JPH0225143B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はイオン濃度自動測定装置に係り、特に
溶液中のイオン濃度を高精度で迅速簡単に測定し
てデジタル表示するイオン濃度自動測定装置に関
する。

溶液中における水素イオンをはじめ各種イオン
の濃度を測定することは、化学の各分野において
広く行なわれている測定操作であつて化学溶液の
液管理等に欠かせない基本的な作業である。この
目的のために従来種々のPH測定器、イオン濃度測
定器等が開発され実用に供されているが、これら
測定器に対する測定精度、取扱操作の自動化、迅
速化等の性能の向上についての要求は近年益々増
大している。

具体的には、たとえば検器感度およびオフセツ
トの調整、検量線の作成および校正等が測定者の
個人差に拘りなく正確迅速に行なわれ、また測定
値が夫々の目的に適したレンジで読み易くかつ誤
差の少ない表示として与えられることが望まれ
る。さらに、特定の用途によつては溶液のPH値、
各種イオン濃度値、温度等が簡単な切換操作で逐
次連続的に測定できるような綜合的な機能が要請
される場合があり、また近年化学プラントの工程
において次第に一般化されているコンピユータ管
理に直結できるような機能が求められることも当
然予想される。その他この種計器の使用環境を考
慮すれば器体の小型化、軽量化、コストダウンも
解決すべき基本的な課題である。

このような要請に対して、従来測定表示をデジ
タル化し、あるいは測定操作をコンピユータ制御
によつて自動化したイオン濃度測定器が種種提案
され実用化されているが、個々の特定の使用目的
の計器についてはなお多くの改善すべき問題が残
されている。

本発明の目的は、溶液中のイオン濃度を特定の
プログラムに従うコンピユータ制御下で簡単な操
作により迅速に高精度で検知し、これを読み易い
正確なデジタル表示で出力することのできるイオ
ン濃度自動測定装置を提供することにある。

本発明の別の目的は前記イオン濃度の測定を水
素イオンおよび各種イオンのいずれについてもキ
イボードからの簡単な切換指令操作によつて行な
うことのできるイオン濃度自動測定装置を提供す
ることにある。

本発明のさらに別の目的は前記イオン濃度の測
定に併せて被測定溶液の測定時の液温をキイボー
ドからの簡単な切換指令操作によつて同一表示部
で表示することのできるイオン濃度自動測定装置
を提供することにある。

各種イオンを選択的に感知してイオン濃度に対
応する電極電位を生じ得るイオン濃度検知部と、
前記イオン濃度検知部からの電極電位情報につい
ての演算処理プログラムを記憶する記憶部と、前
記イオン濃度検知部からの電極電位情報に基いて
前記プログラムの制御下に演算処理を行ない処理
情報を前記イオン濃度の値についてのデジタル情
報として出力する情報処理部と、この情報処理部
からのデジタル情報を前記イオン濃度を示すデジ
タル値として表示する表示部とを備え、前記情報
処理部が特定の被測定イオンについて二種の既知
濃度の標準液に対する前記イオン濃度検出部から
の夫々の電極電位情報の入力に基いて前記記憶部
に記憶されている次式： Px＝S_A−S_B／D_A−D_B（D_X−D_B）＋S_B …(1) 式中S_A、S_B…既知標準液の互いに異なる二種
のイオン濃度 D_A、D_B…既知標準液の前記イオン濃度に
夫々対応する電極電位 D_X…被測定溶液に対する電極電位 P_X…被測定溶液中のイオンの濃度 の検量線プログラムの制御下に、被測定溶液中で
実測されたイオンの濃度に対応する前記イオン濃
度検知部からの電極電位情報に基いて当該溶液中
の被測定イオンの濃度を演算し、前記電極電位
D_Xの指数値に対応して得られるイオン濃度値P_X
をそのまゝで又は前記記憶部に記憶された演算
式： ppm＝１／Exp（Px Ｘ log10）x1000xM …(3) によつてppm濃度値に変換して前記表示部におい
て指数値濃度もしくはppm濃度のデジタル値とし
て表示するようになされており、前記イオン濃度
検知部が被測定イオンの種類にしたがつて測定の
基準値を設定するオフセツト調整装置と、被測定
イオンの価数にしたがつて該検知部の出力ゲイン
を調整するゲイン調整装置とをさらに備えている
ことを特徴とする。

