JP2006184223A - 電磁波式物理量測定装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ温度の変化による測定誤差を抑制し、正確で安定した被測定物質の物理量測定を可能となる電磁波式物理量測定装置を提供することにある。
【解決手段】電磁波の伝播時間または位相遅れなどの特性を測定することで、被測定物１の濃度などの物理量を測定する電磁波式物理量測定装置において、アンテナ７，８自体の温度またはその周囲温度の変化に応じた測定誤差を補正する補正機能を有する変換装置５が設けられている。変換装置５は、温度センサ１０，１１により測定された温度測定値に基づいて被測定物１の物理量の測定誤差を補正する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的には電磁波を利用して、被測定物に含まれる物質の濃度等の物理量を測定する電磁波式物理量測定装置に関し、特に、周囲温度の変化に応じた測定誤差を補正する補正機能を有する電磁波式物理量測定装置に関する。

従来、例えば汚泥やパルプ、建材材料、食品等の種々の懸濁物質や溶解性物質を含む液体の濃度等の物理量を測定する測定装置として、電磁波の伝搬時間の差または位相遅れの差の測定結果を利用した電磁波式物理量測定装置が開発されている（例えば、特許文献１を参照）。

本測定装置は、送信用アンテナから、例えば配管中を流れている被測定物質を含む液体（例えば水）に対して電磁波を送信し、受信用アンテナにより前記被測定物質中を透過した電磁波を受信し、当該電磁波の特性である伝搬時間または位相遅れの差の測定結果を利用して被測定物質の濃度を測定する。

即ち、本測定装置の方法は、被測定物質を含む液体を通過した電磁波の特性と、当該被測定物質を含まない液体を通過した電磁波の特性との差を測定した測定結果を利用する方法である。

この時、測定される電磁波の特性は被測定物質の温度の影響を受けることから、被測定物質の温度（液温）を測定し測定値を補正することが行われている。また、濃度を算出する回路の回路温度を一定に制御または補正することが特許文献１に記載されている。

また、送受信兼用のアンテナを使用して、被測定物質へ放射した電磁波の反射波を受信し、その減衰特性または伝搬速度の変化を測定した測定結果を利用した測定方式も実用化されている。
特開２００２−３５７５６６号公報

前述の先行技術文献に記載された測定装置のように液温等の温度補正を行う測定装置であっても、わずかな測定誤差があることが分かってきた。この原因について詳細に調査したところ、内部に液体の流れる配管に接触して設置されるため、アンテナの温度は、これまで液温とほぼ同じと考えられてきたが、液温とは相違している場合があり、そのアンテナ温度により測定結果に誤差を生じさせていることが確認された。

近年、多品種少量生産の影響などにより、水などの液体中に含まれる被測定物質が少量の場合での測定要求が多くなってきている。これに対応して、液体を流れる配管の直径を小さくしたり、容積の小さい容器を使用する測定装置が提案されているが、被測定物質中を伝播する電磁波の伝播時間または位相遅れが小さくなっている。このため、アンテナ温度により生じる測定誤差についても無視できない状況となってきた。

そこで、本発明の目的は、アンテナ温度の変化による測定誤差を抑制し、正確で安定した被測定物質の物理量測定を可能となる電磁波式物理量測定装置を提供することにある。

本発明の観点に従った電磁波式物理量測定装置は、被測定物が入れられた容器又は当該被測定物が流れる配管の外部に設けられたアンテナを有し、当該アンテナから送信されて、前記被測定物を透過して受信された電磁波の特性に基づいて、前記被測定物の物理量を測定する電磁波式物理量測定装置において、前記アンテナの温度を測定する温度センサと、前記温度センサにより測定された温度測定値に基づいて、前記被測定物の物理量の測定誤差を補正する補正手段とを備えた構成である。

本発明によれば、アンテナ温度の変化による測定誤差の影響を抑制し、正確で安定した被測定物質の物理量測定を実現することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は本実施形態に関する電磁波式物理量測定装置（以下単に測定装置と略す）の構成を示す断面図である。図２は本測定装置の動作原理を説明するための図である。図３は、本測定装置の演算装置の要部を示すブロック図である。

本測定装置は、電磁波としてマイクロ波を使用する濃度測定装置であり、送信用アンテナ７と受信用アンテナ８とを有する。送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８は、被測定物１が流れる配管２を挟み込むように対向して配置されている。

ここで、被測定物１とは、例えば汚泥やパルプ、建材材料、食品等の種々の懸濁物質や溶解性物質を含む液体、具体的には水である。即ち、本測定装置は、測定対象として水に含まれる物質の濃度を測定する。

