KR100231373B1 - 적외선 수분 측정장치 및 적외선 수분 측정방법 - Google Patents
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Abstract
피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선흡수가 변화하는 측정광의 적외선을 방사하는 제1적외선 발광 다이오드(LED)와, 피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선 흡수가 거의 변하지 않는 기준광의 적외선을 방사하는 제2적외선 LED를 구비하는 적외선 수분 측정장치가 개시된다. 또한, 제1및 제2적외선 LED에 의해 방사된 측 정광 및 기준광의 적외선을 피측정물에 조사하고 피측정물로부터의 반사된 적외선을 집광하는 광학계와, 광학계에 의해 집광된 적외선을 수광하여 수광된 적외선의 광량에 대응한 수광신호를 출력하는 InGaAs 수광소자가 마련된다. 피측정물의 수분값은 InGaAs 수광소자에 출력된 수광신호에 기초하여 얻어지다.
Description
제1도는 본 발명의 제1실시예인 적외선 수분 측정장치를 나타내는 블록도.
제2도는 본 발명의 제2실시예인 적외선 수분 측장치를 나타내는 블록도.
제3도는 본 발명의 제3실시예인 적외선 수분 측정장치를 나타내는 블록도.
제4도는 제3도에 도시된 적외선 수분 측정장치의 측정헤드를 나타내는 블로도.
제5도는 제3실시예의 모드 1을 나타내는 타이밀도.
제6도는 제3실시예의 모드 2를 나타내는 타이밍도.
제7도는 제3실시예의 모드 3에서 리미트 스위치를 접속하지 않은 경우를 나타내는 타이밍도.
제8도는 제3실시예의 모드 3에서 리미트 스위치를 접속한 경우를 나타내는 타이밍도.
제9도는 제1및 제3실시예에 필터가 적용된 광학계의 일례를 나타내는 도면.
제10도는 제2실시예에 필터가 적용된 광학계의 일례를 나타내는 도면이다.
본 발명은, 피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선흡수가 변화하는 측정광의 적외선과 피측정물의 수분함유량에 의해 적외선흡수가 거의 변화하지 않는 기준광의 적외선을 피측정물에 조사하고, 각 적외선의 반사광량에 기초하여 피측정물의 수분함유량을 측정하는 적외선 수분 측정장치 및 적외선 수분 측정방법에 관한 것이다.
이러한 종류의 종래 적외선 수분 측정장치는, 피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선흡수가 변화하는 측정광의 적외선과, 피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선 흡수가 거의 변화하지 않는 기준광의 적외선을 각각 피측정물에 조사(照射)한다. 그 다음, 적외선 수분 측정장치는, 예컨대 적외선의 반사광량에 기초하여 흡광도를 산출 하고, 산출된 흡광도를 수분값으로 환산하여 피측정물의 수분함유량을 구한다.
측정광과 기준광을 발생시키기 위해, 종래의 적외선 수분 측정장치는 다음과 같이 구성된다. 즉, 간섭필터가 탑재된 필터 휠(Wheel)이 모터에 의해 회전됨과 동시에, 텅스텐 램프 등의 광원으로부터의 광이 간섭필터에 조사되어 측정광과 기준광을 분광하도록 하고 있다. 또한, 반사된 적외선을 수광하는 검출소자로서 PbS 검출기가 이용되고 있다. 더욱이, 사용되는 수분의 흡수파장, 즉, 측정광의 파장은 1.94㎛또는 1.45㎛이다.
그러나, 상기와 같이 구성된 종래의 적외선 수분 측정장치는 다음과 같은 문제점을 갖는다.
(1) 모터 및 간섭필터가 탑재된 필터 휠이 사용되므로, 장치 자체의 크기가 커진다.
(2) 필터 휠의 최대 회전속도가 대략 3000rpm 정도로 한정되기 때문에, 장치가 고속 샘플링에 부적합하다.
(3) 텅스텐 램프는 열원(熱源)으로도 되기 때문에, 장치의 내부 온도가 상승하며, 이러한 온도 상승은 전자부품의 기능저하 원인이 된다. 즉, 사용환경의 온도 허용범위에 주의해야 한다.
(4) 텅스텐 램프는 상당한 소비전력을 필요로 하며, 결과적으로 램프의 수명은 대략 30000시간 정도로 제한된다.
(5) PbS검출기의 암저항(暗抵沆)값 변화에 따라, 그 감도는 시간경과와 함께 변화한다. 또한, 소자마다의 편차도 크다.
(6) PbS 검출기의 주파수 응답이 600Hz 정도이므로, PbS 검출기는 고속 샘플링에 부적합하다.
(7) PbS 검출기의 분광감도의 피크 파장이 2.2㎛에 있으므로,1,94㎛의 수분 흡수파장을 이용하여 수분값 계측을 행하면, 높은 수분을 함유한 시료에서는 분광특성(수분)이 포화되어 버린다. 또한, 1.45㎛의 수분 흡수파장을 이용하여 수분값 계측을 행하면, 낮은 수분을 함유한 시료에서는 충분한 감도를 얻을 수 없다.
또, 종래의 적외선 수분 측정장치는 응답 속도가 늦기 때문에, 측정대상에 한계가 있다. 예를 들면, 종래 장치는 분말이자나 담배 원료 등과 같이 컨베이어로 공급되는 원재료의 수분값을 측정하는데 이용되고 있지만, 이러한 종류의 원재료는 컨베이어 상에서 연속하여 흘러가므로, 측정점이 이격되어 있어도, 원재료 전체의 평균 수분값을 구하는 것이 가능하다. 그러나, 예를 들면, 과자류 제품이나 정제 등의 로트(lot)제품과 같이 측정대상물이 특히 작고 건헐적으로 흘러가는 물품에 대해서는, 종래 장치의 응답이 늦으므로, 제품 각각의 수분값은 물론, 제품전체의 평균 수분값도 정확히 구할 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 고속 샘플링, 즉 고속 응답이 가능하며, 장치의 소형화, 장치관리성과 사용환경 온도 허용범위의 향상 및 소비전력과 원가의 절감을 실현할 수 있는 적외선 수분 측정장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 고속 응답이 가능하며, 간헐적으로 흘러가는 로트 제품등의 수분값을 정확하게 측정할 수 있는 적외선 수분 측정방법을 제공하는데 있다.
