JP3086689B2 - インピーダンス測定を用いた組成のモニタ装置及びモニタ方法 - Google Patents
インピーダンス測定を用いた組成のモニタ装置及びモニタ方法Info
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Classifications
-
- 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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- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/26—Oils; Viscous liquids; Paints; Inks
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- G01N33/2823—Raw oil, drilling fluid or polyphasic mixtures
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、成分が種々の電気的インピーダンス特性を
もちしかも種々の状態で存在し得るまたは存在し得な
い、管またはダクト内に静止しているかまたは管または
ダクト内を流れている多成分混合物の組成形成を決める
システム及び方法に関するものである。特に、本発明
は、成分が種々の電気的インピーダンス特性をもつ多成
分流体、固体及びそれらの混合物の分別組成形成を決め
る装置及び方法に関するものである。これらの多成分流
体、固体及びそれらの混合物は静止していたり、バッチ
内で動いていたり、或いは連続して流動していたりす
る。一層特に、本発明は（１）気体中の液体、（２）液
体中の固体及び（３）固体と液体と気体との混合物の連
続型及び（または）静止型組成モニタリングとして多成
分流体、固体及びそれらの混合物に対して使用できるシ
ステム及び装置に関するものである。
もちしかも種々の状態で存在し得るまたは存在し得な
い、管またはダクト内に静止しているかまたは管または
ダクト内を流れている多成分混合物の組成形成を決める
システム及び方法に関するものである。特に、本発明
は、成分が種々の電気的インピーダンス特性をもつ多成
分流体、固体及びそれらの混合物の分別組成形成を決め
る装置及び方法に関するものである。これらの多成分流
体、固体及びそれらの混合物は静止していたり、バッチ
内で動いていたり、或いは連続して流動していたりす
る。一層特に、本発明は（１）気体中の液体、（２）液
体中の固体及び（３）固体と液体と気体との混合物の連
続型及び（または）静止型組成モニタリングとして多成
分流体、固体及びそれらの混合物に対して使用できるシ
ステム及び装置に関するものである。
一般に、本発明の多くの可能な実施例（この出願では
その内の幾つかの好ましい実施例について説明する）は
広範囲のいろいろな工業や研究機関のニーズを満たす経
済的でしかも実用的な組成モニタ装置を提供する。本発
明の特徴は、本発明の実施例が望ましくはプロセスを干
渉せずにモニタすべきそれらのプロセスの一体部分とな
るように設計され構成され得ることにある。本発明の実
施例はプロセス自体及びプロセス環境更にはそれらと組
合さった他のプロセス装置に耐えるように設計され構成
され得る。本発明の実施例は、購入、設置、運転、保
守、修理及び（または）交換に関して実用的な価格とな
るように設計され構成され得る。本発明の実施例は、既
存の組成モニタ装置より高速でしかもより正確にかつよ
り広い測定範囲をもたらすように設計され構成され得
る。本発明の実施例は、今日いかなるモニタ装置でも可
能でない広範囲の応用に対して組成モニタを行うことの
できるように設計され構成され得る。
その内の幾つかの好ましい実施例について説明する）は
広範囲のいろいろな工業や研究機関のニーズを満たす経
済的でしかも実用的な組成モニタ装置を提供する。本発
明の特徴は、本発明の実施例が望ましくはプロセスを干
渉せずにモニタすべきそれらのプロセスの一体部分とな
るように設計され構成され得ることにある。本発明の実
施例はプロセス自体及びプロセス環境更にはそれらと組
合さった他のプロセス装置に耐えるように設計され構成
され得る。本発明の実施例は、購入、設置、運転、保
守、修理及び（または）交換に関して実用的な価格とな
るように設計され構成され得る。本発明の実施例は、既
存の組成モニタ装置より高速でしかもより正確にかつよ
り広い測定範囲をもたらすように設計され構成され得
る。本発明の実施例は、今日いかなるモニタ装置でも可
能でない広範囲の応用に対して組成モニタを行うことの
できるように設計され構成され得る。
背景技術 成分及び混合物が静止していたり、バッチ内で動いて
いたり、或いは連続して流動していたりする固体、液
体、気体及びそれらの混合物を伴う多くのプロセスにお
いては、正確で比較的安価な組成モニタ装置及び方法が
必要である。さらに、これらのモニタ装置はモニタ操作
のためにプロセスを遠回りすなわち迂回させるのを避け
るためプロセスとインラインで作動できることがしばし
ば望ましい。またモニタ装置は、モニタすべきプロセス
と干渉しないように及び（または）モニタ装置が例えば
非常に腐食性及び（または）浸蝕性であるプロセスによ
って劣化されないように侵入的でないことが望ましい。
いたり、或いは連続して流動していたりする固体、液
体、気体及びそれらの混合物を伴う多くのプロセスにお
いては、正確で比較的安価な組成モニタ装置及び方法が
必要である。さらに、これらのモニタ装置はモニタ操作
のためにプロセスを遠回りすなわち迂回させるのを避け
るためプロセスとインラインで作動できることがしばし
ば望ましい。またモニタ装置は、モニタすべきプロセス
と干渉しないように及び（または）モニタ装置が例えば
非常に腐食性及び（または）浸蝕性であるプロセスによ
って劣化されないように侵入的でないことが望ましい。
代表的には、この種の組成モニタリングは作られ販売
される製品、製造される製品または貯蔵される製品の品
質や量に関して必要である。プロセス制御、生産効率及
び安全性の目的にも組成モニタリングは等しく非常に必
要である。
される製品、製造される製品または貯蔵される製品の品
質や量に関して必要である。プロセス制御、生産効率及
び安全性の目的にも組成モニタリングは等しく非常に必
要である。
組成モニタリングを必要とするプロセスの中で一つの
特殊なプロセスは石油産出（採油）である。石油産出は
陸上であるか沖合プラットホームであるか或いは海底で
あるかどうかに関連して産出される油、水及びガスの量
を連続してモニタする必要性が満たされてない。これら
の三つの成分をモニタする多くの異なった特別の理由が
あるが、それらの集合的な目的は産出を最適化すること
にある。
特殊なプロセスは石油産出（採油）である。石油産出は
陸上であるか沖合プラットホームであるか或いは海底で
あるかどうかに関連して産出される油、水及びガスの量
を連続してモニタする必要性が満たされてない。これら
の三つの成分をモニタする多くの異なった特別の理由が
あるが、それらの集合的な目的は産出を最適化すること
にある。
今日、油、水及びガスの三つの成分は単に分離装置に
よって個々に測定され得るだけである。個々の油井試験
には産出用の分離装置より容量の小さい比較的小型の分
離装置が使用される。これらの分離装置は試験分離装置
として周知である。所与場所では、通常、只一つの分離
装置が利用できるだけであり、従ってすべての油井を同
時に連続してモニタすることはできない。代わりに、油
井は単に典型的には月一二回の間隔で試験されるが、そ
れより間隔を長くすることは珍しくはない。このような
たまで満足でない油井試験はまた、分離プロセスが本質
的に遅いものでありまた砂のような沈着物の除去を伴う
日常の保守が必要であることによる。さらに、個々の油
井から試験分離装置へ産出物を引き出すためには手の込
んでしかも時間を浪費する操作が必要である。
よって個々に測定され得るだけである。個々の油井試験
には産出用の分離装置より容量の小さい比較的小型の分
離装置が使用される。これらの分離装置は試験分離装置
として周知である。所与場所では、通常、只一つの分離
装置が利用できるだけであり、従ってすべての油井を同
時に連続してモニタすることはできない。代わりに、油
井は単に典型的には月一二回の間隔で試験されるが、そ
れより間隔を長くすることは珍しくはない。このような
たまで満足でない油井試験はまた、分離プロセスが本質
的に遅いものでありまた砂のような沈着物の除去を伴う
日常の保守が必要であることによる。さらに、個々の油
井から試験分離装置へ産出物を引き出すためには手の込
んでしかも時間を浪費する操作が必要である。
従って、各油井の性能及び状態を把握するために産出
場所または溜めにおいて各個々の油井から産出される
油、水及びガスの量を連続して測定できる安価で実用的
な組成モニタ装置が特に必要であることは明らかであ
る。これらの個々の測定から産出率及び総体回収率に影
響し得る溜め内の変化についての結論を出すことができ
る。
場所または溜めにおいて各個々の油井から産出される
油、水及びガスの量を連続して測定できる安価で実用的
な組成モニタ装置が特に必要であることは明らかであ
る。これらの個々の測定から産出率及び総体回収率に影
響し得る溜め内の変化についての結論を出すことができ
る。
試験分離装置の別の欠点は、沖合プラットホームおい
てそれらの試験分離装置が相当な構造上のコストファク
タとなっていることにある。試験分離装置は典型的には
15〜20トンの重さがあり、かなりのスペースを占め、し
かも運転及び保守に多数の作業者が必要である。重量、
スペース及び人員はプラットホームにおける主要なコス
トファクタであり、例えば、メートル法のトン当りのコ
ストはいずれの場合でも200,000〜600,000ドル掛かる。
それで、プラットホームにおいて試験分離装置を軽量で
しかも運転に作業者を必要としない組成モニタ装置に替
えることが特に必要である。沖合掘削装置においては、
試験分離装置を交換するための付加的な動機は、それら
の試験分離装置の機能がそれらの装置を安全に作動しな
くさせることを包含している掘削装置の動き（横揺れ及
び傾き）によって損なわれることにある。
てそれらの試験分離装置が相当な構造上のコストファク
タとなっていることにある。試験分離装置は典型的には
15〜20トンの重さがあり、かなりのスペースを占め、し
かも運転及び保守に多数の作業者が必要である。重量、
スペース及び人員はプラットホームにおける主要なコス
トファクタであり、例えば、メートル法のトン当りのコ
ストはいずれの場合でも200,000〜600,000ドル掛かる。
それで、プラットホームにおいて試験分離装置を軽量で
しかも運転に作業者を必要としない組成モニタ装置に替
えることが特に必要である。沖合掘削装置においては、
試験分離装置を交換するための付加的な動機は、それら
の試験分離装置の機能がそれらの装置を安全に作動しな
くさせることを包含している掘削装置の動き（横揺れ及
び傾き）によって損なわれることにある。
掘削作業の場合一般には、戻し掘削泥の油、水、ガス
及び固体の含有量を連続して測定できる組成モニタ装置
も必要である。そのようなモニタ操作の理由の中で最も
重要なのは、貯留が戻し泥に流体を加えているかを把握
し、もしそうであればどの程度の割合であるかを把握す
ることにある。このような貯留産出は起こり得る吹き出
しを知らせることができ、そのような吹き出しは早期警
告で阻止することができる。
及び固体の含有量を連続して測定できる組成モニタ装置
も必要である。そのようなモニタ操作の理由の中で最も
重要なのは、貯留が戻し泥に流体を加えているかを把握
し、もしそうであればどの程度の割合であるかを把握す
ることにある。このような貯留産出は起こり得る吹き出
しを知らせることができ、そのような吹き出しは早期警
告で阻止することができる。
貯留からのこのような流入を検出する既存の手段は原
始的であり適切なものから掛け離れている。そのような
既存の手段は例えば僅かな液体の体積変化には感応しな
い大きなタンクを備えた液体レベル検出器から成ってい
る。沖合での非常にコストの掛かる組成モニタリング作
業は、特に幾つかの坑口からの産出物が受槽場所へ通じ
る単一管路中へ混合される場合に海底坑口から産出物を
試験することである。すべての油井の閉鎖を避け、試験
すべき油井を閉鎖するために、受槽場所へ通じる付加的
な試験管路を使用して受槽場所で試験するため個々の油
井からの産出物を流す必要がある。特別の管路を敷設す
ることはそれ自体コストが掛かり、しかも個々の油井産
出物を流すことは、特に海底環境では複雑で総産出物の
信頼性を損なう特別の装置、構造及び制御装置が必要と
される。従って、明らかに、単にモニタ結果だけをケー
ブルにより又は音響的に受槽場所へ伝達する必要のある
ような各海底坑口の一体の部分を成し得る組成モニタ装
置に対する大きな経済的かつ実用的な要望がある。
始的であり適切なものから掛け離れている。そのような
既存の手段は例えば僅かな液体の体積変化には感応しな
い大きなタンクを備えた液体レベル検出器から成ってい
る。沖合での非常にコストの掛かる組成モニタリング作
業は、特に幾つかの坑口からの産出物が受槽場所へ通じ
る単一管路中へ混合される場合に海底坑口から産出物を
試験することである。すべての油井の閉鎖を避け、試験
すべき油井を閉鎖するために、受槽場所へ通じる付加的
な試験管路を使用して受槽場所で試験するため個々の油
井からの産出物を流す必要がある。特別の管路を敷設す
ることはそれ自体コストが掛かり、しかも個々の油井産
出物を流すことは、特に海底環境では複雑で総産出物の
信頼性を損なう特別の装置、構造及び制御装置が必要と
される。従って、明らかに、単にモニタ結果だけをケー
ブルにより又は音響的に受槽場所へ伝達する必要のある
ような各海底坑口の一体の部分を成し得る組成モニタ装
置に対する大きな経済的かつ実用的な要望がある。
恐らく、油井組成モニタ装置の究極の必要性は一つま
たは複数の貯留産出物ゾーンにおける設備ダウンホール
に対してである。そのような装置は今日全く存在してな
い。
たは複数の貯留産出物ゾーンにおける設備ダウンホール
に対してである。そのような装置は今日全く存在してな
い。
石油工業におけるインラインの連続した組成モニタ装
置の別の必要性は供給場所、パイプラインに沿った場
所、受留場所及び石油製品の別の処理・プロセス及び精
製において管理移送のために油中の少量の水を測定する
ことにある。現在、財政上の観点から測定はしばしば少
量の産出物サンプルを取出すことによって行われてお
り、これらのサンプルから通常滴定法により水分含有量
を測定し記録して総水分含有量を統計学的に決めてい
る。予想され得るように、いろいろなサンプルの水分含
有量を把握してないと、販売者と購入者との間で測定方
法や結果に関して争いが生じることになる。
置の別の必要性は供給場所、パイプラインに沿った場
所、受留場所及び石油製品の別の処理・プロセス及び精
製において管理移送のために油中の少量の水を測定する
ことにある。現在、財政上の観点から測定はしばしば少
量の産出物サンプルを取出すことによって行われてお
り、これらのサンプルから通常滴定法により水分含有量
を測定し記録して総水分含有量を統計学的に決めてい
る。予想され得るように、いろいろなサンプルの水分含
有量を把握してないと、販売者と購入者との間で測定方
法や結果に関して争いが生じることになる。
石油工業においては、重油すなわち自由に流れ得ず汲
み上げることのできない高粘性油の生産を高め及び（ま
たは）その様な油を生産できる用にするため貯留部水蒸
気注入がしばしば用いられる。このような油を回収する
ために、貯留部を容易に充満させる高エネルギの水蒸気
が貯留部内に注入され、気体が凝縮する際に放出される
熱エネルギを利用して油を加熱してそれの粘性を充分に
低下させることによりその様な油を生産できるようにし
ている。水蒸気注入中及びその後に全ての貯留産出油井
はしゃ断される。その後、貯留部内で全ての水蒸気が凝
縮したと考えられると、産出が開始し、そしてこの産出
は水蒸気注入が再び必要となるまで続けられる。ここで
説明した方法は通常“ハフプフ（huff and puff）法と
呼ばれているが、水蒸気の注入及び産出を連続して行な
う水蒸気“駆動”フィールドもある。明らかに、上記か
ら被注入水蒸気の特性をモニタすることは経済的に望ま
しい。気体の含有量が高くなればなるほど、特性は高く
なる。同様に明らかなように、産出された流体が、使用
されないエネルギを表す凝縮されてない水蒸気を含んで
いるかどうかを把握することは経済的に重要である。
み上げることのできない高粘性油の生産を高め及び（ま
たは）その様な油を生産できる用にするため貯留部水蒸
気注入がしばしば用いられる。このような油を回収する
ために、貯留部を容易に充満させる高エネルギの水蒸気
が貯留部内に注入され、気体が凝縮する際に放出される
熱エネルギを利用して油を加熱してそれの粘性を充分に
低下させることによりその様な油を生産できるようにし
ている。水蒸気注入中及びその後に全ての貯留産出油井
はしゃ断される。その後、貯留部内で全ての水蒸気が凝
縮したと考えられると、産出が開始し、そしてこの産出
は水蒸気注入が再び必要となるまで続けられる。ここで
説明した方法は通常“ハフプフ（huff and puff）法と
呼ばれているが、水蒸気の注入及び産出を連続して行な
う水蒸気“駆動”フィールドもある。明らかに、上記か
ら被注入水蒸気の特性をモニタすることは経済的に望ま
しい。気体の含有量が高くなればなるほど、特性は高く
なる。同様に明らかなように、産出された流体が、使用
されないエネルギを表す凝縮されてない水蒸気を含んで
いるかどうかを把握することは経済的に重要である。
従って、石油工業及び本質的には全ての水蒸気生産者
及び利用者とっては水蒸気の特性を連続してモニタする
装置が必要とされる。このような生産者及び利用者の別
の例としては原子力発電設備がある。
及び利用者とっては水蒸気の特性を連続してモニタする
装置が必要とされる。このような生産者及び利用者の別
の例としては原子力発電設備がある。
採油の外にも組成を正確にモニタする必要のある製品
及びプロセスに関する多くの工業及び商業があるが、そ
うするための適切な連続式及び（または）バッチ式モニ
タ装置がない。
及びプロセスに関する多くの工業及び商業があるが、そ
うするための適切な連続式及び（または）バッチ式モニ
タ装置がない。
パルプ及び紙工業においては、燃焼炉へ汲み込まれる
パルプ溶液の水分含有量を連続してモニタする必要があ
る。仮にパルプ溶液中に水分が過剰に存在すると、炉が
破裂する危険がある。適当に正確でしかも非侵略性のモ
ニタ装置がないため、あるパルプ及び製紙会社は炉の破
裂を定期的に予算に組み入れている。正確なモニタ装置
は溶液中の極端に高い水分含有量を警告するのに使用さ
れ得る。
パルプ溶液の水分含有量を連続してモニタする必要があ
る。仮にパルプ溶液中に水分が過剰に存在すると、炉が
破裂する危険がある。適当に正確でしかも非侵略性のモ
ニタ装置がないため、あるパルプ及び製紙会社は炉の破
裂を定期的に予算に組み入れている。正確なモニタ装置
は溶液中の極端に高い水分含有量を警告するのに使用さ
れ得る。
また食品加工業においても、加工した及び（または）
生の食品の組成をすばやく測定できるモニタ装置が必要
である。特に関連するのは水分含有量である。牛乳加工
業は典型的な例である。牛乳及び乳製品の脂肪分及び水
分含有量は販売所で販売される一定の基準に合なければ
ならないが、脂肪分及び水分含有量を連続して測定する
適切なモニタ装置は未だ提供されてない。その結果、牛
乳生産者は、製品が基準を満たすのを保障するため製品
に過剰の乳脂肪分を加えておかなればならない。正確で
簡単な脂肪分及び水分含有量の連続モニタ装置が利用で
きれば、余分の乳脂肪をバターやアイスクリームの製造
に振り向けることがてきる。
生の食品の組成をすばやく測定できるモニタ装置が必要
である。特に関連するのは水分含有量である。牛乳加工
業は典型的な例である。牛乳及び乳製品の脂肪分及び水
分含有量は販売所で販売される一定の基準に合なければ
ならないが、脂肪分及び水分含有量を連続して測定する
適切なモニタ装置は未だ提供されてない。その結果、牛
乳生産者は、製品が基準を満たすのを保障するため製品
に過剰の乳脂肪分を加えておかなればならない。正確で
簡単な脂肪分及び水分含有量の連続モニタ装置が利用で
きれば、余分の乳脂肪をバターやアイスクリームの製造
に振り向けることがてきる。
燃料輸送及び配給システムは燃料の水分含有量をモニ
タする正確な連続装置を必要としている。例えば、ジェ
ット燃料を航空機へ供給する際にジェット燃料の水分含
有量を測定する必要がある。燃料効率を改善するために
ジェット燃料には僅かな割合で水分が添加されるが、し
かし過剰の水分が存在すると、運転中、エンジン故障を
含めて重大な問題が生じ得る。
タする正確な連続装置を必要としている。例えば、ジェ
ット燃料を航空機へ供給する際にジェット燃料の水分含
有量を測定する必要がある。燃料効率を改善するために
ジェット燃料には僅かな割合で水分が添加されるが、し
かし過剰の水分が存在すると、運転中、エンジン故障を
含めて重大な問題が生じ得る。
石油化学及び化学工業においては、含有した液体が水
分でないかもしれない場合に多くの組成モニタ操作が必
要である。そのようなプロセス液体の例としてはプラス
チック樹脂、ポリマー、アルコール、酸及び有機溶剤が
ある。各々の場合、これらの揚学物質の混合物の組成を
それらが処理され精製される際に連続してモニタできる
簡単で連続式で丈夫で化学的に不活性でしかも安価なモ
ニタ装置が必要のされる。
分でないかもしれない場合に多くの組成モニタ操作が必
要である。そのようなプロセス液体の例としてはプラス
チック樹脂、ポリマー、アルコール、酸及び有機溶剤が
ある。各々の場合、これらの揚学物質の混合物の組成を
それらが処理され精製される際に連続してモニタできる
簡単で連続式で丈夫で化学的に不活性でしかも安価なモ
ニタ装置が必要のされる。
ここに挙げた多くの組成モニタ例に対して、プロセス
モニタ装置を行なうのに一般に利用できる技術はない。
本発明の目的は、これらの分野及び多くの他の同様な応
用に共通する集中組成モニタ操作の要求を満たすモニタ
手段及び装置を提供することにある。共通の要求として
はモニタ手段が、 １）インラインであること、 ２）連続して測定すること（すなわち測定周期時間が短
いこと）、 ３）困難なプロセス条件、 高い内部温度及び圧力、 腐蝕性プロセス成分、 研磨性成分、 粘性液体、 に耐え得ること、 ４）侵略的でないこと、 ５）正確であること、 ６）試験部分の外側の幾何学的形状に感応しないこと、 ７）信頼できること、 ８）比較的安価であること、及び ９）工業的な環境に充分耐えるように丈夫であることで
ある。
モニタ装置を行なうのに一般に利用できる技術はない。
本発明の目的は、これらの分野及び多くの他の同様な応
用に共通する集中組成モニタ操作の要求を満たすモニタ
手段及び装置を提供することにある。共通の要求として
はモニタ手段が、 １）インラインであること、 ２）連続して測定すること（すなわち測定周期時間が短
いこと）、 ３）困難なプロセス条件、 高い内部温度及び圧力、 腐蝕性プロセス成分、 研磨性成分、 粘性液体、 に耐え得ること、 ４）侵略的でないこと、 ５）正確であること、 ６）試験部分の外側の幾何学的形状に感応しないこと、 ７）信頼できること、 ８）比較的安価であること、及び ９）工業的な環境に充分耐えるように丈夫であることで
ある。
2.従来技術の開示 プロセスの流れのRF誘電体測定を行なう導波管のよう
なプロセス流れ管を用いる概念は新規なものではない。
管内でなされるRF誘電率導波管測定について開示してい
る特許文献に開示された他の装置はそれらの機能におい
て相当異なる。ほとんどのものは、時間に関して千分の
一の精度も維持することが困難である振幅測定システム
である。そのようなシステムの例は、1984年７月10日発
行のサクライ外の米国特許第4,651,085号明細書、1970
年３月３日発行のHowardの米国特許第3,498,112号明細
書、1975年５月13日発行のFreeの米国特許第3,883,798
号明細書、1981年11月17日発行のPaapの米国特許第4,30
1,400号明細書及び1981年11月17日発行のPaapの米国特
