(57)【要約】検出領域（２４）を有するプローブ部材（１６）と、屈折領域（４４）およびファイバを通って伝送された光の方向を実質的に変更するようになされた、遠端に近接して配設された反射面（４８）を有するある長さの光ファイバ（４０）とを備え、前記ファイバが、前記プローブ部材中に実質的に配設されており、前記屈折率領域（４４）が前記検出領域（２４）に近接して配設されている屈折率装置（１０）。【選択図】図２
2005505767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出領域を有するプローブ部材と、
光が伝送されるようになされたある長さの光ファイバと
を備えた屈折率装置であって、
前記光ファイバが、第１および第２の端部を有し、かつ前記第１端部と第２端部の間に配設された屈折領域と前記第２端部に近接して配設された反射面とを備えており、前記反射面が、前記光ファイバ中を第１の方向に伝送された光の方向を、前記光ファイバを通る第２の方向に実質的に変更するようになされており、
前記光ファイバは、実質的に前記プローブ部材中に配設され、前記屈折領域が前記検出領域に近接している、屈折率装置。
【請求項２】
前記光が前記光ファイバ中を前記第１の方向に伝送されるとき、前記光の第１の部分が前記屈折領域を通って伝送され、前記光が前記光ファイバ中を前記第２の方向に伝送されるとき、前記光の第２の部分が前記屈折領域を通って伝送される請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記屈折領域の長さが、約０．１〜５．０ｃｍの範囲にある請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記屈折領域の幅が、約０．０１〜０．１ｃｍの範囲にある請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記プローブ部材が、少なくとも約±０．００５の感度レベルを有する請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記プローブ部材が、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ（商標））で作製されている請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記プローブ部材が、前記光ファイバを受けるようになされたコネクタを備える請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記反射面がミラーを含む請求項１に記載の装置。
【請求項９】
光が伝送されるようになされたある長さの光ファイバと、
前記光ファイバを受けるようになされたプローブ・コネクタと、
検出領域を有するプローブ拡張部と
を備えた屈折率装置であって、
前記光ファイバが、第１および第２の端部を有し、かつ前記第１端部と第２端部の間に配設された屈折領域と前記第２端部に近接して配設された反射面とを備えており、前記反射面が、前記光ファイバ中を第１の方向に伝送された光の方向を、前記光ファイバを通る第２の方向に実質的に変更するようになされており、
前記光ファイバは、実質的に前記プローブ拡張部内に配設され、前記屈折領域が前記検出領域に近接している、屈折率装置。
【請求項１０】
前記光が前記光ファイバ中を前記第１の方向に伝送されるとき、前記光の第１の部分が前記屈折領域を通って伝送され、前記光が前記光ファイバ中を前記第２の方向に伝送されるとき、前記光の第２の部分が前記屈折領域を通って伝送される請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記検出領域の最大長さが、約０．１〜５．０ｃｍの範囲にある請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記検出領域の最大長さが、約１．０〜２．０ｃｍの範囲にある請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記検出領域の最大幅が、約０．０１〜０．１ｃｍの範囲にある請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
