JPS63103939A - 赤外線水分計 - 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】 ［利用分野］ 本発明は、赤外線吸収に塁き水分を測定する赤外線水分
Ｗ１に関し、特に液体中の水分の測定に好適な赤外線水
分計に関する。

［従来技術］ 上述の赤外線水分計は、粉体、液中の水分測定に利用さ
れており、既に多くの市販品がある。

その構成は、月刊誌ｒＭＯＬＪ昭和５９年７月号３７頁
〜４２頁に紹介されているように、水分による吸収の大
きい第１の波長と水分による吸収のない第２の波長とを
試料液に透過させてその両信号の比により測定する単光
路・２波良型の光学系を用いるものである。この方式は
安定な測定ができ、上）本の通り既に多方面に使用され
でいるものでおるが、その方式に阜く以下の問題により
適用が困ｆｌな場合かある。

すなわち、上述の２波長方式は、各波長での水及び液の
吸光係数は一定であることを前提としているが、温度、
水分Ｋｆｆｉの変化により変化し、その変化が無視でき
ない場合がおる。又、上）ホの点から２波長の波長は出
来るだけ近いことが望ましいが、かかる波長の選定が困
５！！ｔな場合がある。この点は溶液の極性が増加する
に従って水分の吸収バンドが広がる点からかかる極性溶
液では特に顕著なものとなる。

［発明の［１的］ 本発明は、かかる現状に鑑みなされたもので、前記問題
がなく、極性溶液にも適用できる、微量水分が安定に且
つ高速に検出できる赤外線水分計を提供することを目的
とするものである。

［発明の構成及び作用コ 上述の目的は以下の本発明により達成される。

すなわち、本発明は、赤外線吸収に基き測定試イ；１の
水分を測定する赤外線水分計において、赤外線を光分割
器で測定光と基準光とに所定分割比で分割し、測定光は
測定試料を透過させて光電変換器で受けて測定信号に変
換し、基準光は測定光路の水分を補正する基準光路を介
して光電変換器で受けて基準信号に変換し、両信号をそ
の比を演算する演等回路に入力し、測定信号を基準信号
で補正するようになしたことを特徴とする赤外線水分計
である。

上記構成から明らかな通り、本発明は単波長のダブルビ
ームを特徴とするものであり、測定上農も問題な光源変
動、大気中の温度、湿度、変換器の変動は基準光路によ
り同一波長で補正されるのではば完全な補正が可能であ
る。そのため、そのハンド中は従来の方式に比し広くで
きるので充分な光量を得ることができ、高感度の測定が
できると共に、水の吸収バンドが広くなる極性溶液にお
いても微量水分の検出が何ら支障なく、測定できる効果
がある。なお、単波長であるので従来の２波長方式のよ
うな波長選定の困難は大幅に軽減されるのは言うまでも
ない。

従って、基準光路は、測定光路の水分を補正できるもの
であれば良く、測定光路と同じ条件の大気をその一部に
有するものであれば良い。

なお、上述の本発明において、光源の赤外線を一定周明
、一定撮幅の矩形パルス列光にすると、同期演算処理と
組み合わせて、雑音、ドリフト変動等の除去に効果的で
おる。

更に測定光路と基準光路を、各々の全光路（測定試利部
は除く）に含まれる水分、換言すれば水蒸気を凝縮さゼ
だ水の厚さが略等しくなるように両光路の艮ざをすると
、大気中の湿度の変動が除去可能となり、微偵水分測定
時には特に精度向上に有利である。又光電変換器の動作
点が同じとなるように測定試料による減衰とほぼ同じ減
衰を与えるような光量調節手段を基準光路中に配置すれ
ば、光源変動、大気中の温度変動、光電変換及び地中回
路の温度ドリフトの除去が容易となる。

