JP3998504B2

JP3998504B2 - マイクロ波式濃度計

Info

Publication number: JP3998504B2
Application number: JP2002117063A
Authority: JP
Inventors: 一弘渡邉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: JP2003315285A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定対象中の固形物や懸濁物質の濃度を測定するマイクロ波式濃度計に係り、特にその測定管の接液部にテフロン（登録商標）やセラミック等の絶縁物を使用した、例えば、食品分野に使用するに適したマイクロ波式濃度計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、気泡や汚れの影響を受け難い濃度計としてマイクロ波式濃度計が開発され、実用化されるようになっている。図６は、マイクロ波式濃度計の構成例を示している。
【０００３】
同図に示すように、液体の流通する測定管１の外周面に、マイクロ波の送信アンテナ２とマイクロ波の受信アンテナ３とが対向配置され、またマイクロ波発振器７からマイクロ波が供給されるようになっている。マイクロ波発信器７からのマイクロ波の通過経路として、パワースプリッタ４、送信アンテナ２、測定管１内の液体１ａとマイクロ波受信アンテナ３を通って位相差測定回路５に導入される第１の経路と、同じくマイクロ波がパワースプリッタ４を通って前記位相差測定回路５に導入される第２の経路とが形成されている。
【０００４】
さらに、位相差測定回路５の出力は濃度演算器６に入力されている。そして、位相差測定回路５で第２の経路からのマイクロ波に対する第１の経路からのマイクロ波の位相遅れから位相差を求める構成となっている。
【０００５】
この濃度計では、マイクロ波発振器７からパワースプリッタ４を経由して直接受信するマイクロ波（第２の経路）に対する測定管１内の被測定対象液１ａ中を伝播してくるマイクロ波（第１の経路）の位相遅れθ２と、測定管１内に基準流体（例えば濃度ゼロとみなせる水道水）を充填して被測定対象液１ａと同じ条件で測定したときのマイクロ波の位相遅れθ１とを比較し、その位相差△θ＝（θ２−θ１）から、例えば、図７に示すような検量線を用いて濃度を求めている。
【０００６】
具体的には、濃度Ｘ＝ａ△θ＋ｂの演算を行って濃度を求めるものである。なお、ａは検量線の傾き、ｂは検量線の切片で、通常はｂ＝０である。
【０００７】
次に、図８に、従来のマイクロ波式濃度計における測定管１への送信アンテナ２および受信アンテナ３の取付構造を示す。
【０００８】
測定管１は、ステンレス鋼等金属製のパイプが使用されており、その金属パイプの管軸をはさんで対向する位置にマイクロ波を送・受信するための窓穴８、
９をそれぞれ設け、窓穴８、９にはプラスチック等の絶縁材製の窓板１３、１４がシール材１１、１２を介して測定管１に気密に取り付けられている。さらに窓板１３、１４にはそれぞれマイクロ波の送信アンテナ２、受信アンテナ３が取り付けられている。
【０００９】
なお、このように金属パイプに窓穴８、９を設けている理由は、金属パイプの外側から内部にマイクロ波を入射しようとしてもマイクロ波は金属パイプ壁で吸収されてしまうため入射できない。そこで、金属パイプに窓穴８、９を設け、そこに取り付けた絶縁材製の窓板１３、１４を通して内部にマイクロ波を入射し、また受波するようにしている。
【００１０】
以上のようなマイクロ波式濃度計は、マイクロ波の位相差を測定する方式であり、またマイクロ波を入射あるいは受波する窓部は透明である必要はないため、気泡や汚れの影響を受け難く、しかも連続的に濃度を測定することができる。
【００１１】
しかし、長期間の使用に対しては、受信アンテナ取付部の凹凸部やシール材近辺などの隙間に汚れや異物が堆積してくるとその影響を無視できなくなる。
【００１２】
特に、食品分野等に適用する場合は、測定対象液中の固形分が、配管中の凹凸、隙間部分に残留、堆積して腐敗することがない様に、パイプ内面に一切凹凸や隙間ができないサニタリー構造が要求されている。
【００１３】
ところが、測定管として金属パイプを用いる場合は、上述した様に、マイクロ波送信・受信アンテナ取り付け部に凹凸や隙間ができてしまうことは避けられないという課題があった。
【００１４】