前記プローブ拡張部が、約１ｃｍ２未満の断面積を有する請求項９に記載の装置。
【請求項１５】
前記屈折率の感度レベルが約±０．００５の範囲にある請求項９に記載の装置。
【請求項１６】
前記プローブ部材が、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ（商標））で作製されている請求項９に記載の装置。
【請求項１７】
前記反射面がミラーを含む請求項９に記載の装置。
【請求項１８】
光源と、
検出領域を有するプローブ部材と、
光が伝送されるようになされたある長さの光ファイバと、
検出器と
を備えた屈折率プローブ・システムであって、
前記光ファイバが、第１および第２の端部を有し、かつ前記第１端部と第２端部の間に配設された屈折領域と前記第２端部に近接して配設された反射面とを備えており、前記反射面が、前記光ファイバ中を第１の方向に伝送された光の方向を、前記光ファイバを通る第２の方向に実質的に変更するようになされており、前記光ファイバは、実質的に前記プローブ部材中に配設され、前記屈折領域が前記検出領域に近接しており、
前記検出器は、前記光ファイバと連絡しており、前記光ファイバ中を前記第２の方向に伝送された光の量を検出するためのものである、屈折率プローブ・システム。
【請求項１９】
前記光が前記光ファイバ中を前記第１の方向に伝送されるとき、前記光の第１の部分が前記屈折領域を通って伝送され、前記光が前記光ファイバ中を前記第２の方向に伝送されるとき、前記光の第２の部分が前記屈折領域を通って伝送される請求項１８に記載のプローブ・システム。
【請求項２０】
前記検出領域の最大長さが、約１．０〜２．０ｃｍの範囲にある請求項１８に記載のプローブ・システム。
【請求項２１】
前記検出領域の最大幅が、約０．０１〜０．１ｃｍの範囲にある請求項１８に記載のプローブ・システム。
【請求項２２】
前記屈折率プローブ・システムが、約±０．００５の範囲の感度レベルを有する請求項１８に記載のプローブ・システム。
【請求項２３】
媒質の屈折率を検出する方法であって、
プローブ部材を前記媒質中に設置するステップ、ここで、前記プローブ部材は、検出領域と、実質的に前記プローブ部材中に配設された、第１および第２の端部を有するある長さの光ファイバとを有し、前記光ファイバは、前記第１および第２の端部の間に配設された屈折領域と前記第２端部に近接して配設された反射面とを備えており、前記屈折領域が前記検出領域に近接して配置されている；
前記光ファイバの前記第１端部に光を入射し、前記光ファイバ中を第１の方向に伝送させるステップであって、前記光の第１の部分が前記検出領域を通って前記媒質に透過し、伝送されるステップ；
前記光の方向を、前記反射面によって前記光ファイバを通る第２の方向に変更するステップであって、前記光の第２の部分が前記検出領域を通って前記媒質に透過し、伝送されるステップ；
前記光ファイバの前記第１端部で受光される前記光の強度を検出するステップと、
前記検出された光の強度を用いて、前記媒質の屈折率を決定するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に光ファイバに基づくセンサに関する。より詳細には、本発明は、周囲の媒質の屈折率およびその変化を検出するための光ファイバ・プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのプロセスで、流体または他の物質（すなわち、媒質）の状態の変化を検出することが必要とされる。この変化は、媒質の状態の不連続変化（例えば、液体が存在するまたはしない）または媒質の物理的または化学的性質の連続変化（例えば、溶液もしくは複合流体の１成分の濃度、または流体の温度変化）であり得る。かかる検出は、測定、制御、または試験運転および調整の実施など様々な用途で使用される。
【０００３】
