JP4147482B2 - 流体の特性を判定する測定機構 - Google Patents

Description

本発明は測定工学で適用可能であり、特に、流体の特性を測定するにあたって適用可能である。特に油、特に液体の揚げ物用油の場合、本発明により、測定可能な誘電特性に基づいて特定の特性を判定することができる。
本発明は、電気容量を測定するための第１のセンサと、温度測定をするための第２のセンサとを備える、流体の誘電特性に基づいて流体、特に揚げ物用油の特性、特に経時劣化状態を判定する測定機構に関するものである。
さらに本発明は、浮遊電界コンデンサとして構成された測定コンデンサを有していて流体に含浸可能な誘電センサを備える、流体の誘電特性を測定するセンサ機構に関するものである。

食用に用いられる油についてだけでなく、機械系で工業的な用途に用いられる油についても、特に温度上昇の影響によって規定される経時劣化プロセスが生じることが知られている。それぞれの油の品質を変化させるさまざまな化学反応が起こる。
まず視覚的な印象に基づいて、すなわち時間の経過とともに減少する光学的な透過性または変色に基づいて、油の鑑定が行われることが多い。
しかしながらそのような量は、品質を判定するには一般に不十分な個別のパラメータであるにすぎない。

例えば揚げ物用油はすでに目に見える変色が起こる以前から、交換が必要であるという結果につながる可能性のある品質低下を、他のパラメータを使って発見することができる。
油の主要な品質は、例えば、光学テストと併用されることもある化学テストによって判断することができる。
近年、測定された誘電率を使って油の経時劣化状態を判断するという方法も知られている。
この場合、誘電率が温度にも追加的に依存していることが１つの問題点になる。この問題を解決するために、例えば、油試料を一定に設定された温度まで加熱または冷却し、その温度で誘電測定を実施することが意図されていてよい。このような種類の測定方法は、例えば米国特許第５８１８７３１号明細書の中で従来技術として斟酌されている。

さらに同明細書には、例えば誘電測定値や油の粘度など、測定された複数の物理パラメータによって品質を判定しようとする測定方法も記載されている。
揚げ物用油の色は、品質を判定するためのもっとも敏感な量の１つなので、米国特許第５８１８７３１号明細書では、誘電測定と、特定の波長領域における光学的な透過性の測定とを組み合わせて、油の品質の包括的な判断を行うことが提案されている。そのために油試料が測定容器に充填され、そこでレーザダイオードからの波長６７５ナノメートルの光で照射されて、その波長領域での透過性を測定する。さらに測定コンデンサによって誘電率が測定される。この測定は、試料が１５５℃から１８５℃の間の温度まで加熱された後で行われる。誘電測定が実施された後、温度測定と記憶されている回帰曲線とを用いて、測定された誘電率が既知の温度依存性に基づいて、１５５℃から１８５℃の間の標準温度のときの値に換算される。そしてこの値から、測定された透過性との組み合せで、油の品質に関する情報を得ようとするものである。
この公知の測定機構の欠点は、測定時間が数分から１０分前後に及ぶことや、測定のために使用する一定量の油を試料として採取し、温度調節しなければならないことである。次回の測定をする前に、試料容器を徹底的に洗浄しなければならない。

それに対して本発明の課題は、簡単に構成されており、少ない設計コストと、簡単であまりコストのかからない条件とで、そのつどの流体の品質を迅速に判定することを可能にする、冒頭に述べた種類の測定機構およびセンサ機構を提供することである。

この課題は、本発明の測定機構において、第１のセンサが、流体に含浸可能な、測定コンデンサとしての役目をする浮遊電界コンデンサを有する誘電センサとして構成されており、第２のセンサは、流体に含浸可能な温度センサとして構成されていることによって解決される。
誘電率と温度が測定されることによって、原理的に、そのつどの流体の状態や特性に関する情報を導き出すことが可能である。センサを含浸可能なセンサとして施工することは、その場での測定を可能にし、測定機構に充填するための試料を採取しなくてよい。それにより、まず第１に試料採取の必要性がなくなるという点で、および第２に温度変化なしに流体容積の所与の温度で測定が行われることによって、測定時間が短縮される。それにより、測定値の評価に課せられる要求は増えるものの、測定プロセス自体は簡単かつ迅速に実行可能である。評価の際には、流体に関する品質情報を導き出すために測定された誘電率を評価するときに、測定が行われたそのつどの温度を考慮しなければならない。

