JP3474509B2 - マイクロ波濃度測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定対象中の固
形物・懸濁物質の濃度を測定するマイクロ波を用いた濃
度測定装置に係り、特に下水配管内の汚濁物質の濃度、
製紙におけるパルプ、その他種々の物質の被測定対象中
の濃度を、流れを妨げずに、高精度にかつリアルタイム
で測定できるようにしたマイクロ波濃度測定装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、被測定対象、例えば測定液体
中の固形物・懸濁物質の濃度を測定する一つの方法とし
て、測定液体の一部をサンプリングし、その測定液体を
蒸発させて残滓の重量を計るという原始的な方法があ
る。しかしながら、このような方法では、測定に時間が
かかり、自動化を図ることは困難である。

【０００３】そのため、濃度計として多種のセンサが実
用化されている。その一つとして、例えば超音波を用い
た濃度計が用いられている。しかしながら、この超音波
式の濃度計では、液体中に気泡がある場合に測定が行な
えなくなるという問題点がある。

【０００４】そこで、最近では、このような問題点を解
決するために、例えば“特開平４−２３８２４６号”に
示されるような、マイクロ波を用いた濃度計が開発され
てきている。

【０００５】このマイクロ波濃度計は、マイクロ波の位
相が測定液体中の測定物質の濃度にほぼ比例した遅れを
生じることから、マイクロ波の位相遅れを計測すること
によって濃度を計測するものである。

【０００６】以下、この種のマイクロ波濃度計による測
定方法の概要について、図１１を用いて説明する。

【０００７】図１１は、この種の従来のマイクロ波濃度
計の構成例を示すブロック図である。

【０００８】図１１において、マイクロ波濃度計は、マ
イクロ波アンテナである、配管６３に配置された送信
用，受信用のアンテナ６２，６４と、マイクロ波回路で
ある濃度計回路７９と、演算装置８１とから構成されて
いる。

【０００９】発振器５５は、周波数ｆの２つのマイクロ
波信号５６，５７を発生する。一方のマイクロ波信号５
６は、増幅器５８によって増幅され、スイッチ５９，６
０が図１１に示すような状態の時、送信信号６１は、配
管６３に配置されたアンテナ６２に送られて、被測定対
象である測定液体を通している配管６３中に送出され、
アンテナ６２に対向するように配管６３に配置されたア
ンテナ６４により受信される。

【００１０】参照用発振器６５は、発振器５５のマイク
ロ波信号５６，５７の周波数ｆと少し異なる周波数ｆ＋
Δｆの２つの参照信号６６，６７を発生する。他方のマ
イクロ波信号５７と一方の参照信号６６とはミキサ６８
により混合され、差の周波数Δｆである基準側ヘテロダ
イン出力６９が得られ、コンパレータ７０によって電圧
０をしきい値とする基準側デジタル信号θ_FB７１に変換
され、位相差測定手段７２に送られる。

【００１１】アンテナ６４による受信信号７３は、増幅
器７４によって増幅され、当該増幅された受信信号７３
と他方の参照信号６７とはミキサ７５によって混合さ
れ、差の周波数Δｆである測定側ヘテロダイン出力７６
が得られ、コンパレータ７７によって測定側デジタル信
号θ_REF ７８に変換され、位相差測定手段７２に送られ
る。

【００１２】位相差測定手段７２は、２つのデジタル出
力θ_FB７１，θ_REF７８の位相差Φ_Vを求める。この場
合、位相差Φ_V の求め方としては、図１１に示すよう
に、信号θ_FB，θ_REFの立ち上がりの時間差を位相差Φ_V
として求めている。

【００１３】ここで、点線で示した濃度計回路７９にお
いては、回路内部の温度変化等により位相が変化し、誤
差の原因となる。そこで、スイッチ５９，６０を図１１
に示すと反対側に切り替えて、固定基準８０を通した位
相差Φ_R を計測して、これを位相差Φ_V から引くことに
より、前述の誤差を補償している。

【００１４】すなわち、求める位相差Φは、 Φ＝Φ_V −Φ_R となる。

【００１５】ここで、固定基準８０としては、マイクロ
波の信号レベルをアンテナ６４で受信されるのと同等の
レベルに落とすために、減衰器を用いる。

【００１６】あらかじめ基準の濃度における位相差に関
するデータ（検量線データ）を求めておけば、そのデー
タを基に、求めた位相差Φから演算装置８１により、測
定液体中の測定物質の濃度を算出することができる。

【００１７】ここで、濃度をＤとすると、位相差との関
係は、 Ｄ＝ａΦ＋ｂ …（１） のように、ほぼ１次式になるので、濃度を変えて位相差
を測定して、回帰分析を行ない、ａとｂを決定すればよ
い。

【００１８】測定液体として導電性のある媒質（例えば
水）中で、マイクロ波の減衰・位相遅れと、媒質の導電
率σ、誘電率、温度ｔの関係は、理論的には以下のよう
になる。

【００１９】角周波数ω（ｒａｄ／ｓ）のマイクロ波の
減衰率α（Ｎｅｐｅｒ／ｍ）、位相変化率β（ｒａｄ／
ｍ）は、（２）式、（３）式のように表わすことができ
る。

【００２０】

【数１】 ただし、σは導電率、ε_r ´，ε_r ''は媒質の複素比誘
電率の実部と虚部である。

【００２１】測定物質である汚泥やパルプ等の濃度が変
わると、実効的な誘電率が変わることが知られており、
特に誘電率実部と濃度との相関性が高い。

【００２２】上記（２）式、（３）式で、

【００２３】

【数２】 であれば、すなわち誘電率虚部が小さく、導電率も小さ
ければ、

【００２４】

【数３】

【００２５】上記（４）式、（５）式で求めたα、βか
ら、減衰量、位相遅れを求める。送信電力をＰ₀ 、ｚ方
向に進むマイクロ波電力をＰとすると、 Ｐ＝Ｐ₀ ｅｘｐ（−２αｚ） …（６） であり、減衰量は２０αｚ／ｌｎ１０（ｄＢ）になる。
また、位相遅れは βｚ（ｒａｄ）である。

【００２６】上述した方式では、位相遅れを求めること
で、濃度を求める。上記（５）式に示すように、ε_r ´
の微小変化領域では、ε_r ´とβが比例するため、βｚ
から濃度が求められる。なお、αはβよりも相関度が小
さいため、直接的には濃度測定に使用しない。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のマイクロ波濃度計では、次のような問題点があ
る。

【００２８】（ａ）測定液体の温度や導電率が変化する
と、測定液体によるマイクロ波の減衰量が大幅に変化す
る。マイクロ波が減衰して測定側ヘテロダイン出力７６
の振幅が小さくなると、コンパレータ７７によってデジ
タル化する時に、雑音やドリフトの影響によって切り替
わりの時刻が変化し、結果的に測定誤差となる。
（ｂ）上記（ａ）と同様の理由により、受信信号７３の
電力が変化すると、電子回路の非直線性によって位相が
変化するため、結果的に測定誤差を生じる。

【００２９】（ｃ）電子回路の温度ドリフトの影響を固
定基準により補償しているが、測定側ヘテロダイン出力
７６の信号レベルが変化すると、温度による影響が変化
するため、完全には補償することができない。

【００３０】（ｄ）濃度を位相変化で求めるため、受信
信号７３の位相が３６０度を越えると、正しく濃度を求
めることができない。すなわち、管径が大きかったり、
測定物質が高濃度の場合には、位相が３６０度以上変化
するため、位相変化から濃度が一意的に決まらなくな
る。連続的に測定を続けていれば、例えば“特開平８−
８２６０６号”に示されるように、前後の関係で回転数
を求めることができるが、一度空になると、次に被測定
対象で満たされた場合に、正しい濃度を測定することが
できなくなる。

