JPS6237333B2 - - Google Patents

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JPS6237333B2
JPS6237333B2 JP56146482A JP14648281A JPS6237333B2 JP S6237333 B2 JPS6237333 B2 JP S6237333B2 JP 56146482 A JP56146482 A JP 56146482A JP 14648281 A JP14648281 A JP 14648281A JP S6237333 B2 JPS6237333 B2 JP S6237333B2
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JP
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temperature
fluid
light
probe
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JP56146482A
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Ruisu Haamaa Aran
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Stanley Electric Co Ltd
Original Assignee
Stanley Electric Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS5784337A publication Critical patent/JPS5784337A/ja
Publication of JPS6237333B2 publication Critical patent/JPS6237333B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/43—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
    • G01N21/431—Dip refractometers, e.g. using optical fibres

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  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は単一式光学的探査子（ゾンデ）装置に
固有の負の温度依存誤差よりも代数学的に大なる
温度依存誤差を生じさせる（これにより、必要に
応じてほぼ完全な温度補正、またはある程度の過
剰補正が可能となる）ように構成した、所定の基
準温度の場合に換算された流体の屈折率を測定す
るための二重式光学的探査子装置に係わる。
〔従来技術、および発明が解決しようとする問題点〕
流体の屈折率を測定する種々の屈折計がすでに
公知であるが、その多くは臨界角（流体の屈折率
に従つて変動することが知られている）に於ける
反射及び屈折現象を利用するものである。簡単さ
と精度を巧みに両立させる測定装置である液浸屈
折計もその１例である。この液浸屈折計には多重
的な内部反射により装置入口から装置出口へ光を
搬送することによつて被測定液の屈折率を反映す
る屈折光路を発生させるようにこの液体中に浸漬
される光導構造から成る単一式光学的探査子が含
まれる（この光導構造は例えば透明ロツド端にプ
リズムを取り付けたような構造、または単なる透
明ロツドが適当に湾曲させたオプチカル・フアイ
バーのような構造などで構成することができ
る）。従つて、液浸屈折計の光学的探査子の出口
まで伝達される光量は被測定液の屈折率を反映す
るから、該出口まで伝達される光量を測定するだ
け屈折率を得ることができる。このため、この種
の液浸屈折計の光学的探査子出口には該出口から
射出する光量に対応する電気信号を発生させる光
電変換器を設けるのが普通であり、求めるべき屈
折率を直接読み取ることができるように屈折率の
単位で較正されている適当な表示手段に前記電気
信号が送られる（この表示手段の較正は一定基準
温度に於ける屈折率値が正確に判つている標準液
を利用して、一定基準温度に於いて公知の態様で
行われる）。
ところが、ほとんどいかなる液体もその屈折率
n1が温度上昇に伴なつて約−２×10-4／℃ないし
−６×10-4／℃の温度係数dnL／dTに従つて低下
することが知られている。従つて、所与の液体の
屈折率の測定に関して得た実際的な研究結果に照
らして、実測温度Ｔに関係なく、前記実測温度Ｔ
に於いてこの液体が示す屈折率実測値ｎLではな
く、一定基準温度T0（一般的には周囲温度）の
場合に換算されたこの液体の屈折率を測定するこ
とができる。所与の液体の屈折率測定によりこの
液体の屈折率と関連のある他の特性Ｑを測定する
場合などに利用できるのは多くの場合一定基準温
度T0に換算された屈折率値ｎL0である（即ち、
前記特性Ｑと屈折率との間に相関性が成立するの
は利用者が原則として知つているように基準温度
T0に於いてのみである）。一定基準温度T0の場合
に換算された液体屈折率ｎL0測定の特に有利な応
用例として、例えば鉛蓄電池のような電気エネル
ギー蓄積装置の充電状態Ｑの測定を挙げることが
でき、充電状態Ｑと周囲温度T0（T0を20℃とす
る）に於ける電解液屈折率ｎL0との間には公知の
相関係が存在する。
所定の基準温度T0の場合に換算された液体の
屈折率ｎL0を測定するのに（上記のような）単一
