JP2010210285A - Method and device for detecting concentration of mixed fluid - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for detecting the concentration of a mixed fluid capable of accurately detecting the concentration of the mixed fluid constituted of three or more kinds of components, and a device for detecting the concentration of the mixed fluid. <P>SOLUTION: In the method for detecting the concentration of the mixed fluid constituted so as to detect the concentrations of the respective components of the mixed fluid constituted of N (an integer of ≥3) kinds of known components, the dielectric constant of the mixed fluid is measured at different temperatures of an (N-1) point and the concentrations of the respective components are calculated from the dielectric constants of the respective known components at the respective temperatures of the (N-1) point and the dielectric constants of the mixed fluid at the respective temperatures of the (N-1) point. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、3種以上の成分で構成される混合流体の濃度を検出する、混合流体の濃度検出方法および検出装置に関する。   The present invention relates to a mixed fluid concentration detection method and detection apparatus for detecting the concentration of a mixed fluid composed of three or more components.

近年、ガソリンの代替燃料としてアルコール類が注目され、例えばガソリンとエタノールを主成分とするバイオ混合ガソリンや、軽油と脂肪酸メチルエステルを主成分とするバイオ混合軽油のような混合燃料が普及し始めてきている。この種の混合燃料を用いて内燃機関の作動状態に適合した燃料量を燃焼室へ噴射できるようにするためには、ガソリンとアルコールの濃度を適宜検出して、アルコール含有量を絶えず把握する必要がある。このためのガソリンとアルコールの濃度検出装置が、例えば、特開平5−87764号公報(特許文献1)と特開2008−268169号公報(特許文献2)に開示されている。   In recent years, alcohol has attracted attention as an alternative fuel to gasoline, and mixed fuels such as bio-mixed gasoline mainly composed of gasoline and ethanol and bio-mixed light oil mainly composed of light oil and fatty acid methyl ester have started to spread. ing. In order to be able to inject into the combustion chamber a fuel amount suitable for the operating state of the internal combustion engine using this kind of mixed fuel, it is necessary to detect the concentration of gasoline and alcohol as needed and constantly grasp the alcohol content. There is. Gasoline and alcohol concentration detection devices for this purpose are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-87764 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-268169 (Patent Document 2).

例えば、特許文献1に開示されたアルコール含有量の検出装置は、ケーシング内に配置された一対の電極間に測定対象のガソリンとアルコールからなる混合燃料(混合流体)を導入し、混合燃料の静電容量(誘電率)を測定して、アルコールの濃度を測定する装置である。また、特許文献2に開示された液体性状センサは、半導体基板に設けられた櫛歯状電極をガソリン等の液体燃料の中に浸漬させて静電容量(誘電率)を測定し、ガソリンに含まれるアルコールの混合比率を検出するセンサである。   For example, the alcohol content detection device disclosed in Patent Document 1 introduces a mixed fuel (mixed fluid) composed of gasoline and alcohol to be measured between a pair of electrodes arranged in a casing, thereby statically mixing the mixed fuel. It is an apparatus that measures the concentration of alcohol by measuring the capacitance (dielectric constant). The liquid property sensor disclosed in Patent Document 2 includes a comb-like electrode provided on a semiconductor substrate immersed in a liquid fuel such as gasoline to measure capacitance (dielectric constant), and is included in gasoline. It is a sensor that detects the mixing ratio of alcohol.

特開平5−87764号公報JP-A-5-87764 特開2008−268169号公報JP 2008-268169 A

ところで、上記混合燃料にあっては、主成分であるガソリンとエタノール以外に、例えば水が混入することが知られている。詳しくは、精製段階においてエタノールに水が混入したり、混合燃料が大気に触れることで大気に含まれる水が混合燃料に溶け込んだり、混合燃料を運搬する際に人為的に水が混入したりすることが知られている。このように混合燃料に水が混入すると、混合燃料の静電容量(誘電率)は、ガソリン、エタノールおよび水の3成分の濃度(存在割合)に依存して変化することになる。しかしながら、上記従来技術においては、混合燃料がガソリンとアルコールで構成されているとみなされており、2成分の濃度しか測定できないため、水の混入により測定誤差が生じてしまう。   Incidentally, in the above mixed fuel, it is known that, for example, water is mixed in addition to gasoline and ethanol which are the main components. Specifically, water is mixed into ethanol during the refining stage, water contained in the atmosphere dissolves into the mixed fuel when it comes into contact with the atmosphere, or water is artificially mixed when transporting the mixed fuel. It is known. When water is mixed in the mixed fuel in this way, the electrostatic capacity (dielectric constant) of the mixed fuel changes depending on the concentrations (existence ratios) of the three components of gasoline, ethanol and water. However, in the above-described prior art, the mixed fuel is considered to be composed of gasoline and alcohol, and only the concentration of two components can be measured.

そこで本発明は、3種以上の成分で構成される混合流体の濃度を正確に検出することのできる、混合流体の濃度検出方法および検出装置を提供することを目的としている。   Therefore, an object of the present invention is to provide a mixed fluid concentration detection method and a detection device capable of accurately detecting the concentration of a mixed fluid composed of three or more components.

請求項1に記載の発明は、N(≧3の整数)種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法であって、(N−1)点の異なる温度で前記混合流体の誘電率を測定し、前記(N−1)点の各温度における既知の各成分の誘電率と、前記(N−1)点の各温度で測定された前記混合流体の誘電率とから、前記各成分の濃度を算出することを特徴としている。   The invention described in claim 1 is a mixed fluid concentration detection method for detecting the concentration of each component of a mixed fluid composed of N (> 3 integer) types of known components, wherein (N-1) The dielectric constant of the mixed fluid is measured at different temperatures, and the dielectric constant of each known component at each temperature at the (N-1) point and the temperature measured at each temperature at the (N-1) point. The concentration of each component is calculated from the dielectric constant of the mixed fluid.

上記混合流体の濃度検出方法は、N(≧3の整数)種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を、それぞれの誘電率と温度特性が異なることを利用して検出するものである。各成分の濃度(存在割合)をa,a,・・・,aとすると、一つの等式a+a+・・・+a=1が成り立つ。また、上記混合流体の濃度検出方法においては、(N−1)点の異なる温度で混合流体の誘電率を測定しており、(N−1)個の混合流体の誘電率ε,ε,・・・,εN−1が得られる。測定した各温度での誘電率ε,ε,・・・,εN−1は、それぞれ、予め把握しておいた同温度における単一の各成分の誘電率と濃度の積を各成分について足し合わせたものに等しい。従って、これより(N−1)個の等式が成り立つ。このように、上記混合流体の濃度検出方法によれば、濃度a,a,・・・,aのN個の未知数に対して、上記した全部でN個の等式からなる連立方程式を立てることができ、該連立方程式を解くことで、濃度a,a,・・・,aを正確に決定することができる。 In the mixed fluid concentration detection method, the concentration of each component of the mixed fluid composed of N (> 3 integers) known components is detected by utilizing the different dielectric constants and temperature characteristics. Is. If the concentration (abundance ratio) of each component is a 1 , a 2 ,..., A N , one equation a 1 + a 2 +... + A N = 1 holds. In the above mixed fluid concentration detection method, the dielectric constants of the mixed fluid are measured at different temperatures at (N-1) points, and the dielectric constants ε 1 and ε 2 of (N-1) mixed fluids. ,..., Ε N-1 is obtained. The measured dielectric constants ε 1 , ε 2 ,..., Ε N-1 are obtained by multiplying the product of the dielectric constant and the concentration of each single component at the same temperature that has been previously grasped. Equal to the sum of Therefore, from this, (N-1) equations are established. Thus, according to the concentration detection method of the mixed fluid, simultaneous equations concentration a 1, a 2, · · ·, for N unknowns a N, of N equations in total as described above , And by solving the simultaneous equations, the concentrations a 1 , a 2 ,..., A N can be accurately determined.

以上のようにして、上記混合流体の濃度検出方法は、N(≧3の整数)種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法であって、3種以上の成分で構成される混合流体の濃度を正確に検出することのできる混合流体の濃度検出方法とすることができる。   As described above, the mixed fluid concentration detection method is a mixed fluid concentration detection method for detecting the concentration of each component of a mixed fluid composed of N (≧ 3) kinds of known components. It can be set as the mixed fluid density | concentration detection method which can detect correctly the density | concentration of the mixed fluid comprised by 3 or more types of components.