상기 목적들은, 피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선흡수가 변화하는 측정광의 적외선을 방사하는 제1적외선 발광 다이오드(LED)와, 피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선 흡수가 거의 변하지 않는 기준광의 적외선을 방사하는 제2적외선 LED와, 상기 제1및 제2적외선 LED에 의해 방사된 측정광 및 기준광의 적외선을 피측정물에 조사하고 상기 피측정물로부터의 반사된 적외선을 집광하는 광학계와, 상기 광학계에서 집광된 적외선을 수광하여 수광된 적외선의 광량에 대응한 수광신호를 출력하는 InGaAs 수광소자를 구비한 적외선 수분 측정장치에 의해 달성된다.
이러한 장치에 의하면, 측정광과 기준광의 적외선은 각각 적외선 LED에 의해 발생된다. 또한, 피측정물로부터 반사된 측정광과 기준광의 반사광은 InGaAs수광소자로 수광되고, InGaAs 수광소자에서 출력된 수광신호에 기초하여 피측정물의 수분 값이 얻어진다. 따라서, 고속 샘플링, 즉 고속 응답이 가능하다. 또한, 장치의 소형화 및 장치관리성과 사용환경 온도 허용범위의 향상이 실현될 수 있을 뿐 아니라 소비 전력과 원가의 절감도 실현될 수 있다.
상기 적외선 수분 측정장치에서는, 제1적외선 LED 근방에 마련된 온도 센서의 출력에 기초하여 수분값에 대해 온도 보정이 행해질 수 있다. 이러한 장치에 의하면, 정확한 측정이 실행될 수 있다.
상기 적외선 수분 측정장치에서는, 광학계가 제1및 제2LED 중의 어느 하나에 의해 방사되는 적외선은 반사하고, 다른 LED에 의해 방사되는 적외선은 투과하는 하프 미러(half mirror)를 갖출 수 있으며, 광학계는 반사광과 투과광이 서로 정렬된 광축을 갖도록 하면서 피측정물 상에 반사된 적외선 및 투과된 적외선을 조사시킬 수 있다. 이러한 장치에 의하면, 측정거리의 편차가 있더라도 정확한 측정이 행해질 수 있다.
상기 적외선 수분 측정장치에서는 광학계가 측정용 적외선을 반사하는 제1반사면과 기준용 적외선을 반사하는 제2반사면을 가질 수 있으며, 제1및 제2반사면에 의해 반사된 적외선이, 제1반사면에 의해 반사된 적외선의 광축이 제2반사면에 의해 반사된 적외선의 광축과 정렬된 상태로 피측정물 상에 조사될 수 있도록 하는 위치관계로 제1및 제2반사면이 배치될 수 있다. 이러한 장치에 의하면, 적외선 LED에 의해 방사된 적외선은 거의 100% 피측정물 상에 조사될 수 있어서, 본 실시예는 낮은 반사율을 가지는 피측정물에 적용할 수 있다.
또, 피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선흡수가 변화하는 측정광의 적외선을 방사하는 제1적외선 발광 다이오드(LED)와, 피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선 흡수가 거의 변하지 않는 기준광의 적외선을 방사하는 제2적외선 LED와, 상기 제1 및 제2적외선 LED에 의해 방사된 측정광 및 기준광의 적외선을 피측정물에 조사하고 상기 피측정물로부터의 반사된 적외선을 집광하는 광학계와, 상기 광학계에서 집광된 적외선을 수광하여 수광된 적외선의 광량에 대응한 수광신호를 출력하는 InGaAs 수광소자와, 피측정물이 검출될 때 고속으로 InGaAs 수광소자에서 출력된 수광신호를 샘플링함으로써 피측정물의 검출된 상태에 대응하는 피측정물의 수분값을 측정하는 제어수단을 구비한 적외선 수분 측정장치가 마련된다. 이러한 장치에 의하면, 간헐적으로 흘러가는 로트 제품 등의 각 제품에 대한 수분값이 측정될 수 있으며, 로트 제품의 평균 수분값이 정확히 측정될 수 있다.
상기 적외선 수분 측정장치에서는, 측정광의 적외선이 선택적으로 투과되는 제1간섭필터가 제1적외선 LED의 전면에 마련될 수도 있고, 기준광의 적외선이 선택적으로 투과되는 제2간섭필터가 제2적외선 LED의 전면에 마련될 수도 있다.
또, 제1적외선 발광 다이오드(LED)에서 방사되는 측정광과 제2적외선LED에 서 방사되는 기준광을 피측정물에 조사하고, 측정광과 기준광의 반사광을 InGaAs 수광소자로 수광하고, InGaAs 수광소자로부터 출력된 수광신호에 기초하여 피측정물의 수분값을 얻는 적외선 수분 측정방법이 마련된다.
적외선 수분 측정방법은, (a) 제1및 제2적외선 LED를 고속으로 작동시키는 단계,(b)피측정물을 검출하는 단계, (c) 피측정물이 검출될 때, InGaAs 수광소자의 수광신호를 고속으로 샘플링하는 단계, 및 (d) 피측정물의 검출상태에 대응하여 피측정물의 수분값을 간헐적으로 측정하는 단계를 구비한다. 따라서, 간헐적으로 흘러가는 로트 제품 등의 각 제품의 수분값 측정이 가능하며, 로트 제품의 평균 수분값은 정확하게 측정될 수 있다.
더욱이, (a) 제1및 제2적외선 LED를 고속으로 작동시키는 단계, (b) 피측정물을 검출하는 단계, (c) 피측정물이 검출될 때. InGaAs 수광소자의 수광신호를 고속으로 샘플링하는 단계, (d) 피측정물의 검출상태에 대응하여 피측정물의 수분값을 간헐적으로 측정하는 단계, 및 (e) 피측정물이 검출되는 때는 측정된 수분값을 차례로 표시함과 동시에, 피측정물이 검출되지 않는 때는 측정한 수분값의 최후 수분값을 홀드 표시하는 단계를 구비한 적외선 수분 측정방법이 마련된다.
