專利名稱：相位差測定裝置和方法
技術領域：
本發明涉及利用稱為光波或電波的電磁波或超聲波來測定包含在測定流體中的懸濁物質的濃度、至對象物的距離等物理量或者溶解在測定流體中的化學物質濃度等化學量的相位差測定裝置和方法。
目前，在濃度測定管內壁上沒有懸濁物質附著的情況下，作為濃度計不僅能夠測定測定流體中懸濁物質濃度，而且還能夠測定溶解在測定流體中的物質，這種濃度計是采用微波來測定濃度的。特開昭59-19846號公報公開了這種微波濃度計。
圖14為上述公報公開的微波溫度計的構成圖。在這個濃度計中，由微波振蕩器70產生的頻率f1的微波被分波器71分離，其中一部分微波經過設置在濃度測定管73中的波導管72入射到濃度測定管73中。經過設置在濃度測定管73中的其它波導管73取出在濃度測定管73內傳播的微波而輸入到混頻器75中。
由分波器71分離的另外一部分微波經過移相器76輸入到另一個混頻器77中。而微波振蕩器78產生的頻率為f2的微波經過分波器79被分別輸入到兩個混頻器75、77中。在各混頻器75、77中將頻率f1和f2的微波混合后取出頻率為f3＝f1-f2的低頻信號，再分別輸入到相位比較器80中。然后在相位比較器80中，檢測出來自一個混頻器75的低頻信號同來自另一個混頻器77的低頻信號間的相位差。
假設在濃度測定管73中不含有測定物質的測定流體在流動狀態下通過路徑B的微波的相位延遲為θ1，則為使通過路徑C的微波相位延遲與θ1相一致來設定移相器76的延遲相位。
借此，在濃度測定管73中含有測定物質的測定流體在流動狀態下，如果用相位比較器80測定出通過路徑B的微波相位同通過路徑C的微波相位間的相位差，則由通過路徑B的微波的相位延遲可以示出同在測定流體中含有的測定物質濃度成比例的值。
但是，當通過檢測出對應測定流體濃度狀態變化的微波相位來測定濃度時，可能發生下面的不利情況。
圖15示出了由移相器76延遲相位之前的微波(M1)以及由移相器76延遲過相位的微波(M2)以及具有通過路徑B相應于測定流體濃度的相位延遲的微波(M3)之間的關系。
相應于測定流體濃度變高，則微波(M3)與微波(M1)間的相位延遲θ2變大，而使測定流體在高濃度情況下，如圖16所示，相位延遲θ2可能超過360°。盡管相位延遲θ2超過360°，表觀上相位延遲θ′仍在0°～360°之間。
然而，在真實的相位延遲θ2(為了同表觀上相位延遲θ2′區別而這樣稱呼)處在0°≤θ2≤360°的范圍內的情況下，因為真實的相位延遲θ2沒有旋轉一周，取轉數n＝0;真實的相位延遲θ2旋轉1周，而在360°≤θ2≤720°范圍的情況下，取轉數n＝1。而當真實的相位延遲θ2沿逆時針方向(負方向)變化，真實的相位延遲θ2處在0°≤θ2≤-360°的角度范圍情況下，取轉數n＝-1。一定要使轉數n發生同樣的變化。
在相位比較器80中，由于真實的相位延遲θ2是在表觀上相位延遲θ2′的狀態下檢出的，所以在相對于測定流體濃度的真實相位延遲θ2超過360°的情況下，盡管是高濃度的，但是表觀上濃度的測定結果卻是低的。反之，盡管真實的相位延遲θ2是在0°以下，但是表觀上的濃度測定結果卻比現實高。
另外，如果使在濃度測定管73中的微波傳播距離變長，與這個傳播距離的長度相對應的相位延遲θ2將變大，這樣會產生和上述同樣的問題。
雖然通過檢測出微波的相位延遲來測定濃度會產生以上問題，但是在特開平2-238348號公報中公開了避免這個問題的濃度測定方法。如采用這個公報中的公開的技術，利用頻率調制測定微波通過測定流體時產生的速度變化來檢測流體的濃度。
鑒于上述的實際情況，本發明的目是是提供最佳的相位差測定裝置和相位差測定方法。在該裝置和該方法中，根據對處在基準狀態的被測定物中發射和接收信號時的發射波和接收波間的相位差θ1、以及對處在測定狀態的被測定物中發射和接收信號時的發射波和接收波間的相位差θ2，計算出兩者的差△θ＝θ2-θ1，再根據△θ測定物理量或化學量。
本發明的目的是提供相位差測定裝置和方法，通過該裝置和該方法即使相位差θ1同θ2間的角度差超過360°或其角度差小于0°時，也能準確地測定出被測定物的狀態(物理量或化學量)。
本發明的目的是提供相位差測定裝置和方法，該裝置和該方法可以容易地實現為精確地測定高濃度被測流體的濃度、還可以精確地測定在大口徑的濃度測定管內流動的被測流體濃度的濃度計。
本發明的目的是提供相位差測定裝置和方法，它可以容易地實現為準確地測定連續移動的對象物間的距離的距離計。
本發明的相位差測定裝置包括向處在基準狀態的被測定物發射和接收信號波而獲得第一接收信號和向應處在測定狀態的被測定物發射和接收信號波而獲得第二接收信號的信號檢測裝置;求出所述信號波的發射波同所述第一接收信號間的相位差的基準相位差θ1和所述的發射波同所述的第二接收信號間的表觀上相位差θ2′的相位檢測裝置;在表示所述表觀上相位差θ2′通過作為所述表觀上相位差θ2′的變化范圍內的一個角度值的基準點次數的轉數n同角度360°的乘積上加上所述表觀上相位差θ2′而求出所述真實相位差θ2的相位差校正裝置;連續地檢測所述表觀上相位差θ2′的增加或減小方向的傾向檢測裝置;當所述的傾向檢測裝置檢測出表觀上相位差θ2′邊增加邊通過所述基準點時，便將所述轉數n變更為n＝n+1的第一轉數變更裝置;當所述的傾向檢測裝置檢測出表觀上相位差θ2′邊減少邊通過所述基準點時便將所述轉數n變更為n＝n-1的第二轉數變更裝置;對應于所述真實相位差θ2同所述基準相位差θ1的角度差△θ而輸出所述被測定物的狀態測定信息的測定信息輸出裝置。
