JP2018141666A - 電気伝導率計 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な２電極方式の電気伝導率計をより低コストに実現する。【解決手段】本発明に係る電気伝導率計１００は、電気絶縁材料から成り、計測対象の流体が流れる測定管１と、測定管の外周面に形成された第１電極２と、コモン電位Ｖｃｏｍに接続され、流体と接する第２電極３と、一端が第１電極に接続された抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ１の他端に交流信号Ｖ１を入力することによって第１電極に発生した信号Ｖ２の電圧ＶＨ，ＶＬを検出する電圧検出部５と、電圧検出部によって検出された電圧の振幅（ＶＨ−ＶＬ）に基づいて、流体の電気伝導率を算出する電気伝導率算出部６２とを有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、各種プロセス系において流体の電気伝導率を計測する電気伝導率計に関する。

流体の電気伝導率（所謂導電率）を計測する機器として、２電極方式の電気伝導率計が知られている。２電極方式の電気伝導率計は、２つの電極間に正弦波や方形波などの交流信号を印加し、電極間を流れる電流を測定することによって流体の電気伝導率を求める計測器である。２電極方式の電気伝導率計の従来技術については、特許文献１乃至３に開示がある。

例えば、特許文献１には、２つの電極を計測対象の液体中に浸した状態において、一方の電極に交流電圧を印加したときの他方の電極に流れ込む電流を検出することにより、計測対象の液体の電気抵抗から電気伝導率を計測する２電極方式の電気伝導率計が開示されている。

また、特許文献２，３には、２つの電極が棒状に形成された２電極方式の電気伝導率計が開示されている。

特公平７−１５４９０号公報 特開２００５−１４８００７号公報 特開２００２−２９６３１２号公報

しかしながら、本発明者の検討によれば、上述の特許文献１乃至３に開示された２電極方式の電気伝導率計では以下に示す課題があることが明らかとなった。

特許文献１乃至３に開示された電気伝導率計は、電気伝導率を測定するために２つの電極を被測定流体中に浸す必要がある。そのため、電極の表面に異物が付着した場合や電極の表面が腐食した場合には、分極容量の変化による測定値の誤差が発生するおそれがある。

特に、特許文献２，３に開示された棒状の電極を有する電気伝導率計は、被測定流体と接触する電極の接触面積が小さいため、電極に異物の付着や腐食が生じた場合に、その部分の面積が電極の全面積に対して大きくなり、分極容量の変化による測定誤差が大きくなるおそれがある。

この電極の異物の付着や腐食を防止するための対応策としては、２つの電極を構成する金属として「白金黒」を用いることが知られている。しかしながら、白金黒は高価な金属であるため、電極に白金黒を用いた場合には電気伝導率計の製造コストが高くなるという課題がある。

また、特許文献２，３に開示された棒状の電極を有する電気伝導率計を用いて配管内を流れる液体の電気伝導率を測定する際には、その棒状の電極を配管内に挿入する必要がある。このとき、配管が金属材料で構成されている場合には、配管と電極とをできるだけ話して配置しないと、電極から配管へ電流が回り込みにより、測定誤差が生じるおそれがある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高精度な２電極方式の電気伝導率計をより低コストに実現することにある。

本発明に係る電気伝導率計（１００）は、電気絶縁材料から成り、計測対象の流体が流れる測定管（１）と、測定管の外周面に形成された第１電極（２）と、コモン電位（Ｖｃｏｍ）に接続され、流体と接する第２電極（３）と、一端が第１電極に接続された抵抗（Ｒ１）と、上記抵抗の他端に交流信号（Ｖ１）を入力することによって第１電極に発生した信号（Ｖ２）の電圧（ＶＨ，ＶＬ）を検出する電圧検出部（５）と、電圧検出部によって検出された電圧の振幅（ＶＨ−ＶＬ）に基づいて、流体の電気伝導率を算出する電気伝導率算出部（６２，６２Ａ）とを有することを特徴とする。

上記電気伝導率計において、電圧検出部は、交流信号が第１極性となる第１期間（Ｔｐ）において、第１電極に発生した信号の電圧（ＶＨ）をサンプリングし、保持する第１サンプルホールド回路（５１）と、交流信号が第１極性と反対の第２極性となる第２期間（Ｔｎ）において、第１電極に発生した信号の電圧（ＶＬ）をサンプリングし、保持する第２サンプルホールド回路（５２）とを含み、電気伝導率算出部は、第１サンプルホールド回路によってサンプリングされた電圧（ＶＨ）と第２サンプルホールド回路によってサンプリングされた電圧（ＶＬ）とに基づいて、流体の電気伝導率を算出してもよい。

上記電気伝導率計において、電圧検出部によって検出された電圧の振幅と流体の電気伝導率との対応関係を示すルックアップテーブル（６３０）を記憶する記憶部（６３）を更に有し、電気伝導率算出部は、記憶部に記憶されたルックアップテーブルから、電圧検出部によって検出された電圧の振幅の値に対応する流体の電気伝導率を読み出してもよい。

