JPS6341020B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は流体の屈折率測定に関し、特には流
体、特に液体、を所定温度（以下基準温度と称す
る）と異なる温度下で測定し、その測定値を基準
温度換算屈折率として得るための器具もしくは装
置に関する。 流体の屈折率測定値は、その流体の組成および
他の特性を予測する上で非常に有効な指標であ
る。又、流体の屈折率はその流体の温度に応じて
変化することが知られている。従つて屈折の測定
値を比較する場合、測定値を予じめ定めた基準温
度、例えば20℃（室温）、における屈折率に換算
する必要がある。 液体の屈折率測定用の屈折計として、光伝導性
通路と、その流体の屈折率の函数である臨界角に
近い液体との境界に発生する反射ならびに屈折現
象を利用する形式のものがある。 この原理に基づく在来の屈折計は比較的簡単で
正確な計器である。この形式の屈折計は通常光学
的検知器と、光源と、検知器と光源とを接続する
光導伝性機構とで構成され、その入射端部と射出
端部との間の光路に沿つて内部反射と屈折が発生
するような配置構成（交互逆方向屈曲）になつて
いる。感知部は光路に沿つて入射する光のみに反
応し、臨界角のために液体中に入る光には反応し
ないから、検知装置で検知される光度は臨界角の
函数であり、従つて、その液体の特定温度におけ
る屈折率の測定値相当の大きさである。検知装置
はこの光度を測定屈折率値相当の出力信号に変換
する。 光伝導路を形成する手段は測定対象液体中に浸
漬してある。 上記のようなプローブで測定した屈折率測定値
は真の屈折率でありしかも２つのパラメータの函
数である。これ等パラメータのうちの１つは液体
の物理的性質によつて異なる光曲げ特性であり、
他方は温度である。 測定時の温度が分つているか確認されている場
合以外は真の屈折率はめつたに利用できない。通
常は、温度の影響によるものと考えられる、屈折
そのものと液体の物理的特性の影響を受ける屈折
率の部分を分離できるようにするためには屈折率
と温度の両測定値を求めなければならない。 ２種類の液体もしくは同様のものの相対的組成
を推定するために、上述のような方法で得た各液
体の屈折率を比較する場合、両屈折率が正確に同
一温度で測定されたものでなくてはならないこと
は明らかである。 従つて通常は、屈折率の温度係数の実験式を用
いて測定温度における屈折率測定値を基準温度、
通常は室温、における屈折率に換算する。 ここに説明する装置は、予じめ定めた基準温度
における屈折率に換算した屈折率を表示できる屈
折計である。 しかしながら、上述のような実験式を利用して
も、複雑な電子回路を使用しないで正確で明確な
換算屈折率を得られるとは限らない。 移送機能を有し、測定温度に応じて検知器から
の入力信号を変換するためのデータ等を保有し、
基準温度換算屈折率を出力するための電子装置
は、非常に複雑で高価であり、高価な装置を無理
なく利用できる工業用途においてのみ有用であ
る。 しかしながら、屈折率測定値を利用したい多く
の場合があり、このような場合は上述の高価な装
置は高価なために実用的には利用不可能である。
例えば、電解質溶液を使用した蓄電池の充電状態
を測定する場合に、鉛蓄電池における電解質溶液
の屈折率は硫酸濃度の指標であるから、屈折計を
使用して充電状態を測定できる。 実際にはこの技術分野においては、鉛蓄電池の
酸性電解質溶液の屈折率を測定できる便利で能率
的な低廉な器具は知られていない。 この発明の主な目的は、在来の屈折率測定用装
置の欠点を改良した屈折計を提供することであ
る。 この発明の他の目的は、予じめ定めた温度にお
ける値に換算した液体の屈折率を測定する低廉で
高精度の装置を提供することである。 この発明の更に他の目的は、適用範囲が広くし
