JP3889404B2 - 濃度測定方法および濃度測定システムならびに濃度測定プログラム - Google Patents

濃度測定方法および濃度測定システムならびに濃度測定プログラム Download PDF

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Description

本発明は2種類の成分が混合された混合溶液の濃度測定方法および濃度測定システムな
らびに濃度測定プログラムに関する。
2種類の成分が混合された混合溶液の需要は多く、様々な濃度測定方法が開発されてい
る。近年、硫黄酸化物や窒素酸化物などの有害物質を排出しないクリーンな電源として、
燃料電池への期待が非常に高まりつつあり、自動車や家庭用電源、携帯情報機器など小型
の電源システムも多数提案されている。これに伴い、2種類の液体の混合溶液を燃料とす
る燃料電池に用いるために、精度が高くリアルタイムに測定可能な濃度測定方法が求めら
れている。
特許文献1に示す濃度測定方法では、アルコールと水の混合溶液中での超音波の伝搬速
度の温度変化率が濃度に依存することを利用して、超音波の伝搬速度を測定することで濃
度を求める方法が開示されている。
また、特許文献2に示す濃度測定方法では、アルコールと水の混合溶液の沸点が濃度に
依存することを利用して、沸点を測定することで濃度を求める方法が開示されている。
特開平11−23541号公報(段落0005) 特表2003−510613公報(段落0008)
しかし、混合溶液の超音波の伝搬速度を高い精度で測定するためには、超音波の伝搬距
離を長くする必要がある。すなわち混合溶液の濃度測定に長さの長い混合溶液のタンクが
必要となり、小型の電源システムを設計するにあたり大きな阻害要因となってしまう。
また、混合溶液の沸点を測定するためには、沸点を測定する点の混合溶液ばかりでなく
、沸点を測定する点の周囲の混合溶液を含めて温度が一様な状態となるように撹拌などし
た上で、混合溶液を沸騰させる必要がある。すなわち、混合溶液の濃度測定にある程度の
容積のある混合溶液のタンクが必要となり、小型の電源システムを設計するにあたり大き
な阻害要因となってしまう。
さらに、混合溶液の超音波の伝搬速度を測定したり混合溶液の沸点を測定したりするた
めには、上述の様に濃度測定にある程度容積のある混合溶液のタンクが要求されるため、
濃度測定に用いる混合溶液の量も多く必要とされる。携帯情報機器など小電力のアプリケ
ーションなど、少量の混合溶液の濃度を測定する場合、感度や応答速度が悪化するという
問題もある。
本発明は、このような事情を鑑みてされたもので、少量の混合溶液の濃度を測定する場
合でも感度や応答速度が良好で、小型化が容易な濃度測定方法および濃度測定システムな
らびに濃度測定プログラムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の濃度測定方法は、2種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段により加熱し、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液を沸騰させる加熱ステップと、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面温度を測定する温度測定ステップと、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束を求める熱流束演算ステップと、前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求める濃度演算ステップとを有し、前記濃度演算ステップは、あらかじめ測定されたデータに基づいた前記表面温度と前記熱流束と前記濃度の関係より、前記濃度を求めることを特徴とする。
また、本発明の濃度測定方法は、2種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段により加熱し、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰する様に、前記加熱手段の表面温度が略一定となる様に温度制御手段により加熱手段を制御する加熱ステップと、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束を求める熱流束演算ステップと、前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求める濃度演算ステップとを有し、前記濃度演算ステップは、あらかじめ測定されたデータに基づいた前記表面温度と前記熱流束と前記濃度の関係より、前記濃度を求めることを特徴とする。
また、本発明の濃度測定システムは、2種類の液体を混合した混合溶液を加熱するための加熱手段と、前記加熱手段の表面温度を測定するための温度測定手段と、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束を求め、前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求めるための濃度演算装置とを有し、前記濃度演算装置は、あらかじめ測定されたデータに基づいた前記表面温度と前記熱流束と前記濃度の関係より、前記濃度を求めることを特徴とする。