上記電気伝導率計において、第２電極は、一端が測定管と連結され、他端が外部の配管と連結可能な金属から成る管状の継手（３Ａ）であってもよい。

上記電気伝導率計において、第１電極の少なくとも一部と対面して配置された、金属から成るシールドカバー（２１）を更に有してもよい。

なお、上記説明では、発明の構成要素の一例として、その構成要素に対応する図面上の参照符号を括弧を付して記載している。

本発明によれば、高精度な２電極方式の電気伝導率計をより低コストに実現することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る電気伝導率計の構成を示す図である。 電圧検出部の動作タイミングを示すタイミングチャート図である。 電気伝導率計１００における信号源Ｖ１から非接触電極２を介してコモン電位Ｖｃｏｍに至る電流経路の等価回路を示す図である。 電気伝導率計１００における信号源Ｖ１から非接触電極２を介してコモン電位Ｖｃｏｍに至る電流経路のより簡易な等価回路を示す図である。 図３Ａに示した等価回路２００における信号Ｖ２のシミュレーション結果を示す図である。 電気伝導率計１００における信号源Ｖ１から非接触電極２を介してコモン電位Ｖｃｏｍに至る電流経路の別の等価回路を示す図である。 図５に示す等価回路２０２においてパルスＶ１の周波数ｆ１＝１６０ｋＨｚとした場合の信号Ｖ２のシミュレーション波形を示す図である。 図５に示す等価回路２０２においてパルスＶ１の周波数ｆ１＝１６００ｋＨｚとした場合の信号Ｖ２のシミュレーション波形を示す図である。 信号Ｖ２の振幅（ＶＨ−ＶＬ）と被測定流体の電気伝導率との関係を示す図である。 データ処理制御部６の別の構成例を示す図である。 本実施の形態に係る電気伝導率計１００の実現例を示す斜視図である。 筐体２０内部を示す斜視断面図である。 筐体２０の内部を示す正面断面図である。 シールドカバーの配置例を示す斜視図である。 シールドカバーの配置例を示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態において共通する構成要素には同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する。

〈本実施の形態に係る電気伝導率計の構成〉
図１は、本発明の一実施の形態に係る電気伝導率計の構成を示す図である。
同図に示される電気伝導率計１００は、測定管内を流れる流体の電気伝導率を２電極方式で計測するための測定器である。ここで、上記流体は、例えば液体である。電気伝導率計１００は、２つの電極のうち一方の電極を測定対象の流体（被測定流体）に接触させることなく、電気伝導率を計測することが可能な構成を有している。

具体的に、電気伝導率計１００は、主な機能部として、測定管１、第１電極２、第２電極３、交流信号生成部４、電圧検出部５、データ処理制御部６、アナログ・デジタル変換部（ＡＤＣ）７、クロック信号生成部８、設定・表示部９、およびアナログ出力部１０を有している。

測定管１は、電気伝導率の計測対象の流体（被測定流体）が流れる管である。測定管１は、電気絶縁材料から構成されている。上記電気絶縁材料としては、電気的絶縁性が比較的高い材料であることが好ましく、例えばセラミックである。

第１電極２は、測定管１の外周面に形成された金属材料から構成されている。第１電極２は、例えば薄膜状の金属材料（例えば、銅箔）から成り、測定管１の一部の領域に測定管１の円周方向に延在している。第１電極２と測定管１とは、例えば接着材によって接合されている。被測定流体は測定管１の内部を流れるため、第１電極２は、被測定流体に接触しない。以下、第１電極２を「非接触電極２」とも称する。

第２電極３は、コモン電位Ｖｃｏｍに接続され、被測定流体と接触する電極である。第２電極３は、例えば、図１に示すように、測定管１と連結された管状の金属材料から構成されている。以下、第２電極３を「接触電極３」とも称する。
なお、本実施の形態では、コモン電位Ｖｃｏｍが０Ｖ（グラウンド電位）であるとして、説明する。

クロック信号生成部８は、各機能部の動作タイミングを制御するためのクロック信号を生成する回路である。具体的に、クロック信号生成部８は、後述するデータ処理制御部６から出力された基準クロック信号ＣＬＫ０を分周することによって、各種のクロック信号ＣＬＫ１，ＣＬＫｐ，ＣＬＫｎを生成する。なお、クロック信号ＣＬＫ１，ＣＬＫｐ，ＣＬＫｎの具体例については後述する。

交流信号生成部４は、非接触電極２に印加する交流信号を生成する回路である。交流信号生成部４は、交流信号として、例えばパルスを発生させる。交流信号生成部４は、図１に示すように、例えば、コモン電位Ｖｃｏｍに接続された第１端子Ｐ１と、基準電位Ｖｒｅｆ（＞Ｖｃｏｍ）に接続された第２端子Ｐ２と、抵抗Ｒ１に接続される第３端子Ｐ３とを有するスイッチＳＷ３によって実現することができる。

スイッチＳＷ３は、クロック信号生成部８から出力された一定周期のクロック信号ＣＬＫ１に応じて、第３端子Ｐ３の接続先を第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２との間で切り替える。これにより、ローレベルの電圧がコモン電位Ｖｃｏｍ、ハイレベルの電圧が基準電位Ｖｒｅｆ、周波数ｆ１がクロック信号ＣＬＫ１と同一のパルスＶ１が第３端子Ｐ３から出力される。

抵抗Ｒ１は、一端が交流信号生成部４の出力端子（スイッチＳＷ３の上記第３端子）に接続され、他端が非接触電極２に接続されている。これにより、交流信号生成部４から出力されたパルスＶ１は、抵抗Ｒ１を介して非接触電極２に入力される。

