JP5260840B2 - マイクロ波濃度計 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を応用した、例えば、汚泥やパルプ等の種々の懸濁物質や溶解性物質を含む被測定流体の濃度を測定するマイクロ波濃度計に関する。

一般に、マイクロ波を、濃度の基準となるゼロ水（例えば、濃度０％とみなせる水道水）へ入射すると、その受信波は、送信波に比べて位相遅れ（θ１）が生じる。

また、マイクロ波を、汚泥等の懸濁液へ入射すると、同様にその受信波は、送信波に比べて位相遅れ（θ２）が生じる。これら位相遅れの差（位相差Δθ＝θ２−θ１）は、懸濁物質の濃度と液体に溶解している物質の濃度との和に比例する。

そして、この時の濃度Ｘを数式で表わすと、次のようになる。
Ｘ＝Ｃ・Δθ＝Ｃ・（θ２−θ１）
ここで、Ｃ：補正係数、
θ１：基準となるゼロ水にマイクロ波を入射した場合の位相遅れ
θ２：懸濁液へマイクロ波を入射した場合の位相遅れ
とする。

以上のような測定原理に基づいたマイクロ波濃度計の例が、例えば、特許文献１に開示されている。

ところで、このような従来のマイクロ波濃度計は、測定管の管軸を横切る形で対向するように、測定管の管壁側面にマイクロ波送信アンテナ、およびマイクロ波受信アンテナを配置する構造(管軸横断型と称す)であるため、測定管の口径が大きい場合には、マイクロ波送信アンテナとマイクロ波受信アンテナとの間の距離が大きくなり、伝播するマイクロ波の減衰が大きくなる。

そのため、ある口径以上の測定管の場合、管軸横断形の構造では測定が難しいという問題があった。

そこで、測定管の口径が大きくなる場合には、測定管の一方の管壁からマイクロ波送信アンテナとマイクロ波受信アンテナとを挿入する（側面挿入型と称す）マイクロ波濃度計が開示されている(例えば、特許文献２参照。)。

この側面挿入型のマイクロ波濃度計の管軸方向から見た断面図を図６に示す。図６において、この側面挿入型のマイクロ波濃度計は、マイクロ波送信アンテナ２６およびマイクロ波受信アンテナ２９のそれぞれを気密構造の筒の中に収納し、濃度測定に必要な所定距離を隔ててマイクロ波送信アンテナ２６のマイクロ波発射方向とマイクロ波受信アンテナ２９のマイクロ波入射方向とが対向する配置となるように、マイクロ波送信アンテナ２６の収納筒２４および前記マイクロ波受信アンテナ２９の収納筒２８を取り付けベースフランジ２３に取り付けて、被測定流体２０を流す測定管２１の測定管フランジ部２２に気密構造で固定している。

このようなマイクロ波濃度計のマイクロ波送信アンテナ２６の構造を説明する。（マイクロ波受信アンテナ２９の構造は、マイクロ波送信アンテナ２６と同じ構造であるので説明を省略する。）。

図７（ａ）は、方形空洞共振器で構成されたマイクロ波送信アンテナ２６の断面図で、マイクロ波送信アンテナ２６は、同軸ケーブル２７の同軸芯線２７ａで励振されたマイクロ波を絶縁物製窓２５からｚ軸方向に送信する。

そして、送信されたマイクロ波は、マイクロ波送信アンテナと２６と同じ構造の方形空洞共振器からなるマイクロ波受信アンテナ３０で受信され、この受信信号が同軸ケーブル３１を介して測定部３２に送られる。

このマイクロ波送信アンテナ２６の方形空洞共振器の形状を図７(ｂ)に示す。例えば、共振周波数ｆ（２ＧＨｚ）、共振波長λの共振器をａ＞ｂの方形空洞共振器で構成する場合には、方形空洞共振器の形状（ａ×ｂ×Ｌ１）は下記のようになる。

ここで、管軸と平行な平面をｘ-ｙ平面、管軸と直交する平面をｙ-ｚ平面とし、ｘ軸の寸法ａ、ｙ軸の寸法ｂ、ｚ軸の寸法Ｌ１とすると、共振波長λと寸法ａ、ｂ、Ｌ１とは、下記の関係がある。

