JPH02132362A - 液体の特徴を測定するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 この発明はその誘電特性に影響する液体の特徴、特に液
体の組成、すなわち成分の比率を測定するための装置に
関するものである。

このａ１リ定は、たとえばアルコールと水の混合物にお
いてアルコール含有量の観察と自動的な再充填に使用さ
れるものであり、いわゆる「ため溶液」として印刷装置
において使用されるものである。

先行技術の説明 先行技術の装置はアルコール含有量に従って混合物の特
定の重量に反応し、かつその浮動的なレベルによってス
イッチを作動させるゲージまたはフロート弁を使用する
。その短所の１つは埃、気泡、および機械的な運動に対
する感度である。さらに、測定された弁の瞬間の正確な
表示は得るのが困難である。

材料の水含有量を求めるために誘電率の変化を利用する
種々の方法がある。ドイツ特許第３５０７５０７号はた
め溶液とともに用いる容量性プローブを記述するが、こ
れは、しかしながら、単に充填レベルを測定するだけで
あって、液体の組成は測定しない。

ドイツ特許第３５１８１８６号は容量に基づくアプロー
チを使用してアルコールにおける水含有量を求める方法
を記述し、ドイツ特許第２００２１６８号は水と油の混
合比率を求める電極ブローブを記述する。ドイツ特許第
３４３３７４０号とドイツ特許第２４３６３４４号はバ
ターにおける水含有量を測定するためのプローブを記述
する。

上記のすべての方法は容量プローブの電極に現われる電
気容量を求めることに基づいている。これらの従来の技
術は、しかしながら、水含有量が混合物の主要部分を表
わすとき、さらに水の導電度が、或る一定の付加された
塩またはため溶液に典型的に使用される緩衝化学物質に
より増加されるとき、結果として生じる誤りのために、
混合比率を測定するのに適していない。さらに、高いパ
センテージの水を持つことは混合物が高い誘電率を有す
る（水は約８０である）ようにし、この誘電値は、高い
初期値に対して、付加されたアルコルによってほんの少
量減少される。ため溶液におけるアルコールパーセンテ
ージの一般に使われる値は３から２５％である。

従来のアプローチのもう１つの不便なことは浦またはイ
ンク残留物のような汚染が電極の表面にくっ付くであろ
うし、それら自身の誘電率によって測定を不正確にする
。浦は約３の極端に小さい誘電率を有し、従って容量性
経路と直列でアイソレータのように機能する。同じこと
が、新鮮な水から現われ電極にくっ付きがちである気体
の泡について起こる。

発明の概要 この発明の主要な目的は、上記の欠点を避け、いかなる
測定にも適し、動く部分を含まず、したがって汚染物や
動きの影響を受けない方法および装置を提供することで
ある。

この発明は電極プローブの中に少なくとも１っの電気的
に絶縁している物体を含み、それは液体に接触して、か
つ電界線の偏向、拡大、狭窄を起こすために電界の中に
位置する。このことは電極の表面における電界の強度を
低下するであろう。

電子回路が容量および／または導電度を決定するために
プローブから測定をするために与えられる。

電極の間に位置するアイソレータは、電界線が液体を通
って電極から電極へ進む間に偏向される、たとえば拡大
されるまたは狭窄されるという効果を有する。これの効
果は電極の表面のより低い電界強度である。電極の表面
がどんな所望の面積を有することができるにもかかわら
ず、このことは相対的により小さい容量に帰着する。こ
のことにより、以下のことが達成される、すなわち電界
は液体自体の中に主に発生し電極のすぐ近くに発生する
のではなく、 くっ付いている埃は電極における下げられた電界強度に
より電界に本質的な影響をもたず、同時に、この電界強
度の低下は水イオンにより生じる導電度と同様に容量を
減少し、それで容量測定に関するそれらの減衰影響はこ
の発明による回路で容易に補償され得、 この低下にもかかわらず、電界強度の主要部分は液体の
中に残り、アイソレータの中に蓄積せず、それはアイソ
レータが単に電極を完全に覆うまたはその間の経路を横
切る障壁である場合のようである。

