JP2020016498A - 電気伝導率計 - Google Patents

Abstract

【課題】電極を接続する電極配線の線間容量による影響を抑制し、高い精度で電気伝導率を計測する。【解決手段】信号生成回路２１が、予め設定された信号周波数ｆｇで一定振幅（設定電流Ｉｓ）を有する交流の矩形波電流を矩形波信号ＳＧとして生成して、測定管３に取り付けられている電極Ｔ１，Ｔ２に印加し、検出回路１１が、これらＴ１，Ｔ２から検出した検出電圧をサンプリングすることにより検出電圧Ｖｔの振幅を検出する。【選択図】 図１

Description

本発明は、液体の電気伝導率を計測するための電気伝導率計測技術に関する。

液体の電気伝導率（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、電極間に発生した電気信号を検出することによって液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

このような２電極方式の電気伝導率計では、２つの電極と電気伝導率を導出する回路とを一対の配線で結ぶ必要があるが、これら配線の長さによっては配線のインピーダンスが大きくなって、電気伝導率の計測において無視できなくなる。したがって、配線インピーダンスの影響により電極で検出した信号波形に歪みが生じ、電気伝導率の計測精度が低下するという問題点があった。

この点については、特許文献１において検討されている。図１７は、従来の電気伝導率計の信号処理回路を示す回路図である。図１８は、図１７の電極間およびケーブルに関する等価回路である。
図１７に示す信号処理回路５０において、信号生成回路５１で生成された交流矩形波の印加電圧Ｖｇは、バッファアンプＵ１で印加電圧Ｖｇ’に安定化された後、端子Ｎ１および電極配線ＬＴ１を介して電極Ｔ１に印加される。電極Ｔ２に発生した検出電流Ｉｔは、電極配線ＬＴ２および端子Ｎ２を介してオペアンプＵ２と帰還抵抗Ｒｆに入力されて、検出電圧Ｖｔに変換された後、同期整流回路５２で整流されて直流電圧Ｅｔに変換出力される。

図１８に示す等価回路において、Ｃｐ，Ｒｐは、電極Ｔ１，Ｔ２が液体と接液する際に電極−液体間に発生する分極容量および分極抵抗であり、Ｒｌは、電極Ｔ１，Ｔ２間の液体に関する液体抵抗である。また、Ｃｗは、電極配線ＬＴ１，ＬＴ２間に生じる線間容量であり、Ｒｗは、ＬＴ１，ＬＴ２が持つ配線抵抗である。
図１８に示すように、信号処理回路５０側から端子Ｎ１，Ｎ２を介して電極Ｔ１，Ｔ２側を見た場合、分極容量Ｃｐおよび分極抵抗Ｒｐの並列回路と液体抵抗Ｒｌとの直列回路に対して、線間容量Ｃｗと配線抵抗Ｒｗの直列回路が並列接続されているように見える。

特許文献１では、このようなＣｐ，Ｃｗによる検出電圧Ｖｔの歪みの影響が小さいタイミング、例えば印加電圧Ｖｇ’の出力開始直後に発生する微分ノイズの後であって、印加電圧Ｖｇ’の出力停止前までの期間に複数回Ｖｔをサンプリングし、得られた複数のサンプル電圧からＣｐ，Ｃｗの影響を受けないＶｔを計算式で求めている。
しかしながら、上記計算式では線間容量Ｃｗを無視できると仮定しているため、電極配線ＬＴ１，ＬＴ２が長くてＣｗを無視できない場合には、高い精度で電気伝導率を計測できないという問題点があった。

一般に、分極容量Ｃｐの影響を抑制するには、Ｔ１，Ｔ２間に印加する印加電圧Ｖｇの周波数を高くする必要がある。しかし、印加電圧Ｖｇの周波数を高くすると線間容量Ｃｗの影響が大きくなって、Ｔ１，Ｔ２から得られる検出電圧Ｖｔの歪みが大きくなり、電気伝導率の計測精度が低下する原因となる。また、電極配線ＬＴ１，ＬＴ２が長くなればなるほどＣｗが大きくなって、検出電圧Ｖｔの歪みが大きくなり、電気伝導率の計測精度が低下する原因となる。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、電極を接続する電極配線の線間容量による影響を抑制し、高い精度で電気伝導率を計測できる電気伝導率計測技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる電気伝導率計は、測定管内の液体に関する電気伝導率を計測する電気伝導率計であって、予め設定された信号周波数で一定振幅を有する交流の矩形波電流を矩形波信号として生成する信号生成回路と、前記測定管に取り付けられて前記矩形波信号を前記液体に印加する第１および第２の電極と、前記第１および第２の電極から検出した検出電圧をサンプリングすることにより前記検出電圧の振幅を検出する検出回路と、前記振幅に基づいて前記液体に関する電気伝導率を演算処理により求める演算処理回路とを備えている。

また、本発明にかかる上記電気伝導率計の一構成例は、前記第１および第２の電極の近傍位置に配置されて、前記信号生成回路を搭載するプリント配線基板をさらに備えるものである。

また、本発明にかかる上記電気伝導率計の一構成例は、前記第１および第２の電極の近傍位置に配置されて、前記検出電圧を安定化して前記検出回路へ出力するバッファアンプを搭載するプリント配線基板をさらに備えるものである。

また、本発明にかかる上記電気伝導率計の一構成例は、前記第１の電極が、前記液体と接液する接液電極からなり、前記第２の電極は、前記測定管の外周部に形成されて、前記液体と接液していない非接液電極からなるものである。

また、本発明にかかる上記電気伝導率計の一構成例は、前記検出回路が、前記矩形波信号の半周期の中央時間位置で、前記検出電圧をサンプリングするようにしたものである。

また、本発明にかかる上記電気伝導率計の一構成例は、前記信号生成回路が、前記矩形波信号の大きさを検出する電流検出回路と、前記信号周波数を示すクロック信号と前記電流検出回路からの検出結果とに基づいて、前記矩形波信号の振幅を設定電流に維持するオペアンプとを含むものである。

