JP2000275241A - 小形オンライン水質計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のオンライン水質計は、大形で高価な他、
設置場所の制約や工事費の面から、監視箇所の数が制約
され、事業者が供給する水道水の需要家に近い場所での
水質監視が困難であった。また、小型化することで微少
な気泡による影響が増大することが予測された。さらに
市販の脱気装置は内部容量が大きく、応答性が遅くなる
ことが予測されと同時に、大型化・高価になってしまっ
た。 【解決手段】マイクロファブリケーションにより製造し
た超小形セルと、これを包含するモジュール化された複
数個の分析部を有し、該分析部を光造形法で立体的に一
体成形した流路部上に取付け、分析シーケンス動作を選
択可能とした。また小型化に伴う微小な気泡を効果的に
除去する超小形脱気装置を該立体流路部の内部または外
部に設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、上水道の配水水質
監視システムに関わり、特に配水管末端部分の水質をオ
ンラインで継続監視するに適した小形の多項目水質計に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、上水道の配水水質を監視するシス
テムとしては、例えば東京都の自動水質計測システムが
あり、「計測と制御」Vol．３３(１９９４年発行）６４
９ページにシステムとその時用いられる水質計に仕様が
紹介されている。

【０００３】この配水水質監視システムにおいては、水
質計が事業者側配管網の系統毎に設置され、系統毎の配
水水質を連続的に測定して定期的にテレメータでセンタ
に信号伝送する構成をとっている。

【０００４】また、配水管末端部分又は需要家側の配水
の水質測定手段としては、手分析による水質計測または
可搬式の水質計でのオフライン計測が行われていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のシス
テムでは水質計は事業者側の配水系統毎に配置するので
設置台数が少なくて済み、系統毎の供給水の平均的な水
質が把握できる利点がある反面、最終的に需要家が飲用
する水質が把握できない欠点がある。

【０００６】配水の水質は配水供給点で計測管理されて
いるが、配水管路網を通過する間に水質が低下する。

【０００７】具体的には殺菌力を保つための残留塩素濃
度が配水設備内や含有物との化学反応によって低下し、
管路内の錆による着色のため色度が上昇し、管壁の付着
物の剥離等により濁度が上昇する等の例があげられる。

【０００８】これらは系統の本管でも起こりうるが、む
しろ配水管末端部や需要家の配管内でより顕著にみられ
る。なぜなら残留塩素濃度は滞留時間に比例して濃度が
低下することが知られており、常時通水のある系統本管
に比べて末端配管では滞留時間が長くなる結果残留塩素
濃度は低下し、極端な場合には濃度がゼロになり殺菌力
の失われた水を飲用する需要家の場合も起こり得る。

【０００９】残留塩素能度が低下すると、水の殺菌力が
低下し、微生物特に病原性微生物（例えばＯ−１５７な
ど）が繁殖する可能性があり、安全・健康面で社会的な
問題をひきおこす。また、安全をみて過度の塩素注入を
行うと残留塩素濃度は確保されるものの塩素濃度が高く
なる結果、いわゆる「カルキ」臭が問題になったり、塩
素の副生成物であるトリハロメタンなどの有害物質が生
成されて安全面で課題を残す。

【００１０】色度，濁度等についても滞留時間が長くな
る結果、同様のことが言える。特に集合住宅や事業所等
では受水槽があり、その管理が適切でない場合にはこの
問題が顕著に表れる。

【００１１】このように最終的に需要家が飲用する配水
管末端水の水質を測定してその値が適切であるかどうか
を監視し、適切になるように管理するのが理想的な水質
管理である。

【００１２】従来技術による水質計では、大形（例：
１.２ｍ×１.８ｍ×０.６ｍ ）のため需要家である家庭
や集合住宅には設置できない。

【００１３】また、水質計の単価及び工事費用が高価な
ため予算の制約から配備台数には限界があった。

【００１４】また、メンテナンスに専門技術を要し、安
全性にも配慮する必要から一般家庭への導入は困難であ
った。そのために、需要家である家庭や集合住宅の近傍
等の所望の配水経路には設置できなかった。

【００１５】なお、手分析や、可搬式の水質計による配
水末端の水質計測では末端の水質が測定できるものの、
結果がでるまでに時間がかかったり、連続的な水質デー
タが得られないために一日の変化範囲や非定常時の挙動
がつかめない欠点がある。

【００１６】この種のデータは非定常時の最大値や最小
値が重要な意味を持ち、それを最小にするためのシステ
ムの運転・制御方法の確立が重要である。この意味から
上記手分析や可搬式の水質計では監視システムの水質計
としては利用できない欠点があった。

【００１７】また、希には配水管末端部分に於いても測
定項目及び設置場所を限定（例えば残留塩素計のみを１
万〜数万世帯当たり１台程度設置）してオンライン計測
が行われていた例はあった。しかしながら、従来システ
ムに使用していたオンライン水質計は、単項目の測定で
あっても浄水場で使用している様な分析計であり、大形
且つ高価であるだけでなく設置場所の確保も困難であ
り、充分な測定項目・測定個所を確保した木目細かな水
質計測が困難であった。

【００１８】また、形状を小形にしても要求される信頼
性は同等であり、むしろ小形低価格化により、飛躍的に
多くの台数が設置されることが予想されメンテナンスフ
リーである必要がある。特に、マイクロファブリケーシ
ョンを利用した超小形の分析部を使用すると、微小な汚
れや気泡などが測定値に大きく影響を及ぼすことが考え
られこれらの十分な対策が必要であった。