許第4,301,400号明細書に開示されている。位相を測定
することは1984年１月３日発行のHo外の米国特許第4,42
3,623号明細書に開示されたもののようなものがある。
この場合でも時間に関して千分の一より良い精度は困難
である。Ho外の米国特許は、基本的には周波数の関数と
しての振幅測定である導波管のしゃ断周波数を測定する
ことにあるが、しかしながら、しゃ断周波数を決めるこ
とは幾分根拠がなく、直接測定することはできない。本
当は、Ho外の米国特許に開示された装置は振幅測定か或
いは位相測定を利用しており、真の周波数の精度の識別
装置とはできない。Free外の米国特許における装置では
周波数を測定するが、誘電率が大きく変動する拡範囲に
わたって物質の組成を測定するのには充分適用すること
ができない。この装置は試験区分の各端部に異なった界
磁方向を設けることによって試験区分を分離している。
このような界磁方向の境界に横断面が矩形の導波管を設
けることは容易であるが、横断面が円形の導波管を設け
ることはできない。Free外の米国特許の装置において連
続した中央供給路を設けるために装置において測定され
ることになる物質の誘電率と同じ誘電率をもつ物質のス
ラブが試験区分の各端部の終端に設けられる。装置は、
スラブの誘電率と測定すべき物質の誘電率との間の変動
が大きければ大きい程感応が悪くなる。
なプロセス流れ管を用いる概念は新規なものではない。
管内でなされるRF誘電率導波管測定について開示してい
る特許文献に開示された他の装置はそれらの機能におい
て相当異なる。ほとんどのものは、時間に関して千分の
一の精度も維持することが困難である振幅測定システム
である。そのようなシステムの例は、1984年７月10日発
行のサクライ外の米国特許第4,651,085号明細書、1970
年３月３日発行のHowardの米国特許第3,498,112号明細
書、1975年５月13日発行のFreeの米国特許第3,883,798
号明細書、1981年11月17日発行のPaapの米国特許第4,30
1,400号明細書及び1981年11月17日発行のPaapの米国特
許第4,301,400号明細書に開示されている。位相を測定
することは1984年１月３日発行のHo外の米国特許第4,42
3,623号明細書に開示されたもののようなものがある。
この場合でも時間に関して千分の一より良い精度は困難
である。Ho外の米国特許は、基本的には周波数の関数と
しての振幅測定である導波管のしゃ断周波数を測定する
ことにあるが、しかしながら、しゃ断周波数を決めるこ
とは幾分根拠がなく、直接測定することはできない。本
当は、Ho外の米国特許に開示された装置は振幅測定か或
いは位相測定を利用しており、真の周波数の精度の識別
装置とはできない。Free外の米国特許における装置では
周波数を測定するが、誘電率が大きく変動する拡範囲に
わたって物質の組成を測定するのには充分適用すること
ができない。この装置は試験区分の各端部に異なった界
磁方向を設けることによって試験区分を分離している。
このような界磁方向の境界に横断面が矩形の導波管を設
けることは容易であるが、横断面が円形の導波管を設け
ることはできない。Free外の米国特許の装置において連
続した中央供給路を設けるために装置において測定され
ることになる物質の誘電率と同じ誘電率をもつ物質のス
ラブが試験区分の各端部の終端に設けられる。装置は、
スラブの誘電率と測定すべき物質の誘電率との間の変動
が大きければ大きい程感応が悪くなる。
流体用の種々の他のモニタシステムは従来技術におい
て公知である。1984年７月10日発行のMeador外の米国特
許第4,458,524号明細書には、誘電率、密度及び温度測
定値を利用して原油産出流の組成を測定する原油産出流
分析装置が開示されている。この装置はまた移相基づい
て誘電率を測定している。その他の組成モニタ装置は以
下に挙げる米国特許に開示されている。1972年８月29日
発行のBak外の米国特許第3,688,188号明細書、1974年６
月11日発行のCmelik Kの米国特許第3,826,978号明細
書、1975年６月10日発行のEasley外の米国特許第3,889,
182明細書、1975年８月５日発行のDe Valeの米国特許第
3,897,798明細書、1978年８月１日発行のSchofieldの米
国特許第4,104,585明細書、1978年11月７日発行のZette
r外の米国特許第4,124,475明細書、1981年５月５日発行
のThompsonの米国特許第4,266,188明細書、1981年９月
８日発行のDechene外の米国特許第4,288,741明細書、19
82年４月27日発行のWalkerの米国特許第4,327,323明細
書、1982年７月20日発行のRossoの米国特許第4,340,938
明細書、1982年８月17日発行のShelleyの米国特許第4,3
45,204明細書、1983年１月25日発行のGregory外の米国
特許第4,370,611明細書、1983年６月７日発行のYoungbl
oodの米国特許第4,387,165明細書、1984年１月31日発行
のMazzagattiの米国特許第4,429,273明細書、1984年４
月10日発行のCarlsonの米国特許第4,441,362明細書、19
85年９月24日発行のStewart外の米国特許第4,543,191明
細書、1985年11月26日発行のBenson外の米国特許第4,55
5,661明細書、1985年12月17日発行のGoldberg外の米国
特許第4,559,493明細書。しかしながら、これらのシス
テムのいずれも流体の流れに干渉せずにまたはシステム
の構成要素が流体によって損傷を受けることなしに管内
を流れる多成分流体をモニタできなない。
て公知である。1984年７月10日発行のMeador外の米国特
許第4,458,524号明細書には、誘電率、密度及び温度測
定値を利用して原油産出流の組成を測定する原油産出流
分析装置が開示されている。この装置はまた移相基づい
て誘電率を測定している。その他の組成モニタ装置は以
下に挙げる米国特許に開示されている。1972年８月29日
発行のBak外の米国特許第3,688,188号明細書、1974年６
月11日発行のCmelik Kの米国特許第3,826,978号明細
書、1975年６月10日発行のEasley外の米国特許第3,889,
182明細書、1975年８月５日発行のDe Valeの米国特許第
3,897,798明細書、1978年８月１日発行のSchofieldの米
国特許第4,104,585明細書、1978年11月７日発行のZette
r外の米国特許第4,124,475明細書、1981年５月５日発行
のThompsonの米国特許第4,266,188明細書、1981年９月
８日発行のDechene外の米国特許第4,288,741明細書、19
82年４月27日発行のWalkerの米国特許第4,327,323明細
書、1982年７月20日発行のRossoの米国特許第4,340,938
明細書、1982年８月17日発行のShelleyの米国特許第4,3
45,204明細書、1983年１月25日発行のGregory外の米国
特許第4,370,611明細書、1983年６月７日発行のYoungbl
oodの米国特許第4,387,165明細書、1984年１月31日発行
のMazzagattiの米国特許第4,429,273明細書、1984年４
月10日発行のCarlsonの米国特許第4,441,362明細書、19
85年９月24日発行のStewart外の米国特許第4,543,191明
細書、1985年11月26日発行のBenson外の米国特許第4,55
5,661明細書、1985年12月17日発行のGoldberg外の米国
特許第4,559,493明細書。しかしながら、これらのシス
テムのいずれも流体の流れに干渉せずにまたはシステム
の構成要素が流体によって損傷を受けることなしに管内
を流れる多成分流体をモニタできなない。
従来、液体プロセス流れの組成をモニタするために容
量計及び導電率計が普通に用いられてきた。例えば容量
計は1981年５月12日発行のAllportD及びScott外の米国
特許第4,266,425明細書や1988年５月25日付けで公告さ
れた欧州特許出願第0268399号に開示されている。この
明細書に記載したRFインピーダンスモニタ方法にはこれ
らの低周波数方法に勝る幾つもの基本的な利点がある。
低周波数装置は比較的流れ応答性がよくまた水中の塩分
に対して比較的応答性がよい。容量計は、水の導電率が
低くない限り水が混合物の連続相であると、正確には機
能しない。また、油と水の混合物のようにインピーダン
ス特性をもつプロセス流れの誘電率及び導電率を測定で
きる単一測定装置を構成することも非常に困難である。
その理由は、油連続混合物と水連続混合物との相対イン
ピーダンスレベルが桁違いに大きく異なるためである。
更に、容量計の潜在的精度は、測定される容量が小さ
く、フルスケースでも丁度10ピコファラド程度であるの
で、長期間の使用では千分の一よりあまりよくない。安
定性は信号線容量ドリフト、温度ドリフト、信号ドリフ
ト等のため達成し難い。機械的観点から、多くの容量計
は同軸電極を使用しており、同軸電極の一つは管の中央
に位置決めされる。このような形態では、それらの容量
計は管を通常の仕方で清掃するのを不可能にさせてい
る。更に、それらの容量計は多くのプロセス流れの腐蝕
性及び研磨性環境にさらされる。
量計及び導電率計が普通に用いられてきた。例えば容量
計は1981年５月12日発行のAllportD及びScott外の米国
特許第4,266,425明細書や1988年５月25日付けで公告さ
れた欧州特許出願第0268399号に開示されている。この
明細書に記載したRFインピーダンスモニタ方法にはこれ
らの低周波数方法に勝る幾つもの基本的な利点がある。
低周波数装置は比較的流れ応答性がよくまた水中の塩分
に対して比較的応答性がよい。容量計は、水の導電率が
低くない限り水が混合物の連続相であると、正確には機
能しない。また、油と水の混合物のようにインピーダン
ス特性をもつプロセス流れの誘電率及び導電率を測定で
きる単一測定装置を構成することも非常に困難である。
その理由は、油連続混合物と水連続混合物との相対イン
ピーダンスレベルが桁違いに大きく異なるためである。
更に、容量計の潜在的精度は、測定される容量が小さ
く、フルスケースでも丁度10ピコファラド程度であるの
で、長期間の使用では千分の一よりあまりよくない。安
定性は信号線容量ドリフト、温度ドリフト、信号ドリフ
ト等のため達成し難い。機械的観点から、多くの容量計
は同軸電極を使用しており、同軸電極の一つは管の中央
に位置決めされる。このような形態では、それらの容量
計は管を通常の仕方で清掃するのを不可能にさせてい
る。更に、それらの容量計は多くのプロセス流れの腐蝕
性及び研磨性環境にさらされる。
更に当該技術分野においては相互相関技術を用いて流
体の流れる容器に沿った種々の位置で取られた測定値か
ら流量を測定することも公知である。そのような流量装
置は例えば、1973年10月２日発行のCoulthardの米国特
許第3,762,221明細書、1976年７月６日発行のForsterの
米国特許第3,967,500明細書、1981年２月３日発行のCou
lthardの米国特許第4,248,085明細書、1981年３月24日
発行のクリタ外の米国特許第4,257,275明細書、1983年
４月26日発行のナカモト外の米国特許第4,380,924明細
書、1983年９月６日発行のRaptis外の米国特許第4,402,
230明細書、1983年11月29日発行のCathignol外の米国特
許第4,417,584明細書、上記で挙げた米国特許第4,423,6
23明細書、1987年９月15日発行のアメミヤの米国特許第
4,693,319明細書、及び1987年11月24日発行のBraun外の
米国特許第4,708,021明細書に開示されている。しかし
ながら、これらの全ての装置で得られる測定値は本発明
と異なった仕方で相互相関される。1985年10月22日発行
の米国特許第4,548,506明細書では物質の誘電特性に基
づいた信号を相互相関するが、流量を測定するためのも
のではない。
体の流れる容器に沿った種々の位置で取られた測定値か
ら流量を測定することも公知である。そのような流量装
置は例えば、1973年10月２日発行のCoulthardの米国特
許第3,762,221明細書、1976年７月６日発行のForsterの
米国特許第3,967,500明細書、1981年２月３日発行のCou
lthardの米国特許第4,248,085明細書、1981年３月24日
発行のクリタ外の米国特許第4,257,275明細書、1983年
４月26日発行のナカモト外の米国特許第4,380,924明細
書、1983年９月６日発行のRaptis外の米国特許第4,402,
230明細書、1983年11月29日発行のCathignol外の米国特
許第4,417,584明細書、上記で挙げた米国特許第4,423,6
23明細書、1987年９月15日発行のアメミヤの米国特許第
4,693,319明細書、及び1987年11月24日発行のBraun外の
米国特許第4,708,021明細書に開示されている。しかし
ながら、これらの全ての装置で得られる測定値は本発明
と異なった仕方で相互相関される。1985年10月22日発行
の米国特許第4,548,506明細書では物質の誘電特性に基
づいた信号を相互相関するが、流量を測定するためのも
のではない。
発明の開示 従って、本発明の目的は管内を流れる多成分流体をの
組成を、流体の流れに重大に干渉することなくモニタす
る新規の多成分流体モニタ装置及びモニタ方法を提供す
ることにある。
組成を、流体の流れに重大に干渉することなくモニタす
る新規の多成分流体モニタ装置及びモニタ方法を提供す
ることにある。
本発明の別の目的は、モニタ装置の活性電気的構成要
素が流体と物理的に接触する必要のないモニタ装置及び
モニタ方法を提供することにある。
素が流体と物理的に接触する必要のないモニタ装置及び
モニタ方法を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、従来技術のモニタ装置及び
方法で可能であるより広い範囲の誘電体特性をもつ多成
分流体の組成をモニタできるモニタ装置及びモニタ方法
を提供することにある。
方法で可能であるより広い範囲の誘電体特性をもつ多成
分流体の組成をモニタできるモニタ装置及びモニタ方法
を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、従来技術のモニタ装置及び
方法で可能であるより高い導電率をもつ多成分流体の組
成をモニタできるモニタ装置及びモニタ方法を提供する
ことにある。
方法で可能であるより高い導電率をもつ多成分流体の組
成をモニタできるモニタ装置及びモニタ方法を提供する
ことにある。
本発明の更に物の目的は、混合物の成分の一つが塩水
である流体の組成をモニタできるモニタ装置及びモニタ
方法を提供することにある。
である流体の組成をモニタできるモニタ装置及びモニタ
方法を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、定在電磁波パターンを発生
し、交換機構を簡素化しかつ精度を改善したモニタ装置
及びモニタ方法を提供することにある。
し、交換機構を簡素化しかつ精度を改善したモニタ装置
及びモニタ方法を提供することにある。
本発明のなお別の目的は、モニタすべき流体が一様に
混合されているかどうかを測定できるモニタ装置及びモ
ニタ方法を提供することにある。
混合されているかどうかを測定できるモニタ装置及びモ
ニタ方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、三つの成分流の組成が誘電率及
び（または）導電率及び密度の測定に基づいて測定され
るモニタ装置及びモニタ方法を提供することにある。
び（または）導電率及び密度の測定に基づいて測定され
るモニタ装置及びモニタ方法を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、高精度の、周波数弁別型二
成分流体流れモニタ装置を提供することにある。
成分流体流れモニタ装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、流体の流量を測定でき、流体の
組成をモニタするモニタ装置及びモニタ方法と組合さっ
たシステムを提供することにある。
組成をモニタするモニタ装置及びモニタ方法と組合さっ
たシステムを提供することにある。
本発明はこの種の組成モニタリングの需要に応じるこ
とのできるモニタ方法及び装置を提供することにある。
更に、本装置は、多重流れ状態が混合物成分の不混和性
により可能である混合物をモニタするのに使用すること
ができる。更に、本装置は利用者にとって比較的低コス
トで簡単に製造できるように設計される。
とのできるモニタ方法及び装置を提供することにある。
更に、本装置は、多重流れ状態が混合物成分の不混和性
により可能である混合物をモニタするのに使用すること
ができる。更に、本装置は利用者にとって比較的低コス
トで簡単に製造できるように設計される。
本装置は関連するプロセス流れのRF誘電率及び（また
は）導電率を測定することによって作動する。二つ以上
の成分が存在している場合には、密度測定はRFインピー
ダンス測定と組合され得る。ほとんど適用例では、装置
の動作周波数は50MHz〜3GHzの範囲である。必要なら
ば、装置はまた温度及び圧力情報を用いて成分インピー
ダンス測定データを修正するようにする。
は）導電率を測定することによって作動する。二つ以上
の成分が存在している場合には、密度測定はRFインピー
ダンス測定と組合され得る。ほとんど適用例では、装置
の動作周波数は50MHz〜3GHzの範囲である。必要なら
ば、装置はまた温度及び圧力情報を用いて成分インピー
ダンス測定データを修正するようにする。
本発明は、電気的には絶縁され、物理的には開放され
た構造の物質の複合誘電体特性をパラメータ化するのに
無線周波数（RF）ブリッジ技術を利用している。試験中
の物質を特徴付けするのに用いた主RFパラメータは周波
数及び減衰である。装置は電磁導波管としてプロセス流
れの金属管を用いることによって機能する。適当な周波
数の電磁エネルギは金属管に設けられた開口を介して結
合される。この電磁エネルギは導波管のある距離下流で
別の開口を介して測定される。この測定値から、混合物
のインピーダンス特性が導き出される。モニタ装置から
の混合物の温度及び圧力データは成分のインピーダンス
特性を変えるための修正を行なうのに用いられる。混合
物インピーダンスデータは検量線かまたは理論的上の組
成対誘電体モデルを用いて流れの組成を測定するのに用
いられる。開口結合型導波管の概念の利点は、装置を相
対的に簡単に組み立てでき、また非侵略的なインライン
プロセスモニタにできることである。管内の流体流れ断
面にはアンテナや電極は全け入り込ない。
た構造の物質の複合誘電体特性をパラメータ化するのに
無線周波数（RF）ブリッジ技術を利用している。試験中
の物質を特徴付けするのに用いた主RFパラメータは周波
数及び減衰である。装置は電磁導波管としてプロセス流
れの金属管を用いることによって機能する。適当な周波
数の電磁エネルギは金属管に設けられた開口を介して結
合される。この電磁エネルギは導波管のある距離下流で
別の開口を介して測定される。この測定値から、混合物
のインピーダンス特性が導き出される。モニタ装置から
の混合物の温度及び圧力データは成分のインピーダンス
特性を変えるための修正を行なうのに用いられる。混合
物インピーダンスデータは検量線かまたは理論的上の組
成対誘電体モデルを用いて流れの組成を測定するのに用
いられる。開口結合型導波管の概念の利点は、装置を相
対的に簡単に組み立てでき、また非侵略的なインライン
プロセスモニタにできることである。管内の流体流れ断
面にはアンテナや電極は全け入り込ない。
本発明の方法及び装置の別の特徴は、それらの方法及
び装置をプロセス流れが一様に混合されたのを測定する
のに用い得ることにある。この能力は、装置の最も大き
な利用性のある多くの応用が流れ中の不混和性成分の測
定に関するので重要である。混合物の組成と被測定イン
ピーダンス特性との関係は既知の流れ状態にある流体に
依存する。
び装置をプロセス流れが一様に混合されたのを測定する
のに用い得ることにある。この能力は、装置の最も大き
な利用性のある多くの応用が流れ中の不混和性成分の測
定に関するので重要である。混合物の組成と被測定イン
ピーダンス特性との関係は既知の流れ状態にある流体に
依存する。
ここで記載した概念の新規の特徴は、測定を行なう手
段である。装置は、既知の長さの試験測定領域内で管内
を反対方向に進む伝搬電磁波が干渉するようにして構成
される。ある一定の特性動作周波数では干渉は全体とし
て建設的または破壊的である。これらの特性周波数を管
内のプロセス流れの誘電率に関連付けることは簡単なこ
とである。従って、動作において本発明の装置は、一つ
または複数の入力開口の動作周波数を走査することによ
って機能し、そして試験区分のどこかに設けられた受け
開口を介して挿入損を測定する。挿入損が最大または最
小に達した時、動作周波数が記録され、それにより流体
の誘電率が導き出される。装置は幾つかの異なった仕方
で構成することができる。この明細書では幾つかの方法
について説明する。しかしながら、これは一般には本発
明の主題を成す技術である。
段である。装置は、既知の長さの試験測定領域内で管内
を反対方向に進む伝搬電磁波が干渉するようにして構成
される。ある一定の特性動作周波数では干渉は全体とし
て建設的または破壊的である。これらの特性周波数を管
内のプロセス流れの誘電率に関連付けることは簡単なこ
とである。従って、動作において本発明の装置は、一つ
または複数の入力開口の動作周波数を走査することによ
って機能し、そして試験区分のどこかに設けられた受け
開口を介して挿入損を測定する。挿入損が最大または最
小に達した時、動作周波数が記録され、それにより流体
の誘電率が導き出される。装置は幾つかの異なった仕方
で構成することができる。この明細書では幾つかの方法
について説明する。しかしながら、これは一般には本発
明の主題を成す技術である。
干渉区分の概念を利用した満足な設計の装置において
は、特性周波数は非常にシャープに決められ、従って特
性周波数を決める際に素晴らしい精度が可能である。そ
れらの特性周波数を105分の一（すなわち、1GHzで10kH
z）以上に良好に特定することができる。この精度で周
波数を発生し測定するための器具は容易に利用できる。
これらの基本的な特徴により、本発明の方法及び装置は
パイプライン品質油の財政上のモニタリング及び蒸気品
質モニタリングのような適用に対して用いることができ
る。これらの適用例は、約1/10000またはそれ以上の誘
電率精度を必要とする。
は、特性周波数は非常にシャープに決められ、従って特
性周波数を決める際に素晴らしい精度が可能である。そ
れらの特性周波数を105分の一（すなわち、1GHzで10kH
z）以上に良好に特定することができる。この精度で周
波数を発生し測定するための器具は容易に利用できる。
これらの基本的な特徴により、本発明の方法及び装置は
パイプライン品質油の財政上のモニタリング及び蒸気品
質モニタリングのような適用に対して用いることができ
る。これらの適用例は、約1/10000またはそれ以上の誘
電率精度を必要とする。
上記及び関連した目的は、ここで説明する新規の多成
分モニタ装置及び方法を用いることによって達成され得
る。本発明の一つの特徴では、本発明による流体モニタ
装置は、測定の行われる管または他の流体拘留構造体の
部分に組み込まれた試験区分に電磁干渉を発生させる手
段を備えている。特性周波数では、干渉は建設的または
破壊的である。特性周波数はプロセス流れの誘電率に単
純に関係し得る。このような測定方法は実質的に変換手
段を簡単化させ、そして精度を改善させる。本発明の別
の特徴においては、管内の流体が一様に混合されている
かどうかを測定するため測定区分に幾つかの送受開口対
が用いられる。一様な混合は正確な流体組成モニタリン
グには本質的なことである。本発明の第３の特徴におい
ては、少なくとも三つの成分から成る流体の流れの組成
は、誘電率または導電率及び密度の測定に基づいたモニ
タ装置及び方法によって測定される。
