(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水密ハウジングと、
発光ダイオードと、
前記ダイオードから放射された光を集束し、前記集束した光を測定すべき水中に移動させるための第１の光集束装置と、
前記水中を移動するときに前記集束した光から生じる少なくとも１つの散乱光を集めるための第２の光集束装置と、
前記集められた光を受け、それによって電子信号を発生させるフォトダイオードと、
前記電子信号を処理する電子基板とを備え、
前記水密ハウジングの内側には、前記第１および第２の光集束装置をそれぞれその中に収容する第１および第２の空洞と、光学較正器の全体を収容する第３の空洞とを有し、かつ、前記第１および第２の空洞は、水面より下に配置される前記水密ハウジングの平らな上面に対してそれぞれが相対的に第１の角度で傾斜されるように水密ハウジングの内側に配置される、水面下での測定用の濁度センサ。
【請求項２】
較正動作を可能にし、または動作不可能にする、前記光学較正器の移動手段を有する、請求項１に記載の濁度センサ。
【請求項３】
前記第３の空洞は、前記光学較正器をその中に収容する、前記水密ハウジングの上面に対して垂直に配置される第１の円筒状チャネルを含み、かつ、前記移動手段は、較正動作を可能にしまたは動作不可能にするために、前記光学較正器を構成する光反射手段またはシャッターを前記第１の円筒状チャネルに沿って移動する、請求項２に記載の濁度センサ。
【請求項４】
前記移動手段が、光反射手段または前記シャッターを前記第１の円筒状チャネルに沿って移動させるように駆動する、請求項３に記載の濁度センサ。
【請求項５】
前記移動手段が電磁石を含む、請求項４に記載の濁度センサ。
【請求項６】
前記シャッターが不透明であり、前記光学較正器が前記不透明なシャッターによって分離される２本の光ファイバを含む、請求項３に記載の濁度センサ。
【請求項７】
前記光反射手段がミラーを備え、前記ミラーが前記第１の光集束装置からの光の少なくともその１部分を前記第２の光集束装置内に反射させることができる１つの位置と、前記光の前記部分を遮蔽する別の位置を有する移動可能なミラー保持器を前記光学較正器がさらに備える、請求項３に記載の濁度センサ。
【請求項８】
前記第３の空洞が、前記光の１部分を通過させる第２および第３の円筒状チャネルをさらに備える、請求項７に記載の濁度センサ。
【請求項９】
前記第１および第２の光集束装置が平らな端部を有する透明な円筒であり、前記端部は前記水密ハウジングの平らな前記上面と並行になるように円筒軸に対して相対的に第２の角度を有して傾いており、別の端部が前記上面から離れて面し、前記第１の角度が前記第２の角度と等しい、請求項３に記載の濁度センサ。
【請求項１０】
前記別の端部が光ビームを集束する球状表面である、請求項９に記載の濁度センサ。
【請求項１１】
前記水密ハウジング内で、前記水密ハウジングの上面と平行に配置される２つの光学窓をさらに備え、前記光学窓が前記円筒の平らな傾いた端部とそれぞれ光学的に連通する請求項９に記載の濁度センサ。
【請求項１２】
前記光学窓がサファイア製である、請求項１１に記載の濁度センサ。
【請求項１３】
前記第１および第２の空洞の１つの内部に、かつ前記発光ダイオードと前記円筒の別の端部との間に配置される絞りをさらに備え、前記絞りと前記円筒の別の端部との間に隙間が設けられる、請求項９に記載の濁度センサ。
【請求項１４】
前記第１および第２の空洞の１つの内部に、かつ前記絞りと前記円筒との間に配置される正レンズをさらに備える、請求項１３に記載の濁度センサ。
【請求項１５】
前記第１および第２の光集束装置が、前記水密ハウジングの平らな上面に対して傾斜した前記第１および第２の空洞の内部に配置されるボールレンズである、請求項１に記載の濁度センサ。
【請求項１６】
前記水密ハウジング内に、かつ前記水密ハウジングの平らな上面と並行に配置される２つの光学窓をさらに備え、前記光学窓は前記ボールレンズと光学的に連通し、前記ボールレンズと前記光学窓の間の少なくとも１つの空間が透明な材料により満たされる、請求項１５に記載の濁度センサ。
【請求項１７】
前記透明な材料が透明な注封化合物を含む、請求項１６に記載の濁度センサ。
【請求項１８】
前記透明な材料が光学接着剤を含む、請求項１６に記載の濁度センサ。
【請求項１９】
前記絞りと前記発光ダイオードを光学的に接続する第１の光ファイバと、前記円筒と前記フォトダイオードを光学的に接続する第２の光ファイバをさらに備える、請求項１３に記載の濁度センサ。
【請求項２０】
前記第１および第２の空洞が前記水密ハウジングの平らな上面と結合する半球状の端部をさらに含む、請求項１に記載の濁度センサ。
【請求項２１】
前記第１および第２の光集束装置が、片側が球状の表面、もう一方側が平らな表面を有する透明なハーフボールレンズであり、前記ハーフボールレンズが前記第１および第２の空洞に嵌合し、前記平らな表面が前記水密ハウジングの平らな表面と平行である、請求項２０に記載の濁度センサ。
