JPH1183757A - マイクロ波濃度計 - Google Patents

マイクロ波濃度計

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JPH1183757A
JPH1183757A JP24283397A JP24283397A JPH1183757A JP H1183757 A JPH1183757 A JP H1183757A JP 24283397 A JP24283397 A JP 24283397A JP 24283397 A JP24283397 A JP 24283397A JP H1183757 A JPH1183757 A JP H1183757A
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JP
Japan
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microwave
measured
measuring
tube
densitometer
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JP24283397A
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Inventor
Masuo Suzuki
万寿夫 鈴木
Katsuyuki Shimokawa
勝千 下川
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Toshiba Corp
Toshiba FA Systems Engineering Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba FA Systems Engineering Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 管径が大きい場合、導電率や温度の変
化、さらに電波の誘導による影響を低減化し、高精度に
濃度を測定することにある。 【解決手段】 複数の周波数のマイクロ波を発生するマ
イクロ波発振器３と、このマイクロ波発振器から発生さ
れる複数の周波数のマイクロ波を選択的に送信し前記管
内の被測定物を介して受信するマイクロ波送受信部１
２，１４と、この受信された受信信号を用いて、複数の
周波数のマイクロ波に基づく第１および第２の位相差を
測定する位相差測定手段２３と、この第１および第２の
位相差に基づいて位相の回転を判定する手段２６とを設
け、この位相差および位相回転から位相遅れを見い出
し、被測定物の濃度を測定するものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物中に固形
物・懸濁物質の濃度を測定するマイクロ波濃度計に係わ
り、特に被測定物である流体の流れを妨げずに、下水管
内の汚濁物質の濃度、製紙用パルプその他種々の物質の
流体中の濃度を測定するマイクロ波濃度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】被測定物である例えば液体中の固形物・
懸濁物質の濃度を測定する最も原始的な方法は、その液
体の一部をサンプリングし、液体を蒸発させた後の残滓
の重量を計ることにより、被測定物の濃度を測定するこ
とができる。
【０００３】しかし、この測定方法は、測定に時間がか
かり、自動化が困難である。そこで、測定時間の短縮化
および自動化を踏まえ、濃度計に関する多種のセンサが
実用化されてきている。
【０００４】従来、そのセンサの中の１つとして超音波
を用いた濃度計が開発され利用されている。しかし、こ
の超音波濃度計は、液体中に気泡がある場合に測定がで
きないといった問題がある。
【０００５】そこで、この問題を解決するために、例え
