水分計の測定原理

水分計


光の波長

水分計は光の波長のうち近赤外領域(NIR)と呼ばれる部分を使います。
当社が取り扱っておりますラマン装置はそれより波長が短い範囲、FTIRは波長が長い範囲を扱っています。

水(H2O)の赤外による振動

振動には原子同士が伸び縮みしている伸縮運動と軸が回転している回転運動があります。
赤外光が水分に当たると水の分子はこれらの振動が交じり合い、複雑な運動をします。
FT-IRやラマン装置はこれらの運動を分けて測定し挙動を観察する装置ですが、 水分計はこれらのエネルギーを全体を測定して水分量に換算します。

水分測定の原理

水分には近赤外領域と呼ばれている波長範囲のうち1450nmと1940nmに固有の吸収帯があり、上図は1940nmの波長領域での測定方法を示しています。
図は1100nmから2500nmの範囲の全チャートを示していますが、実際にはフィルタを使いWaterと、 その両側の縦線の部分の吸収レベルだけを見る事になります。
この両側の波長は必ず水の吸収の無い範囲を使用します。
検出器にはこの3点の反射エネルギーが集まり、 集められたエネルギーは1940nmの部分の反射エネルギーとレファレンス2箇所の波長比でこれらのレベルを比較します。

これらの比を取り、原点と傾きを合わせることで水分が測定できます。
水分 = a + b (R / M)
R =レファレンスの値
M =測定値

その後 縦軸(スパン)とゼロオフセットを合わせます。

例 : (0.3*F2 + 0.7*F3) / F1

ここではF1を水に吸収がある波長部分とし、F2、F3を水にもサンプルにも吸収がない波長部分の吸収エネルギーとします。
水の吸収波長と吸収がない参照光は測定距離の変動や色、表面状態にほぼ等しく影響しますので、 これらの比率を求める事により外乱の影響を除去する事が可能です。

水分測定器の構造

  • 光源からの光はExternal と Internal の2方向に分けられます
  • それぞれの光は1,100回転で回る羽根上のフィルタを通ります
  • フィルタを通過した水分に反応する波長(この場合は1940nm)エネルギーはミラーとレンズを通した後90度で集光されます
  • その後エネルギーは集光ミラーによって集められ45度で検出器に集められます
  • レファレンスの波長成分は同じようにフィルタを通った後45度の角度で検出器に入ります
  • Internal の信号は光源の輝度変化のような 計測ドリフトを取り除きます
  • 生データは2個以上のExternalとInternal の比から計測されます
  • External信号はサンプルと反射光の影響を受けます
  • Internal 信号は反射光だけの影響を受けます
  • この信号比は輝度で変化するような反射光の影響を取り除く役割があります
External / Internal = 反射光(X Product) / 反射光=サンプルに起因する変化のみ
外部/内部= (Xmitter X Product) / Xmitter =サンプルのみで変化した信号


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