(57)【要約】  検査試料の液体媒質中の物質の濃度を判定する装置が開示されている。装置は、検査試料に向かって第１波長範囲の光ビームを導く光源（２２、０２）と、液体媒質を特徴付けている第２波長において液体媒質から放出された放射の強度を計測する第１検出器（２４、１２０）と、を有する。装置は、物質を特徴付けている第３波長において物質から放出された放射の強度を計測する第２検出器（２６、１１６）と、第２波長及び第３波長において収集された放射の計測強度に基づいて液体媒質中の物質の濃度を判定する判定ユニット（５０、１５０）と、を更に有する。更には、装置は、第１検出器によって収集される放射が検査試料の第１表面エリアから放出されると共に第２検出器によって収集される放射が第２表面エリアから放出されるように、構成されており、これらの第１及び第２エリアは、光源の光ビームによって照明されている検査試料の表面エリアによって少なくとも部分的にカバーされている。
2019518227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査試料の液体媒質中の物質の濃度を判定する装置であって、
第１波長範囲の光ビームを前記検査試料に向かって導く光源（２２、１０２）と、
前記検査試料に向かって導かれた前記光ビームの結果として前記検査試料の前記液体媒質から放出された放射を収集する第１検出器（２４、１２０）であって、前記放射は、前記液体媒質を特徴付けている１つ又は複数の第２波長において収集されており、前記１つ又は複数の第２波長において収集された前記放射の強度を計測する第１検出器（２４、１２０）と、
前記検査試料に向かって導かれた前記光ビームの結果として前記検査試料の前記物質から放出された放射を収集する第２検出器（２６、１１６）であって、前記放射は、前記物質を特徴付けている１つ又は複数の第３波長において収集されており、前記１つ又は複数の第３波長において収集された前記放射の強度を計測する第２検出器（２６、１１６）と、
前記１つ又は複数の第３波長において収集された前記放射の前記計測強度及び前記１つ又は複数の第２波長において収集された前記放射の前記計測強度に基づいて前記検査試料の前記液体媒質中の前記物質の前記濃度を判定する判定ユニット（５０、１５０）と、
を有する装置において、
前記装置は、前記第１検出器によって収集される前記放射が、前記検査試料の第１表面エリアから放出され、且つ、前記第２検出器によって収集される前記放射が、前記検査試料の第２表面エリアから放出され、前記第１表面エリア及び第２表面エリアが、前記光源の前記光ビームによって照明されている前記検査試料の表面エリアによって少なくとも部分的にカバーされるように、構成されていることを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記第１検出器（２４、１２０）及び前記第２検出器（２６、１１６）は、前記第１表面エリア及び前記第２表面エリアが、前記光源の前記光ビームによって照明されている前記検査試料の前記表面エリアによってカバーされるように、構成されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１表面エリア及び前記第２表面エリアは、実質的に同一のエリアである請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１検出器（２４、１２０）及び前記第２検出器（２６、１１６）は、前記光源との関係において対称的に構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記装置は、前記第１検出器（２４、１２０）及び前記第２検出器（２６、１１６）が、前記検査試料から、同一の方向において放出された放射を受け取るように、構成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記装置は、前記検査試料に向かって導かれた前記光ビームと前記第１検出器（２４、１２０）及び前記第２検出器（２６、１１６）によって受け取られた前記検査試料から放出された前記放射の間に、ゼロ度の角度が存在するように、構成されている請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第１検出器（２４、１２０）は、前記第２波長において放射を収集すると共に前記放射の強度を計測するように更に適合され、前記放射は、前記液体媒質中の前記物質の既知の濃度を有する基準試料から放出されており、且つ、前記第２検出器（２６、１１６）は、前記第３波長において放射を収集すると共に前記放射の強度を計測するように更に適合され、前記放射は、前記基準試料から放出されており、且つ、前記判定ユニット（５０、１５０）は、前記基準試料から前記第２波長において収集された前記放射の前記計測強度及び前記基準試料から前記第３波長において収集された前記放射の前記計測強度にも基づいて前記検査試料の前記液体媒質中の前記物質の前記濃度を判定するように、更に適合されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記検査試料の温度を検出する温度センサを更に有し、且つ、前記判定ユニット（５０、１５０）は、前記検査試料の前記検出温度に更に基づいて前記検査試料の前記液体媒質中の前記物質の前記濃度を判定するように構成されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記液体媒質は、水であり、且つ、前記物質は、油である請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記１つ又は複数の第２波長において収集された前記放射の前記計測強度が特定の値を下回っている際を通知するインジケータ（６０、１６０）を更に有する請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記特定の値は、前記１つ又は複数の第２波長において収集された前記放射の前記計測強度が前記特定の値を下回っている際に、前記装置の可能な低濃度判定精度の通知となるように、設定されている請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記インジケータ（６０、１６０）は、アラーム信号を発行することにより、前記１つ又は複数の第２波長において収集された前記放射の前記計測強度が特定の値を下回っている際を通知するように構成されている請求項１０又は１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記インジケータ（６０、１６０）は、前記検査試料がそのプロセスフローから取得されているプロセスフローシステムの補正をトリガすることにより、前記１つ又は複数の第２波長において収集された前記放射の前記計測強度が特定の値を下回っている際を通知するように構成されている請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
検査試料の液体媒質中の物質の濃度を判定する方法であって、
第１波長範囲の光ビームを前記検査試料に向かって導くステップ（２０２）と、
前記検査試料に向かって導かれた前記光ビームの結果として前記検査試料の前記液体媒質から放出された放射を収集するステップ（２０４）であって、前記放射は、前記液体媒質を特徴付けている１つ又は複数の第２波長において収集される、ステップ（２０４）と、
前記１つ又は複数の第２波長において収集された前記放射の強度を計測するステップ（２０６）と、
前記検査試料に向かって導かれた前記光ビームの結果として前記検査試料の前記物質から放出された放射を収集するステップ（２０８）であって、前記放射は、前記物質を特徴付けている１つ又は複数の第３波長において収集される、ステップ（２０８）と、
前記１つ又は複数の第３波長において収集された前記放射の強度を計測するステップ（２１０）と、
前記１つ又は複数の第３波長において収集された前記放射の前記計測強度及び前記１つ又は複数の第２波長において収集された前記放射の前記計測強度に基づいて前記検査試料の前記液体媒質中の前記物質の前記濃度を判定するステップ（２１２）と、
を有する方法において、
前記方法は、前記１つ又は複数の第２波長において収集される前記放射が、前記検査試料の第１表面エリアから放出され、且つ、前記１つ又は複数の第３波長において収集される前記放射が、前記検査試料の第２表面エリアから放出され、前記第１表面エリア及び第２表面エリアが、前記光源の前記光ビームによって照明されている前記検査試料の表面エリアによって少なくとも部分的にカバーされていることを特徴とする、方法。