【請求項２２】
前記発光ダイオードおよび前記フォトダイオードが、円筒状の前記第１および第２の空洞に沿ってそれぞれ前記ハーフボールレンズの１つの下に配置される、請求項２１に記載の濁度センサ。
【請求項２３】
前記第１および第２の空洞の１つの内部に、かつ前記発光ダイオードと前記ボールレンズの半球状の表面との間に配置される絞りをさらに備え、前記絞りと半球状の前記表面との間に隙間が設けられる、請求項２２に記載の濁度センサ。
【請求項２４】
前記水密ハウジング内に、かつ前記水密ハウジングの平らな上面と並行に配置される２つの光学窓をさらに備え、前記光学窓は前記ハーフボールレンズの平らな端部とそれぞれ光学的に連通している、請求項２１に記載の濁度センサ。
【請求項２５】
前記光学窓がサファイア製である、請求項２４に記載の濁度センサ。
【請求項２６】
前記フォトダイオードと前記ハーフボールレンズの前記半球状の表面との間に配置される第１のボールレンズをさらに備える、請求項２１に記載の濁度センサ。
【請求項２７】
前記絞りと前記発光ダイオードを光学的に接続する第１の光ファイバと、前記第１のボールレンズと前記フォトダイオードを光学的に接続する第２の光ファイバをさらに備える、請求項２６に記載の濁度センサ。
【請求項２８】
前記第１のファイバと前記発光ダイオードの間に配置される第２のボールレンズ、および前記第２のファイバと前記フォトダイオードの間に配置される第３のボールレンズをさらに備える、請求項２７に記載の濁度センサ。
【請求項２９】
前記第２のボールレンズと前記発光ダイオードの間に配置される第１の光学フィルタ、および前記第３のボールレンズと前記フォトダイオードの間に配置される第２の光学フィルタをさらに備える、請求項２８に記載の濁度センサ。
【請求項３０】
前記光学フィルタが移動可能に配置され、異なるスペクトル透過率を有する少なくとも３つの部分から作られる、請求項２９に記載の濁度センサ。
【請求項３１】
水密ハウジングと、
発光ダイオードと、
前記ダイオードから放射された光を集束し、前記集束した光を測定すべき水中に移動させるための第１の光集束装置と、
前記水中を移動するときに前記集束した光から生じる少なくとも１つの散乱光を集めるための第２の光集束装置と、
前記集められた光を受け、それによって電子信号を発生させるフォトダイオードと、
前記電子信号を処理する電子基板とを備え、
前記水密ハウジングの内側には、前記第１および第２の光集束装置をそれぞれその中に収容する第１および第２の空洞を有し、かつ、前記第１および第２の空洞は、水面より下に配置される前記水密ハウジングの平らな上面に対してそれぞれが相対的に第１の角度で傾斜されるように水密ハウジングの内側に配置され、
前記水密ハウジングの外側には、透明な１つの側と前記水密ハウジングから水中に出力される前記集束した光の１部を前記第２の光集束装置内に向けることができる反射性または拡散性表面を備える別の側とを有する光学較正器を前記水密ハウジングの前記上面に形成される光学窓の上を移動可能に備える、水面下での測定用の濁度センサ。
【請求項３２】
前記電動駆動部が、前記光学較正器が光ビームによって照らされる位置から、光ビームが制限されず水の濁度が測定されるべき位置に回転させるよう動作可能な電動機を備える、請求項３１に記載の濁度センサ。
【請求項３３】
柔らかな清掃部材が前記光学窓の近くまたは周りに静止して固定され、前記光学較正器の透明な表面を考え得る汚れから清掃することができる、請求項３２に記載の濁度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に液体の濁度を測定する光学的方法および装置に関し、より詳しくは、天然水の濁度をその場で測定する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この出願は、2001年12月10日出願の米国特許仮出願第60/337165号明細書の利益を主張し、その開示の全体が本発明明細書に参考として援用する。
【０００３】
濁度検出は、水中の懸濁固体または懸濁液体の相対的な量の迅速かつ実際的な指示を提供する。多くの工業的または商業的な浴用途に、製品品質を改良するため、成分の消費を最初にするため、および廃水の排出を減少させるために、一体化した濁度および導電度検出器を使用することができる。しかしながら、発明者等は環境監視のための天然水の現場での濁度測定に焦点を当てた。
【０００４】
米国特許第5589935号明細書は、光源の強度を調整できる能力を有する濁度センサを開示する。このセンサは、散乱光ではなく透過光を測定することによって動作する。したがって、川、湖および貯水池の天然水の低い濁度を測定することはできない。米国特許第5828458号明細書および米国特許第5596408号明細書によって開示される濁度センサは、LED(発光ダイオード)およびフォトダイオードによって動作し、それによって散乱および透過を使用して濁度を測定する。しかしながら、それらは特別な試験セルまたはカバーを必要とし、濁度を現場で測定することができない。
