JPS6212840A - 被検液の濃度測定方法および測定器 - 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】 〔発明の目的〕 主栗上立■且立駈 本発明は糖度、塩分濃度等の各種被検液の濃度を簡易な
光学的、電気的手段により表示せしめる様にした被検液
の濃度測定方法および測定器に関するものである。

従米至技専 従来かかる濃度測定器としては、被検液の濃度に依有す
る屈折率の変化、或いは濃度に依有する被検液とガラス
界面での臨界角の変化を利用したものとして以下のもの
が見受けられる。

■　液の透過光線による臨界角を境にした明暗の像を接
眼レンズおよび目盛板によって読み取る様にしたもの。

■　上記のものと同じ像をイメージセンサによって読み
取り、デジタル表示をする様にしたもの。

■　液とプリズムの界面をビームによって走査し、その
反射光強度から臨界角を測定し、デジタル表示する様に
したもの（特公開昭５３−１５８２号公報）。

上記■■のものは、共に液を透過した光線を用いての検
出であるため、不透明な液の濃度の測定には対応出来な
い欠点を有していた。

又、■のものは試料とコーテイング面を有する基礎プリ
ズムとを接触せしめて界面を形成し、該界面をダブルビ
ームの平行光線で連続的に角度を変えながら走査し、試
料と基礎プリズムとの界面により臨界角度位置を光電的
に捕捉すると共にコーテイング面よりの反射光をも光電
的に捕捉し、これら両光電信号を臨界角コンパレータに
入力する様にしたデジタル式自動屈折計に関し、かかる
屈折計によれば反射光を用いるため、■■の如く液の透
明度は全く問題にならないが、平行光線を照射するコリ
メータの角度を変化させながら臨界角位置を走査せしめ
るため、コリメータに・対する機械的可動部が必要とな
り、よって計器自体の小型化が難しく携帯用には適さず
、又借かな臣ｎ界角の変化を捉えるためには非常に高度
なコリメータの駆動精度を要求され、且つコリメータの
角度を細かく読み取る装置を必要とするため、計器自体
が非常に高価なものとならざるを得なかった。

日が”ン　しようとする５　占 本発明は１、不透明な被検液の測定を可能にし、且つ高
精度を要求される機械的駆動部をなくし、全て静的状態
で測定可能ならしめることにより、−高精度な測定結果
を期待出来る被検液の測定方法を提供すると共に、携帯
に便利な小型且つ安価な測定器を提供せんとするもので
ある〔発明の構成〕 ＩＡＵ壱を”°するための 本発明はかかる点に鑑み、一つの拡散面と二つの磨き面
を有するプリズムを設け、拡散面を光源に対する入射面
、一方の磨き面を入射光に対する反射面、他方の磨き面
を出射面と成し、反射面上に載置された被検液に対し拡
散面より拡散光を照射し、反射面と被検液との界面より
反射した反射光を出射面より出射せしめると共に、この
出射光をレンズを通して多数の光電変換素子を配列して
成るイメージセンサ上に結像させ、界面における臨界角
の変化に対応するイメージセンサの各光電変換素子の出
力信号変化を演算処理し、更に被検液の温度に対する温
度補正回路からの信号を各光電変換素子の出力信号変化
に加えて補正して被検液の濃度を表示せしめる様にした
被検液の濃度測定方法および測定器を提供して上記欠点
を解消せんとしたものである。

作−１一 本発明は上記構成により、光源から発せられた光、線は
プリズムの拡散面である入射面を照射し、ここで拡散さ
れた光線はプリズム内部を通って被検液との界面を構成
する反射面に達し、この界面において反射され、反射光
は出射面より出射してレンズに入射され、レンズはこの
光線を多数の光電変換素子を配列して成るイメージセン
サ上に結像させる。

反射光はあらゆる角度の光線を含むが、その強度は被検
液とプリズムの界面における全反射の臨界角を境に変化
し、この結果イメージセンサ上には明暗の像が結像され
、この明暗の像の境界位置をイメージセンサの各光電変
換素子の出力列から電気的に検知処理することにより被
検液の濃度が求められ、その値がデジタル表示される。

測定原理は反射光強度の臨界角付近での変化を観測し、
屈折率若しくは濃度を知るものである。

臨界角θ７はプリズムの屈折率をｎｐ、被検液の屈折率
を０８とすると、 ｓｉｎ　θｔ　　＝ｎｘ　　／　ｎｐ で表される。

ここでｎ、は被検液の濃度に依存し、被検液の濃度をχ
とすると、ｎｘ＝ｆ（χ）の関数式例えばχに蔗糖濃度
（糖度）をとれば、ｆ　（Ｘ）は国際砂糖分析標準化委
員会の１９６６年コペンハーゲン会議で示された４次式
となる。

