WO2022054319A1 - 混合燃料に含まれるアルコールの濃度の検出方法及び検出装置 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a method and a detection device for detecting the concentration of alcohol such as ethanol contained in a mixed fuel.
- Patent Document 1 discloses a method of immersing a capacitor in a mixed fuel containing ethanol and determining the concentration of ethanol in the mixed fuel by changing the capacity of the capacitor.
- the inspection signal is output via the resonator.
- the resonance frequency information corresponding to the resonance frequency of the frequency characteristic of the output inspection signal and the Q information corresponding to the Q value of the frequency characteristic are determined.
- the concentration of alcohol contained in the mixed fuel is determined from the resonance frequency information and the Q information.
- FIG. 1 is a schematic diagram showing a detection algorithm of ethanol concentration in a mixed fuel in the post-brain detection device according to the embodiment.
- FIG. 2 is a diagram showing the frequency characteristics of the inspection signal output from the resonator of the detection device.
- FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the real part and the frequency of the complex permittivity of the mixed fuel.
- FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the imaginary part of the complex permittivity of the mixed fuel and the frequency.
- FIG. 5 is a circuit block diagram showing an example of a circuit block of the concentration detection device according to the embodiment.
- FIG. 1 is a schematic diagram showing a detection algorithm for the concentration of ethanol contained in a mixed fuel using the concentration detection device 100.
- the concentration detection device 100 includes an oscillator 10, a resonator 20, and a signal processing unit 30.
- the oscillator 10 outputs the inspection signal Vd0.
- the inspection signal Vd0 may be a signal having a predetermined frequency and a predetermined voltage.
- the voltage of the inspection signal Vd0 is, for example, 5V.
- the resonator 20 is composed of an inductor 21 and a capacitor 22.
- the resonator 20 is, for example, a series resonance type resonance circuit including an inductor 21 and a capacitor 22 connected in series with each other. One end of the capacitor 22 may be grounded. Further, the resonator 20 may be a parallel resonance type resonance circuit including an inductor 21 and a capacitor 22 connected in parallel with each other.
- the capacitor 22 constituting the resonator 20 is composed of a pair of electrodes 22A and 22B.
- a pair of electrodes 22A and 22B are arranged in the mixed fuel 1.
- the condenser 22 is composed of electrodes 22A and 22B and a portion 1A between the electrodes 22A and 22B of the mixed fuel 1. Therefore, the capacitance of the capacitor 22 is proportional to the relative permittivity of the mixed fuel 1. That is, the resonance frequency of the resonator 20 is proportional to the relative permittivity of the mixed fuel 1.
- the mixed fuel 1 is a fuel in which a petroleum-based fuel and an alcohol are mixed.
- the mixed fuel 1 is a fuel in which gasoline, which is a petroleum-based fuel, and ethanol, which is an alcohol, are mixed. Ethanol (alcohol) is easily combined with water. Ethanol contained in the mixed fuel 1 is substantially an aqueous ethanol (alcohol) solution in which pure ethanol (pure alcohol) and water are combined.
- the petroleum-based fuel of the mixed fuel 1 may be a fuel other than gasoline such as light oil, and the alcohol may be an alcohol other than ethanol such as methanol. Gasoline and ethanol are used by the concentration detection device 100 in the embodiment. Similarly, the concentration of alcohol in the mixed fuel 1 can be detected.
- the inspection signal Vd0 is output as the inspection signal Vd1 via the resonator 20. Specifically, the inspection signal Vd0 is input to the input terminal 201 of the resonator 20, and is output as the inspection signal Vd1 from the output terminal 202 of the resonator 20.
- the inspection signal Vd1 is input to the signal processing unit 30.
- the signal processing unit 30 generates vibration frequency information corresponding to the resonance frequency of the resonator 20 and Q information corresponding to the Q value (Quality factor) from the frequency characteristics of the inspection signal Vd1.
- the signal processing unit 30 determines the amount of water contained in ethanol together with the concentration of pure ethanol from the resonance frequency information and the Q information.
- pre-specified determination information indicating the relationship between the resonance frequency, the Q value, and the water content is prepared as map data, a table, or an approximate expression.
- the signal processing unit 30 determines the amount of water contained in ethanol based on the determination information, the resonance frequency information, and the Q information.
- FIG. 2 illustrates the frequency characteristics of the inspection signal Vd1 output via the resonator 20.
- the vertical axis shows admittance and the horizontal axis shows frequency.
- the resonance frequency in the frequency characteristic refers to the frequency at which the admittance of the frequency characteristic peaks.
- the frequency characteristic A has a resonance frequency f1 and a half width HM1 from the low frequency side frequency f1L to the high frequency side frequency f1H.
- the Q value of the frequency characteristic A is represented by f1 / (f1H ⁇ f1L).
- the frequency characteristic B has a resonance frequency f2 and a half width HM2 from the low frequency side frequency f2L to the high frequency side frequency f2H.