また、本発明の濃度測定システムは、2種類の液体を混合した混合溶液を加熱するための加熱手段と、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰する温度で前記加熱手段の表面温度が略一定となる様に前記加熱手段を制御する温度制御手段と、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束を求め、前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求めるための濃度演算装置とを有し、前記濃度演算装置は、あらかじめ測定されたデータに基づいた前記表面温度と前記熱流束と前記濃度の関係より、前記濃度を求めることを特徴とする。
また、本発明の濃度測定プログラムは、2種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段により加熱し、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液を沸騰させる加熱ステップと、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面温度を測定する温度測定ステップと、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束を求める熱流束演算ステップと、前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求める濃度演算ステップとを実行させる濃度測定プログラムであって前記濃度演算ステップは、あらかじめ測定されたデータに基づいた前記表面温度と前記熱流束と前記濃度の関係より、前記濃度を求めることを特徴とする。
また、本発明の濃度測定プログラムは、2種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段により加熱し、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰する様に、前記加熱手段の表面温度が略一定となる様に温度制御手段により加熱手段を制御する加熱ステップと、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束を求める熱流束演算ステップと、前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求める濃度演算ステップとを実行させる濃度測定プログラムであって、前記濃度演算ステップは、あらかじめ測定されたデータに基づいた前記表面温度と前記熱流束と前記濃度の関係より、前記濃度を求めることを特徴とする。
少量の混合溶液の濃度を測定する場合でも感度や応答速度が良好で、小型化が容易な濃
度測定方法および濃度測定システムならびに濃度測定プログラムを提供することができる
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
図1に本発明による濃度測定方法の第1の実施の形態を用いた濃度測定システムを示す
混合タンク1の内部には例えばメタノールなどの第1の成分の液体2と、例えば水など
の第2の成分の液体3の混合溶液4が一時貯蔵されている。混合タンク1には第1の成分
の液体2を注入するための注入管5、第2の成分の液体3を注入するための注入管6が設
けられている。混合タンク1に注入された第1の成分の液体2は第2の成分の液体3と混
合されて、混合溶液4となる。混合タンク1には混合されてできた混合溶液4を排出する
ための排出管7が設けられている。
混合タンク1の内部には混合溶液4を加熱および温度測定するための加熱手段8が設け
られている。加熱手段8の内部には混合溶液4を加熱するための、例えばカートリッジヒ
ータ(セラミックなどの高耐熱絶縁体のベースにニクロム線などの抵抗体がコイル状に巻
かれた、周知のカートリッジヒータ)などのヒータ9が設けられている。
加熱手段8には加熱手段8の表面温度を測定するための温度測定手段10が接続されて
いる。温度測定手段10は、加熱手段8の表面近傍に温度測定点が設けられた、例えば白
金線およびリード線などからなるセンサー11と、例えば白金線の抵抗値変化を検出する
ための抵抗計などの温度計12を有している。
ヒータ9には、ヒータ9を発熱させるための電源13が接続されている。ヒータ9は電
源13から供給された電力で、加熱手段8の表面で混合溶液4が沸騰する様に発熱する。
温度制御装置14は、温度計12の出力をもとに電源13の電源電圧を制御し、加熱手段
8の表面温度を加熱手段8の表面で混合溶液4が沸騰する温度以上、かつ混合溶液4の発
火温度や濃度測定システムの機能に障害が生じる温度などの温度以下の任意の温度にコン
トロールしている。
濃度演算装置15は、ヒータ9に供給される電力を測定するための電圧計16と電流計
17に接続されている。濃度演算装置15は、電圧計16又は電流計17の出力を用い熱
流束を求める。さらに、濃度演算装置15は、温度計12の出力(図1では、温度計12
の出力は温度制御装置14経由で出力されている)を用い、混合溶液4の濃度18を求め
、出力する。
続いて、図2(a)および図2(b)に本発明による濃度測定方法の第1の実施の形態
のフローチャートを示す。
まず、加熱ステップS1について説明する。加熱ステップS1では、濃度測定システム
は混合溶液4を加熱手段8により加熱し、加熱手段8の表面にて混合溶液4を沸騰させる
温度制御装置14は、加熱手段8内部に設けられたヒータ9に電源13より電力を供給
し混合溶液4を加熱する。(S1a)温度測定手段10の温度計12は、センサー11を