従って何らかの方決でθアを測定することによって、被
検液の濃度χを測定することが出来る。

ス」１舛 以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明すると、 ■は測定器本体であり、該測定器本体１はケース２に内
装された光学的な測定部３、電気的な回路構成部４、測
定結果の表示部５より構成せしめている。

６は測定部３におけるプリズムであり、該プリズム６は
一つの拡散面７と二つの磨き面８．９を有し、拡散面７
を入射面１０、一方の磨き面８を反射面１１、他方の磨
き面９を出射面１２と成すと共に、反射面１１を被検液
１３の載置面１４と成し、かかるプリズム６をケース２
の上面に開口された急部１５に反射面１１を対応せしめ
る様にしてケース２内部に設けた支持枠１６を介して固
定せしめている。

又、入射面１０の対向位置にはＬＥＤより成る光源１７
を配置せしめて支持枠１６の筒部１８に固定支持せしめ
、光源１７により入射面１０である拡散面７を照射して
反射面１１に対し拡散面光源を照射せしめる様に成して
いる。

又、出射面１２の対向位置には照射光の屈折方向に対応
して縦方向に多数の光電変換素子１９．１９ａ・・・を
配列せしめて成るイメージセンサ２０を配置せしめて支
持枠１６の筒部２１に固定支持せしめ、かかるイメージ
センサ２０と出射面１２との間には照射光をイメージセ
ンサ２０上に結像せしめるレンズ２２を介在位置せしめ
ている。

尚、プリズム６の角度を決定するには、拡散面７からの
光線が直接出射面１２から出て結像範囲の角度でレンズ
２２に達しないこと、第３図に図示する様に拡散面７か
ら出射面１２へ直接当たる角度θａの最小値がプリズム
６と空気の界面における臨界角（約４１．２°）よりも
大であること、或いは出射面１２から直接出た光線のレ
ンズ２２を通しての結像位置がイメージセンサ２０上の
測定範囲外であることが必要であり、かかる条件を満足
する角度としては例えばＡ＝１９゜、Ｂ＝４９°、Ｃ＝
１１２°程度となる。

２３はケース２に内装せしめた電気回路部であり、イメ
ージセンサ２０からの出力を電気的に計算処理してケー
ス２の上面に設けたデジタル式の表示器２４に濃度表示
せしめる様に成している２５は被検液１３の載置面１４
に配置せしめた温度センサであり、該温度センサ２５の
出力を電気回路部２３に導入して被検液１３の温度によ
る測定値の温度補正を行わしめる様に成している。

２６は載置面１４の上部を被覆する蓋体であり、被検液
１３の外側から被検液１３を透過してプリズム６内に外
乱光が入るのを防止するためのものである。

次に濃度測定方法について説明すると、先ず光源１７に
よって拡散面７が照射されると、照射光は拡散面７で散
乱してあらゆる方向の光となって反射面１１に達し、該
反射面１１で入射光は入射角と等しい角度に反射し、出
射面１２よりプリズム６を出る。

従って出射面１２における照射光も種々の角度の光線を
含んでいる。

今、プリズム６を出射する光のうち、反射面１１に対し
て特定の角度θをなして反射した光線（θで入射した光
の反射光）だけを考えると、この反射光は角度θと界面
における全反射の臨界角θアに従って第４図、第５図に
図示する様にその強度が定まり、従って出射面１２を出
射する光は反射角θに応じた強度をもつ平行光線束の集
まりと言うことができる。

そして上記の如くプリズム６を出射した光線は、第６図
に図示する様にレンズ２２に対して入射し、入射光のう
ちレンズ２２の軸とある角度αをなして入射した平行光
線束は、レンズ２２からその焦点距離ｆ＃れたイメージ
センサ２０の面上で軸からの距離ｙ＝ｆ−ｔａｎαの点
に像を結ぶ。

入射する光は種々のαの値をもつ平行光線束の集まりで
あるから、上記イメージセンサ２０の面上に連続した像
を結ぶが、光線の強度はαの値によって異なり、第８図
に図示する様な強度分布をもつ明暗の像が出来る事にな
り、イメージセンサ２０の個々の光電変換素子１９．１
９ａ・・・を照射する光強度に応じた電圧が出力される
。

