KR20000028714A - 마이크로파를 이용한 농도계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로파를 이용한 농도계에 관한 것으로서, 어플리케이터로부터 측정액체에 마이크로파를 송수신하여 얻은 수신신호에 기초하여 상기 측정액체 중의 측정물질의 농도값을 측정하는 마이크로파를 이용한 농도계에 있어서,
위상기준으로서 기준신호를 발생하는 클록원(源)(1)과, 클록원(1)에서의 기준신호에 동기하여 주파수(f)의 마이크로파를 발생시키는 PLL회로로 이루어지는 발진기(3)와, 클록원(1)에서의 기준신호에 동기하여 주파수(f+△f)의 마이크로파를 발생시키는 PLL회로로 이루어지는 발진기(11)와, 발진기(3)에서의 마이크로파로 측정액체를 통해 측정한 주파수(f)의 수신신호와, 발진기(11)에서의 주파수(f+△f)의 마이크로파를 혼합하는 믹서(14)와, 해당 믹서(14)에 의해 혼합된 출력과 클록원(1)에서의 기준신호와의 위상을 비교하여 위상차를 측정하는 위상차 측정부(18)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로파를 이용한 농도계{DENSIMETER USING MICROWAVE}
본 발명은 측정액체중의 고형물과 현탁물질(suspension matter)과 같이 측정물질의 농도값을 마이크로파를 이용하여 측정하는 농도계에 관한 것이다.
마이크로파를 이용한 농도계는 마이크로파의 위상이 매질인 측정액체중의 측정물질의 농도값에 거의 비례한 지연이 발생한다는 점에서 마이크로파의 위상지연을 계측하는 것에 의해 농도값을 측정하는 것이다.
이 종류의 마이크로파를 이용한 농도계는 도 1a에 나타낸 바와 같이 마이크로파 안테나인, 배관(63)에 배치된 송신용 및 수신용 어플리케이터(62, 64)와, 전자회로인 마이크로파 회로(79)와, 연산부(8)로 구성되어 있다. 발진기(55)는 주파수(f)의 마이크로파 신호(56, 57)를 발생한다. 마이크로파 신호(56)는 증폭기(58)에 의해 증폭되고, 스위치(59, 60)가 도 11에 나타낸 바와 같은 상태인 때, 송신신호(61)는 배관(63)에 배치된 송신용 어플리케이터(62)에 보내져서 측정액체(63A)가 통과하는 배관(63) 속으로 송출되고, 송신용 어플리케이터(62)에 대향하도록 배관(36)에 배치된 송신용 어플리케이터(64)에 의해 송신된다.
참조용 발진기(65)는 발진기(55)의 마이크로파 신호(56, 57)의 주파수(f)와 조금 다른 주파수(f+△f)의 참조신호(66, 67)를 발생한다. 마이크로파 신호(57)와 참조신호(66)와는 믹서(68)에 의해 혼합되고, 차의 주파수(△f)인 기준측 헤테로다인 출력(69)을 얻을 수 있고, 로 패스 필터(low-pass filter)(69A)를 통해 콤퍼레이터(comparator)(70)에 의해 전압 0을 임계값으로 하는 기준측 디지털 신호 θFB(71)로 변환되고, 위상차 측정부(72)에 보내진다.
수신용 어플리케이터(64)에 의한 수신신호(73)는 증폭기(74)에 의해 증폭되고, 해당 증폭된 수신신호(73)와 참조신호(67)는 믹서(75)에 의해 혼합되고, 차의 주파수(△f)인 측정측 헤테로다인 출력(76)을 얻을 수 있고, 로 패스 필터(76A)를 통해 콤퍼레이터(77)에 주어지고, 여기에서 측정측 디지털 신호 θREF(78)로 변환되어 위상차 측정부(72)에 보내진다.
위상차 측정부(72)는 두개의 디지털 출력 θFB(71), θREF(78)의 위상차(ΦV)를 구한다. 이 경우, 위상차(ΦV)를 구하는 방법으로서는 도 1b에 나타낸 바와 같이, 신호(θFB, θREF)의 상승 시간차를 위상차(ΦV)로서 구하고 있다.
여기에서, 점선으로 나타낸 마이크로파 회로(79)에 있어서는 회로내부의 온도변화 등에 의해 위상이 변화하여 오차의 원인이 된다. 그래서, 스위치(59, 60)를 도 1a, 도 1b와 반대측으로 전환하여 고정기준(80)을 통한 위상차(ΦR)를 계측하여 이것을 위상차(ΦV)로부터 빼는 것에 의해 전술한 오차를 보상하고 있다.
여기에서, 고정기준(80)은 마이크로파의 신호레벨을 어플리케이터(64)에서 수신되는 것과 동등한 레벨로 떨어뜨리기 위해 감쇠기(attenuator)를 이용하고 있다.
구한 위상차(Φ)는 Φ=ΦV-ΦR가 된다.
미리 새로이 기준농도에 있어서 위상차에 관한 데이터(검량선 데이터)를 구해 두면, 해당 데이터를 기초로 구한 위상차(Φ)로부터 연산부(81)에 의해 측정액체(63A)중의 측정물질의 농도값을 산출할 수 있다.
여기에서, 농도값을 D로 하면 위상차와의 관계는 하기 수학식 1과 같이, 거의 1차식이 되기 때문에, 농도값을 바꾸어 위상차를 측정하여 회귀분석을 실행하고, a와 b를 결정하면 좋다.
측정유체로서 도전성이 있는 수중(水中)에서 마이크로파의 감쇠 및 위상지연과, 측정유체의 도전율(σ), 유전율, 온도(t)의 관계는 이론적으로는 이하와 같이 된다.
각(角)주파수(ω ㎭/s)의 마이크로파의 감쇠율(α Neper/m), 위상변화율(β ㎭/m)은 수학식 2, 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
단, σ는 측정유체의 도전율,,은 측정유체의 복소비 유전율의 실부와 허부이다.
측정물질인 오물과 펄프의 농도가 바뀌면, 실효적인 유전율이 바뀌는 것을 알 수 있고, 특히 유전율 실부와 농도값과의 상관성이 높다.