- the Q value of the frequency characteristic B is represented by f2 / (f2H ⁇ f2L).
- the mixed fuel 1 is composed of gasoline and ethanol as described above.
- the relative permittivity of gasoline is about 2 at room temperature.
- the relative permittivity of pure ethanol is about 24 at room temperature.
- the relative permittivity of water is about 78 at room temperature. That is, when the amount of water contained in ethanol is large, the relative permittivity of the mixed fuel increases, the resonance frequency decreases, and the Q value increases. Further, when the amount of water contained in ethanol is small, the relative permittivity of the mixed fuel becomes small, the resonance frequency rises, and the Q value becomes low. That is, in FIG.
- the frequency characteristic when the water content of the mixed fuel 1 is low is the frequency characteristic A having a low Q value
- the frequency characteristic when the water content of the mixed fuel 1 is high is the frequency characteristic having a high Q value. It becomes B.
- the amount of water contained in ethanol in the mixed fuel is closely related to the frequency characteristic of the inspection signal Vd1. That is, by obtaining the relationship between the resonance frequency in the frequency characteristic of the inspection signal Vd1 and the Q value and the amount of water contained in ethanol in advance, this relationship is prepared in advance as determination information such as map data and an approximate expression.
- Ethanol easily binds to water, and the relative permittivity of the mixed fuel changes due to the binding of ethanol and water. Therefore, in the concentration detection of ethanol in the mixed fuel, the bond between ethanol and water deteriorates the accuracy of the concentration detection.
- the signal processing unit 30 determines the concentration of ethanol in the mixed fuel after obtaining the amount of water contained in ethanol, so that the detection accuracy of the ethanol concentration in the concentration detection device 100 is determined. It can be enhanced as compared with the conventional detection method based on the relative permittivity.
- the resonator 20 includes an inductor 21 and a capacitor 22, of which only the capacitor 22 is arranged in the mixed fuel 1. In other words, it is the capacitor 22 that is affected by the relative permittivity of the mixed fuel 1, and the inductor 21 is not. That is, the fluctuation of the Q value in the frequency characteristic is linked to the Q value of the capacitor.
- FIG. 3 shows the relationship between the real part and the frequency of the complex permittivity in the mixed fuel 1.
- the vertical axis shows the real part of the relative permittivity, and the horizontal axis shows the frequency.
- the line Gr indicates the real part of the complex permittivity of gasoline.
- the line Er shows the real part of the complex permittivity of pure ethanol.
- the line Wr shows the real part of the complex permittivity of water.
- the real part of the complex permittivity of gasoline shown by the line Gr does not change over the entire frequency range.
- the real part of the complex permittivity of ethanol shown by the line Er does not change significantly up to the frequency fEr which is 250 MHz, and a sharp decrease is seen when the frequency fEr is exceeded.
- the real part of the complex permittivity of water shown by the line Wr does not change significantly up to the frequency fWr which is 2 GHz, and a sharp decrease is seen when the frequency fWr is exceeded.
- FIG. 4 shows the relationship between the imaginary part of the complex permittivity and the frequency in the mixed fuel.
- the vertical axis is the relative permittivity and the horizontal axis is the frequency.
- the line Gj indicates the imaginary part of the complex permittivity of gasoline.
- the line Ej shows the imaginary part of the complex permittivity of pure ethanol.
- the line Wj indicates the imaginary part of the complex permittivity of water.
- the imaginary part of the complex permittivity of gasoline which is not occupied by the line Gj, does not change over the entire frequency range.
- the imaginary part of the complex permittivity of ethanol shown by the line Ej does not change significantly up to 5 MHz, and an increase in the complex permittivity is seen when the frequency fE1 of 5 MHz is exceeded.
- the line Ej has a maximum point PE at a frequency fPE near 1 GHz, and as the frequency increases, the line Ej changes from increasing to decreasing with the maximum point PE as a boundary.
- the line Wj does not change significantly up to the frequency fW1 of 20 MHz, and when the frequency fW1 is exceeded, an increase is seen in the real part of the complex permittivity.
- the imaginary portion of the complex permittivity of water shown by the line Wj has a maximum point PW at a frequency fPW near 20 GHz, and as the frequency increases, it changes from an increase to a decrease with the maximum point PW as a boundary.
- the change in the Q value is detected as described above. Since the Q value is defined by the ratio of the complex dielectric constant to the imaginary part of the real part, the resonance frequency in the frequency characteristics of the inspection signal Vd1 output from the resonator 20 is maximized when the complex dielectric constant changes. It is preferable to set it in a range that does not include the points PE and PW. Therefore, the frequency fW1 and fE1 in which the imaginary part of ethanol and water both start to increase is set to 20 MHz or more of the higher frequency fW1 and the frequency fPE and fPW. It is preferable to set it in the range of 1 GHz or less, which is the maximum point of ethanol having a lower frequency fPE.
