濃度センサ
【課題】経時的に感度が変化したり、測定領域の表面にゴミなどが付着してセンサの特性が変化しても、正確な濃度を測定することが可能な溶液センサを提供する
【解決手段】本発明の濃度センサは、第１検出面が導電体に覆われ、混合液と第１検出面とが直接に接触させず、弾性表面波の位相及び振幅を測定する第１弾性表面波センサと、混合液と第２検出面が直接に接触し、弾性表面波の位相及び振幅を測定する第２弾性表面波センサと、第１弾性表面波センサの第１位相及び第１振幅、第２弾性表面波センサの第２位相及び第２振幅とから混合液における第１の液体の濃度を算出する濃度算出部とを有し、濃度算出部が、基準濃度を校正する際、第１の液量における第１濃度と、第１液量から予め設定された液量差を変化させた第２の液位における第２濃度とを求め、第２及び第１濃度の濃度差と、第２の液量及び液量差とから、校正した濃度を求める。
【解決手段】本発明の濃度センサは、第１検出面が導電体に覆われ、混合液と第１検出面とが直接に接触させず、弾性表面波の位相及び振幅を測定する第１弾性表面波センサと、混合液と第２検出面が直接に接触し、弾性表面波の位相及び振幅を測定する第２弾性表面波センサと、第１弾性表面波センサの第１位相及び第１振幅、第２弾性表面波センサの第２位相及び第２振幅とから混合液における第１の液体の濃度を算出する濃度算出部とを有し、濃度算出部が、基準濃度を校正する際、第１の液量における第１濃度と、第１液量から予め設定された液量差を変化させた第２の液位における第２濃度とを求め、第２及び第１濃度の濃度差と、第２の液量及び液量差とから、校正した濃度を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波センサを構成素子とする溶液の濃度を測定する濃度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
溶液の濃度を測定する際に、弾性表面波センサを用いて、溶液の比誘電率と導電率とを測定する構成の装置がある（例えば、特許文献１）。
そして、溶液の濃度を測定する溶液センサは、予め物性が分かっている溶液（例えば、純水）で得られる絶対位相と振幅とを初期値（校正データ）とし、測定対象の溶液で得られる、この絶対位相と振幅とからの変化を、溶液の濃度を求めるための位相差と振幅比として検出している。
そして、この得られた位相差と振幅比とを用いて、溶液の電気的特性として導電率及び比誘電率を算出し、この算出した導電率及び比誘電率から溶液の濃度を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３０９７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
また、測定対象の溶液中において溶液センサを長期的に使用する場合、電源投入時に溶液センサの校正が行えないため、溶液中に浸す直前に校正した際の校正データを、記憶しておく必要がある。
しかしながら、弾性表面波センサは、感度が非常に高く経時的変化が起こりやすく、また、測定領域の表面にゴミなどが付着することにより、センサの特性が変化してしまい、初期の校正の状態を維持することができない。
また、しばらく測定を行わずに動作を停止し、時間が経過した後の測定において、測定対象の溶液の濃度が水分の蒸発、あるいは物質の揮発などにより変化した場合、停止前の濃度を基準に測定を行うと、溶液センサが正確な測定値を得ることができず、誤動作することになる。
【０００５】
本発明は、上記の課題を考慮してなされたものであって、経時的に感度が変化したり、測定領域の表面にゴミなどが付着してセンサの特性が変化しても、正確な濃度を測定することが可能な濃度センサ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】
【０００６】
本発明の濃度センサは、少なくとも第１の液体及び第２の液体を含む複数の液体が混合した混合液との間における力学的相互作用及び電気的相互作用により検出される弾性表面波の伝搬特性の変化により、前記混合液における第１の液体の濃度を検出する濃度検出装置において、第１検出面が導電体に覆われ、前記混合液と前記第１検出面とが直接に接触させず、前記弾性表面波の位相及び振幅を測定する第１の弾性表面波センサと、前記混合液と第２検出面が直接に接触し、前記弾性表面波の位相及び振幅を測定する第２の弾性表面波センサと、前記第１の弾性表面波センサの第１位相及び第１振幅、前記第２の弾性表面波センサの第２位相及び第２振幅とから前記混合液における前記第１の液体の濃度を算出する濃度算出部とを有し、前記濃度算出部が、前記基準濃度を校正する際、第１の液量における第１濃度と、第１の液量から予め設定された液量差を変化させた第２の液位における第２濃度とを求め、当該第２濃度及び前記第１濃度の濃度差と、前記第２の液量及び前記液量差とから、校正した濃度を求めることを特徴とする。
【０００７】
本発明の濃度センサは、前記濃度算出部が、前記濃度差に前記第１の液量を乗算し、乗算結果を前記液量差により除算し、前記校正された濃度を算出することを特徴とする。
【０００８】
本発明の濃度センサは、容器内の前記混合物に対し、前記液量差の量の前記第２の液体を供給する第２の液体供給部と、前記容器内の前記混合液の液位を測定する液位計と、前記液位計が測定した液位により、前記混合液の液量を求める液量計測部とをさらに有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の濃度センサは、前記液量計として、前記第１の弾性表面波センサを用い、前記弾性表面波が伝搬する前記第１検出面を、前記容器の深さ方向に対して平行として、前記第１の弾性表面波センサを配置し、当該第１検出面が前記容器の深さより長いことを特徴とする。
【００１０】
本発明の濃度センサは、前記液量計測部が、前記第１の弾性表面センサが求めた減衰変化量を、予め求められている波長換算した減衰変化量にて除算し、前記液位を求めることを特徴とする。
【００１１】
本発明の濃度センサは、前記第１の液体がアルコール(エタノール、メタノール等)であり、前記第２の液体が水であり、前記混合液がアルコール及び水により生成されるアルコール溶液であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、混合液の水量を変化させ、水量の変化前後の濃度の変化量と、水量の変化量とにより、水量変化により補正された水量の変化後の濃度を算出する構成により、算出される濃度の校正を常に行うことができ、経時的に感度が変化したり、測定領域（検出部）の表面にゴミなどが付着してセンサの特性が変化しても、正確な溶液の濃度を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の第１の実施形態による濃度センサの構成例を示す概略ブロック図である。
【図２】図１の弾性表面波センサ２の構成例を示す図である。
【図３】図１の濃度センサの濃度の校正処理の動作例を示すフローチャートである。