上記混合流体の濃度検出方法において、例えば請求項2に記載のように、前記Nが、3である場合には、前記各成分の濃度をそれぞれa,b,cとし、前記2点の異なる温度をそれぞれT,Tとし、前記温度Tにおける各成分の誘電率をそれぞれεa1,εb1,εc1とし、前記温度Tにおける各成分の誘電率をそれぞれεa2,εb2,εc2とし、前記温度Tと温度Tにおける混合流体の誘電率をそれぞれε,εとしたとき、
(数1) a+b+c=1
(数2) ε=εa1・a+εb1・b+εc1・c
(数3) ε=εa2・a+εb2・b+εc2・c
から、前記各成分の濃度を算出することができる。
In the mixed fluid concentration detection method, as described in claim 2, for example, when N is 3, the concentrations of the components are a, b, and c, respectively, and the two different temperatures are used. Are T 1 and T 2 , the dielectric constants of the respective components at the temperature T 1 are respectively ε a1 , ε b1 and ε c1, and the dielectric constants of the respective components at the temperature T 2 are respectively ε a2 , ε b2 and ε and c2, the temperatures T 1 and respectively epsilon 1 of the dielectric constant of the mixed fluid at a temperature T 2, when the epsilon 2,
(Formula 1) a + b + c = 1
(Equation 2) ε 1 = ε a1 · a + ε b1 · b + ε c1 · c
(Equation 3) ε 2 = ε a2 · a + ε b2 · b + ε c2 · c
From the above, the concentration of each component can be calculated.

上記混合流体の濃度検出方法は、水が混入する可能性がある内燃機関の混合燃料の濃度検出にも適用することができ、例えば請求項3に記載のように、前記成分が、エタノール、ガソリンおよび水である場合に好適である。尚、ガソリンは数百種類の成分で構成されるが、いずれの成分も誘電率は略同一であり、ガソリンを1種類の成分として取り扱うことが可能である。また、請求項4に記載のように、前記成分が、脂肪酸メチルエステル、軽油および水であってもよい。   The concentration detection method of the mixed fluid can be applied to the detection of the concentration of the mixed fuel of the internal combustion engine in which water may be mixed. For example, as described in claim 3, the component includes ethanol, gasoline, and the like. And water. In addition, although gasoline is comprised by several hundred types of components, the dielectric constant of all the components is substantially the same, and it is possible to handle gasoline as one type of component. Moreover, the fatty acid methyl ester, light oil, and water may be sufficient as the said component as described in Claim 4.

上記混合流体の濃度検出方法においては、請求項5に記載のように、前記混合流体の各温度における誘電率の測定において、直列接続された2個の容量検出素子を所定電圧の逆の搬送波で駆動し、前記2個の容量検出素子の接続点からの出力を帰還容量が付加されたC/V変換器に入力し、該C/V変換器の出力電圧から前記混合流体の各温度における誘電率を測定することが好ましい。   In the method for detecting the concentration of the mixed fluid, as described in claim 5, in measuring the dielectric constant at each temperature of the mixed fluid, two capacitance detection elements connected in series with a carrier wave having a reverse voltage of a predetermined voltage. The output from the connection point of the two capacitance detection elements is input to a C / V converter to which a feedback capacitance is added, and the dielectric fluid at each temperature of the mixed fluid is output from the output voltage of the C / V converter. It is preferable to measure the rate.

これによれば、配線による寄生容量の影響をキャンセルできるため、1個の容量検出素子を用いる場合に較べてより高精度な誘電率測定が可能であり、各成分の濃度もより高精度に検出することができる。   According to this, since the influence of the parasitic capacitance due to the wiring can be canceled, the dielectric constant can be measured with higher accuracy than when one capacitance detection element is used, and the concentration of each component can be detected with higher accuracy. can do.

請求項6〜17に記載の発明は、上記した記混合流体の濃度検出方法を実施するための、混合流体の濃度検出装置に関する発明である。   The invention described in claims 6 to 17 is an invention relating to a mixed fluid concentration detection device for carrying out the mixed fluid concentration detection method described above.

請求項6に記載の発明は、N(≧3の整数)種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出装置であって、前記混合流体の温度を異なる(N−1)点で測定可能な温度測定部と、前記(N−1)点の異なる温度で前記混合流体の誘電率を測定可能な誘電率測定部と、メモリに保存された前記(N−1)点の各温度における既知の各成分の誘電率と、前記(N−1)点の異なる温度で測定された前記混合流体の誘電率とから、前記各成分の濃度を算出する濃度演算部とを有してなることを特徴している。   The invention according to claim 6 is a mixed fluid concentration detection device for detecting the concentration of each component of a mixed fluid composed of N (integer of 3) known components, the temperature of the mixed fluid A temperature measuring unit capable of measuring at a different (N-1) point, a dielectric constant measuring unit capable of measuring a dielectric constant of the mixed fluid at a different temperature at the (N-1) point, and the memory stored in a memory The concentration of each component is calculated from the dielectric constant of each known component at each temperature at point (N-1) and the dielectric constant of the mixed fluid measured at different temperatures at point (N-1). And a density calculation unit.

これによって、請求項1に記載した混合流体の濃度検出方法を実施することができる。   Thus, the mixed fluid concentration detection method according to claim 1 can be implemented.

上記混合流体の濃度検出装置においては、請求項7に記載のように、前記濃度検出装置が、前記混合流体の前記(N−1)点の異なる温度を形成するためのヒータ部を有してなることが好ましい。   In the mixed fluid concentration detection device, as described in claim 7, the concentration detection device has a heater unit for forming different temperatures of the (N-1) points of the mixed fluid. It is preferable to become.

(N−1)点の異なる温度で混合流体の誘電率を測定する場合、混合流体の温度が時間的に変化するのを待って測定することも可能である。しかしながら、上記ヒータ部を有する構成とすることで、混合流体の温度を、適宜、異なる(N−1)点の温度に変化させることができる。従って、これによれば、混合流体の各成分の濃度を適宜検出することが可能である。   When measuring the dielectric constant of the fluid mixture at different temperatures at (N-1) points, it is also possible to wait for the temperature of the fluid mixture to change over time. However, with the configuration having the heater section, the temperature of the mixed fluid can be appropriately changed to a different (N-1) point temperature. Therefore, according to this, it is possible to appropriately detect the concentration of each component of the mixed fluid.

上記混合流体の濃度検出装置においては、請求項8に記載のように、前記温度測定部の構成要素である温度検出素子および前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子が、一つのチップに形成されてなることが好ましい。これによれば、例えば混合流体を流す配管に温度検出素子と容量検出素子をそれぞれ別部品として組み込む場合に較べて、小型化とコストダウンを図ることができる。   In the mixed fluid concentration detection device, as described in claim 8, a temperature detection element that is a component of the temperature measurement unit and a capacitance detection element that is a component of the dielectric constant measurement unit are included in one chip. It is preferable to be formed. According to this, compared with the case where a temperature detection element and a capacity | capacitance detection element are each incorporated as a separate component in piping which flows mixed fluid, for example, size reduction and a cost reduction can be achieved.

さらに、上記したヒータ部を有する構成とする場合には、請求項9に記載のように、前記温度測定部の構成要素である温度検出素子、前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子および前記ヒータ部の構成要素であるヒータ素子が、一つのチップに形成されてなることが、小型化とコストダウンのために好ましい。   Furthermore, when it is set as the structure which has the above-mentioned heater part, as described in Claim 9, the temperature detection element which is a component of the said temperature measurement part, The capacity | capacitance detection element which is a component of the said dielectric constant measurement part And it is preferable for the heater element which is a component of the said heater part to be formed in one chip | tip for size reduction and a cost reduction.

尚、この場合には、請求項10に記載のように、前記チップにおいて、前記ヒータ素子と前記温度検出素子および前記容量検出素子を熱的に分離するように、溝部が形成されてなることが好ましい。これによれば、ヒータ素子から温度検出素子および容量検出素子へのチップを介した熱伝導を抑制できるため、上記溝部が形成されていない場合に較べて、混合流体の温度と誘電率をより正確に測定することができ、各成分の濃度をより正確に検出することができる。   In this case, as described in claim 10, in the chip, a groove portion may be formed so as to thermally separate the heater element, the temperature detection element, and the capacitance detection element. preferable. According to this, since heat conduction from the heater element to the temperature detection element and the capacitance detection element through the chip can be suppressed, the temperature and dielectric constant of the mixed fluid can be more accurately compared to the case where the groove is not formed. The concentration of each component can be detected more accurately.

チップに容量検出素子を形成する場合には、請求項11に記載のように、前記容量検出素子が、一対の櫛歯状電極からなることが好ましい。これによれば、チップ上に形成された該一対の櫛歯状電極間に混合流体を容易に導くことができると共に、櫛歯密度を高めて検出容量値を増大し、誘電率の測定精度を高めることができる。   When the capacitance detection element is formed on the chip, as described in claim 11, it is preferable that the capacitance detection element includes a pair of comb-like electrodes. According to this, the mixed fluid can be easily guided between the pair of comb-like electrodes formed on the chip, and the detection capacitance value is increased by increasing the comb-tooth density, thereby improving the dielectric constant measurement accuracy. Can be increased.

