JPH03291551A - 溶液成分測定装置 - 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、溶液中の内容成分を測定する溶液成分測定装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

ＡＴＲ法と呼ばれる高屈折率の全反射エレメントを使用
した溶液成分測定法は公知である。

これまでＡＴＲ法を用いた測定装置として赤外線油分濃
度測定装置及び血中代謝生物測定装置が知られている。

比較的最近では低コスト化及び高精度化を図る手段とし
て、全反射エレメントを円柱化し外周面に反射膜を塗布
する手法が提供されている（特開昭６３−１９１０４０
号公報参照）。

この手法は全反射エレメントを円柱化することによって
全反射エレメント内面を反射する光と試料との接触面積
を大きくし、測定の高精度化を図ると共に低コスト化を
狙ったものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

本来、ＡＴＲ法はエパネソセント波と呼ばれる光の漏出
現象を利用したもので、その光の漏出深さは１／３波長
程度である。

従って、試料側に吸収があったとしても吸収強度は非常
に小さく高感度で測定する必要があった。

装置の感度が高くなると周囲環境の影響を受は易く、特
に、干渉フィルタは温度に影響されて透過光量が変化し
易い。

このため、温度変化の大きな場所では測定値が変化し、
装置の安定性を維持することが困難であった・ 精度向上の一手段として全反射エレメントの表面に反射
膜を塗布する手法が提供されているが、反射膜は溶液と
接すると劣化され易く、洗浄により剥がれる欠点がある
。

溶液中にスラリーなどの浮遊物がある場合には浮遊物が
全反射エレメントへ付着し、このために測定値の正確さ
を著しく損なう欠点があり、しばしば付着物を除去しな
ければならなかった。

本発明は、かかる課題を解決することを目的としたもの
であり、溶液成分測定装置の測定精度の向上及び操作の
簡便性を図るものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、光源から発した
光のなかの所定波長の赤外線を透過させる干渉フィルタ
と透過した赤外線をほぼ円錐状に反射させる反射ミラー
とを備えた光路部と、円柱状に形成され上記光路部から
の赤外線を内面反射させ外周面が溶液タンク内の溶液に
接触する全反射エレメントを有する測定部と、上記全反
射エレメント端部からの反射光を電気信号に変換する受
光部と、上記電気信号を堆幅演算する電気回路部とを有
する溶液成分測定装置において、上記溶液タンク内に、
上記全反射エレメントの外周面を洗浄する超音波振動素
子を設けた。

又、上記干渉フィルタを低温度ドリフト性の特性を有す
る干渉フィルタとした。

〔作用］ 上記のように構成された溶液測定装置は、光源から発し
た光が干渉フィルタを通過するとき所定波長の赤外線が
透過され、透過された赤外線は反射ミラーによりほぼ円
錐状に反射して全反射エレメントに導かれ、全反射エレ
メント内で内面反射をした後に受光部で電気信号に変換
されて光の量が測定され、全反射エレメント内で減衰す
る光の量から溶液中の内容成分を測定する。

測定中に、溶液内の浮遊物が全反射エレメントの外周面
に付着した場合、超音波振動素子の発する振動により付
着した浮遊物が除去されるので、溶液内に吸収される光
の量は変化することなく、光の量が正確に測定される。

又、干渉フィルタは、低温度ドリフト性の特性を有する
ので、周囲環境の温度変化に対する測定誤差が極めて小
さくなる。

〔実施例〕

本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の概要を示す説明用略図であり、測定装
置の光源であるランプ１の側方に、ランプ１の光を点光
源にするスリット２、点光源を平行光にするレンズ３、
平行光を集光するレンズ４、集光された光の焦点に位置
する干渉フィルタ５が配設される。

干渉フィルタ５は、測定する試料に吸収される波長を透
過させる光学的フィルタで、回転モータ６により回転す
るフィルタホイール７に複数枚選んで取付けられる。

干渉フィルタ５を通過した赤外線の前方に赤外線を平行
光とするレンズ８、平行光を反射する円錐ミラー９及び
この反射光を更に反射する円錐環状の反射ミラー１０が
配設され、ランプｌより反射ミラー１０までの光路によ
り光路部が構成される。

