JP2005083821A - マイクロ波式濃度計 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、被測定用液体の温度の急変や、周囲温度の変化があっても、測定誤差の影響を軽減することが可能なマイクロ波式濃度計を提供することを目的とする。
【解決手段】 マイクロ波を送信するためのマイクロ波発信器１と、被測定液体を流すための配管５と、マイクロ波発信器１からの信号でマイクロ波を送信する送信アンテナ６と送信アンテナからのマイクロ波を異なる対向距離で受信するように配置された受信アンテナ７及び受信アンテナ８と、夫々のアンテナからのマイクロ波信号の位相差を測定する位相差測定部９によって、送信アンテナ６及び受信アンテナ７、８の伝播時間の影響を除去し、この位相差測定部９の出力を温度計１２の出力によって被測定溶液の液温を濃度演算部１０で補正することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ波の伝播時間遅れに基づいて、被測定液体の濃度を測定するマイクロ波式濃度計に係り、特に、被測定液体の液温や、周囲温度が変化した場合の濃度の測定誤差を改良したマイクロ波式濃度計に関する。

従来、液体中の懸濁物質や溶解性物質を含む被測定液体の濃度を測定する方式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や散乱光増加率等を測定して濃度を求める光学式濃度計が用いられている。

ところが、超音波式濃度計では、液体中に気泡が混入している場合にその影響を受けて測定誤差が増大するという問題があった。また、光学式濃度計においては、光を入射或いは受光する光学窓に汚れが付着するとその影響を受けて、やはり、その測定誤差が増大する問題があった。

そこで、最近ではこれらの気泡や汚れによる測定誤差の生じにくい機器としてマイクロ波式濃度計が開発され、実用化されるようになってきている。

図６は係るマイクロ波式濃度計の構成を示す構成図である。このマイクロ波式濃度計は、マイクロ波発振器１から発信されたマイクロ波がパワース
プリッタ２により基準系経路と、測定系経路とに分配される。

まず、基準系経路を通るマイクロ波は、伝送ケーブル３を介して位相差測定回路１９に導入される。一方、測定系経路を通るマイクロ波は、配管５の側壁の支持部材４に取り付けられ、配管５内に挿入されたマイクロ波の送信アンテナ６を介して入射し、配管５内を流れる被測定液体中を通過したマイクロ波を同じ支持部材４に、対向して取り付けられたマイクロ波の受信アンテナ７で受信し、受信した信号を受信アンテナ７から位相差測定回路１９に導入される。

また、被測定液体は、濃度ゼロ（又は基準値）の濃度基準用液体と、濃度ｘの被測定用液体との２種類があり、それぞれ個別に配管に流されて、位相遅れθ１及びθ２が測定される。

すなわち、位相測定回路１９においては、マイクロ波発振器１から伝送ケーブル３等を経由して直接受信するマイクロ波を位相基準とし、これに対して配管５内に濃度の被測定用液体を充填して流したときのマイクロ波の位相遅れθ２を測定し、配管５内に濃度基準用液体（例えば、濃度ゼロとみなせる水道水）を充填して流したときのマイクロ波の位相遅れに起因する位相差θ１を測定し、θ２とθ１とを比較し、位相差Δθ=（θ２−θ１）を求めて濃度演算部２０に送出する。

濃度演算部２０は、この位相差Δθ及び予め校正された検量線に基づいて、ゼロ点温度補正回路２０ａでゼロ点補正を行い、さらに、濃度演算回路２０ｂで被測定用液体の濃度を算出する。

このようなマイクロ波式濃度計は次のような原理に基づいている。すなわち、被測定用液体中の懸濁物質または溶解性物質の濃度が変化すると被測定液体全体としての誘電率、導電率が変化する。誘電率、導電率が変化すると、被測定用液体中を伝播するマイクロ波の速度が変化する。

ここで、マイクロ波式濃度計は、このような濃度変化によるマイクロ波の速度変化を位相の変化として測定し、その位相変化の位相差△θが濃度に比例するという原理に基づいて測定している。