【図４】この発明の第２の実施形態による濃度センサの構成例を示す概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、この発明の第１の実施形態による濃度センサの構成例を示す概略ブロック図である。本実施形態の濃度センサは、複数の種類の液体が混合された混合液におけるいずれかの種類の濃度を検出するものであり、例えば、水（純水）に含まれるアルコール（エタノール、メタノール等）の濃度を検出する。タンク４からアルコール溶液５を燃料としてバルブ１０を介して供給し、常に供給するアルコール溶液５の濃度を一定とするため、バルブ８を介して水を供給し、バルブ９を介してアルコールを供給して、濃度制御部による濃度制御が行われる。
濃度制御部は、濃度検出部１と、弾性表面波センサ２から構成されている。ここで、濃度検出部１は、振幅比・位相差検出部１１、濃度算出部１２、水供給制御部１３、燃料供給制御部１４及び水位計測部１５を有している。弾性表面波センサ２は、第１弾性表面波センサ２１と、第２弾性表面波センサ２２とから構成されている。
【００１５】
振幅比・位相差検出部１１は、第１弾性表面波センサ２１及び第２弾性表面波センサ２２から入力される弾性表面波の振幅比及び位相差を検出する。
濃度算出部１２は、濃度を算出する際、基準濃度の校正を行わない場合、現在の濃度に対し、供給されるアルコール及び水の量から濃度変化を求める。一方、濃度算出部１２は、基準濃度の校正を行う場合、現在の水位にて第１濃度を算出し、次に水位を変化させて第２濃度を検出し、第１濃度と第２濃度とから濃度の変化量ａを求め、この変化量ａと水位の変化とから、水位変化後の濃度を基準濃度として算出する。
【００１６】
水供給制御部１３は、濃度算出部１２からの水供給制御信号によりバルブ８の開閉を制御し、タンク４に対して水を供給する。
燃料供給制御部１４は、濃度算出部１２からの燃料供給制御信号によりバルブ９の開閉を制御し、タンク４に対して燃料（アルコール）を供給する。
水位計測部１５は、タンク４に設けられている水位計７の測定する、タンク４内におけるエタノール溶液５の液面６の位置データにより、水位（水面の位置）を示す水位データを検出する。
【００１７】
次に、濃度算出部１２の行うアルコール溶液５の具体的な算出は、以下に説明する摂動法による算出式によって行われる。標準液として純水を用いた場合に標準液の複素誘電率をεt、比誘電率をεr、真空の誘電率をε0、導電率をσ、発振器５１から出力される信号の励振角周波数をωとすると、
εt＝εrε0−ｊσ／ω…（１）
となる。ここで、標準液では導電率σ＝０であるために、式（１）は、
εt＝εrε0…（２）
となる。
【００１８】
次に、測定対象であるエタノール溶液５の複素誘電率をεt’、比誘電率をεr’、導電率をσ’とすると次式の関係となる。
εt’＝εr’ε0−ｊσ'/ω…（３）
【００１９】
伝搬速度の速度変化量ΔＶ／Ｖ、減衰変化量Δα／ｋは、式（４）、式（５）で表される。
ΔＶ／Ｖ＝（−Ｋs2／２）・[(σ'／ω)２＋ε0(εr’−εr)(εr’ε0＋εpT)]／[(σ'／ω)２＋(εr’ε0＋εpT)２]…（４）
Δα／ｋ＝（Ｋs2／２）・[(σ'／ω)(εrε0＋εpT)]／[(σ'／ω)２＋(εr’ε0＋εpT)２]…（５）
【００２０】
ここで、Ｖは、伝搬路を伝搬する弾性表面波の伝搬速度、ΔＶは、標準液に対するアルコール溶液５における弾性表面波の伝搬速度の変化量、αは、弾性表面波の伝搬減衰、Δαは、標準液に対するアルコール溶液５における弾性表面波の伝搬減衰の変化量、ｋは波数で、ｋ＝２π／λであり、εpTは、基板実効誘電率であり、Ｋs2は電気機械結合係数である。また、λは弾性表面波の波長である。
【００２１】
また、伝搬速度の速度変化量ΔＶ／Ｖ、減衰変化量Δα／ｋと、振幅比Δａｍｐ、位相差Δφとの関係は、伝搬路長の差をＷとすると、次式で表される。
ΔＶ／Ｖ＝Δφ／ｋＬ…（６）
Δα／ｋ＝ｌｎ（Δａｍｐ）／ｋＷ…（７）
【００２２】
振幅比・位相差検出部１１で検出した出力信号の位相差Δφを式（６）に、振幅比Δａｍｐを式（７）に代入して、速度変化量ΔＶ／Ｖ、減衰変化量Δα／ｋを求め、さらに求めた速度変化量ΔＶ／Ｖを式（４）に、減衰変化量Δα／ｋを式（５）に代入して、式（４）、（５）の連立方程式から測定対象であるアルコール溶液５の比誘電率εr’を求めることができる。なお、アルコール溶液５に対する振幅比・位相差検出部１１で検出した出力信号の位相差Δφ、振幅比Δａｍｐは、予めアルコール溶液５と同様に標準液について検出した位相差、振幅比に対する変化量として規定化したうえで代入している。
【００２３】
次に、図２は、弾性表面波センサ２の構成例を示す図である。弾性表面波センサ２は、第１弾性表面波センサ２１と、第２弾性表面波センサ２２とから構成されている。
第１弾性表面波センサ２１は、入力電極２１１及び出力電極２１２を備え、入力電極２１１と出力電極２１２との間には、金属膜２１４により短絡された（検出部が金属膜２１４により覆われた）短絡伝搬路２１３が形成されている。
一方、第２弾性表面波センサ２２は、入力電極２２１及び出力電極２２２を備え、入力電極２２１と出力電極２２２との間には、検出部が金属膜２２４に開口された開口部２２５により露出されている開放伝搬路２２３が形成されている。また、第１弾性表面波センサ２１及び第２弾性表面波センサ２２は、圧電基板上に互いに並列になるように配置されている。
【００２４】
入力電極２１１及び入力電極２２１は、発振器５１から分配器５２を介して入力された電気信号によって、弾性表面波を励振させるために櫛形電極で構成されている。また、出力電極２１２及び出力電極２２２は、入力電極２１１、入力電極２２１で励振され伝搬してきた弾性表面波を受信するために櫛形電極で構成されている。
【００２５】
短絡伝搬路２１３及び開放伝搬路２２３は、圧電基板上に蒸着された金属膜２１４、２２４で形成され、金属膜２１４、２２４は電気的に短絡されて接地されている。開放伝搬路２２３には、上述したように、金属膜２２４の一部が剥離され、圧電基板が露出するように開口部２２５が形成されている。従って、圧電基板が露出している開口部２２５（開放領域）は電気的に開放状態となっている。なお、圧電基板に金属膜２２４が蒸着された部分については、第１弾性表面波センサ２１と同様に電気的に短絡状態となっている。
【００２６】
次に、図３は、濃度検出部１が行う濃度算出処理の動作例を示すフローチャートである。この図３を用いて、濃度検出部１が行うエタノール溶液５の濃度の算出について説明する。
濃度算出部１２は、濃度検出部１が起動されると、水位データを供給するための水位データ要求信号を、水位計測部１５へ出力する。
水位データ要求信号が入力されると、水位計測部１５は、水位計７から入力される液面６の位置データから、水位データを算出し、算出した水位データを濃度算出部１２へ出力する。
【００２７】
そして、濃度算出部１２は、入力される水位データと、直前に記憶した直前水位データとが一致するか否かの判定を行う（ステップＳ１）。
このとき、濃度算出部１２は、水位データと直前水位データとが等しい場合、処理をステップＳ１０へ進め、一方、水位データと直前水位データとが異なる場合、処理をステップＳ２へ進める。
ここで、水位データと直前水位データとが異なる場合は、濃度検出部１の停止から起動までに長い時間が経過しており、エタノール溶液５の水分が蒸発、あるいはアルコールが蒸発し、濃度算出部１２が直前に算出した基準濃度と異なっていることが考えられるため、新たな基準濃度の算出を行う。
【００２８】
