JPH04212044A - 濁度計 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は濁度計、特に発酵装置の
培養液の濁度を測定するのに好適な濁度計に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、工業的装置内における懸濁液の濁
度を測定する場合、光源としてはタングステンランプを
用いることが多かった。しかし、光源としてのタングス
テンランプは光量の変化が大きいこと、寿命が短いこと
、発熱すること、被測定液の色の影響を受けることなど
の多くの欠点があった。このような欠点を除去するため
に、例えば特公昭５６−４９５５１号公報に記載されて
いるように光源として発光ダイオードを用いる濁度計が
知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、発光ダ
イオードから放射される出力光は弱いため１０％程度の
高い濁度では測定できないこと、温度の影響を大きく受
けることなどの理由のため、直接装置内の被測定液に濁
度計を入れないで、フローセルに被測定液を手動でまた
はバイパス経路を経て導いて測定したり、稀釈して測定
する必要があり、装置が大型で複雑となり易い欠点があ
った。特に被測定液を稀釈して測定する場合には稀釈誤
差の影響で測定精度が悪くなる欠点もある。

【０００４】さらに、「Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｍｉｃｒｏｂ
ｉｏｌｏｇｙ」，Ｖｏｌ．　２７，　Ｎｏ．　５，１９
７４　Ｍａｙ，　第　８７４〜８７７　頁や実開昭５７
−２０１９５４　号公報には光源としてＨｅ−Ｎｅガス
レーザを用い、受光器として光電子増倍管を用いた濁度
計が記載されている。この濁度計ではＨｅ−Ｎｅガスレ
ーザから強力なレーザ光が得られるので相当濁度の大き
い被測定液を稀釈しないで測定することができる可能性
があるが、Ｈｅ−Ｎｅガスレーザ装置や光電子増倍管を
含む装置は大型となり、これらと検出部と一体化して工
業的装置に直接装着することは困難である。したがって
Ｈｅ−Ｎｅガスレーザ装置や光電子増倍管を含む装置は
被測定系における懸濁液が入った工業的装置から離れた
ところに設置し、これらを光ファイバを介して連結する
構成とする必要があるので、光ファイバ通過中でのレー
ザ光の損失や光ファイバ接合部における損失があるため
高出力のレーザ光を十分有効に利用することはできない
。また、装置全体は非常に大掛りなものとなると共に点
検、保守も非常に面倒となる欠点もある。

