JP6916070B2 - 濃度測定器 - Google Patents

Description

本発明は溶液中の溶質の濃度を測定する濃度測定器に関する。

従来より、自動車の排気ガス浄化システムの１つとして、尿素ＳＣＲシステムが知られている。この尿素ＳＣＲシステムは、ディーゼルエンジンの排気ガスに尿素を溶質とする水溶液を吹き付けて排気ガス中の窒素酸化物ＮＯｘを低減させるシステムである。この尿素ＳＣＲシステムを採用した自動車には、尿素水溶液を収容したタンクが搭載されている。このタンク内の水溶液の尿素の濃度が薄すぎるとＮＯｘの除去率が低下し、一方、濃すぎると尿素由来のアンモニアがそのまま排気されることになる。このため、このタンク内の水溶液中の尿素の濃度は、自動車走行中に常にモニタし、厳密に管理されている必要がある。

従来、この尿素ＳＣＲシステムにおける水溶液中の尿素の濃度の測定方式として、音速測定方式が採用されている（特許文献１参照）。この音速測定方式は、超音波の音速が水溶液中の溶質（尿素）の濃度で変化することを利用した測定方式である。この音速測定方式では、圧電振動子と反射板を、間に水溶液を挟んで対向するように配置する。そして、圧電振動子を駆動して水溶液内に超音波パルスを送信し、送信した超音波パルスが反射板で反射して戻ってくるまでの遅延時間を測定する。その測定された遅延時間を水溶液の温度で補正することで尿素の濃度を検知することができる。

しかしながら、この音速測定方式の場合、
（１）遅延時間測定の分解能を確保する必要上、圧電振動子と反射板との間の距離を短くできず、このため、小型化が困難である。
（２）超音波の、水溶液内を進行する間の減衰率が周波数により異なる。このため、複数の周波数の超音波が混在した超音波パルスを送信すると超音波パルスの波形が乱れ、遅延時間の測定誤差の増大につながる。これを防ぐには、サイン波のパルスを生成して送信するといった複雑な回路が必要となり、コストの増大につながるおそれがある。
（３）送信超音波と受信超音波とを分離するための切替回路が必要となる。このため、応答性が悪化するおそれがある。
といった問題点がある。

ここでは、この音速測定方式の問題点を解決するために、空洞内に収容した溶液中の媒質の濃度測定方式の１つである空洞共振法に着目する（非特許文献１，２参照）。この空洞共振法は、溶質の濃度により共振周波数が変化することを利用した測定方式である。この空洞共振法では、溶液を収容した空洞内に連続波としての超音波を送信する。そして、この連続波としての超音波により空洞内に発生する多数の共振モードのうちの１つの共振モードを捉えて、その共振モードの共振周波数を検出する。この共振周波数は溶質の濃度により変化することから、その検出された共振周波数を溶液の温度で補正することで溶質の濃度を検知することができる。

この空洞共振法は、原理的には研究が進んでいる。ただし、これまでは、共振点における微小な変化をうまく捉えるための大掛かりな測定器を接続して実験室内等で測定実験を行なうレベルにとどまっている。すなわち、この空洞共振法は、溶液中の溶質の濃度を簡易に測定する測定法としては採用されていない測定方式である。換言すると、この空洞共振法は、上記の、自動車に搭載された尿素ＳＣＲシステムに採用できる程度に小型であって、さらに自動的、連続的な測定法としては採用されていない測定方式である。

特開２０１２−４７５９３号公報

「簡単な超音波干渉計の試作」紺野忠 福島大学理科報告第５号 １頁〜５頁 「超音波干渉計による液体の音速測定上の二，三の問題」和田八三久，新保外志，小田實 応用物理第１８巻 第１０〜１２号 ３５１頁〜３５２頁

本発明は、上記事情に鑑み、空洞共振法を採用し、小型化が可能であって溶液の濃度を簡易に測定することのできる濃度測定器を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の濃度測定器は、
空洞内に収容された溶液に超音波を送信するとともに反射超音波を検出する圧電振動子と、
空洞内の溶液の温度を測定する温度センサと、
圧電振動子を駆動する駆動信号を生成し駆動信号により圧電振動子を駆動して圧電振動子に超音波を送信させる駆動回路と、
上記駆動信号と、圧電振動子での反射超音波の検出により得られた検出信号との間の位相を比較する位相比較回路と、
上記駆動回路に周波数が順次に異なる駆動信号を生成させるとともに、圧電振動子がその駆動信号で駆動されている間の位相比較回路による位相比較結果をモニタして、測定対象の共振モードの共振周波数を検知する周波数検知回路と、
駆動信号の周波数を、周波数検知回路で検知された共振周波数に追随させる、駆動回路および位相比較回路を含むＰＬＬ回路と、
上記ＰＬＬ回路を動作させている間の駆動信号の周波数と、上記温度センサによる温度測定結果とに基づいて、溶液中の溶質の濃度を検出する濃度検出回路とを備えたことを特徴とする。

本発明の濃度測定器によれば、上記の周波数検知回路で測定対象の共振モードの共振周波数を検知し、その後、上記のＰＬＬ回路で駆動信号を、その検知した共振周波数に追随させる回路構成を採用している。これにより、小型化が可能であって溶液中の溶質の濃度を簡易に測定することのできる濃度測定器が構成される。

