(57)【要約】【課題】  流体の変動する導電率検出を安定的に行う。【解決手段】  ネジ山付き金属ハウジングを備えた安定化導電率検出システムにおいて、そのハウジングは被測定流体に接触する２つのプローブを備えたインナー部分と、電気回路がその内部に取付けられているアウター部分とから構成されている。上記回路は第１、第２の励起入力端子と、第１、第２の出力端子とを備えた変形ホイートストン・ブリッジ回路に励起を与える平衡方形波発生器を備えている。上記ホイートストン・ブリッジの３つの辺に固定抵抗をそれぞれ設けてもよく、またそのホイートストン・ブリッジの第４の辺には中間タップを有する２つの抵抗を設けてもよく、また上記２つのプローブの片方が上記中間タップに接続されるとともに、他方のプローブが上記励起入力端子の片方に接続されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定化流体導電率測定システムにおいて、
導電率測定対象の流体の容器に取付けられるネジ山付き金属ハウジングであって、上記流体の中に延びるインナー部分と、アウター部分とからなるハウジングと、
第１、第２のプローブまたは電極と、
上記ハウジングのインナー内部分に取付けられて上記プローブまたは電極を互いに離した状態で支持する絶縁性支持部材と、
上記ハウジングのアウター部分内に取付けた上記プローブに接続されており、第１、第２の励起入力端子と第１、第２の出力端子とを有する変形ホイートストン・ブリッジ回路を含む、回路と、
上記励起入力端子に接続された平衡方形波信号発生源と、
上記の第１入力端子と上記第１出力端子との間に接続された付加固定抵抗、および上記の第１出力端子と上記第２入力端子との間に接続された別の固定抵抗と、
上記の第１入力端子と上記第２入力端子との間に接続された固定抵抗と、
中間タップを有しており、上記の第２出力端子と上記第２入力端子との間に接続された抵抗回路と、
を備えており、
上記プローブのうち上記第１プローブが上記中間タップと接続されており、また
上記プローブのうち上記第２プローブが上記第１入力端子と接続されている、
流体導電率測定システム。
【請求項２】
上記プローブのうちの１つが上記ハウジングの先端内側に取付けられており、また他方のプローブがリング状であって、上記ハウジングの先端からネジ山側に、上記内先端から取付けられる、請求項１に記載の流体導電率測定システム。
【請求項３】
上記ハウジングはその形状が概略円筒状であって中心軸線を有し、また上記各プローブが上記中心軸線に対して実質的の対称的に取付けられている、請求項１に記載の流体導電率測定システム。
【請求項４】
さらに、上記ハウジングの前記アウター部分に取付けられた電気コネクターを備えている、請求項１に記載の流体導電率測定システム。
【請求項５】
上記方形波信号発生源が上記入力端子と容量結合されている、請求項１に記載の流体導電率測定システム。
【請求項６】
安定化流体導電率測定システムにおいて、
導電率測定対象の流体の容器に取付けられるネジ山付き金属ハウジングであって、上記流体の中に延びるインナー部分と、アウター部分とからなるハウジングと、
第１、第２のプローブまたは電極と、
上記ハウジングのインナー部分に取付けられて上記プローブまたは電極を互いに離した状態で支持する絶縁性支持部材と、
上記ハウジングのアウター部分内に取付けた上記プローブに接続されており、第１、第２の励起入力端子と第１、第２の出力端子とを有する変形ホイートストン・ブリッジ回路を含む回路と、
上記励起入力端子に接続された平衡方形波信号発生源と、
上記の第１入力端子と上記第１出力端子との間に接続された固定抵抗、および上記の第１出力端子と上記第２入力端子との間に接続された別の固定抵抗と、
上記の第１入力端子と上記第２出力端子との間に接続された付加固定抵抗と、
中間タップを有しており、上記の第２出力端子と上記第２入力端子との間に接続された抵抗回路と、
を備えており、
上記プローブのうち上記第１プローブが上記中間タップと接続されており、また
上記プローブのうち上記第２プローブが、上記第２プローブの接続点と上記第２出力端子との間に抵抗を接続した状態で、上記第１入力端子と上記第２出力端子との間において上記変形ホイートストン・ブリッジ回路に接続されている、流体導電率測定システム。
【請求項７】
上記プローブのうちの１つが上記ハウジングの先端内側に取付けられており、また他方のプローブがリング状であって、上記ハウジングの先端からネジ山側に取付けられる、請求項６に記載の流体導電率測定システム。
