JP2002005971A - 物性判別装置 - Google Patents

物性判別装置

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JP2002005971A
JP2002005971A JP2000190374A JP2000190374A JP2002005971A JP 2002005971 A JP2002005971 A JP 2002005971A JP 2000190374 A JP2000190374 A JP 2000190374A JP 2000190374 A JP2000190374 A JP 2000190374A JP 2002005971 A JP2002005971 A JP 2002005971A
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dds
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Tatsuo Miyagawa
達夫 宮川
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Abstract

(57)【要約】 【課題】蒸留水と水道水、あるいはガソリンと灯油とい
った液体間の区別を物性の差として簡単にかつ迅速にと
らえる装置を提供する事。又液体中の非金属異物を検知
出来る装置を提供する事。 【解決手段】デイレクトデイジタルシンセサイザ(DD
S)を用いソフトウエアにより被検体を含む回路の広帯
域掃引を瞬時に行い、誘電分散を知るため、容量成分の
周波数特性を検出する。被検体を含む回路のQが不十分
のときは負性抵抗(FDNR)または差動増幅器を追加
してQを高め、周波数特性を高い分解能で検出出来るよ
うにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、ソフトウェアで安
定な任意の周波数を発信できるデイレクトデイジタルシン
セサイザ(DDS)を用いて、被検体(液体、固体、ガ
ス体)の物性を判別する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】誘電体物質の誘電率及び誘電分散はその
物質に固有のものであるから被検体の誘電率及び誘電分
散を検出する事により被検体を判別する事が出来る。2
枚の電極間に誘電体物質(被検体)を挿入したときの等
価回路は図5のように表す事が出来る。
【0003】ここで、Cは本来の静電容量、Rpはパラ
レル絶縁抵抗、RI、CIは誘電分散効果、Ls、Rsはリ
ード線のインダクタンスと抵抗を表す。図6(a),(b)は
Ls、Rs、Rpを無視した近似的等価回路である。ただ
し図6(b)の場合Riは周波数の関数となる。
【0004】図7は被検体の容量成分(誘電率)と抵抗
成分を分離する装置の例である。図中71は被検体の等
価回路であり、72は90゜位相信号発生回路、73、
74は位相検波回路である。90゜位相の異なる成分で
位相検波すれば、容量成分(Ec)と抵抗成分(ER)を分離
する事が出来る。周波数を変化させて誘電率を測定すれ
ば誘電分散が求められる。
【0005】しかし、広範囲に90゜位相信号を発生す
るのは難しい。図8に90゜位相信号発生回路の例を示
す。(a)は+90゜位相シフト回路、(b)は−90゜位相
シフト回路である。しかしこの回路の有効周波数範囲は
狭く、しかも高い周波数では使えない。アナログで広範
囲に90゜位相信号を発生するのは大変難しく、従来有
効なものは存在しなかった。
【0006】さらに、従来のアナログ型発信機は周波数
を変化させようとしても、可変範囲は大略オクターブの
範囲であり、より広範囲に周波数を変化させる時はバン
ドを切り替える必要があった。またPLL型シンセサイ
ザは広範囲に周波数が変えられても、内蔵するループフ
イルタのため周波数の切り替えに時間がかかるという欠
点があった。
【発明が解決しようとする課題】
【0007】以上のように、従来のアナログ型発信機で
は正確な正弦波と90゜位相の異なった正確な余弦波を
連続して広範囲に周波数変化させる事は極めて困難であ
った。そこで本発明は位相成分を0゜、90゜に保った
まま高速に周波数を切り替え、被検体の容量成分、抵抗
成分、そして誘電分散を検出できる手段を提供するもの
である。
【課題を解決するための手段】従来のアナログ型発信機
に変えてデイレクトデイジタルシンセサイザ(DDS)を
使用する。DDSの特徴の一つは発信周波数の切り替え
が瞬時に行える事である。またクロック信号源として水
晶発振器を使用する事で極めて周波数安定度の良い信号
が得られ、更に波形データの発生にPROMメモリを使
用する事で正弦波、余弦波を正確に発生出来る。以前は
波形の純度を要求すると多くのメモリ容量を必要とし、
発振周波数の高周波化が難しい問題があったが、最近の
高集積化技術によりこの問題は解決されている。
【0008】そこでDDSによる信号を検知しようとす
る被検体を含む高Q回路(DUT)に導き、検波増幅
し、更にA/D変換してコンピュータに表示させると発
信周波数の関数として被検体の誘電率(容量成分)、誘
電分散、そして抵抗成分を知る事が出来る。誘電率を検
知する事で例えばガソリンと灯油、蒸留水と水道水とい
ったものの判別が簡単に出来る、また土壌中の肥料成分
の分析には誘電分散の測定結果が有効である。
【発明の実施の形態】図1は本発明による物性判別装置
のブロック図である。図中Comp(1)はコンピュータ、DDS
(2)はデイレクトデイジタルシンセサイザ、DUT(3)は被検
