JP2000241365A - マイクロ波濃度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】配管内部の流体が抜けたことを検知して、正常
な濃度測定を行なうこと。 【解決手段】流体が流れる検出用管体１にマイクロ波送
信手段11とマイクロ波受信手段12を互いに対向配置し、
検出用管体１内の基準となる流体中にマイクロ波を伝播
させて得られる第１の位相遅れθ₁ と、検出用管体１内
の被測定物質を含む被測定流体中にマイクロ波を伝播さ
せて得られる第２の位相遅れθ₂ とから両者の位相差Δ
θ＝θ₂ −θ₁ を求め、この位相差Δθに基づいて被測
定流体の濃度を測定するマイクロ波濃度計において、マ
イクロ波受信手段12により受信したマイクロ波の信号レ
ベルの変化幅と、検出用管体１内にマイクロ波を伝播さ
せて得られる位相遅れの変化幅とに基づいて、検出用管
体１内部の流体が抜けたことを検知する手段18,20 を備
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、懸濁物質の濃度、
例えば汚泥、パルプ、その他種々の物質を含む流体や種
々の溶解性物質の濃度を測定する濃度計に係り、特にマ
イクロ波を用いて濃度を測定するマイクロ波濃度計の改
良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、この種の被測定流体の濃度を
測定する場合、超音波の減衰を測定して濃度を求める超
音波式濃度計や、光を用いて透過光減衰率や散乱光増加
率を測定して濃度を求める光学式濃度計が多く用いられ
てきている。

【０００３】超音波式の濃度計では、超音波は液体中に
比べて気体中で減衰率が非常に大きくなる。

【０００４】このため、流体中に気泡が混入した場合の
超音波減衰率は、懸濁物質による減衰よりも格段に大き
くなる。

【０００５】その結果、測定不能になったり、実際の濃
度よりも高い測定結果が出る等、測定精度に大きく影響
する。

【０００６】そこで、気泡の影響を受け難くするため
に、所定のサンプリング周期毎に被測定流体を加圧消泡
室に取り込んだ後、加圧して気泡を溶解させた後、被測
定流体の濃度を測定する消泡式超音波濃度計も提案され
ている。

【０００７】しかしながら、この方式の濃度計では、連
続的な濃度測定が行なえないこと、被測定流体をサンプ
リングしたり、加圧する必要がある。

【０００８】このため、機械的な可動部が必要となり、
信頼性・保守性の点で問題がある。

【０００９】一方、光学式の濃度計は、光を入射する、
あるいは受光する光学窓に汚れが付着すると、その影響
を大きく受けて測定誤差が大きくなる。

【００１０】そこで、近年では、気泡や汚れの付着の影
響を受け難い濃度計として、マイクロ波を用いて濃度を
測定するマイクロ波濃度計が実用化されてきている。

【００１１】図５は、この種のマイクロ波を用いた濃度
計の構成例を示す概要図である。

【００１２】図５において、流体が流れる検出用管体
（または検出用容器）１に、マイクロ波送信アンテナ２
とマイクロ波受信アンテナ３を互いに対向配置する。

【００１３】マイクロ波発振器４から発射されたマイク
ロ波が、パワースプリッタ５一送信アンテナ２一管内流
体一受信アンテナ３を通って位相遅れ測定回路６に導入
される第１の経路と、同じくマイクロ波が、パワースプ
リッタ５を通って位相遅れ測定回路６に導入される第２
の経路とを形成する。

【００１４】この種のマイクロ波濃度計では、第２の経
路を経由して直接受信するマイクロ波（図６の（ａ））
に対する、第１の経路を伝播してくるマイクロ波（図６
の（ｃ））の位相遅れθ₂ と、検出用管体内１に基準流
体（例えば水道水）を充填して被測定流体の場合と同じ
条件で測定した時のマイクロ波（図６の（ａ）と
（ｂ））の位相遅れθ₁ とを比較して、その両者の位相
差Δθ＝θ₂ −θ₁ を求める。

