(57)【要約】【課題】  位相差が位相角回転する高濃度の測定物質でも制約なしに一回の演算で測定でき、測定誤差があった場合でも正確に濃度をすることが可能なマイクロ波濃度測定装置および方法を提供する。【解決手段】  マイクロ波発生器１で発生したマイクロ波を配管５内の被測定対象に送信し、被測定対象を通過したマイクロ波を受信アンテナ７で受信し、発生したマイクロ波と受信されたマイクロ波との位相差を位相差測定部９で求め、また、受信したマイクロ波の強度を受信信号レベル測定部８で求め、求めた位相差とマイクロ波の強度とを用いて被測定対象の濃度を濃度演算回路１０で求める。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、
このマイクロ波発生手段で発生したマイクロ波を被測定対象に送信する送信手段と、
この送信手段から送信された被測定対象を通過したマイクロ波を受信する受信手段と、
前記マイクロ波発生手段で発生したマイクロ波と受信手段で受信されたマイクロ波との位相差を求める位相測定手段と、
前記受信手段で受信されたマイクロ波の強度を求めるレベル測定手段と、
前記位相測定手段で求めた位相差とレベル測定手段で求めたマイクロ波の強度とを用いて被測定対象の濃度を求める演算手段とを備えたことを特徴とするマイクロ波濃度計
【請求項２】
前記演算手段は、前記レベル測定手段で求めたマイクロ波の強度により前記位相測定手段で求めた位相を補正し、この補正された位相を用いて被測定対象の濃度を求めることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波濃度計
【請求項３】
マイクロ波を発生する発生ステップと、
発生したマイクロ波を被測定対象に送信する送信ステップと、
被測定対象に送信したマイクロ波を受信する受信ステップと、
前記発生したマイクロ波と前記受信したマイクロ波の位相差を求める位相差測定ステップと、
前記受信したマイクロ波の強度を求める強度測定ステップと、
このマイクロ波の強度を用いて前記位相差を補正する位相差補正ステップと、
補正された位相差を用いて被測定対象の濃度を求める演算ステップとを有することを特徴とするマイクロ波式濃度測定方法。
【請求項４】
前記位相差補正ステップは、前記強度測定ステップで求めたマイクロ波の強度に応じて、３６０°刻みで位相差測定ステップで求めた位相差の増減を行なう補正をすることを特徴とす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、マイクロ波を用いた濃度測定装置に係り、特に、位相角回転が発生した場合にも正確の濃度測定が行うことができるマイクロ波式濃度計およびマイクロ波式濃度測定方法に関する。
【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】
このようなマイクロ波式濃度計は、マイクロ波発信器から発信されたマイクロ波がパワースプリッタにより基準系経路と、測定系経路とに分配される。
【０００６】
基準系経路を通るマイクロ波は、例えば、伝送ケーブルを介して位相差測定回路に導入される。一方、測定系経路を通るマイクロ波は、配管の内側の内壁に取り付けられたマイクロ波の送信アンテナ介して入射し、配管内を流れる被測定液体中を通過したマイクロ波を配管の内側の内壁に対向して取り付けられた受信アンテナで受信し、受信した信号を受信アンテナから位相差測定部に導入される。
【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、位相差測定部においては、マイクロ波発信器から伝送ケーブル等を経由して直接受信するマイクロ波を位相基準とし、これに対して配管内に濃度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に送出する。
【０００９】
濃度演算部は、この位相差Δθ及び予め校正された検量線に基づいて、被測定用液体の濃度を算出する。
【００１０】
このようなマイクロ波式濃度計は次のような原理に基づいている。すなわち、被測定用液体中の懸濁物質または溶解性物質の濃度が変化すると被測定液体全体としての誘電率、導電率が変化する。誘電率、導電率が変化すると、被測定用液体中を伝播するマイクロ波の速度が変化する。
【００１１】
ここで、マイクロ波式濃度計は、このような濃度変化によるマイクロ波の速度変化を位相の変化として測定し、その位相変化の位相差△θが濃度に比例するという原理に基づいて測定している。測定原理上、１波長以上位相差が変化する場合、位相差θ２が３６０°を超えて０°に戻る位相角回転が発生する。この場合は、位相差θ２の時系列データより位相角回転が発生したと判断。適切な濃度に変換することにより測定範囲を拡張する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
