(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏波のマイクロ波を被測定対象に送出して受信した受信信号と前記マイクロ波と異なる周波数のマイクロ波の参照信号とを混合して位相差を測定し濃度を計測するマイクロ波濃度測定装置において、
送出されたマイクロ波と同相のマイクロ波の受信信号と送出されたマイクロ波と直角のマイクロ波の受信信号から気泡の量を計算し、位相計測値を補正する補正手段を備えたことを特徴とするマイクロ波濃度測定装置。
【請求項２】
円偏波のマイクロ波を被測定対象に送出して受信した受信信号と前記マイクロ波と異なる周波数のマイクロ波の参照信号とを混合して位相差を測定し濃度を計測するマイクロ波濃度測定装置において、
送出されたマイクロ波と同一回転方向のマイクロ波の受信信号と送出されたマイクロ波と逆回転方向のマイクロ波の受信信号から気泡の量を計算し、位相計測値を補正する補正手段を備えたことを特徴とするマイクロ波濃度測定装置。
【請求項３】
前記請求項１または請求項２に記載のマイクロ波濃度測定装置において、
位相差をセンタ位置でカウントする位相カウント手段を有する位相差測定手段を備えて成ることを特徴とするマイクロ波濃度測定装置。
【請求項４】
前記請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のマイクロ波濃度測定装置で、測定値として被測定対象と固定基準とを切り替えて測定する方式のものにおいて、
前記固定基準として、外部の送信アンテナ位置からの信号を用いる固定基準測定手段を備えたことを特徴とするマイクロ波濃度測定装置。
【請求項５】
前記請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のマイクロ波濃度測定装置において、
前記混合した信号のレベルを一定になるように制御する信号レベル制御手段を備えて成ることを特徴とするマイクロ波濃度測定装置。
【請求項６】
前記請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のマイクロ波濃度測定装置において、
測定装置本体が収納される筐体の温度を測定する筐体温度測定手段と、
前記筐体温度測定手段により測定された筐体温度が一定値以下の場合は、当該筐体温度を前記一定値になるように制御する温度制御手段と、
前記筐体温度測定手段により測定された筐体温度が一定値以上の場合は、あらかじめ設定した補正値により前記計測値を補正する補正手段と、
を備えて成ることを特徴とするマイクロ波濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定対象中の固形物・懸濁物質の濃度を測定するマイクロ波を用いた濃度測定装置に係り、特に下水配管内の汚濁物質の濃度、製紙におけるパルプ、その他種々の物質の被測定対象中の濃度を、流れを妨げずに、高精度にかつリアルタイムで測定できるようにしたマイクロ波濃度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、被測定対象、例えば測定液体中の固形物・懸濁物質の濃度を測定する一つの方法として、測定液体の一部をサンプリングし、その測定液体を蒸発させて残滓の重量を計るという原始的な方法がある。しかしながら、このような方法では、測定に時間がかかり、自動化を図ることは困難である。
【０００３】
そのため、濃度計として多種のセンサが実用化されている。その一つとして、例えば超音波を用いた濃度計が用いられている。しかしながら、この超音波式の濃度計では、液体中に気泡がある場合に測定が行なえなくなるという問題点がある。
【０００４】
そこで、最近では、このような問題点を解決するために、例えば“特開平４−２３８２４６号”に示されるような、マイクロ波を用いた濃度計が開発されてきている。
【０００５】
このマイクロ波濃度計は、マイクロ波の位相が測定液体中の測定物質の濃度にほぼ比例した遅れを生じることから、マイクロ波の位相遅れを計測することによって濃度を計測するものである。
【０００６】
以下、この種のマイクロ波濃度計による測定方法の概要について、図１１を用いて説明する。
【０００７】
図１１は、この種の従来のマイクロ波濃度計の構成例を示すブロック図である。
【０００８】
図１１において、マイクロ波濃度計は、マイクロ波アンテナである、配管６３に配置された送信用，受信用のアンテナ６２，６４と、マイクロ波回路である濃度計回路７９と、演算装置８１とから構成されている。
【０００９】
発振器５５は、周波数ｆの２つのマイクロ波信号５６，５７を発生する。一方のマイクロ波信号５６は、増幅器５８によって増幅され、スイッチ５９，６０が図１１に示すような状態の時、送信信号６１は、配管６３に配置されたアンテナ６２に送られて、被測定対象である測定液体を通している配管６３中に送出され、アンテナ６２に対向するように配管６３に配置されたアンテナ６４により受信される。
【００１０】
参照用発振器６５は、発振器５５のマイクロ波信号５６，５７の周波数ｆと少し異なる周波数ｆ＋Δｆの２つの参照信号６６，６７を発生する。他方のマイクロ波信号５７と一方の参照信号６６とはミキサ６８により混合され、差の周波数Δｆである基準側ヘテロダイン出力６９が得られ、コンパレータ７０によって電圧０をしきい値とする基準側デジタル信号θＦＢ７１に変換され、位相差測定手段７２に送られる。
【００１１】
アンテナ６４による受信信号７３は、増幅器７４によって増幅され、当該増幅された受信信号７３と他方の参照信号６７とはミキサ７５によって混合され、差の周波数Δｆである測定側ヘテロダイン出力７６が得られ、コンパレータ７７によって測定側デジタル信号θＲＥＦ  ７８に変換され、位相差測定手段７２に送られる。
【００１２】
位相差測定手段７２は、２つのデジタル出力θＦＢ７１，θＲＥＦ７８の位相差ΦＶ  を求める。この場合、位相差ΦＶ  の求め方としては、図１１に示すように、信号θＦＢ，θＲＥＦの立ち上がりの時間差を位相差ΦＶとして求めている。
【００１３】
ここで、点線で示した濃度計回路７９においては、回路内部の温度変化等により位相が変化し、誤差の原因となる。そこで、スイッチ５９，６０を図１１に示すと反対側に切り替えて、固定基準８０を通した位相差ΦＲ  を計測して、これを位相差ΦＶ  から引くことにより、前述の誤差を補償している。
