JP2004317225A - 水晶振動子用測定プローブ - Google Patents
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Abstract
【課題】水晶振動子31をその周りに均一かつ所定の締め付け力でもって容易に取付ける。
【解決手段】ケーシング21にOリング27を介して水晶振動子31を載せ、蓋22をボルト28締めして水晶振動子31を支持固定する。その蓋22の締付け時、蓋22の周壁端面22bがケーシング端面21aに当接してケーシング21に対し蓋22が位置決めされ、Oリング27の装填溝27aの大きさ(スペース)が決定される(不変となる)。このため、その当接度合を、周壁22aの高さ等を適宜に選択することにより、装填溝27aの大きさを調整することができ、これにより、Oリング27の押圧力、すなわち水晶振動子31の押圧力(挟持力)が決定される。その押圧力により、水晶振動子31の振動特性が決定されるため、その等価回路の共振抵抗を測定することにより、所要の振動特性となるようにその押圧力を設定する。
【選択図】 図1
【解決手段】ケーシング21にOリング27を介して水晶振動子31を載せ、蓋22をボルト28締めして水晶振動子31を支持固定する。その蓋22の締付け時、蓋22の周壁端面22bがケーシング端面21aに当接してケーシング21に対し蓋22が位置決めされ、Oリング27の装填溝27aの大きさ(スペース)が決定される(不変となる)。このため、その当接度合を、周壁22aの高さ等を適宜に選択することにより、装填溝27aの大きさを調整することができ、これにより、Oリング27の押圧力、すなわち水晶振動子31の押圧力(挟持力)が決定される。その押圧力により、水晶振動子31の振動特性が決定されるため、その等価回路の共振抵抗を測定することにより、所要の振動特性となるようにその押圧力を設定する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、物理化学分野における、物質の吸着量、密度、粘度等あるいはそれらの変化の計測に用いられる水晶振動子用測定プローブに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
今日、液体、気体などの物質の物理化学的特性を検出する手法として、水晶振動子の共振現象をもとに、その共振周波数等の測定によって被測定物の特性を検出する水晶振動子マイクロバランス法(QCM)があり、この手法に用いる水晶振動子用測定プローブとして、図6に示すものがある。
【0003】
この測定プローブ1は、ケーシング10の開口11に水晶振動子2を取り付けたものである。そのケーシング10は、下面が開口し上面が閉塞した筒状本体12と、その本体12の下部にOリング13を介してねじ込まれてその下面開口を閉じる底蓋14と、本体上部にねじ込まれる上蓋15からなる。本体12の上面には、Oリング13を介して前記水晶振動子2が取り付けられ、その上にさらにOリング13を介して上蓋15をねじ込むことにより、水晶振動子2が本体12に固定される。その上蓋15中央には、水晶振動子2を開放するように前記開口11が形成されている。ケーシング10内には、検出回路(基板)3が固定され、この検出回路3には、外部に導かれたケーブル4が接続されているとともに、ケーシング10内の電極5が接続され、この電極5がスプリング状端子6により水晶振動子2に接続されている。
【0004】
この測定プローブ1による測定は、例えば、被測定物が液体である場合、その液中に測定プローブ1を浸すと、被測定物が開口11から水晶振動子2の外面(表面)に接触する。この接触により、被測定物の特性(性状)に応じて水晶振動子12を含む検出回路の共振周波数等が変化し、その変化を検出回路3により信号として検出する。その検出信号は増幅されて、ケーブル4を通じて外部インピーダンス計測装置に送られ、被測定物の密度や粘度のほか汚れなどといった物理化学的特性が解析される(特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平2002−139413号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
この測定プローブ1は、従来、大気圧下などの低圧力下、例えば、ビーカーに被測定物を入れ、その被測定物中に浸して測定している。このため、例えば、化学プラントにおいて、そのライン中の流体の物理化学的特性を解析する場合には、そのラインから流体をビーカーに取出し、そのビーカー内で測定している。
【0007】
