JPH04331353A - 開放ケ−ジ形密度センサ - Google Patents

開放ケ−ジ形密度センサ

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JPH04331353A
JPH04331353A JP3023681A JP2368191A JPH04331353A JP H04331353 A JPH04331353 A JP H04331353A JP 3023681 A JP3023681 A JP 3023681A JP 2368191 A JP2368191 A JP 2368191A JP H04331353 A JPH04331353 A JP H04331353A
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JP
Japan
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conductor
conductors
elongated
central
cylindrical
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JP3023681A
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William J Horsley
ウイリアム　ジェイ　ホウスリ−
Virgil R Tucker
バ−ジル　ア−ル　トラッカ−
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Ball Corp
Original Assignee
Ball Corp
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/226—Construction of measuring vessels; Electrodes therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Electrochemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
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  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)

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、液体、固体、気体の低
温剤（ｃｒｙｏｇｅｎ）およびこれらの混合低温剤の密
度測定のための装置に関し、特に、このような装置に用
いる浸せきセルに関する。
【０００２】
【従来の技術】低温剤は揮発性を有し極低温で測定を行
わなければならないため、液化ガスや関連ある固体、気
体、これらの混合物などの低温剤の密度測定は、困難な
問題である。密度の転落または反転が起こると、これを
チェックせずに放置した場合、高い引火性と爆発性を有
する大量のガスが突然放出される可能性があるので、こ
れを防止するために低温剤の密度変化を監視してタンク
内の低温剤の密度グラフを作成するため、極低温タンク
内の密度を連続的に同時または順次に読み取る装置が米
国特許第３，９３３，０３０に開示されている。米国特
許第３，９３３，０３０では、静電容量差測定を用いて
電気的に連続して液体低温剤の密度を測定可能にする案
が提示されている。密度はクラウジス・モソッティの式
から測定され、その方法としては、周知の容量をもつ誘
電セルで液体低温剤の誘電率を限定し、液体低温剤の温
度を測定してクラウジス・モソッティの式からその液体
低温剤の密度を測定する。
【０００３】液体物質の誘電率を測定する装置は、今ま
でに数多く開示されてきた。例えば、米国特許第４，５
５５，６６１では、静電容量差測定技術を用いて液体物
質の誘電率を測定するための方法及び装置が開示されて
いる。米国特許第４，５５５，６６１に公開されている
装置は、液体物質の容器内に設置される三つの電極を持
つ装置によって構成される。装置の電極は三つの板電極
または三つの同軸円筒電極である。二つの遠隔電極は、
フリーランする発信器の端子を横切って接続され、その
区域と分離によって発信器の発信周波数と両電極間にあ
る物質の誘電率を測定する。中央の電極は、二つの遠隔
電極の一方と中央電極の接続および中央電極と回路の接
続切断を交互に行いこれによって発信器の周波数を変え
るスイッチに接続される。周波数の違いから、誘電率が
測定される。米国特許第３，９０３，４７８では、外部
保護管で囲まれた三つの同軸導電性円筒電極からなる液
体静電容量試験セルを含む液体密度測定装置が公開され
ている。この試験セルコンデンサは、相互に接続される
内側および外側の集中シリンダーと、中央集中シリンダ