また、以上のようなマイクロ波式濃度計は、一般的に被測定用液体の誘電率が温度によって変化し、位相差△θに影響を与えることから、液温補正が行なわれている。

例えば、濃度基準用液体が水の場合、被測定用液体の液温ｔｓとゼロ点すなわち位相差Δθの測定時の水温ｔｗとの差△ｔ（＝ｔｓ−ｔｗ）と、位相差補正値△θｔとの関係を予め求めておき、液温補正後の位相差△θ’＝（△θ−△θｔ）を用いて検量線に基づき、濃度が算出されている。

以上のようなマイクロ波式濃度計では、懸濁物質の誘電率が温度によって変化する物質が被測定用液体の場合、濃度の測定結果が不正確となる場合がある。

このため、濃度が高い場合やゼロ点との液温差が大きい場合には、水温のみの補正、即ちゼロ点の平行移動だけの補正では不充分であることから温度に応じて誘電率が変化する物質の懸濁液や溶液からなる被測定用液体に対し、濃度を正確に測定するため、検量線の曲線をある幅の温度範囲で分割して、その分割された範囲において所定の直線関係で近似した検量線の傾きや、検量線の切片（ゼロ点）を補正する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−２４２０９９号公報

しかし、従来のマイクロ波式濃度計の構成では、被測定用液体の液温が急変した場合、また基準系経路の周囲温度と測定系経路の被測定用液体の液温とに差が発生した場合に、送信アンテナ、受信アンテナの温度応答特性の相違によってマイクロ波の伝播速度が変動し測定誤差が発生する問題がある。

さらに、受信アンテナ、送信アンテナの温度時定数は、測温抵抗体等の小熱容量金属の時定数と異なり、セラミックスなどの熱伝導率の低い誘電体で構成されるため、通常数分乃至６０分程度の時定数となり、測定誤差が長時間発生する問題がある。

また、配管径が小さく、マイクロ波の送信距離に対する送信アンテナ及び受信アンテナ内のマイクロ波伝播距離の占める割合が増えてくると、送信アンテナ及び受信アンテナ内の伝播時間の変化が無視できず、誤差も大きくなる。

本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたもので、送信アンテナと受信アンテナ内の伝播速度変化の影響受けないようにして、液温の急変や周囲温度と被測定用液体の温度差による測定誤差を短時間で軽減することが可能な高精度なマイクロ波濃度計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のマイクロ波式濃度計は、請求項1によれば、マイクロ波発信手段からマイクロ波が供給される送信アンテナと、前記送信アンテナと所定の第１の間隔で、対向して配置された第１の受信アンテナと、前記送信アンテナと所定の第２の間隔で対向して配置された第２の受信アンテナと、前記送信アンテナと、前記第１の受信アンテナ及び第２の受信アンテナは、ずれをも被測定液体中に配置またはいずれをも被測定液体に接液させ、もしくはいずれか一方を前記被測定液体中に他方を接液させ、前記第１の間隔と前記第２の間隔とを所定の距離差で固定し、前記送信アンテナと前記第１の受信アンテナとの間のマイクロ波の位相遅れθｒ１と前記送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの間のマイクロ波の位相遅れθｒ２との位相差Δθ（＝θｒ２-θｒ１）を測定する位相差測定部と、前記被測定液体の温度を測定する温度検出手段と、前記位相差測定部の出力及び前記温度検出手段の出力から前記被測定液体の濃度を演算する濃度演算部とを備えたことを特徴とする。

したがって、送信アンテナからのマイクロ波の伝播距離が異なる２台の受信アンテナへの伝播位相差を求めて、送信アンテナ及び受信アンテナ内のマイクロ波の伝播速度の変動を除去して濃度を測定するようにしたので、送信アンテナ及び受信アンテナ内の伝播速度変化の影響による測定誤差の影響を受けない、マイクロ波式濃度計を提供することができる。

