JP2001183312A - Concentration meter - Google Patents
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- JP2001183312A JP2001183312A JP36707699A JP36707699A JP2001183312A JP 2001183312 A JP2001183312 A JP 2001183312A JP 36707699 A JP36707699 A JP 36707699A JP 36707699 A JP36707699 A JP 36707699A JP 2001183312 A JP2001183312 A JP 2001183312A
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Abstract
Description
【0001】[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マイクロ波を用いて測定する濃
度計に係り、特に濃度分解能を高めるため、懸濁物質を
含む液体中に効率良く電磁エネルギーを伝搬し、精度良
く被測定流体の濃度を測定できるマイクロ波送受信アン
テナを具備した濃度計に関する。The present invention relates to the concentration of suspended substances,
For example, the present invention relates to a densitometer for measuring the concentration of a fluid containing various substances and various soluble substances using sludge, pulp, and other substances using a microwave. The present invention relates to a densitometer provided with a microwave transmitting and receiving antenna capable of transmitting electromagnetic energy and accurately measuring the concentration of a fluid to be measured.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、液体中の懸濁物質などの濃度を測
定するものとして、超音波の減衰率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または
散乱光増加率を測定して濃度計を求める光学式濃度計が
多く用いられている。2. Description of the Related Art Conventionally, as a device for measuring the concentration of a suspended substance or the like in a liquid, an ultrasonic densitometer for measuring the concentration by measuring the attenuation rate of an ultrasonic wave, a transmitted light attenuation ratio using light, or the like. Optical densitometers that measure a scattered light increase rate to obtain a densitometer are widely used.
【0003】ところが、超音波式濃度計では、仮に液体
中に気泡が混入していると、その影響を大きく受けて測
定誤差が大きくなってしまい、また、光学式濃度計で
は、光の入射あるいは受光用の光学窓に汚れなどが付着
すると、その影響を大きく受けて測定誤差が大きくなっ
てしまう。However, in the case of an ultrasonic densitometer, if air bubbles are mixed in the liquid, the influence of the air bubbles is greatly affected and the measurement error is increased. If dirt or the like adheres to the optical window for light reception, it is greatly affected by the dirt and the measurement error increases.
【0004】そこで、最近になって、これら液体中の気
泡光学窓の汚れなどの影響を受け難い濃度計として、マ
イクロ波式濃度測定装置が考えられ、実用化されるよう
になっている。Therefore, recently, as a densitometer which is hardly affected by dirt on the optical bubble window in the liquid, a microwave type densitometer has been considered and put into practical use.
【0005】図21は、このようなマイクロ波式濃度測
定装置の概略構成を示すもので、被測定液体が通過され
る配管1の側壁に、マイクロ波送信用アンテナ2とマイ
クロ波受信用アンテナ3を対向して配置し、マイクロ波
発振器4からのマイクロ波をパワースプリッタ5を介し
てマイクロ波送信用アンテナ2に入力するとともに、マ
イクロ波送信用アンテナ2から送信されるマイクロ波を
配管1中の被測定液体を伝搬させマイクロ波受信用アン
テナ3で受信し位相差測定回路6に入力し、一方、マイ
クロ波発振器4からのマイクロ波をパワースプリッタ5
を介して直接位相差測定回路6に入力するように構成し
ている。そして、この位相差測定回路6によりマイクロ
波発振器4からパワースプリッタ5を通して直接受信す
るマイクロ波に対する配管1中の被測定液体を伝搬して
くるマイクロ波の位相遅れθ2を求め、さらに、この位
相遅れθ2と予め配管1中に基準液体(例えば濃度零と
みなせる水道水)を充填して被測定液体と同じ状態で基
準液体中を伝搬してくるマイクロ波を測定したときの位
相遅れθ1とを比較し、その位相差Δθ=(θ2―θ
1)から図22に示すような検量線を用いて被測定液体
の濃度Xを求めるようにしている。具体的には、この濃
度Xは、被測定液体の種類ごとに対応する検量線X=a
Δθ+bに基づいて求めるようになる。ここで、aは検
量線の傾き、bは検量線の切片で、通常はb=0であ
る。FIG. 21 shows a schematic configuration of such a microwave type concentration measuring apparatus. A microwave transmitting antenna 2 and a microwave receiving antenna 3 are provided on a side wall of a pipe 1 through which a liquid to be measured passes. Are arranged facing each other, the microwave from the microwave oscillator 4 is input to the microwave transmitting antenna 2 via the power splitter 5, and the microwave transmitted from the microwave transmitting antenna 2 is The liquid to be measured is propagated, received by the microwave receiving antenna 3 and input to the phase difference measuring circuit 6, while the microwave from the microwave oscillator 4 is supplied to the power splitter 5.
Is input directly to the phase difference measuring circuit 6 via the. The phase difference measuring circuit 6 calculates the phase delay θ2 of the microwave propagating through the liquid to be measured in the pipe 1 with respect to the microwave directly received from the microwave oscillator 4 through the power splitter 5, and further calculates the phase delay. Compare θ2 with the phase delay θ1 when the pipe 1 is previously filled with a reference liquid (for example, tap water that can be regarded as having a concentration of zero) and microwaves that propagate in the reference liquid in the same state as the liquid to be measured are measured. And the phase difference Δθ = (θ2−θ
From 1), the concentration X of the liquid to be measured is obtained using a calibration curve as shown in FIG. Specifically, the concentration X is obtained by a calibration curve X = a corresponding to each type of the liquid to be measured.
It is determined based on Δθ + b. Here, a is the slope of the calibration curve, b is the intercept of the calibration curve, and b is usually 0.
【0006】このようなマイクロ波式濃度計測定装置に
よれば、マイクロ波の減衰率を測定するのでなく位相差
を測定しており、また、マイクロ波を入射あるいは受波
する窓は透明である必要もないので、気泡や汚れの影響
を受け難く、しかも連続して被測定液体の濃度を検出す
ることが可能になる。According to such a microwave type densitometer measuring apparatus, the phase difference is measured instead of measuring the attenuation rate of the microwave, and the window through which the microwave is incident or received is transparent. Since there is no necessity, it is hardly affected by bubbles and dirt, and it is possible to continuously detect the concentration of the liquid to be measured.
【0007】“特開平11−83758号"は、検出用
管体または検出用容器にマイクロ波の送信系および受信
系を対向配置し、検出用管体内または検出用容器内の基
準となる流体中にマイクロ波を伝搬させて得られる第1
の位相遅れと、検出用管体内または検出用容器内の被測
定物質を含む被測定流体中にマイクロ波を伝搬させて得
られる第2の位相遅れとを比較してその位相差を求め、
当該位相差から被測定流体の濃度を測定する濃度計に関
する発明である。この発明では、濃度計の具体的な構成
を示している。まず、検出用管体または検出用容器の管
軸を挟んで相対向する位置にそれぞれマイクロ波送信お
よび受信用の開口窓部を形成し、この開口窓部に気密用
シールパッキンを介してアンテナ取り付け用板を取り付
けている。さらにこのアンテナ取り付け用板にそれぞれ
個別に送信アンテナおよび受信アンテナを取り付け、こ
の送信アンテナおよび受信アンテナの開口部に誘電体を
充填することによって、上記マイクロ波の送信系および
受信系を構成している。そして、上記マイクロ波の送信
系および受信系は、マイクロ波として1.7GHz〜
2.0GHzの周波数範囲のマイクロ波を用いて第1の
位相遅れおよび第2の位相遅れを求め、当該各位相遅れ
から位相差を測定するようにしている。[0007] Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-83758 discloses a technique in which a microwave transmission system and a reception system are arranged opposite to a detection tube or a detection container, and the microwave is used as a reference in the detection tube or the detection container. The first obtained by propagating microwaves
And the second phase delay obtained by propagating the microwave in the measurement fluid containing the substance to be measured in the detection tube or the detection container to determine the phase difference,
The invention relates to a densitometer for measuring the concentration of a fluid to be measured from the phase difference. In the present invention, a specific configuration of the densitometer is shown. First, an opening window for microwave transmission and reception is formed at a position facing each other across the tube axis of the detection tube or the detection container, and an antenna is attached to this opening window via an airtight seal packing. Plate is installed. Further, a transmitting antenna and a receiving antenna are individually attached to the antenna mounting plate, and a dielectric material is filled in openings of the transmitting antenna and the receiving antenna, thereby forming the microwave transmitting system and the receiving system. . The transmission system and the reception system of the microwave have a microwave frequency of 1.7 GHz or more.
A first phase delay and a second phase delay are obtained using a microwave in a frequency range of 2.0 GHz, and a phase difference is measured from each of the phase delays.
【0008】ここで、特に上記誘電体として比誘電率が
21±1の誘電体を使用することによって、濃度分解能
を高めて、従来と比較して精度良く比測定流体の濃度を
測定することができることを述べている。Here, in particular, by using a dielectric having a relative permittivity of 21 ± 1 as the dielectric, the concentration resolution can be increased, and the concentration of the specific measurement fluid can be measured more accurately than in the past. States what can be done.