この意図された電界の偏向を達成する１つの方法ハ、１
つの実施例で記述されているように、アイソレータのホ
ールを通して電界線を導くことによってそれらを狭窄す
ることによる。

もう１つの可能性は、第２の実施例に示されるように電
界線を拡大することである。

両方の方法は電極の間の容量を減らし、したがって電極
における電界強度を低下し、同時に液体自体の中で電界
の主要な部分を集中する。

容量の減少は、簡単なアイソレータのように、回路と直
列のより小さい容量によって主に起こるのではなく、む
しろ測定している液体における電界線の経路の変化によ
り起こる。

この発明のもう１つの目的は、導電度に影響を与えるか
もしれないイオン濃度に不感応な方法で液体の誘電値に
影響を及ぼす変化を測定するための装置を提供すること
である。

下記のこの発明の電子回路は電極プローブにおける容量
の数値を求めることを可能にし、電極プローブおよびイ
ンダクタからなるタンクまたは共振回路の位相関係を測
定することにより、どんな導電度誤差も補償する。

電極を電子回路に接続し、導電率に関係する、実のまた
は同相の成分、および／または全体の複素インピーダン
スの容量に関係するブラインドまたは虚の成分を別々に
測定するための方法が開示される。このことは測定プロ
セスにおいて１つのパラメータ（導電度）からもう１つ
のもの（容Ｍ）への全体的な補償を可能にし、たとえば
、特定の応用に適するように、容量出力に調整可能な量
で導電度出力を混合することによって容量の読みを修正
するためにそれを用いることである。

さらに、導電度の測定は、それはまた液体の組成に依存
するが、液体の典型的な組成の数値を求めるために、本
質的なまたは補足的なソースとして用いられ得る。

水はその容量を温度とともに変化させるので温度補償が
適当であるかもしれない。

この発明は特に印刷過稈においてセンサとして用いられ
得、蒸発がアルコールパーセントを減少させたときはい
っでも、合成の液体において調整可能な所望の値までア
ルコールの自動的な再充填を起こす出力を有する。

特にアルコールと水の混合において使用するように開発
されるけれども、この発明は何か他の使用の目的を包括
的に含む。

好ましい実施例の詳細な説明 特にここで第１図に関して、外部金属管１１は１つの電
極として機能する。これの同中心的に内側に、より小さ
い金属管１２が第２の電極として位置する。つば１４お
よび１５は絶縁のプラスチック材料から作られ、各々は
ボアホールを有する。

それらは内部管１２を持ち、それらの２つの開口を除い
て、それを覆う。管壁の間の空間は絶縁充填材料１３で
密に充填される。両方の電極は同軸ケーブル１６を介し
て電子回路３０に接続される。

電界線はつば１４および１５のホールの中で狭窄され、
それで電界強度の主要な部分はこの範囲に位置する。

ここで第２図に関して、外部金属管２１はより大きい電
極として役に立ち、その内側の表面を、プラスチック、
ガラス、または同様の絶縁材料で作られる絶縁管２３で
覆われる。

第２の電極２２は内側の空間に位置し、ケーブル２６に
接続される。内側の空間はプローブ液体で充填される。

カバー２３を伴う電極２１の面積は内部電極２２への距
離よりも大きいので、第２ｂ図に示されるように、電界
線は絶縁２３がない場合よりも本質的により大きい空間
に拡がる。

絶縁２３は好ましくは外部管２１より少し短く、それで
電界線は管の端部によって電極２１に直接流れ込むこと
ができる。これによって、電界線は絶縁を避けることに
よって、このより長い経路の上へ強制される。

一般に、電極を何か他の形に配置することは可能である
。プローブ液体の電界の中へ持って来られるどんな材料
も、もしそれがプローブ液体自体よりも低い誘電率を有
するのであれば、電界線の形（強度だけではない）の何
らかの偏向が起こるとすぐに、所望の電界減少および集
中効果を起こすであろう。