このとき、上記ビーカーへの取出作業は煩雑である。また、例えば、化学プラントにおいて、そのラインを流れる流体の流通状態における物理化学特性を得たいなどの要望がある。このライン、例えば反応缶にこの測定プローブ1を付設すると、水晶振動子2の表面には高圧力が印加し、その裏面に被測定物が漏れ出る恐れがある。このため、図6に示す従来の測定プローブ1を高圧流体が流れるラインに付設するには、ケーシング本体12に上蓋15を強く締め付けてOリング13を介したシール性を高めることとなる。
【0008】
このとき、水晶振動子2は強く締め付けすぎると、振動しなくなって使用不能となるため、その締め付け力を振動し得る一定値とする必要がある。しかし、上蓋15の締め付け途中で(図6の上蓋15をまだねじ込める状態で)その締め付け力を一定値とすることは困難である。
【0009】
また、ねじ込みは、ねじ山を斜めに進行して締め付けるため、水晶振動子2の全周に均一な締め付け力が付与されない。締め付け力が全周に均一でないと、水晶振動子2の特性が均一とならず、測定結果の信頼性が低下する。
【0010】
さらに、水晶振動子の一定の特性を得るためには、その一定特性となるように、締め付け力を、被測定物の圧力、 温度などの条件に対応して異ならせる必要があるが、 ねじ込み方式は、上述のようにそのねじ込み度合の均一性を得がたいため(組立の管理がしにくいため)、測定の再現性に欠け、 その異なる条件下の各測定値間の関係に信頼性を得がたい。
【0011】
因みに、QCMなどにおいて高い測定精度を得るには、でき得る限り自由な状態で振動させることが重要とされ、水晶振動子を挟持して拘束することは好ましくない、とされている。しかし、液体などと接触する場合には、その液体を水晶振動子の取付部から漏れないようにする必要があり、水晶振動子の挟持は避けられない。
【0012】
この発明は、水晶振動子を所定の締め付け力でもって容易に取付け得るようにすることを課題とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、この発明の一手段は、水晶振動子の電気的等価回路の共振抵抗でもって水晶振動子への押圧力を決定することとしたのである。
【0014】
具体的には、ケーシングに水晶振動子を設け、その水晶振動子に蓋を被せ、その蓋を前記ケーシングに固定することにより、前記水晶振動子をケーシングと蓋の間に支持固定し、前記蓋の開口を介して被測定物を前記水晶振動子に接触させてその性状を測定する水晶振動子用測定プローブにおいて、前記水晶振動子の電気的等価回路の共振抵抗でもってその水晶振動子への押圧力を決定する構成を採用し得る。
【0015】
水晶振動子を用いた測定プローブは、通常、ケーシングとその蓋などによって支持された構造になっているため、その水晶振動子の等価直列インダクタンス:L1 (H)、同等価直列容量:C1 (F1 )、同等価直列抵抗R1 (Ω)、(支持構造の容量(F)+電極容量の実効並列容量(F)):C0 (F)とすると、その水晶振動子は図5に示す等価回路で表わされる。この回路において、水晶振動子に対する締め付け力は、その共振抵抗と相関関係があるため、 その締め付け力を所要の共振抵抗となるようにすれば、 その共振抵抗での水晶振動子の特性を得ることができる。
【0016】
この発明の他の手段としては、水晶振動子をそのケーシングに取付ける蓋を前記ケーシングに固定した際、水晶振動子の介在スペースが不変となるようにしたのである。
【0017】
その「固定した際」とは、例えば、蓋をケーシングにねじ止めする際、蓋がケーシングの一部に当接し、そのねじをそれ以上ねじ込もうとしても、ケーシングに対し蓋が動き得ない状態をいう。また、「介在スペースが不変」とは、前記固定状態となることにより、機械的なそのスペース(クリアランス)が変わらない状態になることをいう(後述の実施形態参照)。介在スペースが不変となれば、例えば、Oリングを介した水晶振動子の押圧力(締め付け力又は挟持力)は一定となる。
【0018】
具体的には、ケーシングに水晶振動子を設け、その水晶振動子に蓋を被せ、その蓋を前記ケーシングに固定することにより、前記水晶振動子をケーシングと蓋の間に支持固定し、前記蓋の開口を介して被測定物を水晶振動子に接触させてその性状を測定する水晶振動子用測定プローブにおいて、前記蓋をケーシングに固定した際、前記介在スペースは不変となって水晶振動子には所要の押圧力が作用している構成を採用し得る。
【0019】
その蓋をケーシングに固定する手段としては、蓋をケーシングにその固定方向において当接させたり、蓋とケーシングの間にその両者に当接するスペーサを介在する等が考えられる。また、水晶振動子取付部のシール性は、その水晶振動子と蓋及びケーシングの間にOリング等を介在することに担保する。
【0020】
蓋をケーシングに固定する手段としては、蓋の水晶振動子周りに複数のボルトを周方向等間隔にねじ通し、そのボルトを上記固定方向にねじ込む等が考えられる。この等間隔のねじ込みによれば、各ボルトの締め付け力を均一にすることにより、水晶振動子の周り全周に亘って均一な締め付け力を付与することができる。