【0009】さらに、送信アンテナおよび受信アンテナ
の開口部に、セラミックス等の誘電体を充填することに
より、従来と比較して送信アンテナおよび受信アンテナ
を小形化するとともに、誘電率の高い(80程度)被測
定物とインピーダンス整合しやすくすることができるこ
とも述べている。Further, by filling the openings of the transmitting antenna and the receiving antenna with a dielectric such as ceramics, the transmitting antenna and the receiving antenna can be downsized and the dielectric constant is high (about 80) as compared with the prior art. It also states that impedance matching with the device under test can be facilitated.
【0010】図23は、従来の要部構成例を示す断面図
である。FIG. 23 is a sectional view showing an example of a configuration of a conventional main part.
【0011】図23において、検出用管体1の管軸を挟
んで相対向する位置には、それぞれマイクロ波送信およ
び受信用の開口窓部23aおよび23'aを形成してい
る。また、この開口窓部23a、23'aには、気密用
シールパッキン23b、23'bを介してアンテナ取り
付け用板23c、23'cを取り付けている。In FIG. 23, open windows 23a and 23'a for microwave transmission and reception are formed at positions facing each other across the tube axis of the detection tube 1. In addition, antenna mounting plates 23c and 23'c are attached to the opening windows 23a and 23'a via airtight seal packings 23b and 23'b.
【0012】ここで、アンテナ取り付け用板23c、2
3'cとしては、図23に示すように、マイクロ波の送
信口および受信口部分の気密を保持するように、絶縁物
23d、23'dを嵌合しあるいは全体を絶縁物とした
ものを使用することが好ましい。絶縁物23d、23'
dは、検出用管体1内の被測定物である懸濁物質を含む
液体が流動しているため、耐応力、耐圧力、耐熱等が要
求される。結果的に厚い構造となり、絶縁物23d、2
3'dの影響は実際、無視できず、濃度分解能を高め
て、精度良く比測定流体の濃度を測定することができな
い。Here, the antenna mounting plate 23c, 2
As 3′c, as shown in FIG. 23, the insulators 23d and 23′d are fitted or the whole is made of an insulator so as to maintain the airtightness of the microwave transmission port and the reception port. It is preferred to use. Insulators 23d, 23 '
For d, since a liquid containing a suspended substance, which is an object to be measured, in the detection tube 1 is flowing, stress resistance, pressure resistance, heat resistance, and the like are required. As a result, the structure becomes thick, and the insulators 23d, 2
In fact, the effect of 3′d cannot be ignored, and the concentration resolution cannot be increased to accurately measure the concentration of the specific measurement fluid.
【0013】ここで図23に示す、容易に類推される送
信アンテナ28、受信アンテナ29の構造について説明
する。The structure of the transmitting antenna 28 and the receiving antenna 29 shown in FIG.
【0014】図24に、第一の四分の一波長型モノポー
ルアンテナを示す。アンテナ素子7a、7bは、アンテ
ナ5a、5bの底面とアンテナ取り付け用筐体4a、4
bとの接触面(5c)をグランドとする線状モノポール
アンテナである。アンテナ素子7a、7bの長さは、所
望の周波数の四分の一波長である。接触面(5c)とア
ンテナ素子7a、7bの接点にある給電部Fから垂直に
構成する。FIG. 24 shows a first quarter wavelength monopole antenna. The antenna elements 7a and 7b are provided on the bottom surfaces of the antennas 5a and 5b and the antenna mounting housings 4a and 4b.
This is a linear monopole antenna having a contact surface (5c) with the ground as a ground. The length of the antenna elements 7a, 7b is a quarter wavelength of the desired frequency. The power supply unit F is provided vertically at the contact point between the contact surface (5c) and the antenna elements 7a and 7b.
【0015】図25に、第二の四分の一波長型モノポー
ルアンテナを示す。アンテナ素子8a、8bは、アンテ
ナ5a、5bの側面とアンテナ取り付け用筐体4a、4
bとの接触面(5d)をグランドとし、アンテナ5a、
5bの上面と開口窓部2a、2bとの接触面(5e)上
に、配置する線状モノポールアンテナである。アンテナ
素子7a、7bの長さは、所望の周波数の四分の一波長
である。接触面5dとアンテナ素子7の接点にある給電
部Fから垂直に構成する。FIG. 25 shows a second quarter wavelength monopole antenna. The antenna elements 8a and 8b are connected to the side surfaces of the antennas 5a and 5b and the antenna mounting housings 4a and 4b.
b (5d) is grounded, and the antenna 5a,
This is a linear monopole antenna arranged on the contact surface (5e) between the upper surface of 5b and the opening windows 2a, 2b. The length of the antenna elements 7a, 7b is a quarter wavelength of the desired frequency. It is configured vertically from the feeder F at the contact point between the contact surface 5d and the antenna element 7.
【0016】図26に、ダイポールアンテナを示す。ア
ンテナ素子9a、9bは、アンテナ5a、5bの上面と
開口窓部2a、2bとの接触面(5e)上に、アンテナ
5a、5bの中心に構成する。アンテナ素子9a、9b
の長さは、所望の周波数の半波長である。FIG. 26 shows a dipole antenna. The antenna elements 9a and 9b are formed at the center of the antennas 5a and 5b on the contact surface (5e) between the upper surfaces of the antennas 5a and 5b and the opening windows 2a and 2b. Antenna elements 9a, 9b
Is half the wavelength of the desired frequency.
【0017】[0017]
【発明が解決しようとする課題】従来、アンテナとは、
発振器で発生した振動電磁エネルギーを、伝送路等を含
む電気回路から空間を伝搬する電磁波へある目的にかな
うように効率良く変換、すなわち放射するか、あるいは
逆に、電磁波を伝送路等を含む電気回路のエネルギーに
効率良く変換する装置である。空間とは、一般に空気中
であるが、濃度計用アンテナの場合は水中となる。これ
まで水中に振動エネルギーを放射するのに音波等は利用
されていたが、マイクロ波は前例は少ない。それは水の
比誘電率は約80と高いため電磁エネルギーが伝搬しに
くいため、アンテナと水との整合を良くしなければなら
ない問題があるからである。Conventionally, an antenna is
The oscillatory electromagnetic energy generated by the oscillator is efficiently converted from an electric circuit including a transmission line to an electromagnetic wave propagating in space so as to meet a certain purpose, that is, the electromagnetic wave is radiated, or conversely, the electromagnetic wave is converted into an electric wave including the transmission line. It is a device that efficiently converts to circuit energy. The space is generally in the air, but is underwater in the case of a densitometer antenna. Until now, sound waves and the like have been used to radiate vibration energy into water, but microwaves are rarely used. This is because the relative permittivity of water is as high as about 80, so that electromagnetic energy is difficult to propagate, and there is a problem that the matching between the antenna and the water must be improved.
【0018】ここで容易に類推されるアンテナの構造
と、問題点について説明する。Here, the structure of the antenna which is easily analogized and the problems will be described.
【0019】図24に、第一の四分の一波長型モノポー
ルアンテナを示す。アンテナ素子7a、7bは、アンテ
ナ5a、5bの底面とアンテナ取り付け用筐体4a、4
bとの接触面(5c)をグランドとする線状モノポール
アンテナである。アンテナ素子7a、7bの長さは、所
望の周波数の四分の一波長である。接触面(5c)とア
ンテナ素子7a、7bの接点にある給電部Fから垂直に
構成する。FIG. 24 shows a first quarter-wave type monopole antenna. The antenna elements 7a and 7b are provided on the bottom surfaces of the antennas 5a and 5b and the antenna mounting housings 4a and 4b.
This is a linear monopole antenna having a contact surface (5c) with the ground as a ground. The length of the antenna elements 7a, 7b is a quarter wavelength of the desired frequency. The power supply unit F is provided vertically at the contact point between the contact surface (5c) and the antenna elements 7a and 7b.
【0020】この方法では、アンテナの指向性がアンテ
ナ取り付け用筐体4a、4bの壁面(5d)に向かって
しまう。また、TE10モードのみが発生可能な開口窓
部2a、2bには接触面5cと垂直方向に電界は発生し
にくく、インピーダンス整合しにくくなる。よって、被
測定物である懸濁物質を含む液体に電力を効率良く伝搬
できない問題がある。In this method, the directivity of the antenna is directed toward the wall surfaces (5d) of the antenna mounting cases 4a and 4b. Further, an electric field is hardly generated in the opening windows 2a and 2b in which only the TE10 mode can be generated in a direction perpendicular to the contact surface 5c, and impedance matching is hardly performed. Therefore, there is a problem that electric power cannot be efficiently transmitted to the liquid containing the suspended substance, which is the object to be measured.
【0021】図25に、第二の四分の一波長型モノポー
ルアンテナを示す。アンテナ素子8a、8bは、アンテ
ナ5a、5bの側面とアンテナ取り付け用筐体4a、4
bとの接触面(5d)をグランドとし、アンテナ5a、
5bの上面と開口窓部2a、2bとの接触面(5e)上
に、配置する線状モノポールアンテナである。アンテナ
素子7a、7bの長さは、所望の周波数の四分の一波長
である。接触面5dとアンテナ素子7の接点にある給電
部Fから垂直に構成する。FIG. 25 shows a second quarter wavelength monopole antenna. The antenna elements 8a and 8b are connected to the side surfaces of the antennas 5a and 5b and the antenna mounting housings 4a and 4b.
b (5d) is grounded, and the antenna 5a,
This is a linear monopole antenna arranged on the contact surface (5e) between the upper surface of 5b and the opening windows 2a, 2b. The length of the antenna elements 7a, 7b is a quarter wavelength of the desired frequency. It is configured vertically from the feeder F at the contact point between the contact surface 5d and the antenna element 7.
