JPH0658895A

JPH0658895A - 氷分濃度計測装置

Info

Publication number: JPH0658895A
Application number: JP21518592A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Akaha; 紀之赤羽
Original assignee: Tokimec Inc
Current assignee: Tokimec Inc
Priority date: 1992-08-12
Filing date: 1992-08-12
Publication date: 1994-03-04

Abstract

(57)【要約】【構成】氷−水混合物が存在する領域（タンク２）にお
ける氷分濃度を計測する氷分濃度計測装置に関する。こ
の氷分濃度装置は、氷−水混合物が存在する領域に配置
される伝送線路１０２と、前記高周波線路に高周波信号
を供給する高周波発生源１０８と、前記高周波発生源１
０８から送信され、伝送線路１０２を伝搬した高周波信
号を受信する受信機１１２，１１４と、前記受信機１１
２，１１４で受信された受信信号を取り込んで、伝送線
路１０２の位相変化および損失のうち少なくとも一方を
求める信号処理器２００とを有する。【効果】氷−水混合物が存在する領域における氷分濃度
が、水に含まれる不純物の濃度を計ることなく、直接計
測できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体中に混在する固体
の濃度を計測する装置に係り、特に、水あるいは所定の
電解質、高分子溶質を含む溶液に含まれる氷分の割合を
計測する氷分濃度計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の氷分濃度計測装置として
は、例えば、図１７に示すようなものがある。

【０００３】近年、エネルギーの有効利用の観点から、
夜間の余剰電力を利用して、温水、あるいは冷水を多量
に製造、蓄積し、それを昼間の暖房、冷房に利用するシ
ステムが考案され、利用されている。特に、電力の需給
のひっぱくする夏期の冷房用電力需要のピーク期に対す
る対策として、種々の蓄冷システムが提案されている。

【０００４】蓄冷システムでは、氷の潜熱を利用したシ
ステムの利用が検討され始めている。このシステムは、
従来利用されて来た冷水による蓄冷システムに比べ、タ
ンクの容量、冷媒の輸送系の装置等が小型でよいという
特徴がある。

【０００５】図１７は、この氷蓄冷システムの概略図を
示したものである。夜間は、製氷機を動作させ、タンク
内にある水あるいは溶液を冷却し、氷を製造する。製氷
機内で製造された氷は、溶液と共にタンクに送出され
る。タンク内では、氷と溶液は、それらの比重差により
分離し、タンクからは氷を含まない溶液のみが製氷機に
還流して来る。なお、製氷機にて生成される氷は、その
形状を制御したり、過冷却水の形でタンクに送り、タン
ク内で凝固するように、温度を制御する等の方法を用い
て、流動性を確保している。タンク内に氷が十分に蓄積
された後は、製氷機は停止する。また、昼間には、室内
の冷房に、この氷が使用される。氷の残量が少なくなる
と、製氷機を動作させ、氷を供給する。

【０００６】このように、氷蓄冷システムでは、常時、
タンク内の氷分を定量的に測定し、全体の制御を行なう
必要があるため、信頼性の高い、氷分濃度計測装置を必
要とする。図１７に示すシステムでは、溶液濃度計がこ
のための装置である。

【０００７】溶液中より、固体となった水が液相から除
かれるため、液相での溶質の濃度を測定すれば、間接的
に氷分の濃度がわかる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の氷分濃度計にあっては、溶液全体の水と、溶
質の量があらかじめ明確であるとの前提に立った計測方
法であるため、氷分のない時の溶液全体の平均溶質濃度
を常に管理しておく必要がある。溶液の漏えい等による
量の管理とあわせて実行することになるが、管理の複雑
化は避けられない。

【０００９】また、図１８に示すように、製氷機１台に
対し、複数個のタンクが存在するシステムでは、溶液は
ポンプによって撹拌されるため、平均的な氷の生成状況
は把握できるが、タンク＃１〜＃３のそれぞれにどれだ
けの氷が存在するのかを計測することは不可能である。
この場合、仮りに、各タンクごとに溶液濃度計を設定し
ても、溶液は、システム全体を循環して平均化されるた
め、各タンクごとの濃度測定は、無意味である。

【００１０】さらに、水に含まれる不純物が微少である
場合、氷の増減による、不純物の濃度変化が生じにく
い。このような場合、溶液濃度計による間接的な氷分濃
度計測は、きわめて困難である。

【００１１】本発明の目的は、氷−水の混合物が存在す
る領域において、不純物の濃度を用いることなく、直接
的に氷分濃度の計測ができる氷分濃度計測装置を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、氷−水混合物が存在する領域にお
ける氷分濃度を計測する氷分濃度計測装置において、氷
−水混合物が存在する領域に配置される伝送線路と、前
記伝送線路に高周波信号を供給する高周波発生源と、前
記高周波発生源から送信され、伝送線路を伝搬した高周
波信号を受信する受信機と、前記受信機で受信された受
信信号を取り込んで、伝送線路の位相変化および損失の
うち少なくとも一方を求める信号処理器とを有すること
を特徴とする氷分濃度計測装置が提供される。

