(57)【要約】【課題】  少量の混合溶液の濃度を測定する場合でも感度や応答速度が良好で、小型化が容易な濃度測定方法を提供する。【解決手段】  混合溶液を、加熱手段により加熱し加熱手段の表面にて沸騰させる。加熱手段の表面温度を測定し、加熱手段の抵抗値を求める。抵抗値と印加電圧、加熱手段の表面積から熱流束を求め、熱流束と表面温度から混合溶液の濃度を求める。【選択図】  図８
2005241507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段により加熱し、前記加熱手段の表面にて前記
混合溶液を沸騰させる加熱ステップと、
前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面温
度を測定する温度測定ステップと、
前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の
熱流束を求める熱流束演算ステップと、
前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求める濃度演算ステップと
を有することを特徴とする濃度測定方法。
【請求項２】
前記加熱手段は、電気エネルギーで発熱する抵抗体を有することを特徴とする請求項１に
記載の濃度測定方法。
【請求項３】
前記抵抗体は、温度によって抵抗値が変化する性質を有し、前記抵抗値より前記表面温度
を求めることを特徴とする請求項２に記載の濃度測定方法。
【請求項４】
前記表面温度は、前記加熱手段の表面近傍に設けられた温度センサーの出力より求めるこ
とを特徴とする請求項１および請求項２に記載の濃度測定方法。
【請求項５】
２種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段により加熱し、前記加熱手段の表面にて前記
混合溶液が沸騰する温度で前記加熱手段の表面温度が略一定となる様に、温度制御手段に
より加熱手段を制御する加熱ステップと、
前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の
熱流束を求める熱流束演算ステップと、
前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求める濃度演算ステップと
を有することを特徴とする濃度測定方法。
【請求項６】
前記加熱手段は、電気エネルギーで発熱する抵抗体を有することを特徴とする請求項５に
記載の濃度測定方法。
【請求項７】
前記抵抗体は、温度によって抵抗値が変化する性質を有し、
前記温度制御手段は、前記抵抗体と共に構成されるブリッジ回路を有し、
前記加熱ステップは、前記ブリッジ回路の不均衡電圧をフィードバックすることにより前
記加熱手段の表面温度が略一定となる様に加熱することを特徴とする請求項６に記載の濃
度測定方法。
【請求項８】
前記表面温度は、前記抵抗値より求めることを特徴とする請求項７に記載の濃度測定方法
。
【請求項９】
前記熱流束は、前記抵抗体の抵抗値と、前記加熱手段の表面積と、前記抵抗体への印加電
圧を用いて求めることを特徴とする請求項２ないし請求項４および請求項６ないし請求項
８のいずれか１項に記載の濃度測定方法。
【請求項１０】
前記熱流束は、前記抵抗体の抵抗値と、前記加熱手段の表面積と、前記抵抗体に流れる電
流値を用いて求めることを特徴とする請求項２ないし請求項４および請求項６ないし請求
項８のいずれか１項に記載の濃度測定方法。
【請求項１１】
前記濃度演算ステップは、あらかじめ測定されたデータに基づいた前記表面温度と前記熱
流束と前記濃度の関係より、前記濃度を求めることを特徴とする請求項１ないし請求項１
０のいずれか１項に記載の濃度測定方法。
【請求項１２】
２種類の液体を混合した混合溶液を加熱するための加熱手段と、
前記加熱手段の表面温度を測定するための温度測定手段と、
前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の
熱流束と前記表面温度を用いて前記混合溶液の濃度を求めるための濃度演算装置と
を有することを特徴とする濃度測定システム。
【請求項１３】
２種類の液体を混合した混合溶液を加熱するための加熱手段と、
前記加熱手段の表面温度が略一定となる様に前記加熱手段を制御する温度制御手段と、
前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の
熱流束を求め、前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求めるための濃
度演算装置と
を有することを特徴とする濃度測定システム。
【請求項１４】
濃度を測定するためのコンピュータに、
２種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段により加熱し、前記加熱手段の表面にて前記
混合溶液を沸騰させる加熱ステップと、
前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面温
度を測定する温度測定ステップと、
前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の
熱流束を求める熱流束演算ステップと、
前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求める濃度演算ステップと
を実行させることを特徴とする濃度測定プログラム。
【請求項１５】
濃度を測定するためのコンピュータに、
