JPS62235546A - 被検液の濃度測定器 - 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〕 Ｌ果上互机里光■ 本発明は濃度、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
の濃度測定器に関するものである。

従」ヱυ克丘 従来かかる濃度測定器としては、被検液の濃度に１衣存
する屈折率の変化、或いは濃度に依存する被検液とガラ
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、デジタル表示有する様にしたもの。

■　液とブリズ、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
い欠点を存していた。

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、該界面をダブルと
−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、これら両光型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
明度は全く問題比ならないが、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、
又僅かな臨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　るロ　占 本発明は、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
待出来ると共に、携帯に便利な小型且つ安価な被検液の
測定器を提供せんとするものである。

〔発明の構成〕

。　占を”ン　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、拡散面を入射面、一方の碧き
面を反射面、他方の麿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
た被検液の濃度測定器において、反射面に被検液が載置
される液溜め部を設置せしめたもの、及び入射面の周辺
部を被覆体でマスクせしめたもの、及び反射面をケース
内に傾斜して取付けた被検液の濃度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。

詐−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θアはプリズムの屈折率をｎ９、被検液の屈折率
をｎ、とすると、 ｓｉｎθｔ　！ｆｉ　、　／　ｎ。

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、ｎＸｘｆ（χ）の関数式例えばχに蔗ＩＪ！
ｔＭ度（濃度）をとれば、ｒ　（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。

従って何らかの方法でθ７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。

裏施勇 以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明すると、 １は測定一本体であり、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１）、他方の
磨き面９を出射面１２と成すと共に、反射面１）を被検
数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窓部１５に反射面１）を傾斜し
て対応せしめる様にしてケース２内部に設けた支持枠１
６を介して固定せしめている。

又、入射面１０は支持枠１Ｇを延伸せしめるか、塗料を
塗布せしめる等により被覆体１７で周辺部をマスクし、
入射面１０を限定せしめると共に、入射面ｌＯめ対向位
置にはＬＥＤより成る光源１８を配置せしめて支持枠１
６の筒部１９に固定支持せしめ、光源１８により入射面
１０である拡散面７を照射して反射面ｌｌに対し拡散面
光源を照射せしめる様に成りている。

又、反射面１）には窓部１５とめ間に支持枠１６の筒部
２０を設けて、載置面１４上に筒部２０の空間部２１を
構成し、該空間部２゛ｉを被検液１３の液溜め部２２と
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
して縦房向に多数の光電変換素子２３．２３ａ・・・を
配列せしめて成るイメージセンサ２４を配置せしめて支
持枠１６の筒部２５にｉ量支持せしめ、かかるイメージ
センサ２４と出射面１２との間には照射光をイメージセ
ンサ２４上に結像せしめるレンズ２６を介在位置せしめ
ている。

尚、プリズム６の角度としては、例えば０〜３２％液で
の透過強度を損わない為にＡ＝４９’、Ｂ＝６４°程度
となる。

２７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２４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２８に濃度表示
せしめる様に成している２９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２９の
出力を電気回路部２７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。

尚、３０は載置面１４の上部を被覆する蓋体であり、プ
リズム６の保護のためのものである測定誤差の要因とな
る外乱光は、入射面１０から反射面１）へ入射した光線
の一部が反射面１）を透過し、被検液１３と空気の界面
で反射し、プリズム６内に戻る場合もあり、このために
上記実施例に於いて反射面１）に被検液１３が載置され
る液溜め部２２を設置せしめたもの、及び入射面ｌＯの
周辺部を被覆体１７でマスクせしめたもの、及び反射面
１）をケース２内に傾斜して取付けたものを構成して外
乱光を減少せしめるよう対策を施している。

次に濃度測定方法について説明すると、先ず光源１８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ｉｔに達し、該
反射面１）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１）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θ７に従って第５図、第６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７図
に図示する様にレンズ２６に対して入射し、入射光のう
ちレンズ２６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２６からその焦点路ｉ＠ｒ離れたイメー
ジセンサ２４の面上で軸からの距離ｙｗｆ−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２４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９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２４の個々の光電変換素子２３．２
３ａ・・・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２３．２３ａ・・・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２３．２３ａ・・・の出力を端のも
のから順に読み出すと、第１０図に図示する襟な電圧の
時間系列となる。

この系列信号の包絡線は第１）図の状態となり、包絡線
は破線や実線で示される様に、被検？ｆＬ１３の濃度に
従って変化する。

次に電気回路部２７においては、第１６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３１はイ
メージセンサ２４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２４の読み出し方向は第７図
の下から上方向、即ち第１Ｏ図における左から右方向と
する。

ＬＥＤを光源とする場合において、イメージセンサ２４
の出力の界面における臨界角以下の角度（全反射）に対
応する光電変換素子２３．２３ａ・・・の出力（明部）
は両端部が若干低下した弓状を示しく第１２図）、載置
面１４上に被検液１３をｆ２１！せしめて測定有すると
、第１３図に示す様な出力列となるのである。