- the resonance frequency in the frequency characteristics of the inspection signal Vd1 output from the resonator 20 is preferably 20 MHz or more and 250 MHz or less.
- FIG. 5 is a circuit block diagram of the concentration detection device 100. A configuration similar to the configuration described with reference to FIG. 1 will be described with the same reference numerals.
- the concentration detection device 100 has an oscillator 10, a resonator 20, and a signal processing unit 30 as basic configurations.
- a capacitor 11 and a resistor 12 are connected in series between the oscillator 10 and the input end 201 of the resonator 20.
- the other end of the resistor 13 having one grounded end is connected to the resistor 12 and the input end 201 of the resonator 20.
- the capacitor 11 functions as a DC cut that cuts the direct current (DC) component of the inspection signal Vd0 output from the oscillator 10.
- the resistors 12 and 13 function as an attenuator for adjusting the output level of the inspection signal Vd0 output from the oscillator 10.
- the resonator 20 is composed of an inductor 21, capacitors 22, 23, and a varicap diode 24.
- the inductor 21 and the capacitor 23 are connected in series with each other at a connection point N20 between the oscillator 10 and the signal processing unit 30.
- the capacitor 23 is connected to the signal processing unit 30.
- One end of the capacitor 22 is grounded, and the other end is connected to a connection point N20 to which the inductor 21 and the capacitor 23 are connected.
- the anode of the varicap diode 24 is grounded, and the cathode is connected to the capacitor 23 and the signal processing unit 30.
- a resonant circuit is composed of the inductance of the inductor 21, the capacitance of the capacitor 22, and the capacitance of the varicap diode 24.
- the capacity of the varicap diode 24 is controlled by the control voltage Vt output from the signal processing unit 30.
- the control voltage Vt the impedance on the cathode side of the varicap diode 24 is controlled according to the impedance of the capacitor 22 arranged in the mixed fuel 1. For example, if the capacity of the capacitor 22 increases due to a change in the relative permittivity of the mixed fuel 1, the control voltage Vt is controlled so as to increase the control voltage Vt so that the capacity of the varicap diode 24 becomes small. Further, when the capacity of the capacitor 22 becomes smaller due to the change in the relative permittivity of the mixed fuel, the control voltage Vt is controlled so as to reduce the control voltage Vt so that the capacity of the varicap diode 24 becomes larger.
- the oscillator 10 When the oscillator 10 outputs the inspection signal Vd1 to the signal processing unit 30 via the resonator 20, only the condenser 22 is arranged in the mixed fuel 1 in the resonator 20.
- the inductor 21, the capacitor 23, and the varicap diode 24 are arranged outside the mixed fuel 1.
- the resonance frequency of the resonator 20 is determined by the relative permittivity of the mixed fuel 1.
- the capacitor 23 cuts the DC component of the control voltage Vt.
- the signal processing unit 30 includes an analog circuit block 31 and a digital circuit block 32.
- the analog circuit block 31 includes a filter circuit unit 33 that removes noise from the control voltage Vt, and a detection circuit unit 34 that detects the inspection signal Vd1 output from the resonator 20 and outputs it to the digital circuit block 32.
- the digital circuit block 32 of the signal processing unit 30 can be realized by a processor such as a CPU, and the density and the like are calculated by a program stored in the memory.
- the filter circuit unit 33 includes a choke coil 331, a resistor 332, and a capacitor 333, 334.
- the choke coil 331 and the resistor 332 are connected in series to each other at the connection point N33 between the capacitor 23 and the digital circuit block 32.
- the resistor 332 is connected to the digital circuit block 32.
- One end of the choke coil 331 is connected to the capacitor 23.
- One end of the resistor 332 is connected to the digital circuit block 32.
- One end of the capacitor 333 is connected to the connection point N33 to which the resistor 332 and the choke coil 331 are connected, and the other end is grounded.
- One end of the capacitor 334 is connected to the resistor 332 and the digital circuit block 32, and the other end is grounded.
- the filter circuit unit 33 functions as a filter for removing high frequency noise from the control voltage Vt.
- the detection circuit unit 34 includes diodes 341 and 342, a capacitor 343, and resistors 344 and 345.
- a diode 341 and a resistor 344 are arranged in series with each other at the connection point N34 between the resonator 20 and the digital circuit block 32.
- the anode of the diode 341 is connected to the output end 202 of the resonator 20 and the cathode is connected to the resistor 344.
- the cathode of the diode 342 is connected to the output end 202 of the resonator 20 and the anode of the diode 341.
- the anode of the diode 342 is grounded and the cathode is connected to the anode of the diode 341.
- the other end of the capacitor 343 having a grounded end and the other end of the resistor 345 having a grounded end are connected to the connection point N34 to which the diode 341 and the resistor 344 are connected.
- the capacitor 343 and the resistor 345 are connected in parallel with each other.
- the capacitor 343 and the resistors 344 and 345 remove noise from the detected inspection signal and output the inspection signal Vd2 to the digital circuit block 32.
