JPS5940516B2 - 水質管理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はタンク内の水の水質が低下した時にこれを検出
して給水を行なう水質管理装置に関する。

例えば蒸気発生器は、水を入れるタンクに電気ヒータを
設け、タンク内に給水を行なう給水装置を設けたもので
、電気ヒータにより水を加熱して蒸気を発生するもので
ある。

しかして、この蒸気発生器には水が蒸発することにより
水に含まれる成分がスケールとして析出し水質が低下す
る問題があり、このため電気ヒータ表面にスケールが付
着してヒータの放熱を悪化。

させ破損を招いたり、給水機構にボールタップが用いら
れている場合にフロートにスケールが付着すると動作せ
ず給水が不可能になるという不具合を生じている。

従来、このようなスケール発生による水質低下に対する
対策として、タイマーにより定期的にタンク内の水を交
換する方法が行なわれてＧＡ′るが、この方法は不経済
であるだけでなく、水とともに排出されたスケールが配
管中で固形化して目詰りを生じる原因となる欠点がある
。

これに対して本発明の発明者は種々研究を重ねた結果、
水がスケール発生状態になり水質が低下すると水の比抵
抗が低下することに着目し、この水の比抵抗の低下を検
出することにより、水がスケール発生状態になったこと
を知る方法を見出した。

すなわち、タンク内の水を介して直流電流を流すように
タンクに設けた一対の電極間に比抵抗検出用の回路を接
続し、タンク内の水がスケール発生状態になり水の比抵
抗が低下して電気導通度が増大した時に、検出回路がこ
れに応じた電極の比抵抗をとらえて水の比抵抗変化を検
出し、給水機構によりタンクへ給水してタンク内の水を
更新しスケールが発生しない清浄な状態にするものであ
る。

この方法は簡単な電気的手段によりタンク内の水のスケ
ール発生状態を容易に知ることができる優れたものであ
る。

そして、本発明者らはさらにこの方法における水の比抵
抗検出の信頼性を高めるべく、この信頼性を高める上で
障害となる問題点を解決するために研究を重ねた。

以下に水の比抵抗検出の信頼性を高める上での問題点に
ついて説明する。

前記したように本発明の発明者らが見出したところの、
タンク内の水の比抵抗の低下を検出して水のスケール発
生状態を知る方法において重要なことは、水がスケール
発生状態となった時の水の比抵抗変化を精密且つ容易に
検出することである。

このためには、これを阻害する要因を取り除き、検出回
路を水の比抵抗変化を精密且つ容易に検出できるように
することが必要である。

この検出方法における検出用電極に接続する検出回路す
なわち電極回路の等価回路は第７図で示すものとなる。

すなわち、タンク１に設けた検出用の電極８と電源用の
電極９とを内部抵抗ｒｉを介して直流電源Ｅに接続した
ものである。

ここで、発明者はこの回路において、電極８゜９間の電
圧ｅｉをパラメータとして、水の電気伝導度（１／比抵
抗）ρに対する電極８の抵抗ｒｘの変化を測定する実験
を行なった。

この結果を第５図の線図で示す。

なお、電極電圧はｅ、−ｅ３に区分し、電圧はｅｌ〈ｅ
２＜ｅ３である。

この実験の結果により次のようなことが判った。

すなわち、電極８の電極抵抗ｒｘは水の比抵抗に比例し
、水の電気伝導度に反比例する。

電極抵抗ｒｘは電極電圧ｅｉに反比例する。

また、電極抵抗ｒｘは水の比抵抗がある値より小さくな
ると（電気伝導度が大きくなると）、電極回路に内部抵
抗ｒｉがあることにより、抵抗変化が大幅に小さくなり
殆んど変化しない。

このことを第７図で示す等価回路に基づいて説明する。

電極電圧ｅｉは次の式で示される。なお、Ｅは電極回路
の電源電圧である。

ここで、第５図の線図から電極電圧ｅｉが下ると電極抵
抗ｒｘが増大することが判るから、電気抵抗ｒｘはとな
り、この（２）式に（１）式を代入すると、となる。

従って、水の比抵抗が小さくなる（電気伝導度が増大す
る）と、これに応じて電極抵抗ｒｘは小さくなり零に近
づくが、前記の（２）式におけるがｒｘ→０により無限
大となる。

