JP4860588B2 - Ion concentration measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、試料溶液中に浸漬させたイオン選択性電極と比較電極の間に生じる電位差を測定することによりイオン濃度を測定するイオン濃度測定装置に関する。 The present invention relates to an ion concentration measuring apparatus for measuring an ion concentration by measuring a potential difference generated between an ion selective electrode immersed in a sample solution and a reference electrode.
従来より、水溶液中のイオン濃度測定にイオン電極法が用いられている。イオン電極法では、例えば非特許文献1に示されるように、特定のイオンに応答するイオン電極と、基準となる電位を出力する比較電極を組み合わせ、両電極間の電位差を測定することにより、測定対象イオンの濃度を求める。
Conventionally, an ion electrode method has been used for measuring an ion concentration in an aqueous solution. In the ion electrode method, for example, as shown in
イオン選択性電極としては、ガラス薄膜型、固体膜型、液膜型等が使用されるが、これらのイオン選択性電極は使用時間や使用回数に伴い感度や応答性が変化し、やがてはイオンに対して反応しなくなる。このため、イオン選択性電極と比較電極を組み合わせたイオン測定装置は、定期的(例えば1ヶ月毎)に校正を実施して必要な精度を保つことと、校正できなくなったものは劣化寿命として交換などの処置を行うか、あるいは一定期間使用したセンサ部分を交換処置して機能を維持するようにしている。 As the ion selective electrode, a glass thin film type, a solid film type, a liquid film type, etc. are used. However, these ion selective electrodes change in sensitivity and responsiveness with use time and the number of times of use. No response to. For this reason, an ion measuring device that combines an ion-selective electrode and a reference electrode can be calibrated periodically (for example, every month) to maintain the required accuracy, and those that can no longer be calibrated are replaced as deteriorated lifetimes. The function is maintained by replacing the sensor portion used for a certain period of time or by replacing the sensor portion.
しかしながら、使用時間あるいは使用回数などによる定期的な予防保全処置や校正時の感度チェックにより劣化品や寿命品の排除を行っていても、使用中に突然測定不能となってしまうことがある。従って、校正結果だけでは劣化しているかどうかの判断を下すことはなかなか困難であった。すなわち、イオンセンサの校正は定期的に行われるが、この間にセンサの異常が生じた場合には測定値が不正確な状態のまま使用されることになり、プラントの誤動作などを引き起こす要因になっていた。 However, even if a deteriorated product or a product with a limited service life is eliminated by periodic preventive maintenance measures based on the time of use or the number of times of use or sensitivity check during calibration, measurement may suddenly become impossible during use. Therefore, it has been difficult to determine whether or not the deterioration is caused only by the calibration result. In other words, the ion sensor is calibrated periodically, but if the sensor malfunctions during this time, the measured value is used in an inaccurate state, causing a malfunction of the plant. It was.
ここで、イオン選択性電極および比較電極は、感応膜表面の汚染、感応膜の劣化、内部液濃度の変化といった劣化現象が進むと、内部インピーダンス(抵抗)が変化することが知られている。そこで、この現象を劣化検出に用いる試みが今までに幾つか提案されている。 Here, it is known that the internal impedance (resistance) of the ion-selective electrode and the comparative electrode changes when a deterioration phenomenon such as contamination of the sensitive film surface, deterioration of the sensitive film, or change in the concentration of the internal liquid proceeds. Thus, several attempts have been proposed to use this phenomenon for detection of deterioration.
例えば、特許文献1には、イオン選択性電極と比較電極の間に低周波数の交流電流を流す電源手段を設け、試料溶液中のイオン濃度に応じて両電極間で生じる直流分電位に交流電流により生じる交流分電位を重畳させ、この交流分電位を測定することにより内部インピーダンスを測定する装置が開示されている。
For example, in
また、特許文献2には、イオン選択性電極および比較電極の他に第3の電極を試料溶液中に浸漬させ、点検モードにおいては該第3の電極と比較電極の間に交流電流を流し、比較電極の点検を行う装置が開示されている。
Further, in
さらに、特許文献3には、イオン選択性電極と比較電極の間の電位差を測定するオペアンプの一方の入力端子に交流電圧を印加して、該オペアンプから出力される交流信号を比較電極、試料溶液、イオン選択性電極からなる直列回路に印加する手段と、前記直列回路に流れる交流電流を直流カットコンデンサを介して取り込み、前記交流電流を交流電圧に変換してから整流平滑して内部インピーダンスを測定する装置が開示されている。
Further, in
上述のように、センサの劣化に対応することが可能な様々なイオン濃度測定装置が提案されてきたが、それぞれ以下のような欠点を有する。 As described above, various ion concentration measuring apparatuses capable of coping with sensor deterioration have been proposed, but each has the following drawbacks.
