(57)【要約】【課題】本発明は、新たな受信アンテナや、送受信アンテナ周辺部を覆う恒温制御部を設けることなく、液温の急変があっても測定誤差を軽減することが可能なマイクロ波濃度計、及びその液温補正方法を提供することを目的とする。【解決手段】被測定液体の濃度を測定するマイクロ波式の濃度計であって、前記被測定液体の液温ｔ２を測定し、予め測定しておいた被測定物質を含まない前記液体の液温ｔ１との温度差Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）に基づき前記位相差Δθを補正する液温補正値を求め、さらに、前記送受信アンテナのいずれかのアンテナ温度ｔａを測定し、前記液温ｔ２と当該アンテナ温度ｔａとの温度差を求めて前記位相差を補正する液温・アンテナ温度差補正値を求め、前記液温補正値と前記液温・アンテナ温度差補正値とから前記位相差Δθを補正し、前記被測定液体の濃度を求める温度補正演算部を供えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物質を含む被測定液体の流れる配管又は前記被測定液体を収納した容器を介して対向配置されたマイクロ波の送受信アンテナと、この送信アンテナから発射され前記被測定液体を通過し前記受信アンテナにて受信されたマイクロ波の位相遅れθ２と、予め前記被測定物質を含まない液体を用いて測定しておいた位相遅れθ１との位相差Δθ（Δθ＝θ２−θ１）を求めることにより前記被測定液体の濃度を測定するマイクロ波式の濃度計であって、
前記被測定液体の液温ｔ２を測定し、予め測定しておいた被測定物質を含まない前記液体の液温ｔ１との温度差Δｔ（ｔ２−ｔ１）に基づき前記位相差Δθを補正する液温補正値を求め、さらに、前記送受信アンテナのいずれかのアンテナ温度ｔａを測定し、前記液温ｔ２と当該アンテナ温度ｔａとの温度差を求めて前記位相差を補正する液温・アンテナ温度差補正値を求め、前記液温補正値と前記液温・アンテナ温度差補正値とから前記位相差Δθを補正し、前記被測定液体の濃度を求める温度補正演算部を供えたことを特徴とするマイクロ波式濃度計。
【請求項２】
前記配管は金属で成形され、該配管の管軸と直交する管壁面の対向する位置には、前記送受信アンテナを取り付ける開口部を備え、
前記送受信アンテナは、セラミックス等の絶縁体の板に設けられるアンテナと、前記配管の前記開口部で前記被測定液体に接液するように外壁側から挿入して当該配管に固定される合成樹脂部材と、当該開口部の外壁に固定され、該外壁側から前記アンテナを固定する金属から成るアンテナ固定部材とから成り、
当該アンテナ固定部材または前記合成樹脂部材は、前記合成樹脂部材と前記アンテナが周囲温度の変化による変形と前記合成樹脂部材が前記被測定流体の圧力による変形とが同時に、または、夫々が個別に発生しても、当該アンテナと当該合成樹脂部材とが接触しない隙間を確保できるように夫々の厚さを成形し、
いずれかの前記アンテナ固定部材には、当該アンテナ固定部材に密着して設けられるアンテナ温度センサを備えた請求項１に記載のマイクロ波式濃度計。
【請求項３】
前記アンテナ固定部材にはメネジ部を備え、前記アンテナ温度センサは、測温抵抗体とその保護管とからなり、該保護管の先端部に前記メネジ部に嵌合するオネジ部を備え、前記オネジ部の内部に前記測温抵抗体の感温部を密着させ、前記メネジ部に前記保護管６ａのオネジ部をねじ込みしたことを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波式濃度計。
【請求項４】
前記温度補正演算部は、前記被測定液体を予め定められる第1の液温として、予め求められた前記液温補正値を使用して液温補正演算を実行し、
その後、前記被測定液体を第２の液温に急変させた時の濃度の測定誤差と、当該被測定液体の液温と前記送受信アンテナの温度との温度差との応答関係を一次式で直線近似して当該一次式の傾きを求めて液温・アンテナ温度差補正値としてテーブル化したことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波式濃度計。
【請求項５】
被測定物質を含む被測定液体の流れる配管又は前記液体を収納した容器を介して対向配置されたマイクロ波の送受信アンテナと、この送信アンテナから発射され前記被測定液体を通過し前記受信アンテナにて受信されたマイクロ波の位相遅れθ２と、予め前記被測定物質を含まない液体を用いて測定しておいた位相遅れθ１との位相差Δθ（Δθ＝θ２−θ１）を求めることにより前記被測定液体の濃度を測定するマイクロ波式の濃度計において、前記被測定液体の液温が急変した場合の液温補正方法であって、
