JPH05203567A - 流体屈折計およびこれを用いた流体密度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広範囲の屈折率および密度を測定することが
できる流体屈折計およびこれを用いた流体密度計を得る
こと。 【構成】 プローブ１４内の送光部１９および受光部２
０をそれぞれラック２１に固定し、このラック２１とピ
ニオン２８とが噛合するように配置され、このピニオン
２８を回すとラック２１が回り、このラック２１に伴っ
て送光部１９および受光部２０がプリズム１８の中心点
Ｇを回転の中心として、測定光ＰＡのプリズム１８への
入射光路と反射光路とを含む面に沿った円周上を回動す
る屈折計およびこれを用いた流体密度計。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は液体や気体などの流体
の屈折率や密度を計測する際に、プローブを直接流体中
に浸漬して計測する流体屈折計およびこれを用いた流体
密度計に関し、プローブ内の送光部および受光部を、プ
リズムの測定液体と接触する面の中心点を回転の中心と
して、測定光のプリズムへの入射光路と反射光路とを含
む面に沿った円周上を回動するようにしたことによっ
て、広領域の屈折率および密度を測定できるようにした
ものである。

【０００２】

【従来の技術】流体たとえば液体が極低温、可燃性、腐
蝕性などの特殊なものである場合に、この液体のサンプ
リングを行なうことなく、これの屈折率および密度を常
時オンラインで計測できる屈折計およびこれを用いた密
度計が提案されている。この屈折計および密度計は、屈
折率測定用の測定光を射出する光源と、測定液体に浸漬
され測定液体との接触面における測定光の臨界角を検知
するプローブと、上記臨界角から屈折率および密度を求
める処理部とから概略構成されており、また、上記プロ
ーブは図６に示すようにプリズム１、ライトガイド２、
集光レンズ３、ミラー４、ミラー５、対物レンズ６、イ
メージガイド７とからなるものである。

【０００３】このような従来の屈折計および密度計にお
いて、光源から出射された測定光８はライトガイド２よ
り集光レンズ３に導かれ、収束光にされてプリズム１に
入射し、このプリズム１と測定液体との接触面で全反射
を生じて、測定光８は透過光９と反射光１０とに分離さ
れる。そして、この反射光１０はミラー４、ミラー５に
より対物レンズ６に導かれた後、イメージガイド７の受
光面に受光される。この受光面上には、臨界角を境とし
た明暗の境界像が形成され、これがイメージガイド７に
より処理部に画像伝送され、屈折率を求め、さらに、密
度計はこの屈折率から測定液体の密度を求めている。

【０００４】しかしながら、上記集光レンズ３、ミラー
４、ミラー５、対物レンズ６の位置は、通常変えること
ができないため、対物レンズ６の視野角内に入射しない
領域の反射光１０の境界像は形成されない。従って、屈
折率を求めることはできず、屈折率および密度の測定で
きる範囲が限られていた。また、ミラー４およびミラー
５の角度を調整して、上記視野角内に入射する反射光１
０の領域を僅かに変更することもできるが、これによっ
て変更できる屈折率および密度の範囲は小さいという欠
点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】よって、この発明にお
ける課題は、広範囲の屈折率および密度を測定すること
ができる流体屈折計およびこれを用いた流体密度計を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】かかる課題は、プローブ
内の送光部および受光部を、プリズムの測定液体と接触
する面の中心点を回転の中心として、測定光のプリズム
への入射光路と反射光路とを含む面に沿った円周上を回
動するようにしたことで解決される。

