JPH09318526A

JPH09318526A - 油中水分検知器および油中水分量の測定方法

Info

Publication number: JPH09318526A
Application number: JP8886597A
Authority: JP
Inventors: Kunimitsu Tamura; 邦光田村; 聖記 ▲つる▼戸; Kiyonori Tsurudo
Original assignee: Japan Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 1997-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成で、正確に油中の水分量を測定す
ることのできる油中水分検知器および油中水分量の測定
方法を提供する。【解決手段】油中水分検知器は、透明な中空管セル１
と、中空管セル１の片側に配置された投光部２と、中空
管セルの他の側に前記投光部２と対向して配置された受
光部３とを備え、中空管セル１に測定すべき油を供給
し、受光部３の光量を測定することにより油中の水分量
を検知する。投光部は、波長域が１．３〜１．６μｍの
光を発する第１の測定光源４ａと、波長域が０．８〜
１．１μｍの光を発する比較用の第２の測定光源４ｂと
を有する。測定すべき油の第１の測定光源４ａからの光
の吸光度と、第２の測定光源４ｂからの光の吸光度との
差から、測定すべき油中の水分量を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば油圧作動
油、電気絶縁油、冷凍機用潤滑油、溶剤、燃料及び石油
化学原料のような石油製品など、種々の油の中に含有さ
れる水分量を検知するための油中水分検知器および種々
の油の中に含有される水分量の測定方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】例えば、油圧機器に使用する油圧作動油
は、油中に水分が含有されるとその性能が著しく劣化す
るので、常時、或は定期的に水分量の測定を行ない、所
定量以上の水分を含有するに至った場合にはその作動油
の使用を中止することが必要である。又、電気絶縁油に
関しても同様に、油中に水分が含有されるのを嫌うため
に、製油所において出荷の際、脱水剤や真空浄油機など
のような適当な手段で脱水し、その水分監視を行ってい
る。又、変電所、発電所等において使用される油入型変
圧器、油入型変成器などの電気設備においても電気設備
の予防保全上その水分監視が重要な項目となっている。

【０００３】又、最近冷蔵庫、自動車用エアコン等に使
用される潤滑油は、フロンガス規制を背景にした冷媒変
更が余儀なくされており、そのために、従来の鉱油か
ら、合成系の潤滑油であるエステルやＰＡＧ（ポリアル
キレングリコール）に変わりつつある。これら合成系潤
滑油は、鉱油より吸湿性が高く、過度に吸湿すると加水
分解或は酸化劣化を生じて潤滑性が低下し、機械の正常
な動作を妨げることが知られている。また、例えば、ジ
ェット燃料については、航空機が成層圏を飛行する際、
水分が含まれていると凍結し、燃料ラインを目詰まりさ
せることが知られている。このような理由のために、潤
滑油やその他の各種の石油製品等に含有された水分量を
検知する必要性が増加している。

【０００４】このような油中の水分検知を行なうべく、
例えば特開平５−１０７１８２号公報には、本願添付の
図２に概略示すように、透明な中空管セル１と、中空管
セル１の片側に配置された投光部２と、中空管セル１の
他の側に投光部２と対向して配置された受光部３とを備
え、中空管セル１に測定すべき油を流動させ、受光部３
の光量を測定することにより油中の水分量を検知するこ
とのできる油中水分検知器が提案されている。

【０００５】つまり、投光部２の光強度をＰ_O 、受光部
３で受光した光強度をＰとすると、吸光度＝ｌｏｇ（Ｐ_O ／Ｐ）が成り立つ。Ｐ_O が一定とすれば、Ｐは油中の水分量に
よって変わる。

【０００６】従来より、水分は、１．４５μｍ付近の近
赤外光に特有の光の吸収を持つことが知られている。
又、上述のように、投光部２より１．４５μｍの近赤外
光を中空管セル１に投射し、受光部３にて中空管セル１
中を流動する油を通過した光の量を測定したとき、受光
部３にて検出された光量と油中水分量との間には相関が
あり、従って、受光部３で測定された光量から油中水分
量が求められる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者らの研究実験の結果によると、実際に近赤外分光光度
計（ＮＩＲ：Near Infra-Red Spectroscopy)で、様々な
水分量を有した油のスペクトルを採ってみると図３に示
すようになることが分かった。この時の供試油は、油圧
作動油であった。

