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JP6246376B2 - 比濁分析濁度計、および、比濁分析濁度計のサンプルキュベットの汚染の検出のための方法 - Google Patents
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JP6246376B2 - 比濁分析濁度計、および、比濁分析濁度計のサンプルキュベットの汚染の検出のための方法 - Google Patents

比濁分析濁度計、および、比濁分析濁度計のサンプルキュベットの汚染の検出のための方法 Download PDF

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Description

本発明は、透明なサンプルキュベット内の液体サンプルの濁度を測定するための比濁分析濁度計に関する。
比濁分析濁度計は、キュベット内の液体サンプル中へ光線を投射することによって、サンプルキュベット内の液体サンプル中に浮遊する固体粒子の濃度を決定する。光検出器が、光線軸に対して少なくとも30°の角度で、また好ましくは光線軸に対して直角に、懸濁した固体粒子によって散乱された光の量を検出する。しかしながら、液体サンプル中に浮遊する粒子のみが散乱光を発生させるのではなく、透明なキュベット壁の内側の付着物層またはキュベット本体のかき傷のような、キュベットの如何なる光学的な汚染も、光を散乱させる可能性がある。
特許文献1は、異なる散乱角度の下で異なる浸透距離を用いて異なる濁度測定を行い得るよう、2つの別個の光源および2つの別個の光検出器を備える濁度計を開示している。異なる濁度測定の結果が、妥当性に関してチェックされ、異なる濁度測定に妥当性がないように見える場合には、警告信号が生成される。技術的労力は比較的高く、また、液体サンプル中の濁度の強い不均一性も、妥当性のない測定結果をもたらす可能性がある。
米国特許出願公開第2011/0043807号明細書
本発明の目的は、光学的な濁度計のための簡単な手段、および、液体サンプルキュベットの汚染を検出するための簡単な方法を提供することである。
この目的は、請求項1の特徴を有する濁度計、および、請求項9の特徴を有する方法によって解決される。
本発明による液体サンプル中の濁度を測定するための比濁分析濁度計には、透明なサンプルキュベットが設けられており、このサンプルキュベットは、完全に透明であってもよいし、2つ以上の光学的なウィンドウを画定するように、少なくとも部分的に透明であってもよい。濁度計は、濁度計内へ挿入されるときに液体サンプルですでに満たされている交換可能なキュベットを使用するための実験室デバイスとして提供され得、または、液体サンプルをキュベット内へ連続的に輸送するための液体サンプル入口および液体サンプル出口を備える静止キュベットによる準連続的な測定のためのプロセスデバイスとして提供され得る。本発明は、キュベットが交換されることなく長期間にわたって使用され、キュベット本体の内側の付着物が問題になるプロセスデバイスに関してとりわけ有利である。
濁度計には、キュベット内へ方向付けされた軸方向の平行な光線を放射するための測定光源が設けられている。軸方向は、キュベットによってではなく、光線自体によって画定される。光線は、例えば、レーザLEDのような発光ダイオード(LED)によって発生され得る。光線の直径は、通常、0,5mmから数ミリメートルの間である。レーザLEDによって発生される単色光線は、高い光学的な品質を有しているが、キュベット汚染に対して非常に敏感である。したがって、妥当性および信頼性のあるキュベット汚染の検出が、光源としてレーザLEDを備える濁度計にとって、とりわけ重要である。
濁度計には、液体サンプルを含むキュベットから発せられる散乱光を受け取るように配置された散乱光検出器が設けられている。散乱光検出器は、測定光源から直接的に来る光を受け取らないよう、光線と軸方向に並んでは配置されておらず、この点において、散乱光検出器は、比濁分析法の設計である。散乱光検出器は、液体サンプルの粒子によって非軸方向に反射される光源光だけを受け取る。
散乱光検出器は、例えば、軸方向の光線に対しておおよそ直角に配置され得る。第1の実施形態では、散乱光検出器は、少なくとも、数度の、または、1°未満の非常に小さい扇形(sector)も受け取ることが可能であり、または、代替的に、光線軸に対して360°の完全な円周にわたって散乱光を受け取り収集する円周方向の検出器配置として実現され得る。
