JP2015025760A - Conductance and inductivity measurement equipment for fluid - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体の導電率(電気伝導率)と誘電率の双方を測定可能な流体の導電率兼誘電率測定器に関し、特に燃料電池発電システムの管路において純水の汚れを検出するのに好適な導電率測定器と、その純水中に含まれる炭酸ガス等の気泡(水枯れ)を検出するのに好適な誘電率測定器に関する。 The present invention relates to a fluid conductivity / dielectric constant measuring device capable of measuring both the electrical conductivity (electrical conductivity) and the dielectric constant of a fluid, and more particularly to detecting contamination of pure water in a conduit of a fuel cell power generation system. And a dielectric constant measuring apparatus suitable for detecting bubbles (water withering) such as carbon dioxide contained in the pure water.
特許文献1に開示された水位計付き導電率計は、燃料電池発電システムにおける水槽内の底部に浸漬された送信電極と、それよりも浅部に浸漬された受信電極と、500Hzの導電率用周波数信号を発信する導電率用発信回路から上記送信電極までの間に設けられた第1アナログスイッチと、100KHzの水位(誘電率)用周波数信号を発信する水位用発信回路から上記送信電極までの間に設けられた第2アナログスイッチと、上記受信電極から導電率測定回路までの間に設けられた第3アナログスイッチと、上記受信電極から水位(誘電率)測定回路までの間に設けられた第4アナログスイッチと、第1及び第3アナログスイッチと第2及び第4アナログスイッチとを排他的にオン/オフ制御するための100Hzのスイッチ切換用周波数信号を発信するスイッチ切換用発信回路とを有している。
A conductivity meter with a water level meter disclosed in
低周波数の500Hzの導電率用周波数信号を用いた導電率測定と高周波数の100KHzの水位(誘電率)用周波数信号を用いた水位(誘電率)測定とをスイッチ切換用周波数信号により5msの時間分割で交互に実測できるため、水槽内の純水の汚れを検出するための導電率測定と受信電極が水面上に露出する水位(水枯れ)を検出するための誘電率測定の双方が可能となっている。 Conductivity measurement using a low frequency frequency signal for 500 Hz conductivity and high frequency 100 KHz water level (dielectric constant) frequency measurement using a frequency signal for switch switching frequency signal for 5 ms. Since measurement can be performed alternately by dividing, both conductivity measurement for detecting contamination of pure water in the water tank and dielectric constant measurement for detecting the water level (water draining) where the receiving electrode is exposed on the water surface are possible. It has become.
ところで、この水位計付き導電率計を水槽内ではなく例えば水平姿勢の管路を流れる純水の導電率測定と気泡(水枯れ)検出とに利用しようとする場合、送信電極と受信電極を管路の横断方向に挿入した状態においては、両電極が純水の流動を妨げて流速を落とす流動抵抗体となって観測対象を徒に乱してしまう。特に、気泡(水枯れ)検出の誘電率測定においては両電極間の対向面積を増やして電気容量を大きく確保する必要があるため、流動抵抗の過大化を招く。また、管路での水枯れの検出では、水槽内のように受信電極が水面上に露出するのではなく、気泡が管路を通過することにより水枯れが始まるため、純水中の気泡を淀ますことなく検出できるものでなければならない。 By the way, when this conductivity meter with a water level meter is used not in the water tank but for measuring the conductivity of pure water flowing through a horizontal channel, for example, and detecting bubbles (water withering), the transmitter electrode and the receiver electrode are connected to the tube. In the state of being inserted in the transverse direction of the road, both electrodes become a flow resistor that impedes the flow of pure water and reduces the flow velocity, and disturbs the observation target. In particular, in the dielectric constant measurement for detecting bubbles (withering water), it is necessary to increase the facing area between both electrodes to ensure a large electric capacity, which leads to excessive flow resistance. In addition, in the detection of water withering in the pipeline, the receiving electrode is not exposed on the surface of the water as in the water tank, but the water begins to wither when the bubbles pass through the pipeline, so bubbles in the pure water are removed.も の It must be able to be detected without hesitation.
そこで、本発明の第1の課題は、上記問題点を解決するものであり、管路の流動抵抗の増大を招かずに済む流体の導電率兼誘電率測定器を提供することにある。また、本発明の第2の課題は、管路を流れる流体中の気泡を淀ますことなく検出可能な流体の導電率兼誘電率測定器を提供することにある。 Accordingly, a first object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a fluid conductivity / dielectric constant measuring device that does not increase the flow resistance of a pipe. A second object of the present invention is to provide a fluid conductivity / dielectric constant measuring device capable of detecting a bubble in a fluid flowing through a pipeline without damaging it.
本発明に係る流体の導電率兼誘電率測定器は、第1電極孔を持つ第1電極体と、第2電極孔を持つ第2電極体と、第1電極体及び第2電極体を隔てて保持する電極ホルダとを備え、この電極ホルダにおいて第1電極孔と第2電極孔とが相向き合う状態でこれらに合致する流路孔が貫通形成されて成ることを特徴とする。 The fluid conductivity / dielectric constant measuring device according to the present invention includes a first electrode body having a first electrode hole, a second electrode body having a second electrode hole, and the first electrode body and the second electrode body. The electrode holder is characterized in that a channel hole that matches the first electrode hole and the second electrode hole is formed through the electrode holder in a state where the first electrode hole and the second electrode hole face each other.