また、水位データと直前水位データとが等しい場合、停止から起動までに経過した時間が少なく、濃度が変化していないとし、濃度算出部１２が直前に算出した基準濃度を基に、溶液の供給量及び燃料の供給量とから濃度の算出を行う（ステップＳ１０）。そして、濃度算出部１２は、算出した濃度を新たな基準濃度とし、またその時点の水位データを直前水位データとし、内部の記憶部に記憶する。
【００２９】
そして、振幅比・位相差検出部１１は、現在の水位データにおける、第１弾性表面波センサ２１と、第２弾性表面波センサ２２とから、それぞれの位相及び振幅を入力し、位相差及び振幅比を算出する（ステップＳ２）。
また、振幅比・位相差検出部１１は、算出した位相差及び振幅比を濃度算出部１２へ出力する。
【００３０】
次に、濃度算出部１２は、現在の水位データにおいて、上述した（１）から（７）式により、比誘電率εｒ’を求める。
そして、濃度算出部１２は、内部の記憶部に記憶されている比誘電率εｒ’と濃度との対応テーブル（または対応式）により、求めた比誘電率εｒ’に対応する濃度を読み出し、この算出した濃度を第１濃度として出力する（ステップＳ３）。
【００３１】
次に、濃度算出部１２は、第２濃度を算出する準備として、タンク４内のアルコール溶液５の水位を変化させるため、水位供給部１３に対して、水供給制御信号を出力する（ステップＳ４）。
【００３２】
そして、濃度算出部１２は、水位計測部１５から逐次水位データを入力し、予め設定した水の供給量となったか否かの判定を行う。ここで、濃度算出部１２は、水の供給量を、タンク４の液面６に平行なタンク４の断面積にて除算し、水位変化量を算出する。
次に、濃度算出部１２は、入力される水位データと直前水位データとの差分が、算出した水位変化量と一致するか否かを判定することにより、設定水位になったか否かの検出を行う（ステップＳ５）。
このとき、濃度算出部１２は、予め設定した水の供給量が供給されたと判定された場合、ステップＳ６に処理を進め、一方、予め設定した水の供給量が供給されていないと判定された場合、処理をステップＳ４へ戻す。
【００３３】
そして、振幅比・位相差検出部１１は、水位変更後の水位データにおける、第１弾性表面波センサ２１と、第２弾性表面波センサ２２とから、それぞれの位相及び振幅を入力し、位相差及び振幅比を算出する（ステップＳ６）。
また、振幅比・位相差検出部１１は、算出した位相差及び振幅比を濃度算出部１２へ出力する。
【００３４】
次に、濃度算出部１２は、水位変更後の水位データにおいて、上述した（１）式から（７）式により、比誘電率εｒ’を求める。
そして、濃度算出部１２は、内部の記憶部に記憶されている比誘電率εｒ’と濃度との対応テーブル（または対応式）により、求めた比誘電率εｒ’に対応する濃度を読み出し、この算出した濃度を第２濃度として出力する（ステップＳ７）。
【００３５】
次に、濃度算出部１２は、第１濃度から第２濃度を減算することにより、濃度変化量ａを算出する（ステップＳ８）。
【００３６】
そして、濃度算出部１２は、以下の（８）式により、現在の濃度を算出し、新たな基準濃度として内部記憶部に記憶するとともに、この時点の水位データを直前データとして、内部記憶部に記憶する（ステップＳ９）。
Ｘ＝ａ（Ｈ−Ｈ１）／Ｈ１ …（８）
上記（８）式において、Ｈが水供給後の水位データであり、Ｈ１が供給した供給分の水位データであり、ａが濃度変化量であり、Ｘが水供給後の濃度である。
【００３７】
上述したように、第１の実施形態による濃度センサは、起動された際に、水位が変化して基準濃度が記憶されているものと異なった場合、その水位により第１濃度を測定し、自身により水、または燃料（アルコール）を供給し、混合液の総量を変化させ、第２濃度を測定する。
このため、第１の実施形態による濃度センサは、基準濃度の校正を、第１濃度と第２濃度との差を、水の供給量を用いて（８）式により補正するため、第１弾性表面波センサ及び第２弾性表面波センサの感度が変化したとしても、正確に総量変化後の濃度を求め、基準濃度とすることができる。
【００３８】
＜第２の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、この発明の第２の実施形態による濃度センサの構成例を示す概略ブロック図である。第２の実施形態は、水位計を必要としない、水位測定を行う弾性表面波を有する、自己校正型弾性表面波センサである。
第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。以下、第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点についてのみ説明する。
第２の実施形態の濃度センサが第１の実施形態と異なる点は、上述したように、水位計７の代わりに、第１弾性表面波センサ２１を水位計として用いている点である。
【００３９】
すなわち、第１の実施形態における弾性表面波センサ２は、図１に示すように、第１弾性表面波センサ２１及び第２弾性表面波センサ２２との検出部（センシング領域）を全てエタノール溶液５に浸漬させて、弾性表面波の振幅及び位相の検出を行っている。
第２の実施形態においては、図４に示すように、第１弾性表面波センサ２１及び第２弾性表面波センサ２２とを、検出部（短絡伝送路２１３、開放伝送路２２３）が弾性表面波の進行方向に平行な長尺方向に全て浸漬させずに、浸漬量を第１弾性表面波センサ２１の検出部が浸漬された領域により検出する。
【００４０】
以下に、理論と実験結果とを比較して検討した、水位の検出方法を以下に述べる。
ここで、理論と実験結果を比較し検出方法について検討した。使用した第１弾性表面波センサ２１及び第２弾性表面波センサ２２は、ＬiＴaＯ３基板の３０ＭＨｚのＳＨ−ＳＡＷ（Shear horizontal type surface acoustic wave）であり、伝搬路長は波長換算で５０λである。このため、第１弾性表面波センサ２１は、検出部において、エタノール溶液５による力学的変化を検出している。
ここで、第１弾性表面波センサ２１において、位相変化は３．０５６度(波長換算０．０６１度) であり、減衰変化は０．５１５ｄＢ(波長換算０．０１０３ｄＢ) であった。
【００４１】
一方、第２弾性表面波センサ２２は、検出部において、力学的変化と電気的変化とを検出する。このため、第２弾性表面波センサ２２において、位相変化は２５４度(波長換算５．０８０度)、減衰変化は−４．４０１ｄＢ（波長換算−０．０８８ｄＢ）であった。
第２弾性表面波センサ２２における変化は、比誘電率変化が空気の１から水の８０．３７に変化した変化量である。
この確認実験として、比誘電率２．０１のジオキサン１００％を用いて水８０．３７ からの変化を測定した。測定結果において、位相変化は−２５５．２度（波長換算−５．１度）、減衰変化は２．９４ｄＢ（波長換算０．０６１ｄＢ）であった。空気から水の変化と水からジオキサンの変化は共に同じ変化をしている。そのため、空気から純水への変化は比誘電率により理論的に得られた結果となる。これらの変化は、周波数やＳＨ−ＳＡＷの設計パラメータに依存した変化である。
【００４２】
次に、タンク４内の水位（アルコール溶液５の液面６の位置）の測定方法を以下に示す。ここで、第２弾性表面波センサ２２において検出される振幅変化を算出して、エタノール溶液５の浸漬量による変化を変化量として算出する。
