(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体を伝搬したマイクロ波と被測定流体を伝搬しない信号との位相差を検出することにより、被測定流体の濃度を測定する濃度計において、
マイクロ波信号を発振するマイクロ波発振器と、
マイクロ波を被測定流体に放射し、被測定流体を伝搬したマイクロ波を受波する送受信器と、
入力される２信号の位相差を測定する位相差演算回路とを備え、
前記マイクロ波発振器と前記位相差演算回路との間に、前記送受信器から構成される測定ラインと、前記送受信器を通らない参照ラインとを設け、さらに、該測定ラインと参照ラインとを切り替えるスイッチを設け、
前記マイクロ波発振器と前記位相差演算回路との間に、さらに、マイクロ波信号をそれより低い周波数信号に変換する周波数変換器を設け、前記測定ラインと前記参照ラインは、同じ該周波数変換器を共有しており、
前記位相差演算回路は、前記測定ラインを通った測定信号と被測定流体を伝搬せず且つ前記周波数変換器を通過しない基準信号との位相差を測定すると共に、前記参照ラインを通った参照信号と被測定流体を伝搬せず且つ前記周波数変換器を通過しない基準信号との位相差を測定し、
前記２つの位相差の差から被測定流体の濃度を求めることを特徴とする濃度計。
【請求項２】
前記参照ラインには、参照信号の電力を減衰させる減衰器が設けられることを特徴とする請求項１記載の濃度計。
【請求項３】
前記減衰器は、測定信号の電力に応じて減衰量が変化するように構成されることを特徴とする請求項２記載の濃度計。
【請求項４】
前記位相差演算回路は、前記測定信号及び前記参照信号のそれぞれの波形の９０度の位相の時点と、基準信号の所定の位相の時点との時間差に基づいて各位相差を求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の濃度計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波を用いて被測定流体の濃度を測定する濃度計に関し、特にその精度向上をはかることのできる濃度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の濃度計としては、図９に示されたものがある。この濃度計は、配管を流れる被測定流体にマイクロ波を入射し、被測定物質を伝搬してきた受信波の位相遅れを測定し、さらには、基準位相遅れ（同一配管に例えば水を流したときの位相遅れ）との差から被測定物質の濃度を測定するものである。
【０００３】
具体的な装置構成としては、検出用の配管１０に、互いに対向するようにして、送信アンテナ１２と受信アンテナ１４が取り付けられている。高周波発振器６０から出力される例えば１．６ＧＨｚのマイクロ波信号が送信アンテナ１２に送られて、送信アンテナ１２から発射されたマイクロ波が配管１０内の被測定流体の中を伝搬し、受信アンテナ１４で受信される。受信アンテナ１４からの受信信号はアンプ６１を通った後ミキサ６２に送られ、同時に、高周波発振器６０からのマイクロ波信号は、別のミキサ６４に送られて、両ミキサ６２、６４において、１．６ＧＨｚ−６０ＭＨｚの周波数を持つマイクロ波信号を発振する高周波発振器６６からの出力と混合され、それぞれバンドパスフィルタ６８、７０を通ってそのビート信号が抽出され、アンプ７２、７４、リミッタ７６、７８等を介して直交同期検波器８０に送られる。直交同期検波器８０で２つの入力の位相差Δθの正弦成分sinΔθと余弦成分cosΔθが出力され、それぞれＡ／Ｄ変換器８２、８４で、Ａ／Ｄ変換されて位相差演算回路８６にて、
【０００４】
【数１】
Δθ＝tan-1（sinθ／cosθ）
が演算されて、位相差、即ち、被測定流体を伝搬したマイクロ波の位相遅れが求められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の濃度計では、特に、直交同期検波器８０において電圧オフセット誤差が発生するために、その誤差を抑えるために、リミッタ７６、７８を用いて、電圧を一定に抑える必要があり、回路が複雑になり、また、コストも高くなるという問題がある。
