特許 5796704 ガラス膜抵抗測定回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5796704

(24)【登録日】2015年8月28日

(45)【発行日】2015年10月21日

(54)【発明の名称】ガラス膜抵抗測定回路

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/416 20060101AFI20151001BHJP

   G01N 27/04 20060101ALI20151001BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/46 353Z

   G01N27/04 Z

【請求項の数】1

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-118028(P2011-118028)

(22)【出願日】2011年5月26日

(65)【公開番号】特開2012-247251(P2012-247251A)

(43)【公開日】2012年12月13日

【審査請求日】2014年4月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(72)【発明者】

【氏名】石井 誠

【審査官】 谷垣 圭二

(56)【参考文献】

【文献】 実開平０６−０７６８５４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００７−２９２６８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２０７９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−０９６４７３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／４１６

Ｇ０１Ｎ ２７／０４

Ｇ０１Ｎ ２７／００

Ｇ０１Ｒ ２７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

センサ出力に所定の周波数のＰＷＭ波形を重畳させるＣＰＵと、前記ＰＷＭ波形が重畳
したセンサ出力をそれぞれ入力して前記センサ出力を測定する複数の電圧検出手段と、該
複数の電圧検出手段で検出される前記センサ出力がそれぞれ異なる所定の電圧に達するま
での時間を測定する複数のタイマーを備え、前記複数のタイマーで測定した時間に基づい
て前記センサ内部の抵抗値を測定するとともに、前記所定の周波数を設定したときの所定の電圧値になるまでの時間に対し、前記所定の電圧値になるまでの時間が所定時間短くなったときに前記所定の周波数を変更することを特徴とするガラス膜抵抗測定回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えばｐＨセンサやジルコニア酸素濃度センサ等における等価回路が電池と高抵抗からなるガラス膜抵抗の抵抗測定回路の構成に関する。

【背景技術】

【0002】

図３はｐＨセンサの一般的な構成を示す要部構成図である。このようなｐＨセンサではガラス電極を用いてそのガラス膜の内外に生じる電位差を検出することにより被測定液のｐＨを測定している。

【0003】

図３において１はガラス膜、２は内部緩衝液、３は塩化銀電極等の内部電極、４はガラス支持管、５は液絡セラミック、６は比較電極、７はホルダー、８はＫＣｌ溶液等の内部液、９及び１０は出力端子、１００は被測定液である。

【0004】

ガラス膜１はガラス支持管４に溶着され、ガラス膜１内部には内部緩衝液２が充填される。この内部緩衝液２中には内部電極３が配置され、内部電極３からの出力は出力端子９に出力される。

【0005】

一方、液絡セラミック５はホルダー７により保持され、内部には内部液８が充填される。この内部液８中には比較電極６が配置され、比較電極６からの出力は出力端子１０に出力される。

【0006】

上述の構成において。ガラス膜１及び液絡セラミック５は被測定液１００内に配置される。内部電極３は内部緩衝液２を介してガラス膜１の内壁に電気的に接続されるので、出力端子９にはガラス膜１の内壁に生じる電位が出力される。

【0007】

一方、比較電極６は内部液８、液絡セラミック５及び被測定液１００を介してガラス膜１の外壁に電気的に接続されるので、出力端子１０にはガラス膜１の外壁に生じる電位が出力される。

【0008】

従って、出力端子９及び１０の電位差を検出することにより被測定液１００のｐＨを測
定することができる。
図４はこのようなセンサのインピーダンス検出の概念を示すもので、矩形波発生回路１
１から矩形波Ｖｋを出し、ガラス電極１２−液ア−ス極１３間の抵抗値（Ｒｇ）及び比較
電極１４−液ア−ス極間１３の抵抗値（Ｒｆ）を検出している。
ガラス電極のインピーダンスは通常数十ＭΩであり、これが小さくなるとガラス電極の
破損とみなされ、比較電極のインピーダンス（通常数１０ｋΩ程度）が大きくなると比較
電極の劣化とみなしている。

