JP2015227874A - センサ、測定装置、および測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】測定セルにより包囲される空間内以外で測定セルに位置される螺旋導体を備える、測定セル内の試料を測定するセンサを提供すること。【解決手段】測定セルの殻構造は非導電性材料製である。測定セル、および螺旋導体の少なくとも一部がチャンバ内部に配置可能である。チャンバは導電性材料製の殻構造を備える。チャンバの殻構造への螺旋導体の両端部の結合は同一である。無線周波数信号入力要素は、螺旋導体に少なくとも１つの螺旋共振を形成する目的で、無線周波数信号をチャンバに結合する。無線周波数信号出力要素は螺旋導体の少なくとも１つの螺旋共振に応答し、測定用無線周波数信号を伝送する。測定セル内の試料を測定する装置は上記センサと、無線周波数信号源と、測定および制御部とを備える。無線周波数信号源は入力要素へ無線周波数信号を生成する。測定および制御部は少なくとも１つの共振周波数に基づいて試料の少なくとも１つの性質を測定する。【選択図】図１
Description
本発明は、センサ、測定装置、および測定方法に関する。
螺旋共振器は導電性チャンバ内に螺旋状導体（螺旋）を有する。螺旋共振器の無線周波数共振は、とりわけ、螺旋状導体内部の物質の誘電率に依存する。先行技術において、螺旋共振は例えば、湿度測定に使用されてきた。
しかしながら、螺旋共振を利用する測定装置のチャンバ内には強い漂遊場があり、それが測定の場の質を低下させ、測定結果を悪化させる。他の点においても、螺旋状導体を利用する共振測定を更に発展させる必要がある。
本発明の目的は、改善された解決策を提供することである。これは請求項１に係るセンサにより実現される。本発明はまた、請求項７に係る装置に関する。本発明はまた、請求項１１に係る方法に関する。
本発明の好適実施形態は従属請求項に記載される。
本発明に係る装置および方法はいくつかの利益を提供する。螺旋導体の端部により引き起こされる漂遊磁場は低減でき、またはそれは排除できる。電場が効率的に試料に浸透するようにでき、上記解決策が相対的に低い測定周波数の使用を可能にする。
本発明を好適実施形態に関連し且つ添付図面を参照しつつより詳細に説明する。
以下の実施形態は例として提示される。「一の」実施形態の異なる点が説明により言及されるとしても、これは必ずしも各言及が同一の実施形態へ向けられていること、または特徴は１つの実施形態に該当するのみであることを意味するのでなく、代わりに異なる実施形態の個別の特徴が組み合わされて他の実施形態を生成してもよい。
最初に図１により測定センサおよび装置の一例を検討する。無線周波数信号源１００は無線周波数信号を、同軸コネクタまたはマイクロストリップ構造または何らか他の伝送導体構造を備える入力要素１０２に供給する。一実施形態において、無線周波数源１００は被測定周波数範囲にわたり掃引してよい。一実施形態において、測定は自励発振に基づいており、センサに入射して出射する無線周波数信号は、発振回路が作成されてセンサ共振の周波数で発振するように増幅要素に結合される。無線周波数信号源１００は電圧制御発振器（ＶＣＯ）、デジタル直接合成発振器（ＤＤＳ）などを備えてよい。入力要素１０２から無線周波数信号はチャンバ１０４に進むが、その殻構造１０６はその全域にわたり導電性材料を備える。導電性材料は例えばアルミニウムまたは真鍮のような金属製であってよいが、これらに限定されない。殻構造１０６は全体的に導電性であってよく、殻構造１０６の内面が導電性であり、殻構造１０６の外面が導電性であり、殻構造１０６の内部が導電性であり、殻構造１０６の外部が導電性であり、または上記の組み合わせである。チャンバ１０４の目的は、無線周波数信号が環境へと漏洩することおよび無線周波数干渉がチャンバ１０４内へと漏洩することを防ぐことである。
