JPS62182640A - 燃焼ヒータからの灰に含まれる不燃焼石炭の含有量を測定する方法及び装置 - 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】 木発ＩｌｌはｖＵわｌの比誘電率を測定する方法および
装置に関し、前記比誘゛重重はどんな秤類のヒータから
でも来る灰の中の不燃焼石炭含有１ｉ１を測定するのに
とりわけ重要である。かかる測定が依然として実験条件
の下にある構造を有するヒータを試験するとぎに特に役
立つのは、それがヒータ効率に明らかに相関されるから
である。

灰の中の不燃焼石炭の含有量を測定する唯一の知られて
いる方法は、法自体の化学分析を行うことである。この
方法がしばしば不適当であるのは、大部分の場合にパラ
メータが実時間で知られなければならないからである。

他方では、極めてしばしば、前記パラメータの知識は化
学分析法により達し得るような高精度を要求されない。

いずれにせよ、誘電材料の比誘電率は材料中の導電性粒
子の含有量の関数であり、すなわち導電ｆ１粒子の濃度
が高いほど、材料の比誘電率が高くなるが、いずれもそ
の実数部分と１お数部分に関するかぎりそう言える。

１）に不燃焼石炭のない石炭灰は事実上完全誘電材料の
特徴を備え、りなわら比誘電率の虚数部分の極めて低い
値を示す。

これに反して、不燃焼石炭は事実上ゼロ以外の導電率を
イアする。したがって、灰の中の不燃焼石炭がある場合
、比誘電率が増加するほと、不燃焼濃度が大きくなる。

この増加は比誘電率の実数部分にも虚数部分にも影響を
及ぼし、かくて現象の完全な評価を得るように、下記に
Ｊ３いて比誘電率のモジュラスについて言及されるが、
ただし反対を↑ＯＪめる場合を除く。

本技術知識は、灰の中の不燃焼石炭のＱ度と法自体の比
誘電率との間に二義的な類似が存在することを教える。

かかる二義的な類似を分析的に明確にする目的での本問
題の理論研究は不要である。

必要なのは、例えば化学分析により測定された既知の不
燃焼濃度を特徴とする灰の数個のサンプルから容易に得
られる校正曲線だ【ノである。

校正曲線が知られると、技術的な問題点はいかに迅速・
容易な方法で灰の比誘電率を測定するかにある。残念な
がら、これまでに提案された方法および装置は明確な形
状のリンプルの使用を意味し、また比較的高い損失を持
つ材料の特徴づけにも不向きである。

本発明の［１的は、作るのが困難な形状にしたがって試
験１べさ゛月利を形作る必要なしに作ｆＪ＋することが
でさる月利、特に燃焼ヒータからの灰の出講′重重を測
定りる装置Ｊ３よび方法を提供りることである。

本発明のもう１つの目的は、安価でかつど／ｖ　’、ｒ
１、！！別の訓練らなしに容易に操作し）ｒする上述の
形の装置を提供することである。

本発明により、材料の比誘電率を測定する装置であって
、短絡されたマイク日ス１−リップＪ３よびそれど組み
合わされた容器装置で、前記材料を前記マイクロストリ
ップと接触状態に保つ前記マイクロストップおよび容器
と、前記マイクロストリップにマイクロ波を供給しかつ
）、１卑情号を供給するマイクロ波発生装置と、前記マ
イク［］スストップで反射された信号と前記基準信号と
の間の位相変位を検出する装置と、前記マイクロストリ
ップに加えられて反射係数のモジｌラスを提供する電力
測定装置と、前記基準信号と前記反射信号との間の位相
を変えることによって前記位相変位を変える第１および
第２制御装置であり、前記制御装置は前記信号間の位相
変位を測定し、それによって反射係数の位相が前記測定
の関数として得られ、前記位相は比誘電率の値に相関さ
れている前記第１および第２制御Ｖｌ置と、を含むこと
を特徴とする前記測定装置が提供されている。

本発明により、さらに、材料の比誘電率を測定する方法
であって、複素反ＯＡ係数と比誘電率との闇の関数を数
値的に明らかにする段階と、マイクロストリップの出力
の大ぎさから前記反射係数のモジュラスを１ｑる段階と
、校正済の移相器を作動して前ン；反射係数の位相を１
１？る段階と、を含むことを特徴とする前記測定方法が
提供される。

