JP2523342B2 - 他の流体中に含まれる一つの流体の濃度を測定する装置 - Google Patents
他の流体中に含まれる一つの流体の濃度を測定する装置Info
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、物質混合物の組成を、該混合物の誘電特性
の関数としてサンプリングするために、流体パイプライ
ンまたは類似のものの一部から成りうる同軸導体または
導波管構造物を通して無線周波信号またはいわゆるマイ
クロ波信号を伝送するための、高周波、非緩衝、電圧制
御発振器を含む装置に関する。より詳しくは、油のよう
な液体に含まれる、水のような少量の液体の濃度が、発
振器の出力信号の変化を既知の混合物濃度または組成に
対応する信号と比較することによって測定される。
の関数としてサンプリングするために、流体パイプライ
ンまたは類似のものの一部から成りうる同軸導体または
導波管構造物を通して無線周波信号またはいわゆるマイ
クロ波信号を伝送するための、高周波、非緩衝、電圧制
御発振器を含む装置に関する。より詳しくは、油のよう
な液体に含まれる、水のような少量の液体の濃度が、発
振器の出力信号の変化を既知の混合物濃度または組成に
対応する信号と比較することによって測定される。
従来の技術 他の物質に含まれる一つの物質の濃度、特に他の液体
または流物性物質に含まれる液体または流動性物質の濃
度の測定のために、いろいろなタイプの装置が提案され
ている。有効な一つの技術は無線周波またはマイクロ波
エネルギー測定を用いるものである。広い意味で、マイ
クロ波信号の変化の測定によつて物質の組成を決定する
という考えを使用する各種装置は、米国特許第3,498,11
2号、3,693,079号、4,206,399号、4,311,957号、4,361,
801号、4,240,028号、4,352,288号、4,499,418号、4,36
7,440号、および4,429,273号明細書に開示してある。
または流物性物質に含まれる液体または流動性物質の濃
度の測定のために、いろいろなタイプの装置が提案され
ている。有効な一つの技術は無線周波またはマイクロ波
エネルギー測定を用いるものである。広い意味で、マイ
クロ波信号の変化の測定によつて物質の組成を決定する
という考えを使用する各種装置は、米国特許第3,498,11
2号、3,693,079号、4,206,399号、4,311,957号、4,361,
801号、4,240,028号、4,352,288号、4,499,418号、4,36
7,440号、および4,429,273号明細書に開示してある。
発明が解決しようとする問題点 先行技術においては、マイクロ波透過率または信号変
化特性を利用した各種の装置が提案されているが、他の
物質内の一つの物質の濃度の存在を検出するのにマイク
ロ波エネルギーを使用するときのある種の考慮が先行技
術の装置においてはなされていない。特に、ある種のケ
ースでは、他の流体中の一つの流体の濃度または濃度変
化、特に一つの流体の濃度が全流体流量または流体混合
物量の非常に小さい割合しか占めない場合の前記濃度ま
たは濃度変化を、連続的に正確に測定しうるということ
が望ましい。また、もう一つの望ましい事柄は、他の物
質または流体中の一つの物質または流体の存在によって
引起される信号変化が容易かつあまり誤差を含まないで
測定されるということである。これも、特に、他の物質
たとえば他の流体中の一つの物質たとえば流体の低濃度
の測定を行う場合において望ましいことである。さら
に、測定精度を高めるために、試料とされる組成物また
は測定される組成物の真の断面積を通してマイクロ波信
号を送ることができるということが重要である。
化特性を利用した各種の装置が提案されているが、他の
物質内の一つの物質の濃度の存在を検出するのにマイク
ロ波エネルギーを使用するときのある種の考慮が先行技
術の装置においてはなされていない。特に、ある種のケ
ースでは、他の流体中の一つの流体の濃度または濃度変
化、特に一つの流体の濃度が全流体流量または流体混合
物量の非常に小さい割合しか占めない場合の前記濃度ま
たは濃度変化を、連続的に正確に測定しうるということ
が望ましい。また、もう一つの望ましい事柄は、他の物
質または流体中の一つの物質または流体の存在によって
引起される信号変化が容易かつあまり誤差を含まないで
測定されるということである。これも、特に、他の物質
たとえば他の流体中の一つの物質たとえば流体の低濃度
の測定を行う場合において望ましいことである。さら
に、測定精度を高めるために、試料とされる組成物また
は測定される組成物の真の断面積を通してマイクロ波信
号を送ることができるということが重要である。
流体混合物の特性の測定のためにマイクロ波エネルギ
ーを利用する比較的重要な一つのケースは、原油または
精製油の輸送または処理において石油中の水または他の
流体の濃度を測定する必要がある場合におけるものであ
る。この場合、予備処理または分離手順が実施されたあ
と、輸送される石油中には、割合に低濃度の水または他
の流体が存在するが普通である。しかし、ある輸送装置
たとえばTrang−Alaska Pipeline Systemでは、非常に
大量の石油が輸送されるので、石油中に存在する地の液
体たとえば水の割合の正確な測定ができて、分離および
処理設備を水の存在に適応するように調節しかつ水の存
在量に応じて石油輸送関税を決定しうるようにすること
が非常に望ましい。
ーを利用する比較的重要な一つのケースは、原油または
精製油の輸送または処理において石油中の水または他の
流体の濃度を測定する必要がある場合におけるものであ
る。この場合、予備処理または分離手順が実施されたあ
と、輸送される石油中には、割合に低濃度の水または他
の流体が存在するが普通である。しかし、ある輸送装置
たとえばTrang−Alaska Pipeline Systemでは、非常に
大量の石油が輸送されるので、石油中に存在する地の液
体たとえば水の割合の正確な測定ができて、分離および
処理設備を水の存在に適応するように調節しかつ水の存
在量に応じて石油輸送関税を決定しうるようにすること
が非常に望ましい。