상기 수학식 2, 수학식 3에서,
이면, 유전율 허부가 작고, 도전율도 작으면,
상기 수학식 4, 수학식 5에서 구한 α, β에서 감쇠량, 위상지연을 구한다. 송신전력을 P0, z방향에 진행하는 마이크로파 전력을 P로 하면,
이고, 감쇠량은 20αz/ln10dB이 된다.
또 위상지연은 β z ㎭이다.
상기한 방식에서는 위상지연을 구하여 농도값을 구한다. 상기 수학식 5에 나타낸 바와 같이의 미소변화영역에서는과 β가 비례하기 때문에, βz에서 농도값을 구할 수 있다. 또, α는 β보다도 상관도가 작기 때문에, 직접적으로는 농도측정에 사용하지 않는다.
그러나, 상기한 종래의 마이크로파를 이용한 농도계에서는 다음과 같은 문제점이 있다.
(a) 측정액체의 온도와 도전율이 변화하면, 측정액체에 의한 마이크로파의 감쇠량이 대폭 변화한다. 마이크로파가 감쇠하여 측정측 헤테로다인 출력(76)의 진폭이 작아지면, 수신신호를 콤퍼레이터(77)에 의해 디지털화할 때에 잡음과 드리프트 영향에 의해 위상차 측정에 있어서 전환의 시각이 변화하고, 결과적으로 측정오차가 된다.
(b) 상기 (a)와 같은 이유에 의해 수신신호(73)의 전력이 변화하면, 전자회로의 비직선성에 의해 위상이 변화하기 때문에, 결과적으로 측정오차가 생긴다.
(c) 전자회로의 온도 드리프트 영향을 고정기준 감쇠기에 의해 보상하고 있지만, 측정측 헤테로다인 출력(76)의 신호 레벨이 변화하면, 온도에 의한 영향이 변화하기 때문에, 완전하게는 보상할 수 없다.
(d) 농도값을 위상변화로 구하기 때문에, 수신신호(73)의 위상이 360도를 넘으면, 바르게 농도값을 구할 수 없다.
즉, 관직경이 커지거나, 측정물질이 고농도인 경우에는 위상이 360도 이상 변화하기 때문에, 위상변화로부터 농도값이 한가지로 결정되지 않는다. 연속적으로 측정을 계속하면, 예를 들어「일본 특개평 8-82606호 공보」에 나타낸 바와 같이, 전후 관계에서 회전수를 구할 수 있지만, 한번 비게 되면, 다음에 측정액체로 채워진 경우에 바른 농도값을 측정할 수 없게 된다.
(e) 회로의 배선 패턴에서의 둘러쌈과 유도에 의해 마이크로파가 측정액체 중 이외의 장소를 통해 수신되고, 결과적으로 측정오차가 생긴다.
(f) 측정액체중에 기포가 있으면, 마이크로파의 전반경로가 길어지거나, 마이크로파의 반사에 의해 복수의 경로를 통해 수신되는 등의 원인에 의해 결과적으로 측정오차가 생긴다.
(g) 측정액체의 온도와 도전율이 변화하면, 마이크로파의 위상이 변화하여 오차가 생긴다. 그 때문에, 온도 및 도전율을 구하여 보정을 실행할 필요가 있고, 예를 들면 「일본 특개평 9-43181호 공보」에 나타낸 바와 같이, 도전율을 측정하는 방법이 제안되고 있다. 그러나, 도전율 센서에는 오물이 부착되기 쉽고, 측정정밀도의 저하와 보수작업 등의 문제가 있기 때문에, 실용화가 곤란하다.
(h) 마이크로파 회로는 고가여서 장치 자체가 비싸진다.
본 발명의 목적은 상기한 문제점의 적어도 하나를 해결하는 것으로서, 측정액체 중의 측정물질의 농도값을 고정밀도로 구하는 것이 가능한 마이크로파를 이용한 농도계를 제공하는 것에 있다.
도 1a, 도 1b는 종래의 마이크로파를 이용한 농도계를 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명에 의한 마이크로파를 이용한 농도계의 제 1 실시형태를 나타낸 블록도,
도 3은 상기 제 1 실시형태의 농도계의 변형예에 있어서 위상차 측정부의 요부를 나타낸 블록도,
도 4a∼도 4c는 상기 변형예에 있어서 위상차 측정의 원리를 설명하는 파형도,
도 5는 본 발명에 의한 농도계의 제 2 실시형태를 나타낸 블록도,
도 6은 본 발명에 의한 농도계의 제 3 실시형태를 나타낸 블록도,
도 7a∼도 7c는 상기 제 3 실시형태의 농도계에 있어서 위상이 90도 다른 두개의 마이크로파를 이용하여 위상차를 측정하는 원리를 설명하는 도면,
도 8은 본 발명에 의한 농도계의 제 4 실시형태를 나타낸 블록도,
도 9a∼도 9d는 상기 제 4 실시형태의 농도계에 있어서 어플리케이터의 구성예를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명에 의한 농도계의 제 5 실시형태를 나타낸 블록도,
도 11은 본 발명에 의한 농도계의 제 6 실시형태를 나타낸 블록도 및
도 12는 본 발명에 의한 농도계의 제 7 실시형태를 나타낸 블록도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
3, 11: 발진기 5, 6: 스위치
7: 송신 어플리케이터 9: 수신 어플리케이터
10: 증폭기 18: 위상차 측정부
19: 연산부
상기 목적은 다음과 같은 마이크로파를 이용한 농도계에 의해 달성된다. 즉, 측정물질을 함유하는 측정액체가 흐르는 관에 배치하고, 상기 측정액체에 마이크로파를 송수신하는 어플리케이터와,
상기 어플리케이터로 송수신하도록 소정 주파수의 마이크로파를 발생하는 동시에, 상기 측정액체를 통과하는 마이크로파와 상기 측정액체를 통과하지 않는 마이크로파와의 위상차를 측정하는 마이크로파 회로부와,
이 마이크로파 회로부에서의 위상차에 기초하여 상기 측정액체중의 측정물질의 농도값을 연산하는 연산부로 이루어지는 마이크로파를 이용한 농도계에 있어서,
상기 마이크로파 회로부는
측정관 내를 흐르는 측정유체에 대해 송신하는 측정용 마이크로파를 발생하는 측정용 마이크로파 발생수단과,
상기 측정용 마이크로파의 주파수와 다른 주파수의 참조용 마이크로파를 발생하는 참조용 마이크로파 발생수단과,
상기 측정유체에 대해 송신한 측정용 마이크로파를 수신하여 얻은 수신신호와 상기 참조용 마이크로파를 혼합하는 마이크로파 혼합수단과,
위상기준신호를 생성하는 위상기준신호 생성수단과,
상기 마이크로파 혼합수단의 출력과 상기 위상기준신호 생성수단의 위상기준신호와의 위상을 비교하여 위상차를 측정하는 위상차 측정수단을 구비한다.
