JPS62151744A - Measuring instrument for mixing ratio of liquid - Google Patents

Measuring instrument for mixing ratio of liquid

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Publication number
JPS62151744A
JPS62151744A JP29509985A JP29509985A JPS62151744A JP S62151744 A JPS62151744 A JP S62151744A JP 29509985 A JP29509985 A JP 29509985A JP 29509985 A JP29509985 A JP 29509985A JP S62151744 A JPS62151744 A JP S62151744A
Authority
JP
Japan
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light
optical fiber
refractive index
liquid
side optical
Prior art date
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Pending
Application number
JP29509985A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaharu Mogi
昌春 茂木
Hiroo Matsuda
松田 裕男
Kazuhiro Okamoto
和弘 岡本
Kozo Yoshimura
吉村 耕三
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP29509985A priority Critical patent/JPS62151744A/en
Publication of JPS62151744A publication Critical patent/JPS62151744A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To measure the mixing ratio of fluids in real time by flowing two kinds of mixed fluids which differ in refractive index between a projection-side optical fiber and a photodetection-side optical fiber and measuring the power of light photodetected by the photodetection-side optical fiber. CONSTITUTION:A fluid tube 10 is provided with a projection-side optical fiber tube 11 and a photodetection-side optical fiber tube 12 opposite each other. The optical fibers 1 and 2 are provided in the tubes 11 and 12 and two kinds of mixed fluids L which differ in refractive index are made to flow between their end surfaces 18 and 19. Light emitted from the projection-side end surface 18 is diffused in a light cone Q and part of it strike on the photodetection-side end surface 19. The light cone Q is wider and wider as the refractive index of the fluid L is lower and lower, and the quantity of light incident on the photodetection-side end surface 19 is less and less. Further, the refractive index is determined by the mixing ratio of fluids, so variation in the quantity of light incident on the photodetection-side end surface 19 with refractive index is measured by a photodetecting element 14, whose output is used to find the mixing ratio of fluids. Thus, the mixing ratio of fluids is found from the output of the photodetecting element, so the mixing ratio is detected in real time.

Description

【発明の詳細な説明】 力技術分野 この発明は、光ファイバを用いる事により、混合液体の
混合比率を測定する装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention This invention relates to a device for measuring the mixing ratio of mixed liquids by using optical fibers.

ここで混合液体というのは、屈折率が異なる透明な2種
類の液体を混合したものである。
Here, the mixed liquid is a mixture of two types of transparent liquids having different refractive indexes.

イ)従来技術とその問題点 液体の混合比率を測定するには、試薬を用いた化学的な
定量分析法が知られている。
B) Prior art and its problems Chemical quantitative analysis methods using reagents are known for measuring the mixing ratio of liquids.

また、混合液体の比重や屈折率を測定し、これらの値か
ら、混合比率を換算する物理的な定量分析法も知られて
いる。
Also known is a physical quantitative analysis method in which the specific gravity and refractive index of a mixed liquid are measured and the mixing ratio is calculated from these values.

これらの方法は、混合液体を一部採取し、サンプリング
して専用測定器で測定を行なうものである。液体を採取
してから、測定、計算までの間に時間的な遅れがある。
These methods involve taking a portion of the mixed liquid, sampling it, and measuring it with a dedicated measuring device. There is a time delay between sampling the liquid and measuring and calculating.

近年、稼動中のラインに於て、液体に関する物理情報を
、リアルタイムでサンプリングしたい、という要望が高
まってきた。
In recent years, there has been an increasing desire to sample physical information about liquids in real time on operating lines.

液体の温度、圧力、流量といった物理量情報については
、さまざまな測定装置が開発されている。
Various measuring devices have been developed for measuring physical quantity information such as liquid temperature, pressure, and flow rate.

しかし、液体の混合比については、オンラインで測定で
きる簡単な装置はない。
However, there is no simple device that can measure the mixing ratio of liquids online.

混合される液体が無色透明である場合は、光の透過率測
定などによっては、混合比を知ることができない。混合
される液体の比重が近い場合、比重測定による混合比換
算は困難である。
If the liquid to be mixed is colorless and transparent, the mixing ratio cannot be determined by measuring light transmittance or the like. If the specific gravities of the liquids to be mixed are close, it is difficult to convert the mixing ratio by measuring the specific gravity.

屈折率差を用いる方法が混合比測定のために有望である
、と考えられる。しかし、屈折率測定を用いるものにし
ても、液体の一部を採取して光を当て屈折率を測定して
いる。
It is believed that methods using refractive index differences are promising for mixture ratio measurements. However, even when refractive index measurement is used, a portion of the liquid is sampled and exposed to light to measure the refractive index.

液体の混合比率に関し、オンラインで手軽に測定できる
装置は存在しない。それは、屈折率を連続的に測定でき
る方法がこれまで存在しなかったからである。
There is no device that can easily measure the mixing ratio of liquids online. This is because until now there has been no method that allows continuous measurement of refractive index.

(り)  目    的 液体の混合比率をリアルタイムで測定することのできる
装置を与える事が本発明の目的である。
(i) Purpose It is an object of the present invention to provide a device capable of measuring the mixing ratio of liquids in real time.