分モニタ装置及び方法を用いることによって達成され得
る。本発明の一つの特徴では、本発明による流体モニタ
装置は、測定の行われる管または他の流体拘留構造体の
部分に組み込まれた試験区分に電磁干渉を発生させる手
段を備えている。特性周波数では、干渉は建設的または
破壊的である。特性周波数はプロセス流れの誘電率に単
純に関係し得る。このような測定方法は実質的に変換手
段を簡単化させ、そして精度を改善させる。本発明の別
の特徴においては、管内の流体が一様に混合されている
かどうかを測定するため測定区分に幾つかの送受開口対
が用いられる。一様な混合は正確な流体組成モニタリン
グには本質的なことである。本発明の第３の特徴におい
ては、少なくとも三つの成分から成る流体の流れの組成
は、誘電率または導電率及び密度の測定に基づいたモニ
タ装置及び方法によって測定される。
本発明による多成分組成モニタ変換器は組成物を包囲
する導電性壁を備えている。一つまたはそれ以上の電磁
波伝送開口及び電磁波受け開口は包囲体に対向してい
る。伝送開口は包囲体内に電磁波を発生させるように位
置決めされ、また受け開口は包囲体から電磁波を受ける
ように位置決めされる。電磁波伝送開口（複数）及び電
磁波受け開口を含む試験区分に電磁干渉パターンを形成
する手段は試験区分を横切ってのびる二つの平行な平面
間に位置決めされる。本発明の別の特徴においては、流
体流れ組成モニタ装置は試験区分を電気的に絶縁する手
段を備えている。
する導電性壁を備えている。一つまたはそれ以上の電磁
波伝送開口及び電磁波受け開口は包囲体に対向してい
る。伝送開口は包囲体内に電磁波を発生させるように位
置決めされ、また受け開口は包囲体から電磁波を受ける
ように位置決めされる。電磁波伝送開口（複数）及び電
磁波受け開口を含む試験区分に電磁干渉パターンを形成
する手段は試験区分を横切ってのびる二つの平行な平面
間に位置決めされる。本発明の別の特徴においては、流
体流れ組成モニタ装置は試験区分を電気的に絶縁する手
段を備えている。
上記の及び関連する目的の達成、本発明の効果及び特
徴は、図面に関しての本発明の以下の詳細な説明を考察
することによって当業者には容易に明らかとなる。
徴は、図面に関しての本発明の以下の詳細な説明を考察
することによって当業者には容易に明らかとなる。
図面の簡単な説明 第１図は本発明による組成モニタ装置を示す概略線図
である。
である。
第２図は第１図の組成モニタ装置の感度を上げるのに
用いられる回路の概略線図である。
用いられる回路の概略線図である。
第３図は第１図の組成モニタ装置の感度を上げるのに
用いられる別の回路の概略線図である。
用いられる別の回路の概略線図である。
第４図は本発明による第２の組成モニタ装置を示す概
略線図である。
略線図である。
第５図は本発明による第３の組成モニタ装置を示す概
略線図である。
略線図である。
第6a図は本発明による第４の組成モニタ装置を示す概
略断面図である。
略断面図である。
第6b図は第6a図に示す組成モニタ装置の一部の断面図
である。
である。
第７図〜第11図は本発明による組成モニタ装置の異な
った使用例を示す概略断面図である。
った使用例を示す概略断面図である。
第12図は本発明によるモニタ装置の第１実施例を示す
斜視図である。
斜視図である。
第13図は第12図の線13−13に沿った断面図である。
第14図は本発明によるモニタ装置で得られた実験結果
を示すグラフである。
を示すグラフである。
第15図は第12図及び第13図のモニタ装置に使用できる
電子装置のブロック線図である。
電子装置のブロック線図である。
第16図は第12図及び第13図のモニタ装置の変形例に使
用できる第２形式の電子装置のブロック線図を有する本
発明の第２の実施例である。
用できる第２形式の電子装置のブロック線図を有する本
発明の第２の実施例である。
第17図は第12図及び第13図のモニタ装置に使用できる
第３形式の電子装置のブロック線図を有する本発明の第
３の実施例である。
第３形式の電子装置のブロック線図を有する本発明の第
３の実施例である。
第18図及び第19図は本発明によるモニタ装置の第４実
施例を示す側面図及び断面図である。
施例を示す側面図及び断面図である。
第20図は本発明によるモニタ装置の第５実施例を示す
断面図である。
断面図である。
第21図は本発明によるモニタ装置の第６実施例を示す
断面図である。
断面図である。
第22図及び第23図は本発明によるモニタ装置の第７実
施例を示す断面図及び端面図である。
施例を示す断面図及び端面図である。
第24a図〜第24h図は第22図及び第23図のモニタ装置の
変形を示す端面図である。
変形を示す端面図である。
第25図は第18図〜第24h図に示すモニタ装置に用いら
れ得る電子装置のブロック線図である。
れ得る電子装置のブロック線図である。
第26図〜第34図は本発明によるモニタ装置で得られた
実験結果を示すグラフである。
実験結果を示すグラフである。
第35図及び第36図は本発明によるモニタ装置の第８実
施例を示す端面図及び側面図である。
施例を示す端面図及び側面図である。
第37図は本発明による第９実施例から成る組成測定シ
ステムの概略側面図である。
ステムの概略側面図である。
第38図は第37図のシステムで行われる変換プロセスの
流れ線図である。
流れ線図である。
第39図及び第40図は本発明によるモニタシステムの側
面図及び端面図である。
面図及び端面図である。
第41図〜第43図は第39図及び第40図に例示したモニタ
システム用の電子装置のブロック線図である。
システム用の電子装置のブロック線図である。
第44図及び第45図は本発明による流量モニタシステム
の概略側面図である。
の概略側面図である。
発明の理論的背景 周波数及び減衰パラメータの使用並びに本発明の理論
的基礎について第１図に示す伝送線路モデルを用いて説
明する。第１図において、電源２からの正弦波RF信号は
３で二つの等しい同位相の信号に分けられ、伝送線路６
の両端４、５を駆動する。電圧センサ７は二つの端部
４、５から等距離でない位置８で伝送線路６に結合され
る。この例示の目的で、電圧センサ７は伝送線路６に緩
く結合され、また伝送線路は両端で充分に整合されると
仮定すると、センサ７における電圧は二つのベクトルの
和 Vp＝V0［exp（Ｇ★L1）＋exp（−Ｇ★L2） （１） として表すことができる。
的基礎について第１図に示す伝送線路モデルを用いて説
明する。第１図において、電源２からの正弦波RF信号は
３で二つの等しい同位相の信号に分けられ、伝送線路６
の両端４、５を駆動する。電圧センサ７は二つの端部
４、５から等距離でない位置８で伝送線路６に結合され
る。この例示の目的で、電圧センサ７は伝送線路６に緩
く結合され、また伝送線路は両端で充分に整合されると
仮定すると、センサ７における電圧は二つのベクトルの
和 Vp＝V0［exp（Ｇ★L1）＋exp（−Ｇ★L2） （１） として表すことができる。
ここで、損失のない場合には、複合伝送定数（Ｇ）は
虚数であり、またL1、L2は電圧センサ７及び伝送線送線
路６の両端４、５間の物理的長さを表している。第２項
における負の符号は座標系の選択によるものである。こ
の場合、座標系の原点は図面の左側に取る。その結果、
L1は正であり、L2は負となる。従って、両方の項におい
て電圧の振幅はそれぞれの駆動点の振幅より小さく、ま
たその位相は遅れている。複合伝送定数は伝送線路の幾
何学的形状及びその構成材料に依存する。例えば、中空
伝送線路を構成し、そしてそれに脱イオン水を充填する
とすると、この複合伝送線路は特定の伝搬定数をもち、
そして特定のセンサ電圧（特定の振幅及び位相）を発生
する。伝送線路内の水に幾らかの塩分を加えると、伝搬
定数は変化し、センサ電圧も変化する。塩分は溶液中へ
イオンを導入するので、それの導電率は変化し、主とし
て伝搬定数の後方部分の変化として現れる。センサ７に
おいては、塩分の添加は振幅を変化させるが、位相は本
質的に変化させないままである。
虚数であり、またL1、L2は電圧センサ７及び伝送線送線
路６の両端４、５間の物理的長さを表している。第２項
における負の符号は座標系の選択によるものである。こ
の場合、座標系の原点は図面の左側に取る。その結果、
L1は正であり、L2は負となる。従って、両方の項におい
て電圧の振幅はそれぞれの駆動点の振幅より小さく、ま
たその位相は遅れている。複合伝送定数は伝送線路の幾
何学的形状及びその構成材料に依存する。例えば、中空
伝送線路を構成し、そしてそれに脱イオン水を充填する
とすると、この複合伝送線路は特定の伝搬定数をもち、
そして特定のセンサ電圧（特定の振幅及び位相）を発生
する。伝送線路内の水に幾らかの塩分を加えると、伝搬
定数は変化し、センサ電圧も変化する。塩分は溶液中へ
イオンを導入するので、それの導電率は変化し、主とし
て伝搬定数の後方部分の変化として現れる。センサ７に
おいては、塩分の添加は振幅を変化させるが、位相は本
質的に変化させないままである。
これらの変化に対する上記システムの感度を改善する
幾つかの方法がある。幾つかのそのような方法について
説明するが、当業者にとっては他の方法を用いて本発明
を実現することができる。第１の方法は第２図に示すも
ののような一般化された抵抗比ブリッジ９を利用する。
この場合、試験セル（この例では中空伝送線路、L1）の
基準設定は、センサ電圧がゼロとなるまで減衰器（RT）
及び移相器（φＴ）を調整することによって行われる。
そして、試験セルのインピーダンス及び伝搬特性が変化
すると、ブリッジ９は不平衡となる。この場合、ブリッ
ジ９の感度は一定辺のインピーダンス（R1、R2）の比を
変えることによって調整できる。
幾つかの方法がある。幾つかのそのような方法について
説明するが、当業者にとっては他の方法を用いて本発明
を実現することができる。第１の方法は第２図に示すも
ののような一般化された抵抗比ブリッジ９を利用する。
この場合、試験セル（この例では中空伝送線路、L1）の
基準設定は、センサ電圧がゼロとなるまで減衰器（RT）
及び移相器（φＴ）を調整することによって行われる。
そして、試験セルのインピーダンス及び伝搬特性が変化
すると、ブリッジ９は不平衡となる。この場合、ブリッ
ジ９の感度は一定辺のインピーダンス（R1、R2）の比を
変えることによって調整できる。
第２の方法は第３図に示すセットアップ10を使用し、
伝送線路長さ（L1、L2）の差を調整するか或いはRF電源
２の周波数を調整することによって基準ゼロを形成す
る。いずれの調整場合も、目的は試験セル（L1、L2）の
二つの部分の間に180゜の伝送移相差を得ることにあ
る。損失性の物質が試験セルを充填している場合には、
センサにおける二つの波の振幅は等しくなく、その結果
互いに相殺してゼロを形成しない。そこで図示した減衰
器11を調整してセンサ７において所望のゼロが得られる
ようにする。この技術の別の感応性の少ない変形は、試
験セルに任意の長さを用い、減衰器と直列に移相器を挿
入し、そしてそれを（周波数の代わりに）用いて伝送移
相差を上記のように設定することから成る。
伝送線路長さ（L1、L2）の差を調整するか或いはRF電源
２の周波数を調整することによって基準ゼロを形成す
る。いずれの調整場合も、目的は試験セル（L1、L2）の
二つの部分の間に180゜の伝送移相差を得ることにあ
る。損失性の物質が試験セルを充填している場合には、
センサにおける二つの波の振幅は等しくなく、その結果
互いに相殺してゼロを形成しない。そこで図示した減衰
器11を調整してセンサ７において所望のゼロが得られる
ようにする。この技術の別の感応性の少ない変形は、試
験セルに任意の長さを用い、減衰器と直列に移相器を挿
入し、そしてそれを（周波数の代わりに）用いて伝送移
相差を上記のように設定することから成る。
上記の考察は、伝送線路が試験セル以外で十分に整合
していると仮定した。これにより試験セル以外での不整
合によるすべての反射は無視できる。実際に、これは、
試験セルの両端に抵抗性または反応性の終端部を設ける
ことによって行われ得る。最初に第４図に示すように抵
抗性終端部12、13を使用する場合について説明する。第
４図において、RFエネルギは位置Ａ、Ｂで試験セルに結
合される。センサ電圧は位置Ｃから取り出され、残りの
エネルギは各端部の充分に整合した終端部12、13（符号
Ｔで示す）によって吸収される。管のような中空伝送線
路の例を考えると、これらの終端部12、13は試験セルの
残りの管系から分離している。言い換えれば、これらの
終端部12、13以外の管における屈曲部及び（または）弁
は背センサ７の出力にほとんど影響しないかまたは全く
影響しない。
していると仮定した。これにより試験セル以外での不整
合によるすべての反射は無視できる。実際に、これは、
試験セルの両端に抵抗性または反応性の終端部を設ける
ことによって行われ得る。最初に第４図に示すように抵
抗性終端部12、13を使用する場合について説明する。第
４図において、RFエネルギは位置Ａ、Ｂで試験セルに結
合される。センサ電圧は位置Ｃから取り出され、残りの
エネルギは各端部の充分に整合した終端部12、13（符号
Ｔで示す）によって吸収される。管のような中空伝送線
路の例を考えると、これらの終端部12、13は試験セルの
残りの管系から分離している。言い換えれば、これらの
終端部12、13以外の管における屈曲部及び（または）弁
は背センサ７の出力にほとんど影響しないかまたは全く
影響しない。
反応性終端部を用いて試験セルを管系の残りの部分か
ら分離するためには、反応性終端部の抵抗の大きさは非
常に大きいかまたは非常に小さくなければいならない。
理想的には、試験セルと反応性終端部との間のインター
フェースにおける反射係数の大きさは１である。試験セ
ルが損失のない物質で充填されている場合には、試験信
号はこれらの終端部で前後に反射される。その結果、第
４図にＡ、Ｂで示された信号入口部の一方を省略するこ
とができる。また位置Ｃにおけるセンサ７は省略でき、
そして残りの入力線路に指向性結合器を挿入することが
できる。この指向性結合器によってモニタされる試験セ
ルで反射された信号はセンサ信号である。この試験セッ
トアップの変形例は低損失の物質の組成をモニタするの
には有効であるが、試験物質の誘電正接が大きくなるの
で感度が欠ける。第５図には、損失性の物質の組成をモ
ニタするため、試験セルに反応性終端部15、16を用い感
度を改善した試験セットアップ14が示されている。この
場合、式（１）で与えられる関係はなお適用するが、反
応性終端部15または16での反射によって逆の進行波が生
じられる。当業者には明らかなように、この形式の試験
セルは上記のもの同様に種々の方法で実現できる。反応
性終端部15、16はしゃ断導波管、帯域消去構造体または
他の結合要素を用いて構成され得る。電源２及びセンサ
７の位置（図面ではＡ、Ｂ）は所望の動作特性に応じて
変えることができる。電源及びセンサの結合要素は同じ
形態または同じ形式のものである必要はない。一方に電
界結合をまた他方に磁界結合を利用することができる。
ら分離するためには、反応性終端部の抵抗の大きさは非
常に大きいかまたは非常に小さくなければいならない。
理想的には、試験セルと反応性終端部との間のインター
フェースにおける反射係数の大きさは１である。試験セ
ルが損失のない物質で充填されている場合には、試験信
号はこれらの終端部で前後に反射される。その結果、第
４図にＡ、Ｂで示された信号入口部の一方を省略するこ
とができる。また位置Ｃにおけるセンサ７は省略でき、
そして残りの入力線路に指向性結合器を挿入することが
できる。この指向性結合器によってモニタされる試験セ
ルで反射された信号はセンサ信号である。この試験セッ
トアップの変形例は低損失の物質の組成をモニタするの
には有効であるが、試験物質の誘電正接が大きくなるの
で感度が欠ける。第５図には、損失性の物質の組成をモ
ニタするため、試験セルに反応性終端部15、16を用い感
度を改善した試験セットアップ14が示されている。この
場合、式（１）で与えられる関係はなお適用するが、反
応性終端部15または16での反射によって逆の進行波が生
じられる。当業者には明らかなように、この形式の試験
セルは上記のもの同様に種々の方法で実現できる。反応
性終端部15、16はしゃ断導波管、帯域消去構造体または
他の結合要素を用いて構成され得る。電源２及びセンサ
７の位置（図面ではＡ、Ｂ）は所望の動作特性に応じて
変えることができる。電源及びセンサの結合要素は同じ
形態または同じ形式のものである必要はない。一方に電
界結合をまた他方に磁界結合を利用することができる。
そのような試験セルの簡単な例として、第6a図に示す
ように試験区分と呼ばれる長さ（Ｌ）の矩形導波管17を
考え、この矩形導波管17の両端は試験区分の半分の幅を
もつ同様な導波管18で終端される。この例では、試験区
分の長さはその幅の３〜４倍の範囲である。三つのＥフ
ィールドプローブ19、20、21が設けられ、一つのプロー
ブ19はこの試験区分の長さに沿って中心決めさされ、他
の二つのプローブ20、21は図示したように試験区分17の
各端部から試験区分の長さの1/4より幾分短い位置に位
置決めされる。低損失のサンプル流体がこの導波管構造
体を通って流れることができ、そして試験発信器20の周
波数が第２の空洞共振に調整されるとすると、試験区分
における電界22の大きさは第6b図に示すようになる。こ
の電界分布は試験周波数源20及びセンサ＃２と組合さっ
たプローブ21に強く結合され、基準ゼロはセンサ＃１と
組合さったプローブ19に生じられる。前に説明したよう
に、この基準ゼロはサンプルの誘電体特性の任意の変化
に対する感応表示器である。
ように試験区分と呼ばれる長さ（Ｌ）の矩形導波管17を
考え、この矩形導波管17の両端は試験区分の半分の幅を
もつ同様な導波管18で終端される。この例では、試験区
分の長さはその幅の３〜４倍の範囲である。三つのＥフ
ィールドプローブ19、20、21が設けられ、一つのプロー
ブ19はこの試験区分の長さに沿って中心決めさされ、他
の二つのプローブ20、21は図示したように試験区分17の
各端部から試験区分の長さの1/4より幾分短い位置に位
置決めされる。低損失のサンプル流体がこの導波管構造
体を通って流れることができ、そして試験発信器20の周
波数が第２の空洞共振に調整されるとすると、試験区分
における電界22の大きさは第6b図に示すようになる。こ
の電界分布は試験周波数源20及びセンサ＃２と組合さっ
たプローブ21に強く結合され、基準ゼロはセンサ＃１と
組合さったプローブ19に生じられる。前に説明したよう
に、この基準ゼロはサンプルの誘電体特性の任意の変化
に対する感応表示器である。
本発明は、伝送線路から成る物質の複合誘電体と複合
伝搬定数との間の依存性を利用して非常に感度のよいプ
ロセスモニタ装置を提供する。
伝搬定数との間の依存性を利用して非常に感度のよいプ
ロセスモニタ装置を提供する。
空気または他の物質のような指定物質を含む導波管ま
たは同軸体のように特定の伝送構造体の分析において、
マックスウェルの式及び媒体に対する構造式で始まる。
ここで関連する構造式は媒体における電束密度（Ｄ）と
電界（Ｅ）との関係である。
たは同軸体のように特定の伝送構造体の分析において、
マックスウェルの式及び媒体に対する構造式で始まる。
ここで関連する構造式は媒体における電束密度（Ｄ）と
電界（Ｅ）との関係である。
：＝ｅ この基本的関係は最初に物質の特性と伝搬の式とを結
び付ける。誘電率（ｅ）は等方性材料の場合スカラー量
であり、異方性材料の場合にはテンソル量である。ここ
の説明では等方性材料であり、εスカラー量であると仮
定する。合成伝搬式の形態は構造体によって支持された
モードに関係する。横電磁（TEM）の場合、伝搬式は Γ２＋Κ2:＝０ であり、ここでΓは伝搬定数であり、またＫは K2:＝w2μｅ で与えられる。
び付ける。誘電率（ｅ）は等方性材料の場合スカラー量
であり、異方性材料の場合にはテンソル量である。ここ
の説明では等方性材料であり、εスカラー量であると仮
定する。合成伝搬式の形態は構造体によって支持された
モードに関係する。横電磁（TEM）の場合、伝搬式は Γ２＋Κ2:＝０ であり、ここでΓは伝搬定数であり、またＫは K2:＝w2μｅ で与えられる。
TENの場合、伝搬定数は誘電率の平方根に比例する。
横電波（TE）または横磁波（TM）の場合、伝搬式は Γ2:＝Kc2−K2 であり、ここでKcは関連しているモード及び境界条件に
よって決まる定数である。これらの関係は伝搬定数の測
定値から材料の誘電率を決めるのに用いられ得る。
よって決まる定数である。これらの関係は伝搬定数の測
定値から材料の誘電率を決めるのに用いられ得る。
発明の詳細な説明 本発明の方法及び装置は材料の無線周波数誘電率測定
を行う技術に関係する。この情報は材料の組成、材料の
均質性、及び（または）ある仕方で動いている際には材
料の流量を測定するのに用いられ得る。
を行う技術に関係する。この情報は材料の組成、材料の
均質性、及び（または）ある仕方で動いている際には材
料の流量を測定するのに用いられ得る。
本発明の装置は、電気的には絶縁されるが物理的には
開放される独特の構造をもっている。試験区分の電気的
絶縁は、測定すべき材料の誘電率測定を非常に正確に行
うことができる仕方で実施される。物理的に開放した構
造は、連続して流れている材料の測定、バッチ内の材料
の測定、または試験区分に挿入される材料の単一ユニッ
トの簡単な測定を可能にさせる。構造的には、試験区分
は中空伝送線路であり、この中空伝送線路を通って電磁
波が導波管の形態で伝搬でき、そしてこの中空伝送線路
内に関連した材料が導入される。試験区分内には電極、
アンテナ、または他の装置を突出させる必要はない。
開放される独特の構造をもっている。試験区分の電気的
絶縁は、測定すべき材料の誘電率測定を非常に正確に行
うことができる仕方で実施される。物理的に開放した構
造は、連続して流れている材料の測定、バッチ内の材料
の測定、または試験区分に挿入される材料の単一ユニッ
トの簡単な測定を可能にさせる。構造的には、試験区分
は中空伝送線路であり、この中空伝送線路を通って電磁
波が導波管の形態で伝搬でき、そしてこの中空伝送線路
内に関連した材料が導入される。試験区分内には電極、
アンテナ、または他の装置を突出させる必要はない。
本発明の装置は試験区分内の高い内部温度及び圧力に
耐えるように構成され得る。測定すべき材料は、モニタ
装置を重大に損傷させることなしにまたは経時的に性能
を低下させることなしに非常に腐食性または研磨性の高
いものであってもよい。一般に、本発明の装置は多くの
異なった工業プロセスセッティングにおける材料の組成
をモニタするのに適している。
耐えるように構成され得る。測定すべき材料は、モニタ
装置を重大に損傷させることなしにまたは経時的に性能
を低下させることなしに非常に腐食性または研磨性の高
いものであってもよい。一般に、本発明の装置は多くの
異なった工業プロセスセッティングにおける材料の組成
をモニタするのに適している。
本発明の方法及び装置は、一般に、材料の誘電体特性
が組成に関係し得る広範囲の種々の材料を測定するのに
有効である。本発明の方法及び装置は液体、固体、気
体、及びそれらの混合物を測定するのに用いられ得る。
例えば、 １）本発明の方法及び装置は、液体または液体混合物の
組成、流量、及び（または）均質性を測定するのに用い
られ得る。応用は、油と水の混合物の連続した組成測
定、またはプラスチック樹脂のバッチの重合化の度合の
測定を包含している。第７図は装置23を用いて液体24を
測定する仕方を示している。
が組成に関係し得る広範囲の種々の材料を測定するのに
有効である。本発明の方法及び装置は液体、固体、気
体、及びそれらの混合物を測定するのに用いられ得る。
例えば、 １）本発明の方法及び装置は、液体または液体混合物の
組成、流量、及び（または）均質性を測定するのに用い
られ得る。応用は、油と水の混合物の連続した組成測
定、またはプラスチック樹脂のバッチの重合化の度合の
測定を包含している。第７図は装置23を用いて液体24を
測定する仕方を示している。
２）本発明の方法及び装置は、固体と液体との混合物の
組成、流量、または均質性を測定するのに用いられ得
る。応用は、コールスラリー中の石炭含有量、牛乳の脂
肪含有量、または汚水中の汚物含有量を測定することを
包含している。第８図は装置25を用いて液体26（点線）
と固体27との混合物を測定する仕方を示している。
組成、流量、または均質性を測定するのに用いられ得
る。応用は、コールスラリー中の石炭含有量、牛乳の脂