本発明を実施する１つの方法を、唯一の特定な実施態様
を例示１゛る図面に関して以下に詳しく説明する。

本発明による装置の作動原理をより良く埋Ｆ／／するよ
うに、高周波信号を送信するマイクロストリップのまわ
りの若干の素子を説明りる必要がある。

マイク［１ストリップは幅Ｗの導電材料のストリップで
あり、比誘電率ε１おＪ：び＋ｑさｄ′の基板にＪ：つ
てＷより約１０倍きい幅の導電面ににって分離されてい
る。

駐根は完全な誘電材料で構成されているので、イの比誘
電率は実数である。高さがｄｒ、幅が導電面の幅に等し
く（またはそれより大きり）、比誘電率がε２である誘
電材料のリンプルがマイク［１ストリツプの上に置かれ
ると、マイクロストリップは「ロード」されたと言われ
る。ローディング材料は一般にＯ以外の導電率を右Ｊる
ので、これは一般に複素数である。０−ドされたマイク
ロストリップの特性インピーダンス番ま下記の式によっ
て与えられる ただし Ｃ−自由空間の光速 ε。＝真空中の比誘電率。

および １ｏ＝１、ただし丘、＝ε１＝１のとき　（３）一般に
土は６．２が複素数であれば複素数であり・逆に１゜は
必ず実数であることを指摘しなければならない。

いよ第１図から、マイク１コストリツプ１０Ｌｔ短絡さ
°れかつ長さ１゜だけ容器９の中に置かれた材料でロー
ドされている。材料１１は特性比誘電率ε２を右する。

この場合、第１図の部分Ａ−Ａの入力インピーダンスは
下記の式によって与えられる 、７−−　　Ｚ−ｔｏβ−１ｏｆ４１ 〜＋ｎ−Ｊ　　Ｏ ただしｚ、ｏは１−ドされたマイク０ス１゛リツプの１
う竹インピーダンスであり、また λは自由空間における波長であり、また知られているよ
うに、部分Ａ−Ａの反射係数［は下記の式で与えられる ただしＺ＾はロードされていないマイクロストリップの
特性インピーダンスである。

下記のように置くと ρ＝　　１−　　　　　　　　　　ｔｏ＋ν／２ 次の式が得られる この式は、［がローディング材料の比誘電率ε２に左右
されるほか、ｌおよびＩ。を通して下記のパラメータに
も左右されることを示す Ｗ＝マイクロストリップの直線長さ、 ｄ′　一基板の高さ、 ε１＝基板の比誘電率、 ｄ＝ローディング材料の＾さ。

最初の３つのパラメータは使用されるマイクロストリッ
プの形に左右され、したがって既知であり、第４のパラ
メータはマイクロストリップの上に買かれたナンブルの
高さに左右される。

す゛ンブルの高さくｊが一定の最小値よりも大きければ
、反射係数「はもはや前記パラメータに左右されないこ
とが容易にＬ！Ｉ！解される。反射係数がこのパラメー
タから独立するようになるためには、最小ｄ値よりも大
ぎい高さの材料丈ンブルを使用するだけで十分である。

例えば、特性インピーダンス５０Ωのポリガイド（ＰＯ
ＬＩＧｔｌｌＤ［）として知られる形のマイクロストリ
ップを使用すると、マイクロストリップの物理パラメー
タは下記の通りである ｄ’＝１．６ｓｍ Ｗ＝４．８ａｓ＋ ε１＝２．３２ 第４パラメータについては、ｄの最小値（ｄｌ）が約７
．５ｃｍであることが判明している。

反射係数「に影’１１する最後のパラメータはｌ。

であり、このパラメータは明確に直接測定することがで
きる。かくて第１回に見られる通り、マイク０ストリツ
プ１０にはプレキシグラスで作られた適当な容器が固定
され、すなわち試験すべき材料はｉｏに等しい長さで置
かれでいる。

マイクロ波発生装置１は、２つの全く同位相の信号にに
つて梠成される出力を待つ電力分割器２にマイクロ波を
供給する。第１信弓はミクサー３に直接送られ、この信
号は次にＶ３で表示される。

第２信号はサーキュレータ５に送られ、それによってマ
イクロス１−リップ１０に送られるが、このマイクロス
トリップ１ｏは短絡されると第２信号をサーキュレータ
５に送り返す。さらにサーキュレータ５は、移相器６お
よび７（Ｖ４）を介してミクサ−３に信号を送り返す。

ミクサの出力はゼロ検出器４、この場合は電圧ｔ１に供
給される。電力測定装置８、この場合は電力計もマイク
ロストリップ１０に組み合わされる。

反射係数のモジュラスは即時に測定され、いずれの場合
も、すなわちマイクロストリップがロードされる（電力
値がＰ２に等しい）ときも、マイクロストリップがロー
ドされない（Ｐｌ）ときも、電力計８ににつてマイクロ
ストリップ１０からの出力を測定するだけで演む。反射
係数のモジュラスは下記の式で与えられる 上記から、第１図の部分△−△にＪ３　ＬＪる反射係数
の位相を測定Ｊるだけで演むことが分かる。