用いて加熱手段8の表面近傍の温度を検出し、必要に応じて検出された値を補正し、加熱
手段8の表面温度を測定する。温度制御装置14は温度計12からこの表面温度(t)を
取得する。(S1b)加熱手段8の表面で混合溶液4が沸騰する温度以上、かつ混合溶液
4の発火温度や濃度測定システムの機能に障害が生じる温度などの温度以下の任意の温度
を目標温度として、この表面温度が目標温度以上の場合、温度制御装置14は電源13か
らヒータ9への電力の供給を遮断(または目標温度との差に応じた電力供給量に電力供給
量を減少)する。一方、この表面温度が目標温度未満の場合は電源13からヒータ9へ電
力供給(または目標温度との差に応じた電力供給量に電力供給量を増加)する。(S1c
、S1d)
次に、温度測定ステップS2について説明する。温度測定ステップS2では、加熱手段
8の表面にて混合溶液4が沸騰している状態における加熱手段8の表面温度(t)を測定
する。濃度演算装置15は、温度測定手段10の温度計12がセンサー11を用いて加熱
手段8の表面近傍の温度を検出(必要に応じて補正)し、出力された加熱手段8の表面温
度(t)を取得する。(S2)
続いて、熱流束演算ステップS3について説明する。熱流束演算ステップS3では、加
熱手段8の表面にて混合溶液4が沸騰している状態における加熱手段8の表面の熱流束(
q)を求める。熱流束(q)を求めるには、図2(a)および図2(b)に示す様に2通
りの方法があり、まず図2(a)に示す方法について説明する。
濃度演算装置15は、電圧計16が加熱手段8の内部に設けられたヒータ9に印加され
た電圧を検出し、出力された印加電圧(V)を取得する。(S3a)
濃度演算装置15は、表面温度(t)から、ヒータ9の表面温度(t)における抵抗値
(R)を求める。なお、抵抗値(R)は、あらかじめヒータ9の抵抗値の温度依存性を測
定しておいて、濃度演算装置15の後述する記憶部22へ後述する表面温度(t)と抵抗
値(R)の関係24(近似関数またはデータベース)を記憶しておき、この関係24を用
いて求めることができる。抵抗値(R)の温度依存性が濃度測定に影響が出ない程度に非
常に小さい場合、あらかじめ測定しておいた抵抗値(定数)を抵抗値(R)として使用し
てもかまわない。(S3b)
濃度演算装置15は、印加電圧(V)と抵抗値(R)と熱流束(q)の関係(式1)を
用いて、熱流束(q)を求める。(S3c)
q=V2/(RA) (式1)
A:加熱手段8の表面積(定数)
次に図2(b)に示す方法について説明する。なお、図2(a)に示す方法と同様の熱
流束演算ステップS3以外の部分については説明を省略する。
濃度演算装置15は、電圧計16が加熱手段8の内部に設けられたヒータ9に流れる電
流を検出し、出力された電流(I)を取得する。(S3a)
濃度演算装置15は、図2(a)に示す方法と同様の方法で表面温度(t)から、ヒー
タ9の表面温度(t)における抵抗値(R)を求める。(S3b)
濃度演算装置15は、電流(I)と抵抗値(R)と熱流束(q)の関係(式2)を用い
て、熱流束(q)を求める。(S3c)
q=(I2R)/A (式2)
濃度演算ステップS4について説明する。濃度演算ステップS4では表面温度(t)と
熱流束(q)を用いて混合溶液4中の第1の成分の液体2の濃度(X)を求める。濃度演
算装置15は、濃度演算装置15内の記憶部22に記憶された後述する熱流束(q)、表
面温度(t)、濃度(X)の関係23(データベース)を用いて、例えば図3に示すよう
な熱流束(q)と表面温度(t)と濃度(X)の関係23より、例えば熱流束(q)=1
40kW/m2、表面温度(t)=112℃の時のメタノールと水の混合溶液4のメタノ
ール濃度(X)は0.040(モル分率)のように、濃度(X)を求める。(S4a)濃
度演算装置15は求めた濃度(X)を例えばアナログ信号として出力する。なお関係23
のデータベースの構造は、例えば図3(b)に示すような、濃度(X)における熱流束(
q)と表面温度(t)の近似式が複数記憶されたものを用いることができる。(S4b)
濃度演算装置15の詳細について説明する。図4は濃度演算装置15などのブロック図
である。濃度演算装置15には温度制御装置14、電圧計16、電流計17より入力I/
F20に入力されたデータをもとに演算を行う処理部21が設けられている。処理部21
は抵抗値(R)や濃度(X)などを計算するための関数やデータベースが記憶されている
記憶部22が接続されている。記憶部22には表面温度(t)と抵抗値(R)の関係24
が、近似関数またはデータベースとして記憶されている。また、記憶部22には熱流束(
q)、表面温度(t)、濃度(X)の関係23が、データベースとして記憶されている。
処理部21は関係24、関係23を必要に応じて参照し、抵抗値(R)や濃度(X)など
を求め、結果を出力I/F25を通して外部に出力する。
本発明による濃度測定方法の第1の実施の形態を用いた濃度測定プログラムについて説
明する。濃度を測定するためのコンピュータは、図1及び図4に示す濃度演算装置15が
有する機能に加え、出力I/F25が電源13と温度制御装置14に接続され、電源13
と温度制御装置14を制御する機能を有している。濃度測定プログラムは図2に示す濃度
測定方法の加熱ステップS1、温度測定ステップS2、熱流束演算ステップS3、濃度演
算ステップS4を、コンピュータに実行させる。各ステップの詳細は前述した図2の説明
と同様のため省略する。
