特許 7586022 光学式水質測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-11

(45)【発行日】2024-11-19

(54)【発明の名称】光学式水質測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 33/18 20060101AFI20241112BHJP

   G01N 21/64 20060101ALI20241112BHJP

   G01N 21/59 20060101ALI20241112BHJP

【ＦＩ】

G01N33/18 106A

G01N21/64 Z

G01N21/59 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021126112

(22)【出願日】2021-07-30

(65)【公開番号】P2023020634

(43)【公開日】2023-02-09

【審査請求日】2024-04-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000175272

【氏名又は名称】三浦工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(74)【代理人】

【識別番号】100145713

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 竜太

(72)【発明者】

【氏名】渡部 倭斗

(72)【発明者】

【氏名】▲浜▼田 裕介

【審査官】北条 弥作子

(56)【参考文献】

【文献】実公昭５０－００２５８１（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】特開２０１８－１７９５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－００２６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００７／００７０３３３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ３３／１８

Ｇ０１Ｎ ２１／６４

Ｇ０１Ｎ ２１／５９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定水中の測定対象の濃度を測定する光学式水質測定装置であって、
前記被測定水を貯留する測定室と、
前記測定室に前記被測定水を供給する供給ラインと、
前記測定室から前記被測定水を排出する排出ラインと、
前記供給ライン又は前記排出ラインに設けられ、指令信号に応じて開閉する給水弁と、
前記測定対象により吸収される成分又は前記測定対象を励起して蛍光を生じさせる成分を含む測定光を前記測定室に投光する投光部と、
前記測定室から出射する光の光量を検出する受光部と、
前記測定室内に、前記被測定水の流れがないときは前記測定光の光路から退避し、前記被測定水の流れがあるときは前記被測定水の水圧により前記測定光の光路に進入するよう配置される可動体と、
前記給水弁に開放を指示する前記指令信号が出力されているときに前記受光部が検出する光量に基づいて前記被測定水の供給の有無を判定する供給判定部と、
を備える、光学式水質測定装置。

【請求項2】

前記供給ラインは前記測定室の下側に接続され、前記排出ラインは前記測定光の光路より上側に接続される、請求項１に記載の光学式水質測定装置。

【請求項3】

前記測定室の底面は円錐状であり、前記可動体は前記底面に当接する球体である、請求項２に記載の光学式水質測定装置。

【請求項4】

前記受光部は、前記測定室から前記測定光の光路と異なる方向に出射する光の光量を検出する、請求項１から３のいずれかに記載の光学式水質測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学式水質測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

水質を確認する方法として、被測定水に測定対象を励起して蛍光を生じさせる波長の測定光を投光し、測定光が直接入射しない位置に設けた受光素子により測定対象の蛍光を測定することで、測定対象の含有量を算出する方法や、被測定水に測定対象により吸収される測定光を投光し、測定対象に吸収されずに被測定水を透過した測定光を測定することで、測定対象の含有量を算出する方法が知られている。被測定水を測定光の投光及び蛍光の測定を行うための測定室に自動的に供給する機構を備える蛍光測定装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－１７９５５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載されるように、バルブを開放して被測定水を供給する場合、バルブの故障等によって被測定水を入れ換えることができなくなる可能性がある。かかる場合、以前に供給された被測定水の測定対象の濃度を繰り返し測定する結果となる。

【0005】

従って、本発明は、被測定水の入れ換えを担保できる光学式水質測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係る光学式水質測定装置は、被測定水中の測定対象の濃度を測定する光学式水質測定装置であって、前記被測定水を貯留する測定室と、前記測定室に前記被測定水を供給する供給ラインと、前記測定室から前記被測定水を排出する排出ラインと、前記供給ライン又は前記排出ラインに設けられ、指令信号に応じて開閉する給水弁と、前記測定対象を励起して前記蛍光を生じさせる成分又は前記測定対象を励起して蛍光を生じさせる成分を含む測定光を前記測定室に投光する投光部と、前記測定室から出射する光の光量を検出する受光部と、前記測定室内に、前記被測定水の流れがないときは前記測定光の光路から退避し、前記被測定水の流れがあるときは前記被測定水の水圧により前記測定光の光路に進入するよう配置される可動体と、前記給水弁に開放を指示する前記指令信号が出力されているときに前記受光部が検出する光量に基づいて前記被測定水の供給の有無を判定する供給判定部と、を備える。