入力要素１０２は、無線周波数信号を伝導し、またチャンバ１０４内へ延在してよい突出部１４０を備えてよい。突出部１４０は例えば、長さおよそ１０ｍｍ以下でよい。無線周波数信号は無線周波数信号源１００から例えば、同軸ケーブルによりチャンバ１０４へ伝送されてよく、そこへ延在する突出部１４０は上記同軸ケーブルの内部導体であってよい。突出部１４０はマイクロストリップまたは何らか他の伝送手段であってもよい。伝送方法それ自体は本質ではないので、無線周波数信号源１００から入力要素１０２への無線周波数信号の伝送は同軸ケーブル以外の手段を使用して行ってもよい。
本装置はチャンバ１０４内部に位置決めされるまたは位置決め可能な測定セル１０８を備える。一実施形態において、測定セル１０８は、測定時に被測定試料１３０で充填される、開放したまたは閉止可能な測定容器であってよい。測定容器は次回の測定のために空にできる。一実施形態において、測定セル１０８は内部空洞を有する管状構造であってよく、その空洞は測定セル１０８により少なくとも部分的に包囲される空間１３２である。空洞の横断面は正方形または多角形のように角状であってよく、または横断面は円または楕円のように円形であってよい。測定セル１０８はチャンバ１０４外部へ続く管状構造１２０の一部であってよく、測定セル１０８は管状構造１２０のうちのチャンバ１０４内部の部分である。管状測定セル１０８の空洞内では、被測定試料１３０は連続または離散流として流動する。測定セル１０８の壁構造１１２は非導電性材料製である。非導電性材料は例えば、プラスチック、セラミックス、またはガラスであってよい。
本装置はまた、測定セル１０８に位置される螺旋導体１１０を備える。螺旋導体１１０は、一実施形態においては測定セル１０８の内面上にあってもよいが、典型的には、螺旋導体１１０は測定セル１０８により包囲される空間１３２の外側にある。螺旋導体１１０は測定セル１０８により包囲される空間１３２内ではないので、螺旋導体１１０は測定セル１０８内の試料１３０の流れを妨げも、または測定セル１０８の試料１３０での充填に干渉もしない。その名称が示す通り、螺旋導体１１０はアルミニウム、銅、銀、または金のような金属であってよい導電性材料製である。螺旋導体１１０は螺旋共振器の母体の役目を担う。螺旋導体１１０は条を形成するコイル、即ち螺旋である。条には１つまたは複数の巻があってよい。巻が多くあるほど、最低共振周波数は低くなる。螺旋導体１１０は螺旋導体１１０の条内部に、螺旋導体１１０の長手方向の電場を引き起こし、それが効率的に螺旋導体１１０の電場内にある測定セル１０８および試料１３０内部に浸透する。
図１の実施形態において、螺旋導体１１０は、両端部１１４、１１６が導電性殻構造１０６に対して閉じている。そのような場合、螺旋導体１１０はチャンバ１０４の殻構造１０６に直流的に結合される。入力要素１０２の突出部１４０はしたがって、螺旋導体１１０のチャンバ１０４への短絡端部１１４に結合される。相応して、出力要素１１８の突出部１２４が螺旋導体１１０のチャンバ１０４への短絡端部１１６に結合される。このように、螺旋導体１１０の短絡され且つ接地される端部１１４、１１６において、無線周波電流は最大であり、電圧は最大であり、電界の強さはゼロであり、その場合、螺旋導体の両端部１１４、１１６では干渉漂遊場は形成されない。これが測定精度を向上させる。
一実施形態において、螺旋導体１１０は測定セルに巻かれる金属帯を備えてよい。帯状構造は測定セル１０８の壁構造１１２に埋め込まれてよい。
一実施形態において、螺旋導体１１０は測定セル１０８に被覆される導体を備えてよい。被覆は例えば、電気分解、蒸着またはスパッタリングにより行うことができる。
一実施形態において、いくつかの共振が螺旋導体１１０上に形成されるが、螺旋導体１１０の長さは、最低共振周波数において半波長λ／２、次の共振において全波長λである。一般に、以下が共振周波数および螺旋導体１１０の長さＰに当てはまる：Ｐ＝Ｎ＊（λ／２）、式中、Ｎは整数１、２、３、…である。一実施形態において、螺旋導体１１０の幅は例えば、およそ１ｍｍから１ｃｍであってよい。
測定セル１０８および螺旋導体１１０はチャンバ１０４内部に配置できる。螺旋導体１１０の両端部１１４、１１６は同様に、チャンバ１０４の殻構造１０６に結合される。図１の例において、螺旋導体１１０は、両端部１１４、１１６が殻構造１０６に直流的に結合される。
