JP2014130030A - 液体の性状の評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも扱いがし易い液体の性状の評価方法を提供しようとするもの。
【解決手段】液体１との境界面２に収束光を入射させると共に、前記収束光が焦点を結ぶ位置３を境界面自体からずらすことにより、境界面２に照射される所定の範囲の角度を有する入射光４に対する反射光５を検知するようにした。境界面に照射される所定の範囲の角度を有する入射光に対する反射光（所定の範囲を有する）を検知するようにしたので、複数の入射角度（所定の範囲）に対する反射光（所定の範囲）を一度の照射で同時に得ることが出来る。
【選択図】図１

Description

この発明は、液体の性状の評価方法、及びこの評価方法を利用した液体処理方法に関するものである。

従来、例えば自動車燃料中のメタノール濃度やガソリン性状などを検出するために用いる，光の屈折率を利用した光学式液体性状検出装置に関する提案があった（特許文献１）。
この液体性状検出装置は、検査対象液体と所定の屈折率を有するプリズムとの境界面に発光体より光を入射させ，受光素子で反射光を受光し，その全反射臨界角を検出して，上記検査対象液体の屈折率を求める液体性状検出装置において，上記境界面を非平面とするという構成を有するものであり、光の入射角又は反射角と検査対象液体の屈折率（＝成分混合比）との関係を目的に合わせて様々に変化させて，上記計測光の角度に対する屈折率の非直線性を改善して屈折率の読み取りを楽にしたり，屈折率の測定範囲を変更したりすることができるという効果を有するというものである。
しかし、境界面を非平面としているので扱いがし難しいという問題があった。
特開平６−５８８７５号公報

そこで、この発明では、従来よりも扱いがし易い液体の性状の評価方法を提供しようとするものである。

前記課題を解決するためこの発明では次のような技術的手段を講じている。
（１）この発明の液体の性状の評価方法は、液体との境界面に収束光を入射させると共に、前記収束光が焦点を結ぶ位置を境界面自体からずらすことにより、境界面に照射される所定の範囲の角度を有する入射光に対する反射光を検知するようにしたことを特徴とする。
このように構成し、液体との境界面に収束光を入射させると共に、前記収束光が焦点を結ぶ位置を境界面自体からずらすようにしたので、境界面には所定の範囲の角度を有する入射光が照射されることになる。

そして、境界面に照射される所定の範囲の角度を有する入射光に対する反射光（所定の範囲を有する）を検知するようにしたので、複数の入射角度（所定の範囲）に対する反射光（所定の範囲）を一度の照射で同時に得ることが出来る。
すなわち、境界面への入射光は、光源たる発光素子（例えばレーザー・ダイオード）からの入射角度をステッピング・モータやリニア・モータなどの駆動機構により回動乃至揺動（例えば45〜65°）させてずらすという作業（瞬時ではなく、時間のつながりを要する）を行うことなく、収束光の入射角（所定の範囲、例えば45〜65°）に対する反射光（所定の範囲）を同時に検知して、この液体の性状を評価することが出来る。

こうして、所定の範囲の角度を有する入射光に対する反射光（所定の範囲）について、連続的に変化する角度に対する反射光の光量を得ることが出来る。例えば、入射角度45°に対する反射光の光量は電圧値で何Ｖ、入射角度46°に対する反射光の光量は電圧値で何Ｖ、…、入射角度64°に対する反射光の光量は電圧値で何Ｖ、入射角度65°に対する反射光の光量は電圧値で何Ｖというデータにより、液体の性状を評価することが出来る。
ここで、液体との境界面にはプリズムを介して（プリズム側から）光を照射することが出来る。前記プリズムは、通常は液体より屈折率が大きい。ナトリウムＤ線（波長589.3nmの光）に対する屈折率は、プリズム（硝材SF11）が1.78であるのに対し、水は1.3334、海水は1.343、エタノールは1.3618、酢酸は1.3719、パラフィン油が1.48、ベンゼン（20℃）は1.5012である。屈折率が高い媒質（プリズム）から低い媒質（液体）に光が入射する場合、透過光は境界面側へと屈折することとなり、臨界角を越えると全反射が起こることになる。