液体の混合比率をオンラインに於てもオフラインに於て
も手軽に測定することのできる装置を与える事が本発明
の第2の目的である。
A second object of the present invention is to provide an apparatus that can easily measure the mixing ratio of liquids both online and offline.

液体の混合比率を人手を用いることなく連続的に測定す
ることのできる装置を与えることが本発明の第3の目的
である。
A third object of the present invention is to provide an apparatus that can continuously measure the mixing ratio of liquids without using human hands.

に)本発明の方法 本発明は、液体の屈折率を検出するため、液体中の光フ
アイバ先端からの出射光の拡がりの変化を利用する。
B) Method of the Invention The present invention utilizes changes in the spread of light emitted from the tip of an optical fiber in a liquid to detect the refractive index of the liquid.

コアとクラッドからなる光ファイバから光が空間へ出射
される時、光の拡がりは円錐状になる。
When light is emitted into space from an optical fiber consisting of a core and a cladding, the light spreads out into a conical shape.

円錐の拡がりは、光ファイバの開口数を空間の屈折率で
割った値に依存する。
The extent of the cone depends on the numerical aperture of the optical fiber divided by the refractive index of the space.

屈折率の高い空間へ出射した光は、狭い充円錐を形成す
る。屈折率の低い空間へ出射した光は広い充円錐を形成
する。
Light emitted into a space with a high refractive index forms a narrow full cone. Light emitted into a space with a low refractive index forms a wide full cone.

光を出射する光ファイバに対向するよう、もうひとつ検
出用の光ファイバを設けることにする。
Another optical fiber for detection will be provided opposite the optical fiber that emits light.

広い充円錐に拡がった場合、検出用の光ファイバに入る
光の量は少ない。狭い充円錐に閉じこめられている場合
、検出用の光ファイバに入る光の量は多い。
When spread out into a wide filled cone, the amount of light that enters the optical fiber for detection is small. When confined in a narrow filled cone, the amount of light that enters the optical fiber for detection is large.

結局、液体中に光ファイバ端を対向させて設置した場合
、屈折率が低ければ、検出量光ファイバに入る光量は少
なく、屈折率が高ければ検出量光ファイバに入る光量は
多い。
After all, when optical fibers are installed in a liquid with their ends facing each other, if the refractive index is low, the amount of light that enters the detection optical fiber is small, and if the refractive index is high, the amount of light that enters the detection optical fiber is large.

本発明は、このような原理を利用する。光フアイバ出射
光の拡がりの変化を利用して屈折率を測定するようにし
たものはかって存在しなかった、と本発明者は考える。
The present invention utilizes such a principle. The present inventor believes that there has never been a device that measures the refractive index using changes in the spread of light emitted from an optical fiber.

さて、液体の混合比と屈折率の関係について述べる。ふ
たつの液体があって、これをS、Tとする。その屈折率
をNs、Njとする。これらは相異なる値であるとする
。これらの液体を混合したものは、多くの場合、Ns、
 Ntの間の値を取り、混合比によって、屈折率が決ま
る。リニヤであるとは限らないが、混合比と屈折率には
一義的な関係がある。
Now, the relationship between the liquid mixture ratio and the refractive index will be described. There are two liquids, let them be S and T. Let the refractive index be Ns and Nj. Assume that these are different values. Mixtures of these liquids often contain Ns,
The refractive index is determined by the mixing ratio. Although not necessarily linear, there is a unique relationship between the mixing ratio and the refractive index.

このため、屈折率が分れば、液体の混合比が分ることに
なる。
Therefore, if the refractive index is known, the mixing ratio of the liquid can be determined.

第1図によって、本発明の基礎となる原理をより詳しく
説明する。
With reference to FIG. 1, the principle underlying the invention will be explained in more detail.

液体りの中に、出射側光ファイバ1と、受光側光ファイ
バ2とが、軸線を共通にし、互に対向して設けられてい
る。
In the liquid reservoir, an output side optical fiber 1 and a light receiving side optical fiber 2 are provided facing each other with a common axis.

光ファイバは、コア3とクラッド4とよりなる。The optical fiber consists of a core 3 and a cladding 4.

光ファイバの中を伝搬する光線と軸線のなす角θを仮に
径路角θとなづける。
The angle θ between the light ray propagating in the optical fiber and the axis is tentatively designated as the path angle θ.

マルチモードステップインデックス光ファイバの場合、
径路角θは、全反射角θC以下で、任意の角をとる。モ
ードが均一に励起されていると仮定すれば、θC≧θに
於て、θに対する分布は一様である。しかし、均一モー
ド励起の仮定が、本発明に於て必要であるわけではない
。全反射角はcosθC= −(1) nl によって定義される。nlはコア屈折率、n2はクラッ
ド屈折率である。
For multimode step-index optical fibers,
The path angle θ is an arbitrary angle less than or equal to the total reflection angle θC. Assuming that the mode is uniformly excited, the distribution with respect to θ is uniform when θC≧θ. However, the assumption of uniform mode excitation is not necessary for the present invention. The total reflection angle is defined by cosθC=−(1)nl. nl is the core refractive index, and n2 is the cladding refractive index.