すなわち本発明は基本的には測定対象とする溶
液のイオン濃度に関する電極電位情報を演算処理
し、その情報出力をデジタル表示するようになさ
れているが、特にかかる測定に際して従来行なわ
れていた煩わしい検量線作成操作を前記特定のプ
ログラムに沿つて情報処理装置に記憶させ、この
プログラムにしたがつて未知濃度溶液のイオン濃
度を演算処理することによつてイオン濃度測定を
完全に自動化したものである。

さらに本発明はその他の特色としては、測定器
感度、オフセツトの自動調整機能、表示単位の簡
単な変換機能、PHメータおよび測温計としての機
能の兼備ならびにこれらの機能の間の迅速、簡便
な切換機能等が挙げられるが、以下これら機能を
本発明の測定装置の基本的構造と共に詳細に説明
する。

本願発明装置のイオン濃度検知部は各種イオン
に対して夫々選択的感度を有する複数のイオン選
択性電極と共通の一つの参照電極とを有し、測定
の際対象とするイオンに対応するイオン選択電極
を選んで前記参照電極に組合せて用いるようにし
た通常の構成を備えている。かゝるイオン選択性
電極としては、たとえば１価の陽イオンNa⁺、
K⁺、Ag⁺、NH₄ ⁺2価の陽イオンPt⁺⁺、Mg⁺⁺、
Ni⁺⁺、Co⁺⁺、Cu⁺⁺、Fe⁺⁺および１価の陰イオン
F^-、Cl^-、CN^-ならびにその他のものに対して選
択性のある物質からなる電極が用いられる。また
本発明装置をPHメータとしても機能させるときに
は通常のPHガラス電極が併置され、これら電極に
は温度補償のためにたとえば白金測温抵抗体のよ
うな温度感知素子が付設される。

前記検知部からの電極電位情報等はコンピユー
タ処理に適した情報形態に変換されるが、このた
めの測定情報変換部の好ましい具体例は基本的に
は第１図に示すような各種測定情報を増巾する増
巾器１〜３、増巾器出力をデジタル情報化する
Ａ／Ｄコンパータ４、測定器感度、オフセツト等
の自動調整のためのコントローラ５，６等からな
り、これら各部については測定機能ついての項で
さらに詳述する。

前記情報変換部から変換されて入力される測定
情報はインタフエイス７を介して入力され後述す
るプログラムにしたがつて処理される。この情報
処理部は基本的には制御プログラムのためのリー
ドオンリイメモリ９、データレジストのためのラ
ンダムアクセスメモリ８および演算処理のための
中央処理ユニツト１０等から構成されている。

前記情報処理部から出力される測定値について
のデジタル情報をインタフエイス７を介して与え
られる表示部は第１図の具体例においてはドライ
バ１１および発光表示部１２からなる。発光表示
部１２としてはたとえば第２図に示すようなセグ
メント状の発光ダイオード１２′に数字形状に組
合せて選択的に発光させるようにしたものが用い
られる。

発光表示部は図示の具体例ではイオン濃度測定
モードの他、PH値、温度、電圧（電極電位）の測
定モードにも共用されるようになされており、後
述するキイボードからの切換指令操作で夫々の測
定値をデジタル表示するようになされている。１
２″は測定モードの表示体である。

各種測定モードの選択、選定操作の情報等を指
令するキイボード１３が装着前面パネルに系統的
に配置されており、特定の指令キイからワンタツ
チ操作で入力された指令をエンコーダ１４および
インタフエイス７を介して前記情報処理部に送る
ようになされている。

次に本発明装置の主な機能について説明する。

１ 検量線の作成 イオン濃度測定に際しては基本的には特定測
定イオンを異なつた既知濃度で含む二種の標準
液についての実測点をプロツトしてこの濃度区
間で電極電位特性に近似した直線を得、次に被
測定液について実測された値をこの検量線と対
比させてイオン濃度を求めることが普通に行な
われている。しかしこの検量線の作成および校
正作業がイオン濃度測定の高精度化、迅速化を
妨げることは広く知られており、本発明ではか
かる作業を完全に自動化することができる。

特定の被測定イオンを含む溶液、およびこの
イオンに関する二種の異なつた既知濃度の標準
液について、実用上次の近似式が成立する。

P_X＝S_A−S_B／D_A−D_B（D_X−D_B）＋S_B …(1) 式中S_A，S_B…既知標準液の互いに異なる二種
のイオン濃度 D_A，D_B…既知標準液前記イオン濃度に夫々
対応する電極電位 D_X…被測定溶液に対する電極電位 P_X…被測定溶液中のイオンの濃度 ここでS_A、S_B、D_A、D_Bは既知であるから被測
定イオン濃度P_Xはそれに対する電極電位D_Xを与
えることによつて式(1)から求めることができる。
したがつて、二種の標準液中に電極を浸漬して得
られる夫々の電極電位を情報処理装置に記憶さ
せ、次いで被測定液中に電極を浸漬して得られる
未知イオン濃度に対する電極電位を入力し、処理
装置に式(1)にしたがう演算を実行させれば測定す
べきイオン濃度が求められる。

