JP2016508223A - 水の広いダイナミックレンジの導電率測定 - Google Patents

Abstract

流体の導電率を測定するための導電率計が提供される。導電率計は、セル回路及び制御ユニット回路を有する。セル回路は、方形波ドライブアンプ、セル、及びトランスインピーダンスアンプを有する。流体は、セルを通って流れる。制御ユニット回路及び方形波ドライブアンプは、電圧を有する方形波パルス列をセルの流体に印加するように構成され、それによって、セル内の流体を流れる電流を誘起するように構成される。セル回路トランスインピーダンスアンプ及び制御ユニット回路は、セル内の流体を流れる電流の複数の測定値を取得し、電流測定値を用いてセル内の流体の生の導電率を推定するように構成される。流体の導電率を測定するための方法も提供される。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、流体の導電率を検出するための電子回路及び前記回路を用いる方法を対象とする。

いくつかの産業用システムは、純水などの使用される特定の導電率を有する液体を必要とする。したがって、そのようなシステムにおいて液体の導電率を監視することが重要である。過去においては、いくつかの導電率計は、範囲をいくつかの１０進の位に分割して、位ごとに個別の導電率セルを設けることによって、拡張された範囲にわたる導電率の測定を行った。しかし、複数の導電率セルを含む導電率計は、産業用途としては大きくなり実用的ではない。さらに、個別の導電率セルは、１つの固定周波数、通常、位の中間に位置する周波数についてのみ較正された。しかし、非線形効果により、各位の端にある値に関係する測定値は、正確なものではなかった。

したがって、正確にいくつかの１０進の位の範囲にわたって導電率を測定し、複数の導電率セルを不要とし、精度を損なう非線形効果を最小限に抑える導電率計が必要とされている。本発明は、この必要性を満たすものである。

さらに、計器の導電率範囲の周辺で標準規格（ＮＩＳＴ）に較正することができ、計器の導電率範囲全体にわたって精度を維持することができる計器が必要とされている。本発明は、この必要性を満たすものである。

国際公開第２００７／１０７１０８号

本発明の一態様では、流体の導電率を測定するための導電率計は、セル回路と、制御ユニット回路とを含み、セル回路は、方形波ドライブアンプと、セルと、トランスインピーダンスアンプとを含み、流体は、セルを通って流れ、制御ユニット回路及び方形波ドライブアンプは、電圧を有する方形波パルス列をセルの流体に印加するように構成され、それによって、セル内の流体を流れる電流を誘起し、セル回路トランスインピーダンスアンプ及び制御ユニット回路は、セル内の流体を流れる電流の複数の測定値を取得し、電流測定値を用いてセル内の流体の生の導電率を推定するように構成される。

本発明の別の態様では、方形波パルス列は、バックグラウンド段と、測定パルスと、回復パルスと、ベース段とを含む。

本発明の別の態様では、方形波パルス列は、静止段をさらに含む。

本発明の別の態様では、測定パルスは、前の生の導電率値で決定される持続時間を有する。

本発明の別の態様では、測定パルスは、１／（２×駆動周波数）の持続時間を有し、駆動周波数は、前の生の導電率値で決定される。

本発明の別の態様では、電流測定値は、セル内の流体を流れる正味の電流の値である。

本発明の別の態様では、制御ユニット回路は、電流測定値を二重指数減衰関数にフィッティングすることによって、セル内の流体の生の導電率値を推定する。

本発明の別の態様では、導電率計は、サーミスタ回路をさらに含み、サーミスタ回路及び制御ユニット回路は、セル内の流体の温度を計算し、流体の生の導電率値に温度補正を加えるように構成され、それによって、温度補正された導電率値を生成する。

本発明の別の態様では、サーミスタ回路は、サーミスタスイッチと、サーミスタドライブと、サーミスタと、トランスインピーダンスアンプとを含む。

本発明の別の態様では、セル回路トランスインピーダンスアンプは、利得制御回路の位置により決定される帰還抵抗値を有し、利得制御回路の位置は、前の生の導電率値により決定される。

本発明の別の態様では、セル回路は、極性切換回路をさらに含み、極性切換回路は、方形波ドライブアンプに電圧を渡して、方形波ドライブアンプによってセルに印加される電圧の極性を決定するように構成される導電率計。

本発明の別の態様では、極性切換回路は、セルスイッチと、極性スイッチとをさらに含む。

本発明の別の態様では、セル回路は、トランスインピーダンスアンプの出力を整流するように構成される整流器をさらに含む。

本発明のさらに別の態様では、流体の導電率を測定するための方法は、導電率を有する流体を収容するセルを有するセル回路を提供するステップと、方形波パルス列をセルに印加し、それによってセル内の流体に電流が流れるようにするステップと、セル内の流体を流れる電流の複数の測定値を取得するステップと、電流測定値に方程式をフィッティングすることによって、流体の生の導電率値を推定するステップとを含み、方程式は１／Ｒの項を含み、ここで、Ｒはセル内の流体の抵抗に等しい。

本発明の別の態様では、電流測定値は、セル内の流体を流れる正味の電流の値である。

本発明の別の態様では、方程式は、二重指数減衰関数である。

本発明の別の態様では、方形波パルス列は、持続時間中に電流測定値が取得される測定パルスを含む。

本発明の別の態様では、方形波パルス列は、バックグラウンド段と、回復パルスと、ベース段とをさらに含む。

本発明の別の態様では、方形波パルス列は、静止段をさらに含む。

本発明の別の態様では、本方法は、セル内の流体の温度を測定するステップと、流体の生の導電率値に温度補正を加えるステップとをさらに含み、それによって、温度補正された導電率値を生成する。

本発明の利点は、例示のために図示され記載された本発明の実施形態についての以下の説明から、当業者には明らかになるであろう。理解されるように、本発明は他の及び異なる実施形態が可能であり、その詳細は様々な点で変更が可能である。