以上、本発明は、従来の２波長単光路と異なり、１波長
２光路の光学系を採用したもので、十分高速でオンライ
ン測定にも利用できるものである。

以下、本発明の詳細を実施例に基いて説明する。

第１図は実施例の光学系の説明図、第２図はその測定演
算回路のブロック図である。

図示の通り光学系は本体ケース１に収納されている。光
源１０は、り°−ス上部に設置され、凹面鏡と内面が鏡
面の円錐筒とを組み合わせた反射室１２内の焦点位置に
温度制御可能としたニクロム線のヒータ１１を配置した
構成で、所定の口径の光線Ｉ。

は、所定の透孔を同一円周上に適当な間隔で配設した円
板２１をモータ２２で一定速度で回転させる周知の光チ
ヨ、ツバ−２０で所定周期の矩形パルス光列に変換する
。変換された光線１ｏは、水吸収波長を含む所定のバン
ドＩＪの光フイルタ−３０により、測定に適した波長を
含む所定バンド巾の赤外光線１ｏ’となる。

赤外光線１ｏ’は、穴明ぎミラーからなる光分割器４（
）により所定の分割比で測定光１ｍと基準光Ｉｓとに分
割される。

基準光Ｉｓは光量調節手段５２具体的に絞り機構を透過
して集光レンズ５１で集光されてＩｒ１Ｓｂ半導体等の
赤外線用の光電変換器２０１に入り、アナログ電気信号
の基準信号［Ｓに変換される。

測定光Ｉｎは試料容器１００中の測定試料Ｓを透過して
集光レンズ５１で集光され、基準光Ｉｓ用の光電変換器
６１と同様の特性の光電変換器２０２に入り、アナログ
電気信号の測定信号Ｅｍに変換される。なお、試料容器
１００は測定試ＩＥｌｓが流通するセル１０１を中心に
配置し、その周囲をエアパージができる密閉の保護ケー
ス１０２で保護した構成で、保゛護り−ス１０２の下部
は漏刈状底１０３とし、測定試料Ｓが漏れた場合、測定
光１ｍの光路に貯留するようになっている。なお、セル
１０１と保護ケース１０２の測定光１ｍの通る窓は、集
光レンズ５１．５２と共に測定光Ｉｍの吸収の少ない石
英、サファイア等が好ましい。

図の１０４．１０５は測定試１’ＵＳを流す導管である
。

基準信号［Ｓと測定信号Ｅｍとは、共に光電変換器２０
１、２０２と同様本体ケース１に設置されたプリアンプ
２１１．２１２で所定レベルに増幅され、測定演算回路
２００の演綿部に伝送され、以下のように処理される。

すなわち、光ヂョッパ−２０の周波数を中心周波数とし
た帯域フィルター２２１．２２２により、ヂョッパー周
波数成分のみ信号を抽出する。そしてサンプリングホー
ルド回路を用いた交流−直流変換回路２３１．２３２に
より、各光パルスに対応する電気信号の最大娠幅値をホ
ールドした直流信号Ｅｓ、　Ｅｍに変換する。この信号
を対数回路２４１．２４２を通してＥｓ’、　［ｍ’に
変換し、次いで差動増幅回路からなる減算回路２５０に
入力し、以下の減ｉ［ｍ’−Ｅｓ’を行なう。従って、
減算回路２５０の出力Ｏｍは以下のものとなる。

