JPS6024421B2 - 螢光測定器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背景〕 この発明は深海で使用する蛍光測定器に関する。

この種測定器の基本構造は簡単で、船上の電源と種々の
メーターおよび例えば１０００のにもおよぶケ−プルを
その先に取り付けられた蛍光測定用の水中装置からなる
、水中装置は発信部と受信部とからなり、発信部から光
をパルス的に発して、水中のバイオプラズマや水中のあ
る種の成分における鞍光物質を励起して測定する。

あるいは、水の流れを調査する場合などは、トレーサー
として水中に流した蛍光物質の発光を測定する。基本構
造は簡単であるが、実際の使用上では様々な問題がある
。

例えば船上の電源は定電圧であるが、１０００メートル
ものケーブルを経た後の水中装置では電圧が不足したり
、あるいはケーブルの長さ１こよって電圧が変動するな
どして正確な測定結果を得られない。また、如何に高感
度にするかと同時に如何に水面下における日光の影響を
排除するかも大きな問題であったが、これはシリコンダ
イオードの開発で解決された。

しかし、このような改良で問題が払拭されたわけではな
い。

フオトダイオードを水中光に濠らすと多量のノィスが生
ずる。このノイズは一定しておらず目的とする蛍光から
の測定結果と入り混つて判別が困難となる。このような
ノイズはフィルターを用いるだけでは除去できず、また
、鞍光剤を多量に用いて信号強度を強めるには多額の費
用を要する。さらに、今一つの問題は、従来のこの種、
測定装置ではフオトダィオードからの受信電圧のピーク
を用いて受信信号を作っていることである。

水中では光源として閃光ランプを用いたりするが、この
光源のパルス発光は強度が受信側においてまちまちにな
るのである。また、従来の信号発生機構では用いる対数
曲線の直線部分が曲線部分にくらべて短かく、船上の機
器に送られる信号は不正確であり、コンビユー夕を用い
て修正しなければならない程である。

これは、水中装置の状況に応じて船上装置の再調整が必
要なことを意味している。 Ｚこの種の装
置では、作動の安定性も重要であり、正確な零点保持が
必要である。〔この発明の構成〕 電圧中心の検出方法をできるだけ電流中心方法へ切換え
ることが基本姿勢である。

電源は定電圧Ｚではなく、定電流とする。水中装置も定
電流型とし、ケーブルの長さから生じる問題を解決する
。フオトダィオードが発生するピーク電圧にかえて、パ
ルス光を受信中のフオトダィオード‘こおける電流の積
分値を利用し、これにより、信号処理に充分な電流量を
得て結果的に感度を向上し、また、精度を向上する。フ
オトダィオードが光パルスを受け、これによる電流が積
算されるとゲートスイッチを介してピーク検出器に伝達
され、ここで積算結果の最高値が記憶される。

この場合積分器の電流はピーク検出器に、光源のパルス
と同期して断続する伝達スイッチによって伝達される。
ピーク検出器にこのようなゲートを設けることで光のパ
ルスが発せられないパルス間における無用なノイズのと
り込みを防止する。このようにして感度を上げ蛍光剤を
節約する。ピーク検出器に記憶されたフオトダィオード
鴎流のピーク値は、応答に充分な時間間隔をとってアン
プに入力され、対数信号が作成される。

このようにすると、対数アンプを大きな動作レンジで作
動させることができる。本発明ではフオトダィオード電
流の積分値の最高値を受けるので動作は従来と〈らべて
１０００の苦の正確さとなる。前記で得られた信号は、
ついでサンプル回路に導かれ、最終的な信号が得られる
。この信号は、この段階で電圧の形をとつているが、電
圧−電流コンバータ−を得て電流形とされてから、水中
袋鷹より船上の測定器に伝達される。以下、実施例を示
す添付図を参照して本発明を開示する。

