(57)【要約】【課題】本発明は、純水から淡水、食塩水に至る塩分を含む水について、非接触で高感度に塩分濃度を測定できる塩分濃度測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る塩分濃度測定装置は、（イ）検出コイル１５が、励磁コイル１７の巻回の軸方向に対して対称に配置され互いに逆方向に巻回された一対の第１コイル部１１と第２コイル部１２からなり、（ロ）第１コイル部１１の内周側に第１の容器１３が配置され、第２コイル部１２の内周側に液体試料１６を収容する第２の容器１４が配置され、（ハ）第１の容器１３と第２の容器１４は、材料が同じでかつ断面形状が同じであり、（ニ）測定部９０が、励磁コイル１７から発生する高周波磁界の信号電圧と検出コイル１５に生ずる誘起電圧との間の位相差に基づいて液体試料１６の塩分濃度を測定することを特徴とする。【選択図】図５
2017040602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体試料を収容する容器、励磁コイルおよび検出コイルを有する検出部と、前記励磁コイルに電流を印加し高周波磁界を発生させる高周波発生部と、前記高周波磁界により前記検出コイルに生ずる誘起電圧に基づいて前記液体試料中の塩分の濃度を測定する測定部とを備える塩分濃度測定装置であって、
前記検出コイルは、前記励磁コイルの巻回の軸方向に対して対称に配置され互いに逆方向に巻回された一対の第１コイル部と第２コイル部からなり、
前記第１コイル部の内周側に第１の容器が配置され、
前記第２コイル部の内周側に前記液体試料を収容する第２の容器が配置され、
前記第１の容器の材料は、前記第２の容器と同じであり、かつ
前記第１の容器の前記第１コイル部の巻回の軸方向に垂直な断面の形状が、前記第２の容器の前記第２コイル部の巻回の軸方向に垂直な断面の形状と同じであり、
前記測定部は、前記高周波磁界の信号電圧と前記検出コイルに生ずる誘起電圧との間の位相差に基づいて前記塩分の濃度を測定する
ことを特徴とする塩分濃度測定装置。
【請求項２】
前記第２の容器が絶縁体材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の塩分濃度測定装置。
【請求項３】
前記検出コイルが、前記励磁コイルの内周側中央に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の塩分濃度測定装置。
【請求項４】
前記高周波磁界の周波数を１ＭＨｚから１００ＭＨｚの範囲で可変できることを特徴とする請求項２または３に記載の塩分濃度測定装置。
【請求項５】
前記第２の容器の端が開放されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の塩分濃度測定装置。
【請求項６】
前記第１コイル部もしくは前記第２コイル部の一方に、または前記第１コイル部および前記第２コイル部の両方に、タップを設け、前記第１コイル部と前記第２コイル部の巻き数と断面積の積の比を可変できることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の塩分濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体中の塩分の濃度を測定する装置に関する。さらに詳しくは、純水から淡水、食塩水などの塩分を含む水において、非接触で電気伝導率σを検出して水の中の塩分の濃度を高感度に測定できる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な目的で塩分濃度測定が行われている。例えば、海水から脱塩処理して飲用水とする海水淡水化プロセスでは、３．５％の塩分濃度の海水を０．０５％以下の塩分濃度の淡水とするため、脱塩処理後に塩分濃度を測定することが行われている。
【０００３】
このような塩分濃度測定を行うための一つの原理として、電気伝導率測定法がある。塩分濃度と電気伝度率は、大まかに比例関係にあり、電気伝導率測定法はこの関係を利用して塩分濃度を求めるものである。例えば、塩分濃度が０．０５％のときは、電気伝導率σは０．１Ｓ／ｍである。
【０００４】
液体の電気伝導率σの測定方法に種々の方法がある。例えば、特許文献１には、一対の電極間に高周波交流電圧を印加し、この電極間に配置された液体試料の抵抗値が液体試料に含まれる塩分の量に応じて変化することを利用して、塩分濃度を測定する塩分濃度測定回路が開示されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されている塩分濃度測定回路は、測定部を液体中に入れるため、電極と試料との相互間の接触抵抗によって測定値が影響を受けやすいという問題があり、またメンテナンスや安全性の問題もある。
【０００６】
また、特許文献２には、管の周りに巻回された励起コイルと共振コイルを有する装置において、共振コイルの共振特性を検出することにより、管を通る流体流中の塩分の濃度を測定できることが開示されている。
【０００７】
しかしながら、特許文献２に記載されている方法は、淡水のような僅かな塩分を含む水に対して感度が十分でないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−５８６２号公報
