JP2000028550A - 極低温流体の密度計測装置 - Google Patents

極低温流体の密度計測装置

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JP2000028550A
JP2000028550A JP10194306A JP19430698A JP2000028550A JP 2000028550 A JP2000028550 A JP 2000028550A JP 10194306 A JP10194306 A JP 10194306A JP 19430698 A JP19430698 A JP 19430698A JP 2000028550 A JP2000028550 A JP 2000028550A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 スラッシュ水素等極低温流体内にマイクロ波
を導入して同極低温流体の誘電率を測定し、得られた誘
電率を基に同極低温流体の密度を計測する密度計測装置
において、極低温流体内にマイクロ波を導入するアンテ
ナにおける光路長の変化により計測結果に誤差を生ずる
のを防止可能にした極低温流体の密度計測装置を提供す
る。 【解決手段】 密度を計測すべきスラッシュ水素3内に
対面された一対のパッチアンテナ1が浸漬されており、
このパッチアンテナ1の一方へ同軸ケーブル2を通して
マイクロ波が導入され、他方のパッチアンテナ1でそれ
を受ける。こうして、パッチアンテナ1の間に存在する
スラッシュ水素3内を通過したマイクロ波の位相変化か
らスラッシュ水素の誘電率を得、それからスラッシュ水
素の密度を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体水素と液体水
素とがシャーベット状に混合しているスラッシュ水素等
の極低温流体の密度を、マイクロ波を使って測定する密
度計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】固体水素と液体水素とをシャーベット状
に混合してなるスラッシュ水素は、輸送、貯蔵コストの
面で液体水素等よりも有利な新燃料として注目されてい
る。このように固体と液体とが混合している極低温流体
を宇宙燃料として使う場合などはその正確な密度を知る
ことが必要となる。
【0003】スラッシュ水素のような極低温流体の密度
を計測するやり方として、その極低温流体中にマイクロ
波をアンテナから導入し、極低温流体を通過したマイク
ロ波を他のアンテナで受け、その間におけるマイクロ波
の位相変化からその極低温流体の誘電率を測定し、得ら
れた誘電率から密度を求める方法がある。
【0004】すなわち、スラッシュ水素のような固液混
相流体では、上記方法を用いれば固液混合状態の平均値
として誘電率が求まり、この誘電率と固相単相の誘電率
及び液相単相の誘電率から、固相と液相の混合割合が決
定され、この混合割合より密度が求められる。このよう
に極低温流体中にマイクロ波をアンテナから導入して他
のアンテナで受け、その間のマイクロ波の位相変化から
極低温流体の誘電率を測定する原理は次の式によって与
えられる。
【0005】
【数1】
【0006】マイクロ波を極低温流体中に導入したり、
極低温流体中を通過したマイクロ波を受けるのに従来は
図6に示すような導波管の先にホーンアンテナを付けた
ものが使われていた。マイクロ波は、導波管の内面のマ
イクロ波反射面の間を通って導かれ、ホーンアンテナか
ら出て極低温流体中を通ったのち、他のホーンアンテナ
から入って導波管の内面のマイクロ波反射面の間を通っ
て、測定器具へと導かれる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このように、導波管に
付けたホーンアンテナを使ってマイクロ波を極低温流体
中に導き、その密度を計測する従来の装置では、導波管
が比較的細い管であるため、極低温流体が含有している
固体のために流動性が悪い場合、極低温流体が細い導波
管中に充分に入って行かない場合が生じた。このように
導波管中への極低温流体の入り込みにむらがあると、先
に示した数式中のマイクロ波光路長Lが変化し、これが