【0021】
水晶振動子の締め付け力(押圧力)は、液漏れが生じることなく、かつ水晶振動子が十分に振動して測定がし得るように、実験等により適宜に決定する。その締め付け力は、例えば、上述の水晶振動子の電気的等価回路の共振抵抗でもって一定の値を得るようにする。
【0022】
【実施の形態】
一実施形態を図1及び図2に示し、この実施形態に係わる水晶振動子用測定装置は、被測定物に浸たされる水晶振動子用測定プローブ20と圧力調整器40及び検出回路30とからなる。
【0023】
水晶振動子用測定プローブ20は、ケ−シング21、その蓋22及びケーシング取付用フランジ23で構成され、そのケーシング21内は密封空間24と回路用空間25及び被測定物空間26の3つの空間を有し、それぞれ一端に開口24a,25a,26aを、他端にはフランジ23を貫通する水密な孔24b,25b,26bを有している。前記密封空間24の開口24aには、水晶振動子31が耐水密性、耐薬品性のあるOリング27を表裏面に介して蓋22で固定され、この固定により、水晶振動子31はその周りを両Oリング27、27で挟持された状態で開口24aに水密に取り付けられて、その内側に水密な空間が形成される。 上記被測定物空間26は、その開口26aが圧力取入用に開放されており、この測定プローブ20を被測定物に浸すと、その開口26aから被測定物空間26に被測定物が入り込む。
【0024】
上記蓋22は周壁22aを有してその周壁22aの周方向等間隔にボルト28が挿通可能となっており、ケーシング21に蓋22をステンレス等の金属製アジャスター29を介して嵌めてボルト28をねじ込むことにより固定する。この固定により、水晶振動子31はその周りに均一かつ所定の締め付け力(押圧力)でもって取付けられる。このとき、周壁端面22bがケーシング端面21bに当接してケーシング21に対し蓋22が位置決めされ、上記Oリング27の装填溝27aの大きさ(スペース)が決定される(不変となる)。このため、その当接度合を、周壁22aの高さ、アジャスター29の厚みを適宜に選択することにより、装填溝27aの大きさを調整することができ、これにより、Oリング27の押圧力、すなわち水晶振動子31への押圧力(挟持力)が決定される。その押圧力により、水晶振動子31の振動特性が決定されるため、上述の等価回路の共振抵抗を測定することにより、所要の振動特性となるようにその押圧力を設定する。図中、28aはボルト28と蓋22間に介在されるガスケット、29aはケーシング21と蓋22の間をシールするOリングである。
【0025】
上記水晶振動子31には電極(図示せず)が蒸着され、その電極には信号ケーブル32が接続されている。その信号ケーブル32は、回路用空間25を通って前記孔25bからケーシング21外に引き出され、検出回路30へ接続されている。その検出回路30はさらに、外部インピーダンス計測装置に接続される。
【0026】
圧力調整器40は、その内部に3つの空間41,42,43を有し、その中程の空間42にピストン44が嵌入され、その両側が液室42aと液室42bとなって複動式シリンダーを構成している。その一方の液室42aは、前記密封空間24の孔24bから引き出されたチューブからなる密封空間加圧ライン33が接続されて、このライン33により密封空間24の圧力P(この圧力Pは、圧力計52で見ることができる。)が液室42aに印加する。他方の液室42bには、前記被測定物空間26の孔26bから引き出されたチューブからなる被測定物加圧ライン34が接続されて、このライン34により被測定物の圧力Q(この圧力Qは、圧力計51で見ることができる。)が液室42bに印加する。
【0027】
このため、前記被測定物の圧力が上昇し、その被測定物空間26の圧力が増大すると、液室42bにその被測定物の圧力Qが加わり(Q>P)、ピストン44が上に押されるので、スプリング46の弾性力に抗して弁45a,45bが図1の破線のごとく押し上げられる。この押し上げにより、弁45aが開放され、圧縮空気ボンベ47から供給された空間41内の圧縮空気が液室42aに流入する。液室42aは、密封空間加圧ライン33を介して前記密封空間24に連通しているため、この流入した圧縮空気により密封空間24が加圧され、密封空間圧力Pが被測定物圧力Qと平衡する。
【0028】
逆に、前記被測定物の圧力が減少し、その被測定物空間26の圧力が減少すると、液室42bの被測定物圧力Qが下がり(Q<P)、ピストン44が下に押されるので、弁45bが開放され、液室42a内の空気が導管42cを通って空間43に流れて外部に排出される。この空気の排出により、液室42aと密封空間加圧ライン33を介して連通している密封空間24が減圧され、被測定物圧力Pが密封空間圧力Qと平衡する。このようにして、被測定物圧力Pと密封空間圧力Qが平衡するので、前記水晶振動子31の表裏面には常に同じ圧力が加わる。この密封空間24や液室42aに封入する気体は、空気に代えて、窒素等の不活性ガスを用いてもよい。