本発明のこれらの及び他の特徴、並びにそれらの利点は、例として、添付の図面を参照して、ここで記載される本発明の実施形態では具体的に例示する。

本発明の一実施形態による導電率計のブロック図である。 本発明の一実施形態による導電率計のブロック図である。 本発明の一実施形態による導電率計のブロック図である。 本発明の一実施形態による導電率計の回路図である。 本発明の一実施形態による導電率計の回路図である。 本発明の一実施形態による導電率計の回路図である。 本発明の一実施形態による方形波パルス列の１周期を示す図である。 本発明の一実施形態による方形波パルス列の複数の周期を示す図である。 本発明の一実施形態による導電率計のセル内の流体の導電率測定の標準モデルを示す図である。 本発明の一実施形態による導電率計のセルの正規化された指数関数的減衰曲線を示す図である。 本発明の一実施形態による導電率計の制御ユニット内で実行される処理のフローチャートである。 本発明の一実施形態による導電率計の制御ユニット内で実行される処理のフローチャートである。 純水の理論的な導電率の表を示す図である。 個別イオンの等価コンダクタンスの表を示す図である。 温度に対するＮａＣｌの等価コンダクタンスのデータポイントと、データポイントにフィッティングした曲線をプロットした図である。

いずれの図も、概略的なものであって、一定の比率で描かれているわけではないことに留意されたい。これらの図面のうちの一部の相対的な寸法及び比率は、図面を明瞭にするため、及び図面の便宜のために、サイズを誇張又は縮小して示してある。同じ符号は、異なる実施形態における対応する又は類似の特徴を示すために、一般的に用いられる。したがって、図面及び説明は、本質的に例示的なものとしてみなされるべきであって、限定的なものとみなされるべきではない。

ここで図１Ａ〜図１Ｃを参照すると、対象流体の導電率及び温度を測定するための導電率計１００の回路が示されている。図１Ａ〜図１Ｃの導電率計１００の一実施形態のブロック図を参照すると、導電率計１００は、電圧レギュレータ１０５と、セル回路１２０と、制御ユニット回路１５０と、ディスプレイ１６０と、サーミスタ回路１１０とを含む。セル回路１２０は、極性切換回路１２１と、方形波ドライブアンプ１２４と、セル１２５と、トランスインピーダンスアンプ１２６と、利得制御回路１２７と、整流器１２８とを含む。サーミスタ回路１１０は、サーミスタスイッチ１１１と、サーミスタドライブ１１２と、サーミスタ１１３と、トランスインピーダンスアンプ１１４とを含む。制御ユニット回路１５０は、マルチプレクサ１５３と、アナログ／デジタル変換器１５２と、制御ユニット１５１とを含む。制御ユニット１５１は、メモリ１５２を有する。

電圧レギュレータ１０５は、アナログ／デジタル変換器１５２と、セルスイッチ１２３と、整流器１２８と、サーミスタスイッチ１１１と、に基準電圧を提供する。整流器１２８は、アナログ／デジタル変換器１５２に到達する電圧が負でないことを確実にするのに役立つ。

サーミスタ回路１１０の一実施形態では、サーミスタスイッチ１１１は、制御ユニット１５１から温度イネーブル信号を受信し、この信号により、制御ユニット１５１は、サーミスタドライブ１１２の出力を制御することができる。サーミスタスイッチ１１１は、制御ユニット１５１からの高い温度イネーブル信号を受信すると、サーミスタスイッチ１１１は、電圧レギュレータ１０５からの基準電圧をサーミスタドライブ１１２に渡し、サーミスタドライブ１１２は、セル１２５に配置されたサーミスタ１１３に正確な電圧を印加する。サーミスタ１１３の抵抗値は、セル１２５内の流体の温度に応じて大きく変化し、その変化は標準的な抵抗よりも大きい。トランスインピーダンスアンプ１１４は、サーミスタ１１３を流れる電流の量を測定し、サーミスタ１１３を流れる電流の量を表す出力電圧を生成する。サーミスタトランスインピーダンスアンプ１１４の出力電圧、すなわちサーミスタ回路電圧出力は、マルチプレクサ１５３へ導かれる。

セル回路１２０の一実施形態では、極性スイッチ１２２は、制御ユニット１５１から極性信号を受信し、セルスイッチ１２３は、制御ユニット１５１からセルイネーブル信号を受信する。極性切換回路１２１は、制御ユニット１５１と連携して、方形波ドライブアンプ１２４を制御する。

セルスイッチ１２３は、制御ユニット１５１から高いセルイネーブル信号を受信すると、セルスイッチ１２３は、電圧レギュレータ１０５からの基準電圧を方形波ドライブアンプ１２４に渡し、方形波ドライブアンプ１２４は、セル１２５内の流体に正確な電圧を印加し、セル１２５内の流体を流れる電流が生じる。極性スイッチ１２２は、制御ユニット１５１から高い極性信号を受信すると、極性スイッチ１２２は、方形波ドライブアンプ１２４の非反転入力を接地し、方形波ドライブアンプ１２４は、セル１２５内の流体に印加される高精度の電圧の極性を変化させる。一実施形態では、セル１２５は、互いに離れて配置され、セル１２５内の流体に露出されるように構成される２つの金属電極、すなわち第１及び第２の電極を含むが、他の実施形態では、当業者であれば、異なる適切なタイプの導電率セルを使用することを選択できると考えられる。方形波ドライブアンプ１２４は、セル１２５の第１の電極を介してセル１２５内の流体に電圧を印加する。

セル回路のトランスインピーダンスアンプ１２６は、セル１２５内の流体を流れる電流の量を測定し、セル１２５内の流体を流れる電流の量を表す出力電圧を生成する。セル回路のトランスインピーダンスアンプ１２６は、第２の電極を介してセル１２５から電流を受け取る。トランスインピーダンスアンプ１２６の利得は、利得制御回路１２７の利得制御回路スイッチ１３０の設定によって決定され、その設定は制御ユニット１５１からのＧＡＩＮ１信号及びＧＡＩＮ０信号によって制御される。トランスインピーダンスアンプ１２６の電圧出力の方程式は、Ｖ_TIA＝Ｉ_CELLＲ_FEEDBACKであり、ここでＶ_TIAはトランスインピーダンスアンプ１２６の出力電圧であり、Ｉ_CELLはセル１２５を流れる電流の量であり、Ｒ_FEEDBACKはトランスインピーダンスアンプ１２６によって認識される帰還抵抗値であって、利得制御回路１２７によって決定される。