光ファイバの端面で、コアから液体中に光が出射される
。コアを伝搬する光は、径路角θがθC以下であったか
ら、出射された光は、半頂角をθとする充円錐Qの中に
含まれる。全反射角θCで伝搬していた光が、コアの端
に於て出射した場合、これが前記充円錐Qの母線となる
。頂角θと、全反射角θCの間には、スネルの法則から
、となる。Mlは液体の屈折率である。この式から、出
射光の形成する充円錐の半頂角θを、液体屈折率N7B
の函数として求めることができる。
At the end of the optical fiber, light is emitted from the core into the liquid. Since the path angle θ of the light propagating through the core was less than or equal to θC, the emitted light is included in a full cone Q having a half-vertical angle of θ. When the light propagating at the total reflection angle θC is emitted at the end of the core, this becomes the generatrix of the full cone Q. According to Snell's law, the relationship between the apex angle θ and the total reflection angle θC is as follows. Ml is the refractive index of the liquid. From this formula, the half apex angle θ of the full cone formed by the emitted light can be determined by the liquid refractive index N7B
It can be found as a function of

光ファイバには開口数NA(numerical Ap
erture)が定義される。
An optical fiber has a numerical aperture NA (numerical Ap
erture) is defined.

NA=f石丁−m− −n22            (3)である。(1
)式から、これはn1sinθCに等しい。(2)式は
結局、 NA s1nθ= −(4) Ml と書ける。
NA=f-m--n22 (3). (1
), this is equal to n1sinθC. Equation (2) can be written as NA s1nθ=−(4) Ml after all.

出射光が形成する充円錐Qの半頂角θはによって求めら
れる。NAは光ファイバによって決まる定数である。液
体の屈折率Nlのみが唯一の変数である。単純な関係で
ある。
The half apex angle θ of the full cone Q formed by the emitted light is determined by: NA is a constant determined by the optical fiber. The refractive index Nl of the liquid is the only variable. It's a simple relationship.

充円錐Qの半頂角θを、最大出射角と呼ぶことにする。The half apex angle θ of the full cone Q will be referred to as the maximum exit angle.

例えばNA=0.35の光ファイバを使ったとする。For example, assume that an optical fiber with NA=0.35 is used.

グリセリン(Nt =1.478 )と、x タ/ −
/l/ (Hs=1.370.)とに対して、最大出射
角θは θ(グリセリ:/ ) = 5in−1(0,85/ 
1.478 )=1&7°         (6) e(x−タンール) =SL+1  (0,35/IJ
70)=148°         (7) となる。このように、屈折率差が0.1程度であっても
、1°程度の差がある。
Glycerin (Nt = 1.478) and x ta/-
/l/ (Hs=1.370.), the maximum output angle θ is θ(Griseri:/ ) = 5in-1(0,85/
1.478 ) = 1 & 7° (6) e (x-tanol) = SL + 1 (0,35/IJ
70)=148° (7) In this way, even if the refractive index difference is about 0.1, there is a difference of about 1°.

出射端面から距離qだけ離れた端面に平行な面(軸線に
直交する平面)を考える。この投影面に、出射光を投影
したとする。投影光は円になるはずである。この円の半
径をRqとすると、Rq==R(−1−qtanθ  
      (8)となる。Rcはコア半径である。
Consider a plane parallel to the end face (a plane perpendicular to the axis) that is a distance q away from the output end face. Suppose that the emitted light is projected onto this projection surface. The projected light should be circular. If the radius of this circle is Rq, then Rq==R(-1-qtanθ
(8) becomes. Rc is the core radius.

投影円の面積Aは A = M (Rc+q tanθ) 2      
 (9)によって与えられる。投影円をスポットと呼ぶ
。光フアイバコアの半径Rc、 q、 NAなどは既知
であるとすれば、スポット面積Aと液体屈折率N4には
一意的な関係がある。N6が大きければAは小さくNI
Iが小さければAは大きい。
The area A of the projected circle is A = M (Rc+q tanθ) 2
It is given by (9). The projection circle is called a spot. Assuming that the radii Rc, q, NA, etc. of the optical fiber core are known, there is a unique relationship between the spot area A and the liquid refractive index N4. If N6 is large, A is small and NI
If I is small, A is large.

例えばR(==Q、4m%q= l Q*xとして、さ
きほどのグリセリン(Nt: 1.473 )と、エタ
ノール(N、 = 1.370 )の場合を比較すると
、 A(グリセリン)=25.3ff2 A(エタノール) = 29.1u2 となる。
For example, if we compare the cases of glycerin (Nt: 1.473) and ethanol (N, = 1.370) with R(==Q, 4m%q=l Q*x), A(glycerin)=25 .3ff2 A (ethanol) = 29.1u2.

第2図に、異なる屈折率をもつ液体に於ける最大出射角
θS、θtの遣いと、スポット半径Rqの違いなどを示
す。
FIG. 2 shows the use of the maximum output angles θS and θt and the difference in spot radius Rq for liquids with different refractive indexes.

これは、距離qがいかなる値であっても成立つ。This holds true no matter what value the distance q is.

