JP2005156316A - マイクロ波式濃度計 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化に応じて誘電率が変化する物質の懸濁液や溶液からなる測定対象液に対し、濃度測定の正確性を向上させる。
【解決手段】濃度演算部１８の前段に、温度検出器２１、濃度校正温度補正部２２、検量線傾き補正部２３および検量線切片補正部２４を備えたことにより、測定用流体の液温に基づいて、濃度ｘの検量線における位相差△θと、傾きａ、切片ｂといった各要素を補正し、補正後の検量線に基づいて濃度xを算出するマイクロ波式濃度計である。
【選択図】図1

Description

本発明は，マイクロ波の位相遅れの差（以下、位相差）または伝搬時間の差（以下伝播速度変化）また周波数の差（以下、周波数変化）を測定することによって，被測定対象である例えば汚泥やパルプ，建材材料、食品等の種々の懸濁物質や溶解性物質を含む測定対象の濃度等の物理量を測定する装置に係り，特に測定用液体の液温補正方式を改良し、濃度測定の正確性を向上し得るマイクロ波式濃度計に関する。

従来、被測定物質中の測定対象物の濃度測定を行なう手段として、被測定物質中にマイクロ波を送信し、被測定物質中を透過したマイクロ波を受信し、送信波及び受信波から得られる位相差、伝播速度変化、周波数変化などの情報を測定対象物の濃度に変換する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

マイクロ波式濃度計の構成図を図１５に示す。マイクロ波式濃度計は、マイクロ波発信器１１から発信されたマイクロ波がパワープリース１２により基準系経路と測定系経路とに分配される。

まず、基準系経路を通るマイクロ波は、伝送ケーブル１３を介して位相差測定部１４に導入される。

一方、測定系経路を通るマイクロ波は、配管１５の側面に取り付けられたマイクロ波送信アンテナ１６を介して配管１５の長手方向と直交する方向に配管１５内に入射され、配管１５内を流れる測定対象液中を追加した後、配管１５の反対側の側面に対向配置されたマイクロ波受信アンテナ１７に出射され、マイクロ波受信アンテナ１７から位相差測定部１４に導入される。

また、測定対象液は、濃度ゼロ（又は基準値）の濃度基準用液体と、濃度ｘの測定用液体との２種類があり、それぞれ個別に配管されて位相遅れθ１、θ２が測定される。

すなわち、位相差測定部１４においては、図１６に示すように、マイクロ波発信器１１から伝送ケーブル１３などを経由して直接受信するマイクロ波を位相基準とし、これに対して、配管１５内に濃度ｘの測定用液体内を充填して流したときのマイクロ波の位相遅れθｓに起因する位相差θ２＝３６０−θｓを測定し、配管１５内に濃度基準用液体（例えば濃度ゼロとみなせる水道水）を充填して流したときのマイクロ波位相遅れθｗに起因する位相差θ１＝３６０−θｗと測定し、θ２とθ１とを比較し、位相差△θ＝（θ２―θ１）＝（θｗ―θｓ）を求めて濃度演算部１８に送出する。なお、この位相差△θと測定用液体の濃度ｘとの間には図１７に示す検量線の優れた直線関係のあることが理論的および実験的に確認されている。

濃度演算部１８は、この位相差△θ及び検量線に基づいて、測定用液体の濃度ｘを算出する。具体的には、濃度演算部１８は、濃度ｘ＝ａ×△θ＋ｂの演算により濃度ｘを算出する。なお、ａは検量線の傾き、ｂは検量線の切片である。通常はｂ＝０である。

このようなマイクロ波式濃度計は次のような原理に基づいている。すなわち、測定対象液中の懸濁物質または溶解性物質の濃度が変化すると測定対象液全体としての誘電率、導電率が変化する。誘電率、導電率が変化すると、測定対象液中を伝搬するマイクロ波の速度が変化する。ここで、マイクロ波式濃度計は、このような濃度変化によるマイクロ波の速度変化を位相の変化として測定し、その位相変化の差△θが濃度に比例するという原理に基づいている。
特開２００１−２４２０９９号公報（第４頁、図１）

本発明の解決すべき技術的課題は、次のとおりである。

以上のようなマイクロ波を用いたマイクロ波式濃度計では、被測定物質の誘電率が温度によって変化する物質が測定対象の場合、濃度測定結果に影響を及ぼすことがある。例えばある種の有機物質では、被測定物質の誘電率が温度に応じて変化し、検量線の傾き、切片が変化する。

