JPH06201634A

JPH06201634A - 水分測定方法及び水分測定装置

Info

Publication number: JPH06201634A
Application number: JP35904892A
Authority: JP
Inventors: Akinori Satou; 了紀佐藤; Itsumi Muraoka; 逸巳村岡; Eiichi Hamada; 栄一濱田
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1992-12-25
Filing date: 1992-12-25
Publication date: 1994-07-22

Abstract

(57)【要約】【目的】還元性物質が混入している物質や、電気伝導
度の高い極性溶媒の場合であっても正確かつ連続的に水
分率（含水率）を測定できる方法及び装置を提供する。【構成】２枚の平行板電極１０Ａ，１０Ｂの間に被測
定物質１４を充填し、電極間の静電容量Ｃ_xを充放電に
よる過渡現象を利用して検出し、予め含水率のわかって
いる物質における静電容量と含水率との関係を用いて、
被測定物質の含水率を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は物質が含有する水分を水
分率として検出するための水分測定方法及び水分測定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、物質の含有水分量を測定する一般
的な方法としてはカールフィッシャー法がある。しかし
ながら、カールフィッシャー法では被測定物質に還元性
物質が混入している場合には水分の測定が不可能で、か
つ連続測定は困難である。ところで連続測定を可能とす
る方法として、特開昭６０−２５９９４３号公報に示さ
れる方法がある。この方法は水分がセンサ部へ吸着する
ことによるセンサ部のインピーダンスの変化を利用して
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記特開昭６０−２５
９９４３号公報に開示された方法はヘンリーの法則が適
用できるような比較的水が溶解しにくい溶媒に対して適
用可能であるが、エタノールなどの電気伝導度の高い極
性溶媒に対しては適用できない。これはセンサ部のイン
ピーダンス変化が水の吸着作用より、溶媒の吸着による
影響に作用され易いことによる。従って、上記方法では
極性溶媒にあっては水分濃度の変化に対して反応が鈍く
なってしまう。

【０００４】従って本発明は上記従来の課題を解決し、
還元性物質が混入しているような被測定物質や電気伝導
度の高い極性溶媒の従来方法では測定が難しいような試
料でも再現性よく、かつ連続的に水分を計測することが
可能な水分測定方法及び水分測定装置を提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では過渡現象を利用して被測定物質の静電容
量を検出することによりその水分率（含水率ともいう）
を測定するようにしている。すなわち本発明によれば２
枚の平行板電極の間に被測定物質を充填し、前記２枚の
平行板電極間の静電容量を充放電による過渡現象を利用
して検出し、予め含水率のわかっている物質における静
電容量と含水率との関係を用いて、前記被測定物質の含
水率を測定する水分測定方法が提供される。

【０００６】又、本発明によれば上記方法を実現する装
置として、被測定物質が間に充填されたときコンデンサ
を形成するよう配された２枚の平行板電極と、前記コン
デンサに直列に接続された既知の抵抗器と、前記コンデ
ンサと前記抵抗器に直列に接続されたスイッチと、前記
コンデンサと前記抵抗器と前記スイッチの直列回路に電
圧を与える直流電源と、前記抵抗器の両端間の電圧を測
定する手段と、前記コンデンサの両端間の電圧を測定す
る手段とを有する水分測定装置が提供される。

【０００７】

【作用】本発明は上記構成なので、２枚の平行板電極
と、その間に充填される被測定物質とにより形成される
コンデンサの静電容量を検出することにより、当該物質
の比誘電率を検出し、容易に水分率を連続的に測定する
ことが可能となる。

【０００８】

【実施例】以下本発明の実施例について図面を参照しな
がら詳細に説明する。図１は、本発明による物質中の水
分量を水分率として測定するための測定装置のセンサ部
を示す斜視図である。本発明で測定できる物質として
は、比誘電率が水と異なるものであれば特に限定されな
い。液体の場合、還元性物質などの電解質を含んだもの
や、またエタノールなどのように電気伝導度の比較的高
い極性溶媒にも適用できる。固体の場合は、空隙を有し
ないものであれば適用可能で、測定するときは電極間へ
測定試料を充填するための操作が必要となる。センサ部
１０は一対の銅の平行板１０Ａ，１０Ｂにより形成さ
れ、電極間距離は３ｍｍ、電極の大きさは７×２０ｍｍ
の平行平板コンデンサを形成する。センサ部１０は絶縁
支持部材１６に取り付けられ、容器１２内に位置する。
従って容器１２内に被測定物質１４を入れると、２つの
対向する平行板電極１０Ａ、１０Ｂの間が被測定物質１
４にて充填される。１８は電極１０Ａ、１０Ｂへ結線す
るための２本のリード線の入ったケーブルである。平行
平板コンデンサの場合、その静電容量は次式で示され
る。

