JPH04335139A - 監視装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体混合物中の一つ又
はそれ以上の流体成分の存在を検出する、さらに詳しく
は成分が知られていてもよい流体混合物中の一つ又はそ
れ以上の流体成分の濃度を監視するインライン装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】流体が例えばパイプライン又はその他の
容器で輸送されているとき、例えばハロゲン洗浄装置の
カ性ソーダの濃度や、流体製品混合物、例えば水とアセ
トンのような溶媒混合物の成分比を保証するために、流
体混合物の成分の存在及び／又は濃度を関しする必要が
しばしばある。

【０００３】そのような多くの監視方法は、各化学物質
が吸収する特定の光の波長、特に電磁スペクトルの可視
及び赤外領域の光の波長によつて特長づけられるという
原理に基いている。さらに存在する化学物質の量の表示
は、吸収の強さの測定によつて得ることができる。それ
は本発明が関係するこの原理で作動する装置によつて行
われる。

【０００４】過去において、上記原理に基いた流体混合
物の流体成分を監視する技術は、混合物から試料を採取
し、試料を分光測光にかけることを含んでいた。しかし
ながら、そのような試料採取と関連して、特に流体成分
が腐食性又はその他危険性のある場合には問題があつた
。そのような試料の採取及び取扱いと関連した問題を克
服為るために、パイプライン又は容器内の混合物を監視
する技術が提案されていた。

【０００５】例えば混合物が運ばれるパイプライン又は
容器内に挿入できるプローブの端部に試料セルを設ける
ことは知られている。そのような器具の使用には、広バ
ンド光源が、プローブを通り試料セルを横切って送られ
、試料セル横切りプローブに沿って、分析が行われる分
光光度計に反射される。

【０００６】広バンド光源の使用は、試料セルから戻さ
れる信号を分析するための高価な分光光度計装置の使用
を必要とし、そのような装置はかさばるし、いろいろな
場所／利用で使用するのに容易に運搬できない。さらに
そのような分光光度計は、誤って動作したり、したがつ
て所望されるようには信頼されない多くの可動部分をも
つている複雑な装置である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これらの欠
点を解消し、簡単な構造でそのために公知の装置と比べ
てより大きな信頼性があり、またその操作に低い電力し
か必要としないことによる非常に大きな安定性が備わっ
ている、流体混合物の流体成分を監視するインライン用
装置を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、少くと
も２個の実質的に単色の光源、光源からの光を受け入れ
るために一端で光学的に接続され、光が流体混合物と作
用し合胃、光誘導通路に沿って戻ってこられるように配
置された光誘導通路を含むプローブ、及び光誘導通路か
ら受け入れられた光を分析する手段を有する、流体混合
物中の流体成分検出装置が提供される。

【０００９】ここで使われているように、スペクトルの
可視部内、又は可視部以外のスペクトル部分、例えば赤
外部、特に近赤外部内の波長を有することができる電磁
放射が“光”で現わされることは理解されるべきである
。本発明による装置は、流体混合物中の成分の存在を簡
単に検出するのと同時に、その濃度の測定及び監視に特
に適している。

【００１０】装置は典型的二は、二成分又は三成分混合
物の成分の濃度、特にそのような混合物中の単一成分の
濃度を決定するのに用いられるが、三成分以上の混合物
中のいくつか、又はすべての成分の濃度を決定するのに
使用することもできる。

【００１１】装置が二成分混合物の成分濃度を決定する
のに用いられる場合、２個の単色光源を使用することが
できる。この場合、測定される成分によつて特異的に吸
収される波長の光を発する１個の光源が選ばれる。測定
される成分の明らかに鋭い吸収帯内にあり、混合物中の
他のいずれの成分によつても吸収されない波長が選ばれ
るのが好ましい。

