JP2005331513A - 流体導電率測定セル - Google Patents

Abstract

【課題】 構成が簡易でコスト的に有利な流体導電率測定セルを提供する。
【解決手段】 本発明に係る流体導電率測定セルは、二つの円筒状同軸電極（２、３）を備える。内側電極（３）は、少なくとも部分的に中空な外側電極（２）内へと部分的に貫入する。上記本体（１）は、二つの円筒状空間を形成するような態様で二つの電極が収容される凹部（１０）を備え、該空間の一方が、凹部（１０）の内側壁（２３）と外側電極（２）の外側壁（２４）との間に形成される外側空間（６）であり、他方が、内側電極（３）の外側壁（２０）と外側電極（２）の内側壁（１９）との間に形成される内側空間（７）である。外側空間（６）は、セルの流体入口及び出口（１１ａ、１１ｂ）間に連通を確立し、入口及び出口は凹部（１０）内に通じ、かつ内側空間（７）と流体連通し、内側空間（７）は導電率測定領域として機能する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水の導電率（導電性／伝導率）又は比抵抗（比抵抗ｏｈｍ．ｃｍ＝１／導電率Ｓｉｅｍｅｎｓ．ｃｍ^-1）を測定することにより、水の純度を求める分野に関し、特に、純度が測定される送水管（水道）に取り付けられうる、温度補償及び軸方向重複同軸円筒電極を有する導電率セルに関する。しかし、本発明は、他のどのような流体の導電率をも測定するために同様に適応される。

現代の多くの科学技術応用分野、特に、化学、製薬、医療及びエレクトロニクス産業においては、それらの利用操作に純水又は超純水を必要とする。

水の浄化に関連した問題はさておき、浄化した水の質を測定するための計測器の性能を高める必要がある。

導電率セルは、水のイオン純度を求めるための装置である。この種のセルは、水の一特性、すなわち、水の導電率がその含有イオンの濃度に比例するとい事実を有利に利用する。水の純度が高まるにつれ、その導電率は低下し、その比抵抗は上昇する。従って、水の導電率を測定するため、純度を求める水中に浸した二つの離隔した導電面間の電気抵抗が測定されうる。上記導電面の形態及び該二面間の空間の形態を知ることで、該抵抗測定値から水の導電率を、従って水のイオン濃度を、更にそれから水の純度を導き出すことが可能である。

水の測定電気抵抗は、導電面の形態及び電極間の間隔に依存し、これらは共に、セル定数（セル定数＝距離ｃｍ／面積ｃｍ²）を定義する。セル定数が低下するほど、純水又は超純水の測定導電率の精度が高まる。この応用分野では、国際基準により０．１〜０．０１の定数が推奨される。

従って、この定数を最小化することが有益である。同軸で軸方向に一部重なる円筒状電極を有するセルの場合、二つのオプションがある。すなわち、電極の面積（すなわち、電極の長さ及び／又は直径）を拡大すること、又は、内部電極と外部電極との間の間隙を減らすことである。

低水流量の場合、小さいセルを用いることが好ましく、その際、このセルにおいて、上記二つのオプションのうちの最初のものは推奨されない。

その結果、円筒状電極を有する同軸セルの正確さを高めるため、電極間の間隔を狭める試みがなされなければならない。内側電極の外径と外側電極の内径との間の比率の関数としての、電極間に含まれる水の測定抵抗は、対数法則に従う。電極が離れるほど、セル定数は大きくなり、従って、測定の正確さは低下する。

この法則の対数性質からすれば、二つの電極間の間隔を狭める、従ってセル定数を小さくするのみならず、更に重要なことには、大量生産の状況において製造された全セルが同様のセル定数を有するようにセルを設計する（既存のセルはこの基準を一部のみ満たす。）ことが有益である。

更には、純水又は超純水は、非常に高い比抵抗を有し、これは、該水の温度に強く影響を受ける。この比抵抗に対応する導電率を測定するには、正確な結果を得る目的ならば、分析時点の水温を認識していることが必要である。導電率測定セルは、電極に加えて、温度センサーを一般的に含む。

