JPH1183758A

JPH1183758A - 濃度計

Info

Publication number: JPH1183758A
Application number: JP9244161A
Authority: JP
Inventors: Seiji Yamaguchi; 征治山口; Renzou Hirai; 錬造平井; Etsumi Suzuki; 悦美鈴木
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Information and Control Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Information and Control Systems Corp
Priority date: 1997-09-09
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【課題】濃度分解能を高めて、精度よく被測定流体の濃
度を測定すること。【解決手段】検出用管体１の管軸を挟んで相対向する位
置に、それぞれマイクロ波送信および受信用の開口窓部
23a,23a'を形成し、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用板23c,23
c'を取り付け、このアンテナ取付用板23c,23c'に、それ
ぞれ個別に送信アンテナ28および受信アンテナ29を取り
付け、この送信アンテナ28および受信アンテナ29の開口
部28',29'に、誘電体30,30'を充填することによって、
マイクロ波の送信系および受信系を構成し、マイクロ波
の送信系11および受信系12は、マイクロ波として１．７
ＧＨｚ〜２．０ＧＨｚの周波数範囲のマイクロ波を用い
て第１の位相遅れおよび第２の位相遅れを求め、当該各
位相遅れから位相差を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、懸濁物質の濃度、
例えば汚泥、パルプ、その他種々の物質を含む流体や種
々の溶解性物質の濃度をマイクロ波を用いて測定する濃
度計に係り、特に濃度分解能を高めて、精度よく被測定
流体の濃度を測定できるようにした濃度計に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来から、被測定流体の濃度を測定する
場合には、超音波の減衰を測定して濃度を求める超音波
式濃度計や、光を用いて透過光減衰率や散乱光増加率を
測定して濃度を求める光学式濃度計が、多く用いられて
きている。

【０００３】この場合、超音波は、液体中に比べて、気
体中で減衰率が非常に大きくなる。そのため、流体中に
気泡が混入した場合の超音波減衰率は、懸濁物質による
減衰よりも格段に大きくなる。

【０００４】この結果、超音波式濃度計は、測定が不能
になったり、実際の濃度よりも高い測定結果が出る等、
測定精度に大きく影響する。そこで、最近では、このよ
うな気泡の影響を受け難くするために、所定のサンプリ
ング周期毎に、被測定流体を加圧消泡室に取り込んだ後
に、加圧して気泡を溶解させた後、被測定流体の濃度を
測定する消泡式超音波濃度計も提案されてきている。

【０００５】しかしながら、このような消泡式超音波濃
度計では、連続的な濃度測定が行なえないこと、被測定
流体をサンプリングしたり加圧したりする必要があるた
め、機械的な可動部が必要となり、信頼性および保守性
の点で問題がある。

【０００６】一方、光学式濃度計は、光を入射する、あ
るいは受光する光学窓に汚れが付着すると、その影響を
大きく受けて測定誤差が大きくなる。そこで、最近で
は、気泡や汚れの付着の影響を受け難い濃度計として、
マイクロ波を用いて濃度を測定する濃度計が実用化され
てきている。

【０００７】図４は、この種のマイクロ波を用いた濃度
計の全体構成例を示す概要図である。図４において、被
測定流体が流れている検出用管体または検出用容器（以
下、検出用管体として説明する）１に、マイクロ波送信
アンテナ１１およびマイクロ波受信アンテナ１２を対向
配置している。

【０００８】そして、マイクロ波発振器１３から発射さ
れたマイクロ波が、パワースプリッタ１４一送信アンテ
ナ１１一管内流体一受信アンテナ１２を通って、位相遅
れ測定回路１５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１４を通って、位相遅れ測
定回路１５に導入される第２の経路とを形成している。

【０００９】この濃度計では、図４に示すように、第２
の経路を経由して直接受信するマイクロ波（図５の
（ａ））に対する第１の経路を伝播してくるマイクロ波
（図５の（ｃ））の位相遅れθ₂ と、検出用管体内１に
基準流体（例えば水道水）を充填して、被測定流体の場
合と同じ条件で測定した時のマイクロ波（図５の（ａ）
と（ｂ））の位相遅れθ₁ とを比較して、その位相差Δ
θ＝（θ₂ −θ₁ ）を求める。

【００１０】そして、あらかじめ定めておいた既知濃度
と位相差Δθとの関係を示す検量線を用いることによ
り、濃度演算補正回路１６で被測定流体の濃度を求める
ことができ、信号変換出力回路１７で外部信号に変換し
て出力する。

