JP2010210285A - 混合流体の濃度検出方法および検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３種以上の成分で構成される混合流体の濃度を正確に検出することのできる、混合流体の濃度検出方法および検出装置を提供する。
【解決手段】Ｎ（≧３の整数）種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法であって、（Ｎ−１）点の異なる温度で前記混合流体の誘電率を測定し、前記（Ｎ−１）点の各温度における既知の各成分の誘電率と、前記（Ｎ−１）点の各温度で測定された前記混合流体の誘電率とから、前記各成分の濃度を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、３種以上の成分で構成される混合流体の濃度を検出する、混合流体の濃度検出方法および検出装置に関する。

近年、ガソリンの代替燃料としてアルコール類が注目され、例えばガソリンとエタノールを主成分とするバイオ混合ガソリンや、軽油と脂肪酸メチルエステルを主成分とするバイオ混合軽油のような混合燃料が普及し始めてきている。この種の混合燃料を用いて内燃機関の作動状態に適合した燃料量を燃焼室へ噴射できるようにするためには、ガソリンとアルコールの濃度を適宜検出して、アルコール含有量を絶えず把握する必要がある。このためのガソリンとアルコールの濃度検出装置が、例えば、特開平５−８７７６４号公報（特許文献１）と特開２００８−２６８１６９号公報（特許文献２）に開示されている。

例えば、特許文献１に開示されたアルコール含有量の検出装置は、ケーシング内に配置された一対の電極間に測定対象のガソリンとアルコールからなる混合燃料（混合流体）を導入し、混合燃料の静電容量（誘電率）を測定して、アルコールの濃度を測定する装置である。また、特許文献２に開示された液体性状センサは、半導体基板に設けられた櫛歯状電極をガソリン等の液体燃料の中に浸漬させて静電容量（誘電率）を測定し、ガソリンに含まれるアルコールの混合比率を検出するセンサである。

特開平５−８７７６４号公報 特開２００８−２６８１６９号公報

ところで、上記混合燃料にあっては、主成分であるガソリンとエタノール以外に、例えば水が混入することが知られている。詳しくは、精製段階においてエタノールに水が混入したり、混合燃料が大気に触れることで大気に含まれる水が混合燃料に溶け込んだり、混合燃料を運搬する際に人為的に水が混入したりすることが知られている。このように混合燃料に水が混入すると、混合燃料の静電容量（誘電率）は、ガソリン、エタノールおよび水の３成分の濃度（存在割合）に依存して変化することになる。しかしながら、上記従来技術においては、混合燃料がガソリンとアルコールで構成されているとみなされており、２成分の濃度しか測定できないため、水の混入により測定誤差が生じてしまう。

そこで本発明は、３種以上の成分で構成される混合流体の濃度を正確に検出することのできる、混合流体の濃度検出方法および検出装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、Ｎ（≧３の整数）種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法であって、（Ｎ−１）点の異なる温度で前記混合流体の誘電率を測定し、前記（Ｎ−１）点の各温度における既知の各成分の誘電率と、前記（Ｎ−１）点の各温度で測定された前記混合流体の誘電率とから、前記各成分の濃度を算出することを特徴としている。

上記混合流体の濃度検出方法は、Ｎ（≧３の整数）種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を、それぞれの誘電率と温度特性が異なることを利用して検出するものである。各成分の濃度（存在割合）をａ_１，ａ_２，・・・，ａ_Ｎとすると、一つの等式ａ_１＋ａ_２＋・・・＋ａ_Ｎ＝１が成り立つ。また、上記混合流体の濃度検出方法においては、（Ｎ−１）点の異なる温度で混合流体の誘電率を測定しており、（Ｎ−１）個の混合流体の誘電率ε_１，ε_２，・・・，ε_Ｎ−１が得られる。測定した各温度での誘電率ε_１，ε_２，・・・，ε_Ｎ−１は、それぞれ、予め把握しておいた同温度における単一の各成分の誘電率と濃度の積を各成分について足し合わせたものに等しい。従って、これより（Ｎ−１）個の等式が成り立つ。このように、上記混合流体の濃度検出方法によれば、濃度ａ_１，ａ_２，・・・，ａ_ＮのＮ個の未知数に対して、上記した全部でＮ個の等式からなる連立方程式を立てることができ、該連立方程式を解くことで、濃度ａ_１，ａ_２，・・・，ａ_Ｎを正確に決定することができる。

以上のようにして、上記混合流体の濃度検出方法は、Ｎ（≧３の整数）種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法であって、３種以上の成分で構成される混合流体の濃度を正確に検出することのできる混合流体の濃度検出方法とすることができる。