部分Ａ−八に対応してマイクロストリップに入る信号、
？Ｉなわち、波形をＶ＋で示し、同じ部分から戻る信号
、すなわら波形をＶ−で示すと、反射係数の位相は２つ
の信号間の位相角、すなわち下記の通りである ミクサ３は、その入力端の信号ｖ３およびＶ４が直角位
相であり、すなわら９０°位相はずれであるとき、ピロ
に等しい出力電圧を供給することを考慮しなければなら
ない。したがって、これらの信号がゼロ検出Ｐ！ｉ４に
よって９０°位相はずれにされるときおよび線路遅延が
校正されていない移相器６を作動させて変えられるとき
を制御するのは容易である。マイクロストリップが初め
にロードされていないものとし、かつ信号Ｖ３およびｖ
４を直角位相に置き、ゼロ検出器４でこの作動を制御す
ることによって、信号の状況は位相によって第２図にグ
ラフで示されるようなものである。

角ψはロードされていないマイクロストリップの反９４
係数の位相であり、理論的に容易に算出される。実際に
、この角は下記の式で与えられるψ−π−２β１　ｏ（
１２） ただし また ロードされた材料が空気であり、すなわちマイクロスト
リップが［１−ドされていないときＩは整数である（第
（２）式）。この場合もまたρ＝（。／λ／２と置き、
第（１２）式に代入すると、下記の式が得られる いろいろなパラメータの前に定められた値によって、そ
れは次のようになる １ｏ＝０．５９４３１１ １＝０．３０２３２８ いまマイクロストリップがロードされると、第１図に略
示される通り、長さ１゜のサンプルでは、信号■−は信
号■１に関してさらに角θだけ遅延され、■４はＶ３に
関して同じ角だけ遅延される。

実際の位相状況は第３図に示され、その角γ＝ψ十〇は
Ｏ−ドされたマイクロストリップの部分Ａ−Ａに対応す
る反射係数の位相である。角ψが知られているので、角
θを測定するだけでよい。■　に関するＶ４の遅延によ
り、ミクサ３の出力はいま不平衡となる。これはゼロ検
出器４によって視覚化される。角θの測定は校正済の移
相器７によって行われる。実際に、後者によってミクサ
３の出力は再びゼロにセットされ、これは位相ベクトル
Ｖ４が角θの少し先にあることを意味する。したがって
、このパラメータは校正済の移相器７から直接読み出さ
れる。ゼロ・セツティングは信号Ｖ４の可能な撮幅変化
に左右されないことを指摘しなければならない。第１図
に略示された装置は明らかにマイクロ波の範囲内で作動
し、ずなわ’５１ＧＨ２より大きな周波数を持っている
。

正しい周波数値の選択は、どうしても下記の考慮によっ
て影響されるニ 一周波数１直はマイクロストリップ形の伝送線の使用と
両立しなければならない。

−この値はコンパクトで発見が容易な電子部品を利用で
きる範囲内であることが望ましい。

−この値は角θの測定についてどんなあいまいさも避け
るために、下記のようでなければならない いろいろな要求を釣り合わせる最適の値は約２ＧＨ２で
ある。

試験材料が燃焼ヒータから来る灰である特定の場合には
、位相および反射係数のモジュラスが測定されると、比
誘電率を算出することができ、さらに前しって用息され
た校正曲線によって、灰の中にある不燃焼石炭の準を知
ることができる。

認められると思うが、本発明ににす、比誘電率の値は１
４定の形状または吊の１ノンプルを使用ザる必個のない
安価な装置によって求められる。ざらに試験ずべき材料
がない場合の初期のピ［トセッティングによって、理論
的に考えられる測定から実際の装置のどｌυなかたより
によってし影響されない測定が１すられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の概略図、第２図ｔま第１図
に示される信号Ｖ３と■４どの位相比、およびマイクロ
ストリップがロードされていないとき第１図の部分Ａ−
Ａに対応してマイクロストリップ内で検出し得る信号■
１とＶ−との位相比を示υ図、第３図はマイクロストリ
ップがロードされるとき第２図の同じ信号を示す図であ
る。 符号の説明： １−マイクロ波発生装置；２−第１回路；３．４−位相
変位検出装置：５−サーギュレータ；６゜７−位相器；
８−電力計；９−容各：１ｏ−マイクロストップ：１１
−材料