(제 1 실시형태)
도 2는 본 실시형태에 의한 마이크로파를 이용한 농도계의 구성예를 나타낸 블록도이다. 도 2에 있어서, 마이크로파 회로(100)는 클록원(1)을 갖는다. 클록원(1)은 마이크로파대보다도 낮은 주파수의 신호이다. 위상기준으로서 기준신호(θREF2)를 발생한다. 측정용 마이크로파를 발생하는 발진기(3)는 PLL회로(페이즈·록·루프회로)를 포함하는 것이고, 클록원(1)에서의 저주파의 기준신호를 PLL회로의 동기신호로서 이용하는 것에 의해 클록원(1)에서의 기준신호에 동기한 다른 주파수(f1, f2)의 마이크로파를 발생한다.
발진기(3)에서의 한쪽 마이크로파는 증폭기(4)에 의해 증폭하고, 스위치(5)와 스위치(6)가 도시상태인 경우에 송신 어플리케이터(7)에서 배관(8)내의 측정액체에 송신하여 수신 어플리케이터(9)에 의해 수신하고, 증폭기(10)에 의해 증폭하여 수신신호(12)로 한다. 참조용 마이크로파를 발생하는 발진기(11)는, 발진기(3)와 마찬가지로 PLL회로를 포함하는 것이고, 클록원(1)에서의 저주파의 기준신호를 PLL회로의 동기신호로서 이용하는 것에 의해 클록원(1)에서의 기준신호에 동기한 발진기(3)에서의 마이크로파 주파수(f1, f2)와 △f만큼 다른 주파수(f1+△f, f2+△f)의 마이크로파를 참조신호(13)로서 발생한다. 믹서(14)는 수신신호(12)와 참조신호(13)를 혼합하여 주파수(△f)의 헤테로다인 출력(15)을 얻는다.
이 헤테로다인 출력(15)은 로 패스 필터(15A)에서 불필요한 고주파를 감쇠하여 주파수(△f) 성분을 증폭한다. 콤퍼레이터(16)는 헤테로다인 출력(15)을 입력으로 하고, 측정디지털 신호 θFB(17)을 출력한다. 위상차 측정부(18)는 측정 디지털 신호(17)와 클록원(1)에서의 기준신호(2)를 비교하여 위상차를 측정하고, 위상차(Φ)를 출력한다. 연산부(19)는 위상차 측정부(18)에서의 위상차(Φ)에서 측정액체의 농도값을 산출하여 출력한다.
다음에, 이상과 같이 구성한 본 실시형태의 농도계에 있어서는 위상기준으로서, 클록원(1)에 의해 기준신호(2)를 발생하고, 이 기준신호(2)에 동기하여 두개의 마이크로파를 발생시키고, 마이크로파로 측정한 수신신호(12)와 마이크로파(13)를 혼합하고, 클록원(1)에서의 기준신호(2)와 위상비교를 하는 것에 의해 상기한 도 1a, 도 1b의 종래예에서는 마이크로파 혼합수단인 믹서가 2개 필요한 것을 1개로 삭감할 수 있다.
이것에 의해 고가인 마이크로파 소자를 생략할 수 있고, 믹싱 후의 콤퍼레이터 회로도 생략할 수 있기 때문에, 회로가 간단하게 되고, 저렴하며 신뢰성이 높아진다. 이것이 가능하게 된 것은 2개의 마이크로파 발진기(3, 11)가 마이크로파가 아닌 저주파의 클록원(1)과 완전히 동기하도록 PLL회로에 의해 제어되는 것에 의해 이 클록원(1)에서의 신호의 주파수를 기준의 주파수로서 사용할 수 있기 때문이다.
또, 위상차 측정에 이용하는 기준신호 θREF2는 측정 디지털 신호 θFB17과의 상대값을 구하기 위해 이용되고, 고정기준(20)에서 구한 기준신호 θREF2와 측정 디지털 신호 θFB17과의 상대값에서 그 절대값을 구할 수 있고, 해당 절대값과 미리 준비한 검량선 데이터와의 비교에 의해 측정유체 중의 측정물질의 농도값이 계산된다.
상기한 바와 같이 본 실시형태의 농도계에서는 위상기준으로서 클록원(1)에 의해 저주파의 기준신호(2)를 발생하고, 이 저주파의 기준신호(2)에 동기하여 두개의 마이크로파를 PLL제어에 의해 발생시키고, 한쪽 마이크로파를 측정유체에 통과하여 얻은 수신신호와 다른 쪽 마이크로파를 혼합하고, 클록원(1)에서의 기준신호(2)와 위상비교를 하는 것에 의해 회로가 간단하게 되고, 저렴하며 또한 신뢰성을 높일 수 있다.
(제 1 실시형태의 제 1 변형예)
본 변형예의 농도계에서는 도 3에 나타낸 바와 같이 위상차 측정부(18')로서 위상차의 실질적인 센터 위치에서 해당 위상차를 계산하는 센터위상계산부(18A)를 구비하고 있다. 이 센터위상계산부(18A)는 센터검출회로(18A1)와, 계산회로(18A2)로 이루어진다.
