(57)【要約】【課題】測定対象中に多成分の粒子が含まれる場合に、成分ごとの粒子濃度の測定に対応することができる粒子濃度測定装置を実現する。【解決手段】透明な測定セル内を流れる測定対象に広範囲の出力波長を有する測定光を照射する光源と、この測定光の照射により発生する透過光および散乱光の強度を異なる波長について測定する複数の光センサよりなる受光部と、この受光部の各光センサの測定結果に基づいて前記測定対象中の粒子濃度を各成分ごとに算出する演算部、とで構成されたことを特徴とするもの。【選択図】図１
2009281930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な測定セル内を流れる測定対象に広範囲の出力波長を有する測定光を照射する光源と、
この測定光の照射により発生する透過光および散乱光の強度を異なる波長について測定する複数の光センサよりなる受光部と、
この受光部の各光センサの測定結果に基づいて前記測定対象中の粒子濃度を各成分ごとに算出する演算部、
とで構成されたことを特徴とする粒子濃度測定装置。
【請求項２】
前記受光部は、
前記光源の照射方向に配置され前記測定対象の透過光を受光する透過光受光部と、
前記光源の照射方向から所定の角度で配置され前記測定対象の散乱光を受光する散乱光受光部とからなり、
異なる波長に感度を有する複数の前記光センサは前記透過光受光部および前記散乱光受光部のそれぞれに備えられたことを特徴とする請求項１に記載の粒子濃度測定装置。
【請求項３】
前記透過光受光部は円板状に形成され、
前記散乱光受光部はリング状に形成されて前記透過光受光部の外周に同心状に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の粒子濃度測定装置。
【請求項４】
前記測定セルの測定光の照射面は平面状に形成されて測定光の出射面は凸状曲面に形成され、
前記受光部の受光面はこの測定セルの測定光の出射面と対向するように凹状曲面に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の粒子濃度測定装置。
【請求項５】
前記演算部は粒子濃度の算出に際しどの光センサの測定結果を選択するかを決定する解析部を備え、
この解析部は、
各成分の粒子濃度が既知である測定対象の各光センサによる事前測定結果を任意に組合せて所定の演算を行い、演算結果が実際の粒子濃度と最も高い相関を示す光センサの組を各成分ごとに決定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の粒子濃度測定装置。
【請求項６】
前記演算部は、散乱光の強度と透過光の強度の比を取ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の粒子濃度測定装置。
【請求項７】
異なる波長に感度を有する複数の前記光センサは、紫外光センサと可視光センサと近赤外光センサであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の粒子濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粒子濃度測定装置に関し、詳しくは、測定対象中の多成分の粒子濃度を求めることができる粒子濃度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、浄水や排水などの水処理プロセスでは、水の濁り状態を具体的な数値として定量的に把握して水質を管理するために、濁度を測定することが行われている。
【０００３】
図４は、このような濁度測定に用いられている従来の透過散乱形濁度計の概略構成例を示す構成図である。図４において、光源１の出力光はコリメートレンズよりなる集光レンズ２で平行光に変換され、測定光として測定セル３の一端側に照射される。この光源１としては、たとえば小型のタングステンランプが用いられている。
【０００４】
