(57)【要約】【課題】  本発明は、経路の温度伝播時間の相違による測定誤差を除去し、低濃度から高濃度の範囲までの濃度を正確に求めることが可能なマイクロ波濃度計を提供することを目的とする。【解決手段】  ２位相差測定法によるマイクロ波式濃度計において、位相差測定部９は、送信アンテナと第1の受信アンテナとの距離Ｌ１と、送信アンテナと第２の受信アンテナとの距離Ｌ２とを、送信されるマイクロ波の波長λとするとき、距離Ｌ１は、λ≦Ｌ１＜２λ、距離Ｌ２は、２λ≦Ｌ２＜３λ、且つ、ｋ・Ｌ１＝Ｌ２となる距離設定定数ｋとを満足するように設定し、位相差θＬ１、及び位相差θＬ２が、３６０°に整数の乗数値を乗じた値を加えたものを表している場合に、この乗数値を距離設定定数ｋ、及びＬ１、Ｌ２の関係から正しい位相差θＬ１、位相差θＬ２を求めるようにし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】
送信アンテナと、この送信アンテナと対向して設置された第1及び第2の受信アンテナと、前記送信アンテナと前記第１の受信アンテナとの位相差θＬ１と、前記送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの位相差θＬ２との差ΔθＬ（＝θＬ２−θＬ１）を求める位相差測定手段と、前記位相差測定手段の出力から被測定流体の濃度を求める濃度演算手段とを備えた２位相差測定法によるマイクロ波式濃度計において、
前記位相差測定手段は、前記送信アンテナと前記第1の受信アンテナとの距離Ｌ１と、前記送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの距離Ｌ２とを、前記送信アンテナから送信されるマイクロ波の波長をλとするとき、前記距離Ｌ１は、λ≦Ｌ１＜２λ、前記距離Ｌ２は、２λ≦Ｌ２＜３λの範囲とし、且つ、ｋ・Ｌ１＝Ｌ２となる距離設定定数ｋを満足するように設定し、
前記位相差θＬ１、及び前記位相差θＬ２が、３６０°に整数の乗数値を乗じた値を加えたものを表している場合に、前記乗数値を前記距離設定定数ｋ、及びＬ１、Ｌ２の関係から求め、３６０°以上の位相差が発生した場合に夫々の正しい位相差θＬ１、位相差θＬ２を求めるようにしたことを特徴とするマイクロ波式濃度計。
【請求項２】
前記位相差θＬ１、及び位相差θＬ２、が次式、
θＬ１＝θ’Ｌ１＋ｎ１・３６０°
θＬ２＝θ’Ｌ２＋ｎ２・３６０°
で表され、前記第１送信アンテナからの夫々の３６０°以下の位相差の測定値をθ’Ｌ１、θ’Ｌ１とするとき、次式、
ｋ・θＬ１＝θＬ２
から、前記乗数値ｎ１、ｎ２を求めるように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３】
前記距離設定定数ｋを１≦ｋ＜２の範囲で設定する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４】
送信アンテナと、この送信アンテナと対向して設置された第1及び第2の受信アンテナと、前記送信アンテナと前記第１の受信アンテナとの位相差θＬ１と、前記送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの位相差θＬ２との差ΔθＬ（＝θＬ２−θＬ１）を求める位相差測定手段と、前記位相差測定手段の出力から被測定流体の濃度を求める濃度演算手段とを備えた２位相差測定法によるマイクロ波式濃度測定方法であって、
前記位相差測定手段は、前記送信アンテナと前記第1の受信アンテナとの距離Ｌ１と、前記送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの距離Ｌ２とを、前記送信アンテナから送信されるマイクロ波の波長をλとするとき、前記距離Ｌ１は、λ≦Ｌ１＜２λ、前記距離Ｌ２は、２λ≦Ｌ２＜３λとし、ｋ・Ｌ１＝Ｌ２、且つ、その範囲を１≦ｋ＜２となる距離設定定数ｋとを満足するように設定するステップと、
前記位相差θＬ１、及び前記位相差θＬ２、が次式、
θＬ１＝θ’Ｌ１＋ｎ１・３６０°
θＬ２＝θ’Ｌ２＋ｎ２・３６０°
で表され、
前記第１送信アンテナからの夫々の３６０°以下の位相差θ’Ｌ１、θ’Ｌ２とを測定するステップと、