ば特開平４−２３８２４６号公報のようなマイクロ波を
用いた濃度計が開発されてきている。以下、このマイク
ロ波濃度計の測定方法の概要について図６を参照して説
明する。
【０００６】このマイクロ波濃度計は、マイクロ波の位
相が液体の濃度にほぼ比例して遅れるといった原理に基
づき、マイクロ波の位相遅れから液体の濃度を測定する
ものである。
【０００７】具体的には、発振器６０から発生する周波
数ｆのマイクロ波信号６１が増幅器６２により増幅さ
れ、分配器６３により送信信号６４と基準信号６５とに
分岐出力され、そのうち送信信号６４は送信用アンテナ
６６を介して配管６７中の被測定物に送信され、一方、
基準信号６５はミキサ６８に送られる。
【０００８】前記配管６７の反対側に設置される受信用
アンテナ６９は、被測定物を通ってくるマイクロ波を受
信し、その受信された受信信号７０は増幅器７１を介し
て別のミキサ７２に送出される。
【０００９】このとき、参照用発振器７３からは周波数
ｆのマイクロ波信号６１とは少し異なる周波数ｆ＋△ｆ
の参照信号７４，７５が発生され、それぞれミキサ６
８，７２に導入している。その結果、ミキサ６８は、基
準信号６５と参照信号７４とを混合し、その差の周波数
△ｆである基準側ヘテロダイン出力７６を取り出し、位
相差測定手段７７に送出する。
【００１０】一方、別のミキサ７２は、受信用アンテナ
６９で受信した受信信号７０と参照信号７５とを混合
し、その差の周波数△ｆである測定側ヘテロダイン出力
７８を取り出し、同様に位相差測定手段７７に送出す
る。
【００１１】ここで、位相差測定手段７７は、基準側ヘ
テロダイン出力７６と測定側ヘテロダイン出力７８とを
取り込み、これら両出力の位相差Φを求めた後、演算装
置７９に送出する、よって、演算装置７９では、予め基
準濃度における位相差を求めておけば、この基準位相差
を基に、位相差Φから被測定物の濃度を算出することが
できる。
【００１２】因みに、濃度をＤとすると、この濃度Ｄと
位相差Φとの関係は、 Ｄ＝ａΦ＋ｂ ……（１） となり、ほぼ１次式の関係になるので、濃度を変えて位
相差を測定し、回帰分析を行うことにより、ａとｂを決
定できる。
【００１３】また、導電性のある媒質（例えば水）の中
では、マイクロ波の減衰・位相遅れと、媒質の導電率
σ、誘電率、温度ｔとの関係は、理論的には以下のよう
になる。
【００１４】角周波数ωのマイクロ波の減衰率α（Nepe
r/m ）、位相変化率β（rad/m ）は、下記する（２）式
および（３）式で表わすことができる。 α＝｛Ｚ0 ／（２）1/2 ｝ ・（σ＋ωε0 ε″r ）／〔１＋［１＋｛（σ／ωε′r ε0 ） ＋（ε″r ／ε′r ）｝2 ］1/2 〕1/2 ……（２） β＝｛ω（μr ε′r ）1/2 ／ｃ0 （２）1/2 ｝ ・〔１＋［１＋｛（σ／ωε′r ε0 ） ＋（ε″r ／ε′r ）｝2 ］1/2 〕1/2 ……（３） 但し、σは導電率、ε′r 、ε″r は媒質の複素比誘電
率εr の実部と虚部とである。水のように分子に極性が
ある場合は、電界を加えるとゆっくりと分極が起こるた
め、誘電率は周波数の関数となる。静的な比誘電率を
ε′rs、周波数∞での比誘電率をε′r とすると、 εr ＝ε′r −ｊε″r ＝ε′r ＋（ε′rs−ε′r ）／（１＋ｊωτ） ……（４） ε′r ＝ε′r ＋（ε′rs−ε′r ）／（１＋ω2 τ2 ） ……（５） ε″r ＝｛（ε′rs−ε′r ）ωτ｝／（１＋ω2 τ2 ） ……（６） の関係にある。但し、τは分極に要する時間である。
ε′rs、τは温度ｔ（°Ｃ）の関数であり、純水の場合
には次のような近似式で表わせることが実験的に確かめ
られている。
【００１５】 ε′rs＝88.195−0.40349 ｔ＋0.65924 ×10-3ｔ2 ……（７） τ＝19.39 −0.6802ｔ＋0.95865 ×102 ｔ2 −0.65303 ×10-17 ｅｘｐ(t) ……（８） また、ε′r ＝4.9 である。その他の定数について次
