(57)【要約】【課題】  簡素な構造を有し、測定精度がグランド電位によって影響を受け難い電気伝導率測定装置を提供する。【解決手段】  電気伝導率測定装置は、測定対象に浸した電極１ａ、１ｂ間を流れる電流によって帰還キャパシタＣ１が充電される演算増幅器Ｑ１と、演算増幅器Ｑ１の出力を反転入力（−）に入力し、その入力を自身の反転出力からの出力電圧の２／３の電圧と比較するコンパレータＱ２とを有する発振回路１０を備え、演算増幅器Ｑ１の非反転入力（＋）には、コンパレータＱ２の出力電圧の１／３の電圧が印加される。演算回路２０は、発振回路１０の出力周波数に基づいて、電気伝導率を演算する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帰還キャパシタが反転入力と出力との間に接続された演算増幅器と、測定対象に接触する一対の電極であって、一方の電極が接地され他方の電極が前記演算増幅器の前記反転入力に接続された電極対と、入力電圧のしきい値がヒステリシス特性を有し、反転入力が前記演算増幅器の出力に、反転出力が出力端子にそれぞれ接続されたコンパレータと、前記コンパレータの前記反転出力から出力される電圧を分圧して第１の電圧及び第２の電圧として出力する分圧回路とを備え、前記第１の電圧が前記コンパレータの非反転入力に、前記第２の電圧が前記演算増幅器の非反転入力にそれぞれ接続された発振回路と、
前記発振回路の発振周期又は発振周波数に基づいて測定対象の電気伝導率を演算する演算部とを備えることを特徴とする電気伝導率測定装置。
【請求項２】
前記第１の電圧が前記第２の電圧よりも高い、請求項１に記載の電気伝導率測定装置。
【請求項３】
前記発振回路は、前記電極対の相互間に接続される並列抵抗を更に備える、請求項１または２に記載の電気伝導率測定装置。
【請求項４】
前記電極対は、前記一方の電極を外筒とする同軸電極として構成される、請求項１〜３の何れか一に記載の電気伝導率測定装置。
【請求項５】
帰還キャパシタが反転入力と出力との間に接続された演算増幅器と、一端が接地され他端が前記演算増幅器の前記反転入力に接続された抵抗と、入力電圧のしきい値がヒステリシス特性を有し、反転入力が前記演算増幅器の出力に、反転出力が出力端子にそれぞれ接続されたコンパレータと、前記コンパレータの前記反転出力から出力される電圧を分圧して第１の電圧及び第２の電圧として出力する分圧回路とを備え、前記第１の電圧が前記コンパレータの非反転入力に、前記第２の電圧が前記演算増幅器の非反転入力にそれぞれ接続されたことを特徴とする発振回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振回路及び電気伝導率測定装置に関し、更に詳しくは、工場用水や水道水、あるいは純水や蒸留水等の各種水の純粋度を測定するために好適に使用される電気伝導率測定装置、及び、そのような電気伝導率測定装置に使用して好適な発振回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、純水や蒸留水等の水の純粋度は、その水中に溶存するイオン量を測定する方法、即ち、水の電気伝導率を測定する方法によって計測されている。水の電気伝導率による純粋度の計測方法は、工業用水の試験法として日本工業規格（ＪＩＳ０１０１）に記載されている。
【０００３】
工業用水等の水の電気伝導率は、水中に浸した一対の電極に電圧を印加して、電極間を流れる電流を測定することにより算出する。電極に印加する基準電圧として直流電圧を用いると、電気分解によるガス等のために測定誤差が発生するので、一般に、交流電圧が基準電圧として用いられている。
【０００４】
図４に従来形式の電気伝導率測定装置４０を示した。電極４１ａ、４１ｂの相互間には、安定化電源回路４２から正確な振幅を有する基準交流電圧が印加される。電極４１ａ、４１ｂ間を流れる信号電流は、整流回路４３、平滑回路４４によって直流電圧に変換された後に、ＡＤ変換器４５に入力され、その出力が図示しないコンピュ−タ（ＣＰＵ）に入力されて電気伝導率が得られる。ＡＤ変換器４５の基準入力には、基準直流電源Ｅ１１から基準電圧が入力される。
【０００５】