【0029】
この実施形態は、上記のように構成されており、水晶振動子用測定プローブ20を、例えば化学プラントの反応缶, 配管などのライン中に浸し、その壁Hにフランジ23でもって取付けると、水晶振動子31の外表面が蓋22の開口22cを介してそのライン中の被測定物たる流体に触れるとともに、前記被測定物空間26には被測定物が流入する。
【0030】
この状態で水晶振動子31を振動させて測定する際、この圧力調整器40により被測定物の圧力に応じて、前記密封空間24側の圧力が調整され、水晶振動子31の表裏面の圧力の平衡が保たれる。これにより、どのような圧力下の被測定物であっても、前記圧力調整器40の機能の範囲内であれば正確に計測することができる。例えば、特に、化学プラントの反応缶での使用の場合には、おおむね10kgf/cm2 (9800hPa)以上の圧力下での使用となるが、この水晶振動子用測定装置は、水晶振動子31の押圧力を調整してその表裏面の圧力を調整することにより、この反応缶の圧力下においても使用可能である。もちろん、圧力調整機能を有しているので、高圧の被測定物のみならず、低圧の被測定物でも計測可能であり、圧力が変動する被測定物も計測可能である。
【0031】
一方、前記密封空間24と被測定物の圧力差がそれほど大きくない場合には、上記の圧力調整器40を用いずに、前記密封空間24に予め前記水晶振動子31が耐え得る圧力を印加しておくことができる。例えば、この水晶振動子用測定プローブ20において、予め密封空間24に圧力Bを印加すれば、この水晶振動子31の強度が耐え得る表裏面の圧力差がAであるとき、この水晶振動子用測定プローブ20は、被測定物の圧力がB−AからB+Aの範囲にある場合に計測できる。この範囲内であれば、外面に接する被測定物の圧力が増大した場合でもそのまま圧力調整をせずに計測が可能であり、水晶振動子用測定プローブ20の構造を簡略化できる。
【0032】
このように圧力調整器40の機能を用いない場合、水晶振動子31の表裏面に圧力差が生じると、共振周波数等の測定値に変化が生じるため、そのままでは被測定物の特性の解析が不正確となる場合がある。このため、前記圧力差と測定値の変化には相関関係があるため、前記両圧力の差に基づき、検出回路30の測定値を補正して、被測定物の特性を解析する。この手法により、前記圧力差が水晶振動子31の強度の範囲内にある場合は、敢えて密封空間24の圧力調整を行わなくとも被測定物の計測によって被測定物の特性の解析が可能であり、測定が容易になる。
【0033】
上記Oリング27、27による水晶振動子31の押圧力を決定する態様としては、上述の実施形態以外に種々のものが考えられる。例えば、図3に示すように、ボルト28をその締め代が決まったものとし、そのボルト28を完全にねじ込んだ時点で、ケーシング21に対し蓋22が所要量動くようにし、その許容移動量のスペース27aにOリング27を装填することにより、Oリング27の弾力でもって、水晶振動子31を所要の押圧力で挟持する。また、図4に示すように、ケーシング21と蓋22の間にOリング27の押え板60を介在し、この押え板60がケーシング21の端面に当接することにより、Oリング27のスペースを不変なものとする等である。
【0034】
【発明の効果】
この発明は、以上のようにして、水晶振動子を均一かつ所定の締め付け力(押圧力)でもって取付固定するようにしたので、化学プラントなどのライン等における圧力下においても、正確な測定を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施形態の概略図
【図2】同実施形態の水晶振動子用測定プローブの部分分解斜視図
【図3】他の実施形態の要部断面図
【図4】他の実施形態の要部断面図
【図5】水晶振動子用測定プローブの等価回路図
【図6】従来例の概略図
【符号の説明】
20 測定用プローブ
21 ケーシング
21a ケーシング端面
22 蓋
22a 蓋周壁
22b 蓋周壁端面
22c 被測定物印加用開口
27 Oリング
27a Oリング装填溝(水晶振動子介在スペース)
31 水晶振動子
【発明の属する技術分野】
この発明は、物理化学分野における、物質の吸着量、密度、粘度等あるいはそれらの変化の計測に用いられる水晶振動子用測定プローブに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
今日、液体、気体などの物質の物理化学的特性を検出する手法として、水晶振動子の共振現象をもとに、その共振周波数等の測定によって被測定物の特性を検出する水晶振動子マイクロバランス法(QCM)があり、この手法に用いる水晶振動子用測定プローブとして、図6に示すものがある。
