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10.センサーと情報変換-pH電極、参照電極-

山形大学  工学部  化学・バイオ工学科  仁科辰夫

エネルギー化学 Web Class syllabus 53209 📆 🕥10:30- 🕛12:00 仮想教室中示範B C1 zero zoom English korea 簡体 繁体
  1 人間の感覚 センサー *
エネルギー 物理量 センサー 方式 用途
認知世界 視覚(目) フォトダイオード 長さ、角度、形状、寸法、面積、体積、色
聴覚(耳) マイク
触覚(皮膚) 温度 サーミスタ、熱電対
圧力 圧力センサー
嗅覚(鼻) ガス ガスセンサー
味覚(舌) 化学物質 pHセンサー
固有受容覚(筋肉) 1 ) 重さ 電子天秤 2 ) 重量、質量
前庭覚(三半規管) 加速度センサー
非認知世界 超音波 チタン酸バリウム振動子
電気 電流センサー
磁気 ホール素子
赤外線 焦電型赤外線センサ

化学の情報を電位で測定することで活用できます。 ORP電極を使えば、消毒剤の酸化力もわかります。 ガラス電極を使えば、pHがわかります。 基本になるのは、ネルンストの式やヘンダーソンの式。 基準電極をとして銀塩化銀電極を使います。 銀をアノード酸化して、銀塩化銀とし、電位の基準とします。


センサーとインターネットがもたらすIoT

家電 自動車 といった「モノ」を インターネットに接続する技術
IoTの対象となるモノ 家電 (冷蔵庫、テレビ、ドアホン、 給湯器)や 自動車
センサー カメラ、 マイク、タッチセンサー、スマートメーター、温度センサー、湿度センサー
通信 光ケーブル、無線通信、メタリックケーブル
  1 IoT
13.情報処理概論 10.エネルギー化学 10.無機工業化学 15.エネルギー化学特論 IoT

センサーと情報変換

レセプター→トランスデューサー→メーター

レセプター→トランスデューサー→アンプ→メーター

レセプター→トランスデューサー→アンプ→AD変換→液晶ディスプレイ

ライブコンサートをライブ配信で楽しむことを考えてみましょう。

音声 🎤 マイク アンプ AD変換 通信回線
  2 音声 から 通信回線

ライブの音声は、もともとは空気の圧力変化です。 この圧力の変化量をマイクを使って電圧の変化量に変えます。 このようにからへの変換をアナログ処理と言ったりします。 次に、電圧の変化量を数字にします。電圧と時間を数字にします。 このを数字にする変換をアナログデジタル変換(AD変換)と言います。

この数字を通信回線を使って送ります。

通信回線 DA変換 アンプ 🔊 スピーカー 音声
  3 通信回線 から 音声

今度は数字を、電圧の変化量にします。数字を電圧と時間にします。 この数字を量にする変換をデジタルアナログ変換(DA変換)と言います。 そしてその電圧でスピーカーを駆動し、空気の圧力変化にします。 これで、視聴者がライブを聞けるわけです。

ここでマイクなどをセンサー、スピーカーなどをアクチュエータと言います。


13.情報処理概論 12.無機工業化学 8.工業概論
  2 🎤 マイク ( 入力装置 圧力センサー )
項目コンデンサマイク (エレクトレット)ダイナミックマイク
感音材料 誘電体(圧電体) セラミックス 磁性体(金属)
原理 コンデンサによる静電容量の変化を捕らえます。 コイルによる起電力を捉えます。
用途 スマホ、PC スマートスピーカー
歴史 昭和(戦後) 平成(スマホ)、昭和(イヤホン)
12, 13. 無機工業化学 10, 11. エネルギー化学

  3 アナログデジタル変換 *
方式 特徴 製品例
逐次比較 そこそこ高速
VF
二重積分 ゆっくり、ノイズ小 デジタル電圧計
フラッシュ ゆっくり

  4 デジタルアナログ変換 * * *
方式 特徴製品例
デコード 消費電力が小さい
ラダー 線形性がよい

  5 アナログ表示とデジタル表示
項目 デジタル アナログ
表現
02:26
装置例 デジタル時計
データロガー
ファンクションジェネレータ
アナログ時計
ペンレコーダ
発振器
特徴 数字(文字

