JPH0763705A

JPH0763705A - 氷分濃度計測装置

Info

Publication number: JPH0763705A
Application number: JP21177193A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kawakami; 温川上; Noriyuki Akaha; 紀之赤羽
Original assignee: Tokimec Inc
Current assignee: Tokimec Inc
Priority date: 1993-08-26
Filing date: 1993-08-26
Publication date: 1995-03-10

Abstract

(57)【要約】【目的】氷−溶液混合物が存在する領域に配置するプ
ローブを用いて、氷濃度を計測する氷分濃度計測装置に
おいて、氷の浮力による影響を大きく受けない形状を備
えるプローブを有する氷分濃度計測装置を提供する。【構成】氷分濃度装置は、測定処理部１０ａと、タン
ク２の氷−溶液混合物の存在する領域に配置されるセン
サ部１０ｂとを有する。センサ部１０ｂは、タンク２の
貯溜される氷−溶液混合物領域に設置される伝送線路１
０２と、この伝送線路１０２の両端に接続される整合回
路１０４、１０６と、伝送線路１０２および整合回路１
０４、１０６を固定する保持部材１００とを有する。【効果】氷分濃度計測装置のプローブは、氷の浮力に
よる影響を大きく受けないため、氷分濃度の多少に関わ
らず、プローブを、容易に、安定して固定することがで
きる。したがって、氷−水混合物が存在する領域におけ
る氷分濃度の直接計測が、広範囲で安定して行なうこと
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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
する装置に係り、特に、氷−溶液混合物中に配置され
た、氷分濃度に対応した物理的変化を検出するプローブ
を用い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。
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。

【０００４】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４を動作させ、タン
ク２内にある水あるいは溶液を冷却し、氷を製造する。
製氷機４で製造された氷は、溶液と共にタンク２にパイ
プＰ１を通って送出される。タンク２内では、氷と溶液
とが混合した氷・溶液混合物Ｉが上方に浮かび、タンク
２からは、氷を含まない溶液のみが、パイプＰ２を通っ
て製氷機４に還流して来る。なお、製氷機４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２内
に氷が十分に蓄積された後は、製氷機４は停止する。ま
た、昼間には、被冷却系６である室等に設置された熱交
換器としての室内機８の行なう冷房に、この氷が使用さ
れる。氷の残量が少なくなると、製氷機４を動作させ、
氷を供給する。

【０００５】このように、氷蓄冷システムでは、常時、
タンク２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１
４がこのための装置である。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。この濃度計１４
からの出力を用いて、システム制御装置１２が、製氷機
４を制御する。

【０００６】

【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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】これに対し、本出願人は、特許出願（特願
平４−２１５１８５号）の明細書において、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
装置を提案した。この装置は、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。

【００１０】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。このような溶液に、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。

【００１１】ところで、この種の氷分濃度を直接計測す
る装置では、例えば、伝送線路等、タンク２内の氷分濃
度に対応して変化する物理特性を検出するプローブを、
氷−溶液が混在している領域に配置することが必要であ
る。さらに、氷の濃度は、一般的に言って、氷の浮力の
ため、深さ方向で変化している。したがって、正確な計
測を行なうには、氷および溶液を収容するタンク２に対
して、プローブの設置位置を一定とすることが必要であ
る。

【００１２】しかし、プローブを、氷−溶液混合物の存
在する領域に配置、固定すると、プローブ下端部には、
氷の浮力による上向きの力が常に加わる。この上向きの
力は、プローブの下方に存在する氷分濃度と、プローブ
下端部の表面積に比例して、大きくなる。そのため、氷
分濃度が比較的高い場合には、顕著になり、最悪の場合
は、プローブの破壊に至ることもある。

【００１３】本発明の目的は、氷−溶液混合物が存在す
る領域に配置するプローブを用いて、氷濃度を計測する
氷分濃度計測装置において、氷の浮力による影響を大き
く受けない形状を備えるプローブを有する氷分濃度計測
装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、氷−溶液混
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−溶液混合物が存在する領域に
配置され、氷分濃度の変化に応じて変化する当該領域の
物理特性を検出するプローブを有し、プローブは、その
形状が、最下端部より鉛直上方向における予め定めた距
離間で、最下端部から任意距離位置での水平断面積が、
それよりも上方位置での水平断面積よりも小さいことを
特徴とする氷分濃度計測装置により達成することができ
る。

【００１５】

【作用】最初、本発明の氷分濃度計測装置が適用される
氷蓄冷システムについて、図１を用いて説明する。

【００１６】図１に示すシステムは、例えば、粒状の氷
（粒状氷）が溶液中に混在する、氷−溶液混合物を貯溜
するタンク２と、この氷蓄熱槽（タンク）２から溶液を
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−溶液混合物を取
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−溶液混合物および
／または溶液を輸送するためのパイプＰ１−Ｐ４と、熱
交換器８で温められ、パイプＰ３で輸送される温溶液を
散水するスプリンクラー１１とを有する。