媒質の特性と屈折率の間に相関関係が存在するときは、様々な光学的方法によって屈折率の変動を検出することによってこれらの特性の変化を検出することが既に提案されている。光学的方法の大部分は、臨界角近くで生じる反射および屈折現象を利用することに基づいている。それらの方法は本質的に、媒質中に浸漬された透明な導光構造体を通って光を伝送し、それによって、光を構造体の壁で多重内部反射させることからなっている。多重反射によってこのように伝送された光の強度および臨界角付近でのこの強度の急激な変動を測定することにより、その媒質の屈折率を測定することが可能となる。
【０００４】
屈折率を連続的に測定するために、例えば、まっすぐな透明ロッドからなるタイプのセンサがあり、その一方の端部には、明確に確定された入射角で光束をロッド内に入射させるための光学機械系を備え、他方の端部には、明確に確定された入射角で、多重内部反射によってロッドを通って伝送された光の強度を測定するための光電検出器を備える。測定する媒質中にロッドを浸漬して、伝送された光の強度を観測しながらロッド内に入射される光束の入射角を連続的に減少させる。多重反射の入射角が媒質に関する臨界角を超えたときに生じる強度の急激な落ち込みにより、臨界角を、したがって媒質の屈折率を求めることが可能となる。
【０００５】
このタイプのセンサは、とりわけ、光学的手段によって平行な入射光束を確保し機械的手段によってこの光束の入射角の連続的な変化を確保しなければならない、かなり精巧な光入射システムを必要とすることから、極めて複雑であるという大きな欠点を有する。
【０００６】
他の公知のセンサは、１つおよび複数の通常の光ファイバを使用している。光ファイバは通常は、ガラス製の光を伝送する光ファイバコアと、コアとは異なる屈折率を有しコアからの光損失を防止するための外側クラッド層（例えば、ドープガラス）と、外側保護層（例えば、プラスチック）とを含む。米国特許第４，８５１，８１７号、第５，００５，００５号、第５，９９５，６８６号および第５，０２６，１３４号に開示されているすべてのセンサがその例である。
【０００７】
米国特許第４，８５１，８１７号および第５，００５，００５号（Ｂｒｏｓｓｉａ他）には、外側保護層およびクラッド層の一部を除去して、コアを露出させた光ファイバを有するセンサが開示されている。露出したコアには、サンドペーパなどで摩耗または砂かけすることにより細い筋（ｓｔｒｉａｔｉｏｎ）が付されている。かかる発明によれば、この表面凹凸により光のファイバから周囲の媒質中への屈折が生じ、光損失量は周囲の媒質の屈折率に応じて決まる。光検出器は、そのファイバに沿って細い筋の入った部分を通って伝送された光の量を検出する。伝送された光量の変化は、周囲の媒質の変化の指標となる。
【０００８】
前述のセンサの重大な欠点は、ある長さの露出したファイバ・コアを通過する際の光損失が非常に大きいことである。したがって、このセンサは、周囲の媒質の屈折率の総変化を検出できるだけである。
【０００９】
米国特許第５，９９５，６８６号では、外側保護層の一部分のみを除去した、類似のセンサが開示されている。クラッド層の露出部分も、そのクラッド層を通って延びるスクラッチを付けるために、「粗面化される」。
【００１０】
前述のセンサは、’８１７号および’００５号特許で開示されたセンサより感度が高いが、センサの感度はスクラッチの特性に直接依存し、感度はセンサごとに変わり得、ほとんどの場合は実際に変わる。
【００１１】
米国特許第５，０２６，１３９号では、周囲の媒質の屈折率の関数として光の制御された漏れを生じる、多孔質の薄膜金属クラッドを有する光ファイバ・コアを備えたセンサが開示されている。このセンサの欠点は、特定の分析のために異なったクラッド材料を選択しなければならないことである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の課題は、通常の光学系センサによって、上記で論じた欠点を克服する光ファイバ屈折率プローブを提供することである。
【００１３】
本発明の別の課題は、化学反応生成物、化学溶液、溶媒および溶媒混合物、およびその他の物質を含む、多くの異なった液体および固体、およびそれらの混合物の屈折率およびその変化をｉｎ  ｓｉｔｕで検出するための屈折率プローブを提供することである。
【００１４】
