JPH0670659B2 - 液体の導電率測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、いわゆる電磁誘導法による液体の導電率測定
装置に関する。

（従来の技術） 周知のように、電磁誘導法は、液体中に電磁誘導によっ
て流れる交流の液電流を検出して液体の導電率を測定す
る方法であり、この方法による従来の導電率測定装置を
等価回路で示すと第４図のとおりとなる。

すなわち、同図において51は交流電源、52は交流電源51
に接続された励磁トロイダルコイル（以下、励磁トロイ
ドという）、53は導電率を測定すべき液体100を介し
て、励磁トロイド52と電磁的に結合される検出トロイダ
ルコイル（以下、検出トロイドという）、54は検出トロ
イド53の両端に接続された抵抗、55は増幅器、56は指示
計をそれぞれ示している。

この測定装置では、抵抗54を流れる電流I_oが液体100の
抵抗ｒに反比例することから、抵抗54の両端の電圧を検
出することにより、液体100の導電率ｋ∝1/r を求めている。

ここで、交流電源電圧をＥ、励磁トロイド52の一次側イ
ンダクタンスをL₁、一次側巻数をn₁、一次側電流をI₁、
励磁トロイド52側からの電磁誘導により液体100中を各
トロイド52,53に鎖交するように流れる液電流をI₂、励
磁トロイド52の二次側インダクタンスをL₂、検出トロイ
ド53の一次側インダクタンスをL₃、同じく二次側インダ
クタンスをL₀、二次側巻数をn₀、二次側電流をI₀、抵抗
54の値をＲとする。

この等価回路を解析すると、以下のとおりとなる。

まず、各トロイド52,53は漏洩磁束を無視できるから、
液電流回路を１個のコイルと考えると、励磁トロイド52
の一次、二次コイル間の相互インダクタンスM₁₂及び検
出トロイド53の一次、二次コイル間の相互のインダクタ
ンスM₃₀は、 となる。また、各電流I₁，I₂，I₀が流れる閉回路につい
て、キルヒホッフの第二法則により以下の連立方程式が
成立する。なお、交流電源電圧Ｅは角周波数ωの正弦波
とする。

この（２）式において、左辺の行列のM₁₂，M₃₀に前記
（１）式を代入して行列式の値を求めると、 となる。従って、電流I₀は、 となる。よって、出力側の抵抗54に発生する電圧E₀は、 であり、L₁＝n₁ ²L₂であるから、 また、L₀＝n₀ ²L₃であるから、 となる。抵抗値ＲをωL₀に比べて十分大きくすると、分
母括弧内の第２項の絶対値は第１項に比べて十分小さく
なるので、 となる。ここで、ｒは液抵抗、ωL₃は検出トロイド53の
一巻コイルのリアクタンスであるから、通常の測定条件
では、 ｒ≫ωL₃ ……（６） が成り立つので、 となる。逆に、抵抗値ＲをωL₀に比べて十分に小さくし
てＲ′とする。すなわち、 とし、この時の出力電圧をE₀′とすると、（５）式から （６），（８）式の条件から、上式の分母第２項は第１
項に比べて十分小さいため無視できて、 また、（７），（８），（９）式から、次式が得られ
る。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、抵抗値Ｒを大きくすれば、（７）式に
よって出力電圧の絶対値｜E₀｜を検出トロイド53の巻数
n₀に比例させることができ、検出感度の増大を図ること
ができる。しかるに、（７）式はインダクタンスL₃を含
んでおり、このインダクタンスは周知のように検出トロ
イド53のコアの透磁率に比例する。従って、周囲温度の
変化に伴う透磁率の変化が出力電圧に直接影響してしま
い、検出精度が低くなってしまうという問題があった。

一方、抵抗値Ｒ（Ｒ′）をωL₀に対して小さくすれば、
（９）式に示すように透磁率の変化の影響を小さくでき
るが、（10）式が示すように出力電圧｜E₀｜（｜E₀′
｜）が相対的に低くなってしまう。このため、現実的に
透磁率変化の影響を小さくして、しかもあるレベルの出
力電圧を得るためには、必然的に検出トロイド53のコイ
ルの巻数n₀を小さくできない。一方トロイドコアは強磁
性体なので磁歪現象を避けられず、コアに機械的衝撃が
加わると微小な磁化変化を起し、微小な磁束変化が発生
する。