２種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段により加熱し、前記加熱手段の表面にて前記
混合溶液が沸騰する様に、前記加熱手段の表面温度が略一定となる様に温度制御手段によ
り加熱手段を制御する加熱ステップと、
前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の
熱流束を求める熱流束演算ステップと、
前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求める濃度演算ステップと
を実行させることを特徴とする濃度測定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は２種類の成分が混合された混合溶液の濃度測定方法および濃度測定システムな
らびに濃度測定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
２種類の成分が混合された混合溶液の需要は多く、様々な濃度測定方法が開発されてい
る。近年、硫黄酸化物や窒素酸化物などの有害物質を排出しないクリーンな電源として、
燃料電池への期待が非常に高まりつつあり、自動車や家庭用電源、携帯情報機器など小型
の電源システムも多数提案されている。これに伴い、２種類の液体の混合溶液を燃料とす
る燃料電池に用いるために、精度が高くリアルタイムに測定可能な濃度測定方法が求めら
れている。
【０００３】
特許文献１に示す濃度測定方法では、アルコールと水の混合溶液中での超音波の伝搬速
度の温度変化率が濃度に依存することを利用して、超音波の伝搬速度を測定することで濃
度を求める方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２に示す濃度測定方法では、アルコールと水の混合溶液の沸点が濃度に
依存することを利用して、沸点を測定することで濃度を求める方法が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−２３５４１号公報（段落０００５）
【特許文献２】特表２００３−５１０６１３公報（段落０００８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、混合溶液の超音波の伝搬速度を高い精度で測定するためには、超音波の伝搬距
離を長くする必要がある。すなわち混合溶液の濃度測定に長さの長い混合溶液のタンクが
必要となり、小型の電源システムを設計するにあたり大きな阻害要因となってしまう。
【０００６】
また、混合溶液の沸点を測定するためには、沸点を測定する点の混合溶液ばかりでなく
、沸点を測定する点の周囲の混合溶液を含めて温度が一様な状態となるように撹拌などし
た上で、混合溶液を沸騰させる必要がある。すなわち、混合溶液の濃度測定にある程度の
容積のある混合溶液のタンクが必要となり、小型の電源システムを設計するにあたり大き
な阻害要因となってしまう。
【０００７】
さらに、混合溶液の超音波の伝搬速度を測定したり混合溶液の沸点を測定したりするた
めには、上述の様に濃度測定にある程度容積のある混合溶液のタンクが要求されるため、
濃度測定に用いる混合溶液の量も多く必要とされる。携帯情報機器など小電力のアプリケ
ーションなど、少量の混合溶液の濃度を測定する場合、感度や応答速度が悪化するという
問題もある。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みてされたもので、少量の混合溶液の濃度を測定する場
合でも感度や応答速度が良好で、小型化が容易な濃度測定方法および濃度測定システムな
らびに濃度測定プログラム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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の濃度測定方法は、２種類の液体を混合した混合溶
液を加熱手段により加熱し、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液を沸騰させる加熱ステ
ップと、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段
の表面温度を測定する温度測定ステップと、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰
している状態における前記加熱手段の表面の熱流束を求める熱流束演算ステップと、前記
表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求める濃度演算ステップとを有する
ことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の濃度測定方法は、２種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段により加
熱し、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰する様に、前記加熱手段の表面温度が
略一定となる様に温度制御手段により加熱手段を制御する加熱ステップと、前記加熱手段
の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束を求め
る熱流束演算ステップと、前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求め