ここで、本発明の濃度検出器において、上記周波数検知回路は、第１共振モードの共振周波数を検知することによって、測定対象の共振モードの共振周波数を検知する第１周波数検知回路であってもよい。

この第１周波数検知回路は、測定対象の溶質の濃度が不明であっても、第１共振モードの共振周波数を他のモードの共振周波数とは区別して一意に決まる場合に採用することができる。この第１共振モードは、測定対象の共振モードとは異なる共振モードであってもよい。この第１共振モードは、その共振周波数が他のモードの共振周波数とは区別して一意に決まる共振モードである必要がある。一方、測定対象の共振モードは、その共振周波数が溶質の濃度によって大きく変化することが好ましい。溶質の濃度によって共振周波数が大きく変化するということは、溶質の濃度が不明の場合に、ある１つの共振周波数を検知しても、その検知した共振周波数がどの共振モードの共振周波数であるかが一意には決まらないおそれがあることを意味している。したがって、典型的には、この第１周波数検知回路は、第１共振モードと測定対象の共振モードとが異なる場合に好適に採用される。

あるいは、本発明の濃度検出器において、上記周波数検知回路は、第２共振モードの共振周波数を検知するとともに第２共振モードとは異なる第３共振モードの共振周波数を検知し、それら第２共振モードの共振周波数および第３共振モードの共振周波数の少なくとも一方と、それら第２共振モードの共振周波数と第３共振モードの共振周波数との間の差分周波数とに基づいて、測定対象の共振モードの共振周波数を検知する第２周波数検知回路であってもよい。

この第２周波数検知回路を備えると、測定対象の溶質の濃度が不明の場合に、１つの共振周波数に対応する共振モードが複数存在する可能性がある場合であっても、その共振周波数がどの共振モードの共振周波数であるかを検知し、また、差分周波数から濃度を検知することができる。ただし、この第２周波数検知回路は、上記の第１周波数検知回路と比べ、複雑な処理が必要となる。すなわち、この第２周波数検知回路を採用すると、複数の共振モードの共振周波数を検知し、それらの共振周波数の差分の周波数を算出するという処理が必要となる。なお、上記の第２共振モードあるいは第３共振モードのいずれかを、測定対象の共振モードとすることができる。ただし、第２共振モードおよび第３共振モードのいずれとも異なる共振モードを測定対象の共振モードとしてもよい。

また、本発明の濃度測定器において、上記駆動回路として、圧電振動子の並列容量成分をキャンセルするコンデンサを含む回路であることが好ましい。

圧電振動子は、等価回路上、直並列共振回路として取り扱うことができる。そして、溶液を満たした空洞内の共振の測定にあたっては、圧電振動子の並列共振を生じさせる並列容量成分を正確にキャンセルする必要がある。また、圧電振動子自体の直列共振を避けた周波数帯域の、空洞に満たされた溶液とで決まる直列共振のうちの１つの共振モードを、測定対象の共振モードとする必要がある。

圧電振動子の並列容量成分をキャンセルすることによって、空洞共振の共振周波数における位相を大きく変化させることができ、位相比較器による高精度な位相比較を行なうことができる。

具体的には、上記駆動回路が、圧電振動子の第１電極に接続されたコンデンサを備え、駆動信号を構成する互いに逆位相の第１駆動信号と第２駆動信号を生成し、コンデンサを介して第１電極を第１駆動信号で駆動するとともに、圧電振動子の第２電極を第２駆動信号で駆動する回路であってもよい。

この場合に、上記駆動回路が、第１駆動信号または第２駆動信号の振幅を調整する振幅調整回路を備えることが好ましい。

このような、互いに逆位相の第１駆動信号と第２駆動信号を生成して圧電振動子を駆動する回路を構成すると、圧電振動子の並列容量成分を高精度にキャンセルすることができる。

あるいは、上記駆動回路は、圧電振動子の第１電極に接続されたコンデンサと、駆動信号を減衰させる減衰器と、第１電極の信号と減衰器により減衰させたのちの駆動信号との差分を演算する演算器とを備えた回路であってもよい。

この場合に、上記駆動回路が、減衰器による駆動信号の減衰利得を調整する利得調整回路を備えることが好ましい。

このような差分を演算する構成の駆動回路によっても、圧電振動子の並列容量成分を高精度にキャンセルすることができる。

上記駆動回路は、さらに具体的には、
発振信号の位相を反転する位相反転回路と、
前記発振信号の振幅を調整する振幅調整回路と、
圧電振動子の第１電極に接続されたコンデンサと、
振幅調整回路から出力された振幅調整後の発振信号を入力し上記コンデンサを介して圧電振動子を駆動する第１駆動アンプと、
圧電振動子の第２電極に接続され、上記位相反転回路により位相を反転させた発振信号で圧電振動子を駆動する第２駆動アンプとを備えた第１駆動回路とすることが好ましい。

上記の第１駆動回路によれば、圧電振動子の並列容量成分を正確にキャンセルすることができる。圧電振動子自体の直列共振を避けるには、圧電振動子自体の直列共振による共振周波数とは異なる共振周波数の共振モードが測定対象の共振モードとして採用される。

ここで、本発明の濃度測定器であって上記の第１駆動回路を備えた場合に、上記空洞内が空の状態における指示に応じて圧電振動子の第１電極の検出信号をモニタし、その検出信号が最小となるように振幅調整回路を制御する第１初期調整回路を備えることが好ましい。