【0009】

図５（ａ）はこのようなセンサのガラス膜抵抗を測定する従来の回路の要部ブロック構成図を示すものである。ここではセンサのガラス膜抵抗を測定することによりガラス膜の劣化や破損を監視している。
図５（ａ）において、２１はｐＨセンサの電極部の等価回路を示している。Ｖｇは水溶液のｐＨに対する起電力で、Ｒｇは電極膜の抵抗（ガラス膜抵抗）を示している。２０は変換器であり、この変換器２０にはＣＰＵ２７、バッファー２３ａ、２３ｂ、サンプルホールド回路２５およびＡＤコンバータ２６が配置され、ガラス抵抗Ｒｇとバッファ２３ａの入力端子の間には回路抵抗Ｒが接続されている。

【0010】

上述の構成において、ＣＰＵ２７からバッファ２３ｂを介して例えばイで示すような１００ＨｚのＰＷＭ（Pulse Width Modulation・・・パルス幅変調）波形を出力しセンサ２１の出力に重畳させる。

【0011】

その結果、変換器の入力端子Ｖｉｎは
Ｖｉｎ＝｛Ｒ／（Ｒｇ＋Ｒ）｝・（Ｖ＋Ｖｇ）・・・（１）式
となる。このＶｉｎは交流出力なので、バッファ２３ａを介してサンプルホールド回路２５に入力して直流電圧に変換し、ＡＤコンバータ２６を通して直流電圧Ｖ₀を測定する。

【0012】

図５（ｂ）はサンプルホールド回路でホールドした値を測定電圧Ｖ₀に変換する状態を示している。
なお、サンプルホールドするためのタイミングパルスはＣＰＵ２７から発せられる。
そして、測定電圧Ｖ₀と抵抗Ｒからセンサ２１のガラス膜抵抗Ｒｇを求めている。

【0013】

図６（ａ）は他の従来例を示す要部ブロック構成図である。この例においては、ガラス膜抵抗Ｒｇとバッファ２３ａの入力端子間にコンデンサＣが接続されている。その他の構成は図５（ａ）と同様である。

【0014】

この従来例は、センサのガラス膜抵抗Ｒｇとバッファ２３ａの入力端子間に接続されたコンデンサＣの過渡応答を利用し、ある時間ｔでサンプリングホールドを行ない、直流電圧に変換後、ＡＤコンバータでＶ₀を測定するもので、測定電圧Ｖ₀、コンデンサＣ、時間ｔよりセンサのガラス膜抵抗Ｒｇを求めるものである。この測定回路では図６（ｂ）で示すようにＶ₀で示す点をＣＰＵから発せられるタイミングパルスによりサンプルホールドして直流電圧に変換している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】特開平０９−５２９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

しかしながら、図５に示す測定回路では、センサの起電力Ｖｇも抵抗ＲｇとＲによって（1）式に示すように分圧されてしまい誤差になる。また、オペアンプなどのオフセット電圧も誤差になる。
また、図６に示す測定回路もセンサの起電力Ｖｇの影響を受ける。さらに、ガラス膜抵抗Ｒｇが１ＭΩ以上になると時定数が大きくなることから精度良く計ることが難しく、実際には抵抗値の値を表示することが出来ない。そのため、１０ＭΩ以上、１０Ｍ〜１ＭΩの間、１Ｍ〜１ｋΩの間など、抵抗値Ｒｇはある範囲でしか表示することができない。

【0017】

従って本発明は、センサのガラス膜抵抗Ｒｇとバッファ２３ａの入力端子間に接続されたコンデンサＣの過渡応答を利用し、測定箇所を連続的に複数箇所測定することで、ガラス膜抵抗Ｒｇの値を従来よりも幅広い範囲（１０ｋΩ〜１００ＭΩ程度）で測定できるようにし、また、サンプリングホールド回路を除去して、応答波形に重畳している直流成分を直流カットコンデンサなどを使用せずに計算で除去し、ＰＷＭの周波数を可変にすることで、測定時間を短縮し広範囲のガラス膜抵抗を高精度に測定可能としたガラス膜抵抗測定回路を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0018】

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載のガラス膜抵抗測
定回路においては、
センサ出力に所定の周波数のＰＷＭ波形を重畳させるＣＰＵと、前記ＰＷＭ波形が重畳
したセンサ出力をそれぞれ入力して前記センサ出力を測定する複数の電圧検出手段と、該
複数の電圧検出手段で検出される前記センサ出力がそれぞれ異なる所定の電圧に達するま
での時間を測定する複数のタイマーを備え、前記複数のタイマーで測定した時間に基づい
て前記センサ内部の抵抗値を測定するとともに、前記所定の周波数を設定したときの所定の電圧値になるまでの時間に対し、前記所定の電圧値になるまでの時間が所定時間短くなったときに前記所定の周波数を変更することを特徴とする。