【０００５】
世界中で一般に使用される、濁度測定のための2つの標準規格がある。これらは、国際規格ISO7027(水質‐濁度の測定、国際規格、第3版、 1999‐12‐15)およびUSEPA 180.1(Nephelometric Method 2130 B, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 1989)である。両方法とも、入射光線の進路に対し90°に散乱する光の強度を測定する。ISO標準の規格は、より厳密であり、単色光の光源を必要とする。この規格は、測定値のより大きな再現性、および他の測定装置との間のより大きな一致が可能である(http://www.omega.com/techref/ph-6.html)。発明者等はISO7027方法にのみ関心がある。
【０００６】
米国特許第5350922号明細書および米国特許第4841157号明細書に開示される濁度センサは、90°ではなく広い範囲の散乱角について動作するLED光源を使用し、それらの光学的設計はISO7027標準の要件とは非常に異なっている。Saba Mylvaganamによる「Turbidity Sensor For Underwater Application」という題名の論文に開示された濁度センサは、大きな拡散を伴う励起ビームを有し、ISO7027標準で推奨される90°の代わりに平均角145°で後方散乱する光を測定する(論文はhttp://www.aanderaa.com/PDF_Files/Articles_TD_TN/Turbidity%20Sensor%20Design%20and%20performance.pdfで入手可能である)。
【０００７】
これまでのところ、その動作がISO7027に従い、使用者が簡単にかつ便利に、自由に較正できる、天然水用の携帯式現場測定濁度センサは存在しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の1つの目的は、濁度を測定する光学的センサを改良し、その感度を増加させることである。
【０００９】
本発明の別の目的は、国際規格ISO7027「水質‐濁度の測定」によって要求されるように、帯域幅60nmを有する波長860nmで、散乱放射を測定する設計の濁度センサの性能を改良することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、濁度センサをより小さな寸法に改良し、既に別のセンサを備えるハウジング内に組み込むことができるようにすることである。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、研究室および現場で濁度センサを周期的に較正する機構を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的および利点は、以下の詳細な説明から理解することができるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、濁度センサは、センサ本体の寸法を減少させ、一方、分析領域内の励起光をより高い強度にすることによって高い感度を達成することができる、マイクロ集束装置を有して作られる。マイクロ集束装置を有する濁度センサは、より小さな寸法を有し、既に他のセンサによって占有されているハウジング内に組み込むことができる。本発明による濁度センサは、直径が3.9mmのレンズを使用する。この濁度センサの光学アセンブリは、20mm×15mm×8mmの大きさを有する。このセンサ用の電子基板は10mm×50mmの寸法を有する。このマイクロ集束装置を有する濁度センサは、より良好な信号対雑音比を有し、マイクロ集束装置の近くに直接配置された発光ダイオード(または複数の発光ダイオード)およびフォトダイオード(または複数のフォトダイオード)によって動作し、または別法として小さな直径の光ファイバを使用して発光ダイオード(または複数の発光ダイオード)およびフォトダイオード(または複数のフォトダイオード)をマイクロ集束装置と接続する、ハウジング内に配置される発光ダイオード(または複数の発光ダイオード)およびフォトダイオード(または複数のフォトダイオード)によって動作することができる。マイクロ集束装置を備えるこの濁度センサは、国際規格ISO7027の要件により近い光学的設計に結果としてなる。本発明によるマイクロ集束装置は、水と光コリメーテング用に使用されるガラスまたはプラスチック部品の屈折率の相違を補正するためのプリズム状の部材を含む。
【００１４】