肪含有量、または汚水中の汚物含有量を測定することを
包含している。第８図は装置25を用いて液体26（点線）
と固体27との混合物を測定する仕方を示している。
３）本発明の方法及び装置は、液体と気体との混合物の
組成、流量、及び均質性を測定するのに用いられ得る。
応用は、流れの状態を測定するのに用いられ得る飽和流
れ中の気孔含有量をモニタすることまたは油井からの
油、水及びガスの混合物を測定することを包含してい
る。第９図は装置28を用いて液体29（点線）と気体30
（波線）との混合物を測定する仕方を示している。
組成、流量、及び均質性を測定するのに用いられ得る。
応用は、流れの状態を測定するのに用いられ得る飽和流
れ中の気孔含有量をモニタすることまたは油井からの
油、水及びガスの混合物を測定することを包含してい
る。第９図は装置28を用いて液体29（点線）と気体30
（波線）との混合物を測定する仕方を示している。
４）本発明の方法及び装置は、固体と液体と気体との混
合物の組成、流量、及び均質性を測定するのに用いられ
得る。応用は、石油工業におえる掘削泥中の水及びガス
の含有量をモニタすることまたは乾燥食品中の水分含有
量を測定することを包含している。第10図は装置31を用
いて固体32と液体33と気体34との混合物を測定する仕方
を示している。
合物の組成、流量、及び均質性を測定するのに用いられ
得る。応用は、石油工業におえる掘削泥中の水及びガス
の含有量をモニタすることまたは乾燥食品中の水分含有
量を測定することを包含している。第10図は装置31を用
いて固体32と液体33と気体34との混合物を測定する仕方
を示している。
５）本発明の方法及び装置は、固体の気体との混合物の
組成、流量、及び均質性を測定するのに用いられ得る。
一つの応用は、粉体中の固体の含有量をモニタすること
である。第11図は装置35を用いて固体36と気体37との混
合物を測定する仕方を示している。
組成、流量、及び均質性を測定するのに用いられ得る。
一つの応用は、粉体中の固体の含有量をモニタすること
である。第11図は装置35を用いて固体36と気体37との混
合物を測定する仕方を示している。
被測定材料または混合物の組成が本発明の方法及び装
置によって得られた誘電情報から正確な形で決まらなく
ても、この装置は正確志向のモニタとして使用すること
ができる。
置によって得られた誘電情報から正確な形で決まらなく
ても、この装置は正確志向のモニタとして使用すること
ができる。
本発明の方法及び装置は、導波管として作用する中空
金属試験区分内に電磁波伝搬を起させることによって機
能する。電磁エネルギは金属導波管内に設けられた誘電
的に負荷された開口を通して導波管構造体内に結合され
る。本質的には、導波管試験区分は管の特別に設計され
た区分である。この試験区分は、その近くに位置した他
の機器から電気的に分離するため両端で終端されてい
る。終端は反応性負荷かまたは抵抗性負荷の形態を取っ
ている。
金属試験区分内に電磁波伝搬を起させることによって機
能する。電磁エネルギは金属導波管内に設けられた誘電
的に負荷された開口を通して導波管構造体内に結合され
る。本質的には、導波管試験区分は管の特別に設計され
た区分である。この試験区分は、その近くに位置した他
の機器から電気的に分離するため両端で終端されてい
る。終端は反応性負荷かまたは抵抗性負荷の形態を取っ
ている。
本発明の装置は、導波管試験区分内に逆方向に電磁エ
ネルギを伝搬させて干渉させるように設計される。動作
周波数を掃引させることによって、建設的または破壊的
干渉の生じる周波数が特定できる。この情報は材料の誘
電特性に関係し、材料の誘電特性は材料の組成情報に関
係し得る。
ネルギを伝搬させて干渉させるように設計される。動作
周波数を掃引させることによって、建設的または破壊的
干渉の生じる周波数が特定できる。この情報は材料の誘
電特性に関係し、材料の誘電特性は材料の組成情報に関
係し得る。
装置はRF平衡型ブリッジとして作動し、二つの異なっ
た伝搬辺における信号は位相及び大きさにおいて平衡に
され、鋭いピークまたはゼロを形成するようにされる。
ピークまたはゼロを生じる周波数は非常な精度で測定さ
れ得る。物理的に開放した構造体において材料の誘電特
性を測定するこの新規の手段により、工業的に有効な装
置において従来実現できていない精度でRF誘電率を連続
して測定することが可能となる。
た伝搬辺における信号は位相及び大きさにおいて平衡に
され、鋭いピークまたはゼロを形成するようにされる。
ピークまたはゼロを生じる周波数は非常な精度で測定さ
れ得る。物理的に開放した構造体において材料の誘電特
性を測定するこの新規の手段により、工業的に有効な装
置において従来実現できていない精度でRF誘電率を連続
して測定することが可能となる。
試験材料の導電率が高いときには、導波管試験区分内
を伝搬する電磁エネルギの減衰は相当なものとなる。も
し導電率が十分高ければ、干渉パターンは識別できず、
また誘電率は第３図に示す方法では測定できない。代わ
りに、装置は、ある一定の周波数で結合スロット間の電
磁エネルギの減衰を測定する。これら測定値から試験材
料の導電率が決められる。
を伝搬する電磁エネルギの減衰は相当なものとなる。も
し導電率が十分高ければ、干渉パターンは識別できず、
また誘電率は第３図に示す方法では測定できない。代わ
りに、装置は、ある一定の周波数で結合スロット間の電
磁エネルギの減衰を測定する。これら測定値から試験材
料の導電率が決められる。
材料についてのRF誘電体情報率を得る本発明の新規の
装置はRF測定に基づいた工業プロセス流れの組成をモニ
タするため従来技術に特有の二つの重要な制限に関して
改善する。
装置はRF測定に基づいた工業プロセス流れの組成をモニ
タするため従来技術に特有の二つの重要な制限に関して
改善する。
第１に、測定した電磁振幅及び位相測定値の正確なプ
ロセス流れ誘電体情報への変換が簡単化される。所与プ
ロセス流体に対して建設的または破壊的干渉の生じる特
性周波数はほとんど全体としてほんの五つのパラメー
タ、すなわち試験区分の長さ、試験区分内の管の直径、
終端部の反射係数、種々の結合スロット間の間隔及び流
体の誘電率に関係する。電源が試験区分に弱く結合され
る際には、外部信号発生回路は平衡型ブリッジ測定には
ほとんど効果がない。更に重要なことは、信号源と試験
区分との間の結合機構は十分に特徴付けられる必要がな
い。従って、測定された特性周波数と材料の誘電率との
間には相対的に単純な関係が成り立つ。この単純さによ
り結果として直接精度が改善されることになる。また重
大な設計し直しの必要なしに広く変化する誘電特性をも
つ広範囲の種々の材料に対してこの装置を適用すること
が困難でなくなる。
ロセス流れ誘電体情報への変換が簡単化される。所与プ
ロセス流体に対して建設的または破壊的干渉の生じる特
性周波数はほとんど全体としてほんの五つのパラメー
タ、すなわち試験区分の長さ、試験区分内の管の直径、
終端部の反射係数、種々の結合スロット間の間隔及び流
体の誘電率に関係する。電源が試験区分に弱く結合され
る際には、外部信号発生回路は平衡型ブリッジ測定には
ほとんど効果がない。更に重要なことは、信号源と試験
区分との間の結合機構は十分に特徴付けられる必要がな
い。従って、測定された特性周波数と材料の誘電率との
間には相対的に単純な関係が成り立つ。この単純さによ
り結果として直接精度が改善されることになる。また重
大な設計し直しの必要なしに広く変化する誘電特性をも
つ広範囲の種々の材料に対してこの装置を適用すること
が困難でなくなる。
本発明の第２の重要な利益は、試験区分の外部のプロ
セス機器によって生じる測定の揺らぎに不感応であるこ
とから得られる。工業上のセッティングにおいて、上記
型の組成モニタ装置はプロセスパイプラインのどこにで
も配置できる。装置はポンプから数フィート離れて、侵
略的な流量計、弁に隣接して、または単に管の屈曲部に
隣接して配置することができる。プロセス材料が電気的
性質において比較的損失のないものである場合には、こ
れらの物体は疑似エネルギを導波管に基づいた組成モニ
タ装置の試験区分へ反射させる。ここの反射したエネル
ギは被測定信号の振幅及び位相特性を変更させることに
なる。本発明の方法及び装置は装置の試験区分を設備の
残りの部分から電気的に分離して、電磁エネルギが実質
的に試験区分を越えて伝搬しないようにしている。これ
により、管の切れ目における疑似エネルギの試験区分内
への反射によって生じる測定誤差の可能性はなくなる。
またパイプラインにさえ接続されないスタンドアローン
材料組成モニタ装置として本発明の装置を用いることも
できる。
セス機器によって生じる測定の揺らぎに不感応であるこ
とから得られる。工業上のセッティングにおいて、上記
型の組成モニタ装置はプロセスパイプラインのどこにで
も配置できる。装置はポンプから数フィート離れて、侵
略的な流量計、弁に隣接して、または単に管の屈曲部に
隣接して配置することができる。プロセス材料が電気的
性質において比較的損失のないものである場合には、こ
れらの物体は疑似エネルギを導波管に基づいた組成モニ
タ装置の試験区分へ反射させる。ここの反射したエネル
ギは被測定信号の振幅及び位相特性を変更させることに
なる。本発明の方法及び装置は装置の試験区分を設備の
残りの部分から電気的に分離して、電磁エネルギが実質
的に試験区分を越えて伝搬しないようにしている。これ
により、管の切れ目における疑似エネルギの試験区分内
への反射によって生じる測定誤差の可能性はなくなる。
またパイプラインにさえ接続されないスタンドアローン
材料組成モニタ装置として本発明の装置を用いることも
できる。
本発明の新規の装置は、測定した材料のRF誘電体特性
に基づいて材料の組成、流量、及び（または）均質性の
変化を推測する。多くの材料の誘電体特性は温度及び圧
力の関数として変化する。このような変動を修正するた
めに、本発明の装置は必要ならば温度及び圧力測定装置
を備える。
に基づいて材料の組成、流量、及び（または）均質性の
変化を推測する。多くの材料の誘電体特性は温度及び圧
力の関数として変化する。このような変動を修正するた
めに、本発明の装置は必要ならば温度及び圧力測定装置
を備える。
この方法を種々物理的に実施することは可能であり、
物理的には開放しているが電気的には絶縁された導波管
試験区分に構造的に電磁干渉パターンが誘導される。こ
こでは幾つかの実施例について詳細に説明する。しかし
ながら、本発明によれば方法の多くの他の実施例も可能
である。異なった結合機構、開口構造、導波管モード、
終端方法、開口位置、導波管構造（例えば円形の代わり
に矩形）等は本発明のモニタ装置及び方法から逸脱する
ことなしに用いることができる。
物理的には開放しているが電気的には絶縁された導波管
試験区分に構造的に電磁干渉パターンが誘導される。こ
こでは幾つかの実施例について詳細に説明する。しかし
ながら、本発明によれば方法の多くの他の実施例も可能
である。異なった結合機構、開口構造、導波管モード、
終端方法、開口位置、導波管構造（例えば円形の代わり
に矩形）等は本発明のモニタ装置及び方法から逸脱する
ことなしに用いることができる。
一般の平衡型ブリッジによる実施例 一般の平衡型ブリッジによる測定方法は、異なった電
気的通路すなわち辺に二つの同一電気信号を流し、一つ
の辺の誘電体特性を測定するようにした方法から成って
いる。他の辺の伝送特性は、二つの出力信号が平衡また
は打ち消し合いそしてゼロとなるまで調整される。ゼロ
になった時に平衡辺で設定される伝送特性（振幅及び位
相）はブリッジの未知の辺における伝送特性に独特に関
連する。これは第２図に例示した方法である。全平衡ブ
リッジの多能性が要求されない場合には、第４図に示し
前に説明した方法を用いることができる。この場合、各
辺の誘電体特性は同じであるが、未知である。二つの辺
における不平衡は電気的長さを違えることによって達成
される。ブリッジの辺を平衡状態にさせるために、二つ
の信号の位相及び振幅は、出力がゼロとなるまで調整さ
れる。この調整は、両入力信号の周波数及びそれらの入
力信号の一方の振幅を、出力にゼロが現れるまで変える
ことによって行われる。これは第３図に例示した動作モ
ードである。試験材料の誘電体特性はゼロの生じる一つ
の周波数または複数の周波数、二つのブリッジ辺の電気
的長さの差、及び出力にゼロの生じるように一つの信号
に加えられた減衰に基づいて決めることができる。動作
モードは実施例１の説明において詳細に説明する。
気的通路すなわち辺に二つの同一電気信号を流し、一つ
の辺の誘電体特性を測定するようにした方法から成って
いる。他の辺の伝送特性は、二つの出力信号が平衡また
は打ち消し合いそしてゼロとなるまで調整される。ゼロ
になった時に平衡辺で設定される伝送特性（振幅及び位
相）はブリッジの未知の辺における伝送特性に独特に関
連する。これは第２図に例示した方法である。全平衡ブ
リッジの多能性が要求されない場合には、第４図に示し
前に説明した方法を用いることができる。この場合、各
辺の誘電体特性は同じであるが、未知である。二つの辺
における不平衡は電気的長さを違えることによって達成
される。ブリッジの辺を平衡状態にさせるために、二つ
の信号の位相及び振幅は、出力がゼロとなるまで調整さ
れる。この調整は、両入力信号の周波数及びそれらの入
力信号の一方の振幅を、出力にゼロが現れるまで変える
ことによって行われる。これは第３図に例示した動作モ
ードである。試験材料の誘電体特性はゼロの生じる一つ
の周波数または複数の周波数、二つのブリッジ辺の電気
的長さの差、及び出力にゼロの生じるように一つの信号
に加えられた減衰に基づいて決めることができる。動作
モードは実施例１の説明において詳細に説明する。
実施例１ 第４図に示す概念を用いた本発明の第１の実施例は第
12図及び第13図に示される。この実施例では、同じ周波
数の二つの伝搬波を導波管へ導入するため二つの伝送開
口137が用いられる。これらの伝送開口137の間には、結
果としての干渉波形をサンプリングするための一つの受
信開口139が非対称に設けられている。試験区分141は、
試験区分から逃げる電磁エネルギを吸収する抵抗性負荷
145によって終端されている。ある一定の周波数では、
受信開口における二つの波の位相差は180゜の整数倍で
あり、すなわち電気的長さの差は波長の1/2の整数倍で
ある。これらの周波数では、受信開口139で測定した挿
入損は単に二つの波の振幅の差である。二つの両波の振
幅が受信開口において等しいと、測定した挿入損スペク
トルにシャープなゼロが現れる。振幅の平衡は、受信開
口に近い方の伝送開口に入っている入力信号の減衰を調
整することによってなされる。第14図にはこの実施例の
模範の挿入損スペクトルを示す。伝送開口と受信開口と
の間の二つの試験区分長さはブリッジ測定装置の二つの
辺を表している。被測定信号が位相180゜ずれ、大きさ
で平衡となると、出力にゼロが現れる。特性周波数、二
つの信号通路の電気的長さの差及び二つの信号通路の減
衰の差は、試験区分における材料の誘電率及び導電率に
直接関連し得る。被測定材料が導電性でありゼロを適切
に決めかねるような場合でも、プロセス流れの電動率は
単に試験区分ブリッジの最短辺における信号の減衰を単
に測定するだけで特定することができる。
12図及び第13図に示される。この実施例では、同じ周波
数の二つの伝搬波を導波管へ導入するため二つの伝送開
口137が用いられる。これらの伝送開口137の間には、結
果としての干渉波形をサンプリングするための一つの受
信開口139が非対称に設けられている。試験区分141は、
試験区分から逃げる電磁エネルギを吸収する抵抗性負荷
145によって終端されている。ある一定の周波数では、
受信開口における二つの波の位相差は180゜の整数倍で
あり、すなわち電気的長さの差は波長の1/2の整数倍で
ある。これらの周波数では、受信開口139で測定した挿
入損は単に二つの波の振幅の差である。二つの両波の振
幅が受信開口において等しいと、測定した挿入損スペク
トルにシャープなゼロが現れる。振幅の平衡は、受信開
口に近い方の伝送開口に入っている入力信号の減衰を調
整することによってなされる。第14図にはこの実施例の
模範の挿入損スペクトルを示す。伝送開口と受信開口と
の間の二つの試験区分長さはブリッジ測定装置の二つの
辺を表している。被測定信号が位相180゜ずれ、大きさ
で平衡となると、出力にゼロが現れる。特性周波数、二
つの信号通路の電気的長さの差及び二つの信号通路の減
衰の差は、試験区分における材料の誘電率及び導電率に
直接関連し得る。被測定材料が導電性でありゼロを適切
に決めかねるような場合でも、プロセス流れの電動率は
単に試験区分ブリッジの最短辺における信号の減衰を単
に測定するだけで特定することができる。
第15図には変換器135と共に用いられ得る簡単な回路
が示されている。入力信号は二つの部分に分けられ、一
方の分岐部は移相器153及び可変減衰器149を通ってい
る。選択可能な移相器153は、二つの入力信号線155、15
7間の任意の位相差を補償するのに用いられる。電子装
置151はデジタルプロセッサ159を備えている。このデジ
タルプロセッサ159はバス163を介してデジタル的に統合
された信号発生器161に接続されている。信号発生器161
は電力分割器165及びRF出力線155、157を介して変換器1
35に接続されている。RF出力線157は指向性結合器167、
検出器ダイオード169、171を通り入射電力入力線173及
び反射電力入力線175にそれぞれ結合されており、これ
らの両入力線はアナログ・デジタル（A/D）変換器177に
入力を供給するように接続されている。入射電力入力線
173は変換器135への線155に供給された入力RF電力を表
す信号をA/D変換器177へ供給する。変換器135に供給さ
れた入力RF電力の幾らかは、変換器135によって線155へ
反射される。反射された電力入力線175は反射された電
力の量を表す信号をA/D変換器177へ供給する。変換器13
5における伝送開口137から離間した伝送された電力の受
信開口139は、検出器178、伝送された電力の入力線179
を介してA/D変換器177に接続されている。受信開口139
は、変換器135を通して伝送されたRF電力入力の一部を
表す信号を、入力線179を介してA/D変換器177に供給す
る。変換器135における温度及び圧力感知素子181、183
は温度及び圧力入力信号を線185、187を介してA/D変換
器177に供給する。バス189は双方向通信のためにA/D変
換器177とデジタルプロセッサ159とを接続している。デ
ジタルプロセッサ159はバス402を介してデジタル・アナ
ログ（D/A）変換器400に接続されている。D/A変換器400
は可変減衰器149の減衰及び移相器153を変えるための制
御信号を線404に供給する。
が示されている。入力信号は二つの部分に分けられ、一
方の分岐部は移相器153及び可変減衰器149を通ってい
る。選択可能な移相器153は、二つの入力信号線155、15
7間の任意の位相差を補償するのに用いられる。電子装
置151はデジタルプロセッサ159を備えている。このデジ
タルプロセッサ159はバス163を介してデジタル的に統合
された信号発生器161に接続されている。信号発生器161
は電力分割器165及びRF出力線155、157を介して変換器1
35に接続されている。RF出力線157は指向性結合器167、
検出器ダイオード169、171を通り入射電力入力線173及
び反射電力入力線175にそれぞれ結合されており、これ
らの両入力線はアナログ・デジタル（A/D）変換器177に
入力を供給するように接続されている。入射電力入力線
173は変換器135への線155に供給された入力RF電力を表
す信号をA/D変換器177へ供給する。変換器135に供給さ
れた入力RF電力の幾らかは、変換器135によって線155へ
反射される。反射された電力入力線175は反射された電
力の量を表す信号をA/D変換器177へ供給する。変換器13
5における伝送開口137から離間した伝送された電力の受
信開口139は、検出器178、伝送された電力の入力線179
を介してA/D変換器177に接続されている。受信開口139
は、変換器135を通して伝送されたRF電力入力の一部を
表す信号を、入力線179を介してA/D変換器177に供給す
る。変換器135における温度及び圧力感知素子181、183
は温度及び圧力入力信号を線185、187を介してA/D変換
器177に供給する。バス189は双方向通信のためにA/D変
換器177とデジタルプロセッサ159とを接続している。デ
ジタルプロセッサ159はバス402を介してデジタル・アナ
ログ（D/A）変換器400に接続されている。D/A変換器400
は可変減衰器149の減衰及び移相器153を変えるための制
御信号を線404に供給する。
デジタル的に統合された信号発生器の代わりに、掃引
発生器、電圧制御発信器、または電流制御発信器を用い
ることができる。第15図に示すセットアップは多くの実
際の応用において簡単化することができる。ここでは測
定の種類を説明するため一般形式で示されているが、試
料の誘電体特性を十分に特徴付けるのに必要である。
発生器、電圧制御発信器、または電流制御発信器を用い
ることができる。第15図に示すセットアップは多くの実
際の応用において簡単化することができる。ここでは測
定の種類を説明するため一般形式で示されているが、試
料の誘電体特性を十分に特徴付けるのに必要である。
実施例２ 第16図にはこの実施例を実現できる電子装置のブロッ
ク線図が示されている。この実施例は第12図及び第13図
に示す変換器と同様であるが単に一対の開口137A、137B
を備えた変換器135Aを用いている。開口137Aは伝送開口
であり、また開口137Bは受信開口である。し実施例１と
実施例２との別の相違点は、実施例２がシステムの全体
感度を調整するため第２図に例示したような抵抗性平衡
回路網を利用している点である。可変抵抗R1、R2の抵抗
比を調整することによって、実質的に任意の感度を得る
ことができる。デジタル的に統合された信号発生器199
の出力信号は180゜ハイブリッド201を用いて分割され、
この180゜ハイブリッド201は線203、205を介して同相弁
滑器207、209に接続されている。分割器207、209はそれ
ぞれ分割した位相信号を抵抗R1、R2に供給する。分割器
207は別の信号を変換器135Aの伝送開口137Aへ供給す
る。分割器209からの別の信号は移相器211可変抵抗R3を
通って供給され、調整できるようにしている。変換器13
5Aの受信開口137Bからの出力信号は線213を介して分割
器209からの信号と組合され、そして演算増幅器215及び
ダイオードD1を介して差動増幅器217の正の入力に供給
される。可変抵抗R1、R2からの共通出力は演算増幅器21
9及びダイオードD2を介して差動増幅器217の負の入力に
供給される。差動増幅器217からの出力は変換器135Aを
流れる材料の誘電率を表している。
ク線図が示されている。この実施例は第12図及び第13図
に示す変換器と同様であるが単に一対の開口137A、137B
を備えた変換器135Aを用いている。開口137Aは伝送開口
であり、また開口137Bは受信開口である。し実施例１と
実施例２との別の相違点は、実施例２がシステムの全体
感度を調整するため第２図に例示したような抵抗性平衡
回路網を利用している点である。可変抵抗R1、R2の抵抗
比を調整することによって、実質的に任意の感度を得る
ことができる。デジタル的に統合された信号発生器199
の出力信号は180゜ハイブリッド201を用いて分割され、
この180゜ハイブリッド201は線203、205を介して同相弁
滑器207、209に接続されている。分割器207、209はそれ
ぞれ分割した位相信号を抵抗R1、R2に供給する。分割器
207は別の信号を変換器135Aの伝送開口137Aへ供給す
る。分割器209からの別の信号は移相器211可変抵抗R3を
通って供給され、調整できるようにしている。変換器13
5Aの受信開口137Bからの出力信号は線213を介して分割
器209からの信号と組合され、そして演算増幅器215及び
ダイオードD1を介して差動増幅器217の正の入力に供給
される。可変抵抗R1、R2からの共通出力は演算増幅器21
9及びダイオードD2を介して差動増幅器217の負の入力に
供給される。差動増幅器217からの出力は変換器135Aを
流れる材料の誘電率を表している。
デジタル的に統合された信号発生器の代わりに、掃引
