JP6365842B2

JP6365842B2 - 流体の導電率兼誘電率測定器

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Publication number: JP6365842B2
Application number: JP2015012109A
Authority: JP
Inventors: 穣二中田
Original assignee: 株式会社荻原製作所
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2035-01-26
Also published as: JP2016138747A

Description

本発明は、流体の導電率（電気伝導率）と誘電率の双方を測定可能な流体の導電率兼誘電率測定器に関し、特に燃料電池発電システムの管路等において純水の汚れを検出するのに好適な導電率測定器と、その純水中に含まれる炭酸ガス等の気泡（水枯れ）を検出するのに好適な誘電率測定器に関する。

特許文献１に開示された水位計付き導電率計は、燃料電池発電システムにおける水槽内の底部に浸漬された送信電極と、それよりも浅部に浸漬された受信電極と、５００Ｈｚの導電率用周波数信号を発信する導電率用発信回路から上記送信電極までの間に設けられた第１アナログスイッチと、１００ＫＨｚの水位（誘電率）用周波数信号を発信する水位用発信回路から上記送信電極までの間に設けられた第２アナログスイッチと、上記受信電極から導電率測定回路までの間に設けられた第３アナログスイッチと、上記受信電極から水位（誘電率）測定回路までの間に設けられた第４アナログスイッチと、第１及び第３アナログスイッチと第２及び第４アナログスイッチとを排他的にオン／オフ制御するための１００Ｈｚのスイッチ切換用周波数信号を発信するスイッチ切換用発信回路とを有している。

低周波数の５００Ｈｚの導電率用周波数信号を用いた導電率測定と高周波数の１００ＫＨｚの水位（誘電率）用周波数信号を用いた水位（誘電率）測定とをスイッチ切換用周波数信号により５ｍｓの時間分割で交互に実測できるため、水槽内の純水の汚れを検出するための導電率測定と受信電極が水面上に露出する水位（水枯れ）を検出するための誘電率測定の双方が可能となっている。

特開２０１３−１０４７５５（図１〜図４）

ところで、上記文献中の水位計付き導電率計を水槽内ではなく例えば水平姿勢の管路を流れる純水の導電率測定と気泡（水枯れ）検出とに利用しようとする場合、送信電極と受信電極を管路の横断方向に挿入した状態においては、両電極が純水の流動を妨げて流速を落とす流動抵抗体となって観測対象を徒に乱してしまう。特に、気泡（水枯れ）検出の誘電率測定においては両電極間の対向面積を増やして電気容量を大きく確保する必要性のあることから、流動抵抗の過大化を招く。また、管路での水枯れの検出では、水槽内のように受信電極が水面上に露出するのではなく、気泡が管路を通過することにより水枯れが始まるため、通過気泡が付着又は停滞することなく検出できるものでなければならない。

そこで、本発明の第１の課題は、上記問題点を解決するものであり、管路の流動抵抗の増大を招かずに済む流体の導電率兼誘電率測定器を提供することにある。また、本発明の第２の課題は、管路を流れる流体中の気泡を淀ますことなく検出可能な流体の導電率兼誘電率測定器を提供することにある。更に、本発明の第３の課題は、気泡の電極部への付着や滞留を抑制できる流体の導電率兼誘電率測定器を提供することにある。

本発明に係る流体の導電率兼誘電率測定器は、円柱部の周面に周回溝をそれぞれ持つ第１電極体及び第２電極体と、第１電極体と第２電極体を相隔てて保持する電極ホルダとを備え、この電極ホルダは、第１電極体及び第２電極体を差し込み保持可能な第１電極収納穴及び第２電極収納穴と、外部から第１電極収納穴に連通する上流側流路孔と、第１電極収納穴と第２電極収納穴とを連通する電極間流路孔と、第２電極収納穴から外部に連通する下流側流路孔とを有し、被測定流体は前記上流側流路孔、第１電極体の周回溝、前記電極間流路孔、第２電極体の周回溝、前記下流側流路孔を介して流下することを特徴とする。

かかる構成においては、被測定流体は上流側流路孔，第１電極体の周回溝，電極間流路孔，第２電極体の周回溝，下流側流路孔を介して流下する。第１電極体の円柱部の母線と第２電極体の円柱部の母線とが電極間流路孔を隔てた最短距離の電極対となっており、この電極間流路孔内に電気力線が集中する。そして、被測定流体は流路孔から周回溝に沿って後方の流路孔へ案内されるので、流動抵抗の増大を招かずに済む。また円弧状の周回溝の逃げ道が確保されているため、流体内に含まれる気泡の分割が起り難く、電極間流路孔の内面に付着し難いので、誤検出を防げる。また、円柱部に周回溝を形成する作業は、円柱部に貫通孔を形成する場合に比べて製造容易であり、製造コストを抑制できる。

また別の流体の導電率兼誘電率測定器としては、円柱部の径方向に貫通孔を持つ第１電極体と、円柱部の周面に周回溝を持つ第２電極体と、第１電極体と第２電極体を相隔てて保持する電極ホルダとを備え、この電極ホルダは、第１電極体及び第２電極体を差し込み保持可能な第１電極収納穴及び第２電極収納穴と、外部から第１電極収納穴に連通する上流側流路孔と、第１電極収納穴と第２電極収納穴とを連通する電極間流路孔と、第２電極収納穴から外部に連通する下流側流路孔とを有し、被測定流体は前記上流側流路孔、第１電極体の貫通孔、前記電極間流路孔、第２電極体の周回溝、前記下流側流路孔を介して流下することを特徴とする。