【請求項１５】
前記検査試料の前記液体媒質中には、複数の物質が存在しており、且つ、前記方法は、前記複数の物質のそれぞれを特徴付けている波長について、前記１つ又は複数の第３波長における前記収集ステップ（２０８）及び前記強度の計測ステップ（２１０）を反復するステップと、前記複数の物質のそれぞれごとに、前記液体媒質中の前記複数の物質の前記濃度を判定するステップ（２１２）と、を更に有する請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記１つ又は複数の第２波長において収集された前記放射の前記計測強度が特定の値を下回っている際を通知するステップ（２０７）を更に有する請求項１４又は１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、検査試料の液体媒質中の物質の濃度を判定する方法及び装置に関する。特に、本開示は、検査試料の液体媒質中の物質の濃度の光学的な判定に関する。液体媒質は、水であってもよく、且つ、物質は、油であってもよい。
【背景技術】
【０００２】
液体媒質中の物質の濃度の判定が関心の対象となりうる多数の用途分野が存在している。このような用途分野の１つが、海上プラットフォーム及び大きな船舶から海中に放出される水中の油濃度の検出を目的としたものである。海上プラットフォームにおいては、水及び油が汲み上げられ、水が濾過され、且つ、海中に再度放出される。濾過済みの水が水中に放出される前に、法的規制などに基づいて、濃度が、任意の処方されている限度を超過していないことを判定するべく、水中の残留油濃度が計測される。水中の油の濃度は、光学検出器システムによって計測することができるが、この場合には、光が、油と混合されうる水を収容した試料上に送られ、且つ、試料から散乱した光が、油及び水を特徴付けている波長において検出されている。
【０００３】
米国特許第３８０６７２７号明細書は、従来技術の光学検出システムを示しており、この場合には、紫外線光源によって照明されている際に、油によって汚染された水を有する液体試料から散乱した油蛍光スペクトルを計測することにより、且つ、液体試料からの油蛍光スペクトルを水のラマンスペクトルと比較することにより、水の油汚染物含有量が監視されている。試料は、第１方向から照明され、且つ、散乱したスペクトルは、第１方向に対して垂直である第２方向において検出されている。
【０００４】
但し、このようなシステムによれば、粒子が、検出される散乱放射の量を低減することになることから、試料が含む粒子の百分率が大きい際には、水中の油の濃度を正しく判定することが難しい。粒子は、例えば、高濃度の油が水中に存在している際に発生しうる塊を形成する油であってもよく、或いは、粒子は、試料中におけるその他の汚染物質によるものであってもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上において概説されている問題及び課題のうちの少なくとも一部分に対処することが本発明の目的の１つである。高精度で液体媒質中の物質の濃度を光学的に判定することが実施形態の別の目的である。試料が高濁度を有する際に検査試料の液体媒質中の物質の濃度を判定することが本発明の実施形態の別の目的である。適切な濃度の判定を監視することが本発明の実施形態の別の目的である。濃度が適切に判定されないリスクが存在している際を判定することが本発明の実施形態の別の目的である。添付の請求項において定義されている方法及び装置の実施形態を使用することにより、これらの目的及びその他のものを実現することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様によれば、検査試料の液体媒質中の物質の濃度を判定する装置が提供される。装置は、第１波長範囲の光ビームを検査試料に向かって導く光源と、検査試料に向かって導かれた光ビームの結果として検査試料の液体媒質から放出された放射を収集する第１検出器であって、放射は、液体媒質を特徴付けている１つ又は複数の第２波長において収集され、１つ又は複数の第２波長において収集された放射の強度を測定する第１検出器と、を有する。装置は、検査試料に向かって導かれた光ビームの結果として検査試料の物質から放出された放射を収集する第２検出器であって、放射は、物質を特徴付けている１つ又は複数の第３波長において収集され、１つ又は複数の第３波長において収集された放射の強度を計測する第２検出器を更に有する。装置は、１つ又は複数の第３波長において収集された放射の計測強度及び１つ又は複数の第２波長において収集された放射の計測強度に基づいて検査試料の液体媒質中の物質の濃度を判定する判定ユニットを更に有する。更には、装置は、第１検出器によって収集される放射が検査試料の第１表面エリアから放出され、且つ、第２検出器によって収集される放射が検査試料の第２表面エリアから放出されるように、構成されており、これらの第１エリア及び第２エリアは、光源の光ビームによって照明されている検査試料の表面エリアによって少なくとも部分的にカバーされている。
【０００７】
米国特許第３８０６７２７号明細書の光学検出システムによって反射光を検出するべく試みる際には、光は、入射ウィンドウに向かって９０度の角度を有する出口ウィンドウを通じて放出される前に、検査試料中において吸収される傾向を有することになる。これは、濁った検査試料に特に当て嵌まり、その理由は、高濁度を有する試料中においては、低濁度を有する試料中よりも、吸収される時点までに光が移動する距離が格段に小さいからである。この結果、米国特許第３８０６７２７号明細書の光学検出器システムは、濁った試料の場合には、使用することができない。但し、本発明におけるように、例えば、検出される放射が、光源からの光が検査試料に進入した表面エリアにおいて検査試料を離脱するなどのように、光源の光ビームによって少なくとも部分的に照明されている検査試料の表面エリアから放出された放射を検出することにより、反射光は、高濁度を有する検査試料の場合にも、検出するための十分な強度を有することができる。
【０００８】
光源の光ビームによって照明されている検査試料の表面エリアは、光進入エリア又は照明エリアと呼称することができる。更には、表面エリアは、検査試料のエンベロープ表面と見なすこともできる。例えば、照明されているエリアは、検査試料の合計エンベロープ表面のうちの照明されている部分と見なすことができる。装置は、第１及び第２検出器によって収集される放射が放出されている検査試料のエリアが光源の光ビームによって少なくとも部分的に照明されることを実現するように、様々な方式によって実装することができる。添付の図には、装置実装形態の異なる可能な例が示されている。一実施形態によれば、装置は、第１検出器によって収集される放射及び第２検出器によって収集される放射が、光源によって照明されている検査試料の表面エリアによって少なくとも部分的にカバーされている検査試料の表面エリアから放出されることを実現するように、光導波装置及び光合焦装置によって構成されている。例えば、検出器において受け取られるものが、特定の表面エリアから反射された光となるようにするべく、プリズム及びレンズなどの光導波装置を使用することができる。同様に、検査試料の規定されている表面エリア上に対する十分に効率的且つ強力な光を実現するように、光源から放出された光をレンズなどの光導波装置によって試験の光進入表面エリアに向かって合焦することもできる。光ビームを試料に向かって導く複数の光源が存在していてもよい。
【０００９】
一実施形態によれば、液体媒質と関係する１つ又は複数の第２波長は、液体媒質のラマンスペクトルの波長である。別の実施形態によれば、物質に関係する１つ又は複数の第３波長は、物質のラマンスペクトル及び／又は物質の蛍光スペクトルの波長である。その放出放射が検出器によって収集及び計測される複数の物質が存在していてもよい。
【００１０】
一実施形態によれば、第１検出器及び第２検出器は、第１表面エリア及び第２表面エリアが、光源の光ビームによって照明されている検査試料の表面エリアによってカバーされるように、構成されている。放射が検出器によって収集される表面エリアをカバーしている検査試料の表面エリアを照明することにより、照明された表面エリアと照明されてはいない表面エリアの間のエッジにおいて発生する放出エッジ効果が低減される。このようなエッジ効果は、放出放射の計測の精度に対して悪影響を及ぼしうる。別の実施形態によれば、照明エリアは、第１表面エリア及び第２表面エリアをカバーしているのみならず、これらのエリアよりも大きくなっている。これにより、エッジ効果が更に低減される。
