特開 2023-105732 濃度測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023105732

(43)【公開日】2023-07-31

(54)【発明の名称】濃度測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/61 20060101AFI20230724BHJP

   G01N 21/03 20060101ALI20230724BHJP

【ＦＩ】

G01N21/61

G01N21/03 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022006730

(22)【出願日】2022-01-19

(71)【出願人】

【識別番号】390033857

【氏名又は名称】株式会社フジキン

(74)【代理人】

【識別番号】100129540

【弁理士】

【氏名又は名称】谷田 龍一

(74)【代理人】

【識別番号】100137648

【弁理士】

【氏名又は名称】吉武 賢一

(72)【発明者】

【氏名】永瀬 正明

(72)【発明者】

【氏名】石井 秀和

(72)【発明者】

【氏名】平田 薫

【テーマコード（参考）】

2G057

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G057AA01

2G057AB03

2G057AB06

2G057AC03

2G057BA05

2G057BB01

2G057BD02

2G057BD03

2G057DB01

2G057DB05

2G057DC07

2G059AA01

2G059BB01

2G059CC08

2G059EE01

2G059HH03

2G059JJ11

2G059KK01

2G059LL01

2G059MM01

(57)【要約】

【課題】 測定光の透過率の低下を抑え、より高い濃度でも測定可能な濃度測定装置を提供する。
【解決手段】 濃度測定装置１は、被測定流体を流すための流路２を有する本体３と、流路２に沿って本体３に取り付けられ、流路２を挟んで対向する光入射部４及び光出射部５を有する透光窓６と、光入射部４を介して流路２に光を入射させる発光部７と、光出射部５を介して流路２から出射した光を受光する受光部８と、を備え、透光窓６は、光入射部４と光出射部５との離間距離を短縮する方向に突出する突出部９を有する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定流体を流すための流路を有する本体と、
前記流路に沿って前記本体に取り付けられ、前記流路を挟んで対向する光入射部及び光出射部を有する透光窓と、
前記光入射部を介して前記流路に光を入射させる発光部と、
前記光出射部を介して前記流路から出射した前記光を受光する受光部と、を備え、
前記透光窓は、前記光入射部と前記光出射部との離間距離を短縮する方向に突出する突出部を有する、
濃度測定装置。

【請求項2】

前記透光窓は、前記光入射部と前記光出射部とを別体として備え、
前記突出部は、前記光入射部に設けられた第１突出部を含む、
請求項１に記載の濃度測定装置。

【請求項3】

前記光入射部は、周縁部が前記本体に固定される第１板状基部を備え、
前記第１板状基部に前記第１突出部が突設されている、
請求項２に記載の濃度測定装置。

【請求項4】

前記透光窓は、前記光入射部と前記光出射部とを別体として備え、
前記突出部は、前記光出射部に設けられた第２突出部を含む、
請求項１に記載の濃度測定装置。

【請求項5】

前記光出射部は、周縁部が前記本体に固定される第２板状基部を備え、
前記第２板状基部に前記第２突出部が突設されている、
請求項４に記載の濃度測定装置。

【請求項6】

前記透光窓は、前記光入射部と前記光出射部とを一体的に有する透光ブロックを備え、
前記透光ブロックが前記本体に固定されている、
請求項１に記載の濃度測定装置。

【請求項7】

前記透光ブロックが、前記流路の一部を構成する通孔を有し、
前記突出部が、前記通孔の内周に突出して設けられている、
請求項６に記載の濃度測定装置。

【請求項8】

前記突出部が環状である、請求項７に記載の濃度測定装置。

【請求項9】

前記本体が、前記流路と交差する貫通孔を備え、
前記貫通孔は、前記流路が開通する第１部分と、前記第１板状基部の前記周縁部が係止する段部からなる第２部分と、を含み、
前記本体が、前記周縁部を押圧して固定する第１固定部材を更に含み、
前記第１部分に前記突出部が突出し、前記離間距離が、前記貫通孔に開通する前記流路の直径より小さい、請求項３に記載の濃度測定装置。

【請求項10】

前記本体が、前記流路と交差する貫通孔を備え、
前記貫通孔は、前記流路が開通する第１部分と、前記第２板状基部の前記周縁部が係止する段部からなる第３部分と、を含み、
前記本体が、前記周縁部を押圧して固定する第２固定部材を更に含み、
前記第１部分に前記突出部が突出し、前記離間距離が、前記貫通孔に開通する前記流路の直径より小さい、請求項５に記載の濃度測定装置。