特許文献1の装置では、イオン選択性電極と比較電極の間に生じる電位を測定するアンプの高インピーダンス入力側にスイッチが接続されており、絶縁性の点で問題が生じやすい。また該特許にて開示された技術では、イオン濃度測定と劣化判定を同時に行うことが出来ない。
In the apparatus of
特許文献2の装置では、比較電極の劣化しか検出することができない。また、第3の電極を必要とするためコストがかさむ。
In the apparatus of
特許文献3の装置では、イオン濃度の測定と内部インピーダンスの測定を同時に行える。しかしながら、ケーブルの線間容量とセンサ周辺環境からの誘導ノイズ(主に商用電源のハムノイズ)に関しては考慮されていないため、ケーブルが長い場合には内部インピーダンスの測定が困難であり、また誘導ノイズの影響が大きい。
In the apparatus of
本発明は、試料溶液中に浸漬させたイオン選択性電極および比較電極の間の電位差を高入力インピーダンスのバッファアンプを用い測定することによりイオン濃度を測定するイオン濃度測定装置において、電極インピーダンス測定用の交流信号を比較電極に印加する印加手段と、前記イオン選択性電極に接続される、前記バッファアンプと共通の入力点に接続され、前記電極間に流れる電流の交流成分を低入力インピーダンスの電流−電圧変換アンプを用い計測する交流信号計測手段と、を備え、前記バッファアンプの電源および接地点と、電流−電圧変換アンプの電源および接地点とをアイソレートするとともに、前記バッファアンプと電流−電圧変換アンプの出力間をアイソレートし、前記電位差を測定しつつ、前記交流成分の測定値からイオン選択性電極の劣化を検出することを特徴とする。 The present invention relates to an ion concentration measuring apparatus for measuring an ion concentration by measuring a potential difference between an ion selective electrode and a reference electrode immersed in a sample solution by using a buffer amplifier having a high input impedance. And an application means for applying an alternating current signal to the comparison electrode, and an ion component connected to the ion-selective electrode and connected to the common input point with the buffer amplifier. AC signal measuring means for measuring using a voltage conversion amplifier, and isolating the power source and grounding point of the buffer amplifier from the power source and grounding point of the current-voltage conversion amplifier, and the buffer amplifier and current − While isolating the output of the voltage conversion amplifier and measuring the potential difference, And detecting the deterioration of the ion-selective electrode.
また、前記交流成分の測定値を印加する交流信号の周波数に同期してサンプリングすることが好適である。 Further, it is preferable to sample in synchronization with the frequency of the AC signal to which the measurement value of the AC component is applied.
本発明によれば、直流電圧検出用のアンプと、交流信号検出用のアンプの電源およびグランドを互いに分離して、イオン選択性電極に、共有接続することにより電流−電圧変換アンプの直流入力抵抗が高くなり、イオン濃度測定に影響せずに電極インピーダンスが測定できる。 According to the present invention, the DC voltage detection amplifier and the AC signal detection amplifier power supply and ground are separated from each other and are connected to the ion-selective electrode in a shared manner, whereby the DC input resistance of the current-voltage conversion amplifier is obtained. The electrode impedance can be measured without affecting the ion concentration measurement.
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
電極インピーダンス回路ブロック図の一例を図1に、センサ周辺の等価回路を図2に、イオン選択性電極および比較電極の構成と等価回路を図3に、交流インピーダンスの等価回路を図4に示す。 FIG. 1 shows an example of an electrode impedance circuit block diagram, FIG. 2 shows an equivalent circuit around the sensor, FIG. 3 shows the configuration and equivalent circuit of the ion selective electrode and the comparison electrode, and FIG. 4 shows an equivalent circuit of the AC impedance.