また、請求項２によれば、マイクロ波発信手段からマイクロ波が供給される送信アンテナと、前記送信アンテナと所定の第１の間隔で、対向して配置された第１の受信アンテナと、前記送信アンテナと所定の第２の間隔で対向して配置された第２の受信アンテナと、前記被測定液体を流すために配管に取り付けられた支持部材と、前記送信アンテナと、前記第１の受信アンテナ及び第２の波受信アンテナは、ずれをも被測定液体中に配置し、前記第１の間隔と前記第２の間隔とを所定の距離差で前記支持部材に固定し、前記送信アンテナと前記第１の受信アンテナとの間のマイクロ波の位相遅れθｒ１と前記送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの間のマイクロ波の位相遅れθｒ２との位相差Δθ（＝θｒ２-θｒ１）を測定する位相差測定部と、前記支持部材に固定され、前記配管内に感温部を有する様に設けられた前記被測定液体の液温を測定する温度検出手段と、前記位相差測定部の出力及び前記温度計の出力から前記以被測定液体の濃度を求める濃度演算部とを備えたことを特徴とする。

したがって、送信アンテナ及び受信アンテナ内のマイクロ波の伝播速度変化の影響を除去した測定方式とし、更に、被測定液体中の温度を熱伝導率の大きいい温度計で検出して温度補正を行う様にしたので、温度の急変測定に対しても測定誤差が短時間で除去することが可能なマイクロ波式濃度計を提供することができる。

また、請求項４によれば、マイクロ波発信手段からマイクロ波が供給される送信アンテナと、前記送信アンテナと所定の第１の間隔で、対向して配置された第１の受信アンテナと、前記送信アンテナと所定の第２の間隔で対向して配置された第２の受信アンテナと、前記送信アンテナと、前記第１の受信アンテナ及び第２の波受信アンテナは、前記第１の間隔と前記第２の間隔とを所定の距離差で被測定液体を流す配管内壁に対向して固定し、前記送信アンテナと前記第１の受信アンテナとの間のマイクロ波の位相遅れθｍ１と前記送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの間のマイクロ波の位相遅れθｍ２との位相差Δθ（＝θｍ２-θｍ１）を測定する位相差測定部と、前記配管内の被測定液体の液温を検出する温度検出手段と、前記位相差測定部の出力と前記温度検出手段の出力から前記被測定液体の濃度を求める濃度演算部とを備えたことを特徴とする。

したがって、送信アンテナ及び受信アンテナを配管管壁に設け、且つ、送信アンテナ及び受信アンテナ内のマイクロ波の伝播速度変化の影響を除去した測定方式としたので、被測定流体の流れを妨げず、配管径が大きいものから、小さいものまで高い精度で測定することが可能なマイクロ波式濃度計を提供することができる。

以上説明したように、本発明によれば、送信アンテナ及び受信アンテナを同じ周囲温度環境となる様に取り付け、夫々の受信アンテナからの信号の位相差を測定する様に構成したので、送信アンテナ及び受信アンテナ内の温度伝播時間の変動による測定誤差を除去し、液温の急変や周囲温度と被測定用液体の温度差による測定誤差を短時間で軽減することが可能な高精度なマイクロ波濃度計を提供することが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１乃至図３を参照して説明する。図１は実施例１のマイクロ波式濃度計の構成図である。マイクロ波式濃度計には、送信アンテナ及び受信アンテナが配管内の被測定液体中に挿入される挿入型と呼ばれるものと、送信アンテナと受信アンテナが配管壁面に取り付けられた流通型とがある。

図６に示した従来技術で説明したものは挿入型で、マイクロ波発信器からのマイクロ波信号をパワースプリッタで分岐して、一方を基準系経路とし、他方は被測定液体中を伝播させる測定系経路とし、基準系経路と測定系経路とを伝播するマイクロ波の位相差から濃度を測定する方式であった。

図１に示す方式も挿入型であるが、従来方式と異なり、基準系経路がなくマイクロ波の伝播距離が異なる測定系経路を２系統設け、この２系統の伝播速度の位相差から被測定液体の濃度を求めるようにしている。

本実施の形態による構成は図１において、マイクロ波を発信するマイクロ波発信器１と、被測定液体を流す配管５内に挿入される送信アンテナ６と及び受信アンテナ７、８と、これらのアンテナを所定の位置に支持する支持部材４と、同じくこの支持部材４に取り付けられ被測定液体の温度を検出する温度計１２と、受信アンテナ７、８で受信したマイクロ波の位相差を測定する位相差検出部９及びこの位相差出力部９の出力から濃度を求める濃度演算部１０とからなる。