【００１４】
すなわち、求める位相差Φは、
Φ＝ΦＶ  −ΦＲ  
となる。
【００１５】
ここで、固定基準８０としては、マイクロ波の信号レベルをアンテナ６４で受信されるのと同等のレベルに落とすために、減衰器を用いる。
【００１６】
あらかじめ基準の濃度における位相差に関するデータ（検量線データ）を求めておけば、そのデータを基に、求めた位相差Φから演算装置８１により、測定液体中の測定物質の濃度を算出することができる。
【００１７】
ここで、濃度をＤとすると、位相差との関係は、
Ｄ＝ａΦ＋ｂ      …（１）
のように、ほぼ１次式になるので、濃度を変えて位相差を測定して、回帰分析を行ない、ａとｂを決定すればよい。
【００１８】
測定液体として導電性のある媒質（例えば水）中で、マイクロ波の減衰・位相遅れと、媒質の導電率σ、誘電率、温度ｔの関係は、理論的には以下のようになる。
【００１９】
角周波数ω（ｒａｄ／ｓ）のマイクロ波の減衰率α（Ｎｅｐｅｒ／ｍ）、位相変化率β（ｒａｄ／ｍ）は、（２）式、（３）式のように表わすことができる。
【００２０】
【数１】
0003629252.tif 000002
【００２１】
ただし、σは導電率、εｒ  ´，εｒ  ’’は媒質の複素比誘電率の実部と虚部である。
【００２２】
測定物質である汚泥やパルプ等の濃度が変わると、実効的な誘電率が変わることが知られており、特に誘電率実部と濃度との相関性が高い。
【００２３】
上記（２）式、（３）式で、
【数２】
0003629252.tif 000003
であれば、すなわち誘電率虚部が小さく、導電率も小さければ、
【数３】
0003629252.tif 000004
上記（４）式、（５）式で求めたα、βから、減衰量、位相遅れを求める。送信電力をＰ０  、ｚ方向に進むマイクロ波電力をＰとすると、
Ｐ＝Ｐ０  ｅｘｐ（−２αｚ）      …（６）
であり、減衰量は２０αｚ／ｌｎ１０（ｄＢ）になる。また、位相遅れは  βｚ（ｒａｄ）である。
【００２４】
上述した方式では、位相遅れを求めることで、濃度を求める。上記（５）式に示すように、εｒ  ´の微小変化領域では、εｒ  ´とβが比例するため、βｚから濃度が求められる。なお、αはβよりも相関度が小さいため、直接的には濃度測定に使用しない。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のマイクロ波濃度計では、次のような問題点がある。
【００２６】
（ａ）測定液体の温度や導電率が変化すると、測定液体によるマイクロ波の減衰量が大幅に変化する。マイクロ波が減衰して測定側ヘテロダイン出力７６の振幅が小さくなると、コンパレータ７７によってデジタル化する時に、雑音やドリフトの影響によって切り替わりの時刻が変化し、結果的に測定誤差となる。
【００２７】
（ｂ）上記（ａ）と同様の理由により、受信信号７３の電力が変化すると、電子回路の非直線性によって位相が変化するため、結果的に測定誤差を生じる。
【００２８】
（ｃ）電子回路の温度ドリフトの影響を固定基準により補償しているが、測定側ヘテロダイン出力７６の信号レベルが変化すると、温度による影響が変化するため、完全には補償することができない。
【００２９】
（ｄ）濃度を位相変化で求めるため、受信信号７３の位相が３６０度を越えると、正しく濃度を求めることができない。
すなわち、管径が大きかったり、測定物質が高濃度の場合には、位相が３６０度以上変化するため、位相変化から濃度が一意的に決まらなくなる。連続的に測定を続けていれば、例えば“特開平８−８２６０６号”に示されるように、前後の関係で回転数を求めることができるが、一度空になると、次に被測定対象で満たされた場合に、正しい濃度を測定することができなくなる。
【００３０】
（ｅ）回路の配線パターンからの回り込みや誘導により、マイクロ波が液体中以外の場所を通って受信され、結果的に測定誤差を生じる。
【００３１】
（ｆ）測定液体中に気泡があると、マイクロ波の伝搬経路が長くなったり、マイクロ波の反射により複数の経路を通って受信される等の原因により、結果的に測定誤差を生じる。
【００３２】
（ｇ）測定液体の温度や導電率が変化すると、マイクロ波の位相が変化して誤差を生じる。そのため、温度および導電率を求めて補正を行なう必要があり、例えば“特開平９−４３１８１号”に示されるように、導電率を測定する方法が提案されてきている。
しかしながら、導電率センサには汚れが付着し易く、測定精度の低下や保守作業といった問題があるため、実用化が困難である。
【００３３】
本発明の目的は、被測定対象中に気泡の発生等がある場合でも、被測定対象中の固形物・懸濁物質の濃度を高精度にかつリアルタイムで求めることが可能な低価格のマイクロ波濃度測定装置を提供することにある。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明では、直線偏波のマイクロ波を被測定対象に送出して受信した受信信号と前記マイクロ波と異なる周波数のマイクロ波の参照信号とを混合して位相差を測定し濃度を計測するマイクロ波濃度測定装置において、送出されたマイクロ波と同相のマイクロ波の受信信号と送出されたマイクロ波と直角のマイクロ波の受信信号から気泡の量を計算し、位相計測値を補正する補正手段を備えている。
【００３５】
また、請求項２の発明では、円偏波のマイクロ波を被測定対象に送出して受信した受信信号と前記マイクロ波と異なる周波数のマイクロ波の参照信号とを混合して位相差を測定し濃度を計測するマイクロ波濃度測定装置において、送出されたマイクロ波と同一回転方向のマイクロ波の受信信号と送出されたマイクロ波と逆回転方向のマイクロ波の受信信号から気泡の量を計算し、位相計測値を補正する補正手段を備えている。
【００３６】
従って、請求項１および請求項２の発明のマイクロ波濃度測定装置においては、送出するマイクロ波を直線偏波または円偏波として、受信するマイクロ波は送信側が直線偏波の場合は同相とこれに直角、送信側が円偏波の場合は同一回転方向と逆回転方向を検出するようにし、さらに二つの信号より泡の量を計算し位相計測値を補正することにより、液体中に気泡がある場合でも、気泡の量を測定してその影響を補償するため、高精度に濃度を測定することができる。