無線周波数信号が螺旋導体１１０に結合されると、無線周波電流がその中に形成されて、螺旋導体１１０により引き起こされる１つまたは複数の螺旋共振で共振する。上記１つまたは複数の螺旋共振の周波数は、螺旋導体１１０の勢力範囲内にある測定セル１０８内の試料１３０に依存する。
螺旋導体１１０内で共振する無線周波電流は、無線周波数共振に対応する信号を測定および制御部１２２に伝送する無線周波数信号出力要素１１８により検出される。測定装置は、螺旋導体１１０内に形成される共振無線周波電流の周波数で測定セル１０８内の試料を測定する。共振周波数に対応する波長はチャンバ１０４の最大内法よりも大きくてよい。粒状の試料１３０により引き起こされる放射散乱は防止され、試料１３０への良好な浸透がこの種類の低周波数で実現される。
出力要素１１８は、無線周波数信号を伝導する突出部１２４を備えてよく、それはチャンバ１０４内へ延在してよい。突出部１２４の長さはおよそ１０ｍｍ以下であってよく、それが無線周波数共振信号の出力要素１１８への効率的な結合に寄与する。無線周波数共振信号は共振螺旋導体１１０から測定および制御部１２２へ、例えば同軸ケーブルで伝送でき、その内部導体はチャンバ１０４内へ延在する突出部１２４であってよい。突出部１２４はマイクロストリップまたは何らか他の相応の構造であってもよい。加えて、伝送方法それ自体は本質ではないので、出力要素１１８から測定および制御部１２２への無線周波数信号の伝送は同軸ケーブル以外の手段を使用して行うこともできる。
測定および制御部１２２は、無線周波数信号の共振周波数、共振Ｑ値および／または信号レベルに基づいて、測定セル１０８内の試料１３０の１つまたは複数の性質を測定する。１つまたは複数の共振周波数に基づいて、試料１３０中の水量、含水量、水分量などを求めることができる。水の比誘電率εｒは通常、例えば非導電性固体物質の比誘電率（１０未満）よりも高い（εｒ＝８１）ので、水関連の性質が測定できる。したがって、共振周波数は試料１３０中の水の相対的割合に従ってのみ変化する。このように、乾燥分も求めることができる。適用分野は生体材料湿度測定または下水汚泥の乾燥分測定であってよいが、これらに限定されない。そのような測定により、液体中の気体量、気体中の水量、油中の水量、水中の油量、アルコール中の油量、および油中のアルコール量も求めることができる。一般に、測定により２つ以上の媒体の混合比、および／または２つ以上の媒体の量を求めてよい。
測定および制御部１２２は少なくとも１つのプロセッサ７０２、およびコンピュータプログラムコードを含む少なくとも１つのメモリ７００を備えてよい（図７参照）。上記少なくとも１つのメモリ７００は、上記少なくとも１つのプロセッサ７０２およびコンピュータプログラムコードと共に、測定装置で行われるべき測定および制御動作を実装してよい。測定および制御部１２２は無線周波数信号源１００を制御して入力要素１０２へ無線周波数信号を生成してよい。測定および制御部１２２はそして、少なくとも１つの共振周波数に基づいて試料１３０の少なくとも１つの性質を測定してよい。
図１の実施形態において、無線周波数信号を供給する入力要素１０２の突出部１４０は螺旋導体１１０の第１端部１１４に直流的に結合される。螺旋導体１１０の第１端部１１４は次いで、殻構造１０６に直流的に結合される。このように、突出部１４０は、伝送ループが形成されて無線周波数信号を誘導的に螺旋導体１１０に結合するように、螺旋導体１１０を通じて殻構造１０６に短絡される。ループ内を循環する電流はこのため、螺旋導体１１０を通じて接地に伝送される。入力要素１０２の無線周波数信号を供給する伝送線路の接地導体はそれゆえ、チャンバ１０４の殻構造１０６に結合される。
典型的には、無線周波数信号を伝送する中心導体を包囲する伝送線路外部導体は、チャンバ１０４の殻構造１０６に結合される。伝送線路の中心導体は入力要素１０２の突出部１４０に直流的に結合される。一実施形態において、ループ結合における突出部１４０の長さはおよそ１０ｍｍ以下であってよい。これは、入力要素１０２からチャンバの殻構造１０６に結合される螺旋導体１１０までの、チャンバ１０４内部の突出部１４０の長さを指す。ループ結合において、突出部１４０の長さは例えば、水平方向におよそ５ｍｍ且つ垂直方向におよそ２ｍｍであってよい。しかしながら、ループの大きさはこれらの寸法に限定されない。