更に、濃度演算部１０は、被測定液体の液温を温度計１２から導入し、位相差検出部１２の出力のゼロ点を補正するゼロ点温度補正回路１０ａと、濃度演算を行う濃度演算回路１０ｂとから構成される。

次に、各部の詳細について説明する。支持部材４及び配管５は、被測定液体が変質しないＳＵＳ等の金属製の管で、支持部材４には送信アンテナ６、受信アンテナ７、８が異なる対向距離で取り付けられる。

この部分の詳細断面構造を図２に示す。マイクロ波の送信アンテナ６、受信アンテナ７、８は送信方向に窓穴部を設け、この窓穴部の中心軸部にモノポールアンテナ線を配置し、モノポールアンテナ線と支持部材４をセラミックス等の誘電体で一体形成し密封構造としておく。

また、送信アンテナ６と受信アンテナ７、８との対向距離は、夫々の伝播距離から所定の位相差が検出できるような、異なる間隔で取り付け、さらに被測定液体の液温変化に対しても温度差が生じない様に、同じ温度分布特性を確保できるように配管５内の略中央に配置しておく。

また、温度計１２は温度応答時定数が送信アンテナ６、受信アンテナ７、８の熱伝導率が大きく、且つ、被測定液体の配管５内の平均温度が検出可能なコンパクトな形状の白金測温抵抗体等を選定し、配管５の略中央で、マイクロ波の伝播経路に影響しない位置で支持部材４に固定する。

このように設定されたマイクロ波式濃度計の測定原理について、図３を参照して説明する。同図において、送信アンテナ６から送信されたマイクロ波の受信アンテナ８、７までの伝播時間を夫々Ｔ１、Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）とする。また、これらの伝播時間Ｔ１、Ｔ２は、被測定液体中の伝播時間、送信アンテナ６内及び受信アンテナ８、７内の伝播時間に分解すると次のような関係で表される。

Ｔ１＝Ｔｒ１＋Ｔｍ１＋Ｔｓ１ ・・・（１）
Ｔ２＝Ｔｒ２＋Ｔｍ２＋Ｔｓ２ ・・・（２）
ここで、Ｔｒ１は送信アンテナと対向する方向の受信アンテナ８内の伝播時間、Ｔｒ２は送信アンテナ６と対向する方向の受信アンテナ７内の伝播時間とする。Ｔｓ１、Ｔｓ２は送信アンテナ６内の伝播時間で、夫々受信アンテナ８、受信アンテナ７に対向する方向の伝播時間を示す。

また、Ｔｍ１、Ｔｍ２は夫々、送信アンテナ６と受信アンテナ８及び受信アンテナ７間の被測定液体中を伝播する伝播時間を示す。このような成分に分割される伝播時間について、Ｔｒ１＝Ｔｒ２、Ｔｓ１＝Ｔｓ２となるように、送信アンテナ６、受信アンテナ８、７の形状を対称な形状に成形しておくと、受信アンテナ７、８で受信したマイクロ波の伝播時間差Δｔは下記の関係が成り立つ。

Δｔ＝Ｔ２−Ｔ１＝Ｔｍ２−Ｔｍ１ ・・・（３）
したがって、被測定液体の液温による温度変化に対して、送信アンテナ６、受信アンテナ７、８の温度変化が同じような特性を有するような形状の構造としておけば(３)式の関係は保持されるので、液温が急変した場合には送信アンテナ６及び受信アンテナ７、８の温度変化による伝播速度の変動は消去され、液温のみの変化に依存する伝播時間差Δｔを検出することができる。

そして、マイクロ波伝播時間差Δｔは位相差Δθとして検出されるから、被測定液体の濃度との関係は従来のマイクロ波濃度計と同様にして、液温を温度計で検知し温度補正処理することによって正しい濃度が求められる。