【請求項８】
上記ハウジングはその形状が概略円筒状であって中心軸線を有し、また上記各プローブが上記中心軸線に対して実質的の対称的に取付けられている、請求項６に記載の流体導電率測定システム。
【請求項９】
さらに、上記ハウジングの前記アウター部分に取付けられた電気コネクターを備えている、請求項６に記載の流体導電率測定システム。
【請求項１０】
上記方形波信号発生源が上記入力端子と容量結合されている、請求項６に記載の流体導電率測定システム。
【請求項１１】
安定化流体導電率測定システムにおいて、
第１、第２のプローブまたは電極と、
被測定流体の中において上記プローブまたは電極を互いに離した状態で支持するように取付けられた絶縁性支持部材と、
上記プローブに接続されており、第１、第２の入力端子と第１、第２の出力端子とを有する変形のホイートストン・ブリッジ回路を含む回路と、
上記入力励起端子に接続された平衡方形波信号発生源と、
上記の第１入力端子と第１出力端子との間に接続された付加固定抵抗、および上記の第１出力端子と上記第２入力端子との間に接続された別の固定抵抗と、
上記の第１入力端子と上記第２入力端子との間に接続された固定抵抗と、
中間タップを有しており、上記の第２出力端子と上記第２入力端子との間に接続された抵抗回路と、
を備えており、
上記プローブのうち上記第１プローブが上記中間タップと接続されており、また
上記プローブのうち上記第２プローブが上記第１入力端子と接続されている、
流体導電率測定システム。
【請求項１２】
ネジ山付きハウジングをさらに備えており、上記プローブのうちの１つがそのハウジングの先端内側に取付けられており、また他方のプローブがリング状であって、上記ハウジングの先端からネジ山側に取付けられる、請求項１１に記載の流体導電率測定システム。
【請求項１３】
上記ハウジングはその形状が概略円筒状であって中心軸線を有し、また上記各プローブが上記中心軸線に対して実質的の対称的に取付けられている、請求項１２に記載の流体導電率測定システム。
【請求項１４】
さらに、上記ハウジングのアウター部分に取付けられた電気コネクターを備えている、請求項１２に記載の流体導電率測定システム。
【請求項１５】
上記方形波信号発生源が上記入力端子と容量結合されている、請求項１１に記載の流体導電率測定システム。
【請求項１６】
安定した流体導電率測定システムにおいて、
第１、第２のプローブまたは電極と、
上記プローブまたは電極を互いに離した状態で支持する絶縁性支持部材と、
上記プローブに接続されており、第１、第２の入力端子と第１、第２の出力端子とを有する変形ホイートストン・ブリッジ回路を含む回路と、
上記入力励起端子に接続された平衡方形波信号発生源と、
上記の第１入力端子と上記第１出力端子との間に接続された固定抵抗、および上記の第１出力端子と上記第２入力端子との間に接続された別の固定抵抗と、
上記の第１入力端子と上記第２出力端子との間に接続された付加固定抵抗と、
中間タップを有しており、上記の第２出力端子と第２入力端子との間に接続された抵抗回路と、
を備えており、
上記プローブのうち上記第１プローブが上記中間タップと接続されており、また
上記プローブのうち上記第２プローブが、上記第２プローブの接続点と上記第２出力端子との間に抵抗を接続した状態で、上記の第１入力端子と第２出力端子との間において上記変形ホイートストン・ブリッジ回路に接続されている、
流体導電率測定システム。
【請求項１７】
さらにネジ山付きハウジングを備えており、上記プローブのうちの１つが上記ハウジングの先端内側に取付けられており、また他方のプローブがリング状であって、上記ハウジングの先端からネジ山側に取付けられる、請求項１６に記載の流体導電率測定システム。
【請求項１８】
上記ハウジングはその形状が概略円筒状であって中心軸線を有し、また上記プローブが上記中心軸線に対して実質的の対称的に取付けられている、請求項１７に記載の流体導電率測定システム。
【請求項１９】
さらに、上記ハウジングのアウター部分に取付けられた電気コネクターを備えている、請求項１７に記載の流体導電率測定システム。
【請求項２０】