도 4a∼도 4c는 도 3의 센터위상계산부(18A)의 동작을 설명하는 도면이고, θREF는 기준신호(2)이고, θFB는 측정디지털 신호(17)이고, 상기한 종래방식에서는 상승의 시간차(Φ1)를 구한 것에 대해, 도 4a에 나타낸 바와 같이 본 변형예에서는 Φ1과 Φ2와의 평균값을 구하도록 하고 있다. 즉, 센터검출회로(18A1)는 기준신호 θREF의 상승시각에서 측정 디지털 신호 θREF의 상승시각까지의 시간차(Φ1)를 검출하고, 또 기준신호 θREF의 상승시각에서 측정 디지털 신호 θREF의 하강시각까지의 시간차(Φ2)를 검출한다. 계산회로(18A2)는 센터검출회로(18A1)에서 검출한 Φ1과 Φ2에서 평균값 Φ=(Φ1+Φ2)/2를 계산한다.
이와 같은 센터위상계산부(18A)에 의하면 다음과 같은 이점이 있다. 즉, 헤테로다인 출력(15)의 DC성분과, 드리프트와, 콤퍼레이터(16)의 임계값이 엄밀하게 0v가 아닌 등의 원인에 의해, 도 4b 및 도 4c에 나타낸 바와 같이 θFB의 "0"과 "1"의 비율이 다른 경우, 상기한 종래방식에서는 오차가 생기지만, 본 변형예의 센터 방식으로 하는 것에 의해 오차가 생기지 않고, 고정밀도로 농도값을 측정할 수 있다. 특히, 마이크로파의 감쇠가 크고, 헤테로다인 출력(15)의 진폭이 작은 경우에 효과가 크다.
상기한 바와 같이, 본 변형예의 농도계에서는 위상차를 센터 위치에서 계측하도록 하기 때문에, 측정오차가 생기지 않고, 고정밀도로 농도값을 측정하는 것이 가능하게 된다.
또, 본 예는 제 1 실시형태의 변형예로서 설명했지만, 이것에 한하지 않고 상기한 도 1a, 도 1b에 나타낸 종래예의 위상차 측정부에 대해서도 적용가능하다.
(제 1 실시형태의 제 2 변형예)
본 변형예는 도 2에 나타낸 바와 같이 발진기(3)를 주파수(f1, f2)의 마이크로파를 발생하는 것으로 하고, 참조용 발진기(11)를 주파수(f1+△f, f2+△f)의 마이크로파를 발생하는 것으로 하고, 또 위상차 측정부(18)로서는 이러한 복수의 동일 주파수차의 마이크로파에 기초하여 위상차를 측정하는 것으로 하여 이러한 것에서의 마이크로파를 전환하여 측정하고, 360도 이상의 위상차를 측정한다.
본 변형예에서는 복수의 동일 주파수차의 마이크로파를 발생하고 전환하여 측정하고, 360도 이상의 위상차를 측정하는 것에 의해 위상이 360도를 넘어 변화하는 경우에도 바른 위상변화량을 구할 수 있다. 즉, 본 예에서는 2조의 주파수(f1, f2)와, 주파수(f1+△f, f2+△f)가 발생하고, 각각의 조합에 있어서 위상차를 계측한다. 그리고, 이 두개의 위상차에서 위상변화의 회전수를 구하고, 360도를 넘는 경우의 위상변화를 구한다.
여기에서, 두개의 위상차를 Φ1, Φ2로 한다. 또, 농도값 0인 때의 위상차를 f1, f2에 대해 각각 Φ10, Φ20으로 하고, 농도값의 변화에 의해 다음과 같이 변화한다.
f1: Φ10→ Φ1+ 2πm (m은 0 또는 양의 정수)
f2: Φ20→ Φ2+ 2πn (n은 0 또는 양의 정수)
m, n은 회전수이다.
위상차의 변화량(△Φ1, △Φ2)로서는
f1, f2에 있어서 위상변화율을 β1, β2로 하면,
이다.
수학식 9의 좌변으로부터 우변을 빼서 상기 수학식 7, 수학식 8을 대입하면,
실제로는 위상차 측정값에 오차가 있기 때문에 상기 수학식 10의 좌변에 정수(m, n)를 대입하여 값이 오차의 허용값 이내가 되는 m, n의 조합을 구한다.
이 m, n에서 상기 수학식 8, 수학식 9에 의해 위상차 변화량(△Φ1, △Φ2)을 구하고, 농도값을 산출한다.
β2, β1은 상기 수학식 5로부터이 같으면 f1, f2에 같다. f1과 f2는 비교적 가까운 값(근사값?)을 취하기 때문에,은 일반적으로는 크게 변화하지 않는다.
상기한 바와 같이 본 예의 농도계에서는 마이크로파원인 발진기(3, 11)는 복수의 동일 주파수차의 마이크로파를 발생하고, 전환하여 측정하고, 360도 이상의 위상차를 측정하도록 하기 때문에, 위상이 360도를 넘어서 변화하는 경우에 상기한 "일본 특개평 8-82606호 공보"와 같은 방법을 이용하지 않아도 바른 위상변화량을 구할 수 있다.
본 예에 의해 관 지름이 커지거나, 고농도인 경우와, 관 내가 한번 비어 버리고 나서 측정액체로 채워진 경우에도 바른 농도값을 측정하는 것이 가능하게 된다.
또, 본 예는 도 1a, 도 1b에 나타낸 회로에도 적용가능하다.
(제 2 실시형태)
도 5는 본 실시형태에 의한 농도계의 구성예를 나타낸 블록도이다. 본 실시형태의 농도계에서는 송신 어플리케이터(7)에 인접하여 기준용 단자(26)를 설치하고 있다. 이 기준용 단자(26)는 도 2에 있어서 감쇠기를 이용한 고정기준(20)을 대신하여 보상용 데이터를 주는 기준용 어플리케이터(안테나)로서 기능한다.
본 실시형태에서는 수신 어플리케이터(9)에서 전자회로인 마이크로파 회로(101)의 입구까지의 거리와, 기준용 단자(26)에서 마이크로파 회로(101)의 입구까지의 거리를 거의 같게 할 수 있다. 이 때문에, 기준용 단자(26)에서 얻을 수 있는 고정 기준 데이터는 송신 어플리케이터(7)와 수신 어플리케이터(9)까지의 케이블에 의한 위상지연을 보상할 수 있다. 관련된 위상지연의 보상에 의해 온도변화에 의한 위상 변동을 제거할 수 있기 때문에, 정밀한 측정을 할 수 있다.