発生器、電圧制御発振器、または電流制御発振器を用い
ることができる。第16図に示すセットアップは多くの実
際の応用において簡単化することができる。ここでは測
定の種類を説明するため一般形式で示されているが、試
料の誘電体特性を十分に特徴付けるのに必要である。
発生器、電圧制御発振器、または電流制御発振器を用い
ることができる。第16図に示すセットアップは多くの実
際の応用において簡単化することができる。ここでは測
定の種類を説明するため一般形式で示されているが、試
料の誘電体特性を十分に特徴付けるのに必要である。
実施例３ 第17図にはこの実施例の電子装置のブロック線図が示
されている。この実施例は、受信開口139Cが伝送開口13
7間に等間隔に位置決めされている点を除いて第12図及
び第13に図示す変換器と同様な変換器135Cを用いてい
る。実施例１と実施例３との相違点は、実施例３が周波
数の異なる二つの信号で駆動されるのに対して、実施例
１が単一周波数信号で駆動される点である。入力信号は
二つの部分に分割され、一方の分岐部は周波数二倍器23
1、移相器153及び可変減衰器149を通る。選択可能な移
相器153は二つの入力信号線155、157の間の全ての位相
差を補償するのに用いられる。デジタルプロセッサ159
はバス163を介してデジタル的に統合された信号発生器1
61に接続されている。信号発生器161は電力分割器165、
RF出力線155、157を介して変換器135Cに接続されてい
る。RF出力線157は指向性結合器167、検出器ダイオード
169、171を介して入射電力入力線173及び反射電力入力
線175にそれぞれ結合され、これらの両電力入力線はア
ナログ・デジタル（A/D）変換器177へ入力を供給する。
入射電力入力線173は線157を介して変換器135Cに供給さ
れる入力RF電力を表す信号をA/D変換器177へ供給する。
変換器135Cに供給された入力RF電力の一部は変換器135C
によって線157へ反射される。反射された電力入力線175
はこの反射電力の量を表す信号をA/D変換器177へ供給す
る。変換器135Cにおける伝送開口137Cから離間した伝送
された電力の受信開口139Cは、ダイオード233、伝送さ
れた電力の入力線179を介してA/D変換器177に接続され
ている。受信開口139Cは、変換器135Cを通して伝送され
たRF電力入力の一部を表す信号を入力線179を介してA/D
変換器177に供給する。変換器135Cにおける温度及び圧
力感知素子181、183は、温度及び圧力入力線号を線18
5、187を介してA/D変換器177に供給する。バス189は双
方向通信のためにA/D変換器177とデジタルプロセッサ15
9とを接続している。デジタルプロセッサ159はバス402
を介してデジタル・アナログ（D/A）変換器400に接続さ
れている。D/A変換器400は可変減衰器149を変えるため
の制御信号を線404に供給する。
されている。この実施例は、受信開口139Cが伝送開口13
7間に等間隔に位置決めされている点を除いて第12図及
び第13に図示す変換器と同様な変換器135Cを用いてい
る。実施例１と実施例３との相違点は、実施例３が周波
数の異なる二つの信号で駆動されるのに対して、実施例
１が単一周波数信号で駆動される点である。入力信号は
二つの部分に分割され、一方の分岐部は周波数二倍器23
1、移相器153及び可変減衰器149を通る。選択可能な移
相器153は二つの入力信号線155、157の間の全ての位相
差を補償するのに用いられる。デジタルプロセッサ159
はバス163を介してデジタル的に統合された信号発生器1
61に接続されている。信号発生器161は電力分割器165、
RF出力線155、157を介して変換器135Cに接続されてい
る。RF出力線157は指向性結合器167、検出器ダイオード
169、171を介して入射電力入力線173及び反射電力入力
線175にそれぞれ結合され、これらの両電力入力線はア
ナログ・デジタル（A/D）変換器177へ入力を供給する。
入射電力入力線173は線157を介して変換器135Cに供給さ
れる入力RF電力を表す信号をA/D変換器177へ供給する。
変換器135Cに供給された入力RF電力の一部は変換器135C
によって線157へ反射される。反射された電力入力線175
はこの反射電力の量を表す信号をA/D変換器177へ供給す
る。変換器135Cにおける伝送開口137Cから離間した伝送
された電力の受信開口139Cは、ダイオード233、伝送さ
れた電力の入力線179を介してA/D変換器177に接続され
ている。受信開口139Cは、変換器135Cを通して伝送され
たRF電力入力の一部を表す信号を入力線179を介してA/D
変換器177に供給する。変換器135Cにおける温度及び圧
力感知素子181、183は、温度及び圧力入力線号を線18
5、187を介してA/D変換器177に供給する。バス189は双
方向通信のためにA/D変換器177とデジタルプロセッサ15
9とを接続している。デジタルプロセッサ159はバス402
を介してデジタル・アナログ（D/A）変換器400に接続さ
れている。D/A変換器400は可変減衰器149を変えるため
の制御信号を線404に供給する。
デジタル的に統合された信号発生器の代わりに、掃引
発生器、電圧制御発振器、または電流制御発振器を用い
ることができる。第15図に示すセットアップは多くの実
際の応用において簡単化することができる。ここでは測
定の種類を説明するため一般形式で示されているが、試
料の誘電体特性を十分に特徴付けるのに必要である。
発生器、電圧制御発振器、または電流制御発振器を用い
ることができる。第15図に示すセットアップは多くの実
際の応用において簡単化することができる。ここでは測
定の種類を説明するため一般形式で示されているが、試
料の誘電体特性を十分に特徴付けるのに必要である。
簡略化した平衡型ブリッジによる実施例 ここで説明する実施例は多信号通路及び抵抗性終端部
を備えている。それらの実施例は平衡型ブリッジ回路網
として作動し、多入力信号通路は、材料の誘電率に関連
した特性周波数でゼロが生じるまで、一つの辺における
周波数及び減衰を調整することによって平衡状態にされ
る。この動作方法は、二つの干渉する電磁波間の振幅平
衡が必要でない一組の実施例を提供するように簡単化さ
れ得る。これら実施例は反応性負荷及び単一伝送開口を
第５図に示す仕方で用いている。
を備えている。それらの実施例は平衡型ブリッジ回路網
として作動し、多入力信号通路は、材料の誘電率に関連
した特性周波数でゼロが生じるまで、一つの辺における
周波数及び減衰を調整することによって平衡状態にされ
る。この動作方法は、二つの干渉する電磁波間の振幅平
衡が必要でない一組の実施例を提供するように簡単化さ
れ得る。これら実施例は反応性負荷及び単一伝送開口を
第５図に示す仕方で用いている。
試験区分における伝送開口は導波管内に両方向の電磁
波伝搬を生じさせる。二つの逆向きの波が試験区分の端
部における反応性負荷によって試験区分内へ反射される
と、それらの波は互いに干渉し合う。事実、特定の周波
数では、定在波干渉パターンは試験区分内に誘導され
る。受信開口はこの定在波パターンの位相及び大きさを
サンプリングする。ある一定の特性周波数では、干渉パ
ターンは建設的であるかまたは破壊的であり、挿入損ス
ペクトルにおいて識別可能なピークまたはゼロが測定さ
れる。測定された特性周波数は試験区分における材料の
誘電率を決めている。
波伝搬を生じさせる。二つの逆向きの波が試験区分の端
部における反応性負荷によって試験区分内へ反射される
と、それらの波は互いに干渉し合う。事実、特定の周波
数では、定在波干渉パターンは試験区分内に誘導され
る。受信開口はこの定在波パターンの位相及び大きさを
サンプリングする。ある一定の特性周波数では、干渉パ
ターンは建設的であるかまたは破壊的であり、挿入損ス
ペクトルにおいて識別可能なピークまたはゼロが測定さ
れる。測定された特性周波数は試験区分における材料の
誘電率を決めている。
この簡単化した方法を実現する幾つかの実施例の例に
ついて以下説明する。簡単化した平衡型ブリッジ法の多
くの他の実施例が可能である。
ついて以下説明する。簡単化した平衡型ブリッジ法の多
くの他の実施例が可能である。
実施例４ 簡単化した平衡型ブリッジ法の一つの実施例の横断面
図は第18図及び第19図に示されている。この実施例にお
いて、電気的な切れ目は一定の距離離された二つの帯域
消去フィルタ44の形態を成している。伝送開口46及び受
信開口47は試験区分45内のこれらのフィルタ44間に配置
されている。フィルタ44はある一定の周波数範囲内の電
磁エネルギの伝搬を阻止するように設計されている。試
験区分45がこの帯域の範囲内の周波数で作動される場合
には、電磁エネルギは試験区分45内へ反射される。帯域
消去フィルタ44は金属導波管42にある一定の距離で分け
られた長さのいろいろな幾つかのカット部47、48、49、
51を形成することによって構成される。これらのカット
部47−51は放射損失を防ぐため金属包囲体53、55、57に
よって包囲されている。セラミックスのような絶縁性材
料のスリーブ59は導波管42内に挿入され、変換器40の単
純な内部形状を維持しかつ電子信号線から試験区分を絶
縁している。
図は第18図及び第19図に示されている。この実施例にお
いて、電気的な切れ目は一定の距離離された二つの帯域
消去フィルタ44の形態を成している。伝送開口46及び受
信開口47は試験区分45内のこれらのフィルタ44間に配置
されている。フィルタ44はある一定の周波数範囲内の電
磁エネルギの伝搬を阻止するように設計されている。試
験区分45がこの帯域の範囲内の周波数で作動される場合
には、電磁エネルギは試験区分45内へ反射される。帯域
消去フィルタ44は金属導波管42にある一定の距離で分け
られた長さのいろいろな幾つかのカット部47、48、49、
51を形成することによって構成される。これらのカット
部47−51は放射損失を防ぐため金属包囲体53、55、57に
よって包囲されている。セラミックスのような絶縁性材
料のスリーブ59は導波管42内に挿入され、変換器40の単
純な内部形状を維持しかつ電子信号線から試験区分を絶
縁している。
明らかに、これは、反応性終端部を実現できる多くの
方法の正に一つである。
方法の正に一つである。
実施例５ 第20図には、簡単化した平衡型ブリッジ測定法を利用
したモニタ装置の別の実施例が示されている。このモニ
タ装置の変換器60においては、導波管62は異なった誘電
体材料66、68で内側をライニングされている。試験区分
64は測定区分64の外側の材料68と非常に異なる誘電率を
もつ材料66でライニングされている。その結果電気的切
れ目が形成されることになる。これらの切れ目は伝搬し
てくる電磁信号の多くの部分を試験区分内へ反射させ、
試験区分64を有効に絶縁している。伝送開口70及び受信
開口72は第１の絶縁性材料66上で金属導波管に設けられ
ている。実際に、異なる誘電体材料66、68はセラミック
スまたはプラスチックスで構成され得る。スリーブ68は
金属でもよい。
したモニタ装置の別の実施例が示されている。このモニ
タ装置の変換器60においては、導波管62は異なった誘電
体材料66、68で内側をライニングされている。試験区分
64は測定区分64の外側の材料68と非常に異なる誘電率を
もつ材料66でライニングされている。その結果電気的切
れ目が形成されることになる。これらの切れ目は伝搬し
てくる電磁信号の多くの部分を試験区分内へ反射させ、
試験区分64を有効に絶縁している。伝送開口70及び受信
開口72は第１の絶縁性材料66上で金属導波管に設けられ
ている。実際に、異なる誘電体材料66、68はセラミック
スまたはプラスチックスで構成され得る。スリーブ68は
金属でもよい。
実施例６ 第21図には、簡単化した平衡型ブリッジ測定法を利用
した別の実施例80が示されている。第21図において、モ
ニタ装置の変換器80は導波管区分84に接続された物理的
に大きな導波管試験区分82を備えている。電気的に絶縁
性のスリーブ83は導波管84をライニングし、直径の変化
なしに導波管試験区分82の中心を通っている。伝送開口
86及び受信開口88は導波管試験区分82内に配置されてい
る。しゃ断周波数と呼ばれる信号周波数（この周波数以
上で導波管試験区分82は伝搬する）は導波管区分84の周
波数より低い。変換器80の動作周波数が導波管84のしゃ
断周波数より低くしかも試験区分82の周波数より高く保
たれると、導波管の変化する接合部90、92は非常に有効
なエネルギ反射装置として作用する。従って、接合部9
0、92は試験区分82を電気的に絶縁する電気的切れ目94
として機能し、特性周波数で試験区分82に定在波干渉パ
ターンが形成されることになる。
した別の実施例80が示されている。第21図において、モ
ニタ装置の変換器80は導波管区分84に接続された物理的
に大きな導波管試験区分82を備えている。電気的に絶縁
性のスリーブ83は導波管84をライニングし、直径の変化
なしに導波管試験区分82の中心を通っている。伝送開口
86及び受信開口88は導波管試験区分82内に配置されてい
る。しゃ断周波数と呼ばれる信号周波数（この周波数以
上で導波管試験区分82は伝搬する）は導波管区分84の周
波数より低い。変換器80の動作周波数が導波管84のしゃ
断周波数より低くしかも試験区分82の周波数より高く保
たれると、導波管の変化する接合部90、92は非常に有効
なエネルギ反射装置として作用する。従って、接合部9
0、92は試験区分82を電気的に絶縁する電気的切れ目94
として機能し、特性周波数で試験区分82に定在波干渉パ
ターンが形成されることになる。
実施例７ 第22図および第23図は単純化した平衡ブリッジ法を採
用した変換器410の別の実施例を示す。この実施例は、
試験部245より先の導波管無効負荷部241および243が試
験部245より高い遮断周波数を有するという点で実施例
６と同様に機能する。これは、金属板249を用いて負荷
セグメント241および243をより小さい部分に分割するこ
とによって行われる。この結果、他の実施例は侵入性が
ないのに対して、実施例７は侵入性を有することにな
る。この実施例の試験部245は、実施例５の試験部（第2
0図）と同様に構成され、作動する。
用した変換器410の別の実施例を示す。この実施例は、
試験部245より先の導波管無効負荷部241および243が試
験部245より高い遮断周波数を有するという点で実施例
６と同様に機能する。これは、金属板249を用いて負荷
セグメント241および243をより小さい部分に分割するこ
とによって行われる。この結果、他の実施例は侵入性が
ないのに対して、実施例７は侵入性を有することにな
る。この実施例の試験部245は、実施例５の試験部（第2
0図）と同様に構成され、作動する。
作動時に、試験部245が負荷部241および243の遮断周
波数より低いが試験部245のそれより高い周波数で操作
される場合、伝搬エネルギーは接合部249および251で反
射される。したがって、接合部249および251は、試験部
を電気的に隔離し、特性周波数で試験部245に定常波干
渉パターンを設定する電気的不連続部として機能する。
波数より低いが試験部245のそれより高い周波数で操作
される場合、伝搬エネルギーは接合部249および251で反
射される。したがって、接合部249および251は、試験部
を電気的に隔離し、特性周波数で試験部245に定常波干
渉パターンを設定する電気的不連続部として機能する。
第22図および第23図において、２枚の金属板249は負
荷部を４つの部分に分割するために用いられている。第
24a〜24h図に示すように、金属板247a〜249hをさまざま
に異なる方向に変えても、試験部を電気的に隔離し、単
純化した平衡ブリッジ法の実現を不可能にするという所
与の目的を達成することができる。
荷部を４つの部分に分割するために用いられている。第
24a〜24h図に示すように、金属板247a〜249hをさまざま
に異なる方向に変えても、試験部を電気的に隔離し、単
純化した平衡ブリッジ法の実現を不可能にするという所
与の目的を達成することができる。
第25図は、実施例4,5,6,および７を用いることのでき
る単純な電子装置を示す。電子回路100は、市販の各種
マイクロプロセッサ集積回路のいずれを用いても実現で
きるデジタル・プロセッサ102を含む。プロセッサ102
は、バス106を介してデジタル合成信号源104に接続され
る。デジタル合成信号源に変えて、掃引発生器、電圧制
御発信器、あるいは電流制御発信器を使用することも可
能である。信号発生器104はRF出力回路108を介して変換
器80に接続される。変換器80に代えて変換器40,60また
は410を使用できることは理解されよう。RF出力回線108
は、110で検出ダイオード112および114を通じてそれぞ
れ投入出力入力回線116および反射出力入力回線118に連
結される。これら入力回線は、いずれもアナログ／デジ
タル（A/D）変換器120への入力を供給するために接続さ
れるものである。投入出力入力回線116は、変換器80へ
の回線108上に供給される入力RF出力をあらわす信号をA
/D変換器120へ供給する。変換器80へ供給される入力RF
出力の一部は、変換器80によって回線108上へ反射され
る。反射出力入力回路は、この反射された出力の量を示
す信号をA/D変換器120へ供給する。伝送出力感知素子12
2は、RF入力回線108からは離して変換器80上に配設さ
れ、ダイオード124および伝送出力入力回線126を通じて
A/D変換器120に接続される。この感知素子122は、回線1
26上のA/D変換器に変換器80を通じて伝送されるRF出力
入力部分をあらわす信号を供給する。温度および圧力感
知素子128および130は、変換器80上に配設され、同様に
回線132および134上の温度および圧力入力信号をA/D変
換器120に供給する。バス136は、A/Dへ間器120とプロセ
ッサ102を接続して双方向通信を可能にしている。
る単純な電子装置を示す。電子回路100は、市販の各種
マイクロプロセッサ集積回路のいずれを用いても実現で
きるデジタル・プロセッサ102を含む。プロセッサ102
は、バス106を介してデジタル合成信号源104に接続され
る。デジタル合成信号源に変えて、掃引発生器、電圧制
御発信器、あるいは電流制御発信器を使用することも可
能である。信号発生器104はRF出力回路108を介して変換
器80に接続される。変換器80に代えて変換器40,60また
は410を使用できることは理解されよう。RF出力回線108
は、110で検出ダイオード112および114を通じてそれぞ
れ投入出力入力回線116および反射出力入力回線118に連
結される。これら入力回線は、いずれもアナログ／デジ
タル（A/D）変換器120への入力を供給するために接続さ
れるものである。投入出力入力回線116は、変換器80へ
の回線108上に供給される入力RF出力をあらわす信号をA
/D変換器120へ供給する。変換器80へ供給される入力RF
出力の一部は、変換器80によって回線108上へ反射され
る。反射出力入力回路は、この反射された出力の量を示
す信号をA/D変換器120へ供給する。伝送出力感知素子12
2は、RF入力回線108からは離して変換器80上に配設さ
れ、ダイオード124および伝送出力入力回線126を通じて
A/D変換器120に接続される。この感知素子122は、回線1
26上のA/D変換器に変換器80を通じて伝送されるRF出力
入力部分をあらわす信号を供給する。温度および圧力感
知素子128および130は、変換器80上に配設され、同様に
回線132および134上の温度および圧力入力信号をA/D変
換器120に供給する。バス136は、A/Dへ間器120とプロセ
ッサ102を接続して双方向通信を可能にしている。
第26図および第27図は、１ケの入力すロットと電気的
不連続部を用いて試験部に干渉パターンを生成する単純
化平衡ブリッジ法により得られた挿入損スペクトルの代
表的な測定結果を示す。このうち、第26図は、実施例６
の空気を充填した変換器の構成と同様なプロトタイプ・
モニターを用いた実験により得られた測定結果を単純な
予測スペクトル・モデルと比較して示したものであり、
第27図は、プロトタイプを消イオン水で充填したときの
対応するデータを示したものである。このモデルでは、
全体の挿入損の値を良く予測できるとはいえないが、各
グラフとも、ピークの一251および253は１％の範囲内で
予測されている。
不連続部を用いて試験部に干渉パターンを生成する単純
化平衡ブリッジ法により得られた挿入損スペクトルの代
表的な測定結果を示す。このうち、第26図は、実施例６
の空気を充填した変換器の構成と同様なプロトタイプ・
モニターを用いた実験により得られた測定結果を単純な
予測スペクトル・モデルと比較して示したものであり、
第27図は、プロトタイプを消イオン水で充填したときの
対応するデータを示したものである。このモデルでは、
全体の挿入損の値を良く予測できるとはいえないが、各
グラフとも、ピークの一251および253は１％の範囲内で
予測されている。
第28図は、実施例６のプロトタイプのテスト域での周
波数で割った光速と材料の誘電率の平方根の関係を示し
たグラフである。試験部はテスト材料に加えて空気おぼ
び絶縁スリーブで絶縁負荷されているので、両者の関係
は被線形的である。したがって、試験部の有効誘電率は
材料の有効誘電率より低いことになる。
波数で割った光速と材料の誘電率の平方根の関係を示し
たグラフである。試験部はテスト材料に加えて空気おぼ
び絶縁スリーブで絶縁負荷されているので、両者の関係
は被線形的である。したがって、試験部の有効誘電率は
材料の有効誘電率より低いことになる。
実施例4,5および７のように、試験部をほぼすべて試
験材料で満たす考え方にもとづく実施例にあっては、共
振周波数と材料の誘電率の平方根の関係は保持線形とな
る。第29図は、このようなプロトタイプと単純な導波管
モデルでの予測の関係を示す。全体の損入損予測値はあ
まり正確とはいえないが、それでもモデルを用いた予測
結果は、実際値にきわめて近いことがわかる。第28図と
第29図から、本発明にもとづけば、特性周波数の測定値
から材料の誘電率への変換がきわめて簡単に行えること
が明かであろう。
験材料で満たす考え方にもとづく実施例にあっては、共
振周波数と材料の誘電率の平方根の関係は保持線形とな
る。第29図は、このようなプロトタイプと単純な導波管
モデルでの予測の関係を示す。全体の損入損予測値はあ
まり正確とはいえないが、それでもモデルを用いた予測
結果は、実際値にきわめて近いことがわかる。第28図と
第29図から、本発明にもとづけば、特性周波数の測定値
から材料の誘電率への変換がきわめて簡単に行えること
が明かであろう。
第30図および第31図は、本発明の装置を用いれば組成
をきわめて正確に求めることができることを示す。これ
らの図は、いずれも、油にきわめて低い比率で水を加え
たときに、実施例６のプロトタイプで生じた特性周波数
の移動の測定結果を示したものである。これらの測定結
果は、油中の水が0.1％以下でも、この種装置を用いれ
ば、その組成を正確に知り得ることを示している。この
レベルの精度があれば、この装置を石油産業の管理移転
業務に用いて、原油中の水分を正確に知ることができ
る。第32図は、純粋な油の曲線257と油に0.025％の水が
含まれている場合の測定スペクトル255を比較して示し
たものである。高い周波数側に寄った曲線257が純粋の
油をあらわす。全体の周波数の移動はわずかに0.4MHzで
あるが、それでも分解可能である。誘電率の移動は約0.
077％であり、それに対応する周波数の移動は約0.044％
である。
をきわめて正確に求めることができることを示す。これ
らの図は、いずれも、油にきわめて低い比率で水を加え
たときに、実施例６のプロトタイプで生じた特性周波数
の移動の測定結果を示したものである。これらの測定結
果は、油中の水が0.1％以下でも、この種装置を用いれ
ば、その組成を正確に知り得ることを示している。この
レベルの精度があれば、この装置を石油産業の管理移転
業務に用いて、原油中の水分を正確に知ることができ
る。第32図は、純粋な油の曲線257と油に0.025％の水が
含まれている場合の測定スペクトル255を比較して示し
たものである。高い周波数側に寄った曲線257が純粋の
油をあらわす。全体の周波数の移動はわずかに0.4MHzで
あるが、それでも分解可能である。誘電率の移動は約0.