このため、液温変化が大きい場合には、任意の温度１点でのみの濃度校正だけでは不十分であり、濃度測定に影響を及ぼすことがある。

本発明は上記実績を考慮してなされたもので、温度に応じて誘電率が変化する物質の溶液からなる測定対象に対し、濃度測定の正確性を向上し得るマイクロ波式濃度計を実現することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、マイクロ波送信アンテナからマイクロ波を測定物質へ送信し、マイクロ波受信アンテナでマイクロ波を受信し、これらのマイクロ波の特性から測定物質の濃度を求めるマイクロ波式濃度計において、前記マイクロ波送信アンテナから送信されて前記測定物質中を伝搬して前記マイクロ波受信アンテナにて受信されたマイクロ波の位相遅れθ２を測定し、また、予め基準用測定物質を測定物質と同じ条件で測定したときのマイクロ波の位相遅れとを比較し、その位相差△θ＝（θ２−θ１）を測定する位相差測定手段と、前記位相差測定手段により測定された位相差△θを、前記測定物質の温度ｔｓと予め濃度校正した際の前記測定物質の温度ｔｗとの温度差△ｔ（＝ｔｗ−ｔｓ）に基づいて補正し、位相差△θ´を得る位相差演算手段と、前記測定物質体毎に対応する検量線ｘ＝ａ×△θ´＋ｂのうち、右辺のすくなくとも１つの項を前記測定物質の温度ｔｓに基づいて補正する検量線補正手段と、前記位相差補正手段により得られた位相差△θ´および前記検量線補正手段により補正された検量線に基づいて、測定物質の濃度Ｘを算出する濃度算出手段とを備えたマイクロ波式濃度計である。

従って、本発明は以上のような手段を講じたことにより、測定用液体の温度に基づいて、濃度ｘの検量線における位相差△θと傾きａ、切片ｂといった各要素を補正し、補正後の検量線に基づいて濃度ｘを算出するので、温度に応じて誘電率が大きく変化する物質の懸濁液や溶液からなる測定対象液に対し、濃度測定の正確性を向上させることができる。

本発明によれば、温度に応じて誘電率が変化する物質の測定対象液に対し、濃度測定の正確性を向上できるマイクロ波式濃度計を提供することができる。

以下，本発明の実施例を図面を参照して説明する。

図１は，本発明の実施例１に係るマイクロ波式濃度計の構成を示すブロックであり、前述した図面と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは異なる部分について主に述べる。

すなわち、実施例１は、検量線の傾きや切片が液温に応じて変化する物質であっても、濃度測定の正確性の向上を図るものである。具体的には、濃度演算部１８の前段に、温度検出器２１、濃度校正温度補正部２２、検量線傾き補正部２３および検量線切片補正部２４を備えている。

ここで、温度検出器２１は、配管１５に取り付けられ、配管１５内を流れる測定対象液の液温を測定し、液温を示す液温信号を濃度校正温度補正部２２、検量線傾き補正部２３及び検量線切片補正部２４に送出するものである。

濃度校正温度補正部２２は、温度検出器２１から送出された液温信号の示す液温ｔｓと、予め濃度校正した際の水温ｔｗとの温度差（ｔｗ−ｔｓ）＝△ｔを求める機能と、温度差△ｔから図２に示した位相差補正式△θｔ＝α×△ｔに基づいて、位相差補正値△θｔを求める機能と、位相差測定部１４で測定された位相差△θから△θｔを減じ、得られた液温補正後の位相差△θ´＝（△θ―△θｔ）の値を濃度演算部１８に送出する機能とを持っている。

検量線傾き補正部２３は、温度検出器２１から送出された液温信号の示す液温ｔｓに対応する検量線の傾きａｔを関数ａｔ＝ｆ（ｔ）に基づいて求め、得られた値ａｔを濃度演算部１８に送出するものである。

検量線切片補正部２４は、温度演出器２１から送出された液温信号の示す液温ｔｓに対応する検量線の切片ｂｔを関数ｂｔ＝ｇ（ｔ）に基づいて求め、得られたｂｔを濃度演算部１８に送出するものである。

濃度演算部１８は、前述同様の濃度演算機能をもつが、演算に用いる値が液温補正された位相差△θ´、傾きａｔ、切片ｂｔとなっている。すなわち、濃度演算部１８は、濃度校正温度補正部２２から受けた液温補正後の位相差△θ´、検量線傾き補正部２３から受けた検量線の傾きａｔ、検量線切片補正部２４から受けた検量線の切片ｂｔの値に基づいて、濃度ｘ＝ａｔ×△θ´＋ｂｔを演算し、測定対象液の濃度ｘを算出する機能を持っている。