このために電極抵抗ｒｘは水の比抵抗が小さい領域では
、電極回路に内部抵抗ｒｉがあると、ある一定の値に収
束することが判る。

すなわち、水の比抵抗の小さい（電気伝導度の犬なる）
領域においては、水の比抵抗に対する電極抵抗の変化は
零に近づくことになる。

仮に電極回路の内部抵抗ｒｉが零であれば、（２）式か
らｒｘ＝ｆ（Ｈ）で電源電圧Ｅに反比例することになる
。

従って、水の比抵抗が小さい領域では、電極抵抗の変化
が殆んどなくその検出が困難であった。

さらに、発明者は水の比抵抗をパラメータとして電極電
圧ｅｉと電極回路の変化を測定する実験を行なった。

この実験の結果を第６図にて示す。なお、水の比抵抗は
複数段階に変えた。

比抵抗Ｘ１は水が清浄な状態での最も大きなものであり
、以下比抵抗Ｘ２．Ｘ３の順で小さく比抵抗Ｘ４が水の
スケール発生状態での相対的に最も小さなものである。

この結果において、電極電圧ｅｉが低下すると、例えば
動作点イは内部抵抗ｒｉと水の比抵抗Ｘ３との交点で決
定され、その時の電極抵抗ｒｘは零点（原点）と動作点
イを結ぶ直線の勾配となるから、電極抵抗ｒｘは非常に
大きな値となることが判る。

この領域では電極８に流れる電流は内部抵抗ｒｉで決定
され、電極抵抗ｒｘは非常に不安定な値を示すことにな
る。

このように水の比抵抗を検出する電極回路に内部抵抗ｒ
ｉがあると、水がスケール発生状態となり水の抵抗が小
さくなった時に、検出用電極８の抵抗変化が殆んどなく
なり、水の比抵抗変化の検出が困難となっていた。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、水の比抵抗
の変化を検出することにより、水がスケール発生可能な
水質となったことを察知し、水を更新して良好な水質を
保持するとともにスケール発生およびこれに伴う事故発
生を良好に防止でき、特に水の比抵抗変化を容易且つ精
密に検出でき優れた信頼性を有して良好な水質管理が行
なえる水質管理装置を提供するものである。

すなわち、本発明の水質管理装置は、水の比抵抗を検出
する電極に接続する検出回路における内部抵抗を小さく
して定電圧化することにより、水の比抵抗が小さな領域
での電極の抵抗変化を大きな電流変化に変換して検出す
るようにし、従って水がスケール発生状態となった時の
水の比抵抗変化の検出を容易且つ精密に行なえ、水のス
ケール発生を良好に防止することができるものである。

以下本発明について説明する。

本発明の基本的な考え方について説明する。

第６図で示すように発明者が行なった水の比抵抗をパラ
メータとして電極電圧と電極回路の電流の変化を測定す
る実験の結果により示される特性から、検出回路の内部
抵抗がｒｌで示すように犬である定電流的な検出回路で
あると、例えば水の比抵抗Ｘ４とＸ３の判別が困難であ
る。

このため、検出回路の内部抵抗ｒ２で示すように小さく
することにより、水の比抵抗Ｘ４とＸ３の判別が明瞭に
なる。

すなわち、第６図で示される特性から電極電圧ｅｉを一
定電圧とすることにより、水の比抵抗Ｘ１〜Ｘ４の変化
に対して大きな電流■の変化を得ることができる。

このことにより、微少な電極抵抗の変化を判別可能な大
きな電流変化に変換できることが判った。

そして、比抵抗検出回路を、その内部抵抗を小さくして
定電圧化し、すなわち出力インピーダンスを小さくして
、水の比抵抗を大きな電流変化として検出するものとし
たものである。

