JP2017090310A - Liquid concentration sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体濃度センサに関するものである。 The present invention relates to a liquid concentration sensor.
液体濃度を測定するためのセンサとして様々な種類のセンサが知られている。例えば、エッチング液などの液体の濃度を、コイルを用いて測定するセンサが知られている(特許文献1参照)。 Various types of sensors are known as sensors for measuring the liquid concentration. For example, a sensor that measures the concentration of a liquid such as an etchant using a coil is known (see Patent Document 1).
コイルを用いた液体濃度センサは、一般的に高感度である。しかしながら、コイルを用いた液体濃度センサは、高額であること、測定対象のサイズ形状が限定されること、また、オーダーメイド対応が困難であること、などの問題点がある。 A liquid concentration sensor using a coil is generally highly sensitive. However, a liquid concentration sensor using a coil has problems such as being expensive, limited in size and shape of a measurement target, and difficult to be made to order.
上述の問題点を解消することができる液体濃度センサとして、水晶振動子などの振動子と、コンデンサとを直列に接続して構成した液体濃度センサが知られている。この構成の液体濃度センサは、安価な汎用品のみを用いて構成することができ、また、どのような形状で構成するかに対する自由度も高い。 As a liquid concentration sensor that can solve the above-mentioned problems, a liquid concentration sensor that is configured by connecting a vibrator such as a crystal vibrator and a capacitor in series is known. The liquid concentration sensor having this configuration can be configured using only an inexpensive general-purpose product, and has a high degree of freedom with respect to what shape it is configured.
振動子とコンデンサとを直列に接続して構成した液体濃度センサは、コンデンサの電極間に測定対象である液体を配置する。電極間の液体の濃度に応じてコンデンサの容量が変化するため、液体の濃度に応じてコンデンサに直列に接続された振動子の発振周波数が変化する。したがって、振動子の発振周波数を測定することにより液体濃度を測定することができる。 A liquid concentration sensor configured by connecting a vibrator and a capacitor in series places a liquid to be measured between electrodes of the capacitor. Since the capacitance of the capacitor changes according to the concentration of the liquid between the electrodes, the oscillation frequency of the vibrator connected in series with the capacitor changes according to the concentration of the liquid. Therefore, the liquid concentration can be measured by measuring the oscillation frequency of the vibrator.
上述のような、振動子とコンデンサとを直列に接続して構成した液体濃度センサは、コンデンサの電極間の距離が短い場合、例えば、電極間の距離が数mm程度である場合は、良好な測定特性を示す。 The liquid concentration sensor configured by connecting the vibrator and the capacitor in series as described above is good when the distance between the electrodes of the capacitor is short, for example, when the distance between the electrodes is about several mm. The measurement characteristics are shown.
しかしながら、コンデンサの電極間の距離が大きくなると、測定環境に起因する寄生容量等に敏感になって振動子の発振が不安定になるため、電極間の液体濃度の変化によるコンデンサの容量の微少な変化を安定して測定できないという問題があった。このため、例えば、工場などで用いられているパイプやタンク内の液体などについて、液体濃度測定の需要が多くあるものの、パイプやタンクなどはサイズが大きいため、コンデンサの電極間の距離を大きくして液体濃度を測定しようとしても安定した測定ができないという問題があった。 However, if the distance between the electrodes of the capacitor increases, it becomes sensitive to the parasitic capacitance caused by the measurement environment and the oscillation of the vibrator becomes unstable. There was a problem that the change could not be measured stably. For this reason, for example, liquids in pipes and tanks used in factories and the like are in great demand, but pipes and tanks are large in size, so the distance between the capacitor electrodes is increased. Therefore, there is a problem that stable measurement cannot be performed even if the liquid concentration is measured.
かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、測定対象の液体のサイズが大きい場合にも安定して液体濃度を測定することができる液体濃度センサを提供することにある。 An object of the present invention made in view of such a point is to provide a liquid concentration sensor that can stably measure a liquid concentration even when the size of a liquid to be measured is large.