【特許文献２】特表２０１３−５３９８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑み、純水から淡水、食塩水に至る塩分を含む水について、非接触で高感度に塩分濃度を測定できる塩分濃度測定装置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】
【００１０】
第１の発明の塩分濃度測定装置は、液体試料を収容する容器、励磁コイルおよび検出コイルを有する検出部と、前記励磁コイルに電流を印加し高周波磁界を発生させる高周波発生部と、前記高周波磁界により前記検出コイルに生ずる誘起電圧に基づいて前記液体試料中の塩分の濃度を測定する測定部とを備える塩分濃度測定装置であって、（イ）前記検出コイルは、前記励磁コイルの巻回の軸方向に対して対称に配置され互いに逆方向に巻回された一対の第１コイル部と第２コイル部からなり、（ロ）前記第１コイル部の内周側に第１の容器が配置され、前記第２コイル部の内周側に前記液体試料を収容する第２の容器が配置され、（ハ）前記第１の容器の材料は、前記第２の容器と同じであり、かつ前記第１の容器の前記第１コイル部の巻回の軸方向に垂直な断面の形状が、前記第２の容器の前記第２コイル部の巻回の軸方向に垂直な断面の形状と同じであり、（ニ）前記測定部は、前記高周波磁界の信号電圧と前記検出コイルに生ずる誘起電圧との間の位相差に基づいて前記塩分の濃度を測定することを特徴とする。
【００１１】
第２の発明の塩分濃度測定装置は、第１の発明に係る塩分濃度測定装置において、前記第２の容器が絶縁体材料で構成されることを特徴とする。
【００１２】
第３の発明の塩分濃度測定装置は、第２の発明に係る塩分濃度測定装置において、前記検出コイルが、前記励磁コイルの内周側中央に配置されていることを特徴とする。
【００１３】
第４の発明の塩分濃度測定装置は、第２または第３の発明に係る塩分濃度測定装置において、前記高周波磁界の周波数を１ＭＨｚから１００ＭＨｚの範囲で可変できることを特徴とする。
【００１４】
第５の発明の塩分濃度測定装置は、第２から第４のいずれか一つの発明に係る塩分濃度測定装置において、前記第２の容器の端が開放されていることを特徴とする。
【００１５】
第６の発明の塩分濃度測定装置は、第２から第５のいずれか一つの発明に係る塩分濃度測定装置において、前記第１コイル部もしくは前記第２コイル部の一方に、または前記第１コイル部および前記第２コイル部の両方に、タップを設け、前記第１コイル部と前記第２コイル部の巻き数の比または断面積の比を可変できることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によれば、８字型検出コイルの第１コイル部と第２コイル部は、励磁コイルの巻回の軸方向に対して対称に配置され互いに逆方向に巻回され、第１コイル部と第２コイル部の内周側にそれぞれに同じ材料で同じ断面形状の第１の容器と第２の容器が配置されている。よって、液体試料がなければ、高周波磁界により第１コイル部と第２コイル部のそれぞれを周回する誘導電流は、向きが逆であり、第１コイル部と第２コイル部に生じる誘起電圧は互いにキャンセルされる。そして、次に、第２コイル部の内周側に塩分を含む液体試料を第２の容器に入れると、液体試料は電解質であるため、液体試料の内部には誘導電流が生じ、この誘導電流が作る磁界によって８字型検出コイルに液体試料に起因する誘起電圧が生じる。
【００１７】
これにより、第１の発明では、高周波磁界の信号電圧と８字型検出コイルに生じる誘起電圧との位相差をエンハンスして検出でき、塩分濃度に応じた液体試料の電気伝導率を測定することができる。その結果、僅かな電気伝導率σの変化に対応する微量の塩分濃度の変化を非接触で高感度に検出することが可能となる。さらに、電気伝導率σが０．１Ｓ／ｍを下回る液体試料でもその塩分濃度を判別することが可能となる。
【００１８】
第２の発明によれば、８字型検出コイルの内周側に配置する第１の容器と第２の容器が絶縁体材料で構成されるので、高周波磁界が印加されても第１の容器と第２の容器の内部の誘導電流は小さく測定に対する容器の影響はほとんど生じないという効果がある。
【００１９】
第３の発明によれば、検出コイルが励磁コイルの内周側中央に配置されるので、検出コイルおよび液体試料に励磁コイルからの磁界を一様に印加することができ、液体試料の電気伝導率σを精度よく測定できる。
【００２０】
第４の発明によれば、高周波磁界の周波数を１ＭＨｚから１００ＭＨｚの範囲で可変できるので、測定対象物の塩分濃度に応じて測定レンジを変えることができ、幅広い範囲の電気伝導率σを有する液体試料を測定することができる。
【００２１】
第５発明によれば、端が開放された管を第１の容器と第２の容器として用いるため、液体試料を管の中に流通させれば、液体試料の塩分濃度をリアルタイムで測定することができる。
【００２２】
第６発明によれば、８字検出コイルの第１コイル部と第２コイル部の電気的特性が同じであっても、タップを設けて接続を切り替えることができるので、測定対象物の塩分濃度に応じて測定レンジを変え、幅広い範囲の電気伝導率σを有する液体試料を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】８字型検出コイルと外部磁界との関係を示す図である。
【図２】誘導電流密度ｉeによって生じる磁界Ｈｅを説明する図である。
【図３】Ａをパラメータとする、外部磁界に対する８字型検出コイルの誘起電圧の位相差θ8と液体試料の電気伝導率σの関係を示す図である。