上記方形波信号発生源が上記入力端子と容量結合されている、請求項１６に記載の流体導電率測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、流体の変動する導電率(conductivity)を検出する(sensing)導電率検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸留したまたはイオン化した水等の流体の導電率測定において、水の導電率は流体または水に含まれる不純物または汚染物の関数であることが知られている。上記導電率テストにはこれまで様々な努力が払われて来ているが、出力指示値の短い期間のあるいは瞬時の変動のみならず測定出力の長い期間のドリフトについても問題が起きている。流体導電率測定においては、通例、複数のプローブまたは電極を流体の中へ延ばし電気抵抗または導電率を測定する。複数プローブ間の抵抗をホイートストン・ブリッジの１つの辺において使用し、そのホイートストン・ブリッジを直流で活性化したところ、下記が明らかとなった。すなわち、
（１）出力の短い期間の変動は導電率測定を困難にするほど大きい、また
（２）片方の電極から他方の電極への金属の移動または沈着(metal transfer or precipitation)の結果として出力の長い期間のドリフトまたはシフトが発生する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
上記の問題を解決すべく、純直流の流れを全くともなわない方形波または交流信号により励起して、金属移動および長い期間のドリフトの問題を回避することとした。さらに、上記プローブをホイートストン・ブリッジの抵抗と並列接続させた構成の変形ホイートストン・ブリッジ回路を用いることによって、短い期間の変動が実質的に安定化され、これとともに、正確な出力指示が得られる。
【０００４】
本発明の１つの好適な例示実施例においては、安定化導電率センサーが、被測定流体の容器内に固定するためのネジ山を施したハウジングを有しており、また２つの導電性金属プローブが離れた状態で上記ハウジングのインナー部分に取付けられている。上記ハウジング内にホイートストン・ブリッジ回路も設けられており、また上記ホイートストン・ブリッジを励起する平衡した方形波が設けられている。上記ホイートストン・ブリッジはそのブリッジの４つ全部の辺に抵抗が設けられており、またそのホイートストン・ブリッジの辺の少なくとも１つが、中間タップを有する少なくとも２つの抵抗性部分を有している。上記プローブもその片方が上記中間タップに接続されているが、もう一方のプローブは上記ホイートストン・ブリッジの４つの端子のうちの１つに接続させてよい。このホイートストン・ブリッジからの出力は差動増幅器に、次に低域フィルターに印加され、この低域フィルターが、その差動増幅器を機能させる方形波の故に発生する残留「ノイズ」を除去する。なお、上記回路は流体容器の外側に延びたハウジングの上部に取付けてもよい。
【０００５】
また、本発明の１つの好適実施例において、上記構成のホイートストン・ブリッジは第１、第２の励起入力端子と、第１、第２の出力端子とを有している。上記の第１入力端子と第１出力端子との間に、また上記の第１出力端子と他の第２入力端子との間に、固定抵抗をそれぞれ接続してもよい。固定抵抗は上記入力端子のうち第１のものと第２出力端子との間に延ばしてよく、また上記入力端子のうち第２のものと第２出力端子との間に、中間タップ付きの２つの抵抗を接続してもよい。最後に、上記プローブのうちの片方は上記２つの抵抗の間の上記タップに接続するとともに他方のプローブを上記第1入力端子と接続させてもよい。
【０００６】
上記構成のシステムは、長い期間のドリフトを回避するものであり、また短い期間の変動が最小となるように安定化されている。
【０００７】
上記構成の態様について述べると、上記プローブのうち第１のものをハウジングの内端に取付け、他方のものをリングまたはスリーブの形状になして第１プローブから離しかつ絶縁してもよい。これらプローブの対称的構成はネジ山付きハウジングの円形形状を補完する。上記回路は被測定流体を保持する容器の外側に延びた、ハウジングのアウター部分に設けてもよい。
【０００８】
以下、本発明をその実施例に関して、添付図面にしたがってさらに詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本明細書には本発明の特定の実施例について説明するが、当業者であれば本発明を、発明の思想から逸脱することなく様々に実施できる。
【００１０】