かかる構成においては、第1電極孔と第2電極孔とが相向き合う第1電極孔の孔縁と第2電極孔の孔縁とが実質的に相対向する電極対となり、流体は一方の電極孔内から流路孔内を介して他方の電極孔内を乱されずに流下し、流動抵抗の増大させずに済み、また流体内に含まれる気泡などが電極孔や流路孔内で淀まず、気泡などの通過の際の誤検出が防げる。 In such a configuration, the hole edge of the first electrode hole and the hole edge of the second electrode hole in which the first electrode hole and the second electrode hole face each other are substantially opposed to each other, and the fluid is one electrode. The other electrode hole flows from the hole through the channel hole without being disturbed, and the flow resistance is not increased, and bubbles contained in the fluid are trapped in the electrode hole and the channel hole. First of all, it is possible to prevent erroneous detection when air bubbles pass through.
電極ホルダは第1電極体及び第2電極体をインサートとする樹脂成形品でも構わないが、電極体の交換や清掃などにおいては、第1電極体及び第2電極体とは別体のものとするのが望ましい。即ち、電極ホルダは、流路孔に直交して第1電極体を差し込み保持可能な第1電極収納穴と、流路孔に直交して第2電極体を差し込み保持可能な第2電極収納穴を備えて成ることが望ましい。 The electrode holder may be a resin molded product using the first electrode body and the second electrode body as inserts. However, in replacement or cleaning of the electrode body, the electrode holder is separate from the first electrode body and the second electrode body. It is desirable to do. That is, the electrode holder includes a first electrode housing hole that can be inserted and held perpendicular to the flow path hole, and a second electrode housing hole that can be inserted and held perpendicular to the flow path hole. It is desirable to comprise.
この流体の導電率兼誘電率測定器においては、各電極体の端子ピン部に接続可能な回路基板を組み込んだ測定ケースを備えており、この測定ケースは、電極ホルダを差し込み保持可能なホルダ収納穴と、このホルダ収納穴に連通して流路孔の一方の開口に一端側が連絡すると共に他端側に流入側接手部を備える流入孔と、ホルダ収納穴に連通して流路孔の他方の開口に一端側が連絡すると共に他端側に流出側接手部を備える流出孔とを有する。かような測定ケースを用いれば、例えば燃料電池発電システムの管路において流入管を流入側接手部に接続すると共に流出管を流出側接手部に接続する簡単な作業だけで、純水の汚れと気泡(水枯れ)の検出を行うことができる。 This fluid conductivity / dielectric constant measuring instrument has a measurement case in which a circuit board that can be connected to the terminal pin portion of each electrode body is incorporated, and this measurement case contains a holder in which an electrode holder can be inserted and held. A hole, an inflow hole having one end connected to one opening of the flow path hole and communicating with the one opening of the flow path hole and having an inflow side joint on the other end, and the other of the flow path holes communicating with the holder storage hole. One end side communicates with the opening, and the other end side has an outflow hole having an outflow side joint portion. By using such a measurement case, for example, in the pipeline of a fuel cell power generation system, it is possible to remove the contamination of pure water by simply connecting the inflow pipe to the inflow side joint and the outflow pipe to the outflow side joint. Bubbles (withered) can be detected.
ここで、流路孔の断面積は流入孔及び流出孔の断面積に比して狭くなっていることが望ましい。流入孔及び流出孔内の流体の流速が低速であっても、流路孔内の流速を高めることができるので、気泡や異物が電極孔内や流路孔内面に付着し難く、誤検出を防げる。 Here, it is desirable that the cross-sectional area of the flow path hole is narrower than the cross-sectional areas of the inflow hole and the outflow hole. Even if the flow velocity of the fluid in the inflow hole and outflow hole is low, the flow velocity in the flow path hole can be increased. I can prevent it.
更に、各電極体は、直径方向に電極孔を持つ有孔円柱部と、この有孔円柱部から端子ピン部側に位置して有孔円柱部との間にOリング装着用縮径部を画成する鍔部とを一体的に有し、Oリング縮径部にOリングが装着されて成る場合、被測定流体の電極収納穴内での漏洩を防止できる。また、電極孔が円柱部の直径方向に形成されているため、円柱部を軸回転させて電極孔の向きを変えることで、電極孔と流路孔との向き合い整合を図ることができる。 Furthermore, each electrode body has a perforated cylindrical portion having an electrode hole in the diameter direction, and a reduced diameter portion for mounting an O-ring between the perforated cylindrical portion and the perforated cylindrical portion located on the terminal pin portion side. When the O-ring is mounted on the O-ring diameter-reduced portion, the leakage fluid can be prevented from leaking in the electrode housing hole. Further, since the electrode holes are formed in the diameter direction of the cylindrical portion, the orientation matching between the electrode holes and the flow path holes can be achieved by rotating the cylindrical portion to change the direction of the electrode holes.