したがって、たとえば、いろいろな量の、石油中の水
の濃度を全流量の百分率で決定する、マイクロ波利用の
装置を関発することが望ましいと考えられる。この目的
に応じて、本発明は、他の物質中の一つの物質の濃度、
たとえば原油または精製鉱油中の水または他の液体の濃
度を測定するための改良された装置を提供する。
の濃度を全流量の百分率で決定する、マイクロ波利用の
装置を関発することが望ましいと考えられる。この目的
に応じて、本発明は、他の物質中の一つの物質の濃度、
たとえば原油または精製鉱油中の水または他の液体の濃
度を測定するための改良された装置を提供する。
問題点を解決するための手段と発明の効果 本発明はマイクロ波エネルギー信号を利用する改良さ
れた装置を提供する。この装置においては、同軸伝送略
または導波管構造物内に誘電体として存在する他の物質
中に含まれる一つの物質の濃度または含有物によって、
前記マイクロ波エネルギー信号が、伝送配管を通過する
際に変化する。特に、本発明の装置は同軸伝送配管また
は導体を使用しており、この装置においては、外側導体
と中心導体との間にある導体または伝送配管を通って流
体物質が流れ、したがってマイクロ波エネルギーが測定
流体の真の断面積内に含まれるようになっている。
れた装置を提供する。この装置においては、同軸伝送略
または導波管構造物内に誘電体として存在する他の物質
中に含まれる一つの物質の濃度または含有物によって、
前記マイクロ波エネルギー信号が、伝送配管を通過する
際に変化する。特に、本発明の装置は同軸伝送配管また
は導体を使用しており、この装置においては、外側導体
と中心導体との間にある導体または伝送配管を通って流
体物質が流れ、したがってマイクロ波エネルギーが測定
流体の真の断面積内に含まれるようになっている。
本発明の一つの側面によれば、比較的に高い周波数の
非緩衝発振器によって無線周波またはいわゆるマイクロ
波エネルギーが生成され、これがRF伝送配管を通して伝
送される。また、この伝送配管は流体流も受入れる。伝
送配管の正味の複素インピーダンスは、他の流体中にあ
る一つの流体の濃度によって変化し、発振器の動作周波
数が変化する。この変化した動作周波数が測定され、既
知の周波数範囲と比較されて、基準データにより、他の
流体中にある一つの流体の濃度が決定される。信号振幅
データは、周波数範囲をクロスチェックするためにそし
て流体汚染物、たとえば水の塩分の影響を調べるために
使用されることができる。塩分濃度は周波数−振幅の関
係に影響するので、塩分濃度を測定することは重要であ
る。
非緩衝発振器によって無線周波またはいわゆるマイクロ
波エネルギーが生成され、これがRF伝送配管を通して伝
送される。また、この伝送配管は流体流も受入れる。伝
送配管の正味の複素インピーダンスは、他の流体中にあ
る一つの流体の濃度によって変化し、発振器の動作周波
数が変化する。この変化した動作周波数が測定され、既
知の周波数範囲と比較されて、基準データにより、他の
流体中にある一つの流体の濃度が決定される。信号振幅
データは、周波数範囲をクロスチェックするためにそし
て流体汚染物、たとえば水の塩分の影響を調べるために
使用されることができる。塩分濃度は周波数−振幅の関
係に影響するので、塩分濃度を測定することは重要であ
る。
本発明のもう一つの側面によれば、発振器を含む装置
が提供され、該発振器の規定動作周波数が、ある範囲に
わたって、該発振器が生成する信号のインピーダンスに
従って変化し、それによって石油のような他の流体中の
水のような一つの流体の非常に小さな濃度の測定または
その逆のケースの該一つの流体中の該他の流体の濃度の
測定が可能となる。また、この場合、発振器回路の規定
または共振動作周波数はある一定範囲にわたって変化し
てから、もとの周波数に戻る。本発明のこの装置の回路
は動作周波数の偏位範囲全体を検出し、偏位の数を計数
するための装置を備えており、他の物質中の一つの物質
の割合に高い濃度の存在を非常に狭い変化範囲で決定す
るので、他の物質中の一つの物質の正確な濃度の決定精
度はかなり高い。
が提供され、該発振器の規定動作周波数が、ある範囲に
わたって、該発振器が生成する信号のインピーダンスに
従って変化し、それによって石油のような他の流体中の
水のような一つの流体の非常に小さな濃度の測定または
その逆のケースの該一つの流体中の該他の流体の濃度の
測定が可能となる。また、この場合、発振器回路の規定
または共振動作周波数はある一定範囲にわたって変化し
てから、もとの周波数に戻る。本発明のこの装置の回路
は動作周波数の偏位範囲全体を検出し、偏位の数を計数
するための装置を備えており、他の物質中の一つの物質
の割合に高い濃度の存在を非常に狭い変化範囲で決定す
るので、他の物質中の一つの物質の正確な濃度の決定精
度はかなり高い。
本発明のもう一つの側面によって提供される装置は、
原油および他の炭化水素流体輸送パイプラインおよび輸
送装置において、本発明の前記装置の出力信号における
誤差の発生を最小限におさえて液体流の真の横断面を測
定するための、現場使用に特に適当なものである。この
装置は一つの測定セルを含み、該セルは、通常の導体コ
ネクタ装置および類似のものを備えうるマイクロ波信号
入力および出力部分を与えるのに適当な同軸伝送配管と
して構成される。
原油および他の炭化水素流体輸送パイプラインおよび輸
送装置において、本発明の前記装置の出力信号における
誤差の発生を最小限におさえて液体流の真の横断面を測
定するための、現場使用に特に適当なものである。この
装置は一つの測定セルを含み、該セルは、通常の導体コ
ネクタ装置および類似のものを備えうるマイクロ波信号
入力および出力部分を与えるのに適当な同軸伝送配管と
して構成される。
本発明による、石油のような他の流体中の水のような
一つの流体の濃度を測定する装置は、次の点でも独自の
ものである。すなわち、使用される通常の非緩衝、すな
わち非孤立自由変動性発振器回路（unisolated freeru
nning oscillator circuit）が、混合流体測定のため
の流体導管ともなる同軸伝送配管とともに使用すること
ができるものであって、またこの発振器回路は、前記混