電圧検出部５は、非接触電極２に発生した信号Ｖ２の電圧を検出する回路である。具体的に、電圧検出部５は、パルスＶ１が第１極性（例えば、ハイレベル（＝Ｖｒｅｆ））となる期間Ｔｐにおける信号Ｖ２の電圧を検出するとともに、パルスＶ１が第１極性と反対の第２極性（例えばローレベル（＝Ｖｃｏｍ））となる期間における信号Ｖ２の電圧を検出する。

より具体的には、電圧検出部５は、例えば、バッファアンプＵ１およびサンプルホールド回路５１，５２を含む。バッファアンプＵ１は、例えばオペアンプ等から構成され、非接触電極２に発生した信号Ｖ２をバッファして出力する。バッファアンプＵ１から出力される信号Ｖ２ｂの電圧と信号Ｖ２の電圧は、略等しい（Ｖ２ｂ≒Ｖ２）。

サンプルホールド回路５１，５２は、バッファアンプＵ１から出力された信号Ｖ２ｂの電圧を、所定のタイミングでサンプリングし、保持する回路である。
サンプルホールド回路５１は、例えば、一端がバッファアンプＵ１の出力端子に接続されたスイッチＳＷ１と、スイッチＳＷ１の他端とコモン電位Ｖｃｏｍとの間に接続された容量Ｃ１とを含む。スイッチＳＷ１は、例えば、クロック信号ＣＬＫｐに応じてオン・オフが切替られる。これにより、サンプルホールド回路５１は、クロック信号ＣＬＫｐに応じて信号Ｖ２ｂの電圧のサンプリングを行うことができる。

サンプルホールド回路５２は、例えば、一端がバッファアンプＵ１の出力端子に接続されたスイッチＳＷ２と、スイッチＳＷ２の他端とコモン電位Ｖｃｏｍとの間に接続された容量Ｃ２とを含む。スイッチＳＷ２は、例えば、クロック信号ＣＬＫｎに応じてオン・オフが切替られる。これにより、サンプルホールド回路５２は、クロック信号ＣＬＫｎに応じて信号Ｖ２ｂの電圧のサンプリングを行うことができる。

図２は、電圧検出部５の動作タイミングを示すタイミングチャート図である。
図２に示すように、クロック信号生成部８は、クロック信号ＣＬＫ１として、周期Ｔのパルス（例えば、デューティ比：５０％）を生成し、交流信号生成部４に与える。交流信号生成部４は、クロック信号ＣＬＫ１がハイレベルであるときに、第３端子Ｐ３を第２端子Ｐ２（＝Ｖｒｅｆ）に接続し、クロック信号ＣＬＫ１がローレベルであるときに、第３端子Ｐ３を第１端子Ｐ１（＝Ｖｃｏｍ）に接続する。これにより、図２に示すように、クロック信号ＣＬＫ１がハイレベル（第１極性）となるときに基準電位Ｖｒｅｆとなり、クロック信号ＣＬＫ１がローレベル（第２極性）となるときにコモン電位ＶｃｏｍとなるパルスＶ１が第３端子Ｐ３から出力される。交流信号生成部４の第３端子Ｐ３から出力されたパルスＶ１は、抵抗Ｒ１を介して非接触電極２に入力される。

被測定流体が測定管１および接触電極３の内部を流れているときに、上述のパルスＶ１が出力されると、抵抗Ｒ１、非接触電極２、被測定流体、および接触電極３を介してコモン電位Ｖｃｏｍに電流が流れ込む。これにより、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ１の他端側のインピーダンスとに応じた電圧の信号Ｖ２が非接触電極２に発生する。このときの信号Ｖ２は、図２に示すように、パルスＶ１と同期して電圧が変動する信号となる。

また、クロック信号生成部８は、クロック信号ＣＬＫｐとして、クロック信号ＣＬＫ１がハイレベルとなる期間Ｔｐ、すなわちパルスＶ１が第１極性（例えば、ハイレベル（＝Ｖｒｅｆ））となる期間にハイレベルとなるパルスをサンプルホールド回路５１に供給する。

サンプルホールド回路５１のスイッチＳＷ１は、クロック信号ＣＬＫｐがハイレベルであるときにオンし、クロック信号ＣＬＫｐがローレベルであるときにオフする。これにより、サンプルホールド回路５１は、非接触電極２に発生した信号Ｖ２（Ｖ２ｂ）がハイレベルとなるときの電圧ＶＨをサンプリングする。

更に、クロック信号生成部８は、クロック信号ＣＬＫｎとして、クロック信号ＣＬＫ１がローレベルとなる期間Ｔｎ、すなわちパルスＶ１が第２極性（例えば、ローレベル（＝Ｖｃｏｍ））となる期間にハイレベルとなるパルスをサンプルホールド回路５２に供給する。

サンプルホールド回路５２のスイッチＳＷ２は、クロック信号ＣＬＫｎがハイレベルであるときにオンし、クロック信号ＣＬＫｎがローレベルであるときにオフする。これにより、サンプルホールド回路５２は、非接触電極２に発生した信号Ｖ２（Ｖ２ｂ）がローレベルとなるときの電圧ＶＬをサンプリングする。

アナログ・デジタル変換部７は、サンプルホールド回路５１によって取り込まれた電圧ＶＨとサンプルホールド回路５２によってサンプルホールドされた電圧ＶＬとの電圧差を、デジタル信号に変換する回路である。