また、上記したヒータ部を有する構成とする場合には、請求項12に記載のように、前記混合流体の上流側に配置された前記ヒータ部の構成要素であるヒータ素子と、前記混合流体の下流側に配置された前記温度測定部の構成要素である温度検出素子および前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子との間に、前記混合流体の攪拌手段が設けられてなる構成とすることが好ましい。   Further, in the case of the configuration having the heater section described above, as described in claim 12, a heater element that is a component of the heater section disposed on the upstream side of the mixed fluid, and the mixed fluid A configuration in which stirring means for the mixed fluid is provided between a temperature detection element that is a component of the temperature measurement unit and a capacitance detection element that is a component of the dielectric constant measurement unit disposed on the downstream side; It is preferable to do.

これによれば、例えばフィン、メッシュ、フィルタ等の前記攪拌手段により、ヒータ素子を用いた加熱による混合流体の温度ムラを解消して、混合流体の温度と誘電率をより正確に測定することができる。従って、混合流体の各成分の濃度を、より正確に検出することができる。特に、電極寸法の大きな容量検出素子の場合には、電極間の混合流体の体積が大きいことから、前記攪拌手段を用いて電極間の混合流体の温度を均一にする必要がある。   According to this, for example, by using the stirring means such as fins, meshes, filters, etc., temperature unevenness of the mixed fluid due to heating using the heater element can be eliminated, and the temperature and dielectric constant of the mixed fluid can be measured more accurately. it can. Therefore, the concentration of each component of the mixed fluid can be detected more accurately. In particular, in the case of a capacitance detection element having a large electrode size, since the volume of the fluid mixture between the electrodes is large, it is necessary to make the temperature of the fluid mixture between the electrodes uniform using the stirring means.

上記混合流体の濃度検出装置においては、請求項13に記載のように、前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子が、一対の電極からなり、該電極の一方が、前記温度測定部の構成要素である温度検出素子を兼ねる構成とすることもできる。これによれば、さらなる小型化とコストダウンが可能である。   In the mixed fluid concentration detection device, as described in claim 13, the capacitance detection element as a component of the dielectric constant measurement unit includes a pair of electrodes, and one of the electrodes is the temperature measurement unit. It can also be set as the structure which serves also as the temperature detection element which is a component of these. According to this, further downsizing and cost reduction are possible.

上記混合流体の濃度検出装置においては、請求項14に記載のように、前記誘電率測定部が、直列接続された2個の容量検出素子と帰還容量が付加されたC/V変換器とを有してなり、前記混合流体の各温度における誘電率の測定において、前記2個の容量検出素子を所定電圧の逆の搬送波で駆動し、前記2個の容量検出素子の接続点からの出力を前記C/V変換器に入力し、該C/V変換器の出力電圧から前記混合流体の各温度における誘電率を測定することが好ましい。   In the mixed fluid concentration detection device, as described in claim 14, the dielectric constant measurement unit includes two capacitance detection elements connected in series and a C / V converter to which a feedback capacitance is added. In the measurement of the dielectric constant at each temperature of the mixed fluid, the two capacitance detection elements are driven by a carrier wave having a predetermined voltage, and an output from a connection point of the two capacitance detection elements is obtained. It is preferable to input to the C / V converter and measure the dielectric constant at each temperature of the mixed fluid from the output voltage of the C / V converter.

該誘電率測定部によれば、前述したように、配線による寄生容量の影響をキャンセルできるため、1個の容量検出素子を用いる場合に較べてより高精度な誘電率測定が可能であり、各成分の濃度もより高精度に検出することができる。   According to the dielectric constant measurement unit, as described above, since the influence of the parasitic capacitance due to the wiring can be canceled, the dielectric constant can be measured with higher accuracy than when one capacitance detection element is used. The concentration of the component can also be detected with higher accuracy.

上記混合流体の濃度検出装置において、例えば請求項14に記載のように、前記Nが、3である場合には、前記濃度演算部が、前記各成分の濃度をそれぞれa,b,cとし、前記2点の異なる温度をそれぞれT,Tとし、前記温度Tにおける各成分の誘電率をそれぞれεa1,εb1,εc1とし、前記温度Tにおける各成分の誘電率をそれぞれεa2,εb2,εc2とし、前記温度Tと温度Tにおける混合流体の誘電率をそれぞれε,εとしたとき、
(数1) a+b+c=1
(数2) ε=εa1・a+εb1・b+εc1・c
(数3) ε=εa2・a+εb2・b+εc2・c
から、前記各成分の濃度を算出する。
In the mixed fluid concentration detection apparatus, as described in claim 14, for example, when N is 3, the concentration calculation unit sets the concentration of each component to a, b, and c, respectively. The two different temperatures are T 1 and T 2 , the dielectric constants of the components at the temperature T 1 are ε a1 , ε b1 , and ε c1 , respectively, and the dielectric constants of the components at the temperature T 2 are ε a2 , ε b2 , and ε c2, and the dielectric constants of the mixed fluid at the temperature T 1 and the temperature T 2 are ε 1 and ε 2 , respectively.
(Formula 1) a + b + c = 1
(Equation 2) ε 1 = ε a1 · a + ε b1 · b + ε c1 · c
(Equation 3) ε 2 = ε a2 · a + ε b2 · b + ε c2 · c
From the above, the concentration of each component is calculated.

上記混合流体の濃度検出装置は、前述したように水が混入する可能性がある内燃機関の混合燃料の濃度検出に好適であり、例えば請求項16に記載のように、前記成分が、エタノール、ガソリンおよび水である場合、あるいは請求項17に記載のように、前記成分が、脂肪酸メチルエステル、軽油および水である場合に好適である。   The mixed fluid concentration detection device is suitable for detecting the concentration of a mixed fuel of an internal combustion engine in which water may be mixed as described above. For example, as described in claim 16, the component includes ethanol, It is suitable when it is gasoline and water, or when the components are fatty acid methyl ester, light oil and water as described in claim 17.

以上のようにして、上記混合流体の濃度検出方法および検出装置は、N(≧3の整数)種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法および検出装置であって、3種以上の成分で構成される混合流体の濃度を正確に検出することのできる混合流体の濃度検出方法および検出装置となっている。   As described above, the mixed fluid concentration detection method and the detection apparatus detect the concentration of each component of the mixed fluid composed of N (> 3 integer) types of known components. And it is a detection apparatus, It is the density | concentration detection method and detection apparatus of the mixed fluid which can detect correctly the density | concentration of the mixed fluid comprised by 3 or more types of components.

エタノール、ガソリンおよび水の各成分について、比誘電率の温度特性を示した図である。It is the figure which showed the temperature characteristic of the dielectric constant about each component of ethanol, gasoline, and water. 混合流体の濃度検出装置の一例を示した図である。(a)は、濃度検出装置100の概略構成を示した図であり、(b)は、(a)の濃度検出装置100におけるセンサ部の構成の一例で、センサチップ50を模式的に示した上面図である。また、(c)は、(b)の容量検出素子21の一例である、容量検出素子21aを模式的に示した上面図である。It is the figure which showed an example of the density | concentration detection apparatus of mixed fluid. (A) is the figure which showed schematic structure of the density | concentration detection apparatus 100, (b) is an example of a structure of the sensor part in the density | concentration detection apparatus 100 of (a), and showed the sensor chip 50 typically. It is a top view. Further, (c) is a top view schematically showing a capacitance detection element 21a, which is an example of the capacitance detection element 21 of (b). 図2(a)の濃度検出装置100におけるセンサ部の別の構成例で、(a)は、センサチップ51を模式的に示した上面図である。また、(b)は、混合流体の流れ方向に沿ってセンサチップ51の温度分布を示した図であり、(c)は、混合流体の流れ方向に沿ってセンサチップ51の断面を模式的に示した図である。FIG. 2A is another configuration example of the sensor unit in the concentration detection apparatus 100 of FIG. 2A, and FIG. 2A is a top view schematically showing the sensor chip 51. Further, (b) is a diagram showing the temperature distribution of the sensor chip 51 along the flow direction of the mixed fluid, and (c) schematically shows a cross section of the sensor chip 51 along the flow direction of the mixed fluid. FIG. 別のセンサチップ52を模式的に示した上面図である。It is the top view which showed another sensor chip 52 typically. 図2(a)の濃度検出装置100における誘電率測定部20の好ましい構成例を示す図で、誘電率測定部24の各部構成を示した回路ブロック図である。FIG. 3 is a diagram showing a preferred configuration example of a dielectric constant measurement unit 20 in the concentration detection apparatus 100 of FIG. 2A, and is a circuit block diagram showing a configuration of each part of the dielectric constant measurement unit 24. 図5に示す2個の容量検出素子Cs1,Cs2の構成例を示した図で、容量検出素子24bを模式的に示した上面図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of two capacitance detection elements Cs1 and Cs2 illustrated in FIG. 5, and is a top view schematically illustrating a capacitance detection element 24b. (a),(b)は、図2(a)の濃度検出装置100におけるセンサ部の別の構成例で、それぞれ、センサ部品61,62を模式的に示した断面図である。(A), (b) is another example of a structure of the sensor part in the density | concentration detection apparatus 100 of Fig.2 (a), and is sectional drawing which each showed the sensor components 61 and 62 typically. 図7(a),(b)に示すセンサ部品61,62のように、電極寸法の大きな容量検出素子を用いる場合に好適な構成例を示す図である。It is a figure which shows a structural example suitable when using a capacitance detection element with a large electrode dimension like the sensor components 61 and 62 shown to Fig.7 (a), (b).