合物において、一つの流体または物質の全混合物の濃度
または百分率が、伝送配管の測定断面を通る流体または
物質の全体積からみて、比較的に小さい場合に使用され
るものだからである。
一つの流体の濃度を測定する装置は、次の点でも独自の
ものである。すなわち、使用される通常の非緩衝、すな
わち非孤立自由変動性発振器回路（unisolated freeru
nning oscillator circuit）が、混合流体測定のため
の流体導管ともなる同軸伝送配管とともに使用すること
ができるものであって、またこの発振器回路は、前記混
合物において、一つの流体または物質の全混合物の濃度
または百分率が、伝送配管の測定断面を通る流体または
物質の全体積からみて、比較的に小さい場合に使用され
るものだからである。
本明細書において使用される“非孤立自由変動性発振
器回路”は同調回路により設定されたとおりの基本周波
数で操作されるが、発振器負荷の複素インピーダンスの
変化とともに、ある範囲の周波数で、周波数を変化させ
ることができる発振器回路である。この発振器回路は、
“負荷により周波数が変化する発振器回路”とも言うこ
とができる。
器回路”は同調回路により設定されたとおりの基本周波
数で操作されるが、発振器負荷の複素インピーダンスの
変化とともに、ある範囲の周波数で、周波数を変化させ
ることができる発振器回路である。この発振器回路は、
“負荷により周波数が変化する発振器回路”とも言うこ
とができる。
実施例 当業者は、添付の図面を用いた以下の説明を読むこと
によって、本発明の前述の利点およびすぐれた特徴なら
びにその他の側面を認識することができるであろう。
によって、本発明の前述の利点およびすぐれた特徴なら
びにその他の側面を認識することができるであろう。
以下の説明において、同種の部品には、本文および図
面の全体を通じて、それぞれ同じ参照番号を付与する。
簡明さのために、添付の図は必ずしも尺度通りとはして
おらず、またある種の要素は模式的に示してある。
面の全体を通じて、それぞれ同じ参照番号を付与する。
簡明さのために、添付の図は必ずしも尺度通りとはして
おらず、またある種の要素は模式的に示してある。
第１図に、液体流に含まれるある種の液体の濃度を測
定する改良型の装置を示す。装置全体を番号10で示す。
装置10は流体輸送パイプライン12を通る流れの試料採取
のために該パイプラインに接続するのに特に適当なもの
であるが、または実際にパイプラインの一部として途中
に介在させることによっても使用できる。装置10は、通
常の外側導管部分16、離して配置してある“T"形部分1
8、および通常の溶接ネックパイプフランジ20から成
る、液体流通過および測定部14を含む。他の物質中にあ
る一つの物質の濃度の決定のために測定すべき液体混合
物は導管16を連続的に通すことができ、したがって測定
部14は流体輸送パイプラインの一部をなすようにするこ
とができる。長い中心導体22が支持用対向両端部分24と
26との間に導管16を通って延びている。これらの支持端
については、第２図を用いてさらに詳しく説明する。中
心導体22は大体円柱形のロッド部材または管部材から成
るようにすることができ、また対向端または“T"部分18
を含む導管16内に同軸に配置するのが好ましい。測定部
14は、たとえば、実験室での試料採取手順によってのこ
の装置の使用のために、この測定部分を不連続的または
間欠的に通る流れの流体またはその他の物質組成物のあ
る量を含むように構成することができる。
定する改良型の装置を示す。装置全体を番号10で示す。
装置10は流体輸送パイプライン12を通る流れの試料採取
のために該パイプラインに接続するのに特に適当なもの
であるが、または実際にパイプラインの一部として途中
に介在させることによっても使用できる。装置10は、通
常の外側導管部分16、離して配置してある“T"形部分1
8、および通常の溶接ネックパイプフランジ20から成
る、液体流通過および測定部14を含む。他の物質中にあ
る一つの物質の濃度の決定のために測定すべき液体混合
物は導管16を連続的に通すことができ、したがって測定
部14は流体輸送パイプラインの一部をなすようにするこ
とができる。長い中心導体22が支持用対向両端部分24と
26との間に導管16を通って延びている。これらの支持端
については、第２図を用いてさらに詳しく説明する。中
心導体22は大体円柱形のロッド部材または管部材から成
るようにすることができ、また対向端または“T"部分18
を含む導管16内に同軸に配置するのが好ましい。測定部
14は、たとえば、実験室での試料採取手順によってのこ
の装置の使用のために、この測定部分を不連続的または
間欠的に通る流れの流体またはその他の物質組成物のあ
る量を含むように構成することができる。
装置の測定部14は、非緩衝、即ち非孤立自由変動性発
振器から成る無線周波またはいわゆるマイクロ波エネル
ギー発生源に使用に便利なように接続してある。この発
生源全体を第号30で示す。発振器30は、同調回路34およ
びインピーダンス整合ネットワーク回路36に使用に便利
なように接続してある能動回路32を含んでいる。能動回
路32は電源（図示せず）からフィルタ回路38を経て定DC
電圧Vcを受けとるのに適当なものであり、また同調回路
34は別の電源（図示せず）から第２のフィルタ回路40を
経て制御可能なDC電圧VTを受けとるのに適当なものであ
る。非緩衝発振器たとえば発振器30は、かなり大きな、
負荷による周波数変化特性を示すものである。この発振
器の基本動作周波数は、発振器の出力回路において合成
負荷が変化すると変化する。出力回路の結合係数によっ
て、負荷による周波数変化特性は無視できることもあ
り、かなりの大きさとなることもある。負荷による周波
数変化の係数が大きくなると、いわゆるスペクトル分裂
（複数周波数動作）の可能性が大きくなり、そのため発
振器信号の必要な測定が不可能となりうる。発振器30は
市販のタイプのものとすることができ、たとえば、Watk
ins−Johnson Company（Cslifornia州,Scotts Valley）
のModel Ｄ−827電圧制御発振器とすることができる。
