JPH02179480A - 電気伝導度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、液体の電気伝導度測定装置に係り、特に、交
流電圧印加方式に好適な位相補正回路を備えた電気伝導
度測定装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、大きな電気伝導度を有する電解液の微小な電気伝
導度変化を測定するには、電解液を入れた測定セルに印
加した電圧と同じ電圧を反転して、抵抗器に印加し、こ
の抵抗器からの出力電流と測定セルからの出力電流とを
加算するようにしている。

そして、前記従来技術においては、電気伝導度の微小な
変化前に、前記抵抗器の抵抗値を変えて。

加算器の出力を零にし、その後の加算器出力の変化分が
電気伝導度の変化分に比例するようにしている。

なお、この種技術に関する先行技術は、たとえば「電気
伝導度検出器」と題する特開昭６２−１６７４５６号公
報に記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

電気伝導度測定装置に関する従来技術は以上のごときで
あるが、従来においては、測定セルの周辺に生ずる分極
作用による静電容量についての配慮に欠ける憾みがあり
、測定セルの周辺に生ずる分極作用による静電容量があ
ると、前記測定セルは、純抵抗としてではなく、抵抗と
コンデンサとの複合回路として扱わなければならず、そ
の結果。

測定セルに印加する電圧と測定セルを流れる電流との間
に位相差が生じ、またバックグランド補正用の抵抗器を
流れる電流と測定セルを流れる電流との間にも位相差が
生じ、バックグランド補正用の抵抗値を変えても、補正
回路出力を零にすることはできない。

ところで、測定セルに印加する交流電圧の位相に合わせ
て同期整流をおこなうなどの整流手段を用いることによ
り、前記補正回路出力を見かけ上客にすることはできる
。なお、ここで得られるバランス点は、同位相の正弦波
を減算することで振幅も零になった場合と異なり、異な
った位相の正弦波を加算することにより同期整流の位相
とπ／２（９０”）異なった正弦波が合成されて、直流
成分が零となったときである。したがって、交流信号と
しては大きな信号が残り、高感度分析をおこなうために
ゲインを上げると、演算回路が飽和し易くなるという開
運かある。また、前記した従来技術においては、大きな
信号を同期整流するため、位相の変動がノイズとして出
力され、高いＳ／Ｎ比を得ることができない。

本発明の目的は、各種電解液の電気伝導度変化に際し、
位相を合わせた完全なバックグランド補正をおこない、
高感度分析をおこなうためにゲインを上げても、演算回
路を飽和させることがなく。

したがって大きな電気伝導度を有する電解液の微小な電
気伝導度変化を測定することができ、これに加えて、常
時、交流成分、直流成分を零に近い領域で使用すること
により、同期整流の位相ずれがノイズにならない、高い
Ｓ／Ｎ比を得ることのできる電気伝導度測定装置を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的は、セルに印加する信号よりバックグランド補
正電流を作成する電気伝導度測定装置において、電解液
に依存する静電容量によって生ずる位相を補正する位相
補正回路を付加することによって達成される。

これを換言すると１本発明は、液体の中に複数の電極を
配置し、これら複数電極間に交流電圧を印加して、前記
電極間に流れる電流を測定することにより、前記電極間
の液体の電気伝導度を測定する電気伝導度測定装置にお
いて、信号電流の大きさと位相とを可変とする調整手段
を備えた基準交流電源を有し、前記電極からの電流に、
前記基準交流電源からの電流を加算して、バックグラン
ドの伝導度を補正するよう構成することによって達成さ
れる。

すなわち、ベクトル合成の原理から、同一周波数の信号
を加算して、その加算する信号の大きさと位相とを変え
ることにより、任意の位相を作ることができる。

しかして１本発明は、前記ベクトル合成の原理を利用し
たものであって、測定セルに印加する交流電圧から、セ
ルに流れる交流電流と位相がπ（１８０°）異なりかつ
、大きさが等しい電流を合成し、セルからの電流に加算
することにより、直流的にも交流的にも信号を零にする
ことができる。また、この状態では、信号が小さいため
、ゲインを大きくし、微小なセル電流、すなわちセル電
流に比例した電気伝導度の微小な変化を測定することが
できる。さらに、前記バックグランド補正をおこなった
後の信号は、交流的にも零であるため、同期整流の位相
変化は、ノイズやドリフトの原因とはならない。