따라서, 간헐적으로 흘러가는 로트 제품등의 각 제품의 수분값 측정이 가능하며, 로트 제품의 평균 수분값은 정확하게 측정될 수 있다. 또, 샘플링이 실행된 각 순간에 순시값을 알 수 있다.
또한, (a) 제1 및 제2적외선LED를 고속으로 작동시키는 단계,(b) 피측정물을 검출하는 단계,(c) 피측정물이 검출될 때, InGaAs 수광소자의 수광신호를 고속으로 샘플링하는 단계,(d) 피측정물의 검출상태에 대응하여 피측정물의 수분값을 간헐적으로 측정하는 단계, 및 (e) 피측정물이 검출되고 있는 동안에 측정한 수분값의 평균 수분값을, 피측정물이 검출되지 않았던 시점에서 다음 피측정물이 검출되지 않게 될 때까지 홀드표시함으로써, 피측정물 각각의 평균 수분값을 갱신하여 표시하는 단계를 구비한 적외선 수분 측정방법이 마련된다. 따라서, 간헐적으로 흘러가는 로트제품 등의 각 제품의 수분값 측정이 가능하며, 로트 제품의 평균 수분값은 정확하게 측정될 수 있다. 또, 평균 수분값을 알 수 있다.
또한, (a) 제1 및 제2적외선 LED를 고속으로 작동시키는 단계, (b)피측정물이 검출될 때, InGaAs 수광소자의 수광신호를 고속으로 샘플링함으로써, 피측정물의 수분값을 검출하는 단계, 및(c) 측정된 수분값이 소정 범위이내인 경우에, 측정된 수분값의 평균 수분값을, 측정된 수분값이 그 소정 범위에서 벗어난 시점에서 또 다시 그 소정 범위에서 벗어난 시점까지 홀드표시함으로써, 피측정물 각각의 평균 수분값을 갱신하여 표시하는 단계를 구비한 적외선 수분 측정방법이 마련된다.
따라서, 간헐적으로 흘러가는 로트 제품 등의 각 제품의 수분값 측정이 가능하며, 로트 제품의 평균 수분값은 정확하게 측정될 수 있다. 또, 평균 수분값을 알 수 있다.
마지막으로, (a) 제1 및 제2적외선 LED를 고속으로 작동시키는 단계, (b) 피측 정물을 검출하는 단계,(c) 피측정물이 검출될 때, InGaAs 수광소자의 수광신호를 고속으로 샘플링하는 단계, (d) 피측정물의 검출상태에 대응하여 피측정물의 수분값을 간헐적으로 측정하는 단계, 및 (e) 피측정물이 검출되고 상기 측정된 수분값이 소정 범위 이내인 조건을 만족한 경우에 그 측정된 수분값의 평균 수분값을 , 그 조건이 만족되지 않은 시점에서 또 다시 그 조건이 만족되지 않게 된 시점까지 홀드표시함으로써, 피측정물 각각의 평균 수분값을 갱신하여 표시하는 단계를 구비한 적외선 수분 측정방법이 마련된다. 따라서, 간헐적으로 흘러가는 로트 제품 등의 각 제품의 수분값 측정이 가능하며, 로트 제품의 평균 수분값은 정확하게 측정될 수 있다. 또, 평균 수분값을 알 수 있다.
먼저 제1도를 상세히 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따라 구성된 적외선 수분 측정장치가 도시된다. 적외선 수분 측정장치의 광학계(1)는 측정광 집광렌즈(1a),기준광 집광렌즈(1b), 하프미러(1c), 조사광 집광렌즈(1d), 및 반사광 집광렌즈(Ie)를 갖추고 있다. 기준광 집광렌즈(1b)의 광축은 조사광 집광렌즈 (1d)의 광축과 정렬되어 있다. 하프미러(1c)는 조사광 집광렌즈(1d)의 광축과 45°를 이루도록 배치되어 있다.
측정광 집광렌즈(1a)는, 그 광축이 하프미러(1c)의 반사면에서 기준광 집광렌즈(1b)의 광축과 직교하도록 배치되어 있다. 측정광 집광렌즈(1a)의 뒤쪽에는, 주파장(主波長)이 1.45㎛인, 즉, 피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선 흡수가 변화하는, 근적외선을 측정광으로서 출력하는 측정광 IRED(적외선 발광다이오드)(2)가 배치되어 있다. 기준광 집광렌즈(1b)의 뒤쪽에는, 주파장이 1.3㎛인, 즉, 피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선 흡수가 변하지 않는 근적외선을 기준광으로서 출력하는 기준광IRED(3)가 배치되어 있다. 더욱이, InGaAs(인듐-갈륨-비소) 검출소자(4)가 반사광집광렌즈(1e)의 집광점에 배치되어 있다.
측정광 IRED(2) 및 기준광 IRED(3)는 IERD구동회로(5)에 의해 각각 시분할로 구동되어, 측정광과 기준광을 교대로 방사한다. 측정광 IRED(2)에서 방사된 측정광은 측정광 집광렌즈(1a)에 의해 평행광속으로 된다. 평행광속으로 된 광은 하프미러(1c)에 의해 그 50%의 광이 직각으로 반사된다. 이 반사된 광은 조사광 집광렌즈(1d)에 의해 피측정물의 측정면(M)상에 조사된다. 한편, 기준광 IRED(3)에서 방사된 기준광은 기준광 집광렌즈(1b)에 의해 평행광속으로 된다. 평행광속으로 된 광의50%는 하프미러(1C)를 통해 투과한다. 이 투과된 광은 조사광 집광렌즈(1d)에 의해 피측정물의 측정면(M)상에 조사된다. 하프미러(1c)에 의해 반사된 측정광 및 하프미러(1c)를 통해 투과한 기준광은 각각의 광축이 서로 정렬되어 피측정물 상에 조사된다.