図1に示すように、ハウジング１２は、導電率(conductivity)が測定される流体の入った容器（コンテナー）１６の壁にねじ込まれる前方に延びたネジ山付き部分１４を有している。ハウジング１２を容器１６の壁に液密封止するOリングシール１８が設けられている。
【００１１】
上記容器１６内の流体の導電率は、本発明の装置の先端に設けた第１のプローブ２０と、プローブ２０から離したリング状の第２のプローブ２２と、の間の電気抵抗または導電率として測定する。上記プローブ２０、２２はいずれもステンレス等の導電性材料で形成されている。上記ハウジング１２は金属製であるが、ステンレス製であってもよい。２つのスリーブ２４、２６は絶縁材料で形成されているが、この材料は高強度プラスチックあるいはセラミック材でもよい。上記プローブ２０、２２から信号を受け、以下に詳述するようにそれらの信号を処理する回路基板３０、３２が設けられている。
【００１２】
絶縁ハウジング３４が設けられており、これは、上記回路基板３０、３２に設けた回路系へ給電するとともに、流体導電率を示す出力信号を装置ユーザーへ送る電気コネクター３６を備えている。
【００１３】
本明細書においては電気抵抗と導電率の両方について説明する。 電気抵抗の測定単位はオームとする。電気抵抗は、回路素子に印加した電圧を電流で除した結果に等しい。つまり、導電率は電気抵抗の逆数であって、「ジーメンス」として知られる導電率の基本単位で測定する。従来、導電率の単位は、術語「ohm（オーム）を逆に綴った「mho（モー）」として知られた。しかるに近年では、この術語「モー」の代わりに上記の「ジーメンス」が使用されるようになってきた。導電率（ジーメンス）は流体または回路素子を通過する電流（アンペア）を印加電圧（ボルト）で除した結果に等しい。
【００１４】
ここで図面に基づいた説明に戻れば、図３は変形ホイートストン・ブリッジ回路を示している。従来のホイートストン・ブリッジ回路は通常、端子４２、４４等の２つの入力端子と、端子４６、４８等の２つの出力端子を備える。図３に示すホイートストン・ブリッジ回路ではその右側には、２つの固定抵抗５０、５２が設けられているが、抵抗５０は上記の入力端子４２と出力端子４８との間に、また固定抵抗５２は上記の出力端子４８と入力端子４４に対して設けられている。また、ホイートストン・ブリッジの左側には、上記の入力端子４２と出力端子４６との間に固定抵抗５４が接続され、また上記の出力端子４６と入力端子４４との間には２つの固定抵抗５６、５８が接続されている。上記入力端子４２と、抵抗５６と５８との電気接続点と、には２つのプローブ２０’、２２’のそれぞれが接続されている。図３に示すように、上記プローブ２０’、２２’の間に可変抵抗６０が接続されている。なお、固定抵抗という場合、その固定抵抗は、例えば、直列接続した１つ以上の抵抗を指すことがある。
【００１５】
前述したように、図３に示す回路を励起させる平衡方形波を使用することによって、且つプローブどうしの間に、ホイートストン・ブリッジ回路の抵抗５４、５６と並列に抵抗を接続することによって、期間の長いドリフトおよび期間の短い変動を、双方ともに最小化でき、かつ、導電率センサーの出力を安定化できること、が明らかになっている。
【００１６】
図４では、図３に示す上記の変形ホイートストン・ブリッジ回路を破線のブロックの回路６２で囲んで示している。方形波発生器６４からの励起平衡入力も図４に示されている。ホイートストン・ブリッジの出力端子から、信号が差動増幅器６６へ供給される。この差動増幅器６６は、上記出力端子４２、４４からの電位差を示し、回路６２から２つの入力が導かれる。差動増幅器６６における方形波発生器信号の処理で発生する可能性のあるノイズまたはスイッチング・サージ（noise or switching transients）を除去するための低域フィルター６８も設けられている。上記低域フィルター６８の出力信号は増幅器・オフセット制御回路７０へ送られる。
【００１７】