【００１２】測定される成分の濃度以外の他の因子によ
るあらゆる測定変化も両方の波長変化も両方の波長に等
しく影響し、したがつて補償されるように、参考波長を
もつた光を発する他の光源が選ばれる。参考光源がセツ
トされている特定の波長は、測定される成分のスペクト
ルの中性部分の波長、すなわちその成分によつて吸収さ
れない波長であることが好ましく、それは測定波長と接
近してはいるが離れており、その結果いろいろな波長で
の分析手段の感度のいかなる変化も最小にされる。その
ような二成分系では、一成分の濃度の測定は、さらに測
定することなしに他の成分の濃度を計算することを可能
にする。

【００１３】装置が三成分混合物中の液体成分濃度の測
定用の場合、３個の光源が用いられる。第１の光源は、
第１成分によつて特異的に吸収される波長をもつた光を
発するものが選ばれ、第２の光源は、第２成分によつて
特異的に吸収される波長をもつた光を発するものが選ば
れ、第３の光源は、参考波長をもつた光をはっするもの
が選ばれる。二つの成分の濃度はそれによつて測定され
、第３の成分は計算される。

【００１４】したがつて“ｎ”種類の成分を含む混合物
の各成分濃度を決定することが望まれる場合、一般に一
つの成分を除いた以外のすべての成分を測定するのにこ
の装置を用いることが必要であり、他の成分は計算され
るべきである。この状況では、“ｎ”個の光源があるだ
ろう。混合物中の“ｎ−１”種類の成分それぞれに１個
の光源が必要であり、他の１種類の成分は計算によつて
決定され、他に１個の付加的な参考光源があるだろう。

【００１５】混合物の全成分の濃度を定めることが所望
されない場合、一般的に濃度を測定される各成分につい
て１個の光源と１個の付加的参考光源でよい。例えば二
成分混合物では、分析装置は参考波長と測定波長での流
体混合物の吸光度を比較することによつて機能する。

【００１６】ビアー・ランバート（Ｂｅｅｒ　　Ｌａｍ
ｂｅｒｔ）の法則から、測定される成分の濃度は、Ｌｏ
ｇ（Ｉｒ／Ｉｍ） に比例するであろうことを示すことができ、ここでＩｍ
は測定波長での伝達される強さ、Ｉｒは参考波長での伝
達される強さである。比例定数は測定によつて定めるこ
とができる。

【００１７】本発明の好ましい実施態様では、装置はさ
らに各光源空の光を分析部分と制御部分とに分配する手
段を有し、分析部分は光誘導通路に送られ、制御部分は
、例えば時間又は温度に伴う光源から発せられた光のあ
らゆる変化が補償できるように、分析手段に送られる。 この場合、分析検出器は流体混合物によつて吸収された
光エネルギーを測定し、制御検出器は流体混合物で発せ
られた光エネルギーを測定する。

【００１８】この場合、分析装置は、２個の検出器の出
力から （Ｌｏｇ　ＲＥｆ　Ａ　−Ｌｏｇ　Ｍｅａｓ　Ａ）＋（
Ｌｏｇ　Ｍｅａｓ　Ｃ−Ｌｏｇ　Ｒｅｆ　Ｃ） のようにその結果を計算する。ここで、Ｒｅｆ　Ａ　は
、分析検出器によつて受け入れられた参考信号、Ｍｅａ
ｓ　Ａは、分析検出器によつて受け入れられた測定信号
、Ｒｅｆ　Ｃ　は、せいぎょ検出器によつて受け入れら
れた参考信号、Ｍｅａｓ　Ｃは、制御検出器によつて受
け入れられた測定信号である。

【００１９】これは４個の信号の対数比である。結果は
すべての系の変化を十分に補償している。例えば光源の
出力のいかなる変化も分配され、影響をもたず、同様に
移動又は表面の汚れによる分析光通路のいかなる変化も
補償されるであろう。変化するのは、正確に測定される
のに必要な流体混合物のスペクトル吸収だけである。

【００２０】分析検出器及び制御検出器はゲルマニウム
光電池検出器であり、その場合、検出器の出力の形状は
電流であり、その大きさは検出器に入射する光の強さに
直接比例する。電流出力は、さらにプリアンプによつて
電圧に変換され、電圧信号は次いで、流体混合物の吸収
の測定を達成するのに必要な対数計算を行う計算機に入
力され、成分の濃度が測定される。

