JP7357918B2 - 包装袋内のガス濃度測定装置 - Google Patents
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Description
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。
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、当該レーザー受光部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。
前記レーザー光を射出するレーザー光発生部を内蔵する第1ハウジングと、前記レーザー光を受光するレーザー受光部を内蔵する第2ハウジングと、
前記包装袋を挟んで互いに平行に対向した第1反射面及び第2反射面と、
前記第1ハウジングに連接する前記第1反射面上に設けられ前記レーザー光を射出する第1窓部と、前記第2ハウジングに連接する前記第2反射面上に設けられ前記レーザー光が入射する第2窓部とを備え、
前記第1ハウジングと前記第2ハウジングの内部を、前記特定ガスが除去された状態であり、かつ、略真空状態又は窒素ガスで満たすように構成し、
相対的に接離自在に設けた前記第1反射面と前記第2反射面とが、前記包装袋を挟持したとき、
前記第1窓部及び前記第1反射面、並びに前記第2窓部及び前記第2反射面が、前記包装袋に密着するようにして、
前記第1窓部から射出されたレーザー光が、前記第1反射面と前記第2反射面との間で複数回反射した後、前記第2窓部に入射するようにしたことを特徴とする。
また好ましくは、反射面が包装袋を挟んで互いに平行に対向する第1反射面と第2反射面からなるように構成し、第1反射面と第2反射面との間でレーザー光を複数回、すなわち少なくとも2回は反射させるようにした。これによって、レーザー発生部とレーザー受光部とを同一側に配置してレーザー光を奇数回、少なくとも1回反射させるよりも一回多く偶数回反射させることができるので、より一層光路長を延長することができる。
図1は本実施例に係る包装袋内のガス濃度測定装置の構成の概略を示す平面図であり、図2は本実施例に係る包装袋内の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。
残留している特定ガスとは、たとえば、酸素ガス(O2)である。大気雰囲気下で行われる包装機の包装工程では、被包装物を充填したとき、包装袋内部に大気も充填される。大気に含まれている酸素ガスをはじめとした酸化原因ガスは、被包装物、特に食品類を酸化させて劣化させる原因となる。そのため、包装機には、被包装物を包装袋に充填する包装工程の後に、当該包装袋から大気を抜気して、不活性ガス、たとえば、窒素ガス(N2)、二酸化炭素ガス(CO2)へ置き換えるガス置換(ガスパージ)工程が設けられている。
その後、ガス置換された包装袋内部の酸素ガスのガス濃度を測定して、当該酸素ガスのガス濃度が基準値以下に収まっているかどうか検査するための装置が、本実施例に係るガス濃度測定装置10である。酸素ガスのガス濃度を測定したとき、ガス濃度が基準値以下に収まっている場合は、正常にガス置換が行われ、包装袋内部は不活性ガスが充満しているので、被包装物の酸化を防止することができ、保存期間や賞味期間を延ばすことができる。対して、ガス濃度が基準値を超えている場合は、不良品と判断されて、たとえば、包装機の包装工程から排出されるように構成されている。
ここで、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。なお、本実施例において測定対象ガスは酸素ガスであって、当該測定対象ガスを封じるセルは包装袋である。
レーザー光源13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。
制御部14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。
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。
これによって、レーザー光源13から第1窓部16を通じて射出するまでの間に、第1ハウジング15内でレーザー光が特定ガスに吸収されることを防止することができるので、ガス濃度測定の精度を向上させることができる。
受光センサ20は、包装袋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、包装袋を透過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。
