JP2011085550A

JP2011085550A - 電磁気応用濃度計

Info

Publication number: JP2011085550A
Application number: JP2009240436A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kanezuka; 英雄金塚
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2029-10-19
Also published as: JP5481154B2

Abstract

【課題】被測定液体に気泡が混入しても、測定誤差の影響を軽減できる電磁気応用濃度計を提供する。
【解決手段】環状の１対の電極対21,22と、電極対の環状内を通過する被測定流体の濃度変化に伴う誘電率変化を電極対の電極間の静電容量変化として測定する静電容量測定回路28と、マイクロ波発振器17から直接受信するマイクロ波を位相基準とし、配管16内に被測定流体を充填して流したときのマイクロ波の位相遅れと配管内に濃度基準用流体を充填して流したときのマイクロ波の位相遅れとの位相差を測定する位相差測定回路29と、静電容量測定回路からの電極対の電極間の静電容量変化に基づき測定された被測定流体の濃度測定値と位相差測定回路からのマイクロ波の位相差に基づき測定された被測定流体の濃度測定値との差により被測定流体内の気泡の影響を補正する濃度演算回路30とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量の変化に基づいて被測定液体の濃度を測定する静電容量式濃度計及び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を有し、特に、被測定液体に気泡が混入した場合の濃度の測定誤差を軽減するように改良した電磁気応用濃度計に関する。

従来、電磁気を応用して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、透過光減衰率や散乱光増加率等に基づいて、被測定液体の濃度を測定する光学式濃度計が考案されている。

また、静電容量の変化に基づいて被測定液体の濃度を測定する静電容量式濃度計や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が考案されている。

図６は従来の静電容量式濃度計の構成図である。図６において、配管１の内部には、電極２と電極２に対向して配置された電極３による電極対が配管１の長手方向に沿って取り付けられている。静電容量測定回路６は、伝送ケーブル４と伝送ケーブル５とを介して電極２と電極３の電極対の電極間に電界を発生させ、電極２と電極３の電極対の電極間に貯まる電荷を測定することにより、被測定流体の濃度に応じた静電容量を得る。静電容量測定回路６で得られた静電容量信号は、濃度演算回路７に入力され、濃度に変換される。

この静電容量式濃度計は次の測定原理に基づいている。被測定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が変化する。電極２，３間を通過する被測定液の誘電率が変化すると、電極２，３間の静電容量が変化する。この静電容量の変化に基づき静電容量式濃度計は、濃度の測定を行うことができる。

図７は従来のマイクロ波式濃度計の構成図である（特許文献１）。マイクロ波式濃度計は、マイクロ波発振器８から発振されたマイクロ波がパワースプリッタ９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１０を介して位相差測定回路１４に入力される。一方、測定系経路を通るマイクロ波は、配管１１内に取り付けられたマイクロ波の送信アンテナ１２を介して入射する。配管１１内を流れる被測定液体中を通過したマイクロ波は、配管１１内に対向して取り付けられたマイクロ波の受信アンテナ１３で受信され、受信された信号は受信アンテナ１３から位相差測定回路１４に入力される。

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、位相差測定回路１４は、マイクロ波発振器８から伝送ケーブル１０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１１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１１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）を求めて濃度演算回路１５に送出する。

濃度演算回路１５は、この位相差Δθ及び予め校正された検量線に基づいて、被測定用液体の濃度を算出する。

この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被測定液体の濃度を測定している。

特開２０００−２５８３６２号公報

図６に示す従来の静電容量式濃度計においては、被測定流体の誘電率変化を測定する電極対は、電極２と電極３とに示すように、棒状あるいは、平行平板状の電極対を被測定液が流れる測定管内に挿入する形態がとられていた。しかしながら、このような形態では、被測定液が電極対を通過する際に、電極対により被測定液の流れが妨げられるという問題がある。