４／λ^２＝ｍ^２／ａ^２＋ｎ^２／ｂ^２＋ｐ^２／Ｌ１^２
ここで、ｍ、ｎ、ｐは、夫々、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の定在波の数を示す。

また、ｚ軸の寸法Ｌ１は、シングルモードの空洞共振器の場合、例えば、
ＴＥ_ｍｎｐ（ＴＥ_１０１）の場合Ｌ１＝ａとすると最も形状が小さくなる。このとき、
４／λ^２＝２／Ｌ１^２ 、 ∴Ｌ１＝λ／２^１／２
となる。

光速をｃ（＝３×１０^８ｍ／秒）、空洞共振器内部の比誘電率をε_ｒ＝２０とすると、寸法Ｌ１は、
Ｌ１＝１／２^１／２×ｃ／ε_ｒ ^１／２×１／ｆ
＝１／２^１／２×（３×１０^８）／（ ２０^１／２×２×１０^９ ）
＝２３．７×１０^−３（ｍ）
となる。

したがって、測定管２１の側面から送信アンテナおよび受信アンテナを対向して取り付けることが可能な最小の測定管２１の口径ｄ^Φは、図６に示すように、
ｄ^Φ≧Ｌｍ＋２（Ｌ１+α）
となる。

ここで、（Ｌ１＋α）はマイクロ波送信アンテナを収納するための余裕寸法αを見込んだｚ軸方向の寸法、また、Ｌｍは、収納筒２４および収納筒２８間の寸法とする。

即ち、この側面挿入型が適用可能な最小の口径ｄ^Φは、Ｌｍを４０ｍｍ、αを１０ｍｍとすると、少なくとも１０７．４ｍｍ以上となる。

したがって、この方形空洞共振器を使用したマイクロ波濃度計では、上記のような例では、１００ｍｍ以下の口径では、適用が困難となる問題がある。

また、このような方形空洞共振器を収納筒に収納してなるマイクロ波送信アンテナおよびマイクロ波受信アンテナでは、測定管側面の開口部は管軸方向にも（Ｌ１+α）以上の寸法が必要であり、この収納筒に被測定流体に含まれる懸濁物質が堆積しやすく、堆積物によって測定が困難となる問題もある。
特開平４−２３８２４６号公報 特開２０００−２５８３６１号公報

上述したような側面挿入型のマイクロ波濃度計においては、取り付けが可能な測定管は、比較的大きな口径以上のものしか適用できないという問題がある。

また、被測定流体が流れる部分にマイクロ波送信アンテナおよびマイクロ波受信アンテナの収納筒の部分が突出し、この部分に懸濁物質が堆積して測定ができなくなる問題もある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、マイクロ波送アンテナおよびマイクロ波受信アンテナの形状を小型にして、従来よりも小さな口径の測定管にも取り付けが可能で、且つ、懸濁物質が堆積しにくいマイクロ波濃度計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による請求項１に係るマイクロ波濃度計は、対向して設けられる一対のマイクロ波送信アンテナとマイクロ波受信アンテナとを被測定流体を流す測定管外周側面から挿入し、前記マイクロ波送信アンテナからマイクロ波を送信し、マイクロ波受信アンテナで受けるまでの伝播時間の変化から前記被測定流体の濃度を求めるマイクロ波濃度計であって、前記マイクロ波送信アンテナおよび前記マイクロ波受信アンテナは、同軸共振器型のアンテナであって、夫々のアンテナは、同軸ケーブルの同軸芯導体と、前記同軸芯導体の外部導体を構成し、当該外部導体の外周面を所定の角度範囲で開口される金属筒と、前記金属筒の内部の空間を埋める予め設定された誘電率を有する誘電体と、前記誘電体の表面を蓋う絶縁物と、一方の面に前記同軸ケーブルを、他方の面に、貫通した当該同軸ケーブルの前記同軸芯導体、前記誘電体、及び前記絶縁物を備える前記金属筒を、固定する当該金属筒と同一の材質を有する固定ホルダと、を備え、前記マイクロ波送信アンテナと前記マイクロ波受信アンテとを、夫々の前記同軸芯導体が、前記測定管の管軸と交差する平面上で前記金属筒の開口位置を対向して設けたことを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明による請求項２に係るマイクロ波濃度計は、対向して設けられる一対のマイクロ波送信アンテナとマイクロ波受信アンテナとを被測定流体を流す測定管外周側面から挿入し、前記マイクロ波送信アンテナからマイクロ波を送信し、マイクロ波受信アンテナで受けるまでの伝播時間の変化から前記被測定流体の濃度を求めるマイクロ波濃度計であって、前記マイクロ波送信アンテナおよび前記マイクロ波受信アンテナは、同軸共振器型のアンテナであって、夫々のアンテナは、同軸ケーブルの同軸芯導体と、前記同軸芯導体の外部導体を構成し、当該外部導体の外周面を所定の角度範囲で開口される金属筒と、前記金属筒の内部の空間を埋める予め設定された誘電率を有する誘電体と、前記誘電体の表面を蓋う絶縁物と、一方の面に前記同軸ケーブルを、他方の面に、貫通した当該同軸ケーブルの前記同軸芯導体、前記誘電体、及び前記絶縁物を備える前記金属筒を、固定する当該金属筒と同一の材質を有する固定ホルダと、を備え、前記マイクロ波送信アンテナと前マイクロ波受信アンテナとを、夫々の前記同軸芯導体が、前記測定管の管軸と平行な平面上で前記金属筒の開口位置を対向して設けたことを特徴とする。