【００１３】

【作用】上記装置は、電波の通路内に存在する媒質の複
素誘電率が氷の濃度の関数として変化することを利用し
たものである。溶液中に氷が存在しない場合には、溶液
そのものの複素誘電率によって伝送線路の損失、及び伝
搬位相遅延が決定される。氷が混在し始めると、伝送線
路の外壁の穴を通じて、その氷が伝送線路内に入ってく
るが、氷の複素誘電率は溶液のそれとは異なるため、伝
送線路の損失及び伝搬位相遅延が変化する。この変化
は、氷分の濃度に依存するため、損失および位相遅延の
いずれか一方又はその両方を測定することで、氷分の濃
度を知ることができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。

【００１５】図１に、本発明の氷分濃度計測装置が適用
される氷蓄冷システムの一例についての構成の概要を示
す。

【００１６】図１に示すシステムは、例えば、粒状の氷
（粒状氷）が水中に混在する、氷−水混合物を貯溜する
タンク２と、このタンク２から水を取り込んで、粒状氷
を生成して、タンク２に供給する製氷機４と、タンク２
内に貯溜される氷−水混合物を取り込んで、熱交換を行
なって、被冷却系６を冷却する熱交換器８と、これらを
連通して、氷−水混合物および／または水を輸送するた
めのパイプＰ１−Ｐ４と、タンク２内の氷の濃度を検出
して氷分濃度を示す氷分濃度情報を出力する氷分濃度計
測装置１０と、前記氷分濃度計測装置１０から出力され
る氷分濃度情報に基づいて、製氷機４の製氷動作を制御
するシステム制御装置１２とを有する。

【００１７】図１に示す氷蓄冷システムは、上述したよ
うに動作する。ただし、このシステムは、本発明の氷分
濃度計測装置１０を有することに特徴がある。

【００１８】次に、本発明の氷分濃度計測装置の第１実
施例について、図２を参照して説明する。

【００１９】図２に示す本実施例の氷分濃度計測装置
は、タンク２の貯溜水（氷を含む）内に布設される伝送
線路１０２と、この伝送線路１０２の両端に接続される
整合回路１０４、１０６と、例えば、５０ＭＨｚの高周
波信号を発振して出力する高周波発振器１０８と、この
高周波発振器１０８に接続され、前記高周波信号を分岐
する分岐器１１０とを有する。分岐器１１０から出力さ
れる信号の一方は、前記整合回路１０４に供給される。
他方の信号は、基準信号として、後述する受信機１１４
に送られる。

【００２０】なお、高周波信号の周波数は、５０ＭＨｚ
に限られない。本発明は、例えば、数ＭＨｚ〜数ＧＨｚ
で実用可能である。

【００２１】伝送線路１０２は、タンク２の上下方向に
沿って、水中に没する状態となるように、布設される。
本実施例では、その上端に、整合回路１０６が接続さ
れ、下端に、整合回路１０４が接続される。この、伝送
線路１０２は、図３に、その一部を拡大して示すよう
に、パイプ状の導体からなる内導体１２４と、メッシュ
状の導体からなる外導体１２６とを有する。外導体１２
６は内導体１２４の外側で、該内導体１２４と接触しな
いで、該内導体１２４を包むように配置される。また、
この外導体１２６のメッシュは、粒状氷が該外導体１２
６を容易に通過できる大きさに形成される。

【００２２】また、本実施例の氷分濃度計測装置は、前
記整合回路１０６と接続されて、該回路１０６から出力
される計測信号を受信する受信機１１２と、前記分岐器
１１０の後段側に接続されて、基準信号を受信する受信
機１１４と、これらの受信機１１２，１１４の受信出力
信号を受けて、処理し、氷分濃度を検出する信号処理器
２００とを有する。

【００２３】受信機１１２および１１４は、中間周波数
信号発振器１１６を共通に有すると共に、それぞれ、増
幅器１１８、周波数変換器１２０および増幅器１２２を
有する。

【００２４】なお、前記基準信号は、後述するように、
位相遅延を測定する場合には必須である。しかし、損失
のみを測定する場合には不要である。従って、損失のみ
を測定する場合には、分岐器１１０および受信機１１４
を省略してもよい。

【００２５】次に、本実施例の動作について、その測定
原理と共に説明する。

【００２６】計測は、予め定めた周期で行なわれる。こ
の周期は、例えば、１分毎等のように、適用するシステ
ムごとに設定される。高周波発振器１０８を一定周期で
起動して、高周波信号を一定周期ごとに出力する方法、
連続的に高周波信号を出力させて、信号処理器２００で
のサンプリングを周期的に行なう方法等が可能である。
本実施例では、後者の方法による。