【００１７】本システムは、さらに、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、本発明によ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１
２とを有する。氷分濃度計測装置１０は、氷・溶液混合
物中に浸漬されるセンサ部１０ｂ（プローブ）と、セン
サ部１０ｂからの信号を処理して、氷分濃度情報を出力
する測定処理部１０ａとから構成される。

【００１８】この氷蓄冷システムは、氷蓄熱槽２内の氷
を熱交換器８に送り、この氷を用いて熱交換（冷房）を
行うものである。氷蓄熱槽２内では、熱交換の結果、氷
蓄熱槽２内の氷量が変化するため、氷蓄熱槽２へ氷を供
給する製氷機４の運転開始、停止等、システムを制御す
るため氷蓄熱槽２内の氷量を計測する必要がある。この
氷量は、システム制御装置１２が、氷分濃度計測装置１
０によって求められた氷−溶液混合物の氷分濃度から求
める。

【００１９】ここで、製氷機４により生成された粒状氷
は、パイプＰ２を通り、溶液との比重差により、タンク
２の上部に向かって浮上する。この氷は、すでに溶液上
面に広がって浮遊している氷の下部に次々と積み重な
り、氷の塊（氷・溶液混合物）を作る。これは、タンク
２下部から供給される氷の浮力と、すでに浮遊している
氷の自重によって、両者が圧着し、塊を作るためであ
る。この状態では、氷自体の流動性が小さいため、パイ
プを通して、熱交換器８に氷を直接送ることはできな
い。そのため、熱交換器８で温められた溶液を、スプリ
ンクラー１１によりタンク２上方から散水し、過冷却し
た溶液をパイプＰ４を通して、熱交換器８へ送る。

【００２０】本発明による氷分濃度計測装置１０は、氷
−溶液混合物を含む領域の物理特性、例えば、誘電率や
密度等をプローブ（図１ではセンサ部１０ｂ）を用いて
検出するものである。測定処理部１０ａは、このプロー
ブからの信号を受け、予め定まった演算処理により、混
合物内の氷分濃度の計測を行うものである。

【００２１】図１に示すように、氷蓄熱槽２内に、製氷
機４で生成された氷が氷蓄熱槽２底部より送り込まれる
と、氷は溶液との比重差によって氷蓄熱槽内の上部に向
かって浮上する。この浮上する氷は、氷蓄熱槽２内に送
り込まれる量が多くなるにつれ塊状となる。この塊には
下方から氷が供給されるが、冷房に使用され、温められ
た溶液が、スプリンクラー１１により、氷塊の上方から
散水されるため、氷は上部から消費される。したがっ
て、氷蓄熱槽２内の氷・溶液混合物（氷塊）では、常
に、上方への氷の循環が存在する。

【００２２】この氷の循環が、氷蓄熱槽内に設置された
センサーの、例えば絶縁体の平坦な面に、これを垂直方
向に持ち上げようとする力を作用させる。この氷の浮上
によってセンサーにもたらされる浮力は、氷蓄熱槽２内
の氷の全量による浮力により生じるため、きわめて大き
く、氷蓄熱槽２内に送り込まれる氷の量が多くなるほど
著しい。

【００２３】したがって、プローブの形状は、氷の浮力
の影響を受けるような、垂直方向に対して平坦な面を持
つ形状であると、氷の浮力を避けることができなかっ
た。そのため、自重によって氷蓄熱槽２内にプローブを
設置する（吊り下げ型）ことはできない。つまり、設置
されたプローブが浮上してしまい、同一位置での氷分濃
度の変化の検出が正確に行われないためである。例え
ば、プローブが氷面近くに設置された場合、氷面より空
気中に露出し、氷分濃度の計測が不可能となる。また、
混合物内の氷濃度が深さ方向に分布を持つ場合、プロー
ブ位置が変化することで、正確な計測が行われない。

【００２４】プローブ位置が変化しないような固定法を
提供する必要があったが、プローブ最下端部に、ある程
度の大きさの平面部を有する場合は、プローブの特性に
影響が出るほどの機械的な補強が必要なこともあり、ま
た、その補強に係るコスト面で問題になることもある。

【００２５】本発明によるプローブを有する氷分濃度計
測装置においては、プローブは、その形状が、最下端部
より鉛直上方向における予め定めた距離間で、最下端部
から任意距離位置での水平断面積が、それよりも上方位
置での水平断面積よりも小さい。つまり、このプローブ
の形状（例えば、くさび形状）によると、浮力により上
向き力を持って上方に移動する氷が、最下端面に集中す
ることなく、下端部の側面に沿って上方へ流れる。

【００２６】そのため、プローブには、氷による上向き
の力は作用せず、プローブ自身が氷−溶液混合物の内部
へ容易に侵入でき、プローブの固定には大きな力を必要
としない。さらに、氷は、順次上方に流れていくため、
プローブ近傍は、周囲と同様な均一状態に保たれる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の氷分濃度計測装置の一実施例
について、図２を参照して説明する。

【００２８】本実施例の氷分濃度計測装置１０は、図２
に示すように、測定処理部１０ａと、タンク２の氷−溶
液混合物の存在する領域に配置されるセンサ部１０ｂと
から構成される。