【００１９】気泡除去の対策としては市販の脱気装置
（デガスタ）を各流路ごとに複数台装着する方法がある
が、脱気装置の内部容量（脱気能力）は小形のものでも
数十ml／分であり、１回の測定を数十μｌ／数分でこな
す超小形の水質計では、３日以上も脱気装置に滞留して
いた試料水を測定していることになってしまい、応答性
が非常に遅くなるという問題があった。

【００２０】これは前記したように、残留塩素濃度など
は滞留時間に比例して濃度が低下するので実際上はオン
ライン計測ができないことになる。また、試料水が脱気
装置内に滞留しないように周期的に脱気装置の内部容量
の分だけ水を流すことも可能であるが、水の消費量が本
来測定し得る量の１０００倍近くになるという問題があ
った。

【００２１】また、市販の脱気装置（デガスタ）を複数
台装着すると小形化した水質計が大形でかつ高価になっ
てしまう問題があった。

【００２２】本発明の課題は上記欠点を無くし、上水道
の配水管末端付近の水質監視に適した超小形で複数項目
のオンライン監視可能でメンテナンス性に優れた水質計
を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】このような従来技術の課
題を解決するために次の手段と技術を導入する。

【００２４】（１）水質計を飲用する末端水に近い配水
管末端付近に設置し、それらの情報を管理センタで統合
管理して最適な水質管理を行う。

【００２５】（２）水質計を配水管の末端付近のマンホ
ール，消火栓，水道メータ収納箱，需要家内などにも設
置できるように小型化する。

【００２６】（３）その手段として装置が大型化する原
因である試料導入部，試薬混合部，分析・測定部，脱気
装置部にマイクロファブリケーション技術を導入して小
型化する。現状の技術でも体積にして約１／１０００の
小型化は可能である。

【００２７】（４）分析計内部の配管系を紫外線硬化形
プラスティックなどによる３次元立体流路を採用し配管
（チューブ）の無い構成とし、省スペースと信頼性向上
を図る。

【００２８】（５）装置を小型化すれば本体コスト，工
事費も安くなり、かつマイクロファブリケーション技術
はシリコン半導体プロセス技術の応用なので量産化によ
って大幅なコストダウンが可能である。

【００２９】（６）小型化して水道メータ収納箱や流し
台の下部に収納できれば人に触れることもなく、安全性
が確保できる。装置の保守は部品を小形でカートリッジ
式にしておけば一般家庭の人でも出来、危険もない。

【００３０】（７）連続のオンライン測定に耐えるよう
自動サンプリング，自動試薬混合・反応機構，自動校
正，自動洗浄，自動データ伝送等の機能を必要に応じて
備え、それらに消費する液量もマイクロファブリケーシ
ョンによる試料導入部，試薬混合部，分析・測定部の微
細化によりマイクロリットルのレベルに抑えられるため
連続測定の場合でも薬液交換の周期を１カ月以上にまで
ひきのばすことが可能となる。

【００３１】（８）小形脱気装置を具備することによ
り、超小形分析部内の測定セル部に付着する微小な気泡
に対しこれを効率よく除去でき高精度化できる。また、
市販の比較的小形（例：８cm×３０cm×１０cm）な脱気
装置でも問題のあった応答性の改善ができる。

【００３２】（９）測定セル部のマイクロ化による微少
流量化により、脱気装置も超小形のものを前記３次元立
体流路一体構成とすることができる。大形で高価な複数
台の脱気装置を必要としなくなるので小形で安定性がよ
く且つ安価なオンライン水質計が実現できる。

【００３３】（10）超小形脱気装置を着脱可能とするこ
とにより、保守メンテナンスが容易となる。

【００３４】（11）小型化により省電力化が可能とな
り、電源として電池を、信号伝送手段に無線回線使用し
て外部配線を不要とし、更に小型化により試料水・試薬
の使用量が減るのでこれらを回収するか蒸発方式を採用
し、排水工事も不要にできる。

【００３５】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面を用いて説
明する。図２は、立体流路が組み込まれた水質計を使用
した末端配水監視システムの基本的な構成を示す図であ
る。河川，湖沼，井戸等の原水は浄水施設１により飲用
に適した水質に浄化され、配水施設２に送られる。配水
施設２から送出された飲料水は配水本管４，配水系統配
管５から水質計８に入るか、更に水道事業所側配水管
６，需要家側配水管７を通り、水質計８に入る場合があ
る。飲料水の水質をオンラインで測定した水質計８の出
力は無線，有線，衛星等のメディアを通じて管理センタ
３に送られ、そこで必要なデータ処理を行って、水質が
適正な値になるように浄水施設，配水施設の運転条件を
制御する。

【００３６】図３はこのような配水末端監視システムの
需要家における水質計の設置形態例を示す。水道事業者
側の配水系統配管５，６または需要家側配水管７から分
岐した飲料水は、閉止弁１０，水道メータ９を経て配水
設備１１に入るが、同時に水質計８で複数項目の水質測
定が行われる。配水設備１１は配管網より構成されその
内の一箇所から蛇口などの給水栓１２を経て飲料水が需
要家に供給される。水質計８は、水道メータ９前後に取
付け、水道メータ収納箱内に設置できる他、マンホー
ル，消火栓，需要家施設内，水道蛇口付近などの設置に
も、容易に設置できる大きさとしている。

【００３７】図４は水質計の内部構成を示すブロック図
で配水管５，６，７から試料導入部１３を介して導入さ
れた試料水は混合分析部１１０により項目毎に所定のシ
ーケンスで測定されて電気信号に変換され、その後、信
号処理・制御部１８に伝送される。混合分析部１１０
は、試料導入部１３からの試料水を混合する複数個の測
定成分毎の試薬混合部１４ａ〜１４ｃ及び複数個の計測
分析部１５〜１７より構成されている。信号処理・制御
部１８は電源部２０より電源の供給を受けて動作し、出
力／伝送部１９で伝送用の伝送信号に変換された後無線
２５による伝送またはテレメータにより専用線、または
公衆回線を通じて管理センタに伝送される。