【0007】

上述の光学式水質測定装置において、前記供給ラインは前記測定室の下側に接続され、前記排出ラインは前記測定光の光路より上側に接続されてもよい。

【0008】

上述の光学式水質測定装置において、前記測定室の底面は円錐状であり、前記可動体は前記底面に当接する球体であってもよい。

【0009】

上述の光学式水質測定装置において、前記受光部は、前記測定室から前記測定光の光路と異なる方向に出射する光の光量を検出してもよい。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、被測定水の入れ換えを担保できる光学式水質測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係る光学式水質測定装置の構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る光学式水質測定装置１の構成を示す模式図である。なお、図示する光学式水質測定装置１の各構成要素の形状は簡略化されており、各構成要素の寸法も見やすいよう調整されている。

【0013】

光学式水質測定装置１は、被測定水中の測定対象の濃度を測定する。本実施形態の光学式水質測定装置１は、測定対象の蛍光の光量により測定対象の濃度を測定する蛍光測定装置である。光学式水質測定装置１は、ハウジング１０と、投光部２０と、第１受光部３０と、第２受光部４０と、供給ライン５０と、排出ライン６０と、可動体７０と、制御装置８０と、を備える。

【0014】

ハウジング１０は、遮光性を有する材料から形成され、被測定水を貯留する測定室１１と、測定室１１に第１方向に光を投光する投光路１２と、測定室１１から第１方向と異なる方向に光を出射する測定光路１３と、測定室１１から投光路１２の延長線上に光を出射する透過光路１４と、供給ライン５０が接続される供給流路１５と、排出ライン６０が接続される排出流路１６と、を有する。

【0015】

測定室１１は、ハウジング１０の内部空間として画定される。測定室１１は、円錐状の底面１１１を有することが好ましい。測定室１１が円錐状の底面１１１を有することで、測定室１１の内部に比較的均等な水流を形成することができる。また、円錐状の底面１１１は、測定室１１の中に配置される可動体７０を平面視で測定室１１の中央に位置決めする。これらの効果により、測定室１１の中に形成される水流を確実に可動体７０に作用させられるので、可動体７０を効率よく揺動させられる。

【0016】

投光路１２、測定光路１３及び透過光路１４は、測定室１１から被測定水を流出させることなく、少なくとも後述する第１測定光及び第２測定光を透過するよう構成される。例として、投光路１２、測定光路１３及び透過光路１４は、ハウジング１０に測定室１１に連通するよう形成される穴によって画定され、少なくとも測定室１１側の端部が透光性を有する材料で封止される構成とされ得る。投光路１２、測定光路１３及び透過光路１４は、光の入射方向及び出射方向を限定できるよう、小さい断面を有する真直ぐな穴によって形成されることが好ましい。

【0017】

投光路１２と透過光路１４とは、測定室１１の両側に同軸に形成される。測定光路１３は、その軸が投光路１２及び透過光路１４の軸と交差するよう形成される。測定光路１３の軸と投光路１２及び透過光路１４の軸との交差角度は、特に限定されず、例えば９０°であってもよい。また、測定光路１３の軸は、投光路１２及び透過光路１４の軸と測定室１１の中心部で交差することが好ましい。さらに、投光路１２、測定光路１３及び透過光路１４は、投光路１２から測定光路１３に至る光路の長さと投光路１２から透過光路１４に至る光路の長さとが等しくなるよう配設されることが好ましい。なお、図１では、全ての構成を示すために、投光路１２、測定光路１３及び透過光路１４の軸が同一の鉛直面内に存在するよう図示されているが、現実的には投光路１２、測定光路１３及び透過光路１４の軸が同一の水平面内に存在するよう配設されることが想定される。

