JPH07301598A - 光センサープローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 赤外線を用いて試料を破壊することなく実存
の形で試料内に含まれる成分を測定するためのコンパク
トなセンサープロープを提供する。 【構成】 本発明の光センサープローブ（２）は実存形
の試料内に含まれる成分を検出する積分球と投光および
受光ファイバー（３、４(４′)）から成る。積分球上
で、その直径方向の一端に赤外線を投光ファイバー
（３）により中に導入するめの入射口（１０）を有し、
導入される赤外線を試料へと透過させ、試料からの拡散
反射光を中に透過させるための検出窓（５）を直径の他
端に有し、さらに、試料から中へと透過した拡散反射光
を採取し、受光ファイバー（４、４′）により外へ導出
する、少なくとも一つの採取口（１４、１４′）を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、赤外線分光分析により
被測定物内に含まれる成分を実在のまま（この状態を以
下実存形という）、すなわち破壊することなく測定する
装置に関し、特に、製茶の原料である生茶、製造中間
物、製品の水分等の成分を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来技術】茶、食品などに含まれる水分などの成分の
測定は製造、品質の管理をする上で欠かすことのできな
いものである。

【０００３】試料が粉体のときは、赤外線拡散反射分光
分析によりその中に含まれる水などの成分を測定できる
が、この赤外線分光分析による測定として、いくつかの
方法が従来より利用されている。その一つは、被測定物
である試料を測定容器に充填し、分光光度計に設置した
積分球に設置し、光源からの光を分光集光して、試料に
照射し、試料からの拡散反射光を集光して受光し、試料
内に含まれる成分が特定の波長の赤外線を吸収する特性
を利用して、受光した光からその波長の光強度の減衰を
計測して、試料に含まれる成分を測定する方法である。

【０００４】他の測定方法は、赤外線を試料へと導くフ
ァイバーと、試料からの拡散反射光を導き入れるファイ
バーとが同軸となったファイバープローブを試料内へと
挿入して、赤外線を試料に照射し、試料からの拡散反射
光を受光し、上記の方法と同様に光強度から試料に含ま
れる成分を測定するものである。

【０００５】こうした赤外線分光分析による測定は試料
が粉体であればよく、化学分析のように試料を破壊する
必要がない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、試料が粉体で
ないときは、試料をまず乾燥し、粉砕しなければならな
い。このようにすることは、試料の成分組成が変動する
ほか、測定コストが増し、また粉砕する工程を必要とす
るため、いわゆるオンライン測定ができない。したがっ
て、たとえば、製茶を作る上で、茶に含まれる水分を測
定し、その水分が最適な範囲にあるように乾燥工程を調
節することが望まれているが、水分の測定毎に茶を取り
出し、それを粉砕して、さらに水分を測定していては、
円滑な製茶工程を実施し得ない。また、試料のなかに
は、あるいは試料に含まれる成分によっては粉砕するこ
とに適しないものもある。かかる試料に対しては従来の
赤外線拡散反射分光分析を行えない。

【０００７】さらに、積分球を用いた測定では、赤外線
分光光度計の試料部と検出部の間に積分球を設置し、試
料を充填した測定容器をそこに固定、測定するため、測
定装置が複雑で、大型化し、産業機器におけるオンライ
ン測定が行えなかった。

【０００８】そこで、本発明の目的は、赤外線を用いて
試料を破壊することなく実存形で試料内に含まれる成分
を測定するためのセンサープローブを提供することであ
る。

【０００９】本発明の他の目的は、試料内に含まれる成
分をオンライン測定できるコンパクトな上記センサープ
ローブを提供することである。

【００１０】さらに、本発明の目的は、上記センサプロ
ーブを組み入れた測定装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の光センサープローブは、実存形の試料内に含まれる
成分を検出する積分球と、投光および受光ファイバーと
から成る。そのセンサープローブは積分球上で、その直
径方向の一端に赤外線を投光ファイバーにより中に導入
するための入射口を有し、導入される赤外線を試料へと
透過させ、試料からの拡散反射光を中に透過させるため
の検出窓をその直径方向の他端に有し、さらに、試料か
ら中へと透過した拡散反射光を採取し、受光ファイバー
により外へ導出する少なくとも一つの採取口を有する。