本発明の上記の、およびその他の機能および特徴は添付の図面を参照して行われる以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。図面では、同じ参照番号は同じ要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
ISO7027によれば、濁度は帯域幅60nmを有する波長860nmでの散乱放射を測定することによって測定しなければならない。図1を参照すると、拡散する放射を測定することによって濁度を測定するための光学的構成が示されている(ISO7027)。
【００１６】
図1で、Lは拡散のない入射放射を作り出す光源を示し、Eは励起ビームの方向を示し、Sは散乱放射の方向を示し、θは入射放射の光学軸と拡散する放射のマットの間の測定角度を示し、Ωθは水サンプル内の開口角度を示す。光源Lは拡散および集束のない赤外線ビームを発生させ、それは1.5°を越えない。入射放射の光学軸と拡散する放射のマットの間の測定角度θは、90±2.5°とすべきである。水サンプル内の開口角度Ωθは、20°と30°の間にすべきである。
【００１７】
本発明による濁度センサは、光学窓を有する水密なハウジング、パルス発生器に接続された発光ダイオード、光ビームを形成する第1の光集束装置、散乱する光を集める第2の光集束装置、散乱光を検知するフォトダイオード、並びにロックイン増幅器および信号処理能力を有する電子基板を含む。
【００１８】
濁度センサヘッドの光学設計を図2に示す。それは、水密ハウジング1、2つの光学窓2、1対のプリズム状の集束装置3、2枚のレンズ4、絞り5、発光ダイオード6、およびフォトダイオード7を含む。水密ハウジング1は、PVCなどのプラスチック製、あるいはステンレス鋼またはアルミニウムなどの金属製であり、窓および円筒状のチャネル用に座繰り穴を有している。光学窓2は、高い引っかき抵抗および磨耗抵抗を有するサファイア製とすることが好ましい。プリズム状の集束装置3は、光学ガラスBK7またはサファイアの円筒から製造される。円筒の各々は球面状の端部と研磨された平坦な端部を有する。これらの円筒は窓2に接着され、光学窓用の座繰り穴に対して相対的に傾斜している1対の円筒チャネル内に挿入される。レンズ4がビームのコリメーテングを改善するためにプリズム状集束装置3の近くに配置される。絞り5が、発光ダイオード6の前の第1の円筒チャネル内に配置される。第2の円筒チャネル内には、フォトダイオード7の前に別のレンズ4が配置される。両チャネルは、ハウジングの平らな上面から同じ角度δ(8とマークする)で、窓に対して相対的に傾いている。窓に対する垂線と円筒軸の間の角度は、α(=90°-δ;9とマークする)に等しい。入射角αは、窓に対する垂線と水中のビームの方向との間の屈折角β(10とマーク)が45°になるように選択すべきである。入射角αは、プリズム状集束装置に使用される材料の屈折率に依存する。入射角αが等式(1)に対応する場合は、屈折角ベータは45°と等しい。
【数１】
0004566002.tif 000002
【００１９】
ここで、NP‐プリズム状集束装置に使用する材料の屈折率
NW-水の屈折率
表1はプリズム状集束装置の2つの材料用の入射角を示す。表1の屈折率は波長850nmに対して示す。
【表１】
0004566002.tif 000003
【００２０】
図1に従って、かつ表1に従った材料および角度を有して作られた濁度センサに対して、測定角度θ(11とマーク)は90°に等しい。矢印EおよびSは、励起ビームの方向および散乱放射の方向をそれぞれ示す。
【００２１】
追加の窓のない、プリズム状レンズを有する濁度センサヘッドの光学的設計を図3に示す。濁度センサヘッドは円筒状のチャネルを有する水密ハウジング12、2つの光学窓2、1対のプリズム状の集束装置13、レンズ14および17、絞り15、発光ダイオード16、およびフォトダイオード18を含む。このプリズム状レンズ13はチャネル内に接着される。正レンズ14がビームのコリメーテングを改善するためにプリズム状レンズ13の近くに配置される。絞り15が、発光ダイオード16の前の第1の円筒チャネル内に配置される。レンズ17が第2の円筒チャネル内のフォトダイオード18の前に配置される。両円筒チャネルは、水密ハウジング12の平らな表面に対して相対的に傾いている。円筒軸と濁度センサヘッドの平らな上面との間の角度α(19とマーク)は、水中でのビーム屈折後に45°の屈折角度、および励起ビームEの方向と散乱放射Sの方向との間に90°の角度をもたらすように選択される。
【００２２】