イオンセンサ部1は、イオン濃度に比例した電圧(Eg)を発生するイオン選択性電極10と、基準電圧(Er)を発生する比較電極12で構成されている。イオン選択性電極10の内部抵抗(Rg)は良品で数100kΩ〜数MΩあるが、比較電極12の内部抵抗(Rr)は10kΩ前後でイオン選択性電極のインピーダンスに比べてはるかに低い値である。したがって、この両電極間のインピーダンスはイオン選択性電極のインピーダンスであるとしても問題はない。イオン選択性電極10には、その内部抵抗(Rg)と並列に内部容量(Cg)が存在するが、この内部容量は数10pF前後と少なく、ほとんど無視できる容量である。
The
また、比較電極12は、比較電極端子(RT)に接続され、イオン選択性電極10はイオン選択性電極端子(GT)に接続される。これら比較電極端子(RT)とイオン選択性電極(GT)とはシールド線によって測定装置に接続されるが、このシールドと芯線間にはケーブル線間容量(Cs)があり、この容量が例えば10mのケーブルでは1500pFほどになる。
The
比較電極端子(RT)およびイオン選択性電極端子(GT)には、インピーダンス計測ブロック2が接続されている。このインピーダンス計測ブロック2には、発振器20が設けられており、この発振器20の出力はドライバー22に供給される。ドライバー22は、発振器20の出力を所定の大きさの矩形波とする。ドライバー22の出力は、直流阻止コンデンサCを介して比較電極端子(RT)接続される。このため、所定周波数の矩形波が比較電極端子(RT)を介し、比較電極12に印加されることになる。
The
イオン選択性電極端子(GT)には、電流−電圧変換アンプ24が接続され、ここで電流信号が電圧信号に変換される。電流−電圧変換アンプ24の出力は交流−直流変換回路26に供給される。この交流−直流変換回路26には、発振器20からの出力も供給されており、ここで電流−電圧変換アンプ24の出力を検波することで、電流に比例した電圧に変換する。
A current-
このように、インピーダンス計測ブロック2では、所定周波数の矩形波を比較電極12に印加し、イオン選択性電極10を介して出力される交流成分の大きさを出力する。従って、この大きさによりイオンセンサ部1のインピーダンスを計測することができる。
As described above, in the
一方、濃度に応じて出力される電位差(直流電位)測定は、イオン計測ブロック3において行われる。すなわち、イオン選択性電極端子(GT)には、イオン計測ブロック3の低域通過ろ波(LPF)回路32に供給される。このLPF回路32は、交流信号やノイズを減衰させる。LPF回路32の出力は、高入力抵抗のバッファアンプ34に入力される。このバッファアンプ34でイオン選択性電極10の直流電位がインピーダンス変換され、安定した電圧として出力される。
On the other hand, the potential difference (DC potential) measurement output according to the concentration is performed in the
そして、インピーダンス計測ブロック2の電流−電圧変換アンプ24の出力は、アイソレータ52を介し、イオン計測ブロック3のバッファアンプ34の出力は、アイソレータ54を介し、コントロール部4に供給される。コントロール部4には、マルチプレクサ(MPX)42、アナログデジタル変換器(ADC)44、演算処理ユニット(MPU)46が備えられており、アイソレータ52,54を介し供給される、インピーダンス計測値、およびイオン濃度計測値についての直流電圧信号は、MPX42に供給される。マルチプレクサ42は、インピーダンス計測値、イオン濃度計測値についてのアナログ信号を切り換えてADC44に供給し、ADC44は、供給されるアナログ信号をデジタルデータに変換する。ADC44の出力であるデジタルデータとしてのインピーダンス計測値、イオン濃度計測値は、MPU46で処理され、インピーダンス計測値およびイオン濃度計測値がここで計算される。すなわち、MPU46に供給されてくるのは、直流電圧値を示すデジタルデータである。MPU46は、標準データなどに基づいて、検量線などを利用してイオン濃度を算出するとともに、正常なセンサ部のインピーダンス値などを基に決定したしきい値との比較により、インピーダンス測定値を評価する。
The output of the current-
図2には、図1に記載した、イオンセンサ部1、インピーダンス計測ブロック2、およびイオン計測ブロック3についての等価回路を示してある。
FIG. 2 shows an equivalent circuit for the
イオン選択性電極端子(GT)には、LPF32を介し、バッファアンプ34が接続されている。すなわち、バッファアンプ34の一端は第1のグランドGND1に接続され、他端にLPF32からの出力が入力されている。従って、LPF32を通過した、直流成分とグランドGND1の差分の直流電圧がバッファアンプ34から出力される。なお、図2においてはLPF32について、抵抗RとコンデンサCで示してある。
A
なお、グランドGND1は、グランドGND2とアイソレート(電気的に分離)されており、グランドGND1は、交流信号に応じて上下するが、直流成分の差がバッファアンプ34の出力に現れる。
