JP2608839B2 - 集積可能な導電率測定装置 - Google Patents

集積可能な導電率測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液体の導電率を測定するための集積可能な
導電率測定装置に関し、この装置は請求項１の前文に記
載のように、２個の電流電極に接続され、この電極を介
して矩形波状の電流を液体に供給する電源装置と、２個
の電圧電極に接続され、この２個の電極間の電圧降下を
測定するための測定回路とを備える。上記電圧降下は測
定すべき液体の導電率に依存する。
液体の導電率を測定するために、液体に電流を印加
し、その中の電圧降下を測定することが一般に知られて
いる。この電圧降下は液体の導電率に反比例している。
最も簡単な方式では、たった２個の電極が用いられ
る。これら２個の電極を介して電流が液体に印加され、
同時にこれら２個の電極で電圧降下が測定される。この
場合には、有効な測定信号を歪めるいわゆる分極効果が
発生する。このような効果は、電極と電解液との間にあ
る境界層を越えて電流が流れる時にはいつも起こる。電
解液中の電流の流れはイオン移動と結合するので、一価
のイオンが電解液と電極間の境界層に溜まり、もとの電
場を弱めるとともに測定信号を弱めることになる。
このような不具合を除去するため、所謂４電極型の導
電率測定装置が用いられる。この装置では、２個の電流
電極を持つ電源が測定用電流を供給するために設けられ
る。さらに、電圧電極用の２個の電極が液体中の電圧降
下を測定するために用いられる。電圧電極で測定された
電圧降下は下流側の高抵抗増幅器によって増幅される。
この増幅器の高い入力インピーダンスのため、電圧電極
を通って流れる電流は小さく保つことができる。その結
果、この測定方法では分極効果が低く抑えられ、そのた
め２個の電極を用いた方法による導電率測定に比べて測
定精度が改善される。しかしながら、４電極型の場合で
あっても、電圧電極を通って流れる測定電流のためいく
らかの分極を引き起し、その結果、測定信号の歪みをも
たらす。
米国特許第4,656,427号には、４電極型の上記種類の
導電率測定装置が既に知られている。２個の電流電極が
矩形波状の電流によって充電される。直流電位を分ける
ために下流側にコンデンサを設けた２個の電圧電極が、
測定すべき液体に印加された矩形波状の交流電流によっ
て起こる動的な電位変化を検出するために用いられる。
この信号は、その後の評価回路によって増幅され、A/D
変換後に表示装置上に表示される。上記評価回路は、オ
フセット電流を分けるために直列に接続された別のコン
デンサを持つ。
さらに、上述の導電率測定装置においては、測定によ
って液体中の分解プロセスを起こさせないようにするた
め、印加電流として正弦波状の交流電流を用いることが
知られている。上記分解プロセスは、直流電流を印加し
て測定する場合には起こりうるからである。
上記の従来技術に基づき、本発明は改善された測定精
度を得るため、上記種類の導電率測定装置をさらに発展
させることを目的とする。
本発明によれば、この目的は請求項１に記載の集積可
能な導電率測定装置によって達成される。
この発明は、矩形波状の電流を生じる電源装置と切換
式コンデンサ回路型測定回路とを組み合せることによっ
て、分極効果による測定誤差が完全に回避されることを
発見したことに基づく。
本発明による導電率測定装置は、単一の基板上に電極
を含んだ状態で構成される集積回路として実施すること
ができる。このことは、本発明による導電率測定装置
は、非常に小さい体積のサンプルでの測定にも用いるこ
とができ、あるいは例えば体内に挿入して行う医学的診
断の領域におけるように、従来技術では導電率測定装置
が近づき難い場所での測定にも用いることができる。
本発明における導電率測定装置の集積度により、従来
技術による導電率測定装置に比べて照射された妨害の影
響を受けにくい。従来では、電極と評価電子装置との間
に長い接続用ケーブルが常に用いられているためであ
る。このため、本発明の導電率測定装置は、また、強い
電磁ノイズを受ける環境条件下において用いるのに適し
ている。
本発明の集積可能な導電率測定装置は、後述の詳細な
説明と図面を参照することにより、説明されるであろ
う。
次に示すとおり、 図１は本発明の導電率測定装置の配線図であり、 図２は図１の測定装置内で起こる電流および電圧の時
間変化図である。
図１に示されるように、本発明の集積可能な導電率測
定装置の好ましい実施例は、以後は全体として符号１と
して示されるものであるが、直流印加電流を発生するた
めの電源SQを含み、これは第１〜第４スイッチS1,S2,S
3,S4を介して２個の電流電極E1,E4に接続可能である。
上記スイッチはその切り換え位置によって、第１の極性
とこれに反する極性とに切り換えられる。
電流電極は平均すると如何なる直流部分も持たない矩
形波状の電流を電解液EL中に流す。