上記課題を解決するため、本発明の液体濃度センサは、振動子と、前記振動子に直列に接続するコンデンサユニットとを備え、前記コンデンサユニットは、第1コンデンサと、該第1コンデンサに並列に接続する第2コンデンサとを有し、前記第2コンデンサの電極間に測定対象の液体が配置されるものである。 In order to solve the above problems, a liquid concentration sensor of the present invention includes a vibrator and a capacitor unit connected in series to the vibrator, the capacitor unit being in parallel with the first capacitor and the first capacitor. A second capacitor to be connected, and a liquid to be measured is disposed between electrodes of the second capacitor.
また、本発明の液体濃度センサにおいて、前記第2コンデンサは、前記電極間の距離が前記測定対象の液体のサイズに応じて調整して構成されていることを特徴とする。 In the liquid concentration sensor of the present invention, the second capacitor is configured such that the distance between the electrodes is adjusted according to the size of the liquid to be measured.
また、本発明の液体濃度センサにおいて、前記振動子は、該振動子に印加する駆動電圧を変化させることで基本モードに加えてオーバートーンモードでも発振することが可能であることを特徴とする。 In the liquid concentration sensor of the present invention, the vibrator can oscillate in an overtone mode in addition to a basic mode by changing a driving voltage applied to the vibrator.
また、本発明の液体濃度センサにおいて、該液体濃度センサは、前記振動子を基本モード及びオーバートーンモードで発振させて、それぞれのモードで発振周波数を測定することにより、前記測定対象の液体の濃度及び導電性を測定することができることを特徴とする。 In the liquid concentration sensor of the present invention, the liquid concentration sensor oscillates the vibrator in a basic mode and an overtone mode, and measures the oscillation frequency in each mode, thereby measuring the concentration of the liquid to be measured. And the conductivity can be measured.
本発明に係る液体濃度センサによれば、測定対象の液体のサイズが大きい場合にも安定して液体濃度を測定することができる。 The liquid concentration sensor according to the present invention can stably measure the liquid concentration even when the size of the liquid to be measured is large.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る液体濃度センサ10の等価回路図である。液体濃度センサ10は、第1端子14と第2端子15との間に、第1コンデンサ11と、第2コンデンサ12と、振動子13とを備える。
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a
第1コンデンサ11と第2コンデンサ12とは並列に接続され、コンデンサユニット16を構成する。
The
振動子13は、コンデンサユニット16に直列に接続する。振動子13のコンデンサユニット16に接続していない側は、第1端子14と接続する。また、コンデンサユニット16の振動子13に接続していない側は、第2端子15と接続する。
The
第1端子14と第2端子15との間には所定の電圧が印加される。
A predetermined voltage is applied between the
測定対象である液体は、第2コンデンサ12の電極間に配置される。液体は、例えば、工場内で使用されているパイプやタンクなどのような容器の中に入っている状態で、第2コンデンサ12の電極間に配置される。第2コンデンサ12は、電極間にパイプなどのようなサイズの大きい物を配置することを可能とするため、数cm〜数m程度といった長い電極間距離を有する。第2コンデンサ12の電極は、測定対象の液体のサイズに応じて適切な電極間距離になるように、電極間距離が調整されて構成される。図1において、第2コンデンサ12のシンボルとして電極間の距離が離れたシンボルが記載されているのは、第2コンデンサ12の電極間の距離が大きいことを強調したものである。
The liquid to be measured is disposed between the electrodes of the
第1コンデンサ11は、第2コンデンサ12に並列に接続され、第2コンデンサ12と強く容量結合している。
The
振動子13は、例えば水晶振動子である。振動子13は、コンデンサユニット16の容量に依存した周波数で発振する。ここで、第2コンデンサ12の電極間に測定対象として配置された液体の液体濃度が変化すると、液体の誘電率が変化する。よって、コンデンサユニット16の容量は、第2コンデンサ12の電極の間に測定対象として配置された液体の液体濃度に依存して変化する。したがって、振動子13の発振周波数を測定することにより、第2コンデンサ12の電極間に配置された液体の液体濃度を検出することができる。
The