上記混合流体の濃度検出方法において、例えば請求項２に記載のように、前記Ｎが、３である場合には、前記各成分の濃度をそれぞれａ，ｂ，ｃとし、前記２点の異なる温度をそれぞれＴ_１，Ｔ_２とし、前記温度Ｔ_１における各成分の誘電率をそれぞれε_ａ１，ε_ｂ１，ε_ｃ１とし、前記温度Ｔ_２における各成分の誘電率をそれぞれε_ａ２，ε_ｂ２，ε_ｃ２とし、前記温度Ｔ_１と温度Ｔ_２における混合流体の誘電率をそれぞれε_１，ε_２としたとき、
（数１） ａ＋ｂ＋ｃ＝１
（数２） ε_１＝ε_ａ１・ａ＋ε_ｂ１・ｂ＋ε_ｃ１・ｃ
（数３） ε_２＝ε_ａ２・ａ＋ε_ｂ２・ｂ＋ε_ｃ２・ｃ
から、前記各成分の濃度を算出することができる。

上記混合流体の濃度検出方法は、水が混入する可能性がある内燃機関の混合燃料の濃度検出にも適用することができ、例えば請求項３に記載のように、前記成分が、エタノール、ガソリンおよび水である場合に好適である。尚、ガソリンは数百種類の成分で構成されるが、いずれの成分も誘電率は略同一であり、ガソリンを１種類の成分として取り扱うことが可能である。また、請求項４に記載のように、前記成分が、脂肪酸メチルエステル、軽油および水であってもよい。

上記混合流体の濃度検出方法においては、請求項５に記載のように、前記混合流体の各温度における誘電率の測定において、直列接続された２個の容量検出素子を所定電圧の逆の搬送波で駆動し、前記２個の容量検出素子の接続点からの出力を帰還容量が付加されたＣ／Ｖ変換器に入力し、該Ｃ／Ｖ変換器の出力電圧から前記混合流体の各温度における誘電率を測定することが好ましい。

これによれば、配線による寄生容量の影響をキャンセルできるため、１個の容量検出素子を用いる場合に較べてより高精度な誘電率測定が可能であり、各成分の濃度もより高精度に検出することができる。

請求項６〜１７に記載の発明は、上記した記混合流体の濃度検出方法を実施するための、混合流体の濃度検出装置に関する発明である。

請求項６に記載の発明は、Ｎ（≧３の整数）種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出装置であって、前記混合流体の温度を異なる（Ｎ−１）点で測定可能な温度測定部と、前記（Ｎ−１）点の異なる温度で前記混合流体の誘電率を測定可能な誘電率測定部と、メモリに保存された前記（Ｎ−１）点の各温度における既知の各成分の誘電率と、前記（Ｎ−１）点の異なる温度で測定された前記混合流体の誘電率とから、前記各成分の濃度を算出する濃度演算部とを有してなることを特徴している。

これによって、請求項１に記載した混合流体の濃度検出方法を実施することができる。

上記混合流体の濃度検出装置においては、請求項７に記載のように、前記濃度検出装置が、前記混合流体の前記（Ｎ−１）点の異なる温度を形成するためのヒータ部を有してなることが好ましい。

（Ｎ−１）点の異なる温度で混合流体の誘電率を測定する場合、混合流体の温度が時間的に変化するのを待って測定することも可能である。しかしながら、上記ヒータ部を有する構成とすることで、混合流体の温度を、適宜、異なる（Ｎ−１）点の温度に変化させることができる。従って、これによれば、混合流体の各成分の濃度を適宜検出することが可能である。

上記混合流体の濃度検出装置においては、請求項８に記載のように、前記温度測定部の構成要素である温度検出素子および前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子が、一つのチップに形成されてなることが好ましい。これによれば、例えば混合流体を流す配管に温度検出素子と容量検出素子をそれぞれ別部品として組み込む場合に較べて、小型化とコストダウンを図ることができる。

さらに、上記したヒータ部を有する構成とする場合には、請求項９に記載のように、前記温度測定部の構成要素である温度検出素子、前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子および前記ヒータ部の構成要素であるヒータ素子が、一つのチップに形成されてなることが、小型化とコストダウンのために好ましい。

尚、この場合には、請求項１０に記載のように、前記チップにおいて、前記ヒータ素子と前記温度検出素子および前記容量検出素子を熱的に分離するように、溝部が形成されてなることが好ましい。これによれば、ヒータ素子から温度検出素子および容量検出素子へのチップを介した熱伝導を抑制できるため、上記溝部が形成されていない場合に較べて、混合流体の温度と誘電率をより正確に測定することができ、各成分の濃度をより正確に検出することができる。

チップに容量検出素子を形成する場合には、請求項１１に記載のように、前記容量検出素子が、一対の櫛歯状電極からなることが好ましい。これによれば、チップ上に形成された該一対の櫛歯状電極間に混合流体を容易に導くことができると共に、櫛歯密度を高めて検出容量値を増大し、誘電率の測定精度を高めることができる。

また、上記したヒータ部を有する構成とする場合には、請求項１２に記載のように、前記混合流体の上流側に配置された前記ヒータ部の構成要素であるヒータ素子と、前記混合流体の下流側に配置された前記温度測定部の構成要素である温度検出素子および前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子との間に、前記混合流体の攪拌手段が設けられてなる構成とすることが好ましい。