本発明によれば、送信アンテナおよび受信アンテナは、同軸芯導体と、この同軸芯導体の周囲を覆う同心円筒状の絶縁体と、前記絶縁体の対向する一部を開口した金属筒とを備える同軸共振器で構成した。

したがって、同軸共振器の同軸芯導体径ａと金属筒内径２ｂとの同軸管寸法比ｂ／ａを調整することで管軸と直交する方向の寸法を小さくするとことができるので、取り付けが可能な測定管の口径が小さくなる。

また、このマイクロ波送信アンテナおよびマイクロ波受信アンテナの測定管の管軸と交差する方向からみた断面形状を曲面とし、管軸方向の流体抵抗を小さくしたので、懸濁物質が堆積しにくいマイクロ波濃度計を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。

以下に、本発明による実施例１のマイクロ波濃度計について、図１乃至図２を参照して説明する。

図１は、本発明のマイクロイ波濃度計の測定管５の管軸方向から見た断面図を示す。

図１において、マイクロイ波濃度計の構成は、測定管５の管壁側面で対向して設けられるマイクロ波送信アンテナ１ａとマイクロ波受信アンテナ１ｂと、マイクロ波送信アンテナ１ａに励振信号を送信する同軸ケーブル３ａと、マイクロ波受信アンテナ１ｂで受信した信号を測定部２に送信する同軸ケーブル３ｂと、マイクロ波アンテナ１ａに励振信号を送信し、受信したマイクロ波信号を処理する測定部２と、マイクロ波送信アンテナ１ａとマイクロ波受信アンテナ１ｂとを一方の先端部に取り付け、他方の後端部に測定部２を搭載し、測定管５の接合貫通穴部に側面から挿入し、測定管５の側面に固定されるアンテナ取り付け部４とからなる。

次に、図２を参照して、マイクロ波送信アンテナ１ａおよびマイクロ波受信アンテナ１ｂの構成について説明する。図２は、測定管５の管軸方向から見た断面図である。

管軸と直交する水平軸に対して上下に対称に対向して取り付けられるマイクロ波送信アンテナ１ａとマイクロ波受信アンテナ１ｂとは、その構成は同じなので、一方のマイクロ波送信アンテナン１ａについて説明し、マイクロ波受信アンテナ１ｂの説明を省略する。

マイクロ波送信アンテナ１ａは、同軸共振器を構成するもので、同軸ケーブル３ａの同軸芯導体１１と、同軸芯導体１１の外部導体となる金属筒１４と、金属筒１４の内部の空間を埋めるセラミックス等の高誘電率を有する誘電体１２と誘電体１２を保護するためのポリエチレン等の絶縁物１３と、同軸ケーブル３ａを一方の面に、他方の面に貫通した同軸芯導体１１、誘電体１２、および絶縁物１３を備える金属筒１４と同一の材質からなる固定ホルダ１５とからなる。