【００２９】センサ部１０ｂは、タンク２の貯溜溶液
（氷を含む）内に設置される伝送線路１０２と、この伝
送線路１０２の両端に接続される整合回路１０４、１０
６と、伝送線路１０２および整合回路１０４、１０６を
固定する保持部材１００とを有する。

【００３０】伝送線路１０２は、タンク２の上下方向に
沿って、溶液中に没する状態となるように、布設され、
例えば、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。伝送線路１０２を含
むセンサ部１０ｂの具体的形状については、後に詳しく
述べる。

【００３１】測定処理部１０ａは、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。

【００３２】測定処理部１０ａは、さらに、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。

【００３３】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。

【００３４】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。また、高周波信号の周波数は、５０
ＭＨｚ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。

【００３５】次に、氷分濃度計測装置１０のセンサ部１
０ｂの形状および作用について説明する。

【００３６】本実施例による氷分濃度計測装置１０は、
氷−溶液混合物の誘電率を混合物内を通過する高周波信
号の位相または振幅より求め、これより混合物内の氷分
濃度の計測を行うものであり、氷−溶液混合物の誘電率
を高周波信号の位相または振幅に変換する装置として、
伝送線路型センサをセンサ部１０ｂに用いるものであ
る。

【００３７】一般的に、伝送線路は、高周波信号が伝搬
する空間に充填されている物質の誘電率によってその空
間を伝搬する高周波信号の位相、振幅が変化することが
電磁気学より明らかである。本実施例は、この高周波伝
送線路の特長を応用したものであり、誘電率の異なる氷
と溶液の混合比によって、混合物の平均誘電率が変化す
るが、この誘電率変化を計測することで、逆に混合比を
知るという原理を用いている。

【００３８】本発明によるセンサ部１０ｂとの対比のた
め、最初、最も基本的な伝送線路型センサの例として、
図３（ａ）〜（ｃ）にその形状を示す。図３（ａ）は平
行２線型、図３（ｂ）は同軸線路型、図３（ｃ）は導波
管型のセンサを示している。

【００３９】図３（ａ）に示される平行２線型は、絶縁
体９１、９２によって支持された２本の導体９３、９４
によって伝送線路が構成される。この伝送線路を通過す
る高周波信号は、導体９３、９４間に満たされた混合物
の誘電率によって位相、振幅が変化する。この伝送線路
における高周波信号伝搬空間は、導体９３、９４に挟ま
れた空間であるので、氷−溶液混合物が存在する領域に
対して開放的であり、混合物は伝送空間に自然に満たさ
れる。この種のセンサは、伝送線路本来の形状でセンサ
を形成している。

【００４０】図３（ｂ）に示される同軸線路型は、絶縁
体９５、９６で支持された外導体９７、内導体９８によ
って伝送線路が構成される。同軸線路型伝送線路におい
て、高周波信号は、外導体９７、内導体９８間の円筒空
間を伝搬する。よって氷−溶液混合物がこの円筒空間に
満たされなければならない。そのため、外導体９７に、
例えば、スリットを設けることで氷−溶液混合物がこの
スリットを通過して伝送線路内に満たされるように工夫
してある。

【００４１】図３（ｃ）に示される導波管型は、中空の
導体９９によって伝送線路が構成される。この伝送線路
では、高周波信号は管内を伝搬するので、同軸線路の場
合と同様に導体９９にスリットを設け、氷−溶液混合物
が管内に満たされるように工夫されている。

【００４２】氷分濃度計測装置１０においては、氷濃度
があまり高くない場合は、上記伝送線路型センサを、伝
送線路１０２として用いて、高周波信号が伝搬するセン
サを氷−溶液混合物が存在する領域、例えば氷蓄熱槽２
内に配置し、センサ内の高周波伝搬路に混合物を満た
し、その混合物の誘電率の変化による高周波信号の位
相、または振幅から混合物内の氷分濃度の検出を行うこ
とができる。

【００４３】しかし、氷分濃度が比較的高い場合には、
混合物の流動性が失われてしまい、上記同軸線路及び導
波管型伝送線路センサにおいて外導体壁のスリットが小
さい場合、センサ内の高周波伝送空間に混合物が充満せ
ず正確な氷分濃度計測が行われないことがある。もちろ
ん、外導体壁のスリットの拡大を行うことで、混合物が
高周波伝送空間に充満することを促進する方法がある。
しかし、外導体壁のスリットを大きくすると機械的強度
が低下して、氷の圧力でセンサが破壊されることがあ
る。

【００４４】さらに、氷濃度が高い場合、センサを氷蓄
熱槽２内部に固定しようとすると、氷から大きな上向き
の力を受ける。この力により、センサが変形し、最悪の
場合には破壊に到ることがある。

【００４５】本発明においては、そのセンサ部１０ｂを
終端する形状を鋭利な形状、例えば楔状とすることで、
センサ部１０ｂの最下端面に加わる上向きの力を、その
側面に逃すことができる。さらに、本発明を適用したセ
ンサ部１０ｂ形状により、氷の浮力により、センサ部１
０ｂ自身が、氷の内部に容易に進入できる構造を与える
ものである。