このため、検出トロイド53のコイルの巻数が大きい場
合、この微小磁束変化をノイズとして検出してしまうと
いう問題があった。

本発明は上記問題点を解消するために提案されたもの
で、その目的とするところは、周囲温度の変化や機械的
衝撃に抱らず十分な出力レベルを確保できるようにして
検出感度及び検出精度の向上を可能にした液体の導電率
測定装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明は、第１図に示すよう
に交流電源１及び励磁トロイダルコイル２により発生す
る液電流I₂が鎖交する検出トロイダルコイル３におい
て、液電流I₂により検出トロイダルコイル３のコア3Aに
生じる磁束を打ち消してコア3A内の全磁束φを事実上ゼ
ロにするような電流I₀を、全磁束φの検出手段５を有す
る外部の増幅器４により検出トロイダルコイル３の磁束
打消コイル3Bに供給するものである。

（作用） 検出トロイド３の磁束打消コイル3Bの巻数をn₀とする
と、液電流I₂及び電流I₀の起磁力が等しい時、すなわち I₂＝n₀I₀ …（11） ならばコア3A内の磁束φはゼロになり、この条件が満た
されれば、検出トロイド３のコイルのインダクタンス
L₃，L₀はゼロになる。

ここで、励磁トロイド２は実質上、変圧器と等価である
から、液電流回路には交流電源１及び励磁トロイド２か
らなる起電力E/n₁の交流電源が接続されているとみなす
ことができる。よって液電流I₂は、 となり、（11）式から （k:液体100の導電率） となる。

従って、I₀を電圧に変換して導電率が既知の液体の出力
電圧と比較すれば、液体100の導電率ｋを求めることが
できる。

すなわち、本発明においては、コア3Aの磁束φがゼロと
なるような電流I₀を求めれば液体100の導電率ｋを求め
ることができる。この時、コア3Aには磁束φが存在しな
いから、温度変化により透磁率が変動しても電流I₀に影
響を与えることはなく、また、検出トロイド３のコイル
3Bの巻数n₀は、従来の方法のように大きな値に選ばなけ
ればならない制約がなくなり、以下の各実施例が示す如
き条件の中で増幅器４の増幅度を高く選ぶことにより、
巻数n₀を適当な小さい値に選ぶことができるので、トロ
イドコア3Aに機械的衝撃が加わっても、発生する磁歪ノ
イズを十分低くすることができる。

（実施例） 以下、図に沿って本発明の実施例を説明する。なお、以
下の第１及び第２実施例は、共に第１図における増幅器
４の構成が異なるものである。

まず、第２図は本発明の第１実施例を示すもので、図に
おいて10は交流電源であり、この交流電源10は第１図と
同様に、電圧Ｅの交流電圧１と一次側コイルの巻数がn₁
である励磁トロイド２とを合成して起電力E/n₁を有する
ものとして示してある。

また、30は励磁トロイドにより誘導される液電流I₂がコ
ア30Aに鎖交する検出トロイドであり、この検出トロイ
ド30は巻数がそれぞれn₀,nの磁束打消コイル30B₁，全磁
束検出コイル30B₂を有している。ここで、コイル30B₂は
第１図における全磁束検出手段５に相当している。な
お、コイル30B₁，30B₂は、鎖交する液電流I₂がコイル30
B₂に誘起する電圧と、後述する交流増幅器41からコイル
30B₁に流入する電流I₀が同じくコイル30B₂に誘起する電
圧とが互いに逆位相になるように配置されている。この
うち一方のコイル30B₂の両端は、電圧増幅度Ａが極めて
大きい交流増幅器41の入力側に接続され、また、他方の
コイル30B₁の両端は交流増幅器41の出力側に接続されて
いる。さらに、コイル30B₁には抵抗42が直列に接続され
ている。

次に、第２図の回路を解析する。前記同様に電源電圧Ｅ
が角周波数ωの正弦波とし、交流増幅器41の出力電圧を
V₀とすると、交流増幅器41の入力インピーダンスを十分
高くすれば、第２図中の各閉回路について次の連立方程
式が成立する。

ここで、L₃は検出トロイド30の一次側インダクタンス、
L₀はコイル30B₁のインダクタンス、Ｌはコイル30B₂のイ
ンダクタンス、Ｒは抵抗42の値を示し、また、 は各インダクタンスによる相互インダクタンスをそれぞ
れ示している。

検出トロイド30のコア30Aの全磁束をφ、交流増幅器41
の入力電圧をViとすると、 であり、先の（13）式からI₂，I₀を求めて（14）式に代
入すると、 となる。

