JP2013120064A

JP2013120064A - 濁度色度計

Info

Publication number: JP2013120064A
Application number: JP2011266633A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Yamada; 勝利山田
Original assignee: Hitachi High Tech Control Systems Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Control Systems Corp
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2013-06-17

Abstract

【課題】保守作業の必要性が低く、分光器が不要で、液体が存在する配管や貯蔵タンクに直接取り付けることができ、コスト低減と測定のリアルタイム性を実現できる濁度色度計を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の濁度色度計は、測定対象の液体に第１の波長の光を照射するＬＥＤ１ａと、前記液体に第２の波長の光を照射するＬＥＤ１ｂと、前記ＬＥＤ１ａによって照射され前記液体を透過した前記第１の波長の光を受けて電気信号に変換する光センサ３ａと、前記ＬＥＤ１ｂによって照射され前記液体を透過した前記第２の波長の光を受けて電気信号に変換する光センサ３ｂと、前記ＬＥＤ１ａからの電気信号に基づいて前記液体の濁度を算出し、前記ＬＥＤ１ｂからの電気信号に基づいて前記液体の色度を算出する処理装置３０と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象の液体の吸光度を測定することでその液体の濁度と色度を算出する（以下、「濁度と色度を測定する」とも称する。）吸光度式の濁度色度計に関する。

従来から、例えば、液体を扱う食品プラント等において、その液体の濁度や色度を測定する必要があるケースが多い。対象の液体としては、例えば、ビール、醤油などが挙げられる。

そして、非特許文献１には、濁度計の方式として、透過光式、透過散乱光式、表面散乱光式、積分球式などが挙げられている。そのうち、透過光式の技術としては、660nm（ナノメートル）の波長の光で濁度を測定する方法が記載されている。また、一般に、透過散乱光式の技術としては、液体に含まれる濁質により散乱する光を検出して透過光との比を測定する方法が知られている。

また、非特許文献１には、色度計の方式に関し、透過光式の技術として、390nmの波長の光の吸光度を色度に換算する方法が記載されている。

さらに、特許文献１には、測定対象水と基準水とを所定周期ごとに交互に測定セルを通過させ、光源からその測定セル内へ所定波長の光を照射させ、その測定セルを通過した光を検出することで、測定対象水の濁度や色度を測定する技術が記載されている。

特許４２３２３６１号公報

社団法人日本水道協会、「上水試験方法２０１１年版」、２０１１年

しかしながら、前記した従来技術では、次のような問題がある。例えば、光源にタングステンランプが使用されている場合、フィラメントが断線して突然使用できなくなることや、あるいは、長時間の点灯でフィラメントの金属成分が揮発しランプ内面に付着して劣化が生じ、それにより発光強度が低下して測定に影響を与えることがある。そのため、定期的な光源の交換等の保守作業が必要となる。

また、タングステンランプから発せられる光には様々な波長の光が存在するため、ある特定の領域の波長の光を得るための分光器が必要となる。分光器では、光源（白色光）から単色光を選ぶ分散子の種類により、フィルタ式、プリズム式、回折格子式などの分光素子が使用されるが、ガラス製の光学部品が含まれることから振動や衝撃によって壊れる可能性があり、構造も複雑になる傾向があるので長期間の連続測定に使用する上で定期的な調整保守が必要になる。

また、前記した従来技術では、光源や付属の光学部品の大きさや電源等の重量の点から、液体が流れる配管に直接取り付けることが困難である。そのため、例えば、測定用の分岐配管を用いて液体の一部を採取し、その採取場所に設置してある検出器でその液体の濁度や色度を測定することになるが、分岐配管の分、コストがかかるという問題がある。また、分岐配管を用いる場合、液体採取時と測定時の時間差が生じてしまい、測定のリアルタイム性が損なわれるという問題もある。また、採取した液体を廃棄する手間やコストがかかるという問題もある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、保守作業の必要性が低く、低コストで、リアルタイム性を実現できる濁度色度計を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、測定対象の液体に第１の波長の光を照射する第１の半導体発光素子と、前記液体に第２の波長の光を照射する第２の半導体発光素子と、前記第１の半導体発光素子によって照射され前記液体を透過した前記第１の波長の光を受けて電気信号に変換する第１の光センサと、前記第２の半導体発光素子によって照射され前記液体を透過した前記第２の波長の光を受けて電気信号に変換する第２の光センサと、前記第１の光センサからの電気信号に基づいて前記液体の濁度を算出し、前記第２の光センサからの電気信号に基づいて前記液体の色度を算出する処理部と、を有することを特徴とする濁度色度計である。
その他の手段については後記する。