【００３８】試料混合部１１０はマイクロファブリケー
ションの採用により超小形に実現されるととともに、消
費電力の低減と試料水及び試薬類の使用量の縮減によ
り、電源の電池化と排水の回収又は蒸発方式の採用が可
能となり、加えてデータ伝送に無線回線を使用し、水質
計設置時の配線及び排水工事を不要にでき、水質計の設
置自由度を飛躍的に向上させる。

【００３９】次に、図１において水質計の具体的構成に
ついて説明する。水質計は、図５に示されるように、マ
ザーボード１０１に定量ポンプ（７４，８４，８７，９
０）、電磁弁（６３，８３，７３，９３，７５ａ〜７５
ｃ，８５ａ〜８５ｃ，８８ａ〜８８ｃ，９１ａ〜９１
ｃ）、脱気装置（４０１〜４０４）及び分析部（７６，
７７，７８）を取り付けることにより構成される。な
お、図１において、マザーボード１０１は点線内部で示
される流路を備えている。水道事業者側または需要家側
の配水管５１内を流れる飲料水（試料水）５２は、配管
５３を介してサンプリングされ、手動弁５４，配管５
５，減圧弁５６を経て、更に配管５７，手動弁５８，排
水管５９より排水溝６０に排水する。

【００４０】配管５７より、一定圧に保たれた試料水５
２の一部は配管６１により分岐され手動弁６２を経て試
料水中の大きな異物を除去するフィルタ６３を介して、
さらに、分析計本体６４中の流路６５を介して脱泡槽６
６に導かれる。脱泡槽６６の内部で前記試料水５２中に
含まれる気泡６７は脱泡槽６６の上部に溜まり、随時流
路６８，電磁弁６９，流路７０を介して分析計本体６４
から排水溝６０に廃棄される。

【００４１】一方、脱泡槽６６中の気泡を取除いた試料
水７１は、流路７２中にある脱気装置４０１を通り、電
磁弁７３を介して定量ポンプ７４に導かれる。更に試料
水７１は複数個の電磁弁７５ａ，７５ｂ，７５ｃ及び導
入孔７１ａ,７１ｂ,７１ｃを介してそれぞれが独立した
項目を分析する複数個の分析部７６，７７，７８に選択
的に送出される。該分析部は取付け形状及び配管取り合
いが共通化され、他の分析部と全く同一かあるいは互換
性を有するように、前記分析計本体６４に着脱可能に保
持されている。

【００４２】また、該分析計本体の外側には液体を内蔵
した複数個カートリッジ７９，８０，８１が着脱可能に
保持されており、該カートリッジ内部の液体を脱気装置
402，４０３，４０４を介して、分析計本体６４に供給
している。

【００４３】カートリッジ７９からの液体（試薬）８２
は、電磁弁８３及び定量ポンプ８４に導かれ、複数個の
電磁弁８５ａ，８５ｂ，８５ｃ及び導入孔８２ａ，８２
ｂ，８２ｃを介して、前記分析部７６，７７，７８に選
択的に送出される。同様に、カートリッジ８０内の液体
（洗浄水）８６はポンプ８７を経た後、複数個の電磁弁
８８ａ，８８ｂ，８８ｃ及び導入孔８６ａ，８６ｂ，８
６ｃを介して前記分析部へ、またカートリッジ８１内の
液体（ゼロ水）３９はポンプ９０を経て電磁弁９１ａ，
９１ｂ，９１ｃ及び導入孔８９ａ，８９ｂ，８９ｃを介
して前記分析部７６，７７，７８に選択的に送出され
る。

【００４４】この時、各分析部の詳細構造は後述する
が、マイクロファブリケーション技術を用いて前記各流
体を混合又は選択し反応させる試薬混合部と計測分析部
とから成っており、非常に小型化された分析計１台分の
機能を有している。各分析を終了した廃液９２は前記流
路７０を経て機外に排出される。廃液９２が有害な場合
や排水設備が無い場合には、電磁弁９３，流路９４を介
して回収容器９５に排出される。

【００４５】さらに、混合分析部１１０の詳細を図５を
用いて説明する。マザーボード101は直方体の形状をな
し、その右側側面には試料水の排出側及び導入側のそれ
ぞれの電磁弁９３及び６３が対応する導入孔に装着され
る。

【００４６】さらに、ゼロ水３９及び試薬８２の導入の
ための導入孔８９ａ〜８９ｃ及び８２ａ〜８２ｃが縦方
向に並ぶように形成され、それに合わせるように、電磁
弁８８ａ〜８８ｃ及び電磁弁９１ａ〜９１ｃが装着され
る。

【００４７】なお、縦方向に並んだ導入孔の両脇には取
付ネジ孔が切られており、このネジ孔にネジを合させる
ことにより、各電磁弁（９３,６３,８８ａ〜８８ｃ，９
１ａ〜９１ｃ）がマザーボード１０１に固定される。同
様に、左側側面には、試料水の導入側の電磁弁８３及び
７３が対応する導入孔に装着される。

【００４８】さらに、試料水の導入のための導入孔７１
ａ〜７１ｃ及び洗浄液８６の導入のための導入孔８６ａ
〜８６ｃが縦方向に並ぶように形成され、それに合わせ
るように、電磁弁７５ａ〜７５ｃ及び電磁弁８８ａ〜８
８ｃが装着される。縦方向に並んだ導入孔の両脇には取
付ネジ孔が切られており、このネジ孔にネジを合わせる
ことにより、各ポンプ及び電磁弁（８３，７３，８５ａ
〜８５ｃ，７５ａ〜７５ｃ）がマザーボード１０１に固
定される。

