JPH0676854U - イオン濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 接地電極の単極電位の低周波領域における変
動がイオン濃度測定出力に与える悪影響を除去する。 【構成】 差動増幅回路４によるｐＨ値等のイオン濃度
測定回路と、接地電極と各測定電極の間に独立して流れ
る交流電流に基き各電極のインピーダンスを測定する測
定回路１，２と、差動増幅回路４の入力側フィルタコン
デンサＣ_fG，Ｃ_fRと、インピーダンス測定回路１，２の
入力側直流カットコンデンサＣ_iG，Ｃ_iRとを備えたイオ
ン濃度測定装置に関する。接地電極単極電位Ｖ_Eと、比
較電極単極電位Ｖ_Rとの和にほぼ等しい参照電位Ｖ_REFを
生成するオペアンプＱ₂と、参照電位Ｖ_REFのうち矩形波
発生回路３による信号周波数より低い周波数成分のみを
通過させるローパスフィルタ５とを有し、ローパスフィ
ルタ５を経た参照電位Ｖ_REFを、ガラス電極側の直流カ
ットコンデンサＣ_iG及びフィルタコンデンサＣ_fGの基準
電位とする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、差動増幅回路を用いたイオン濃度測定回路と、交流電流により測定 電極のインピーダンスを測定するインピーダンス測定回路とを備えたイオン濃度 測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

図４は、本出願人により出願された実開平４−１３１７６４号に係るこの種の イオン濃度測定装置を等価的に示したものである。 このイオン濃度測定装置はｐＨ測定装置に関するもので、測定液にガラス電極 、比較電極及び接地電極を浸漬し、高入力抵抗の差動増幅回路によりｐＨ値を測 定すると共に、ガラス電極及び比較電極にそれぞれ交流電流を流してこれらの電 極のインピーダンスを測定することにより、電極の異常を検出可能としている。

【０００３】 なお、図４において、Ｖ_G，Ｖ_R，Ｖ_Eはそれぞれガラス電極，比較電極、接地 電極の単極電位、Ｚ_G，Ｚ_Rは測定対象であるガラス電極，比較電極のインピーダ ンス、Ｚ_Eは接地電極のインピーダンス、Ｔ_Gはガラス電極接続端子、Ｔ_Rは比較 電極接続端子、Ｔ_Eは液アース端子、Ｃ_iG，Ｃ_iRは直流カットコンデンサ、Ｃ_fG ，Ｃ_fRはそれぞれ抵抗Ｒ₁，Ｒ₂と共に前置フィルタを構成するフィルタコンデン サ、Ｑ₁，Ｑ₂，Ｑ₃はｐＨ値測定用の差動増幅回路４を構成するオペアンプ、１ はガラス電極のインピーダンス測定回路、２は比較電極のインピーダンス測定回 路、３はインピーダンス測定用の交流電流を出力する矩形波発生回路である。

【０００４】 この動作を略述すると、矩形波発生回路３による交流電流は、接地電極から測 定液を介してガラス電極及び比較電極へそれぞれ独立して流れる。これらの交流 電流は高入力抵抗の差動増幅回路４の入力側を経て、直流カットコンデンサＣ_iG ，Ｃ_iRを介しインピーダンス測定回路１，２に流入し、各電極のインピーダンス に対応する直流電圧に変換される。従って、この直流電圧を監視することにより 、電極の異常を検出することができる。 なお、インピーダンス測定回路１，２は電流電圧変換を行うオペアンプと整流 平滑回路からなっており、前記オペアンプの基準電位は回路の共通電位となって いる。

【０００５】 差動増幅回路４の両入力端子にはそれぞれガラス電極の電位（Ｖ_G＋Ｖ_E）と比 較電極の電位（Ｖ_R＋Ｖ_E）が加わり、接地電極の単極電位Ｖ_Eが打ち消される結 果、電位差（Ｖ_G−Ｖ_R）が測定液のｐＨ対応値としてオペアンプＱ₃から出力さ れるため、ガラス電極、比較電極のインピーダンス測定及びｐＨ値の測定を同時 並行的に行うことができる。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

ところで、接地電極の単極電位Ｖ_Eは、測定液に浸漬される接地電極の酸化還 元作用等により、測定液の種類や同一種類の測定液でも経時的原因によって変動 するものである。 いま、図４の差動増幅回路４において、その入力側のインピーダンスがガラス 電極側と比較電極側とで等しいとすると、単極電位Ｖ_Eが変動したとしてもｐＨ 測定値に対応する電位差（Ｖ_G−Ｖ_R）は影響を受けない。