【００３１】（ｅ）回路の配線パターンからの回り込み
や誘導により、マイクロ波が液体中以外の場所を通って
受信され、結果的に測定誤差を生じる。

【００３２】（ｆ）測定液体中に気泡があると、マイク
ロ波の伝搬経路が長くなったり、マイクロ波の反射によ
り複数の経路を通って受信される等の原因により、結果
的に測定誤差を生じる。

【００３３】（ｇ）測定液体の温度や導電率が変化する
と、マイクロ波の位相が変化して誤差を生じる。そのた
め、温度および導電率を求めて補正を行なう必要があ
り、例えば“特開平９−４３１８１号”に示されるよう
に、導電率を測定する方法が提案されてきている。しか
しながら、導電率センサには汚れが付着し易く、測定精
度の低下や保守作業といった問題があるため、実用化が
困難である。

【００３４】本発明の目的は、太い配管の場合、高濃度
の場合や、管内が一度空になってから被測定対象で満た
された場合でも、被測定対象中の固形物・懸濁物質の濃
度を高精度にかつリアルタイムで求めることが可能な低
価格のマイクロ波濃度測定装置を提供することにある。

【００３５】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、請求項１の発明では、被測定対象の濃度をマイクロ
波を用い、かつ、測定値として被測定対象と固定基準と
を切り替えて測定するマイクロ波濃度測定装置におい
て、 位相基準に同期して周波数ｆ_１とｆ_２の２つのマ
イクロ波を発生する第１のマイクロ波発生手段と、前記
位相基準に同期して、前記第１のマイクロ波発生手段か
らの２つのマイクロ波の周波数ｆ_１とｆ_２と周波数差Δ
ｆだけ異なる周波数ｆ_１＋Δｆとｆ_２＋Δｆの２つのマ
イクロ波を発生する第２のマイクロ波発生手段と、前記
第１のマイクロ波発生手段からの２つのマイクロ波を前
記被測定対象に送出して受信した信号と、前記第２のマ
イクロ波発生手段からの２つのマイクロ波とを混合し
て、周波数差Δｆの出力を得るマイクロ波混合手段と、
前記マイクロ波混合手段からの出力と前記位相基準とを
比較して、位相差を測定し出力する位相差測定手段と、
前記位相差測定手段からの位相差から、前記被測定対象
の濃度を算出して出力する演算手段と、前記固定基準と
して、外部の送信アンテナ位置からの信号を用いる固定
基準測定手段とを備えて成り、前記位相差測定手段とし
ては、前記２組の周波数ｆ_１とｆ_１＋Δｆ，ｆ_２とｆ_２
＋Δｆが組み合わせられるようにマイクロ波を切り替え
て、当該各々の組み合わせにおける位相差Φ_１，Φ_２を
測定し、前記周波数ｆ_１とｆ_２における濃度０のときの
位相差Φ_１０、Φ_２０から位相差の変化量ΔΦ_１，ΔΦ
_２はΔΦ₁ ＝Φ₁ ＋２πｍ−Φ₁₀（ｍは０または正の整
数）、ΔΦ₂ ＝Φ₂ ＋２πｎ−Φ₂₀（ｎは０または正の
整数）となり、前記周波数ｆ_１とｆ_２における位相変化
率をβ_１，β_２とすると、ΔΦ₂ ＝（β₂ ／β₁ ）・Δ
Φ₁となるので、これらからΦ₂ ＋２πｎ−Φ₂₀−（β
₂ ／β₁ ）・（Φ₁ ＋２πｍ−Φ₁₀）＝０となり、値が
誤差の許容値以内になるｍ、ｎの組み合わせを求め、
ｍ、ｎの値から位相差変化量ΔΦ₁ 、ΔΦ₂を求め、前
記被測定対象の濃度を算出するようにしている。

【００３６】従って、請求項１の発明のマイクロ波濃度
測定装置においては、以上のような手段を講ずることに
より、位相が３６０度を越えて変化する場合にも、正し
い位相変化量を求めることができるため、管径が大きか
ったり、高濃度の場合や、管内が一度空になってから被
測定対象で満たされた場合でも、正しい濃度を測定する
ことができるだけでなく、外部の送信アンテナ位置から
の信号を固定基準として測定することにより、回路内部
の温度変化等によって位相変化がある場合でも、固定基
準を通した位相差を計測して補償するため、高精度に濃
度を測定することができる。

【００３７】また、請求項２の発明では、被測定対象の
濃度をマイクロ波を用いて測定するマイクロ波濃度測定
装置において、位相基準に同期して周波数ｆ_１とｆ_２の
２つのマイクロ波を発生する第１のマイクロ波発生手段
と、前記位相基準に同期して、前記第１のマイクロ波発
生手段からの２つのマイクロ波の周波数ｆ_１とｆ_２と周
波数差Δｆだけ異なる周波数ｆ_１＋Δｆとｆ_２＋Δｆの
２つのマイクロ波を発生する第２のマイクロ波発生手段
と、前記第１のマイクロ波発生手段からの２つのマイク
ロ波を前記被測定対象に送出して受信した信号と、前記
第２のマイクロ波発生手段からの２つのマイクロ波とを
混合して、周波数差Δｆの出力を得るマイクロ波混合手
段と、前記マイクロ波混合手段からの出力と前記位相基
準とを比較して、位相差を測定し出力する位相差測定手
段と、前記位相差測定手段からの位相差から、前記被測
定対象の濃度を算出して出力する演算手段と、前記混合
した信号のレベルを一定になるように制御する信号レベ
ル制御手段とを備えて成り、前記位相差測定手段として
は、前記２組の周波数ｆ_１とｆ_１＋Δｆ，ｆ_２とｆ_２＋
Δｆが組み合わせられるようにマイクロ波を切り替え
て、当該各々の組み合わせにおける位相差Φ_１，Φ_２を
測定し、前記周波数ｆ_１とｆ_２における濃度０のときの
位相差Φ_１０、Φ_２０から位相差の変化量ΔΦ_１，ΔΦ
_２はΔΦ₁ ＝Φ₁ ＋２πｍ−Φ₁₀（ｍは０または正の整
数）、ΔΦ₂ ＝Φ₂ ＋２πｎ−Φ₂₀（ｎは０または正の
整数）となり、前記周波数ｆ_１とｆ_２における位相変化
率をβ_１，β_２とすると、ΔΦ₂ ＝（β₂ ／β₁ ）・Δ
Φ₁となるので、これらからΦ₂＋２πｎ−Φ₂₀−（β₂
／β₁ ）・（Φ₁ ＋２πｍ−Φ₁₀）＝０となり、値が誤
差の許容値以内になるｍ、ｎの組み合わせを求め、ｍ、
ｎの値から位相差変化量ΔΦ₁ 、ΔΦ₂を求め、前記被
測定対象の濃度を算出するようにしている。

【００３８】従って、請求項２の発明のマイクロ波濃度
測定装置においては、位相が３６０度を越えて変化する
場合にも、正しい位相変化量を求めることができるた
め、管径が大きかったり、高濃度の場合や、管内が一度
空になってから被測定対象で満たされた場合でも、正し
い濃度を測定することができるだけでなく、混合した信
号のレベルを一定になるように制御することにより、被
測定対象の温度や導電率によって、マイクロ波の減衰が
大きい場合でも、誤差が生じず、また測定信号レベルが
小さい場合、信号を増幅して雑音に対するＳＮ比を改善
できるため、高精度に濃度を測定することができる。