データ処理制御部６は、電気伝導率計１００を構成する各機能部の統括的な制御を行う機能部である。データ処理制御部６は、例えばマイクロコントローラやＣＰＵ等のプログラム処理装置によって構成されている。
具体的に、データ処理制御部６は、基準クロック生成部６１と電気伝導率算出部６２とを含む。

基準クロック生成部６１は、クロック信号生成部８に供給する基準クロック信号ＣＬＫ０を生成する機能部である。基準クロック生成部６１は、例えば、外付けされた水晶やセラミック発振子を用いて信号を生成する発振回路等によって実現することができる。

電気伝導率算出部６２は、電圧検出部５によって検出された電圧の振幅に基づいて被測定流体の電気伝導率を算出する機能部である。電気伝導率算出部６２は、例えば、上述したマイクロコントローラやＣＰＵ等のプログラム処理装置によるプログラム処理によって実現される。なお、電気伝導率算出部６２による電気伝導率の具体的な算出手法については、後述する。

設定・表示部９は、作業者の設定操作入力を検出してデータ処理制御部６へ出力する機能と、データ処理制御部６からの表示出力をＬＥＤやＬＣＤによって表示する機能とを有している。

アナログ出力部１０は、電気伝導率算出部６２による算出結果等の情報を外部機器に出力するための機能部である。具体的に、アナログ出力部１０は、電気伝導率算出部６２による算出結果を４−２０ｍＡのアナログ信号で出力する。

〈電気伝導率の算出原理〉
次に、本実施の形態に係る電気伝導率計１００における電気伝導率の算出原理について説明する。
上述したように、被測定流体が測定管１および接触電極３の内部を流れている状態においてパルスＶ１が抵抗Ｒ１の一端に入力された場合、抵抗Ｒ１、非接触電極２、被測定流体、および接触電極３を介してコモン電位Ｖｃｏｍに電流が流れ込む。この電流の電流経路は、図３Ａに示す等価回路２００によって表すことができる。

具体的に、等価回路２００は、抵抗Ｒ１，Ｒｂ、容量Ｃａ，Ｃｂ，およびパルスＶ１を出力する信号源Ｖ１から構成される。ここで、Ｒｂは、被測定流体の抵抗値、Ｃａは、接触電極３と被測定流体との間の分極容量、Ｃｂは、被測定流体と非接触電極２との間の容量を示している。

被測定流体と非接触電極２との間の容量Ｃｂは、従来の２つの電極を共に被測定流体に接触させる従来の２電極方式の電気伝導率計に比べて、その値が小さくなる。そのため、被測定流体の抵抗Ｒｂの値を高精度且つ再現性良く測定するためには、等価回路２００において、パルスＶ１の周波数ｆ１をできるだけ高くして抵抗Ｒｂに対する容量Ｃｂによるリアクタンス成分をできるだけ小さくすることが望ましい。

容量Ｃａ，Ｃｂのインピーダンスが無視できるレベルまでパルスＶ１の周波数ｆ１を高くした場合、等価回路２００は、図３Ｂに示す等価回路２０１に描き直すことができる。すなわち、信号源Ｖ１から非接触電極２を介してコモン電位Ｖｃｏｍに至る電流経路の等価回路２０１は、電圧Ｖｒｅｆ／２を基準として±Ｖｒｅｆ／２の振幅を有する信号Ｖ１と、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒｂから成る抵抗分圧回路と、カップリングコンデンサＣｘとによって表すことができる。

等価回路２０１において、信号Ｖ２の電圧がハイレベルとなる期間Ｔｐにおける抵抗Ｒ１と抵抗Ｒｂの電圧降下の比は、下記式（１）で表される。ここで、Ｖｒ１＿Ｈは、信号Ｖ２の電圧がハイレベルとなる期間Ｔｐでの抵抗Ｒ１の両端の電圧を表し、Ｖｒｂ＿Ｈは、信号Ｖ２の電圧がハイレベルとなる期間Ｔｐでの抵抗Ｒｂの両端の電圧を表している。

また、等価回路２０１において、信号Ｖ２の電圧がローレベルとなる期間Ｔｎにおける抵抗Ｒ１と抵抗Ｒｂの電圧降下の比は、下記式（２）で表される。ここで、Ｖｒ１＿Ｌは、信号Ｖ２の電圧がローレベルとなる期間Ｔｎでの抵抗Ｒ１の両端の電圧を表し、Ｖｒｂ＿Ｌは、信号Ｖ２の電圧がローレベルとなる期間Ｔｎでの抵抗Ｒｂの両端の電圧を表している。また、上述したように、ＶＨは、信号Ｖ２ｂ（Ｖ２）がハイレベルとなったときの電圧であり、ＶＬは、信号Ｖ２ｂ（Ｖ２）がローレベルとなったときの電圧である（図２参照）。

上記式（１）および上記式（２）から、電圧Ｖｒ１＿Ｈと電圧Ｖｒ１＿Ｌとの和の電圧Ｖｒ１＿ＨＬと、電圧Ｖｒｂ＿Ｈと電圧Ｖｒｂ＿Ｌとの和の電圧Ｖｒｂ＿ＨＬとの比は、下記式（３）で表される。