本発明によれば、信号周波数が比較的低くても検出電圧の傾斜が直線的となり、検出電圧の振幅を安定して検出することができる。したがって、信号周波数として電極を接続する電極配線の線間容量による影響を抑制できる程度の周波数を用いることができ、高い精度で電気伝導率を計測することが可能となる。

第１の実施の形態にかかる電気伝導率計の回路構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態にかかる電気伝導率計の側面図である。 第１の実施の形態にかかる電気伝導率計の上面図である。 第１の実施の形態にかかる電気伝導率計の斜視図である。 第１の実施の形態にかかる電気伝導率計の他の斜視図である。 サブ基板を示す正面図である。 サブ基板を示す裏面図である。 第１の実施の形態にかかる電気伝導率計の動作を示す信号波形図である。 矩形波電流源の構成例である。 第１の実施の形態にかかる電極側の等価回路である。 矩形波定電圧信号を用いた電気伝導率計の動作を示す信号波形図である。 振幅データと電気伝導率との対応関係を示す特性図である。 第２の実施の形態にかかる電気伝導率計の側面図である。 第２の実施の形態にかかる電気伝導率計の上面図である。 第２の実施の形態にかかる電気伝導率計の斜視図である。 第２の実施の形態にかかる電気伝導率計の他の斜視図である。 従来の電気伝導率計の信号処理回路を示す回路図である。 図１７の電極間およびケーブルに関する等価回路である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１〜図５を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる電気伝導率計１０について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる電気伝導率計の回路構成を示すブロック図である。図２は、第１の実施の形態にかかる電気伝導率計の側面図である。図３は、第１の実施の形態にかかる電気伝導率計の上面図である。図４は、第１の実施の形態にかかる電気伝導率計の斜視図である。図５は、第１の実施の形態にかかる電気伝導率計の他の斜視図である。

本発明にかかる電気伝導率計１０は、図１〜図５に示すように、測定管３に取り付けられた２つの電極Ｔ１，Ｔ２間に交流の矩形波信号ＳＧを印加し、Ｔ１，Ｔ２間から検出した検出電圧Ｖｔの振幅に基づいて、測定管３内の液体に関する電気伝導率を求める機能を有している。

図１に示すように、電気伝導率計１０は、主な回路部として、検出回路１１、演算処理回路１２、設定・表示回路１３、伝送回路１４、信号生成回路２１、バッファアンプ２２を備えている。

本発明は、これら回路部のうち、信号生成回路２１およびバッファアンプ２２のうち、少なくともいずれか一方または両方を、測定管３の外周面のうち電極Ｔ１，Ｔ２の近傍位置に取り付けられたサブ基板（プリント配線基板）２に実装し、ジャンパー線Ｊ１，Ｊ２を介して電極Ｔ１，Ｔ２をサブ基板２に電気的に接続するようにしたものである。以下では、検出回路１１、演算処理回路１２、設定・表示回路１３、および伝送回路１４をメイン基板（プリント配線基板）１に実装し、信号生成回路２１およびバッファアンプ２２をサブ基板２に実装した場合を例として説明する。

検出回路１１は、信号生成回路２１を制御することにより、電極Ｔ１，Ｔ２に対して予め設定された信号周波数ｆｇで一定振幅（設定電流Ｉｓ）を有する交流の矩形波電流を、矩形波信号ＳＧすなわち矩形波定電流信号として印加する機能と、電極Ｔ１，Ｔ２に発生した検出電圧Ｖｔの振幅を検出して演算処理回路１２へ出力する機能とを有している。

本発明にかかる電気伝導率計１０のバリエーションについては、電極Ｔ２として液体に接液しない非接液電極を用いてもよく、液体に接液する接液電極を用いてもよい。本実施の形態では、電極Ｔ２が非接液電極である場合を例として説明する。なお、電極Ｔ２が接液電極である場合については、第２の実施の形態で後述する。

検出回路１１は、主な回路部として、クロック生成回路１１Ａ、サンプルホールド回路（ＳＨ回路）１１Ｂ、およびＡ／Ｄ変換回路（ＡＤＣ回路）１１Ｃを備えている。
クロック生成回路１１Ａは、演算処理回路１２からのクロック信号ＣＬＫ０に基づいて、矩形波信号ＳＧ生成用のクロック信号ＣＬＫｓと、サンプリング制御用のクロック信号ＣＬＫｈ，ＣＬＫｌとを生成する機能を有している。

サンプルホールド回路１１Ｂは、クロック生成回路１１Ａからのクロック信号ＣＬＫｈ，ＣＬＫｌに基づいてスイッチＳＷｈ，ＳＷｌをオンオフ制御することにより、バッファアンプ２２からの出力電圧Ｖｔ’をサンプルホールドし、得られた検出電圧ＶＨ，ＶＬをＡ／Ｄ変換回路１１Ｃへ出力する機能を有している。
Ａ／Ｄ変換回路１１Ｃは、サンプルホールド回路１１ＢからのＶＨ，ＶＬの差分電圧、すなわちＶｔの振幅電圧をＡ／Ｄ変換し、得られた振幅データＤＡを演算処理回路１２へ出力する機能を有している。

メイン基板１に実装されているコネクタＣＮ１は、４芯の接続配線ＬＣを介してサブ基板２に実装されているコネクタＣＮ２と接続されている。これにより、メイン基板１とサブ基板２とが電気的に接続されている。具体的には、ＣＮ１の端子Ｔ１１からＬＣを介してＣＮ２の端子Ｔ２１へクロック信号ＣＬＫｓが供給されている。また、ＣＮ１の端子Ｔ１２からＬＣを介してＣＮ２の端子Ｔ２２へ基準電圧Ｖｓが供給されている。また、ＣＮ１の端子Ｔ１３からＬＣを介してＣＮ２の端子Ｔ２３へ接地電圧ＧＮＤが供給されている。また、ＣＮ２の端子Ｔ２４からＬＣを介してＣＮ１の端子Ｔ１４へバッファアンプ２２の出力電圧Ｖｔ’が供給されている。