に示す。
【００１６】 電波インピーダンス Ｚ0 ＝（μ0 ／ε0 ）1/2 ＝120 π Ω 真空の透磁率 μ0 ＝4 π×10-7 H/m 真空の誘電率 ε0 ＝8.854 ×10-12 F/m 真空中の光速 ｃ0 ＝3.00×108 ｍ／ｓ 媒質（水）の比透磁率 μｒ ＝ほぼ１ そこで、以上のような定数などを用いて前記（２）式、
（３）式により減衰率αおよび位相変化率βを求めた
後、これら減衰率αおよび位相変化率βから、減衰量お
よび位相遅れを求める。
【００１７】よって、送信電力をＰ0 、ｚ方向に進むマ
イクロ波電力をＰとすると、 Ｐ＝Ｐ0 ｅｘｐ（−2 αｚ） ……（９） であり、減衰量は（20αｚ／log10 ）(db)になる。位相
遅れはβｚ(rad) である。以上のようにマイクロ波の減
衰・位相遅れは、媒質の誘電率の関数であると同時に、
周波数、媒質の導電率・透磁率・温度の関数でもある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
マイクロ波濃度計には、次のような問題点がある。 （１） 位相の変化から濃度を求めることから、被測定
物の濃度が高い流体や管径が大きい場合、受信信号７０
の位相が１回転以上変化したとき、果たして何回回転し
ているか不明であり、濃度を求めることができない。常
に管内が被測定物で満たされ、位相が測定されていれ
ば、例えば特開平８−８２６０６号公報に示すように前
後の関係から回転数を求めることができるが、一度管内
の被測定物が空になると測定できなくなる。 （２） 前記（３）式〜（８）式に示す通り、被測定物
の温度や導電率が変化したとき、マイクロ波の位相が変
化して誤差が生じる。そのため、温度・導電率を測定し
て補正する必要があり、例えば特開平９−４３１８１号
公報のように導電率センサを設置し、導電率を測定する
ことが行われている。
【００１９】しかし、導電率センサには汚れが付着しや
すく、測定精度の悪化や保守作業の面で問題があるの
で、実用化が困難である。 （３） また、マイクロ波を取り扱う場合、電波法の規
制があり、漏洩電波の電界強度が基準値以下にしなけれ
ばならず、マイクロ波送信出力を無制限に大きくするこ
とができない。しかし、管径が大きく、送・受信用アン
テナの距離が離れていると、減衰量が大きくなる。同様
に、導電率が大きい場合にも減衰が大きくなる。その結
果、受信マイクロ波電力が小さくなり、測定誤差が大き
くなるか、あるいは全く測定できなくなる。 （４） マイクロ波の電波の誘導作用により、マイクロ
波が液体中以外の場所を通って受信され、測定誤差が生
じる。 （５） また、受信用アンテナ６９で受信された受信信
号７０は増幅器７１で増幅されるが、このときの受信信
号電力や増幅器７１の設置する周囲温度の変化により、
出力信号の位相が変化し、誤差が生じる問題がある。
【００２０】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、導電率や温度の変化にも拘らず、液体中の固形物・
懸濁物質の濃度を高精度に測定するマイクロ波濃度計を
提供することにある。
【００２１】また、本発明の他の目的は、管径が大きい
場合や電波の誘導がある場合でも、液体中の固形物・懸
濁物質の濃度を高精度に測定するマイクロ波濃度計を提
供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１，請求項３，請求項４に対応する発明は、
管内の被測定物を通るマイクロ波の位相遅れを計測し、
前記被測定物の濃度を測定するマイクロ波濃度計におい
て、複数の周波数のマイクロ波を発生するマイクロ波発
生手段と、このマイクロ波発生手段から個別に発生され
る複数の周波数のマイクロ波を選択的に送信し前記管内