ハーフボールレンズを有する濁度センサヘッドの光学的設計を図4に示す。濁度センサヘッドは、半球状の凹部および円筒状チャネルを有する水密なハウジング20を有する。ハーフボールレンズ21が半球状の凹部内に接着される。絞り22および発光ダイオード23が1つの円筒状チャネルの内部に配置される。ボールレンズ24およびフォトダイオード25がもう1つの円筒チャネルの内部に配置される。これらの円筒チャネルは、水中でのビーム屈折後に45°の屈折角度、および励起ビームEの方向と散乱放射Sの方向との間に90°の角度をもたらすように、濁度センサヘッドの平らな表面に対して相対的に傾いている。
【００２３】
ハーフボールレンズおよび光ファイバを有する濁度センサヘッドの光学的設計を図5に示す。濁度センサヘッドは、半球状の凹部および円筒状チャネルを有する水密なハウジング26を有する。ハーフボールレンズ27が半球状の凹部内に接着される。光ファイバ28および29が円筒状チャネル内に挿入され、励起光を発光ダイオード30から伝送し、散乱光をフォトダイオード31に導く。ボールレンズ32が発光ダイオード30と光ファイバ28の間に配置される。ボールレンズ33が散乱光を光ファイバ29内に向け、次いでボールレンズ34が散乱光を光ファイバ29からフォトダイオード25に向ける。これらの円筒チャネルは、水中でのビーム屈折後に45°の屈折角度、および励起ビームEの方向と散乱放射Sの方向との間に90°の角度をもたらすように、濁度センサヘッドの平らな上面に対して相対的に傾いている。
【００２４】
本発明による水中での測定用の濁度センサの一実施形態を図6に示す。それは傾いたチャネルを有するセンサヘッド35を備える。センサヘッド35はサファイア製の光学窓36および37を有する。集束装置38および39は、円筒状に作られたプリズム状のレンズであり、かつ光学ガラスBK7またはサファイア製である。円筒の各々は研磨された球状の端部および傾いた研磨された平らな端部を有する。プリズム状レンズ38および39は、窓36および37に接着され、光学窓に対して相対的に傾いた円筒状チャネル内に挿入される。正レンズ40がプリズム状レンズ38の近くに配置される。発光ダイオード41がセンサヘッド前の少量のサンプル容積内に拡散しない励起ビームEを生じさせるように絞り42によってプリズム状レンズ38から分離される。(角度90°の)散乱放射がフォトダイオード43上に集束される。光学的効率を増大させるために、別の正レンズ40が、プリズム状レンズ39とフォトダイオード43の間にある。1対の配線44がコネクタ46および発光ダイオード40に、並びにコネクタ46およびフォトダイオード41にはんだ付けされる。それらはセンサヘッドの内部に挿入され、注封化合物45によってシールされる。例えば、米国ウィスコンシン州のEllsworth Adhesives によって販売されているResinlab EP1056LC Blackを注封化合物として使用することができる。平形ケーブル47が、発光ダイオード41およびフォトダイオード43をセンサ基板48に接続するように、コネクタ46をセンサ基板48に接続する。第2の平形ケーブルがセンサ基板48を制御器基板49に接続する。電源50がセンサおよび制御器基板の動作に必要な全ての電圧を供給するために、センサの外側にあるバッテリから電力を受ける。センサ基板48は、前置増幅器51、ロックイン増幅器52、およびパルス発生器53を含む。制御器基板49は、ADC変換器54および通信手段55を含む。通信手段55は、濁度センサをコンピュータに接続するRS-232である。電子基板は水密ハウジング56内に配置される。Oリング57および58が濁度センサの内部容積を最大200mまでの水深で外側の水圧から保護する。ねじ59および60がセンサヘッド35およびコネクタ保持器61を水密ハウジング56に固定する。コネクタ62が濁度センサを水面下のケーブル63に接続する。いくつかの実施形態では、センサ基板48はセンサヘッド35の内部に取り付けられる。
【００２５】
集束装置および光ファイバを有する濁度センサの別の実施形態を図7Aに示す。それは傾いたチャネルを有するセンサヘッド64を備える。センサヘッド64は半球状の凹部および円筒状のチャネルを有する。ハーフボールレンズ65および66が半球状の凹部内に接着される。光ファイバ67および68が発光ダイオード69から励起光を伝送し、散乱光をフォトダイオード70に持ってくるために円筒状チャネル内に挿入される。ボールレンズ71が発光ダイオード69と光ファイバ67の間に配置される。ボールレンズ72が散乱光を光ファイバ68内に向け、次いでボールレンズ73が散乱光を光ファイバ68からフォトダイオード70に向ける。これらの円筒チャネルは、水中でのビーム屈折後に45°の屈折角度、および励起ビームEの方向と散乱放射Sの方向との間に90°の角度をもたらすように、センサヘッド64の平らな上面に対して相対的に傾いている。光ファイバ67および68はセンサヘッド64の内部に挿入され、注封化合物74によってシールされる。発光ダイオード69、フォトダイオード70、ボールレンズ71、およびボールレンズ73は、フォトダイオード70が光ファイバ68からの光のみ受けることを保証するために、アルミニウムまたは黒色PVCなどの不透明な材料で作られた光学取り付け部75Aの内部に配置される。