ｋ・θＬ１＝θＬ２の関係から前記乗数値ｎ１、ｎ２を求めるステップとからなるマイクロ波式濃度測定方法。
【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に係り、特に、低濃度から高濃度までの広い測定範囲にわたって被測定液体の濃度を測定する機能を備えたマイクロ波式濃度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体中の懸濁物質や溶解性物質を含む被測定液体の濃度を測定する方式として超音波の減衰率を測定して濃度を求める超音波式濃度計や、光を用いて透過光減衰率や散乱光増加率等を測定して濃度を求める光学式濃度計が用いられている。
【０００３】
ところが、超音波式濃度計では、液体中に気泡が混入している場合にその影響を受けて測定誤差が増大するという問題があった。また、光学式濃度計においては、光を入射或いは受光する光学窓に汚れが付着するとその影響を受けて、やはり、その測定誤差が増大する問題があった。
【０００４】
そこで、最近ではこれらの気泡や汚れによる測定誤差の生じにくい機器としてマイクロ波式濃度計が開発され、実用化されるようになってきている。
【０００５】
図４は係るマイクロ波式濃度計の構成図である。このマイクロ波式濃度計は、マイクロ波発振器１１から発信されたマイクロ波がパワースプリッタ１２により基準系経路と、測定系経路とに分配される。
【０００６】
まず、基準系経路を通るマイクロ波は、マイクロ波送信ケーブル１３を介して位相差測定回路１９に導入される。一方、測定系経路を通るマイクロ波は、配管１５の側壁に設けられる送信アンテナ６を介して入射し、配管１５内に対向して設けられ、被測定液体中を通過したマイクロ波を受信アンテナ１７で受信し、この受信信号が位相差測定回路１９に導入される。
【０００７】
また、被測定液体は、濃度ゼロ（又は基準値）の濃度基準用液体と、濃度ｘの被測定用液体との２種類があり、それぞれ個別に配管に流されて、位相遅れθ１及びθ２が測定される。
【０００８】
すなわち、位相測定回路１９においては、マイクロ波発振器１から伝送ケーブル３等を経由して直接受信するマイクロ波を位相基準とし、これに対して配管５内に濃度ｘの被測定用液体を充填して流したときのマイクロ波の位相遅れθ２を測定し、配管５内に濃度基準用液体（例えば、濃度ゼロとみなせる水道水）を充填して流したときのマイクロ波の位相遅れに起因する位相差θ１を測定し、θ２とθ１とを比較し、位相差Δθ=（θ２−θ１）を求めて濃度演算部２０に送出する。
【０００９】
濃度演算部２０は、予め基準の濃度とこの位相差Δθの関係を校正データとして求めた検量線データに基づいて、被測定用液体の濃度ｘを算出する。
【００１０】
このように構成されたマイクロ波式濃度計は、被測定液体の濃度変化によるマイクロ波の速度変化を位相差として検出しているので、次のような問題が生じる。
【００１１】
すなわち、図５（ａ）に示すように被測定液体が低濃度の場合、基準マイクロ波信号の基準点（時刻ｔ１における基準マイクロ波信号の基準位相角θｒと基準位相角θｒからの受信マイクロ波信号の遅れに相当する位相角θ’との位相差θＬの検出は、周知の技術から種々の方法で容易に検出されるが、図５（ｂ）に示すように、被測定用液体が高濃度となり、位相差が３６０°以上となった場合には、位相差がθ’であるのかθＬ（＝θ’＋３６０°−θｒ）であるのかの判別ができないため、位相差が一義的に検出できないため、正しい濃度が求められなくなる。
【００１２】
そこで、連続的に位相差を測定し、前後の関係で３６０°（１回転）以上の位相差であるのか否かを求める方法が開示されている（特許文献１参照。）。
【００１３】
また、真の位相差が３６０°の整数倍を加えた値になる場合において、２つの異なる周波数のマイクロ波による位相差を求め、夫々の位相差から３６０°の整数の乗数を求めることによって、真の位相差を求める方法が開示されている（特許文献２参照。）。
【特許文献１】特許第３１６０４７４号明細書