の被測定物を介して受信するマイクロ波送受信部と、こ
のマイクロ波送受信部により受信される受信信号を用い
て、前記複数の周波数のマイクロ波に基づく第１および
第２の位相差を測定する位相差測定手段と、この第１お
よび第２の位相差に基づいて位相の回転を判定する手段
とを設けたものである。
【００２３】なお、複数の周波数のマイクロ波を発生す
る手段として、１つのマイクロ波発振器を設け、周波数
の設定変えを行って異なる複数の周波数のマイクロ波を
選択的発生する場合の他、２つのマイクロ波発振器を設
け、これら２つのマイクロ波発振器にそれぞれスイッチ
を介してマイクロ波送受信部を接続し、何れか１つのス
イッチをオンしつつ異なる周波数のマイクロ波を発生し
マイクロ波送受信部に導入する。２つのマイクロ波発振
器を設けた場合、これら発振器に対応して２つの位相差
測定手段を設け、それぞれ異なる周波数のマイクロ波に
基づいて異なる位相差を測定する。
【００２４】このような手段を講じたことにより、異な
る２つの周波数のマイクロ波を選択的に送信し、それら
受信信号および前記異なる２つの周波数のマイクロ波の
基準信号と参照信号とから、測定側ヘテロダイン出力と
基準側ヘテロダイン出力を取り出し、これら両ヘテロダ
イン出力から、それぞれ異なる周波数のマイクロ波に基
づく第１および第２の位相差を測定するので、これら２
つの位相差と、予め知り得る各周波数の濃度零のときの
位相差とを用いて回転数を考慮した位相差の変化量を求
める一方、前記各周波数の位相変化率を求め、これら位
相差変化量と位相差変化率とを用いて、位相の回転数を
求めるので、濃度が高い場合、あるいは管径が大きい場
合であっても、正確に位相の回転数を求めて被測定物の
濃度を測定できる。
【００２５】請求項２，請求項３，請求項４に対応する
発明は、所定の周波数のマイクロ波を発生するマイクロ
波発生手段と、このマイクロ波発生手段から発生される
マイクロ波を前記管内の被測定物を介して受信するマイ
クロ波送受信部と、このマイクロ波送受信部により受信
される受信信号を用いて、位相差を測定する位相差測定
手段と、前記受信信号に関連する信号の電圧を測定する
電圧測定手段と、この電圧測定手段で測定された電圧か
ら受信したマイクロ波の減衰量を測定するとともに、こ
の減衰量を用いて前記被測定物の導電率を算出し、この
導電率により位相差を補正する補正手段とを設けたもの
である。なお、１つのマイクロ波発生手段または２つの
マイクロ波発生手段を設ける場合があることは前述と同
様である。
【００２６】このような手段を講じたことにより、電圧
測定手段により測定された測定側ヘテロダイン出力を測
定し、受信したマイクロ波の減衰量を算出するととも
に、この減衰量から被測定物の導電率を算出し、位相差
を補正するので、被測定物の導電率が変化し、マイクロ
波の位相が変化しても、正確に導電率を算出し、マイク
ロ波の位相を補正するので、正確に濃度を測定でき、濃
度の測定精度の向上を図ることができる。
【００２７】請求項５に対応する発明は、請求項２に対
応する発明の構成に、さらに管内の被測定物の温度を測
定する温度測定手段を設け、この電圧測定手段により測
定される電圧から受信マイクロ波の減衰量を測定すると
ともに、この減衰量と測定温度とから前記被測定物の導
電率を算出し、この算出された導電率を用いて前記位相
差を補正するので、被測定物が温度が変化し、マイクロ
波の位相が変化しても、正確に導電率を算出し、マイク
ロ波の位相を補正するので、正確に濃度を測定でき、濃
度の測定精度の向上を図ることができる。
【００２８】請求項６に対応する発明は、マイクロ波送
受信部により受信される受信信号と予め定めた所定の周
波数と少し異なる周波数の参照信号とを加算した後に分
配し混合した信号を取り出す周波数変換手段を設けるこ
とにより、これら受信信号と参照信号とをともに同一の