【0003】
この測定プローブ1は、ケーシング10の開口11に水晶振動子2を取り付けたものである。そのケーシング10は、下面が開口し上面が閉塞した筒状本体12と、その本体12の下部にOリング13を介してねじ込まれてその下面開口を閉じる底蓋14と、本体上部にねじ込まれる上蓋15からなる。本体12の上面には、Oリング13を介して前記水晶振動子2が取り付けられ、その上にさらにOリング13を介して上蓋15をねじ込むことにより、水晶振動子2が本体12に固定される。その上蓋15中央には、水晶振動子2を開放するように前記開口11が形成されている。ケーシング10内には、検出回路(基板)3が固定され、この検出回路3には、外部に導かれたケーブル4が接続されているとともに、ケーシング10内の電極5が接続され、この電極5がスプリング状端子6により水晶振動子2に接続されている。
【0004】
この測定プローブ1による測定は、例えば、被測定物が液体である場合、その液中に測定プローブ1を浸すと、被測定物が開口11から水晶振動子2の外面(表面)に接触する。この接触により、被測定物の特性(性状)に応じて水晶振動子12を含む検出回路の共振周波数等が変化し、その変化を検出回路3により信号として検出する。その検出信号は増幅されて、ケーブル4を通じて外部インピーダンス計測装置に送られ、被測定物の密度や粘度のほか汚れなどといった物理化学的特性が解析される(特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平2002−139413号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
この測定プローブ1は、従来、大気圧下などの低圧力下、例えば、ビーカーに被測定物を入れ、その被測定物中に浸して測定している。このため、例えば、化学プラントにおいて、そのライン中の流体の物理化学的特性を解析する場合には、そのラインから流体をビーカーに取出し、そのビーカー内で測定している。
【0007】
このとき、上記ビーカーへの取出作業は煩雑である。また、例えば、化学プラントにおいて、そのラインを流れる流体の流通状態における物理化学特性を得たいなどの要望がある。このライン、例えば反応缶にこの測定プローブ1を付設すると、水晶振動子2の表面には高圧力が印加し、その裏面に被測定物が漏れ出る恐れがある。このため、図6に示す従来の測定プローブ1を高圧流体が流れるラインに付設するには、ケーシング本体12に上蓋15を強く締め付けてOリング13を介したシール性を高めることとなる。
【0008】
このとき、水晶振動子2は強く締め付けすぎると、振動しなくなって使用不能となるため、その締め付け力を振動し得る一定値とする必要がある。しかし、上蓋15の締め付け途中で(図6の上蓋15をまだねじ込める状態で)その締め付け力を一定値とすることは困難である。
【0009】
また、ねじ込みは、ねじ山を斜めに進行して締め付けるため、水晶振動子2の全周に均一な締め付け力が付与されない。締め付け力が全周に均一でないと、水晶振動子2の特性が均一とならず、測定結果の信頼性が低下する。
【0010】
さらに、水晶振動子の一定の特性を得るためには、その一定特性となるように、締め付け力を、被測定物の圧力、 温度などの条件に対応して異ならせる必要があるが、 ねじ込み方式は、上述のようにそのねじ込み度合の均一性を得がたいため(組立の管理がしにくいため)、測定の再現性に欠け、 その異なる条件下の各測定値間の関係に信頼性を得がたい。
【0011】
因みに、QCMなどにおいて高い測定精度を得るには、でき得る限り自由な状態で振動させることが重要とされ、水晶振動子を挟持して拘束することは好ましくない、とされている。しかし、液体などと接触する場合には、その液体を水晶振動子の取付部から漏れないようにする必要があり、水晶振動子の挟持は避けられない。
【0012】
この発明は、水晶振動子を所定の締め付け力でもって容易に取付け得るようにすることを課題とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、この発明の一手段は、水晶振動子の電気的等価回路の共振抵抗でもって水晶振動子への押圧力を決定することとしたのである。
【0014】
具体的には、ケーシングに水晶振動子を設け、その水晶振動子に蓋を被せ、その蓋を前記ケーシングに固定することにより、前記水晶振動子をケーシングと蓋の間に支持固定し、前記蓋の開口を介して被測定物を前記水晶振動子に接触させてその性状を測定する水晶振動子用測定プローブにおいて、前記水晶振動子の電気的等価回路の共振抵抗でもってその水晶振動子への押圧力を決定する構成を採用し得る。
【0015】