一実施形態では、トランスインピーダンスアンプ１２６のＲ_FEEDBACKは、利得制御回路１２７の抵抗値と並列な４．９９Ｍの抵抗である。利得制御回路１２７は、４つの位置、すなわちＴＩＡ０〜３を有する。ＴＩＡ０では、４９９Ωの抵抗がトランスインピーダンスアンプ１２６の４．９９Ｍの抵抗と並列に配置され、トランスインピーダンスアンプ１２６のＲ_FEEDBACKは４９９Ωとなる。ＴＩＡ１では、２７．４ｋの抵抗がトランスインピーダンスアンプ１２６の４．９９Ｍの抵抗と並列に配置され、トランスインピーダンスアンプ１２６のＲ_FEEDBACKは２７．３ｋとなる。ＴＩＡ２では、４９９ｋの抵抗がトランスインピーダンスアンプ１２６の４．９９Ｍの抵抗と並列に配置され、トランスインピーダンスアンプ１２６のＲ_FEEDBACKは４５４ｋとなる。ＴＩＡ３では、抵抗がトランスインピーダンスアンプ１２６の４．９９Ｍの抵抗と並列に配置されず、トランスインピーダンスアンプ１２６のＲ_FEEDBACKは４．９９Ｍとなる。

制御ユニット１５１は、トランスインピーダンスアンプ１２６の出力が電源線に乗らないように、必要に応じてトランスインピーダンスアンプ１２６の利得を調整する。これはオートレンジ動作として知られており、これによって、導電率計が、トランスインピーダンスアンプ１２６が非可変帰還抵抗値を有する場合よりも、広い範囲の流体の導電率値を読み出すことができる。セルトランスインピーダンスアンプ１２６の出力電圧は、整流器１２８により整流される。それから、整流器１２８の出力電圧、すなわちセル回路電圧出力は、マルチプレクサ１５３へ導かれる。

マルチプレクサ１５３は、制御ユニット１５１から温度イネーブル信号を受信し、その信号によって、制御ユニット１５１は、マルチプレクサ１５３が、アナログ／デジタル変換器１５２に、セル回路電圧出力を渡すか、或いはサーミスタ回路電圧出力を渡すか、を制御することができる。マルチプレクサ１５３は、アナログ／デジタル変換器１５２に、セル回路電圧出力及びサーミスタ回路電圧出力を導き、アナログ／デジタル変換器１５２は、制御ユニット１５１に、セル回路電圧出力及びサーミスタ回路電圧出力のデジタル値を渡す。アナログ／デジタル変換器１５２は、制御ユニット１５１からＶＩＯ、ＳＤＩ、ＳＣＫ、ＣＯＮＶ信号を受信し、これらの信号によって、制御ユニット１５１はアナログ／デジタル変換器１５２を制御することができる。

他の実施形態では、制御ユニット１５１は、フィールドプログラマブルゲートアレイ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラマブル論理コントローラ、又は同様の機能を有する別のタイプのコントローラであってもよいと考えられる。さらに、他の実施形態では、当業者は、アナログ／デジタル変換器１５２としても、或いはマルチプレクサ１５３及びアナログ／デジタル変換器１５２としても機能する制御ユニット１５１を使用することを選択し得ると考えられる。

ディスプレイ１６０は、制御ユニット１５１内に含まれる情報を導電率計１００のユーザに利用可能にする。一実施形態では、ディスプレイ１６０は、セル１２５内の流体の導電率の表示をユーザに提供する。別の実施形態では、ディスプレイ１６０は、セル１２５内の流体の温度及び導電率の表示をユーザに提供する。その他の実施形態では、当業者であれば、ディスプレイ１６０が、制御ユニット１５１に含まれる情報のいずれかをユーザに提供するように選択することができると考えられる。さらに、いくつかの実施形態では、ディスプレイ１６０はタッチパネルであり、ユーザは、以下のステップ４１０に関連して説明される情報を選択し入力するなど、導電率計１００と対話することができる。他の実施形態では、キーパッドが設けられており、ユーザは、以下のステップ４１０に関連して説明される情報を選択し入力するなど、導電率計１００と対話することができる。

広い導電率の範囲のため、導電率計１００は、１．４６ｍＳ／ｃｍのＮＩＳＴ較正標準との直接的な較正を可能にする。

図１Ｃは、本発明の実施形態による、セルトランスインピーダンスアンプ１２６と利得制御回路１２７との間の相互作用をより詳細に示す。見て分かるように、セルトランスインピーダンスアンプ１２６は、トランスインピーダンスアンプ構成でオペアンプ１２９及び第１の帰還抵抗１３４を含む。オペアンプ１２９は、反転入力でセル１２５の第２の電極からの電流を受け取り、整流器１２８に電圧を出力する。

利得制御回路１２７は、利得制御回路スイッチ１３０と、第２の帰還抵抗１３１と、第３の帰還抵抗１３２と、第４の帰還抵抗１３３とを含む。利得制御回路スイッチ１３０は、第１の位置（ＴＩＡ０）、第２の位置（ＴＩＡ１）、第３の位置（ＴＩＡ２）、及び第４の位置（ＴＩＡ３）を有する。利得制御回路スイッチ１３０は、制御ユニット１５１とインターフェースして、制御ユニット１５１からのＧＡＩＮ１及びＧＡＩＮ０制御信号を介して制御ユニット１５１によって制御される。一実施形態では、第１の帰還抵抗１３４の抵抗値は、第４の帰還抵抗１３３の抵抗値よりも大きく、第４の帰還抵抗１３３の抵抗値は、第３の帰還抵抗１３２の抵抗値よりも大きく、第３の帰還抵抗１３２の抵抗値は、第２の帰還抵抗１３１の抵抗値よりも大きい。