また、静電容量式濃度計における気泡の影響は、例えば、光学式あるいは、超音波式と比較して少ないが、気泡混入による誘電率変化がそのまま濃度指示値に影響を与えるという問題がある。

さらに、マイクロ波濃度計においては、気泡混入による誘電率の減少によるマイクロ波の伝播時間の減少分に対して、気泡と被測定液の境界面におけるマイクロ波の屈折散乱による伝播時間の増大分が相殺されるため、静電容量式より気泡混入の影響は少ないが、濃度指示値に影響を与えるという問題がある。

本発明の課題は、電極対により被測定液の流れが妨げられることなく、気泡の混入による濃度測定値への影響を軽減することができる電磁気応用濃度計を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明は、環状の１対の電極対と、前記電極対の環状内を通過する被測定流体の濃度変化に伴う誘電率変化を前記電極対の電極間の静電容量変化として測定する静電容量測定回路と、マイクロ波発振器から直接受信するマイクロ波を位相基準とし、配管内に前記被測定流体を充填して流したときのマイクロ波の位相遅れと前記配管内に濃度基準用流体を充填して流したときのマイクロ波の位相遅れとの位相差を測定する位相差測定回路と、前記静電容量測定回路からの前記電極対の電極間の静電容量変化に基づき測定された前記被測定流体の濃度測定値と前記位相差測定回路からのマイクロ波の位相差に基づき測定された前記被測定流体の濃度測定値との差により前記被測定流体内の気泡の影響を補正する濃度演算回路とを備えることを特徴とする。

第２の発明は、環状の第１電極及び第２電極からなる第１電極対と、前記第１電極対の環状内を通過する被測定流体の濃度変化に伴う誘電率変化を前記第１電極対の電極間の静電容量変化として測定する静電容量測定回路と、前記静電容量測定回路からの前記第１電極対の電極間の静電容量変化に基づき前記被測定流体の濃度を測定する濃度演算回路とを備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、電極対により被測定液の流れが妨げられることなく、気泡混入による濃度測定値の影響を軽減できる高精度な電磁気応用濃度計を提供できる。

第２の発明によれば、電極対により被測定液の流れが妨げられることなく高精度な電磁気応用濃度計を提供できる。

本発明の実施例１の電磁気応用濃度計の構成図である。本発明の実施例１の環状電極対を説明する図である。本発明の実施例１の環状電極対の作用を説明する図である。本発明の実施例１の気泡混入時の比誘電率変化に基づく濃度指示値とマイクロ波濃度計の濃度指示値の比較グラフである。本発明の実施例２の電磁気応用濃度計の構成図である。従来の静電容量形濃度計の構成図である。従来のマイクロ波濃度計の構成図である。

以下、本発明の電磁気応用濃度計の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１の電磁気応用濃度計の構成図である。電磁気応用濃度計は、環状電極２１、環状電極２２、静電容量測定回路６、マイクロ波発振器１７、パワースプリッタ１８、伝送ケーブル１９、送信アンテナ２３、受信アンテナ２４、位相差測定回路２９、濃度演算回路３０を有している。

まず、静電容量式濃度測定について説明する。配管１６の内部には、環状電極２１と環状電極２１に対向して配置された環状電極２２とによる電極対（第１電極対）が、配管１６の長手方向に対して略直交して取り付けられている。

静電容量測定回路６は、伝送ケーブル２５と伝送ケーブル２７とを介して環状電極２１と環状電極２２との電極対の電極間に電界を発生させ、環状電極２１と環状電極２２との電極対の電極間に貯まる電荷を測定することにより、被測定流体の濃度に応じた静電容量を得る。静電容量測定回路２８で得られた静電容量信号は、濃度演算回路３０に入力され、濃度に変換される。

次にマイクロ波濃度測定について説明する。マイクロ波発振器１７から発振されたマイクロ波がパワースプリッタ１８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１９を介して位相差測定回路２９に入力される。一方、測定系経路を通るマイクロ波は、配管１６内に取り付けられたマイクロ波の送信アンテナ２３を介して入射する。配管１６内を流れる被測定液体中を通過したマイクロ波は、配管１６内に対向して取り付けられたマイクロ波の受信アンテナ２４で受信され、受信された信号は受信アンテナ２４から位相差測定回路２９に入力される。

