特開 2022-39100 測定装置及びその方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022039100

(43)【公開日】2022-03-10

(54)【発明の名称】測定装置及びその方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 27/22 20060101AFI20220303BHJP

   G01N 27/06 20060101ALI20220303BHJP

【ＦＩ】

G01R27/22 Z

G01N27/06 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020143939

(22)【出願日】2020-08-27

(71)【出願人】

【識別番号】510132211

【氏名又は名称】牧野 繁

(71)【出願人】

【識別番号】511010635

【氏名又は名称】牧野 大地

(71)【出願人】

【識別番号】520198498

【氏名又は名称】株式会社ＯＲＡＮＧＥ ｋｉｔｃｈｅｎ

(74)【代理人】

【識別番号】100090413

【弁理士】

【氏名又は名称】梶原 康稔

(72)【発明者】

【氏名】牧野 繁

(72)【発明者】

【氏名】牧野 大地

【テーマコード（参考）】

2G028

2G060

【Ｆターム（参考）】

2G028AA01

2G028BC04

2G028CG02

2G028CG22

2G028DH09

2G028GL04

2G028GL07

2G028HN03

2G028HN09

2G060AA05

2G060AA14

2G060AC01

2G060AF08

2G060AF11

2G060AG03

2G060FA01

2G060HC10

(57)【要約】

【課題】 単純な構造でありながら、外乱の影響を受けにくく、精度の高い測定を行う。
【解決手段】
疑似白色雑音発生器２２から出力された白色雑音の電圧は、一方において、Ａ／Ｄ変換器２４でデジタル信号に変換されて相関器４０に入力され、他方において、測定対象の液体１０に浸されている電極２０に印加される。すると、電極２０から液体１０を介して電極３０に電流が流れる。この白色雑音の電流は、電流アンプ３２で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器３４でデジタル信号に変換されて相関器４０に入力される。相関器４０では、入力された白色雑音の電圧信号と電流信号の間の相互相関関数が演算される。電極２０→液体１０→電極３０に至る伝達関数に、求めたい液体１０の導電度による電流の変化が反映するので、相互相関関数の値から液体１０の導電度が演算器４２で求められる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象に設けられる一組の電極，
前記電極の一方に疑似白色雑音を印加するための白色雑音発生手段，
該白色雑音発生手段から出力された白色雑音の電圧と、前記電極の他方から得られた電流との相互相関関数を演算する相関演算手段，
を備えたことを特徴とする測定装置。

【請求項2】

前記測定対象が液体であり、
前記相互相関関数から、前記液体の電導度を測定することを特徴とする請求項１記載の測定装置。

【請求項3】

請求項１又は２記載の測定装置を使用する測定方法であって、
前記電極の一方に疑似白色雑音の電圧を印加するステップ，
前記電極の他方から疑似白色雑音の電流を得るステップ，
前記疑似白色雑音の電圧と電流の相互相関関数を演算するステップ，
得られた相互相関関数から、前記測定対象の被測定値を得るステップ，
を含むことを特徴とする測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば、土壌の電導度（電気伝導率）や水分量，水溶液の電導度など、様々な測定対象の各種の被測定値を測定する測定装置及びその方法の改良に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、電導度測定の従来技術としては、２電極法，４電極法，電磁誘導法などが知られている。２電極法は、測定対象を挟む電極の間に流れる電流の大小から、測定対象の電導度を測定する。４電極法は、測定対象に電流を流す電極と電圧を検出する電極とを設け、電圧と電流を分けて測定する。電磁誘導法は、測定対象を挟む２つのコイルの間に生ずる誘導電流の大小から測定対象の電導度を測定する。例えば、下記特許文献１には、２電極法による電動度計が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開昭５７－１０４６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上述した背景技術では、次のような課題がある。
ａ，２電極法では、測定対象が高電導度であると、分極を起こして大きな誤差が生ずる恐れがある。
ｂ，４電極法では、電極の構造が複雑となってしまう。
ｃ，電磁誘導法では、低電導度での誤差が大きく、また装置が複雑で大型化してしまう。

