JPH09250982A - 赤外線水分測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高速応答が可能で、装置のコンパクト化、メン
テナンス性の向上、使用環境温度許容範囲の向上、低消
費電力化および低コスト化を図った赤外線水分測定装置
を得る。 【解決手段】主波長が１．４５μｍの赤外線を測定光と
して出力する測定光ＩＲＥＤ２と、主波長が１．３μｍ
の赤外線を参照光として出力する参照光ＩＲＥＤ３を、
それぞれ光源として用いる。光学系１で測定光と参照光
を被測定物に照射し、被測定物からの反射光を分光感度
のピークが１．５５μｍのＩｎＧａＡｓ検出素子４で受
光する。ＩＲＥＤ駆動回路５の駆動信号から同期パルス
生成回路９でパルス信号を発生する。同期整流回路８に
おいてパルス信号に基づいて測定光と参照光に対応する
電圧信号を分離する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物の含水量
により赤外線吸収が変化する測定光の赤外線と被測定物
の含水量により赤外線吸収が略変化しない参照光の赤外
線を被測定物に照射し、各赤外線の反射光量に基づいて
被測定物の含水量の水分値を測定する赤外線水分測定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の赤外線水分測定装置は、
被測定物の含水量により赤外線吸収が変化する測定光の
赤外線と、被測定物の含水量により赤外線吸収が略変化
しない参照光の赤外線をそれぞれ被測定物に照射し、被
測定物からの各赤外線の反射光量に基づいて例えば吸光
度を求め、この吸光度を水分値に換算して水分値を求め
るものである。

【０００３】また、従来の赤外線水分測定装置は、測定
光と参照光を発生するために次のような構成になってい
る。すなわち、干渉フィルタを配置したフィルタホイー
ルをモータで回転するとともに、この干渉フィルタにタ
ングステンランプ等の光源からの光を照射して測定光と
参照光を分光するようにしている。また、赤外線の反射
光を受光する検出素子としてはＰｂＳを用いている。さ
らに、使用する水の吸収波長すなわち測定光の波長は
１．９４μｍもしくは１．４５μｍである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
構成の従来の赤外線水分測定装置には次のような問題点
がある。 モータおよび干渉フィルタを装着したフィルタホイー
ルを使用しているので、装置自体の筐体が大きくなると
いう問題がある。 フィルタホイールの回転速度が３０００ｒｐｍ程度と
限界があるため、高速サンプリングに不向きである。 タングステンランプは熱源ともなるため、装置の内部
温度が上昇し、このため、電子部品等が劣化する原因と
もなる。すなわち、使用環境温度許容範囲に注意する必
要がある。 タングステンランプは大きな消費電力を必要とし、装
置の寿命が３００００時間程度と限りがある。 ＰｂＳは暗抵抗の変化に伴い、感度が経時的に変化す
る。また、素子毎の個々のバラツキも大きい。 ＰｂＳは周波数応答が６００Ｈｚ程度であり、高速サ
ンプリングに不向きである。 分光感度のピークとなる波長が２．２μｍであるＰｂ
Ｓを使用しているので、１．９４μｍの水の吸収波長を
利用して水分値計測を行うと、高水分試料では分光特性
（水分）が飽和してしまう。また、分光特性（水分）が
飽和しないように１．４５μｍの水の吸収波長を利用し
て水分値計測を行うと、低水分試料で十分な感度が得ら
れない。

【０００５】本発明は、高速サンプリングすなわち高速
応答が可能で、装置のコンパクト化、メンテナンス性の
向上、使用環境温度許容範囲の向上、低消費電力化およ
び低コスト化が図れる赤外線水分測定装置を提供するこ
とを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めになした本発明の赤外線水分測定装置は、被測定物の
含水量により赤外線吸収が変化する測定光の赤外線を放
射する測定光用の赤外線発光ダイオードと、被測定物の
含水量により赤外線吸収が略変化しない参照光の赤外線
を放射する参照光用の赤外線発光ダイオードと、上記各
赤外線発光ダイオードが放射する前記測定光および参照
光の赤外線を被測定物に照射するとともに該被測定物か
らのこれら赤外線の反射光を集光する光学系と、上記光
学系で集光された赤外線を受光して該受光量に応じた受
光信号を出力するＩｎＧａＡｓ受光素子とを備え、上記
受光素子のＩｎＧａＡｓ受光信号に基づいて被測定物の
水分値を求めるようにしたことを特徴とする。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は本発明の第１の実施の形態の赤外線
水分測定装置のブロック図であり、光学系１は、測定光
集光レンズ１ａ、参照光集光レンズ１ｂ、ハーフミラー
１ｃ、照射光集光レンズ１ｄおよび反射光集光レンズ１
ｅを備えている。参照光集光レンズ１ｂと照射光集光レ
ンズ１ｄの光軸は一致され、その光軸に対して４５°の
角度でハーフミラー１ｃが配設されている。