このように、第1の実施の形態による濃度測定方法では、加熱手段8の表面で混合溶液
4を沸騰させて、加熱手段8の表面温度(t)および加熱手段8へ加えるエネルギーなら
びに加熱手段8の表面積より熱流束(q)を求め、表面温度(t)と熱流束(q)より混
合溶液4の濃度を測定することができる。このことにより、混合タンク1の内部の混合溶
液4全体を沸騰させる必要がなく、超音波の伝搬距離を考慮する必要がないため、混合タ
ンク1の容積の容量が小さい場合においても、精度良く混合溶液4の濃度を測定すること
ができる。また、混合タンク1の内部の混合溶液4全体を沸騰させる必要がないため、混
合タンク1の内部の温度分布を均一化する手段、例えば撹拌装置などが必要なく、システ
ム全体の小型化を図ることができる。また、混合タンク1の容積を小さくできるため、濃
度の変化に対する感度や応答速度を向上することができる。
なお、図2(a)に示す本実施の形態では、熱流束(q)を求めるために印加電圧(V
)を用いたため、加熱手段8の内部に設けられたヒータ9に印加された電圧を検出してい
る。ヒータ9に流れる電流を検出するための電流計17の出力は、濃度(X)を求めるた
めに用いていない。よって、濃度検出装置の安全性などの他用途に特に用いない場合、電
流計17を省いても構わない。
また、図2(b)に示す本実施の形態では、熱流束(q)を求めるために電流(I)を
用いたため、加熱手段8の内部に設けられたヒータ9に流れる電流を検出している。ヒー
タ9に印加された電圧を検出するための電圧計16の出力は、濃度(X)を求めるために
用いてない。上記同様、濃度検出装置の安全性などの他用途に特に用いない場合、電圧計
16を省いても構わない。
(第2の実施の形態)
図5に本発明による濃度測定方法の第2の実施の形態を用いた濃度測定システムを示す
。第1の実施の形態の各部、各機能と同一部分は同一符号で示し、その詳細な説明を省略
する。
混合タンク1の内部には混合溶液4を加熱および温度測定するための加熱手段30が設
けられている。加熱手段30は、電力供給されることで発熱し、かつその抵抗値に温度依
存性を有する抵抗体を有している。加熱手段30の構成の例としては、薄膜状もしくは線
状の白金など抵抗体の表面を、白金線の腐食を防ぐために熱伝導率の高い絶縁体などで被
覆したものが挙げられる。加熱手段30は、直流電源32より電力が供給されることによ
り加熱手段30に設けられた抵抗体が発熱し、混合溶液4が加熱手段30の表面で沸騰す
る様に、混合溶液4を加熱する。
加熱手段30には加熱手段30の表面温度を測定するための温度測定手段31が接続さ
れている。温度測定手段31は、加熱手段30の表面温度を、加熱手段30に設けられた
抵抗体の抵抗値を測定することで測定している。温度測定手段31は、温度測定手段31
に設けられた抵抗31a、31b、31cの3つの抵抗と、加熱手段30に設けられた抵
抗体を用いてブリッジ回路を構成し、加熱手段30に設けられた抵抗体の抵抗値をブリッ
ジ回路の不均衡電圧、すなわち温度のアナログ信号として出力する。
濃度演算装置33は、温度測定手段31にオペアンプ34を介して接続されている。濃
度演算装置33は、直流電源32の電圧と、オペアンプ34にて増幅された温度測定手段
31から出力された加熱手段30に設けられた抵抗体の抵抗値を用い、熱流束を求める。
さらに、濃度演算装置33は、オペアンプ34にて増幅された温度測定手段31から出力
された加熱手段30に設けられた抵抗体の抵抗値、すなわち温度のアナログ信号と熱流束
から混合溶液4の濃度18を求め、出力する。
続いて、図6に本発明による濃度測定方法の第2の実施の形態を用いた濃度測定プログ
ラムのフローチャートを示す。
まず、加熱ステップS11について説明する。加熱ステップS11では、濃度測定シス
テムは加熱手段30に電力を供給することにより混合溶液4を加熱し、加熱手段30の表
面にて混合溶液4を沸騰させる。加熱手段30は直流電源32より電力が供給され、加熱
手段30に設けられた抵抗体が発熱する。直流電源32の電圧や、抵抗体の直径や長さは
混合溶液4が加熱手段30の表面にて沸騰するように、あらかじめ構成されている。(S
11)
次に、温度測定ステップS12について説明する。温度測定ステップS12では、加熱
手段30の表面にて混合溶液4が沸騰している状態における加熱手段30の表面温度(t
)を測定する。温度測定手段31に設けられたブリッジ回路は、そのブリッジ回路の不均
衡電圧を加熱手段30に設けられた抵抗体の抵抗値として出力する。オペアンプ34は温
度測定手段31から出力された不均衡電圧、すなわち抵抗値を増幅する。濃度演算装置3
3には、オペアンプ34にて増幅された抵抗値(R)が入力される。(S12a)濃度測
定システム33に設けられた記憶部22には、あらかじめ測定された抵抗値(R)と表面
温度(t)の関係24(近似関数またはデータベース)が記憶されている。濃度演算装置
33は、入力された抵抗値(R)を、関係24を用いて表面温度(t)を求める(S12
b)
続いて、熱流束演算ステップS13について説明する。熱流束演算ステップS13では
、加熱手段30の表面にて混合溶液4が沸騰している状態における加熱手段30の表面の
熱流束(q)を求める。
濃度演算装置33は、直流電源の電圧、すなわち印加電圧(V)と抵抗値(R)と熱流
束(q)の関係(式3)を用いて、熱流束(q)を求める。(S13)
q=(RV2)/[(Ra+R)2A] (式3)
A:加熱手段30の表面積(定数)
Ra:抵抗31aの抵抗値