【0005】

本発明は、以上の点に着目したもので、その目的は、単純な構造でありながら、精度の高い測定を行うことである。他の目的は、外乱の影響を受けにくい測定を行うことである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の測定装置は、測定対象に設けられる一組の電極，前記電極の一方に疑似白色雑音を印加するための白色雑音発生手段，該白色雑音発生手段から出力された白色雑音の電圧と、前記電極の他方から得られた電流との相互相関関数を演算する相関演算手段，を備えたことを特徴とする。主要な形態の一つによれば、前記測定対象が液体であり、前記相互相関関数から、前記液体の電導度を測定することを特徴とする。

【0007】

本発明の測定方法は、前記測定装置を使用する測定方法であって、前記電極の一方に疑似白色雑音の電圧を印加するステップ，前記電極の他方から疑似白色雑音の電流を得るステップ，前記疑似白色雑音の電圧と電流の相互相関関数を演算するステップ，得られた相互相関関数から、前記測定対象の被測定値を得るステップ，を含むことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、疑似白色雑音を利用し、その電圧・電流の相互相関関数を演算することとしたので、測定対象の被測定値を、外乱雑音の影響を低減しつつ、高い精度で測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の測定装置の一実施例を示す図である。

【図2】前記実施例における測定例の一例を示すグラフである。

【図3】前記実施例における測定例の一例を示すグラフである。

【図4】前記実施例の測定装置の設計例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

【実施例0011】

図１(A)には、本発明にかかる導電度測定装置の一実施例の構成が示されている。同図において、測定対象の液体１０は、容器１２内に収容されている。液体１０には、適宜の間隔をおいて、１組の電極２０，３０が浸されている。これらのうち、一方の電極２０には、疑似白色雑音発生器２２が接続されており、更にはＡ／Ｄ変換器２４，遅延器２６を介して、相関器４０の一方の入力側に接続されている。他方の電極３０は、電流アンプ３２が接続されており、更にはＡ／Ｄ変換器３４を介して、相関器４０の他方の入力側に接続されている。相関器４０の出力側は、演算器４２が接続されている。

【0012】

以上の各部のうち、遅延器２６は、Ａ／Ｄ変換における信号処理時間の遅延を修正するためのものである。Ａ／Ｄ変換器２４，３４の出力をx(t)，y(t)としたとき、それらの相互相関Ｃｘｙは、遅延時間τに対して、次の数１式で表される。

【数1】

すなわち、x(t)を遅延器２６によって遅延時間τだけ遅延させ、これをy(t)と掛けて平均することで、Ａ／Ｄ変換器２４，３４の出力x(t)，y(t)間の相互相関Ｃｘｙを得ることができる。

【0013】

電流アンプ３２は、オペアンプ３２Ａのマイナス端子が入力側となっており、これにコンデンサ３２Ｂを介して上述した電極３０が接続されている。また、オペアンプ３２Ａのプラス端子はアースに接続されており、更に、オペアンプ３２Ａのマイナス端子と出力端子の間には抵抗３２Ｃが接続されている。これらオペアンプ３２Ａ，コンデンサ３２Ｂ，抵抗３２Ｃによって電流アンプ３２が構成されている。

【0014】

測定対象の液体１０としては、各種のものが適用可能である。例えば、塩化ナトリウム水溶液中の塩化ナトリウムの濃度が変化すると、電導度も変化する。そこで、電極２０，３０を塩化ナトリウム水溶液中に投入し、電導度を測定することで、塩化ナトリウム水溶液の塩化ナトリウムの濃度を求めるような場合が好適な例の一つである。

