JPH04258752A - 複素誘電率測定センサー及び流体材料の特性の測定方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導管に流れるよう融プ
ラスチックの如く流体において完全に妨害のない方式で
誘電測定を可能にするセンサーに関する。詳細には、本
発明は、内壁に模造された交互嵌合電極キャパシタを備
えたセラミックシリンダーに関する。センサーは、導管
に流れる材料のコポリマー組成とポリマー粘度（分子量
）の連続決定のために使用される。

【０００２】

【従来技術及びその課題】ポリマーの誘電性は、双極及
びイオン原子及び分子分極の周波数及び温度従属関数で
ある。材料は交番電界を受けるために、極性基と自由イ
オンは、電界線に沿って移動し指向され、電極表面にお
いて電荷の蓄積を生ずる。この過電荷に付随した電流の
測定から、システムの静電容量と消散が計算される。検
知容積の正確な幾何形状を使用して、誘電定数及び誘電
損失係数が計算される。誘電性は、熱遷移、エポキシ硬
化率、水及び添加剤濃度、及びポリマーにおける空げき
率の如く、対象のポリマー特性を測定するために使用さ
れる。

【０００３】そのような測定は、平たんキャパシタを使
用して実験室において回分方式で行われるが、熱プラス
チックのよう融処理における応用のためのインラインセ
ンサーとして使用するために、キャパシタは、よう融ポ
リマーを保持する導管に設置される形状で作製され、そ
して高軟化熱プラスチックで遭遇される温度と圧力にお
いて信頼性のある動作が可能でなければならない。本発
明は、好ましくは円筒形のセンサーを設け、そして多様
なよう融ポリマーを処理する際に使用されることを示す
。

【０００４】誘電分光学が、分析化学の分野において非
常に公知である。交互嵌合フリンジ場キャパシタがまた
公知であるが、公知の装置はプロセス管路における使用
のために適切ではない。

【０００５】Ｆｒ２、３４２、８３８は、よう融ポリマ
ーにおいて静電容量測定を行うが、センサーは、本セン
サーとは異なる設計であり、同軸電極がコアマンドレル
と管の外壁を使用する。

【０００６】Ｕ．Ｓ．４、４４８、９０９とＵ．Ｓ．４
、４４８、９４３は、熱プラスチック配合プロセスにお
いてプロセス変数を制御するために、押し出し機の出口
において静電容量セル測定を適用する。本管状設計と対
照して、センサーは、押し出し機の出力端部に取り付け
た単一平行板誘電セルである。この配置は、押し出し機
において実質的な背圧を生成し、板の間のデッドゾーン
において産物流が劣り、そして板の偏向による測定誤差
を招く。

【０００７】Ｕ．Ｓ．３、８４６、０７３は、コアマン
ドレルと管の外壁を使用する同軸電極を備えた側流静電
容量センサーを使用する。センサーは、エチレン／酢酸
ビニールコポリマーの酢酸ビニール含有量を測定するた
めに使用される。

【０００８】交互嵌合くし電極は、一般に材料と流体の
表面において誘電測定値を獲得するために使用される。 この形式のプローブは、湿気検出装置として長年使用さ
れてきた。米国特許第３、６９６、３６９号は、湿気検
知のために交互嵌合電極を開示する。過去数年に、これ
らの交互嵌合プローブ構造は、材料の誘電性を測定する
ために適合された。例えば、材料及びプロセス工学の進
歩のための協会雑誌（Ｓｏｃｉｅｔｙ　　ｆｏｒ　　Ａ
ｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ　　ｏｆ　　Ｍａｔｅｒｉａｌａ
ｎｄ　　Ｐｒｏｃｅｓｓ　　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　
　Ｊｏｕｒｎａｌ）、１９、Ｎｏ．４、１９８３年７月
／８月、を参照せよ。

【０００９】１９８８年１１月２１日に提出されたＵＳ
ＳＮ０７／２７４、４６１は、オフライン分析作業のた
めの交互嵌合電極を有する平面誘電センサーを開示する
。

【００１０】流体流のための通し流測定センサーとして
使用される交互嵌合電極導管構造の使用は発明者は参照
していない。

【００１１】本作業は、（１）妨害のない実時間プロセ
ス測定のための新円筒形交互嵌合誘電センサーの発明、
（２）複素誘電率（誘電定数又は静電容量）の実成分を
コポリマー組成に関係させる技術、及び（３）虚成分（
誘電損失係数又は消散）をポリマーのよう融物粘度又は
分子量に関係させ、ポリマーよう融処理においてよう融
物粘度又は分子量の瞬時測定を設ける技術にかかわる。

【００１２】本技術により、プロセス流は電極表面を横
切って流れ、交流電圧が「交互嵌合（ｉｎｔｅｒｄｉｇ
ｉｔａｔｅｄ）電極」パターンの２つの「くし」の間に
印加され、そして結果の交流電流が測定される。この方
式において、電界が、交互嵌合電極配列において指を分
離する距離の２−５倍の深さまで材料の表面に浸透する
。

【００１３】ポリマーに印加された交番電界は、永久及
び誘導双極子を指向させ、そしてポリマーにおいて正及
び負イオンを分離する。双極子又はイオン移動は、印加
条件（温度、圧力）、熱特性（融点、相転移、融解熱）
、レオロジー特性（流量率、粘度）、物理特性（密度、
分子量、重合度）、光学特性（屈折率）、及び化学特性
（組成、反応率定数、活性化エネルギー）の関数である
。

【００１４】次に、この発明が解決する先行技術の問題
の幾つかを記載する。

【００１５】ａ）管路への妨害物の導入を回避する必要
性であり、導管、好ましくはシリンダーの内壁において
交互嵌合フリンジ場キャパシタを使用することにより達
成される。

【００１６】ｂ）プロセス流体による電極の摩食を最小
にする必要性であり、流れ方向において電極を方向付け
、シリンダーの内壁とほぼ同一平面にあるように電極を
凹所に設けることにより達成される。さらに、センサー
の内面は、電極を保護し、容易な清浄を許容するアルミ
ナの０．１マイクロメートル蒸着層で被覆される。