【００１１】すなわち、濃度と位相差との関係は、Ｘ＝Ｃ・Δθ ……（式１）ただし、Ｘ：濃度Ｃ：検量線の傾きとして求めることができる。また、上記位相差Δθは、
次のような理論式から求めることができる。

【００１２】

【数１】

【００１３】ただし、Ｃ：真空中でのマイクロ波の伝播
速度ｄ：被測定流体層の厚さ（管体の内径に相当する） 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以上のように、マイクロ波濃度計は、マイクロ波の減衰
を測定する方式ではなく、位相差（遅れ）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、気泡や汚れの付着の影響
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。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
なマイクロ波濃度計において、例えばスパン０〜１００
０ｐｐｍ等の低濃度測定へ応用する場合には、濃度分解
能の向上、すなわち単位濃度だけ変化した時に生じる位
相差Δθを大きくする必要がある。

【００１５】上記（式２）からわかるように、位相差Δ
θは入射するマイクロ波の角周波数ωに比例することか
ら、濃度分解能を向上するためには、マイクロ波の角周
波数（ω）を高くする必要があることが分かる。

【００１６】なお、配管内径（ｄ）は、濃度計の据え付
け場所に応じてある範囲（例えば１００ｍｍ〜３００ｍ
ｍ）に決められてしまうため、自由に選択することがで
きない。

【００１７】一方、上記構成のマイクロ波濃度計におい
ては、マイクロ波として、特に１．４〜１．７５ＧＨｚ
の周波数範囲のマイクロ波を使用すると、マイクロ波の
減衰率が小さくなって、測定に有効であることが、例え
ば“特開平６−２８８９３７号”に記述されている。

【００１８】しかしながら、上記周波数範囲よりもマイ
クロ波の周波数が高くなると、減衰も大きくなることも
記述されている。従って、精度よく、更に濃度分解能を
高めるためには、減衰の少ないマイクロ波周波数と、濃
度分解能を高めるためのマイクロ波周波数とのトレード
オフが必要となる。本発明の目的は、濃度分解能を高め
て、精度よく被測定流体の濃度を測定することが可能な
濃度計を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明では、検出用管体または検出用容器にマイク
ロ波の送信系および受信系を対向配置し、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第１の位相遅れと、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の位相遅れとを比較
してその位相差を求め、当該位相差から被測定流体の濃
度を測定する濃度計において、検出用管体または検出用
容器の管軸を挟んで相対向する位置にそれぞれマイクロ
波送信および受信用の開口窓部を形成し、この開口窓部
に気密用シールパッキンを介してアンテナ取付用板を取
り付け、このアンテナ取付用板にそれぞれ個別に送信ア
ンテナおよび受信アンテナを取り付け、この送信アンテ
ナおよび受信アンテナの開口部に誘電体を充填すること
によって、上記マイクロ波の送信系および受信系を構成
し、上記マイクロ波の送信系および受信系は、マイクロ
波として１．７ＧＨｚ〜２．０ＧＨｚの周波数範囲のマ
イクロ波を用いて第１の位相遅れおよび第２の位相遅れ
を求め、当該各位相遅れから位相差を測定するようにし
ている。

【００２０】ここで、特に例えば請求項２に記載したよ
うに、上記誘電体として比誘電率が２１±１の誘電体を
使用することによって、マイクロ波の送信系および受信
系のマイクロ波を１．７ＧＨｚ〜２．０ＧＨｚの周波数
範囲のマイクロ波とすることが好ましい。

【００２１】また、上記誘電体としては、例えば請求項
３に記載したように、セラミックスを使用することが好
ましい。従って、本発明の濃度計においては、比誘電率
が２１±１の誘電体を使用することによって、マイクロ
波の送信系および受信系におけるマイクロ波として、
１．７ＧＨｚ〜２．０ＧＨｚの周波数範囲のマイクロ波
を用いて、第１および第２の位相遅れを求めて位相差を
測定することにより、濃度分解能を高めて、精度よく被
測定流体の濃度を測定することができる。

【００２２】さらに、送信アンテナおよび受信アンテナ
の開口部に、セラミックス等の誘電体を充填することに
より、送信アンテナおよび受信アンテナを小型化すると
共に、インピーダンス整合し易くすることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図面を参照して詳細に説明する。図１は、要部構成
例を示す断面図である。なお、その他の構成について
は、図４に示した濃度計と同様であるので、ここではそ
の図示および説明を省略する。