次に、以上のように構成されたマイクロ波式濃度計の動作を説明する。いま、測定対象液を任意の温度で補正（スパン温度補正）した後の検量線が図３に示す液温特性を有し、その傾きａｔの液温特性が図４に示す液温ｔの関数ａｔ＝ｆ（ｔ）で表され、切片ｂｔの液温特性が図５に示す液温ｔの関数ｂｔ＝ｇ（ｔ）で表されるとする。

なお、検量線の液温特性としては、有機物質の誘電率、導電率、密度および誘電率の温度変化特性に基づいて理論計算式で求めてもよく、また、これらの温度変化特性が不明なとき等は、測定対象物質のサンプル液により温度変化特性の測定結果から図６に示すようなルックアップテーブルなどを作成して、傾きａ、切片bの温度特性を示す関数Ｃの特性から、傾きａ、切片bを求めてもよい。

ここで、位相差測定部１４は、前述した通り、位相差△θを測定すると共に、この位相差△θを濃度校正温度補正部２２に送出する。

一方、温度検出器２１で測定された液温信号は、濃度校正温度補正部２２、検量線傾き補正部２３及び検量線切片補正部２４に送出される。

濃度校正温度補正部２２は、液温信号の示す液温ｔｓと、濃度校正時の水温ｔｗとの温度差（ｔｗ−ｔｓ）＝△ｔを求めると、この△ｔから、図２に示した位相差補正式△θｔ＝α×△ｔに基づいて、位相差補正値△θｔを求め、位相差測定部１４で測定された位相差△θから△θｔを減じ、得られた濃度校正温度補正後の位相差△θ´＝（△θ―△θｔ）の値を濃度演算部１８に送出する。

一方、検量線傾き補正部２３は、液温信号の示す液温ｔｓに対応する検量線の傾きａｔを図４に示した関数ａｔ＝ｆ（ｔ）に基づいて求め、得られた値ａｔを濃度演算部１８に送出する。

また、一方、検量線切片補正部２４は、液温信号の示す液温ｔｓに対応する検量線の切片ｂ１を図５に示した関数ｂｔ＝ｇ（ｔ）に基づいて求め、得られた値ｂｔを濃度演算部１８に送出する。

濃度演算部１８では、これら濃度校正温度補正後の位相差△θ´、液温ｔｓに対応する検量線の傾きａｔ、液温ｔｓに対応する検量線の切片ｂｔの値に基づいて、濃度ｘ＝ａｔ×△θ´＋ｂｔを演算し、測定対象液の濃度ｘを算出する。

上記したように実施例１によれば、測定用液体の液温ｔｓに基づいて、濃度ｘの検量線における位相差△θ、傾きａ、切片ｂといった各要素を補正し、補正後の検量線に基づいて濃度ｘを算出するので、温度に応じて誘電率が変化する物質の懸濁液や溶液からなる測定対象液に対し、濃度測定の正確性を向上させることできる。また、液温変動範囲が広いときにも濃度を正確に測定することができる。

図７のように、配管内または容器内の支持部材に支持されたマイクロ波送信アンテナと受信アンテナを備えた構成であっても、実施例１の位相差補正手段を備えることで同様の効果が得られる。

図８のように、配管内または容器内の支持部材に支持されたマイクロ波送信アンテナと配管壁面乃至容器内壁面にマイクロ波受信アンテナを備えた構成であっても、実施例１の位相差補正手段を備えることで同様の効果が得られる。

伝播速度変化を測定する方法は、図９に示す検量線の優れた直線関係のあることが理論的および実験的に確認されていることから、実施例１の位相差測定部の代わりに伝播速度変化測定部と、実施例１の位相差補正手段の代わりに伝播速度変化△Ｖに対して図４、図５、図１０のいずれかまたはすべての伝播速度変化の液温特性による図１１に示した伝播速度変化補正式に基づく伝播速度変化補正手段とを備えることでも同様の効果が得られる。

周波数変化を測定する方法は、図１２に示す検量線の優れた直線関係のあることが理論的および実験的に確認されていることから、実施例１の位相差測定部の代わりに周波数変化測定部と、実施例１の位相差補正手段の代わりに周波数変化△ｆに対して図４、図５、図１０のいずれかまたはすべての周波数変化の液温特性による図１４に示した周波数変化補正式に基づく周波数変化補正手段とを備えることでも同様の効果が得られる。

