JPH0980035A - 溶液センサシステム - Google Patents
溶液センサシステムInfo
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- JPH0980035A JPH0980035A JP7259511A JP25951195A JPH0980035A JP H0980035 A JPH0980035 A JP H0980035A JP 7259511 A JP7259511 A JP 7259511A JP 25951195 A JP25951195 A JP 25951195A JP H0980035 A JPH0980035 A JP H0980035A
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 溶液センサシステムにおいて、力学量と電気
量の同時計測を可能とするとともに、安価な自動計測シ
ステムを提供すること。 【解決手段】 単一の圧電素子の表面に構成された第１
〜第３の３チャンネルのそれぞれに液体の貯溜可能な第
１〜第３の３センサセル（１４、２４、３４）が並設さ
れ、該第３チャンネルには、センサセル３４内に圧電素
子を露出した開口窓３５が形成される溶液センサシステ
ムである。
量の同時計測を可能とするとともに、安価な自動計測シ
ステムを提供すること。 【解決手段】 単一の圧電素子の表面に構成された第１
〜第３の３チャンネルのそれぞれに液体の貯溜可能な第
１〜第３の３センサセル（１４、２４、３４）が並設さ
れ、該第３チャンネルには、センサセル３４内に圧電素
子を露出した開口窓３５が形成される溶液センサシステ
ムである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、溶液の粘性、導電
率及び比誘電率を同時計測する溶液センサシステムに係
り、特にすべり弾性表面波（ＳＨ−ＳＡＷ）を用いた溶
液センサシステムに関する。
率及び比誘電率を同時計測する溶液センサシステムに係
り、特にすべり弾性表面波（ＳＨ−ＳＡＷ）を用いた溶
液センサシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】すべり弾性表面波を用いて液体の力学量
（粘性）や電気量（導電率及び比誘電率）を計測する超
音波計測センサが提案されている。
（粘性）や電気量（導電率及び比誘電率）を計測する超
音波計測センサが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来技術に
係る力学量や電気量の計測センサはそれぞれ個別のセン
サセルを用いるものであるため、同時にそれらの両物理
量を計測することができなかった。また従来技術の測定
系は、信号発生器とベクトルボルトメータの組み合せか
らなるものであるため、高価格に加えて計測に長時間を
要した。
係る力学量や電気量の計測センサはそれぞれ個別のセン
サセルを用いるものであるため、同時にそれらの両物理
量を計測することができなかった。また従来技術の測定
系は、信号発生器とベクトルボルトメータの組み合せか
らなるものであるため、高価格に加えて計測に長時間を
要した。
【０００４】本発明の課題は、溶液センサシステムにお
いて、力学量と電気量の同時計測を可能とするととも
に、安価な自動計測システムを提供することにある。
いて、力学量と電気量の同時計測を可能とするととも
に、安価な自動計測システムを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
に係る溶液センサシステムは、単一の圧電素子の表面に
構成された第１〜第３の３チャンネルのそれぞれに、液
体の貯溜可能な第１〜第３の３センサセルが並設され、
該第３チャンネルには、センサセル内に圧電素子を露出
した開口窓が形成され、各センサセルの両側に１組の送
信電極及び受信電極が上記圧電素子に直接固着され、上
記送信電極に、共通の高周波発振器がセンサセルに対応
して選別接続されるとともに、上記送信電極と受信電極
に、共通の伝搬特性計測器が高周波発振器とこれに選別
接続されたセンサセルとの結合からなる計測システムの
形成と連動して選別接続可能に構成されたものである。
に係る溶液センサシステムは、単一の圧電素子の表面に