【００２７】高周波発振器１０８から出力される高周波
信号は、一部が分岐器１１０を介して整合回路１０４に
送られる。そして、高周波信号は、整合回路１０４を介
して伝送線路１０２を伝搬する。高周波信号は、伝送線
路１０２を伝搬する際に、線路が置かれている空間の媒
質の状態に応じた伝搬定数の影響を受ける。すなわち、
媒質の状態の影響を含む計測信号として整合回路１０６
に達し、該整合回路１０６を経て受信機１１２に送られ
る。また、高周波発振機１０８から出力される高周波信
号の他の一部は、分岐器１１０で分岐され、基準信号と
して受信機１１４に送られる。

【００２８】受信機１１２および１１４は、それぞれ、
増幅、周波数変換および増幅を行なう。受信機１１２か
らの計測信号および受信機１１４からの基準信号の各出
力は、信号処理回路２００に入力され処理される。

【００２９】信号処理器２００では、計測信号および基
準信号の位相差および振幅比を求め、これらから、氷分
濃度を計算して、出力する。なお、信号処理器２００の
構成および動作の詳細については、後述する。

【００３０】次に、本実施例の動作原理について説明す
る。

【００３１】高周波領域（数百ＫＨｚ以上）では、氷の
比誘電率ε_iは、ほぼ一定で、２．９〜３．２程度とな
ることが知られている。また、純水の比誘電率ε_wは、
波長で１０ｃｍ以下の周波数帯で約８０、波長１ｃｍ程
度の周波数領域で約２０程度と、高周波領域で見た比誘
電率には、両者間に大きな差が存在している。

【００３２】氷−水混合物では、氷が水中に微小な球と
して存在している時、その混合物の等価比誘電率をε_s
とすると、ウイナー（Ｗｉｅｎｅｒ）の混合誘電体理論
から、Ｐ_i，Ｐ_wを、それぞれ氷、水の体積比として、次
式で与えられる。

【００３３】

【数１】

【００３４】ε_i＝３，ε_w＝８０とした時の等価誘電率
のＰ_iに対する変化を、図４に示す。同図から明らかな
ように、等価誘電率を知れば、氷分の濃度がわかる。

【００３５】高周波伝送線路内の電磁波の伝搬定数は、
線路内の誘電率の平方に比例するから、線路長が不変で
ある時、等価誘電率の変化を位相遅れの変化としてとら
え、氷分の濃度を間接的に測定することが可能となる。

【００３６】図２に示した実施例では、図３の如く、氷
を含む水が伝送線路２の内外を自由に出入りできる構造
となっている。このため、氷分の濃度について、伝送線
路の内外では差を生じない。この結果、タンク２内の氷
分濃度が高くなるにつれて、伝送線路の電気長は短かく
なったように見える。すなわち、位相遅れが小さくなっ
てゆくことになる。予め氷分の濃度に対する位相遅れ変
化をデータとして取得しておくか、計算により求めてお
けば、逆に、位相遅れから氷分の濃度を知ることができ
る。

【００３７】次に、上述した実施例において好適に用い
られる信号処理器の一実施例について図５を参照して説
明する。

【００３８】図５において、本実施例の信号処理器２０
０は、受信機１１２用入力端子２０２および受信機１１
４用入力端子２０４を有する。また、内部には、入力端
子２０２、２０４に対応して接続される振幅制限増幅器
２０６および２０８と、これらの増幅器２０６、２０８
の後段に配置される直交検波回路２１０と、前記入力端
子２０２、２０４に接続される振幅比検出回路２３０
と、前記直交検波回路２１０および振幅比検出回路２３
０の出力を取り込んで、氷分濃度を検出し、氷分濃度情
報を出力するコンピュータシステム２５０とを有してい
る。

【００３９】直交検波回路２１０は、前記振幅制限増幅
器２０４の出力信号を等分配する電力分配器２０６と、
前記振幅制限増幅器２０８の出力信号を等分配する電力
分配器２０８と、電力分配器２１４の一方の出力信号の
位相を９０°遅らせる移相器２１６と、電力分配器２１
２の一方の出力信号および移相器２１６の出力信号を合
成するミキサ２１８と、電力分配器２１２の他方の出力
信号および電力分配器２１４の他方の出力信号を合成す
るミキサ２２０と、ミキサ２１８および２２０の出力側
に対応して接続されるローパスフィルタ２２２および２
２４とを有する。ローパスフィルタ２２２および２２４
の出力信号は、コンピュータシステム２５０に送られ
る。

【００４０】振幅比検出回路２３０は、入力端子２０２
および２０４に対応して接続され、それぞれ入力信号を
増幅する可変利得増幅器２３２および２３４と、可変利
得増幅器２３２および２３４に対応して接続される振幅
検波回路２３６および２３８と、振幅検波回路２３８の
出力信号を取り込んで、可変利得増幅器２３２、２３４
の利得を制御する自動利得制御回路（ＡＧＣ回路）２４
０とを有する。振幅検波回路２３８の出力信号は、コン
ピュータシステム２５０に送られる。