初期調整は、調整者が測定器を接続して手動で行うことも可能であるが、上記の第１駆動回路を備えた場合に、さらに上記の第１初期調整回路を備えておくと、初期調整を行なうことの指示のみ行えばよく、その指示によって自動で初期調整させることが可能である。

あるいは、本発明の濃度測定器において、上記駆動回路が、
発振信号を入力し圧電振動子の第１電極に接続されて圧電振動子を駆動する第３駆動アンプと、
圧電振動子の第２電極に接続され第２電極で検出された検出信号の位相を反転して出力する、フィードバックループにコンデンサが配置された位相反転回路と、
上記第３駆動アンプから出力された駆動信号の利得を調整する利得調整回路と、
位相反転回路から出力された位相反転検出信号と利得調整回路で利得が調整された駆動信号とを加算する加算回路とを備えた第２駆動回路であることも好ましい態様である。

この第２駆動回路を備えた場合も、圧電振動子の並列容量成分を正確にキャンセルすることができる。

ここで、本発明の濃度測定器であって上記の第２駆動回路を備えた場合に、空洞内が空の状態における指示に応じて上記加算回路の出力信号をモニタし、その出力信号が最小となるように前記利得調整回路を制御する第２初期調整回路を備えことが好ましい。

初期調整は、調整者が測定器を接続して手動で行うことも可能であるが、上記の第２駆動回路を備えた場合に、さらに上記の第２初期調整回路を備えておくと、初期調整を行なうことの指示のみ行えばよく、その指示によって自動で初期調整させることが可能である。

以上の本発明によれば、空洞共振法を採用し、小型化が可能であって溶液中の溶質の濃度を簡易に測定することのできる濃度測定器が実現する。

空洞共振器の一例を示した模式断面図である。 図１に示す空洞共振器の空洞が空（空気）の場合の圧電振動子の周波数特性を示した図である。 図１に示す空洞共振器の空洞を食塩水で満たした場合の周波数特性を示した図である。 図３に示した周波数領域Ｄの部分の拡大図である。 周波数領域Ｄにおける、食塩水の濃度と多数の共振モードそれぞれの共振周波数との関係を示した図である。 第１例としての濃度測定器の回路ブロック図である。 圧電振動子の並列容量成分キャンセルの原理説明図である。 １つの空洞共振点におけるインピーダンスと位相の変化を示した図である。 第２例としての濃度測定器の回路ブロック図である。 第３例としての濃度測定器の回路ブロック図である。 図１０に示す濃度測定器における圧電振動子の並列容量成分キャンセルの原理説明図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、空洞共振器の一例を示した模式断面図である。

この空洞共振器１０には、圧電振動子１１が備えられている。この圧電振動子１１は、ステンレス板１２に、パッキング材としての樹脂テープ１３を挟んで固定されている。また、この圧電振動子１１は、インピーダンスマッチング用の樹脂テープ１４を挟んで、空洞１５に面している。この空洞１５は、５ｍｍ幅である。圧電振動子１１は、５ｍｍ幅の空洞１５を空けて、もう１枚のステンレス板１６と対面している。また、圧電振動子１１の周りは、エラストマ等のゴム部材１７で取り巻かれている。

この空洞共振器１０を、前述した尿素ＳＣＲシステムにおける、尿素水溶液の尿素の濃度センサとして使用する場合は、この空洞共振器１０の５ｍｍ幅の空洞１５が、尿素水溶液で満たされることになる。その場合に、ステンレス板１６は、尿素水溶液を収容するタンクの壁面をステンレス板１６の代わりとして利用することができる。そして、この空洞共振器１０の、ステンレス板１６を除く要素がユニット化され、そのタンク内の、壁面から５ｍｍの空隙を空けた位置に固定される。

ただし、ここでは、実験上の便宜のため、尿素水溶液ではなく食塩水を使うこととしている。

図２は、図１に示す空洞共振器の空洞が空（空気）の場合の圧電振動子の周波数特性を示した図である。この図２の横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は、インピーダンス（Ａ）と位相（Ｂ）である。インピーダンスは、圧電振動子両端の電位差をその圧電振動子に流れる電流で割り算した値である。また、位相は、圧電振動子に印加する電圧に対する、そこに流れる電流の位相である。

この図２に示すように、図１に示す空洞共振器１０の空洞１５が空であっても、圧電振動子１１自体に起因する共振が生じている。

図３は、図１に示す空洞共振器の空洞を食塩水で満たした場合の周波数特性を示した図である。この図３においても、図２の場合と同様、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は、インピーダンス（Ａ）と位相（Ｂ）である。

図２と比べると分かるように、周波数領域Ｄに、小さな共振点が多数あらわれている。これらの共振点は、空洞内が食塩水で満たされていることによる空洞共振の共振点である。

図４は、図３に示した周波数領域Ｄの部分の拡大図である。ただし、ここでは、横軸（周波数軸）を、対数スケールではなく、リニアスケールとしている。

この図４に示すように、周波数領域Ｄには空洞共振の共振点が多数あらわれている。それら多数の共振点は、リニアスケール上でほぼ等間隔に並んでいる。ただし、この周波数領域Ｄよりも高周波寄りの部分は、圧電振動子自体の共振点（図２参照）と重なって複雑な共振となり、等間隔性が崩れている。