第１図はこの発明による水面下用蛍光測定器の全体を示
している。

水中装置は本質的には、蛍光を励起するために光パルス
放射を発生するプロジェクターュニットＰＵと、水中の
励起された蛍光物質から放出される蛍光放射を、その場
合活性プラズマであろうと或いは既に水中にある他の材
料であろうと、或いは水中に導入された発蛍光トレーサ
ー材料であろうと受信するレシーバーユニットＲＵとか
ら構成される。水面下装置は外側舷側ケーブルＣによっ
て舷側の船上ユニットＯＵに接続されている。前記ケー
ブルは１０００メートルの単位の長さになることがある
。舷側の船上ユニットＯＵは定電流エネルギー供給部、
水中装置によって信号が受信され且つ表示される測定器
、エネルギースイッチ及びゼロ試験に使われるオフセッ
ト・コントロールスイッチを含む。第２図は船上ユニッ
トＯＵの内部の回路を示す。

既に示したように船上ユニットは２４ボルトのバッテリ
ーに接続されている。バッテリー電圧はノイズフィルタ
ー、二つのヒューズ、二極エネルギースイッチ俺を介し
てＤＣ−ＤＣ変換器に接続されている。ＤＣ一ＤＣ変圧
器の入力のダイオード回路‘ま、偶然のバッテリー戦辛
誤用から変換器を保護する。変換器の出力は、４５ボル
トの最大電圧において２００ミリアンベアの定電流であ
る。エネルギースイッチＰＳが入っていて且つ変換器が
完全に作動する場合には、第一の発光ダイオードＬＥＤ
Ｉが発光する。これは船上の人間に、定電流源が完全に
作動していることを表示する。定電流源の出力はゼロ試
験スイッチＺＣとノイズフィルターとを介して、ケーブ
ルＣによる水中ユニットへの２００ミリアンベアの供給
電流の伝達のために図示の四極のプラグの第三及び第四
の端子に与えられる。ゼロ試験スイッチＺＣの目的は更
に説明されるが、本質的には、水中ユニットに供聯合さ
れるエネルギーの極性をゼロ試験用として逆転させるた
めに使用することにある。ゼロ試験スイッチＺＣをゼロ
試験のために図示していない位置に切換えると、発光ダ
イオードＬＥＤ２が、今ゼロ試験が実施されることを示
すべく発光する。４極コネク外まその第一及び第二のピ
ンにケーブルＣを介して水中レシーバーユニットＲＵか
ら伝達された信号を受けとる。

この信号は一つの電流であって、電圧ではなく、０〜１
ミリアンベアの範囲である。受信された信号は／ィズフ
ィルターを介して信号表示装置ＭＳＩに与えられ、この
装置上で受信された信号が表示される。表示装置ＭＳＩ
を介しての５キロオームの分路（ｓｈ皿ｔ）抵抗には３
極端子の第一及び第二ピンを介して連結され、これによ
って出力電圧を利用可能にする。該出力電圧は０−５ボ
ルトの範囲にあり、たとえばレコーダ或いは類似の器機
に与えることができる。伝達されるエネルギーも受信さ
れた信号も電流であって電圧ではないことを強調しなけ
ればならない。

即ちエネルギー供給は定電流源の形態をしており、受信
された信号はケーブルＣを通じて水中ユニットによって
電流として伝達されるためケーブルＣの長さに制限され
なくなる。第３図はプロジェクターュニットＰＵの内部
回路を示す。

第３図の右の部分に示すように、２００ミリアンベアの
定電流１が前記二つの端子に供給され、ノイズフィルタ
ーと整流器Ｃｒｌを介してシャントレギュレータに与え
られる。このシャントレギュレータは基準電圧ユニット
ＶｒｅｆとトランジスターＱ２を含んでいる。トランジ
スターＱＩと、可変抵抗とッェナーダィオードとべ−ス
抵抗を含む定電流源は定電流をＤＣ−ＡＣコンバータに
供給する。コンバータの出力電圧は倍電圧段Ｃ，〇，Ｄ
″によって倍圧される。このように倍圧された電圧は、
コンデンサＳＣに充電するために充電抵抗ＣＲを介して
使用される。コンデンサを経由する電圧は電圧センサに
よって監視される。コンデンサＳＣの電圧が予め定めら
れた値に達したとすると、電圧センサは変圧器Ｔｒ２を
介してＳＣＲに点弧し、ィグニツション変圧器Ｔｒｌの
一次巻線を介して点弧コンデンサＦＣから放電される。
変圧器Ｔｒｌの二次巻線を介して生じた電圧衝撃が閃光
放電ランプの放電開始電極に印放される。閃光放電ラン
プは強力な閃光すなわち光パルスを生じる。放電の直後
コンデンサＳＣは再びその公称値に達する迄充電される
。この充電はおよそ１００ｈｓ続き、更にもう一つのこ
の種の高強度の閃光が送出される。従って光パルス繰返
し周波数は１０ヘルツである。閃光ランプの放電電流は
表示用コイルによって捕捉される。該表示用コィルは単
安定フリップ・フロップを開始させる。単安定フリツブ
・フロツブの出力信号は変圧器Ｔｒ３に与えられ、該変
圧器の出力信号は今やレシーバーユニットＲＵのための
ゲート信号として使われる。このゲート信号の使用につ
いて以下に記載する。通常の運転の最中にゼロ試験スイ
ッチＺＣは、第２図に示すような位置にある。

