JPS637338B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は吸光度モニタに関する。

吸光度モニタにおいて、ガス放電ランプからの
光が２つのビームに分割されることは知られてい
る。光ビームの１つは流出物を通過してその流出
物の吸光度を感知するために使用され、他方は基
準ビームとして使用される。感知光ビームが流出
物を通過した後に両方の光ビームは電気信号に変
換される。それらの電気信号は比較されて基準値
及びコモン・モード・ノイズに関連する部分を除
去し、吸光度又は透過度を表わす信号を残す。そ
の信号は処理されて、記録されあるいは単にメー
タに表示し得る信号から流出物の吸光度又は透過
度の可視表示を得ることができる。

この種の吸光度モニタは、コモン・モード・ノ
イズが充分除去されない欠点がある。このノイズ
は、光源がジユウテリウム・ランプで、異なる面
における平面偏光の変動のためビーム分割器を使
用するとき、特に問題となる。

本発明の目的は、光源からノイズの少ない光を
選択し、特別のビーム分割及び対数表示信号フイ
ードバツクによつて他のノイズを除去することに
よつて、ノイズ成分を除去した吸光度モニタを提
供することである。

本発明は、ジユウテリウム・ランプと、ビーム
分割器に伝送される前に開口板の比較的小さい開
口を通してジユウテリウム・ランプの中心部の輝
点上にあるジユウテリウム・ランプ光源部分の像
の焦点を合せる非球面凹面鏡と、を有する吸光度
モニタによつて特徴づけられる。

本発明の吸光度モニタは、更に、ビーム分割器
が入射光に対し約10度の角度をなす水晶ビーム分
割器で構成され、実質的な偏光なしに第１及び第
２光ビームを形成する特徴を有する。

更に、望ましくは、吸光度モニタは、電気信号
に変換された前記第１及び第２光ビームの一方を
その振幅の対数値を振幅とする信号に変換する手
段と、その対数値振幅値をランプにフイードバツ
クしてその強度を調節する手段と、を有する。そ
して、各光ビームに対して同じ大きさの開口絞り
が設けられる。

本発明を以下実施例に従つて詳細に説明する。

第１図は、吸光度モニタ１０のブロツク図であ
る。吸光度モニタ１０は、光源１２、光学的検出
及び電気的感知部１４、信号処理及びコモン・モ
ード・ノイズ・リジエクシヨン回路１６、光度計
及び記録部１８、ランプ強度制御回路１９を含
む。

光源１２は、光線（ビーム）を発生し、その光
線にはガス放電ランプに起因する変動による雑音
（ノイズ）が存在する。光源１２は発生した光線
を光学的検出及び電気的感知部１４に伝送する。
光学的検出及び電気的感知部１４は光線を分割し
てその一方のビーム（測定ビーム）について流出
物濃度及びランプ・ノイズを感知し、他方のビー
ムをランプ・ノイズだけを感知する基準ビームと
して使用する。光は感知器によつて検出され、電
気信号は導体２０及び２２を介して信号処理及び
コモン・モード・ノイズ・リジエクシヨン回路１
６に伝達される。これらの電気信号は、光学的検
出及び電気的感知部で光源１２からの光線によつ
て感知された流出物又は他の物質についての情報
を伝送する。

信号処理及びコモン・モード・ノイズ・リジエ
クシヨン回路１６は、コモン・モード・ノイズを
除去し、光度計及び記録部１８に伝送する前に、
即ち吸光度をモニタするために物質を通過させる
前に信号に他の所定の処理を施す。ランプ強度制
御回路１９は、ジユウテリウム・ランプ２４のカ
ソードに電気的に結合され、ランプに加えられる
電力を制御してランプを調節し強度の変動を除去
する。その制御は信号処理及びコモン・モード・
ノイズ・リジエクシヨン回路１６から導体２１を
介するフイードバツクによつて行なわれる。

光学的検出及び電気的感知部１４に光線を供給
するため、光源１２はジユウテリウム・ランプ２
４、ミラー２６及び開口板２８を含む。ミラー２
６は非球面収束鏡でジユウテリウム・ランプ２４
の光源の小さい部分の像をランプ２４と光学的検
出及び電気的感知部１４との間に配置される開口
板２８の小さい開口に焦点を合せる。光源の小さ
い部分は望ましくは中心の明るい点の部分であ
り、この中心の明るい部分の点は開口に焦点が合
され、その開口の直径は約１ミリメートルであ
る。