濁度計には、切換可能な拡散器が設けられ、切換可能な拡散器は、光学的拡散体および拡散器アクチュエータを備え、拡散器アクチュエータは、第1の位置またはパーキング位置と第2の位置またはテスト位置との間で拡散体を移動させるためのものである。パーキング位置では、拡散体は、放射光線と干渉せず、光線は、集中された平行な光線としてキュベットに進入する。テスト位置では、拡散体は、光源とキュベットとの間の位置へ移動されており、その位置において、拡散体は放射光線と干渉し、キュベットに進入する拡散テスト光を発生させる。拡散器がテスト位置に切り替えられると、測定光源から来る平行な光線は、拡散体内に位置する拡散光発生器に変更される。液体サンプルを含むキュベットは、結果的に、テストモードにあるときだけ、拡散光に露出される。代替的な実施形態では、拡散光発生器は、測定光源から独立して分離した別個の切換可能な拡散光源であることが可能である。
汚染テストは、キュベット本体に付着している粒子によって、または、キュベット本体のかき傷などによって反射される拡散光発生器の光によって引き起こされる散乱テスト光を決定するための散乱光検出器を使用することによって、切換可能な拡散器を含む濁度計を用いて、任意の時間に実行され得る。汚染テストは、汚染テスト測定値を用いて濁度測定の測定値の妥当性を検査するために、例えば、液体サンプルの濁度測定の後に毎回要求および実行され得る。代替的にまたは追加的に、汚染テストは、定期的な間隔で、例えば、2〜3時間ごとに、または、毎日、液体テスト溶液を用いて、または、液体テスト溶液を用いずに実行され得る。汚染テストは、通常、空のキュベット、透明な基準液体で満たされたキュベット、または、サンプル液体で満たされたキュベットを用いて、実施され得る。汚染テストおよび基準測定は、例えば、キュベット内の透明なテスト溶液を用いて行われ得る。
濁度計のサンプルキュベットの汚染を検出するための方法は、汚染テストが要求された後に、以下の方法ステップ、
− 拡散体をそのパーキング位置からそのテスト位置へ移動させるために、拡散器アクチュエータを活性化するステップと、
− 光源を活性化するステップと、
− 散乱光検出器によって受け取られるテスト光強度Itを測定するステップと、
− 測定されたテスト光強度Itを基準散乱光強度Irと比較するステップと、
− 基準光強度Irと測定されたテスト光強度Itとの差が閾値を超える場合に、汚染信号を生成するステップと
をたどる。
基準光強度Irは、基準メモリのルックアップテーブル内に記憶されている基準値であることが可能であり、基準メモリ内には、予期される基準光強度Irが、サンプル測定強度Iごとに記憶されている。測定されたテスト光強度Itが、この特定のサンプル測定強度Iに関して記憶されている基準光強度Irにおおよそ等しい場合には、妥当性は良好であり、汚染信号は生成されない。この手順は、検査されるべき全てのサンプル測定の妥当性を決定することを可能にする。
加えてまたは代替的に、基準光強度Irは、清浄なキュベットおよびキュベットを満たしている清浄な基準液体を用いて行われる基準測定に基づく単一の較正値であることが可能である。基準光強度Irは、濁度計生産プロセスの終わりに測定され得、または、例えば、新しいキュベットが使用されるときに、ユーザによって測定され得る。測定基準光強度Irは、濁度計の基準メモリ内に記憶される。汚染テストは、例えば、濁度計が起動された後に、毎朝行われ得る。
キュベットの汚染は、もともとは不拡散であるキュベットの光学的特性の変化をもたらす、キュベットの光学的な透過特性のあらゆる種類の変化を含む。とりわけ、キュベットの内側表面および/または外側表面における、かき傷、変色、汚れ、指紋、凝縮物、および/または付着物は、すべてのサンプル測定値を劣化させ得るキュベットの光学的な汚染となり得る。
本発明のある実施形態では、キュベットは、円筒形状であり、円筒側壁部および平面底壁部を備えている。円筒形状の側壁部は、キュベットに対して扇形角度ごとに位置決めされる散乱光検出器の位置決めを可能にし、濁度計内のキュベットの回転位置が関係ないようになっている。また、円筒形状の壁部は、円周方向の散乱光検出器配置の使用を可能にし、それは、小さい円周方向の扇形内だけでなく、円周の大部分または全周にわたって、キュベットからの散乱光を受け取る。アキシコンは、キュベットの円周の周りで散乱光を収集するための公知の光学的な手段である。