濃度演算ステップS14について説明する。濃度演算ステップS14では表面温度(t
)と熱流束(q)を用いて混合溶液4中の第1の成分の液体2の濃度(X)を求める。濃
度演算装置33は、濃度演算装置33内の記憶部22に記憶された熱流束(q)、表面温
度(t)、濃度(X)の関係23(データベース)、例えば図3に示すような熱流束(q
)と表面温度(t)と濃度(X)の関係より、濃度(X)を求める。(S14a)濃度演
算装置33は求めた濃度(X)を例えばアナログ信号として出力する。(S14b)
濃度演算装置33の詳細について説明する。図7は濃度演算装置33などのブロック図
である。濃度演算装置33には温度測定手段31よりオペアンプ34を介して入力I/F
20に入力されたデータをもとに演算を行う処理部35が設けられている。処理部35は
表面温度(t)や濃度(X)などを計算するための関数やデータベースが記憶されている
記憶部22が接続されている。記憶部22には表面温度(t)と抵抗値(R)の関係24
が、近似関数またはデータベースとして記憶されている。また、記憶部22には熱流束(
q)、表面温度(t)、濃度(X)の関係23が、データベースとして記憶されている。
処理部35は関係24、関係23を必要に応じて参照し、表面温度(t)や濃度(X)な
どを求め、結果を出力I/F25を通して外部に出力する。
本発明による濃度測定方法の第2の実施の形態を用いた濃度測定プログラムについて説
明する。濃度を測定するためのコンピュータは、図5及び図7に示す濃度演算装置33が
有する機能に加え、出力I/F25が直流電源32に接続され、直流電源32を制御する
機能を有している。濃度測定プログラムは図6に示す濃度測定方法の加熱ステップS11
、温度測定ステップS12、熱流束演算ステップS13、濃度演算ステップS14を、コ
ンピュータに実行させる。各ステップの詳細は前述した図6の説明と同様のため省略する
このように、第2の実施の形態による濃度測定方法では、加熱手段30の表面で混合溶
液4を沸騰させて、加熱手段30の表面温度(t)および加熱手段30へ加えるエネルギ
ーならびに加熱手段30の表面積より熱流束(q)を求め、表面温度(t)と熱流束(q
)より混合溶液4の濃度を測定することができる。このことにより、混合タンク1の内部
の混合溶液4全体を沸騰させる必要がなく、超音波の伝搬距離を考慮する必要がないため
、混合タンク1の容積の容量が小さい場合においても、精度良く混合溶液4の濃度を測定
することができる。
また、混合タンク1の内部の混合溶液4全体を沸騰させる必要がないため、混合タンク
1の内部の温度分布を均一化する手段、例えば撹拌装置などが必要なく、システム全体の
小型化を図ることができる。また、混合タンク1の容積を小さくできるため、濃度の変化
に対する感度や応答速度を向上することができる。また、第1の実施の形態による濃度測
定方法に比べ、加熱手段30に設けられた抵抗体の抵抗値が温度依存性を有しているため
、第1の実施の形態におけるセンサー11が不要となり、加熱手段30を小型化、ひいて
は混合タンク1の容積をより小さくできる。
なお、本実施の形態では、熱流束(q)を求めるための印加電圧(V)が一定電圧の例
について説明した。印加電圧(V)が変動する場合には、図5に示す電圧計34を用いて
、印加電圧(V)を濃度演算装置33に入力し、式3より熱流束(q)を求めても構わな
い。
また、本実施の形態では、熱流束(q)を求めるための印加電圧(V)が一定電圧なの
で、濃度検出装置の安全性などの他用途に特に用いない場合、電圧計34を省略しても構
わない。
また、本実施の形態では、熱流束(q)を求めるために印加電圧(V)を用いたが、第
1の実施の形態と同様に、濃度演算装置33は、加熱手段30の内部に設けられた抵抗体
に流れる電流(I)を用いて熱流束(q)を求めても構わない。この時、電圧計34の出
力は、濃度(X)を求めるために用いてない。上記同様、濃度検出装置の安全性などの他
用途に特に用いない場合、電圧計34を省いても構わない。
(第3の実施の形態)
図8に本発明による濃度測定方法の第3の実施の形態を用いた濃度測定システムを示す
。第1の実施の形態および第2の実施の形態の各部、各機能と同一部分は同一符号で示し
、その詳細な説明を省略する。
混合タンク1の内部には混合溶液4を加熱するための加熱手段40が設けられている。
加熱手段40は、電力供給されることで発熱し、かつその抵抗値に温度依存性を有する抵
抗体を有している。加熱手段40の構成の例としては、例えば直径10μm、長さ10c
mの白金線など薄膜状もしくは線状の抵抗体の表面を、白金線の腐食を防ぐために熱伝導
率の高い絶縁体などで被覆したものが挙げられる。加熱手段40は、電力が供給されるこ
とにより加熱手段40に設けられた抵抗体が発熱し、混合溶液4が加熱手段40の表面で
沸騰する様に、混合溶液4を加熱する。
加熱手段40には加熱手段40の表面温度をフィードバックし、加熱手段40の表面温
度を略一定に保つための温度制御手段41が接続されている。温度制御手段41には、加
熱手段40の抵抗体の抵抗値を出力するための、例えば33Ωの抵抗41a、3.3kΩ
の抵抗41b、5kΩを中心値とした可変抵抗41cの3つの抵抗と抵抗体からなるブリ
ッジ回路が設けられている。温度制御手段41は抵抗体の抵抗値を、このブリッジ回路の
不均衡電圧、すなわち温度のアナログ信号として出力する。
オペアンプ44は温度制御手段41から出力された温度のアナログ信号を増幅し、濃度
演算装置43へ出力すると共に、温度制御手段41に設けられたブリッジ回路にフィード