前記被測定液体の液温ｔ２を測定し、予め測定しておいた被測定物質を含まない前記液体の液温ｔ１との温度差Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）に基づき前記位相差Δθを補正する液温補正値を求める第１のステップと、
前記送受信アンテナのいずれかのアンテナ温度ｔａを測定し、前記液温ｔ２と当該アンテナ温度ｔａとの温度差を求めて前記位相差を補正する液温・アンテナ温度差補正値を求める第２のステップと、
前記液温補正値と前記液温・アンテナ温度差補正値とから前記位相差Δθを補正し、前記被測定液体の濃度を求める第３のステップとから成るマイクロ波式濃度の液温補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波の伝播時間遅れに基づいて、被測定液体の濃度を測定するマイクロ波式濃度計、及びその液温補正方法に係り、特に、被測定液体の液温が急変した場合の濃度の測定誤差を軽減したマイクロ波式濃度計、及びその液温補正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物質を含む被測定液体の流れる配管又は被測定液体を収納した容器を介して対向配置されたマイクロ波の送受信器を備え、この送信器から発射され被測定液体を通過し受信器にて受信されたマイクロ波の位相遅れθ２と、予め被測定物質を含まない液体を用いて測定しておいた位相遅れθ１との位相差Δθを求めることにより被測定液体の濃度を測定する、マイクロ波式濃度計がある。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このようなマイクロ波式濃度計は、被測定液体の誘電率が温度によって変化し、位相差△θに影響を与えることから、液温を測定して位相差Δθを補正する液温補正が行なわれている。
【０００４】
この液温補正は、予め液温を測定して記憶しておいた被測定物質を含まない濃度ゼロの基準液体の温度ｔｗと被測定液体の測定時の温度ｔｓとの温度差Δｔ（＝ｔｓ−ｔｗ）と、位相差補正値Δθεとの関係を予め求めておき、位相差Δθと位相差補正値Δθεとの差Δθｔ
Δθｔ＝Δθ−Δθε
を求め、この補正された位相差Δθｔと濃度との関係を予め検量線として求めておき、被測定液体の濃度を求める様にしている。
【０００５】
この検量線は、被測定液体の濃度が高い場合や、濃度ゼロの基準液体との液温差が大きい場合には、ゼロ点の平行移動だけの補正では不充分であることから温度に応じて誘電率が変化する被測定用液体に対し、検量線をある幅の温度範囲で分割して、その分割された範囲において所定の直線関係で近似した検量線の傾きや、検量線の切片を補正する方法がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
また、最近では、被測定用液体の液温が急変した場合、基準位相Δθ１を求める基準系経路の周囲温度と被測定液体の位相Δθ２を求める測定系経路の被測定用液体の液温とに温度差が発生した場合に、送信アンテナ、受信アンテナの温度応答特性の相違、及び、送受信アンテナ自身の温度ドリフトによって、マイクロ波の伝播速度が変動し測定誤差が発生する問題がある。
【０００７】
さらに、受信アンテナ、送信アンテナの温度時定数は、測温抵抗体等の小熱容量金属の時定数と異なり、セラミックスなどの熱伝導率の低い誘電体で構成されるため、通常、数分〜６０分程度の時定数を有するので、液温が急変すると測定誤差が長時間発生する問題がある。
【０００８】
そこで、送信アンテナからのマイクロ波の伝播距離が異なる２台の受信アンテナへの伝播位相差を求めて、送信アンテナ及び受信アンテナ間での温度変化によるマイクロ波の伝播速度の変動を除去して濃度を測定するようにしたマイクロ波式濃度計がある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００９】
また、送受信アンテナ、及び基準経路及び測定経路を含む装置の容器または配管を含む周囲を断熱材質のカバー部材により囲み、この部材の内側に設けられた温度センサにより周囲温度を測定し、該温度センサにより測定された温度測定値に基づいて、カバー部材内側の温度を一定値に調整するための発熱体または吸熱体を制御するようにしたマイクロ波式濃度計が開示されている（例えば、特許文献４。）。