すなわち、前記の方法によつて検量線の作成お
よび校正が自動的に行なわれることになるが、そ
の手順をプログラム的に表わせばたとえば第３図
のフローチヤートのようになる。ここで式(1)から
明らかなように、理論上はS_A＞S_BでD_A＞D_Bの場
合とS_A＜S_BでD_A＜D_Bの場合とでは求められる結
果が同一であり、標準液への電極の浸漬が必らず
しも低濃度→高濃度の順になされる必要のないこ
とが示される。

尚ここでは検量線を２点プロツトで求める基本
的な場合を示したが、実際上は測定範囲、精度等
を考慮して適宜プロツトの数（標準液の濃度の種
類）を増加させこれらを隣接させて検量線を作成
することが望ましい。このような場合には被測定
イオン濃度がどのプロツト区間に入るかを予め決
定すべきであるが、かかる判断は前記式(1)中にお
けるDxの値を各区間におけるD_Bの値と順次比較
しその結果の正負によつて容易に行なうことがで
きる。

第１図示の具体例では、各種電極電位情報
（D_A、D_B、D_X）は高入力抵抗増巾器１で増巾さ
れＡ／Ｄコンバータ４でデジタル変換されて情報
処理部に入力され、また標準液の既知濃度（S_A、
S_B）はキイボード１３の操作によつて入力され、
情報処理部の演算処理で得られた被測定イオンの
濃度P_Xがドライバ１１を介して表示部１２にデ
ジタル表示される。尚、情報処理部からの出力は
デジタル値であるから、これを本具体例のように
直接デスプレイする他、たとえば化学プロセス制
御のために設けられているコンピユータの入力に
結合させることももとより可能である。

２ オフセツト自動調整機能 本発明装置においては測定の基準位置を自動
的に定め適正な測定範囲を確保するためのオフ
セツト自動調整機能を得ることもできる。従来
のイオン濃度計では測定レンジを越える入力に
よるスケールアウトを可変抵抗器等の手動操作
によつて調整していたが、個々のイオン選択電
極の発生する単極電位が夫々異なるので被測定
イオンの種類が異なる毎のこのようなオフセツ
ト調整が必要であつた。本発明ではたとえば第
１図に示す具体例ように、電極電位をデジタル
変換するＡ／Ｄコンバータ４の入力側にＤ／Ａ
コンバータ５を介して電極電位情報に関する信
号を帰還させるようになされている。したがつ
てイオン選択電極からの単極電位がイオンによ
つて異なる場合にも、情報処理部からの指令に
よつてＡ／Ｄコンバータ４の動作について常に
予めセツトされた点へのオフセツト調整を自動
的に行なうことができる。

３ イオン価数によるイオン調整機能 イオン選択電極の電位は特定感知イオンの価
数にしたがつて変化し、１価のイオンを基準に
すると２、３…価のイオンの電極電位はほぼ1/
２、1/3…となる。したがつて、被測定イオンの
価数が異なる毎に測定器の利得調整等が必要と
なる。本発明はこのような場合のゲイン調整を
自動化するようにすることもできる。すなわ
ち、たとえば第１図に示す具体例では、Ａ／Ｄ
コンバータ４の入力側にゲイン調整器６を設け
その調整動作を情報処理部からの指令で被測定
イオンの価数にしたがつて調整するようになさ
れている。具体的には、たとえばモル濃度で測
定値を出力するように情報処理部がセツトされ
ているとき、異なつた二種のモル濃度の標準液
によつて与えられる電極電位の差と対応するモ
ル濃度値の差によつて情報処理部にこの特定の
イオンの価数を判断させ、それにしたがつてゲ
イン調整器６を作動させることによつてイオン
の価数についての判断をとりこんだ適正な表示
が行なわれる。

４ 表示単位の変換機能 イオン濃度測定値の表示は測定目的に応じて
指数値濃度またはppm濃度で表示することが望
ましいが、本発明装置はこのような表示単位を
簡単に切換える機能を有することもできる。