また、サブ基板２は、ジャンパー線Ｊ１，Ｊ２を介して第１および第２の電極Ｔ１，Ｔ２と電気的に接続されている。具体的には、サブ基板２に形成されたパッド（電極接続端子）Ｐ１が、ジャンパー線Ｊ１を介して第１の電極Ｔ１と接続されており、サブ基板２に形成されたパッド（電極接続端子）Ｐ２が、ジャンパー線Ｊ２を介して第２の電極Ｔ２と接続されている。Ｐ１は、サブ基板２に形成された配線パターンＬＰ１を介してサブ基板２上の接地電圧ＧＮＤと接続されており、Ｐ２は、サブ基板２に形成された配線パターンＬＰ２を介してサブ基板２上の信号生成回路２１およびバッファアンプ２２と接続されている。

信号生成回路２１は、予め設定された信号周波数ｆｇで一定振幅（設定電流Ｉｓ）を有する交流の矩形波電流を、矩形波信号ＳＧすなわち矩形波定電流信号として生成する機能を有している。具体的には、信号生成回路２１は、全体としてオンオフ動作する矩形波電流源ＩＧからなり、Ｔ２２の基準電圧ＶｓとＴ２３の接地電圧ＧＮＤに接続されて、Ｔ２１のクロック信号ＣＬＫｓに基づいて、振幅が設定電流ＩｓでＣＬＫｓと同じ信号周波数ｆｇを有する矩形波信号ＳＧを生成する機能を有している。

バッファアンプ２２は、例えばオペアンプやバッファ回路からなり、電極Ｔ１，Ｔ２から検出した検出電圧Ｖｔを安定化し、出力電圧Ｖｔ’として出力する機能を有している。具体的には、バッファアンプ２２において、入力端子はＬＰ２を介してパッドＰ２に接続され、出力端子はＴ２４に接続されている。

演算処理回路１２は、ＣＰＵとプログラムとを協働させることにより、検出回路１１で得られた振幅データＤＡに基づいて、測定管３内の液体に関する電気伝導率を演算処理により求める機能を有している。演算処理回路１２は、主な処理部として、電気伝導率算出部１２Ａと空状態判定部１２Ｂとを備えている。

電気伝導率算出部１２Ａは、検出回路１１で得られた振幅データＤＡに基づいて、測定管３内の液体に関する電気伝導率を算出する機能を有している。具体的には、予め設定されている電気伝導率算出式を用いて、検出回路１１からの振幅データＤＡに対応する電気伝導率を計算してもよいが、振幅データＤＡと電気伝導率との対応関係を予め計測し、得られた特性をルックアップテーブルとして予め設定しておき、検出回路１１からの振幅データＤＡに基づいてルックアップテーブルを参照することにより、測定管３内の液体に関する電気伝導率を導出してもよい。

空状態判定部１２Ｂは、電気伝導率算出部１２Ａによって算出された電気伝導率に基づいて、測定管３内の液体の有無を判定する機能を有している。具体的には、空状態判定部１２Ｂは、電気伝導率算出部１２Ａによって算出された電気伝導率と、予め設定されている閾値伝導率とを比較し、算出された電気伝導率が閾値伝導率よりも小さい場合、測定管３内に液体が存在しない、すなわち空状態と判定する。

設定・表示回路１３は、操作用ボタンやＬＥＤ・ＬＣＤ等の表示装置を備え、作業者の設定操作入力を検出して演算処理回路１２へ出力する機能と、演算処理回路１２からの各種データを表示する機能とを備えている。
伝送回路１４は、伝送路ＬＴを介してコントローラなどの上位装置（図示せず）との間でデータ伝送を行う機能と、演算処理回路１２で得られた電気伝導率や空状態判定結果を、上位装置へ送信する機能とを備えている。

［電気伝導率計の構造］
次に、図２〜図５を参照して、本実施の形態にかかる電気伝導率計１０の構造について説明する。なお、以下では、便宜上、測定管３が伸延する方向を第１の方向Ｘといい、第１の方向Ｘに直交する測定管３の左右方向を第２の方向Ｙといい、第１および第２の方向Ｘ，Ｙに直交する測定管３の上下方向を第３の方向Ｚという。

測定管３は、円筒形状をなすセラミックや樹脂などの絶縁性および誘電性に優れた材料からなり、下側ケース４の内部に収納されている。下側ケース４は、上側に開口部４Ｄを有する有底箱状の樹脂、または金属筐体から構成されている。

下側ケース４の側面のうち第１の方向Ｘと直交する一対の側面４Ａには、電気伝導率計１０の外部に設けられる配管（図示せず）と測定管３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５Ａ，５Ｂが配設されている。測定管３は、第１の方向Ｘに沿って下側ケース４の内部に収納され、測定管３の両端部には、一対のＯリングＯＲを挟んで継手５Ａと継手５Ｂがそれぞれ連結される。

ここで、継手５Ａ，５Ｂのうちの少なくとも一方は、電極（第１の電極）Ｔ１として機能する。例えば、継手５Ａは、接地電圧ＧＮＤ（コモン電位）に接続されることにより、外部の配管と測定管３とを連結するだけでなく、電極Ｔ１としても機能する。
このように、電極Ｔ１を金属からなる継手５Ａによって実現することにより、Ｔ１が液体と接触する面積が大きくなる。

これにより、Ｔ１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Ｔ１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。また、継手５Ａに接地電圧ＧＮＤが印加されるため、継手５Ａに接続される外部配管が金属であっても、外部配管がアンテナとなって電磁波ノイズを放射してしまうことはない。また、継手５Ａが電極Ｔ１として兼用されるため、別途Ｔ１を設ける必要がなく、電気伝導率計１０の小型化が図れる。