【０００８】図３のスペクトルに見られるように、水分
量が大略０％の場合と、水分量が大略５％の場合とを比
較すると、水の吸収と見られた１．４５μｍの吸収に
は、本来的な水の吸収に加え、エマルションによるベー
スラインの増加と油の吸収ピークとが加算されたもので
あり、従来のように、単に、投光部２より１．４５μｍ
の近赤外光を中空管セル１に投射し、受光部３で測定さ
れた光量から油中水分量を求めたのでは正確な油中水分
量を得ることができないことが分かった。

【０００９】更に、図３に示すスペクトルを詳細に解析
した結果、１．４５μｍ付近のベースラインの増加分は
他の吸収帯とほとんど同じ大きさであり、現実には例え
ば９５０ｎｍ（０．９５μｍ）の吸光度をベースライン
そのものの大きさとすることにより、極めて正確に油中
の水分量を測定し得ることが分かった。

【００１０】本発明は、斯かる本発明者らの新規な知見
に基づきなされたものである。

【００１１】従って、本発明の目的は、簡単な構成で、
正確に油中の水分量を測定することのできる油中水分検
知器および正確に油中の水分量を測定することのできる
油中水分量の測定方法を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は本発明に係る
油中水分検知器にて達成される。要約すれば、本発明
は、透明なセルと、セルの片側に配置された投光部と、
セルの他の側に前記投光部と対向して配置された受光部
とを備え、セルに測定すべき油を供給し、受光部の光量
を測定することにより油中の水分量を検知することので
きる油中水分検知器において、投光部は、波長域が１．
３〜１．６μｍの光を発する第１の測定光源と、波長域
が０．８〜１．１μｍの光を発する比較用の第２の測定
光源とを有することを特徴とする油中水分検知器であ
る。好ましくは、投光部は、中心波長が１．４〜１．５
μｍの光を発する第１の測定光源と、中心波長が０．９
〜１．０μｍの光を発する比較用の第２の測定光源とを
有するか、更に好ましくは、第１の測定光源は中心波長
が１．４５μｍ±０．０３μｍの光を発する発光ダイオ
ードであり、第２の測定光源は中心波長が０．９４μｍ
の光を発する発光ダイオードとされる。又、前記セルは
中空管セルとされる。

【００１３】本発明では、第１の測定光源は水分量に関
する情報を得るのに使用し、第２の測定光源は、前記水
分量に関する情報に含まれるベースラインの変動に関す
る情報を得るのに使用される。

【００１４】又、上記目的は本発明に係る油中水分量の
測定方法にて達成される。要約すれば、測定すべき油
の、波長域が１．３〜１．６μｍの第１の光の吸光度
と、波長域が０．８〜１．１μｍの第２の光の吸光度と
の差から、前記測定すべき油中の水分量を決定すること
を特徴とする油中水分量の測定方法である。又、前記第
１の光の吸光度と第２の光の吸光度との差を、予め測定
しておいた前記測定すべき油と水分量との相関と比較す
ることにより、油中の水分量を決定することを特徴とす
る油中水分量の測定方法である。好ましくは、第１の光
の波長域が１．４〜１．５μｍとされる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る油中水分検知
器を図面に則して更に詳しく説明する。

【００１６】図１に本発明の油中水分検知器の一実施例
を示す。本実施例では、油中水分検知器は、石英ガラス
のような透明材料で作製された中空管セル１を有し、中
空管セル１の軸線に直交する方向に投光部２と受光部３
とが対向して配置されている。中空管セル１内には測定
すべき油が供給される。