かも測定温度の基準温度からの偏差を補正するた
めの複雑な電子装置を必要とせず、簡単で操作が
容易で、しかも正確な屈折計を提供することであ
る。 これ等の目的および以下の説明で明らかになる
であろう目的は、流体の基準温度換算屈折率を測
定するための、この発明による装置によつて達成
される。この発明による装置は光学プローブを取
りつけたハウジングを備えており、この光学プロ
ーブは、光入射端部、光射出端部およびこれ等両
端部間の中間部分で構成してあり、有効屈折率測
定対象液体中に浸漬できるように構成した光伝導
路で構成してある。この中間部分は、屈折の臨界
角と反射が液体の屈折率に応じて変化し、この中
間部分を横ぎる光を測定できるように屈曲（交互
逆方向屈曲）させてあるのが好適である。 光路の入射端部には、入射部に光エネルギーを
送り込むために光源が設けてある。光伝導路の射
出部には光検知器が設けてある。この検知器は屈
折率の函数、すなわち、光路の射出部から射出さ
れる光度の函数である大きさの電気信号号を発生
するような検知器が好適である。 この発明においては該光源は流体と連絡させて
あり（すなわち流体と熱的に伝導関係にあり）、
光源が流体と同温度になるように構成してある。
光源としては、輝度が温度に反比例して変化する
ような輝度の温度係数を有し、射出部における光
度の変化、すなわち、温度の函数である流体の屈
折率の変化、を補償するように計画された法則に
一致するような光源を選定してある。 この発明による装置は、何等の補正要素を要し
ない利点がある。従つてこの発明の装置の作用
は、発射する光の輝度を変化させられる光源の選
択のみに依存する。この輝度変化は、液体の屈折
率の温度係数に関して反比例関係で対応する、温
度による輝度変化である。 従つてプローブの射出部における光度は本質的
に流体の屈折率の変化のみに左右されるものであ
つて、所定温度もしくは基準温度からの偏差によ
る屈折率の変化とは無関係である。 この装置は簡単であり、低廉でありしかも信頼
度が高い。 特に重要な事は、この発明による装置は、例え
ば大量生産方式で大量に生産できあるいは広範囲
な適用のためにシリーズ化して大量に生産でき、
しかもそれにもかかわらず高精度で生産できる。
更に、この発明の原理は工業用測定器具や工業的
に必要な精度で屈折率を測定する装置その他の技
術分野で利用できる。 本発明の上述および他の目的、特徴および利点
は、添付図面を参照した下記説明によつて更に明
確に示される。 第１図は液体の基準温度換算屈折率を測定する
ように構成したプローブを示す。通常は、この基
準温度は室温（例えば20℃）である。 このプローブは光フアイバー装置を支持もしく
は光フアイバー装置に固定した密封容器１を備え
ている。この光フアイバー装置は光フアイバー２
を具備しており、光フアイバー２の容器１の下部
から伸出している部分２ａには交互に屈曲（凹形
と凸形）した部分を有するループ状に形成してあ
るか、もしくは例えば米国特許4427293号もしく
は欧州特許第000319号に記載されたものと大体同
様のループ状に形成してあり、そのために光フア
イバー中を伝送される光の一部は屈折し一部は内
部反射し、従つて伝導された光の強度は、ループ
の突出部分の表面と接している液体の屈折率の測
度になる。 容器１のカツプ１ａはスリーブ１ｂと圧入結合
もしくは熱的に結合してある。スリーブ１ｂの下
端部は、筒状部１ｆの上端部に形成したカツプ部
分１ｃにねじもしくは圧入によつて結合してあ
る。筒状部１ｆから管状部分１ｅが突出してい
る。電気絶縁材料のかたまり１ｄによつて筒状部
分内の部品を定位置に固定してある。管状部分１
ｅの下端部にはプラグ１ｇをはめてループ２ａを
定位置に固定してある。 光フアイバー２の一端は電界発光光源、すなわ