特許文献１は、図４の従来形式の電気伝導率測定装置とは異なる新しい形式の電気伝導率測定装置を提案している。この電気伝導率測定装置の回路図を図５に示した。
【特許文献１】特開平０９−２８１１６４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図４の電気伝導率測定装置４０は、基準交流電圧発生回路４２、整流回路４３、平滑回路４４、ＡＤ変換器４５、直流電圧源Ｅ１１等の多数の回路から構成され、回路数が多いためコストが高いという欠点がある。また、回路数が多いことを考慮すると、測定誤差を低く抑えるためには、誤差が小さく精度が高い回路部品の採用が不可欠であり、これらの回路部品により更にコストがかさむ。特に細かな分解能を備えた高精度のＡＤ変換器４５は、高価であると共に多数の出力端子を有し、その出力を受けるコンピュータの入力端子を多数占有するという欠点もある。
【０００７】
出願人は、図５に示した特許文献１に記載の電気伝導率測定装置で、従来形式の伝導率計における上記問題点を解決した。この装置では、ＡＤ変換器を利用せずに、電極５１ａ、５１ｂと、コンパレータＱ１１、Ｑ１２と、フリップフロップＱ３、Ｑ４と、インバータＱ５、Ｑ６と、出力トランジスタＱ８と、キャパシタＣ２１、Ｃ２２及び抵抗Ｒ２１〜Ｒ２５とによって、発振回路を構成している。この発振回路の発振周波数に基づいて、電極５１ａ、５１ｂ間の抵抗値を算出することで、図４の電気伝導率測定装置に比して回路構成を大幅に簡素化している。
【０００８】
しかし、特許文献１に記載の電気伝導率測定装置５０では、図５から理解できるように、電極５１ａ、５１ｂは何れも、回路構成上でグランドに接続されていない。このため、測定対象の液体が収容される容器全体が接地電位にある場合には、電極５１ａ、５１ｂにその影響が及ぶため、電気伝導率の計測値に無視できない誤差が発生するという問題があった。
【０００９】
本発明は、従来形式の電気伝導率測定装置の問題に鑑み、上記提案された電気伝導率測定装置の回路構成とは異なり、且つ、より簡素化された回路構成を有する電気伝導率測定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明は、上記目的を達成した上で、更に、測定対象が収容される容器などが接地電位であっても、測定精度が損なわれない電気伝導率測定装置を提供することをも目的とする。
【００１１】
本発明は、更に、上記本発明の電気伝導率測定装置に使用して好適な発振回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の電気伝導率測定装置は、帰還キャパシタが反転入力と出力との間に接続された演算増幅器と、測定対象に接触する一対の電極であって、一方の電極が接地され他方の電極が前記演算増幅器の前記反転入力に接続された電極対と、入力電圧のしきい値がヒステリシス特性を有し、反転入力が前記演算増幅器の出力に、反転出力が出力端子にそれぞれ接続されたコンパレータと、前記コンパレータの前記反転出力から出力される電圧を分圧して第１の電圧及び第２の電圧として出力する分圧回路とを備え、前記第１の電圧が前記コンパレータの非反転入力に、前記第２の電圧が前記演算増幅器の非反転入力にそれぞれ接続された発振回路と、
前記発振回路の発振周期又は発振周波数に基づいて測定対象の電気伝導率を演算する演算部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
更に、本発明の発振回路は、帰還キャパシタが反転入力と出力との間に接続された演算増幅器と、一端が接地され他端が前記演算増幅器の前記反転入力に接続された抵抗と、入力電圧のしきい値がヒステリシス特性を有し、反転入力が前記演算増幅器の出力に、反転出力が出力端子にそれぞれ接続されたコンパレータと、前記コンパレータの前記反転出力から出力される電圧を分圧して第１の電圧及び第２の電圧として出力する分圧回路とを備え、前記第１の電圧が前記コンパレータの非反転入力に、前記第２の電圧が前記演算増幅器の非反転入力にそれぞれ接続されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の電気伝導率測定装置によると、発振回路が電極間に流れる電流値に依存した周期（周波数）で発振し、演算部がその周期または周波数に基づいて電気伝導率を算出する構成を採用することにより、簡素な構成による電気伝導率測定装置が実現できる。
