2025-33711 濃度計測装置

(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】P2025033711

(43)【公開日】2025-03-13

(54)【発明の名称】濃度計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/27 20060101AFI20250306BHJP

【ＦＩ】

G01N21/27 Z

G01N21/27 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023139629

(22)【出願日】2023-08-30

(71)【出願人】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】高橋 秀和

(72)【発明者】

【氏名】田中 佑弥

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA01

2G059BB04

2G059EE01

2G059EE10

2G059EE12

2G059GG02

2G059HH01

2G059MM12

(57)【要約】

【課題】発光ダイオードを光源として光吸収を利用した濃度計測装置で、周囲温度が変化しても正確に濃度測定ができるようにする。
【解決手段】電圧検出回路１０４が、光源１１１を構成しているＬＥＤに印加された順方向電圧を検出し、補正回路１０５が、第１記憶回路１０２に記憶されている相関における電圧検出回路１０４が検出した順方向電圧と基準順方向電圧との関係より、光学計測器１０１で測定した溶液の透過光強度を補正する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

濃度の測定対象となる溶液の溶質に対応する測定波長を含む光を出射する発光ダイオードを光源として前記測定波長における前記溶液の透過光強度を測定する光学計測器と、
前記発光ダイオードに印加される順方向電圧と前記発光ダイオードの発光強度との相関を記憶するように構成された第１記憶回路と、
前記溶液における前記溶質の濃度測定の基準となる基準液の透過光強度を前記光学計測器で測定して得られた基準透過光強度、および前記基準透過光強度に対応して前記発光ダイオードに印加される基準順方向電圧を記憶するように構成された第２記憶回路と、
前記光学計測器で前記溶液の透過光強度の測定時の前記発光ダイオードに印加された順方向電圧を検出するように構成された電圧検出回路と、
前記相関における前記電圧検出回路が検出した順方向電圧と前記基準順方向電圧との関係より、前記光学計測器で測定した前記溶液の透過光強度を補正する補正回路と、
前記補正回路が補正した前記溶液の透過光強度と前記基準透過光強度とから前記測定波長における前記溶液の吸光度を求めるように構成された吸光度算出回路と、
前記溶液の吸光度から前記溶液における前記溶質の濃度を求めるように構成された濃度算出回路と
を備える濃度計測装置。

【請求項2】

請求項１記載の濃度計測装置において、
前記濃度算出回路は、前記測定波長における吸光度より前記溶液における前記溶質の濃度を求める回帰式を用いて、前記溶液の吸光度から前記溶質の濃度を求める濃度計測装置。

【請求項3】

請求項１または２記載の濃度計測装置において、
前記第１記憶回路は、設定されている複数の波長に対応して前記相関を記憶し、
前記第２記憶回路は、設定されている複数の波長に対応して前記基準透過光強度および前記基準順方向電圧を記憶する濃度計測装置。

【請求項4】

請求項１または２記載の濃度計測装置において、
前記第１記憶回路は、設定されている任意の前記基準順方向電圧に対応する前記相関を記憶し、
前記第２記憶回路は、前記基準順方向電圧となるように前記発光ダイオードを温度制御した状態で測定した前記基準透過光強度を記憶する濃度計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、濃度計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

光吸収を利用して半導体洗浄液などの薬液濃度を計測する技術が知られている（特許文献１）。この測定技術は、室温付近の純水の透過光強度（スペクトル）を基準として、計測対象薬液のスペクトルの基準からの光強度変化量（吸光度）により薬液濃度を計測する。また、この種の計測装置では、光源として寿命の長い発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１２８９４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上述したような濃度計測装置が環境は温度変化が大きいが、光源として用いているＬＥＤの発光スペクトルが、周囲温度依存性が高いために正確な測定ができない場合が発生する。