【0022】この方法では、アンテナ素子8a、8bの
グランド(5d)が曲面となり、機械的構成が複雑にな
る。また曲面の影響を受け、所望の周波数で整合が良く
ない問題がある。In this method, the ground (5d) of the antenna elements 8a and 8b becomes a curved surface, and the mechanical configuration becomes complicated. Further, there is a problem that the matching is not good at a desired frequency due to the influence of the curved surface.
【0023】図26に、ダイポールアンテナを示す。ア
ンテナ素子9a、9bは、アンテナ5a、5bの上面と
開口窓部2a、2bとの接触面(5e)上に、アンテナ
5a、5bの中心に構成する。アンテナ素子9a、9b
の長さは、所望の周波数の半波長である。FIG. 26 shows a dipole antenna. The antenna elements 9a and 9b are formed at the center of the antennas 5a and 5b on the contact surface (5e) between the upper surfaces of the antennas 5a and 5b and the opening windows 2a and 2b. Antenna elements 9a, 9b
Is half the wavelength of the desired frequency.
【0024】この方法では、検出用管体1と接触せずに
外部から給電できないので実現が難しい。このように、
以下に説明する実施例とは異なるアンテナでは、良好な
性能を得ることは難しい問題がある。This method is difficult to realize because power cannot be supplied from outside without contacting the detection tube 1. in this way,
There is a problem that it is difficult to obtain good performance with an antenna different from the embodiments described below.
【0025】なお、流体を流す配管内径は、濃度計の据
え付け場所に応じてある範囲(例えば100mm〜30
0mm)に決められてしまうため、自由に選択すること
ができない問題がある。The inner diameter of the pipe through which the fluid flows is set within a certain range (for example, 100 mm to 30 mm) depending on the installation place of the concentration meter.
0 mm), there is a problem that it cannot be freely selected.
【0026】さらに流体を流すため、耐応力、耐圧力、
耐熱等が要求される。そのため、アンテナと懸濁物質を
含む液体との接触面の間に絶縁体が必要となるが、懸濁
物質を含む液体中に電磁エネルギーを伝搬するような、
保護材の形状と材質定数、特に誘電率、損失を考慮して
いなかった問題がある。Further, in order to allow a fluid to flow, stress resistance, pressure resistance,
Heat resistance is required. Therefore, an insulator is necessary between the contact surface of the antenna and the liquid containing the suspended substance, but the electromagnetic energy propagates in the liquid containing the suspended substance.
There is a problem that the shape and material constant of the protective material, especially the dielectric constant and the loss were not taken into account.
【0027】本発明は、このような問題点を解消し、小
型かつ濃度分解能を高めるため、懸濁物質を含む液体中
に効率良く電磁エネルギーを伝搬し、精度良く被測定流
体の濃度を測定することが可能な濃度計を提供すること
を目的とする。According to the present invention, in order to solve such a problem, to reduce the size and enhance the concentration resolution, the electromagnetic energy is efficiently propagated into the liquid containing the suspended substance, and the concentration of the fluid to be measured is measured with high accuracy. It is an object of the present invention to provide a densitometer capable of performing the measurement.
【0028】[0028]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明は、検出用管体または検出用容器にマイクロ
波送受信系を対向配置し、前記検出用管体または検出用
容器を対向するように開口窓部を円柱型に形成するとと
もに、この開口窓部にアンテナ取り付け用絶縁体を気密
に取り付け、前記アンテナ取り付け用絶縁体に前記マイ
クロ波送受信系アンテナを密着して取り付け、前記検出
用管体内または検出用容器内の被測定物を通るマイクロ
波の位相遅れを計測し、前記被測定物の濃度を測定する
濃度計において、所望の周波数の波長をλ、前記アンテ
ナ取り付け用絶縁体の比誘電率をεrとすると、開口窓
部の半径rが(0.293λ/√εr)<r<(0.4
85λ/√εr)であることを特徴とする。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has a microwave transmitting / receiving system disposed opposite to a detecting tube or a detecting container, and the detecting tube or the detecting container is opposed to the detecting tube or the detecting container. The opening window is formed in a cylindrical shape so that the antenna mounting insulator is hermetically attached to the opening window, and the microwave transmitting / receiving antenna is closely attached to the antenna mounting insulator, and the detection is performed. In a densitometer for measuring the phase delay of a microwave passing through an object to be measured in a vessel or a container for detection and measuring the concentration of the object to be measured, a wavelength of a desired frequency is λ, the insulator for mounting the antenna, Is the relative dielectric constant of ε r , the radius r of the opening window is (0.293λ / √ε r ) <r <(0.4
85λ / √ε r ).
【0029】また、検出用管体または検出用容器にマイ
クロ波送受信系を対向配置し、前記検出用管体または検
出用容器を対向するように開口窓部を半径の異なる円柱
を少なくとも二つ以上重ねた形に形成するとともに、こ
の開口窓部にアンテナ取り付け用絶縁体を気密に取り付
け、前記アンテナ取り付け用絶縁体に前記マイクロ波送
受信系アンテナを密着して取り付け、前記検出用管体内
または検出用容器内の被測定物を通るマイクロ波の位相
遅れを計測し、前記被測定物の濃度を測定する濃度計に
おいて、所望の周波数の波長をλ、前記アンテナ取り付
け用絶縁体の比誘電率をεrとすると、半径の異なる円
柱を重ねた形に形成した前記開口窓部のうち、被測定物
側の前記開口窓部の円柱の半径rが(0.293λ/√
εr)<r<(0.485λ/√εr)であることを特
徴とする。Further, a microwave transmission / reception system is opposed to the detection tube or the detection container, and at least two or more cylindrical columns having different radii are provided so as to face the detection tube or the detection container. In addition to being formed in a stacked form, an antenna mounting insulator is hermetically attached to the opening window, the microwave transmitting / receiving system antenna is closely attached to the antenna mounting insulator, and the detection tube or the detection In a densitometer for measuring the phase delay of the microwave passing through the object to be measured in the container and measuring the concentration of the object to be measured, the wavelength of a desired frequency is λ, and the relative permittivity of the insulator for mounting the antenna is ε. When r, of the opening window portion formed in the shape of repeated different radii cylinder, the radius r of the cylinder of the opening window portion of the object side (0.293λ / √
ε r ) <r <(0.485λ / √ε r ).
【0030】さらに、前記開口窓部を半径の異なる3個
以上の円柱を重ねた形に形成し、最も前記被測定物側の
前記開口窓部の円柱の半径よりも、その内側の円柱の少
なくとも一つの半径が大きいことを特徴とする。Further, the opening window is formed by stacking three or more cylinders having different radii on each other, and at least one of the inner cylinders with respect to the radius of the cylinder of the opening window closest to the object to be measured. It is characterized in that one radius is large.
【0031】そして、前記マイクロ波送受信系アンテナ
は、所望の周波数の四分の三波長の長さを有する線状モ
ノポールアンテナであり、給電部から逆L字で構成し、
前記給電部からL字に曲がるところまでの長さが、所望
の周波数の四分の一波長であり、L字に曲がるところか
ら開放端までの長さが、所望の周波数の半波長であるこ
とを特徴とする。The microwave transmission / reception system antenna is a linear monopole antenna having a length of three quarters of a desired frequency, and is formed in an inverted L-shape from a feeding part.
The length from the power supply section to the L-shaped bend is a quarter wavelength of the desired frequency, and the length from the L-shaped bend to the open end is a half wavelength of the desired frequency. It is characterized by.
【0032】さらに本発明において、前記マイクロ波送
受信系アンテナにおいて、線状モノポールアンテナのう
ち、開放端を有する側が前記開口窓部の側面に垂直にな
るように取り付けたことを特徴とする。Further, in the present invention, the microwave transmitting and receiving system antenna is characterized in that a side having an open end of the linear monopole antenna is mounted so as to be perpendicular to a side surface of the opening window.
【0033】[0033]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0034】図1に、本発明の一実施形態に係る要部構
成例の断面図(図1A)ならびに斜方向から見た断面図
(図1B)を示す。なおその他の構成については図21
に示した濃度計と同様であるので、ここではその図示お
よび説明を省略する。FIG. 1 shows a cross-sectional view (FIG. 1A) and a cross-sectional view (FIG. 1B) of an example of a configuration of a main part according to an embodiment of the present invention as viewed from an oblique direction. For other configurations, see FIG.
Since it is the same as the densitometer shown in FIG.
