LabVIEW×Arduinoで作る溶液インピーダンス計測器

珈琲の電圧-電流応答を測る

溶液に三角波電圧を加えて電流応答を分析

グラフィカルな計測システム開発のための環境“LabVIEW”

LabVIEW（ラボビュー）は，グラフィカル・プログラミング言語を使ってシステム開発やデータ収集，制御などを行うための統合開発環境です．計測器やセンサ，機器制御を簡単に行える点が強みです．

コードは「ブロック・ダイアグラム」と呼ばれる視覚的なインターフェースで構築し，データの流れを視覚的に示します．計測機器とのインターフェースを豊富にサポートし，試作や自動化に適しています．企業や研究機関で実験や計測を効率化するために使用され，特に物理学や工学の分野で広く採用されています．

学生でも始められるマイコン開発環境“Arduino”

Arduinoは，初心者からエキスパートまで幅広いユーザーに支持されるマイクロコントローラ・ボードのオープンソース・プラットフォームです．

小型電子機器のプロトタイプ開発や簡単なプログラムによるセンサー制御，モータ駆動，LEDの点灯など，さまざまなプロジェクトに応用できます．

Arduinoは手頃な価格で入手でき，プログラムもC/C++をベースにしたシンプルな言語で書けるため，電子工学やロボット工学の学習にも最適です．多くの拡張シールドやライブラリが提供されており，IoTデバイスのプロトタイピングにもよく利用されます．

研究室御用達！LabVIEWとArduinoの組み合わせ

LabVIEWとArduinoを組み合わせることで，研究に役立つプログラマブルな計測システムを構築できます．

LabVIEWは，グラフィカルなインターフェースでデータの収集や分析，機器の制御を効率的に行える環境を提供し，Arduinoは物理的なセンサーやアクチュエーターを使って，リアルタイムでデータを収集・制御できます．この2つを連携させることで，Arduinoが取得したセンサ・データをLabVIEWで解析し，計測の自動化や実験の効率化を実現します．さらに，ユーザーのニーズに合わせてシステムを拡張でき，カスタマイズ性の高い研究環境を構築可能です．

計測システムの構築例を紹介

まず，Arduino NanoやSeeeduino Nanoを利用し，溶液の特性を電気的に測定する「ポテンショスタット回路」を構築します．ポテンショスタットは，溶液に対して三角波の電圧を印加し，その電流応答を測定するボルタンメトリ技法に基づきます．

ポテンショスタットの基本回路には，I-V変換アンプやボルテージ・フォロアなどが含まれ，溶液に流れる電流を高精度で検出します．LabVIEWを用いて，これらの計測プロセスを自動化し，再現性や効率性を高めることができます．

計測結果は，LabVIEWの$X-Y$グラフ機能を用いてリアルタイムで可視化され，データ処理も容易に行えます．このように，Arduinoを駆使して溶液インピーダンス計測器を制作することは，低コストかつ高精度な計測が可能な自動計測システムを提供します．

1. Arduino×LabVIEW連携

LabVIEWは，計測機器の操作を簡単にプログラム化できる環境です．

Arduino Nanoは，センサや電圧回路の制御に使用され，LabVIEWと連携して溶液インピーダンスのデータ取得を行います．LINXライブラリを使えば，LabVIEWからArduinoへの制御命令が簡単に送信でき，電圧出力やデータ取得が自動化されます．これにより，ヒューマンエラーを排除し，同一条件での繰り返し計測が可能になります．

2. ボルタンメトリ技術の応用

ボルタンメトリは，特定の溶液に対して三角波電圧を印加し，その電流応答を分析する手法です．$V_{in}$（印加電圧）と$R_f$（フィードバック抵抗）を使用して，測定溶液のインピーダンスを求めることができます．この技術は化学分析や環境モニタリングに広く応用されており，精度の高い濃度測定が可能です．

ポテンショスタットとボルタンメトリの基礎

ポテンショスタットは，電気化学測定において極めて重要な役割を果たす装置です．電解セルの参照電極（RE），作業電極（WE），対電極（CE）の間に電圧を印加し，溶液中で発生する電流を測定します．

この測定は，溶液のインピーダンスや反応速度を評価するために使用されます．特にサイクリック・ボルタンメトリ（CV）は，電解質溶液に対して三角波電圧を印加し，その電流-電圧応答を測定する技術です．サイクリックボルタモグラムは，横軸が印加電圧，縦軸が電流を示し，特定の反応点を視覚的に確認できます．

1. ポテンショスタットの構成と役割

ポテンショスタット回路は，I-V変換アンプ，加算回路，ボルテージ・フォロアといった要素から構成されます．

印加電圧を制御し，反応電極に流れる電流を精密に計測できます．これにより，溶液中の化学反応の進行や物質の濃度変化を解析することが可能です．たとえば，$I_{s}$（電流）を測定することで溶液の酸化還元特性を調べることができ，環境モニタリングや医薬品開発に応用されます．

2. サイクリック・ボルタンメトリの応用

サイクリック・ボルタンメトリは，溶液中の反応物質の電気化学的挙動を詳細に解析する技術です．印加電圧が一定の範囲内で往復運動する中で，物質が酸化・還元反応を起こすポイントを特定できます．この技術は，反応速度の評価や物質の同定に役立ち，電池開発や触媒研究など幅広い分野で使用されています．〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 計測器メーカの回路設計エンジニア　30年
• 現在　電子回路技術研究家，電子工作プロトタイピスト

著書

1. ［VOD/KIT］LabVIEW×Arduino！初めてのパソコン計測＆制御，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］LabVIEW×Arduino！初めてのパソコン計測＆制御】，ZEPエンジニアリング．
3. 測定器完備！バーチャル実験ベンチでI/O，トランジスタ技術，2018年2月号特集，CQ出版社．
4. クルマ先進！2眼カメラ＆ミリ波レーダの製作，トランジスタ技術，2019年3月号特集，CQ出版社．
5. 実験・研究で役立つハンディ計測アナライザ，トランジスタ技術，2020年11月号特集，CQ出版社．

参考文献

1. ［VOD/Pi KIT］ラズベリー・パイで学ぶLinux＆Pythonプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］ラズパイ×Node-REDで作ろう！IoTアプリ開発入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/Pi KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/Pi KIT］SLAMロボット＆ラズパイ付き！ROSプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［技術解説］自宅で設計・開発！USBミクスト・シグナル・アナライザ，ZEPエンジニアリング株式会社．