JP2008267838A - 液質分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液質分析装置において、簡単な回路構成でありながら、センサ間あるいは測定回路系とメイン回路系との間の電流回りこみなどによる干渉影響を受けにくくし、精度の高い測定を担保する。
【解決手段】分析対象液ＬＱの液質を電気化学分析するための、少なくとも一対の電極１１、１２からなるセンサ部１と、前記電極１１、１２間に電流を流すための測定回路系２と、その測定回路系２の基準とは別の基準を有するメイン回路系３とを設け、それら電位の差分電圧又はそれに比例する電圧を、当該測定回路系２の基準を基準として出力する差動増幅回路５を設け、その差動増幅回路５の出力電圧を前記電極の一方１１に印加するとともに、他方の電極１２を当該測定回路系２の基準電位に維持するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶存酸素センサや導電率センサなどのように、２つ以上の電極を有するセンサにおいて、一方を参照極として他方の電極との間に電圧を印加し、そのとき電極間に流れる電流を測定することにより水質等を分析する液質分析装置に関するものである。

この種の液質分析装置においては、複数のセンサを同時に用いて測定することがあるが、その場合に各々のセンサにおける電気回路系の基準を共通にすると、１つのセンサに電圧を印加することで、他のセンサにも液体を通じ電流が流れ、複数のセンサ間での干渉や、情報処理回路などのメイン回路系と電極を含む測定回路系との間での浮遊容量等に起因したノイズなどが発生して、測定に誤差が生じ得る。このことから、従来は、相互の基準を電気的に絶縁するためにフォトカプラ、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いたり（特許文献１参照）、あるいはセンサをスイッチで切り替えて回路的に切り離し、選択的にいずれかのセンサのみを使用できるようにする（特許文献２、３参照）といったことが行われてきている。
特開２０００−７４８６５号 特開平１０−２２１２８５号 特開平１０−２２１３０２号

しかしながら、前者のような方式では、回路が大掛かりになってコストアップや消費電力の増加を招く。一方、後者の方式では、確かに回路的には前者に比べ簡素化されるが、連続測定や同時測定ができなくなるという問題点が生じる。

本発明は、かかる課題を鑑みて行われたものであって、その主たる目的とするところは、簡単な回路構成でありながら、センサ間あるいは測定回路系とメイン回路系との間の電流回りこみなどによる干渉影響を受けにくくし、精度の高い測定を可能とすることにある。

かかる課題を解決するために本発明は次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明にかかる液質分析装置は、

（１）分析対象液の液質を電気化学分析するための、少なくとも一対の電極からなるセンサ部

（２）前記センサ部の電極間に電圧を印加するための測定回路系

（３）その測定回路系の基準とは別の基準を有するメイン回路系

を備えている。

ここで、前記メイン回路系は、その電圧出力端子に、当該メイン回路系の基準電位を基準とした所定電圧を印加する電圧発生回路を備えたものである。

また、前記測定回路系は、当該測定回路系の基準電位を基準としたときの、前記電圧出力端子の電位と前記メイン回路系の基準電位とが入力され、それらの差分電圧又はそれに比例する電圧を、当該測定回路系の基準電位を基準として出力する差動増幅回路を備えており、その差動増幅回路の出力電圧を前記電極の一方に印加するとともに、他方の電極は当該測定回路系の基準電位に維持するものである。

前記センサ部は単一でもよいが、複数としてもよい。その場合、各センサ部にそれぞれ対応付けて測定回路系を設けるとともに、各測定回路系の基準を互いに独立させておくことが好ましい。

このように構成した本発明によれば、メイン回路系においてその基準と電圧出力端子と間で発生させた電位差（又はそれに比例する電位差）を、差動増幅回路によって、別の独立した基準を有する測定回路系にそのまま移行できる。したがって、測定回路系とメイン回路系との間の基準を通じた電流回りこみなどによる干渉影響を受けにくくし、精度の高い測定が可能となる。

さらに、前記他方の電極からの出力電流を前記測定回路系の基準電位からの電圧に変換する電流−電圧変換回路と、前記電流−電圧変換回路の出力電圧を前記メイン回路系の基準電位を基準として出力する第２差動増幅回路と、をさらに備えていることが望ましい。

また、差動増幅回路を巧みに利用しており、フォトカプラやＤＣ−ＤＣコンバータなどのような大掛かりな部品が不要なので、消費電力やコストの低減に寄与し得る。

前記センサ部を複数とし、それらセンサ部にそれぞれ測定回路系を設けるとともに、各測定回路系の基準を互いに独立させておけば、単一の電圧発生回路で複数のセンサ部を駆動しながらも、各測定回路系間での干渉等を防止し、それらセンサ部での同時連続測定を、精度よく行うことができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る液質分析装置１００は、例えば水などの溶液に含まれる溶存酸素を電気化学的に測定するものであって、図１にその概要ブロック図を、図２に具体的な回路図をそれぞれ示すように、分析対象液たる水ＬＱの液質を電気化学分析するためのセンサ部１と、前記センサ部１に電流を流すための測定回路系２と、その測定回路系２の基準（又はコモン、図中、逆三角形の中に１を記載して表現している）とは別の基準（又はコモン、図中、逆三角形の中に０を記載して表現している）を有するメイン回路系３とを備えている。