本発明は、3種以上の成分で構成される混合流体の濃度を検出する、混合流体の濃度検出方法および検出装置に関する。   The present invention relates to a mixed fluid concentration detection method and detection apparatus for detecting the concentration of a mixed fluid composed of three or more components.

本発明に係る混合流体の濃度検出方法は、N(≧3の整数)種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法であって、(N−1)点の異なる温度で混合流体の誘電率を測定し、前記(N−1)点の各温度における既知の各成分の誘電率と、前記(N−1)点の各温度で測定された混合流体の誘電率とから、各成分の濃度を算出する。   A concentration detection method for a mixed fluid according to the present invention is a mixed fluid concentration detection method for detecting the concentration of each component of a mixed fluid composed of N (> 3 integer) known components. -1) Measure the dielectric constant of the fluid mixture at different temperatures at the points, and measure the dielectric constant of each known component at each temperature at the (N-1) point and each temperature at the (N-1) point. The concentration of each component is calculated from the dielectric constant of the mixed fluid.

上記混合流体の濃度検出方法は、N(≧3の整数)種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を、それぞれの誘電率と温度特性が異なることを利用して検出するものである。各成分の濃度(存在割合)をa,a,・・・,aとすると、一つの等式a+a+・・・+a=1が成り立つ。また、上記混合流体の濃度検出方法においては、(N−1)点の異なる温度で混合流体の誘電率を測定しており、(N−1)個の混合流体の誘電率ε,ε,・・・,εN−1が得られる。測定した各温度での誘電率ε,ε,・・・,εN−1は、それぞれ、予め把握しておいた同温度における単一の各成分の誘電率と濃度の積を各成分について足し合わせたものに等しい。従って、これより(N−1)個の等式が成り立つ。このように、上記混合流体の濃度検出方法によれば、濃度a,a,・・・,aのN個の未知数に対して、上記した全部でN個の等式からなる連立方程式を立てることができ、該連立方程式を解くことで、濃度a,a,・・・,aを正確に決定することができる。 In the mixed fluid concentration detection method, the concentration of each component of the mixed fluid composed of N (> 3 integers) known components is detected by utilizing the different dielectric constants and temperature characteristics. Is. If the concentration (abundance ratio) of each component is a 1 , a 2 ,..., A N , one equation a 1 + a 2 +... + A N = 1 holds. In the above mixed fluid concentration detection method, the dielectric constants of the mixed fluid are measured at different temperatures at (N-1) points, and the dielectric constants ε 1 and ε 2 of (N-1) mixed fluids. ,..., Ε N-1 is obtained. The measured dielectric constants ε 1 , ε 2 ,..., Ε N-1 are obtained by multiplying the product of the dielectric constant and the concentration of each single component at the same temperature that has been previously grasped. Equal to the sum of Therefore, from this, (N-1) equations are established. Thus, according to the concentration detection method of the mixed fluid, simultaneous equations concentration a 1, a 2, · · ·, for N unknowns a N, of N equations in total as described above , And by solving the simultaneous equations, the concentrations a 1 , a 2 ,..., A N can be accurately determined.

以上のようにして、上記混合流体の濃度検出方法は、N(≧3の整数)種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法であって、3種以上の成分で構成される混合流体の濃度を正確に検出することのできる混合流体の濃度検出方法となっている。   As described above, the mixed fluid concentration detection method is a mixed fluid concentration detection method for detecting the concentration of each component of a mixed fluid composed of N (≧ 3) kinds of known components. It is a mixed fluid concentration detection method capable of accurately detecting the concentration of a mixed fluid composed of three or more components.

例えば、上記混合流体の濃度検出方法において、Nが3である場合、すなわち3種類の成分A,B,Cがある場合を想定する。例えば、主に2種類の成分A,Bから構成される混合流体に、不純物として成分Cが混入している場合である。成分A,B,Cは化学反応などを起こさず、均一に混ざり合っているものとする。   For example, in the mixed fluid concentration detection method, a case is assumed where N is 3, that is, there are three types of components A, B, and C. For example, this is a case where component C is mixed as an impurity in a mixed fluid mainly composed of two types of components A and B. Components A, B, and C do not cause a chemical reaction or the like and are mixed uniformly.

上記混合流体の濃度検出方法では、以下に示す手順で、各成分の濃度を検出する。3種類の成分A,B,Cがある場合には、2点の異なる温度を設定し、各温度における単一の各成分A,B,Cの誘電率を、予め把握しておく。次に、各温度における混合流体の誘電率を測定する。   In the mixed fluid concentration detection method, the concentration of each component is detected by the following procedure. When there are three types of components A, B, and C, two different temperatures are set, and the dielectric constant of each single component A, B, and C at each temperature is grasped in advance. Next, the dielectric constant of the mixed fluid at each temperature is measured.

ここで、各成分A,B,Cの濃度をそれぞれa,b,cとし、上記2点の異なる温度をそれぞれT,Tとし、温度Tにおける上記単一の各成分A,B,Cの誘電率をそれぞれεa1,εb1,εc1とし、温度Tにおける上記単一の各成分A,B,Cの誘電率をそれぞれεa2,εb2,εc2とし、温度T,Tにおける上記混合流体の誘電率をそれぞれε,εとしたとき、
(数1) a+b+c=1
(数2) ε=εa1・a+εb1・b+εc1・c
(数3) ε=εa2・a+εb2・b+εc2・c
が成立する。該数式1〜3の連立方程式を解くことにより、各成分A,B,Cの濃度a,b,cを算出することができる。
Here, the concentrations of the components A, B, and C are a, b, and c, the two different temperatures are T 1 and T 2 , respectively, and the single components A, B, and T at the temperature T 1 are the same. The dielectric constants of C are ε a1 , ε b1 , and ε c1 , respectively, and the dielectric constants of the single components A, B, and C at temperature T 2 are ε a2 , ε b2 , and ε c2 , respectively, and temperatures T 1 , When the dielectric constants of the mixed fluid at T 2 are ε 1 and ε 2 , respectively.
(Formula 1) a + b + c = 1
(Equation 2) ε 1 = ε a1 · a + ε b1 · b + ε c1 · c
(Equation 3) ε 2 = ε a2 · a + ε b2 · b + ε c2 · c
Is established. By solving the simultaneous equations of Formulas 1 to 3, the concentrations a, b, and c of the components A, B, and C can be calculated.

上記混合流体の濃度検出方法は、水が混入する可能性がある内燃機関の混合燃料の濃度検出に好適である。例えば、ガソリンとエタノールを主成分とするバイオ混合ガソリンの場合には、前記成分が、エタノール、ガソリンおよび水である。尚、ガソリンは数百種類の成分で構成されるが、いずれの成分も誘電率は略同一であり、ガソリンを1種類の成分として取り扱うことが可能である。また、軽油と脂肪酸メチルエステルを主成分とするバイオ混合軽油の場合には、前記成分が、脂肪酸メチルエステル、軽油および水である。   The mixed fluid concentration detection method is suitable for detecting the concentration of mixed fuel in an internal combustion engine in which water may be mixed. For example, in the case of bio-mixed gasoline mainly composed of gasoline and ethanol, the components are ethanol, gasoline and water. In addition, although gasoline is comprised by several hundred types of components, the dielectric constant of all the components is substantially the same, and it is possible to handle gasoline as one type of component. In the case of bio-mixed light oil mainly composed of light oil and fatty acid methyl ester, the components are fatty acid methyl ester, light oil and water.

次に、上記混合流体の濃度検出方法について、図に基づいて具体的に説明する。   Next, the concentration detection method for the mixed fluid will be specifically described with reference to the drawings.

図1は、エタノール、ガソリンおよび水の各成分について、比誘電率の温度特性を示した図である。   FIG. 1 is a graph showing temperature characteristics of relative permittivity for each component of ethanol, gasoline, and water.

バイオ混合ガソリンのように主成分(ガソリン、エタノール)と混入する不純物(水)が既知の成分である場合において、図1に示すように、各成分の誘電率の温度依存性を予め把握しておく。これによって、エタノール、ガソリンおよび水の各成分について、例えば図中に示した温度Tにおける誘電率εa1,εb1,εc1と、温度Tにおける誘電率εa2,εb2,εc2を予め把握しておく。尚、混合流体の誘電率測定に設定する温度T,Tについては、図1のデータに示す各成分の測定温度と必ずしも一致させる必要はない。図1の各測定点のデータを後述するメモリに保管しておき、任意の設定温度T,Tにについて線形補間することにより、数式1〜3の演算に用いればよい。 When the main components (gasoline, ethanol) and mixed impurities (water) are known components as in bio-mixed gasoline, as shown in FIG. 1, the temperature dependence of the dielectric constant of each component is grasped in advance. deep. Thereby, ethanol, each component of the gasoline and water, for example, the dielectric constant epsilon a1 at temperatures T 1 shown in FIG, epsilon b1, and epsilon c1, the dielectric constant epsilon a2 at temperatures T 2, epsilon b2, the epsilon c2 Know in advance. Note that the temperatures T 1 and T 2 set for measuring the dielectric constant of the mixed fluid do not necessarily coincide with the measured temperatures of the components shown in the data of FIG. Data at each measurement point in FIG. 1 may be stored in a memory described later, and linear interpolation may be performed for arbitrary set temperatures T 1 and T 2 to be used for the calculations of Equations 1 to 3.

