JP2801304B2 - 溶液抵抗率測定装置 - Google Patents

溶液抵抗率測定装置

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は一般的に溶液抵抗率測定装置に係り、より詳
細には、純水や電解質溶液の抵抗率或いは導電率を測定
する溶液抵抗率測定装置に関するものである。
〔従来の技術〕
純水や電解質溶液の抵抗率或いは導電率を測定する場
合、セルと呼ばれる測定電極が使用される。この測定電
極は、その形状、大きさ、対向電極間の距離、印加する
交流信号の周波数によって決まるセル定数k(cm-1)と
呼ばれる固有の値をもっている。このようなセル定数k
(cm-1)を有する測定電極の電極間の等価電気抵抗をR
(kΩ)、溶液の抵抗率をρ(kΩ・cm)、導電率をσ
(mS/cm)とすれば、下式の関係が成立する。
ρ=R/k、σ=k/R、ρ=1/σ …(1) ここで、セル定数kが一定の値を維持するならば、電
極間の等価電気抵抗Rを測定することによって、上式
(1)より抵抗率ρ或いは導電率σを容易に求めること
ができる。
上記測定電極のセル定数を測定する場合には、第4図
に示す測定装置を使用する。この測定装置では、高精度
発振回路aが発生する所定の振幅及び周波数の正弦波交
流信号が印加されるブリッジ回路bの一辺にセル定数の
不明な測定電極cを接続し、この測定電極cを抵抗率ρ
或いは導電率σが既に分かっている溶液L中に浸け、可
変抵抗dを調整しながらブリッジ回路bが平衡したこと
を電位差計eにより確認し、そのときの可変抵抗d値に
より電極間の等価電気抵抗Rを読み取る。なお、ブリッ
ジ回路bの抵抗f及びgは等しい値のものである。この
ことにより、上式(1)に基づいてそのときの溶液Lの
例えば導電率σにより、 k=σ・R によって、セル定数kを計算により求めることができ
る。このとき、溶液Lの導電率σは、基準器となる高精
度導電率計或いは抵抗率計で事前に測定され、その値が
判明しているものとする。
上述のようにして測定した既知のセル定数を有する測
定電極cを使用して任意の溶液の抵抗率ρ及び導電率σ
を測定する場合、従来は、正弦波或いは矩形波からなる
交流信号を抵抗を介して測定電極に印加し、このときの
測定電極の電極間電圧を測定し、この測定した電圧に基
づいて溶液の抵抗率ρ或いは導電率σを計算により求め
るようにしている。このため、交流信号の振幅が変動す
ると測定値が変化して正確な測定ができなるなる。
そこで、正弦波交流信号を使用する場合には、交流発
生回路として例えば、第5図に示すようにオペアンプOP
1の出力端子に極性を逆向きにして接続された2個のダ
イオードD1及びD2と、このダイオードD1及びD2とオペア
ンプOP1の反転入力端子との間に接続された固定抵抗R1
により発振振幅を安定させたウィーン・ブリッジ型発振
回路や、第6図に示すようにオペアンプOP2の出力回路
にダイオードD3及びD3と抵抗R3〜R6からなる発振振幅安
定化のための構成部品を有するクワドラチャ型発振回路
が使用されていた。
上記ウィーン・ブリッジ型発振回路の場合は、第5図
に示すように、正帰還回路を形成するRCブロックの2個
の抵抗R2と2個のコンデンサC1により、下式(2)に示
す周波数foscで発振する。
fosc=1/2π・C1・R2 …(2) この交流発生回路では、オペアンプOPの出力と反転入
力との間の抵抗値をr1、反転入力のアース間の抵抗値を
r2とすれば、帰還回路の電圧利得A≒3で発振し、下式
(3)が成り立つ。
r2=r1/(A−1) …(3) そして、発振振幅の安定した正弦波の発生を維持する
には、上述したような構成部品が必要になる。
この点、矩形波交流信号を使用する場合には、発振振
幅の安定化が比較的簡単で交流発生回路としては例え
ば、第7図に示すように極めて簡単な構成の回路のもの
を使用することができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、上述のように矩形波交流信号を用いると、抵
抗率或いは導電率の小さなものから大きなものまで広範
囲に亘って測定するとセル定数の値が大きく変化してし
まう。すなわち、第4図において、例えば測定電極cの
未知のセル定数kを調べるに際し、周波数1kHzの矩形波
交流信号を使用した場合のデータは、下表Iに示すよう
なる。
上表Iのように、導電率σの値が2桁変化する範囲
で、セル定数の値は、k=0.100cm-1を基準とすると、
−3%〜+53%変化する。従って、溶液の抵抗率或いは
導電率の良好な測定精度を維持できないため、直線化回
路を必要とするなど、演算回路が複雑で高価になり、測
定精度も得られにくいという欠点があった。
一方、正弦波交流信号を利用する場合には、セル定数
の値の変化が少ない。すなわち、周波数1kHzの正弦波交
