JP4260049B2 - 液性検知装置および液性検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、特定成分を含む溶液について溶液濃度を測定すると同時に、該溶液への不純物の混入の有無を判別可能な液性検知装置および液性検知方法に関する。

近年、環境問題や資源問題への対策が要望される中で、その対策の一つとして燃料電池の開発が行われている。最近では、燃料のメタノールを改質等を行わずに直接発電に利用する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃ
ｅｌｌ）が、小型化、軽量化が可能な技術として注目されている。

このＤＭＦＣでは、メタノールが水とともにアノードに供給され、白金などの触媒により水素イオンと電子と二酸化炭素に分解される。二酸化炭素は排出され、水素イオンは電解質膜を通過してカソードへ移動し、電子と空気中の酸素とともに水を生成する。特に最近では、発電効率を高めるとともに燃料タンクを小型化するために、電極反応により生成した水とタンク内の高濃度メタノールとを混合して希釈循環する技術や、ＤＭＦＣから排出される未反応メタノール水溶液の濃度をリアルタイムで測定し、メタノール濃度が低下した際にこの水溶液へメタノールを供給して濃度を調節する技術などの実用化が検討されている。

一方、ディーゼルエンジンの分野では、排気ガス中のＮＯｘを浄化処理する技術として、ゼオライト系の尿素還元ＮＯｘ触媒を用い、排気ガス中に尿素水溶液を噴射して、尿素から変化したアンモニアとの化学反応によってＮＯｘを浄化処理する方法が注目されている。この方法では、例えばタンクに貯留されている尿素水溶液の濃度を予め測定し、これに基づいて尿素水溶液の濃度が所定値となるように濃度調節を行い、あるいはその噴射量を調節するなどの手段によって噴射される尿素量の制御を行い、これによって、ＮＯｘの浄化が不完全となることなどを防止している。

従来、このように溶液中の特定成分の濃度を測定する方法としては、誘電率、静電容量、インピーダンスなどの電気的性質に基づく方法（例えば特許文献１を参照）と、吸光度（例えば特許文献２を参照）、光学屈折率（例えば特許文献３、４を参照）などの光学的性質に基づく方法が用いられている。
特開平４−２６２２４９号公報 特開平５−２２３７３３号公報 特公平７−６９３５号公報 特開平１１−１９３２０６号公報

上記に列挙した方法で特定成分の濃度を検知して、これに基づき濃度制御された溶液を使用する前述したようなシステムでは、この特定成分以外の不純物が当該溶液に混入していてもこの不純物の存在を検知することができない。例えば、水溶液中に混入した塩分などのように、溶液中に混入した不純物がこの溶液を使用するシステムに悪影響を与えることも考えられるため、特定成分の溶液濃度を測定すると同時に不純物の有無を確認できる装置が望まれていた。

本発明は上述したような従来技術の問題点を解決するために為されたものであり、その目的は、溶液中における特定成分の濃度を精度よく測定すると同時に、不純物の混入の有
無を判別可能な液性検知装置および液性検知方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために本発明の液性検知装置は、特定成分を含む溶液について溶液濃度および不純物の有無を検知する液性検知装置であって、
前記溶液の吸光度を測定する吸光度測定部と、
前記溶液の屈折率を測定する屈折率測定部と、
前記吸光度測定部および屈折率測定部で測定して得られた前記溶液の吸光度・屈折率データを、前記特定成分の濃度が異なる複数の標準溶液について予め測定して得られた吸光度と屈折率に基づく吸光度−屈折率検量線と比較して溶液濃度の算出および不純物の有無の判別を行う演算部とを備えることを特徴とする。

本発明の液性検知装置は、前記演算部は、前記溶液の吸光度・屈折率データと前記吸光度−屈折率検量線との離間量に基づいて不純物の有無の判別を行うことを特徴とする。
本発明の液性検知装置は、前記屈折率測定部が、光源と、
前記光源からの照射光を前記溶液との界面で反射もしくは屈折する反射・屈折部と、
前記反射・屈折部からの全反射光を検出する位置検出素子とを備えることを特徴とする。