一方、下側ケース４の側面のうち第２の方向Ｙと直交する一対の側面４Ｂと下側ケース４の底面４Ｅの外側面には、断面コの字形状の金属板からなるシールド６が取り付けられている。これにより、電気伝導率計１０から外部に放射されるノイズを低減できる。

また、測定管３の外周面３Ａのうち、サブ基板２を挟んで継手５Ａと反対側には、測定管３の全周にわたって薄膜導体からなる面電極（第２の電極）Ｔ２が、非接液電極としてパターン形成されている。また、Ｔ２のうちサブ基板２側の側端部には、パッドＰ３がサブ基板２に向かって突出して形成されている。

前述したように、信号生成回路２１およびバッファアンプ２２のうち、少なくともいずれか一方を、測定管３の外周面３Ａのうち電極Ｔ１，Ｔ２の近傍位置に取り付けられたサブ基板（プリント配線基板）２に実装し、ジャンパー線Ｊ１，Ｊ２を介して電極Ｔ１，Ｔ２をサブ基板２に電気的に接続するようにしたものである。

図６は、サブ基板を示す正面図である。図７は、サブ基板を示す裏面図である。
図６に示すように、サブ基板２のうち、継手５Ａからなる電極Ｔ１側の基板面２Ａには、第２の方向Ｙに沿って管孔２Ｈの横位置にパッドＰ１がパターン形成されており、Ｊ１を介してこのＰ１とＴ１とを接続している。Ｊ１はＰ１およびＴ１の外表面に半田付けされる。

また、図７に示すように、サブ基板２のうち、電極Ｔ２側の基板面２Ｂには、第３の方向Ｚに沿って管孔２Ｈの上位置にパッドＰ２がパターン形成されており、Ｊ２を介してこのＰ２とＰ３とを接続している。Ｊ２はＰ２およびＰ３に半田付けされる。
また、基板面２Ｂのうち、パッドＰ２を含む管孔２Ｈの上側には、回路実装領域２Ｇが設けられており、信号生成回路２１やバッファアンプ２２、さらにはコネクタＣＮ２が実装され、配線パターンＬＰ１，ＬＰ２（図示せず）を介してＰ１，Ｐ２が接続されている。

これにより、サブ基板２と電極Ｔ１，Ｔ２とを接続する電極配線、すなわちジャンパー線Ｊ１，Ｊ２の長さを極めて短くでき、Ｊ１，Ｊ２のインピーダンスを極めて低く抑えることができる。また、サブ基板２に信号生成回路２１またはバッファアンプ２２を実装したため、メイン基板１とサブ基板２とを接続する接続配線ＬＣのインピーダンスも低く抑えることができる。このため、電気伝導率の計測において、ジャンパー線Ｊ１，Ｊ２さらには接続配線ＬＣのインピーダンスを無視することができる。

図２に示すように、下側ケース４の上部には、開口部４Ｄを覆うように上側ケース９が取り付けられる。メイン基板１は、この上側ケース９内に固定されており、検出回路１１、演算処理回路１２、設定・表示回路１３、伝送回路１４などの各回路部が実装されている。サブ基板２のコネクタＣＮ２は、接続配線ＬＣを介してメイン基板１のコネクタＣＮ１と接続されている。
なお、サブ基板２のうち、回路部品や配線パターン以外の領域に、接地電圧ＧＮＤと接続されたグランドパターンを形成してもよい。これにより、電気伝導率計１０の外部から電極Ｔ２に混入するノイズを低減でき、測定誤差を抑えることが可能となる。

サブ基板２については、測定管３の外周面３Ａであればいずれの方向に取り付けてもよいが、本実施の形態は、サブ基板２に設けた管孔２Ｈに測定管３を圧入することにより、サブ基板２を測定管３に固定している。
図６および図７に示すように、サブ基板２のうち、紙面に向かって左右の方向である左右方向Ｙの中央位置には、測定管３を圧入するための管孔２Ｈが形成されている。これにより、取付ネジなどの固定部材を用いることなく極めて簡素な構成で、サブ基板２を測定管３に固定することができる。

管孔２Ｈの大きさは、測定管３の外周部の大きさと同じもしくは少し小さめに設定されている。この際、管孔２Ｈは、測定管３の外周形状に合わせて真円形状にする必要はなく、略多角形状、図６および図７では略八角形状としてもよい。これにより、管孔２Ｈの端部が外周面３Ａと部分的に接触することになり、管孔２Ｈの端部の全周にわたって外周面３Ａと接する構成と比較して、測定管３からサブ基板２に実装した信号生成回路２１やバッファアンプ２２に伝わる熱の影響を抑制することができる。

また、管孔２Ｈと測定管３との間に隙間２Ｓが離散して形成されるため、管孔２Ｈに対して測定管３を容易に圧入することができ、圧入専用の治具を用意する必要がなく、作業負担を軽減できる。
なお、管孔２Ｈの形状については略多角形状に限定されるものではなく、管孔２Ｈの孔壁面に複数の凸部を備え、この凸部が外周面３Ａと当接するようにしてもよい。あるいは、管孔２Ｈの周部の一部がサブ基板２の側端部に向けて直接開口する切欠きや間接的に開口するスリットを設けてもよい。これにより、前述と同様の作用効果が得られる。

また、本実施の形態において、下側ケース４の側面４Ｂの内壁部４Ｃには、凸状または凹状のレールからなる一対のガイド部７Ｘ，７Ｙが形成されている。サブ基板２の側端部２Ｘ，２Ｙがこれらガイド部７Ｘ，７Ｙに嵌合するよう、下側ケース４の開口部４Ｄから挿入することにより、サブ基板２を介して測定管３を下側ケース４に取り付けられる。これにより、極めて簡素な構造でプリント基板５さらには測定管３をケース８の内部に取り付けることができる。