図2は、上記した混合流体の濃度検出方法を実施するための、混合流体の濃度検出装置の一例を示した図である。図2(a)は、濃度検出装置100の概略構成を示した図であり、図2(b)は、図2(a)の濃度検出装置100におけるセンサ部の構成の一例で、センサチップ50を模式的に示した上面図である。また、図2(c)は、図2(b)の容量検出素子21の一例である、容量検出素子21aを模式的に示した上面図である。   FIG. 2 is a view showing an example of a mixed fluid concentration detection device for carrying out the above-described mixed fluid concentration detection method. FIG. 2A is a diagram showing a schematic configuration of the concentration detection apparatus 100, and FIG. 2B is an example of a configuration of a sensor unit in the concentration detection apparatus 100 of FIG. It is the top view which showed typically. FIG. 2C is a top view schematically showing a capacitance detection element 21a, which is an example of the capacitance detection element 21 in FIG.

図2(a)に示す濃度検出装置100は、N(≧3の整数)種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する、混合流体の濃度検出装置である。濃度検出装置100は、混合流体の温度を異なる(N−1)点で測定可能な温度測定部10と、前記(N−1)点の異なる温度で混合流体の誘電率を測定可能な誘電率測定部20と、メモリ(図示省略)に保存された前記(N−1)点の各温度における既知の各成分の誘電率と、前記(N−1)点の異なる温度で測定された混合流体の誘電率とから、各成分の濃度を算出する濃度演算部30とを有している。   A concentration detection apparatus 100 shown in FIG. 2A is a mixed fluid concentration detection apparatus that detects the concentration of each component of a mixed fluid including N (> 3 integer) types of known components. The concentration detection apparatus 100 includes a temperature measuring unit 10 that can measure the temperature of the mixed fluid at different (N-1) points, and a dielectric constant that can measure the dielectric constant of the mixed fluid at different temperatures of the (N-1) points. A fluid mixture measured at a temperature different from the (N-1) point and the dielectric constant of each known component at each temperature at the (N-1) point stored in the measurement unit 20 and a memory (not shown). And a concentration calculation unit 30 for calculating the concentration of each component from the dielectric constant of each.

また、図2(a)に示す濃度検出装置100は、混合流体の前記(N−1)点の異なる温度を形成するためのヒータ部40を有している。(N−1)点の異なる温度で混合流体の誘電率を測定する場合、混合流体の温度が時間的に変化するのを待って測定することも可能である。しかしながら、濃度検出装置100のようにヒータ部を有する構成とすることで、混合流体の温度を、短時間で、適宜、異なる(N−1)点の温度に変化させることができる。従って、濃度検出装置100においては、混合流体の各成分の濃度を適宜検出することが可能である。   Moreover, the concentration detection apparatus 100 shown to Fig.2 (a) has the heater part 40 for forming the temperature from which the said (N-1) point of mixed fluid differs. When measuring the dielectric constant of the fluid mixture at different temperatures at (N-1) points, it is also possible to wait for the temperature of the fluid mixture to change over time. However, by adopting a configuration having a heater portion like the concentration detection device 100, the temperature of the mixed fluid can be appropriately changed to a different (N-1) point temperature in a short time. Therefore, the concentration detection apparatus 100 can appropriately detect the concentration of each component of the mixed fluid.

尚、図2(a)の濃度検出装置100はヒータ部40を有しており、加熱することによって異なる(N−1)点の温度を得るようにしているが、逆に、冷却することによって異なる(N−1)点の温度を得るようにしてもよい。加熱、冷却は、測定対象が不可逆的に変化しない範囲で、直接的もしくは間接的に実施できる。その際、加熱の手段として、抵抗体ヒータ加熱、誘導加熱、電磁波加熱、輻射加熱、ペルチェ素子のほか、膨張弁なども利用できる。冷却には冷媒冷却、強制対流冷却、ペルチェ素子、圧縮弁などが利用できる。   Note that the concentration detection apparatus 100 in FIG. 2 (a) has a heater unit 40 and obtains a different (N-1) point temperature by heating, but conversely, by cooling it. You may make it obtain the temperature of a different (N-1) point. Heating and cooling can be performed directly or indirectly as long as the measurement target does not change irreversibly. In this case, as a heating means, a resistor heater heating, induction heating, electromagnetic wave heating, radiation heating, a Peltier element, an expansion valve or the like can be used. For cooling, refrigerant cooling, forced convection cooling, a Peltier element, a compression valve, or the like can be used.

図2(b)に示すセンサチップ50は、半導体基板からなり、図2(a)に示した温度測定部10の構成要素である温度検出素子11、誘電率測定部20の構成要素である容量検出素子21、およびヒータ部40の構成要素であるヒータ素子41が形成されている。該センサチップ50を混合流体中に浸漬し、混合流体の誘電率を(N−1)点の異なる温度で測定する。センサチップ50のように、温度検出素子11、容量検出素子21およびヒータ素子41を一つのチップに形成することで、例えば後述する混合流体を流す配管に温度検出素子と容量検出素子をそれぞれ別部品として組み込む場合に較べて、小型化とコストダウンを図ることができる。半導体基板からなるセンサチップ50の場合には、マイクロメートルオーダの配線を形成することができ、数ミリメートル角の大きさに小型化することができる。   A sensor chip 50 shown in FIG. 2B is made of a semiconductor substrate, and a temperature detection element 11 that is a component of the temperature measurement unit 10 shown in FIG. 2A and a capacitance that is a component of the dielectric constant measurement unit 20. The detection element 21 and the heater element 41 which is a component of the heater unit 40 are formed. The sensor chip 50 is immersed in a mixed fluid, and the dielectric constant of the mixed fluid is measured at different temperatures at (N-1) points. Like the sensor chip 50, the temperature detection element 11, the capacitance detection element 21, and the heater element 41 are formed in one chip, so that, for example, the temperature detection element and the capacitance detection element are separately provided in a pipe through which a mixed fluid, which will be described later, flows. As compared with the case of incorporating as, it is possible to reduce the size and cost. In the case of the sensor chip 50 made of a semiconductor substrate, wiring on the order of micrometers can be formed, and the sensor chip 50 can be downsized to a size of several millimeters square.

尚、図2(b)のセンサチップ50は半導体基板からなるが、これに限らず、例えばセラミック基板に温度検出素子11、容量検出素子21およびヒータ素子41を形成するようにしてもよい。また、図2(b)のセンサチップ50の構成に限らず、例えばヒータ素子41を別部品(別チップ)としてもよいし、温度検出素子11と容量検出素子21を別チップに形成するようにしてもよい。   The sensor chip 50 shown in FIG. 2B is made of a semiconductor substrate, but is not limited to this. For example, the temperature detection element 11, the capacitance detection element 21, and the heater element 41 may be formed on a ceramic substrate. 2B, for example, the heater element 41 may be a separate component (separate chip), and the temperature detection element 11 and the capacitance detection element 21 may be formed on separate chips. May be.

チップに容量検出素子を形成する場合には、図2(c)に示す容量検出素子21aのように、一対の櫛歯状電極2a,2bからなることが好ましい。これによれば、図2(b)のセンサチップ50上に形成された該一対の櫛歯状電極2a,2b間に混合流体を容易に導くことができると共に、櫛歯密度を高めて検出容量値を増大し、誘電率の測定精度を高めることができる。   When the capacitance detection element is formed on the chip, it is preferable that the capacitance detection element is composed of a pair of comb-like electrodes 2a and 2b like a capacitance detection element 21a shown in FIG. According to this, the mixed fluid can be easily guided between the pair of comb-like electrodes 2a and 2b formed on the sensor chip 50 in FIG. 2B, and the detection capacitance can be increased by increasing the comb-tooth density. The value can be increased to increase the dielectric constant measurement accuracy.

図3は、図2(a)の濃度検出装置100におけるセンサ部の別の構成例で、図3(a)は、センサチップ51を模式的に示した上面図である。また、図3(b)は、混合流体の流れ方向に沿ってセンサチップ51の温度分布を示した図であり、図3(c)は、混合流体の流れ方向に沿ってセンサチップ51の断面を模式的に示した図である。   FIG. 3 is another configuration example of the sensor unit in the concentration detection apparatus 100 of FIG. 2A, and FIG. 3A is a top view schematically showing the sensor chip 51. 3B is a diagram showing the temperature distribution of the sensor chip 51 along the flow direction of the mixed fluid, and FIG. 3C is a cross-section of the sensor chip 51 along the flow direction of the mixed fluid. FIG.