図５は、周波数領域Ｄにおける、食塩水の濃度と多数の共振モードそれぞれの共振周波数との関係を示した図である。横軸は、重量％で算出した食塩濃度、縦軸は周波数（ＭＨｚ）である。この図５は、食塩水溶液の温度が２６°Ｃ、食塩濃度０％（真水）〜２４．４％（飽和食塩水）のときのデータである。なお、この図５における破線は、横軸と平行に引いた参考用の線である。

例えば、図５にグラフａで示す低い共振周波数を持つ共振モードの場合、食塩の濃度変化に対する共振周波数の変化が小さい。これは、濃度の測定精度が低いことを意味している。ただし、低い共振周波数を持つ共振モードの場合、濃度が不明であっても、共振周波数を検知すれば、どの共振モードの共振周波数であるかが一意に特定される。

一方、例えば、図５にグラフｂで示す高い共振周波数を持つ共振モードの場合、濃度変化に対する共振周波数の変化が大きい。これは、濃度の測定精度が高いことを意味している。ただし、高い共振周波数の場合、濃度を無視したときには、同じ共振周波数を持つ共振モードが複数存在する。したがって、共振周波数を検知しても、濃度が不明の場合、共振モードを一意には特定することができない。共振モードを一意に特定するには、例えば隣接する２つの共振モード各々の共振周波数を検知し、それら２つの共振周波数の差分を算出する。図５から分かるように、隣接する２つの共振モードの共振周波数は、溶質（食塩）の濃度が濃いほど広がっている。このため、２つの共振周波数の差分の値によって、溶質の濃度が分かる。溶質の濃度が分かると、共振周波数を検知することによって共振モードを一意に特定することができる。

図６は、第１例としての濃度測定器の回路ブロック図である。

この濃度測定器１００Ａは、ホスト機器（不図示）との間で通信を行なうマイクロコンピュータ２０を備えている。このマイクロコンピュータ２０には、マイクロコンピュータとしての一般的な構成要素が備えられている。ここでは、マイクロコンピュータ２０における、この濃度検出器１００Ａとしての機能部分について説明する。このマイクロコンピュータ２０には、以下に説明するようにして検知した共振周波数および溶液の温度から溶質の濃度を知るための変換データマップ２１が備えられている。

また、このマイクロコンピュータ２０には、Ａ／Ｄコンバータ２２，２３およびＤ／Ａコンバータ２４が備えられている。Ａ／Ｄコンバータ２２には、後述するＰＬＬ回路安定化用のフィルタ４５の出力とローパスフィルタ４７の出力が入力されて、マイクロコンピュータ２０に取り込まれる。また、Ａ／Ｄコンバータ２３には、空洞共振器１０内の溶液の温度を測定する温度センサ１８による温度検出信号がプリアンプ１９経由で入力されて、マイクロコンピュータ２０に取り込まれる。また、Ｄ／Ａコンバータ２４からは、振幅調整回路３３に振幅を調整させる制御信号が出力される。

さらに、このマイクロコンピュータ２０には、記憶回路２５が備えられている。この記憶回路２５には、一例として、図５にグラフａ，グラフｂで示す２つの共振モード各々の共振周波数を検知するための情報が記憶されている。具体的には、この記憶回路２５には、グラフａに示す共振モードにおける共振周波数がどの周波数範囲内にあるかという情報が記憶されている。また、この記憶回路２５には、グラフａに示す共振モードにおける共振周波数を検知したときに、その検知した共振周波数に対する、グラフｂの共振モードの共振周波数がどの周波数範囲内にあるかという情報が記憶されている。グラフａに示す共振モードにおける共振周波数を検知すると、その検知した共振周波数から、溶質の濃度が判明する。したがって、記憶回路２５には、その濃度に対する、グラフｂの共振モードの共振周波数がどの周波数範囲内にあるかという情報が記憶されている。

また、ここには、周波数上下限設定回路３１、電圧制御発振回路３２、振幅調整回路３３、位相反転回路３４、２つの駆動アンプ３５，３６、および容量キャンセル用コンデンサ３７が備えられている。

周波数上下限設定回路３１には、周波数の上限値と下限値が設定される。この周波数上下限設定回路３１には、後述する位相比較器４４による位相比較結果が、フィルタ４５を経由して入力される。そして、この周波数上下限設定回路３１からは、設定された上限値と下限値との間の周波数に対応する電圧値の電圧信号が出力される。なお、この周波数上下限設定回路３１には、周波数の上限値と下限値として同一の周波数を設定することもできる。その場合には、この周波数上下限設定回路３１からは、上限値および下限値として設定された１つの周波数に対応する電圧値が出力される。

また、電圧制御発振回路３２は、周波数上下限設定回路３１から出力された電圧信号の電圧値に応じた周波数の発振信号を出力する回路である。この電圧制御発振回路３２から出力された発振信号は、振幅調整回路３３と位相反転回路３４との双方に入力される。振幅調整回路３３は、入力された発振信号の振幅を、マイクロコンピュータ２０から出力される制御信号にしたがって調整する回路である。この振幅調整の意味については後述する。また、位相反転回路３４は、入力された発振信号の位相を反転させる回路である。