原因で測定された誘電率に誤差を生ずるという問題があ
った。
【0008】そこで本発明は、スラッシュ水素等極低温
流体内にマイクロ波を導入して同極低温流体の誘電率を
測定し、得られた誘電率を基に同極低温流体の密度を計
測する密度計測装置において、極低温流体内にマイクロ
波を導入するアンテナにおける光路長の変化により計測
結果に誤差が生ずるのを防止可能にした極低温流体の密
度計測装置を提供することを課題としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するため、誘電率計測用のマイクロ波を同軸ケーブル及
び前記極低温流体中に浸漬された平板アンテナ(パッチ
アンテナ)を介して前記極低温流体中に導入するように
構成した極低温流体の密度計測装置を提供する。
【0010】本発明の計測装置によれば、極低温流体中
にマイクロ波を導入するのに同軸ケーブルと平板アンテ
ナを使用しているので、極低温流体の流動状態が悪い場
合もマイクロ波光路長は平板アンテナ間の間隔で常に一
定しており、従来の導波管とホーンアンテナを用いたも
ののように極低温流体の流動状態によってマイクロ波光
路長が変化するような不具合が生じない。
【0011】一方、本発明によって前記したように極低
温流体中に浸漬されている平板アンテナに同軸ケーブル
でマイクロ波を導入する場合、同軸ケーブルを構成して
いるテフロンなどの誘電体の誘電率が同軸ケーブルの極
低温流体への浸漬長さが極低温流体の液面変動等により
変動すると変化し、これが極低温流体の誘電率測定にお
ける誤差となる恐れがある。
【0012】そこで、本発明による極低温流体の密度計
測装置では、前記した構成に加え、前記同軸ケーブルを
前記極低温流体を収容している槽の周りを取り囲み、前
記極低温流体への侵入熱低減のために配置したLN2
内を経由して前記極低温流体中の前記平板アンテナへ接
続した構成を採用する。このように構成することによっ
て、同軸ケーブルは一定レベルのLN2 槽内を通って極
低温流体中の平板アンテナへ導かれるので、同軸ケーブ
ルの温度変化による誘電率変化を生ずることがない。
【0013】また、本発明は、採用する同軸ケーブルの
温度変化によって誘電率測定に誤差が生ずるのを防ぐた
めの他の手段として、同軸ケーブルを断熱真空導入管内
を通して極低温流体中の平板アンテナへ接続する構成を
採用する。これによって同軸ケーブルは断熱真空導入管
内で一定温度に保たれ正確な誘電率測定が可能になる。
【0014】更にまた、本発明は同軸ケーブルの温度変
化が極低温流体の誘電率測定に誤差を及ぼすのを防ぐた
めの更に他の手段として、同軸ケーブルに温度センサを
付設して、同軸ケーブルの温度変化により計測値の補正
を行なうようにした構成を採用する。この構成によれ
ば、たとえ同軸ケーブルに温度変化を生じてもその温度
変化が誘電率測定に与える影響を補正して正確な誘電率
測定が可能である。
【0015】また、本発明は、同軸ケーブルの温度変化
が極低温流体の誘電率測定に誤差を与えるのを防ぐた
め、他の手段として温度変化を生じ易い同軸ケーブル部
分を導波管にしてマイクロ波をその導波管を経由して温
度変化の影響なく極低温流体中の平板アンテナへ導くよ
うにした構成を採用する。
【0016】以上のようにして、本発明によれば極低温
流体中の平板アンテナへマイクロ波を導く同軸ケーブル
の温度変化により発生する誘電率の測定誤差の発生を防
ぐことができる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明による極低温流体の
密度計測装置について図1〜図5に示す実施の形態に基
づいて具体的に説明する。なお、以下の実施形態は、ス
ラッシュ水素を密度計測の対象としている。
【0018】(第1実施形態)まず図1に示す第1実施
形態による装置について説明する。図1において、1は
スラッシュ水素3中に浸漬された一対のパッチアンテナ
(平板アンテナ)で、2はパッチアンテナ1へマイクロ
波を導く同軸ケーブルである。
【0019】一方の同軸ケーブル2によって導かれたマ
イクロ波は、一方のパッチアンテナ1からスラッシュ水
素3を介して他方のパッチアンテナ1へ伝えられ、他方
の同軸ケーブル2を介して図示していないネットワーク