【００４１】コンピュータシステム２５０は、前記ロー
パスフィルタ２２２、２２４および振幅検波回路２３６
の各出力信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器
２５２、２５４および２５６と、これらの信号を取り込
むためのインタフェース回路２５８と、インタフェース
回路２５８を介して取り込んだ信号に基づいて、氷分濃
度の算出を行なう中央処理ユニット（ＣＰＵ）２６０
と、ＣＰＵ２６０の動作プログラム、予め与えられる各
種定数、係数等を記憶するリードオンリーメモリ（ＲＯ
Ｍ）２６２と、データ、演算結果等を格納するランダム
アクセスメモリ（ＲＡＭ）２６４と、演算結果等を出力
するためのインタフェース回路２６６と、これらを接続
するバス２６８とを有する。

【００４２】次に、本実施例の信号処理器２００の動作
について説明する。

【００４３】入力端子２０２、２０４に入力される信号
は、それぞれ対応して接続されている振幅制限増幅器２
０６および可変利得増幅器２３２と、振幅制限増幅器２
０８および可変利得増幅器２３４とに入力される。可変
利得増幅器２３４の出力信号は、振幅検波回路２３８で
その振幅が検出され、ＡＧＣ回路２４０に入力される。

【００４４】自動利得制御回路２４０は、検波振幅出力
回路２３８からの出力レベルが、入力端子２０４からの
入力信号レベルが変動しても一定となるように、可変利
得増幅器２３４の利得を変化させる。この変化は、可変
利得増幅器２３２についても同様に行なわれる。

【００４５】今、入力端子２０２、２０４にそれぞれＳ
_a、Ｓ_bなる振幅を持つ信号が加えられたとする。自動利
得制御回路２４０は、振幅検波回路２３８の出力を一定
値Ｅ₀となるように、可変利得増幅器２３４の利得Ｇ_bを
制御するから、Ｅ₀＝Ｋ_a・Ｇ_b・Ｓ_b＝定数 ………（２）となる。ここで、Ｋ_aは、回路によって定まる比例定数
である。よってＧ_b＝Ｅ₀／（Ｋ_a・Ｓ_b） ………（３）一方、可変利得増幅器２３２の利得Ｇ_aは、同２３４と
同一となる。また、可変利得増幅器２３２側の回路の比
例定数をＫ_bとすると、振幅検波回路２３６の出力Ｅ
は、Ｅ＝Ｋ_b・Ｅ₀／（Ｋ_a・Ｓ_b）Ｓ_a ………（４）Ｅ＝｛（Ｋ_b／Ｋ_a）・Ｅ₀｝・（Ｓ_a／Ｓ_b） ………（５）となり、これは、｛（Ｋ_b／Ｋ_a）・Ｅ₀｝が定数である
ため、（Ｓ_a／Ｓ_b）という２つの入力の振幅比に比例し
た出力であることがわかる。定数部分は、調整時に測定
できるから、そのデータをもとにして、Ｅより振幅比が
得られる。

【００４６】図２で、分波器１１０から受信機１１４に
加えられる信号は、タンク２内の水中領域の長さＬ中に
存在する氷と水の混合物の影響はうけない。一方、受信
機１１２に入力する信号は、Ｌ中の損失の変化をうけ
る。例えば、標準状態として、Ｌ中に氷のない状態を作
り、その時の振幅Ｅ_refを記憶しておく。

【００４７】Ｅ_ref＝｛（Ｋ_b／Ｋ_a）Ｅ₀｝・（Ｓ_a0／Ｓ_b0） ………（６）ここで、Ｓ_a0、Ｓ_b0は、標準状態での信号処理器７への
入力振幅である。

【００４８】通常動作時には、Ｌ中に存在する混合物状
態によって、受信機１１２への入力振幅が変動する。標
準状態からのＬ中の損失の増加をαとすると、その時の
受信機１１２への入力Ｓ′_aは、Ｓ′_a＝α・Ｓ_ao ………（７）また、受信機１１４への入力Ｓ_b0は不変である。この時
の振幅検波回路２３６の出力Ｅ′は、Ｅ′＝｛（Ｋ_b／Ｋ_a）・Ｅ₀｝（Ｓ_a′／Ｓ_b0） ………（８）Ｅ′のＥ_refに対応する比をとると、（Ｅ′／Ｅ_ref）＝（Ｓ_a′／Ｓ_a0）＝α ………（９）となり、損失の変化分αが得られる。

【００４９】以上の演算は、ＣＰＵ２６０と、ＲＯＭ２
６２に格納されるソフトウェアを用いて実現できる。図
２の実施例では、このαの値は、後述するように、位相
からの濃度の解が複数存在してしまう場合の解決策に用
いられる。

【００５０】氷分濃度の測定精度が粗くともよい場合
は、この値のみでもよい。

【００５１】前記αと氷の体積％との関係は、予め実験
により求めることができる。この関係の一例を図７
（Ａ）に示す。このグラフに示す関係は、ルックアップ
テーブルとして、ＲＯＭ２６２中に格納しておく。