【0005】

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、発光ダイオードを光源として光吸収を利用した濃度計測装置で、周囲温度が変化しても正確に濃度測定ができるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る濃度計測装置は、濃度の測定対象となる溶液の溶質に対応する測定波長を含む光を出射する発光ダイオードを光源として測定波長における溶液の透過光強度を測定する光学計測器と、発光ダイオードに印加される順方向電圧と発光ダイオードの発光強度との相関を記憶するように構成された第１記憶回路と、溶液における溶質の濃度測定の基準となる基準液の透過光強度を光学計測器で測定して得られた基準透過光強度、および基準透過光強度に対応して発光ダイオードに印加される基準順方向電圧を記憶するように構成された第２記憶回路と、光学計測器で溶液の透過光強度の測定時の発光ダイオードに印加された順方向電圧を検出するように構成された電圧検出回路と、相関における電圧検出回路が検出した順方向電圧と基準順方向電圧との関係より、光学計測器で測定した溶液の透過光強度を補正する補正回路と、補正回路が補正した溶液の透過光強度と基準透過光強度とから測定波長における溶液の吸光度を求めるように構成された吸光度算出回路と、溶液の吸光度から溶液における溶質の濃度を求めるように構成された濃度算出回路とを備える。

【0007】

上記濃度計測装置の一構成例において、濃度算出回路は、測定波長における吸光度より溶液における溶質の濃度を求める回帰式を用いて、溶液の吸光度から溶質の濃度を求める。

【0008】

上記濃度計測装置の一構成例において、第１記憶回路は、設定されている複数の波長に対応して相関を記憶し、第２記憶回路は、設定されている複数の波長に対応して基準透過光強度および基準順方向電圧を記憶する。

【0009】

上記濃度計測装置の一構成例において、第１記憶回路は、設定されている任意の基準順方向電圧に対応する相関を記憶し、第２記憶回路は、基準順方向電圧となるように発光ダイオードを温度制御した状態で測定した基準透過光強度を記憶する。

【発明の効果】

【0010】

以上説明したように、本発明によれば、発光ダイオードに印加される順方向電圧と発光ダイオードの発光強度との相関を用いて光学計測器で測定した溶液の透過光強度を補正するので、発光ダイオードを光源として光吸収を利用した濃度計測装置で、周囲温度が変化しても正確に濃度測定ができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係る濃度計測装置の構成を示す構成図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態に係る濃度計測装置の一部構成を示す構成図である。

【図3】図３は、測定基準順方向電圧Ｖｆ_m0に近いデータセットから抽出した基準順方向電圧Ｖｆ₀に対するデータセットにおける各順方向電圧Ｖｆの変化量ΔＶｆと、データセットから抽出した基準順方向電圧Ｖｆ₀に対応する発光強度Ｉ_ad0（λ）を基準としたデータセットにおける発光強度Ｉ_ad（λ）の変化率Δ_ad（λ）との関係を示す特性図である。ここでλは波長を表し、図３の特性図は波長毎に存在する。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態に係る濃度計測装置について図１を参照して説明する。この濃度計測装置は、光学計測器１０１、第１記憶回路１０２、第２記憶回路１０３、電圧検出回路１０４、補正回路１０５、吸光度算出回路１０６、濃度算出回路１０７を備える。

【0013】

光学計測器１０１は、濃度の測定対象となる溶液の溶質に対応する測定波長を含む光を出射する発光ダイオードを光源として測定波長における溶液の透過光強度（スペクトル）を測定する。光学計測器１０１は、光源１１１、分光器１１２、光源制御回路１１３、分光制御回路１１４、受光制御回路１１５、およびコントローラ１１６を備える。

【0014】

光源１１１は、濃度の測定対象となる溶液の成分（溶質）に対応する測定波長を含む光を出射する発光ダイオード（ＬＥＤ）から構成されている。分光器１１２は、受光した光を分光する。分光器１１２は、例えば、ファブリペロー型とすることができる。光源１１１を出射した光は、成分濃度の測定対象となる溶液を透過して分光器１１２で受光される。