【００１７】ｃ）産物流へ実質的な距離の場浸透を設け
る必要性であり、そのため測定は、管壁に接近し、この
ため非常にゆっくりと移動する産物層を越えて行われる
。これは、電極間の非常に大きな間隔を使用することに
より達成される。静電容量を縮小するための大きな間隔
の傾向は、大きな電極領域を使用することにより打ち消
される。

【００１８】ｄ）センサーの近接から感熱増幅装置を除
去する必要性であり、そのため高温よう融物が測定され
る。これは、電流対電圧コンバータとロックイン増幅器
を使用することにより達成される。

【００１９】

【課題を解決するための手段】発明は、特に産物が高温
及び高圧である時、導管に流れる流体材料の誘電測定を
行うことを可能にするセンサーである。それは、内壁に
模造された交互嵌合電極キャパシタを備えたセラミック
シリンダーを具備する。電極は、典型的に、０．０５０
インチ（１．３ｍｍ）幅であり、０．０５０インチ（１
．３ｍｍ）間隔である。この大きな間隔は、試験下の材
料への交番電界の深い浸透を設け、測定はシリンダー壁
に隣接した低速移動層に制限されないために、測定の時
間応答を改良する。

【００２０】電極は、セラミックの凹所に設けられ、そ
の結果電極表面は、セラミック表面と実質的に同一平面
であり、摩食による電極腐食の潜在性を除去する。電極
は、好ましくは、シリンダー内で縦に方向付けられ、そ
のため産物流は、電極の長さに垂直ではなく平行であり
、さらに腐食の傾向を縮小する。腐食に対するいっそう
の保護は、電極において薄い保護被覆の形式において適
用される。

【００２１】センサーは、プロセス流の静電容量と消散
を連続的に監視するために、いろいろなプロセスを制御
するための手段を設ける。

【００２２】詳細には、発明は、プロセス流体の流れを
妨害することなしに、流体導管においてインラインで複
素誘電率測定を行うための遮へいセンサーであり、該セ
ンサーは、セラミック支持導管の凹所に設けられた交互
嵌合フリンジ場電極を有し、そのため導電電極表面は、
導管の内壁と実質的に同一平面であり、検知表面の作用
面積は５〜２５０平方センチメートル（ｃｍ２）であり
、そして電極の各対は、０．１〜１０ミリメートル（ｍ
ｍ）だけ間隔をあけられ、センサーにおいて使用された
すべての材料は、２００°Ｃ、３００°Ｃ又はより以上
の高温で連続使用のために適する。

【００２３】

【具体例】本発明のセンサーは、一般に円筒形の形状で
あるが、所望ならば他の構成でもよい。

【００２４】それは、いろいろなサイズにおいて作製さ
れ、使用される。小内径、短センサーは、小電極領域を
有し、そして測定静電容量を維持するために、電極間に
小ギャップを必要とする。大直径、長センサーは、大電
極領域を有し、そして電極間の大ギャップにより測定を
受ける産物層の厚さを増大させる。所与の測定深さに対
して大直径を用いると、全流体流の小部分が分析され、
そして測定サンプルは、全サンプルを完全に表現しない
。内径には確実な上限がないが、それは、通常８センチ
メートル（ｃｍ）直径よりも小さい。

【００２５】内径が小さい時、導管の内側において電極
を模造する問題は、特に導管が円形断面以外の形状であ
る時、さらに困難になる。内径において確実な下限がな
いが、センサーは、２ｃｍ直径よりもめったに小さくは
ない。

【００２６】センサーの長さは、通常、２〜１５ｃｍで
あり、電極間のギャップは、通常０．１〜１０ｍｍであ
り、好ましくは０．５〜５ｍｍであり、そして検知表面
の作用領域は、通常５〜２５０ｃｍ２であり、好ましく
は１０〜２００ｃｍ２であり、最も好ましくは４０〜８
０ｃｍ２である。

【００２７】センサーの厚さは、センサーが使用される
応用の温度と圧力において安全な動作を許容するために
十分なものである。予期動作条件のためのセンサーの必
要な壁厚（外径マイナス内径）は、管設計の技術におけ
る当業者によって計算される。それは、構造材料により
変化する。

【００２８】センサーは、フリンジ場モードにおいて動
作する。すなわち、電極間の電磁場のフリンジは、サン
プルに浸透する。交互嵌合電極の空げきは、電極間の容
易に測定可能な静電容量を保持しながら、センサー内の
サンプル容積の大きな画分にフリンジ電磁場の最大浸透
を獲得するように選択される。サンプルのこの環状容積
の平均誘電性が、こうして測定される。

【００２９】４．５ｃｍ直径プラスチック押し出し機胴
に対して、センサーの適切な寸法は、センサー外径７．
６ｃｍ、センサー内径４．５ｃｍ、センサー全長３．８
ｃｍ、電極指又は「歯」２７対であり、各々は、１．２
ｍｍの幅と電極間１．２ｍｍギャップを有する。この間
隔は、ポリマーへの約０．６ｃｍの有効測定深さを生ず
る。４．５ｃｍ直径シリンダーと０．６ｃｍ測定深さに
対して、ポリマー容積の約４６％が測定される。このア
ルミナセンサーに対する測定静電容量は、ポリマーの不
在において７０ピコファラッド（ｐＦ）であり、２００
°Ｃの処理温度、１ｋＨｚにおけるエチレン／酢酸ビニ
ールコポリマーの存在において８０〜９０ｐＦの次元で
ある。

【００３０】多くのポリマーは２００〜４００°Ｃの範
囲におけるよう融温度において処理されるために、これ
らの温度に耐える材料でセンサーを作製することが望ま
しい。構造支持に対して、フェノール／ホルムアルデヒ
ド、メラミン／ホルムアルデヒド、芳香族ポリイミド等
の如く、高耐性、熱安定姓有機ポリマーが、幾つかの事
例において成功している。しかし、セラミック材料が、
優れた電気特性、高弾性率、及び良好な高温耐性のため
に好ましい。適切なセラミックは、アルミナとＭａｃｏ
ｒ（Ｄｏｗ　　Ｃｏｒｎｉｎｇ）、機械加工可能なガラ
スセラミックである。別の可能性は、強化ジルコニアで
ある。

