家庭用水質検査における電気伝導率、TDS、塩分の違い

はじめに

家庭用浄水器、給水器、コーヒーマシン、スマートウォーターカップ、ペット用給水器などのスマート家電において、水質数値の表示はすでに標準装備となっています。しかし、多くの製品チームが「電気伝導率（EC）」「TDS」「塩分」を混同し、ユーザーインターフェース上で気軽に切り替えてしまい、ユーザーの混乱やアフターサービスの問題を引き起こしています。本記事は、ブランド、プロダクトマネージャー、組み込みエンジニア、ハードウェア開発、OEM顧客に向けて、チップ、プローブ、温度補償、表示ロジック、量産検証の観点から、三者の違い、換算の制約、適用範囲を明確にし、AtomBit関連ソリューションの実装方法を説明します。

一、三つの指標とは何か

電気伝導率（EC）

電気伝導率は、水が電流を伝導する能力を測る物理量で、単位は通常µS/cmまたはmS/cmです。純水はほとんど電気を通しませんが、水中に溶解しているイオン（カルシウム、マグネシウム、ナトリウム、塩化物イオン、硫酸イオンなど）が多いほど電気伝導率は高くなります。電気伝導率は直接測定値です。プローブに交流または両極性励起電圧を印加し、水サンプルを流れる電流を測定し、プローブの幾何定数に基づいて電気伝導率に換算します。

TDS（総溶解固形物）

TDSは、水中に溶解している無機塩類と少量の有機物の総量を表し、単位はmg/Lまたはppmです。実験室でのTDSは通常、蒸発重量法によって得られます。しかし、ポータブルまたはオンラインセンサーでは、TDSは直接計量されるのではなく、電気伝導率から経験的な換算係数によって推定されます。一般的な換算係数は0.5～0.7の範囲で、水体中の主要イオンの種類によって異なります。例えば、塩化ナトリウムが主体の水は係数が0.5に近く、硫酸カルシウム/炭酸水素カルシウムが主体の水は係数が0.7以上になることもあります。したがって、TDSを表示するデバイスは本質的に「電気伝導率計＋固定または設定可能な係数」です。

塩分（Salinity）

塩分は海洋学では複雑な定義がありますが、家庭用水では通常「塩化ナトリウム等価塩分」または「味覚塩分」を指します。これも電気伝導率から換算されますが、特定の塩分-電気伝導率関係モデルを採用しています。注意：家庭用機器が表示する塩分は、ナトリウムイオンと塩化物イオンを個別に測定するのではなく、電気伝導率から推定した等価値です。コーヒーマシン、軟水器、ペット用給水器などで、味覚やイオン負担を評価するために使用されます。

二、なぜ三者を同一の結果として扱ってはいけないのか

三者は関連していますが、物理的意味が異なります。電気伝導率は元の測定値であり、TDSは係数を乗じた推定値、塩分は別のモデルによる推定値です。同じ水で、電気伝導率が300 µS/cmの場合、係数0.5でTDS 150 ppm、0.7で210 ppmとなります。塩分は0.14 ppt（または140 ppm NaCl等価）または同様の値として表示されることがあります。製品インターフェースに三つの値を同時に表示する場合、単位と換算根拠を明確に表示しなければ、ユーザーは機器の故障と誤解します。

三、温度が測定と表示に与える影響

水の電気伝導率は温度上昇とともに著しく増加し、通常1℃上昇するごとに電気伝導率は約2%増加します（イオン組成により若干異なります）。温度補償を行わない場合、同じ水で10℃と30℃での読み値が40%以上異なることがあります。したがって、信頼性の高い水質センサーは水温を測定し、結果を25℃の基準温度に補正する必要があります。

AtomBit ASICソリューション：

• BA111はTDS温度補正を内蔵
• BA121は自動温度補正を内蔵

両方ともオンチップ温度センサーで水温を取得し、デジタル出力前に補正を完了します。プローブ励起は両極性駆動を採用し、プローブの分極効果を低減し、プローブ寿命を延ばし、再現性を向上させます。