【特許文献１】特許第２９６５７１２号公報
【特許文献２】特開２００１−２４２０９９号公報
【特許文献３】特開２００５−８３８２１号公報
【特許文献４】特開２００６−１８４２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献３に開示されたマイクロ波式濃度計の構成では、新たにもう１つの受信アンテナを備えることが必要となる問題がある。また、特許文献４で開示された方法では、周囲温度を一定に制御する恒温制御部が必要となる問題がある。
【００１１】
本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたもので、新たな受信アンテナや、送受信アンテナ周辺部を覆う恒温制御部を設けることなく、液温の急変があっても測定誤差を軽減することが可能なマイクロ波濃度計、及びその液温補正方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明のマイクロ波式濃度計は、被測定物質を含む被測定液体の流れる配管又は前記被測定液体を収納した容器を介して対向配置されたマイクロ波の送受信アンテナと、この送信アンテナから発射され前記被測定液体を通過し前記受信アンテナにて受信されたマイクロ波の位相遅れθ２と、予め前記被測定物質を含まない液体を用いて測定しておいた位相遅れθ１との位相差Δθ（Δθ＝θ２−θ１）を求めることにより前記被測定液体の濃度を測定するマイクロ波式の濃度計であって、前記被測定液体の液温ｔ２を測定し、予め測定しておいた被測定物質を含まない前記液体の液温ｔ１との温度差Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）に基づき前記位相差Δθを補正する液温補正値を求め、さらに、前記送受信アンテナのいずれかのアンテナ温度ｔａを測定し、前記液温ｔ２と当該アンテナ温度ｔａとの温度差を求めて前記位相差を補正する液温・アンテナ温度差補正値を求め、前記液温補正値と前記液温・アンテナ温度差補正値とから前記位相差Δθを補正し、前記被測定液体の濃度を求める温度補正演算部を供えたことを特徴とする。
【００１３】
また、上記目的を達成するために、本発明のマイクロ波式濃度計の液温補正方法は、被測定物質を含む被測定液体の流れる配管又は前記液体を収納した容器を介して対向配置されたマイクロ波の送受信アンテナと、この送信アンテナから発射され前記被測定液体を通過し前記受信アンテナにて受信されたマイクロ波の位相遅れθ２と、予め前記被測定物質を含まない液体を用いて測定しておいた位相遅れθ１との位相差Δθ（Δθ＝θ２−θ１）を求めることにより前記被測定液体の濃度を測定するマイクロ波式の濃度計において、前記被測定液体の液温が急変した場合の液温補正方法であって、前記被測定液体の液温ｔ２を測定し、予め測定しておいた被測定物質を含まない前記液体の液温ｔ１との温度差Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）に基づき前記位相差Δθを補正する液温補正値を求める第１のステップと、前記送受信アンテナのいずれかのアンテナ温度ｔａを測定し、前記液温ｔ２と当該アンテナ温度ｔａとの温度差を求めて前記位相差を補正する液温・アンテナ温度差補正値を求める第２のステップと、前記液温補正値と前記液温・アンテナ温度差補正値とから前記位相差Δθを補正し、前記被測定液体の濃度を求める第３のステップとから成る。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、新たな受信アンテナや、送受信アンテナ周辺部を覆う恒温制御部を設けることなく、液温の急変があっても測定誤差を軽減することが可能なマイクロ波濃度計、及びその液温補正方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１乃至図５を参照して説明する。図１はマイクロ波式濃度計の構成図である。図１に示す構成が、特許文献1等に示される従来の構成と異なる点は、送信アンテナ２に自身の温度を測定するアンテナ温度センサ６を設け、さらに温度補正演算部１４に、液温・アンテナ温度差補正テーブル１４ｂを備えるようにした点にある。
【００１６】
本実施例によるマイクロ波式濃度計の構成は、被測定液体を流す検出部１０と、検出部１０からの信号を受信して被測定液体の濃度を求める信号処理部２０とから成る。
【００１７】