【００３１】センサーを作製する際の第１段階は、構造
シェル、好ましくはセラミックを所望の寸法に機械加工
することである。一つの実施態様において、穴がシェル
にあけられ、その結果電気リード線は、シェルを通され
、電極指と連結される。センサーの高圧耐性のためには
、応力ライザーであるドリル穴を省略することがより良
い。代わりに、一方のセットに対する電気接触がセンサ
ーの一方の端部において行われ、そして他方のセンサー
に対する電気接触がセンサーの反対端部において行われ
る如く電極を模造することが可能である。

【００３２】電気メッキ工学ハンドブック（Ａ．Ｋ．Ｇ
ｒａｈａｍ、ｅｄ．、ｖａｎ　　Ｎｏｓｔｒａｎｄ　　
Ｒｅｉｎｈｏｌｄ、Ｎ．Ｙ．１９７１）と、無電解及び
他の非電解メッキ技術（Ｃｈｅｍ．Ｔｅｃｈ．Ｒｅｖｉ
ｅｗ　　Ｎｏ．１７１、Ｊ．Ｉ．Ｄｕｆｆｙ、ｅｄ．、
Ｎｏｙｅｓ　　Ｄａｔａ　　Ｃｏｒｐ、１９８０）の如
く出版物から公知なメッキ技術が、センサーシェルの内
側において電極を配置し、センサーにおいて他の伝導又
は非伝導領域を設けるように適合される。

【００３３】例えば、Ｄｕ　　Ｐｏｎｔ　　Ｒｉｓｔｏ
ｎ又はＭｏｒｔｏｎ　　Ｔｈｉｏｋｏｌフォトポリマー
レジスト又は等価フォトポリマーレジストが、シェルの
外面の電線送り通しの回りの内側及び円形領域に適用さ
れる。 ギャップ又はオーバーラップなしに内面を覆うために正
確な寸法のパターンマスクが、光化学被覆の内面に適用
される。紫外線が、所望の部分のみを硬化するためにマ
スクを通して照射される。マスクは除去され、次に、パ
ターンが、非露出光化学被覆を除去するために適切な溶
剤により洗浄することにより現像される。パターンはく
し形状であり、そして交互嵌合櫛状構成において配設さ
れる。

【００３４】全外面は、静電遮へいを設けるためにメッ
キされる。電線送り穴が使用されるならば、それらは、
内面をメッキされるが、穴の回りの金属のない領域の存
在によって外側静電遮へいから隔離される。電極を模造
するための方法は、外面においても使用される。

【００３５】次の段階は、電極になるポリマーで被覆さ
れていない領域（非被覆領域）を金属でメッキすること
である。

【００３６】好ましくは、第１段階は、十分な溝を作製
するために、フッ化水素酸でセラミックの非被覆領域を
エッチングすることであり、その結果メッキとホーニン
グの後、電極はシェルの内面と同一平面になる。エッチ
ングはまた、セラミックへの電極の付着を改良するため
に使用される。ニッケル（Ｎｉ）の如く約６マイクロメ
ートルの伝導金属が、内側に適用され、そして接地導体
又は静電遮へいが、無電解メッキによって支持セラミッ
クの外側に適用される。付加的なメッキが、金属が溝を
完全には満たさないことが点検されたならば実施される
。溝深さは、好ましくは、約１５マイクロメートルであ
る。

【００３７】好ましくは、セラミックの溝が完全に満た
されるされることを保証するために十分な金が、次の段
階においてＮｉの変色を防止するために、電気メッキ又
は無電解メッキによって内面と外面の両方において伝導
金属上に塗布される。

【００３８】メッキの後、残りのフォトレジストポリマ
ーが、電極を損傷することなしに露光レジストを溶解す
ることができるストリッパーで除去される。電極表面は
、非均一表面ではセンサーが移動プロセス流に置かれた
後摩食によって損傷されるという危険を増大させるため
に、なめらかな仕上げにホーン加工される。

【００３９】電極は、好ましくは、シリンダー内で縦に
方向付けられ、その結果産物流は、電極の長さに垂直で
はなく平行であり、さらに腐食性を縮小させる。他方、
流れに垂直に電極を方向付けることにより、電界は流れ
に平行になり、その結果イオンとバルク流は、同一方向
において移動する。これは、測定信号を増大させる。セ
ンサー内面の電極を外部電子装置に連結する電線は、壁
において金メッキ通り穴にろう付けされる。高温半田が
使用されるが、センサー温度を半田が溶解する最大約２
６５°Ｃに制限する。ろう付けは好ましい方法である。 ろう付け材料は、８０７°Ｃの再よう融温度を有する。 金は、ろう付け中Ｎｉの変色を防止する。

【００４０】好ましい実施態様において、センサー壁に
おける通り穴が使用される。これを達成するために、回
路パターンが、一方の電極（「指」又は「歯」のセット
）に付随した金属被覆がセンサーの縁の回りに延びてお
り、かつセンサーの端面（例えば、上流面）の一方を覆
う金属被覆に電気的に連結される如く作製される。他方
の電極に付随した金属被覆が、同様に、他方の端面（例
えば、下流面）における金属被覆と隣接するように行わ
れる。このように、センサーは、上流及び下流面におい
てセンサー本体に対して押された座金形状接点に電線を
連結することにより、外部測定装置に連結される。 センサーは、座金としてなまし銅シム又はエラストマー
シールを使用して、押し出し機を出るプロセス管におい
て一対のフランジ間の適所にボルトで固定される。シム
は、シムにおける化学腐食を防止するために金メッキさ
れる。

【００４１】前設計における如く、センサーの外面は、
上記の２つから電気的に隔離された第３金属被覆で被覆
され、電気雑音を縮小するための静電遮へいとして役立
つ。センサーの圧力定格が、センサーにおいて穴を省略
することにより上昇される。センサーの（ポリマーが流
れる）作業表面は、ＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４又はスパッ
タリングされたアルミナ（Ａｌ３Ｏ３）の薄い（０．２
〜１０マイクロメートル）被覆の塗布により、センサー
感度を破壊することなしに、摩食からさらに保護される
。