前記収束光は、例えば拡散光を凸レンズに入射させることにより得ることが出来る。前記収束光が焦点を結ぶ位置３を境界面自体からずらす態様として、境界面の前で焦点を結ばせる場合と、境界面の後で焦点を結ばせる場合を例示することが出来る。
前記液体として、一般家庭、飲食店、工場その他の排水（有機成分や無機成分を含む）、地下水、燃料、血液、微生物や細菌類等を含む液、海水、河川・湖沼、プール水、温泉水、上水、工場冷却用・熱交換用循環水・再利用水、液体を扱う化学プラント工程監視、海水淡水化プラントの処理状況、ビル上水用の高置水槽・低置水槽水などを例示することが出来る。

（２）前記境界面への所定の範囲の角度を有する入射光に対する反射光を検知し、反射光の光量の変化傾向を把握するようにしてもよい。
このように構成すると、反射光（所定の範囲を有する）の光量の変化傾向から、液体の臨界角（境界面の法線と入射角とがなす角度であって透過光が0になる角度）と、この臨界角に至るまでの光量（入射光に対して反射光と透過光がある）の増加傾向と、臨界角を越えた後の全反射の光量を把握することが出来る。そして、この液体の臨界角や反射光の光量の変化傾向などを液体に特有な情報として把握することができ、これを液体の固有な性状として評価することが出来る。

ここで、前記反射光の光量は、受光素子（例えば、光学センサーたるフォト・ダイオード、ラインセンサ、ＣＣＤセンサー、ＣＭＯＳセンサーなど）により電圧値として検出することが出来る。
そして、連続的な角度で検知した反射角θの連続曲線から、反射光の光量に臨界的変化が生じる臨界角θ_Cを特定することができ、この臨界角θ_Cから液体の屈折率ｎ₂を次の数式を通じて算出することが出来る。
θ_C =arcsin(n₂/n₁)

液体の屈折率ｎ₂は、液体の性状に特有の値である。プリズムの屈折率ｎ₁は既述の通り1.78である。屈折率は、２つの媒質の光の透過速度（v）の差に起因する。臨界角（θ_C）は媒質の誘電率（ε）に対応しており、誘電率は媒質（液体）の性状を反映している。
ところで、屈折率の測定範囲1.32〜1.78に合せて、境界面への入射角を45〜65°の間となるように設定することが出来る。このようにすると、ほぼ全ての液体の性状を評価することが出来る。

（３）純水の臨界角を越える入射光に対する反射光の光量を測定するようにしてもよい。
このように構成すると、純水の全反射の反射光の光量とこの液体（被検液体）の反射光の光量との対比により、液体の清浄度を評価することが出来る。すなわち、純水に他の液体や物質などの不純物が混入していると、反射光の光量が低下することとなるので、これにより液体の清浄度を定量的に評価することが出来る。

また、純水の全反射の反射光の光量に対するこの液体（被検液体）の反射光の光量は、液体の清浄度の簡易な評価指標とすることが出来る。すなわち、液体の清浄度の評価指標として、ＣＯＤ（化学的酸素要求量、ＫＭｎＯ_４）、ＴＯＣ（全有機炭素）、Ｔ−Ｎ（トータル窒素）などがあり、その測定にはかなりの手間と時間を要するが、この液体の性状の評価方法では簡易に清浄度を評価することが出来る。

（４）この液体処理方法は、上記のようにして液体の性状を処理前と処理後とで流動状態で評価し、液体との境界面に照射される所定の範囲の角度を有する入射光に対する反射光を検知したそれぞれの評価結果を対比して電気分解の条件の制御に反映するようにした。
このように構成し、液体（例えば排水）の性状を処理前と処理後とで（例えばライン上において）流動状態で評価するようにすると、水中のCOD（＝化学的酸素要求量、過マンガン酸カリウムで化学的に分解する際の必要酸素量）のように手分析で測定したり、TOC（＝全有機炭素、燃焼させた有機物のCO₂量を赤外線で検出する炭素含有量）のように大掛かりな測定機器を用いて分析したりする必要がない。