ーによって形成され、試験セルを通る液体の密度に比例
した電流を試験セルコンデンサ内に供給する１６ｋＨｚ
精密発信器に接続される。この１６ｋＨｚ精密発信器は
１８０°位相外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｈａｃｅ）である別
のコンデンサにも電流を供給し、両電流は、試験セルを
通して、双方の電流差に比例し、したがって液体の密度
に比例する出力を供給する増幅器に向けられる。米国特
許第４，５４４，８８０では、共に一方の端を短くしも
う一方の端を同軸ケーブルに接続した実質的に並行な５
本のワイヤーを含むチップを有する同軸ケーブルから成
る汚染物量およびクランク室内水分測定用マイクロ波プ
ローブは、同軸ケーブルの中心ワイヤーに接続される中
央ワイヤーと、一方の端で同軸ケーブルのシーズに接続
されもう一方の端で互いに接続されるとともに中心ワイ
ヤーに接続される４本の外側ワイヤーを含む。マイクロ
波プローブのワイヤーのサイズと構造については、オイ
ル内に浸せきさせたときに、チップのインピーダンスが
同軸ケーブルのインピーダンスと実質的に一致するよう
なものを選ぶ。オイルの誘電率とオイルに含まれる汚染
物は、前記マイクロ波プローブをマイクロ波発信器に接
続し、相互接続される同軸ケーブルに沿った定位置にお
ける定在波の電圧レベル、相互接続される同軸ケーブル
に沿った定在波の零位置または相互接続される同軸ケー
ブルに沿った定位置における定在波の維持に要するマイ
クロ波発信器の作動周波数の内のいずれかを測定するこ
とによって測定する。
【０００４】液体の誘電率測定のための装置としては、
他に、米国特許第３，３７５，３１６；３，７３９，２
６６；４，０１１，７４６：４，４１７，４７２；４，
４２９，２７２；４，４６８，６１１；４，６７３，８
６９；４，７５１，４７６に開示される装置が含まれる
。米国特許第３，３７５，７１６では、マルチバイブレ
ータのタイミング回路におけるセンサ素子として用いた
液体セルコンデンサによって駆動されるマルチバイブレ
ータが公開されており、液体が液体セルコンデンサを満
たすにつれてセンサの静電容量が変化する結果としてマ
ルチバイブレータの周波数が変化する液量計が示されて
いる。米国特許第３，７３９，２６６では、コンデンサ
プレートを通って移動する綿実等の材料の誘電率の違い
によってこのような材料に含まれる水分を保護するため
の装置が公開されている。このコンデンサプレートは、
材料の誘電率に比例した周波数を有する電気信号を発生
する発信器に接続される。 米国特許第４，０１１，７４６では、精密測定を行う液
体内にともに浸せきされる静電容量プローブと温度セン
サを備えて成る液体密度測定装置が公開されている。こ
の装置は、誘電率と密度においてクラウジス・モソッテ
ィの式に準じた関係を示す無極性有機物である液化天然
ガス等の液体混合物の密度測定に特に適している。静電
容量プローブと温度センサから発信される信号は拡大さ
れ、クラウジス・モソッティの式にしたがった密度計算
に用いられる。米国特許第４，４１７，４７２では、十
字形に配置された四つの導電性Ｌ形伸張コンデンサ素子
を備えて成る液量センサが公開されている。この四つの
導電性Ｌ形部品は周知の静電容量を有する物質で挾まれ
て、十字形の一方の横断線は一体固定されるとともに十
字形の他方の横断線にコンデンサ部品間にレベル変化す
る液体を受け入れる二つの間隙を開け、かくしてこの二
つの間隙内の液体のレベルによって静電容量が変動する
二つのコンデンサを形成している。米国特許第４，４２
９，２７２では、燃料内に沈入される二つの電極で燃料
の誘電率における変化を検出することによって内燃機関
用の燃料中に存在する水分を検出する装置が公開されて
いる。米国特許第４，４６８，６１１では、ホイートス
トンブリッジの構成に用いられ、液体資料の誘電率の測
定において液体の特性、圧力、温度の影響を均一にする
ための四つのキャビティを有する液体セルが公開されて
いる。米国特許第４，４６８，６１１では、十字形に配
置され中央の誘電部と周りの誘電部に保持されて十字形
の縦横のアームに四つの容量セルを形成する四つの導電
性Ｌ形伸張コンデンサ素子を含め、ホイートストンブリ
ッジへの接続のための四つの液体静電容量測定セルを形
成する複数の構成が公開されている。対向する開放セル
の一対には規準液が供給され、他の一対の液体セルには
静電容量測定を行う液体試料が供給される。米国特許第
４，６７３，８６９では、クロマトグラフ分析装置のオ
ーヴンの外から試料セルと規準セルの静電容量を一致さ
せるための回路が公開されている。回路には、共通軸に
沿って間隔を開けて設けられる一対の円筒形電極によっ
て形成されるとともに共通電極によって囲まれる試料セ
ルを備えた検出セルを含む誘電率検出器が含まれる。試
料・規準セルに同一の液体が流れると、試料・規準セル
の静電容量が実質的に一致する時点まで、バラクーダダ