【０００６】
さらに、上記電圧オフセット誤差以外にも、各アナログ回路の持つ誤差要因が重なり、結果として得られる位相差には、電圧オフセット誤差、位相リニアリティ誤差、位相オフセット誤差、周波数オフセット誤差等が含まれているため、これらの誤差を校正するために、予め、電力、位相、周波数をパラメータとして、これらを変化させたときの誤差を求めて、補正カーブを作成しておき、測定時に、この補正カーブを用いて出力された結果の補正を行っている。
【０００７】
しかしながら、かかる補正カーブを作成するには時間と手間がかかる上に、アナログ回路毎にその特性が異なるために、各濃度計ごとに補正カーブを作成しなければならないという問題がある。また、補正カーブを用意しても、アナログ回路の経年変化や温度変化によって誤差特性が変化してしまうという問題もある。温度変化に関しては、装置をヒータで一定温度に加熱した容器の中に収納することで対応することもできるが、ヒータ等を必要とするために、コストがかかるという問題もある。
【０００８】
本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので、請求項１ないし請求項５の記載の発明は、補正データを予め用意することなく、精度良く、濃度を測定することができる濃度計を提供することをその目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のうち請求項１記載の発明は、被測定流体を伝搬したマイクロ波と被測定流体を伝搬しない信号との位相差を検出することにより、被測定流体の濃度を測定する濃度計において、マイクロ波信号を発振するマイクロ波発振器と、マイクロ波を被測定流体に放射し、被測定流体を伝搬したマイクロ波を受波する送受信器と、入力される２信号の位相差を測定する位相差演算回路とを備え、前記マイクロ波発振器と前記位相差演算回路との間に、前記送受信器から構成される測定ラインと、前記送受信器を通らない参照ラインとを設け、さらに、該測定ラインと参照ラインとを切り替えるスイッチを設け、前記マイクロ波発振器と前記位相差演算回路との間に、さらに、マイクロ波信号をそれより低い周波数信号に変換する周波数変換器を設け、前記測定ラインと前記参照ラインは、同じ該周波数変換器を共有しており、前記位相差演算回路は、前記測定ラインを通った測定信号と被測定流体を伝搬せず且つ前記周波数変換器を通過しない基準信号との位相差を測定すると共に、前記参照ラインを通った参照信号と被測定流体を伝搬せず且つ前記周波数変換器を通過しない基準信号との位相差を測定し、前記２つの位相差の差から被測定流体の濃度を求めることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、前記参照ラインには、参照信号の電力を減衰させる減衰器が設けられることを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載のものにおいて、前記減衰器は、測定信号の電力に応じて減衰量が変化するように構成されることを特徴とする。また、請求項４記載の発明は、請求項１〜３記載のものにおいて、前記位相差演算回路は、前記測定信号及び前記参照信号のそれぞれの波形の９０度の位相の時点と、基準信号の所定の位相の時点との時間差に基づいて各位相差を求めることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態を示すブロック図であり、図において、被測定流体が流れる検出用の配管１０に、互いに対向するようにして、送信アンテナ１２と受信アンテナ１４が取り付けられている。尚、送信アンテナ１２と受信アンテナ１４が取り付けられる配管１０の部分は絶縁体となっている。
