導電率計にはどのような種類の電極が使用されていますか？

下水処理場、半導体製造施設、自治体の水道検査所を訪れたことがある人なら、おそらく水質を監視する専門のメーターが並んでいるのを目にしたことがあるでしょう。そのラインナップの中で最も主力ツールの 1 つは導電率計です。これは溶液がどれだけよく電流を流すかを測定し、溶解固体、塩分、総溶解固体 (TDS)、および全体の純度に直接関係します。しかし、導電率計を使用したことのある人なら誰でも、その性能が 1 つの重要な、しかし十分に議論されていないコンポーネント、つまり電極に完全に依存していることを知っています。これらのメーターを 10 年以上扱ってきたサプライヤーとして、私は、間違った電極を選択すると正確な測定値が推測に変わる一方、適切な電極を使用すると操作が合理化され、メンテナンス コストが削減されることを直接見てきました。今日は、導電率計の電極の主な種類、その仕組み、それぞれをいつ使用するか、そして電極をアプリケーションに適合させることが想像以上に重要である理由を詳しく説明しましょう。

まず、導電率が実際に測定されるものに基づくことが重要です。溶液に小さな電流を流すと、荷電イオン (ナトリウム、塩化物、カルシウムなど) が 2 つの電極間を移動し、その移動速度が導電率の値に変換され、通常はマイクロジーメンス/センチメートル (μS/cm) またはミリジーメンス/センチメートル (mS/cm) で表されます。これは、水素イオン濃度を測定する pH とは異なりますが、導電率の測定値は pH データを補完することがよくあります。たとえば、逆浸透 (RO) 透過水を監視している場合、導電率計の測定値と信頼性の高いオンライン pH/ORP メーターを組み合わせることで、水の純度をより完全に把握できます。電極の話に戻りますが、ほぼすべての導電率計は、接触電極と誘導電極という 2 つの主要な設計カテゴリに分類されます。それぞれに独自の癖、長所、理想的な使用例があります。最も一般的な接触電極から始めましょう。

接触電極は古典的なデザインで、ポケットサイズのポータブル メーターから大規模なオンライン産業システムに至るまで、あらゆるもので使用されています。コンセプトは単純です。2 枚 (場合によっては 4 枚) の金属板を溶液に直接浸し、それらの板間に小さな交流電流を流します。ここでは交流が鍵となります。交流は、金属プレートを破壊して読み取り値を歪める電気分解反応を防ぎます。接触電極には、2 電極と 4 電極という 2 つの主なサブタイプがあります。

2 電極電極は最も古く、最も単純な設計です。それらは、通常ステンレス鋼、グラファイト、またはプラチナで作られた 2 つの同一の金属ロッドまたはディスクを備えており、保護ハウジングに密閉されています。それらの間で電流が流れると、電極間の電圧降下に基づいて溶液の導電率が計算されます。しかし、2 つの電極には分極という大きな欠点があります。電流が流れると、イオンが金属プレートの表面に蓄積し、電流の流れに抵抗する微小な電荷が生成され、特に低い導電率レベル (純粋な脱イオン水など、100 μS/cm 未満) では読み取り値が不正確になります。また、プレートは汚れやすくなります。プレートがバイオフィルム、スケール、または破片でコーティングされると、電流伝達に利用できる表面積が減少し、測定値が大きく変動する可能性があります。そのため、2 電極電極は主に単純で需要の低い用途、つまりスイミング プールのテストや、導電率レベルが中程度で汚染が極端ではない一般的な淡水モニタリングなどに使用されます。