イオードに付与される電圧が操作される。米国特許第４
，７５１，４７６では、誘導特性に基づいて異なる液体
を区別する装置および方法が公開されている。公開され
ている装置は、液体コンジットの両側に配置されて実質
的に平行な板形コンデンサを形成する実質的に平行な導
電面を有する。一方の導電面は誘電体を経て電圧源に接
続され、他方の導電面は共振装置に接続される。共振装
置と第一の導電面の間にトランスコンダクタンス増幅器
が接続される。平行な導電面間を周知の液体が通ると装
置は発信を行うが、異なる誘電特性を持つ液体が導電面
の間を通った場合には、誘電率が異なることから静電容
量が変化するので、装置は発信を行わない。このような
従来の発明活動にも関わらず、液体水素等の低温剤のた
めの申し分のない密度センサは本発明以前には、入手不
能であった。
【０００５】
【目的と構成】本発明は、流体の流れを妨げずにさらに
振動および熱衝撃期間中に接続同軸ケーブルからの抵触
なしに長距離にわたって誘電率と密度を正確かつ再生可
能に測定する能力を提供する剛性開放構造を有する軽量
密度センサを提供するものである。
【０００６】本発明は、新たな浸せきセルと浸せきセル
内の低温剤の誘電率に関係し低温剤の密度測定を可能と
する可変周波数出力を供給する発信回路から成る。浸せ
きセルは、中央導電体のまわりに間隔を設けて設けられ
る複数の外側伸張導電体によって形成される空間の内側
中央に配置される伸張導電体からなる。複数の外側伸張
導電体は電気的に相互接続され、外側開電極を形成する
。浸せきセル内へ低温剤の流れを妨げず、その構造によ
ってセル内に存在する低温剤の誘電率による正確な密度
測定を可能にする。装置の好適な実施例において、導電
性を有する材料で形成された発信器の回路ハウジングに
浸せきセルが取り付けられる。中央電極および外側電極
を形成する複数の導電体の一端は、回路ハウジングに取
り付けられる。回路ハウジングの壁は、機械的及び電気
的に複数の外側導電体を相互接続し、さらに、内側導電
体を有しそれを複数の外側導電体から絶縁する誘電支持
体を有する。内側導電体と外側導電体の他方の端は、非
導電性を有する材料からなる支持体によって保持され、
強固で経済的な構造を提供する。公的な環境内における
発信回路は、好ましくは一般にクラップＬＣ発信器と呼
ばれる形式のものである。
【０００７】本発明の浸せきセルセンサは軟氷状の低温
剤に対して開き、その内側導電体は複数の伸張導電体に
よって形成される外側開電極によって電気的に遮蔽され
る。本発明の好敵な実施例において、中央電極は半径ａ
の円筒形であり、外側開電極を形成する複数の外側伸張
導電体は中央円筒形電極の付近に中央電極の中心軸から
半径ｂを有する円上に等間隔に設けられる四つの円筒形
導電体から成り、その外側円筒面は半径ｂ／４を有する
。浸せきセルのこのような好適な配置によって、静電容
量は、以下の数２から限定できるかも知れない。
【０００８】
【数２】 ここで、εは低温剤の誘電率に等しくＬは浸せきセルの
長さに等しい。内側電極の振動やその他の位置ずれによ
って静電容量は影響されず、温度収縮はこのような配置
の長さの項Ｌにのみ影響する。本発明のさらなる特徴は
、以下に示す図面とさらなる説明から明らかになる。
【０００９】
【実施例】図１に、本発明の密度センサ１０を示す。密
度センサ１０は、第一部分１１と第二部分１２からなる
。第二部分１２は、中央に伸張する導電体１３の形態を
なす内側電極と複数の外側に伸張する導電体１４の形態
をなす外側電極からなる浸せきセルからなる。中央伸張
導電体１３と複数の外側伸張導電体１４の一端は第一部
分１１のハウジング１５に取り付けられ、末端は非導電
性物質の支持体１６に支持される。密度センサの回路室
を形成し、回路に電磁遮蔽を施すため、好ましくは、銅
やステンレス鋼等の導電性金属でハウジング１５を形成
する。図２に示すように、複数の外側電極１４を電気的
及び機械的にハウジング１５に接続して外側電極を形成
する。溶接、鑞付け、鍛接またはねじ止め等都合のよい
周知の固定技術によって外側導電体の電気機械的接続を
行うことができる。ハウジング１５全体を延長すること
によって浸せきセルの外側電極を形成してもよい。図２
に示すように、内側伸張導電体１３は非導電性支持体１
６および１７によってハウジング１５の壁から間隔を開
けて支持される。ナイロン、ポリプロピレンまたはその
他の強化絶縁材料等構造的に健全な如何なる非導電性材
料を電気絶縁支持体１６および１７に用いてもよい。 このようにして伸張導電体１３を複数の伸張導電体１４
によって形成される外側電極１４の内側中央に位置する
電極として用いてもよい。密度センサはかくして極低温
から華氏１０００度以上の温度までの広い温度範囲にわ
たって便利に使用できるよう適用される強固で軽量な一
体構造となる。外側電極を形成する複数の導電体１４と
内側電極を形成する伸張導電体１３の好適な配置を図３
に線図で示す。導電体１４の数とその直径については、