図3(a)に示すセンサチップ51では、混合流体の流れ方向において、中央にヒータ素子42が配置され、上流側に温度検出素子12aと容量検出素子22aが、下流側に温度検出素子12bと容量検出素子22bが、それぞれ配置されている。センサチップ51の場合には、図3(b)の温度分布図に示すように、ヒータ素子42の加熱によって、異なる温度T,Tでの誘電率測定を同時に実施することができる。 In the sensor chip 51 shown in FIG. 3A, the heater element 42 is arranged at the center in the flow direction of the mixed fluid, the temperature detection element 12a and the capacitance detection element 22a on the upstream side, and the temperature detection element 12b on the downstream side. Capacitance detection elements 22b are respectively arranged. In the case of the sensor chip 51, as shown in the temperature distribution diagram of FIG. 3B, the dielectric constant measurement at different temperatures T 1 and T 2 can be simultaneously performed by heating the heater element 42.

尚、センサチップ上にヒータを設ける場合には、図3(c)のセンサチップ51に示すように、ヒータ素子42と温度検出素子12a,12bおよび容量検出素子22a,22bを熱的に分離するように、溝部5a,5bが形成されていることが好ましい。これによれば、ヒータ素子42から温度検出素子12a,12bおよび容量検出素子22a,22bへの、チップを介した熱伝導を抑制できる。このため、溝部5a,5bが形成されていない場合に較べて、混合流体の温度と誘電率をより正確に測定することができ、従って各成分の濃度をより正確に検出することができる。溝部5a,5bは、半導体基板からなるセンサチップ51においては、エッチング等により容易に形成可能である。   When a heater is provided on the sensor chip, the heater element 42 is thermally separated from the temperature detection elements 12a and 12b and the capacitance detection elements 22a and 22b as shown by the sensor chip 51 in FIG. Thus, it is preferable that the grooves 5a and 5b are formed. According to this, heat conduction through the chip from the heater element 42 to the temperature detection elements 12a and 12b and the capacitance detection elements 22a and 22b can be suppressed. For this reason, compared with the case where the groove parts 5a and 5b are not formed, the temperature and dielectric constant of the mixed fluid can be measured more accurately, and therefore the concentration of each component can be detected more accurately. The groove portions 5a and 5b can be easily formed by etching or the like in the sensor chip 51 made of a semiconductor substrate.

図4は、別のセンサチップ52を模式的に示した上面図である。   FIG. 4 is a top view schematically showing another sensor chip 52.

図4に示すセンサチップ52では、ヒータ素子43a、温度検出素子13aおよび容量検出素子23aからなる破線で囲った温度Tでの検出素子部52aと、ヒータ素子43b、温度検出素子13bおよび容量検出素子23bからなる破線で囲った温度Tでの検出素子部52bとが、混合流体の流れ方向における同じ位置に並んで配置されている。尚、図4のセンサチップ52において、ヒータ素子43aとヒータ素子43bのいずれか一方だけを形成するようにしてもよい。また、センサチップ52において、検出素子部52aと検出素子部52bは、それぞれ、基板の表側と裏側に形成するようにしてもよい。 In the sensor chip 52 shown in FIG. 4, the heater element 43a, a detection element portion 52a at temperatures T 1 surrounded by a broken line consisting of a temperature detecting element 13a and the capacitance detection element 23a, the heater element 43 b, the temperature detecting element 13b and the capacitance detection a detecting element section 52b at temperature T 2 surrounded by the broken line consisting of elements 23b, are arranged in the same position in the flow direction of the mixed fluid. In the sensor chip 52 in FIG. 4, only one of the heater element 43a and the heater element 43b may be formed. In the sensor chip 52, the detection element unit 52a and the detection element unit 52b may be formed on the front side and the back side of the substrate, respectively.

図5は、図2(a)の濃度検出装置100における誘電率測定部20の好ましい構成例を示す図で、誘電率測定部24の各部構成を示した回路ブロック図である。   FIG. 5 is a diagram showing a preferred configuration example of the dielectric constant measurement unit 20 in the concentration detection apparatus 100 of FIG. 2A, and is a circuit block diagram showing the configuration of each part of the dielectric constant measurement unit 24.

図5に示す誘電率測定部24は、直列接続された2個の容量検出素子Cs1,Cs2と帰還容量Cfが付加されたC/V変換器24aとを有している。そして、上記した混合流体の各温度における誘電率の測定においては、2個の容量検出素子Cs1,Cs2をそれぞれ図中に示した所定電圧Vの逆の搬送波FE1,FE2で駆動し、2個の容量検出素子Cs1,Cs2の接続点からの出力をC/V変換器24aに入力する。この時、C/V変換器24aの出力電圧Vsは、
(数4) Vs=V(Cs1−Cs2)/Cf
となり、2個の容量検出素子Cs1,Cs2の差分が、C/V変換される。この数式4の出力電圧Vsから、混合流体の各温度における誘電率を測定することができる。図5の誘電率測定部24を用いた誘電率測定によれば、配線による寄生容量Ceの影響をキャンセルできるため、1個の容量検出素子を用いる場合に較べてより高精度な誘電率測定が可能であり、各成分の濃度もより高精度に検出することができる。
The dielectric constant measuring unit 24 shown in FIG. 5 includes two capacitance detection elements Cs1 and Cs2 connected in series and a C / V converter 24a to which a feedback capacitance Cf is added. In the measurement of the dielectric constant at each temperature of the mixed fluid described above, the two capacitance detection elements Cs1 and Cs2 are respectively driven by carrier waves FE1 and FE2 having a predetermined voltage V shown in the drawing, and An output from the connection point of the capacitance detection elements Cs1, Cs2 is input to the C / V converter 24a. At this time, the output voltage Vs of the C / V converter 24a is
(Expression 4) Vs = V (Cs1-Cs2) / Cf
Thus, the difference between the two capacitance detection elements Cs1, Cs2 is C / V converted. From the output voltage Vs of Equation 4, the dielectric constant at each temperature of the mixed fluid can be measured. According to the dielectric constant measurement using the dielectric constant measurement unit 24 of FIG. 5, the influence of the parasitic capacitance Ce caused by the wiring can be canceled, so that the dielectric constant measurement can be performed with higher accuracy than when one capacitance detection element is used. It is possible, and the concentration of each component can be detected with higher accuracy.

図6は、図5に示す2個の容量検出素子Cs1,Cs2の構成例を示した図で、容量検出素子24bを模式的に示した上面図である。   FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of the two capacitance detection elements Cs1 and Cs2 illustrated in FIG. 5, and is a top view schematically illustrating the capacitance detection element 24b.

図6に示す容量検出素子24bは、パッド4aを有する櫛歯状の電極3a、パッド4bを有する櫛歯状の電極3b、およびパッド4c,4dを有する櫛歯状の電極3cで構成されている。図6の容量検出素子24bでは、電極3aと電極3cが対をなしており、図5の容量検出素子Cs1に相当して、パッド4aに搬送波FE1が入力される。また、電極3bと電極3cが対をなしており、図5の容量検出素子Cs2に相当して、パッド4bに搬送波FE2が入力される。図6の容量検出素子24bでは、パッド4cまたはパッド4dから取り出される出力が、図5の出力C/V変換器24aに入力される。   6 includes a comb-like electrode 3a having a pad 4a, a comb-like electrode 3b having a pad 4b, and a comb-like electrode 3c having pads 4c and 4d. . In the capacitance detection element 24b of FIG. 6, the electrode 3a and the electrode 3c are paired, and the carrier wave FE1 is input to the pad 4a corresponding to the capacitance detection element Cs1 of FIG. The electrode 3b and the electrode 3c make a pair, and the carrier wave FE2 is input to the pad 4b corresponding to the capacitance detection element Cs2 of FIG. In the capacitance detection element 24b of FIG. 6, the output taken out from the pad 4c or the pad 4d is input to the output C / V converter 24a of FIG.

尚、図6の容量検出素子24bにおいては、パッド4c,4dを有する電極3cを測温抵抗体で構成し、電極3cが温度検出素子を兼ねるようにしてもよい。このように、誘電率測定部の構成要素である容量検出素子が、一対の電極からなる場合には、該電極の一方が、温度測定部の構成要素である温度検出素子を兼ねる構成とすることで、さらなる小型化とコストダウンが可能である。   In the capacitance detection element 24b of FIG. 6, the electrode 3c having the pads 4c and 4d may be formed of a resistance temperature detector, and the electrode 3c may also serve as the temperature detection element. As described above, when the capacitance detection element that is a component of the dielectric constant measurement unit includes a pair of electrodes, one of the electrodes also serves as a temperature detection element that is a component of the temperature measurement unit. Therefore, further downsizing and cost reduction are possible.

