JP4307055B2 - 電解電流測定装置及び電解電流測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料液中に検知極を挿入して試料液中の測定対象成分濃度に対応する電解電流を測定する電解電流測定装置及び電解電流測定方法に関する。
さらに詳しくは、水道本管等の高圧の試料液流が存在する環境においても、安定してポーラログラフ方式又はガルバニ電池方式の電解電流測定が可能な電解電流測定装置及び電解電流測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、残留塩素、溶存オゾン，塩素要求量、二酸化塩素等の測定を目的として、ポーラログラフ方式又はガルバニ電池方式の電解電流測定装置が用いられている。
これらの測定方式は、試料液に、白金、金などの貴金属やガラス状炭素などからなる検知極と、検知極に対して充分に大きい表面積をもつ銀などからなる対極とを浸漬し、両極間の間に適当な一定電圧を印加して検知極近傍において測定対象成分の電解還元（又は酸化）を起こさせることで電解電流を得、これを測定することにより所定成分の濃度を求めるものである。
このような測定方式では、検知極の表面に薄く均一な拡散層を得、測定対象成分の濃度に比例した電解電流（拡散電流）が測定されている。この拡散層を継続的に得るために、試料液に対しては、検知極表面に対する一定の線速度を与えることが行われている。すなわち、試料液を検知極表面に対して相対的に流動させることが行われている。
【０００３】
試料液を検知極表面に対して相対的に流動させる方法として、従来から検知極を動かす方法や、試料液を動かす方法が採用されている。また、この検知極や試料液の動きを利用して、検知極表面を研磨することも行われている。例えば、セラミック等のビーズを充填した中で検知極を回転又は振動させたり、試料液に水流を起こさせ、その水流にのせてビーズ状研磨剤を検知極表面に当てて研磨することなどが行われていた（特許文献１参照）。
【０００４】
上記従来技術では、試料液の検知極表面に対する線速度を一定に制御するために、試料液をフローセル等に導入して、比較的低い試料液圧の条件下で測定することが行われていた。
例えば、特許文献１に記載された従来技術のように、検知極を動かす方法においては、液圧を０．３〜０．４ＭＰ程度にした試料液をフローセルに導入して試料液流を抑えていた。そして、試料液流を抑えることにより、検知極の回転速度や振動速度が、試料液の検知極表面に対する線速度を実質的に決定するようにされていた。
また、試料液を動かす方法においては、例えば特許文献１に係る発明のように、試料液とビーズ状研磨材を、これらを入れた容器ごと回転させることにより試料液流を得ている。この場合も、容器内の試料液圧をほぼ大気圧程度に留めることにより、容器の回転速度が、試料液の検知極表面に対する線速度を実質的に決定するようにされていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６２−２８８５５９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来技術では、フローセル等を用いることが必要であり、例えば水道本管のように、０．７５Ｍｐａ程度の高圧の液流が存在する工程フローに、直接検知極等を挿入できる電解電流測定装置は存在しなかった。
また、ビーズ等の研磨剤を使用すると削り粉が発生するため、検出器を直接挿入することはもちろん、フローセルで測定した後の試料液を工程フローに戻すこともできなかった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みて、水道本管内等のように、高圧の試料液流が存在する環境や削り粉などを混入させられない環境においても、安定してポーラログラフ方式又はガルバニ電池方式の電解電流測定が可能な電解電流測定装置及び電解電流測定方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電解電流測定装置は、試料液中に挿入される基体と、該基体に設けられた検知極と、該基体の下方に存して該基体の挿入方向と略平行な回転軸を有する羽根車と、該羽根車を回転させるモータとを備え、前記羽根車は、その回転により、該羽根車と前記基体との間に、回転軸から半径方向に向かう試料液の遠心流を形成するように構成されており、前記検知極は、該遠心流に接するように、前記基体の下端部に前記羽根車の回転軸に重なる直線と交差するように形成された凹部の、前記回転軸から離間した位置に配置されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、羽根車によって得られる遠心流に検知極が接するようにしたので、試料液の検知極表面に対する線速度を、安定して得ることができる。また、係る試料液の線速度によって、検知極への汚れの付着を防止できる。
なお、「回転軸から半径方向に向かう」とは、試料液流の方向ベクトルが、回転断面の半径に沿って中心軸から外側に向かう方向成分を含むことを意味する。したがって、例えば、中心から外側に向かう渦巻き流を遠心流とすることができる。