【０００７】 しかるに、周知のようにガラス電極のインピーダンスＺ_Gは比較電極のインピ ーダンスＺ_Rに比べて極めて大きく、これらの値は測定液や電極の劣化等、諸条 件によりかなりの幅で変動する。更に、差動増幅回路４の入力側にはインピーダ ンスＺ_G，Ｚ_R以外にコンデンサＣ_iG，Ｃ_fG、Ｃ_iR，Ｃ_fR、抵抗Ｒ₁，Ｒ₂等が接続 されているため、これらによって構成される充放電回路の時定数もガラス電極側 と比較電極側とで大きく異なっている。

【０００８】 このため、接地電極の単極電位Ｖ_Eが変動する過程において、ガラス電極側の オペアンプＱ₁と比較電極側のオペアンプＱ₂とでは、Ｖ_Eの交流成分ないし過渡 的な変化量に対する応答に差が生じ、その差分がオペアンプＱ₃を介して出力信 号に重畳されることになる。 従って、オペアンプＱ₃から出力されるｐＨ値相当の電圧は単極電位Ｖ_Eの変動 による影響を含んだものとなり、必ずしも正確な値とは言えない。

【０００９】 上述した単極電位Ｖ_Eの変動を除去する方法として、高周波領域の変動につい ては、ハードウェアからなるローパスフィルタ等のフィルタ回路や、測定信号の 移動平均値をプログラムに従い算出してソフトウェアによりローパスフィルタ機 能を実現するもの等が考えられる。 しかしながら、低周波領域の変動を上記のようなフィルタ手段により除去しよ うとすると、測定系の大幅な応答遅れを生じることになる。 従って、特に単極電位Ｖ_Eの低周波領域における変動が及ぼす測定値への悪影 響を、応答速度の低下を招くことなく除去して測定精度を向上させるための対策 が要請されている。

【００１０】 本考案は上記問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところ は、接地電極の単極電位の変動によるイオン濃度測定値への影響を除去して測定 精度の向上を図った構成簡単なイオン濃度測定装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するため、本考案を例えばｐＨ測定装置に適用する場合には、 接地電極の単極電位と、測定電極のうちインピーダンスが低い方の比較電極の単 極電位との和にほぼ等しい参照電位を差動増幅回路内で生成し、参照電位のうち 電極インピーダンス測定用の交流電圧の周波数より低い周波数成分のみをローパ スフィルタを介し通過させる。 そして、このローパスフィルタを介した参照電位を、比較電極に比べてインピ ーダンスが極めて高いガラス電極側のインピーダンス測定回路とフィルタコンデ ンサとに与えることにより、インピーダンス測定回路入力側の直流カットコンデ ンサ及びフィルタコンデンサの電圧に対する基準電位とする。

【００１２】

【作用】

本考案によれば、低周波領域における接地電極の単極電位の変動が、ローパス フィルタを介してインピーダンスが高い方の電極側の直流カットコンデンサ及び フィルタコンデンサの基準電位にそのまま伝わるため、これらのコンデンサの電 圧が前記単極電位に依存しない値となる。 従って、単極電位の変動により前記コンデンサに充放電電流が流れることがな いため、その時定数に起因して二つの測定電極間で差動増幅回路内の応答に差を 生じる恐れもない。これにより、差動増幅回路の出力には単極電位の変動による 影響が現われない。

【００１３】

【実施例】

以下、図に沿って、ｐＨ測定装置にかかる本考案の実施例を説明する。 図１はこの実施例の構成を示す等価的な回路図であり、図４と同一の構成要素 には同一の符号を付して詳述を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。 この実施例では、比較電極に接続されるオペアンプＱ₂の出力端子にローパス フィルタ５が接続されており、その出力端子がガラス電極側のインピーダンス測 定回路１を構成するオペアンプＱ₄の非反転入力端子と、差動増幅回路４を構成 するオペアンプＱ₁の入力側フィルタコンデンサＣ_fGの非オペアンプ側一端に接 続されている。図１では、これらの相互接続点を符号Ａとして示してある。 すなわち、従来では回路の共通電位点に接続されていたオペアンプＱ₄の非反 転入力端子とフィルタコンデンサＣ_fGの非オペアンプ側一端が、この実施例では 新たに付加されたローパスフィルタ４の出力端子に接続される。

【００１４】 また、図１においてＴ_Gはガラス電極接続端子、Ｔ_Rは比較電極接続端子、Ｔ_E は液アース端子である。

【００１５】 前述のごとく、従来では接地電極の単極電位Ｖ_Eが変動した場合、差動増幅回 路４の両入力端子にはガラス電極側、比較電極側の各入力系のインピーダンスな いし時定数の相違によって生じる電圧が加わり、これがｐＨ測定信号に重畳され ていた。 そこでこの実施例では、比較電極に比べてインピ−ダンスが非常に大きいガラ ス電極側の入力系では時定数が大きく、単極電位Ｖ_Eが変動する過程における応 答遅れも非常に大きいことに着目し、この時定数を生じさせるガラス電極側の直 流カットコンデンサＣ_iG及びフィルタコンデンサＣ_fGの充放電電流を阻止するよ うにした。

