(57)【要約】【課題】流体の導電率を正確に測定できる水質センサを提供する。【解決手段】水質センサ１０は、電極部２０と信号処理部５２を一体化した構成を有する。電極部２０は、同心円状に配置された第１と第２の電極から構成される。第１の電極は、円の中心位置に配置され、第２の電極は円の円周上に配置された円筒形状を有し、電極の間はスペーサにより絶縁されている。第１電極と第２電極の近傍に回路基板５１が配置され、測定回路が形成されている。回路基板５１は、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加して、測定対象流体の電気的特性を測定する。【選択図】図２
2017026359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極部と測定対象流体の電気的特性を測定する測定部とが一体化された構成を有する水質センサであって、
前記電極部は、同心円状に配置された第１の電極と第２の電極とを備え、
前記測定部は、前記電極部と一体化して構成され、前記第１の電極と前記第２の電極とに接続され、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電気的特性を測定する、
水質センサ。
【請求項２】
前記測定部は、前記第１の電極と前記第２の電極との間の導電率を測定する、ことを特徴とする請求項１に記載の水質センサ。
【請求項３】
前記第１の電極は、円の中心位置に配置され、前記第２の電極は前記円の円周上に配置された円筒形状を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水質センサ。
【請求項４】
前記第２の電極は、前記第１の電極よりも突出して形成され、
前記第１の電極は前記第２の電極が形成する円筒状の空間内に配置されている、ことを特徴とする請求項３に記載の水質センサ。
【請求項５】
前記第２の電極には、流体の流通を可能にする開口が形成されている、ことを特徴とする請求項３又４に記載の水質センサ。
【請求項６】
前記測定部は、前記第１と第２の電極間に電圧を印加し、流れる電流を測定する回路を備える、ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の水質センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水質センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
水質の検査を行う機器として導電率センサが用いられている。水質検査用の導電率センサとして、２本又は４本の棒状電極を備え、電極間の流体の導電率を測定するものがある。さらに、細い配管などでも利用できるように、電極の長さを短くした水質センサも提供されている（特許文献1参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−８５８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
複数の電極を直線上に配置した上記構成の水質センサは、金属配管などに装着したときに、ポンプやインバータ装置等の機械類から発生するノイズ（水中伝搬ノイズ）の影響を受け易い。従って、正確な導電率の測定が困難である。
【０００５】
このため、配管の継手を樹脂製に変更したり、配管に交換アダプタを介して水質センサを取り付ける等、配管に水質センサを取り付けるために手間を要し、煩雑であった。さらに、配管経路が制限を受け、配管の強度への配慮が必要であった。
【０００６】
また、従来の水質センサにおいて、電極とその導電率を測定する処理回路とを結ぶ信号線が長いと、信号線の寄生抵抗、寄生容量のために、測定誤差が大きくなる。また、信号線は一種のアンテナとして機能し、ノイズの影響をうけえしまう。このため、正確な測定がより困難となる。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、流体の導電率を簡単に且つ正確に測定することができる水質センサ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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の水質センサは、