【００２１】本発明の好ましい態様では、各光源は組合
せられたフイルタ、レンズをもつた発光ダイオードを有
している。発光ダイオード（ＬＥＤ）は、狭いバンド幅
の光、ほぼ３．５ミクロンまでのスペクトルの可視領域
及び近赤外領域におけるしばしば“準単色光”と呼ばれ
る光を発する固体装置である。各ＬＥＤによつて発せら
れる光のバンド幅は、組合せられたフイルタ、レンズの
使用によつてさらに狭められる。

【００２２】ＬＥＤとフイルタを有する各光源によつて
発せられる光のバンド幅は、特定の所望波長の２％より
大きくないのが好ましい。ＬＥＤは、例えば７５ｍＡ、
２Ｖの電流のような非常に低電力で作動する固体装置な
ので、光源として好ましい。したがつてＬＥＤの使用は
、より大きな装置に備わる安定性と、従来の光源より非
常に信頼性の高い装置へと導いている。

【００２３】各光源から発せられた光を制御部分と測定
部分に分割する手段は、例えば入射光に対して４５°に
配置された通常の半銀めつき鏡でよく、その結果鏡に入
射する光の一部分は鏡を通って送られ、一部分はその光
と直角な方向に反射される。その代わり本発明の好まし
い態様では、半銀めつき鏡と組合された固有の光損失を
避けるように、各光源からの光は光フアイバ束内に発せ
られる。

【００２４】次いで各光源からの光フアイバ束は、制御
束及び分析束に分けられる。次いで各光源からの制御束
は合流され、制御検出器に導かれる。各光源からの光フ
アイバの分析束は合流され、光誘導通路に光学的に接続
される。制御検出器に導かれる光は、光誘導通路に導か
れた光と同じ位置エネルギー損失を受けることはなく各
光源からの光フアイバ束は、各光源によつて発せられた
光を制御検出器よりも多くの部分を光誘導通路に案内す
るような割合いで分けることができ、その結果、ほぼ同
量のエネルギー量が各検出器によつて受け入れられる。 各光源からの光フアイバ束は、例えば各光源から発せら
れた光の５〜２５％を制御検出器に、各光源から発せら
れた光の７５〜９５％を光誘導通路に案内するような割
合いで分けることができる。

【００２５】装置のプローブの光ユウドウ通路は、光誘
導通路の端部と光誘導通路の端部から隔てられた反射鏡
との間の試料間隙によつて形成される試料セルをもつこ
とによつて、流体混合物と光を互いに作用し合えるよう
に配置することができる。反射鏡は光誘導通路に沿って
光を送り返す手段を提供する。光は光誘導通路に沿って
、試料セル内にある流体混合物内に案内される。次いで
光は、反射鏡によつて反射され、光誘導通路に沿ってそ
の他端部から戻され、分析検出器に案内される。

【００２６】プローブの光誘導通路は、ガラス又は透明
プラスチック管であつてよい。その代わりに、光誘導通
路は、光フアイバ又は例えば磨きステンレス鋼管のよう
な磨き金属管を含むこともできる。光誘導通路は、プロ
ーブへの腐食又は他の損害を防ぐように、プローブが挿
入される流体混合物の成分に対して化学抵抗を有する材
料のシース内に包まれるのが好ましい。

【００２７】シースがつくられている特定の材料は、監
視される混合物の特殊な成分によるであろうが適当な材
料は、フッ化ポリビニリデン、Ｈａｌａｒ　及び水晶、
又はステンレス鋼やチタンのような金属を含んでいる。 光誘導通路が上記材料の一つのシースに包まれている場
合、試料セルを通って光が送られるように、試料セルに
隣接する光誘導通路の先端でシースに開口が設けられて
いる。

【００２８】反射鏡は光を反射することができ、腐食材
料に対する顕著な抵抗を有し、固い硬度をもついかなる
材料でもよい。したがつて反射鏡の特殊な材料は、プロ
ーブが中に浸漬される流体混合物の成分によるであろう
。その材料は、例えばステンレス鋼又はガラスでよいが
、流体混合物の一つ又はそれ以上の成分が、高度に腐食
性、例えば発煙硝酸のような強酸である場合は、反射鏡
はニオブ鏡がよい。