被測定流体は上流側流路孔，第１電極体の貫通孔，電極間流路孔，第２電極体の周回溝，下流側流路孔を介して流下する。第１電極体の貫通孔の孔縁と第２電極体の円柱部の母線とが電極間流路孔を隔てた最短距離の電極対となっており、この電極間流路孔内に電気力線が集中する。そして、電極間流路孔への被測定流体の流入は第１電極体の貫通孔を介して行われ、電極間流路孔からの被測定流体の流出は第２電極体の周回溝を介して行われる。第１電極体の円柱部には周回溝ではなく貫通孔となっているため、気泡分割が起り難く、気泡付着を抑制できる。

この流体の導電率兼誘電率測定器においては、各電極体の端子ピン部に接続可能な回路基板を組み込んだ測定ケースを備え、この測定ケースは、電極ホルダを差し込み保持可能なホルダ収納穴と、このホルダ収納穴に連通して上流側流路孔の開口に一端側が連絡すると共に他端側に流入側接手部を備える流入孔と、ホルダ収納穴に連通して下流側流路孔の開口に一端側が連絡すると共に他端側に流出側接手部を備える流出孔とを有する。かような測定ケースを用いれば、例えば燃料電池発電システムの管路において流入管を流入側接手部に接続すると共に流出管を流出側接手部に接続する簡単な作業だけで、純水の汚れと気泡（水枯れ）の検出を行うことができる。

ここで、流路孔の断面積は流入孔及び流出孔の断面積に比して狭くなっていることが望ましい。流入孔及び流出孔内の流体の流速が低速であっても、流路孔内の流速を高めることができるので、気泡や異物が電極孔内や流路孔内面に付着し難く、誤検出を防げる。

更に、各電極体は、円柱部から端子ピン部側に位置して円柱部との間にＯリング装着用縮径部を画成する鍔部とを一体的に有し、Ｏリング縮径部にＯリングが装着されて成る場合、被測定流体の電極収納穴内での漏洩を防止できる。

そして、この流体の導電率兼誘電率測定器において、第１の周波数信号を発信する導電率用発信回路の出力端と第１電極体との間に介在する第１のスイッチと、第１の周波数信号によりも高い第２の周波数信号を発信する誘電率用発信回路の出力端と第１電極体との間に介在する第２のスイッチと、第２電極体と導電率測定回路の入力端との間に介在する第３のスイッチと、第２電極体と誘電率測定回路の入力端との間に介在する第４のスイッチとを有し、第１の周波数信号よりも低いスイッチ切換用周波数信号で第１及び第３のスイッチと第２及び第４のスイッチとを排他的にオン／オフ制御することを特徴とする。第１及び第３のスイッチのオン期間においては、第２及び第４のスイッチのオフ期間であり、第１の周波数信号の発信による導電率測定だけが可能となり、他方、第２及び第４のスイッチのオン期間においては、第１及び第３のスイッチのオフ期間であり、第２の周波数信号の発信による誘電率測定が可能となり、クロストークが起らず、リアルタイムで時間分割の交互測定を実現できる。

そして、この流体の導電率兼誘電率測定器において、第１の周波数信号を発信する導電率用発信回路の出力端と第１電極体との間に介在する第１のスイッチと、第１の周波数信号よりも高い第２の周波数信号を発信する誘電率用発信回路の出力端と第１電極体との間に介在する第２のスイッチと、第２電極体と導電率測定回路の入力端との間に介在する第３のスイッチと、第２電極体と誘電率測定回路の入力端との間に介在する第４のスイッチとを有し、第１の周波数信号よりも低いスイッチ切換用周波数信号で第１及び第３のスイッチと第２及び第４のスイッチとを排他的にオン／オフ制御することを特徴とする。第１及び第３のスイッチのオン期間においては、第２及び第４のスイッチのオフ期間であり、第１の周波数信号の発信による導電率測定だけが可能となり、他方、第２及び第４のスイッチのオン期間においては、第１及び第３のスイッチのオフ期間であり、第２の周波数信号の発信による誘電率測定が可能となり、クロストークが起らず、リアルタイムで時間分割の交互測定を実現できる。