【0015】

次に、疑似白色雑音発生器２２は、白色雑音（ホワイトノイズ）を生成して出力し、これが電極２０に印加される。理想的な白色雑音のように、あらゆる周波数成分を一様に含むわけではないが、それに近い疑似的な白色雑音が生成されるようになっている。電流アンプ３２は、電極３０に流れる電流を増幅するためのものである。Ａ／Ｄ変換器２４，３４は、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するためのものである。相関器４０は、入力信号の間の相互相関関数を演算する機能を備えている。なお、相関器４０の入力信号は、白色雑音の電圧と電流であり、両者の相互相関関数が演算されるが、仮に外来雑音や信号の遅延などが全くないと仮定したときは、白色雑音の自己相関関数が演算されることになる。仮に、白色雑音が理想的であるとすると、自己相関関数はいわゆるデルタ関数となる。本実施例では、理想的な白色雑音ではないので、理想的なデルタ関数とはならないが、概ね波形は近似する。

【0016】

次に、本実施例の全体の動作を説明する。疑似白色雑音発生器２２から出力された白色雑音の電圧は、一方において、Ａ／Ｄ変換器２４でデジタル信号に変換され、遅延器２６による遅延修正を受けて相関器４０に入力され、他方において、測定対象の液体１０に浸されている電極２０に印加される。すると、電極２０から液体１０を介して電極３０に電流が流れる。この白色雑音の電流は、電流アンプ３２で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器３４でデジタル信号に変換されて相関器４０に入力される。

【0017】

相関器４０では、入力された白色雑音の電圧信号と電流信号の間の相関関数が演算される。図１(B)は、演算の様子が示されており、x(t)は白色雑音電圧を表し、ｙ(t)は白色雑音電流を表す。Ｈ(ω)は、図１(A)に示した電極２０→液体１０→電極３０に至る伝達関数を表す。また、Ｓxyは、白色雑音電圧と白色雑音電流の間の相互相関関数を示す。求めたい液体１０の導電度による電流の変化は、伝達関数Ｈ(ω)に反映するので、これを求めればよい。相互相関関数Ｓxyを数式で表すと、次の数２式のようになる。

【数2】

【0018】

同式中、
Ｒxy：入出力の相互相関関数
ω：角速度
τ：遅延時間
η：たたみ込みの媒介変数
ｈ(η)：インパルス応答
Ｒxx：入力の自己相関関数
Ｓxx：入力電圧のパワースペクトラム
Ｈ(ω)：システム伝達関数
である。

【0019】

この数２式に示すように、白色雑音電圧と白色雑音電流の間の相互相関関数Ｓxyは、伝達関数Ｈと、白色雑音電圧の入力パワースペクトラムＳxxの積で表される。すなわち、入力のパワースペクトラムは、白色雑音の周波数特性であり、恒常「１」である。従って、前記数２式は、Ｓxy＝Ｈ(ω)となり、得られた相互相関関数Ｓxyは、システム伝達関数Ｈ(ω)そのものに他ならない。

【0020】

図２には、図１の電極２０，３０の代わりに既知の抵抗及びコンデンサを接続したときのパワースペクトラムをパラメータとした遅れ時間とシステム伝達関数（相互相関関数）の実験値の一例が示されている。パワースペクトラムの値は、０．１→０．２５→０．５→１→１．５→２→３と変化させており、各値について３回測定を行っている。コンデンサの値（静電容量）を変化させたときは、遅れ時間「１０２２」付近の正のピークＰＡが変化し、抵抗の値を変化させたときは、遅れ時間「１０２４」付近の負のピークＰＢが変化している。電極２０，３０を取り付けて液体１０に浸した場合、静電容量は、電極２０，３０間の距離が一定であることから、液体１０の誘電率に対応して変化することとなる。してみると、ピークＰＡの大きさから、液体１０の誘電率を知ることができる。一方、抵抗分は、電極２０，３０間の距離が一定であることから、液体１０の導電率に対応して変化することとなる。してみると、ピークＰＢの大きさから、液体１０の抵抗率を知ることができる。