本発明のさらに別の課題は、共沸蒸留ストリームの直接的な実時間計測をもたらす屈折率プローブを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題、およびこれから述べ以下で明らかになる課題に従って、本発明による屈折率装置は、（ｉ）検出領域を有するプローブ部材；ならびに（ｉｉ）屈折領域と、一方の端部に近接して配設され、前記ファイバを通って伝送された（ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ）前記光の方向を実質的に変えるようになされた反射面とを備える、ある長さの光ファイバであって、実質的に前記プローブ部材中に配設され、屈折領域が検出領域に近接して配設されている光ファイバを備えている。
【００１６】
本発明の屈折率システムは、（ｉ）光源；（ｉｉ）検出領域を有するプローブ部材；（ｉｉｉ）光源からの光が伝送されるようになされたある長さの光ファイバであって、屈折率領域と、前記ファイバを通って伝送された光の方向を実質的に変更するようになされた、遠位末端に近接して配設された反射面とを備えており、実質的にプローブ拡張部内に配設されており、屈折率領域が検出領域に近接して配設されている光ファイバ；ならびに（ｉｖ）前記ファイバを通る、方向を変更された光の量を検出するための検出器、を備えている。
【００１７】
本発明による媒質の屈折率を検出する方法は、（ｉ）プローブ部材を前記媒質中に設置するステップ、ここで前記プローブ部材は、検出領域と、実質的に前記プローブ部材中に配設された、第１および第２の端部を有するある長さの光ファイバとを有し、前記光ファイバは、前記第１および第２の端部の間に配設された屈折領域と前記第２端部に近接して配設された反射面とを備えており、前記屈折領域は前記検出領域に近接して配置されている；（ｉｉ）前記光ファイバの前記第１端部に光を入射し、前記光ファイバ中を第１の方向に伝送させるステップ、その際、前記光の第１の部分が前記検出領域を通って前記媒質に透過し、伝送される；（ｉｉｉ）前記光の方向を、前記反射面によって前記光ファイバを通る第２の方向に変更するステップ、その際、前記光の第２の部分が前記検出領域を通って前記媒質に透過し、伝送される；（ｉｖ）前記光ファイバの前記第１端部で受光される前記光の強度を検出するステップ；ならびに（ｖ）前記検出された光の強度を用いて、前記媒質の屈折率を決定するステップを含む。
【００１８】
さらなる特徴および利点は、添付図面に図示されている本発明の好ましい実施形態についての以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。添付図面では、同じ参照符号は図面を通して同一の部分または要素を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の屈折率プローブは、従来技術の光学に基づくセンサに伴う欠点および短所を実質的に低減または解消させる。この屈折率プローブは、通常、プローブ・コネクタと、プローブ拡張部（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）と、光を周囲の媒質に供給するようになされた光ファイバとを含む。本明細書では、「媒質」という用語は、それだけには限定するものではないが、化学的溶液および化学配合物、溶媒および溶媒混合物、ならびに蒸留ストリーム（ｓｔｒｅａｍ）を含めて、周囲のまたは包囲する液体もしくは固体またはそれらの混合物を意味するものとする。
【００２０】
以下で詳細に論じるように、この屈折率プローブは、従来技術のセンサと比較して感度および信号対雑音比（ＳＮ比）の大幅な改善をもたらす。このプローブはまた、流体およびその他の物質の直接の、実時間「オンライン」測定および狭い通路を通る媒質へのアクセスを容易にする。
【００２１】
最初に図１を参照すると、屈折率プローブ１０の一実施形態の分解透視図が示されている。プローブ１０は、プローブ・コネクタ１２、プローブ拡張部１６、および光ファイバ４０を含む。図１に示されるように、プローブ拡張部１６は、好ましくは実質的に同様の第１の長形部分１８および第２の長形部分１９を備えている。
【００２２】
