JP7132015B2 - 電気伝導率計 - Google Patents
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Description
図20に示す信号処理回路50において、信号生成回路51で生成された交流矩形波の印加電圧Vgは、バッファアンプU1で印加電圧Vg’に安定化された後、端子N1および電極配線LT1を介して電極T1に印加される。電極T2に発生した検出電流Itは、電極配線LT2および端子N2を介してオペアンプU2と帰還抵抗Rfに入力されて、検出電圧Vtに変換された後、同期整流回路52で整流されて直流電圧Etに変換出力される。
図21に示すように、信号処理回路50側から端子N1,N2を介して電極T1,T2側を見た場合、分極容量Cpおよび分極抵抗Rpの並列回路と液体抵抗Rlとの直列回路に対して、線間容量Cwと配線抵抗Rwの直列回路が並列接続されているように見える。
しかしながら、上記計算式では線間容量Cwを無視できると仮定しているため、電極配線LT1,LT2が長くてCwを無視できない場合には、高い精度で電気伝導率を計測できないという問題点があった。
[第1の実施の形態]
まず、図1~図5を参照して、本発明の第1の実施の形態にかかる電気伝導率計10について説明する。図1は、第1の実施の形態にかかる電気伝導率計の回路構成を示すブロック図である。図2は、第1の実施の形態にかかる電気伝導率計の側面図である。図3は、第1の実施の形態にかかる電気伝導率計の上面図である。図4は、第1の実施の形態にかかる電気伝導率計の斜視図である。図5は、第1の実施の形態にかかる電気伝導率計の他の斜視図である。
本実施の形態では、電極T2が非接液電極であって、矩形波信号SGが矩形波定電圧信号である場合を例として説明する。なお、矩形波信号SGが矩形波定電流信号である場合や、電極T2が接液電極である場合については、他の実施の形態で後述する。
クロック生成回路11Aは、演算処理回路12からのクロック信号CLK0に基づいて、矩形波信号SG生成用のクロック信号CLKsと、サンプリング制御用のクロック信号CLKh,CLKlとを生成する機能を有している。
A/D変換回路11Cは、サンプルホールド回路11BからのVH,VLの差分電圧、すなわちVtの振幅電圧をA/D変換し、得られた振幅データDAを演算処理回路12へ出力する機能を有している。
伝送回路14は、伝送路LTを介してコントローラなどの上位装置(図示せず)との間でデータ伝送を行う機能と、演算処理回路12で得られた電気伝導率や空状態判定結果を、上位装置へ送信する機能とを備えている。
次に、図2~図5を参照して、本実施の形態にかかる電気伝導率計10の構造について説明する。なお、以下では、便宜上、測定管3が伸延する方向を第1の方向Xといい、第1の方向Xに直交する測定管3の左右方向を第2の方向Yといい、第1および第2の方向X,Yに直交する測定管3の上下方向を第3の方向Zという。
このように、電極T1を金属からなる継手5Aによって実現することにより、T1が液体と接触する面積が大きくなる。
図6に示すように、サブ基板2のうち、継手5Aからなる電極T1側の基板面2Aには、第2の方向Yに沿って管孔2Hの横位置にパッドP1がパターン形成されており、J1を介してこのP1とT1とを接続している。J1はP1およびT1の外表面に半田付けされる。
また、基板面2Bのうち、パッドP2を含む管孔2Hの上側には、回路実装領域2Gが設けられており、信号生成回路21やバッファアンプ22、さらにはコネクタCN2が実装され、配線パターンLP1,LP2(図示せず)を介してP1,P2が接続されている。
なお、サブ基板2のうち、回路部品や配線パターン以外の領域に、接地電圧GNDと接続されたグランドパターンを形成してもよい。これにより、電気伝導率計10の外部から電極T2に混入するノイズを低減でき、測定誤差を抑えることが可能となる。
図6および図7に示すように、サブ基板2のうち、紙面に向かって左右の方向である左右方向Yの中央位置には、測定管3を圧入するための管孔2Hが形成されている。これにより、取付ネジなどの固定部材を用いることなく極めて簡素な構成で、サブ基板2を測定管3に固定することができる。
なお、管孔2Hの形状については略多角形状に限定されるものではなく、管孔2Hの孔壁面に複数の凸部を備え、この凸部が外周面3Aと当接するようにしてもよい。あるいは、管孔2Hの周部の一部がサブ基板2の側端部に向けて直接開口する切欠きや間接的に開口するスリットを設けてもよい。これにより、前述と同様の作用効果が得られる。
また、ガイド部7X,7Yでサブ基板2を固定する必要はなく、逆に少し遊びがあったほうが継手5A,5Bによるネジ止めの際に、測定管3あるいはサブ基板2にかかる機械的ストレスを緩和することができる。