開口板２８の開口を通して収束されないランプ
２４の各部からの光は、互に異なつた方向に伝送
される光強度を有する。そのような光は、ミラー
によつても受けられないし、また、開口板２８の
開口に直接焦点が合わされる方向にも反射され
ず、ジユウテリウム・ランプ２４の中心の明るい
点の中の単一の小さいスポツトからの強い光が開
口板２８の孔に集中されて、他からの光は総て開
口板によつて光学的検出及び電気的感知部１４へ
の入力を阻止される。

非球面収束鏡２６が示されるが、１つのレンズ
あるいはレンズ及びミラー群が使用可能なことは
明らかである。ランプ２４の単一点からの光は板
２８の開口に直接的に収束されて一点からの強い
光線を供給し、その光線が開口板２８を通過して
光学的検出及び電気的感知部１４に至る光の大部
分を占めることは顕著な特徴である。この光は、
開口板２８の開口に焦点を合わされたランプの一
点の光の変動によるコモン・モード・ノイズ（即
ち、２つのビームに共通のノイズ）を含む可能性
があるが、一方向の光強度が別の方向の光の強度
に対して変化する周辺的変化によつては光学的検
出及び電気的感知部１４へ通過するビームは影響
を受けない。その理由は、ランプの中心の一点か
らの光だけが非常に大きい強度で開口板２８を通
過するからである。

第２図に、光学的検出及び電気的感知部１４が
示され、該感知部は測定及び基準ホトセンサ３２
及び３４、フローセル３６及び光学装置３８を含
む。

光学装置３８は光源１２（第１図）からの光を
受け、ビームに対し特定周波数を選択する処理を
行ない、その後２つのビームに分割し、その１つ
はフローセル３６を介して測定用ホトセル３２に
供給し、他方を基準用ホトセル３４に供給する。
第２の基準用フローセル又は基準サンプルが、第
２図には示されていないが、ホトセル３４に供給
されるビームの中に配置されることは可能であ
る。光学検出及び電気的感知部１４は、また、タ
ングステン−クリプトン・ランプ４２及び回転可
能なミラー４４を有する白熱ランプ部４０を含
む。

光学装置３８は、非球面収束鏡４６、回折格子
組立４８、ビーム分割器５０、及び開口板５２を
含む。非球面収束鏡４６は、光源１２（第１図）
からの光を受け、それを回折格子組立４８上に焦
点を合せる。

回折格子組立４８は、モノクロメータとして作
用し、選択する光の周波数を変化させるため回転
可能な反射回折格子を含む。ビーム分割器５０は
回折格子からの反射された光とフローセル３６の
窓との間に配置され、光が回折格子組立４８から
フローセルを通過し、また、下方に別のビームが
焦点を合せることを可能とする。

開口板５２は、ビーム分割器５０によつて形成
される第２のビームと基準用ホトセル３４との間
にあり、フローセルを通過した１つの光ビームが
測定用ホトセル３２に至り、他方のビームがフロ
ーセル３６の内部にあると同様の開口絞りを有す
る開口板を通過して基準用ホトセル３４に当る。

好適実施例において、ビーム分割器５０は光を
偏光することなくビームを分割するように配置さ
れる水晶板である。この目的のため、分割器は入
射光に対してほぼ直角に近い角度で配置され平面
偏光される量を無視し得る程度にするとともに、
基準用ホトセル３４に光を反射させてビームを分
割するような角度にされる。平面偏光はノイズを
増加させ光源からの光が異なる偏光軸によつて強
さを変えるので、平面偏光を防止することは望ま
しいことである。

直角から10度の偏向によつて反射された光は入
射光から20度ずれ、それは水晶板にとつて望まし
くブルースター角と充分異なり、それによつて平
面偏光される光成分は無視できることになる。も
ちろん、１つのビームを著しい偏光を生じさせる
ことなく２つのビームにする他の総ての技術が使
用可能である。

フローセル３６は開口板５２の開口と同じ大き
さの開口絞りを含む。開口の大きさは開口板２８
（第１図）を通過する光の像がフローセル３６及
び開口板５２の内部に焦点が合わされるようにさ
れる。好適実施例において、開口板間の光学装置
は1.5倍の倍率を提供する。このように、板５２
の開口とフローセル３６の開口絞りによつて供給
される開口は1.5ミリメートルの直径を有し、直
径１ミリメートルの板２８（第１図）の開口の像
はその内部に入る。

較正組立４０の回転可能な平面鏡４４は、光源
１２（第１図）からの光が通過するように上方に
回転可能であり、タングステン−クリプトン・ラ
ンプ４２からの光を阻止して収束ミラー４６に反
射するように下方に回転可能とされる。この光源
は本発明においてそれ程重要ではない。

