JP3652890B2 - 極低温流体の密度計測装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体水素と液体水素とがシャーベット状に混合しているスラッシュ水素等の極低温流体の密度を、マイクロ波を使って測定する密度計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体水素と液体水素とをシャーベット状に混合してなるスラッシュ水素は、輸送、貯蔵コストの面で液体水素等よりも有利な新燃料として注目されている。
このように固体と液体とが混合している極低温流体を宇宙燃料として使う場合などはその正確な密度を知ることが必要となる。
【0003】
スラッシュ水素のような極低温流体の密度を計測するやり方として、その極低温流体中にマイクロ波をアンテナから導入し、極低温流体を通過したマイクロ波を他のアンテナで受け、その間におけるマイクロ波の位相変化からその極低温流体の誘電率を測定し、得られた誘電率から密度を求める方法がある。
【0004】
すなわち、スラッシュ水素のような固液混相流体では、上記方法を用いれば固液混合状態の平均値として誘電率が求まり、この誘電率と固相単相の誘電率及び液相単相の誘電率から、固相と液相の混合割合が決定され、この混合割合より密度が求められる。
このように極低温流体中にマイクロ波をアンテナから導入して他のアンテナで受け、その間のマイクロ波の位相変化から極低温流体の誘電率を測定する原理は次の式によって与えられる。
【0005】
【数1】
Figure 0003652890
【0006】
マイクロ波を極低温流体中に導入したり、極低温流体中を通過したマイクロ波を受けるのに従来は図6に示すような導波管の先にホーンアンテナを付けたものが使われていた。マイクロ波は、導波管の内面のマイクロ波反射面の間を通って導かれ、ホーンアンテナから出て極低温流体中を通ったのち、他のホーンアンテナから入って導波管の内面のマイクロ波反射面の間を通って、測定器具へと導かれる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このように、導波管に付けたホーンアンテナを使ってマイクロ波を極低温流体中に導き、その密度を計測する従来の装置では、導波管が比較的細い管であるため、極低温流体が含有している固体のために流動性が悪い場合、極低温流体が細い導波管中に充分に入って行かない場合が生じた。
このように導波管中への極低温流体の入り込みにむらがあると、先に示した数式中のマイクロ波光路長Lが変化し、これが原因で測定された誘電率に誤差を生ずるという問題があった。
【0008】
そこで本発明は、スラッシュ水素等極低温流体内にマイクロ波を導入して同極低温流体の誘電率を測定し、得られた誘電率を基に同極低温流体の密度を計測する密度計測装置において、極低温流体内にマイクロ波を導入するアンテナにおける光路長の変化により計測結果に誤差が生ずるのを防止可能にした極低温流体の密度計測装置を提供することを課題としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するため、同軸ケーブルを、極低温流体を収容している槽のLN 2 内を経由して極低温流体中の前記平板アンテナへ接続し、誘電率計測用のマイクロ波を同軸ケーブル及び前記極低温流体中に浸漬された平板アンテナ(パッチアンテナ)を介して前記極低温流体中に導入するように構成した極低温流体の密度計測装置を提供する。
【0010】
本発明の計測装置によれば、基本的な構成として、極低温流体中にマイクロ波を導入するのに同軸ケーブルと平板アンテナを使用しているので、極低温流体の流動状態が悪い場合もマイクロ波光路長は平板アンテナ間の間隔で常に一定しており、従来の導波管とホーンアンテナを用いたもののように極低温流体の流動状態によってマイクロ波光路長が変化するような不具合が生じない。
【0011】
他方、前記したように極低温流体中に浸漬されている平板アンテナに同軸ケーブルでマイクロ波を導入する場合、同軸ケーブルを構成しているテフロンなどの誘電体の誘電率が同軸ケーブルの極低温流体への浸漬長さが極低温流体の液面変動等により変動すると変化し、これが極低温流体の誘電率測定における誤差となる恐れがある。
【0012】
しかしながら、本発明による極低温流体の密度計測装置では、前記した基本的な構成に加え、前記同軸ケーブルを前記極低温流体を収容している槽の周りを取り囲み、前記極低温流体への侵入熱低減のために配置したLN2 槽内を経由して前記極低温流体中の前記平板アンテナへ接続した構成を採用する。