式光学的探査子形屈折計を利用しても、測定温度
が基準温度と異なる限り（液体の屈折率は必然的
に温度に応じて変動するから）、詳しくは後述す
る理由から大きい負側の誤差を伴なう結果しか得
られない。単一式探査子形屈折計に固有のこの負
側誤差は探査子を構成する透明材料の屈折率が温
度変化にほとんど影響されない場合（例えば屈折
率が大部分の液体の温度係数に比較すればほとん
ど無視してもよい−10-6／℃程度の温度係数を示
すガラスの場合）、被測定液の温度係数とほぼ同
じ−２×10-4ないし−６×10-4／℃程度である
（但し、屈折計の表示手段が基準温度の場合に還
元された屈折率値ｎL0ではなく、測定限度に於い
てその液体が示す実測屈折率値ｎLを表示する場
合）。理論的には探査子を構成する固形透明材料
として、温度係数が被測定液とほぼ同じ屈折率を
有する材料を使用することにより、前記負の誤差
を著しく軽減するか、またはほぼ完全に無くする
ことができる。しかし残念ながら現実にはこのよ
うな固形透明材料は存在しない（温度係数が最も
高固形透明材料であるいくかのプラスチツク材で
もその温度係数はせいぜい１×10-4／℃程度）か
ら、一定基準温度の場合に換算された屈折率の測
定に単一式探査子形屈折計を利用しても、この基
準温度とは異なる測定温度では負の誤差が不可避
であり、いかなる材料を使用しても誤差量は−１
×10-4／℃程度が下限である。
単一式探査子形屈折計を使用しながらもある程
度の温度補正を達成するのに好ましい方法と考え
られて来た方法は補正回路と連携させた熱電対の
ような温度補正手段から成る補助装置を併用する
方法だけであり、この補助装置は前記補正回路が
熱電対により記録される温度に応じて、屈折計表
示手段に送るべき電気信号に必要な補正を加える
ように構成されている。しかし、このような補助
装置の併用には種々の大きい不便が伴なう。例え
ば、補正回路が複雑であること；光学的探査子と
熱電対の熱応答時間ずれ（測定すべき屈折率が経
時変化する場合にはあらたな誤差が加わることに
なる）；熱電対による温度測定が困難な場合があ
ること（例えば電磁干渉が大きい環境に於い
て）、など。
本発明の目的は厳密には単一式光学的探査子形
測定装置に固有の負の誤差よりも正の誤差を発生
させるように構成した、所定の基準温度の場合に
換算された流体の屈折率を測定するための二重式
光学的探査子測定装置を提供することにより、上
記問題点を少なくとも部分的に克服することにあ
る。この解決により、所期の用途に応じてほぼ完
全な温度補正を行う（誤差をほぼ零にする）か、
あるいはある程度の過剰温度補正を行う（誤差を
正にする）ことができる。
〔問題点を解決するための手段〕
そこで本発明は単一式光学的探査子装置に固有
の負の温度依存誤差よりも代数学的に大なる（す
なわち、より正方向へ変位した）温度依存誤差を
生じさせるように構成した、所定の基準温度の場
合に換算された流体の屈折率を測定するための二
重式光学的探査子装置であつて、該装置が それぞれが中間部分を挾んで互いに接続された
入口部分及び出口部分から成る光導体で構成さ
れ、少なくとも前記中間部分が前記流体に浸漬さ
れて前記入口部分から前記出口部分へ光を搬送す
ることにより、前記流体の屈折率に従つて線形に
変化する光量を前記出口から射出させるようにし
た第１及び第２光学的探査子と、 前記入口部分のそれぞれに一定の光量を入射さ
せるように前記第１及び第２探査子の前記入口部
分に連携させた少なくとも１つの光源と、 前記出口部分からそれぞれ射出する光量の差に
対応する合成信号を発生させるため前記第１及び
第２探査子の前記出口部分に連携させた手段、 を具備し、前記第１及び第２探査子の前記中間部
分を、その幾何学的構成に関しては流体の屈折率
変動に対するそれぞれの感度m1及びm2がm1＞m2
の関係となるように選択する一方、構成材料に関
してはこの流体の温度変化に対するそれぞれの見
かけ感度（sensibilite′s apparentes
respectives）q1及びq2がq1＜q2の関係となるよ
うに選択することにより、前記探査子の出口で発
生する前記合成信号が前記基準温度の場合に換算
された前記流体屈折率を表わす信号を構成するよ
うになつており、このようにして測定された屈折
率はさらに、該基準温度とは異なる温度に関し
て、単一式探査子形装置を使用した場合に生ずる
温度依存誤差よりも代数学的に大なる温度依存誤
差を伴なうようになつていることを特徴とする所
定の基準温度の場合に換算された流体の屈折率を
測定するための二重式光学的探査子装置を提供す
る。
本発明はまた、単一式光学的探査子装置に固有
の負の温度依存誤差よりも代数学的に大なる温度
依存誤差を生じさせるように構成した、所定の基
準温度の場合に換算された流体の屈折率を測定す
るための二重式光学的探査子装置であつて、該装
置が、 それぞれが中間部分を挾んで接続された入口部
分及び出口部分から成る光導体で構成され、少な
くとも前記中間部分が前記流体内に浸漬されて前
記入口部分から前記出口部分へ光を搬送すること
により、前記流体の屈折率の関数として指数関数
的に変化する光量を前記出口部分から射出させる
ようにした第１及び第２光学的探査子と、 前記入口部分のそれぞれに一定の光量を入射さ
せるように前記第１及び第２探査子の前記入口部
分に連携させた少なくとも１つの光源と、 前記出口部分からそれぞれ射出する光量の商に
対応する合成信号を発生させるため前記第１及び
第２探査子の前記出口部分に連携させた手段、 を具備し、前記第１及第測定子の前記中間部分
を、その幾何学的構成に関しては流体の屈折率変
動に関する指数関数におけるそれぞれの指数にお