【００１１】
別の実施形態によれば、第１表面エリア及び第２表面エリアは、実質的に同一のエリアである。第１検出器によって検出される放射及び第２検出器によって検出される放射が、検査試料の同一の又は少なくとも実質的に同一の表面エリアから放出されるように、装置を構成することにより、計測強度の精度が増大することになる。特に、異なる検出放射強度が検査試料の同一の表面エリアに由来している際に、相互的な精度が、換言すれば、第１検出器によって検出される放射の強度と第２検出器によって検出される放射の強度の間の関係の精度が、向上することになる。
【００１２】
別の実施形態によれば、第１検出器及び第２検出器は、光源との関係において対称的に構成されている。光源との関係において第１検出器及び第２検出器を対称的に構成することにより、放出された放射が、第１検出器及び第２検出器により、好ましくは、座標系の半径及びｚ軸との関係において同一の放射強度分布を有する検査試料の、そのｚ軸を照明方向に沿って有する円筒座標によって表される、照明された容積から、検出されることが確保される。これにより、濃度判定の精度が確保される。更には、一実施形態によれば、光源は、ｚ軸との関係において対称である光円錐を生成することができる。第１及び第２検出器は、光源からの入射光に向かって第１角度を有する検査試料から反射放射を受け取るように第１検出器を位置決めすることにより、且つ、光源からの入射光に向かって第２角度を有する検査試料から反射放射を受け取ると共に、第１及び第２角度が、例えば、両方の第１及び第２角度が１０度であるなどのように、同一のサイズを有するように、第２検出器を位置決めすることにより、光源との関係において対称的に構成することができる。
【００１３】
別の実施形態によれば、装置は、第１検出器及び第２検出器が、同一の方向において検査試料から放出された放射を受け取るように、構成されている。これにより、第１及び第２検出器が、検査試料の同一の照明された表面エリアから放射を受け取ることが確保される。これは、例えば、第２波長を反射すると共に第３波長を通過させるダイクロイックミラー又は任意のその他の種類の装置によって放出放射を受け取ることにより、実現することができる。この結果、第２検出器は、第２波長において装置によって反射された放射を受け取るように、位置決めすることができると共に、第３検出器は、第３波長において装置によって透過された放射を受け取るように、位置決めすることができる。
【００１４】
別の実施形態によれば、装置は、検査試料に向かって導かれた光ビームと第１検出器及び第２検出器によって受けられる検査試料から放出された放射の間に、ゼロ度の角度が存在するように構成されている。これにより、検査試料の照明される容積が、放出された放射が第１検出器のみならず第２検出器によって検出される容積と同一となることが実現される。これにより、更に正確な計測値を実現することができる。図４には、この方式によって構成された装置が示されている。但し、偏光ビームスプリッタが単色レーザー光によって照明されるなどのように、その他の類似の装置によって同一の機能を実現することもできる。非弾性散乱の結果として得られる散乱偏光解消光の形態の応答放射は、ビームスプリッタを通じて放射検出器までまっすぐに進むことになる。
【００１５】
別の実施形態によれば、第１検出器は、第２波長において放射を収集すると共に放射の強度を計測するように更に適合されており、放射は、液体媒質中の物質の既知の濃度を有する基準試料から放出されている。更には、第２検出器も、第３波長において、放射を収集すると共に放射の強度を計測するように適合されており、放射は、基準試料から放出されている。この結果、判定ユニットは、基準試料からの第２波長において収集された放射の計測強度と、基準試料からの第３波長において収集された放射の計測強度と、にも基づいて、検査試料の液体媒質中の物質の濃度を判定するように更に適合されている。また、液体媒質中の物質の濃度を判定する際に液体媒質中の物質の既知の濃度を有する基準試料の計測強度値を考慮することによって装置を較正することにより、濃度判定の精度を改善することもできる。
【００１６】
一実施形態によれば、装置は、検査試料の温度を検出する温度センサを更に有する。更には、判定ユニットは、検査試料の検出された温度に更に基づいて、検査試料の液体媒質中の物質の濃度を判定するように構成されている。検出される放射レベルと媒質中の物質の濃度の間には、温度依存性が存在している。室温においては、所謂ストークスラマンである、入射光の波長よりも大きな波長における、即ち、相対的に低いエネルギーレベルにおける、ラマン散乱が、所謂反ストークスラマンである、入射光の波長よりも短い波長におけるラマン散乱よりも、格段に一般的である。温度の増大に伴って、ストークスラマンは減少し、且つ、反ストークスラマンが増大する。この温度依存性の知識は、検査試料の媒質中の物質の濃度を判定する際に検査試料の実際の温度が考慮されるように、使用することができる。
【００１７】
別の実施形態によれば、液体媒質は、水であり、且つ、物質は、油である。
【００１８】
別の実施形態によれば、装置は、１つ又は複数の第２波長において収集された放射の計測強度が特定の値を下回っている際を通知するインジケータを更に有する。これにより、検査試料のフローの停止やフローの転送などを実行するように、例えば、臨界レベルなどの、レベル未満である液体媒質からの放射の通知に応答して処置を施すことができる。インジケータは、図１に示されているように、判定ユニットに接続された別個のユニットであってもよい。但し、インジケータは、判定ユニット内において実装することもできる。
【００１９】
一実施形態によれば、特定の値は、１つ又は複数の第２波長において収集された放射の計測強度が特定の値を下回っている際に、装置の可能な低濃度判定精度の通知となるように、設定されている。計測強度が特定の値を下回っている際には、これは、例えば、試料フローの欠如などの、装置内における試料の欠如又は喪失が存在しうるという通知であってもよい。或いは、この代わりに、検査試料が、非常に濁っており、或いは、液体媒質のシェアが非常に低くなっており、且つ、従って、例えば、水などの、液体媒質からの放射の強度が、媒質中の物質の濃度の判定信頼性が低くなるほどに、低い場合もある。特定の値は、好ましくは、製造の際に装置の必要条件及び制約に基づいて予め設定されている。特定の値は、設定された閾値であってもよい。
【００２０】
別の実施形態によれば、インジケータは、アラーム信号を発行することにより、１つ又は複数の第２波長において収集された放射の計測強度が特定の値を下回っている際を通知するように、構成されている。アラーム信号は、可聴又は可視アラームであってもよい。これを理由として、装置は、ラウドスピーカ又は強力な発光ランプ又は類似のものを装備していてもよく、ラウドスピーカ又はランプは、インジケータに接続されている。このようなアラームは、例えば、プロセスフローを停止させることにより、要員が、低レベルの液体媒質に対して処置を施すようにすることができる。
【００２１】
別の実施形態によれば、インジケータは、検査試料がそのプロセスフローから取得されているプロセスフローシステムの補正をトリガすることにより、１つ又は複数の第２波長において収集された放射の計測強度が特定の値を下回っている際を通知するように、構成されている。プロセスフローシステムの補正は、例えば、プロセスフローを自動的に停止させる、或いは、第１の正常なプロセス方向からプロセス問題を通知する第２の方向にプロセスフローの方向を変更するようにシステムの弁を設定する、というものであってもよい。例えば、プロセスフローシステムが、船舶からの廃水のフローを制御するシステムである際には、放射が特定の値を下回っているという通知は、プロセスが、海中へ、の代わりに、保持タンク内に、流れるように、弁の変更をトリガすることになろう。これにより、海中に送出される前に、相対的に良好な方式により、プロセスフローを処理することができる。
【００２２】