4 電極電極は、2 電極設計の分極と汚れの問題を解決するために開発されました。 2 つのプレートの代わりに、交流電流を印加する 2 つの「電流電極」と、主電流を流さずに電圧降下を測定する 2 つの「電圧電極」の 4 つがあります。この別個の設定により、たとえ低導電率の溶液であっても、電圧電極の表面にイオンが蓄積しないため、分極が排除されます。 4 電極電極は汚れに対してもはるかに耐性があります。表面が破片の薄い層で覆われていても、電流は電流電極のブロックされていない領域を通過することができ、電圧測定には影響しません。そのため、都市水処理、RO システム、食品および飲料の加工、さらには一貫した正確な導電率測定値が交渉の余地のない医薬品製造など、ほとんどの産業用途で頼りになる接触電極となっています。これらの分野で使用されているオンライン導電率計の多くは 4 電極設計を使用しています。これは、2 電極モデルと同じくらい頻繁に再校正する必要がなく、0.055 µS/cm の純脱イオン水から 100,000 mS/cm の高濃度塩水まで、広範囲の導電率レベルに調整できるためです。

接触電極はほとんどの水溶液に最適ですが、汚れた溶液、粒子の多い溶液、または腐食性の溶液をうまく処理できないという大きな制限があります。浮遊物質が多く含まれる廃水や、重金属や強力な化学物質を含む工業用流体を監視している場合、接触電極がすぐに汚れて、頻繁な洗浄や交換が必要になり、不正確な測定値が得られます。そこで、過酷な環境における導電率モニタリングに革命をもたらす別のコアタイプである誘導性 (またはトロイダル) 電極が登場します。

誘導電極は溶液にまったく触れません。代わりに、それらは 2 つのドーナツ型 (トロイダル) 金属コアで構成され、溶液が周囲を流れる非導電性プラスチックまたはガラスのハウジング内に密封されています。最初のコアは励磁コイルです。これに交流電流を流すと、電極の周囲の溶液に電流を誘導する磁場が生成されます。その電流は次に、ピックアップ コイルと呼ばれる 2 番目のコアによって拾われる 2 番目の磁界を生成します。誘導電流の強さは、接触電極の場合と同様に、溶液の導電率に直接比例しますが、溶液中に金属を入れる必要はありません。

この密閉された非接触設計は、誘導電極のスーパーパワーです。汚れの影響をほぼ完全に受けません。溶液に触れる金属表面がないため、バイオフィルム、スケール、粒子状物質が感知エリアを覆うことがありません。また、酸性またはアルカリ性の産業廃水や高濃度の重金属を含む流れなどの腐食性の高い溶液でも機能します。これは、プラスチックのハウジングがステンレス鋼や白金の接触電極のように溶液と反応しないためです。誘導電極は、溶液が汚れていたり、腐食性であったり、非常に高い導電率レベルを持っていたりする、鉱業廃水の監視、紙パルプ処理、化学製造などの用途の標準です。また、規制機関が過酷な条件下でも一貫した信頼性の高い測定値を必要とする、排水中の総溶解固形物のオンライン監視としても人気があります。

しかし、誘導電極は完璧ではありません。これらは接触電極よりもかさばって高価であり、低い導電率レベル (100 μS/cm 未満) では精度が低くなります。つまり、導電率が非常に低く、μS/cm 単位が重要となる半導体製造で使用される RO 透過水や超純水のモニタリングなどの用途には理想的ではありません。このような使用例の場合でも、高品質の 4 電極接触電極が必要になります。

これら 2 つの主要なタイプ以外にも、非常にニッチな用途に特化した、言及する価値のある電極設計がいくつかあります。たとえば、バイパス チャンバーを必要とせずにプロセス ラインに直接適合するように設計されたインライン パイプ モニタリング用の挿入可能な電極や、ダウンタイムが高くつく連続工業プロセスにとって重要なシステムを停止することなく電極を取り外して洗浄できる格納式電極があります。 PEEK やセラミックなどの特殊な素材で密閉され、最高 150°C の温度に耐えられる高温電極もあり、蒸気凝縮水の監視や高圧食品加工などの用途に使用されます。

