JPH01105134A - 測光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、測定すべき物質に輻射線を放射する発光素子
を有する発光部と、測定すべき物質からの輻射線を受け
て電気信号に変換する受光素子を有する受光部とを具え
る測光装置に関するものである。

（従来の技術〉 上述した測光装置は種々の計測において用いられており
、特に粒子懸濁液の濁度を測定する濁度計や特定の波長
の輻射線に対する検液の吸光度を測定する比色計などに
用いられる。例えば特開昭６０−２５９９３５号公報に
は、発光素子として半導体レーザダイオードを用い、受
光素子として半導体フォトダイオードを用いた濁度計が
開示されている。この濁度計は特に醗酵装置に装着され
、培養液の濁度を測定するのに用いるのが好適である。

このように、受光素子として半導体フォトダイオードを
用いる場合、半導体フォトダイオードの動作温度が変動
すると測定誤差となる欠点があるので、上記公報の第５
図には半導体フォトダイオードの出力信号を負帰還を設
けた演算増幅器で増幅するようにして温度補償を行うよ
うにしている。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した特開昭６０−２５９９３５号公報に記載された
温度補償手段を施した濁度計によれば、濁度で小数点以
下１桁までの精度は確保できるが、小数点以下２桁また
は３桁までの精度は得られない欠点がある。現在の醗酵
装置の制御では小数点以下２桁まで正確に濁度を測定す
ることができ、場合によっては小数点以下３桁までの濁
度を正確に測定して短時間における培養液の変化を正確
に知ることができる濁度計が強く要望されているが、従
来の濁度計は温度補償が十分良好に行われていないので
、このような要望に応えることがで′きないものであっ
た。

本発明者はさらに温度補償を十分に行うために、第１１
図Ａに示すように、懸濁液からの光を受光する第１の半
導体フォトダイオード１の他に、これと同一構成の温度
補償用の第２の半導体フォトダイオード２を、第１の半
導体フォトダイオードと同一のハウジング３内に遮光し
た状態で収納し、これら第１右よび第２の半導体フォト
ダイオードの出力信号の差を差動増幅器４で求めるよう
にした濁度計を造って実験した。このような濁度計では
第１右よび第２の半導体フォトダイオードｌおよび２の
動作温度は同一となる−ので、第２の半導体フォトダイ
オード２の暗電流を第１の半導体フォトダイオード１の
出力信号から減算することにより温度補償を行うことが
できるが、これら半導体フォトダイオードの出力信号の
差を求める差動増幅器４の温度補償を十分に行うことが
できないので、差動増幅器の出力信号に温度の影響が現
われ、測定精度が十分に上がらない欠点があることを確
かめた。特に差動増幅器４の温度ドリフトは非直線的に
現われ、温度が高くなる程大きな測定誤差が混入するこ
とになる。どのような欠点を改善するために、第１１図
已に示すように第１の半導体フォトダイオード１と遮光
された第２の半導体フォトダイオード２とを共通のハウ
ジング３内に収納し、これらの半導体フォトダイオード
の出力信号を信号導線５，６を経て差動増幅器４に供給
し、この差動増幅器をハウジング３から離れた温度に影
響されない場所に配置するようにした濁度計を作った。

これによれば半導体フォトダイオードの温度ドリフトを
十分に相殺除去することができるとともに差動増幅器４
の温度ドリフトも抑止することができるが、長い信号導
線５，６がノイズを拾い、測定信号のＳ／Ｎが低下する
欠点があることを確かめた。特に、半導体フォトダイオ
ード１．２のインピーダンスは高いため信号導線５゜６
はノイズを拾い易くなる欠点がある。

本発明の目的は上述した欠点を除去し、受光素子の温度
トリストおよび増幅器の温度ドリフトを補償することが
できるとともに測定信号のＳ／Ｎも高くすることができ
、きわめて正確な測定を行うことができる測光装置を提
供しようとするものである。

（問題点を解決するための手段） 第１図は本発明による測光装置の基本的構成を示す概念
図である。例えば濁度や吸光度を測定すべき物質１０に
輻射線を放射する発光素子１１を有する発光部１２と、
物質ｌＯを透過した輻射線または物質１０に含まれる粒
子によって散乱された輻射線を受光する第１の受光素子
１３、この第１の受光素子と同一の構成を有し、第１の
受光素子と同じハウジング１４内に輻射線を受光しない
ように配置された温度補償用の第２の受光素子１５、こ
れら第１および第２の受光素子１３および１５の出力信
号を増幅する第１および第２・の演算増幅器１６および
１７を有する受光部１８とを具えている。これら第１お
よび第２の演算増幅器１６および１７の出力信号は信号
導線１９および２０を経て差動増幅器２１に供給され、
これらの出力信号の差を求めるように構成する。また、
この差動増幅器２１は、発光素子１１に対する電源回路
２２とともにコントローラユニット２３ニ配置する。