【０００７】

【作用】本発明の流体屈折計およびこれを用いた流体密
度計においては、反射光が対物レンズの視野角内に入射
しない場合は、プローブ内の送光部および受光部を、プ
リズムの測定液体と接触する面の中心点を回転の中心と
して、測定光のプリズムへの入射光路と反射光路とを含
む面に沿った円周上を回動させることで、集光レンズ、
ミラー、対物レンズの位置を変えて、反射光が対物レン
ズの視野角内に入射するように調整できるので、広範囲
の屈折率および密度を測定できる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき詳しく
説明する。図１は本発明を、液体の屈折率を測定するた
めに用いた一実施例を示すもので、図中符号１１は液体
屈折計である。この液体屈折計１１は、屈折率測定用の
測定光ＰＡを射出する光源１２と、測定液体１３に浸漬
された測定液体１３との接触面における測定光ＰＡの臨
界角を検知するプローブ１４と、送光部および受光部の
回動した角度や上記臨界角から屈折率を求める処理部１
５とから概略構成されており、また、プローブ１４と光
源１２とはライトガイド１６により、プローブ１４と処
理部１５とはイメージガイド１７により、それぞれ接続
されている。

【０００９】上記光源１２は、ランプと単色の干渉フィ
ルタとからなり、例えば、ナトリウムランプとナトリウ
ムＤ線のみを選択的に透過させる干渉フイルタとを組み
合わせたものを用いることができる。これらのランプお
よびフイルタは測定波長領域に応じて好適なものを選択
することができる。上記プローブ１４は、プリズムの一
つの面を測定流体に直接接触させるようにした窓１４Ａ
が設けられており、図２に示すようにプリズム１８と、
このプリズム１８に測定光ＰＡを入射させる送光部１９
と、プリズム１８から射出された反射光ＰＢを受光する
受光部２０と、送光部１９と受光部２０とが固定された
ラック２１とから概略構成されている。

【００１０】図３は上記プリズム１８の平面図である。
このプリズム１８は、底面ａ、端面ｂ、端面ｃ、上面
ｄ、斜面ｅ、斜面ｆの六つの光学的平面を有し、縦方向
の断面が等脚台形状の透明体（例えば、石英ガラス）が
用いられ、その底面ａの周縁は測定液体１３に接触する
ようにプローブ１４に設けられた窓１４Ａに液密とされ
て固着されている。端面ｂは測定光ＰＡが入射するよう
にされ、端面ｃは底面ａにおいて全反射された反射光Ｐ
Ｂが射出されるようになっている。また、図３中符号Ｇ
は、底面ａの中心点であり、送光部１９および受光部２
０を測定光のプリズムへの入射光路と反射光路とを含む
面に沿った円周上を回動させる際に、回転の中心となる
ものである。

【００１１】上記送光部１９は、ライトガイド１６の終
端部１６Ａと、集光レンズ２２と、これらが固定された
送光部固定板２３とから構成されている。集光レンズ２
２の上方にはライトガイド１６の終端部１６Ａが配され
ており、この集光レンズ２２に入射される測定光ＰＡ
を、測定液体１３とプリズム１８の底面ａとの接触界面
において集光するように配されている。上記ライトガイ
ド１６は、複数のフアイバを束ねたフアイババンドルが
用いられており、このライトガイド１６の始端部１６Ｂ
には光源１２が接続されている。

【００１２】上記受光部２０は、第１のミラー２４と、
第２のミラー２５と、対物レンズ２６と、イメージガイ
ド１７の始端部１７Ｂと、これらが固定されている受光
部固定板２７とから構成されている。これら第１のミラ
ー２４と、第２のミラー２５はプリズム１８と対物レン
ズ２６との間に設けられており、プリズム１８により全
反射され射出された反射光ＰＢが対物レンズ２６に所定
の角度で入射するようにその取り付け位置が調整されて
いる。また、この対物レンズ２６は反射光ＰＢの光路上
に配され、さらにこの対物レンズ２６の結像面にイメー
ジガイド１７の受光面ｈが重なるようにイメージガイド
１７の始端部１７Ｂが配されている。上記イメージガイ
ド１７は、二次元画像を忠実に伝送し得るイメージフア
イバが用いられており、このイメージガイド１７の終端
部１７Ａには処理部１５が接続されている。