すなわち、位相差測定回路２９は、マイクロ波発振器１７から伝送ケーブル１９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１６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１６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）を求めて濃度演算回路３０に送出する。

濃度演算回路３０は、この位相差Δθ及び予め校正された検量線に基づいて、被測定用液体の濃度を算出する。濃度演算回路３０は、静電容量変化に基づいて算出した濃度指示値とマイクロ波の位相差に基づいて算出した濃度指示値との間に差がある場合、気泡混入と判断して、気泡の影響を取り除いた濃度を算出する。

次にこのように構成された実施例１の電磁気応用濃度計の動作を説明する。まず、図２に示す環状電極２１，２２によって構成された環状電極対の環内を被測定液が通過することにより、静電容量式濃度計の電極対が被測液の流れを妨げる問題を解決することができる。

環状電極対２１，２２の電極間に電界をかけた場合、環状電極対２１，２２の断面での電界の流れは、図３に示すようになる。環状電極対２１，２２の電極の環内に誘電体が満たされた場合、電界の流れに沿って誘電分極が発生するので、環状電極対２１，２２の電極間の静電容量が変化することになる。すなわち、環状電極２１，２２の環内においても誘電率変化を検出できることになる。

また、環状電極対２１，２２の電極の環内に誘電体が満たされた場合の電極間の静電容量は、次のように概算される。

比誘電率ε_sの誘電体内における直径a,導線の中心間距離ｄの平行導線間の単位長さあたりの静電容量C₀は、次の式で表わされる。

D≫d≫aの場合、直径Dの平行円環状電極対の電極間の静電容量Crは、次の式で表わされる。

D≫d≫aで、平行円環電極対の電極環内に比誘電率ε_sriの誘電体で満たされ、電極環外に比誘電率ε_sroの誘電体で満たされる場合、直径Dの平行円環状電極対の電極間の静電容量Crは、次の式で表わされる。

式３より例えば、D＝100mm、d=3mm、a=0.3mmの場合、
電極環外が空気、電極環内が水で満たされている場合の静電容量Crは、約160pFとなる。

また、電極環外が空気、電極環内が水に対してエタノール濃度10％（重量）の被測定液で満たされている場合、電極環内の被測定液の比誘電率ε_sriは、約74.6となるので、静電容量Crは、約150pFとなる。これは、上記形状の環状電極対２１，２２の電極間の静電容量の変化により濃度を計測できることを示している。

また、気泡の混入による測定値への影響は、次の方法により軽減することができる。前述のとおりマイクロ波濃度計は、被測定液に気泡が混入した場合、気泡混入による誘電率の減少によるマイクロ波の伝播時間の減少分に対して、気泡と被測定液の境界面におけるマイクロ波の屈折散乱による伝播時間の増大分が相殺される。

このため、気泡混入による誘電率変化が直接、濃度指示値に影響が発生する静電容量式濃度計と異なる濃度指示値を示す。つまり、気泡の形状が同一ならば、静電容量式濃度計とマイクロ波濃度計との濃度指示値の差より一意に気泡混入量が決まる。

このように、実施例１の電磁気応用濃度計によれば、環状電極２１と環状電極２２とで構成される環状電極対により被測定液の流れを妨げずに静電容量測定による濃度測定を行い、同時にマイクロ波による濃度測定も行い、静電容量測定による濃度測定値とマイクロ波による濃度測定値を比較して気泡混入を検出して、気泡混入による濃度指示値の影響を補正するので、被測定用液体に気泡が混入しても、測定誤差の影響を軽減することができる。