以下本発明を図面で示す実施例について説明する。

本発明の水質管理装置を蒸気発生器（パン型加湿器）に
適用した実施例について説明する。

第１図は蒸゛気発生器の構成を、第２図および第３図は
電気回路を夫々示している。

第１図において、１は水２を入れるタンクである。

タンク１の内部下側には例えばシーズヒータからなる電
気ヒータ３が設けてあり、この電気ヒータ３はヒータ取
付ソケット４によりタンク１側壁に取付けられ、交流電
源１４に接続する導線５に接続されている。

この電気ヒータ３は通電により発熱して、タンク１内の
水２を沸点まで加熱して蒸発させるものである。

タンク１の上方には水道などの給水源に接続してタンク
１に水２を供給する給水管６が設けてあり、この給水管
６には給水弁すなわち給水機構として例えば電磁弁７が
設けである。

この電磁弁７は開閉動作により給水管６を介してタンク
１への給水、停止を制御するものである。

すなわち、電磁弁７はタンク１内の水２がスケール発生
可能な状態となった時にタンク１へ給水を行なうことに
加えて、通常時にタンク１内の水位に応じて給水を行な
い水位調節も行なうものである。

タンク１内部には水２の比抵抗を検出するための一対の
電極８，９が配設してあり、一方の電極８は電気ヒータ
３の上方に位置して設けられ、他方の電極９は電極８と
同一高さ位置で間隔を存して設けられ、あるいは電極８
より下方に間隔を存して設けられる。

これら電極８，９はタンク１内の水２を介して両者に電
流を流し、例えば一方の電極８に比抵抗検出回路１６を
接続して水２の比抵抗変化を検出する、すなわち水２の
スケール発生可能状態を検出するために用いられる。

タンク１内部には一対の電極８，９のうち電極８と同一
高さ位置あるいは上方位置に電極１０が設けてあり、こ
の電極１０は例えば他方の電極９との間に水２を介して
電流を流してタンク１の通常水位を検出して調節するた
めに用いられる。

これら電極８〜１０はタンク１の側壁にねじ止めにより
タンク１と電気的に絶縁して取付けられ、タンク１の外
部に設けた導線（図示せず）を介して直流電源回路１７
．１８に接続されている。

また、タンク１の内部には電気ヒータ３と電極８〜１０
との間を仕切る仕切板１１が設けてあり、これは電極８
〜１０の接水抵抗の変化を防止するためのものである。

タンク１の内部にはタンク１外部の排水管（図示せず）
と接続されるオーバフロー管１２が設けてあり、タンク
１の水２が設定最上水位を越えた場合にオーバフロー管
１２から外部へ排出するようにしである。

電磁弁７と電極８〜１０に関連する電気回路を第２図に
ついて述べる。

電磁弁７は電磁接触器１３の接点１３ａを介して交流電
源１４に接続され、電磁接触器１３（のコイル）はタイ
マリレー１５の接点１５ａとともに交流電源１４に対し
て直列に接続されている。

電極８は比抵抗検出回路１６に接続され、この比抵抗検
出回路１６はタイマリレー１５と制御用直流電源回路１
７．１８に接続されている。

電極１０は給水位検出器１９に接続され、この給水位検
出器１９はタイマリレー１５とプラス側の直流電源回路
１７に接続されている。

電極９はマイナス側の直流電源回路１８に接続されてい
る。

なお、図中２０は変圧器である。比抵抗検出回路１６は
タンク１内部の水２の比抵抗を計測して予め設定した下
限値になった場合にこれを検出して信号を出力するもの
で、回路は定電圧化されており、例えば第３図で示す回
路構成をなしている。

すなわち、第３図で示す検出回路は定電圧化を図るため
ツェナダイオードｚＤを組込んだものである。

第３図においてツェナダイオードｚＤと検出回路の内部
抵抗を設定する可変抵抗ｖＲ低抵抗１と抵抗Ｒ２とで構
成されるブリッジ回路が電源間に接続されている。

ツェナダイオードｚＤは検出用の電極８に接続されてい
る。

オペレーショナルアンプＯＰは差動増幅器からなるもの
で、このオペレーショナルアンプＯＰは基準電圧入力端
として抵抗Ｒ０と抵抗Ｒ２との接続点Ｂに接続されると
ともに、測定信号入力端として可変抵抗ＶＲとツェナダ
イオードｚＤとの接続点Ａに接続されている。