按照以上構成的本發明，如果向處在測定狀態的被測定物發射和接收信號波時的發射波和第二接收信號間的表觀上相位差θ2′邊增加邊通過基準點時，將轉數n變更為n＝n+1;而表觀上相位差θ2′邊減少邊通過基準點時，將轉數n變更為n＝n-1。將按如此方式確定的轉數n乘以角度360°、其乘積值n×360°同表觀上相位值θ2′相加后的值就是真實相位差θ2。
本發明的相位差測定裝置包括向處在基準狀態下的被測定物發射和接收信號波而獲得第一接收信號，并向處在測定狀態下的被測定物發射和接收信號波而獲得第二接收信號的信號檢測裝置;求出作為所述信號波的發射波同所述第一接收信號間的相位差的基準相位差θ1及所述發射波同所述第二接收信號間的相位差θ2′的相位差檢測裝置;將表示所述表觀上相位差θ2′通過所述表觀上相位差θ2′的變化范圍內的一個角度值的基準點次數的轉數n同角度360°的乘積值與所述表觀上相位差θ2′相加，而求出所述真實相位差θ2的相位差校正裝置;在所定時間間隔內不連續地取入所述表觀上相位差θ2′的輸入裝置;在相當于從基準點旋轉1周的角度范圍內對應于包含有從最大角度到最小角度的所述最大角度的所定范圍來設定上范圍、并判斷所述獲得的表觀上相位差θ2′是否落入所述上范圍的上范圍判定裝置;在所述角度范圍內對應于包含從所述最小角度到最大角度的所述最小角度的所述范圍來設定下范圍、并判斷所述獲得的表觀上相位差θ2′是否落入所述下范圍的下范圍判斷裝置;如果通過所述上范圍判定裝置判斷出所述表觀上相位差θ2′落入所述上范圍內、并且通過所述下范圍判定裝置判斷出接著獲得的所述表觀上相位差θ2′落入所述下范圍內，則將所述轉數n變更為n＝n+1的第一轉數變更裝置;如果通過所述下范圍判定裝置判斷出所述表觀上相位差θ2′落入所述下范圍內，并且通過所述上范圍判定裝置判斷出接著獲得的表觀上相位差θ2′落入所述上范圍內，則將所述轉數n變更為n＝n-1的第二轉數變更裝置;對應于所述真實的相位差θ2同所述基準相位差θ1的角度差△θ而輸出被測定物的狀態測定信息的測定信息輸出裝置。
按照上述構成的本發明，如果通過上范圍判定裝置判斷出表觀上相位差θ2′落入上范圍、并且通過下范圍判斷出接著獲得的表觀上相位差θ2′落入下范圍內，則將轉數n變更為n＝n+1;另外如果通過下范圍判定裝置判斷出表觀上相位差θ2′落入下范圍、并且通過上范圍判定裝置判斷出接著獲得的表觀上相位差θ2′落入上范圍內，則將轉數n變為n＝n-1。然后，將這樣確定的轉數n乘以角度360°，在其乘積值n×360°上加上表觀上相位差θ2，此和值作為真實相位差θ2而被求出。
圖1為本發明第一實施例的濃度計構成圖;
圖2為設在第一實施例濃度計中的相位差校正電路的工作流程圖;
圖3為由設在第一實施例濃度計中的信號變換電路設定的測量線數據圖;
圖4A為表示在濃度檢測管中自來水流動的狀態圖;
圖4B為表示在濃度檢測管中測定流體流動的狀態圖;
圖5為在第一實施例的濃度計中的由硬件構成相位差校正電路的電路裝置構成圖;
圖6為設在第二實施例濃度計中的相位差校正電路的工作流程圖;
圖7示出在第二實施例中的上范圍和下范圍的設定例子;
圖8為表示設在第二實施例中的轉數設定器的轉數初始值設定動作的流程圖;
圖9為由硬件構成設在第二實施例的濃度計中的相位差校正電路的構成圖;
圖10為本發明第三實施例的距離計構成圖;
圖11為表示第三實施例的距離計和距離測定動作的圖;
圖12為表示第三實施例中的發射波同反射波之間相位差的圖;
圖13為由設在第三實施例的距離計中的距離計算電路設定的檢測線數據圖;
圖14為用于已有的相位差測定方式的濃度計構成圖;
圖15為表示微波相位延遲的圖;
圖16為表示表觀上相位延遲角的旋轉動作圖。
下面結合適用于微波濃度計的第1實施例來說明本發明的相位差測定裝置。
圖1為關于本實施例的微波濃度計的構成圖。這個微波濃度計的濃度檢測管20通過隔離閥23、24配置在上游側配管21和下游側配管22之間。在這個濃度檢測器20上安裝有供水泵26和排水泵27。供水泵26同用于導入自來水等基準流體的水管28相連接，而排水泵27同配水管29相連接。
濃度檢測管20在隔著管軸相對的位置上分別形成有微波入射和反射用的開口窗，通過密封填料在這個開口窗上安裝天線安裝板。這個天線安裝板通過絕緣物將發射天線31和接收天線32密封安裝上。
在這個濃度計的發射系統中設置有產生微波的微波振蕩器33，這個微波振蕩器33的輸出通過功率分配器34向天線31發射。