このような種類の測定機構は容易に持ち運ぶことができ、例えば電気式揚げ器等の流体が使用される容器で測定をするために直接利用することができる。また、このような種類の測定機構は使用する揚げ物用油をチェックするために電気式揚げ器に恒久的に組み付けることもでき、または後付けすることもできる。

本発明の１つの有利な実施形態は、第１および第２のセンサが、そのつど測定された温度値および測定された電気容量値に判定されるべき特性の値を割り当てる評価装置と接続されていることを意図している。
評価装置には、計算アルゴリズムまたは数値マトリクスが格納されていてよく、これらによって、そのつど測定された温度値および測定された容量値に、ないしはこれらの値から得られた誘電率に、例えば揚げ物用油の経時劣化状態といった流体の品質値が割り当てられる。例えば事前に経験的に求めておいた値を用いて、誘電率およびその誘電率が測定された温度から、流体中の特定の極性物質割合の濃度を判定することができ、さらにこの濃度から流体の経時劣化状態を推定することができる。

本発明の別の有利な実施形態は、評価装置の比較装置で、そのつど誘電センサにより測定された電気容量の値が、測定された温度値に割り当てられる記憶されていた基準値と比較され、基準値への到達または超過によって信号が出力されることを意図している。
この場合、評価装置は、測定を実施することができる各々の温度値について、すなわち例えば３０℃から２００℃までの温度値について、０．５℃または１℃の間隔で、流体に生じる経時劣化状態に関してちょうどまだ許容することができる、測定された容量の値またはそこから求められた誘電率の値を含んでいる。基準値としてのこの値を上回ると、評価装置は比較の後に信号を出力し、この信号が例えば光学的、音響的な警告信号の形で使用者に警告を発する。

さらに本発明は有利には、測定コンデンサの近辺に配置された補助コンデンサで測定された容量の参照測定値を考慮したうえで、電気容量の測定値を修正するための補正装置によって構成されていてよい。
流体の誘電率は、測定コンデンサとしての役目をする浮遊電界コンデンサが流体に含浸されたときに、これに対する流体の影響が判定されることによって判定される。流体の高い誘電率によって、測定コンデンサの電気容量の増大が生じる。ただしこのとき、流体への測定コンデンサの含浸を超えて外乱となる要因も、容量の測定時に発生する可能性があることを考慮しなければならない。例えば測定コンデンサのリード線の間にも、外部要因によって変化する可能性のある容量がある。測定コンデンサのリード線が流体に含浸されると、これらのリード線の間でも容量が増大し、このことは、測定コンデンサ自体で実施されるべき容量測定の外乱につながる。この理由から補助コンデンサが設けられ、その容量は、例えば測定コンデンサが流体にあまりに深く含浸されたときに、測定コンデンサのリード線の容量と同じように変化する。補助コンデンサの容量を監視していれば、補助コンデンサの電気容量の上昇から、流体に補助コンデンサが含浸されていることがわかる。このことは、測定コンデンサでの測定の補正の必要性につながる。測定コンデンサで測定された容量が、リード線に対する影響によって誤差を含んでいるので、相応に補正されなくてはならない。

この補正は、補助コンデンサの容量の増大が観測されると、補助コンデンサの容量が標準値に一致するまで、センサが液体からさらに少しだけ引き出されることを意図することもできる。そうすれば、測定コンデンサのリード線が流体の中に入らないことが保証される。
あるいは、測定コンデンサのリード線ないし測定コンデンサ自体に対する上記以外の環境要因、例えば流体の誘電率の温度依存性を超える温度要因なども、補助コンデンサの挙動を考慮に含めることによって補正することができる。

さらに本発明の有利な実施形態は、浮遊電界コンデンサとして構成された測定コンデンサを有する液体に含浸可能な誘電センサを備える、流体の誘電特性を測定するためのセンサ機構において、センサが補助コンデンサを有しており、センサを液体に入れる場合、測定コンデンサが流体（２）に完全に含浸された後に、補助コンデンサ（１７，１８）が流体（２）に含浸されることを意図している。
このような種類のセンサ機構は、上に述べたような意味で、同じく本発明の対象物である測定機構のために最適に利用することができる。その場合、できるだけ良好な補正のために、測定コンデンサと補助コンデンサのリード線が互いに対称かつ同一設計で構成されることが意図されていてよい。そうすれば、これらのリード線は同一の形で同一の外乱影響を受けることになる。