【０００５】本発明の目的は、上述した従来の欠点を除
去し、広範囲の濁度を正確に測定することができると共
に被測定系に直接装着することができる程度に小型軽量
であり、しかも温度による影響を受けにくい濁度計を提
供しようとするものである。ここで非測定系に直接装着
するとは、懸濁液が入っている装置、例えば、発酵槽又
は発酵液（懸濁液）が流れているパイプ等に直接本発明
の濁度計を取りつけることで、それにより目的とする内
部の発酵液をサンプリングする等しないで、直ちに濁度
を測定するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による濁度計は、
駆動制御用の半導体フォトダイオードが一体的に組み込
まれている半導体レーザダイオードと、この半導体レー
ザダイオードから放射したレーザ光を、濁度を測定すべ
き試料に向けて投射する第１の光ガイドと、試料からの
透過光を伝送する第２の光ガイドと、第２の光ガイドか
らの光を受光して試料の濁度に対応した電気信号を発生
する半導体フォトダイオードと、これら半導体レーザダ
イオード、半導体フォトダイオード、並びに第１及び第
２の光ガイドを収納すると共に、下端に試料が流通する
開口部が形成されているハウジングとを具え、前記半導
体レーザダイオード及び半導体フォトダイオードを同一
支持部材で支持し、これら半導体レーザダイオード及び
半導体フォトダイオードがほぼ同一の温度に維持される
ように構成したことを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明者等は種々の実験検討を行ない、光源と
して半導体レーザダイオードを用い、受光器として半導
体フォトダイオードを用い、これらを検出部と一体的に
組込むことにより小形軽量であると共に被測定系として
の工業的装置に直接装着することができる濁度計の開発
に成功したものである。半導体レーザダイオードの光出
力は非常に高く、寿命も長い。また被測定液の着色の影
響を受けにくい。したがって高濁度、高着色の懸濁液の
濁度をも正確に測定することができる。特に本発明では
、半導体レーザダイオードと半導体フォトダイオードと
を同一支持部材により支持しているので、これら半導体
レーザダイオードと半導体フォトダイオードとをほぼ同
一温度に維持することができる。この結果、半導体レー
ザダイオード及び半導体フォトダイオードの温度が変化
しても、温度補償を極めて容易に行なうことができる。 すなわち、本発明では、駆動制御用の半導体フォトダイ
オードが一体的に組み込まれている半導体レーザダイオ
ードを用いているから、半導体レーザダイオードの温度
が変化しても半導体レーザダイオードから放射されるレ
ーザ光の強度はほぼ一定に維持することができる。 また、駆動制御用の半導体フォトダイオードに温度ドリ
フトが生じても、受光部の半導体フォトダイオードの温
度もレーザダイオードを駆動制御用する半導体フォトダ
イオードとほぼ同一の温度に維持され、これらの２個の
フォトダイオードの温度ドリフトは互いに相殺され、温
度補償制御が一層簡単になる。また、半導体レーザダイ
オードと半導体フォトダイオードが互いに同一温度に維
持されることにより、これら素子の温度変化を補償する
ための温度補償回路の構成を一層簡単な構成とすること
ができる。

【０００８】本発明の濁度計は種々の用途に用いること
ができるが、特に発酵装置における培養液の濁度測定に
用いるのに好適である。このような場合には測定濁度と
菌体濃度との相関性が大きいので、培養液を稀釈せずに
広い範囲に渡って菌体濃度を直接測定することができる
。また、このような発酵装置では高温殺菌が行なわれる
が、その都度濁度計を取出す必要はない。すなわち、半
導体レーザダイオードおよび半導体フォトダイオードの
通電時の許容最高温度は通常６０〜７０℃と低いが、こ
れらのダイオードに通電して濁度を測定するときの発酵
液の温度は通常５０℃以下で上記の許容最高温度より低
く測定に支障はない。また、殺菌時の発酵槽温度は　１
２０〜１２５　℃と高温になるが、半導体レーザダイオ
ードや半導体フォトダイオードの非通電時の許容最高温
度は６０〜１２５　℃と高いので、非通電時の許容最高
温度が１２５℃と高いものを使用すればなんら問題はな
い。さらに後述する実施例によって示すように断熱部材
を設けることにより、これらダイオードの周囲温度を許
容最高温度以下に保持し、かつ殺菌時には半導体フォト
ダイオードを強制的に非通電状態とする回路を設けたり
することによって、これらダイオードが破壊するのを確
実に防止することができる。

【０００９】

【実施例】図１は本発明の濁度計の一実施例の要部を示
す断面図である。本実施例の濁度計においては、半導体
レーザダイオード１を含む発光部２と、半導体フォトダ
イオード３を含む受光部４とを並べて検出部Ｓと一体に
なるように配置する。また、半導体レーザダイオード１
から放射されるレーザ光を検出部Ｓの下端の開口部５ま
で導くプリズム６および拡散板７を配置すると共に開口
部５に存在する被測定液８を透過したレーザ光を半導体
フォトダイオード３へ導く拡散板９およびプリズム１０
を配置する。拡散板７および９は、半透明石英（泡入り
水晶）、オパールグラスなどで構成することができ、プ
リズム６および１０は石英、パイレックスガラス、水晶
などの材料で造ることができる。また、プリズム６およ
び１０の入射面および出射面を除く側面はアルミニウム
を蒸着して鏡面１１および１２とすることができる。開
口部５の間隔Ｄは測定対象に応じて適切に選択できるが
、発酵培養液の場合には、例えば１ｍｍ〜２ｍｍとする
ことができる。