【００１５】そして、あらかじめ定めておいた既知濃度
と位相差Δθとの関係を示す検量線を用いることによ
り、被測定流体の濃度を求めることができる。

【００１６】すなわち、濃度と位相差との関係は、 Ｘ＝Ｃ・Δθ ……（１） ただし、Ｘ：濃度 Ｃ：係数 と求めることができる。

【００１７】以上のように、マイクロ波濃度計は、マイ
クロ波の減衰を測定する方式ではなく、位相差（位相遅
れの差）を測定する方式であり、またマイクロ波を入射
あるいは受波する窓部は透明である必要がない。

【００１８】このため、気泡や汚れの付着の影響を受け
難く、しかも連続的に濃度を測定することができる。

【００１９】ところで、上記位相遅れθ₁ 、θ₂ は、濃
度等に応じて０〜３６０度の任意の値を取る。

【００２０】例えば、濃度ゼロの基準に相当する位相遅
れθ₁ が３００度であり、濃度が５％変化した時に位相
差Δθが１００度変化した場合を仮定する。

【００２１】この場合、被測定流体を流した時の位相遅
れθ₂ は４００度になるはずであるが、位相遅れは０〜
３６０度の範囲しか取れないため、位相遅れを測定する
と見かけ上４０度を示すことになる。

【００２２】マイクロ波濃度計では、３６０度付近（例
えば２６０度〜３６０度まで）の値から、０度付近（例
えば０度〜１００度まで）の値へ急変した場合には、位
相値は…→３５９度→３６０度（０度）→１度→…と連
続的に変化し、１回転目に入っていったと判断する。

【００２３】ここで、回転とは便宜上、０度≦θ₂ ≦３
６０度を０回転目、３６０度＜θ₂≦７２０度を１回転
目、７２０度＜θ₂ ≦１０８０度を２回転目、すなわち
（ｎ−１）×３６０度≦θ₂ ≦ｎ×３６０度を（ｎ−
１）回転目と呼ぶことにし、θ₁ は０回転目にあるとす
る。

【００２４】ここで、ｎ＝−１、０、１、２、…の整
数、すなわち図７に示すように、０〜３６０度範囲（Ｎ
＝０で示した範囲）から次の０〜３６０度の範囲（Ｎ＝
１で示した範囲）に位相値が移行したと判断する。

【００２５】従って、位相値θ₂ に（２）式に示した補
正演算を加える。

【００２６】 θ₂ ＝θ₂ ´＋３６０×Ｎ−θ₁ ……（２） ただし、θ₂ ´：見かけ上の位相値 Ｎ ：回転数（整数値） 上記の場合には、回転数が１だけカウントアップした状
態と見なす。

【００２７】このような考え方は、例えば“特願平５−
１７１５７６号”に述べられているように、プロセスの
濃度変化は連続的であり、短期間の連続する測定周期間
（例えば５秒間）では、濃度の急変がないため成立す
る。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たマイクロ波濃度計においては、配管内部の液体が抜け
て、配管内部が空になると、濃度変化の連続性が成り立
たなくなり、前記回転数Ｎの計数が正しく行なわれない
恐れがある。

【００２９】そして、このような場合には、回転数Ｎが
異常に高い値や低い値となり、例えば本来Ｎ＝０である
べき時にＮ＝２と高めに計数したとすると、前記位相値
θ₂は、本来θ₂ ＝θ₂ ´一θ₁ で与えられるべきとこ
ろがθ₂ ＝θ₂ ´一θ₁ ＋７２０度となり、７２０度
（３６０度×２）相当分だけ濃度指示が高めになってし
まう。

【００３０】また、一旦流体が抜けた後、再度充填され
た場合でも、回転数Ｎが異常になったままの状態（例え
ばＮ＝２のまま）では、正常な濃度測定を行なうことが
できない。

【００３１】本発明の目的は、配管内部の流体が抜けた
ことを検知して、正常な濃度測定を行なうことが可能な
マイクロ波濃度計を提供することにある。

【００３２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、流体が流れる検出用管体にマイクロ波送信手段と
マイクロ波受信手段を互いに対向配置し、検出用管体内
の基準となる流体中にマイクロ波を伝播させて得られる
第１の位相遅れθ₁ と、検出用管体内の被測定物質を含
む被測定流体中にマイクロ波を伝播させて得られる第２
の位相遅れθ₂とから両者の位相差Δθ＝θ₂ −θ₁ を
求め、この位相差Δθに基づいて被測定流体の濃度を測
定するマイクロ波濃度計において、請求項１の発明で
は、マイクロ波受信手段により受信したマイクロ波の信
号レベルの変化幅に基づいて、検出用管体内部の流体が
抜けたことを検知する手段を備えている。