（作　用） 受光部１８において被測定物質１０からの輻射線を受光
する第１の受光素子１３と、輻射線に対して遮蔽された
第２の受光素子１５とは同一のハウジング１４内に配置
されているので、同一の動作温度となり、これらの受光
素子の出力信号を同じく同一のハウジング１４内に配置
されている同一構成の演算増幅器１６および１７によっ
て増幅した後、これら増幅出力信号の差を差動増幅器２
１で求めるようにしたため、受光素子１３および１５の
温度ドリフトは勿論演算増幅器１６および１７の温度ド
リフトも相殺除去されることになる。また、信号導線１
肌２０は出力インピーダンスの低い演算増幅器１６およ
び１７に接続されているため外部ノイズを拾うこともな
い。

したがって、被測定物質の状態をきわめて高い精度で検
出することができ、特に濁度計においては、小数点以下
３桁までの精度を確保することができる。

（実施例） 第２図は本発明による測光装置の一実施例である濁度計
の全体の構成を示す斜視図であり、第３図は同じくその
センサユニットの構成を示す縦断面図、第４図および第
５図は第３図のＩ−Ｉおよび■−■線に沿って切った横
断面図、第６図は第５図のＩ−Ｉ線に沿って切った断面
図、第７図は電気的接続を示す回路図である。本例の濁
度計はセンサユニット３１とコントローラユニット３２
トヲ具え、これらを信号ケーブル３３で接続する。セン
サユニット３１は金属製円筒より成る本体３４を具え、
その内部に被検液を導入してぞの濁度を測定するもので
ある。本体３４の下端面には円形の開口３４ａを形成す
るとともに側壁には互いに対向する矩形の開口３４ｂお
よび３４Ｃを形成する。これらの開口３４ａ、　３４ｂ
および３４ｃには、外側に目の細かい金網３５ａ、　３
６ａおよび３７ａを配置し、その内側に目の粗い金網３
５ｂ、　３６ｂおよび３７ｂを配置する。これらの金網
は細かい針金を編んで形成したものとし、外側の目の細
かい金網３５ａ、　３６ａ、　３７ａは２００メツシユ
とし、内側の目の粗い金網３５ｂ、　３６ｂ、　３７ｂ
は６０メツシニとし、これら外側および内側の金網は互
いに接触するように配置する。

本体３４の開口３４ｂの上方にはさらに開口３４ｄを形
成するが、この開口には金網は配置しない。また本体３
４の内部にはガラス、石英またはプラスチック等より成
るロッドまたはファイバロッドより成るプリズム３８お
よび３９を縦軸線と平行に配置し、一方のプリズム３８
の上端面には半導体レーザダイオードを含む発光部４０
を配置し、他方のプリズム３９の上端面には半導体フォ
トダイオードを含む受光部４１を配置する。これらの発
光部４１よび受光部４１は熱伝導性が良い絶縁材料より
成るハウジング４２にあけた貫通孔内にそれぞれ挿入さ
れている。

プリズム３８および３９をファイバロッド以外のロッド
で構成する場合にはその側面の大部分にはＡｌのような
金属反射膜を蒸着するのが好適である。

プリズム３８の下端には反射面３８ａを形成し、発光部
４０に配置されている半導体レーザダイオードから放射
される赤外レーザ光はプリズム３８に入射し、反射面３
８ａで水平方向に反射され、拡散板４３を経て被検液に
放射される。被検液を透過したレーデ光は拡散板４４を
介してプリズム３９の下端に入射し、反射面３９ａによ
って上方へ反射され、受光部４１の半導体フォトダイオ
ードに入射される。発光部４０および受光部４１に接続
された導線は、本体３４の上端に螺合されたキャップ４
５にあけた孔を経て外部に導出され、ケーブル３３とし
てコントローラ二二ット３２に接続されている。さらに
本体３４にはセンサユニット３１を例えば培養槽に形成
した筒に螺合するための袋ねじ部３４ｅを一体的に形成
する。また、プリズム３８および３９は合成樹脂等より
なる充填剤４６によって本体３４内の所定の位置に固定
する。