圧電振動子１１の第１電極１１１には、容量キャンセル用コンデンサ３７の一端が接続されている。そして、振幅調整回路３３で振幅が調整された発振信号は、駆動アンプ３５を通り、第１駆動信号として、容量キャンセル用コンデンサ３７を介して、圧電振動子１１の第１電極１１１を駆動する。また、位相反転回路３４で位相が反転された発振信号は、駆動アンプ３６を通り、第２駆動信号として圧電振動子１１の第２電極１１２を駆動する。

なお、この図６では、圧電振動子１１は、図示の都合上、空洞共振器１０から離れた位置に描かれている。ただし、この圧電振動子１１は、実際は、図１を参照して説明した通り、溶液で満たされる空洞１５に面した位置に配置されている。

ここで、この図６の濃度測定器１００Ａの説明を一旦中断し、この図６の濃度測定器１００Ａにおける、圧電振動子１１の並列容量成分キャンセルの原理について説明する。

図７は、圧電振動子の並列容量成分キャンセルの原理説明図である。

圧電振動子は、図７に示す直並列共振回路Ｅとしてあらわすことができる。図４に示す、等間隔に並ぶ多数の空洞共振の各々は、コイルＬと容量Ｃと抵抗Ｒとの直列共振としてあらわされる。この空洞共振の１つの共振モードによる変化を検知するためには、この直並列共振回路Ｅの中の並列容量成分Ｃ０を高精度にキャンセルする必要がある。

原理的には、圧電振動子の並列容量成分Ｃ０と同一容量のコンデンサＣ１を接続し、位相が互いに反転した同じ振幅の２つの信号源Ｖｉｎ１，−Ｖｉｎ２で駆動すれば、並列容量成分Ｃ０がキャンセルされ、直列共振の信号成分を取り出すことができる。ただし、コンデンサＣ１として並列容量成分Ｃ０と同一容量のコンデンサを用意するのは難しく、近似した容量のコンデンサＣ１を用意することになる。この場合、一方の信号源の振幅を調整することで容量の違いを相殺し、圧電振動子の並列容量成分Ｃ０をキャンセルすることができる。

図６に戻って説明を続ける。

図６に示す濃度測定器１００Ａでは、図７を参照して説明した原理に基づき、振幅調整回路３３で図７のＶｉｎ１に相当する信号を生成するとともに、位相反転回路３３で図７のーＶｉｎ２に相当する信号を生成している。容量キャンセル用コンデンサ３７は、図７のコンデンサＣ１に相当する。この容量キャンセル用コンデンサ３７は、圧電振動子１１の並列容量成分（図７の並列容量成分Ｃ０）に近似した容量を持つコンデンサである。ただし、同一容量ではなく、その容量の違いによる誤差分をキャンセルするために、振幅調整回路３３により振幅を調整することとしている。この振幅調整回路３３を使った振幅調整方法については後述する。

駆動アンプ３５から出力された第１駆動信号は、コンパレータ４１に入力され２値化信号に変換されて位相比較器４４に入力される。また、圧電振動子１１の第１電極１１１における検出信号は、プリアンプ４２で増幅され、コンパレータ４３に入力されて２値化信号に変換され、位相比較器４４に入力される。

図８は、１つの空洞共振点におけるインピーダンスと位相の変化を示した図である。ちなみに、この図８に示す空洞共振点は、図４の、０．９ＭＨｚ近傍の共振点である。

図８（Ａ）は、図４（Ａ）と同じく、その空洞共振点における、圧電振動子１１の第１電極１１１と第２電極１１２との間の電圧を、そこを流れる電流で割り算したインピーダンスである。

図８（Ｂ）の説明は後に回す。

図８（Ｃ）は、図４（Ｂ）と同じく、その空洞共振点における、圧電振動子１１の第１電極１１１と第２電極１１２との間の電圧波形を基準としたときの、そこを流れる電流波形の位相を表わしている。

図８（Ｂ）は、図６（Ｃ）に示す、駆動アンプ３５から出力された第１駆動信号を基準としたときの、圧電振動子１１の第１電極１１１における検出信号の位相である。この検出信号の位相は、この共振点において、１８０°から０°へと大きく変化している。

図６に戻って説明を続ける。

位相比較器４４は、共振点における図８（Ｂ）に示すような位相の変化を捉える役割を担っている。この位相比較器４４の出力はフィルタ４５を介して周波数上下限設定回路３１とマイクロコンピュータ２０に入力される。

１つの共振モードであっても、溶液の濃度や温度が変化すると共振周波数が変化する。共振周波数が変化すると、その変化に追随するように周波数上下限設定回路３１の入出力電圧値が変化し、それにより電圧制御発振回路３２で生成される発振信号の周波数が変化する。このように、この図６に示す濃度測定器１００Ａには、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路が構成されている。

また、プリアンプ４２の出力は全波整流回路４６に入力されて全波整流され、ローパスフィルタ４７を経由してマイクロコンピュータ２０に入力される。

この図６に示した濃度測定器１００Ａは、以上に説明した回路構成を備えている。

次に、この図６の濃度測定器１００Ａの動作を説明する。

先ずは初期調整が行われる。この初期調整は、この濃度測定器１００Ａの出荷前、あるいはメンテナンス時等であって、空洞共振器１０の空洞１５（図１参照）が空（空気）の状態にあるときに行われる。