測定部21は、透過光強度に係る透過光信号と、レーザー発生部11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濃度を測定するように形成されている。
これによって、レーザー受光部12は、第2窓部23を通じて包装袋を透過したレーザー光を受光するように形成されている。
第2ハウジング22内もまた、第1ハウジングと同様に、真空化又は、ガス置換可能に形成されている。そのため、第2窓部23を通じて入射されたレーザー光を受光センサ20が受光するまでの間に、第2ハウジング22内でレーザー光が特定ガスに吸収されることを防止することができるので、ガス濃度測定の精度を向上させることができる。
そして、当該レーザー式ガス濃度計を有するガス濃度測定装置10は、第1窓部16から射出されたレーザー光を第2窓部23へ入射させる間に、反射面で少なくとも一回、好ましくは複数回反射させるように構成されている。
さらに、包装袋Bに対する第1窓部16と第2窓部23の位置を定めることによって、第1反射面30と第2反射面31で包装袋Bを挟持したとき、包装袋Bに第1窓部16と第2窓部23も密着させることができる。
これによって、レーザー光を第1窓部16から射出して、第2反射面31、第1反射面30と反射させて、第2窓部23へ入射させるとき、大気に含まれている特定ガスの影響を最小限に抑えることができ、より高精度に特定ガスの濃度を測定することができる。
ここで、特定ガスは包装袋Bに密封されているから、ガス濃度Cを定量測定する場合、入射光に対する透過光の透過率T又は吸収スペクトルの吸光度Aが大きく変化するように、すなわち、吸光度Aに比例する光路長Lを長くするとガス濃度の検知感度を向上させることができる。このように検知感度を向上させることによって、たとえば数ppmレベルのガス濃度まで検知できるように検知可能範囲を広げた場合、数%レベルのガス濃度の測定は容易に行うことができ、その測定精度を大きく向上させることができる。
したがって、以下に例示するように、第1反射面30上に設ける第1窓部16と、第2反射面31上に設ける第2窓部23の位置を定めて、第1反射面30と第2反射面31との間でレーザー光を複数回反射させることによって、光路長を長くすることによって、測定精度を向上させることができる。
なお、本実施例に係るガス濃度測定装置の第1窓部16と第2窓部23の配置と反射回数は以下の例示に限定されるものではなく、本実施例に係るガス濃度測定装置が測定する包装袋の大きさ、厚み、レーザー光の透過しやすさ等に応じて最適な透過率、吸光度を得るために任意に設定することができる。
第1反射パターンは、第1窓部16から射出されるレーザー光を第2反射面31に対して30度の入射角で反射させている。その後、平行に相対する第1反射面30と第2反射面31との間で、図4に示すように4回反射して第2窓部23へ入射するように形成されている。ここで、図7に示した従来の主ヘッド3と副ヘッド5が正対している場合の光路長を10mm、すなわち第1反射面と第2反射面との間の距離を10mmとすると、図4に示した光路長は従来例に対しておよそ6倍となる約57.8mmまで伸ばすことができる。
第2反射パターンは、第1窓部16から射出されるレーザー光を第2反射面31に対して45度の入射角で反射させている。その後、平行に相対する第1反射面30と第2反射面31との間で、図5に示すように4回反射して第2窓部23へ入射するように形成されている。ここで、図5に示した従来の主ヘッド3と副ヘッド5が正対している場合の光路長を10mm、すなわち第1反射面30と第2反射面との間の距離を10mmとすると、図5に示した光路長は従来例に対しておよそ7倍となる70.7mmまで伸ばすことができる。
ここで、図6に示すように、レーザー光を4回反射させた場合、たとえば、第3反射パターンについて想定した上記の直方体について、高さと幅が50mmで、第1反射面と第2反射面との距離、すなわち奥行きが10mmの直方体としたとき、たとえば、第1窓部と第2窓部の間には、1辺が10mmの立方体が階段状に5つ連接して配置されていることとなる。このとき、当該立方体の対角線に沿ってレーザー光を射出した場合、当該対角線の長さは10√3となるから、第1窓部から第1反射面と第2反射面との間で4回反射して第2窓部へ入射されるレーザー光の光路長は、図7に示した従来の主ヘッド3と副ヘッド5が正対している場合の光路長を10mm、すなわち、第1反射面30と第2反射面31との間の距離を10mmとすると、図6に示した光路長は従来例に対して5×10√3となるから、およそ8.6倍の約86.6mmとなる。