【図４】周波数ｆをパラメータとする、外部磁界に対する８字型検出コイルの誘起電圧の位相差θ8と液体試料の電気伝導率σの関係を示す図である。
【図５】第１の実施の形態に係る塩分濃度測定装置を示す模式図である。
【図６】第１の実施の形態において励磁コイルをヘルムホルツコイルとした場合の模式図である。
【図７】第１の実施の形態において一巻毎に８字の平面形状に巻回し形成した検出コイルの模式図である。
【図８】各試料における検出コイルの位相差θ8の測定結果と電気伝導率σとの関係を示す図である。
【図９】第２の実施の形態に係る塩分濃度測定装置の検出部の模式図である。
【図１０】第３の実施の形態に係る塩分濃度測定装置において検出コイルの巻き数比を変えてＡを調整する方法を説明する図である。
【図１１】第３の実施の形態に係る塩分濃度測定装置において検出コイルの断面積比を変えてＡを調整する方法を説明する図である。
【図１２】第４の実施の形態に係る塩分濃度測定装置の検出部の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
≪１．各実施の形態に共通の基本的概念≫
まず、各実施の形態に共通の基本的概念について説明する。
【００２５】
測定対象物は、塩分を含んだ各種の液体であり、特に限定されないが、例えば、純水、淡水、かん水、海水、食塩水、医療用生理食塩水、食品、農業用水、工業用水、地下水などを挙げることができる。
【００２６】
各実施の形態に係る塩分濃度測定装置は、主に８字型検出コイルと励磁コイルと位相検出回路から構成される。その特徴は、８字型検出コイルを形成する同じ形状の２つのコイル部のうち、一方のコイル部の内周側に液体試料を置き、もう一方のコイル部の内周側には液体試料を置かず空気とすることであり、そして８字型検出コイルに生ずる誘起電圧の交流波形と励磁コイルに通電する電流の波形との位相差を検出して塩分濃度を測定することである。
【００２７】
この手法により、励磁コイルより発生する外部磁界に対する８字型検出コイルの誘起電圧の位相差がエンハンスされ、僅かな電気伝導率σの変化に対するセンサとして有効である。さらに、電気伝導率σが０．１Ｓ／ｍを下回る液体でも判別できる高感度の塩分濃度測定装置が構成可能となる。
【００２８】
≪２．測定原理≫
以下、本発明者が見出した、本発明の実施形態に係る電気伝導率σの測定原理について説明する。
【００２９】
＜基本的な測定原理＞
図１は、互いに逆方向に巻回された円筒状の第１コイル１と第２コイル２からなる８字型検出コイルと励磁コイルより発生する外部磁界Ｈｚおよび第２の容器４内に電気導電率σの液体からなる媒質を入れた際に生じる誘導電流により発生する磁界Ｈｅの関係である。第１の容器３内は空である。また、外部磁界Ｈｚは、極座標系においてｚ方向成分のみで、かつ一様に分布しており、次式で表される正弦波交番磁界とする。
【００３０】
【数１】
2017040602.tif 000003
【００３１】
ここでＨzmは外部磁界の振幅値、ｊは虚数、ωは角周波数、ｔは時間である。
【００３２】
このとき、第１コイル１の両端電圧ｅ１は、ファラデー−マクスウェルの式（（２）式）より、（３）式で表される。
【００３３】
【数２】
2017040602.tif 000004
（μ０は真空中の透磁率、４π×１０−７Ｈ／ｍ）
【００３４】
【数３】
2017040602.tif 000005
（Ｎ１はコイルの巻き数、Ｓ１はコイルの断面積）
【００３５】
さらに、第２コイル２の両端電圧ｅ２は、次のように求められる。すなわち、第２の容器４内は食塩水の様な電気導電率σをもち、誘電率εを有する媒質とすると、（２）式とアンペール−マクスウェルの式（（４）式）より、（５）式が得られ、媒質内に流れる誘導電流密度ｉeは（６）式で表される。
【００３６】
【数４】
2017040602.tif 000006
（Ｄは電束密度）
【００３７】
【数５】
2017040602.tif 000007
【００３８】
【数６】
2017040602.tif 000008
【００３９】
（６）式右辺の括弧内をＫとおき、面Ｓに対する面積分をすると次式になる。
【００４０】
【数７】
2017040602.tif 000009
【００４１】
（７）式の左辺をストークスの定理を用いると次式になる。
【００４２】
【数８】
2017040602.tif 000010
一方、（７）式の右辺は次式になる。
【００４３】
【数９】
2017040602.tif 000011
【００４４】
（８）式および（９）式のそれぞれ右辺同士が等しいので、次式が得られる。
【００４５】
【数１０】
2017040602.tif 000012
【００４６】
したがって、誘導電流密度ｉｅによって生じる磁界Ｈｅを図２のように考え、容器の内側の半径をＲとするならば、次式で表される。
【００４７】
【数１１】
2017040602.tif 000013
【００４８】
第２コイル２内の磁界Ｈ２は外部磁界Ｈｚと（１１）式で得られたＨｅの合成であるため、（１２）式になり、第２コイル２の両端電圧ｅ２は（１３）式になる。
【００４９】
【数１２】
2017040602.tif 000014
【００５０】
【数１３】
2017040602.tif 000015
（Ｎ２はコイルの巻き数、Ｓ２はコイルの断面積）
【００５１】
そうすると、８字型検出コイルは、第１コイル１と第２コイル２が逆極性で接続されたものであり、８字型検出コイルの両端電圧ｅ８は次式になる。