이에 대해 상기한 예에서는 감쇠기를 이용한 고정기준인 점에서, 케이블의 온도가 변화하면 오차가 나올 가능성이 있다. 즉, 상기한 종래예에서는 회로내부의 온도 변화 등에 의해 위상이 변화하기 때문에, 고정기준을 통한 위상차(ΦR)를 계측하여 위상차(ΦV)에서 빼는 것에 의해 위상변화를 보상하고 있다.
이에 대해 본 실시형태에서는 송신 어플리케이터(7)에 인접하여 기준용 어플리케이터(안테나)로서 기능하는 기준용 단자(26)를 설치하고, 이것에 의해 수신되는 신호를 고정기준으로 하고 있다. 그리고, 스위치(6)를 기준용 단자(26)측으로 전환하고, 고정기준을 통한 위상차(ΦR)를 계측하여 위상차(ΦV)에서 빼는 것에 의해 상기한 오차를 보상가능하게 한다.
또, 본 실시형태에서는 기준용 단자(26)로서는 송신 어플리케이터(7)에서의 전파를 단자를 통해 수신하는 어플리케이터로 했는데, 송신 어플리케이터(7)와 별개로 어플리케이터를 설치하고, 송신 어플리케이터(7)가 수신하는 전력의 일부를 해당 별개의 어플리케이터에 의해 수신하도록 해도 좋다.
상기한 바와 같이 본 실시형태의 농도계에서는 고정기준을 통한 위상차를 계측하여 보상하도록 했기 때문에, 회로내부의 온도변화 등에 의해 위상변화가 있는 경우에도 고농도로 농도값을 측정가능하게 된다.
또, 본 실시형태는 도 1a, 도 1b에 종래예의 구성에 대해서도 적용가능하다.
(제 3 실시형태)
도 6은 본 실시형태에 의한 농도계의 구성예를 나타낸 블록도이고, 도 2와 동일 부분에는 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략하고, 여기에서는 다른 부분에 대해서만 서술한다. 본 실시형태는 마이크로파 회로(102)에 있어서 앞의 예에 있어서 믹서(14) 부분을 주파수 혼합부(28)로 하고 있다. 이 주파수 혼합부(28)는 복수의 위상의 참조신호(13)를 제시하는 것이고, 본 예에서는 90도 위상이 다른 두개의 마이크로파를 생성하고, 이러한 것과 측정신호를 믹서(14)에 의해 혼합하고 있다. 이 90도 위상이 다른 두개의 마이크로파는 하이브리드(29)에 의해 생성된다. 또, 고정기준(27)은 감쇠기를 이용하고 있다.
본 실시형태의 농도계에 있어서는 헤테로다인 출력(15)을 얻기 위한 한쪽 마이크로파를 복수의 위상값으로 하여 위상차를 측정하는 것에 의해 회로의 배선 패턴으로부터의 둘러쌈과 유도가 있어도, 복수의 위상으로 계측하여 보상하기 때문에 고정밀도로 농도값을 측정할 수 있다.
또, 휴대전화 등에 이용되는 마이크로파 소자인 하이브리드(29)는 용이하게 입수가능한 점에서 90도 또는 그 정수배의 위상의 마이크로파의 발생을 용이하게 실현할 수 있다.
즉, 본 실시형태에 의한 위상계측은 도 7a, 도 7b에 나타낸 바와 같이, 90도 다른 위상의 헤테로다인 출력(θFB-I, θFB-Q)을 구하고, θFB-I과 기준신호(θRFB)와의 위상차(ΦI)와, θFB-Q와 기준신호(θRFB)와의 위상차(ΦQ)를 계측하고, 위상차 측정부(18)에서 그 평균값 Φ=(ΦI+ΦQ)/2를 구하고, 이것을 농도값 연산을 위한 위상차로서 하고 있다.
이 방식에서 측정액체를 통과한 마이크로파의 위상이 어느 기준에서 +360도까지 변화하여 실험에 의해 측정되는 위상(Φ)의 오차의 특성의 대표예를 도 7c에 나타낸다. 즉, 회로의 배선 패턴에서의 둘러쌈과 유도와 같이 고정 위상인 외란(外亂)에 의해 ΦI와 ΦQ는 사인 성분의 비직선성 오차를 갖고 있는데, 이러한 ΦI, ΦQ의 평균을 취하는 것에 의해 얻은 위상(Φ)은 오차가 상쇄되어 위상(Φ)은 직선성이 좋아진다.
또, 본 실시형태에서는 90도 다른 두개의 위상을 이용했는데, 이 이외에 180도 다른 2개의 계측, 또는 0°, 90°, 180°, 270°의 4개의 계측을 실행하도록 할 수도 있다.
또, 본 실시형태에서는 참조신호의 위상을 변화시켰는데, 수신신호의 위상을 변화시키는 방식 또는 믹서를 2개 설치하여 한쪽은 0°, 다른 쪽은 90°로 2조의 회로를 설치하도록 할 수도 있다.
상기한 바와 같이 본 실시형태의 농도계에서는 복수의 위상에서 계측하여 보상하도록 했기 때문에, 회로의 배선 패턴에서의 둘러쌈과 유도가 있어도, 고정밀도로 농도값을 측정하는 것이 가능하게 된다. 이것은 특히 수신되는 마이크로파의 전력이 작은 경우에 효과가 크다.
또, 90도, 또는 그 정수배의 위상을 만들도록 하기 때문에, 하이브리드(29)에 의해 용이하게 회로를 실현하는 것이 가능해진다.