【００４２】技術における当業者は、センサーを製造す
るための多様な代替的な方法が可能であることを認識す
るであろう。すでに述べた好ましい実施態様は、センサ
ーの対向端部において電気接点をなすことにより、電気
リード線のためのセラミック支持物において穴をあける
ことにより導入された機械的弱さを回避することである
。センサーの各端部における金属接点は、測定装置への
リード線用に使用される。電線送り穴の除去は、実施例
２のセンサーの圧力定格を２１メガパスカル（ＭＰａ）
に改良した。この変化はまた、回路パターンフォトマス
クを電線送り穴と整列させる困難な段階を除去した。

【００４３】図１は、押し出し機（２）の放出における
センサー（１）を示す。Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒ
ｄ　　ＨＰ　　３３２６Ａの如く正弦波発生器（３）が
、センサーを駆動するために使用される。電流対電圧コ
ンバータ（４）とロックイン増幅器（５）が、結果の交
流の振幅と位相角を測定するために使用される。これら
の測定値は、周波数と温度の関数として、ポリマーの静
電容量及び消散値の計算を許容する。誘電測定が、０．
５ヘルツ（Ｈｚ）ないし２００キロヘルツ（ｋＨｚ）の
範囲で１５の周波数、すなわち、１６０−２８５°Ｃに
おいて０．５、０．７、１．０、５．０、１０、１００
、５００Ｈｚ、１、５、１０、２０、５０、１００、１
５０と２００ｋＨｚにおいて行われる。この一連の測定
値は、こうして、複素誘電率の実及び虚数部分の周波数
スペクトルを確立する。

【００４４】使用されたＩ〜Ｖコンバータは、電流信号
を電圧信号に変換しながら、周波数により、１０２又は
１０６倍のいずれかに信号を増幅する。コンバータは、
Ｉｔｈａｃｏ　　Ｍｏｄｅｌ　　１６４１前置増幅器又
は同等物である。不図示のＣｙｔｅｃＭｏｄｅｌ　　Ｌ
ＢＸ／１２８交換ユニットは、周波数に基づいた適正な
コンバータへの切り換えを容易にするために使用される
。等価な装置を代用してもよい。

【００４５】Ｉ〜Ｖコンバータ（４）からの信号は、Ｉ
ｔｈａｃｏ　　３９６１Ｂ　　２位相ロックイン増幅器
（５）に送られ、雑音をフィルターし、基準周波数にお
いて信号成分を選択し、そして信号の同相及び位相外れ
部分を分離する。はん用インターフェースバス（ＧＰＩ
Ｂ）を通して正弦波発生器とロックイン増幅器に取り付
けられたパーソナルコンピュータ（６）は、ロックイン
増幅器（７）からの信号と正弦波発生器（８）のために
設定された周波数と電圧に基づいて、静電容量、消散と
消散係数を計算するために使用される。消散係数又はｔ
ａｎδが、同相電流を位相外れ電流によって割算したも
のとして定義される。等価装置を代用してもよい。　　
大きな交換マトリックスにより、一セットの電子装置が
、幾つかの押し出し機において幾つかのセンサーを動作
させるために適切である。コンピュータからの出力（９
）が、ポリマーの特性を所望の範囲に調整するプロセス
又は押し出し変数を制御するために使用され、あるいは
、例えば、産物組成又はよう融物粘度により押し出し工
程の記録を作るために使用される。

【００４６】

【実施例】実施例１　　Ｄｏｗ　　Ｃｏｒｎｉｎｇ　　
Ｍａｃｏｒ　　ガラス結合セラミック製のセンサーの準
備図２に示されたセンサーは、３．８ｃｍ直径一軸Ｋｉ
ｌｌｉｏｎ押し出し機又は二軸Ｈａａｋｅ押し出し機の
いずれか用に作製された。それは、５ｃｍの外径、３．
８ｃｍの内径、３．４ｃｍの全長、そして２４対の電極
「歯」（１）を有し、各々１．２ｍｍの幅と電極間の１
．２ｍｍギャップ（２）を有した。この間隔は、センサ
ーのボアを通って流れるポリマーへの約０．６ｃｍの有
効測定深さを設ける。こうして、ポリマー容積の約５５
％が測定される。Ｈａａｋｅ押し出し機において設置さ
れた時、ポリマーのない場合の２７５°Ｃにおけるこの
センサーの測定静電容量は、１ｋＨｚにおいて４５±５
ｐＦであり、１００ｋＨｚにおいて３０±２ｐＦであっ
た。

【００４７】センサーを作製する際の第１段階は、Ｄｏ
ｗ　　Ｃｏｒｎｉｎｇ　　Ｍａｃｏｒ製の構造シェルを
所望の寸法に機械加工することである。２つの穴が、電
気リード線のためのシェルにおいてあけられた。Ｍｏｒ
ｔｏｎ　　Ｔｈｉｏｋｏｌ　　フォトポリマーレジスト
が、内面と、シェルの外面の電極への電線送りを包囲す
る小領域に適用された。

【００４８】ギャップ又はオーバーラップなしに内面を
覆うために正しい寸法のパターンマスクが、光化学被覆
の内面に適用された。紫外線が、所望の部分のみを硬化
させるためにマスクを通して照射された。それからパタ
ーンが、未露出光化学被覆を除去するために標準技術に
より現像された。非被覆におかれた領域（非被覆領域）
のパターンは、くし形状であり、交互嵌合櫛状構成にお
いて配置された。シェルを通してあけられた２つの穴の
内側オリフィスは、一方が「歯」の一方のセットと電気
接点をなすように配列され、他方が「歯」の反対セット
と電気接点をなすように整列されるような方法で、非被
覆領域に接触するように位置付けられた。　　次に、電
極になる非被覆領域がＮｉでメッキされた。このプロセ
スは、幾つかの段階で達成された。最初に、セラミック
の非被覆領域が、電極のために約１５マイクロメートル
深の溝を生成するためにフッ化水素酸水でエッチングさ
れた。それからＮｉ電極が、内側に無電解メッキされ、
そして接地導体又は静電遮へい（３）が、支持セラミッ
クの外側に適用された。フォトレジスト、エッチング及
びメッキ段階は、Ｅ．Ｐｅｒｒｙ、Ｒ＆Ｄ　　Ｃｏｎｓ
ｕｌｔａｎｔｓ、３３Ｗｅｓｔ　　Ｂｏｘｅｌｄｅｒ、
Ｓｕｉｔｅ　　１１６、ＣｈａｎｄｌｅｒＡＺ８５２２
４によって行われた。