ける係数K1及びK2がK1＞K2の関係となるように
選択する一方、構成材料に関してはこの流体の温
度変化に対するそれぞれの見かけ感度q1及びq2が
q1＜q2の関係となるように選択することにより、
前記探査子の出口で発生する前記合成信号が前記
基準温度の場合に還元された前記流体屈折率を表
わす信号を構成し、測定された屈折率がこの基準
温度とは異なる温度に於ける屈折率に対して、単
一式探査子形装置を利用した場合の負の温度依存
誤差よりも代数学的に大なる温度依存誤差を伴な
うことを特徴とする所定の基準温度の場合に換算
された流体の屈折率を測定するための二重式光学
的探査子形装置を提供する。
上述した二重式光学的探査子形装置に於いて、
「中間部分を挾んで互いに接続された入口部分及
び出口部分から成る光導体」という一般的な表現
は多重的な内部反射により入口部分から出口部分
まで光を搬送できるあらゆる光学的構造を指す。
即ちこの表現は特に中間部分をプリズム面で構成
した構造（この場合、このプリズム面に接続する
入口及び出口部分を透明ロツドまたはオプチカ
ル・フアイバーのような細長い光導体で構成でき
る）や、全体を（例えば透明ロツドまたはオプチ
カル・フアイバーのような）細長い光導体で構成
した構造など種々の構造を包含する。
上述のような二重式光学的探査子形装置に於い
て、「二重式探査子形装置の各探査子から射出す
る光量の差または商に対応する合成信号を発生さ
せる手段」という一般的な表現は電気的合成信号
を発生させる「光電」手段（この場合、各探査子
からの射出光量を例えば光電変換器のような適当
な手段により対応の電気信号に変換した後、適当
な電子的手段によつてこれらの電気信号の差また
は商を形成する）だけでなく、光学的合成信号を
発生させる純光学的手段（この場合、各探査子か
らの射出光量の差または商を純光学的手段によつ
て形成する）をも包含する。
〔図面を参照しての従来技術および本発明実施例の説明〕
以下従来技術および本発明実施例を略示する添
付図面を参照して本発明の構成、作用効果を説明
する。
第１図ａおよびｂは所定の基準温度T0の場合
に還元された流体の屈折率ｎL0を測定できるよう
に考案された従来技術に基づく２種類の単一式光
学的探査子形装置を示す（これらの従来装置の作
用態様を第２図ａ，ｂのグラフで示した）。第１
図ａ，ｂは測定時の温度Ｔが基準温度T0と異な
る場合に従来形の単一式探査子形装置で行われる
測定にいかなる誤差が伴なうかを示して、以下に
述べる本発明の二重式光学的探査子形装置で測定
する場合の誤差と正確に比較するのがその目的で
ある。
第１図ａに示す装置は底面３及びこの底面３に
対して同じ角度に傾斜させた他の２つの面４を有
するプリズム２から成る単一式光学的探査子１を
含む。屈折率がｎPの透明材料から成るプリズム
２を屈折率がｎLの被測定液５に浸漬する（屈折
率ｎP及びｎLは測定時の温度Ｔに従つて変化す
る）。光学的探査子１はほかに探査子の入口及び
出口として作用するプリズム２の面３にそれぞれ
の一端を固定接続された２つの光導体６，７をも
含む。探査子１の入口部分６の自由端に対向させ
て、探査子１の内部へ一定光量を入射させるため
の光源８を配置してある。探査子１の入口へ入射
する光は被測定液５に浸漬したプリズム２の傾斜
面４で順次２度反射した後、探査子１の出口まで
搬送される。プリズム面で順次生ずる２度の反射
により公知のように、液体５中にこの液体の屈折
率の関数である液体内屈折による光の通過が発生
し、その結果、探査子出口まで伝達された光量Ｉ
も該液体屈折率の関数となる。探査子１の出口部
分７に対向させて該出口部分７からの射出光量Ｉ
を表わす電気信号ｓを発生させるための光電変換
器９を配置してある（変換器９は関係式ｓ＝αＩ
に従つて信号ｓが光量Ｉと正比例するように選択
する：但しαは比例係数）。光電変換器９は所定
の基準温度T0の場合に還元された液体屈折率ｎL
０値を直接表示する表示手段１０に接続している
（この所定の基準温度は例えば20℃と定めた周囲
温度でもよい）。
上記表示を可能にするため、表示手段１０を、
基準温度T0に於ける屈折率値ｎL0が正確に判明
している標準液を利用して直接屈折率の単位で較
正する。この較正は基準温度T0に維持された標
準液の屈折率ｎL0に応じた探査子１によつて伝達
される光量Ｉの変化を示す第２図ａのグラフに於
ける実線Ａからよく理解できるであろう。
（プリズム２によつて構成される）探査子１の
特殊な性質により、伝達される光量Ｉは屈折率ｎ
L0に応じて線形に変動し、このｎL0による光量Ｉ
の変動は下記式で表わすことができる。
Ｉ＝ｆ（ｎL0）＝Ｃ−ｍ×ｎL0 但しＣは定数、ｍは直線Ａの勾配dI／dnL0であ
り、このパラメータｍは被測定液の屈折率変動に
対する探査子１の感度を表わす。
上記装置はこのように較正され、その作用態様
は次の通りである。探査子１のプリズム２を、基
準温度T0の場合に換算された屈折率ｎL0を測定
したい未知の液に浸漬し、探査子１の入口に一定
光量を入射させ、探査子出口から射出する光量Ｉ
を表示手段１０で「ｎL0 aff」値表示する（第
２図ａグラフに示す較正直線Ａを参照されたい。
「ｎL0 aff」値は直線Ａの点Ｏの横軸で示され、
縦軸は測定子を通過した光量Ｉを示す）。この
「ｎL0 aff」値は測定子１及び被測定液５から成
るシステムの温度Ｔが基準温度T0に等しけれ
ば、求める現実値「ｎL0 reel」と一致する。し
かし、システムの温度が基準温度T0に等しくな
ければ「ｎL0」値は求める「ｎL0 reel」とかな
り異なり、基準温度T0に換算した屈折率ｎL0に
対して下記式で表わされる温度誤差Ｅを伴なう。