【００３９】一方、請求項３の発明では、被測定対象の
濃度をマイクロ波を用いて測定するマイクロ波濃度測定
装置において、 位相基準に同期して周波数ｆ_１とｆ_２
の２つのマイクロ波を発生する第１のマイクロ波発生手
段と、前記位相基準に同期して、前記第１のマイクロ波
発生手段からの２つのマイクロ波の周波数ｆ_１とｆ_２と
周波数差Δｆだけ異なる周波数ｆ_１＋Δｆとｆ_２＋Δｆ
の２つのマイクロ波を発生する第２のマイクロ波発生手
段と、前記第１のマイクロ波発生手段からの２つのマイ
クロ波を前記被測定対象に送出して受信した信号と、前
記第２のマイクロ波発生手段からの２つのマイクロ波と
を混合して、周波数差Δｆの出力を得るマイクロ波混合
手段と、前記マイクロ波混合手段からの出力と前記位相
基準とを比較して、位相差を測定し出力する位相差測定
手段と、前記位相差測定手段からの位相差から、前記被
測定対象の濃度を算出して出力する演算手段と、測定装
置本体が収納される筐体の温度を測定する筐体温度測定
手段と、前記筐体温度測定手段により測定された筐体温
度が一定値以下の場合は、当該筐体温度を前記一定値に
なるように制御する温度制御手段と、前記筐体温度測定
手段により測定された筐体温度が一定値以上の場合は、
あらかじめ設定した補正値により計測値を補正する補正
手段とを備えて成り、 前記位相差測定手段としては、
前記２組の周波数ｆ_１とｆ_１＋Δｆ，ｆ_２とｆ_２＋Δｆ
が組み合わせられるようにマイクロ波を切り替えて、当
該各々の組み合わせにおける位相差Φ_１，Φ_２を測定
し、前記周波数ｆ_１とｆ_２における濃度０のときの位相
差Φ_１０、Φ_２０から位相差の変化量ΔΦ_１，ΔΦ_２は
ΔΦ₁ ＝Φ₁ ＋２πｍ−Φ₁₀（ｍは０または正の整
数）、ΔΦ₂ ＝Φ₂ ＋２πｎ−Φ₂₀（ｎは０または正の
整数）となり、前記周波数ｆ_１とｆ_２における位相変化
率をβ_１，β_２とすると、ΔΦ₂ ＝（β₂ ／β₁ ）・Δ
Φ₁となるので、これらからΦ₂ ＋２πｎ−Φ₂₀−（β
₂ ／β₁ ）・（Φ₁ ＋２πｍ−Φ₁₀）＝０となり、値が
誤差の許容値以内になるｍ、ｎの組み合わせを求め、
ｍ、ｎの値から位相差変化量ΔΦ₁ 、ΔΦ₂を求め、前
記被測定対象の濃度を算出するようにしている。

【００４０】従って、請求項３の発明のマイクロ波濃度
測定装置においては、位相が３６０度を越えて変化する
場合にも、正しい位相変化量を求めることができるた
め、管径が大きかったり、高濃度の場合や、管内が一度
空になってから被測定対象で満たされた場合でも、正し
い濃度を測定することができるだけでなく、筐体温度が
一定値以下の場合には、温度を一定値になるように制御
し、温度が一定値以上の場合には、あらかじめ設定した
補正値によって計測値を補正することにより、周囲の温
度が変化しても、高精度に濃度を測定することができ、
また回路が簡単になり、低コストにすることができる。

【００４１】

【００４２】

【００４３】

【００４４】

【００４５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００４６】（第１の実施の形態） 図１は、本実施の形態によるマイクロ波濃度測定装置の
構成例を示すブロック図である。

【００４７】図１において、クロック源１は、低周波の
信号である、位相基準として基準信号（θ_REF ）２を発
生する。

【００４８】マイクロ波発生手段の一部を構成する発振
器３は、ＰＬＬ回路（フェーズド・ロック・ループ回
路）を含むものであり、クロック源１からの基準信号２
をＰＬＬ回路の同期信号として用いることにより、クロ
ック源１からの基準信号２に同期して、周波数ｆのマイ
クロ波（請求項の一方のマイクロ波に相当）を発生す
る。

【００４９】発振器３からのマイクロ波は、増幅器４に
よって増幅し、スイッチ５とスイッチ６が図示状態の場
合に、送信アンテナ７から配管８内の被測定対象である
測定液体に送出して、受信アンテナ９により受信し、増
幅器１０により増幅して受信信号１２とする。

【００５０】マイクロ波発生手段の一部を構成する参照
用発振器１１は、発振器３と同様に、ＰＬＬ回路を含む
ものであり、クロック源１からの基準信号２をＰＬＬ回
路の同期信号として用いることにより、クロック源１か
らの基準信号２に同期して、発振器３からのマイクロ波
の周波数ｆとΔｆだけ異なる周波数ｆ＋Δｆのマイクロ
波（請求項の他方のマイクロ波に相当）を、参照信号１
３として発生する。

【００５１】マイクロ波混合手段であるミキサ１４は、
受信信号１２と参照信号１３とを混合して、周波数Δｆ
のヘテロダイン出力１５を得る。このヘテロダイン出力
１５は、図示しないが、必要によりフィルタ等で不要高
周波を減衰して、周波数Δｆ成分を増幅するようにす
る。

【００５２】コンパレータ１６は、ヘテロダイン出力１
５を入力とし、測定デジタル信号θ_FB１７を出力する。

【００５３】位相差測定手段１８は、測定デジタル信号
１７とクロック源１からの基準信号２とを比較して位相
差を測定し、位相差Φを出力する。

【００５４】ここで、位相差測定手段１８としては、本
例では特に、位相差の実質的なセンタ位置で当該位相差
をカウントする位相カウント手段を備えるようにしてい
る。

【００５５】演算装置１９は、位相差測定手段１８から
の位相差Φから、被測定対象の濃度を算出して出力す
る。

【００５６】次に、以上のように構成した本実施の形態
のマイクロ波濃度測定装置においては、位相基準とし
て、クロック源１により基準信号２を発生し、この基準
信号２に同期して、発信器３と参照用発振器１１により
互いに周波数が異なる２つのマイクロ波を発生させ、一
方のマイクロ波で測定した信号１２と他方のマイクロ波
１３とを混合し、この混合により得られたヘテロダイン
出力１５に基づく測定デジタル信号θ_FB１７とクロック
源１からの基準信号２とを位相比較していることによ
り、前述した図１１の従来例では、マイクロ波の混合手
段であるミキサが２個必要であったのを、１個に削減す
ることができる。すなわち、図１１の従来例におけるミ
キサ６８を省略することができる。

【００５７】これにより、高価なマイクロ波回路を省略
でき、ミキサの後のコンパレータ回路（図１１の従来例
におけるコンパレータ７０）も省略できるため、回路が
極めて簡単になり、安価で信頼性が高いものとなる。

【００５８】すなわち、これが可能になったのは、２個
のマイクロ波発振器３，１１が、マイクロ波でない低周
波のクロック源１と完全に同期するようにＰＬＬ回路に
より制御されていることにより、このクロック源１から
の信号の低周波が基準の周波数として使用できるからで
ある。

【００５９】なお、位相差測定に用いる基準信号θ_REF
２は、測定デジタル信号θ_FB１７との相対値を求めるの
に用いられ、固定基準２０から求めた基準信号θ_REF２
と測定デジタル信号θ_FB１７との相対値から、その絶対
値が求められ、この絶対値と予め用意された検量線デー
タとの比較により、測定液体中の測定物質の濃度が計算
される。

【００６０】一方、本実施の形態のマイクロ波濃度測定
装置においては、位相差の実質的なセンタ位置で位相差
をカウントしていることにより、測定誤差が生じず、高
精度に濃度を測定することができる。