【００５２】これにより、αから氷分濃度を求めること
ができる。

【００５３】直交検波回路２１０への２つの入力信号
は、振幅制限増幅器２０６、２０８によって一定振幅に
制限される。直交検波回路２１０内では、それぞれの信
号は、電力分配器２１２、２１４により等分割されて、
図５に示す通り、ミキサ２１８、２２０に入力される。
そのうちの１つは、位相器２１６を通り、９０°の位相
差が与えられている。

【００５４】この結果、ローパスフィルタ２２２の出力
Ｖ_aは、２つの入力信号の位相差φの正弦に比例した電
圧となり、ローパスフィルタ２２３の出力Ｖ_bには、余
弦に比例した電圧となる。

【００５５】Ｖ_a＝Ｋ′・ｓｉｎφ Ｖ_b＝Ｋ′・ｃｏｓφ ………（１０）ただし、Ｋ′は比例定数Ｖ_a、Ｖ_bは、ＡＤコンバータ２５２、２５４を介して、
それぞれコンピュータシステム２５０に取り込まれる。

【００５６】この後、ＣＰＵ２６０による計算によっ
て、位相差φが求められる。ＲＯＭ２６２には、図２の
実施例の場合、タンク２内が標準状態の時の位相差φ
_refを測定して、記憶しておき、動作中の測定値φとの
差△φ（＝φ−φ_ref）を計算するプログラムが用意さ
れている。

【００５７】標準状態として、タンク２中、全てが氷を
含まない水である場合を例にとって説明する。

【００５８】区間Ｌ中で発生する位相遅延量は次の式で
定式化できる。図２中に示したように、１次元座標ｌを
とると、微小区間ｄｌで生ずる位相遅れｄφは、ｄφ＝（２π／λ₀）・√ε_s（ｌ）・ｄｌ ………（１１）ここでε_s（ｌ）は、位置ｌでの等価誘電率、λ₀は自由
空間波長、πは円周率である。

【００５９】全区間にわたる位相変化φ_Lは、

【００６０】

【数２】

【００６１】標準状態では、ε_s(l）は水の誘電率ε_wと
なるから、その時の位相変化φ₀は、上式より、 φ₀＝（２π／λ₀）・Ｌ・√ε_w ………（１３）この時、測定される位相差φ_refは、φ₀以外に、分波器
１１０から受信機１１２、１１４に到る２つの経路長に
起因する位相遅れφ_cを含んでいる。

【００６２】 φ_ref＝（２π／λ₀）・Ｌ・√ε_w＋φ_c ………（１４）計測時には、このφ_cは、標準状態と同じと見てよいか
ら、この時、測定される位相差φ_mは、

【００６３】

【数３】

【００６４】ここで、両者の差をとると、

【００６５】

【数４】

【００６６】となり、φ_cは結果に影響しない。上式
を、変形すると、

【００６７】

【数５】

【００６８】となる。右辺第２項は、Ｌと、用いる溶液
（水）の誘電率の測定値から計算できる。第１項の

【００６９】

【数６】

【００７０】の部分は、Ｌにわたる平均等価誘電率ａｖ
ε_Sである。

【００７１】原理で示したように、ε_Sと混合比Ｐ_iの間
の関係式は与えられているから、以上の式を用いて、測
定値△φと混合比Ｐ_iとを結びつけることができる。

【００７２】実際の運用では、△φを測定し、Ｐ_iを知
る。この操作は、Ｐと△φを結合する式群の逆演算を行
なうことになる。前述の式（１７）、（１）より

【００７３】

【数７】

【００７４】と変形できる。各式の右辺は、測定で求め
られ、結局、区間Ｌに沿うみかけ濃度＊Ｐ_iが得られ
る。△φには、後述するように、３６０°の不確定さが
生じる場合がある。それゆえ、Ｐ_iは、複数の値が得ら
れることになるが、振幅比の測定値による解との比較に
よって単一解とすることができる。

【００７５】みかけ濃度＊Ｐ_iは、氷のＬに沿った分布
によって影響を受ける。

【００７６】このため、＊Ｐ_iをそのままタンク２内の
平均濃度とすることはできない。

【００７７】みかけ濃度＊Ｐ_iは、真の平均濃度ａｖＰ_i
との間に一定の関係がある。特に、氷の粒状が大きな変
化をしない時には、水と氷の比重関係だけで決定される
ため、実験的にこの関係を決定することができる。

【００７８】コンピュータシステム２５０では、この関
係を、多項式近似やルックアップテーブルとして、ＲＯ
Ｍ２６２に記憶しておき、＊Ｐ_iから、真の平均濃度ａ
ｖＰ_iを計算する。

【００７９】以上の動作をフローチャートとしたもの
を、図６に示す。

【００８０】図６に示すように、本実施例の計測動作
は、初期設定モードと運用モードとがある。

【００８１】初期設定モードでは、タンク２内をすべて
水の状態（標準状態）として、伝送線路１０２に高周波
信号を伝搬させ、これを受信機１１２で受信し、一方、
分岐器１１０で分岐された基準信号を受信機１１４で受
信して、両受信機１１２、１１４の出力を信号処理器２
００で処理する。信号処理器２００において、ＣＰＵ２
６０は、位相差φ_refと、振幅比Ｅ_refとを求め、結果を
ＲＡＭ２６４に記憶させる（ステップ１００１〜１００
３）。これらの処理は、タンク２内に氷がなく、水のみ
の状態で氷蓄冷システムを起動する際に行なう。