【００２９】装置の操作中、各光源は、制御部分と分析
部分に後で分けられる単色光のパルスを発生するように
、順次作動できるのが好ましい。制御部分は光フアイバ
ノ制御束に沿って制御検出器に送られ、分析部分は光フ
アイバの分析束によつて光誘導通路に送られそれに沿っ
て案内される。

【００３０】光は流体混合物を通過し、反射鏡によつて
反射され、光誘導通路に沿って戻され、それから分析検
出器に供給される。したがつて光源からの光のパルスは
、他の光源からのパルスからちょうどよい時に分離され
、光が検出器に供給される前に、複雑な光学部分を使用
する必要があり、装置の信頼性を妨げるであろう光を分
離する手段を設ける必要がない。光源としてのＬＥＤの
配備は、ＬＥＤがナノ秒のオーダーでオン及びオフに切
換えることができるので、急速に行われる光源の連続発
光を可能にする。

【００３１】例えば光を非常に強く吸収する染料のよう
な材料とともに特に有用であるプローブの代わりの態様
では、プローブは、それが浸漬される流体より大きな屈
折率をもつた材料でつくられた光誘導通路を単に有する
だけでよく、その時プローブは減衰内部全反射の原理の
下に作動する。

【００３２】光は、それが光誘導通路と流体混合物との
間の境界面に、臨界角度より大きい角度で入射するよう
な径路に沿った光誘導通路によつて受け入れられ、光誘
導通路がつくられている材料は、光誘導通路と流体混合
物との間の境界面で、光が光誘導通路内に反射されて戻
る前に、流体混合物内でほぼ波長の半分の距離を通るよ
うに、流体混合物より大きな屈折率をもつ材料である。

【００３３】したがつて光は、それが光誘導通路／流体
混合物境界面に入射する度に流体混合物によつて弱めら
れる。十分に大きな屈折率をもつた適当な材料は、サフ
アイア及びセレン化亜鉛を含む。プローブの操作中、光
はプローブに沿って通り、光誘導通路の端部によつて反
射されて、その後光誘導通路沿って戻ってくる前に流体
混合物との境界面で多数回の反射を受ける。単なる例と
して本発明によるインライン装置が添付の図面を参照し
ながら以下に述べられるであろう。ただ１枚の図は、操
作できるようにパイプラインに配置された、本発明によ
るインライン装置の略図的断面図である。

【００３４】

【実施例】図１には、パイプラインを通って輸送される
二成分混合物の両成分の濃度を測定するように、パイプ
ライン２５に配置された装置が示されている。図示され
た装置は２個の光源１を有する。各光源は、ＬＥＤ２、
フイルタ３およひレンズ４を有する。組合された電子装
置によつて作動されたとき、各ＬＥＤは次々とＬＥＤの
特定の仕様に従った波長及びバンド巾の光を発し、その
とき光のバンド巾は単色フイルタによつて一層狭められ
、レンズによつて焦点を合される。

【００３５】そのとき各光源からの光は、光源からの単
色光を受け入れる１００本の光フアイバを有する光フア
イバ束５に送られる。各光フアイバ束はそのとき、１０
本の光フアイバを有する制御光フアイバ束６と９０本の
光フアイバを有する測定光フアイバ束７に分割される。 各制御束及びそれによつて運ばれる光は、制御検出器１
８に直接供給される。測定束及びそれによつてはこばれ
る光は、ブローブ９内に設けられた光フアイバロッド１
０に供給される。光源、ひかりフアイバ束、検出器及び
ＬＥＤを順次作動させるすべての付属電子装置は、防水
ケース２６内に収容される。

【００３６】プローブ９は、適当な開口２７を通ってパ
イプライン内に挿入され、その結果試料間隙が監視され
る混合物流に配置される。装置は適当な架台２８によつ
てパイプラインに対して適所に保持され、プローブもま
た架台２９によつて防水ケース内に収容された装置部分
に対して適所に保持される。光フアイバロッドは、それ
が浸漬される混合物の成分による腐食から光フアイバを
保護するのに用いられるステンレス鋼製シース１１に包
まれる。