這個濃度計的接收系統由相位差測定電路35、相位差校正電路36、轉數條件設定器37和信號變換電路38組成。相位差測定電路把作為參考信號的來自所述功率分配器34的微波發射波的一部分同來自接收天線32的微波接收波一起導入，以便測定對應這個微波發射波的接收波的表觀上相位延遲。相位差校正電路36根據圖2所示的流程圖進行處理，從表觀上相位延遲求出真實相位延遲，然后計算出這個真實相位延遲同基準相位延遲間的相位差△θ。轉數條件設定器37是為設定接通濃度計電源時的轉數n的部件，它可以進行轉數動作模式選擇(模式1為電源即將斷開前的轉數，模式2為轉數0)并對正的轉數進行手動設定。信號變換電路38設定如圖3所示的測定線數據，根據檢測線數據求出對應于相位差校正電路36輸出的相位差△θ的濃度值，并將對應于這個濃度值并轉換成電流的信號輸出。
下面說明采用按上述構成的本實施例的微波的濃度計濃度測定操作。
首先在濃度檢測管20內導入濃度為零的基準流體(例如自來水)并測定基準相位延遲θ1。在此，所謂的相位延遲是相對在相位差測定電路35內的微波發射波的微波接收波的相位延遲。
在測定這個基準相位延遲θ1時，將隔離閥23、24打開后，接通排水泵27以排出測定管20內的污泥等測定流體，然后接通供水泵26供給自來水并洗凈測定管20內的污物后，再關閉排水泵27使測定管20內的自來水處在充滿狀態。
如此使自來水充滿后，如圖4A所示，從微波振蕩器33一產生微波信號，它通過功率分配器34經發射天線31發射，在測定管20內的自來水中傳播并被接收天線32接收。由這個接收天線32接收的微波接收波被送入相位差測定電路35中。可以將來自功率分配器34的微波發射波的一部分送入這個相位差測定電路35中。
在相位差測定電路35中，根據微波發射波同微波接收波的比較，測定出有關基準流體的基準相位延遲θ1，將這個測定的基準相位延遲θ1送到相位差校正電路36中儲存起來。此外，在相位差校正電路36中，作為來自轉數條件設定器37的轉數初始值設定為零。
然后，接通排水泵27，待測定管20內的自來水排出后，打開隔離閥23、24使含有測定物質的測定流體流入。在這個狀態下使微波振蕩器33的微波信號發射。和上述同樣通過功率分配器34將這個微波信號送入發射天線31和相位差測定電路35中。如圖4B所示，當從發射天線31發射的微波在濃度檢測管20內的被測流體中傳播到達接收天線32時，接收天線32輸出具有對應被測流體濃度的相位延遲的微波信號。在相位差測定電路35中測定具有對應被測流體濃度的相位延遲的微波信號的表觀上相位延遲θ2′。這樣在含有測定物體的測定流體流動的狀態下，時刻發射微波，在相位差測定電路35中測定表觀上相位延遲θ2′，然后依次送到相位差校正電路36中。
在此，參照圖2詳細說明了相位差校正電路36處理的過程。相位差校正電路36在每個微小的時間△t下從相位差測定電路35取入表觀上延遲θ2′，然后按如下方式進行處理。
對表觀上相位延遲θ2′微分求出θ2′的增加/減少的方向。即如果 (dθ2′)/(dt) 是正的，則判斷相位延遲θ2′是否增加并旋轉一周。如果表觀上相位延遲θ2′的微分值是正的并且相位延遲θ2′通過0°，現實被測定的表觀上相位延遲θ2′雖然被觀測出在0°≤θ2′＜360之間，但實際上由于真的相位延遲θ2是在360°≤θ2＜720°之間，而需將轉數從0變更為1。
如果 (dθ2′)/(dt) 是負的則判斷表觀上相位延遲θ2′是否減少并通過0°。在表觀相位延遲θ2′的微分值是負的、具相位延遲θ2′通過0°的情況下，雖然觀測出表觀上相位延遲θ2′例如處在0°≤θ2′＜360°之間，但由于實際的相位延遲θ2是處在-360°≤θ2＜0°之間，而應將轉數從0為變更為-1。將這樣變更的轉數存儲在未示出的轉數存儲器中，一有轉數的變更，就用新的轉數更新之。
接著，根據下式計算真實的相位延遲θ2。
θ2＝θ2′+n×360°……(1)具體地說，如果表觀上相位延遲θ2′的對時間微分值 (dθ2′)/(dt) 是正的、且真實的相位延遲θ2超過360°(1周)而變為360°～720°之間的角度時，則應使θ2＝θ2′+360°。而如果表觀上相位延遲θ2′對時間的微分值 (dθ2′)/(dt) 是正的、且真實的相位延遲θ2超過720°(2周)而變為720°～980°之間的角度時，則應使θ2＝θ2′+720°與此類推，如果θ2′對時間的微分值 (dθ2′)/(dt) 是正的，則每超過360°角，就加上360°，以便求出真實的相位延遲角度θ2。
反之，如果表觀上相位延遲θ2′對時間的微分值 (dθ2′)/(dt) 是負的，且真實的相位延遲θ2也變為小于0°(-1周)而變為0°～-360°之間的角度時，則應取θ2＝θ2′-360°。同理，θ2′對時間微分值 (dθ2′)/(dt) 是負的，且每反方向過0°就加上1個-360°，以便求出真實的相位延遲角度θ2。
通過下式可以計算在上述基準流體測定時存儲的基準相位延遲同由(1)式求出的真實相位延遲θ2之間的差△θ。
相位差△θ＝θ2-θ1……(2)同理在上述的條件成立的情況下變更轉數n，在求出真實的相位延遲θ2的同時求出相位差△θ。
在信號變換電路37中，當接收來自相位差校正電路36的相位差△θ時，根據表示濃度同相位差間的關系的測量線數據在求出濃度的同時，將其變換為對應這個濃度的信號后輸出。例如，濃度測定范圍在0～10%時，與其對應的輸出電流信號為4～20mA。