【００１０】
本発明では、前記基体の下端部に、前記羽根車の回転軸に重なる直線と交差する凹部が形成され、該凹部の前記回転軸から離間した位置に、前記検知極が配置されている。これにより、工程フローの水圧を直接受けにくい位置に検知極を配置できるので、試料液の検知極表面に対する線速度を、一層安定させることができる。
本発明において、前記基体に対極が設けられ、該対極は、前記凹部の外側に設けられていることが好ましい。これにより、対極の素材により、検知極がメッキ等されることを防止できる。
【００１１】
本発明において、前記基体の内側に存して前記モータの駆動軸と連結する内側マグネットと、前記基体の外側の前記内側マグネットと対向する位置に存して前記羽根車の回転軸と連結する外側マグネットとを備え、前記モータの駆動軸の回転が、互いに引き合う前記内側マグネットと前記外側マグネットとを介して、前記羽根車の回転軸に伝達されることが好ましい。これにより、基体の内側から外側に貫通する部材を介さずに回転の動力を伝達できるので、シール性の問題から耐圧性を損なうことを回避できる。
【００１２】
本発明の電解電流測定方法は、上記本発明に係る電解電流測定装置を用いて、試料液中の測定対象成分濃度に対応する電解電流又は検知極電位を測定することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図１は本発明の実施形態に係る電解電流測定装置の構成図である。図１の電解電流測定装置は、基体１と、基体１の下端部の凹部１ａに設けられた検知極２と、基体１の凹部１ａの外側に設けられた対極３と、検知極２と対極３との間に流れる電解電流を測定して試料液中の測定対象成分の濃度に変換する変換器４と、凹部１ａ内に配置された羽根車５と、この羽根車５を回転させるモータ６とから概略構成されている。
【００１４】
基体１は、例えば、ポリカーボネートやポリ塩化ビニル等からなる外形が略円柱状の部材で、検知極２のリード線２ａ、対極３のリード線３ａ、モータ６等を内部に配置できるようになっている。
基体１は、配管の管壁Ｗに設けられた取付孔を通して試料液中に挿入されるようになっている。このとき、挿入方向Ａは、基体１の中心軸と略平行とされている。基体１の下端部には、略円盤状の凹部１ａが形成されている。
【００１５】
検知極２は、例えば半球を伏せたような形状であり、その下端面が基体１の凹部１ａの凹面と同一平面上に位置するように、凹部１ａの下端側に埋め込まれている。検知極２のリード線２ａは、基体１の内部を通って、基体１の上方から導出され、変換器４に接続されている。
また、対極３は、例えば円盤状であり、基体１の凹部１ａの外側における下端部に、対極３の下端面が基体１の下端面と同一平面上に位置するように、埋め込まれている。この対極３のリード線３ａも、基体１の内部を通って、変換器４に接続されている。
検知極２の材質としては、例えば、金、白金、又はカーボン合金、ガラス状炭素等が好適に採用できる。また、対極３の材質としては、例えば、白金、銀／塩化銀等が好適に採用できる。
【００１６】
変換器４には、検知極２と対極３との間に所定の一定電圧を付与する加電圧機構と電流計とが設けられる。加電圧機構は、具体的には所定の電圧に設定可能な電源である。
なお、印可される所定の印加電圧の値にはゼロも含まれる。この場合、電流計を介して検知極と対極とを繋ぐ単なる配線によって加電圧機構を構成することができる。
一般的には、印加電圧がゼロでない場合はポーラログラフ方式と呼ばれ、印加電圧がゼロの場合はガルバニ電池方式と呼ばれる。両方式とも、被還元物質等が一定の厚さの拡散層と呼ばれる層の中において、濃度勾配による自然拡散によってのみ検知極表面に運ばれ、その表面で酸化還元されるときに流れる拡散電流（電解電流）を捉える点において共通しており、本質的な差違はない。
本実施形態の電解電流測定装置は、ポーラログラフ方式とガルバニ電池方式のいずれの方式であっても差し支えない。
検知極２と対極３との具体的材質、及びこれらの間に印加される所定の印加電圧の具体的な値は、測定対象成分等に応じて適宜決定される。
【００１７】
変換器４にはさらに、測定した電解電流を測定対象成分の濃度に換算する濃度換算回路が設けられる。また、測定した電解電流や換算した濃度等を表示及び／又は出力する機能を有している。
【００１８】
羽根車５は、モータ６によって回転させられるようになっている。羽根車の回転軸５ａは、基体１の挿入方向Ａと略平行であるが、本実施形態においては、さらに、基体１の中心軸と重なるように配置されている。
羽根車５ａは、回転によって以下に説明する試料液流を形成できるものであれば、その具体的形状や羽の枚数等に特に限定はない。
【００１９】
図１において白抜き矢印で示すように、羽根車５ａによって形成される試料液流は、上昇流Ｆ１、遠心流Ｆ２、拡散流Ｆ３に分解して把握することができる。すなわち、試料液はまず、上昇流Ｆ１として羽根車５の下方から羽根車５の上方へと吸い上げられ、次いで、遠心流Ｆ２として、羽根車５と基体１との間の空間を回転軸５ａから半径方向に向かい、最後に拡散流Ｆ３として凹部１ａの外部に流出するようになっている。