【００２４】図１において、検出用管体１の管軸を挟ん
で相対向する位置には、それぞれマイクロ波送信および
受信用の開口窓部２３ａおよび２３ａ´を形成してい
る。また、この開口窓部２３ａ，２３ａ´には、気密用
シールパッキン２３ｂ，２３ｂ´を介してアンテナ取付
用板２３ｃ，２３ｃ´を取り付けている。

【００２５】ここで、アンテナ取付用板２３ｃ，２３ｃ
´としては、図１に示すように、マイクロ波の送信口お
よび受信口部分の気密を保持するように、絶縁物２３
ｄ，２３ｄ´を嵌合し、あるいは全体を絶縁物としたも
のを使用することが好ましい。

【００２６】さらに、このアンテナ取付用板２３ｃ，２
３ｃ´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を密着して取り付けている。ここで、こ
の送信アンテナ２８および受信アンテナ２９の開口部２
８′および２９´には、アンテナを小型化すると共にイ
ンピーダンス整合し易くするために、セラミックス等の
誘電体３０および３０´を充填する構成としている。

【００２７】以上により、前記マイクロ波の送信アンテ
ナ１１および受信アンテナ１２を構成している。なお、
上記誘電体３０および３０´としては、比誘電率が２１
±１のものを使用することが好ましい。

【００２８】これにより、本実施の形態では、送信アン
テナ２８および受信アンテナ２９は、マイクロ波とし
て、１．７ＧＨｚ〜２．０ＧＨｚの周波数範囲のマイク
ロ波を用いて、第１の位相遅れおよび第２の位相遅れを
求め、この各位相遅れから位相差を測定するようにして
いる。

【００２９】次に、以上のように構成した本実施の形態
の濃度計の作用について、図２および図３を用いて説明
する。まず、誘電体３０，３０´の比誘電率εと、送信
アンテナ２８および受信アンテナ２９の周波数帯域、す
なわちマイクロ波濃度計のマイクロ波周波数ｆとの関係
は、ｆ＝Ｘ／√ε ……（式３）ただし、Ｘ：誘電体を充填しない場合のアンテナの周波
数帯域この（式３）から分かるように、送信アンテナ２
８および受信アンテナ２９に充填する誘電体３０および
３０´の比誘電率εが、本濃度計のマイクロ波周波数ｆ
を決定することになる。

【００３０】一方、濃度計に取付け可能な送信アンテナ
２８および受信アンテナ２９の大きさとしては、濃度計
の検出用管体１の内径が１００ｍｍ〜３００ｍｍ程度で
あることから、Ｘバンド（８〜１２ＧＨｚ）用のアンテ
ナが最適である。

【００３１】これよりも低い帯域のアンテナでは、形状
が大きくなり、アンテナの固定や取り扱いが困難にな
る。また、これよりも高い帯域のアンテナでは、マイク
ロ波の減衰が大きくなるため、濃度計としての動作に適
さなくなる。

【００３２】ところで、一般的に、誘電体の比誘電率ε
が大きくなると、温度係数が大きくなり、また強度は弱
くなる傾向にある。本濃度計の送信アンテナ２８および
受信アンテナ２９の開口部２８′および２９´に、比誘
電率εが２１±１の誘電体３０および３０´を充填する
と、ｆ＝８〜１２／（２１）^1/2 ＝１．７０〜２．６８ＧＨｚとなる。

【００３３】次に、上記誘電体３０，３０´を使用した
場合に、マイクロ波周波数と透過率との関係を調べるた
めに実験を行なった。実験には、図２に示すような装置
を用いた。

【００３４】すなわち、検出用管体１とほぼ同じ構造を
有する底板付き容器４０を用い、この底板付き容器４０
の内部には水を充満する。一方、送信系としては、マイ
クロ波発振器３１、パワースプリッタ３２、および送信
アンテナ２８を設置する。

【００３５】また、受信系としては、受信アンテナ２９
の他に、新たに減衰率測定器４１を設置する。マイクロ
波発振器３１から、例えば０〜３．６ＧＨｚのマイクロ
波を発振すると、パワースプリッタ３２を通って、送信
アンテナ２８から水中ヘマイクロ波を入射することがで
きる。

【００３６】このマイクロ波は、水中を伝播して受信ア
ンテナ２９で受信されるが、ここで受信されたマイクロ
波Ｂは、減衰率測定器４１に送られる。この時、減衰率
測定器４１には、パワースプリッタ３２からマイクロ波
Ａが入力されている。