本発明の実施例１に係るマイクロ波式濃度計の構成を示す図。 液温差と位相差補正値の特性を示す図。 本発明の実施例１に係る検量線の液温測定の特性を示す図。 本発明の実施例１に係る検量線の傾きの液温特性を示す図。 本発明の実施例１に係る検量線の切片の液温特性を示す図。 液温と位相差の測定結果から温度特性を求めるルックアプテーブルを示す図。 本発明の実施例２に係るマイクロ波式濃度計の構成を示す図。 本発明の実施例３に係るマイクロ波式濃度計の構成を示す図。 濃度と伝播速度変化の検量線の特性を示す図。 液温と位相差の測定結果から温度特性を求めるルックアプテーブルを示す図。 液温差と伝播速度変化補正値の特性を示す図。 濃度と周波数変化の検量線の特性を示す図。 液温と位相差の測定結果から温度特性を求めるルックアプテーブルを示す図。 液温差と周波数変化補正値の特性を示す図。 従来のマイクロ波式濃度計の構成を示す図。 位相差θ１と位相遅れθｗの関係、位相差θ２と位相遅れθｓの関係を示す図。 濃度と位相差の検量線の特性を示す図。

符号の説明

１１…マイクロ波発信器
１２…パワースプリッタ
１３…伝送ケーブル
１４…位相差測定部
１５…配管
１６…マイクロ波送信アンテナ
１７…マイクロ波受信アンテナ
１８…濃度演算部
２１…温度検出器
２２…濃度校正温度補正部
２３…検量線傾き補正部
２４…検量線切片補正部

Claims (15)