【特許文献２】特許第３４７４５０９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、特許第３１６０４７４号明細書の構成では、比測定用液体が一度空になると、次に被測定用液体が満たされた場合に、正しい濃度を測定することが出来なくなる問題がある。
【００１５】
また、この方法では、基準系経路と測定系経路が異なる温度環境に置かれ易い設定配置であるため、被測定用液体の液温度の急変など、基準系経路と測定系経路とが異なる温度環境におかれることによって位相差が変化して、測定誤差が生じる問題がある。
【００１６】
また、特許第３４７４５０９号明細書の構成では、基準系経路と測定系経路は同じ温度環境に置かれるものの、２つの異なる周波数のマイクロ波を設けるので、回路構成が複雑で高価になる問題がある。
【００１７】
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、低濃度から高濃度の濃度範囲までの測定が容易に精度良く行え、且つ、基準系経路と測定系経路との経路の温度差による測定誤差の影響を受けにくいマイクロ波濃度計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】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１のマイクロ波式濃度計は、送信アンテナと、この送信アンテナと対向して設置された第1及び第2の受信アンテナと、前記送信アンテナと前記第１の受信アンテナとの位相差θＬ１と、前記送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの位相差θＬ２との差ΔθＬ（＝θＬ２−θＬ１）を求める位相差測定手段と、前記位相差測定手段の出力から被測定流体の濃度を求める濃度演算手段とを備えた２位相差測定法によるマイクロ波式濃度計において、前記位相差測定手段は、前記送信アンテナと前記第1の受信アンテナとの距離Ｌ１と、前記送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの距離Ｌ２とを、前記送信アンテナから送信されるマイクロ波の波長をλとするとき、前記距離Ｌ１は、λ≦Ｌ１＜２λ、前記距離Ｌ２は、２λ≦Ｌ２＜３λの範囲とし、且つ、ｋ・Ｌ１＝Ｌ２となる距離設定定数ｋを満足するように設定し、前記位相差θＬ１、及び前記位相差θＬ２が、３６０°に整数の乗数値を乗じた値を加えたものを表している場合に、前記乗数値を前記距離設定定数ｋ、及びＬ１、Ｌ２の関係から求め、３６０°以上の位相差が発生した場合に夫々の正しい位相差θＬ１、位相差θＬ２を求めるようにしたことを特徴とする。
【００１９】
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項４のマイクロ波式濃度測定方法は、送信アンテナと、この送信アンテナと対向して設置された第1及び第2の受信アンテナと、前記送信アンテナと前記第１の受信アンテナとの位相差θＬ１と、前記送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの位相差θＬ２との差ΔθＬ（＝θＬ２−θＬ１）を求める位相差測定手段と、前記位相差測定手段の出力から被測定流体の濃度を求める濃度演算手段とを備えた２位相差測定法によるマイクロ波式濃度測定方法であって、前記位相差測定手段は、前記送信アンテナと前記第1の受信アンテナとの距離Ｌ１と、前記送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの距離Ｌ２とを、前記送信アンテナから送信されるマイクロ波の波長をλとするとき、前記距離Ｌ１は、λ≦Ｌ１＜２λ、前記距離Ｌ２は、２λ≦Ｌ２＜３λとし、ｋ・Ｌ１＝Ｌ２、且つ、その範囲を１≦ｋ＜２となる距離設定定数ｋとを満足するように設定するステップと、前記位相差θＬ１、及び前記位相差θＬ２、が次式、
θＬ１＝θ’Ｌ１＋ｎ１・３６０°
θＬ２＝θ’Ｌ２＋ｎ２・３６０°