上記センサーは、正確な時間で二つの電極間で測定される電気抵抗が、これと同じ時間でセンサーによって測定される温度に対応するため、短かい応答時間を得るように配置されなければならない。

更には、ほとんどの導電率セルは、実質上連続的に水の導電率を求めるため、送水管内に直接取り付けられるように設計される。

これは、今のところ一部のみしか解決されていない二つの主要な問題、すなわち「死角（デッド領域（dead area））」及び水頭損失を引き起こす。

いくつかのセルにおいて、例えば、セルをティー（Tee）に、特に電極間の測定領域に取り付けることによってもたらされる、水が流れない領域（「死角」）がある。比抵抗は、従って、「清（fresh）」水では測定されないが、セルにおいてよどんでいる水では測定され、そのためこれは、セルを通って流れる水の真の比抵抗を表すものではない。従って、そこでの水のいかなる停滞をも避けるように二つの電極間の空間を設計することが重要である。

セルの構成により、より大きい又は小さい水頭損失（圧力低下）も、水送管に取り付けられた場合にセルの入口と出口の間で観察される。どのような測定器具でも同様に、セルはその環境に干渉する。従って、水送管の性能を劣化させないため、特に、それがセル無しで稼働するように設計されている場合、その影響を制限する必要がある。

既存の技術は、特に、セルを通過する水の全部が二つの電極間を通るので、セルの通過によって生じる水の圧力低下及び乱れを正確に制御する手段を全く提供しない。

更に、既存のセルは、前述の種々の制約を取り込まなければならないという点で、多くの場合、複雑な構成及び組立である。これは、シール、ねじ込み固定、及び、電極を正確に配置するための追加のセンタリング支持面の使用を課し、ユニットコストを高め、組立時間を延ばす。

文献第ＧＢ ２ ２１０ ４５９号の装置は、シールとしてのみならず、内側電極を外側電極に対して中心に置くためにＯリングを用いる。この機械的設計の観点から、Ｏリングは、特に、センタリング機能がセル定数、従ってセルの性能に影響を及ぼす場合、センタリング機能を正確に与えることができない。更には、シール及び切削ねじの使用は、セルの製造コストを高める。

米国特許第４，７６７，９９５号は導電率測定セルを開示し、該セルは調整可能で、種々の測定オーダーに該セルを適合させることができる。この調整は、ねじ込みロッドによってもたらされ、該ロッドは、外側電極内へより深く又は浅く貫入させるため、内側円筒状電極を内腔内で平行移動させる。このセルは、その設計のため、内側電極を外側電極に対し正確に同じ位置に戻すことが難しいので、二つの測定値間のセル定数の十分な信頼度を提供することができない。この種のセルでもたらされる測定値は、無調整式セルでもたらされる測定値よりも精度が落ちる。更には、このセルは、機械加工、調整（適合）、雄ねじ、雌ねじ、及び、可動部品のためのシールを必要とする多数の複雑な構成要素を用い、結果的に製造コストがかさむ。

最後に、上記二文献のように、米国特許第３，９１６，３００号は、同心円筒状電極を有し、ねじ込みカバーで組み立てられ、かつ電極に取り付けられて適合された部品によって中心に置かれるセルを開示する。これは、前述した理由によりコストを高める。

結局、上記三文献において、セルに入るすべての水は、二つの電極間を通り、これが、セルが送水管に取り付けられる際に問題となる水頭損失を作り出す点に留意すべきである。この点に関し、これら三文献において、設計上の選択は、「死角」の導入を避ける要求によって決定したと思われる点に留意すべきである。
英国特許第２，２１０，４５９号 米国特許第４，７６７，９９５号 米国特許第３，９１６，３００号