代表的な発振器30は、50Ωラインストレッチャーの端に
おけるすべての位相の短絡に対して、1.60GHzの公称動
作周波数のとき最大約35MHzの負荷による周波数変化特
性を有する（リターンロスは約0.5dB）。このようなラ
インが位相に対して一定の損失を示す場合、発振器の周
波数は、どの特定位相においても該位相における反射係
数の360゜倍ごとにもとの周波数に戻るであろう。
振器から成る無線周波またはいわゆるマイクロ波エネル
ギー発生源に使用に便利なように接続してある。この発
生源全体を第号30で示す。発振器30は、同調回路34およ
びインピーダンス整合ネットワーク回路36に使用に便利
なように接続してある能動回路32を含んでいる。能動回
路32は電源（図示せず）からフィルタ回路38を経て定DC
電圧Vcを受けとるのに適当なものであり、また同調回路
34は別の電源（図示せず）から第２のフィルタ回路40を
経て制御可能なDC電圧VTを受けとるのに適当なものであ
る。非緩衝発振器たとえば発振器30は、かなり大きな、
負荷による周波数変化特性を示すものである。この発振
器の基本動作周波数は、発振器の出力回路において合成
負荷が変化すると変化する。出力回路の結合係数によっ
て、負荷による周波数変化特性は無視できることもあ
り、かなりの大きさとなることもある。負荷による周波
数変化の係数が大きくなると、いわゆるスペクトル分裂
（複数周波数動作）の可能性が大きくなり、そのため発
振器信号の必要な測定が不可能となりうる。発振器30は
市販のタイプのものとすることができ、たとえば、Watk
ins−Johnson Company（Cslifornia州,Scotts Valley）
のModel Ｄ−827電圧制御発振器とすることができる。
代表的な発振器30は、50Ωラインストレッチャーの端に
おけるすべての位相の短絡に対して、1.60GHzの公称動
作周波数のとき最大約35MHzの負荷による周波数変化特
性を有する（リターンロスは約0.5dB）。このようなラ
インが位相に対して一定の損失を示す場合、発振器の周
波数は、どの特定位相においても該位相における反射係
数の360゜倍ごとにもとの周波数に戻るであろう。
図示してあるように、発振器30は、端部分24で中心導
体22と導電的に係合している適当なコネクタ44によって
装置測定部14に使用に便利なように接続してあり、また
発振器30は、第２のコネクタ44、抵抗46、および外側導
体によっても中心導体22と接続されている。端部分26は
中心導体22を10dB方向性結合器48に接続するのにも適当
なものであり、方向性結合器48は同軸測定部14を通して
伝送されるエネルギーの標本採取のために動作させるこ
とができる。結合器48は回路内で発振器30と測定部14と
の間に置くこともできる。抵抗46は発振器の特性に応じ
て短絡により除去できる場合がある。本発明によれば、
導管16を通って流れる石油／水混合物がある誘電率を与
える。この誘電率は、測定部14のインピーダンス特性を
変化させ、また石油物質中に存在する水または他の流体
の割合に従って、発振器30の動作周波数を変化させる。
発振器の信号振幅特性も測定される物質中での水の濃度
または該物質の組成変化によって変化するが、周波数特
性の方が正確な測定値を与える。
体22と導電的に係合している適当なコネクタ44によって
装置測定部14に使用に便利なように接続してあり、また
発振器30は、第２のコネクタ44、抵抗46、および外側導
体によっても中心導体22と接続されている。端部分26は
中心導体22を10dB方向性結合器48に接続するのにも適当
なものであり、方向性結合器48は同軸測定部14を通して
伝送されるエネルギーの標本採取のために動作させるこ
とができる。結合器48は回路内で発振器30と測定部14と
の間に置くこともできる。抵抗46は発振器の特性に応じ
て短絡により除去できる場合がある。本発明によれば、
導管16を通って流れる石油／水混合物がある誘電率を与
える。この誘電率は、測定部14のインピーダンス特性を
変化させ、また石油物質中に存在する水または他の流体
の割合に従って、発振器30の動作周波数を変化させる。
発振器の信号振幅特性も測定される物質中での水の濃度
または該物質の組成変化によって変化するが、周波数特
性の方が正確な測定値を与える。
結合器48は受信機に接続しており、該受信機はミキサ
ー52と孤立発振器54とを含んでいる。発振器54はある周
波数の差分出力信号を与えるように同調してあり、この
信号は増幅器56によって増幅することができ、また周波
数カウンタ58によって計数することができる。カウンタ
58は使用に便利なようにマイクロプロセッサ60に接続し
てあり、マイクロプロセッサ60はディスプレイ装置また
は表示器62に適当に接続してある。ミキサー52も、Watk
ins−Johnson CompanyがModel WJ−M7Bとして市販して
いるタイプのものとすることができる。増幅器56も前述
の会社からModel WJ−A38として入手することができ
る。周波数カウンタ58はHewlett−PackardがModel5342A
として製造しているタイプのものとすることができ、ま
たマイクロプロセッサ60もHewlett−PackardがModel983
6として製造しているタイプのものとすることができ
る。前述の受信機は信号振幅検出器（図示せず）を含む
ように変形することもできる。図に示す装置は、測定部
14で測定される物質の温度を補償するための装置を有す
るのが好ましい。この温度補償装置は物質の流路に配置
された熱電対63を含む。熱電対63は、測定される物質の
温度に関係する、マイクロプロセッサ60に送る適当なデ
イジタル信号を生成させる変換回路65に適当に接続され
る。
ー52と孤立発振器54とを含んでいる。発振器54はある周
波数の差分出力信号を与えるように同調してあり、この
信号は増幅器56によって増幅することができ、また周波
数カウンタ58によって計数することができる。カウンタ
58は使用に便利なようにマイクロプロセッサ60に接続し
てあり、マイクロプロセッサ60はディスプレイ装置また
は表示器62に適当に接続してある。ミキサー52も、Watk