【００１７】特に、本発明に従えば、投光部２には、第
１の測定光源４ａと第２の測定光源４ｂが設置される。
第１の測定光源４ａは、水分量に関する情報を得るため
に使用する測定光源であり、一般には、波長域が１．３
〜１．６μｍ、好ましくは中心波長が１．４〜１．５μ
ｍの光源とされる。本発明によれば、油中に含まれる、
一般に、水分量が０．１％〜１０％（重量）とされる水
分を検知し、測定することを目的とするものであり、
又、水分は１．４５μｍ付近に特有の光の吸収を有する
ものであるので、第１測定光源４ａの波長域が１．３〜
１．６μｍの範囲外にまで拡張された場合には、他の油
中含有成分の情報までも検知する可能性が生じ、水分量
の検知精度に悪影響を及ぼすこととなり好ましくない。
水分による光の吸収が明確に現われる１．４〜１．５μ
ｍの波長域において測定することで精度良く検知するこ
とができる。

【００１８】又、第２の測定光源４ｂは、詳しくは後で
説明するように、比較用の測定光源であり、前記水分量
に関する情報に含まれるベースラインの変動に関する情
報を得るのに使用するものであって、波長域が０．８〜
１．１μｍ、好ましくは中心波長が０．９〜１．０μｍ
の光源とされる。第２の測定光源４ｂは、第１の測定光
源４ａにて得られた水分量に関する情報に含まれるベー
スライン情報を補正するものであるので、第２の測定光
源４ｂの波長が０．８〜１．１μｍの範囲外とされた場
合には、ベースライン情報以外の情報が含まれる可能性
が生じ、これも又、水分量の検知精度に悪影響を与える
こととなり好ましくない。

【００１９】つまり、図４は潤滑油の劣化と吸光度と波
長との関係を示すが、図示するように、波長が０．７μ
ｍより小さい領域では油の劣化と共に吸光度が大きく変
動することが分かる。従って、０．７μｍより小さい波
長領域の波長を第２の測定光源用波長として使用するの
は不適であり、０．８μｍ以上の波長を使用するのが好
ましい。しかしながら、１．１μｍより大きい波長領域
では、図示するように、或る油中成分に対して特異な吸
光度を示す波長が存在しており、比較用の第２の測定光
源用波長としては、１．１μｍ以下の波長を使用するの
が好ましい。

【００２０】上述のように事実上、波長域が０．８〜
１．１μｍの吸光度をベースラインそのものの大きさと
することにより、極めて正確な油中の水分量を測定し得
るものであり、そのために第２の測定光源４ｂは、その
中心波長が０．９〜１．０μｍとされる。

【００２１】本実施例では、第１の測定光源４ａは中心
波長が１．４５μｍ±０．０３μｍ、最大光量値の５０
％での波長域が１．４〜１．５μｍとされる発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）（株式会社島津製作所製：商品名ＨＫ−
９３２１）を使用し、第２の比較用測定光源４ｂは、中
心波長が０．９４μｍ、最大光量値の５０％での波長域
が０．９２〜０．９６μｍとされる発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）（株式会社東芝製：商品名ＴＬＮ１１０）を使用
することにより好結果を得ることができた。

【００２２】又、本実施例では、これら第１及び第２の
測定光源４ａ、４ｂはそれぞれ定電流電源５ａ、５ｂに
接続され、一定の強度の光を発光するようにした。

【００２３】図３は、上述したように、近赤外分光光度
計で採った種々の水分量の水を含んだ油圧作動油のスペ
クトルである。

【００２４】図３のスペクトルから理解されるように、
油中水分量が６３．６ｐｐｍ、即ち、実質的に水分量が
０％のスペクトルと、水分量が５．０４％、即ち、大略
５％とを比較すると、水の吸収と見られた１．４５μｍ
の吸収（Ａ_T ）には本来的な水の吸収に加え、ベースラ
インＢＬの増加と油の吸収ピークＡ_H とが加算されたも
のである。又、１．４５μｍ付近のベースラインの増加
分は他の吸収帯とほとんど同じ大きさであり、現実には
例えば９５０ｎｍ（０．９５μｍ）の含水油の吸光度を
ベースラインそのものの大きさとすることができる。