【００３３】ここで、特に例えば請求項２に記載したよ
うに、上記流体抜けを検知した時に出力値を任意の値に
ホールドすることが好ましい。

【００３４】また、例えば請求項３に記載したように、
上記ホールドする出力値として、ホールドする直前の測
定値とすることが好ましい。

【００３５】さらに、例えば請求項４に記載したよう
に、上記流体抜けを検知した時に警報を出力することが
好ましい。

【００３６】従って、請求項１乃至請求項４の発明のマ
イクロ波濃度計においては、受信したマイクロ波の信号
レベルの変化幅から、検出用管体内部の流体が抜けたこ
とを検知することができる。

【００３７】一方、請求項５の発明では、検出用管体内
にマイクロ波を伝播させて得られる位相遅れの変化幅に
基づいて、検出用管体内部の流体が抜けたことを検知す
る手段を備えている。

【００３８】ここで、特に例えば請求項６に記載したよ
うに、上記流体抜けを検知した時に出力値を任意の値に
ホールドすることが好ましい。

【００３９】また、例えば請求項７に記載したように、
上記ホールドする出力値として、ホールドする直前の測
定値とすることが好ましい。

【００４０】従って、請求項５乃至請求項７の発明のマ
イクロ波濃度計においては、検出用管体内にマイクロ波
を伝播させて得られる位相遅れの変化幅から、検出用管
体内部の流体が抜けたことを検知することができる。

【００４１】一方、請求項８の発明では、マイクロ波受
信手段により受信したマイクロ波の信号レベルの変化幅
と、検出用管体内にマイクロ波を伝播させて得られる位
相遅れの変化幅とに基づいて、検出用管体内部の流体が
抜けたことを検知する手段を備えている。

【００４２】ここで、特に例えば請求項９に記載したよ
うに、上記流体抜けを検知した時に出力値を任意の値に
ホールドすることが好ましい。

【００４３】また、例えば請求項１０に記載したよう
に、上記ホールドする出力値として、ホールドする直前
の測定値とすることが好ましい。

【００４４】さらに、例えば請求項１１に記載したよう
に、上記流体抜けを検知した時に警報を出力することが
好ましい。

【００４５】従って、請求項８乃至請求項１１の発明の
マイクロ波濃度計においては、受信したマイクロ波の信
号レベルの変化幅と、検出用管体内にマイクロ波を伝播
させて得られる位相遅れの変化幅とから、検出用管体内
部の流体が抜けたことを検知することができる。

【００４６】以上により、配管内部の流体が抜けたこと
を検知して、正常な濃度測定を行なうことが可能とな
る。

【００４７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００４８】図１は、本実施の形態によるマイクロ波濃
度計の構成例を示す概要図であり、図５と同一部分には
同一符号を付して示している。

【００４９】図１において、被測定流体が流れる検出用
管体１には、マイクロ波送信アンテナ１１とマイクロ波
受信アンテナ１２が互いに対向して取り付けられてい
る。

【００５０】さらに、マイクロ波を発生するマイクロ波
発振器１３が設けられ、この発振器１３の出力側にはパ
ワースプリッタ１４が接続されている。

【００５１】このパワースプリッタ１４の一方の出力端
はマイクロ波送信アンテナ１１に接続され、他方の出力
端は位相遅れ（θ）測定回路１５に接続されている。

【００５２】これにより、マイクロ波発振器１３から出
力されたマイクロ波は、パワースプリッタ１４で分岐さ
れ、マイクロ波送信アンテナ１１および位相遅れ測定回
路１５に送られる。