【００３７】
さらに、請求項３の発明では、上記請求項１または請求項２の発明のマイクロ波濃度測定装置において、位相差をセンタ位置でカウントする位相カウント手段を有する位相差測定手段を備えている。
【００３８】
従って、請求項３の発明のマイクロ波濃度測定装置においては、上記請求項１または請求項２の発明と同様の作用を奏する他、位相差をセンタ位置でカウントすることにより、測定誤差が生じず、高精度に濃度を測定することができる。
【００３９】
一方、請求項４の発明では、上記請求項１乃至請求項３のいずれか１つの発明のマイクロ波濃度測定装置で、測定値として被測定対象と固定基準とを切り替えて測定する方式のものにおいて、固定基準として、外部の送信アンテナ位置からの信号を用いる固定基準測定手段を備えている。
【００４０】
従って、請求項４の発明のマイクロ波濃度測定装置においては、上記請求項１乃至請求項３のいずれか１つの発明と同様の作用を奏する他、外部の送信アンテナ位置からの信号を固定基準として測定することにより、回路内部の温度変化等によって位相変化がある場合でも、固定基準を通した位相差を計測して補償するため、高精度に濃度を測定することができる。
【００４１】
また、請求項５の発明では、上記請求項１乃至請求項４のいずれか１つの発明のマイクロ波濃度測定装置において、混合した信号のレベルを一定になるように制御する信号レベル制御手段を備えている。
【００４２】
従って、請求項５の発明のマイクロ波濃度測定装置においては、上記請求項１乃至請求項４のいずれか１つの発明と同様の作用を奏する他、混合した信号のレベルを一定になるように制御することにより、被測定対象の温度や導電率によって、マイクロ波の減衰が大きい場合でも、誤差が生じず、また測定信号レベルが小さい場合、信号を増幅して雑音に対するＳＮ比を改善できるため、高精度に濃度を測定することができる。
【００４３】
さらに、請求項６の発明では、上記請求項１乃至請求項５のいずれか１つの発明のマイクロ波濃度測定装置において、測定装置本体が収納される筐体の温度を測定する筐体温度測定手段と、筐体温度測定手段により測定された筐体温度が一定値以下の場合は、当該筐体温度を一定値になるように制御する温度制御手段と、筐体温度測定手段により測定された筐体温度が一定値以上の場合は、あらかじめ設定した補正値により上記計測値を補正する補正手段とを備えている。
【００４４】
従って、請求項６の発明のマイクロ波濃度測定装置においては、上記請求項１乃至請求項５のいずれか１つの発明と同様の作用を奏する他、筐体温度が一定値以下の場合には、温度を一定値になるように制御し、温度が一定値以上の場合には、あらかじめ設定した補正値によって計測値を補正することにより、周囲の温度が変化しても、高精度に濃度を測定することができ、また回路が簡単になり、低コストにすることができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４６】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態によるマイクロ波濃度測定装置の構成例を示すブロック図である。
【００４７】
図１において、クロック源１は、低周波の信号である、位相基準として基準信号（θＲＥＦ  ）２を発生する。
【００４８】
マイクロ波発生手段の一部を構成する発振器３は、ＰＬＬ回路（フェーズド・ロック・ループ回路）を含むものであり、クロック源１からの基準信号２をＰＬＬ回路の同期信号として用いることにより、クロック源１からの基準信号２に同期して、周波数ｆのマイクロ波（請求項の一方のマイクロ波に相当）を発生する。
【００４９】
発振器３からのマイクロ波は、増幅器４によって増幅し、スイッチ５とスイッチ６が図示状態の場合に、送信アンテナ７から配管８内の被測定対象である測定液体に送出して、受信アンテナ９により受信し、増幅器１０により増幅して受信信号１２とする。
【００５０】
マイクロ波発生手段の一部を構成する参照用発振器１１は、発振器３と同様に、ＰＬＬ回路を含むものであり、クロック源１からの基準信号２をＰＬＬ回路の同期信号として用いることにより、クロック源１からの基準信号２に同期して、発振器３からのマイクロ波の周波数ｆとΔｆだけ異なる周波数ｆ＋Δｆのマイクロ波（請求項の他方のマイクロ波に相当）を、参照信号１３として発生する。
【００５１】
マイクロ波混合手段であるミキサ１４は、受信信号１２と参照信号１３とを混合して、周波数Δｆのヘテロダイン出力１５を得る。このヘテロダイン出力１５は、図示しないが、必要によりフィルタ等で不要高周波を減衰して、周波数Δｆ成分を増幅するようにする。
【００５２】
コンパレータ１６は、ヘテロダイン出力１５を入力とし、測定デジタル信号  θＦＢ１７を出力する。
【００５３】
位相差測定手段１８は、測定デジタル信号１７とクロック源１からの基準信号２とを比較して位相差を測定し、位相差Φを出力する。
【００５４】
ここで、位相差測定手段１８としては、本例では特に、位相差の実質的なセンタ位置で当該位相差をカウントする位相カウント手段を備えるようにしている。
【００５５】
演算装置１９は、位相差測定手段１８からの位相差Φから、被測定対象の濃度を算出して出力する。
【００５６】
次に、以上のように構成した本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置においては、位相基準として、クロック源１により基準信号２を発生し、この基準信号２に同期して、発信器３と参照用発振器１１により互いに周波数が異なる２つのマイクロ波を発生させ、一方のマイクロ波で測定した信号１２と他方のマイクロ波１３とを混合し、この混合により得られたヘテロダイン出力１５に基づく測定デジタル信号θＦＢ１７とクロック源１からの基準信号２とを位相比較していることにより、前述した図１１の従来例では、マイクロ波の混合手段であるミキサが２個必要であったのを、１個に削減することができる。すなわち、図１１の従来例におけるミキサ６８を省略することができる。
【００５７】