【0035】図1Aにおいて、検出用管体1の管軸を挟
んで相対する位置には、それぞれマイクロ波送信および
受信用の開口窓部2aおよび2bを形成している。ま
た、この開口窓部2aおよび2bには、気密用シールパ
ッキン3a、3bを介して、送信アンテナ5aおよび受
信アンテナ5bを入れたアンテナ取り付け用筐体4a、
4b(図1C)を取り付けている。ここで開口窓部2a
および2bには絶縁部で埋める。In FIG. 1A, open windows 2a and 2b for microwave transmission and reception are formed at positions facing each other across the tube axis of the detection tube 1. In addition, the opening windows 2a and 2b are provided with an antenna mounting housing 4a containing a transmitting antenna 5a and a receiving antenna 5b via airtight seal packings 3a and 3b.
4b (FIG. 1C). Here, the opening window 2a
And 2b are filled with insulating parts.
【0036】図2、3にアンテナ5a、5bのアンテナ
エレメントの一例を示す。図2、3において、アンテナ
素子6a、6bは、アンテナ5a、5bの底面とアンテ
ナ取り付け用筐体4a、4bとの接触面5cをグランド
とする線状モノポールアンテナである。接触面5cとア
ンテナ素子6の接点にある給電部Fから逆L字で構成す
る。FIGS. 2 and 3 show examples of the antenna elements of the antennas 5a and 5b. 2 and 3, the antenna elements 6a and 6b are linear monopole antennas whose ground is a contact surface 5c between the bottom surfaces of the antennas 5a and 5b and the antenna mounting housings 4a and 4b. It is formed in an inverted L-shape from a feeding part F at a contact point between the contact surface 5c and the antenna element 6.
【0037】ここで、開口窓部2aおよび2b内絶縁
部、送信アンテナ5aおよび受信アンテナ5bは小型化
しやすくするために、アンテナエレメントを誘電体で充
填して構成している。また、開口窓部2aおよび2bを
構成する際、実際はドリルで穴を開け、円柱型(図1
D)にする方が簡単で、かつ多角形と比較して、角部等
局所的に大きな応力、圧力がかかる心配ない。よって送
信アンテナ5aおよび受信アンテナ5bも円柱型で構成
する方が好ましい。開口窓部2aおよび2b内絶縁部は
流体を流すため、耐応力、耐圧力、耐熱等が要求され
る。よって厚くする必要であり、これは断面が円形で金
属面に囲まれ、誘電体が詰まった円形導波管の一種とな
っている。円筒導波管の基本モードはTE11であり、
伝送可能な条件はHere, the insulating portions in the opening windows 2a and 2b, the transmitting antenna 5a and the receiving antenna 5b are formed by filling an antenna element with a dielectric material in order to make it easy to reduce the size. Further, when forming the opening windows 2a and 2b, a hole is actually made by drilling, and a columnar type (FIG. 1)
D) is simpler, and there is no fear that a large stress or pressure is applied locally such as at a corner as compared with a polygon. Therefore, it is preferable that the transmitting antenna 5a and the receiving antenna 5b are also formed in a cylindrical shape. Since the fluid flows through the insulating portions in the opening windows 2a and 2b, stress resistance, pressure resistance, heat resistance, and the like are required. Therefore, it is necessary to increase the thickness, which is a kind of a circular waveguide in which the cross section is circular, surrounded by a metal surface, and filled with a dielectric. The fundamental mode of the cylindrical waveguide is TE11,
Conditions for transmission
【数1】 yabの添え字aはベッセル関数Jaの次数を表し、b
は根yabの番号を小さい値のものから並べた番号を示
している。例えばy11≒1.84、円筒導波管内の比
誘電率15、波長λ=157.9[mm](1.9GH
zの場合)とすると半径r>12.5[mm]としなけ
ればならない。半径が12.5[mm]より小さいと遮
断周波数が1.9GHzより高くなり、円筒導波管内を
電磁エネルギーが伝搬できなくなる。なお、検出用管体
1の内径は、濃度計の据え付け場所に応じてある範囲
(例えば100mm〜300mm)に決められてしまう
ため、自由に選択することができない問題がある。この
場合、開口窓部2aおよび2b内絶縁部の比誘電率で調
整すれば良い。(Equation 1) subscripts a of y ab represents the order of the Bessel function J a, b
Indicates a number in which the numbers of the root yab are arranged in ascending order. For example, y 11 ≒ 1.84, relative dielectric constant 15 in the cylindrical waveguide, wavelength λ = 157.9 [mm] (1.9 GH)
z), the radius must be r> 12.5 [mm]. If the radius is smaller than 12.5 [mm], the cutoff frequency becomes higher than 1.9 GHz, and electromagnetic energy cannot be propagated in the cylindrical waveguide. Note that the inner diameter of the detection tube 1 is determined within a certain range (for example, 100 mm to 300 mm) according to the installation place of the densitometer, and thus there is a problem that it cannot be freely selected. In this case, the relative permittivity of the insulating portions in the opening windows 2a and 2b may be adjusted.
【0038】よって、TE11波のみ伝送可能にするこ
とが重要である。TE11波のみ伝送可能な条件は、前
記TE11波が伝搬可能な条件と、次の高次モードであ
るTE21波の伝送不可能な条件を求めることにより、
特定できる。TE21波の伝送不可能な条件は、Therefore, it is important that only the TE11 wave can be transmitted. The condition under which only the TE11 wave can be transmitted is determined by determining the condition under which the TE11 wave can propagate and the condition under which the TE21 wave, which is the next higher-order mode, cannot be transmitted.
Can be identified. The conditions under which TE21 waves cannot be transmitted are:
【数2】 例えばy21≒3.05、円筒導波管内の比誘電率1
5、波長λ=157.9[mm](1.9GHzの場
合)とすると半径r<19.8[mm]となる。(Equation 2) For example, y 21 ≒ 3.05, relative dielectric constant 1 in a cylindrical waveguide
5. If the wavelength λ = 157.9 [mm] (at 1.9 GHz), the radius r <19.8 [mm].
【0039】半径rが12.5<r<19.8[m
m]、比誘電率15で、1.9GHz、TE11波のみ
が、円筒導波管内を電磁エネルギーとして伝搬すること
ができる。When the radius r is 12.5 <r <19.8 [m
m] and a relative dielectric constant of 15, only 1.9 GHz and TE11 waves can propagate as electromagnetic energy in the cylindrical waveguide.
【0040】このように本発明によれば、開口窓部2a
および2b内絶縁部を誘電体の詰まった円筒導波管とす
ることにより、遮断周波数の影響を考慮し、開口窓部2
aおよび2b内絶縁部を基本モードであるTE11波
で、所望の周波数の電磁エネルギーが伝搬する濃度計が
実現できる。As described above, according to the present invention, the opening window 2a
And 2b are made of a cylindrical waveguide filled with a dielectric, so that the effect of the cutoff frequency is taken into consideration and the opening window 2
It is possible to realize a densitometer in which electromagnetic energy of a desired frequency propagates in the insulating portions in a and 2b with TE11 waves as a fundamental mode.
【0041】図4に、本発明の二実施形態に係る要部構
成例を示す。なおその他の構成については図21に示し
た濃度計と同様であるので、ここではその図示および説
明を省略する。また図1に示した実施例との差異につい
てのみ注力して説明する。FIG. 4 shows an example of the configuration of a main part according to the second embodiment of the present invention. Since the other configuration is the same as that of the densitometer shown in FIG. 21, the illustration and description thereof are omitted here. Further, only the differences from the embodiment shown in FIG.
【0042】図4は、開口窓部2aおよび2b内絶縁部
を2つの円柱(10a、10b)で構成し、アンテナエ
レメント6a、6bのうち開放端を有する側6cをアン
テナ5a、5bの直径よりやや小さくしている。TE1
1波の電界成分を、円筒導波管の断面図である図5に示
す。このようにアンテナエレメント6a、6bで給電す
る場合、開放端を有する側6cは直径の長さで給電する
方が望ましい場合がある。しかし、アンテナエレメント
6a、6bのうち開放端を有する側6cの長さは、所望
の周波数の半波長が望ましい。もし、アンテナエレメン
ト6a、6bのうち開放端を有する側6cが直径の長さ
に比べ、小さすぎるとインピーダンス整合しにくくな
る。よって開口窓部2aおよび2b内絶縁部の円柱10
bをアンテナエレメント6a、6bのうち開放端を有す
る側6cの長さに合わせて小さくし、TE11波の電界
成分で励振しやすくする。そして、開口窓部2aおよび
2b内絶縁部の円柱10aの半径rが(0.293λ/
√εr)<r<(0.485λ/√εr)基本にするこ
とにより、基本モードであるTE11波で、所望の周波
数の電磁エネルギーが伝搬する濃度計が実現できる。FIG. 4 shows that the insulating portions in the opening windows 2a and 2b are constituted by two cylinders (10a and 10b), and the side 6c of the antenna elements 6a and 6b having an open end is determined by the diameter of the antennas 5a and 5b. It is slightly smaller. TE1
The electric field component of one wave is shown in FIG. 5 which is a cross-sectional view of the cylindrical waveguide. When power is supplied by the antenna elements 6a and 6b as described above, it may be desirable that the side 6c having the open end is supplied with a diameter length. However, the length of the side 6c having the open end of the antenna elements 6a and 6b is desirably a half wavelength of a desired frequency. If the side 6c having the open end of the antenna elements 6a and 6b is too small compared to the length of the diameter, impedance matching becomes difficult. Therefore, the column 10 of the insulating portion in the opening windows 2a and 2b
b is made smaller in accordance with the length of the side 6c having the open end of the antenna elements 6a and 6b, so that excitation is facilitated by the electric field component of the TE11 wave. The radius r of the column 10a of the insulating portions in the opening windows 2a and 2b is (0.293λ /
By setting the fundamental as √ε r ) <r <(0.485λ / √ε r ), it is possible to realize a densitometer in which electromagnetic energy of a desired frequency propagates in TE11 wave which is a fundamental mode.