電極部と測定対象流体の電気的特性を測定する測定部とが一体化された構成を有する水質センサであって、
前記電極部は、同心円状に配置された第１の電極と第２の電極とを備え、
前記測定部は、前記電極部と一体化して構成され、前記第１の電極と前記第２の電極とに接続され、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電気的特性を測定する。
【０００９】
前記測定部は、例えば、前記第１の電極と前記第２の電極との間の導電率を測定する。
【００１０】
例えば、前記第１の電極は、円の中心位置に配置され、前記第２の電極は前記円の円周上に配置された円筒形状を有する。
【００１１】
例えば、前記第２の電極は、前記第１の電極よりも突出して形成され、前記第１の電極は前記第２の電極が形成する円筒状の空間内に配置されている。
【００１２】
例えば、前記第２の電極には、流体の流通を可能にする開口が形成されている。
【００１３】
前記測定部は、例えば、前記第１と第２の電極間に電圧を印加し、流れる電流を測定する回路を備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、第１の電極と第２の電極が同軸に形成され、また、電極と測定部が一体に形成されているので、外部ノイズの影響が小さく、正確に流体の電気的特性を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１に係る水質センサの、（ａ）正面図、（ｂ）平面図、（ｃ）下面図である。
【図２】実施の形態１に係る水質センサの一部を切り欠いて示す斜視図である。
【図３】実施の形態１に係る水質センサの電極部の構成を示す断面図である。
【図４】図３に示す中心電極の、（ａ）正面図と、（ｂ）Ｉ−Ｉ線での断面図である。
【図５】図３に示す円筒外部電極の、（ａ）正面図と、（ｂ）II−II線での断面図である。
【図６】図３に示す絶縁層の、（ａ）正面図と、（ｂ）III−III線での断面図である。
【図７】実施の形態１に係る水質センサを配管に取り付けた状態を示す図である。
【図８】実施の形態１に係る水質センサの回路図である。
【図９】中心電極の内部に配置されたサーミスタを示す断面図である。
【図１０】電極間の等価回路である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態に係る水質センサを図面を参照して説明する。
【００１７】
実施の形態に係る水質センサ１０は、図１（ａ）〜（ｃ）に三面図で、図２に一部切欠斜視図で示すように、電極部２０と、電極保持部３０と、六角頭部４０と、本体部５０と、接続部６０とを一体として備える。
【００１８】
電極部２０は、図３に断面で示すように、同心円状に配置された２本の電極２１，２２と、電極２１，２２を互いに絶縁するスペーサ２３と、を備える。
【００１９】
電極２１は、ステンレス綱、銀、銅、黄銅、金、白金、チタンなどの耐腐食性の導電材料から構成され、図４（ａ）に正面図で、図４（ｂ）に断面図で示すように、有底筒状に形成されている。
【００２０】
一方、電極２２は、図５（ａ）に正面図で、図５（ｂ）に断面図で示すように、筒状に形成されている。電極２２は、中心電極２１の中心とした円周上に位置し、ステンレス綱、銀、銅、黄銅、金、白金、チタンなどの耐腐食性の導電材料から構成される。以下、区別のため、電極２１を中心電極、電極２２を円筒外部電極と呼ぶ。
【００２１】
スペーサ２３は、絶縁性樹脂等から形成され、図６（ａ）に正面図で、図６（ｂ）に断面図で示すように、円筒状に形成されている。
【００２２】
中心電極２１とスペーサ２３と円筒外部電極２２は、図３に示すように、中心電極２１の周囲をスペーサ２３が水密に取り囲み、スペーサ２３の周囲を円筒外部電極２２が水密に取り囲むように、組み合わされている。
【００２３】
中心電極２１の先端は、円筒外部電極２２の先端から突出せずに内部に位置している。また、スペーサ２３の先端は、中心電極２１よりも内側に位置する。このため、中心電極２１と円筒外部電極２２との間には、測定対象の流体を介して対向する部分が形成される。
さらに、円筒外部電極２２のスペーサ２３と重ならない位置には、１２０°回転対称に、測定対象流体が流通する開口２４が形成されている。
【００２４】