另外，在這個濃度計的電源一度斷開(含停電)之后，再度通電時通過在轉數條件設定器37中設定的模式將所定的轉數作為初始值使用。如果通過轉數條件設定器37選擇模式1，則電源斷開前的轉數n被設定，如果選擇模式2則轉數0被設定。
根據利用其它的濃度測定方法(干燥重量法等的離線測定)得到的測定結果以及這個濃度計所設置的各個部件的運行狀況進行判斷，也可以手動設定對應真實的相位延遲角度θ2的轉數n。
如上所述，在本實施例濃度計中，由于經常掌握住真實的相位延遲θ2屬于的轉數，且在表觀上相位延遲θ2′上加上轉數n×360°的乘積值后計算出真實相位延遲θ2，所以即使真實的相位延遲θ2在360°以上或未達到0°也可以求出正確的真實相位延遲θ2。因此也可以測定象真實相位延遲θ2旋轉幾周的高濃度被測定流體的濃度，還可以通過大口徑的管進行濃度測定。
該裝置可以構成為能判斷在從-180°至+180°之間的表觀上相位延遲θ2′是否旋轉1周。把-180°作基準點、根據表觀上相位延遲θ2′的微分值的極性和表觀上相位延遲θ2′是否通過-180°來判斷表觀上相位延遲θ2′的旋轉。例如如果 (dθ2′)/(dt) 是負的，并且表觀上相位延遲θ2′通過-180°，則將轉數n變更為n＝n-1;而如果 (dθ2′)/(dt) 是正的，并且表觀上相位延遲θ2′通過-180°，則將轉數n變更為n＝n+1。
然而在上述第一實施例中雖然可以通過軟件完成相位差校正電路的功能，但是也可以通過硬件電路完成相位差校正功能。
圖5是表示用硬件完成相位差校正電路36功能的電路裝置構成圖。這個電路裝置將來自相位差測定電路35的表觀上相位延遲θ2′輸入給微分電路41、第一比較器42和第二比較器43。把表示來自微分電路41的相位延遲θ2′對時間微分值的極性(正負)的信號輸入到第一和第二與門電路44和45中。另外，在第一比較器42中把360°設定為用于檢測表觀上相位延遲θ2′超過了360°的門限值。在第二比較器43中把0°設定為用于檢測表觀上相位延遲θ2′變為0°以下的門限值。第一比較器42向第一與門電路44輸出表觀上相位延遲θ2′從360°變化時的轉數增加信號;第二比較器43向第二與門電路45輸出表觀上相位延遲θ2′從0°變化時的轉數減少信號。當相位延遲θ2′對時間微分值是正的，并且輸入轉數增加信號時的條件成立時，則第一與門電路44將上升信號輸出到升降值計數器46的上升端;當相位延遲θ2′的時間微分值是負的，并且輸入轉數減少信號時的條件成立時，則第二與門電路45將下降信號輸出到升降值計數器46的下降端。升降值計數器46在調零時通過將計數值復位為n＝0使計數器的輸出和轉數n相一致。上升信號在向升降值記數器46的上升端子輸入時使計數值增加1，下降信號在向下降端輸入時使計數值減少1。升降值計數器46的輸出端同真值運算電路48相連接。真值運算電路48通過對上式(1)進行計算而計算出真實的相位延遲θ2。將真值運算電路48的輸出輸入到減法電路49中，通過對上述的(2)式進行計算而計算出相位差△θ。
下面說明本發明的第二實施例本實施例是將上述的第1實施例中的相位差校正電路和轉數條件設定器的機能變更的例子。除了相位差校正電路和轉數條件設定器以外的各個構成部分同第一實施例相應的構成部分相同。
在本實施例中的相位差校正電路38′(為了區別于第一實施例的相位差校正電路38，本實施例的相位差校正電路用符號38′表示)按照圖7所示的流程圖計算真實的相位延遲θ2。本實施例的轉數條件設定器37′(為了區別于第一實施例的轉數條件設定器37，本實施例的轉數條件設定器用37′表示)根據圖8所示的流程圖決定電源再接通時的轉數n。
下面說明相位差校正電路38′的真實相位延遲θ2的計算原理。
表觀上相位延遲θ2′獲得的角度范圍如圖7所示為0°～360°。對于0°～360°的這個角度范圍是把從0°到360°側的所定范圍作為下范圍。而對于360°～0°的角度范圍是把從360°到0°側的所定范圍作為上范圍。在本實施例中，作為上范圍可以設定240°～360°的范圍，標準的情況是把260°～360°的范圍作為上范圍設定。而作為下范圍可以設定0°～120°的范圍。標準的情況是把0°～100°的范圍作為下范圍設定。
以連續的某個短時間(在本實施例為5秒的間隔)的周期對表觀上相位延遲θ2′進行測定。若在某個時間點的表觀上相位延遲θ2′處在上范圍、而在下一個時間點的表觀上相位延遲θ2′處在下范圍內，則將轉數n變更為n＝n+1。另外若在某個時間點的表觀上相位延遲θ2′處在下范圍、而在下一個時間點的表觀上相位延遲θ2′處在上范圍，則將轉數n變更為n＝n-1。將這個轉數n代入上面的(1)式中便可計算真實的相位延遲θ2。
根據這樣的條件使轉數n變更是以下述條件即從上范圍向下范圍或從下范圍向上范圍發生大變化的現象(濃度變化、溫度變化等)在實際上不發生為前題的，這些條件是在作為相位自延遲測量周期設定的短時間(例如5秒鐘)內，表觀上相位延遲θ2′在相同的轉數n的范圍(例如如果轉數n＝0，則真實的相位延遲θ2在0°～360°的范圍內)。也就是說，例如在5秒鐘的間隔內，由表觀上相位延遲θ2′從上范圍向下范圍變化或從下范圍向上范圍變化可以判定出轉數n的變化。
