JP2006003334A - 粉体計測用静電容量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 微小な粉体量を高感度に正確に測定できるようにすること。
【解決手段】 微小な粉体量によって変化する測定電極の静電容量の微小変化によって変化する電流を電圧にして取出す回路に並列共振回路を追加する。また、インダクタンスとキャパシティによる並列共振回路の他に共振周波数の安定な水晶振動子やセラミック振動子も使用できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は粉体の流量を静電容量の変化として測定する粉体計測用静電容量計測装置に関し、特に、粉体を通過させる測定用静電容量に交流電圧を印加して、これに流れる電流の変化を効率的に増幅器を介して取り出す粉体計測用静電容量計測装置に関するものである。

粉体の量に応じた静電容量測定する為、対向する電極の間に粉体を通過させ、その通過する間に静電容量の変化を測定する粉体計測用静電容量計測装置は、図８に示すように基準電極Ｃ_Ｒと測定電極Ｃｘ＋ΔＣｘの静電容量と抵抗とを組合わせて交流ブリッジ回路を構成して測定電極の静電容量変化ΔＣｘを交流電圧変化として取り出す。粉体の量が多量の場合はその測定も比較的正確に出来るが、より微小な粉体量の場合は測定電極の静電容量の変化分も微小になり、得られる交流電圧変化も微小となり、より高感度な粉体計測用静電容量計測装置が望まれている。

図８に示す、測定電極と基準電極で構成された交流ブリッジ回路の入出力応答は

となる。
（１）式では交流電圧の周波数が十分に低い場合、分母は各々、１≫ｊω（Ｃ_Ｘ＋ΔＣ_Ｘ）Ｒ_２、１≫ｊωＣ_ＲＲ_１となり、さらにＲ_１＝Ｒ_２＝Ｒとすると出力電圧はｅ_ｏ＝ｊωＲΔＣ_Ｘｅ_ｉとなる。従って、粉体が投入された測定電極の静電容量の微小変化に比例した電圧が得られる。ちなみに、交流電圧の周波数が十分に高い場合、この交流ブリッジ回路からは出力電圧は得られない。

この回路方式の問題点は電極間静電容量以外の浮遊容量とこれらを接続する為のケーブル容量が不必要な要素として混入してくる為に正確な測定が出来ない。特開平８−２７８１８０は、これらの問題に対する改善例が開示されている。
この特開平８−２７８１８０によると、これらの問題を解決する為に測定電極のガード・シールドや接続用同軸ケーブルのシールド側を増幅器の出力側に接続して帰還ループの一部分として補償する事により不要な浮遊容量とケーブル容量を除去する事ができ、回路性能は大幅に改善された。しかしながら、増幅器の入力容量や帰還ループに取り込まれない浮遊容量は除去出来ない為、高感度化には限界があった。

図９に特開平８−２７８１８０の実施例の概要を示す。本例は非反転増幅器の出力から不要な容量であるＣ１、Ｃ２及びケーブル容量Ｃｃに帰還接続をして、その影響を殆ど除去している。しかしながら、増幅器の入力容量と帰還ループに取り込まれない浮遊容量Ｃｓは除去出来ない。その等価回路を図１０に示す。この入出力応答は

となり、その周波数特性を図１１に示す。図１１の周波数特性の実線はＣｓが無い場合の周波数特性で、点線はＣｓを考慮した場合の周波数特性である。
上式（２）から交流電圧の出力変化分を大きくする為には周波数ω、抵抗値Ｒ及び交流印加電圧を大きくする事が必要になる。これらを整理すると、

となり、抵抗Ｒと無関係になり、交流ブリッジの平衡調整が出来ない、前述のようにコーナー周波数に比べて十分に低い周波数にする必要があり、周波数を高くする事によって交流電圧変化分を大きくする事は出来ない。
▲２▼抵抗値を大きくする事はコーナー周波数を低下させる。抵抗値の増大は周波数を低下させて各々の効果を相殺させて結果的に効果がなくなる。
▲３▼交流印加電圧の増大は可能であるが、数十倍と大きくすると交流印加電圧の輻射電力が増加して、その遮蔽が困難になる問題がある。

増幅器入力容量や浮遊容量の影響を無くする為に共振回路を挿入する。この場合増幅器の入力容量と帰還ループに取り込まれない浮遊容量は共振回路を構成する容量値に比べて数１００分の１とする事が可能となり、不安定性の影響は無視できるようになる。
この共振周波数は従来技術のようにコーナー周波数に比べて十分に低い周波数にする必要がなく、

とインダクタンスとコンデンサーの値を任意に選択して周波数を設定する事ができるので周波数を高くする事が出来る。これにより、大きな交流電圧変化分を得る事が出来るようになる。
本発明の概要を図１に示す。図３に帰還ループによるケーブル容量等の影響を除去した等価回路を示す。図２に示すような並列共振回路を挿入すると、その周波数特性は