【００２５】そこで、図３に示すように、それぞれの吸
収位置の吸光度をＡ_W 、Ａ_T 、Ａ_H、Ａ_BL、Ａ_B とする
と、つまり、Ａ_W ：１．４５μｍにおける真の水の吸光度、Ａ_T ：含水油の１．４５μｍにおける吸光度、Ａ_H ：水分量０％の油の１．４５μｍにおける吸光度、Ａ_BL：９５０ｎｍにおける含水油の吸光度、Ａ_B ：９５０ｎｍにおける水分量０％の油の吸光度、とすると、吸光度の定義から理論的に次の式が成り立
つ。Ａ_W ＝Ａ_T −（Ａ_H −Ａ_BL＋Ａ_B ）（１）Ａ_W ＝βｗ（２）ここで、ｗは油中水分濃度（即ち、油中水分量）であ
り、βは系に固有な定数である。

【００２６】ベースラインＢＬの吸光度に相当するＡ_BL
が何故に生じたかについては明らかではないが、本発明
者らは次のように考える。

【００２７】つまり、この系のように水分が油への溶解
度以上に混合している場合、水は微小粒子となってＷ／
Ｏ（ｗａｔｅｒ−ｉｎ−ｏｉｌ型）エマルション、即
ち、油中に水が分散したエマルションの形態で分散して
いることが観察の結果確認されている。レーザ回折式粒
度分布測定装置による実測の結果水の粒子は５〜５０μ
ｍに分布していた。これらの粒子に光が当たると、中心
部は直線的に透過するが周辺部は界面での反射や屈折を
起こし、見掛け上の散乱を起こすと考えられ、この現象
により光損失が生じ、ベースラインの上昇が起こるもの
と考えられる。ベースラインの上昇に波長依存性が殆ど
ないのは恐らく波長に対して水粒子の粒子径が大きく波
長の影響が小さいためと考えられる。

【００２８】次に、本発明者らは、図１に示すような構
成の水分検知器を使用し、透明中空管セル１中に、試料
として油圧作動油、潤滑油などの３種類の油（Ａ、Ｂ、
Ｃ）を流動させ、そして、投光部２の第１の測定光源４
ａの発光ダイオードから中心波長１．４５μｍ±０．０
３μｍ、最大光量値の５０％での波長域が１．４〜１．
５μｍの光を、又、第２の比較用測定光源４ｂの発光ダ
イオードから中心波長０．９４μｍ、最大光量値の５０
％での波長域が０．９２〜０．９６μｍの光を中空管セ
ル１に投射し、受光部２の光検出器としてのフォトダイ
オード（ＰＤ）６ａ、６ｂにて、それぞれ中空管セル１
中を流動する試料を通過した光の量を測定した。そし
て、油中水分量（ｗｔ％）と吸光度差（Ａ_W ）とを求め
た。その結果をグラフにしたのが図５である。図５か
ら、油中水分量（ｗｔ％）と吸光度差（Ａ_W ）とは直線
的な相関があることが分かる。つまり、試料油を測定
し、吸光度差（Ａ_W ）を求めれば、予め知られている図
５に示すような相関図、又は上記式（１）或は（２）に
示す式に基づいて、その時の油中水分量を容易に且つ正
確に求めることができる。

【００２９】更に、本発明の油中水分検知器は、例え
ば、図６に示すような構成にて、自動的に油中の水分量
をディスプレー装置にて表示するか或はプリンタにて印
字して出力することができる。

【００３０】つまり、油中水分検知器は、受光部３、即
ち、フォトダイオード６ａ、６ｂで受光した光量を電気
信号に変換する電子回路を有する。この電子回路として
は、本出願人が提案した特開平４−３２４３２８号公報
に開示されるような、受光部３で検出した光量を周波数
変換する電圧検出回路２１（２１ａ、２１ｂ）を好適に
用いることができる。この電圧検出回路２１について図
６を参照して簡単に説明する。

