JPH05322801A

JPH05322801A - 濃度計

Info

Publication number: JPH05322801A
Application number: JP4045613A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamaura; 武山浦; Koji Ogata; 孝次緒方; Tsutomu Suzuki; 務鈴木; Ikuo Arai; 郁男荒井; Seiji Yamaguchi; 征治山口
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Metropolitan Government
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Metropolitan Government
Priority date: 1992-03-03
Filing date: 1992-03-03
Publication date: 1993-12-07
Anticipated expiration: 2016-08-20
Also published as: JP3199815B2

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明は、懸濁物質の付着および流体中の
気泡の影響を受けずに濃度を測定でき、かつ、マイクロ
波の入・出射効率を上げることにある。【構成】検出用管体（検出用容器を含む）２３にマイ
クロ波送・受信系を対向配置し、この検出用管体内の被
測定物質を含まない流体中にマイクロ波を伝播させて得
られる第１の位相遅れと、前記検出用管体内の被測定物
質を含む被測定流体中にマイクロ波を伝播させて得られ
る第２の位相遅れとから位相差を求め、この位相差から
前記被測定流体の濃度を測定する濃度計にあって、検出
用管体２３に相対向するように開口窓部２３ａ，２３
ａ′を形成するとともに、この開口窓部にアンテナ取付
け用絶縁体２３ｃ，２３ｃ′を気密に取付け、このアン
テナ取付け用絶縁体に前記マイクロ波送・受信系のアン
テナ２８，２９を密着して取付けてなる構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、懸濁物質の濃度、例え
ば汚泥濃度，パルプ濃度その他液体中の種々の溶解物質
の濃度を測定する濃度計に係わり、特にアンテナの取付
け部分を改良した濃度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、被測定流体の濃度を測定するに際
し、図４に示すような超音波式濃度計が用いられてい
る。この濃度計は、両側に伸びる配管１，１′の間に仕
切弁２，２′を介して検出用配管３が取付けられ、さら
に検出用配管３の管壁に被測定流体と接触するように超
音波送信器４と超音波受信器５がそれぞれ対向配置さ
れ、そのうち超音波送信器４側には超音波発振器６が接
続され、超音波受信器５側には超音波減衰率測定回路７
が接続されている。

【０００３】このような構成の濃度計によれば、超音波
発振器６から超音波送信器４に超音波信号を入力する
と、この超音波送信器４から超音波が放射される。この
超音波は検出用配管３内の流体中を伝播して超音波受信
器５によって受信される。このとき、超音波の強度は流
体中の懸濁物質の濃度に応じて減衰する。超音波受信器
５では超音波の受信強度に応じた電気信号に変換して超
音波減衰率測定回路７に導入する。この超音波減衰率測
定回路７では、予め懸濁物質の濃度とこの懸濁物質の濃
度に応じた超音波の減衰率との関係を表す検量線が設定
されているので、入力される電気信号から得られる減衰
率に基づいて前記検量線から濃度を測定することができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような濃度計には次のような問題点がある。

【０００５】イ．超音波の送受信器４，５が液体に接
触していることから、その接触面に懸濁物質が付着して
測定誤差の要因となり、このために定期的に洗浄する必
要があること。特に、下水汚泥等の懸濁物質の場合には
付着しやすいので、頻繁に洗浄する必要がある。

【０００６】ロ．これに対し、以上のような問題は、
検出用配管３の外側に超音波の送受信器４，５を取り付
けることで解決できるが、この場合には検出用配管３の
送受信器取り付け部分の肉厚を薄くしなければならず、
強度および耐久性等の面から問題がある。また、配管３
の振動の影響を受けやすく、誤差の要因となる。

【０００７】ハ．また、超音波は液体と比較して気体
中での減衰率が非常に大きい。このことは、流体中に気
泡が混入していると超音波の気体中の減衰が懸濁物質に
よる減衰よりも格段に大きくなる。その結果、測定不可
能になったり、或いは見掛けよりも高濃度な測定を行っ
てしまう。

【０００８】そこで、この種の濃度計では消泡式の濃度
計が用いられている。この消泡式濃度計は、所定のサン
プリング周期で被測定流体を加圧消泡室に取り込んだ
後、加圧によって気泡を溶解させた後、当該被測定流体
の濃度を測定する構成である。しかし、この濃度計で
は、所定のサンプリング周期で流体をサンプリングする
ので連続測定ができないこと、サンプリングおよび加圧
を行うので機械的な可動機構を設ける必要があること等
により信頼性が低い。