Ｒ_FEEDBACKは、トランスインピーダンスアンプ１２６のオペアンプ１２９によって認識される帰還抵抗値である。利得制御回路スイッチ１３０が第１の位置（ＴＩＡ０）にある場合には、第２の帰還抵抗１３１が第１の帰還抵抗１３４と並列に配置される。利得制御回路スイッチ１３０が第２の位置（ＴＩＡ１）にある場合には、第３の帰還抵抗１３２が第１の帰還抵抗１３４と並列に配置される。利得制御回路スイッチ１３０が第３の位置（ＴＩＡ２）にある場合には、第４の帰還抵抗１３３が第１の帰還抵抗１３４と並列に配置される。利得制御回路スイッチ１３０が第４の位置（ＴＩＡ３）にある場合には、別の抵抗は、第１の帰還抵抗１３４と並列に配置されない。したがって、利得制御回路スイッチ１３０の第１の位置から第４の位置において、オペアンプ１２９によって認識されるＲ_FEEDBACKの値は以下のようになる。

ここで図２Ａ〜図２Ｃを参照すると、導電率計１００の回路図が示されている。導電率計１００の極性切換回路１２１は、セルスイッチ１２３及び極性スイッチ１２２を含む。

セルスイッチ１２３は以下を含む。

極性スイッチ１２２は以下を含む。

方形波ドライブアンプ１２４は以下を含む。

セル１２５は、ＧＥ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓによって製造されている小型導電率セルモデル番号ＡＣＯ０８０６０などの、導電率セルを含む。

トランスインピーダンスアンプ１２６は以下を含む。

利得制御回路１２７は以下を含む。

整流器１２８は以下を含む。

マルチプレクサ１５３は以下を含む。

電圧レギュレータ１０５は以下を含む。

アナログ／デジタル変換器１５２は以下を含む。

サーミスタスイッチ１１１は以下を含む。

サーミスタドライブアンプ１１２は以下を含む。

サーミスタ１１３は、ＧＥ Ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｒｉｃｓ部品番号Ｐ６０ＡＢ１０４Ｌ−ＣＯＥＧＫを含む。しかし、他の実施形態では、当業者は別の適切なサーミスタを使用することを選択できると考えられる。

トランスインピーダンスアンプ１１４は以下を含む。

制御ユニット１５１は以下を含む。

電圧レギュレータ１０５は、アナログ／デジタル変換器１５２に電力を供給し、以下を含む。

動作について説明すると、方形波ドライブアンプ１２４は、セル１２５内の流体に、既知の周波数、振幅、及び持続時間を有する方形波パルス列を印加する。方形波パルス列は、セル１２５内の流体を流れる電流を生じさせる。トランスインピーダンスアンプ１２６は、セル１２５内の流体を流れる電流の量を測定し、セル１２５内の流体を流れる電流の量を表す出力電圧を生成する。

セル１２５内の流体に印加される方形波パルス列の電圧（Ｖ）が既知であり、セル１２５内の流体を流れる電流（Ｉ）が既知であるから、セル１２５内の流体の抵抗値（Ｒ）を得るために、オームの法則（Ｖ＝ＩＲ）を用いることができる。導電率（Ｇ）は抵抗の逆数（Ｇ＝１／Ｒ）であるから、セル１２５内の流体の導電率を得るために、抵抗値を用いることができる。

図３Ａは、導電率計１００の一実施形態による、セル１２５内の流体に、方形波ドライブアンプ１２４によって印加される方形波パルス列３００の１周期の表現を示す。方形波パルス列３００は、バックグラウンド段３０１と、測定パルス３０２と、静止段３０３と、回復パルス３０４と、ベース段３０５とを含む。一実施形態では、方形波パルス列３００のバックグラウンド段３０１は、０ボルトの振幅及び１／（２×駆動周波数）の持続時間を有する。セル１２５内の流体のバックグラウンド導電率は、方形波ドライブアンプ１２４によって流体に０ボルトが印加された時のセル１２５内の流体を流れる電流を測定することにより、バックグラウンド段３０１の期間に数回測定される。方形波パルス列３００の測定パルス３０２は、２．５ボルトの振幅及び１／（２×駆動周波数）の持続時間（ｔ_M）を有する。セル内の流体の導電率は、方形波ドライブアンプ１２４によって流体に２．５ボルトが印加された時のセル１２５内の流体を流れる電流を測定することにより、測定パルス３０２の期間に数回測定される。

一実施形態では、方形波パルス列３００の静止段３０３は、０ボルトの振幅及び５０μｓの持続時間を有する。静止段３０３は、測定パルス３０２と回復パルス３０４との間の分離を提供するように機能する。他の実施形態では、静止段３０３が存在しない（０秒の持続時間を有する）と考えられる。パルス列３００の回復パルス３０４は、負の２．５ボルトの振幅を有し、可変持続時間を有する。回復パルス３０４は、測定パルス３０２によるセル１２５内に残っているすべての残留電荷を放電する。制御ユニット１５１内で生じる動作の最初の繰り返しでは、回復パルスの持続時間（ｔ_R）は１／（２×駆動周波数）に等しい。以降の繰り返しでは、回復パルス３０４の持続時間（ｔ_R）は次のようになる。

ここで、「ｔ_M」は測定パルスの持続時間であり、「Ｒ」は、ステージ４４５、４５０、及び４５５で推定又は計算された、セル１２５内の流体の抵抗を表すパラメータであり、「Ｃ」は後述するステージ４４５、４５０で推定されたパラメータである。ｔ_Rを計算するために、Ｒ及びＣの最も新しい値が用いられる。

ベース段３０５は、０ボルトの振幅を有し、方形波パルス列３００のデューティサイクルの残りの部分に延在する持続時間を有する。約１０個のデータ点がベース段の期間に取り込まれ、セル１２５内の流体の温度を計算するために用いられる。マルチプレクサ１５３が制御ユニット１５１から温度イネーブル信号を受信した場合に、セル１２５内の流体の温度が測定される。温度イネーブル信号が受信されると、マルチプレクサ１５３は、サーミスタ回路電圧出力をアナログ／デジタル変換器１５２に導き、アナログ／デジタル変換器１５２は、デジタル化されたサーミスタ回路電圧出力を制御ユニット１５１に渡す。駆動周波数及びデューティサイクルは、バックグラウンド段３０１、測定パルス３０２、回復パルス３０４、及びベース段３０５の持続時間を決定し、下記の表１によって表される。図３Ｂは、方形波パルス列３００の２周期分を示す。