【００６１】図２（ａ）〜（ｃ）は、位相カウント手段
の動作を説明する図である。

【００６２】図２において、θ_REF は基準信号２であ
り、θ_FBは測定デジタル信号１７であり、前述した従来
方式では、立ち上がりの時間差Φ₁ を求めていたのに対
して、図２（ａ）では、Φ₁ とΦ₂ の平均値を求めるよ
うにしている。

【００６３】すなわち、ヘテロダイン出力１５のＤＣ成
分や、ドリフトや、コンパレータ１６のしきい値が厳密
に０［ｖ］でない等の原因により、図２（ｂ），（ｃ）
に示すように、θ_FBの“０”と“１”の比率が異なる場
合、前述した従来方式では、誤差が生じるが、本実施の
形態のセンタ方式とすることにより、誤差が生じず、高
精度に濃度を測定することができる。特に、マイクロ波
の減衰が大きく、ヘテロダイン出力１５の振幅が小さい
場合に効果が大きい。

【００６４】上述したように、本実施の形態のマイクロ
波濃度測定装置では、位相基準として、クロック源１に
より低周波の基準信号２を発生し、この低周波の基準信
号２に同期して互いに周波数が異なる２つのマイクロ波
をＰＬＬ制御により発生させ、一方のマイクロ波を測定
液体に通して得た受信信号と他方のマイクロ波とを混合
し、クロック源１からの基準信号２と位相比較をするよ
うにしているため、回路が簡単になり、安価で信頼性が
高いものとすることが可能となる。

【００６５】また、位相差の実質的なセンタ位置で位相
差をカウントするようにしているため、測定誤差が生じ
ず、高精度に濃度を測定することが可能となる。

【００６６】なお、本実施の形態は、前述した図１１に
示すような従来例に対しても適用することができる。

【００６７】（第１の実施の形態の変形例） すなわち、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置で
は、前述した第１の実施の形態における発振器３および
参照用発振器１１として、複数の同一周波数差のマイク
ロ波を発生するようにする。

【００６８】すなわち、発振器３を、周波数ｆ ₁ とｆ ₂
の２つのマイクロ波を発生するものとし、参照用発振器
１１を、発振器３からの２つのマイクロ波の周波数ｆ ₁
とｆ ₂ と周波数差Δｆだけ異なる周波数ｆ ₁ ＋Δｆとｆ ₂
＋Δｆの２つのマイクロ波を発生するものとする。

【００６９】また、位相差測定手段１８として、上記２
組の同一周波数差ｆ ₁ とｆ ₁ ＋Δｆ，ｆ ₂ とｆ ₂ ＋Δｆ
のマイクロ波に基づいて位相差を測定するものとし、こ
れら２組の周波数ｆ ₁ とｆ ₁ ＋Δｆ，ｆ ₂ とｆ ₂ ＋Δｆ
が組み合わせられるようにマイクロ波を切り替えて、当
該各々の組み合わせにおける位相差Φ ₁ ，Φ ₂ を測定
し、この２つの位相差Φ ₁ ，Φ ₂ から、位相変化の回転
数ｍ，ｎを求めて、３６０度を越える場合の位相差を測
定するようにしている。

【００７０】次に、以上のように構成した本実施の形態
のマイクロ波濃度測定装置においては、複数の同一周波
数差のマイクロ波を発生し、切り替えて測定し、３６０
度以上の位相差を測定していることにより、位相が３６
０度を越えて変化する場合にも、正しい位相変化量を求
めることができる。

【００７１】すなわち、本例では、２組の周波数ｆ_{1 ，}
ｆ₂ とｆ₁ ＋Δｆ，ｆ₂ ＋Δｆを発生し、各々の組み合
わせにおける位相差を計測する。そして、この２つの位
相差から、位相変化の回転数を求め、３６０度を越える
場合の位相変化を求める。

【００７２】ここで、２つの位相差をΦ₁ 、Φ₂ とす
る。また、濃度０の時の位相差を、ｆ₁ 、ｆ₂ について
各々Φ₁₀、Φ₂₀とし、濃度の変化によって次のように変
化したとする。

【００７３】 ｆ₁ ：Φ₁₀ → Φ₁ ＋２πｍ （ｍは０または正の
整数） ｆ₂ ：Φ₂₀ → Φ₂ ＋２πｎ （ｎは０または正の
整数） ｍ、ｎ、は回転数である。

【００７４】位相差の変化量ΔΦ₁ 、ΔΦ₂ としては、 ΔΦ₁ ＝Φ₁ ＋２πｍ−Φ₁₀ …（７） ΔΦ₂ ＝Φ₂ ＋２πｎ−Φ₂₀ …（８） ｆ₁ 、ｆ₂ における位相変化率をβ₁ 、β₂ とすると、 ΔΦ₂ ＝（β₂ ／β₁ ）・ΔΦ₁ …（９） である。

【００７５】（９）式の左辺から右辺を引き、上記
（７）式、（８）式を代入すると、 Φ₂ ＋２πｎ−Φ₂₀−（β₂ ／β₁ ）・（Φ₁ ＋２πｍ−Φ₁₀）＝０ …（１０） 実際には、位相差測定値に誤差があるから、上記（１
０）式の左辺に整数ｍ、ｎを代入して、値が誤差の許容
値以内になるｍ、ｎの組み合わせを求めればよい。

【００７６】このｍ、ｎから、上記（８）式、（９）式
により位相差変化量ΔΦ₁ 、ΔΦ₂を求め、濃度を算出
する。

【００７７】β₂ ／β₁ は、上記（５）式よりε_r ´が
同じならｆ₁ ／ｆ₂ に等しい。ｆ₁とｆ₂ とは比較的近
い値をとるため、ε_r ´は一般的にはそれほど大きく変
化しない。

【００７８】上述したように、本実施の形態の変形例の
マイクロ波濃度測定装置では、マイクロ波信号源である
発振器３，１１は、２組の同一周波数差ｆ ₁ とｆ ₁ ＋Δ
ｆ，ｆ ₂ とｆ ₂ ＋Δｆのマイクロ波を発生し、これら２
組の周波数ｆ ₁ とｆ ₁ ＋Δｆ，ｆ ₂ とｆ ₂ ＋Δｆが組み
合わせられるようにマイクロ波を切り替えて測定し、３
６０度を越える場合の位相差を測定するようにしている
ため、位相が３６０度を越えて変化する場合に、前述し
た“特開平８−８２６０６号”のような方法を用いなく
ても、正しい位相変化量を求めることができる。

【００７９】これにより、管径が大きかったり、測定物
質が高濃度の場合や、管内が一度空になってから測定液
体で満たされた場合にも、正しい濃度を測定することが
可能となる。

【００８０】なお、本実施の形態は、第１の実施の形態
の変形例として説明したが、これに限らず、前述した図
１１に示すような従来例に対しても適用することができ
る。

【００８１】（第２の実施の形態） 図３は、本実施の形態によるマイクロ波濃度測定装置の
構成例を示すブロック図であり、図１と同一部分には同
一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分
についてのみ述べる。

【００８２】すなわち、本実施の形態のマイクロ波濃度
測定装置は、その基本的な構成は前述した従来例と同様
であり、発振器３と参照用発振器１１で発生したマイク
ロ波を、ミキサ２２で混合して基準側ヘテロダイン信号
２３を求め、コンパレータ２４によって基準信号２５を
求めるようにする。

【００８３】この測定側ヘテロダイン出力１５は、図示
しないが、必要によりフィルタ等で高周波を減衰して、
周波数Δｆ成分を増幅するようにする。

【００８４】また、送信アンテナ７に隣接して、基準用
端子２６を設けている。すなわち、固定基準として、外
部の送信アンテナ７位置からの信号を用いる固定基準測
定手段を備えるようにしている。

