JPH0618394A - 濃度センサー - Google Patents

濃度センサー

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JPH0618394A
JPH0618394A JP17418892A JP17418892A JPH0618394A JP H0618394 A JPH0618394 A JP H0618394A JP 17418892 A JP17418892 A JP 17418892A JP 17418892 A JP17418892 A JP 17418892A JP H0618394 A JPH0618394 A JP H0618394A
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忠正 芥川
Shigeru Sano
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡素な構造を有し、小型化が容易であり、高
精度の測定を行なうことができ、衛生面からも安心して
用いることができる濃度センサーを提供することことで
ある。 【構成】 被検知物質(例えばアルコール)の濃度の変
化に応じて固有振動数が変化する水晶振動子(水晶振動
板10、電極12、13等)と、水晶振動子を発振させ
る発振回路とを備え、水晶振動子を混合溶液に浸漬させ
て発振させ、その時の水晶振動子の固有振動数を求める
ことによって混合溶液中の被検知物質の濃度を求めるよ
うにしたことを特徴とする濃度センサーである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、所定の溶媒に所定の被
検知物質が溶解してなる混合溶液中の被検知物質の濃度
を検知するセンサーに関するものである。
【0002】
【従来の技術】醸造や発酵の工程においては、工程管理
や品質管理の目的で、アルコール濃度が随時測定されて
いる。一般的には、測定対象を定期的に一定量抜き採っ
て定量分析により測定している。最近では、この測定工
程を自動化する目的で、アルコール濃度センサーが用い
られている。従来のアルコール濃度センサーの原理は、
醸造槽内部の滞留している空気又はアルコール溶液に強
制的にバブリングした空気を吸引して高温状態にある酸
化錫半導体に接触させ、その電導度変化を求めるという
ものであった。
【0003】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、上記
原理に基づくアルコール濃度センサーでは、吸引ポンプ
やその周辺機器を要するため、小型化が困難であった。
また、吸引風量を定量的に制御することが困難であるた
め、高精度の測定は不可能であった。また、ビールのよ
うな稀薄なアルコール水溶液では、精度が著しく低下し
て実用的ではなかった。一方、アルコール濃度センサー
は、食品や医薬の分野で用いられることが多く、高度に
衛生的であることが要求されるが、この要求はアルコー
ル濃度センサーの実用化を妨げる一因でもあった。更
に、アルコールに限らず、他の物質の濃度を検知するの
に広く用いることのできる濃度センサーが望まれてい
る。
【0004】本発明は、簡素な構造を有し、小型化が容
易であり、高精度の測定を行なうことができ、衛生面か
らも安心して用いることができる濃度センサーを提供す
ることを目的とする。
【0005】
【問題点を解決するための手段】本発明の濃度センサー
は、所定の溶媒に所定の被検知物質が溶解してなる混合
溶液中の被検知物質の濃度を検知する濃度センサーにお
いて、被検知物質の濃度の変化に応じて固有振動数が変
化する水晶振動子と、水晶振動子を発振させる発振回路
とを備え、水晶振動子を混合溶液に浸漬させて発振さ
せ、その時の水晶振動子の固有振動数を求めることによ
って混合溶液中の被検知物質の濃度を求めるようにした
ことを特徴とするものである。
【0006】
【作用】発振回路により水晶振動子を発振させると、混
合溶液からの反作用により水晶振動子の固有振動数が変
化する。この反作用は、被検知物質の濃度に応じて変化
する混合溶液の粘度に基づくものである。従って、固有
振動数の変化は被検知物質の濃度の変化に応じたもので
あるため、固有振動数を求めれば被検知物質の濃度が求
まることとなる。
【0007】
【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。なお、本発明は、これらの実施例に限られるもので
はない。本実施例は、被検知物質がアルコールである濃
度センサーに関するものである。図1は本実施例の濃度
センサーを備えた液口栓を示す部分縦断面図、図2は図
1の一部拡大図である。この液口栓5の蓋部51は従来
の液口栓と同じものであり、このため本実施例の濃度セ
ンサーは従来の液口栓をそのまま利用して設けられてい
る。本実施例の濃度センサーは、水晶振動板10、図3
に示す発振回路20に加え、図4に示すインターフェー
ス回路30を備えている。
【0008】水晶振動板10は一般には8mm以下の円
板である。発振回路20及びインターフェース回路30
は一つの集積回路に組込まれて液口栓5の蓋部51に内
蔵されている。11は蓋部51から鉛直に延びた保持管