バックする。オペアンプ44は、例えば周知のTSSOPタイプパッケージのオペアンプ
を使用することができる。抵抗体の抵抗値が低いとき、すなわち加熱手段40の表面温度
が低いときは、オペアンプ44は高い電圧を出力し、温度制御装置41に設けられたブリ
ッジ回路を介して抵抗体の加熱量を大きくする。一方、抵抗体の抵抗値が高いとき、すな
わち加熱手段40の表面温度が高いときは、オペアンプ44は低い電圧を出力し、温度制
御装置41に設けられたブリッジ回路を介して抵抗体の加熱量を小さくする。そして、可
変抵抗41cの抵抗値を調整することで設定可能な設定温度と加熱手段40の表面温度が
ほぼ等しくなったとき、温度制御装置41に設けられたブリッジ回路の不均衡電圧は非常
に小さくなり、混合溶液4の放熱量と、抵抗体の加熱量はほぼ等しくなる。例えば、可変
抵抗41cを5kΩに設定した場合、加熱手段40の表面温度が約112℃に達した時点
で、抵抗体の抵抗値は約50Ωとなり、ブリッジ回路の不均衡電圧は非常に小さく(0.
410mV)なる。このように、オペアンプ44から出力された温度のアナログ信号を温
度制御手段41へフィードバックすることで、加熱手段40の表面温度は略一定となるよ
うにコントロールされる。
濃度演算装置43は、温度制御手段41にオペアンプ44を介して接続されている。濃
度演算装置43は、電源(図示せず)の電圧と、オペアンプ44にて増幅された不均衡電
圧と複数の抵抗の抵抗値から求められた抵抗体の抵抗値を用い、熱流束を求める。さらに
、濃度演算装置43は、オペアンプ44にて増幅された不均衡電圧と複数の抵抗の抵抗値
から求められた抵抗体の抵抗値を求め、この抵抗体の抵抗値から求められる表面温度と熱
流束から混合溶液4の濃度18を求め、出力する。
続いて、図9に本発明による濃度測定方法の第3の実施の形態を用いた濃度測定プログ
ラムのフローチャートを示す。
まず、加熱ステップS21について説明する。加熱ステップS21では、濃度測定シス
テムは加熱手段40に電力を供給することにより混合溶液4を加熱し、加熱手段40の表
面にて混合溶液4を沸騰させる。加熱手段40は電源(図示せず)より電力が供給され、
加熱手段40に設けられた抵抗体が発熱する。(S21)
次に、温度測定ステップS22について説明する。温度測定ステップS22では、加熱
手段40の表面にて混合溶液4が沸騰している状態における加熱手段40の表面温度(t
)を測定する。温度制御手段41に設けられたブリッジ回路は、そのブリッジ回路の不均
衡電圧を加熱手段40に設けられた抵抗体の抵抗値のアナログ信号として出力する。オペ
アンプ44は温度制御手段41から出力された不均衡電圧、すなわち抵抗体の抵抗値を増
幅する。濃度演算装置43には、オペアンプ44にて増幅された抵抗値(R)が入力され
る。(S22a)濃度測定システム43に設けられた記憶部22には、あらかじめ測定さ
れた抵抗値(R)と表面温度(t)の関係24(近似関数またはデータベース)が記憶さ
れている。濃度演算装置43は、入力された抵抗値(R)を、関係24を用いて表面温度
(t)を求める(S22b)
続いて、熱流束演算ステップS23について説明する。熱流束演算ステップS23では
、加熱手段40の表面にて混合溶液4が沸騰している状態における加熱手段40の表面の
熱流束(q)を求める。
濃度演算装置43は、直流電源の電圧、すなわち印加電圧(V)と抵抗値(R)と熱流
束(q)の関係(式4)を用いて、熱流束(q)を求める。(S23)
q=(RV2)/[(Ra+R)2A] (式4)
A:加熱手段40の表面積(定数)
Ra:抵抗41aの抵抗値
濃度演算ステップS24について説明する。濃度演算ステップS24では表面温度(t
)と熱流束(q)を用いて混合溶液4中の第1の成分の液体2の濃度(X)を求める。濃
度演算装置43は、濃度演算装置43内の記憶部22に記憶された熱流束(q)、表面温
度(t)、濃度(X)の関係23(データベース)、例えば図3に示すような熱流束(q
)と表面温度(t)と濃度(X)の関係より、濃度(X)を求める。(S24a)濃度演
算装置43は求めた濃度(X)を例えばアナログ信号として出力する。(S24b)
濃度演算装置43の詳細について説明する。濃度演算装置のブロック図は、本発明によ
る濃度測定方法の第2の実施の形態とほぼ同様なので、図示を省略する。濃度演算装置4
3には温度測定手段41よりオペアンプ44を介して入力I/Fに入力されたデータをも
とに演算を行う処理部が設けられている。処理部は表面温度(t)や濃度(X)などを計
算するための関数やデータベースが記憶されている記憶部22が接続されている。記憶部
22には表面温度(t)と抵抗値(R)の関係24が、近似関数またはデータベースとし
て記憶されている。また、記憶部22には熱流束(q)、表面温度(t)、濃度(X)の
関係23が、データベースとして記憶されている。処理部は関係24、関係23を必要に
応じて参照し、表面温度(t)や濃度(X)などを求め、結果を出力I/Fを通して外部
に出力する。
本発明による濃度測定方法の第3の実施の形態を用いた濃度測定プログラムについて説
明する。濃度を測定するためのコンピュータは、図8及び図9に示す濃度演算装置43が
有する機能に加え、出力I/F(図示せず)が電源(図示せず)に接続され、電源を制御
する機能を有している。濃度測定プログラムは図9に示す濃度測定方法の加熱ステップS
21、温度測定ステップS22、熱流束演算ステップS2、濃度演算ステップS24を、