本測定装置は、送信用アンテナ７から測定用の電磁波（マイクロ波）を放射（送信）させて、被測定物１を透過した当該電磁波を受信用アンテナ８で受信し、受信用同軸ケーブル９を経由して変換装置５に伝送するように構成されている。送信用アンテナ７は、送信用同軸ケーブル６を経由して伝送される電磁波を配管２に放射する。

さらに、本測定装置は、送信用アンテナ７と配管２との間に介在して、送信用アンテナ７からの電磁波を透過させる電磁波透過窓３と、配管２と受信用アンテナ８との間に介在する電磁波透過窓４とを有する。

また、本測定装置は、送信用アンテナ７の温度を測定する温度センサ１０、及び受信用アンテナ８の温度を測定する温度センサ１１を有する。温度センサ１０，１１はそれぞれ、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８に直接または熱伝導率の高い材質の部品を介在して取り付けられており、温度測定値を変換装置５に出力する。なお、通常では、被測定物１の温度を測定する液温センサ２０が設けられている。液温センサ２０は、温度測定値を変換装置５に出力する。

（変換装置の構成）
本測定装置に含まれる変換装置５は、図３に示すように、電磁波測定回路５０と、補正演算回路５１と、温度測定回路５２と、物理量演算回路５３とを有する。

電磁波測定回路５０は、受信用アンテナ８で受信された電磁波の信号から、電磁波の特性、具体的には伝播時間または基準となる電磁波との位相遅れの差（基準値との差）を算出する。ここで、基準値とは、当該被測定物質１を含まない液体（例えば常温での水）を通過した電磁波の伝播時間または位相遅れの測定結果である。なお、電磁波測定回路５０は、送信用アンテナ７から放射する電磁波を生成する機能も含む。

補正演算回路５１は、後述する温度センサ１０，１１からの信号により温度測定回路５２で求められた温度測定値に基づいて、電磁波測定回路５０から出力される位相差をアンテナ温度により生じる誤差を補正する。物理量演算回路５３は、補正した電磁波の特性、即ち伝播時間または位相遅れの差に基づいて被測定物１の濃度を算出する。この物理量演算回路５３で算出された物理量はディスプレイなどに表示される。

このように構成することによって、アンテナの温度が液温と相違する温度となった場合であっても、そのアンテナ温度により生じる誤差が補正された位相により濃度を計算することができるため、正確な濃度測定を行うことができる。この時、アンテナ温度の誤差の補正は、予め実測して求めておき、補正演算回路５１に記憶させて置くことで実現できる。このアンテナ温度の補正は、液温によってはほとんど影響されないため、アンテナの温度からのみ算出するように構成できる。ただし、液温とアンテナ温度を変化させて実測し、液温とアンテナ温度により求める構成としても良い。

なお、補正演算回路５１は、温度測定回路５２を介して、液温センサ２０からの温度測定値に基づいて、電磁波測定回路５０の算出結果に対して液温の変化により発生する誤差を補正する機能も含む。

また、電磁波測定回路５０からの出力を物理量演算回路５３に入力し、伝播時間または位相遅れの差から濃度を先に算出し、この算出された濃度を補正演算回路５１に入力させ、アンテナ温度の変化により生じる誤差を、濃度の値に対して補正する構成としても良い。

（測定装置の測定手順）
以下、図１、図２、図３以外に、及び図４を参照して、本実施形態の測定装置測定手順を説明する。

本測定装置は、配管２内を流れる被測定物質１に対して、送信用アンテナ７から電磁波を放射させる（ステップＳ１）。この場合、被測定物質１を透過する電磁波は、電磁波透過窓４を通過して受信アンテナ８で受信されて、受信用同軸ケーブル９を経由して変換装置５に伝送される。変換装置５では、図３に示すように、電磁波測定回路５０は、被測定物質１を透過した電磁波の特性、即ち電磁波の伝搬時間又は位相遅れの差を算出する（ステップＳ２）。電磁波測定回路５０は、被測定物１を通過してきた電磁波の伝搬時間又は位相遅れと、当該被測定物質１を含まない液体（例えば常温での水）を通過した電磁波の伝播時間または位相遅れである基準値との差に基づいて、被測定物１の濃度（物質量）を算出する。

変換装置５は、当該算出結果に基づいて、被測定物質１の濃度を測定する。即ち、変換装置５は、被測定物１の物性の違いに応じて、電磁波の特性である伝搬時間、位相遅れ、あるいは強度が変化することを利用して被測定物１の濃度を測定する。具体的な測定方法としては、電磁波の減衰特性を利用する方法や、電磁波の伝搬速度の変化を利用する方法がある。本実施形態では、被測定物１を通過してきた電磁波の伝搬時間又は位相遅れの差との比例関係を利用して、被測定物１の濃度（物質量）を算出する。