本発明によれば、事実上どの従来型の光ファイバでも、本発明の範囲内で使用することができる。図３に示されるように、そのようなファイバは、通常、石英ガラスなどの光を伝送（透過）するファイバ・コア４１と、コア４１の外への光透過を防止または制限するためのクラッド層４２と、プラスチックまたは同様の材料製の外側保護層４３とを備えている。本発明の好ましい一実施形態では、ファイバ４０は、シリカ・コア４１と、シリカまたはゲルのクラッド層４２と、ポリマー（例えば、アラミド（登録商標）、テフロン（登録商標））外層４３とを含む。
【００２３】
当技術分野で周知のように、一般に光ファイバには、２つの異なる曲げ半径値、すなわち、瞬間半径（ｍｏｍｅｎｔａｒｙ  ｒａｄｉｕｓ）（ＲＭ）および長期半径（ｌｏｎｇ  ｔｅｒｍ  ｒａｄｉｕｓ）（ＲＬＴ）が伴っている。前述の半径は、通常、以下の式から求められる。
【００２４】
式１      ＲＭ＝ＭＭ×ＲＣ
上式中、
ＭＭ＝瞬間係数（ｍｏｍｅｎｔａｒｙ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）（または乗数）、通常は１００以下、
ＲＣ＝クラッド半径
式２      ＲＬＴ＝ＭＬＴ×ＲＣ
上式中、
ＭＬＴ＝長期係数（ｌｏｎｇ  ｔｅｒｍ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）、通常は６００以下。
【００２５】
本発明によれば、本発明の光ファイバ４０のクラッド半径（ＲＣ）は、１０μｍ〜０．１ｃｍの範囲であり得る。ただし、瞬間半径（ＲＭ）がほぼＲＣ×１００以下であり、屈折領域４４（以下で詳細に論じる）の近傍の長期半径（ＲＴＬ）がほぼＲＣ×６００以下であることが前提条件となる。より好ましくは、屈折領域４４の近傍の長期半径は、９．５ｃｍ〜１０．５ｃｍの範囲にある。
【００２６】
当技術分野でさらに周知のように、光ファイバの動作原理は、コア界面における材料の屈折率に依存する。コアが効率よく光を伝送するためには、コアをそのコアよりも低い屈折率の材料で覆わなければならない。クラッド層を除去すると、光の伝送効率は非常に悪くなる。コアを様々な媒質中に配置すると、その媒質の屈折率に応じた効率で、前記光が伝送される。媒質は、本質的に、クラッド層になる。媒質の屈折率が低いほど、多くの光がコアを通って伝送される。媒質がコアよりも高い屈折率である場合、反射は全く起こらず、すべての光が失われることになる。
【００２７】
ここで図５を参照すると、本発明によれば、光ファイバ４０はさらに、光を周囲に伝送（または、解放）するようになされた屈折領域４４を備えている。図５に示すように、屈折領域４４は、好ましくは外側の層４３およびクラッド層４２の一部を除去してコア４１を実質的に露出させることによって形成される。本発明の好ましい一実施形態では、コア４１の約２０〜４０％が除去されて実質的に滑らかで平坦な、好ましくは楕円形の屈折領域４４を形成する。
【００２８】
本発明によれば、外側の層４３およびクラッド層４２（好ましい一実施形態では、さらにコア４１）が除去される屈折領域４４の長さは、０．１〜５．０ｃｍの範囲にある。本発明の好ましい一実施形態では、屈折領域４４の長さは、実質的にプローブ拡張部１６（以下で詳細に論じる）の検出領域２４の長さに等しい。
【００２９】
ここで図４を参照すると、光ファイバ４０は、その光ファイバ４０の遠端４５に近接して配設されたミラー４８または他の反射手段（例えば、反射面）も含む。以下で詳細に論じるように、ミラー４８は、光ファイバ４０を通って伝送された光を反射するように、したがって、その光の方向を変えるように、位置決めされ、適合される。
【００３０】
ここで図６を参照すると、プローブ・コネクタ１２の部分断面平面図が示されている。図６に示されるように、プローブ・コネクタ１２は光ファイバ４０を受けるようになされた貫通ルーメン１３を有する。
【００３１】
当業者なら理解されるように、プローブ・コネクタ１２は、様々な形状を備えることができ、様々な材料から作製し得る。好ましい一実施形態では、プローブ・コネクタ１２は、揮発性および／または浸食性（腐食性）材料を実質的に浸透させない、ステンレス鋼などの材料で作製される。
【００３２】