さらに本発明によるセンサ機構は、補助コンデンサが、測定コンデンサのリード線と同様に構成、配置された、測定コンデンサの手前で終わる２本のスタブ回線で形成されるように構成されていてよい。測定コンデンサと補助コンデンサのリード線の対称性により、両方のリード線に対して同程度に作用する外乱要因が生じた場合に、例えば測定値の減算によってこうした外乱要因を最適に補正することができる。

本発明によるセンサ構造のさらに別の有利な実施形態は、測定コンデンサが、特に櫛形コンデンサの形態で、複数の平坦な条導体によって形成されることを意図している。
センサ構造は、例えば条導体が薄膜技術または厚膜技術で絶縁性の支持体に印刷されることにより、格別に簡単に構成されていてよい。
条導体は、例えば平坦な物体、あるいは円形または円筒状の物体に塗布されていてよい。
円筒状の形態は格別に省スペースであるという特徴があり、それに対して平坦な構造は流体との相互作用面積が広くなるので、流体の温度補正に非常に短い時間しか要しない。

本発明のセンサ構造では、温度センサはＮＴＣ抵抗の形態、ＰＴＣ抵抗の形態、または温度素子の形態で製作されているのが好ましい。このような温度センサは低コストで、良好に目盛定めが可能であり、耐久性があり、挙動の点で安定しているので、センサ機構全体をあまりに頻繁に較正する必要がない。
温度センサが誘電センサと組み合されて１つの設計単位になっていると、好都合であることが判明している。温度センサは、例えば測定コンデンサの条導体の支持体に取り付けられていてよい。この場合、両方のセンサを備えるただ１つのプローブを流体ないし揚げ物用油に含浸させるだけでよいので、センサ機構ないし測定機構の使い方が簡素化される。

さらに、温度センサのリード線が絶縁性の支持体に条導体の形で塗布されていると、好ましいことが判明している。こうした設計的な施工形態によりセンサ機構が格別に簡単かつ低コストに構成され、容量の測定時に温度センサのリード線によって外乱が生じることもない。

次に、実施例を使って本発明を図面の図示し、引き続いてこれを説明する。
図１には、例えば揚げ物用油などの流体に含浸されたセンサ装置１を有する測定機構が模式的に示されている。センサ機構１は、後でさらに詳しく説明する誘電センサと温度センサとを有している。
センサ機構１は、電気的なリード線３を介して、デジタル式の評価装置４と接続されている。評価装置４は、測定データから容量、誘電率、またはこれに相当する値が判定される第１の計算装置５を有している。第２の計算装置６では、温度センサから供給されたデータから、流体の温度が判定される。

第３の計算装置７では、誘電率の値および測定された温度の値に、流体の状態、本例で言えば揚げ物用油の経時劣化状態を表す客観的な基準となる、誘電率の温度依存的な値が割り当てられる。これは、例えば一定の温度に関連づけられた値であってよい。こうして判定された値が表示器８で表示されて、利用者に出力される。表示器８に代えて、さらに別のデータ処理装置にデータを送るためのインターフェースが設けられていてもよい。

図２には図１と類似する測定機構が示されており、同じ部材には図１と同じ符号が付されている。
上に説明した例と同様に、第１の計算装置では誘電率またはこれに対応する量が判定される。第２の計算装置６では温度が判定される。
これに加えて、第２の計算装置では、さまざまな温度値について記憶されている基準データに基づき、そのつどの温度でちょうどまだ許容される特定の誘電率またはこれに対応する値、例えば測定されるべき揚げ物用油について測定された容量が、温度に割り当てられる。基準データは記憶ユニット９に記憶されている。第１の計算装置５によって判定された誘電率またはこれに対応する量の値は、第２の計算装置６によって測定された温度に割り当てられる、ちょうどまだ許容される基準量と、比較装置１０で比較される。この比較は、両方の値が一致している場合、または基準値のほうが下回っている場合、相応の第１の表示装置１１が作動して、揚げ物油がまだ適正であり使用可能であることを表示するという形で判断される。