次に、変換装置５では、温度測定回路５２は、温度センサ１０，１１からの温度測定値（温度変化）に基づいて、送信用アンテナ７及び受信アンテナ８の温度を測定する。補正演算回路５１は、温度測定回路５２からの各アンテナ７，８の温度測定値（温度変化）に基づいて、電磁波測定回路５０から出力される算出結果に含まれる温度変化に応じた測定誤差を補正する（ステップＳ３）。なお、補正演算回路５１は、液温センサ２０からの温度測定値に基づいた測定誤差の補正も実行している。

補正演算回路５１は、被測定物１の物理量（濃度）が一定の状態において、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８の温度変化による電磁波の伝播時間または位相遅れへの影響を測定した補正値を、例えばテーブル情報の形式で内部メモリに予め記憶している。そして、補正演算回路５１は、当該テーブル情報から温度センサ１０，１１からの温度測定値（温度測定回路５２からの温度測定値）に対応する補正値を取り出して、電磁波測定回路５０から出力される算出結果を補正する。

変換装置５は、補正演算回路５１により測定誤差を補正された後の被測定物１の濃度測定結果を、物理量演算回路５３を介して例えばディスプレイ装置に出力する（ステップＳ４）。

以上のように本実施形態によれば、電磁波の特性である伝播時間または位相遅れの差を利用して被測定物１の濃度（物理量）を測定するときに、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８の温度変化により変化する電磁波の特性を補正することができる。即ち、温度変化に応じた電磁波の伝播時間または位相遅れの変化による測定誤差を補正することができる。従って、電磁波の特性に基づいて測定する被測定物１の濃度を、正確且つ安定に測定することができる。特に、本実施形態の測定装置は、温度変化による電磁波の伝播時間または位相遅れの影響が相対的に大きい場合に有効である。

なお、本実施形態は、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８のそれぞれに、温度センサ１０，１１が設けられた構成であるが、いずれか一方に温度センサ１０または１１が設けられた構成でもよい。また、本実施形態は、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８それ自体の温度を測定する構成であるが、各アンテナ７，８の周囲温度を測定するように温度センサを配置してもよい。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に関する測定装置の構成を示す断面図である。なお、図１に示す第１の実施形態の測定装置と同様の構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。また、変換装置５については図示も省略している。

本実施形態の測定装置は、図５に示すように、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８のそれぞれの周囲を囲むアンテナ用カバー部材１２，１３を有する。各カバー部材１２，１３は、配管２に対して直接結合または一体的に設けられている。また、各カバー部材１２，１３は、熱伝導率の高い金属性部材などを介在して、配管２に結合されている構造でもよい。

各カバー部材１２，１３は、金属材質のように熱伝導率の高い材料からなる。また、各カバー部材１２，１３は、熱伝導率の高い材料で構成された部分の外気側の面を断熱材質で覆う二層構造の材料でもよい。

以上のように本実施形態の測定装置では、配管２と各カバー部材１２，１３はそれぞれ熱伝達が容易な構造である。このような構造であれば、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８のそれぞれの温度を、被測定物１が接触する配管２の温度、即ち被測定物１の温度とほぼ同じにすることができる。熱伝導率の高い材料で構成された部分の外気側の面を断熱材質で覆う二層構造とした場合には、カバー部材１２，１３への外気からの熱伝達を抑制することができるため、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８と被測定物１の温度差をより小さくすることができる。

従って、本実施形態の構造により、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８を被測定物１の温度とほぼ同じにすることができるため、第１の実施形態における温度センサ１０，１１からの信号の代わりに、液温センサ２０の信号を温度測定回路５２に入力することにより、被測定物１の温度、即ち液温センサ２０からの温度測定値に基づいて、アンテナの温度変化による誤差を補正することが可能となる。これにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第１の実施形態では、送信用アンテナ７と受信用アンテナ８の温度が相違する場合には、それぞれ別に補正する必要があるが、本実施形態では、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８を被測定物１の温度とほぼ同じにすることができるため、送信用アンテナ７と受信用アンテナ８についての補正が一つの温度により行うことができ、その補正を単純にすることができる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に関する測定装置の構成を示す断面図である。なお、図５に示す第２の実施形態の測定装置と同様の構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。また、変換装置５及び液温センサ２０については図示も省略している。

本実施形態の測定装置は、図６に示すように、送信用アンテナ７、受信用アンテナ８及び配管２の周囲を囲むような本体用カバー部材１４を有する。カバー部材１４は、断熱材質の材料からなる。