【００１２】ここで、赤外線は、入射口に設けられたコ
リメータを介して積分球に入射してもよく、また入射口
を通り検出窓まで伸びた光学材質の棒状材により積分球
に入射してもよい。

【００１３】本発明の実存形の試料内に含まれる成分を
検出する装置は、赤外線を生成する光源と、直径方向の
一端に光源からの赤外線を投光ファイバーにより中に導
入するための入射口を有し、導入される赤外線を試料へ
と透過させ、試料からの拡散反射光を中に透過させるた
めの検出窓を直径の他端に有し、さらに試料から中へと
透過した拡散反射光を採取し、受光ファイバーにより外
へ導出する少なくとも一つの採取口を有する積分球と、
採取口からの採取光を二つに分割するスプリッターと、
分割された光の一方を、検出すべき成分が吸収する波長
を通過させるフィルターを通して検出する検出器と、分
割された光の他方を、検出すべき成分が吸収しない波長
を通過させるフィルターを通して検出する検出器と、二
つの検出器により得た光強度に基づいて当該成分を算出
する演算手段と、から構成される。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明の光センサープローブ２が収
納されたほぼ直方体のハウジング１を略示する。センサ
ープローブ２は、以下で説明するように積分球からな
り、赤外線を内部に導く投光ファイバー３、およびそこ
から光を外に導き出す受光ファイバー４、４′が取り付
けられれいる。センサープローブ２の底部には検出窓５
（図２を参照）が設けられ、その部分がハウジング１の
底部より外に露出している。

【００１５】ハウジング１は、ワイヤにより吊り下げら
れ、ワイヤの先端は外部フレームに取り付けられた昇降
機６、６′に連結されている。その昇降機は、コイルと
プランジャーとから成り、コイルに通電されることで生
じる磁気力によりプランジャーを引き上げるものであ
る。したがって、昇降機により、ハウジング１は昇降
し、試料７から遠ざかることができ、または接近するこ
とができる。昇降機は、ハウジングを昇降できればよ
く、これに限定されるものではない。たとえば、空気式
のシリンダーでもよい。

【００１６】本発明により試料の成分を測定するために
は、試料が隙間だらけでは満足のいく測定値を得ること
ができないので、隙間をできるだけ減少させるために、
測定に際してはハウジング１を降ろし、センサープロー
ブ２の自重、さらには必要に応じて錘り（図１参照）を
加減することで、測定に適するように試料７を押圧す
る。

【００１７】図２は、センサープローブ２の断面図を示
す。センサープローブ２の頂点には、赤外線を導入する
入射口１０が設けられ、コリメータレンズ系１１がその
内部に配置されている。投光ファイバー３より導かれた
赤外線はコリメータレンズ系１１により平行光線とな
り、内部に入射する。

【００１８】センサープローブ２の底部、すなわち入射
口１０と向かい合ったところには、石英製の円形検出窓
５が設けられている。内部に入射した赤外線がこの検出
窓を透過し、試料に照射される。検出窓５の直径は、コ
リメータレンズ１１を経て検出窓５を透過して、試料７
に照射され光の直径をφとすると、φ＋６ｍｍが望まし
い。

【００１９】検出窓５を透過した赤外線は、試料のそれ
ぞれ内に入り込み、そこから出て検出窓５を透過して、
拡散反射光１２としてセンサープローブ２内に入ってい
く。ここで、試料内のある成分は、赤外線がその試料中
を多重散乱し透過するとき、特定の波長の赤外線を吸収
する。そのため、その波長の赤外線は著しく減衰してセ
ンサープローブ２内に入っていく。かかる吸収に関与し
ない波長の赤外線はほとんど減衰することなくセンサー
プローブ２に入って行く。