Ｅ＝ｎＬ０ ｒｅｅｌ−ｎＬ０ ａｆｆ／ΔＴ 但し、ΔＴは測定温度Ｔと基準温度T0の差で
ある。
この温度誤差Ｅは基準温度T0に換算された液
の屈折率ｎL0の変動に対する温度Ｔに於いて測定
子１を実際に通過する光量Ｉの変動を表わす第２
ａ図の直線Ｂ（破線）から容易に計算できる。即
ち、光量Ｉの変動は下記式で表わされる。
Ｉ＝ｆ（ｎL0）＋ｄＩ／ｄＴΔＴ＝Ｃ−ｍ×ｎL0 ＋ｄＩ／ｄＴΔＴ 但しdI／dTは温度Ｔの変動に応じた光量Ｉの
導函数である。
従つて、直線Ｂは較正直線ＡからΔＩだけ並進
させた直線である、即ち、 ΔＩ＝ｄＩ／ｄＴΔＴ 求める現実値ｎL0 reelは従つて第２図ａグラ
フの直線Ｂの点Ｐの横軸で表わされ、縦軸は温度
Ｔに於いて探査子を通過した光量値Ｉを表わすか
ら、誤差Ｅは下記式で表わすことができる。
Ｅ＝ｎＬ０ ｒｅｅｌ−ｎＬ０ ａｆｆ／ΔＴ＝ＯＰ
／ΔＴ OQ＝ΔＴ，OQ／OP＝直線Ａ及びＢの勾配＝
dI／dnL0とすれば Ｅ＝ｄＩ／ｄＴ／ｄＩ／ｄｎＬ０ となる。
探査子１及び液５から成るシステムのパラメー
タに応じたＥ値を求めるためには導函数dI／dT
を計算すればよい。
液体の屈折率ｎLを測定するために考案された
光学的探査子がいかなるものであろうとも、探査
子を通過する光量Ｉは探査子の屈折率ｎPとこの
液体の屈折率ｎLに従つて変化する（屈折率ｎP及
びｎLは前記システムの温度Ｔに依存する）。
即ち、 Ｉ＝ｆ（ｎL／ｎP） ＝ｆ〔ｎL（Ｔ）／ｎP（Ｔ）〕 上述のように液体の屈折率変動に対する探査子
の感度ｍである導函数dI／dnLは下記式で表わす
ことができる（但しｚ＝ｎL／ｎP）： dI／dn＝ｍ＝１／ｎＰ ｄｆ／ｄｚ 温度に対するシステムの依存性を示す導函数
dI／dTは下記式で表わされる。
ｄＩ／ｄＴ＝ｄ／ｄＴｆ〔ｎL（Ｔ）／ｎP（Ｔ）〕 ＝１／ｎＰ〔ｄｎＬ／ｄＴ−ｎＬ／ｎＰ ｄｎＰ／
ｄＴ〕（ｄｆ／ｄｚ） ｑを温度Ｔの変動に対する探査子の感度と呼称
すれば ｑ＝〔ｄｎＬ／ｄＴ−ｎＬ／ｎＰ ｄｎＰ／ｄＴ〕 で表わすことができる。
導函数dI／dT及びdI／dnLが得られたから、上
記誤差Ｅをシステムのパラメータに対して下記の
ように表現することができる。
Ｅ＝ｄｎＬ／ｄＴ−ｎＬ／ｎＰ ｄｎＰ／ｄＴ＝ｑ 以上の説明から明らかなように、液体の多くは
その温度係数dn／dTが個々の液体に応じて約−
２×10-4ないし−６×10-4／℃であるのに対して
固形透明材料の多くはその温度係数dnP／dTが一
般に小さいから、単一式探査子形装置では誤差Ｅ
が常に負である。従つて、このような負の誤差Ｅ
はガラスを構成材料とする単一式探査子形装置に
於いて最大となる（即ち、ガラスの温度係数は
10-6／℃程度であり、液体の温度係数に比較すれ
ば無視しても差支えない）。このような負の誤差
は測定子の構成材料として温度係数の大きいこと
（−１×10-4／℃程度）が知られているある種の
プラスチツク材を使用することでかなり軽減でき
る。それでも負の誤差を軽減できるというだけで
あり（−１×10-4／℃程度の値よりもさらに低く
することはできない）、ゼロにすることは不可能
であり、まして正にすることはできない。
第１図ｂに示す装置は半円形の湾曲部分１２と
その両端の直線部分１６，１７から成るＵ字形オ
プチカル・フアイバーで構成した単一式光学的探
査子１１を具備する。本体が屈折率ｎPの材料か
成るフアイバー１１の湾曲部分１２を屈折率ｎL
の被測定液５に浸漬する（各屈折率ｍP，ｎLは測
定温度Ｔに応じて変化する）。フアイバー１１の
入口部分１６の自由端に対向させてフアイバー１
１の内部へ一定光量を入射させるための光源１８
を配置してある。入射した光はフアイバー１１の
出口部分まで搬送され、公知のように、液体の屈
折率に応じた、湾曲部に於ける屈折光量損失を惹
起し（湾曲弊１２の曲率はこの光量損失が目立つ
ように充分大きく設定する）、フアイバー１１の
出口からの射出光量Ｉもまたこの液体の屈折率に
依存する。フアイバー１１の出口に対向させて、
前記フアイバー１１からの射出光量Ｉに正比例す
る電気信号ｓを発生させるための光電変換器１９
を設ける。光電変換器１９は基準温度に換算され
た被測定液５の屈折率ｎL0を直接表示するための
表示手段２０に接続する。基準温度屈折率を直接
表示できるようにするため、基準温度T0に於け
る屈折率ｎL0が既知である標準液を利用して、表
示手段をあらかじめ基準温度T0で屈折率単位に
較正する。この較正をわかり易く図解したのが第
２図ｂグラフの曲線Ａであり、基準温度T0に維
持された標準液の屈折率ｎL0に対するフアイバー
１１通過光量Ｉの関係を示している。このグラフ
から明らかなように、使用される探査子（湾曲さ
せたオプチカル・フアイバー）の特殊な性質によ
り、通過光量Ｉは屈折率ｎL0に対して指数的に変
動し、この指数的変動は下記の式で表わすことが
できる。
Ｉ＝ｆ（ｎL0）＝Ｃe -Knl0 但しＣは定数、Ｋは被測定液の屈折率変動に対
する探査子の指数係数である。
この装置を利用すれば未知の液体の基準温度
T0の場合に還元された屈折率ｎL0を測定でき、
測定温度Ｔが基準温度T0と異なる場合にはこの
測定に下記式で与えられる誤差Ｅが伴なう（第２
図ｂグラフ参照）。
Ｅ＝ｎＬ０ ｒｅｅｌ−ｎＬ０ ａｆｆ／ΔＴ ＝ｄＩ／ｄＴ／ｄＩ／ｄｎＬ０ 光学的探査子１１を通過する光量Ｉはまたすで
に述べた通り探査子の屈折率ｎP及び液の屈折率
ｎLに依存し、この関係は下記式で表わされる。
Ｉ＝ｆ〔ｎL（Ｔ）／ｎP（Ｔ）〕 従つて導函数dI／dTは常に次のように表現で
きる。
ｄＩ／ｄＴ＝ｄＩ／ｄｎＰ〔ｄｎＬ／ｄＴ−ｎＬ／ｎ
Ｐ ｄｎＰ／ｄＴ〕 従つて、システムのパラメータに対する誤差Ｅ
