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

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 Download PDF

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alcohol
mixed fuel
resonance frequency
capacitor
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順一 善積
健志 福田
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance

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

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
　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。
特開２０１７－１１６３３３号公報
　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。
図１は、実施の形態に係る脳後検出装置での混合燃料中のエタノール濃度の検出アルゴリズムを示す模式図である。 図２は、検出装置の共振器から出力された検査信号の周波数特性を示す図である。 図３は、混合燃料の複素誘電率の実部と周波数の関係を示す図である。 図４は、混合燃料の複素誘電率の虚部と周波数の関係を示す図である。 図５は、実施の形態に係る濃度検出装置の回路ブロックの一例を示す回路ブロック図である。
　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

Claims (16)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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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