【請求項11】

前記本体が、前記流路と交差する貫通孔を備え、
前記通孔と前記流路とが合致するように、前記貫通孔に前記透光ブロックが嵌入され、
前記本体は、前記透光ブロックを両側から挟持して固定する固定部材を含む、
請求項７に記載の濃度測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、濃度測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、流路を備える測定セルに所定波長の光を入射し、測定セル内を通過する際にガスによる吸収を受けた光を光検出器で検出することにより吸光度を測定し、ランベルト・ベールの法則を適用して吸光度からガスの濃度を演算する濃度測定装置が知られている（例えば、特許文献１、２、３等）。

【0003】

また、測定精度を向上させるために、測定セルに入射する前の光の一部を分岐させて参照光として検出し、入射光の劣化等による吸光度演算値の誤差を補正する濃度測定装置も知られている（例えば、特許文献３、４等）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開ＷＯ２０１６／０１７１２２号パンフレット

【特許文献2】国際公開ＷＯ２０１４／１８１５２７号パンフレット

【特許文献3】国際公開ＷＯ２０１８／０２１３１１号パンフレット

【特許文献4】国際公開ＷＯ２０１７／０２９７９１号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

この種の濃度測定装置では一般に、入射光の波長として、測定されるべき物質の吸収ピーク波長領域の波長が用いられる。

【0006】

一方、測定されるべき物質の分子の数が増加するに従い、即ち、高濃度になるに従い、測定光の透過率は指数関数的に減少する。

【0007】

そのため、従来の濃度測定装置においては、高濃度における透過率の低下により、必要な濃度の測定が困難な場合があった。

【0008】

そこで本発明は、より高い濃度でも測定可能な濃度測定装置を提供することを主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る濃度測定装置は、被測定流体を流すための流路を有する本体と、前記流路に沿って前記本体に取り付けられ、前記流路を挟んで対向する光入射部及び光出射部を有する透光窓と、前記光入射部を介して前記流路に光を入射させる発光部と、前記光出射部を介して前記流路から出射した前記光を受光する受光部と、を備え、前記透光窓は、前記光入射部と前記光出射部との離間距離を短縮する方向に突出する突出部を有する。

【0010】

ある一態様において、前記透光窓は、前記光入射部と前記光出射部とを別体として備え、前記突出部は、前記光入射部に設けられた第１突出部を含み得る。

【0011】

ある一態様において、前記光入射部は、周縁部が前記本体に固定される第１板状基部を備え、前記第１板状基部に前記第１突出部が突設されている。

【0012】

ある一態様において、前記透光窓は、前記光入射部と前記光出射部とを別体として備え、前記突出部は、前記光出射部に設けられた第２突出部を含む。

【0013】

ある一態様において、前記光出射部は、周縁部が前記本体に固定される第２板状基部を備え、前記第２板状基部に前記第２突出部が突設されている。

【0014】

ある一態様において、前記透光窓は、前記光入射部と前記光出射部とを一体的に有する透光ブロックを備え、前記透光ブロックが前記本体に固定されている。

【0015】

ある一態様において、前記透光ブロックが、前記流路の一部を構成する通孔を有し、前記突出部が、前記通孔の内周に突出して設けられている。

【0016】

ある一態様において、前記突出部が環状である。

【0017】

ある一態様において、前記本体が、前記流路と交差する貫通孔を備え、前記貫通孔は、前記流路が開通する第１部分と、前記第１板状基部の前記周縁部が係止する段部からなる第２部分と、を含み、前記本体が、前記周縁部を押圧して固定する第１固定部材を更に含み、前記第１部分に前記突出部が突出し、前記離間距離が、前記貫通孔に開通する前記流路の直径より小さい。

【0018】

ある一態様において、前記本体が、前記流路と交差する貫通孔を備え、前記貫通孔は、前記流路が開通する第１部分と、前記第２板状基部の前記周縁部が係止する段部からなる第３部分と、を含み、前記本体が、前記周縁部を押圧して固定する第２固定部材を更に含み、前記第１部分に前記突出部が突出し、前記離間距離が、前記貫通孔に開通する前記流路の直径より小さい。

【0019】

ある一態様において、前記本体が、前記流路と交差する貫通孔を備え、前記通孔と前記流路とが合致するように、前記貫通孔に前記透光ブロックが嵌入され、前記本体は、前記透光ブロックを両側から挟持して固定する固定部材を含む。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、透過窓に突出部を設けて、測定光が被測定流体を通過する光路長を短縮することにより、測定光の透過率の低下を抑え、より高い濃度でも測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明に係る濃度測定装置の第１実施形態を示す断面図である。

【図2】図１の濃度測定装置の要部拡大断面図である。

【図3】図１の濃度測定装置を分解した状態を示す断面図である。

【図4】図１の濃度測定装置の構成要素である透光窓を示す斜視図である。

【図5】本発明に係る濃度測定装置の第２実施形態を示す断面図である。

【図6】図５の濃度測定装置の構成要素である透光窓を示す斜視図である。

【図7】図６の透光窓の断面を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明に係る濃度測定装置の実施形態について、以下に図１～図７を参照して説明する。なお、全図及び全実施形態を通じて、同一又は類似の構成要素については同符号を付した。