ins−Johnson CompanyがModel WJ−M7Bとして市販して
いるタイプのものとすることができる。増幅器56も前述
の会社からModel WJ−A38として入手することができ
る。周波数カウンタ58はHewlett−PackardがModel5342A
として製造しているタイプのものとすることができ、ま
たマイクロプロセッサ60もHewlett−PackardがModel983
6として製造しているタイプのものとすることができ
る。前述の受信機は信号振幅検出器（図示せず）を含む
ように変形することもできる。図に示す装置は、測定部
14で測定される物質の温度を補償するための装置を有す
るのが好ましい。この温度補償装置は物質の流路に配置
された熱電対63を含む。熱電対63は、測定される物質の
温度に関係する、マイクロプロセッサ60に送る適当なデ
イジタル信号を生成させる変換回路65に適当に接続され
る。
使用において、測定部14を通して送られる液体物質が
示す誘電率の変化、たとえば石油中の水の量の変化が起
ることによって生じる誘電率の変化のため、発振器30で
は該発振器の公称動作周波数に比べて割合に狭い周波数
帯にわたって動作周波数の変化が起る。好ましい形式の
場合、発振器30では、測定部14を通って流れる物質の誘
電率変化によって、約20MHzの範囲にわたって公称動作
周波数からのずれが起りうる。測定部14を通る流れにお
いて、たとえば、石油中の水の割合は全流体体積の約２
％の範囲で変化する。石油／水混合物の水含有量変化に
対する発振器30の感度は特にこの発振器の動作周波数の
ために大きくなる。なぜならば、比較的に高い周波数の
信号の位相変化がこれらの周波数における小さな波長に
よってある程度拡大され、また測定部14の長さが多数波
長に相当するからである。これに対して、装置10の感度
の向上も、測定部14の長さを大きくすることにより、ま
た発振器30によって生成される信号の周波数を一定に保
つことにより、達成することができる。
示す誘電率の変化、たとえば石油中の水の量の変化が起
ることによって生じる誘電率の変化のため、発振器30で
は該発振器の公称動作周波数に比べて割合に狭い周波数
帯にわたって動作周波数の変化が起る。好ましい形式の
場合、発振器30では、測定部14を通って流れる物質の誘
電率変化によって、約20MHzの範囲にわたって公称動作
周波数からのずれが起りうる。測定部14を通る流れにお
いて、たとえば、石油中の水の割合は全流体体積の約２
％の範囲で変化する。石油／水混合物の水含有量変化に
対する発振器30の感度は特にこの発振器の動作周波数の
ために大きくなる。なぜならば、比較的に高い周波数の
信号の位相変化がこれらの周波数における小さな波長に
よってある程度拡大され、また測定部14の長さが多数波
長に相当するからである。これに対して、装置10の感度
の向上も、測定部14の長さを大きくすることにより、ま
た発振器30によって生成される信号の周波数を一定に保
つことにより、達成することができる。
発振器動作周波数を、共振同調回路34の調節によって
約400MHzの周波数間隔にわたって掃引することにより、
特定同調周波数に対する動作周波数の変化を発振器54の
出力と比較することができ、また比較的に低周波数の差
分信号をミキサー52から周波数カウンタ58に出力するこ
とができる。カウンタ58が計数した周波数は、マイクロ
プロセッサ60に記憶されている。他の物質中の一つの物
質の濃度たとえば石油中の水の濃度のある範囲に対応す
る周波数データと比較することができる。次にこの比較
信号を、他の物質中の一つの物質の量または濃度の表示
のために表示器62に適当に出力することができる。周波
数カウンタ58は適当なアナログデイジタル変換装置（図
示せず）を含むことができる。
約400MHzの周波数間隔にわたって掃引することにより、
特定同調周波数に対する動作周波数の変化を発振器54の
出力と比較することができ、また比較的に低周波数の差
分信号をミキサー52から周波数カウンタ58に出力するこ
とができる。カウンタ58が計数した周波数は、マイクロ
プロセッサ60に記憶されている。他の物質中の一つの物
質の濃度たとえば石油中の水の濃度のある範囲に対応す
る周波数データと比較することができる。次にこの比較
信号を、他の物質中の一つの物質の量または濃度の表示
のために表示器62に適当に出力することができる。周波
数カウンタ58は適当なアナログデイジタル変換装置（図
示せず）を含むことができる。
発振器は、特定同調状態で公称共振周波数からの最大
のずれまで掃引したあと、他の物質中の一つの物質の所
定範囲の濃度に対するものとの動作周波数に戻る。した
がって、装置10が、ある物質の濃度たとえば石油中の水
の濃度を、たとえば０〜２％または２〜４％の範囲にお
いて検出しているかどうかを決定するために、追加測定
をしなければならない、ここで、各２％の変化は発振器
の全動作周波数範囲に対応する。
のずれまで掃引したあと、他の物質中の一つの物質の所
定範囲の濃度に対するものとの動作周波数に戻る。した
がって、装置10が、ある物質の濃度たとえば石油中の水
の濃度を、たとえば０〜２％または２〜４％の範囲にお
いて検出しているかどうかを決定するために、追加測定
をしなければならない、ここで、各２％の変化は発振器
の全動作周波数範囲に対応する。
第３図は、同調回路34がその特性インピーダンスに終
端する場合に同調回路34によって同調されるときの発振
器30の最大同調可能周波数範囲における発振器30の出力
信号周波数の変化を示すグラフである。電圧制御発振器
たとえば発振器30は、同調電圧VTの変化によって決定さ
れる最大範囲を掃引するとき、理想負荷または平衡負荷
に対して線70で示される特性を示す。他の物質たとえば
石油中の一つの物質たとえば水の濃度のある範囲たとえ
ば０〜２％の変化の結果として、導体16と22との間にあ
る組成物の誘電率が変化すると、発振器30は第４図に示
すような周波数出力信号を与える。不連続72,74および7
6を有する曲線71は、発振器30が最大周波数範囲f1〜f2
で掃引される場合に、得られるものである。したがっ
て、発振器がf1〜f2で示される最大周波数範囲で掃引さ