本発明は、上記の先行技術の欠点を低減することを目的とする。

本発明の一般目的は、流体のための循環ラインに取り付けられるように適合された流体導電率測定セルを提供することにあり、該測定セルは、二つの円筒状同軸電極を備えている。該電極は、頭−尾（head-to-tail；一方の頭（上）部と他方の尾（底）部が互いに対応する形式）で取り付けられ、同一の絶縁材構成要素本体において軸方向に一部重なる。内側電極と称される電極の一方は、他方の少なくとも部分的に中空な外側電極内へと部分的に貫入する。当該セルは、以下の点で特徴付けられる。すなわち、上記本体が、二つの円筒状空間を形成するような態様で二つの電極が収容される凹部を備え、円筒状空間の一方が、凹部の内側壁と外側電極の外側壁との間に形成される外側区域であり、また、円筒状空間の他方が、内側電極の外側壁と外側電極の内側壁との間に形成される内側空間であり、上記外側区域が、セルの流体入口と流体出口の間に連通を確立し、入口及び出口それぞれが凹部内に通じ、かつ外側空間が囲む内側空間と流体連通し、この内側空間が導電率測定領域として機能する点である。

本発明の好ましい組み合わせ可能な機能（適用可能な場合）によれば、以下のようになる。上記二つの電極は、本体の凹部にプレス嵌め（圧力嵌め）される。該凹部は、両端部で外側に開放する。電極と本体との間の固定（法）は、少なくとも一つの三角形状断面のカラーによって与えられる。該カラーは、各電極のアンカー区域に設けられる。各電極のアンカー区域は、上記カラーと平行な溝を備えている。外側電極は、内側空間の外側壁を形成すると共に外側電極のアンカー区域を延ばす中空測定区域の出口のない端部において、測定区域が外側区域と連通することを可能にする開口を有する。好ましくはセルの外側に開放する空洞が、温度センサーを収容可能な態様で本体に設けられる。温度センサーは、導電率が測定される流体と接触するように適合される。又は、内側電極が、温度センサーを内部に収容できるように中空となる。該センサーは支持部材によって保持される。該支持部材は好ましくは肩部を有し、該肩部は、センサーを本体に対して保持するため、本体の相補形の肩部と協調するように適合される。温度センサーは、サーミスター型又は白金プローブ型である。上記支持部材は、センサーのための保護手袋（保護グローブフィンガー）形態を採る。流体入口は、外側電極の測定区域の縦方向（軸方向）一端部にあり、流体出口は、測定区域の反対側端部にある。流体入口及び出口は、好ましくは１８０°、円周方向に離隔する。内側電極は中実電極である。流体の入口及び出口と、センサーを収容する空洞は、凹部の軸線に対し交差方向に延びる付加円筒（付加物）に形成される。二つの電極は、同一の電気接続端子を備える。

この発明の特徴は、次のセルをもたらすことである。すなわち、該セルにおいて、二つの電極が、同じ絶縁材本体内へと頭−尾配列で圧力嵌めされる。ここで、一度本体に取り付けられた場合の二つの電極が優れた同心性を有することを保証するため、二つの電極のために提供される二つの空間は、同一のスピンドル上において成形（及び／又は機械加工）される。

更に詳しくは、セルに流入する流体の一部のみが、導電率の測定に使用され、残りの部分は、セルの出口に直接送られる。

この目的のため、セルは、本体の内側に二つの空間を有するように設計される。その一方（第１空間）は、流体を、頭−尾配置の二つの電極間に通し、導電率測定領域に役立てる。他方の空間は、液体のより多い部分を、上記第１空間を通過することなく出口へと直接送るため、本体と外側電極との間にある。

更には、上記二つの電極各々の外側固定端部（セルの本体内に挿入されるように適合された端部）には、もりのようなさかとげのあるカラーが設けられる。このカラーは、セル内部が高圧の場合でさえ、本体に対する電極のシールと保持を保証する。

従って、セルは、該セルをシール（封止）するためにシール材が必要ないという利点を有する。

流体の温度は、セル本体の空洞内、又は、穴があけられて保護グローブフィンガーとして機能する内側電極内、又は、取り付けられた、好ましくは圧着されたグローブフィンガー内のいずれかに取り付けられたサーミスター又は白金プローブで測定される。