構成された第１〜第３の３チャンネルのそれぞれに、液
体の貯溜可能な第１〜第３の３センサセルが並設され、
該第３チャンネルには、センサセル内に圧電素子を露出
した開口窓が形成され、各センサセルの両側に１組の送
信電極及び受信電極が上記圧電素子に直接固着され、上
記送信電極に、共通の高周波発振器がセンサセルに対応
して選別接続されるとともに、上記送信電極と受信電極
に、共通の伝搬特性計測器が高周波発振器とこれに選別
接続されたセンサセルとの結合からなる計測システムの
形成と連動して選別接続可能に構成されたものである。
【０００６】請求項２に記載の本発明は、請求項１に記
載の本発明において更に、前記第１、第２センサセルの
何れかに参照液を貯溜し、残りの２センサセルに測定液
を負荷して、各センサセルの送信電極と受信電極の間を
伝搬するすべり弾性表面波の発振周波数の変化と振幅の
それぞれを計測し、参照液と測定液のそれぞれについて
得た測定データの比較から測定液の粘性、導電率及び比
誘電率を同時計測可能に構成されたものである。
載の本発明において更に、前記第１、第２センサセルの
何れかに参照液を貯溜し、残りの２センサセルに測定液
を負荷して、各センサセルの送信電極と受信電極の間を
伝搬するすべり弾性表面波の発振周波数の変化と振幅の
それぞれを計測し、参照液と測定液のそれぞれについて
得た測定データの比較から測定液の粘性、導電率及び比
誘電率を同時計測可能に構成されたものである。
【０００７】請求項３に記載の本発明は、請求項１又は
２に記載の本発明において更に、信号増幅器、すべり弾
性表面波センサ及び自動利得制御回路で帰還発振ループ
を形成し、常に送信電極に一定電圧を印加した状態で受
信電圧と発振周波数を計測し、すべり弾性表面波の減衰
と音速の連続計測が可能な回路構成としたものである。
２に記載の本発明において更に、信号増幅器、すべり弾
性表面波センサ及び自動利得制御回路で帰還発振ループ
を形成し、常に送信電極に一定電圧を印加した状態で受
信電圧と発振周波数を計測し、すべり弾性表面波の減衰
と音速の連続計測が可能な回路構成としたものである。
【０００８】請求項４に記載の本発明は、請求項１〜３
のいずれかに記載の本発明において更に、前記圧電素子
が36度回転Ｙ板Ｘ伝搬Ｌi Ｔa Ｏ3 から構成されたもの
である。
のいずれかに記載の本発明において更に、前記圧電素子
が36度回転Ｙ板Ｘ伝搬Ｌi Ｔa Ｏ3 から構成されたもの
である。
【０００９】請求項１に記載の本発明によれば下記の
作用効果がある。 単一の圧電素子の表面に構成された第１〜第３の３チ
ャンネルのそれぞれに、第１〜第３の３センサセルが並
設されて、各センサセル内に液体が貯溜可能とされ、該
第３チャンネルには、対応する第３センサセル内に圧電
素子を露出した開口窓が形成される。
作用効果がある。 単一の圧電素子の表面に構成された第１〜第３の３チ
ャンネルのそれぞれに、第１〜第３の３センサセルが並
設されて、各センサセル内に液体が貯溜可能とされ、該
第３チャンネルには、対応する第３センサセル内に圧電
素子を露出した開口窓が形成される。
【００１０】すべり弾性表面波（ＳＡＷ）は、センシン
グ面（ＳＡＷ伝搬面）の状態により、測定される物理量
を変えることが可能で、第１、第２センサセル（第１、
第２チャンネル）のように伝搬面が電気的に短絡の場合
は力学量が、第３センサセル（第３チャンネル）のよう
に電気的に開放（開口窓があって圧電素子に直接接続さ
れる）の場合は電気量が計測される。
グ面（ＳＡＷ伝搬面）の状態により、測定される物理量
を変えることが可能で、第１、第２センサセル（第１、
第２チャンネル）のように伝搬面が電気的に短絡の場合
は力学量が、第３センサセル（第３チャンネル）のよう
に電気的に開放（開口窓があって圧電素子に直接接続さ
れる）の場合は電気量が計測される。
【００１１】請求項２に記載の本発明によれば下記の
作用効果がある。 第１（もしくは第２）チャンネルのセンサセルに貯溜
した参照液（標準液）と第２（もしくは第１）、第３チ
ャンネルに貯溜した測定液のそれぞれのすべり弾性表面
波の伝搬特性を同一測定回路で切換比較計測して、測定
液の力学量と電気量の同時計測を可能とする。
作用効果がある。 第１（もしくは第２）チャンネルのセンサセルに貯溜
した参照液（標準液）と第２（もしくは第１）、第３チ