- the digital circuit block 32 includes a frequency characteristic determination unit 321, a density determination unit 322, and a memory 323.
- the inspection signal Vd2 output from the detection circuit unit 34 is input to the frequency characteristic determination unit 321.
- the frequency characteristic determination unit 321 extracts the resonance frequency of the resonator 20, which is the peak frequency of the inspection signal Vd2, and the low frequency and high frequency of the half width.
- the frequency characteristic determination unit 321 determines the Q value of the inspection signal Vd2 from the peak frequency, the low frequency side frequency, and the high frequency side frequency.
- the frequency characteristic determination unit 321 outputs the determined resonance frequency and Q value to the concentration determination unit 322 as resonance frequency information SF and Q information SQ, respectively.
- the memory 323 stores determination information indicating a predetermined relationship between the resonance frequency, the Q value, and the amount of water contained in ethanol.
- the determination information is, for example, map data, a table, or an approximate expression specified in advance.
- the concentration determination unit 322 can determine the water concentration contained in ethanol by comparing the input resonance frequency information SF and the Q information SQ with the determination information stored in the memory 323. Further, the concentration determination unit 322 determines the concentration of ethanol contained in the mixed fuel 1 from the determined water concentration of ethanol and the resonance frequency information SF, and detects the signal Vout containing the concentration information corresponding to the concentration of ethanol. Output from 100.
- the judgment information can be obtained by the following method.
- Judgment information is specified in advance by obtaining map data, a table, or an approximate expression showing the resonance frequency information and Q information corresponding to you between a plurality of known values of water concentration and a plurality of known values of alcohol. ..
- the concentration detecting device 100 may further include a temperature sensitive element 324 that detects the environmental temperature of the resonator 20 and the temperature of the mixed fuel 1 of the concentration detecting device 100.
- the dielectric constant of alcohol such as ethanol changes greatly depending on the temperature.