【発明の効果】

【0020】

以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１によれば、
センサ出力に所定の周波数のＰＷＭ波形を重畳させるＣＰＵと、前記ＰＷＭ波形が重畳
したセンサ出力をそれぞれ入力して前記センサ出力を測定する複数の電圧検出手段と、該
複数の電圧検出手段で検出される前記センサ出力がそれぞれ異なる所定の電圧に達するま
での時間を測定する複数のタイマーを備え、前記複数のタイマーで測定した時間に基づい
て前記センサ内部の抵抗値を測定するとともに、前記所定の周波数を設定したときの所定の電圧値になるまでの時間に対し、前記所定の電圧値になるまでの時間が所定時間短くなったときに前記所定の周波数を変更するように構成したので、従来よりも幅広い範囲（１０ｋΩ〜１００ＭΩ程度）を測定でき、ＰＷＭの周波数を変えることで抵抗値を精度よく測定することができ、直流成分の影響も受けないガラス膜抵抗測定回路を実現することができ、回路の直流成分を除去することで回路の簡略化を図ることができる。また、抵抗値測定精度の向上や測定時間の短縮を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明のガラス膜抵抗測定回路の実施形態の一例を示す要部ブロック構成図である。

【図2】本発明のガラス膜抵抗測定のフローを示す図である。

【図3】ＰＨ計の一般的な構成例を示す図である。

【図4】インピーダンスの検出概念を示す図である。

【図5】従来のガラス膜抵抗測定回路の一例を示す要部ブロック構成図である。

【図6】従来のガラス膜抵抗測定回路の他の例を示す要部ブロック構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１（ａ〜ｃ）は本発明のガラス膜抵抗測定回路の実施形態の一例を示すもので、図１（ａ）は要部ブロック構成図、（ｂ）は起動時における測定周波数の算出のための説明図、（ｃ）は通常測定時におけるタイマーでの時間計測の一例を示す説明図である。

【0024】

図１（ａ）において、図５、図６と同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。２２は本発明における変換器であり、ＣＰＵ２７はセンサ２１に対してバッファー２３ｂを介してＰＷＭ波形を出力し、センサ２１の出力に例えばデューティ比５０％の矩形波を重畳させる。矩形波が重畳された信号はバッファー２３ａに入力され、その出力は後段に接続された第１電圧検出手段２８ａに入力される。バッファー２３ａからの出力信号は同じくバッファー２３ａの後段に接続された第２電圧検出手段２８ｂにも入力される。

【0025】

これら第１，第２電圧検出手段２８ａ,２８ｂはバッファー２３ａからの電圧値を検出する。２９ａは第１電圧検出手段２８ａの後段に接続された第１タイマーであり、２９ａｂは第２電圧検出手段２８ｂの後段に接続された第２タイマーである。
第１,第２タイマー２９ａ,２９ｂにはＣＰＵ２７からＰＷＭが入力されると共にタイマースタートパルスが入力される。

【0026】

図１（ｂ）は図１（ａ）に示すガラス膜抵抗測定回路における起動時の印加信号（イ）の周波数の算出例を示すもので、印加信号Ｖ(ステップ応答)に対して出力が７０％になるまでの第２タイマー２９ｂの時間を計測している。

【0027】

図１（ｃ）は図１（ａ）に示すガラス膜抵抗測定回路における第１，第２タイマー２９ａ,２９ｂでＶｉｎの電圧が印加信号Ｖの３０％，７０％になるまでの時間を測定している状態を示している。

【0028】

図２は本発明におけるガラス膜抵抗測定のフローを示す図である。フローに従って説明する。
ステップ１ 起動時において、印加信号の周波数を決めるためにＣＰＵ２７のＰＷＭ出力ポートをＬ→Ｈにする。
ステップ２ 応答波形が７０％電圧値になるまでの時間ｔ７０を第２タイマー２９ｂで計測する(図１（ｂ）参照)ＰＷＭ出力ポートをＬ→Ｈにする。そのタイミングで第２タイマー２９ｂがスタートする。Ｖｉｎの電圧が７０％になると「７０％電圧検出２８ｂ」の出力がＬ→Ｈになり第２タイマーに入力され第２タイマーがストップする。タイマーがスタートしてストップするまでの時間をＣＰＵ２７はシリアル通信でタイマーより読み込む。