【００４９】一方、マザーボード１０１の上面には、開
孔を形成し、ポンプ７４，８４，８７を連通させて、マ
ザーボード内を流れる流体に送液のための圧力を与えて
いる。また、上面には、分析部７６〜７８が固定され
る。分析部７６〜７８とマザーボード１０１は導入孔８
２ａ〜８２ｃ，７１ａ〜７１ｃ，８９ａ〜８９ｃ，８６
ａ〜８６ｃ，３０９ａ〜３０９ｃを介して接続される。

【００５０】次に、マザーボード内に形成される流路を
図６を用いて説明する。マザーボード１０１の裏側の下
端には、図に示すように、試料水（ポンプ９０），試薬
８２，洗浄液８６及びゼロ水３９を導入するための導入
孔が形成されている。マザーボード内部には、３次元的
な流路が形成され、各導入孔と電磁弁及びポンプが接続
される。

【００５１】上記構成において、飲料水用配水管５１か
らサンプリングした試料水５２を、複数個のポンプと電
磁弁をシーケンス制御し、複数個のカートリッジ内の液
体と前記分析部内の試薬混合部に導き反応させ、計測分
析部でその結果を計測するものである。この時分析項目
によっては試薬反応を必要としない場合もあり、その場
合には試薬を選択しないようにしてある。

【００５２】代表的応用例として、試料水５２を水道水
とし、カートリッジ７９内の液体８２に残留塩素に反応
して発色する試薬（例えばＤＰＤ又はオルトトリジン）
を用い、カートリッジ８０内の液体８６には洗浄液(例
えば、希塩酸又は中性洗剤)、カートリッジ８１内の液
体８９には基準液（例えば純水又は校正液）を選択して
おく。これらを所定のタイミングでシーケンス制御し、
各分析部に導く。例えば分析部７６を残留塩素計、分析
部７７を色度計、分析部７８を濁度計として使用する。
試薬を入れた液体８２は残留塩素計に割り当てた分析部
７６にのみ使用する。試薬の種類を変えれば、測定項目
を変えることができ、またどの分析部にどの測定項目を
割当てるかの選択も自由である。

【００５３】残留塩素計の場合は試薬反応により試料水
の発色の程度を吸光度法で測定し、色度計の場合は試薬
を使用せず試料水そのものの吸光度を測定するが吸光度
が低いため基準液（純水）との比較測定方式とし、所定
の周期で基準液を測定しゼロ点のベースラインの補正を
行う。一方濁度計は、試薬も基準液も使用せず試料水中
の濁質粒子の数を計数し濁度換算を行う方式とした。

【００５４】このほか、分析部に電極を内蔵したものを
装着すれば、分析部の構造を変更すること無く導電率計
やｐＨ計の機能を加えることができる。

【００５５】また、洗浄液（液体８６）は所定の間隔で
各分析部に導かれ、分析部内の流路やセル，電極などを
洗浄する。洗浄によって生じた異物は、試料水７１又は
基準液８９で流し去る。

【００５６】さらに、図６を説明する。内部にある全流
路（流路６５，６８，７０，７２，９２，９４他）は３
次元マザーボード１０１の内部に立体的に形成されてい
る。該３次元マザーボード１０１の外観は直方体を形成
しており、上述の通り、その外周面には、複数個のバル
ブ，ポンプ，分析計などを配管を用いずに直接又はシー
ル部剤を介して保持可能なように複数個の導入孔やネジ
穴が形成されている。この３次元マザーボード１０１の
内部流路は、樹脂の部分を除去し流路部分のみを立体的
に表記すると図６の様になる。従来この様な３次元の立
体流路は実現が困難であり、強いて製作しようとすれば
２次元流路を機械加工した複数枚の板を重ねて接合する
ことにより形成していた。

【００５７】本実施例では、紫外線硬化形プラスチック
を使用し、液体の樹脂に紫外線レーザ光を選択的に照射
し、光の当たった部分のみを硬化させて形状を形成せし
める光造形法を採用した。

【００５８】この光造形法で流路に当たる部分には光を
当てず未硬化の液体のまま残し、成形後未硬化樹脂を洗
い流すことによって任意の立体流路を形成可能にしてい
る。使用した樹脂は紫外線硬化形で透明のエポキシ系樹
脂を使用し、流路内部の状態が外部より観察できる様に
した。また光造形法は、特別の成形型を必要とせずＣＡ
Ｄ（computer aided design ）の３次元の設計データの
みで安価で迅速に実現でき、配管系接続部の信頼性を向
上できる長所がある。

【００５９】図６に示したように流路は、自由な太さや
経路が選択でき、立体的な最短距離で結ぶことや急激な
折り曲げをせずに滑らかな曲線で結び、流体中のゴミや
気泡が溜まりにくくすることができる。

【００６０】またマザーボード内では、流路は立体的に
自由な位置で継ぎ手無しに結合や分岐が可能な為、流体
の混合や分離ができる。図５で説明した脱泡槽６６も具
体的には図６に示す脱泡槽１０４の構造として容易に構
成できる。