本発明によれば、保守作業の必要性が低く、低コストで、リアルタイム性を実現できる濁度色度計を提供することができる。

本実施形態の濁度色度計の全体構成図である。本実施形態の濁度色度計における検出器の構造等の説明図である。本実施形態の濁度色度計における処理の流れを示すフローチャートである。本実施形態の濁度色度計における検出器の他の構造例の説明図である。本実施形態の濁度色度計の他の用途の説明図である。

以下、本発明の濁度色度計を実施するための形態（以下、「実施形態」と称する。）について、図面を参照して説明する。図１に示すように、濁度色度計１００は、検出器１０、固定器具２０、処理装置３０（処理部）および変換器５０を備えて構成される。

検出器１０は、液体が流れる配管４０の側壁に予め設けられた貫通穴を介して配管４０の中に挿入され、フランジやサニタリクランプ等の着脱可能な固定器具２０によって配管４０に固定される。
固定器具２０は、検出器１０を配管４０に固定するための器具である。

処理装置３０は、検出器１０によって得られた情報を処理し、その処理した情報を変換器５０に送信する（詳細は後記）。
変換器５０は、処理装置３０から得た情報を電流値や電圧値に変換し、外部のモニタ（不図示）等にアナログ出力する（詳細は後記）。

次に、図２を参照して、濁度色度計１００における検出器１０の構造等について説明する。
検出器１０は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）１ａ，１ｂ（以下、２つを特に区別しないときは「ＬＥＤ１」と称する。他の構成についても同様）、ガラス窓２ａ，２ｂ、光センサ３ａ，３ｂ、ガラス窓８ａ，８ｂを備え、全体が略コの字形状となっており、配管４０の内部（液体が存在する空間）に対して挿入および固定される。なお、Ｏリング２１は、配管４０内の液体が貫通穴から外部に漏洩しないようにするための手段である。

ＬＥＤ１ａ（第１の半導体発光素子）は、測定対象の液体に第１の波長（例えば６６０ｎｍ）の光を照射する。
ＬＥＤ１ｂ（第２の半導体発光素子）は、測定対象の液体に第２の波長（例えば３９０ｎｍ）の光を照射する。
ガラス窓２ａ，２ｂは、それぞれ、ＬＥＤ１ａ，１ｂの発光部分の近傍で光の通過経路上の位置に設けられる。ガラス窓２の材料は、例えば石英ガラスである。

光センサ３ａ（第１の光センサ）は、ＬＥＤ１ａに対向する位置に設けられ、ＬＥＤ１ａから発せられて液体を透過した第１の波長の光を受けて、その光の強度に応じたアナログの電気信号を生成する。
光センサ３ｂ（第２の光センサ）は、ＬＥＤ１ｂに対向する位置に設けられ、ＬＥＤ１ｂから発せられて液体を透過した第２の波長の光を受けて、その光の強度に応じたアナログの電気信号を生成する。また、光センサ３ｂは、ＬＥＤ１ａから発せられて液体で散乱した第１の波長の光を受けて、その光の強度に応じたアナログの電気信号を生成する場合もある。
光センサ３は、例えば、Ｓｉフォトダイオード、光電子管、ＣｄＳ導電セル、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等によって実現できる。

ガラス窓８ａ，８ｂは、それぞれ、光センサ３ａ，３ｂの近傍で光の通過経路上の位置に設けられる。ガラス窓８の材料は、例えば石英ガラスである。
なお、ＬＥＤ１から光センサ３までの距離は、測定精度の観点から、例えば、測定対象の液体の吸光度が０．５〜３程度になるようにしておけばよい。

処理装置３０は、検出回路３１、コントローラ３２（処理部）、出力装置３３を備えている。
検出回路３１は、光センサ３ａ，３ｂから電気信号を受け取り、それらの電気信号に対応するデジタル信号を生成してコントローラ３２に送る。

コントローラ３２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリから構成され、ＬＥＤ１に発光の指示を与えたり、検出回路３１から受け取ったデジタル信号に基づいて液体の濁度や色度を算出してその情報を出力装置３３に送信したりする。
出力装置３３は、コントローラ３２から受け取った液体の濁度や色度の情報を変換器５０に送る。

次に、濁度色度計１００の動作について説明する。まず、コントローラ３２は、ＬＥＤ１ａとＬＥＤ１ｂのそれぞれによる発光のタイミングを制御する。そして、検出回路３１では、「ＬＥＤ１ａ，１ｂ点灯時」、「ＬＥＤ１ａ点灯、ＬＥＤ１ｂ消灯時」、「ＬＥＤ１ａ消灯、ＬＥＤ１ｂ点灯時」、「ＬＥＤ１ａ，１ｂ消灯時」について、光センサ３ａと光センサ３ｂの一方あるいは両方から電気信号を受け取る（詳細は後記）。