【００５２】
【数１４】
2017040602.tif 000016
【００５３】
ここでコイルの巻き数と面積の積の比Ｎ１Ｓ１／Ｎ２Ｓ２をＡとおき、両辺をＮ２Ｓ２で割ると、（１４）式は、次式になる。
【００５４】
【数１５】
2017040602.tif 000017
【００５５】
また、Ｈｚに対するｅ８の位相差θ８は（１７）式になる。
【００５６】
【数１６】
2017040602.tif 000018
【００５７】
【数１７】
2017040602.tif 000019
【００５８】
さらに、第１コイル１と第２コイル２の巻き数と断面積の積が等しくＡ＝１であるならば、（１７）式は次式になり、容器の内側の半径Ｒに依存しなくなる。
【００５９】
【数１８】
2017040602.tif 000020
【００６０】
したがって、一般に（１７）式を用いて、また特にＡ＝１の場合は（１８）式を用いて、外部磁界Ｈｚに対する電圧ｅ８の位相差θ８の値から電気伝度率σの値を求めることができる。
【００６１】
＜８字型検出コイルによる位相差検出の感度増大＞
次に、８字型検出コイルにより位相差を検出する場合と、８字型ではなく単一の検出コイルを用いて位相差を検出する場合を比較し、８字型検出コイルによる場合、位相差検出の感度が増大することを説明する。
【００６２】
例えば、ω＝２πｆ＝２π×１０６ｒａｄ／ｓ（ｆ＝１ＭＨｚ）、ε＝ε０εｒ＝（３６π×１０９）−１×８０Ｆ／ｍ、Ｒ＝６．５ｍｍ、σ＝０．１Ｓ／ｍであるとき、８字型検出コイルによる場合、位相差θ８の値は、（１８）式から、θ８≒２．５４°となる。
【００６３】
一方、単一の検出コイルの場合は、位相差θは、（１７）式から次のように導かれる。
【００６４】
【数１９】
2017040602.tif 000021
【００６５】
容器が空の場合の位相差は９０°であるから、容器内の食塩水の有無にかかわらず位相差θは９０°でほぼ一定となり、感度は非常に低いことが分かる。
【００６６】
したがって、単一の検出コイルを用いて位相差を検出し電気伝導率σを求める場合に比べ、８字型検出コイルにより位相差を検出した場合の方が、高い感度で位相差を検出できることが分かる。
【００６７】
＜Ａをパラメータとした場合の位相差θ8と電気伝導率σの関係＞
図３は、（１７）式から求めた、Ａをパラメータとする、外部磁界に対する８字型検出コイルの誘起電圧の位相差θ8と液体試料の電気伝導率σの関係を示す図である。ω＝２πｆ＝２π×１０６ｒａｄ／ｓ（ｆ＝１ＭＨｚ）、ε＝ε０εｒ＝（３６π×１０９）−１×８０Ｆ／ｍとした。ｆ＝１ＭＨｚにおいて、純水、淡水、食塩水の比誘電率εｒは約８０で一定である。
【００６８】
図３から、Ａが１に近づき大きくなるにしたがい、小さい電気伝導率σに対して、位相差θ8は高い感度を示す。例えば、０．０５％の塩分濃度の淡水の電気伝導率σは０．１Ｓ／ｍに相当し、塩分濃度０．０５％以下の淡水の測定に対しては、Ａが０．９９９９以上であることが好適であることが分かる。Ａ＝１のときは、電気伝導度σは１ｍＳ／ｍ〜０．１Ｓ／ｍの範囲で測定が可能である。
【００６９】
また、大きい電気伝導率σに対して、例えば、１００Ｓ／ｍ〜１ｋＳ／ｍの電気伝導率σの測定に対しては、Ａ を０．９９にすることが好適であることが分かる。
【００７０】
このように、測定対象物の電気伝導率σに応じてＡを１から０．９９の範囲で調整し設計すれば、１ｍＳ／ｍから１ｋＳ／ｍの広い範囲で電気伝導率σを測定することが可能となる。
【００７１】
＜周波数ｆをパラメータとした場合の位相差θ8と電気伝導率σの関係＞
図４は、（１７）式から求めた、周波数ｆをパラメータとする、外部磁界に対する８字型検出コイルの誘起電圧の位相差θ8と液体試料の電気伝導率σの関係を示す図である。Ａ＝１、容器の内半径Ｒ＝６．５ｍｍ、ε＝ε０εｒ＝（３６π×１０９）−１×８０Ｆ／ｍとした。周波数ｆの範囲は、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲が望ましい。周波数ｆが１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚでは、純水、淡水、食塩水において比誘電率εｒは約８０で一定であり、設計が容易となる利点がある。
【００７２】
図４から、周波数ｆが高くなるにしたがい、位相差θ8が大きく変化する電気伝導率σの領域が電気伝導率σの大きい方へ移動し、周波数ｆを変えることによって、高感度に電気伝導率σを測定できる領域を可変できることが分かる。このように、測定対象物の電気伝導率σの範囲に応じて、周波数ｆを変えることで、高感度に電気伝導率σを測定することが可能となる。
【００７３】
＜容器の内側の半径Ｒをパラメータとした場合の位相差θ8と電気伝導率σの関係＞
（１７）式には、容器の内側の半径Ｒを変数として含まれているので、周波数ｆの場合と同様に、半径Ｒを変えることで位相差θ8が大きく変化する電気伝導率σの領域を移動させることができる。そこで、測定対象物である液体試料の電気伝導率σの測定範囲に応じて、第２の容器の内側の半径Ｒを設計し、高感度に電気伝導率σを測定することが可能である。
【００７４】
≪３．各実施の形態の具体的な内容≫
次に、上記説明した測定原理に基づいて、塩分濃度を測定するための塩分濃度測定装置の各実施の形態の具体的内容について説明する。
【００７５】
≪第１の実施の形態≫
＜構成＞