内側電極を効果的に遮蔽できるよう好適に選択する。内
側電極の周囲の距離ｂの位置に外側電極が等間隔に設け
られる場合には、外側導電体１４の数をｎとすると、そ
の外径形はｂ／ｎに等しいことが好ましい。図１〜３に
示すように、それ自体好ましくは伸張管形導電体である
内側電極１３の中心軸から半径ｂを有する円上に等間隔
に設けられた伸張管形導電体によって外側電極を構成す
ることが望ましい。図３に明示するように、外側電極を
形成する複数の伸張管形導電体の円筒形外面の好ましい
半径は、半径ｂをロッド数４で割った値に等しい。内側
伸張管形導電体の円筒形外面の半径をａとすると、内側
電極１３と複数の導電体１４の間の静電容量は前述の数
２と同じ式　　数３で定義される。
【００１０】
【数３】 ここで、εは内側電極１３と外側電極１４の間の物質の
誘電率であり、図１に示すようにＬは浸せきセル１２の
内側電極１３と外側電極１４の長さである。
【００１１】こうして複数の外側導電体１４の内側導電
体１３は軟氷状物質の流れに対して開くコンデンサを形
成する。内側コンデンサ１３と外側導電体１４の間の静
電容量が付近の導電体の存在から独立し、かつ、浸せき
セルが低温剤やその他の液体中に沈入されるときに密度
測定に抵触することなく液体を内包する壁面に接近しそ
の近くに配置されるよう内側導電体１３は外側電極を形
成する複数の外側導電体１４によって電気的に遮蔽され
る。浸せきセル１２によって形成される開放ケージ形コ
ンデンサの静電容量が内側ロッドの転位によって影響さ
れることなく、熱収縮はセル長さＬにのみ影響し、これ
は予測可能である。
【００１２】図４に示すように浸せきセル１２とともに
使用する好適な回路はクラップＬＣ発信機２０である。 図４に回路図を示す好適な発信器は、本発明においてハ
ウジング１５の壁面によって形成される電子室内に内包
されることが好ましい。図４に示すように、接地に接続
される複数の導電体１４によって形成される外側電極と
インダクタ２１に接続される内側電極１３を有する発信
器回路内で浸せきセル１２がコンデンサを形成する。浸
せきセル１２の静電容量は、例えば約６ｐＦと小さくす
ることができ、以下に示すごとくインダクタ２１を横切
る全体としての静電容量を本質的に浸せきセル１２の静
電容量とするようその他の全コンデンサを一連に付加す
る。図４に示すように、半導体装置２２および２３、コ
ンダクタ２４、２５および２６、コンデンサ２７、２８
、２９、３０および３１はインダクタ２１と浸せきセル
１２とともに内側導電体１３と外側電極をなす複数の外
側導電体１４の間の静電容量とともに周波数が変化する
発信器を形成する。例えばＦＳＸ０２ＬＦ（富士通）と
いったＧａＡｓ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が半導
体装置２２および２３として好適に用いられ、また、Ｌ
Ｃ発信器を液体水素内に沈入できるため、一定の温度環
境を得ることができるとともにマイクロホン感応相互接
続用リード線が不要となる。内側電極１３と複数の外側
導電体１４の間の間隙内にある材料の誘電率εは、以下
の数４および数５のように想定されるかも知れない：
【
００１３】
【数４】
【００１４】
【数５】 ここで、Ｃ´ｘは内側電極１３と複数の導電体１４によ
って形成される外側電極間の静電容量であり、数６で示
され、
【００１５】
【数６】 Ｃ´１、Ｃ´２は、数７で示され
【００１６】
【数７】 であって、ここにおいて、数８が成立ち、
【００１７】
【数８】 ＣｏｕｔおよびＣｉｎはＦＥＴ２２の出力容量および入
力容量である。
【００１８】
【効果】このように、本発明の密度センサ１０によって
、開放ケージ形コンデンサを形成する導電体１４により
形成される内側電極１３と外側電極間の液体、固体また
は気体のあらゆる低温剤の密度測定が可能となる。本発
明で誘電率情報が測定場所の周波数信号を直接変換され
、適切な緩衝を行うことにより振動、温度変化、その他
の信号の精度を大きく左右する環境の変化を伴うことな
く周波数信号を航空機周辺に伝えることができる。本発
明の密度センサによって液体水素の測定が可能となり、
また、最低限の付加システム重量で航空機に搭載される
大量の水素を正確に測定することができる。本発明の密
度センサは、例えば１６５ｇ（０．３６ポンド）以下の
重さにすることができる。密度センサの好適な実施例に
おいて、内側および外側導電体は、直径３／８〜１／２
インチで長さ約６〜７インチのアルミ管とすることがで
きるが、内側および外側電極はさまざまな用途の空間的
条件に合わせて配置することができる。密度センサの消
費電力は数１０ｍＡで最低１Ｖで、相互接続同軸ケーブ
ル、振動衝撃または熱衝撃の特性からの抵触を受けるこ
となく長距離において正確な出力を供給する。好適な密
度センサは軽量の剛性構造で、多数の熱サイクル能力を
有し、０〜３０％ｖ／ｖの範囲の液体水素に対して±０
