JP3645125B2 - 指示染料によって検出できるｐＨ又は他の化学的特性の計測に用いられる装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、指示染料（ｄｙｅ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）によって検出できるｐＨ又は他の化学的特性の計測に用いられる装置に関し、この装置は、環境の化学的特性が変化したときにその色彩を変化させるように構成された染料フィルムでコーティングされた、計測されるべき溶液中に浸漬されるべきガラスシート又は同様の基材と、光を基材を通して染料フィルムに導くための手段とを含む。
【０００２】
【従来の技術】
溶液のｐＨの計測を行うとき、一般的には、例えばリトマス試験紙が使用され、試験紙を計測されるべき溶液に浸漬し、これによって、試験紙は、環境、即ち溶液のｐＨ値に従ってその色彩を変化させる。
【０００３】
原理的には、上述の方法は、少なくとも幾つかの状況、例えば実験室条件では機能する。しかしながら、計測が困難であり且つ緩慢であるという問題点がある。更に、この方法は、例えば特定の産業的条件では不便である。上述の技術の別の欠点は、一時的であるということである。現在、主として、電気化学的現象に基づいたガラス膜センサが、産業において、ｐＨの計測に使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来技術の欠点をなくすことができる装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の装置は、染料フィルムが、イオンを通過させて光を後方に反射できる少なくとも一つの層からなる構造によって覆われており、これによって染料フィルムの色彩の変化を光反射計測（ｌｉｇｈｔ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）として計測できる、ことを特徴とする。
【０００６】
本発明の主な利点は、簡単であるということである。これにより、本発明の導入及び使用が有利になる。本発明の別の利点は、計測を有利な方法で自動化できるということであり、その他にも、計測を、好ましくは、プロセスパイプ内でも直接的に行うことができるという利点がある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
添付図面に示すように、本発明の要旨は、環境の化学的特性、例えばｐＨ値が変化したときにそれ自体周知の方法でその色彩を変化させる染料フィルム２でガラスシート又は同様の基材１をコーティングすることにある。染料フィルム２の染料は、例えば二つの状態、即ち酸性状態及びアルカリ性状態を持ち、異なる色彩及び強度を有する。しかしながら、ｐＨの計測は本発明の唯一の適用分野ではなく、本発明は、例えば溶液中の様々な金属イオンの濃度の計測にも適用できる。
【０００８】
図１は、本発明の本質的な基本的原理を示す。光線４は、基材１を通って染料フィルム２に入射する。光線は光線ビームであってもよいし、拡散光であってもよい。染料フィルム２とプロセス流体等の計測されるべき溶液５との間の界面で反射が生じる。反射は部分反射であっても全反射であってもよい。従って、計測されるべき溶液の化学的特性は、光反射計測によって計測され、これによって、プロセス流体に向けた唯一の光窓が必要とされる。従って、本発明は、比較的簡単な方法で実施できる。
【０００９】
上述のフィルムは、好ましくは、ゾル−ゲル科学の文献、例えば、１９９０年にアカデミック・プレス社が出版した「ゾル−ゲルプロセスの物理学及び化学」に詳細に記載されたゾル−ゲル法（Ｓｏｌ−Ｇｅｌ ｍｅｔｈｏｄ）によって合成された溶液で形成できる。ゾル−ゲル溶液、即ちゾルは、ガラスの表面上で乾燥させたときに無機ポリマーやガラスを形成する溶液である。例えばシートをゾル中に浸漬することによってガラスシートをコーティングする。フィルムの厚さ及び屈折率は、計測光学についての最も重要なファクタである。フィルムの厚さは、ゾルの粘度及び浸漬速度によって制御される。粘度は、使用された溶剤の量を増減することによって、及び例えば触媒や水の量によって合成条件を変化させることによって制御される。ゾル構造に応じて、浸漬速度には、ゾルがポリマー構造を有する場合、浸漬をゆっくりと行うことによって薄いフィルムが形成されるという作用がある。ゾルが粒子構造を有する場合には、浸漬速度を高くするとフィルムが薄くなる。ゾル先駆物質、即ち他の試薬によって金属酸化物に変化される開始物質の選択によって、及び乾燥条件及びフィルム化条件によって、フィルムの屈折率に影響を及ぼすことができる。先駆物質は酸化物を形成し、酸化物の屈折率は、組成物構造及び金属原子で決まる。例えばチタニウム酸化物の屈折率が約２であるのに対し、シリカの屈折率は約１．５である。乾燥温度を引上げ、フィルムを薄くすると、屈折率が高くなる。