本発明の液性検知装置は、前記光源が、前記吸光度測定部における前記溶液への照射光源を兼ねることを特徴とする。
本発明の液性検知装置は、前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする。

本発明の液性検知装置は、前記特定成分を含む溶液がメタノール水溶液であることを特徴とする。この場合、吸光度を測定するための光波長を０．９１μｍ、１．０８μｍ、１．６０μｍおよび１．７０μｍから選択することが望ましい。

また、本発明の液性検知装置は、前記特定成分を含む溶液が尿素水溶液であることを特徴とする。この場合、吸光度を測定するための光波長が１．０４μｍであることが望ましい。

また、上記の目的を達成するために本発明の液性検知方法は、特定成分を含む溶液について溶液濃度および不純物の有無を検知する液性検知方法であって、
前記溶液の吸光度および屈折率を測定して得られた該溶液の吸光度・屈折率データを、前記特定成分の濃度が異なる複数の標準溶液について予め測定して得られた吸光度と屈折率に基づく吸光度−屈折率検量線と比較して溶液濃度の算出および不純物の有無の判別を行うことを特徴とする。

本発明の液性検知方法は、前記溶液の吸光度・屈折率データと前記吸光度−屈折率検量線との離間量に基づいて不純物の有無の判別を行うことを特徴とする。
本発明の液性検知方法は、光源からの照射光を前記溶液へ照射し、その全反射光を位置検出素子で検出することによって屈折率を測定することを特徴とする。

本発明の液性検知方法は、前記光源を前記溶液への照射光源に用いて前記溶液の吸光度を測定することを特徴とする。
本発明の液性検知方法は、前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする。

本発明の液性検知方法は、前記特定成分を含む溶液がメタノール水溶液であることを特徴とする。この場合、吸光度を測定するための光波長を０．９１μｍ、１．０８μｍ、１．６０μｍおよび１．７０μｍから選択することが望ましい。

また、本発明の液性検知方法は、前記特定成分を含む溶液が尿素水溶液であることを特徴とする。この場合、吸光度を測定するための光波長が１．０４μｍであることが望ましい。

本発明の液性検知装置および液性検知方法によれば、溶液中における特定成分の濃度を精度よく測定すると同時に、不純物の混入の有無を判別することができる。

以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例の液性測定装置を説明する図である。本実施例の液性測定装置では、同図に示した測定ユニット１が、図示しないマイクロコンピュータに接続されている。この測定ユニット１は、タンク８に収容されたメタノール水溶液に浸漬され、このメタノール水溶液の吸光度を測定する吸光度測定部と、屈折率を測定する屈折率測定部とを備えている。

吸光度測定部は、メタノール水溶液への照射光源である発光ダイオード２と、溶液内光路４と、この溶液内光路４へ発光ダイオード２からの照射光を投光する投光部３と、溶液内光路４を通過した光を受光して光電変換する受光素子５とから構成されている。

単波長光源である発光ダイオード２の使用波長としては、メタノールの赤外吸収ピークに対応した波長が使用される。図３には、メタノールの赤外吸収の波長依存性が示されている。同図に示されるように、０．９１μｍ、１．０８μｍ、１．６０μｍおよび１．７０μｍの赤外波長において吸収ピークが認められ、相関係数が１に近い条件下でこれらの波長のうちいずれかの波長を使用して吸光度を測定する。

図示しない定電流電源から電流を供給して発光ダイオード２を発光させ、この光を投光部３から照射してメタノール水溶液内を所定の光路長で通過させる。溶液内光路４を通過した光は受光素子５で受光され、光電変換された電気信号はマイクロコンピュータへ送られて吸光度（微分吸光度および差分吸光度を含む）が算出される。なお、測定値を算出する際には、図示しないサーミスタを設置して測定した溶液温度に基づいて補正している。