〔作用〕

ここで、本発明の作用を詳述すると、測定セルに印加さ
れる電圧Ｖｃ（ω）は１次のとおりである。

Ｖｃ（ω）＝Ｖｃｓｉｎωｔ ただし、ｖｃ：セルに印加する電圧の最大値ω　：セル
に印加する電圧の角速度 ｔ　：時間 セルに流れる電流Ｉｃ（ω）は、 Ｉ　Ｃ！（（１）　）＝　Ｋ　ａ　Ｖｃｓｉｎ（（１１
を十〇）ただし、Ｋ：比例定数 σ：電気伝導度 θ：セルが有する静電容量により生ず る位相ずれ セルの電気伝導度がσから（σ＋Δσ）に変化すると、 ＩＣ（（１１）’　　＝Ｋ（ｒ＋Δａ　）ｓｉｎ（ωを
十〇）となり、セル電流の変化分が電気伝導度の変化分
に比例する。高感度で測定をおこなう場合、高いゲイン
で増幅する必要があるが、一般に、σ）Δσであるため
、σ成分のために演算回路が飽和してしまい、ゲインを
高めることはできない。

このため、σ成分の項を除去するための信号を作成し、
前記セル電流から減することで、Δσ酸成分項だけ・に
するバックグランド補正が従来からおこなわれている。

そして、従来においては、前記したσ成分の項を除去す
るための信号を、セルに印加する電圧Ｖｃ（ω）より、
反転用増幅器と抵抗器とを用いて作っている。

この方法では、電気伝導度がσのとき。

Ｉｏ＝Ｋ　ａ　Ｖｃｓｉｎ（ωｔ　＋　０）−Ｂｅｖｃ
ｓｉｎωｔ＝Ｃｓｉｎ（ωｔ＋α） となる。

ただし、工０　：補正後の出力 Ｂ　：補正用電流の比例係数 ここで、Ｂの値を可変とし、Ｂ＝にσｃｏｓθとなるよ
うにすると、αニーとなり、 となる。

この状態では、同期整流の位相に対して−ずれるので、
直流成分は零となり、バックグランドの補正をおこなう
ことができる。

しかしながら、演算回路には、振幅がＶｃ・Ｋσｓｉｎ
θの交流成分が残っている。

ただし、一般に、θは小さいので、補正の前に比較して
振幅を小さくすることはできる。

しかし、さらに高感度で測定をおこなう場合には問題と
なる。

そこで１本発明では、移相回路を用いてＶｃ（ω）と位
相の異なる信号を作成加算し、補正電流ＩＣを作る。

すなわち、 ＩＣ＝ａ・■ｃｓｉｎωｔ＋ｂＩｖｃｓｉｎ（ωｔ＋β
）＝（ａ＋ｂ−ｃｏｓβ）”＋　ｂ　−５ｉｎβ・Ｖｃ
−ｓｉｎ（ωｔ＋β′）ａ　＋　ｂ　ｃｏｓβ となり、ａ、ｂの値を変化させることにより、任意の信
号を作成することができる。

そこで、バックグランドのセル電流と振幅とは同じで、
位相がπ異なったものにする。

すなわち、 ａ　＋　ｂ　ｃｏｓβ そして、この補正電流をセル電流に加算することで、交
流、直流成分共に零にすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を、図面にもとづいて説明すると、第１図
は本発明に係る電気伝導度測定装置の一実施例を示すブ
ロック回路図である。