本発明の第１の実施の形態に係る塩分濃度測定装置は、図５に示すように、検出部１０、高周波発生部８０および測定部９０から構成される。以下、各部について説明する。
【００７６】
（検出部）
検出部１０は、励磁コイル１７、検出コイル１５と液体試料１６が収納される第２の容器１４と空の第１の容器１３から構成される。
【００７７】
（検出部−励磁コイル）
励磁コイル１７は、検出コイル１５及び液体試料１６に一様な磁界を印加できれば、その構造は任意であるが、例えば、図５に示すように、導線を一定の直径の円筒状に巻回して形成されるソレノイドコイルとすることができる。励磁コイル１７には、高周波発生部８０のパワーアンプ８１から出力された電流を流すことで、励磁コイル１７の内部には、その軸方向に沿った高周波磁界が形成される。
【００７８】
また、励磁コイル１７を、図６に示すようなヘルムホルツコイル１７ａとすることもできる。この場合は、２つのコイルの間の空間が生じ、この２つのコイルの間から試料を容易に交換することができ、交換作業が簡便となるという利点がある。
【００７９】
（検出部−検出コイル）
検出コイル１５は、互いに逆方向に巻回されて直列に接続された一対の第１コイル部１１と第２コイル部１２から成り、８字型の形状を成す。例えば、図５においては、第１コイル部１１は、時計回りの方向に巻回され、第２コイル部１２は、反時計回りの方向に巻回されている。
【００８０】
第１コイル部１１と第２コイル部１２は、互いに同じ断面形状であればその構造は任意であり、その断面形状は、四角形等の多角形、楕円形、円形等の何れであってもよい。例えば、図５では、第１コイル部１１と第２コイル部１２は、導線を一定の直径の円筒状に巻回され、その断面は円形となっている。
【００８１】
第１コイル部１１を構成する導線の径および材質、ならびに第１コイル部の内径、外径および長さ１１Ｌのそれぞれは、第２コイル部１２を構成する導線の径、および材質、ならびに第２コイル部１２の内径、外径および長さ１２Ｌのそれぞれと等しくなっている。第１コイル部１１の巻き数と第２コイル部１２の巻き数は、それぞれ所定の値に設定されている。
【００８２】
第１コイル部１１と第２コイル部１２は、励磁コイル１７により生じる高周波磁界が、第１コイル部１１と第２コイル部１２に一様にかつ同じ強度で印加されば、励磁コイル１７との位置関係は任意である。しかし、第１コイル部１１と第２コイル部１２は、例えば、図５に示すように、励磁コイル１７の内周側中央に配置され、第１コイル部１１の巻回の軸方向と、第２コイル部１２の巻回の軸方向と、励磁コイル１７の巻回の軸方向とは略並行になるように、励磁コイル１７の巻回の軸方向に直交する方向で励磁コイル１７の軸方向に対して同じ位置に隣接配置されていることが好ましい。さらに、第１コイル部１１の長さ１１Ｌと第２コイル部１２の長さ１２Ｌは、励磁コイル１７の長さ１７Ｌより小さいことが好ましい。
【００８３】
また検出コイル１５の他の例として、図７に示すように、一巻毎に８字の平面形状に巻回し第１コイル部１１ａと第２コイル部１２ａを形成した８字型コイルとすることもできる。
【００８４】
（検出部−液体試料を収容する容器）
第１コイル部１１の内周側に第１の容器１３が配置され、第２コイル部１２の内周側に第２の容器１４が配置されている。
【００８５】
図５では、第１コイル部１１および第２コイル部１２から第１の容器１３および第２の容器１４を容易に取り外しできるようにするため、第１の容器１３および第２の容器１４の外径は、第１コイル部１１および第２コイル部１２の内径より小さくしている。しかし、第１コイル部１１および第２コイル部１２を第１の容器１３および第２の容器１４に直接巻回し、第１の容器１３および第２の容器１４の外径を第１コイル部１１および第２コイル部１２の内径と同じとしてもよい。
【００８６】
第２の容器１４には、測定対象物である塩分を含む液体試料１６が中に充填され収容されている。第２の容器１４は、測定対象物の液体試料１６を一定の形状にするためのものである。すなわち、第２コイル部の巻回の軸方向に垂直な液体試料１６の断面の形状を定め、かつ第２の容器１４の内部の液体試料１６の密度が一様になるように設けられている。第２の容器１４の形状は、特に限定されるものではないが、円柱状または多角柱状であることが一般的であって、後述の電気伝導率σの算出が容易であることから、図５に示すように、円柱状であることが好ましい。
【００８７】
また、検出コイル１５において第２の容器１４の及ぼす影響をキャンセルし小さくするため、中身が空の第１の容器１３が第１コイル部１１の内周側に配置されている。第１の容器１３は、第２の容器１４と同じ材料から構成され、かつ第１の容器１３の第１コイル部の巻回の軸方向に垂直な断面の形状は、第２の容器の第２コイル部の巻回の軸方向に垂直な断面の形状と同じとなっている。すなわち、第１の容器１３と第２の容器１４の断面の各寸法が同じであり、例えば円筒状の容器の場合は、円筒の外径、内径および厚みが同じである。
【００８８】
第１の容器１３と第２の容器１４の断面方向の厚みは、任意であるが、薄ければ容器の塩分濃度測定に及ぼす影響を小さくでき、薄くすることが好ましい。したがって、第１の容器１３と第２の容器１４を薄い膜でそれぞれ形成してもよい。
【００８９】
第１の容器１３と第２の容器１４は、容器自身の電気的性質が塩分濃度の測定値に与える影響を小さくするため、絶縁体材料で構成される。すなわち、第１の容器１３と第２の容器１４は、電気伝導率σが１０−4Ｓ／ｍ以下の絶縁体材料で構成され、さらに電気伝導率σが１０−6Ｓ／ｍ以下の絶縁体材料で構成されることが好ましい。