四、チップとプローブの選定：BA111 vs BA121

BA111：直接TDS表示向け

主な特性（AtomBit製品資料より）：

• 0～3000 ppm TDS測定範囲
• シングルチャンネル測定
• TDS温度補正
• 両極性駆動
• UART制御
• 外部回路が極めて少ない

典型的な用途：浄水器フィルター寿命表示、給水器TDS値出力、スマートウォーターカップ水質参考。

BA121：電気伝導率生値とカスタム換算向け

主な特性：

• シングルチャンネル電気伝導率と水温測定
• 特許取得の電気伝導率換算アルゴリズム
• 自動温度補正
• 両極性駆動
• 外部部品が極めて少ない

典型的な用途：生のµS/cmデータが必要な場合、または自社水源、フィルタータイプに応じてTDS/塩分換算係数をカスタマイズする必要がある製品。

比較表

選定の判断方法：

• TDS ppm表示のみが必要で、対象水体が比較的安定している場合（RO膜を通した市水など）、BA111が便利です。
• 電気伝導率の生値が必要、複数の水源に対応、または塩分表示をカスタマイズしたい場合、BA121がより柔軟です。
• 両チップともUARTでMCUと通信可能で、ハードウェア統合は類似していますが、ファームウェアの解析と計算式が異なります。

五、プローブ設計と統合の注意点

電気伝導セル定数（K）が測定範囲を決定します。一般的な電気伝導セル定数はK=1.0またはK=0.1で、ASICの励起とレンジに合わせる必要があります。プローブ電極材料は耐腐食性、耐スケール性が必要で、通常ステンレス鋼、チタン、グラファイトが採用されます。推奨事項：

• 二電極または四電極構造を採用する。両極性駆動は単電極の分極を緩和できます。
• プローブの設置位置は気泡の蓄積を避け、水流が安定していること。
• 温度センサーは電気伝導電極と良好に熱結合する必要があり、そうでなければ補正が遅延または誤動作します。
• 食品接触材料は関連法規に適合する必要があります。

六、製品表示の限界とユーザーコミュニケーション

家庭用機器は実験室機器ではなく、表示値は「傾向指示」および「スクリーニング参考」として位置づけるべきです。以下の方法でユーザーの誤解を減らせます：

• TDS表示には「推定値」または「参考値」と単位ppmを表記する。
• EC表示にはµS/cmを使用し、25℃基準を明記する。
• 塩分表示には「NaCl等価」または「相対塩分」と明記する。
• フィルター管理では、絶対精度ではなく浄化前後の変化率を重点的に表示する。例えば、RO機の出水TDSが200 ppmから10 ppmに低下した場合、除去率95%を意味し、この傾向は単点の絶対値よりも信頼性が高い。
• 製品説明書に明記：本機器は家庭用スクリーニング用であり、法規制遵守や実験室分析には使用しないこと。

七、ポータブル多項目デバイスWater Detective 4の位置づけ

Water Detective 4は、個人/家庭用ポータブル水質検査ペンで、9項目の指標を統合しています：TOC、COD、UV254、TDS、EC、濁度、硬度、塩分、温度。家庭用水、浄水器効果比較、日常水サンプルのスクリーニング、現場サービス担当者に適しています。そのポータブル迅速検査フローは大型実験室設備を必要としません。ただし強調すべきは、これも消費者グレードのスクリーニングツールであり、TDS/EC/塩分測定の原理は前述のチップソリューションと類似しており、TOC/COD/UV254などの指標は光学的方法で迅速に推定され、実験室標準法の代替にはなりません。ブランドがアフターサービス検出ツールや製品デモとして使用するのに適しており、スマート家電の付属検査ペンとしても使用できます。

八、実施手順：チップから完成機検証まで

1. 要件定義：製品はTDS、EC、塩分のどれを表示するか？対象ユーザーは誰か？原水と浄水を区別する必要があるか？
2. ASIC選定：前節の判断方法に基づきBA111またはBA121を選択。
3. プローブと構造設計：電気伝導セル定数を決定し、材料は食品接触要件を満たすこと。
4. 回路設計：ASICの周辺回路は極めて少なく、主に電源デカップリング、UARTインターフェース、プローブ接続に注意。
5. ファームウェア開発：UART経由でデータを読み取り、サンプリング周波数とフィルタリングを設定。BA121を使用する場合、カスタムTDSまたは塩分の計算式を実装する必要があります。
6. 校正フロー：標準電気伝導率溶液（1413 µS/cm、12.88 mS/cmなど）または既知のTDS標準液を使用し、25℃環境で1点または2点校正を行う。校正係数をMCUまたはASICの設定可能レジスタ（対応している場合）に書き込む。
7. フィルター寿命アルゴリズム：閾値または変化率を設定。例えば、浄水TDS値が設定閾値（50 ppmなど、または原水除去率が80%未満）を超えた場合にフィルター交換を促す。
8. 完成機検証：下記第九節に従って実施。