これにより、高価なマイクロ波回路を省略でき、ミキサの後のコンパレータ回路（図１１の従来例におけるコンパレータ７０）も省略できるため、回路が極めて簡単になり、安価で信頼性が高いものとなる。
【００５８】
すなわち、これが可能になったのは、２個のマイクロ波発振器３，１１が、マイクロ波でない低周波のクロック源１と完全に同期するようにＰＬＬ回路により制御されていることにより、このクロック源１からの信号の低周波が基準の周波数として使用できるからである。
【００５９】
なお、位相差測定に用いる基準信号θＲＥＦ２は、測定デジタル信号θＦＢ１７との相対値を求めるのに用いられ、固定基準２０から求めた基準信号θＲＥＦ２と測定デジタル信号θＦＢ１７との相対値から、その絶対値が求められ、この絶対値と予め用意された検量線データとの比較により、測定液体中の測定物質の濃度が計算される。
【００６０】
一方、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置においては、位相差の実質的なセンタ位置で位相差をカウントしていることにより、測定誤差が生じず、高精度に濃度を測定することができる。
【００６１】
図２（ａ）〜（ｃ）は、位相カウント手段の動作を説明する図である。
【００６２】
図２において、θＲＥＦ  は基準信号２であり、θＦＢは測定デジタル信号１７であり、前述した従来方式では、立ち上がりの時間差Φ１  を求めていたのに対して、図２（ａ）では、Φ１  とΦ２  の平均値を求めるようにしている。
【００６３】
すなわち、ヘテロダイン出力１５のＤＣ成分や、ドリフトや、コンパレータ１６のしきい値が厳密に０［ｖ］でない等の原因により、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、θＦＢの“０”と“１”の比率が異なる場合、前述した従来方式では、誤差が生じるが、本実施の形態のセンタ方式とすることにより、誤差が生じず、高精度に濃度を測定することができる。特に、マイクロ波の減衰が大きく、ヘテロダイン出力１５の振幅が小さい場合に効果が大きい。
【００６４】
上述したように、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置では、位相基準として、クロック源１により低周波の基準信号２を発生し、この低周波の基準信号２に同期して互いに周波数が異なる２つのマイクロ波をＰＬＬ制御により発生させ、一方のマイクロ波を測定液体に通して得た受信信号と他方のマイクロ波とを混合し、クロック源１からの基準信号２と位相比較をするようにしているため、回路が簡単になり、安価で信頼性が高いものとすることが可能となる。
【００６５】
また、位相差の実質的なセンタ位置で位相差をカウントするようにしているため、測定誤差が生じず、高精度に濃度を測定することが可能となる。
【００６６】
なお、本実施の形態は、前述した図１１に示すような従来例に対しても適用することができる。
【００６７】
（第１の実施の形態の変形例）
すなわち、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置では、前述した第１の実施の形態における発振器３および参照用発振器１１として、複数の同一周波数差のマイクロ波を発生するようにする。
【００６８】
すなわち、発振器３を、周波数ｆ１  ，ｆ２のマイクロ波を発生するものとし、参照用発振器１１を、周波数ｆ１＋Δｆ，ｆ２＋Δｆのマイクロ波を発生するものとする。
【００６９】
また、位相差測定手段１８として、これら複数の同一周波数差のマイクロ波に基づいて位相差を測定するものとし、これらからのマイクロ波を切り替えて測定し、３６０度以上の位相差を測定するようにしている。
【００７０】
次に、以上のように構成した本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置においては、複数の同一周波数差のマイクロ波を発生し、切り替えて測定し、３６０度以上の位相差を測定していることにより、位相が３６０度を越えて変化する場合にも、正しい位相変化量を求めることができる。
【００７１】
すなわち、本例では、２組の周波数ｆ１  ，ｆ２  とｆ１  ＋Δｆ，ｆ２  ＋Δｆを発生し、各々の組み合わせにおける位相差を計測する。そして、この２つの位相差から、位相変化の回転数を求め、３６０度を越える場合の位相変化を求める。
【００７２】
ここで、２つの位相差をΦ１  、Φ２  とする。また、濃度０の時の位相差を、  ｆ１  、ｆ２  について各々Φ１０、Φ２０とし、濃度の変化によって次のように変化したとする。
【００７３】
ｆ１  ：Φ１０  →  Φ１  ＋２πｍ    （ｍは０または正の整数）
ｆ２  ：Φ２０  →  Φ２  ＋２πｎ    （ｎは０または正の整数）
ｍ、ｎ、は回転数である。
【００７４】
位相差の変化量ΔΦ１  、ΔΦ２  としては、
ΔΦ１  ＝Φ１  ＋２πｍ−Φ１０      …（７）
ΔΦ２  ＝Φ２  ＋２πｎ−Φ２０      …（８）
ｆ１  、ｆ２  における位相変化率をβ１  、β２  とすると、
ΔΦ２  ＝（β２  ／β１  ）・ΔΦ１        …（９）
である。
【００７５】
（９）式の左辺から右辺を引き、上記（７）式、（８）式を代入すると、
Φ２  ＋２πｎ−Φ２０−（β２  ／β１  ）・（Φ１  ＋２πｍ−Φ１０）＝０…（１０）
実際には、位相差測定値に誤差があるから、上記（１０）式の左辺に整数ｍ、ｎを代入して、値が誤差の許容値以内になるｍ、ｎの組み合わせを求めればよい。
【００７６】
このｍ、ｎから、上記（８）式、（９）式により位相差変化量ΔΦ１  、ΔΦ２  を求め、濃度を算出する。
【００７７】
β２  ／β１  は、上記（５）式よりεｒ  ´が同じならｆ１  ／ｆ２  に等しい。ｆ１  とｆ２  とは比較的近い値をとるため、εｒ  ´は一般的にはそれほど大きく変化しない。
【００７８】
上述したように、本実施の形態の変形例のマイクロ波濃度測定装置では、マイクロ波信号源である発信器３，１１は、複数の同一周波数差のマイクロ波を発生し、切り替えて測定し、３６０度以上の位相差を測定するようにしているため、位相が３６０度を越えて変化する場合に、前述した“特開平８−８２６０６号”のような方法を用いなくても、正しい位相変化量を求めることができる。