別の態様によれば、検査試料の液体媒質中の物質の濃度を判定する方法が提供されている。方法は、第１波長範囲の光ビームを検査試料に向かって導くステップと、検査試料に向かって導かれた光ビームの結果として検査試料の液体媒質から放出された放射を収集するステップであって、放射は、液体媒質を特徴付けている１つ又は複数の第２波長において収集される、ステップと、１つ又は複数の第２波長において収集された放射の強度を計測するステップと、を有する。方法は、検査試料に向かって導かれた光ビームの結果として検査試料の物質から放出された放射を収集するステップであって、放射は、物質を特徴付けている１つ又は複数の第３波長において収集される、ステップと、１つ又は複数の第３波長において収集された放射の強度を計測するステップと、１つ又は複数の第３波長において収集された放射の計測強度及び１つ又は複数の第２波長において収集された放射の計測強度に基づいて検査試料の液体媒質中の物質の濃度を判定するステップと、を更に有する。方法は、１つ又は複数の第２波長において収集される放射が検査試料の第１表面エリアから放出され、且つ、１つ又は複数の第３波長において収集される放射が検査試料の第２表面から放出される、ことを更に有し、これらの第１及び第２表面エリアは、光源の光ビームによって照明された検査試料の表面エリアによって少なくとも部分的にカバーされている。
【００２３】
別の実施形態によれば、検査試料の液体媒質中に、複数の物質が存在している。方法は、複数の物質のそれぞれを特徴付けている波長について、１つ又は複数の第３波長における収集及び強度の計測を反復するステップを更に有する。更には、複数の物質のそれぞれごとに、液体媒質中の複数の物質の濃度の判定を実施することができる。
【００２４】
本解決策の更なる可能な特徴及び利益については、以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【００２５】
以下、例示用の実施形態により、且つ、以下の添付図面を参照し、本解決策について更に詳細に説明することとする。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明が使用されうる光学検出器システムの概略ブロック図である。
【図２】図１に示されている、低濁度を有する試料との関係において、高濁度を有する試料上に光が入射する場合の、図１と同様の光学検出器システム内における侵入深さを示す概略ブロック図である。
【図３ａ−３ｄ】物質濃度をそのｘ軸において示すと共に計測強度をそのｙ軸において示すｘ−ｙ図である。
【図４】本発明が使用されうる別の光学検出器システムの概略ブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態による方法を示すフローチャートである。
【図６】別の実施形態による方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
簡潔に説明すると、検査試料の液体媒質中の物質の濃度を光学的に判定するための解決策が提供されており、この解決策は、特に、濁った検査試料中などの、高放射吸収係数を有する検査試料中の濃度を判定するように適合されている。高放射吸収係数は、例えば、光などの放射における短い侵入深さを意味している。検査試料の放射吸収係数は、検査試料中に存在している（液体媒質を含む）物質の放射吸収係数と、検査試料中のこれらの個々の濃度と、に依存している。液体媒質中の物質の濃度は、検査試料に向かって第１波長範囲の光の形態において放射を導くように構成された光源と、検査試料に向かって導かれた光の結果として、例えば、水などの、液体媒質を特徴付けている第２波長における検査試料からの後方散乱放射の強度を検出する第１検出器と、例えば、油などの、物質を特徴付けている第３波長における検査試料からの後方散乱放射の強度を検出する第２検出器と、を有する装置により、判定される。この結果、液体媒質中の物質の濃度は、第２波長における後方散乱放射の検出強度及び第３波長における後方散乱放射の検出強度に基づいて判定される。
【００２８】
高放射吸収係数を有する検査試料からも十分な後方散乱放射を取得しうるための、第１実施形態によれば、第１検出器及び第２検出器によって検出された放射は、光源によって照明されている検査試料の表面エリアから放出されている。これにより、非常に短い放射侵入深さを有する検査試料の場合にも、液体媒質中の物質の濃度を判定することができる。
【００２９】
液体媒質中の物質の濃度を光学的に判定する装置の試験において、本発明者は、特に、低液体媒質応答の場合には、即ち、液体媒質からの、散乱した、且つ、結果的に検出された、放射の量が小さい場合には、装置の精度が低下することを観察した。このような液体媒質からの小さな量の散乱放射は、様々な理由に起因しうる。例えば、これは、検査試料中の大きなシェアの物質に起因する可能性があり、これは、検査試料中の小さなシェアの液体媒質を意味しており、且つ、小さなシェアの液体媒質は、液体媒質に由来する小さな量の散乱放射を結果的にもたらす。別の理由は、検査試料が、弾性反射を放出する、即ち、検査試料を濁った状態とする、物質を含んでいるというものでありうる。弾性反射は、大量の入射光が、検査試料の表面において、或いは、表面の近傍において、反射されることを意味している。この結果、入射光は、検査試料中に短い侵入深さを有し、且つ、従って、入射光は、表面において又はその近傍において、液体媒質と反応する可能性しか有していない。この結果、液体媒質に由来するわずかな量の散乱放射が存在することになる。別の理由は、検査試料が、例えば、強力な蛍光又はラマン放射などの、強力な非弾性反射を放出する、計測対象の又は非計測対象の、物質を含んでいるというものでありうる。この結果、入射光は、検査試料中に短い侵入深さを有し、且つ、従って、入射光は、表面において又はその近傍において液体媒質と反応する可能性しか有していない。別の理由は、装置内にわずかな量の検査試料が存在しているというものであってもよく、且つ、わずかな量の検査試料は、わずかな量の液体物質と、従って、液体媒質に由来するわずかな散乱放射と、を意味している。このような装置の可能な低下した精度に対して処置を施すことができるように、液体媒質を特徴付けている波長における反射放射の計測強度が観察されている。これを理由として、且つ、第２の実施形態によれば、装置は、液体媒質からの放射の計測強度が特定のレベル未満に低下した際を通知するインジケータを装備しており、このレベルは、装置の精度の低下の通知となるように、設定されている。インジケータは、制御要員の注意を引くように、アラームをトリガすることが可能であり、或いは、例えば、水システムを通じた汚染水のフローを遮断するべく、装置によって制御されている水システムの弁にトリガ信号を送信することができる。第２実施形態は、第１実施形態と共に使用されてもよく、或いは、そうでなくてもよい。
【００３０】
図１には、液体媒質中の物質の濃度を判定する装置の一実施形態が示されている。物質は、液体物質であってもよい。以下の例においては、物質は、油によって例示することとし、且つ、液体媒質は、水によって例示することとする。水と混合された油を有する検査試料１２は、装置のウェット部分５を通じて導くことができるが、ウェット部分は、パイプ１０と、漏斗１１と、を有する。パイプ１０は、検査試料の水−油混合体が、パイプの下方において配置されている漏斗１１内において受け取られる時点まで、パイプ１０からの自由落下ジェットの形態において落下するように、漏斗１１と離隔すると共にその上方において配置されたタップ１０ａにおいて終端していてもよい。装置の検出部分２０の光源２２は、光源から放出された光Ｉ０が、検査試料が漏斗に向かってパイプからの自由落下ジェットの形態において落下する光進入表面エリア１３において、検査試料に進入することになるように、構成されている。また、図示されてはいない代替肢においては、試料は、光進入エリア１３を通過する際に、パイプ内において導くこともできる。この代替肢においては、パイプ１０は、光ビームが通過しうると共に試料との接触状態となりうる透明な部分を有することになる。但し、試料が光進入エリアにおいて自由落下ジェットの形態で落下することになるように、離隔したパイプ及び漏斗を有するウェット部分を構成することにより、このような透明な部分は不要となり、この結果、この透明な部分がしばらく使用した後に汚れた状態となるリスクが回避される。発光及び検出部分２０は、ＬＥＤ２２によって放出された光の一部分をウェット部分の光進入エリア１３に向かって合焦する少なくとも１つの第１凸レンズを有するコリメータと、放出された光の第１波長範囲のみを通過させる帯域通過フィルタ３０と、を有し、この第１波長範囲は、光進入エリアに向かって送る必要がある。例えば、ＬＥＤ２２などの発光及び検出部分２０と、コリメータと、は、光進入エリアが、過剰に小さくはない広がりを受け入れるように、構成することができる。例えば、ＬＥＤ及びコリメータは、光進入エリアが、ほぼ経路長のサイズの、試料内への可能な入射光侵入深さのサイズの、或いは、入射光の方向における試料の長さのサイズの、直径を受け入れるように、構成することができる。