そして、液体との境界面に照射される所定の範囲の角度を有する入射光に対する反射光を検知したそれぞれの評価結果を対比して電気分解の条件の制御に反映するようにしたので、処理前と処理後の反射光の光量などの評価結果の対比により、ＣＯＤの手分析やＴＯＣの機器分析の場合のようなタイム・ラグ無しで、液体（例えば排水）の性状（水質）の適正値を基準として電気分解の条件の制御に反映させることが出来る。
また、この液体処理方法では、液体処理（例えば排水処理）が適正に出来ているかどうかを光学的に評価し、これによりＣＯＤやＴＯＣが所定の濃度以下に低減されているかどうかを推測し、もし適切に処理できていなかったら評価結果を電気分解の条件の制御にフィード・バックして例えば残留塩素濃度を増減するよう制御することが出来るので、適正ではない処理液体が発生し難いこととなる。

ところで、被処理液体中には汚れ物質として有機物や無機物が混在しており、処理の態様として正負の電極間で汚れ物質を電気分解により分解浄化したり、含有される無機イオンを電界下で吸引して膜分離（淡水化）したりすることが出来る。液体として水（H₂O）の他に、有機溶媒、イオン液体、液体金属などを挙げることが出来る。
ここで、液体の処理量（kg/hr）が変動していることがあり、また液体の汚れ具合（ＣＯＤ濃度などppm）が変動している場合があるが、これに対応して光学的な評価結果を連続的に採取したり間欠的・断続的に採取したりすることができ、こうして採取したデータは統計学的に分析することが出来る。

また、液体の反射光と共に透過光も検知するようにしてもよい。このようにすると、境界面の反射光と配管の逆側で検知される透過光とにより、三次元的な深みを持ったデータを採取することが出来る。反射光のデータは境界面近傍における液体の性状を反映しており、透過光のデータは配管内部における液体の性状を反映している。
光を検知する方法として、液体のライン配管の一部を透明にして、この透明部分にプリズムを介して収束光（レーザーの拡散光を凸レンズに当てて形成）を照射することが出来る。

この発明は上述のような構成であり、次の効果を有する。
複数の入射角度（所定の範囲）に対する反射光（所定の範囲）を一度の照射で同時に得ることが出来るので、従来よりも扱いがし易いものとなっている。

以下、この発明の実施の形態を説明する。
（実施形態１）
図１に示すように、この発明の液体の性状の評価方法は、液体１との境界面２に収束光を入射させると共に、前記収束光が焦点を結ぶ位置３（図１の右側参照）を境界面自体からずらすことにより、境界面２に照射される所定の範囲の角度を有する入射光４に対する反射光５を検知するようにした。
このようにし、液体１との境界面２に収束光を入射させると共に、前記収束光が焦点を結ぶ位置を境界面自体からずらすようにしたので、境界面２には所定の範囲の角度を有する入射光４が照射されることになる。

そして、境界面２に照射される所定の範囲の角度を有する入射光４に対する反射光５（所定の範囲を有する）を検知するようにしたので、複数の入射角度（所定の範囲）に対する反射光５（所定の範囲）を一度の照射で同時に得ることができ、従来よりも扱いがし易いものとなっている。
すなわち、境界面２への入射光４は、発光素子からの照射角度をステッピング・モータやリニア・モータなどの駆動機構により回動乃至揺動（例えば45〜65°）させてずらすという作業（瞬時ではなく、時間のつながりを要する）を行うことなく、収束光の入射角（所定の範囲、例えば45〜65°）に対する反射光５（所定の範囲）を同時に検知して、この液体１の性状を評価することが出来る。

こうして、所定の範囲の角度を有する入射光４に対する反射光５（所定の範囲）について、連続的に変化する角度に対する反射光５の光量を得ることが出来る。例えば、入射角度45°に対する反射光５の光量は電圧値で何Ｖ、入射角度46°に対する反射光５の光量は電圧値で何Ｖ、…、入射角度64°に対する反射光５の光量は電圧値で何Ｖ、入射角度65°に対する反射光５の光量は電圧値で何Ｖというデータにより、液体１の性状を評価することが出来る。
ここで、液体１との境界面２にはプリズム６を介して（プリズム側から）光を照射することが出来る。前記プリズム６は、通常は液体１より屈折率が大きい。ナトリウムＤ線（波長589.3nmの光）に対する屈折率は、プリズム（硝材SF11）が1.78であるのに対し、水は1.3334、海水は1.343、エタノールは1.3618、酢酸は1.3719、パラフィン油が1.48、ベンゼン（20℃）は1.5012である。屈折率が高い媒質（プリズム）から低い媒質（液体１）に光が入射する場合、透過光は境界面側へと屈折することとなり、臨界角を越えると全反射が起こることになる。