る濃度演算ステップとを有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の濃度測定システムは、２種類の液体を混合した混合溶液を加熱するため
の加熱手段と、前記加熱手段の表面温度を測定するための温度測定手段と、前記加熱手段
の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束を求め
、前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求めるための濃度演算装置と
を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の濃度測定システムは、２種類の液体を混合した混合溶液を加熱するため
の加熱手段と、前記加熱手段の表面温度が略一定となる様に前記加熱手段を制御する温度
制御手段と、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱
手段の表面の熱流束を求め、前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求
めるための濃度演算装置とを有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の濃度測定プログラムは、２種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段に
より加熱し、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液を沸騰させる加熱ステップと、前記加
熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面温度を測
定する温度測定ステップと、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態に
おける前記加熱手段の表面の熱流束を求める熱流束演算ステップと、前記表面温度と前記
熱流束を用いて前記混合溶液の濃度を求める濃度演算ステップとを有することを特徴とす
る。
【００１４】
また、本発明の濃度測定プログラムは、２種類の液体を混合した混合溶液を加熱手段に
より加熱し、前記加熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰する様に、前記加熱手段の表面
温度が略一定となる様に温度制御手段により加熱手段を制御する加熱ステップと、前記加
熱手段の表面にて前記混合溶液が沸騰している状態における前記加熱手段の表面の熱流束
を求める熱流束演算ステップと、前記表面温度と前記熱流束を用いて前記混合溶液の濃度
を求める濃度演算ステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
少量の混合溶液の濃度を測定する場合でも感度や応答速度が良好で、小型化が容易な濃
度測定方法および濃度測定システムならびに濃度測定プログラム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】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１に本発明による濃度測定方法の第１の実施の形態を用いた濃度測定システムを示す
。
【００１７】
混合タンク１の内部には例えばメタノールなどの第１の成分の液体２と、例えば水など
の第２の成分の液体３の混合溶液４が一時貯蔵されている。混合タンク１には第１の成分
の液体２を注入するための注入管５、第２の成分の液体３を注入するための注入管６が設
けられている。混合タンク１に注入された第１の成分の液体２は第２の成分の液体３と混
合されて、混合溶液４となる。混合タンク１には混合されてできた混合溶液４を排出する
ための排出管７が設けられている。
【００１８】
混合タンク１の内部には混合溶液４を加熱および温度測定するための加熱手段８が設け
られている。加熱手段８の内部には混合溶液４を加熱するための、例えばカートリッジヒ
ータ（セラミックなどの高耐熱絶縁体のベースにニクロム線などの抵抗体がコイル状に巻
かれた、周知のカートリッジヒータ）などのヒータ９が設けられている。
【００１９】
加熱手段８には加熱手段８の表面温度を測定するための温度測定手段１０が接続されて
いる。温度測定手段１０は、加熱手段８の表面近傍に温度測定点が設けられた、例えば白
金線およびリード線などからなるセンサー１１と、例えば白金線の抵抗値変化を検出する
ための抵抗計などの温度計１２を有している。
【００２０】
ヒータ９には、ヒータ９を発熱させるための電源１３が接続されている。ヒータ９は電
源１３から供給された電力で、加熱手段８の表面で混合溶液４が沸騰する様に発熱する。
温度制御装置１４は、温度計１２の出力をもとに電源１３の電源電圧を制御し、加熱手段
８の表面温度を加熱手段８の表面で混合溶液４が沸騰する温度以上、かつ混合溶液４の発
火温度や濃度測定システムの機能に障害が生じる温度などの温度以下の任意の温度にコン
トロールしている。
【００２１】
濃度演算装置１５は、ヒータ９に供給される電力を測定するための電圧計１６と電流計
１７に接続されている。濃度演算装置１５は、電圧計１６又は電流計１７の出力を用い熱
流束を求める。さらに、濃度演算装置１５は、温度計１２の出力（図１では、温度計１２
の出力は温度制御装置１４経由で出力されている）を用い、混合溶液４の濃度１８を求め
、出力する。
【００２２】
続いて、図２（ａ）および図２（ｂ）に本発明による濃度測定方法の第１の実施の形態