【００３１】
また、発光及び検出部分２０は、既に言及されている光源２２を除いて、例えば、水のラマン反射などの、水反射を特徴付けている第２波長において放射の強度を検出する第１検出器２４をも有する。第２波長は、光進入エリアにおいて検査試料に進入する光の第１波長とは異なっている。発光及び検出部分２０は、例えば、油のラマン反射などの、油反射を特徴付けている第３波長において放射の強度を検出する第２検出器２６を更に有する。例えば、油の異なる蛍光−反射特性などの、その他の特性を検出するべく、２つを上回る数の検出器が存在していてもよい。個々の第１及び第２検出器は、フォトダイオードであってもよい。光源２２は、発光ダイオードＬＥＤであってもよい。放出される光は、紫外ＵＶ範囲のものであってもよい。検出部分２０は、光／放射を通過させると共に汚物が検出部分２０に進入することを妨げる保護ウィンドウ１４を更に有する。
【００３２】
到来する光Ｉ０が検査試料１２上に入射するのに伴って、検査試料の要素は、到来する光を反射又は散乱させることになる。反射放射の小さな割合は、非弾性散乱の結果であり、即ち、散乱粒子は、検査試料上に入射する光子のエネルギーを下回ると共に／又はこれを恐らくは上回るエネルギーを有する。非弾性散乱放射は、到来する光子を受け取ると共に非弾性散乱放射を送出した物質を特徴付けている。蛍光及びラマン散乱は、このような非弾性散乱の結果である。非弾性散乱放射は、無指向性を有する。非弾性散乱放射の一部分は、第１検出器２４に向かって、且つ、第２検出器２６に向かって、後方反射されることになる。第１検出器２４上に入射する前に、反射放射ｌｒ１は、水のラマン反射などの、水の非弾性散乱を特徴付けている波長のみを通過させる帯域通過フィルタ３４を通過する。これにより、弾性散乱波長のみならず、その他の非弾性散乱波長も、フィルタリングによって除去される。水の非弾性散乱の波長の放射は、例えば、ラマン反射などの、水の非弾性散乱放射の強度を判定するフォトダイオード２４に向かって放射を集中させるべく、１つ又は複数のレンズを有する対物レンズ３６によって更に受け取られている。受け取られた放射のエネルギーレベル又はパワーレベルを判定することにより、強度を判定することができる。第１検出器は、自身が受け取る水ｌＨ２０の非弾性散乱に起因した放射から結果的に得られる強度が、光進入エリア１３によってカバーされている検査試料の表面エリアから放出されるように、位置決めされている。装置のオプティクス、即ち、第１検出器の対物レンズ３６は、フォトダイオード２４によって受け取られるものが、光進入エリア１３によってカバーされた検査試料の表面エリアから受け取られた散乱放射となるように、構成されている。
【００３３】
第２検出器２６上に入射する前に、反射放射ｌｒ２は、油のラマン反射又は蛍光などの、油の非弾性散乱を特徴付けている波長のみを通過させる帯域通過フィルタ３８を通過している。これにより、弾性散乱波長のみならず、その他の非弾性散乱波長も、フィルタリングによって除去される。油の非弾性散乱の波長の放射は、油の非弾性散乱放射の強度を判定するフォトダイオード２６に向かって放射を集中させるべく、１つ又は複数のレンズを有する対物レンズ４０によって更に受け取られている。第２検出器は、自身が受け取る、油ｌｏｉｌの非弾性散乱に起因した放射から結果的に得られる強度が、光進入エリア１３によってカバーされている検査試料の表面エリアから放出されるように、位置決めされている。装置のオプティクス、即ち、第２検出器の対物レンズ４０、は、フォトダイオード２６によって受け取られるものが、光進入エリア１３によってカバーされている検査試料の表面エリアから受け取られる散乱放射となるように、構成されている。
【００３４】
油の非弾性散乱放射の判定強度に関する情報及び水の非弾性散乱放射の判定強度に関する情報は、受け取られた情報に基づいて水中の油の濃度を判定する判定ユニット５０に送信されている。判定強度は、信号強度、パワー、又はエネルギーのレベルであってもよい。
【００３５】
米国特許第３８０６７２７号明細書の従来技術の解決策においては、水中の油の濃度は、液体試料からの油蛍光スペクトルを水のラマンスペクトルと比較することにより、判定されている。但し、このような判定は、正しい濃度の判定を付与せず、特に、検査試料が高放射吸収係数を有する際に、正しい濃度の判定を付与しない。これについては、強度比率が油濃度の増大に伴って頭打ちとなっている米国特許第３８０６７２７号明細書の図２の曲線を観察した際に、理解することができよう。
【００３６】
また、図１の装置は、インジケータ６０をも有する。図１の装置のインジケータは、判定ユニット５０に接続されている。但し、別の実施形態においては、インジケータ６０は、フォトダイオード２４に直接的に接続することもできる。この代わりに、インジケータ６０は、判定ユニット５０の一部分であってもよい。インジケータ６０は、フォトダイオード２４によって判定された水の非弾性散乱放射の強度が、予め設定されたレベルを下回っている際を通知するように構成されており、このレベルは、装置の可能な低濃度判定精度を通知している。フォトダイオード２４によって判定された強度と予め設定されているレベルの間の比較は、インジケータ６０自体の内部において、或いは、判定ユニット５０内において、実行することができる。インジケータ６０は、フォトダイオード２４によって判定された強度が、予め設定されたレベルを下回っているか又はこれ未満に降下した際にアラーム信号をトリガする、アラームユニットを有することができる。アラーム信号は、可聴アラーム信号が発行されるラウドスピーカ又は類似のものに送ることができる。或いは、この代わりに、或いは、これに加えて、アラーム信号は、周囲の注意を引くように、例えば、鋭い点滅光などを放出する発光ユニットなどの、光アラーム信号に送ることもできる。或いは、この代わりに、又はこれに加えて、アラーム信号は、検査試料がそのプロセスフローから取得されているプロセスフローを制御している制御ユニットに送信することもできる。制御ユニットは、アラーム信号を受け取った際に、物質と混合された液体媒質を有するプロセスフローを遮断する、或いは、代替ルートにプロセスフローを転送する、などの、処置を施すことができる。或いは、この代わりに、インジケータ６０から送信された信号は、プロセスフローを直接的に遮断又は転送するように使用することもできる。また、インジケータは、例えば、濃度が汚染物質の許容値又はプロセスフローの所有者によって受け入れ可能な値を上回っている際などに、液体媒質中の高濃度の物質について通知するべく、使用することもできる。
【００３７】
また、検査試料は、液体媒質及び検出対象の１つ又は複数の物質（しばしば、ターゲット物質と呼称される）を除いて、妨害物質を有している場合もあり、妨害物質の濃度は、検出対象ではないが、妨害物質は、入射光及び／又は反射放射を吸収しうることから、非弾性散乱に起因した放射反射に対して影響を及ぼす場合がある。後続の評価の際には、液体媒質、即ち、水、の含有量のわずかな有意ではない変化と、第２検出器２６に関係するターゲット物質、即ち、油、の一定の含有量と、が仮定されている。この結果、第１及び第２検出器２４、２６において検出される散乱放射の強度は、光源から送られる強度と、非弾性散乱をもたらす、それぞれ、水の割合及びターゲット物質の割合に対して影響を及ぼす妨害物質の割合と、に依存している。侵入深さと呼称される、検査試料中における入射光の侵入は、検査試料の妨害物質の含有量が変化した際に変化する。妨害物質の含有量が減少した際には、侵入深さは増大し、且つ、逆も又真である。侵入深さの増大に伴って、相対的に多くの油及び水の分子が単位時間当たりに励起され、これにより、相対的に大きな量の非弾性散乱が結果的に得られることになる。これは、実際の侵入深さとは無関係に、油及び水のみならず、検査試料内のその他の物質における、比例状態において同一の非弾性散乱の変化となり、即ち、非弾性散乱をもたらす水の割合及び油の割合の両方が、侵入深さと同一の割合で変化することになる。従って、第１及び第２検出器２４、２６において検出される放射の間の比率は、実際の侵入深さとは無関係に、水の含有量に関係付けられたターゲット物質の一定の含有量について、一定となる。
【００３８】