平形ケーブル76がセンサ基板75を制御器基板77に接続する。電源78が、センサおよび制御器基板の動作に必要な全ての電圧を供給するために、センサの外側にあるバッテリから電力を受ける。センサ基板75は、前置増幅器79、ロックイン増幅器80、パルス発生器81、およびコネクタ82を含む。制御器基板77は、コネクタ83、ADC変換器84および通信手段85を含む。通信手段85は、濁度センサをコンピュータに接続するRS-232ユニットを含む。電子基板は水密ハウジング86内に配置される。Oリング87および88が、最大200mまでの水深で外側の水圧から濁度センサの内部容積を保護する。ねじ89および90がセンサヘッド64およびコネクタ保持器91を水密ハウジング86に固定する。コネクタ92が濁度センサを水面下のケーブル93に接続する。いくつかの実施形態は、センサヘッド64の内部の予備の領域94に取り付けられた、深さセンサおよび/または蛍光センサなどのその他のセンサを含むことができる。センサ基板75の別の実施形態では、光学フィルタ71Aおよび73Aは、発光ダイオード69とボールレンズ71の間、並びにフォトダイオード70とボールレンズ73の間に配置される。センサ基板75の拡大図を図7Bに示す。光学フィルタ71Aおよび73Aが濁度を測定するため同一の透過帯域を有することができる。例えば、両フィルタは、860nmで最大の透過率を有する狭帯域の赤外線フィルタであり、広帯域放射の安価な赤外線光放射ダイオード(例えば、Thief Rever Fall, MNのDigi-Keyの販売するLN68-ND)および広いスペクトル帯域の安価なシリコンフォトダイオード(例えば、Thief Rever Fall, MNのDigi-Keyが同様に販売するPN323BPA-ND)などの経済的な部品が使用される。別法として、光学フィルタ71Aおよび73Aは光合成色素を測定するための異なる透過帯域を有する干渉フィルタである。例えば、そのような実施形態では、光学取り付け部75Aは、(i)GaN製の発光ダイオード69、(ii)スペクトルの青の帯域で最大の透過率を有する光学フィルタ71A、(iii)シリコン製のフォトダイオード70、および(iv)スペクトルの赤の帯域で最大の透過率を有する��学フィルタ73Aを含む。そのように構成された光学取り付け部75Aは、光合成色素またはローダミン(rodamine)などの蛍光材料濃度に比例する電気信号を発生させる。そのような光学フィルタの位置および帯域は、各々の特定の用途に対しよりよい選択性をもたらすように最適化すべきである。クロロフィルAを測定するためのより良い選択性に対しては、光学取り付け部75Aは、(i)GaN製の発光ダイオード69、(ii)420nmから440nmの最大の透過帯域を有する光学フィルタ71A、(iii)シリコン製のフォトダイオード70、および(iv)660nmから690nmの最大の透過帯域を有する光学フィルタ73Aを含む。選択性をさらに改善するために、1つまたは両方のフィルタが、ファイバ67内に向けられる放射の波長とフォトダイオード70によって測定される放射の波長の両者を変更するためにフィルタが移動可能であるように、その中に異なる波長で最大の透過率を有する1つまたはいくつかの部品を有して作られる。
【００２６】
内部光学較正器を有する濁度センサを図8Aに示す。内部光学較正器は、周期的に濁度センサの感度を試験するために設けられる。内部較正器により、発光ダイオードおよびフォトダイオードの任意の劣化を補償することによって、人の介入なしでセンサをより永く動作させることができる。これらの目的のために、濁度センサは励起ビームの1部を基準信号を受けるために周期的にフォトダイオードへ向ける(ミラー、窓、レンズ、光ファイバなどの)手段を有する。現在の基準信号は較正中受信される標準の基準信号と比較され、現在の濁度の読みが標準と現在の基準信号との比を掛け算することによって補正される。この濁度センサは、傾いたチャネルを有するセンサヘッド95を備える。センサヘッド95は2つの半球状凹部および2つの円筒状チャネルを有する。ハーフボールレンズ96および97が半球状の凹部内に接着される。絞り98および発光ダイオード99が1つの円筒状チャネルの内部に配置される。ボールレンズ100およびフォトダイオード101がもう1つの円筒状チャネルの内部に配置される。これらの円筒チャネルは、水中でのビーム屈折後に45°の屈折角度、および励起ビームEの方向と散乱放射Sの方向との間に90°の角度をもたらすように、濁度センサヘッドの平らな上面に対して相対的に傾いている。1対の配線102がコネクタ104および発光ダイオード99に、並びにコネクタ104およびフォトダイオード101にはんだ付けされる。それらはセンサヘッドの内部に挿入され、注封化合物103によってシールされる。