のフローチャートを示す。
【００２３】
まず、加熱ステップＳ１について説明する。加熱ステップＳ１では、濃度測定システム
は混合溶液４を加熱手段８により加熱し、加熱手段８の表面にて混合溶液４を沸騰させる
。
【００２４】
温度制御装置１４は、加熱手段８内部に設けられたヒータ９に電源１３より電力を供給
し混合溶液４を加熱する。（Ｓ１ａ）温度測定手段１０の温度計１２は、センサー１１を
用いて加熱手段８の表面近傍の温度を検出し、必要に応じて検出された値を補正し、加熱
手段８の表面温度を測定する。温度制御装置１４は温度計１２からこの表面温度（ｔ）を
取得する。（Ｓ１ｂ）加熱手段８の表面で混合溶液４が沸騰する温度以上、かつ混合溶液
４の発火温度や濃度測定システムの機能に障害が生じる温度などの温度以下の任意の温度
を目標温度として、この表面温度が目標温度以上の場合、温度制御装置１４は電源１３か
らヒータ９への電力の供給を遮断（または目標温度との差に応じた電力供給量に電力供給
量を減少）する。一方、この表面温度が目標温度未満の場合は電源１３からヒータ９へ電
力供給（または目標温度との差に応じた電力供給量に電力供給量を増加）する。（Ｓ１ｃ
、Ｓ１ｄ）
次に、温度測定ステップＳ２について説明する。温度測定ステップＳ２では、加熱手段
８の表面にて混合溶液４が沸騰している状態における加熱手段８の表面温度（ｔ）を測定
する。濃度演算装置１５は、温度測定手段１０の温度計１２がセンサー１１を用いて加熱
手段８の表面近傍の温度を検出（必要に応じて補正）し、出力された加熱手段８の表面温
度（ｔ）を取得する。（Ｓ２）
続いて、熱流束演算ステップＳ３について説明する。熱流束演算ステップＳ３では、加
熱手段８の表面にて混合溶液４が沸騰している状態における加熱手段８の表面の熱流束（
ｑ）を求める。熱流束（ｑ）を求めるには、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す様に２通
りの方法があり、まず図２（ａ）に示す方法について説明する。
【００２５】
濃度演算装置１５は、電圧計１６が加熱手段８の内部に設けられたヒータ９に印加され
た電圧を検出し、出力された印加電圧（Ｖ）を取得する。（Ｓ３ａ）
濃度演算装置１５は、表面温度（ｔ）から、ヒータ９の表面温度（ｔ）における抵抗値
（Ｒ）を求める。なお、抵抗値（Ｒ）は、あらかじめヒータ９の抵抗値の温度依存性を測
定しておいて、濃度演算装置１５の後述する記憶部２２へ後述する表面温度（ｔ）と抵抗
値（Ｒ）の関係２４（近似関数またはデータベース）を記憶しておき、この関係２４を用
いて求めることができる。抵抗値（Ｒ）の温度依存性が濃度測定に影響が出ない程度に非
常に小さい場合、あらかじめ測定しておいた抵抗値（定数）を抵抗値（Ｒ）として使用し
てもかまわない。（Ｓ３ｂ）
濃度演算装置１５は、印加電圧（Ｖ）と抵抗値（Ｒ）と熱流束（ｑ）の関係（式１）を
用いて、熱流束（ｑ）を求める。（Ｓ３ｃ）
ｑ＝Ｖ2／（ＲＡ）  （式１）
Ａ：加熱手段８の表面積（定数）
次に図２（ｂ）に示す方法について説明する。なお、図２（ａ）に示す方法と同様の熱
流束演算ステップＳ３以外の部分については説明を省略する。
【００２６】
濃度演算装置１５は、電圧計１６が加熱手段８の内部に設けられたヒータ９に流れる電
流を検出し、出力された電流（Ｉ）を取得する。（Ｓ３ａ）
濃度演算装置１５は、図２（ａ）に示す方法と同様の方法で表面温度（ｔ）から、ヒー
タ９の表面温度（ｔ）における抵抗値（Ｒ）を求める。（Ｓ３ｂ）
濃度演算装置１５は、電流（Ｉ）と抵抗値（Ｒ）と熱流束（ｑ）の関係（式２）を用い
て、熱流束（ｑ）を求める。（Ｓ３ｃ）
ｑ＝（Ｉ2Ｒ）／Ａ  （式２）
濃度演算ステップＳ４について説明する。濃度演算ステップＳ４では表面温度（ｔ）と
熱流束（ｑ）を用いて混合溶液４中の第１の成分の液体２の濃度（Ｘ）を求める。濃度演
算装置１５は、濃度演算装置１５内の記憶部２２に記憶された後述する熱流束（ｑ）、表
面温度（ｔ）、濃度（Ｘ）の関係２３（データベース）を用いて、例えば図３に示すよう
な熱流束（ｑ）と表面温度（ｔ）と濃度（Ｘ）の関係２３より、例えば熱流束（ｑ）＝１
４０ｋＷ／ｍ2、表面温度（ｔ）＝１１２℃の時のメタノールと水の混合溶液４のメタノ
ール濃度（Ｘ）は０．０４０（モル分率）のように、濃度（Ｘ）を求める。（Ｓ４ａ）濃
度演算装置１５は求めた濃度（Ｘ）を例えばアナログ信号として出力する。なお関係２３
のデータベースの構造は、例えば図３（ｂ）に示すような、濃度（Ｘ）における熱流束（
ｑ）と表面温度（ｔ）の近似式が複数記憶されたものを用いることができる。（Ｓ４ｂ）
濃度演算装置１５の詳細について説明する。図４は濃度演算装置１５などのブロック図
である。濃度演算装置１５には温度制御装置１４、電圧計１６、電流計１７より入力Ｉ／
Ｆ２０に入力されたデータをもとに演算を行う処理部２１が設けられている。処理部２１
は抵抗値（Ｒ）や濃度（Ｘ）などを計算するための関数やデータベースが記憶されている
記憶部２２が接続されている。記憶部２２には表面温度（ｔ）と抵抗値（Ｒ）の関係２４
が、近似関数またはデータベースとして記憶されている。また、記憶部２２には熱流束（
ｑ）、表面温度（ｔ）、濃度（Ｘ）の関係２３が、データベースとして記憶されている。
処理部２１は関係２４、関係２３を必要に応じて参照し、抵抗値（Ｒ）や濃度（Ｘ）など
を求め、結果を出力Ｉ／Ｆ２５を通して外部に出力する。
【００２７】
本発明による濃度測定方法の第１の実施の形態を用いた濃度測定プログラムについて説