【００８２】運用モードは、氷が製氷機で作られて、タ
ンク２内に貯えられた状態を想定した動作モードであ
る。

【００８３】このモードでは、信号処理器２００は、受
信機１１２および１１４からの受信信号に基づいて、上
述したようにして、位相差φ_mを測定すると共に、振幅
比Ｅ′を測定する（ステップ１００４，１００５）。

【００８４】ここで、得られた振幅比Ｅ′と、上述した
初期設定モードで得た振幅比Ｅ_refとを用いて、損失の
変化分αを求める（ステップ１００６）。そして、予め
実験で求めてあるαについて、ＲＯＭ２６２中のルック
アップテーブルを参照して氷濃度Ｐ′を求める（ステッ
プ１００７）。なお、この氷分濃度の値は、位相差を用
いる場合より、大まかな値である。

【００８５】一方、前記測定された位相差φ_mと、予め
初期設定モードで得たφ_refより、Δφを求める（ステ
ップ１００８）。ここで、Δφについて、ＲＯＭ２６２
のルックアップテーブルを参照して、解として可能性の
ある全ての濃度Ｐの値を求める（ステップ１００９）。

【００８６】次に、上述したステップ１００７で求めた
Ｐ′値に最も近いＰを選択し＊Ｐ_iとする（ステップ１
０１０）。この理由については、後述する。そして、＊
Ｐ_iより、ａｖＰ_iを計算し、出力する（ステップ１０１
１）。

【００８７】この後、ステップ１００４に戻り、上述し
た手順を繰り返す。この繰り返しは、予め定めたサンプ
リング周期に従って行なわれる。

【００８８】なお、この手順は、コンピュータシステム
２５０がリセットされると、初期設定モードに戻るよう
に構成することができる。

【００８９】位相測定では、３６０°の整数倍の変化に
ついては測定できないため、これを知るために別の手段
が必要となる場合がある。これは、使用する電波の波長
に比べてＬが長い場合である。この場合を図７（Ｂ）に
示す。

【００９０】この場合、氷と水の誘電率の虚数成分の差
に着目することで、解が得られる。０°付近の氷は、周
波数１０ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの範囲内で虚数成分とし
て、０．１〜０．００１程度の値を持ち、比較的損失の
少ない誘電体と見なせる。一方、水は０°付近で、同じ
周波数範囲にて虚数分として２〜３０という大きな値を
持っている。

【００９１】誘電率の虚数部は、伝送線路の損失として
観測されるため、図３の装置で、損失の変化のみによっ
て氷分の濃度を知ることも可能である。図７（Ａ）にこ
れを示す。

【００９２】但し、精度において、位相測定による氷分
濃度計測がすぐれているため、両方式を併用し、損失変
化によって、位相の３６０°の整数倍に相当する程度の
荒い測定を行ない、位相によって、詳しい濃度を知るこ
とで、最善の結果を得ることができる。

【００９３】図７（Ａ）で、位相の測定値φ₁からは、
ａ，ｂ，ｃ，ｄの４つの濃度が対応し、単一の結果とな
らない。しかし、損失の測定値Ｌ₁を得ることにより、
この場合Ｃと言う単一の結果とすることができる。

【００９４】次に、位相の整数倍を解く、別の方法を示
す。これは、測定に用いる周波数を複数用いる方法であ
る。２つの周波数を使用する場合を、図８を用いて説明
する。

【００９５】同図は、周波数ｆ＝ｆ₁の時の氷分濃度に
対する位相変化と、ｆ＝ｆ₂≠ｆ₁の時のそれを重ねて示
したものである。周波数が異なるため、両者の傾きは異
なっている。

【００９６】ｆ＝ｆ₁での位相測定結果φ₁を得たとする
と、想定される濃度の解は、ａ₁，ｂ₁，ｃ₁の３つであ
る。また、ｆ＝ｆ₂での結果φ₂からは、ａ₂，ｂ₂という
２つの可能な解が得られる。濃度は１つの値であるか
ら、図中でａ₂，ｂ₁の点によって示される濃度の値が正
解であることがわかる。

【００９７】この方法は、３つ以上の周波数を用いて実
現することも可能であり、実現すべき精度の要求によっ
て選択される。

【００９８】また、位相を計測する手段は、上記した直
交検波回路以外の回路でも実現することができる。

【００９９】例えば、図９（Ａ）に示す排他オア回路９
０を用いることができる。その入力端子９１と入力端子
９２とに、同図（Ｂ）に示すｘ₁，ｘ₂のパルス波形が入
力されると、出力端子９３に、位相差パルス波形ｙが出
力される。