水晶振動子を用いた測定プローブは、通常、ケーシングとその蓋などによって支持された構造になっているため、その水晶振動子の等価直列インダクタンス:L1 (H)、同等価直列容量:C1 (F1 )、同等価直列抵抗R1 (Ω)、(支持構造の容量(F)+電極容量の実効並列容量(F)):C0 (F)とすると、その水晶振動子は図5に示す等価回路で表わされる。この回路において、水晶振動子に対する締め付け力は、その共振抵抗と相関関係があるため、 その締め付け力を所要の共振抵抗となるようにすれば、 その共振抵抗での水晶振動子の特性を得ることができる。
【0016】
この発明の他の手段としては、水晶振動子をそのケーシングに取付ける蓋を前記ケーシングに固定した際、水晶振動子の介在スペースが不変となるようにしたのである。
【0017】
その「固定した際」とは、例えば、蓋をケーシングにねじ止めする際、蓋がケーシングの一部に当接し、そのねじをそれ以上ねじ込もうとしても、ケーシングに対し蓋が動き得ない状態をいう。また、「介在スペースが不変」とは、前記固定状態となることにより、機械的なそのスペース(クリアランス)が変わらない状態になることをいう(後述の実施形態参照)。介在スペースが不変となれば、例えば、Oリングを介した水晶振動子の押圧力(締め付け力又は挟持力)は一定となる。
【0018】
具体的には、ケーシングに水晶振動子を設け、その水晶振動子に蓋を被せ、その蓋を前記ケーシングに固定することにより、前記水晶振動子をケーシングと蓋の間に支持固定し、前記蓋の開口を介して被測定物を水晶振動子に接触させてその性状を測定する水晶振動子用測定プローブにおいて、前記蓋をケーシングに固定した際、前記介在スペースは不変となって水晶振動子には所要の押圧力が作用している構成を採用し得る。
【0019】
その蓋をケーシングに固定する手段としては、蓋をケーシングにその固定方向において当接させたり、蓋とケーシングの間にその両者に当接するスペーサを介在する等が考えられる。また、水晶振動子取付部のシール性は、その水晶振動子と蓋及びケーシングの間にOリング等を介在することに担保する。
【0020】
蓋をケーシングに固定する手段としては、蓋の水晶振動子周りに複数のボルトを周方向等間隔にねじ通し、そのボルトを上記固定方向にねじ込む等が考えられる。この等間隔のねじ込みによれば、各ボルトの締め付け力を均一にすることにより、水晶振動子の周り全周に亘って均一な締め付け力を付与することができる。
【0021】
水晶振動子の締め付け力(押圧力)は、液漏れが生じることなく、かつ水晶振動子が十分に振動して測定がし得るように、実験等により適宜に決定する。その締め付け力は、例えば、上述の水晶振動子の電気的等価回路の共振抵抗でもって一定の値を得るようにする。
【0022】
【実施の形態】
一実施形態を図1及び図2に示し、この実施形態に係わる水晶振動子用測定装置は、被測定物に浸たされる水晶振動子用測定プローブ20と圧力調整器40及び検出回路30とからなる。
【0023】
水晶振動子用測定プローブ20は、ケ−シング21、その蓋22及びケーシング取付用フランジ23で構成され、そのケーシング21内は密封空間24と回路用空間25及び被測定物空間26の3つの空間を有し、それぞれ一端に開口24a,25a,26aを、他端にはフランジ23を貫通する水密な孔24b,25b,26bを有している。前記密封空間24の開口24aには、水晶振動子31が耐水密性、耐薬品性のあるOリング27を表裏面に介して蓋22で固定され、この固定により、水晶振動子31はその周りを両Oリング27、27で挟持された状態で開口24aに水密に取り付けられて、その内側に水密な空間が形成される。 上記被測定物空間26は、その開口26aが圧力取入用に開放されており、この測定プローブ20を被測定物に浸すと、その開口26aから被測定物空間26に被測定物が入り込む。
【0024】
上記蓋22は周壁22aを有してその周壁22aの周方向等間隔にボルト28が挿通可能となっており、ケーシング21に蓋22をステンレス等の金属製アジャスター29を介して嵌めてボルト28をねじ込むことにより固定する。この固定により、水晶振動子31はその周りに均一かつ所定の締め付け力(押圧力)でもって取付けられる。このとき、周壁端面22bがケーシング端面21bに当接してケーシング21に対し蓋22が位置決めされ、上記Oリング27の装填溝27aの大きさ(スペース)が決定される(不変となる)。このため、その当接度合を、周壁22aの高さ、アジャスター29の厚みを適宜に選択することにより、装填溝27aの大きさを調整することができ、これにより、Oリング27の押圧力、すなわち水晶振動子31への押圧力(挟持力)が決定される。その押圧力により、水晶振動子31の振動特性が決定されるため、上述の等価回路の共振抵抗を測定することにより、所要の振動特性となるようにその押圧力を設定する。図中、28aはボルト28と蓋22間に介在されるガスケット、29aはケーシング21と蓋22の間をシールするOリングである。