図１の実施形態において、出力要素１１８の突出部１２４も螺旋導体１１０の第２端部１１６に直流的に結合される。螺旋導体１１０の第２端部１１６は次いで、殻構造１０６に直流的に結合される。このように、突出部１２４は、伝送ループが形成されて無線周波数信号を誘導的に共振螺旋導体１１０から出力要素１１８へ結合するように、螺旋導体１１０を通じて殻構造１０６に短絡される。ループ内を循環する電流はこのため、螺旋導体１１０を通じて接地に伝送される。出力要素１１８の無線周波数信号を受信する伝送線路の接地導体はチャンバ１０４の殻構造１０６に結合される。無線周波数信号を伝送する中心導体を包囲する伝送線路外部導体は典型的には、チャンバ１０４の殻構造１０６に結合される。伝送線路の中心導体は一方で、出力要素１１８の突出部１２４に直流的に結合される。一実施形態において、ループ結合における突出部１２４の長さはおよそ１０ｍｍ以下であってよい。これは、出力要素１１８からチャンバの殻構造１０６に結合される螺旋導体１１０までの、チャンバ１０４内部の突出部１２４の長さを指す。ループ結合において、突出部１２４の長さは例えば、水平方向におよそ５ｍｍ且つ垂直方向におよそ２ｍｍであってよい。しかしながら、ループの大きさはこれらの寸法に限定されない。
図２は容量結合を例示する。本実施形態においては、螺旋導体１１０は、両端部１１４、１１６が導電性殻構造１０６に対して開いている。更には、本実施形態においては、入力要素１０２の突出部１４０は螺旋導体１１０にもまたはチャンバの殻構造１０６にも直流的に結合されない。しかしながら、入力要素１０２の無線周波数信号を供給する伝送線路の接地導体はチャンバ１０４の殻１０６に結合される。入力要素１０２の突出部１４０は螺旋導体１１０の端部１１４に近接するが、そういう理由で突出部１４０から螺旋導体１１０の端部１１４への無線周波数信号の結合は容量的である。この種類の結合は螺旋導体１１０の端部１１４、１１６の漂遊場を突出部１４０、１２４に集中もさせ、その場合、漂遊場は物質測定には大して影響しない。
突出部１４０が螺旋導体１１０から離れていれば、チャンバ結合は螺旋導体１１０全体に対するものとなる。チャンバ結合および容量結合なる用語は当業者には明白であり、また突出部１４０と螺旋導体１１０の端部１１４との間の距離を求めることを必要とするまでもなく、明確に結合方法を定義する。加えて、螺旋導体１１０における結合領域または点（螺旋導体の端部１１４または螺旋導体全体／螺旋導体の中心部）が結合方法の違いを明らかにする。螺旋導体１１０の端部への直接容量結合は、チャンバ１０４内の漂遊場を通じて生じるチャンバ結合よりも強力であり、したがって、より良質の測定信号を効果的に生成する。一実施形態において、突出部１４０と螺旋導体１１０の端部１１４との間の距離はおよそ１０ｍｍよりも短い。一実施形態において、突出部１４０と螺旋導体１１０の端部１１４との間の距離はおよそ５ｍｍ以下である。一実施形態において、突出部１４０と螺旋導体１１０の端部１１４との間の距離はおよそ３ｍｍ以下である。
図１の実施形態よりも一般的であり且つ図１および２に示される一実施形態においては、無線周波数信号の入力要素１０２は無線周波数信号を螺旋導体１１０の一端部１１４に直接結合してよい。無線周波数信号の出力要素１１８は螺旋共振器１１０の他端部１１６での無線周波電場に直接結合される。直接結合とは、供給される無線周波数信号の螺旋導体１１０の端部１１４への直接結合を指す。図１の誘導結合において、入力要素１０２の突出部１４０はループ結合を通じて螺旋導体１１０の端部１１４に直流的に結合され、その端部は次いで、チャンバ１０４の接地殻構造１０６に結合される。図２の容量結合において、直接接合は、入力要素１０２の突出部１４０は容量結合により定義される要領で螺旋導体１１０の端部１１４に近接するという事実に基づく。チャンバ１０４内の電場の出力要素１１８への直接結合は相応の要領で理解できる。