피측정물의 측정면(M)에서 반사된 측정광 및 기준광은, 반사광 집광렌즈(1e)에 의해 InGaAs 검출소자(4)로 집광된다. 이 InGaAs 검출소자(4)에서, 측정광과 기준광의 수광량의 강도에 대응한 레벨의 전류가 수광신호로서 교대로 출력된다. 이 InGaAs 검출소자(4)에서 출력된 수광신호는, I/V 변환기(6)에 의해 전압신호로 변환된다. 그 다음, 이 전압신호는 AC 앰프(7)에 의해 증폭되어 동기(同期) 정류회로(8)로 입력된다.
측정광 IRED(2)와 기준광 IRED(3)을 구동하기 위해 IRED 구동회로(5)에서 출력되는 각 구동신호는 동기 펄스생성회로(9)에 입력된다. 동기 펄스생성히로(9)는 입력되는 구동신호에 동기한 펄스신호를 발생시켜서 이를 동기 정류회로(8)로 출력한다.
동기 정류회로(8)는 AC 앰프(7)에서 출력되는 전압신호를 정류함과 동시에 그정류한 DC 신호를, 동기 펄스생성회로(9)로부터의 펄스신호에 동기하여 측정광의 전압신호와 기준광의 전압신호로 분리한다. 이 전압신호들은, 측정광 및 기준광에 대응하여 마련된 출력단자에서 A/D 변환회로(10)로 출력된다. 그 다음, A/D 변환회로(10)는, 그 아날로 그 전압신호들을 측정광과 기준광에 각각 대응하는 디지털 신호(수치 데이터)로 변환시키며, 변환된 디지털 신호들은 중앙처리장치(CPU)(미도시)로 입력된다.
여기서 피측정물에 있어서는, 그 수분 함유량 및 기타 요인에 대응하여 측정광의 흡수가 발생하며, 또한, 상기 기타 요인에 대응하여 기준광의 흡수가 발생한다.
따라서, 반사광량에 대한 측정광의 비 및 반사광량에 대한 기준광의 비, 또는 그 로그(log)값에 의해, 상기 기타 요인의 영향을 상쇄한 흡광도 환산값을 구할 수 있다. 이 흡광도 환산값은 미리 설정된 검량선의 식 등에 의해 수분값으로 환산될 수 있다.
A/D 변환회로(10)로부터의 디지털 신호에 기초하여, 상기 CPU는 흡광도 환산 값, 수분값을 계산하여, 그 결과를 측정값으로 출력한다. 제1도에 도시된 본 실시예에서는, 측정광 IRED(2)의 근방에 온도센서(11)가 마련되고, 이 온도센서(11)의 출력 전압에 대응한 전압신호, 즉, 온도에 대응한 전압신호가 A/D 변환회로(10)에 의해 디지털 신호로 변환되며, 이 온도에 대응한 디지털 신호에 기초하여 CPU는 온도보정을 행한다.
제1도에 도시된 상기 실시예에 의하면, 측정광은 하프미러(1c)에서 반사되고, 기준광은 하프미러(1c)를 통해 투과된다. 또한, 상기 광들 각각의 광축이 서로 정렬되어 있으므로, 광학계는 소형화되어 있다. 또, 측정광과 기준광이, 각각의 광축을 서로 정렬시킨 상태로 피측정물 상에 조사되므로, 광학계로부터의 거리편차, 즉 측정거리의 편차가 있더라도 정확한 측정이 행해질 수 있다.
제2도를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따라 구성된 적외선 수분 측정장치가 도시된다. 제1도와 제2도의 차이점은 광학계(12)의 구성 및 측정광 IRED(2)과 기준광 IRED(3)의 위치관계만이며, 회로동작은 제1도에 도시된 장치와 동일하다. 제1도와 동일한 요소에는 동일 참조부호를 사용하며, 중복을 피하기 위해 상세한 설명은 생략한다.
광학계(12)는 측정광 집광렌즈(12a), 기준광 집광렌즈(12b), 프리즘(12c), 조사광집광렌즈(12d),및 반사광 집광렌즈(12e)를 구비한다. 프리즘(12c)의 정각(頂角)(θ)은 90°이며, 조사광 집광렌즈(12d)의 광축이 이 정각(θ)을 이등분하도록 프리즘(12c)과 조사광 집광렌즈(12d)의 위치관계가 설정된다.
측정광 집광렌즈(12a)와 기준광 집광렌즈(12b)는 조사광 집광렌즈(12d)의 광축에 대해 대칭적으로 배치된다. 측정광 집광렌즈(12a)의 뒤쪽에는, 주파장 1.45㎛의 근적외선을 측정광으로서 출력하는 측정광 IRED(2)가 배치된다. 기준광 집광렌즈 (12b)의 뒤쪽에는, 주파장 1.3㎛의 근적외선을 기준광으로서 출력하는 기준광IRED (3)가 배치된다.
측정광 집광렌즈(12a)와 기준광 집광렌즈(12b)는, 그 각각의 광축이, 프리즘(12c)의 정각(θ)을 이루는 반사면을 각각 통과하여, 프리즘(12c)의 반사면이 회합하는 능선(稜線) 근방에서 조사광 집광렌즈(12d)의 광축과 직교하도록 각각 설정되어 있다. 측정광 집광렌즈(12a)와 기준광 집광렌즈(12b)의 초점거리 및 그 위치는, 측정광 IRED(2)로부터의 측정광과 기준광 IRED(3)로부터의 기준광이 각각 프리즘(12c)의 각 반사면에서 한 점으로 초점이 형성되도록 설정되어 있다.
상기 구성에 의해, 측정광 집광렌즈(12a)에 의해 한 점으로 초점이 형성된 측정광과, 기준광 집광렌즈(12b)에 의해 한 점으로 초점이 형성된 기준광은, 각각 프리즘(12c)의 반사면에서 100%의 반사율로 직각으로 반사된다. 반사광들은 조사광 집광렌즈(12d)의 광축을 따라서 각각 피측정물의 측정면(M)에 조사된다. 이 측정면(M)으로부터의 반사광에 기초하여, 상기와 같은 방법으로 수분값이 측정된다.