轉數條件設定器37′可以手動設定上述上范圍、下范圍和任意的轉數初始值n，還可以手動設定高濃度門限值Xmax和負濃度門限值Xmin。所謂高濃度門限值Xmax是作為測定對象的濃度值予想得到的最大值、或者是在測定對象中不能獲得的高濃度值。所謂負濃度門限值Xmin是把基準相位差θ1作為零點的場合下即使其零點在負側漂移也不能得到的那樣低的值。
同前述的第一實施例相同，按照上述構成的本實施例向由自來水構成的基準流體發射微波后，測定微波接收信號的相位延遲θ1并存儲在相位差校正電路36′中。相位差校正正電路36′讀出用于判定來自轉數條件設定器37′的轉數的上范圍、下范圍和轉數的初始值n。
接著向含有測定物質的流體中發射微波，在短時間的周期(例如每隔5秒)內測定表觀上相位延遲θ2′。測定表觀上相位延遲θ2′時，根據圖6所示的流程圖進行處理并計算真實的相位延遲θ2，再計算相位差△θ。
也就是說，由相位差測定電路35獲得表觀上相位延遲θ2′，然后判斷θ2′是否在上范圍內。如果獲得的θ2′在上范圍內，則判斷例如5秒后的θ2′是否落在下范圍內。如果5秒后的θ2′落在下范圍內，由于表觀上相位延遲θ2′如圖7所示在5秒內正在從上范圍向下范圍變化，所以將轉數n變更為n＝n+1。
另外，對于由相位差測定電路35獲得的θ2′不屬于上范圍內的場合應判斷該θ2′是否落在下范圍內。如果所獲得的這個θ2′處在下范圍內，則判斷5秒后的θ2′是否落入上范圍內。如果5秒后的θ2′落入上范圍，則如圖7所示的B，由于在5秒內正從下范圍向上范圍變化，所以將轉數n變更為n＝n-1。
而在其它的場合下轉數n不需變更。
如果象上述那樣確定了轉數n，則可以通過上述(1)式計算真實的相位延遲θ2′，然后根據上述(2)式計算相位差△θ。
利用轉數條件設定器37′獲得由相位差校正電路36′確定的最新轉數n并存儲在未示出的不揮發存儲器中。轉數條件設定器37′在這個濃度計的電源停電或人為斷開后仍能保持電源即將斷開之前的轉數n。
當濃度計的電源再接通時，進行按圖8所示的處理由轉數條件設定器37′求出正確的轉數n。
也就是說，為濃度計電源再接通時，由相位差校正電路36′和信號變換電路33利用電源即將斷開之前的轉數n(上述不揮發存儲器的保持值)進行濃度計算。
通過轉數條件設定器37′，當一旦檢測出濃度計的電源又被接通時，就獲得利用電源即將斷開之前的轉數n計算出的濃度計算值。
接著判斷電源即將斷開之前的轉數n是否滿足n≥1的條件。如果上述濃度計算用的轉數n為n≥1，則再將濃度計算值X同高濃度門限值Xmax進行比較。如果X≥Xmax，則將轉數n變更為n＝n-1;如果X＜Xmax，則轉數n不變更。
另外，如果電源即將斷開前的轉數n不滿足n≥1，則判斷n＜0的條件是否成立。如果n＜0成立，則將濃度計算值X同高濃度門限值Xmax進行比較。如果X≤Xmin，則將轉數n變更為n＝n+1。如果X＞Xmin，則轉數n不變更，另外當n＝0時，轉數n也不變更。
在轉數n的值變化可以明顯地判明時(例如電源斷開前和電源再接通時、濃度發生大的變化時等)，可以借助轉數條件設定器37′用手動方式設定任意的轉數n。
將按以上方式確定的轉數n輸入到相位差校正電路36′中。以后的處理是通過相位差校正電路36使由轉數條件設定器37′再設定的轉數n按基準變化。
根據如上所述的的本實施例，因為在0°～360°的范圍內設定下范圍和上范圍、并通過表觀上相位延遲θ2′對現在屬于的范圍同上次屬于的范圍進行比較而判斷出轉數發生變化，所以可以正確地把握表觀上相位延遲θ2′的轉數，從而可以計算出正確的相位差△θ。因此即使相位延遲超過360°成為一周以上時，也能正確地測定高濃度被測流體的濃度，并且還可以用大口徑的濃度檢測管正確地測定濃度。
另外，根據本實施例，通過在轉數條件設定器37′中設定高濃度門限值Xmax和負濃度門限值Xmin、比較根據濃度計的電源再接通時的電源即將斷開前的轉數n而計算出的濃度計算值X和高濃度門限值Xmax或者負的濃度門限值Xmin來決定對應于現在測定流體濃度等的最適合的轉數，因此即使在濃度計的電源再接通后也可以保持正確的轉數。
在上述的第二實施例中，雖然在0°～360°的范圍設定下范圍和上范圍，但是也可以在-180°～+180°范圍內設定下范圍和上范圍來判斷轉數n。當在-180°～+180°范圍內測定相位延遲時，在-180°～180°的角度范圍內將從-180°～+180°側的所定范圍作為下范圍;而在-180°～+180°的角度范圍內，將從+180°～-180°側的所定范圍作為上范圍。
上述第二實施例中的相位差校正電路36′的功能雖然是用軟件完成的，但是也可以用硬件電路完成。
圖9是用硬件完成第二實施例中的相位差校正電路36′功能的電路裝置構成圖，與圖5中所示裝置的相同部分用同一符號表示。