実際には、液体が完全に透明でない場合、液体の吸収が
ある。吸収があっても、距離qが同一であれば、スポッ
トが第2図(a)、(b)になる、という点はかわらな
い。吸収によって強度は低下するが、低下の度合いはq
が小さく、透明度が高ければあまり間領にならない。
In fact, if the liquid is not completely transparent, there is absorption of the liquid. Even if there is absorption, the point remains that if the distance q is the same, the spots will be as shown in FIGS. 2(a) and 2(b). Strength decreases due to absorption, but the degree of decrease is q
If it is small and highly transparent, it will not occupy much space.

出射側光ファイバ1に入射し伝搬する光の量を一定に保
っておけば、スポット面積Aが広いほど出射光のエネル
ギー密度は小さくなる。Aが狭いほど出射光のエネルギ
ー密度は大きくなる。
If the amount of light that enters and propagates into the output optical fiber 1 is kept constant, the wider the spot area A, the lower the energy density of the output light. The narrower A, the greater the energy density of the emitted light.

受光側光ファイバの端面に入射する光の量はエネルギー
密度に比例する。従って、スポット面積Aに反比例する
ことになる。
The amount of light incident on the end face of the receiving optical fiber is proportional to the energy density. Therefore, it is inversely proportional to the spot area A.

受光側光ファイバ2に入射した光の強度は、この光ファ
イバの終端に設けた受光素子によって検出される。受光
素子の光電流は増幅されて電圧になるが、電圧信号Vは
、Aに反比例する値になる。
The intensity of the light incident on the light-receiving optical fiber 2 is detected by a light-receiving element provided at the end of this optical fiber. The photocurrent of the light receiving element is amplified and becomes a voltage, and the voltage signal V has a value inversely proportional to A.

つまり、 ■(エタノール)    A(グリセリン)となる。こ
うして、受光側光ファイバに入射する光のエネルギーの
相異によって、液体の屈折率を求める事ができるのであ
る。
In other words, (1) (ethanol) A (glycerin). In this way, the refractive index of the liquid can be determined based on the difference in the energy of the light incident on the receiving optical fiber.

第3図はエタノールとグリセリンの混合液に於て、混合
比Xと、受光側光ファイバの端に設けた検出器の増幅後
の電圧Vとの測定結果を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the measurement results of the mixing ratio X and the amplified voltage V of the detector provided at the end of the light-receiving optical fiber in a mixed solution of ethanol and glycerin.

左端はエタノールlOO%、右端はグリセリン100%
の極限である。左端1点で電圧は約100 mV、右端
S点で電圧は約60mVである。ST間に於て、混合比
Xが連続的に変化するが、電圧も連続的に変わっている
。はぼリニアである。
The left end is 100% ethanol, the right end is 100% glycerin.
is the limit of At one point on the left end, the voltage is about 100 mV, and at point S on the right end, the voltage is about 60 mV. Between ST, the mixture ratio X changes continuously, but the voltage also changes continuously. It's pretty linear.

どんな液体の混合であっても、このようにリニアな関係
が成りたつとはいえないが、混合比と、屈折率の間には
、一意的な関係がある。この関係が予め分っていれば、
屈折率から混合比を求める事ができる。
Although it cannot be said that such a linear relationship holds true for any mixture of liquids, there is a unique relationship between the mixing ratio and the refractive index. If this relationship is known in advance,
The mixing ratio can be determined from the refractive index.

第1図では受光側光ファイバのコア径りが、出射側光フ
ァイバのコア径と同一になっている。しかし、受光側光
ファイバのコア径りはもつと大きくてもよいし、小さく
てもよい。小さいと入射してくる光量が減少するので、
光検出器に入る光量も減少し、感度が低下する。しかし
、これは光検出器の性能を上げることによりカバーでき
る。
In FIG. 1, the core diameter of the receiving optical fiber is the same as the core diameter of the emitting optical fiber. However, the core diameter of the light-receiving optical fiber may be larger or smaller. If it is small, the amount of incident light will decrease, so
The amount of light entering the photodetector is also reduced, reducing sensitivity. However, this can be covered by improving the performance of the photodetector.

受光側光ファイバのコア径りをあまりに大きくすると、
出射側光ファイバから出た全ての光線が全て受光側光フ
ァイバに入ってしまい、光量の変化がなくなってしまう
If the core diameter of the receiving optical fiber is made too large,
All the light rays emitted from the output side optical fiber enter the light receiving side optical fiber, and there is no change in the amount of light.

測定すべき液体の内、最も高い屈折率をもつ液体てよっ
て、距離qの位置に形成されるスポットの径をDtとす
ると、出射光のスポット径は必ずDtより大きくなる。
If Dt is the diameter of a spot formed at a distance q by a liquid having the highest refractive index among the liquids to be measured, then the spot diameter of the emitted light is always larger than Dt.

この場合、受光側光ファイバコア径りは、Dtより小さ
くすると、屈折率変化を正しく検出できる。
In this case, if the light-receiving side optical fiber core diameter is made smaller than Dt, the change in refractive index can be detected correctly.

すなわち、コア径りは D≦Rc+qtan(sin ’ (NA/Nt)) 
    Qlによって上限が制限される。下限は光検出
器の性能により制限される。
In other words, the core diameter is D≦Rc+qtan(sin' (NA/Nt))
The upper limit is limited by Ql. The lower limit is limited by the performance of the photodetector.