【００２０】センサープローブ２の上半球には拡散反射
光１２を採取し、外へ導き出すための採取口１４、１
４′が設けられている。検出窓５より内部に入った拡散
反射光１２はセンサープローブ２、すなわち積分球の内
壁でつぎつぎと反射し、採取口１４に向かって反射した
ものが、その採取口１４を通り、連結された受光ファイ
バー４、４′を通って外へ導出される。なお、入射口１
０より内部に入った光にうちで、検出窓５の表面やその
窓の試料界面で正反射し、試料７内に入らないものも存
在するが、かかる光は積分球の内面で反射し、採取口へ
向かうものはほとんど存在しない。かかる光も反射を繰
り返して行くうちに、検出窓５を通り試料７に入り拡散
反射光となる。

【００２１】この実施例では採取口が２つの場合を例示
したが、拡散反射光の方向が一様なときは採取口は１つ
でもよい。一方、その方向の一様性が悪いときは、さら
に採取口を設けてることが望ましい。

【００２２】試料７は一定の位置にある必要はなく、コ
ンベヤー８上に載置し移動させてもよい。しかし、移動
速度が速すぎると検出光の雑音が大きくなるため、その
速度は、検出光、試料の状態に則して適宜調節すること
が望ましい。

【００２３】図３は、本発明のセンサープローブの変形
例を示す。ここで、対応する要素については図２と同じ
符号が付されている。このセンサープローブ３０は、投
光ファイバー３１の先端が入射口１０を通過して検出窓
まで伸び、その中に埋め込まれている。このようにファ
イバー３１を伸長すると、入射光は確実に検出窓を通過
し、試料７に照射される。また、ファイバーと試料界面
で生じた正反射光はセンサープローブ３０内に散乱され
ることはない。したがって、この実施例の精度は非常に
高い。ただし、投光ファイバーの先端を石英製の検出窓
の埋め込む際の製造上に問題があるほか、その製造コス
トも上がるという欠点もある。

【００２４】この実施例では、ファイバー３１は投光フ
ァイバーの一部であるが、これに限定されず、石英等の
光学材質の棒状を入射口から検出窓の間に設け、この棒
状材の上端に投光ファイバーを連結して構成してもよ
い。

【００２５】図４は、本センサープローブを組み込んだ
測定装置の一実施例をブロック図で示す。光源４０は、
赤外線を生成する光源で、好適には近赤外線を生成する
光源で、光源４０で生成した光は、レンズ４１により集
束され、チョッパー４２により光変調がかけられる。こ
のチョッパーはかかる測定装置において必須のものでは
ない。変調された光は投光ファイバー３（または３１）
を通ってセンサープローブ２（または３０）である積分
球に投光される。そして、採取された光は受光ファイバ
ー４（または４′）を経て集められ、コリメータレンズ
４３に通される。コリメータレンズ４３により平行光線
となった光は、ビームスプリッター４４により２つに分
割される。

【００２６】分割された一方の光を、試料内に含まれる
測定すべき成分が吸収する波長を中心とする特定の帯域
の赤外線を通過させるフィルター４５に通過させる。そ
して、通過した光は検出器４７でその強度が検出され
る。検出器４７は、近赤外線に対しＰｂＳセルが望まし
い。検出器４７は、電子冷却器に４８により適宜冷却さ
れる。検出された信号は増幅器４９により増幅され、演
算部５３に入力される。

【００２７】分割された他方の光は、フィルター４７を
通過する。このフィルター４７は、測定すべき成分によ
る吸収の影響がない波長を中心とする特定の帯域の赤外
線を通過させるものである。通過した光は検出器５０に
より検出され、検出信号は増幅器５２により増幅され、
演算部５３に入力される。検出器５０もまた電子冷却器
５１により冷却される。演算部５３からの出力は出力部
に入り、そこで数量またグラフ表示化される。

