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令和6年10月3日 (木)

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  🔋 C1 📛 立花和宏

🔚 🏫 エネルギー化学 Web Class syllabus 53209 📆 時間割 🕥10:30- 🕛12:00 仮想教室中示範B C1 zero zoom English korea 簡体 繁体

👨‍🏫 強電と弱電―変換された電気エネルギーの使い途


エネルギーの変換

  1  エネルギーの変換
🧪 化学 電力 💪 動力 🌟 🔥
🧪 化学 化学反応 👨‍🏫
pHセンサー 1 )
二酸化炭素センサー
湿度センサー
◇ 鉄砲 (火薬) 👨‍🏫 化学発光 ◇ 暖炉
電力
eV, FE
蓄電池 電解 変電、 インバータ モーター 2 )
🔊スピーカー
◇ LED ◇ ヒーター
Q=I2R
💪動力
pV
高圧合成 👨‍🏫 発電機
🎤マイク
リンク、カム ◇応力発光 👨‍🏫 ヒートポンプ
🚂 エアコン 3 )
pV=nRT
🌟
光合成 銀塩写真 👨‍🏫 太陽電池
イメージセンサー
◇蛍光 電子レンジ
🔥
RT
◇ 加熱合成 👨‍🏫 熱電変換 温度センサー 👨‍🏫 🚂 熱機関
pV=nRT
◇ 白熱電球
黒体放射

強電と弱電―変換された電気エネルギーの使い途

  2 強電と弱電―変換された電気エネルギーの使い途
項目 強電 弱電
エネルギー変換 発電機、ソーラーパネル、ダイナモ センサー
モーター、照明 電話、ネット、テレビ
*

米沢キャンパスの使用電力

  1 山形大学 米沢キャンパス の現在( 2024-10-3)の使用電力
©S.Okuyama

米沢キャンパスだけで、 1500kWもの 電力を使っています。 太陽光発電で賄えるのは、 昼間の日光があるときで、せいぜい30kW。 再生可能エネルギー の太陽光だけでは、電気が全然足りません。

スマートグリッドでは、 センサーを使って電力を計測し、インターネットの通信を使って、発電量を制御します。気候に左右されやすい再生可能エネルギーでは、余剰電力を電池に蓄えます。


米沢キャンパスの太陽光発電量

  2 山形大学の米沢キャンパス2024-10-3の太陽光発電と リチウムイオン電池
©S.Okuyama

米沢キャンパスだけで、 1500kWもの 電力を使っています。 太陽光発電で賄えるのは、 昼間の日光があるときで、せいぜい30kW。 再生可能エネルギー の太陽光だけでは、電気が全然足りません。

スマートグリッドでは、 センサーを使って電力を計測し、 インターネットの通信を使って、 発電量を制御します。 気候 に左右されやすい再生可能エネルギーでは、余剰電力を 電池 に蓄えます。

XMLでデータ交換することもできます。


サーバラックの温度と消費電力履歴

  3 サーバラックの温度と消費電力履歴
©T.Ito,C1

サーバサイドでpythonを実行,matplotlibでSVGを生成


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 (2024-10-3) 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。


  3 人間の感覚 センサー による感知 *
世界 感覚 物理量 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、 文字
聴覚(耳) マイク
触覚(皮膚) 温度 サーミスタ * 、熱電対 温度計
圧力 圧力センサー 圧力計
嗅覚(鼻) ガス ガスセンサー
味覚(舌) 化学物質 濃度 pHセンサー
固有受容覚(筋肉) 6 ) 重さ 電子天秤 7 ) 8 ) 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 回路計
磁気 ホール素子
赤外線 焦電型赤外線センサ

センサーは、 エネルギーを情報に変換します。

例えば、サーミスタの電気抵抗は温度によって変化するので、サーミスタにわずかな電流を流して、 その両端の電圧を ボルテージフォロアで出力すれば、 温度に比例した電圧が得られます。これを AD変換数値 にできます。

センサーで測定した は、 AD変換数値 データとしてコンピュータで 演算、記憶、記録できます。

プロセスオートメーションでは、センサーで計測し、 コントローラで 制御し、アクチュエータで操作します。


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
  5 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
  6 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
  7 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
  4 🎤 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)

マイクは、空気の圧力を電圧に 変換する圧力センサー。

テレワークや電話に必須。


  5 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 もっとも高速

連続的な の大きさをいくつかの区間に区分し、各区間内を同一の値とみなすことを量子化と言う。 ・・・ 量子化誤差 が生じる。 量子化誤差は、実際の アナログ信号と変換時に丸められた近似的デジタル信号との差のことである。

9 )

第三次産業革命は、 デジタルコンピュータとAD変換といっていいでしょう。 量を 測定し、 デジタルコンピュータ記録可能なデータにするには、AD変換が必須です。AD変換の分解能は確度を支配します。

センサー で電圧に変換した光や音を、デジタル情報に変換します。 たとえばマイクで電圧に変換し、 AD変換で、デジタル情報にすれば、音声を CDやフラッシュメモリにデジタル 記録 できます。


  6 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
スイッチング 消費電力が少ない スイッチングレギュレータ デジタルアンプD級アンプ

  7 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
18:58
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

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。

  8 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(アルカリ電池の研究、粘土分散液の研究)、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(鉛電池の研究、二酸化マンガンの電解合成の研究)、温度、SO42-濃度に依存
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 10 )
https://www.bas.co.jp/1612.html
✍ 平常演習

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

ネルンストの式

E = E0 - RT nF ln K
ネルンストの式

11 )

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

  9 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 回路計
クランプ方式
🌟光 波長 カラーセンサー * イメージセンサー CCD、CMOS 12 ) カメラ
🔥熱 温度 温度センサー
🧪化学 濃度 ガスセンサー

感覚

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。

  10 エネルギー の種類と分析法
エネルギー 分析法
💪力学 MS、ICP-MS、粘弾性測定
⚡電気 CV (電気化学分析) 、EIS、ポーラログラフィ、 SEM、TEM、EDS(EDX)
🌟光 FT-IR、AAS、UV-VIS、ICP-AES(ICP-OES) XPS(ESCA)、 NMR、ESR,XRD、X線CT、蛍光X線 オージェ分光、ラマン分光
🔥熱 TG/DTA、DSC
🧪化学 滴定、重量分析、LC、GC、GC-MS

機器分析: 情報エネルギー物質

化学分析: 情報物質物質

山形大学実験機器共同利用 山形県工業技術センター 宮城県産業技術センター 福島県ハイテクプラザ

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。

©2024 Kazuhiro Tachibana

このマークは本説明資料に掲載している引用箇所以外の著作物について付けられたものです。


参考文献

エネルギー化学
q71
エネルギー化学
✍ 平常演習
💯 課外報告書 Web Class

QRコード
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/public/52255/52255_10.asp
名称: 教育用公開ウェブサービス
URL: 🔗 https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/
管理運用 山形大学 学術情報基盤センター

2024年1月21日 松木健三名誉教授がご逝去されました。

名称:C1ラボラトリー
URL:🔗 https://c1.yz.yamagata-u.ac.jp/
管理運用
山形大学 工学部 化学・バイオ工学科 応用化学・化学工学コース
C1ラボラトリー ( 伊藤智博立花和宏 ) @ 米沢

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