【００１６】 比較電極のインピーダンスはガラス電極に比べて十分に小さいことから、比較 電極側の入力系における時定数は十分に小さい。このため、単極電位Ｖ_Eが変動 する過程における応答遅れは無視することができるものとする。 このような前提に立つと、オペアンプＱ₂の出力端子の電位（参照電位Ｖ_REFと する）は、Ｖ_Eの変動に関わらず、単に入力側電位をインピーダンス変換して常 にＶ_REF＝Ｖ_E＋Ｖ_Rとして表すことができる。

【００１７】 いま、仮りに単極電位Ｖ_Eが変動せず参照電位Ｖ_REFが一定の時、このＶ_REFは ローパスフィルタ５を介してオペアンプＱ₄の非反転入力端子とフィルタコンデ ンサＣ_fGの非オペアンプ側一端とに印加される。 ここで、フィルタコンデンサＣ_fGの電圧Ｖ_fGについて考察すると、 Ｖ_fG＋Ｖ_REF＝Ｖ_fG＋（Ｖ_E＋Ｖ_R）＝Ｖ_E＋Ｖ_G であるから、 Ｖ_fG＝（Ｖ_E＋Ｖ_G）−（Ｖ_E＋Ｖ_R）＝Ｖ_G−Ｖ_R となる。 同様に、直流カットコンデンサＣ_iGの電圧Ｖ_iGについて考察すると、 Ｖ_iG＋Ｖ_REF＝Ｖ_iG＋（Ｖ_E＋Ｖ_R）＝Ｖ_E＋Ｖ_G であるから、 Ｖ_iG＝（Ｖ_E＋Ｖ_G）−（Ｖ_E＋Ｖ_R）＝Ｖ_G−Ｖ_R となる。

【００１８】 つまり、図１の接続によってコンデンサＣ_fG，Ｃ_iGの電圧の基準電位を参照電 位Ｖ_REFに等しくすることにより、コンデンサＣ_fG，Ｃ_iGの電圧は単極電位Ｖ_Eの 影響を受けなくなる。 また、ローパスフィルタ５を通過するような低い周波数帯域で単極電位Ｖ_Eの 変動が生じた場合にも上記の関係は成立するので、この場合にもコンデンサＣ_fG ，Ｃ_iGの電圧は単極電位Ｖ_Eの影響を受けない。 このことはつまり、単極電位Ｖ_Eが低い周波数で変動したとしてもコンデンサ Ｃ_fG，Ｃ_iGには充放電電流が流れないことを意味しており、その結果、単極電位 Ｖ_Eの変動は差動増幅回路４により除去されてｐＨ測定信号には現われないこと になる。

【００１９】 これに対し、従来のようにフィルタコンデンサＣ_fGの非オペアンプ側一端とオ ペアンプＱ₄の非反転入力端子とが単極電位Ｖ_Eの変動に追従しない共通電位点に 接続されていると、単極電位Ｖ_Eの変動がそのまま各コンデンサＣ_fG，Ｃ_iGの両 端に現われるので、問題とする充放電電流が流れてしまうものである。

【００２０】 なお、オペアンプＱ₂の出力端子をローパスフィルタ５を介さずにＡ点に接続 してこれらの電位を参照電位Ｖ_REFとすると、電極インピーダンス測定用の交流 信号成分が比較電極側の測定回路を通ってＡ点に加わり、ガラス電極側のインピ ーダンス測定回路１の基準電位を変化させて測定信号に影響を与えるため、前記 交流信号の周波数帯域より低い周波数成分のみを通過させるようなローパスフィ ルタ５を用いることが必要である。 このローパスフィルタ５としてはオペアンプを用いた二次ＶＣＶＳ（voltage controlled voltage source）低域アクティブフィルタを予定しているが、その 種類や構成は何ら限定されるものではない。

【００２１】 また、差動増幅回路４の入力側の抵抗Ｒ₁、フィルタコンデンサＣ_fGからなる 前置フィルタや、抵抗Ｒ₂、フィルタコンデンサＣ_fRからなる前置フィルタは、 電極インピーダンス測定用の交流信号を減衰させない範囲で、比較的小さな時定 数を持つローパスフィルタにより構成される。