【００２８】演算部５３において、フィルター４５を通
過した、測定すべき成分により吸収された波長の赤外線
の強度と、フィルター４６を通過した、測定すべき成分
により影響を受けない波長の赤外線の強度とを比較する
ことにより、当該成分の濃度が算出される。なお、フィ
ルター４６を通過する赤外線も当該成分の影響を受ける
場合があるが、そのときは、その分を予め較正すること
で、正確な濃度を求めることができる。

【００２９】電源５４は、光源４０、演算部５３、電子
冷却器４８、５１、光源を冷却するファン５５に必要な
電力を供給する。

【００３０】この装置において、特定の波長を通過させ
るフィルター４５、４６を適宜選択することにより検出
する成分の濃度を測定、計測できる。

【００３１】生茶、茶の製造中簡体、茶の製品などの試
料における水分を計測するときのフィルター４５は一例
として次の中心波長をもつものがあげられる。茶に含ま
れる水分の濃度、すなわち含水率が６０％以上のとき
は、中心波長が１２００ｎｍ（半値幅５〜２０ｎｍ）、
含水率が１０〜６０％のときは、中心波長が１４５０ｎ
ｍ（半値幅５〜２０ｎｍ）、含水率が１０以下のとき
は、中心波長が１９４０ｎｍ（半値幅５〜２０ｎｍ）の
フィルターである。このように、含水率により中心波長
を変えるのは、たとえば、含水率が５０％のとき、１９
４０ｎｍを中心波長とするフィルターを用いると、検出
する光強度の減衰が著しく、飽和してしまい、水分の計
測することができないからである。このとき、フィルタ
ー４６は中心波長が１１００ｎｍ、１２５０ｎｍ、１８
５０ｎｍ、２０００ｎｍのものが利用される。

【００３２】水以外の成分、たとえば試料中の蔗糖、澱
粉、セルロース等の炭化水素に対しては、フィルター４
５の波長は、１５８０〜１５９０ｎｍ，１８２０〜１８
３５ｎｍ、または２１９０〜２２００ｎｍであり、脂肪
酸に対しては１７３４ｎｍ、１７６５ｎｍ、２１４０ｎ
ｍ、２１９０ｎｍであり、タンパク質に対しては１６８
０ｎｍ、２１００ｎｍ、２１８０ｎｍである。

【００３３】

【発明の効果】本発明にしたがったセンサープローブ
は、積分球から成り、積分球への赤外線の投光およびそ
こからの受光はファイバーにより行い、さらに光源、検
出器、分光分析系から分離されていることから、全体に
コンパクトになり、温度特性、電気信号変換によるノイ
ズといった問題が生ずることもなく、したがって精度の
高いオンライン測定が行える。

【００３４】また、本センサープローブを使用した測定
装置は、粉体の試料に限らず、粉体でない試料につて
も、プローブの自重、錘りを利用して試料を圧縮するこ
とで試料を実存形のまま測定できることから、オンライ
ン測定が行える。さらに、試料が移動するものであって
も、測定にほとんど影響を与えることなく測定が行え
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセンサープローブを内部に有するハウ
ジングを試料に対して押し付けた状態を示す。

【図２】本発明のセンサープローブの断面略示図を示
す。

【図３】本発明の他の実施例のセンサープローブの断面
略示図を示す。

【図４】本発明の測定装置の一実施例をブロック図で示
す。

【符号の説明】

１ ハウジング ２ センサープローブ ３ 投光ファイバー ４、４′ 受光ファイバー ５ 検出窓 ６、６′ 昇降機 ７ 試料 ８ ベルトコンベヤー １１ コリメータ １０ 入射口 １２ 拡散反射光 １４、１４′ 採取口 ３０ センサープローブ ３１ 投光ファイバー ４０ 光源 ４１ レンズ ４２ チョッパー ４３ コリメータレンズ ４４ ビームスプリッタ ４５ フィルター ４６ フィルター ４７ 検出器 ４８ 電子冷却器 ４９ 増幅器 ５０ 検出器 ５１ 電子冷却器 ５２ 増幅器 ５３ 演算部 ５４ 電源 ５５ ファン

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年１２月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】