【0018】

供給流路１５は、測定室１１の下側に開口するよう形成されることが好ましく、排出流路１６は、測定室１１の上部、より詳しくは測定光の光路（投光路１２の延長線上）より上側に開口するよう形成されることが好ましい。これにより、測定室１１内の被測定水を効率よく入れ換えることができると共に、可動体７０を確実に測定光の光路に進入させられるような水流を形成できる。

【0019】

投光部２０は、投光路１２を通して測定室１１に被測定水中の測定対象を励起して蛍光を生じさせる第１波長の第１測定光（例えば、３６５ｎｍの紫外光）を投光する第１光源２１と、投光路１２を通して測定室１１に測定対象の蛍光の波長と同一又は近似する第２波長の第２測定光（例えば、４２０ｎｍの紫色光）を投光する第２光源２２と、第１光源２１及び第２光源２２が実装され、第１光源２１及び第２光源２２に必要に応じて電力を供給する投光回路基板２３と、を有する。投光部２０は、投光路１２への外光の入射を防止する投光部カバー２４を有することが好ましい。

【0020】

第１光源２１及び第２光源２２は、典型的には発光ダイオードによって構成される。発光ダイオードのように小さい素子からなる第１光源２１及び第２光源２２は、同じ投光回路基板２３上に隣接して配設することができる。図１では第１光源２１及び第２光源２２を大きく図示するが、実際には、第１光源２１及び第２光源２２は同じ位置に存在するものと考えて差し支えない程度小さく、互いに接近して配置され得る。このように微小な第１光源２１及び第２光源２２を隣接して配置することにより、第１測定光の光軸と第２測定光の光軸とを実質的に合致させることができるので、第１測定光と第２測定光の入射方向の差によって生じ得る測定誤差を小さくできる。

【0021】

投光回路基板２３は、第１光源２１及び第２光源２２を投光路１２を通して測定室１１の中に測定光を投光できる位置に保持する機能を果たす。また、投光回路基板２３は、制御装置８０からの指令信号に従って、第１光源２１又は第２光源２２を選択的に発光させる駆動回路を有する。

【0022】

第１受光部３０は、測定光路１３を通して測定室１１から出射する蛍光（第２波長の光）の光量（強度）を検出する。第１受光部３０は、測定光路１３から出射する光を受光してその光量に応じた電気信号を生成する第１受光素子３１と、第１受光素子３１が実装される第１検出回路基板３２と、測定光路１３から出射する光から第１波長の成分を除去するフィルタ３３と、を有する。第１受光部３０は、測定光路１３への外光の入射を防止する第1受光部カバー３４を有することが好ましい。

【0023】

第１受光素子３１は、典型的にはフォトダイオードによって構成される。第１検出回路基板３２は、第１受光素子３１が出力する信号を増幅する第１増幅回路を備えることが好ましい。また、第１検出回路基板３２は、第１受光素子３１の検出信号を必要に応じてディジタル信号に変換するＡＤ変換回路を有してもよい。

【0024】

フィルタ３３は、第１波長を含む波長域の光を遮断する一方、第２波長の近傍の波長域の光を透過する。これにより、第１受光素子３１は、測定光路１３から出射する第２波長の光の光量を検出する。つまり、フィルタ３３を設けることによって、第１受光素子３１は、測定室１１に第１測定光が透光されているときに、被測定水の着色による第１測定光の散乱光を受光せず、測定対象の蛍光の光量だけを検出できるので、蛍光の光量を正確に測定し、測定対象の濃度をより正確に算出することを可能にする。