図２に係る一実施形態において、入力要素１０２の突出部１４０は非導電性材料製の結合片２００に締結されてよい。結合片２００はその一方側で螺旋導体１１０の端部１１４に締結され、それゆえ結合片２００は、異なる温度および振動下でも、突出部１４０と螺旋導体１１０の端部１１４との間に制御された少なくともほぼ一定の距離を保ち、これがレベル測定精度を向上させる。結合片２００は例えば、プラスチック、セラミックスまたはガラス製であってよい。結合片２００は例えば、接着剤により締結されてよい。結合片２００の締結は測定セル１０８の外面にも延在してよい。出力要素１１８の突出部１２４は、入力要素１０２の突出部１４０と同様に非導電性材料製の結合片２００に締結されてよい。
一実施形態において、図３に示すように、本装置は、螺旋構造１１０の両端部１１４および１１６の間の領域で螺旋導体１１０の長手軸に垂直に、チャンバ１０４の殻構造１０６に位置決めされ、無線周波数信号をチャンバ結合によりチャンバ１０４内の漂遊場を通じて螺旋共振器１１０に結合する無線周波数信号入力要素１０２を備える。既述のように、チャンバ結合は容量結合とは異なる。図３の実施形態において、螺旋導体１１０は、両端部１１４、１１６が導電性殻構造１０６に対して閉じている。そのような場合、螺旋導体１１０はチャンバ１０４の殻構造１０６に直流的に結合される。
図３の実施形態において、無線周波数信号出力要素１１８は、入力要素１０２に対して異なる側で螺旋導体１１０の長手軸に垂直に、チャンバ１０４の殻構造１０６に位置決めされてよく、出力要素１１８はチャンバ結合を通じてチャンバ１０４から無線周波電場を受信する。一実施形態において、入力要素１０２および出力要素１１８はチャンバ１０４の同じ側で並んでいてもよい。
一実施形態において、本装置は測定セル１０８内の試料１３０を、測定セル１０８内の試料１３０の粒径Ｒよりも大きい波長で測定する。粒径は顆粒の直径を指してよい。
図４は、チャンバ１０４を貫通してチャンバ１０４から延出する管状構造１２０に、測定セル１０８外部で、導電性材料製の保護殻４００が設けられる一実施形態を示す。保護殻４００は、管状構造１２０の外面上を取り巻く、構造１２０内部の、または構造１２０の内面上の管状部であってよい。保護殻４００の遮断周波数はチャンバ１０４内で生成される最高周波数よりも高く、これは無線周波電磁放射線はチャンバ１０４から漏洩できなく、また環境からの干渉無線周波電磁放射線も共振器に侵入できないことを意味する。保護殻４００は共振のＱ（品質：Ｑｕａｌｉｔｙ）値を向上させ、また測定を外部電磁干渉に影響されないようにする。
図５は入力要素１０２と螺旋導体１１０との間の容量結合を示すが、原理的には図２の結合と類似する。本実施形態においても、螺旋導体１１０の端部１１４はチャンバ１０４の開口５２０を通してチャンバ１０４外部に延出してよい。出力要素１１８およびそれに接続される突出部１２４も、図５および６の入力要素１０２および突出部１４０と同様に結合できる。
図６は入力要素１０２と螺旋導体１１０との間の誘導結合を示すが、原理的には図１の結合と類似する。図６の実施形態において、螺旋導体１１０の端部１１４はチャンバ１０４の開口５２０を通してチャンバ１０４外部に延出してよい。
図７は、管状構造１２０内部の空洞５００が、図７に矢印により示される試料の流れ方向に延在する実施形態を示す。このように、測定セル１０８および管状構造１２０は試料が原因で詰まることは一切なく、または均一の管状構造１２０ほど詰まり易くはない。
図８は、曲線６００で表す、本特許出願に記載の解決策により行われるシミュレーション、および曲線６０２で表す、従来の方法で行われる測定の一例を示す。本実施形態において、測定セル１０８は直径が７５ｍｍで、螺旋状導体１１０は測定セル１０８周囲に３巻していた。縦軸は共振器内での無線周波数信号の減衰量をデシベルで示し、横軸は周波数を０から８００ＭＨｚまで示す。曲線６００、６０２が示すように、本特許出願に記載の解決策の全４つの共振はとても鮮明であり、同じ形をしている。共振ピークは少なくともほとんど同じ高さであり、共振ピークの半値幅は狭い。先行技術の、即ち従来の測定では、一番目の共振は全く検出可能でなく、二番目の共振の前には強い減衰がある。三番目の共振は先行技術により検出できる最弱レベルであり、これは共振周波数が適正に結合していないためである。四番目の共振は中央で非対称に分割され、その場合、Ｑ値の正確な限定は不可能である。シミュレータ結果は測定によっても検証可能であった。