また、各電極体は、端子ピン部と鍔部との間に回し位置決め用見当部を一体的に有することが望ましい。電極体を電極収納穴に差し込んだ際、電極孔と流路孔との向き合い整合が視認できないときでも、回し位置決め用見当部の位置合わせだけで向き合い整合を図ることができる。 Further, it is desirable that each electrode body integrally has a positioning register for turning between the terminal pin portion and the collar portion. When the electrode body is inserted into the electrode housing hole, even if the orientation matching between the electrode hole and the flow path hole cannot be visually recognized, the orientation matching can be achieved only by the positioning of the rotating positioning register.
流体内にある第1電極孔の孔縁と第2電極孔の孔縁とが向い合う電極対としては不要部分の静電容量を制限するのが理想的ではあるが、事実上、電極孔以外の対向面積部分が寄生容量となっている。そこで、各電極体は、鍔部と回し位置決め用見当部と間に肉盗みの縮径部を一体的に有することが望ましい。肉盗みの縮径部同士により対向面積が減少すると共に対向距離が増加する分、寄生容量を抑制でき、誘電率測定の分解能が向上する。 Although it is ideal to limit the capacitance of unnecessary portions as the electrode pair in which the hole edge of the first electrode hole and the hole edge of the second electrode hole face each other in the fluid, in fact, other than the electrode hole The opposite area portion is a parasitic capacitance. Therefore, it is desirable that each electrode body integrally has a reduced diameter portion for stealing the meat between the collar portion and the rotating positioning register portion. As the opposing area decreases and the opposing distance increases due to the reduced diameter portions of the stealing meat, the parasitic capacitance can be suppressed and the resolution of permittivity measurement is improved.
そして、この流体の導電率兼誘電率測定器において、第1の周波数信号を発信する導電率用発信回路の出力端と第1電極体との間に介在する第1のスイッチと、第1の周波数信号によりも高い第2の周波数信号を発信する誘電率用発信回路の出力端と第1電極体との間に介在する第2のスイッチと、第2電極体と導電率測定回路の入力端との間に介在する第3のスイッチと、第2電極体と誘電率測定回路の入力端との間に介在する第4のスイッチとを有し、第1の周波数信号よりも低いスイッチ切換用周波数信号で第1及び第3のスイッチと第2及び第4のスイッチとを排他的にオン/オフ制御することを特徴とする。第1及び第3のスイッチのオン期間においては、第2及び第4のスイッチのオフ期間であり、第1の周波数信号の発信による導電率測定だけが可能となり、他方、第2及び第4のスイッチのオン期間においては、第1及び第3のスイッチのオフ期間であり、第2の周波数信号の発信による誘電率測定が可能となり、クロストークが起らず、リアルタイムで時間分割の交互測定を実現できる。 In the fluid conductivity / dielectric constant measuring device, a first switch interposed between the output terminal of the conductivity transmission circuit for transmitting the first frequency signal and the first electrode body, A second switch interposed between the output terminal of the transmission circuit for permittivity that transmits a second frequency signal higher than the frequency signal and the first electrode body; and an input terminal of the second electrode body and the conductivity measurement circuit And a fourth switch interposed between the second electrode body and the input terminal of the dielectric constant measuring circuit, and for switching a switch lower than the first frequency signal. The first and third switches and the second and fourth switches are exclusively turned on / off by the frequency signal. The ON period of the first and third switches is the OFF period of the second and fourth switches, and only the conductivity measurement by the transmission of the first frequency signal is possible, while the second and fourth switches The on-period of the switch is the off-period of the first and third switches, and permittivity measurement can be performed by transmitting the second frequency signal, crosstalk does not occur, and time-division alternating measurement is performed in real time. realizable.
なお、この回路構成においては、上記のような電極孔を持つ電極体を用いずに、従来一般の電極体を用いても構わない。 In this circuit configuration, a conventional general electrode body may be used instead of the electrode body having the electrode holes as described above.
そして、上記回路構成においては特に誘電率測定回路に特徴を有する。即ち、誘電率測定回路としては、第4のスイッチから入来する信号電流を信号電圧に変換する電流/電圧変換手段と、定電圧源に制限抵抗を介してプルアップされて成る充放電用コンデンサと、信号電圧を第1の閾値電圧と比較してこれを超えるときはオン状態となって充放電用コンデンサを瞬間放電せしめる放電制御手段と、第4のスイッチのオン期間での充放電用コンデンサの充電電圧を第4のスイッチのオフ期間終期での充放電用コンデンサの充電電圧値よりも高い第2の閾値電圧と比較してこれを超えるときは異常信号を出力する比較手段とを有することを特徴とする。制限抵抗を介して定電圧源にプルアップされて成る充放電コンデンサを用い、これに対して信号電圧の入来時に放電制御することにより、事実上、充放電コンデンサに対する充電時間の長短比較を以て水枯れを高精度に検出できる。 The circuit configuration is particularly characterized by a dielectric constant measurement circuit. That is, the dielectric constant measuring circuit includes a current / voltage converting means for converting a signal current coming from the fourth switch into a signal voltage, and a charging / discharging capacitor that is pulled up to a constant voltage source through a limiting resistor. A discharge control means for turning on and instantaneously discharging the charge / discharge capacitor when the signal voltage exceeds the first threshold voltage and exceeds this, and the charge / discharge capacitor during the ON period of the fourth switch And comparing means for outputting an abnormal signal when the charging voltage exceeds the second threshold voltage higher than the charging voltage value of the charging / discharging capacitor at the end of the OFF period of the fourth switch. It is characterized by. By using a charge / discharge capacitor that is pulled up to a constant voltage source through a limiting resistor and controlling the discharge when a signal voltage is received, the charge / discharge capacitor is effectively compared with the charge time of the charge / discharge capacitor. Withering can be detected with high accuracy.