【００１０】発光部２の半導体レーザダイオード１から
放射される高出力のレーザ光はプリズム６内を透過し、
拡散板７で拡散され、開口部５に存在する被測定液８に
照射される。このとき、レーザ光は被測定液８中の粒子
によって散乱されるので被測定液を透過する光量は濁度
に反比例したものとなる。すなわち、被測定液８の濁度
が高い場合には透過光は減少し、濁度が低い場合には透
過光は増大する。この透過レーザ光を拡散板９およびプ
リズム１０を経て半導体フォトダイオード３に入射させ
る。したがって、この半導体フォトダイオード３の出力
を処理することにより被測定液８の濁度を測定すること
ができる。

【００１１】図２は本発明による濁度計を工業的装置で
ある発酵装置の壁面に取付けた状態を示す断面図である
。半導体レーザダイオードから半導体フォトダイオード
に到る光学系は図１に示したものと基本的に同一である
ので、同じ部分には同じ符号を付けて示す。本例では検
出部Ｓのハウジングを円筒部１５と、支持部１６とキャ
ップ部１７とを以って構成し、これらをねじにより連結
する。半導体レーザダイオード１を含む発光部２と半導
体フォトダイオー３を含む受光部４とは支持部１６の円
板１６ａ　の上面に取付け、プリズム６および１０は、
この円板１６ａ　にあけた孔の中に嵌合保持する。また
、両プリズム６および１０の間には、不透明なスペーサ
１８を配置する。円筒部１５の上部には袋ねじ１５ａ　
を形成し、被測定液８を含む装置の壁１９に形成した孔
を画成する円筒１９ａ　に形成したねじと螺合させて、
濁度計を壁１９に装着する。このとき円筒部１５の下端
が被測定液８中に浸入するようにする。この円筒部１５
の下端には孔１５ｂ　をあけると共に金属性のネット２
０を設ける。このネット２０は細かい気泡が濁度計内に
侵入するのを防止する作用を有している。また、２２は
液出口である。さらにキャップ部１７にはコネクタを介
してコード２１を連結し、発光部２および受光部４を外
部回路へ接続するように構成する。

【００１２】図２に示すように、被測定液８を収容する
装置、例えば発酵装置の壁１９に濁度計を装着すると、
半導体レーザダイオード１および半導体フォトダイオー
ド３は発酵装置の外部に配置されることになると共に被
測定液８である培養液と半導体レーザダイオード１およ
び半導体フォトダイオード３との間には熱伝導性の悪い
プリズム６および１０が介在しているため、半導体レー
ザダイオード１や半導体フォトダイオード３が熱の影響
を受けるのを軽減することができる。すなわち、本例で
はプリズム６および１０は断熱部材としても作用するこ
とになる。また、ハウジングを介して半導体レーザダイ
オード１や半導体フォトダイオード３に熱が伝導される
のを防止するために、これらダイオードを囲む空間に断
熱部材２３を充填する。発酵装置においては、通常の発
酵を行なっているときの被測定液８の温度は約２０〜５
０℃であり、この程度の温度では半導体レーザダイオー
ド１や半導体フォトダイオード３は通電中であっても破
壊されることはない。また発酵装置を高温殺菌するとき
には、１２０　〜１２５　℃程度の蒸気を長時間に渡っ
て使用するが、特に本実施例では半導体レーザダイオー
ド１および半導体フォトダイオード３を装置外に配置す
るとともに、プリズム６，１０、および断熱部材２３に
よって断熱しているので、半導体レーザダイオード１や
半導体フォトダイオード３の周囲温度はそれらの非通電
時の許容最高温度に上昇することはなく、同時に高温殺
菌時には、半導体レーザダイオード１および半導体フォ
トダイオード３を不作動状態にすることにより、上述し
た破壊の問題はまったく生ぜず、濁度計を発酵装置から
取外す必要はない。このことは、発酵の自動制御、省力
化に対し、非常に有効である。