定電流１の電圧極性は図示のように第３図のプロジヱク
ターュニットの入力に与えられる。ゼロ検査のためには
スイッチＺＣが他の位置に切り換えられ、第３図のプロ
ジェクターュニットＰＵに与えられる定電流の極性が反
転される。この極性反転は定電流源・トランンジスタ−
ＱＩを非導電性にするので、ＤＣ−ＡＣコンバータは、
コンデンサＳＣに再び充電するのを妨げる。入力電流は
フリツプ・フロップのモード制御入力に与えられる。フ
リップ・フロップは供Ｖ給電圧の樋性反転に応じて単安
定モードから非安定又は自走モ−ド‘こ切り換わり、通
常動作を表わす周波数の出力パルスを発生する。

これに対応して変圧器Ｔｒ３は、通常動作を表わすゲー
トパルスを発生する。この通常動作を表わすゲートパル
スはしシーバーュニットＲＵに供給されるので、実際の
光パルスによらずにレシーバーユニットのゼロ試験を実
施することができる。

光パルスが放射されない場合には、出力信号はゼロでな
ければならない。第４ａ図及び第４ｂ図はしシーバーュ
ニツトＲＵの内部回路を示す。第４ａ図の右側で演算増
幅器Ａ６の出力信号が第４ｂ図の抵抗Ｒ１４の左の端子
に伝達される。第４ｂ図下右から始めると、２００ミリ
ァンベアの定電流１がノイズフィルターを介して抵抗Ｒ
２３と整流器Ｐ【２に供給されることが判る。

次に一つのトランジスターＱＩ１とＱ１２から構成され
るシャントレギュレータと二つの電圧基準要素Ｖｒｅｆ
ｌ，Ｖｒｅｆ２に供給される。このシャントレギユレー
タはしシーバーユニツト回路の残りの十１５ボルトと一
１５ボルトの動作電圧を供給し、同じく回路のための０
電圧或いは基準電圧を確立する。更に第４ｂ図の上では
第３図のプロジェクターュニツトの変圧器Ｔｒ３の出力
から出るゲート信号が受信され、別の変圧器を介して制
御論理回路は原理的にはタイマーで、このタイマーは以
下に説明される四つの制御信号Ｓ十日，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ
３を発生する。

第４ａ図の左から始めると、ＰＤはシリコンフオトダイ
オードを示している。

フオトダイオード電流は積分器に与えられる。パルス測
定中、積分されたフオトダイオード電流はリセット可能
なピーク検出器に供給される。ピーク検出器の記憶され
た出力信号は対数増幅器に与えられる。対数増幅器の出
力信号はサンプリングおよび保持回路に与えられる。後
者によって保持されたパルスによる信号は、アダプタ段
に送られる（第４ｂ図参照）。該アダプタ段は所定の測
定範囲及びゲインに予め設定される。次にこの信号は一
つの電流に変換されて、０−１ミリアンベアの範囲をも
つ電流としてケーブルＣによって船上にあるユニットＯ
Ｕ‘こ送られる。第４ａ図に示した受信回路の各部は予
備（特受け）の状態にあるところを示したもので、パル
ス測定動作の中間にある。