【００４９】全外面が、静電遮へいを設けるために約６
マイクロメートルのＮｉでメッキされた。電線送り穴が
、内面においてメッキされたが、穴の回りに金属をなく
することにより静電遮へいから隔離された。

【００５０】金（約１０〜２５マイクロメートル厚）が
、次の段階においてニッケルの変色を防止するために無
電解又は電気メッキによって内面と外面においてニッケ
ル上に被覆された。

【００５１】メッキの後、残りのフォトレジストポリマ
ーが、電極を損傷することなしに露出レジストを溶解す
るためにストリッパー溶液で除去された。

【００５２】電極表面が、セラミックと同一平面のなめ
らかな仕上げにホーン加工された。センサーの内面にお
ける電極を外部電子装置に連結する電線（４）が、壁に
おける金メッキ通り穴にろう付けされた。金は、ろう付
け中ニッケルの変色を防止した。接地電線（５）が、金
メッキＮｉ静電遮へいにろう付けされた。

【００５３】実施例２　　アルミナセンサーの準備この
実施例において、電気リード線のためのセラミック支持
物を通った穴の使用は、センサーの対向端部に電気リー
ド線を取り付けることにより回避された（図３参照）。 センサーの各端部における金属接点は、測定装置へのリ
ード線として使用された。応力ライザーとして役立つ電
線送り穴の除去は、センサー圧力定格を２１ＭＰａにま
で改良した。このアプローチはまた、回路パターンフォ
トマスクを電線送り穴と整列させる困難な段階を除去し
た。

【００５４】この場合、セラミックセンサーはアルミナ
製であり、セラミックの寸法は、４．５ｃｍの内径、７
．６ｃｍの外径、３．８ｃｍ長、そして２７対の電極「
歯」（１）であり、各々１．２ｍｍの幅と電極間の１．
２ｍｍギャップ（２）を有した。　　交互嵌合櫛状構成
と外側静電遮へい（３）の電気メッキが、実施例１にお
ける如く行われた。しかし、この場合、穴はあけられず
、メッキはシェルの面（４）に延ばされ、そして２．５
ｍｍ空げき又はリング（５）が、外側静電遮へいとの電
気接触を防止するために、各面の外側周囲において機械
加工された。この絶縁リングは、電極をメッキするため
に使用されたフォトマスク技術を使用して達成された。

【００５５】センサーが、プロセス流において使用され
るために適する材料のフランジ間の適所に（例えば、ス
テンレス鋼又はＨａｓｔｅｌｌｏｙのハウジングに）ボ
ルトで固定される時、外側静電遮へいではなくメッキ面
に接触する金属リング（この場合の実施例において銅）
が、実施例１における穴を通って延びている電線によっ
て設けられた電気接点を形成する。これらの銅リングか
らの電線は、測定装置へのリード線を形成する。システ
ムと化学的及び熱的に互換性のある非導電材料製のガス
ケット（この場合の実施例において、センサーの各側に
おいてアルミナスペーサを挟持した２つのＤｕ　　Ｐｏ
ｎｔ　　Ｋａｌｒｅｚガスケット）が、ハウジングから
センサーと接触リングを絶縁するために使用される。こ
れらのガスケットは、ハウジングへの静電容量結合を回
避するために十分な厚さである。静電遮へいは接地され
る。

【００５６】実施例３　　この実施例は、本発明のセン
サーがポリマーのコモノマー含有量を検出するために使
用されることを示す。

【００５７】実施例１のセンサーが、２２ｍｍ一軸Ｋｉ
ｌｌｉｏｎ押し出し機の静的ミクサセクションの出口に
おいてフランジの間に取り付けられ、よう融ポリマーを
センサーのボアを通って流れさせた。

【００５８】図１は、この実施例において使用された設
定を示す。Ｈｅｗｌｅｔｔ　　Ｐａｃｋａｒｄ　　ＨＰ
３３２６Ａ正弦波発生器が、センサーを駆動するために
使用された。ロックイン増幅器を備えた電流対電圧コン
バータが、センサーから出力される交流電流の振幅と位
相角を測定するために使用された。これらの測定値から
、ポリマーの静電容量及び消散値が、周波数と温度の関
数としてパーソナルコンピュータを使用して連続的に計
算された。誘電測定が、０．５ヘルツ（Ｈｚ）ないし２
００キロヘルツ（ｋＨｚ）の範囲で１５の周波数、すな
わち、１６０−２８５°Ｃにおいて０．５、０．７、１
．０、５．０、１０、１００、５００Ｈｚ、１、５、１
０、２０、５０、１００、１５０と２００ｋＨｚにおい
て行われた。この一連の測定値は、こうして、複素誘電
率の実及び虚数部分の周波数スペクトルを確立した。

【００５９】Ｉ〜Ｖコンバータは、周波数により、セン
サーを流れる電流の１０２倍（コンバータは１００オー
ム抵抗器）又は１０６倍（Ｉｔｈａｃｏ　　Ｍｏｄｅｌ
　　１６４１コンバータ）のいずれかの電圧信号を発生
させた。不図示のＣｙｔｅｃ　　Ｍｏｄｅｌ　　ＬＢＸ
／１２８交換ユニットは、正弦波発生器からの信号周波
数に基づいて、コンバータ間の切り換えを容易にするた
めに使用された。

【００６０】Ｉ〜Ｖコンバータからの信号は、Ｉｔｈａ
ｃｏ　　３９６１Ｂ　　２位相ロックイン増幅器に送ら
れ、雑音をフィルターし、基準周波数において信号成分
を選択し、そして信号の同相及び位相外れ部分を分離し
た。