第１の計算装置５で判定された誘電率またはこれに対応する量が、割り当てられた基準値を上回ると、第２の表示装置１２が作動して、揚げ物油がもはや使用できず、交換すべきであることがことが表示される。第１の表示装置１１は例えば緑色のランプとして構成されていてよく、第２の表示装置１２は赤色のランプとして構成されていてよい。比較装置１０は、すでに誘電率の測定値が基準値と一致したときに揚げ物用油が不合格とされ、第２の表示装置で交換の必要性が表示されるように設定されていてもよい。

次に、誘電率と温度の測定値を得る方法について詳細に説明する。まず図３、図４、図５を参照する。図３には、図１と図２に示すセンサ機構１の一部が側面図で示されている。図３は平坦なセラミック支持体１３を示しており、その上に平坦な条導体が薄膜技術または厚膜技術で印刷されている。条導体は、例えば金などの貴金属で形成されるのが好ましい。図の左側部分には、同種類に構成されて互いに平行に延びる４本のリード線が示されている。

図の右側部分には、メアンダ状に互いに入り組んだ条導体を備える浮遊電界コンデンサの形態で構成された測定コンデンサ１４が示されている。円の中に示す詳細拡大図に測定コンデンサが再度図示されており、この図を見るとわかりやすい。測定コンデンサは、測定コンデンサ１４から評価装置４の第１の計算装置５まで通じる２本のリード線１５，１６を有している。

測定コンデンサ１４の容量は、電気力線がそのすぐ周辺部分を貫いているので、測定コンデンサ１４が中に置かれている媒体に依存して決まる。測定コンデンサが図１と図２に示すように、空気よりも高い誘電率を有する流体２に含浸されると、測定コンデンサ１４の容量は著しく増大する。測定された容量の増大から、測定コンデンサ１４を取り囲む媒体の誘電率を推定することができる。

測定コンデンサのリード線１５，１６に加えて、セラミック支持体１３には、切り離されたスタブ回線として測定コンデンサ１４の手前で終り、容量が評価装置４で同じく監視される補助コンデンサを形成するリード線１７，１８も設けられている。測定コンデンサ１４での容量測定に誤差を生じさせるような測定コンデンサのリード線１５，１６の環境の変化は、リード線１７，１８で構成される補助コンデンサの測定結果も同じように変化させる。補助コンデンサの容量の変化を通じて外乱の量を判定し、測定コンデンサにおける測定の外乱を補正することができる。このことは、例えばリード線１５，１６，１７，１８が部分的に流体に含浸され、それによってリード線の容量が有意に上昇する程度に深く、センサ機構１が流体２に含浸された場合に重要になる可能性がある。

第１の計算ユニット５の補正装置５ａで行われるこのような補正により、流体の誘電率の測定における誤差の生じやすさが大幅に減り、センサ機構が理想的に取り扱われるかどうかに左右されなくなる。測定機構の較正も、公知の測定機構に比べて大幅に少ない頻度で行うことができる。

図３では、測定コンデンサのリード線１５，１６および１７，１８が互いに交互に配置されているのに対して、図４は、測定コンデンサ１４のそれぞれ両方のリード線と、補助コンデンサの両方の切り離されたスタブ回線とが直接相並んで配置される構成を示している。この場合、各リード線の間隔は、相並んで平行に延びるリード線の幅全体が、測定コンデンサ１４の幅にほぼ相当するように選択される。

それに対して図５には、測定コンデンサ１４のリード線が直接相並んで、かつ同じようにスタブ回線も直接相並んで、互いに平行に配置されている構成が図示されており、ただし４本の回線はすべて非常に密接に互いに平行に通っており、このことはリード線容量の増大につながる。それにより、リード線がすでに流体で取り囲まれるほどセンサが深く流体に含浸されているかどうかに対して機構が敏感になる。

図５に示すセラミック支持体１３の端部には、一例として温度素子の形態の温度センサ１９が模式的に図示されている。この温度センサにより、測定コンデンサが含浸されると、そのすぐ周囲で流体の温度が測定される。温度センサ１９は、セラミック支持体１３の裏面に延びていて図面には示していない第２のリード線によって評価装置４と接続され、そこで温度を判定するための第２の計算装置６と接続されている。