本発明によれば、管路の流動抵抗の増大を招かずに済み、また管路を流れる流体中の気泡を検出可能な流体の導電率兼誘電率測定器を提供できる。

本発明の実施例に係る流体の導電率兼誘電率測定器を示す縦断斜視図である。同導電率兼誘電率測定器の組立斜視図である。（Ａ）は同導電率兼誘電率測定器に組み込む第１実施形態に係る電極体アセンブリを示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｂ−ｂ′線の切断図、（Ｃ）は（Ａ）のｃ−ｃ′線の切断図、（Ｄ）は（Ｃ）のｄ−ｄ′線の切断図である。（Ａ）は同導電率兼誘電率測定器において用いる電極体を示す斜視図、（Ｂ）はＯリングを装着した電極体を示す斜視図、（Ｃ）は同導電率兼誘電率測定器において用いる電極ホルダを示す縦断斜視図である。（Ａ）は同電極体の平面図、（Ｂ）は同電極体の正面図、（Ｃ）は同電極体の底面図、（Ｄ）は同電極体の左側面図である。同導電率兼誘電率測定器の電気的構成を示す回路ブロック図である。（Ａ）は同導電率兼誘電率測定器において誘電率測定回路の詳細を示す回路図、（Ｂ）は同誘電率測定回路の動作を示すタイミングチャートである。（Ａ）は同導電率兼誘電率測定器に組み込む第２実施形態に係る電極体アセンブリを示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｂ−ｂ′線の切断図、（Ｃ）は（Ａ）のｃ−ｃ′線の切断図、（Ｄ）は（Ｃ）のｄ−ｄ′線の切断図である。（Ａ）は同導電率兼誘電率測定器に組み込む第３実施形態に係る電極体アセンブリを示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｂ−ｂ′線の切断図、（Ｃ）は（Ａ）のｃ−ｃ′線の切断図、（Ｄ）は（Ｃ）のｄ−ｄ′線の切断図である。

次に、本発明の第１実施例を添付図面に基づいて説明する。先ず、本例の流体の導電率兼誘電率測定器の機械的構成は、測定ケース１０と、電極ホルダ２０と、同一構成の第１電極体Ｅ１及び第２電極体Ｅ２と、ホルダカバー３０と、回路基板４５とから成る。

測定ケース１０は樹脂成型品で、底板中央部分において電極ホルダ２０を差し込み保持可能な丸竪穴のホルダ収納穴１１と、底板の一方側においてホルダ収納穴１１に連通して流入側接手部（雌コネクタ）１２ａを備える流入孔１２と、底板の他方側においてホルダ収納穴１１に連通して流出側接手部（雄コネクタ）１３ａを備える流出孔１３とを有する。

電極ホルダ２０は略円柱状の絶縁樹脂成形品で、直径方向に貫通する円形の流路孔２１と、この流路孔２１に直交して第１電極体Ｅ１が差し込み保持可能な丸竪穴の第１電極収納穴２２と、流路孔２１に直交して第２電極体Ｅ２が差し込み保持可能な丸竪穴の第２電極収納穴２３とを備えている。流路孔２１の流入側及び流出側の開口縁はテーパー面Ｔとなっている。電極ホルダ２０の拡径部２４の段差にはＯリングＮが装着されている。なお、ｅは肉抜き穴である。

電極体Ｅ１（Ｅ２）は真直状導電性金属製で、直径方向に貫通した円形電極孔ｈを持つ円柱部Ｕと、この円柱部Ｕの上側に位置して円柱部Ｕとの間にＯリング装着用縮径部Ｖを画成する鍔部Ｆと、この鍔部Ｆの上側で肉盗みの縮径部Ｓだけ離して位置する両Ｄカットの回し位置決め用見当部（マーカー）Ｗと、この回し位置決め用見当部Ｗの上側でカバー差し込み部Ｍだけ離して位置する端子ピン部Ｐとを一体的に備えている。Ｏリング装着用縮径部ＶにはＯリングＱが装着されている。電極ホルダ２０の第１電極収納穴２２及び第２電極収納穴２３に第１電極体Ｅ１及び第２電極体Ｅ２を差し込んで、図３に示す電極体アセンブリ７０が構成される。

ホルダカバー３０は、電極体Ｅ１（Ｅ２）のカバー差し込み部Ｍが嵌るカバー孔３１を有する。回路基板４５は、測定ケース１０の蓋板としても機能し、電極体Ｅ１（Ｅ２）の端子ピン部Ｐが嵌るスル―ホール４６を有する。

第１電極体Ｅ１の円形電極孔ｈと第２電極体Ｅ２の円形電極孔ｈとが向い合った状態となっており、これらに合致する流路孔２１が貫通形成されている。そして、流路孔２１及び円形電極孔ｈの断面積は流入孔１２及び流出孔１３の断面積に比して狭くなっている。

流路孔２１は、第１電極体Ｅ１の円形電極孔ｈと第２電極体Ｅ２の円形電極孔ｈとを連絡する電極間流路孔２１ａと、第１電極体Ｅ１の円形電極孔ｈの上流側でこれと連絡する上流側流路孔２１ｂと、第２電極体Ｅ２の円形電極孔ｈの下流側でこれと連絡する下流側流路孔２１ｃとから成る。

かような測定器の機械的構成においては、被測定流体は流入孔１２から上流側流路孔２１ｂ，第１電極体Ｅ１の円形電極孔ｈ，電極間流路孔２１ａ，第２電極体Ｅ２の円形電極孔ｈ，下流側流路孔２１ｃを介して流出孔１３へ流下して行き、図３（Ｄ）に示す如く、第１電極体Ｅ１の円形電極孔ｈの孔縁と第２電極体Ｅ２の円形電極孔ｈの孔縁とが電極間流路孔２１ａを隔てた最短距離の電極対となっており、この電極間流路孔２１ａ内に電気力線が集中する。そして、被測定流体は円形電極孔ｈ内と流路孔２１内をスムーズに流れるので、流動抵抗の増大を招かずに済む。また流体内に含まれる気泡の分割が起り難く、円形電極孔ｈや流路孔２１の内面に付着し難いので、誤検出を防げる。

