JPS59206746A - 流体の屈折率測定装置 - 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、光学測定装置、よシ詳しく云うと流体に浸漬
した光学光導体を介して伝達する光束を利用して流体の
屈折率（Ｒ，Ｉ）を連続して測定する装置に関する。

〔従来技術〕

流体の塩度、ブリックス度、溶媒濃度、比重その他の特
性を、屈折率を用いて表示するととは周知であって、屈
折計として広く知られている市販の装置において実施さ
れておシ、その多くは臨界角法により屈折率を測定して
いる。

この方法には幾つかの修正が施されているが、かかる修
正はガラスロッドの多重反射を利用するもので、これを
利用した装置には、例えば、エルテンドン（Ｅｌｔｅｎ
ｔｏｎ　）の米国特許第２，５６９，１２７号及びウィ
ツト（Ｗｉｔｔ　）の米国特許第３，３１１，０１４号
の各明細書に記載の装置がある。

これらの装置に共通した特徴は、屈折率がそれ自身よシ
も小さい流体に浸漬すると光導体として作用する透明な
光ロッドあるいはその複数を使用している点にある。透
明なロッドの一端に射突した光は、全肉反射（Ｔ、１．
Ｒ）現象によりトラップされ、ロッド内で多重反射を行
なってから他端又は同じ端部を介して逃げる。これは繊
維光学における効果であるので、通常はファイバではな
くロッドが使用されているけれども、これらの装置は繊
維光学反射計と呼ばれている。

上記した態様でロッドを伝達する光の量は、数ある因子
の中で、特にロッドを浸漬する流体の屈折率によって決
まる。光検出器を用いて光信号を電気信号に変換するこ
とによυ、流体の屈折率、ひいては流体の所望の特性を
連続的に測定することができる。この場合、全肉反射（
Ｔ、Ｉ、Ｒ）のトラップは、ロッドの屈折率（Ｒ，Ｉ）
が流体よシも大きい場合にのみ生じるのである。

上記した装置の殆んどは、ロッドと流体とを収容する特
殊なサンプル室を利用している。従って、サンプルされ
た領域の特性が大部分の流体の特性と異なる可能性があ
る。これは、屈折率が温度の関数であるところから、特
に温度依存特性の場合に起シ易い。例えば、上記したウ
ィツトの米国特許第３，３１１，０１４号明細書に記載
の装置のように、ロッドが流体の中まで実質上達してい
る装置の場合には、流体が光源、光検出器その他の素子
を内蔵する測定室に浸透するのを、０リング又は接着剤
のような漏洩封止シールを用いて避けるようにしなけれ
ばならない。このようなシールを使用すると、ロッドと
シーラントとの間に光学的接触が生じ、ロッドにトラッ
プされた光の多くは接触領域において逃げてしまい、装
置の感度が低下してしまう。ある場合には、装置は屈折
率が接着剤よシも小さい流体に対し実質上感度を示さな
くなるかもしれない。また、屈折率がロッドの屈折率に
近い場合には、繊維光学屈折計の感度が最大となシ、先
行技術に係る装置の高感度の領域が、ロッド材料によっ
て予め定められる狭い領域に限定されてしまう。

〔発明の目的〕

従って、本発明の目的は、先行技術の屈折率が有する上
記制約及び欠点を除去することができ、しかも流体の屈
折率の測定と記録を連続して行ないかつ光導体センサの
幾何学形状によシ定められる比較的広い範囲に亘って高
感度を示すことができる流体の屈折率測定装置を提供す
ることにある。

〔−発明の構成〕

本発明に係る流体の屈折率測定装置は、透明な材料から
なシ流体に浸漬することができしかも彎曲部の曲率直径
が直径の少なくとも５倍大きい略Ｕ字形のセンサ・ロッ
ドと、該センサーロッドの両端部が連結されるハウジン
グと、該ハウジングに収容され前記センサ・ロッドの一
方の端面に対し光を照射する光源と、前記ハウジングに
収容され前記センサ・ロッドのもう一方の端面の光を受
光する光検出器手段とを備えてなる構成を有するもので
ある。