【0015】

光源制御回路１１３は、コントローラ１１６からの制御に従って光源１１１の点灯を制御する。例えば、光源制御回路１１３は、光源１１１を制御し、所定の波長帯の光を所定の強度で出射させる。

【0016】

分光制御回路１１４は、コントローラ１１６からの制御に従って分光器１１２を制御する。例えば、分光制御回路１１４は、ファブリペロー型の分光器１１２が有する２つのミラーの間に印加する電圧を制御することで、受光素子が受光する光の波長を適宜制御する。

【0017】

受光制御回路１１５は、コントローラ１１６からの制御に従って分光された光の強度を測定する。例えば、受光制御回路１１５は、分光器１１２が測定した光の強度を示す電気信号を受け付けると、受け付けた電気信号を光の強度を示す数値に変換し、変換後の数値を出力する。

【0018】

コントローラ１１６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）、主記憶装置、外部記憶装置などを備えたコンピュータ機器である。主記憶装置に展開されたプログラムによりＣＰＵが動作する（プログラムを実行する）ことで、上述した各機能が実現される。上記プログラムは、上述した各制御機能をコンピュータが実行するためのプログラムである。また、コントローラ１１６は、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などのプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ：Programmable Logic Device）により構成することも可能である。

【0019】

コントローラ１１６は、光源１１１および分光器１１２を制御し、分光器１１２が測定対象の溶液を介して分光した測定波長の光の強度を取得する。

【0020】

例えばコントローラ１１６は、測定対象の溶液を介した光から、測定対象成分と対応する測定波長の光強度（透過光強度）を取得する。例えば、コントローラ１１６は、測定対象成分がアンモニアおよび過酸化水素の場合、アンモニアと対応する測定波長と、過酸化水素と対応する測定波長を選択し、光源制御回路１１３を制御して光源１１１を点灯させることで、測定波長を含む波長帯の光を出射させる。

【0021】

また、コントローラ１１６は、分光制御回路１１４を制御し、測定対象の溶液を介して分光器１１２が受光した光から測定波長の光を分光させる。また、コントローラ１１６は、受光制御回路１１５を介して、分光器１１２が測定した測定波長の光の強度を取得する。例えば、コントローラ１１６は、アンモニアに対応する測定波長の光強度を測定させた後、過酸化水素に対応する測定波長の光強度を測定させる。また、コントローラ１１６は、測定された各測定波長の光強度を取得する。

【0022】

第１記憶回路１０２は、ＬＥＤに印加される順方向電圧とＬＥＤの発光強度との相関を記憶する。第１記憶回路１０２は、設定されている複数の波長に対応して相関を記憶する。例えば、ＬＥＤに印加する順方向電圧を可変させ、この可変により変化するＬＥＤの発光強度を測定する。この測定を、濃度計測に用いる波長毎に実施する。各々の測定結果より得られた順方向電圧の変化に対するＬＥＤ発光強度の変化を相関として用意する。また、第１記憶回路１０２は、設定されている任意の基準順方向電圧（後述）に対応する相関を記憶することができる。

【0023】

第２記憶回路１０３は、測定対象の溶液における溶質の濃度測定の基準となる基準液の透過光強度を光学計測器で測定して得られた基準透過光強度を記憶する。また、第２記憶回路１０３は、基準透過光強度に対応して発光ダイオードに印加される基準順方向電圧を記憶する。基準順方向電圧は、ＬＥＤの発光強度が基準透過光強度のときのＬＥＤの順方向電圧とすることができる。第２記憶回路１０３は、設定されている複数の波長に対応して基準透過光強度および基準順方向電圧を記憶する。また、第２記憶回路１０３は、基準順方向電圧となるように発光ダイオードを温度制御した状態で測定した基準透過光強度を記憶することができる。