以上のように本実施形態の測定装置では、送信用アンテナ７、受信用アンテナ８及び配管２の周囲を囲むカバー部材１４により、配管２、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８に及ぼす外気温度の影響を低減させることができる。従って、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８の温度を、配管２および被測定物１の温度とほぼ同じとすることができる。この時、配管２への外気温度の影響をも低減されるので、配管２と被測定物１の温度差もより小さくすることができる。

よって、第２の実施形態と同様に被測定物１の温度に基づき、アンテナの温度変化による測定誤差を補正することができる。

本実施形態において、カバー部材１４の内面に熱伝導の高い材料を張り付け、その熱伝導の高い材料が配管２に接触するように構成しても良い。このように構成すると、カバー部材１４内部の温度と配管２の温度差がさらに小さくなることから、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８の温度と配管２との温度差もより小さくすることができ、より精度の高い測定を行うことができる。

（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態に関する測定装置の構成を示す断面図である。なお、図１に示す第１の実施形態及び図６に示す第３の実施形態の測定装置と同様の構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。また、変換装置５及び液温センサ２０については図示も省略している。

本実施形態の測定装置は、図７に示すように、送信用アンテナ７、受信用アンテナ８及び配管２の周囲を囲むような本体用カバー部材１４、及び当該カバー部材１４に取り付けられた温度センサ１７を有する。カバー部材１４は、前述したように、断熱材質の材料からなる。

温度センサ１７は、カバー部材１４により囲まれた領域の温度を測定し、図示しない変換装置５に出力する。変換装置５は、温度センサ１７からの温度測定値に基づいて、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８の周囲温度が基準温度値に対して変化が発生した場合に、前述の第１の実施形態と同様に、アンテナの温度変化による誤差を補正することが可能となる。この時、カバー部材１４内の温度はほぼ均一とすることができるため、温度センサ１７が送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８に接触していなくても、温度センサ１７が送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８の温度を測定することができる。

また、第１の実施形態と同様に送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８も温度センサを設置した場合には、温度センサと送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８の温度差をより小さくすることができるため、温度センサでの温度測定の精度を向上することができ、結果として被測定物の物理量の測定精度をさらに向上することができる。

（第５の実施形態）
図８は、第５の実施形態に関する測定装置の構成を示す断面図である。なお、図１に示す第１の実施形態及び図７に示す第４の実施形態の測定装置と同様の構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。また、変換装置５及び液温センサ２０については図示も省略している。

本実施形態の測定装置は、図８に示すように、送信用アンテナ７、受信用アンテナ８及び配管２の周囲を囲むような本体用カバー部材１４、当該カバー部材１４に取り付けられた温度センサ１７、及び発熱体１５と吸熱体１６を有する。カバー部材１４は、断熱材質の材料からなっている。

発熱体１５は、例えば電気ヒータからなり、配管２の外部に取り付けられている。また、吸熱体１６は、例えばペルチェ（Peltier）素子からなり、配管２の外部に取り付けられている。変換装置５は、温度センサ１７の温度測定値に基づいて、本体用カバー部材１４内の温度が一定となるように発熱体１５または吸熱体１６を制御する。即ち、当該周囲温度が上昇した場合には、変換装置５は、吸熱体１６を制御して、温度上昇を抑制するように吸熱作用を実現させる。一方、当該周囲温度が下降した場合には、変換装置５は、発熱体１５を制御して、温度を上昇させるように発熱作用を実現させる。

以上要するに本実施形態によれば、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８に対する温度が一定に保たれるため、送信用アンテナ７及び受信用アンテナ８の温度変化による誤差が発生せず、被測定物の物理量の測定精度を向上することができる。

なお、本実施形態において、温度センサ１７の測定温度が、液温センサ２０の測定温度と同じになるように発熱体１５または吸熱体１６を制御し、第４の実施形態と同様に液温センサ２０の測定温度（または、温度センサ１７の測定温度）を用いてアンテナの温度変化による測定誤差の補正を行うようにしても良い。この場合は、カバー部材１４内部の温度と被測定物との温度差が第４の実施形態よりさらに小さくすることができるため、さらに被測定物の物理量の測定精度を向上することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に関する電磁波式物理量測定装置の構成を示す図。 本実施形態に関する測定装置の動作原理を説明するための図。 本実施形態に関する測定装置の変換装置の要部を示すブロック図。 本実施形態に関する測定処理の手順を説明するためのフローチャート。 第２の実施形態に関する電磁波式物理量測定装置の構成を示す図。 第３の実施形態に関する電磁波式物理量測定装置の構成を示す図。 第４の実施形態に関する電磁波式物理量測定装置の構成を示す図。 第５の実施形態に関する電磁波式物理量測定装置の構成を示す図。