の表現は先に述べた表現と全く同じである。
Ｅ＝ｄｎＬ／ｄＴ−ｎＬ／ｎＰ ｄｎＰ／ｄＴ＝ｑ 従つて誤差Ｅは常に負である。
第３図は本発明の二重式光学的探査子形装置の
第１実施例を示し、ここでは線形特性Ｉ（ｎL）
を有する光学的探査子を使用する。
第３図に示す装置はそれぞれ屈折率ｎP1，ｎP2
透明材料から成り、屈折率ｎLの被測定液１５に
浸漬されるプリズム２３，３４から成る２つの光
学的探査子２１，２２を含む。
第１光学的探査子２１のプリズム２３は平行に
対向する面２６よりも大きい底面２５と、この底
面２５に対して同じ角度で傾斜した残り２つの面
２７を具備する。第１光学的探査子２１はほかに
プリズム２３の底面２５に一方の端部を固定接続
された２つの光導体２８，２９を含み、この光導
体は探査子２１の入口部分及び出口部分としてそ
れぞれ作用する。探査子２１の入口部分２８の自
由端に対向させて探査子２１の内部へ一定光量を
入射させるための第１光源３０を配置し、出口部
分には（プリズム２３の対応面２６，２７で順次
３回反射した後）第１探査子２１の出口まで搬送
された光量I1に正比例する電気信号s1を発生させ
るための第１光電変換器３１を配置する。
第２光学的探査子２２のプリズム２４は底面３
３と、この底面３３に対して同じ角度で傾斜した
他の２つの面３４を具備する。第２光学的探査子
２２はほかに一端をプリズム２４の底面３３に固
定接続され、探査子２９の入口部分及び出口部分
としてそれぞれ作用する２つの光導体３８，３９
をも含む。入口部分３８の自由端に対向させて、
探査子２２の内部へ一定光量を入射させるための
第２光源４０を配置し、出口部分３９に対向させ
て、第２探査子２２の出口まで搬送された光量I2
（プリズム２４の対応面で順次２回反射した後探
査子２２の出口まで搬送された光量）に正比例す
る電気信号s2を発生させる第２光電変換器４２を
配置する。
上記プリズム２３，２４のそれぞれに特有の幾
何学的構成（プリズム２３は３つの反射面を、プ
リズム２２は２つの反射面を持つ）は後述するよ
うな理由で、第１探査子２１の感度m1（m1＝
dI1／dnL）が第２測定子２２の感度m2（m2＝
dI2／dnL）より大きくなるようにあらかじめ選択
されている。
それぞれの探査子２１，２２と連携する光電変
換器３１，４２の出力信号s1，s2の差に相当する
電気的合成信号ｓrを発生させる差働部材４３の
２つの入力に接続している。それぞれの信号s1及
びs2と、それぞれの光量値I1及びI2との間の比例
係数をαとすれば、合成信号ｓrは次のように表
現できる。
ｓr＝（s1−s2） ＝α（I1−I2） 光量I1，I2の差をＩrとすれば ｓr＝αＩr 差働部材４３の出力は基準温度T0の場合に還
元された被測定液１５の屈折率ｎL0を直接表示す
る表示手段４４に接続する。この直接表示を可能
にするため、表示手段４４を直接屈折率単位に較
正し、この較正は（単一式探査子形装置の場合と
同様に）基準温度T0に於ける屈折率値ｎL0が既
知の標準液を利用して基準温度T0に於いて行う
（成分値s1及びs2がすでに基準温度T0に於ける屈
折率ｎL0を表わすから、ｓrまたはdIrは基準温度
T0に於ける屈折率ｎL0を表わす）。
このように較正された上記装置の作用態様を以
下に説明する。探査子２１，２２のプリズム２
３，２４を、基準温度の場合に換算された屈折率
ｎL0を測定したい液中に浸漬し、探査子２１，２
２の入口に一定光量を入射させるとこれらの探査
子の出口に光量I1，I2がそれぞれ現われ、合成信
号αＩrを発生させた後、表示手段４４に於ける
「ｎL0 aff」値の表示を起動する。この表示値
「ｎL0 aff」はシステムの温度Ｔが基準温度T0と
等しければ求める現実値「ｎL0 reel」と一致す
る。もしシステム温度Ｔが基準温度T0と異なる
温度である場合にはこの値「ｎL0 aff」は求め
る現実値「ｎL0 reel」と必らずしも一致せず、
基準温度T0の場合に換算された屈折率ｎL0の測
定に伴なう可能性のある誤差Ｅは（上述の場合を
同様に）下記式で与えられる。
Ｅ＝ｎＬ０ ｒｅｅｌ−ｎＬ０ ａｆｆ／ΔＴ＝ｄＩ
ｒ／ｄＴ／ｄＩｒ／ｄｎＬ システムのパラメータに依存する誤差Ｅの値を
求めるためそれぞれの導函数dIr／dIr／dnを計算
する。
先に述べた通り、それぞれの探査子２１，２２
を通過した光量I1，I2は下記式で表わされる。
I1＝C1−m1×ｎL0＋ｄＩ１／ｄＴ＋ΔＴ ＝C1−m1×ｎL0−m1q1×ΔＴ また、I2＝C2−m2×ｎL0＋ｄＩ２／ｄＴ×ΔＴ ＝C2−m2nL0−m2q2×ΔＴ 但し、C1及びC2は定数、m1及びm2は被測定液
の屈折率変動に対する探査子２１，２２の感度
dI1／dnL0及びdI2／dnL0，q1及びq2はシステム温
度変動に対する探査子２１，２２の見かけ感度で
あり、 q1＝〔ｄｎＬ／ｄＴ−ｎＬ／ｎＰ１ ｄｎＰ１／ｄＴ
〕 また、q2＝〔ｄｎＬ／ｄＴ−ｎＬ／ｎＰ２ ｄｎＰ２
／ｄＴ〕 従つて、合成値Ｉrは次のように表現できる。
Ｉr＝（I1−I2） ＝（C1−C2）−（m1−m2）ｎL0 −（m1q1−m2q2）ΔＴ 故にそれぞれの導函数は ｄＩｒ／ｄＴ＝−（m1q1−m2q2） また、ｄＩｒ／ｄｎＬ０＝−（m1−m2） 故に誤差Ｅに関して次の式が得られる。
Ｅ＝ｄＩｒ／ｄＴ／ｄＩｒ／ｄｎＬ０＝ｍ１ｑ１−ｍ
２ｑ２／ｍ１−ｍ２ 従つてこの誤差が探査子２１だけまたは探査子
２２だけを使用した場合に必然的な結果として生
ずる負の誤差q1またはq2よりも正側の値となる条
件は ｍ１ｑ１−ｍ２ｑ２／ｍ１−ｍ２＜q1またはq2 探査子２１，２２はm1＞m2となるようにそれ
ぞれの幾何学的構成を選択されているから、q1＜