平面底壁部は、光線が円筒形状のキュベットの長手方向軸と完全に軸方向に位置合わせされていない場合でも、平行な光線を底壁部に対して直角に方向付けすることを可能にする。平面底壁部を含む円筒形状のキュベットは、濁度計を、測定光源とキュベットとの間の小さい幾何学的なずれに対してより許容性のあるものにする。
本発明のある実施形態では、クリーニング手段が、キュベット円筒壁部の内側の機械的なクリーニングのために設けられている。クリーニング手段には、クリーニングモータによって回転されるクリーニングブラシを設けることができる。また、クリーニングブラシには、シフト装置を設けることができ、シフト装置は、要求に応じてキュベット円筒壁部の内側を自動的にクリーニングするために、キュベット内へブラシをシフトさせることを可能にする。本発明のある実施形態では、クリーニング手段は、例えば、汚染信号が生成された場合に活性化され得る。クリーニング手段がクリーニング動作を終了すると、キュベットがもはや汚染されていないことを検証するために、別の汚染テストが要求され得る。
本発明のある実施形態では、別個の光源検出器が設けられており、別個の光源検出器は、テスト位置にある拡散体から拡散光を直接的に受け取るために、拡散体に光学的に割り当てられている。光源検出器は、基本的に、テスト位置にある拡散体から来る拡散光を受け取るだけである。本発明のある方法では、測定光源強度Imsは、光源検出器によって決定され、記憶されている基準光源強度Irsと比較される。測定された光源強度と記憶されている光源強度との差が閾値を超える場合には、光源故障信号が生成される。これは、テスト光強度Itが基準光強度Irと同じ光源の光強度によって測定されることを確実にする。
本発明のある実施形態では、拡散体は、散乱粒子で満たされた透明なマトリックス材料から作製される。マトリックス材料は、例えば、マイクロ粒子であり得る散乱粒子で均一に満たされた透明なプラスチック物質であることが可能である。プラスチック物質は、PMMAまたは別の透明性の高い物質であることが可能である。粒子は、例えば、リン酸カルシウム、フッ化物、酸化第二スズ、酸化チタン、または、他の適切な粒子粉末であることが可能である。粒子サイズは、光源によって発生される光の波長の範囲、および/または、光検出器の感度波長の範囲、例えば、1.0μm〜5.0μmの範囲内にあるべきである。
拡散体は、代替的に、すりガラスから作製され得、または、基本的に完全に透明であるが、その表面の一方もしくは両方がいくらか艶消しされている同様の拡散体から作製され得る。
本発明のある実施形態では、測定光源が、キュベットの平面底壁部の下方に、キュベットに対して軸方向に配置されている。この配置は、キュベットが簡単に上部から垂直方向に導入され、または上部へ除去され得るように、上部から容易にアクセス可能なキュベット保持配置を可能にする。
本発明は、実施形態および図面に基づいて、以下でより詳細に説明される。
切換可能な拡散器がパーキング位置にある濁度計を示す図である。 切換可能な拡散器がテスト位置にあり、清浄なキュベットを備える図1の濁度計を示す図である。 汚染されたキュベットを備える図2の濁度計を示す図である。
図は、サンプルキュベット40内の液体サンプル49の濁度を測定および検出するための濁度計10を示している。本実施形態では、濁度計10は、いわゆるプロセスデバイスであって、いわゆる実験室デバイスではない。したがって、濁度計には、図には示されていないサンプル入口および出口が設けられており、それは、液体サンプルをキュベット40内へ連続的にまたは非連続的に送り込む。キュベット40は、比較的長い期間にわたって、例えば、2〜3日にわたって、または、数カ月にもわたって、交換されない。
液体の濁度は、液体サンプル49中に浮遊する固体粒子の濃度の指標である。光線62を液体サンプル49中へ投射し、液体サンプル49中の光線の長手方向軸に対して90°の角度で、液体サンプル49によって散乱された光の光強度を測定することによって、濁度は決定される。