式（３）より、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒｂとの比は、下記式（４）で表される。

上記式（４）より、抵抗Ｒｂは、下記式（５）で表される。

上記式（５）において、基準電位Ｖｒｅｆと抵抗Ｒ１はいずれも既知の値である。したがって、信号Ｖ２ｂ（Ｖ２）がハイレベルであるときの電圧ＶＨと信号Ｖ２ｂ（Ｖ２）がローレベルであるときの電圧ＶＬとの差（ＶＨ−ＶＬ）、すなわち信号Ｖ２ｂ（Ｖ２）の振幅がわかれば、式（５）に基づいて、被測定流体の抵抗Ｒｂ、すなわち被測定流体の電気伝導率（＝１／Ｒｂ）を求めることができる。

図４は、図３Ａに示した等価回路２００における信号Ｖ２のシミュレーション結果を示す図である。
同図には、等価回路２００において、Ｒ１＝１０［ｋΩ］、Ｒｂ＝２０［ｋΩ］、Ｃａ＝０．１［μＦ］、Ｃｂ＝１００［ｐＦ］とし、パルスＶ１の周波数を１５［ＭＨｚ］、振幅を１［Ｖ］としたときの信号Ｖ２のシミュレーション結果が示されている。

図４に示されるシミュレーション結果において、信号Ｖ２がハイレベルとなるときの電圧ＶＨは、約０．８３３３Ｖであり、信号Ｖ２がローレベルとなるときの電圧ＶＬは、約０．１６６７Ｖである。したがって、この場合の被測定流体の抵抗Ｒｂは、式（５）より、約１９．９９［Ω］となる。

本実施の形態に係る電気伝導率計１００では、電気伝導率算出部６２が、アナログ・デジタル変換部７を介して入力された電圧ＶＨ，ＶＬの値を上述の式（５）に代入することによって、測定管１を流れる被測定流体の電気伝導率を算出する。

上述したように、被測定流体の抵抗Ｒｂの値を高精度且つ再現性良く測定するためには、パルスＶ１の周波数ｆ１をできるだけ高くして、抵抗Ｒｂに対する容量Ｃｂによるリアクタンス成分をできるだけ小さくすることが望ましい。しかしながら、周波数ｆ１を高くし過ぎると、被測定流体の抵抗Ｒｂの測定精度が低下するおそれがある。そこで、被測定流体の抵抗Ｒｂの測定精度と再現性の更なる向上を図る場合には、パルスＶ１の周波数ｆ１を適切な値に設定する必要がある。以下、詳細に説明する。

図５は、電気伝導率計１００における信号源Ｖ１から非接触電極２を介してコモン電位Ｖｃｏｍに至る電流経路の別の等価回路を示す図である。
同図の等価回路２０２に示すように、実際には、パルスＶ１を発生する信号源Ｖ１とコモン電位Ｖｃｏｍとの間に、抵抗Ｒ１、Ｒｂおよび容量Ｃａ，Ｃｂに加えて、接触電極３と非接触電極２との間の容量Ｃｃと、接触電極３と被測定流体との間の分極抵抗Ｒａとが存在する。ここで、Ｃａ＞＞Ｃｂ＞＞Ｃｃ，Ｒａ＞＞Ｒｂである。

パルスＶ１の周波数ｆ１を高くし過ぎた場合、信号源Ｖ１とコモン電位Ｖｃｏｍとの間の電流経路は、上述の図３Ｂに示す単純な等価回路２０１ではなく、等価回路２０２とみなす必要がある。そのため、容量Ｃｃの影響により、抵抗Ｒｂに印加される電圧の波形が歪み、抵抗Ｒｂの測定精度が低下するおそれがある。

そこで、容量Ｃｃによる抵抗Ｒｂの測定精度の低下を抑えるためには、容量Ｃｂによるインピーダンスの影響を考慮する必要がある。具体的には、容量Ｃｂによるリアクタンス成分Ｚｃｂ（＝１／（２πｆ１×Ｃｂ））が下記式（６）で示される条件を満足する必要がある。

式（６）を周波数ｆ１の式に書き換えると、式（７）が得られる。

したがって、パルスＶ１の周波数ｆ１を式（７）で示される範囲内の値に設定することにより、流体抵抗（液体抵抗）Ｒｂ、すなわち電気伝導率の測定精度の低下を抑えることが可能となる。

ここで、容量Ｃｂは、主に非接触電極２の面積と測定管１を構成する電気的絶縁体材料の比誘電率によって決まり、分極容量の影響は無視できるほど小さいため、予めその値を把握しておくことは可能である。

例えば、式（７）において、Ｒｂ＝１０［ｋΩ］、Ｃｂ＝１００［ｐＦ］としたとき、パルスＶ１の周波数ｆ１は、約１６０ｋＨｚ〜１６００ｋＨｚの範囲となる。

図６Ａ，６Ｂに、パルスＶ１の周波数ｆ１を１６０ｋＨｚ〜１６００ｋＨｚの範囲の値に設定したときのシミュレーション結果を示す。図６Ａは、等価回路２０２においてパルスＶ１の周波数ｆ１＝１６０ｋＨｚとした場合の信号Ｖ２のシミュレーション波形を示す図であり、図６Ｂは、等価回路２０２においてパルスＶ１の周波数ｆ１＝１６００ｋＨｚとした場合の信号Ｖ２のシミュレーション波形を示す図である。本シミュレーションでは、Ｒａ＝１［ＭΩ］、Ｒｂ＝１０［ｋΩ］、Ｃａ＝０．１［ｕＦ］、Ｃｂ＝１００［ｐＦ］、Ｃｃ＝１０［ｐＦ］としている。