Note that the ground GND1 is isolated (electrically separated) from the ground GND2, and the ground GND1 rises and falls according to the AC signal, but a difference in DC component appears in the output of the
また、イオン選択性電極端子(GT)には、電流−電圧変換アンプ24の一端に入力され、他端は上述のグランドGND1とは、アイソレートされたグランドGND2に接続されている。また、電流−電圧変換アンプ24の出力は、帰還抵抗Rfを介し、電流−電圧変換アンプ24に負帰還されている。電流−電圧変換アンプ24の出力には、イオン選択性電極端子(GT)における交流成分が増幅されて出力される。
The ion selective electrode terminal (GT) is input to one end of the current-
図3には、イオンセンサ部1とイオン計測ブロック3についての等価回路、図4にはイオンセンサ部1とインピーダンス計測ブロック2の等価回路を示してある。このように、イオンセンサ部1とイオン計測ブロック3は、別々の回路として書くことができる。なお、インピーダンス計測ブロック2とイオン計測ブロック3の各回路の電源もアイソレートされた別電源とされる。
3 shows an equivalent circuit for the
図3に示すように、イオンセンサ部1の出力直流電圧が、バッファアンプ34から出力される。この出力は、基本的にEg−Erに応じたものになる。
As shown in FIG. 3, the output DC voltage of the
図4に示すように、交流信号が比較電極端子(RT)に加えられており、電極間のインピーダンスは、イオン選択性電極端子(GT)に流れる交流信号の大きさによって求められる。 As shown in FIG. 4, an AC signal is applied to the reference electrode terminal (RT), and the impedance between the electrodes is determined by the magnitude of the AC signal flowing through the ion selective electrode terminal (GT).
ここで、イオン選択性電極10および/または比較電極12の内部インピーダンスが高いため、両電極間の電圧差を測定するイオン計測ブロック3においては、両電極からなるイオンセンサ部1の内部抵抗に対して影響を及ぼさないような高い直流入力抵抗が必要である。一方、インピーダンス計測ブロック2では、電極電流を測定するため入力抵抗を低くすることが必要である。
Here, since the internal impedance of the ion
イオンセンサ部1におけるイオン濃度測定と、イオンセンサ部1のインピーダンス測定を同時に行うために、高入力抵抗の電圧フォロワ型のバッファアンプ34と、低入力抵抗の電流−電圧変換アンプ24とを設け、これらをセンサに共通接続すると入力抵抗が低下してしまい、その結果イオン測定ができなくなる。
In order to perform the ion concentration measurement in the
本実施形態では、それぞれの回路のグランドをアイソレートして、イオン測定部の電極のみ共有接続することにより電流−電圧変換アンプ24の直流入力抵抗が無視できる程に高くなり、イオン測定に影響せずに電極インピーダンスが測定できる。
In the present embodiment, the ground of each circuit is isolated, and only the electrode of the ion measuring unit is shared and connected, so that the DC input resistance of the current-
本実施形態において、イオン選択性電極10は、特定のイオン濃度に応じた電圧を発生しこれを出力するものであり、ガラス電極、固体膜型、液膜型イオン電極等にが適用可能である。
In this embodiment, the ion
また、比較電極12は公知のものを用いることができ、例えば塩化カリウム溶液を内部液として、銀−塩化銀電極を内部電極として有し、セラミックス等の多孔体を液絡部として用いたものを使用することができる。
Moreover, the
高入力インピーダンスのバッファアンプとはFET(Field Effect Transistor)入力OP−AMPのような入力電流が1nA以下という特徴を持つものであれば、公知のものを使用可能である。 As the buffer amplifier having a high input impedance, a known one can be used as long as the input current is 1 nA or less, such as an FET (Field Effect Transistor) input OP-AMP.