次に、図8を参照して、本実施の形態にかかる電気伝導率計10の動作について説明する。図8は、第1の実施の形態にかかる電気伝導率計の動作を示す信号波形図である。
ここでは、電極T2が非接液電極であって、矩形波信号SGが矩形波定電圧信号である場合を例として説明する。
一般には、交流の検出電圧Vtを全波整流する方法、例えばTLにおける検出電圧VtをVtの中間レベルで折り返してTHのVtと加算する方法が考えられる。しかし、このような方法では、TLとTHのVtが等しくないと、全波整流しても脈流が残り、安定した直流電圧とならないため、計測誤差の原因となる。
また、空状態判定部12Bは、電気伝導率算出部12Aで得られた電気伝導率を閾値伝導率と比較することにより、測定管3内が空状態であるか否か判定する。
このように、本実施の形態は、測定管3に取り付けられている電極T1,T2の近傍位置にサブ基板2を配置し、矩形波信号SGを生成する信号生成回路21、および、電極T1,T2から検出した検出信号を安定化して出力するバッファアンプ22のうち、少なくともいずれか一方または両方を、サブ基板2に搭載するようにしたものである。
より具体的には、信号生成回路21が、矩形波信号SGとして一定振幅を有する交流の矩形波電圧からなる矩形波定電圧信号を生成するようにしたものである。また、電極T1は、液体と接液する接液電極からなり、電極T2は、測定管3の外周部に形成されて、液体と接液していない非接液電極からなるものである。
また、電極T2が非接液電極であるため、電極面への汚れ付着や電極の腐食に起因する計測誤差の発生を抑止できる。また、白金黒のような高価な接液電極を用いる必要がなく、大幅なコストダウンが図れる。
これにより、取付ネジなどの固定部材を用いることなく極めて簡素な構成で、サブ基板2を測定管3に固定することができる。
これにより、コネクタを用いることなく、サブ基板2に実装されている信号生成回路21やバッファアンプ22と、電極T1,T2とをジャンパー線J1,J2により極めて容易に接続することができる。
次に、図12を参照して、本発明の第2の実施の形態にかかる電気伝導率計10について説明する。図12は、第2の実施の形態にかかる電気伝導率計の回路構成を示すブロック図である。
本実施の形態では、電極T2が非接液電極であって、矩形波信号SGが矩形波定電流信号である場合を例として説明する。
本実施の形態にかかる電気伝導率計10に関する、その他の回路構成、および、測定管3、電極T1,T2、サブ基板2などの構造については、第1の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。
次に、図14を参照して、本実施の形態にかかる電気伝導率計10の動作について説明する。図14は、第2の実施の形態にかかる電気伝導率計の動作を示す信号波形図である。
ここでは、電極T2が非接液電極であって、矩形波信号SGが矩形波定電流信号である場合を例として説明する。なお、振幅データDAに基づく電気伝導率の基本的な演算処理については、第1の実施の形態と同様であり、ここでの説明は省略する。
電気伝導率算出部12Aは、A/D変換回路11CからのDAに基づいて、液体の電気伝導率を算出する。
また、空状態判定部12Bは、電気伝導率算出部12Aで得られた電気伝導率を閾値伝導率と比較することにより、測定管3内が空状態であるか否か判定する。
このように、Vtの波形が歪んだ場合、振幅データDAの検出時に誤差が含まれやすくなり、結果として電気伝導率に関する測定精度の低下の要因となる。このため、fgとして、Cp,Ctのインピーダンスが無視できる程度の高い周波数を用いる必要がある。一方、fgを高くすると、図21に示した従来の等価回路のように電極配線の線間容量Cwによる影響が大きくなって電極配線で信号漏れが発生し、Vtの波形が歪む原因となる。
このように、本実施の形態は、測定管3に取り付けられている電極T1,T2の近傍位置にサブ基板2を配置し、矩形波信号SGを生成する信号生成回路21、および、電極T1,T2から検出した検出信号を安定化して出力するバッファアンプ22のうち、少なくともいずれか一方または両方を、サブ基板2に搭載するようにしたものである。
より具体的には、信号生成回路21が、矩形波信号SGとして一定振幅を有する交流の矩形波電流からなる矩形波定電流信号を生成するようにしたものである。また、電極T1は、液体と接液する接液電極からなり、電極T2は、測定管3の外周部に形成されて、液体と接液していない非接液電極からなるものである。
これにより、T2として非接液電極を用いた場合でも、ハイレベル期間THにサンプリングしたVHに含まれるT2の電極容量Ctの両端電圧VctHと、ローレベル期間TLにサンプリングしたVLに含まれるCtの両端電圧VctLとが等しくなる。したがって、VHとVLの差分電圧ΔVtを採ることによりVctHとVctLが相殺され、Vctを含まない振幅データDAが得られる。このため、高い精度で電気伝導率を計測することが可能となる。
