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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 Non-Patent Document 1, measurement is performed by combining an ion electrode that responds to specific ions and a reference electrode that outputs a reference potential, and measuring the potential difference between the two electrodes. Obtain the concentration of the target ion.

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 Patent Document 1, a power source means for supplying a low-frequency alternating current between an ion-selective electrode and a comparison electrode is provided, and an alternating current is generated in a direct-current potential generated between both electrodes according to the ion concentration in the sample solution. Has disclosed an apparatus for measuring the internal impedance by superimposing the alternating current potential generated by the above and measuring the alternating current potential.

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 Patent Document 2, a third electrode is immersed in the sample solution in addition to the ion selective electrode and the comparison electrode, and an alternating current is passed between the third electrode and the comparison electrode in the inspection mode, An apparatus for inspecting a reference electrode is disclosed.

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 Patent Document 3, an AC voltage is applied to one input terminal of an operational amplifier that measures a potential difference between an ion selective electrode and a comparison electrode, and an alternating current signal output from the operational amplifier is used as a comparison electrode and a sample solution. Measures internal impedance by means of applying to a series circuit composed of ion-selective electrodes and AC current flowing through the series circuit via a DC cut capacitor, converting the AC current into AC voltage, rectifying and smoothing An apparatus is disclosed.

特開昭58−92854号公報JP 58-92854 A 特開昭58−99745号公報JP 58-99745 A 特開平8−211015号公報Japanese Patent Laid-Open No. 8-21115 G.J.ムーディおよびJ.D.R.トーマス共著「イオン選択性電極」共立出版(1977)G. J. et al. Moody and J.M. D. R. Co-authored by Thomas “Ion-selective electrode” Kyoritsu Shuppan (1977)

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 Patent Document 1, a switch is connected to the high impedance input side of an amplifier that measures a potential generated between an ion selective electrode and a comparison electrode, and problems are likely to occur in terms of insulation. In addition, the technique disclosed in the patent cannot perform ion concentration measurement and deterioration determination at the same time.

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 Patent Document 2, only the deterioration of the reference electrode can be detected. In addition, the cost is increased because the third electrode is required.

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 Patent Document 3, ion concentration measurement and internal impedance measurement can be performed simultaneously. However, the cable-to-line capacitance and inductive noise from the sensor's surrounding environment (mainly hum noise from the commercial power supply) are not taken into account, so it is difficult to measure the internal impedance when the cable is long, and A large impact.

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 ion sensor unit 1 includes an ion selective electrode 10 that generates a voltage (Eg) proportional to an ion concentration, and a comparison electrode 12 that generates a reference voltage (Er). The internal resistance (Rg) of the ion selective electrode 10 is a non-defective product and is several hundred kΩ to several MΩ, but the internal resistance (Rr) of the comparison electrode 12 is about 10 kΩ and is much lower than the impedance of the ion selective electrode. . Therefore, there is no problem even if the impedance between the two electrodes is the impedance of the ion selective electrode. The ion selective electrode 10 has an internal capacitance (Cg) in parallel with its internal resistance (Rg), but this internal capacitance is as small as several tens of pF and is almost negligible.

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 comparison electrode 12 is connected to the comparison electrode terminal (RT), and the ion selective electrode 10 is connected to the ion selective electrode terminal (GT). The comparative electrode terminal (RT) and the ion selective electrode (GT) are connected to the measuring device by a shield wire, and there is a capacitance between cable wires (Cs) between the shield and the core wire, and this capacitance is, for example, 10 m. The cable is about 1500 pF.

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 impedance measurement block 2 is connected to the comparison electrode terminal (RT) and the ion selective electrode terminal (GT). The impedance measuring block 2 is provided with an oscillator 20, and the output of the oscillator 20 is supplied to a driver 22. The driver 22 sets the output of the oscillator 20 to a rectangular wave having a predetermined size. The output of the driver 22 is connected to a reference electrode terminal (RT) via a DC blocking capacitor C. For this reason, a rectangular wave having a predetermined frequency is applied to the comparison electrode 12 via the comparison electrode terminal (RT).

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-voltage conversion amplifier 24 is connected to the ion selective electrode terminal (GT), where the current signal is converted into a voltage signal. The output of the current-voltage conversion amplifier 24 is supplied to the AC-DC conversion circuit 26. The AC-DC conversion circuit 26 is also supplied with an output from the oscillator 20, where the output of the current-voltage conversion amplifier 24 is detected to convert it into a voltage proportional to the 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 impedance measurement block 2, a rectangular wave having a predetermined frequency is applied to the comparison electrode 12, and the magnitude of the AC component output through the ion selective electrode 10 is output. Therefore, the impedance of the ion sensor unit 1 can be measured with this size.