従って、個々の光電変換素子１９．１９ａ・・・の位置
は反射光の角度に対応している。

そして光電変換素子１９．１９ａ・・・の出力を端のも
のから順に読み出すと、第９図に図示する様な電圧の時
間系列となる。

この系列信号の包絡線は第１０図の状態となり、包路線
は破線や実線で示される様に、被検液１３の濃度に従っ
て変化する。

次に電気回路部２３においては、第１１図に図示する様
な回路構成より成り、読み出しタイミング回路２７はイ
メージセンサ２０に対して駆動パルスを出力し、このタ
イミングに従ってイメージセンサ２０より出力された電
圧をアンプ２８によって増幅せしめる様に成している。

尚、この時イメージセンサ２０の読み出し方向は第６図
の上から右下方向、即ち第９図における右から左方向と
する。

イメージセンサ２０の出力の界面における臨界角以下の
角度に対応する光電変換素子１９．１９ａ・・・の出力
（明部）は均一であり、この出力より僅かに下がった電
圧値を基準電圧として、この電圧よりも出力が下回った
時のイメージセンサ２０上の１位置を臨界角とする。

そして第１０図に図示する様に、希望とする測定範囲に
おける臨界角の変化をθア、からθア。

の範囲とすると、イメージセンサ２０の出力の包絡線は
図の破線から実線の範囲で変化する。

従って、例えばθ。に対応する光電変換素子１９．１９
ａ・・・の電圧は被検液１３の濃度に拘らず常に全反射
光量に対応して一定である。

そこで、先ず読み出しタイミング回路２７の出力に従っ
てこのθ。に対応する電圧を基準電圧発生回路２９でホ
ールドし、これよりも僅かに下がった電圧を基準電圧と
してコンパレータ３０の一つの入力に対して出力する（
第９図の１点鎖線）。

続いて順次イメージセンサ２０の出力を読み出して行き
、コンパレータ３０にて基準電圧と比較し、イメージセ
ンサ２０の出力が基準電圧よりも下がった時点でコンパ
レータ３０からの信号が出力され、これを受けてセンサ
出力濃度変換回路３１は読み出しタイミング回路２７か
らイメージセンサ２０上の位置に対応するタイミングパ
ルスカウント等を読み出し、これより明暗境界位置が検
知され、この位置情報から適当な演算回路によって被検
液１３の屈折率或いは濃度が求められる。

又、被検液１３の濃度と屈折率の対応は温度によって変
化するため、これを補正する必要がある。

例えば蔗糖溶液の場合、前記標準化委員会によって示さ
れた４次式は２０℃におけるものであり、実施例におけ
るセンサ出力濃度変換回路３１の出力情報も２０℃にお
ける屈折率対応によって演算された結果である。

尚、零点もまた組立時に２０℃純水によって調整されて
おり、従って２０℃以外での測定では適当な補正を行う
必要がある。

この補正に関しても同標準化委員会から温度補正表が示
されており、これによると補正値は温度および被検液１
３の濃度に依存して定められ、補正値ｙは、 ｙ−ａχｔ＋ｂχ＋Ｃ と近似する。

（ｙミ補正値、χ＝過温度ａ、ｂ、ｃは濃度に対応して
定まる係数） 従って、先ず補正前の濃度からａ、ｂ、ｃを決定し、こ
の係数と測定時の温度から補正値が求められ、これによ
って濃度を補正することが出来る。

ただし、補正誤差をある程度許容するならばａ、ｂ、ｃ
を濃度値から厳密に算出する必要はなく、ａ、ｂ、ｃの
各値の一つまたは複数の代表値にて演算してもかまわな
い。

実施例の場合プリズム６に接し、被検液１３に近接する
位置に配置された温度センサ２５の出力から温度測定回
路３２によって温度が測定され、この温度情報およびセ
ンサ出力濃度変換回路３１からの濃度情報ば温度補正回
路３３に導入され、ここで前記の温度補正演算を施した
後、補正された濃度情報は表示回路３４に出力され、該
表示回路３４はこの濃度情報に基づいて表示器２４を駆
動し、該表示器２４に濃度が表示される。

又、電源回路３５は各回路部に電力を供給するものであ
り、電池を使用することも可能である尚、第１１図のブ
ロック図の破線で囲った部分を・ＣＰＵによって構成し
、各演算および制御をソフトウェアで行うことも可能で
ある。