また、振動子13は、振動子13に印加する駆動電圧を変化させることにより基本モードではなくオーバートーンモードで発振させることも可能である。ここで、オーバートーンモードでの発振とは、例えばATカット水晶振動子の場合は、基本モードで発振させた場合の周波数の奇数倍の周波数による発振である。
The
本実施形態においては、液体濃度センサ10は、第2コンデンサ12に並列に接続した第1コンデンサ11を備える。これにより、第2コンデンサ12の電極間の距離が大きくても、振動子13の発振を安定させることができる。
In the present embodiment, the
液体濃度センサ10による具体的な測定例を図2及び図3に示す。図2は、第2コンデンサ12の電極間にパイプ21(例えばガラス製)を配置し、パイプ21中を流れる液体22の液体濃度を測定する様子を示す図である。
Specific measurement examples by the
また、変形例として、図3に、第2コンデンサ12の電極間に液体ではなく固体31(例えば、土壌やコンクリートなど)を配置した例を示す。振動子13は、第2コンデンサ12に並列して接続する第1コンデンサ11があることにより、第2コンデンサ12の電極間の距離や、電極間に配置される物質の特性に関わらず、安定して発振するため、液体濃度センサ10は、図3に示すように、液体でなく固体31を測定することも可能である。
As a modification, FIG. 3 shows an example in which a solid 31 (for example, soil or concrete) is arranged between the electrodes of the
図4に、図2の構成において、パイプ21内に誘電率の異なる各種液体を流して振動子13の発振周波数を測定した結果を示す。
FIG. 4 shows the result of measuring the oscillation frequency of the
図4に示す測定においては、第2コンデンサ12の電極間の距離は約8cmであった。図4の横軸は比誘電率であり、縦軸は、液体22が水である場合の振動子13の発振周波数を1になるように規格化した規格化周波数である。
In the measurement shown in FIG. 4, the distance between the electrodes of the
図4に示す測定においては、液体22として、メチルシクロヘキサン、クロロホルム、プロパノール、水の4種類の液体を測定した。また、参照用にパイプ21の中が空気の場合も測定した。
In the measurement shown in FIG. 4, four liquids such as methylcyclohexane, chloroform, propanol, and water were measured as the
図4に示すように比誘電率(すなわち誘電率)が大きくなるにつれて、振動子13の発振周波数変化が大きくなるという結果が得られた。図4に示すような関係を参照することにより、液体濃度センサ10は、振動子13の発振周波数を測定することで、液体22の比誘電率(誘電率)を測定することができる。したがって、誘電率の値から濃度を決定することが可能な液体を測定対象とすることにより、液体濃度センサ10は、測定対象である液体22の液体濃度を測定することができる。
As shown in FIG. 4, as the relative dielectric constant (that is, the dielectric constant) increases, the oscillation frequency change of the
上述したように、振動子13は、印加する駆動電圧を変化させることによりオーバートーンモードで発振させることができる。したがって、例えば図2に示す構成で、第1端子14と第2端子15との間に印加する電圧を変化させることにより、振動子13を、基本モードで発振させたり、オーバートーンモードで発振させたりすることができる。
As described above, the
図5に、図2の構成で、振動子13を基本モードとオーバートーンモードの2種類のモードで発振させて測定した結果を示す。図5に示す測定においては、測定対象の液体22として電解質の水溶液を用いた。具体的には、塩化ナトリウム(NaCl)と炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)の水溶液を用い、それぞれの水溶液について、質量パーセント濃度を、0wt%、0.01wt%、0.05wt%、0.1wt%、0.5wt%、1wt%と変化させることにより、水溶液の誘電率及び導電率を変化させ、振動子13の発振周波数を測定した。
FIG. 5 shows the measurement results obtained by oscillating the
図5の横軸は、オーバートーンモードにおける振動子13の規格化した発振周波数であり、縦軸は、基本モードにおける振動子13の規格化した発振周波数である。
The horizontal axis in FIG. 5 is the normalized oscillation frequency of the
図5に示すように、サンプル濃度(液体濃度)が高くなるにつれて、基本モードとオーバートーンモードの双方において、振動子13の発振周波数変化は大きくなる。誘電率の変化のみでは、基本モードとオーバートーンモードの比が一定である点線上で変化するが、導電性変化を伴う場合は、質量パーセント濃度に依存して点線上から外れる。この依存性の違いをあらかじめ調べて利用すれば、液体濃度センサ10は、振動子13を2種類のモードで発振させて、それぞれのモードで発振周波数を測定することにより、液体22の誘電率だけでなく、液体22の導電性も測定することができる。
As shown in FIG. 5, as the sample concentration (liquid concentration) increases, the oscillation frequency change of the
このように、本実施形態によれば、測定対象である液体が電極間に配置される第2コンデンサ12は、第1コンデンサ11に並列に接続されている。これにより、第2コンデンサ12の電極間の距離が大きくなっても、振動子13の発振周波数は測定環境に起因する寄生容量等の影響を受けにくくなり、液体濃度センサ10は、測定対象が例えばパイプやタンク内の液体であり、測定対象の液体のサイズが大きい場合であっても、安定して液体濃度を測定することができる。
Thus, according to the present embodiment, the