【００１３】
水晶発振器等の基準発振器１８からは分周器２０を介してＰＬＬシンセサイザ２２、ＰＬＬシンセサイザ２４が接続されており、シンセサイザ２２は後述のスイッチ２６を介して、送信アンテナ１２に接続されている。基準発振器１８から出力される、例えば６０ＭＨｚの信号は、分周器２０で１／６に分周された後、シンセサイザ２２でフェイズロックされた１．６ＧＨｚのマイクロ波信号にされて、送信アンテナ１２に送られ、送信アンテナ１２からマイクロ波が発射される。また、シンセサイザ２４では、シンセサイザ２２と非常に近い、１．６ＧＨｚ−３３３ｋＨｚのフェーズロックされた信号が出力される。
【００１４】
受信アンテナ１４からの受信信号は、スイッチ３０を介してミキサ（周波数変換器）３２に入力されて、そこで、シンセサイザ２４からの信号と混合され、バンドパスフィルタ３６を通って３３３ｋＨｚの低周波信号に変換される。また同時に、シンセサイザ２２からの信号は、直接、ミキサ（周波数変換器）３４に入力されて、シンセサイザ２４からの信号と混合され、バンドパスフィルタ３８を通って３３３ｋＨｚの低周波信号に変換される。これら低周波信号に変換された信号は、それぞれアンプ４０、４２及びコンパレータ４４、４６、位相差演算回路４８に接続される。コンパレータ４４、４６は、アンプ４０、４２から送られてくる３３３ｋＨｚの正弦波信号のゼロクロスを検出するコンパレータであり、これにより正弦波を矩形波に整形して、位相差演算回路４８に送るものである。
【００１５】
位相差演算回路４８は、ＡＳＩＣで構成されるデジタルシグナルプロセッサであり、基準発振器１８からの信号をクロック信号とし、コンパレータ４４及びコンパレータ４６から入力されてくるデジタル波形の時間差を計数することによって、シンセサイザ２２から被測定流体を透過してきた信号と、シンセサイザ２２から被測定流体を透過せずに直接送られてきた信号の位相差を検出するものである。検出された位相差は、中央演算回路５０へさらに送られる。
【００１６】
本実施の形態では、シンセサイザ２２と送信アンテナ１２間、受信アンテナ１４とミキサ３２間に、それぞれ、スイッチ２６、スイッチ３０が介挿されており、スイッチ２６の一つの接点Ｓ1は送信アンテナ１２に接続され、スイッチ３０の一つの接点Ｓ2は受信アンテナ１４に接続され、これらＳ1−Ｓ2の間にある送信アンテナ１２、受信アンテナ１４を含むシンセサイザ２２から位相差演算回路４８までのラインは、測定ラインＳＬとなっている。また、スイッチ２６の他方の接点Ｒ1と、スイッチ３０の他方の接点Ｒ2をつなぐ、シンセサイザ２２から位相差演算回路４８までの間は、被測定流体を通過しない、参照ラインＲＬを形成しており、この参照ラインＲＬには、被測定流体を伝搬してきた場合と同程度の減衰を与える減衰器２８が設けられている。スイッチ２６、スイッチ３０の切換は、中央演算回路６０からの制御信号に基づいて高速に行われ、測定ラインＳＬまたは参照ラインＲＬのいずれかにシンセサイザ２２からのマイクロ波信号が選択して、送出される。
【００１７】
以上のように構成された濃度計において、まず、スイッチ２６、３０によりシンセサイザ２２からのマイクロ波信号が測定ラインＳＬに伝搬するように切り換えられている状態では、１．６ＧＨｚのマイクロ波信号が送信アンテナ１２に送られて、送信アンテナから発射されたマイクロ波が配管１０内の被測定流体の中を伝搬し、受信アンテナ１４で受信されて、ミキサ３２、バンドパスフィルタ３６、アンプ４０、コンパレータ４４を経て位相差演算回路４８に測定信号Ｓとして入力される。位相差演算回路４８には、同時に、シンセサイザ２２から被測定流体を通らずに、ミキサ３４、バンドパスフィルタ３８、アンプ４２、コンパレータ４６を経た基準信号ＲＦも入力されて、基準信号ＲＦからの測定信号Ｓの位相遅れ（位相差）が求められる。即ち、位相差は、
【００１８】
【数２】
Δθ1＝θs−θ0＋θe1 