【００７９】
これにより、管径が大きかったり、測定物質が高濃度の場合や、管内が一度空になってから測定液体で満たされた場合にも、正しい濃度を測定することが可能となる。
【００８０】
なお、本実施の形態は、第１の実施の形態の変形例として説明したが、これに限らず、前述した図１１に示すような従来例に対しても適用することができる。
【００８１】
（第２の実施の形態）
図３は、本実施の形態によるマイクロ波濃度測定装置の構成例を示すブロック図であり、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００８２】
すなわち、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置は、その基本的な構成は前述した従来例と同様であり、発振器３と参照用発振器１１で発生したマイクロ波を、ミキサ２２で混合して基準側ヘテロダイン信号２３を求め、コンパレータ２４によって基準信号２５を求めるようにする。
【００８３】
この測定側ヘテロダイン出力１５は、図示しないが、必要によりフィルタ等で高周波を減衰して、周波数Δｆ成分を増幅するようにする。
【００８４】
また、送信アンテナ７に隣接して、基準用端子２６を設けている。すなわち、固定基準として、外部の送信アンテナ７位置からの信号を用いる固定基準測定手段を備えるようにしている。
【００８５】
次に、以上のように構成した本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置においては、固定基準を通した位相差を計測して補償していることにより、回路内部の温度変化等によって位相変化がある場合でも、高精度に濃度を測定することができる。
【００８６】
特に、受信アンテナ９から電子回路である濃度計回路の入口までの距離と、基準用端子２６から電子回路である濃度計回路の入口までの距離を同じくすることができる。このため、固定基準は、送信アンテナ７と受信アンテナ９までのケーブルによる位相遅れを補償することができ、かかる位相遅れの補償により、温度変化による位相変動を除くことができるため、精密な測定をすることができる。
【００８７】
これに対し、前述した従来例では、固定減衰器を用いた固定基準であることから、ケーブルの温度が変化すると誤差が出る可能性がある。すなわち、前述した従来例では、回路内部の温度変化等によって位相が変化するため、固定基準を通した位相差ΦＲ  を計測して、位相差ΦＶ  から引くことにより位相変化を補償していた。
【００８８】
これに対して、本実施の形態では、送信アンテナ７に隣接して基準用端子２６を設け、これにより受信される信号を固定基準としている。そして、スイッチ６を基準用端子２６側に切り替え、固定基準を通した位相差ΦＲ  を計測して、位相差ΦＶ  から引くことにより、前記の誤差を補償することが可能となる。
【００８９】
なお、本実施の形態では、基準用端子２６としては、送信アンテナ７からの電波を受信するアンテナとしたが、送信アンテナ７への電力の一部を分割して受け取る手段を用いるようにしてもよい。
【００９０】
上述したように、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置では、固定基準を通した位相差を計測して補償するようにしているため、回路内部の温度変化等によって位相変化がある場合でも、高精度に濃度を測定することが可能となる。
【００９１】
なお、本実施の形態は、第１の実施の形態の変形例として説明したが、これに限らず、前述した図１１に示すような従来例に対しても適用することができる。
【００９２】
（第３の実施の形態）
図４は、本実施の形態によるマイクロ波濃度測定装置の構成例を示すブロック図であり、図３と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００９３】
すなわち、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置は、その基本的な構成は前述した従来例と同様であり、発振器３と参照用発振器１１で発生したマイクロ波を、ミキサ２２で混合して基準側ヘテロダイン信号２３を求め、コンパレータ２４によって基準信号２５を求めるようにする。
【００９４】
この測定側ヘテロダイン出力１５は、図示しないが、必要によりフィルタ等で高周波を減衰して、周波数Δｆ成分を増幅するようにする。
【００９５】
また、周波数混合手段２８で、参照信号１３の位相を複数の値として計測を行なう。特に、本例では、９０度異なる２つの位相のマイクロ波を作って、ミキサ１４により混合している。この９０度異なる位相は、ハイブリッド２９により作る。
【００９６】
なお、固定基準２７には、減衰器を用いている。
【００９７】
次に、以上のように構成した本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置においては、測定側ヘテロダイン出力１５を得るための一方のマイクロ波を複数の位相値として、位相差を測定していることにより、回路の配線パターンからの回り込みや誘導があっても、複数の位相で計測して補償するため、高精度に濃度を測定することができる。
【００９８】
また、ハイブリッド２９は容易に入手可能であることから、９０度またはその整数倍の位相のマイクロ波の発生を容易に実現することができる。
【００９９】
すなわち、本実施の形態による位相計測は、図５（ａ）に示すように、９０度異なる位相ΦＩ  とΦＱ  を計測し、その平均を求めて、これを濃度値演算のための位相Φとしている。
【０１００】
この方式で、測定液体を通過したマイクロ波の位相が、ある基準から＋３６０度まで変化したとして、実験により測定される位相Φの誤差の特性の代表例を図５（ｂ）に示す。
【０１０１】
すなわち、回路の配線パターンからの回り込みや誘導のように、固定の位相である外乱により、ΦＩ  とΦＱ  はサイン成分の非直線性誤差を持っているが、これらΦＩ  とΦＱの平均をとることにより得たΦは、誤差が相殺されて，位相Φは直線性の良いものとなる。
【０１０２】