次に図７Ａおよび７Ｂを参照すると、図１および２に示したプローブ拡張部１６の第１長形部分１８が示されている。簡単のために、第１長形部分１８のみを詳細に述べる。しかし、プローブ拡張部１６の第２長形部分も、好ましくは同様の構造であること、および第１長形部分１８の記述は、長形部分１８、１９の両方に等しく適用できることを理解されたい。
【００３３】
図７Ｂに示されるように、プローブ拡張部１６の第１長形部分１８は、プローブ・コネクタ１２（図２参照）の前端部１４を受けるようになされたプローブ・コネクタ台座２０を一端に備えている。第１長形部分１８は、さらに光ファイバ４０を受けるようになされた光ファイバ台座または凹部２２を含む。光ファイバ台座２２は、好ましくはプローブ・コネクタ台座２０から第１長形部分１８の遠端１７まで延びている。
【００３４】
次に図２および７Ａを参照すると、第１長形部分１８の遠端１７に近接して検出領域２４が配設されている。本発明によれば、検出領域２４は、実質的に光ファイバ４０の屈折領域４４と位置合せされ、したがって、光ファイバ４０の屈折領域４４と協働して、光ファイバ４０から周囲の媒質への光の透過（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）（または解放（ｒｅｌｅａｓｅ））を容易にする。
【００３５】
次に図７Ａおよび８Ａを参照すると、本発明によれば、検出領域２４は様々な寸法および形状をとって、０．０１〜０．３０ｃｍ２の範囲の「有効検出面積」を形成することができる。好ましい一実施形態では、前記検出領域２４は前記屈折領域４４と実質的に同様の形状であり、０．１〜５．０ｃｍ、より好ましくは１．０〜２．０ｃｍの範囲の最大長さ、および０．０１〜０．１ｃｍの範囲の最大幅を有する。
【００３６】
図７Ａおよび７Ｂに示すように、本発明の一実施形態では、検出領域２４は、対向する側面２５ａ、２５ｂの縁部に近接して配設された複数のスロット（またはカットアウト）２６も含む。本発明によれば、スロット２６は、光ファイバ４０とプローブ拡張部１６との有効な係合を容易にするように設計され適合されるが、この係合は好ましくは通常のエポキシ樹脂によって達成される。
【００３７】
次に図８Ａおよび８Ｂを参照すると、本発明の他の実施形態が示されており、検出領域２４の対向する側面２５ａ、２５ｂの縁部が実質的に面取され、斜めに切られている（全体を２７ａで示す）。前記面取り部分２７ａはまた、面取り部分２７ａの下方部分に近接して配設された係合領域２７ｂを含み、係合領域２７ｂは、同様に光ファイバ４０とプローブ拡張部１６の係合（例えば、エポキシ接着）を容易にするようになされている。
【００３８】
本発明によれば、図７Ａおよび７Ｂに示した実施形態におけるスロット２６の寸法と数（およびその角度）、および図８Ａおよび８Ｂに示した実施形態における面取り領域２７ａの寸法およびその角度は、所望の屈折光パターンをもたらすように選択することができる。
【００３９】
図７Ａおよび８Ａで記述し示したように、プローブ拡張部１６の第１および第２長形部分１８、１９は、好ましくは同様の構造とする（すなわち、隣接面２５ａ、２５ｂ上の実質的に相似の鏡像となる）。しかし、本発明の考えられる別の実施形態では、組立て中に光ファイバ４０を受け固定するために、光ファイバの凹み２２のかなりの部分を１つの部分（例えば、第１長形部分１８）内に配設することができる。
【００４０】
図１に戻ると、プローブ拡張部１６の第１および第２長形部分１８、１９は、係合ねじ３０を受けるようになされた、実質的に一列に並んだ複数の穴２８ａ、２８ｂを含む。本発明によれば、第２長形部分１９上の各穴２８ｂは、各係合ねじ３０とねじ係合し、第１および第２プローブ拡張部の長形部分１８、１９を一緒に固定するためのねじ山を含む（図２参照）。
【００４１】
当業者なら理解するように、第１および第２プローブ拡張部の長形部分１８、１９を固定するために、様々な追加の従来型の手段を使用することができる。そのような手段には、通常のスナップ・クロージャおよびエポキシ樹脂がある。
【００４２】
本発明によれば、プローブ拡張部１６は、好ましくは、ステンレス鋼、高密度ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ（商標））など実質的に化学的に不活性な高強度材料から作製される。本発明の好ましい実施形態では、プローブ拡張部１６は、ＰＥＥＫ（商標）から作製される。