で表される。ここで、Δθ1は位相差演算回路４８で求められた位相差であり、θsは測定信号の位相、θ0は基準信号の位相、θe1は、測定系のドリフト、オフセット誤差、温度変化による誤差、アナログ回路のばらつき等による誤差成分である。
【００１９】
次に、スイッチ２６、３０を切り換えて、シンセサイザ２２からのマイクロ波信号が参照ラインＲＬを伝搬するように切り換えると、マイクロ波信号が減衰器２８を通過し、ミキサ３２、バンドパスフィルタ３６、アンプ４０、コンパレータ４４を経て位相差演算回路４８に参照信号Ｒとして入力される。同時に基準信号ＲＦも位相差演算回路４８に入力されるのは同じである。このとき位相差演算回路４８で求められる位相遅れ（位相差）は、
【００２０】
【数３】
Δθ2＝θr−θ0＋θe2 
で表される。ここで、Δθ2は位相差演算回路４８で求められた位相遅れであり、θrは参照ラインＲＬを通過してきた参照信号Ｒの位相、θ0は基準信号の位相、θe2は、測定系のドリフト、オフセット誤差、温度変化による誤差、アナログ回路のばらつきによる誤差成分である。
【００２１】
ここで、測定ラインＳＬを通った測定信号Ｓと参照ラインＲＬを通った参照信号Ｒは、時分割によって交互に得られるものの、測定ラインＳＬと参照ラインＲＬとが同じアナログ回路を共有しており、測定系のドリフト、オフセット誤差、温度による誤差、アナログ回路のばらつきによる誤差に関して対等であると考えられる。即ち、
【００２２】
【数４】
θe1 ＝θe2 
が成り立つと考えられる。従って、Δθ1とΔθ2との差を求めると、
【００２３】
【数５】
0003804128.tif 000002
となる。θrは、参照ラインＲＬの電気長から予め既知であるため、θsに相当する値を得ることができる。さらに、同一配管１０に水を流してそのときのθsに相当する値を求めることにより、両者の差から、被測定流体の濃度が測定される。
【００２４】
図２は位相差演算回路４８に入力される信号の関係を表しており、図２（ａ）は基準信号ＲＦ、測定信号Ｓ及びクロック信号ＣＬとの関係を表し、図２（ｂ）は基準信号ＲＦ、参照信号Ｒ及びクロック信号ＣＬとの関係を表す。基準信号ＲＦと測定信号Ｓとの位相差は、２つの信号の立ち上がり間に存在するクロック数（ｔａとする）を計数すると共に、１つの信号の立ち上がりと立ち上がりとの間に存在するクロック数（ｔｃとする）を計数することで、Δθ1が求められる。即ち、
【００２５】
【数６】
Δθ1＝２π・ｔａ／ｔｃ
である。また、同様に、基準信号ＲＦと参照信号Ｒとの位相差は、２つの信号の立ち上がり間に存在するクロック数（ｔｄとする）を計数すると共に、１つの信号の立ち上がりと立ち上がりとの間に存在するクロック数（ｔｃとする）を計数することで、Δθ2が求められる。即ち、
【００２６】
【数７】
Δθ2＝２π・ｔｄ／ｔｃ
である。
【００２７】
図２（ｃ）、（ｄ）には、さらに、スイッチ２６、３０の漏れがあるときの図２（ａ）、（ｂ）対応図を示す。スイッチ２６、３０で測定ラインＳＬと参照ラインＲＬを切り換えているが、スイッチ２６、３０のアイソレーションが不十分であると、他方のラインからの漏れが干渉して、ベクトル合成される。図３（ａ）に信号をベクトル表示した説明図を示すと、今測定ラインＳＬに接続されて、測定信号Ｓ1が得られているとすると、参照ラインＲＬからの漏れ信号Ｅが微小ながら加算されて、位相がθe3だけ大きくなり誤差となる。測定信号Ｓ1から位相が１８０度ずれたところＳ2では、参照ラインＲＬからの漏れ信号Ｅにより、位相がθe3だけ小さくなる。この位相誤差θe3の位相依存性を示すと図３（ｂ）のようになり、１８０度位相が異なるところでは、位相誤差θe3は絶対値が同じで符号が反転することがわかる。従って、このことを利用して、図２（ｃ）において、基準信号ＲＦの立ち上がりと測定信号Ｓの立ち上がりの間に存在するクロック数（ｔａ）と、基準信号ＲＦの立ち上がりと測定信号Ｓの立ち下がりの間に存在するクロック数（ｔｂ）とをそれぞれ求め、その平均をとる。