なお、ガイド部７Ｘ，７Ｙについては、凸状部分または凹状部分が伸延して形成されている必要はなく、側端部２Ｘ，２Ｙがスムーズに挿入される間隔で、凸状部分または凹状部分を複数に分離して形成してもよい。また、図３では、ガイド部７Ｘ，７Ｙが２つの突条からなる場合が例として示されているが、突条に代えて側端部２Ｘ，２Ｙが挿入される溝であってもよい。
また、ガイド部７Ｘ，７Ｙでサブ基板２を固定する必要はなく、逆に少し遊びがあったほうが継手５Ａ，５Ｂによるネジ止めの際に、測定管３あるいはサブ基板２にかかる機械的ストレスを緩和することができる。

［第１の実施の形態の動作］
次に、図８を参照して、本実施の形態にかかる電気伝導率計１０の動作について説明する。図８は、第１の実施の形態にかかる電気伝導率計の動作を示す信号波形図である。
ここでは、電極Ｔ２が非接液電極であって、矩形波信号ＳＧが矩形波定電圧信号である場合を例として説明する。

クロック生成回路１１Ａは、演算処理回路１２からのクロック信号ＣＬＫ０に基づいて、矩形波信号ＳＧ生成用のクロック信号ＣＬＫｓと、サンプリング制御用のクロック信号ＣＬＫｈ，ＣＬＫｌとを生成する。ここでは、ＣＬＫｓの周波数、すなわち矩形波信号ＳＧの信号周波数ｆｇが１５０ｋＨｚである場合が示されている。

信号生成回路２１は、ＣＬＫｓに基づいて矩形波電流源ＩＧをオンオフ制御する。これにより、図８に示すように、信号周波数ｆｇの半周期ごとに印加電流Ｉｇが、予め設定されている設定電流Ｉｓとゼロとの間で切り替えられて、電極Ｔ２に印加されることになる。したがって、信号生成回路２１から供給された印加電流Ｉｇにより、電極Ｔ１，Ｔ２間における液体の液体抵抗で発生した電圧が電極Ｔ１，Ｔ２間の電圧、すなわち検出電圧Ｖｔとなる。

サンプルホールド回路１１Ｂは、クロック生成回路１１ＡからのＣＬＫｈに基づいて、バッファアンプ２２でＶｔが安定化（インピーダンス変換）されて得られた出力電圧Ｖｔ’のうち、Ｉｓが供給されているハイレベル期間ＴＨ（ＳＧの半周期）における検出電圧ＶＨをサンプリングする。また、サンプルホールド回路１１Ｂは、クロック生成回路１１ＡからのＣＬＫｌに基づいて、Ｖｔ’のうち、ゼロが供給されているローレベル期間ＴＬ（ＳＧの半周期）における検出電圧ＶＬをサンプリングする。

Ａ／Ｄ変換回路１１Ｃは、サンプルホールド回路１１Ｂで得られたＶＨとＶＬの差分電圧ΔＶｔを振幅データＤＡにＡ／Ｄ変換して出力する。
一般には、交流の検出電圧Ｖｔを全波整流する方法、例えばＴＬにおける検出電圧ＶｔをＶｔの中間レベルで折り返してＴＨのＶｔと加算する方法が考えられる。しかし、このような方法では、ＴＬとＴＨのＶｔが等しくないと、全波整流しても脈流が残り、安定した直流電圧とならないため、計測誤差の原因となる。

本実施の形態によれば、交流の検出電圧Ｖｔを全波整流せず、ＴＬとＴＨでそれぞれ別個にサンプリングし、得られたＶＨ，ＶＬの差分電圧を振幅データＤＡとして取得している。このため、液体の流速変化などによりＶｔに揺らぎが含まれているような場合や、外部から液体を介してコモンモードノイズがＶｔに混入しているような場合でも、振幅データＤＡへの影響を回避することができ、電気伝導率の安定した計測を実現できる。

電気伝導率算出部１２Ａは、Ａ／Ｄ変換回路１１ＣからのＤＡに基づいて、液体の電気伝導率を算出する。
また、空状態判定部１２Ｂは、電気伝導率算出部１２Ａで得られた電気伝導率を閾値伝導率と比較することにより、測定管３内が空状態であるか否か判定する。

図９は、矩形波電流源の構成例である。図９に示すように、矩形波電流源ＩＧは、スイッチＳＷｉ、オペアンプＵｇ、および電流検出回路ＤＥＴを備えている。ＳＷｉは、ＣＬＫｓに基づいてＶｓとＧＮＤとを切替出力するアナログスイッチである。ＤＥＴは、ＩＧから出力される印加電流Ｉｇの電流値を検出する回路である。Ｕｇは、ＤＥＴからの電流検出出力に基づいてＩｇの電流値を設定電流Ｉｓに維持制御するとともに、ＳＷｉの出力に基づいてＩｇの出力をオンオフ制御する機能を有している。

図１０は、第１の実施の形態にかかる電極側の等価回路である。前述したように、本実施の形態では、矩形波信号ＳＧとして矩形波定電流信号を用いている。このため、図１０に示すように、サブ基板２から見た電極側の等価回路は、信号生成回路２１の矩形波電流源ＩＧに対して、電極Ｔ１，Ｔ２間のインピーダンスを示す側の等価回路Ｚｔが接続された形式となる。

この際、Ｚｔにおいて、電極Ｔ１，Ｔ２と液体との接液時に電極−液体間に分極容量Ｃｐおよび分極抵抗Ｒｐが発生し、Ｔ２が非接液電極であるため、液体と電極Ｔ２との間に電極容量Ｃｔが発生する。したがって、電極Ｔ１，Ｔ２間の液体に関する液体抵抗をＲｌとすると、Ｚｔは、分極容量Ｃｐおよび分極抵抗Ｒｐの並列回路と、液体抵抗Ｒｌと、電極容量Ｃｔとが直列接続された等価回路で表される。ここで、矩形波信号ＳＧの信号周波数をｆｇ＝１５０ｋＨｚとした場合、Ｃｐのインピーダンスは比較的小さいものの、Ｃｔのインピーダンスがある程度大きくなるため、Ｃｔの両端電圧ＶｃｔさらにはＶｔが過渡的に変化するようになる。