【０００８】また、測定光集光レンズ１ａは、その光軸
がハーフミラー１ｃの反射面において参照光集光レンズ
１ｂの光軸と直交するように配置されている。そして、
測定光集光レンズ１ａの後ろには、主波長が１．４５μ
ｍの近赤外線を測定光として出力する測定光ＩＲＥＤ
（赤外線発光ダイオード）２が配設されており、参照光
集光レンズ１ｂの後ろには、主波長が１．３μｍの近赤
外線を参照光として出力する参照光ＩＲＥＤ３が配設さ
れている。さらに、反射光集光レンズ１ｅの集光点には
ＩｎＧａＡｓ（インジューム・ガリュウム・砒素）検出
素子４が配設されている。

【０００９】測定光ＩＲＥＤ２および参照光ＩＲＥＤ３
はＩＲＥＤ駆動回路５によってそれぞれ時分割に駆動さ
れ、測定光と参照光を交互に放射する。測定光ＩＲＥＤ
２から放射された測定光は、測定光集光レンズ１ａで平
行光束にされてハーフミラー１ｃにより、その５０％の
光が直角に反射され、照射光集光レンズ１ｄで被測定物
の測定面Ｓに照射される。また、参照光ＩＲＥＤ３から
放射された参照光は、参照光集光レンズ１ｂで平行光束
にされてハーフミラー１ｃにより、その５０％の光が透
過され、照射光集光レンズ１ｄで被測定物の測定面Ｓに
照射される。すなわち、ハーフミラー１ｃで反射された
測定光とハーフミラー１ｃを透過した参照光はそれぞれ
の光軸を同軸にして被測定物に照射される。

【００１０】測定面Ｓで反射された測定光および参照光
は、反射光集光レンズ１ｅでＩｎＧａＡｓ検出素子４に
集光され、このＩｎＧａＡｓ検出素子４で測定光と参照
光の受光量の強度に応じたレベルの電流が受光信号とし
て交互に出力される。このＩｎＧａＡｓ検出素子４から
出力される受光信号は、Ｉ／Ｖ変換器６により電圧信号
に変換された後、ＡＣアンプ７で増幅されて同期整流回
路８に入力される。

【００１１】測定光ＩＲＥＤ２と参照光ＩＲＥＤ３を駆
動するためにＩＲＥＤ駆動回路５から出力される各駆動
信号は同期パルス生成回路９にも入力され、同期パルス
生成回路９は入力される駆動信号に同期したパルス信号
を発生して同期整流回路８に出力する。

【００１２】同期整流回路８は、ＡＣアンプ７から出力
される電圧信号を整流するとともに、この整流した直流
信号を同期パルス生成回路９からのパルス信号に同期し
て測定光と参照光の各電圧信号に分離し、各電圧信号を
測定光および参照光にそれぞれ対応して設けられた出力
端子からＡ／Ｄ変換回路１０に出力する。そして、Ａ／
Ｄ変換回路１０はアナログの電圧信号をそれぞれ測定光
および参照光に対応するデジタル信号（数値データ）に
変換し、図示しないＣＰＵに出力する。

【００１３】ここで、被測定物においては、その含水量
およびその他の要因に応じて測定光の吸収が生じ、ま
た、上記その他の要因に応じて参照光の吸収が生じる。
したがって、参照光と測定光の反射光の受光量の比等や
その対数によって、上記その他の要因の影響を相殺した
吸光度換算値を求めることができ、この吸光度換算値を
予め設定した検量線の式等から水分値に換算することが
できる。

【００１４】ＣＰＵではＡ／Ｄ変換回路１０からのデジ
タル信号に基づいて吸光度換算値、水分値等の演算を行
いその結果を測定値として表示する。なお、この実施例
では、測定光ＩＲＥＤ２の近傍に温度センサ１１を備え
ており、この温度センサ１１の出力電圧すなわち温度に
応じた電圧信号をＡ／Ｄ変換回路１０でデジタル信号に
変換し、この温度のデジタル信号に基づいてＣＰＵで補
正等を行う。