【0025】

第２受光部４０は、透過光路１４を通して測定室１１から出射する第１測定光及び第２測定光の光量を検出する。つまり、第２受光部４０は、測定対象に吸収又は反射されることなく直進した第１測定光又は第２測定光の光量を検出する。第２受光部４０は、透過光路１４から出射する光を受光してその光量に応じた電気信号を生成する第２受光素子４１と、第２受光素子４１が実装される第２検出回路基板４２と、を有する。第２受光部４０は、透過光路１４への外光の入射を防止する第２受光部カバー４３を有することが好ましい。

【0026】

第２受光素子４１は、第１受光素子３１と同様に、典型的にはフォトダイオードによって構成される。第２検出回路基板４２も、第１検出回路基板３２と同様に、第２受光素子４１が出力する信号を増幅する第２増幅回路を備えることが好ましく、ＡＤ変換回路を有してもよい。

【0027】

供給ライン５０は、供給流路１５から測定室１１に新たに測定される被測定水を供給する。したがって、供給ライン５０は、測定室１１の下端に接続されることが好ましい。供給ライン５０は、制御装置８０から入力される指令信号に応じて開閉し、被測定水の供給を遮断する給水弁５１を有する。つまり、被測定水は給水弁５１を介して測定室１１に供給される。

【0028】

排出ライン６０は、測定室１１から測定済みの被測定水を排出する。したがって、排出ライン６０は、測定室１１の測定光の光路より上側の領域に接続されることが好ましい。排出ライン６０は、供給ライン５０から新たな被測定水を供給したときに、被測定水をオーバーフローさせるよう、排出流路１６から下方に延びるよう設けられ得る。

【0029】

可動体７０は、測定室１１内に、被測定水の流れがないときは測定光の光路から退避し、被測定水の流れがあるときは被測定水の水圧により測定光の光路に進入するよう配置される。具体的には、可動体７０は、例えばポリアセタール樹脂等から形成されることにより被測定水よりもやや比重が大きく、被測定水の流れがないときは測定室１１の底部に沈降し、供給ライン５０から測定室１１に被測定水が供給されているときは、被測定水の流れによって押し上げられて測定光の光路の高さまで上昇する。

【0030】

可動体７０の形状としては、測定室１１の底面１１１に密接して供給流路１５を封止できる形状が好ましく、底面１１１が円錐状である場合には可動体７０が底面１１１に当接する球体であることが好ましい。可動体７０によって供給流路１５を封止可能とすることによって、例えば供給ライン５０と供給流路１５との接続部等に漏れが生じた場合に、測定対象の濃度の測定中等、被測定水の供給がないときに測定室１１から供給流路１５を通して被測定水が流出することを防止する逆止弁として機能する。特に、円錐状の底面１１１に球形の可動体７０を配置することで、供給流路１５の封止を確実にできると共に、被測定水の水圧で確実に可動体７０を測定光の光路に進入させられる。

【0031】

可動体７０は、測定光を反射しやすい色を有することが好ましい。具体的には、可動体７０は、光拡散材を含有し、白色又は白色に近い色を有する材料によって形成されることが好ましい。これにより、可動体７０が測定光の光路に浸入したときの第１受光素子３１及び第２受光素子４１が受光する光量の変化が大きくなる。

【0032】

制御装置８０は、投光部２０及び供給ライン５０を制御し、第１受光部３０及び第２受光部４０の検出値に基づいて被測定水中の測定対象の濃度を算出する。また、制御装置８０は、供給ライン５０から被測定水を供給する際に、実際に被測定水が測定室１１内に供給されているか否かを確認する。制御装置８０は、例えばメモリ、ＣＰＵ、入出力インターフェイス等を有するコンピュータ装置に適切なプログラムを実行させることにより実現できる。

【0033】

制御装置８０は、給水制御部８１と、供給判定部８２と、測定制御部８３と、濃度算出部８４と、を備える。なお、給水制御部８１、供給判定部８２、測定制御部８３及び濃度算出部８４は、制御装置８０の機能を類別したものであって、物理的構成及びプログラム構成において明確に区別できるものでなくてもよい。

