JP3884560B2 - 導電率センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、河川や湖沼、海などの水質調査や、養殖や液耕栽培における水質管理などに用いて好適な導電率センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、水質の基本的な指標である導電率と、この導電率を基にして演算される塩分濃度と、ｐＨと、濁度と、ＤＯ（溶存酸素量）と、水温との合計六項目を同時に測定し、かつ、その測定値をメモリーできる水質測定装置を製造している。
【０００３】
この水質測定装置において、導電率、ｐＨ、濁度、ＤＯの４項目の１点校正を行えるようにしており、その校正は、例えばフタル酸塩ｐＨ標準液を入れた専用の校正容器にセンサを浸して行うが、ＤＯについては、大気によるスパン点校正を行うことから、ＤＯセンサを校正液に浸らせない構造としている。
【０００４】
一方、導電率センサは、分極の影響を受けにくい交流式電極法を採用して、高濃度でも信頼性の高い安定したデータを得られるようにしており、左右で対となった電圧検出極とその両側の電圧印加極とをセル内に配置して成る導電率センサを、ＤＯセンサよりも下方に配置して、上記した４項目の１点校正に際して、ＤＯセンサを校正液に浸らせないようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、電圧検出極と電圧印加極の各電極を水平方向に配置する関係上、セルが横長になることから、センサ本体の平面視形状が大きくなり、例えば細い縦管内の水質測定などに限界があったのである。
【０００６】
また、上記の電極を上方から覆うようにセルを備えているので、導電率センサを上下に揺するなどしても、サンプルはスムーズに置換されず、連続測定の面でも難点があった。
【０００７】
そこで本発明者らは、細い縦管などでの測定限界を更に拡げ得て、しかも、サンプルの置換がスムースで連続測定面で好適である上に、センサ本体のコンパクト化と校正液の少量化とが達成される水質測定装置を開発したのである。
【０００８】
即ち、図１０及び図１１に示すように、センサ本体３１を上下に揺するだけでサンプルの置換がスムースに行われるように、導電率センサ３２のセル３３として、これを上下部にサンプルの流入出口３４，３５を備えた縦型の筒状セル３３にし、かつ、このセル３３を小径にすることができるように、延いては、センサ本体３１の平面視形状を小さくできるように、電圧検出極３６，３７と電圧印加極３８，３９とを上下に配置して、細い縦管などでの測定限界を更に拡げるようにし、更に、センサ本体３１のコンパクト化に加えて校正液の少量化を図るために、導電率センサ３２を上下方向で出来るだけＤＯセンサ４０に近づけるように配置したのである。
【０００９】
ところで、図１１に示すように、導電率センサ３２をサンプルに浸した状態では、サンプルの流入出口３４，３５を通して且つ上下の電圧印加極３８，３９にわたって、セル外部への電場ｂの回り込みが生じることになる。
【００１０】
一方、上部側のサンプル流入出口３４を大気に開放させるまで導電率センサ３２を引き上げて、上記の４極３６〜３９をサンプルに浸した状態では、大気が高絶縁体であることから、上下の電圧印加極３８，３９にわたっては、上記したセル外部への電場の回り込みが生じることはないのである。
【００１１】
然るに、センサ本体３１のコンパクト化と校正液の少量化とを図るべく、導電率センサ３２を上下方向で出来るだけＤＯセンサ４０に近づけて配置した場合、より具体的には、ＤＯセンサ４０を校正液に浸さないで、かつ、導電率センサ３２の上記４極３６〜３９を校正液に浸して行う校正時に、上部側のサンプル流入出口３４が液面の上方に位置する構成の場合、その校正時には、上下の電圧印加極３８，３９にわたるセル外部への電場の回り込みが生じないのに対して、導電率センサ３２およびサンプル流入出口３４をサンプルに浸して行う導電率の測定時には、上下の電圧印加極３８，３９にわたってセル外部への電場の回り込みが生じることから、サンプルの導電率が実際よりも低く指示されることになり、この際の電場の回り込みによる誤差は１０％以上もあって、性能面で問題が生じることになる。