【００１５】
ここで、本発明の電気伝導率測定装置の好ましい態様では、入力電圧のしきい値のヒステリシス特性を、分圧回路の出力である第１の電圧が第２の電圧よりも高いとする構成によって得ることが出来る。
【００１６】
また、前記発振回路は、前記電極対の相互間に接続される並列抵抗を更に備えることも本発明の好ましい態様である。この場合、発振回路の発振が安定になり、また、並列抵抗を利用して測定装置の校正が可能になる。
【００１７】
更に、前記電極対を、前記一方の電極を外筒とする同軸電極として構成することも本発明の好ましい態様である。一方の電極が接地されるので、測定対象を収容するタンクなどの接地電位に基づく測定誤差の解消が可能になる。
【００１８】
本発明の発振回路は、演算増幅器に接続された抵抗と帰還キャパシタとによって定まる周期で発振する新規な構成の発振回路であり、演算回路と組み合わせることにより、電気伝導率の測定に限らず、未知の抵抗の測定などに使用できる。
【００１９】
また、既知の抵抗を使用することにより、所望の周期で発振可能である。この場合、複数の抵抗の内から１つの抵抗を選択する構成を採用すれば、発振回路の周期を切り換えることも出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態例に基づいて、本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態例に係る電気伝導率測定装置の回路図を示している。電気伝導率測定装置は、測定対象に浸した一対の電極１ａ、１ｂからなる同軸電極装置１１を含む発振回路１０と、発振回路１０の出力周波数から電気伝導率を演算する演算回路２０と、発振回路１０に正極性電源電圧（＋Ｅ）及び負極性電源電圧（−Ｅ）を供給する電源部３０とから構成される。同軸電極装置１１の電極１ａ、１ｂ間には並列抵抗Ｒ４が接続され、また、外筒側に配設される電極（外筒側電極）１ｂは、端子Ｔ２を介してグランドに接続される。
【００２１】
発振回路１０は、反転入力が同軸電極装置１１の内側電極１ａに接続され、反転入力（−）と出力とが帰還キャパシタＣ１を介して接続された演算増幅器Ｑ１と、反転入力（−）が演算増幅器Ｑ１の出力に接続され、反転出力（−）が発振回路１０の出力端子ＴＰに接続されるコンパレータＱ２と、コンパレータＱ２の出力電圧（Ｅまたは−Ｅ）を３等分に分圧する抵抗分割器（分圧回路）１２とを備える。抵抗分割器１２は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３）から成る。抵抗分割器１２の絶対値が高い方の分圧を出力するノードｎ１は、コンパレータＱ２の非反転入力（＋）に接続され、絶対値が低い方の分圧を出力するノードｎ２は、演算増幅器Ｑ１の非反転入力（＋）に接続される。絶対値が低い方の分圧を演算増幅器Ｑ１に与え、絶対値が高い方の分圧をコンパレータＱ２に与えることで、コンパレータＱ２の入力のしきい値として、ヒステリシス特性が得られる。
【００２２】
電源部３０は、それぞれが直流電圧（Ｅ）を出力するバッテリＥ１及びＥ２から成り、これらを直列に接続し、且つその中性点をグランドに接続してある。この構成によって、電源部３０は、＋Ｅ及び−Ｅの電源電圧を出力し、これを演算増幅器Ｑ１及びコンパレータＱ２の正極性及び負極性電源として与える。その結果、コンパレータＱ２の出力振幅は、電圧＋Ｅから電圧−Ｅまでとなり、演算増幅器Ｑ１の非反転入力端子には、＋Ｅ／３又は−Ｅ／３の電圧が、コンパレータの非反端入力子には、＋２Ｅ／３又は−２Ｅ／３の電圧がそれぞれ印加される。
【００２３】
上記構成により、演算増幅器Ｑ１とコンパレータＱ２とは正帰還に結合され、これらを含む発振回路１０は、電極１ａ、１ｂ間に流れる電流に依存する周波数で発振する。その動作を、図２を併せて参照しつつ説明する。図２は、キャパシタＣ１の端子電圧（演算増幅器Ｑ１の出力電圧）と、発振回路１０の出力端子ＴＰにおける出力電圧（コンパレータＱ２の出力電圧）とをタイミングチャートで示している。