これまでの説明は、高い屈折率の液体であっても、低い
屈折率の液体であっても、最大出射角θでノーマライズ
した出射エネルギー分布が同じであるとしている。出射
角をφ(φ≦θ)とすると、出射エネルギー分布I(φ
)がφにかかわらず一定であるI(φ) = cons
tという事は必要でなく、上の説明はI(φ/θ)が分
布函数として存在しうる事を前提にしている。
The above explanation assumes that the output energy distribution normalized at the maximum output angle θ is the same whether the liquid has a high refractive index or a liquid has a low refractive index. When the output angle is φ (φ≦θ), the output energy distribution I (φ
) is constant regardless of φ I(φ) = cons
t is not necessary, and the above explanation assumes that I(φ/θ) can exist as a distribution function.

現実にも、光ファイバのコア内の屈折率分布や入射光の
励振条件により!(φ/θ)は種々の分布函数を示す。
In reality, it depends on the refractive index distribution within the core of the optical fiber and the excitation conditions of the incident light! (φ/θ) represents various distribution functions.

光フアイバ端面と液体の間では、屈折率が相異するので
フレネル反射などがある。これはコアと液体の屈折率差
が小さいほど小さい。
Since the refractive index is different between the end face of the optical fiber and the liquid, Fresnel reflection occurs. This decreases as the difference in refractive index between the core and the liquid decreases.

反射などがあるため、出射光の分布が、出射角φを最大
出射角θでノーマライズした値(φ/θ)によって簡単
に表わされないこともある。たとえば第4図に示すよう
に、光パワー分布がφ=0近傍で差がない、という事も
ありうる。
Due to reflection, etc., the distribution of emitted light may not be easily expressed by the value (φ/θ) obtained by normalizing the output angle φ with the maximum output angle θ. For example, as shown in FIG. 4, it is possible that there is no difference in the optical power distribution near φ=0.

横軸は出射角φである。上のグラフが高い屈折率Ntを
有する液体での光パワーパターンを示す。
The horizontal axis is the output angle φ. The upper graph shows the optical power pattern in a liquid with a high refractive index Nt.

下のグラフが低い屈折率Nsを有する液体Sの光パワー
パターンを示す。
The lower graph shows the optical power pattern of the liquid S having a low refractive index Ns.

液体Tのパワーは±θtの中に含まれる。液体Sのパワ
ーは±θSの中に含まれる。Sのパワー分布の方が拡が
っているがφ=Oの近傍では、SもTも同程度という事
がありうる。このような特別な場合は、光パワーの遣い
が顕著になる角φ=φ1を予め求めておく。
The power of liquid T is included in ±θt. The power of liquid S is included in ±θS. Although the power distribution of S is wider, in the vicinity of φ=O, it is possible that S and T are of the same degree. In such a special case, the angle φ=φ1 at which the difference in optical power becomes significant is determined in advance.

そして、第5図に示すように、受光側光ファイバの軸を
、Δだけ出射側光ファイバの軸からずらしておく。当然
に、 Δ=q−φ1(II) である。φ1〈θt である。
Then, as shown in FIG. 5, the axis of the receiving optical fiber is shifted by Δ from the axis of the emitting optical fiber. Naturally, Δ=q−φ1(II). φ1<θt.

(3)構 成 第6図によって本発明の詳細な説明する。(3) Configuration The present invention will be explained in detail with reference to FIG.

流体りが流れるべき流体管10の途中にジヨイント部1
5を設ける。すなわち流体管10に対し、直角になり、
かつ同一直線上にある2木のファイバ管11.12を設
ける。これらの管は、ステンレス管、鋼管、しんちゅう
管など任意である。もち鉦 ろん塩ビ管であってもよい。第7図は断面図である。
A joint part 1 is installed in the middle of the fluid pipe 10 through which the fluid flows.
5 will be provided. That is, it is perpendicular to the fluid pipe 10,
Two fiber tubes 11 and 12 are provided on the same straight line. These pipes may be arbitrary, such as stainless steel pipes, steel pipes, or brass pipes. It may also be a PVC pipe. FIG. 7 is a sectional view.

7フイパ管11.12の中には、出射側光ファイバーと
、受光側光ファイバ2とを設ける。出射側光ファイバの
始端には発光源13が設けられる。
In the seven fiber tubes 11 and 12, an output side optical fiber and a light receiving side optical fiber 2 are provided. A light emitting source 13 is provided at the starting end of the output side optical fiber.

受光側光ファイバ2の終端には、受光素子14(PDl
APDなど)が設けられる。
At the end of the light-receiving side optical fiber 2, a light-receiving element 14 (PDl
APD, etc.) is provided.

2つのファイバの軸線は合致していてもよいし、前述し
たように、Δだけのズレがあってもよい。
The axes of the two fibers may coincide, or, as described above, may be offset by Δ.

流体りは、出射側光ファイバの端面18と受光側光ファ
イバの端面19の間も通ってゆく。流体管10の中は、
流体で満ちていることが望ましいが、上方に僅かな空気
部分があってもかまわない。
The fluid stream also passes between the end face 18 of the output side optical fiber and the end face 19 of the light receiving side optical fiber. Inside the fluid pipe 10,
It is preferable to fill it with fluid, but a small portion of air above is also acceptable.