上記温度プローブはまた、セル本体のオリフィスに入れられたエラストマー部材に取り付けられうる。このエラストマー部材は、その際、セル本体に対しプローブを固定及びシールするための部材としての役割を果たし、また、プローブの頭部が流体と直接接触することを許容する。これは、プローブの応答時間を高める。

電極は、同一のスピンドルで成形される成形空間内に有利には圧力嵌めされる。これは、二つの電極の相対的な位置付けが非常に正確であることを保証し、また、大量生産という状況において低くて正確なセル定数を実現する。上記空間と電極間のぴったりした嵌合は、セルがシール（封止）されることを保証する。

更には、セルを通過する流体の一部のみを測定に使用することは、水頭損失を減らし、特に、その内部通路を構成する部材の形状（本体の中央空洞、電極、二つの内側空間の形状等）を変更することにより、セルを異なる応用例（圧力、流量等）に適合可能とする。

本セルは、ほんのわずかな構成要素、すなわち、四つの主要サブアセンブリ（本体、二つの電極及び温度測定ユニット）を有し、構成が簡易であるため、非常に経済的である。その巧妙な設計は、セルが、シール要素及び調整なしに素早く組立てられうることを表す。これは、この種のセルのユニットコストを削減するのに多大に貢献する。

更に、三角形状断面のカラーは、たとえセル内部に高圧が作用していても、電極を所定位置に保つ。

本発明はまた、流体を移送し、処理し、又は制御するための装置に関し、上記した導電率測定セルを備えることを特徴とする。

それは、流体制御マニホルド、例えば、逆浸透カートリッジもしくは同様のカートリッジを収容するケース、又は水処理装置要素でありうる。

セルの本体は、好ましくは本装置と一体化され、該装置と共に一つの同一部品に非常に簡易に成形される。これは、コスト的利益となる。

最後に、温度センサーは、最適な応答時間を実現し、これにより測定精度を高めるため、流体と直接接触するように配置されうる。

本発明の他の利点は、図面を参照した以下の説明から明らかとなろう。

図１に示される導電率測定セルは、成形絶縁材円筒状本体１を備え、この本体１は、複数の水力式及び機械式機能を実装し、また、大規模な中空中央部分と、本体１の軸線に対し横断（交差）方向で上記中央部分内に開放する三つの中空円筒状付加物とを備えている。

より正確には、本体１は、軸線Ａを有する円筒状縦方向（軸方向）中央通路１０を有し、該通路１０は直径が変化し、また、本体１を完全に通り抜ける。この通路１０は、本体を成形する際、同じスピンドルを用いて製造される。これは、一度取り付けられた二つの電極が同心であることを保証する。本体１は、二つの電極が頭−尾（head-to-tail）配列に取り付けられるように設計される。

中央通路１０の両反対側側部において、セル本体は、本体１の縦方向に離隔した二つのオリフィス１１ａ及び１１ｂを有し、これらは、（円周方向に）角度的に互いに離隔され、ここでは１８０°離隔される。各オリフィス１１ａ及び１１ｂは、水圧管（流体管）５ａ及び５ｂそれぞれに通じる。各水圧管５ａ及び５ｂは、本体１から半径方向に突出して、分析される流体の入口又は出口を構成することを企図する端部１１ａ又は１１ｂとは反対側の端部において中央通路１０内に開放する円筒付加物を形成する。

更には、オリフィス１１ａの直径方向反対側に、本体１から半径方向に突出する第３中空円筒状付加物１２があり、該付加物（付加円筒）１２は、ここではサーミスター型の温度センサー４ａとその支持部材（サポート）４ｂを本体１内に据え付けるように設計される。