反射ミラーＩＯで反射された赤外線は、測定部を構成す
る全反射エレメント１）の一端に形成された凹部１）ａ
に入光する。

全反射エレメント１）は溶液タンク１２に貫設され、溶
液タンク１２に収容され入口１３より出口１４に流れる
試料が全反射エレメント１）の外周面に接触する。

凹部１）ａより入光した赤外線は、全反射エレメント１
）内で内面反射を繰り返すときに外周面に接触する試料
に一部吸収され、他端に設けられた凹部１）ｂより受光
部の受光素子１５に入る。

受光素子１５に入光した赤外線は電気信号に変換され、
電気信号は次の電気回路部においてプリアンプ１６で増
幅され、測定値が表示盤１７に表示される。

溶液タンク１２内には、超音波振動素子１８と液温セン
サ１９が設けられ、超音波振動素子１８は超音波振動用
電源２０に電気接続し、超音波振動素子１８の超音波振
動により全反射エレメント１）の表面の付着物が超音波
洗浄するようになっている。

ここで実際に実施した具体例を説明すると、試料として
エタノール水溶液が使用され、干渉フィルタ５にはエタ
ノール水溶液に吸収される波長を透過させるものを複数
枚選んでフィルタホイール７に取りつけた。

そして、測定装置のスイッチを入れるとランプｌより発
した光がスリット２、レンズ３並びに４、干渉フィルタ
５、レンズ８を通過し、円錐旦う−９及び反射ミラー１
０で反射した赤外線が全反射エレメント１）に入光する
。

上記の全反射エレメント１）の入光する赤外線は、入射
角により屈折か反射を起こし、入射角がある角度以上の
場合には全反射を起こすが、この角度を臨界角と言う。

臨界角以上では、光の漏出により光を吸収する試料によ
り反射光の強度は減衰して光量が変化する。

このときの光の吸収率はランベルト−ヘールの法則に従
い次式で表される。

Ａ＝　−１ｏ　ｇＲ＝　ｌ　ｏ　ｇ　（Ｉｏ　／　Ｉ）
但し　Ｒ：　反射率 Ａ　：　吸光度 Ｉ　二　反射光強度 Ｉｏ　：　入射光強度 エタノール水溶液は溶液タンク１２へ移送され、そこで
全反射エレメント１）から漏出した光が吸収され、前式
に従って反射強度の変化により吸光度が変化する。

吸光度は濃度と比例関係にあるから次のようなキャリブ
レーション式が得られる。

Ｃ＝ａ　Ｏ＋ａ　１　・Ａ１ 但し　Ｃ：　濃度 ａＯ，ａｌ：　　キャリブレーション定数Ａ　　　　：
　ある成分の吸光度 成分が複数ある場合は次の多重回帰式によりキャリブレ
ーション式が得られる。

Ｃ＝ａＯ＋ａ　１　・ＡＩ＋ａ２・Ａ２＋・・・・・・
＋ａ　ｎ　−Ａ−ｎ ある成分の赤外線の吸収による光量の変化を電気信号に
変換してそれぞれコンピュータに取込み上式に従って演
算を行えば濃度Ｃが求められる。

なお、濃度Ｃは液温に影響されるため、溶液タンク１２
に取付けられた液温センサ１９によりデジタル的な温度
補償を行っている。

本発明の特徴は前記溶液タンク１２に超音波振動素子が
設置され、全反射エレメント１）に付着した浮遊物を超
音波振動により取り除くことが可能になったことである
。

この発明により、溶液タンクを開放することなく、簡単
な装置で容易に付着物の除去が可能になった。

従来は、全反射エレメント１）へ付着物が付着し、その
ため反射光の光量が濃度と無関係に変化して測定精度上
及びメンテナンス上問題があったが、これらの問題が解
消された。

特にＡＴＲ法の場合、エハ不ノセント波の漏出深さが波
長の１／３程度と小さいため濃度出力への影響は大きい
。

例えば、もろみ等のように溶液内にスラリーを含む溶液
は全反射エレメント１）表面にスラリー〇一部が付着す
るため吸光度が変化する。

実際に、スラリーを含む溶液が測定中に全反射エレメン
ト１）表面に付着したために、超音波振動素子１８によ
り超音波洗浄を１〜５ＩＩＩｉｎの間実施した結果、再
び元の濃度に復帰し、洗浄による効果が認められた。