測定セル３は、平行な透明ガラス３１，３２を含む測定流路管であり、この管内には光の軸方向と直交するように一定の方向に測定対象である測定試料Ｓの液体が流される。
【０００５】
光源１から集光レンズ２を介してこの測定セル３の一端側を密閉する透明ガラス３１に照射される測定光は、測定セル３内部を流れる測定試料Ｓに含まれる粒子によって散乱する散乱光Ｆ２および散乱することなく通過する透過光Ｆ１として、それぞれ他端側の透明ガラス３２から出射される。
【０００６】
他端側の透明ガラス３２から出射される透過光Ｆ１は円板状に形成された透過光受光部４ａで受光されて電気信号に変換され、散乱光Ｆ２は透過光受光部４ａの外周に同心状に配置されたリング状の散乱光受光部４ｂで受光されて電気信号に変換される。
【０００７】
これら透過光受光部４ａおよび散乱光受光部４ｂの出力信号は演算装置５に入力されて散乱／透過比が算出され、濁度値に換算される。演算装置５で換算された濁度値は、表示部６に表示される。
【０００８】
図４の構成によれば、散乱光信号を透過光信号で割ることにより濁度値を求めているので、
１）測定対象の色の影響を受けない
２）電源変動、光量変動の影響を受けない
３）ガラス汚れの影響を受けにくい
などの優れた効果が得られる。
【０００９】
下記の特許文献１には、このような透過散乱光方式を利用して構成した濁度計が記載されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３２９６２９
【００１１】
ところで、水質管理にあたっては、測定対象中に混入している砂、土、粘土、鉄粉などの粒子濃度の測定および管理も重要な項目となっている。また、食品工業をはじめ各種製造業の製造プロセスにおいても、測定対象に含まれている各種の粒子の濃度測定は、プロセスの効率化や品質管理などの面からも重要な項目となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、従来の透過散乱形濁度計は、測定液中の粒子の総濃度は測定できるが、測定液中に多成分の粒子が含まれる場合に成分毎の粒子濃度を測定することはできない。また、可視光域に感度があることから、透明に近い粒子の測定も困難である。
【００１３】
そこで、必要に応じてたとえばレーザ散乱光方式の粒子濃度測定装置が用いられるが、レーザを利用しているため特定の粒子に対する感度は高いものの、同時に多成分の粒子濃度を測定することはできない。
【００１４】
多成分の個々の粒子濃度を測定する手法として吸光（分光）光度法があるが、透過光に相当する吸光度のみを検出して散乱光は検出しない。そのため、測定セルの汚れに弱く、オンライン測定に導入した場合には、頻繁なメンテナンスが必要になる。加えて、機器は大型で高価なものになってしまう。
【００１５】
本発明は、これらの問題点を解決するものであり、その目的は、測定対象中に多成分の粒子が含まれる場合に、成分ごとの粒子濃度を連続的に測定できる比較的小型で簡潔な構造の粒子濃度測定装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記のような目的を達成するために、請求項１の発明は、
透明な測定セル内を流れる測定対象に広範囲の出力波長を有する測定光を照射する光源と、
この測定光の照射により発生する透過光および散乱光の強度を異なる波長について測定する複数の光センサよりなる受光部と、
この受光部の各光センサの測定結果に基づいて前記測定対象中の粒子濃度を各成分ごとに算出する演算部、
とで構成されたことを特徴とする粒子濃度測定装置である。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の粒子濃度測定装置において、
前記受光部は、
前記光源の照射方向に配置され前記測定対象の透過光を受光する透過光受光部と、
前記光源の照射方向から所定の角度で配置され前記測定対象の散乱光を受光する散乱光受光部とからなり、