【0043】このように本発明によれば、開口窓部2a
および2b内絶縁部を誘電体の詰まった円筒導波管とす
ることにより、検出用管体内の懸濁物質を含む液体と接
触する円柱10aの遮断周波数の影響を考慮し、開口窓
部2aおよび2b内絶縁部を所望の周波数の電磁エネル
ギーが伝搬し、耐応力、耐圧力を強化した濃度計が実現
できる。As described above, according to the present invention, the opening window 2a
And 2b is made of a cylindrical waveguide filled with a dielectric, so that the effect of the cutoff frequency of the cylinder 10a in contact with the liquid containing the suspended substance in the detection tube is taken into consideration, and the opening window 2a and Electromagnetic energy of a desired frequency propagates through the insulating portion inside 2b, and a densitometer with enhanced stress resistance and pressure resistance can be realized.
【0044】図6に、本発明の三実施形態に係る要部構
成例を示す。なおその他の構成については図21に示し
た濃度計と同様であるので、ここではその図示および説
明を省略する。また図1に示した実施例との差異につい
てのみ注力して説明する。FIG. 6 shows an example of a configuration of a main part according to a third embodiment of the present invention. Since the other configuration is the same as that of the densitometer shown in FIG. 21, the illustration and description thereof are omitted here. Further, only the differences from the embodiment shown in FIG.
【0045】図6に示すように、開口窓部2aおよび2
b内絶縁部を3つの円柱(10a、10b、10c)で
構成し、真ん中の円柱(10b)の半径を大きくするこ
とにより、検出用管体1と、アンテナ取り付け用筐体4
a、4bで挟むことができ、耐応力、耐圧力が大きくな
る。As shown in FIG. 6, the opening windows 2a and 2a
The inner insulating portion b is composed of three cylinders (10a, 10b, 10c), and the radius of the middle cylinder (10b) is increased, so that the detection tube 1 and the antenna mounting housing 4 are formed.
a, 4b, the stress resistance and pressure resistance are increased.
【0046】さらに例えば、円筒導波管内の比誘電率1
5、波長λ=157.9[mm](1.9GHzの場
合)とすると半径r=13.5[mm]と円筒導波管の
長さの最小値は約40mmで、水と整合しやすくなる
が、図6に示す、開口窓部2aおよび2b内絶縁部を3
つの円柱(10a、10b、10c)をそれぞれ6[m
m]、15[mm]、8[mm](ここで真ん中の円柱
(10b)の半径r=21.25[mm])で厚さの合
計が最小となり、約29[mm]である。つまり真ん中
の円柱(10b)の直径が大きいため、厚さが薄くでき
る厚さの組み合わせもある。Further, for example, the relative dielectric constant of the cylindrical waveguide is 1
5. If the wavelength λ = 157.9 [mm] (at 1.9 GHz), the radius r = 13.5 [mm] and the minimum value of the length of the cylindrical waveguide is about 40 mm, so that it is easy to match with water. However, the insulating portions in the opening windows 2a and 2b shown in FIG.
Each of the cylinders (10a, 10b, 10c) is 6 [m
m], 15 [mm], 8 [mm] (here, the radius r of the middle cylinder (10b) r = 21.25 [mm]), and the total thickness is the minimum, which is about 29 [mm]. That is, since the diameter of the middle column (10b) is large, there is a combination of thicknesses that can be reduced in thickness.
【0047】このように本発明によれば、開口窓部2a
および2b内絶縁部を誘電体の詰まった円筒導波管とす
ることにより、検出用管体内の懸濁物質を含む液体と接
触する円柱10aの遮断周波数の影響を考慮し、開口窓
部2aおよび2b内絶縁部を所望の周波数の電磁エネル
ギーが伝搬し、真ん中の円柱の半径を大きくすることに
より、耐応力、耐圧力を強化でき、さらに小形な濃度計
が実現できる。As described above, according to the present invention, the opening window 2a
And 2b is made of a cylindrical waveguide filled with a dielectric, so that the effect of the cutoff frequency of the cylinder 10a in contact with the liquid containing the suspended substance in the detection tube is taken into consideration, and the opening window 2a and Electromagnetic energy of a desired frequency propagates through the insulating portion inside 2b, and by increasing the radius of the middle cylinder, stress resistance and pressure resistance can be strengthened, and a more compact densitometer can be realized.
【0048】図2、3に、本発明の四実施形態に係る要
部構成例を示す。なおその他の構成については図21に
示した濃度計と同様であるので、ここではその図示およ
び説明を省略する。FIGS. 2 and 3 show examples of the configuration of the main part according to the fourth embodiment of the present invention. Since the other configuration is the same as that of the densitometer shown in FIG. 21, the illustration and description thereof are omitted here.
【0049】図2、3において、アンテナ素子6a、6
bは、アンテナ5a、5bの底面とアンテナ取り付け用
筐体4a、4bとの接触面5cをグランドとする線状モ
ノポールアンテナである。アンテナ素子6a、6bの長
さは、所望の周波数の四分の三波長である。接触面5c
とアンテナ素子6a、6bの接点にある給電部Fから逆
L字で構成する。給電部Fから一方の長さ(図2の6
d)が所望の周波数の四分の一波長、開放端を有する、
もう一方の長さ(図2の6c)が半波長である。In FIGS. 2 and 3, the antenna elements 6a, 6
b is a linear monopole antenna whose ground is a contact surface 5c between the bottom surfaces of the antennas 5a and 5b and the antenna mounting housings 4a and 4b. The length of the antenna elements 6a, 6b is three-quarter wavelength of the desired frequency. Contact surface 5c
And an antenna element 6a, 6b. One length from the feeder F (6 in FIG. 2)
d) has a quarter wavelength of the desired frequency, open end,
The other length (6c in FIG. 2) is a half wavelength.
【0050】一方、図7に示す逆L字型四分の三波長モ
ノポールアンテナは、グランドが平面であり、そのグラ
ンドを活かして、グランド上にアンテナ上と対称となる
形でイメージ電流6c'を発生させることができるの
で、ダイポールアンテナが2本平行に並べたのと等価と
なり、正面方向に指向性が大きくなるという長所を有し
ている。On the other hand, the inverted-L-shaped three-quarter-wavelength monopole antenna shown in FIG. 7 has a ground plane, and the image current 6c 'is symmetrically placed on the ground by utilizing the ground. Can be generated, which is equivalent to arranging two dipole antennas in parallel, and has the advantage of increasing the directivity in the front direction.
【0051】図8に、電磁界シミュレーションによる、
本発明の四実施形態に係る濃度計用L字アンテナ(図
2、3)と第二の四分の一波長型モノポールアンテナ
(図25)のインピーダンスの解析結果を示す。スミス
チャートにより周波数1.7〜2.0GHzでのインピ
ーダンスを見ると、L字アンテナは周波数1.942G
Hzで、50Ωを示す中心に近くなり、整合が良くなる
ことがわかる。それに比べ、モノポールアンテナは、イ
ンピーダンスが低く、整合していないことがわかる。曲
面の影響を受け、所望の周波数でインピーダンスが低く
なっていることがわかる。FIG. 8 shows an electromagnetic field simulation.
26 shows the results of analyzing the impedance of the L-shaped antenna for a densitometer (FIGS. 2 and 3) and the second quarter-wave monopole antenna (FIG. 25) according to the fourth embodiment of the present invention. Looking at the impedance at a frequency of 1.7 to 2.0 GHz using a Smith chart, the L-shaped antenna has a frequency of 1.942G.
In Hz, it is close to the center indicating 50Ω, which indicates that the matching is improved. In comparison, it can be seen that the monopole antenna has low impedance and is not matched. It can be seen that the impedance is low at the desired frequency due to the influence of the curved surface.
【0052】このように本発明によれば、電磁エネルギ
ーが伝搬しにくい水(比誘電率約80)との整合を良く
したアンテナを具備した濃度計が実現できる。As described above, according to the present invention, it is possible to realize a densitometer provided with an antenna that has improved matching with water (relative permittivity of about 80) where electromagnetic energy does not easily propagate.
【0053】図9から12に、本発明の五実施形態に係
る要部構成例を示す。なおその他の構成については図2
1に示した濃度計と同様であるので、ここではその図示
および説明を省略する。また図3に示した実施例との差
異についてのみ注力して説明する。FIGS. 9 to 12 show an example of the configuration of a main part according to a fifth embodiment of the present invention. Other configurations are shown in FIG.
Since it is the same as the densitometer shown in FIG. 1, its illustration and description are omitted here. In addition, only the differences from the embodiment shown in FIG.