ャンネルに貯溜した測定液のそれぞれのすべり弾性表面
波の伝搬特性を同一測定回路で切換比較計測して、測定
液の力学量と電気量の同時計測を可能とする。
【００１２】請求項３に記載の本発明によれば下記の
作用効果がある。 測定回路に、すべり弾性表面波の伝搬経路を含めた帰
還発振回路を用いたことにより、計測の自動化と低価格
化が達成できる。
作用効果がある。 測定回路に、すべり弾性表面波の伝搬経路を含めた帰
還発振回路を用いたことにより、計測の自動化と低価格
化が達成できる。
【００１３】請求項４に記載の本発明によれば下記の
作用効果がある。 センサ基板に３６度回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ3 を用
いると、目的とするすべり弾性表面波以外の不要弾性波
（縦液等のスプリアス振動）が発生せず、他の素子に比
較して電気機械結合係数が大きいので高感度のセンサが
実現できる。
作用効果がある。 センサ基板に３６度回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ3 を用
いると、目的とするすべり弾性表面波以外の不要弾性波
（縦液等のスプリアス振動）が発生せず、他の素子に比
較して電気機械結合係数が大きいので高感度のセンサが
実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は本発明に係る溶液センサの
システムの一実施形態を示す模式図、図２は本発明に係
る溶液センサシステムの測定系統図、図３は水溶液の音
速及び減衰の測定例を示す図、図４は水溶液の濃度に対
する電気特性による速度変化の測定例を示す図、図５は
電気量による変化の例を比誘電率−導電率図表に示した
図である。
システムの一実施形態を示す模式図、図２は本発明に係
る溶液センサシステムの測定系統図、図３は水溶液の音
速及び減衰の測定例を示す図、図４は水溶液の濃度に対
する電気特性による速度変化の測定例を示す図、図５は
電気量による変化の例を比誘電率−導電率図表に示した
図である。
【００１５】図１に示すように、溶液センサ４０は単一
の圧電素子４１の表面に、３チャンネルの送・受信セン
サ（１０、２０、３０）を有して構成される。
の圧電素子４１の表面に、３チャンネルの送・受信セン
サ（１０、２０、３０）を有して構成される。
【００１６】図１で１１、２１、３１は送信電極、１
２、２２、３２は短絡電極、１３、２３、３３は受信電
極、１４、２４、３４はセンサセル、３５は短絡電極３
４の一部の貫通孔で圧電素子４１が露出するようにした
開口窓である。断面図にある４２、４３はセンサセルの
プール外壁である。
２、２２、３２は短絡電極、１３、２３、３３は受信電
極、１４、２４、３４はセンサセル、３５は短絡電極３
４の一部の貫通孔で圧電素子４１が露出するようにした
開口窓である。断面図にある４２、４３はセンサセルの
プール外壁である。
【００１７】各電極（送・受信電極及び短絡電極）は、
36度回転Ｙ板Ｘ伝搬Ｌi Ｔa Ｏ3 の圧電素子４１の表面
（センシング面）にＣｕ／Ａｕ蒸着膜によって形成され
る。
36度回転Ｙ板Ｘ伝搬Ｌi Ｔa Ｏ3 の圧電素子４１の表面
（センシング面）にＣｕ／Ａｕ蒸着膜によって形成され
る。
【００１８】第１チャンネルのセンサセル１４に参照用
の標準液を負荷し、第２、第３チャンネルのセンサセル
２４、３４に測定液を負荷すると、第１、第２チャンネ
ルの測定量のコンピュータ処理により測定液の力学量、
第１、第３チャンネルの測定量のコンピュータ処理によ
り測定液の電気量が計測できる。
の標準液を負荷し、第２、第３チャンネルのセンサセル
２４、３４に測定液を負荷すると、第１、第２チャンネ
ルの測定量のコンピュータ処理により測定液の力学量、
第１、第３チャンネルの測定量のコンピュータ処理によ
り測定液の電気量が計測できる。
【００１９】この場合は、第２、第３チャンネルのセン
サセル２４、３４に同一測定液を負荷するため、センサ
セル２４及び３４は、図１に破線で示したように共通の
プールにすることもできる。
サセル２４、３４に同一測定液を負荷するため、センサ
セル２４及び３４は、図１に破線で示したように共通の
プールにすることもできる。
【００２０】図２は第１チャンネル（Ｃｈ．１）測定の