また、強酸性、強アルカリ性の測定流体の場合においては、耐食性の高い、金属やプラスチック等の測定管が必要とされる。
【００１５】
そのため、特開２００１−７４６７１号公報には、測定管におけるマイクロ波送・受信手段取付部内面に凹凸や隙間ができない構造とし、汚れが付着し難い構造としたマイクロ波式濃度計が記述されている。
【００１６】
そして、この構成では測定管を、例えばプラスチックパイプ、またはガラスパイプとする等絶縁物で構成することにより、従来のように金属製の測定管に窓穴を設けて、そこに絶縁材製の窓板をシール材を介して取り付ける必要をなくし、測定管内面に凹凸や隙間ができない構造で、耐食性にも優れる構造を実現している。
【００１７】
また、測定管の外側は、例えば金属製のカバーで覆う等、マイクロ波を遮蔽する遮蔽部材で覆う構成とすることにより、絶縁物製の測定管からの不要電波（マイクロ波）の漏洩を低減するようにしている。
【００１８】
一方、マイクロ波式濃度計の精度向上のための従来技術には、例えば、特開平11-８３７５８号公報等がある。この記述では、マイクロ波式濃度計の精度の向上には、使用するマイクロ波の周波数範囲を測定分解能と、マイクロ波の減衰量のトレードオフで決める必要があることから、周波数範囲を１．７ＧＨｚ以上とし、コストと精度のトレードオフからは上限値を２．０ＧＨｚとすることが記述されている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のマイクロ波濃度計においは、測定管内面に一切凹凸や隙間が出来ない構造としたので、食品分野等で要求される被測定対象液中の固形物が測定管内に残留、堆積することから生じる腐敗の問題や、強酸性、強アルカリ性の場合の測定管の腐食の問題は解決できたが、測定管内面を絶縁物で構成したため、この絶縁物を伝播するマイクロ波と被測定流体を伝播するマイクロ波が干渉し、位相検出精度が悪化する問題が発生し、高精度で測定することが出来なくなった。
【００２０】
本発明は、上記点に鑑みてなされたもので、測定管の内面に凹凸のない絶縁物とした場合でも高精度で測定できるマイクロ波式濃度計を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明によるマイクロ波式濃度計の請求項１では、両端にフランジ部を備える円筒管をフッ素樹脂とし、該円筒管に被測定対象液を流す測定管と、１．７ＧＨｚ乃至２．０ＧＨｚのマイクロ波信号を発信するマイクロ波発信器と、前記測定管の外壁に面接し、前記測定管の管軸と直交方向で対向して配置される前記マイクロ波信号の送信アンテナと受信アンテナと、前記被測定対象液を伝播した前記マイクロ波信号の位相遅れ判定手段と、前記位相遅れ判定手段の出力から前記被測定対象液の濃度を求めるマイクロ波演算手段とを備え、前記測定管は、前記フッ素樹脂の肉厚を１．７ｍｍ乃至３．０ｍｍとし、該測定管の前記フランジ部端面、及び前記送信アンテナと前記受信アンテナを除く周囲を覆うように設けられる金属管を備えたことを特徴とする。
【００２２】
従って、請求項１の発明のマイクロ波式濃度計によれば、測定管内面の絶縁物の厚さを制限することによって、この絶縁物を介して伝播するマイクロ波を減衰させるので、高精度で測定することが出来る。
【００２４】
従って、請求項２のマイクロ波濃度計によれば、測定管をテフロン（登録商標）や、セラミックのみで構成した場合でも、金属リングによってこの測定管を介して伝播されるマイクロ波を遮断したので、高精度で測定することが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２６】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明のマイクロ波式濃度計に係わる第１の実施の形態の構成図を示す。なお、測定管１９及びそれに送信アンテナ、受信アンテナの取り付け構造を示す部分は断面図で示してある。また、図２は図1のII−II線矢視断面図である。
【００２７】
図１において、１９はマイクロ波式濃度計の測定管で、例えばテフロン（登録商標）、プラスチックパイプ、ガラスパイプ、セラミック等の絶縁物製のパイプで構成されている。その測定管１９の内部を被測定対象液１ａが流れる。２２、２３はそれぞれ測定管１９の管軸を挟んで外側面の対向する位置に設けられた絶縁物製のアンテナ取り付け部で、このアンテナ取付部２２にはマイクロ波の送信用アンテナ２が、またアンテナ取り付け部２３にはマイクロ波の受信用アンテナ３が取り付けられている。