また、配管内部の流体が抜けた場合や、一旦、流体が抜けた後、再度充填されたときにも正常な濃度測定を行える位相差の回転数を補正する機能を備えたマイクロ波式濃度計がある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特登３１６０４２８。
【特許文献２】特開平１１−１８３４０４。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した従来のマイクロ波式濃度計（特登３１６０４２８）の構成では、被測定用液体の濃度が高く、測定開始時から位相差θ２の位相角回転が発生している場合、位相差θ２の時系列データからは、この状態は判別できず、誤った濃度に変換される。あるいは、測定中に一時的に管内が非満水状態になった場合、位相差θ２が急変し、位相角回転が発生したと誤判断。誤った濃度に変換されるという問題がある。また、別の従来のマイクロ波式濃度計（特開平１１−１８３４０４）では、複数回の位相差の演算を行わなくてはならない。
【００１４】
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、位相差が位相角回転する高濃度の測定物質でも制約なしに一回の演算で測定でき、測定誤差があった場合でも正確に濃度をすることが可能なマイクロ波濃度測定装置および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】
【００１５】
本発明は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、このマイクロ波発生手段で発生したマイクロ波を被測定対象に送信する送信手段と、この送信手段から送信された被測定対象を通過したマイクロ波を受信する受信手段と、前記マイクロ波発生手段で発生したマイクロ波と受信手段で受信されたマイクロ波との位相差を求める位相測定手段と、前記受信手段で受信されたマイクロ波の強度を求めるレベル測定手段と、前記位相測定手段で求めた位相差とレベル測定手段で求めたマイクロ波の強度とを用いて被測定対象の濃度を求める演算手段とを備えてなるものである。
【００１６】
したがって、本発明は、マイクロ波発生手段で発生したマイクロ波が被測定対象に送信され、送信された被測定対象を通過したマイクロ波が受信され、発生したマイクロ波と受信されたマイクロ波との位相差が求められ、また、受信されたマイクロ波の強度が求められ、求めた位相差とマイクロ波の強度とを用いて被測定対象の濃度が求められる。このため、位相差が位相角回転する高濃度の測定物質でも制約なしに一回の演算で測定でき、測定誤差があった場合でも正確に濃度をすることが可能なマイクロ波式濃度計を提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明を用いることにより、位相差が位相角回転する高濃度の測定物質でも制約なしに一回の演算で測定でき、測定誤差があった場合でも正確に濃度をすることが可能なマイクロ波式濃度計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】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態のマイクロ波式濃度計の構成図である。
【００２０】
なお、一般的に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存在し、本発明の第１実施形態のマイクロ波式濃度計は流通型である。
【００２１】
マイクロ波式濃度計は、マイクロ波発信器１からのマイクロ波信号をパワースプリッタ２で分岐して、一方を基準系経路とし、他方は配管５の被測定液体中を伝播させる測定系経路とし、基準経路と測定経路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る。基準経路とは、パワースプリッタ２から伝送ケーブル３を介して位相差測定部９に導入される経路である。また、測定経路とは、送信アンテナ６から受信アンテナ７を経て、マイクロ波の受信信号レベルを測定する受信信号レベル測定部８と、マイクロ波の基準系からの位相差を測定する位相差測定部９に導入される経路である。
【００２２】
本発明の第１実施形態では、新たにマイクロ波の受信信号レベル測定部８を設け、このマイクロ波の受信信号レベルの変動より、位相角回転を検出して、位相角回転が発生する高濃度の被測定液体の濃度を求めることができる。
【００２３】
マイクロ波式濃度計は、マイクロ波発信器１から発信されたマイクロ波がパワースプリッタ２により基準系経路と、測定系経路とに分配される。
【００２４】
基準系経路を通るマイクロ波は、伝送ケーブル３を介して位相差測定部９に導入される。一方、測定系経路を通るマイクロ波は、被測定液体を流す配管５に装着される送信アンテナ６から受信アンテナ７を経て、マイクロ波の受信信号レベルを測定する受信信号レベル測定部８と、マイクロ波の基準系からの位相差を測定する位相差測定部９に導入される。受信信号レベル測定部８からのマイクロ波の受信信号レベルと位相差測定部９からマイクロ波の基準系からの位相差は、濃度演算回路１０に導入され濃度が算出される。