【００８５】次に、以上のように構成した本実施の形態
のマイクロ波濃度測定装置においては、固定基準を通し
た位相差を計測して補償していることにより、回路内部
の温度変化等によって位相変化がある場合でも、高精度
に濃度を測定することができる。

【００８６】特に、受信アンテナ９から電子回路である
濃度計回路の入口までの距離と、基準用端子２６から電
子回路である濃度計回路の入口までの距離を同じくする
ことができる。このため、固定基準は、送信アンテナ７
と受信アンテナ９までのケーブルによる位相遅れを補償
することができ、かかる位相遅れの補償により、温度変
化による位相変動を除くことができるため、精密な測定
をすることができる。

【００８７】これに対し、前述した従来例では、固定減
衰器を用いた固定基準であることから、ケーブルの温度
が変化すると誤差が出る可能性がある。すなわち、前述
した従来例では、回路内部の温度変化等によって位相が
変化するため、固定基準を通した位相差Φ_R を計測し
て、位相差Φ_V から引くことにより位相変化を補償して
いた。

【００８８】これに対して、本実施の形態では、送信ア
ンテナ７に隣接して基準用端子２６を設け、これにより
受信される信号を固定基準としている。そして、スイッ
チ６を基準用端子２６側に切り替え、固定基準を通した
位相差Φ_R を計測して、位相差Φ_V から引くことによ
り、前記の誤差を補償することが可能となる。

【００８９】なお、本実施の形態では、基準用端子２６
としては、送信アンテナ７からの電波を受信するアンテ
ナとしたが、送信アンテナ７への電力の一部を分割して
受け取る手段を用いるようにしてもよい。

【００９０】上述したように、本実施の形態のマイクロ
波濃度測定装置では、固定基準を通した位相差を計測し
て補償するようにしているため、回路内部の温度変化等
によって位相変化がある場合でも、高精度に濃度を測定
することが可能となる。

【００９１】なお、本実施の形態は、第１の実施の形態
の変形例として説明したが、これに限らず、前述した図
１１に示すような従来例に対しても適用することができ
る。

【００９２】（第３の実施の形態） 図４は、本実施の形態によるマイクロ波濃度測定装置の
構成例を示すブロック図であり、図３と同一部分には同
一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分
についてのみ述べる。

【００９３】すなわち、本実施の形態のマイクロ波濃度
測定装置は、その基本的な構成は前述した従来例と同様
であり、発振器３と参照用発振器１１で発生したマイク
ロ波を、ミキサ２２で混合して基準側ヘテロダイン信号
２３を求め、コンパレータ２４によって基準信号２５を
求めるようにする。

【００９４】この測定側ヘテロダイン出力１５は、図示
しないが、必要によりフィルタ等で高周波を減衰して、
周波数Δｆ成分を増幅するようにする。

【００９５】また、周波数混合手段２８で、参照信号１
３の位相を複数の値として計測を行なう。特に、本例で
は、９０度異なる２つの位相のマイクロ波を作って、ミ
キサ１４により混合している。この９０度異なる位相
は、ハイブリッド２９により作る。

【００９６】なお、固定基準２７には、減衰器を用いて
いる。

【００９７】次に、以上のように構成した本実施の形態
のマイクロ波濃度測定装置においては、測定側ヘテロダ
イン出力１５を得るための一方のマイクロ波を複数の位
相値として、位相差を測定していることにより、回路の
配線パターンからの回り込みや誘導があっても、複数の
位相で計測して補償するため、高精度に濃度を測定する
ことができる。

【００９８】また、ハイブリッド２９は容易に入手可能
であることから、９０度またはその整数倍の位相のマイ
クロ波の発生を容易に実現することができる。

【００９９】すなわち、本実施の形態による位相計測
は、図５（ａ）に示すように、９０度異なる位相Φ_I と
Φ_Q を計測し、その平均を求めて、これを濃度値演算の
ための位相Φとしている。

【０１００】この方式で、測定液体を通過したマイクロ
波の位相が、ある基準から＋３６０度まで変化したとし
て、実験により測定される位相Φの誤差の特性の代表例
を図５（ｂ）に示す。

【０１０１】すなわち、回路の配線パターンからの回り
込みや誘導のように、固定の位相である外乱により、Φ
_I とΦ_Q はサイン成分の非直線性誤差を持っているが、
これらΦ_I とΦ_Qの平均をとることにより得たΦは、誤
差が相殺されて，位相Φは直線性の良いものとなる。

【０１０２】なお、本実施の形態では、９０度異なる２
つの位相を用いたが、これ以外に、１８０度異なる２個
の計測、あるいは、０°，９０°，１８０°，２７０°
の４個の計測を行なうようにすることもできる。

【０１０３】また、本実施の形態では、参照信号の位相
を変化させたが、受信信号の位相を変化させる方式、あ
るいはミキサを２個設けて、一方は０゜、他方は９０゜
というように、２組の回路を設けるようにすることもで
きる。

【０１０４】上述したように、本実施の形態のマイクロ
波濃度測定装置では、複数の位相で計測して補償するよ
うにしているため、回路の配線パターンからの回り込み
や誘導があっても、高精度に濃度を測定することが可能
となる。これは、特に、受信されるマイクロ波の電力が
小さい場合に効果が大きい。

【０１０５】また、９０度、またはその整数倍の位相を
作るようにしているため、ハイブリッド２９により容易
に回路を実現することが可能となる。

【０１０６】（第４の実施の形態） 図６は、本実施の形態によるマイクロ波濃度測定装置の
構成例を示すブロック図であり、図４と同一部分には同
一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分
についてのみ述べる。

【０１０７】すなわち、本実施の形態のマイクロ波濃度
測定装置は、その基本的な構成は前述した従来例と同様
であり、測定側ヘテロダイン出力１５を、図示しない
が、必要によりフィルタ等で高周波を減衰して、周波数
Δｆ成分を増幅するようにする。

【０１０８】また、マイクロ波発生手段である送信アン
テナ３０は、直線偏波または円偏波のマイクロ波を送出
する機能を有する。

【０１０９】さらに、マイクロ波受信手段である受信ア
ンテナ３１には、第２の端子３２を設け、スイッチ３３
を図６に示す状態から第２の端子３２側へ切り替え、送
信側が直線偏波の場合は、送信マイクロ波と同相のマイ
クロ波と、当該同相のマイクロ波に直角のマイクロ波を
受信し、一方送信側が円偏波の場合には、送信マイクロ
波と同一回転方向のマイクロ波と、送信マイクロ波と逆
回転方向のマイクロ波を受信するようにする。

【０１１０】被測定対象が測定液体である場合、測定液
体中に気泡があると、これにマイクロ波が反射して、偏
波面の方向や回転方向が変化する。この多重反射したマ
イクロ波を、第２の端子３２により受信する。

【０１１１】ここで、多重反射するマイクロ波の量は、
気泡の量と正の相関があることから、演算装置１９で二
つの信号から気泡の量を計算して、位相計測値を補正す
るようにする。

【０１１２】次に、以上のように構成した本実施の形態
のマイクロ波濃度測定装置においては、送出するマイク
ロ波を直線偏波または円偏波として、受信するマイクロ
波は送信側が直線偏波の場合は同相とこれに直角のマイ
クロ波を受信し、また送信側が円偏波の場合は同一回転
方向および逆回転方向のマイクロ波を受信するように
し、さらに二つの信号より気泡の量を計算し位相計測値
を補正していることにより、測定液体中に気泡がある場
合でも、気泡の量を測定してその影響を補償するため、
高精度に濃度を測定することができる。