この初期調整では、実際の動作時に使おうとしている周波数近傍の周波数を使って行われる。そして、ローパスフィルタ４７からマイクロコンピュータ２０に入力される信号が限りなくゼロに近づくように、振幅調整回路３３による発振信号の振幅調整が行われる。

この振幅調整により、容量キャンセル用コンデンサ３７の容量が圧電振動子１１の並列容量成分と若干異なっていても圧電振動子１１の並列容量成分が高精度にキャンセルされる。

この初期調整が終了すると、それ以降の動作における振幅調整回路３３による振幅調整は、初期調整時の振幅調整と同じ条件に維持される。

空洞共振器１０の空洞１５に溶液が満たされたあとの実際の動作にあたり、図６の濃度測定器１００Ａに電源が投入されると、先ずは、周波数上下限設定回路３１に、図５に示すグラフａの共振モードの共振周波数サーチ用の周波数が設定される。ここでは、周波数の上限値と下限値とに同じ１つの周波数が設定される。そして、その時の位相比較器４４からの出力信号がフィルタ４５を介してマイクロコンピュータ２０でモニタされる。この動作を、周波数上下限設定回路３１に設定する周波数を、記憶回路２５に記憶されている、グラフａの共振モードの共振周波数近傍の周波数帯域内で徐々に変化させながら繰り返す。すると、グラフａの共振モードにおける現在の共振周波数が検知される。そして、この検知した共振周波数により、溶液の濃度が判明する。ただし、前述の通り、グラフａでは、濃度変化に対する周波数変化幅が小さく、高精度な濃度は未だ不明である。

ここでは、一応の濃度が分かったので、今度は、その濃度における、グラフｂの共振モードの共振周波数を含む、周波数上下限値を周波数上下限設定回路３１に設定する。すると、今度はＰＬＬ回路として動作し、グラフｂの共振モードの共振周波数を捉える。このＰＬＬ回路は、濃度や温度の変化とともに変化する共振周波数に追随して、グラフｂの共振モードの共振周波数を常に捉え続ける。マイクロコンピュータ２０は、フィルタ４５からの出力を常にモニタして、グラフｂの共振モードの現在の共振周波数を検知する。マイクロコンピュータ２０では、変換データマップ２１を参照して、その検知した共振周波数と溶液の温度から溶液の濃度を知り、ホスト機器に伝える。

図６に示した濃度測定器１００Ａでは、このようにして、溶液の濃度が常にモニタされる。

ここでは、ＰＬＬ回路を図５に示すグラフｂの共振モードの共振周波数に追随させるよりも前に、先ずはグラフａで示す共振モードの共振周波数を検知する例について説明した。グラフａで示す共振モードの共振周波数は、隣接する共振モードの共振周波数とは重ならない。したがって、共振周波数を検知すればその共振周波数がグラフａの共振モードの共振モードの共振周波数であることが分かる。一方、図５にグラフｂで示す共振モードは、濃度を無視したときに隣接する共振モードとの間で同一の共振周波数となることがある共振モードである。このような、隣接する共振モードとの間で同一の共振周波数となることがある共振モードを使って濃度を知ることもできる。

その場合は、上記のグラフａの共振モードの共振周波数の検知と同じ手法を使って、例えばグラフｂの共振モードを狙った共振モード（濃度によってはグラフｂの共振モードに隣接した共振モードのこともあり得る）の共振周波数を検知する。そしてさらに、その共振モードに隣接する共振モードの共振周波数を検知する。そして、それら２つの共振周波数どうしの差分を算出する。前述の通り、濃度が高いほど、この差分の値が大きき、この差分の値から、濃度が判明する。濃度が判明すると、検知した２つの共振周波数がそれぞれどの共振モードの共振周波数であるかも判明する。このようにして、グラフｂの共振モードの共振周波数追随のための、周波数上下限設定回路３１に設定すべき周波数上下限値を知る。その後は、上記と同じくＰＬＬ回路として動作させて、グラフｂの共振モードの共振周波数に追随させ、溶液の濃度を常にモニタすることができる。

図９は、第２例としての濃度測定器の回路ブロック図である。この図９に示す第２例の濃度測定器１００Ｂの説明にあたっては、図６に示した第１例としての濃度測定器１００Ａとの相違点について説明する。

図６に示した濃度測定器１００Ａの場合、コンパレータ４１には、駆動アンプ３５から出力された第１駆動信号が入力されている。これに対し、図９に示す濃度測定器１００Ｂの場合、コンパレータ４１には、駆動アンプ３６から出力された第２駆動信号が入力されている。２つの駆動アンプ３５，３６から出力される第１駆動信号と第２駆動信号は、互いに逆位相の駆動信号である。したがって、図９の濃度測定器１００Ｂは、図６の濃度測定器１００Ａと比べると、位相比較器４４に入力される２つの２値化信号の位相関係が逆になる。ただし、図９の濃度測定器１００Ｂも、図６に示した濃度測定器１００Ａと全く同様に動作する。

図１０は、第３例としての濃度測定器の回路ブロック図である。この第３例の濃度測定器１００Ｃの説明にあたっては、図９に示した第２例の場合と同様、図６に示した第１例としての濃度測定器１００Ａとの相違点について説明する。

この図１０に示す濃度測定器１００Ｃの場合、圧電振動子１１の第１電極１１１は、演算増幅器５１のマイナス入力端子に接続されている。そして、その演算増幅器５１のマイナス入力端子と出力端子との間に、容量キャンセル用コンデンサ３７が接続されている。このマイナス入力端子と出力端子との間には、高抵抗の抵抗器５２も接続されている。この演算増幅器５１のプラス入力端子は接地されている。