このように構成することによって、同軸ケーブルは一定レベルのLN2 槽内を通って極低温流体中の平板アンテナへ導かれるので、同軸ケーブルの温度変化による誘電率変化を生ずることがない。
【0014】
更にまた、本発明の極低温流体の密度計測装置は、前記基本的な構成に加え、同軸ケーブルの温度変化が極低温流体の誘電率測定に誤差を及ぼすのを防ぐための手段として、同軸ケーブルに温度センサを付設して、同軸ケーブルの温度変化により計測値の補正を行なうようにした構成を採用する。
この構成によれば、たとえ同軸ケーブルに温度変化を生じてもその温度変化が誘電率測定に与える影響を補正して正確な誘電率測定が可能である。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による極低温流体の密度計測装置について図1〜図5に示す実施の形態、及び参考例に基づいて具体的に説明する。なお、以下の実施形態は、スラッシュ水素を密度計測の対象としている。
【0018】
参考例1
まず図1に示す参考例1による装置について説明する。図1において、1はスラッシュ水素3中に浸漬された一対のパッチアンテナ(平板アンテナ)で、2はパッチアンテナ1へマイクロ波を導く同軸ケーブルである。
【0019】
一方の同軸ケーブル2によって導かれたマイクロ波は、一方のパッチアンテナ1からスラッシュ水素3を介して他方のパッチアンテナ1へ伝えられ、他方の同軸ケーブル2を介して図示していないネットワークアナライザ等の計測器に導かれて、一対のパッチアンテナ1の間のスラッシュ水素3中を伝わる間に生じた位相変化が測定される。計測されたマイクロ波の位相差から前記したようにスラッシュ水素の誘電率が得られ、その誘電率から密度が知られる。
【0020】
このように構成したパッチアンテナ1と同軸ケーブル2を用いてマイクロ波をスラッシュ水素中を通すようにすると、スラッシュ水素の流動状態が悪い場合もスラッシュ水素はパッチアンテナ1の間に常に存在しうるので、従来のホーンアンテナを用いた装置のように、マイクロ波光路長に変化を生じて誤差の原因となるような事がない。
【0021】
(第実施形態)
次に、図2に示す第実施形態による極低温流体の密度計測装置について説明する。図2において、4は密度を計測すべきスラッシュ水素3を収容しているスラッシュ水素槽で、槽4の周りにはスラッシュ水素3への侵入熱低減のためのLN2 槽5が設置されており、槽5内にはLN2 が入れられている。
【0022】
この実施形態では、スラッシュ水素3内に浸漬されたパッチアンテナ1にマイクロ波を導く同軸ケーブル2をLN2 槽5に充填したLN2 6の中を通して配設している。なお、図2において、8は同軸ケーブル2が連絡されたネットワークアナライザを示している。
【0023】
このように構成した図2の密度計測装置では、LN2 槽は侵入熱低減のため液位を常に一定に保っており、同軸ケーブル2がLN2 槽5のLN2 に浸漬されて導かれているので、スラッシュ水素槽4内のスラッシュ水素3の液面7が変動しても、同軸ケーブル2の温度は一定に保持される。
従って、同軸ケーブル2の温度が変化することにより同軸ケーブル2の誘電率が変化してスラッシュ水素3の誘電率測定に誤差を生ずることがない。
【0024】
参考例2
次に、図3に示す参考例2による極低温流体の密度計測装置について説明する。図3において、9は断熱真空導入管を示し、パッチアンテナ1にマイクロ波を導く同軸ケーブル2はスラッシュ水素槽4内でこの断熱真空導入管9内を通してパッチアンテナ1へ導かれている。
【0025】
同軸ケーブル2は、スラッシュ水素槽4内のスラッシュ水素3の液面7部分では断熱真空導入管9によってスラッシュ水素3から隔離されていて、スラッシュ水素3の液面7が変動しても同軸ケーブル2の温度はそれによって変化しない。従って、第実施形態の場合と同様、同軸ケーブル2の温度が変化することにより、同軸ケーブル2の誘電率が変化してスラッシュ水素の誘電率測定に誤差を生ずるということがない。
【0026】
(第実施形態)
次に図4に示す第実施形態による極低温流体の密度計測装置について説明する。図4において、10は温度センサを示し、同軸ケーブル2に適宜の間隔で複数個取付けられている。これらの各温度センサ10は図示していない位相補正装置に連絡されている。同軸ケーブル2の構成以外のその他の構成は参考例2として図3に示した極低温流体の密度計測装置の構成と同じである。
【0027】
図4に示した第実施形態による極低温流体の密度計測装置では、同軸ケーブル2の温度変化が温度センサ10によって検出され、その温度変化は位相補正装置に導かれて、計測されたマイクロ波の位相変化値を補正する。こうして同軸ケーブル2のスラッシュ水素3の液面近傍での温度変化による誘電率計測値に表われる誤差を修正し、正確な誘電率の計測が可能となる。