〔実施例〕

以下、本発明の理解を一層容易にするため、添付図面に
示す本発明の好ましい実施例に関し説明する。

以下において詳細に説明する図示のものは、本発明の単
なる好ましい実施例であって例示を目的にするものに過
ぎず、しかも本発明の原理と概念に関する最も有用なか
つ容易に理解することができる記載を提供するだめのも
のである。従って、本発明を基本的に理解するのに必要
なもの以上に本発明の構成を詳細には説明していないが
、当業者は図面に関してなされている以下の記載に基づ
いて、別の幾つかの形態で本発明を容易に実施すること
ができるものである。

図面について説明すると、第１図にはガラスのような透
明な材料から形成された略Ｕ字形のロッド２が示されて
いる。このロッドは、測定に際しては、センサとして作
用するもので、屈折率を測定しようとする液体４に浸漬
される。最大の感度を得るためには、センサ・ロッド２
の彎曲部は、センサ・ロッドの直径ｄの少なくとも５倍
大きい曲率直径りを有していなければならない・ことが
わかった。更に、ＤＺｄ比がこれより大きくなると、１
本のセンサ・ロッド２によって測定されるｎ領域はほと
んど全ての液体の屈折率を測定するのに充分な広さとな
る。特に高い屈折率を有する液体の場合には、屈折率が
この液体よシも大きいガラスからなる特殊なセンサ・ロ
ッド２が必要となる。

第２図に詳細に示されておシ下記する取付部材６を介し
て、Ｕ字形ロッド２の平行をなして真直ぐ伸びる両端部
は、断熱ライニング１２が内側に設けられた密封ハウジ
ング１ｏの底板８に接続されている。

密封ハウジング１０には、周囲の光を濾過除去するよう
に電子的なパルス動を行なう発光ダイオード（ＬＥＤ）
１４からなる入力光源が収容されている。

ここで使用されている発光ダイオードは、例えば、５８
５０Ａの波長の準単光色（ｑｕａｓｉ　−ｍｏｎｏｃｈ
ｒｏｍａｔｆｃｌｉｇｈｔ）を発生することによシ屈折
率分散効果（ｉｎｄｅｘｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆ
ｅｃｔ　）を最小にするようにしている。

なお、屈折率もまた波長の関数なのである。発光ダイオ
ードは更にまた、電力消費が少なく、シかも大きさがコ
ンパクトであるので下記するようにセンサ・ロッド２に
対する光学的な結合を容易に行なうことができるものと
して知られている。

発光ダイオード１４はソケット１６に取付けられており
、ソケット１６にはまた、発光ダイオード１４から得ら
れる入力光束を監視する作用をなす基準光検出器１８が
収容されている。光検出器１８が発生する信号は、基準
信号増幅器２０を介して端子Ａに供給される。

発光ダイオードからの光は、センサ・ロッドを介して進
む。発光ダイオードが発する光の一部は、ロッド壁部で
のそれぞれの入射角度によシ、全体が内部反射され、吸
収によるある程度の損失は無視して、実質上減衰せずに
ロッドの他端に達する。

ロッド材料の屈折率とロッド２を包囲する媒体の屈折率
との差により、光束の別の一部はロッド２から反射して
出て、液体４に入射する。光束のこの「損失」分を形成
することにょシ、基準信号と検量線とによって液体４の
屈折率を得るために、ハウジング１０には出力光検出器
が更に設けられている。

出力光検出器としては、ソケット２４に取付ケラれた光
検出器２２が用いられている。この検出器の出力信号は
、出力信号増幅器２６を介して端子りに供給される。

ハウジング１０には更に、発光ダイオード１４の電源装
置２８が収容されている。この装置はそれ自身がバルサ
であってもよく、あるいは、端子Ｃを介して外部パルプ
よ、がっ、端子Ｂを介して外部電源へ接続されてもよい
。