受信出力ラインの構成要素例えば増幅器を通すことによ
り、温度変化等の位相変化を補償できる。
【００２９】請求項７に対応する発明は、一端を接地し
てなる終端抵抗と、の終端抵抗の他端側出力ラインと前
記マイクロ波受信部の出力ラインとを選択する選択手段
と、この選択手段によって選択された終端抵抗の他端側
出力ラインの出力から前記マイクロ波の誘導成分を測定
し、前記選択された前記マイクロ波受信部の出力ライン
の出力から得られる位相差を補正する誘導補正手段とを
設けたことにより、マイクロ波が誘導により被測定物以
外の場所を通って受信された場合でも、誘導成分による
影響を補償できる。
【００３０】請求項８，請求項９に対応する発明は、マ
イクロ波を発生するマイクロ波送信部およびこの発生さ
れたマイクロ波を管内の被測定物を介して受信するマイ
クロ波受信部と、前記管と接する部分または当該管を貫
通し前記被測定物と接する部分との間にそれぞれ当該被
測定物と同等の誘電率をもつ誘電体を配置するか、ある
いは管内に、当該管の内径よりも距離的に小さくなるよ
うにマイクロ波を発生するマイクロ波送信部と、この発
生されたマイクロ波を管内の被測定物を介して受信する
マイクロ波受信部とを配置することにより、管径が大き
い場合でも減衰量を小さくして濃度を測定でき、また電
界強度を基準値以下に容易に下げて、濃度を測定でき
る。請求項１０に対応する発明は、マイクロ波として、
ＩＳＭの周波数を用いることにより、緩やかな規制のマ
イクロ波を用いて被測定物の濃度を測定できる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）図１は請求項１ないし請求項４の
発明に係わるマイクロ波濃度計の一実施の形態を示す構
成図である。
【００３２】このマイクロ波濃度計は、内部的に同様の
構成要素をもつ２つの回路ブロック１、２が設けられ、
これら回路ブロック１、２から異なる周波数ｆ1 、ｆ2
のマイクロ波を発生させて濃度を測定する。なお、１つ
の回路ブロックは、配管、アンテナ等を除けば、ほぼ従
来のマイクロ波濃度計と同様な構成となっている。
【００３３】この回路ブロック１は、周波数ｆ1 のマイ
クロ波を発生する発振器３、増幅器４および分配手段５
が設けられ、この分配手段５にて基準信号６と送信信号
７に分岐出力され、そのうち基準信号ｆ1 はミキサ８に
送られ、送信信号７はスイッチ９を介して結合手段１０
に送られる。スイッチ９は、回路ブロック１，２の何れ
か一方のみをオンするようになっている。
【００３４】従って、回路ブロック１または回路ブロッ
ク２のスイッチ９のオン時、周波数ｆ1 の送信信号７ま
たは周波数ｆ2 の送信信号１１は、結合手段１０を経て
送信用アンテナ１２から配管１３中の被測定物に送信さ
れ、受信用アンテナ１４で受信する。
【００３５】この受信信号は分配手段１５により受信信
号１６，１７に分配され、各回路ブロック１，２のミキ
サ１８に導入される。このとき、回路ブロック１の参照
用発振器１９からは周波数ｆ1 とは少し異なる周波数ｆ
1 ＋△ｆ1 が発生され、それぞれミキサ８，１８に参照
信号２０，２１として導入されている。
【００３６】よって、ミキサ１８では、基準信号ｆ1 と
参照信号２０とを混合し、その差の周波数△ｆ1 である
基準側ヘテロダイン出力２２を取り出し、位相差測定手
段２３に送出する。一方、ミキサ１８では、受信信号１
６と参照信号２１とを混合し、その差の周波数△ｆ1 で
ある測定側ヘテロダイン出力２４を取り出し、位相差測
定手段２３および電圧測定手段２５に送出する。
【００３７】この位相差測定手段２３は、基準側ヘテロ
ダイン出力２２と測定側ヘテロダイン出力２４とから位
相差Φ1 を求めた後、演算装置２６に送出する。また、
電圧測定手段２５は、測定側ヘテロダイン出力２４の電
圧Ｖ1 を測定し、演算装置２６に送出する。