これによれば、例えばフィン、メッシュ、フィルタ等の前記攪拌手段により、ヒータ素子を用いた加熱による混合流体の温度ムラを解消して、混合流体の温度と誘電率をより正確に測定することができる。従って、混合流体の各成分の濃度を、より正確に検出することができる。特に、電極寸法の大きな容量検出素子の場合には、電極間の混合流体の体積が大きいことから、前記攪拌手段を用いて電極間の混合流体の温度を均一にする必要がある。

上記混合流体の濃度検出装置においては、請求項１３に記載のように、前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子が、一対の電極からなり、該電極の一方が、前記温度測定部の構成要素である温度検出素子を兼ねる構成とすることもできる。これによれば、さらなる小型化とコストダウンが可能である。

上記混合流体の濃度検出装置においては、請求項１４に記載のように、前記誘電率測定部が、直列接続された２個の容量検出素子と帰還容量が付加されたＣ／Ｖ変換器とを有してなり、前記混合流体の各温度における誘電率の測定において、前記２個の容量検出素子を所定電圧の逆の搬送波で駆動し、前記２個の容量検出素子の接続点からの出力を前記Ｃ／Ｖ変換器に入力し、該Ｃ／Ｖ変換器の出力電圧から前記混合流体の各温度における誘電率を測定することが好ましい。

該誘電率測定部によれば、前述したように、配線による寄生容量の影響をキャンセルできるため、１個の容量検出素子を用いる場合に較べてより高精度な誘電率測定が可能であり、各成分の濃度もより高精度に検出することができる。

上記混合流体の濃度検出装置において、例えば請求項１４に記載のように、前記Ｎが、３である場合には、前記濃度演算部が、前記各成分の濃度をそれぞれａ，ｂ，ｃとし、前記２点の異なる温度をそれぞれＴ_１，Ｔ_２とし、前記温度Ｔ_１における各成分の誘電率をそれぞれε_ａ１，ε_ｂ１，ε_ｃ１とし、前記温度Ｔ_２における各成分の誘電率をそれぞれε_ａ２，ε_ｂ２，ε_ｃ２とし、前記温度Ｔ_１と温度Ｔ_２における混合流体の誘電率をそれぞれε_１，ε_２としたとき、
（数１） ａ＋ｂ＋ｃ＝１
（数２） ε_１＝ε_ａ１・ａ＋ε_ｂ１・ｂ＋ε_ｃ１・ｃ
（数３） ε_２＝ε_ａ２・ａ＋ε_ｂ２・ｂ＋ε_ｃ２・ｃ
から、前記各成分の濃度を算出する。

上記混合流体の濃度検出装置は、前述したように水が混入する可能性がある内燃機関の混合燃料の濃度検出に好適であり、例えば請求項１６に記載のように、前記成分が、エタノール、ガソリンおよび水である場合、あるいは請求項１７に記載のように、前記成分が、脂肪酸メチルエステル、軽油および水である場合に好適である。

以上のようにして、上記混合流体の濃度検出方法および検出装置は、Ｎ（≧３の整数）種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法および検出装置であって、３種以上の成分で構成される混合流体の濃度を正確に検出することのできる混合流体の濃度検出方法および検出装置となっている。

エタノール、ガソリンおよび水の各成分について、比誘電率の温度特性を示した図である。 混合流体の濃度検出装置の一例を示した図である。（ａ）は、濃度検出装置１００の概略構成を示した図であり、（ｂ）は、（ａ）の濃度検出装置１００におけるセンサ部の構成の一例で、センサチップ５０を模式的に示した上面図である。また、（ｃ）は、（ｂ）の容量検出素子２１の一例である、容量検出素子２１ａを模式的に示した上面図である。 図２（ａ）の濃度検出装置１００におけるセンサ部の別の構成例で、（ａ）は、センサチップ５１を模式的に示した上面図である。また、（ｂ）は、混合流体の流れ方向に沿ってセンサチップ５１の温度分布を示した図であり、（ｃ）は、混合流体の流れ方向に沿ってセンサチップ５１の断面を模式的に示した図である。 別のセンサチップ５２を模式的に示した上面図である。 図２（ａ）の濃度検出装置１００における誘電率測定部２０の好ましい構成例を示す図で、誘電率測定部２４の各部構成を示した回路ブロック図である。 図５に示す２個の容量検出素子Ｃｓ１，Ｃｓ２の構成例を示した図で、容量検出素子２４ｂを模式的に示した上面図である。 （ａ），（ｂ）は、図２（ａ）の濃度検出装置１００におけるセンサ部の別の構成例で、それぞれ、センサ部品６１，６２を模式的に示した断面図である。 図７（ａ），（ｂ）に示すセンサ部品６１，６２のように、電極寸法の大きな容量検出素子を用いる場合に好適な構成例を示す図である。