図１１は、矩形波定電圧信号を用いた電気伝導率計の動作を示す信号波形図である。図８と同様にしてｆｇ＝１５０ｋＨｚとした場合、Ｃｐのインピーダンスは比較的小さいものの、Ｃｔのインピーダンスがある程度大きくなる。このため、一定振幅（設定電圧Ｖｓ）を有する交流の矩形波電圧を、矩形波信号ＳＧすなわち矩形波定電圧信号として用いた場合、ＶｃｔやＶｒｌ、さらにはＶｔがそれぞれの時定数で指数関数的に変化するようになり、ＶＨ，ＶＬを安定して検出できなくなる。

このように、Ｖｔの波形が歪んだ場合、振幅データＤＡの検出時に誤差が含まれやすくなり、結果として電気伝導率に関する測定精度の低下の要因となる。このため、ｆｇとして、Ｃｐ，Ｃｔのインピーダンスが無視できる程度の高い周波数を用いる必要がある。一方、ｆｇを高くすると、図１８に示した従来の等価回路のように電極配線の線間容量Ｃｗによる影響が大きくなって電極配線で信号漏れが発生し、Ｖｔの波形が歪む原因となる。

これに対して、本実施の形態では、矩形波信号ＳＧとして矩形波定電流信号を用いているため、ｆｇ＝１５０ｋＨｚとした場合でも、ＶｃｔおよびＶｔの傾斜が直線的となり、ＶＨ，ＶＬを安定して検出することができる。

印加電流Ｉｇが設定電流Ｉｓであるハイレベル期間ＴＨに検出された検出電圧ＶｔをＶＨとし、そのときのＶｒｌおよびＶｃｔをＶｒｌＨおよびＶｃｔＨとすると、ＶＨ＝ＶｒｌＨ＋ＶｃｔＨとなる。また、Ｉｇ＝０であるローレベル期間ＴＬに検出された検出電圧ＶｔをＶＬとし、そのときのＶｒｌおよびＶｃｔをＶｒｌＬおよびＶｃｔＬとすると、ＶＬ＝ＶｒｌＬ＋ＶｃｔＬとなる。

この際、検出したＶＨ，ＶＬには、Ｖｃｔが含まれるものの、ＣＬＫｈおよびＣＬＫｌがＴＨ，ＴＬ（ＳＧの半周期）の中央位置を示しているため、サンプリングされたＶＨとＶＬに含まれるＶｃｔＨとＶｃｔＬは等しくなる。これにより、ＶＨとＶＬの差分電圧ΔＶｔを採ることによりＶｃｔＨとＶｃｔＬが相殺され、Ｖｃｔを含まない振幅データＤＡが得られる。

すなわち、ΔＶｔ＝ＶＨ−ＶＬ＝ＶｒｌＨ−ＶｒｌＬとなる。これにより、Ｉｇが一定であるため、Ｒｌは次の式（１）で求められる。

式（１）において、Ｉｇは既知であり、差分電圧ＶＨ−ＶＬは、ＳＨ回路１１Ｂで検出されてＡ／Ｄ変換回路１１Ｃで振幅データＤＡに変換されて演算処理回路１２へ入力される。したがって、電気伝導率算出部１２Ａは、これらデータに基づいてＲｌを容易に算出することができる。

図１２は、振幅データと電気伝導率との対応関係を示す特性図であり、縦軸が振幅データＤＡを示し、横軸が電気伝導率を示している。電気伝導率が既知の標準流体を複数種用いてキャリブレーション作業を行うことによって、このような振幅データＤＡと電気伝導率との対応関係を予め計測し、得られた特性をルックアップテーブルとして、例えば半導体メモリ（図示せず）に設定しておき、検出回路１１からの振幅データＤＡに基づいて、電気伝導率算出部１２Ａが、ルックアップテーブルを参照して、測定管３内の液体に関する電気伝導率を導出してもよい。

［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、信号生成回路２１が、予め設定された信号周波数ｆｇで一定振幅を有する交流の矩形波電流を矩形波信号ＳＧとして生成して、測定管３に取り付けられている電極Ｔ１，Ｔ２に印加し、検出回路１１が、これらＴ１，Ｔ２から検出した検出電圧Ｖｔをサンプリングすることにより検出電圧Ｖｔの振幅を検出するようにしたものである。
これにより、ｆｇが比較的低くても検出電圧Ｖｔの傾斜が直線的となり、検出電圧Ｖｔの振幅を安定して検出することができる。したがって、ｆｇとしてＴ１，Ｔ２を接続する電極配線の線間容量による影響を抑制できる程度の周波数を用いることができ、高い精度で電気伝導率を計測することが可能となる。

また、本実施の形態において、Ｔ１として液体と接液する接液電極を用い、Ｔ２として測定管３の外周部に形成されて、液体と接液していない非接液電極を用いてもよい。
これにより、電極面への汚れ付着や電極の腐食に起因する計測誤差の発生を抑止できる。また、白金黒のような高価な接液電極を用いる必要がなく、大幅なコストダウンが図れる。また、非接液電極を用いた場合、電極と液体との間に電極容量Ｃｔが生じるものの、矩形波信号ＳＧとして矩形波定電流信号を用いているため、検出電圧Ｖｔの振幅を安定して検出することができる。

また、本実施の形態において、検出回路１１が、矩形波信号ＳＧの半周期の中央時間位置で、検出電圧Ｖｔをサンプリングするようにしてもよい。
これにより、Ｔ２として非接液電極を用いた場合でも、ハイレベル期間ＴＨにサンプリングしたＶＨに含まれるＴ２の電極容量Ｃｔの両端電圧ＶｃｔＨと、ローレベル期間ＴＬにサンプリングしたＶＬに含まれるＣｔの両端電圧ＶｃｔＬとが等しくなる。したがって、ＶＨとＶＬの差分電圧ΔＶｔを採ることによりＶｃｔＨとＶｃｔＬが相殺され、Ｖｃｔを含まない振幅データＤＡが得られる。このため、高い精度で電気伝導率を計測することが可能となる。