れるときに、たとえば石油中の水の濃度に関してどんな
範囲の変化が測定されているかということを決定するた
めに、不連続の数を計数することができる。たとえば、
第５図に示すように、ずれ78,80,82,84,86,88などによ
って示される不連続を有する曲線73は、石油中の水の濃
度たとえば２〜４％に対する周波数変化が測定されたと
いうことを示すものと考えられる。したがって、動作周
波数f1〜f2の掃引１回あたりに測定される不連続の数
は、他の物質たとえば石油中の一つの物質たとえば水の
濃度範囲に関係する誘電率の変化としてどんな範囲のも
のが測定されているかということを示しうるものであ
る。
端する場合に同調回路34によって同調されるときの発振
器30の最大同調可能周波数範囲における発振器30の出力
信号周波数の変化を示すグラフである。電圧制御発振器
たとえば発振器30は、同調電圧VTの変化によって決定さ
れる最大範囲を掃引するとき、理想負荷または平衡負荷
に対して線70で示される特性を示す。他の物質たとえば
石油中の一つの物質たとえば水の濃度のある範囲たとえ
ば０〜２％の変化の結果として、導体16と22との間にあ
る組成物の誘電率が変化すると、発振器30は第４図に示
すような周波数出力信号を与える。不連続72,74および7
6を有する曲線71は、発振器30が最大周波数範囲f1〜f2
で掃引される場合に、得られるものである。したがっ
て、発振器がf1〜f2で示される最大周波数範囲で掃引さ
れるときに、たとえば石油中の水の濃度に関してどんな
範囲の変化が測定されているかということを決定するた
めに、不連続の数を計数することができる。たとえば、
第５図に示すように、ずれ78,80,82,84,86,88などによ
って示される不連続を有する曲線73は、石油中の水の濃
度たとえば２〜４％に対する周波数変化が測定されたと
いうことを示すものと考えられる。したがって、動作周
波数f1〜f2の掃引１回あたりに測定される不連続の数
は、他の物質たとえば石油中の一つの物質たとえば水の
濃度範囲に関係する誘電率の変化としてどんな範囲のも
のが測定されているかということを示しうるものであ
る。
したがつて、回路たとえばここで述べた回路に非孤立
または非緩衝電圧制御発振器を用いることにより、発振
器を該発振器の周波数範囲にわたつて掃引したあと計数
される360゜の位相ずれの数を決定して、生じる誘電率
の特定変化範囲を決定すれば、特定制御電圧における動
作周波数によつてたとえば石油中の水の濃度を示すこと
ができる。
または非緩衝電圧制御発振器を用いることにより、発振
器を該発振器の周波数範囲にわたつて掃引したあと計数
される360゜の位相ずれの数を決定して、生じる誘電率
の特定変化範囲を決定すれば、特定制御電圧における動
作周波数によつてたとえば石油中の水の濃度を示すこと
ができる。
第６図は、発振器信号周波数と振幅との関係、および
測定される物質たとえば石油−水混合物の塩分の影響を
示すグラフである。いくつかの周波数における信号振幅
の測定と、塩分が振幅の関数としての周波数特性のグラ
フ切片におよぼす影響に関する知識とにより、発振器30
が感じる全インピーダンスにおよぼす塩分の影響を補正
することができる。たとえば、石油中にある特定百分率
の水を含む無塩分流体は、第６図の曲線91に従う信号特
性を示すが、一方たとえばｙモル％の塩化ナトリウムを
含む水−石油混合物中の同じ百分率の水は、第６図の曲
線93に従う特性を示すであろう。
測定される物質たとえば石油−水混合物の塩分の影響を
示すグラフである。いくつかの周波数における信号振幅
の測定と、塩分が振幅の関数としての周波数特性のグラ
フ切片におよぼす影響に関する知識とにより、発振器30
が感じる全インピーダンスにおよぼす塩分の影響を補正
することができる。たとえば、石油中にある特定百分率
の水を含む無塩分流体は、第６図の曲線91に従う信号特
性を示すが、一方たとえばｙモル％の塩化ナトリウムを
含む水−石油混合物中の同じ百分率の水は、第６図の曲
線93に従う特性を示すであろう。
第２図には、測定部14内部で中心導体22を支持し、ま
たこの中心導体を通常のＮタイプRFコネクタ44で終端さ
せるのに好ましい構成を示す。導体22を端部分26で終端
させる構成も実質的に同じである。第２図に例として示
すように、導管“T"形部分18はそれぞれ通常の溶接ネツ
クフランジ100に適当に溶接してあり、フランジ100は通
常のボルトとナツトの装置104によつてフランジ102に固
定してある。フランジ102は大体円錐形の径違い継手部
分106に固定してある。“T"形部分18および溶接ネツク
フランジ100の内部に形成される内部空間は、適当な絶
縁材料たとえばフルオロカーボンプラスチツクで作られ
た大体円筒形のブロツク110によつて占められている。
たこの中心導体を通常のＮタイプRFコネクタ44で終端さ
せるのに好ましい構成を示す。導体22を端部分26で終端
させる構成も実質的に同じである。第２図に例として示
すように、導管“T"形部分18はそれぞれ通常の溶接ネツ
クフランジ100に適当に溶接してあり、フランジ100は通
常のボルトとナツトの装置104によつてフランジ102に固
定してある。フランジ102は大体円錐形の径違い継手部
分106に固定してある。“T"形部分18および溶接ネツク
フランジ100の内部に形成される内部空間は、適当な絶
縁材料たとえばフルオロカーボンプラスチツクで作られ
た大体円筒形のブロツク110によつて占められている。
中心導体22は大体円柱形のロツド状部分23を含み、ロ
ツド状部分23はブロツク110で適当に支持してあり、ま
た大体円錐台形の導体部分25と導電関係にある。部分25
は電気絶縁材料で作られた第２の支持ブロツク112に支
持されている。導体部分25は導電性ピン部材115によつ
て第３の導体部分114に固定してある。中心導体の直径
を、ピン118に固定された部分116まで小さくするために
導体部分114も大体円錐台形またはテーパつきの部分を
有している。ピン118はコネクタ44のための中心導体か
ら成つている。円錐形テーパつき導体部分25および114
は、また、測定部14を通して伝送される信号の望ましく