第１弾性表面波センサ２１において、位相変化はΔφＳＨであり、減衰変化はΔＡＳＨである。また、第２弾性表面波センサ２２において、位相変化はΔφＯＰであり、減衰変化はΔＡＯＰである。また、第１弾性表面波センサ２１及び第２弾性表面波センサ２２における純水での位相はφｗａｔｅｒであり、純水での振幅はＡｗａｔｅｒである。この減衰変化ΔＡＳＨは、空気中における減衰量から、液体に検出部２１４が部分的あるいは全体が浸された場合の減衰量との差分である。
【００４３】
次に、第１弾性表面波センサ２１における純水負荷による力学変動は、波長換算０．０１０３ｄＢである。
水位計測部１５は、以下の（９）式により測定結果ΔＡＳＨを用いて、水位（検出部の浸漬量）Ｄを算出する。
Ｄ＝ΔＡＳＨ／０．０１０３ …（９）
【００４４】
また、アルコール溶液５の濃度の校正を行う場合、以下のように行う。
振幅比・位相差検出部１１は、現在の測定した浸漬量Ｈにおける水が負荷された場合における弾性表面波の振幅及び位相差の変化量を算出する。
また、振幅比・位相差検出部１１は、実際に第１弾性表面波センサ２１及び第２弾性表面波センサ２２で測定された測定結果から、弾性表面波の振幅比及び位相差を算出する。
そして、濃度算出部１２は、以下の（１０）式から（１２）式により、測定結果から求めた位相差と、純水の浸漬量Ｈとして求めた位相差との差を算出し、速度変化量ΔＶ／Ｖを算出する。
φｗａｔｅｒ＝Ｈ・（５．０８−０．０６１） …（１０）
Δφ＝ΔφＯＰ−ΔφＳＨ−φｗａｔｅｒ
…（１１）
ΔＶ／Ｖ＝（Δφ・λ）／（３６０・Ｈ） …（１２）
【００４５】
また、振幅比・位相差検出部１１は、以下の（１３）式から（１５）式により、測定結果から求めた振幅比と、純水の浸漬量Ｈとして求めた振幅比との差を算出し、減衰変化量Δα／ｋを算出する。
Ａｗａｔｅｒ＝Ｈ・（−０．０８８−０．０１３）
…（１３）
ΔＡ＝ΔＡＯＰ−ΔＡＳＨ−Ａｗａｔｅｒ
…（１４）
Δα／ｋ＝（ΔＡ・λ）／（８０８６・２π・Ｈ）
…（１５）
【００４６】
次に、濃度算出部１２は、以下の（１６）式及び（１７）式に、速度変化量ΔＶ／Ｖ及び減衰変化量Δα／ｋを代入し、比誘電率及び導電率の計算を行う。
そして、濃度算出部１２は、得られた比誘電率により、第１の実施形態と同様に、浸漬量Ｈにおける第１濃度を算出する。
【００４７】
【数１】
【００４８】
【数２】
【００４９】
（１６）式及び（１７）式において、標準液として純水を用いた場合に標準液の複素誘電率をεt、比誘電率をεr、真空の誘電率をε0、導電率をσ、発振器５１から出力される信号の励振角周波数をω、伝搬路を伝搬する弾性表面波の伝搬速度をＶ、標準液に対するエタノール溶液５における弾性表面波の伝搬速度の変化量をΔＶ、弾性表面波の伝搬減衰をα、標準液に対するアルコール溶液５における弾性表面波の伝搬減衰の変化量Δα、波数をｋ（ｋ＝２π／λ）、基板実効誘電率をεpＴ、電気機械結合係数をＫｓ２とする。
【００５０】
次に、濃度算出部１２は、水供給部１３に対し、水供給制御信号を出力し、浸漬量Ｈに対し、供給量Ｈ１の純水を追加して、新たに浸漬量Ｌとする。
そして、濃度算出部１２は、上述した濃度算出と同様の計算を行い、供給量Ｈ１が増加した後のアルコール溶液５の第２濃度を算出する。
そして、濃度算出部１２は、第１濃度から第２濃度を減算し、濃度変化量ａを算出する。
そして、濃度算出部１２は、第１の実施形態と同様に、上記（８）式により、現在の濃度Ｘを算出し、新たな基準濃度として内部記憶部に記憶するとともに、この時点の水位データを直前データとして、内部記憶部に記憶する。
【００５１】
上述の構成により、第２の実施形態による濃度センサは、第１の実施形態と同様に、自身で基準濃度を構成することが可能となる効果に加え、アルコール溶液５の液面６を検出する水位計を必要とせず、装置の低価格化と小型化とを実現することが可能な効果を有する。
【００５２】
また、図１及び図４の各々における濃度検出部１の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより基準濃度の構成処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【００５３】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【００５４】
また、図２に示した第２弾性表面波センサ２２は、入力電極２２１と出力電極２２２との間の伝搬路２２３には、凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路で構成されてもよい。
【００５５】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【符号の説明】
【００５６】
１…濃度検出部
２…弾性表面波センサ
４…タンク
５…エタノール溶液
６…液面
７…水位計
８、９、１０…バルブ
１１…振幅比・位相差検出部
１２…濃度算出部
１３…水供給部
１４…燃料供給部
１５…水位計測部
２１…第１弾性表面波センサ
２２…第２弾性表面波センサ
５１…発振器
５２…分配器
２１３…短絡伝搬路
２２３…開放伝搬路
２２１，２２１…入力電極
２１２，２２２…出力電極
２１４，２２４…金属膜
２２５…開口部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波センサを構成素子とする溶液の濃度を測定する濃度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
溶液の濃度を測定する際に、弾性表面波センサを用いて、溶液の比誘電率と導電率とを測定する構成の装置がある（例えば、特許文献１）。
そして、溶液の濃度を測定する溶液センサは、予め物性が分かっている溶液（例えば、純水）で得られる絶対位相と振幅とを初期値（校正データ）とし、測定対象の溶液で得られる、この絶対位相と振幅とからの変化を、溶液の濃度を求めるための位相差と振幅比として検出している。
そして、この得られた位相差と振幅比とを用いて、溶液の電気的特性として導電率及び比誘電率を算出し、この算出した導電率及び比誘電率から溶液の濃度を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３０９７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
また、測定対象の溶液中において溶液センサを長期的に使用する場合、電源投入時に溶液センサの校正が行えないため、溶液中に浸す直前に校正した際の校正データを、記憶しておく必要がある。
しかしながら、弾性表面波センサは、感度が非常に高く経時的変化が起こりやすく、また、測定領域の表面にゴミなどが付着することにより、センサの特性が変化してしまい、初期の校正の状態を維持することができない。
また、しばらく測定を行わずに動作を停止し、時間が経過した後の測定において、測定対象の溶液の濃度が水分の蒸発、あるいは物質の揮発などにより変化した場合、停止前の濃度を基準に測定を行うと、溶液センサが正確な測定値を得ることができず、誤動作することになる。
【０００５】
本発明は、上記の課題を考慮してなされたものであって、経時的に感度が変化したり、測定領域の表面にゴミなどが付着してセンサの特性が変化しても、正確な濃度を測定することが可能な濃度センサ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】