導体２０は、ホトセンサ３２に電気的に結合さ
れ、フローセル３６内の物質による吸光度を表わ
す電気信号を供給し、導体２２はホトセル３４に
電気的に結合され、光に等価な基準信号を供給す
る。これらの信号は信号処理及びコモン・モー
ド・ノイズ・リジエクシヨン回路１６（第１図）
に接続される。

第３図には信号処理及びコモン・モード・ノイ
ズ・リジエクシヨン回路１６の回路図が示され
る。該回路は、導体２０上の測定用電気信号及び
導体２２上の基準用電気信号を受け、コモン・モ
ード・ノイズ（測定用電気信号及び基準用電気信
号に等しく含まれるノイズ、従つて、測定ビーム
及び基準ビームに等しく含まれるノイズ）を除去
し出力信号を導体５４を介して光度計及び記録部
１８（第１図）に供給する。光度計及び記録部
は、信号を受け、そして吸光度モニタのあらゆる
光度計及び記録部と同様に作動する。

測定用及び基準用ホト検出器からの光電流は差
動増幅器５６及び５８の夫々の反転入力に送られ
る。フイードバツク抵抗５６Ａ及び５６Ｂは増幅
器のゲインを決定する。

ホトセルからの暗電流に対し導体２０及び２２
上の信号を補正するため、信号処理及びコモン・
モード・ノイズ・リジエクシヨン回路１６は、暗
電流の減算的消去を行う手段を含む。

導体２０及び２２上の信号から減算のための信
号を供給するため、差動増幅器５６は調整可能な
ポテンシヨメータ６２による調節可能電源に電気
的に結合される正即ち非反転入力を有し、ポテン
シヨメータ６２は６０及び６１で示される一対の
一定電位に接続される。増幅器５８は、調節可能
なポテンシヨメータ６４により調節可能電位に電
気的に接続される正即ち非反転入力を有する。差
動増幅器５６の負即ち反転入力は導体２０に接続
され、差動増幅器５８の反転入力は導体２２に接
続される。

減算されるべき信号の振幅を調節して暗電流を
補償するために、ポテンシヨメータ６２及び６４
は光伝導体上に照明を与えずに調節され、ホトセ
ンサ３２及び３４（第２図）からの暗電流を消去
する。この調節によつて、暗電流はホトセルが光
を受けている間に除去される。

基線を調節し、電圧信号を電流信号に変換する
ため、信号処理及びコモン・モード・ノイズ・リ
ジエクシヨン回路１６は基線微調節回路６６及び
基線粗調節回路６８を含み、各々異なつた電圧−
電流変換器を有する。

基線微調節回路６６は、差動増幅器７０、第１
のPNPトランジスタ７２、第２のPNPトランジ
スタ７４、及び調整ボテンシヨメータ７６を含
む。差動増幅器５６の出力は差動増幅器７０の正
入力に接続される。

信号の電圧−電流変換を行うため、 (1) PNPトランジスタ７２のベース及びPNPト
ランジスタ７４のエミツタは差動増幅器７０の
出力に接続され、 (2) トランジスタ７４のコレクタ及びベースとト
ランジスタ７２のエミツタとは差動増幅器７０
の負入力に接続される。

基線の微調節を行うため、正電位７８は、調整
可能ポテンシヨメータ７６と、固定抵抗８０と、
増幅器７０の負入力端子と、に順次直列に接続さ
れる。差動増幅器７０への入力信号がポテンシヨ
メータ７６によつて調節される差動増幅器７０の
負入力端子への信号によつて減少されることによ
り基線は調節される。ポテンシヨメータ７６の調
節により、増幅器７０の正入力端子における一定
入力電圧に応答してトランジスタ７２のエミツタ
（及びコレクタ）電流を変化させ、基線を調節す
る。

基線の粗調節回路６８は、差動増幅器８４、第
1PNPトランジスタ８６、第2PNPトランジスタ
８８、及び基線粗調節ステツプ・スイツチ回路９
０を含む。差動増幅器８４の正即ち必反転入力端
子は差動増幅器５８の出力に電気的に接続され
る。

信号の電圧−電流変換を行うため (1) 差動増幅器８４の出力はトランジスタ８６の
ベースとトランジスタ８８のエミツタとに接続
され、 (2) トランジスタ８８のベースとコレクタとは基
線の粗調節スイツチ９０の端子９２に接続され
る。