(제 4 실시형태)
도 8은 본 실시형태에 의한 농도계의 구성예를 나타낸 블록도이고, 송신 어플리케이터(30)는 직선편파 또는 원편파의 마이크로파를 송출하는 기능을 갖는다. 또 수신 어플리케이터(31)에는 제 2 단자(32)를 설치하고, 스위치(33)를 도 8에 나타낸 상태에서 제 2 단자(32)쪽으로 전환하고, 송신측이 직선편파인 경우는 송신 마이크로파와 동상(同相)의 마이크로파와 해당 동상의 마이크로파에 직각의 마이크로파를 수신하고, 한편, 송신측이 원편파인 경우에는 송신 마이크로파와 동일 회전방향의 마이크로파와, 송신 마이크로파와 역회전 방향의 마이크로파를 수신하도록 한다. 마이크로파 회로(103)는 실질적으로 도 1a, 도 1b와 같다.
매질이 측정액체인 경우, 측정액체 중에 기포가 있으면, 이것에 마이크로파가 반사되어 편파면의방향과 회전방향이 변화한다. 이 다중반사된 마이크로파를 제 2 단자(32)에 의해 수신한다.
여기에서, 다중반사된 마이크로파의 양은 기포의 양과 정(正)의 상관이 있는 것에서 연산부(19)에서 두개의 신호로부터 기포의 양을 계산하여 위상계측값을 보정한다.
다음에, 이상과 같이 구성된 본 실시형태의 농도계에 있어서는 송출하는 마이크로파를 직선편파 또는 원편파로 하고, 수신하는 마이크로파는 송신측이 직선편파인 경우는 동상과 이것에 직각인 마이크로파를 수신하고, 또 송신측이 원편파인 경우는 동일 회전방향 및 역회전 방향의 마이크로파를 검출하도록 하고, 또 두개의 신호로부터 기포의 양을 계산하고 위상계측값을 보정하는 것에 의해 측정액체 중에 기포가 있는 경우에도 기포의 양을 측정하여 그 영향을 보상하기 때문에 고정밀도로 농도값을 측정할 수 있다.
즉, 직선편파 및 원편파인 경우, 반사의 양을 수신 어플리케이터(31)의 제 2 단자(32)에서 검출되는 마이크로파의 강도로서 측정할 수 있다. 또, 새로 기포의 양과 수신되는 마이크로파의 강도 및 위상변화의 특성을 구해 두면, 기포의 양을 측정하여 위상으로의 영향은 보상가능하게 된다.
이하, 관련된 점에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 즉, 송신 어플리케이터(30)와 수신 어플리케이터(31)에는 공통부분이 있고, 그 기본적인 구성을 도 9a에 나타낸다. 도 9a에 있어서, 기판(34)은 유전체로 이루어져 있다. 패턴(35)은 바깥쪽의 정방형 베타 패턴이고, 박막형상의 금속이다. 1변의 길이는 λ/2(λ는 사용하는 마이크로파의 파장)인데, 기판(34) 상이기 때문에, λ는 진공중의 파장에 비하면로 단축된다. 또, 패턴(35)에는 단자(36) 및 단자(37)가 설치되어 있다.
여기에서, 단자(36)는 패턴(35) 중심 하에서 중심으로부터 변까지의 거리의 약 1/3의 위치에 있다. 또, 단자(37)는 패턴(35) 중심 오른쪽으로부터, 중심에서 변까지의 거리의 약 1/3의 위치에 있다.
패턴(38)은 뒤쪽의 베타 그라운드 패턴(이것도 박막형상의 금속)이고, 단자(36) 및 단자(37)의 리드를 통과하는 곳만 구멍이 열려 있다.
송신 어플리케이터(30)와 수신 어플리케이터(31)는 단자(36)와 단자(37)가 바르게 서로 마주보도록(어플리케이터 중심과 단자(36)를 잇는 선끼리가 평행이다) 설치되어 있다.
송신 어플리케이터(30)로부터 직선편파를 송출하는 경우에는 단자(37)는 설치하지 않고, 단자(36)에만 급전하면 좋다. 또, 송신 어플리케이터(30)로부터 원편파를 송출하는 경우에는 도 9b에 나타낸 바와 같이, 송신 마이크로파(39)로부터 하이브리드(40)로 마이크로파(41)와, 90도 위상이 다른 마이크로파(42)를 만들고, 마이크로파(41)를 단자(36), 마이크로파(42)를 단자(37)에 급전한다. 또, 하이브리드(40)에는 4개의 단자가 있지만, 나머지 하나는 종단저항(43)으로 종단된다.
직선편파를 이용한 경우에는 측정액체 중의 물체에 반사하여 수신되는 마이크로파의 편파면은 송신 마이크로파와는 다르다. 수신 어플리케이터(31)에서는 단자(36)에서는 송신 마이크로파와 동일 편파면의 성분, 단자(37)에서는 송신 마이크로파와 직교하는 편파면의 성분이 각각 수신된다. 이 경우에는 단자(37)가 제 2 단자(32)에 상당한다.
원편파를 이용한 경우에는 측정액체중의 물체에 반사하여 수신되는 원편파의 마이크로파의 회전방향은 송신 마이크로파와는 반대방향으로 되어 있다. 즉, 도 9c에 나타낸 바와 같이, 수신 어플리케이터(31)에서는 단자(36) 및 단자(37)에서 수신한 마이크로파를 하이브리드(44)에 넣어서 합성한다. 또, 도면 상의 회전방향을 바꾸지 않기 때문에, 도 9c는 투시도로서 나타내고 있다.
여기에서, 송신측에서 도 9b에 나타낸 바와 같이 단자(37)로, 단자(36)에 대해 90도 위상이 지연되는 마이크로파를 급전하면, 송신 마이크로파와 동일 회전방향의 파를 수신하면, 단자(37)측이 단자(36)측에 대해 90도 위상이 지연된다. 역회전방향의 파인 경우에는 수신하면 단자(36)측이 단자(37)측에 대해 90도 위상이 지연된다.
따라서, 하이브리드(44)에서 합성하면, 단자(45)의 출력은 송신 마이크로파와 동일 회전방향의 파이면, 위상이 맞기 위한 두개의 입력을 강화하지만, 역회전 방향의 파라면, 위상이 180도 다르기 때문에 상쇄되고, 송신 마이크로파와 동일 회전방향의 파만이 출력된다.