【０００９】

【式１】Ｃ＝εＳ／ｄＣ：静電容量 ε：誘電率ｄ：電極間距離Ｓ：電極面積

【００１０】誘電率の変化に対する静電容量の変化を大
きくするためには、電極間距離ｄを狭くし、かつ電極面
積Ｓを大きくすればよく、水との誘電率差が小さい物質
でも測定可能となる。しかし、測定試料が電解質を含ん
でいる場合や、極性溶媒のように電気伝導度が比較的高
い場合には電極間の抵抗が下がるので、次に述べる静電
容量変化の検出方法においてサンプリング時間を短くす
る必要がある。

【００１１】図２は図１に示したセンサ部１０を用いて
被測定物質の含水率を測定する水分測定装置の回路を示
す回路図である。図２において点線で囲まれた抵抗Ｒ_x
とコンデンサＣ_xの並列回路は被測定物質１４が間に充
填された状態のセンサ部１０の等価回路である。すなわ
ち、センサ部１０が図１に示すものである場合にあって
は、容器１２内に被測定物質１４が入れられ、センサ１
０の電極１０Ａ、１０Ｂの間の空間が被測定物質１４に
よって充填されているものとする。Ｒ₁は抵抗Ｒ_xとコン
デンサＣ_xの並列回路に直列に接続された抵抗器であ
り、ＳＷは上記並列回路及び抵抗器Ｒ₁に直列に接続さ
れた開閉型スイッチである。上記並列回路とこれに直列
に接続された抵抗器Ｒ₁とスイッチＳＷの直列回路には
直流電源Ｅが接続されている。

【００１２】本実施例においては直流電源Ｅの起電力は
４．０Ｖであり、抵抗器Ｒ₁は５００ｋΩである。抵抗
器Ｒ₁には電圧計ＶＭ₁が並列接続されており、抵抗器Ｒ
₁の両端子間電圧を測定できるようになっている。同様
にセンサ部１０すなわち、抵抗Ｒ_xとコンデンサＣ_xの並
列回路には他の電圧計ＶＭ₂が並列接続されており、抵
抗Ｒ_xの両端子間電圧を測定できるようになっている。

【００１３】次に測定の手順について説明する。（１）測定前：スイッチＳＷはオフ（２）電極間抵抗Ｒ_xを測定する：スイッチＳＷをオン
とし、２つの電圧計ＶＭ₁ＶＭ₂の電圧値Ｖ₁、Ｖ₂を読
み、次式から求める。Ｒ_x＝（Ｖ₂／Ｖ₁）×Ｒ₁ 但しｄＶ₂／ｄｔ＝０（３）センサ部１０の静電容量Ｃ_xの測定：スイッチＳ
Ｗをオン状態からオフとし、所定時間△ｔ経過時点での
電圧計ＶＭ₂の電圧値Ｖ_2tと前記電圧値Ｖ₂₀（スイッチ
ＳＷをオフとする直前の値）とから次式で求める。Ｃ_x＝△ｔ／Ｒ_x／ｌ_n（Ｖ₂₀／Ｖ_2t）

【００１４】この静電容量Ｃ_xの測定について更に説明
すると、スイッチＳＷをオフにした後は図３の波形図に
示すように電圧計ＶＭ₂の電圧値Ｖ₂が指数関数で減少す
る。上記所定時間△ｔは、放電を開始してからセンサ部
１０の電極間電圧Ｖ₂を読むまでの時間であり、これを
サンプリングタイムという。このサンプリングタイム△
ｔが大きすぎると、図３からわかるように電圧値Ｖ₂が
十分に減衰してしまい０Ｖに近くなってしまい電圧値Ｖ
₂の変化を検出しにくくなってしまう。上記実施例では
△ｔは０．１８秒とした。すなわち、波形の変化がなだ
らかなところでは、連続的に測定する場合に、わずかな
静電容量の変化による電圧の変化を検出しにくいので、
図３の波形図において放電開始後、電圧が適当なカーブ
を描くところにサンプリングタイム△ｔを設定する必要
がある。従って、被測定物質に対する測定開始前に測定
時と同様の条件で充放電を行ってみて、適当と思われる
サンプリングタイム△ｔを予め設定しておく必要があ
る。

【００１５】以上の方法によって静電容量Ｃ_xを知るこ
とができるが、次に静電容量から当該被測定物質１４の
水分率を知る方法について説明する。静電容量と水分率
は１次関数の関係にあり、カールフィッシャー法等の滴
定法によって測定することにより、予め水分率と静電容
量の関係を知るためのキャリブレーションを行ってお
く。こうして得られた関係を用いることにより、静電容
量を知ることにより、水分率を知ることができるのであ
る。