【００９０】
そして、さらに、第１の容器１３と第２の容器１４について、容器自身の電気的・磁気的性質の影響を小さくするため、第１の容器１３と第２の容器１４は、比透磁率μrが１以上３以下の非磁性の材料で、かつ比誘電率εrが１以上８０以下の材料で構成されることが好ましい。
【００９１】
第１の容器１３と第２の容器１４は、例えば、石英、ガラス、アルミナ、プラスチック、エポキシ樹脂などの材料から適宜選択して用いることができる。
【００９２】
（高周波発生部）
高周波発生部８０は、パワーアンプ８１にファンクションジェネレータ８２が接続されて構成されている。パワーアンプ８１は、直列共振を取らせるために励磁コイル１７に直列にコンデンサＣを入れ、励磁コイル１７に高周波の正弦波交流電流を印加する。その周波数ｆは、ファンクションジェネレータ８２によって制御されている。
【００９３】
図４の結果から、周波数ｆを変えることで、高感度に電気伝導率σを測定できるレンジを変えることができる。したがって、測定対象物の液体試料の塩分濃度、すなわち電気伝導率σに応じて、高い測定感度が得られるよう周波数ｆを調整することが可能である。
【００９４】
（測定部）
測定部９０は、位相検出器９１と塩分濃度換算器９２で構成される。位相検出器９１は、バッハァとバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を介して検出コイル１５に接続されている。さらに位相検出器９１は、バッハァを介してパワーアンプ８１に接続した終端抵抗Ｒ０に接続されている。位相検出器９１は、高周波磁界の信号電圧と検出コイル１５に生ずる誘起電圧との間の位相差を検出する。次に、塩分濃度換算器９２において、予め作成された位相差と液体試料の電気伝導率σの検量線より液体試料の塩分濃度を換算する。
【００９５】
＜実験結果＞
次に、第１の実施の形態に係る塩分濃度測定装置を用いて行われた本発明者による実験の結果について説明する。
【００９６】
表１は、実験で用いた励磁コイルと８字型検出コイルの諸元である。励磁コイルと検出コイルは、アクリル樹脂からなり、端部に蓋をした底のある円筒状のパイプに巻回して作製した。パイプは、液体試料を収容する容器として兼用した。パイプ容器の外径、すなわち検出コイルの片側のコイル部の内径は、１６ｍｍであり、パイプ容器の内径、すなわち収容された液体試料の直径は、１３ｍｍである。
【００９７】
【表１】
2017040602.tif 000022
【００９８】
励磁コイルには、パワーアンプ電源から振幅０．５Ａ、周波数１ＭＨｚの交流電流を印加した。コンデンサＣには３５０ｐＦのバリアブルコンデンサを、終端抵抗Ｒ０には２Ωの抵抗を用い、終端抵抗Ｒ０の両端電圧と検出コイルの誘起電圧を位相検出器に入力し、出力電圧Ｖ0を測定した。位相検出器にはアナログ・デバイセズ社製の位相検出器ＡＤ８３０２、バッハァにはテキサス・インスツルメンツ社製の高速オペアンプＴＨＳ４００１ＩＤを使用し、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）はチップインダクタとチップコンデンサで構成した。
【００９９】
塩分を含む水の試料として、塩分濃度が異なる８種類の試料を使用し、試料の電気伝導率σを、商用の電気伝導率計（ＨＯＲＩＢＡ：Ｂ７７１）を用いて予め測定しておいた。塩分濃度と測定した電気伝導率σとの関係は、表２に示すとおりである。
【０１００】
【表２】
2017040602.tif 000023
【０１０１】
図８は、各試料における、位相検出器の出力電圧Ｖ0、８字型検出コイルの位相差θ8の測定結果と電気伝導率σとの関係を示す図である。位相差θ8が９０°より大きい値を示しているが、これは、位相検出器の回路の構成上、正負が逆になっているためである。
【０１０２】
図８から分かるように、試料の電気伝導率σが小さくなるにしたがい、位相差θ8が減少し、０．１Ｓ／ｍ以下では急激に変化している。また図８から、塩分濃度は、電気伝導率σにほぼ比例して増大しているのが分かる。
【０１０３】
したがって、この位相差θ8すなわち出力電圧Ｖ0と電気伝導率σの関係および塩分濃度と電気伝導率σの関係を予めデータとして塩分濃度換算器に保持しておき、実際の測定対象物の液体試料を測定して位相差θ8から取得された電気伝導率σと比較することで、測定対象の液体試料の塩分濃度を特定することが可能になる。
【０１０４】
＜効果＞
以上のように、８字型検出コイルの片側の容器は空にし、もう片側の容器に測定対象物の液体試料を収容して、８字型検出コイルに生ずる出力電圧の交流波形と励磁コイルに通電する電流の波形との位相差θ8を検出することにより、電気伝導率が０．１Ｓ／ｍ以下、すなわち塩分濃度が０．０５％以下のわずかな塩分を測定することが可能となる。
【０１０５】
≪第２の実施の形態≫
＜構成＞
第１の実施の形態に係る塩分濃度測定装置では、図５に示すように、第１の容器と第２の容器は、一端が開放されていない底があるものであったが、これを、端が開放されて底がないものとしてもよい。
【０１０６】
すなわち、本発明の第２の実施の形態では、図９に示すように、第１の容器と第２の容器を底のない管とする。この場合、第１の管２３と第２の管２４は、材質・断面形状は同じである。測定対象の液体試料２６は、第１の管２３の中を流通するようになっている。第２の管２４の中は空となっている。