제1도에 도시된 상기 제1실시예의 적외선 수분 측정장치에서는, 측정광 IRED(2)에서 방사되는 측정광이 하프미러(1c)에 의해 반사되며, 기준광 IRED(3)에서 방사되는 기준광은 하프미러(1c)를 통해 투과하여, 각 적외선 광의 50%가 손실된다.
그러나, 제2도의 상기 제2실시예의 적외선 수분 측정장치에서는, 측정광 및 기준광이 프리즘(12c)에 의해 100% 반사되므로, 각 적외선을 효율적으로 이용할 수 있으며, 이 장치는 또 낮은 반사율을 가지는 피측정물에도 적용할 수 있다.
제3도는 본 발명의 제3실시예의 적외선 수분 측정장치를 개략적으로 나타내며, 제4도는 제3도에 도시된 적외선 수분 측정장치의 측정헤드(A)를 개략적으로 나타낸다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 적외선 수분 측정장치는 측정헤드(A)와 컨트롤러(B)에 의해 대략 구성된다. 콘트롤러(B)에는, 컨베이어 상에 있는 피측정물 제품의 유무를 검출하는 광전식 리미트 스위치(C)가 접속되어 있다. 또, 콘트롤러(B)에는 퍼스널 컴퓨터(D)가 접속된다. 이 퍼스널 컴퓨터(D)는 피측정물에 대응한 검량선(檢量線)의 데이터를 작성한다. 이 작성된 검량선의 데이터와, 피측정물에 대응하여 미리 구해 둔 검량선의 테이터가 콘트롤러(B)에 설정된다.
콘트롤러(B)는 A/D 변환기(20)를 구비한 마이크로 컴퓨터로 구성되어 있다.
CPU(21)는, 프로그램 메모리(22)에 기억되어 있는 제어 프로그램에 기초하여 연산메모리(23)를 사용하면서 각종 연산처리를 행한다. 또한, I/O 인터페이스(24)를 통해, A/D 변환기(20), 표시장치(25), 및 퍼스널 컴퓨터(D)사이에 데이터의 입출력이 행해진다. 더욱이, 리미트 스위치(C)로부터의 온/오프 신호는 외부 홀드신호로서 I/O 인터페이스(24)에 입력된다.
제4도에 도시된 바와 같이, 측정헤드(A)는 제1도의 제1실시예와 마찬가지로,광학계(1), 측정광 IRED(2), 기준광IRED(3) InGaAs 검출소자(4), IRED 구동회로 (5), I/V변환기(6), AC 앰프(7), 동기 정류회로(8),및 동기 펄스생성회로(9)에 의해 구성된다. 제1도와 동일한 참조부를 가지는 요소는 제1실시예의 요소와 구성에 있어서 동일하므로, 중복을 피하기 위해 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 동기 정류회로(8)로부터의 측정광 및 기준광의 전압신호들은 제3도에 도시된 콘트롤러(B)의 A/D 변환기(20)로 입력딘다.
제3도에서, A/D변환기(20)는 아날로그 전압신호를 디지털 신호(수치 데이터)로 변환시키며, 이 디지털 신호는 I/O 인터페이스(24)를 통해 CPU(21)로 전송된다. 그 다음, 이 CPU(21)는, 측정광에 대응하는 측정광 데이터(S)와 기준광에 대응하는 기준광 데이터(R)에 기초하여 흡광도를 계산한다. 계산된 이 흡광도 및 미리 설정된 검량선의 데이터로부터, 수분값이 계산되어 표시장치(25)상에 표시된다. 제3도에 도시된 본 실시예에서, 후술할 측정모드에 따라, 각 피측정물의 계산된 수분값의 평균수분값이 표시장치(25)상에 표시되는 사례가 있다. 또한, 본 실시예에서, 온도센서(11)는 측정광 IRED(2)의 근방에 마련된다. 온도센서(11)의 출력전압, 즉, 온도에 대응하는 전압신호는 A/D 변환기(20)에 의해 디지털 신호로 변환되며, 온도에 대응하는 이 디지털 신호에 기초하여 CPU(21)는 온도보정을 행한다.
제3도 및 제4도에 도시된 실시예에 따른 적외선 수분 측정장치는 모드 0 내지 모드 3의 4가지 측정모드를 가진다. 이들 측정모드는 퍼스널 컴퓨터(D) 또는 콘트롤러(B)에 의해 지정된다. 또한, 이 실시예에서, 리미트 스위치(C)로부터의 외부 홀드신호가 오프 상태인 경유 피측정물이 검출되며, 장차가 모드 1 내지 모드 3에 있는 경우 그 외부 홀드신호에 기초하여 수분값이 간헐적으로 측정된다.
예를 들면, 피측정물이 컨베이어 상에서 간격을 두고 반송되는 경우, 피측정물의 반송로와 교차하도록 광이 방사되고, 이 광을 광전 검출기에서 수광함으로써 리마트 스위치(C)가 구성된다. 만약, 피측정물이 이 광을 차단한다면, 리미트 스위치(C)는 오프상태로 되고, 피측정물이 이 광을 통과시키면, 리미트 스위치(C)는 온상태로 된다. 따라서, 리미트 스위치(C)가 오프상태인 경우에, 피측정물의 수분값이 측정된다. 또, 모드 0인 경우에, 리미트 스위치(C)에서 출력되는 외부 홀드신호에 관계없이, 측정광 데이터(S)와 기준광 데이터(R)를 샘플링할 때마다 항상 수분값의 계산을 행하여 그 계산된 수분값을 표시장치(25)에 표시한다.
다음에, 제5도 내지 제8도의 타이밍도에 기초하여, 모드 1내지 모드 3에 대해 설명한다. 각 타이밍도에 있어서, 사선으로 표시한 블록은, 예컨대 컨베이어 상을 간헐적으로 흘러가는 피측정물을 나타낸다. 리미트 스위치(C)에서 출력되는 외부 홀드신호(a)는 피측정물이 없는 경우 온상태로 되고, 피측정물이 있는 경우 오프상태로 된다.