で表され、前記第１送信アンテナからの夫々の３６０°以下の位相差θ’Ｌ１、θ’Ｌ２とを測定するステップと、ｋ・θＬ１＝θＬ２の関係から前記乗数値ｎ１、ｎ２を求めるステップとからなる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、送信アンテナ及び受信アンテナを同じ周囲温度環境となる様に取り付け、夫々の受信アンテナからの信号の位相差を測定する様に構成し、所定の距離設定乗数ｋで、異なるマイクロ波の伝播距離で受信したマイクロ波信号から夫々の位相差を求め、測定された位相差が３６０°の整数の乗数値を加えた値の場合であっても、夫々の乗数値を一義的に求められるようにしたので、経路の温度伝播時間の相違による測定誤差を除去し、低濃度から高濃度の範囲までの濃度を正確に求めることが可能なマイクロ波濃度計を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１乃至図３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。マイクロ波式濃度計には、送信アンテナ及び受信アンテナが配管内の被測定液体中に挿入される挿入型と呼ばれるものと、送信アンテナと受信アンテナが配管壁面に取り付けられた流通型とがある。
【００２２】
図４に示した従来技術で説明したものは挿入型で、マイクロ波発信器からのマイクロ波信号をパワースプリッタで分岐して、一方を基準系経路とし、他方は被測定液体中を伝播させる測定系経路とし、基準系経路と測定系経路とを伝播するマイクロ波の位相差から濃度を測定する方式であった。
【００２３】
図１に示す方式も挿入型であるが、従来方式と異なり、マイクロ波の伝播距離が異なる測定系経路を２系統設け、この２系統の伝播速度の位相差から被測定液体の濃度を求める２位相差測定方式としているので、基準系経路と測定系経路の温度環境の相違がキャンセルできる構成となっている。
【００２４】
本実施例による構成は、マイクロ波を発信するマイクロ波発信器１と、被測定用液体を流す配管５内に挿入される送信アンテナ６と及び受信アンテナ７、８と、これらのアンテナを所定の位置に支持する支持部材４と、受信アンテナ７、８で受信したマイクロ波の位相差を測定する位相差検出部９、及びこの位相差出力部９の出力から濃度を求める濃度演算部１０とからなる。
【００２５】
更に、濃度演算部１０は、被測定用液体の液温を図示しない温度計で測定し、位相差検出部９の出力に対して温度補正を行うように構成される。
【００２６】
次に、各部の詳細について説明する。支持部材４及び配管５は、被測定用液体が変質しないＳＵＳ等の金属製の管で、支持部材４には送信アンテナ６、受信アンテナ７、８が、詳細を後述する異なる距離Ｌ１，距離Ｌ２で取り付けられる。
【００２７】
この部分の詳細断面構造を図２に示す。マイクロ波の送信アンテナ６、受信アンテナ７、８は送信方向に窓穴部を設け、この窓穴部の中心軸部にモノポールアンテナ線を配置し、モノポールアンテナ線と支持部材４をセラミックス等の誘電体で一体形成し密封構造としておく。
【００２８】
次に、このように構成された２位相差測定方式による低濃度から高濃度までの濃度測定が可能とするマイクロ波式濃度計の測定原理について図３を参照して説明する。
【００２９】
送信アンテナ６から送信されるマイクロ波が受信アンテナ７、及び受信アンテナ８で受信されたときの位相差θＬ１、θＬ２は、夫々次式で示される。
【００３０】
θＬ１＝θ’Ｌ１＋ｎ１・３６０°  ・・・（１）
θＬ２＝θ’Ｌ２＋ｎ２・３６０°  ・・・（２）
ここで、θ’Ｌ１、θ’Ｌ２は、３６０°以下の測定可能な位相角で、３６０°の整数倍の乗数となるｎ１、ｎ２は、この場合には０で、図３（ａ）に示すように送信されるマイクロ波の基準位相、即ち、基準マイクロ波信号の位相角θｒとの位相差θ’Ｌ１が測定可能な値である。
【００３１】
破線部分は、基準マイクロ波信号の位相角θｒに対する受信アンテナ７で受信した受信マイクロ波信号の位相差を示す。
【００３２】
この位相角θＬ１が３６０°以上となる場合は、乗数ｎ１、ｎ２は、正整数となり、図３（ｂ）ではｎ１が１の場合を図示している。
【００３３】
次に、異なるマイクロ波の伝播距離を設定する、距離Ｌ１及び距離Ｌ２の設定について説明する。異なる距離を設定するための定数を、距離設定乗数ｋとし、次式で設定される。  