【0034】

給水制御部８１は、測定室１１中の被測定水を入れ換えるために、投光部２０及び供給ライン５０を動作させ、第１受光部３０及び第２受光部４０の少なくとも一方の検出値を取得する。具体的には、給水制御部８１は、給水弁５１に所定時間だけ、給水弁５１に開放を指示する信号を入力すると共に、投光部２０に第１光源２１又は第２光源２２を発光させる信号を入力し、第１受光部３０及び第２受光部４０が受光した光量の検出信号を取得する。給水制御部８１は、第２光源２２を発光させて第２測定光を投光し、第１受光部３０が受光する光量を取得することが好ましい。

【0035】

供給判定部８２は、給水制御部８１から給水弁５１に開放を指示する指令信号が出力されているときに第１受光部３０及び第２受光部４０の少なくとも一方が検出する光量に基づいて被測定水の供給の有無を判定する。具体的には、第１受光部３０及び第２受光部４０の少なくとも一方が検出する光量の変化量が予め設定される閾値以上である場合、被測定水の流れにより可動体７０が移動して測定光の光路に進入することにより測定光が遮光又は反射されて検出値が変化したと考えられるため、被測定水が適切に供給されていると判定する。

【0036】

供給判定部８２は、給水弁５１の開放中に第１受光部３０及び第２受光部４０の少なくとも一方の検出値が所定の閾値に達した場合に被測定水が適切に供給されていると判定してもよい。具体的には、供給判定部８２は、可動体７０が測定光の光路に進入して測定光を遮光することによって第１受光部３０又は第２受光部４０の受光量が所定の閾値以下に減少した場合に被測定水が適切に供給されていると判定する構成とされ得る。また、可動体７０が光を反射する場合、可動体７０が測定光の光路に接近及び進入することによって第１受光部３０の受光量が少なくとも一時的に増大し得る。このため、供給判定部８２は、第１受光部３０の受光量が所定の閾値以上となった場合に被測定水が適切に供給されていると判定してもよい。また、被測定水の水流による可動体７０の移動は不規則であるため、供給判定部８２は、検出値と閾値との単純な比較ではなく、給水弁５１の開放中に一定の時間間隔で取得した検出値の標準偏差、分散等を指標として、検出値の変動量が大きい場合に被測定水が適切に供給されていると判定してもよい。また、供給判定部８２は、１回の給水弁５１の開放による被測定水の供給において被測定水の給水の適否を判定するのではなく、複数回の被測定水の供給における第１受光部３０及び第２受光部４０の少なくとも一方の検出値に基づいて被測定水の給水の適否を判定してもよい。例として、供給判定部８２は、所定回数の被測定水の供給に際して連続して上述のような判定基準により被測定水が適切に供給されていない蓋然性が高いと判断された場合に、被測定水が適切に供給されていないとの最終判定を行うようにしてもよい。

【0037】

光学式水質測定装置１では、給水制御部８１が第２光源２２を発光させて第２測定光を投光し、第１受光部３０が受光する光量を取得することで、供給判定部８２による被測定水の供給の有無の判定が容易となる。第１受光部３０は、第２測定光の投光時に、第２測定光の光路と異なる方向に出射する光、つまり被測定水の着色等による微弱な散乱光を検出するため、可動体７０の移動によって検出光量の変化が大きくなる。第１受光部３０が検出する散乱光は、着色による複数回の反射によって第１受光素子３１に入射する光を含む。このため、測定光の光路、つまり投光路１２延長線上の空間に測定光を反射する可動体７０が接近するだけでも、第１受光部３０の受光量は変化し得る。したがって、第１受光部３０の受光量は、第２受光部４０の受光量と比較して被測定水の水流に起因する可動体７０の移動による変動が大きくなるため、第１受光部３０の受光量によって被測定水の供給の有無を比較的正確に判定できる。

【0038】

供給判定部８２は、給水弁５１を開放したにもかかわらず、第１受光部３０の受光量が変動せず、被測定水が供給されていないと判断される場合には、被測定水の供給不良を示す信号を出力するよう構成され得る。光学式水質測定装置１は、供給判定部８２から出力される被測定水の供給不良を示す信号を受信してオペレータに視覚情報、聴覚情報等を用いて報知する報知装置をさらに備えてもよい。