【００１３】上記ラック２１は、半円弧状のものであっ
て、その回動中心がプリズム１８の中心点Ｇに一致する
ように取り付けられており、その歯面がピニオン２８の
歯面と噛合するようになっている。また、このラック２
１には上記送光部固定板２３と上記受光部固定板２７と
がそれぞれ固定されており、ピニオン２８を回すとラッ
ク２１が回って、これに伴って送光部１９および受光部
２０がプリズム１８の中心点Ｇを回転の中心として、測
定光ＰＡのプリズム１８への入射光路と反射光路とを含
む面に沿った円周上を回動し、集光レンズ２２、第１の
ミラー２４、第２のミラー２５、対物レンズ２６の位置
を変更できるようになっている。ピニオン２８は、エン
コーダー付きモータ２９と連結されて回転できるように
なっている。そして、このエンコーダーと処理部１５と
はリード２９Ａを介して接続されており、エンコーダー
の回転量を測定し、その測定結果を処理部１５に伝送で
きるようになっている。

【００１４】上記処理部１５は、イメージガイド１７に
より伝送されてきた反射光ＰＢの臨界角情報に基づい
て、例えば、プログラム演算処理をすることにより、あ
るいは予め屈折率既知の液体の臨界角を基準として目盛
りで目測することにより屈折率を求めるようになってい
る。また、エンーコーダーにより伝送されてきたピニオ
ン２８の回転量から送光部１９および受光部２０の回動
した角度を求めることができ、送光部１９および受光部
２０の回動後の屈折率の値を算出できるようになってい
る。

【００１５】この実施例の液体屈折計１１にあっては、
プローブ１４は測定液体１３の流入を防ぐために液密と
されたステンレスなどの金属材料など保護容器１４Ｂに
収容されている。さらに、ライトガイド１６と、イメー
ジガイド１７と、リード２９Ａとのうち、測定液体１３
中に浸漬される部分は可撓性の保護チューブ３０で覆わ
れている。

【００１６】つぎに、実施例の流体屈折計１１を用いて
測定液体１３の屈折率を測定する方法を説明する。ま
ず、図１に示すようにプローブ１４を測定液体１３中に
浸漬して、プリズム１８の底面ａを測定液体１３に接触
させる。ついで、所定波長の測定光ＰＡをライトガイド
１６によりプローブ１４に導く。このようにして導波さ
れた測定光ＰＡは集光レンズ２２により収束光にされて
プリズム１８の端面ｂから入射させられ、その底面ａに
おいて集光される。そして、入射した測定光ＰＡのうち
臨界角以下のものは透過光ＰＣとなって測定液体１３に
向かって射出される。

【００１７】一方、臨界角以上のものは全反射され反射
光ＰＢとなってプリズム１８の端面ｃから射出されミラ
ー２４に入射し、ここで全反射されてミラー２５に向か
って射出された後ミラー２５に入射し、そして、ここで
全反射されて対物レンズ２６に向かって射出され、さら
に、対物レンズ２６に入射した反射光ＰＢはこの対物レ
ンズ２６によって、イメージガイド１７の始端部１７Ｂ
の受光面ｈに受光される。

【００１８】反射光ＰＢが受光された受光面ｈ上には、
図４に示すような明部と暗部の境界線Ｌを境とした明暗
の境界像が形成される。この境界像の境界線Ｌは臨界角
に対応する位置に現われるものであり、図５に示すよう
に境界線Ｌが移動して境界線Ｌ’の位置になると、この
移動量ΔＬに対応する量だけ臨界角が変化したことにな
り、屈折率が変化したことがわかる。屈折率は、屈折の
法則に基づいて臨界角より求めることができるので、上
記境界像をイメージガイド１７により処理部１５に画像
伝送し、ここで境界線Ｌの位置を検知して、屈折の法則
に基づくプログラム演算処理を行ない測定液体１３の屈
折率を求める。