場合を示し、溶液センサ４０の第１チャンネル対応送信
電極１１は、自動利得制御回路５２により送信電圧が印
加される。送信電極１１には中心周波数50.2 MHzのすべ
り弾性表面波が発生し、対応するセンサセル１４内を伝
搬し、標準液の情報を対応する受信電極１３に伝える。
受信信号は、信号増幅器５１により増幅されて、自動利
得制御回路５２に帰還される。
場合を示し、溶液センサ４０の第１チャンネル対応送信
電極１１は、自動利得制御回路５２により送信電圧が印
加される。送信電極１１には中心周波数50.2 MHzのすべ
り弾性表面波が発生し、対応するセンサセル１４内を伝
搬し、標準液の情報を対応する受信電極１３に伝える。
受信信号は、信号増幅器５１により増幅されて、自動利
得制御回路５２に帰還される。
【００２１】自動利得制御回路５２→溶液センサ４０→
信号増幅器５１→自動利得制御回路５２の閉回路によっ
て構成される測定系は、発信ループを形成し、溶液の音
速に対応した繰り返し周波数で発振し、送信電圧は一定
振幅に制御される。このため、信号増幅器５１の出力を
検波回路５３で検波すると、標準液の振幅がデジタルマ
ルチメータ５４によって計測されコンピュータ５５に入
力される。
信号増幅器５１→自動利得制御回路５２の閉回路によっ
て構成される測定系は、発信ループを形成し、溶液の音
速に対応した繰り返し周波数で発振し、送信電圧は一定
振幅に制御される。このため、信号増幅器５１の出力を
検波回路５３で検波すると、標準液の振幅がデジタルマ
ルチメータ５４によって計測されコンピュータ５５に入
力される。
【００２２】一方、発振ループの発振周波数は、水晶発
振器５６の基準周波数とミキサ回路５７によってミキシ
ングされ、その差周波数が周波数カウンタ５８により計
測され、標準液の音速特性に対応した周波数をコンピュ
ータ５５に入力される。以上の計測からコンピュータ入
力までの一連の動作は全て自動的に行なわれる。
振器５６の基準周波数とミキサ回路５７によってミキシ
ングされ、その差周波数が周波数カウンタ５８により計
測され、標準液の音速特性に対応した周波数をコンピュ
ータ５５に入力される。以上の計測からコンピュータ入
力までの一連の動作は全て自動的に行なわれる。
【００２３】同様の測定を自動的に第２、第２チャンネ
ル（Ｃｈ．２、Ｃｈ．３）で繰り返し実施し、コンピュ
ータ５５に入力された、(a) 第１、第２チャンネルの振
幅と周波数のそれぞれの比較から測定液の力学量、同じ
く(b) 第１、第３チャンネルの振幅と周波数のそれぞれ
の比較から測定液の電気量が算出される。
ル（Ｃｈ．２、Ｃｈ．３）で繰り返し実施し、コンピュ
ータ５５に入力された、(a) 第１、第２チャンネルの振
幅と周波数のそれぞれの比較から測定液の力学量、同じ
く(b) 第１、第３チャンネルの振幅と周波数のそれぞれ
の比較から測定液の電気量が算出される。
【００２４】具体例として、グリセリンと４種のアルコ
ールについての測定例を示す。各試料は市販のＪＩＳ特
級試薬を100 ％として、グリセリンは10〜88wt％、アル
コールは10〜100vol％を蒸留水により希釈したものを使
用した。
ールについての測定例を示す。各試料は市販のＪＩＳ特
級試薬を100 ％として、グリセリンは10〜88wt％、アル
コールは10〜100vol％を蒸留水により希釈したものを使
用した。
【００２５】図３にグリセリンとメタノールの各水溶液
の測定例を示す。同図で、横軸は周波数変化により得ら
れた伝搬速度変化ΔＶ／Ｖ、縦軸は減衰変化Δα／ｋで
ある。
の測定例を示す。同図で、横軸は周波数変化により得ら
れた伝搬速度変化ΔＶ／Ｖ、縦軸は減衰変化Δα／ｋで
ある。
【００２６】図３（ａ）はグリセリン水溶液の特性で、
６１は電気量、６２は力学量である。図３（ｂ）はメタ
ノール水溶液の特性で、６３は電気量、６４は力学量で
ある。
６１は電気量、６２は力学量である。図３（ｂ）はメタ
ノール水溶液の特性で、６３は電気量、６４は力学量で
ある。
【００２７】図３から力学量（粘性）の変化（６２、６
４）は、グリセリンが左上がり、メタノールが右下がり
となっている。これは蒸留水からの粘性の変化に一致す
る。電気量による変化（６１、６３）からは、誘電率が
大きく変化していることがわかる。
４）は、グリセリンが左上がり、メタノールが右下がり