- the concentration determination unit 322 can correct the output signal Vout according to the detected temperature and accurately detect the concentration of alcohol in the mixed fuel 1.
- the concentration detection method in the concentration detection device of the present disclosure is particularly effective for internal combustion engine applications such as automobiles.
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Abstract
インダクタと、混合燃料の中に配置されたコンデンサとを有する共振器を準備する。共振器を介して検査信号を出力する。出力された検査信号の周波数特性の共振周波数に対応する共振周波数情報と、周波数特性のQ値に対応するQ情報を判定する。共振周波数情報とQ情報から混合燃料に含まれるアルコールの濃度を判定する。この方法により、混合燃料に含まれるアルコール濃度の検出精度を高めることができる。
Description
本開示は、混合燃料に含まれるエタノール等のアルコールの濃度の検出方法及び検出装置に関する。
特許文献1は、エタノールを含有する混合燃料の中にコンデンサを浸漬させ、コンデンサの容量変化により混合燃料中のエタノールの濃度は判定する方法を開示している。
インダクタと、混合燃料の中に配置されたコンデンサとを有する共振器を準備する。共振器を介して検査信号を出力する。出力された検査信号の周波数特性の共振周波数に対応する共振周波数情報と、周波数特性のQ値に対応するQ情報を判定する。共振周波数情報とQ情報から混合燃料に含まれるアルコールの濃度を判定する。
この方法により、混合燃料に含まれるエタノール濃度の検出精度を高めることができる。
以下では、本開示の実施の形態に係る濃度検出装置を用いた混合燃料におけるアルコール濃度の検出方法について、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される形状、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。
図1は、濃度検出装置100を用いた混合燃料に含まれるエタノールの濃度の検出アルゴリズムを示す模式図である。濃度検出装置100は、発振器10と共振器20と信号処理部30を備えている。
発振器10は、検査信号Vd0を出力する。検査信号Vd0は、所定の周波数を有する所定の電圧の信号であえる。検査信号Vd0の電圧は例えば5Vである。
共振器20は、インダクタ21とコンデンサ22とから構成される。共振器20は、例えば、互いに直列に接続されたインダクタ21とコンデンサ22よりなる直列共振型の共振回路である。コンデンサ22の一端を接地してもよい。また、共振器20は、互いに並列に接続されたインダクタ21とコンデンサ22よりなる並列共振型の共振回路であってもよい。
共振器20を構成するコンデンサ22は、一対の電極22A、22Bにより構成される。濃度検出にあたっては、一対の電極22A、22Bが混合燃料1の中に配置される。コンデンサ22は、電極22A、22Bと、混合燃料1の電極22A、22B間の部分1Aで構成されている。したがって、コンデンサ22の静電容量は混合燃料1の比誘電率に比例する。つまり、共振器20の共振周波数は混合燃料1の比誘電率に比例する。混合燃料1は、石油系燃料とアルコールを混合した燃料である。実施の形態では混合燃料1は、石油系燃料であるガソリンと、アルコールであるエタノールを混合した燃料である。エタノール(アルコール)は水と結合しやすく混合燃料1に含まれるエタノールは、実質的に純エタノール(純アルコール)と水が結合したエタノール(アルコール)水溶液である。なお、混合燃料1の石油系燃料は軽油等のガソリン以外の燃料であってもよく、アルコールはメタノール等のエタノール以外のアルコールであってもよく、実施の形態における濃度検出装置100によりガソリンとエタノール同様に混合燃料1中のアルコールの濃度を検出することができる。検査信号Vd0が共振器20を介して検査信号Vd1として出力される。詳細には検査信号Vd0は共振器20の入力端201に入力され、検査信号Vd1として共振器20の出力端202から出力される。
信号処理部30には検査信号Vd1が入力される。信号処理部30は、検査信号Vd1の周波数特性から共振器20の共振周波数に対応する振周波数情報と、Q値(Quality factor)に対応するQ情報を生成する。信号処理部30は、共振周波数情報とQ情報から、エタノールに含まれる水分量も純エタノールの濃度と共に判定する。なお、水分量の判定は、共振周波数とQ値と水分量の関係を示す予め特定された判定情報をマップデータ、テーブルまたは近似式として準備する。信号処理部30は、判定情報と共振周波数情報とQ情報とに基づき、エタノールに含まれる水分量が判定する。
図2に共振器20を介して出力された検査信号Vd1の周波数特性を例示する。図2において縦軸はアドミタンスを示し、横軸は周波数を示している。周波数特性における共振周波数とは、周波数特性のアドミタンスがピークとなる周波数を指す。図2において、周波数特性Aは、共振周波数f1を有し、低域側周波数f1Lから高域側周波数f1Hまでの半値幅HM1を有する。周波数特性AのQ値は、f1/(f1H-f1L)で表される。また、周波数特性Bは、共振周波数f2を有し、低域側周波数f2Lから高域側周波数f2Hまでの半値幅HM2を有する。周波数特性BのQ値は、f2/(f2H-f2L)で表される。