セルは、二つの同軸円筒状電極、すなわち、中実電極３及び中空電極２を更に備えている。中実電極３は、接続端子８ａと、アンカー区域１５と、測定区域１６とを備え、これら区域１５、１６は中実でかつ正確に同一の直径である。他の電極２も接続端子８ｂと中実アンカー区域１７を有するが、該アンカー区域よりも小さい外径の該電極の測定区域１８は中空であり、この中空部分の内径は、電極３が縦方向において電極２内部に部分的に収容されうるように、中実電極３の外径よりも大きい。

電極２及び３は、導電性材料から機械加工され、また、本体内のそれらの位置へとプレス嵌め（圧力嵌め）されて該電極の完全なシール（封止）と完全な中心化（センタリング／芯出し）を与えるように設計される。二つの電極２、３それぞれは、本体１と接触する目的で、図２により良く示されるように、それらのアンカー区域において、二つの三角形状断面のカラー２１ａ、２１ｂを有する。該カラー２１ａ、２１ｂは、特にセル内に高圧流体がある場合に電極を所定の位置に固定するように設計される。また、各カラーは、該カラーのより鋭い縁を作り出すため、対応した該カラーと平行な溝２２ａ、２２ｂによって縦方向に境界を定めて、その固着性を高め、上記絶縁材が該溝内へと入り込むことを許容する。

外側電極２の中空区域１８は、導電率測定空間７を形成するため、中央通路１０内部に置かれた内側電極３の自由部分（非固定部分）の全部を実質上包囲する。

上記したように、外側電極２は、この目的のため中央で中空であり、内側電極３（外側電極２）に対し通路を与え、空間７を作り出す。

「死角」となるべきではない空間７のため、穴９が外側電極２の中空部分の底部（測定区域１８の閉端部）に設けられ、空間７内の流体の流通を改善する。

水圧（流体）継手５ａ、５ｂの一方を通ってプローブに入る流体は、従って、導電率測定空間７と自由空間６とに分けられる。ここで、導電率測定空間７は、二つの電極２及び３間（外側電極２の内側壁１９と内側電極３の外側壁２０との間）にあり、また、自由空間６は、外側電極２とセル１の本体との間（中空部分１０の内側壁２３と外側電極２の外側壁２４との間）にあり、自由空間６は、空間７を囲み、空間７と連通し、かつ、セルの流体入口及び出口１１ａ／１１ｂ間の連通を確立する。これは、水頭損失を最小にするか又は除去さえする。

温度プローブ４ａは、通路１２にぴったりときつく嵌められエラストマー支持部材４ｂ内に取り付けられ、通路１２は、この目的で本体１に設けられる。

支持部材４ｂは、肩部１４を一端部に有し、肩部１４は、本体１に形成された相補形の肩部１３と共同で、支持部材４ｂと本体１の分離を、特に本体内部に高流体圧力がある場合に防ぐ。

電極２、３は、電気接続部を標準化するため、該電極が合わされた場合に本体１から突出する同一形状の（複数の）接続端子８を有する点にも留意すべきである。

別の実施形態において、機械加工プロセスによって本体１を製造することが考えられうる。

また別の実施形態において、精密成形によって電極２、３を製造することが考えられうる。

外側電極２とプローブ１の本体との間の空間は、該空間を通る流体流量に適するように、セルの設計によって異なりうる。

電極の形状（直径、長さ、及び電極間の間隔）も、測定される流体の導電率の関数として変更されうる。

更に詳しくは、本発明は、上記及び図示の実施形態に限定されず、そのどのような変形実施をも包含する。

本発明の導電率測定セルの好ましい実施形態の断面図である。 図１のセルの外側電極の拡大断面図である。

符号の説明

１ 本体
２ 外側電極
３ 内側電極
４ａ 温度センサー
４ｂ 支持部材
５ａ、５ｂ 水圧（流体）管
６ 自由空間
７ 導電率測定空間
９ 穴
１０ 中央通路
１１ａ 流体入口
１１ｂ 流体出口
１３、１４ 肩部
２１ａ、２１ｂ 三角形状断面のカラー
２２ａ、２２ｂ 溝

Claims (16)