本発明は、３種以上の成分で構成される混合流体の濃度を検出する、混合流体の濃度検出方法および検出装置に関する。

本発明に係る混合流体の濃度検出方法は、Ｎ（≧３の整数）種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法であって、（Ｎ−１）点の異なる温度で混合流体の誘電率を測定し、前記（Ｎ−１）点の各温度における既知の各成分の誘電率と、前記（Ｎ−１）点の各温度で測定された混合流体の誘電率とから、各成分の濃度を算出する。

上記混合流体の濃度検出方法は、Ｎ（≧３の整数）種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を、それぞれの誘電率と温度特性が異なることを利用して検出するものである。各成分の濃度（存在割合）をａ_１，ａ_２，・・・，ａ_Ｎとすると、一つの等式ａ_１＋ａ_２＋・・・＋ａ_Ｎ＝１が成り立つ。また、上記混合流体の濃度検出方法においては、（Ｎ−１）点の異なる温度で混合流体の誘電率を測定しており、（Ｎ−１）個の混合流体の誘電率ε_１，ε_２，・・・，ε_Ｎ−１が得られる。測定した各温度での誘電率ε_１，ε_２，・・・，ε_Ｎ−１は、それぞれ、予め把握しておいた同温度における単一の各成分の誘電率と濃度の積を各成分について足し合わせたものに等しい。従って、これより（Ｎ−１）個の等式が成り立つ。このように、上記混合流体の濃度検出方法によれば、濃度ａ_１，ａ_２，・・・，ａ_ＮのＮ個の未知数に対して、上記した全部でＮ個の等式からなる連立方程式を立てることができ、該連立方程式を解くことで、濃度ａ_１，ａ_２，・・・，ａ_Ｎを正確に決定することができる。

以上のようにして、上記混合流体の濃度検出方法は、Ｎ（≧３の整数）種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法であって、３種以上の成分で構成される混合流体の濃度を正確に検出することのできる混合流体の濃度検出方法となっている。

例えば、上記混合流体の濃度検出方法において、Ｎが３である場合、すなわち３種類の成分Ａ，Ｂ，Ｃがある場合を想定する。例えば、主に２種類の成分Ａ，Ｂから構成される混合流体に、不純物として成分Ｃが混入している場合である。成分Ａ，Ｂ，Ｃは化学反応などを起こさず、均一に混ざり合っているものとする。

上記混合流体の濃度検出方法では、以下に示す手順で、各成分の濃度を検出する。３種類の成分Ａ，Ｂ，Ｃがある場合には、２点の異なる温度を設定し、各温度における単一の各成分Ａ，Ｂ，Ｃの誘電率を、予め把握しておく。次に、各温度における混合流体の誘電率を測定する。

ここで、各成分Ａ，Ｂ，Ｃの濃度をそれぞれａ，ｂ，ｃとし、上記２点の異なる温度をそれぞれＴ_１，Ｔ_２とし、温度Ｔ_１における上記単一の各成分Ａ，Ｂ，Ｃの誘電率をそれぞれε_ａ１，ε_ｂ１，ε_ｃ１とし、温度Ｔ_２における上記単一の各成分Ａ，Ｂ，Ｃの誘電率をそれぞれε_ａ２，ε_ｂ２，ε_ｃ２とし、温度Ｔ_１，Ｔ_２における上記混合流体の誘電率をそれぞれε_１，ε_２としたとき、
（数１） ａ＋ｂ＋ｃ＝１
（数２） ε_１＝ε_ａ１・ａ＋ε_ｂ１・ｂ＋ε_ｃ１・ｃ
（数３） ε_２＝ε_ａ２・ａ＋ε_ｂ２・ｂ＋ε_ｃ２・ｃ
が成立する。該数式１〜３の連立方程式を解くことにより、各成分Ａ，Ｂ，Ｃの濃度ａ，ｂ，ｃを算出することができる。

上記混合流体の濃度検出方法は、水が混入する可能性がある内燃機関の混合燃料の濃度検出に好適である。例えば、ガソリンとエタノールを主成分とするバイオ混合ガソリンの場合には、前記成分が、エタノール、ガソリンおよび水である。尚、ガソリンは数百種類の成分で構成されるが、いずれの成分も誘電率は略同一であり、ガソリンを１種類の成分として取り扱うことが可能である。また、軽油と脂肪酸メチルエステルを主成分とするバイオ混合軽油の場合には、前記成分が、脂肪酸メチルエステル、軽油および水である。

次に、上記混合流体の濃度検出方法について、図に基づいて具体的に説明する。

図１は、エタノール、ガソリンおよび水の各成分について、比誘電率の温度特性を示した図である。

バイオ混合ガソリンのように主成分（ガソリン、エタノール）と混入する不純物（水）が既知の成分である場合において、図１に示すように、各成分の誘電率の温度依存性を予め把握しておく。これによって、エタノール、ガソリンおよび水の各成分について、例えば図中に示した温度Ｔ_１における誘電率ε_ａ１，ε_ｂ１，ε_ｃ１と、温度Ｔ_２における誘電率ε_ａ２，ε_ｂ２，ε_ｃ２を予め把握しておく。尚、混合流体の誘電率測定に設定する温度Ｔ_１，Ｔ_２については、図１のデータに示す各成分の測定温度と必ずしも一致させる必要はない。図１の各測定点のデータを後述するメモリに保管しておき、任意の設定温度Ｔ_１，Ｔ_２にについて線形補間することにより、数式１〜３の演算に用いればよい。