077％であり、それに対応する周波数の移動は約0.044％
である。
本発明の誘電率測定法は、電磁干渉の概念を利用した
ものであるが、この方法は、テスト材料の導電率があま
り高くない場合に最も有効である。材料の（エネルギ
ー）損失率が大きいと、伝搬する電磁エネルギーが試験
部で急速に減衰してしまい、認知し得る干渉パターンが
形成されなくなる。したがって、特性周波数もまた流体
の誘電率もこの方法では測定できないことになる。第33
図は、本発明のプロトタイプの測定挿入損スペクトルを
水の誘電率の極数として示したグラフである。測定は、
実施例６の変換器の構成ににたプロトタイプ・モニター
を用いて行った。このプロトタイプでは、測定した材料
の誘電率が0.35mhos/mに近づくと、ピークや谷が現れな
くなる。材料の導電率がこの値より大きい場合には、他
の方法を用いることが必要になる。第34図は、同じプロ
トタイプで測定した導電率の高い水溶液のいくつかのス
ペクトルを示す。これらの測定結果からわかるように、
高い周波数では、挿入損は導電率値にきわめて敏感に影
響される。220MHzでは、導電率が30倍になると挿入損は
約50dB増大する。使用周波数がこれより高くなると、ダ
イナミック・レンジはさらに増大する。これらのことか
ら、実施例１〜６で示すような装置は、材料の導電率が
きわめて高く誘電率の測定が不可能な場合の誘電率の測
定が不可能な場合の誘電率の測定に利用できることがわ
かる。導電率に関する情報は、誘電率の場合と同様に、
材料の組成と関連づけることが可能である。このような
可能性を新たに用いることにより、本発明にもとづいて
可能なさまざまな実施例を利用して、誘電性が広い範囲
に亘って変化するような場合でも、任意の材料または材
料の混合物の測定を行なうことができる。本発明の装置
は、石油産業で処理すべき材料で認められているいかな
る導電率あるいは誘電率のレベルでもほぼ対応が可能で
ある。
ものであるが、この方法は、テスト材料の導電率があま
り高くない場合に最も有効である。材料の（エネルギ
ー）損失率が大きいと、伝搬する電磁エネルギーが試験
部で急速に減衰してしまい、認知し得る干渉パターンが
形成されなくなる。したがって、特性周波数もまた流体
の誘電率もこの方法では測定できないことになる。第33
図は、本発明のプロトタイプの測定挿入損スペクトルを
水の誘電率の極数として示したグラフである。測定は、
実施例６の変換器の構成ににたプロトタイプ・モニター
を用いて行った。このプロトタイプでは、測定した材料
の誘電率が0.35mhos/mに近づくと、ピークや谷が現れな
くなる。材料の導電率がこの値より大きい場合には、他
の方法を用いることが必要になる。第34図は、同じプロ
トタイプで測定した導電率の高い水溶液のいくつかのス
ペクトルを示す。これらの測定結果からわかるように、
高い周波数では、挿入損は導電率値にきわめて敏感に影
響される。220MHzでは、導電率が30倍になると挿入損は
約50dB増大する。使用周波数がこれより高くなると、ダ
イナミック・レンジはさらに増大する。これらのことか
ら、実施例１〜６で示すような装置は、材料の導電率が
きわめて高く誘電率の測定が不可能な場合の誘電率の測
定が不可能な場合の誘電率の測定に利用できることがわ
かる。導電率に関する情報は、誘電率の場合と同様に、
材料の組成と関連づけることが可能である。このような
可能性を新たに用いることにより、本発明にもとづいて
可能なさまざまな実施例を利用して、誘電性が広い範囲
に亘って変化するような場合でも、任意の材料または材
料の混合物の測定を行なうことができる。本発明の装置
は、石油産業で処理すべき材料で認められているいかな
る導電率あるいは誘電率のレベルでもほぼ対応が可能で
ある。
実施例８ 連続して流れる材料または材料の混合物の測定に用い
る組成モニターが抱える問題の一つは、材料の組成が不
均質であり、一様に混ぜ合わされていないということで
ある。この問題は、密度が異なる混和しない構成々分の
混合物が関係する場合にとくに顕著である。例を挙げれ
ば、スラリーなどの固体／液体混合物、上記あるいは油
／水などの純粋に液体の混合物などがこれにあたる。こ
こで厄介なのは、この種のモニターは、多くの場合、誘
電性、密度、光学的性質などの物理的性質を混合物総体
のそれとして測定し、得られた情報を用いて組成を決定
することにある。混合物の構成々分物理的構成が一定で
ない限り、測定した物理的諸性質を正確に組成と関連づ
けることはできないので、この方法を適用することは無
理である。密度が異なる混和しない流体あるいは構成々
分を含む厄介な混合物の組成を正確にモニターするため
には、なんらかの方法で均一にかつ十分に混ぜ合わせる
ことが必要になる。本発明も、混合物全体の物理的性質
を測定し、それを当該混合物の組成と関連させるという
点で、この問題から切り離されてはいない。
る組成モニターが抱える問題の一つは、材料の組成が不
均質であり、一様に混ぜ合わされていないということで
ある。この問題は、密度が異なる混和しない構成々分の
混合物が関係する場合にとくに顕著である。例を挙げれ
ば、スラリーなどの固体／液体混合物、上記あるいは油
／水などの純粋に液体の混合物などがこれにあたる。こ
こで厄介なのは、この種のモニターは、多くの場合、誘
電性、密度、光学的性質などの物理的性質を混合物総体
のそれとして測定し、得られた情報を用いて組成を決定
することにある。混合物の構成々分物理的構成が一定で
ない限り、測定した物理的諸性質を正確に組成と関連づ
けることはできないので、この方法を適用することは無
理である。密度が異なる混和しない流体あるいは構成々
分を含む厄介な混合物の組成を正確にモニターするため
には、なんらかの方法で均一にかつ十分に混ぜ合わせる
ことが必要になる。本発明も、混合物全体の物理的性質
を測定し、それを当該混合物の組成と関連させるという
点で、この問題から切り離されてはいない。
しかしながら、本発明の特徴の１つは、装置が、測定
される混合物が均一に混ぜ合わされたときを示せるよう
に設計できるという点にある。この能力は、第35図およ
び第36図に示す実施例の変換器140を用いることによっ
て得られるが、この実施例では、対になった多くの送信
機アパーチャー142と受信機アパーチャー144が試験部14
6の周囲に均等に配分されている。本発明では、受信機
アパーチャー144が受信した信号を比較することによっ
て混合物が均質であるかどうかを明らかにすることがそ
の特徴の１つになっている。信号がすべて等しければ、
材料の均一に混ぜ合わされている。等しくなければ、材
料は均質ではなく、したがって組成決定の精度もそれだ
け落ちることになる。装置のこの構成がエラーを生じる
のは、例えば環状の流れのように軸方向に対称性を有す
る混合物が存在するときに限られる。多くの場合、この
ような状態が起きることはあり得ない。変換器140を組
み込んだ組成モニターは、均一な混合が存在しないとき
には自分自身を使用不能にしたり、あるいは補正動作を
始動させるようにすることができる。また、各対のアパ
ーチャーの個々の読取から得られた情報を用いて求めた
組成を平均する方法を採用することもできる。いずれの
場合にも、エラーを抑えて、より正確な合計測定値を得
ることが可能である。変換器・試験部140に図で示した
複数の測定用アパーチャーの対を用いる考え方は、実施
例１〜７に々形で採用されており、そのためこれらの実
施例には材料の不均一性を測定する機能が付加されてい
る。
される混合物が均一に混ぜ合わされたときを示せるよう
に設計できるという点にある。この能力は、第35図およ
び第36図に示す実施例の変換器140を用いることによっ
て得られるが、この実施例では、対になった多くの送信
機アパーチャー142と受信機アパーチャー144が試験部14
6の周囲に均等に配分されている。本発明では、受信機
アパーチャー144が受信した信号を比較することによっ
て混合物が均質であるかどうかを明らかにすることがそ
の特徴の１つになっている。信号がすべて等しければ、
材料の均一に混ぜ合わされている。等しくなければ、材
料は均質ではなく、したがって組成決定の精度もそれだ
け落ちることになる。装置のこの構成がエラーを生じる
のは、例えば環状の流れのように軸方向に対称性を有す
る混合物が存在するときに限られる。多くの場合、この
ような状態が起きることはあり得ない。変換器140を組
み込んだ組成モニターは、均一な混合が存在しないとき
には自分自身を使用不能にしたり、あるいは補正動作を
始動させるようにすることができる。また、各対のアパ
ーチャーの個々の読取から得られた情報を用いて求めた
組成を平均する方法を採用することもできる。いずれの
場合にも、エラーを抑えて、より正確な合計測定値を得
ることが可能である。変換器・試験部140に図で示した
複数の測定用アパーチャーの対を用いる考え方は、実施
例１〜７に々形で採用されており、そのためこれらの実
施例には材料の不均一性を測定する機能が付加されてい
る。
実施例９ これまでに説明してきた方法や装置を用いれば、テス
ト材料の温度および圧力ならびにその誘電率および／ま
たは導電率を測定することができる。多くの組成監視業
務では、これらの測定結果を組み合わせて用いること
で、充分に材料の組成を明らかにすることができる。し
かしながら、これらの情報だけでは組成を完全に明らか
にできない場合もある。異なる誘電性を有する４以上の
構成々分からなる材料混合物の組成は、実施例１〜８に
よっては明らかにすることはできない。ただし、これら
の実施例が同時モニターとしてはきわめて正確に機能す
ることも付け加えておかなければならない。他方、特殊
な場合には、３組成々分の混合物の組成でも、これらの
実施例では正確に測定できない。その重要な一例は、
油、水およびガスの混合物である。本発明に関してこれ
までに記述してきた新しい方法および装置を適用できる
材料および業務の範囲を広げるためには、実施例１〜８
で説明したRF誘電測定装置に材料の密度を求めるための
付加的測定手段を付け加えることが必要になる。第37図
は、そのような新しい実施例である実施例９を示す。RF
誘電組成モニター261と密度モニター263は、パイプ265
を用いて直列に接続されており、テスト材料267は、こ
のパイプを介して自由に２つの測定装置の間を通行する
ことができる。
ト材料の温度および圧力ならびにその誘電率および／ま
たは導電率を測定することができる。多くの組成監視業
務では、これらの測定結果を組み合わせて用いること
で、充分に材料の組成を明らかにすることができる。し
かしながら、これらの情報だけでは組成を完全に明らか
にできない場合もある。異なる誘電性を有する４以上の
構成々分からなる材料混合物の組成は、実施例１〜８に
よっては明らかにすることはできない。ただし、これら
の実施例が同時モニターとしてはきわめて正確に機能す
ることも付け加えておかなければならない。他方、特殊
な場合には、３組成々分の混合物の組成でも、これらの
実施例では正確に測定できない。その重要な一例は、
油、水およびガスの混合物である。本発明に関してこれ
までに記述してきた新しい方法および装置を適用できる
材料および業務の範囲を広げるためには、実施例１〜８
で説明したRF誘電測定装置に材料の密度を求めるための
付加的測定手段を付け加えることが必要になる。第37図
は、そのような新しい実施例である実施例９を示す。RF
誘電組成モニター261と密度モニター263は、パイプ265
を用いて直列に接続されており、テスト材料267は、こ
のパイプを介して自由に２つの測定装置の間を通行する
ことができる。
RF誘電組成モニター261は、実施例１〜８のいずれで
あっても、また本発明の誘電測定法にもとづく他の不可
能ないかなる実施例であってもよい。密度モニター263
は、パイプ中を流れる材料の密度を測定する任意の市販
の装置であってよい。例としては、コリオリカ密時計と
ガンマ線密度計の２つを挙げることができる。これらの
密度計では、導波管誘導変換器と同様、正確な読みを得
るためには均等な混合わせが要求される。したがって、
これらの計器による密度測定の誤差を防ぐためには、変
換器140の作りが等しく重要となる。
あっても、また本発明の誘電測定法にもとづく他の不可
能ないかなる実施例であってもよい。密度モニター263
は、パイプ中を流れる材料の密度を測定する任意の市販
の装置であってよい。例としては、コリオリカ密時計と
ガンマ線密度計の２つを挙げることができる。これらの
密度計では、導波管誘導変換器と同様、正確な読みを得
るためには均等な混合わせが要求される。したがって、
これらの計器による密度測定の誤差を防ぐためには、変
換器140の作りが等しく重要となる。
混合物の誘導率、混合物の密度、および混合物の組成
の間の関係を示す例として、下に挙げる式について説明
する。ここに挙げる例は、油、水、ガスの混合物の場合
である。
の間の関係を示す例として、下に挙げる式について説明
する。ここに挙げる例は、油、水、ガスの混合物の場合
である。
Ｘ＝構成々分１（油）の容積比 Ｙ＝構成々分２（水）の容積比 Ｚ＝構成々分３（ガス）の容積比 容積比合計＝１＝Ｘ＋Ｙ＋Ｚ （２） 混合物の測定密度＝aX＋bY＋cZ （３） ただし、 ａ＝構成々分１の密度 ｂ＝構成々分２の密度 ｃ＝構成々分３の密度（ガスでは０） 式（２）を単純かして次の式が得られる。
測定密度＝aX＋bY （４） このブラーハマン・モデルは、２構成々分の混合物の
誘電定数と構成々分の誘電定数の関係を次の式であらわ
すものとなる。
誘電定数と構成々分の誘電定数の関係を次の式であらわ
すものとなる。
1/3 ただし、 e2＝２つの構成々分の混合物の誘電定数 em＝エマルジョンの連続媒質（構成々分１と仮定）の
誘電定数 e p1＝第１の分散相（構成同じ分２と仮定）の誘電定
数 Φ１＝連続媒質中の第１の分散相の容積比（上の仮定
のもとでは、これはy/（Ｘ＋Ｙ）に等しい） この概法を３つの構成々分に一般化して次のような反
復解をえることができる。
誘電定数 e p1＝第１の分散相（構成同じ分２と仮定）の誘電定
数 Φ１＝連続媒質中の第１の分散相の容積比（上の仮定
のもとでは、これはy/（Ｘ＋Ｙ）に等しい） この概法を３つの構成々分に一般化して次のような反
復解をえることができる。
e3＝Ｆ（Ｆ（em,e p1,Φ１）,e p2,Φ２） ただし、、 e3＝全混合物の特定誘電定数 e p2＝第２の分散相（構成々分３と仮定）の誘電定数 Φ２＝第２の分散相の容積比（この場合には２に等し
い） したがって、誘電定数に関して次の関係が得られる。
い） したがって、誘電定数に関して次の関係が得られる。
式（５） e meas＝Ｆ（Ｆ（e comp1′e comp2′y/x＋ｙ）， e comp3′Ｚ） 誘電定数および密度を測定すれば、式（２）、（４）
および（５）を用いて個々の構成々分の比率を求めるこ
とができる。ここでは、誘電定数と構成々分の容積比の
関係を示すためにブラーハマン・ハナイの関係式を用い
たが、他の関係式や較正曲線を用いることができよう。
および（５）を用いて個々の構成々分の比率を求めるこ
とができる。ここでは、誘電定数と構成々分の容積比の
関係を示すためにブラーハマン・ハナイの関係式を用い
たが、他の関係式や較正曲線を用いることができよう。
第38図は、第37図に示すように実施例８を用いた場合
の特定のプロセス分析アルゴリズムを示したものであ
る。このアルゴリズムは、遊離ガス含量が約20容量％以
下にとどまる場合の油、水、ガス混合物に適用すること
ができる。ガスの含量が20％を越える場合には、他のア
ルゴリズムを使用する必要がある。測定する混合物の性
質は、誘電率および／または導電率、密度、温度および
圧力である。第38図で用いられる変数は、ガスの容積
比、ΦＧ、ｋの容積比ΦＷ、油の容積比、ΦＯ、混合物
の測定誘電率（または混合物の測定導電率）、ＺM、お
よび混合物の測定密度、ＤMである。混合物の温度、圧
力、誘電率、および密度は、270で測定される。ＺO、Ｚ
W、ＤOおよびＤWは、272で、測定された温度、圧力およ
び予備較正された構成々分のインピーダンス・データか
ら計算される。これらの結果から、また274に示すよう
に混合物が水の連続エマルジョンであることおよび混合
物中には期待が存在しないこと（ΦＧ＝０）を仮定し
て、276でＺMからΦＷおよびΦＯが計算される。密度Ｄ
＞ＤMであれば、280でＤ＝ＤMでなるまでΦＧが増やさ
れ、またΦＷとΦＯが調節される。ΦＯ、ΦＷおよびΦ
Ｇのこれらの値から、282でＺの試算値の計算が行われ
る。試算の結果Ｚ＞ＺMであれば、284でＤ＝ＤMになる
までΦＷが減らされ、またΦＯとΦＧが調節される。次
に282で再び試算値Ｚの計算が行われる。Ｚ＝ＺMになる
までステップ282と284が繰り返され両者が等しくなった
ところでプロセスが完了し、286でΦＯ、ΦＷおよびΦ
Ｇの正しい値が得られる。ステップ278に戻って、もし
試算値Ｄ＜DMであれば、混合物は油の連続体であり、27
4での仮定が誤りであったことになる。その場合には、
ΦＧ＝０が仮定され、288でＤMからΦＯとΦＧが計算さ
れる。次に282が実行され、試算値の計算結果がＺ＜ＺM
であれば、290でＺ＝ＺMになるまでΦＷが増やされ、ま
たΦＯとΦＧが調節される。試算値Ｚ＝ＺMが成立する
までステップ282および290が繰り返され、286でΦＯ、
ΦＷおよびΦＧの正しい値があたえられる。
の特定のプロセス分析アルゴリズムを示したものであ
る。このアルゴリズムは、遊離ガス含量が約20容量％以
下にとどまる場合の油、水、ガス混合物に適用すること
ができる。ガスの含量が20％を越える場合には、他のア
ルゴリズムを使用する必要がある。測定する混合物の性
質は、誘電率および／または導電率、密度、温度および
圧力である。第38図で用いられる変数は、ガスの容積
比、ΦＧ、ｋの容積比ΦＷ、油の容積比、ΦＯ、混合物
の測定誘電率（または混合物の測定導電率）、ＺM、お
よび混合物の測定密度、ＤMである。混合物の温度、圧
力、誘電率、および密度は、270で測定される。ＺO、Ｚ
W、ＤOおよびＤWは、272で、測定された温度、圧力およ
び予備較正された構成々分のインピーダンス・データか
ら計算される。これらの結果から、また274に示すよう
に混合物が水の連続エマルジョンであることおよび混合
物中には期待が存在しないこと（ΦＧ＝０）を仮定し
て、276でＺMからΦＷおよびΦＯが計算される。密度Ｄ
＞ＤMであれば、280でＤ＝ＤMでなるまでΦＧが増やさ
れ、またΦＷとΦＯが調節される。ΦＯ、ΦＷおよびΦ
Ｇのこれらの値から、282でＺの試算値の計算が行われ
る。試算の結果Ｚ＞ＺMであれば、284でＤ＝ＤMになる
までΦＷが減らされ、またΦＯとΦＧが調節される。次
に282で再び試算値Ｚの計算が行われる。Ｚ＝ＺMになる
までステップ282と284が繰り返され両者が等しくなった
ところでプロセスが完了し、286でΦＯ、ΦＷおよびΦ
Ｇの正しい値が得られる。ステップ278に戻って、もし
試算値Ｄ＜DMであれば、混合物は油の連続体であり、27
4での仮定が誤りであったことになる。その場合には、
ΦＧ＝０が仮定され、288でＤMからΦＯとΦＧが計算さ
れる。次に282が実行され、試算値の計算結果がＺ＜ＺM
であれば、290でＺ＝ＺMになるまでΦＷが増やされ、ま
たΦＯとΦＧが調節される。試算値Ｚ＝ＺMが成立する
までステップ282および290が繰り返され、286でΦＯ、
ΦＷおよびΦＧの正しい値があたえられる。
第39図および第40図は、以前実施例6,8および９のと
ころで説明した機能を組み合わせたモニター変換器150
を示す。この変換器150は、第21図の実施例の試験部82
と同様に拡大した径をもつ試験部152を備えている。こ
の試験部152の両端測に置かれた導波管部154は、例えば
試験部152の直径の半分程度の小さい径を有する。定径
の絶縁スリーブ157は、パイプ部154および径の大きい試
験部152の中を貫通して伸びている。試験部152と部分15
4の間の径の変化により、一対の不連続部158が形成され
る。試験部152の内部に接合されるRF入力アパーチャー1
60、162および164からのエネルギーは、これら不連続部
158によってほぼ変換器150内に閉じ込められる。密度モ
ニター271は、導波パイプ部154を解して変換器271に接
続される。さらに、混合物の流速を測定する手段がこの
組成測定システムに接続されている場合には、両者を組
み合わせたシステムにより、一定期間に亘って個々の各
構成同じ分の合計生産量を求めることが可能になる。
ころで説明した機能を組み合わせたモニター変換器150
を示す。この変換器150は、第21図の実施例の試験部82
と同様に拡大した径をもつ試験部152を備えている。こ
の試験部152の両端測に置かれた導波管部154は、例えば
試験部152の直径の半分程度の小さい径を有する。定径
の絶縁スリーブ157は、パイプ部154および径の大きい試
験部152の中を貫通して伸びている。試験部152と部分15
4の間の径の変化により、一対の不連続部158が形成され
る。試験部152の内部に接合されるRF入力アパーチャー1
60、162および164からのエネルギーは、これら不連続部
158によってほぼ変換器150内に閉じ込められる。密度モ
ニター271は、導波パイプ部154を解して変換器271に接
続される。さらに、混合物の流速を測定する手段がこの
組成測定システムに接続されている場合には、両者を組
み合わせたシステムにより、一定期間に亘って個々の各
構成同じ分の合計生産量を求めることが可能になる。
第41〜43図は、実施例９の考え方にもとづいて密度測
定手段と組み合わせた場合に変換器150に用いることの
できる各種電子回路の詳しいブロック線図を示す。第39
図および第40図に示すような施設形態６に代えて実施例
４、５および７のいずれかが用いられる場合には、第41
〜43図の電子回路も等しく利用することができる。さら
に，実施例１〜３を使用するための第16図および第17図
に示す基本電子回路設計に基づいて付加的送信アパーチ
ャーおよび周波数源のための適当な修正を施せば、これ
らの電子回路は実施例１〜３にも使用することができ
る。そのために必要な修正は当該技術分野に熟達した人
には明白であろう。
定手段と組み合わせた場合に変換器150に用いることの
できる各種電子回路の詳しいブロック線図を示す。第39
図および第40図に示すような施設形態６に代えて実施例
４、５および７のいずれかが用いられる場合には、第41
〜43図の電子回路も等しく利用することができる。さら
に，実施例１〜３を使用するための第16図および第17図
に示す基本電子回路設計に基づいて付加的送信アパーチ
ャーおよび周波数源のための適当な修正を施せば、これ
らの電子回路は実施例１〜３にも使用することができ
る。そのために必要な修正は当該技術分野に熟達した人
には明白であろう。
第41図は、モニター変換器150と共に用いて、例えば
油井での油、水、ガスのような３つの構成々分の流れの
組成を監視するのに適した完全なモニターを提供するた
めの電子回路200を示す。第25図の場合と同様、デジタ
ル・プロセッサ2002が双方向コントローラ・バス206を
介してデジタル合成式信号発生器204に接続されてい
る。RF出力回路208は、回線210、212および214上のRF信
号を変換器150のRF入力160、162および164に供給する。
出力分割器180は、RF信号を回線210〜214の間で分け
る。回線216および218は、方向性結合器220を用いて回
線210に接合され、変換器150へ供給されまたそれから受
信した第１の入射RF出力I1および反射RF出力R1をダイオ
ード224および226を通じてA/D変換器222に供給する回線
228および230は、方向性結合器232を用いて回線212に接
合され、変換器150へ供給されまたそこから受信した第
２の入射RF出力I2および反射出力R2をダイオード234お
よび236を通じてA/D変換器222に供給する。回線238およ
び240は、242で回線214に接合され、変換器150へ供給さ
れまたそこから受信した第３の入射RF出力I3および反射
RF出力R3をダイオード244および246を通じてA/D変換器2
22に供給する。同様に、回線248、250および252は、そ
れぞれダイオード275、275および277を通じてRF出力16
6、168および170を接続し、変換器150からの第１、第２
および第３送信RF信号T1、T2およびT3をA/D変換器222に
供給する。回路254および256は、温度センサ172および
圧力センサ174を接続して、流れの温度および圧力入力
をA/D変換器222に供給する。回線258は、流れの密度入
力を密度変換器176からA/D変換器222へ供給する。
油井での油、水、ガスのような３つの構成々分の流れの
組成を監視するのに適した完全なモニターを提供するた
めの電子回路200を示す。第25図の場合と同様、デジタ