濁度計10は、ハウジングの内側の適切なキュベット受け入れ手段内にサンプルキュベット40を挿入し、また、取り出すための開口部を備えたハウジングを、上部に備えている。キュベット受け入れ手段は、挿入されたサンプルキュベット40を規定のキュベット位置に位置決めする。サンプルキュベット40は、円筒形状であって、垂直方向の円筒壁部42および水平方向の平面底壁部41を備えており、それらは、両者が協働して、キュベット本体を画定している。キュベット本体は、透明で無色のガラスから作製されている。
測定光源20は、キュベットの底壁部41の下に配置されている。測定光源20には、レーザLEDとして設けられた発光ダイオード(LED)22を電気的に駆動する電気LEDドライバ24が設けられている。光源20は、キュベット40に方向付けされた軸方向の平行なレーザ光線60を放射する。放射光線60は、図1に示されているように、キュベット底壁部41と直角に交差し、キュベット本体内の液体サンプル49を測定光線62として通過する。
散乱光検出器30が、キュベット14と径方向に隣接して配置され、測定光線62の軸に対して直角に散乱された散乱光66を受け取る。散乱光検出器30には、アパーチャ32と、フォトダイオード34と、フォトダイオード34の信号を増幅するための演算増幅器36とが設けられている。
第1の位置にある光学的拡散体52および拡散器アクチュエータ54を備える切換可能な拡散器50が、軸方向および垂直方向において測定光源20とキュベット40との間に配置されている。拡散体52は、アクチュエータ54によって、図1に示されているパーキング位置52と、図2および図3に示されているテスト位置52’との間で移動させることができる。拡散体52は、パーキング位置では、放射光線60と干渉しない。
テスト位置では、図2および図3に示されているように、拡散体52は、放射光線60と干渉し、キュベット40に進入する拡散テスト光63を発生させる。拡散体52は、固体の不透明な散乱粒子で満たされた透明なマトリックス材料から構成されている。拡散器アクチュエータ54は、単純で信頼性のある電気アクチュエータであり、電気的に活性化されたときには、拡散体52をテスト位置へ枢動させる。
クリーニング手段80が、キュベット円筒壁部42およびキュベット底壁部41の内側の機械的なクリーニングのために、キュベット40の上方に設けられている。クリーニング手段には、電気クリーニングモータ84によって回転されるクリーニングブラシ82が設けられている。また、クリーニング手段80には、シフト装置が設けられており、シフト装置は、キュベットの上部開口部を通じてキュベット40内へクリーニングブラシ82を垂直方向に移動させ、それによって、回転するクリーニングブラシ82がキュベット40の内側表面をクリーニングすることを可能にする。
別個の光源検出器38が、テスト位置にある光学的拡散体52’に近接して配置され、テスト位置にある拡散体52’から来る拡散テスト光を直接的に受け取る。光源検出器38は、フォトダイオードであってよい。
濁度計10には、濁度計10のすべての電気的要素を制御するための制御デバイス90が設けられている。制御デバイス90は、測定光源20、切換可能な拡散器50、散乱光検出器30、38、切換可能な拡散器50、およびクリーニング手段80に電気的に接続されている。
図1は、濁度計10の測定モードを示しており、切換可能な拡散器がそのパーキング位置にある。測定光源20が、測定モードで活性化され、平行な測定光線62として液体サンプル49を通過する放射光線60が生成される。混濁した液体サンプル49中で、測定光線62は、すべての方向に散乱光を引き起こし、そのうち、散乱光検出器30の半径方向平面において半径方向に散乱された光66だけが、散乱光検出器30によって受け取られる。散乱光検出器30によって検出されるサンプル測定光強度Iは、よく理解されている原理にしたがって、制御デバイス90によって、液体濁度値に変換される。
制御デバイス90が汚染テストを開始すると、制御デバイス90によって、拡散器アクチュエータ54は、図2および図3に示されているように、拡散体52’をそのテスト位置に枢動させる。汚染テストは、定期的に開始させることができ、および/または、手動で開始させることができ、および/または、極端な液体濁度値などのような他の事象の発生によって開始させることができる。