本例の電極ホルダ２０は、第１電極体Ｅ１及び第２電極体Ｅ２をインサートとする樹脂成形品ではなく、流路孔２１に直交して第１電極体Ｅ１を差し込み保持可能な第１電極収納穴２２と、流路孔２１に直交して第２電極体Ｅ２を差し込み保持可能な第２電極収納穴２３とを備えているため、電極体Ｅ１，Ｅ２の交換や清掃が可能となっている。

測定ケース１０は、流入管を接続する流入側接手部１２ａと流出管を接続する流出側接手部１３ａを有しているため、簡単な管接続作業だけで、燃料電池発電システムにおける純水の汚れと気泡（水枯れ）の検出を行うことができる。

また、流路孔２１の断面積は流入孔１２及び流出孔１３の断面積に比して狭くなっているため、流入孔１２及び流出孔１３内の流体の流速が低速であっても、流路孔２１内の流速を高めることがきるので、気泡や異物が円形電極孔ｈや流路孔２１の内面に付着し難くなり、誤検出を防げる。更に、円形電極孔ｈが円柱部Ｕの直径方向に形成されているため、円柱部Ｕを軸回転させて円形電極孔ｈの向きを変えることで、円形電極孔ｈと流路孔２１との整合を図ることができる。

電極体Ｅ１，Ｅ２にはＯリングＱが装着されているため、流体の電極収納穴２２，２３内での漏洩を防止できる。更に、電極体Ｅ１，Ｅ２を電極収納穴２２，２３に差し込んだ際、円形電極孔ｈと流路孔２１との合致が視認できないときでも、各電極体Ｅ１，Ｅ２には回し位置決め用見当部（マーカー）Ｗが形成されているため、回し位置決め用見当部Ｗの位置合わせで合致を図ることができる。そして、電極体Ｅ１，Ｅ２は鍔部Ｆと回し位置決め用見当部Ｗと間に肉盗みの縮径部Ｓを一体的に有しているため、肉盗みの縮径部Ｓのない場合に比して肉盗みの縮径部Ｓ同士により対向面積と対向距離が減少する分、寄生容量を抑制でき、誘電率測定の分解能を高めることができる。

図６は上記の流体の導電率兼誘電率測定器を用いた検出回路を示す回路ブロック図である。この検出回路は、第１電極体Ｅ１を送信電極とし、第２電極体Ｅ２を受信電極とし、連動スイッチ群と送信側回路と受信側回路とから成る。

先ず、送信側回路は、１ｍｓの切換周期（パルス幅）の±５Ｖ矩形波で極性反転を繰り返す５００Ｈｚの導電率用周波数信号Ｓ_１を発信する導電率用発信回路４０Ａと、０．００５ｍｓの切換周期（パルス幅）の±５Ｖ矩形波で極性反転を繰り返す１００ＫＨｚの誘電率用周波数信号Ｓ_２を発信する誘電率用発信回路４０Ｂと、５ｍｓの切換周期（パルス幅）の±５Ｖ矩形波で極性反転を繰り返す１００Ｈｚのスイッチ切換用周波数信号Ｓ_３を発信するスイッチ切換用発信回路４０Ｃを備えている。導電率用発信回路４０Ａの出力端子は第１アナログスイッチＳＷ_１を介して送信電極としての第１電極体Ｅ１の端子ピンＰに接続されており、また誘電率用発信回路４０Ｂの出力端子は第２アナログスイッチＳＷ_２を介して第１電極体Ｅ１の端子ピン部Ｐに接続されている。

他方、受信側回路は、導電率測定回路５０と誘電率測定回路６０とから成り、導電率測定回路５０は、入力端子が第３アナログスイッチＳＷ_３を介して受信電極としての第２電極体Ｅ２の端子ピンＰに接続された導電率用受信回路５０Ａと、ピークホールド回路５１Ａと、コンパレータ５２Ａとから成り、誘電率測定回路６０は、入力端子が第４アナログスイッチＳＷ_４を介して第２電極体Ｅ２の端子ピン部Ｐに接続された誘電率用受信回路６０Ｂと、充放電回路６１Ｂと、コンパレータ６２Ｂとから成る。

そして、スイッチ切換用発信回路４０Ｃからのスイッチ切換用周波数信号Ｓ_３は４つのアナログスイッチＳＷ_１〜ＳＷ_４の制御端子に供給されており、アナログスイッチＳＷ_１〜ＳＷ_４を５ｍｓの切換周期でオン／オフ制御する。導電率用の第１アナログスイッチＳＷ_１及第３アナログスイッチＳＷ_３と誘電率用の第２アナログスイッチＳＷ_２及び第４アナログスイッチＳＷ_４のオン／オフ制御は５ｍｓの切換周期毎で排他的に行われる。即ち、第１アナログスイッチＳＷ_１及第３アナログスイッチＳＷ_３のオン制御は第２アナログスイッチＳＷ_２及び第４アナログスイッチＳＷ_４のオフ制御であり、逆に、第１アナログスイッチＳＷ_１及第３アナログスイッチＳＷ_３のオフ制御は第２アナログスイッチＳＷ_２及び第４アナログスイッチＳＷ_４のオン制御である。なお、本例においては回路構成の簡略化の観点から、電源付勢により導電率用発信回路４０Ａと誘電率用発信回路４０Ｂとスイッチ切換用発信回路４０Ｃの夫々が相互独立に発信するようになっており、そのため、導電率用周波数信号Ｓ_１と誘電率用周波数信号Ｓ_２とスイッチ切換用周波数信号Ｓ_３の三者間では非同期となっているが、高周波発信回路としての誘電率用発信回路４０Ｂの誘電率用周波数信号Ｓ_２を分周して導電率用周波数信号Ｓ_１とスイッチ切換用周波数信号Ｓ_３とを生成し、三者間で同期をとっても構わない。