かくして、長期的に連続した濃度測定が可能になった。

第１表は、全反射エレメント１）の外周面にスラリーが
付着したときの濃度測定値と、超音波洗浄によりスラリ
ーを除去したときの濃度測定値との比較を示す。

第１表 又、干渉フィルタ５の特性を低温度ドリフト性にしたこ
とにより、温度変化による出力の影響を著しく低減し、
安定性及び測定精度が大幅に向上した。

従来の干渉フィルタは赤外領域において透過性のよいゲ
ルマニウム性薄膜材料が使用されていたが、これをシリ
コン性薄膜材料に変換することにより低温度ドリフト性
の干渉フィルタ５を得た。

ＡＴＲ法は従来の透過法に比較して吸光度が小さいため
、高感度の装置となり、温度の影響が高い干渉フィルタ
は温度変化により著しく影響を受ける。

従って、高精度の測定を行うためには高精度の温度補償
が必要であり、装置が複雑化してコストが上昇する欠点
があった。

本発明により、温度の影響による濃度出力への影響は、
従来のものと比較して１／７〜１／８程度となり、濃度
換算では１／■０程度に減少した。

低温度ドリフト型（シリコン）の干渉フィルタを使用し
た試験結果を下記の第２表に示し、従来型（ゲルマニラ
）の干渉フィルタの場合の試験結果を第３表に示す。

第２表及び第３表より、温度１度当たりの濃度の変化率
は、従来型でΔＶ−−０．１７５％／℃であり、低ドリ
フト型でΔｖ＝−０，０１４％／℃であり、低ドリフト
型が従来型の１／１０程度の値を示すことがわかる。

また、複数の波長の電気信号をベース波長の電気信号で
制御し、湿度及び電圧などによる変動の影響を補償した
ことで、測定精度の向上が図れ、構造が簡単になりコス
トへの負担も小さくなった。

その他の特徴として、液温の温度補償がデジタル的に行
われており、従来のアナログ型に比較して高度な補償式
がソフトプログラムの作成により可能であるため、補正
が容易で補償精度が向上した。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので、以
下に示すような効果を奏する。

（１）全反射エレメントの外周面の洗浄が測定中でも可
能なため、スラリー等のように全反射エレメントに付着
し易い溶液でも、連続的に効率よく高精度に測定するこ
とが出来るようになった。

（２）干渉フィルタを低温度ドリフト型にし、電気信号
をベース波長で補償するようにしたので、低コストの測
定装置で安定性がよく正確度の高い測定が可能になり、
これまで以上に環境条件の厳しい場所でも高精度の測定
が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の溶液成分測定装置の概要を示す説明用
略図である。 １・・・ランプ、２・・・スリット、３，４・・・レン
ズ、５・・・干渉フィルタ、８・・・レンズ、９・・・
円錐ミラー１０・・・反射ミラー　１）・・・全反射エ
レメント、１２・・・溶液タンク、１５・・・受光素子
、１６・・・プリアンプ、１７・・・表示盤、１８・・
・超音波振動素子、１９・・・液温センサ、２０・・・
超音波振動電源。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源から発した光のなかの所定波長の赤外線を透
   過させる干渉フィルタと透過した赤外線をほぼ円錐状に
   反射させる反射ミラーとを備えた光路部と、円柱状に形
   成され上記光路部からの赤外線を内面反射させ且つ外周
   面が溶液タンク内の溶液に接触する全反射エレメントを
   有する測定部と、上記全反射エレメント端部からの反射
   光を電気信号に変換する受光部と、上記電気信号を増幅
   演算する電気回路部とを有する溶液成分測定装置におい
   て、上記溶液タンク内に、上記全反射エレメントの外周
   面を洗浄する超音波振動素子を設けたことを特徴とする
   溶液成分測定装置。
2. （２）光源から発した光のなかの所定波長の赤外線を透
   過させる干渉フィルタと透過した赤外線をほぼ円錐状に
   反射させる反射ミラーとを備えた光路部と、円柱状に形
   成され上記光路部からの赤外線を内面反射させ且つ外周
   面が溶液タンク内の溶液に接触する全反射エレメントを
   有する測定部と、上記全反射エレメント端部からの反射
   光を電気信号に変換する受光部と、上記電気信号を増幅
   演算する電気回路部とを有する溶液成分測定装置におい
   て、上記干渉フィルタを低温度ドリフト性の特性を有す
   る干渉フィルタとしたことを特徴とする溶液成分測定装
   置。