【００１３】本例では、以下説明するように駆動回路に
工夫を施し、測定領域が所定の温度以上のときには装置
が不作動となるように構成する。

【００１４】図３は上述したような温度保護回路を組込
んだ駆動回路の一例の構成を示すものである。電源入力
端子２５ａ，　２５ｂに印加される交流電力をパワース
イッチ２６および変成器２７を経て直流定電圧源２８に
供給する。この定電圧源２８から出力される電圧を半導
体レーザダイオード１および半導体フォトダイオード３
のオン・オフスイッチ２９およびスイッチング回路３０
を経て駆動回路３１へ印加し得るように構成する。この
駆動回路３１からの駆動信号を導線２１ａ　を経て半導
体レーザダイオード１に印加する。スイッチング回路３
０はリレーコイル３０ａ　とリレー接点３０ｂ　を具え
ており、常時は図面に示すような状態となっているが、
リレーコイル３０ａ　が付勢されるとリレー接点３０ｂ
　が切替わり、定電圧源２８と駆動回路３１との接続を
断つようになっている。

【００１５】本例では、このリレーコイル３０ａ　を測
定領域の温度によって制御し、温度がある設定温度以上
となったときには、リレーコイル３０ａ　を付勢し、半
導体レーザダイオード１を不作動とするものである。こ
の目的のために、測定領域の温度を検知するサーミスタ
３２を設け、比較器３３に接続する。この比較器には温
度設定用のポテンショメータ３４をも接続し、サーミス
タ３２により検知される温度が設定温度よりも高くなっ
たときに比較器３３から出力信号が発生される。この信
号を増幅器３５で増幅した後、リレーコイル駆動回路３
６に供給する。この駆動回路３６はこの信号を受けると
、リレーコイル３０ａ　を付勢し、リレー接点３０ｂ　
を図面に示す状態から切換え、半導体レーザダイオード
１の駆動回路３１への電源電圧の供給を遮断し、半導体
レーザダイオード１を不作動状態に維持する。このよう
にして、半導体レーザダイオード１を破壊から有効に保
護することができる。

【００１６】一方、半導体フォトダイオード３の出力信
号は導線２１ｂ　および増幅器３７を経て中央処理装置
（ＣＰＵ）３８　に供給し、ここで適切に処理して濁度
を表わす信号を作成する。この信号を表示器３９に供給
して測定した濁度を表示することができると共に出力端
子４０を経て記憶装置のような外部装置へ供給すること
もできる。また、比較器３３の出力を中央処理装置３８
へも供給して半導体レーザダイオード１が不作動となっ
ていることを検知し、オペレータにこれを報知する手段
を駆動する。ここで増幅器３７の電源は、スイッチング
回路３０を経て印加されるように構成してあるので、温
度が上昇してリレー接点３０ｂ　が開となったときには
半導体フォトダイオード３も不作動状態となる。

【００１７】上述したように半導体レーザダイオードお
よび半導体フォトダイオードの温度による破壊は有効に
防止する手段を講じたが、半導体レーザダイオードの発
光出力は温度に応じて変動すると共に半導体フォトダイ
オードの動作特性も温度に依存するので、これらの素子
に対する温度補償手段を講ずるのが好適である。