本発明によれば、管路の流動抵抗の増大を招かずに済み、また管路を流れる流体中の気泡を検出可能な流体の導電率兼誘電率測定器を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a fluid conductivity / dielectric constant measuring device that does not increase the flow resistance of a pipeline and can detect bubbles in the fluid flowing through the pipeline.
次に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。先ず、本例の流体の導電率兼誘電率測定器の機械的構成は、測定ケース10と、電極ホルダ20と、同一の第1電極体E1及び第2電極体E2と、ホルダカバー30と、回路基板45とから成る。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, the mechanical configuration of the fluid conductivity / dielectric constant measuring device of this example includes a
測定ケース10は樹脂成型品で、底板中央部分において電極ホルダ20を差し込み保持可能な丸竪穴のホルダ収納穴11と、底板の一方側においてホルダ収納穴11に連通して流入側接手部(雌コネクタ)12aを備える流入孔12と、底板の他方側においてホルダ収納穴11に連通して流出側接手部(雄コネクタ)13aを備える流出孔13とを備えている。
The
電極ホルダ20は略円柱状の絶縁樹脂成形品で、直径方向に貫通する流路孔21と、この流路孔21に直交して第1電極体E1が差し込み保持可能な丸竪穴の第1電極収納穴22と、流路孔21に直交して第2電極体E2が差し込み保持可能な丸竪穴の第2電極収納穴23とを備えている。流路孔21の流入側及び流出側の開口縁はテーパー面Tとなっている。電極ホルダ20の拡径部24の段差にはOリングNが装着されている。
The
電極体E1(E2)は真直状導電性金属製で、直径方向に貫通した円形電極孔hを持つ有孔円柱部Uと、この有孔円柱部Uの上側に位置して有孔円柱部Uとの間にOリング装着用縮径部Vを画成する鍔部Fと、この鍔部Fの上側で肉盗みの縮径部Sだけ離して位置する両Dカットの回し位置決め用見当部(マーカー)Wと、この回し位置決め用見当部Wの上側でカバー差し込み部Mだけ離して位置する端子ピン部Pとを一体的に備えている。Oリング装着用縮径部VにはOリングQが装着されている。 The electrode body E1 (E2) is made of a straight conductive metal, and has a perforated cylindrical portion U having a circular electrode hole h penetrating in the diameter direction, and a perforated cylindrical portion U located above the perforated cylindrical portion U. A flange portion F defining a reduced diameter portion V for mounting an O-ring, and a rotating positioning register portion of both D-cuts positioned above the flange portion F by a reduced diameter portion S for meat stealing ( A marker) W and a terminal pin portion P located on the upper side of the turning positioning register W by a cover insertion portion M are integrally provided. An O-ring Q is mounted on the reduced diameter portion V for mounting the O-ring.
ホルダカバー30は、電極体E1(E2)のカバー差し込み部Mが嵌るカバー孔31を有する。回路基板45は、測定ケース10の蓋板としても機能し、電極体E1(E2)の端子ピン部Pが嵌るスル―ホール46を有する。
The
第1電極体E1の円形電極孔hと第2電極体E2の円形電極孔hとが向い合った状態となっており、これらに合致する流路孔21が貫通形成されている。そして、流路孔21及び円形電極孔hの断面積は流入孔12及び流出孔13の断面積に比して狭くなっている。
The circular electrode hole h of the first electrode body E1 and the circular electrode hole h of the second electrode body E2 face each other, and a flow path hole 21 that matches these is formed through. The cross-sectional areas of the
流路孔21は、第1電極体E1の円形電極孔hと第2電極体E2の円形電極孔hとを連絡する電極間流路孔21aと、第1電極体E1の円形電極孔hの上流側でこれと連絡する上流側流路孔21bと、第2電極体E2の円形電極孔hの下流側でこれと連絡する下流側流路孔21cとから成る。
The flow path hole 21 includes an inter-electrode flow path hole 21a that connects the circular electrode hole h of the first electrode body E1 and the circular electrode hole h of the second electrode body E2, and the circular electrode hole h of the first electrode body E1. It consists of an
かような測定器の機械的構成においては、被測定流体は流入孔12から上流側流路孔21b,第1電極体E1の円形電極孔h,電極間流路孔21a,第2電極体E2の円形電極孔h,下流側流路孔21cを介して流出孔13へ流下して行き、第1電極体E1の円形電極孔hの孔縁と第2電極体E2の円形電極孔hの孔縁とが電極間流路孔21aを隔てた電極対となっており、この電極間流路孔21a内に電界が集中する。そして、被測定流体は円形電極孔h内と流路孔21内を流れるだけであるので、流動抵抗の増大を招かずに済む。また流体内に含まれる気泡などが円形電極孔hや流路孔21の内面に留められずに流下するため、誤検出を防げる。