【００１０】
ゾル−ゲル合成時に、先駆物質は、多くの場合、適当な触媒又はゲル化試薬及び水が存在する状態で互いに容易に反応する金属アルコキシドとして作用する。触媒として、塩酸、硝酸、又は硫酸を使用できる。アンモニアもまた多くの場合に使用される触媒である。また、ゲル化試薬は、カルボン酸であってもよい。その一例として酢酸に言及する。水は、合成中に加えることができ、カルボン酸とアルコールとの間の反応によって形成でき、或いは空気中の水分から来入する。水はフィルム化工程時にゾルと反応する。触媒を選択することによって、ゾルの重合及び構造に影響を及ぼすことができる。アルカリ性触媒が粒状ゾルを形成するのに対し、酸性触媒はゾルをポリマー状にする。水の量もまた構造に影響を及ぼす。水をアルコキシ分子に関して２：１の分子量比で使用し、触媒が酸である場合には、ポリマーゾルが得られる。
【００１１】
様々な光学的構成要素で最も一般的に使用される材料はガラスである。ガラスは、多くの場合、多くのプラスチックよりも強固な材料であり、光学において現在比較的多く使用されている。プラスチックと比較すると、ガラスの熱抵抗は非常に優れている。図示の例ではガラスが使用されているが、本発明は、ガラスの使用のみに限定されず、当然のことながら適当なプラスチックを、光学において現在一般的に行われているのと同様の方法で使用できるということに着目されたい。
【００１２】
上文中に説明したように、本発明では反射計測が使用される。図１は、様々な方法で適用できる基本的原理を示す。図２及び図３は、本発明の第２及び第３の実施例を示す。図２及び図３の例では、染料フィルム２上に拡散反射面が形成されるということが要旨である。図２の例では、拡散反射面は、顔料が配合されたコーティング３であり、これによって、光線は顔料粒子から反射される。図３の場合には、拡散反射面は粗い表面６である。この構造は、更に、１枚のカバーフィルム７又は数枚のフィルムを粗い表面上に有する。粗い表面６は、図３に示すような染料フィルムの粗い表面であってもよいし、染料フィルム表面が平滑であるけれども例えばこれに続く２枚のフィルム間の界面が粗くしてあってもよい。光線４は界面の粗くされた部分から拡散して反射される。このような層は、非拡散層である。
【００１３】
上述の顔料は、別途加えられた材料であるか或いは合成時又は製造プロセス時に製造される顔料のいずれかであってもよい。粒子の代わりに、光を粒子と同様に散乱する小泡も同様に可能である。
【００１４】
図４は、誘電鏡８を染料フィルム２上に配置した、本発明の一実施例を示す。誘電鏡は、一つの層でできていてもよいし又は幾つかの層８ａ、８ｂ、８ｃ、．．．からできていてもよい。誘電鏡は、例えば、屈折率が大幅に異なる二つの材料から製造できる。フィルム構造、即ちパックフィルムは、好ましくは、多層構造を持つように製造でき、これによって、パックフィルムは、少なくとも三つの層を持たなければならない。高屈折率層及び低屈折率層を含む層を交互に含むようにパックを形成するのが特に望ましい。単一のチタニウム酸化物層だけで入射光の約２０％を反射するが、反射率は、幾つかの層を加えた場合に本質的に向上する。５層パックは、既に約７０％の反射率を提供する。
【００１５】
上述の層の厚さは、フィルムが反射できる波長範囲に影響を及ぼす。パックは、一つの又は幾つかの波長用に設計されているのがよい。二つの光線ビームを計測に使用し、使用される光線ビーム即ち計測ビームの波長が大幅に異なっている場合には、各波長について別々に設計された二つのパックフィルムを互いに重ねることができる。
【００１６】
図４の例では、染料フィルム２は、多層パックフィルム即ち層８ａ、８ｂ、８ｃ、．．．を含む誘電鏡８によって覆われている。これらの層８ａ、８ｂ、８ｃ、．．．は、染料フィルム２と隣接して高屈折率の材料８ａが設けられ、次いで低屈折率の材料８ｂが設けられ、その後、高屈折率の材料８ｃが設けられ．．．というように配置されている。当然のことながら、反射は、ビームの移動方向で空気とガラスとの間及びガラスシートと染料フィルムとの間のガラス界面でも生じる。ガラスシート１と染料フィルム２との間の界面反射は、染料フィルム２の屈折率を使用されるガラスと同じであるように形成することによって減少させることができる。空気とガラスシートとの間の界面反射は、ガラスシートの前記側をガラスよりも屈折率が低い材料でコーティングすることによって減少させることができる。