【０１１３】すなわち、直線偏波と円偏波の場合、反射
の量を受信アンテナ３１の第２の端子３２で検出される
マイクロ波の強度として測定することができる。また、
あらかじめ気泡の量と受信されるマイクロ波の強度、お
よび位相変化の特性を求めておけば、気泡の量を測定し
て、位相への影響を補償することができる。

【０１１４】以下、かかる点について、より具体的に説
明する。

【０１１５】送信アンテナ３０と受信アンテナ３１には
共通部分があり、その基本的な構成を図７（ａ）に示
す。

【０１１６】図７（ａ）において、基板３４は誘電体
（比誘電率）から成っている。

【０１１７】パターン３５は、表側の正方形のベタパタ
ーンであり、薄膜状の金属である。１辺の長さは、λ／
２（λは波長）であるが、基板３４上のため、λは真空
中の波長に比べると１／√ε_r に短縮されている。ま
た、パターン３５には、端子３６および端子３７が設置
されている。

【０１１８】ここで、端子３６は、パターン３５の中心
の下で、中心から辺までの距離の約１／３の位置にあ
る。また、端子３７は、パターン３５の中心の右で、中
心から辺までの距離の約１／３の位置にある。

【０１１９】パターン３８は、裏側のベタのグラウンド
パターン（これも薄膜状の金属）であり、端子３６およ
び端子３７のリードを通すところだけ穴が開いている。

【０１２０】送信アンテナ３０と受信アンテナ３１は、
端子３６と３７が正しく向かい合う（アンテナの中心と
端子３６を結ぶ線同士が平行である）ように設置されて
いる。

【０１２１】送信アンテナ３０から直線偏波を送出する
場合には、端子３７は設置せず、端子３６にのみ給電す
ればよい。また、送信アンテナ３０から円偏波を送出す
る場合には、図７（ｂ）に示すように、送信マイクロ波
３９から、ハイブリッド４０で、マイクロ波４１と、９
０度位相が異なるマイクロ波４２を作り、マイクロ波４
１を端子３６、マイクロ波４２を端子３７に給電する。
なお、ハイブリッド４０には４つの端子があるが、残り
の一つは終端抵抗４３で終端されている。

【０１２２】直線偏波を用いた場合には、被測定対象中
の物体に反射して受信されるマイクロ波の偏波面は、送
信マイクロ波とは異なっている。受信アンテナ３１で
は、端子３６からは送信マイクロ波と同一偏波面の成
分、端子３７からは送信マイクロ波と直交する偏波面の
成分がそれぞれ受信される。この場合には、端子３７が
第２の端子３２に相当する。

【０１２３】円偏波を用いた場合には、被測定対象中の
物体に反射して受信される円偏波のマイクロ波の回転方
向は、送信マイクロ波とは反対方向になっている。すな
わち、図７（ｃ）に示すように、受信アンテナ３１で
は、端子３６および端子３７で受信したマイクロ波をハ
イブリッド４４に入れて合成する。なお、図面上の回転
方向を変えないため、図７（ｃ）は透視図として示して
いる。

【０１２４】ここで、送信側で、図７（ｂ）に示すよう
に、端子３７へ、端子３６に対して９０度位相が遅れる
マイクロ波を給電していたとすると、送信マイクロ波と
同一回転方向の波を受信すると、端子３７側が端子３６
側に対して９０度位相が遅れている。逆回転方向の波の
場合には、受信すると端子３６側が端子３７側に対して
９０度位相が遅れている。

【０１２５】従って、ハイブリッド４４で合成すると、
端子４５の出力は、送信マイクロ波と同一回転方向の波
であれば、位相が合うため二つの入力を強め合うが、逆
回転方向の波であれば、位相が１８０度異なるため相殺
されて、送信マイクロ波と同一回転方向の波だけが出力
される。

【０１２６】また、逆に、端子４６からは、送信マイク
ロ波と逆回転方向の波だけが強め合って出力される。こ
の場合には、端子４６が第２の端子３２に相当する。

【０１２７】上述したように、本実施の形態のマイクロ
波濃度測定装置では、気泡の量を測定してその影響を補
償するようにしているため、測定液体中に気泡がある場
合でも、高精度に濃度を測定することが可能となる。

【０１２８】（第５の実施の形態） 図８は、本実施の形態によるマイクロ波濃度測定装置の
構成例を示すブロック図であり、図４と同一部分には同
一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分
についてのみ述べる。

【０１２９】すなわち、本実施の形態のマイクロ波濃度
測定装置は、その基本的な構成は前述した従来例と同様
であり、測定側ヘテロダイン出力１５を、図示しない
が、必要によりフィルタ等で高周波を減衰して、周波数
Δｆ成分を増幅するようにする。

【０１３０】また、信号レベル制御手段である可変ゲイ
ン増幅器４７および電圧測定手段４８を備え、可変ゲイ
ン増幅器４７のゲインを、電圧測定手段４８により測定
した値に基づいて制御し、測定側ヘテロダイン出力１５
の振幅（レベル）を一定にするようにする。

【０１３１】次に、以上のように構成した本実施の形態
のマイクロ波濃度測定装置においては、可変ゲイン増幅
器４７によって出力の振幅を一定にしていることによ
り、測定液体の温度や導電率によって、マイクロ波の減
衰が大きい場合でも、振幅の変化によりコンパレータ１
６の切り替わり時刻が変化することによる誤差が生じな
い。

【０１３２】また、測定信号レベルが小さい場合には、
信号を増幅して雑音に対するＳＮ比を改善することがで
きるため、高精度に濃度を測定することができる。

【０１３３】上述したように、本実施の形態のマイクロ
波濃度測定装置では、混合した信号のレベルを一定にな
るように制御するようにしているため、測定液体の温度
や導電率によって、マイクロ波の減衰が大きい場合で
も、誤差が生じず、また測定信号レベルが小さい場合に
は、信号を増幅して雑音に対するＳＮ比を改善できるた
め、高精度に濃度を測定することが可能となる。

【０１３４】（第６の実施の形態） 図９は、本実施の形態によるマイクロ波濃度測定装置の
構成例を示すブロック図であり、図４と同一部分には同
一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分
についてのみ述べる。

【０１３５】すなわち、本実施の形態のマイクロ波濃度
測定装置は、その基本的な構成は前述した従来例と同様
であり、測定側ヘテロダイン出力１５を、図示しない
が、必要によりフィルタ等で高周波を減衰して、周波数
Δｆ成分を増幅するようにする。

【０１３６】また、破線で示す濃度計回路４９は、同一
筐体内に納められている。この筐体に、筐体温度測定手
段である筐体温度計５０を設置しており、この筐体温度
計５０により筐体温度を測定し、この筐体温度が一定値
以下の場合には、筐体に設置した温度制御手段であるヒ
ータ制御回路５１およびヒータ５２により、筐体温度を
一定値になるように制御するようにする。

【０１３７】さらに、濃度計回路４９の内部発熱や環境
温度によって回路温度が一定値以上になった場合には、
あらかじめ設定した補正値により、演算装置１９で計測
値の補正を行なうようにする。

【０１３８】次に、以上のように構成した本実施の形態
のマイクロ波濃度測定装置においては、回路温度を一定
に制御あるいは補正していることにより、周囲の温度が
変化しても、回路温度変化による位相変化を防止して、
高精度に濃度を測定することができる。

【０１３９】また、電源投入時の温度が低い状態から，
早く安定な状態にすることができる。

【０１４０】さらに、温度が上がった時に、冷却を行な
うことは、回路が複雑になり、制御が簡単でなく、冷却
用の部品のコストが高くなるが、演算装置で１９で計測
値を補正していることにより、回路を簡単に、低コスト
にすることができる。