【0025】
上記水晶振動子31には電極(図示せず)が蒸着され、その電極には信号ケーブル32が接続されている。その信号ケーブル32は、回路用空間25を通って前記孔25bからケーシング21外に引き出され、検出回路30へ接続されている。その検出回路30はさらに、外部インピーダンス計測装置に接続される。
【0026】
圧力調整器40は、その内部に3つの空間41,42,43を有し、その中程の空間42にピストン44が嵌入され、その両側が液室42aと液室42bとなって複動式シリンダーを構成している。その一方の液室42aは、前記密封空間24の孔24bから引き出されたチューブからなる密封空間加圧ライン33が接続されて、このライン33により密封空間24の圧力P(この圧力Pは、圧力計52で見ることができる。)が液室42aに印加する。他方の液室42bには、前記被測定物空間26の孔26bから引き出されたチューブからなる被測定物加圧ライン34が接続されて、このライン34により被測定物の圧力Q(この圧力Qは、圧力計51で見ることができる。)が液室42bに印加する。
【0027】
このため、前記被測定物の圧力が上昇し、その被測定物空間26の圧力が増大すると、液室42bにその被測定物の圧力Qが加わり(Q>P)、ピストン44が上に押されるので、スプリング46の弾性力に抗して弁45a,45bが図1の破線のごとく押し上げられる。この押し上げにより、弁45aが開放され、圧縮空気ボンベ47から供給された空間41内の圧縮空気が液室42aに流入する。液室42aは、密封空間加圧ライン33を介して前記密封空間24に連通しているため、この流入した圧縮空気により密封空間24が加圧され、密封空間圧力Pが被測定物圧力Qと平衡する。
【0028】
逆に、前記被測定物の圧力が減少し、その被測定物空間26の圧力が減少すると、液室42bの被測定物圧力Qが下がり(Q<P)、ピストン44が下に押されるので、弁45bが開放され、液室42a内の空気が導管42cを通って空間43に流れて外部に排出される。この空気の排出により、液室42aと密封空間加圧ライン33を介して連通している密封空間24が減圧され、被測定物圧力Pが密封空間圧力Qと平衡する。このようにして、被測定物圧力Pと密封空間圧力Qが平衡するので、前記水晶振動子31の表裏面には常に同じ圧力が加わる。この密封空間24や液室42aに封入する気体は、空気に代えて、窒素等の不活性ガスを用いてもよい。
【0029】
この実施形態は、上記のように構成されており、水晶振動子用測定プローブ20を、例えば化学プラントの反応缶, 配管などのライン中に浸し、その壁Hにフランジ23でもって取付けると、水晶振動子31の外表面が蓋22の開口22cを介してそのライン中の被測定物たる流体に触れるとともに、前記被測定物空間26には被測定物が流入する。
【0030】
この状態で水晶振動子31を振動させて測定する際、この圧力調整器40により被測定物の圧力に応じて、前記密封空間24側の圧力が調整され、水晶振動子31の表裏面の圧力の平衡が保たれる。これにより、どのような圧力下の被測定物であっても、前記圧力調整器40の機能の範囲内であれば正確に計測することができる。例えば、特に、化学プラントの反応缶での使用の場合には、おおむね10kgf/cm2 (9800hPa)以上の圧力下での使用となるが、この水晶振動子用測定装置は、水晶振動子31の押圧力を調整してその表裏面の圧力を調整することにより、この反応缶の圧力下においても使用可能である。もちろん、圧力調整機能を有しているので、高圧の被測定物のみならず、低圧の被測定物でも計測可能であり、圧力が変動する被測定物も計測可能である。
【0031】
一方、前記密封空間24と被測定物の圧力差がそれほど大きくない場合には、上記の圧力調整器40を用いずに、前記密封空間24に予め前記水晶振動子31が耐え得る圧力を印加しておくことができる。例えば、この水晶振動子用測定プローブ20において、予め密封空間24に圧力Bを印加すれば、この水晶振動子31の強度が耐え得る表裏面の圧力差がAであるとき、この水晶振動子用測定プローブ20は、被測定物の圧力がB−AからB+Aの範囲にある場合に計測できる。この範囲内であれば、外面に接する被測定物の圧力が増大した場合でもそのまま圧力調整をせずに計測が可能であり、水晶振動子用測定プローブ20の構造を簡略化できる。
【0032】
このように圧力調整器40の機能を用いない場合、水晶振動子31の表裏面に圧力差が生じると、共振周波数等の測定値に変化が生じるため、そのままでは被測定物の特性の解析が不正確となる場合がある。このため、前記圧力差と測定値の変化には相関関係があるため、前記両圧力の差に基づき、検出回路30の測定値を補正して、被測定物の特性を解析する。この手法により、前記圧力差が水晶振動子31の強度の範囲内にある場合は、敢えて密封空間24の圧力調整を行わなくとも被測定物の計測によって被測定物の特性の解析が可能であり、測定が容易になる。