アナライザ等の計測器に導かれて、一対のパッチアンテ
ナ1の間のスラッシュ水素3中を伝わる間に生じた位相
変化が測定される。計測されたマイクロ波の位相差から
前記したようにスラッシュ水素の誘電率が得られ、その
誘電率から密度が知られる。
【0020】このように構成したパッチアンテナ1と同
軸ケーブル2を用いてマイクロ波をスラッシュ水素中を
通すようにすると、スラッシュ水素の流動状態が悪い場
合もスラッシュ水素はパッチアンテナ1の間に常に存在
しうるので、従来のホーンアンテナを用いた装置のよう
に、マイクロ波光路長に変化を生じて誤差の原因となる
ような事がない。
【0021】(第2実施形態)次に、図2に示す第2実
施形態による極低温流体の密度計測装置について説明す
る。図2において、4は密度を計測すべきスラッシュ水
素3を収容しているスラッシュ水素槽で、槽4の周りに
はスラッシュ水素3への侵入熱低減のためのLN2 槽5
が設置されており、槽5内にはLN2 が入れられてい
る。
【0022】この実施形態では、スラッシュ水素3内に
浸漬されたパッチアンテナ1にマイクロ波を導く同軸ケ
ーブル2をLN2 槽5に充填したLN2 6の中を通して
配設している。なお、図2において、8は同軸ケーブル
2が連絡されたネットワークアナライザを示している。
【0023】このように構成した図2の密度計測装置で
は、LN2 槽は侵入熱低減のため液位を常に一定に保っ
ており、同軸ケーブル2がLN2 槽5のLN2 に浸漬さ
れて導かれているので、スラッシュ水素槽4内のスラッ
シュ水素3の液面7が変動しても、同軸ケーブル2の温
度は一定に保持される。従って、同軸ケーブル2の温度
が変化することにより同軸ケーブル2の誘電率が変化し
てスラッシュ水素3の誘電率測定に誤差を生ずることが
ない。
【0024】(第3実施形態)次に、図3に示す第3実
施形態による極低温流体の密度計測装置について説明す
る。図3において、9は断熱真空導入管を示し、パッチ
アンテナ1にマイクロ波を導く同軸ケーブル2はスラッ
シュ水素槽4内でこの断熱真空導入管9内を通してパッ
チアンテナ1へ導かれている。
【0025】同軸ケーブル2は、スラッシュ水素槽4内
のスラッシュ水素3の液面7部分では断熱真空導入管9
によってスラッシュ水素3から隔離されていて、スラッ
シュ水素3の液面7が変動しても同軸ケーブル2の温度
はそれによって変化しない。従って、第2実施形態の場
合と同様、同軸ケーブル2の温度が変化することによ
り、同軸ケーブル2の誘電率が変化してスラッシュ水素
の誘電率測定に誤差を生ずるということがない。
【0026】(第4実施形態)次に図4に示す第4実施
形態による極低温流体の密度計測装置について説明す
る。図4において、10は温度センサを示し、同軸ケー
ブル2に適宜の間隔で複数個取付けられている。これら
の各温度センサ10は図示していない位相補正装置に連
絡されている。同軸ケーブル2の構成以外のその他の構
成は図3に示した極低温流体の密度計測装置の構成と同
じである。
【0027】図4に示した第4実施形態による極低温流
体の密度計測装置では、同軸ケーブル2の温度変化が温
度センサ10によって検出され、その温度変化は位相補
正装置に導かれて、計測されたマイクロ波の位相変化値
を補正する。こうして同軸ケーブル2のスラッシュ水素
3の液面近傍での温度変化による誘電率計測値に表われ
る誤差を修正し、正確な誘電率の計測が可能となる。
【0028】(第5実施形態)次に図5に示す第5実施
形態による極低温流体の密度計測装置について説明す
る。図5において11は内部を真空状態にされた導波管
を示している。12と13はそれぞれ同軸ケーブルと導
波管との間のマイクロ波の伝達を行わせる為の同軸/導
波管変換器を示している。その他の構成は、図3に示し
た極低温流体の密度計測装置の構成と同じである。
【0029】図5に示した第5実施形態による極低温流
体の密度計測装置では、同軸ケーブル2は温度変化が起
り易いスラッシュ水素3の液面近傍で内部を真空にされ
て温度変化による誘電率変化の影響がない導波管11を
介してマイクロ波を伝達しているので同軸ケーブル2は
温度変化を起し難く、従って、この装置によると、同軸
ケーブル2の温度変化による影響なしにスラッシュ水素
中を通るマイクロ波の位相差を計測し、スラッシュ水素