【０１０７】
高周波発生部、検出部の励磁コイルおよび検出コイルならびに測定部などの構成は、図５に示した塩分濃度測定装置の構成と同様であるので、説明を省略する。
【０１０８】
＜効果＞
容器は、穴の空いた管となっているので、液体試料を管の中を流通させることが可能となる。この構成は、水処理プロセス等、例えば、海水から脱塩処理して飲用水とする海水淡水化プロセスにおいて、液体試料を連続的に測定する際には好適である。
【０１０９】
すなわち、海水淡水化システムにおいて、海水を淡水化するための水処理フィルタを通過した後の淡水が検出コイル２５の第２コイル部２２内の第２の管２４の中を通過するように、第２の実施の形態に係る塩分測定装置を配置する。そして、第２の管２４内の淡水の塩分濃度を連続的に測定することによって、淡水化処理後の淡水の塩分濃度をリアルタイムに計測することが可能となる。
【０１１０】
≪第３の実施の形態≫
＜構成＞
図３の結果から、測定対象物の液体試料の電気伝導率σに応じてＡを設計し、測定範囲を変えて、高感度に電気伝導率σを測定することが可能となる。
【０１１１】
そこで、本発明の第３の実施の形態においては、Ａを調整する手段を検出コイルに設ける。以下、その手段、構成について説明する。検出コイル以外の高周波発生部、励磁コイルおよび測定部などの構成は、図５に示した塩分濃度測定装置の構成と同様であるので、説明を省略する。
【０１１２】
（コイルの巻き数比を可変）
Ａを調整する手段として、検出コイルの第１コイル部あるいは第２コイル部または両方のコイル部にタップを設け、タップを切り替えることにより、第１コイル部と第２コイル部のコイルの巻き数比を変える方法がある。
【０１１３】
図１０は、第１コイルまたは第２コイル部において、最終巻きのコイルを実線、それ以外のコイルを点線で模式的に示したものである。
【０１１４】
図１０では、第１コイルまたは第２コイル部のコイルの終端３８に、タップ３９を直列に４個設けた構造となっているが、タップ３９の数は、この例の数に限定されない。多段に切り替え可能とするためタップは多数設けることが好ましい。また、第１コイル部と第２コイル部のコイル巻き数を初期値として同じ値とし、その後、Ａの値を１に限りなく近い値、例えば、０．９９９９などの値に調整したいような場合は、その調整が容易な点から、図１０のように、第１コイル部または第２コイル部のコイルの終端の部分にタップを設けることが好ましい。
【０１１５】
（コイルの断面積比を可変）
Ａを調整する他の手段として、検出コイルの第１コイル部あるいは第２コイル部または両方のコイル部にタップを設け、タップを切り替えることにより、第１コイル部と第２コイル部のコイルの断面積比を変える方法がある。
【０１１６】
図１１は、第１コイルまたは第２コイル部において、最終巻きのコイルを実線、それ以外のコイルを点線で模式的に示したものである。
【０１１７】
図１１では、第１コイル部または第２コイル部のコイルの終端３８ａに、タップ３９ａを３個設け、コイルに対して内側のタップに接続した場合は、コイルの断面積は小さくなり、外側のタップに接続した場合は、コイルの断面積は大きくなるようになっている。したがって、どのタップに接続するかで、コイルの断面積は変わり、そして第１コイルと第２コイル部のコイルの断面積比が変化し、その結果、Ａの値を変えることができる。
【０１１８】
なお、図１１の例ではタップ３９ａの数は３個であるが、タップの数はこの例に限定されない。多段に切り替え可能とするためタップは多数設けることが好ましい。
【０１１９】
また、コイルの巻き数比とコイルの断面積比を別々ではなく一緒に変える場合、タップ３９ａまでのコイルの終端部分において、図１０の例のようにコイル線に複数のタップも設けて、コイルの断面積比を変えると同時に巻き数比も変えることができる。
【０１２０】
＜効果＞
第３の実施の形態に係る塩分濃度測定装置では、液体試料と異なる塩分濃度を有する他の液体試料に変えても、検出コイルを交換することなくそのまま装着したままで、Ａを調整することにより、他の液体試料の塩分濃度を測定することができる利点がある。
【０１２１】
≪第４の実施の形態≫
＜構成＞
第２の実施の形態に係る塩分濃度測定装置では、図９に示すように、液体試料と検出コイルはそれぞれ１つであったが、これらを複数備えてもよい。
【０１２２】
すなわち、本発明の第４の実施の形態に係る塩分濃度測定装置では、検出部は、例えば、図１２に示すように、励磁コイル４７の内周側に、（イ）液体１からなる第１の液体試料４６、液体１が流通する第２の管４４、および第１コイル部４１と第２コイル部４２からなる第１の検出コイル４５を備え、それに加え、（ロ）液体２からなる第２の液体試料５６、液体２が流通する第３の管５４、および第３コイル部５１と第４コイル部５２からなる第２の検出コイル５５を備える。
【０１２３】
第１コイル部４１と第２コイル部４２のコイルの巻き数および断面積は、第３コイル部５１と第４コイル部５２のコイルの巻き数および断面積と異なっていてもよい。また、第２の管４４と第３の管５４の材料および断面形状も異なっていてもよい。
【０１２４】
また、図１２に示すように、第１コイル部４１と第３コイル部５１の内周側に共通の第１の管４３を配置し、第２の管４４と第３の管５４の材料および断面形状を同じとしてもよい。
【０１２５】