図３Ｃ、図３Ｄを参照すると、液体の導電率測定の等価回路を図３Ｃに示す。それは単純化したランドルズ回路であって、抵抗（Ｒ）及びそれに直列に接続されたキャパシタ（Ｃｓ）から構成され、キャパシタ（Ｃｓ）は電極／溶液界面の二重層容量を表している。その組合せは、並列に接続された別のキャパシタ（Ｃｐ）を有する。抵抗Ｒは、測定しようとする量であり、導電率は１／Ｒである。測定は、方形波パルス列３００（電圧）をモデル（セル１２５）に印加して、セル１２５の流体を流れる電流を測定することによって行われる。セル１２５内の流体の導電率は、図３Ｄのｔ＝０で測定された電流に正比例し、ｔ＝０でＣｐにより生じる大きな電流スパイクは、以下に説明するように無視される（又はスキップされる）。

回路内のＣｐの存在によって、ｔ＝０で大きな電流スパイクが生じ、セル回路１２０の電子回路を短時間飽和させる（図３Ｄの左側に網掛け領域として示す）。セル回路１２０の電子回路が飽和している間は、セル１２５を流れる電流の測定をすることができないか、又は用いることができない。しかし、ｔ＝０の電流スパイクに続いて、セル１２５内の指数関数的減衰電流曲線は、規則的に回復して、曲線の残りの部分に沿って測定を可能にする。したがって、ｔ＝０での測定は、制御ユニット１５１により、曲線の残りの部分で得られた測定値に曲線フィッティング技術を適用することによって近似される。

制御ユニット１５１内で実行される動作は、図４Ａ、図４Ｂのフローチャートに詳しく示してある。図４Ａ、図４Ｂのフローチャートに詳細に示す動作を実行するためのプログラムは、制御ユニット１５１のメモリ１５２に記憶される。ステージ４１０では、第１の方形波パルス列を生成するためのサーミスタ定数、導電率推定パラメータ、及び初期方形波パルス列生成パラメータが、制御ユニット１５１に入力され、ロードされる。第１の方形波パルス列のための方形波パルス列発生パラメータ、すなわち、ＴＩＡ利得、駆動周波数、測定点、及びデューティサイクルが制御ユニット１５１に入力され、ロードされる。制御ユニット１５１内で実行される動作の最初の繰り返しでは、回復パルスの持続時間は１／（２×駆動周波数）である。以降の繰り返しでは、回復パルスの持続期間は可変であり、その計算についてはステップ４６０で後述する。生の導電率の温度補正アルゴリズムは、ユーザによって選択される。導電率推定パラメータ、すなわちＲ、Ａ、Ｂ、及びＣはすべて１の値を持つように初期化される。

ステージ４１５では、制御ユニット１５１が始動される。ステージ４２０では、データ収集処理が制御ユニット１５１によって起動される。ステージ４２５及びステージ４３０では、バックグラウンド段３０１の期間にセル１２５を流れるバックグラウンド電流の値、測定パルスの期間にセル１２５を流れる生の電流の値、及びセル１２５内の流体の温度データが制御ユニット１５１によって取得され、インデックスが付けられる。温度データは、サーミスタ１１３を流れる電流の量の複数の値を含み、それらは平均化されている。サーミスタ１１３を流れる電流の値は、トランスインピーダンスアンプ１１４により生成される対応する電圧値から確認される。

ステージ４６５では、サーミスタ１１３の平均抵抗値は、オームの法則Ｖ＝ＩＲを用いて算出される。「Ｖ」は、サーミスタドライブアンプ１１２によってサーミスタ１１３に印加される高精度電圧のボルト単位の振幅である。「Ｉ」は、サーミスタ１１３を流れる電流の平均量である。トランスインピーダンスアンプ１１４は、サーミスタ１１３を流れる電流の量を測定し、サーミスタ１１３を流れる電流の量を表す電圧を出力する。制御ユニット１５１は、パルス列のベース段の期間にトランスインピーダンスアンプ１１４から得られる電圧値を、サーミスタ１１３を流れる電流に対応する値に変換する。制御ユニット１５１は、ＶをＩで除算して得られるサーミスタの平均抵抗値「Ｒ」を算出する。

サーミスタ１１３の平均抵抗値が得られると、摂氏温度でのサーミスタ１１３の平均温度は、以下の公式を用いて制御ユニット１５１により計算することができる。

この式で、「Ｔ」はサーミスタ１１３及びセル１２５内の流体の平均温度であり、「Ｒ_T」はサーミスタ１１３の平均抵抗値である。「Ａ_T」、「Ｂ_T」、及び「Ｃ_T」はサーミスタ１１３についてのデータシート上で利用可能なサーミスタに特有の定数である。

ステージ４３５及びステージ４４０では、セル１２５のバックグラウンド電流の値を平均化し、ステージ４２５で収集された、方形波パルス列の測定パルスの期間にセル１２５の流体を流れる生の電流の各値から、平均バックグラウンド電流値を減算して、方形波パルス列の測定パルスの期間にセル１２５を流れる電流の正味の値を生成する。ステージ４４０に続いて、セル１２５内の流体の生の導電率値は、ステージ４４５、４５０、又は４５５の式のうちの１つを用いて計算される。

最後の生の導電率測定値が高く（例えば約１ｍＳ／ｃｍより大きく）なった場合には、制御ユニット１５１はステージ４５０の式を用いる。しかし、最後の生の導電率値測定が低く（例えば、約１００ｎＳ／ｃｍ未満に）なった場合には、制御ユニット１５１はステージ４５５の式を用いる。最後の生の導電率値測定が中間の範囲、すなわち高導電率値と低導電率値との間になった場合には、制御ユニット１５１はステージ４４５の式を用いる。他の実施形態では、当業者であれば、異なる適切な高導電率値及び／又は低導電率値を用いることを選択できると考えられる。