テスト位置にある拡散体52’は、放射光線60を拡散させ、拡散体52’は、液体サンプル49を通過する拡散テスト光63をキュベット40へと方向付ける拡散光発生器となる。図1に示されているように、集中された平行な測定光線62によって引き起こされる散乱サンプル測定光66と比較して、拡散テスト光63は、図2および図3に示されているように、散乱光検出器30によって受け取られる散乱テスト光66’、66”の異なる散乱光強度を引き起こす。また、半径方向に散乱されたテスト光66’、66”の強度は、キュベット40の汚染、とりわけ、キュベット円筒壁部42の内側表面の汚染に依存する。図3は、キュベット円筒壁部42の内側表面に汚染層70を有するキュベット40を示している。汚染層70は、例えば、しばらくしてキュベット本体部の内側表面に蓄積し得る付着物であり得る。汚染層70は、散乱光検出器30によって受け取られる半径方向に散乱されたテスト光66”が、汚染層70なしのものと比較して、異なる強度を有するように、光を拡散させる。
濁度計製造プロセスの終わりにおいて、基準光強度Irが、図2に示されているように、切換可能な拡散器50がテスト位置にある状態で決定される。基準光強度Irは、デジタル制御デバイス90のデジタルメモリ内に記憶される。汚染テストは、濁度計10の動作寿命の間に定期的にトリガされる。汚染テストがトリガされたとき、または、手動で要求されるときには、制御デバイス90は、切換可能な拡散器をテストモードに変化させ、測定光源20が活性化され、活性化された拡散器アクチュエータ54は、図2および図3に示されているように、拡散体52をそのテスト位置52’に枢動させる。散乱光検出器30は、半径方向に散乱されたテスト光66’、66”を受け取り、制御デバイス90は、散乱光検出器30によって受け取られる信号からテスト光強度Itを決定する。制御デバイス90は、測定されたテスト光強度Itを記憶されている基準光強度Irと比較し、両強度の差が閾値を超える場合には、汚染信号を生成する。
汚染信号が生成された場合には、円筒壁部42の内側の汚染層70が、その最も可能性の高い理由である。したがって、制御デバイス90は、クリーニング動作を引き起こすようにプログラムされ得、クリーニング手段80が、キュベット40のキュベット本体の内側表面をクリーニングするよう活性化される。クリーニング手段80がクリーニング動作を終了した後に、制御デバイス90は、別の汚染テストを要求し、汚染層70がキュベット40の内側から上手く除去されたかどうかを決定する。
また、切換可能な拡散器50は、測定光源20によって放射される放射光線60の強度およびビーム品質を検査するために使用され得る。拡散器50のテスト位置において、拡散体52’は、拡散テスト光63をすべての空間方向に照射し、そのごく一部が、光源検出器38によって受け取られる。
基準光源強度Irsが、濁度計製造プロセスの終わりに測定され、制御ユニット90内に記憶される。濁度計10がテストモードになっており、拡散体52’がそのテスト位置にあるときに、光源検出器38によって測定される測定光源強度Imsは、制御ユニット90によって、記憶されている基準光源強度Irsと比較される。光源強度IrsとImsとの差が記憶されている閾値を超える場合には、光源警告信号が生成される。
代替的にまたは追加的に、光源強度Imsおよび基準光源強度Irsの差は、測定光源20によって放射される光線60の光エネルギーを基準光源強度Irsによって規定されるレベルに正規化するための基準として使用される。基準測定光強度を発生させるために必要な電気エネルギーEmは、基準値Erと比較され、必要とされる電気エネルギーEmと基準値Erとの差が閾値dEを超える場合には、寿命信号が生成される。光源20が、基準光源強度Irsを有する測定光を発生させるために、ますます多くの電気エネルギーを必要とする場合、一般的に、その理由は、光源20の電気効率の低下であり、それは、光源寿命の終わりに関する指標である。
10 比濁分析濁度計
20 測定光源
22 発光ダイオード(LED)
30 散乱光検出器
38 光源検出器
40 サンプルキュベット
41 平面底壁部
42 円筒壁部
49 液体サンプル
50 拡散器
52 光学的拡散体
54 拡散器アクチュエータ
60 放射光線
63 拡散テスト光
66 散乱光
80 クリーニング手段
90 制御デバイス

Claims (13)

  1. サンプルキュベット(40)内の液体サンプル(49)の濁度を測定するための比濁分析濁度計(10)であって、