【００４６】以下、図４〜図１１、図１９、２０を用い
て、本実施例のセンサ部１０ｂの形状および作用を説明
する。

【００４７】本発明を適用したセンサ部１０ｂの第１例
を図４、図１９に示す。

【００４８】本例によるセンサ部１０ｂは、図４、図１
９に示すように、２本の導体９３、９４から成る伝送線
路１０２と、伝送線路１０２を固定、保持する楔型の絶
縁体９１、９２から成る保持部材１００とを有する平行
２線型センサである。ここで、図１９は、本例の側面図
を示す。

【００４９】センサ部１０ｂは、さらに、本実施例の測
定処理部１０ａと導体９３、９４とを結合する同軸ケー
ブル１５、１６と、絶縁体９１、９２中の同軸ケーブル
１５、１６と導体９３、９４の接続点間に挿入される整
合回路１０４、１０６とを有する。

【００５０】同軸ケーブル１５は、導体９３、絶縁体９
１、９２を通過し、絶縁体９１内部において、整合回路
１０６を介して、導体９３、９４に接続される。このと
き、例えば、同軸ケーブル１５の基準電位（接地電位）
側を導体９３に、中心導体を導体９４に接続する。この
ようにすることで、氷の圧力を楔型の絶縁体９１で受け
るため、同軸ケーブルの損傷を防ぐことができる。

【００５１】また、同軸ケーブル１６は、絶縁体９２内
部において、整合回路１０４を介して、導体９３、９４
に接続される。このとき、例えば、同軸ケーブル１５と
同様に基準電位（接地電位）側を導体９３に、中心導体
を導体９４に接続する。

【００５２】蓄熱槽２内（図１参照）に本例によるセン
サ部１０ｂを取付ける場合、絶縁体の平面部９１ａ、９
２ａを、槽２内壁面に接触させるように固定される。蓄
熱槽２は、通常、断熱性が必要であるから、樹脂性の内
壁面を持つ物が多く、ここに示した２本の導体を持つセ
ンサが好適であることが多い。

【００５３】測定においては、本例によるセンサ部１０
ｂを、伝送線路１０２における平行２線が、垂直方向と
なるように氷−溶液混合物内に懸垂させた状態で、測定
処理部１０ａで発生した高周波信号を同軸ケーブル１５
に送る。この信号は、整合回路１０６、導体９３、９
４、整合回路１０４、同軸ケーブル１６の順序で通過す
る。この信号を受信することで、測定処理部１０ａは、
伝送線路１０２が存在する場所、つまり、氷・溶液混合
物における平均誘電率を測定する。詳しい処理動作につ
いては後記する。また、高周波伝搬経路は上記経路の逆
を取っても良い。

【００５４】本例における平行２線型の伝送線路１０２
の電気力線１９の分布は、図５に示すように、導体９
３、９４間に集中しており、この高周波伝送空間に満た
される混合物の誘電率より氷濃度を検出する。

【００５５】図４、図５より明らかなように本例のセン
サ部１０ｂの形状は、同軸線路型、導波管型伝送線路と
比較して、高周波伝送空間が周囲の混合物が存在する領
域に対し、より開放的である。したがって、氷分が増加
して混合物の流動性が低下しても、高周波伝送空間に混
合物が充満し易く、正確な氷分濃度が計測できる。

【００５６】また、氷−溶液混合物が存在する領域にお
いて、本例のセンサ部１０ｂを、垂直方向に懸垂した場
合、周囲の混合物内の氷分が増加して、センサ部１０ｂ
に対し、氷による浮力が生じても、その両端が楔型形状
をなしているため（図４参照）、比較的小さい力で氷を
分割する事ができる。つまり、センサ部１０ｂに強大な
力が作用することを防ぐことができるため、センサ部１
０ｂの損傷を避られ、且つ、簡単に取り付けることがで
きる。

【００５７】また、センサ部１０ｂの質量を大きく設計
し、比較的氷濃度の小さい部分に使用する場合には、セ
ンサの自重によって氷の浮力の影響を除去し、定位置で
の氷分濃度計測が可能である。これは、氷−溶液混合物
が存在する領域中にセンサを固定する構造物が存在しな
い場合、また、その構造物がセンサの固定に適していな
い場合有効である。

【００５８】また、本例において、保持部材１００とし
ての絶縁体９１、９２の鉛直平面による断面形状は菱形
であったが、図２０の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すよ
うな、鉛直断面形状等、上向き力を、その側面に逃すこ
とができる形状であれば、上記例と同様な効果を得るこ
とができる。

【００５９】本発明を適用したセンサ部１０ｂの第２例
を、図１０に示す。

【００６０】本例は、上記第１例で述べたセンサ部１０
ｂの、蓄熱槽２内への取付法を改良したものである。

【００６１】本例によるセンサ部１０ｂの構成は、第１
例と同じである。ここで、伝送線路１０２を構成する２
本の金属導体９３、９４は、絶縁体９１、９２で保持さ
れる。また、２本の導体９３、９４の両端は、絶縁体９
１、９２内部において、整合回路１０４、１０６と、同
軸ケーブル１５、１６とを介し、本実施例の氷分濃度計
測装置１０の測定処理部１０ａに接続される。