図３に示すように、円筒外部電極２２はその内面に段差部を有し、スペーサ２３はその外周に段差部を有し、段差部同士が当接することにより、その軸方向の位置が規定されている。同様に、スペーサ２３はその内面に段差部を有し、中心電極２１はその外周に段差部を有し、段差部同士が当接することにより、軸方向の位置が規定されている。
【００２５】
中心電極２１と円筒外部電極２２のサイズは任意であるが、中心電極２１は例えば、外径４±１ｍｍ、内径２ｍｍ±１ｍｍ、長さ２７±５ｍｍ、円筒外部電極２２は外径１１±１ｍｍ、内径１０±１ｍｍ、長さ３５±７ｍｍ程度に形成される。また、中心電極２１の先端から円筒外部電極２２の先端までの距離は、３〜８ｍｍに形成される。
【００２６】
図１，図２に示すように、電極保持部３０は、基端から先端に向かって外径が小さくなる円錐台形の部材である。電極保持部３０は、プラスチックなどの絶縁性材料から形成されている。電極保持部３０には、電極部２０が、その先端が突出するように水密に装着され保持される。これにより、電極保持部３０と電極２１，２２と、スペーサ２３の間は密閉され、計測時に、測定対象の流体が水質センサ１０の内部に流入することが防止される。
【００２７】
電極保持部３０の周囲には、この水質センサ１０を、配管などに形成された開口に固定するための雄ねじ３２が形成されている。
【００２８】
六角頭部４０は、電極保持部３０の基端部に、電極保持部３０と一体に形成されている。六角頭部４０をレンチなどで回転駆動することにより、電極保持部３０に形成された雄ねじ３２を、図７に示すように、配管１１０等に形成された挿入穴１１１にねじ込むことにより、電極部２０を配管１１０内に水密に挿入することができる。
【００２９】
本体部５０は、六角頭部４０と一体に形成され、立方体状の形状を有する。本体部５０の内部には、中心電極２１と円筒外部電極２２との間に電圧を印加して、電極間に流れる電流を測定することにより、測定対象流体の電気的特性を測定する信号処理部５２が形成されている。信号処理部５２は、電子回路が形成された回路基板５１を備える。回路基板５１は、プリント配線基板等から構成されている。従って、回路基板５１は、中心電極２１と円筒外部電極２２と非常に近い位置、例えば、数ｍｍ〜３ｃｍの位置に配置されている。
【００３０】
回路基板５１には、図８に示すように、交流発振器７１、抵抗器７２と、絶対値増幅器（アンプ）７３と、信号処理回路７４等を含む測定回路が形成されている。
【００３１】
交流発振器７１と抵抗器７２とは直列に接続され、一端が図示せぬ導体を介して中心電極２１に、他端が短い信号線を介して円筒外部電極２２に接続されている。図８では、交流発振器７１の一端が中心電極２１に接続され、交流発振器７１の他端が抵抗器７２の一端に接続され、抵抗器７２の他端が短い信号線を介して円筒外部電極２２に接続されている。
【００３２】
抵抗器７２の両端の電圧は、絶対値増幅器（アンプ）７３の２つの入力端に印加される。絶対値増幅器７３は、抵抗器７２の両端間電圧を絶対値増幅する。絶対値増幅器７３の出力は、信号処理回路７４に供給される。
【００３３】
信号処理回路７４は、絶対値増幅器７３の出力信号を平滑化し、これをＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換して、デジタル演算処理を施すことにより、中心電極２１と円筒外部電極２２の間に介在している測定対象流体の導電率等の電気的特性を求めて、求めた値を示すデジタル信号を出力する。
なお、導電率等の電気的特性を求める手法としては、既知の任意の手法を使用することができる。
【００３４】
信号処理回路７４は、温度変化に起因する測定誤差を補償するための温度補償回路を含む。温度補償回路は、サーミスタ等の温度センサ７５が検出した測定対象流体の温度に基づいて、測定値（測定対象流体の導電率）を補償する。温度センサ７５は、図９に模式的に示すように、有底円筒状の中心電極２１の内部且つ先端部に配置され、信号線７６で信号処理回路７４に接続される。このような配置することにより、測定対象流体の温度を正確に測定することが可能となる。また、信号線７６も短くてすむ。
【００３５】
接続部６０は、外部から供給される電源線、アース線、信号処理回路７４の出力線などを含むケーブル６１を束ねる。
【００３６】
次に、上記構成を有する水質センサ１０を使用して、配管内の流体の導電率を求める手順の一例を説明する。
【００３７】