なお、本実施の形態では、９０度異なる２つの位相を用いたが、これ以外に、１８０度異なる２個の計測、あるいは、０°，９０°，１８０°，２７０°の４個の計測を行なうようにすることもできる。
【０１０３】
また、本実施の形態では、参照信号の位相を変化させたが、受信信号の位相を変化させる方式、あるいはミキサを２個設けて、一方は０゜、他方は９０゜というように、２組の回路を設けるようにすることもできる。
【０１０４】
上述したように、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置では、複数の位相で計測して補償するようにしているため、回路の配線パターンからの回り込みや誘導があっても、高精度に濃度を測定することが可能となる。これは、特に、受信されるマイクロ波の電力が小さい場合に効果が大きい。
【０１０５】
また、９０度、またはその整数倍の位相を作るようにしているため、ハイブリッド２９により容易に回路を実現することが可能となる。
【０１０６】
（第４の実施の形態）
図６は、本実施の形態によるマイクロ波濃度測定装置の構成例を示すブロック図であり、図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【０１０７】
すなわち、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置は、その基本的な構成は前述した従来例と同様であり、測定側ヘテロダイン出力１５を、図示しないが、必要によりフィルタ等で高周波を減衰して、周波数Δｆ成分を増幅するようにする。
【０１０８】
また、マイクロ波発生手段である送信アンテナ３０は、直線偏波または円偏波のマイクロ波を送出する機能を有する。
【０１０９】
さらに、マイクロ波受信手段である受信アンテナ３１には、第２の端子３２を設け、スイッチ３３を図６に示す状態から第２の端子３２側へ切り替え、送信側が直線偏波の場合は、送信マイクロ波と同相のマイクロ波と、当該同相のマイクロ波に直角のマイクロ波を受信し、一方送信側が円偏波の場合には、送信マイクロ波と同一回転方向のマイクロ波と、送信マイクロ波と逆回転方向のマイクロ波を受信するようにする。
【０１１０】
被測定対象が測定液体である場合、測定液体中に気泡があると、これにマイクロ波が反射して、偏波面の方向や回転方向が変化する。この多重反射したマイクロ波を、第２の端子３２により受信する。
【０１１１】
ここで、多重反射するマイクロ波の量は、気泡の量と正の相関があることから、演算装置１９で二つの信号から気泡の量を計算して、位相計測値を補正するようにする。
【０１１２】
次に、以上のように構成した本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置においては、送出するマイクロ波を直線偏波または円偏波として、受信するマイクロ波は送信側が直線偏波の場合は同相とこれに直角のマイクロ波を受信し、また送信側が円偏波の場合は同一回転方向および逆回転方向のマイクロ波を受信するようにし、さらに二つの信号より気泡の量を計算し位相計測値を補正していることにより、測定液体中に気泡がある場合でも、気泡の量を測定してその影響を補償するため、高精度に濃度を測定することができる。
【０１１３】
すなわち、直線偏波と円偏波の場合、反射の量を受信アンテナ３１の第２の端子３２で検出されるマイクロ波の強度として測定することができる。また、あらかじめ気泡の量と受信されるマイクロ波の強度、および位相変化の特性を求めておけば、気泡の量を測定して、位相への影響を補償することができる。
【０１１４】
以下、かかる点について、より具体的に説明する。
【０１１５】
送信アンテナ３０と受信アンテナ３１には共通部分があり、その基本的な構成を図７（ａ）に示す。
【０１１６】
図７（ａ）において、基板３４は誘電体（比誘電率）から成っている。
【０１１７】
パターン３５は、表側の正方形のベタパターンであり、薄膜状の金属である。１辺の長さは、λ／２（λは波長）であるが、基板３４上のため、λは真空中の波長に比べると１／√εｒ  に短縮されている。また、パターン３５には、端子３６および端子３７が設置されている。
【０１１８】
ここで、端子３６は、パターン３５の中心の下で、中心から辺までの距離の約１／３の位置にある。また、端子３７は、パターン３５の中心の右で、中心から辺までの距離の約１／３の位置にある。
【０１１９】
パターン３８は、裏側のベタのグラウンドパターン（これも薄膜状の金属）であり、端子３６および端子３７のリードを通すところだけ穴が開いている。
【０１２０】
送信アンテナ３０と受信アンテナ３１は、端子３６と３７が正しく向かい合う（アンテナの中心と端子３６を結ぶ線同士が平行である）ように設置されている。
【０１２１】
送信アンテナ３０から直線偏波を送出する場合には、端子３７は設置せず、端子３６にのみ給電すればよい。また、送信アンテナ３０から円偏波を送出する場合には、図７（ｂ）に示すように、送信マイクロ波３９から、ハイブリッド４０で、マイクロ波４１と、９０度位相が異なるマイクロ波４２を作り、マイクロ波４１を端子３６、マイクロ波４２を端子３７に給電する。なお、ハイブリッド４０には４つの端子があるが、残りの一つは終端抵抗４３で終端されている。
【０１２２】
直線偏波を用いた場合には、被測定対象中の物体に反射して受信されるマイクロ波の偏波面は、送信マイクロ波とは異なっている。受信アンテナ３１では、端子３６からは送信マイクロ波と同一偏波面の成分、端子３７からは送信マイクロ波と直交する偏波面の成分がそれぞれ受信される。この場合には、端子３７が第２の端子３２に相当する。
【０１２３】
円偏波を用いた場合には、被測定対象中の物体に反射して受信される円偏波のマイクロ波の回転方向は、送信マイクロ波とは反対方向になっている。すなわち、図７（ｃ）に示すように、受信アンテナ３１では、端子３６および端子３７で受信したマイクロ波をハイブリッド４４に入れて合成する。なお、図面上の回転方向を変えないため、図７（ｃ）は透視図として示している。
【０１２４】
ここで、送信側で、図７（ｂ）に示すように、端子３７へ、端子３６に対して９０度位相が遅れるマイクロ波を給電していたとすると、送信マイクロ波と同一回転方向の波を受信すると、端子３７側が端子３６側に対して９０度位相が遅れている。逆回転方向の波の場合には、受信すると端子３６側が端子３７側に対して９０度位相が遅れている。