【００６２】但し、本例においては、氷蓄熱槽２内に固
定設置するために、絶縁体９２をセンサ部１０ｂの長手
方向に延長し、蓄熱槽２の上面に達する寸法としてい
る。本センサ部１０ｂを垂直方向に、氷蓄熱槽２内に固
定設置する場合、絶縁体９２ａの延長部の上面９２ｂを
用いて、天井面に直接固定できる。また、センサ部１０
ｂの方向を逆にして、氷蓄熱槽２底面に固定しても良
い。

【００６３】これにより、機械的な支持構造の無い蓄熱
槽２の中央部にも、センサ部１０ｂを設置することが可
能となる。センサ部１０ｂの電気的特性、及び動作は第
１例と同様である。

【００６４】また、図１１のように、本例の構造におい
て、導体９３、９４と、絶縁体９１、９２で囲まれた空
間を、厚さが導体の直径程度の絶縁物９２ｃで充填し、
絶縁体９１、９２を一体化した構造でも良い。この構造
では、センサ部１０ｂの機械的強度が、さらに増す。ま
た、同様に、第１例において、絶縁物９２ｃを用いて、
絶縁体９１、９２で囲まれた空間を充填することもでき
る。

【００６５】本発明を適用したセンサ部１０ｂの第３例
を、図６を用いて説明する。

【００６６】本例は、図６（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、氷蓄熱槽２内に、すでに存在していた鉛直方向に設
置された金属構造物、例えば、金属管、金属壁等を利用
して、これを高周波伝送線路の一部に用いたものであ
り、上記センサ部１０ｂの第１例および第２例の平行２
線型伝送線路を変形したものである。

【００６７】本例のセンサ部１０ｂは、伝送線路１０２
を構成する第１の導体としての金属管２２（図６
（ａ））、または、金属壁２２ａ（図６（ｂ））と、第
２の導体２３と、これら導体２２（２２ａ）、２３を固
定、保持する絶縁体２４、２５とを有する。

【００６８】本例のセンサ部１０ｂは、さらに、本実施
例の測定処理部１０ａと導体２２（２２ａ）、２３とを
接続する同軸ケーブル１５、１６と、それぞれのケーブ
ルと導体の間に接続される整合回路１０４、１０６とを
有する。

【００６９】ここで、接続においては、同軸ケーブル１
５、１６の基準電位（外部導体）側を導体２２（２２
ａ）に、中心導体側を導体２３に接続する。

【００７０】測定処理部１０ｂで発生された高周波信号
は、同軸ケーブル１５、整合回路１０４、導体２２と２
３で形成される高周波伝送線路１０２、整合回路１０
６、同軸ケーブル１６の順に通過する。ケーブル１６か
らの信号は、測定処理部１０ａにおいて、後記する処理
手順に従い処理され、氷濃度が検出される。また、高周
波信号の伝搬経路は、上記順路の逆でも良い。

【００７１】本例のセンサ部１０ｂの電気力線３４の分
布は、図７に示すように、導体２２（２２ａ）、２３間
に集中しており、この高周波伝送空間に満たされる混合
物の誘電率より氷濃度を検出する。

【００７２】図６、図７より明らかなように、本例にお
ける伝送線路は、同軸線路型、導波管型伝送線路と比較
して、高周波伝送空間が周囲の混合物が存在する領域に
対し、より開放的であるので、氷分が増加して混合物の
流動性が低下しても、高周波伝送空間に混合物が充満し
易く、正確な氷分濃度が計測できる。

【００７３】また、氷−溶液混合物が存在する領域にお
いて、上記センサ部１０ｂを垂直方向に懸垂した場合、
周囲の混合物内の氷分が増加してセンサ部１０ｂに対し
氷による浮力が生じても、センサ部１０ｂ両端が楔型形
状をなしているため、比較的小さい力で氷を分割する事
ができ、センサ部１０ｂに強大な力が作用することを防
ぐことができる。この結果、センサ部１０ｂの損傷を避
けることができ、且つ、氷蓄熱槽２内の金属構造物を、
センサ部１０ｂ構造の一部としているので、センサ部１
０ｂの機械的強度が向上し、取り付け構造も簡単にでき
る。

【００７４】また、本例では、上記構造のため、同軸ケ
ーブル１５、１６を蓄熱槽２内の構造物、例えば、配管
内に配線することで、氷による引っ張りの影響を除去
し、断線事故を防止することが可能である。

【００７５】さらに、蓄熱槽２が金属性である場合や、
蓄熱槽２内に金属構造物が既に存在している場合には、
これらをセンサ部１０ｂの一部に利用でき製造コスト面
で有利である。

【００７６】本発明を適用したセンサ部１０ｂの第４例
を、図８を用いて説明する。

【００７７】本例のセンサ部１０ｂは、図８（ａ）、
（ｂ）に示すように、氷蓄熱槽２内にすでに存在する、
鉛直に敷設された金属構造物、例えば、金属管、金属壁
を高周波伝送線路１０２としての、マイクロストリップ
線路の一部に用いたものである。