【００１５】上記の実施例によれば、測定光と参照光は
ハーフミラー１ｃで反射および透過されて光軸を同軸に
しているので、光学系がコンパクトになっている。ま
た、測定光と参照光はハーフミラー１ｃの反射および透
過により光軸が完全に同軸となって被測定物に照射され
るので、光学系から被測定物までの距離すなわち測定距
離の変動に対しても正確な測定を行うことができる。

【００１６】図２は本発明の第２の実施の形態の赤外線
水分測定装置のブロック図である。この図２の装置と前
記図１の装置との異なる点は、光学系１２の構成、測定
光ＩＲＥＤ２および参照光ＩＲＥＤ３の位置関係だけで
あり、回路動作は同じである。なお、図１と同様な要素
には同符号を付記してその詳細な説明は省略する。

【００１７】光学系１２は、測定光集光レンズ１２ａ、
参照光集光レンズ１２ｂ、プリズム１２ｃ、照射光集光
レンズ１２ｄおよび反射光集光レンズ１２ｅを備えてい
る。プリズム１２ｃの頂角θは９０°であり、照射光集
光レンズ１２ｄの光軸がこの頂角θを二等分するように
プリズム１２ｃと照射光集光レンズ１２ｄの位置関係が
設定されている。

【００１８】また、測定光集光レンズ１２ａと参照光集
光レンズ１２ｂは、照射光集光レンズ１２ｄの光軸に対
して対照に配設され、測定光集光レンズ１２ａの後ろに
は、主波長が１．４５μｍの近赤外線を測定光として出
力する測定光ＩＲＥＤ２が配設され、参照光集光レンズ
１２ｂの後ろには、主波長が１．３μｍの近赤外線を参
照光として出力する参照光ＩＲＥＤ３が配設されてい
る。

【００１９】測定光集光レンズ１２ａと参照光集光レン
ズ１２ｂは、その各光軸が、プリズム１２ｃの頂角θを
なす反射面をそれぞれ通ってこの反射面が会合する稜線
近傍で照射光集光レンズ１２ｄの光軸と直交するように
それぞれ設定されている。また、測定光集光レンズ１２
ａと参照光集光レンズ１２ｂの焦点距離およびその位置
は、測定光ＩＲＥＤ２からの測定光と参照光ＩＲＥＤ３
からの参照光がそれぞれプリズム１２ｃの各反射面にお
いて１点集光されるように設定されている。

【００２０】以上の構成により、測定光集光レンズ１２
ａで１点集光された測定光と、参照光集光レンズ１２ｂ
で１点集光された参照光は、それぞれプリズム１２ｃの
反射面において１００％の反射率で直角に反射され、照
射光集光レンズ１２ｄの光軸に沿ってそれぞれ被測定物
の測定面Ｓに照射される。そして、この測定面Ｓからの
反射光に基づいて前記同様に水分値が測定される。

【００２１】前記第１の実施の形態の赤外線水分測定装
置では、測定光ＩＲＥＤ２と参照光ＩＲＥＤ３からそれ
ぞれ放射される測定光と参照光をハーフミラー１ｃで反
射および透過するようにしているので、各赤外線の５０
％がロスとなるが、上記第２の実施の形態の赤外線水分
測定装置によれば、測定光と参照光はプリズム１２ｃに
より１００％反射されるので、各赤外線を有効に利用す
ることができ、低反射率の被測定物にも対応することが
できる。

【００２２】なお、以上の各実施の形態において、測定
光ＩＲＥＤ２および参照光ＩＲＥＤ３で測定光の赤外線
および参照光の赤外線を生成するようにしているが、こ
れらのＩＲＥＤとともに各波長に応じたフィルタを併用
して、測定光および参照光を単色化することも可能であ
る。

【００２３】以上の各実施の形態において、従来のよう
にフィルタホイールをモータで回転させるような構成を
必要としないので、装置自体がコンパクトになるととも
に、主要部品の点数も削減することができ、コストも低
減することができる。

【００２４】また、測定光ＩＲＥＤ２および参照光ＩＲ
ＥＤ３は赤外線発光ダイオードであるので、長寿命で、
消費電流が少なく発熱体ともならず、メンテナンス性の
向上、使用環境温度許容範囲の向上、低消費電力化が図
れる。また、測定光ＩＲＥＤ２および参照光ＩＲＥＤ３
は高速駆動が可能なので、高速サンプリングすなわち高
速応答が可能な装置となり、たばこ製造工場のたばこ原
料のように、ベルトコンベア上を間欠的に流れる試料の
水分計測が可能になる。