In such a mechanical configuration of the measuring instrument, the fluid to be measured flows from the
本例の電極ホルダ20は、第1電極体E1及び第2電極体E2をインサートとする樹脂成形品ではなく、流路孔21に直交して第1電極体E1を差し込み保持可能な第1電極収納穴22と、流路孔21に直交して第2電極体E2を差し込み保持可能な第2電極収納穴23とを備えているため、電極体E1,E2の交換や清掃が可能となっている。
The
測定ケース10は、流入管を接続する流入側接手部12aと流出管を接続する流出側接手部13aを有しているため、簡単な管接続作業だけで、燃料電池発電システムにおける純水の汚れと気泡(水枯れ)の検出を行うことができる。
Since the
また、流路孔21の断面積は流入孔12及び流出孔13の断面積に比して狭くなっているため、流入孔12及び流出孔13内の流体の流速が低速であっても、流路孔21内の流速を高めることがきるので、気泡や異物が円形電極孔hや流路孔21の内面に付着し難くなり、誤検出を防げる。更に、円形電極孔hが円柱部Uの直径方向に形成されているため、円柱部Uを軸回転させて円形電極孔hの向きを変えることで、円形電極孔hと流路孔21との整合を図ることができる。
Further, since the cross-sectional area of the flow path hole 21 is narrower than the cross-sectional areas of the
電極体E1,E2にはOリングQが装着されているため、流体の電極収納穴22,23内での漏洩を防止できる。更に、電極体E1,E2を電極収納穴22,23に差し込んだ際、円形電極孔hと流路孔21との合致が視認できないときでも、各電極体E1,E2には回し位置決め用見当部(マーカー)Wが形成されているため、回し位置決め用見当部Wの位置合わせで合致を図ることができる。そして、電極体E1,E2は鍔部Fと回し位置決め用見当部Wと間に肉盗みの縮径部Sを一体的に有しているため、肉盗みの縮径部Sのない場合に比して肉盗みの縮径部S同士により対向面積と対向距離が減少する分、寄生容量を抑制でき、誘電率測定の分解能を高めることができる。
Since the O-rings Q are attached to the electrode bodies E1 and E2, it is possible to prevent leakage of fluid in the
図5は上記の流体の導電率兼誘電率測定器を用いた検出回路を示す回路ブロック図である。この検出回路は、第1電極体E1を送信電極とし、第2電極体E2を受信電極とし、連動スイッチ群と送信側回路と受信側回路とから成る。 FIG. 5 is a circuit block diagram showing a detection circuit using the above-described fluid conductivity / dielectric constant measuring device. This detection circuit includes a first electrode body E1 as a transmission electrode, a second electrode body E2 as a reception electrode, and includes an interlocking switch group, a transmission side circuit, and a reception side circuit.
先ず、送信側回路は、1msの切換周期(パルス幅)の±5V矩形波で極性反転を繰り返す500Hzの導電率用周波数信号S1を発信する導電率用発信回路40Aと、0.005msの切換周期(パルス幅)の±5V矩形波で極性反転を繰り返す100KHzの誘電率用周波数信号S2を発信する誘電率用発信回路40Bと、5msの切換周期(パルス幅)の±5V矩形波で極性反転を繰り返す100Hzのスイッチ切換用周波数信号S3を発信するスイッチ切換用発信回路40Cを備えている。導電率用発信回路40Aの出力端子は第1アナログスイッチSW1を介して送信電極としての第1電極体E1の端子ピンPに接続されており、また誘電率用発信回路40Bの出力端子は第2アナログスイッチSW2を介して第1電極体E1の端子ピン部Pに接続されている。
First, the transmitter circuit, 1 ms of the switching period and conductivity for outgoing circuit 40A that transmits the conductivity for frequency signals S 1 of 500Hz repeating polarity reversal in ± 5V square wave (pulse width), switching of 0.005ms periodic polarity ± 5V square wave (pulse width) of ± 5V and
他方、受信側回路は、導電率測定回路50と誘電率測定回路60とから成り、導電率測定回路50は、入力端子が第3アナログスイッチSW3を介して受信電極としての第2電極体E2の端子ピンPに接続された導電率用受信回路50Aと、ピークホールド回路51Aと、コンパレータ52Aとから成り、誘電率測定回路60は、入力端子が第4アナログスイッチSW4を介して第2電極体E2の端子ピン部Pに接続された誘電率用受信回路60Bと、充放電回路61Bと、コンパレータ62Bとから成る。
On the other hand, the receiving side circuit comprises a
そして、スイッチ切換用発信回路40Cからのスイッチ切換用周波数信号S3は4つのアナログスイッチSW1〜SW4の制御端子に供給されており、アナログスイッチSW1〜SW4を5msの切換周期でオン/オフ制御する。導電率用の第1アナログスイッチSW1及第3アナログスイッチSW3と誘電率用の第2アナログスイッチSW2及び第4アナログスイッチSW4のオン/オフ制御は5msの切換周期毎で排他的に行われる。即ち、第1アナログスイッチSW1及第3アナログスイッチSW3のオン制御は第2アナログスイッチSW2及び第4アナログスイッチSW4のオフ制御であり、逆に、第1アナログスイッチSW1及第3アナログスイッチSW3のオフ制御は第2アナログスイッチSW2及び第4アナログスイッチSW4のオン制御である。なお、本例においては回路構成の簡略化の観点から、電源付勢により導電率用発信回路40Aと誘電率用発信回路40Bとスイッチ切換用発信回路40Cの夫々が相互独立に発信するようになっており、そのため、導電率用周波数信号S1と誘電率用周波数信号S2とスイッチ切換用周波数信号S3の三者間では非同期となっているが、高周波発信回路としての誘電率用発信回路40Bの誘電率用周波数信号S2を分周して導電率用周波数信号S1とスイッチ切換用周波数信号S3とを生成し、三者間で同期をとっても構わない。
