JPH04282433A - 液体の濃度測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体、特にインライン
内において流動している液体の濃度測定方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】一般に食品工業、特に液体濃縮工程にお
いては、濃縮過程の液体濃度のモニタリングを効率かつ
正確に行い、濃縮機を制御することが製品の歩留や品質
の安定に不可欠である。そこで従来から液体の濃度をイ
ンラインで測定していた。従来液体の濃度測定には、絶
乾法、比重測定法、体積測定法、流量測定法などがあっ
たが、これらの方法は何れも手動で行うものであり、測
定時間に時間がかかり効率的でなく、リアルタイムの機
器の制御は、不可能であった。又、一部オンライン粘度
計があるが、測定が機械的な稼働によるので保守管理に
注意が必要であり、酸やアルカリなどの洗浄に弱点があ
り、また稼働部分のスケール付着による細菌汚染などに
問題があった。

【０００３】更に、投光器と受光器がセンサーに組み込
まれた光学的装置による光学的測定法としては、実開昭
６２−１６４５７号の考案がある。該考案は、投光用導
管から投光した透過光や散乱光を受光用導管により受光
し、受光量の変化を受光器で電気量の変化に転換し演算
処理して被検体の濃度を測定する装置であるが、光学的
測定法は、濃度の高いものの測定には誤差が生じやすく
、又洗浄しにくい。更に高温減圧下の装置内における液
体の測定には、耐久性の点で劣り、特に投光器と受光器
にガラスを使用すると、食品工業では破損事故による危
険物混入の虞がありセンサーとしては不適当である。

【０００４】又、通電加熱法を利用したものとして本出
願人は、特願平１−２２４２３５の「溶液もしくは分散
液中の被検体の濃度測定方法及び装置」を提供した。該
発明は、微生物や菌体、細胞などにより培地中に産生さ
れる生理活性物質の濃度を測定するもので、溶液又は分
散液中に通電加熱法を利用した発熱センサーを設置して
、該センサーを発熱させたときの発熱センサーの温度、
もしくはそのときの発熱センサーの温度と溶液又は分散
液の温度との差を測定し、発熱センサーの温度、もしく
はそのときの発熱センサーの温度と溶液又は分散液の温
度との差から被検体の濃度を算出する被検体の濃度を測
定する方法によっている。これらの例は、測定対象が安
定して流動していることが前提となっている。しかし一
般の食品製造では、計測ラインの測定対象液体が一定量
ではないのが通常であり、液体量が経時的に変化し、時
には測定対象液体に空気が混入したり、或は測定対象液
体が全く流入して来ないで、空気だけの状態だったりす
ることがしばしば起こり、従って液体の濃度の測定にし
ばしば支障を来し、測定データ自体の信頼性に欠けてい
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の解決
しようとする課題は、通電加熱法を利用した液体の濃度
測定方法において、測定対象液体の流量が経時的に変化
した場合に、測定データ自体の信頼性を確保する点にあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、通電加熱法に
よる発熱体センサーを利用して、先ず、該センサーと接
触している流体が液体であるかを分別し、液体である場
合に液体の濃度を発熱体センサーの温度と液体の温度か
ら測定する方法に関するものである。即ち、液体と熱的
に接触する発熱体の発熱を断続的に行い、発熱開始時の
発熱体の温度の上昇勾配が一定の範囲にあるかを判別す
る。一定の範囲にある場合には、発熱体の発熱開始時か
らの温度上昇がなくなり、発熱体の温度が一定になって
から、発熱体の温度、もしくは発熱体の温度と液体の温
度の差を測定する。そして該発熱体の温度、もしくは発
熱体の温度と液体の温度の差の値と液体濃度の相関関係
から液体の濃度を測定するのである。