基線の粗調節を行うため、調節スイツチ９０の
固定子は、負電位１０８と端子９２との間に順番
に直列に接続される、第１抵抗９４、スイツチ接
続９６、第２抵抗９８、第２スイツチ接点１０
０、第３抵抗１０２、第４スイツチ接点１０４及
び第５抵抗１０６を含む。４個の抵抗と３個のス
イツチ接点が示されているが、実際の実施例では
それ以上のスイツチ接点と抵抗がステツプ・スイ
ツチにあり、より融通性のある調節を行つてい
る。

調節スイツチ９０のスイツチ・アーム（接極
子）１１０は、正電位源１１２に抵抗１１４を介
して接続され、それによつて差動増幅器８４に負
電位１０８と直列の可変抵抗を基線の粗調節に対
し与える。トランジスタ８６のコレクタは導線１
１６に較正された基線電流信号を供給する。吸光
度を表すように信号を対数表現に変換するため、
整合ダイオード対数変換回路１１９は導線１１６
及び８２に接続され、導線１１６は導線２１に接
続され光源２４（第１図）の強さを制御する。こ
の回路は、1972年７月11日Robert W.Allington
に付与された米国特許第3676686号の高感度吸光
装置（High Sensitivity Absorbance
Apparatus）に開示される如きもので良い。その
回路に整合ダイオードを使用することは有効であ
る。

コモン・モード・ノイズを除去するため、信号
処理及びコモン・モード・ノイズ・リジエクシヨ
ン回路１６は、導線８２に接続される反転（負）
入力端子と導線１１６に接続される非反転（正）
入力端子とを有する差動増幅器１１７を含む。差
動増幅器１１７の出力は導線５４に接続される。

導線５４は、基準信号、基線誤差及びホトセル
の暗電流を減算又は消去することによる較正をし
た後の電気的感知信号を受け、これによつてフロ
ーセル内の吸光度を表わす信号を光度計及び記録
部１８（第１図）に供給する。この過程で、ガス
放電ランプからのコモン・モード・ノイズは基準
信号と測定された信号との間の差動増幅器１１７
内で消去される。

吸光度モニタ１０を作動させる前にサンプルの
吸光度を検出するための一定の調節が行なわれ
る。その１つの調節はホトセンサ３２及び３４内
の暗電流の消去である。これを行うため、ランプ
が消され、ポテンシヨメータ６２及び６４（第３
図）が調節され、その間暗電流が差動増幅器５６
及び５８内で消去されてしまうまで増幅器５６及
び５８又は米国特許第3676686号の第４図に示さ
れる一対の対数ダイオードからの出力が測定され
る。

動作において、第２図に示す位置の平坦鏡４４
によつて、光源１２（第１図）内のジユウテリウ
ム・ランプ２４が光学装置３８（第２図）とホト
センサ３２及び３４とに対する照明源である。ラ
ンプから放射された光は次の２つのモードで強度
が変動する。

(1) ジユウテリウム・ランプ内のアークが強度位
置を変動させる。

(2) ランプの各部からの光が異なつた強度の変動
をもつて発せられ、その光の一方向における強
度が他方向における光と異なる。

感知ビームに対する基準ビームの方向性変動に
よる光強度の変動を防止するため、非球面収束鏡
２６はアーク内の中央の明スポツト部を含む小領
域の像が開口板２８の開口に焦点が合うように配
置される。この配置によつて、アークの小さい部
分のみが実質上の光強度を開口板２８を通過す
る。この光強度は、ジユウテリウム・ランプ内の
アークの単一点の変動により変動するが、開口板
２８を介して光学的検出及び電気的感知部１４へ
伝送されるものと異なる方向の光強度変動は伝送
されない。

光学的検出及び電気的感知部に入る光は（第２
図に最良の態様が示される）非球面収束鏡４６に
よつて回折格子組立４８に伝送される。この組立
の回折格子は選択された周波数の光をビーム分割
器５０に反射し、フローセル３６の窓を通つて測
定ホトセル３２に当るように調節される。

ビーム分割器５０は著しい偏光を伴なわずに光
ビームを分割し、その一部を開口板５２の開口を
通して基準ホトセンサ３４に焦点を結ばせる。ホ
トセルの前面のフローセル３６内の開口絞りは、
基準ホトセル前の開口板の開口と光に対して等価
な大きさの開口を形成し、その各々は光源の開口
板の開口の像全体を受けるに充分な大きさであ
る。ホトセンサ３２はフローセル３６を通過する
光から電気信号を発生しそれを導線２０に供給
し、ホトセンサ３４はそこに照射される光に応答
して電気信号を発生して導線２２に供給する。