這個電路裝置將來自相位差測定電路35的表觀上相位延遲θ2′輸入到上范圍判定部件51和下范圍判定部件52。上范圍判定部件51設定上述的上范圍(例如260°～360°)，如果表觀上相位延遲θ2′進入上范圍內則輸出上范圍檢測信號。下范圍判定部件52設定上述下范圍(例如0°～120°)，如果表觀上相位延遲θ2′落入下范圍內則輸出下范圍檢測信號。上范圍檢測信號和下范圍檢測信號輸入到譯碼器53。這個譯碼器53分別將上范圍信號變換為數據D1、將下范圍檢測信號變換為數據D2、將上范圍檢測信號和下范圍檢測信號以外的輸入變換為數據D3，并將這些數據輸入到先進先出存儲器54內。先進先出存儲器54存儲連續的2個數據，并且一有來自譯碼碼53的輸入，就將這個輸入數據存儲起來同時輸出前一個數據。在上范圍檢測信號同數據D2的與條件成立時第一與門電路55輸出降計數信號。在下范圍檢測信號同數據D1的與條件成立時第二與門電路56輸出升計數信號。從升降計數器46到減法器49為止的構成同圖5所示的電路裝置相同。
在適用于本發明濃度計的上述各實施例中，可以在懸濁物體流動狀態下測定濃度，也可以在靜止狀態下測定濃度;另外可以采用自來水作為基準流體，也可以采用含有已知濃度的物質作為基準流體。濃度檢測管20可以通過上游側配管21和下游側配管22夾住地配置，例如在被測定流體的流通配管內設置取入流體的容器，或者在設置旁路管時，則應將上述技術使用在這些容器和旁路管中，這些也包含在本發明的范圍之內。
上面就本發明作為濃度計使用的實施例作了描述，本發明還可以適合于利用光波和電波等的電磁波或超聲波等信號來測定兩點間距離的光波距離計、電波距離計或超聲波距離計。
下面說明本發明的第三個實施例，本實施例是將本發明適用于光波距離計的例子。
圖10是第三實施例的光波距離計的構成圖。
本實施例的光波距離計使從具有所定振動頻率的振蕩器61輸出的振動信號通過分波器62而輸入到發射器63，并使發射波從發射器63向目標物64發射發射波。來自發射波入射的目標物64的反射波由接收器65接收后轉換成電接收信號。接收器65的輸出端同相位差測定電路66相連接。相位差測定電路66輸入來自接收器65的接收信號，并輸入來自分波器62和發射波同一相位的發射信號，同時檢測相對于發射信號的接收信號的相位延遲。與相位差測定電路66的輸出端相連接的相位差校正電路67通過進行和上述圖2或圖7同樣的處理而計算出相位差△θ，并將△θ輸出到距離計算電路68中。距離計算電路68存儲圖13所示的測量線數據，根據來自相位差校正電路67的相位差△θ求出移動距離，并將這個移動距離x和從測定點到目標物移動前的距離b相加后的距離x輸出。信號變換電路69把對應于距離x的電流信號作為距離測定信號輸出。
下面說明本實施例的距離測定操作。
首先將目標物64配置在圖11所示的基準點B，在對著這個目標物64發射發射波的同時接收其反射波。如圖13所示相對于發射波的反射波的相位相應于A，B間的距離b而移動角度θ1。由相位差測定電路66測定在這個基準位置B上的發射波同接收波間的相位差的基準相位差θ1，并輸入到相位差校正電路67。
接著使從B點到目標物64間的距離變化所定距離，由相位差測定電路66測定在各距離的發射波同接收波之間的相位差θ2′。如圖12所示，從在C點移動的目標物64的反射波與從在基準位置B的目標物64的反射波相比產生了△θ＝θ2-θ1的相位差。將各C點的相位差θ2′輸入到相位差校正電路68中。相位差校正電路68把在基準位置B的基準相位差θ1的轉數n取為n＝0，將從相位差測定電路66輸入的各個距離的相位差作為表觀上相位差θ2′，并計算真實的相位差θ2。接著計算真實相位差θ2同基準相位差θ1的差，并輸入到距離計算電路68中。
通過距離計算電路68求出離開基準位置B的距離x同在各距離的相位差△θ＝(θ2-θ1)間的關系，確定關于如圖13所示的移動距離X的測量線X＝a·△θ并存儲起來。
經過上述的準備，就可進入測定從A點的距離到隨時間變化的目標物距離的通常操作。
在距離測定操作中，對于從移動后的位置C的反射波對發射波的相位差作為表觀上相位差θ2′由相位差測定電路66測定。相位差校正電路66根據從相位差測定電路66輸入的表觀上相位差θ2′利用上述的圖2或圖6所述的處理在求出真實的相位差θ2的同時計算出相位差△θ。
利用來自相位差校正電路66輸入的相位差△θ的距離計算電路68，根據x＝a△θ的計算求出離開基準位置的距離x，將距離x同A點至B點的距離b相加便可計算出A點至目標物64間的距離x。
象這樣進行計算的距離X由信號變換電路69變換成電流信號。
根據如上所述的本實施例，在使發射波入射到移動的目標物64中、根據發射波同其反射波之間的相位差測定到目標物的距離的場合下，即使發射波同反射波間的相位差偏移360°以上，也可以正確地測定距離X。
在以上的說明中，雖然是就將本發明適用在濃度計或距離計上的實施例進行了說明，但是也可以適用于利用相位差來測定物理量或化學量的其它裝置中。
雖然是就將本發明適用于濃度計或距離計的實施例進行了說明，但是本發明也適用于利用相位差測定物理量或化學量的其它裝置。
權利要求