【0039】

測定制御部８３は、給水制御部８１による被測定水の入れ替えの後に、第１光源２１及び第２光源２２を順番に一定時間ずつ発光させ、第１受光部３０及び第２受光部４０が受光した光量の検出値を取得する。

【0040】

濃度算出部８４は、測定制御部８３により取得した第１受光部３０及び第２受光部４０の検出値に基づいて被測定水における測定対象の濃度を算出する。基本的な考え方として、第１光源２１から第１測定光を投光したときの第１受光素子３１が受光する第２波長の光は、被測定水中の測定対象の蛍光によるものであるため、第１測定光の投光時の第１受光素子３１の受光量から被測定水中の測定対象が算出できる。しかしながら、投光路１２から測定光路１３に至るまでの被測定水中の光路において第１測定光及び測定対象の蛍光が測定対象及び被測定水の着色等によって吸光されることにより、第１受光素子３１の受光量が正確に測定対象の濃度と対応しなくなり得る。このため、濃度算出部８４は、第１測定光の投光時の第２受光素子４１の受光量、第２測定光の投光時の第１受光素子３１の受光量及び第２受光素子４１の受光量に基づいて、吸光及び散乱による受光量の誤差を補正して正確な測定対象の濃度を算出する。

【0041】

光学式水質測定装置１は、給水弁５１に開放を指示する指令信号が出力されているときに受光部３０，４０が検出する光量に基づいて被測定水の供給の有無を判定する供給判定部８２を備えるため、被測定水が適切に入れ替えられているか否かを判断できる。

【0042】

以上、本発明の光学式水質測定装置の好ましい各実施形態につき説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

【0043】

例として、本発明の光学式水質測定装置において、供給ラインが測定室の上側に接続され、排出ラインが測定室の下側に接続されてもよい。この場合可動体は、被測定水よりも小さい比重を有し、水流によって沈降するよう形成される。また、本発明の光学式水質測定装置において、給水弁は、排出ラインに設けられてもよい。

【0044】

上述の実施形態では、補正に用いるデータを得るために第２光源及び第２受光素子を有するが、第２光源及び第２受光素子は省略されてもよい。また、第１測定光を投光する光路と、第２測定光を投光する光路とが別に設けられてもよい。

【0045】

また、上述の実施形態は測定対象の濃度を測定対象の蛍光の光量により測定する蛍光測定装置であるが、本発明に係る光学式水質測定装置は、測定対象による測定光の吸収量を測定することにより測定対象の濃度を算出する吸光光度計であってもよい。また、本発明に係る光学式水質測定装置は、多波長の測定光を用いて被測定水に含まれる未知測定対象の種類を特定すると共にその濃度を算出する分光光度計であってもよい。従って、本発明に係る光学式水質測定装置における測定光は、短波長の光に限られず、測定対象により吸収される成分又は測定対象を励起して蛍光を生じさせる成分を含む光であればよい。

【符号の説明】

【0046】

１ 光学式水質測定装置
１０ ハウジング
１１ 測定室
１１１ 底面
１２ 投光路
１３ 測定光路
１４ 透過光路
１５ 供給流路
１６ 排出流路
２０ 投光部
２１ 第１光源
２２ 第２光源
２３ 投光回路基板
２４ 透光部カバー
３０ 第１受光部
３１ 第１受光素子
３２ 第１検出回路基板
３３ フィルタ
３４ 第１受光部カバー
４０ 第２受光部
４１ 第２受光素子
４２ 第２検出回路基板
４３ 第２受光部カバー
５０ 供給ライン
５１ 給水弁
６０ 排出ライン
７０ 可動体
８０ 制御装置
８１ 給水制御部
８２ 供給判定部
８３ 測定制御部
８４ 濃度算出部

【図1】