【００５３】このマイクロ波送信アンテナ１１は、パワ
ースプリッタ１４からのマイクロ波信号を受けて、検出
用管体１中にマイクロ波を発射する。

【００５４】このマイクロ波は、検出用管体１内部の被
測定流体を透過してマイクロ波受信アンテナ１２で受信
され、位相遅れ測定回路１５へ入力される。

【００５５】この位相遅れ測定回路１５では、パワース
プリッタ１４から直接受けるマイクロ波信号と、検出部
管体１内が被測定流体の充填時にマイクロ波受信アンテ
ナ１２から受けるマイクロ波信号との見かけ上の位相遅
れθ₂ ´の測定を行なう。

【００５６】また、検出部管体１内が水道水等の基準流
体充填時のマイクロ波受信アンテナ１２から受けるマイ
クロ波信号との位相遅れθ₁ の測定を行なう。

【００５７】これら位相遅れθ₁ とθ₂ ´の信号は濃度
演算回路１６に送られ、Δθ＝θ₂−θ₁ および回転数
Ｎによるθ₂ ´の補正等の所定の演算処理を行なう。

【００５８】この濃度演算回路１６には、この演算結果
を基に濃度演算結果を濃度測定値として出力する信号変
換出力回路１７が接続される。

【００５９】一方、位相遅れ測定回路１５には、位相遅
れ幅判定回路１８が接続されている。

【００６０】この位相遅れ幅判定回路１８は、位相遅れ
測定回路１５により測定された位相遅れの幅を判定す
る。

【００６１】この位相遅れ幅判定回路１８の出力は、信
号変換出力回路１７へ接続される。

【００６２】また、マイクロ波受信アンテナ１２で受信
されたマイクロ波を、位相遅れ測定回路１５へ入力する
と同時に、レベル測定回路１９へも入力して信号レベル
を測定する。

【００６３】レベル測定回路１９には、レベル判定回路
２０が接続されている。

【００６４】このレベル判定回路２０では、レベル測定
回路１９により測定された信号レベルの幅を判定する。

【００６５】このレベル判定回路２０の出力も、信号変
換出力回路１７へ接続される。

【００６６】次に、以上のように構成した本実施の形態
のマイクロ波濃度計の作用について説明する。

【００６７】なお、ここでは、検出用管体１内部の流体
抜けを検知する処理の作用についてのみ、図２に示すフ
ローチャートを用いて述べる。

【００６８】検出部管体１内部の流体が抜けた場合、マ
イクロ波の伝達経路の特性が変化する。

【００６９】このために、マイクロ波受信アンテナ１２
で受信したマイクロ波の信号レベルは、満管状態の時と
比べて不連続に変化する。

【００７０】また、同様に、位相遅れ測定回路１５で測
定するマイクロ波の位相遅れも、満管状態の時と比べて
不連続に変化する。

【００７１】なお、これらの変化は、アンテナの設置間
隔等により変化する値である。

【００７２】ここで、レベル測定回路１９で測定したマ
イクロ波の受信信号レベルＬ_n 、またＬ_n の直前に測定
した受信信号レベルをＬ_n-1 とする。

【００７３】また、これら受信信号レベルの差をｄＬと
する。すなわち、 ｄＬ＝Ｌ_n −Ｌ_n-1 とする。

【００７４】また、位相遅れ測定回路１５で測定したマ
イクロ波の位相遅れθ_n 、またθ_nの前に測定した位相
遅れをθ_n-1 とする。

【００７５】さらに、これら位相遅れの差をｄθとす
る。すなわち、 ｄθ＝θ_n −θ_n-1 とする。

【００７６】検出部管体１内部の流体抜けを検知するに
は、図２のフローチャートに示すような判定を行なう。

【００７７】すなわち、まずｄＬが、あらかじめ設定し
てある受信信号レベル変化幅ｍを超えたか否かを判定す
る。

【００７８】この結果、ｄＬがｍ以下である場合には、
通常の状態と判定して、通常の処理ルーチンヘ戻る。

【００７９】また、ｄＬがｍを超えた場合には、流体抜
けと判定して、次にｄθがあらかじめ設定してある位相
遅れ変化幅θｍを超えたか否かを判定する。

【００８０】この結果、ｄθがθｍ以下である場合に
は、通常の状態と判定して、通常の処理ルーチンヘ戻
る。

【００８１】また、ｄθがθｍを超えた場合には、流体
抜けと判定して、流体抜け処理を実行する。

【００８２】ここで、流体抜け処理としては、例えば濃
度計の出力信号を０％ （出力下限値）にホールドする
等の処理を行なう。

【００８３】なお、検出部管体１内部に流体が充満する
と、受信信号レベルは直前値信号レベルＬ_n-1 まで戻る
ため、測定した受信信号レベルＬがヒステリシスを持た
せるためにあらかじめ設定したおいた幅内に入るか否か
によって、復帰の判定を行なう。