【０１００】また、図１０（Ａ）に示すＳ−Ｒフリップ
フロップ回路９３によっても、位相差計測手段を実現す
ることができる。すなわち、このフリップフロップ回路
９３のＳ（セット）端子およびＲ（リセット）端子に、
それぞれ同図（Ｂ）に示すｘ₁，ｘ₂のトリガ波形が入力
されると、Ｑ端子に、位相差パルス波形ｙが出力され
る。

【０１０１】図２において、受信機１１２，１１４とし
て、共通の局部発振器１１６をもつスーパーヘテロダイ
ン型受信機を用いる例を示した。しかし、使用される周
波数が低い場合には、単なる増幅器としてもよい。ま
た、信号処理器２００では、２つの受信機出力間の相対
位相差と、振幅比が計測されるが、これらの実用回路と
しては、種々の方式が提案され、実用化されているの
で、その実現性については十分である。

【０１０２】次に、本発明の他の各種実施例について、
図面を参照して説明する。

【０１０３】図１１に、本発明の第２実施例を示す。同
図で、伝送線路１０２の下端１０３は、高周波的にショ
ートされている。そして、高周波信号は、方向性結合器
１５０を介して伝送線路１０２に加えられる。方向性結
合器１５０は、整合回路１０６に、高周波電力を加える
とともに、整合回路１０６側から反射されて返って来た
電力のみを受信機１１２に供給するように接続されてい
る。方向性結合器１５０は、これと同等の機能を有する
高周波ブリッジに置きかえることも可能である。

【０１０４】方向性結合器１５０から伝送線路１０２に
加えられた電力は、伝送線路１０２内を下方に伝搬する
が、下端１０３がショートされているため、そこで反射
し、再び伝送線路１０２内を上方へ伝搬し、方向性結合
器１５０に戻って来る。この往復の間に、等価的な誘電
率変化を反映した位相遅れ、損失の変化を示すため、こ
れを計測することで、氷分の濃度を知ることが出来る。

【０１０５】この実施例によると、伝送路長Ｌが短かい
場合にも、その２倍の長さを利用できることになり、大
きな変化が得られる。

【０１０６】図１２に、本発明の第３実施例を示す。本
実施例は、伝送線路１０２をＵ字状に形成して、高周波
信号を、計測域を往復させ、Ｌが小さい場合に大きな出
力変化が得られるようにした例である。言うまでもな
く、伝送線路１０２を複数回折り返して、２往復、３往
復するように、伝送線路１０２の長さを長くすれば、変
化は大きくなる。

【０１０７】図１３に、本発明の第４実施例を示す。

【０１０８】この例は、損失の変化のみを計測して氷分
の濃度を知るためのシステムである。高周波発振器１０
８は、常に一定の出力を生ずるものであるので、損失の
変化は、整合回路１０６の出力電力の変化となる。これ
を、高周波電力計６１にて読みとり、その信号を信号処
理回路３００に送出する構成である。この構成では、回
路規模が小さくなり、コストの点で有利となる。

【０１０９】図１４に、本発明の第５実施例の構成を示
す。本実施例は、直接検波方式の受信機１１５を用いる
例である。本実施例は、高周波発振器１０８の電力が安
定している場合に、好適であって、構成の簡単な直接検
波方式の受信機１１５を用いることができる。受信機１
１５の出力は、信号処理器２００で、直接Ａ／Ｄコンバ
ータを介してコンピュータシステム２５０に取り込まれ
る。コンピュータシステム２５０ではＣＰＵ２６０は、
取り込んだデータに基づいて、損失を求めて、氷分濃度
を求める。

【０１１０】次に、本発明の各実施例で用いられる伝送
線路のその他の構成例について説明する。

【０１１１】図１５には、タンク中に布設される伝送線
路の実施例を示す。（ａ）は、平行２線伝送線路（レッ
ヘル線）である。（ｂ）は、管壁に開口部を設けた導波
管である。図示のものは導波管からの電波の漏れを小さ
くするため、広面中央部に幅の狭いスロットを設けた例
である。漏れが許される場合には、スロットの穴の位
置、形状に制限はない。（ｃ）は、外導体１２６壁面に
穴を設けた同軸線路の１例である。（ｄ）は、２重の同
軸線路の例である。この伝送線路を用いると、外側の線
路１２６ａを計測用として使用し、内側の線路１２４ａ
を、単なる信号伝送線として用いると、高周波信号のタ
ンクへの接続がタンクの上部又は下部のいずれか一方で
行なえる。

【０１１２】その他の構成は、上述した図２に示す実施
例と同様に構成される。

【０１１３】以上までの各実施例は、タンク中に鉛直方
向に伝送線路が設けられている例を示した。しかし、実
際には、タンクの深さによって氷分濃度は変化している
場合があると考えられる。この場合、以上の例では、深
さ方向に平均化した濃度が結果として得られることにな
る。このため、応用によっては、深さ方向での濃度分布
を計測する必要がある。