前記収束光は、例えば光源７たる発光素子（例えばレーザー・ダイオード）からの拡散光８を凸レンズ９に入射させることにより得ることが出来る。前記収束光が焦点を結ぶ位置を境界面自体からずらす態様として、境界面２の前で焦点を結ばせる場合と、境界面２の後で焦点を結ばせる場合を例示することが出来る。
前記液体１として、一般家庭、飲食店、工場その他の排水（有機成分や無機成分を含む）、地下水、燃料、血液、微生物や細菌類等を含む液、海水、河川・湖沼、プール水、温泉水、上水、工場冷却用・熱交換用循環水・再利用水、液体を扱う化学プラント工程監視、海水淡水化プラントの処理状況、ビル上水用の高置水槽・低置水槽水などを例示することが出来る。

前記境界面２への所定の範囲の角度を有する入射光４に対する反射光５を検知し、反射光５の光量の変化傾向を把握するようにした。
このようにしたので、反射光５（所定の範囲を有する）の光量の変化傾向から、液体１の臨界角（境界面２の法線と入射角とがなす角度であって透過光が0になる角度）と、この臨界角に至るまでの光量（入射光４に対して反射光５と透過光がある）の増加傾向と、臨界角を越えた後の全反射の光量を把握することが出来る。そして、この液体１の臨界角や反射光５の光量の変化傾向などを液体１に特有な情報として把握することができ、これを液体１の固有な性状として評価することが出来る。

ここで、前記反射光５の光量は、受光素子10（例えば、光学センサーたるフォト・ダイオード、ラインセンサ、ＣＣＤセンサー、ＣＭＯＳセンサーなど）により電圧値として検出することが出来る。
そして、連続的な角度で検知した反射角θの連続曲線から、反射光５の光量に臨界的変化が生じる臨界角θ_Cを特定することができ、この臨界角θ_Cから液体１の屈折率ｎ₂を次の数式を通じて算出することが出来る。
θ_C =arcsin(n₂/n₁)

液体１の屈折率ｎ₂は、液体１の性状に特有の値である。プリズム６の屈折率ｎ₁は既述の通り1.78である。屈折率は、２つの媒質の光の透過速度（v）の差に起因する。臨界角（θ_C）は媒質の誘電率（ε）に対応しており、誘電率は媒質（液体１）の性状を反映している。
ところで、屈折率の測定範囲1.32〜1.78に合せて、境界面２への入射角を45〜65°の間となるように設定することが出来る。このようにすると、ほぼ全ての液体１の性状を評価することが出来る。

純水の臨界角を越える入射光４に対する反射光５の光量を測定するようにした。
このようにしたので、純水の全反射の反射光５の光量とこの液体１（被検液体）の反射光５の光量との対比により、液体１の清浄度を評価することが出来る。すなわち、純水に他の液体１や物質などの不純物が混入していると、反射光５の光量が低下することとなるので、これにより液体１の清浄度を定量的に評価することが出来る。

また、純水の全反射の反射光５の光量に対するこの液体１（被検液体）の反射光５の光量は、液体１の清浄度の簡易な評価指標とすることが出来る。すなわち、液体１の清浄度の評価指標として、ＣＯＤ（化学的酸素要求量、ＫＭｎＯ_４）、ＴＯＣ（全有機炭素）、Ｔ−Ｎ（トータル窒素）などがあり、その測定にはかなりの手間と時間を要するが、この液体１の性状の評価方法では簡易に清浄度を評価することが出来る。