屈折率測定部は、光源である発光ダイオード２と、この発光ダイオード２からの照射光をメタノール水溶液との界面で反射もしくは屈折する反射・屈折部６と、位置検出素子７とから構成されている。この位置検出素子（ＰＳＤ：ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）７は、反射・屈折部６と試料溶液との界面へ照射した照射光の臨界角における全反射光を受光面で受光し、その受光位置に対応した電気信号を生成する。照射光の臨界角は、試料溶液の屈折率に依存して変化するため、この試料溶液の屈折率に基づく受光位置に対応した電気信号がマイクロコンピュータへ出力され、この電気信号との対応から屈折率が算出される。

このように、本実施例では発光ダイオード２が吸光度測定と屈折率測定との光源を兼ねており、コンパクトな装置構成とすることができる。また、発光ダイオード２からの照射光は、半導体リソグラフィの技術によって吸光度測定用の光路と屈折率測定用の光路に分割することができる。

マイクロコンピュータの記憶部には、不純物を含まない純粋なメタノール水溶液の濃度を、測定を行う濃度範囲にわたり変化させて調製した複数の標準水溶液について、本実施例の装置で測定して得られた吸光度と屈折率に基づいて作成された検量線データが記憶されている。

すなわち、図２（ａ）に示したように、これらの標準水溶液に基づいて吸光度−屈折率検量線が作成されるとともに、装置条件や再現性などを考慮してこの検量線を含む純粋領域Ａが定義され、これらの検量線情報および純粋領域Ａを定義する情報がマイクロコンピュータの記憶部に記憶されている。

メタノール濃度および不純物混入の有無の検知対象である試料溶液について測定された吸光度・屈折率データは、マイクロコンピュータの演算部でこれらの情報に基づいて演算処理され、当該データが純粋領域Ａの範囲内であるか否かが判断される。

その結果、図２（ａ）中の黒丸で示したデータ点、例えばＳ１、Ｓ２のように、試料溶液の吸光度・屈折率データが純粋領域Ａの範囲内である場合には、試料溶液は純粋または不純物濃度が許容範囲内であると判別され、そのデータ位置からメタノール濃度が算出される。

一方、図２（ａ）中の白点で示したデータ点、例えばＳ３のように、試料溶液の吸光度・屈折率データの位置が純粋領域Ａの範囲外の領域Ｂ１もしくはＢ２である場合には、試料溶液に不純物が混入していると判別される。

このように、吸光度と屈折率をパラメータとして作成された検量線データを用いているため、溶液中における特定成分の濃度を精度よく測定すると同時に、溶液の吸光度・屈折率データと吸光度−屈折率検量線との離間量に基づいて不純物の有無を判別することができる。

また、例えばメタノール水溶液にエタノールが混入されているか否かを判別する際には、エタノールは図４に示したように０．９１μｍおよび１．７０μｍに吸収ピークを有するため、これらの波長を用いてメタノール水溶液の吸光度測定を行うことは好ましくなく、例えば１．０８μｍ、１．６０μｍのピーク波長を用いるか、あるいは図１に示したように、吸光度測定用の照射光として２波長（λ１、λ２）を使用し、エタノールの吸収ピーク波長と重ならない波長を少なくとも１つ用いて、これらの波長における吸光度の差を測定する。

本実施例の液性測定装置は、例えばＤＭＦＣの燃料循環系へ組み込んで、メタノールの濃度制御および燃料への不純物の混入の有無を判別するために使用することができる。
また、試料溶液が、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘ浄化処理に使用するような尿素水溶液である場合には、図５に示したように尿素の赤外吸収ピーク１．０４μｍを光源波長として使用して上述したように試料溶液の測定を行い、得られた吸光度・屈折率データについて、マイクロコンピュータに記憶された検量線情報および純粋領域Ａを定義する情報に基づいて演算処理を行い、尿素濃度の算出および不純物の有無の判別を行う（図２（ｂ））。