検出部１０は、金属管で成形される配管３の管外壁側から被測定液体に接液して設けられるマイクロ波の送信アンテナ４及び受信アンテナ５と、これらの送信アンテナ４及び受信アンテナ５は配管３を介して、配管３の管軸と直交する方向の配管管壁面で、互いに対向位置に配置されている。
【００１８】
また、送信アンテナ４には、自身の温度を計測するアンテナ温度センサ６が設けられ、被測定液体の液温を測定する液温温度センサ７が、配管３の管壁を貫通して設けられる。
【００１９】
送受信アンテナ４、５は、設置される外気温が異なる場合、後述する理由により、夫々の温度が一様となる様に外気と断熱されるように断熱材等で覆うようにすることが望ましい。
【００２０】
また、アンテナ温度センサ６と液温温度センサ７とは、同じタイプの温度センサとしておくことが望ましい。
【００２１】
信号処理部２０は、マイクロ波発信器１と、当該マイクロ波発信器1から送信されるマイクロ波は信号を２系統に分岐ずるパワースプリッタ２と、パワースプリッタ２から送信されたマイクロ波信号を送受信アンテナ４、被測定液体、及び受信アンテナ５を介して送信される一方の測定系経路のマイクロ波信号と、他方のパワースプリッタ２から直接出力された基準系経路のマイクロ波信号との位相差を測定する位相差測定部１１と、当該位相差測定部１１の出力から液温、及び液温とアンテナ温度との温度差による位相差の補正演算を行なう温度補正演算部１４と、温度補正された位相差と濃度との関係を求める濃度演算部１５とから成る。
【００２２】
また、アンテナ温度センサ６及び液温温度センサ７からの信号を受信して、温度補正演算部１４に温度信号を出力する変換器１２及び変換器１３を備える。
【００２３】
また、このように構成された信号処理部２０は、測定系路と基準経路の同じ温度環境に維持するため、検出部１０と一体の構造としておくことが望ましい。
【００２４】
次に、送信アンテナの詳細構造について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は、送信アンテナ４の断面図で、配管３の管軸と直交する方向から見たものである。
【００２５】
アンテナ温度センサ６は、送受信アンテナ４、５の温度が一様と見なせる状態を確保して、いずれか一方に設ける。送信アンテナ４と受信アンテナ５とが異なる点は、アンテナ温度センサ６を備えているか否かにあるので、以下、送信アンテナ５について説明し、受信アンテナ５の説明を省略する。
【００２６】
送信アンテナ４は、金属管等で成形される配管３の開口部で被測定液体に接液するように外壁側から挿入して配管３に固定される合成樹脂部材４ａと、セラミックス等の絶縁体の板に設けられ、同軸ケーブル４ｄからマイクロ波信号を供給されて、マイクロ波信号を配管３内の方向に合成樹脂部材４ａを介して送信するアンテナ４ｃと、このアンテナ４ｃから送信されるマイクロ波信号を送信する開口部を備え、配管３の開口部の外壁位置に固定されるアンテナ固定部材４ｂ１と、アンテナ固定部４ｂ１上にアンテナ４ｃ固定するアンテナ固定部材４ｂ２とから成る。
【００２７】
そして、合成樹脂部材４ａとアンテナ４ｃとが対面する面間は、合成樹脂部材４ａ及びアンテナ４ｃが、周囲温度の変化で変形した場合でもアンテナ４ｃが機械的なストレスを受けないように所定の間隙を備えるように、予め当該アンテナ固定部材４ａ、または前記合成樹脂部材４ｂ１を所定の厚さで成形しておく。
【００２８】
さらに、アンテナ４ｃは、温度変化による変形以外に、合成樹脂部材４ａが被測定流体の圧力を受けて変形する恐れがないような隙間としておく。
【００２９】
また、アンテナ固定部材４ｂ２にはメネジ部Ａを備え、アンテナ温度センサ６は、測温抵抗体６ｂとその保護管６ａとからなり、該保護管６ａの先端部にはメネジ部Ａに嵌合するオネジ部を備え、該オネジ部の内部に測温抵抗体６ｂの感温部を密着させ、このメネジ部Ａに保護管６ａのオネジ部をねじ込みして固定する。
【００３０】
また、配管３内の被測定液体の液温は、配管３の管壁に貫通して設けられる挿入型の液温度センサ７で検出する。
【００３１】
以上のような構成とするので、被測定液体の液温は、配管３、アンテナ固定部材４ｂ１及び４ｂ２とから成る熱伝導の良い金属を介してアンテナ４ｃに効率よく伝熱される。また、測温抵抗体６ｂは、アンテナ４ｃと密着して設けられるので、アンテナ４ｃ自身の温度が精度良く素早く検出できる。
【００３２】
次に、このように構成されたマイクロ波式濃度計の信号処理部２０の動作について説明する。先ず、従来の液温補正テーブル１４ａ及び本発明による液温・アンテナ温度差補正テーブル１４ｂの生成方法について説明する。