さらに、制御ユニット１５１は、方法４００の最初の繰り返しの期間にステージ４５０の式を用いる。加えて、生の導電率測定値が中間範囲であって、制御ユニット１５１が所定の時間内にステージ４４５の式を、セル１２５を流れる電流の正味の値にフィッティングすることができない場合には、制御ユニット１５１は、ステージ４５０の式を用いてセル１２５内の流体の導電率（Ｇ_T）を算出する。以下に示すステージ４４５の二重指数方程式を用いる場合には、測定パルスの開始時における立ち上がりエッジに対する経過時間の関数として、測定パルスの期間にセル１２５を流れる電流の正味の値に式をフィッティングするために、制御ユニット１５１は非線形方程式に対する最小二乗法を採用している。

最小二乗法は、後続の繰り返しの式によって発生した誤差の二乗の和を最小にする。例えば、これに限定されないが、レーベンバーグ−マーカートアルゴリズムなどの、非線形方程式に対する任意の適切な最小二乗法を用いることができると考えられる。ステージ４４５の式において、「Ｒ」、「Ｃ」、「Ａ」、及び「Ｂ」は、式フィッティング処理中に推定される導電率推定パラメータであり、「ｔ」は測定パルスの開始時の立ち上がりエッジに対する秒単位の経過時間であり、「Ｖ」は測定パルスのボルト単位の振幅であり、「Ｉ」は所与の時間ｔにおいてセル１２５を流れるアンペア単位の電流の値である。

ステージ４４５の式が方形波パルス列の測定パルスの期間にセル１２５を流れる電流の正味の伝導率データ値にフィッティングされて、パラメータＲ、Ｃ、Ａ、及びＢが推定されると、制御ユニット１５１は、セル１２５内の流体の生の導電率（Ｇ_T）を確認することができ、これは１／Ｒである。しかし、所定時間内に、制御ユニット１５１が、ステージ４４５の式を方形波パルス列の測定パルスの期間にセル１２５を流れる電流の正味の値にフィッティングすることができない場合には、制御ユニット１５１は、ステージ４５０の式を用いてセル１２５内の流体の導電率（Ｇ_T）を算出する。

一実施形態では、ステージ４４５の式を電流の正味の値にフィッティングするための所定時間は、約１ｍｓ〜１００ｍｓである。しかし、他の実施形態では、当業者であれば、制御ユニット１５１の計算能力だけでなく、ユーザが最終的な導電率の結果をどの程度速く必要とするかに応じて、異なる適切な所定時間を選択できると考えられる。

ステージ４５０の単一指数方程式を用いる場合には、測定パルスの開始時における立ち上がりエッジに対する経過時間の関数として、方形波パルス列の測定パルスの期間にセル１２５を流れる正味の電流の値に式をフィッティングするために、制御ユニット１５１は、リニア曲線（対数プロットで）に対する最小二乗を最小にする通常のフィッティングアルゴリズムを採用する。したがって、単一指数方程式の解は、代数を用いて到達することができる。

上記のステージ４５０の式において、「Ｒ」及び「Ｃ」は、曲線フィッティング処理中に算出されるパラメータであり、「ｔ」は測定パルスの開始時の立ち上がりエッジに対する秒単位の経過時間であり、「Ｖ」は測定パルスのボルト単位の振幅であり、「Ｉ」は所与の時間「ｔ」においてセル１２５を流れるアンペア単位の正味の電流の値である。ステージ４４５の式がＲ及びＣについて解かれると、制御ユニット１５１は、セル１２５内の流体の導電率（Ｇ_T）を確認することができ、これは１／Ｒである。

ステージ４５５の式を用いる場合には、制御ユニット１５１は、セル１２５内の流体の生の導電率（Ｇ_T）を確認するためにＲの平均値を算出し、これは１／Ｒである。

上記のステージ４５５の式において、「Ｒ」はセル１２５内の流体の抵抗であり、「Ｎ」はデータセットのデータ数であり、「ｔ」は測定パルスの開始時の立ち上がりエッジに対する秒単位の経過時間であり、「Ｖ」は測定パルスのボルト単位の振幅であり、「ｉ_t」は所与の時間ｔにおいてセル１２５を流れるアンペア単位の正味の電流の値である。

セル１２５内の流体の導電率（Ｇ_T）がステージ４４５、４５０、又は４５５の式のうちの１つを用いて確認されると、プログラムはステージ４６０及び４８０に進む。

流体の導電率の測定値は流体の温度に依存しているので、産業界では、一般に導電率測定値を、温度２５℃の流体で得られたように、正規化（又は温度補正）している。したがって、ステージ４８０では、温度補正された伝導率値「Ｇ_T25」を得るために、ステージ４１０でユーザによって選択されたモデル化合物を用いて、導電率の温度補正アルゴリズムが生の導電率「Ｇ_T」に適用される。「Ｇ_T」はステージ４４５、４５０、又は４５５のうちの１つで算出されたセル１２５を流れる流体の最新の生の伝導率（１／Ｒ）であり、「Ｇ_T25」は、流体が温度２５℃である場合の、セル１２５を流れる流体の導電率である。補正は、以下の補正公式を用いて計算される。

ここで、「Ｇｔ₂₅（Ｈ₂Ｏ）」は２５℃における純水の導電率であり、「Ｇｔ（Ｈ₂Ｏ）」は温度Ｔ（セル１２５内を流れる流体の平均温度）における純水の導電率であり、Ｐは以下の形式の多項式である。

ここで、ａ₀、ａ₁、ａ₂、及びａ₃は選択されたモデル化合物に専用のパラメータであって、Ｔｈｅ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｉｏｎｓ ｔａｂｌｅ ｉｎ Ｓｍｉｔｈｓｏｎｉａｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｔａｂｌｅｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ７１，ｂｙ Ｓｍｉｔｈｓｏｎｉａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋ Ｅｕｇｅｎｅ Ｆｏｗｌｅ；ｐａｇｅ ３５２，Ｔａｂｌｅ４２４（１９２０）から導出されたものであり、これは参照により本明細書に組み込まれ、図６に示すように関係する部分を複製した。