本例では、互いに対向する拡散板４３および４４の間隔
によって規定される測光光路の長さは２ｍｌ１１１縦軸
線方向の寸法は２．５ｍｍ、横方向の寸法は２，２ｍｍ
とする。

第５図および第６図に詳細に示すようにハウジング４２
には２個の貫通孔４２ａ、　４２ｂと２個のめくら孔４
２ｃ、　４２ｄとを形成し、貫通孔４２ａには半導体レ
ーザダイオード５１（第３図）を含む発光部４０を、半
導体レーザダイオードから放射されるレーザ光がプリズ
ム３８に直接入射するように配置され、貫通孔４２ｂに
は半導体フォトダイオード５２および演算増幅器５３を
含む受光部４１を、プリズム３９を伝播して来るレーザ
光が半導体フォトダイオードに直接入射するように配置
する。また、めくら孔４２Ｃには、光源である半導体レ
ーザダイオード５１の温度による出力の変動を補正する
ための温度補償用ダイオード５４（第７図）を配置し、
めくら孔４２ｄには上述した半導体フォトダイオード５
２と同一の構成を有する温度補償用の半導体フォトダイ
オード５５および演算増幅器５６を配置する。

第７図は上述した半導体レーザダイオード５１、半導体
フォトダイオード５２．５５、演算増幅器５３゜５６お
よび温度補償用ダイオード５４の接続を示すものである
。発光部４０には、半導体レーザダイオード４１から放
射されるレーザ光の一部を受光する半導体フォトダイオ
ード５７も設けである。この半導体フォトダイオード５
７および温度補償用ダイオード５４の出力信号をコント
ローラユニット３２に設けた差動増幅器６１に供給して
、これらの差を求め、これを制御信号として自動パワー
コントロール回路６２に供給し、この自動パワーコント
ロール回路の出力を半導体レーザダイオード５１に供給
するようにする。このようにして、半導体レーザダイオ
ード５１から放射される赤外レーザ光の強度を温度変化
に拘らず常に一定に保つことができる。一方、被検液を
透過したレーザ光を受光する半導体フォトダイオード５
２の出力信号を演算増幅器５３で増幅し、温度補償用の
半導体フォトダイオード５５の出力信号を演算増幅器５
６で増幅し、これら増幅した出力信号をコントローラユ
ニット３２に設けた差動増幅器６３に供給して、これら
の差を求める。本発明によれば、これら半導体フォトダ
イオード５２゜５５および演算増幅器５３．５６は同一
のハウジング４２内に収容されているため同一の動作温
度となり、したがって差動増幅器６３の出力信号では温
度ドリフトは相殺除去されることになる。この差動増幅
器６３の出力信号を測定回路６４において処理して濁度
を求め、これを表示器６５において表示する。

第８図ＡのグラフＡは半導体フォトダイオード５２に一
定の強さのレーザ光を入射させたときの出力信号と温度
との関係を示し、グラフＢは遮光された半導体フォトダ
イオード５５の出力信号、すなわち暗電流と温度との関
係を示すものである。暗電流は温度の上昇とともに増大
するので半導体フォトダイオード５２の出力も温度とと
もに増大し、あたかも入射光強度が増大するように検出
されてしまう。本発明では、これらの半導体フォトダイ
オード５２およ−び５５の出力信号を同一の温度特性を
有する演算増幅器５３および５６で増幅した後、差動増
幅器６３で差を求めているので、第８図ＢのグラフＡで
示すように、出力信号は温度変化とは無関係に一定とな
る。

第９図のグラフＡは、第１１図Ａに示すように温度補償
用の半導体フォトダイオードを設け、その出力信号と、
被検液を透過した光を受ける半導体フォトダイオードの
出力信号との差を差動増幅器で求めるようにした従来の
測光装置の出力ＯＤ値（光学的密度）の、温度変化によ
る誤差を示したものであり、温度の上昇とともにＯＤ値
の誤差が非直線的に増大している。これは主として差動
増幅器の温度ドリフトによるものである。一方、第９図
のグラフＢは本発明の上述した実施例の出力ＯＤ値の誤
差を示すものであり、回路の温度変動分が除去され、直
線的になっていることがわかる。

僅かに残留するＯＤ値の誤差は、半導体フォトダイオー
ド５２および５５の特性の差および動作温度の差による
ものであると思われるが、測定温度範囲内でＯＤ値の誤
差が０．０１以下であれば、小数点以下３桁までの精度
が確保でき、被検液の短時間での濁度の変化を正確に検
知することができる。