まず、図７に示すように、配管１１０に、水質センサ１０を取り付けるために、電極保持部３０の先端部（小径部）とほぼ同径の挿入穴１１１を形成する。挿入穴１１１の内面にタップを切ってもよい。
【００３８】
続いて、水質センサ１０の電極保持部３０の先端部を挿入穴１１１に差し込み、六角頭部４０をレンチなどに回転させることにより、電極保持部３０の雄ねじ３２を挿入穴１１１内にねじ込む。これにより、電極部２０が配管１１０内に水密に固定される。
【００３９】
続いて、配管１１０内に測定対象流体を流す。これにより、測定対象流体が円筒外部電極２２と中心電極２１とスペーサ２３とで形成される空間にも流入する。ただし、円筒外部電極２２が中心電極２１を囲む形状となっており、中心電極２１と円筒外部電極２２との間の領域における流体の流れは比較的穏やかなものとなる。
【００４０】
続いて、外部から動作電力を供給して、交流発振器７１を起動し、抵抗器７２を介して中心電極２１と円筒外部電極２２との間に交流電圧を印加する。
【００４１】
続いて、外部から動作電力を供給して、交流発振器７１を起動し、抵抗器７２を介して中心電極２１と円筒外部電極２２との間に交流電圧を印加する。
【００４２】
中心電極２１と円筒外部電極２２との間の等価回路は、図１０のように表すことができる。ここで、Rは、電極間抵抗、Cpは、電極間容量＋ケーブル容量、Csは分極容量である。
信号処理回路７４は、この等価回路と得られた測定値から、測定対象流体の導電率を求め、ケーブル６１を介して出力する。
【００４３】
上記構成の水質センサ１０によれば、中心電極２１と閉じている円筒外部電極２２との間で電流が流れるため、電流の回り込み等がほとんど発生しない。また、電流の流路は、円筒外部電極２２に囲われた領域内にあり、円筒外部電極２２によりシールドされ、外部からの電磁ノイズなどの影響が少ない。
【００４４】
また、水質センサ１０は、電極部２０と信号処理部５２とを筐体で支持し、信号の検出から信号処理による測定対象流体の電気的特性の測定までを１つの可搬な装置として一体化した構成を有する。従って、測定流体の電気的特性を求めるために検出信号を外部の信号処理装置に送信するする必要がない。このため、中心電極２１と円筒外部電極２２と回路基板５１とを接続する配線は、非常に短くてすむ。このため、配線の寄生容量が小さく、信号処理部５２に容量成分をキャンセルするための回路が不要となり、正確な測定が可能となる。また、伝導率測定の場合は、配線が短くなることによって導体抵抗が非常に小さくなるため、その分の測定誤差もなくなる。
【００４５】
サーミスタ等の温度センサ７５を中心電極２１の中空部に位置するため、測定対処流体の温度の即応性に優れる。
【００４６】
なお、この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、中心電極２１と円筒外部電極２２の形状は、上記実施の形態に限定されない。例えば、中心電極２１は内部に中空部を備えない棒状のものでもよい。また、円筒外部電極２２は、中心電極２１と同程度の突出量でもよい。また、開口２４の形状、数、配置等も任意である。例えば、スリット状等でもよい。
【００４７】
信号処理部５２の構成も任意である。例えば、絶対値増幅器７３を使用する例を示したが、整流回路と増幅器を組み合わせて使用してもよい。
デジタル信号処理の例を示したが、アナログ信号処理でもよい。
【００４８】
水質を表す指標として導電率を測定する例を示したが、他の電気的特性を測定してもよい。例えば、抵抗値（１／導電率）を測定してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１０  水質センサ
２０  電極部
２１  中心電極
２２  円筒外部電極
３０  電極保持部
４０  六角頭部
５０  本体部
５１  回路基板
６０  接続部
【図１】
2017026359.tif 000003
【図２】
2017026359.tif 000004
【図３】
2017026359.tif 000005
【図４】
2017026359.tif 000006
【図５】
2017026359.tif 000007
【図６】
2017026359.tif 000008
【図７】
2017026359.tif 000009
【図８】
2017026359.tif 000010
【図９】
2017026359.tif 000011
【図１０】
2017026359.tif 000012