吸光度モニタで試験されるべき物質がフローセ
ルを通過する前に、しかし通常はその物質を運ぶ
溶媒が加えられた後に、基線が調節される。これ
は、基線の粗調節ステツプ・スイツチ９０のスイ
ツチ・アーム１１０（第３図）を基線が所望レベ
ルに十分近ずくまで切換えることにより行なわれ
る。微調節ポテンシヨメータ７６はその次に同様
に調節される。これらの調節は測定中周期的に行
なうことが可能であり、それによつて基線のオフ
セツトを減小させ、信号の有効範囲を拡大する。

装置の測定の準備が調うと、測定されるべき照
射が行なわれ、それはフローセル３６を通過す
る。導線２０上の信号は流出物及びその流出物を
運ぶ溶媒の吸光度によつて異なり、導線２２は溶
媒によつてのみ影響を受ける、信号を伝達する。
両方の信号は光源１２（第１図）に起因するコモ
ン・モード・ノイズを有する。

コモン・モード・ノイズを除去するために、導
線２０及び２２上の信号は、ホトセンサから暗電
流を除去する差動増幅器５６及び５８を通過した
後、基線を調節する回路６６及び６８を介して差
動増幅器１１７に加えられる。そこで互に減算さ
れ流出物によつて生じる信号から基準を除去する
と共に、コモン・モード・ノイズを除去する。差
動増幅器で減算を行う前に、ログ・コンバータを
使用して信号の振幅を対数値に変換する。ログ・
コンバータからのフイードバツクは光源の強度を
制御する。

この最終の信号が導線５４に加えられる。光度
計及び記録部１８においては、周知の技術によ
り、フローセル３６内の流出物の吸光度又は透過
度の表示が与えられる。これらの処理は従来技術
において周知であるので本発明の構成部分ではな
い。

以上の説明の如く、本発明による吸光度モニタ
は、安価にして簡単な装置によりガス放電ランプ
内の光変動によつて生じるノイズを除去するもの
である。

尚、本発明の特定の実施例について説明した
が、本発明の範囲内において多くの変更が可能で
あることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光源を有する吸光度モニ
タのブロツク図である。第２図は、第１図に示す
実施例の概略図である。第３図は、第１図に示す
実施例の回路図である。 符号説明、１０：吸光度モニタ、１２：光源、
１４：光学的検出及び電気的感知部、１６：信号
処理及びコモン・モード・ノイズ・リジエクシヨ
ン回路、１８：光度計及び記録部、１９：ランプ
強度制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガス放電ランプと、基準ビーム及びサンプ
   ル・ビームを形成するビーム分割器に対し単一の
   連続ビームを伝送するため前記ランプからの光を
   小さな点に収束させる収束装置と、基準ビームを
   基準電気信号に変換する第１の検出器と、サンプ
   ル・ビームが吸光度をモニタすべきサンプルを通
   過した後で該ビームをサンプル電気信号に変換す
   る第２の検出器と、前記基準及びサンプル電気信
   号を受けコモン・モード・ノイズを除去するコン
   パレータと、を有する吸光度モニタであつて、ビ
   ーム分割器５０と非球面凹面鏡２６との間に開口
   板２８を設け、非球面凹面鏡が、ビーム分割器に
   伝送する前に、ガス放電ランプ２４の中心の輝点
   上の小さな点の像を開口板の対応する大きさの開
   口に焦点合せして、ガス放電ランプの方向性変動
   を除去し、前記ビーム分割器５０が入射光の方向
   と直角の角度から約10度の角度で設けられ実質上
   偏光を生じることなくビームを形成する水晶ビー
   ム分割器であることを特徴とする吸光度モニタ。 ２ 前記ガス放電ランプがジユウテリウム・ラン
   プから成る特許請求の範囲第１項記載の吸光度モ
   ニタ。 ３ 前記２つの電気信号の一方を、その信号の振
   幅の対数値を振幅とする信号に変換する回路１１
   ９，１１６，２１，８２と、前記２つの電気信号
   の一方の対数値を前記ランプ２４にフイードバツ
   クしその強度を調節するフイードバツク装置２
   １，１９を有することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の吸光度モニタ。 ４ 前記ビーム分割器５０からサンプルを含むフ
   ローセル３６及び第１検出器３４への路に同じ大
   きさの開口絞り５２，３６１が設けられることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第３項に記
   載の吸光度モニタ。