ち、発光ダイオードLEDに接続してある。LED
はプラグ１ｇの小室１ｈ内に収めてあり絶縁性充
てん材１ｉで固定してある。 光フアイバー２の他端はフオトダイオードPD
などの光強度検知装置と並置してある。PDは小
室１ｊの中で充てん材１ｄの中に埋め込み接着材
１ｋで固定してある。 ループ２ａはLEDに近接しているので、光フ
アイバーの光源に近い部分が測定対象液体の中に
浸漬されるような構成になつている。プラグ１ｇ
および管状部分１ｅも同様に液中に浸漬され、し
かもLEDと液体を隔離している壁１ｍは比較的
薄いので、LEDの温度は屈折率測定対象液体の
温度と実質的に等しくなる。 充てん材としてエポキシ樹脂を使用できる。 LEDは導線１０，１１で電源に接続してある。
一方、導線１２はPDの出力端に接続してある。 電界発光ダイオードLEDとフオトダイオード
PDとは電子回路３に接続してある。この電子回
路は前記米国特許4427293号に記載したような本
技術分野で公知のものであり特に詳細に説明しな
い。結局は、この回路は電界発光光源の一定励起
を維持し、フオトダイオードの反応を測定するよ
うな回路である。回路３をソケツトあるいはプラ
グ４を介して適当な在来の表示装置もしくは記録
装置に接続することもできる。 液体の温度変化に支配されることなく液体の屈
折率を測定するには、液体の温度が上昇するに連
れて、一定の励起電圧あるいは一定の供給電流下
において、液体の屈折率の変化に対応するように
輝度が低下して温度変化による屈折率変化を補償
するようなLEDを具備したプローブを使用しな
くてはならない。 実際的には全ての液体の屈折率は温度上昇に連
れて低下する。温度変化係数が無視できる程度の
フアイバー、例えばグラスフアイバ、を使用して
測定した場合、屈折率の温度係数dn／dTは約−
２×10^-4／℃ないし−６×10^-4／℃である。従つ
て、液体温度の上昇にともなつてLEDより発光
される光が比例的に減少されて補償作用を行なわ
ない限り、フアイバー中を伝送される光度は比例
的に増大する。 従つて、LEDの温度を液体温度と等しい状態
に維持することによつてLEDの輝度を液体温度
に直接対応させれば、屈折率の温度係数を自動的
に補正できる。 フアイバー、特にグラスフアイバー、の温度係
数（温度に対する屈折率の変化）は無視できる程
度あるいは下記のように扱えるから、正確な自動
補償作用が達成できる。すなわち、LEDの輝度
は温度の函数として次式で表わされる。 Ｉ＝I₀exp（−aT） ここに、Ｉ＝LEDの輝度、ａは第一の値であ
つて以下に説明するよう、第二の値ｃの函数とし
て計算されるものである。従つてLEDの輝度と
温度との関係は、 dI／dT＝−aI …(1) となりプローブ輝度変化は下記の式で与えられ
る。 （dI／dT）＝（dn／dT）_eff・（dI／dn） ここに（dI／dn）＝屈折率の函数であるプロー
ブの感度、 （dn／dT）_eff＝有効係数である 有効係数（dn／dT）_effは次式で示される。 （dn／dT）_eff＝n_e｛（１／n_e）・（dn_e／dT） −（１／n_f））・（dn_f／dT）｝ …(2) ここにn_e＝所定温度における液体の屈折率 n_f＝所定温度における光フアイバーの屈折率で
ある。 今、プローブのループ２ａに交互屈曲部がある
ことを考慮した場合、 I_s＝I_eexp（−cn） ここにｃは上述の第二の値、I_eはプローブに入力
される光の光度、I_sはプローブから出力される光
の光度である。 よつて、 dI_s／dn＝−cI_s 従つて、 dI_s／dT＝ｃ（dn／dT）_eff・I_s …(3) 式(1)および(3)から、下記条件の場合は温度の影