1. 同一の絶縁性材料要素本体に頭−尾で軸方向に一部が重なるように取り付けられた二つの円筒状同軸電極（２、３）を備え、二つの電極（２、３）のうちの内側電極（３）と呼ばれる一方が、外側電極（２）と呼ばれる少なくとも一部が中空な他方の電極内へと部分的に貫入する、流体の流通ラインに取り付けられるように適合される流体導電率測定セルにおいて、
   前記本体（１）は、二つの円筒状空間を形成するような態様で二つの電極（２、３）が収容される凹部（１０）を備え、二つの円筒状空間の一方は、凹部（１０）の内側壁（２３）と外側電極（２）の外側壁（２４）との間に形成される外側空間（６）であり、他方は、内側電極（３）の外側壁（２０）と外側電極（２）の内側壁（１９）との間に形成される内側空間（７）であり、外側空間（６）は、当該セルの流体入口及び流体出口（１１ａ、１１ｂ）間の連通を確立し、流体入口及び流体出口は凹部（１０）に通じ、外側空間（６）は、該空間が囲む内側空間（７）と流体連通し、内側空間（７）は、導電率測定領域としての役割を果たすことを特徴とする流体導電率測定セル。
2. 前記電極（２、３）は、各端部で開放する本体（１）の凹部（１０）内にプレス嵌めされることを特徴とする請求項１に従う流体導電率測定セル。
3. 前記電極（２、３）と本体（１）との間の固着が、各電極（２、３）のアンカー区域に設けられた少なくとも一つの三角形状断面のカラー（２１ａ、２１ｂ）によって与えられることを特徴とする請求項２に従う流体導電率測定セル。
4. 前記各電極のアンカー区域は、前記カラーと平行な溝（２２ａ、２２ｂ）を備えることを特徴とする請求項３に従う流体導電率測定セル。
5. 前記外側電極（２）は、内側空間（７）の外側壁を形成しかつ外側電極（２）のアンカー区域を延ばす、中空測定区域の非出口端部に、前記測定区域を外側区域（６）と連通可能とする開口（９）を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に従う流体導電率測定セル。
6. 好ましくは当該セルの外側に開放する空洞（１２）が、導電率が測定される流体と接触するように適合された温度センサー（４ａ）を収容することが可能な態様で本体に設けられるか、又は、内側電極が、温度センサーを収容できるように中空であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一に従う流体導電率測定セル。
7. 前記センサーは、好ましくは肩部（１４）を有する支持部材（４ｂ）によって支持され、肩部（１４）は、該センサーを本体に対し保持するため、本体の相補形の肩部（１３）と共同するように適合されることを特徴とすることを特徴とする請求項６に従う流体導電率測定セル。
8. 前記温度センサーは、サーミスター又は白金プローブ型であることを特徴とする請求項６又は７に従う流体導電率測定セル。
9. 前記支持部材は、センサーに対し保護手袋形態を採ることを特徴とする請求項７又は８に従う流体導電率測定セル。
10. 前記流体入口は、外側電極の前記測定区域の縦方向一端部にあり、流体出口は測定区域の他端部にあることを特徴とする請求項５〜９のいずれか一に従う流体導電率測定セル。
11. 前記流体入口及び流体出口は、好ましく１８０°、角度的に離隔されることを特徴とする請求項１０に従う流体導電率測定セル。
12. 前記内側電極は中実電極であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一に従う流体導電率測定セル。
13. 前記流体入口及び流体出口、並びに該当する場合、前記センサーを収容する空洞は、前記凹部の軸線に対し横方向に伸びる円筒付加物に形成されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一に従う流体導電率測定セル。
14. 前記電極は、同じ電気接続端子（８ａ、８ｂ）を備えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一に従う流体導電率測定セル。
15. 請求項１〜１４のいずれか一に従う導電率測定セルを備えることを特徴とする、流体を移送し、処理し又は制御するための装置。
16. 前記導電率測定セルの本体は、当該装置と一体であることを特徴とする請求項１５に従う装置。

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