導電率用受信回路５０Ａは、第２電極体Ｅ２から第３アナログスイッチＳＷ_３を介して受ける信号電流を電導率用入力電圧に変換するための受端抵抗（図示せず）と、その電導率用入力電圧から５００Ｈｚの信号電圧を取り出すためのバンドパスフィルタ（図示せず）と、ノイズ除去フィルタ（図示せず）とを有している。また同様に、誘電率用受信回路６０Ｂは、第２電極体Ｅ２から第４アナログスイッチＳＷ_４を介して受ける信号電流を誘電率用入力電圧に変換するための受端抵抗（図示せず）と、その誘電率用入力電圧から１００ＫＨｚの信号電圧を取り出すためのバンドパスフィルタ（図示せず）と、ノイズ除去フィルタ（図示せず）とを有している。

ピークホールド回路５１Ａは、耐ノイズ性の点からリセット回路を具備しておらず、また５ｍｓ毎に間欠する５ｍｓのスイッチオフ期間を無視できるようにするため、比較的長い放電時定数４７０ｍｓの充電回路を備えており、スイッチオン期間の終期電圧を自己保持できるようになっている。コンパレータ５２Ａは、５ｍｓのスイッチオフ期間によるリップ電圧の影響を抑えるためにヒステリシス機能を備えている。

充放電回路６１Ｂは、図６（Ａ）に示す如く、誘電率用受信回路６０Ｂからの信号電圧を増幅する増幅器ＡＭＰと、電源電圧Ｖ_ＣＣに電流制限抵抗Ｒを介してプルアップされて成る充放電用コンデンサＣと、増幅器ＡＭＰのアンプ出力Ｖ_ＡＭＰを第１の閾値電圧Ｖ_１と比較し、アンプ出力Ｖ_ＡＭＰが第１の閾値電圧Ｖ_１を超えるときは比較出力Ｖ_ＣＭＰを接地電位に短絡して充放電用コンデンサＣの電荷を瞬間放電する放電スイッチ用コンパレータＣＭＰとを有している。そして、コンパレータ６２Ｂは比較出力Ｖ_ＣＭＰを第２の閾値電圧Ｖ_２と比較し、比較出力Ｖ_ＣＭＰが第２の閾値電圧Ｖ_２を超えるときは異常信号としてハイレベル信の水枯れ検出信号Ｖ_Ｏを出力する。

次に、上記検出回路の動作を説明する。第１アナログスイッチＳＷ_１と第２アナログスイッチＳＷ_２とは、１００Ｈｚのスイッチ切換用周波数信号Ｓ_３によって、５ｍｓのスイッチオン切換周期で排他的にオン／オフ動作を繰り返すため、第１電極体Ｅ１の円形電極孔ｈの孔縁から被測定流体に放射する送信信号は、５ｍｓのスイッチ切換周期に亘って発信する１ｍｓのパルス幅で連続約５パルスの導電率用周波数信号Ｓ_１と、５ｍｓのスイッチ切換周期に亘って発信する０．００５ｍｓのパルス幅で連続約１０００パルスの誘電率用周波数信号Ｓ_２とが交互に切り換わるものとなっている。受信側の第３アナログスイッチＳＷ_３は第１アナログスイッチＳＷ_１と同期してオン／オフ動作を繰り返すため、そのスイッチオン期間の５ｍｓにおいては第３アナログスイッチＳＷ_３から導電率用受信回路５０Ａを介してピークホールド回路５１Ａの入力にはパルス幅約１ｍｓの連続約５パルスが到来し、そのスイッチオフ期間においてはパルスゼロとなる。他方、第４アナログスイッチＳＷ_４は第２アナログスイッチＳＷ_２と同期してオン／オフ動作を繰り返すため、そのスイッチオン期間の５ｍｓにおいては第４アナログスイッチＳＷ_４から誘電率用受信回路６０Ｂを介して充放電回路６１Ｂの入力にはパルス幅約０．００５ｍｓの連続約１０００パルスが到来し、そのオフ期間においてはゼロとなる。

５００Ｈｚの導電率用周波数信号Ｓ_１は低周波数信号であるため、抵抗性の方が容量性よりも遥かに大きく、ピークホールド回路５１Ａの入力パルス波高値（電圧値）の如何は被測定流体（例えば純水）の汚れ（導電率，電気伝導度）に専ら依存し、汚れが増すにつれ導電率が高まり、入力パルス波高値が次第に高くなる。即ち、ピークホールド回路５１Ａのアナログ出力は汚れに依存する導電率を反映している。ピークホールド回路５１Ａはスイッチオフ期間でも直前のスイッチオン期間の終期電圧を保持できるように充電回路を具備しているため、被測定流体の汚れが進むと、徐々にピーク値が上昇し、所定の閾値電圧を超えると、コンパレータ５２Ａの出力電圧がローレベルからハイレベルへ反転し、これにより「汚れ異常」が報知される。