【００１２】
この問題は、上記の校正時に上部側のサンプル流入出口が液面下に位置するように構成することで解決されるが、これではセンサ本体のコンパクト化ならびに校正液の少量化に逆行することになる。
【００１３】
また、上記の不都合は、ＤＯセンサと組み合わせた場合に限られるものではなく、ＤＯセンサと組み合わせない場合であっても、校正時とサンプル測定時との液面の位置により、電場の回り込み量の変化に伴う誤差が生じることがある。
【００１４】
そこで本発明は、センサ本体のコンパクト化と校正液の少量化とを図るべく、導電率センサをＤＯセンサに近づけながらも、導電率の測定時には、セル外部への電場の回り込みを極力生じさせないようにして、サンプルの導電率を性能よく測定できるようにすることを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、サンプルの置換がスムースで連続測定面で好適であり、しかも、細い縦管などでの測定限界を拡大できるようにした導電率センサ、具体的には、上下部にサンプルの流入出口を備えた縦型の筒状セル内に、上下対の電圧検出極と、その上下両側に電圧印加極とを配置するとともに、上下の電圧印加極にわたって、セル外部への電場の回り込みを縮減するため上記の極配置域を外れた部位の筒状セルの流路面積を、極配置域の流路面積よりも小に形成して成る導電率センサであって、前記筒状セルの電圧印加極間の中央部における等電位部に、サンプルの置換をスムースにすべくサンプルの横方向への流れを生じさる開口を前記サンプルの流入出口とは別に形成してある点に特徴がある（請求項１）。
【００１６】
上記の構成によれば、導電率センサおよびサンプル流入出口をサンプルに浸した際の、電圧印加極にわたるセル外部への電場に対する液抵抗は、極配置域を外れる部位の面積の縮小率に反比例して大となり、これに比例してセル外部への電場の回り込みが縮減されるもので、電場は極めて疎なる状態になる。
【００１７】
この際、上記の液抵抗値が電圧検出極間のサンプル抵抗値に対して極めて大きくなるセル構造にすると、例えば１００倍以上にもなるセル構造にすると、電圧印加極にわたるセル外部への電場の回り込みが殆どなくなるのであり、これは即ち、導電率センサの電圧検出極ならびに電圧印加極をサンプルに浸して、上部側のサンプル流入出口を大気に開放させた状態と変わりないのである。
【００１８】
従って、導電率センサとして、センサ本体のコンパクト化と校正液の少量化とを図るべく、これの上部側のサンプル流入出口を、校正時に液面の上方に位置させるように構成しても、電圧検出極と電圧印加極を校正液に浸して校正を行うことで、セル外部への電場の回り込みの影響をうけることなく、サンプルの導電率を性能よく測定することができるのである。
しかも、筒状セルの電圧印加極間の中央部における等電位部に開口を形成することによって、サンプルの横方向への流れが生じることに加えて、サンプルの置換も一層スムースに行われるもので、連続測定面で優れた構成の導電率センサが提供される。
【００１９】
請求項２記載の発明では、上記の導電率センサにおいて、前記筒状セルの流路に対して斜めに交差する直線上に電圧印加極を配置し、この電圧印加極の上下両側に電場遮蔽部材を設けている。
【００２０】
上記の構成においては、筒状セルの電圧印加極間の中央部における等電位部に開口を形成することによって、サンプルの横方向への流れが生じることに加えて、サンプルの置換も一層スムースに行われる上に、導電率センサおよびサンプル流入出口をサンプルに浸した際の、電圧印加極にわたるセル外部への電場の回り込みそのものを遮蔽して、上下の電圧印加極にわたるセル外部への電場の回り込みを極めて疎なる状態にするのであって、上下の電圧印加極にわたるセル外部への電場の回り込みがダブルで縮減される。これは即ち、導電率センサの電圧検出極ならびに電圧印加極をサンプルに浸して、上部側のサンプル流入出口を大気に開放させた状態と変わりないのである。