1.一種相位差測定裝置，其特征在于，它包括向外在基準狀態的被測定物發射和接收信號波而獲得第一接收信號、并向測定狀態的被測定物發射和接收信號波而獲得第二接收信號的信號檢測裝置；求出所述信號波的發射波同所述第一接收信號間的相位差的基準相位差(θ1)和所述的發射波同所述的第二接收信號之間的表觀上相位差(θ2′)的相位檢測裝置；在表示所述表觀上相位差(θ2′)通過作為所述表觀上相位差(θ2′)的變化范圍內的1個角度值的基準點次數的轉數n同角度360°的乘積上加上所述表觀上的相位差(θ2′)、然后求出所述發射波同所述第二接收信號間的現實相位差的真實相位差(θ2)的相位差校正裝置；連續地檢測所述表觀上相位差(θ2′)的增加或減小方向的傾向檢測裝置；當所述的傾向檢測裝置檢測出表觀上相位差(θ2′)邊增加邊通過所述基準點時，將所述轉數n變更為n=n+1的變更裝置；當所述的傾向檢測裝置檢測出表觀上相位差(θ2′)邊減少邊通過所述基準點時，將所述轉數n變更為n=n-1的變更裝置；對應于所述真實相位差(θ2)同所述基準相位差(θ1)間的角度差(Δθ)而輸出所述被測定物的狀態測定信號的測定信息輸出裝置。
2.如權利要求1所述的相位差測定裝置，其特征在于，所述的表觀上相位差(θ2′)的變化范圍是0°～360°，所述的基準點是0°。
3.如權利要求1所述的相位差測定裝置，其特征在于，還包括用于選擇在電源即將再接通后的所述真實相位差θ2的計算時采用所述電源即將斷開前的轉數n的第一模式和利用轉數n＝0的第二模式二者之一的選擇裝置和相對所述相位差校正裝置手動設定任意轉數的手動設定裝置。
4.如權利要求1所述的相位差測定裝置，其特征在于，所述的信號檢測裝置對作為基本上不含待測定的物質的所述基準狀態的被測定物的測定流體發射和接收作為信號波的微波而獲得第一接收信號，并且對作為含有待測定濃度物質的處在測定狀態的被測定物的測定流體發射和接收作為上述信號波的微波而獲得第二接收信號;所述的測定信息輸出裝置對應于所述真實的相位差(θ2)同所述基準相位差(θ1)間的角度差(△θ)把含在所述測定流體中的待測濃度物質的濃度測定值作為所述狀態測定信息輸出，以便適用在采用微波工作的濃度計上。
5.如權利要求4所述的相位差測定裝置，其特征在于，還包括對在所述濃度計的電源即將被斷開前的所述轉數n是否滿足n≥1的條件進行判斷的第一比較裝置;在所述濃度計的電源再接通后將利用所述電源即將被斷開前的所述轉數n或在其之后變更的轉數n而求出的濃度計算值X同預先設定的高濃度門限值Xmax進行比較的第二比較裝置;如果所述的第一比較裝置的判定結果n≥1、且所述的第二比較裝置的比較結果X≥Xmax時，將所述轉數n變更為n＝n-1的變更裝置;判斷所述濃度計的電源被即將斷開前的所述轉數n是否滿足n＜0條件的第三比較裝置;即使在負側發生零點偏移，將不能發生的負濃度門限值Xmin同所述濃度計算值X進行比較的第四比較裝置;當所述第三比較裝置的比較結果n＜0并且所述第四比較裝置的比較結果X≤Xmin時，便將所述轉數n變換為n＝n+1的變更裝置。
6.如權利要求4所述的相位差測定裝置，其特征在于，所述的信號檢測裝置包括所述測定流體流動的測定用管;配置在所述測定用管內、發射所述微波的微波發射裝置;配置在所述測定管體內對著所述微波發射裝置的、并接收通過所述測定流體的微波的微波接收裝置。
7.如權利要求1所述的相位差測定裝置，其特征在于，所述的信號檢測裝置對著作為配置在已知距離上的所述基準狀態的被測定物的目標物發射和接收作為所述信號波的電磁波或超聲波二者之一而獲得第一接收信號;對作為移動狀態的處在所述應測定狀態的被測定物的目標物發射和接收作為信號波的電磁波或超聲波二者之一而獲得第二接收信號;所述的測定信息輸出裝置對應于所述真實的相位差(θ2)同所述基準相位差(θ1)間的角度差(△θ)把從基準位置到移動后的所述目標物的距離作為所述狀態測定信息輸出，以便適用在采用電磁波或超聲波的距離計上。
8.一種相位測定裝置，其特征在于，它包括向外在基準狀態的被測定物發射和接收信號波而取得第一接收信號、并向處在待測定狀態的被測定物發射和接收信號波而取得第二接收信號的信號檢測裝置;求出作為所述信號波的發射波同所述第一接收信號間的相位差的基準相位差(θ1)和所述發射波同所述第二接收信號間的表觀上相位差(θ2′)的相位檢測裝置;在表示所述表觀上相位差θ2′通過所述表觀上相位差(θ2)的變化范圍內的一個角度值的基準點次數的轉數n同角度360°的乘積值上加上所述表觀上相位差(θ2′)而求出作為所述發射波同所述第二接收信號間的現實相位差的所述真實相位差(θ2)的相位差校正裝置;在不連續的所定時間間隔內獲得所述表觀上相位差(θ2′)的裝置;在相當于從所述基準點1周旋轉范圍的角度范圍內對應于包含從最大角度到最小角度的所述最大角度的所定范圍來設定上范圍、并判斷所述獲得的表觀上相位差(θ2′)是否落入所述上范圍的上范圍判定裝置;在所述角度范圍內對應于包含從所述最小角度到最大角度的所述最小角度的所定范圍來設定下范圍、并判斷所述獲得的表觀上相位差(θ2′)是否落入所述下范圍的下范圍判斷裝置;如果通過所述上范圍判定裝置判斷出所述表觀上相位差(θ2′)落入所述上范圍內、并且通過所述下范圍判定裝置判斷出接著獲得的所述表觀上相位差落入所述下范圍內，便將所述轉數n變更為n＝n+1的變更裝置;如果通過所述下范圍判定裝置判斷出所述表觀上相位差(θ2′)落入所述下范圍內、并且通過所述上范圍判定裝置判斷出接著獲得的所述表觀上相位差(θ2′)落入所述上范圍內，便將所述轉數n變更為n＝n-1的變更裝置;對應于所述真實的相位差(θ2)同所述基準相位差(θ1)間的角度差(△θ)而輸出所述被測定物的狀態測定信息的測定信息輸出裝置。