ル・プロセッサ2002が双方向コントローラ・バス206を
介してデジタル合成式信号発生器204に接続されてい
る。RF出力回路208は、回線210、212および214上のRF信
号を変換器150のRF入力160、162および164に供給する。
出力分割器180は、RF信号を回線210〜214の間で分け
る。回線216および218は、方向性結合器220を用いて回
線210に接合され、変換器150へ供給されまたそれから受
信した第１の入射RF出力I1および反射RF出力R1をダイオ
ード224および226を通じてA/D変換器222に供給する回線
228および230は、方向性結合器232を用いて回線212に接
合され、変換器150へ供給されまたそこから受信した第
２の入射RF出力I2および反射出力R2をダイオード234お
よび236を通じてA/D変換器222に供給する。回線238およ
び240は、242で回線214に接合され、変換器150へ供給さ
れまたそこから受信した第３の入射RF出力I3および反射
RF出力R3をダイオード244および246を通じてA/D変換器2
22に供給する。同様に、回線248、250および252は、そ
れぞれダイオード275、275および277を通じてRF出力16
6、168および170を接続し、変換器150からの第１、第２
および第３送信RF信号T1、T2およびT3をA/D変換器222に
供給する。回路254および256は、温度センサ172および
圧力センサ174を接続して、流れの温度および圧力入力
をA/D変換器222に供給する。回線258は、流れの密度入
力を密度変換器176からA/D変換器222へ供給する。
第41図のシステムに精密なデジタル制御式信号発生器
204を使用すれば、きわめて正確ではあるが比較的応答
時間の長い複数構成々分材料監視システムが得られる。
第41図なシステムは、誘電性が広範に変化し、監視の精
度が重要な要件となるような材料を扱う業務にはとくに
適している。
204を使用すれば、きわめて正確ではあるが比較的応答
時間の長い複数構成々分材料監視システムが得られる。
第41図なシステムは、誘電性が広範に変化し、監視の精
度が重要な要件となるような材料を扱う業務にはとくに
適している。
第42図は、電子回路200を簡素化したものを示す。電
子回路260は、デジタル・プロセッサ262を含む。このプ
ロセッサ262は、バス266を介してデジタル合成信号源26
4に接続される。この信号発生器264は、RF出力回線268
を介してまた３方向出力分割器269を通じて変換器150に
接続される。変換器150は、検出ダイオード270、272お
よび274を通じてA/D変換器280の送信出力入力T1、T2お
よびT3に接続される。温度および圧力入力信号は、回線
292および294上でA/D変換器280へ供給される。バス296
は、双方向通信のためにA/D変換器280とプロセッサ262
を接続する。ここでは、入射および反射エネルギーは測
定されない。測定されるのは送信エネルギーのみであ
る。この回路構成は、流体の組成が広範に変化せず、ま
た費用が重要な監視に適切である。この種の業務として
は、パイプラインの良質石油の財務監視業務や蒸気品質
監視業務の２つを挙げることができる。
子回路260は、デジタル・プロセッサ262を含む。このプ
ロセッサ262は、バス266を介してデジタル合成信号源26
4に接続される。この信号発生器264は、RF出力回線268
を介してまた３方向出力分割器269を通じて変換器150に
接続される。変換器150は、検出ダイオード270、272お
よび274を通じてA/D変換器280の送信出力入力T1、T2お
よびT3に接続される。温度および圧力入力信号は、回線
292および294上でA/D変換器280へ供給される。バス296
は、双方向通信のためにA/D変換器280とプロセッサ262
を接続する。ここでは、入射および反射エネルギーは測
定されない。測定されるのは送信エネルギーのみであ
る。この回路構成は、流体の組成が広範に変化せず、ま
た費用が重要な監視に適切である。この種の業務として
は、パイプラインの良質石油の財務監視業務や蒸気品質
監視業務の２つを挙げることができる。
第43図は、組成モニター150に用いることのできる他
の形態の電子回路300を示す。デジタル・プロセッサ302
は、バス304を介してデジタル／アナログ（A/D）変換器
305および周波数カウンタ308に接続される。A/D変換器3
06は、回線310を介して電流源309へ接続される。電流源
309は回線312を介して0.1〜2GHz周波数掃引RF発信器314
に接続される。発信器314からの出力316は、二方向出力
分割器281へ供給される。出力分割器281からの出力318
は３方向出力分割器283へ供給される。該３方向出力分
割器は、回線285、287および289を介して組成モニター1
50へ接続される。回線320は、結合器326を通じて周波数
カウンタ308に接続される。回線320は、信号源314内の
ドリフトを補償するためのフィードバック・ループを形
成する。オーブン制御式安定30MHz発信器328は、回線33
0を介して混合器322に接続される。混合器322は、0.1H
z、＋10〜15dB帯域増幅器332、回線300、３方向出力分
割器291、および回線334〜338を通じて混合器340〜344
へ接続される。モニター150からの出力回線346〜350も
混合器340〜344へ接続される。混合器340〜344からの出
力352〜356は、30MHz帯域フィルター358〜362を通じてI
F30MHz自動利得制御式増幅器364〜368へ接続される。増
幅器364〜368からの出力370〜374は検出器ダイオード37
6を通じてA/D変換器378へ供給される。モニター150への
入力、モニター150、A/D変換器378、およびデジタル・
プロセッサ302の間の残りの接続は、第41図の回路200と
同じであり、従ってここではこれ以上の説明は行わな
い。以上図示で説明した以外の第43図の実施例の構成お
よび機能は、第41図の実施例と同様である。
の形態の電子回路300を示す。デジタル・プロセッサ302
は、バス304を介してデジタル／アナログ（A/D）変換器
305および周波数カウンタ308に接続される。A/D変換器3
06は、回線310を介して電流源309へ接続される。電流源
309は回線312を介して0.1〜2GHz周波数掃引RF発信器314
に接続される。発信器314からの出力316は、二方向出力
分割器281へ供給される。出力分割器281からの出力318
は３方向出力分割器283へ供給される。該３方向出力分
割器は、回線285、287および289を介して組成モニター1
50へ接続される。回線320は、結合器326を通じて周波数
カウンタ308に接続される。回線320は、信号源314内の
ドリフトを補償するためのフィードバック・ループを形
成する。オーブン制御式安定30MHz発信器328は、回線33
0を介して混合器322に接続される。混合器322は、0.1H
z、＋10〜15dB帯域増幅器332、回線300、３方向出力分
割器291、および回線334〜338を通じて混合器340〜344
へ接続される。モニター150からの出力回線346〜350も
混合器340〜344へ接続される。混合器340〜344からの出
力352〜356は、30MHz帯域フィルター358〜362を通じてI
F30MHz自動利得制御式増幅器364〜368へ接続される。増
幅器364〜368からの出力370〜374は検出器ダイオード37
6を通じてA/D変換器378へ供給される。モニター150への
入力、モニター150、A/D変換器378、およびデジタル・
プロセッサ302の間の残りの接続は、第41図の回路200と
同じであり、従ってここではこれ以上の説明は行わな
い。以上図示で説明した以外の第43図の実施例の構成お
よび機能は、第41図の実施例と同様である。
第43図のシステムは、精密広帯域デジタル制御式信号
発生器を使用していないため、第41図のシステムより応
答時間が短く、費用が少なくてすむ。したがって、第43
図のシステムは、第41図のシステムほど正確さを要求さ
れない一般的監視業務に適している。
発生器を使用していないため、第41図のシステムより応
答時間が短く、費用が少なくてすむ。したがって、第43
図のシステムは、第41図のシステムほど正確さを要求さ
れない一般的監視業務に適している。
組成監視技術の流量測定への適用 以上、実施例１〜９によって説明しまた図で明らかに
してきた本発明の方法および装置は、材料の誘電関係の
諸性質を実際に測定するために考案されたものである。
本発明によって物理的に開かれた構造が可能となったた
め、本発明の装置は、該測定装置を通って移動する、す
なわち流れる材料および混合物の測定にとくに好適であ
る。誘電関係の諸測定を行なう精度および速度が高いた
め、本発明の各種実施例へ、装置を通る材料の流量を測
定する構成とすることが可能である。流量の測定は２つ
の方法で行なうことができる。
してきた本発明の方法および装置は、材料の誘電関係の
諸性質を実際に測定するために考案されたものである。
本発明によって物理的に開かれた構造が可能となったた
め、本発明の装置は、該測定装置を通って移動する、す
なわち流れる材料および混合物の測定にとくに好適であ
る。誘電関係の諸測定を行なう精度および速度が高いた
め、本発明の各種実施例へ、装置を通る材料の流量を測
定する構成とすることが可能である。流量の測定は２つ
の方法で行なうことができる。
実施例10 流量測定システムの１つの実施例は、第44図に示すご
ときもので、ここでは、２つの組成監視装置301および3
03が既知の長さのパイプ305で接続される。これら２つ
の組成監視装置の出力は時間を合わせて相互相関させて
処理される材料の流量が測定される。換言すれば、材料
のある部分が組成モニター301から303へ至るまでの時間
が測定される。この時間と組成モニター間の距離から、
システムを通る材料の流量が直接求められる。本発明の
主旨に適合する組成モニターは、すべて本実施例の組成
モニターとして利用することができる。
ときもので、ここでは、２つの組成監視装置301および3
03が既知の長さのパイプ305で接続される。これら２つ
の組成監視装置の出力は時間を合わせて相互相関させて
処理される材料の流量が測定される。換言すれば、材料
のある部分が組成モニター301から303へ至るまでの時間
が測定される。この時間と組成モニター間の距離から、
システムを通る材料の流量が直接求められる。本発明の
主旨に適合する組成モニターは、すべて本実施例の組成
モニターとして利用することができる。
流量の測定に用いられる相互相関の手法は新しいもの
ではないので、ここではこの点についてはこれ以上説明
しない。ただし、この手法は、測定される材料がその誘
電関係の諸性質を処理の流れにしたがって大きく変える
ときにしかうまく機能しないことに留意する必要があ
る。実際、この手法は、例えば重く緩い流れのように瞬
間的な変化が生じる場合に最もその効果を発揮する。逆
に、測定される材料が均等に混ぜ合わされ、したがって
その誘電関係の諸性質が突然の変化を示すことをは通常
起こり得ないような場合には、この相互相関の手法は機
能しない。組成モニター301および303の出力は、基本的
にいつも同じである。
ではないので、ここではこの点についてはこれ以上説明
しない。ただし、この手法は、測定される材料がその誘
電関係の諸性質を処理の流れにしたがって大きく変える
ときにしかうまく機能しないことに留意する必要があ
る。実際、この手法は、例えば重く緩い流れのように瞬
間的な変化が生じる場合に最もその効果を発揮する。逆
に、測定される材料が均等に混ぜ合わされ、したがって
その誘電関係の諸性質が突然の変化を示すことをは通常
起こり得ないような場合には、この相互相関の手法は機
能しない。組成モニター301および303の出力は、基本的
にいつも同じである。
実施例11 第45図は、本発明の材料誘電測定装置を用いた処理流
体の流れの流量測定のために基本的により有用な手法を
示す。この実施例では、材料注入口あるいはバルブ311
が、パイプ315を介して組成モニター313の上流側に接続
される。バルブ311と組成モニター313の間の距離は固定
されていて既知である。注入口311は材料317を処理の流
れ319の中に注入するために用いられ、それによって組
成モニター313が測定する流れ319の誘電関係の諸性質は
修正を受ける。流量を測定する場合には、注入口311を
用いて時間t1に小量の材料317を流れ319の中に注入す
る。材料317は、多量の媒質とは有意に異なる誘電関係
の諸性質をもっていることが必要である。付加された材
料317が組成モニター313を通過するとき、モニター313
の出力は急激に変化して、該材料が通過することを示
す。該材料が通過するときの時間t2を記録する。注入口
311とモニター313の間の距離を時間の差t2−t1で割る
と、処理の流れの流量が得られる。本発明の主旨に適合
する組成モニターは、すべて本実施例の組成モニターと
して利用することができる。
体の流れの流量測定のために基本的により有用な手法を
示す。この実施例では、材料注入口あるいはバルブ311
が、パイプ315を介して組成モニター313の上流側に接続
される。バルブ311と組成モニター313の間の距離は固定
されていて既知である。注入口311は材料317を処理の流
れ319の中に注入するために用いられ、それによって組
成モニター313が測定する流れ319の誘電関係の諸性質は
修正を受ける。流量を測定する場合には、注入口311を
用いて時間t1に小量の材料317を流れ319の中に注入す
る。材料317は、多量の媒質とは有意に異なる誘電関係
の諸性質をもっていることが必要である。付加された材
料317が組成モニター313を通過するとき、モニター313
の出力は急激に変化して、該材料が通過することを示
す。該材料が通過するときの時間t2を記録する。注入口
311とモニター313の間の距離を時間の差t2−t1で割る
と、処理の流れの流量が得られる。本発明の主旨に適合
する組成モニターは、すべて本実施例の組成モニターと
して利用することができる。
油、水およびガスを監視する業務を想定して、この流
量算定法の実施例を検討する。油、水、ガスの混合物の
中に塩水を注入すると、混合物の誘電率および導電率は
増大する。この増加は、本発明の誘電測定装置によって
容易に測定することができる。タービン計、正変位計、
ベンリュリ計など、油、水およびガスの流量を測定する
在来の方法では、流体の性質が２相（液相／気相）であ
るための測定が行えない。従って、ここに説明した流量
測定方法の価値は高い。
量算定法の実施例を検討する。油、水、ガスの混合物の
中に塩水を注入すると、混合物の誘電率および導電率は
増大する。この増加は、本発明の誘電測定装置によって
容易に測定することができる。タービン計、正変位計、
ベンリュリ計など、油、水およびガスの流量を測定する
在来の方法では、流体の性質が２相（液相／気相）であ
るための測定が行えない。従って、ここに説明した流量
測定方法の価値は高い。
以上により、当該技術分野に精通した人には、既に述
べた本発明の目的を達成することのできる、材料および
複数成分混合物の組成を監視するための新しい組成法お
よび装置が提供されたことは明かであろう。本発明の方
法および装置は、固体、液体、気体、固体／気体混合
物、固体／液体混合物、あるいは固体／液体／気体混合
物など、ほぼすべての材料またはその混合物の誘電関係
の諸性質の正確な測定を可能にするものである。本発明
はテスト材料を一井？ずつ一群として、あるいは連続し
て流れる材料を測定するために使用することができる。
本発明の方法および装置は、誘電関係の諸性質を材料の
組成が関係づけられる場合の材料の組成の測定に使用す
ることができる。そうでない場合でも本発明の装置は動
向モニターとして使用することができる。
べた本発明の目的を達成することのできる、材料および
複数成分混合物の組成を監視するための新しい組成法お
よび装置が提供されたことは明かであろう。本発明の方
法および装置は、固体、液体、気体、固体／気体混合
物、固体／液体混合物、あるいは固体／液体／気体混合
物など、ほぼすべての材料またはその混合物の誘電関係
の諸性質の正確な測定を可能にするものである。本発明
はテスト材料を一井？ずつ一群として、あるいは連続し
て流れる材料を測定するために使用することができる。
本発明の方法および装置は、誘電関係の諸性質を材料の
組成が関係づけられる場合の材料の組成の測定に使用す
ることができる。そうでない場合でも本発明の装置は動
向モニターとして使用することができる。
本発明の方法は、物理的に開かれ電気的に隔離された
構造内でのRF誘電測定に平衡ブリッジ法を使用ものであ
る。本発明の方法および装置にあっては物理的に開かれ
た構造が用いられるため、装置が材料を妨害したりある
いは材料が装置を損傷させたりすることなく、測定装置
を通って移動する材料の監視を行なうことが可能であ
る。装置の試験部が電気的に隔離されることにより、試
験部外の他の機械あるいは装置からの反射干渉によって
生じるおそれのある誤差が縮小されさらには除去され
る。本発明の方法および装置は、装置内で反対方向に伝
搬する２つの電磁波の間に電磁干渉パターンを生成する
ように考案される。干渉が建設的かまたは破壊的かとな
りまた測定された挿入損が最大または最小となる特性周
波数を見出すために動作周波数が掃引される。特性周波
数は、流体の誘電率情報に変換される。この干渉測定平
衡ブリッジ手法により変換機構が大幅に簡素化され、精
度が向上する。測定される材料の導電率が大きすぎる場
合には、装置は代わりに挿入損の変動を用いて流体の導
電率を測定する。テスト装置の周囲に間隔を置いて設け
られた位置で流体の諸性質を測定することにより、装置
は、測定される材料が均質に混ぜ合わされているか否か
を明らかにする。装置は誘電率または導電率および密度
の測定値を用いて、例えば油、水およびガスの混合物の
ような３または４の構成々分からなる混合物の組成を明
らかにする。
構造内でのRF誘電測定に平衡ブリッジ法を使用ものであ
る。本発明の方法および装置にあっては物理的に開かれ
た構造が用いられるため、装置が材料を妨害したりある
いは材料が装置を損傷させたりすることなく、測定装置
を通って移動する材料の監視を行なうことが可能であ
る。装置の試験部が電気的に隔離されることにより、試
験部外の他の機械あるいは装置からの反射干渉によって
生じるおそれのある誤差が縮小されさらには除去され
る。本発明の方法および装置は、装置内で反対方向に伝
搬する２つの電磁波の間に電磁干渉パターンを生成する
ように考案される。干渉が建設的かまたは破壊的かとな
りまた測定された挿入損が最大または最小となる特性周
波数を見出すために動作周波数が掃引される。特性周波
数は、流体の誘電率情報に変換される。この干渉測定平
衡ブリッジ手法により変換機構が大幅に簡素化され、精
度が向上する。測定される材料の導電率が大きすぎる場
合には、装置は代わりに挿入損の変動を用いて流体の導
電率を測定する。テスト装置の周囲に間隔を置いて設け
られた位置で流体の諸性質を測定することにより、装置
は、測定される材料が均質に混ぜ合わされているか否か
を明らかにする。装置は誘電率または導電率および密度
の測定値を用いて、例えば油、水およびガスの混合物の
ような３または４の構成々分からなる混合物の組成を明
らかにする。
本発明にもとづいく方法および装置は、また、処理の
流れの中で既知の距離だけ離して配設された２つの組成
モニターを用いる相互相関法を利用するか、あるいは材
料を処理の流れの中に注入してその誘電関係の諸性質を
修正する流れ注入装置から既知の距離だけ下流に配設し
た単一の組成モニターを利用することで、処理材料の流
量測定に適用することもできる。
流れの中で既知の距離だけ離して配設された２つの組成
モニターを用いる相互相関法を利用するか、あるいは材
料を処理の流れの中に注入してその誘電関係の諸性質を
修正する流れ注入装置から既知の距離だけ下流に配設し
た単一の組成モニターを利用することで、処理材料の流
量測定に適用することもできる。
当該技術分野に精通した人には、さらに、これまでに
図示し説明してきた本発明の形態および詳細にさまざま
な変更を行い得ることも明かであろう。それらの変更
も、本明細書に掲げる特許請求の範囲の精神および範囲
内に含まれるべきである。
図示し説明してきた本発明の形態および詳細にさまざま
な変更を行い得ることも明かであろう。それらの変更
も、本明細書に掲げる特許請求の範囲の精神および範囲
内に含まれるべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ビジヨルンセン，ビジヨルン・ジイ. ノルウエー国．4300・サンドネス．ルラ スト．22 (56)参考文献 特開 昭59−19846（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−65526（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 22/00 - 22/04
Claims (69)
- 【請求項１】組成物の挿入用の物理的に開放した端部を
もつ包囲体を成す導電性壁を備え、第１端部及び第２端
部をもつ試験区分を備えた変換器を有し； 少なくとも一つの電磁波伝送結合器を有し； 上記包囲体に対向した電磁波受信結合器を有し； 上記少なくとも一つの電磁波伝送結合器が上記包囲体内
に電磁波を発生するため上記試験区分の第１位置に位置
決めされ、また上記電磁波受信結合器が上記包囲体から
の電磁波を受信するため上記試験区分の第２位置に位置
決めされ； 上記変換器が更に、上記試験区分の第１、第２端部の各
々におけるインピーダンス区分を備え、上記各インピー
ダンス区分が上記試験区分のインピーダンスと異なるイ
ンピーダンスをもち； 上記変換器が少なくとも一つの電気的通路から成ってい
る回路を有し；また 電磁干渉パターンを誘導させることによって上記回路か
ら最小または最大出力を発生させる手段を有し、上記最
小または最大出力が組成物中の成分の相対比率を特定す
るのに役立つ ことを特徴とする多成分組成のモニタ装置。 - 【請求項２】上記試験区分を終端する上記各インピーダ
ンス区分が、上記導電性壁の少なくとも一つの物理的切
れ目から成っている請求の範囲１に記載の多成分組成の
モニタ装置。 - 【請求項３】上記導電性壁における上記各物理的切れ目
が、上記導電性壁の残り部分より大きな断面をもつ上記
導電性壁の少なくとも一部分から成る請求の範囲２に記
載の多成分組成のモニタ装置。 - 【請求項４】上記各物理的切れ目が、実質的に包囲体の
長手方向寸法を横切る平面内に位置している請求の範囲
３に記載の多成分組成のモニタ装置。 - 【請求項５】上記電磁波伝送結合及び電磁波受信結合器
が上記導電性壁に位置している請求の範囲１に記載の多
成分組成のモニタ装置。 - 【請求項６】組成物の挿入用の物理的に開放した端部を
もつ包囲体を成す導電性壁を備え、第１端部及び第２端
部をもつ試験区分を備えた変換器を有し； 少なくとも一つの電磁波伝送結合器を有し； 上記包囲体に対向した電磁波受信結合器を有し； 上記少なくとも一つの電磁波伝送結合器が上記包囲体内
に電磁波を発生するように位置決めされ、また上記電磁
波受信結合器が上記包囲体からの電磁波を受信するよう
に位置決めされ； 上記少なくとも一つの電磁波伝送結合器及び上記電磁波
受信結合器が上記試験区分に配置され； 上記変換器が更に、上記試験区分の第１、第２端部の各
々におけるインピーダンス区分を備え、上記各インピー
ダンス区分が上記試験区分のインピーダンスと異なるイ
ンピーダンスをもち； 上記変換器が少なくとも一つの電気的通路から成ってい
る回路を有し；また 電磁干渉パターンを誘導させることによって上記回路か
ら最小または最大出力を発生させる手段を有し、上記最
小または最大出力が組成物中の成分の相対比率を特定す
るのに役立ち； 上記インピーダンス区分が上記導電性壁の内側表面に配
置された絶縁性材料のスリーブを有し、上記絶縁性材料
のスリーブが上記電磁波伝送結合器及び上記電磁波受信
結合器に隣接した第１絶縁性材料の第１部分を備え、上
記絶縁性材料のスリーブが第２絶縁性材料の第２部分を
備え、上記第２部分が上記電磁波伝送結合器及び上記電
磁波受信結合器の各側で上記第１部分に接合され、第２
絶縁性材料が第１絶縁性材料と実質的に異なる誘電率を
もつ ことを特徴とする多成分組成のモニタ装置。 - 【請求項７】組成分の挿入用の物理的に開放した端部を
もつ包囲体を成す導電性壁を備え、第１端部及び第２端
部をもつ試験区分を備えた変換器を有し； 少なくとも一つの電磁波伝送結合器を有し；また 上記包囲体に対向した電磁波受信結合器を有し； 上記少なくとも一つの電磁波伝送結合器が上記包囲体内