【００４３】
当業者なら理解するように、実質的に露出した光ファイバを有する従来技術によるセンサとは異なり、プローブ拡張部１６は、光ファイバ４０のためのさらなる保護層を形成し、したがってプローブ１０の衝撃抵抗を大幅に高める。
【００４４】
当業者ならさらに理解するように、ガラス・コア４１、ステンレス鋼プローブ・コネクタ１２、およびＰＥＥＫ（商標）プローブ拡張部１６を使用することにより、本明細書で記述する屈折率プローブ１０は、大部分の厳しい揮発性および腐食性の環境において、プローブ１０の性能に悪影響を及ぼすことなく使用することができる。プローブ拡張部１６は、比較的小さな断面積（例えば、０．２５〜１ｃｍ２）を有し、様々な長さ（例えば、５〜１００ｃｍ）を有することができるので、プローブ１０は、多くの「オンライン」サイトで容易に使用できることも理解されよう。
【００４５】
次に図１０および１１を参照して、屈折率プローブ１０の動作について詳しく述べる。本発明によれば、プローブ１０は、光ファイバ４０を介して、アナライザ５０と連絡している。図１０に示すように、アナライザ５０は、好ましくは光ファイバ４０に光を供給するための光源５２と、光ファイバ４０を通って伝送され、戻ってきた光を検出し、それに対応する少なくとも１つの出力信号を発生するための検出器５４と、以下で論じる、光源５２、検出器５４、およびビーム・スプリッタ５８の動作を制御するための制御手段５６とを含む。
【００４６】
本発明によれば、光源５２からの光（例えば、紫外／可視から近赤外まで）は、ビーム・スプリッタ５８に伝送される。ビーム・スプリッタ５８は、図１０に示すように、アナライザ５０と一体化していても、または個別の構成部品でもよい。次いで、光は、ビーム・スプリッタ５８によって分割され、光ファイバ４０中に入り、光ファイバ４０を通って伝送される。
【００４７】
光は、光ファイバ４０を第１の方向（例えば、図５および１１の矢印Ｉ参照）に進行して屈折領域４４に達し、そこで屈折して光ファイバ４０から、ミキサ（または他の「オンライン」収容手段）１０２（図１１参照）に収容されている周囲媒質１００に進む。当業者なら理解するように、屈折したまたは失われる（全体を矢印Ｌで示す）光の量は、媒質１００の局所屈折率の関数である。
【００４８】
光ファイバ４０内に残っている光は、光ファイバ４０の遠端４５に近接して配設されたミラー４８（図４参照）によって第２の方向（図５の矢印Ｒ参照）に反射され、光ファイバ４０を通って戻る。したがって、反射光は、もう一度屈折領域４４越しに伝送され、そこで前記光の第２の部分が、光ファイバ４０および検出領域２４から外に屈折し、残りの反射光は伝送されてビーム・スプリッタ５８に戻る。ビーム・スプリッタ５８は、次いで、反射光の方向を検出器５４に向け、そこで反射光（すなわち、光の強度）に対応する出力信号が形成される。出力信号は、次いで、通常の手段で媒質１００の屈折率と相関付けされる。
【００４９】
実施例１で説明するように、ここで述べた「二回通過（ｄｏｕｂｌｅ  ｐａｓｓ）」光ファイバ技術は、当技術分野では匹敵するもののない、少なくとも±０．００５の感度レベルを実現する。この「二回通過」技術は、多ファイバ・センサと比較して信号対雑音比をも大幅に改善する。
【００５０】
図１０に示すように、本発明のさらなる実施形態では、アナライザ５０は、検出された媒質１００の特性値および他の関連情報を表示するようになされた表示手段（６０で表し、想像線で示す）を含む。
【００５１】
当業者なら理解するように、本発明の屈折率プローブ１０は、多くの媒質（例えば、液体、化学的溶液および溶媒）の屈折率（およびその変化）を測定する直接的な実時間手段を提供する。このプローブ１０は、特に（ｉ）常圧および減圧蒸留ストリームにおける溶媒比の直接的な実時間測定法を提供し、（ｉｉ）共沸蒸留ストリーム（例えば、アセトニトリル、ジオキサン、酢酸エチル、塩化メチレン、トルエンなど、非プロトン性、極性または非極性溶媒を主として含む反応混合物からの共沸蒸留による、水またはメタノールまたはエタノールの除去）の直接的実時間測定法を提供し、（ｉｉｉ）蒸留した発酵飲料前駆体（例えば、バーボン、キルシュ、ラム、ウイスキー、などのエタノール−水前駆体）の直接的な実時間測定法を提供するのに有用である。本発明のプローブは、主要な化学製造業における「溶媒交換」（例えば、塩化メチレンまたはメタノールを酢酸エチルで置き換えること、塩化メチレンまたはメタノールまたはエタノールまたは酢酸エチルをジメチルホルムアミドで置き換えることなど）を監視するために使用できる。前述の用途は新規であると考えられ、したがって、本発明のさらなる態様を形成する。