図２は、高吸収係数、即ち、高濁度、を有する試料中の可能な侵入深さを示している。観察されうるように、入射光は、表面の下方の短い距離にしか到達していない。この結果、水及び油の両方からの非弾性散乱の強度は、低吸収係数、即ち、低濁度、を有する試料中の可能な侵入深さを示す図１におけるものとの比較において、図２においては、相対的に小さくなっている。米国特許第３８０６７２７号明細書において理解されうるように、図２の高濁度の試料の短い侵入深さを観察した際に、存在する場合にも、このような濁った試料の場合には、９０度の角度で試料を通過することになる放射は、非常にわずかなものとなる。換言すれば、高吸収係数、即ち、短い侵入深さ、を検査試料に付与する妨害物質を有する検査試料中においては、従来技術のシステムにより、液体媒質中のターゲット物質の濃度を判定することができない。
【００３９】
第２検出器によって検出される、例えば、油などの、物質の濃度が高くなった場合にも、類似の問題が発生しうる。ここでは、妨害物質の含有量、第２検出器によって検出されないターゲット物質の含有量、のみならず、水の含有量も、ほぼ一定であるものと仮定される。この結果、試料の放射吸収係数は、主に、ターゲット物質の放射吸収係数によって決定される。換言すれば、侵入深さは、ターゲット物質の濃度の増大に伴って低下することになる。物質の濃度が増大した際に、例えば、水などの、液体媒質上に入射する入射光は、相対的に小さくなる。この結果、第１検出器２４上に入射する反射放射ｌＨ２０は、ターゲット物質の濃度が増大するのに伴って、減少することになる。同様の方式により、物質上に入射する入射光も、物質濃度の増大に伴って増大するが、物質濃度が増大するのに伴って、侵入深さが減少する。ターゲット物質の吸収係数が、試料中のその他の物質の吸収係数の合計よりも大きく、且つ、更には、１／経路長よりも大きい際には、ｌｏｉｌは、頭打ちとなり、或いは、その代わりに、最大限度に達する。最大限度は、例えば、図３ａの一点鎖線の曲線において観察することができよう。この結果、検査試料の高吸収係数を結果的にもたらす物質濃度の場合には、試料中の侵入深さが小さく、従って、検査試料中に妨害物質が存在している際に十分な光を受け取る、という同一の問題が、米国特許第３８０６７２７号明細書のシステムにおいても発生することになる。
【００４０】
この結果、放射が非弾性散乱の結果として反射されると共に第１検出器２４及び第２検出器２６によって検出される検査試料の表面エリアが、光源２２に由来する光によって照明されている検査試料の表面エリアによって少なくとも部分的にカバーされている、図１に示されている装置は、米国特許第３８０６７２７号明細書のシステムとの比較において、格段に多くの散乱放射と、従って、相対的に良好な精度と、を享受することになる。
【００４１】
一実施形態によれば、第１検出器２４及び第２検出器２６は、光源２２の周りにおいて対称的に構成されている。図１の実施形態においては、第１検出器は、光源が第１及び第２検出器の間において配置された状態において、第２検出器の反対側において位置決めされている。第１検出器と光源の間の距離は、第２検出器と光源の間の距離と同一である。換言すれば、検査試料上に入射する光Ｉｏと検査試料によって放出されると共に第１検出器によって検出される放射ｌｒ１の間の角度は、検査試料上に入射する光Ｉ０と検査試料によって放出されると共に第２検出器によって検出される放射ｌｒ２の間の角度と同一である。
【００４２】
以下の単純化された式は、液体媒質中の物質ｉの吸収係数ｋＳｉを判定する装置のプロパティを示している。
【数１】
2019518227.tif 000003
【００４３】
式（２０）のすべてのφＳｍは、検出された光フローφＳｍ  ｍ∈０，１，．．ｊ及び適合定数によって置換することができる。
【００４４】
式（２０）において、φＳｉ及びφＳｍは、物質ｉからの光束（即ち、非弾性散乱強度）としての検出応答であり、或いは、この代わりに、ｉ＝ｍにおいて、ｍ．φＳｉ＝φＳｍであり、
φＶＲは、液体媒質からの光束としての検出応答であり、
φＳｍ及びφＳｉは、物質ｉの容積シェアであり、或いは、この代わりに、ｉ＝ｍにおいて、ｍ．φＳｉ＝φＳｍであり、
φＳＣは、妨害物質の容積シェアであり、
ｋＳｉは、物質ｉの吸収係数であり、
ＢＳｉは、装置の較正によって決定される定数である。
【００４５】
この式における仮定は、
φＳｉは、物質ｉからの唯一の不可欠な応答であり、且つ、φＶＲは、液体媒質からの唯一の不可欠な応答である、
液体媒質の吸収係数は、経路長の逆数を下回っている、
温度は一定である、
物質の密度は、検査試料中の混合関係に起因して変化しない、
物質は、化学反応に起因して低減又は追加されない、
容積に影響する試料中のすべての物質は、計測値において、或いは、φＳＣにおいて、含まれている、
溶液は、均質である、並びに、
粒子サイズ分布及びプロパティは、その濃度とは独立的に一定である、
という制約のうちの１つ又は複数が充足される、というものであってよい。妨害物質は、その個々の検出器におけるｊ＋１物質のうちの任意のものの任意の有意な応答φＳｉ、或いは、液体媒質の検出器における任意の有意な応答φＶＲ、を直接的に付与することにならないであろう。間接的なすべてのφＳｉ及びφＶＲ応答は、吸収係数の合計和の変化に起因して影響を受けることになる。妨害物質は、媒質及び物質ｉからの後方散乱放射の量が妨害物質の吸収の増大に伴って減少することから、妨害物質ＳＣの吸収係数が増大するのに伴って計測精度が低下しうるということ以外のなんらのその他の方式によっても、物質ｉに関する計測を妨げることにならない。
【００４６】
図３ａ〜図３ｃの図は、物質Ｓ０と、この例においては水である、液体媒質と、１つ又は複数の妨害物質ＳＣと、を有する検査試料中の物質Ｓ０の濃度ＣＳ０を判定する実験的な計算を示している。図３ａ〜図３ｃの計算においては、物質Ｓ０は、水の量との比較において、水中における有意ではない容積シェアを構成している。濃度ＣＳ０は、百万分の一ＰＰＭとしてｙ軸上において示されており、ｘ軸上のｋＳ０は、物質Ｓ０の吸収係数を意味している。物質Ｓ０の濃度ＣＳ０は、検出された水ラマンＳＶＲと、（油ラマンなどの）物質Ｓ０の検出された物質応答ＳＳ０と、に基づいて判定される。妨害物質に起因した吸収係数ｋＳＣの増大は、ＳＶＲ及びＳＳ０応答の両方を低減することになる。ｘ軸上のｋＳ０は、すべてのパラメータが、物質Ｓ０の吸収係数ｋＳ０を除いて、一定であることが付与された際に、濃度に対する変換係数が既知である場合の、水中の物質の実際の濃度を意味している。物質Ｓ０の吸収係数ｋＳ０の増大は、すべてのそのパラメータが一定である場合に、物質Ｓ０が、物質応答が検出される波長において、相対的に多くの非弾性散乱を、且つ、従って、物質応答の増大を、有することを意味している。実験的な計算における吸収係数ｋＳ０の増大は、検査試料中の物質の程度の増大をシミュレートする一方法として見なすことができる。
【００４７】
妨害物質の吸収係数ｋＳＣは、検査試料の濁度として見なすことができる。ＫＳＣ＝１は、濁度に起因した吸収係数が１／経路長であることを意味している。ＫＳＣ＝０は、妨害物質に起因した濁度を有してはいない透明な検査試料を意味している。この結果、濁度は、吸収係数の増大に伴って増大する。図３ａは、ｋＳＣ＝０における、即ち、妨害物質に起因した濁度の影響を受けない試料の、実験結果を示している。図３ｂは、ｋＳＣ＝３における、即ち、妨害物質に起因した相当に大きな濁度を有する試料における、実験結果を示している。図３ｃは、ｋＳＣ＝３０における、即ち、妨害物質に起因した非常に大きな濁度を有する試料の、実験結果を示している。図３ａ〜図３ｃのすべてにおいて、妨害物質は、有意ではない容積シェアを構成している。更には、検出される水ラマンＳＶＲは、水中の物質Ｓ０の吸収係数ｋＳ０の増大に伴って減少する一方で、検出される物質のＳ０応答は、物質の吸収係数ＫＳ０の増大に伴って増大することが、図から観察される。実験的な計算は、検出される水ラマンと判定された濃度に比例する検出された物質Ｓ０の応答Ｓｓ０の間には、一定の比率が存在していることを示している。この結果、ＣＳ０∝＊ＳＳ０／ＳＶＲである。この関係は、図３ｂ及び図３ｃにおいて観察されうるように、濁度が増大した際にも、有効である。更には、Ｅが、可能な標準偏差を意味している、図３ａ〜図３ｃの右の図におけるラインＣｓ０＋Ｅ及びＣｓ０−Ｅによって示されているように、計測精度は、濁度の増大に伴って減少している。これは、濁度の増大に伴う妨害物質の吸収係数ｋＳＣの増大に起因した、判定される水ラマンレベル及び物質応答レベルの低下に起因している。この精度の制限は、原理とは無関係である。その代わりに、これは、計測精度の制限と関係している。妨害物質ＳＣは、粒子、又は水中において溶解する物質、或いは、これらの組合せ、であってもよい。