【００２２】 図２及び図３は、本実施例と従来技術における差動増幅回路４の出力電圧の変 動を比較したシミュレーション結果である。 図２、図３は、周波数が０．１〜１０００〔Ｈｚ〕の範囲にある１〔Ｖ〕（実 効値）の正弦波交流電圧（単極電位Ｖ_Eの変動に相当する）を差動増幅回路４の 入力端子に加えたときのオペアンプＱ₃の出力電圧変動分を示したものであり、 図２が本実施例によりローパスフィルタ５を介在させた場合、図３が従来技術で ある。いずれも、ガラス電極のガラス膜抵抗（ガラス電極のインピーダンスＺ_G に相当する）Ｒ_Gは１０００〔ＭΩ〕である。

【００２３】 図２と図３の比較から明らかなように、従来技術（図３）では単極電位Ｖ_Eの 超低周波領域（例えば１〔Ｈｚ〕以下）における変動がオペアンプＱ₃の出力電 圧に極めて大きく現われている。すなわち、電圧変動分の最大値のところで入力 側の電圧変動分がほぼそのまま出力側に現われているのに対し、本実施例（図２ ）では、超低周波領域における電圧変動分が極めて少なく、電圧変動分がピーク を迎える周波数帯域がより高い方へ移行している。そして、１０〔Ｈｚ〕間近で 最大値となるところでも、従来技術の電圧変動分のほぼ１／１０以下しか出力側 に現われていない。 従って、この実施例によれば、超低周波領域における単極電位Ｖ_Eの変動によ るｐＨ測定信号の影響が大幅に軽減されることがわかる。

【００２４】 上記実施例では、本考案をｐＨ測定装置に適用した場合を説明したが、本考案 は、電極インピーダンスが電極の正常、異常を判断するパラメータとなるもので あれば、ｐＨ測定装置以外のイオン濃度測定装置にも適用可能である。 また、電極インピーダンス測定用の交流電圧としては、矩形波以外の三角波や 正弦波等であっても良い。

【００２５】

【考案の効果】 以上のように本考案によれば、低周波領域における接地電極の単極電位の変動 が、ローパスフィルタを介してガラス電極等の高インピーダンス電極側の直流カ ットコンデンサ及びフィルタコンデンサの基準電位にそのまま伝わり、これらの コンデンサの電圧が前記単極電位に依存しない値となる。 従って、単極電位の変動によりコンデンサに充放電電流が流れることがなく、 その時定数に起因して二つの測定電極間で差動増幅回路内の応答に差を生じる恐 れもない。これにより、イオン濃度測定値に相当する差動増幅回路の出力信号に は単極電位の変動による影響が重畳されなくなるので、従来のように応答速度の 低下を招くことなく高精度なイオン濃度測定を行うことができる。 また、回路構成上も、従来の技術にローパスフィルタを付加して接続を一部変 更すれば良いから、安価に実現できる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例の構成を示す回路ブロック図で
ある。

【図２】シミュレーション結果を示す図である。

【図３】シミュレーション結果を示す図である。

【図４】従来の技術を示す等価回路図である。

【符号の説明】

１，２ インピーダンス測定回路 ３ 矩形波発生回路 ４ 差動増幅回路 ５ ローパスフィルタ Ｖ_G ガラス電極の単極電位 Ｖ_R 比較電極の単極電位 Ｖ_E 接地電極の単極電位 Ｚ_G ガラス電極のインピーダンス Ｚ_R 比較電極のインピーダンス Ｚ_E 接地電極のインピーダンス Ｃ_iG，Ｃ_iR 直流カットコンデンサ Ｃ_fG，Ｃ_fR フィルタコンデンサ Ｑ₁，Ｑ₂，Ｑ₃，Ｑ₄，Ｑ₅ オペアンプ Ｔ_G ガラス電極接続端子 Ｔ_R 比較電極接続端子 Ｔ_E 液アース端子 Ｒ₁，Ｒ₂ 抵抗

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定液に浸漬された一対の測定電極間の
   電位差を高入力抵抗の差動増幅回路により検出して測定
   液のイオン濃度を測定するイオン濃度測定装置であっ
   て、測定液に浸漬された接地電極と各測定電極との間に
   それぞれ交流電流を流す電圧発生回路と、前記交流電流
   に基づき各測定電極のインピーダンスを測定するインピ
   ーダンス測定回路と、差動増幅回路の入力側に接続され
   たフィルタコンデンサと、インピーダンス測定回路の入
   力側に接続された直流カットコンデンサとを備えたイオ
   ン濃度測定装置において、 接地電極の単極電位と、一対の測定電極のうちインピー
   ダンスが低い方の電極の単極電位との和にほぼ等しい参
   照電位を生成する手段と、 この参照電位が入力されて前記電圧発生回路の出力周波
   数より低い周波数成分のみを通過させるローパスフィル
   タとを有し、 このローパスフィルタを介した参照電位を、インピーダ
   ンスが高い方の電極側の直流カットコンデンサ及びフィ
   ルタコンデンサの基準電位とすることを特徴とするイオ
   ン濃度測定装置。