【００１８】図４は半導体レーザダイオードの光出力を
温度変動に拘らず一定に維持する手段を講じた発光部の
一例の構成を示す回路図である。発光部２には半導体レ
ーザダイオード１から放射されるレーザ光の一部を直接
受光するように半導体フォトダイオード４１を配置する
。 この駆動制御用の半導体フォトダイオードのアノードを
分圧抵抗４２および４３を介して差動増幅器４４の正側
入力端子に接続する。この差動増幅器４４の負側入力端
子はポテンショメータ４５の摺動タップに接続する。こ
の差動増幅器４４の出力端子を、ダーリントン接続した
トランジスタ４６および４７に接続する。トランジスタ
４７のエミッタを抵抗４８を経て半導体レーザダイオー
ド１のカソードに接続する。半導体レーザダイオード１
のアノードおよび半導体フォトダイオード４１のカソー
ドは共通に接地する。

【００１９】今、半導体レーザダイオード１の周囲温度
が上昇し、レーザダイオード光出力が減少すると、半導
体フォトダイオード４１に入射する光も減少し、差動増
幅器４４の正側入力端子の電位は低下し、その出力電圧
も低下する。したがってトランジスタ４６および４７は
一層導通し、半導体レーザダイオード１には一層大きな
電流が流れ、その出力光は一層増大する。このようにし
て半導体レーザダイオード１から放射されるレーザ光強
度を周囲温度の変動に拘らず一定に維持することができ
る。本例では温度変動に対してレーザ光出力を一定に維
持するように構成したが、電源電圧の変動に対してもレ
ーザ光出力を安定に維持することもできる。

【００２０】図５は、温度、電磁気、静電気などが、半
導体フォトダイオード３に与える影響を補償する回路を
設けた受光部４の一例の構成を示すものである。半導体
フォトダイオード３のアノードは端子４ａを介してバイ
アス電圧電圧−ＶＤ　に接続し、カソードは演算増幅器
５０の負側入力端子に接続する。この演算増幅器５０の
出力端子と負側入力端子との間には帰還抵抗５１を接続
する。また、演算増幅器５０の正側入力端子は、端子４
ｂを介して基準電圧ＶＳ　に接続する。さらに電源端子
は端子４ｃ，４ｄを介してそれぞれ＋１５Ｖおよび−１
５Ｖの電源電圧に接続する。演算増幅器５０の出力端子
は端子４ｅに接続し、ここから外部回路へ光電変換され
た出力信号を供給できるように構成する。

【００２１】本例の受光部４によれば帰還を施した演算
増幅器５０を設けたため、ノイズが減少すると共に電磁
気や静電気の影響がなくなり、さらに温度変動に対して
も安定に動作することになり、高精度の測定を行なうこ
とができる。尚、受光部の半導体フォトダイオードは、
その温度ドリフト特性が、半導体レーザダイオードに内
蔵されている駆動制御用の半導体フォトダイオード４１
の温度ドリフト特性に対してほぼ同様な特性を有するよ
うに選択することが望ましい。両方の温度ドリフト特性
が互いにほぼ同様な特性となるように設定することによ
り、半導体レーザダイオード側の温度ドリフトと受光部
の半導体フォトダイオードの温度ドリフトとが互いにキ
ャンセルされ、温度補償を一層容易に行なうことができ
る。

【００２２】上述した本発明の濁度計で用いる半導体レ
ーザダイオードは、Ａｌ・Ｇａ・Ａｓ系、Ｇａ・Ａｓ・
Ｐ系、Ｉｎ・Ａｓ・Ｐ系の半導体レーザダイオードを以
って構成し、半導体フォトダイオードはシリコンまたは
ゲルマニウム系のフォトダイオードを以って構成するこ
とができるが、特に、Ａｌ・Ｇａ・Ａｓ系の半導体レー
ザダイオードとシリコン系の半導体フォトダイオードと
の組合せが好適である。また、半導体フォトダイオード
としては、特に感度の高いＰＩＮフォトダイオードを用
いるのが好適である。