【００２８】
【数８】
Δθ3＝２π・（ｔａ＋ｔｂ）／２ｔｃ
同様に、参照信号Ｒについても行う。
【００２９】
【数９】
Δθ4＝２π・（ｔｄ＋ｔｅ）／２ｔｃ
Δθ3とΔθ4の差をとることでθs−θrを求めることができる。言い換えれば、測定信号Ｓ及び参照信号Ｒのぞれぞれの位相９０度の時点を基準にして、位相差θs−θrを求めることにより、スイッチ２６、３０の漏れによる誤差の影響を受けないようにすることができる。
【００３０】
以上のように、測定ラインＳＬと参照ラインＲＬを設け、両ラインＳＬ、ＲＬを切り替えて、測定ラインＳＬを通った測定信号Ｓと被測定流体を伝搬しない基準信号ＲＦとの位相差Δθ1またはΔθ3を測定すると共に、参照ラインＲＬを通った参照信号Ｒと被測定流体を伝搬しない基準信号ＲＦとの位相差Δθ2またはΔθ4を測定し、２つの位相差Δθ1，Δθ2またはΔθ3，Δθ4の差Δθ1−Δθ2、Δθ3−Δθ4から被測定流体の濃度を求めることから、測定信号Ｓ及び参照信号Ｒに包含される誤差θe1，θe2がキャンセルされることで、従来に比べ精度良く濃度を測定することができる。
【００３１】
従って、電力変化、温度変化、位相変化、経年変化、機差等に影響を受けることがないので、予め補正カーブを作成する必要もなく、従来必要としていた補正カーブを作成するための手間を省くことができる。
図６及び図７は、それぞれθsとθrの時間変化を表したもので、０．１８度から０．１９度の範囲での変動が観測されるのに対して、図８に示したように、その差をとることにより、０．０６度の範囲内の変動に抑えることができた。
【００３２】
図４は、本発明の他の実施の形態を表すブロック図である。この実施の形態では、基準信号ＲＦを基準発振器１８から分周器５２で分周したものとする点で、第１の実施の形態と異なっている。
即ち、基準発振器１８からの６０ＭＨｚの信号は、分周器５２で３３３ｋＨｚの信号に分周されて、直接、位相差演算回路４８に入力されて、測定信号Ｓ、または参照信号Ｒとの位相差Δθ1、Δθ2（またはΔθ3、Δθ4）が求められる。
【００３３】
この構成においても、上記実施の形態と同様に位相差を求めることができると共に、ミキサ３２、バンドパスフィルタ３６、アンプ４０のアナログ回路１系統だけでよいため、回路構成が単純になり、製造コストが安価になるという効果を有している。
図５は、本発明のさらに他の実施の形態を表すブロック図である。この実施の形態では、参照ラインＲＬに設けられた減衰器を異なる減衰率を持つ複数の減衰器２８−１、２８−２、２８−３から構成し、適宜、スイッチ５４、５５でいずれかの減衰器を選択するように構成すると共に、アンプ４０からの出力をピーク検出回路５６、Ａ／Ｄ変換器５８を介して中央演算回路５０に送出している。
【００３４】
本実施の形態では、測定ラインＳＬが選択されている状態で、ピーク検出回路５６でアンプ４０から出力される波形のピークを検出し、このピークをＡ／Ｄ変換器５８でＡ／Ｄ変換する。中央演算回路５０では、ピークの大きさによって、減衰器２８−１、２８−２、２８−３のいずれを選択するかを決定し、スイッチ５４、５５を切り換える。こうして、参照ラインＲＬが選択されたときに、選択された減衰器の減衰を受け、測定信号Ｓと同じ程度の電力を持つ参照信号Ｒが得られるようにしている。
【００３５】
電力によってもオフセット誤差が変化するので、このように、測定信号Ｓの電力に応じて減衰量が変化するように構成することにより、測定信号Ｓと参照信号Ｒがそれぞれ包含する誤差θe1とθe2とをできる限り同じ値にすることができ、さらに精度良いものとすることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、測定ラインの他に参照ラインを設け、両ラインを切り替えて、測定ラインを通った測定信号と被測定流体を伝搬しない基準信号との位相差を測定すると共に、前記参照ラインを通った参照信号と被測定流体を伝搬しない基準信号との位相差を測定し、２つの位相差の差から被測定流体の濃度を求めることから、測定信号及び参照信号に包含される誤差がキャンセルされることで、精度良く濃度を測定することができる。また、測定ラインと参照ラインとで同じ周波数変換器を共有することで、周波数変換器によって受ける影響を測定信号と参照信号とで同じにすることができるので、測定信号と基準信号との位相差と、参照信号と基準信号との位相差との、２つの位相差の差を求めることで、この影響をキャンセルすることができる。