そして、マイクロ波送信アンテナ１ａの固定ホルダ１５とマイクロ波受信アンテナ１ｂの固定ホルダ１５とは、管軸と直交する水平軸の対し上下方向で対称となるアンテナ取り付け部４の位置に固定され、さらに、アンテナ取り付け部４は測定管５の側壁に設けられる接合貫通穴部の外周側面から挿入されて固定される。

また、金属筒１４の一部は、図２（ｂ）および図２(ｃ)に示すように、金属筒１４の外周面の一部分が所定の角度範囲で開口され、マイクロ波送信アンテナ１ａとマイクロ波受信アンテナ１ｂの夫々の金属筒１４は、この開口部が対向する位置で、測定管５の内周方向からアンテナ取り付け部４に固定される。

次に、この同軸共振器の設定について説明する。例えば、同軸共振器の共振周波数ｆを２ＧＨｚ、その共振波長λ、誘電体１２の比誘電率をε_ｒ＝２０とすると、この両端が短絡された場合の金属筒の管軸長Ｌは、一般に、下記のようになる。
Ｌ＝１／２×λ
＝１／２×ｃ／ε_ｒ ^１／２×１／ｆ
＝１／２×３×１０^８／（√２０^１／２×２×１０^９）＝１６．８ｍｍ
となる。ここで、ｃは光速度（３×１０^８ｍ／秒）とする。

また、この同軸共振器の遮断周波数の最も低いモードＴＥ_ｍｎ（ＴＥ_１１）で、使用する共振波長λを遮断周波数以下の範囲で使用して高次モードをさけ、同軸芯導体径２ａと金属筒１４内径２ｂとの同軸管寸法比ｂ／ａを調整する。

この同軸管寸法比ｂ／ａは、例えば、同軸共振器のＱを２乃至６の範囲で、同軸共振器のＱが最大となる同軸管寸法比ｂ／ａを３．６とすると、同軸管の肉厚ｔを１ｍｍ、同軸芯導体径２ａを１ｍｍの場合、金属筒１４の外形２（ｂ＋ｔ）は、５．６ｍｍとなる。

したがって、この時の同軸共振器の金属筒１４の外形は、管軸長Ｌ＝１８．８ｍｍ、管外形が５．６ｍｍとなる。

したがって、このとき適用可能な測定管５の管径ｄ^Φは、マイクロ波送信アンテナ１ａとマイクロ波受信アンテナ１ｂとの測定空間Ｌｍを４０ｍｍ、とすると、
ｄ^Φ≧Ｌｍ＋２×２（ｂ+ｔ）≒５１（ｍｍ）
となる。

即ち、同軸共振器の管軸長Ｌは長くても、同軸管寸比ｂ／ａを適宜調整することで、測定管５の管軸と直交する方向の寸法を小さくすることが出来る。

このことから、空洞共振器の場合に取り付けが困難であったより小さな測定管の口径にも取り付けることが可能となる。

また、管軸長Ｌの全長を測定管内に挿入する必要はなく、例えば、管軸長Ｌの半分の長さを挿入しても良く、適宜調整することが可能である。

したがって、測定管５に突出する金属筒１１の寸法も小さく出来るので、被測定流体２０の流れに対し懸濁物質の堆積がしにくい構造とすることが容易なマイクロ波濃度計を提供することが出来る。

尚、測定空間Ｌｍおよび金属筒１４の形状は、詳細には実験によって、マイクロ波受信アンテナ１ｂで得られる受信信号が適正なレベルとなるように適宜調整することが望ましい。

また、誘電体１２と誘電体１２を保護するための絶縁物１３とは、プラスティク等を一体で成形しても良く、被測定流体２０によって適宜選択することが可能である。

さらに、マイクロ波送信アンテナ１ａは、同軸共振器で構成される場合について説明したが、図２に示すように金属筒１４の一端が容量結合された、即ち、同軸芯導体１１の一端が開放された半同軸共振器で構成しても良い。