ｋ・Ｌ１＝Ｌ２  ・・・（３）
ｋ、及び距離Ｌ１、距離Ｌ２は、濃度の測定レンジを設定するもので、通常１≦ｋ＜２とし、被測定液体中のマイクロ波の波長をλとすると、
λ≦Ｌ１＜２λ、  ・・・（４）
２λ≦Ｌ２＜３λ  ・・・（５）
の関係を満足するように設定する。
【００３４】
以上の条件で設定すると、位相差は、マイクロ波の伝播距離に比例するので次式の関係が成立する。  
ｋ・θＬ１＝θＬ２  ・・・（６）
従って、測定できる位相差θ’Ｌ１、θ’Ｌ２、距離設定乗数ｋ及び乗数ｎ１、ｎ２は、次式の関係が成立する。  
ｋ・θ’Ｌ１−θ’Ｌ２＋（ｋ・ｎ１−ｎ２）×３６０°＝０  ・・・（７）
即ち、濃度の測定範囲は、位相差が０からｋ・ｎ１＝ｎ２となる範囲まで拡大された位相差範囲の測定が可能となる。
【００３５】
このような測定原理に基づく具体的な設定例について説明する。
【００３６】
例えば、ｋ＝１．５とした場合、ｎ1=２、ｎ２＝３となる範囲まで、測定された位相差θ’Ｌ１、θ’Ｌ２、に対して一義的にｎ１、ｎ２が定まり、正しい位相差θＬ１、θＬ２が求められる。
【００３７】
この様子を図３（ｃ）に示す。破線で示す部分は、基準マイクロ波信号の位相θｒとしたときの受信アンテナ７及び８での受信マイクロ波の位相遅れを示す。
【００３８】
測定された位相差θ’Ｌ１＝１３６°、θ’Ｌ２＝２４°の場合、（７）式の関係を満足するｎ１、ｎ２は、一義的にｎ１＝１、ｎ２＝２が定まり、正しい位相差、θＬ１＝４９６°、θＬ２＝７４４°が求められる。
【００３９】
このように、２位相差測定方式においては、位相差が３６０°を超える場合であっても、上記（３）乃至（５）の関係を満足するように、マイクロ波の伝播距離を異なる２つの距離で受信するように、距離設定乗数ｋ、及、距離Ｌ１、Ｌ２を選択して、設定することによって、１０８０°（＝３６０°×３未満）の範囲まで測定範囲を拡大することが出来る。
【００４０】
また、例えば、ｋ＝１．２とした場合、ｎ1=５、ｎ２＝６となる範囲まで、測定された位相差θ’Ｌ１、θ’Ｌ２、に対して一義的にｎ１、ｎ２が定まり、正しい位相差θＬ１、θＬ２が求められる。
【００４１】
この様子を図３（ｄ）に示す。破線で示す部分は、基準マイクロ波信号の位相θｒとしたときの受信アンテナ７及び８での受信マイクロ波の位相遅れを示す。
【００４２】
測定された位相差θ’Ｌ１＝１６０°、θ’Ｌ２＝１２０°の場合、（７）式の関係を満足するｎ１、ｎ２は、一義的にｎ１＝４、ｎ２＝５が定まり、正しい位相差、θＬ１＝１６００°、θＬ２＝１９２０°が求められる。
【００４３】
このように、２位相差測定方式においては、位相差が３６０°を超える場合であっても、上記（３）乃至（５）の関係を満足するように、マイクロ波の伝播距離を異なる２つの距離で受信するように、距離設定乗数ｋ、及、距離Ｌ１、Ｌ２を選択して、設定することによって、２１６０°（＝３６０°×６未満）の範囲まで測定範囲を拡大することが出来る。
【００４４】
本発明は、上述したような各実施例に何ら限定されるものではなく、被測定用液体の濃度測定の範囲に応じて、前述した（３）乃至（５）式を満足する範囲で、送信アンテナと受信アンテナの距離、夫々の形状及び取り付け方法を自在に変更しても良く、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】
【００４５】
【図１】本発明の実施例に係る構成図。
【図２】送信アンテナ、受信アンテナの配置を説明する図。
【図３】本発明の測定動作を説明する図。
【図４】従来の構成図。
【図５】従来の測定動作を説明する図。
【符号の説明】
【００４６】
１、１１  マイクロ波発信器
２、１２  パワースプリッタ
３、１３  マイクロ波送信ケーブル
４  支持部材
５、１５  配管
６、１６  送信アンテナ
７、１７  受信アンテナ
８  受信アンテナ
９、１９  位相差測定部
１０、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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