図7(a),(b)は、図2(a)の濃度検出装置100におけるセンサ部の別の構成例で、それぞれ、センサ部品61,62を模式的に示した断面図である。   FIGS. 7A and 7B are other configuration examples of the sensor unit in the concentration detection apparatus 100 of FIG. 2A and are sectional views schematically showing sensor components 61 and 62, respectively.

前述した図2(a)の濃度検出装置100におけるセンサ部の構成例は、センサチップ50〜52で、混合流体に浸漬して使用するものであった。一方、図7(a),(b)に示すセンサ部品61,62は、配管70に取り付けて使用する。図7(a)に示すセンサ部品61は、対をなす平板状の電極6a,6bと、温度検出素子である熱電対6cを備えている。また、図7(b)に示すセンサ部品62は、対をなす円筒状の電極7a,7bと、温度検出素子である熱電対7cを備えている。   The configuration example of the sensor unit in the concentration detection apparatus 100 of FIG. 2A described above is a sensor chip 50 to 52 that is used by being immersed in a mixed fluid. On the other hand, the sensor components 61 and 62 shown in FIGS. 7A and 7B are attached to the pipe 70 for use. The sensor component 61 shown in FIG. 7A includes a pair of flat plate electrodes 6a and 6b and a thermocouple 6c that is a temperature detection element. The sensor component 62 shown in FIG. 7B includes a pair of cylindrical electrodes 7a and 7b and a thermocouple 7c that is a temperature detection element.

尚、車両の燃料の誘電率測定を行う場合、配管70の外側もしくは内側にヒータを設置して、配管70内を通る燃料の温度を変えることができる。ヒータによる加熱部の直下、加熱部より流れの上流側、もしくは加熱部より流れの下流側のうちいずれか2箇所に、図7(a),(b)に示すようなセンサ部品61,62を設置することで、図3に示したようにヒータの温度設定を変化させることなく、各成分の濃度測定が可能となる。   When measuring the dielectric constant of fuel in a vehicle, a heater can be installed outside or inside the pipe 70 to change the temperature of the fuel passing through the pipe 70. Sensor parts 61 and 62 as shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b) are provided at any two locations immediately below the heating section by the heater, upstream of the flow from the heating section, or downstream of the flow from the heating section. By installing, the concentration of each component can be measured without changing the temperature setting of the heater as shown in FIG.

図8は、図7(a),(b)に示すセンサ部品61,62のように、電極寸法の大きな容量検出素子を用いる場合に好適な構成例を示す図である。   FIG. 8 is a diagram showing a configuration example suitable for using a capacitance detection element having a large electrode size, such as the sensor parts 61 and 62 shown in FIGS. 7A and 7B.

図8に示す構成では、混合流体の上流側に配置されたヒータ素子44と、混合流体の下流側に配置された温度検出素子14および容量検出素子25との間に、混合流体の攪拌手段80が設けられている。これによれば、例えばフィン、メッシュ、フィルタ等の攪拌手段80により、ヒータ素子44を用いた加熱による混合流体の温度ムラを解消して、混合流体の温度と誘電率をより正確に測定することができる。従って、図8に示す構成では、混合流体の各成分の濃度を、より正確に検出することができる。特に、図7(a),(b)に示すセンサ部品61,62のように、電極寸法の大きな容量検出素子の場合には、電極間の混合流体の体積が大きいことから、攪拌手段80を用いて電極間の混合流体の温度を均一にする必要がある。   In the configuration shown in FIG. 8, the mixed fluid agitating means 80 is provided between the heater element 44 disposed on the upstream side of the mixed fluid and the temperature detecting element 14 and the capacity detecting element 25 disposed on the downstream side of the mixed fluid. Is provided. According to this, for example, by the stirring means 80 such as fins, meshes, filters, etc., temperature unevenness of the mixed fluid due to heating using the heater element 44 is eliminated, and the temperature and dielectric constant of the mixed fluid are measured more accurately. Can do. Therefore, in the configuration shown in FIG. 8, the concentration of each component of the mixed fluid can be detected more accurately. In particular, in the case of a capacitance detecting element having a large electrode size, such as the sensor parts 61 and 62 shown in FIGS. 7A and 7B, the volume of the mixed fluid between the electrodes is large. It is necessary to make the temperature of the mixed fluid between the electrodes uniform.

以上に示したようなセンサ部を用いて、例えば3種類の成分A,B,Cからなる混合流体の誘電率を2点の異なる温度で測定し、図2(a)に示した濃度演算部30で数式1〜3に示した連立方程式を解くことにより、各成分A,B,Cの濃度a,b,cを算出することができる。尚、N(≧3の整数)種の成分からなる混合流体の場合も、(N−1)点の異なる温度で混合流体の誘電率を測定し、数式1〜3を前述したように一般化して、各成分の濃度(存在割合)をa,a,・・・,aを算出することができる。 Using the sensor unit as described above, for example, the dielectric constant of a mixed fluid composed of three types of components A, B, and C is measured at two different temperatures, and the concentration calculation unit shown in FIG. By solving the simultaneous equations shown in Equations 1 to 3 at 30, the concentrations a, b, and c of the components A, B, and C can be calculated. In the case of a mixed fluid composed of N (≧ 3) types of components, the dielectric constant of the mixed fluid is measured at different temperatures at (N−1) points, and the equations 1 to 3 are generalized as described above. Thus, a 1 , a 2 ,..., A N can be calculated for the concentrations (existence ratios) of the respective components.

以上のようにして、上記した混合流体の濃度検出方法および検出装置は、N(≧3の整数)種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法および検出装置であって、3種以上の成分で構成される混合流体の濃度を正確に検出することのできる混合流体の濃度検出方法および検出装置となっている。   As described above, the above-described mixed fluid concentration detection method and detection device detect the concentration of each component of the mixed fluid composed of N (≧ 3) types of known components and detect the concentration of the mixed fluid. This is a method and a detection apparatus, which are a mixed fluid concentration detection method and a detection apparatus capable of accurately detecting the concentration of a mixed fluid composed of three or more components.

従って、上記した混合流体の濃度検出方法および濃度検出装置は、水が混入する可能性がある内燃機関の混合燃料の濃度検出に好適であり、例えば前記成分が、エタノール、ガソリンおよび水である場合、あるいは前記成分が、脂肪酸メチルエステル、軽油および水である場合に好適である。   Therefore, the above-described mixed fluid concentration detection method and concentration detection device are suitable for detecting the concentration of the mixed fuel of an internal combustion engine in which water may be mixed. For example, the components are ethanol, gasoline, and water. Alternatively, it is suitable when the components are fatty acid methyl ester, light oil and water.

100 濃度検出装置
10 温度測定部
11,12a,12b,13a,13b 温度検出素子
20,24 誘電率測定部
21,21a,22a,22b,23a,23b 容量検出素子
30 濃度演算部
40 ヒータ部
41,42,43a,43b ヒータ素子
50〜52 センサチップ
61,62 センサ部品
70 配管
80 攪拌手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Concentration detection apparatus 10 Temperature measurement part 11,12a, 12b, 13a, 13b Temperature detection element 20,24 Permittivity measurement part 21,21a, 22a, 22b, 23a, 23b Capacitance detection element 30 Concentration calculation part 40 Heater part 41, 42, 43a, 43b Heater element 50-52 Sensor chip 61, 62 Sensor component 70 Piping 80 Stirring means

Claims (17)