【００２５】
以上のように構成された本発明の第１実施形態に係るマイクロ波濃度測定装置を適用した測定方法について、図２、図３を参照して説明する。
【００２６】
図２は、濃度Ｘと位相差θ２との関係を示した模式図であり、図３は、濃度Ｘとマイクロ波の受信信号レベルの関係をした模式図である。
【００２７】
一般的に、濃度Ｘｒ（ｉ）の時には、受信信号レベルＳｒ（ｉ）が測定されるが、通常、測定誤差が発生する。この測定誤差をεＳｒとすると、実際に測定される受信信号レベルは、Ｓｒ±εＳｒの範囲となる。したがって、測定された受信信号レベルをＳとした時、Ｓｒ−εＳｒ≦Ｓ≦Ｓｒ＋εＳｒとなった場合には、当該誤差範囲のため、真の濃度がＸｒに対して大きいか小さいかの判断できない。すなわち、３６０°の補正を行なう場合と、行なわない場合が生ずることになる。そこで、３６０°補正について位相角の測定値θ２を用いる。
【００２８】
図２では、Ｘｒ（１）（すなわち、Ｘｒ（ｉ）、ｉ＝１のとき）において、Ｘｒ（１）より小さい値の場合には、位相差θ２は大きな値となり、Ｘｒ（１）より大きい値の場合は、位相差θ２は小さな値となる。
【００２９】
この時、θ２がＳｒ−εＳｒに該当する位相差より大きい場合は、補正せず、θ２がＳｒ＋εＳｒに該当する位相差より小さい場合は補正を行なう。ここで、θｔをＳｒ−εＳｒに該当する位相差よりも小さく、Ｓｒ＋εＳｒに該当する位相差より大きい値に選ぶ。すると、補正しない場合でθｔより小さい場合、および補正する場合でθｔより大きい場合は発生しないので、θｔに対するθ２の大小で補正を決めて良い。このため、後述する図５のステップＳ５でθｔとθ２との大小関係を判別している。
【００３０】
なお、上述した様に測定値θ２の値の確認を行なうのは、Ｓｒ±εＳｒの範囲の範囲だけでよいが、測定誤差よりさらに余裕を見た範囲について、測定値θ２の値の確認を行なってもよい。このようにすると、補正に対して測定誤差εＳｒを厳密に求める必要がなくなり、測定誤差εＳｒが実際より小さく入力することを避けられる。
【００３１】
そこで、Ｓｒ−εＳｒに該当する位相差の替わりに、この値より小さな角度としてθｔ１を用いる。そして、上述したようにθｔ１は、θ２との関係で、θ２＜θｔ１となることが必要である。
【００３２】
他方、Ｓｒ＋εＳｒに該当する位相差に替わってはそれより大きなθｔ２を用いる。同様にθ２＞θt２となることが必要である（図２参照）。
【００３３】
例えば、Ｘｒ（ｉ）は位相差３６０°に相当するので、θｔとして、その中間値である１８０°を用い、θｔ１はθｔと３６０°の中間値である２７０°を、θｔ２はθｔと０°の中間値である９０°を用いるような設定ができる。
【００３４】
この場合、Ｓｔ１（ｉ）としては位相差２７０°が測定される受信信号レベル、Ｓｔ２（ｉ）には位相差９０°が測定される受信信号レベルを記憶することになる。ただし、このような設定ができるのは、位相差２７０°が測定される受信信号レベルとＳｒの差よりεＳｒが小さいことが必要である。
【００３５】
なお、Ｓｔ１（ｉ）、Ｓｔ２（ｉ）は判断基準値として予め、例えば受信信号レベル測定部８等に記憶している値である。
【００３６】
ここで、図２においては、濃度がＸｒ（ｉ）を超えると位相差θ２が３６０°ｎを超えることにより位相角回転が発生し、位相差θ２が０°に戻ることを示している。例えば、ｉ＝１であれば、濃度がＸｒ（１）を超えると、位相差θ２が３６０°を超えることにより位相角回転が発生し、位相差θ２が０°に戻り、ｉ＝２であれば、濃度がＸｒ（２）を超えると、位相差θ２が３６０°＊２＝７２０°を超えることにより位相角回転が発生し、位相差θ２が０°に戻る。
【００３７】
また、図３においては、配管５内の被測定液の濃度が高まると、通常、誘電率及び導電率が高くなるため、マイクロ波の受信信号レベルは、減少する。また、受信信号レベルＳｒは、位相角回転が発生する濃度Ｘｒにおけるマイクロ波の受信信号レベルである。
【００３８】
図２、図３より受信信号レベルがＸｒ（ｉ）を下回った場合、位相角回転が発生するが、位相差θ２に３６０°＊ｎを加算すれば、適正な濃度が一回で算出できる。図３は、ｉ＝１の場合を示しており、ｎはｎ＝ｉ−１である。
【００３９】
次に、位相角回転の補正方法について図２、図３および図４のフローチャートを参照して説明する。
【００４０】
濃度演算回路１０は、ステップＳ１で、最初にｉ＝１を設定する。続いてステップＳ２で、濃度演算回路１０は、受信信号レベルＳが、Ｓ＞Ｓｔ１（ｉ）か否かを判別する。すなわち、ｉ＝１であるので、Ｓ＞Ｓｔ１（１）か否かを判別する。ステップＳ２で、濃度演算回路１０によってＳ＞Ｓｔ１（１）であると判別された場合は（この段階では、図４の（１）または（２）の範囲にあることがわかる）、ステップＳ４で、Ｓ＞Ｓｔ２（ｉ−１）であるかを判別する。すなわち、ｉ＝１であるので、Ｓ＞Ｓｔ２（０）であるかを判別する。ステップＳ４で、濃度演算回路１０によってＳ＞Ｓｔ２（０）であると判別された場合は（図４の（１）の範囲にあることがわかる）、ステップＳ５に遷移する。