【００６１】図４は、Ｅｌｖａｘエチレン／酢酸ビニー
ルコポリマーのいろいろなグレードに対して２００°Ｃ
、１０００Ｈｚにおいて時間測定された静電容量のプロ
ットである。初期的に、Ｋｉｌｌｉｏｎ押し出し機が空
き（時間＝０）であった間、背景静電容量（Ｃｏ）は３
４ｐＦを測定し、値は、空気、セラミック、及び他の漂
遊静電容量を含む。相対誘電定数は、方程式ε’＝Ｃ／
Ｃｏを使用して計算され、この場合ＣとＣｏは静電容量
である。

【００６２】２５％酢酸ビニール（ＶＡ）を含み、１．
０４の固有粘度を有するポリマーが、工程開始後６分に
付加された。３０ｒｐｍにおいて、ポリマーは、ホッパ
ーから軸及び静的ミクサセクションを通ってセンサーに
移動するために約５分を費やした。この時、測定静電容
量（誘電信号）は非常に増大した。１０分後、４１．８
ｐＦの高原値が達成された。７４分において、４０％Ｖ
Ａと１．４４粘度のポリマーが付加され、そして別の高
原値が４４．１ｐＦにおいて獲得された。最後に、１７
１分に、１０％ＶＡと２．８粘度のポリマーが付加され
、低位高原値が４０．２ｐＦにおいて達成された。

【００６３】静電容量の高原値は、個別工程のポリマー
サンプルにおいて取られた測定値で獲得された高原値に
近似的に等しい。検査された周波数範囲は、０．５ない
し２００、０００Ｈｚであった。１０００Ｈｚよりも小
では。前述の傾向はなお存在したが、高原値は、安定で
はなかった。１０００Ｈｚ以上の周波数において、信号
は、非常に安定であり、一貫性があった。

【００６４】上記の実験は、実施例２のアルミナセンサ
ーを使用して繰り返され、比較結果を得た。

【００６５】２つの実験からの高原値が、相対誘電定数
（ε’＝Ｃ／Ｃｏ）に対して図５においてプロットされ
る。２つのセンサーを使用する両実験は、ε’と酢酸ビ
ニール濃度［ＶＡ］の間の線形関係を生じた。

【００６６】実施例４　　この実施例は、センサーが極
性フルオロポリマーのよう融物粘度の測定に対して使用
されることを示す。

【００６７】この実施例において、インライン誘電デー
タが、オフライン毛管粘度測定データと比較された。使
用されたポリマーは、テトラフルオロエチレンとＣＦ２
＝ＣＦＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）ＯＣＦ２ＣＦ２ＳＯ２Ｆ
のコポリマーであり、１１４９の等量を有した。基準毛
管レオロジー測定が、１〜５０、０００／秒のせん断率
範囲で２２０°、２４０°、２６０°と２７５°Ｃにお
いて行われた。

【００６８】インライン誘電データが、同一の４つの温
度において実施例２のセンサーを使用して獲得され、そ
のため粘度が、ポリマーの組成を変化させることなしに
温度によって調整された。消散は、低周波数において温
度とともに増大した。２７５°Ｃにおいて、泡が形成さ
れ、測定を妨害した。

【００６９】次の方程式は、見かけ粘度（η）と誘電損
失係数（ε”）の間の関係を規定することが、技術から
公知である。

【００７０】 ωεｏε”＝（ｑ２Ｎ／６πｒ）（１／ηｍ）ε”＝Ｋ
１Ｄと仮定すると、Ｄ＝（ｑ２Ｎ／６πｒωεｏＫ１）
（１／ηｍ）＝Ｋ／ηｍ こうして、ｌｏｇＤ＝−ｍｌｏｇη＋ｌｏｇＫこの場合 ω＝周波数（ラジアン／秒） εｏ＝真空誘電率（ファラッド／メートル）ε”＝誘電
損失係数 ｑ＝電荷（クーロン） Ｎ＝イオン濃度（モル／ｃｍ３） ｒ＝イオン半径（ｃｍ） η＝見かけ粘度（パスカル秒） Ｄ＝消散 ｍ、Ｋ、Ｋ１＝定数 図６の実験データは、上記の理論予測に合致する。図６
の曲線は、種々のせん断率と同一温度において毛管粘度
と消散データをマッチングさせることによりプロットさ
れた。代替的に、インライン及びオフラインデータが、
付加データを獲得するために、同一せん断率と種々のせ
ん断応力においてマッチングされた。所与の線に沿って
、４つのデータ点が４つの独立な温度を表現しているこ
とに注意せよ。こうして、所与のサンプルに対して、こ
の発明のセンサーで測定された誘電消散は、実験によっ
て示され、理論予測されたｌｏｇ−ｌｏｇプロットにお
いてよう融（見かけ）粘度に線形比例する。複製工程は
、ほぼ同一結果を与えた。実施例５　　この実施例は、
粘度のインライン測定が非極性ポリマーを使用して行わ
れることを示す。

【００７１】組成を変化させずにポリマーのレオロジー
特性を変化させる一つの方法は、分子量を変化させるこ
とである。このように、粘度（η）への消散（Ｄ）の依
存の研究は、静電容量信号に影響を与えることなしに行
われる。ポリエチレンが、相対非極性構造といろいろな
分子量範囲における有用性のためにこの研究のために選
ばれた。

【００７２】使用されたポリエチレンとレオロジー特性
は、実施例２のセンサーによりインラインで、２２０°
Ｃにおける毛管よう融物粘度計によりオフラインで測定
された。５０ｒｐｍ押し出し機軸速度において、センサ
ー領域における平均流動粘度は、約１．９５ｃｍ／ｍｉ
ｎであると計算された。広い意味において、この流動粘
度対毛管を通った粘度の比較が、誘電及び粘度計データ
の間の近似を与える。同様に、せん断率間又はせん断応
力間で比較が行われた。毛管粘度計データ（１．８ｃｍ
／分及び２２０°Ｃにおいて）とよう融流動データから
、臨界オフラインデータが以下に要約される。