しかし、端面18.19の対向する部分に、空気や気泡
が存在してはならない。
However, there must be no air or air bubbles present in the opposing parts of the end faces 18,19.

出射側光フアイバ端面18からでた光は、充円錐Qにそ
って拡散し、その一部だけが受光側光ファイバ端面19
に入る。
The light emitted from the optical fiber end face 18 on the output side is diffused along the full cone Q, and only a part of it is transmitted to the end face 19 of the optical fiber on the receiving side.
to go into.

液体の屈折率が低ければ、充円錐Qは広くなるので、受
光側光ファイバに入射する光量は少なくなる。
If the refractive index of the liquid is low, the full cone Q becomes wider, so the amount of light incident on the light-receiving optical fiber decreases.

液体S1液体Tの混合比txとすると、混合比Xによシ
屈折率が決まる。屈折率によって受光側光ファイバに入
射する光量が変化する。光量は受光素子14によって測
定できる。
When the mixing ratio of liquid S1 to liquid T is tx, the refractive index is determined by the mixing ratio X. The amount of light incident on the receiving optical fiber changes depending on the refractive index. The amount of light can be measured by the light receiving element 14.

予じめ、液体の混合比Xと、受光素子の出力Vとの関係
’/ (X)を求めておけば、測定出力Vから、混合比
Xが分る。
If the relationship '/(X) between the liquid mixture ratio X and the output V of the light receiving element is determined in advance, the mixture ratio X can be found from the measured output V.

流体は流れていても静止していてもかまわない。A fluid can be flowing or stationary.

液体の屈折率が小さい場合や、屈折率差(Nt−Ns)
が小さい場合は、ノイズが大きく、SN特性が悪くなる
When the refractive index of the liquid is small or the refractive index difference (Nt-Ns)
If is small, the noise will be large and the SN characteristics will be poor.

このような場合は、第10図に示すように、リファレン
ス用ファイバ20を設ける。これにも出射側光ファイバ
1を対向させる。2木の出射側光ファイバ1.1′には
同一の光源から同一光量を入射させる。リファレンス用
ファイバと出射側光ファイバ1′は、低屈折率液体(S
)又は高屈折率液体(ηを100%にしである空間に対
向して設けられる。検知用の受光側光ファイバ2と、出
射側光ファイバ1の間には、混合液体りが存在する。
In such a case, a reference fiber 20 is provided as shown in FIG. The output side optical fiber 1 is also opposed to this. The same amount of light is input from the same light source into the two output side optical fibers 1.1'. The reference fiber and the output side optical fiber 1' are made of a low refractive index liquid (S
) or a high refractive index liquid (with η being 100%) is provided facing a certain space. A mixed liquid exists between the light receiving side optical fiber 2 for detection and the output side optical fiber 1.

受光素子出力の差をとれば、ノイズなどの影響の少ない
信号を得ることができる。実際には検知用ファイバ2、
リファレンス用ファイバ20と出射側光ファイバ1.1
′の間に同一の液体S又はTを満たし、差分電気出力が
Oになるようオフセット7調整し、次に異なる液体を満
たして、差分電気出力の値がある一定値になるよう較正
した後、任意の混合比の流体を測定することとする。
By taking the difference in the outputs of the light receiving elements, it is possible to obtain a signal that is less affected by noise and the like. Actually, the detection fiber 2,
Reference fiber 20 and output side optical fiber 1.1
' fill with the same liquid S or T, adjust the offset 7 so that the differential electrical output becomes O, then fill with a different liquid and calibrate the differential electrical output to a certain constant value, Let us measure fluids with arbitrary mixing ratios.

防)実施例I 第6図、第7図に示すような装置を用いて、エタノール
(屈折率1.370)とオリーブ油(屈折率1.476
)の混合液体の混合比と受光素子の出力との関係を求め
た。
Prevention) Example I Using the apparatus shown in Figures 6 and 7, ethanol (refractive index 1.370) and olive oil (refractive index 1.476) were used.
) The relationship between the mixing ratio of the mixed liquid and the output of the light receiving element was determined.

流体管は内径6闘のステンレス管である。ステンレス管
2木を球形のジヨイントで結んだ。
The fluid tube is a stainless steel tube with an inner diameter of 6 mm. Two pieces of stainless steel pipe are connected with a spherical joint.

球形ジヨイントには、ステンレス管と直角になる様、直
径0.8朋のコア径の光フアイバ30朋を対面する様向
いあわせて固定した。端面間圧m(q)は4朋とした。
To the spherical joint, 30 optical fibers having a core diameter of 0.8 mm were fixed facing each other so as to be perpendicular to the stainless steel tube. The end face pressure m(q) was set to 4.

出射側光ファイバの始端には発光源としてノ・ロゲンラ
ンプを取りつけた。受光側光ファイバの終端には、受光
素子としてホトダイオードを収り付けた。
A Norogen lamp was attached to the starting end of the output optical fiber as a light source. A photodiode was installed as a light-receiving element at the end of the light-receiving optical fiber.

液体の温度は20°Cとした。20°Cでのエタノール
屈折率は1.370、オリーブ油屈折率は1.476で
ある。
The temperature of the liquid was 20°C. The refractive index of ethanol at 20°C is 1.370, and the refractive index of olive oil is 1.476.