臨界角位置を検出の為には、最初に全反射時の出力包絡
線の読み出し開始点が最高出力と成す傾斜線となる様に
ＬＥＤの方向等で調整し、被検液１３の測定時の出力は
第１４図の実線に示す様になる。

次に臨界角位置の検出は、同一の被検液１３に対しセン
サを２回走査せしめ、−回目の走査において読み出しタ
イミング回路３１の出力に従っ゛て最高出力電圧を基準
電圧発生回路３３でホールドし、これを抵抗分割するこ
とにより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３４の一つの入力に対して出力する（第
１５図の１点鎖線）。

続いて２回目の走査を行いイメージセンサ２４の出°力
を読み出して行き、コンパレータ３４にて基準電圧と比
較し、イメージセンサ２４の出力が基準電圧よりも、超
えた時点でコンパレータ３４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３５は読み出しタイ
ミング回路３１からイメージセンサ２４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。

尚、ノイズ等の影響による誤差を少なくする為に、２回
の走査を複数回行い、平均値を以って測定結果とする方
がより良い。

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３５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ゐ。

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
されて治り、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虐ａχ”＋ｂχ十Ｃ と近似する。

（１厘補正値、χ逼温度、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
各僅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２９の出力から温度測定回
路３６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３５からの濃度情報は温度補正回
路３７に導入され、ここで前記の温度補正回路を施した
後、補正された濃度情報は表示回路３８に出力され、該
表示回路３８はこの濃度情報に基づいて表示器２８を駆
動し、該表示器２８に濃度が表示される。

又、電源回路３９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シ可能である尚、第１６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ｗＩＩｌ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を入射面１Ｏ１
一方の磨き面８を反射面１）、他方の磨き面９を出射面
１２と成し、かかるプリズム６を被検液１３が載置され
る反射面１）に対応して開口された窓部１５を有するケ
ース２内に取付け、該ケース、２内において拡散面７の
対向位置には光源１８を配置せしめ、出射面１２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
２３．２３ａ・・・を配列せしめたイメージセンサ２４
を配置せしめ、該イメージセンサ２４と出射面１２との
間には出射光をイメージセンサ２４上に結像せしめるレ
ンズ２６を介在位置せしめ、イメージセンサ２４を各光
電変換素子２３．２３ａ・・・の出力信号を濃度表示に
変換せしめる電気回路部２７に連繋せしめ、又反射面１
）上には被検液の温度を測定せしめる温度センサ２９を
配置せしめると共に該温度センサ２９の出力を電気回路
部２７の温度補正回路３７に連繋せしめた被検液の濃度
測定器を提供したので、反射面１）上に被検液１３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１め、全て静的状Ｂ
での測定が可能となることにより、高精度な測定結果を
期待出来ると共に、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、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。

尚且つ、第１の発明においては、反射面１）に被検液１
３が載置される液溜め部２２を設置せしめたので入射光
が反射面１）を透過し、被検液１３と空気の界面で反射
してプリズム６内に戻る光線を減少せしめて外乱光の影
響による誤測定を排除し、又測定誤差を縮減ならしめて
いるのである。

第２の発明においては、入射面１０の周辺部を被覆体１
７で°マスクせしめたので入射位置を限定せしめ、反射
面１）に垂直に近い角度で当たる光線が無くなり外乱光
を減すると共に、反射面１）の液溜め部２２を小さく、
或いは液量が少なくても外乱光の影響による誤測定を排
除し、又測定誤差を縮減ならしめているのである。

又、反射面１）をケース２内に傾斜して取付けれは、反
射面１）に対して垂直に近い入射光線が減少し反射面１
）の透過光線が減り外乱光の影響減少するので、誤測定
を俳除し、又測定誤差を縮減ならしめる等その実用的効
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図はプリズ
ムの要部の断面図、第３図、第４図はプリズムに対する
照射光の状態を示す図、第５図は界面における反射状態
を示す図、第６図は入射角と光電変換素子の出力との関
係を示す図、第７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８図はイメージセンサの正面図
、第９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１０＠は光電変換素子の位置と出力電圧と
の関係を示す図、第１）図は入射角と出力電圧との関係
を示す図、第１２図は全反射時の出力電圧を示す図、第
１３図は被検液の測定時の出力電圧を示す図、第１４図
は出力電圧調整後の図、第１５図は臨界角の測定位置を
示す図、第１６図は電気回路部のブロック図である。 ２ケース　６プリズム　７拡散面 ８．９磨き面　１０入射面　１）反射面　１２出射面１
３被検液　１５窓部　１７被覆体　１８光源２２液溜め
部　２３．２３ａ・・・光電変換素子２４イメージセン
サ　２６レンズ　２９温度センサ３７温度補正回路 以上

Claims (3)

【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
   される液溜め部を設置せしめた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。
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入射面の周辺部を被覆
   体でマスクせしめ、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。
3. （３）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
   内に傾斜して取付け、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
   徴とする特許請求の範囲第１項、第２項記載の被検液の
   濃度測定器