【００２４】
（充電サイクル）
時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、コンパレータＱ２の反転出力が＋Ｅのときには、演算増幅器Ｑ１の非反転入力には、＋Ｅ／３の電圧が印加される。このため、演算増幅器Ｑ１では、演算増幅器Ｑ１の出力端子から、キャパシタＣ１を介して、電極１ａ、測定対象、及び、電極１ｂを経由してグランドに向かって充電電流が流れて、キャパシタＣ１が充電される。キャパシタＣ１の充電の結果、演算増幅器Ｑ１の出力電圧が上昇し、その出力電圧がコンパレータＱ２の非反転入力の端子電圧＋２Ｅ／３よりも高くなると（時刻ｔ２）、コンパレータＱ２の反転出力が−Ｅに反転する。この時点で充電サイクルは終了する。
【００２５】
時刻ｔ２において、コンパレータＱ２の出力が反転することによって、コンパレータＱ２の非反転入力には、−２Ｅ／３の電圧が印加される。従って、コンパレータＱ２の出力電圧は−Ｅのまま維持される。このとき、演算増幅器Ｑ１の非反転入力に印加される電圧が＋Ｅ／３から−Ｅ／３に、２Ｅ／３幅だけ瞬間的に下降する。このため、演算増幅器Ｑ１の出力も、瞬間的に＋２Ｅ／３からゼロボルトに、２Ｅ／３幅だけ下降する。
【００２６】
（放電サイクル）
その後、キャパシタＣ１に充電された電荷は、グランドから電極１ｂ、測定対象、電極１ａ、及び、キャパシタＣ１を経由して演算増幅器Ｑ１の出力端子に向かう電流によって放電し、演算増幅器Ｑ１の出力電圧をゼロボルトから更に低下させる。時刻ｔ３で、演算増幅器Ｑ１の出力電圧が−２Ｅ／３以下に低下すると、コンパレータＱ２の出力は再び反転して＋Ｅに移行する。このとき、演算増幅器Ｑ１の非反転入力に印加される電圧は、−Ｅ／３から＋Ｅ／３に２Ｅ／３幅だけ瞬間的に上昇する。このため、演算増幅器Ｑ１の出力は、−２Ｅ／３からゼロボルトに上昇する。これによって、放電サイクルは終了し、先の充電サイクルに移行する。
【００２７】
上記充電サイクル及び放電サイクルが繰り返されることによって、発振回路１０は、キャパシタの充電電流及び放電電流に依存した周期で、つまり、電極１ａ、１ｂ間を流れる電流に依存した周期（Ｔ）で発振する。従って、キャパシタＣ１として適当な容量を選定することにより、キャパシタＣ１の端子電圧として、図２に示すような鋸波形が得られる。また、発振回路１０の出力は、周期Ｔを有するパルス列となる。
【００２８】
発振回路１０の発振出力は、出力端子ＴＰから取り出され、演算回路２０に入力される。演算回路２０は、例えばマイクロコンピュータとして構成される。キャパシタＣ１の充放電に要する時間は、キャパシタＣ１のキャパシタンス、及び、電極１ａ、１ｂ間の抵抗値（電気伝導率の逆数）に電極定数を掛けた値に比例するので、発振周期Ｔの逆数である発振周波数は、結局、電気伝導率に比例する。従って、演算回路２０は、発振回路１０の発振周波数、及び、キャパシタＣ１の既知のキャパシタンスから電気伝導率を計算する。
【００２９】
同軸電極１ａ、１ｂ間に並列に接続された並列抵抗Ｒ４は、演算増幅器Ｑ１の作用を安定にする作用がある。並列抵抗Ｒ４を設けないと、電極１ａ側の端子Ｔ１を含む回路部分は、キャパシタＣ１によって、測定対象で形成される回路部分を除けば、他の回路から直流的に分離される。ここで、演算増幅器Ｑ１は、高い入力インピーダンスを有するので、端子Ｔ１は略フローティング状態になり、端子Ｔ１の電位が他のノードの電位の影響を受け、不安定になる。適当な抵抗値を有する並列抵抗Ｒ４を接続することにより、端子Ｔ１の電位が安定となり、発振回路１０の動作が安定となる
【００３０】
図３は、本実施形態例に係る、発振回路及び演算装置を含む電気伝導率測定装置の外形構造を示している。同軸電極装置１１の各電極１ａ、１ｂは、電線接続部１３に支持されており、電線接続部１３は、電気伝導率の測定対象を収容するタンクの蓋にボルト１４のねじ部１６によって固定される。電線接続部１３は、発振回路１０の電極以外の部分と演算回路２０とを内部に収容するハウジングを兼ねる。外部ケーブル１５は、例えば図示しないシーケンサから供給される２４ＶのＤＣ電源を供給する電源線と、測定された電気伝導率を４−２０ｍＡの電流信号に変換して送信する信号線とを含み、電線接続部１３で電気伝導率測定装置に接続される。外筒側電極１ｂは、グランド電位にあり、内側電極１ａの全体を囲んで配設される。