【００５２】
本発明のプローブは、混合装置（例えば、混合ブレード）に取り付けられるか、またはその一体化構成部品として使用できる。
【００５３】
以下の実施例は、例示のためのものにすぎず、本発明の範囲を限定するものでは全くない。
【実施例１】
【００５４】
以下に述べる実施例において、以下のパラメータを有する本発明の屈折率プローブを使用した：
有効検出面積＝〜０．０６６ｃｍ２
光ファイバの長期半径＝３３．８ｃｍ
前述の屈折率プローブを、マグネチック・スターラ上の、屈折率が１．４９４のトルエンを攪拌棒と共に入れたボリューム・ビーカー中に設置した。シリンジ・ポンプを使用して、屈折率が１．３７０の等量の酢酸を６時間以上かけて添加した。この時間中、屈折率プローブによって測定された電圧をコンピュータに送った。
【００５５】
次に図１２を参照すると、屈折率プローブで測定された電圧および計算された屈折率のグラフが示されている。屈折率は、溶媒の初期屈折率（ｒｉ）を測定することにより、第２の溶媒の屈折率の容積分率を使用して計算した。すなわち
式３      ｒｉ測定値＝ｒｉ出発＋ｒｉ添加＊（容積添加／容積合計）
図１２に示したように、プローブで測定した電圧は正確にかつ有効に溶媒の屈折率を追跡する。媒質の屈折率が希釈によって減少するにつれて、光ファイバ・コアの屈折率（約１．４６７）から一層外れていくことがさらに見て取れる。したがって、このプローブは、より多くの光をバルク媒質中に「漏らす」。
【００５６】
本発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者は、本発明を様々な使用法および条件に適合させるために、本発明に様々な変更および改変を加えることができる。これらの変更および改変は、添付の特許請求の範囲の均等物の全範囲内に含まれるのが、当然であり、公正であり、意図されているところである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明による屈折率プローブの一実施形態の分解透視図である。
【図２】本発明による、図１に示した屈折率プローブの組立て透視図である。
【図３】従来技術の光ファイバの部分透視図である。
【図４】本発明による反射手段を示す、光ファイバの一実施形態の分解部分透視図である。
【図５】本発明による屈折領域を示す、図４に示した光ファイバの部分平面図である。
【図６】本発明によるプローブ・コネクタの部分断面平面図である。
【図７Ａ】図７Ａは本発明によるプローブ拡張部の第１長形部分の一実施形態の部分透視図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは本発明による図７Ａに示したプローブ拡張部第１長形部分の部分側面平面図である。
【図８Ａ】図８Ａは本発明によるプローブ拡張部の第１長形部分の別の実施形態の部分透視図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは本発明による、図８Ａに示したプローブ拡張部第１長形部分の部分側面平面図である。
【図９】本発明による、図７Ｂおよび８Ｂに示したプローブ拡張部の第１長形部分の端面図である。
【図１０】本発明によるアナライザおよび屈折率プローブ・アセンブリの概略図である。
【図１１】本発明による媒質中に浸漬した屈折率プローブの透視図である。
【図１２】本発明の屈折率プローブによって検出された電圧と変化する媒質の屈折率（ｒｉ）の計算値との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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