お客様からよくいただく質問は、「アプリケーションに適した電極をどのように選択すればよいですか?」というものです。いくつかの例でそれを詳しく見てみましょう。家庭用水族館や小さなプールを監視する中小企業の場合は、2 電極のポータブル電極が適切に機能します。手頃な価格で使いやすく、需要が低く、汚染の少ない用途に十分な精度を備えています。 RO システムの出力を監視している自治体の水処理施設の場合は、低導電率の透過水の正確な測定値を取得するために 4 電極接触電極が必要になるでしょう。また、それをオンライン pH/ORP メーター全体的な水質パラメータを一緒に追跡します。廃水の排出を監視している製造工場で、溶液に浮遊物質や重金属が高レベルで含まれている場合は、誘導電極が最適です。汚れることなく過酷な環境に耐えることができます。プロセス水中の重金属レベルの監視などの特殊な用途では、導電率の測定値を他のセンサーと組み合わせることもできます。オンライン総クロム分析装置またはオンラインシアン化物分析装置、導電率だけを超えて水質の全体像を把握します。

電極のメンテナンスは、正しいタイプを選択することと同じくらい重要であることにも注目してください。最良の電極であっても、定期的に清掃および校正されていない場合は、測定値が悪くなります。接触電極の汚れは通常、弱酸に浸すか柔らかいブラシで取り除くことができますが、金属表面を傷つけないように注意する必要があります。金属表面に破片が溜まる可能性があります。誘導電極は密閉されているため、大掃除が必要になることはほとんどありませんが、磁場を妨げる可能性のある外面に亀裂や堆積がないかハウジングを定期的にチェックする必要があります。校正も重要なステップです。ほとんどの電極は、月に 1 回、少なくとも 2 つの標準溶液 (1413 µS/cm や 12.88 mS/cm など) を使用して校正する必要があります。さまざまな導電率レベルを使用する場合は、それ以上の頻度で校正する必要があります。オンライン システムの場合、一部の最新の電極には手動作業を軽減できる自己校正機能が備わっていますが、それでも時折検証する必要があります。

私はサプライヤーとして、電極の選択における小さな間違いが大きな問題につながる可能性があることを見てきました。私はかつて、廃水用途のコストを節約するために、4 電極接触電極から安価な誘導電極に切り替えた食品および飲料のクライアントと仕事をしました。誘導性電極の低導電率の精度がプロセスに対して低すぎるため、1 か月以内に測定値が 20% 低下し、元の 4 つの電極に支払ったよりも高いコストで電極を交換する必要がありました。逆に、私は半導体メーカーに時代遅れの 2 電極電極から高精度 4 電極モデルに切り替えてもらいました。その結果、超純水の測定値が生産プロセスに十分に安定したため、不合格率が 15% 減少しました。これを正しく行うことの価値は、単にメーターを購入することではなく、特定のニーズに合わせて適切な電極を選択することです。

現在、導電率計を評価している場合、または監視システムのアップグレードを検討している場合は、時間をかけてアプリケーションのニーズを計画してください。つまり、ソリューションの一般的な導電率の範囲はどれくらいですか?どれくらいきれいですか?どのような温度と圧力で作業していますか?継続的なオンライン監視が必要ですか? それともポータブルメーターで十分ですか?どの電極が自社に適しているかわからない場合は、当社のチームがお客様の特定の使用例を詳しく説明し、オプションを比較し、精度、耐久性、コストのバランスを考慮した推奨事項を作成するお手伝いをいたします。また、当社はクライアントと協力して、導電率モニタリングを他の水質ツールと統合します。オンライン濁度計またはオンライン全有機炭素 (TOC) 分析装置、施設に合わせた完全な監視ソリューションを作成します。

水質モニタリングに関しては、電極の選択を後回しにしないでください。電極は、プロセスやテスト溶液に実際に触れる導電率計の一部であるため、その設計と材質は、測定値の信頼性に直接影響します。小規模な研究室を運営している場合でも、大規模な工業プラントを管理している場合でも、適切な電極に投資することで、時間とお金を節約し、将来的には頭の痛い問題を軽減できます。

当社の導電率計電極のラインナップについて詳しく知りたい場合、または特定のモニタリング ニーズについて相談したい場合は、お気軽に当社のチームに連絡して、次のプロジェクトについて話し合ってください。

参考文献

 

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