【００７８】本例のセンサ部１０ｂは、接地導体として
の金属管３７（図８（ａ））、または、金属壁３７ａ
（図８（ｂ））と、この接地導体に装着された両端が楔
型の誘電体３９と、誘電体３９上に導体３７と相対する
装着された導体３８とを有する。本例のセンサ部１０
ｂは、さらに、本実施例の測定処理部１０ａと導体３７
（３７ａ）、３８とを接続する同軸ケーブル１５、１６
と、これら同軸ケーブル１５、１６と導体３７（３７
ａ）、３８との接続点間に挿入される整合回路１０４、
１０６とを有する。

【００７９】このとき、同軸ケーブル１５、１６の基準
電位（外部導体）側を導体３７（３７ａ）に、中心導体
側を導体３８に接続する。

【００８０】測定処理部１０ａで発生された高周波信号
は、同軸ケーブル１５、整合回路１０４、導体３７（３
７ａ）、３８と絶縁体３９とで構成されるマイクロスト
リップ線路１０２、整合回路１０６、同軸ケーブル１６
の順に通過する。ケーブル１６からの信号は、測定処理
部１０ａで、後記する処理手順に従って処理され、氷濃
度に変換される。このとき、高周波信号は上記経路の逆
順を伝搬することも可能である。

【００８１】本例のセンサ部１０ｂの電気力線４５の分
布は、図９に示すように誘電体３９を介した導体３７
（３７ａ）、３８間に集中しているが、電気力線４５の
一部はストリップ線路に接している氷−溶液混合物内を
通過している。この電気力線が通過している混合物の誘
電率から、氷分濃度が検出される。

【００８２】図８、図９より明らかなように、ストリッ
プ線路型伝送線路は、同軸線路型、導波管型伝送線路と
比較して高周波伝送空間が周囲の混合物が存在する領域
に対し、より開放的であるので、氷分が増加して混合物
の流動性が低下しても、電気力線が通過する領域に、混
合物が常に存在し正確な氷分濃度が計測できる。

【００８３】また、本例のセンサ部１０ｂは、センサ部
１０ｂ全体が氷蓄熱槽２内の金属構造物と一体化されて
いるので、第３例より更に機械的強度が向上し、且つ導
体３８を支持する誘電体３９の両端が楔状のため、セン
サ部１０ｂに及ぼす氷の浮力の影響を除去できる。

【００８４】また、上記構造のため、同軸ケーブル１
５、１６を蓄熱槽２内の構造物、例えば配管内に配線す
ることで、氷による引っ張りの影響を除去し、断線事故
を防止することが可能である。

【００８５】さらに、蓄熱槽が金属性である場合や、蓄
熱槽２内に金属構造物が既に存在している場合には、こ
れらをセンサ部１０ｂの一部に利用でき製造コスト面で
有利である。

【００８６】上記第３例（図６）および第４例（図８）
は、センサ部１０ｂの一部を氷蓄熱槽２内の構造物に置
き換えているので、複数個のセンサ部１０ｂをセンサ部
１０ｂ強度を保ちながら設置することが容易である。

【００８７】また、以上では、センサ部１０ｂを通過す
る電磁波の位相変化若しくは振幅変化を計測する場合に
用いられる伝送線路を適用した例を示した。しかし、原
理的には、２個の導体で形成される伝送線路の反射係数
を計測しても、同様の結果が得られることは明らかであ
る。この場合には、同軸ケーブル１５、１６のうち一方
はとりつけられない。また、高周波伝送線路の同軸ケー
ブルが接続されない側の端部は、反射面を確定させるた
めに、短絡されることが多い。

【００８８】短絡手段は、同軸ケーブルが接続されない
端部に、伝送線路１０２を形成する２導体の間隔を保持
する金属性の保持部材を設けることで実現できる。

【００８９】以上で説明した本発明を適用したセンサ部
１０ｂの例によれば、高周波の伝送空間が周囲の氷−溶
液混合物が存在する領域に対し開放的であり、氷分の増
加で混合物の流動性が低くなっても、伝送空間に混合物
を十分満たすことができる。さらに、センサ部１０ｂと
氷−溶液混合物との接触が、氷分濃度の多少に関わらず
常に一定となる。したがって、電気的に安定した氷分濃
度の計測が可能である。さらに、上記したセンサ部１
０ｂ部の形状によれば、浮力の影響を小さくできるセン
サ部１０ｂを得ることが出来る。氷塊の浮力によりセン
サ部１０ｂが力を受ける時、その力はセンサ部１０ｂ下
端の先端部に集中する。氷塊は、蓄熱槽内ではシャーベ
ット状で流動性はきわめて低い状態か、小さな氷片が互
いに微小面積で接合した、いわゆる“ざらめ”状で存在
するため、比較的小さな力でこれを切断することが可能
であり、センサ部１０ｂ先端に発生する応力により容易
に切断できる。この結果、センサ部１０ｂは氷の移動に
対して、氷を切断しながら自身の位置を確保することが
でき、これに必要な力が従来のセンサ部１０ｂに比べて
きわめて小さいため、比較的簡単な構造でセンサ部１０
ｂを蓄熱槽内に取り付けることができる。