図２は、上記した混合流体の濃度検出方法を実施するための、混合流体の濃度検出装置の一例を示した図である。図２（ａ）は、濃度検出装置１００の概略構成を示した図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の濃度検出装置１００におけるセンサ部の構成の一例で、センサチップ５０を模式的に示した上面図である。また、図２（ｃ）は、図２（ｂ）の容量検出素子２１の一例である、容量検出素子２１ａを模式的に示した上面図である。

図２（ａ）に示す濃度検出装置１００は、Ｎ（≧３の整数）種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する、混合流体の濃度検出装置である。濃度検出装置１００は、混合流体の温度を異なる（Ｎ−１）点で測定可能な温度測定部１０と、前記（Ｎ−１）点の異なる温度で混合流体の誘電率を測定可能な誘電率測定部２０と、メモリ（図示省略）に保存された前記（Ｎ−１）点の各温度における既知の各成分の誘電率と、前記（Ｎ−１）点の異なる温度で測定された混合流体の誘電率とから、各成分の濃度を算出する濃度演算部３０とを有している。

また、図２（ａ）に示す濃度検出装置１００は、混合流体の前記（Ｎ−１）点の異なる温度を形成するためのヒータ部４０を有している。（Ｎ−１）点の異なる温度で混合流体の誘電率を測定する場合、混合流体の温度が時間的に変化するのを待って測定することも可能である。しかしながら、濃度検出装置１００のようにヒータ部を有する構成とすることで、混合流体の温度を、短時間で、適宜、異なる（Ｎ−１）点の温度に変化させることができる。従って、濃度検出装置１００においては、混合流体の各成分の濃度を適宜検出することが可能である。

尚、図２（ａ）の濃度検出装置１００はヒータ部４０を有しており、加熱することによって異なる（Ｎ−１）点の温度を得るようにしているが、逆に、冷却することによって異なる（Ｎ−１）点の温度を得るようにしてもよい。加熱、冷却は、測定対象が不可逆的に変化しない範囲で、直接的もしくは間接的に実施できる。その際、加熱の手段として、抵抗体ヒータ加熱、誘導加熱、電磁波加熱、輻射加熱、ペルチェ素子のほか、膨張弁なども利用できる。冷却には冷媒冷却、強制対流冷却、ペルチェ素子、圧縮弁などが利用できる。

図２（ｂ）に示すセンサチップ５０は、半導体基板からなり、図２（ａ）に示した温度測定部１０の構成要素である温度検出素子１１、誘電率測定部２０の構成要素である容量検出素子２１、およびヒータ部４０の構成要素であるヒータ素子４１が形成されている。該センサチップ５０を混合流体中に浸漬し、混合流体の誘電率を（Ｎ−１）点の異なる温度で測定する。センサチップ５０のように、温度検出素子１１、容量検出素子２１およびヒータ素子４１を一つのチップに形成することで、例えば後述する混合流体を流す配管に温度検出素子と容量検出素子をそれぞれ別部品として組み込む場合に較べて、小型化とコストダウンを図ることができる。半導体基板からなるセンサチップ５０の場合には、マイクロメートルオーダの配線を形成することができ、数ミリメートル角の大きさに小型化することができる。

尚、図２（ｂ）のセンサチップ５０は半導体基板からなるが、これに限らず、例えばセラミック基板に温度検出素子１１、容量検出素子２１およびヒータ素子４１を形成するようにしてもよい。また、図２（ｂ）のセンサチップ５０の構成に限らず、例えばヒータ素子４１を別部品（別チップ）としてもよいし、温度検出素子１１と容量検出素子２１を別チップに形成するようにしてもよい。

チップに容量検出素子を形成する場合には、図２（ｃ）に示す容量検出素子２１ａのように、一対の櫛歯状電極２ａ，２ｂからなることが好ましい。これによれば、図２（ｂ）のセンサチップ５０上に形成された該一対の櫛歯状電極２ａ，２ｂ間に混合流体を容易に導くことができると共に、櫛歯密度を高めて検出容量値を増大し、誘電率の測定精度を高めることができる。

図３は、図２（ａ）の濃度検出装置１００におけるセンサ部の別の構成例で、図３（ａ）は、センサチップ５１を模式的に示した上面図である。また、図３（ｂ）は、混合流体の流れ方向に沿ってセンサチップ５１の温度分布を示した図であり、図３（ｃ）は、混合流体の流れ方向に沿ってセンサチップ５１の断面を模式的に示した図である。