平形ケーブル105が発光ダイオード99およびフォトダイオード101を濁度センサの水密ハウジングの内部のセンサ基板に接続する。内部光学較正器は、移動ピストン107に固定されたミラー106および電磁石108を備える。ミラーは2つの位置をとる。電磁石108を通る電流がないときの、第1の位置では、ばね109がミラー106およびピストン107を電磁石108の外に移動させる。電磁石108を通る電流が存在するときの、第2の位置では、ミラー106およびピストン107は電磁石108内部に引っ張られる。センサヘッド95の内部には2つの追加のチャネルがある。ミラー106が第1の位置にあるときは、第1のハーフボールレンズの表面から反射された励起光の1部分はピストン107によって遮蔽される。ミラー106が第2の位置にあるときは、ミラー106は第1のハーフボールレンズの平らな表面から反射された励起光の1部分を第2の追加のチャネルに向ける。したがって、第2のハーフボールレンズの平らな表面から反射されたこの光の部分は、フォトダイオード100に到達し、基準信号を与える。内部光学較正器を有する濁度センサの別の実施形態を図8Bに示す。この濁度センサは、傾いたチャネルを有するセンサヘッド95を備える。センサヘッド95は2つの半球状凹部および2つの円筒状チャネルを有する。ハーフボールレンズ96および97が半球状の凹部内に接着される。絞り98および発光ダイオード99が1つの円筒状チャネルの内部に配置される。ボールレンズ100およびフォトダイオード101がもう1つの円筒状チャネルの内部に配置される。これらの円筒チャネルは、水中でのビーム屈折後に45°の屈折角度、および励起ビームEの方向と散乱放射Sの方向との間に90°の角度をもたらすように、濁度センサヘッド75の平らな上面に対して相対的に傾いている。1対の配線102がコネクタ104および発光ダイオード99に、並びにコネクタ104およびフォトダイオード101にはんだ付けされる。それらはセンサヘッド95の内部に挿入され、注封化合物103によってシールされる。平形ケーブル105が発光ダイオード99およびフォトダイオード101を濁度センサの水密ハウジングの内部のセンサ基板に接続する。内部光学較正器は、2個の光ファイバ142および143を伴う挿入部141および移動ピストン107用のチャネルを有する。移動ピストン107は、2つの位置で停止することができる移動ピストン107の片側に固定された不透明のシャッター144を有する。電磁石108を通る電流がないときの第1の位置では、ばね109がピストン107およびシャッター144を電磁石108の外に移動させる。電磁石108を通る電流が存在するときの第2の位置では、ピストン107およびシャッター144は電磁石108の内部に引っ張られる。シャッター144が第1の位置にあるときは、第1のハーフボールレンズ96の表面から光ファイバ142内に反射された励起光の1部分はシャッター144によって遮蔽される。シャッター144が第2の位置にあるときは、励起光のその部分は光ファイバ142から光ファイバ143の中に供給される。その後、第2のハーフボールレンズ97の平らな表面から反射されたこの光の部分がフォトダイオード100に到達し、基準信号を与える。
【００２７】
外部光学較正器を有する濁度センサを図9に示す。周期的に濁度センサを試験するための外部光学較正器によって、人の介入なしでセンサをより永く動作させることができる。外部光学較正器は、フォトダイオードから標準基準信号を受けるように、第1の集束装置からの励起ビームの部分を第2の集束装置内に周期的に向ける。現在の基準信号は較正中受信される標準の基準信号と比較され、現在の濁度の読みが標準と現在の基準信号との比を掛け算することによって補正される。この実施形態では、基準信号は濁度センサの光学部品内の現在の変化を示す。それによって、その中の発光ダイオードおよびフォトダイオードの劣化の補償を行うのみならず、濁度センサの透明な表面の考え得る汚れの、あるレベルまで補償することもできる。外部光学較正器を有する濁度センサは、傾いたチャネルを有するセンサヘッド109を備える。センサヘッド109は2つの半球状凹部および2つの円筒状チャネルを有する。ハーフボールレンズ110および111が半球状の凹部内に接着される。絞り112および発光ダイオード113が1つの円筒状チャネルの内部に配置される。ボールレンズ114およびフォトダイオード115がもう1つの円筒状チャネルの内部に配置される。これらの円筒チャネルは、水中でのビーム屈折後に45°の屈折角度、および励起ビームEの方向と散乱放射Sの方向との間に90°の角度をもたらすように、濁度センサヘッドの平らな上面に対して相対的に傾いている。1対の配線116がコネクタ118および発光ダイオード113に、並びにコネクタ118およびフォトダイオード115にはんだ付けされる。それらはセンサヘッドの内部に挿入され、注封化合物117によってシールされる。