Ｏｍ＝Ｅｍ’　−Ｅｓ’　＝　１　ｎ（Ｅｍ）　−１ｎ
（Ｅｓ）＝　ｉｎ（Ｋｍ　−１ｍ　−（！Ｘｐ（−１１
−Ｃ，−１）　ｅＸｆ）（−μ・ｔｍ））−ＩＩ　ｎ（
Ｋｓ　−Ｉｓ　−ａ　−ｅｘｐ（−μｍｔｓ））Ｋｍ−
１ｍ−ｅＸｆ）（−１１・Ｃ−１）　ＱＸＩ）（−μ・
ｔｌｌｌ）＝　Ｉ　ｎ（） にＳ　・Ｉｓ−α　−ｃｘｐ（−μｍｔｓ）＝　−１ｌ
−ｃ−１！　＋！ｌ　（ｔｓ−ｔｍ）＋　ｉ　ｎ（Ｋｍ
　−［）／［Ｋｓ・α・（１−Ｄ）］） ニーμ・ｃ−１十μ（ｔｓ−ｔｍ）　＋Ａここで、ｌｎ
は自然対数、μは測定波長での水の吸収係数、Ｃは測定
試料中の含有水分量、ｌはセル長く光透適長）　、ｔｍ
、ｔｓは光分割器４０から光電変換器２０１．２０２に
至る各々の光路に含まれる水蒸気を凝縮させた水の厚さ
、Ｋｍ、　Ｋｓは光電変換器で２０１．２０２の変換係
数、αは光量調節手段５２の光量減衰比、Ｄは穴明きミ
ラーからなる光分割器４０の大面積で決まる分割比であ
る。

上式より明らかな通り、ｔｍ、　ｔｓは両光路を同じ雰
囲気下に略等しい光路長となるように決めれば、略等し
くなり、出力Ｏｍは試料の水分のみに比例した項と後）
本の通り定数と見なせる定数項Ａの和となり、所望の水
分に比例した測定値を得ることができ、記録計（図示省
略）、警報訓等に入力する事によりモニターできる。実
際上は、既知の水分率のサンプルを使用して差動増幅回
路からなる補正回路２６０で、補正設定回路２７０によ
り定数項分を補正して校正する。

そして、前記式から明らかなように、測定には光源１０
からの光線Ｉｏは全く関係なくなるので、その変動には
測定値は左右されず、完全補償が実現されている。又、
光電変換器２０１．２０２の変換係数ＫｍとにＳはその
比の形で含まれており、従、って両者の特性変動は相殺
される関係にあり、前ｊホの通り定数項とみることがで
き、この点でもほぼ渦足すべき補償か１ｑられる。なＪ
５、この点は光Ｍ調節手段、若しくは分割比により各光
電変換器２０１．２０２１＼の入射光量を等しくするこ
とによりより完全となる。これら特性より前述の種々の
作用が得られる。

次に上述の実施例による測定例として、極性溶媒として
知られるＮ−メヂルーピロリドン（ＮＭＰ）中の水分の
測定を説明する。測定は前）ホの実施例において以下の
測定条件で行なった。なお定数項Ａの補正は厳密には行
なわなかった。

ア、測定光Ｉｍ、基準光■Ｓ：水の理論吸収波長２．７
３８μｍ　、　２．６６２μｍを含む、中心波長が２．
８３μｍ　テバンドｒｔ」０．５　μｍ　　（帯１，４
２．５〜３．０μｍ）の赤外線で、両者の分割比はＩｍ
：１ｓ＝１：１とした。

イ、測定光りｎ、基準光Ｉｓの光路長は同一長さとする
と共に、光量調節手段５２の絞り機構は光電変換器２０
１．２０２の入射光量が測定時はぼ等しくなるように調
整した。

つ、光チヨツパ−２０の周波数及び帯域フィシター２２
１．２２２の中心周波数：　４００１１２土、セル１０
１の長さく光透適長）：２ｍｍオ、光電変換器２０１．
２０２　：　ＩｎＳｂ半導体（具体的には富士通（株製
ｌＲ８−３１１８） そして、ＮＭＰへの添加水子を変えて、水分濃度を種々
のレベルに変更して測定し、微量水分測定の最も信頼で
きる測定法といわれるカールフィッシャ一方による測定
結果と対比した。第３図にその結果を示す。横軸がカー
ルフィッシャー法による測定結果、縦軸は本実施例での
測定出力である。非常に直線性の良いことがわかる。

又測定値の再現性のバラツキは±１．６７ｐｐｍ以内、
周期的な変動は認められず、総合的な精度はＯ〜１１０
０ｐｐのフルスケールに対し±１．６７％以内であった
。なお、測定試料液温の影響も６°Ｃ変化において何ら
の変動は認められず、良好であった。応答性は時定数３
０秒で充分オンライン測定に利用できる高速性を有する
ことが確認された。