【0028】
参考例3
次に図5に示す参考例3による極低温流体の密度計測装置について説明する。図5において11は内部を真空状態にされた導波管を示している。
12と13はそれぞれ同軸ケーブルと導波管との間のマイクロ波の伝達を行わせる為の同軸/導波管変換器を示している。
その他の構成は、参考例2として図3に示した極低温流体の密度計測装置の構成と同じである。
【0029】
図5に示した参考例3による極低温流体の密度計測装置では、同軸ケーブル2は温度変化が起り易いスラッシュ水素3の液面近傍で内部を真空にされて温度変化による誘電率変化の影響がない導波管11を介してマイクロ波を伝達しているので同軸ケーブル2は温度変化を起し難く、従って、この装置によると、同軸ケーブル2の温度変化による影響なしにスラッシュ水素中を通るマイクロ波の位相差を計測し、スラッシュ水素3の誘電率を正確に計測することができる。
【0030】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明はスラッシュ水素等極低温流体内にマイクロ波を導入して同極低温流体の誘電率を測定し、得られた誘電率を基に同極低温流体の密度を計測する密度計測装置において、同軸ケーブルを、極低温流体を収容している槽のLN 2 内を経由して極低温流体中の前記平板アンテナへ接続し、前記マイクロ波を同軸ケーブル及び前記極低温流体中に浸漬された平板アンテナ(パッチアンテナ)を介して前記極低温流体中に導入するように構成した極低温流体密度計測装置を提供する。
【0031】
この計測装置によればマイクロ波は平板アンテナを介して極低温流体中に導入されるので、極低温流体中に固体が混っていても平板アンテナ間には極低温流体による安定したマイクロ波光路が形成される。
従って、マイクロ波光路長の変化により計測結果に誤差を生ずることがない。
【0032】
しかも本発明による極低温流体の密度計測装置において、同軸ケーブルをLN2 内を通したり、断熱真空導入管を通して、あるいは導波管を介して平板アンテナへ導くようにしているので、同軸ケーブルに温度変化を生じさせず、計測結果に同軸ケーブルの温度変化による誤差が生ずるのを防ぐ効果がある。
【0033】
更にまた、本発明の極低温流体の密度計測装置においてマイクロ波を平板アンテナへ導く同軸ケーブルに温度センサを付設して同軸ケーブルの温度変化による計測値の補正を行うようにしたものも同軸ケーブルの温度変化による誤差を除いて密度を計測可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の参考例1によるスラッシュ水素の密度計測装置における要部の構成を示す説明図。
【図2】 本発明の第実施形態によるスラッシュ水素の密度計測装置の構成を示す断面図。
【図3】 本発明の参考例2によるスラッシュ水素の密度計測装置の構成を示す断面図。
【図4】 本発明の第実施形態によるスラッシュ水素の密度計測装置の構成を示す断面図。
【図5】 本発明の参考例3によるスラッシュ水素の密度計測装置の構成を示す断面図。
【図6】 従来のスラッシュ水素の密度計測装置の構成を示す断面図。
【符号の説明】
1 パッチアンテナ
2 同軸ケーブル
3 スラッシュ水素
4 スラッシュ水素槽
5 LN2
6 LN2
7 液面
8 ネットワークアナライザ
9 断熱真空導入管
10 温度センサ
11 導波管
12 同軸/導波管変換器
13 同軸/導波管変換器

Claims (2)

  1. スラッシュ水素等極低温流体内にマイクロ波を導入して同極低温流体の誘電率を測定し、得られた誘電率を基に同極低温流体の密度を計測する密度計測装置において、同軸ケーブルを、前記極低温流体を収容している槽のLN 2 内を経由して前記極低温流体中の前記平板アンテナへ接続し、前記マイクロ波を前記同軸ケーブル及び前記極低温流体中に浸漬された平板アンテナを介して前記極低温流体中に導入することを特徴とする極低温流体の密度計測装置。
  2. スラッシュ水素等極低温流体内にマイクロ波を導入して同極低温流体の誘電率を測定し、得られた誘電率を基に同極低温流体の密度を計測する密度計測装置において、前記マイクロ波を同軸ケーブル及び前記極低温流体中に浸漬された平板アンテナを介して前記極低温流体中に導入すると共に、前記同軸ケーブルに温度センサを付設して、前記同軸ケーブルの温度変化により計測値の補正を行なうように構成したことを特徴とする極低温流体の密度計測装置。
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