響を消去できることが分る。すなわち、 ａ＝−ｃ（dn／dT）_eff この式は第一の値ａと第二の値ｃとの関係を定
義するものである。 式(1)および(3)に対する数値が等しければ光度は
温度の函数として変化しない。 例 LED（アルミニユームドープ処理ひ化ガリユー
ム、GaAs／Al、ESBR5501、スタンレー電気
(株)、日本）：ａ＝８×10^-3／℃、鉛蓄電池の電解
質溶液（硫酸溶液、比重1.25）中に浸漬した場合
の温度係数が−1.3×10^-4／℃のポリスチレン・
フアイバーの場合は（dn／dT）_eff＝−1.4×10^-
(4)／℃である。式(2)によつて得た比重1.25の硫酸
溶液の温度係数の計算値は−2.5×10^-4／℃であ
る。 以上の関係を第２図のグラフに示す。第２図に
おいて、縦軸は第１図のPDで測定した電流、横
軸は温度20℃における各種液体の屈折率である。
従つて常数ｃ＝55.6／屈折率であり、 （dn／dT）_eff＝−1.4×10^-4／℃、よつて、 ｃ（dn／dT）_eff＝−7.8×10^-3／℃、である。 次表は第１図のプローブを届折率が既知である
溶液に浸漬した場合の各温度におけるPD測定電
流である。各測定屈折率に対する変動は： ｎ＝1.3528、Δi＝0.057nA／℃ ｎ＝1.3690、Δi＝0.22nA／℃ ｎ＝1.3833、Δi＝0.12nA／℃

【表】 これ等の結果は、液体の屈折率に関して温度範
囲−10℃ないし60℃についてこのプローブが非常
に安定していることを実証するものである。 これを、補償なしで得られた結果と比較してみ
る。第２図は20℃における種々の液体の屈折率
（ｎ）と伝達された光の光度を表すPDの電流値(i)
との関係を示す。 ｎ＝1.3528の場合 ｉ＝218nA 式（dn／dT）_effに従つて、30℃で屈折率を計算
すると、 Δn＝0.0014、よつてｎ＝1.3542、 これは第２図のグラフでは、ｉ＝202nAに相当す
る。このようにして、Δi＝1.6nA／℃をΔi＝
0.057nA／℃と対比することができる。 文献によれば、当技術分野では多種の電界発光
ダイオードが開発されており、これ等電界発光ダ
イオードの出力の温度依存度はそれぞれ異なり、
前述の例で使用したダイオードの温度依存度に近
い曲線で温度に比例して減わする。例えば酸化亜
鉛ドープ処理リン化ガリユーム（GaP／Zno）ダ
イオード、シリコンドープ処理ひ化ガリユーム
（GaAs／Si）ダイオードなどがある。 第３図は、本発明による、光フアイバーに結合
される電界発光ダイオードLEDの輝度の温度
（℃）による変化状況を示すグラフである。即ち、
本発明では、電界発光ダイオードの温度に対する
輝度（電流μAで示される）の関係が第３図のご
とくなるよう上記物質のものを選定すればよい。 例えば過大補償、過小補償などその他に対する
必要な補償は、適切な温度係数の材料で構成した
光フアイバーを選択採用し、有効係数（dn／dT）
_effを所要値にすることで達成できる。 光フアイバーの温度係数が無視できない場合
は、その温度係数が有効係数に影響する。 光フアイバー、電界発光ダイオードとも多くの
利用可能の種類があり、従つていかなる測定対象
液体の屈折率の温度係数について所要の補償がで
きるような光フアイバーと電界ダイオードの組合
せを得られる。 PDで検知した光度を利用して所定の基準温度
換算屈折率を表示したり、屈折率を指標とする物
理的パラメータとして示したりすることができ
る。 例えば、車両始動用の蓄電池の電解質溶液の屈
折率測定用にこの発明の装置を利用した場合、そ
の溶液濃度を温度補正することなく直接表示でき
る。又適当な表示によつて蓄電池の充電状態を表
示できる。この装置の出力を在来の電気回路を利
用して増巾することもでき、信号処理回路に、電
解質溶液の屈折率と充電状態の非直線関係を、充