九、限界と検証方法

限界：

• TDS 換算係数は水源のイオン組成によって異なるため、固定係数では ±20% 以上の偏差が生じる可能性があります。
• 温度補償アルゴリズムは典型的なイオン溶液に基づいており、極端な温度（0℃付近や60℃以上など）では補償精度が低下する可能性があります。
• プローブのスケーリング、気泡、水流速度の変化は測定に影響します。
• 塩分モデルが塩化ナトリウムのみで校正されている場合、硬度の高い水では過大評価となる可能性があります。
• 民生用センサーの分解能には限りがあり、法規制に基づくコンプライアンス検査には使用できません。

検証方法：

• 標準液検証：25℃で異なる標準液を測定し、読み値の偏差を記録します。
• 温度勾配テスト：同一の標準液を5℃、15℃、25℃、35℃、45℃の水浴に置き、温度補償後の読み値の一致性を確認します。
• 長期ドリフトテスト：500時間連続運転し、1時間ごとにデータを記録してドリフト量を計算します。
• 量産一致性：各ロットからサンプルを抜き取り、実験室用ベンチトップ導電率計と比較し、相対誤差を計算します。
• 干渉テスト：異なる水サンプル（気泡を含む、硬度を含む、有機物を含むなど）でテストし、限界を把握します。

十、FAQ

Q1：TDS値は低いほど良いですか？ A：必ずしもそうではありません。RO純水のTDSは通常非常に低いですが、ミネラルを保持した水はTDSが高くても口当たりが良い場合があります。家庭用製品はフィルタータイプに応じて合理的な目標を設定すべきであり、「TDSが低いほど良い」と単純に宣伝すべきではありません。

Q2：なぜ異なるブランドのTDSペンで同じコップの水の読み値が異なるのですか？ A：換算係数、温度補償アルゴリズム、プローブ定数、校正状態が異なるためです。家庭用製品間の差異は正常であり、製品説明書には参考条件を記載すべきです。

Q3：塩分は家庭用水でどのような実用的用途がありますか？ A：主に味の評価、コーヒー抽出の水質参考、軟水器の効果判断などに使用されます。飲料水の安全基準指標ではありません。

Q4：BA111とBA121は直接交換できますか？ A：直接交換は推奨しません。両者の出力データ形式と内部アルゴリズムが異なり、ファームウェアの修正が必要です。BA111はTDSを出力し、BA121は導電率を出力するため、後者は自身で換算する必要があります。

Q5：プローブの分極影響をどのように低減しますか？ A：双極性駆動を使用します。AtomBit ASICにはすでに内蔵されています。同時に長時間の直流励起を避け、定期的にプローブを清掃し、高品質の電極材料を使用します。

Q6：Water Detective 4のTDSと導電率はそれぞれ独立して測定されますか？ A：製品資料によると、TDSとECなど九項目の指標を同時に提供しますが、TDSは依然としてECから換算されたものである可能性があり、具体的なアルゴリズムは公開されていません。提供されるのはポータブルな迅速スクリーニングであり、現場での比較と傾向判断に適しています。

結論

導電率は直接測定される物理量であり、TDSは推定値であり、塩分は特定の換算です。スマート家電製品において、三者を明確に区別することは、製品定義、チップ選定、アルゴリズム設計、ユーザーコミュニケーションに役立ちます。AtomBit BA111とBA121は低消費電力で統合が容易なシングルチャネルソリューションを提供し、Water Detective 4はポータブルな多パラメータスクリーニングツールを提供します。製品チームはシナリオに応じて選択し、標準液、温度勾配、長期テストを通じて信頼性を検証すべきです。覚えておいてください：家庭用検出の使命は傾向指示とフィルター管理であり、実験室分析の代替ではありません。