또, 반대로, 단자(46)에서는 송신 마이크로파와 역회전 방향의 파만이 강하게 출력된다. 이 경우에는 단자(46)가 제 2 단자(32)에 상당한다.
상기한 바와 같이, 본 실시형태의 마이크로파를 이용한 농도계에서는 기포의 양을 측정하여 그 영향을 보상하도록 했기 때문에, 측정액체 중에 기포가 있는 경우에도 고정밀도로 측정값을 측정하는 것이 가능하게 된다.
(제 5 실시형태)
도 10은 본 실시형태에 의한 마이크로파를 이용한 농도계의 구성예를 나타낸 블록도이고, 도 4a∼도 4c와 동일 부분에는 동일 부호를 붙여서 그 설명을 생략하고, 여기에서는 다른 부분에 대해서만 서술한다. 본 실시형태의 마이크로파 회로(104)에서는 헤테로다인 출력(15)을 가변 게인 증폭기(47)에 의해 제어하는 것이고, 전압측정부(48)에 의해 헤테로다인 출력(15)의 전압을 측정하고, 해당 측정값에 기초하여 가변 게인 증폭기(47)의 게인을 제어하고, 측정측 헤테로다인 출력(15)의 진폭 레벨을 일정하게 한다.
본 실시형태의 농도계에 있어서는 가변 게인 증폭기(47)에 의해 출력의 진폭을 일정하게 하는 것에 의해 측정액체의 온도와 도전율에 의해 마이크로파의 감쇠가 큰 경우에도 진폭의 변화에 의해 콤퍼레이터(16)의 전환 시각이 변화하는 것에 의한 오차가 생기지 않는다.
또, 측정신호 레벨이 작은 경우에는 신호를 증폭하여 잡음에 대한 SN비를 개선할 수 있기 때문에, 고정밀도로 농도값을 측정할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 실시형태의 농도계에서는 혼합한 신호의 레벨을 일정하게 되도록 제어하고 있기 때문에, 측정액체의 온도와 도전율에 의해 마이크로파의 감쇠가 큰 경우에도 오차가 생기지 않고, 또 측정신호 레벨이 작은 경우에는 신호를 증폭하여 잡음에 대한 SN비를 개선할 수 있기 때문에, 고정밀도로 농도값을 측정하는 것이 가능하게 된다.
(제 6 실시형태)
도 11은 본 실시형태에 의한 마이크로파를 이용한 농도계의 구성예를 나타낸 블록도이고, 도 4a∼도 4c와 동일 부분에는 동일 부호를 붙여서 그 설명을 생략하고, 여기에서는 다른 부분에 대해서만 서술한다. 즉, 마이크로파 회로(49)는 하나의 케이스체(49')내에 담겨 있다. 해당 케이스체(49')에 케이스체 온도계(50)가 설치되어 있고, 해당 케이스체 온도계(50)에 의해 케이스체 온도를 측정하고, 이 케이스체 온도가 일정 값 이하인 경우에는 케이스체(49')에 설치한 히터제어회로(51) 및 히터(52)에 의해 케이스체 온도를 일정값이 되도록 제어한다.
또, 마이크로파 회로(49)의 내부 발열과 환경온도에 의해 회로온도가 일정값 이상이 된 경우에는 새로 설정한 보정값에 의해 연산부(19)에서 계측값의 보정을 실행하도록 한다.
본 실시형태의 농도계에 있어서는 회로온도를 일정하게 제어 또는 보정하는 것에 의해 주위의 온도가 변화해도 회로온도 변화에 의한 위상변화를 방지하여 고정밀도로 농도값을 측정할 수 있다.
또, 전원투입시의 온도가 낮은 상태로부터 빠르게 안정된 상태가 될 수 있다.
또, 온도가 올라간 때에 냉각을 실행하는 것은 회로가 복잡하게 되고, 제어가 간단하지 않고, 냉각용의 부품 비용이 비싸지지만, 연산부(19)에서 계측값을 보정하는 것에 의해 회로를 간단하고 저렴하게 할 수 있다.
(제 7 실시형태)
도 12는 본 실시형태에 의한 마이크로파를 이용한 농도계의 구성예를 나타낸 블록도이고, 도 10과 동일 부분에는 동일 부호를 붙여서 그 설명을 생략하며, 여기에서는 다른 부분에 대해서만 서술한다. 본 실시형태의 마이크로파 회로(105)는 전압측정부(48)에 의해 측정한 신호 레벨과 온도계(53)에 의해 계측한 측정액체의 온도로부터, 측정액체의 온도, 신호 레벨에 의한 위상변화를 보정하여 농도값을 산출하도록 한다.
또, 신호 레벨과 피측정물의 온도로부터 측정액체의 도전율과, 위상의 보정값을 산출하고, 도전율에 의한 위상변화를 보정하여 농도값을 산출하도록 한다.
여기에서, 보정연산을 포함하는 위상계산은 변수가 많고, 그러한 것과 위상의 관계는 간단하게는 수식화될 수 없는 점에서 보정값 연산수단인 뉴럴 네트워크(54)에 의해 실현한다. 이 뉴럴 네트워크(54)의 학습기능에 의해 각 변수와 실제의 농도값 및 온도 등을 실제의 측정으로 설정하여 학습시키고, 보정연산과 위상연산을 실행한다.
본 실시형태의 농도계에 있어서는 수신한 신호의 레벨, 측정액체의 온도로부터 측정액체의 도전율과 위상의 보정값을 연산하는 것에 의해 측정액체의 온도와 도전율에 의해 마이크로파의 감쇠가 큰 경우와, 측정액체의 온도에 의해 마이크로파의 위상이 변화하는 경우에도 고정밀도로 농도값을 측정할 수 있다.
즉, 예를 들면 염분 등이 혼입하여 측정액체의 도전율이 변화한 경우에는 상기 수학식 2, 수학식 4에 나타낸 바와 같이 감쇠율(α)이 크게 변화한다.
한편, 측정액체의 온도가 변화하면, 비도전율()의 변화가 있기 때문에, 온도를 계측하여 미리 정해진 보정을 실행하는 것에 의해 농도보정을 한다.