コンピュータに実行させる。各ステップの詳細は前述した図9の説明と同様のため省略す
る。
このように、第3の実施の形態による濃度測定方法では、加熱手段40の表面で混合溶
液4を沸騰させて、加熱手段40の表面温度(t)および加熱手段40へ加えるエネルギ
ーならびに加熱手段40の表面積より熱流束(q)を求め、表面温度(t)と熱流束(q
)より混合溶液4の濃度を測定することができる。このことにより、混合タンク1の内部
の混合溶液4全体を沸騰させる必要がなく、超音波の伝搬距離を考慮する必要がないため
、混合タンク1の容積の容量が小さい場合においても、精度良く混合溶液4の濃度を測定
することができる。
また、混合タンク1の内部の混合溶液4全体を沸騰させる必要がないため、混合タンク
1の内部の温度分布を均一化する手段、例えば撹拌装置などが必要なく、システム全体の
小型化を図ることができる。また、混合タンク1の容積を小さくできるため、濃度の変化
に対する感度や応答速度を向上することができる。
また、第1の実施の形態による濃度測定方法に比べ、加熱手段40に設けられた抵抗体
の抵抗値が温度依存性を有し、第1の実施の形態におけるセンサー11が不要となるので
、加熱手段40を小型化、ひいては混合タンク1の容積をより小さくできる。
さらに、第2の実施の形態による濃度測定方法に比べ、加熱手段40の表面温度が、可
変抵抗41cにて設定した目標温度付近で略一定となるので、混合溶液4の濃度変化に対
して熱伝達率が大きく変化する温度付近に目標温度を設定することができる。すなわち、
濃度の測定値の精度を向上することができる。例えば、圧力0.101MPa、表面温度
112℃のメタノールと水からなる混合溶液4において、モル分率が0.040から±0
.004変化しただけで、熱流束は140kW/m2から±13kW/m2変化し、オペア
ンプ44の出力は±180mV変化する。このオペアンプ44の出力は、濃度演算装置4
3が濃度を測定するために必要な変化量に対して十分大きい値で、非常に高い精度で濃度
測定をすることができる。
なお、本実施の形態では、混合溶液4の例にメタノールと水の混合溶液4を挙げたが、
濃度に応じて熱伝達率が変化する他の2種類の成分が混合された混合溶液全般に対して利
用できる。
なお、本発明は上述したような各実施の形態に限定されるものではなく、形状や材質、
構成を変更してもよく、例えば本実施の形態では、濃度測定のための加熱手段を混合タン
ク1の内部に配置したが、加熱手段を流路内に配置したり、中空の多孔質体の内部に配置
したりしても構わない。
本発明による濃度測定方法の第1の実施の形態を用いた濃度測定システムを示すシステム構成図 本発明による濃度測定方法の第1の実施の形態を示すフローチャート 本発明による濃度測定方法の第1の実施の形態を示す関係図 本発明による濃度測定方法の第1の実施の形態を示すブロック図 本発明による濃度測定方法の第2の実施の形態を用いた濃度測定システムを示すシステム構成図 本発明による濃度測定方法の第2の実施の形態を示すフローチャート 本発明による濃度測定方法の第2の実施の形態を示すブロック図 本発明による濃度測定方法の第3の実施の形態を用いた濃度測定システムを示すシステム構成図 本発明による濃度測定方法の第3の実施の形態を示すフローチャート
符号の説明
1 混合タンク
2 第1の成分の液体
3 第2の成分の液体
4 混合溶液
5、6 注入管
7 排出管
8、30、40 加熱手段
9 ヒータ
10、31 温度測定手段
11 センサー
12 温度計
13 電源
14 温度制御装置
15、33、43 濃度演算装置
16 電圧計
17 電流計
18 濃度
20 入力I/F
21、35 処理部
22 記憶部
23 関係
24 関係
25 出力I/F
31a、31b、31c、41a、41b 抵抗
32 直流電源
34、44 オペアンプ
41 温度制御手段
41c 可変抵抗

Claims (14)

  1. 2種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段により加熱し、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液を沸騰させる加熱ステップと、
    前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面温度を測定する温度測定ステップと、
    前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束を求める熱流束演算ステップと、
    前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求める濃度演算ステップと
    を有し、
    前記濃度演算ステップは、あらかじめ測定されたデータに基づいた前記表面温度と前記熱流束と前記濃度の関係より、前記濃度を求めることを特徴とする濃度測定方法。
  2. 前記加熱手段は、電気エネルギーで発熱する抵抗体を有することを特徴とする請求項1に記載の濃度測定方法。
  3. 前記抵抗体は、温度によって抵抗値が変化する性質を有し、前記抵抗値より前記表面温度を求めることを特徴とする請求項2に記載の濃度測定方法。
  4. 前記表面温度は、前記加熱手段の表面近傍に設けられた温度センサーの出力より求めることを特徴とする請求項1および請求項2に記載の濃度測定方法。