【０００６】
本発明の濃度センサは、少なくとも第１の液体及び第２の液体を含む複数の液体が混合した混合液との間における力学的相互作用及び電気的相互作用により検出される弾性表面波の伝搬特性の変化により、前記混合液における第１の液体の濃度を検出する濃度検出装置において、第１検出面が導電体に覆われ、前記混合液と前記第１検出面とが直接に接触させず、前記弾性表面波の位相及び振幅を測定する第１の弾性表面波センサと、前記混合液と第２検出面が直接に接触し、前記弾性表面波の位相及び振幅を測定する第２の弾性表面波センサと、前記第１の弾性表面波センサの第１位相及び第１振幅、前記第２の弾性表面波センサの第２位相及び第２振幅とから前記混合液における前記第１の液体の濃度を算出する濃度算出部とを有し、前記濃度算出部が、前記基準濃度を校正する際、第１の液量における第１濃度と、第１の液量から予め設定された液量差を変化させた第２の液位における第２濃度とを求め、当該第２濃度及び前記第１濃度の濃度差と、前記第２の液量及び前記液量差とから、校正した濃度を求めることを特徴とする。
【０００７】
本発明の濃度センサは、前記濃度算出部が、前記濃度差に前記第１の液量を乗算し、乗算結果を前記液量差により除算し、前記校正された濃度を算出することを特徴とする。
【０００８】
本発明の濃度センサは、容器内の前記混合物に対し、前記液量差の量の前記第２の液体を供給する第２の液体供給部と、前記容器内の前記混合液の液位を測定する液位計と、前記液位計が測定した液位により、前記混合液の液量を求める液量計測部とをさらに有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の濃度センサは、前記液量計として、前記第１の弾性表面波センサを用い、前記弾性表面波が伝搬する前記第１検出面を、前記容器の深さ方向に対して平行として、前記第１の弾性表面波センサを配置し、当該第１検出面が前記容器の深さより長いことを特徴とする。
【００１０】
本発明の濃度センサは、前記液量計測部が、前記第１の弾性表面センサが求めた減衰変化量を、予め求められている波長換算した減衰変化量にて除算し、前記液位を求めることを特徴とする。
【００１１】
本発明の濃度センサは、前記第１の液体がアルコール(エタノール、メタノール等)であり、前記第２の液体が水であり、前記混合液がアルコール及び水により生成されるアルコール溶液であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、混合液の水量を変化させ、水量の変化前後の濃度の変化量と、水量の変化量とにより、水量変化により補正された水量の変化後の濃度を算出する構成により、算出される濃度の校正を常に行うことができ、経時的に感度が変化したり、測定領域（検出部）の表面にゴミなどが付着してセンサの特性が変化しても、正確な溶液の濃度を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の第１の実施形態による濃度センサの構成例を示す概略ブロック図である。
【図２】図１の弾性表面波センサ２の構成例を示す図である。
【図３】図１の濃度センサの濃度の校正処理の動作例を示すフローチャートである。
【図４】この発明の第２の実施形態による濃度センサの構成例を示す概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、この発明の第１の実施形態による濃度センサの構成例を示す概略ブロック図である。本実施形態の濃度センサは、複数の種類の液体が混合された混合液におけるいずれかの種類の濃度を検出するものであり、例えば、水（純水）に含まれるアルコール（エタノール、メタノール等）の濃度を検出する。タンク４からアルコール溶液５を燃料としてバルブ１０を介して供給し、常に供給するアルコール溶液５の濃度を一定とするため、バルブ８を介して水を供給し、バルブ９を介してアルコールを供給して、濃度制御部による濃度制御が行われる。
濃度制御部は、濃度検出部１と、弾性表面波センサ２から構成されている。ここで、濃度検出部１は、振幅比・位相差検出部１１、濃度算出部１２、水供給制御部１３、燃料供給制御部１４及び水位計測部１５を有している。弾性表面波センサ２は、第１弾性表面波センサ２１と、第２弾性表面波センサ２２とから構成されている。
【００１５】
振幅比・位相差検出部１１は、第１弾性表面波センサ２１及び第２弾性表面波センサ２２から入力される弾性表面波の振幅比及び位相差を検出する。
濃度算出部１２は、濃度を算出する際、基準濃度の校正を行わない場合、現在の濃度に対し、供給されるアルコール及び水の量から濃度変化を求める。一方、濃度算出部１２は、基準濃度の校正を行う場合、現在の水位にて第１濃度を算出し、次に水位を変化させて第２濃度を検出し、第１濃度と第２濃度とから濃度の変化量ａを求め、この変化量ａと水位の変化とから、水位変化後の濃度を基準濃度として算出する。
【００１６】
水供給制御部１３は、濃度算出部１２からの水供給制御信号によりバルブ８の開閉を制御し、タンク４に対して水を供給する。
燃料供給制御部１４は、濃度算出部１２からの燃料供給制御信号によりバルブ９の開閉を制御し、タンク４に対して燃料（アルコール）を供給する。
水位計測部１５は、タンク４に設けられている水位計７の測定する、タンク４内におけるエタノール溶液５の液面６の位置データにより、水位（水面の位置）を示す水位データを検出する。
【００１７】
次に、濃度算出部１２の行うアルコール溶液５の具体的な算出は、以下に説明する摂動法による算出式によって行われる。標準液として純水を用いた場合に標準液の複素誘電率をεt、比誘電率をεr、真空の誘電率をε0、導電率をσ、発振器５１から出力される信号の励振角周波数をωとすると、
εt＝εrε0−ｊσ／ω…（１）
となる。ここで、標準液では導電率σ＝０であるために、式（１）は、
εt＝εrε0…（２）
となる。
【００１８】
次に、測定対象であるエタノール溶液５の複素誘電率をεt’、比誘電率をεr’、導電率をσ’とすると次式の関係となる。
εt’＝εr’ε0−ｊσ'/ω…（３）
【００１９】
伝搬速度の速度変化量ΔＶ／Ｖ、減衰変化量Δα／ｋは、式（４）、式（５）で表される。
ΔＶ／Ｖ＝（−Ｋs2／２）・[(σ'／ω)２＋ε0(εr’−εr)(εr’ε0＋εpT)]／[(σ'／ω)２＋(εr’ε0＋εpT)２]…（４）
Δα／ｋ＝（Ｋs2／２）・[(σ'／ω)(εrε0＋εpT)]／[(σ'／ω)２＋(εr’ε0＋εpT)２]…（５）
【００２０】
ここで、Ｖは、伝搬路を伝搬する弾性表面波の伝搬速度、ΔＶは、標準液に対するアルコール溶液５における弾性表面波の伝搬速度の変化量、αは、弾性表面波の伝搬減衰、Δαは、標準液に対するアルコール溶液５における弾性表面波の伝搬減衰の変化量、ｋは波数で、ｋ＝２π／λであり、εpTは、基板実効誘電率であり、Ｋs2は電気機械結合係数である。また、λは弾性表面波の波長である。
【００２１】
また、伝搬速度の速度変化量ΔＶ／Ｖ、減衰変化量Δα／ｋと、振幅比Δａｍｐ、位相差Δφとの関係は、伝搬路長の差をＷとすると、次式で表される。
ΔＶ／Ｖ＝Δφ／ｋＬ…（６）
Δα／ｋ＝ｌｎ（Δａｍｐ）／ｋＷ…（７）
【００２２】