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 ion measurement block 3. That is, the ion selective electrode terminal (GT) is supplied to the low-pass filtering (LPF) circuit 32 of the ion measurement block 3. The LPF circuit 32 attenuates AC signals and noise. The output of the LPF circuit 32 is input to a buffer amplifier 34 having a high input resistance. The buffer amplifier 34 impedance-converts the DC potential of the ion selective electrode 10 and outputs it as a stable voltage.

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-voltage conversion amplifier 24 of the impedance measurement block 2 is supplied to the control unit 4 via the isolator 52, and the output of the buffer amplifier 34 of the ion measurement block 3 is supplied to the control unit 4 via the isolator 54. The control unit 4 includes a multiplexer (MPX) 42, an analog-digital converter (ADC) 44, and an arithmetic processing unit (MPU) 46, and impedance measurement values and ions supplied via the isolators 52 and 54. A DC voltage signal for the concentration measurement value is supplied to the MPX 42. The multiplexer 42 switches analog signals for impedance measurement values and ion concentration measurement values and supplies them to the ADC 44, and the ADC 44 converts the supplied analog signals into digital data. The impedance measurement value and the ion concentration measurement value as digital data that is the output of the ADC 44 are processed by the MPU 46, and the impedance measurement value and the ion concentration measurement value are calculated here. That is, what is supplied to the MPU 46 is digital data indicating a DC voltage value. The MPU 46 calculates the ion concentration using a calibration curve based on standard data and the like, and evaluates the impedance measurement value by comparing with a threshold value determined based on the impedance value of a normal sensor unit. To do.

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 ion sensor unit 1, the impedance measurement block 2, and the ion measurement block 3 described in FIG.

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 buffer amplifier 34 is connected to the ion selective electrode terminal (GT) via the LPF 32. That is, one end of the buffer amplifier 34 is connected to the first ground GND1, and the output from the LPF 32 is input to the other end. Accordingly, the buffer amplifier 34 outputs a DC voltage that has passed through the LPF 32 and is a difference between the DC component and the ground GND1. In FIG. 2, the LPF 32 is indicated by a resistor R and a capacitor C.

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 buffer amplifier 34.

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-voltage conversion amplifier 24, and the other end is connected to the ground GND2 that is isolated from the ground GND1. The output of the current-voltage conversion amplifier 24 is negatively fed back to the current-voltage conversion amplifier 24 via the feedback resistor Rf. The AC component at the ion selective electrode terminal (GT) is amplified and output at the output of the current-voltage conversion amplifier 24.

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 ion sensor unit 1 and the ion measurement block 3, and FIG. 4 shows an equivalent circuit for the ion sensor unit 1 and the impedance measurement block 2. Thus, the ion sensor unit 1 and the ion measurement block 3 can be written as separate circuits. In addition, the power supply of each circuit of the impedance measurement block 2 and the ion measurement block 3 is also a separate power supply.

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 ion sensor unit 1 is output from the buffer amplifier 34. This output basically corresponds to Eg-Er.

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 selective electrode 10 and / or the comparison electrode 12 is high, in the ion measurement block 3 for measuring the voltage difference between the two electrodes, the internal resistance of the ion sensor unit 1 composed of both electrodes is reduced. Therefore, it is necessary to have a high DC input resistance that does not affect the operation. On the other hand, in the impedance measurement block 2, it is necessary to reduce the input resistance in order to measure the electrode current.

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 ion sensor unit 1 and the impedance measurement of the ion sensor unit 1 at the same time, a voltage follower type buffer amplifier 34 with a high input resistance and a current-voltage conversion amplifier 24 with a low input resistance are provided. If these are connected to the sensor in common, the input resistance is lowered, and as a result, ion measurement cannot be performed.

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-voltage conversion amplifier 24 becomes so high that it can be ignored, thereby affecting the ion measurement. Electrode impedance can be measured.

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 selective electrode 10 generates and outputs a voltage corresponding to a specific ion concentration, and can be applied to a glass electrode, a solid film type, a liquid film type ion electrode, or the like. .

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 comparative electrode 12 can use a well-known thing, for example, what has a potassium chloride solution as an internal liquid, has a silver-silver chloride electrode as an internal electrode, and used porous bodies, such as ceramics, as a liquid junction part. Can be used.