〔発明の効果〕

要するに本発明は、一つの拡散面７と二つの磨き面８．
９を有するプリズム６を設け、拡散面７を光源に対する
入射面１０、一方の磨き面８を入射光に対する反射面１
１、他方の磨き面９を出射面１２と成し、反射面１１上
に載置された被検液１３に対し拡散面７より拡散光を照
射し、反射面１１と被検液１３との界面より反射した反
射光を出射面１２より出射せしめると共に、この出射光
−をレンズ２２を通・して多数の光電変換素子１９．１
９ａ・・・を配列して成るイメージセンサ２０上に結像
させ、界面における臨界角の変化に対応するイメージセ
ンサの各光電変換素子１９．１９ａ・・・の出力信号変
化を演算処理し、更に被検液１３の温度に対する温度補
正回路３３からの信号を各光電変換素子１９．１９ａ・
・・の出力信号変化に加えて補正して被検液１３の濃度
を表示せしめる様にしたので、反射面１１上に被検液１
３を載置するのみで、被検液１３の濃度に関連する界面
での臨界角変化に対応して、その臨界角を各光電変換素
子１９．１９ａ・・・の出力変化により検知して被検液
１３の濃度を測定することが出来、反射光を利用するた
め、不透明な被検液１３の測定も可能であり、又高精度
を要求される機械的駆動部を要しないため、全て静的状
態での測定が可能となることにより、高精度な測定結果
を期待出来るのである又、他一方の発明である被検液の
濃度測定器においては、機械的可動部を要しないため、
機器を小型化して安価な携帯用としての使用に供するこ
とが出来ると共に、携帯用として持ち運んでの用途にお
いても機構部の安定化、即ち測定値の確実さを得ること
が出来る等その実用的効果甚だ大なるものである。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示すものにして、第１図は本発
明に係る被検液の濃度測定器の断面図、第２図、第３図
はプリズムに対する照射光の状態を示す図、第４図は界
面における反射状態を示す図、第５図は入射角と光電変
換素子の出力との関係を示す図、第６図はイメージセン
サに対する出射光の照射状態を示す図、第７図はイメー
ジセンサの正面図、第８図は光電変換素子の配置と出射
光の強度との関係を示す図、第９図は光電変換素子の位
置と出力電圧との関係を示す図、第１０図は入射角と出
力電圧との関係を示す図、第１１図は電気回路部のブロ
ック図である。 ６プリズム　７拡散面　８．９磨き面 １０入射面　１１反射面　１２出射面　１３被検液１９
．１９ａ・・・光電変換素子　２０イメージセンサ２２
レンズ　３３温度補正回路 以上 出願人　モリ才力商事　株式会社 代理人　弁理士　西　山　間　− 第２図 第３図 ト 第４図 第５図 ／２　　　　　　　第６図 第７図 （−ｆ１庚Ｏ９っ力、＆ン 第８図 第０図 〆２／

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一つの拡散面と二つの磨き面を有するプリズムを
   設け、拡散面を光源に対する入射面、一方の磨き面を入
   射光に対する反射面、他方の磨き面を出射面と成し、反
   射面上に載置された被検液に対し拡散面より拡散光を照
   射し、反射面と被検液との界面より反射した反射光を出
   射面より出射せしめると共に、この出射光をレンズを通
   して多数の光電変換素子を配列して成るイメージセンサ
   上に結像させ、界面における臨界角の変化に対応するイ
   メージセンサの各光電変換素子の出力信号変化を演算処
   理し、更に被検液の温度に対する温度補正回路からの信
   号を各光電変換素子の出力信号変化に加えて補正して被
   検液の濃度を表示せしめる様にしたことを特徴とする被
   検液の濃度測定方法。
2. （２）一つの拡散面と二つの磨き面を有するプリズムを
   設け、拡散面を入射面、一方の磨き面を反射面、他方の
   磨き面を出射面と成し、かかるプリズムを被検液が載置
   される反射面に対応して開口された窓部を有するケース
   内に取付け、該ケース内において拡散面の対向位置には
   光源を配置せしめ、出射面の対向位置には出射光の光強
   度を感知する多数の光電変換素子を配列せしめたイメー
   ジセンサを配置せしめ、該イメージセンサと出射面との
   間には出射光をイメージセンサ上に結像せしめるレンズ
   を介在位置せしめ、イメージセンサを各光電変換素子の
   出力信号を濃度表示に変換せしめる電気回路部に連繋せ
   しめ、又反射面上には被検液の温度を測定せしめる温度
   センサを配置せしめると共に該温度センサの出力を電気
   回路部の温度補正回路に連繋せしめたことを特徴とする
   被検液の濃度測定器。