第１図において、１は測定セル、２は電解液、３は第１
電極、４は第２電極、５は第３電極、６は第４電極、７
は差動増幅器、８は印加電圧発生回路である。

１３は補正電流発生回路で、補正電流発生回路１３は、
移相器９と、混合比調整器１０と、加算器１１と、バッ
クグランド補正量調整器１２とによって構成されている
。

１４は電流加算器、１５は電流電圧変換器、１７は同期
整流ゲート信号発生回路、１８は同期整流回路、１９は
出力信号を示している。

すなわち、測定セル１は、電ＦＡ３〜６を備え、この中
を電解液２が流れる。そして、第４電極６をアース電位
とし、第１電極３に交流電圧を印加する。

印加電圧発生回路８は、差動増幅器７の信号により制御
され、セル１の第２電極４と第３電極５間の電位差の振
幅が一定となるよう動作している。

したがって、差動増幅器７の出力も常に一定振幅の電圧
、すなわち第２．第３電極４，５間の電位差に相当する
交流電圧が出ている。

セル１から流れる電流は、電流電圧変換回路１５により
電圧に変換され、同期整流回路１８により直流に変換さ
れ、出力１９となる。

そして、以上のことから、次のような式が成立する。

Ｉ　ｃ＝　ｃｔ　ｚｓ　′Ｖｃｚａ ｃｔ　ｘｓ＝　Ｉ　ｃ／　Ｖ（！２８ ＶＣ２，８は一定であることから、 σｚａｃｃＩｃ ただし、Ｉｃ　：セルの電流 σ２８＝第２電極４と第３電極５間の 電気伝導度 Ｖｃｚａ　：第２電極４と第３電極５間の電位差 となり、セル１の電流を測定することで、電解液２の電
気伝導度を測定することができる。

そして、微小な電気伝導度の変化を高感度で測定する場
合、測定回路のゲインを高める必要がある。

しかし、バックグランドとして変化の生ずる前の電気伝
導度が大きい場合、セル電流が大きく、単にゲインを高
めたのでは、測定回路が飽和してしまう。

このため、従来においては、第２図に示すように、セル
１に加える電圧と同じ大きさの電圧を反転増幅器１６で
反転して抵抗器１２に加え、抵抗器１２からの電流をセ
ル電流に加算する。そして、このとき、抵抗器１２の電
気伝導度がセル１の電気伝導度に等しくなると、電流加
算器１４の出力は零となり、ゲインを高めても以後の回
路は飽和することがなくなり、この調整をバックグラン
ド補正と称している。

ところで、前記バックグランド補正をおこなった後の電
流加算器１４の出力は、その後の電気伝導度の変化量に
比例した量となる。

そして、従来の測定回路（第２図）が正しく動作するの
は、第３図（ａ）の等価回路に示すような純抵抗モデル
で表わされる場合のみであるが、実際の測定セルでは、
電極周辺に電気二重層や分極作用により静電容量が生じ
てくる。このため、実際の等価回路は、第３図（ｂ）に
示すような抵抗と静電容量との複合回路となる。なお、
この静電容量は、電解液の濃度や種別に依存する。

しかして１以上のような状態において、従来の方式でバ
ックグランドの補正をおこなった場合の動作を第４図に
示す。

第４図において、Ｉｃは測定セルを流れる電流で、セル
に印加する電圧よりθ分位相がずれる。

Ｉｓはバックグランド補正用の電流で、セルに印加する
電圧とπ（１８０・°）位相を変えた信号であり、Ｉｓ
の振幅を順に大きくして行くと、ベクトル合成値、すな
おちバックグランド補正後の出力Ｉｏは、その位相角が
θから順次Ｉｓ側に回転点で出力信号Ｉｏを電圧に変換
後、同期整流をおこなった波形が第６図（ｃ）である、
なお、第６図（ａ）はＩｏを電圧に変換した波形である
。また、第６図（ｂ）は同期整流のゲート波形である。