以上のように、被測定流体の抵抗Ｒｂの測定精度と再現性の向上を図る場合には、等価回路２０２を考慮し、パルスＶ１の周波数ｆ１を適切な範囲（式（７））に設定すればよい。

ただし、パルスＶ１の周波数ｆ１を適切な範囲に設定した場合であっても、信号源Ｖ１とコモン電位Ｖｃｏｍとの間の電流経路は、上述の図３Ｂに示す単純な等価回路２０１と完全にみなすことはできないため、式（５）に基づく算出手法では、多少の誤差が発生する場合がある。

例えば、図５に示した等価回路２０２において信号Ｖ２の振幅（ＶＨ−ＶＬ）と被測定流体の電気伝導率との関係は、例えば図７に示す非線形な特性３００によって表される。
そこで、被測定流体の抵抗Ｒｂの測定精度と再現性を更に向上させたい場合には、図８に示すように、予め作成した信号Ｖ２の振幅（ＶＨ−ＶＬ）と被測定流体の電気伝導率との対応関係を示すルックアップテーブルを用いて、電気伝導率を算出すればよい。なお、図８では、データ処理制御部６Ａの周辺の機能部のみ図示し、それ以外の機能部については図示を省略している。

例えば、予め、電気伝導率が既知の流体（液体）を用いて、信号Ｖ２の振幅（ＶＨ−ＶＬ）と被測定流体の電気伝導率と関係を調べる試験を行い、その試験結果に基づいて、信号Ｖ２の振幅（ＶＨ−ＶＬ）と被測定流体の電気伝導率との対応関係を示すルックアップテーブル６３０を作成する。作成したルックアップテーブル６３０は、図８に示すように、例えばデータ処理制御部６Ａとして機能するマイクロコントローラ等のプログラム処理装置内の不揮発性メモリ等の記憶部６３に格納される。

そして、被測定流体の電気伝導率を算出する際には、電気伝導率算出部６２Ａが、記憶部６３に記憶されているルックアップテーブル６３０を参照し、アナログ・デジタル変換部７を介して入力された電圧ＶＨ，ＶＬの値から算出した振幅（ＶＨ―ＶＬ）の値に対応する電気伝導率の値を読み出すことにより、被測定流体の電気伝導率を算出する。
これによれば、被測定流体の抵抗Ｒｂの測定精度および再現性を更に向上させることが可能となる。

次に、電気伝導率計１００の実現例を示す。
図９は、本実施の形態に係る電気伝導率計１００の実現例を示す斜視図である。
同図に示されるように、電気伝導率計１００は、測定管１、非接触電極２、および接触電極３と、交流信号生成部４、電圧検出部５、データ処理制御部６、アナログ・デジタル変換部７、クロック信号生成部８、およびアナログ出力部１０等の電子回路等が形成されたプリント基板とを、金属や樹脂等から成る筐体２０内に収容し、その筐体２０の開口部を、設定・表示部９によって蓋をすることによって実現される。

設定・表示部９は、作業者の設定操作入力を検出してデータ処理制御部６へ出力する機能を実現するための操作用ボタン９１や、データ処理制御部６からの表示出力を表示する機能を実現するためのＬＥＤやＬＣＤ等の表示装置９２を備えている。

筐体２０の対向する一対の側面には、電気伝導率計１００の外部に設けられる配管（図示せず）と測定管１とを連結可能な、金属材料（例えば、ＳＵＳ）から構成された管状の継手３Ａ，３Ｂが配設されている。

図１０Ａは、筐体２０内部を示す斜視断面図であり、図１０Ｂは、筐体２０の内部を示す正面断面図である。
図１０Ａ，１０Ｂに示されるように、測定管１は、筐体２０の長手方向に沿って筐体２０内に配設される。測定管１の両端部には、継手３Ａと継手３Ｂが夫々連結されている。

ここで、２つの継手３Ａ，３Ｂのうち一方は、接触電極３として機能する。例えば、図１０Ａ，１０Ｂに示すように、継手３Ａは、コモン電位Ｖｃｏｍに接続されることにより、外部の配管と測定管１とを連結するだけでなく、接触電極３としても機能する。この場合の非接触電極２は、測定管１における継手３Ａが接続される端部に近い外周面に形成される。

このように、接触電極３を金属から成る継手３Ａによって実現することにより、接触電極３の被測定流体と接触する面積が広くなる。これにより、接触電極３に異物の付着や腐食が生じた場合であっても、異物の付着や腐食が生じた部分の面積が接触電極３の全面積に対して相対的に小さくなるため、分極容量の変化による測定誤差を抑えることが可能となる。

一方、非接触電極２は、例えばコモン電位Ｖｃｏｍに接続された金属から成るシールドカバー２１によって囲まれていることが望ましい。例えば、図１１Ａに示すように、筐体２０内において非接触電極２がシールドカバー２１によって囲まれるように、測定管１を配置する。これによれば、非接触電極２から筐体２０の外部に放射される電磁波ノイズを低減することが可能となる。