また、本実施の形態において、信号生成回路２１の矩形波電流源ＩＧを、矩形波信号ＳＧである印加電流Ｉｇの大きさを検出する電流検出回路ＤＥＴと、信号周波数ｆｇを示すクロック信号ＣＬＫｓと電流検出回路ＤＥＴからの検出結果とに基づいて、Ｉｇの振幅を設定電流Ｉｓに維持するオペアンプＵｇとにより構成してもよい。これにより、比較的簡素な構成で、精度の高い安定したＩｇを生成することができる。

また、本実施の形態において、測定管３に取り付けられている電極Ｔ１，Ｔ２の近傍位置にサブ基板２を配置し、矩形波信号ＳＧを生成する信号生成回路２１、および、電極Ｔ１，Ｔ２から検出した検出電圧Ｖｔを安定化して出力するバッファアンプ２２のうち、少なくともいずれか一方または両方を、サブ基板２に搭載するようにしてもよい。
これにより、信号生成回路２１やバッファアンプ２２と電極Ｔ１，Ｔ２とを接続する電極配線、すなわちジャンパー線Ｊ１，Ｊ２の長さを大幅に短縮することができ、電極配線間の線間容量を小さくすることができる。このため、比較的高い信号周波数を用いても、高い精度で電気伝導率を計測することが可能となる。

また、本実施の形態において、サブ基板２に測定管３が挿入される管孔２Ｈを設け、管孔２Ｈと測定管３の外周面３Ａとが当接することにより、外周面３Ａに取り付けられるようにしてもよい。
これにより、取付ネジなどの固定部材を用いることなく極めて簡素な構成で、サブ基板２を測定管３に固定することができる。

また、このような構成により、電極Ｔ１と電極Ｔ２との間に測定管３の長手方向と直交させてサブ基板２を配置することができる。このため、サブ基板２から電極Ｔ１，Ｔ２までの電極配線、すなわちジャンパー線Ｊ１，Ｊ２を、異なる位置および方向に配置・接続することができ、電極配線間の線間容量を極めて小さくすることができる。また、電極Ｔ１である継手５Ａに金属配管が接続された場合、液体への印加電流が金属配管に回り込んで計測誤差が生じる可能性があるが、上記構成により、Ｔ１からある程度の距離を持ってＴ２を容易に配置することができる。したがって、金属配管に対する印加電流の回り込みを抑制でき、精度よく電気伝導率を計測することが可能となる。

また、本実施の形態において、サブ基板２のパターン面に、電極Ｔ１，Ｔ２への電極配線を接続するためのパッド（電極接続端子）と、信号生成回路２１およびバッファアンプ２２のうち、少なくともいずれか一方または両方とパッドとを接続するための配線パターンとを形成するようにしてもよい。
これにより、コネクタを用いることなく、サブ基板２に実装されている信号生成回路２１やバッファアンプ２２と、電極Ｔ１，Ｔ２とをジャンパー線Ｊ１，Ｊ２により極めて容易に接続することができる。

［第２の実施の形態］
次に、図１３〜図１６を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる電気伝導率計１０について説明する。図１３は、第２の実施の形態にかかる電気伝導率計の側面図である。図１４は、第２の実施の形態にかかる電気伝導率計の上面図である。図１５は、第２の実施の形態にかかる電気伝導率計の斜視図である。図１６は、第２の実施の形態にかかる電気伝導率計の他の斜視図である。

第１の実施の形態では、電極Ｔ２として液体に接液しない非接液電極を用いた場合を例として説明した。本実施の形態では、電極Ｔ２として液体に接液する接液電極を用いる場合について説明する。

［電気伝導率計の構造］
次に、図１３〜図１６を参照して、本実施の形態にかかる電気伝導率計１０の構造について説明する。なお、以下では、便宜上、測定管３が伸延する方向を第１の方向Ｘといい、第１の方向Ｘに直交する測定管３の左右方向を第２の方向Ｙといい、第１および第２の方向Ｘ，Ｙに直交する測定管３の上下方向を第３の方向Ｚという。

測定管３は、円筒形状をなすセラミックや樹脂などの絶縁性および誘電性に優れた材料からなり、下側ケース４の内部に収納されている。下側ケース４は、有底箱状の樹脂、または金属筐体から構成されている。

下側ケース４の側面のうち第１の方向Ｘと直交する一対の側面４Ａには、電気伝導率計１０の外部に設けられる配管（図示せず）と測定管３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５Ａ，５Ｂが配設されている。この際、測定管３は、長手方向Ｘに沿って下側ケース４の内部に収納され、測定管３の両端部には、一対のＯリングＯＲを挟んで継手５Ａと継手５Ｂがそれぞれ連結される。

ここで、継手５Ａ，５Ｂのうちの少なくとも一方は、電極（第１の電極）Ｔ１として機能する。例えば、継手５Ａは、接地電圧ＧＮＤ（コモン電位）に接続されることにより、外部の配管と測定管３とを連結するだけでなく、電極Ｔ１としても機能する。
このように、電極Ｔ１を金属からなる継手５Ａによって実現することにより、Ｔ１が液体と接触する面積が大きくなる。これにより、Ｔ１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Ｔ１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、下側ケース４の側面のうち第２の方向Ｙと直交する一対の側面４Ｂと下側ケース４の底面４Ｅの外側面には、断面コの字形状の金属板からなるシールド６が取り付けられている。これにより、電気伝導率計１０から外部に放射されるノイズを低減できる。

また、測定管３の外周面３Ａのうち、サブ基板２を挟んで継手５Ａと反対側には、測定管３の壁部を貫通して測定管３内に突出するよう、金属棒体からなる接液電極（第２の電極）Ｔ２が取り付けられている。測定管３内に突出した部分は、測定管３内の液体と接液することになる。