【００２１】
従って、かゝる構成の導電率センサにおいても、センサ本体のコンパクト化と校正液の少量化とを図るべく、これの上部側のサンプル流入出口を、校正時に液面の上方に位置させるように構成しても、電圧検出極と電圧印加極を校正液に浸して校正を行うことで、サンプルの導電率を性能よく測定することができるのである。
【００２２】
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１及び図２は水質測定装置を示し、操作パネル１と測定データの表示部２とを備えた装置本体３と、サンプルに浸されるセンサ本体４とを、センサ本体４の吊り下げ保持を兼ねる防水タイプの通信ケーブル５によって連結している。図中の６は保護管である。
【００２４】
センサ本体４は、メモリ機能を有する演算部や、演算された測定データを時系列的に記録するデータロガーなどを内蔵した耐圧構造の水密ケース７に対して、それの吊り下げ下部側に、導電率センサ８と、ガラスｐＨ電極９と、比較電極１０と、濁度センサ１１と、ＤＯセンサ１２と、水温計１３とを備えて成り、導電率と、その導電率を基にして演算される塩分濃度と、ｐＨと、濁度と、ＤＯと、水温の合計六項目を同時に測定できるようになっている。
【００２５】
上記の導電率センサ８として、図３に示すように、分極の影響を受けにくい交流式の４電極法を採用して、信頼性の高い安定した導電率の測定データを得られるようにしており、具体的には、図４及び図５に示すように、請求項１記載の発明に対応する導電率センサ８として、センサ本体４を上下に揺するだけでサンプルの置換がスムースに行われるように、導電率セル１４を、上下部にサンプルの流入出口１５，１６を備えた縦型の筒状セルと成し、更に、この筒状セル１４の電圧印加極１９，２０間の中央部における等電位部に開口２１を形成して、サンプルの横方向への流れを生じさせることに加えて、サンプルの置換を一層スムースに行わせるようにしている。
【００２６】
そして、筒状セル１４を小径にしてセンサ本体４の平面視形状を小さくできるように、即ち、細い縦管などでの各種測定が可能なように、前記筒状セル１４内に、上下一対の電圧検出極１７，１８と、その上下両側に電圧印加極１９，２０とを配置し、更に、センサ本体４のコンパクト化に加えて校正液の少量化を図るために、導電率センサ８を上下方向で出来るだけＤＯセンサ１２に近づけるように構成しており、具体的には、ＤＯセンサ１２を校正液に浸さないで、かつ、上記の電極（電圧検出極１７，１８と電圧印加極１９，２０）を校正液に浸して行う校正時に、上部側のサンプル流入出口１５が大気開放されるように構成している。
【００２７】
ここで、上記導電率センサ８およびサンプル流入出口１５をサンプルに浸した状態では、サンプルの流入出口１５，１６を通して且つ上下の電圧印加極１９，２０にわたって、セル外部への電場の回り込みが生じ、上部側の流入出口１５を大気に開放させて、上記の電極１７〜２０をサンプルに浸した状態では、上下の電圧印加極１９，２０にわたるセル外部への電場の回り込みは生じないのであり、この際の電場の回り込みによる誤差は、前述した従来構造の場合は１０％以上もあって、性能面で問題が生じることは既述した通りである。
【００２８】
そこで本発明は、かゝる不都合を解消するために、上記電極１７〜２０の配置域を外れた部位の筒状セル１４の流路面積Ａを、電極配置域の流路面積Ｂよりも小に形成して、サンプル流入出口１５，１６を通して上下の電圧印加極１９，２０にわたるセル外部への電場の回り込みを防止するように構成したのである。
また、筒状セル１４の電圧印加極１７，１８間の中央部における等電位部に開口２１を形成することによって、サンプルの横方向への流れが生じることに加えて、サンプルの置換も一層スムースに行われるようにしたのである。