図３（ａ）に示すセンサチップ５１では、混合流体の流れ方向において、中央にヒータ素子４２が配置され、上流側に温度検出素子１２ａと容量検出素子２２ａが、下流側に温度検出素子１２ｂと容量検出素子２２ｂが、それぞれ配置されている。センサチップ５１の場合には、図３（ｂ）の温度分布図に示すように、ヒータ素子４２の加熱によって、異なる温度Ｔ_１，Ｔ_２での誘電率測定を同時に実施することができる。

尚、センサチップ上にヒータを設ける場合には、図３（ｃ）のセンサチップ５１に示すように、ヒータ素子４２と温度検出素子１２ａ，１２ｂおよび容量検出素子２２ａ，２２ｂを熱的に分離するように、溝部５ａ，５ｂが形成されていることが好ましい。これによれば、ヒータ素子４２から温度検出素子１２ａ，１２ｂおよび容量検出素子２２ａ，２２ｂへの、チップを介した熱伝導を抑制できる。このため、溝部５ａ，５ｂが形成されていない場合に較べて、混合流体の温度と誘電率をより正確に測定することができ、従って各成分の濃度をより正確に検出することができる。溝部５ａ，５ｂは、半導体基板からなるセンサチップ５１においては、エッチング等により容易に形成可能である。

図４は、別のセンサチップ５２を模式的に示した上面図である。

図４に示すセンサチップ５２では、ヒータ素子４３ａ、温度検出素子１３ａおよび容量検出素子２３ａからなる破線で囲った温度Ｔ_１での検出素子部５２ａと、ヒータ素子４３ｂ、温度検出素子１３ｂおよび容量検出素子２３ｂからなる破線で囲った温度Ｔ_２での検出素子部５２ｂとが、混合流体の流れ方向における同じ位置に並んで配置されている。尚、図４のセンサチップ５２において、ヒータ素子４３ａとヒータ素子４３ｂのいずれか一方だけを形成するようにしてもよい。また、センサチップ５２において、検出素子部５２ａと検出素子部５２ｂは、それぞれ、基板の表側と裏側に形成するようにしてもよい。

図５は、図２（ａ）の濃度検出装置１００における誘電率測定部２０の好ましい構成例を示す図で、誘電率測定部２４の各部構成を示した回路ブロック図である。

図５に示す誘電率測定部２４は、直列接続された２個の容量検出素子Ｃｓ１，Ｃｓ２と帰還容量Ｃｆが付加されたＣ／Ｖ変換器２４ａとを有している。そして、上記した混合流体の各温度における誘電率の測定においては、２個の容量検出素子Ｃｓ１，Ｃｓ２をそれぞれ図中に示した所定電圧Ｖの逆の搬送波ＦＥ１，ＦＥ２で駆動し、２個の容量検出素子Ｃｓ１，Ｃｓ２の接続点からの出力をＣ／Ｖ変換器２４ａに入力する。この時、Ｃ／Ｖ変換器２４ａの出力電圧Ｖｓは、
（数４） Ｖｓ＝Ｖ（Ｃｓ１−Ｃｓ２）／Ｃｆ
となり、２個の容量検出素子Ｃｓ１，Ｃｓ２の差分が、Ｃ／Ｖ変換される。この数式４の出力電圧Ｖｓから、混合流体の各温度における誘電率を測定することができる。図５の誘電率測定部２４を用いた誘電率測定によれば、配線による寄生容量Ｃｅの影響をキャンセルできるため、１個の容量検出素子を用いる場合に較べてより高精度な誘電率測定が可能であり、各成分の濃度もより高精度に検出することができる。

図６は、図５に示す２個の容量検出素子Ｃｓ１，Ｃｓ２の構成例を示した図で、容量検出素子２４ｂを模式的に示した上面図である。

図６に示す容量検出素子２４ｂは、パッド４ａを有する櫛歯状の電極３ａ、パッド４ｂを有する櫛歯状の電極３ｂ、およびパッド４ｃ，４ｄを有する櫛歯状の電極３ｃで構成されている。図６の容量検出素子２４ｂでは、電極３ａと電極３ｃが対をなしており、図５の容量検出素子Ｃｓ１に相当して、パッド４ａに搬送波ＦＥ１が入力される。また、電極３ｂと電極３ｃが対をなしており、図５の容量検出素子Ｃｓ２に相当して、パッド４ｂに搬送波ＦＥ２が入力される。図６の容量検出素子２４ｂでは、パッド４ｃまたはパッド４ｄから取り出される出力が、図５の出力Ｃ／Ｖ変換器２４ａに入力される。

尚、図６の容量検出素子２４ｂにおいては、パッド４ｃ，４ｄを有する電極３ｃを測温抵抗体で構成し、電極３ｃが温度検出素子を兼ねるようにしてもよい。このように、誘電率測定部の構成要素である容量検出素子が、一対の電極からなる場合には、該電極の一方が、温度測定部の構成要素である温度検出素子を兼ねる構成とすることで、さらなる小型化とコストダウンが可能である。

