期回路を備えた同期手段とを有し、
   前記包装容器内の前記ガス体に含まれる前記酸素ガスの濃度を測定することを特徴とするガス濃度測定装置。
3. 前記入力側変調回路で、前記主波長レーザの前記特定波長を設定したとき、該特定波長から波長シフトして僅かに変位した波長を有するレーザ光が、前記副波長レーザの前記所定波長として自動的に設定されるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のガス濃度測定装置。
4. 前記入力側変調回路で、前記主波長レーザ及び前記副波長レーザを同一な所定の周期を有するパルス状に形成し、前記主波長レーザの周期に対して、前記副波長レーザの周期が重ならないように位相をずらして、主波長レーザと副波長レーザが同一の前記光源と同一の前記投光レンズユニットから出射されるようにしたことを特徴とする請求項２若しくは請求項３に記載のガス濃度測定装置。
5. 前記投光レンズユニットの光軸と、前記受光レンズユニットの光軸とが同一直線上に配置されていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載のガス濃度測定装置。

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