異なる波長に感度を有する複数の前記光センサは前記透過光受光部および前記散乱光受光部のそれぞれに備えられたことを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項２に記載の粒子濃度測定装置において、
前記透過光受光部は円板状に形成され、
前記散乱光受光部はリング状に形成されて前記透過光受光部の外周に同心状に配置されたことを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の粒子濃度測定装置において、
前記測定セルの測定光の照射面は平面状に形成されて測定光の出射面は凸状曲面に形成され、
前記受光部の受光面はこの測定セルの測定光の出射面と対向するように凹状曲面に形成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の粒子濃度測定装置において、
前記演算部は粒子濃度の算出に際しどの光センサの測定結果を選択するかを決定する解析部を備え、
この解析部は、
各成分の粒子濃度が既知である測定対象の各光センサによる事前測定結果を任意に組合せて所定の演算を行い、演算結果が実際の粒子濃度と最も高い相関を示す光センサの組を各成分ごとに決定することを特徴とする。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の粒子濃度測定装置において、
前記演算部は、散乱光の強度と透過光の強度の比を取ることを特徴とする。
【００２２】
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の粒子濃度測定装置において、
異なる波長に感度を有する複数の前記光センサは、紫外光センサと可視光センサと近赤外光センサであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
このような発明によれば、測定対象中に多成分の粒子が含まれる場合に、成分ごとの粒子濃度を連続的に測定でき、オンライン測定にも好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は本発明の実施例１の構成図、図２は図１の受光部４および演算装置５の詳細を示す構成図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。
光源１は、タングステンランプなど広範囲の出力波長を有する光を出射するものであって、その出力光はコリメートレンズ２で平行光に変換され測定光として測定セル３に照射される。
【実施例１】
【００２５】
測定セル３は、平行な透明ガラス３１，３２を含む測定流路管であり、この管内には光の軸方向と直交するように一定の方向に測定対象である測定試料Ｓの液体が流される。これら透明ガラス３１，３２はたとえば石英ガラスであり、測定光の照射方向に対し垂直になるように設置されており、測定光を通過させるための窓の役割を果たす。なお、測定液Ｓには、複数の成分（成分Ｘ，成分Ｙ，成分Ｚ）の粒子が分散しているものとする。
【００２６】
測定セル３に照射された測定光は、透明ガラス３１を通過して測定液Ｓに入射される。測定液Ｓに入射された測定光は、透過光Ｆ１として透明ガラス３２から出射されるとともに、一部は測定液Ｓに含まれる粒子によって散乱されて散乱光Ｆ２，Ｆ３となり、透明ガラス３２から出射される。
【００２７】
これら散乱光Ｆ２，Ｆ３の強度は、粒子の濃度や大きさ、形状、物性、光の波長によって変化する。また、散乱光Ｆ２，Ｆ３の強度が最も高くなる散乱角も、粒子の大きさやサイズ、形状、物性、光の波長によって変化する。
【００２８】
測定セル３の透明ガラス３２と対向するように、受光部４が設けられている。受光部４は、透過光Ｆ１を受光する透過光受光部４０と、散乱光Ｆ２，Ｆ３を受光する散乱光受光部４１，４２から構成されている。
【００２９】