上記測定は、流れ障壁がパイプ内に入らない、即ちセンサが真っ直ぐで滑らかなパイプ部のみで形成されるように、処理パイプで実施できる。測定は、測定結果に影響する、測定セル１０８の横断面積内での材料片の位置付けをしていない不均質材料を用いても十分にうまく行く。
センサをチューブの切断を要さずに設置してよいクランプオン式にすることにより、測定装置を結合してプラスチックパイプおよびチューブ内部を流動する材料を測定できる。両端部が開いている螺旋導体はパイプに巻かれ、機器の残りはパイプの切断を要さずに部分に分けてパイプ周囲に組み立てられてよい。他の可能な実施形態は、別個のプラスチックパイプを測定セル１０８内部に押し込むことであり、これは測定セルは処理圧力に晒されないことを意味する。
螺旋導体を有するセンサの応答は多数の共振周波数を含んでよく、このため異なる周波数での少なくとも２つの共振を使用することにより、物質伝導率の影響の補償が可能となる。このように、測定および制御部１２２は、異なる周波数を有する少なくとも２つの共振のレベルおよび／またはＱ係数に基づいて、被測定物質の伝導率を求めてよい。測定および制御部１２２は試料１３０の少なくとも１つの性質を求める際に上記伝導率を使用してよい。
通常、周波数は実質的にお互いに、即ち測定装置の周波数分解能以上に異なる必要がある。共振の強度は共振周波数の関数としての導電性物質の伝導率に依存する。異なる周波数を有する２つの共振間の強度差が大きいほど、試料１３０の伝導率は大きい。例えば、図８のシミュレーションでは、試料１３０の伝導率は小さかった。
二パラメータ測定が物質の二つの性質（例えば、水分および密度）の測定を可能にする。そのため、以下のうちの少なくとも２つを測定することが可能である：共振周波数、上記少なくとも１つの共振周波数のレベル、および共振周波数のＱ値。
二パラメータ測定では、湿度測定のための密度補償アルゴリズムを得る目的で、共振器の共振周波数のみならず、第二パラメータとして、信号のレベルおよび／またはＱ値をも使用することが可能である。
測定セルの流れ方向に沿う生成される共振の応答は単一ピークまたは多重ピークであってよい。二ピーク共振が選択されれば、自己相関を通じて流量の測定が可能となる。測定セル１０８の内部横断面積が通常のように、既知であれば、自己相関により物質量流量を測定することも可能である。
一共振が使用されれば、その応答は螺旋導体１１０の中心部で長手方向に感度が良く、螺旋導体の両端部で感度が良くないものだが、本解決策はできるだけ明瞭であり、またセンサからの漏洩は最小限である。開いた端部の場合、電場は出口パイプに近接した螺旋導体１１０の端部１１４、１１６でその最大であり、その場合、外部干渉はチョッピング周波数パイプ４００にもかかわらず、短絡モデルにおけるよりも大きいかもしれない。加えて、螺旋導体１１０の開放端部１１４、１１６は螺旋導体１１０を用いて形成される共振周波数に影響するかもしれない。
図９は、１つまたは複数のメモリ７００および１つまたは複数のプロセッサ７０２を備える測定および制御部１２２を示す。加えて、測定および制御部１２２は、測定を行い、測定装置を制御するための１つまたは複数の適切なコンピュータプログラムを備える。
２つの最低共振の電場パターンが図１０Ａおよび１０Ｂに示される。図１０Ａの電場は図１の結合での最低共振に対応する。図１０Ｂの電場は図１の結合での二番目に低い共振に対応する。電場はいずれの場合にも、管状測定セルの長手軸に平行である。図１０Ａおよび１０Ｂに基づけば容易に理解できるが、先行技術のチャンバ結合を有する共振器をチャンバ１０４に与えることは、これら２つの波形をもってしても、それらの電場の方向は明らかに異なり、部分的には９０度の角度が付いているので、容易には行えない。これは図８に示したいくつかの共振での弱い結合の説明となる。より高い共振では、波形は更に複雑である。螺旋導体１１０に直接与える場合、螺旋導体１１０の端部１１４は常に短絡されているかまたは開放しているかであるので、この問題は発生しない。