明する。濃度を測定するためのコンピュータは、図１及び図４に示す濃度演算装置１５が
有する機能に加え、出力Ｉ／Ｆ２５が電源１３と温度制御装置１４に接続され、電源１３
と温度制御装置１４を制御する機能を有している。濃度測定プログラムは図２に示す濃度
測定方法の加熱ステップＳ１、温度測定ステップＳ２、熱流束演算ステップＳ３、濃度演
算ステップＳ４を、コンピュータに実行させる。各ステップの詳細は前述した図２の説明
と同様のため省略する。
【００２８】
このように、第１の実施の形態による濃度測定方法では、加熱手段８の表面で混合溶液
４を沸騰させて、加熱手段８の表面温度（ｔ）および加熱手段８へ加えるエネルギーなら
びに加熱手段８の表面積より熱流束（ｑ）を求め、表面温度（ｔ）と熱流束（ｑ）より混
合溶液４の濃度を測定することができる。このことにより、混合タンク１の内部の混合溶
液４全体を沸騰させる必要がなく、超音波の伝搬距離を考慮する必要がないため、混合タ
ンク１の容積の容量が小さい場合においても、精度良く混合溶液４の濃度を測定すること
ができる。また、混合タンク１の内部の混合溶液４全体を沸騰させる必要がないため、混
合タンク１の内部の温度分布を均一化する手段、例えば撹拌装置などが必要なく、システ
ム全体の小型化を図ることができる。また、混合タンク１の容積を小さくできるため、濃
度の変化に対する感度や応答速度を向上することができる。
【００２９】
なお、図２（ａ）に示す本実施の形態では、熱流束（ｑ）を求めるために印加電圧（Ｖ
）を用いたため、加熱手段８の内部に設けられたヒータ９に印加された電圧を検出してい
る。ヒータ９に流れる電流を検出するための電流計１７の出力は、濃度（Ｘ）を求めるた
めに用いていない。よって、濃度検出装置の安全性などの他用途に特に用いない場合、電
流計１７を省いても構わない。
【００３０】
また、図２（ｂ）に示す本実施の形態では、熱流束（ｑ）を求めるために電流（Ｉ）を
用いたため、加熱手段８の内部に設けられたヒータ９に流れる電流を検出している。ヒー
タ９に印加された電圧を検出するための電圧計１６の出力は、濃度（Ｘ）を求めるために
用いてない。上記同様、濃度検出装置の安全性などの他用途に特に用いない場合、電圧計
１６を省いても構わない。
（第２の実施の形態）
図５に本発明による濃度測定方法の第２の実施の形態を用いた濃度測定システムを示す
。第１の実施の形態の各部、各機能と同一部分は同一符号で示し、その詳細な説明を省略
する。
【００３１】
混合タンク１の内部には混合溶液４を加熱および温度測定するための加熱手段３０が設
けられている。加熱手段３０は、電力供給されることで発熱し、かつその抵抗値に温度依
存性を有する抵抗体を有している。加熱手段３０の構成の例としては、薄膜状もしくは線
状の白金など抵抗体の表面を、白金線の腐食を防ぐために熱伝導率の高い絶縁体などで被
覆したものが挙げられる。加熱手段３０は、直流電源３２より電力が供給されることによ
り加熱手段３０に設けられた抵抗体が発熱し、混合溶液４が加熱手段３０の表面で沸騰す
る様に、混合溶液４を加熱する。
【００３２】
加熱手段３０には加熱手段３０の表面温度を測定するための温度測定手段３１が接続さ
れている。温度測定手段３１は、加熱手段３０の表面温度を、加熱手段３０に設けられた
抵抗体の抵抗値を測定することで測定している。温度測定手段３１は、温度測定手段３１
に設けられた抵抗３１ａ、３１ｂ、３１ｃの３つの抵抗と、加熱手段３０に設けられた抵
抗体を用いてブリッジ回路を構成し、加熱手段３０に設けられた抵抗体の抵抗値をブリッ
ジ回路の不均衡電圧、すなわち温度のアナログ信号として出力する。
【００３３】
濃度演算装置３３は、温度測定手段３１にオペアンプ３４を介して接続されている。濃
度演算装置３３は、直流電源３２の電圧と、オペアンプ３４にて増幅された温度測定手段
３１から出力された加熱手段３０に設けられた抵抗体の抵抗値を用い、熱流束を求める。
さらに、濃度演算装置３３は、オペアンプ３４にて増幅された温度測定手段３１から出力
された加熱手段３０に設けられた抵抗体の抵抗値、すなわち温度のアナログ信号と熱流束
から混合溶液４の濃度１８を求め、出力する。
【００３４】
続いて、図６に本発明による濃度測定方法の第２の実施の形態を用いた濃度測定プログ
ラムのフローチャートを示す。
【００３５】
まず、加熱ステップＳ１１について説明する。加熱ステップＳ１１では、濃度測定シス
テムは加熱手段３０に電力を供給することにより混合溶液４を加熱し、加熱手段３０の表
面にて混合溶液４を沸騰させる。加熱手段３０は直流電源３２より電力が供給され、加熱
手段３０に設けられた抵抗体が発熱する。直流電源３２の電圧や、抵抗体の直径や長さは
混合溶液４が加熱手段３０の表面にて沸騰するように、あらかじめ構成されている。（Ｓ
１１）
次に、温度測定ステップＳ１２について説明する。温度測定ステップＳ１２では、加熱
手段３０の表面にて混合溶液４が沸騰している状態における加熱手段３０の表面温度（ｔ
）を測定する。温度測定手段３１に設けられたブリッジ回路は、そのブリッジ回路の不均
衡電圧を加熱手段３０に設けられた抵抗体の抵抗値として出力する。オペアンプ３４は温
度測定手段３１から出力された不均衡電圧、すなわち抵抗値を増幅する。濃度演算装置３
３には、オペアンプ３４にて増幅された抵抗値（Ｒ）が入力される。（Ｓ１２ａ）濃度測
定システム３３に設けられた記憶部２２には、あらかじめ測定された抵抗値（Ｒ）と表面
温度（ｔ）の関係２４（近似関数またはデータベース）が記憶されている。濃度演算装置
３３は、入力された抵抗値（Ｒ）を、関係２４を用いて表面温度（ｔ）を求める（Ｓ１２