エタノール100%の時と、オリーブ油100%の時の
ダイナミックレンジは0.89dBであった。
The dynamic range when using 100% ethanol and when using 100% olive oil was 0.89 dB.

オリーブ油100%の時のレベルを増幅回路で110m
’/まで増幅した。こうして得られた混合比と出力電圧
の測定結果のグラフを第8図に示す。
The level of 100% olive oil is increased to 110m using an amplifier circuit.
'/ was amplified. A graph of the measurement results of the mixture ratio and output voltage thus obtained is shown in FIG.

エタノールとオリーブ油の混合比は、 O:1〜l:1〜1:Oの範囲で適当なものを選んでい
る。混合比と電圧はリニアではないが単調函数になって
いる。
The mixing ratio of ethanol and olive oil is appropriately selected within the range of 0:1 to 1:1 to 1:0. The mixing ratio and voltage are not linear, but are monotonic functions.

((1)実施例■ 実施例Iと同じ装置を2組用意した。一方にはガソリン
(n= 1.405 )とメタノ−)L’ (n= 1
.331 )  を1;O〜1:1〜0:1の間で混合
した故サンプルを通した。
((1) Example ■ Two sets of the same apparatus as in Example I were prepared. One set had gasoline (n = 1.405) and methanol) L' (n = 1
.. 331) was mixed between 1:0 and 1:1 to 0:1.

もう一方はりファランス用で、メタノールのみを通した
The other was for the beam reference and only allowed methanol to pass through.

測定系は全く同じものを使った。両者の出力レベルを処
理するにあたり、ツタノールのみのサンプルノ出力レベ
ルを、ガソリン/ツタノール混合サンプルの出力レベル
から差引いたものを増幅する回路を使用した。
The exact same measurement system was used. To process both output levels, a circuit was used that amplified the output level of the tutanol-only sample by subtracting it from the output level of the gasoline/tutanol mixed sample.

屈折率差の小さい液体同士を混合したものは、測定値の
ダイナミックレンジが狭い。しかし、このように一方の
液体が100%としたものの出力で、混合サンプル出力
を差引くと、ダイナミックレンジを広くすることができ
る。しかもS/N  比を改善できる。
A mixture of liquids with small refractive index differences has a narrow dynamic range of measured values. However, if the output of the mixed sample is subtracted from the output of one liquid at 100%, the dynamic range can be widened. Furthermore, the S/N ratio can be improved.

第9図にメタノール/ガソリン混合比と出力電圧の測定
データを示す。
Figure 9 shows measured data of methanol/gasoline mixture ratio and output voltage.

第8図、第9図のグラフから、屈折率の変化と混合比と
が、よいリニアリティをもっている事が分る。液体の混
合比率を出力電圧から求める事ができる。
From the graphs in FIGS. 8 and 9, it can be seen that the change in refractive index and the mixing ratio have good linearity. The mixing ratio of liquids can be determined from the output voltage.

(2)効 果 (1)2種類の液体の混合比をリアルタイムで検出する
ことができる。
(2) Effects (1) The mixing ratio of two types of liquids can be detected in real time.

(2)  即時に検出できるので、オンライン、オフラ
インをとわず利用することができる。
(2) Since it can be detected instantly, it can be used both online and offline.

(3)装置全体を小型にすることができる。(3) The entire device can be made smaller.

(4)小型の装置であるから、自動車や飛行機、船のよ
うに動くものに装着することもできる。
(4) Since it is a small device, it can be attached to moving objects such as cars, airplanes, and ships.