また、本実施形態によれば、第1コンデンサ11及び振動子13は安価な汎用品を採用することが可能であり、また、第2コンデンサ12の電極間の距離は容易に調整可能である。したがって、液体濃度センサ10は、低コストで構成可能であり、また、オーダーメイドも容易である。
In addition, according to the present embodiment, inexpensive general-purpose products can be adopted for the
また、本実施形態によれば、振動子13は、振動子13に印加する駆動電圧を変化させることで、基本モードに加えてオーバートーンモードでも発振させることができる。このように異なる周波数で発振させて測定することで、液体濃度センサ10は、液体濃度(誘電率)だけでなく、液体の導電性も測定することができる。
Further, according to the present embodiment, the
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部に含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、さらに、測定対象も容量検出で可能となる他目的に転用することも可能である。 Although the present invention has been described based on the drawings and examples, it should be noted that those skilled in the art can easily make various modifications and corrections based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations and modifications are included in the scope of the present invention. For example, the functions included in each component can be rearranged so as not to be logically contradictory, and the measurement object can also be diverted to other purposes that can be detected by capacity detection.
本発明は、機械工場における切削油及び潤滑油などの劣化の評価に適用することが可能であり、この劣化評価に基づいた工場における制御の自動化に貢献することができる。 The present invention can be applied to evaluation of deterioration of cutting oil and lubricating oil in a machine factory, and can contribute to automation of control in the factory based on this deterioration evaluation.
また、本発明は、燃料電池で循環している水の品質や濃度を評価するシステムに適用することが可能である。 Further, the present invention can be applied to a system for evaluating the quality and concentration of water circulating in a fuel cell.
また、本発明は、印刷メーカ、半導体プロセスメーカ、薬品メーカなどにおいて用いられている反応液の混合を自動評価するシステムに適用することが可能である。 The present invention can also be applied to a system that automatically evaluates the mixing of reaction solutions used in printing manufacturers, semiconductor process manufacturers, chemical manufacturers, and the like.
また、本発明は、培養液などを自動的に評価するシステムに適用することが可能である。 Further, the present invention can be applied to a system that automatically evaluates a culture solution or the like.
また、本発明は、廃液、原料用水中の汚染物質及び異物の存在などを検知するシステムに適用することが可能である。 In addition, the present invention can be applied to a system that detects the presence of contaminants and foreign substances in waste liquid, raw material water.
10 液体濃度センサ
11 第1コンデンサ
12 第2コンデンサ
13 振動子
14 第1端子
15 第2端子
16 コンデンサユニット
21 パイプ
22 液体
31 固体
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記振動子に直列に接続するコンデンサユニットとを備え、
前記コンデンサユニットは、第1コンデンサと、該第1コンデンサに並列に接続する第2コンデンサとを有し、
前記第2コンデンサの電極間に測定対象の液体が配置される液体濃度センサ。 A vibrator,
A capacitor unit connected in series to the vibrator,
The capacitor unit has a first capacitor and a second capacitor connected in parallel to the first capacitor;
A liquid concentration sensor in which a liquid to be measured is disposed between electrodes of the second capacitor.
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