N(≧3の整数)種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法であって、
(N−1)点の異なる温度で前記混合流体の誘電率を測定し、
前記(N−1)点の各温度における既知の各成分の誘電率と、前記(N−1)点の各温度で測定された前記混合流体の誘電率とから、前記各成分の濃度を算出することを特徴とする混合流体の濃度検出方法。
A mixed fluid concentration detection method for detecting the concentration of each component of a mixed fluid composed of N (> 3 integer) known components,
(N-1) Measure the dielectric constant of the mixed fluid at different temperatures.
The concentration of each component is calculated from the dielectric constant of each known component at each temperature at the (N-1) point and the dielectric constant of the mixed fluid measured at each temperature at the (N-1) point. A method for detecting the concentration of a mixed fluid, comprising:
前記Nが、3であり、
前記各成分の濃度をそれぞれa,b,cとし、前記2点の異なる温度をそれぞれT,Tとし、前記温度Tにおける各成分の誘電率をそれぞれεa1,εb1,εc1とし、前記温度Tにおける各成分の誘電率をそれぞれεa2,εb2,εc2とし、前記温度Tと温度Tにおける混合流体の誘電率をそれぞれε,εとしたとき、
(数1) a+b+c=1
(数2) ε=εa1・a+εb1・b+εc1・c
(数3) ε=εa2・a+εb2・b+εc2・c
から、前記各成分の濃度を算出することを特徴とする請求項1に記載の混合流体の濃度検出方法。
N is 3,
The concentrations of the components are a, b and c, the two different temperatures are T 1 and T 2 , respectively, and the dielectric constants of the components at the temperature T 1 are ε a1 , ε b1 and ε c1 , respectively. , When the dielectric constants of the components at the temperature T 2 are ε a2 , ε b2 , and ε c2 , respectively, and the dielectric constants of the mixed fluid at the temperature T 1 and the temperature T 2 are ε 1 and ε 2 , respectively.
(Formula 1) a + b + c = 1
(Equation 2) ε 1 = ε a1 · a + ε b1 · b + ε c1 · c
(Equation 3) ε 2 = ε a2 · a + ε b2 · b + ε c2 · c
The concentration detection method for a mixed fluid according to claim 1, wherein the concentration of each component is calculated from:
前記成分が、エタノール、ガソリンおよび水であることを特徴とする請求項2に記載の混合流体の濃度検出方法。   3. The mixed fluid concentration detection method according to claim 2, wherein the components are ethanol, gasoline, and water. 前記成分が、脂肪酸メチルエステル、軽油および水であることを特徴とする請求項2に記載の混合流体の濃度検出方法。   The mixed component concentration detection method according to claim 2, wherein the components are fatty acid methyl ester, light oil, and water. 前記混合流体の各温度における誘電率の測定において、
直列接続された2個の容量検出素子を所定電圧の逆の搬送波で駆動し、前記2個の容量検出素子の接続点からの出力を帰還容量が付加されたC/V変換器に入力し、該C/V変換器の出力電圧から前記混合流体の各温度における誘電率を測定することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の混合流体の濃度検出方法。
In measuring the dielectric constant at each temperature of the mixed fluid,
Two capacitance detection elements connected in series are driven by a carrier wave having a reverse voltage, and an output from a connection point of the two capacitance detection elements is input to a C / V converter to which a feedback capacitance is added. 5. The mixed fluid concentration detection method according to claim 1, wherein a dielectric constant at each temperature of the mixed fluid is measured from an output voltage of the C / V converter.
N(≧3の整数)種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出装置であって、
前記混合流体の温度を異なる(N−1)点で測定可能な温度測定部と、
前記(N−1)点の異なる温度で前記混合流体の誘電率を測定可能な誘電率測定部と、
メモリに保存された前記(N−1)点の各温度における既知の各成分の誘電率と、前記(N−1)点の異なる温度で測定された前記混合流体の誘電率とから、前記各成分の濃度を算出する濃度演算部とを有してなることを特徴とする混合流体の濃度検出装置。
A mixed fluid concentration detection device that detects the concentration of each component of a mixed fluid composed of N (> 3 integer) known components,
A temperature measuring unit capable of measuring the temperature of the mixed fluid at different (N-1) points;
A dielectric constant measuring unit capable of measuring the dielectric constant of the mixed fluid at different temperatures of the (N-1) points;
From the dielectric constant of each known component at each temperature of the (N-1) point stored in the memory and the dielectric constant of the mixed fluid measured at different temperatures of the (N-1) point, A mixed fluid concentration detection device comprising a concentration calculation unit for calculating a concentration of a component.
前記濃度検出装置が、
前記混合流体の前記(N−1)点の異なる温度を形成するためのヒータ部を有してなることを特徴とする請求項6に記載の混合流体の濃度検出装置。
The concentration detector is
The mixed fluid concentration detection device according to claim 6, further comprising a heater unit for forming different temperatures of the (N−1) points of the mixed fluid.
前記温度測定部の構成要素である温度検出素子および前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子が、一つのチップに形成されてなることを特徴とする請求項6または7に記載の混合流体の濃度検出装置。   8. The mixing according to claim 6, wherein the temperature detection element that is a component of the temperature measurement unit and the capacitance detection element that is a component of the dielectric constant measurement unit are formed on one chip. Fluid concentration detection device. 前記温度測定部の構成要素である温度検出素子、前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子および前記ヒータ部の構成要素であるヒータ素子が、一つのチップに形成されてなることを特徴とする請求項7に記載の混合流体の濃度検出装置。   A temperature detection element that is a component of the temperature measurement unit, a capacitance detection element that is a component of the dielectric constant measurement unit, and a heater element that is a component of the heater unit are formed on one chip. The mixed fluid concentration detection device according to claim 7. 前記チップにおいて、
前記ヒータ素子と前記温度検出素子および前記容量検出素子を熱的に分離するように、溝部が形成されてなることを特徴とする請求項9に記載の混合流体の濃度検出装置。
In the chip,
The mixed fluid concentration detection device according to claim 9, wherein a groove is formed so as to thermally separate the heater element, the temperature detection element, and the capacitance detection element.
前記容量検出素子が、一対の櫛歯状電極からなることを特徴とする請求項8乃至10のいずれか一項に記載の混合流体の濃度検出装置。   The mixed fluid concentration detection device according to any one of claims 8 to 10, wherein the capacitance detection element includes a pair of comb-shaped electrodes. 前記混合流体の上流側に配置された前記ヒータ部の構成要素であるヒータ素子と、前記混合流体の下流側に配置された前記温度測定部の構成要素である温度検出素子および前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子との間に、
前記混合流体の攪拌手段が設けられてなることを特徴とする請求項7に記載の混合流体の濃度検出装置。
A heater element that is a component of the heater unit arranged on the upstream side of the mixed fluid, a temperature detection element that is a component of the temperature measuring unit arranged on the downstream side of the mixed fluid, and the dielectric constant measurement unit Between the capacitance detection element that is a component of
8. The mixed fluid concentration detection device according to claim 7, further comprising stirring means for the mixed fluid.
前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子が、一対の電極からなり、
該電極の一方が、前記温度測定部の構成要素である温度検出素子を兼ねることを特徴とする請求項6乃至12のいずれか一項に記載の混合流体の濃度検出装置。
The capacitance detection element that is a component of the dielectric constant measurement unit is composed of a pair of electrodes,
13. The mixed fluid concentration detection device according to claim 6, wherein one of the electrodes also serves as a temperature detection element that is a component of the temperature measurement unit.
前記誘電率測定部が、
直列接続された2個の容量検出素子と帰還容量が付加されたC/V変換器とを有してなり、
前記混合流体の各温度における誘電率の測定において、
前記2個の容量検出素子を所定電圧の逆の搬送波で駆動し、前記2個の容量検出素子の接続点からの出力を前記C/V変換器に入力し、該C/V変換器の出力電圧から前記混合流体の各温度における誘電率を測定することを特徴とする請求項6乃至13のいずれか一項に記載の混合流体の濃度検出装置。
The dielectric constant measuring unit is
Comprising two capacitance detection elements connected in series and a C / V converter to which a feedback capacitance is added;
In measuring the dielectric constant at each temperature of the mixed fluid,
The two capacitance detection elements are driven by a carrier wave having a predetermined voltage and the output from the connection point of the two capacitance detection elements is input to the C / V converter. The output of the C / V converter 14. The mixed fluid concentration detection device according to claim 6, wherein a dielectric constant at each temperature of the mixed fluid is measured from a voltage.
前記Nが、3であり、
前記濃度演算部が、
前記各成分の濃度をそれぞれa,b,cとし、前記2点の異なる温度をそれぞれT,Tとし、前記温度Tにおける各成分の誘電率をそれぞれεa1,εb1,εc1とし、前記温度Tにおける各成分の誘電率をそれぞれεa2,εb2,εc2とし、前記温度Tと温度Tにおける混合流体の誘電率をそれぞれε,εとしたとき、
(数1) a+b+c=1
(数2) ε=εa1・a+εb1・b+εc1・c
(数3) ε=εa2・a+εb2・b+εc2・c
から、前記各成分の濃度を算出することを特徴とする請求項6乃至14のいずれか一項に記載の混合流体の濃度検出装置。
N is 3,
The concentration calculator is
The concentrations of the components are a, b and c, the two different temperatures are T 1 and T 2 , respectively, and the dielectric constants of the components at the temperature T 1 are ε a1 , ε b1 and ε c1 , respectively. , When the dielectric constants of the components at the temperature T 2 are ε a2 , ε b2 , and ε c2 , respectively, and the dielectric constants of the mixed fluid at the temperature T 1 and the temperature T 2 are ε 1 and ε 2 , respectively.
(Formula 1) a + b + c = 1
(Equation 2) ε 1 = ε a1 · a + ε b1 · b + ε c1 · c
(Equation 3) ε 2 = ε a2 · a + ε b2 · b + ε c2 · c
The concentration detection device for a mixed fluid according to claim 6, wherein the concentration of each component is calculated from the above.
前記成分が、エタノール、ガソリンおよび水であることを特徴とする請求項15に記載の混合流体の濃度検出装置。   The mixed fluid concentration detection device according to claim 15, wherein the components are ethanol, gasoline, and water. 前記成分が、脂肪酸メチルエステル、軽油および水であることを特徴とする請求項15に記載の混合流体の濃度検出装置。   The mixed fluid concentration detection device according to claim 15, wherein the components are fatty acid methyl ester, light oil, and water.
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