制御装置（図示せず）は、第１の期間T1の間は電源SQ
が電流電極E1,E4と第１の極性において接続され、第２
の期間T2の間は電源SQが電流電極E1,E4と第２の極性に
おいて接続されるように、第１〜第４スイッチS1〜S4を
制御する。第１と第２の期間T1,T2は同一長さを有して
いる。
２個の電圧電極E2,E3は電解液EL内における電流電極E
1,E4の間に配置されており、矩形波状の印加電流により
電解液を介して電流電極E1,E4間に起こる電圧降下V1を
測定する。
第１および第２の期間T1,T2における電圧降下の時間
変化を図２（ａ）〜（ｃ）に示す。
電圧電極E2,E3は、第５〜第８のスイッチS5,S6,S7,S8
を介して第１または第２の極性において、測定用コンデ
ンサC1の電極と接続可能である。
第5,第6,第７および第８のスイッチS5〜S8は、また、
マイクロプロセッサとして構成可能な制御装置（図示せ
ず）によって駆動される。第３の期間T3の間は第１の極
性において電圧電極E2,E3が測定用コンデンサC1と接続
されるように、第４の期間T4では第２の極性で電圧電極
E2,E3が測定用コンデンサC1と接続されるように、制御
が実行される。図２（ａ），（ｂ）を考慮して図２
（ｄ），（ｅ）からわかるように、第３の期間T3は第１
期間T1内にあり、第４の期間T4は第２期間T2内にある。
このように、第５〜第８のスイッチS5〜S8が第１〜第
４のスイッチS1〜S4と時間的に同期して切り換わるの
で、測定用コンデンサC1は一定の極性で充電される。
第９と第10のスイッチS9,S10は、測定用コンデンサC1
の２個の電極と演算増幅器OPVの変換入力および逆変換
入力との間に夫々配置されており、演算増幅器の出力は
フィードバック用コンデンサC2を介してその変換入力に
接続されている。
制御装置（図示せず）は第３と第４の期間T3,T4の外
に置かれた各第５の期間T5の間、測定用コンデンサC1と
演算増幅器OPVの入力とを接続する。そのため、測定用
コンデンサC1に充電された電荷がフィードバック用コン
デンサC2に移し替えられる。フィードバック用コンデン
サC2と測定用コンデンサC1との容量関係によって、測定
用コンデンサC1の電圧Vc1は演算増幅器OPVの出力に生じ
る電圧Voutに増幅される。
図示された実施例では、制御装置（図示せず）は各第
５の期間T5の終了時において、フィードバック用コンデ
ンサC2と並列に接続された第11のスイッチS11を閉じ
る。その結果、図示された切換式コンデンサ回路S5〜S1
1,C1,C2,OPVは増幅回路として働く。しかしながら、幾
つかの期間T1,T2の後に第11スイッチS11を閉じることも
可能である。その結果、この場合には切換式コンデンサ
回路は積分回路として働く。
図２（ｃ）に示す電圧電極E2,E3間の電圧降下の過程
をたどると分かるように、第１と第２の期間T1,T2はと
もに、切換効果が次第に減衰し、かつ電圧V1がほぼ一定
値を取るのに十分な期間に設定されている。切換プロセ
スが減衰した後でのみ、測定用コンデンサC3は第３期間
T3の間、電圧電極E2,E3と接続される。そのため、電圧
電極E2,E3から溢れた電荷キャリヤは測定用コンデンサC
1の電極へと流れる。期間T3の始めにおいて、この電流
の流れは電流電極E1,E4間の元の電場の妨害をもたら
し、かつ瞬間的な分極をもたらす。測定用コンデンサC1
への増大する電荷によって、電圧電極E2,E3における測
定電流は０に向かって指数関数的に変化する。その結
果、期間T3が十分に長ければ、電圧電極E2,E3には電流
が流れなくなる。十分に長い期間T3が経過すれば、個々
の場合によるが、達成できる測定精度に分極効果が最早
悪影響をもたらさないことは、実験上容易に分かるであ
ろう。
本発明における導電率測定装置は電極E1〜E4と、回路
電源SQと、切換式コンデンサ回路を含む電子増幅システ
ムとを１枚の半導体基板上に集積するのに適している。
半導体基板上にモノリシック集積化することにより、本
発明の導電率測定装置は高度に小型化され、その結果、
僅かな体積のサンプルや、例えば体内に挿入して行う医
学的診断の領域におけるように、到達困難な場所におい
て、測定が可能となる。
上記回路の素子は、CMOS技術によって実施できる。こ
の場合、電極として貴金属層を適用する追加工程を必要
とするだけのため、電極の製造はCMOS工程で代替でき
る。
また、本発明の導電率測定装置が完全な集積回路に適
しているという事実に係わらず、別個に配置された電極
を持つ測定回路を本発明の概念に基づいて実現すること
も可能である。

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】２個の電流電極に接続可能で、この電極を
    介して矩形波状の電流を液体に対して供給する電源装置
    と、 ２個の電圧電極に接続され、測定すべき液体の導電率に
    依存する上記電極間の電圧降下を測定する測定回路とを