図４はこのように構成されたマイクロ波濃度計の作用効果を説明する図で、被測定液体の液温が急変した時の動作を説明する図である。同図において（ａ）は波濃度演算部１０の演算周期を示し、同図（ｂ）に示すように時刻ｔ０で液温がＴｍ０からＴｍ１急上昇した場合の、温度計１２の応答を同図（ｃ）に、またこのときの送信アンテナ６、受信アンテナ７、８の温度変化に対する応答を同図（ｄ）に、そしてこのときの従来の測定誤差を同図（ｅ）及び本実施の形態による測定誤差を同図（ｆ）に夫々示す。

同図（ｃ）、（ｄ）に示すように温度計１２の応答は、送信アンテナ６、受信アンテナ７、８の応答時間に比べて格段に速い、例えば、熱伝導率の大きな白金測温抵抗体であれば数秒以下で応答し、時刻ｔ１で正しい温度を検出する。一方、送信アンテナ６、受信アンテナ７、８はセラミックス等の熱伝導率の小さな誘電体で構成されるため、コンパクトな形状に成形されたものでも、数分以上の応答が必要になる。この応答を時刻ｔ３として示す。

したがって、従来の測定方式では測定系経路に置かれる送信アンテナ、受信アンテナは、液温が急変すると温度応答が遅れ、液温による温度補正を行っても送信アンテナ、受信アンテナでのマイクロ波の伝播時間の変動がそのまま測定誤差となる。この様子を同図（ｅ）に示す。

ところが、本第１の実施の形態によれば、送信アンテナ６、受信アンテナ７、８の伝播時間は、夫々の受信アンテナからのマイクロ波の伝播信号の差を求めているので、夫々の温度応答特性が同じとすれば、前述した原理の基づきその影響は消去される。更に、液温を速い応答で測定する温度計１２の出力で温度補正を行うので、液温の急変による測定誤差は同図（ｆ）に示すように、温度計１２の応答時間程度に収まる。

上述した本発明の第１の実施の形態によれば、被測定液体内に異なる対向距離に置かれた受信アンテナからの信号の位相差によって検出し、液温を応答の速い温度計で検出して温度補正を行うので送信アンテナ、受信アンテナの温度に影響されない高精度なマイクロ波式濃度計が提供できる。

また、送信アンテナ６、受信アンテナ７、８内の伝播時間の影響がないので、配管５の径に測定誤差が依存しない高精度なマイクロ波式濃度計が提供できる。

次に、実施例２について、図５を参照して説明する。同図は、流通型と呼ばれるマイクロ波式濃度計の構成図で、図１と同一または対応する部分には、同一の番号を付してその説明を省略する。

この第２の実施の形態のマイクロ波式濃度計が第１の実施の形態と異なる点は、送信アンテナ６、受信アンテナ７、８が配管５の管内壁に取り付けられている点が異なる。

受信アンテナ７及び受信アンテナ８は、送信アンテナ６からの夫々の対向距離が所定の距離で異なるように配置される。そして、夫々の周囲温度の変化が同じ環境に置かれるように、例えば、断熱カバー１３で覆って配置すれば、第１の実施の形態で説明したものと同じ効果を得ることができる。

上述した本発明の第２の実施の形態によれば、流通型においても送信アンテナ、受信アンテナの温度変化に依存しないマイクロ波式濃度計を提供することが可能である。

更に、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、被測定液体の容器の形状に合わせて、送信アンテナ及び受信アンテナの形状及び取り付け方法、また、温度検出手段の取り付け方法を自在に変更しても良く、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

本発明の第１の実施の形態の構成図。 送信アンテナ、受信アンテナの構造図。 本発明の原理を説明する図。 本発明の作用効果を説明する図。 本発明の第２の実施の形態の構成図。 従来のマイクロ波式濃度計の構成図。

符号の説明

１ マイクロ波発信器
２ パワースプリッタ
３ マイクロ波送信ケーブル
４ 支持部材
５ 配管
６ 送信アンテナ
７ 受信アンテナ
８ 受信アンテナ
９、１９ 位相差測定部
１０、２０ 濃度演算部
１０ａ ２０ａ ゼロ点温度補正回路
１０ｂ、２０ｂ 濃度演算回路
１２ 温度計
１３ 断熱カバー