図７（ａ），（ｂ）は、図２（ａ）の濃度検出装置１００におけるセンサ部の別の構成例で、それぞれ、センサ部品６１，６２を模式的に示した断面図である。

前述した図２（ａ）の濃度検出装置１００におけるセンサ部の構成例は、センサチップ５０〜５２で、混合流体に浸漬して使用するものであった。一方、図７（ａ），（ｂ）に示すセンサ部品６１，６２は、配管７０に取り付けて使用する。図７（ａ）に示すセンサ部品６１は、対をなす平板状の電極６ａ，６ｂと、温度検出素子である熱電対６ｃを備えている。また、図７（ｂ）に示すセンサ部品６２は、対をなす円筒状の電極７ａ，７ｂと、温度検出素子である熱電対７ｃを備えている。

尚、車両の燃料の誘電率測定を行う場合、配管７０の外側もしくは内側にヒータを設置して、配管７０内を通る燃料の温度を変えることができる。ヒータによる加熱部の直下、加熱部より流れの上流側、もしくは加熱部より流れの下流側のうちいずれか２箇所に、図７（ａ），（ｂ）に示すようなセンサ部品６１，６２を設置することで、図３に示したようにヒータの温度設定を変化させることなく、各成分の濃度測定が可能となる。

図８は、図７（ａ），（ｂ）に示すセンサ部品６１，６２のように、電極寸法の大きな容量検出素子を用いる場合に好適な構成例を示す図である。

図８に示す構成では、混合流体の上流側に配置されたヒータ素子４４と、混合流体の下流側に配置された温度検出素子１４および容量検出素子２５との間に、混合流体の攪拌手段８０が設けられている。これによれば、例えばフィン、メッシュ、フィルタ等の攪拌手段８０により、ヒータ素子４４を用いた加熱による混合流体の温度ムラを解消して、混合流体の温度と誘電率をより正確に測定することができる。従って、図８に示す構成では、混合流体の各成分の濃度を、より正確に検出することができる。特に、図７（ａ），（ｂ）に示すセンサ部品６１，６２のように、電極寸法の大きな容量検出素子の場合には、電極間の混合流体の体積が大きいことから、攪拌手段８０を用いて電極間の混合流体の温度を均一にする必要がある。

以上に示したようなセンサ部を用いて、例えば３種類の成分Ａ，Ｂ，Ｃからなる混合流体の誘電率を２点の異なる温度で測定し、図２（ａ）に示した濃度演算部３０で数式１〜３に示した連立方程式を解くことにより、各成分Ａ，Ｂ，Ｃの濃度ａ，ｂ，ｃを算出することができる。尚、Ｎ（≧３の整数）種の成分からなる混合流体の場合も、（Ｎ−１）点の異なる温度で混合流体の誘電率を測定し、数式１〜３を前述したように一般化して、各成分の濃度（存在割合）をａ_１，ａ_２，・・・，ａ_Ｎを算出することができる。

以上のようにして、上記した混合流体の濃度検出方法および検出装置は、Ｎ（≧３の整数）種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法および検出装置であって、３種以上の成分で構成される混合流体の濃度を正確に検出することのできる混合流体の濃度検出方法および検出装置となっている。

従って、上記した混合流体の濃度検出方法および濃度検出装置は、水が混入する可能性がある内燃機関の混合燃料の濃度検出に好適であり、例えば前記成分が、エタノール、ガソリンおよび水である場合、あるいは前記成分が、脂肪酸メチルエステル、軽油および水である場合に好適である。

１００ 濃度検出装置
１０ 温度測定部
１１，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ 温度検出素子
２０，２４ 誘電率測定部
２１，２１ａ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ 容量検出素子
３０ 濃度演算部
４０ ヒータ部
４１，４２，４３ａ，４３ｂ ヒータ素子
５０〜５２ センサチップ
６１，６２ センサ部品
７０ 配管
８０ 攪拌手段

Claims (17)