    備えた、液体の導電率を測定するための集積可能な導電
    率測定装置において、 上記矩形波状の電流は、第１の期間の間は第１の極性
    で、第２の期間の間は第２の極性で交互に上記液体に供
    給され、 上記測定回路は、測定用コンデンサ（C1）と、フィード
    バック経路に配置されたフィードバック用コンデンサ
    （C2）を有する増幅回路（OPV）と、スイッチ手段とを
    備えた切換式コンデンサ回路であって、 上記測定用コンデンサ（C1）は上記スイッチ手段によっ
    て、電源装置から供給される矩形波状の電流と時間的に
    同期して、ある切換状態では電圧電極（E2,E3）と接続
    され、他の切換状態では増幅回路（OPV）の入力に接続
    され、 これにより上記測定用コンデンサ（C1）は一定の極性で
    充電され、かつ測定用コンデンサ（C1）に充電された電
    荷がフィードバック用コンデンサ（C2）に移し替えられ
    るように構成したことを特徴とする測定装置。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の集積可能な導電率測定装
    置において、 上記電源装置は直流電源（SQ）を含み、この電源は第１
    および第２の極性において第1,第2,第３および第４のス
    イッチ（S1,S2,S3,S4）を介して電流電極（E1,E4）と接
    続されることを特徴とする測定装置。
  3. 【請求項３】請求項２に記載の集積可能な導電率測定装
    置において、 上記第1,第2,第３および第４のスイッチ（S1,S2,S3,S
    4）が、第１の極性における第１の期間（T1）の間と、
    第２の極性における第２の期間（T2）の間、電源（SQ）
    と電流電極（E1,E4）とを接続するように、上記スイッ
    チを制御する制御装置が設けられることを特徴とする測
    定装置。
  4. 【請求項４】請求項３に記載の集積可能な導電率測定装
    置において、 上記スイッチ手段は第5,第6,第７および第８のスイッチ
    （S5,S6,S7,S8）を有し、 上記制御装置は、第１の極性における第３の期間（T3）
    の間と、第２の極性における第４の期間（T4）の間、電
    圧電極（E2,E3）と測定用コンデンサ（C1）とを接続す
    るように上記第５〜第８のスイッチ（S5,S6,S7,S8）を
    制御し、 上記第３の期間（T3）は第１の期間（T1）内にあり、第
    ４の期間（T4）は第２の期間（T2）内にあることを特徴
    とする測定装置。
  5. 【請求項５】請求項３に記載の集積可能な導電率測定装
    置において、 第１と第２の期間（T1,T2）は、矩形波状の電流が時間
    平均において直流部分を持たないように、同一長さとし
    たことを特徴とする測定装置。
  6. 【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載の集積可
    能な導電率測定装置において、 上記スイッチ手段は第９と第10のスイッチ（S9,S10）を
    有し、 増幅回路（OPV）は上記第９と第10のスイッチ（S9,S1
    0）を介して測定用コンデンサ（C1）と接続可能である
    ことを特徴とする測定装置。
  7. 【請求項７】請求項６に記載の集積可能な導電率測定装
    置において、 上記制御装置は、上記第３と第４の期間（T3,T4）の期
    間外にある第５の期間（T5）の間、増幅回路（OPV）と
    測定用コンデンサ（C1）とを接続するように上記第９と
    第10のスイッチ（S9,S10）を制御することを特徴とする
    測定装置。
  8. 【請求項８】請求項１乃至７のいずれかに記載の集積可
    能な導電率測定装置において、 上記フィードバック用コンデンサ（C2）と並列に第11の
    スイッチ（S11）が設けられ、 上記制御装置は、各第５の期間（T5）の後でフィードバ
    ック用コンデンサ（C2）が放電されるように、第11のス
    イッチ（S11）を制御することを特徴とする測定装置。
  9. 【請求項９】請求項１乃至７のいずれかに記載の集積可
    能な導電率測定装置において、 上記フィードバック用コンデンサ（C2）と並列に第11の
    スイッチ（S11）が設けられ、 上記制御装置は、複数の期間（T1,T2）の後でフィード
    バック用コンデンサ（C2）が放電されるように、第11の
    スイッチ（S11）を制御することを特徴とする測定装
    置。
JP4506706A 1991-04-20 1992-03-23 集積可能な導電率測定装置 Expired - Lifetime JP2608839B2 (ja)

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