【０００７】

【実施例】流体における対流熱伝達現象は、４つの無次
元数（ヌッセツト数、グラスホッフ数、プラントル数、
レイノルズ数）の関数として記述することが出来、これ
ら無次元数を構成している物性値に着目して整理すると
、熱の移動に影響を及ぼしている物性値は動粘性率（粘
性率／密度）、熱伝導率、温度伝導率、体積膨張率の４
種類であることが導かれる。液体においては動粘性率以
外の物性値は一定とみなせるため、液体と接触する発熱
体の温度を基に、液体の粘性の変化を測定することがで
きる。この粘性の変化は、液体の濃度にも依存しており
、液体の組成に変化がなく濃度のみが変化する時は、濃
度と粘性の間には相関関係が成立する。更に、粘性と発
熱体の温度変化の間にも相関関係が成立しているので、
結果的に発熱体の温度変化と液体の濃度変化が相関する
ことになる（特願平１−２２４２３５参照）。

【０００８】ところで、発熱体が常に液体と接触する槽
等に発熱体が設置されているときは、問題無いが、ライ
ンに於て液体量が経時的に変動し、発熱体が液体と接触
しない場合が発生すると測定値が大きく変動し、この様
なデータを基に制御系の制御信号を決定する基礎値とし
て利用することは困難である。一般に発熱体が液体と接
触している時に発熱体が一定の熱量で発熱を開始すると
、液体への熱移動が始まり、発熱体は一定温度でその温
度上昇が止まり、その時以降、発熱体の発熱量と液体へ
の熱移動量が等価となる。このように、発熱体が発熱を
開始し温度の上昇を継続している状態を非定常状態とい
い、発熱体の温度が一定になった時以降を定常状態とい
う（図２参照）。そして、非定常状態での温度の上昇勾
配は、対数時間との関係で概ね直線を示す（図２参照）
。なお、非定常状態での温度の上昇勾配（λ）の逆数は
、熱伝導率（１／λ）である（日本機械学会論文集Ｂ編
４７巻４１７号Ｐ．８２１−８２９　）。非定常状態で
の温度の上昇勾配は、液体の組成が変化しない限り、不
変である。このような温度上昇勾配は、発熱体が接触し
ている流体が気体であるか、液体であるかによって大き
く異なる。即ち、気体の熱伝導率は液体の熱伝導率より
、かなり小さく、従って、逆に非定常状態での温度の上
昇勾配は、気体の方が液体よりかなり大きい。これを利
用して、インライン中に発熱体センサーを設置した時に
、発熱体と接触している流体が液体か気体かを判断でき
る。 又液体の非定常状態での温度の上昇勾配は、概ね水の温
度の上昇勾配とアルコールの温度の上昇勾配の間に入る
。なお、液体の物性の変化により動粘率の変化が生じる
場合は、温度上昇勾配も変化するのである。そして、発
熱体が接触している流体が液体の場合には、定常状態に
移行した後の発熱体の温度、或は発熱体の温度と液体の
温度差から、液体の濃度を測定する。この濃度の測定に
より、装置の制御も可能となる。

【０００９】本発明の液体の濃度測定方法を実施するに
は、定常状態に移行した後の液体の濃度と発熱体の温度
、或は発熱体の温度と液体の温度差の相関関係を予め計
測しておく。このデータを実際の測定時に当てはめる。 そして実際の測定時に、発熱体の温度を断続的に制御し
、非定常状態での温度の上昇勾配が水の温度の上昇勾配
とアルコールの温度の上昇勾配の間の範囲内に入ってい
るかを判定し、該範囲内に入っている場合には、発熱体
センサーが定常状態に入った後の発熱体の温度、又は発
熱体の温度と液体の温度差から、予め測定しておいたデ
ータと比較することにより、温度変化が分かり、測定値
から濃度の測定が可能となる。なお、非定常状態の温度
の上昇勾配の逆数は、熱伝導率であるから、熱伝導率に
よって、液体か気体かの判断や液体の種類の判断や液体
の組成の変化の測定を行うことが出来る。更に、定常状
態での温度の範囲を一定の範囲に設定しておき、この範
囲を超える値を異常値としてカットして測定しても良い
。但し、一定の範囲の決定は予め集積して置いたデータ
により決定しなければ成らない。又、インライン中の液
体が変わった場合には、一定の範囲の変更が必要となる
。