上記したように、屈折率もまた温度の関数であるので、
液体４とロッド２の温度を連続して監視しなければなら
ない。なお、ロッドの熱容量は小さいので、両者の温度
はほぼ等しくなる。温度は熱電対によシ監視することが
でき、熱電対の高温接点３０は液体４に浸漬され、端子
Ｅを介して外部の冷接点及びデジタル式電圧計に接続す
ることができる。

保護ストリップ６１は、センサ響ロッド２が物理的に保
全された状態にあるようにロッドを保護する。

取付部材６と関連素子が第２図に拡大して示されている
が、第２図の右側の部分は装置の「入力」側を示し、左
側は「出力」側を示す。第２図から明らかなように、Ｕ
字形のセンサ・ロッド２の平行な両端部はそれぞれ発光
ダイオード１４及び光検出器２，２の部分で終端してい
るのではなく、遥かに下方の位置で終端しており、本実
施例では底板８を通過する面内で終端している。センサ
・ロッド２の端部から発光ダイオード１４及び検出器２
２までは、光束は連結口ｙド４０及び４２を介して案内
される。発光ダイオード１４と入力連結ロッド４０とは
、発光ダイオードの凸状先端部を削り取って平坦面とし
、この平坦面に、透明なエポキシ接着剤４９を用いて連
結ロッド４０の頂面を接着することにより密接結合され
る。連結ロッド４０及び４２の下面とセンサ・ロッド２
のそれぞれの上面との光学的な結合は、適当なオイルを
滴下してから注意しながら互いに押当てることにより行
なうことができる。

かかる接触力は実際には取付部材６によシ得ることがで
きる。

同一の２つの取付部材６は、基本的には、両端の外側に
ねじが切られ、しかも第１図に示すように六角形に形成
されているのが好ましいカラー６４を有する金属スリー
ブ６２とみることができる。このスリーブ６２は、底板
８に互いに離隔して適当な寸法に形成された孔に挿入さ
れ、封止ワッシャ６６が両者の間に介在配置され、締付
けられる。スリーブ３２には下部口金４６と上部口金４
８ｙｊｌｆｔｔＦ）嵌めされており、口金４６及び４８
の内側には、センサ・ロッド２の真直ぐな端部と連結ロ
ッド４０　、４２の下部がそれぞれ接着されている。セ
ンサ・ロタド及ヒ連結ロッドの端面は、それぞれの口金
のリム５０と略同一平面をなしている。口金４６　、４
８には、これらのリム５０からある距離のところにそれ
ぞれカラー５２及び５４が設けられており、力２−５２
及び５４は、スリーブ６２のねじの切っである端部に整
合するユニオン・ナツト５６及び５８とそれぞれ係合す
るようになっている。これらのユニオン・ナツトを締付
けると、センサ・ロッド２と連結ロッ）”４０，４２ｕ
、第２図に明示されているように、互いに押当てられる
。逆に、２つの下部ユニオン・ナツト５６を緩めると、
センサ・ロッド２をスリーブ６２がら容易に取出すこと
ができ、掃除又は交換に供することができる。口金４６
の下部の重量のある部分には０リング６０が配設されて
いて、液体がハウジング１゜の内部に出入シするのを封
止しているが、これは、例えば、ソーラー・ポンド（５
ｏｌａｒ　ｐｏｎｄ　）の塩分濃度を監視する場合、セ
ンサ・ロッド２だけではなく、装置全体を浸漬しなけれ
ばならないときに重要である。かかる場合には、配線の
端子Ａ乃至Ｅと熱電対３０の貫通接続部材６２もまた液
密でなければならないのは当然である。