また、電圧制御発振回路３２から出力された発振信号は、直接に駆動アンプ３５に入力され、その駆動アンプ３５から駆動信号として出力されている。この駆動信号は、圧電振動子１１の第２電極１１２に入力され、この駆動信号により圧電振動子１１が駆動される。また、駆動アンプ３５から出力された駆動信号は、コンパレータ４１にも入力されている。

演算増幅器５１の出力端子は、抵抗器５３を介して、もう１つの演算増幅器５５のマイナス入力端子に接続されている。また、このマイナス入力端子には、アッテネータ５４も接続されている。このアッテネータ５４では、駆動アンプ３５から出力された駆動信号の利得が、約２分の１に減衰される。この減衰の利得は、マイクロコンピュータ２０により制御される。この演算増幅器５５のプラス入力端子は接地されている。また、この演算増幅器５５のマイナス入力端子と出力端子との間には抵抗器５６が接続されている。

圧電振動子１１が接続されている演算増幅器５１のマイナス入力端子は、圧電振動子１１の、容量キャンセル用コンデンサ３７が接続された第１端子１１１に接続されている。したがって、もう１つの演算増幅器５５では、圧電振動子１１で検出された、並列容量成分キャンセル前の信号の反転信号と、アッテネータ５４で約２分の１に減衰した駆動信号とが加算されてさらに反転される。すなわち、演算増幅器５５からは、圧電振動子１１で検出された、並列容量成分キャンセル前の信号から、駆動信号の約２分の１が減算された検出信号が出力されることになる。この演算増幅器５５から出力された検出信号は、プリアンプ４２を経由してコンパレータ４３に入力される。

図１１は、図１０に示す濃度測定器における圧電振動子の並列容量成分キャンセルの原理説明図である。

図７の場合と同様、この図１１においても、圧電振動子１１は、直並列共振回路Ｅとしてあらわされている。図４に示す、等間隔に並ぶ多数の空洞共振の各々は、コイルＬと容量Ｃと抵抗Ｒとの直列共振としてあらわされる。この空洞共振の１つの共振モードによる変化を検知するためには、この直並列共振回路Ｅの中の並列容量成分Ｃ０を高精度にキャンセルする必要がある。

ここでは、図１１（Ａ）に示すように、ブリッジ回路により圧電振動子の並列容量成分Ｃ０をキャンセルすることを考える。図１１（Ａ）に示すブリッジ回路において、圧電振動子の並列容量成分Ｃ０と３つのコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の各容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が、Ｃ０＝Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３を満足するとき、ａ点の信号からｂ点の信号を引き算すれば、圧電振動子の並列容量成分Ｃ０がキャンセルされ、直列共振のみを観測することができる。

ここで、Ｃ２＝Ｃ３であるから、ｂ点の信号は、常に、駆動源の信号Ｖｉｎの２分の１である。

したがって、コンデンサＣ２，Ｃ３を取り除き、図１１（Ｂ）に示すように、駆動源の信号Ｖｉｎを２分の１に減衰させてａ点の信号から引き算すればよいことになる。ただし、コンデンサＣ１として、圧電振動子の並列容量成分Ｃ０と同一容量のコンデンサを用意するのは難しく、近似した容量のコンデンサＣ１を用意することになる。この場合、駆動源の信号Ｖｉｎの減衰率を２分の１から少し調整することで容量の違いを相殺し圧電振動子の並列容量成分Ｃ０をキャンセルすることができる。

図１０に示した濃度測定器１００Ｃでは、この原理を使って、圧電振動子１１の並列容量成分を高精度にキャンセルしている。

図１０に示す濃度測定器１００Ｃでは、先ず、空洞共振器１０の空洞１５（図１参照）が空（空気）の状態のあるときに、初期調整が行われる。この初期調整は、この濃度測定器１００Ａの出荷前、あるいはメンテナンス時等であって、空洞共振器１０の空洞１５（図１参照）が空（空気）の状態にあるときに行われる。

この初期調整では、実際の動作時に使おうとしている周波数近傍の周波数を使って行われる。そして、ローパスフィルタ４７からマイクロコンピュータ２０に入力される信号が限りなくゼロに近づくように、アッテネータ５４による駆動信号の減衰利得調整が行われる。この利得調整により、容量キャンセル用コンデンサ３７の容量が圧電振動子１１の並列容量成分と若干異なっていても圧電振動子１１の並列容量成分が高精度にキャンセルされる。この初期調整が終了すると、それ以降の動作におけるアッテネータ５４による駆動信号の減衰利得調整は、初期調整時の減衰利得調整と同じ条件に維持される。

この図１０に示す濃度測定器１００Ｃの、初期調整後の動作は、図６に示した濃度測定器１００Ａと同一であり、ここでの重複説明は省略する。

このように、上述の各濃度測定器１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃによれば、小型の回路で、溶液の濃度が高精度かつ連続的にモニタされる。