これによって、第1反射面30と第2反射面31との距離を一定にすることができるので、レーザー光の光路長を一定にすることができる。また、包装袋Bを挟持するとき、当該包装袋Bを第1反射面30と第2反射面31が押圧するため、包装袋Bに密封した窒素等の不活性ガスが漏れているか否かを検査することができる。さらには、包装袋Bを密着させるため、第1窓部16、第2窓部23や第1反射面30、第2反射面31と包装袋Bの境界における大気の影響を除去することができ、測定精度を上げることができる。
測定部21は、上記の透過光信号と、レーザー発生部11が射出したレーザー光を電子的に変換した入射光信号を取得し、透過光信号と入射光信号を比較して、レーザー光の包装袋に対する透過率Tを測定する。そして、当該透過率Tに基づいて、包装袋B内の特定ガスに吸収されたレーザー光の特定波長の吸収スペクトルの吸光度Aが計算され、当該吸光度Aに基づいて包装袋内の特定ガスのガス濃度Cが測定される。
これによって、ガス濃度測定装置10は、包装袋B内部の特定ガスのガス濃度Cを測定することができる。
たとえば、レーザー発生部11から射出されるレーザー光を光ファイバーで分光して、第1反射面30に設けた二つ以上の窓部から射出し、射出された複数本のレーザー光が互いに触れて干渉しないように第1反射面30と第2反射面31との間で複数回反射させてから、第2反射面31に設けた二つ以上の窓部に入射させる多点測定を行っても良い。この場合には、包装袋B内の複数か所を同時に測定することができるので、平均を取って補正等を行うことによって、測定精度を向上させることができる。
これによって、包装袋Bの厚みがバラバラであっても、当該包装袋Bを挟持する第1反射面30と第2反射面31との距離を一定にしたり、また当該距離を測定することで容易に光路長Lを決定することができる。光路長Lがわかれば、入射光に対する透過光の透過率Tを測定することによって、測定対象の特定ガスに固有の吸収波長帯に含まれた複数の吸収線のうち、一の吸収線に係る特定波長に合致するよう変調したレーザー光の吸収スペクトルの吸光度Aを求めることができ、当該吸光度Aに基づいて、包装袋内の特定ガスのガス濃度Cを容易に求めることができる。
また、第1窓部16を設けた第1反射面30、第2窓部23を設けた第2反射面31が包装袋Bに密着するように構成したことによって、第1窓部16、及び第2窓部24と、包装袋Bとの間の大気を押し出して測定することができるので、大気中に含まれている特定ガスによる誤差を極めて小さくすることができ、測定精度を向上させることができる。
13…レーザー光源、14…制御部、15…第1ハウジング、16…第1窓部、
20…受光センサ、21…測定部、22…第2ハウジング、23…第2窓部、
30…第1反射面、31…第2反射面、
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 (4)
- 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袋に透過させて、前記包装袋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袋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を有するガス濃度測定装置であって、
前記レーザー光を射出するレーザー光発生部を内蔵する第1ハウジングと、前記レーザー光を受光するレーザー受光部を内蔵する第2ハウジングと、
前記包装袋を挟んで互いに平行に対向した第1反射面及び第2反射面と、
前記第1ハウジングに連接する前記第1反射面上に設けられ前記レーザー光を射出する第1窓部と、前記第2ハウジングに連接する前記第2反射面上に設けられ前記レーザー光が入射する第2窓部とを備え、
前記第1ハウジングと前記第2ハウジングの内部を、前記特定ガスが除去された状態であり、かつ、略真空状態又は窒素ガスで満たすように構成し、
相対的に接離自在に設けた前記第1反射面と前記第2反射面とが、前記包装袋を挟持したとき、
前記第1窓部及び前記第1反射面、並びに前記第2窓部及び前記第2反射面が、前記包装袋に密着するようにして、
前記第1窓部から射出されたレーザー光が、前記第1反射面と前記第2反射面との間で複数回反射した後、前記第2窓部に入射するようにしたことを特徴とする包装袋内のガス濃度測定装置。 - 前記第1窓部と前記第2窓部には、それぞれサファイヤガラスが嵌め込まれていることを特徴とする請求項1に記載の包装袋内のガス濃度測定装置。
- 前記第1反射面と前記第2反射面の間で反射する前記レーザー光の反射回数が、偶数回であって、好ましくは2回又は4回であることを特徴とする請求項1に記載の包装袋内のガス濃度測定装置。
- 前記レーザー光が前記第1反射面又は前記第2反射面へ入射する入射角度が、5度~85度であることを特徴とする請求項1に記載の包装袋内のガス濃度測定装置。
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