【００２８】
なお、アンテナ取り付け部２２、２３は、測定管１９と同じ材質の部材を測定管１に接着して構成してもよいし、測定管１９と一体成型してもよい。さらに、２４は測定管１９を覆う金属製パイプで、その両端には配管接続するための金属製のフランジ２５、２６が設けられている。なお、測定管１９についてもその両端にはフランジ部分が設けられている。
【００２９】
また、液体の流通する測定管１９の外周面のマイクロ波の送信アンテナ２には、マイクロ波発振器７からマイクロ波が供給されるようになっている。マイクロ波発信器７からのマイクロ波は、パワースプリッタ４、送信アンテナ２、測定管１内の液体１ａとマイクロ波受信アンテナ３を通って位相差測定回路５に導入される第１の経路と、同じくマイクロ波がパワースプリッタ４を通って前記位相差測定回路５に導入される第２の経路とが形成されている。
【００３０】
さらに、位相差測定回路５の出力は濃度演算器６に入力されている。
【００３１】
次に、以上のように構成された実施の形態の動作について説明する。マイクロ波発振器７からパワースプリッタ４を介して測定管１９のアンテナ取り付け部２２に取り付けられた送信アンテナ２にマイクロ波を供給し、送信アンテナ２と対向配置された受信アンテナ３で測定管１９内の被測定対象液１ａを透過してきたマイクロ波信号を受信し、その信号を位相差測定回路５に送る（第１の経路）。
【００３２】
また、マイクロ波発振器７からのマイクロ波は、パワースプリッタ４を介して直接位相差測定回路５に送られる（第２の経路）。そして、この位相差測定回路５で第２の経路からのマイクロ波に対する第１の経路からのマイクロ波の位相遅れを求める。
【００３３】
濃度演算器６では、測定管１９内の被測定対象液１ａ中を伝播してくるマイクロ波の位相遅れθ２と、予め測定管１内に基準流体（例えば濃度ゼロとみなせる水道水）を充填して被測定対象液１ａと同じ条件で測定したときのマイクロ波の位相遅れθ１とを比較し、その位相差 △θ＝（θ２一θ１）から前述の図７に示すような検量線を用いて濃度演算を行う。
【００３４】
ここで、測定管１９は、前述した様に絶縁物のパイプで構成されているため、従来のように金属製の測定管１９に窓穴を設けて、そこに絶縁材製の窓板を、シール材を介して取り付ける必要がなくマイクロ波を通過させることができる。
【００３５】
従って、従来のように凹凸や隙間に汚れや異物が付着、堆積するということが生じない、例えば食品分野等に使用するのに適した構成と成っている。
【００３６】
また金属製パイプ２４は、測定管１９内に入射されたマイクロ波が受信アンテナ取り付け部２３以外の部分から外部に不要電波として漏洩する量を低減するとともに配管強度を増す働きをしている。更に、金属製パイプ２４の両端に設けられた配管接続のためのフランジ２５、２６は、配管強度を増す働きをしている。
【００３７】
次にこの様に構成されたマイクロ波式濃度計について測定管１９の厚さと濃度計の測定精度の関係を調べるための実験を行った。実験は、図１の構成に示すマイクロ波式濃度計と同じ構成とし、測定管１９の厚みを０．５ｍｍ乃至３．５ｍｍまで変えた時の測定精度を求めた。この時の測定管１９の材質はテフロン(登録商標)とし、マイクロ波の送信周波数を２．０ＧＨｚとし、被測定対象液１ａは、ほぼ常温(２０℃)で設定した。
【００３８】
この測定管１９の材質とマイクロ波の周波数の選定理由を以下に述べる。マイクロ波の周波数は、精度とコストの関係から、１．７乃至２．０ＧＨｚとした。送信周波数も、測定精度がもっとも悪化する条件、即ち、受信回路のＳ／Ｎが最も低下するマイクロ波の減衰率が大きくなる２．０ＧＨｚとした。
【００３９】
一方、測定管１９の材質としては、その比誘電率の値が大きい材質のもの程マイクロ波の減衰率が大きくなり、測定管１９を伝播するマイクロ波の影響は小さくなる。従って、実験で使用した以上の比誘電率を有する材質であれば実験結果以上の測定誤差は生じないことから、比誘電率の値が比較的小さいサニタリー用途に適するテフロン（登録商標）、（比誘電率ほぼ２．０）を使用して実験した。
【００４０】
さらに、被測定対象液１ａの被誘電率は、温度依存性が大きいため測定精度に影響しない範囲とするため、ほぼ常温とした。
【００４１】
その結果を、図３に示す。この図において測定管１９の厚さが２．５ｍｍを超えると急激に測定精度が悪化するが、測定管１９の厚みが３．０ｍｍ以下であれば濃度測定装置として使用可能な精度１．０％を確保できることが分かった。また、テフロン（登録商標）は、その形成工程でピンホールの発生を避けることが出来ないが、図４に示す様に、１．７ｍｍ以上の厚みであればピンホールの発生個数も要求品質の水準以上を確保できることが確認できた。