【００４１】
一方、ステップＳ４で、濃度演算回路１０によってＳ＜Ｓｔ２（０）でない、すなわち、Ｓ＞Ｓｔ２（０）と判別された場合は（図３の（２）の範囲にあることがわかる）、ステップＳ７で、濃度演算回路１０は、位相差θ２に３６０°＊（ｉ−１）を加算する。この場合、ｉ＝１であるので、θ２には０を加算する。
【００４２】
ステップＳ５で、濃度演算回路１０によって、θ２＞θｔでない、すなわち、θ２＜θｔと判別された場合は、ステップＳ７で、濃度演算回路１０は、位相差θ２に３６０°＊（ｉ−１）を加算する。この場合、（図３の（１）の範囲のときは、図２を参照するとθ２＜θｔ２であるから、必ずθ２＜θｔと判断されることがわかる）ｉ＝１であるので、θ２には０を加算する。
【００４３】
一方、ステップＳ２で、Ｓ＞Ｓｔ１（１）でないと判別された場合、すなわち、Ｓ＜Ｓｔ１（１）であると判別された場合は、ステップＳ３で、ｉに１を加算し、ステップＳ２で、すなわち、ｉ＝２であるので、Ｓ＞Ｓｔ１（２）か否かを判別する。以下、ｉ＝２として前述したｉ＝１と同様の処理を行う。例えば、図３の（３）の範囲にあるときは、ｉ＝２のとき、ステップＳ２でＹＥＳ、ステップＳ４でＹＥＳ、ステップＳ５でＹＥＳと判断され、ステップＳ６によりｉ＝１となり、ステップＳ７では、０を加算する。また、図３の（４）の範囲にあるときは、ｉ＝２のとき、ステップＳ２でＹＥＳ、ステップＳ４でＹＥＳ、ステップＳ５でＮＯと判断され、ステップＳ７では、ｉ＝２であるので、θ２には３６０°が加算される。
【００４４】
最後に、濃度演算回路１０は、ステップＳ８で濃度指示値に換算して終了する。
【００４５】
以上のように、ステップＳ３に遷移するごとにｉに１が加算されるので、位相角回転が発生した場合に応じた受信レベル量を用いた判断ができ、位相差θ２の補正量の算出ができる。このため、位相角回転が何回発生しても適切に位相角回転を検出し、位相差θ２を設定することができる。
【００４６】
これにより、θｔおよびＳｔ２（ｉ）を適切に設定すれば、位相差θ２および受信信号レベルＳに測定誤差がある場合でも、誤って位相角回転が発生したと検出することがない。
【００４７】
上記より本発明の第１実施形態を用いれば、位相角回転に関する制約なしで、高濃度の被測定物質も一回の演算で測定できる使い勝手のよいマイクロ波濃度測定装置を提供することが可能となる。さらに、測定値に誤差が発生した場合でも、安定した位相角回転の検出が可能である。
【００４８】
また、大口径の配管に適用したものほど、低い濃度で位相角回転が発生するので、本発明の第１実施形態を適用した場合に有用である。
【００４９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、図５を参照して説明する。
【００５０】
本発明の第２実施形態は、挿入型と呼ばれるマイクロ波式濃度計である。なお、本発明の第１実施形態と同一または対応する部分には、同一の番号を付してその説明を前述に譲る。
【００５１】
第２実施形態のマイクロ波式濃度計が第１実施形態と異なる点は、送信アンテナ６及び受信アンテナ７が支持部材４に固定され、配管５内の被測定液体中に挿入される点である。
【００５２】
このように、挿入型と呼ばれるマイクロ波式濃度計でも本発明は適用可能であり、本発明の第１実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、挿入型のマイクロ波式濃度計を用いたことにより、コスト面でも大口径になればなるほど、メリットが大きくなる。
【００５３】
また、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る流通型のマイクロ波式濃度計を示した構成図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る流通型のマイクロ波式濃度計の原理として、位相差と濃度の関係を示した模式図。
【図３】本発明の第１実施形態に係る流通型のマイクロ波式濃度計の原理として、受信レベルと濃度の関係を示した模式図。
【図４】本発明の第１実施形態に係る流通型のマイクロ波式濃度計の動作を示したフローチャート。
【図５】本発明の第２実施形態に係る挿入型のマイクロ波式濃度計を示した構成図。
【符号の説明】
【００５５】
１…マイクロ波発信器、２…パワースプリッタ、３…伝送ケーブル、４…支持部材、５…配管、６…送信アンテナ、７…受信アンテナ、８…受信信号レベル測定部、９…位相差測定部、１０…濃度演算回路
【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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