【００３７】そして、この減衰率測定器４１では、それ
ぞれ入力されたマイクロ波Ａ，Ｂを用いてＢ／Ａなる演
算を実行することにより、減衰率に比例した値を測定す
ることができる。

【００３８】さらに、Ａ／Ｂを実行することにより、透
過率に比例した値を測定することができる。以上の装置
を用いて透過率を求めると、図３（ａ）に示すように、
１．９ＧＨｚをピークとして、１．７ＧＨｚ〜２．１Ｇ
Ｈｚの範囲に透過率の大きい周波数帯域があることが分
かった。

【００３９】なお、図２に示した装置を使いて、前述の
“特開平６−２８８９３７号”に記述された条件で実験
した結果との比較を図３（ｃ）に示す。これから、周波
数が高くなると減衰が増えることが判明した。今回の実
験では、例えば１．６ＧＨｚから１．９ＧＨｚへ周波数
を高くした場合、減衰量はおよそ３０％増加した。

【００４０】周波数が高くなると、マイクロ波が減衰す
るので、マイクロ波送信および受信回路のＳ／Ｎ比が低
下し、回路の複雑化（アンプの増加、ノイズ対策等）、
および高級部品を使用せざるを得なくなり、回路のコス
トアップが生じる。

【００４１】例えば、アンプやシンセサイザは、２ＧＨ
ｚ以下のものに比べて、回路の複雑化や部品選別の必要
性から２倍程度高価になるものがある。また、アンプの
多段化により、調整に必要な手間も複雑化に伴なって増
加する。

【００４２】従って、マイクロ波濃度計を製造するため
のコスト増加は、２ＧＨｚを越えると急増する。ところ
で、濃度分解能、すなわち単位濃度だけ変化した時に生
じる位相差Δθは前記（式２）に示したが、これを近似
すると、 Δθ＝（ｄ・ω／Ｃ₀ ）・（√ε_s −√ε_w ） ……（式４）ただし、Ｃ：検量線の傾きＣ₀ ：真空中でのマイクロ波の伝播速度ｄ：被測定流体層の厚さ（管体の内径に相当する） ω：入射するマイクロ波の角周波数 ε_w ：ゼロ水の比誘電率 ε_s ：被測定流体の比誘電率となる。

【００４３】この（式４）からわかるように、濃度分解
能は周波数（ω）に比例するため、マイクロ波周波数が
１．５ＧＨｚから２ＧＨｚに増加した時の濃度分解能
は、約３０％改善されることになる。

【００４４】例えば１．５ＧＨｚの場合、検量線の傾き
Ｃが５６０ｐｐｍ／度で、０．０５度まで測定可能であ
るとすると、２８ｐｐｍの濃度まで分解することができ
る。これに対して、２．０ＧＨｚの場合には、２０ｐｐ
ｍの濃度まで分解可能となる。

【００４５】従つて、１．７ＧＨｚ〜２．ＯＧＨｚの周
波数範囲が、コストパフォーマンスは最適となる。この
様子を図３（ｂ）に示す。以上の作用により、濃度分解
能を高め、精度よく被測定流体を測定することができ
る。

【００４６】上述したように、本実施の形態のマイクロ
波を用いた濃度計では、検出用管体１の管軸を挟んで相
対向する位置に、それぞれマイクロ波送信および受信用
の開口窓部２３ａおよび２３ａ´を形成し、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用板２３ｃ，２３ｃ´を
取り付け、このアンテナ取付用板２３ｃ，２３ｃ´に、
それぞれ個別に送信アンテナ２８および受信アンテナ２
９を取り付け、この送信アンテナ２８および受信アンテ
ナ２９の開口部２８′および２９´に、セラミックス等
の誘電体３０および３０´を充填することによって、上
記マイクロ波の送信アンテナ１１および受信アンテナ１
２を構成し、さらにこの誘電体３０および３０´として
は、比誘電率が２１±１のものを使用することによっ
て、送信アンテナ２８および受信アンテナ２９における
マイクロ波として、１．７ＧＨｚ〜２．０ＧＨｚの周波
数範囲のマイクロ波を用いて、第１の位相遅れおよび第
２の位相遅れを求め、この各位相遅れから位相差を測定
するようにしているので、濃度分解能を高めて、精度よ
く被測定流体の濃度を測定することが可能となる。