【0023】

先ず、本発明の第１実施形態に係る濃度測定装置について、図１～図４を参照して説明する。第１実施形態の濃度測定装置１は、オゾンガス等の被測定流体Ｇを流すための流路２を有する本体３と、流路２に沿って本体３に取り付けられ、流路２を挟んで対向する光入射部４及び光出射部５を有する透光窓６と、光入射部４を介して流路２に光を入射させる発光部７と、光出射部５を介して流路２から出射した光を受光する受光部８と、を備える。透光窓６は、光入射部４と光出射部５との離間距離Ｌ（図２）を短縮する方向に突出する突出部９を有する。

【0024】

第１実施形態では、透光窓６は、光入射部４と光出射部５とを別体として備えている。また、突出部９は、光入射部４及び光出射部５の其々に設けられ、光入射部４に第１突出部９ａが設けられ、光出射部５に第２突出部９ｂが設けられている。図示例において、光入射部４と光出射部５は、同じ形状及び寸法を有している。

【0025】

光入射部４は、鍔状の周縁部が本体３に固定される第１板状基部４ａに、第１突出部９ａが一体的に突設されている。光出射部５は、周縁部が本体３に固定される第２板状基部５ａに、第２突出部９ｂが一体的に突設されている。斯かる構成により、光入射部４及び光出射部５は、断面ハット形又は凸形を有している。なお、図示しないが、光入射部４または光出射部５の何れか一方にのみ、突出部を設けこともできる。透光窓６は、機械的・化学的に安定なサファイアガラスが好適に用いられるが、他の安定な材料、例えば石英ガラス等も利用可能である。図示例の第１板状基部４ａ及び第２板状基部５ａは円板状であるが、他の形状とすることもできる。

【0026】

本体３は、流路２と交差する貫通孔１０を備えている。流路２及び貫通孔１０は、本体３のベース部３ａに設けられている。貫通孔１０は、流路２が開通する第１部分１０ａと、第１板状基部４ａの前記周縁部が係止する段部を形成する第２部分１０ｂと、第２板状基部５ａの前記周縁部が係止する段部を形成する第３部分１０ｃと、第１固定部材３ｂが嵌る第４部分１０ｄと、第２固定部材３ｃが嵌る第５部分１０ｅとを備えている。

【0027】

第１固定部材３ｂが本体３のベース部３ａに固定されることにより、第１板状基部４ａの周縁部が、第１固定部材３ｂとベース部３ａとに挟まれて固定される。また、第２固定部材３ｃが本体３のベース部３ａに固定されることにより、第２板状基部５ａの周縁部が、第２固定部材３ｃとベース部３ａとに挟まれて固定される。第１板状基部４ａ及び第２板状基部５ａとベース部３ａとの間のシール性を考慮して、図２に示すようにシール材１１が配設される。シール材１１は、好ましくは、第１板状基部４ａ及び第２板状基部５ａのそれぞれの２側面をシールする位置に設けられる。そのため、第２部分１０ｂの段部を形成する直交２側面にシール材１１が嵌る溝が形成される。同様に、第３部分１０ｃの段部を形成する直交２側面にシール材１１が嵌る溝が形成される。

【0028】

貫通孔１０の第１部分１０ａは、図の上下面が光入射部４と光出射部５とで閉じられ、周側面に、本体３のベース部３ａに形成されている流路２が開通することにより、被測定流体Ｇが流れる流路の一部を構成している。第１部分１０ａ内において、第１突出部９ａと第２突出部９ｂとが内方に突出し、光入射部４と光出射部５との離間距離Ｌが短くなり、離間距離Ｌは、第１部分１０ａに開通する流路２の孔径（直径）Ｈより小さくなっている。離間距離Ｌは、後述する光路長に相当する。

【0029】

発光部７は、発光ダイオード、レーザーダイオード等の発光素子が好適に用いられる。図示例の発光部７は、ＬＥＤ素子を覆う封止樹脂が砲弾型をした、いわゆる砲弾型発光ダイオードである。発光部７は、被測定流体の種類に応じた波長の光を発する発光素子が用いられる。例えばオゾンガスの濃度を測定する場合、波長２３０ｎｍ～３２０ｎｍの発光素子が好適に用いられる。受光部８は、フォトダイオード、フォトトランジスター等の光センサーが用いられ得る。