符号の説明

１…被測定物質、２…配管、３，４…電磁波透過窓、５…変換装置、
６…送信用ケーブル、７…送信用アンテナ、８…受信用アンテナ、
９…受信用ケーブル、１０，１１，１７…温度センサ、
１２，１３…アンテナ用カバー部材、１４…本体用カバー部材、１５…発熱体、
１６…吸熱体。

Claims (8)

1. 被測定物が入れられた容器又は当該被測定物が流れる配管の外部に設けられたアンテナを有し、当該アンテナから送信されて、前記被測定物を透過して受信された電磁波の特性に基づいて、前記被測定物の物理量を測定する電磁波式物理量測定装置において、
   前記アンテナの温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサにより測定された温度測定値に基づいて、前記被測定物の物理量の測定誤差を補正する補正手段と
   を具備したことを特徴とする電磁波式物理量測定装置。
2. 前記補正手段は、
   前記被測定物の物理量が一定の状態において、前記アンテナの温度変化による電磁波の伝播時間または位相遅れへの影響を測定した補正値を予め記憶し、
   前記温度測定値に対応する前記補正値を使用して補正することを特徴とする請求項１に記載の電磁波式物理量測定装置。
3. 被測定物が入れられた容器又は当該被測定物が流れる配管の外部に設けられたアンテナを有し、当該アンテナから送信されて、前記被測定物を透過して受信された電磁波の特性に基づいて、前記被測定物の物理量を測定する電磁波式物理量測定装置において、
   前記アンテナに含まれる送信用アンテナ又は受信用アンテナの少なくとも一方の周囲を覆うように前記容器または前記配管に設けられた熱伝導率の高い材質からなる部材と、
   前記被測定物の温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサにより測定された温度測定値に基づいて、前記被測定物の物理量の測定誤差を補正する補正手段と
   を具備したことを特徴とする電磁波式物理量測定装置。
4. 前記部材は、熱伝導率の高い材料で構成された部分の外気側の面を断熱材質で覆う二層構造であることを特徴とする請求項３に記載の電磁波式物理量測定装置。
5. 被測定物が入れられた容器又は当該被測定物が流れる配管の外部に設けられたアンテナを有し、当該アンテナから送信されて、前記被測定物を透過して受信された電磁波の特性に基づいて、前記被測定物の物理量を測定する電磁波式物理量測定装置において、
   前記アンテナ、及び前記容器または配管を含む周囲を囲むように設けられ断熱材質からなる部材と、
   前記被測定物の温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサにより測定された温度測定値に基づいて、前記被測定物の物理量の測定誤差を補正する補正手段と
   を具備したことを特徴とする電磁波式物理量測定装置。
6. 被測定物が入れられた容器又は当該被測定物が流れる配管の外部に設けられたアンテナを有し、当該アンテナから送信されて、前記被測定物を透過して受信された電磁波の特性に基づいて、前記被測定物の物理量を測定する電磁波式物理量測定装置において、
   前記アンテナ、及び前記容器または配管を含む周囲を囲むように設けられ断熱材質からなるカバー部材とこのカバー部材の内側に温度センサを備え、前記温度センサにより測定された温度測定値に基づいて、前記カバー部材の内側の温度を調整する温度制御手段を有することを特徴とする請求項５に記載の電磁波式物理量測定装置。
7. 被測定物が入れられた容器又は当該被測定物が流れる配管の外部に設けられたアンテナを有し、当該アンテナから送信されて、前記被測定物を透過して受信された電磁波の特性に基づいて、前記被測定物の物理量を測定する測定方法であって、
   前記電磁波の特性を算出するステップと、
   前記アンテナの温度を測定するステップと、
   前記アンテナの温度を測定した温度測定値に基づいて、前記被測定物の物理量の測定誤差を補正するステップと
   を有する手順を実行することを特徴とする測定方法。
8. 被測定物が入れられた容器又は当該被測定物が流れる配管の外部に設けられたアンテナを有し、このアンテナから送信されて、前記被測定物を透過して受信された電磁波の特性に基づいて、前記被測定物の物理量を測定する電磁波式物理量測定装置に適用する温度調整方法であって、
   前記アンテナ、及び前記容器または配管を含む周囲を断熱材質のカバー部材により囲み、この部材の内側に設けられた温度センサにより周囲温度を測定し、
   前記温度センサにより測定された温度測定値に基づいて、前記カバー部材内側の温度を一定値に調整するための発熱体または吸熱体を制御することを特徴とする温度調整方法。

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