ここで第３図および第４図に関して、誘導率Ｌとともに
容量性実施物が、共振回路３１を作り上げる。この回路
はキャパシタ３２を介してＨＦ発振器３３に緩く結合さ
れる。ＨＰ’発振器３３は５０ＭＨｚで動作してもよい
。発振器電圧Ｕ３３と共振回路の瞬時の電圧Ｕ３１の間
の電圧差Ｕ３４は整流器３４で測定され、増幅器３５で
増幅される。もし共振回路および発振器が同調されると
、すなわちそれらが同じ周波数で共振すると、差電圧Ｕ
３４は発振器電圧Ｕ３３と本質的に同じ振幅を持ち、そ
の理由は、第３図で理解されるように、容量性結合のた
め、Ｕ３１はＵ３３に直交し、さらに振幅においてＵ３
３より本質的に小さいからである。

一定の時間間隔において、低周波数クロック発振器（Ｌ
ＦＯ）３７から駆動されるトランジスタ３６は、スイッ
チオンおよびオフされる。ＬＦＯ３７は都合良＜８０Ｈ
ｚの矩形波を発生するかもしれない。このことは間隔に
おいて共振回路３１の完全な減衰を引き起こし、それで
Ｕ３１の振幅を完全に減衰するようにする。９０゜位相
差異との共振の場合、この減衰は、上記のように、３４
で測定される振幅に関し本質的な効果を全く有しない。

もし、しかしながら、液体の組成の変化が電極において
容量の探知できる変化を引き起こすと、結果として生じ
る離調は、スイッチングリズムと同期した振幅リプルと
して現われ、位相変化を引き起こし整流器３４および増
幅器３５を介して探知されるであろう。

このリプルはスイッチモードまたはクロック動作の整流
器３８により直流電圧に変換され、調整増幅器３９の入
力に持って来られるであろう。この増幅器はバリキャッ
プ回路４０のバイアス電圧を駆動および変化し、したか
って共振回路３１の共振周波数を、９０゜位相での共振
対称が再び達成されるまで変化させる。バリキャップの
変更された容量はフィードバックループを完成するため
に電極容量の最初の変化を補償する。

バリキャップ電圧はこの容量変化の測定であり、液体の
混合組成の数値を求めるために利用される。

換言すれば、もしスイッチ５０が閉じられると、出力調
整増幅器３９はバリキャップ３９の電圧を調節するため
に役立つ。このことは共振を維持する、誤差を修正する
フィードバックループに帰着する。出力５２は、バリキ
ャップ３９の物理的に動作しているパラメータに従って
、たとえばアルコール濃度のように、測定される量にそ
の後比例する。