コネクタ118からの平形ケーブル119が、発光ダイオード113およびフォトダイオード114を濁度センサの水密ハウジングの内部のセンサ基板に接続する。外部光学較正器は、移動可能なピストン121に固定されたミラー120および電磁石122を備える。移動可能なピストン121は、非磁性部分123および磁性部分124を有する。ピストンは2つの位置をとる。電磁石122を通る電流がないときの第1の位置では、ミラー120およびピストン121がセンサヘッド110の内部に隠れるように、ばね125がピストン121を内側に向けて引く。電磁石122を通る電流が存在するときの第2の位置では、ミラー120およびピストン121は電磁石122によって押出される。この位置で、ミラー120が励起光の1部分を第2の集束装置内に反射させ、そこでフォトダイオード115に到達し基準信号を与える。移動可能なピストン121は、Oリング128によってシールされる密閉挿入部127内にOリング126によってシールされる。ミラー120およびピストン121は、ミラー121が考え得る汚れから保護され、ミラー121の反射率がより安定に保たれるように、大体の場合センサヘッド110内に隠されている。ミラー121を考え得る生物付着から保護するために、非磁性部分123は、良好な汚れ防止特性および良好な耐食性を有する銅または銅‐ニッケル合金から作られる。ミラー121の近くまたは周囲の水中に銅イオンが存在すると、生物付着を抑制し、濁度センサの無人の動作期間を延長させる。
【００２８】
図10に示す別の実施形態では、光学較正器は水密ハウジングの外部に永久的に配置され、光学窓の上部に移動可能な透明部材として作られる。透明部材145は、センサハウジング146の窓領域より大きな寸法の穴を有し、透明な1つの側と、第1の窓148からの励起ビームの一部分を第2の窓149内に向ける反射または拡散表面147を備える別の側を有する。透明な部材145は、センサハウジング146の内部に配置された歯車付電動機の軸151にナット150で固定される。透明な部材145は、回転中窓を清掃する1つまたはいくつかの柔らかい清掃部材152を有する。別の柔らかい清掃部材153は輪状に作られ、窓の近くまたは周りの溝内に挿入される。清掃部材153は回転中透明部材145の表面を清掃する。通常の動作中、透明部材145は濁度測定を可能にするよう配置され、そのときは穴が窓の上にある。較正では、透明部材145は180°回転され、そのときは両方の窓は透明部材151の透明な側の下にある。第1の窓からの励起ビームは透明部材の内部に入る。表面147で反射された後、それは第2の窓に到達する。較正器からの光は、動作中の濁度の読みを補正するための基準信号をもたらすようにフォトダイオードによって測定される。
【００２９】
本発明の原理、好ましい実施形態および動作モードが前述の明細書中で説明されてきた。しかしながら、保護すべきである発明は、開示された特定の実施形態に限定されない。本明細書で開示した実施形態は、限定的ではなく例示的なものである。本発明の趣旨から逸脱することなく、他者によって変形形態または変更を作りだすこと、および均等物を使用することが可能である。したがって、特許請求の範囲で定義される本発明の趣旨および範囲に含まれる全てのそのような変形形態、変更および均等物は明白にそれに包含されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ISO7027で定義される散乱および透過パラメータを示す図である。
【図２】本発明によるマイクロ集束装置を備える濁度センサヘッドの一実施形態の光学設計を示す図である。
【図３】本発明によるプリズム状のレンズを備える濁度センサヘッドの一実施形態の光学設計を示す図である。
【図４】本発明によるハーフボールレンズを備える濁度センサヘッドの一実施形態の光学設計を示す図である。
【図５】本発明によるハーフボールレンズおよび光ファイバを備える濁度センサヘッドの一実施形態の光学設計を示す図である。
【図６】本発明による水中測定のための濁度センサを示す図である。
【図７】図7Aは、本発明による集束装置および光ファイバを備える濁度センサの図である。図7Bは、本発明による光学フィルタを内部に有する光学取付台を備えるセンサ基板の一実施形態を示す図である。
【図８】図8Aは、本発明による内部光学較正器を備える濁度センサの図である。図8Bは、本発明による2本の光ファイバを有して作られた内部光学較正器を備える濁度センサの図である。
【図９】本発明による外部光学較正器を備える濁度センサの図である。
【図１０】本発明による外部光学較正器を備える濁度センサの別の実施形態を示す図である。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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