【００１６】以下に本発明による測定例について説明す
る。（測定例１）ターシャリーブチルアルコール（４６．２
ｇ）にアスコルビン酸（０．２３ｇ）を溶解させた試料
に、マイクロシリンジで純水を添加させ含水率が異なっ
た状態で測定した結果を図４に示す。図４からわかるよ
うに、サンプリング時間△ｔを長くすると含水率変化に
伴う静電容量の変化を検知できなくなる。また、含水率
が高くなるにつれ静電容量も大きくなることがわかる。

【００１７】（測定例２）測定例１において、ターシャ
リーブチルアルコールのかわりに極性溶媒の一つであ
る、エタノール（４０．４ｇ）に同じくアスコルビン酸
（０．１０ｇ）を溶解させた試料での測定結果を図５に
示す。図５より電解質を含んだ極性溶媒でも測定値の直
線性は高く、再現性かつ精度よく測定が可能であること
がわかる。

【００１８】（測定例３）測定例２において、エタノー
ルのかわりに電気伝導度がそれと比較して約１０倍大き
い酢酸水溶液を試料としたときの、測定結果を図６に示
す。但し、電解質は混入していない。この図から電気伝
導度が高くても、測定は測定例２と同じく可能であるこ
とがわかる。

【００１９】（測定例４）モレキュラーシーブを用いた
エタノールより水分を除去する過程で試料をサンプリン
グし、カールフィッシャー法で測定した含水率の結果と
本発明の方法で測定した静電容量の測定値を図７に示
す。図７よりカールフィッシャー法の測定値とよく対応
していることがわかる。

【００２０】本発明は図２に示した回路によってセンサ
部１０のコンデンサに対する充放電を行うことにより過
渡現象を利用してコンデンサの静電容量を検出し、よっ
て水分率を測定するものであるが、この測定の各ステッ
プを自動化すれば連続的な測定が容易に実現できる。

【００２１】図８はかかる自動測定を実現するための本
発明の他の実施例を示すブロック図である。図８におい
てパーソナルコンピュータ２０はＣＰＵ（中央演算処理
装置）の他、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の必要なメモリ、インタ
ーフェースを有している。パーソナルコンピュータ２０
はＤ／Ａコンバータ２２を介してリレー回路２４に接続
され、リレー回路２４はセンサ回路２６に接続されてい
る。センサ回路２６には図１に示したセンサ部１０が接
続されると共に、センサ回路２６の出力はローパスフィ
ルタ（ＬＰＦ）２８を介してＡ／Ｄコンバータ３０に接
続されている。このＡ／Ｄコンバータ３０はパーソナル
コンピュータ２０に接続されている。

【００２２】図９は図８に示したセンサ回路２６の具体
的構成を示す回路図である。

【００２３】図９中、図２と実質的に同一のものには同
一符号を付してある。抵抗Ｒ₁とセンサ部１０の接続点
はオペアンプ３２の＋入力端子に接続され、その−入力
端子は抵抗Ｒ₂と増幅度調整用可変抵抗Ｒ₃の接続点に接
続されている。抵抗Ｒ₂の他端は接地されており、可変
抵抗Ｒ₃の他端はオペアンプ３２の出力端子に接続され
ている。抵抗Ｒ₄とコンデンサＣ₁の直列回路は図８に示
すローパスフィルタ（ＬＰＦ）２８を構成し、オペアン
プ３２の出力端子とセンサ部１０の他端の間に接続され
ている。コンデンサＣ₁の両端間電圧はＡ／Ｄコンバー
タ３０へ供給されてデジタルデータに変換され、パーソ
ナルコンピュータ２０に入力される。なお、スイッチＳ
Ｗは図８のリレー回路２４にてオン／オフ動作をするも
のである。

【００２４】図１０はパーソナルコンピュータ２０にお
ける測定のための動作を示すフローチャートである。ス
テップＳ４にてスイッチＳＷがオフとされた後、測定開
始のコマンドが与えられると、ステップＳ５がＹＥＳと
なり、ステップＳ６にてスイッチＳＷがオンとなる。ス
イッチＳＷのオンオフはリレー回路２４により行うが、
Ｄ／Ａコンバータ２２へ必要な信号を送ることによりリ
レー回路２４の制御が行われる。なおリレー回路２４の
代りに半導体スイッチング素子を用いることもできる。
ステップ７にてＶ₂をサンプリングし（Ｖ₂₀を求め
る）、ステップＳ８にてｄｖ₂／ｄｔ＜ε（ε＝１
０^-5）を判断することにより、定常状態となったことを
確認し、ＹＥＳならステップＳ９にてＲ_xを計算し、そ
の後ステップＳ１０にてスイッチＳＷをオフとする。こ
のオフの時点よりタイマーにより時間を計測し、Δｔだ
け経過したらステップＳ１１にてＶ₂を再びサンプリン
グする（Ｖ₂tを求める）。この値を用いてステップＳ１
２にてＣ_xを計算する。このＣ_xの計算において前述のＶ
₁はＶ₁＝Ｅ−Ｖ₂として計算により得る。