指数値濃度Pxとppm濃度との関係は一般に
次式で示される。

Px＝−1og（ppm／Ｍ×100）・１／1og10 …(2) ppm＝1000／Ｅ×ｐ（Px×1og10）・Ｍ …(3) 但し式中、Ｍはイオンの原子量または分子量
を示す。

したがつて情報処理部のたとえばリードオン
リイメモリ９に前記式(2)，(3)を記憶させてお
き、必要に応じてキイボード１３のppmまたは
pX指令キイを押していずれかの式を中央処理
装置１０に選択させた出力値を(2)式または(3)式
によつて変換することにより夫々の表示単位を
自動的に選択することができる。この場合の操
作は第１図の具体例では予め「10」キイを押し
て被測定イオンの原子量等を入力しておき、か
つ「pX」または「ppm」キイのいずれかをワ
ンタツチ操作するだけでよい。

５ 自動温度補償機能 イオン選択電極の等温交点は個々の電極によ
つて異なり、したがつて各イオン選択電極の等
温交点を夫々決定して温度補償を行なうことは
従来極めて困難であつた。本発明においてはこ
のような温度補償を自動的に行なうことが可能
である。すなわち、被測定イオンについての二
種の標準液について夫々任意の二点の温度にお
ける電位勾配を求めて、その等温交点を決定す
ると共に、前記オフセツト調整機能によりこの
点を零電位附近に移行させ、ここで各測定の温
度におけるネルンス乗数の乗算処理を実行すれ
ばよい。

６ PH値測定機能 本発明装置では、前記イオン濃度測定に用い
た各回路、表示部をそのまま用いてPH値の測
定、デジタル表示を行なうこともできる。

PH値測定のための第１図の具体例では高入力
抵抗増巾器１の入力側にPHガラス電極（図示せ
ず）が接続可能に設けられている。

したがつて、PH測定に際してはPHガラス電極
をたとえばPH４およびPH７の標準液に浸漬して
前記高入力抵抗増巾器１、Ａ／Ｄコンバータ４
等を介して電極電位を情報処理部に入力し、リ
ードオンリイメモリ９中に予め記憶されている
PH温度テーブル（たとえばJIS Ｚ−8802）にし
たがつて夫々の温度における標準液PHに対する
校正をする。次にガラス電極を被測定液に浸漬
し電極電位を情報処理部で演算処理し、表示部
１２でPH値をデジタル表示する。

以下本発明のイオン濃度自動測定装置の操作に
ついて第２図の具体例により簡単に説明する。

１ イオン濃度測定表示 第２図は本発明イオン濃度自動測定装置の具
体例の前面パネルを示す。この具体例において
必要な操作は検量線作成のために電極を標準液
に次いで被測定に浸漬する点は従来装置と同様
であるが、その他の全ての操作はキイボード１
３上の夫々のキイを押すだけの簡単な指令動作
のみからなる。

すなわち「ppm／pX」キイは前記表示単位
の切換機能、「ION」キイはこのイオン濃度測
定モードの選択機能、「０」キイ（陽イオンキ
イを兼ねる）または「・」キイ（陰イオンキイ
を兼ねる）は測定イオンの性質の指示、「10」
キイは表示単位切換に必要な原子量（分子量）
の入力の実行に夫々対応し、これらキイの操作
だけで全ての測定準備が完了する。

次に検量線作成のために使用する各標準液の
濃度データを低〜高濃度の順に「ENT」キイ
で入力し、その後情報処理部から表示部１２へ
の指示にしたがつて各標準液中に電極を順次浸
漬して行く。これで検量線の作成が完了するの
で、次に電極を被測定液に浸漬すると中央処理
装置が自動的に式(1)のプログラムにしたがつて
演算を実行し、結果が表示部１２に送られて発
光ダイオード（LED）１２′がイオン濃度をデ
ジタル表示する。この場合の表示はすでに操作
された「ppm／pX」キイによつてppmあるい
はモル濃度でなされ、対応するLED１２″の発
光で選択モードが指示される。

このように本発明の具体例によるイオン濃度
測定では、検量線作成および実測のための電極
の浸漬操作のみが従来の場合と共通し、その他
の一切の作業、たとえば検量線の実際の作成お
よび校正、イオン価数による利得調整、オフセ
ツト調整、表示単位の切換等は全て自動的にま
たは簡単なキイのワンタツチ操作で完了するこ
とができる。したがつてイオン濃度測定および
読取りを高精度で迅速かつ容易に行なうことが
できる。