  5. 2種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段により加熱し、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰する温度で前記加熱手段の表面温度が略一定となる様に、温度制御手段により加熱手段を制御する加熱ステップと、
    前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束を求める熱流束演算ステップと、
    前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求める濃度演算ステップと
    を有し、
    前記濃度演算ステップは、あらかじめ測定されたデータに基づいた前記表面温度と前記熱流束と前記濃度の関係より、前記濃度を求めることを特徴とする濃度測定方法。
  6. 前記加熱手段は、電気エネルギーで発熱する抵抗体を有することを特徴とする請求項5に記載の濃度測定方法。
  7. 前記抵抗体は、温度によって抵抗値が変化する性質を有し、
    前記温度制御手段は、前記抵抗体と共に構成されるブリッジ回路を有し、
    前記加熱ステップは、前記ブリッジ回路の不均衡電圧をフィードバックすることにより前記加熱手段の表面温度が略一定となる様に加熱することを特徴とする請求項6に記載の濃度測定方法。
  8. 前記表面温度は、前記抵抗値より求めることを特徴とする請求項7に記載の濃度測定方法。
  9. 前記熱流束は、前記抵抗体の抵抗値と、前記加熱手段の表面積と、前記抵抗体への印加電圧を用いて求めることを特徴とする請求項2ないし請求項4および請求項6ないし請求項8のいずれか1項に記載の濃度測定方法。
  10. 前記熱流束は、前記抵抗体の抵抗値と、前記加熱手段の表面積と、前記抵抗体に流れる電流値を用いて求めることを特徴とする請求項2ないし請求項4および請求項6ないし請求項8のいずれか1項に記載の濃度測定方法。
  11. 2種類の液体を混合した混合溶液を加熱するための加熱手段と、
    前記加熱手段の表面温度を測定するための温度測定手段と、
    前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束と前記表面温度を用いて前記混合溶液の濃度を求めるための濃度演算装置とを有し、
    前記濃度演算装置は、あらかじめ測定されたデータに基づいた前記表面温度と前記熱流束と前記濃度の関係より、前記濃度を求めることを特徴とする濃度測定システム。
  12. 2種類の液体を混合した混合溶液を加熱するための加熱手段と、
    前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰する温度で前記加熱手段の表面温度が略一定となる様に前記加熱手段を制御する温度制御手段と、
    前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束を求め、前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求めるための濃度演算装置とを有し、
    前記濃度演算装置は、あらかじめ測定されたデータに基づいた前記表面温度と前記熱流束と前記濃度の関係より、前記濃度を求めることを特徴とする濃度測定システム。
  13. 濃度を測定するためのコンピュータに、
    2種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段により加熱し、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液を沸騰させる加熱ステップと、
    前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面温度を測定する温度測定ステップと、
    前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束を求める熱流束演算ステップと、
    前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求める濃度演算ステップと
    を実行させる濃度測定プログラムであって
    前記濃度演算ステップは、あらかじめ測定されたデータに基づいた前記表面温度と前記熱流束と前記濃度の関係より、前記濃度を求めることを特徴とする濃度測定プログラム
  14. 濃度を測定するためのコンピュータに、
    2種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段により加熱し、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰する様に、前記加熱手段の表面温度が略一定となる様に温度制御手段により加熱手段を制御する加熱ステップと、
    前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束を求める熱流束演算ステップと、
    前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求める濃度演算ステップと
    を実行させる濃度測定プログラムであって
    前記濃度演算ステップは、あらかじめ測定されたデータに基づいた前記表面温度と前記熱流束と前記濃度の関係より、前記濃度を求めることを特徴とする濃度測定プログラム
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