交流信号源としての発振器20は、マルチバイブレータ発振回路等の公知の回路を用いることができる。ここで交流信号の周波数は数10Hz〜数100Hzであることが好ましい。10Hz以下ではイオン濃度測定系回路側への影響が避けられず、1000Hz以上ではケーブルの線間容量Csの影響を排除できないという問題があるためである。またさらには商用電源周波数(50Hz/60Hz)の整数倍とならないことがより好ましい。これは、商用電源周波数の整数倍であると、商用電源周波数に同期した誘導ノイズ等の影響を受け易くなるためである。
For the
また、電流−電圧変換アンプ24は、内部ノイズ電圧と入力電流が小さいという特徴を有するものがよい。
The current-
バッファアンプ34と、電流−電圧変換アンプ24の接地点を分離する手段としては、フォトカップラやアイソレーションアンプなどを用いることができる。アナログアイソレーションアンプは、回路規模を小さくすることができ、高密度実装などに対応できるため、特に好ましい。
As a means for separating the grounding point of the
コントロール部4のMPU46における交流信号成分の測定値からイオン選択性電極の劣化を検出する方法としては、予め設定した値と比較する方法や、変化率の急変を検知する方法などを用いることが出来る。
As a method of detecting the deterioration of the ion selective electrode from the measured value of the AC signal component in the
ここで、RT−GT間のケーブル線間容量(Cs)があると駆動信号の高域成分をバイパスさせるように働き、図5に示すように、信号の立上り立下り部分にオーバーシュート、アンダーシュートを生じる。このため、一般的なピーク整流を用いて直流に変換すると電極内部のインピーダンスを正確に測ることができない。 Here, if there is a capacitance (Cs) between the cable lines between RT and GT, the high frequency component of the drive signal is bypassed, and as shown in FIG. 5, overshoot and undershoot are generated at the rising and falling portions of the signal. Produce. For this reason, if it converts into direct current | flow using general peak rectification, the impedance inside an electrode cannot be measured correctly.
この影響を受けずにサンプリングする方法としては、サンプル/ホールドアンプを用いた同期検波を用いることが可能である。 As a method of sampling without being affected by this influence, it is possible to use synchronous detection using a sample / hold amplifier.
すなわち、図7に示すように、発振器20と、ドライバー22との間に1/4分周器62を設ける。これによって、図8に示すように、発振器20からの出力について、1/2分周した信号と、1/4分周した信号が得られる。そして、この1/4分周した信号がドライバー22から出力される。一方、発振器20の出力と1/2分周した信号は、NORゲート64に入力され、ここからサンプリングクロックが得られる。このサンプリングクロックは、1/4分周した信号のHレベル部分およびLレベル部分の3/4経過タイミングで立ち上がる信号である。従って、このサンプリングクロックを交流−直流変換回路26に供給し、サンプリングクロックの立ち上がりにおいて、交流信号をサンプリングオーバーシュート、アンダーシュート部分を排除したタイミングで、HレベルとLレベルを検出することができ、交流−直流変換回路26において、得られた差から交流信号の振幅を正しく検出することができる。
That is, as shown in FIG. 7, a ¼
図9は、イオン選択性電極10のサンプル8本(東亜DKK社製)について、イオン濃度1→10mg/lの変化に応じたバッファアンプ34の出力電圧の差である勾配電位差(mV)と、イオン選択性電極端子(GT)から出力される交流電流の振幅に対応する電流−電圧変換アンプ24の出力電圧をグラフ化したものである。ここで、サンプル電極番号が、若い電極ほど長期間使用している。これより、一般的な寿命の判定要素となる勾配電位差が使用により小さくなることがわかる。また、使用時間が長いもの電極ほどほど内部インピーダンスが高くなり電流アンプ出力電圧が小さくなっていることがわかる。
FIG. 9 shows the gradient potential difference (mV), which is the difference in the output voltage of the
図10は、センサケーブル10m長のときの同期検波とピーク検波の測定電圧の違いを表したものである。このように、同期検波によれば、サンプル電極番号1〜4において電圧がほぼ0になっているが、ピーク検波では100mA程度の出力がある。これより、ピーク検波では、ケーブルの線間容量Csの影響により劣化の程度が正確に検出できないことがわかる。
FIG. 10 shows the difference in measurement voltage between synchronous detection and peak detection when the sensor cable is 10 m long. As described above, according to the synchronous detection, the voltage is almost 0 in the