検出回路３１は、光センサ３から受け取った電気信号を増幅し、デジタル信号に変換する。コントローラ３２は、検出回路３１から受け取ったデジタル信号をメモリ（不図示）に保存し、不揮発記憶装置（不図示）に予め保存されている演算処理手順により数値計算処理を行い、濁度値および色度値を計算する。出力装置３３は、コントローラ３２から濁度値および色度値を受け取り、変換器５０に送る。変換器５０は、その後、例えば、濁度値および色度値を４〜２０ｍＡの範囲のアナログの電気信号に変換して受信装置（不図示。モニタ等）に送信する。

次に、図３を参照して、コントローラ３２が行う演算処理について説明する。コントローラ３２は、予め、基準となる以下の電気信号をデジタル信号に変換し、そのデータを不揮発記憶装置に保存しておく。

・ゼロ点基準液（例えば真水）が流れているときにＬＥＤ１ａが点灯しているときの光センサ３ａの電気信号（Ｚ１）（Ｓ３１）
・ゼロ点基準液が流れているときにＬＥＤ１ｂが点灯しているときの光センサ３ｂの電気信号（Ｚ１’）（Ｓ３７）
・ゼロ点基準液が流れているときにＬＥＤ１ａが点灯しているときの光センサ３ｂの電気信号（Ｚ２）（Ｓ４３）
・何も流れていないときにＬＥＤ１ａとＬＥＤ１ｂが消灯しているときの光センサ３ａの電気信号（Ｔ０）（Ｓ３６）
・何も流れていないときにＬＥＤ１ａとＬＥＤ１ｂが消灯しているときの光センサ３ｂの電気信号（Ｔ０’）（Ｓ４２）

そして、検出回路３１は、以下の電気信号を取得して、デジタル信号に変換してコントローラ３２に送り、コントローラ３２はそれらのデータを不揮発記憶装置に保存する。

・試料水（測定対象の液体）が流れているときにＬＥＤ１ａが点灯しているときの光センサ３ａの電気信号（Ｔ１）（Ｓ３２）
・試料水が流れているときにＬＥＤ１ｂが点灯しているときの光センサ３ｂの電気信号（Ｔ１’）（Ｓ３８）
・試料水が流れているときにＬＥＤ１ａが点灯しているときの光センサ３ｂの電気信号（Ｔ２）（Ｓ４４）

そして、コントローラ３２は、前記した電気信号を変換したデジタル信号に基づいて、液体の濁度値（ＴＢ）と色度値（Ｃ）とを算出する。
具体的には、透過光式の濁度値の算出は、次のように行う。まず、下記の式１によりＡ１を算出し（Ｓ３３）、その算出したＡ１を用いて下記の式２により濁度値（ＴＢ）を算出し（Ｓ３４）、その算出した濁度値（ＴＢ）を出力装置３３に出力する（Ｓ３５）。

Ａ１＝−log｛（Ｔ１−Ｔ０）／（Ｚ１−Ｔ０）｝・・・式（１）
ＴＢ＝Ｋ・Ａ１・・・式（２）
なお、式（１）における対数（log）は常用対数（底が「１０」の対数）である（以下の他の対数も同様）。
また、式（２）における係数Ｋは、所定の濁度基準液（濁度が既知の液体）を用いた実験（Ｓ３２と同様）により予め求めておき、不揮発記憶装置に保存しておくことができる。

また、透過光式の色度値の算出は、次のように行う。まず、下記の式（３）によりＡ１’を算出し（Ｓ３９）、その算出したＡ１’を用いて下記の式（４）により色度値（Ｃ）を算出し（Ｓ４０）、その算出した色度値（Ｃ）を出力装置３３に出力する（Ｓ４１）。

Ａ１’＝−log｛（Ｔ１’−Ｔ０’）／（Ｚ１’−Ｔ０’）｝・・・式（３）
Ｃ＝Ｋ’・Ａ１’−Ｋ’’・Ａ１・・・式（４）
なお、式（４）における係数Ｋ’と係数Ｋ’’は、所定の色度基準液（色度が既知の液体）を用いた実験（Ｓ３８と同様）により予め求めておき、不揮発記憶装置に保存しておくことができる。

また、透過散乱光式の濁度値の算出は、次のように行う。下記の式（５）により色度値（Ｃ）を算出し（Ｓ４５）、その算出した色度値（Ｃ）を出力装置３３に出力する（Ｓ３５）。

ＴＢ＝Ｋ’’’・（Ｔ２−Ｚ２）／（Ｔ１−Ｚ１）・・・式（５）
なお、式（５）における係数Ｋ’’’は、所定の濁度基準液を用いた実験（Ｓ４４と同様）により予め求めておき、不揮発記憶装置に保存しておくことができる。
また、Ｓ４６では、Ｓ３３，Ｓ３４による濁度の算出と、Ｓ４５による濁度の算出と、を使用条件等に応じて適宜切り替えることができる。