実施の形態では、混合燃料1は、上述したようにガソリンとエタノールから構成されている。ガソリンの比誘電率は常温で約2である。純粋なエタノールの比誘電率は常温で約24である。水の比誘電率は常温で約78である。つまり、エタノールに含まれる水分量が多いと混合燃料の比誘電率は大きくなり共振周波数が下がりQ値が高くなる。また、エタノールに含まれる水分量が少ないと混合燃料の比誘電率は小さくなり共振周波数が上がりQ値が低くなる。つまり、図2において、混合燃料1の水分量が少ない場合の周波数特性はQ値が低い周波数特性は周波数特性Aとなり、混合燃料1の水分量が多い場合の周波数特性はQ値が高い周波数特性Bとなる。このように、混合燃料におけるエタノールに含まれる水分量は、検査信号Vd1の周波数特性と緊密に関係している。つまり、検査信号Vd1の周波数特性における共振周波数とQ値とエタノールに含まれる水分量との関係を予め得ることで、この関係をマップデータや近似式などの判定情報として予め準備する。
エタノールは水と結合しやすく、エタノールと水との結合により混合燃料の比誘電率が変化してしまう。そのため、混合燃料におけるエタノールの濃度検出において、エタノールと水との結合が濃度検出の精度を劣化させる。
実施の形態における濃度検出装置100では、信号処理部30は、エタノールに含まれる水分量を得たうえで、混合燃料におけるエタノールの濃度を判定するため、濃度検出装置100におけるエタノール濃度の検出精度を従来の比誘電率に基づく検出方法に比べて高めることができる。
図2において、比誘電率の変化に応じてQ値が変動する理由について以下に説明する。共振器20は、インダクタ21とコンデンサ22からなり、それらのうちコンデンサ22のみが混合燃料1の中に配置される。言換えると、混合燃料1の比誘電率の影響を受けるのはコンデンサ22であり、インダクタ21は影響を受けない。つまり、周波数特性におけるQ値の変動は、コンデンサのQ値に連動する。コンデンサのQ値は、複素誘電率ε(=ε1+jε2)の実部ε1と虚部ε2により、Q=ε1/ε2で表される。
混合燃料1の複素誘電率と周波数の関係について以下に説明する。図3は、混合燃料1における複素誘電率の実部と周波数の関係を示す。縦軸は比誘電率の実部を示し、横軸は周波数を示す。線Grは、ガソリンの複素誘電率の実部を示す。線Erは、純粋なエタノールの複素誘電率の実部を示す。線Wrは、水の複素誘電率の実部を示す。線Grで示すガソリンの複素誘電率の実部は、周波数全域において変化は見られない。線Erで示すエタノールの複素誘電率の実部は、250MHzである周波数fErまでは大きな変化はなく、周波数fErを超えると急激な低下が見られる。線Wrで示す水の複素誘電率の実部は、2GHzである周波数fWrまでは大きな変化はなく、周波数fWrを超えると急激な低下が見られる。
図4は、混合燃料における複素誘電率の虚部と周波数の関係を示す。縦軸は比誘電率で横軸は周波数である。線Gjは、ガソリンの複素誘電率の虚部を示す。線Ejは、純粋なエタノールの複素誘電率の虚部を示す。線Wjは、水の複素誘電率の虚部を示す。線Gjで占めずガソリンの複素誘電率の虚部は、周波数全域において変化は見られない。線Ejで示すエタノールの複素誘電率の虚部は、5MHzまでは大きな変化はなく、5MHzの周波数fE1を超えると複素誘電率の上昇が見られる。線Ejは、1GHz近傍の周波数fPEに極大点PEを有しており、周波数が高くなるにつれて極大点PEを境に増加から減少に転じている。線Wjは、20MHzの周波数fW1までは大きな変化はなく、周波数fW1を超えると複素誘電率の実部に上昇が見られる。また、線Wjで示す水の複素誘電率の虚部は、20GHz近傍の周波数fPWに極大点PWを有しており、周波数が高くなるにつれて極大点PWを境に増加から減少に転じている。
本実施の形態における濃度検出では、上述したようにQ値の変化を検出する。Q値は、複素誘電率の実部の虚部に対する比で定義されることから、共振器20から出力される検査信号Vd1の周波数特性における共振周波数は、複素誘電率が変化することと、極大点PE、PWを含まない範囲に設定することが好ましく、したがって、エタノールと水の虚部がともに増加が始まる周波数fW1、fE1のうちより高い周波数fW1の20MHz以上とし、周波数fPE、fPWのうちのより低い周波数fPEのエタノールの極大点となる1GHz以下の範囲に設定することが好ましい。
また、複素誘電率の実部と虚部の一方が周波数の変化に対して変化せず、かつ、他方が周波数の変化に対して大きく変動することがより好ましい。したがって、共振器20から出力される検査信号Vd1の周波数特性における共振周波数は、20MHz以上かつ250MHz以下とすることが好ましい。
次に濃度検出装置100の具体例について説明する。図5は濃度検出装置100の回路ブロック図である。なお、図1で説明した構成と同様の構成については同じ符号を付して説明する。
濃度検出装置100は、上述したように、発振器10と共振器20と信号処理部30を基本構成とする。発振器10と共振器20の入力端201との間には、コンデンサ11と抵抗12が直列に接続されている。抵抗12と共振器20の入力端201とには、接地された一端を有する抵抗13の他端が接続されている。コンデンサ11は、発振器10から出力される検査信号Vd0の直流(DC)成分をカットするDCカットとして機能する。抵抗12、13は、発振器10から出力される検査信号Vd0の出力レベルを調整するアッテネータとして機能する。
共振器20は、インダクタ21とコンデンサ22、23とバラクタダイオード24で構成されている。インダクタ21とコンデンサ23は、発振器10と信号処理部30の間に接続点N20で互いに直列に接続されている。コンデンサ23は信号処理部30に接続されている。コンデンサ22の一端は接地されており、他端はインダクタ21とコンデンサ23とが接続された接続点N20に接続されている。バラクタダイオード24のアノードは接地されており、カソードはコンデンサ23と信号処理部30とに接続されている。共振器20では、インダクタ21のインダクタンスとコンデンサ22の容量とバラクタダイオード24の容量により共振回路が構成されている。