위상차(△θ)는
단,
θ2: 측정액체의 위상
θ1: 기준수(基準水)의 측정시 위상
k: 액온 보정계수
T: 액온
T0: 기준 수온
γ: 도전율 보정계수
E: 측정물질의 감쇠량
E0: 기준수의 감쇠량
농도값(X)은
단, a는 비례정수, b는 바이어스이다.
도전율의 변화는 상기한 바와 같이 감쇠율(α)이 크게 변화한다.의 변화의 영향도 있기 때문에 수학식 11의 γ를의 변화에 의해 테이블을 만들어 선택한다.
이것에 의해 수학식 11에 의해 △θ를 구하고, 수학식 12에 의해 새로 구할 수 있는 a, b에 의해 농도값을 계산한다.
또, 상기 보정값의 연산을 뉴럴 네트워크(54)에서 실행하는 것에 의해 보정연산을 용이하게 실현할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 실시형태의 마이크로파를 이용한 농도계에서는 측정액체의 온도, 도전율, 신호 레벨의 변화에 의한 위상변화를 보정하기 때문에, 측정액체의 온도와 도전율에 의해 마이크로파의 감쇠가 큰 경우와, 측정액체의 온도에 의해 마이크로파의 위상이 변화하는 경우에도 고정밀도로 농도값을 측정하는 것이 가능하게 된다.
또, 뉴럴 네트워크(54)에 의해 보정값을 연산하도록 하기 때문에, 보정연산을 용이하게 실현하는 것이 가능해진다.
또, 상기한 각 실시형태 이외에도 복수의 각 실시형태를 적정 조합시키는 것에 의해 보다 한층 고성능의 마이크로파를 이용한 농도계를 실현하는 것이 가능하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 농도계에 의하면 측정액체의 온도 및 도전율의 변화, 장치내의 온도변화, 마이크로파의 둘러쌈과 유도, 기포의 발생 등이 있는 경우와, 두꺼운 배관의 경우에도 측정액체 중의 고형물 또는 현탁물질과 같은 측정물질의 농도값을 고정밀도로 구하는 것이 가능하게 된다.

Claims (9)

  1. 측정물질을 함유하는 측정액체가 흐르는 관에 배치하고, 상기 측정액체에 마이크로파를 송수신하는 어플리케이터와, 상기 어플리케이터로 송수신하도록 소정 주파수의 마이크로파를 발생하는 동시에, 상기 측정액체를 통과하는 마이크로파와 상기 측정액체를 통과하지 않은 마이크로파와의 위상차를 측정하는 마이크로파 회로부와, 이 마이크로파 회로부에서의 위상차에 기초하여 상기 측정액체 중의 상기 측정물질의 농도값을 연산하는 연산부로 이루어진 마이크로파를 이용한 농도계에 있어서,
    상기 마이크로파 회로부는
    측정관 내를 흐르는 측정유체에 대해 송신하는 측정용 마이크로파를 발생하는 측정용 마이크로파 발생수단과,
    상기 측정용 마이크로파의 주파수와 다른 주파수의 참조용 마이크로파를 발생하는 참조용 마이크로파 발생수단과,
    상기 측정유체에 대해 송신한 측정용 마이크로파를 수신하여 얻은 수신신호와 상기 참조용 마이크로파를 혼합하는 마이크로파 혼합수단과,
    위상기준신호를 생성하는 위상기준신호 생성수단과,
    상기 마이크로파 혼합수단의 출력과 상기 위상기준신호 생성수단의 위상기준신호와의 위상을 비교하여 위상차를 측정하는 위상차 측정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 농도계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상기준신호 생성수단은 상기 측정용 마이크로파 발생수단 및 상기 참조용 마이크로파 발생수단에 대해 마이크로파가 발생할 때의 기준신호로서 상기 위상기준신호를 주는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 농도계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정용 마이크로파 발생수단 및 상기 참조용 마이크로파 발생수단 각각은 상기 위상기준신호 생성수단에서의 위상기준신호에 동기하여 마이크로파를 발생하기 위한 페이즈 록 루프회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 농도계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상차 측정수단은 상기 마이크로파 혼합수단의 출력의 상승과 상기 위상기준신호 생성수단의 위상기준신호의 상승 사이의 위상(Φ1)과, 상기 마이크로파 혼합수단의 출력의 상승과 상기 위상기준신호 생성수단의 위상기준신호의 하강 사이의 위상(Φ2)을 구하고, 상기 위상차로서 (Φ1+Φ2)/2를 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 농도계.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정용 및 참조용 마이크로파 발생수단은 복수의 다른 주파수의 측정용 및 참조용 마이크로파를 발생하는 수단을 구비하고,
    상기 위상차 측정수단은 상기 측정용 및 참조용 마이크로파 발생수단에서 발생하는 다른 주파수의 측정용 및 참조용 마이크로파에 따라 위상차를 측정하는 것에 의해 360°이상의 위상차를 측정하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 농도계.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 어플리케이터부는 송신용 어플리케이터와, 수신용 어플리케이터와, 상기 송신용 어플리케이터에 근접하여 배치되는 기준용 어플리케이터로 이루어지고, 상기 송신용 어플리케이터로부터 송신되는 송신용 마이크로파를 상기 기준용 어플리케이터로 수신하고, 해당 수신신호를 위상차의 오차보상에 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 농도계.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 참조용 마이크로파 발생수단은 다른 위상의 복수의 참조용 마이크로파를 발생하는 수단을 구비하고,
    상기 마이크로파 혼합수단은 상기 측정유체에 대해 송신한 측정용 마이크로파를 수신하여 얻은 수신신호와 상기 다른 위상의 복수의 참조용 마이크로파를 각각 혼합하는 수단을 구비하고,
    상기 위상차 측정수단은 상기 다른 위상의 복수의 참조용 마이크로파에 기초한 복수의 상기 마이크로파 혼합수단의 출력과 상기 위상기준신호 생성수단의 위상기준신호와의 위상을 비교하여 위상차를 측정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 농도계.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 참조용 마이크로파 발생수단은 위상이 서로 소정 각도 다른 복수의 마이크로파를 발생하는 마이크로파 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 농도계.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소자는 하이브리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 농도계.
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