図４は本発明の実施例１の気泡混入時の比誘電率変化に基づく濃度指示値（理論値）とマイクロ波濃度計の濃度指示値（実測値）との比較グラフであり、横軸は気泡含有率（容量％）を示し、縦軸は濃度指示値を示す。

実際の実験でも、図４に示すように、水に対して体積比で１％の気泡が混入した場合の濃度指示値の変動は、理論値約０．９６％から実測値約０．５８％となるので、マイクロ波濃度計の方が静電容量濃度計よりも３０〜４０％少ないという結果が得られている。これにより、マイクロ波濃度計と静電容量濃度計の濃度指示値の差に基づいて気泡混入の影響を補正可能なことが示される。

図５は本発明の実施例２の電磁気応用濃度計の構成図である。図５に示す実施例２の電磁気応用濃度計は、図１に示す実施例１の電磁気応用濃度計に対して、さらに、環状電極２０を追加したものである。

配管１６の内部には、環状電極２１に対向して環状電極２０が配置され、環状電極２０と環状電極２１とで第２電極対を構成している。環状電極２０と環状電極２１間の間隔ｄ１と環状電極２１と環状電極２２間との間隔ｄ２とは、異なる。この間隔ｄ１と間隔ｄ２とを夫々変えて、環状電極２１を共用することにより静電容量の異なる２対の環状電極対が構成されている。

また、伝送ケーブル２５，２６，２７の長さ及び電気的性質は、全て同一性を有するものとする。この場合には、静電容量の異なる２対の環状電極対で測定された静電容量の差を求めることにより、温度による容量変化の影響を排除することができる。これにより、温度の変動を受け難い静電容量式濃度測定が行える。

本発明は、濃度計に適用可能である。

２，３電極
２０，２１，２２環状電極
４，５，２５，２６，２７伝送ケーブル
８，１７マイクロ波発振器
９，１８パワースプリッタ
１０，１９マイクロ波送信ケーブル
１，１１，１６配管
１２，２３送信アンテナ
１３，２４受信アンテナ
１４，２９位相差測定回路
６，２８静電容量測定回路
７，１５，３０濃度演算回路

Claims

環状の１対の電極対と、
前記電極対の環状内を通過する被測定流体の濃度変化に伴う誘電率変化を前記電極対の電極間の静電容量変化として測定する静電容量測定回路と、
マイクロ波発振器から直接受信するマイクロ波を位相基準とし、配管内に前記被測定流体を充填して流したときのマイクロ波の位相遅れと前記配管内に濃度基準用流体を充填して流したときのマイクロ波の位相遅れとの位相差を測定する位相差測定回路と、
前記静電容量測定回路からの前記電極対の電極間の静電容量変化に基づき測定された前記被測定流体の濃度測定値と前記位相差測定回路からのマイクロ波の位相差に基づき測定された前記被測定流体の濃度測定値との差により前記被測定流体内の気泡の影響を補正する濃度演算回路と、
を備えることを特徴とする電磁気応用濃度計。
環状の第１電極及び第２電極からなる第１電極対と、
前記第１電極対の環状内を通過する被測定流体の濃度変化に伴う誘電率変化を前記第１電極対の電極間の静電容量変化として測定する静電容量測定回路と、
前記静電容量測定回路からの前記第１電極対の電極間の静電容量変化に基づき前記被測定流体の濃度を測定する濃度演算回路と、
を備えることを特徴とする電磁気応用濃度計。
前記第１電極対の一方の電極及び第３電極からなる第２電極対を備え、前記第２電極対は、前記第１電極対の一方の電極及び前記第３電極の間隔が前記第１電極対の前記第１電極及び前記第２電極の間隔とは異なり、
前記静電容量測定回路は、前記静電容量変化を前記第１電極対の静電容量と前記第２電極対の静電容量との静電容量差の変化として測定し、
前記濃度演算回路は、前記静電容量測定回路で測定された静電容量差の変化に基づき前記被測定流体の濃度を測定することを特徴とする請求項２記載の電磁気応用濃度計。