オペレーショナルアンプＯＰの出力端はタイマリレー１
５に接続されている。

また、帰還抵抗ＲＦがオペレーショナルアンプＯＰに並
列接続されている。

このように構成した蒸気発生器においては、電気ヒータ
３に通電して発熱させることにより、タンク１内部の水
２を加熱して蒸発させるものである。

タンク１における通常の水位調節について述べる。

電極１０，９の間には直流電源回路１７゜１８により電
圧が印加され、電極１０，９がタンク１の水２内にある
場合には水２を介して両者間に電流が流れる。

タンク１内部の水２が蒸発して水位が電極１０より低く
なると、両電極１０，９間に電流が流れない。

そこで給水位検出器１９が働き、これに連動するタイマ
リレー１５が動作して接点１５ａを閉じさせることによ
って、電磁接触器１３（のコイル）が交流電源１４と接
続されて接点１３ａが閉じる。

このため、電磁弁７が開放して、給水管６よりタンク１
へ給水が行なわれる。

一方、給水によりタンク１内部の水位が電極１０より上
方に上昇して電極１０，９間に電流が流れると、給水位
検出器１９が働き、タイマリレー１５が接点１５ａを一
定時間後に開くことによって、電磁接触器１３は交流電
源１４からの通電が断たれて接点１３ａを開放する。

このため電磁弁７は閉じてタンク１への給水が停止する
。

さらに、タンク１内部の水２の比抵抗変化検出により水
のスケール発生可能状態を知り、タンク１へ給水を行な
う場合について述べる。

電極８゜９はタンク１の水２を介して両者間に電流が流
れている。

比抵抗検出回路１６は水２の抵抗値に応じて両電極８，
９間に流れる電流値により水２の比抵抗を計測している
。

そして、前述のように水位調節を繰り返している間に、
タンク１内部の水２は濃縮されてくるので、水２の比抵
抗値が減少する。

このため、定電圧下において電極８，９間に水２を介し
て流れる電流が増大する。

水２の比抵抗値が予め設定した範囲の下限値に達しスケ
ール発生可能な状態になると、比抵抗検出回路１６が働
いて信号を出力し、これによりタイマリレー１５が動作
して接点１５ａを閉じるので、電磁弁７が開放しタンク
１への給水が行なわれる。

この給水によりタンク１内部の水２の量が増大すると、
水２の比抵抗値が増加する。

水２の比抵抗値が予じめ設定した上限値に達すると、比
抵抗検出回路１６が働いて、タイマリレー１５が一定時
間（例えば５〜６秒）後に接点１５ａを開放させるので
、電磁弁７が閉じてタンク１への給水が停止される。

この場合、タンク１内部の水２が上限水位を越えると、
オーバーフロー管１２からタンク１外部へ排出される。

このようにタンク１内部の水２がスケール発生可能な水
質状態になる。

と、すなわちスケール発生直前になると、比抵抗検出回
路１６が電極８を介して比抵抗値の変化として検出し、
電磁弁７が動作して給水を行ない水２をスケールが発生
しない状態にする。