前述したように、信号生成回路２１およびバッファアンプ２２のうち、少なくともいずれか一方を、測定管３の外周面３Ａのうち電極Ｔ１，Ｔ２の近傍位置に取り付けられたサブ基板２に実装し、ジャンパー線Ｊ１，Ｊ２を介して電極Ｔ１，Ｔ２をサブ基板２に電気的に接続するようにしたものである。この際、具体的には、Ｊ１はＰ１およびＴ１の外表面に半田付けされ、Ｊ２はＰ２およびＴ２に半田付けされる。

［第２の実施の形態の動作］
次に、本実施の形態にかかる電気伝導率計１０の動作について説明する。
電極Ｔ２を非接液電極から接液電極に変更した場合、非接液電極の場合におけるＴ２と液体との間の電極容量Ｃｔがなくなる。このため、図１０に示した等価回路Ｚｔは、分極容量Ｃｐおよび分極抵抗Ｒｐの並列回路と、液体抵抗Ｒｌとが直列接続された等価回路で表される。本実施の形態にかかるこのほかの電気伝導率計測動作については、第１の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。

［第２の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、電極Ｔ１，Ｔ２が、液体と接液する接液電極からなるものである。これにより、Ｔ２として非接液電極を用いた場合に特有の、液体と電極Ｔ２との間に発生する容量Ｃｔによる影響を排除することができ、矩形波信号ＳＧの信号周波数として比較的低い周波数を用いることができる。このため、電極配線、すなわちジャンパー線Ｊ１，Ｊ２の線間容量による影響を極めて小さくでき、極めて高い精度で電気伝導率を計測することが可能となる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１０…電気伝導率計、１…メイン基板、２…サブ基板、２Ａ，２Ｂ…基板面、２Ｇ…回路実装領域、２Ｈ…管孔、２Ｓ…隙間、２Ｘ，２Ｙ…側端部、３…測定管、３Ａ…外周面、４…下側ケース、４Ａ，４Ｂ…側面、４Ｃ…内壁部、４Ｄ…開口部、４Ｅ…底面、５Ａ，５Ｂ…継手、６…シールド、７Ｘ，７Ｙ…ガイド部、９…上側ケース、１１…検出回路、１１Ａ…クロック生成回路、１１Ｂ…サンプルホールド回路（ＳＨ回路）、１１Ｃ…Ａ／Ｄ変換回路（ＡＤＣ回路）、１２…演算処理回路、１３…設定・表示回路、１４…伝送回路、２１…信号生成回路、２２…バッファアンプ、ＩＧ…矩形波電流源、Ｔ１，Ｔ２…電極、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…パッド、Ｊ１，Ｊ２…ジャンパー線、ＬＣ…接続配線、ＣＮ１，ＣＮ２…コネクタ、ＬＰ１，ＬＰ２…配線パターン、ＳＷｇ，ＳＷｈ，ＳＷｌ，ＳＷｉ…スイッチ、ＣＬＫ０，ＣＬＫｓ，ＣＬＫｈ，ＣＬＫｌ…クロック信号、Ｖｓ…基準電圧、ＧＮＤ…接地電圧、ＳＧ…矩形波信号、Ｖｇ…印加電圧、Ｉｇ…印加電流、Ｖｔ，ＶＨ，ＶＬ…検出電圧、Ｖｔ’ …出力電圧、ＤＡ…振幅データ。

また、本実施の形態において、下側ケース４の側面４Ｂの内壁部４Ｃには、凸状または凹状のレールからなる一対のガイド部７Ｘ，７Ｙが形成されている。サブ基板２の側端部２Ｘ，２Ｙがこれらガイド部７Ｘ，７Ｙに嵌合するよう、下側ケース４の開口部４Ｄから挿入することにより、サブ基板２を介して測定管３を下側ケース４に取り付けられる。これにより、極めて簡素な構造でサブ基板２さらには測定管３を下側ケース４の内部に取り付けることができる。

Claims (7)

1. 測定管内の液体に関する電気伝導率を計測する電気伝導率計であって、
   予め設定された信号周波数で一定振幅を有する交流の矩形波電流を矩形波信号として生成する信号生成回路と、
   前記測定管に取り付けられて前記矩形波信号を前記液体に印加する第１および第２の電極と、
   前記第１および第２の電極から検出した検出電圧をサンプリングすることにより前記検出電圧の振幅を検出する検出回路と、
   前記振幅に基づいて前記液体に関する電気伝導率を演算処理により求める演算処理回路と
   を備えることを特徴とする電気伝導率計。
2. 請求項１に記載の電気伝導率計において、
   前記第１および第２の電極の近傍位置に配置されて、前記信号生成回路を搭載するプリント配線基板をさらに備えることを特徴とする電気伝導率計。
3. 請求項１に記載の電気伝導率計において、
   前記第１および第２の電極の近傍位置に配置されて、前記検出電圧を安定化して前記検出回路へ出力するバッファアンプを搭載するプリント配線基板をさらに備えることを特徴とする電気伝導率計。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電気伝導率計において、
   前記第１の電極は、前記液体と接液する接液電極からなり、前記第２の電極は、前記測定管の外周部に形成されて、前記液体と接液していない非接液電極からなることを特徴とする電気伝導率計。
5. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電気伝導率計において、
   前記第１および第２の電極は、前記液体と接液する接液電極からなることを特徴とする電気伝導率計。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の電気伝導率計において、
   前記検出回路は、前記矩形波信号の半周期の中央時間位置で、前記検出電圧をサンプリングすることを特徴とする電気伝導率計。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載の電気伝導率計において、
   前記信号生成回路は、
   前記矩形波信号の大きさを検出する電流検出回路と、
   前記信号周波数を示すクロック信号と前記電流検出回路からの検出結果とに基づいて、前記矩形波信号の振幅を設定電流に維持するオペアンプと
   を含むことを特徴とする電気伝導率計。

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