に電磁波を発生するように位置決めされ、また上記電磁
波受信結合器が上記包囲体からの電磁波を受信するよう
に位置決めされ； 上記少なくとも一つの電磁波伝送結合器及び上記電磁波
受信結合器が上記試験区分に配置され； 上記変換器が更に、上記試験区分の第１、第２端部の各
々におけるインピーダンス区分を備え、上記各インピー
ダンス区分が上記試験区分のインピーダンスと異なるイ
ンピーダンスをもち； 上記変換器が少なくとも一つの電気的通路から成ってい
る回路を有し；また 電磁干渉パターンを誘導させることによって上記回路か
ら最小または最大出力を発生させる手段を有し、上記最
小または最大出力が組成物中の成分の相対比率を特定す
るのに役立ち； 上記インピーダンス区分が上記試験区分のいずれかの側
に位置決めされた上記導電性壁の部分を有し、上記試験
区分が上記インピーダンス区分のしゃ断周波数と異なる
しゃ断周波数をもつ ことを特徴とする多成分組成のモニタ装置。 - 【請求項８】上記導電性壁の第１部分及び第２部分を通
ってのびる絶縁性スリーブを備えている請求の範囲７に
記載の多成分組成のモニタ装置。 - 【請求項９】組成物の挿入用の物理的に開放した端部を
もつ包囲体を成す導電性壁を備え、第１端部及び第２端
部をもつ試験区分を備えた変換器を有し； 少なくとも一つの電磁波伝送結合器を有し；また 上記包囲体に対向した電磁波受信結合器を有し； 上記少なくとも一つの電磁波伝送係合器が上記包囲体内
に電磁波を発生するように位置決めされ、また上記電磁
波受信結合器が上記包囲体から電磁波を受信するように
位置決めされ； 上記少なくとも一つの電磁波伝送結合器及び上記電磁波
受信結合器が上記試験区分に配置され； 上記変換器が更に、上記試験区分の第１、第２端部の各
々におけるインピーダンス区分を備え、上記各インピー
ダンス区分が上記試験区分のインピーダンスと異なるイ
ンピーダンスをもち； 上記変換器が少なくとも一つの電気的通路から成ってい
る回路を有し；また 電磁干渉パターンを誘導させることによって上記回路か
ら最小または最大出力を発生させる手段を有し、上記最
小または最大出力が組成物中の成分の相対比率を特定す
るのに役立ち； 上記インピーダンス区分が上記試験区分の上記第１、第
２端部の各々に接続された導波管反応性負荷区分を備
え、上記導波管反応性負荷区分が上記試験区分の長手方
向寸法に平行でありしかも多数の金属表面で区切られて
いる ことを特徴とする多成分組成のモニタ装置。 - 【請求項１０】上記少なくとも一つの電磁波伝送結合器
が多数の電磁波伝送開口から成り、また上記少なくとも
一つの電磁波受信結合器が多数の電磁波受信開口から成
り、上記電磁波伝送開口及び電磁波受信開口が上記導電
性壁のまわりに位置決めされている請求の範囲１に記載
の多成分組成のモニタ装置。 - 【請求項１１】上記少なくとも一つの電磁波伝送結合器
が少なくとも第１伝送結合器及び第２伝送結合器から成
り、上記受信結合器が上記第１伝送結合器及び第２第結
合器から異なった距離に位置決めされている請求の範囲
１に記載の多成分組成のモニタ装置。 - 【請求項１２】上記試験区分の外側に、上記試験区分へ
の入力信号を第１、第２信号部分に分割する手段を設
け、上記回路が第１、第２信号部分を平衡にさせるブリ
ッジ回路から成り、上記入力信号を分割する手段が少な
くとも一つの上記第１信号部分を上記試験区分へ通すよ
うに接続され、また上記回路から最小または最大出力を
発生させる手段が最小または最大出力を発生するように
上記回路を同調するため上記第２信号部分を受けるよう
に接続されている請求の範囲１に記載の多成分組成のモ
ニタ装置。 - 【請求項１３】上記試験区分が実質的に損失のない導波
管材料を備え、また上記インピーダンス区分が上記試験
区分の上記第１、第２端部の各々に損失の多い導波管材
料を備えている請求の範囲12に記載の多成分組成のモニ
タ装置。 - 【請求項１４】上記ブリッジ回路から最小出力を発生さ
せる手段が上記第１、第２信号部分間で180゜の伝送位
相差を得る手段を備えている請求の範囲12に記載の多成
分組成のモニタ装置。 - 【請求項１５】上記ブリッジ回路から最小出力を発生さ
せる手段が上記第２信号部分の伝送特性を調整してゼロ
出力を生じさせる手段を備えている請求の範囲12に記載
の多成分組成のモニタ装置。 - 【請求項１６】上記第２信号部分の伝送特性を調整する
上記手段が上記第２信号部分の減衰を調整する手段を備
えている請求の範囲15に記載の多成分組成のモニタ装
置。 - 【請求項１７】上記少なくとも一つの伝送結合器に、電
磁波の周波数を変える手段が接続されている請求の範囲
１に記載の多成分組成のモニタ装置。 - 【請求項１８】上記包囲体が組成物を流すようにした通
路を備えている請求の範囲１に記載の多成分組成モニタ
装置。 - 【請求項１９】上記モニタが組成物を流す管の第１位置
に装着された第１モニタを構成し、請求の範囲１による
第２の多成分組成モニタが上記第１位置から離れた上記
管の第２位置に装着され、上記第１、第２モニタが組合
さって上記管を流れる組成物の流量を測定する手段を構
成し、さらに上記第１、第２モニタには、上記第１位置
から上記第２位置へ進むのに上記組成物の一部分の費や
した時間の長さを測定するため上記多成分組成モニタ及
び上記第２モニタからの出力信号を交叉相関させる手段
が接続される請求の範囲１に記載の多成分組成のモニタ
装置。 - 【請求項２０】材料注入口部が上記多成分組成モニタよ
り上流の既知の距離において上記管に装着され、上記多
成分組成モニタ及び上記材料注入口が組合さって上記管
を流れる組成物の流量を測定する手段を構成し、上記流
量測定手段が上記多成分組成モニタへ流れる上記材料注
入口で注入された材料の費やす時間の大きさを測定する
手段を備えている請求の範囲１に記載の多成分組成のモ
ニタ装置。 - 【請求項２１】上記回路が第１電気的通路と第２電気的
通路とをもつブリッジ回路からなり、上記第２電気的通
路が上記変換器の外側に調整可能な回路素子を備えてい
る請求の範囲１に記載の多成分組成のモニタ装置。 - 【請求項２２】調整可能な回路素子が可変減衰器から成
る請求の範囲21に記載の多成分組成のモニタ装置。 - 【請求項２３】上記回路がブリッジ回路を構成し、また
上記変換器が上記ブリッジ回路における二つの電気的通
路を備えている請求の範囲１に記載の多成分組成モニタ
装置。 - 【請求項２４】組成物に対する包囲体を成す導電性壁を
有し、そして少なくとも一対の電磁波伝送結合器及び上
記包囲体に対向した電磁波受信結合器を有している多成
分組成モニタ変換装置において、 上記少なくとも一対の電磁波伝送結合器が上記包囲体内
に干渉電磁波を発生するように位置決めされ、また上記
電磁波受信結合器が上記包囲体から電磁波を受けるよう
に位置決めされていること、上記変換器が上記変換器の
試験区分を電気的に絶縁する手段を有していること、 上記変換器が上記少なくとも一対の電磁波伝送結合器及
び電磁波受信結合器を備えていること 及び上記少なくとも一対の電磁波伝送結合器が上記電磁
波受信結合器から異なった距離離間されていることを特
徴とする多成分組成物のモニタ装置。 - 【請求項２５】上記試験区分を電気的に絶縁する上記手
段が上記試験区分に位置決めされた実質的に損失のない
導波管材料及び上記試験区分の二つの端部の各々に位置
決めされた損失のある導波管材料から成る請求の範囲24
に記載の多成分組成物のモニタ変換装置。 - 【請求項２６】上記包囲体が組成物を流す通路を備えて
いる請求の範囲24に記載の多成分組成物のモニタ装置。 - 【請求項２７】（１）少なくとも一つの電磁波伝送結合
器を受信結合器からある距離に設けること； （２）多成分混合物中に電磁波を伝送すること； （３）多成分混合物中に電磁波の干渉パターンを発生す
ること； （４）伝送された電磁波を受信結合器で受けること； （５）電磁波の周波数を変えること；及び （６）伝送されたエネルギの最大値または最小値が受け
られる周波数を観察すること から成ることを特徴とする多成分混合物の組性を測定す
る方法。 - 【請求項２８】多成分混合物の密度を測定することを付
加した請求の範囲27に記載の方法。 - 【請求項２９】（７）多成分混合物の温度及び圧力を測
定すること； （８）観察した最大または最小周波数から多成分混合物
の被測定誘電率を発生すること； （９）多成分混合物の被測定密度を発生すること； （10）混合物の第１成分の容積比に関する第１変数をゼ
ロに設定すること； （11）多成分混合物の被測定誘電率から上記第１成分を
除いた混合物の各残りの成分の容積比を計算すること； （12）多成分混合物の残りの成分の計算された容積比か
ら多成分混合物の密度を計算すること； （13）多成分混合物の計算された密度を多成分混合物の
被測定密度と比較すること； （14）計算された密度が多成分混合物の被測定密度より
大きくない場合には、階段（17）に進こと； （15）計算された密度が多成分混合物の被測定密度より
大きい場合には、上記第１変数を新しい値に設定し直
し、そして上記設定し直した第１変数に基づいて残りの
成分の容積比を計算し直すこと； （16）多成分混合物の計算された密度が多成分混合物の
被測定密度に等しくなるまで段階（15）を繰返し、そし
て段階（19）に進むこと； （17）計算された密度が多成分混合物の被測定密度より
小さい場合には、多成分混合物の最低密度成分の容積比
に関する第２変数をゼロに設定し、また計算された密度
が多成分混合物の被測定密度より小さくない場合には、
段階（19）に進むこと； （18）上記被測定密度に基づいて、最高誘電率の値をも
つ成分に関する第３変数を計算することを含む、上記最
低密度成分以外の上記多成分混合物の成分の容積比を計
算し直すこと； （19）設定し直しまたは計算し直しが行われた際に、誘
電率の計算に利用した容積比が設定し直した及び計算し
直した比である場合には、混合物の成分の容積比に基づ
いて混合物の誘電率を計算すること； （20）混合物の計算された誘電率を混合物の被測定誘電
率と比較すること； （21）計算された誘電率が被測定誘電率に等しくない場
合には、上記第３変数を異なる比に設定し直し、そして
この設定し直した上記第３変数に基づいて、計算された
密度を被測定密度に等しく維持するように最高誘電率成
分を除いて混合物の残りの成分の容積比を計算し直すこ
と； （22）混合物の成分容積比を得るため、計算された誘電
率が被測定誘電率に等しくなるまで段階（21）は繰返す
こと を加えた請求の範囲27に記載の方法。 - 【請求項３０】混合物の上記第１成分が気体である請求
の範囲29に記載の方法。 - 【請求項３１】電磁波が混合物を包囲する試験区分の周
りの多数の位置で伝送及び受信される請求の範囲27に記
載の方法。 - 【請求項３２】段階（２）〜（６）の間に、伝送結合器
及び受信結合器に混合物を流すことを付加した請求の範
囲27に記載の方法。 - 【請求項３３】伝送結合器及び受信結合器を受信結合器
から離れた伝送結合器の各側において負荷で分離するこ
とを付加した請求の範囲27に記載の方法。 - 【請求項３４】多成分混合物の流量を測定することを付
加した請求の範囲27に記載の方法。 - 【請求項３５】段階（１）〜（６）が最初第１位置で行
われ、そして第１成分測定を含み、また流量測定段階
が、 第１位置から離間した第２位置で第２に請求の範囲27に
従って多成分混合物の組性を測定することによって第２
組成測定値を発生すること；及び 第１、第２組成測定値を交叉相関させること を含んでいる請求の範囲34に記載の方法。 - 【請求項３６】段階（１）〜（６）が第１位置で行わ
れ、また流量測定段階が、 第１位置から既知の距離の第２位置で多成分混合物中へ
材料を注入すること；及び 第２位置から第１位置間での注入された材料の進行時間
から流量を測定することを含んでいる請求の範囲34に記
載の方法。 - 【請求項３７】（１）多成分混合物の温度、圧力及び誘
電率を測定すること； （２）多成分混合物の被測定誘電率及び被測定密度を発
生すること； （３）多成分混合物の一つの成分の容積比に関する第１
変数をゼロに設定すること； （４）多成分混合物の被測定誘電率から混合物の上記第
１成分を除いた各残りの成分の容積比を計算すること； （５）多成分混合物の残りの成分の計算された容積比か
ら多成分混合物の密度を計算すること； （６）多成分混合物の計算された密度を多成分混合物の
被測定密度と比較すること； （6.1）計算された密度が多成分混合物の被測定密度よ
り大きくない場合には、段階（９）に進こと； （７）計算された密度が多成分混合物の被測定密度より
大きい場合には、上記第１変数を新しい値に設定し直
し、そして上記設定し直した第１変数に基づいて残りの
成分の容積比を計算し直すこと； （８）多成分混合物の計算された密度が多成分混合物の
被測定密度に等しくなるまで段階（７）を繰返し、そし
て段階（12）に進こと； （９）計算された密度が多成分混合物の被測定密度より
小さい場合には、多成分混合物の最低密度成分の容積比
に関する第２変数をゼロに設定し、また計算された密度
が多成分混合物の被測定密度より小さくない場合には、
段階（12）に進こと； （11）上記被測定密度に基づいて、最高誘電率の値をも
つ成分の容積比に関する第３変数を計算することを含
む、上記最低密度成分以外の上記多成分混合物の成分の
容積比を計算し直すこと； （12）設定し直しまたは計算し直しが行われた際に、誘
電率の計算に利用した容積比が設定し直した及び計算し
直した比である場合には、混合物の成分の容積比に基づ
いて混合物の誘電率を計算すること； （13）混合物の計算された誘電率を混合物の被測定誘電
率と比較すること； （14）計算された誘電率が被測定誘電率に等しくない場
合には、上記第３変数を異なる比に設定し直し、そして
この設定し直した上記第３変数に基づいて、計算された
密度を被測定密度に等しく維持するように最高誘電率成
分を除いて混合物の残りの成分の容積比を計算し直すこ
と； （15）混合物の成分容積比を得るため、計算された誘電
率が被測定誘電率に等しくなるまで段階（14）を繰返す
こと から成る多成分混合物の成分容積比の測定方法。 - 【請求項３８】混合物の第１成分が気体である請求の範
囲37に記載の方法。 - 【請求項３９】組成の密度を測定するため上記試験区分
から離間した位置において上記変換器に接続された密度
モニタを有する請求の範囲１に記載の多成分組成モニタ
装置。 - 【請求項４０】上記測定した密度を組成に対して算定し
た密度と比較する手段を上記密度モニタに結合した請求
の範囲39に記載の多成分組成モニタ装置。 - 【請求項４１】第２信号部分の伝送特性を調整する上記
手段が第２信号部分の位相を調整する手段を含んでいる
請求の範囲15に記載の多成分組成モニタ装置。 - 【請求項４２】第２信号部分の伝送特性を調整する上記
手段が第２信号部分の位相及び減衰を調整する手段を含
んでいる請求の範囲15に記載の多成分組成モニタ装置。 - 【請求項４３】上記第１成分及び上記最低密度成分が同
じ成分である請求の範囲29に記載の方法。 - 【請求項４４】工程20のリセット工程が、 被算定誘電率が被測定誘電率より大きい場合には第３の
変数を減少し、また被算定誘電率が被測定誘電率より小
さい場合には第３の変数を増大する 工程を含んでいる請求の範囲29に記載の方法。 - 【請求項４５】負荷が反応性負加である請求の範囲33に
記載の方法。 - 【請求項４６】負荷が抵抗性負荷である請求の範囲33に
記載の方法。 - 【請求項４７】上記試験区分の周囲が上記インピーダン
ス部分の周囲と同一の拡がりをもたない請求の範囲７に
記載の多成分組成モニタ装置。 - 【請求項４８】上記試験区分が上記インピーダンス部分
と異なる寸法をもつ請求の範囲47に記載の多成分組成モ
ニタ装置。 - 【請求項４９】上記試験区分が上記インピーダンス部分
と異なる形状をもつ請求の範囲47に記載の多成分組成分
モニタ装置。 - 【請求項５０】上記試験区分が上記インピーダンス部分
と異なる幾何学的構成をもつ請求の範囲47に記載の多成
分組成モニタ装置。 - 【請求項５１】上記試験区分が上記インピーダンス部分
と異なる直径をもつ請求の範囲47に記載の多成分組成モ
ニタ装置。 - 【請求項５２】上記試験区分が上記インピーダンス部分
より大きな直径をもつ請求の範囲51に記載の多成分組成
モニタ装置。 - 【請求項５３】上記試験区分が上記インピーダンス部分
より小さな直径をもつ請求の範囲51に記載の多成分組成
モニタ装置。 - 【請求項５４】上記インピーダンス部分が上記試験区分
の上記第１及び第２端部に接続された損失の大きい負荷
部分を有している請求の範囲12に記載の多成分組成モニ
タ装置。 - 【請求項５５】上記回路が、上記第１及び第２信号部分
を上記試験区分に通し、上記第２信号部分を、最小また
は最大出力を発生する上記手段に通し、上記第１信号部
分を通さないように構成される請求の範囲12に記載の多
成分組成モニタ装置。 - 【請求項５６】最小または最大出力を発生する上記手段
が、上記入力信号を上記信号分割手段に供給するように
接続された可変周波数発生器と、上記第２信号部分の減
衰を調整するために接続された可変抵抗とを備えている
請求の範囲12に記載の多成分組成モニタ装置。 - 【請求項５７】最小または最大出力を発生する上記手段
が、上記第２信号部分の減衰及び位相をそれぞれ調整す
るため接続された可変抵抗及び位相調整期を備えている
請求の範囲12に記載の多成分組成モニタ装置。 - 【請求項５８】最小または最大出力を発生する上記手段
が、上記入力信号を上記信号分割手段に供給するように
接続された、周波数発生器と上記第２信号部分の周波数
を調整する手段とを備えている請求の範囲55に記載の多
成分組成モニタ装置。 - 【請求項５９】最小または最大出力を発生する上記手段
が、更に上記第２信号部分の減衰を調整するため接続さ
れた可変抵抗を備えている請求の範囲58に記載の多成分
組成モニタ装置。 - 【請求項６０】管の第１部分に設けられた第１モニタと
管の第２部分に設けられた第２モニタとを有し、第１、
第２モニタが組成の少なくとも一つの電気的特性を測定
し、上記第１、第２モニタの各々が、 （ａ）管と直列に結合されしかも組成物を挿入する物理
的に開放した端部をもつ包囲体を成す導電性壁を備え、
また第１、第２端部をもつ試験区分及び上記試験区分の
上記第１、第２端部の各々におけるインピーダンス区分
を備え、上記各インピーダンス区分が上記試験区分のイ
ンヒーダンスと異なるインピーダンスをもっている、変
換器； （ｂ）上記変換器に結合された電磁波を発生する手段； （ｃ）上記電磁波を上記包囲体内へ伝送するため、上記
試験区分における上記導電性壁に設けられた少なくとも
一つの電磁波伝送結合器； （ｄ）上記伝送された電磁波を受信するため、上記試験
区分における上記導電性壁に上記電磁波伝送結合器から
離間して設けられた電磁波受信結合器；及び （ｅ）上記受信した電磁波の特性を検出するため、上記
電磁波受信結合器に接続された手段 を備え、 上記第１モニタが上記第１特性値を発生し、上記第２モ
ニタが上記第２特性値を発生し、 更に、 上記第１モニタから上記第２モニタへ進むのに上記組成
物の所与部分の費やした時間を測定するため上記第１特
性値及び上記第２特性値を交叉相関させる手段を有する
ことを特徴とする管内を流れる組成物の流量を測定する
流量計。 - 【請求項６１】管内へ材料を注入するため第１位置にお
いて管に結合され、材料の少なくとも一つの電気的特性
値が組成物の同じ電気的特性値と異なる値をもつ、手
段；及び 注入した材料と組成物との上記電気的特性値を測定する
ための管の第２位置に設けられたモニタ を有し、 上記モニタが、 （ａ）管と直列に結合されしかも組成物を挿入する物理
的に開放した端部をもつ包囲体を成す導電性壁を備え、
また第１、第２端部をもつ試験区分及び上記試験区分の
上記第１、第２端部の各々におけるインピーダンス区分
を備え、上記各インピーダンス区分が上記試験区分のイ
ンピーダンスと異なるインピーダンスをもっている、変
換器； （ｂ）上記変換器に結合された電磁波を発生する手段； （ｃ）上記電磁波を上記包囲体内へ伝送するため、上記
試験区分における上記導電性壁に設けられた少なくとも
一つの電磁波伝送結合器； （ｄ）上記伝送された電磁波を受信するため、上記試験
区分における上記導電性壁に上記電磁波伝送結合器から
離間して設けられた電磁波受信結合器；及び （ｅ）上記受信した電磁波を検出し、上記特性値を発生
し、上記第１位置から上記第２位置へ流れるのに上記注
入された材料の費やした時間を測定するため上記特性値
の変化を検出する手段 を備えていることを特徴とする管内を流れる組成物の流
量を測定する流量計。 - 【請求項６２】調整可能な回路素子が可変移相器から成
る請求の範囲21に記載の多成分組成のモニタ装置。 - 【請求項６３】管内へ材料を注入するため第１位置にお
いて管に結合され、材料の少なくとも一つの電気的特性
値が組成物の同じ電気的測定値と異なる値をもつ、手
段； 管の第２位置に設けられた第１モニタ及び管の第３位置
に設けられた第２モニタを有し、第１、第２モニタが組
成物及び材料の上記電気的特性を測定し、上記第１、第
２モニタの各々が、 （ａ）管と直列に結合されしかも組成物を挿入する物理
的に開放した端部をもつ包囲体を成す導電性壁を備え、
また第１、第２端部をもつ試験区分及び上記試験区分の
上記第１、第２端部の各々におけるインピーダンス区分
を備え、上記各インピーダンス区分が上記試験区分のイ
ンピーダンスと異なるインピーダンスをもっている、変
換器； （ｂ）上記変換器に結合された電磁波を発生する手段； （ｃ）上記電磁波を上記包囲体内へ伝送するため、上記
試験区分における上記導電性壁に設けられた少なくとも
一つの電磁波伝送結合器； （ｄ）上記伝送された電磁波を受信するため、上記試験
区分における上記導電性壁に上記電磁波伝送結合器から
離間して設けられた電磁波受信結合器；及び （ｅ）上記受信した電磁波を検出し、そして上記特性値
を発生する手段 を備え、 上記第１モニタが上記第１特性値を発生し、上記第２モ
ニタが上記第２特性値を発生し、更に、上記第１モニタ
から上記第２モニタへ流れるのに上記注入された材料の
費やした時間を測定するのに上記特性値の変化を測定す
るため上記第１特性値と上記第２特性値を交叉相関させ
る手段を備えていること特徴とする管内を流れる組成物
の流量を測定する流量計。 - 【請求項６４】組成物の流量を測定する手段を上記通路
に結合した請求の範囲18に記載の多成分組成のモニタ装
置。 - 【請求項６５】組成物を受ける包囲体を成す導電性壁を
備え、また第１、第２端部をもつ試験区分及び上記試験
区分の上記第１、第２端部の各々におけるインピーダン
ス区分を備え、上記各インピーダンス区分が上記試験区
分のインピーダンスと異なるインピーダンスをもってい
る、変換器； 上記包囲体内に電磁波を発生するため、上記試験区分に
設けられた少なくとも一つの電磁波伝送結合器； 上記包囲体からの上記電磁波を受信するため、上記試験
区分に設けられた電磁波受信結合器； 上記変換器が少なくとも一つの電気的通路から成る回
路； 電磁干渉パターンを誘導させることによって上記回路か
ら最小または最大出力を発生する手段；及び 組成物の密度を測定するため上記変換器に接続され、上
記最小または最大出力及び上記密度が組成物における成
分材料の比を特定するのに役立つ密度モニタを有するこ
とを特徴とする組成物中の成分材料の比を測定する多成
分組成のモニタ装置。 - 【請求項６６】上記包囲体が組成物を流すようにされた
通路を備えている請求の範囲65に記載の多成分組成のモ
ニタ装置。 - 【請求項６７】組成物の流量を測定する手段を上記通路
に結合した請求の範囲66に記載の多成分組成のモニタ装
置。 - 【請求項６８】上記モニタが組成物を流す管の第１位置
に装着された第１モニタを構成し、請求の範囲65による
第２の多成分組成モニタが上記第１位置から離れた上記
管の第２位置に装着され、上記第１、第２モニタが繰合
さって上記管を流れる組成物の流量を測定する手段を構
成し、さらに上記第１、第２モニタには、上記第１位置
から上記第２位置へ進むのに上記組成物の一部分の費や
した時間の長さを測定するため上記多成分組成モニタ及
び上記第２モニタからの出力信号を交叉相関させる手段
が接続される請求の範囲65に記載の多成分組成のモニタ
装置。 - 【請求項６９】材料注入口部が上記多成分組成モニタよ
り上流の既知の距離において上記管に装着され、上記多
成分組成モニタ及び上記材料注入口部が繰合さって上記
管を流れる組成物の流量を測定する手段を構成し、上記
流量測定手段が上記多成分組成モニタへ流れる上記材料
注入口部で注入された材料の費やす時間の大きさを測定
する手段を備えている請求の範囲65に記載の多成分組成
のモニタ装置。
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