２ PH測定 PH測定もPHガラス電極の溶液への浸漬の他は
全てのキイボードの簡単な操作によつて行なう
ことができる。この場合PH測定をイオン濃度測
定の場合と同一の装置によつて行ない同一の表
示部にデジタル表示することができるので、イ
オン濃度測定に際して溶液のPH値を考慮せねば
ならない場合等には実用上極めてすぐれた効果
を奏する。

３ 温度測定 溶液の温度測定についても何等特別の装置を
付加する必要もなく「TEMP」キイの操作だ
けで表示部１２に℃単位のデジタル表示を得る
ことができる。これはイオン濃度、PH値測定中
にも可能であり、イオン濃度の測定値等に温度
依存性が問題とされるような場合に効果的であ
る。電極電位のmV表示も同様にして「mV」
キイの操作だけでデジタル表示される。

前記のように本発明装置はこれをイオン濃度計
として用いる場合に、従来の測定装置のように検
量線の作成および校正を必要としないのでその操
作が極めて容易であつて迅速に正確な測定値を求
めることができる。また表示単位の変換、オフセ
ツト調整等も全て自動化されており、夫々対応す
る操作キイを押すだけで足りる。

また本発明装置にはPH測定機能を兼備させるこ
とができ、この場合にはPH電極を付加するだけで
他の回路部、表示部等は全てイオン濃度測定の場
合と同一のものを簡単な切換操作によつて共用で
きるので、PHとイオン濃度の同時測定が必要なと
き等には特に便宜である。さらに測定機能あるい
はmV表示機能を具備させる場合にも装置自体に
は何等実質的な変更を加えずに簡単な切換操作で
同一表示部にこれらの値を表示することができ
る。

また本発明装置は独立した測定器としては極め
てコンパクト低重量のものとすることができる
上、溶液の各種測定諸元をデジタル出力化するよ
うになされているので化学プロセスを制御するコ
ンピユータ等にも容易に結合されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の実施例における測定およ
び表示回路のブロツクダイアグラムを示す図、第
２図は前記実施例に用いられるプログラムのフロ
ーチヤートであり、第３図は前記実施例の表示お
よび操作パネルを示す説明図である。 図中、１……高入力抵抗増巾器、４……Ａ／Ｄ
コンバータ、８……ランダムアクセスメモリ、９
……リードオンリイメモリ、１０……中央処理装
置、１２……表示部、１３……キイボード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 各種イオンを選択的に感知してイオン濃度に
   対応する電極電位を生じ得るイオン濃度検知部
   と、前記イオン濃度検知部からの電極電位情報に
   ついての演算処理プログラムを記憶する記憶部
   と、前記イオン濃度検知部からの電極電位情報に
   基いて前記プログラムの制御下に演算処理を行な
   い処理情報を前記イオン濃度の値についてのデジ
   タル情報として出力する情報処理部と、この情報
   処理部からのデジタル情報を前記イオン濃度を示
   すデジタル値として表示する表示部とを備え、前
   記情報処理部が特定の被測定イオンについて二種
   の既知濃度の標準液に対する前記イオン濃度検出
   部からの夫々の電極電位情報の入力に基いて前記
   記憶部に記憶されている次式： Px＝S_A−S_B／D_A−D_B（D_X−D_B）＋S_B …(1) 式中S_A、S_B…既知標準液の互いに異なる二種
   のイオン濃度 D_A、D_B…既知標準液の前記イオン濃度に
   夫々対応する電極電位 D_X…被測定溶液に対する電極電位 P_X…被測定溶液中のイオンの濃度 の検量線プログラムの制御下に、被測定溶液中で
   実測されたイオンの濃度に対応する前記イオン濃
   度検知部からの電極電位情報に基いて当該溶液中
   の被測定イオンの濃度を演算し、前記電極電位
   D_Xの指数値に対応して得られるイオン濃度値P_X
   をそのまゝで又は前記記憶部に記憶された演算
   式： ppm＝１／Exp（Px Ｘ log10）x1000xM …(3) によつてppm濃度値に変換して前記表示部におい
   て指数値濃度もしくはppm濃度のデジタル値とし
   て表示するようになされており、前記イオン濃度
   検知部が被測定イオンの種類にしたがつて測定の
   基準値を設定するオフセツト調整装置と、被測定
   イオンの価数にしたがつて該検知部の出力ゲイン
   を調整するゲイン調整装置とをさらに備えている
   ことを特徴とするイオン濃度自動測定装置。