【００４８】
図３ｄは、物質Ｓ０と、この例においては水である液体媒質と、こちらも検出された第２物質Ｓ１と、１つ又は複数の妨害物質ＳＣと、を有する検査試料中の物質Ｓ０の濃度Ｃ’Ｓ０を判定する実験的な計算を示している。図３ｃの計算との比較において、図３ｄのターゲット物質Ｓ０及びＳ１の濃度は、水の容積シェアとの関係において有意な容積シェアを有している。ｙ軸上の水中の物質の濃度は、この場合には、単位が千分の一であり、従って、図３ａ〜図３ｃにおけるように単位がｐｐｍではないことを観察されたい。図３ｄにおいては、妨害物質ｋＳＣの吸収係数は、＝０に設定されており、これは、妨害物質からの吸収が存在しないことを意味している。図３ｄの実験においては、ｘ軸は、時間順となっている。まず、物質Ｓ０が、ｋＳ０＝２、即ち、試料中のＳ０の３０％濃度、となる時点まで追加される。次いで、濃度が、６０％水、３０％Ｓ０、及び１０％Ｓ１となるように、物質Ｓ０及びＳ１が追加される。物質Ｓ０のみならず、Ｓ１も、水よりも高い吸収係数を有する。従って、図３ｄのｋＳ０＝２において観察されるように、第２物質Ｓ１が追加された際に、第１物質Ｓ０の検出応答Ｓ’Ｓ０は、相対的に低下する。また、ｋＳ０＝２においては、第２物質Ｓ１の検出応答Ｓ’Ｓ１が、０から１００超に進むことに伴って、Ｓ１の追加を観察することができる。また、水が反射するべき光が少ないことから、検出される水ラマンＳ’ＶＲも、相対的に低下する。物質Ｓ１の追加の後に、Ｃ’Ｓ０が６０％になる時点まで、水がＳ０によって置換されるように、物質Ｓ０が追加される。但し、まっすぐなラインＣ’Ｓ０によって観察することができるように、関係Ｓ’Ｓ０／Ｓ’ＶＲは、依然として維持されている。
【００４９】
図４は、液体媒質中の物質の濃度を判定する装置の別の実施形態を示している。この装置は、図から観察されうるように、入射光と反射光の間においてゼロ度の角度を有している。これは、ダイクロイックミラーの使用によって実現されている。ダイクロイックミラーは、その他の波長がミラーを通過している間に特定の波長を反射するように構成されている。但し、ゼロ度の相互角度を有する入射及び反射光を実現するべく、ダイクロックミラーと類似したその他の技術を使用することもできる。図４の装置は、例えば、特定の波長又は波長範囲の光を放出する固体レーザーなどの形状の光源１０２を有する。装置は、調整可能であると共に光源１０２に由来する光を第１ダイクロイックミラー１０８に向かって反射するように構成された第１ミラー１０６を更に有する。第１ダイクロイックミラー１０８は、第１波長範囲の光が、物質が存在している液体媒質を有する検査試料１４０上に入射光Ｉ０として入射するように、第１波長範囲を有する第１ミラー１０６から反射された光を反射するように構成されている。第１波長範囲の外側の波長の光は、第１ダイクロイックミラー１０８を通過する。装置は、第１ミラー１０６と第１ダイクロイックミラー１０８の間において配置された任意の減光フィルタ１０４及び／又はラインフィルタを更に有することができる。減光フィルタ及びラインフィルタは、望ましい第１波長範囲が第１ダイクロイックミラーにおいて反射される前に、望ましくない波長をフィルタリングによって除去するように構成されている。光源１０２、第１ミラー１０６、及び第１ダイクロイックミラー１０８のみならず、任意のフィルタ１０４のうちの任意のもの又はいくつかは、入射光が検査試料の光進入エリアに向かって集中されるように、構成されている。光進入エリアは、図１の実施形態の光進入エリアに類似した特性を有する。同様の方式により、反射された且つ最終的に検出された放射は、図１の実施形態に類似した、即ち、第１検出器によって収集される放射が検査試料の第１表面エリアから放出されると共に第２検出器によって収集される放射が検査試料の第２表面エリアから放出されるような、特性を有しており、これらの第１エリア及び第２エリアは、光源の光ビームによって照明された検査試料の表面エリアによって少なくとも部分的にカバーされている。
【００５０】
次いで、入射光は、非弾性的に、且つ、恐らくは、弾性的にも、上述のものと同一の方式により、液体媒質及び物質によって反射される。非弾性反射は、試料中の材料を、即ち、液体媒質及び物質を、特徴付けており、これは、第１波長範囲が試料特性波長の外側となるように選択された場合には、非弾性反射は、入射光の第１波長範囲とは異なる波長を有することを意味している。弾性反射は、主には、レーザービームの反射であり、即ち、入射光Ｉ０の第１波長範囲を有する。第１ダイクロイックミラー１０８は、反射放射ｌｒを試料から受け取っており、且つ、これは、第１波長範囲とは異なる波長を通過させるように構成されていることから、これは、第１波長範囲を有する任意の可能な弾性反射がミラー１０８によって反射されている間に、非弾性的反射に起因した反射放射を通過させることになる。次いで、装置は、装置による分析対象ではない波長を遮断するが媒質及び物質の非弾性反射を特徴付けている波長は通過させるように構成された遮断フィルタ１１０を更に有する。遮断フィルタを通過した波長は、第１ミラー１１２により、装置の放射検出器１２５に向かって反射される。放射検出器１２５は、例えば、油のラマン反射などの、媒質又は物質の非弾性反射を特徴付けている第２波長の放射を反射するように構成された第２ダイクロイックミラー１１４を有する。次いで、第２波長の光は、第２波長の外側の任意の波長を更にフィルタリングによって除去するべく、遮断フィルタ１１５を通過し、且つ、到来する放射強度又はレベルを検出する第１光電倍増管ＰＭＴ１１６において終端している。ＰＭＴは、ラマン反射及び蛍光のレベルなどの、低い放射レベルを検出するように適合されている。放射検出器１２５は、例えば、水のラマン反射などの、その放射が第１ダイクロイックミラー１１４によって反射されなかった、媒質及び物質のうちの１つのものの非弾性反射を特徴付けている第３波長の放射を反射するように構成された第３ダイクロイックミラー１１８を更に有する。検出器１２５は、第３波長の外側の任意の波長を更にフィルタリングによって除去する遮断フィルタ１１９と、第３波長の到来する放射レベルを検出するための第２ＰＭＴ１２０と、を更に有する。また、放射検出器は、放射検出器の第２ダイクロイックミラー１１４及び第３ダイクロイックミラー１１８の両方を通過した更なる波長をフィルタリングによって除去する別のフィルタ１２２と、更なる波長の到来する放射レベルを検出する第３ＰＭＴ１２４と、を有することもできる。物質のラマン反射が第１又は第２ＰＭＴによって検出された場合には、更なる波長は、物質の蛍光、即ち、例えば、油の蛍光反射、を特徴付けることができる。或いは、この代わりに、検査試料中に、その濃度が判定対象となっている、複数の物質が存在しているケースにおいては、更なる波長は、検査試料の第２物質を特徴付けることができる。また、検出器１２５は、必要とされている波長においてエネルギーを検出するなんらかのタイプの分光計であってもよい。
【００５１】
液体媒質の非弾性散乱放射の判定強度に関する情報及び物質の非弾性散乱放射の判定強度のみならず、使用されている場合に、更なる波長における判定強度に関する情報は、個々のＰＭＴ１１６、１２０、１２４から、受け取られた情報に基づいて液体媒質中の物質の濃度を判定する判定ユニット１５０に送信される。判定強度は、信号強度、パワー、又はエネルギーのレベルであってもよい。
【００５２】
図４の検査試料は、検査試料によって充填されたボール又は類似のものの内部に存在しているものとして示されている。但し、検査試料は、図１の装置において実行されているものと同一の方式により、即ち、パイプ１０から漏斗１２内へ落下する自由落下ジェットとして、装置内に移送することもできる。検査試料は、プロセスフローからの抜き取り又はバイパスなどの、監視対象のプロセスフローからの分岐であってもよい。同様の方式により、図４の装置におけるように、図１の装置の検出部分２０も、検査試料によって充填されたボール又は類似のものと共に使用することができる。
【００５３】