【００４７】さらに、送信アンテナ２８および受信アン
テナ２９の開口部２８′および２９´に、セラミックス
等の誘電体３０および３０´を充填するようにしている
ので、送信アンテナ２８および受信アンテナ２９を小型
化すると共に、インピーダンス整合し易くすることが可
能となる。

【００４８】（他の実施の形態）（ａ）上記実施の形態では、被測定流体が流れている状
態で濃度を測定する場合について説明したが、これに限
らず、被測定流体が静止している状態での濃度測定につ
いても、本発明を同様に適用することができる。

【００４９】（ｂ）上記実施の形態では、濃度０％の流
体を基準として濃度を測定する場合について説明した
が、これに限らず、ある濃度値を持った流体を基準と
し、この流体からの差分としての濃度を測定する場合に
ついても、本発明を同様に適用することができる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の濃度計に
よれば、検出用管体または検出用容器の管軸を挟んで相
対向する位置にそれぞれマイクロ波送信および受信用の
開口窓部を形成し、この開口窓部に気密用シールパッキ
ンを介してアンテナ取付用板を取り付け、このアンテナ
取付用板にそれぞれ個別に送信アンテナおよび受信アン
テナを取り付け、この送信アンテナおよび受信アンテナ
の開口部に誘電体を充填することによって、上記マイク
ロ波の送信系および受信系を構成し、比誘電率が２１±
１の誘電体を使用することによって、上記マイクロ波の
送信系および受信系は、マイクロ波として１．７ＧＨｚ
〜２．０ＧＨｚの周波数範囲のマイクロ波を用いて、第
１の位相遅れおよび第２の位相遅れを求め、当該各位相
遅れから位相差を測定するようにしているので、濃度分
解能を高めて、精度よく被測定流体の濃度を測定するこ
とが可能となる。

【００５１】さらに、送信アンテナおよび受信アンテナ
の開口部に、セラミックス等の誘電体を充填するように
しているので、送信アンテナおよび受信アンテナを小型
化すると共に、インピーダンス整合し易くすることが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるマイクロ波を用いた濃度計の一実
施の形態を示す要部断面図。

【図２】マイクロ波の透過率を測定する装置の一例を示
す構成図。

【図３】同一実施の形態に濃度計における作用を説明す
るための図。

【図４】従来のマイクロ波を用いた濃度計の全体構成例
を示す概要図。

【図５】基準流体や被測定流体の位相遅れを説明するた
めの図。

【符号の説明】

１…検出用管体、１１…マイクロ波送信アンテナ、１２…マイクロ波受信アンテナ、１３…マイクロ波発振器、１４…パワースプリッタ、１５…位相遅れ測定回路、１６…濃度演算補正回路、１７…信号変換出力回路、２３ａ，２３ａ´…開口窓部、２３ｂ，２３ｂ´…気密用シールパッキン、２３ｃ，２３ｃ´…アンテナ取付用板、２３ｄ，２３ｄ´…絶縁物、２８…送信アンテナ、２８′…開口部、２９…受信アンテナ、２９´…開口部、３０，３０´…誘電体、３１…マイクロ波発振器、３２…パワースプリッタ、４０…底板付き容器、４１…減衰率測定器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木悦美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
波の送信系および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の位相遅れとを比較してその位相差を求め、当該位
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管軸を挟んで相対向
する位置にそれぞれマイクロ波送信および受信用の開口
窓部を形成し、前記開口窓部に気密用シールパッキンを介してアンテナ
取付用板を取り付け、前記アンテナ取付用板にそれぞれ個別に送信アンテナお
よび受信アンテナを取り付け、前記送信アンテナおよび受信アンテナの開口部に誘電体
を充填することによって、前記マイクロ波の送信系およ
び受信系を構成し、前記マイクロ波の送信系および受信系は、マイクロ波と
して１．７ＧＨｚ〜２．０ＧＨｚの周波数範囲のマイク
ロ波を用いて前記第１の位相遅れおよび第２の位相遅れ
を求め、当該各位相遅れから位相差を測定するようにし
たことを特徴とする濃度計。
【請求項２】前記請求項１に記載の濃度計において、前記誘電体として比誘電率が２１±１の誘電体を使用す
ることによって、前記マイクロ波の送信系および受信系
のマイクロ波を１．７ＧＨｚ〜２．０ＧＨｚの周波数範
囲のマイクロ波とするようにしたことを特徴とする濃度
計。
【請求項３】前記請求項２に記載の濃度計において、前記誘電体として、セラミックスを使用するようにした
ことを特徴とする濃度計。