従って、タンク１内部の水は常にスケールが発生しない
状態に自動的にコントロールでき、水２にスケールが析
出することを防止できる。

この比抵抗検出方法のように比抵抗値に幅をもたせない
で、ある比抵抗値の前後で制御することもできる。

なお、電極８〜１０は例えば長さ４０ｍｒＩＬ１直径１
．５關の白金メッキチタン棒からなるものである。

ここで、比抵抗検出回路１６について述べる。

第３図で示す検出回路を等価回路として示すと第８図で
示すようになる。

ここで、可変抵抗ｖＲの抵抗設定によりツェナダイオー
ドＺＤに対する電圧を分配する。

電極抵抗ｒｘの抵抗が犬である場合にはツェナダイオー
ドＺＤが動作してツェナ電圧Ｅｚが確保され、電極８が
定電圧に保たれる。

すなわち、 である場合に電極電圧ｅｉはツェナ電圧ＥＺで保たれる
。

検出回路の動作について説明する。

可変抵抗ＶＲは内部抵抗として大変低い抵抗値に設定す
る。

そして、タンク１内の水が清浄で水の比抵抗が大である
場合には、これに応じて電磁８の電極抵抗ｒｘも大きい
。

このため、可変抵抗ＶＲとツェナダイオードｚＤの接続
点Ａの電位が高くなり、ツェナダイオードｚＤが導通す
る。

この場合、ツェナダイオードｚＤの電圧ＥＺは高く、電
極８の電圧ｅｉはツェナ電圧ＥＺにより高い一定電圧に
保たれる。

水がスケール発生状態となり水の比抵抗が低下すると、
＼これに応じて電極８の抵抗ｒｘも低下する。

このため、可変抵抗ＶＲとツェナダイオードＺＤの接続
点Ａの電位が低下する。

またオペレーショナルアンプＯＰは、可変抵抗■λとツ
ェナダイオードＺＤとの接続点Ａの電圧を抵抗ｒ。

と抵抗ｒ２との接続点Ｂの電圧を基準電圧として比較測
定する。

そして、水がスケール発生状態となり水の比抵抗が低下
することにより接続点Ａでの電圧が低下すると、オペレ
ーショナルアンプＯＰが動作して給水指令である信号を
タイマリレー１５に出力する。

このようにこの検出回路１６においては、水が清浄な状
態ではツェナダイオードｚＤにより、電極８に接続する
部分を定電圧に保持し、水がスケール発生状態になり比
抵抗が低下した時に検出回路の内部抵抗が小さいことに
より水質の変化が電極８の抵抗変化として検出される。

すなわち、水の比抵抗が低下した時の電極８の抵抗変化
を大きな電流変化として検出することができる。

例えば第６図において水の比抵抗Ｘ４の時に内部抵抗ｒ
２との交差する点を動作点として抵抗変化を検出するの
で、抵抗変化を大きな電流変化に変換できる。

従って、水のスケール発生状態になった時の水の比抵抗
変化を容易且つ精密に検出でき、水のスケール発生を確
実に防止できる。

比抵抗検出回路１６は前述した回路構成に限定されるも
のではなく、要は内部抵抗を小さくして定電圧化し、電
極８の抵抗変化を大きな電流変化とするものであれば良
い。

例えば第４図はトランジスタをエミッタフォロア接合し
た検出回路の構成を示している。

なお、第３図と同一部分は同一符号を付して説明を省略
する。

第４図において、ＮＰＮ形のトランジスタＴｒのベース
を、電源間に接続された抵抗３と抵抗４との接続点Ｃに
接続し、トランジスタＴｒのコレクタを可変抵抗ＶＲに
接続するとともに、エミッタを負電源に接続した抵抗Ｒ
６に接続し、さらにトランジスタＴｒのエミッタ接続点
りを電極８に接続しである。

そして、この検出回路において水の比抵抗検出を行なう
場合について述べる。

電極８に接続されたＤ点の電位ＥＤは、この回路がベー
ス接地回路となっており、０点の電位ＥＣからトランジ
スタＴｒからトランジスタＴｒのペースエミッタ間電圧
■ｂｅを除いた電圧ＥＤはＥＤ＝Ｅｃ−ｖｂｅ となる。

しかるにコレクタ電流■ｃの変化に対して電圧■ｂｅは
ほぼ一定となるのでＥＤは一定の値となる。

従って、第５図に示す電圧ｅ１． ｅ２゜ｅ３のカーブ
上で電極８の電極抵抗ｒｘが変化することになる。

従って、電極８に流れる電流をＩｘとすると、 となり、トランジスタＴｒのエミッタ電流ＩＥはとなる
。

トランジスタのコレクタ電流をＩ・、電流増幅率をβと
すると、 β〉０の時、Ｉｏ÷１゜となり、従って、可変抵抗ＶＲ
での電圧降下ＥｖＲは、 従って、トランジスタＴｒのコレクタと可変抵抗ＶＲと
の接続点Ｆでの電位ＥＦは、 となる。