【０００９】ニ．さらに、かかる濃度計では、超音波
が被測定物質によって分散されて減衰することを利用し
ているので、流体中に懸濁物質が完全に溶解している場
合には適用しにくい。

【００１０】本発明は上記実情にかんがみてなされたも
ので、懸濁物質の付着や流体中の気泡の影響を受けずに
被測定物質の濃度を測定でき、しかも被測定物質が流体
中に完全に溶解している場合でも確実に測定でき、か
つ、マイクロ波送受信方式を用いたときにマイクロ波を
効率よく送受信する濃度計を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に対応する発明
は上記課題を解決するために、検出用管体（検出用容器
を含む）にマイクロ波送・受信系を対向配置し、前記検
出用管体内容器内の基準となる流体中にマイクロ波を伝
播させて得られる、或いは基準となる回路に伝搬差せて
得られる位相遅れθ_Aと、前記検出用管体内の被測定物
質を含む被測定流体中にマイクロ波を伝播させて得られ
る位相遅れθ_Bとを用いて、位相差△θ＝θ_B−θ_A

【００１２】なる演算式によって位相差△θを求めた
後、この位相差△θから被測定流体の濃度を測定する濃
度計にあって、前記検出用管体の管軸を挟んで相対向す
るように開口窓部を形成し、かつ、当該開口窓部にアン
テナ取付け用絶縁体を気密に取付け、さらに当該アンテ
ナ取付け用絶縁体に前記マイクロ波送・受信系のアンテ
ナを密着して取付けたものである。

【００１３】次に、請求項２に対応する発明は、アンテ
ナ開口部には誘電体を充填してアンテナを小形化すると
ともにインピーダンス整合しやすくするものである。ま
た、検出用管体のマイクロ波送・受信アンテナ取付部の
形状に合わせて、この誘電体の表面を加工することによ
り、密着性を向上でき、電波の漏洩を極力少なくするこ
とができる。つまり、例えばわん曲面等にも取付可能と
なる。

【００１４】さらに、請求項３に対応する発明は、アン
テナ取付け用絶縁体として、アンテナの開口部に充填し
た誘電体の材質と同じ材質のものか、または誘電率，透
磁率の値が近い材質のものを用いて構成するものであ
る。

【００１５】

【作用】従って、請求項１，２に対応する発明は以上の
ような手段を講じたことにより、被測定物質を含まない
流体中および被測定物質を含む被測定流体中にマイクロ
波を伝播させてそれぞれ位相遅れθ_A，θ_Bを測定し、
これら位相遅れθ_A，θ_Bから位相差△θを求めた後、
予め定めた既知濃度と位相差との関係を表す検量線を用
いて被測定流体の濃度を測定するので、流体中に気泡が
含まれている場合でもマイクロ波はその気泡に影響され
ずに伝播して被測定物質の濃度を測定でき、また流体中
に懸濁物質が溶解している場合でもその溶解物質の影響
を受けつつマイクロ波が伝播して受信系に到達するの
で、同様に適切に濃度を測定できる。

【００１６】さらに、検出用管体の管軸を挟んで相対向
する位置の開口窓部にアンテナ取付け用絶縁体を介して
マイクロ波送・受信系のアンテナを密着して取付け、し
かも当該アンテナ取付け用絶縁体には、アンテナの開口
部に充填した誘電体の材質と同じ材質のものか、または
この部材の誘電率，透磁率の値が近い材質のものを用い
ることにより、絶縁体の接触境界面でのマイクロ波の反
射を小さくでき、マイクロ波を効率よく入射，出射でき
る。

【００１７】

【実施例】以下、本発明に係わる濃度計の濃度測定原理
について図１を参照して説明する。一般に、マイクロ波
は、金属管を用いた場合には管壁を通ることなく管外側
を伝播することから問題があり、また絶縁性の管，容器
を用いた場合でもアンテナの取付け状態いかんによって
マイクロ波の反射が問題となる。従って、本発明の濃度
計は、かかる問題を解決しつつマイクロ波の受信波の位
相遅れを利用し、被測定流体の濃度を測定することにあ
る。