【００６１】次に図７に於いて、図４で示した分析部
（７６，７７，７８）の詳細について説明する。なお、
図８に分析部の具体例として分析部７６を示すが、分析
部７７及び分析部７８も同様であるので説明を省略す
る。分析部７７は、混合分析基盤２３０及びフローセル
基盤３２５よりなっており、ネジ孔２２０及び２２１に
ネジ２２４及び２２５をそれぞれ挿入固定することによ
り、フローセル基盤３２５を混合分析基盤２３０の凹部
とマザーボード１０１の間に押圧挟み込む。マザーボー
ド１０１とフローセル基盤３２５の間はＯリング３１０
〜３１７によりシールされる。

【００６２】各分析部は、測定目的により測定原理は異
なるが（残留塩素計及び色度計は所定波長光に対する吸
光度測定、濁度計は散乱光の変化回数を測定する微粒子
数係数法式を採用している。またこのほか導電率やｐＨ
の測定用に電極を内蔵した分析部を取付けることも可能
である）、取り付け寸法及び流路の取合いは共通であ
り、モジュール化されている。前記マザーボード１０１
の上には３個の分析部がシール部材を介して着脱可能に
構成されており、図５で説明したどの項目の分析部をど
こに配置するかは自由である。測定目的に合わせた分析
部選択と液体供給及び計測のシーケンスを選択すること
により、所定の用途の分析機能を持たせることを可能に
している。

【００６３】これらの組み合わせの他の応用例として、
同一種類の分析部を３個配置することも可能である。例
えば同一種類の超小形分析部を３個配置し、同時測定し
測定値の信頼性を向上させるとか、故障したら次の分析
部を使用して装置全体の長寿命化を図るなどの応用も期
待できる。

【００６４】分析部７６を残留塩素計として使用する場
合について説明する。分析部７６は試薬混合部２０１
（混合分析基盤２３０）と計測分析部２０２（フローセ
ル基盤３２５）とからなっている。試薬混合部２０１の
詳細構造を図８に於いて説明する。試薬混合部２０１は
シリコンの基板３０１，パイレックスガラスのカバー３
０２の２層構造になっており、マイクロファブリケーシ
ョン技術で製作してある。

【００６５】基板３０１は高純度のシリコンウエハを異
方性エッチングにより逆Ｓ字形をし、所定の角度を有す
る斜面３０３と平らな底面３０４を有する流路３０５を
形成してある。さらに裏面からも異方性エッチングし、
角型をした複数個の貫通穴３０６，３０７，３０８，３
０９と、数十μｍの微細な穴が１００から２００μｍピ
ッチでメッシュ状に並んでいるメッシュ穴３１０が形成
してある。

【００６６】これら複数個の穴は、表面で前記流路によ
って連結されている。また該基板３０１の表面には前記
カバー３０２が陽極接合(アノーディック ボンディン
グ)により接合されている。両者の接合はウエハサイズ
のまま高温真空中で所定電圧を印加することにより行
い、接合後使用サイズに切断して使用する。

【００６７】前記３次元マザーボード１０１から該マザ
ーボード側面に取付けられ電磁弁やポンプの選択的駆動
によって、複数種類の液体（試料水７１，試薬８２，洗
浄液８６，基準液８９）の選択的な供給を受け、貫通穴
３０６には基準水８６、貫通穴３０７には洗浄液８９、
貫通穴３０８には試料水７１、メッシュ穴３１０には試
薬８２が供給される。供給された液体は流路３０５内を
流れ流路内の直線部であるセル部３１１に導かれ、貫通
穴３０９を経て前記３次元マザーボード１０１に排出さ
れる。

【００６８】残留塩素測定の場合、洗浄液８６，基準水
８９を停止した状態で試料水７１と試薬８２を所定の流
量比で供給し、流路３０５内で混合する。この時試薬８
２は試料水７１の中にメッシュ穴３１０を介して注入さ
れる。この為試薬８２は試料水中に細かく均一に注入さ
れるので短時間で拡散し、残留塩素濃度に対応した発色
反応をする。発色した反応液３１２は前記セル部３１１
に導かれその発色度を光学的に計測される。計測時は計
測値を安定させるため一時的に流体を停止する。計測後
反応液３１２は貫通穴３０９より排出される。感度又は
ゼロ点の校正をする場合は試料水７１の代わりに予め塩
素濃度を測定してある基準液８９を供給し同様の手順で
計測しその測定値を基準値として以後の測定値を補正す
る。洗浄液８６は試薬混合部２０１（特にセル部３１
１）の鉱物性あるいは植物性の汚れを除去するために、
所定の周期又は汚れの程度に応じて供給され、洗浄され
る。図７に戻って、計測分析部２０２について説明す
る。計測分析部２０２にはＬＥＤまたはレーザダイオー
ドから成る発光素子２０３と、該発光素子２０３の光を
集光して前記セル部３１１の斜面３０３に光を集めるレ
ンズ系２０４，光量変化をモニタする受光素子２０５が
配置されている。

【００６９】また前記セル部３１１内を透過した光２０
６は前記斜面３０３の対向する斜面３０３′に反射し、
前記計測分析部２０２のほうに戻ってくる。この光２０
７の光量を測定する受光素子２０８を前記計測分析部２
０２の一部に配置した。

【００７０】これら発光素子２０３，受光素子２０５，
２０８、レンズ系２０４と前記セル部３１１は、互いの
相対位置を固定するために分析部ベース２０９に保持さ
れ、更に該分析部ベース２０９は前記３次元マザーボー
ド１０１に着脱可能に保持されている。

【００７１】他の分析部（色度，濁度）については、分
析部の詳細についての説明は割愛するが、取付け寸法及
び流路の取合いについてはモジュール化し共通である。

【００７２】図７，図８において、前記セル部３１１の
内面に微小な気泡が付着すると、前記セル部３１１を透
過する光２０７の量が変動し正しい吸光度を測定するこ
とができない。これらの気泡は微小で付着場所もまちま
ちであるため、一定の流速では全てを流し去ることがで
きない。