【００２９】
上記の構成によれば、導電率センサ８およびサンプル流入出口１５をサンプルに浸した際の、電圧印加極１９，２０にわたるセル外部への電場に対する液抵抗は、電極配置域を外れる部位の流路面積Ａの縮小率に反比例して大となり、これに比例してセル外部への電場ａの回り込みが縮減されることで、電場ａは極めて疎なる状態になるのであり、ここで、上記の液抵抗値が電圧検出極１７，１８間のサンプル抵抗値に対して極めて大きくなるセル構造にすると、例えば１００倍以上にもなるセル構造にすると、電圧印加極１９，２０にわたるセル外部への電場ａの回り込みが殆どなくなるのである。
【００３０】
これは即ち、導電率センサ８の上記電極１７〜２０をサンプルに浸して、上部側のサンプル流入出口１５を大気に開放させた状態と変わりないのであり、従って、導電率センサ８として、センサ本体４のコンパクト化と校正液の少量化とを図るべく、これの上部側のサンプル流入出口１５を、校正時に液面の上方に位置させる構成にしても、上記電極１７〜２０を校正液に浸して校正を行うことで、サンプルの導電率を性能よく測定することができるのである。
【００３１】
参考例としての、交流式の４電極法による導電率センサ８を、図６及び図７に示している。この導電率センサ８にあっては、上下のサンプル流入出口１５，１６を上下の端面部に形成するように、筒状セル１４のサンプル流路をほゞストレートにし、かつ、筒状セル１４の流路に対してやゝ斜めに交差する直線上の上下に電圧印加極１９，２０を配置する一方、この電圧印加極１９，２０間に電圧検出極１７，１８を配置し、更に、電圧印加極１９，２０に近接させる状態で、この電圧印加極１９，２０の上下両側に電場遮蔽部材２２を設けている。
【００３２】
かゝる構成の導電率センサ８にあっては、導電率センサ８およびサンプル流入出口１５をサンプルに浸した際の、電圧印加極１９，２０にわたるセル外部への電場の回り込みそのものを、電場遮蔽部材２２によって遮蔽させるのであって、この遮蔽によって、上下の電圧印加極１９，２０にわたるセル外部への電場の回り込みを極めて疎なる状態になるのであり、これは即ち、導電率センサ８の上記電極１７〜２０をサンプルに浸して、上部側のサンプル流入出口１５を大気に開放させた状態と変わりないのである。
【００３３】
従って、かゝる構成の導電率センサ８においても、センサ本体４のコンパクト化と校正液の少量化とを図るべく、これの上部側のサンプル流入出口１５を、校正時に液面の上方に位置させるように構成しても、上記電極１７〜２０を校正液に浸して校正を行うことで、サンプルの導電率を性能よく測定することができるのである。
【００３４】
また、上記電極１７〜２０の配置によれば、セル内部での電場の指向性が電圧印加極１９，２０間に与えられることから、電圧検出極１７，１８への電流密度が高くなり、通常の交流式４電極法に比較してセル外部の電流密度が低くなることから、セル外部への電場の回り込みの影響はもとより、セル定数の低下に起因する直線性の低下もなくすことが可能となる。
【００３５】
尚、上記の参考例では、上部側のサンプル流入出口１５を筒状セル１４の上端面部に形成しているが、図５に示したように、この流入出口１５を筒状セル１４の側面部に開口させてもよいのである。
【００３６】
また、本発明の他の実施の形態として、筒状セルの流路に対して斜めに交差する直線上に電圧印加極を配置し、この間に電圧検出極を配置し、かつ、電圧印加極の上下両側に電場遮蔽部材を設ける一方、上記電極の配置域を外れた部位の筒状セルの流路面積を、電極配置域の流路面積よりも小に形成して、導電率センサを構成した場合、かゝる構成の導電率センサによれば、筒状セル１４の電圧印加極１７，１８間の中央部における等電位部に開口２１を形成することによって、サンプルの横方向への流れが生じることに加えて、サンプルの置換も一層スムースに行われるようにできる上に、上下の電圧印加極にわたるセル外部への電場の回り込みがダブルで縮減される点で好適である。
