JPH0222539A - 液体濃度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は浸漬型の液体濃度計に係り、特にガソリン−メ
タノール混合燃料におけるメタノールの濃度測定等に用
いて好適な液体濃度針に関するものである。

自動車等の燃料としてのメタノールの利用形態には、メ
タノール単独で利用する方法と、既存のガソリン等と混
合して混合燃料として用いる方法とがある。混合燃料は
点火特性等の点で有利であり、その代表的な例としてガ
ソリン等の炭化水素燃料を１０〜２０％混合して使用す
る高濃度メタノール燃料がある。

高濃度メタノール燃料を含めてメタノール燃料の供給施
設は現在十分でなく、従って供給されるメタノール燃料
のメタノール濃度は場所によって広い範囲に変動する可
能性がある。

そのためには燃料中のメタノール濃度を簡便確実に測定
できるメタノール濃度計が要望される。

本発明はこのような目的に用いて特に好適なものである
が、これに限らず一般に各種の液体の濃度測定に通用可
能なものである。

〔従来の技術〕

従来、液体に浸漬して使用する液体濃度計としては、試
料の電気容量の変化を利用したものや、光センサを用い
て試料の屈折率の変化を検出して測定するもの等が提案
されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら液体濃度測定のために電気容量の変化を利
用するものは、装置が大型になるとともに容量測定のた
めに燃料中に浸漬された電極間に荷電することは安全性
の点で好ましくない。

また従来の試料の屈折率の変化を利用する液体濃度針は
、感度、安定度等の点で十分なものでなかった。

本発明はこのような従来技術の課題を解決しようとする
ものであって、液体の濃度を簡便にかつ確実に測定でき
る液体濃度計を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の液体濃度針は第５図の原理図に示されるように
、センサと信号処理部とから構成されている。ここで センサ部は試料液体より高い屈折率を有する透明体円柱
からなり先端部と上端の所定範囲に反射膜を形成された
ロンド部１と、該ロンド部１の上端に設けられ該ロンド
部１内に光を投射する投光部３と、該ロンド部１の上端
に設けられロンド部１内からの反射光を受光して電気信
号を出力する受光部４とを備えて構成されている。

信号処理部は該センサを先端部から前記上端の反射膜部
分に達するまで試料液体中に浸漬したときの該試料液体
の屈折率に応じて定まる電気信号出力によって演算を行
って該試料液体の濃度を示す信号を発生するものである
。

また前記投光部３および受光部４が赤外領域の光を投射
および受光するようにすることによって本発明を構成す
る。

〔作　用〕

本発明の液体濃度針を例えばガソリン−メタノール混合
燃料におけるメタノール濃度の測定に使用する場合には
、メタノールとガソリンとの屈折率の差を利用してメタ
ノールの濃度を測定する。

一般に入射角が小さいときの二つの物質Ａ、Ｂの境界面
における反射光の強さをＬ゛とじ入射光の強さをＬとす
ると、反射率Ｌ’　／Ｌは次式で示される。

Ｌ’　　／Ｌ＝　　（ｎ＋ｚ　　１／ｎｙｌ＋１）　２
　　−（１）ここでｎ１２”’物質Ｂの屈折率／物質Ａ
の屈折率第３図は上部の物質Ａ（固体）から光が入射し
物質Ａと下部の物質Ｂ（液体）との境界面で反射した場
合の反射率Ｌ’　／Ｌを屈折率比ｎ　／２　＝　Ｏ〜２
の範囲で求めたものである。

第３図からＪｚ＜１の範囲すなわち物質Ａの屈折率が液
体の屈折率より大きいとき、液体の屈折率の変化に対し
て反射率Ｌ’　／Ｌの変化が大きいことがわかる。本発
明においてはこのことを利用して液体の濃度測定を行う
。従って本発明の濃度計をメタノール濃度の測定に利用
する場合には、物質Ａ（固体）としてはメタノール燃料
よりも屈折率の大きな物質を用いることが必要である。

第４図はガソリン−メタノール混合燃料の屈折率の゛測
定結果を示したもであって、メタノールの濃度が大きく
なるに従って屈折率は減少し、およそ１．４７〜１．３
３の範囲にある。

従って本発明の濃度針によってメタノールの濃度測定を
行おうとする場合、物質Ａ（固体）の屈折率は１．４７
より大きいことが必要であり、−船釣には石英または光
学ガラスのＢＫ７を用いることが好適である。

第５図は本発明の液体濃度計におけるセンサの動作原理
を説明するものであって、１は石英等から形成されたロ
ンド部であって円柱状をなし、その先端部２は半球状に
形成されているとともに、全体の表面を鏡面研磨されて
いる。また上部に投光部３．光受光４を設けられている
。