ｂ）
続いて、熱流束演算ステップＳ１３について説明する。熱流束演算ステップＳ１３では
、加熱手段３０の表面にて混合溶液４が沸騰している状態における加熱手段３０の表面の
熱流束（ｑ）を求める。
【００３６】
濃度演算装置３３は、直流電源の電圧、すなわち印加電圧（Ｖ）と抵抗値（Ｒ）と熱流
束（ｑ）の関係（式３）を用いて、熱流束（ｑ）を求める。（Ｓ１３）
ｑ＝（ＲＶ2）／［（Ｒａ＋Ｒ）2Ａ］  （式３）
Ａ：加熱手段３０の表面積（定数）
Ｒａ：抵抗３１ａの抵抗値
濃度演算ステップＳ１４について説明する。濃度演算ステップＳ１４では表面温度（ｔ
）と熱流束（ｑ）を用いて混合溶液４中の第１の成分の液体２の濃度（Ｘ）を求める。濃
度演算装置３３は、濃度演算装置３３内の記憶部２２に記憶された熱流束（ｑ）、表面温
度（ｔ）、濃度（Ｘ）の関係２３（データベース）、例えば図３に示すような熱流束（ｑ
）と表面温度（ｔ）と濃度（Ｘ）の関係より、濃度（Ｘ）を求める。（Ｓ１４ａ）濃度演
算装置３３は求めた濃度（Ｘ）を例えばアナログ信号として出力する。（Ｓ１４ｂ）
濃度演算装置３３の詳細について説明する。図７は濃度演算装置３３などのブロック図
である。濃度演算装置３３には温度測定手段３１よりオペアンプ３４を介して入力Ｉ／Ｆ
２０に入力されたデータをもとに演算を行う処理部３５が設けられている。処理部３５は
表面温度（ｔ）や濃度（Ｘ）などを計算するための関数やデータベースが記憶されている
記憶部２２が接続されている。記憶部２２には表面温度（ｔ）と抵抗値（Ｒ）の関係２４
が、近似関数またはデータベースとして記憶されている。また、記憶部２２には熱流束（
ｑ）、表面温度（ｔ）、濃度（Ｘ）の関係２３が、データベースとして記憶されている。
処理部３５は関係２４、関係２３を必要に応じて参照し、表面温度（ｔ）や濃度（Ｘ）な
どを求め、結果を出力Ｉ／Ｆ２５を通して外部に出力する。
【００３７】
本発明による濃度測定方法の第２の実施の形態を用いた濃度測定プログラムについて説
明する。濃度を測定するためのコンピュータは、図５及び図７に示す濃度演算装置３３が
有する機能に加え、出力Ｉ／Ｆ２５が直流電源３２に接続され、直流電源３２を制御する
機能を有している。濃度測定プログラムは図６に示す濃度測定方法の加熱ステップＳ１１
、温度測定ステップＳ１２、熱流束演算ステップＳ１３、濃度演算ステップＳ１４を、コ
ンピュータに実行させる。各ステップの詳細は前述した図６の説明と同様のため省略する
。
【００３８】
このように、第２の実施の形態による濃度測定方法では、加熱手段３０の表面で混合溶
液４を沸騰させて、加熱手段３０の表面温度（ｔ）および加熱手段３０へ加えるエネルギ
ーならびに加熱手段３０の表面積より熱流束（ｑ）を求め、表面温度（ｔ）と熱流束（ｑ
）より混合溶液４の濃度を測定することができる。このことにより、混合タンク１の内部
の混合溶液４全体を沸騰させる必要がなく、超音波の伝搬距離を考慮する必要がないため
、混合タンク１の容積の容量が小さい場合においても、精度良く混合溶液４の濃度を測定
することができる。
【００３９】
また、混合タンク１の内部の混合溶液４全体を沸騰させる必要がないため、混合タンク
１の内部の温度分布を均一化する手段、例えば撹拌装置などが必要なく、システム全体の
小型化を図ることができる。また、混合タンク１の容積を小さくできるため、濃度の変化
に対する感度や応答速度を向上することができる。また、第１の実施の形態による濃度測
定方法に比べ、加熱手段３０に設けられた抵抗体の抵抗値が温度依存性を有しているため
、第１の実施の形態におけるセンサー１１が不要となり、加熱手段３０を小型化、ひいて
は混合タンク１の容積をより小さくできる。
【００４０】
なお、本実施の形態では、熱流束（ｑ）を求めるための印加電圧（Ｖ）が一定電圧の例
について説明した。印加電圧（Ｖ）が変動する場合には、図５に示す電圧計３４を用いて
、印加電圧（Ｖ）を濃度演算装置３３に入力し、式３より熱流束（ｑ）を求めても構わな
い。
【００４１】
また、本実施の形態では、熱流束（ｑ）を求めるための印加電圧（Ｖ）が一定電圧なの
で、濃度検出装置の安全性などの他用途に特に用いない場合、電圧計３４を省略しても構
わない。
【００４２】
また、本実施の形態では、熱流束（ｑ）を求めるために印加電圧（Ｖ）を用いたが、第
１の実施の形態と同様に、濃度演算装置３３は、加熱手段３０の内部に設けられた抵抗体
に流れる電流（Ｉ）を用いて熱流束（ｑ）を求めても構わない。この時、電圧計３４の出
力は、濃度（Ｘ）を求めるために用いてない。上記同様、濃度検出装置の安全性などの他
用途に特に用いない場合、電圧計３４を省いても構わない。
（第３の実施の形態）
図８に本発明による濃度測定方法の第３の実施の形態を用いた濃度測定システムを示す
。第１の実施の形態および第２の実施の形態の各部、各機能と同一部分は同一符号で示し
、その詳細な説明を省略する。
【００４３】
混合タンク１の内部には混合溶液４を加熱するための加熱手段４０が設けられている。
加熱手段４０は、電力供給されることで発熱し、かつその抵抗値に温度依存性を有する抵
抗体を有している。加熱手段４０の構成の例としては、例えば直径１０μｍ、長さ１０ｃ
ｍの白金線など薄膜状もしくは線状の抵抗体の表面を、白金線の腐食を防ぐために熱伝導
率の高い絶縁体などで被覆したものが挙げられる。加熱手段４０は、電力が供給されるこ
とにより加熱手段４０に設けられた抵抗体が発熱し、混合溶液４が加熱手段４０の表面で
沸騰する様に、混合溶液４を加熱する。
【００４４】
加熱手段４０には加熱手段４０の表面温度をフィードバックし、加熱手段４０の表面温