予備の状態ではスイッチＳＩ−Ｓ５は図示の位置にある
。リセットされるピーク検出器のスイッチＳ２が図示の
閉ざされた位置にある場合には、ピーク検出器が簡単な
電圧伝達回路として働く。対数増幅器の演算増幅器の出
力電圧は分圧器ＲＩＯとＲＩ１、抵抗Ｒ９、スイッチＳ
３を介して自動バランス回路の一部を構成する演算積分
器ＡＩ０，Ｃ３，Ｒ５，Ｒ６に与えられる。この積分器
の出力であるバランス電圧は演算増幅器ィンバータＡ９
，Ｒ２，Ｃ３，Ｒ３，Ｒ４に与えられる。後者の反転さ
れた出力電圧は自動バランス回路の出力として、スイッ
チＳＩを介してピーク検出器の入力に導かれる。ピーク
検出器の充電用ダイオード○２が閉じたスイッチＳ２に
よって短絡されているので、この瞬間におけるピーク検
出器は簡単な電圧伝達回路として働く。演算増幅器Ａ２
の出力の電圧は演算増幅器Ａ３を介して対数演算増幅器
Ａ４の反転入力に与えられる。演算増幅器の十４ボルト
の出力電圧のために分圧器ＲＩＯとＲＩＩの可変抵抗Ｒ
ＩＩは、分圧器タップが無電圧になり、従って、積分器
ＡＩ０，Ｃ３，Ｒ５，Ｒ６に対する入力電圧が定格上も
ゼロロになるように設定され自動バランスが得られる。
このようにして、予備状態の後実際の測定が開始されか
つスイッチＳ，一Ｓ３が他状態に切換えられると、演算
増幅器Ａ２，Ａ３及び対数増幅器の入力におけるオフセ
ット及びドリフト誤差が、除去される。第３図のプロジ
ェクターユニツトから光パルスが放出される場合には、
第３図の変圧器Ｔｒ３の出力にゲート信号が発生される
。

この信号は制御論理回路のコントロールの入力に印加さ
れる（第４ｂ図）。談論理回路は次にスイッチＳＩ，Ｓ
２，Ｓ３と第４ａ図のサンプリングおよび保持回路の二
つのスイッチＳ４及びＳ５を切換えるためにコントロー
ル信号Ｓ＋日，ＳＩ，Ｓ２，Ｓ３を生じる。無論これら
のスイッチは電子的スイッチとすることができる。第５
図は、スイッチＳＩ−Ｓ５の切換えならびに予備状態へ
の復帰のタイムチャート及びフオトダィオード電流積分
器の増幅器ＡＩの出力信号を示す。

スイッチＳＩ−Ｓ３すべてが同時に作動位置に切り換わ
る一方でサンプリングおよび保持回路のスイッチＳ４，
Ｓ５はまだ切り換わらないことに注意されたい。増幅器
ＡＩの出力の積分されたフオトダィオード電流の信号は
、図示のように、極めて鋭く上昇してから降下を開始し
て、や）緩やかになる。積分されたフオトダィオード電
流信号の到達ピーク値はゲート用スイッチＳＩのゲート
区間内で上昇する。増幅器ＡＩの出力の積分されたフオ
トダィオード電流信号はゲートスイッチＳＩを介してリ
セット可能のピーク検出器Ａ２，Ａ３，Ｃ２，Ｄ１，Ｄ
２に印加される。

積分されたフオトダィオード電流信号によって達成され
たピーク値はコンデンサＣ２に充電されて、スイッチＳ
２が開いているかぎり記憶される。第５図から明らかな
ように、ゲート用スイッチＳＩが１０マイクロ秒の間だ
けしか開いていないにも拘らず、スイッチＳ２はその時
間以上、即ちその後１０９０マイクロ秒の間闘いたまま
でいることが判る。すべてのスイッチのうち予備の位置
に戻るスイッチはスイッチＳ３であることは明らかであ
る。