流信号を使用した場合のデータは、下表IIに示すような
る。
上表IIから明らかなように、導電率σの値が2桁変化
する範囲で、セル定数の値は、k=0.100cm-1を基準と
すると、−3%〜+7%しか変化しないので、演算回路
に特別な工夫をしなくても測定の精度が得られる。しか
し、上述したように正弦波発振回路では、発振振幅を安
定させるための工夫が必要になり、回路が複数で高価に
なるという欠点があった。
よって本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、広い
範囲の抵抗率或いは導電率を測定しても電極のセル定数
の値の変化が少なく、測定の精度を維持すると共に、回
路が簡単で、安価な溶液抵抗率測定装置を提供すること
を課題としている。
〔課題を解決するなめの手段〕
上記課題を解決するため本発明により成された溶液抵
抗率測定装置は、発振振幅が飽和されて動作され、正弦
波を歪ませた擬似正弦波交流信号を発生する発振回路
と、該発振回路より出力される擬似正弦波交流信号が一
端に供給される固定抵抗と、該固定抵抗に直列に接続さ
れた測定電極と、前記固定抵抗及び測定電極の接続点か
ら出力される交流電圧を整流する整流回路と、該整流回
路より出力される直流電圧により抵抗率或いは導電率を
演算する演算回路と、該演算回路による演算結果により
測定結果を表示する表示器とを備えることを特徴として
いる。
〔作用〕
上記構成において、固定抵抗を介して測定電極に加え
る交流信号として、発振振幅が飽和されて動作される発
振回路が発生する正弦波を歪ませた擬似正弦波交流信号
を使用しているので、広い範囲の導電率の溶液を測定し
たとき、正弦波交流信号程精度のよい測定はできない
が、矩形波交流信号を使用した場合に比べた場合、矩形
形状が正弦波に近いので、正弦波交流信号に近い精度の
測定結果を得ることができる。しかも、擬似正弦波交流
信号ほ発振回路を飽和状態で動作させて発生させたもの
であるので、その振幅の変動がなく、正弦波発振回路が
必要とするような発振振幅安定化のための回路部品を必
要としない。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第1図は本発明による溶液抵抗率測定装置の一実施例
を示す図であり、同図において、1は交流発生回路とし
ての発振回路、2は発振回路1が出力する交流波の振幅
を一定に保持する交流定電圧回路、3は交流定電圧回路
2の出力に一端が接続された抵抗値が既知の固定抵抗、
4は固定抵抗3の他端とアース間に接続され、抵抗率を
測定すべき溶液Lに浸けられる測定電極、5は固定抵抗
3と測定電極4との接続点Xに入力が接続され、この接
続点Xに発生する交流電圧を整流する整流回路、6は整
流回路5が交流を整流して出力する直流電圧に基づいて
抵抗率或いは導電率を演算する演算回路、7は演算回路
6が出力する抵抗率或いは導電率を示すアナログ信号を
デジタル信号に変換するA/D変換回路、8はA/D変換回路
7からのデジタル信号に基づいて抵抗率或いは導電率を
デジタル値で表示するデジタル表示器である。
上記発振回路1は発振振幅が飽和するように動作さ
れ、その出力には正弦波を歪ませた擬似正弦波を発生す
る。発振回路1としては、例えば帰還回路の電圧利得A
≒3で発振する第2図に示すような回路構成のウィーン
ブリッジ型発振回路が使用され、その電圧利得Aを3以
上、例えばA=3.1に設定して発振振幅を飽和させるこ
とにより、発振周波数、発振振幅共に安定した歪みを含
んだ擬似正弦波交流信号を発生させることができる。第
2図の回路において、発振周波数foscはオペアンプ11の
出力と非反転入力との間に接続された正帰還回路12を構
成する2個の抵抗12a及び12bの値R12と2個のコンデン
サ12c及び12dの値C12により下式によって決定される。
fosc=1/2π・C12・R12 …(4) また、オペアンプ11の出力と反転入力との間に接続さ
れている抵抗13及び14の値R13及びR14と電圧利得Aとの
間には下式が成立する。
R14=R13/(A−1) …(5) よって、電圧利得Aを3.1に設定するには、抵抗13の
値R13と抵抗14の値R14とを下式が成立するような関係に
設定すればよい。
R13=2.1R14 上記交流定電圧回路2は、発振回路1が出力する擬似
正弦波交流信号の振幅を所定の安定した値に設定するた
めのもので、例えば第3図に示すように、互いに逆方向
に直列に接続したツェナーダイオード2a及び2bによって
構成される。このように逆接続したツェナーダイオード
2a及び2bは互いに逆の温度特性を有するようになり、こ
れによって温度変化により交流定電圧回路2の出力が変
動することを防止することもできる。
上記交流定電圧回路2が出力する交流電圧Viは、抵抗
値R0の抵抗3のこの抵抗3に直列に接続された測定電極