【０１２５】
従って、ハイブリッド４４で合成すると、端子４５の出力は、送信マイクロ波と同一回転方向の波であれば、位相が合うため二つの入力を強め合うが、逆回転方向の波であれば、位相が１８０度異なるため相殺されて、送信マイクロ波と同一回転方向の波だけが出力される。
【０１２６】
また、逆に、端子４６からは、送信マイクロ波と逆回転方向の波だけが強め合って出力される。この場合には、端子４６が第２の端子３２に相当する。
【０１２７】
上述したように、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置では、気泡の量を測定してその影響を補償するようにしているため、測定液体中に気泡がある場合でも、高精度に濃度を測定することが可能となる。
【０１２８】
（第５の実施の形態）
図８は、本実施の形態によるマイクロ波濃度測定装置の構成例を示すブロック図であり、図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【０１２９】
すなわち、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置は、その基本的な構成は前述した従来例と同様であり、測定側ヘテロダイン出力１５を、図示しないが、必要によりフィルタ等で高周波を減衰して、周波数Δｆ成分を増幅するようにする。
【０１３０】
また、信号レベル制御手段である可変ゲイン増幅器４７および電圧測定手段４８を備え、可変ゲイン増幅器４７のゲインを、電圧測定手段４８により測定した値に基づいて制御し、測定側ヘテロダイン出力１５の振幅（レベル）を一定にするようにする。
【０１３１】
次に、以上のように構成した本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置においては、可変ゲイン増幅器４７によって出力の振幅を一定にしていることにより、測定液体の温度や導電率によって、マイクロ波の減衰が大きい場合でも、振幅の変化によりコンパレータ１６の切り替わり時刻が変化することによる誤差が生じない。
【０１３２】
また、測定信号レベルが小さい場合には、信号を増幅して雑音に対するＳＮ比を改善することができるため、高精度に濃度を測定することができる。
【０１３３】
上述したように、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置では、混合した信号のレベルを一定になるように制御するようにしているため、測定液体の温度や導電率によって、マイクロ波の減衰が大きい場合でも、誤差が生じず、また測定信号レベルが小さい場合には、信号を増幅して雑音に対するＳＮ比を改善できるため、高精度に濃度を測定することが可能となる。
【０１３４】
（第６の実施の形態）
図９は、本実施の形態によるマイクロ波濃度測定装置の構成例を示すブロック図であり、図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【０１３５】
すなわち、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置は、その基本的な構成は前述した従来例と同様であり、測定側ヘテロダイン出力１５を、図示しないが、必要によりフィルタ等で高周波を減衰して、周波数Δｆ成分を増幅するようにする。
【０１３６】
また、破線で示す濃度計回路４９は、同一筐体内に納められている。この筐体に、筐体温度測定手段である筐体温度計５０を設置しており、この筐体温度計５０により筐体温度を測定し、この筐体温度が一定値以下の場合には、筐体に設置した温度制御手段であるヒータ制御回路５１およびヒータ５２により、筐体温度を一定値になるように制御するようにする。
【０１３７】
さらに、濃度計回路４９の内部発熱や環境温度によって回路温度が一定値以上になった場合には、あらかじめ設定した補正値により、演算装置１９で計測値の補正を行なうようにする。
【０１３８】
次に、以上のように構成した本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置においては、回路温度を一定に制御あるいは補正していることにより、周囲の温度が変化しても、回路温度変化による位相変化を防止して、高精度に濃度を測定することができる。
【０１３９】
また、電源投入時の温度が低い状態から，早く安定な状態にすることができる。
【０１４０】
さらに、温度が上がった時に、冷却を行なうことは、回路が複雑になり、制御が簡単でなく、冷却用の部品のコストが高くなるが、演算装置で１９で計測値を補正していることにより、回路を簡単に、低コストにすることができる。
【０１４１】
上述したように、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置では、筐体温度が一定値以下の場合には、温度を一定値になるように制御し、温度が一定値以上の場合には、あらかじめ設定した補正値によって計測値を補正するようにしているため、周囲の温度が変化しても、高精度に濃度を測定することが可能となり、また回路が簡単になり、低コストにすることが可能となる。
【０１４２】
（第７の実施の形態）
図１０は、本実施の形態によるマイクロ波濃度測定装置の構成例を示すブロック図であり、図８と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【０１４３】
すなわち、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置は、その基本的な構成は前述した従来例と同様であり、測定側ヘテロダイン出力１５を、図示しないが、必要によりフィルタ等で高周波を減衰して、周波数Δｆ成分を増幅するようにする。
【０１４４】
また、電圧測定手段４８により測定した信号レベルと温度計５３により計測した測定液体の温度とから、測定液体の温度、信号レベルによる位相変化を補正して、濃度を算出するようにする。
【０１４５】
さらに、信号レベルと測定液体の温度から、測定液体の導電率と位相の補正値を算出し、導電率による位相変化を補正して、濃度を算出するようにする。