【００７３】 　　ポリマー　　　　　　　　　　　　　　見かけ粘度
（Ｐａ・ｓ）　　よう融インデックス（ｇ／ｍｉｎ）Ｄ
ｏｗｌｅｘ　　２５０５　　　　　　　３９　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　８５Ｔｅｎｉｔｅ　　
１３９０　　　　　　　８７　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　１５Ｒｅｘｅｎｅ　　２０３０　　　
　　１５１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
−−Ｄｏｗｌｅｘ　　２５３５　　　　　２５９　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　６Ａｌａｔｈ
ｏｎ　　２０　　　　　　　２５９　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　１．９粘度が増大する時、
消散は減少することが期待される。 これらのサンプルのすべてに対する静電容量は、組成が
同一であり、添加剤又は不純物の効果を妨げるために一
定である。

【００７４】いろいろな粘度の５つのポリエチレンサン
プルが、実施例２のインラインセンサーで２度検査され
、そして結果が、毛管粘度計オフライン分析データと比
較された。両方の押し出し機の工程において、良好な相
関が、高軸速度と低温度において獲得された。

【００７５】第１工程は、２４０°Ｃ、１００Ｈｚと２
０及び１００ｒｐｍ（軸の回転数／分）において行われ
た。消散は、一般に、見かけ粘度とともに減少した。最
良の相関は、１００ｒｐｍにおいてｌｏｇＤとｌｏｇη
の間の線形従属性であった。第２工程に対して、温度が
２２０°Ｃまで減少され、そして軸率は５０ｒｐｍであ
った。測定周波数は、１０と００Ｈｚで交替された。高
原値消散値は、毛管よう融物粘度計により測定された如
く、オフライン見かけ粘度に対して図７においてプロッ
トされる。再び、消散は、一般に見かけ粘度とともに減
少した。破線は、データへの最小二乗近似である。

【００７６】実施例６と７ 次の実施例は、非流動システムにおいていろいろな測定
するために誘電データを使用する効用を示す。上記の実
施例に基づいて、実施例１と２のセンサーが、流動シス
テムにおいてこれらの測定値のために使用されることが
期待される。

【００７７】実施例６ センサーが開発されたが、回分実験が、Ｍｉｃｒｏｍｅ
ｔ　　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ、Ｉｎｃ．　　ケンブリッ
ジ、マサチューセッツ州からの平たん電極を使用して商
業的に利用可能な装置により行われた。３つの形式のセ
ンサーが使用された。すなわち、低導電率（モデル２２
２Ｓ、オーム毎ｃｍ毎１０−１６〜１０−６）、中導電
率（モデル２３０Ｓ、１０−１４〜１０−４オーム毎ｃ
ｍ毎）、及び高導電率（モデル２４０Ｓ、１０−８〜１
０−１オーム毎ｃｍ毎）である。Ｃｏｍｐａｑパーソナ
ルコンピュータが、入力電圧の周波数と、測定が取られ
る時間を制御するために使用された。センサーから生ず
る電流は、誘電計に送り戻され、そしてデータがコンピ
ュータに送信され、分析され、そしてプロットされた。

【００７８】誘電データを獲得するために、ポリマーペ
レット又はフィルムが、誘電センサーに置かれ、そして
Ｔｅｆｌｏｎフルオロカーボン樹脂の２枚の７６マイク
ロメートルシートの間に差し挟まれた。それから組立品
が、真空オーブンに置かれた。ガラス絶縁体と４４０グ
ラム（ｇ）ステンレス鋼重りが、ポリマーへの伝熱率を
制御し、ポリマーと電極の間の密接な接触を保証するた
めにＴｅｆｌｏｎの上側シートの頂面に置かれた。

【００７９】実験を行うために、ポリマーが、最初に、
窒素パージを使用して、５０〜６５ｃｍの真空の下で一
晩乾燥された。乾燥温度は、使用されたポリマーに依存
した。それから温度が、ポリマーの融点より高い温度に
急速に増大され、そしてよう融ポリマーは、制御率にお
いて冷却することを許容された。誘電データが、温度サ
イクルを通して獲得された。

【００８０】実験が、１２．５ないし４３．９重量パー
セント（ｗｔ％）の塩素（Ｃｌ）濃度によりクロロスル
ホン化ポリエチレン粉末で実施され、３つの方法によっ
て決定された。すなわち、合成中重量利得、ＩＲ分光光
度法、及びＳｃｈｏｅｎｉｇｅｒ燃焼法（修正ＩＲ技術
）である。実験データが、図８に示される。ポリエチレ
ンがＣｌのないサンプルに対して使用された。１０００
Ｈｚと１０、０００Ｈｚの両方で、線形関係が、融点を
越えた誘電定数と既知Ｃｌ含有量の間で観察された。 これは、誘電測定がこのポリマーにおいてＣｌ含有量を
測定するために使用されることを示す。このポリマーに
対して、高周波数は大きな感度を設ける。 実施例７ この作業は、本発明のセンサーがポリマーのコモノマー
含有量を検出するために使用されることを示す。それは
、コモノマーの官能基と、ポリマーがペルフルオロ化さ
れるという事実において実施例３とは異なる。

【００８１】使用されたポリマーは、テトラフルオロエ
チレンとＣＦ２＝ＣＦＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）ＯＣＦ２
ＣＦ２ＳＯ２Ｆのコポリマーであった。既知の等量１０
６４、１１９６、１３４６と１５４５の４つのコポリマ
ーサンプルが、個々に、２２０°Ｃに加熱され、そして
平たんＭｉｃｒｏｍｅｔ　　Ｍｏｄｅｌ　　２２２Ｓ低
導電率センサーに押し当てられた。Ｃｏｍｐａｑパーソ
ナルコンピュータが、入力電圧の周波数と、測定が取ら
れる時間を制御するために使用された。商用センサーか
ら生ずる電流は、誘電計に送信され、そしてデータは、
コンピュータに送信され、分析され、かつプロットされ
た。

【００８２】センサーへの積層の後、ポリマーが、軟化
点を越えて加熱され、それから０．１〜１０、０００Ｈ
ｚにおいて誘電データを獲得するために１°Ｃ／ｍｉｎ
において冷却された。２００°Ｃ、０．１Ｈｚのデータ
が、添付の図８に示される。これらのデータは、少なく
ともこの温度と周波数において、等量（コモノマー含有
量）が、誘電定数を測定することにより測定されること
を示す。