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）材料の比誘電率を測定する装置であつて、短絡さ
   れたマイクロストリツプ（１０）およびそれと組み合わ
   された容器装置（９）で、前記材料（１１）を前記マイ
   クロストリツプと接触状態に保つ前記マイクロストリツ
   プおよび容器と、前記マイクロストリツプ（１０）にマ
   イクロ波を供給しかつ基準信号（Ｖ＿３）を供給するマ
   イクロ波発生装置（１）と、 前記基準信号（Ｖ＿３）と前記マイクロストリツプ（１
   ０）で反射された信号（Ｖ＿４）との間の位相変位を検
   出する装置（３、４）と、 前記マイクロストリツプに加えられて反射係数のモジユ
   ラスを提供する電力測定装置（８）と、前記基準信号（
   Ｖ＿３）と前記反射信号（Ｖ＿４）との間の位相を変え
   ることによつて前記位相変位を変える制御装置（６、７
   ）であり、前記制御装置（６、７）は前記信号間の位相
   変位を測定し、それによつて比誘電率の値が反射係数の
   モジユラスから得られ、かつその位相が前記位相変位測
   定の関数である前記制御装置と、 を含むことを特徴とする前記測定装置。
2. （２）前記容器装置（９）は前記マイクロストリツプ（
   １０）に垂直な側面を有し、前記側面の長さは値ｄ＿１
   よりも大きく、前記値ｄ＿１は前記材料および前記マイ
   クロストリツプの関数である、ことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載による装置。
3. （３）基準信号と反射信号との間の位相変位を検出する
   前記装置は、前記信号が直角位相にあるとき前記信号を
   入力としかつゼロに等しい電圧信号を出力として持つミ
   クサ（３）と、前記電圧信号を検出する電圧計（４）と
   、を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項または
   第２項記載による装置。
4. （４）前記制御装置は、ロードされていない条件下のマ
   イクロストリツプによつて反射された信号を前記基準信
   号に関して９０°位相変位させる第１移相器（６）と、
   ロードされた条件下のマイクロストリツプによつて反射
   された信号を前記基準信号に関して９０°位相変位させ
   る校正済みの第２移相器（７）と、を含むことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項ないし第３項のどれでも１つ
   の項記載による装置。
5. （５）前記材料は燃焼ヒータから来る灰であり、前記灰
   の中の不燃焼石炭の含有量が比誘電率の既知関数である
   、ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項
   のどれでも１つの項記載による装置。
6. （６）基準信号（Ｖ＿３）を供給しかつ前記マイクロス
   トリツプにマイクロ波を供給してそれにより反射信号（
   Ｖ＿４）が作られるようにするマイクロ波発生装置（１
   ）と組み合わされた短絡マイクロストリツプ（１０）を
   ロードする材料の比誘電率を測定する方法であつて、 前記反射信号の反射係数■と前記比誘電率との間の関数
   を数値的に明確にする段階と、 前記マイクロストリツプが前記材料をロードされるとき
   およびそれがロードされないときにそれぞれ、マイクロ
   ストリツプからの出力を測定することによつて前記反射
   係数のモジユラスを得る段階であり、前記モジユラスは ｜■｜＝√（ロードされたＰ）／（ロードされないＰ）
   によつて与えられる前記段階と、 前記反射係数の位相を測定する段階と、 を含むことを特徴とする前記測定方法。
7. （７）前記反射係数の位相を測定する段階は、前記基準
   信号（Ｖ＿３）を供給する第１回路（２）および前記マ
   イクロストリツプ（１０）と第１移相器（６）と校正済
   の第２移相器（７）とを含む第２回路に同じ信号を供給
   する段階と、 前記第１移相器（６）によつて前記基準信号と反射信号
   との間の位相差を、マイクロストリツプがロードされな
   いときに９０°に等しくするように調節する段階と、 マイクロストリツプがロードされないときに反射係数の
   位相角を測定する段階と、 前記マイクロストリツプに前記材料をロードする段階と
   、 前記校正済の第２移相器（７）によつて前記基準信号と
   反射信号との間の位相差を、再度９０°に等しくするよ
   うに調節する段階、および前記校正済の第２移相器から
   相対位相変位θを読み出す段階であり、それによつてγ
   ＝θ＋ψから全位相変位が求められ、角γは反射係数の
   位相である、前記調節・読出し段階と、 を含むことを特徴とする特許請求の範囲第６項記載によ
   る方法。
8. （８）比誘電率が未知な前記材料は燃焼ヒータから来る
   灰であり、前記灰の中の不燃焼石炭の含有量は前記比誘
   電率の既知関数であることを特徴とする特許請求の範囲
   第６項および第７項記載の方法。