第２図に示すような発光ダイオード１４、基準光検出器
１８及び出力光検出器のそれぞれの構造・配列自体は新
しいものではない。しかしながら、屈折率の測定におけ
る基準光検出器１８の機能は上記したが、例えば、プロ
セス制御のような用途に用いる場合には、屈折率の絶対
値は屈折率の安定度（ｃｏｎｓｔａｎｃｙ’　）はど重
要ではないので、かかる場合には、基準光検出器１８は
大刀光束の安定度を監視し、変化が生じた場合には電子
補償手段を作動させるように機能すれば足シる。先行技
術の装置においては、かかる問題は、遥かに複雑な差動
屈折計によって解決されているだけである。

当業者にとって明らかなように、本発明は上記した実施
例に限定されるものではなく、本発明の本質から逸脱す
ることなく別の特定の形態で具体化できるものであるか
ら、上記実施例は全ての点が例示であって、限定的な意
味に解釈されるべきではないので、本発明の範囲は特許
請求の範囲の記載に基づいて定められるものであシ、ま
た特許請求の範囲に記載のものと均等の範囲のものも本
発明に包含されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る屈折計の好ましい実施例を示す部
分断面概略図、第２図は第１図の実施例の取付部品と光
学要素を示す拡大断面図である。 ２・・・ロッド、４・・・液体、６・・・取付部材、８
・・・底板、１０・・・ハウジング、１２・・・断熱２
イニング、１４・・・発光ダイオード、１６・・・ソケ
ノＩ−，１８・・・基準光検出器、２０・・・基準信号
増幅器、２２・・・光検出器、２４・・・ソケット、２
６・・・出力信号増幅器、２８・・・電源装置、３０・
・・高温接点、３１・・・保護ストリップ、３２・・・
金属スリーブ、６４・・・カラー、３６川密封ワツシヤ
、４０．４２・・・連結ロッド、４６．４８・・・口金
、５０・・・リム、５２．５４・・・カフ−１５６，５
８・・・ユニオン・ナツト、６０・・・０リング、Ａ−
Ｅ・・・端子。 ％野山願人　　エルサレム力しソジオブテクノロジー代
　理　人　　弁理士　川　　崎　　隆　　夫Ｆｔ’ｇ、
７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）透明な材料からなり流体に浸漬することができし
   かも彎曲部の曲率直径が直径の少なくとも５倍大きい略
   Ｕ字形のセンサ・ロッドと、該センサ拳ロッドの両端部
   が連結されるハウジングと、該ハウジングに収容され前
   記センサ・ロッドの一方の端面に対し光を照射する光源
   と、前記ハウジングに収容され前記センサ・ロッドのも
   う一方の端面の光を受光する光検出器手段とを備えてな
   る流体の屈折率測定装置。 （２）　　前記光源による光の照射は透明な材料からな
   る略真直ぐな連結ロッドによってなされるものであシ、
   該連結ロッドの一端面は前記センサ・ロッドの一方の端
   部の面と密接しかつ前記連結ロッドのもう一方の端面は
   前記光源の端面と密接していることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の流体の屈折率測定装置。 （３）前記光検出手段による受光は透明な材料からなる
   略真直ぐな連結ロッドによってなされるものであシ、該
   連結ロッドの一端面は前記センサ・ロッドのもう一方の
   端部の面と密接しがっ前記連結ロッドのもう一方の端面
   は前記光検出器手段に対する受光を行なうものであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の流体の屈
   折率測定装置。 （４）第２の光検出器手段を備え、該第２の光検出器手
   段は前記光源に接近して配置されかつ前記光源の光束を
   監視するものであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の流体の屈折率測定装置。 （５ン　　前記光源は発光ダイオードであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の流体の屈折率測定
   装置。 （６）前記光源は周囲の光の濾過除去を容易にする脈動
   光の光源であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の流体の屈折率測定ｉ置。 （７）前記光検出手段は光検出器であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の流体の屈折率測定装置
   。 （８）前記ハウジングは密封自在であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の流体の屈折率測定装置
   。