このように、本実施形態では、オーバーシュートおよびアンダーシュートが収まる部分の振幅をサンプリングする同期検波方式を導入し、線間容量の影響を排除した。その結果、ケーブルが長い場合でも測定が可能となった。 Thus, in this embodiment, the synchronous detection system which samples the amplitude of the part in which overshoot and undershoot fall is introduced, and the influence of the line capacitance is eliminated. As a result, measurement is possible even when the cable is long.
以上のように、本実施形態によれば、イオン濃度と同時に、リアルタイムでイオンセンサ部の劣化度チェックすることができる。従って、突発的なセンサ異常に対しても迅速な対応をとることができる。また、いままで安全をみて定期的に交換していたセンサも、使用期間延長の判断ができることになり、ランニングコストの低減をもたらすことができる。ケーブルが長い場合も適用可能となるため、イオンセンサからの信号を処理してイオン濃度を制御する連続運転の工業用管理装置や検査装置など、高い信頼性を求められる装置に好適である。 As described above, according to the present embodiment, the degree of deterioration of the ion sensor unit can be checked in real time simultaneously with the ion concentration. Therefore, it is possible to take a quick response to a sudden sensor abnormality. In addition, sensors that have been regularly replaced for safety reasons can also be determined to extend the usage period, which can reduce running costs. Since it is applicable even when the cable is long, it is suitable for a device that requires high reliability, such as an industrial management device or an inspection device for continuous operation that processes the signal from the ion sensor to control the ion concentration.
1 イオンセンサ部、2 インピーダンス計測ブロック、3 イオン計測ブロック、4 コントロール部、10 イオン選択性電極、12 比較電極、20 発振器、22 ドライバー、24 電流−電圧変換アンプ、26 交流−直流変換回路、32 LPF回路、34 バッファアンプ、42 マルチプレクサ、52,54 アイソレータ、62 分周器、64 NORゲート。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
電極インピーダンス測定用の交流信号を比較電極に印加する印加手段と、
前記イオン選択性電極に接続される、前記バッファアンプと共通の入力点に接続され、前記電極間に流れる電流の交流成分を低入力インピーダンスの電流−電圧変換アンプを用い計測する交流信号計測手段と、
を備え、
前記バッファアンプの電源および接地点と、電流−電圧変換アンプの電源および接地点とをアイソレートするとともに、前記バッファアンプと電流−電圧変換アンプの出力間をアイソレートし、前記電位差を測定しつつ、前記交流成分の測定値からイオン選択性電極の劣化を検出することを特徴とするイオン濃度測定装置。 In an ion concentration measurement apparatus that measures an ion concentration by measuring a potential difference between an ion selective electrode and a reference electrode immersed in a sample solution using a buffer amplifier with a high input impedance,
Applying means for applying an AC signal for measuring electrode impedance to the reference electrode;
AC signal measuring means connected to the ion selective electrode, connected to a common input point with the buffer amplifier, and measuring an AC component of a current flowing between the electrodes using a current-voltage conversion amplifier with a low input impedance; ,
With
While isolating the power source and grounding point of the buffer amplifier and the power source and grounding point of the current-voltage conversion amplifier, isolating the output of the buffer amplifier and the current-voltage conversion amplifier while measuring the potential difference An ion concentration measuring device for detecting deterioration of an ion selective electrode from a measured value of the alternating current component.
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