電状態と正比例関係にある指示値で表示する手段
を設けてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による装置の軸断面図であ
る。第２図は縦軸に出力電流（ノナアンペア）、
横軸に屈折率をとつた片対数グラフで、この発明
を屈折率測定に適用した例で、各屈折率における
伝送光による出力電流の状態を示す。第３図は、
この発明による光フアイバーと電界発光ダイオー
ドとの組合せにおける電界発光ダイオードの光度
の温度による変化状況を示すグラフであり、縦軸
は出力電流（マイクロアンペア）、横軸は温度
（℃）をそれぞれ示す。 図中、１……密封容器、１ａ……カツプ、１ｂ
……スリーブ、１ｃ……カツプ部分、１ｄ……電
気絶縁材料、１ｅ……管状部分、１ｆ……筒状部
分、１ｇ……プラグ、１ｈ……小室、１ｉ………
充てん材料、１ｊ……小室、１ｋ……接着材、１
ｍ……壁、LED……発光ダイオード、PD……フ
オトダイオード、２……光フアイバー、２ａ……
ループ状部分、３……電子回路、４……プラグ又
はソケツト、１０，１１，１２……導線、であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光源LEDと、該光源LEDに接続された入力
   部、出力部、及びこれらの両者間に存在する中間
   湾曲部２ａからなる光フアイバー２で構成された
   光学プローブとを具備し、少なくとも前記中間部
   ２ａは測定対象の液体の内部に入れられ、液体の
   屈折率の函数として光の透過量を修正しながら、
   前記光源からの光を前記出力部へ伝達するに適し
   ており、更に、前記出力部に結合され、該出力部
   から出力される光の光度に応じた信号を生ずる光
   検知器PDを具備した液体屈折率測定装置におい
   て、前記光源LEDは屈折率を測定する液体と同
   じ温度になるように該液体に熱的に接触するよう
   に配置され、かつ該光源は温度変化に対し、 Ｉ＝I₀exp（−aT） の指数でもつて作用する発光ダイオードで構成さ
   れていることを特徴とする基準温度に換算された
   液体屈折率測定装置。 ここで、Ｉ及びI₀はそれぞれ温度Ｔ及びT₀にお
   いて前記発光ダイオードにより与えられる光の輝
   度、ａは次式で定義される第一の値である。 ａ＝−ｃ〔dn／dT〕_eff ここで、 〔dn／dT〕_eff＝n_e［１／n_e・dn_e／dT−１／n_f・dn_f／d
   T］ ここで、n_eは所定の温度における前記液体の屈
   折率、n_fは上記所定温度における光フアイバの屈
   折率、及びｃは種々の屈折率を有する各種の液体
   を20℃で測定して得られる式、 I_s＝I_eexp（−cn） で定義される第二の値である。ここで、 I_eはプローブに入力される光の光度、及び I_sはプローブから出力される光の光度である。 ２ 前記光源LEDは、それの温度に対する依存
   性を更に減ずるように、温度変化に対する屈折率
   の変化が負の温度特性を有する材料からなる光フ
   アイバ２に結合される特許請求の範囲第１項記載
   の液体屈折率測定装置。 ３ 前記光検知器がフオトダイオードPDである
   特許請求の範囲第１項又は第２項に記載した基準
   温度換算流体屈折率測定装置。 ４ 前記光源LEDと前記光検知器PDとに接続し
   た電気回路３がハウジングの密封容器１の中に収
   容してあり、前記密封容器から管状部材１ｅが突
   出しており、前記光源が前記管状部材の中に取り
   つけてあり、前記光フアイバー２は前記光源の近
   傍の位置で前記管状部材から突出したループ状部
   分２ａを有する特許請求の範囲第１項に記載した
   基準温度換算流体屈折率測定装置。