であり、水晶振動板10は保持管11の下端開口を塞ぐ
ように水平に設けられている。なお、水晶振動板10は
例えば紫外線硬化樹脂のような接着剤16により保持管
11に取付けられており、これにより保持管11は内部
にアルコール溶液が侵入しないようシールされている。
【0009】水晶振動板10にはその両面に導電性薄膜
からなる電極12、13が設けられており、これにより
固有の振動形態を有する電気・機械振動子として作動す
る水晶振動子が構成されている。電極12は水晶振動板
10の内面に設けられており、電極13は外面から内面
にかけて設けられている。なお、電極12、13は金を
蒸着して形成されている。電極12、13にはリード線
14、15の一端が導電性接着剤により接続されてい
る。リード線14、15の他端は発振回路20に接続さ
れている。
【0010】水晶振動板10を構成する水晶は圧電性を
有する二酸化ケイ素の単結晶である。結晶軸に関し種々
の角度で切出した水晶板は、Z軸に垂直な面を有するも
のは別として、上述した水晶振動子を構成する。例えば
X軸に垂直な面を有するものは板の厚み方向に縦振動を
し、Y軸に又はY軸とZ軸の中間の方向に垂直な面を有
するものは厚み方向にすべり振動をする。すべり振動を
するものの内、Y軸に垂直な面を有するものはYカッ
ト、−Y軸とZ軸の中間でZ軸と55度付近の方向に垂
直な面を有して温度係数が小さいという特徴を有するも
のはATカットと呼ばれる。本発明の水晶振動板10
は、すべり振動をするものの内から最適の温度係数即ち
後述するようにアルコール比重の温度係数を相殺する温
度係数を有するものを選択して用いている。また、水晶
振動板10の厚さは、固有振動数が板の厚みに関係する
ので、必要な振動数から逆に求めて決定している。
【0011】保持管11は、線膨脹係数が水晶振動板1
0にできるだけ近い値を有するガラスでできている。こ
れは線膨脹係数が歪みを通して水晶振動板10の固有振
動数に影響を与えることを考慮したことによる。
【0012】発振回路20を示す図3において、21は
演算増幅器である。この回路は、電極13が接地状態で
あっても発振動作させることができるという特徴を有し
ている。
【0013】インターフェース回路は、上述したような
発振回路20で得られた周波数を分周し、又は減算し、
又は周波数・電圧変換し、又は周波数・電流変換するこ
とにより、遠隔地に伝送することを容易にし、又は測定
値の温度係数を改善し、又は伝送先での受信方式に適合
させるためのものであり、具体的には図4に示す回路構
成を有している。即ち、インターフェース回路30は、
異なる2つの発振回路20の出力周波数をデータラッチ
31、32からなる減算計数回路を通すことにより、水
晶振動子の固有振動数の温度係数を相殺し、同時にアル
コール溶液の温度変化分だけを抽出し、振動数の数値そ
のものを小さくするようになっている。また、データラ
ッチ32の出力は、伝送に際しての耐ノイズ性を増すた
めにラインドライバー33を通して送信されるようにな
っている。
【0014】次に作動について説明する。なお、測定対
象はエタノール水溶液中のエタノール濃度とした。水晶
振動板10及び電極12、13からなる水晶振動子をエ
タノール水溶液中に浸漬した状態で、発振回路20によ
り発振させると、水晶振動子はエタノール水溶液中にそ
の粘度を通して横波を励起し、その反作用としてエタノ
ール水溶液は水晶振動子の負荷となり水晶振動子の固有
振動数を低下させる。このときの振動数の変化分は理論
的にはエタノール水溶液の比重と粘性係数との積の平方
根に比例することがわかっている。上記振動数の変化分
は、温度変化に基づくエタノール水溶液の比重と粘性係
数との変化の影響を被るが、本発明では上記温度変化に
基づく影響を相殺する温度係数を水晶振動板10即ち水
晶振動子自身に積極的に持たせているので、エタノール
濃度の測定における温度変化に基づく誤差は減少する。
【0015】図5は上記構成の濃度センサーを用いてエ
タノール濃度の異なる複数のエタノール水溶液を測定し
た結果を示す図である。エタノール水溶液では、エタノ
ール濃度(重量%)と密度(g/cm3)との関係が破
線Aに示すように直線関係にあり、エタノール濃度と周
波数(KHz)即ち水晶振動子の振動数との関係が実線
Bに示すように略直線関係にある。即ち、水晶振動子の
振動数はエタノール濃度の変化に伴なって一価関数的に
変化している。従って、水晶振動子の振動数を求めれ
ば、アルコール濃度が求められることとなる。
【0016】また、発振回路20及びインターフェース
回路30が蓋部51に内蔵されており、従って測定を行
なう部分の極めて近傍に位置しているので、この間にお
ける電気ノイズの影響は非常に小さくなる。しかも、イ
ンターフェース回路30により電気ノイズに強い信号形
式で伝送されるので、データ処理装置が距離を置いて設
けられていても、その間における電気ノイズの影響は小
さくなる。
【0017】
【別の実施例】なお、上記実施例では、水溶液中のアル
コール濃度を検知しているが、アルコールが混合されて
いる媒体は水に限るものではなく、有機溶媒等の他の媒
体であってもよい。但し、アルコールを混合した場合の