信号処理部30から出力される制御電圧Vtによりバラクタダイオード24の容量が制御される。制御電圧Vtは、バラクタダイオード24のカソード側のインピーダンスが、混合燃料1の中に配置されるコンデンサ22のインピーダンスに応じて制御される。例えば、混合燃料1の比誘電率の変化によりコンデンサ22の容量が大きくなれば、バラクタダイオード24の容量が小さくなるように制御電圧Vtを大きくするように制御電圧Vtが制御される。また、混合燃料の比誘電率の変化によりコンデンサ22の容量が小さくなれば、バラクタダイオード24の容量が大きくなるように制御電圧Vtを小さくするように制御電圧Vtが制御される。なお、発振器10が、共振器20を介して検査信号Vd1を信号処理部30に出力している時に、共振器20では、コンデンサ22のみが混合燃料1の中に配置される。発振器10が、共振器20を介して検査信号Vd1を信号処理部30に出力している時に、インダクタ21とコンデンサ23とバラクタダイオード24は、混合燃料1の外に配置される。この構成により共振器20の共振周波数は、混合燃料1の比誘電率により決定される。また、コンデンサ23は、制御電圧VtのDC成分をカットする。
信号処理部30は、アナログ回路ブロック31とデジタル回路ブロック32を備えている。アナログ回路ブロック31は、制御電圧Vtからノイズを除去するフィルタ回路部33と、共振器20から出力された検査信号Vd1を検波してデジタル回路ブロック32に出力する検波回路部34を備えている。信号処理部30のデジタル回路ブロック32は、CPU等のプロセッサで実現でき、メモリに記憶されたプログラムにより濃度等を演算で求める。
フィルタ回路部33は、チョークコイル331と抵抗332とコンデンサ333、334を備えている。チョークコイル331と抵抗332は、コンデンサ23とデジタル回路ブロック32の間に接続点N33で互いに直列に接続されている。抵抗332はデジタル回路ブロック32に接続されている。チョークコイル331の一端は、コンデンサ23に接続されている。抵抗332の一端は、デジタル回路ブロック32に接続されている。コンデンサ333の一端は抵抗332とチョークコイル331とが接続された接続点N33に接続され、他端は接地されている。コンデンサ334の一端は抵抗332とデジタル回路ブロック32とに接続され、他端は接地されている。フィルタ回路部33は、制御電圧Vtから高域ノイズを除去するフィルタとして機能する。
検波回路部34は、ダイオード341、342とコンデンサ343と抵抗344、345を備えている。共振器20とデジタル回路ブロック32の間にダイオード341と抵抗344が接続点N34で互いに直列に配置されている。ダイオード341のアノードは共振器20の出力端202に接続されカソードが抵抗344に接続されている。共振器20の出力端202とダイオード341のアノードにはダイオード342のカソードが接続されている。ダイオード342のアノードは接地されており、カソードはダイオード341のアノードに接続されている。ダイオード341と抵抗344とが接続された接続点N34には、接地された一端を有するコンデンサ343の他端と、接地された一端を有する抵抗345の他端が接続されている。コンデンサ343と抵抗345とは互いに並列に接続されている。コンデンサ343と抵抗344、345は、検波された検査信号からノイズを除去し、デジタル回路ブロック32に検査信号Vd2を出力する。
デジタル回路ブロック32は、周波数特性判定部321と濃度判定部322とメモリ323を備えている。周波数特性判定部321には、検波回路部34から出力された検査信号Vd2が入力される。周波数特性判定部321は、検査信号Vd2のピーク周波数である共振器20の共振周波数と、半値幅の低域側周波数と高域側周波数を抽出する。周波数特性判定部321は、ピーク周波数と低域側周波数と高域側周波数から検査信号Vd2のQ値を判定する。周波数特性判定部321は、判定された共振周波数とQ値をそれぞれ共振周波数情報SFとQ情報SQとして濃度判定部322に出力する。メモリ323は、共振周波数とQ値とエタノールに含まれる水分量との予め特定された関係を示す判定情報を記憶している。判定情報は、例えば、予め特定されたマップデータ、テーブルまたは近似式である。濃度判定部322は、入力された共振周波数情報SFとQ情報SQを、メモリ323に記憶された判定情報と対比することで、エタノールに含まれる水分濃度を判定することができる。また、濃度判定部322は、判定したエタノールの水分濃度と共振周波数情報SFとから混合燃料1に含まれるエタノールの濃度を判定し、エタノールの濃度に対応する濃度情報を含む信号Voutを濃度検出装置100から出力する。
具体的には判定情報は次の方法で得ことができる。複数の値の既知の濃度の水と、複数の値の既知の濃度のアルコール(エタノール)とを含有する複数種類の混合燃料について、濃度検出装置100を用いて共振器20の共振周波数とQ値を得て、居油浸周波数情報とQ情報とを得る。水の濃度の既知の複数の値とアルコールの既知の複数の値との君に対応する共振周波数情報とQ情報とを示すマップデータ、テーブルまたは近似式で求めることで、判定情報を予め特定する。
濃度検出装置100は、濃度検出装置100の特に共振器20の環境温度や混合燃料1の温度を検知する感温素子324をさらに備えていてもよい。エタノール等のアルコールは温度によって誘電率が大きく変わる。濃度判定部322は、検知された温度に応じて出力信号Voutを補正して、混合燃料1中のアルコールの濃度を正確に検出できる。
本開示の濃度検出装置における濃度検出方法は、特に自動車などの内燃機関用途において有効となる。
1 混合燃料
10 発振器
20 共振器
21 インダクタ
22 コンデンサ
30 信号処理部
100 濃度検出装置
Vd0,Vd1,Vd2 検査信号
10 発振器
20 共振器
21 インダクタ
22 コンデンサ
30 信号処理部
100 濃度検出装置
Vd0,Vd1,Vd2 検査信号
Claims (16)
- 石油系燃料とアルコールの混合燃料に含まれる前記アルコールの濃度の検出方法であって、