1. マイクロ波送信アンテナからマイクロ波を測定物質へ送信し、マイクロ波受信アンテナでマイクロ波を受信し、これらのマイクロ波の特性から測定物質の濃度を求めるマイクロ波式濃度計において、
   前記マイクロ波送信アンテナから送信されて前記測定物質中を伝搬して前記マイクロ波受信アンテナにて受信されたマイクロ波の位相遅れθ２を測定し、また、予め基準用測定物質を測定物質と同じ条件で測定したときのマイクロ波の位相遅れとを比較し、その位相差△θ＝（θ２−θ１）を測定する位相差測定手段と、
   前記位相差測定手段により測定された位相差△θを、前記測定物質の温度ｔｓと予め濃度校正した際の前記測定物質の温度ｔｗとの温度差△ｔ（＝ｔｗ−ｔｓ）に基づいて補正し、位相差△θ´を得る位相差演算手段と、
   前記測定物質体毎に対応する検量線ｘ＝ａ×△θ´＋ｂのうち、右辺のすくなくとも１つの項を前記測定物質の温度ｔｓに基づいて補正する検量線補正手段と、
   前記位相差補正手段により得られた位相差△θ´および前記検量線補正手段により補正された検量線に基づいて、測定物質の濃度Ｘを算出する濃度算出手段とを備えたことを特徴とするマイクロ波式濃度計。
2. 前記検量線補正手段は、前記検量線の傾きａの温度特性に基づいて、前記検量線ｘ＝ａ×△θ´＋ｂのうち、傾きａを補正することを特徴とする請求項１記載のマイクロ波式濃度計。
3. 前記検量線補正手段は、前記検量線の切片ｂの温度特性に基づいて、前記検量線ｘ＝ａ×△θ´＋ｂのうち、切片ｂを補正することを特徴とする請求項１記載のマイクロ波式濃度計。
4. 前記検量線補正手段は、前記検量線の傾きａ及び切片ｂの各々の温度特性に基づいて、前記検量線ｘ＝ａ×△θ´＋ｂのうち、傾きａ及び切片ｂを補正することを特徴とする請求項１記載のマイクロ波式濃度計。
5. 前記位相差補正手段及び前記検量線補正手段は、前記測定物質の温度ｔｓに基づく補正を所定の幅の温度帯ごとに実行することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のマイクロ波式濃度計。
6. マイクロ波送信アンテナからマイクロ波を測定物質へ送信し、マイクロ波受信アンテナでマイクロ波を受信し、これらのマイクロ波の特性から測定物質の濃度を求めるマイクロ波式濃度計において、
   前記マイクロ波送信アンテナから送信されて前記測定物質中を伝搬して前記マイクロ波受信アンテナにて受信されたマイクロ波の伝播速度Ｖ２を測定し、また、予め基準用測定物質を測定物質と同じ条件で測定したときのマイクロ波の伝播速度とを比較し、その伝播速度変化△Ｖ＝（Ｖ２−Ｖ１）を測定する伝播速度変化測定手段と、
   前記伝播速度変化測定手段により測定された伝播速度変化△Ｖを、前記測定物質の温度ｔｓと予め濃度校正した際の前記測定物質の温度ｔｗとの温度差△ｔ（＝ｔｗ−ｔｓ）に基づいて補正し、伝播速度変化△Ｖ´を得る伝播速度変化補正手段と、
   前記測定物質体毎に対応する検量線ｘ＝ａ×△Ｖ´＋ｂのうち、右辺のすくなくとも１つの項を前記測定物質の温度ｔｓに基づいて補正する検量線補正手段と、
   前記伝播速度変化補正手段により得られた伝播速度変化△Ｖ´および前記検量線補正手段により補正された検量線に基づいて、測定物質の濃度Ｘを算出する濃度算出手段とを備えたことを特徴とするマイクロ波式濃度計。
7. 前記検量線補正手段は、前記検量線の傾きａの温度特性に基づいて、前記検量線ｘ＝ａ×△Ｖ´＋ｂのうち、傾きａを補正することを特徴とする請求項６記載のマイクロ波式濃度計。
8. 前記検量線補正手段は、前記検量線の切片ｂの温度特性に基づいて、前記検量線ｘ＝ａ×△Ｖ´＋ｂのうち、切片ｂを補正することを特徴とする請求項６記載のマイクロ波式濃度計。
9. 前記検量線補正手段は、前記検量線の傾きａ及び切片ｂの各々の温度特性に基づいて、前記検量線ｘ＝ａ×△Ｖ´＋ｂのうち、傾きａ及び切片ｂを補正することを特徴とする請求項６記載のマイクロ波式濃度計。
10. 前記伝播速度変化補正手段及び前記検量線補正手段は、前記測定物質の温度ｔｓに基づく補正を所定の幅の温度帯ごとに実行することを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれかに記載のマイクロ波式濃度計。
11. マイクロ波送信アンテナからマイクロ波を測定物質へ送信し、マイクロ波受信アンテナでマイクロ波を受信し、これらのマイクロ波の特性から測定物質の濃度を求めるマイクロ波式濃度計において、
    前記マイクロ波送信アンテナから送信されて前記測定物質中を伝搬して前記マイクロ波受信アンテナにて受信されたマイクロ波の周波数ｆ２を測定し、また、予め基準用測定物質を測定物質と同じ条件で測定したときのマイクロ波の周波数とを比較し、その周波数変化△ｆ＝（ｆ２−ｆ１）を測定する周波数変化測定手段と、
    前記周波数変化測定手段により測定された周波数変化△ｆを、前記測定物質の温度ｔｓと予め濃度校正した際の前記測定物質の温度ｔｗとの温度差△ｔ（＝ｔｗ−ｔｓ）に基づいて補正し、周波数変化△ｆ´を得る周波数変化補正手段と、
    前記測定物質体毎に対応する検量線ｘ＝ａ×△ｆ´＋ｂのうち、右辺のすくなくとも１つの項を前記測定物質の温度ｔｓに基づいて補正する検量線補正手段と、
    前記周波数変化補正手段により得られた周波数変化△ｆ´および前記検量線補正手段により補正された検量線に基づいて、測定物質の濃度Ｘを算出する濃度算出手段とを備えたことを特徴とするマイクロ波式濃度計。
12. 前記検量線補正手段は、前記検量線の傾きａの温度特性に基づいて、前記検量線ｘ＝ａ×△ｆ´＋ｂのうち、傾きａを補正することを特徴とする請求項１１記載のマイクロ波式濃度計。
13. 前記検量線補正手段は、前記検量線の切片ｂの温度特性に基づいて、前記検量線ｘ＝ａ×△ｆ´＋ｂのうち、切片ｂを補正することを特徴とする請求項１１記載のマイクロ波式濃度計。
14. 前記検量線補正手段は、前記検量線の傾きａ及び切片ｂの各々の温度特性に基づいて、前記検量線ｘ＝ａ×△ｆ´＋ｂのうち、傾きａ及び切片ｂを補正することを特徴とする請求項１１記載のマイクロ波式濃度計。
15. 前記伝播速度変化補正手段及び前記検量線補正手段は、前記測定物質の温度ｔｓに基づく補正を所定の幅の温度帯ごとに実行することを特徴とする請求項１１乃至請求項１４のいずれかに記載のマイクロ波式濃度計。

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