【００１９】このとき、受光面ｈ上に明暗の境界像が形
成されない場合は、モータによってピニオン２８を回
し、ラック２１に固定された送光部１９および受光部２
０をプリズム１８の中心点Ｇを回転の中心として、測定
光ＰＡのプリズム１８への入射光路と反射光路とを含む
面に沿った円周上を回動させて、集光レンズ２２、第１
のミラー２４、第２のミラー２５、対物レンズ２６の位
置を変更し、反射光ＰＢを受光面ｈに受光し明暗の境界
像が形成されるように調整する。ここで、ラック２１を
図２において時計回りの方向（以下、正方向と略記す
る。）に回すと、これに伴って送光部１９および受光部
２０も正方向に回動し、プリズム１８に入射する測定光
ＰＡの入射角度が小さくなるので、小さい値の屈折率が
測定できる。また、ラック２１を時計回りの方向と反対
方向（以下、逆方向と略記する。）に回すと、これに伴
って送光部１９および受光部２０も逆方向に回動し、プ
リズム１８に入射する測定光ＰＡの入射角度が大きくな
るので、大きい値の屈折率が測定できる。

【００２０】また、予め屈折率既知の液体にプローブ１
４を浸漬し、送光部１９および受光部２０の回動した角
度と屈折率との相関を求めておき、この後プローブ１４
を測定液体１３に浸漬し、エンーコーダーにより伝送さ
れてきたピニオン２８の回転量から送光部１９および受
光部２０の回動した角度を求めると上記相関から測定液
体１３の屈折率の値を算出できる。また、上記境界線Ｌ
の時間的位置変化を検出することにより、屈折率の時間
的変化を求めることもできる。また、測定液体１３内で
プローブ１４を移動させることにより、測定液体１３の
屈折率分布を求めることもできる。

【００２１】つぎに、本発明を液体の密度を測定するた
めに用いた一実施例について説明する。この例の液体密
度計は、処理部１５でのプログラム演算処理方法を異に
する以外は上記実施例の液体屈折計１１と同様の構成で
ある。この液体密度計の処理部１５においては、下記数
式（Ｉ）に示すローレンツ・ローレンツの式を利用した
アルゴリズムにより、求められた屈折率から容易にその
密度を求めることができるようになっている。 ρ＝（ｎ²−１）／ｒ（ｎ²＋２） ・・・（Ｉ） 式中、ρは測定液体の密度、ｎは測定液体の屈折率、ｒ
は測定液体に固有の比屈折をそれぞれ表わす。

【００２２】以上述べた実施例の液体屈折計１１および
これを用いた液体密度計においては、ピニオン２８を回
して、ラック２１に固定された送光部１９および受光部
２０をプリズム１８の中心点Ｇを回転の中心として、測
定光ＰＡのプリズム１８への入射光路と反射光路とを含
む面に沿った円周上を回動させることができる。したが
って、計測時に集光レンズ２２、第１のミラー２４、第
２のミラー２５、対物レンズ２６の位置を変更して、受
光面ｈ上に明暗の境界像を形成するように調整できるの
で、広範囲の屈折率および密度を測定できる。また、ラ
イトガイド１６と集光レンズ２２とが送光部固定板２３
に固定され、対物レンズ２６とイメージガイド１７とが
受光部固定板２７に固定されているので、処理部１５に
伝送される画像中の輝度を均一にすることができ、正確
な屈折率および密度の計測ができる。さらに、ピニオン
２８とエンコーダーとが連結されているので、屈折率該
知の液体にプローブ１４を浸漬した際の送光部１９およ
び受光部２０の回動した角度と屈折率との相関を求めて
おき、ついで測定液体１３にプローブ１４を浸漬し送光
部１９および受光部２０の回動した角度を求めると上記
相関から測定液体１３の屈折率の値を算出できる。ま
た、実施例においては液体の屈折率および密度を測定す
る例について説明したが、気体の屈折率および密度を測
定する場合にも同様になし得る。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の流体屈折
計およびこれを用いた流体密度計は、プローブ内の送光
部および受光部を、プリズムの測定液体と接触する面の
中心点を回転の中心として、測定光のプリズムへの入射
光路と反射光路とを含む面に沿った円周上を回動するよ
うにしたものであるので、受光面上に明暗の境界像を形
成するように調整でき、従来のものと比べて広領域の屈
折率および密度を測定することができるという利点があ
る。また、送光部および受光部をそれぞれ一体化するこ
とで、処理部に伝送される画像中の輝度を均一にするこ
とができ、正確な屈折率および密度の計測ができる。さ
らに、エンコーダーを取り付けて送光部および受光部の
回動した角度を求めて、送光部および受光部の回動後の
屈折率および密度の値を算出することができる。そし
て、このような本発明の流体屈折計およびこれを用いた
流体密度計は、特に、サンプリングの不可能な液化ガス
などの極低温液体や流動中の液体などの屈折率や密度測
定に好適である。また、巨体タンクに貯蔵された液体中
の屈折率分布や密度測定を容易に行なうことができるの
で、例えば、液化天然ガスなどの製造および品質管理な
どに有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例の液体屈折計を示した概略構
成図である。