透過光受光部４０は、コリメータレンズ２で平行になった測定光の光束径とほぼ同じ径を有する円板状に構成されている。散乱光受光部４１，４２は、透過光受光部４０の外周に同心状に配置されるものであり、リング状に構成されている。散乱光受光部４１の内径は透過光受光部４０の外径と一致し、散乱光受光部４２の内径は散乱光受光部４１の外径と一致するように形成されている。
【００３０】
透過光受光部４０は、測定セル３の透明ガラス３２の内面から距離ｄ１の位置に、円板の中心を測定光の光束中心と一致させて配置されている。散乱光受光部４１，４２は、測定セル３の透明ガラス３２の内面から距離ｄ２（ｄ２＜ｄ１）の位置に、透過光受光部４０と同心状に配置されている。透過光受光部４０および散乱光受光部４１，４２は、それぞれ測定光の照射方向に対して垂直になるように配置されている。なお、透過光受光部４０と散乱光受光部４１，４２の相対位置をずらすことで、後述する検量線の直線性を調整することができる。
【００３１】
図２に示すように、円板状の透過光受光部４０は円周方向に沿って等しい角度間隔（１２０°）でＡ１〜Ａ３の３つの領域に分割され、リング状の散乱光受光部４１は円周方向に沿って等しい角度間隔（１２０°）で領域Ａ４〜Ａ６の３つに分割され、リング状の散乱光受光部４２は円周方向に沿って等しい角度間隔（１２０°）で領域Ａ７〜Ａ９の３つに分割されている。
【００３２】
領域Ａ１，Ａ４，Ａ７には紫外光センサ素子（Ｄｕｖ）が設けられてそれぞれ紫外光検知領域が形成され、領域Ａ２，Ａ５，Ａ８には可視光センサ素子（Ｄｏｐ）が設けられて敷き詰められてそれぞれ可視光検知領域が形成され、領域Ａ３，Ａ６，Ａ９には近赤外光センサ素子（Ｄｉｒ）が設けられてそれぞれ近赤外光検知領域が形成されている。
【００３３】
測定セル３に照射され測定液Ｓを通過した測定光は透過光Ｆ１および散乱光Ｆ２，Ｆ３となり、それらの光強度が各検知領域の異なる波長に感度を有する３種類の光センサ素子Ｄｕｖ，Ｄｏｐ，Ｄｉｒで測定される。各光センサ素子Ｄｕｖ，Ｄｏｐ，Ｄｉｒの出力は、図示しないＡ／Ｄ変換器でデジタル化された後、演算装置５のメモリ５１に格納される。
【００３４】
粒子濃度演算部５２は、メモリ５１から各光センサ素子Ｄｕｖ，Ｄｏｐ，Ｄｉｒの出力を読み出し、受光部４の各検知領域Ａ１〜Ａ９ごとに、その領域に含まれる光センサ素子出力の平均値を算出する。これにより、透過光Ｆ１、散乱光Ｆ２，Ｆ３について、紫外光領域、可視光領域、近赤外光領域における光の強度が得られる。算出の結果、以下の値が得られたものとする。
透過光Ｆ１：検知領域（Ａ１,Ａ２,Ａ３）＝（紫外,可視,近赤外）
＝強度（Ｉ１１,Ｉ１２,Ｉ１３）
散乱光Ｆ２：検知領域（Ａ４,Ａ５,Ａ６）＝（紫外,可視,近赤外）
＝強度（Ｉ２１,Ｉ２２,Ｉ２３）
散乱光Ｆ３：検知領域（Ａ７,Ａ８,Ａ９）＝（紫外,可視,近赤外）
＝強度（Ｉ３１,Ｉ３２,Ｉ３３）
【００３５】
解析部５３は、粒子濃度測定装置の初期設定時やメンテナンス時、検量線作成時に使用され、粒子濃度測定装置の実測定時には使用されない。検量線とは、粒子濃度が既知の測定液を用いて求めた、粒子濃度とそれに関係するたとえば吸光度、電流、電圧、抵抗などの各種物理量の測定値との関係線をいう。
【００３６】
粒子濃度測定装置の実測定に先立って、成分Ｘの粒子濃度が既知の検量用測定液Ｓ’の測定を行う。この測定で得られた透過光Ｆ１’および散乱光Ｆ２’，Ｆ３’の検出信号強度が解析部５３に入力される。
【００３７】
解析部５３は、透過光受光部４０の検知領域Ａ１〜Ａ３と、散乱光受光部４１および４２の検知領域Ａ４〜Ａ９の中から、それぞれ検知領域をひとつずつ選択して構成されるすべての組合せについて、検出信号強度の比を求める。計算された検出信号強度の比の値を成分Ｘの粒子濃度に変換する所定の計算式に導入し、成分Ｘの粒子濃度を計算する。
【００３８】