【０１４１】上述したように、本実施の形態のマイクロ
波濃度測定装置では、筐体温度が一定値以下の場合に
は、温度を一定値になるように制御し、温度が一定値以
上の場合には、あらかじめ設定した補正値によって計測
値を補正するようにしているため、周囲の温度が変化し
ても、高精度に濃度を測定することが可能となり、また
回路が簡単になり、低コストにすることが可能となる。

【０１４２】（第７の実施の形態） 図１０は、本実施の形態によるマイクロ波濃度測定装置
の構成例を示すブロック図であり、図８と同一部分には
同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部
分についてのみ述べる。

【０１４３】すなわち、本実施の形態のマイクロ波濃度
測定装置は、その基本的な構成は前述した従来例と同様
であり、測定側ヘテロダイン出力１５を、図示しない
が、必要によりフィルタ等で高周波を減衰して、周波数
Δｆ成分を増幅するようにする。

【０１４４】また、電圧測定手段４８により測定した信
号レベルと温度計５３により計測した測定液体の温度と
から、測定液体の温度、信号レベルによる位相変化を補
正して、濃度を算出するようにする。

【０１４５】さらに、信号レベルと測定液体の温度か
ら、測定液体の導電率と位相の補正値を算出し、導電率
による位相変化を補正して、濃度を算出するようにす
る。

【０１４６】ここで、補正演算を含む位相計算は、変数
が多く、それらと位相の関係は簡単には数式化できない
ことから、補正値演算手段であるニューラルネットワー
ク５４により実現するようにする。このニューラルネッ
トワーク５４の学習機能により、各変数と実際の濃度・
温度等を実際の測定で設定して学習させ、補正演算と位
相計算を行なうようにする。

【０１４７】次に、以上のように構成した本実施の形態
のマイクロ波濃度測定装置においては、受信した信号の
レベル、測定液体の温度から、測定液体の導電率と位相
の補正値を演算していることにより、測定液体の温度や
導電率によってマイクロ波の減衰が大きい場合や、測定
液体の温度によってマイクロ波の位相が変化する場合で
も、高精度に濃度を測定することができる。

【０１４８】すなわち、例えば塩分等が混入して被測定
対象の導電率が変化した場合には、前記（２）式、
（４）式に示したように、減衰率αが大きく変化する。

【０１４９】一方、測定液体の温度が変化すると、比誘
電率ε_r の変化があるので、温度を計測して、あらかじ
め決められた補正を行なうことにより、濃度の補正を行
なう。

【０１５０】位相差Δθは、 Δθ＝｛θ₂ −ｋ（Ｔ−Ｔ₀ ）−γ（Ｅ−Ｅ₀ ）｝−θ₁ （１１） ただし、 θ₂ ：被測定対象の位相 θ₁ ：基準の水の測定時位相 ｋ ：液温補正計数 Ｔ ：液温 Ｔ₀ ：基準の水温 γ ：導電率補正係数 Ｅ ：被測定物の減衰量 Ｅ₀ ：基準水の減衰量 濃度Ｘは、 Ｘ＝ａ×Δθ＋ｂ （１２） ただし、 ａ：比例定数 ｂ：バイアス 導電率の変化は、前述したように、減衰率αが大きく変
化する。ε_r の変化の影響もあるので、（１１）式のγ
をε_r の変化によりテーブルを作って選択する。

【０１５１】これにより、（１１）式によりΔθを求
め、（１２）式により、あらかじめ求められているａ，
ｂにより濃度を計算する。

【０１５２】また、上記補正値の演算をニューラルネッ
トワーク５４で実行していることにより、補正演算を容
易に実現することができる。

【０１５３】上述したように、本実施の形態のマイクロ
波濃度測定装置では、測定液体の温度、導電率、信号レ
ベルの変化による位相変化を補正しているため、測定液
体の温度や導電率によってマイクロ波の減衰が大きい場
合や、測定液体の温度によってマイクロ波の位相が変化
する場合でも、高精度に濃度を測定することが可能とな
る。

【０１５４】また、ニューラルネットワーク５４によ
り、補正値を演算するようにしているため、補正演算を
容易に実現することが可能となる。

【０１５５】尚、前述した各実施の形態以外にも、複数
の各実施の形態を適宜組み合わせることによって、より
一層高性能なマイクロ波濃度測定装置を実現することが
可能である。

【０１５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のマイクロ
波濃度測定装置によれば、太い配管の場合、高濃度の場
合や、管内が一度空になってから被測定対象で満たされ
た場合でも、被測定対象中の固形物・懸濁物質の濃度を
高精度にかつリアルタイムで求めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるマイクロ波濃度測定装置の第１の
実施の形態を示すブロック図。