【００８４】すなわち、 Ｌ_n-1 −α＜Ｌ＜Ｌ_n-1 ＋β （α、βは任意の数） となるか否かの判定を行なう。

【００８５】そして、判定の結果、受信信号レベルＬが
この範囲に入っていれば、検出部管体１内部が流体で満
たされたと判定する。

【００８６】なお、復帰処理としては、例えば図３に示
すように、上記の出力ホールドを解除する等の処理を行
なう。

【００８７】上述したように、本実施の形態のマイクロ
波濃度計では、マイクロ波受信アンテナ１２により受信
したマイクロ波の信号レベルの変化幅と、検出用管体１
内にマイクロ波を伝播させて得られる位相遅れの変化幅
とから、検出用管体１内部の流体が抜けたことを検知す
るようにしているので、検出部管体１内部の流体が抜け
たことを検知して、正常な濃度測定を行なうことが可能
となる。

【００８８】（他の実施の形態） （ａ）上記実施の形態では、流体抜け処理として、濃度
計の出力信号を０％（出力下限値）にホールドする場合
について述べた。

【００８９】しかし、これに限らず、例えば図４に示す
ように、信号変換出力回路１７に設定器を接続して、そ
の出力を直前値にホールドするようにしても良いし、１
００％（出力上限値）やあらかじめ設定しておいた任意
の値に選択してホールドできるようにしてもよい。

【００９０】また、接点出力等により警報を上位の受信
計器へ出力するようにすることも可能である。

【００９１】（ｂ）上記実施の形態では、位相遅れ幅判
定回路１８、およびレベル判定回路２０の両方を備え
て、受信したマイクロ波の信号レベルの変化幅と、検出
用管体１内にマイクロ波を伝播させて得られる位相遅れ
の変化幅とから、検出用管体１内部の流体が抜けたこと
を検知する場合について述べた。

【００９２】しかし、これに限らず、位相遅れ幅判定回
路１８、またはレベル判定回路２０の一方のみを備え
て、受信したマイクロ波の信号レベルの変化幅、または
検出用管体１内にマイクロ波を伝播させて得られる位相
遅れの変化幅から、検出用管体１内部の流体が抜けたこ
とを検知するようにすることも可能である。

【００９３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のマイクロ
波濃度計によれば、マイクロ波受信手段により受信した
マイクロ波の信号レベルの変化幅と、検出用管体内にマ
イクロ波を伝播させて得られる位相遅れの変化幅とに基
づいて、検出用管体内部の流体が抜けたことを検知する
ようにしているので、配管内部の流体が抜けたことを検
知して、正常な濃度測定を行なうことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるマイクロ波濃度計の一実施の形態
を示す概要図。