【０１４６】
ここで、補正演算を含む位相計算は、変数が多く、それらと位相の関係は簡単には数式化できないことから、補正値演算手段であるニューラルネットワーク５４により実現するようにする。このニューラルネットワーク５４の学習機能により、各変数と実際の濃度・温度等を実際の測定で設定して学習させ、補正演算と位相計算を行なうようにする。
【０１４７】
次に、以上のように構成した本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置においては、受信した信号のレベル、測定液体の温度から、測定液体の導電率と位相の補正値を演算していることにより、測定液体の温度や導電率によってマイクロ波の減衰が大きい場合や、測定液体の温度によってマイクロ波の位相が変化する場合でも、高精度に濃度を測定することができる。
【０１４８】
すなわち、例えば塩分等が混入して被測定対象の導電率が変化した場合には、前記（２）式、（４）式に示したように、減衰率αが大きく変化する。
【０１４９】
一方、測定液体の温度が変化すると、比誘電率εｒ  の変化があるので、温度を計測して、あらかじめ決められた補正を行なうことにより、濃度の補正を行なう。
【０１５０】
位相差Δθは、
Δθ＝｛θ２  −ｋ（Ｔ−Ｔ０  ）−γ（Ｅ−Ｅ０  ）｝−θ１        （１１）
ただし、
θ２  ：被測定対象の位相
θ１  ：基準の水の測定時位相
ｋ  ：液温補正計数
Ｔ  ：液温
Ｔ０  ：基準の水温
γ  ：導電率補正係数
Ｅ  ：被測定物の減衰量
Ｅ０  ：基準水の減衰量
濃度Ｘは、
Ｘ＝ａ×Δθ＋ｂ          （１２）
ただし、
ａ：比例定数
ｂ：バイアス
導電率の変化は、前述したように、減衰率αが大きく変化する。εｒ  の変化の影響もあるので、（１１）式のγをεｒ  の変化によりテーブルを作って選択する。
【０１５１】
これにより、（１１）式によりΔθを求め、（１２）式により、あらかじめ求められているａ，ｂにより濃度を計算する。
【０１５２】
また、上記補正値の演算をニューラルネットワーク５４で実行していることにより、補正演算を容易に実現することができる。
【０１５３】
上述したように、本実施の形態のマイクロ波濃度測定装置では、測定液体の温度、導電率、信号レベルの変化による位相変化を補正しているため、測定液体の温度や導電率によってマイクロ波の減衰が大きい場合や、測定液体の温度によってマイクロ波の位相が変化する場合でも、高精度に濃度を測定することが可能となる。
【０１５４】
また、ニューラルネットワーク５４により、補正値を演算するようにしているため、補正演算を容易に実現することが可能となる。
【０１５５】
尚、前述した各実施の形態以外にも、複数の各実施の形態を適宜組み合わせることによって、より一層高性能なマイクロ波濃度測定装置を実現することが可能である。
【０１５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマイクロ波濃度測定装置によれば、被測定対象中に気泡の発生等がある場合でも、被測定対象中の固形物・懸濁物質の濃度を高精度にかつリアルタイムで求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロ波濃度測定装置の第１の実施の形態を示すブロック図。
【図２】同第１の実施の形態のマイクロ波濃度測定装置における作用を説明するための図。
【図３】本発明によるマイクロ波濃度測定装置の第２の実施の形態を示すブロック図。
【図４】本発明によるマイクロ波濃度測定装置の第３の実施の形態を示すブロック図。
【図５】同第３の実施の形態のマイクロ波濃度測定装置における一方のマイクロ波の位相を９０度異なる２つの値として測定する場合の計算方法を説明するための図。
【図６】本発明によるマイクロ波濃度測定装置の第４の実施の形態を示すブロック図。
【図７】同第４の実施の形態のマイクロ波濃度測定装置におけるアンテナの構成例を示す図。
【図８】本発明によるマイクロ波濃度測定装置の第５の実施の形態を示すブロック図。
【図９】本発明によるマイクロ波濃度測定装置の第６の実施の形態を示すブロック図。
【図１０】本発明によるマイクロ波濃度測定装置の第７の実施の形態を示すブロック図。
【図１１】従来のマイクロ波濃度測定装置の構成例を示すブロック図。
【符号の説明】
１…クロック源、
２…基準信号、
３…発振器、
４…増幅器、
５…スイッチ、
６…スイッチ、
７…送信アンテナ、
８…配管、
９…受信アンテナ、
１０…増幅器、
１１…参照用発振器、
１２…受信信号、
１３…参照信号、
１４…ミキサ、
１５…ヘテロダイン出力、
１６…コ−ンパレータ、
１７…測定デジタル信号、
１８…位相差測定手段、
１９…演算装置、
２２…ミキサ、
２３…基準側ヘテロダイン信号、
２４…コンパレータ、
２５…基準信号、
２６…基準用端子、
２７…固定基準、
２８…周波数混合手段、
２９…ハイブリッド、
３０…送信アンテナ、
３１…受信アンテナ、
３２…第２の端子、
３３…スイッチ、
３４…基板、
３５…パターン、
３６，３７…端子、
３８…パターン、
３９…送信マイクロ波、
４０…ハイブリッド、
４１…マイクロ波、
４２…マイクロ波、
４３…終端抵抗、
４４…ハイブリッド、
４５，４６…端子、
４７…可変ゲイン増幅器、
４８…電圧測定手段、
４９…濃度計回路、
５０…筐体温度計、
５１…ヒータ制御回路、
５２…ヒータ、
５３…温度計、
５４…ニューラルネットワーク。
【図１】
0003629252.tif 000005
【図２】
0003629252.tif 000006
【図３】
0003629252.tif 000007
【図４】
0003629252.tif 000008
【図５】
0003629252.tif 000009
【図６】
0003629252.tif 000010
【図７】
0003629252.tif 000011
【図８】
0003629252.tif 000012
【図９】
0003629252.tif 000013
【図１０】
0003629252.tif 000014
【図１１】
0003629252.tif 000015