体を含む回路、DET(4)は検波増幅器、A/D(5)はA/D変
換機を表す。Comp(1)はDDS(2)を制御するとともにA/D
(5)からの出力を取り込んで表示する。DDS(2)は安定し
た周波数信号を発生し、周波数を広範囲にわたって掃引
しDUT(3)に送り込む。DUT(3)からの信号はDET(4)で検波
増幅されA/D(5)でA/D変換されて被検体の物性(誘電
率、誘電率の周波数特性、抵抗成分)がComp(1)に表示
される。
【0009】
【第一の実施例】図2は、DDSにより正弦波と余弦波
を発生させる手段のブロック図である。図中11は水晶発
振回路、12a,12bは16ビットアダー、13aは正弦波形メ
モリ、13bは余弦波形メモリ、14a,14bはDラッチ、15a,
15bはD/A変換回路、16a,16bはバッファーアンプ、17
a,17bはローパスフイルタである。これにより1Hzか
ら数10MHzまでの正確に位相が90゜異なる正弦
波、余弦波を発生する事が出来る。
【0010】図3はDDSをDUTに作用させた装置の
ブロック図である。図中1はコンピュータ、2はDD
S、21a,21b,21cはローパスフイルタ、22a,22b,22cはバ
ッファアンプ、23aは低インピーダンス変換回路、23b,2
3cはコンパレータ、3は被検体を含む回路(DUT)、
4aは高インピーダンス検波回路、4bはDCアンプ、24a,
24bは位相検波回路、5はA/D変換回路、25はイン
ダクタンスであり、導電性がある液体を区別するために
適している帯域(1MHzー5MHz)ではDUT3の
容量と共振してQを高める役割をする、導電性が少ない
液体のときはインダクタンスをおおきくする事でより低
い周波数帯でも判別できるが分解能は低下する(表6参
照)。被検体の誘電分散を測定する時は主として可聴周
波数帯なのでなんの影響も無い。
【0011】DDSの分解能は1Hzステップが可能な
ので、充分すぎる程であるが、電子回路の方のQは通常
150から200位であるので、詳細な分離が必要な時
は回路のQを高める必要がある。そのときはFDNR
(Frequency Dependent Negative Resistance)、または
差動増幅器を用いる事で回路のQを高める事が出来る。
図4-1にFDNRの例を示す。(a)において入力インピ
ダンスはZx=(Z1・Z3・Z5)/(Z2・Z4)となること
が知られている。そこで、Z2、Z4をR2、R4に、Z
1、Z3、Z5のうちの二つ、Z1とZ3をCで置き換えた
回路例を(b)に示す。この場合はZx=ーR5/(ω・ω・
C1・C3・R2・R5)となる。しかしZ3をC3で置き換
えると発信の危険があるのでZ5をC5に置き換える、そ
の回路を(c)に示す。
【0012】図4-2に差動増幅器の例を示す。当初同
じ被検体をDUTに挿入して差動増幅器の出力がほぼ零
の状態にしておき、片方のDUTに測定したい被検体を
挿入すれば被検体間の微妙な差を強調して測定する事が
出来る。
【0013】次に被検体を蒸留水とした時の実測例を示
す。DUT(3)における2枚の電極間を蒸留水で充た
す。コンピュータ(1)により第1段階として下限周波数
400KHz,上限周波数4MHz、周波数間隔200
KHzを設定しDUT(3)に信号を送り、A/D変換器
(5)からの出力を見、その結果により自動的に第2段階
として共鳴周波数付近を周波数間隔を20KHzに狭め
て再測定する。表1に周波数と容量成分の関係を示す。
表1から共鳴周波数は1.08MHzである事がわかる。蒸
留水に0.3%の食塩を添加した食塩水について測定した
結果を表2に示す。表2から共鳴周波数は1.06MHzで
あることがわかる。
【表1】 次に水道水について測定した結果を表3に示す。表3か
ら共鳴周波数は1.68MHzであることがわかる。ミネラ
ルウオター(越後の名水)について測定した結果を表4
に示す。表4から共鳴周波数は1.70MHzである事がわ
かる。
【表3】
【0014】第1ー第4の実施例から水が含有する微妙な
成分の差により共鳴周波数が異なる事がわかる。このよ
うに本発明によれば物性の微妙な差を共鳴周波数の差と
して捕らえる事が出来る。またいろいろの標準資料を準
備しあらかじめ共鳴周波数を測定しておけば未知の被検
体の測定結果を標準資料と比較し、物質の同定を行う事
が出来る。本発明の物質判別装置は上記の実施例に限ら
ず種々に利用出来る、例えばガソリンと灯油の判別、ジ
ュース類の判別やアルコール類の判別に利用出来る。
【0015】次にガソリンについて下限周波数、上限周
波数、周波数間隔を表5のように設定し、第一の例にな
らって測定した。その結果共鳴周波数は0.76MHZであ
ることがわかった。ガソリンとか灯油は導電性が少ない
ので出力値が大きいのが特徴である。導電性の少ないも
のは低い周波数でも分離が可能である。低い周波数帯で
同様に灯油について測定すると表6のように102KHzで共
鳴するが、高い周波数帯ほどQが大きくない。
【表5】
【0016】次に土壌中に肥料成分を含ませた時の誘電
分散の結果の一例を表7に示す。可聴周波数帯で沢山の
共鳴が発生している事がわかる。
【表7】
【0017】
【発明の効果】以上説明したように本発明の物性判別装
置によればDDSを用いて広帯域に掃引することにより
瞬時に種々の液体、固体、ガス体の物性の差を判別する
事が出来る。また、種々の標準資料を予め本発明の物性
判別装置にかけてデータを貯えておけば、被検体の測定
結果をそのデータと比較する事により被検体の同定を行
う事が出来る。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成12年11月2日(2000.11.