The ON switch switching frequency signal S 3 from the switch switching
導電率用受信回路50Aは、第2電極体E2から第3アナログスイッチSW3を介して受ける信号電流を電導率用入力電圧に変換するための受端抵抗(図示せず)と、その電導率用入力電圧から500Hzの信号電圧を取り出すためのバンドパスフィルタ(図示せず)と、ノイズ除去フィルタ(図示せず)とを有している。また同様に、誘電率用受信回路60Bは、第2電極体E2から第4アナログスイッチSW4を介して受ける信号電流を誘電率用入力電圧に変換するための受端抵抗(図示せず)と、その誘電率用入力電圧から100KHzの信号電圧を取り出すためのバンドパスフィルタ(図示せず)と、ノイズ除去フィルタ(図示せず)とを有している。
Conductivity receiver circuit 50A includes a receiving end resistor for converting the signal current received from the second electrode member E2 through the third analog switch SW 3 in the conductivity for the input voltage (not shown), the conductivity A band-pass filter (not shown) for extracting a signal voltage of 500 Hz from the input voltage, and a noise removal filter (not shown). Similarly, the dielectric constant for the receiving
ピークホールド回路51Aは、耐ノイズ性の点からリセット回路を具備しておらず、また5ms毎に間欠する5msのスイッチオフ期間を無視できるようにするため、比較的長い放電時定数470msの充電回路を備えており、スイッチオン期間の終期電圧を自己保持できるようになっている。コンパレータ52Aは、5msのスイッチオフ期間によるリップ電圧の影響を抑えるためにヒステリシス機能を備えている。
The
充放電回路61Bは、図6(A)に示す如く、誘電率用受信回路60Bからの信号電圧を増幅する増幅器AMPと、電源電圧VCCに電流制限抵抗Rを介してプルアップされて成る充放電用コンデンサCと、増幅器AMPのアンプ出力VAMPを第1の閾値電圧V1と比較し、アンプ出力VAMPが第1の閾値電圧V1を超えるときは比較出力VCMPを接地電位に短絡して充放電用コンデンサCの電荷を瞬間放電する放電スイッチ用コンパレータCMPとを有している。そして、コンパレータ62Bは比較出力VCMPを第2の閾値電圧V2と比較し、比較出力VCMPが第2の閾値電圧V2を超えるときは異常信号としてハイレベル信の水枯れ検出信号VOを出力する。
As shown in FIG. 6A, the charging / discharging
次に、上記検出回路の動作を説明する。第1アナログスイッチSW1と第2アナログスイッチSW2とは、100Hzのスイッチ切換用周波数信号S3によって、5msのスイッチオン切換周期で排他的にオン/オフ動作を繰り返すため、第1電極体E1の円形電極孔hの孔縁から被測定流体に放射する送信信号は、5msのスイッチ切換周期に亘って発信する1msのパルス幅で連続約5パルスの導電率用周波数信号S1と、5msのスイッチ切換周期に亘って発信する0.005msのパルス幅で連続約1000パルスの誘電率用周波数信号S2とが交互に切り換わるものとなっている。受信側の第3アナログスイッチSW3は第1アナログスイッチSW1と同期してオン/オフ動作を繰り返すため、そのスイッチオン期間の5msにおいては第3アナログスイッチSW3から導電率用受信回路50Aを介してピークホールド回路51Aの入力にはパルス幅約1msの連続約5パルスが到来し、そのスイッチオフ期間においてはパルスゼロとなる。他方、第4アナログスイッチSW4は第2アナログスイッチSW2と同期してオン/オフ動作を繰り返すため、そのスイッチオン期間の5msにおいては第4アナログスイッチSW4から誘電率用受信回路60Bを介して充放電回路61Bの入力にはパルス幅約0.005msの連続約1000パルスが到来し、そのオフ期間においてはゼロとなる。
Next, the operation of the detection circuit will be described. Since the first analog switch SW 1 and the second analog switch SW 2 repeat the on / off operation exclusively at a switch-on switching period of 5 ms by the switch switching frequency signal S 3 of 100 Hz, the first electrode body E1 The transmission signal radiated from the edge of the circular electrode hole h to the fluid to be measured is a conductivity frequency signal S 1 of about 5 pulses continuously with a pulse width of 1 ms transmitted over a switch switching period of 5 ms, and 5 ms. and the frequency signal S 2 for the dielectric constant of the continuous about 1000 pulses with a pulse width of 0.005ms originating over switch switching period has become that alternately switched. Since the third analog switch SW 3 on the receiving side repeats the on / off operation in synchronization with the first analog switch SW 1 , the conductivity receiving circuit 50A is switched from the third analog switch SW 3 during the switch on period of 5 ms. Thus, about 5 continuous pulses with a pulse width of about 1 ms arrive at the input of the