他方、１００ＫＨｚの誘電率用周波数信号Ｓ_２は高周波数信号であるため、容量性の方が抵抗性よりも遥かに大きく、充放電回路６１Ｂの入力パルス波高値（電圧値）の如何は被測定流体（例えば純水）の誘電率に専ら依存し、第１電極体Ｅ１の円形電極孔ｈと第２電極体Ｅ１の円形電極孔ｈとに挟まれた電極間流路孔２１ａに気泡が入来するときは、誘電率が急激に減少するため静電容量が急減し、入力パルス波高値が激減する。図６（Ｂ）に示す如く、第４アナログスイッチＳＷ_４のスイッチオン期間においては、増幅器ＡＭＰのアンプ出力Ｖ_ＡＭＰには１００ＫＨｚの誘電率用周波数信号Ｓ_２に基づきパルス幅約０．００５ｍｓの正負都合連続約１０００パルスが現れるが、信号電圧がその各正パルスの立ち上がり毎（約０．０１ｍｓ毎）で第１の閾値電圧Ｖ_１を超えると、放電スイッチ用コンパレータＣＭＰの比較出力Ｖ_ＣＭＰが接地し、充放電用コンデンサＣを瞬間放電せしめる。逆に、信号電圧が各正パルスの立ち下がり毎（約０．０１ｍｓ毎）で第１の閾値電圧Ｖ_１から落ちると、放電スイッチ用コンパレータＣＭＰの比較出力Ｖ_ＣＭＰが非接地状態となり、充放電用コンデンサＣが電源電圧Ｖ_ＣＣから電流制限抵抗Ｒを介して緩慢充電される。この緩慢充電の時定数は本例では第４アナログスイッチＳＷ_４のスイッチオン期間の５ｍｓよりも大きな３０ｍｓとしてある。つまり、第４アナログスイッチＳＷ_４のスイッチオン期間においては信号電圧の増減に基づき瞬間放電と緩慢充電の充放電が約５００回繰り繰り返されるが、放電時定数（殆どゼロ）が充電時定数（３０ｍｓ）よりも極めて小さいため、比較出力Ｖ_ＣＭＰ、即ち充電電圧は殆ど常にゼロ近傍にある。

一方、スイッチＳＷ_４のスイッチオフ期間においては増幅器ＡＭＰのアンプ出力Ｖ_ＡＭＰがゼロとなっているため、放電スイッチ用コンパレータＣＭＰの比較出力Ｖ_ＣＭＰが常に非接地状態であり、電源電圧Ｖ_ＣＣから充放電用コンデンサＣに対し５ｍｓに亘り電流制限抵抗Ｒを介して充電されるので、スイッチＳＷ_４のスイッチオフ期間の終期では充電電圧（比較出力Ｖ_ＣＭＰ）が所定の電圧Ｖ_３に達する。そして、次のスイッチＳＷ_４のスイッチオン期間において受信信号が到来していると、前述のように、充放電を繰り返し、充電電圧（比較出力Ｖ_ＣＭＰ）がゼロ近傍となるが、図７（Ｂ）に示す如く、このスイッチＳＷ_４のスイッチオン期間のうち例えば時刻ｔ_１において第１電極体Ｅ１の円形電極孔ｈと第２電極体Ｅ１の円形電極孔ｈとの間の被測定流体中に気泡が入来すると、空気の誘電率は水のそれの約１／８０であるので、電極間の誘電率が急激に低下し、誘電率用周波数信号Ｓ_２が発信しているにも拘わらずアンプ出力Ｖ_ＡＭＰの方が殆どゼロとなり、コンパレータＣＭＰの比較出力Ｖ_ＣＭＰが非接地となるので、充放電用コンデンサＣへの充電が早めに開始され、次のスイッチオフ期間の終期では比較出力Ｖ_ＣＭＰが所定の電圧Ｖ_３を超えて設定した第２の閾値電圧Ｖ_２を超えるときは、コンパレータ６２Ｂの水枯れ検出信号Ｖ_Ｏがローレベルからハイレベルへ反転し、「水枯れ検出」を報知する。

アンプ出力Ｖ_ＡＭＰがゼロ近傍となるときに充放電用コンデンサＣへの充電が開始されるが、このアンプ出力Ｖ_ＡＭＰがゼロ近傍となる場合は、スイッチＳＷ_４のスイッチオフ期間の開始時点か、或いはスイッチＳＷ_４のスイッチオン期間において気泡が存在する時点のいずれかである。なお、スイッチＳＷ_４のスイッチオフ期間から気泡が存在し続けるときは次のスイッチオン期間の開始時点からアンプ出力Ｖ_ＡＭＰがゼロ近傍となる。水枯れが発生する場合にはスイッチＳＷ_４のスイッチオン期間においても充放電用コンデンサＣの充電時間が余分に追加されて第４アナログスイッチＳＷ_４のスイッチオフ期間（５ｍｓ）よりも長なり、これにより充電電圧が５ｍｓに亘る充電電圧である所定電圧Ｖ_３よりも高くなる。この誘電率測定用回路では、信号電圧を充電するピークホールド回路を用いることなく、電源電圧Ｖ_ｃｃにプルアップされて成る充放電コンデンサに対して信号電圧の増減に基づいて放電制御するようにしており、事実上、充放電コンデンサに対する充電時間の長短比較により水枯れを高精度に検出できる。