図１は、本発明の一実施例の液性検知装置を説明する図である。 図２（ａ）は、標準メタノール水溶液から作成された吸光度−屈折率検量線と、その周囲に定義された純粋領域とを示した概念図、図２（ｂ）は、尿素水溶液から作成された吸光度−屈折率検量線と、その周囲に定義された純粋領域とを示した概念図である。 図３は、メタノールの赤外吸収の波長依存性を示した図である。 図４は、エタノールの赤外吸収の波長依存性を示した図である。 図５は、尿素の赤外吸収の波長依存性を示した図である。

符号の説明

１…測定ユニット
２…発光ダイオード
３…投光部
４…溶液内光路
５…受光素子
６…反射・屈折部
７…位置検出素子
８…溶液タンク

Claims (18)

1. 特定成分を含む溶液について溶液濃度および不純物の有無を検知する液性検知装置であって、
   前記溶液の吸光度を測定する吸光度測定部と、
   前記溶液の屈折率を測定する屈折率測定部と、
   前記吸光度測定部および屈折率測定部で測定して得られた前記溶液の吸光度・屈折率データを、前記特定成分の濃度が異なる複数の標準溶液について予め測定して得られた吸光度と屈折率に基づく吸光度−屈折率検量線と比較して溶液濃度の算出および不純物の有無の判別を行う演算部とを備えることを特徴とする液性検知装置。
2. 前記演算部は、前記溶液の吸光度・屈折率データと前記吸光度−屈折率検量線との離間量に基づいて不純物の有無の判別を行うことを特徴とする請求項１に記載の液性検知装置。
3. 前記屈折率測定部が、光源と、
   前記光源からの照射光を前記溶液との界面で反射もしくは屈折する反射・屈折部と、
   前記反射・屈折部からの全反射光を検出する位置検出素子とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の液性検知装置。
4. 前記光源が、前記吸光度測定部における前記溶液への照射光源を兼ねることを特徴とする請求項３に記載の液性検知装置。
5. 前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項４に記載の液性検知装置。
6. 前記特定成分を含む溶液がメタノール水溶液であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液性検知装置。
7. 吸光度を測定するための光波長が０．９１μｍ、１．０８μｍ、１．６０μｍおよび１．７０μｍから選ばれることを特徴とする請求項６に記載の液性検知装置。
8. 前記特定成分を含む溶液が尿素水溶液であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液性検知装置。
9. 吸光度を測定するための光波長が１．０４μｍであることを特徴とする請求項８に記載の液性検知装置。
10. 特定成分を含む溶液について溶液濃度および不純物の有無を検知する液性検知方法であって、
    前記溶液の吸光度および屈折率を測定して得られた該溶液の吸光度・屈折率データを、前記特定成分の濃度が異なる複数の標準溶液について予め測定して得られた吸光度と屈折率に基づく吸光度−屈折率検量線と比較して溶液濃度の算出および不純物の有無の判別を行うことを特徴とする液性検知方法。
11. 前記溶液の吸光度・屈折率データと前記吸光度−屈折率検量線との離間量に基づいて不純物の有無の判別を行うことを特徴とする請求項１０に記載の液性検知方法。
12. 光源からの照射光を前記溶液へ照射し、その全反射光を位置検出素子で検出することによって屈折率を測定することを特徴とする請求項１０または１１に記載の液性検知方法。
13. 前記光源を前記溶液への照射光源に用いて前記溶液の吸光度を測定することを特徴とする請求項１２に記載の液性検知方法。
14. 前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１３に記載の液性検知方法。
15. 前記特定成分を含む溶液がメタノール水溶液であることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載の液性検知方法。
16. 吸光度を測定するための光波長が０．９１μｍ、１．０８μｍ、１．６０μｍおよび１．７０μｍから選ばれることを特徴とする請求項１５に記載の液性検知方法。
17. 前記特定成分を含む溶液が尿素水溶液であることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載の液性検知方法。
18. 吸光度を測定するための光波長が１．０４μｍであることを特徴とする請求項１７に記載の液性検知方法。

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