ない反射を防ぐ。適当な絶縁プツシユまたはスペーサ12
0と122は、導体部分25,114,116および118を支持するの
に適したものである。適当な絶縁材料および封止材たと
えばエポキシ樹脂を、ブロツク110と112との間に形成さ
れる。113で示す空洞を満すように注入して、導管部分1
6の内部から測定部14の対向両端への流体の漏れを防ぐ
ようにすることができる。端部分24と26の構成によつ
て、測定部14を通して送られる他の流体中の一つの流体
の濃度の決定に誤差をもたらすと思われる、測定部14内
部に非流動流体存在空洞を生成しうる空間は、ほとんど
または全く存在しない。“T"形部分18は、ここで説明し
た回路によつて測定される周波数の読みに影響する可能
性のある乱流を最小限におさえるために、流れをもつと
ゆつくりした方向変化で導管部分16に導く導管部分によ
つて置換えることができるであろう。
ツド状部分23はブロツク110で適当に支持してあり、ま
た大体円錐台形の導体部分25と導電関係にある。部分25
は電気絶縁材料で作られた第２の支持ブロツク112に支
持されている。導体部分25は導電性ピン部材115によつ
て第３の導体部分114に固定してある。中心導体の直径
を、ピン118に固定された部分116まで小さくするために
導体部分114も大体円錐台形またはテーパつきの部分を
有している。ピン118はコネクタ44のための中心導体か
ら成つている。円錐形テーパつき導体部分25および114
は、また、測定部14を通して伝送される信号の望ましく
ない反射を防ぐ。適当な絶縁プツシユまたはスペーサ12
0と122は、導体部分25,114,116および118を支持するの
に適したものである。適当な絶縁材料および封止材たと
えばエポキシ樹脂を、ブロツク110と112との間に形成さ
れる。113で示す空洞を満すように注入して、導管部分1
6の内部から測定部14の対向両端への流体の漏れを防ぐ
ようにすることができる。端部分24と26の構成によつ
て、測定部14を通して送られる他の流体中の一つの流体
の濃度の決定に誤差をもたらすと思われる、測定部14内
部に非流動流体存在空洞を生成しうる空間は、ほとんど
または全く存在しない。“T"形部分18は、ここで説明し
た回路によつて測定される周波数の読みに影響する可能
性のある乱流を最小限におさえるために、流れをもつと
ゆつくりした方向変化で導管部分16に導く導管部分によ
つて置換えることができるであろう。
以上、本発明の好ましい実施態様について説明した
が、当業者には明らかなように、本発明の範囲と意図と
を逸脱することなく、開示した特定装置に対して、いろ
いろな置換えと変形とを加えることができる。
が、当業者には明らかなように、本発明の範囲と意図と
を逸脱することなく、開示した特定装置に対して、いろ
いろな置換えと変形とを加えることができる。
第１図は本発明による装置の模式図、 第２図は、第１図の装置の、組合せ同軸導波管または伝
送線と流体測定部との一部分の断面図、 第３〜５図は、他の液体たとえば石油中の一つの液体た
とえば水のある濃度に対応する負荷のもとでの、非孤立
発振器の全周波数範囲における、周波数特性と同調回路
電圧との関係を示すグラフ、 第６図は、本発明の装置で測定したときの、石油−水混
合物における水中の塩分の影響を示すグラフである。 図中、10は本発明の装置、12は流体輸送パイプライン、
14は測定部、16は外側導管部分、18は“T"形部分、20は
溶接ネツクパイプフランジ、22は中心導体、23はロツド
状部分、24,26は支持用対向両端部分、25は導体部分、3
0は発振器、32は能動回路、34は同調回路、36はインピ
ーダンス整合ネツトワーク回路、38はフイルタ回路、40
は第２のフイルタ回路、44はコネクタ、46は抵抗、48は
方向性結合器、52はミクサ、54は孤立発振器、56は増幅
器、58は周波数カウンタ、60はマイクロプロセツサ、62
は表示器、63は熱電対、65は変換回路、70,71,73は周波
数特性のグラフ、72,74,76,78,80,82,84,86,88はグラフ
の不連続点、91は発振器信号周波数と振幅との関係93は
塩分を含む流体における同様の関係のグラフ、100は溶
接ネツクフランジ、102はフランジ、104はボルトとナツ
ト、106は径違い継手部分、110,112はブロツク、113は1
10と112との間の空洞、114は導体部分、115は導電性ピ
ン部材、116は118に固定された部分、118はピン、120,1
22はスペーサ。
送線と流体測定部との一部分の断面図、 第３〜５図は、他の液体たとえば石油中の一つの液体た
とえば水のある濃度に対応する負荷のもとでの、非孤立
発振器の全周波数範囲における、周波数特性と同調回路
電圧との関係を示すグラフ、 第６図は、本発明の装置で測定したときの、石油−水混
合物における水中の塩分の影響を示すグラフである。 図中、10は本発明の装置、12は流体輸送パイプライン、
14は測定部、16は外側導管部分、18は“T"形部分、20は
溶接ネツクパイプフランジ、22は中心導体、23はロツド
状部分、24,26は支持用対向両端部分、25は導体部分、3
0は発振器、32は能動回路、34は同調回路、36はインピ
ーダンス整合ネツトワーク回路、38はフイルタ回路、40
は第２のフイルタ回路、44はコネクタ、46は抵抗、48は
方向性結合器、52はミクサ、54は孤立発振器、56は増幅
器、58は周波数カウンタ、60はマイクロプロセツサ、62
は表示器、63は熱電対、65は変換回路、70,71,73は周波
数特性のグラフ、72,74,76,78,80,82,84,86,88はグラフ
の不連続点、91は発振器信号周波数と振幅との関係93は
塩分を含む流体における同様の関係のグラフ、100は溶
接ネツクフランジ、102はフランジ、104はボルトとナツ
ト、106は径違い継手部分、110,112はブロツク、113は1
10と112との間の空洞、114は導体部分、115は導電性ピ
ン部材、116は118に固定された部分、118はピン、120,1
22はスペーサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−104243（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−741（ＪＰ，Ａ)
Claims (11)
- 【請求項１】マイクロ波のエネルギー特性の変化を利用
して、ある流体に含まれる別の流体の濃度を測定する装
置であって、 流体混合物を通す導管を含む測定部をなす装置、 前記測定部を通って延びるマイクロ波伝送装置、 前記測定部を流れる前記流体混合物の性質を包含する発
振器負荷の複素インピーダンスの変化とともに変化する
動作周波数で、前記測定部を通して伝搬させるマイクロ
波エネルギーを発生させる、前記伝送装置に使用に便利
なように接続された非孤立自由変動性発振器回路、 前記測定部を通って流れる流体混合物の性質によって生
じる前記非孤立自由変動性発振器回路の動作周波数の変
化を測定する装置、 前記導管を通って流れる前記流体混合物内の前記別の流
体の濃度を測定するために、前記非孤立自由変動性発振
器回路における周波数変化を前記ある流体に含まれる前
記別の流体の或る濃度に対応する基準周波数と比較する
装置、 から成ることを特徴とする、ある流体に含まれる別の流
体の濃度を測定する装置。 - 【請求項２】前記非孤立自由変動性発振器回路が電圧制
御発振器を含み、該電圧制御発振器を、前記測定部にお
いて前記流体混合物によって生ずるインピーダンス変化
により前記非孤立自由変動性発振器回路が変化しうる周
波数範囲よりも大きな所定周波数範囲にわたって掃引す
るために制御することができ、そうすることによって前
記非孤立自由変動性発振器回路の動作周波数範囲におけ
る完全な位相ずれの数を決定しうる特許請求の範囲第１
項に記載の装置。 - 【請求項３】所定周波数において動作させるのに適当な
第２の発振器、 前記非孤立自由変動性発振器回路の動作周波数を前記第
２の発振器の動作周波数と比較し、かつ前記非孤立自由
変動性発振器回路と前記第２の発振器との動作周波数の
差に関係する周波数を有する信号を出すための信号比較
装置、 前記比較装置からの信号出力を受けとる装置を含む特許
請求の範囲第１項に記載の装置。 - 【請求項４】前記伝送装置が、前記導管を通って延びる
中心導体と前記導管から成る外側導体とから成る同軸伝
送配管を含む特許請求の範囲第１項に記載の装置。 - 【請求項５】前記測定部が、前記導管に接続した対向両
端部分を含み、かつ前記中心導体の直径減少部分を支持
する装置を含み、 前記非孤立自由変動性発振器回路を前記測定部に接続す
るために前記中心導体の前記直径減少部分の対向両端に
接続されたコネクタ装置を含む特許請求の範囲第４項に
記載の装置。 - 【請求項６】前記導管が、前記流体混合物の流れの流入
と流出とのために該導管の実質的に対向する両端に配置
された入口および出口部分を含み、 前記測定部が、該測定部を通る流体混合物流のよどみを
最小限におさえるために配置してある装置を含む特許請
求の範囲第１項に記載の装置。 - 【請求項７】マイクロ波のエネルギー特性の変化を利用
して、ある流体に含まれる別の流体の濃度を測定する装
置であって、 流体混合物を通す導管を含む測定部をなす装置、 前記測定部を通って延びるマイクロ波伝送装置、 前記測定部に使用に便利なように接続された自由変動性
電圧制御発振器を含む発振器回路であって、前記電圧制
御発振器が、前記測定部のインピーダンス変化により前
記発振器回路が変化しうる周波数範囲よりも大きな所定
の動作周波数範囲にわたって掃引されるように制御する
のに適当なものであり、この制御によって前記発振器回
路の動作周波数範囲における完全な位相ずれの数を測定
しうる発振器回路、 前記測定部を通って流れる流体の誘電特性の変化を包含
する発振器負荷の複素インピーダンスにおける変化によ
って生じる、前記発振器回路の動作周波数変化を測定す
る装置、 前記導管を通って流れる流体混合物内の前記別の流体の
濃度を決定するために、前記発振器回路における周波数
変化を前記ある流体に含まれる前記別の流体のある濃度
に対応する基準周波数と比較する装置、 から成ることを特徴とする、ある流体に含まれる別の流
体の濃度を測定する装置。 - 【請求項８】所定周波数において動作させるのに適当な
第２の発振器、 前記発振器回路の動作周波数を前記第２の発振器の動作
周波数と比較し、かつ前記発振器回路と前記第２の発振
器との動作周波数の差に関係する周波数を有する信号を
出すための信号比較装置、 前記比較装置からの信号出力を受けとる装置を含む特許
請求の範囲第７項に記載の装置。 - 【請求項９】前記伝送装置が、前記導管を通って延びる
中心導体と前記導管から成る外側導体とから成る同軸伝
送配管を含む特許請求の範囲第７項に記載の装置。 - 【請求項１０】前記流体の温度変化が前記動作周波数に
影響する場合に、該温度変化を補償するために、前記比
較装置に信号を送る装置を有する温度検出装置を含む特
許請求の範囲第７項に記載の装置。 - 【請求項１１】マイクロ波のエネルギー特性の変化を利
用して、ある流体に含まれる別の流体の濃度を測定する
装置であって、 流体混合物を通す導管を含む測定部をなす装置、 前記導管から成る外側導体と前記導管を通って延びる中
心導体とを含む同軸マイクロ波伝送配管をなす装置、 前記流体混合物中のそれぞれの流体の濃度を包含する発
振器負荷の複素インピーダンスの変化とともに変化する
周波数で、前記測定部を通して伝搬させるマイクロ波エ
ネルギーを発生させる、前記伝送配管に使用に便利なよ
うに接続された非孤立自由変動性発振器回路、 所定周波数において動作させるのに適当な第２の発振
器、 前記非孤立自由変動性発振器回路の動作周波数を前記第
２の発振器の動作周波数と比較し、かつ前記非孤立自由
変動性発振器回路と前記第２の発振器との動作周波数の
差に関係する差分周波数信号を出すための信号比較装
置、および 前記導管を通って流れる流体混合物内の前記別の流体の
ある濃度に対応する基準周波数を前記差分周波数信号と
比較する装置 から成ることを特徴とする、ある流体に含まれる別の流
体の濃度を測定する装置。
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