2)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による物性判定装置のブロック図。
【図2】DDSによる正弦波と余弦波を発生させる手段
のブロック図。
【図3】DDSをDUTに作用させた装置のブロック
図。
【図4-1】FRNRの例。
【図4-2】差動増幅器の例。
【図5】被検体の等価回路。
【図6】被検体の近似的等価回路。
【図7】誘電分散を検出する装置の例。
【図8】90゜位相信号を作る回路の例。
【符号の説明】 1 コンピュータ(Comp)。 2 デイレクトデイジタルシンセサイザ(DDS)。 3 被検体を含む回路(DUT)。 4 検波増幅器(DET)。 5 A/D変換機(A/D)。 11 水晶発信器。 12a, 12b 16ビットアダー。 13a 正弦波形メモリ。 13b 余弦波形メモリ。 14a,14b Dラッチ。 15a,15b D/A変換回路。 16a,16b バッファアンプ。 17a,17b ローパスフイルタ。 21a,21b,21c ローパスフイルタ。 22a,22b,22c バッファアンプ。 23a 低インピーダンス変換回路。 23b,23c コンパレータ。 24a,24b 位相検波回路。 4a 高インピーダンス検波回路。 4b DCアンプ。 71 被検体の等価回路。 72 位相検波回路。 73,74 ローパスフイルタ。 ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成12年11月2日(2000.11.
2)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による物性判定装置のブロック図。
【図2】DDSによる正弦波と余弦波を発生させる手段
のブロック図。
【図3】DDSをDUTに作用させた装置のブロック
図。
【図4-1】FRNRの例。
【図4-2】差動増幅器の例。
【図5】被検体の等価回路。
【図6】被検体の近似的等価回路。
【図7】誘電分散を検出する装置の例。
【図8】90゜位相信号を作る回路の例。
【符号の説明】 1 コンピュータ(Comp)。 2 デイレクトデイジタルシンセサイザ(DDS)。 3 被検体を含む回路(DUT)。 4 検波増幅器(DET)。 5 A/D変換機(A/D)。 11 水晶発信器。 12a, 12b 16ビットアダー。 13a 正弦波形メモリ。 13b 余弦波形メモリ。 14a,14b Dラッチ。 15a,15b D/A変換回路。 16a,16b バッファアンプ。 17a,17b ローパスフイルタ。 21a,21b,21c ローパスフイルタ。 22a,22b,22c バッファアンプ。 23a 低インピーダンス変換回路。 23b,23c コンパレータ。 24a,24b 位相検波回路。 4a 高インピーダンス検波回路。 4b DCアンプ。 71 被検体の等価回路。 72 位相検波回路。 73,74 ローパスフイルタ。 ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成12年11月2日(2000.11.
2)
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図1】
【図2】
【図4−1】
【図4−2】
【図5】
【図6】
【図8】
【図3】
【図7】

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項】 被検体を含む回路(3)と前記回路に作用
    するデイレクトデイジタルシンセサイザ(2)と前記デイ
    レクトデイジタルシンセサイザを制御する制御手段
    (1)を有し、前記試験体の物性を判別する事を特徴と
    する物性判別装置。前記制御手段は前記デイレクトデイジ
    タルシンセサイザの上限周波数および下限周波数を設定
    しその間の周波数領域を自動的に細かな周波数間隔に分
    割し掃引する手段を有することを特徴とする請求項1記
    載の物性判別装置。前記被検体の物性は誘電率、抵抗成
    分及び誘電分散であることを特徴とする請求項1記載の
    物性判別装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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