【００２５】また、ＩｎＧａＡｓ検出素子４は、感度が
ＰｂＳの１０倍以上であり、なおかつ素子特性が安定で
応答性能が優れている。さらに、ＩｎＧａＡｓ検出素子
４は分光感度のピークが１．５５μｍで、検出感度がＰ
ｂＳより１桁高く、測定光としてその主波長が１．４５
μｍの赤外線を用いていいるので、低水分試料から高水
分試料まで十分な測定が可能となる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の赤外線水分
測定装置によれば、測定光と参照光の赤外線をそれぞれ
赤外線発光ダイオードで生成するとともに、被測定物か
らの測定光と参照光の反射光をＩｎＧａＡｓ受光素子で
受光し、このＩｎＧａＡｓ受光信号に基づいて被測定物
の水分値を求めるようにしたので、高速サンプリングす
なわち高速応答が可能で、装置のコンパクト化、メンテ
ナンス性の向上、使用環境温度許容範囲の向上、低消費
電力化および低コスト化を図ることができる。

【００２７】また、請求項２記載の赤外線水分測定装置
によれば、測定光用の赤外線発光ダイオードの近傍に配
設した温度センサの出力に基づいて温度補正を行うの
で、正確な測定を行うことができる。

【００２８】また、請求項３記載の赤外線水分測定装置
によれば、前記光学系のハーフミラーによる反射と透過
により、測定光と参照光の光軸を同軸にして被測定物に
照射するようにしたので、光学系がコンパクトになると
ともに、測定光と参照光の光軸が完全に同軸になるの
で、測定距離の変動に対しても正確な測定を行うことが
できる。

【００２９】また、請求項４記載の赤外線水分測定装置
によれば、赤外線発光ダイオードから放射された測定光
と参照光の赤外線をそれぞれ第１，第２の反射面で反射
して測定光と参照光の光軸を同軸にして前記被測定物に
照射するようにしたので、赤外線発光ダイオードから放
射された赤外線を略１００％被測定物に照射することが
できるので、低反射率の被測定物にも対応することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態である赤外線水分測
定装置のブロック図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態である赤外線水分測
定装置のブロック図である。

【符号の説明】

１ 光学系 ２，３ ＩＲＥＤ（赤外線発光ダイオード） ４ ＩｎＧａＡｓ検出素子

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の含水量により赤外線吸収が変
   化する測定光の赤外線を放射する測定光用の赤外線発光
   ダイオードと、 被測定物の含水量により赤外線吸収が略変化しない参照
   光の赤外線を放射する参照光用の赤外線発光ダイオード
   と、 上記各赤外線発光ダイオードが放射する前記測定光およ
   び参照光の赤外線を被測定物に照射するとともに該被測
   定物からのこれら赤外線の反射光を集光する光学系と、 上記光学系で集光された赤外線を受光して該受光量に応
   じた受光信号を出力するＩｎＧａＡｓ受光素子とを備
   え、 上記受光素子のＩｎＧａＡｓ受光信号に基づいて被測定
   物の水分値を求めるようにしたことを特徴とする赤外線
   水分測定装置。
2. 【請求項２】 前記測定光用の赤外線発光ダイオードの
   近傍に配設された温度センサの出力に基づいて水分値の
   温度補正を行うようにしたことを特徴とする請求項１記
   載の赤外線水分測定装置。
3. 【請求項３】 前記光学系は、前記各赤外線発光ダイオ
   ードのうち一方の赤外線を反射するとともに他方の赤外
   線を透過するハーフミラーを備え、該ハーフミラーによ
   り反射された赤外線と透過された赤外線をそれぞれの光
   軸を同軸にして前記被測定物に照射するようにしたこと
   を特徴とする請求項１または請求項２記載の赤外線水分
   測定装置。
4. 【請求項４】 前記光学系は、前記赤外線発光ダイオー
   ドから放射された、測定用の赤外線を反射する第１の反
   射面と、参照用の赤外線を反射する第２の反射面とを備
   えており、 前記第１の反射面と前記第２の反射面とは、該第１の反
   射面により反射された赤外線の光軸と該第２の反射面に
   より反射された赤外線の光軸とを同軸にして前記被測定
   物に照射するような位置関係で配置されていることを特
   徴とする請求項１または請求項２記載の赤外線水分測定
   装置。
5. 【請求項５】 前記光学素子はプリズムであることを特
   徴とする請求項４記載の赤外線水分測定装置。