【0054】図9に示すように、アンテナエレメント6
a、6bのうち、開放端を有する側6cは、地面に垂直
になるように取り付ける。この理由を簡単に説明する。As shown in FIG. 9, the antenna element 6
The side 6c having an open end among the parts a and 6b is mounted so as to be perpendicular to the ground. The reason will be briefly described.
【0055】検出用管体1内部は、常に測定対象となる
懸濁物質を含む液体で充満されている(満水状態であ
る)わけでなく、検出用管体1の上方部分(図10の1
1部分)で気泡が発生する。この場合、マイクロ波は正
常な測定状態(満水状態)の伝搬経路ではなく、気泡に
よりできた空気層を伝搬するマイクロ波や液面での反射
波の影響を受けるため、測定値も不安定で、満水状態で
測定した結果と比較して測定値が異常に高くなったり、
低くなったり、急激に変化する等、測定値に誤差が生じ
て乱れたものになる。この気泡の影響を抑えるため、懸
濁物質を含む液体中に放射した偏波が垂直になるように
すれば、気泡による反射波は受信し難くなる。なぜなら
ば、反射面が水平であることから、反射波は水平偏波と
なり、垂直偏波を主成分とするアンテナでは受信されな
くなるためである。The inside of the detection tube 1 is not always filled with the liquid containing the suspended substance to be measured (in a full state), and the upper part of the detection tube 1 (1 in FIG. 10).
Air bubbles are generated in (1). In this case, since the microwave is not affected by the propagation path of the normal measurement state (full water state) but by the microwave propagating through the air layer formed by the bubbles and the reflected wave at the liquid level, the measurement value is also unstable. , The measured value is abnormally high compared to the result measured in a full state,
An error occurs in the measured value, such as a decrease or a sudden change, and the measured value is disturbed. If the polarization radiated into the liquid containing the suspended substance is made vertical in order to suppress the influence of the bubbles, it becomes difficult to receive the reflected wave by the bubbles. This is because the reflection surface is horizontal, so that the reflected wave becomes a horizontally polarized wave and cannot be received by an antenna mainly composed of a vertically polarized wave.
【0056】また一方で、半径rが大きいと高次モード
が発生しやすくなる。高次モードが多く発生すると、懸
濁物質を含む液体中に電波を放射する偏波ならびに指向
性が乱れ、上記の利点を失う。On the other hand, when the radius r is large, a higher-order mode is easily generated. When many higher-order modes are generated, the polarization and directivity of radiating radio waves into a liquid containing a suspended substance are disturbed, and the above advantages are lost.
【0057】さらに図11において、アンテナ素子6
a、6bは、開放端を有する線路(6d、6e)が平行
に配置する。このようにすれば送信アンテナ5aから放
射される電波の偏波と受信アンテナ5bが受信する電波
の偏波が同一になり、受信しやすくすることができる。
ここで、図11では、給電部Fの位置が地面方向であっ
たが、両方天頂方向でもよく、図12のように、送受対
象でもよい。Further, referring to FIG.
In a and 6b, lines (6d and 6e) having open ends are arranged in parallel. By doing so, the polarization of the radio wave radiated from the transmission antenna 5a and the polarization of the radio wave received by the reception antenna 5b become the same, and the reception can be facilitated.
Here, in FIG. 11, the position of the power supply unit F is in the ground direction, but both may be in the zenith direction, or as shown in FIG.
【0058】このように本発明によれば、検出用管体内
にできる気泡の影響を減らすために、アンテナの指向性
を上昇させ、懸濁物質を含む液体中に電磁エネルギーを
伝搬しやすくし、送信アンテナと受信アンテナ間で送受
信しやすくするために偏波を同じした濃度計が実現でき
る。As described above, according to the present invention, in order to reduce the influence of bubbles formed in the detection tube, the directivity of the antenna is increased, and electromagnetic energy is easily propagated in a liquid containing a suspended substance. To facilitate transmission and reception between the transmitting antenna and the receiving antenna, a densitometer having the same polarization can be realized.
【0059】ここで、開口窓部2aおよび2b内絶縁部
の深さdを説明する。円形導波管の場合、図13に示す
分布定数回路モデルに置き換えることができる。このイ
ンピーダンスZ1は、次式で与えられる。Here, the depth d of the insulating portions in the opening windows 2a and 2b will be described. In the case of a circular waveguide, it can be replaced with a distributed constant circuit model shown in FIG. The impedance Z 1 is given by the following equation.
【数3】 ここで、 ZL:アンテナのインピーダンス d1:開口窓部2aあるいは2b内絶縁部の深さ λ:所望の周波数の波長 y11:ベッセル関数J1の根で、一番小さい値 εr1:開口窓部2aあるいは2b内絶縁部の比誘電率 Z0:空気中の特性インピーダンス r1:開口窓部2aあるいは2b内絶縁部の半径 そしてZ1より、水(比誘電率80とする)との反射係
数を次式により計算する。(Equation 3) Here, Z L : the impedance of the antenna d 1 : the depth of the insulating portion in the opening window 2 a or 2 b λ: the wavelength of a desired frequency y 11 : the root of the Bessel function J 1 and the smallest value ε r1 : the opening windows 2a or 2b in the insulating portion of the dielectric constant Z 0: characteristic in air impedance r 1: than the radius and Z 1 within the opening window portion 2a or 2b insulating portion, of the water (the ratio to the dielectric constant 80) The reflection coefficient is calculated by the following equation.
【数4】 反射係数が小さくなる(0に近くなる)開口窓部2aあ
るいは2b内絶縁部の深さd1を求めれば、インピーダ
ンス整合するアンテナが得られる。(Equation 4) By obtaining a reflection coefficient (close to 0) becomes smaller depth d 1 of the opening window portion 2a or 2b in the insulating portion, the antenna for impedance matching is obtained.
【0060】図14に示す、3層の円柱の場合、同様に
次式のようになる。In the case of a three-layer cylinder shown in FIG. 14, the following equation is similarly obtained.
【0061】一層目のインピーダンスFirst layer impedance
【数5】 ZL:アンテナのインピーダンス d1:開口窓部2aあるいは2b内絶縁部の深さ λ:所望の周波数の波長 y11:TE11用ベッセル関数の根 εr1:開口窓部2aあるいは2b内絶縁部の比誘電率 Z0:空気中の特性インピーダンス r1:開口窓部2aあるいは2b内絶縁部の半径 m層目(m=2、3)のインピーダンス(Equation 5) Z L : Impedance of antenna d 1 : Depth of insulating portion in opening window 2a or 2b λ: Wavelength of desired frequency y 11 : Root of Bessel function for TE11 ε r1 : Insulating portion in opening window 2a or 2b Relative permittivity Z 0 : characteristic impedance in air r 1 : radius of insulating portion in opening window 2a or 2b impedance of m-th layer (m = 2, 3)
【数6】 dm:m層目の開口窓部2aあるいは2b内絶縁部の深
さ λ:所望の周波数の波長 y11:TE11用ベッセル関数の根 εrm:m層目の開口窓部2aあるいは2b内絶縁部の
比誘電率 Z0:空気中の特性インピーダンス rm:m層目の開口窓部2aあるいは2b内絶縁部の半
径 そしてZ1より、水(比誘電率80とする)との反射係
数を次式により計算する。(Equation 6) d m : Depth of the insulating portion in the m-th opening window 2a or 2b λ: Wavelength of desired frequency y 11 : Root of the Bessel function for TE11 ε rm : Insulating in the m-th opening window 2a or 2b dielectric constant parts Z 0: characteristic impedance r m in air: than the radius and Z 1 of the m-th layer of the opening window portion 2a or 2b in the insulating section, the reflection coefficient of the water (the ratio to the dielectric constant 80) It is calculated by the following equation.
【数7】 反射係数が小さくなる(0に近くなる)開口窓部2aあ
るいは2b内絶縁部の深さd1、d2、d3を求めれ
ば、インピーダンス整合するアンテナが得られる。(Equation 7) By obtaining a reflection coefficient (close to zero) becomes small depth of the opening window portion 2a or 2b in the insulating portion d 1, d 2, d 3 , an antenna for impedance matching is obtained.
【0062】図15〜17に、電磁界シミュレーション
によるポインテイングベクトルの解析結果を示す。ポイ
ンティングベクトルとは電磁界エネルギーの伝搬する量
と方向を示すものである。矢印の向きで方向、長さでエ
ネルギー伝搬量の大きさを示す。FIGS. 15 to 17 show the results of the analysis of the pointing vector by the electromagnetic field simulation. The pointing vector indicates the amount and direction of electromagnetic field energy propagation. The direction of the arrow indicates the direction, and the length indicates the magnitude of the energy propagation amount.