【0024】

例えば、濃度の測定対象が水溶液の場合、濃度測定の基準となる基準液は、媒質である水（純水）とすることができる。この場合、純水の透過光強度を光学計測器１０１により予め測定して、基準透過光強度とする。また、例えば、純水の透過光強度を測定した時点におけるＬＥＤに印加されていた順方向電圧を測定して基準順方向電圧とすることができる。また、例えば、濃度既知の溶液を基準液とすることができる。この場合、濃度既知の溶液の透過光強度を光学計測器１０１により予め測定して、基準透過光強度とすることができる。

【0025】

電圧検出回路１０４は、光源１１１を構成しているＬＥＤに印加された順方向電圧を検出する。電圧検出回路１０４は、光学計測器１０１による溶液の透過光強度の測定時に，ＬＥＤに印加された順方向電圧を検出する。補正回路１０５は、第１記憶回路１０２に記憶されている相関における電圧検出回路１０４が検出した順方向電圧と基準順方向電圧との関係より、光学計測器１０１で測定した溶液の透過光強度を補正する。

【0026】

吸光度算出回路１０６は、補正回路１０５が補正した溶液の透過光強度と基準透過光強度とから測定波長における溶液の吸光度を求める。濃度算出回路１０７は、溶液の吸光度から溶液における溶質の濃度を求める。濃度算出回路１０７は、測定波長における吸光度より溶液における溶質の濃度を求める回帰式を用いて、溶液の吸光度から溶質の濃度を求めることができる。

【0027】

上述した各回路は、ＣＰＵ、主記憶装置、外部記憶装置などを備えたコンピュータ機器とすることができる。主記憶装置に展開されたプログラムによりＣＰＵが動作する（プログラムを実行する）ことで、上述した各機能が実現される。上記プログラムは、上述した各制御機能をコンピュータが実行するためのプログラムである。また、上述した各回路は、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などのプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ：Programmable Logic Device）により構成することも可能である。

【0028】

以上に説明したように、実施の形態によれば、光源１１１を構成するＬＥＤに印加される順方向電圧とＬＥＤの発光強度との相関をもとに光学計測器１０１で測定した溶液の透過光強度を補正する。この結果、ＬＥＤを光源として光吸収を利用した濃度計測装置で、周囲温度が変化しても正確に濃度測定ができるようになる。

【0029】

以下、より詳細に説明する。ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆを変化させて、変化させたＶｆと対応するＬＥＤの発光強度Ｉ_ad（λ）の測定値群（データセット）を事前に取得して保持しておく（表１参照）。ここでλは波長を表す。Ｖｆの測定分解能は０．１ｍＶ以下が望ましい。

【0030】

【表1】

【0031】

また、基準透過光強度（基準スペクトル）Ｉ₀（λ）を測定する。さらに、この測定時のＬＥＤの測定基準順方向電圧Ｖｆ_m0を測定する。

【0032】

次に、測定基準順方向電圧Ｖｆ_m0に最も近い順方向電圧Ｖｆをデータセットから抽出して基準順方向電圧Ｖｆ₀とし、また、これに対応する発光強度Ｉ_ad0（λ）をデータセットから抽出する。例えば、測定基準順方向電圧Ｖｆ_m0＝１０００．１ｍＶであった場合、基準順方向電圧Ｖｆ₀＝１０００．０ｍＶとし、この値に対応するＩ_ad0（λ）＝１１０００，２００００，・・・，１５０００をデータセットから抽出する。なお表１に例示する各測定データの行の間を線形補間して、基準順方向電圧Ｖｆ₀＝１０００．１ｍＶとして、これに対応するＩ_ad0（λ）＝１１３３３，２０３３３，・・・，１５３３３とすることができる。決定した基準順方向電圧Ｖｆ₀は、第２記憶回路１０３に記憶しておくことができる。