振幅比・位相差検出部１１で検出した出力信号の位相差Δφを式（６）に、振幅比Δａｍｐを式（７）に代入して、速度変化量ΔＶ／Ｖ、減衰変化量Δα／ｋを求め、さらに求めた速度変化量ΔＶ／Ｖを式（４）に、減衰変化量Δα／ｋを式（５）に代入して、式（４）、（５）の連立方程式から測定対象であるアルコール溶液５の比誘電率εr’を求めることができる。なお、アルコール溶液５に対する振幅比・位相差検出部１１で検出した出力信号の位相差Δφ、振幅比Δａｍｐは、予めアルコール溶液５と同様に標準液について検出した位相差、振幅比に対する変化量として規定化したうえで代入している。
【００２３】
次に、図２は、弾性表面波センサ２の構成例を示す図である。弾性表面波センサ２は、第１弾性表面波センサ２１と、第２弾性表面波センサ２２とから構成されている。
第１弾性表面波センサ２１は、入力電極２１１及び出力電極２１２を備え、入力電極２１１と出力電極２１２との間には、金属膜２１４により短絡された（検出部が金属膜２１４により覆われた）短絡伝搬路２１３が形成されている。
一方、第２弾性表面波センサ２２は、入力電極２２１及び出力電極２２２を備え、入力電極２２１と出力電極２２２との間には、検出部が金属膜２２４に開口された開口部２２５により露出されている開放伝搬路２２３が形成されている。また、第１弾性表面波センサ２１及び第２弾性表面波センサ２２は、圧電基板上に互いに並列になるように配置されている。
【００２４】
入力電極２１１及び入力電極２２１は、発振器５１から分配器５２を介して入力された電気信号によって、弾性表面波を励振させるために櫛形電極で構成されている。また、出力電極２１２及び出力電極２２２は、入力電極２１１、入力電極２２１で励振され伝搬してきた弾性表面波を受信するために櫛形電極で構成されている。
【００２５】
短絡伝搬路２１３及び開放伝搬路２２３は、圧電基板上に蒸着された金属膜２１４、２２４で形成され、金属膜２１４、２２４は電気的に短絡されて接地されている。開放伝搬路２２３には、上述したように、金属膜２２４の一部が剥離され、圧電基板が露出するように開口部２２５が形成されている。従って、圧電基板が露出している開口部２２５（開放領域）は電気的に開放状態となっている。なお、圧電基板に金属膜２２４が蒸着された部分については、第１弾性表面波センサ２１と同様に電気的に短絡状態となっている。
【００２６】
次に、図３は、濃度検出部１が行う濃度算出処理の動作例を示すフローチャートである。この図３を用いて、濃度検出部１が行うエタノール溶液５の濃度の算出について説明する。
濃度算出部１２は、濃度検出部１が起動されると、水位データを供給するための水位データ要求信号を、水位計測部１５へ出力する。
水位データ要求信号が入力されると、水位計測部１５は、水位計７から入力される液面６の位置データから、水位データを算出し、算出した水位データを濃度算出部１２へ出力する。
【００２７】
そして、濃度算出部１２は、入力される水位データと、直前に記憶した直前水位データとが一致するか否かの判定を行う（ステップＳ１）。
このとき、濃度算出部１２は、水位データと直前水位データとが等しい場合、処理をステップＳ１０へ進め、一方、水位データと直前水位データとが異なる場合、処理をステップＳ２へ進める。
ここで、水位データと直前水位データとが異なる場合は、濃度検出部１の停止から起動までに長い時間が経過しており、エタノール溶液５の水分が蒸発、あるいはアルコールが蒸発し、濃度算出部１２が直前に算出した基準濃度と異なっていることが考えられるため、新たな基準濃度の算出を行う。
【００２８】
また、水位データと直前水位データとが等しい場合、停止から起動までに経過した時間が少なく、濃度が変化していないとし、濃度算出部１２が直前に算出した基準濃度を基に、溶液の供給量及び燃料の供給量とから濃度の算出を行う（ステップＳ１０）。そして、濃度算出部１２は、算出した濃度を新たな基準濃度とし、またその時点の水位データを直前水位データとし、内部の記憶部に記憶する。
【００２９】
そして、振幅比・位相差検出部１１は、現在の水位データにおける、第１弾性表面波センサ２１と、第２弾性表面波センサ２２とから、それぞれの位相及び振幅を入力し、位相差及び振幅比を算出する（ステップＳ２）。
また、振幅比・位相差検出部１１は、算出した位相差及び振幅比を濃度算出部１２へ出力する。
【００３０】
次に、濃度算出部１２は、現在の水位データにおいて、上述した（１）から（７）式により、比誘電率εｒ’を求める。
そして、濃度算出部１２は、内部の記憶部に記憶されている比誘電率εｒ’と濃度との対応テーブル（または対応式）により、求めた比誘電率εｒ’に対応する濃度を読み出し、この算出した濃度を第１濃度として出力する（ステップＳ３）。
【００３１】
次に、濃度算出部１２は、第２濃度を算出する準備として、タンク４内のアルコール溶液５の水位を変化させるため、水位供給部１３に対して、水供給制御信号を出力する（ステップＳ４）。
【００３２】
そして、濃度算出部１２は、水位計測部１５から逐次水位データを入力し、予め設定した水の供給量となったか否かの判定を行う。ここで、濃度算出部１２は、水の供給量を、タンク４の液面６に平行なタンク４の断面積にて除算し、水位変化量を算出する。
次に、濃度算出部１２は、入力される水位データと直前水位データとの差分が、算出した水位変化量と一致するか否かを判定することにより、設定水位になったか否かの検出を行う（ステップＳ５）。
このとき、濃度算出部１２は、予め設定した水の供給量が供給されたと判定された場合、ステップＳ６に処理を進め、一方、予め設定した水の供給量が供給されていないと判定された場合、処理をステップＳ４へ戻す。
【００３３】
そして、振幅比・位相差検出部１１は、水位変更後の水位データにおける、第１弾性表面波センサ２１と、第２弾性表面波センサ２２とから、それぞれの位相及び振幅を入力し、位相差及び振幅比を算出する（ステップＳ６）。
また、振幅比・位相差検出部１１は、算出した位相差及び振幅比を濃度算出部１２へ出力する。
【００３４】
次に、濃度算出部１２は、水位変更後の水位データにおいて、上述した（１）式から（７）式により、比誘電率εｒ’を求める。
そして、濃度算出部１２は、内部の記憶部に記憶されている比誘電率εｒ’と濃度との対応テーブル（または対応式）により、求めた比誘電率εｒ’に対応する濃度を読み出し、この算出した濃度を第２濃度として出力する（ステップＳ７）。
【００３５】
次に、濃度算出部１２は、第１濃度から第２濃度を減算することにより、濃度変化量ａを算出する（ステップＳ８）。
【００３６】
そして、濃度算出部１２は、以下の（８）式により、現在の濃度を算出し、新たな基準濃度として内部記憶部に記憶するとともに、この時点の水位データを直前データとして、内部記憶部に記憶する（ステップＳ９）。
Ｘ＝ａ（Ｈ−Ｈ１）／Ｈ１ …（８）
上記（８）式において、Ｈが水供給後の水位データであり、Ｈ１が供給した供給分の水位データであり、ａが濃度変化量であり、Ｘが水供給後の濃度である。
【００３７】
上述したように、第１の実施形態による濃度センサは、起動された際に、水位が変化して基準濃度が記憶されているものと異なった場合、その水位により第１濃度を測定し、自身により水、または燃料（アルコール）を供給し、混合液の総量を変化させ、第２濃度を測定する。
このため、第１の実施形態による濃度センサは、基準濃度の校正を、第１濃度と第２濃度との差を、水の供給量を用いて（８）式により補正するため、第１弾性表面波センサ及び第２弾性表面波センサの感度が変化したとしても、正確に総量変化後の濃度を求め、基準濃度とすることができる。