ここで、シールドカバー２１は、非接触電極２の少なくとも一部と対面して配置されていればよい。例えば、図１１Ｂに示すように、シールドカバー２１を側面視コの字状に形成し、シールドカバー２１の開口側に、上述した交流信号生成部４やデータ処理制御部６等を構成する電子回路等が主面２２Ａに形成されたプリント基板２２を配置すればよい。この場合、プリント基板２２の主面２２Ａに対向する主面２２Ｂには、金属べたパターン２３を全面的に形成しておく。

これによれば、プリント基板２２上に配置された交流信号生成部４や電圧検出部５と非接触電極２とを接続する信号線の引き回し等が容易となるとともに、その信号線の大部分をシールドカバー２１内に配置することができるので、その信号線から筐体２０の外部に放射される電磁波ノイズをも低減することが可能となる。

≪電気伝導率計１００の効果≫
以上、本実施の形態に係る電気伝導率計１００によれば、被測定流体と接触する接触電極３と、測定管１の外周面に設けられ被測定流体と接触しない非接触電極２とを設け、接触電極３をコモン電位Ｖｃｏｍに接続した状態で抵抗Ｒ１を介して非接触電極２に交流信号を印加し、そのときの非接触電極２に発生する信号Ｖ２の振幅（ＶＨ−ＶＬ）を検出することにより、測定管１を流れる被測定流体の電気伝導率を算出することができる。

これによれば、一方の電極が被測定流体と接触しないので、従来の２つの電極を共に接触させる２電極方式の電気伝導率計に比べて、電極の異物の付着や腐食による測定誤差を抑えることが可能となる。

また、少なくとも非接触電極２には、高価な白金黒を用いなくてもよいので、電気伝導率計の製造コストを抑えることが可能となる。

したがって、本実施の形態に係る電気伝導率計によれば、高精度な２電極方式の電気伝導率計をより低コストに実現することが可能となる。

また、抵抗Ｒ１を介して非接触電極２に印加されるパルスＶ１の周波数ｆ１を式（７）で示される範囲内の値に設定することにより、上述したように、被測定流体の電気伝導率（抵抗Ｒｂ）の測定精度と再現性をより向上させることが可能となる。

また、電気伝導率計１００において、信号Ｖ２の振幅（ＶＨ−ＶＬ）と被測定流体の電気伝導率との対応関係を示すルックアップテーブル６３０を記憶部６３に記憶し、そのルックアップテーブル６３０を用いて、電圧検出部５によって検出された電圧の振幅の値に対応する電気伝導率を読み出すことにより、被測定流体の電気伝導率の測定精度と再現性を更に向上させることが可能となる。

また、電気伝導率計１００において、２つのサンプルホールド回路５１，５２を用いて、パルスＶ１がハイレベルとなるときの非接触電極２に発生する信号Ｖ２の電圧ＶＨと、パルスＶ１がローレベルとなるときの非接触電極２に発生する信号Ｖ２の電圧ＶＬを検出するので、非接触電極２に発生する信号Ｖ２の振幅を取得することが容易となる。

また、電気伝導率計１００によれば、信号Ｖ２の電圧を電流に変換する電圧・電流変換回路が不要となるので、より単純な回路構成で電気伝導率の計測が可能となる。

また、本実施の形態に係る電気伝導率計１００によれば、電気伝導率の計測安定性の低下を抑えることが可能となる。例えば、従来の交流信号を全波整流する方式の電気伝導率計、すなわち交流信号のローレベル（負極性）期間の電圧を中間レベルで折り返し、交流信号のハイレベル（正極性）期間の電圧と加算する方式の電気伝導率計では、交流信号のハイレベル期間の波形とローレベル期間の波形が等しくない場合、全波整流しても脈流が残り、完全な直流電圧にならないため、計測安定性が悪化する。これに対し、本実施の形態に係る電気伝導率計１００では、交流信号（信号Ｖ２）を差動信号の状態のままアナログ・デジタル変換して信号Ｖ２の振幅（ＶＨ−ＶＬ）を求める構成を有しているので、被測定流体の流速の変化により信号波形にゆらぎが生じた場合や、外部から被測定流体を介してコモンモードノイズが侵入した場合であっても、電気伝導率の計測安定性が低下し難い。

また、接触電極３を、外部の配管と接続するための金属から成る継手３Ａと兼用することにより、接触電極３の被測定流体と接触する面積を広くすることが可能となる。これにより、上述したように、接触電極３に異物の付着や腐食が生じた場合であっても、接触電極３の全接触面積に対する異物の付着や腐食が生じた部分の面積が相対的に小さくなるので、電極の異物の付着や腐食による測定誤差をより低減することが可能となる。

また、金属配管を継手３Ａに連結した場合には、その金属配管が継手３Ａを介してコモン電位Ｖｃｏｍに接続されるため、継手３Ａのみならず金属配管も接触電極３とみなすことができる。これにより、接触電極３の接触面積が更に拡大し、接触電極３の全接触面積に対する異物の付着や腐食が生じた部分の面積が相対的に更に小さくなるので、電極の異物の付着や腐食による測定誤差の更なる低減を図ることが可能となる。

また、金属配管を使用した場合であっても、接触電極３としての継手３Ａと金属配管とが同電位（コモン電位Ｖｃｏｍ＝０Ｖ）となるので、金属配管に電流が流れ込むことによる測定誤差は生じない。

また、接触電極３をコモン電位Ｖｃｏｍ（＝０Ｖ）に接続しているので、金属配管を使用した場合であっても、金属配管がアンテナとなって周辺に電磁波ノイズを放射することを防止できる。