図８は本例の導電率兼誘電率測定器に組み込む電極体アセンブリの第２実施形態を示す。この第２実施形態の電極体アセンブリ７１において、図３に示す第１実施形態の電極体アセンブリ７０と異なる点は第１電極体Ｅ１′及び第２電極体Ｅ２′の構造にある。即ち、電極体アセンブリ７０の第１電極体Ｅ１及び第２電極体Ｅ２の円柱部Ｕはその直径方向に貫通した円形電極孔（貫通孔）ｈを有しているのに対し、電極体アセンブリ７１の第１電極体Ｅ１′及び第２電極体Ｅ２′の円柱部Ｕはその周面に周回溝Ｚを有しているところにある。

図８（Ｄ）に示す如く、被測定流体は上流側流路孔２１ｂ，第１電極体Ｅ１′の周回溝Ｚ，電極間流路孔２１ａ，第２電極体Ｅ２′の周回溝Ｚ，下流側流路孔２１ｃを介して流下する。第１電極体Ｅ１′の円柱部Ｕの母線と第２電極体Ｅ２′の円柱部Ｕの母線とが電極間流路孔２１ａを隔てた最短距離の電極対となっており、この電極間流路孔２１ａ内に電気力線が集中する。そして、被測定流体は流路孔２１ｂから円弧状の周回溝Ｚに沿って後方の流路孔２１ａへ案内されるので、流動抵抗の増大を招かずに済む。また円弧状の周回溝Ｚの逃げ道が確保されているため、流体内に含まれる気泡の分割が起り難く、円形電極孔ｈや流路孔２１の内面に付着し難いので、誤検出を防げる。特に、本例における円柱部Ｕに周回溝Ｚを形成する作業は、図３に示すような円柱部Ｕに円形電極孔ｈを形成する場合に比べて製造容易であり、また、両Ｄカットの回し位置決め用見当部（マーカー）Ｗの形成も不要で、せいぜい第２鍔部Ｗ′の形成で足りる。このため、電極体Ｅ１′，Ｅ２′の製造コストを抑制できる。

図９は本例の導電率兼誘電率測定器に組み込む電極体アセンブリの第３実施形態を示す。この第３実施形態の電極体アセンブリ７２において、図３に示す第１実施形態の電極体アセンブリ７０と異なる点は第２電極体Ｅ２′の構造にある。即ち、電極体アセンブリ７０の第２電極体Ｅ２の円柱部Ｕはその直径方向に貫通した円形電極孔ｈを有しているのに対し、電極体アセンブリ７２の第２電極体Ｅ２′の円柱部Ｕはその周面に周回溝Ｚを有しているところにある。

図９（Ｄ）に示す如く、被測定流体は上流側流路孔２１ｂ，第１電極体Ｅ１の円形電極孔ｈ，電極間流路孔２１ａ，第２電極体Ｅ２′の周回溝Ｚ，下流側流路孔２１ｃを介して流下する。第１電極体Ｅ１の円形電極孔（貫通孔）ｈの孔縁と第２電極体Ｅ２′の円柱部Ｕの母線とが電極間流路孔２１ａを隔てた最短距離の電極対となっており、この電極間流路孔２１ａ内に電気力線が集中する。そして、電極間流路孔２１ａへの被測定流体の流入は第１電極体Ｅ１の円形電極孔ｈを介して行われ、電極間流路孔２１ａからの被測定流体の流出は第２電極体Ｅ２′の周回溝Ｚを介して行われる。図８に示す第１電極体Ｅ１′の周回溝Ｚでは大きな気泡が分割されて付着するおそれがあるものの、本例の第１電極体Ｅ１の円形電極孔ｈではそのおそれがない分、気泡付着を抑制できる。

１０…測定ケース
１１…ホルダ収納穴
１２…流入孔
１２ａ…流入側接手部
１３…流出孔
１３ａ…流出側接手部
２０…電極ホルダ
２１…流路孔
２１ａ…電極間流路孔
２１ｂ…上流側流路孔
２１ｃ…下流側流路孔
２２…第１電極収納穴
２３…第２電極収納穴
３０…ホルダカバー
３１…カバー孔
４０Ａ…導電率用発信回路
４０Ｂ…誘電率用発信回路
４０Ｃ…スイッチ切換用発信回路
４５…回路基板
４６…スルーホール
５０…導電率測定回路
５０Ａ…導電率用受信回路
５１Ａ…ピークホールド回路
５２Ａ，６２Ｂ…コンパレータ
６０…誘電率測定回路
６０Ｂ…誘電率用受信回路
６１Ｂ…充放電回路
７０，７１，７２…電極体アセンブリ
ＡＭＰ…増幅器
Ｃ…充放電用コンデンサ
ＣＭＰ…放電スイッチ用コンパレータ
Ｅ１，Ｅ１′…第１電極体
Ｅ２，Ｅ２′…第２電極体
ｅ…肉抜き穴
Ｆ…鍔部
ＧＮＤ…接地
ｈ…円形電極孔
Ｍ…カバー孔差し込み部
Ｐ…端子ピン部
Ｑ…Ｏリング
Ｒ…電流制限抵抗
Ｓ…肉盗みの縮径部
Ｓ_１…導電率用周波数信号
Ｓ_２…誘電率用周波数信号
Ｓ_３…スイッチ切換用周波数信号
ＳＷ_１…第１アナログスイッチ
ＳＷ_２…第２アナログスイッチ
ＳＷ_３…第３アナログスイッチ
ＳＷ_４…第４アナログスイッチ
ｔ_１…気泡入来時刻
Ｕ…円柱部
Ｖ…Ｏリング装着用縮径部
Ｖ_ＡＭＰ…アンプ出力
Ｖ_１…第１の閾値電圧
Ｖ_２…第２の閾値電圧
Ｖ_３…所定電圧
Ｖ_ＣＭＰ…比較出力
Ｖ_ｃｃ…電源電圧
Ｖ_Ｏ…水枯れ検出信号
Ｗ…回し位置決め用見当部（マーカー）
Ｗ′…第２鍔部
Ｚ…周回溝