以下に、本発明の実施例２に係るマイクロ波濃度計について、図３を参照して説明する。図３に示す実施例の各部について、実施例１のマイクロ波濃度計の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。

この実施例２が実施例１と異なる点は、実施例１では、被測定流体２０の温度を測定する温度センサを備えていなかったが、実施例２では、マイクロ波送信アンテナ１ａおよびマイクロ波受信アンテナ１ｂのマイクロ波が伝播する近傍に温度センサ６を備えたことにある。

図３に示すように、この温度センサ６の感温部が接液するようにアンテナ取り付け部４取り付けることで、マイクロ波が伝播する測定空間近傍の液温を容易に測定することができる。

したがって、被測定流体２０の温度が変化して誘電率が変化した場合でも、この温度センサ６の出力でマイクロ波濃度計の出力を精度良く補正することが可能なマイクロ波濃度計を提供することができる。

以下に、本発明の実施例３に係るマイクロ波濃度計について、図４を参照して説明する。図４に示す実施例の各部について、実施例１のマイクロ波濃度計の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。

図４（ａ）は測定管５の管内側面から見たマイクロ波送信アンテナ１ａおよびマイクロ波受信アンテナ１ｂの正面図で、図４（ｂ）は、そのマイクロ波送信アンテナの１ａの管軸と直交する方向から見た断面図である。

この実施例４が実施例１と異なる点は、実施例１では金属筒１４の筒部、特に、その先端部分が、被測定流体２０が流れる管軸方向に対し大きな流体抵抗となって懸濁物質が付着堆積しやすい構造となっていたが、本実施例３では、流れに接液する部分を曲面形状と被測定流体が流れる方向の流体抵抗を小さくした金属筒１４ｆとしたことにある。

したがって、被測定流体２０の流れを乱すことがなく、懸濁物質が付着堆積しにくい構造のマイクロ波濃度計を提供することができる。

以下に、本発明の実施例４に係るマイクロ波濃度計について、図５を参照して説明する。図５に示す実施例の各部について、実施例１のマイクロ波濃度計の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。

図５（ａ）は測定管５の管内側面から見たマイクロ波送信アンテナ１ａおよびマイクロ波受信アンテナ１ｂの正面図で、図５（ｂ）は、そのマイクロ波送信アンテナの１ａの管軸と直交する方向から見た断面図、また図５（ｃ）は、管軸方向から見た断面図である。

この実施例５が実施例１と異なる点は、実施例１では、マイクロ波送信アンテナ１ａの同軸芯導体１１は管軸と直交する方向でアンテナ取り付け部４に固定されて測定管５に挿入されたが、本実施例４では、同軸芯導体１１を管軸と平行する方向となるようにアンテナ取り付け部４に固定して、測定管５に挿入するようにした点にある。

すなわち、同軸芯導体１１を同軸ケーブル３の挿入方向に対し９０度折り曲げてアンテナ取り付け部４に固定するとともに、金属筒１４を管軸方向で対向する一部を開口する。

また、金属筒１４の管軸方向先端部分を曲面として、被測定流体２０の流れを乱さない形状に成形する。

このように、同軸芯導体１１を管軸方向に平行に備えることで、測定管５の取り付け口径を小さくするとともに、金属筒１４の端面を曲面として流体抵抗を小さくしたので、懸濁物資の付着堆積がしにくいマイクロ波濃度計を提供することが出来る。

本発明は、上述した実施例に何ら限定されるものではなく、マイクロ波送信アンテナとして同軸共振器の同軸径の方向の寸法を同軸管寸比ｂ／ａを適宜調整をして測定管の管径が小さくなるようにするものであれば良く、また、その外観形状は、被測定流体が流れる方向の流体抵抗が小さくなるように曲面形状とし、同軸共振器の誘電体や絶縁体は被測定流体によって適宜材質を変えても良く、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の実施例１のマイクロ波濃度計の管軸方向から見た断面図。 本発明の実施例１のマイクロ波濃度計のマイクロ波送信アンテナ、およびマイクロ波受信アンテナの詳細構造の説明図。 本発明の実施例１の液温を測定する温度センサの取り付け図。 本発明の実施例２のマイクロ波濃度計のマイクロ波送信アンテナ、およびマイクロ波受信アンテナの詳細構造の説明図。 本発明の実施例３のマイクロ波濃度計のマイクロ波送信アンテナ、およびマイクロ波受信アンテナの詳細構造の説明図。 従来のマイクロ波濃度計の構成図。 従来のマイクロ波送信アンテナの詳細構造の説明図。