また、図１１Ａ，１１Ｂに示したように、金属から成るシールドカバー２１を、非接触電極２の少なくとも一部と対面して配置することにより、上述したように、非接触電極２から筐体２０の外部に放射される電磁波ノイズを低減することが可能となる。

≪実施の形態の拡張≫
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、上記実施の形態では、電気伝導率計１００の実現例として図９に示す構成を例示したが、これに限定されるものではない。

また、上記実施の形態において、交流信号生成部４や電圧検出部５は、その機能を発揮することができるのであれば、図１に示した回路構成例に限定されるものではない。

また、アナログ・デジタル変換部７およびクロック信号生成部８は、データ処理制御部６と同様に、マイクロコントローラ等のプログラム処理装置の機能によって実現してもよい。

アナログ・デジタル変換部７は、サンプルホールド回路５１によって取り込まれた電圧ＶＨとサンプルホールド回路５２によってサンプルホールドされた電圧ＶＬとの電圧差を、デジタル信号に変換する例を示したが、ＶＨおよびＶＬを夫々デジタル信号に変換してからデータ処理部６で減算処理を行ってもよい。

１００…電気伝導率計、１…測定管、２…非接触電極（第１電極）、３…接触電極（第２電極）、３Ａ，３Ｂ…継手、４…交流信号生成部、５…電圧検出部、６，６Ａ…データ処理制御部、７…アナログ・デジタル変換部、８…クロック信号生成部、９…設定・表示部、１０…アナログ出力部、２０…筐体、２１…シールドカバー、２２…プリント基板、２３…金属べたパターン、５１，５２…サンプルホールド回路、６１…基準クロック生成部、６２…電気伝導率算出部、６３…記憶部、６３０…ルックアップテーブル、２００，２０１，２０２…等価回路、９１…操作用ボタン、９２…表示装置、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３…スイッチ、Ｕ１…バッファアンプ、ＣＬＫ０…基準クロック信号、ＣＬＫ１，ＣＬＫｐ，ＣＬＫｎ…クロック信号、Ｖ１…パルス（信号源）、Ｖ２，Ｖ２ｂ…信号、Ｖｃｏｍ…コモン電位、ＶＨ，ＶＬ…信号Ｖ２の電圧、Ｔｐ…パルスＶ１が第１極性となる期間、Ｔｎ…パルスＶ１が第２極性となる期間、Ｒａ…分極抵抗、Ｒｂ…流体抵抗，Ｒ１…抵抗、Ｃ１，Ｃ２，Ｃｂ，Ｃｃ…容量、Ｃａ…分極容量。

アナログ・デジタル変換部７は、サンプルホールド回路５１によって取り込まれた電圧ＶＨとサンプルホールド回路５２によってサンプルホールドされた電圧ＶＬとの電圧差を、デジタル信号に変換する例を示したが、ＶＨおよびＶＬを夫々デジタル信号に変換してからデータ処理制御部６で減算処理を行ってもよい。

Claims (6)

1. 電気絶縁材料から成り、計測対象の流体が流れる測定管と、
   前記測定管の外周面に形成された第１電極と、
   コモン電位に接続され、前記測定管を流れる流体と接する第２電極と、
   一端が前記第１電極に接続された抵抗と、
   前記抵抗の他端に交流信号が入力されることによって前記第１電極に発生した信号の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部によって検出された電圧の振幅に基づいて、前記流体の電気伝導率を算出する電気伝導率算出部と、
   を有する
   電気伝導率計。
2. 請求項１に記載の電気伝導率計において、
   前記流体の抵抗値をＲｂ、前記測定管内を流れる前記流体と前記第１電極との間の容量をＣｂとしたとき、前記抵抗に入力される前記交流信号の周波数ｆ１は、式（Ａ）で表される条件を満たす
   ことを特徴とする電気伝導率計。
   

   
3. 請求項１または２に記載の電気伝導率計において、
   前記電圧検出部は、
   前記交流信号が第１極性となる第１期間において、前記第１電極に発生した信号の電圧をサンプリングし、保持する第１サンプルホールド回路と、
   前記交流信号が前記第１極性と反対の第２極性となる第２期間において、前記第１電極に発生した信号の電圧をサンプリングし、保持する第２サンプルホールド回路と、を含み、
   前記電気伝導率算出部は、前記第１サンプルホールド回路によってサンプリングされた電圧と前記第２サンプルホールド回路によってサンプリングされた電圧とに基づいて、前記流体の電気伝導率を算出する
   ことを特徴とする電気伝導率計。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の電気伝導率計において、
   前記電圧検出部によって検出された電圧の振幅と前記流体の電気伝導率との対応関係を示すルックアップテーブルを記憶する記憶部を更に有し、
   前記電気伝導率算出部は、前記記憶部に記憶された前記ルックアップテーブルから、前記電圧検出部によって検出された電圧の振幅の値に対応する前記流体の電気伝導率を読み出す
   ことを特徴とする電気伝導率計。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の電気伝導率計において、
   前記第２電極は、一端が前記測定管と連結され、他端が外部の配管と連結可能な金属から成る管状の継手である
   ことを特徴とする電気伝導率計。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の電気伝導率計において、
   前記第１電極の少なくとも一部と対面して配置された、金属から成るシールドカバーを更に有する
   ことを特徴とする電気伝導率計。

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