Claims

円柱部の周面に周回溝をそれぞれ持つ第１電極体及び第２電極体と、第１電極体と第２電極体を相隔てて保持する電極ホルダとを備え、この電極ホルダは、第１電極体及び第２電極体を差し込み保持可能な第１電極収納穴及び第２電極収納穴と、外部から第１電極収納穴に連通する上流側流路孔と、第１電極収納穴と第２電極収納穴とに連通する電極間流路孔と、第２電極収納穴から外部へ連通する下流側流路孔とを有し、被測定流体は前記上流側流路孔、第１電極体の周回溝、前記電極間流路孔、第２電極体の周回溝、前記下流側流路孔を介して流下することを特徴とする流体の導電率兼誘電率測定器。
円柱部の径方向に貫通孔を持つ第１電極体と、円柱部の周面に周回溝を持つ第２電極体と、第１電極体と第２電極体を相隔てて保持する電極ホルダとを備え、この電極ホルダは、第１電極体及び第２電極体を差し込み保持可能な第１電極収納穴及び第２電極収納穴と、外部から第１電極収納穴に連通する上流側流路孔と、第１電極収納穴と第２電極収納穴とに連通する電極間流路孔と、第２電極収納穴から外部へ連通する下流側流路孔とを有し、被測定流体は前記上流側流路孔、第１電極体の貫通孔、前記電極間流路孔、第２電極体の周回溝、前記下流側流路孔を介して流下することを特徴とする流体の導電率兼誘電率測定器。
請求項１又は請求項２に記載の流体の導電率兼誘電率測定器において、前記各電極体の端子ピン部に接続可能な回路基板を組み込んだ測定ケースを備え、この測定ケースは、前記電極ホルダを差し込み保持可能なホルダ収納穴と、このホルダ収納穴に連通して前記上流側流路孔の開口に一端側が連絡すると共に他端側に流入側接手部を備える流入孔と、前記ホルダ収納穴に連通して前記下流側流路孔の開口に一端側が連絡すると共に他端側に流出側接手部を備える流出孔とを有することを特徴とする流体の導電率兼誘電率測定器。
請求項３に記載の流体の導電率兼誘電率測定器において、前記流路孔の断面積は前記流入孔及び前記流出孔の断面積に比して狭くなっていることを特徴とする流体の導電率兼誘電率測定器。
請求項３又は請求項４に記載の流体の導電率兼誘電率測定器において、前記各電極体は、前記円柱部から前記端子ピン部側に位置して前記有柱部との間にＯリング装着用縮径部を画成する鍔部とを一体的に有し、前記Ｏリング縮径部にＯリングが装着されて成ることを特徴とする流体の導電率兼誘電率測定器。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の流体の導電率兼誘電率測定器において、第１の周波数信号を発信する導電率用発信回路の出力端と前記第１電極体との間に介在する第１のスイッチと、前記第１の周波数信号よりも高い第２の周波数信号を発信する誘電率用発信回路の出力端と前記第１電極体との間に介在する第２のスイッチと、前記第２電極体と導電率測定回路との間に介在する第３のスイッチと、前記第２電極体と誘電率測定回路との間に介在する第４のスイッチと、前記第１の周波数信号よりも低いスイッチ切換用周波数信号で前記第１及び第３のスイッチと前記第２及び第３のスイッチとを排他的にオン／オフ制御することを特徴とする流体の導電率兼誘電率測定器。
請求項６に記載の流体の導電率兼誘電率測定器において、前記誘電率測定回路は、前記第４のスイッチから入来する信号電流を信号電圧に変換する電流／電圧変換手段と、定電圧に制限抵抗を介してプルアップされて成る充放電用コンデンサと、前記信号電圧を第１の閾値電圧と比較してこれを超えるときはオン状態となって前記充放電用コンデンサを瞬間放電せしめる放電制御手段と、前記第４のスイッチのオン期間での前記充放電用コンデンサの充電電圧を前記第４のスイッチのオフ期間終期での前記充放電用コンデンサの充電電圧値よりも高い第２の閾値電圧と比較してこれを超えるときは異常信号を出力する比較手段とを有することを特徴とする流体の導電率兼誘電率測定器。