【００３８】
＜第２の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、この発明の第２の実施形態による濃度センサの構成例を示す概略ブロック図である。第２の実施形態は、水位計を必要としない、水位測定を行う弾性表面波を有する、自己校正型弾性表面波センサである。
第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。以下、第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点についてのみ説明する。
第２の実施形態の濃度センサが第１の実施形態と異なる点は、上述したように、水位計７の代わりに、第１弾性表面波センサ２１を水位計として用いている点である。
【００３９】
すなわち、第１の実施形態における弾性表面波センサ２は、図１に示すように、第１弾性表面波センサ２１及び第２弾性表面波センサ２２との検出部（センシング領域）を全てエタノール溶液５に浸漬させて、弾性表面波の振幅及び位相の検出を行っている。
第２の実施形態においては、図４に示すように、第１弾性表面波センサ２１及び第２弾性表面波センサ２２とを、検出部（短絡伝送路２１３、開放伝送路２２３）が弾性表面波の進行方向に平行な長尺方向に全て浸漬させずに、浸漬量を第１弾性表面波センサ２１の検出部が浸漬された領域により検出する。
【００４０】
以下に、理論と実験結果とを比較して検討した、水位の検出方法を以下に述べる。
ここで、理論と実験結果を比較し検出方法について検討した。使用した第１弾性表面波センサ２１及び第２弾性表面波センサ２２は、ＬiＴaＯ３基板の３０ＭＨｚのＳＨ−ＳＡＷ（Shear horizontal type surface acoustic wave）であり、伝搬路長は波長換算で５０λである。このため、第１弾性表面波センサ２１は、検出部において、エタノール溶液５による力学的変化を検出している。
ここで、第１弾性表面波センサ２１において、位相変化は３．０５６度(波長換算０．０６１度) であり、減衰変化は０．５１５ｄＢ(波長換算０．０１０３ｄＢ) であった。
【００４１】
一方、第２弾性表面波センサ２２は、検出部において、力学的変化と電気的変化とを検出する。このため、第２弾性表面波センサ２２において、位相変化は２５４度(波長換算５．０８０度)、減衰変化は−４．４０１ｄＢ（波長換算−０．０８８ｄＢ）であった。
第２弾性表面波センサ２２における変化は、比誘電率変化が空気の１から水の８０．３７に変化した変化量である。
この確認実験として、比誘電率２．０１のジオキサン１００％を用いて水８０．３７ からの変化を測定した。測定結果において、位相変化は−２５５．２度（波長換算−５．１度）、減衰変化は２．９４ｄＢ（波長換算０．０６１ｄＢ）であった。空気から水の変化と水からジオキサンの変化は共に同じ変化をしている。そのため、空気から純水への変化は比誘電率により理論的に得られた結果となる。これらの変化は、周波数やＳＨ−ＳＡＷの設計パラメータに依存した変化である。
【００４２】
次に、タンク４内の水位（アルコール溶液５の液面６の位置）の測定方法を以下に示す。ここで、第２弾性表面波センサ２２において検出される振幅変化を算出して、エタノール溶液５の浸漬量による変化を変化量として算出する。
第１弾性表面波センサ２１において、位相変化はΔφＳＨであり、減衰変化はΔＡＳＨである。また、第２弾性表面波センサ２２において、位相変化はΔφＯＰであり、減衰変化はΔＡＯＰである。また、第１弾性表面波センサ２１及び第２弾性表面波センサ２２における純水での位相はφｗａｔｅｒであり、純水での振幅はＡｗａｔｅｒである。この減衰変化ΔＡＳＨは、空気中における減衰量から、液体に検出部２１４が部分的あるいは全体が浸された場合の減衰量との差分である。
【００４３】
次に、第１弾性表面波センサ２１における純水負荷による力学変動は、波長換算０．０１０３ｄＢである。
水位計測部１５は、以下の（９）式により測定結果ΔＡＳＨを用いて、水位（検出部の浸漬量）Ｄを算出する。
Ｄ＝ΔＡＳＨ／０．０１０３ …（９）
【００４４】
また、アルコール溶液５の濃度の校正を行う場合、以下のように行う。
振幅比・位相差検出部１１は、現在の測定した浸漬量Ｈにおける水が負荷された場合における弾性表面波の振幅及び位相差の変化量を算出する。
また、振幅比・位相差検出部１１は、実際に第１弾性表面波センサ２１及び第２弾性表面波センサ２２で測定された測定結果から、弾性表面波の振幅比及び位相差を算出する。
そして、濃度算出部１２は、以下の（１０）式から（１２）式により、測定結果から求めた位相差と、純水の浸漬量Ｈとして求めた位相差との差を算出し、速度変化量ΔＶ／Ｖを算出する。
φｗａｔｅｒ＝Ｈ・（５．０８−０．０６１） …（１０）
Δφ＝ΔφＯＰ−ΔφＳＨ−φｗａｔｅｒ
…（１１）
ΔＶ／Ｖ＝（Δφ・λ）／（３６０・Ｈ） …（１２）
【００４５】
また、振幅比・位相差検出部１１は、以下の（１３）式から（１５）式により、測定結果から求めた振幅比と、純水の浸漬量Ｈとして求めた振幅比との差を算出し、減衰変化量Δα／ｋを算出する。
Ａｗａｔｅｒ＝Ｈ・（−０．０８８−０．０１３）
…（１３）
ΔＡ＝ΔＡＯＰ−ΔＡＳＨ−Ａｗａｔｅｒ
…（１４）
Δα／ｋ＝（ΔＡ・λ）／（８０８６・２π・Ｈ）
…（１５）
【００４６】
次に、濃度算出部１２は、以下の（１６）式及び（１７）式に、速度変化量ΔＶ／Ｖ及び減衰変化量Δα／ｋを代入し、比誘電率及び導電率の計算を行う。
そして、濃度算出部１２は、得られた比誘電率により、第１の実施形態と同様に、浸漬量Ｈにおける第１濃度を算出する。
【００４７】
【数１】
【００４８】
【数２】
【００４９】
（１６）式及び（１７）式において、標準液として純水を用いた場合に標準液の複素誘電率をεt、比誘電率をεr、真空の誘電率をε0、導電率をσ、発振器５１から出力される信号の励振角周波数をω、伝搬路を伝搬する弾性表面波の伝搬速度をＶ、標準液に対するエタノール溶液５における弾性表面波の伝搬速度の変化量をΔＶ、弾性表面波の伝搬減衰をα、標準液に対するアルコール溶液５における弾性表面波の伝搬減衰の変化量Δα、波数をｋ（ｋ＝２π／λ）、基板実効誘電率をεpＴ、電気機械結合係数をＫｓ２とする。
【００５０】
次に、濃度算出部１２は、水供給部１３に対し、水供給制御信号を出力し、浸漬量Ｈに対し、供給量Ｈ１の純水を追加して、新たに浸漬量Ｌとする。
そして、濃度算出部１２は、上述した濃度算出と同様の計算を行い、供給量Ｈ１が増加した後のアルコール溶液５の第２濃度を算出する。
そして、濃度算出部１２は、第１濃度から第２濃度を減算し、濃度変化量ａを算出する。
そして、濃度算出部１２は、第１の実施形態と同様に、上記（８）式により、現在の濃度Ｘを算出し、新たな基準濃度として内部記憶部に記憶するとともに、この時点の水位データを直前データとして、内部記憶部に記憶する。
【００５１】
上述の構成により、第２の実施形態による濃度センサは、第１の実施形態と同様に、自身で基準濃度を構成することが可能となる効果に加え、アルコール溶液５の液面６を検出する水位計を必要とせず、装置の低価格化と小型化とを実現することが可能な効果を有する。
【００５２】