9.如權利要求8所術的相位差測定裝置，其特征在于，所述的基準點為0°，所述的角度范圍為0°～360°。
10.如權利要求8所述的相位差測定裝置，其特征在于，所述信號檢測裝置通過對著作為基本上不含應測定濃度物質的所述基準狀態的被測定物的測定流體發射和接收作為所述信號波的微波而獲得第一接收信號，并通過對作為含有應測定濃度物質的所述處在應測定狀態的被測定物的測定流體發射和接收作為所述信號波的微波而獲得經二接收信號;所述的測定信息輸出裝置對應于所述真實相位差(θ2)同所述基準相位差(θ1)間的角度差(△θ)、把在所述測定流體中含有的應測定物質濃度的濃度測量值作為所述測定信息輸出，以便適用在利用微波的濃度計上。
11.如權利要求10所述的相位差測定裝置，其特征在于，還包括對在所述濃度計的電源即將被斷開前的所述轉數n是否滿足n≥1的條件進行判斷的第一比較裝置;將在所述濃度計電源接通后利用所述電源即將被斷開前的轉數n或其后變更的轉數n求出的濃度計算值X同預先設定的高濃度門限值Xmax進行比較的第二比較裝置;當所述第一比較裝置的判斷結果是n≥1、且所述第二比較裝置的比較結果是X≥Xmax時，將所述轉數n變更為n＝n-1的變更裝置;判斷所述濃度計的電源即將被斷開前的所述轉數n是否滿足n＜0條件的第三比較裝置;即使發生零點向負側偏移，將不能發生的負濃度門限值Xmin同所述濃度值X進行比較的第四比較裝置;當所述第三比較裝置的比較結果為n＜0、且所述第四比較裝置的比較結果為X≤Xmin時，將轉數n變更為n＝n+1的變更裝置。
12.如權利要求8所述的相位差測定裝置，其特征在于，所述的信號檢測裝置對著作為配置在已知距離上的所述基準狀態的被測定物的目標物發射和接收作為所述信號波的電磁波或超聲波二者之一而獲得第一接收信號;對作為移動狀態的處在所述應測定狀態的被測定物的目標物發射和接收作為所述信號波的電磁波或超聲波二者之一而獲得第二接收信號;所述的測定信息輸出裝置對應于所述真實的相位差(θ2)同所述的基準相位差(θ1)間的角度差(△θ)，把從基準位置到移動后的所述目標物的距離作為所述的狀態測定信息輸出，以便適用在采用電磁波或超聲波的距離計上。
13.一種相位差測定方法，其特征在于，它包括以下步驟對處在基準狀態下的被測定物發射和接收信號波而獲得第一接收信號;根據所述信號波的發射波同所述第1接收信號的相位差求出基準相位差(θ1);對處在應測定狀態的被測定物發射和接收信號波而獲得第二接收信號;根據所述發射波同所述第二接收信號的相位差求出表觀上相位差(θ2′);將表示所述表觀上相位差(θ2′)通過所述表觀上相位差(θ2′)變化范圍內的一個角度值的基準點次數的轉數n同角度360°的乘積值加上所述表觀上相位差(θ2′)而求出真實的相位差(θ2);對所述表觀上相位差(θ2′)的增加或減小方向連續地進行檢測;如果檢測出所述表觀上相位差(θ2′)邊增加邊通過所述基準點，則將所述轉數n變更為n＝n+1;如果檢測出所述表觀上相位差(θ2′)邊減小邊通過所述基準點，則將所述轉數n變更為n＝n-1;根據所述真實的相位差(θ2)同所述基準相位差(θ1)的角度差(△θ)來求出所述被測定物的狀態測定信息。
14.一種相位差測定方法，其特征在于，它包括以下步驟對處在基準狀態的被測定物發射和接收信號波而獲得第一接收信號;對處在測定狀態的被測定物發射和接收信號波而獲得第二接收信號;求出作為所述信號波的發射波同所述第一接收信號的相位差的基準相位差(θ1);求出所述發射波同所述第二接收信號的表觀上相位差(θ2′);將表示所述表觀上相位差(θ2′)通過所述表觀上相位差(θ2′)的變化范圍內的一個角度值的基準點次數的轉數n同角度360°的乘積值加上所述表觀上相位差(θ2′)而求出真實的相位差;按所定的時間間隔不連續地獲得所述表觀上的相位差(θ2′);對獲得的所述表觀上相位差是否落在對應于含有在相當從所述基準點旋轉一周的范圍的角度范圍內從最大角度到最小角度的所述最大角度的所定范圍來設定的上范圍進行判斷;對獲得的所述表觀上相位差是否落在對應于含有在上述角度范圍內從最小角度到最大角度的所述最小角度的所定范圍內來設定的下范圍進行判斷;把所述表觀上相位差(θ2′)落入所述上范圍內并把接著獲得的所述表觀上相位差(θ2′)落入所述下范圍內作為條件，將所述轉數n變更為n＝n+1;把所述表觀上相位差(θ2′)落入所述下范圍內并把接著獲得的所述表觀上相位差(θ2′)落入所述上范圍內作為條件，將所述轉數n變更為n＝n-1;對應于所述相位差(θ2)同所述基準相位差的角度差(△θ)而輸出所述被測定物的狀態測定信息。
全文摘要
本發明的相位差測定裝置根據對被測定物發射的發射波和第一接收信號求出基準相位差(θ
文檔編號G01S17/36GK1113320SQ9411598
公開日1995年12月13日 申請日期1994年7月12日 優先權日1993年7月12日
發明者山口征治 申請人:株式會社東芝
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