【００１８】すなわち、この濃度計は、絶縁性の管，容
器または一部絶縁体を取付けてなる金属管（以下、絶縁
性管体と指称する）１１の両側面外部にマイクロ波の送
信アンテナ１２および受信アンテナ１３を密着させた状
態で対向配置し、その送信アンテナ１１側からマイクロ
波を送信する。

【００１９】このとき、同図（ａ）のように絶縁性管体
１１内にゼロ水１４が入っている場合、そのマイクロ波
は絶縁性管壁を通ってゼロ水１４の流体中を伝播しつつ
反対側の受信アンテナ１３で受信されるが、このときの
マイクロ波受信波の位相遅れをθ_Aとする。

【００２０】一方、同図（ｂ）に示すように絶縁性管体
１１内に被測定物質を含む被測定流体が入つている場
合、送信アンテナ１２からマイクロ波を送信し、同じく
絶縁性管壁を通って被測定物質を含む被測定流体中を伝
播しつつ反対側の受信アンテナ１３で受信したときの位
相遅れをθ_Bとなる。ところで、これら両位相遅れ
θ_A，θ_Bはそれぞれ次のような理論式から求めること
ができる。

【００２１】

【数１】但し、ｃ₀：真空中での電波の伝播速度ｄ：被測定流体層の厚さ（距離） ω ：入射するマイクロ波の角周波数 ε₀：真空の誘電率 ε_W：ゼロ水の比誘電率 ε_S：被測定流体の比誘電率 σ_W：ゼロ水の導電率 σ ：被測定流体の導電率そこで、これら両位相遅れθ_A，θ_Bから位相差△θ
は、

【００２２】

【数２】

【００２３】で表される。従って、被測定物質を含む被
測定流体の濃度を測定する場合、前記図１（ａ），
（ｂ）の測定原理に基づいて位相遅れθ_A，θ_Bを測定
し、前記（３）式に基づいて位相差△θ＝θ_B−θ_Aを
求めた後、予め定めた既知濃度と位相差との関係を示す
検量線を用いれば、測定された位相差△θから被測定流
体の濃度を測定できる。

【００２４】次に、本発明に係わる濃度計の一実施例に
ついて図２および図３を参照して説明する。なお、図２
は濃度計の全体構成図、図３は濃度計の要部構成を示す
図である。これらの図において２１，２１′は上流側配
管および下流側配管であって、これら両配管２１，２
１′の間にはそれぞれ仕切り弁２２，２２′を介して濃
度検出用管体２３が介在されている。この濃度検出用管
体２３には給水バルブ２４および排水バルブ２５が設け
られ、外部からゼロ水を導入できる構成となっている。

【００２５】この濃度検出用管体２３は、具体的には図
３に示すように管軸を挟んで相対向する位置にそれぞれ
マイクロ波入射・出射用の開口窓部２３ａ，２３ａ′が
形成され、この開口窓部２３ａ，２３ａ′に気密用シー
ルパッキン２３ｂ，２３ｂ′を介してアンテナ取付け用
板２３ｃ，２３ｃ′が取付けられている。このアンテナ
取付け用板２３ｃ，２３ｃ′は図示するようにマイクロ
波の入射および出射相当部分のみ気密性を保持するよう
に絶縁物２３ｄ，２３ｄ′が嵌合され、或いは全体を絶
縁物としたものが用いられる。

【００２６】これらのアンテナ取付け用板２３ｃ，２３
ｃ′にはそれぞれ個別に送信アンテナ２８および受信ア
ンテナ２９が密着して取付けられる。なお、これらアン
テナ２８，２９の開口部２８′，２９′にはセラミック
などの誘電体３０，３０′が充填されている。

【００２７】一方、アンテナ取付け用板２３ｃ，２３
ｃ′にアンテナ２８，２９が密着されるが、送信アンテ
ナ２８からのマイクロ波の送信時および絶縁物２３ｄ′
を通ってくるマイクロ波の受信アンテナ２９による受信
時、当該アンテナ２８，２９と絶縁物２３ｄ，２３ｄ′
との接触境界面で伝播するマイクロ波の一部が反射す
る。そこで、前記接触境界面でのマイクロ波の反射を小
さくするために、絶縁物２３ｄ，２３ｄ′にはアンテナ
２８，２９の開口部に充填されている誘電体３０，３
０′の材質と同一の材質のもの、或いは誘電率，透磁率
の値が近い材質のものを用いるものとする。その理由
は、マイクロ波の反射係数は、