500Hzの導電率用周波数信号S1は低周波数信号であるため、抵抗性の方が容量性よりも遥かに大きく、ピークホールド回路51Aの入力パルス波高値(電圧値)の如何は被測定流体(例えば純水)の汚れ(導電率,電気伝導度)に専ら依存し、汚れが増すにつれ導電率が高まり、入力パルス波高値が次第に高くなる。即ち、ピークホールド回路51Aのアナログ出力は汚れに依存する導電率を反映している。ピークホールド回路51Aはスイッチオフ期間でも直前のスイッチオン期間の終期電圧を保持できるように充電回路を具備しているため、被測定流体の汚れが進むと、徐々にピーク値が上昇し、所定の閾値電圧を超えると、コンパレータ52Aの出力電圧がローレベルからハイレベルへ反転し、これにより「汚れ異常」が報知される。
Since the frequency signal S 1 for conductivity of 500 Hz is a low frequency signal, the resistance is much larger than the capacitance, and the input pulse peak value (voltage value) of the
他方、100KHzの誘電率用周波数信号S2は高周波数信号であるため、容量性の方が抵抗性よりも遥かに大きく、充放電回路61Bの入力パルス波高値(電圧値)の如何は被測定流体(例えば純水)の誘電率に専ら依存し、第1電極体E1の円形電極孔hと第2電極体E1の円形電極孔hとに挟まれた電極間流路孔に気泡が入来するときは、誘電率が急激に減少するため静電容量が急減し、入力パルス波高値が激減する。図6(B)に示す如く、第4アナログスイッチSW4のスイッチオン期間においては、増幅器AMPのアンプ出力VAMPには100KHzの誘電率用周波数信号S2に基づきパルス幅約0.005msの正負都合連続約1000パルスが現れるが、信号電圧がその各正パルスの立ち上がり毎(約0.01ms毎)で第1の閾値電圧V1を超えると、放電スイッチ用コンパレータCMPの比較出力VCMPが接地し、充放電用コンデンサCを瞬間放電せしめる。逆に、信号電圧が各正パルスの立ち下がり毎(約0.01ms毎)で第1の閾値電圧V1から落ちると、放電スイッチ用コンパレータCMPの比較出力VCMPが非接地状態となり、充放電用コンデンサCが電源電圧VCCから電流制限抵抗Rを介して緩慢充電される。この緩慢充電の時定数は本例では第4アナログスイッチSW4のスイッチオン期間の5msよりも大きな30msとしてある。つまり、第4アナログスイッチSW4のスイッチオン期間においては信号電圧の増減に基づき瞬間放電と緩慢充電の充放電が約500回繰り繰り返されるが、放電時定数(殆どゼロ)が充電時定数(30ms)よりも極めて小さいため、比較出力VCMP、即ち充電電圧は殆ど常にゼロ近傍にある。
On the other hand, since the dielectric constant for the frequency signal S 2 of 100KHz which is a high-frequency signal, much larger than is more capacitive resistance, whether the input pulse peak value of the charging and discharging
一方、スイッチSW4のスイッチオフ期間においては増幅器AMPのアンプ出力VAMPがゼロとなっているため、放電スイッチ用コンパレータCMPの比較出力VCMPが常に非接地状態であり、電源電圧VCCから充放電用コンデンサCに対し5msに亘り電流制限抵抗Rを介して充電されるので、スイッチSW4のスイッチオフ期間の終期では充電電圧(比較出力VCMP)が所定の電圧V3に達する。そして、次のスイッチSW4のスイッチオン期間において受信信号が到来していると、前述のように、充放電を繰り返し、充電電圧(比較出力VCMP)がゼロ近傍となるが、図5(B)に示す如く、このスイッチSW4のスイッチオン期間のうち例えば時刻t1において第1電極体E1の円形電極孔hと第2電極体E1の円形電極孔hとの間の被測定流体中に気泡が入来すると、空気の誘電率は水のそれの約1/80であるので、電極間の誘電率が急激に低下し、誘電率用周波数信号S2が発信しているにも拘わらずアンプ出力VAMPの方が殆どゼロとなり、コンパレータCMPの比較出力VCMPが非接地となるので、充放電用コンデンサCへの充電が早めに開始され、次のスイッチオフ期間の終期では比較出力VCMPが所定の電圧V3を超えて設定した第2の閾値電圧V2を超えるときは、コンパレータ62Bの水枯れ検出信号VOがローレベルからハイレベルへ反転し、「水枯れ検出」を報知する。
On the other hand, since the amplifier output V AMP of the amplifier AMP is zero during the switch-off period of the switch SW 4 , the comparison output V CMP of the discharge switch comparator CMP is always in the non-ground state and charged from the power supply voltage VCC. Since the discharging capacitor C is charged through the current limiting resistor R for 5 ms, the charging voltage (comparison output V CMP ) reaches a predetermined voltage V 3 at the end of the switch-off period of the switch SW 4 . When the received signal has arrived at the switch-on period of the next switch SW 4, as described above, repeated charge and discharge, although the charge voltage (comparison output V CMP) is near zero, FIG. 5 (B as shown in), to be measured in the fluid between the circular electrode hole h of the circular electrode apertures h and the second electrode (E1) of the first electrode (E1), for example, in the time