比抵抗が下れば電極抵抗ｒｘが小となり、電圧ＥＦが下
る。

これに対して抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点Ｇの電位ＥＧ
を基準電圧とし、接続点Ｆの電圧を比較測定する。

そして、水がスケール発生状態となり水の比抵抗が低下
することにより接読点Ｆでの電圧が低下すると、オペレ
ーショナルアンプＯＰが動作してタイマリレー１５の信
号を出力する。

なお“、本発明の蒸気発生器における給水弁は、比抵抗
検出用電極と比抵抗検出器によりタンクの水がスケール
発生可能状態になったことを検出した時に、タンクへ給
水を行なうことを基本的役割とするものである。

前述した実施例にあっては給水位検出用電極と給水位検
出器を設け、タンクの給水位を電気的に検出するととも
に給水弁に通常水位調節用の給水を行なう機能をもたせ
ている。

しかし、これには限定されずに、例えば給水弁とは別に
ボールタップなどの水位調節器を設けて機械的に通常水
位制御を行なうようにしても良い。

給水弁は電磁弁に限らず比抵抗検出器からの信号により
動作するものであれば良い。

また、タンクに給水を行なう機構としては給水弁に限ら
ず、例えば給水ポンプを用いてこれを駆動することによ
り給水を行なうようにしても良い。

さらに、マイナス側の電極として専用の電極を設けずに
、タンクをマイナス側電極として利用することも可能で
ある。

さらにまた、本発明は蒸気発生器に適用することに限定
されずに、ボイラにおけるタンク内の水の水質管理、ク
ーリングタワーにおける水の水質管理、その他工業用水
の水質管理用などに、水の比抵抗変化を利用してスケー
ルを発生可能な状態を検出し、水を更新することにより
水を常に良好な状態に保持してスケール発生を防止する
装置として広く適用できる。

本発明の水質管理装置は以上説明したように、水の比抵
抗変化を利用した簡単な電気的手段により、水のスケー
ル発生を防止して常に良好な水質を保つことができ、し
かもタンクやタンク内部に設けた器具のスケール付着に
よる機能低下を防止できる。

また、タンク内の水を一定期間毎に交換してスケールを
除去する場合のような不経済性や配管の目詰りなどの問
題もない。

特に水の比抵抗を検出する比抵抗検出回路の内部抵抗を
小さくして定電圧化することにより、検出電極からの信
号電流の変化量を大きくするようにしたので、水がスケ
ール発生状態となり比抵抗が低下した時に、水の比抵抗
を容易且つ精密に検出でき、これにより水の更新を確実
且つ安定なものとして、水質管理を良好に行なうことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である蒸気発生器を示す縦断
正面図、第２図は同実施例における電気回路図、第３図
および第４図は夫々異なる比抵抗検出回路の実施例を示
す電気回路図、第５図は電極電圧をパラメータとした電
極抵抗と水の電気伝導度との関係を示す線図、第６図は
水の比抵抗をパラメータとした電極電圧と電流との関係
を示す線図、第７図および第８図は夫々検出回路の等価
回路を示す回路図である。 １・・・・・・タンク、２・・・・・・水、３・・・・
・・電気ヒータ、４・・・・・・給水管、７・・・・・
・電磁弁（給水機構）、８゜９．１０・・・・・・電極
、１６・・・・・・比抵抗検出回路、１９・・・・・・
給水位検出器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水を入れるタンクと、このタンクの内部に入れられ
   た水を介して電流を流す一対の電極と、これらの電極の
   一方に接続された前記タンク内部の水の比抵抗を計測す
   るとともにこの水の比抵抗が設定値に達した時に信号を
   出力し且つ前記電極における水の比抵抗変化を内部抵抗
   を小さくして大きな電流変化として検出する比抵抗検出
   回路と、この比抵抗検出回路からの信号により動作して
   前記タンクに給水を行なう給水機構とを具備してなる水
   質管理装置。