【００１０】図１は、本発明の方法を具体的に行う装置
である。この濃度測定装置は、発熱体センサー１、測温
抵抗体センサー２、データロガー部１０、システム電源
部２０、演算処理部３０とから成り立っている。データ
ロガー部１０、システム電源部２０、演算処理部３０は
ＧＰーＩＢで接続されている。システム電源部２０は、
発熱体センサー１の発熱を制御するものであり、一般電
源は電流値の脈動があり発熱を一定に維持できないから
定電流供給器を使用している。データロガー部１０は測
定値を演算処理部３０へ出力するにあたり、送信制御を
するものである。発熱体センサー１はセンサーの温度を
電流値と抵抗値から測定するものであり、測温抵抗体セ
ンサー２は、抵抗値から液体３の温度を測定するもので
あるが、発熱体センサー一本で通電量を制御して、発熱
体のセンサー温度と液体の温度の両方を断続的に、交互
に測定することも可能である。データロガー部１０で測
定された発熱体センサー１の、電流値、抵抗値、及び測
温抵抗体２の抵抗値は、演算処理部３０へ送られ、それ
ぞれ温度変換３１、３２された後、両者の温度差が温度
差演算３４によって算出される。なお、発熱体の非定常
状態における温度は、温度上昇勾配判定部３３で、液体
のものかどうかが判定される。温度差演算３４された後
に演算部３５に送られ、該演算部３５では、結果表示３
６をしたり、データ保存３８したり、更に濃縮設備の液
体供給流量、加熱蒸気量、液体循環量の制御信号出力を
行う。この制御信号は、演算部３５に対して出力データ
３７の記憶部から測定値に該当するデータを呼び出して
来て、演算部で温度測定値の変動経過を比較することに
より、液体の濃度が上昇傾向にあるか、下降傾向にある
のかを判定し、各液体供給流量、加熱蒸気量、液体循環
量４２の制御出力信号４１を出力バッファ３９を介して
出力する。定常状態での温度の範囲を一定の範囲に設定
しておき、この範囲を超える値を異常値としてカットす
る場合の温度範囲の設定は、この装置では、発熱体セン
サー１や測温抵抗体センサー２の測定の動作を濃度がど
の範囲の時に作動させるかを決定するためのものであり
、装置始動時や洗浄時、停止時等の温度測定が不要な時
に測定装置を作動させないように設定するものである。

【００１１】図３は、水、アルコール、及び４２％の濃
縮乳について、棒状体の発熱体センサーで測定した発熱
体の温度と液体の温度の差と対数時間の関係を表したグ
ラフである。この実験による非定常状態における温度の
上昇勾配の範囲は、０．９−２．１ｍｋ／ｗになる。４
２％濃縮乳は、水とアルコールの間の温度上昇勾配を取
っていることが分かる。

【００１２】脱脂乳を濃縮して固形濃度を測定した場合
の固形濃度と発熱体の温度と液体の温度の差の相関関係
を測定した結果、低濃度域（０％ー４０％）で通電電流
を２００ｍＡにして測定した例が図４である。更に高濃
度域（４０％超）では、発熱体センサーの感度が低下す
るため通電電流を４００ｍＡにして測定した例が図５で
ある。高濃度域では、温度差と固形濃度が直線的関係に
なっている。

【００１３】図６は、本発明の濃度測定装置を薄膜下降
式２重効用缶型濃縮機に設置した例であり、固形濃度６
ー８％の脱脂乳が、この濃縮装置で４０ー５０％に濃縮
された後、次工程で高圧噴霧乾燥されて脱脂乳に加工さ
れる。固形濃度６ー８％の脱脂乳はタンク５０からパイ
プ５１を通って、コンデンサー５８を螺旋に上昇して加
熱され、更にパイプ５２から第二加熱缶５６を螺旋に上
昇して加熱され、更にパイプ５３から第一加熱缶５４を
上昇して加熱され、第一加熱缶５４に入って濃縮される
。第一セパレイター５５で固形濃度が上昇した脱脂乳は
、送乳ポンプ６１により、パイプ６０、６２から、第二
加熱缶５６に入って濃縮された後、第二セパレイター５
７で更に固形濃度が上昇した脱脂乳は、送乳ポンプ６４
により、パイプ６３、６５、６８から次工程に送られる
が、脱脂乳をバルブ６９、７０により、モニタリングシ
ステム７１に注出し、固形濃度を測定し、固形濃度が予
め定められた基準よりも低い時は、バルブ６５を操作し
て、脱脂乳をパイプ６５からパイプ６７、６２を通り、
再度第二加熱缶５６に入って濃縮される。濃縮後の工程
は先に述べた通りである。なお、５９は真空エジェクタ
ーであり、７２、７３はドレインポンプ、７４は排水ポ
ンプである。