【００３１】
上記実施形態例の電気伝導率測定装置は、特許文献１に記載の電気伝導率測定装置に比して、回路構成がより簡素化されており、その外形も小型化できる。また、一方の電極１ｂをグランドに接続しているので、測定対象を収容するタンクがグランド電位にある場合にも、それによって誤差が発生することがない。
【００３２】
また、並列抵抗Ｒ４を用いて本電気伝導率測定装置の校正が可能となる。この場合には、並列抵抗Ｒ４として精度が高い抵抗器を採用することが好ましい。測定対象の電気伝導率の測定に先立って、まず、測定対象に電極１ａ、１ｂを接触させない状態にして端子Ｔ１、Ｔ２間を開放すると、発振回路１０における発振周波数は、並列抵抗Ｒ４によって定まる。例えば、並列抵抗Ｒ４に、測定対象の１μＳ（マイクロ・ジーメンス）の電気伝導率に相当する抵抗値の抵抗器を用いると、１μＳに相当する基準発振周波数が得られる。この基準発振周波数を、演算回路２０を構成するコンピュータに記憶させる。
【００３３】
次いで、測定対象に電極１ａ、１ｂを浸し、発振回路１０を発振させる。このときに得られる発振周波数を、前記基準発振周波数で除算し、得られた値から１μＳを減算すると、測定対象の電気伝導率が得られる。一般に、精度が高い抵抗値を有する抵抗器は比較的安価に入手でき、他方、精度が高い容量値を有するキャパシタは高価である。本実施形態例では、特別な校正装置に代えて並列抵抗Ｒ４を備えることによって、測定装置のコストを低減しながらも、正確な基準発振周波数を得ることが出来る。
【００３４】
更に、本実施形態例では、安価な電源装置３０が利用できるという利点もある。これは、安価な電源装置を採用することによって電源電位が変動すると、キャパシタＣ１を充電する充電電流もそれに比例して変動し、その充電電流によって得られるキャパシタの端子電圧も変動するものの、この端子電圧と比較されるコンパレータＱ２の基準電圧も同程度に変動するため、測定される発振周期には実質的に影響がない。
【００３５】
上記実施形態例で使用した発振回路の構成は、電気伝導率測定装置に限らず、種々の装置に使用可能である。電極対の接続に代えて未知の抵抗を接続し、上記実施形態例の演算回路と組み合わせることにより、未知の抵抗の測定が可能となる。また、既知の抵抗器を用いることにより、所望の周波数で発振する発振回路が得られる。ここで、複数の抵抗器から１つを選択する構成を採用すれば、可変周波数で発振する発振回路が得られる。
【００３６】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて詳細に説明したが、本発明の電気伝導率測定装置及び発振回路は上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも本発明の範囲に含まれる。例えば、電極対は、同軸電極装置に必ずしも限定されない。また、分圧回路は、コンパレータの出力を必ずしも３等分する必要はなく、コンパレータの出力電圧から第１の分圧及び第２の分圧を出力すれば足りる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態例に係る電気伝導率測定装置の回路図。
【図２】図１の電気伝導率測定装置における信号のタイミングチャート。
【図３】図１の電気伝導率測定装置の外形を、一部破断して示す側面図。
【図４】従来の電気伝導率測定装置のブロック図。
【図５】特許文献１に記載の電気伝導率測定装置の回路図。
【符号の説明】
【００３８】
１０：発振回路
１１：同軸電極装置
１ａ、１ｂ：電極
１２：抵抗分割器（分圧回路）
１３：電線接続部
１４：ボルト
１５：外部ケーブル
１６：ねじ部
Ｒ１〜Ｒ３：抵抗
Ｒ４：並列抵抗
Ｃ１：キャパシタ
Ｔ１、Ｔ２、ＴＰ：端子
【図１】
2005308601.tif 000003
【図２】
2005308601.tif 000004
【図３】
2005308601.tif 000005
【図４】
2005308601.tif 000006
【図５】
2005308601.tif 000007