【0021】

図３には、塩分濃度をパラメータとしたときの液体１０の電解質濃度と相互相関関数の値のシミュレーションの一例が示されている。液体１０が塩水の場合、電解質濃度は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）の濃度となる。同図に示すように、電解質濃度と相互相関関数の値との間にはほぼ一致した関係があることから、パラメータの変化にかかわらず、相互相関関数の値から電解質濃度ないし電導度を知ることができる。このような相互相関関数の値から、所望の計測結果を得る演算が、演算器４２で行われる。

【0022】

以上のように、本発明によれば、測定対象の液体１０に浸した電極２０，３０に白色雑音を印加したときの電圧及び電流の相互相関関数を演算することとしたので、液体１０の導電度を良好に測定することができる。また、分極の影響は、伝達関数の別の部分に現れるため、測定から排除することができる。更に、白色雑音と相似な振幅・位相特性のノイズ以外の雑音は、大きく減衰することになり、耐雑音性能が向上する。

【0023】

＜設計例＞ 図４には、上述した導電度測定装置の設計例が示されている。同図の例は、サイプレス・セミコンダクター社製のＰＳｏＣ（Programmable System-on-chip）４を使用したもので、ＣＰＵ及びメモリ（ＲＡＭ，ＲＯＭ），デジタル／アナログ変換器ｉＤＡＣ１及びｉＤＡＣ２，オペアンプＯＰＡ１及びＯＰＡ２，疑似白色雑音発生器ＰＲＳ１，アナログ／デジタル変換器ＡＤＣ１，外部出力インターフェースＵＡＲＴ１とが、１つのシリコンチップ上に設けられた構成となっている。これらに、抵抗Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３と、コンデンサＣ_１と、電極２０，３０とを、図示のように接続するとともに、プログラミングを行うことで、図１に示した測定装置を構成することができる。測定プログラムは、メモリのＲＯＭに保存され、ＲＡＭに変数域が割り当てられて、ＣＰＵで実行される。

【0024】

ＣＰＵで測定プログラムが実行されると、疑似白色雑音発生器ＰＲＳ１から白色雑音が読み出され、デジタル／アナログ変換器ｉＤＡＣ１，ｉＤＡＣ２に送られる。デジタル／アナログ変換器ｉＤＡＣ１から出力されたアナログの白色雑音は、オペアンプＯＰＡ２で増幅されて電極２０に印加される。電極３０の電流は、オペアンプＯＰＡ１で増幅される。白色雑音の電圧信号及び電流信号は、アナログ／デジタル変換器ＡＤＣ１でデジタル信号に変換され、メモリに記録される。以上の動作を、例えば１５０ｋＨｚの周波数で繰り返し行い、一定数のデータがメモリに蓄積されたら、ＣＰＵで相互相関関数を計算する。

【0025】

＜他の実施例＞ なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。例えば、以下のものも含まれる。
（１）前記実施例では、塩化ナトリウム水溶液の電導度の測定に本発明を適用したが、様々な測定対象の各種の被測定値に対して本発明は適用可能である。例えば、電極２０，３０を土壌中に設置して、土壌の水分量を測定するといった具合である。上述したように、電極２０，３０間の被測定値の変化は、伝達関数Ｈに反映すれば相互相関関数から測定することができる。
（２）前記実施例で示した装置構成は一例であり、同様の作用を奏するように、種々設計変更可能である。

【産業上の利用可能性】

【0026】

本発明によれば、白色雑音を利用し、その電圧・電流の相互相関関数を演算することとしたので、測定対象の被測定値を、外乱雑音の影響を低減しつつ、高い精度で測定することができ、塩水の電導度測定や土壌の水分量測定に好適である。

【符号の説明】

【0027】

１０：液体
１２：容器
２０，３０：電極
２２：疑似白色雑音発生器
２４，３４：Ａ／Ｄ変換器
２６：遅延器
３２：電流アンプ
３２Ａ：オペアンプ
３２Ｂ：コンデンサ
３２Ｃ：抵抗
４０：相関器
４２：演算器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】