【００７３】本発明では、以上の構成において測定デー
タの高信頼化のために、図１に示したように脱気装置４
０１〜４０４を設けて微少な気泡の除去を行う。これに
より気泡の影響を極小にした試料水及び他液体が分析部
に導かれ、信頼性の高い超小形オンライン水質計を実現
できる。

【００７４】図１０において小形脱気装置の構成例を説
明する。

【００７５】脱気装置４０１〜４０４は樹脂チューブ６
０１〜６０４と３次元マザーボード１０１内に構成した
一体チャンバー５０１，真空ポンプ５０２及びチャンバ
ー５０１と真空ポンプ５０２を接続する継手４０５，チ
ャンバー封止板５０３，Ｏリング５０４、及び止ねじ５
０５ａ〜ｄから構成される。試料水５２，液体８２，８
６，８９は樹脂チューブ６０１〜６０４を介してそれぞ
れの流路へ導かれる。樹脂チューブ６０１〜６０４は一
体チャンバー５０１内にあり、チャンバー５０１内は真
空ポンプ５０２により常に負圧に保たれており樹脂チュ
ーブ６０１〜６０４内の微少な気泡を除去する。

【００７６】ここで樹脂チューブ６０１〜６０４の材質
はフッ素樹脂（商品名；テフロンなど），シリコン樹
脂，塩化ビニル樹脂を用途に応じて選択できる。例え
ば、樹脂チューブ６０１〜６０４にシリコン樹脂を用い
れば、大気圧に近い状態で脱気でき、真空ポンプの能力
もそれほど高くなくても効率よく脱気できる。

【００７７】よって、前記真空ポンプはマイクロファブ
リケーション技術で製作した超小形ポンプにても実現可
能である。

【００７８】また、樹脂チューブ６０１〜６０４内の容
量も数十μｌで済み、従来の数十mlと比較し容量を１／
１０００にできるので水の消費量を少なくできる。これ
により、従来の脱気装置を使用した場合と比較し、約１
０００倍の応答性の改善が可能となる。

【００７９】図１１によりさらに詳細な構成を説明す
る。図１１は図１０を側面から見た図である。チャンバ
ー５０１は３次元マザーボード１０１とチャンバー封止
板503からなりＯリング５０４にてシールされ止ねじ５
０５ａ〜ｄにて封止されチャンバー５０１となる。図１
０，図１１ではチャンバーおよびチャンバー封止板は四
角となっているが円形でも問題ない。

【００８０】また、本例ではマザーボード１０１内にチ
ャンバー５０１を一体構成したが、図１２に示すよう
に、マザーボード１０１内に別々に装着することも可能
である。

【００８１】これにより、３次元マザーボード内の自由
な位置に配置や経路が選択でき、立体的な最短距離で結
ぶことや急激な折り曲げをせずに滑らかな曲線で結ぶこ
とができる。

【００８２】さらに図１３に示すように、脱気装置をマ
ザーボード１０１外に装着し着脱可能とすることもでき
る。同図では、マザーボード１０１と着脱脱気装置４０
０，真空ポンプ５０２をＯリング５０５，６０１〜６０
４でシールする構成例を示している。このように水質計
のマイクロ化により測定する水量が微少流量で済むた
め、これに使用する脱気装置はさらなるマイクロ化が可
能となる。水質計がマイクロファブリケーションにより
小型化されると全体の標準化と機能の拡張性に大いに効
果がある。なお図１２，図１３でも図に記載はしていな
いがチャンバーの封止構造は図１０，図１１と同じであ
る。また、本実施例ではバルブやポンプなどを３次元マ
ザーボード上に配置したが、これらはマイクロファブリ
ケーションの更なる進歩により試薬混合部とともに同一
のシリコンウエハ上に形成することが可能であり、本分
析計の更なる小型化の手段となる。この場合でも各分析
部をモジュール化しておくことは測定項目を自由に選択
できることを示す。第２の実施例を図９に示す。

【００８３】なお、第１の実施例と異なる部分のみ説明
し、他の部分の説明は省略する。水道メータ９と水質計
８を一体にした実施例で水質計がマイクロファブリケー
ションにより小型化されると一体構成も可能となり、需
要家への供給水は配管６と閉止弁１０を介して水道メー
タを流れて流量が計測されるとともに、その一部は試料
導入管２４を介して水質計８に供給される。全体の標準
化と機能の拡張性に大いに効果がある。

【００８４】このような構成をとれば、水道メータと水
質計を一体として配管に取付け、水道メータボックスに
収納することも可能になる結果、特別な設置場所や設置
工事がなくなり、水道メータをとりつけるのと同じ簡便
さで取り付けが可能である。第１の実施例および第２の
実施例を要約すると以下の通りである。

【００８５】（１）水質計を飲用する末端水に近い配水
管末端付近に設置し、それらの情報を管理センタで統合
管理して最適な水質管理を行う。

【００８６】（２）水質計を配水管の末端付近のマンホ
ール，消火栓，水道メータ収納箱，需要家内などにも設
置できるように小型化する。

【００８７】（３）その手段として装置が大型化する原
因である試料導入部，試薬混合部，分析・測定部にマイ
クロファブリケーション技術を導入して小型化する。現
状の技術でも体積にして約１／１０００の小型化は可能
である。

【００８８】（４）分析計内部の配管系を紫外線硬化形
プラスティックなどによる３次元立体流路を採用し配管
（チューブ）の無い構成とし、省スペースと信頼性向上
を図る。