t 1 of the switch-on period of the switch SW 4 When bubbles are incoming, since the dielectric constant of air is about 1/80 of that of water, reduced dielectric constant sharply between the electrodes, despite the dielectric constant for the frequency signal S 2 is transmitting Since the amplifier output V AMP is almost zero and the comparison output V CMP of the comparator CMP is not grounded, charging to the charging / discharging capacitor C is started earlier, and at the end of the next switch-off period, the comparison output V CMP is started. given CMP is When more than the second threshold voltage V 2 is set to exceed the voltage V 3, the water withered detection signal V O of the
アンプ出力VAMPがゼロ近傍となるときに充放電用コンデンサCへの充電が開始されるが、このアンプ出力VAMPがゼロ近傍となる場合は、スイッチSW4のスイッチオフ期間の開始時点か、或いはスイッチSW4のスイッチオン期間において気泡が存在する時点のいずれかである。なお、スイッチSW4のスイッチオフ期間から気泡が存在し続けるときは次のスイッチオン期間の開始時点からアンプ出力VAMPがゼロ近傍となる。水枯れが発生する場合にはスイッチSW4のスイッチオン期間においても充放電用コンデンサCの充電時間が余分に追加されて第4アナログスイッチSW4のスイッチオフ期間(5ms)よりも長なり、これにより充電電圧が5msに亘る充電電圧である所定電圧V3よりも高くなる。この誘電率測定用回路では、信号電圧を充電するピークホールド回路を用いることなく、電源電圧Vccにプルアップされて成る充放電コンデンサに対して信号電圧の増減に基づいて放電制御するようにしており、事実上、充放電コンデンサに対する充電時間の長短比較により水枯れを高精度に検出できる。 While charging of the charging and discharging capacitor C is started when the amplifier output V AMP is near zero, if the amplifier output V AMP is near zero, or the beginning of the switch-off period of the switch SW 4, or at any point where bubbles exist in the switch-on period of the switch SW 4. When bubbles continue to exist from the switch-off period of the switch SW 4, the amplifier output V AMP becomes close to zero from the start of the next switch-on period. If water wither occurs becomes long than the fourth switch-off period of the analog switch SW 4 is extra added charging time of the charge and discharge capacitor C (5 ms) in the switch-on period of the switch SW 4, which As a result, the charging voltage becomes higher than the predetermined voltage V 3 which is a charging voltage over 5 ms. In this dielectric constant measurement circuit, discharge control is performed on the charge / discharge capacitor pulled up to the power supply voltage Vcc based on the increase / decrease of the signal voltage without using a peak hold circuit for charging the signal voltage. In fact, it is possible to detect withering water with high accuracy by comparing the charging time of the charging / discharging capacitor.
10…測定ケース
11…ホルダ収納穴
12…流入孔
12a…流入側接手部
13…流出孔
13a…流出側接手部
20…電極ホルダ
21…流路孔
21a…電極間流路孔
21b…上流側流路孔
21c…下流側流路孔
22…第1電極収納穴
23…第2電極収納穴
30…ホルダカバー
31…カバー孔
40A…導電率用発信回路
40B…誘電率用発信回路
40C…スイッチ切換用発信回路
45…回路基板
46…スルーホール
50…導電率測定回路
50A…導電率用受信回路
51A…ピークホールド回路
52A,62B…コンパレータ
60…誘電率測定回路
60B…誘電率用受信回路
61B…充放電回路
AMP…増幅器
C…充放電用コンデンサ
CMP…放電スイッチ用コンパレータ
E1…第1電極体
E2…第2電極体
F…鍔部
GND…接地
h…円形電極孔
M…カバー孔差し込み部
P…端子ピン部
Q…Oリング
R…電流制限抵抗
S…肉盗みの縮径部
S1…導電率用周波数信号
S2…誘電率用周波数信号
S3…スイッチ切換用周波数信号
SW1…第1アナログスイッチ
SW2…第2アナログスイッチ
SW3…第3アナログスイッチ
SW4…第4アナログスイッチ
t1…気泡入来時刻
U…有孔円柱部
V…Oリング装着用縮径部
VAMP…アンプ出力
V1…第1の閾値電圧
V2…第2の閾値電圧
V3…所定電圧
VCMP…比較出力
Vcc…電源電圧
VO…水枯れ検出信号
W…回し位置決め用見当部(マーカー)
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