【００４２】
上述したように、本実施の形態のマイクロ波濃度計によれば、測定管１９を介して伝播するマイクロ波を減衰できるので、測定管１９内面に凹凸がないサニタリー要求を満足する高精度な測定が可能となる。
【００４３】
なお、測定管としてガラス等の材質を使用する場合は、比誘電率は７乃至８程度であり、マイクロ波の影響はより軽減されるが、ガラスの強度を考慮して所定の強度以下で使用する必要がある。
【００４４】
（第２の実施の形態）
図５（ａ）は、本発明の第２に実施の形態に係わるマイクロ波式濃度計の送、受信アンテナ取り付け部の構造を説明する断面図である。図５(ｂ)は、図５（ａ）のVI−VI矢視断面図で金属リング２０の構造を示す。
【００４５】
被測定対象液１ａは、絶縁物材質、例えばセラミックスや機械的強度のある樹脂等から製造された測定管２１のみで配管強度を満足する様に構成されている。また、測定管２１を伝播して受信されるマイクロ波を遮断するため、送信アンテナ２及びアンテナ取り付け部２２、測定管２１、受信アンテナ取り付け部２３から受信アンテナ３への経路で伝播されるマイクロ波を遮断する金属リング２０が測定管２１の送信側と受信側に埋め込まれ、夫々接地されて設定されている。
【００４６】
なお、アンテナ取り付け部２２，２３は、測定管２１と同一の材質で一体成型してもよい。その他の構成は、前述の第１の発明の形態と同様であるので、説明は省略する。
【００４７】
この様に構成された、マイクロ波濃度計は被測定対象液１ａを測定管２１ののみで保持するので金属パイプ等の重量物がないので軽量化できる。一方、この構造は外来する電磁波に対する遮蔽や、自らが漏洩するマイクロ波の遮蔽が出来ていないが、例えば、本装置全体が金属筐体に組み込まれ使用されるものであれば十分遮蔽可能で使用上の問題はない。
【００４８】
上述したように、本実施の形態のマイクロ波濃度計によれば、測定管２１を介して伝播されるマイクロ波を遮蔽できるので軽量で高精度な測定が可能となる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、送、受信アンテナを測定管に対してシール材を介して取り付ける必要のない絶縁物製の測定管としたことによって、内面に凹凸や隙間ができない構造を実現できる。これにより汚れが付着し難く、異物の堆積も起こらず、サニタリー仕様を容易に満足し、更に測定管より伝播するマイクロ波を減衰もしくは遮断したことによって高精度なマイクロ波式濃度計を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態による測定管の断面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態による作用説明図。
【図４】本発明の第１の実施の形態による作用説明図。
【図５】本発明の第２の実施の形態による測定管の断面図。
【図６】従来のマイクロ波濃度計の構成図。
【図７】マイクロ波濃度計の検量線の説明図。
【図８】従来のマイクロ波式濃度計の送信、受信アンテナの取り付け構造を示す断面図。
【符号の説明】
１測定管
１ａ被測定対象液
２送信アンテナ
３受信アンテナ
４パワースプリッタ
５位相差判定回路
６濃度演算器
７マイクロ波発信器
８窓穴
９窓穴
１１シール材
１２シール材
１３窓板
１４窓板
１７送信ケーブル
１８受信ケーブル
１９測定管（絶縁物）
２０金属リング
２１測定管（絶縁物）
２２アンテナ取り付け部
２３アンテナ取り付け部
２４金属パイプ
２５、２６フランジ

Claims

両端にフランジ部を備える円筒管をフッ素樹脂とし、該円筒管に被測定対象液を流す測定管と、
１．７ＧＨｚ乃至２．０ＧＨｚのマイクロ波信号を発信するマイクロ波発信器と、
前記測定管の外壁に接し、前記測定管の管軸と直交方向で対向して配置される前記マイクロ波信号の送信アンテナと受信アンテナと、
前記被測定対象液を伝播した前記マイクロ波信号の位相遅れ判定手段と、
前記位相遅れ判定手段の出力から前記被測定対象液の濃度を求めるマイクロ波演算手段とを備え、
前記測定管は、前記フッ素樹脂の肉厚を１．７ｍｍ乃至３．０ｍｍとし、該測定管の前記フランジ部端面、及び前記送信アンテナと前記受信アンテナを除く周囲を覆うように設けられる金属管を備えたことを特徴とするマイクロ波式濃度計。