【0033】
上記Oリング27、27による水晶振動子31の押圧力を決定する態様としては、上述の実施形態以外に種々のものが考えられる。例えば、図3に示すように、ボルト28をその締め代が決まったものとし、そのボルト28を完全にねじ込んだ時点で、ケーシング21に対し蓋22が所要量動くようにし、その許容移動量のスペース27aにOリング27を装填することにより、Oリング27の弾力でもって、水晶振動子31を所要の押圧力で挟持する。また、図4に示すように、ケーシング21と蓋22の間にOリング27の押え板60を介在し、この押え板60がケーシング21の端面に当接することにより、Oリング27のスペースを不変なものとする等である。
【0034】
【発明の効果】
この発明は、以上のようにして、水晶振動子を均一かつ所定の締め付け力(押圧力)でもって取付固定するようにしたので、化学プラントなどのライン等における圧力下においても、正確な測定を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施形態の概略図
【図2】同実施形態の水晶振動子用測定プローブの部分分解斜視図
【図3】他の実施形態の要部断面図
【図4】他の実施形態の要部断面図
【図5】水晶振動子用測定プローブの等価回路図
【図6】従来例の概略図
【符号の説明】
20 測定用プローブ
21 ケーシング
21a ケーシング端面
22 蓋
22a 蓋周壁
22b 蓋周壁端面
22c 被測定物印加用開口
27 Oリング
27a Oリング装填溝(水晶振動子介在スペース)
31 水晶振動子
Claims (5)
- ケーシング21に水晶振動子31を設け、その水晶振動子31に蓋22を被せ、その蓋22を前記ケーシング21に固定することにより、前記水晶振動子31をケーシング21と蓋22の間に支持固定し、前記蓋22の開口22cを介して被測定物を前記水晶振動子31に接触させてその性状を測定する水晶振動子用測定プローブ20において、
上記水晶振動子31の電気的等価回路の共振抵抗でもってその水晶振動子31の上記蓋22の固定による押圧力を決定したことを特徴とする水晶振動子用測定プローブ。 - ケーシング21に水晶振動子31を設け、その水晶振動子31に蓋22を被せ、その蓋22を前記ケーシング21に固定することにより、前記水晶振動子31をケーシング21と蓋22の間に支持固定し、前記蓋22の開口22cを介して被測定物を前記水晶振動子31に接触させてその性状を測定する水晶振動子用測定プローブ20において、
上記蓋22をケーシング21に固定した際、上記水晶振動子31の介在スペース27aは不変となってその水晶振動子31には前記蓋22の固定による所要の押圧力が作用していることを特徴とする水晶振動子用測定プローブ。 - 上記蓋22をケーシング21に固定した際、蓋22がケーシング21にその固定方向において当接して、上記水晶振動子31の介在スペース27aが不変とされることを特徴とする請求項2に記載の水晶振動子用測定プローブ。
- 上記蓋22とケーシング21の間にその両者に当接するスペーサ60を介在し、そのスペーサ60により、上記水晶振動子31の介在スペース27aを不変とすることを特徴とする請求項2に記載の水晶振動子用測定プローブ。
- 上記蓋22の上記水晶振動子31周りに複数のボルト28を周方向等間隔にねじ通し、そのボルト28を上記固定方向にねじ込むことにより、前記蓋22をケーシング21に固定したことを特徴とする請求項1乃至4に記載の水晶振動子用測定プローブ。
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JP2012013535A (ja) * | 2010-06-30 | 2012-01-19 | Nippon Dempa Kogyo Co Ltd | 感知装置 |
JP2012013534A (ja) * | 2010-06-30 | 2012-01-19 | Nippon Dempa Kogyo Co Ltd | 感知装置 |
JP2012215388A (ja) * | 2011-03-31 | 2012-11-08 | Kyocera Crystal Device Corp | 感応膜形成用ジグ及び感応膜形成方法 |
CN114877916A (zh) * | 2022-03-29 | 2022-08-09 | 中科艾科米(北京)科技有限公司 | 石英晶振器探头、具有其的电子设备及其应用 |
-
2003
- 2003-04-15 JP JP2003109943A patent/JP2004317225A/ja active Pending
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