となっている。これは蒸留水からの粘性の変化に一致す
る。電気量による変化（６１、６３）からは、誘電率が
大きく変化していることがわかる。
【００２８】図４は４種のアルコールについての濃度・
速度変化（電気量に対応した）特性である。
速度変化（電気量に対応した）特性である。
【００２９】同図で７１はメタノール、７２はエタノー
ル、７３は１プロパノール、７４は２プロパノールであ
る。分子構造が似た１プロパノール７３と２プロパノー
ル７４にははっきりとした違いはみられないが、それら
とエタノール７２、メタノール７１には違いがみられ
る。
ル、７３は１プロパノール、７４は２プロパノールであ
る。分子構造が似た１プロパノール７３と２プロパノー
ル７４にははっきりとした違いはみられないが、それら
とエタノール７２、メタノール７１には違いがみられ
る。
【００３０】図５は上述の５種の試料の電気量による変
化を、比誘電率−導電率図表上に示したものである。
化を、比誘電率−導電率図表上に示したものである。
【００３１】同図から各試料とも導電率の変化（σ／ｆ
×10-8ｓ・ｍ-1Ｈ2 -1 ）は微小で比誘電率（εr'）が大
きく変わっている。
×10-8ｓ・ｍ-1Ｈ2 -1 ）は微小で比誘電率（εr'）が大
きく変わっている。
【００３２】
【発明の効果】以上のように、本発明に係る溶液センサ
システムによれば、溶液の力学量（粘性）と電気量（導
電率と比誘電率）を、高精度に同時測定することができ
る。
システムによれば、溶液の力学量（粘性）と電気量（導
電率と比誘電率）を、高精度に同時測定することができ
る。
【図１】図１は本発明に係る溶液センサのシステムの一
実施形態を示す模式図である。
実施形態を示す模式図である。
【図２】図２は本発明に係る溶液センサシステムの測定
系統図である。
系統図である。
【図３】図３は水溶液の音速及び減衰の測定例を示す図
である。
である。
【図４】図４は水溶液の濃度に対する電気特性による速
度変化の測定例を示す図である。
度変化の測定例を示す図である。
【図５】図５は電気量による変化の例を比誘電率−導電
率図表に示した図である。
率図表に示した図である。
１０、２０、３０ 送・受信センサ １１、２１、３１ 送信電極 １２、２２、３２ 短絡電極 １３、２３、３３ 受信電極 １４、２４、３４ センサセル ３５ 開口窓 ４０ 溶液センサ ５２ 自動利得制御回路 ５４ デジタルマルチメータ ５５ コンピュータ ５８ 周波数カウンタ
Claims (4)
- 【請求項１】 単一の圧電素子の表面に構成された第１
〜第３の３チャンネルのそれぞれに、液体の貯溜可能な
第１〜第３の３センサセルが並設され、 該第３チャンネルには、センサセル内に圧電素子を露出
した開口窓が形成され、 各センサセルの両側に１組の送信電極及び受信電極が上
記圧電素子に直接固着され、 上記送信電極に、共通の高周波発振器がセンサセルに対
応して選別接続されるとともに、上記送信電極と受信電
極に、共通の伝搬特性計測器が高周波発振器とこれに選
別接続されたセンサセルとの結合からなる計測システム
の形成と連動して選別接続可能に構成された溶液センサ
システム。 - 【請求項２】 前記第１、第２センサセルの何れかに参
照液を貯溜し、残りの２センサセルに測定液を負荷し
て、各センサセルの送信電極と受信電極の間を伝搬する
すべり弾性表面波の発振周波数の変化と振幅のそれぞれ
を計測し、参照液と測定液のそれぞれについて得た測定
データの比較から測定液の粘性、導電率及び比誘電率を
同時計測可能に構成された請求項１に記載の溶液センサ
システム。 - 【請求項３】 信号増幅器、すべり弾性表面波センサ及
び自動利得制御回路で帰還発振ループを形成し、常に送
信電極に一定電圧を印加した状態で受信電圧と発振周波
数を計測し、すべり弾性表面波の減衰と音速の連続計測
が可能な回路構成とした請求項１又は２に記載の溶液セ
ンサシステム。 - 【請求項４】 前記圧電素子が36度回転Ｙ板Ｘ伝搬Ｌi
Ｔa Ｏ3 から構成された請求項１〜３のいずれかに記載
の溶液センサシステム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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