図１１は本方法の一例を示す。ステップ８００で、チャンバ１０４の最大内法よりも大きい波長を有する無線周波数信号が無線周波数信号入力要素１０２により、導電性材料製の殻構造１０６を備えるチャンバ１０４に結合され、その結果チャンバ１０４内の測定セル１０８の螺旋導体１１０により、チャンバ１０４内に螺旋共振が形成され、ここで螺旋導体１１０の両端部１１４、１１６はチャンバ１０４の殻構造１０６に対して同じ結合を有し、一方測定セル１０８の壁構造１１２は非導電性材料製である。ステップ８０２で、チャンバ１０４内に形成される無線周波電場が無線周波数信号の出力要素１１８により検出され、無線周波数信号が測定のために伝送される。
測定装置が少なくとも１つのプロセッサ７０２、コンピュータプログラムが記憶された少なくとも１つのメモリ７００を備える場合、コンピュータプログラムおよびメモリ７００は、上記少なくとも１つのプロセッサ７０２と共に、測定装置に、測定装置で必要な動作の少なくともいくつかを行わせることができる。
コンピュータプログラムは、その配布用のコンピュータプログラム配布手段上に配置されてよい。コンピュータプログラム配布手段はデータ処理装置で読み取り可能であり、それは測定装置の動作を制御するためのコンピュータプログラムコマンドを符号化してよい。
配布手段は次いで、それ自体はコンピュータプログラムを配布するために公知の解決策、例えば、コンピュータ可読媒体、プログラム記憶媒体、コンピュータ可読メモリ、コンピュータ可読ソフトウェア配布パッケージ、コンピュータ可読信号、コンピュータ可読電気通信信号、またはコンピュータ可読圧縮ソフトウェアパッケージであってよい。
以上に本発明を添付図面に係る例を参照しつつ説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内で多様に変更してよいことは明白である。
１００ 無線周波数信号源
１０２ 入力要素
１０４ チャンバ
１０６ 殻構造
１０８ 測定セル
１１０ 螺旋導体
１１２ 壁構造
１１４ 端部
１１６ 端部
１１８ 出力要素
１２０ 管状構造
１２２ 測定および制御部
１２４ 突出部
１３０ 試料
１３２ 空間
１４０ 突出部
２００ 結合片
４００ 保護殻
５００ 空洞
５２０ 開口
６００ 曲線
６０２ 曲線
７００ メモリ
７０２ プロセッサ
１０２ 入力要素
１０４ チャンバ
１０６ 殻構造
１０８ 測定セル
１１０ 螺旋導体
１１２ 壁構造
１１４ 端部
１１６ 端部
１１８ 出力要素
１２０ 管状構造
１２２ 測定および制御部
１２４ 突出部
１３０ 試料
１３２ 空間
１４０ 突出部
２００ 結合片
４００ 保護殻
５００ 空洞
５２０ 開口
６００ 曲線
６０２ 曲線
７００ メモリ
７０２ プロセッサ
Claims (11)
- 測定セル内の試料を測定するセンサであって、
両端部が殻構造(shell structure)に短絡され、前記測定セルにより包囲される空間内以外で前記測定セルに位置される螺旋導体(helix conductor)であって、前記測定セルの前記殻構造が非導電性材料製である螺旋導体と、
内部に前記測定セル、および前記螺旋導体の少なくとも一部が配置可能(placeable)であり、導電性材料製の殻構造を備えるチャンバであって、前記チャンバの前記殻構造への前記螺旋導体の両端部の結合(coupling)が同一であるチャンバと、
前記螺旋導体に少なくとも１つの螺旋共振(helix resonance)を生成する目的で、無線周波数信号をループ結合で誘導的に前記チャンバ内の前記螺旋導体に結合するように適合される無線周波数信号入力要素(element)と、
ループ結合で前記共振する螺旋導体への誘導結合を形成することにより前記螺旋導体の少なくとも１つの螺旋共振に応答し、測定用無線周波数(radio-frequency)信号を伝送するように適合される無線周波数信号出力要素と、を備えるセンサ。 - 前記センサが、無線周波数信号を直接結合で前記螺旋導体の一端部(one end)に結合するように適合される無線周波数信号入力要素と、無線周波数信号を直接結合で前記螺旋共振器の他端部から受信するように適合される無線周波数信号出力要素とを備える、請求項１に記載のセンサ。