このようなセンサのロッド部１を液体からなる試料５中
に挿入し、投光部３から光をロッド１に斜めに入射する
と、光はロッドｌの側面および先端部２の境界面で反射
してロッド１内を逆戻りして受光部４に入力する。

この場合、ロッド１の側面および先端部２における接液
面では、第３図について説明したように試料液体とロッ
ド１を形成する物質Ａとの屈折率比が小さいほど大きな
反射が生じるので、受光部４における光強度は試料の屈
折率が小さいほど大きい。従って受光部４の光入力を電
気信号に変換することによって、第６図に例示するよう
な屈折率と濃度計出力との関係を得ることができる。

本発明の液体濃度計はこのようにセンサと試料との接液
面における光の反射を利用する。従って自然光の影響を
受けやすい。この場合発光素子および受光素子の選択に
よって、例えば赤外領域の光を利用することによっであ
る程度自然光の影響を避けることができる。

第７図は投光器３および受光器４として、赤外領域の光
を投射および受光できるものを用いた場合における自然
光の影響を示したものである。

同図に示されるように自然光の影響は僅かであるが、自
然光を遮断した状態で測定を行うようにすることが最も
望ましい。

さらに本発明の濃度針においては第５図に示すように先
端部２とロッドｌの上端部に、先端ミラ一部６と上端ミ
ラ一部７とを設けるつ すなわち先端部２においては一般に入射角の関係等によ
って接液面での反射が小さくなる。そのため先端ミラ一
部６を設けない場合には受光部４に達する光量が著しく
小さくなり、試料との屈折率比の変化に基づく濃度出力
信号を殆ど得ることができない場合がある。これに対し
て先端ミラー部６を設けた場合にはこのようなことはな
く、ロットの測定部８においてのみ反射が生じるので、
試料との屈折率比の変化に基づく大きな出力変化を取り
出すことができるようになる。

なおこの場合先端部２の形状は、平面状、直円錐状、半
球状等各種のものが考えられる。

また本発明の濃度計においては主としてロッド１の側面
の接液面における光の反射を利用して測定を行うのでセ
ンサの接液深さの変化に伴って濃度計出力が変化する。

第８図は濃度計出力に及ぼすセンサの接液深さの影響の
一例を示したものである。

従って本発明の濃度計においてはセンサの接液長を一定
にする必要がある。第５図において上端ミラ一部７はこ
の目的のために設けられるものであって、この部分より
深く試料中にセンサを挿入することによって、先端ミラ
一部６とあいまって先端ミラ一部６と上端ミラ一部７の
中間の測定部８においてのみ接液面での反射を生じさせ
るようにし、センサ接液深さによる濃度出力の変化を防
止するようにしている。

なお温度によって液体の屈折率が変化するため、本発明
の濃度計は試料温度によって出力が変化する。

第９図は試料の温度が濃度計出力に及ぼす影響の一例を
示したものであって、温度の上昇に伴ってほぼ直線的に
変化する特性が示されている。

従って本発明の濃度計においてはその出力に対して一次
特性等による温度補償を行うことが必要である。

〔実施例〕

第１図は本発明の液体濃度計の一実施例におけるセンサ
の構成を示したものであって（ａ）は全体構成を示し、
第５図におけると同じ部分を同じ番号で示されている。

ロッド部１は被測定試料より屈折率の大きい透明体円柱
からなり、メタノール濃度計の場合は例えば石英または
光学ガラスＢＫ７を用い、その全体の表面を鏡面＠磨さ
れている。ロッド部ｌの先端は半球状の先端部２を形成
するとともに、この部分に先端ミラ一部６を有しまた上
端部に上端ミラ一部７を有している。さらにロッド１の
上部には発光部３．受光部４を有している。

発光部３において発光素子１）はリード線１２を経て一
定電流を供給されて発光し、その光は投光レンズ１３を
経てセンサのロッド部１内に向けて投射される。測定部
８における接液面で反射して戻った光は受光レンズ１４
をへて受光素子１５に入射し、その電気的出力はリード
線１６を経て出力される。

この場合センサに対する自然光の影響を避けるため、発
光素子１）には赤外領域の光を発生する発光ダイオード
等を用い、受光素子１５には赤外領域に感度を有するフ
ォトトランジスタ等を用いることが望ましい。

第１図（ｂｌはロッド邪の詳細構造を示し、特に先端ミ
ラ一部６と上端ミラ一部７の構成例を示したものである
。

先端ミラ一部６は半球状をなすロッド１の先端部２の表
面を被う反射膜２１とその表面を被う保護膜２２とから
なり、上端ミラ一部７はロッド１の上端部を被う反射膜
２３とその表面を被う保護膜２４とからなっている。反
射膜２１．２３は光反射率の大きい例えばアルミニウム
（ＡＡ）の蒸着膜からなり、スパフタリング等の方法に
よって被着する。保護膜２２．２４は反射膜２１．２３
を空気およびメタノール燃料から遮断して保護する例え
ば酸化珪素（Ｓｉ２０）膜からなり、ＣＶＤ法等によっ
て被着する。