【００２８】

【数３】

【００２９】のように互いに比例関係にあるためであ
る。ここで、ε_S1，μ_S1はそれぞれアンテナ２８，２９
の開口部に充填されている誘電体の比誘電率，比透磁
率、ε_S2，μ_S2は絶縁物２３ｄ，２３ｄ′の比誘電率，
比透磁率である。通常，μ_S1とμ_S2はほぼ１であるの
で、絶縁物２３ｄ，２３ｄ′の比透磁率ε_S2はε_S1にで
きるだけ近い値の方が反射が小さく、さらにε_S2＝ε_S1
で、かつ、絶縁物２３ｄ，２３ｄ′にアンテナ２８，２
９を密着できれば反射を殆んど零にすることができる。

【００３０】次に、再び図２に戻って濃度計の構成につ
いて説明する。この濃度計の送信系にはマイクロ波を発
生するマイクロ波発振器３１が設けられ、この発振器３
１の出力はパワースプリッタ３２を介して送信アンテナ
２８に送られる。一方、受信系では前記受信アンテナ２
９に位相測定器３３が設けられ、この位相測定器３３に
は受信アンテナ２９からのマイクロ波受信波だけでな
く、比較参照用信号として前記パワースプリッタ３２か
らマイクロ波送信波の一部が供給されている。

【００３１】この位相測定器３３には、図１（ａ），
（ｂ）の測定条件時の位相遅れθ_A，θ_Bを測定する位
相遅れ測定手段３３ａ、これら位相遅れデータを記憶す
る測定データ記憶手段３３ｂおよび位相差△θを求める
位相差演算手段３３ｃが設けられている。３４は位相測
定器３３から位相差に相当する信号を受けて濃度に対応
した信号例えば濃度０〜５％を４〜２０mAの電流信号に
変換して出力する信号変換器である。次に、以上のよう
に構成された濃度計の濃度測定動作について説明する。

【００３２】先ず、濃度検出用管体２３内に濃度ゼロの
ゼロ水（例えば水道水）を導入して位相遅れθ_Aを測定
する。ここで、位相遅れとは位相比較器３３でのマイク
ロ波送信波に対するマイクロ波受信波の位相の遅れを意
味する。

【００３３】この位相遅れθ_Aの測定に際し、仕切弁２
２，２２′を閉成した後、排水バルブ２５を開けて管体
２３内の汚泥を排出し、しかる後、給水バルブ２４を開
けて水道水を供給して管体２３内の汚れを洗浄した後、
排水バルブ２５を閉じて管体２３内に水道水を満ぱい状
態にする。

【００３４】このような状態において発振器３１からマ
イクロ波信号を発生すると、このマイクロ波はパワース
プリッタ３２を通って送信アンテナ２８から送信され、
管体２３内の水道水を伝播して受信アンテナ２９によっ
て受信される。この受信アンテナ２９によるマイクロ波
受信波は位相測定器３３へ送られる。この位相測定器３
３にはパワースプリッタ３２からマイクロ波送信波の一
部が送られてきている。

【００３５】ここで、位相測定器３３の位相遅れ測定手
段３３ａでは、マイクロ波送信波とマイクロ波受信波と
の比較によって位相遅れθ_Aを測定し、この測定された
位相遅れθ_Aを自身の測定データ記憶手段３３ｂに格納
する。

【００３６】しかる後、排水バルブ２５を開けて管体２
３内の水道水を排出した後、仕切弁２２，２２′を開け
て被測定物質を含む被測定流体を流し、位相遅れθ_Bを
測定する。つまり、被測定物質を含む被測定流体を流し
た状態で所定の周期または時々刻々マイクロ波を送信
し、位相測定器３３にて位相遅れθ_Bを測定して測定デ
ータ記憶手段３３ｂに格納し、必要に応じて順次更新し
ながら格納する。

【００３７】さらに、位相測定器３３の位相差演算手段
３３ｃは、この位相遅れθ_Bと既に測定ずみのゼロ水供
給時の位相遅れθ_Aとを記憶手段３３ｂから読み出し
て、 △θ＝θ_B−θ_A

【００３８】なる演算式に基づいて位相差△θを求めて
信号変換器３４に送出する。この信号変換器３４では、
位相差△θを受け取ると、予め既知濃度と位相差との関
係，すなわち検量線に従って濃度を求めるとともに、こ
の濃度に対応する信号に変換して出力する。