Claims (6)

1. マイクロ波発信手段からマイクロ波が供給される送信アンテナと、
   前記送信アンテナと所定の第１の間隔で、対向して配置された第１の受信アンテナと、
   前記送信アンテナと所定の第２の間隔で対向して配置された第２の受信アンテナと、
   前記送信アンテナと、前記第１の受信アンテナ及び第２の受信アンテナは、ずれをも被測定液体中に配置またはいずれをも被測定液体に接液させ、もしくはいずれか一方を前記被測定液体中に他方を接液させ、前記第１の間隔と前記第２の間隔とを所定の距離差で固定し、
   前記送信アンテナと前記第１の受信アンテナとの間のマイクロ波の位相遅れθｒ１と前記送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの間のマイクロ波の位相遅れθｒ２との位相差Δθ（＝θｒ２-θｒ１）を測定する位相差測定部と、
   前記被測定液体の温度を測定する温度検出手段と、
   前記位相差測定部の出力及び前記温度検出手段の出力から前記被測定液体の濃度を演算する濃度演算部とを
   備えたことを特徴とするマイクロ波式濃度計。
2. マイクロ波発信手段からマイクロ波が供給される送信アンテナと、
   前記送信アンテナと所定の第１の間隔で、対向して配置された第１の受信アンテナと、
   前記送信アンテナと所定の第２の間隔で対向して配置された第２の受信アンテナと、
   前記被測定液体を流すために配管に取り付けられた支持部材と、
   前記送信アンテナと、前記第１の受信アンテナ及び第２の波受信アンテナは、ずれをも被測定液体中に配置し、前記第１の間隔と前記第２の間隔とを所定の距離差で前記支持部材に固定し、前記送信アンテナと前記第１の受信アンテナとの間のマイクロ波の位相遅れθｒ１と前記送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの間のマイクロ波の位相遅れθｒ２との位相差Δθ（＝θｒ２-θｒ１）を測定する位相差測定部と、
   前記支持部材に固定され、前記配管内に感温部を有する様に設けられた前記被測定液体の液温を測定する温度検出手段と、
   前記位相差測定部の出力及び前記温度計の出力から前記以被測定液体の濃度を求める濃度演算部とを
   備えたことを特徴とするマイクロ波式濃度計。
3. 前記送信アンテナ、前記第１の受信アンテナ及び前記第２の受信アンテナは、中心軸部にアンテナ線を配置し、その周囲を中心軸に対して対称な形状のセラミックスで覆ったことを特徴とする請求項１及び請求項２に記載のマイクロ波濃度計。
4. マイクロ波発信手段からマイクロ波が供給される送信アンテナと、
   前記送信アンテナと所定の第１の間隔で、対向して配置された第１の受信アンテナと、
   前記送信アンテナと所定の第２の間隔で対向して配置された第２の受信アンテナと、
   前記送信アンテナと、前記第１の受信アンテナ及び第２の波受信アンテナは、前記第１の間隔と前記第２の間隔とを所定の距離差で被測定液体を流す配管内壁に対向して固定し、
   前記送信アンテナと前記第１の受信アンテナとの間のマイクロ波の位相遅れθｍ１と前記送信アンテナと前記第２の受信アンテナとの間のマイクロ波の位相遅れθｍ２との位相差Δθ（＝θｍ２-θｍ１）を測定する位相差測定部と、
   前記配管内の被測定液体の液温を検出する温度検出手段と、前記位相差測定部の出力と前記温度検出手段の出力から前記被測定液体の濃度を求める濃度演算部とを
   備えたことを特徴とするマイクロ波式濃度計。
5. 前記送信アンテナ、前記第１の受信アンテナ及び前記第２の受信アンテナを断熱材で覆ったことを特徴とする請求項４に記載のマイクロ波式濃度計。
6. 前記温検出手段の熱伝導率は、前記送信アンテナ、前記第１の受信アンテナ及び前記第２の受信アンテナの熱伝導率よりも大きいの値としたことを特徴とする請求項１、請求項２及び請求項４のいずれか１項に記載したマイクロ波式濃度計。

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