3の誘電率を正確に計測することができる。
【0030】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明はス
ラッシュ水素等極低温流体内にマイクロ波を導入して同
極低温流体の誘電率を測定し、得られた誘電率を基に同
極低温流体の密度を計測する密度計測装置において、前
記マイクロ波を同軸ケーブル及び前記極低温流体中に浸
漬された平板アンテナ(パッチアンテナ)を介して前記
極低温流体中に導入するように構成した極低温流体密度
計測装置を提供する。
【0031】この計測装置によればマイクロ波は平板ア
ンテナを介して極低温流体中に導入されるので、極低温
流体中に固体が混っていても平板アンテナ間には極低温
流体による安定したマイクロ波光路が形成される。従っ
て、マイクロ波光路長の変化により計測結果に誤差を生
ずることがない。
【0032】また、本発明による極低温流体の密度計測
装置において、同軸ケーブルをLN 2 内を通したり、断
熱真空導入管を通して、あるいは導波管を介して平板ア
ンテナへ導くようにしたものでは、同軸ケーブルに温度
変化を生じさせず、計測結果に同軸ケーブルの温度変化
による誤差が生ずるのを防ぐ効果がある。
【0033】更にまた、本発明の極低温流体の密度計測
装置においてマイクロ波を平板アンテナへ導く同軸ケー
ブルに温度センサを付設して同軸ケーブルの温度変化に
よる計測値の補正を行うようにしたものも同軸ケーブル
の温度変化による誤差を除いて密度を計測可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態によるスラッシュ水素の
密度計測装置における要部の構成を示す説明図。
【図2】本発明の第2実施形態によるスラッシュ水素の
密度計測装置の構成を示す断面図。
【図3】本発明の第3実施形態によるスラッシュ水素の
密度計測装置の構成を示す断面図。
【図4】本発明の第4実施形態によるスラッシュ水素の
密度計測装置の構成を示す断面図。
【図5】本発明の第5実施形態によるスラッシュ水素の
密度計測装置の構成を示す断面図。
【図6】従来のスラッシュ水素の密度計測装置の構成を
示す断面図。
【符号の説明】
1 パッチアンテナ 2 同軸ケーブル 3 スラッシュ水素 4 スラッシュ水素槽 5 LN2 槽 6 LN2 7 液面 8 ネットワークアナライザ 9 断熱真空導入管 10 温度センサ 11 導波管 12 同軸/導波管変換器 13 同軸/導波管変換器

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スラッシュ水素等極低温流体内にマイク
    ロ波を導入して同極低温流体の誘電率を測定し、得られ
    た誘電率を基に同極低温流体の密度を計測する密度計測
    装置において、前記マイクロ波を同軸ケーブル及び前記
    極低温流体中に浸漬された平板アンテナを介して前記極
    低温流体中に導入することを特徴とする極低温流体の密
    度計測装置。
  2. 【請求項2】 前記同軸ケーブルを、前記極低温流体を
    収容している槽のLN2 内を経由して前記極低温流体中
    の前記平板アンテナへ接続したことを特徴とする請求項
    1記載の極低温流体の密度計測装置。
  3. 【請求項3】 前記同軸ケーブルを、断熱真空導入管を
    通して前記極低温流体中の前記平板アンテナへ接続した
    ことを特徴とする請求項1記載の極低温流体の密度計測
    装置。
  4. 【請求項4】 前記同軸ケーブルに温度センサを付設し
    て、前記同軸ケーブルの温度変化により計測値の補正を
    行なうように構成したことを特徴とする請求項1記載の
    極低温流体の密度計測装置。
  5. 【請求項5】 前記マイクロ波を導波管を経由して前記
    極低温流体中の平板アンテナへ導くように構成したこと
    を特徴とする請求項1記載の極低温流体の密度計測装
    置。
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Cited By (5)

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