4とに印加される。このことによって測定電極4は、上
式(1)に示した既知のセル定数kと未知の被測定溶液
の抵抗率ρとの関係により、その等価電気抵抗値R=k
・ρを呈するようになる。今、接続点Xに発生する交流
電圧の大きさをV0とすると、下式が成立する。
V0=[k・ρ/(R0+k・ρ)]・Vi …(6) この式を変形すると、下式となり、未知の被測定溶液
の抵抗率ρを求めることができる。
ρ=(R0/k)・[Vi/(Vi−V0)] …(7) 更に、上式(1)における導電率σと抵抗率ρとの関
係から、下式(8)により導電率σを求めることができ
る。
σ=(k/R0)・[(Vi−V0)/V0] …(8) 上記接続点Xに発生する交流電圧V0は整流回路5に入
力され、ここで整流されて直流電圧に変換される。この
直流電圧V0は演算回路6に供給され、この直流電圧V0
より上式(7)又は(8)に基づいて抵抗率ρ又は導電
率σの演算が行われる。演算回路6における演算結果は
アナログ電圧信号で出力され、このアナログ電圧信号が
A/D変換回路7においてデジタル信号に変換され、この
デジタル信号に基づいて測定結果がデジタル表示器8に
デジタル表示される。
上述のように発振回路1が発生する擬似正弦波交流信
号を使用した場合には、矩形波交流信号を用いる従来の
ものに比べて、導電率σの値の小さなものから大きなも
のまで広範囲に亘って測定してもセル定数の値が大きく
変化することがない。すなわち、第1図において、例え
ば測定電極の未知のセル定数kを調べるに際し、周波数
1k Hzの擬似正弦波交流信号を使用した場合のデータ
は、下表IIIに示すようなる。
上表IIIのように、導電率σの値が2桁変化する範囲
で、セル定数の値は、k=0.100cm-1を基準とすると、
矩形波交流信号の場合の−3%〜53%に比べて極めて小
さな−3%〜+16%しか変化せず、良好な測定精度を維
持できる。
以上のことを要約すると、被測定液の導電率σが7μ
S/cm〜700μS/cm程度の範囲では、周波数1k Hzの正弦
波、擬似正弦波、矩形波の交流信号を印加した場合、測
定電極のセル定数は、k=0.100cm-1を基準とすると、
下表IVのように変化する。
上表IVから明らかなように、擬似正弦波交流信号の場
合は、矩形波に比べて著しく改善され、正弦波に準じた
変化の値になり、精度のよい抵抗率或いは導電率の測定
を行うことができる。
また、発振回路が飽和状態で発振しているのでその発
振振幅が安定し、発振回路の振幅安定化の必要もなく、
回路構成の簡素化によるコストダウンをも図ることがで
きる。
なお、実施例においては、発振回路1の出力に交流定
電圧回路2を接続しているが、発振回路1が希望するレ
ベルの発振出力を発生するものであるときには、省略す
ることができる。
〔効果〕
以上説明したように本発明によれば、擬似正弦波交流
信号を使用しているため、測定の精度の大きな要因とな
る広い範囲の被測定液の導電率に対するセル定数の一定
性が保持されるようになり、また、擬似正弦波交流信号
を発生する発振回路が発振振幅が飽和されて動作されて
いるので、正弦波発振回路が必要とするような発振振幅
安定化のための回路部品がなくても振幅が変動せず、広
い範囲の抵抗率或いは導電率を測定しても電極のセル定
数の値の変化が少なく、測定の精度を維持することがで
きると共に、回復が簡単で、安価な溶液抵抗率測定装置
が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による溶液抵抗率測定装置の一実施例を
示す図、 第2図は第1図中の一部分の具体的な回路例を示す回路
図、 第3図は第1図中の他の一部分の具体的な回路例を示す
回路図、 第4図はセル定数を測定するための一般的な測定装置を
示す図、 第5図乃至第7図は従来の溶液抵抗率測定装置において
使用されて発振回路例を示す回路図である。 1……発振回路、3……固定抵抗、4……測定電極、5
……整流回路、6……演算回路、8……デジタル表示
器。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】発振振幅が飽和されて動作され、正弦波を
    歪ませた擬似正弦波交流信号を発生する発振回路と、 該発振回路より出力される擬似正弦波交流信号が一端に
    供給される固定抵抗と、 該固定抵抗に直列に接続された測定電極と、 前記固定抵抗及び測定電極の接続点から出力される交流
    電圧を整流する整流回路と、 該整流回路より出力される直流電圧により抵抗率或いは
    導電率を演算する演算回路と、 該演算回路による演算結果により測定結果を表示する表
    示器とを備える、 ことを特徴とする溶液抵抗率測定装置。
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