第６図（０）かられかるように、バックグランをおこな
うと、出力の直流成分は零となり、これが従来のバック
グランド補正である。

ただし、前記した従来技術において、バックグランド補
正用の電流Ｉ’ｓは、測定セルの電流位相と合わないた
め、交流、直流成分共に零にすることはできない。

これに対し、本実施例では、第１図の補正電流発生回路
１３内に移相器９を設け、補正電流とセル電流との位相
を合わせるようにしている。

なお、第１図の補正電流発生回路１３は、第５図に示す
ように構成されている。

第５図において、２０はセル印加電圧、２１は抵抗器、
２２はコンデンサ、２３は抵抗器、２４は演算増幅器、
２５はポテンショメータ、２６および２７は抵抗器、２
８は可変抵抗器、２９は演算増幅器、３０は抵抗器、３
１は補正電流を示している。

そして、演算増幅器２４は高域濾波器を構成しており、
コーナ周波数は、測定セルへの印加電圧に合わせである
。なお、コーナ周波数は、その位相角が−π（１３５”
）ずれることが一般に知られており、前記高域濾波器の
出力と入力信号とを加算するのが演算増幅器２９である
。

ポテンショメータ２５は、前記信号加算時における混合
比を変えるために使用される。

２つの位相の異なる信号を加算する演算増幅器２９は、
ベクトル合成器として動作し、混合比を変えることによ
り、０〜−πまでの任意の信号を作り出すことができ、
この位相角をｒＪＲ１！シ、補正電流Ｉｓの位相をセル
電流に合わせる。ただし。

演算増幅器２９は反転増幅器であるため、補正電流Ｉｓ
は、セル電流ＩＣとπ（１８０”）位相の異なった信号
となる。

次に、第５図の可変抵抗器２８を調整し、セル電流の振
幅と補正電流Ｉｓの振幅とを同じにし、この状態でＩｓ
とＩｃとを加算すると、交流成分。

直流成分共に零にすることができる。

すなわち、電気伝導度測定装置各部で発生する各種信号
の振幅と位相調整との関係を示す第６図において、まず
、従来と同様、補正電流の振幅を調整しく第５図６可変
抵抗シ８を調整し）、第６図（Ｑ）のごとく、直流成分
が零となるようにする０次に、同期整流の位相をπ／２
（９０’）ずらす（第６図（ｄ）がゲート信号を示す）
、なお、このときの同期整流出力は、第６図（ａ）のよ
うになる、ここで、第５図のポテンショメータ２５を調
整し、同期整流の直流成分が零となるように（出力波形
が第６図（ｆ）となるように）する０次に、再度、同期
整流の位相を戻し、出力の直流成分が零となるように、
第５図の可変抵抗器２８を調整し、以上でセル電流、補
正電流の位相、振幅共に合わせることができる。

なお、前記本発明は、自動調整化に適しているものであ
るが、第７図に示すように、第５図に符号２５で示すポ
テンショメータや可変抵抗２６を、Ｄ／Ａ変換器３３に
入れ替えることもできる。第７図中、第１図および第５
図と同一符号は同一部分、３２は位相角調整データ、３
４は抵抗器、３５は補正電流値調整データ、３６はＤ／
Ａ変換器、３７は比較器、３８は制御部、３９はセル電
流を示している。