【００３１】図６は、この電圧検出回路２１の基本構成
を示すブロック図である。本実施例では、受光部３の光
検出器としてのフォトダイオード６ａ、６ｂと直列にコ
ンデンサＣ（Ｃａ、Ｃｂ）を接続し、入射する光の光量
に比例してフォトダイオード６ａ、６ｂから出力される
電流Ｉ_Pa、Ｉ_PbをコンデンサＣａ、Ｃｂに蓄積し、電圧
Ｖ_Ca、Ｖ_Cbに変換する。この充電電圧Ｖ_Ca、Ｖ_Cbを電圧
検出回路２１（２１ａ、２１ｂ）で検出して予め設定さ
れた基準電圧と比較し、充電電圧が基準電圧に達する
と、電圧検出回路２１ａ、２１ｂは出力信号レベルを変
化させる。この信号レベルの変化により、コンデンサＣ
ａ、Ｃｂに蓄積された電荷を放電させ、再びこのコンデ
ンサＣにフォトダイオードＰＤからの出力電流Ｉ_P の蓄
積を開始させる。このようにして、電圧検出回路２１
ａ、２１ｂからは、受光部が受光した光強度に応じた周
波数信号が出力される。

【００３２】このようにして光量に応じて変換された電
圧検出回路２１からの各周波数信号は、演算計測手段２
２にて上記式（１）、（２）などにて示される演算式に
基づいて演算処理され、油中水分量に応じたパルス数に
変換される。演算計測手段２２からのこの出力パルス
は、表示手段２３へと送信され、油中水分量として、デ
ィスプレー装置にて表示されるか、或はプリンタにて印
字して出力される。所望に応じて、表示手段２３には警
報装置を備え、油中水分量が規定量となった時、警報を
発するように構成することも可能である。

【００３３】図７及び図８には、本発明の他の実施例で
あるポータブルタイプの油中水分検知器の構成が示され
る。この実施例によれば、油中水分検知器は、検出部１
００と本体部２００とからなり、検出部１００は一対の
細長のロッド１００Ａ、１００Ｂを備えており、その長
さは用途に応じて任意に設定し得る。例えば１〜２ｍな
どとすることもできる。又、ロッド１００Ａ、１００Ｂ
の先端部にはそれぞれセンサヘッド１０１Ａ、１０１Ｂ
が設けられている。一方のセンサヘッド１０１Ａは、石
英ガラスのような透明材料で作製された中空管セル１ａ
が配置され、この中空管セル１ａの軸線に直交する方向
にＬＥＤのような第１の測定光源４ａを有した投光部
と、フォトダイオードのような光検出器６ａを有した受
光部とが対向して配置されている。又、他方のセンサヘ
ッド１０１Ｂには、同じく、石英ガラスのような透明材
料で作製された中空管セル１ｂが配置され、この中空管
セル１ｂの軸線に直交する方向にＬＥＤのような第２の
測定光源４ｂを有した投光部と、フォトダイオードのよ
うな光検出器６ｂを有した受光部とが対向して配置され
ている。本実施例の油中水分検知器は、そのセンサヘッ
ド１０１Ａ、１０１Ｂを油中に浸漬することにより、油
が各中空管セル１ａ、１ｂの中へと供給される。

【００３４】本体部２００には、図６にて説明したよう
な電圧検出回路２１（２１ａ、２１ｂ）、演算計測手段
２２、表示手段２３、その他の電子回路部品が配置され
ており、電源スイッチ２０１を操作することにより、表
示手段２３としてのディスプレー装置の窓２０２に、油
中水分量が表示される。

【００３５】本発明に使用する上記各実施例における中
空管セル１は、投光部からの特定波長帯の近赤外光、即
ち、１．４５μｍ及び０．９５μｍの光線を通過させ得
るものであれば、任意の材料を使用し得るが、上述した
石英ガラスの他に、ＦＥＰ（四弗化エチレン−六弗化プ
ロピレン共重合樹脂）のような上記近赤外光に対して極
めて透過性の良い（ガラスと同程度）フッ素樹脂などに
て作製することができる。中空管セル１としては、外径
２〜１０ｍｍ、内径１〜８ｍｍの円形中空管が好適であ
る。