また、図１及び図４の各々における濃度検出部１の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより基準濃度の構成処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【００５３】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【００５４】
また、図２に示した第２弾性表面波センサ２２は、入力電極２２１と出力電極２２２との間の伝搬路２２３には、凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路で構成されてもよい。
【００５５】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【符号の説明】
【００５６】
１…濃度検出部
２…弾性表面波センサ
４…タンク
５…エタノール溶液
６…液面
７…水位計
８、９、１０…バルブ
１１…振幅比・位相差検出部
１２…濃度算出部
１３…水供給部
１４…燃料供給部
１５…水位計測部
２１…第１弾性表面波センサ
２２…第２弾性表面波センサ
５１…発振器
５２…分配器
２１３…短絡伝搬路
２２３…開放伝搬路
２２１，２２１…入力電極
２１２，２２２…出力電極
２１４，２２４…金属膜
２２５…開口部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１の液体及び第２の液体を含む複数の液体が混合した混合液との間における力学的相互作用及び電気的相互作用により検出される弾性表面波の伝搬特性の変化により、前記混合液における第１の液体の濃度を検出する濃度検出装置において、
第１検出面が導電体に覆われ、前記混合液と前記第１検出面とが直接に接触させず、前記弾性表面波の位相及び振幅を測定する第１の弾性表面波センサと、
前記混合液と第２検出面が直接に接触し、前記弾性表面波の位相及び振幅を測定する第２の弾性表面波センサと、
前記第１の弾性表面波センサの第１位相及び第１振幅、前記第２の弾性表面波センサの第２位相及び第２振幅とから前記混合液における前記第１の液体の濃度を算出する濃度算出部と
を有し、
前記濃度算出部が、前記基準濃度を校正する際、第１の液量における第１濃度と、第１の液量から予め設定された液量差を変化させた第２の液位における第２濃度とを求め、当該第２濃度及び前記第１濃度の濃度差と、前記第２の液量及び前記液量差とから、校正した濃度を求める
ことを特徴とする濃度センサ。
【請求項２】
前記濃度算出部が、
前記濃度差に前記第１の液量を乗算し、乗算結果を前記液量差により除算し、前記校正された濃度を算出することを特徴とする請求項１に記載の濃度センサ。
【請求項３】
容器内の前記混合物に対し、前記液量差の量の前記第２の液体を供給する第２の液体供給部と、
前記容器内の前記混合液の液位を測定する液位計と、
前記液位計が測定した液位により、前記混合液の液量を求める液量計測部と
をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の濃度センサ。
【請求項４】
前記液量計として、前記第１の弾性表面波センサを用い、前記弾性表面波が伝搬する前記第１検出面を、前記容器の深さ方向に対して平行として、前記第１の弾性表面波センサを配置し、当該第１検出面が前記容器の深さより長いことを特徴とする請求項３に記載の濃度センサ。
【請求項５】
前記液量計測部が、前記第１の弾性表面センサが求めた減衰変化量を、予め求められている波長換算した減衰変化量にて除算し、前記液位を求めることを特徴とする請求項４に記載の濃度センサ。
【請求項６】
前記第１の液体がアルコール(エタノール、メタノール等)であり、前記第２の液体が水であり、前記混合液がアルコール及び水により生成されるアルコール溶液であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の濃度センサ。
【請求項１】
少なくとも第１の液体及び第２の液体を含む複数の液体が混合した混合液との間における力学的相互作用及び電気的相互作用により検出される弾性表面波の伝搬特性の変化により、前記混合液における第１の液体の濃度を検出する濃度検出装置において、
第１検出面が導電体に覆われ、前記混合液と前記第１検出面とが直接に接触させず、前記弾性表面波の位相及び振幅を測定する第１の弾性表面波センサと、
前記混合液と第２検出面が直接に接触し、前記弾性表面波の位相及び振幅を測定する第２の弾性表面波センサと、
前記第１の弾性表面波センサの第１位相及び第１振幅、前記第２の弾性表面波センサの第２位相及び第２振幅とから前記混合液における前記第１の液体の濃度を算出する濃度算出部と
を有し、
前記濃度算出部が、前記基準濃度を校正する際、第１の液量における第１濃度と、第１の液量から予め設定された液量差を変化させた第２の液位における第２濃度とを求め、当該第２濃度及び前記第１濃度の濃度差と、前記第２の液量及び前記液量差とから、校正した濃度を求める
ことを特徴とする濃度センサ。
【請求項２】
前記濃度算出部が、
前記濃度差に前記第１の液量を乗算し、乗算結果を前記液量差により除算し、前記校正された濃度を算出することを特徴とする請求項１に記載の濃度センサ。
【請求項３】
容器内の前記混合物に対し、前記液量差の量の前記第２の液体を供給する第２の液体供給部と、
前記容器内の前記混合液の液位を測定する液位計と、
前記液位計が測定した液位により、前記混合液の液量を求める液量計測部と
をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の濃度センサ。
【請求項４】
前記液量計として、前記第１の弾性表面波センサを用い、前記弾性表面波が伝搬する前記第１検出面を、前記容器の深さ方向に対して平行として、前記第１の弾性表面波センサを配置し、当該第１検出面が前記容器の深さより長いことを特徴とする請求項３に記載の濃度センサ。
【請求項５】
前記液量計測部が、前記第１の弾性表面センサが求めた減衰変化量を、予め求められている波長換算した減衰変化量にて除算し、前記液位を求めることを特徴とする請求項４に記載の濃度センサ。
【請求項６】
前記第１の液体がアルコール(エタノール、メタノール等)であり、前記第２の液体が水であり、前記混合液がアルコール及び水により生成されるアルコール溶液であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の濃度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−８３１９６（Ｐ２０１２−８３１９６Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２９５２８（Ｐ２０１０−２２９５２８）
【出願日】平成２２年１０月１２日（２０１０．１０．１２）
【出願人】（０００００４３３０）日本無線株式会社 (1,186)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１２日（２０１０．１０．１２）
【出願人】（０００００４３３０）日本無線株式会社 (1,186)
【Ｆターム（参考）】
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