パルス測定の開始に際してＳ３は低い位置にきて、分圧
器ＲＩ０，ＲＩＩのタップの無電圧から積分器ＡＩＯの
入力を遮断して、その代りに事実上の無電圧と結合する
。従って、どんな出力電圧が予備の期間の最中自動ゼロ
点設定操作の終りに演算増幅器Ａ９に得られようとも、
その出力電圧はパルス測定中演算増幅器Ａ９の出力で一
定にとどまる。今ピーク検出器コンデンサＣ２に記憶さ
れている、積分されたフオトダィオード電流信号のピー
ク値はピーク検出器の演算増幅器Ａ３を介して対数増幅
器Ａ４，Ｒ７，Ｒ８の入力に与えられる。対数増幅器の
演算増幅器Ａ４は今通常の態様の負帰還分岐に真数変換
要素をそなえている。既に示したように、積分されたフ
オトダィオード電流の検出されたピーク値がＣ２によっ
て記憶されている。何となればスイッチＳ２は開いてい
るからである。即ちスイッチＳＩの開閉インターバル自
体より遥かに長い時間の間である。これによって積分さ
れたフオトダィオード電流信号の記憶されたピーク値が
対数増幅器に印加されることができる。即ち対数増幅器
が対数にすべき信号に完全に感応するために必要とする
時間にわたりピーク値が該対数増幅器に印加される。対
数増幅器が感応するために要する時間を得た後、該増幅
器がその出力を積分されたフオトダィオード電流信号の
対数的表現として出したあとで始めて、即ちゲートスイ
ッチＳＩの１０マイクロ秒ゲート期間が終ったのちの９
９０マイクロ秒で対数信号がサンプリングおよび保持回
路によって受けつけがれる。

即ちその後にのみスイッチＳ４，Ｓ５がその図示してい
ない位置に切換わる。スイッチＳ４とＳ５は１００マイ
クロ秒の間の区間に対する図示していない位置をとる。
この区間は、積分されたフオトダィオード電流信号の対
数表現が完全に引きつがれたことを確認するのに充分で
ある。その後スイッチＳ４，Ｓ５はそのもとの位置に復
帰する。記憶された信号は今コンデンサＣ４によって常
に保持される。積分されたフオトダィオード電流信号の
ピーク値の記憶された対数表現はアダプタ段Ａ７，Ｒ１
４一Ｒ１７，Ｄ３，Ｄ４によって電流電圧変換器Ａ８，
Ｒ１８−Ｒ２２に伝送される。

該変換器は積分されたフオトダィオード電流信号の対数
ピーク値を信号電流の形に転換する。この信号電流はノ
イズフィルターを介してケーブルＣに与えられ、電流の
形にして船上ユニットＯＵに伝送される。アダプタ段Ａ
７，Ｒ１４−Ｒ１７の「ゲイン」と「測定範囲切換え」
は予め設定できるので、対数増幅器の入力の四つの十進
領域に対してケーブルＣを介して導かれる出力信号電流
が０−１ミリアンベアの範囲をもっている。この出力電
流信号は０‐郷の外部ループ抵抗と無関係である。対数
増幅器の入力電圧と、ケーブルＣに導入される出力電流
信号との間の伝達関数は第６図に示してある。前記の要
素のおのおのか或いは二つ又はそれ以上を一緒にして他
の開閉回路型及び、前記の型とは異なる構造に有効に使
用することも可能であることは当然のことである。

この発明が、現場形蛍光測定器の深海水面下の特殊型の
体現として記載されたが、前記のものに限定したわけで
はない。

何となれば、本質的に水中測定技術において環境工学及
び気象学において利用できるこの発明の本質と思想から
はなれないでいくつかの変形例が実施可能であるからで
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は蛍光測定器の概略図、第２図は船上に設けられ
た、蛍光測定器の電流供給と測定ユニットの内部回路を
示し、第３図は蛍光測定器の水中プロジェクターュニッ
トの内部回路を示し、第４ａ図と第４ｂ図は、蛍光測定
器の水中レシーバーユニットの内部回路になる、唯一の
ダイヤグラムの左右半分を示し、第５図は、レシーバー
功換回路内部のスイッチの回路と位置の変更の時限を示
すタイムチャートを示し、第６図は回路の対数化器の入
力と外側船上ケーブルへの入力結合部との間の受信器回
路の伝達関数を示す。 ．第１図 第４ｂ図 第６図 図 Ｎ 船 図 ｍ 船 図 寸 蛇 図 町 船