【００９０】さらに、氷蓄熱槽２内にセンサ部１０ｂを
設置するとき、槽２内の金属構造物をセンサ部１０ｂの
一部に代用でき、構造が簡単で、且つ強度の高いセンサ
部１０ｂとすることが可能である。これにより、槽内に
複数のセンサ部１０ｂを取り付けることが簡単に出来
る。

【００９１】次に、本実施例の動作について、その測定
原理と共に、図２、図１２から図１６を用いて説明す
る。

【００９２】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。図２の高周波発振器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２
００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。

【００９３】高周波発振器１０８から出力される高周波
信号は、図２に示すように、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、
前記した形状および作用を有するセンサ部１０ｂにおい
て、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、高周波発振器１０
８から出力される高周波信号の他の一部は、分岐器１１
０で分岐され、基準信号として受信機１１４に送られ
る。

【００９４】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。

【００９５】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。

【００９６】次に、本実施例の動作原理について説明す
る。

【００９７】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。

【００９８】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。

【００９９】

【数１】

【０１００】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１２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。

【０１０１】高周波伝送線路内の電磁波の伝搬位相定数
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。

【０１０２】図２に示した実施例では、上記に説明した
ように、氷を含む水が伝送線路１０２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１０２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。

【０１０３】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１３を参照して
説明する。

【０１０４】図１３において、本実施例の信号処理器２
００は、受信機１１２用入力端子２０２および受信機１
１４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、２０
８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。

【０１０５】直交検波回路２１０は、前記振幅制限増幅
器２０６の出力信号を等分配する電力分配器２１２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２１４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。

【０１０６】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２３６の出力信号は、コン
ピュータシステム２５０に送られる。

【０１０７】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。

【０１０８】次に、本実施例の信号処理器２００の動作
について、図１３を用いて説明する。

【０１０９】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。

【０１１０】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。

【０１１１】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。

【０１１２】図１、図２で、分波器１１０から受信機１
１４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。

【０１１３】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。

【０１１４】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。

【０１１５】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。本
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。

【０１１６】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。

【０１１７】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１５
（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。

【０１１８】これにより、αから氷分濃度を求めること
ができる。

【０１１９】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１３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。

【０１２０】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２２４の出力Ｖ_bには、余
弦に比例した電圧となる。

【０１２１】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。

【０１２２】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。

【０１２３】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。

【０１２４】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。

【０１２５】全区間にわたる位相変化φ_Lは、

【０１２６】

【数２】

【０１２７】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。

【０１２８】 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、

【０１２９】

【数３】

【０１３０】ここで、両者の差をとると、

【０１３１】

【数４】

【０１３２】となり、φ_cは結果に影響しない。上式
を、変形すると、

【０１３３】

【数５】

【０１３４】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

【０１３５】

【数６】

【０１３６】の部分は、Ｌにわたる平均等価誘電率ａｖ
ε_Sである。

【０１３７】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。

【０１３８】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

【０１３９】

【数７】

【０１４０】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。

【０１４１】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。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。

【０１４２】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。

【０１４３】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。

【０１４４】以上の動作をフローチャートとしたもの
を、図１４に示す。

【０１４５】図１４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。

【０１４６】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。

【０１４７】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。

【０１４８】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）。

【０１４９】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。

【０１５０】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）。

【０１５１】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）。

【０１５２】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。

【０１５３】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。

【０１５４】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１５（Ｂ）
に示す。

【０１５５】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。

【０１５６】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、上記に説明したセンサ部１０ｂの伝送
線路で、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１５（Ａ）にこれを示す。

【０１５７】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。

【０１５８】図１５（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。

【０１５９】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１６を用いて説
明する。

【０１６０】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。

【０１６１】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。

【０１６２】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。

【０１６３】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。

【０１６４】本実施例では、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。

【０１６５】また、本実施例では、高周波を用いて、氷
−溶液混合物の存在する領域における位相伝搬特性を検
出しているが、本発明はこれに限らない。つまり、当該
領域の物理特性を直接または間接的に検出するために、
プローブ（センサ部１０ｂ）を当該領域に配置する氷分
濃度計測装置（例えば、音波等で密度を測定し、氷分濃
度を測定する）であれば、本発明を適用したプローブを
用いることで、氷による浮力を避けることができ、プロ
ーブの配置、固定が容易に行なうことができる。

【０１６６】また、本実施例では、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。

【０１６７】また、本実施例では、タンク２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。

【０１６８】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２０
０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。

【０１６９】

【発明の効果】本発明によれば、氷−溶液混合物が存在
する領域に配置する、氷分濃度計測装置のプローブは、
氷の浮力による影響を大きく受けない。そのため、氷分
濃度の多少に関わらず、プローブを、容易に、安定して
固定することができ、さらに、プローブに対する氷によ
る損傷も受けない。したがって、氷−水混合物が存在す
る領域における氷分濃度の直接計測が、広範囲で安定し
て行なうことができる。