比較のため、市販の２波長単光銘刀式により測定した結
果は以下の通りである。なお測定波長は１．９３０μｍ
、参照波長は１．７２１μｍで測定した。

バラツキは±１．３７ｐｐｍ以内と良好であるが、周期
的な変動が２．５ｐｒ）ｍ（４分周期）あり、総合的な
精度は±２．５％以内であった。更に測定試料液温の変
化に対しては−４，１４ｐＤｍ　／°Ｃの変化があり温
度補正が必須と思われた。同じく時定数は推定３３分で
変化の早いプロセスのオンラインモニターには問題かあ
ると思われた。

以上の通り、本発明を実施例、測定例に基いて説明した
が、本発明はかかる実施例、測定例に限定されるもので
ない。

測定例から明らかな通り、本発明は従来測定が困難とい
われていた極性溶液、中でも各種溶媒として使われる有
機溶媒において特に効果的ではあるが、非極性溶液を含
めた液体一般、更には気体。

固体の水分測定にも適用できることはその趣旨から明ら
かである。

測定演樟回路においでも、オンライン測定に好適な高速
性に優れたアナログ演綽回路を示したが、二つの信号の
比が演痒できる回路であれば良く、マイクロコンピュー
タ−等も適用できることは言うまでもない。

以上の通り、本発明は、従来方式の２波長・単光路方式
とは全く異なる１波艮・投光路方式の光学系を用いたも
のであり、長期安定性１周囲’ＩＡ　ｒＸ変化等の耐環
境性、応答性に優れ、且つ極性溶液にも充分適用できる
ものである。このように本発明は、多方面の微量水分測
定に適用できる新しい赤外線水分ｈ］を提供する非常に
有用なものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は実施例の光学室の説明図、第２図はその測定波
節回路のブロック図、第３図は測定結果を示ずグラフで
ある。 １０：光源、２０：光チヨツパ−，３０：光フイルタ−
，４０：光分割器、　１００　：試料容器、　２００　
：測定波峰回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、赤外線吸収に基き測定試料の水分を測定する赤外線
   水分計において、赤外線を光分割器で測定光と基準光と
   に所定分割比で分割し、測定光は測定試料を透過させて
   光電変換器で受けて測定信号に変換し、基準光は測定光
   路の水分を補正する基準光路を介して光電変換器で受け
   て基準信号に変換し、両信号をその比を演算する測定演
   算回路に入力し、測定信号を基準信号で補正するように
   なしたことを特徴とする赤外線水分計。 ２、前記赤外線は一定周期、振幅の矩形パルス列光であ
   る特許請求の範囲第１項記載の赤外線水分計。 ３、前記測定光路中に含まれる水分量に等しい水の厚さ
   に基準光路中の該水の厚さが略等しい特許請求の範囲第
   １項若しくは第２項記載の赤外線水分計。 ４、前記基準光路は光路中に透過光量を補正する光量調
   整手段を有する特許請求の範囲第１項〜第３項記載の赤
   外水分計。 ５、前記光量調整手段は光電変換器へ入射する光量が測
   定光の該光量と略等しくなるような光量減衰を基準光に
   与える絞り機構である特許請求の範囲第４項記載の赤外
   線水分計。 ６、前記測定試料の収容器は、溶液が流通できるセルで
   ある特許請求の範囲第１項〜第５項記載のいずれかの赤
   外線水分計。 ７、前記収容器はセルから漏れた溶液を測定光の光路に
   貯留する受皿を有し、前記演算回路は測定光の光量低下
   を検出する回路を有し、溶液漏れ検出を可能とした特許
   請求の範囲第６項記載の赤外線水分計。 ８、前記測定試料が極性溶液である特許請求の範囲第６
   項若しくは第７項記載の赤外線水分計。