インダクタと、前記混合燃料の中に配置されたコンデンサとを有する共振器を準備するステップと、
前記共振器を介して検査信号を出力するステップと、
前記出力された検査信号の周波数特性の共振周波数に対応する共振周波数情報と、前記周波数特性のQ値に対応するQ情報を判定するステップと、
前記共振周波数情報と前記Q情報から前記混合燃料に含まれる前記アルコールの濃度を判定するステップと、
を含む、混合燃料に含まれるアルコールの濃度の検出方法。 - 前記石油系燃料はガソリンであり、
前記アルコールはエタノールであり、
前記インダクタと前記コンデンサは、前記共振周波数が20MHz以上かつ1GHz以下となるように設定されている、請求項1に記載の混合燃料に含まれるアルコールの濃度の検出方法。 - 前記インダクタと前記コンデンサは、前記共振周波数が20MHz以上かつ250MHz以下となるように設定されている、請求項2に記載の混合燃料に含まれるアルコールの濃度の検出方法。
- 前記インダクタと前記コンデンサは、前記アルコールの複素誘電率の虚部と水の複素誘電率の虚部とが変化する範囲に前記共振周波数があるように設定されている、請求項1に記載の混合燃料に含まれるアルコールの濃度の検出方法。
- 前記インダクタと前記コンデンサは、前記アルコールの複素誘電率の虚部と水の複素誘電率の虚部とが変化してかつ前記アルコールの前記複素誘電率の実部と水の前記複素誘電率の実部とが変化しない範囲に前記共振周波数があるように設定されている、請求項1に記載の混合燃料に含まれるアルコールの濃度の検出方法。
- 前記共振周波数情報と前記Q情報と前記エタノールに含まれる水分量との予め特定された関係を示す判定情報を得るステップをさらに含み、
前記アルコールの濃度を判定する前記ステップは、前記共振周波数情報と前記Q情報と前記判定情報とから前記混合燃料に含まれる前記アルコールの濃度を判定するステップを含む、請求項1から5のいずれか1つに記載の混合燃料に含まれるアルコールの濃度の検出方法。 - 前記コンデンサは、複数の電極と、前記混合燃料の複数の電極の間に位置する部分とで構成されている、請求項1から6のいずれか1つに記載の混合燃料に含まれるアルコールの濃度の検出方法。
- 前記共振器を準備するステップは、前記インダクタが前記混合燃料の外に位置するように前記共振器を準備するステップを含む、請求項1から7のいずれか1つに記載の混合燃料に含まれるアルコールの濃度の検出方法。
- 石油系燃料とアルコールの混合燃料に含まれる前記アルコールの濃度を検出するように構成された濃度検出装置であって、
発振器と、
前記発振器に接続された共振器と、
前記共振器に接続された信号処理部と、
を備え、
前記共振器は、インダクタと、前記混合燃料の中に配置されるように構成されたコンデンサとを有し、
前記発振器は、前記共振器を介して検査信号を前記信号処理部に出力するように構成されており、
前記信号処理部は、
前記出力された検査信号の周波数特性の共振周波数に対応する共振周波数情報と、前記周波数特性のQ値に対応するQ情報を判定し、
前記共振周波数情報と前記Q情報から前記混合燃料に含まれる前記アルコールの濃度を判定する、
ように構成されている、濃度検出装置。 - 前記石油系燃料はガソリンであり、
前記アルコールはエタノールであり、
前記インダクタと前記コンデンサは、前記共振周波数が20MHz以上かつ1GHz以下となるように設定されている、請求項9に記載の濃度検出装置。 - 前記インダクタと前記コンデンサは、前記共振周波数が20MHz以上かつ250MHz以下となるように設定されている、請求項10に記載の濃度検出装置。
- 前記インダクタと前記コンデンサは、前記アルコールの複素誘電率の虚部と水の複素誘電率の虚部とが変化する範囲に前記共振周波数があるように設定されている、請求項9に記載の濃度検出装置。
- 前記インダクタと前記コンデンサは、前記アルコールの複素誘電率の虚部と水の複素誘電率の虚部とが変化してかつ前記アルコールの前記複素誘電率の実部と水の前記複素誘電率の実部とが変化しない範囲に前記共振周波数があるように設定されている、請求項9に記載の濃度検出装置。
- 前記信号処理部は、前記共振周波数情報と前記Q情報と前記アルコールに含まれる水分量との予め特定された関係を示す判定情報と、前記共振周波数情報と、前記Q情報とから前記混合燃料に含まれる前記アルコールの濃度を判定するように構成されている、請求項9から13のいずれか1つに記載の濃度検出装置。
- 前記コンデンサは、複数の電極と、前記混合燃料の複数の電極の間に位置する部分とで構成されている、請求項9から14のいずれか1つに記載の濃度検出装置。
- 前記発振器が、前記共振器を介して検査信号を前記信号処理部に出力している時に、前記インダクタは前記混合燃料の外に配置されている、請求項9から15のいずれか1つに記載の濃度検出装置。
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- 2021-03-18 WO PCT/JP2021/011064 patent/WO2022054319A1/ja active Application Filing
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ANONYMOUS: "Learn Q Value and Frequency Characteristics ", APS SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY CONTENT MEDIA, 20 April 2017 (2017-04-20), XP055913392, Retrieved from the Internet <URL:http://www.aps-web.jp/academy/ec/191/> [retrieved on 20220419] * |
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