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 oscillator 20 serving as an AC signal source, a known circuit such as a multivibrator oscillation circuit can be used. Here, the frequency of the AC signal is preferably several tens Hz to several hundreds Hz. This is because the influence on the ion concentration measurement system circuit side is unavoidable at 10 Hz or less, and the influence of the capacitance Cs between the cables cannot be excluded at 1000 Hz or more. Furthermore, it is more preferable not to become an integral multiple of the commercial power supply frequency (50 Hz / 60 Hz). This is because if it is an integral multiple of the commercial power supply frequency, it is likely to be affected by inductive noise synchronized with the commercial power supply frequency.

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-voltage conversion amplifier 24 preferably has a feature that the internal noise voltage and the input current are small.

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 buffer amplifier 34 and the current-voltage conversion amplifier 24, a photocoupler, an isolation amplifier, or the like can be used. The analog isolation amplifier is particularly preferable because the circuit scale can be reduced and high-density mounting can be supported.

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 MPU 46 of the control unit 4, a method of comparing with a preset value or a method of detecting a sudden change in the change rate can be used. .

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 frequency divider 62 is provided between the oscillator 20 and the driver 22. As a result, as shown in FIG. 8, with respect to the output from the oscillator 20, a signal divided by 1/2 and a signal divided by 1/4 are obtained. Then, the signal divided by 1/4 is output from the driver 22. On the other hand, the signal divided by 1/2 from the output of the oscillator 20 is input to the NOR gate 64, from which a sampling clock is obtained. This sampling clock is a signal that rises at 3/4 passage of the H level portion and L level portion of the signal divided by 1/4. Therefore, this sampling clock is supplied to the AC-DC conversion circuit 26, and at the rising edge of the sampling clock, the AC signal can be detected at the H level and the L level at a timing that excludes the sampling overshoot and undershoot portions, In the AC-DC conversion circuit 26, the amplitude of the AC signal can be correctly detected from the obtained difference.

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 buffer amplifier 34 according to the change of the ion concentration 1 → 10 mg / l, for eight samples of the ion selective electrode 10 (manufactured by Toa DKK). It is a graph of the output voltage of the current-voltage conversion amplifier 24 corresponding to the amplitude of the alternating current output from the ion selective electrode terminal (GT). Here, the electrode whose sample electrode number is younger is used for a longer time. From this, it can be seen that the gradient potential difference, which is a general lifetime determination factor, is reduced by use. It can also be seen that the longer the electrode used, the higher the internal impedance and the smaller the current amplifier output voltage.

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 sample electrode numbers 1 to 4, but the peak detection has an output of about 100 mA. From this, it can be understood that the degree of deterioration cannot be accurately detected in the peak detection due to the influence of the cable line capacitance Cs.

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.

電極インピーダンス回路のブロック図である。It is a block diagram of an electrode impedance circuit. センサ周辺の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram around the sensor. イオン選択性電極の等価回路である。It is an equivalent circuit of an ion selective electrode. 交流インピーダンスの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of AC impedance. ケーブルの線間容量(Cs)の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of the capacity | capacitance (Cs) between the lines of a cable. ケーブル間容量の影響を受けないタイミングを示す図である。It is a figure which shows the timing which is not influenced by the capacity | capacitance between cables. サンプリングクロックの生成の回路を示す図である。It is a figure which shows the circuit of the production | generation of a sampling clock. サンプリングクロックの生成を示す図である。It is a figure which shows the production | generation of a sampling clock. イオン選択性電極の勾配値と電流アンプ出力の違い示す図である。It is a figure which shows the difference of the gradient value of an ion selective electrode, and current amplifier output. 同期検波時とピーク検波の違いを示す図である。It is a figure which shows the difference between the time of synchronous detection, and peak detection.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 Ion sensor part, 2 Impedance measurement block, 3 Ion measurement block, 4 Control part, 10 Ion selective electrode, 12 Comparison electrode, 20 Oscillator, 22 Driver, 24 Current-voltage conversion amplifier, 26 AC-DC conversion circuit, 32 LPF circuit, 34 buffer amplifier, 42 multiplexer, 52, 54 isolator, 62 frequency divider, 64 NOR gate.

Claims (2)

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.
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を特徴とする請求項1記載のイオン濃度測定装置。   2. The ion concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein sampling is performed in synchronization with a frequency of an AC signal to which the measurement value of the AC component is applied.
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