１０ 空洞共振器
１１ 圧電振動子
１２，１６ ステンレス板
１３，１４ 樹脂テープ
１５ 空洞
１７ ゴム部材
１８ 温度センサ
１９ プリアンプ
２０ マイクロコンピュータ
２１ 変換データマップ
２２，２３ Ａ／Ｄコンバータ
２４ Ｄ／Ａコンバータ２４
２５ 記憶回路
３１ 周波数上下限設定回路
３２ 電圧制御発振回路
３３ 振幅調整回路
３４ 位相反転回路
３５，３６ 駆動アンプ
３７ 容量キャンセル用コンデンサ
４１，４３ コンパレータ
４２ プリアンプ
４４ 位相比較器
４５ フィルタ
４６ 全波整流回路
４７ ローパスフィルタ
５１，５５ 演算増幅器
５２，５３，５６ 抵抗器
５４ アッテネータ
１１１ 第１電極
１１２ 第２電極

Claims (12)

1. 空洞内に収容された溶液に超音波を送信するとともに反射超音波を検出する圧電振動子と、
   前記空洞内の溶液の温度を測定する温度センサと、
   前記圧電振動子を駆動する駆動信号を生成し該駆動信号により圧電振動子を駆動して該圧電振動子に超音波を送信させる駆動回路と、
   前記駆動信号と、前記圧電振動子での反射超音波の検出により得られた検出信号との間の位相を比較する位相比較回路と、
   前記駆動回路に周波数が順次に異なる駆動信号を生成させるとともに、前記圧電振動子が該駆動信号で駆動されている間の前記位相比較回路による位相比較結果をモニタして、測定対象の共振モードの共振周波数を検知する周波数検知回路と、
   前記駆動信号の周波数を、前記周波数検知回路で検知された共振周波数に追随させる、前記駆動回路および前記位相比較回路を含むＰＬＬ回路と、
   前記ＰＬＬ回路を動作させている間の前記駆動信号の周波数と、前記温度センサによる温度測定結果とに基づいて、前記溶液中の溶質の濃度を検出する濃度検出回路とを備えたことを特徴とする濃度測定器。
2. 前記周波数検知回路が、第１共振モードの共振周波数を検知することによって、前記測定対象の共振モードの共振周波数を検知する回路であることを特徴とする請求項１に記載の濃度測定器。
3. 前記周波数検知回路が、第２共振モードの共振周波数を検知するとともに該第２共振モードとは異なる第３共振モードの共振周波数を検知し、該第２共振モードの共振周波数および該第３共振モードの共振周波数の少なくとも一方と、該第２共振モードの共振周波数と該第３共振モードの共振周波数との間の差分周波数とに基づいて、前記測定対象の共振モードの共振周波数を検知する回路であることを特徴とする請求項１に記載の濃度測定器。
4. 前記駆動回路が、前記圧電振動子の並列容量成分をキャンセルするコンデンサを含む回路であることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の濃度測定器。
5. 前記駆動回路が、前記圧電振動子の第１電極に接続されたコンデンサを備え、前記駆動信号を構成する互いに逆位相の第１駆動信号と第２駆動信号を生成し、該コンデンサを介して該第１電極を第１駆動信号で駆動するとともに、該圧電振動子の第２電極を該第２駆動信号で駆動する回路であることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の濃度測定器。
6. 前記駆動回路が、前記第１駆動信号または前記第２駆動信号の振幅を調整する振幅調整回路を備えたことを特徴とする請求項５に記載の濃度測定器。
7. 前記駆動回路が、前記圧電振動子の第１電極に接続されたコンデンサと、前記駆動信号を減衰させる減衰器と、該第１電極の信号と該減衰器により減衰させたのちの該駆動信号との差分を演算する演算器とを備えた回路であることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の濃度測定器。
8. 前記駆動回路が、前記減衰器による前記駆動信号の減衰利得を調整する利得調整回路を備えたことを特徴とする請求項７に記載の濃度測定器。
9. 前記駆動回路が、
   発振信号の位相を反転する位相反転回路と、
   前記発振信号の振幅を調整する振幅調整回路と、
   前記圧電振動子の第１電極に接続されたコンデンサと、
   前記振幅調整回路から出力された振幅調整後の発振信号を入力し前記コンデンサを介して前記圧電振動子を駆動する第１駆動アンプと、
   前記圧電振動子の第２電極に接続され、前記位相反転回路により位相を反転させた発振信号で該圧電振動子を駆動する第２駆動アンプとを備えたことを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の濃度測定器。
10. 前記空洞内が空の状態における指示に応じて前記圧電振動子の前記第１電極の検出信号をモニタし、該検出信号が最小となるように前記振幅調整回路を制御する第１初期調整回路を備えたことを特徴とする請求項９に記載の濃度測定器。
11. 前記駆動回路が、
    発振信号を入力し該圧電振動子の第１電極に接続されて該圧電振動子を駆動する第３駆動アンプと、
    前記圧電振動子の第２電極に接続され該第２電極で検出された検出信号の位相を反転して出力する、フィードバックループにコンデンサが配置された位相反転回路と、
    前記第３駆動アンプから出力された駆動信号の利得を調整する利得調整回路と、
    前記位相反転回路から出力された位相反転検出信号と前記利得調整回路で利得が調整された駆動信号とを加算する加算回路とを備えたことを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の濃度測定器。
12. 前記空洞内が空の状態における指示に応じて前記加算回路の出力信号をモニタし、該出力信号が最小となるように前記利得調整回路を制御する第２初期調整回路を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の濃度測定器。
    
    
    

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