さらに、第１の検出コイル４５と第２の検出コイル５５は、励磁コイル４７により生じる高周波磁界が、一様にかつ同じ強度で印加されるよう、励磁コイル４７の内周側中央に配置されている。そして、第１の検出コイル４５の上端から第２の検出コイル５５の下端までの距離４８Ｌは、励磁コイル４７の長さ４７Ｌより小さいことが好ましい。
【０１２６】
なお、図１２においては、励磁コイル４７はソレノイドコイルであり、第１の検出コイル４５の外側に巻回される励磁コイル４７の上部と第２の検出コイル５５の外側に巻回される励磁コイル４７の下部との間に形成されている励磁コイル４７の部分は省略されている。
【０１２７】
また、図１２に示す例では、励磁コイル４７は、ソレノイドコイルであるが、第１の検出コイル４５と第２の検出コイル５５に一様な高周波磁界を印加できれば、その構造は任意である。励磁コイル４７は、例えば、図６に示すようなヘルムホルツコイルであってもよい。励磁コイル４７が、ヘルムホルツコイルの場合は、２つのコイルの間から、第２の管４４および第３の管５４を曲げて取り出すことができる。
【０１２８】
さらに、第１の検出コイル４５と第２の検出コイル５５は、特に図示しないが、図５に示すような測定部に接続されている。この場合、第１の検出コイル４５と第２の検出コイル５５にそれぞれ異なる測定部が接続されていてもよいし、また第１の検出コイル４５と第２の検出コイル５５に１つの測定部が共通して接続されていてもよい。
【０１２９】
第１の検出コイル４５と第２の検出コイル５５に１つの測定部が共通して接続する場合は、切替え手段によって、第１の検出コイル４５と第２の検出コイル５５の接続を切り替え、液体１または液体２の塩分濃度を測定できる。
【０１３０】
その他、高周波発生部などの構成は、図５に示した塩分濃度測定装置の構成と同様であるので、説明を省略する。
【０１３１】
＜効果＞
第４の実施の形態に係る塩分濃度測定装置では、１つの励磁コイルの内周側に複数の液体試料と検出コイルを備えるため、１台の塩分濃度測定装置で、複数の液体試料の塩分濃度を測定できる。例えば、海水淡水化システムにおいて、海水を淡水化するための水処理フィルタが多段に設けられているような場合、各段を通過する淡水の塩分濃度を１台の塩分濃度測定装置で測定することができ、低コストで効率よく淡水の塩分濃度を評価することが可能となる利点がある。
【産業上の利用可能性】
【０１３２】
本発明に係る塩分濃度測定装置は、僅かな電気伝導率σの変化に対するセンサとして有効であり、電気伝導率σが０．１Ｓ／ｍを下回る液体でも判別できる非接触で高感度の塩分濃度測定装置が構成可能とする。
【０１３３】
さらに、交流の周波数や８字型検出コイルの巻き数比や断面積比を変えることによって塩分濃度の測定範囲を変更することができ、１ｍＳ／ｍから１ｋＳ／ｍまでの幅広い電気伝導率σを有する液体でも測定できる塩分濃度測定装置が構成可能とする。
【０１３４】
よって、本発明に係る塩分濃度測定装置は、主に飲料水としての海水淡水化プラントでの製造プロセス、主に工業用水としての超純水製造装置における水質検査、食品の製造現場、医療用途、水質環境モニタリング等の分野で利用が可能である。
【符号の説明】
【０１３５】
１      第１コイル
２      第２コイル
３      第１の容器
４      第２の容器
１０    検出部
１１    第１コイル部
１１Ｌ  第１コイル部の長さ
１１ａ  第１コイル部
１２    第２コイル部
１２Ｌ  第２コイル部の長さ
１２ａ  第２コイル部
１３    第１の容器
１４    第２の容器
１５    検出コイル
１５ａ  検出コイル
１６    液体試料
１７    励磁コイル
１７Ｌ  励磁コイルの長さ
１７ａ  ヘルムホルツコイルの励磁コイル
２１    第１コイル部
２２    第２コイル部
２３    第１の管
２４    第２の管
２５    検出コイル
２６    液体試料
２７    励磁コイル
３８    第１コイルまたは第２コイル部のコイルの終端
３８ａ  第１コイルまたは第２コイル部のコイルの終端
３９    タップ
３９ａ  タップ
４１    第１コイル部
４２    第２コイル部
４３    第１の管
４４    第２の管
４５    第１の検出コイル
４６    第１の液体試料
４７    励磁コイル
４７Ｌ  励磁コイルの長さ
４８Ｌ  第１の検出コイルの上端から第２の検出コイルの下端までの距離
５１    第３コイル部
５２    第４コイル部
５４    第３の管
５５    第２の検出コイル
５６    第２の液体試料
８０    高周波発生部
８１    パワーアンプ
８２    ファンクションジェネレータ
９０    測定部
９１    位相検出器
９２    塩分濃度換算器
【図１】
2017040602.tif 000024
【図２】
2017040602.tif 000025
【図３】
2017040602.tif 000026
【図４】
2017040602.tif 000027
【図５】
2017040602.tif 000028
【図６】
2017040602.tif 000029
【図７】
2017040602.tif 000030
【図８】
2017040602.tif 000031
【図９】
2017040602.tif 000032
【図１０】
2017040602.tif 000033
【図１１】
2017040602.tif 000034
【図１２】
2017040602.tif 000035