〔発明の効果〕

本発明は以上のごときであり、本発明によれば、各種電
解液の電気伝導度変化に際し、位相を合わせた完全なバ
ックグランド補正をおこない、高感度分析をおこなうた
めにゲインを上げても、演算回路を飽和させることがな
く、したがって大きな電気伝導度を有する電解液の微小
な電気伝導度変化を測定することができ、これに加えて
、常時、交流成分、直流成分を零に近い領域で使用する
ことにより、同期整流の位相ずれがノイズにならない、
高いＳ／Ｎ比を得ることのできる電気伝導度測定装置を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電気伝導度測定装置の一実施例を
示すブロック回路図、第２図は従来使用されている電気
伝導度測定装置の内部構成を示すブロック回路図、第３
図（ａ）は電気伝導度測定装置に使用される測定セルの
理想的な等価回路図、第３図（ｂ）は同上セルの実際の
等価回路図、第４図は電気伝導度測定装置のバックグラ
ンド補正をおこなう場合の動作（補正信号の合成）説明
図、第５図は第１図に符号１３で示す補正電流発生回路
の詳細図、第６図（、）〜（ｆ）はそれぞれ電気伝導度
測定装置各部で発生する各種信号の振幅と位相調整との
関係を説明する信号波形図、第７図は本発明の他の実施
例を示す第５図に相当するブロック回路図である。 １・・・測定セル、２・・・電解液、３・・・第１電極
、４・・・第２電極、５・・・第３電極、６・・・第４
電極、７・・・差動増幅器、８・・・印加電圧発生回路
、９・・・移相器、１０・・・混合比調整器、１１・・
・加算器、１２・・・バックグランド補正量調整器、１
３・・・補正電流発生回路、１４・・・電流加算器、１
５・・・電流電圧変換器、１６・・・反転増幅器、１７
・・・同期整流ゲート信号発生回路、１８・・・同期整
流回路、１９・・・出力信号、２０・・・セル印加電圧
、２１・・・抵抗器、２２・・・コンデンサ、２３・・
・抵抗器、２４・・・演算増幅器、２５・・・ポテンシ
ョメータ、２６・・・抵抗器、２７・・・抵抗器、２８
・・・可変抵抗器、２９・・・演算増幅器、３０・・抵
抗器、３１・・・補正電流、３２・・・位相角調整デー
タ、３３・・・Ｄ／Ａ変換器、３４・・・抵抗器、３５
・・・補正電流値調整データ、３６・・・Ｄ／Ａ変換器
、３７・・・比較器、３８・・・制御部、３９・・・セ
ル電流。 ↓〜２ 馬２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セルに印加する信号よりバックグランド補正電流を
   作成する電気伝導度測定装置において、電解液に依存す
   る静電容量によつて生ずる位相を補正する位相補正回路
   を付加したことを特徴とする電気伝導度測定装置。 ２、液体の中に複数の電極を配置し、これら複数電極間
   に交流電圧を印加して、前記電極間に流れる電流を測定
   することにより、前記電極間の液体の電気伝導度を測定
   する電気伝導度測定装置において、信号電流の大きさと
   位相とを可変とする調整手段を備えた基準交流電源を有
   し、前記電極からの電流に、前記基準交流電源からの電
   流を加算して、バックグランドの伝導度を補正するよう
   構成したことを特徴とする電気伝導度測定装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載の発明において、信号位
   相を可変とする手段を備えた同期整流回路を有し、この
   同期整流回路は、バックグランドの補正時、基準交流電
   源からの電流の大きさの調整と位相の調整とをおこない
   、信号電流の大きさの調整は、同期整流の位相調整を、
   電極に印加する電圧の位相と同位相でおこなつて、前記
   同期整流回路の出力を最小とし、かつ前記信号電流の位
   相の調整は、同期整流の位相調整を、電極に印加する電
   圧の位相とπ／２（９０°）変えておこなつて、前記同
   期整流回路の出力を最小とするバックグランド補正回路
   を備えた電気伝導度測定装置。 ４、特許請求の範囲第２項または第３項記載の発明にお
   いて、基準交流電源は、電極に印加する交流電圧信号を
   、高域濾波器を用いた位相を変える移相器、さらにはこ
   の移相器からの信号と電極に印加する交流電圧信号との
   混合比率を変える手段を有する加算器で構成した電気伝
   導度測定装置。 ５、特許請求の範囲第２項または第３項記載の発明にお
   いて、信号位相を変える手段と振幅を変える手段として
   、それぞれＤ／Ａ変換器を用い、かつ前記Ｄ／Ａ変換器
   および同期整流回路の位相を制御する制御部を備え、前
   記制御部は、同期整流の位相をπ／２にして、同期整流
   出力の直流成分を零にするためと、位相制御用Ｄ／Ａ変
   換器のデータを変化させ、次に同期整流の位相を零にし
   て、同期整流の出力を零にするために、振幅調整用Ｄ／
   Ａ変換器のデータを変えるよう構成した電気伝導度測定
   装置。