【0063】図15は、円筒型開口窓部2aあるいは2
b内絶縁部と懸濁物質を含む液体の断面で、円筒型開口
窓部2aあるいは2b内絶縁部の深さd=40mm、半
径13.75mm、比誘電率15の場合で、懸濁物質を
含む液体と良く整合する例である。この図からわかるよ
うに、懸濁物質を含む液体中でのポインテイングベクト
ルの方向は正面に向き、伝搬量の大きさも給電点よりや
や下がる程度であるが、電磁界エネルギーは良く伝搬し
ていることを示している。FIG. 15 shows the cylindrical opening window 2a or 2a.
b In the cross section of the liquid containing the suspended material and the suspended material, when the depth d of the cylindrical opening window 2a or 2b in the insulating portion is 40 mm, the radius is 13.75 mm, and the relative dielectric constant is 15, the suspended material is removed. This is an example that matches well with the contained liquid. As can be seen from this figure, the direction of the pointing vector in the liquid containing the suspended substance is directed to the front, and the magnitude of the propagation amount is slightly lower than the feeding point, but the electromagnetic field energy propagates well. It is shown that.
【0064】図16は、円筒を三層重ねた開口窓部2a
あるいは2b内絶縁部と懸濁物質を含む液体の断面で、
円筒型開口窓部2aあるいは2b内絶縁部の深さがアン
テナからd=8mm、15mm、6mm、半径13.7
5mm、22.5mm、13.75mm、比誘電率15
の場合で、水と整合する例である。このように、水での
ポインテイングベクトルの方向は正面に向き、伝搬量の
大きさも給電点よりやや下がる程度であるが、電磁界エ
ネルギーは水中へ良く伝搬していることを示している。FIG. 16 shows an opening window 2a in which three layers of cylinders are stacked.
Alternatively, in the cross section of the liquid containing the insulating material and the suspended substance in 2b,
The depth of the insulating portion in the cylindrical opening window 2a or 2b is d = 8 mm, 15 mm, 6 mm, radius 13.7 from the antenna.
5 mm, 22.5 mm, 13.75 mm, relative dielectric constant 15
In this case, it is an example of matching with water. As described above, the direction of the pointing vector in the water is toward the front, and the magnitude of the propagation amount is slightly lower than the feeding point, but the electromagnetic field energy is well propagated into the water.
【0065】図17は、円筒を三層重ねた開口窓部2a
あるいは2b内絶縁部と水の断面で、円筒型開口窓部2
aあるいは2b内絶縁部の深さがアンテナからd=5m
m、5mm、6mm、半径13.75mm、22.5m
m、13.75mm、比誘電率15の場合で、水と整合
しにくい例である。このように、開口窓部2aあるいは
2b内絶縁部ならびに水中でのポインテイングベクトル
の示すエネルギー伝搬量への値は非常に小さいものとな
っており、アンテナから電磁エネルギーが放射されにく
くなっていることがわかる。FIG. 17 shows an opening window 2a in which three layers of cylinders are stacked.
Alternatively, the cross-section of the insulating portion and the water in 2b, the cylindrical opening window portion 2
The depth of the insulating part in a or 2b is d = 5m from the antenna
m, 5mm, 6mm, radius 13.75mm, 22.5m
This is an example where it is difficult to match with water in the case of m, 13.75 mm, and relative permittivity of 15. As described above, the value of the energy transmission amount indicated by the pointing vector in the opening portion 2a or 2b and the underwater pointing vector is very small, and the electromagnetic energy is hardly radiated from the antenna. I understand.
【0066】このように本発明によれば、濃度分解能を
高めるため、懸濁物質を含む液体中に効率良く電磁エネ
ルギーを伝搬し、精度良く被測定流体の濃度を測定する
ことが可能で小型な濃度計を提供することができる。As described above, according to the present invention, in order to enhance the concentration resolution, the electromagnetic energy can be efficiently propagated into the liquid containing the suspended substance, and the concentration of the fluid to be measured can be measured with high accuracy. A densitometer can be provided.
【0067】本発明は上記実施形態に限定されるもので
はなく、次のように種々変形することができる。The present invention is not limited to the above embodiment, but can be variously modified as follows.
【0068】例えば、上記三実施形態では線状の逆L字
アンテナとしていたが、アンテナエレメントのうち開放
端を有する側(図2の6c)に、図18に示すような円
形あるいは矩形パッチアンテナなどを用いることもで
き、その形状や形式は特に限定されない。For example, in the above three embodiments, a linear inverted L-shaped antenna is used, but a circular or rectangular patch antenna as shown in FIG. 18 is provided on the side of the antenna element having an open end (6c in FIG. 2). Can be used, and its shape and form are not particularly limited.
【0069】また、上記二、三実施形態では2〜3層と
していたが、図19のように4層以上などを用いること
もでき、その形状や形式は特に限定されない。In the second and third embodiments, two or three layers are used. However, as shown in FIG. 19, four or more layers may be used, and the shape and form are not particularly limited.
【0070】さらに、上記三実施形態では3層の円柱の
半径を、真ん中だけ大きく、両端は同じとしていたが、
図20のように大きさの順序は特に限定されない。Further, in the above-described three embodiments, the radius of the three-layered cylinder is larger in the center and the same at both ends.
As shown in FIG. 20, the order of the sizes is not particularly limited.
【0071】[0071]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
開口窓部2aおよび2b内絶縁部を誘電体の詰まった円
筒導波管とすることにより、遮断周波数の影響を考慮
し、開口窓部2aおよび2b内絶縁部を所望の周波数の
電磁エネルギーの伝搬を容易にすることを可能とする。As described above, according to the present invention,
By making the insulating portions in the open windows 2a and 2b a cylindrical waveguide filled with a dielectric material, the influence of the cutoff frequency is taken into consideration, and the insulating portions in the open windows 2a and 2b can transmit electromagnetic energy of a desired frequency. Can be facilitated.
【0072】また、開口窓部2aおよび2b内絶縁部を
誘電体の詰まった円筒導波管とすることにより、遮断周
波数の影響を考慮し、開口窓部2aおよび2b内絶縁部
を所望の周波数の電磁エネルギーが伝搬し、耐応力、耐
圧力を強化することを容易にすることを可能とする。Further, by making the insulating portions in the opening windows 2a and 2b a cylindrical waveguide filled with a dielectric material, the insulating portions in the opening windows 2a and 2b can be set to a desired frequency in consideration of the effect of the cutoff frequency. Electromagnetic energy propagates, and it is possible to easily enhance stress resistance and pressure resistance.
【0073】さらに、検出用管体内にできる気泡の影響
を減らすために、アンテナの指向性を上昇させ、懸濁物
質を含む液体中に電磁エネルギーを伝搬を容易にするこ
とを可能とする。Further, in order to reduce the influence of air bubbles generated in the detection tube, the directivity of the antenna is increased, and electromagnetic energy can be easily propagated into a liquid containing a suspended substance.
【図1】本発明の一実施例に係る濃度計の要部構成を示
す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a main part of a densitometer according to an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の一実施例に係るアンテナ素子の構成の
一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of an antenna element according to an embodiment of the present invention.
【図3】本発明の四実施例に係る濃度計の要部構成を示
す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a main part of a densitometer according to a fourth embodiment of the present invention.
【図4】本発明の二実施例に係る濃度計の要部構成を示
す図である。FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a main part of a densitometer according to a second embodiment of the present invention.
【図5】円筒導波管の基本モード(TE11)の電界の
様子を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a state of an electric field in a fundamental mode (TE11) of a cylindrical waveguide.
【図6】本発明の三実施例に係る濃度計の要部構成を示
す図である。FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a main part of a densitometer according to a third embodiment of the present invention.
【図7】本発明の四実施例に係るアンテナ素子の動作方
法を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an operation method of an antenna element according to a fourth embodiment of the present invention.
【図8】本発明の四実施例に係る濃度計のインピーダン
スを示す図である。FIG. 8 is a diagram showing impedance of a densitometer according to a fourth embodiment of the present invention.
【図9】本発明の五実施例に係る濃度計の要部構成を示
す断面図である。FIG. 9 is a sectional view showing a configuration of a main part of a densitometer according to a fifth embodiment of the present invention.
【図10】検出用管体内の懸濁物質を含む液体の状態を
示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a state of a liquid containing a suspended substance in a detection tube.
【図11】本発明の五実施例に係る濃度計の要部構成を
示す斜め図である。FIG. 11 is a perspective view showing a configuration of a main part of a densitometer according to a fifth embodiment of the present invention.
【図12】本発明の五実施例に係る濃度計の他の要部構
成を示す斜め図である。FIG. 12 is a perspective view showing another configuration of the main part of the densitometer according to the fifth embodiment of the present invention.
【図13】一層型分布定数回路の示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a single-layer distributed constant circuit.
【図14】三層型分布定数回路の示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a three-layer distributed constant circuit.
【図15】本発明の四実施例に係る濃度計のポインティ
ングベクトルを示す図である。FIG. 15 is a diagram showing pointing vectors of the densitometer according to the fourth embodiment of the present invention.
【図16】本発明の四実施例に係る濃度計のポインティ
ングベクトルを示す図である。FIG. 16 is a diagram showing pointing vectors of the densitometer according to the fourth embodiment of the present invention.
【図17】本発明の四実施例の条件を満たさない濃度計
のポインティングベクトルを示す図である。FIG. 17 is a diagram showing pointing vectors of a densitometer that does not satisfy the conditions of the fourth embodiment of the present invention.
【図18】本発明の一実施例に係る濃度計の他の要部構
成を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating another configuration of the main part of the densitometer according to one embodiment of the present invention.