各部を詳述する。

センサ部１は、測定対象となる水ＬＱに浸される一対の電極、すなわち作用極１２及び参照極１１を有するものであるが、さらに対極を備えた３極構造のものでもよい（３極構造のものに関しては後述する）。

メイン回路系３は、測定結果を処理する図示しない情報処理回路等とグランドコモンや電源を共通にしたもので、電圧発生回路４を備えている。この電圧発生回路４は、図２に示すように、例えば電源電圧を抵抗により分圧することで、このメイン回路系３の基準電位に対して所定電位差を有する電圧を発生する抵抗回路４１と、その抵抗回路４１に接続されてインピーダンス変換を行い、前記電圧を電圧出力端子４ａから出力するバッファ回路４２とを備えたものである。

一方、前記測定回路系２は、電極１１、１２間に前記所定電圧を印加し、電極１１、１２を通じて測定対象である水ＬＱに電流を流すためのものであり、この実施形態では差動増幅回路５を備えている。

この差動増幅回路５は、図１に示すように、当該測定回路系２の基準電位を基準とした前記電圧出力端子４ａの電位と、同じく測定回路系２の基準電位を基準とした前記メイン回路系３の基準電位とをそれぞれ入力され、それらの差分電圧又はそれに比例する電圧を、当該測定回路系２の基準電位を基準として発生するものである。

この差動増幅回路５の具体的回路構成につき、図２を参照して簡単に説明しておくと、当該差動増幅回路５は、この測定回路系２の基準電位を基準として動作する増幅器５１を備えている。この増幅器５１の非反転入力端子５１ａには、前記電圧発生回路４の出力端子４ａと、この測定回路系２の基準とが、同じ値の抵抗を介してそれぞれ接続されており、反転入力端子５１ｂには、前記メイン回路系３の基準と当該増幅器５１の出力端子５１ｃとが、やはり同じ値の抵抗を介してそれぞれ接続されている。また、前記出力端子５１ｃは、前記参照極１１にも接続されている。

さらに、この測定回路系２は、電流−電圧変換回路６を備えており、前記作用極１２は、この電流−電圧変換回路６の反転入力端子に接続されている。この反転入力端子は、さらに電流−電圧変換抵抗を介して、当該電流−電圧変換回路６の出力端子にも接続されている。一方、この電流−電圧変換回路６の非反転入力端子は、測定回路系２の基準に接続されている。このような構成により、入力端子間のイマジナリショートを利用して作用極１２が測定回路系２の基準と等しい電位に保たれ、かつこの作用極１２を流れる電流が、測定回路系２の基準電位を基準とした電圧として出力されるようにしている。

そして、前記電流−電圧変換回路６の出力電圧は、メイン回路系３を構成する第２差動増幅回路７によって、メイン回路系３の基準電位を基準にした同じ電圧となって差動増幅回路７にある増幅器の出力端子７１ｃからメイン回路系３に伝達される。

次に、前述した参照極１１の電位につき考察する。

メイン回路系３の基準電位をＶ_ｃ１、前記所定電位差をｖとすると、前記電圧発生回路４の出力端子４ａの電位Ｖ_ｏ１は、

Ｖ_ｏ１＝Ｖ_ｃ１＋ｖ ・・・（１）

と表せる。以下、特に断りなく電位と言うときは、電位が０である仮想点を基準とした絶対電位を言う。

一方、測定回路系２の基準電位をＶ_ｃ２とすると、差動増幅回路５における増幅器５１の非反転入力端子５１ａの電位Ｖ_ｉ１は、式（１）を考慮して、

Ｖ_ｉ１＝（Ｖ_ｏ１＋Ｖ_ｃ２）／２
＝（Ｖ_ｃ１＋Ｖ_ｃ２＋ｖ）／２ ・・・（２）

と表せる。

ところで、反転入力端子５１ｂの電位Ｖ_ｉ２は、イマジナリショートが成立して非反転入力端子５１ａの電位Ｖ_ｉ１と等しいことから、この増幅器５１の裸のゲインを実質的に無限大と考えれば、この増幅器５１の出力端子５１ｃの電位Ｖ_ｏ２は、式（２）を考慮して、