【０１１４】図１６に、このために適用できる第６実施
例を示す。本実施例は、複数本（本実施例では３本）の
伝送線路１０２と、整合回路１０４および１０６とを、
タンク２内の異なる深さ位置で平行に配置されるよう
に、支持部材１６４で固定したものである。各伝送線路
１０２は、その一端側が選択スイッチ１６０を介して分
岐器１１０に接続され、他端側が選択スイッチ１６２を
介して受信機１１２に接続される。これらの選択スイッ
チ１６０，１６２は、連係して動作し、３本の伝送路１
０２のうち、いずれかを選択して、分岐器１１０と受信
機１１２との間に接続する。

【０１１５】本実施例によれば、伝送線路１０２の存在
する深さごとに、位相差および損失を求めることがで
き、氷の濃度分布の深さ方向の変化に対応することがで
きる。

【０１１６】上述した各実施例では、位相情報を求め
て、氷分濃度を測定しているが、要求精度が厳くない場
合には、位相情報を用いる必要はなく、損失のみで氷分
濃度を求めてもよい。

【０１１７】上述した各実施例では、水と氷の形で、液
相と固相が混在する水を用いたシステムに適用する例を
示したが、本発明は、水と氷のみに限定されるものでは
ない。例えば、水と氷以外に、不凍液等の成分が含まれ
る場合、水以外の物質の液相と固相が混在するシステム
を用いる場合等を含むものである。すなわち、本明細書
における水と氷とは、狭義の水に限らず、広義の液体と
その固体の意味でも用いられるものである。

【０１１８】また、上記各実施例では、タンク内に存在
する氷分濃度を計測する例を示したが、本発明は、これ
に限定されない。例えば、大容量の貯水池、自然環境に
おける氷分濃度の計測にも用いることができる。

【０１１９】また、図１８に示すように、タンクが複数
ある場合には、上述した各実施例の装置を、それぞれの
タンクごとに設置すればよい。この場合、信号処理器２
００は、共通に設けてもよい。本発明の場合、各タンク
において、氷−水混合物における氷分濃度を直接測定す
るので、水がシステム全体に循環しても、氷濃度の測定
に何ら影響を与えない。

【０１２０】また、上記各実施例の装置は、タンクが図
１８に示すように複数ある場合、各タンクごとに本装置
を設置すれば、それぞれの氷分濃度を計測することがで
きる。

【０１２１】

【発明の効果】本発明によれば、氷−水混合物が存在す
る領域における氷分濃度が、水に含まれる不純物の濃度
を計ることなく、直接計測できる。従って、不純物の量
が微小な氷−水混合物の氷分濃度の計測が行えると共
に、氷−水混合物の存在する領域が、互いに連通した状
態で、複数箇所に存在していても、それぞれ独立に氷分
濃度を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される氷蓄冷システムの一例の構
成を示すブロック図。

【図２】本発明の氷分濃度計測措置の第１実施例の構成
を示す説明図。

【図３】本発明において用いることができる伝送線路の
構成の一例を示す部分斜視図。

【図４】等価誘電率と氷分濃度との関係を示すグラフ。

【図５】本発明の実施例において用いることができる信
号処理器の一実施例の構成を示すブロック図。

【図６】本発明の実施例において用いることができる信
号処理器に設けられるコンピュータシステムの計測手順
を示すフローチャート。

【図７】（Ａ）本発明の実施例において計測される損失
と氷分濃度との関係を示すグラフ、（Ｂ）本発明の実施
例において計測される位相と氷分濃度との関係を示すグ
ラフ。

【図８】二つの周波数を用いる場合の、氷分濃度に対す
る位相変化を示すグラフ。

【図９】本発明の実施例において用いられる位相変化を
検出する他の手段を示す説明図。

【図１０】本発明の実施例において用いられる位相変化
を検出する他の手段を示す説明図。

【図１１】本発明の第２実施例の構成を示すブロック
図。

【図１２】本発明の第３実施例の構成を示すブロック
図。

【図１３】本発明の第４実施例の構成を示すブロック
図。

【図１４】本発明の第５実施例の構成を示すブロック
図。

【図１５】本発明の実施例において用いることができる
伝送線路の他の構成例を示す部分斜視図。

【図１６】本発明の第６実施例の構成を示すブロック
図。

【図１７】従来の氷分農度計測装置を有する氷蓄冷シス
テムの構成の概要を示すブロック図。

【図１８】従来の氷分農度計測装置を有する氷蓄冷シス
テムの構成の概要を示すブロック図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】氷−水混合物が存在する領域における氷
分濃度を計測する氷分濃度計測装置において、氷−水混合物が存在する領域に配置される伝送線路と、前記伝送線路に高周波信号を供給する高周波発生源と、前記高周波発生源から送信され、伝送線路を伝搬した高
周波信号を受信する受信機と、前記受信機で受信された受信信号を取り込んで、伝送線
路の位相変化および損失のうち少なくとも一方を求める
信号処理器とを有することを特徴とする氷分濃度計測装
置。