（実施形態２）
この実施形態の液体処理方法は、上記のようにして液体１の性状を処理前と処理後とで流動状態で評価し、液体１との境界面２に照射される所定の範囲の角度を有する入射光４に対する反射光５を検知したそれぞれの評価結果を対比して電気分解の条件の制御に反映するようにした。
このようにし、液体１（例えば排水）の性状を処理前と処理後とでライン上（図示せず）において流動状態で評価するようにすると、水中のCOD（＝化学的酸素要求量、過マンガン酸カリウムで化学的に分解する際の必要酸素量）のように手分析で測定したり、TOC（＝全有機炭素、燃焼させた有機物のCO₂量を赤外線で検出する炭素含有量）のように大掛かりな測定機器を用いて分析したりする必要がない。

そして、液体１との境界面２に照射される所定の範囲の角度を有する入射光４に対する反射光５を検知したそれぞれの評価結果を対比して電気分解の条件の制御に反映するようにしたので、処理前と処理後の反射光５の光量などの評価結果の対比により、ＣＯＤの手分析やＴＯＣの機器分析の場合のようなタイム・ラグ無しで、液体１（例えば排水）の性状（水質）の適正値を基準として電気分解の条件の制御に反映させることが出来る。
また、この液体処理方法では、液体処理（例えば排水処理）が適正に出来ているかどうかを光学的に評価し、これによりＣＯＤやＴＯＣが所定の濃度以下に低減されているかどうかを推測し、もし適切に処理できていなかったら評価結果を電気分解の条件の制御にフィード・バックして例えば残留塩素濃度を増減するよう制御することが出来るので、適正ではない処理液体が発生し難いこととなる。

ところで、被処理液体中には汚れ物質として有機物や無機物が混在しており、処理の態様として正負の電極間で汚れ物質を電気分解により分解浄化したり、含有される無機イオンを電界下で吸引して膜分離（淡水化）したりすることが出来る。液体１として水（H₂O）の他に、有機溶媒、イオン液体、液体金属などを挙げることが出来る。
ここで、液体の処理量（kg/hr）が変動していることがあり、また液体の汚れ具合（ＣＯＤ濃度などppm）が変動している場合があるが、これに対応して光学的な評価結果を連続的に採取したり間欠的・断続的に採取したりすることができ、こうして採取したデータは統計学的に分析することが出来る。

また、液体１の反射光５と共に透過光も検知するようにしてもよい。このようにすると、境界面２の反射光５と配管の逆側で検知される透過光とにより、三次元的な深みを持ったデータを採取することが出来る。反射光５のデータは境界面近傍における液体１の性状を反映しており、透過光のデータは配管内部における液体１の性状を反映している。
光を検知する方法として、液体１のライン配管の一部を透明にして、この透明部分にプリズム６を介して収束光（レーザーの拡散光８を凸レンズ９に当てて形成）を照射することが出来る。

複数の入射角度（所定の範囲）に対する反射光（所定の範囲）を一度の照射で同時に得ることができ従来よりも扱いがし易いものとなっているので、種々の液体の性状の評価方法の用途に適用することができる。

この発明の液体の性状の評価方法の実施形態を説明する概念図。

１ 液体
２ 境界面
３ 収束光が焦点を結ぶ位置
４ 入射光
５ 反射光

Claims (4)

1. 液体（１）との境界面（２）に収束光を入射させると共に、前記収束光が焦点を結ぶ位置（３）を境界面自体からずらすことにより、境界面（２）に照射される所定の範囲の角度を有する入射光（４）に対する反射光（５）を検知するようにしたことを特徴とする液体の性状の評価方法。
2. 前記境界面（２）への所定の範囲の角度を有する入射光（４）に対する反射光（５）を検知し、反射光（５）の光量の変化傾向を把握するようにした請求項１記載の液体の性状の評価方法。
3. 純水の臨界角を越える入射光（４）に対する反射光（５）の光量を測定するようにした請求項１又は２記載の液体の性状の評価方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかのようにして液体（１）の性状を処理前と処理後とで流動状態で評価し、液体（１）との境界面（２）に照射される所定の範囲の角度を有する入射光（４）に対する反射光（５）を検知したそれぞれの評価結果を対比して電気分解の条件の制御に反映するようにした液体処理方法。