제5도는 모드 1인 경우를 나타낸다. 모드 1에서는, 외부 홀드신호(a)가 오프상태인 경우, 차례로 얻어진 측정광 데이터(S)와 기준광 데이터(R)에 의해 계산된 수분값(Y)을 구하여 차례로 갱신한다. 이 갱신된 값을 그대로 표시장치(25)에 표시된다.
한편, 외부 홀드신호(a)가 온상태로 되면, 그 직전의 계산된 수분값(Y)은, 외부 홀드 신호(a)가 다시 오프상태로 될 때까지 표시장치(25)에 홀드표시된다.
제6도는 모드 2인 경우를 나타낸다. 모드 2에서는, 외부 홀드신호(a)가 오프상태인 경우, 차례로 얻어진 측정광 데이터(S)와 기준광 데이터(R)에 의해 계산된 수분값(Y)이 구해지고, 평균 수분값도 계산된다. 외부 홀드신호가 오프상태인 동안의 평균 수분값은 외부 홀드신호가 온상태로 되는 시점에 표시장치(25)에 표시된다. 즉, 외부 홀드신호(a)가 오프상태인 동안에 바로 전의 피측정물의 평균 수분값이 홀드표시되고, 외부 홀드신호(a)가 온상태로 되면, 즉, 피측정물이 더 이상 검출되지 않게 되면, 그 피측정물의 평균값이 홀드표시된다. 따라서, 피측정물 각각의 평균 수분값이, 다음 피측정물의 측정이 종료하는 시점까지 표시된다.
제7도는 모드 3에서 리미트 스위치(C)가 접속되지 않은 경우를 나타낸다. 모드 3에서, 계산된 수분값(Y)에 대해 미리 결정된 문턱값에 대응하여 계산과 표시의 전환이 제어된다. 즉, 문턱값은 상한값과 하한값을 가지며, 계산된 수분값(Y)이 상한값과 하한값의 사이(하한값≤계산된 수분값(Y)≤상한값)에 있을 때만, 계산된 수분값(Y)의 평균 수분값이 계산되다. 이 계산된 수분값(Y)이 상한값과 하한값의 사이에 있는 동안의 평균 수분값을, 계산된 수분값(Y)이 상한값 또는 하한값에서 벗어난 시점에 표시장치(25)에 표시한다. 또, 계산된 수분값(Y)이 상한값 또는 하한값에서 벗어난 때에는, 평균 수분값의 계산이 정지된다. 따라서, 예컨대, 제7도의 (1)에 의해 도시된 바와 같이 수분값이 비정상(이 경우는 비정상적으로 높은 값)인 때에는, 그비정상적인 수분값이 평균 수분값에 영향을 주지 않도록 할 수 있다. 이러한 모드 3의 경우에도, 모드 2의 경우와 같이, 다음 피측정물의 측정이 종료할 때까지 피측정물 각각의 평균 수분값이 표시된다.
제8도는 모드 3에서 리미트 스위치(C)가 접속된 경우를 나타낸다. 모드 3에서는, 외부 홀드신호(a)의 상태 및 상기 경우와 마찬가지로 계산된 수분값(Y)에 대해 미리 정해진 문턱값에 대응하여 계산과 표시의 전환이 제어된다. 즉, 외부 홀드신호(a)가 오프상태이고, 계산된 수분값(Y)이 상한값과 하한값의 사이(하한값≤계산된 수분값(Y)≤상한값)에 있을 때만, 계산된 수분값(Y)의 평균 수분값이 계산된다. 이러한 오프상태인 동시에 계산된 수분값(Y)이 상한값과 하한값의 사이에 있을 때의 평균 수분값은, 외부 홀드신호가 온상태로 된 시점 또는 평균 수분값이 상한값 또는 하한값에서 벗어난 시점에 표시장치(25)에 표시된다. 또, 이 이외의 조건에서는, 평균 수분값의 계산이 정지된다. 따라서, 상기 경우와 같이, 수분값이 비정상적일 때에는, 그값이 평균 수분값에 영향을 주지 않도록 할 수 있다. 더욱이, 예컨대, 제8도의 (2)에 도시된 바와 같이 외부 홀드신호(a)에는 영향을 주지 않는 이물질에 의해 어느 정도의 계산된 수분값이 발생하는 경우에도, 그 값이 평균 수분값에 영향을 주지 않도록 할 수 있다. 이러한 모드 3의 경우에도, 모드 2의 경우와 마찬가지로, 피측정물 각각의 평균 수분값이, 다음 피측정물의 측정이 종료할 때까지 표시된다.
전술한 수분측정에서는, (1) 모드 1및 모드 2에서 외부 홀드신호(a)가 오프상태인 때의 계산된 수분값(Y) 및 계산된 평균 수분값, 또는 (2) 모드3에서 리미트스위치(C)가 접속되지 않은 경우에, (하한값≤계산된 수분값(Y)≤상한값)의 조건이 만족된 때의 계산된 평균 수분값은, 또는 (3) 모드 3에서 리미트 스위치(C)가 접속된 경우에, 외부 홀드신호(a)가 오프상태인 동시에 (하한값
계산된 수분값(Y)
상한값)의 조건이 만족된 때의 계산된 평균 수분값은, 예컨대, 퍼스널 컴퓨터(D)에 전송되고, 이들 계산된 수분값에 기초하여, 복수의 피측정물 전체의 평균 수분값이 구해질 수 있다. 따라서, 피측정물에 동기하여 간헐적으로 수분값이 측정되므로, 동종의 많은 피측정물, 예컨대, 로트제품에 대해, 그 평균 수분값이 정확하게 측정될 수 있다.
또, 모드3에 있어서, 계산된 수분값(Y)이 상한 및 하한값의 사이에 있을 때에는, "피측정물이 있음"으로 판정되며, 피측정물의 대략적인 수분값은 보통 알려져 있으므로, 문턱값은 이러한 알려진 수분값으로부터 설정될 수 있다.