【００３７】
更に、上記の各実施の形態では、交流式の４電極法による導電率センサについて説明しているが、それ以上の多電極法によるＤＯセンサにも、本発明を実施実施可能であって、電極数について制限を受けるものではない。
【００３８】
即ち、図８に示すように、５電極法によるＤＯセンサ８では、上下対の電圧検出極１７，１８の中間に零電位極２３を設けて、電圧印加極１９，２０にプラス・マイナスの同電位を印加することで、印加電圧レベルを低く抑えるできるのであり、図９に示すように、６電極法によるＤＯセンサ８では、電圧印加極１９，２０を複数設けることで、上記と同一電位で強い電場を得たり、あるいは、上記と同一の電場をえることが、低レベルの印加電圧で可能となるのであって、このような多電極法によるＤＯセンサにも、本発明を実施することが可能であることは言うまでもないのである。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、上下部にサンプルの流入出口を備えた縦型の筒状セル内に、上下対の電圧検出極と、その上下両側に電圧印加極とを配置して、サンプルの置換がスムースで連続測定面で好適である上に、細い縦管などでの測定限界を拡大できるようにした導電率センサにおいて、請求項１記載の発明では、上記の極配置域を外れた部位の筒状セルの流路面積を、極配置域の流路面積よりも小に形成するとともに、筒状セルの電圧印加極間の中央部における等電位部に開口を形成した点に特徴を有する。
【００４０】
また、請求項２記載の発明では、筒状セルの流路に対して斜めに交差する直線上に電圧印加極を配置し、この電圧印加極の上下両側に電場遮蔽部材を設けた点に特徴を有するのであって、これらの導電率センサにおいて、センサ本体のコンパクト化と校正液の少量化とを図るべく、上部側のサンプル流入出口を校正時に大気開放させるように構成したとしても、セル外部への電場の回り込みによる性能面への影響がなくなることから、サンプルの導電率を性能よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 水質測定装置の斜視図である。
【図２】 各種センサの配置説明図である。
【図３】 交流式の４電極法による導電率の測定原理図である。
【図４】 導電率センサとＤＯセンサとの側面図である。
【図５】 図４のＸ−Ｘ線断面図である。
【図６】 参考例による導電率センサとＤＯセンサとの側面図である。
【図７】 図６のＹ−Ｙ線断面図である。
【図８】 交流式の５電極法による導電率の測定原理図である。
【図９】 交流式の６電極法による導電率の測定原理図である。
【図１０】 本発明を比較する導電率センサとＤＯセンサとの側面図である。
【図１１】 図１０のＺ−Ｚ線断面図である。
【符号の説明】
１４…筒状セル、１５，１６…サンプル流入出口、１７，１８…電圧検出極、１９，２０…電圧印加極、２１…開口、２２…電場遮蔽部材、Ａ，Ｂ…筒状セルの流路面積。

Claims (2)

1. 上下部にサンプルの流入出口を備えた縦型の筒状セル内に、上下対の電圧検出極と、その上下両側に電圧印加極とを配置するとともに、上下の電圧印加極にわたって、セル外部への電場の回り込みを縮減するため上記の極配置域を外れた部位の筒状セルの流路面積を、極配置域の流路面積よりも小に形成して成る導電率センサであって、前記筒状セルの電圧印加極間の中央部における等電位部に、サンプルの置換をスムースにすべくサンプルの横方向への流れを生じさる開口を前記サンプルの流入出口とは別に形成してあることを特徴とする導電率センサ。
2. 前記筒状セルの流路に対して斜めに交差する直線上に電圧印加極を配置し、この電圧印加極の上下両側に電場遮蔽部材を設けて成る請求項１記載の導電率センサ。

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