【００８９】（５）装置を小型化すれば本体コスト，工
事費も安くなり、かつマイクロファブリケーション技術
はシリコン半導体プロセス技術の応用なので量産化によ
って大幅なコストダウンが可能である。

【００９０】（６）小型化して水道メータ収納箱や流し
台の下部に収納できれば人に触れることもなく、安全性
が確保できる。装置の保守は部品を小型でカートリッジ
式にしておけば一般家庭の人でも出来、危険もない。

【００９１】（７）連続のオンライン測定に耐えるよう
自動サンプリング，自動試薬混合・反応機構，自動校
正，自動洗浄，自動データ伝送等の機能を必要に応じて
備え、それらに消費する液量もマイクロファブリケーシ
ョンによる試料導入部，試薬混合部，分析・測定部の微
細化によりマイクロリットルのレベルに抑えられるため
連続測定の場合でも薬液や基準液の交換周期を１カ月以
上にまでひきのばすことが可能となる。

【００９２】（８）従来の市販の脱気装置と比較し、内
部容量１／１０００（数十μｌ）の小形脱気装置を装着
する。これにより、超小形分析部内の測定セル部に付着
する微小な気泡に対しこれを効率よく除去し、かつ試料
水の消費量を少なくする。

【００９３】（９）測定セル部のマイクロ化による微少
流量化により、さらに小型化した超小形脱気装置を一体
構成とする。

【００９４】（10）小形脱気装置を着脱可能とすること
により、保守メンテナンスが容易とした。

【００９５】（11）マイクロ化による微少流量化によ
り、より小型化した脱気装置を一体構成で実現できるの
で大形で高価な脱気装置を必要としなくなった。

【００９６】（12）小型化により省電力化が可能とな
り、電源として電池を、信号伝送手段に無線回線使用し
て外部配線を不要とし、更に小型化により試料水・試薬
の使用量が減るのでこれらを回収するか蒸発方式を採用
し、排水工事も不要にできる。

【００９７】さらに、効果を纏めると、以下の効果が期
待できる。

【００９８】（１）３次元の立体流路を実現し、超小形
で高信頼，安価な流体系を実現できる。

【００９９】（２）上記により、超小形，低価格の多項
目水質計を実現できる。

【０１００】（３）従来に比べて約１０００分の１程度
の体積の分析計が提供でき、設置の自由度が向上する。

【０１０１】（４）マイクロファブリケーションの採用
で、小形で消費電力の少ない分析計が実現でき、電池駆
動と無線通信を採用することによって、配線の不要なオ
ンライン多項目水質計測システムが実現できる。

【０１０２】（５）分析部がモジュール化してあり、測
定シーケンスの変更により測定項目の選択，組み合せ，
変更などが容易である。

【０１０３】（６）前記３次元の立体流路を紫外線硬化
形の合成樹脂を用いた光造形法を採用したことにより、
ＣＡＤデータを使用しモールド型が不要で、安価かつ迅
速な製造を可能にした。

【０１０４】（７）超小形のサンプリング系が実現でき
たことにより使用液量が低減され、液補充に伴うメンテ
ナンス周期を大幅に延長せしめた。

【０１０５】（８）従来の市販の脱気装置と比較し、内
部容量が従来比１／１０００（数十μｌ）の超小形脱気
装置を具備することにより、気泡の影響の少ない小形オ
ンライン水質計を実現でき高精度化が実現できる。

【０１０６】（９）上記により、脱気装置内での時定数
が少なくなり高速応答性が可能となる。同時に水の消費
量を大幅に減らすことができる。

【０１０７】（10）測定セル部のマイクロ化による微少
流量化により、さらに小型化した超小形脱気装置を前記
３次元の立体流路と一体構成とすることができる。これ
により高信頼で安定なオンライン水質計が実現できる。

【０１０８】（11）市販の高価で大形の脱気装置が不要
となるので小形で安価となる。

【０１０９】（12）小形脱気装置を着脱可能とすること
により、保守メンテナンスが容易となる。

【０１１０】（13）小型化により省電力化が可能とな
る。

【０１１１】（14）超小形のサンプリング系が実現でき
たことにより使用液量が低減され、液補充に伴うメンテ
ナンス周期を大幅に延長せしめた。

【０１１２】

【発明の効果】本発明によれば、以下の効果が期待でき
る。

【０１１３】（１）小形で安価な多項目オンライン分析
計を供給できる。

【０１１４】（２）上記により、同一予算で数多くの箇
所で水質測定が可能になり、需要家に近いところでの木
目細かな水質測定が可能となる。

【０１１５】（３）従来に比べて約１０００分の１程度
の体積の分析計が提供でき、設置の自由度が向上する。

【０１１６】（４）マイクロファブリケーションの採用
で、小形で消費電力の少ない分析計が実現でき、電池駆
動と無線通信を採用することによって、配線の不要なオ
ンライン多項目水質計測システムが実現できる。

【０１１７】（５）分析部がモジュール化してあり、測
定シーケンスの変更により測定項目の選択，組み合せ，
変更などが容易である。

【０１１８】（６）分析計内部の配管を３次元の立体流
路により無配管化したことにより、小型化と、信頼性の
向上が期待できる。

【０１１９】（７）前記３次元の立体流路を紫外線硬化
形の合成樹脂を用いた光造形法を採用したことにより、
安価で迅速な製造を可能にした。

【０１２０】（８）従来の市販の脱気装置と比較し、内
部容量が従来比１／１０００（数十μｌ）の超小形脱気
装置を具備することにより、気泡の影響の少ない小形オ
ンライン水質計を実現でき高精度化が実現できる。