【図19】本発明の二実施例に係る濃度計の他の要部構
成を示す断面図である。FIG. 19 is a cross-sectional view showing another essential configuration of the densitometer according to the second embodiment of the present invention.
【図20】本発明の三実施例に係る濃度計の他の要部構
成を示す断面図である。FIG. 20 is a cross-sectional view illustrating another configuration of a main part of the densitometer according to the third embodiment of the present invention.
【図21】従来のマイクロ波式濃度計の概略構成を示す
図である。FIG. 21 is a view showing a schematic configuration of a conventional microwave densitometer.
【図22】従来のマイクロ波式濃度計に用いられる検量
線を示す図である。FIG. 22 is a diagram showing a calibration curve used for a conventional microwave densitometer.
【図23】従来のマイクロ波式濃度計のアンテナ取り付
け部分の要部詳細を示す図である。FIG. 23 is a diagram showing details of a main part of an antenna mounting portion of a conventional microwave type densitometer.
【図24】従来例である第一モノポールアンテナを示す
図である。FIG. 24 is a diagram showing a first monopole antenna which is a conventional example.
【図25】従来例である第二モノポールアンテナを示す
図である。FIG. 25 is a view showing a second monopole antenna which is a conventional example.
【図26】従来例であるダイポールアンテナを示す図で
ある。FIG. 26 is a diagram showing a conventional dipole antenna.
【符号の説明】 1‥‥検出用管体 2‥‥開口窓部 3‥‥気密用パッキン 4‥‥アンテナ取り付け用筐体 5‥‥アンテナ 6‥‥L字型アンテナ素子 7、8‥‥λ/4モノポール型アンテナ素子 9‥‥λ/2ダイポール型アンテナ素子 10‥‥開口窓部(液体と接触) 11‥‥検出用管体の上方部分(気泡) 12‥‥懸濁物質を含む液体(測定対象) 23a、23'a‥‥開口窓部 23b、23'b‥‥気密用シールパッキン 23c、23'c‥‥アンテナ取り付け用板 23d、23'd‥‥絶縁物 28‥‥送信アンテナ 28'‥‥開口部 29‥‥受信アンテナ 29'‥‥開口部 30、30'‥‥誘電体 E‥‥電界 F‥‥給電部[Description of Signs] 1 Detection tube 2 ‥‥ Open window 3 ‥‥ Airtight packing 4 ‥‥ Antenna mounting housing 5 ‥‥ Antenna 6 ‥‥ L-shaped antenna element 7,8 ‥‥ λ / 4 monopole antenna element 9 λ / 2 dipole antenna element 10 opening window (contact with liquid) 11 upper part of detection tube (bubble) 12 liquid containing suspended substance (Measurement target) 23a, 23'a {open window 23b, 23'b} hermetic seal packing 23c, 23'c {antenna mounting plate 23d, 23'd} insulator 28} transmitting antenna 28 'opening 29 reception antenna 29' opening 30, 30 'dielectric E electric field F feeding unit
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡邉 一弘 東京都府中市東芝町1番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 宮根 裕司 東京都府中市東芝町1番地 株式会社東芝 府中工場内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kazuhiro Watanabe 1 Toshiba-cho, Fuchu-shi, Tokyo Inside the Toshiba Fuchu Plant Co., Ltd.
Claims (5)
波送受信系を対向配置し、前記検出用管体または検出用
容器を対向するように開口窓部を円柱型に形成するとと
もに、この開口窓部にアンテナ取り付け用絶縁体を気密
に取り付け、前記アンテナ取り付け用絶縁体に前記マイ
クロ波送受信系アンテナを密着して取り付け、前記検出
用管体内または検出用容器内の被測定物を通るマイクロ
波の位相遅れを計測し、前記被測定物の濃度を測定する
濃度計において、所望の周波数の波長をλ、前記アンテ
ナ取り付け用絶縁体の比誘電率をεrとすると、開口窓
部の半径rが(0.293λ/√εr)<r<(0.4
85λ/√εr)であることを特徴とする濃度計。1. A microwave transmission / reception system is opposed to a detection tube or a detection container, and an opening window is formed in a cylindrical shape so as to face the detection tube or the detection container. An antenna mounting insulator is hermetically attached to the window, the microwave transmitting / receiving antenna is attached to the antenna mounting insulator in close contact with the antenna, and the microwave passing through the object to be measured in the detection pipe or the detection container is used. In a densitometer for measuring the phase delay of the object and measuring the concentration of the object to be measured, when a wavelength of a desired frequency is λ and a relative permittivity of the insulator for mounting the antenna is ε r , a radius r Is (0.293λ / √ε r ) <r <(0.4
85λ / √ε r ).
波送受信系を対向配置し、前記検出用管体または検出用
容器を対向するように開口窓部を半径の異なる円柱を少
なくとも二つ以上重ねた形に形成するとともに、この開
口窓部にアンテナ取り付け用絶縁体を気密に取り付け、
前記アンテナ取り付け用絶縁体に前記マイクロ波送受信
系アンテナを密着して取り付け、前記検出用管体内また
は検出用容器内の被測定物を通るマイクロ波の位相遅れ
を計測し、前記被測定物の濃度を測定する濃度計におい
て、所望の周波数の波長をλ、前記アンテナ取り付け用
絶縁体の比誘電率をεrとすると、半径の異なる円柱を
重ねた形に形成した前記開口窓部のうち、被測定物側の
前記開口窓部の円柱の半径rが(0.293λ/√
εr)<r<(0.485λ/√εr)であることを特
徴とする濃度計。2. A microwave transmission / reception system is disposed to face a detection tube or a detection container, and at least two or more columns having different opening radii are provided so as to face the detection tube or the detection container. In addition to being formed in a stacked shape, an antenna mounting insulator is hermetically attached to this opening window,
The microwave transmitting / receiving system antenna is closely attached to the antenna mounting insulator, and a phase delay of a microwave passing through the object to be measured in the detection tube or the detection container is measured, and the concentration of the object to be measured is measured. at a concentration meter for measuring the wavelength of a desired frequency lambda, when the relative dielectric constant of the antenna mounting insulators and epsilon r, of the opening window portion formed in the shape of repeated different radii cylinder, the The radius r of the cylinder of the opening window on the object side is (0.293λ / √).
A densitometer, wherein ε r ) <r <(0.485λ / √ε r ).
円柱を重ねた形に形成し、最も前記被測定物側の、前記
開口窓部の円柱の半径よりも、その内側の円柱の少なく
とも一つの半径が大きいことを特徴とする請求項2に記
載の濃度計。3. The opening window is formed by stacking three or more cylinders having different radii on each other, and the innermost one of the cylinders closer to the object to be measured than the cylinder of the opening window. 3. The densitometer according to claim 2, wherein at least one radius is large.
望の周波数の四分の三波長の長さを有する線状モノポー
ルアンテナであり、給電部から逆L字で構成し、前記給
電部からL字に曲がるところまでの長さが所望の周波数
の四分の一波長であり、L字に曲がるところから開放端
までの長さが、所望の周波数の半波長であることを特徴
とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の濃度計。4. The microwave transmitting / receiving system antenna is a linear monopole antenna having a length of three-quarter wavelength of a desired frequency, and is formed in an inverted L-shape from a feeding part. The length from the bent portion to the open end is a quarter wavelength of the desired frequency, and the length from the bent portion to the open end is a half wavelength of the desired frequency. The densitometer according to any one of claims 1 to 3.
て、前記線状モノポールアンテナのうち、前記開放端を
有する側が前記開口窓部の側面に垂直になるように取り
付けたことを特徴とする請求項4に記載の濃度計。5. The microwave transmitting and receiving system antenna according to claim 4, wherein the side having the open end of the linear monopole antenna is mounted to be perpendicular to a side surface of the opening window. Densitometer described in 1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP36707699A JP2001183312A (en) | 1999-12-24 | 1999-12-24 | Concentration meter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP36707699A JP2001183312A (en) | 1999-12-24 | 1999-12-24 | Concentration meter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001183312A true JP2001183312A (en) | 2001-07-06 |
Family
ID=18488398
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP36707699A Pending JP2001183312A (en) | 1999-12-24 | 1999-12-24 | Concentration meter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2001183312A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012026978A (en) * | 2010-07-27 | 2012-02-09 | Toshiba Corp | Microwave densitometer |
JP2014529360A (en) * | 2011-07-15 | 2014-11-06 | ジーイーエーフード ソリューションズ バーケル ビー.ブイ. | Heat treatment apparatus including a shielded microwave radiation measurement antenna |
US9863893B2 (en) | 2012-05-30 | 2018-01-09 | General Electric Company | Sensor apparatus for measurement of material properties |
-
1999
- 1999-12-24 JP JP36707699A patent/JP2001183312A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012026978A (en) * | 2010-07-27 | 2012-02-09 | Toshiba Corp | Microwave densitometer |
JP2014529360A (en) * | 2011-07-15 | 2014-11-06 | ジーイーエーフード ソリューションズ バーケル ビー.ブイ. | Heat treatment apparatus including a shielded microwave radiation measurement antenna |
US9863893B2 (en) | 2012-05-30 | 2018-01-09 | General Electric Company | Sensor apparatus for measurement of material properties |
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