1. Ｎ（≧３の整数）種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出方法であって、
   （Ｎ−１）点の異なる温度で前記混合流体の誘電率を測定し、
   前記（Ｎ−１）点の各温度における既知の各成分の誘電率と、前記（Ｎ−１）点の各温度で測定された前記混合流体の誘電率とから、前記各成分の濃度を算出することを特徴とする混合流体の濃度検出方法。
2. 前記Ｎが、３であり、
   前記各成分の濃度をそれぞれａ，ｂ，ｃとし、前記２点の異なる温度をそれぞれＴ_１，Ｔ_２とし、前記温度Ｔ_１における各成分の誘電率をそれぞれε_ａ１，ε_ｂ１，ε_ｃ１とし、前記温度Ｔ_２における各成分の誘電率をそれぞれε_ａ２，ε_ｂ２，ε_ｃ２とし、前記温度Ｔ_１と温度Ｔ_２における混合流体の誘電率をそれぞれε_１，ε_２としたとき、
   （数１） ａ＋ｂ＋ｃ＝１
   （数２） ε_１＝ε_ａ１・ａ＋ε_ｂ１・ｂ＋ε_ｃ１・ｃ
   （数３） ε_２＝ε_ａ２・ａ＋ε_ｂ２・ｂ＋ε_ｃ２・ｃ
   から、前記各成分の濃度を算出することを特徴とする請求項１に記載の混合流体の濃度検出方法。
3. 前記成分が、エタノール、ガソリンおよび水であることを特徴とする請求項２に記載の混合流体の濃度検出方法。
4. 前記成分が、脂肪酸メチルエステル、軽油および水であることを特徴とする請求項２に記載の混合流体の濃度検出方法。
5. 前記混合流体の各温度における誘電率の測定において、
   直列接続された２個の容量検出素子を所定電圧の逆の搬送波で駆動し、前記２個の容量検出素子の接続点からの出力を帰還容量が付加されたＣ／Ｖ変換器に入力し、該Ｃ／Ｖ変換器の出力電圧から前記混合流体の各温度における誘電率を測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の混合流体の濃度検出方法。
6. Ｎ（≧３の整数）種の既知の成分で構成される混合流体の各成分の濃度を検出する混合流体の濃度検出装置であって、
   前記混合流体の温度を異なる（Ｎ−１）点で測定可能な温度測定部と、
   前記（Ｎ−１）点の異なる温度で前記混合流体の誘電率を測定可能な誘電率測定部と、
   メモリに保存された前記（Ｎ−１）点の各温度における既知の各成分の誘電率と、前記（Ｎ−１）点の異なる温度で測定された前記混合流体の誘電率とから、前記各成分の濃度を算出する濃度演算部とを有してなることを特徴とする混合流体の濃度検出装置。
7. 前記濃度検出装置が、
   前記混合流体の前記（Ｎ−１）点の異なる温度を形成するためのヒータ部を有してなることを特徴とする請求項６に記載の混合流体の濃度検出装置。
8. 前記温度測定部の構成要素である温度検出素子および前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子が、一つのチップに形成されてなることを特徴とする請求項６または７に記載の混合流体の濃度検出装置。
9. 前記温度測定部の構成要素である温度検出素子、前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子および前記ヒータ部の構成要素であるヒータ素子が、一つのチップに形成されてなることを特徴とする請求項７に記載の混合流体の濃度検出装置。
10. 前記チップにおいて、
    前記ヒータ素子と前記温度検出素子および前記容量検出素子を熱的に分離するように、溝部が形成されてなることを特徴とする請求項９に記載の混合流体の濃度検出装置。
11. 前記容量検出素子が、一対の櫛歯状電極からなることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の混合流体の濃度検出装置。
12. 前記混合流体の上流側に配置された前記ヒータ部の構成要素であるヒータ素子と、前記混合流体の下流側に配置された前記温度測定部の構成要素である温度検出素子および前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子との間に、
    前記混合流体の攪拌手段が設けられてなることを特徴とする請求項７に記載の混合流体の濃度検出装置。
13. 前記誘電率測定部の構成要素である容量検出素子が、一対の電極からなり、
    該電極の一方が、前記温度測定部の構成要素である温度検出素子を兼ねることを特徴とする請求項６乃至１２のいずれか一項に記載の混合流体の濃度検出装置。
14. 前記誘電率測定部が、
    直列接続された２個の容量検出素子と帰還容量が付加されたＣ／Ｖ変換器とを有してなり、
    前記混合流体の各温度における誘電率の測定において、
    前記２個の容量検出素子を所定電圧の逆の搬送波で駆動し、前記２個の容量検出素子の接続点からの出力を前記Ｃ／Ｖ変換器に入力し、該Ｃ／Ｖ変換器の出力電圧から前記混合流体の各温度における誘電率を測定することを特徴とする請求項６乃至１３のいずれか一項に記載の混合流体の濃度検出装置。
15. 前記Ｎが、３であり、
    前記濃度演算部が、
    前記各成分の濃度をそれぞれａ，ｂ，ｃとし、前記２点の異なる温度をそれぞれＴ_１，Ｔ_２とし、前記温度Ｔ_１における各成分の誘電率をそれぞれε_ａ１，ε_ｂ１，ε_ｃ１とし、前記温度Ｔ_２における各成分の誘電率をそれぞれε_ａ２，ε_ｂ２，ε_ｃ２とし、前記温度Ｔ_１と温度Ｔ_２における混合流体の誘電率をそれぞれε_１，ε_２としたとき、
    （数１） ａ＋ｂ＋ｃ＝１
    （数２） ε_１＝ε_ａ１・ａ＋ε_ｂ１・ｂ＋ε_ｃ１・ｃ
    （数３） ε_２＝ε_ａ２・ａ＋ε_ｂ２・ｂ＋ε_ｃ２・ｃ
    から、前記各成分の濃度を算出することを特徴とする請求項６乃至１４のいずれか一項に記載の混合流体の濃度検出装置。
16. 前記成分が、エタノール、ガソリンおよび水であることを特徴とする請求項１５に記載の混合流体の濃度検出装置。
17. 前記成分が、脂肪酸メチルエステル、軽油および水であることを特徴とする請求項１５に記載の混合流体の濃度検出装置。

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