q2となるようにq1を選択すれば上記条件は満たさ
れる。各探査子２１，２２のプリズム２３，２４
の構成材料との関連で上記条件q1＜q2を満たすに
は、第１探査子２１のプリズムを構成する材料と
して、第２探査子２４のプリズムの構成材料とし
て選択した屈折率ｎP2の透明材料の温度係数
dnP2／dTよりも大きい温度係数dnP1／dTを有す
る屈折率ｎP1の透明材料を選択するだけでよい。
この条件q1＜q2は例えばポリスチレン（dnP1／
dT＝１×10-4／℃）のような材料を第１探査子
２１のプリズム２３の構成材料として選択し、ガ
ラス（dnP2／dT＝−１×10-6／℃）のような材
料を第２探査子２２のプリズム２４の材料として
選択することによつて容易に満たすことができ
る。
両方の探査子が感度m1及びm2がほぼ等しくな
るように形状も大きさも同じプリズム２４及び２
５をそれぞれ含む場合には各探査子１，２の比例
特性に差異を生ずるような光学的検知装置を選択
すればよい。このように構成すれば光学的検知装
置の感度に対してそれぞれ独自に作用する形状の
異なるプリズム２４，２４を採用した場合につい
てすでに述べたのと同じ効果が得られる。
従つて、以上に述べたような二重式光学的探査
子形装置は下記条件 m1＞m2， 及びq1＜q2（またdnP1／dT＜dnP2／dT） が満たされる限り、単一式探査子形装置を使用し
た場合に不可避の負の誤差よりも正の誤差Ｅを伴
なつて基準温度T0の場合に換算された液の屈折
率ｎL0を測定することができる。
この誤差Ｅはそれぞれのパラメータm1，m2，
q1及びq2を下記の関係 m1q1m2q2 が成立するように選ぶことによりほぼ零にするこ
とができ、これによりほぼ完全な温度補正測定装
置を得ることができる。
また、必要とあればそれぞれのパラメータ
m1，m2，q1及びq2を適当に選ぶことによりこの
誤差Ｅを正にすることができ、これにより温度過
剰補正測定装置を得ることができる（単一式探査
子形装置では不可能）。このように温度過剰補正
が可能であれば例えば基準温度T0の場合に換算
された電解液の屈折率ｎL0を測定することによつ
て鉛蓄電池の充電状態Ｑを点検するなど、種々の
応用分野に於いて極めて有利である（このような
過剰補正により、例えば冬期などに利用上の安全
を期して蓄電池の実際の充電度「Ｑ reel」より
もかなり低い充電後「Ｑ aff」を車の運転者に
指示することができる）。
第４図は本発明の二重式光学的探査子形装置の
第２実施例を示し、この実施例では指数特性Ｉ
（ｎL）を有する光学測定子を使用する。
第４図に示す装置は本体を屈折率がそれぞれｎ
P1及びｎP2の透明材料を形成した湾曲オプチカ
ル・フアイバーから成ぬ２つの光学的探査子５１
及び５２を含み、このオプチカル・フアイバー５
１，５２の湾曲部分５３，５４が屈折率ｎLを測
定すべき液１５に浸漬される。
第１フアイバー５１の湾曲部分５３は交互に異
なる方向へ３度湾曲させた「倒立Ω」形のプロフ
イルを具え、この湾曲部分５３の両端が延長して
直線部分５８，５９を形成し、それぞれ探査子５
１の入口部分及び出口部分として作用する。探査
子５１の入口部分５８の自由端に対向させて探査
子５１の内部に一定光量を入射させるための第１
光源６０を配置し、出口部分５９に対向させて、
この第１探査子６１の出口まで搬送された（即
ち、湾曲部分５１の順次向きが変わる３つの湾曲
に於ける屈折損失の後に探査子５１の出口まで搬
送された）光量I1に正比例する電気信号を発生さ
せる第１光電変換器６１を配置する。
第２フアイバー５２の湾曲部分５４は湾曲が１
つだけのＵ字プロフイルを有し、この湾曲部分５
４の端部がそのまま延長して探査子５２の入口部
分及び出口部分として作用する直線部分６８，６
９を形成する。探査子５２の入口部分６８の自由
端に対向させて、部分５２に一定光量を入射させ
る第２光源７０を配置し、出口部分６９に対向さ
せて、この第２探査子５２の出口まで搬送された
（即ち、単一湾曲５４を通過しながら屈折損失し
た後、探査子５２の出口まで搬送された）光量I2
に正比例する電気信号s2を発生させる第２光電変
換器７２を配置する。
上述したような湾曲部分５３，５４の特殊な幾
何学的構成（部分５３は３つの反転湾曲を含み、
部分５４は１つだけ湾曲を含む）は後述するよう
な理由から、第１探査子５１に関連の指数係数
K1が第２探査子５２に関連の指数係数K2よりも
大きくなるように設定してある。
各探査子５１，５２に連携させた光電変換器６
１，７２の出力は信号s1及びs2の商に相当する合
成電気信号ｓrを発生させる除算器７３の２つの
入力に接続している。それぞれの信号s1，s2とそ
れぞれの光量値I1，I2との間の比例係数αを考慮
すれば、合成信号ｓrは一様に下記式で表わされ
る。
ｓr＝s1／s2 ＝I1／I2＝Ｉr 但しＩrは商I1／I2を表わす。
除算器７３の出力は一定基準温度T0に換算さ
れた被測定液１５の屈折率ｎL0の値を直接表示す
る表示手段７４に接続する。ｎL0を直接表示でき
るようにするため、表示手段７４を（単一式探査
子形装置と同様に）基準温度T0に於ける屈折率
値ｎL0が既知の標準液を利用して基準温度T0に
於いて直接屈折率単位で較正する（成分量s1，s2
がすでに温度T0に於ける屈折率ｎL0を表わして
いるから、合成量ｓrまたはＩrは基準温度T0に於
ける屈折率ｎL0を表わす）。
このように較正された上記装置の作用態様を以
下に説明する。各探査子５１，５２の湾曲部分５
３，５４を、基準温度T0の場合に換算された屈
折率ｎL0を知りたい液中に浸漬し、探査子５１，
５２の入口に一定光量を入射させると探査子出口