【0033】

次に、基準順方向電圧Ｖｆ₀、Ｉ_ad0（λ）およびデータセット（表１）を使って、ΔＶｆ＝Ｖｆ－Ｖｆ₀およびΔＩ_ad（λ）＝Ｉ_ad（λ）／Ｉ_ad0（λ）を計算し、図３に示すΔＶｆとΔＩ_ad（λ）との関係を示す特性（図３）から、ΔＶｆとΔＩ_ad（λ）との関係式を求める。ΔＶｆは、測定基準順方向電圧Ｖｆ_m0に近いデータセットから抽出した基準順方向電圧Ｖｆ₀に対するデータセットにおける各順方向電圧Ｖｆの変化量（＝Ｖｆ－Ｖｆ₀）である。ΔＩ_ad（λ）は、データセットから抽出した基準順方向電圧Ｖｆ₀に対応する発光強度Ｉ_ad0（λ）を基準としたデータセットにおける各発光強度Ｉ_ad（λ）の変化率（＝Ｉ_ad（λ）／Ｉ_ad0（λ））である。ΔＩ_ad（λ）は、（Ｖｆ₀，Ｉ_ad0（λ））が（Ｖｆ，Ｉ_ad（λ））に変化した時のＬＥＤ光強度の変化率とすることもできる。関係式は、定数ａ，ｂを用いた「ΔＩ_ad（λ）＝ａ×ΔＶｆ²＋ｂ×ΔＶｆ＋１・・・（１）」などの２次式とすることができる。なお定数ａ，ｂは波長毎に存在する。この関係式は、２次以上の関係式とすることができる。

【0034】

求めた関係式を、ＬＥＤに印加される順方向電圧とＬＥＤの発光強度との相関として第１記憶回路１０２に記憶する。

【0035】

以上のようにＬＥＤに印加される順方向電圧とＬＥＤの発光強度との相関が得られている状態で、測定対象の溶液の濃度計測が実施される。測定対象の溶液の濃度測定では、透過光強度Ｉｃ（λ）を測定し（光学計測器１０１）、また、ＬＥＤに印加された順方向電圧Ｖｆｃを検出する（電圧検出回路１０４）。

【0036】

測定によりＩｃ（λ）とＶｆｃが得られたら、基準透過光強度（基準スペクトル）Ｉ₀（λ）の測定時と、対象の溶液の透過光強度Ｉｃ（λ）の測定時とで、ＬＥＤの光強度の温度特性が光強度変化に与える影響を統一するため、Ｖｆｃが基準順方向電圧Ｖｆ₀の時のＬＥＤ光強度Ｉｃ₀（λ）（＝Ｉｃ（λ）／ΔＩｃ（λ））を計算する。ここでΔＩｃ（λ）は、（Ｖｆ₀，Ｉｃ₀（λ））が（Ｖｆｃ，Ｉｃ（λ））に変化した時のＬＥＤ光強度の変化率であり、「ΔＩｃ（λ）＝ａ×ΔＶｆ²＋ｂ×ΔＶｆ＋１・・・（２）」により計算する。なお、ΔＶｆ＝Ｖｆｃ－Ｖｆ₀であり、定数ａ，ｂは、式（１）と同じ値とする（補正回路１０５）。

【0037】

次に、（Ｖｆ₀，Ｉ₀（λ））と（Ｖｆ₀，Ｉｃ₀（λ））のＩ₀（λ）とＩｃ₀（λ）を使って、「Ａ（λ）＝－ｌｏｇ₁₀（Ｉｃ₀（λ）／Ｉ₀（λ））・・・（３）」により波長の吸光度Ａ（λ）を求める（吸光度算出回路１０６）。

【0038】

次に、求めた吸光度Ａ（λ）を使って、回帰式「Ｃ＝ｂ１・Ａ（λ₁）＋ｂ２・Ａ（λ₂）＋ｂ３・Ａ（λ₃）＋ｂ０」を用いて濃度Ｃを求める（濃度算出回路１０７）。なお、この式は、３つの波長λ₁、λ₂、λ₃が用いられる場合を例示したものであり、回帰式の係数ｂ０，ｂ１、ｂ２、ｂ３は、多変量解析などにより事前に求めておく。測定に用いる波長は、３つに限るものでは無い。