【００８３】本発明の主なる特徴及び態様は以下のとお
りである。

【００８４】１．プロセス流体の流れを妨害することな
しに、流体導管においてインラインで複素誘電率測定を
行うためのセンサーにおいて、該センサーは、通りボア
を有する非導電シェルと、シェルの内面において０．１
〜１０ミリメートルだけ互いに間隔をあけられた一対の
交互嵌合フリンジ場電極と、外面における静電遮へいと
、電極間で電流を導くための手段とを具備するセンサー
。

【００８５】２．シェルが円筒形であり、交互嵌合フリ
ンジ場電極が、シェルの内壁と実質的に同一平面である
ほど十分にシェルの内面の凹所に設けられた上記１に記
載のセンサー。

【００８６】３．シェルの内面が、５〜２５０ｃｍ２の
面積を有する上記２に記載のセンサー。

【００８７】４．センサーにおいて使用された材料のす
べてが、約２００°Ｃよりも高い温度において連続使用
のために適する上記２に記載のセンサー。

【００８８】５．交互嵌合電極が、シリンダーの軸に平
行な縦方向を有する上記２に記載のセンサー。

【００８９】６．シェルの材料が耐温セラミックである
上記４に記載のセンサー。

【００９０】７．摩食から電極を保護するために電極に
おいて薄い被覆がある上記２に記載のセンサー。

【００９１】８．３００°Ｃ以上の連続使用に適する上
記４に記載のセンサー。

【００９２】９．電流を導くための手段が、静電遮へい
から電気的に絶縁された通り穴を通ってシェルの外側か
ら内側に通過する導体を具備する上記２に記載のセンサ
ー。 １０．シェルが、通り穴を有さない上記５に記載のセン
サー。

【００９３】１１．シェルの外側から内側に電流を導く
ための手段が、導体が取り付けられた各面において導電
領域を具備し、一方の端部における導電領域が、電極の
一方のセットと電気接触し、そして他方の端部における
導電領域が、電極の他方のセットと電気接触する上記５
に記載のセンサー。

【００９４】１２．プロセス流において流れる流体材料
の特性を連続的に測定するためのプロセスにおいて、流
体材料と上記１のセンサーを接触させ、センサーが、プ
ロセス流において完全に妨害のないように位置付けられ
ることと、電極に印加される電圧差を生成することと、
センサーを通った電流を測定することと、静電容量、消
散と消散係数を計算することと、計算値を所定の基準値
と比較することとを含むプロセス。

【００９５】１３．流体材料がよう融ポリマーである上
記１２に記載のプロセス。

【００９６】１４．センサーを通った流体流が、押し出
し機からの放出である上記１３に記載のプロセス。

【００９７】１５．測定される特性が、よう融物粘度又
は分子量である上記１３に記載のプロセス。

【００９８】１６．ポリマーが極性基を含み、そして測
定特性がポリマーのコモノマー含有量である上記１３に
記載のプロセス。

【００９９】１７．計算された静電容量、消散及び消散
係数と、所定の基準値に対する計算値の比較に基づいて
、押し出しプロセスへの少なくとも一つの入力を連続的
に制御するための手段をさらに具備する上記１４に記載
のプロセス。

【図面の簡単な説明】

【図１】押し出し機からの放出におけるセンサーと、セ
ンサーから有益な情報を獲得するために使用された回路
の概略を示す。

【図２】センサーシェル壁における穴を通過する電気リ
ード線を備えたＭａｃｏｒセンサーを示す。

【図３】センサーシェル壁に穴のない電極に対して電流
を導くための手段を備えたアルミナセンサーを示す。

【図４】酢酸ビニールの含有量が段階的に増大されるＤ
ｕ　　Ｐｏｎｔ　　Ｅｌｖａｘエチレンー酢酸ビニール
コポリマーの流体流のための静電容量対時間のプロット
である。

【図５】デユポンエルバックス（Ｄｕ　　Ｐｏｎｔ　　
Ｅｌｖａｘ）における相対誘電定数（ε’）対重量パー
セント酢酸ビニールのプロットである。

【図６】テトラフルオロエチレンとＣＦ２ＣＦＯＣＦ２
（ＣＦ３）ＯＣＦ２ＣＦ２ＳＯ２Ｆのコポリマーの見か
け粘度（η）のｌｏｇに対する消散（Ｄ）のｌｏｇのプ
ロットである。

【図７】異なる分子量のポリエチレンに対する見かけ粘
度（η）のｌｏｇに対する消散（Ｄ）のｌｏｇのプロッ
トである。

【図８】いろいろなクロロスルホン化ポリエチレンサン
プルに対する塩素含有量に対する誘電定数のプロットで
ある。

【図９】テトラフルオロエチレンとＣＦ２ＣＦＯＣＦ２
（ＣＦ３）ＯＣＦ２ＣＦ２ＳＯ２Ｆのコポリマーの等量
に対する消散定数のプロットである。

【符号の説明】

１　　センサー ２　　押し出し機 ３　　正弦波発生器 ４　　電流対電圧コンバータ ５　　増幅器 ６　　パーソナルコンピユータ ７　　ロックイン増幅器 ８　　正弦波発生器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　プロセス流体の流れを妨害することな
   しに、流体導管においてインラインで複素誘電率測定を
   行うためのセンサーにおいて、該センサーは、ボアを有
   する非導電シェルと、シェルの内面において０．１〜１
   ０ミリメートルだけ互いに間隔をあけられた一対の交互
   嵌合フリンジ場電極と、外面における静電遮へいと、電
   極間で電流を導くための手段とを具備することを特徴と
   するセンサー。
2. 【請求項２】　　プロセス流において流れる流体材料の
   特性を連続的に測定するためのプロセスにおいて、流体
   材料と上記１のセンサーを接触させ、センサーが、プロ
   セス流において完全に妨害のないように位置付けられる
   ことと、電極に印加される電圧差を生成することと、セ
   ンサーを通った電流を測定することと、静電容量、消散
   と消散係数を計算することと、計算値を所定の基準値と
   比較することとを含むことを特徴とするプロセス。