【図２】 図１の液体屈折計のプローブを示した概略構
成図である。

【図３】 実施例に用いられるプリズムの上面から見た
平面図（Ａ）と底面から見た平面図である。

【図４】 受光面で受光された明暗の境界像の例を示し
た図である。

【図５】 図４の境界像の境界線Ｌが移動した例を示し
た図である。

【図６】 従来の液体屈折計およびこれを用いた液体密
度計のプローブを示した概略構成図である。

【符号の説明】

ＰＡ・・・測定光、１２・・・光源、１４・・・プローブ、１４
Ｂ・・・窓、１５・・・処理部、１６・・・ライトガイド、１７・
・・イメージガイド、１８・・・プリズム、１９・・・送光部、
ＰＢ・・・反射光、２０・・・受光部、Ｇ・・・中心点、ＰＣ・・・
透過光

フロントページの続き (72)発明者 千吉良 定雄 千葉県佐倉市六崎1440番地 藤倉電線株式 会社佐倉工場内 (72)発明者 真田 和夫 千葉県佐倉市六崎1440番地 藤倉電線株式 会社佐倉工場内 (72)発明者 温井 一光 神奈川県藤沢市みその台９−10 (72)発明者 中村 賢二 千葉県市川市本北方１丁目15番10号 (72)発明者 田中 孝明 神奈川県横浜市磯子区汐見台３−３−3307 −743

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも測定光が入射する面と、この
   測定光がプリズムと測定液体との接触面で全反射を生じ
   て透過光と反射光とに分離される面と、この反射光が出
   射する面とを有するプリズムと、測定光を前記プリズム
   に導く送光部と、前記プリズムからの反射光を受ける受
   光部とが、前記プリズムの一つの面を測定流体に接触さ
   せる窓が設けられたプローブ内に収容され、前記送光部
   に測定光を導波するライトガイドが光源と送光部とに接
   続され、前記受光部からの反射光を導波するイメージガ
   イドが受光部と処理部とに接続され、上記処理部におい
   て受光部で検出された受光位置情報に基づいて測定流体
   の屈折率を求める流体屈折計において、送光部および受
   光部がプリズムの測定液体と接触する面の中心点を回転
   の中心として、測定光のプリズムへの入射光路と反射光
   路とを含む面に沿った円周上を回動するようにされたこ
   とを特徴とする流体屈折計。
2. 【請求項２】 少なくとも測定光が入射する面と、この
   測定光がプリズムと測定液体との接触面で全反射を生じ
   て透過光と反射光とに分離される面と、この反射光が出
   射する面とを有するプリズムと、測定光を前記プリズム
   に導く送光部と、前記プリズムからの反射光を受ける受
   光部とが、前記プリズムの一つの面を測定流体に接触さ
   せる窓が設けられたプローブ内に収容され、前記送光部
   に測定光を導波するライトガイドが光源と送光部とに接
   続され、前記受光部からの反射光を導波するイメージガ
   イドが受光部と処理部とに接続され、上記処理部におい
   て受光部で検出された受光位置情報に基づいて測定流体
   の屈折率を求める流体密度計において、送光部および受
   光部がプリズムの測定液体と接触する面の中心点を回転
   の中心として、測定光のプリズムへの入射光路と反射光
   路とを含む面に沿った円周上を回動するようにされたこ
   とを特徴とする流体密度計。