상기와 같이 수분측정이 행해지지만, 측정헤드(A)의 측정광 IRED(2),기준광 IRED(3), 및 InGaAs 검출소자(4)의 응답성이 높아, 예컨대, 측정 개시후 0.2초 정도 에서 이들이 동작될 수 있다. 더욱이, 측정광 테이터(S)및 기준광 데이터(R)의 샘플링 주기는 극히 짧게 할 수 있다. 따라서, 예컨대, 외부 홀드신호(a)가 오프상태인 동안(예컨대, 약 1초 또는 그 이하의 시간)에, 다수점의 계산된 수분값이 샘플링될수 있어서, 피측정물 각각의 정확한 수분 대표값을 얻을 수 있다.
상기 실시예에서는, 측정광 및 기준광의 적외선이 측정광 IRED(2) 및 기준광IRED(3)에 의해, 각각 방사되지만, 이들 IRED와 함께 IRED의 파장에 각각 대응하는 필터를 병용하여, 측정광 및 기준광을 단색화하는 것도 가능하다.
제9도는 제1및 제3실시예에 필터가 적용된 광학계의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이며, 제10도는 제2실시예에 필터가 적용된 광학계의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다. 이들 도면에서는, 1.45㎛의 주파장을 포함하는 좁은 파장밴드의 적외선이 선택적으로 투과하도록 측정광 IRED(2)의 전면에 측정광 간섭필터(2a)가 배치되며, 1.3㎛의 주파장을 포함하는 좁은 파장밴드의 적외선이 선택적으로 투과하도록 각각의 기준광 IRED(3)의 전면에 기준광 간섭필터(3a)가 배치된다.
제9도 및 제10도의 상기 실시예는, 종래기술에서와 같이, 필터 휠이 모터에 의해 회전되는 구성을 필요로 하지 않는다. 따라서, 장치 자체가 소형화되고, 필수 부품의 수를 줄일 수 있어서, 제조원가가 절감될 수 있다.
또한, 측정광 IRED(2) 및 기준광 IRED(3)은 적외선 발광 다이오드로 구성되므로, 수명이 길고, 소비전력은 적으며, 발열체로도 작용하지 않을 뿐 아니라, 장치관리성과 사용환경 온도 허용범위의 향샹 및 소비전력의 절감이 실현될 수 있다. 또, 측정광 IRED(2) 및 기준광 IRED(3)은 고속으로 동작될 수 있으므로, 고속 샘플링, 즉, 고속 응답이 가능해지며, 특히 작은 크기로 컨베이어 상에 간헐적으로 흘러가는 과자류 제품이나 정제 등의 샘플의 수분측정이 가능하다.
더욱이, InGaAs 검출소자(4)는 PbS 검출소자보다 감도에 있어서 10배의 고성능이어서, 소자특성이 안정적이고, 응답성이 우수하다. 또, InGaAs 검출소자(4)의 분광감도 피크(Peak)가 1.55㎛이어서, 검출감도가 PbS 검출소자의 감도 피크보다 한 단위 높다. 측정광으로, 주파장 1.45㎛인 적외선이 채용되어 있으므로, 수분이 적은 샘플에서 수분이 많은 샘플까지 넓은 영역에 걸쳐 충분한 측정이 가능해진다.
이상, 바람직한 실시예를 참조하여 발명이 설명되었지만, 본 발명은 여기에 설명된 상세한 내용에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범위 내에서 변경이 가능함은 물론이다.
Claims (11)
- 피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선흡수가 변화하는 측정광의 적외선을 방사하는 제1적외선 발광 다이오드(LED)와; 피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선 흡수가 거의 변하지 않는 기준광의 적외선을 방사하는 제2적외선 LED와; 상기 제1및 제2적외선 LED에 의해 방사된 측정광 및 기준광의 적외선을 피측정물에 조사하고 상기 피측정물로부터 반사된 적외선을 집광하는 광학계와; 상기 광학계에 의해 집광된 적외선을 수광하여 수광된 적외선의 광량에 대응한 수광신호를 출력하는 InGaAs 수광소자를 구비하며, 피측정물의 수분값은 상기 InGaAs 수광소자에서 출력된 수광신호에 기초하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 적외선 수분 측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1적외선 LED 근방에 마련된 온도센서의 출력에 기초하여, 상기 수분값에 대한 온도보정이 실행되는 것을 특징으로 하는 적외선 수분 측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 광학계가, 제1및 제2LED 중의 어느 하나에 의해 방사되는 적외선은 반사하고, 다른 LED에 의해 방사되는 적외선은 투과하는 하프 미러(half mirror)를 갖추며, 상기 광학계는 반사광과 투과광의 광축을 서로 동축으로 하여 상기 피측정물상에 반사된 적외선 및 투과된 적외선을 조사시키는 것을 특징으로 하는 적외선 수분 측정장치.
- 상기 제1항에 있어서, 상기 광학계가 측정용 적외선을 반사하는 제1반사면과 기준용 적외선을 반사하는 제2반사면을 가지며, 상기 제1및 제2반사면에 의해 반사된 적외선이, 상기 제1반사면에 의해 반사된 적외선의 광축이 상기 제2반사면에 의해 반사된 적외선의 광축을 동축으로 한 상태로, 상기 피측정물 상에 조사되도록 하는 위치관계로 상기 제1및 제2반사면이 배치되는 것을 특징으로 하는 적외선 수분 측정장치.
- 제4항에 있어서, 상기 수광소자는 프리즘인 것을 특징으로 하는 적외선 수분 측정장치.