(5)流体は流れていても良い。混合比の変化を連続的
に検出できる。
(5) The fluid may be flowing. Changes in mixing ratio can be detected continuously.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の詳細な説明するための2木の光ファイ
バの対向部の断面図。 第2図は光ファイバからの出射光の拡がシを説明する図
。(a)は縦断面図、(b)は出射光の描く円パターン
を示す。 第3図はエタノール/グリセリン混合液の本発明による
測定結果を示すグラフ。横軸は混合比、縦軸は受光素子
の電位である。 第4図は混合すべき2種類の液体の出射光パターンの間
に相似関係がない場合の出射光パターンを示す図。横軸
は出射光が法線となす角である。 第5図は受光側光ファイバの軸芯を出射側光ファイバの
軸芯からずらしたものを示す断面図。 第6図は本発明の装置の外観斜視図。 第7図に本発明の装置の縦断面図。 第8図はエタノール/オリーブ油の混合比を変えた試料
につき、本発明の装置で受光側光ファイバの出力電位を
測定した結果を示すグラフ。 第9図はメタノール/ガソリンの混合比を変えた試料に
つき、メタノール100%のサンプルをリファレンスと
して、出力電位の差を求め、これを増幅したものの値を
示すグラフ。 第10図は混合液測定用のファイバと、いずれか一方+
7)液100%の試料を測定するリファレンス用ファイ
バを用いフォトダイオード出力の差を増幅する機構を示
す構成図。 1・・・・・・・・・出射側光ファイバ2・・・・・・
・受光側光ファイバ 3・・・・・・コ  ア 4・・・・・・クラッド 5−・・・・・・液体Sが100%の時の出射光6・・
・・・・・・・液体Tが100%の時の出射光10・・
・・・・・流体管 11.12・・・ファイバ管 13・・・・・・・発光源 14・・・−・・受光素子 15・・・・・・・・ジヨイント部 発  明  者     茂 木  昌  春岡本和弘 吉村耕三 松  1) 裕  男 特許出願人  住友電気工業株式会社 エタノール10σ不      50%       
       σ不エタノ→νグリセリン 0%   
 50%          100%グリセリン(屈
折率1.473 .2.イ 1.370願制 第 5 図 狛 10 図 f1υm打r率液体100% 披測定液体
FIG. 1 is a cross-sectional view of opposing parts of two optical fibers for explaining the present invention in detail. FIG. 2 is a diagram illustrating the spread of light emitted from an optical fiber. (a) is a longitudinal cross-sectional view, and (b) shows a circular pattern drawn by emitted light. FIG. 3 is a graph showing the measurement results of an ethanol/glycerin mixture according to the present invention. The horizontal axis is the mixing ratio, and the vertical axis is the potential of the light receiving element. FIG. 4 is a diagram showing emitted light patterns when there is no similarity between the emitted light patterns of two types of liquids to be mixed. The horizontal axis is the angle that the emitted light makes with the normal line. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the axis of the light-receiving optical fiber shifted from the axis of the output-side optical fiber. FIG. 6 is an external perspective view of the device of the present invention. FIG. 7 is a longitudinal sectional view of the device of the present invention. FIG. 8 is a graph showing the results of measuring the output potential of the receiving optical fiber using the apparatus of the present invention for samples with different mixing ratios of ethanol/olive oil. FIG. 9 is a graph showing the difference in output potential between samples with different methanol/gasoline mixing ratios, using a 100% methanol sample as a reference, and the amplified value. Figure 10 shows the fiber for measuring the mixed liquid and either one +
7) A configuration diagram showing a mechanism for amplifying the difference in photodiode output using a reference fiber for measuring a 100% liquid sample. 1... Output side optical fiber 2...
・Receiving side optical fiber 3...Core 4...Clad 5-...Emitted light 6 when liquid S is 100%...
......Emitted light 10 when liquid T is 100%...
...Fluid tube 11, 12...Fiber tube 13...Light emitting source 14... Light receiving element 15...Joint part Inventor: Mogi Masa Haruokamoto Kazuhiro Yoshimura Kozo 1) Hiroo Patent applicant Sumitomo Electric Industries, Ltd. Ethanol 10σ 50%
σ fuetano → ν glycerin 0%
50% 100% glycerin (refractive index 1.473

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)一定強度の光を発生する発光素子と、一方の端面
から発光素子の光を通し他方の端面から被測定液体の中
へ光を出射すべき一定屈折率のコアとクラッドよりなる
ステップインデックス型の出射側光ファイバと、前記出
射側光ファイバの端面に対向して設けられこの端面に於
て前記出射光の一部を受光する受光側光ファイバと、受
光側光ファイバの他端に設けられ受光側光ファイバによ
って受光された光のパワーを測定する受光素子とから構
成され、受光素子の出力電圧から液体の混合比率を求め
るようにした事を特徴とする液体混合比測定装置。
(1) A step index consisting of a light-emitting element that generates light of a constant intensity, and a core and cladding with a constant refractive index that allows the light of the light-emitting element to pass from one end face and emit the light into the liquid to be measured from the other end face. a light-emitting side optical fiber of the mold, a light-receiving side optical fiber provided opposite to the end face of the light-emitting side optical fiber and receiving a part of the emitted light at this end face, and a light-receiving side optical fiber provided at the other end of the light-receiving side optical fiber. A liquid mixture ratio measuring device comprising a light receiving element that measures the power of light received by a light receiving side optical fiber, and the liquid mixing ratio is determined from the output voltage of the light receiving element.
(2)混合液体が屈折率の異なる透明な2種類の液体の
混合液体であり、屈折率の大きい方の液体に於ける出射
光の拡がりよりも、受光側光ファイバのコア面積を狭く
した特許請求の範囲第(1)項記載の液体混合比測定装
置。
(2) A patent in which the mixed liquid is a mixture of two transparent liquids with different refractive indexes, and the core area of the receiving optical fiber is narrower than the spread of the emitted light in the liquid with the larger refractive index. A liquid mixture ratio measuring device according to claim (1).
(3)高屈折率液体に対する最大出射角Θ_tより小さ
い角度φ_1だけ、受光側光ファイバの端面の位置を出
射側光ファイバの軸線からズラせた特許請求の範囲第(
2)項記載の液体混合比測定装置。
(3) The position of the end face of the receiving side optical fiber is shifted from the axis of the output side optical fiber by an angle φ_1 smaller than the maximum output angle Θ_t for the high refractive index liquid.
2) The liquid mixture ratio measuring device described in item 2).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006125860A (en) * 2004-10-26 2006-05-18 Fujikura Ltd Surface plasmon sensor, and apparatus for measuring surface plasmon

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JPS5751920A (en) * 1980-07-15 1982-03-27 Tno Fuel feeding system of combustion engine
JPS60577A (en) * 1983-06-17 1985-01-05 Fujitsu Ltd Processing method of graphic information

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