JPH0545904B2 - - Google Patents

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
オ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オトダイオ
ードを用いる場合、半導体フオトダイオードの動
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図には半導体フオトダイオー
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
よつては小数点以下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
のであつた。

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の半導体フオトダイオード１の他
に、これと同一構成の温度補償用の第２の半導体
フオトダイオード２を、第１の半導体フオトダイ
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および第２の半導体フオトダ
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つて実験した。このような
濁度計では第１および第２の半導体フオトダイオ
ード１および２の動作温度は同一となるので、第
２の半導体フオトダイオード２の暗電流を第１の
半導体フオトダイオード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
れら半導体フオ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。このような
欠点を改善するために、第１１図Ｂに示すように
第１の半導体フオトダイオード１と遮光された第
２の半導体フオトダイオード２とを共通のハウジ
ング３内に収納し、これらの半導体フオトダイオ
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
にした濁度計を作つた。これによれば半導体フオ
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
オトダイオード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
子の温度ド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
うことができる測定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１０を透過した輻射線
または物質１０に含まれる粒子によつて散乱され
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１
５、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１
６および１７の出力信号は信号導線１９および２
０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ツト２３に配置
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によつて増幅し
た後、これら増幅出力信号の差を差動増幅器２１
で求めるようにしたため、受光素子１３および１
５の温度ドリフトは勿論演算増幅器１６および１
７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１９，２０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。したがつ
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ツ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−およ
び−線に沿つて切つた横断面図、第６図は第
５図の−線に沿つて切つた断面図、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
センサユニツト３１とコントローラユニツト３２
とを具え、これらを信号ケーブル３３で接続す
る。センサユニツト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その
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３４ｃ，３４ｂおよび３
４ｃには、外側に目の細かい金網３５ａ，３６ａ
および３７ａを配置し、その内側に目の粗い金網
３５ｂ，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メツシユとし、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３
４ｄを形成するが、この開口には金網は配置しし
ない。また本体３４の内部にはガラス、石英また
はプラスチツク等より成るロツドまたはフアイバ
ロツ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
オ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４０および受光部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をフアイバロツド以外のロツドで構成
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
３９の下端には反射面３８ａを形成し、発光部４
０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３８ａで水平方向に反射され、拡散板
４３を経て被検波に放射される。被検液を透過し
たレーザ光は拡散板４４を介してプリズム３９の
下端に入射し、反射面３９ａによつて上方へ反射
され、受光部４１の半導体フオトダイオードに入
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ヤツ
プ４５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ユニツト３２に接続さ
れている。さらに本体３４にはセンサユニツト３
１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によつて本体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４
４の間隔によつて規定される測光光路の長さは２
mm、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４２ｃ，４２ｄとを形成し、貫通孔４
２ａ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
オトダイオード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
ザ光が半導体フオトダイオードに直接入射するよ
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
述した半導体フオトダイオード５２と同一の構成
を有する温度補償用の半導体フオトダイオード５
５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５
１、半導体フオトダイオード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から入射されるレーザ光
の一部を受光する半導体フオトダイオード５７も
設けてある。この半導体フオトダイオード５７お
よび温度補償用ダイオード５４の出力信号をコン
トローラユニツト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オトダイオ
ード５２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オトダイオード５５の出力
信号を演算増幅器５６で増幅し、これら増幅した
出力信号をコントローラユニツト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、これら半導体フオトダイオード
５２，５５および演算増幅器５３，５６は同一の
ハウジング４２内に収納されているため同一の動
作温度となり、したがつて差動増幅器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６
４において処理して濁度を求め、これを表示器６
５において表示する。

第８図ＡのグラフＡは半導体フオトダイオード
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
された半導体フオトダイオード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
導体フオトダイオード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
オトダイオード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オ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
体フオ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、直線的になつていることがわか
る。僅かに残留するOD値の誤差は、半導体フオ
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３４ａ，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
体フオトダイオード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ぼ
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１０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によつ
て外部光から遮蔽された温度補償用の受光素子７
４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
そのセンサユニツ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−線および−
線に沿つて切つた横断面図、第６図は第５図の
−線に沿つて切つた縦断面図、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１０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。

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、少なくとも受光部を測定すべき物
   質に曝すようにした測光装置において、前記受光
   部の受光素子と同一構造を有するが、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
   一構造の第１および第２の演算増幅器とを前記受
   光素子を収納したハウジングと同じハウジング内
   に収納し、これら第１および第２の演算増幅器の
   出力信号の差動信号を測定信号として出力する差
   動増幅器を前記ハウジングの外部に設けたことを
   特徴とする測光装置。