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水中で使用する蛍光測定器であつて、 水中の装置
   には、蛍光物質を励起する放射光をパルス的に発射する
   プロジエクターユニツトおよび、これと協働し前記の励
   起の結果放出された蛍光を受け入れ、これを測定し、結
   果を増幅して出力するレシーバーユニツトを備え、 船
   上の装置には、電源および測定ユニツトを備え、 そし
   て、これら、船上および水中の両装置を電気的に接続し
   て、水中装置に電力を供給し、水中装置からの出力信号
   を船上装置に伝達するケーブルを備えた構成であり、ａ
   レシーバーユニツトは受信回路を、プロジエクターユ
   ニツトは放射光をパルス的に発生する発信回路を備え、
   また、船上の電源および測定ユニツトが前記受信回路と
   発信回路を作動するために、ケーブルを通じて一定な電
   流量を送る定電流電源を備えており、ｂ 船上の電源お
   よび測定ユニツトは、測定器を備え、受信回路は、検出
   した蛍光量に応じた出力信号を電流の形で発生し、この
   信号をケーブルを通じて前記測定器に伝達するものとし
   ており、その際、水中装置の回路を動作させるのが、船
   上の定電流電源であることにより、また、レシーバーユ
   ニツトによる出力信号の伝達も電流の形で行なわれるこ
   とにより、前記両装置をつなぐケーブルの長さ変化につ
   いて考慮する必要を無くし、ｃ 受信回路が； プロジエクターユニツトからのパルス放射光で励起さ
   れた蛍光を受光する、フオトダイオード、 フオトダイ
   オードにおける発生電流を積分し、積分フオトダイオー
   ド電流信号を得るための、積分回路、 積分フオトダイ
   オード電流信号のピーク値を決定し、積分フオトダイオ
   ード電流信号それ自体のピーク時を通過してもなお持続
   する、保持積分フオトダイオード電流ピーク値を得るた
   めの、ピーク検出装置、 フオトダイオードとピーク検
   出装置間の信号伝送路に接続され、信号の伝達を断・続
   する、ゲート装置、 放射光パルス発生回路による放射
   光の発射と同期させて、短時間、ゲート装置を信号伝達
   モードとする、同期装置、 保持積分フオトダイオード
   電流ピーク値信号を受信し、これから対数積分フオトダ
   イオード電流ピーク値信号を作成する、対数増幅装置、
   対数積分フオトダイオード電流ピーク値信号をサンプ
   リングし、保持するものであつて、サンプリングはゲー
   ト装置の信号伝達区間の後で、対数増幅装置が、積分フ
   オトダイオード電流ピーク値信号を受信するのに充分な
   時間を得てそのピーク値が決定された後に行なわれ、そ
   の結果の信号が、この装置に保存電圧の形で維持される
   、サンプリングおよび保持装置、 サンプリングおよび
   保持装置に維持された電圧を受け、これに対応した電流
   を作成するものであつて、この電流がケーブルを通じて
   船上の測定器へ送られることとなる、電圧−電流変換装
   置。 および、 ゲート装置による信号伝達開始と、サンプリングおよ
   び保持装置によるサンプリング作動との間で、バランス
   信号をピーク検出装置の入力側に付加して、ピーク検出
   装置や対数増幅装置で生じる変位や変動を阻止するため
   のものであつて、連続するパルス測定作動の間で、対数
   増幅装置の出力信号から作成された信号をピーク検出装
   置の入力側にフイードバツクすることで、前記バランス
   信号を得るよう作動する、自動バランス装置、 からな
   ることを特徴とした、 以上の構成からなる、蛍光測定器。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の蛍光測定器において、
   前記サンプリングおよび保持装置と前記電圧−電流変
   換装置との間に、「ゲイン」および「測定範囲切換」を
   行なうアダプター装置が配設されるもの。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の蛍光測定器において、
   前記積分回路の出力と前記ピーク検出装置の入力との
   間にゲート装置を有するもの。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の蛍光測定器において、
   前記ピーク検出装置が、電荷記憶コンデンサ、入力増
   幅器、および充電用整流器を有し、前記電荷記憶コンデ
   ンサが入力増幅器の出力から充電されること、 前記自
   動バランス装置が、前記対数増幅装置の出力と前記ピー
   ク検出装置の入力との間に接続された積分回路と、信号
   の発生している間に前記充電用整流器を短絡して、前記
   ピーク検出装置を単純な電圧伝達作動にするための手段
   と、を有する蛍光測定器。