【００３７】各光源の測定束からの光は、光フアイバロ
ッドに沿って送られ、そして伝達される光が試料間隙１
３を横切るようにシースに設けられた開口１２を通って
送られる。ステンレス鋼製鏡１４は、接続片１５によつ
て開口１２と平行にそれから離れて適所に保持される。 光は鏡によつて反射され、光フアイバロッド及び他の光
フアイバ８に沿って分析検出器１６に返送される。

【００３８】分析検出器及び制御検出器は、ゲルマニウ
ム光電池検出器であり、それに入射する光エネルギーを
、プリアンプ（図示せず）で電圧に変換し、次いで流体
混合物の吸光度の測定を行うのに必要な対数計算をする
コンピュータ（図示せず）に送られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　パイプラインに配置された本発明による装
置の断面図。

【符号の説明】

１　　　　光源 ２　　　　ＬＥＤ ３　　　　フイルタ ４　　　　レンズ ５　　　　光フアイバ束 ６　　　　制御光フアイバ束 ７　　　　測定光フアイバ束 ８　　　　他の光フアイバ ９　　　　プローブ １０　　　　光フアイバロッド １１　　ステンレス鋼製シース １２，２７　　　　開口 １３　　　　試料間隙 １４　　　　ステンレス鋼製鏡 １５　　　　接続片 １６　　　　分析検出器 １８　　　　制御検出器 ２５　　　　パイプライン ２６　　　　防水ケース ２８，２９　　　　架台

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　少なくとも２個の実質的に単色の光源
   からの光を受け入れるために一端で光学的に接続され、
   光が流体混合物と作用し合い、光誘導通路に沿って戻っ
   てこられるように配置された光誘導通路を含むプローブ
   、及び光誘導通路から受け入れられた光を分析する手段
   を有する、流体混合物中の流体成分を検出する装置。
2. 【請求項２】　　各光源が発光ダイオードを有する請求
   項１記載の装置。
3. 【請求項３】　　各光源がさらにフイルタ及びレンズの
   組合せを有する請求項２記載の装置。
4. 【請求項４】　　各光源から発せられる光のバンド幅が
   、所望の波長の２％より大きくない請求項１ないし３の
   いずれか１項に記載の装置。
5. 【請求項５】　　各光源からの光を分析部分及び制御部
   分に分ける手段をさらに有し、各光源からの分析部分が
   光誘導通路に送られ、各光源からの制御部分が分析手段
   に送られる請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装
   置。
6. 【請求項６】　　各光源からの光が、光フアイバ束内に
   発せられる請求項５記載の装置。
7. 【請求項７】　　光フアイバ束が、制御束及び分析束に
   分けられる請求項７記載の装置。
8. 【請求項８】　　光フアイバ束が、各光源から発せられ
   た光の５〜２５％を分析手段に、各光源から発せられた
   光の７５〜９５％を光誘導通路に案内するような割合い
   で分けられる請求項７記載の装置。
9. 【請求項９】　　光誘導通路が光フアイバを有する請求
   項１ないし８のいずれか１項に記載の装置。
10. 【請求項１０】　　プローブが、光誘導通路の端部と光
    誘導通路端部から隔てられた反射鏡との間に形成され、
    それによつて光が流体混合物と作用し合える試料間隙を
    有する請求項１ないし９のいずれか１項に記載の装置。
11. 【請求項１１】　　光誘導通路が、それが浸漬される流
    体混合物より大きな屈折率を餅、それによつて光が流体
    混合物と作用し合える材料を有する請求項１ないし８の
    いずれか１項に記載の装置。
12. 【請求項１２】　　装置の作動中、各光源が、他の光源
    から発せられた光のパルスからちょうどよい時に分けら
    れた光のパルスを発生するように順次作動される請求項
    １ないし１１のいずれか１項に記載の装置。