さらに、「Ｇｔ₂₅（Ｈ₂Ｏ）」及び「Ｇｔ（Ｈ₂Ｏ）」の値をＴａｂｌｅ３，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ，ｏｆ Ｌｉｇｈｔ，Ｔｒｕｍａｎ Ｓ．，Ｓｔｕａｒｔ Ｌｉｃｈｔ，Ａｎｔｈｏｎｙ Ｃ．Ｂｅｖｉｌａｃｑｕａ，ａｎｄ Ｋｅｎｎｅｔｈ Ｒ．Ｍｏｒａｓｈｃ；Ｔｈｅ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ；Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ．Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．１（２００５）：Ｅ１６−Ｅ１９から得ており、これは参照によって本明細書に組み込まれ、図５に示すように関係する部分を複製した。「Ｇｔ₂₅（Ｈ₂Ｏ）」の値は、２５℃の純水の理論的な導電率であり、５５．０１ｎＳ／ｃｍである。「Ｇｔ（Ｈ₂Ｏ）」の値は、セル１２５内を流れる流体の温度によって決定される。

したがって、セル１２５を流れる水の温度が３０℃の場合には、「Ｇｔ（Ｈ₂Ｏ）」値は７０．９７ｎＳ／ｃｍになる。セル１２５を流れる水の温度が図５の２つの温度値の間である場合には、「Ｇｔ（Ｈ₂Ｏ）」の値を確認するために補間が用いられる。図５及び図６の表の内容は、制御ユニット１５１のメモリ１５２に記憶されると考えられる。制御ユニット１５１は、必要に応じて補間を用いて、セル１２５を流れる水の温度に基づいて「Ｇｔ（Ｈ₂Ｏ）」の値を確認する。

したがって、セル１２５を流れる水が３０℃であり、補正がＮａＣｌについて行われている場合には、補正公式は以下のようになる。

図７に示すように、図６の各所与の流体温度におけるＮａイオン及びＣｌイオンのコンダクタンス値を加算して、ＮａＣｌの合計コンダクタンス値を温度に対してプロットし、３次多項式をＮａＣｌの合計コンダクタンス値にフィッティングすることにより、ＮａＣｌの多項式「Ｐ」が得られる。図７では、３次多項式を用いているが、当業者であれば、より高次又はより低次の多項式を合計コンダクタンス値にフィッティングさせるように選択することができると考えられる。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の一般的に使用されるモデル化合物についての多項式Ｐの係数は、工場出荷時にメモリ１５２にプログラムされると考えられる。

一実施形態では、温度補正アルゴリズムは、モデル化合物ＮａＣｌに基づいている。しかし、他の実施形態では、当業者であれば、ＫＣｌ又はＨＣｌなどの異なるモデル化合物についての温度補正アルゴリズムを適用することを選択できると考えられる。したがって、１つ又は複数のモデル化合物に対応する多項式Ｐの係数の値は、メモリ１５２に記憶されると考えられる。ユーザに対して、利用可能なモデル化合物のリストが提供され、ステップ４８０で生の導電率値（Ｇ_T）に適用して温度補正された伝導率値（Ｇ_T25）を生成する温度補正アルゴリズムと共に用いるためのモデル化合物を選択するように、ステップ４１０で求められる。さらに、いくつかの実施形態では、ユーザがステップ４１０で多項式Ｐのユーザ自身の係数値を制御ユニット１５１に入力し、メモリ１５２に記憶することができると考えられる。

ステージ４８５では、セル１２５内の流体の生の導電率（Ｇ_T）、温度、温度補正された導電率（Ｇ_T25）値は、ディスプレイ１６０を介してユーザに報告され、制御ユニット１５１に記憶される。

ステージ４６０では、ＴＩＡ利得、駆動周波数、測定点、及びデューティサイクルについての新たな方形波パルス列生成パラメータ値が、ステージ４４５、４５０、又は４５５のうちの１つで算出されたセル１２５を流れる流体の最新の生の導電率（Ｇ_T）値に基づいて、ルックアップテーブル（表１）から選択される。方法４００の次の繰り返しのための回復パルス（ｔ_R）の持続時間の新しい値は、上述したように、以下の式を用いて得られる。

ステージ４９０では、新たな方形波パルス列パラメータ値が制御ユニット１５１に記憶される。ステージ４９０の後、次のデータ収集処理がステージ４２０で制御ユニット１５１によって始動される。制御ユニット１５１に記憶された新たな方形波パルス列パラメータ値は、ステージ４２５及び４３０で次の方形波パルス列の特性を決定する。方法４００の前の繰り返し期間に確認された生の導電率値（Ｇ_T）は、ステージ４２５で方形波パルス列の測定パルスの期間に取得されたセル１２５を流れる正味の電流の値を用いて次の生の導電率値を確認するために、ステージ４４５、４５０、又は４５５の式が制御ユニット１５１によって用いられるか否かを決定する。

したがって、図から分かるように、方法４００の前の繰り返し期間に確認された生の導電率値は、利得制御回路スイッチ１３０の位置を決定するために用いられ、その位置は、セル回路のトランスインピーダンスアンプの帰還抵抗値を決定する。さらに、方法４００の前の繰り返し期間に確認された生の導電率値は、また、ステージ４２５及び４３０で新しい方形波パルス列生成パラメータ値、及び次の方形波パルス列の特性を決定するために用いられる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明から逸脱することなく変更が成されてもよいことが理解されるべきである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により定められ、字義的に又は均等的に特許請求の範囲の意味に含まれるあらゆる装置、処理、及び方法が含まれることが意図されている。