このように、濁度色度計１００によれば、小型、軽量で長寿命の半導体発光素子（ＬＥＤ１）を光源としたことで、保守作業の必要性が低く、分光器が不要で、液体が存在する配管や貯蔵タンクに直接取り付けることができ、コスト低減と測定のリアルタイム性を確保できる濁度色度計を提供することができる。

また、ＬＥＤ１と光センサ３を２つずつ使用し、濁度については透過光式と透過散乱光式を使い分けて算出するようにしたことで、高精度な計算を可能にした。

次に、検出器１０の変形例について説明する。図４に示すように、変形例である検出器１０ａ（１０）では、ＬＥＤ１と光センサ３とを結ぶラインが、配管４０に対する検出器１０ａの挿入方向と垂直になっている。なお、ＬＥＤ１、ガラス窓２、光センサ３、ガラス窓８は、図２の場合と同様、２つずつあるものとする。

このように、配管４０に挿入される検出器１０ａの深さを短くすることによって、液体中の固形物（異物等）が検出器１０ａに絡まる可能性を低減することができる。

次に、濁度色度計１００の他の用途について説明する。図５に示すように、貯蔵タンク６０には、濁度や色度がそれぞれ異なる上層と下層が界面６１で分離している液体が貯蔵されている。濁度色度計１００ａ（１００）における検出器１０、固定器具２０、処理装置３０が、界面６１の側面に取り付けられている。

そして、界面６１が検出器１０よりも上か下かによって検出器１０および処理装置３０で測定する濁度や色度が異なるので、検出器１０および処理装置３０で濁度や色度を測定することで、界面６１から排水がされたときなどの場合に、界面６１が検出器１０よりも上か下かを知ることができる。

以上で本実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。
例えば、ＬＥＤ１の波長としては、前記した波長のほかに、測定対象の液体の吸収波長に応じて、紫外線から遠赤外線の領域の光の波長を適宜選択することができる。その場合、ＬＥＤ１を取り替えることで別の波長の光を使うことができる。そして、吸光度に基づいて、濁度や色度以外の濃度を算出することもできる。

また、ガラス窓２やガラス窓８の材質は、石英ガラスに限定されず、ＬＥＤ１の光を一定以上吸収しない、所定の温度や圧力への耐性がある、腐食しにくい、といった条件を満たすものであれば、例えば、サファイアガラスや透明高分子樹脂素材などであってもよい。

また、複数のＬＥＤ１の代わりに、複数のＬＥＤ１が１つにパッケージされた装置を使用することにより、濁度色度計１００における部品点数を減らすこともできる。
また、濁度色度計１００を配管４０に設置する方法としては、配管４０に穴をあけて設置する方法のほかに、Ｔ字管の枝管に設置する方法や、消火栓に設置する方法もある。
その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

１，１ａ，１ｂＬＥＤ
２，２ａ，２ｂガラス窓
３，３ａ，３ｂ光センサ
８，８ａ，８ｂガラス窓
１０，１０ａ検出器
２０固定器具
３０処理装置
３１検出回路
３２コントローラ
３３出力装置
４０配管
４１液体
５０変換器
６０貯蔵タンク
６１界面
１００，１００ａ濁度色度計

Claims

測定対象の液体に第１の波長の光を照射する第１の半導体発光素子と、
前記液体に第２の波長の光を照射する第２の半導体発光素子と、
前記第１の半導体発光素子によって照射され前記液体を透過した前記第１の波長の光を受けて電気信号に変換する第１の光センサと、
前記第２の半導体発光素子によって照射され前記液体を透過した前記第２の波長の光を受けて電気信号に変換する第２の光センサと、
前記第１の光センサからの電気信号に基づいて前記液体の濁度を算出し、前記第２の光センサからの電気信号に基づいて前記液体の色度を算出する処理部と、
を有することを特徴とする濁度色度計。
前記第１の半導体発光素子と、前記第２の半導体発光素子とは、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）であることを特徴とする請求項１に記載の濁度色度計。
前記第２の光センサは、前記第１の半導体発光素子によって照射され前記液体を透過した前記第１の波長の光を受けて電気信号に変換し、
前記処理部は、
前記第１のセンサからの電気信号、および、
前記第１の半導体発光素子によって照射され前記液体を透過した前記第１の波長の光を受けた前記第２の光センサからの電気信号、に基づいて前記液体の濁度を算出する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の濁度色時計。
前記第１の半導体発光素子および前記第２の半導体発光素子と、前記第１の光センサおよび前記第２の光センサと、が対向して構成された検出器は、前記液体が存在する空間に対して挿入および固定されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の濁度色度計。