【００１７】
反射パックフィルムの機能は、干渉に基づいている。二つの電磁波に、互いに関する波の位相に応じて、強め合う干渉又は弱め合う干渉を加えることができる。反射フィルム構造の製造時には、目的は、干渉が強め合う干渉であるように厚さ及び屈折率を選択し、これによって反射された波を同相にし、反射を強めることである。反射を弱めるのが望ましい場合には、干渉が弱め合う干渉であり、これによって波が逆相になるように厚さ及び屈折率を選択する。
【００１８】
実際の染料フィルムに配置された層は、反射率を改善できる他に、フィルムに引っ掻き傷や割れ目ができないように保護することによって、溶液の機械的抵抗も改善できる。更に、計測されるべき流体内への染料分子の拡散を減少することによってフィルムの化学的持続時間を長くすることができる。これらの層にも染料を配合できる。これらの層の多孔度に関する限り、これらの層は、例えば計測されるべきイオンがフィルムを通過して染料フィルム２の染料と接触でき、及びかくしてこれと反応できなければならない。
【００１９】
上述の実施例は、本発明を限定しようとするものではなく、本発明は、特許請求の範囲の範囲内で全く自由に変更できる。かくして、本発明の構成又はその詳細は必ずしも添付図面に示すものと全く同じである必要はなく、種類の異なる解決策も可能である。図示の例では、ガラスシート等を用いるけれども、この用語は、ガラスと対応するプラスチック及び異なる部品を含むものと理解されるべきであり、ガラスシート等は、例えばプリズムであってもよい。計測ビームは、任意の適当な光源によって発生できる。当然のことながら、任意の適当な指示染料を染料フィルムで使用できる。本発明の基本的概念の範疇で、染料フィルム上の層は任意の適当な方法で形成でき、その唯一の要旨は、染料フィルム上に配置されたこれらの層が、計測されるべき溶液のＯＨイオン及びＨイオンを通すことができ、染料フィルムが、これと同時に、上文中に説明したように、反射面として役立つということである。例えば様々な顔料によって拡散反射面を形成できる。更に、これらの材料は、粉末状添加剤であってもよく、上述の反応等によって形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の第１実施例の基本的原理を示す図である。
【図２】本発明の装置の第２実施例の基本的原理を示す図である。
【図３】本発明の装置の第３実施例の基本的原理を示す図である。
【図４】本発明の装置の第４実施例の基本的原理を示す図である。
【符号の説明】
１ 基材
２ 染料フィルム
３ コーティング
４ 光線
５ 溶液
６ 粗い表面
７ カバーフィルム
８ 誘電鏡

Claims (7)

1. 環境の化学的特性が変化したときにその色彩を変化させるように構成された染料フィルム（２）でコーティングされた、計測されるべき溶液中に浸漬されるべき基材（１）を備える、指示染料によって検出できるｐＨ又は他の化学的特性の計測に用いられる装置において、
   前記染料フィルム（２）は、イオンを通過させて光を後方に反射できる幾つかの層（８ａ、８ｂ、８ｃ、．．．）で形成されている誘電鏡（８）により覆われており、これによって前記染料フィルム（２）の色彩の変化を光反射計測として計測できる、ことを特徴とする装置。
2. 光を後方に反射する前記構造は、拡散反射面（３、６）を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記拡散反射面（３）は、顔料が配合されたコーティングである、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記拡散反射面（６）は、粗い表面である、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記層（８ａ、８ｂ、８ｃ、．．．）は、屈折率が大幅に異なる二つの異なる材料で形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記層（８ａ、８ｂ、８ｃ、．．．）は、前記染料フィルム（２）と隣接して高屈折率の材料（８ａ）が置かれ、次いで低屈折率の材料（８ｂ）が置かれるように構成されている、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記層（８ａ、８ｂ、８ｃ、．．．）は、幾つかの波長用に構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。

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