．５％を超える精度を示した。本発明の実施において現
在のところ判っている最適な実施例については、前述の
説明に示すとおりであるが、技術熟練者にとって明らか
なように本発明の範囲は前述の最適な実施例に限定され
るものではなく、本発明の範囲は、請求項および従来技
術によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の密度センサの平面図。
【図２】図１の２−２線の密度センサの浸せきセル部の
断面図。
【図３】本発明の好適な浸せきセルの配置を示す線図。
【図４】本発明の好適な密度センサ回路の回路図。
【符号の説明】
１０　　密度センサ １１　　第一部分 １２　　第二部分、浸せきセル １３　　中央伸張導電体、内側電極 １４　　外側伸張導電体、外側電極 １５　　ハウジング １６　　非導電性支持体 １７　　電気絶縁支持体 ２０　　クラップＬＣ発信器 ２１　　インダクタ ２２、２３　　ＦＥＴ ２４、２５、２６；コンダクタ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　内側伸張導電体と内側伸張導電体付近
    に等間隔に設けられる四つの外側伸張導電体から成り、
    前記四つの外側伸張導電体は共に電気的に接続されると
    ともに前記内側導電体付近の一定距離に固定支持され、
    前記内側導電体は前記四つの外側導電体から電気的に絶
    縁されるとともに電気絶縁支持体によって前記四つの外
    側導電体の内側中央に支持される浸せきセル；および前
    記内側導電体と前記外側導電体に接続され、前記内側伸
    張導電体と前記四つの外側伸張導電体の間に位置する低
    温剤の密度によって変動する周波数出力を供給する発信
    器からなる低温剤の密度測定装置。
  2. 【請求項２】　　請求項１の装置において、前記四つの
    各外側伸張導電体が正円筒形の導電金属面を備えて成る
    もの。
  3. 【請求項３】　　請求項２の装置において、前記中央伸
    張導電体が正円筒形の導電金属面を備えて成るもの。
  4. 【請求項４】　　請求項３の装置において、中央伸張導
    電体と前記四つの外側伸張導電体の中心軸が平行である
    もの。
  5. 【請求項５】　　請求項４の装置において、前記中央伸
    張導電体と外側導電体が金属管であるもの。
  6. 【請求項６】　　請求項２の装置において、四つの外側
    伸張正円筒形導電体は、中央伸張導電体の中心軸から半
    径ｂの位置に等間隔に配置されるとともに各々半径ｂ／
    ４を有するもの。
  7. 【請求項７】　　請求項１の装置において、前記発信器
    が１個以上のガリウム砒素電界効果トランジスタを含む
    もの。
  8. 【請求項８】　　中央伸張円筒形導電体と中央伸張導電
    体付近に等間隔に設けられる四つの外側伸張円筒形導電
    体から成り、前記四つの外側伸張円筒形導電体は各々半
    径ｂ／４を有するとともに共に電気的に接続され前記中
    央円筒形導電体から半径ｂの円周上に支持され、前記中
    央伸張円筒形導電体は半径ａを有するとともに前記四つ
    の外側伸張円筒形導電体から電気的に絶縁される浸せき
    セル；および前記中央伸張円筒形導電体と前記四つの外
    側伸張円筒形導電体の間に存在するかもしれず【数１】 の関係によって測定される低温剤の密度によって変動す
    る周波数（ｆ）の出力を供給するよう調整された発信器
    から成る低温剤測定装置。
JP3023681A 1990-01-29 1991-01-25 開放ケ−ジ形密度センサ Pending JPH04331353A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/471,577 US5027076A (en) 1990-01-29 1990-01-29 Open cage density sensor
US471577 1990-01-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH04331353A true JPH04331353A (ja) 1992-11-19

Family

ID=23872164

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP3023681A Pending JPH04331353A (ja) 1990-01-29 1991-01-25 開放ケ−ジ形密度センサ

Country Status (5)

Country Link
US (1) US5027076A (ja)
EP (1) EP0439735B1 (ja)
JP (1) JPH04331353A (ja)
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