【００３７】
従って、電力変化、温度変化、位相変化、経年変化、機差等に影響を受けることが少なくなるので、予め補正カーブを作成する必要もなく、従来必要としていた補正カーブを作成するための手間を省くことができる。
請求項２記載の発明によれば、さらに、参照信号の電力を減衰させて、測定信号との電力差を少なくすることにより、電力変化によって生じる参照信号への誤差の影響を測定信号への影響に近いものにすることができ、測定信号と基準信号との位相差と、参照信号と基準信号との位相差との、２つの位相差の差を求めることで、電力変化によって生じる誤差をキャンセルすることができる。
【００３８】
請求項３記載の発明によれば、さらに、減衰器は、測定信号の電力に応じて減衰量が変化するように構成することから、電力変化によって生じる参照信号への誤差の影響を測定信号への誤差の影響と同じ程度にすることができ、さらに精度良くすることができる。
請求項４記載の発明によれば、測定信号及び参照信号が、スイッチのアイソレーションが不十分な場合に、その漏れ信号によってパルス幅が圧縮された場合にあっても、９０度位相の時点を基準にして、基準信号との所定の位相の時点との時間差に基づいて位相差を求めることから、漏れ信号の影響を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図１の位相差演算回路で処理される信号波形を表しており、（ａ）は基準信号ＲＦ、測定信号Ｓ及びクロック信号ＣＬとの関係を表し、図２（ｂ）は基準信号ＲＦ、参照信号Ｒ及びクロック信号ＣＬとの関係を表し、図２（ｃ）（ｄ）はスイッチからの漏れがあるときの図２（ａ）（ｂ）対応図である。
【図３】（ａ）は、スイッチからの漏れがあるときの測定信号Ｓと位相誤差θe3 とをベクトル表示した説明図、（ｂ）は、位相誤差θe3の位相依存性を示す説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態を示すブロック図である。
【図６】θsの実測値の時間変化を表すグラフである。
【図７】θrの実測値の時間変化を表すグラフである。
【図８】θs−θrの実測値の時間変化を表すグラフである。
【図９】従来の濃度計のブロック図を示す。
【符号の説明】
１２  送信アンテナ（送受信器）
１４  受信アンテナ（送受信器）
２２  シンセサイザ（マイクロ波発振器）
２６  スイッチ
２８、２８−１、２８−２、２８−３  減衰器
３０  スイッチ
３２  ミキサ（周波数変換器）
４８  位相差演算回路
ＳＬ  測定ライン
ＲＬ  参照ライン
Ｓ    測定信号
Ｒ    参照信号
【図１】
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【図２】
0003804128.tif 000004
【図３】
0003804128.tif 000005
【図４】
0003804128.tif 000006
【図５】
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【図６】
0003804128.tif 000008
【図７】
0003804128.tif 000009
【図８】
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【図９】
0003804128.tif 000011