ここで表１に示すデータについて説明する。なお、これらデータは３種類の導電率をもつ流体を用いて作成した。表１において、流体（水）の上記３状態のうち第１の状態は脱イオン化水であって、そのデータを表の最下３行に示し、また第２の状態は１００マイクロジーメンス（μＳ）の導電率をもった水、第３の状態は２００マイクロジーメンス（μＳ）に等しい導電率をもった水であって、そのデータは最上３行に示す。上表１の第１欄のデータは、電気回路においては図３に示すように導電率測定用プローブが１つの抵抗５４と並列に接続された状態で得たものである。なお、信号においては１．５２Ｖから２．１Ｖまでの著しい変動が生じる。これは、約５８０ｍＶの変動であって、０．５Ｖを若干上まわっている。理解される如く、こうした極めて著しい変動を伴う流体導電率の正確な読みを得ることは困難である。また、上表１の第２欄のデータは、プローブが、図３に実質的に図示されるように、抵抗５４、５６の組合せと並列に接続した抵抗となっている状態で得たものである。上表から解る通り、指示値変動はこの場合実質的に３２０ｍＶに低減している。これに比べ、この導電率レベルでは第１欄のデータでは変動が５８０ｍＶとなっている。上表の右手のデータ、すなわち、第３欄、第４欄のデータは双方ともに、平衡した交流、より詳細には、図４に示す方形波発生器６４からの方形波、による励起状態において得たものである。上表１の第３欄に示すように、プローブを、流体の可変な抵抗が５４だけと並列になるように配した状態では、変動は１１ｍＶとなっている。しかしながら、プローブを、流体の抵抗が両方の抵抗５４、５６と並列となるように配設すると、変動は５ｍＶに低減され、この変動は上記状況では許容され、またこの変動によって、直読可能な（readily interpreted）出力電圧が生じる。上表の下方部分のデータから解るように（Proceeding down the table）、どの場合も方形波発生器が多大の改善に寄与しており、また流体導電率（fluid conductivity）が上記２つの抵抗５４、５６と並列になるようにプローブを配することによって更なる安定化効果が得られる。
【００１８】
図５は出力電圧と導電率との関係を示すものである。脱イオン化水の場合、出力電圧は約０．５Ｖであり、出力電圧は、２００μＳ／ｃｍの導電率で電圧が約４．５Ｖとなるまで上昇している。
【００１９】
図６は装置のより完全な回路図であり、改変ホイートストン・ブリッジ回路と、励起用の方形波発生器６４とを図の左下、右下にそれぞれ示している。方形波周波数は約１０または２０ｋＨｚでよく、またコンデンサー６５で純直流の流れを阻止した状態では＋２．５Ｖから−２．５Ｖの振れ５Ｖを許容される。差動増幅器６６の直ぐ後に抵抗／コンデンサ構成の低域フィルター６８が設けられている。オフセット制御と追加増幅とを得るために図６に示す回路８２、８４、８６が設けられている。最後に、図５に示すように信号と対応する出力信号が出力端子８８から出される。なお、図６に示す回路は図１に示す印刷回路基板３０および３２に設けられており、出力信号とともに供給電力が図１に示すように端子３６から出される。
【００２０】
以上、本発明の１つの実施例を図示、説明した。しかしながら、本発明はその精神と範囲とを逸脱することなく様々な変更、改変が可能であることを理解さるべきである。それゆえ、例としてであって限定としてではなく、他のエンクロジャやマウント方法、つまり２つのプローブを採用可能である。例えば、被測定流体を入れる容器が開放状態のものである場合には、離したプレートを流体の中まで延ばした状態でその容器の上縁部に導電率検出システムを取付けてもよい。また、プローブは互いに異なった形状のものでもよい。さらに、プローブ２０’は抵抗５４に対する中点または中間点と同等な抵抗部材（resistive arrangements）に接続させてもよく、またプローブまたは電極２２’のほうは図３に示すように配置する。従って、本発明は以上に図示、説明した実施例に厳格に限定されるものではない。
【表１】
2005519279.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】流体の導電率を測定するのに使用する装置の横断面図であって、内部に設けた回路を含むその装置が本発明の原理を示している。
【図２】図１の装置の斜視図である。
【図３】本発明の好適実施例において使用する、ある特定の形のホイートストン・ブリッジを示す概略電気回路図である。
【図４】概略ブロック図である。
【図５】この明細書に詳述するシステム全体の出力電圧と導電率との関係を示す。
【図６】本発明の１つの特定の実施例のより完全な回路図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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