にそれぞれ光量I1及びI2が搬送され、合成信号Ｉr
の発生後、前記光量が表示手段７４に於ける「ｎ
L0 aff」値の表示を起動する。この表示値ｎL0
は、システムの温度Ｔが基準温度T0に等しけれ
ば、求める現実値ｎL0と一致するが、システム温
度Ｔが基準温度T0と異なる場合には前記「ｎL0
aff」値はもはや求める現実値「ｎL0 reel」と
一致せず、基準温度T0の場合に換算された屈折
率ｎL0の測定に（第１実施例の場合と同様に）下
記式で表わされる誤差を伴う可能性がある。
Ｅ＝ｎＬ０ ｒｅｅｌ−ｎＬ０ ａｆｆ／Ｔ ＝（dIr／dT）／（PIr／dnL0） ここでシステムのパラメータに応じた誤差値Ｅ
を求めるためそれぞれの導函数dr／dT及びdIr／
dnを計算する。
すでに述べた通り、各探査子５１，５２を通過
する光量I1，I2は下記式で表わされる。
I1＝C1e-K1nl＋ｄＩ１／ｄＴΔＴ また、I2＝C2e-K2nl＋ｄＩ２／ｄＴΔＴ さらに、dI／dT＝q1 dI／dnであり、（指数特性
の探査子については）dI／dn＝KIであるから、 I1＝C1e-K1nl〔１−K1q1ΔＴ〕 また、I2＝C2e-K2nl〔１−K2q2ΔＴ〕 但し、C1及びC2定数、K1及びK2は被測定液の
屈折率変動に対する各探査子５１，５２の指数係
数、q1及びq2はシステムの温度変動に対する探査
子の見かけ感度であり、 q1＝〔ｄｎＬ／ｄＴ−ｎＬ／ｎＰ１ ｄｎＰ１／
ｄＴ〕 また、q2＝〔ｄｎＬ／ｄＴ−ｎＬ／ｎＰ２ ｄｎＰ２／
ｄＴ〕 従つて、合成値Ｉrは Ｉr／I2 ＝Ｃ１／Ｃ２ｅ-(k1-k2)nL 〔１−Ｋ１ｑ１ΔＴ／１−Ｋ２ｑ２ΔＴ〕 さらに、量K1q1ΔＴ及びK2q2ΔＴが（経験に照
らして）１に対して無限小であると仮定すれば、 Ｉr＝Ｃ１／Ｃ２ｅ-(k1-k2)nL 〔１−（K1q1−K2q2）ΔＴ〕 従つて、各導函数は ｄＩｒ／ｄＴ＝−（K1q1−K2q2）Ｉr また、ｄＩｒ／ｄｎＬ０＝−（K1−K2）Ｉr この式から誤差Ｅを表わす下記式が得られる。
Ｅ＝ｄＩｒ／ｄＴ／ｄＩｒ／ｄｎＬ０＝Ｋ１ｑ１−Ｋ
２ｑ２／Ｋ１−Ｋ２ 従つてこの誤差Ｅが探査子５１または探査子５
２だけを使用した場合には不可避の負の誤差q1ま
たはq2よりも正側の値を取るための条件は Ｋ１ｑ１−Ｋ２ｑ２／Ｋ１−Ｋ２＜q1またはq2 それぞれの探査子５１，５２はK1＞K2となる
ようにその幾何学的構成が設定されているから、
q1＜q2となるようにq1を選択すれば上記の条件は
満たされる。この条件q1＜q2は各フアイバー５
１，５２の本体を構成する材料に関して、第１フ
アイバー５１の本体を、第２フアイバー５４の本
体３３の構成材料として選ばれた屈折率がｎP2の
透明材料の温度係数dnP2／dTよりも大きい温度
係数dnP1／dTを有する、屈折率ｎP1の透明材料
を選ぶだけでよいことを意味する。従つて、第１
探査子５１の本体の構成材料としてポリスチレン
（dnP1／dT＝−１×10-4／℃）のような材料を、
第２探査子５２の本体の構成材料としてガラス
（dnP2／dT＝−１×10-6／℃）のような材料を選
択することによつて容易に上記条件を満たすこと
ができる。
要約すれば、以上に述べた二重式光学的探査子
形装置は条件 K1＞K2 及びq1＜q2（またはdnP1／dT＞dnP2／dT）が満
たされる限り、単一式探査子形装置を使用した場
合に不可避の負の誤差よりも正の値を取る誤差を
伴なつて、基準温度T0の場合に換算された液の
屈折率ｎL0を測定することができる。
それぞれのパラメータK1，K2，q1，q2、式 K1q1K2q2 が成立するように選択することによつて上記誤差
Ｅをゼロに近くすることができ、これによりほぼ
完全に時間補正を行う測定装置を得ることができ
る。
この誤差Ｅはまた、必要に応じてパラメータ
K1，K2，q1，q2を適当に選択することによつて
正側にすることができ、これにより温度過剰補正
装置を得ることができる（このことは単一式探査
子形装置では不可能である）。
光学的探査子５１をポリスチレン（屈折率ｎ＝
1.6）で、光学測定子５２をガラス（ｎ＝1.47）
でそれぞれ形成した第４図に示すような装置を使
用して比較テストを実施し、下記の結果を得た。
ａ 探査子ごとに別々に温度感度を考察したとこ
ろ、 探査子５１ではｄｎ／ｄＴ＝−1.55×10-4／℃ 探査子５２ではｄｎ／ｄＴ＝−2.74×10-4／℃ ｂ 第４図に示すような装置を複合的に使用する
と、温度感度は ｄｎ／ｄＴ＝−0.073×10-6／℃ となり、この値は探査子別の場合よりもはるかに
低い値であり、このことは第４図に示す装置の温
度補正能力を確認するものである。
【図面の簡単な説明】
第１図ａ，ｂは公知の単一式測定子形装置を略
示する縦断面図、第２図ａ，ｂは第１図ａ，ｂに
示す装置に関する温度誤差を示すグラフ、第３図
は本発明の二重式光学的探査子装置の一実施例を
略示する縦断面図、第４図は他の実施例を略示す
る縦断面図である。 １５……被測定液、２１……第１光学的探査
子、２２……第２光学的探査子、２３，２４……
プリズム、２５……底面、２６……平行対向面、
２７……傾斜面、２８，２９……光導体、３０…
…第１光源、３１……第１光電変換器、３３……
底面、３４……傾斜面、３８，３９……光導体、
４０……第２光源、４２……第２光電変換装置、
４３……減算器、４４……表示手段。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 単一式光学的探査子装置に固有の負の温度依
    在誤差よりも代数学的に大なる温度依存誤差を生
    じさせるように構成した、所定の基準温度の場合