測定数値を正確に表現

角度長さ

連続的で微妙な変化を一目で直感的に表現

精度 有限(桁数) 無限
時間遅れ※1 あり なし
媒体 間のコピー 容易・高速
順序※2 あり なし
約束事 あり なし
曖昧さ なし あり
感覚 論理的 直感的
画像
音声

※1. 地上デジタル放送になって、テレビから時報が消えました。 それはデジタル情報には、時間遅れが必ず生じるからです。

※2. デジタルを送るには順序が必要です。エンディアンやバイトオーダーなどと言われます。 シリアライズと同等の概念です。 本質的には言語の線条化と同じ概念です。

https://car-me.jp/articles/14046 http://www.mmjp.or.jp/south/06.html

インターネット百葉箱

  4 山形大学 米沢キャンパスに設置された インターネット百葉箱 ®ライブ (2022-9-26) 映像

インターネット百葉箱®は教材のウチダが開発した IoT教材です。 全国の学校の 気温・湿度・気圧・天候を、 単位で比較することができます。


電流センサー


参照電極としての銀塩化銀電極

電池の起電力―銀塩化銀電極とネルンストの式―の単元で 参照電極としての銀塩化銀電極について学んだ。

銀塩化銀電極は、心電図の測定の際の電極にも使われている。 銀塩化銀ペーストを使ったディスポーザブルタイプもある。

  6 三極式セル での 参照極 の種類と 標準酸化還元電位
備考
銀|塩化銀電極 AgCl + e- ↔   Ag + Cl-Eº = 0.2223V* 温度Cl-濃度依存
水銀|塩化水銀電極 Hg2Cl2 + 2e- ↔   2Hg(l) + 2Cl-Eº = 0.26816V * 温度Cl-濃度依存
水銀|酸化水銀電極 HgO + H2O + 2e- ↔   Hg(l) + 2OH-Eº = 0.0977V * アルカリ用、温度、OH-濃度に依存
水銀|硫酸水銀電極 Hg2SO4 + 2e- ↔   2Hg(l) + SO42-Eº = 0.613V * 酸性用、温度、SO42-濃度に依存
07.エネルギー化学 05.エネルギー化学 10.エネルギー化学 化学実験 03.エネルギー化学特論 1224 4.6. 参照電極, 89
藤嶋昭, 相澤益男, 井上徹著. 電気化学測定法 . 技報堂出版,1984-1-1 ( 参照 2021-6-29 ) .
BAS https://www.bas.co.jp/1612.html
✏ 平常演習 Web Class

銀塩化銀電極の生体測定への応用例について調べて書きなさい。


pH電極

pH電極

pH電極の構成と測定原理について書きなさい。


ORP電極

殺菌方法 浸透圧 アルコール消毒、石鹸 熱エネルギー 煮沸 オゾン 紫外線

活性酸素 (1O2 過酸化水素 HO· ) 殺菌灯

ORP電極というのがある。酸化還元電位だけでは化学種は特定できない。科学的根拠を持って活用しよう。


バイオセンサー

pH電極

酵素センサ、免疫センサに使われる電極と測定原理について書きなさい。


ガスセンサー・そのほかのセンサー

  7 エネルギーと センサー *
エネルギー 物理量 センサー 方式 用途
💪力学 圧力 気圧センサー
🎤 マイク 圧電素子 📱 スマートホン
ダイナミック
⚡電気 電流 電流センサー * シャント方式
クランプ方式
🌟光 波長 カラーセンサー *
🔥熱 温度 温度センサー
🧪化学 濃度 ガスセンサー
10 エネルギー化学 13 情報処理概論 08 品質管理 メーター

酸素センサ、ガス漏れセンサ、湿度センサに使われる電極と測定原理について書きなさい。


次回

次回の エネルギー化学工業製品への応用2―乾電池・ディスプレイ―を勉強しましょう。

©2022 Kazuhiro Tachibana

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