【0029】

ステップ３ ＣＰＵのＰＷＭ出力(印加信号)を周波数=１／(ｔ７０×８)[Ｈｚ]に設定し、ＰＷＭ波形を出力する（ここで、周波数を１／(ｔ７０×８)[Ｈｚ]に設定するのは図１（ｂ，ｃ）に示す応答波形が十分に１００％になるまでの時間を確保するためのもので、必ずしも７０％に達するまでの時間の８倍でなくても良い）。
ステップ４ 応答波形が３０％電圧値になるまでの時間ｔ３０を第1タイマー２９ａで測定する。
ステップ５ 応答波形が７０％電圧値になるまでの時間ｔ７０をタイマー２９ｂで測定する

【0030】

ステップ６ ガラス膜抵抗Ｒｇを計算する。
ステップ７ 測定を終了するか否かを判断する。終了(ＹＥＳ)するのであればステップ９に進む。
ステップ９ ＰＷＭ出力を停止する。ステップ７において、測定を終了しない(ＮＯ)場合は、ステップ８に進む。

【0031】

ステップ８ 現在の周波数＜「１／(ｔ７０×１６)」Ｈｚであるかを判断し、ＮＯの場合はステップ４に戻る。ＹＥＳの場合はステップ１０に進む。
ステップ１０ 印加信号Ｖの周波数を１／(ｔ７０×８)Ｈｚに設定し、ＣＰＵのＰＷＭ出力(印加信号)を出力し、ステップ４に戻る。
抵抗の測定はステップ４〜ステップ８→ステップ１０を繰り返す。

【0032】

上記のフローにおいて、ステップ６におけるガラス膜抵抗は以下の計算式により計算する。
図１に示すコンデンサCの容量を１００ｐＦ、印加信号Ｖ(イ)の電圧を２Ｖ、第１タイマーで測定した時間をｔ３０（例えば３．５×１０^-3秒）、第２タイマーで測定した時間をｔ７０（例えば１０×１０^-3秒）としたとき、ガラス膜抵抗Ｒｇは次のようになる。

【0033】

【数1】

【0034】

【数2】

ここでＶｏｆｆは応答波形に重畳している直流成分で、(２)，(３)式より求めることが出来る。

【0035】

ガラス膜抵抗Ｒｇはセンサが劣化すると抵抗値が下がるため、抵抗の測定を続ける場合は、ＰＷＭの周波数が適切か否かを判断する。抵抗値が下がると７０％電圧値になるまでに時間が短くなるため、周波数を設定したときの７０％電圧値になるまでの時間に対し、現在の７０％電圧値になるまでの時間が例えば半分になったら周波数の設定を変える。次の不等号が成り立つときはステップ８に示すように周波数の設定を変える。
(現在の周波数＜「１／(ｔ７０×１６)」)

【0036】

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば、本実施例においては、ＣＰＵのＰＷＭ出力(印加信号)を周波数＝１／(ｔ７０×８)[Ｈｚ]としたが８倍に限ることなく応答波形が１００％になるまでの時間が十分に確保できれば例えば２以上に設定してもよい。また、実施例では応答波形の電圧が３０％と７０％になるまでの時間をタイマーで測定したがこの数値に限るものではなく、例えば４０％と８０％でもよい。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

【符号の説明】

【0037】

１ ガラス膜
２ 内部緩衝液
３ 内部電極
４ ガラス支持間管
５ 液絡セラミック
６ 参照電極
７ ホルダー
８ 内部液
９,１０ 出力端子
１１ 矩形波発生回路
１２ ガラス電極
１３ 液アース極
１４ 比較電極
２０，２２ 変換器
２１ センサ
２３ バッファー
２５ サンプルホールド回路
２６ ＡＤコンバータ
２７ ＣＰＵ
２８ 電圧検出回路
２９ タイマー
１００ 被測定液

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】