    前記キュベット(40)に方向付けされた軸方向の平行な光線(60)を放射するための測定光源(20)と、
    前記キュベット(40)からの散乱光(66)を受け取るように配置されている散乱光検出器(30)と、
    光学的拡散体(52)、およびパーキング位置とテスト位置との間で前記光学的拡散体(52、52’)を移動させるための拡散器アクチュエータ(54)を備え、前記パーキング位置では、前記拡散体(52)は前記放射光線(60)と干渉せず、前記テスト位置は、前記光源(20)と前記キュベット(40)との間にあり、前記テスト位置では、前記拡散体(52’)が前記放射光線(60)と干渉し、前記キュベット(40)に進入する拡散テスト光(63)を発生させる、切換可能な拡散器(50)と
    を含む、比濁分析濁度計(10)。
  2. 前記キュベット(40)が、円筒形状であり、かつ、円筒壁部(42)および平面底壁部(41)を備えている、請求項1に記載の比濁分析濁度計(10)。
  3. クリーニング手段(80)が、前記キュベット円筒壁部(42)の内側の機械的なクリーニングのために設けられている、請求項1または2に記載の比濁分析濁度計(10)。
  4. 前記測定光源(20)には、LED(22)、好ましくは、レーザLED(22)が設けられている、請求項1から3のいずれか一項に記載の比濁分析濁度計(10)。
  5. 拡散体(52)が、散乱粒子で満たされた透明なマトリックス材料から作製されている、請求項1から4のいずれか一項に記載の比濁分析濁度計(10)。
  6. 拡散体(52)が、すりガラスから作製されている、請求項1から5のいずれか一項に記載の比濁分析濁度計(10)。
  7. 前記測定光源(20)が、軸方向に前記キュベット(40)に対して前記キュベット(40)の前記平面底壁部(41)の下方に配置されている、請求項1から6のいずれか一項に記載の比濁分析濁度計(10)。
  8. 別個の光源検出器(38)が、前記テスト位置における前記拡散体(52’)から拡散テスト光(63)を直接的に受け取るように、前記拡散体(52’)に光学的に割り当てられている、請求項1から7のいずれか一項に記載の比濁分析濁度計(10)。
  9. 請求項1から8のいずれか一項の特徴を備える比濁分析濁度計(10)のサンプルキュベット(40)の汚染の検出のための方法であって、汚染テストが要求された後に、
    前記拡散体(52)をそのパーキング位置からそのテスト位置へ移動させるために、前記拡散器アクチュエータ(54)を活性化するステップと、
    前記光源(20)を活性化するステップと、
    前記散乱光検出器(30)によって受け取られるテスト光強度Itを測定するステップと、
    前記測定されたテスト光強度Itを基準光強度Irと比較するステップと、
    前記基準光強度Irと前記測定されたテスト光強度Itとの差が閾値を超える場合に、
    汚染信号を生成するステップと
    を含む、方法。
  10. 前記濁度計(10)には、前記キュベット円筒壁部(42)の内側の機械的なクリーニングのためのクリーニング手段(80)が設けられており、前記方法が、
    汚染信号が生成された場合、および前記クリーニング手段(80)が前記クリーニング動作を終了したときに、前記クリーニング手段(80)を活性化するステップと、
    汚染テストを要求するステップと
    をさらに含む、請求項9に記載の方法。
  11. 前記拡散体(52’)がそのテスト位置にあるときには、前記方法が、
    前記光源検出器(38)によって受け取られる光源強度Imsを測定するステップと、
    前記測定された光源強度Imsを基準光源強度Irsと比較するステップと
    をさらに含む、請求項9または10に記載の方法。
  12. 前記光源強度Imsが前記基準光源強度Irsに等しくなるように、前記光源(20)の前記強度を前記光源検出器(38)によって検査するステップ
    をさらに含む、請求項11に記載の方法。
  13. 前記基準測定光強度Irsを発生させるために使用される電気エネルギーEmを電気エネルギー基準Erと比較するステップと、
    差が閾値dEを超える場合には、寿命信号を生成するステップと
    をさらに含む、請求項12に記載の方法。
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