１００ 導電率計
１０５ 電圧レギュレータ
１１０ サーミスタ回路
１１１ サーミスタスイッチ
１１２ サーミスタドライブアンプ、サーミスタドライブ
１１３ サーミスタ
１１４ トランスインピーダンスアンプ
１２０ セル回路
１２１ 極性切換回路
１２２ 極性スイッチ
１２３ セルスイッチ
１２４ 方形波ドライブアンプ
１２５ セル
１２６ トランスインピーダンスアンプ
１２７ 利得制御回路
１２８ 整流器
１２９ オペアンプ
１３０ 利得制御回路スイッチ
１３１ 第２の帰還抵抗
１３２ 第３の帰還抵抗
１３３ 第４の帰還抵抗
１３４ 第１の帰還抵抗
１５０ 制御ユニット回路
１５１ 制御ユニット
１５２ アナログ／デジタル変換器、メモリ
１５３ マルチプレクサ
１６０ ディスプレイ
３００ 方形波パルス列
３０１ バックグラウンド段
３０２ 測定パルス
３０３ 静止段
３０４ 回復パルス
３０５ ベース段
４００ 方法
４１０〜４９０ ステージ（ステップ）

Claims (20)

1. 流体の導電率を測定するための導電率計（１００）であって、
   セル回路（１２０）と、制御ユニット回路（１５０）とを含み、
   前記セル回路（１２０）は、方形波ドライブアンプ（１２４）と、セル（１２５）と、トランスインピーダンスアンプ（１２６）とを含み、前記流体は、前記セル（１２５）を通って流れ、
   前記制御ユニット回路（１５０）及び前記方形波ドライブアンプ（１２４）は、電圧を有する方形波パルス列（３００）を前記セル（１２５）の流体に印加するように構成され、それによって、前記セル（１２５）内の前記流体を流れる電流を誘起し、
   前記セル回路トランスインピーダンスアンプ（１２６）及び前記制御ユニット回路（１５０）は、前記セル（１２５）内の前記流体を流れる電流の複数の測定値を取得し、前記電流測定値を用いて前記セル（１２５）内の前記流体の生の導電率を推定するように構成される、導電率計（１００）。
2. 前記方形波パルス列（３００）は、バックグラウンド段（３０１）と、測定パルス（３０２）と、回復パルス（３０４）と、ベース段（３０５）とを含む、請求項１に記載の導電率計（１００）。
3. 前記方形波パルス列（３００）は、静止段（３０３）をさらに含む、請求項２に記載の導電率計（１００）。
4. 前記測定パルス（３０２）は、前の生の導電率値で決定される持続時間を有する、請求項２に記載の導電率計（１００）。
5. 前記測定パルス（３０２）は、１／（２×駆動周波数）の持続時間を有し、前記駆動周波数は、前の生の導電率値で決定される、請求項２に記載の導電率計（１００）。
6. 前記電流測定値は、前記セル（１２５）内の前記流体を流れる正味の電流の値である、請求項１に記載の導電率計（１００）。
7. 前記制御ユニット回路（１５０）は、前記電流測定値を二重指数減衰関数にフィッティングすることによって、前記セル（１２５）内の前記流体の生の導電率値を推定する、請求項１に記載の導電率計（１００）。
8. サーミスタ回路（１１０）をさらに含み、前記サーミスタ回路（１１０）及び前記制御ユニット回路（１５０）は、前記セル（１２５）内の前記流体の温度を計算し、前記流体の前記生の導電率値に温度補正を加えるように構成され、それによって、温度補正された導電率値を生成する、請求項７に記載の導電率計（１００）。
9. 前記サーミスタ回路（１１０）は、サーミスタスイッチ（１１１）と、サーミスタドライブ（１１２）と、サーミスタ（１１３）と、トランスインピーダンスアンプ（１１４）とを含む、請求項８に記載の導電率計（１００）。
10. 前記セル回路トランスインピーダンスアンプ（１２６）は、利得制御回路（１２７）の位置により決定される帰還抵抗値を有し、前記利得制御回路（１２７）の前記位置は、前の生の導電率値により決定される、請求項１に記載の導電率計（１００）。
11. 前記セル回路（１２０）は、極性切換回路（１２１）をさらに含み、前記極性切換回路（１２１）は、前記方形波ドライブアンプ（１２４）に電圧を渡して、前記方形波ドライブアンプ（１２４）によって前記セル（１２５）に印加される前記電圧の極性を決定するように構成される、請求項１に記載の導電率計（１００）。
12. 前記極性切換回路（１２１）は、セルスイッチ（１２３）と、極性スイッチ（１２２）とをさらに含む、請求項１１に記載の導電率計（１００）。
13. 前記セル回路（１２０）は、前記トランスインピーダンスアンプ（１２６）の出力を整流するように構成される整流器（１２８）をさらに含む、請求項１１に記載の導電率計（１００）。
14. 流体の導電率を測定するための方法（４００）であって、
    導電率を有する流体を収容するセル（１２５）を有するセル回路（１２０）を提供するステップと、
    方形波パルス列（３００）を前記セル（１２５）に印加し、それによって前記セル（１２５）内の流体に電流が流れるようにするステップと、
    前記セル（１２５）内の前記流体を流れる電流の複数の測定値を取得するステップと、
    前記電流測定値に方程式をフィッティングすることによって、前記流体の生の導電率値を推定するステップとを含み、前記方程式は１／Ｒの項を含み、ここで、Ｒは前記セル（１２５）内の前記流体の抵抗に等しい、方法。
15. 前記電流測定値は、前記セル（１２５）内の前記流体を流れる正味の電流の値である、請求項１４に記載の方法。
16. 前記方程式は、二重指数減衰関数である、請求項１４に記載の方法。
17. 前記方形波パルス列（３００）は、持続時間中に前記電流測定値が取得される測定パルス（３０２）を含む、請求項１４に記載の方法。
18. 前記方形波パルス列（３００）は、バックグラウンド段（３０１）と、回復パルス（３０４）と、ベース段（３０５）とをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記方形波パルス列（３００）は、静止段（３０３）をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記セル（１２５）内の前記流体の温度を測定するステップと、前記流体の前記生の導電率値に温度補正を加えるステップとをさらに含み、それによって、温度補正された導電率値を生成する、請求項１４に記載の方法。