度を略一定に保つための温度制御手段４１が接続されている。温度制御手段４１には、加
熱手段４０の抵抗体の抵抗値を出力するための、例えば３３Ωの抵抗４１ａ、３．３ｋΩ
の抵抗４１ｂ、５ｋΩを中心値とした可変抵抗４１ｃの３つの抵抗と抵抗体からなるブリ
ッジ回路が設けられている。温度制御手段４１は抵抗体の抵抗値を、このブリッジ回路の
不均衡電圧、すなわち温度のアナログ信号として出力する。
【００４５】
オペアンプ４４は温度制御手段４１から出力された温度のアナログ信号を増幅し、濃度
演算装置４３へ出力すると共に、温度制御手段４１に設けられたブリッジ回路にフィード
バックする。オペアンプ４４は、例えば周知のＴＳＳＯＰタイプパッケージのオペアンプ
を使用することができる。抵抗体の抵抗値が低いとき、すなわち加熱手段４０の表面温度
が低いときは、オペアンプ４４は高い電圧を出力し、温度制御装置４１に設けられたブリ
ッジ回路を介して抵抗体の加熱量を大きくする。一方、抵抗体の抵抗値が高いとき、すな
わち加熱手段４０の表面温度が高いときは、オペアンプ４４は低い電圧を出力し、温度制
御装置４１に設けられたブリッジ回路を介して抵抗体の加熱量を小さくする。そして、可
変抵抗４１ｃの抵抗値を調整することで設定可能な設定温度と加熱手段４０の表面温度が
ほぼ等しくなったとき、温度制御装置４１に設けられたブリッジ回路の不均衡電圧は非常
に小さくなり、混合溶液４の放熱量と、抵抗体の加熱量はほぼ等しくなる。例えば、可変
抵抗４１ｃを５ｋΩに設定した場合、加熱手段４０の表面温度が約１１２℃に達した時点
で、抵抗体の抵抗値は約５０Ωとなり、ブリッジ回路の不均衡電圧は非常に小さく（０．
４１０ｍＶ）なる。このように、オペアンプ４４から出力された温度のアナログ信号を温
度制御手段４１へフィードバックすることで、加熱手段４０の表面温度は略一定となるよ
うにコントロールされる。
【００４６】
濃度演算装置４３は、温度制御手段４１にオペアンプ４４を介して接続されている。濃
度演算装置４３は、電源（図示せず）の電圧と、オペアンプ４４にて増幅された不均衡電
圧と複数の抵抗の抵抗値から求められた抵抗体の抵抗値を用い、熱流束を求める。さらに
、濃度演算装置４３は、オペアンプ４４にて増幅された不均衡電圧と複数の抵抗の抵抗値
から求められた抵抗体の抵抗値を求め、この抵抗体の抵抗値から求められる表面温度と熱
流束から混合溶液４の濃度１８を求め、出力する。
【００４７】
続いて、図９に本発明による濃度測定方法の第３の実施の形態を用いた濃度測定プログ
ラムのフローチャートを示す。
【００４８】
まず、加熱ステップＳ２１について説明する。加熱ステップＳ２１では、濃度測定シス
テムは加熱手段４０に電力を供給することにより混合溶液４を加熱し、加熱手段４０の表
面にて混合溶液４を沸騰させる。加熱手段４０は電源（図示せず）より電力が供給され、
加熱手段４０に設けられた抵抗体が発熱する。（Ｓ２１）
次に、温度測定ステップＳ２２について説明する。温度測定ステップＳ２２では、加熱
手段４０の表面にて混合溶液４が沸騰している状態における加熱手段４０の表面温度（ｔ
）を測定する。温度制御手段４１に設けられたブリッジ回路は、そのブリッジ回路の不均
衡電圧を加熱手段４０に設けられた抵抗体の抵抗値のアナログ信号として出力する。オペ
アンプ４４は温度制御手段４１から出力された不均衡電圧、すなわち抵抗体の抵抗値を増
幅する。濃度演算装置４３には、オペアンプ４４にて増幅された抵抗値（Ｒ）が入力され
る。（Ｓ２２ａ）濃度測定システム４３に設けられた記憶部２２には、あらかじめ測定さ
れた抵抗値（Ｒ）と表面温度（ｔ）の関係２４（近似関数またはデータベース）が記憶さ
れている。濃度演算装置４３は、入力された抵抗値（Ｒ）を、関係２４を用いて表面温度
（ｔ）を求める（Ｓ２２ｂ）
続いて、熱流束演算ステップＳ２３について説明する。熱流束演算ステップＳ２３では
、加熱手段４０の表面にて混合溶液４が沸騰している状態における加熱手段４０の表面の
熱流束（ｑ）を求める。
【００４９】
濃度演算装置４３は、直流電源の電圧、すなわち印加電圧（Ｖ）と抵抗値（Ｒ）と熱流
束（ｑ）の関係（式４）を用いて、熱流束（ｑ）を求める。（Ｓ２３）
ｑ＝（ＲＶ2）／［（Ｒａ＋Ｒ）2Ａ］  （式４）
Ａ：加熱手段４０の表面積（定数）
Ｒａ：抵抗４１ａの抵抗値
濃度演算ステップＳ２４について説明する。濃度演算ステップＳ２４では表面温度（ｔ
）と熱流束（ｑ）を用いて混合溶液４中の第１の成分の液体２の濃度（Ｘ）を求める。濃
度演算装置４３は、濃度演算装置４３内の記憶部２２に記憶された熱流束（ｑ）、表面温
度（ｔ）、濃度（Ｘ）の関係２３（データベース）、例えば図３に示すような熱流束（ｑ
）と表面温度（ｔ）と濃度（Ｘ）の関係より、濃度（Ｘ）を求める。（Ｓ２４ａ）濃度演
算装置４３は求めた濃度（Ｘ）を例えばアナログ信号として出力する。（Ｓ２４ｂ）
濃度演算装置４３の詳細について説明する。濃度演算装置のブロック図は、本発明によ
る濃度測定方法の第２の実施の形態とほぼ同様なので、図示を省略する。濃度演算装置４
３には温度測定手段４１よりオペアンプ４４を介して入力Ｉ／Ｆに入力されたデータをも
とに演算を行う処理部が設けられている。処理部は表面温度（ｔ）や濃度（Ｘ）などを計
算するための関数やデータベースが記憶されている記憶部２２が接続されている。記憶部
２２には表面温度（ｔ）と抵抗値（Ｒ）の関係２４が、近似関数またはデータベースとし
て記憶されている。また、記憶部２２には熱流束（ｑ）、表面温度（ｔ）、濃度（Ｘ）の
関係２３が、データベースとして記憶されている。処理部は関係２４、関係２３を必要に