【実施例】図１は、本発明の光センサープローブ２が収
納されたほぼ直方体のハウジング１を略示する。センサ
ープローブ２は、以下で説明するように積分球からな
り、赤外線を内部に導く投光ファイバー３、およびそこ
から光を外に導き出す受光ファイバー４、４′が取り付
けられている。センサープローブ２の底部には検出窓５
（図２を参照）が設けられ、その部分がハウジング１の
底部より外に露出している。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】本発明により試料の成分を測定するために
は、試料が隙間だらけでは満足のいく測定値を得ること
ができないので、隙間をできるだけ減少させるために、
測定に際してはハウジング１を降ろして試料に接触さ
せ、さらにセンサープローブ２の自重、さらには必要に
応じて錘り（図１参照）を加減することで、測定に適す
るように試料７を押圧する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】この実施例では採取口が２つの場合を例示
したが、拡散反射光の方向が一様なときは採取口は１つ
でもよい。一方、その方向の一様性が悪いときは、さら
に採取口を設けることが望ましい。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３４】また、本センサープローブを使用した測定
装置は、粉体の試料に限らず、粉体でない試料について
も、プローブを試料に接触させ、さらにプローブの自
重、錘り、その他を利用して試料を圧縮することで試料
を実存形のまま測定できることから、オンライン測定が
行える。さらに、試料が移動するものであっても、測定
にほとんど影響を与えることなく測定が行える。

【手続補正書】

【提出日】平成７年５月２９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

フロントページの続き (72)発明者 中 野 文 雄 静岡県榛原郡金谷町志戸呂576−８ (72)発明者 西 村 元 宏 静岡県掛川市久保２−18−19フラワー・ビ ー203

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 実存形の試料内に含まれる成分を検出す
   る積分球から成る光センサープローブであって、 前記積分球上で、その直径方向の一端に赤外線を投光フ
   ァイバーにより中に導入するための入射口を有し、導入
   される赤外線を試料へと透過させ、試料からの拡散反射
   光を中に透過させるための検出窓を前記直径方向の他端
   に有し、 さらに、試料から中へと透過した拡散反射光を採取し、
   受光ファイバーにより外へ導出する、少なくとも一つの
   採取口を有する、ことを特徴とする光センサープロー
   ブ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光センサープローブで
   あって、 前記入射口にコリメータを設け、前記投光ファイバーに
   より導入される赤外線が集光光束となって前記積分球に
   入射する、ことを特徴とする光センサープローブ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の光センサープローブで
   あって、 前記入射口を通り前記検出窓まで伸びた光学材質から成
   る棒状材により赤外線が入射する、ことを特徴とする光
   センサープローブ。
4. 【請求項４】 実存形の試料内に含まれる成分を検出す
   る装置であって、 赤外線を生成する光源と、 直径方向に一端に光源からの赤外線を投光ファイバーに
   より中に導入するための入射口を有し、導入される赤外
   線を試料へと透過させ、試料からの拡散反射光を中に透
   過させるための検出窓を前記直径方向の他端に有し、さ
   らに試料から中へと透過した拡散反射光を採取し、受光
   ファイバーにより外へ導出する、少なくとも一つの採取
   口を有する積分球と、 前記採取口からの採取光を二つに分割するスプリッター
   と、 前記分割された光の一方を、検出すべき成分が吸収する
   波長を通過させるフィルターを通して検出する検出器
   と、 前記分割された光の他方を、検出すべき成分が吸収しな
   い波長を通過させるフィルターを通して検出する検出器
   と、 前記二つの検出器により検出した光強度に基づいて当該
   成分を算出する演算手段と、から成る装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の装置であって、 前記入射口にコリメータを設け、前記投光ファイバーに
   より導入される赤外線が集光光束となって前記積分球に
   入射する、ことを特徴とする装置。
6. 【請求項６】 請求項４に記載の装置であって、 前記入射口を通り前記検出窓まで伸びた光学材質から成
   る棒状材により赤外線が入射する、ことを特徴とする装
   置。