計測に影響を及ぼすいくつかのパラメータが存在していることから、装置を較正する必要がありうる。装置を較正する便利な方法は、媒質中の物質の既知の濃度が存在している基準試料を使用する、というものであってもよい。この結果、基準試料が、図１又は図４において示されているものとして、装置内において使用される。第１検出器２４、１１６は、第２波長において放射を収集すると共に収集された放射の強度を計測する。第２検出器２６、１２０は、第３波長において放射を収集すると共に収集された放射の強度を計測する。いまや、計測値が、既知の濃度について受け取られており、従って、実線ラインが座標原点を通過するべきであることを考慮することにより、図３ａ〜図３ｄの実線ラインを較正することができよう。図１の実施形態を使用する際に較正を実行する可能な方式は、基準試料を有する容器又はボールによって自由落下ジェットを置換するというものである。この結果、基準試料を自由落下ジェットのケースと同一の距離において位置決めする必要がある。基準試料がウェット部分５内において導入された場合に最良の較正が発生することになるであろうが、基準試料による検査試料の置換が困難である場合があり、従って、そのようなケースにおいては、基準試料が存在しているボール、容器、又は類似のものを使用したこのような較正が、取り扱いにおいて格段に容易である。
【００５４】
以下、非弾性散乱検出を使用することにより、ｉ∈０，１，．．ｊにおける物質Ｓｉの濃度を検出する装置を較正するための簡単な数学的説明を提供する。すべてのｉにおいて、基準試料の物質Ｓｉの光束φＳｉ｜ＣＡＬＩＢｍ｜、基準試料の水ラマンの光束φＶＲ｜ＣＡＬＩＢｍ｜、及び基準試料の物質Ｓｉの容積シェアを計測するが、ここで、φＳｉ｜ＣＡＬＩＢｍ｜は、経路長の逆数当たりに約１でありうる既知の吸収係数ｋＳｉ｜ＣＡＬＩＢｍ｜を有するが、５０％未満の容積シェアを有する、物質Ｓｉを有する媒質を有する基準試料におけるものである。｜ＣＡＬＩＢｍ｜は、較正イベントｍを意味している。好ましくは、基準試料は、清浄である必要があり、即ち、ｍ＝ｉである較正イベントｍの物質ｉの場合に、良好な結果を実現するべく、以下の関係を適用する必要がある。
【数２】
2019518227.tif 000004
【００５５】
ｋＳＣ｜ＣＡＬＩＢｍ｜は、妨害物質の吸収係数であり、且つ、ｋＶＲ｜ＣＡＬＩＢｍ｜は、液体媒質の吸収係数である。更には、物質ｍが、φＳｍ｜ＣＡＬＩＢｍ｜＞＞φＳｉ｜ＣＡＬＩＢｍ｜  ｍ≠ｉを意味する較正イベントｍにおいて、わずかにのみ有意な方式において検出器ｍ以外のその他の検出器に影響を及ぼす場合には、且つ、試料が清浄である、即ち、すべてのｍ≠ｉにおいてφＳｉ｜ＣＡＬＩＢｍ｜＝０であり、且つ、φＳＣ｜ＣＡＬＩＢｍ｜＝０である、場合には、式（２０）は、以下のように、変形及び適用することができる。
【数３】
2019518227.tif 000005
【００５６】
ｍというインデックスが付与された較正イベントにおいて除算されることにより、これは、次式を結果的にもたらす。
【数４】
2019518227.tif 000006
【００５７】
式（２０ａ）は、左辺においては、刺激（ｓｔｉｍｕｌｕｓ）において除算されており、且つ、較正における較正定数及び検出放射レベルは、右辺に位置している。物質のうちの１つ又は複数用の検出器の間に有意なクロストークが存在している場合には、定数（Ｂ｜ＣＡＬＩＢｍ｜Ｓｉ＝）ＢｍＳｉ  ｉ，ｍ∈０，１，．．ｊ及び刺激ＣａｌＳｉ｜ＣＡＬＩＢｍ｜  ｉ，ｍ∈０，１，．．ｊを有する線形のｊ＋１次元方程式系を適用することが可能であり
ＣａｌＳｉ｜ＣＡＬＩＢｍ｜＝（Ｂ｜ＣＡＬＩＢｍ｜Ｓｉ・φＳｉ｜ＣＡＬＩＢｍ｜＝）ＢｍＳｉ・φＳｉ｜ＣＡＬＩＢｍ｜      式（２０ａｃ）
この場合に、
【数５】
2019518227.tif 000007
であり、ここで、ＣａｌＳｉ｜ＣＡＬＩＢｍ｜は、正方ｊ＋１対角行列であり、この場合には、すべての主要ではない対角要素は、ゼロである。一般に、このような複数の変数を有する方程式系を解くためには、回帰分析ツールのツールを適用することができる。
【００５８】
液体媒質の非常に小さな検出強度は、例えば、図１のパイプを通じた液体媒質のフローが存在していないなどの、検査試料中に液体媒質が存在していない場合がある、という通知でありうる。図４の一実施形態によれば、判定ユニット１５０のインジケータ又は別個のインジケータ１６０は、液体媒質の、或いは、場合によっては、装置のウェット部分内の検査試料の、喪失が存在しうることをコントローラに通知できるように、液体媒質の検出強度が設定閾値を下回っている場合に、アラームを発行するように構成することができる。
【００５９】
図５は、検査試料の液体媒質中の物質の濃度を判定する方法を示すフローチャートである。方法は、第１波長範囲の光ビームを検査試料に向かって導くステップ２０２を有する。方法は、検査試料に向かって導かれた光ビームの結果として検査試料の液体媒質から放出された放射を収集するステップ２０４であって、放射は、液体媒質を特徴付けている１つ又は複数の第２波長において収集される、ステップと、１つ又は複数の第２波長において収集された放射の強度を計測するステップ２０６と、を更に有する。方法は、検査試料に向かって導かれた光ビームの結果として検査試料の物質から放出された放射を収集するステップ２０８であって、放射は、物質を特徴付けている１つ又は複数の第３波長において収集される、ステップと、１つ又は複数の第３波長において収集された放射の強度を計測するステップ２１０と、を更に有する。その後に、方法は、１つ又は複数の第３波長において収集された放射の計測強度及び１つ又は複数の第２波長において収集された放射の計測強度に基づいて、検査試料の液体媒質中の物質の濃度を判定する２１２。更には、１つ又は複数の第２波長において収集される放射は、検査試料の第１表面エリアから放出され、且つ、１つ又は複数の第３波長において収集される放射は、検査試料の第２表面エリアから放出されており、これらの第１エリア及び第２エリアは、光源の光ビームによって証明されている検査試料の表面エリアによって少なくとも部分的にカバーされている。
【００６０】
一実施形態によれば、その濃度が判定対象である複数の物質が液体媒質中に存在しているケースにおいては、それぞれの更なる物質ごとに、ステップ２１０〜２１２を反復することができる。
【００６１】
図６は、図５に示されている方法に対する一代替方法を示している。この方法は、方法が、収集された液体媒質の放射の計測強度が特定の値を下回っている際を通知するステップ２０７を更に有するという点において、図５の方法と異なっている。特定の値は、１つ又は複数の第２波長において収集された放射の計測強度が特定の閾値を下回っている場合に、装置内の検査試料の十分ではない量の通知又は液体媒質中の物質の濃度の可能な信頼性の低い判定の通知となるように、設定することができる。また、この代替方法においては、１つ又は複数の第２波長において収集される放射が検査試料の第１表面エリアから放出され、且つ、１つ又は複数の第３波長において収集される放射が検査試料の第２表面エリアから放出されており、これらの第１及び第２エリアは、光源の光ビームによって照明されている検査試料の表面エリアによって少なくとも部分的にカバーされているという特徴は、任意であってもよい。
【００６２】
上述の説明は、複数の特殊性を含んでいるが、これらは、本明細書において記述されている概念の範囲を限定するものとして解釈されてはならず、記述されている概念のいくつかの例示を目的とした実施形態の例を提供しているものに過ぎない。本明細書において記述されている概念の範囲は、当業者には明らかとなりうるその他の実施形態を十分に包含しており、且つ、従って、本明細書において記述されている概念の範囲は、限定されてはいないことを理解されたい。単数形における要素の参照は、明示的にそのように規定されていない限り、「１つの且つ１つのみの（ｏｎｅ  ａｎｄ  ｏｎｌｙ  ｏｎｅ）」を意味することを意図したものではなく、むしろ、「１つ又は複数の（ｏｎｅ  ｏｒ  ｍｏｒｅ）」を意味するべく意図されている。当業者には既知である上述の実施形態の要素のすべての構造的且つ機能的な均等物は、明示的に本明細書に包含され、且つ、これにより、含まれるものと解釈されたい。更には、装置又は方法が本明細書において包含されるために、その装置又は方法が、本明細書において記述されている概念によって解決が求められているそれぞれの且つすべての問題に対処することは、必須ではない。例示用の図においては、破線は、一般に、破線内の特徴が任意であることを意味している。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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