【００３９】ところで、本濃度計においては、検出用管
体２３の管軸を挟んで相対向するように開口窓部２３
ａ，２３ａ′を形成し、かつ、この開口窓部２３ａ，２
３ａ′にアンテナ取付け用板２３ｃ，２３ｃ′を気密に
取付け、このアンテナ取付け用板２３ｃ，２３ｃ′に前
記マイクロ波送・受信系のアンテナ２８，２９を密着し
て取付け、しかも絶縁物２３ｄ，２３ｄ′には、前記ア
ンテナ２８，２９の開口部内に充填された誘電体の材質
と同じ材質のものか、または誘電率，透磁率の値が近い
材質のものを用いることにより、前記（４）式に基づく
反射係数をほぼ零にすることができ、アンテナ２８，２
９と絶縁物２３ｄ，２３ｄ′との接触境界面でのマイク
ロ波の反射を小さくし、マイクロ波の入射および出射を
効率よく行うことができる。

【００４０】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではない。例えば上記実施例では汚泥が流れている状
態で測定したが、静止状態で濃度測定してもよい。ま
た、汚泥に限らず他の流体の濃度を測定する場合にも適
用できる。また、実施例では、濃度０％の液体を基準と
して述べたが、厳密にゼロでなくても測定範囲から考え
て濃度ゼロとみなせる液体を用いてもよく、またある既
知濃度の被測定物質を含むもの、或いは一定の伝播特性
をもつ回路を基準として用いてもよい。また、検出用管
体２３に代えて容器またはバイパス管を用い、かつ、図
３に係わる構成を採用して濃度を測定してもよい。その
他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して
実施できる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、マ
イクロ波を用いて濃度を測定するので、被測定物質の付
着や流体中の気泡の影響を受けずに被測定物質の濃度を
測定でき、また流体中に被測定物質が完全に溶解してい
る場合でも容易に濃度を測定できる。また、マイクロ波
を用いる方式であるが、検出用管体本体に金属性のもの
を用いることにより堅牢化構造とすることができ、しか
もアンテナを小形化することができ、さらにアンテナと
アンテナ取付け用絶縁板との接触境界面でのマイクロ波
の反射，漏洩を小さくすることが可能であり、これによ
ってマイクロ波の入・出射効率を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】濃度計の濃度測定原理を説明する図。

【図２】濃度計の一実施例を示す全体構成図。

【図３】濃度計のアンテナ取付け部分の要部詳細図。

【図４】従来の濃度計の概略構成を示す図。

【符号の説明】

２３…検出用管体、２３ａ，２３ａ…開口窓部、２３
ｃ，２３ｃ′…アンテナ取付け用板、２３ｄ，２３ｄ′
…絶縁物、２８…マイクロ波送信アンテナ、２９…マイ
クロ波受信アンテナ、３１…マイクロ波発振器、３２…
パワースプリッタ、３３…位相測定器、３４…信号変換
器。

フロントページの続き (72)発明者鈴木務東京都世田谷区粕谷三丁目26番22号 (72)発明者荒井郁男東京都世田谷区船橋一丁目48番31号 (72)発明者山口征治東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検出用管体または検出用容器にマイクロ
波送・受信系を対向配置し、前記検出用管体内または検
出用容器内の基準となる流体中にマイクロ波を伝播させ
て得られる、或いは基準となる回路に伝播させて得られ
る第１の位相遅れと、前記検出用管体内または検出用容
器内の被測定物質を含む被測定流体中にマイクロ波を伝
播させて得られる第２の位相遅れとから位相差を求め、
この位相差から前記被測定流体の濃度を測定する濃度計
において、前記検出用管体または検出用容器の中心軸を挟んで対向
するように開口窓部を形成するとともに、この開口窓部
にアンテナ取付け用絶縁体を気密に取付け、このアンテ
ナ取付け用絶縁体に前記マイクロ波送・受信系のアンテ
ナを密着して取付けることを特徴とする濃度計。
【請求項２】アンテナの開口部内に誘電体を充填した
ことを特徴とする請求項１記載の濃度計。
【請求項３】アンテナ取付け用絶縁体は、前記アンテ
ナの開口部内に充填された誘電体の材質と同じ材質のも
のか、または誘電率，透磁率の値が近い材質のものを用
いることを特徴とする請求項１記載の濃度計。