【００１４】図７は、図６の連続濃縮装置を稼働した場
合の固形率、粘度、発熱体の温度と液体の温度の差を測
定したものである。この図においては、固形濃度と発熱
体の温度と液体の温度の差が完全に相関していることが
分かる。

【００１５】

【発明の効果】計測ラインの測定対象液体の流量が、経
時的に変化し、時には測定対象液体に空気が混入したり
、或は測定対象液体が全く流入して来ないで、空気だけ
の状態だったりする場合にも、測定対象が液体であるか
を瞬時に俊別出来るので異常なデータを排除でき、信頼
し得る液体の濃度データを取得でき、機器の制御が確実
に出来る。又、液体の組成や種類が変化しても、機器的
な変更が必要なく対応可能である。従来の機械的な液体
の濃度測定とは異なり、センサーの洗浄も容易であり、
細菌汚染の虞も低く、メインテナンス面で利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実現する液体の濃度測定装置の
ダイヤグラムである。

【図２】発熱体が非定常状態から定常状態へ移行する時
の、発熱体センサーの温度差△θと対数時間との関係を
表すグラフである。

【図３】水、アルコール、及び４２％の濃縮乳について
、発熱体の温度と液体の温度の差と対数時間の関係を表
したグラフである。

【図４】低濃度域（０％ー４０％）での脱脂乳を濃縮し
て固形濃度と発熱体の温度と液体の温度の差の相関関係
を測定したグラフである。

【図５】図４同様に、高濃度域での脱脂乳を濃縮して固
形濃度と発熱体の温度と液体の温度の差の相関関係を測
定したグラフである。

【図６】薄膜下降式２重効用缶型濃縮機に本発明の濃度
測定装置を取り付けた概略図である。

【図７】図６の連続濃縮装置を稼働した場合の固形率、
粘度、発熱体の温度と液体の温度の差を測定したグラフ
である。

【符号の説明】

１　　発熱体センサー１ ２　　測温抵抗体センサー ３　　液体 １０　　データロガー部 ２０　　システム電源部 ３０　　演算処理部 ３３　　温度上昇勾配判定部 ３５　　演算部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　液体と熱的に接触する発熱体の発熱を
   断続的に行い、発熱開始時の発熱体の温度の上昇勾配が
   一定の範囲にあり、かつ発熱体の発熱開始時からの温度
   上昇がなくなり、発熱体の温度が一定になってからの発
   熱体の温度、もしくは発熱体の温度と液体の温度の差を
   測定し、該発熱体の温度、もしくは発熱体の温度と液体
   の温度の差と液体濃度の相関関係から液体の濃度を測定
   する液体の濃度測定方法
2. 【請求項２】　　発熱体の発熱開始時の温度上昇勾配が
   同一の測定方法に於ける水の温度上昇勾配値とアルコー
   ルの温度上昇勾配値の範囲内にある時に、発熱体は液体
   に接触しているものとみなして液体の濃度を測定する請
   求項１の液体の濃度測定方法
3. 【請求項３】　　通電加熱法を利用した発熱体センサー
   と発熱体センサーに定電流を供給する定電流供給器と、
   該発熱体センサーで測定した発熱体センサー温度及び液
   体の温度をデータロガー部を介して、出力する演算処理
   部と、該演算処理部は、発熱体センサーの発熱開始時の
   温度上昇勾配を判定する判定部と、発熱体センサー温度
   と液体の温度の差を演算する演算部と、演算の結果から
   制御信号を出力する出力バッファとからなる液体濃度測
   定装置