ここで、遠心流Ｆ２は、中心（回転軸５ａ）から外側に向かう渦巻き状の流れである。また、拡散流Ｆ３は、渦巻き状に旋回しながら、羽根車５ａと凹部１ａの側壁との間を通過して下降し、次いで凹部１ａの外側に拡散していく流れである。
遠心流Ｆ２によって与えられる試料液の検知極２の表面に対する線速度は、２０〜５０ｃｍ／ｓであることが好ましい。
【００２０】
検知極２は、上記遠心流の流れが最大となる位置に設けられることが好ましい。例えば、羽根車５ａの回転軸５ａから最も離間した部分と対向する位置に検知極２を配置することができる。
検知極２の表面と羽根車５との間隙は、狭くしすぎると、回転ぶれによって羽根車５が検知極２に接触したり、ゴミを噛み込んでしまうおそれがあるので好ましくない。また、広くしすぎると、検知極２に接触する遠心流Ｆ２が弱くなり好ましくない。具体的な数値は、試料液の性状や装置の大きさ等を考慮して適宜決定できるが、例えば、内径¢１５０の水道本管にとりつける場合、１ｍｍ〜数ｍｍ程度とすることができる。
【００２１】
また、本実施形態の電解電流測定装置では、羽根車５ａの回転軸５ａがモータ６に直接接続されず、マグネットカップリングの機構が利用されている。
すなわち、図１に示すように、基体１には、凹部１ａの中心部に、凹部１ａよりも小径である略円盤状の凹部１ｂが形成されている。そして、この凹部１ｂを形成する基体１の壁面を挟んで、互いに引き合う外側マグネット８ａと内側マグネット８ｂとが向かい合っている。また、凹部１ｂの下端には、外側マグネット８ａを保持するためのリング状のガイド９が施されている。
そして、羽根車５ａの回転軸５ａは外側マグネット８ａに、モータ６の駆動軸６ａは内側マグネット８ｂに各々連結されており、モータ６の回転が、駆動軸６ａ、内側マグネット８ｂ、外側マグネット８ａを介して、回転軸５ａに伝達されるようになっている。
【００２２】
本実施形態によれば、羽根車５によって形成される遠心流Ｆ２に検知極２が接しているので、試料液の検知極２の表面に対する線速度を、安定して得ることができる。
また、駆動部材である回転軸５ａが基体１の内部に挿入されていないので、シール性が問題とされることがなく、装置全体の耐水性、耐圧性を容易に得ることができる。
【００２３】
なお、上記実施形態においては、電極として、検知極２と対極３のみを示したが、この他に、参照電極や基準電極、試料液の温度を検知するのためのサーミスタ等を適宜追加することができる。また、対極３の設置場所は、基体１の下端部に限定されず、例えば、基体１の周壁から露出するように設置したり、基体１と独立した位置に設置することもできる。
また、変換器４は、電解電流を測定対象成分の濃度に変換する濃度換算回路を有するものであるとしたが、濃度にまで変換する機能は必須ではなく、電解電流をそのまま表示及び／又は出力するものであっても差し支えない。
また、上記実施形態においては、試料液線速度による洗浄効果に加えて、又はこれに代えて、電気的な洗浄方法を採用することができる。
電気的な洗浄方法としては、測定時の印加電圧と異なる電圧を付与するいわゆる電解研磨や、周期的に電極間の回路を開放して、検知極に電圧がかからない状態を作る方法等が採用できる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、水道本管等の高圧の試料液流が存在する環境においても、安定してポーラログラフ方式又はガルバニ電池方式の電解電流測定が可能能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る電解電流測定装置の構成図である。
【符号の説明】
１……基体、２……検知極、３……対極、４……変換器、５……羽根車、
６……モータ

Claims (4)

1. 試料液中に挿入される基体と、該基体に設けられた検知極と、該基体の下方に存して該基体の挿入方向と略平行な回転軸を有する羽根車と、該羽根車を回転させるモータとを備え、
   前記羽根車は、その回転により、該羽根車と前記基体との間に、回転軸から半径方向に向かう試料液の遠心流を形成するように構成されており、
   前記検知極は、該遠心流に接するように、前記基体の下端部に前記羽根車の回転軸に重なる直線と交差するように形成された凹部の、前記回転軸から離間した位置に配置されていることを特徴とする電解電流測定装置。
2. 前記基体に対極が設けられ、該対極は、前記凹部の外側に設けられている請求項１に記載の電解電流測定装置。
3. 前記基体の内側に存して前記モータの駆動軸と連結する内側マグネットと、前記基体の外側の前記内側マグネットと対向する位置に存して前記羽根車の回転軸と連結する外側マグネットとを備え、
   前記モータの駆動軸の回転が、互いに引き合う前記内側マグネットと前記外側マグネットとを介して、前記羽根車の回転軸に伝達される請求項１または請求項２に記載の電解電流測定装置。
4. 請求項１から請求項３の何れかに記載の電解電流測定装置を用いて、試料液中の測定対象成分濃度に対応する電解電流を測定することを特徴とする電解電流測定方法。

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