【0039】

また、次に示すようにすることもできる。上述した表１の測定値群について、各ＶｆをＶｆ₀としたときの、Ｖｆ₀とこのＶｆ₀に対応するＬＥＤ発光強度Ｉ_ad0（λ）、および表１の測定値群から、温特補正式（ΔＶｆとΔＩ_ad（λ）との関係式）を事前に求め、この補正式の係数（ａ，ｂ）の組（係数データセット）を予め求めて記憶しておく（表２）。

【0040】

【表2】

【0041】

以上のように係数データセットを用意したら、基準スペクトルＩ₀（λ）を測定する。さらに、この測定時のＬＥＤの測定基準順方向電圧Ｖｆ_m0を測定する。次に、測定基準順方向電圧Ｖｆ_m0に最も近い基準順方向電圧Ｖｆ₀と対応する発光強度Ｉ_ad0（λ）、および表１の測定値群から事前に求めた温特補正式（ΔＶｆとΔＩ_ad（λ）との関係式）の係数ａ、ｂを係数データセットから抽出し、「ΔＩ_ad（λ）＝ａ×ΔＶｆ²＋ｂ×ΔＶｆ＋１・・・（１）」をＬＥＤ発光強度Ｉ_ad（λ）の温特補正式とする。また、得られた関係式は、ＬＥＤに印加される順方向電圧とＬＥＤの発光強度との相関として第１記憶回路１０２に記憶する。

【0042】

上のようにＬＥＤに印加される順方向電圧とＬＥＤの発光強度との相関が得られている状態で、測定対象の溶液の濃度計測を実施すれば、前述同様に、吸光度Ａ（λ）を求め、濃度Ｃを求めることができる。

【0043】

また、次に示すようにすることもできる。上述した表１の測定値群について、事前に任意の基準順方向電圧Ｖｆ₀を設定し、設定した任意の基準順方向電圧Ｖｆ₀に対応するＬＥＤ発光強度Ｉ_ad（λ）の温特補正式（ΔＶｆとΔＩ_ad（λ）との関係式）を事前に求める。関係式の求め方は、前述同様である。求めた関係式は、第１記憶回路１０２に記憶する。

【0044】

次に、基準スペクトルＩ₀（λ）の測定においては、このスペクトルの測定において測定される順方向電圧（測定基準順方向電圧Ｖｆ_m0）が、事前に設定した任意の基準順方向電圧Ｖｆ₀と一致する様に、ヒータなどを用いてＬＥＤを温調する。この状態で、基準スペクトルＩ₀（λ）の測定を実施すれば、事前に求めておいた関係式（ΔＶｆとΔＩ_ad（λ）との関係式）が、測定対象の溶液の濃度計測に適用可能となる。なお、基準スペクトルＩ₀（λ）の測定時だけ、ＬＥＤの温度を、順方向電圧が事前に決めた基準順方向電圧Ｖｆ₀となるように制御すればよく、運転中常時、温調する必要は無い。

【0045】

以上に説明したように、本発明によれば、発光ダイオードに印加される順方向電圧と発光ダイオードの発光強度との相関を用いて光学計測器で測定した溶液の透過光強度を補正するので、発光ダイオードを光源として光吸収を利用した濃度計測装置で、周囲温度が変化しても正確に濃度測定ができるようになる。

【0046】

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

【符号の説明】

【0047】

１０１…光学計測器、１０２…第１記憶回路、１０３…第２記憶回路、１０４…電圧検出回路、１０５…補正回路、１０６…吸光度算出回路、１０７…濃度算出回路。

【図1】

【図2】

【図3】