【0030】

発光部７から出射した光を参照光として検出する参照光検出器１２が、発光部７の側方に設けられている。また、参照光検出器１２は、発光部７の後方に配置されている。即ち、参照光検出器１２と透光窓６との距離は、発光部７と透光窓６との距離より大きい。参照光検出器１２は、受光部８と同様の光センサーを用いることができる。

【0031】

発光部７及び参照光検出器１２は、保持部材１３の凹部１３ａに取り付けられている。保持部材１３は、第１固定部材３ｂに固定されている。第１固定部材３ｂは、ベース部３ａの貫通孔１０と略同径で同一軸線を持つ第１孔３ｂ１を備えている。保持部材１３の凹部１３ａは、第１孔３ｂ１と略同径の内周を持ち、第１孔３ｂ１の開口と貫通孔１０との開口が略一致する。

【0032】

受光部８は、第２固定部材３ｃの第２孔３ｃ１に取り付けられている。第２孔３ｃ１は、貫通孔１０と略同径で、同一軸線上に位置する。第２孔３ｃ１には、集光レンズ１４が配設されている。集光レンズ１４は、光出射部５と受光部８との間に設けられている。

【0033】

発光部７から発せられた光は、凹部１３ａ、第１孔３ｂ１、光入射部４、流路２の一部である第１部分１０ａ、光出射部５、第１孔３ｂ１内の集光レンズ１４を順に通って、受光部８で受光される。所定波長の光は、光入射部４と光出射部５との間を通る際に、被測定流体による吸収を受ける。

【0034】

受光部８及び参照光検出器１２によって検出された検出信号光は、制御部１５に送られる。制御部１５は、発光部７に供給する電流を制御するとともに、公知の電流－電圧変換回路により、受光部８及び参照光検出器１２の出力を電圧として測定する測定回路１６を備えている。また、制御部１５は、測定回路１６で測定された測定値を記憶するデータロガー１７、濃度計算及び補正処理を演算するコンピュータ１８等を備えることができ、測定回路１６で測定された測定値に基づいて濃度計算処理及び補正処理を行うことができる。なお、ランベルト・ベールの法則を適用してガスの濃度を演算する方法、その演算値を、参照光を用いて補正する方法等は公知であるので詳細な説明を省略する。

【0035】

ランベルト・ベールの法則によれば、被測定流体の濃度は、以下の式（１）によって導きだされる。

【0036】

Ａ＝ａＬｃ・・・（１）
ここで、Ａは吸光度、ａはモル吸光係数、Ｌは光路長、ｃは濃度である。また、吸光度Ａは、Ａ＝－ｌｏｇ_１０Ｉ／Ｉ_０と定義され、Ｉ_０は被測定流体に当てる特定波長の光の初期強度、Ｉは被測定流体を透過した光の強度である。Ｉ／Ｉ_０は、透過率である。

【0037】

光路長は、被測定流体を光が通る長さであり、離間距離Ｌに相当する。被測定流体の濃度が増加すると透過率は指数関数的に減少し、吸収ピークが飽和すると、濃度測定が困難となる。

【0038】

本発明によれば、突出部９を設けて光路長を短縮することにより、突出部９を備えない場合、即ち、透光窓が単純な平板で形成される場合に比べて、透過率を増加させることができる。それにより、本発明は、突出部９が無い場合に比較して、より高い濃度を測定することが可能となる。

【0039】

次に、本発明の第２実施形態に係る濃度測定装置について、図５～図７を参照して説明する。

【0040】

第２実施形態の透光窓６は、光入射部４と光出射部５とを一体的に有する透光ブロックにより構成されている。その他の構成は、上記第１実施形態と同様である。図示例の透光ブロックは、直方体であるが、円柱形とすることもできる。

【0041】

透光窓６を構成する透光ブロックは、流路２の一部を構成する通孔２ａを有している。突出部９は、通孔２ａの内周に突出して設けられている。通孔２ａは、本体３のベース部３ａに形成されている流路２と合致し、連通する。図示例の突出部９は、環状であるが、他の形状であってもよい。

【0042】

透光窓６を構成する透光ブロックは、本体３のベース部３ａに設けられた角孔状の貫通孔１０に嵌め込まれ、第１固定部材３ｂ及び第２固定部材３ｃによって挟まれて固定されている。透光窓６を構成する透光ブロックと本体３との間にシール材１１が配設される。

【0043】

第２実施形態の濃度測定装置１は、上記第１実施形態と同様に、突出部９を設けたことにより、突出部の無い場合に比べて、光路長を短くし、より高い濃度の測定が可能となる。

【0044】

本発明は、上記実施形態に限定解釈されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

【符号の説明】

【0045】

１ 濃度測定装置
２ 流路
３ 本体
４ 光入射部
５ 光出射部
６ 透光窓
７ 発光部
８ 受光部
９ 突出部
１０ 貫通孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】