符号の説明

１ａ マイクロ波送信アンテナ
１ｂ マイクロ波受信アンテナ
２ 測定部
３ａ、３ｂ 同軸ケーブル
４ アンテナ取り付け部
５ 測定管
６ 温度計
１１ 同軸芯導体
１２ 誘電体
１３ 絶縁体
１４，１４ｆ 金属筒
１５ 固定ホルダ
２０ 被測定流体
２１ 測定管
２２ 測定管フランジ
２３ 取り付けベースフランジ
２４、２８ 収納筒
２５、２９ 絶縁物製窓
２６ マイクロ波送信アンテナ
２７、３１ 同軸ケーブル
２７ａ 同軸芯線
３０ マイクロ波受信アンテナ
３２ 測定部

Claims (4)

1. 対向して設けられる一対のマイクロ波送信アンテナとマイクロ波受信アンテナとを被測定流体を流す測定管外周側面から挿入し、前記マイクロ波送信アンテナからマイクロ波を送信し、マイクロ波受信アンテナで受けるまでの伝播時間の変化から前記被測定流体の濃度を求めるマイクロ波濃度計であって、
   前記マイクロ波送信アンテナおよび前記マイクロ波受信アンテナは、同軸共振器型のアンテナであって、夫々のアンテナは、
   同軸ケーブルの同軸芯導体と、
   前記同軸芯導体の外部導体を構成し、当該外部導体の外周面を所定の角度範囲で開口される金属筒と、
   前記金属筒の内部の空間を埋める予め設定された誘電率を有する誘電体と、
   前記誘電体の表面を蓋う絶縁物と、
   一方の面に前記同軸ケーブルを、他方の面に、貫通した当該同軸ケーブルの前記同軸芯導体、前記誘電体、及び前記絶縁物を備える前記金属筒を、固定する当該金属筒と同一の材質を有する固定ホルダと、
   を備え、
   前記マイクロ波送信アンテナと前記マイクロ波受信アンテとを、夫々の前記同軸芯導体が、前記測定管の管軸と交差する平面上で前記金属筒の開口位置を対向して設けたことを特徴とするマイクロ波濃度計。
2. 対向して設けられるマイクロ波送信アンテナとマイクロ波受信アンテナとを被測定流体を流す測定管外周側面から挿入し、前記マイクロ波送信アンテナからマイクロ波を送信し、マイクロ波受信アンテナで受けるまでの伝播時間の変化から前記被測定流体の濃度を求めるマイクロ波濃度計であって、
   前記マイクロ波送信アンテナおよび前記マイクロ波受信アンテナは、同軸共振器型のアンテナであって、夫々のアンテナは、
   同軸ケーブルの同軸芯導体と、
   前記同軸芯導体の外部導体を構成し、当該外部導体の外周面を所定の角度範囲で開口される金属筒と、
   前記金属筒の内部の空間を埋める予め設定された誘電率を有する誘電体と、
   前記誘電体の表面を覆う絶縁物と、
   一方の面に前記同軸ケーブルを、他方の面に、貫通した当該同軸ケーブルの前記同軸芯導体、前記誘電体、及び前記絶縁物を備える前記金属筒を、固定する当該金属筒と同一の材質を有する固定ホルダと、
   を備え、
   前記マイクロ波送信アンテナと前マイクロ波受信アンテナとを、夫々の前記同軸芯導体が、前記測定管の管軸と平行な平面上で前記金属筒の開口位置を対向して設けたことを特徴とするマイクロ波濃度計。
   
3. 前記誘電体は、セラミックスとし、
   前記絶縁物は、プラスティクとしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロ波濃度計。
4. 前記マイクロ波送信アンテナおよび前記マイクロ波受信アンテナの夫々の前記金属筒は、前記測定管の管軸と交差する方向での断面形状が曲面となるように成形されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロ波濃度計。

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