【００３３】
液温補正テーブル１４ａは、送信アンテナから送信されて配管３内の被測定用液体を伝搬して前受信アンテナにて受信されたマイクロ波の位相遅れθ２を測定し、また、予め配管３内に基準用液体(例えば、濃度０％見なせる水道水)を充填して測定用液体と同じ条件で測定したときのマイクロ波の位相遅れとを比較し、その位相差Δθ＝（θ２−θ１）を測定し、この位相差Δθを、測定用液体の液温ｔ２と基準用液体の液温ｔ１との温度差Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）に基づいて補正し、位相差Δθｔと温度差Δｔの関係を一次式で近似し、この一次の傾斜角αをテーブル化しておく。
【００３４】
この時の濃度Ｘは、一般的に、この液温補正テーブルを参照して、下記検量線で求められる。
【００３５】
Ｘ＝ａ×（Δθ（＝θ２-θ１）−α×（ｔ２−ｔ１））＋ｂ
ここで、ａ及びｂは、一次式で示される検量線の傾きａ及び切片ｂで、被測定液体の濃度や液温差（ｔ２−ｔ１）が大きい場合、零点の補正のみで不十分である場合の補正値である。
【００３６】
次に、液温・アンテナ温度差補正テーブル１４ｂの生成方法について図３及び図４を参照して説明する。図３は、液温ｔ２を６５℃から１７℃に急変させたときの液温補正テーブルのみを備えたマイクロ波式濃度計の測定誤差εｘと、アンテナ温度ｔａの応答を図示したものである。
【００３７】
この実験に用いたマイクロ波式濃度計の場合、液温温度センサ７の出力がほぼ一定の１７℃に安定する時間(約７分)を経過した後の濃度の測定誤差εｘ（％）は、液温補正が除かれた後の誤差要因に因るもの見なせる。
【００３８】
この測定誤差εｘは、液温ｔ２と送受信アンテナ温度ｔａとの温度差Δｔａが減少すれば減少し、温度差Δｔａが無ければ０％と見なせる。そこで、図４に示すように、この温度差Δｔａと測定誤差εｘとの関係を一次式で近似して、その傾きβを求め、この傾きβ（＝−０．８４９）をテーブル化して、液温・アンテナ温度差補正テーブル１４ｂとする。
【００３９】
このようにして求めた液温・アンテナ温度差補正テーブル１４ｂを使用して、図３の測定値を補正すると、図５に示すように液温補正後の測定誤差がεｘは、測定誤差εｘｃに示すように補正される。
【００４０】
即ち、このような温度補正演算部１４によれば、濃度の測定誤差は、下記検量線で求められる。
【００４１】
Ｘ＝ａ×（Δθ−α×（ｔ２−ｔ１）−β（ｔ２−ｔａ））＋ｂ
ここで、ａ及びｂは、夫々、検量線の傾き及び切片の値である。また、液温とアンテナ温度差を補正する傾きβは、配管３の口径、肉厚等の形状及び材質により、また、測定する被測定液体の液温温度範囲によって変わるので、配管３を含む検出部１０と被測定液体の測定する液温範囲毎に液温・アンテナ温度差補正テーブル１４ｂを作成しておく。
【００４２】
以上述べたように、本実施例に拠れば、液温とアンテナとの温度差による測定誤差を予め記憶しているので、測定する被測定液体の液温が急変して、測定誤差を液温温度センサ、アンテナ温度センサの応答速度で素早く補正することが出来る。
【００４３】
本発明は、上述したような実施例に何ら限定されるものではなく、アンテナ温度センサ及びその固定方法は、送信アンテナまたは受信アンテナの温度を近接して測定できるものであれば良く、その構造により本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の構成図。
【図２】送信アンテナ、または、受信アンテナの構造図。
【図３】従来の液温補正時の測定誤差。
【図４】本発明の液温・アンテナ温度差補正（β）を求める例。
【図５】本発明の液温及び液温・アンテナ温度差補正時の測定誤差。
【符号の説明】
【００４５】
１  マイクロ波発信器
２  パワースプリッタ
３  配管
４  送信アンテナ
４ａ  合成樹脂部材
４ｂ１、４ｂ２  アンテナ固定部材
４ｂ２  温度センサ取り付けネジ穴
４ｃ  アンテナ
４ｄ  同軸ケーブル
５  受信アンテナ
６  アンテナ温度センサ
６ａ  保護管
６ｂ  測温抵抗体
７  液温温度センサ
１０  検出部
１２、１３  変換器
１４  温度補正演算部
１５  濃度演算部
２０  濃度演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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