【０１２１】（９）上記により、脱気装置内での時定数
が少なくなり高速応答性が可能となる。同時に水の消費
量を大幅に減らすことができる。

【０１２２】（10）測定セル部のマイクロ化による微少
流量化により、さらに小型化した超小形脱気装置を前記
３次元の立体流路と一体構成とすることができる。これ
により高信頼で安定なオンライン水質計が実現できる。

【０１２３】（11）市販の高価で大形の脱気装置が不要
となるので小形で安価となる。

【０１２４】（12）小形脱気装置を着脱可能とすること
により、保守メンテナンスが容易となる。

【０１２５】（13）小型化により省電力化が可能とな
る。

【０１２６】（14）超小形のサンプリング系が実現でき
たことにより使用液量が低減され、液補充に伴うメンテ
ナンス周期を大幅に延長せしめた。

【図面の簡単な説明】

【図１】分析計の内部詳細構成図である。

【図２】システムの構成図である。

【図３】システムの分析計の設置例を示す図である。

【図４】分析計の内部構成図である。

【図５】マザーボードの詳細を示す図である。

【図６】マザーボードの内部流路の立体図である。

【図７】分析部の詳細を示す図である。

【図８】フローセルの詳細を示す図である。

【図９】本発明の第２の実施例を示す図である。

【図１０】本発明の脱気装置の構成図である。

【図１１】本発明の図１０脱気装置の側面図である。

【図１２】本発明の脱気装置の構成図である。

【図１３】本発明の着脱可能な脱気装置の構成図であ
る。

【符号の説明】

１，２１…浄水施設、２，２２…配水施設、３…水質管
理センタ、４…配水本管、５…配水系統本管、６…水道
事業者側配水管、７…需要家側配水管、８…水質計、９
…水道メータ、１０…閉止弁、１１…排水設備、１２…
給水栓、１３…試料導入部、１４ａ〜１４ｃ…試薬混合
部、１５，１６，１７，７６，７７，７８…分析部、１
８…信号処理・制御部、１９…出力／伝送部、２０…電
源部、５１，５９，７１…配水管、５２，７２…飲料
水、５３，５５，５７，６１…配管、５４，５８，６２
…手動弁、５６…減圧弁、６０…排水溝、６３…フィル
タ、６４…分析計本体、６５，６８，７０，９４，３０
５…流路、６６…脱泡槽、６７…気泡、６９，７３，７
５ａ〜７５ｃ，８３，８５ａ〜８５ｃ，８８ａ〜８８
ｃ，９１ａ〜９１ｃ，９３…電磁弁、７４，８４…定量
ポンプ、７９，８０，８１…カートリッジ、８２…流
体、８６，８９…液体、８７，９０…ポンプ、９２…廃
液、９５…回収容器、１０１…３次元マザーボード、１
０２…流路開口部、１０３…ネジ穴、２０２…計測分析
部、２０３…発光素子、２０４…レンズ系、２０５，２
０８…受光素子、２０６，２０７…光、２０９…分析部
ベース、３０１…基板、３０２…カバー、３０３…斜
面、３０４…底面、３０６，３０７，３０８，３０９…
貫通穴、３１０…メッシュ穴、３１１…セル部、３１２
…反応液、４００…脱気装置部、４０１，４０２，４０
３，４０４…脱気装置、405…継手、５０１…チャンバ
ー、５０２…真空ポンプ、５０３…チャンバー封止板、
５０４，７０１，７０２，７０３，７０４，７０５…Ｏ
リング、５０５…止ねじ、６０１，６０２，６０３，６
０４…樹脂チューブ。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】河川，湖沼，井戸水などの原水又はこれら
   を浄化，殺菌処理をした上水又は工業用水又はこれらを
   処理した飲用水，冷却水，処理下水などをサンプリング
   してその水質を継続的に監視するために、モジュール化
   した１個または複数個の分析部と、該分析部にサンプリ
   ングした試料水を選択的に導くための複数個のポンプ及
   びバルブと、前記分析部，前記ポンプ及びバルブを連結
   する流路部とを有する水質計において、 前記分析部内に滞留した微小な気泡を除去するため前記
   流路部に超小形脱気装置を具備し、高速応答性と高信頼
   を図ったことを特徴とするオンライン水質計。
2. 【請求項２】請求項１において、マイクロファブリケー
   ション技術で製作した小形セルを用いた前記分析部に適
   する前記超小形脱気装置を具備したことを特徴とするオ
   ンライン水質計。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、前記超小形脱気
   装置は使用流量１００μｌ／min 以下で、小形の真空ポ
   ンプとチャンバーおよび樹脂チューブ（チューブ長さ２
   ０mm以下）により構成したことを特徴としたオンライン
   水質計。
4. 【請求項４】請求項３において、前記樹脂チューブの材
   質にフッ素樹脂（ＰＴＦＥ，ＰＦＡ等），シリコン樹
   脂，塩化ビニル樹脂を用いたことを特徴としたオンライ
   ン水質計。
5. 【請求項５】請求項１又は２において、前記超小形脱気
   装置は該水質計の立体流路（マザーボード）に装着され
   一体構成としたことを特徴としたオンライン水質計。
6. 【請求項６】請求項１又は２において、前記超小形脱気
   装置は簡単に着脱できる構成したことを特徴としたオン
   ライン水質計。
7. 【請求項７】請求項１〜３のいずれか１項において、前
   記チャンバーを該水質計の立体流路（マザーボード）内
   に１個または複数個備えた構成としたことを特徴とした
   オンライン水質計。
8. 【請求項８】請求項３において、前記真空ポンプはマイ
   クロファブリケーション技術で製作した超小形ポンプを
   具備したことを特徴とするオンライン水質計。