- 前記センサが、前記測定セル内の前記試料の最大粒径(largest granular size)よりも大きい波長で動作するように適合される、請求項１に記載のセンサ。
- 前記センサが、前記螺旋導体の前記端部間の領域で前記螺旋導体の長手軸(longitudinal axis)に垂直に前記チャンバの前記殻構造に位置され、螺旋共振を形成する目的で、無線周波数信号をチャンバ結合で前記チャンバに結合するように適合される無線周波数信号入力要素と、前記螺旋導体の前記端部間の領域で前記入力要素に対して異なるまたは同じ側で前記チャンバの前記殻構造に位置され、チャンバ結合で無線周波数信号を受信するように適合される無線周波数信号出力要素とを備える、請求項１に記載のセンサ。
- 前記センサが、前記チャンバから延出(extending out)し、測定セルを備える管状(tubular)構造に導電性保護構造を備える、請求項１に記載のセンサ。
- 前記センサが、前記試料の流れ方向に、拡張空洞(expanding cavity)を有する管状構造、および測定セルを備える、請求項１に記載のセンサ。
- 測定セル内の試料を測定する装置であって、請求項１に記載のセンサと、無線周波数信号源と、測定および制御部とを備え、
前記無線周波数信号源が前記入力要素へ無線周波数信号を生成するように適合され、
前記測定および制御部が少なくとも１つの共振周波数に基づいて前記試料の少なくとも１つの性質を測定するように適合される、装置。 - 前記測定および制御部が、共振に関連する少なくとも２つのパラメータの値を求め、前記求められるパラメータ値に基づいて前記試料の少なくとも２つの性質を形成するように適合される、請求項７に記載の装置。
- 前記測定および制御部が、異なる周波数を有する少なくとも２つの共振のレベルまたは品質係数(quality factors)に基づいて被測定物質の伝導率を求めように適合され、前記測定および制御部が、前記伝導率を使用して前記試料の少なくとも１つの性質を求めるように適合される、請求項７に記載の装置。
- 前記測定および制御部が、少なくとも１つのプロセッサ、およびコンピュータプログラムコードを含む少なくとも１つのメモリを備え、前記少なくとも１つのメモリが、前記少なくとも１つのプロセッサおよびコンピュータプログラムコードと共に、前記測定装置に、
前記入力要素を通じて導電性材料製の殻構造を備える前記チャンバに対して、前記チャンバ内の前記測定セルの前記螺旋導体により螺旋共振を形成する目的で、前記チャンバの最大内法(largest interior measurement)よりも大きい波長を有する無線周波数信号を結合させ、ここで前記螺旋導体の前記両端部は前記チャンバの前記殻構造に対して同じ結合を有し、一方前記測定セルの殻構造は非導電性材料製であり、
前記チャンバ内に形成される無線周波電場を前記無線周波数信号の前記出力要素により検出させ、
少なくとも１つの共振周波数に基づいて前記試料の少なくとも１つの性質を測定させるように適合される、請求項７に記載の装置。 - 測定セル内の試料を測定する方法であって、
入力要素のループ結合を通じて導電性材料製の殻構造を備えるチャンバ内の螺旋導体に対して、前記測定セルの前記螺旋導体により螺旋共振を形成する目的で、前記チャンバの最大内法よりも大きい波長を有する無線周波数信号を誘導的に結合させるステップであって、前記螺旋導体の両端部は、前記螺旋導体が前記両端部共に前記殻構造に短絡されるように、前記チャンバの前記殻構造に対して同じ結合を有し、一方前記測定セルの殻構造は非導電性材料製であるステップと、
前記チャンバ内に形成される無線周波電場を、ループ結合で前記共振する螺旋導体への誘導結合を形成し、測定用無線周波数信号を伝送することにより、前記無線周波数信号の出力要素により検出するステップと、を含む方法。
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