一方、I₀＝Ｏ（磁束打消コイル30B₁に電流を流さない
時）のコイル30B₂の誘起電圧をVi′，その時のコア30A
の磁束をφ′とすると となる。

ViとVi′との比を求めると となる。

ここで、前記（６）式の条件及び|A|が十分大きいこと
を考えると となる。ここで ならば となり、第１図及び（12）式において説明したように、 が成立する。よって、第２図における抵抗42の両端の電
圧E₀は、 となり、液体100の導電率ｋに比例した出力電圧を得る
ことができるから、導電率が既知の液体の出力電圧との
比例関係により、目的とする液体100の導電率ｋを算出
することができる。

次に、第３図は本発明の第２実施例を示している。

この実施例は、第１図の増幅器４として、電圧増幅器度
Ａが極めて大きいオペアンプ43を用いたものであり、第
３図において44は帰還抵抗、30は検出トロイド、30Aは
コア、30Bはコイルをそれぞれ示している。なお、第３
図の回路は信号成分のみに着目して描かれているので、
回路の直流電圧のバランスをとるために必要な考慮、例
えば直流分阻止コンデンサ等は省略されている。

この構成において、オペアンプ43に接続されたコイル30
Bは、コア30Aに発生する全磁束φを検出する全磁束検出
コイルの機能と、オペアンプ43から供給される電流I₀に
より磁束φを打ち消す磁束をコア30Aに発生させる磁束
打消コイルの機能とを兼ねており、この点において第１
図の構成の一つの実施例となっている。

この実施例において、電源電圧Ｅが前記同様角周波数ω
の正弦波とすると、次の連立方程式が成立する。

ここで、コイル30Bの両端に発生する電圧をViとすると （21）式を解いて（22）式に代入すると、 前記同様にI₀＝Ｏの場合にコイル30Bに誘起する電圧V
i′及びコア30Aの磁束をφ′とすると であり、（23）式及び（24）式からViとVi′との比を求
めると となり、また、前記同様に となる。ここで ならば であり、以後は前述した（20）式によって液体100の導
電率ｋに比例した出力電圧E₀を得ることができるもので
ある。

なお、電流I₀を供給する増幅器は上記第１及び第２実施
例に何ら限定されるものではなく、検出トロイド内の磁
束を相殺して事実上ゼロにできるものであれば、種々の
変更が可能である。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、検出トロイド内の磁束を
事実上ゼロとするような電流を外部の増幅器から供給す
れば、その電流が液体の導電率に比例するため、この電
流を電圧に変換することによって導電率を簡単に求める
ことができる。

このとき検出トロイドのコア内には磁束が事実上存在し
ないから、周囲温度の変化によりコアの透磁率が変化し
ても出力信号に何ら影響を与えることはない。また、増
幅器の増幅度を十分高く選ぶことにより検出トロイドの
コイルの巻数n₀を適当に低い値に選ぶことができるの
で、機械的衝撃による不要なノイズ電圧の発生を防ぐこ
とができる。

更に、増幅器の増幅度を高く選ぶことにより、例えば、
第１実施例における条件式（18）式，第２実施例におけ
る（26）式の制約の中で出力側の抵抗Ｒを大きく選ぶこ
とができるから、高いレベルの出力電圧を得ることがで
き、検出精度及び検出感度の大幅な向上が可能になる。

加えて、外部から電流を供給する増幅器は簡単な回路構
成により実現できるため、低コストにて信頼性の高い導
電率測定装置を提供することができる等の効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示す等価回路図、第２図及び第
３図はそれぞれ本発明の第1,第２実施例を示す等価回路
図、第４図は従来例を示す等価回路図である。 1,10……交流電源 ２……励磁トロイダルコイル（励磁トロイド） 3,30……検出トロイダルコイル（検出トロイド） 3A,30A……コア 3B,30B₁……磁束打消コイル 30B……全磁束検出，磁束打消兼用コイル 30B₂……全磁束検出コイル ４……増幅器、41……交流増幅器 42,44……抵抗、43……オペアンプ、100……液体 ５……全磁束検出手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電源に接続された励磁トロイダルコイ
   ルと、この励磁トロイダルコイルにより発生する液体中
   の液電流が鎖交する検出トロイダルコイルとを備え、こ
   の検出トロイダルコイルを流れる電流から前記液体の導
   電率を測定する導電率測定装置において、 前記液電流によって前記検出トロイダルコイルのコアに
   発生する磁束を事実上打ち消す電流を、外部の増幅器か
   ら前記検出トロイダルコイルのコイルに流入させ、この
   時の流入電流の値によって前記液体の導電率を求めるこ
   とを特徴とする液体の導電率測定装置。