これにより、比較的簡素な構成で、精度の高い安定した印加電流Igを生成することができる。
次に、図16~図19を参照して、本発明の第3の実施の形態にかかる電気伝導率計10について説明する。図16は、第3の実施の形態にかかる電気伝導率計の側面図である。図17は、第3の実施の形態にかかる電気伝導率計の上面図である。図18は、第3の実施の形態にかかる電気伝導率計の斜視図である。図19は、第3の実施の形態にかかる電気伝導率計の他の斜視図である。
次に、図16~図19を参照して、本実施の形態にかかる電気伝導率計10の構造について説明する。なお、以下では、便宜上、測定管3が伸延する方向を第1の方向Xといい、第1の方向Xに直交する測定管3の左右方向を第2の方向Yといい、第1および第2の方向X,Yに直交する測定管3の上下方向を第3の方向Zという。
このように、電極T1を金属からなる継手5Aによって実現することにより、T1が液体と接触する面積が大きくなる。これにより、T1に異物の付着や腐食が生じた場合であっても、異物の付着や腐食が生じた部分の面積がT1の全面積に対して相対的に小さくなるため、分極容量の変化による測定誤差を抑えることが可能となる。
次に、本実施の形態にかかる電気伝導率計10の動作について説明する。
電極T2を非接液電極から接液電極に変更した場合、非接液電極の場合におけるT2と液体との間の電極容量Ctがなくなる。このため、図9および図15に示した等価回路Ztは、分極容量Cpおよび分極抵抗Rpの並列回路と、液体抵抗Rlとが直列接続された等価回路で表される。本実施の形態にかかるこのほかの電気伝導率計測動作については、第1および第2の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。
このように、本実施の形態は、電極T1,T2が、液体と接液する接液電極からなるものである。これにより、T2として非接液電極を用いた場合に特有の、液体と電極T2との間に発生する容量Ctによる影響を排除することができ、矩形波信号SGの信号周波数として比較的低い周波数を用いることができる。このため、電極配線、すなわちジャンパー線J1,J2の線間容量による影響を極めて小さくでき、極めて高い精度で電気伝導率を計測することが可能となる。
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
Claims (6)
- 測定管内の液体に関する電気伝導率を計測する電気伝導率計であって、
予め設定された信号周波数を有する矩形波信号を生成する信号生成回路と、
前記測定管の延伸方向に互いに離間して取り付けられて前記矩形波信号を前記液体に印加する第1および第2の電極と、
前記第1および第2の電極から検出した検出信号を安定化して出力するバッファアンプと、
前記バッファアンプの出力をサンプリングすることにより前記検出信号の振幅を検出する検出回路と、
前記振幅に基づいて前記液体に関する電気伝導率を演算処理により求める演算処理回路と、
前記測定管と直交し、かつ、前記第1および第2の電極の両電極間に配置されたプリント配線基板とを備え、
前記信号生成回路および前記バッファアンプのうち、少なくともいずれか一方または両方が、前記プリント配線基板に搭載されている
ことを特徴とする電気伝導率計。 - 請求項1に記載の電気伝導率計において、
前記信号生成回路は、前記矩形波信号として一定振幅を有する交流の矩形波電圧からなる矩形波定電圧信号を生成することを特徴とする電気伝導率計。 - 請求項1に記載の電気伝導率計において、
前記信号生成回路は、前記矩形波信号として一定振幅を有する交流の矩形波電流からなる矩形波定電流信号を生成することを特徴とする電気伝導率計。 - 請求項1~請求項3のいずれかに記載の電気伝導率計において、
前記第1の電極は、前記液体と接液する接液電極からなり、前記第2の電極は、前記測定管の外周部に形成されて、前記液体と接液していない非接液電極からなることを特徴とする電気伝導率計。 - 請求項1~請求項4のいずれかに記載の電気伝導率計において、
前記プリント配線基板は、前記測定管が挿入される管孔を有し、前記管孔と前記測定管の外周面とが当接することにより、前記外周面に取り付けられることを特徴とする電気伝導率計。 - 請求項1~請求項5のいずれかに記載の電気伝導率計において、
前記プリント配線基板のパターン面に、前記第1および第2の電極への電極配線を接続するための電極接続端子と、前記信号生成回路および前記バッファアンプのうち、少なくともいずれか一方または両方と前記電極接続端子とを接続するための配線パターンとが形成されていることを特徴とする電気伝導率計。
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