Ｖ_ｏ２＝２・Ｖ_ｉ１−Ｖ_ｃ１
＝（Ｖ_ｃ１＋Ｖ_ｃ２＋ｖ）−Ｖ_ｃ１
＝Ｖ_ｃ２＋ｖ ・・・（３）

と表せる。

したがって、増幅器出力端子５１ｃの、測定回路系基準電位に対する電位差ｖ１は、

ｖ１＝Ｖ_ｏ２−Ｖ_ｃ２
＝ｖ ・・・（４）

となり、結局、メイン回路系３でその基準電位を基準として発生させた所定電位差ｖと等しくなる。

このことは、メイン回路系３において、その基準と電圧出力端子４ａと間で発生させた電位差（又はそれに比例する電位差）を、差動増幅回路５によって、別の独立した基準を有する測定回路系２にそのまま移行できることを示している。

したがって、測定回路系２とメイン回路系３との間の基準を通じた電流回りこみなどによる干渉影響を受けにくくし、精度の高い測定が可能となる。

また、差動増幅回路５を巧みに利用しており、フォトカプラやＤＣ−ＤＣコンバータなどのような大掛かりな部品が不要なので、消費電力やコストの低減に寄与し得る。

さらに、前述した作用極１２の電位は、上記と同様に、電流−電圧変換回路６及び第２差動変換回路７によりＶ_ｃ１、Ｖ_ｃ２とは無関係に第２差動変換回路７の出力端子７１ｃから出力される。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、図３に示すように、センサ部１が３極構造の場合、増幅器８をさらに設け、その増幅器８の非反転入力端子８ａに、前記差動増幅回路５の出力端子５１ｃを接続するとともに、反転端子８ｂに参照極１１を接続し、対極１３に増幅器８の出力端子８ｃを接続した構成が一例として考えられる。このようなものであれば、参照極１１には電流が流れない一方で、その電位は、前記増幅器８の入力端子８ａ、８ｂ間がイマジナリショートであることから差動増幅回路５の出力端子の電位と等しく保たれる。また、この構成の場合、対極から電流が作用極１２に供給されることとなり、その対極の電位は、増幅器８のフィードバック作用によって参照極１１と等しく保たれることとなる。

また、図４に示すように、同種又は異種のセンサ部１を複数設けるようにしてもよい。ここでは、それらセンサ部１にそれぞれ測定回路系２を設けるとともに、各測定回路系２の基準を互いに独立させ、さらに電圧発生回路４は共通にしている。

このようなものであれば、単一の電圧発生回路４で済むうえに、各測定回路系２間あるいはメイン回路系３との間での干渉等を防止し、それらセンサ部１での同時連続測定を、精度よく行うことができる。なお、図３、図４で、前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付している。

さらに、前記実施形態では、液質分析装置１００を、水の溶存酸素を測定する水質分析装置として使用していたが、電極間に電圧を印加することで測定を行う残留塩素、導電率など水の他の属性を測定するものに応用しても構わないし、水のみならず、他の液体の分析に用いても構わない。

その他、本発明は前記図示例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々変形が可能である。

本発明の一実施形態における液質分析装置の模式的機能ブロック図。 同実施形態における液質分析装置の概略回路構成図。 本発明の一変形例における液質分析装置の概略回路構成図。 本発明のさらに他の変形例における液質分析装置の模式的機能ブロック図。

符号の説明

ＬＱ・・・分析対象液（水）
１１、１２・・・電極（参照極、作用極）
１００・・・液質分析装置
１・・・センサ部
２・・・測定回路系
３・・・メイン回路系
４・・・電圧発生回路
４ａ・・・電圧出力端子
２１・・・差動増幅回路

Claims (4)

1. 分析対象液の液質を電気化学分析するための、少なくとも一対の電極からなるセンサ部と、前記センサ部の電極間に電圧を印加するための測定回路系と、その測定回路系の基準とは別の基準を有するメイン回路系と、を備えたものであり、
   前記メイン回路系は、その電圧出力端子に当該メイン回路系の基準電位に対して所定電位差を有する電圧を印加する電圧発生回路を備えており、
   前記測定回路系は、当該測定回路系の基準電位に基づく前記電圧出力端子の電位と前記メイン回路系の基準電位とが入力され、入力されたそれら電位の差分電圧又はそれに比例する電圧を、当該測定回路系の基準電位を基準として出力する差動増幅回路を備えており、その差動増幅回路の出力電圧を前記電極の一方に印加するとともに、他方の電極は当該測定回路系の基準電位に維持するものである液質分析装置。
2. 前記他方の電極からの出力電流を前記測定回路系の基準電位からの電圧に変換する電流−電圧変換回路と、
   前記電流−電圧変換回路の出力電圧を前記メイン回路系の基準電位を基準として出力する第２差動増幅回路と、をさらに備えている請求項１記載の液質分析装置。
3. 複数のセンサ部と、それら各センサ部にそれぞれ対応する複数の測定回路系を具備し、各測定回路系の基準を互いに独立させている請求項１又は２記載の液質分析装置。
4. 水質分析に用いられるものであって、前記センサ部が、溶存酸素、残留塩素、又は導電率を測定するためのものである請求項１、２又は３記載の液質分析装置。