【図２】同実施の形態のマイクロ波濃度計における判定
処理の一例を説明するためのフローチャート。

【図３】同実施の形態のマイクロ波濃度計における復帰
処理の一例を説明するための図。

【図４】本発明によるマイクロ波濃度計の他の実施の形
態を示す概要図。

【図５】マイクロ波濃度計の基本構成例を示す概要図。

【図６】マイクロ波濃度計における基準流体や被測定流
体の位相遅れを説明するための図。

【図７】マイクロ波濃度計における見かけ上の位相遅れ
と真の位相遅れを説明するための図。

【符号の説明】

１…検出用管体、 １１…マイクロ波送信アンテナ、 １２…マイクロ波受信アンテナ、 １３…マイクロ波発振器、 １４…パワースプリッタ、 １５…位相遅れ測定回路、 １６…濃度演算回路、 １７…信号変換出力回路、 １８…位相遅れ幅判定回路、 １９…レベル測定回路、 ２０…レベル判定回路。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体が流れる検出用管体にマイクロ波送
   信手段とマイクロ波受信手段を互いに対向配置し、 前記検出用管体内の基準となる流体中にマイクロ波を伝
   播させて得られる第１の位相遅れθ₁ と、前記検出用管
   体内の被測定物質を含む被測定流体中にマイクロ波を伝
   播させて得られる第２の位相遅れθ₂ とから両者の位相
   差Δθ＝θ₂ −θ₁ を求め、 前記位相差Δθに基づいて前記被測定流体の濃度を測定
   するマイクロ波濃度計において、 前記マイクロ波受信手段により受信したマイクロ波の信
   号レベルの変化幅に基づいて、前記検出用管体内部の流
   体が抜けたことを検知する手段を備えて成ることを特徴
   とするマイクロ波濃度計。
2. 【請求項２】 前記請求項１に記載のマイクロ波濃度計
   において、 前記流体抜けを検知した時に出力値を任意の値にホール
   ドするようにしたことを特徴とするマイクロ波濃度計。
3. 【請求項３】 前記請求項２に記載のマイクロ波濃度計
   において、 前記ホールドする出力値として、ホールドする直前の測
   定値とするようにしたことを特徴とするマイクロ波濃度
   計。
4. 【請求項４】 前記請求項１に記載のマイクロ波濃度計
   において、 前記流体抜けを検知した時に警報を出力するようにした
   ことを特徴とするマイクロ波濃度計。
5. 【請求項５】 流体が流れる検出用管体にマイクロ波送
   信手段とマイクロ波受信手段を互いに対向配置し、 前記検出用管体内の基準となる流体中にマイクロ波を伝
   播させて得られる第１の位相遅れθ₁ と、前記検出用管
   体内の被測定物質を含む被測定流体中にマイクロ波を伝
   播させて得られる第２の位相遅れθ₂ とから両者の位相
   差Δθ＝θ₂ −θ₁ を求め、 前記位相差Δθに基づいて前記被測定流体の濃度を測定
   するマイクロ波濃度計において、 前記検出用管体内にマイクロ波を伝播させて得られる位
   相遅れの変化幅に基づいて、前記検出用管体内部の流体
   が抜けたことを検知する手段を備えて成ることを特徴と
   するマイクロ波濃度計。
6. 【請求項６】 前記請求項５に記載のマイクロ波濃度計
   において、 前記流体抜けを検知した時に出力値を任意の値にホール
   ドするようにしたことを特徴とするマイクロ波濃度計。
7. 【請求項７】 前記請求項６に記載のマイクロ波濃度計
   において、 前記ホールドする出力値として、ホールドする直前の測
   定値とするようにしたことを特徴とするマイクロ波濃度
   計。
8. 【請求項８】 流体が流れる検出用管体にマイクロ波送
   信手段とマイクロ波受信手段を互いに対向配置し、 前記検出用管体内の基準となる流体中にマイクロ波を伝
   播させて得られる第１の位相遅れθ₁ と、前記検出用管
   体内の被測定物質を含む被測定流体中にマイクロ波を伝
   播させて得られる第２の位相遅れθ₂ とから両者の位相
   差Δθ＝θ₂ −θ₁ を求め、 前記位相差Δθに基づいて前記被測定流体の濃度を測定
   するマイクロ波濃度計において、 前記マイクロ波受信手段により受信したマイクロ波の信
   号レベルの変化幅と、前記検出用管体内にマイクロ波を
   伝播させて得られる位相遅れの変化幅とに基づいて、前
   記検出用管体内部の流体が抜けたことを検知する手段を
   備えて成ることを特徴とするマイクロ波濃度計。
9. 【請求項９】 前記請求項８に記載のマイクロ波濃度計
   において、 前記流体抜けを検知した時に出力値を任意の値にホール
   ドするようにしたことを特徴とするマイクロ波濃度計。
10. 【請求項１０】 前記請求項９に記載のマイクロ波濃度
    計において、 前記ホールドする出力値として、ホールドする直前の測
    定値とするようにしたことを特徴とするマイクロ波濃度
    計。
11. 【請求項１１】 前記請求項８に記載のマイクロ波濃度
    計において、 前記流体抜けを検知した時に警報を出力するようにした
    ことを特徴とするマイクロ波濃度計。