図３、図４、図５に示すリード線は、セラミック支持体１３の端部のところで、それぞれ幅が広くなった条導体片２０として終わっており、これらの条導体片は、そこに差し込まれるプラグに対する差込接触部としての役目をすることができ、このプラグはフレキシブルケーブルの端部を形成しており、このケーブルの他方の端部が評価装置４と接続されている。フレキシブルケーブルは、コンデンサのリード線の容量に対する影響を妨げないようにするために、適宜遮蔽することができる。
図示した測定機構は、そのために用いられるセンサ機構との連携によって、油、特に揚げ物用油の誘電特性を判定するに際して、短い測定時間、高い測定制度、較正コストの低減を実現する。ただし、この測定装置は流体の誘電率と関連するその他の量を判定するときにも用いることができる。これは液体に限定されるわけではなく、例えば電気設備の絶縁ガスなどの気体中での用途も考えられる。大量生産品としては、例えば図面に示しているような測定装置を、自動車のエンジンオイルの品質管理にあたって標準装備で採用することも考えられる。それによれば自動車の運転者への表示を、エンジンの使用頻度に依存して行うだけでなく、エンジンオイルの品質測定が実際に行われた後にダッシュボードのランプを通じて行うことができる。

本発明による測定機構を第１実施形態で示す模式図である。 本発明による測定機構を第２実施形態で示す模式図である。 誘電センサの実施形態示す図である。 誘電センサの実施形態示す図である。 誘電センサの実施形態を示す図であり、温度センサもともに示されている。

Claims (10)

1. 電気容量を測定するための第１のセンサ（１４）と、温度測定をするための第２のセンサ（１９）とを備える、流体の誘電特性に基づいて流体（２）の特性を判定する測定機構において、
   第１のセンサが、流体に含浸可能な、測定コンデンサとしての役目をする浮遊電界コンデンサを有する誘電センサ（１４）として構成されており、第２のセンサは、流体（２）に含浸可能な温度センサ（１９）として構成されており、
   前記測定機構は前記測定コンデンサの近辺に配置された補助コンデンサ（１７，１８）を備え、その容量は、測定コンデンサ（１４）のリード線の容量と同じように外部要因によって変化し、補助コンデンサ（１７，１８）で測定された容量の参照測定値を考慮したうえで、測定コンデンサの電気容量の測定値を修正する補正装置（５ａ）が設けられ、 第１のセンサ（１４）を液体に入れる場合、測定コンデンサが流体（２）に完全に含浸された後に、補助コンデンサ（１７，１８）が流体（２）に含浸されることを特徴とする測定機構。
2. 第１および第２のセンサ（１４，１９）が、そのつど測定された温度値および測定された電気容量値に、判定されるべき流体の品質値を割り当てる評価装置（４）と接続されている、請求項１に記載の測定機構。
3. 評価装置（４）の比較装置で、そのつど誘電センサ（１４）により測定された電気容量の値が、測定された温度値に割り当てられる記憶された基準値と比較され、基準値への到達または超過の作用として信号が出力される、請求項２に記載の測定機構。
4. 測定コンデンサと補助コンデンサ（１７，１８）のリード線（１５，１６，１７，１８）が互いに対称かつ同一設計で構成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の測定機構。
5. 補助コンデンサ（１７，１８）が、測定コンデンサのリード線（１５，１６）と同様に構成、配置された、測定コンデンサの手前で終わる２本のスタブ回線で形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の測定機構。
6. 測定コンデンサが、櫛形コンデンサの形態で、複数の平坦な条導体によって形成されている、請求項１〜５のいずれかに記載の測定機構。
7. 前記条導体が薄膜技術または厚膜技術で絶縁性の支持体（１３）に印刷されている、請求項６に記載の測定機構。
8. 温度センサ（１９）がＮＴＣ抵抗の形態、ＰＴＣ抵抗の形態、または温度素子の形態で製作されている、請求項１から７のいずれかに記載の測定機構。
9. 温度センサ（１９）が誘電センサ（１４）と組み合されて１つの設計単位になっている、請求項８に記載の測定機構。
10. 温度センサのリード線が絶縁性の支持体（１３）に条導体の形態で塗布されている、請求項８または９に記載の測定機構。

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