このような成分Ｘの粒子濃度の計算を、検量用測定液Ｓ’中の成分Ｘの粒子濃度を低濃度から高濃度まで変化させて行う。そして、検出信号強度の比の計算をした領域の組合せごとに、検量用測定液Ｓ’を低濃度から高濃度まで手分析した結果との相関係数を計算する。相関係数の計算には、ニューラルネットワークや多変量解析などの手法を用いる。計算の結果、最も高い相関係数を示す検知領域の組合せを、成分Ｘ測定用の検知領域の組合せとして決定する。検知領域の組合せとは、すなわちその検知領域の光センサ素子の組合せを意味する。そして、この検知領域の組合せで計算された検出信号強度の比と粒子濃度の計算結果を用いて、成分Ｘの検量線を作成する。
【００３９】
解析部５３は、以上のような処理を成分Ｙ、成分Ｚについても行い、それぞれ手分析の結果と最も高い相関係数を示す検知領域の組合せの決定および検量線の作成を行う。
解析部５３による解析の結果、成分Ｘ，Ｙ，Ｚ測定用の検知領域の組合せが、
成分Ｘ：検知領域Ａ４／検知領域Ａ１
成分Ｙ：検知領域Ａ８／検知領域Ａ３
成分Ｚ：検知領域Ａ９／検知領域Ａ２
に決定されたものとする。
決定された検知領域の組合せおよび検量線は、解析部５３から粒子濃度演算部５２に出力され、粒子濃度演算部５２に記憶される。
【００４０】
粒子濃度演算部５２は、成分ごとに、解析部５３で決定した組合せの検知領域の検出信号強度を選択し、検出信号強度の比を計算する。
成分Ｘ：検知領域Ａ４／検知領域Ａ１＝Ｉ２１／Ｉ１１
成分Ｙ：検知領域Ａ８／検知領域Ａ３＝Ｉ３２／Ｉ１３
成分Ｚ：検知領域Ａ９／検知領域Ａ２＝Ｉ３３／Ｉ１２
【００４１】
粒子濃度演算部５２は、成分毎に計算した検出信号強度の比の値を検量線と照らし合わせ、粒子濃度を計算する。得られた粒子濃度は、表示部６で表示される。演算装置５は機能ブロックで示してあるが、実際は各演算を行うプログラムがインストールされたコンピュータで行われる。
【００４２】
本実施例は以上のように構成され、受光部４に異なる波長に感度を有する複数の光センサを備え、これらの光センサの測定結果を選択的に利用することにより、測定液Ｓの成分ごとの粒子濃度を測定することができる。
【００４３】
なお、本実施例で説明した粒子濃度測定装置は、粒子濃度に基づいて測定液Ｓの濁度を求める濁度計としても利用することができる。
【００４４】
また、異なる波長に感度を有する光センサが透過光受光部４０および散乱光受光部４１，４２のそれぞれに備えられているため、透過光Ｆ１および散乱光Ｆ２，Ｆ３のそれぞれについて異なる波長で検出信号強度を測定することができる。
【００４５】
また、透過光受光部４０を円板状とし、散乱光受光部４１，４２を透過光受光部４０と同心状に配置されたリング状とし、さらに各受光部の外径と内径を連続させたため、散乱光Ｆ２，Ｆ３の強度を空間的に連続した複数の微小角ごとに測定することができる。これにより、散乱光の大半を測定することが可能であり、粒子濃度の測定が高精度のものとなる。また、散乱光受光部が４１，４２の２重になっているため、それぞれ異なる散乱角の散乱光を測定することができる。
【００４６】
また、粒子濃度の算出にあたり、どの検知領域で測定された光の検出信号強度を用いるか、すなわち、どの光センサの測定結果を選択するかを決定する解析部５３を備えているため、測定液Ｓを手分析した場合に得られるであろう結果と近い結果が得られる。
【００４７】
また、連続測定にあたっては、測定誤差を許容範囲に抑え、装置の保守周期を長くすることが非常に重要であるが、粒子濃度演算部５２は、粒子濃度の算出にあたり、散乱光Ｆ２，Ｆ３の検出信号強度と透過光Ｆ１の検出信号強度の比を求めているため、装置の電源変動や光源の光量変動、測定対象によって生じる測定セルの窓汚れなどの影響を受けにくく、長期にわたってメンテナンスに手間をかけることなくオンラインで連続的に粒子濃度を測定できる。
【００４８】
また、異なる波長に感度を有する複数の光センサ素子として、紫外光センサ素子Ｄｕｖ、可視光センサ素子Ｄｏｐ、近赤外光センサ素子Ｄｉｒを用いているため、広い波長領域で透過光と散乱光を測定できる。
【００４９】
なお、本実施例では、散乱光の検出は散乱光受光部４１，４２のみであるが、散乱光受光部４２の外周にさらにリング状の検出部を増設することにより、さらに大きな角度で散乱された散乱光も測定できる。