    に換算された流体の屈折率を測定するための二重
    式光学的探査子装置であつて、該装置が、 それぞれが中間部分を挾んで互いに接続された
    入口部分及び出口部分から成る光導体で構成さ
    れ、少なくとも前記中間部分が前記流体に浸漬さ
    れて前記入口部分から前記出口部分へ光を搬送す
    ることにより、前記流体の屈折率に従つて線形に
    変化する光量を前記出口から射出させるようにし
    た第１及び第２光学的探査子、 前記入口部分のそれぞれに一定の光量を入射さ
    せるように前記第１及び第２探査子の前記入口部
    分に連携させた少なくとも１つの光源と、およ
    び、 前記出口部分からそれぞれ射出する光量の差に
    対応する合成信号を発生させるため前記第１及び
    第２探査子の前記出口部分に連携させた手段、 を具備し、 前記第１及び第２探査子の前記中間部分を、そ
    の幾何学的構成に関しては流体の屈折率変動に対
    するそれぞれの感度m1及びm2がm1＞m2の関係と
    なるように選択する一方、構成材料に関してはこ
    の流体の温度変化に対するそれぞれの見かけ感度
    q1及びq2がq1＜q2の関係となるように選択するこ
    とにより、前記探査子の出口で発生する前記合成
    信号が前記基準温度の場合に換算された前記流体
    屈折率を表わす信号を構成するようになつてお
    り、このようにして測定された屈折率はさらに、
    該基準温度とは異なる温度に関して、単一式探査
    子装置を利用した場合に生ずる温度依存誤差より
    も代数学的に大なる温度依存誤差を伴なうように
    なつていることを特徴とする一定の基準温度の場
    合に換算された流体の屈折率を測定するための二
    重式光学的探査子装置。 ２ 前記中間部分のそれぞれが各光導体の前記入
    口部分から前記出口部分に進む光の少なくとも一
    部を順次反射するように構成した少なくとも２つ
    の反射面を有するプリズムから成る、特許請求の
    範囲第１項に記載の装置。 ３ 前記探査子の各中間部分の幾何学的構成及び
    構成材料を、流体の屈折率変動に対するそれぞれ
    の有効感度m1及びm2、及びこの流体の温度変化
    に対するそれぞれの見かけ感度q1及びq2の間に
    m1q1＝m2q2で表わされる関係が成立するように
    選択し、ほぼ完全な温度補正を可能にする、特許
    請求の範囲第１項に記載の装置。 ４ 単一式光学的探査子装置に固有の負の温度依
    存誤差よりも代数学的に大なる温度依存誤差を生
    じさせるように構成した、所定の基準温度の場合
    に換算された流体の屈折率を測定するための二重
    式光学的探査子装置であつて、該装置が、 それぞれが中間部分を挾んで互いに接続された
    入口部分及び出口部分から成る光導体で構成さ
    れ、少なくとも前記中間部分が前記流体に浸漬さ
    れて前記入口部分から前記出口部分へ光を搬送す
    ることにより、前記流体の屈折率の関数として指
    数関数的に変化する光量を前記出口部分から射出
    させるようにした第１及び第２光学的探査子と、 前記入口部分のそれぞれに一定の光量を入射さ
    せるように前記第１及び第２探査子の前記入口部
    分に連携させた少なくとも１つの光源、および、 前記出口部分からそれぞれ射出する光量の商に
    対応する合成信号を発生させるため前記第１及び
    第２探査子の前記出口部分に連携させた手段、 を具備し、 前記第１及び第２探査子の前記中間部分を、そ
    の幾何学的構成に関しては流体の屈折率変動に関
    する指数関数におけるそれぞれの指数における係
    数K1及びK2がK1＞K2の関係となるように選択す
    る一方、構成材料に関してはこの流体の温度変化
    に対するそれぞれの見かけ感度q1及びq2がq1＜q2
    の関係となるように選択することにより、前記探
    査子の出口で発生する前記合成信号が前記基準温
    度の場合に換算された前記流体屈折率を表わす信
    号を構成し、測定された屈折率がこの基準温度と
    は異なる温度に於ける屈折率に対して、単一式探
    査子装置を利用した場合の負の温度依存誤差より
    も代数学的に大なる温度依存誤差を伴なうように
    なつていることを特徴とする所定の基準温度の場
    合に換算された流体の屈折率を測定するための二
    重式光学的探査子装置。 ５ 前記中間部分のそれぞれが流体中に明確な屈
    折光路を発生させるのに充分な曲率を与えられる
    ように湾曲させた部分を有する、特許請求の範囲
    第４項に記載の装置。 ６ 前記探査子の各中間部分の幾何学的構成及び
    構成材料を、流体の屈折率変動に対するそれぞれ
    の指数係数K1及びK2、及びこの流体の温度変化
    に対するそれぞれの見かけ感度q1及びq2の間に
    K1q1＝K2q2で表わされる関係が成立するように
    選択した、特許請求の範囲第４項に記載の装置。
JP56146482A 1980-09-18 1981-09-18 Double optical probe apparatus for measuring refractive index of fluid reduced in case of specified reference temperature Granted JPS5784337A (en)

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