【００２５】なおΔｔは、前述のようにして定めた所望
の値を予めステップＳ２にて設定しておくものとする。
ステップＳ３及びステップＳ１４のデータファイルは測
定結果を記録するためのもので、測定日時や、測定対象
物、測定者名簿を予め記録しておき、実測データをも記
録し保存するためのものである。測定結果はステップＳ
１３にてディスプレイやプリンタによって表示すること
ができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の水分測定法
及び水分測定装置では２枚の平行板電極の間に被測定物
質を充填し、この２枚の平行板電極と被測定物質とによ
って構成されるコンデンサに対して充放電を行うことに
より、過渡現象を生ぜしめ、よって静電容量を検出する
ことにより含水率を測定するので、カールフィッシャー
法等の滴定法では計測困難な高伝導度の試料を含む広範
な被測定物質についてその水分を正確に測定することが
できる。又、滴定法ではなく静電容量を検出する方式な
ので、水分率が刻々と変化するような場合であっても、
連続的に計測することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水分測定法及び水分測定装置に用いら
れる平行板電極及び被測定物質の容器の例を示す斜視図
である。

【図２】本発明の水分測定装置の１実施例を示す回路図
である。

【図３】センサ部の放電時の電極間電圧の変化を示す波
形図である。

【図４】還元性物質が混入した有機溶媒の含水率の変化
に対する静電容量の変化を本発明の方法によって測定し
た例を示すグラフである。

【図５】還元性物質が混入した極性有機媒溶の含水率の
変化に対する静電容量の変化を本発明の方法によって測
定した例を示すグラフである。

【図６】極性有機媒溶の含水率の変化に対する静電容量
の変化を本発明の方法によって測定した例を示すグラフ
である。

【図７】カールフィッシャー法による含水率の測定結果
と本発明による静電容量の測定結果の対応を示すグラフ
である。

【図８】本発明の水分測定装置の他の実施例を示すブロ
ック図である。

【図９】図８に示したセンサ回路の具体的構成を示す回
路図である。

【図１０】図８に示したパーソナルコンピュータの動作
を説明するためのフローチャートである。

【符号の説明】

１０センサ部１０Ａ，１０Ｂ電極１２容器１４被測定物質（試料）２０パーソナルコンピュータ２２Ｄ／Ａコンバータ２４リレー回路２６センサ回路２８ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３０Ａ／ＤコンバータＣ₁ コンデンサＣ_x センサ部の静電容量Ｅ直流電源Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃，Ｒ₄ 抵抗器及びその抵抗値Ｒ_x センサ部の等価直流抵抗ＳＷスイッチＶＭ₁，ＶＭ₂ 電圧計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２枚の平行板電極の間に被測定物質を充
填し、前記２枚の平行板電極間の静電容量を充放電によ
る過渡現象を利用して検出し、予め含水率のわかってい
る物質における静電容量と含水率との関係を用いて、前
記被測定物質の含水率を測定する水分測定方法。
【請求項２】前記平行板電極と、その間に充填された
前記被測定物質からなるコンデンサに直列に抵抗を接続
し、この直列回路にスイッチを介して直流電圧を加えて
定常状態とした後、前記スイッチをオフとして過渡現象
を生ぜしめ、前記スイッチをオフとした後、所定時間経
過した時点における前記コンデンサ両端の電圧を読むこ
とにより前記静電容量を検出する請求項１記載の水分測
定方法。
【請求項３】前記抵抗の抵抗値をＲ₁とし、前記コン
デンサの両端間の直流抵抗値をＲ_xとし、前記所定時間
を△ｔとし、前記定常状態における前記コンデンサ両端
間の電圧をＶ₂₀とし、前記所定時間△ｔを経過した時点
での前記コンデンサ両端間の電圧をＶ_2tとするとき、前
記静電容量Ｃ_xを、Ｃ_x＝△ｔ／Ｒ_x／ｌ_n（Ｖ₂₀／Ｖ_2t）
から求める請求項２記載の水分測定方法。
【請求項４】被測定物質が間に充填されたときコンデ
ンサを形成するよう配された２枚の平行板電極と、前記
コンデンサに直列に接続された既知の抵抗器と、前記コ
ンデンサと前記抵抗器に直列に接続されたスイッチと、
前記コンデンサと前記抵抗器と前記スイッチの直列回路
に電圧を与える直流電源と、前記抵抗器の両端間の電圧
を測定する手段と、前記コンデンサの両端間の電圧を測
定する手段とを有する水分測定装置。