【図２】同第１の実施の形態のマイクロ波濃度測定装置
における作用を説明するための図。

【図３】本発明によるマイクロ波濃度測定装置の第２の
実施の形態を示すブロック図。

【図４】本発明によるマイクロ波濃度測定装置の第３の
実施の形態を示すブロック図。

【図５】同第３の実施の形態のマイクロ波濃度測定装置
における一方のマイクロ波の位相を９０度異なる２つの
値として測定する場合の計算方法を説明するための図。

【図６】本発明によるマイクロ波濃度測定装置の第４の
実施の形態を示すブロック図。

【図７】同第４の実施の形態のマイクロ波濃度測定装置
におけるアンテナの構成例を示す図。

【図８】本発明によるマイクロ波濃度測定装置の第５の
実施の形態を示すブロック図。

【図９】本発明によるマイクロ波濃度測定装置の第６の
実施の形態を示すブロック図。

【図１０】本発明によるマイクロ波濃度測定装置の第７
の実施の形態を示すブロック図。

【図１１】従来のマイクロ波濃度測定装置の構成例を示
すブロック図。

【符号の説明】

１…クロック源、２…基準信号、３…発振器、４…増幅
器、５…スイッチ、６…スイッチ、７…送信アンテナ、
８…配管、９…受信アンテナ、１０…増幅器、１１…参
照用発振器、１２…受信信号、１３…参照信号、１４…
ミキサ、１５…ヘテロダイン出力、１６…コンパレー
タ、１７…測定デジタル信号、１８…位相差測定手段、
１９…演算装置、２２…ミキサ、２３…基準側ヘテロダ
イン信号、２４…コンパレータ、２５…基準信号、２６
…基準用端子、２７…固定基準、２８…周波数混合手
段、２９…ハイブリッド、３０…送信アンテナ、３１…
受信アンテナ、３２…第２の端子、３３…スイッチ、３
４…基板、３５…パターン、３６，３７…端子、３８…
パターン、３９…送信マイクロ波、４０…ハイブリッ
ド、４１…マイクロ波、４２…マイクロ波、４３…終端
抵抗、４４…ハイブリッド、４５，４６…端子、４７…
可変ゲイン増幅器、４８…電圧測定手段、４９…濃度計
回路、５０…筐体温度計、５１…ヒータ制御回路、５２
…ヒータ、５３…温度計、５４…ニューラルネットワー
ク。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−142168（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−142167（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−113412（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−221851（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−229858（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 22/00 - 22/04 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定対象の濃度をマイクロ波を用い、
   かつ、測定値として被測定対象と固定基準とを切り替え
   て測定するマイクロ波濃度測定装置において、 位相基準に同期して周波数ｆ_１とｆ_２の２つのマイクロ
   波を発生する第１のマイクロ波発生手段と、 前記位相基準に同期して、前記第１のマイクロ波発生手
   段からの２つのマイクロ波の周波数ｆ_１とｆ_２と周波数
   差Δｆだけ異なる周波数ｆ_１＋Δｆとｆ_２＋Δｆの２つ
   のマイクロ波を発生する第２のマイクロ波発生手段と、 前記第１のマイクロ波発生手段からの２つのマイクロ波
   を前記被測定対象に送出して受信した信号と、前記第２
   のマイクロ波発生手段からの２つのマイクロ波とを混合
   して、周波数差Δｆの出力を得るマイクロ波混合手段
   と、 前記マイクロ波混合手段からの出力と前記位相基準とを
   比較して、位相差を測定し出力する位相差測定手段と、 前記位相差測定手段からの位相差から、前記被測定対象
   の濃度を算出して出力する演算手段と、 前記固定基準として、外部の送信アンテナ位置からの信
   号を用いる固定基準測定手段とを備えて成り、 前記位相差測定手段としては、 前記２組の周波数ｆ_１とｆ_１＋Δｆ，ｆ_２とｆ_２＋Δｆ
   が組み合わせられるようにマイクロ波を切り替えて、当
   該各々の組み合わせにおける位相差Φ_１，Φ_２を測定
   し、 前記周波数ｆ_１とｆ_２における濃度０のときの位相差Φ
   _１０、Φ_２０から位相差の変化量ΔΦ_１，ΔΦ_２は ΔΦ₁ ＝Φ₁ ＋２πｍ−Φ₁₀（ｍは０または正の整
   数）、 ΔΦ₂ ＝Φ₂ ＋２πｎ−Φ₂₀（ｎは０または正の整数） となり、前記周波数ｆ_１とｆ_２における位相変化率をβ
   _１，β_２とすると、 ΔΦ₂ ＝（β₂ ／β₁ ）・ΔΦ₁ となるので、これらから Φ₂ ＋２πｎ−Φ₂₀−（β₂ ／β₁ ）・（Φ₁ ＋２πｍ
   −Φ₁₀）＝０ となり、値が誤差の許容値以内になるｍ、ｎの組み合わ
   せを求め、 ｍ、ｎの値から位相差変化量ΔΦ₁ 、ΔΦ₂を求め、前
   記被測定対象の濃度を算出するようにしたことを特徴と
   するマイクロ波濃度測定装置。
2. 【請求項２】 被測定対象の濃度をマイクロ波を用いて
   測定するマイクロ波濃度測定装置において、 位相基準に同期して周波数ｆ_１とｆ_２の２つのマイクロ
   波を発生する第１のマイクロ波発生手段と、 前記位相基準に同期して、前記第１のマイクロ波発生手
   段からの２つのマイクロ波の周波数ｆ_１とｆ_２と周波数
   差Δｆだけ異なる周波数ｆ_１＋Δｆとｆ_２＋Δｆの２つ
   のマイクロ波を発生する第２のマイクロ波発生手段と、 前記第１のマイクロ波発生手段からの２つのマイクロ波
   を前記被測定対象に送出して受信した信号と、前記第２
   のマイクロ波発生手段からの２つのマイクロ波とを混合
   して、周波数差Δｆの出力を得るマイクロ波混合手段
   と、 前記マイクロ波混合手段からの出力と前記位相基準とを
   比較して、位相差を測定し出力する位相差測定手段と、 前記位相差測定手段からの位相差から、前記被測定対象
   の濃度を算出して出力する演算手段と、 前記混合した信号のレベルを一定になるように制御する
   信号レベル制御手段とを備えて成り、 前記位相差測定手段としては、 前記２組の周波数ｆ_１とｆ_１＋Δｆ，ｆ_２とｆ_２＋Δｆ
   が組み合わせられるようにマイクロ波を切り替えて、当
   該各々の組み合わせにおける位相差Φ_１，Φ_２を測定
   し、 前記周波数ｆ_１とｆ_２における濃度０のときの位相差Φ
   _１０、Φ_２０から位相差の変化量ΔΦ_１，ΔΦ_２は ΔΦ₁ ＝Φ₁ ＋２πｍ−Φ₁₀（ｍは０または正の整
   数）、 ΔΦ₂ ＝Φ₂ ＋２πｎ−Φ₂₀（ｎは０または正の整数） となり、前記周波数ｆ_１とｆ_２における位相変化率をβ
   _１，β_２とすると、 ΔΦ₂ ＝（β₂ ／β₁ ）・ΔΦ₁ となるので、これらから Φ₂ ＋２πｎ−Φ₂₀−（β₂ ／β₁ ）・（Φ₁ ＋２πｍ
   −Φ₁₀）＝０ となり、値が誤差の許容値以内になるｍ、ｎの組み合わ
   せを求め、 ｍ、ｎの値から位相差変化量ΔΦ₁ 、ΔΦ₂を求め、前
   記被測定対象の濃度を算出するようにしたことを特徴と
   するマイクロ波濃度測定装置。
3. 【請求項３】 被測定対象の濃度をマイクロ波を用いて
   測定するマイクロ波濃度測定装置において、 位相基準に同期して周波数ｆ_１とｆ_２の２つのマイクロ
   波を発生する第１のマイクロ波発生手段と、 前記位相基準に同期して、前記第１のマイクロ波発生手
   段からの２つのマイクロ波の周波数ｆ_１とｆ_２と周波数
   差Δｆだけ異なる周波数ｆ_１＋Δｆとｆ_２＋Δｆの２つ
   のマイクロ波を発生する第２のマイクロ波発生手段と、 前記第１のマイクロ波発生手段からの２つのマイクロ波
   を前記被測定対象に送出して受信した信号と、前記第２
   のマイクロ波発生手段からの２つのマイクロ波とを混合
   して、周波数差Δｆの出力を得るマイクロ波混合手段
   と、 前記マイクロ波混合手段からの出力と前記位相基準とを
   比較して、位相差を測定し出力する位相差測定手段と、 前記位相差測定手段からの位相差から、前記被測定対象
   の濃度を算出して出力する演算手段と、 測定装置本体が収納される筐体の温度を測定する筐体温
   度測定手段と、 前記筐体温度測定手段により測定された筐体温度が一定
   値以下の場合は、当該筐体温度を前記一定値になるよう
   に制御する温度制御手段と、 前記筐体温度測定手段により測定された筐体温度が一定
   値以上の場合は、あらかじめ設定した補正値により計測
   値を補正する補正手段とを備えて成り、 前記位相差測定手段としては、 前記２組の周波数ｆ_１とｆ_１＋Δｆ，ｆ_２とｆ_２＋Δｆ
   が組み合わせられるようにマイクロ波を切り替えて、当
   該各々の組み合わせにおける位相差Φ_１，Φ_２を測定
   し、 前記周波数ｆ_１とｆ_２における濃度０のときの位相差Φ
   _１０、Φ_２０から位相差の変化量ΔΦ_１，ΔΦ_２は ΔΦ₁ ＝Φ₁ ＋２πｍ−Φ₁₀（ｍは０または正の整
   数）、 ΔΦ₂ ＝Φ₂ ＋２πｎ−Φ₂₀（ｎは０または正の整数） となり、前記周波数ｆ_１とｆ_２における位相変化率をβ
   _１，β_２とすると、 ΔΦ₂ ＝（β₂ ／β₁ ）・ΔΦ₁ となるので、これらから Φ₂ ＋２πｎ−Φ₂₀−（β₂ ／β₁ ）・（Φ₁ ＋２πｍ
   −Φ₁₀）＝０ となり、値が誤差の許容値以内になるｍ、ｎの組み合わ
   せを求め、 ｍ、ｎの値から位相差変化量ΔΦ₁ 、ΔΦ₂を求め、前
   記被測定対象の濃度を算出するようにしたことを特徴と
   するマイクロ波濃度測定装置。