もしスイッチ５０が開くと、回路は開回路様式で動作し
、出力５４は測定される合成の液体の誘電値に関係する
位相測定を表わす。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１つの実施例の断面図を示す。 第２図はこの発明のもう１つの実施例の断面図を示す。 第２ｂ図はこの発明のアイソレータなしの、結果として
生じる電界線を示す。 第３図はこの発明の好ましい実施例のための回路の略図
を示す。 第４図は第３図の回路における重要な信号の関係のベク
トル図を示す。 図において、１１は外部金属管であり、１２は第２の、
より小さい金属管であり、１３、１４、および１５は電
気的絶縁手段である。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）その誘電特性に影響を与える液体の特徴、特に物
   質組成（成分比）を測定する装置であって、液体の中に
   交番電界を発生するために液体に接触する容量性電極を
   含むものにおいて、以下において「アイソレータ」（ブ
   ラインド）と呼ばれ、電界の形を修正するために液体に
   接触しかつ電界の空間に位置し、このようにして電極の
   表面における電界の強度を低下する、電極実施物の中の
   少なくとも１つの電気的に絶縁した物体を特徴とする装
   置。
2. （２）アイソレータが液体の中の電極から電極の経路上
   に位置し、かつ開かれたままである部分的な面積（アイ
   ソレータは別として）が電極面積よりも小さいことを特
   徴とする、請求項１に記載の装置。
3. （３）１つの電極として機能し、かつこれの内側に同中
   心的に位置する外部金属管（１１）と、第２の電極とし
   て機能する第２の、より小さい金属管（１２）と、内部
   および外部管の間の空間を離しまたは覆いまたは充填し
   、かつ端部において内部管を覆い、かつ内側の電極に向
   かって自由に通れる少なくとも１つの開口／ホールを与
   える電気的に絶縁する手段（１３、１４、１５）とを特
   徴とする、請求項２に記載の装置。
4. （４）一方の電極が液体に向かって露呈する表面が他方
   の電極よりも面積において本質的に大きく、かつ大きい
   方の電極が絶縁物質で覆われることを特徴とする、２つ
   の電極を持つ、請求項１に記載の装置。
5. （５）１つの電極としての外部金属管（２１）と、その
   内側の電気的に絶縁している管（２３）と、その内側ま
   たは部分的に内側の、第２の、より小さい電極としての
   金属本体（２２）とを特徴とする、請求項４に記載の装
   置。
6. （６）その誘電特性に影響を与える液体の特徴、たとえ
   ば特に成分比（物質組成）を測定するための方法であっ
   て、液体の中に交互の電界を発生するために液体によっ
   て浮動される／含浸される容量性電極実施物を用い、電
   極実施物に接続され、かつ電極実施物の容量とともに電
   気共振回路を構成する、誘導率を含む電子回路を用いる
   ものにおいて、 共振回路がＨＦ−発振器に緩く結合され、かつ発振器信
   号と共振回路信号の間の位相関係が測定されつつあるこ
   とを特徴とする方法。
7. （７）発振器の出力と共振回路の間に接続された、たと
   えばダイオード整流器（３４）のような振幅復調器を持
   つことにより、位相関係の測定がＨＦ発振器（３３）と
   共振回路（３１）の間の電圧差を測定することによって
   なされること、かつ共振回路が、それに取付けられ共振
   回路を周期的に十分に減衰する／短絡するかまたは切り
   離す／中断する電子スイッチング装置（クロック発振器
   から駆動される）により周期的にスイッチがオフにされ
   ること、かつ復調器において測定される、結果として生
   じる周期的な振幅の変化が位相関係を求めるために利用
   されることを特徴とする、請求項６に記載の液体の誘電
   率を測定するための方法。
8. （８）発振器および共振回路が、共振回路または発振器
   の中へ作られる、たとえばバリキャップの周波数影響装
   置（４０）によってお互いに同調されること、かつ復調
   器において測定される振幅変化が絶えず或る一定の値ま
   たは零に保たれるような方法で、この周波数影響装置が
   調整回路により駆動されること、かつ復調器に結果とし
   て生じる（離調の場合の）、振幅変化が、上記のバリキ
   ャップに関連した調整回路（３９）によって、常に予め
   定められた値、または零に調整されつつあること、かつ
   バリキャップにおける対応する設定値が液体の誘電率の
   測定として用いられていることを特徴とする、請求項７
   に記載の方法。
9. （９）容量性プローブに接続されて、それとともに共振
   回路を形成するインダクタンスと、ＨＦ−発振器（３３
   ）と、この発振器を共振回路に緩く結合するためのリン
   ク（３２）と、共振回路を周期的にストップするまたは
   減衰するまたはスイッチオフするための電子スイッチン
   グ手段（３６）と、共振回路と発振器の間にその入力が
   接続される整流器または復調器装置（３４）と、発振器
   の中または共振回路の中の周波数影響装置（４０）と、
   その比較入力が整流器からの振幅リプルをウォッチし、
   かつその設定出力が周波数影響装置（その可変の測定は
   整流器における振幅リプルであり、かつその可変の駆動
   が周波数影響装置である）を駆動するクロックモード（
   サンプリングされる）調整回路（３５、３８、３９）と
   を特徴とする、請求項７のプロセスを実行する回路。
10. （１０）容量性の（電極−）実施物のインピーダンスの
    ブラインド成分および／または実在の成分に特定的にお
    よび別々に反応し、かつ前記別々の反応の、特にブライ
    ンド成分および実在の成分の間の関係の、位相角度の調
    節を可能にする整列装置を装備した回路により、液体に
    より生じる容量性実施物の電気特性の数値が求められる
    ことを特徴とする、それらの誘電特性に影響を与える液
    体の特徴を測定するための方法。