応じて参照し、表面温度（ｔ）や濃度（Ｘ）などを求め、結果を出力Ｉ／Ｆを通して外部
に出力する。
【００５０】
本発明による濃度測定方法の第３の実施の形態を用いた濃度測定プログラムについて説
明する。濃度を測定するためのコンピュータは、図８及び図９に示す濃度演算装置４３が
有する機能に加え、出力Ｉ／Ｆ（図示せず）が電源（図示せず）に接続され、電源を制御
する機能を有している。濃度測定プログラムは図９に示す濃度測定方法の加熱ステップＳ
２１、温度測定ステップＳ２２、熱流束演算ステップＳ２、濃度演算ステップＳ２４を、
コンピュータに実行させる。各ステップの詳細は前述した図９の説明と同様のため省略す
る。
【００５１】
このように、第３の実施の形態による濃度測定方法では、加熱手段４０の表面で混合溶
液４を沸騰させて、加熱手段４０の表面温度（ｔ）および加熱手段４０へ加えるエネルギ
ーならびに加熱手段４０の表面積より熱流束（ｑ）を求め、表面温度（ｔ）と熱流束（ｑ
）より混合溶液４の濃度を測定することができる。このことにより、混合タンク１の内部
の混合溶液４全体を沸騰させる必要がなく、超音波の伝搬距離を考慮する必要がないため
、混合タンク１の容積の容量が小さい場合においても、精度良く混合溶液４の濃度を測定
することができる。
【００５２】
また、混合タンク１の内部の混合溶液４全体を沸騰させる必要がないため、混合タンク
１の内部の温度分布を均一化する手段、例えば撹拌装置などが必要なく、システム全体の
小型化を図ることができる。また、混合タンク１の容積を小さくできるため、濃度の変化
に対する感度や応答速度を向上することができる。
【００５３】
また、第１の実施の形態による濃度測定方法に比べ、加熱手段４０に設けられた抵抗体
の抵抗値が温度依存性を有し、第１の実施の形態におけるセンサー１１が不要となるので
、加熱手段４０を小型化、ひいては混合タンク１の容積をより小さくできる。
【００５４】
さらに、第２の実施の形態による濃度測定方法に比べ、加熱手段４０の表面温度が、可
変抵抗４１ｃにて設定した目標温度付近で略一定となるので、混合溶液４の濃度変化に対
して熱伝達率が大きく変化する温度付近に目標温度を設定することができる。すなわち、
濃度の測定値の精度を向上することができる。例えば、圧力０．１０１ＭＰａ、表面温度
１１２℃のメタノールと水からなる混合溶液４において、モル分率が０．０４０から±０
．００４変化しただけで、熱流束は１４０ｋＷ／ｍ2から±１３ｋＷ／ｍ2変化し、オペア
ンプ４４の出力は±１８０ｍＶ変化する。このオペアンプ４４の出力は、濃度演算装置４
３が濃度を測定するために必要な変化量に対して十分大きい値で、非常に高い精度で濃度
測定をすることができる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、混合溶液４の例にメタノールと水の混合溶液４を挙げたが、
濃度に応じて熱伝達率が変化する他の２種類の成分が混合された混合溶液全般に対して利
用できる。
【００５６】
なお、本発明は上述したような各実施の形態に限定されるものではなく、形状や材質、
構成を変更してもよく、例えば本実施の形態では、濃度測定のための加熱手段を混合タン
ク１の内部に配置したが、加熱手段を流路内に配置したり、中空の多孔質体の内部に配置
したりしても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明による濃度測定方法の第１の実施の形態を用いた濃度測定システムを示すシステム構成図
【図２】本発明による濃度測定方法の第１の実施の形態を示すフローチャート
【図３】本発明による濃度測定方法の第１の実施の形態を示す関係図
【図４】本発明による濃度測定方法の第１の実施の形態を示すブロック図
【図５】本発明による濃度測定方法の第２の実施の形態を用いた濃度測定システムを示すシステム構成図
【図６】本発明による濃度測定方法の第２の実施の形態を示すフローチャート
【図７】本発明による濃度測定方法の第２の実施の形態を示すブロック図
【図８】本発明による濃度測定方法の第３の実施の形態を用いた濃度測定システムを示すシステム構成図
【図９】本発明による濃度測定方法の第３の実施の形態を示すフローチャート
【符号の説明】
【００５８】
１  混合タンク
２  第１の成分の液体
３  第２の成分の液体
４  混合溶液
５、６  注入管
７  排出管
８、３０、４０  加熱手段
９  ヒータ
１０、３１  温度測定手段
１１  センサー
１２  温度計
１３  電源
１４  温度制御装置
１５、３３、４３  濃度演算装置
１６  電圧計
１７  電流計
１８  濃度
２０  入力Ｉ／Ｆ
２１、３５  処理部
２２  記憶部
２３  関係
２４  関係
２５  出力Ｉ／Ｆ
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、４１ａ、４１ｂ  抵抗
３２  直流電源
３４、４４  オペアンプ
４１  温度制御手段
４１ｃ  可変抵抗
【図１】
2005241507.tif 000003
【図２】
2005241507.tif 000004
【図３】
2005241507.tif 000005
【図４】
2005241507.tif 000006
【図５】
2005241507.tif 000007
【図６】
2005241507.tif 000008
【図７】
2005241507.tif 000009
【図８】
2005241507.tif 000010
【図９】
2005241507.tif 000011