混合溶液の粘度が、アルコール濃度に応じて変化するも
のである必要がある。
【0018】更に、上記実施例では、被検知物質がアル
コールであり、混合溶液の媒体が水であるが、上記実施
例の構成の濃度センサーは、例えば、(1)混合溶液が
尿であり、被検知物質が塩分である場合、(2)混合溶
液が血液であり、被検知物質が鉛及び鉄分である場合に
も、用いることができる。尿の比重、粘度が塩分に応じ
て変化すること、血液の比重、粘度が鉛及び鉄分に応じ
て変化すること等は、よく知られていることである。
【0019】また、図6に示す構成の発振回路20を用
いてもよい。22、23はインバーターである。
【0020】また、保持管11の下端部の形状を変え
て、水晶振動板10を斜めに設けてもよい。これによれ
ば、アルコール溶液中の気泡が水晶振動板10に付着す
るのが防止され、気泡の付着により水晶振動板10の動
作が妨げられるのが防止される。
【0021】また、リード線14、15は、保持管11
の内面に導電性インク等で印刷したり、蒸着法、スパッ
タ法等で堆積させたり、導体箔を接着剤で固定したりし
て構成してもよい。これによれば、生産性や耐振動性を
向上させることができる。
【0022】
【発明の効果】以上のように本発明の濃度センサーによ
れば、混合溶液中で発振させた水晶振動子の固有振動数
を求めることによって被検知物質例えばアルコールの濃
度を求めることができる。従って、例えばアルコール醸
造作業の効率化を図ることができる。
【0023】そして本発明では、濃度センサーを、発振
回路と混合溶液中に浸漬する水晶振動子とで構成してい
るので、構成が簡単である。しかも、水晶振動子は小さ
な水晶振動板と両面の電極とで構成できるので、小型化
が可能であり、例えば従来の液口栓を利用して設けるこ
とができ、生産性が良く、安価である。また、従来の例
えばアルコール反応容器等にも容易に実用できる。
【0024】水晶振動子に、被検知物質の比重の温度係
数を相殺する温度係数を持たせたので、温度変化に基づ
く誤差を減少させて、固有振動数を正確に測定でき、従
って、被検知物質の濃度を正確に求めることができる。
【0025】保持管11がガラスでできており、電極1
3が金でできており、水晶振動板10はもちろん水晶で
できている。これらの材料はその化学的性質から衛生面
において安心して用いることのできるものである。しか
も、これらから構成された部分のみが混合溶液に接触す
るようになっている。従って、高度に衛生的であること
が要求される食品や医薬の分野においても好ましく用い
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の濃度センサーを備えた液口栓を示す
部分縦断面図である。
【図2】 図1の一部拡大図である。
【図3】 発振回路を示す回路図である。
【図4】 インターフェース回路を示す回路図である。
【図5】 本発明の濃度センサーを用いてアルコール濃
度の異なる複数のアルコール溶液を測定した結果を示す
図である。
【図6】 発振回路の別の例を示す回路図である。
【符号の説明】
10 水晶振動板 11 保持管 12、13 電極 20 発振回路

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所定の溶媒に所定の被検知物質が溶解し
    てなる混合溶液中の被検知物質の濃度を検知する濃度セ
    ンサーにおいて、被検知物質の濃度の変化に応じて固有
    振動数が変化する水晶振動子と、水晶振動子を発振させ
    る発振回路とを備え、水晶振動子を混合溶液に浸漬させ
    て発振させ、その時の水晶振動子の固有振動数を求める
    ことによって混合溶液中の被検知物質の濃度を求めるよ
    うにしたことを特徴とする濃度センサー。
  2. 【請求項2】 被検知物質が、アルコールである請求項
    1記載の濃度センサー。
  3. 【請求項3】 混合溶液が、尿であり、被検知物質が、
    塩分である請求項1記載の濃度センサー。
  4. 【請求項4】 混合溶液が、血液であり、被検知物質
    が、鉛及び鉄分である請求項1記載の濃度センサー。
  5. 【請求項5】 水晶振動子に、被検知物質の比重の温度
    係数を相殺する温度係数を持たせた請求項1記載の濃度
    センサー。
  6. 【請求項6】 水晶振動子は水晶振動板の両面にそれぞ
    れ電極が設けられて構成されており、各電極は発振回路
    に電気的に接続されており、水晶振動板は片面のみが混
    合溶液に接触するよう設けられている請求項1記載の濃
    度センサー。
  7. 【請求項7】 混合溶液に浸漬させる浸漬部は筒体から
    なっており、水晶振動子は水晶振動板の両面にそれぞれ
    電極が設けられて構成されており、水晶振動板は上記筒
    体の下開口を塞いで上記筒体内をシールするよう設けら
    れており、各電極は上記筒体内を通るリード線を介して
    発振回路に電気的に接続されており、上記筒体はガラス
    でできており、電極は金でできている請求項1記載の濃
    度センサー。
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