第２図は本発明の液体濃度針の一実施例における信号処
理部の構成をブロック図によって示したものであって、
３１は投光部、３２は受光部、３３は変換部、３４はア
ナログディジタル（Ａ／Ｄ）変換部、３５はリニアライ
ズ補正および温度補正部、３６はディジタルアナログ（
Ｄ／Ａ）変換部、３７は熱電対（Ｔ、Ｃ）　、３８は変
換およびリニアライズ部、３９はアナログディジタル（
Ａ／Ｄ）変換部、４０は表示部である。

投光部３１は変換部３３から直流またはパルス状の一定
電流を与えられて発光する。センサ部からの第３図に示
されたような屈折率比に対応する反射光は受光部３２に
おいて受光され、受光部３２は入射光の大きさに応じた
電気信号を発生し、変換部３３はこれに対して（１）式
および第４図の関係等によって演算処理を行って特定の
センサを用いたときの試料濃度を示すアナログ出力（ｍ
Ｖ）を発生する。

Ａ／Ｄ変換部３４はこのアナログ出力をディジタル信号
に変換し、リニアライズ補正および温度補正部３５にお
いて直線性の補正および温度補正を行って、濃度を示す
ディジタル信号を発生する。さらにＤ／Ａ変換部３６に
おいてこれをアナログ信号に変換して濃度（％）を示す
アナログ信号を発生する。

一方Ｔ、Ｃ３７を試料中に挿入してその発生起電力を変
換およびリニアライズ部３８に与えることによって、試
料温度に対応する電気信号を得てさらにその直線性補正
を行うことによって試料温度を示すアナログ出力（°Ｃ
）を得る。この信号はＡ／Ｄ変換部３９においてディジ
タル信号に変換され、リニアライズ補正および温度補正
部３５において温度補正に使用される。表示部４０はＡ
／Ｄ変換部３４の出力における非補正のディジタル濃度
信号およびリニアライズ補正および温度補正部３５の出
力における直線性と温度を補正されたディジタル濃度信
号と、Ａ／Ｄ変換部３９の出力におけるディジタル温度
信号とを表示する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の液体濃度針によれば、試料
液体と透明体からなるセンサとの屈折率比の変化に基づ
くセンサ出力の変化を利用して試料の屈折率を求め、こ
れと予め求められている試料濃度と屈折率との関係から
試料の濃度測定を行うことができるので、特にメタノー
ル燃料中のメタノール濃度等を簡便にかつ確実に測定で
きる液体濃度計として好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるセンサの構成を示す
図、 第２図は本発明の一実施例における信号処理部の構成を
示すブロック図、 第３図は２物質の境界面における両物質の屈折率比と反
射率との関係を示す図、 第４図はガソリン−メタノール混合燃料の屈折率の測定
結果を示す図、 第５図は本発明の液体濃度計におけるセンサの動作原理
を説明する図、 第６図は試料の屈折率と濃度計出力との関係を示す図、 第７図は濃度計出力に及ぼす自然光の影響を例示する図
、 第８図は濃度計出力に及ぼすセンサの接液深さの影響の
一例を示す図、 第９図は試料の温度が濃度計出力に及ぼす影響の一例を
示す図である。 １３−投光レンズ Ｉ４−受光レンズ １５−受光素子 ２１．２３−反射膜 ２２．２４−・保護膜 ３３−・・変換部 ３４．３９−アナログディジタル（Ａ／Ｄ）変換部３５
−　リニアライズ補正および温度補正部３６−ゾイジタ
ルアナログ（Ｄ／Ａ）変換部３７−・−熱電対（Ｔ、Ｃ
） ４〇−表示部 ■−ロンド部 ２−先端部 ３−発光部 ４・・−受光部 ６−先端ミラ一部 ７−上端ミラ一部 ８−・−測定部 】１−・−発光素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料液体より高い屈折率を有する透明体円柱から
   なり先端部と上端の所定範囲に反射膜を形成されたロッ
   ド部（１）と、該ロッド部（１）の上端に設けられ該ロ
   ッド部（１）内に光を投射する投光部（３）と、該ロッ
   ド部（１）の上端に設けられロッド部（１）内からの反
   射光を受光して電気信号を出力する受光部（４）とを有
   するセンサと、 該センサを先端部から前記上端の反射膜部分に達するま
   で試料液体中に浸漬したときの該試料液体の屈折率に応
   じて定まる電気信号出力によって演算を行って該試料液
   体の濃度を示す信号を発生する信号処理部とを備えてな
   ることを特徴とする液体濃度計。
2. （２）前記投光部（３）および受光部（４）が赤外領域
   の光を投射および受光することを特徴とする請求項第１
   項記載の液体濃度計。