また、上述した実施例では、本体３４に形成した開口３
４ａ、　３４ｂ、　３４ｃに細い金網と粗い金網とを２
重に配置したため、測光光路中に気泡が侵入しにくくな
るとともに万一侵入した気泡は速やかに測光光路から排
除されることを確かめた。これにより長時間に亘る測定
中、安定した測定値が得られる効果もある。

また、半導体レーザダイオード５１および半導体フォト
ダイオード５２．５５を熱伝導性の低いプリズム３８．
３９を介して被検液から離間させるようにしているため
、これらの半導体素子は被検液の温度が５０℃以下では
熱による悪影響を殆ど受けない。

また、醗酵装置を蒸気殺菌するときは１３０℃程度の高
温に曝されるが、半導体素子への通電を遮断しておけば
半導体素子が破損することはないので、濁度計を醗酵装
置に取付けたままで殺菌処理を行うこともできる。

本発明は上述した実施例に限定されるものではなく幾多
の変形や変更が可能である。例えば上述した実施例では
１個のハウジング内に発光部と受光部を配置したが、こ
れらを別々のハウジングに収納することもできる。第１
０図はそのように構成した受光部の構成を示すものであ
り、金属製のハウジング７１に孔７１ａをあける。ハウ
ジング７１の内部には、外部からの光を孔７１ａを介し
て受光する受光素子７２および遮光壁７３によって外部
光から遮蔽された温度補償用の受光素子７４を装着した
プリント基板７５を配置し、このプリント基板には受光
素子７２および７４の出力信号をそれぞれ増幅する演算
増幅器７６および７７をも装着する。演算増幅器７６お
よび７７はピン７８に接続し、さらに外部回路に接続で
きるようにする。

また上述した実施例は本発明を濁度計に適用したもので
あるが、本発明は比色計や大気中の微粒子濃度を測定す
る装置などにも適用することができる。

（発明の効果） 上述したように、本発明の測光装置によれば、測光用受
光素子と同一構成の温度補償用の受光素子を、測光用受
光素子と同じハウジング内に遮光した状態で配置すると
ともに測光用受光素子および温度補償用受光素子の出力
信号を同一構成の演算増幅器で増幅した後、これら出力
信号の差を差動増幅器で求めるようにしたため、これら
受光素子および演算増幅器の温度ドリフトによる影響を
相殺除去することができる。さらに演算増幅器の出力イ
ンピーダンスは低いので、演算増幅器から差動増幅器に
到る信号ケーブルが雑音を拾うこともないのでＳ／Ｎの
高い信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測光装置の基本的構成を示す概念図、 第２図は本発明を適用した濁度計の一実施例の全体の構
成を示す斜視図、 第３図は同じくそのセンサユニットの構成を示す縦断面
図、 第４図および第５図は第２図のＩ−Ｉ線および■−■線
に沿って切った横断面図、 第６図は第５図のＩ−Ｉ線に沿って切った縦断面図、 第７図は電気素子の接続を示す回路図、第８図Ａおよび
Ｂは本発明の測光装置における温度ドリフトの補償動作
を示すグラフ、第９図は本発明による濁度計と従来の濁
度計の温度によるＯＤ値の変動を示すグラフ、第１Ｏ図
は本発明による測光装置の受光部の他の実施例の構成を
示す断面図、 第１１図ＡおよびＢは従来の測光装置の構成を示す図で
ある。 １１・・・発光素子　　　　　１２・・・発光部１３・
・・受光素子　　　　　１４・・・ハウジング１５・・
・温度補償用受光素子 １６、１７・・・演算増幅器　　２１・・・差動増幅器
第１図 １６堂廿ｆ 第２図 第５図　　　　第６図 第ｉｏ図 第７図 第８図 第９図 第１１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、測定すべき物質に輻射線を放射する発光素子を有す
   る発光部と、測定すべき物質からの輻射線を受けて電気
   信号に変換する受光素子を有する受光部とを具える測光
   装置において、前記受光部に、前記受光素子と同一構造
   を有し、この受光素子と同一のハウジンング内に前記輻
   射線を受光しないように配置された温度補償用受光素子
   と、前記輻射線を受光する受光素子および温度補償用受
   光素子の出力信号をそれぞれ増幅する同一構成の第１お
   よび第２の演算増幅器とを設けたことを特徴とする測光
   装置。