- 피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선흡수가 변화하는 측정광의 적외선을 방사하는 제1적외선 발광 다이오드(LED)와; 피측정물의 수분 함유량에 의해 적외선 흡수가 거의 변하지 않는 기준광의 적외선을 방사하는 제2적외선 LED와; 상기 제1및 제2적외선 LED에 의해 방사된 측정광 및 기준광의 적외선을 피측정물에 조사하고 상기 피측정물로부터 반사된 적외선을 집광하는 광학계와; 상기 광학계에 의해 집광된 적외선을 수광하여 수광된 적외선의 광량에 대응한 수광신호를 출력한는 InGaAs 수광소자와; 상기 피측정물이 검출될 때 고속으로 상기 InGaAs 수광소자에서 출력된 수광신호를 샘플링함으로써 피측정물의 검출된 상태에 대응하여 피측정물의 수분값을 측정하는 제어수단을 구비한 적외선 수분 측정장치.
- 제1적외선 발광 다이오드(LED)에서 방사되는 측정광과 제2적외선 LED에서 방사되는 기준광을 피측정물에 조사하고, 측정광과 기준광의 반사광을 InGaAs 수광소자로 수광하고, 상기 InGaAs 수광소자로부터 출력된 수광신호에 기초하여 피측정물의 수분값을 얻는 적외선 수분 측정방법에 있어서, 상기 제1및 제2적외선 LED를 고속으로 작동시키는 단계와; 상기 피측정물을 검출하는 단계와; 상기 피측정물이 검출될때, InGaAs 수광소자의 상기 수광신호를 고속으로 샘플링하는 단계; 및 피측정물의 검출상태에 대응하여 피측정물의 수분값을 간헐적으로 측정하는 단계를 구비하는 적외선 수분 측정방법.
- 제1적외선 발광 다이오드(LED)에서 방사되는 측정광과 제2적외선 LED에서 방사되는 기준광을 피측정물에 조사하고, 측정광과 기준광의 반사광을 lnGaAs 수광소자로 수광하여 상기 lnGaAa 수광소자에서 출력된 수광신호에 기초한 피측정물의 수분값을 얻고, 얻어진 수분값에 기초하여 수분값 표시를 행하는 적외선 수분 측정방법에 있어서, 상기 제1및 제2적외선 LED를 고속으로 작동시키는 단계와; 상기 피측정물을 검출하는 단계와; 상기 피측정물이 검출될 때. InGaAs 수광소자의 상기 수광신호를 고속으로 샘플링하는 단계와; 피측정물의 검출상태에 대응하여 피측정물의 수분값을 간헐적으로 측정하는 단계; 및 상기 피측정물이 검출되는 때는 측정된 수분값을 차례로 표시함과 동시에, 상기 피측정물이 검출되지 않는 때는 측정한 수분값의 최후 수분값을 홀드표시하는 단계를 구비한 적외선 수분 측정방법.
- 제1적외선 발광 다이오드(LED)에서 방사되는 측정광과 제2적외선 LED에서 방사되는 기준광을 피측정물에 조사하고, 측정광과 기준광의 반사광을 InGaAs 수광소자로 수광하여 상기 InGaAs 수광소자에서 출력된 수광신호에 기초한 피측정물의 수분값을 얻고, 얻어진 수분값에 기초하여 수분값 표시를 행하는 적외선 수분 측정방법에 있어서, 상기 제1및 제2적외선 LED를 고속으로 작동시키는 단계와;상기 피측정물 검출하는 단계와; 상기 피측정물이 검출될 때, InGaAs 수광소자의 상기 수광신호를 고속으로 샘플링하는 단계와; 피측정물의 검출상태에 대응하여 피측정물의 수분값을 간헐적으로 측정하는 단계; 및 상기 피측정물이 검출되고 있는 동안에 측정한 수분값의 평균 수분값을, 상기 피측정물이 검출되지 않는 시점에서 다음 피측정물이 검출되지 않게 될 때까지 홀드표시함으로써, 피측정물 각각의 평균 수분값을 갱신하여 표시하는 단계를 구비한 적외선 수분 측정방법.
- 제1적외선 발광 다이오드(LED)에서 방사되는 측정광과 제2적외선 LED에서 방사되는 기준광을 피측정물에 조사하고, 측정광과 기준광의 반사광을 InGaAs 수광소자로 수광하여 상기 InGaAs 수광소자에서 출력된 수광신호에 기초한 피측정물의 수분값을 얻고, 얻어진 수분값에 기초하여 수분값 표시를 행하는 적외선 수분 측정방법에 있어서, 상기 제1및 제2적외선 LED를 고속으로 작동시키는 단계와; InGaAs 수광소자의 상기 수광신호를 고속으로 샘플링함으로써, 피측정물의 수분값을 검출하는 단계; 및 측정된 수분값이 소정 범위이내인 경우에 측정된 수분값의 평균 수분값을, 상기 측정된 수분값이 그 소정 범위에서 벗어난 시점에서 또 다시 그 소정 범위에서 벗어난 시점까지 홀드표시함으로써, 피측정물 각각의 평균 수분값을 갱신하여 표시하는 단계를 구비한 적외선 수분 측정방법.
- 제1적외선 발광 다이오드(LED)에서 방사되는 측정광과 제2적외선 LED에서 방사되는 기준광을 피측정물에 조사하고, 측정광과 기준광의 반사광을 InGaAs 수광소자로 수광하여 상기 InGaAs 수광소자에서 출력된 수광신호에 기초한 피측정물의 수분값을 얻고, 얻어진 수분값에 기초하여 수분값 표시를 행하는 적외선 수분 측정방법에 있어서, 상기 제1및 제2적외선 LED를 고속으로 작동시키는 단계와; 상기 피측정물 검출하는 단계와; 상기 피측정물이 검출될 때. InGaAs 수광소자의 상기 수광신호를 고속으로 샘플링하는 단계와; 피측정물의 검출상태에 대응하여 피측정물의 수분값을 간헐적으로 측정하는 단계; 및 상기 피측정물이 검출되고, 또 상기 측정된 수분값이 소정 범위 이내인 조건을 만족한 경우에 그 측정된 수분값의 평균 수분값을, 상기 조건이 만족되지 않은 시점에서 또 다시 상기 조건이 만족되지 않게 된 시점까지 홀드표시함으로써, 피측정물 각각의 평균 수분값을 갱신하여 표시하는 단계를 구비한 적외선 수분 측정방법.
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