【００５０】
また、本実施例では、異なる波長に感度を有する光センサとして３種類の光センサ素子を用いているが、センサ素子の種類は３種類に限らない。光センサ素子の種類や個数は多いほど精度よく粒子濃度を測定できる。さらに、本実施例では紫外光センサ素子Ｄｕｖ、可視光センサ素子Ｄｏｐ、近赤外光センサ素子Ｄｉｒを用いているが、光センサ素子の種類はこれに限るものではない。ただし、感度を有する波長が互いに重ならないものを利用するのが望ましい。
【００５１】
なお、測定液Ｓは請求項の測定対象に相当し、粒子濃度演算部５２は請求項の演算部に相当する。また、本発明は、液体中の粒子濃度測定だけでなく、気体中の粒子濃度測定にも利用可能である。
【実施例２】
【００５２】
前記実施例１では受光部４を平面状に形成したが、受光部４を曲面状に形成することも可能である。図３は、実施例２として、受光部を凹状曲面にした例を示す。図３の（ａ）は受光部４’の斜視図、図３の（ｂ）は受光部４’の上面図、図３の（ｃ）は受光部４’の展開図である。
【００５３】
測定セル３’は、全体がたとえば石英ガラスで構成されていて、内部には測定液Ｓが流れている。測定光の入射側は平面に形成され、測定光の出射側は凸状曲面に形成されていて、入射側平面が測定光の照射方向に対し垂直になるように設置されている。
【００５４】
受光部４’は、測定セル３’の出射面と対向するように凹状曲面に形成されている。受光部４’の垂直をなしている端縁は、測定セル３’の入射側の側壁と同一平面上に位置している。
【００５５】
受光部４’には、透過光を受光する透過光受光部４０’と散乱光を受光する散乱光受光部４１’〜４５’が設けられている。散乱光受光部４１’〜４５’は透過光受光部４０’と同心状に配置されており、散乱光受光部４３’の外径は受光部４’の水平方向の長さ（展開時）と一致している。
【００５６】
透過光受光部４０’および散乱光受光部４１’〜４５’は、それぞれ領域が３分割されており、分割された領域ごとに紫外光センサ素子、可視光センサ素子、近赤外光センサ素子が敷き詰められている。その他の構成は実施例１と同様である。
【００５７】
本実施例は以上のように構成したことにより、実施例１と同じ効果を有するとともに、さらに測定セル３’の出射側を凸状曲面にし、受光部４’の測定セル３’との対向面を凹状曲面としたことにより、受光部を平面状とした場合よりも散乱角の大きな散乱光も受光できる。たとえば、測定光の照射方向から水平方向に９０度で散乱された散乱光Ｆ４も検出できる。
【００５８】
以上説明したように、本発明によれば、測定対象中に多成分の粒子が含まれる場合に、成分ごとの粒子濃度を連続的に測定できる比較的小型で簡潔な構造の粒子濃度測定装置を実現でき、水処理プロセスや、食品工業など各種製造業の製造プロセスにおける流体中の粒子濃度の測定および管理に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施例１の構成を示す図である。
【図２】図１の受光部と演算装置を示す図である。
【図３】本発明の実施例２の構成を示す図である。
【図４】従来の透過散乱形濁度計の概略構成例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１            光源
２            コリメータレンズ
３            測定セル
３１，３２  透明ガラス
４            受光部
４０        透過光受光部
４１，４２  散乱光受光部
５            演算装置
５１        メモリ
５２        粒子濃度演算部
５３        解析部
６            表示部
Ｓ            測定液
【図１】
2009281930.tif 000003
【図２】
2009281930.tif 000004
【図３】
2009281930.tif 000005
【図４】
2009281930.tif 000006