となる。（４）式の分母の虚数部が零になる周波数で、出力電圧はｅ_ｏ＝ｊωＲＣ_Ｘｅ_ｉとなる。
従来技術の交流電圧の周波数に比べて共振周波数は非常に高く出来る為、大きな交流電圧変化分を得る事が出来る。図４にその周波数特性を示す。

また、共振回路を構成する素子として水晶振動子やセラミック振動子がある。これらの素子を並列共振回路として使用する事も出来る。この場合、コイルのインダクタンスとコンデンサーの容量を組合わせた並列共振回路に比べて非常に安定度の高い回路を得る事が出来る。

この発明によれば、交流印加電圧の周波数制限を受ける事なく共振回路の周波数を任意に高い周波数に設定出来るため、微小な静電容量の変化でも大きな変化電圧が得られる事になり、温度や湿度の環境変化の影響を受けないで粉体量を正確に測定できる。

発明を実施するための最良な形態

図１に第１の実施例を示す。本実施例は測定電極のみで構成されたもので、被測定粉体がパルス状に照射された場合を想定したものである。従って、図示はされていないが、被測定粉体が照射される前のセンサーからの交流電圧は直流に変換されてアナログのサンプル・ホルド回路かまたはＡＤ変換された値をメモリーに蓄積されており、被測定粉体が照射されると、その変化分が得られるようになっている。

本実施例では交流電源の出力は同軸ケーブル２０ａで測定電極２ａの片方の電極に接続される。測定電極２ａは他の回路との浮遊容量を形成しないようにガード・シールドがされている。測定電極２ａのもう一方の電極から同軸ケーブル２１ａで抵抗３ａと並列共振回路４ａに接続され、さらに同軸ケーブル２２ａで増幅器１０ａに接続される。抵抗３ａと並列共振回路４ａ及び増幅器１０ａが同一プリント基板上で非常に近くに実装されている場合は同軸ケーブル２２ａは必要がない。これらの同軸ケーブルのシールド側は測定電極２ａのガード・シールドと共に増幅器１０ａの出力に接続されている。増幅器１０ａの入力容量とガード・シールドから漏れて帰還ループに取り込まれない浮遊容量５１ａは殆どが増幅器１０ａの入力容量である。市販されているオペアンプは通常１〜２ｐＦ程度である。ここで並列共振周波数を約１０ＭＨｚとすると、上記（３）式から計算するとＬ＝１μＨでは（Ｃｘ＋Ｃ）は２５０ｐＦとなる。この為、増幅器１０ａの入力容量の不安定度合いは数１００分の１以下に減少する。従来技術では交流電源の周波数は１００ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚなので、抵抗３ａを従来技術と同じ値を用いると周波数を約１００倍と高くできるので得られる変化電圧は高くした周波数に比例して約１００倍とする事が出来る。

次に図５に示す水晶振動子やセラミック振動子４３ａを用いた場合を説明する。これらの素子は図６の４３ａの枠に示すように直列共振回路素子である。これに並列に接続されるコンデンサー４２ａと素子の等価回路の容量Ｃとの直列接続容量値と等価回路のインダクタンスＬとで並列共振をする。これらの素子は周波数を上げていくと並列共振をして、さらに周波数を上げると素子の等価回路の容量ＣとインダクタンスＬとで直列共振を起こす。これらの素子である水晶振動子やセラミック振動子４３ａと測定電極２ａを接続した場合の等価回路を図７に示す。この回路の入出力応答の計算を簡単にする為、図７のｒを零とすると

となる。

ｊωＣ_ＸＲとなる。この場合の共振周波数の安定度は水晶振動子やセラミック振動子に依存するがコイルのインダクタンスとコンデンサーの容量に比べて非常に高い安定度を有した共振周波数が得られる。

第２の実施例は、第１の実施例が被測定粉体がパルス状に照射された場合を想定したものに対して、本実施例は被測定粉体が定常的に流れている場合を想定したものである。図１２に示すように交流電源の出力電圧は測定電極側と基準電極側に分岐させ、各々可変抵抗８ａと８ｂに接続して、固定抵抗９ａと９ｂとで出力電圧が可変できる。可変できる出力電圧はスイッチ回路１１０を通して各々測定電極と基準電極に接続する。被測定粉体が流れていない時に測定電極側と基準電極側の出力電圧が同じになり平衡が取れるようにすれば可変抵抗８ａと８ｂの一方は固定抵抗でもよい。測定電極と基準電極のもう一方は同軸ケーブル２１ａと２１ｂにより並列共振回路に接続して、さらに同軸ケーブル２２ａにより増幅器１０ａに接続される。第１の実施例と同様に、これらの同軸ケーブルのシールド側は測定電極２ａと基準電極２ｂのガード・シールドと共に増幅器１０ａの出力に接続される。さらに、抵抗３ａと並列共振回路４ａ及び増幅器１０ａが同一プリント基板上で非常に近くに実装する事ができる場合は同軸ケーブル２２ａは必要がない。これらの動作は第１の実施例と同じである。この場合は測定電極側と基準電極側の出力電圧の差分、すなわち、スイッチ周波数の電圧が被測定粉体の測定値となる。