【００２３】本発明は上述した実施例にのみ限定される
ものではなく、幾多の変形や変更を加えることができる
。例えば上述した実施例ではレーザ光の出射部および入
射部に拡散板を設けたが、これらの一方または双方を省
くこともできる。また、図１および図２に示した実施例
においてプリズムの代りに光学ファイバを用いることも
できる。さらに図４に示した温度補償回路において、温
度が非常に高くなり、半導体レーザダイオード１に流れ
る電流が非常に大きくなるのを検知し、これに応じて電
流を遮断する保護回路を組込むことができる。この場合
には図３に示したサーミスタを含む保護回路は省くこと
ができる。

【００２４】

【発明の効果】上述した本発明の効果を要約すると次の
通りである。 （１）　光源として半導体レーザダイオードを用い、受
光器として半導体フォトダイオードを用い、これらを検
出部に一体的に取付けた構成としたため、小形軽量であ
ると共に取扱いの容易な濁度計を提供することができる
。 （２）　半導体レーザダイオードを用いるので高輝度の
光出力が得られ、広範囲の濁度を正確に測定することが
できる。 （３）　半導体レーザダイオードおよび半導体フォトダ
イオードは安価に入手できるので、濁度計のコストを下
げることができる。 （４）　光源としての半導体レーザダイオード及び受光
器としての半導体フォトダイオードを同一支持部材によ
り支持し、これらの素子がほぼ同一温度になるように構
成しているから、これら素子の温度変化に対する温度補
償を一層容易に行なうことができる。しかも、半導体レ
ーザダイオードおよび半導体フォトダイオードに対する
温度の影響を軽減するように構成したため、これらが破
壊されることがない。したがって発酵装置に適用した場
合、高温殺菌時にも濁度計を発酵装置から取外す必要が
なく、操作が簡単となる。 （５）　半導体レーザダイオードおよび半導体フォトダ
イオードに対して温度補償手段を講じたため、温度変動
にも拘らず正確かつ安定な測定を行なうことができる。 （６）　半導体フォトダイオードに対する電磁気、静電
気の影響を軽減できるので、マグネチックスターラを用
いる発酵槽に適用した場合でも正確な測定ができる。 （７）　測定領域の温度を検知し、所定温度以上のとき
には半導体レーザダイオードを強制的に不作動とするた
め、半導体レーザダイオードを破壊から有効に保護でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の濁度計の要部の構成を示す断面図

【図
２】本発明の濁度計の一実施例の構成を示す断面図

【図
３】半導体レーザダイオードの駆動回路の一例の構成を
示す回路図

【図４】温度補償を施した発光部の一例の構成を示す回
路図

【図５】温度補償を施した受光部の一例の構成を示す回
路図

【符号の説明】

１　　半導体レーザダイオード ２　　発光部 ３　　半導体フォトダイオード ４　　受光部 ６，１０　　プリズム ７　　拡散板 ８　　被測定液 １９　　工業的装置の壁 １５，　１６，　１７，　６３，　６４　　ハウジング
Ｓ　　検出部 ２３　　断熱部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．　　駆動制御用の半導体フォトダイオードが一体的
   に組み込まれている半導体レーザダイオードと、この半
   導体レーザダイオードから放射したレーザ光を、濁度を
   測定すべき試料に向けて投射する第１の光ガイドと、試
   料からの透過光を伝送する第２の光ガイドと、第２の光
   ガイドからの光を受光して試料の濁度に対応した電気信
   号を発生する半導体フォトダイオードと、これら半導体
   レーザダイオード、半導体フォトダイオード、並びに第
   １及び第２の光ガイドを収納すると共に、下端に試料が
   流通する開口部が形成されているハウジングとを具え、
   前記半導体レーザダイオード及び半導体フォトダイオー
   ドを同一支持部材で支持し、これら半導体レーザダイオ
   ード及び半導体フォトダイオードがほぼ同一の温度に維
   持されるように構成したことを特徴とする濁度計。
2. ２．　　前記ハウジング内に、前記半導体レーザダイオ
   ード及び／又は半導体フォトダイオードの温度変化を補
   償する温度補償回路が組み込まれていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の濁度計。