【０１７０】

【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装置の一実施例の構成を
示す説明図。

【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）伝送線路の基本的構成
の一例を示す図。

【図４】本発明を適用したセンサ部の構成の第１例を示
す斜視図。

【図５】図４の例におけるセンサ部断面での電気力線分
布図。

【図６】（ａ）、（ｂ）本発明を適用したセンサ部の構
成の第３例を示す斜視図。

【図７】図６例におけるセンサ部断面での電気力線分布
図。

【図８】（ａ）、（ｂ）本発明を適用したセンサ部の構
成の第４例を示す斜視図。

【図９】図８の例におけるセンサ部断面での電気力線分
布図。

【図１０】本発明を適用したセンサ部の構成の第２例を
示す斜視図。

【図１１】本発明を適用したセンサ部の構成の他の一例
を示す斜視図。

【図１２】等価誘電率と氷分濃度との関係を示すグラ
フ。

【図１３】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１４】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１５】（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１６】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。

【図１９】図４の例のセンサ部の形状を示す側面図。

【図２０】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）本発明を適用したセ
ンサ部の再下端部の形状の例を示す側面図。

【符号の説明】

２…タンク、４…製氷機、６…被冷却系、８…熱交換
器、１０…氷分濃度計測装置、１０ａ…測定処理部、１
０ｂ…センサ部、１１…スプリンクラー、１２…システ
ム制御装置、１５、１６…同軸ケーブル、１９…電気力
線、２２、２２ａ、２３…導体、２４、２５…絶縁体、
３４…電気力線、３７、３７ａ、３８…導体、３９…誘
電体、４５…電気力線、９１、９２…絶縁体、９１ａ、
９２ａ…絶縁体の平面部、９３、９４…導体、９５、９
６…絶縁体、９７…外導体、９８…内導体、９９…中空
の導体、１００…保持部材、１０２…伝送線路、１０
４、１０６…整合回路、１０８…高周波発信器、１１０
…分岐器、１１２、１１４…受信機、１１６…中間周波
数発信器、１１８、１２２…増幅器、１２０…周波数変
換器、２０２、２０４…入力端子、２０６、２０８…振
幅制限増幅器、２１０…直交検波回路、２３０…振幅比
検出回路、２５０…コンピュータシステム、Ｐ１、Ｐ
２、Ｐ３、Ｐ４…パイプ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】氷−溶液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−溶液混合物が存在する領域に配置され、氷分濃度の
変化に応じて変化する当該領域の物理特性を検出するプ
ローブを有し、プローブは、その形状が、最下端部より鉛直上方向にお
ける予め定めた距離間で、最下端部から任意距離位置で
の水平断面積が、それよりも上方位置での水平断面積よ
りも小さいことを特徴とする氷分濃度計測装置。
【請求項２】請求項１において、前記プローブは、その
最下端部を含む鉛直平面による断面形状に、鉛直下方に
一つの頂点を持つ三角形状を含むことを特徴とする氷分
濃度計測装置。
【請求項３】請求項１において、さらに、前記プローブからの出力信号に基づいて、氷分濃度を算
出する測定処理部を有し、前記プローブは、伝送線路を有し、測定処理部は、高周波信号を発生し、伝送線路に供給する高周波発生源
と、伝送線路を伝搬した高周波信号を受信する受信機と、受信機で受信された信号を取り込んで、伝送線路での高
周波信号伝搬における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。
【請求項４】請求項３において、前記プローブは、さら
に、前記伝送線路を形成する導体の間隔を保持する、絶
縁体および導体のうちいずれか一つ以上で構成される、
一つ以上の保持部材を有し、保持部材は、それぞれ、その形状が、最下端部より鉛直
上方向における予め定めた距離間で、最下端部から任意
距離位置での水平断面積が、それよりも上方位置での水
平断面積よりも小さいことを特徴とする氷分濃度計測装
置。
【請求項５】請求項４において、前記伝送線路は、深さ方向に延出する複数の導体を有
し、前記保持部材の一つは、前記伝送線路の最下端部を覆う
とともに保持し、かつ、鉛直平面によるその断面形状に
は、鉛直最下端に頂点を有するくさび形状を含むことを
特徴とする氷分濃度計測装置。
【請求項６】請求項４において、前記保持部材は、氷−溶液混合物を溜める容器の内側
面、容器内配管、若しくは、容器内支柱の、少なくとも
一部が深さ方向に延出した金属構造物上に装着され、前記伝送線路は、前記保持部材により、金属構造物と平
行に保持される、深さ方向に延出した導体を有すること
を特徴とする氷分濃度計測装置。
【請求項７】請求項６において、前記プローブは、一端
を前記高周波発生源に接続する同軸ケーブルと、一端を
前記受信機に接続する同軸ケーブルとをさらに有し、これら２本の同軸ケーブルの外導体は、前記金属構造物
に接続され、これら２本の同軸ケーブルの中心導体は、前記伝送線路
の導体に接続されることを特徴とする氷分濃度計測装
置。