図１３に第３の実施例を示す。本実施例は測定電極と基準電極で交流ブリッジ回路を構成したもので、被測定粉体が定常的に流れている場合を想定したものである。被測定粉体が投入される前のセンサーからの信号を蓄積するサンプル・ホルド回路、またはＡＤ変換された値をメモリーに蓄積する必要はない。本実施例の測定電極側も基準電極側も実施例１と殆ど同じであるが、交流ブリッジの平衡をとる可変抵抗が追加されている。また、増幅器１０ａと１０ｂの出力はスイッチ回路１１に接続されて、測定電極側と基準電極側の出力が交互に出力される。測定電極側と基準電極側の出力電圧の差分はスイッチ周波数の電圧となり、これが被測定粉体の測定値となる。また、この例では図示していないが測定電極側と基準電極側の共振周波数を同じにしなければならないので可変コンデンサーが付加される事になる。これはインダクタンスとコンデンサーで構成する並列共振回路でも水晶振動子やセラミック振動子４３ａで構成する並列共振回路でも同じである。

以上、図を参照して実施例を説明したところから明らかのように、本発明によれば、交流印加電圧の周波数制限を受ける事なく共振回路の周波数を任意に高い周波数に設定出来るため、微小な静電容量の変化でも大きな変化電圧が得られる事になり、温度や湿度の環境変化の影響を受けずに静電容量の微小な変化を高感度で正確に測定でき、粉体の流量を正確に、より高感度な粉体計測用静電容量計測が実現出来る。

図１は本発明の実施例の概略を示す図である。 図２は図１の並列共振回路の１例を示す。 図３は図１の等価回路を示す。 図４は図３の周波数特性を示す。 図５は図１の並列共振に水晶振動子又はセラミック振動子を用いた例を示す。 図６は図５の等価回路を示す。 図７は測定電極を含む等価回路を示す。 図８は従来の交流ブリッジによる例を示す。 図９は図８の回路の問題点を示す図である。 図１０は図８の問題点の等価回路を示す図である。 図１１は図８の周波数特性を示す。 図１２は本発明の第２の実施例の概略を示す図である。 図１３は本発明の第３の実施例の概略を示す図である。

符号の説明

１ 交流電源
２ａ、２ｂ 測定電極、基準電極
３ａ、３ｂ 抵抗器
４ａ、４ｂ 並列共振回路
８、８ａ、８ｂ 可変抵抗器
９ａ、９ｂ 固定抵抗器
１０、１０ａ、１０ｂ 増幅器
１１、１１０ 半導体スイッチ回路
２０ａ、２０ｂ 同軸ケーブル
２１ａ、２１ｂ 同軸ケーブル
２２ａ、２２ｂ 同軸ケーブル
４１ａ 固定インダクタンス
４２ａ 固定コンデンサー
４３ａ 水晶振動子又はセラミック振動子
５１ａ 浮遊容量

Claims (7)

1. 被測定体の粉体を対向する電極間に通過させて電極間の静電容量変化により粉体量を計測する粉体計測用静電容量計測装置において、
   粉体が投入される測定電極の一方の電極を交流発振器に接続して、もう一方の電極は並列共振回路に接続し、測定電極と前記並列共振回路の接続点から出力電圧を取り出す増幅回路とにより構成される粉体計測用静電容量計測装置。
2. 請求項１の粉体計測用静電容量計測装置において、
   粉体が投入される測定電極と基準電極は各々の一方の電極は交流発振器の出力電圧を可変する各々の分割回路を通してスイッチング回路に接続して、測定電極と基準電極の各々もう一方の電極は共通に接続して並列共振回路に接続し、共通接続点から出力電圧を取り出す増幅回路とにより構成される粉体計測用静電容量計測装置。
3. 請求項１ないし請求項２記載の粉体計測用静電容量計測装置において、
   前記並列共振回路はインダクタンス・コイルとコンデンサーによって構成される粉体計測用静電容量計測装置。
4. 請求項１ないし請求項２記載の粉体計測用静電容量計測装置において、
   前記並列共振回路は水晶振動子またはセラミック振動子によって構成される粉体計測用静電容量計測装置。
5. 被測定体の粉体を対向する電極間に通過させて電極間の静電容量変化により粉体量を計測する粉体計測用静電容量計測装置において、
   粉体が投入される測定電極と基準電極の各々一方の電極は交流発振器に共通に接続して、各々もう一方の電極は各々の並列共振回路に接続して、測定電極と基準電極と前記各々の並列共振回路の接続点から出力電圧を取り出す増幅回路とにより構成される粉体計測用静電容量計測装置。
6. 請求項５記載の粉体計測用静電容量計測装置において、
   前記並列共振回路はインダクタンス・コイルとコンデンサーによって構成される粉体計測用静電容量計測装置。
7. 請求項５記載の粉体計測用静電容量計測装置において、
   前記並列共振回路は水晶振動子またはセラミック振動子によって構成される粉体計 測用静電容量計測装置。

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