【００３６】なお、上記実施例では中空管セルを用いた
が、本発明のセルは中空管セルに限定されるものではな
く、透明又は半透明平行板、赤外分析用ガラスセル、赤
外分析用透明プラスチックセルなどのセルも使用するこ
とができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の油中水分
検知器は、透明なセルと、セルの片側に配置された投光
部と、セルの他の側に前記投光部と対向して配置された
受光部とを備え、セルに測定すべき油を供給し、受光部
の光量を測定することにより油中の水分量を検知するこ
とのできる油中水分検知器において、投光部は、波長域
が１．３〜１．６μｍの光を発する第１の測定光源と、
波長域が０．８５〜１．１μｍの光を発する比較用の第
２の測定光源とを有する構成とされ、特に、第１の測定
光源は水分量に関する情報を得るのに使用し、第２の測
定光源は、前記水分量に関する情報に含まれるベースラ
インの変動に関する情報を得るのに使用して油中水分量
を測定するようにしたので、簡単な構成で、正確に油中
の水分量を測定することができるという効果を奏し得
る。

【００３８】また、本発明の油中水分量の測定方法は、
測定すべき油の、波長域が１．３〜１．６μｍの第１の
光の吸光度と、波長域が０．８〜１．１μｍの第２の光
の吸光度との差から、前記測定すべき油中の水分量を決
定する方法とされ、特に、予め測定しておいた前記測定
すべき油と水分量との相関と比較することにより、油中
の水分量を決定するようにしたので、簡単に、正確に油
中の水分量を測定することができるという効果を奏し得
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の油中水分検知器の一実施例の概略構成
を示す図である。

【図２】従来の水分検知器の概略構成を示す図である。

【図３】近赤外分光光度計で採った種々の水分量の水を
含んだ油圧作動油のスペクトル図である。

【図４】油の劣化と吸光度と波長との関係を示す図であ
る。

【図５】本発明の油中水分検知器にて得られる油中水分
量と吸光度差との相関を示す図である。

【図６】本発明の油中水分検知器の電子回路構成の一実
施例を示すブロック図である。

【図７】本発明の油中水分検知器の他の実施例の概略構
成を示す正面図である。

【図８】図６の油中水分検知器の側面図である。

【符号の説明】

１セル２投光部３受光部４ａ第１の測定光源４ｂ第２の測定光源６（６ａ、６ｂ）光検出器２１電圧検出回路２２演算計測手段２３表示手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明なセルと、セルの片側に配置された
投光部と、セルの他の側に前記投光部と対向して配置さ
れた受光部とを備え、セルに測定すべき油を供給し、受
光部の光量を測定することにより油中の水分量を検知す
ることのできる油中水分検知器において、投光部は、波
長域が１．３〜１．６μｍの光を発する第１の測定光源
と、波長域が０．８〜１．１μｍの光を発する比較用の
第２の測定光源とを有することを特徴とする油中水分検
知器。
【請求項２】投光部は、中心波長が１．４〜１．５μ
ｍの光を発する第１の測定光源と、中心波長が０．９〜
１．０μｍの光を発する比較用の第２の測定光源とを有
することを特徴とする請求項１の油中水分検知器。
【請求項３】第１の測定光源は、中心波長が１．４５
μｍ±０．０３μｍの光を発する発光ダイオードであ
り、第２の測定光源は、中心波長が０．９４μｍの光を
発する発光ダイオードである請求項１の油中水分検知
器。
【請求項４】第１の測定光源は水分量に関する情報を
得るのに使用し、第２の測定光源は、前記水分量に関す
る情報に含まれるベースラインの変動に関する情報を得
るのに使用する請求項１、２又は３の油中水分検知器。
【請求項５】セルが中空管セルであることを特徴とす
る請求項１、２、３又は４の油中水分検知器。
【請求項６】測定すべき油の、波長域が１．３〜１．
６μｍの第１の光の吸光度と、波長域が０．８〜１．１
μｍの第２の光の吸光度との差から、前記測定すべき油
中の水分量を決定することを特徴とする油中水分量の測
定方法。
【請求項７】測定すべき油の、波長域が１．３〜１．
６μｍの第１の光の吸光度と、波長域が０．８〜１．１
μｍの第２の光の吸光度との差を測定し、予め測定して
おいた前記測定すべき油と水分量との相関と比較するこ
とにより、前記測定すべき油中の水分量を決定すること
を特徴とする請求項６の油中水分量の測定方法。
【請求項８】第１の光の波長域が１．４〜１．５μｍ
であることを特徴とする請求項６又は７の油中水分量の
測定方法。