【００３８】回路ブロック２についても、同様の処理手
段により、周波数ｆ2 のマイクロ波を用いて、位相差Φ
2 、電圧Ｖ2 を求め、演算装置２６に送出する。そこ
で、演算装置２６は、以上のようにして求めた位相差Φ
1 ，Φ2 と電圧Ｖ1 ，Ｖ2 とを用いて、被測定物の濃度
を測定する。但し、位相差Φ1 ，Φ2 については、位相
が回転している可能性があるので、回転数を求める必要
がある。
【００３９】今、濃度０のときの位相差は、周波数ｆ
1 ，ｆ2 について各々Φ10，Φ20とし、濃度の変化によ
って次のように変化したものとする。 ｆ1 ：Φ10 → Φ1 ＋２πｍ （−１≦ｍ、ｍは整
数） ｆ2 ：Φ20 → Φ2 ＋２πｎ （−１≦ｎ、ｎは整
数） ここで、ｍ，ｎは回転数である。よって、位相差の変化
量△Φ1 、△Φ2 は、 △Φ1 ＝Φ1 ＋２πｍ−Φ10 ……（１０） △Φ2 ＝Φ2 ＋２πｎ−Φ20 ……（１１） となる。
【００４０】次に、ｆ1 ，ｆ2 における位相変化率β
1 ，β2 とすると、この位相変化率β1 ，β2 と位相差
の変化量△Φ1 、△Φ2 とは次のような関係で表わせ
る。 △Φ2 ＝（β2 ／β1 ）△Φ1 ……（１２） そこで、前記（１２）式の左辺から右辺を引いて右辺を
０とした後、（１０）式および（１１）式を代入する
と、 Φ2 ＋２πｎ−Φ20−（β2 ／β1 ） ・（Φ1 ＋２πｍ−Φ10）＝０ ……（１３） が得られる。
【００４１】実際には位相差測定値に誤差があるので、
（１３）の左辺に整数ｍ，ｎを代入し、位相差測定値が
誤差の許容値以内になるｍ，ｎの組み合わせを決定すれ
ばよい。よって、ｍ，ｎから（１０）式、（１１）式に
より、位相変化量△Φ1 、△Φ2 を求めることができ
る。
【００４２】また、マイクロ波の位相変化は、被測定部
の導電率の影響を受けるので、電圧Ｖ1 、Ｖ2 から減衰
を求めた後、この減衰量により導電率を算出し、位相差
を補正する。
【００４３】なお、この実施の形態は、各回路ブロック
１，２のスイッチ９を選択的に切り替えて別々に異なる
周波数を発生するようにしたが、回路ブロック１側と回
路ブロック２側とでマイクロ波のアイソレーションが良
好であって、同時に送受信しても差し支えない場合に
は、同時に測定することが可能である。
【００４４】また、本実施の形態では、異なる周波数を
発生するために２つの発振器を用いたが、広い周波数範
囲をもち、かつ、周波数安定度がよければ、１つの発振
器を用いて周波数設定を変えることにより実現できる。
この場合には、周波数の設定変えを行うことを除けば、
従来の回路と同じになり、大幅に単純化することができ
る。 （第２の実施の形態）図２は請求項４ないし請求項１０
の発明に係わるマイクロ波濃度計の一実施の形態を示す
構成図である。
【００４５】このマイクロ波濃度計は、ＩＳＭ（Indust
rial,Scientific,and Medical ）の周波数ｆISM のマイ
クロ波信号を発生する発振器２７と、このマイクロ波信
号を所定の増幅率で増幅する増幅器２８と、この増幅さ
れたマイクロ波信号を送信信号と基準信号３０とに分岐
出力する分配器２９とが設けられ、この分岐出力された
送信信号は送信用アンテナ３１を介して配管３２中の被
測定物に送信し、配管３２の反対側の受信用アンテナ３
３で受信する。
【００４６】なお、ＩＳＭの周波数ｆISM のマイクロ波
を用いる理由は次の通りである。ＩＳＭとは、工業、科
学、医療の分野に用いられる特定の周波数帯であり、国
際的に、出力電力や電界強度についての規制が緩和され
ている。日本においては、無線設備規則第６５条によ
り、特例として電界強度の規制を定めないとされてい
る。因みに、ＩＳＭの周波数帯について述べると、 １３．５６０ＭＨｚ±７ＫＨｚ ２７．１２０ＭＨｚ±１６３ＫＨｚ ４０．６８０ＭＨｚ±２０ＫＨｚ ４３３．９２ＭＨｚ±８７０ＫＨｚ（ヨーロッパの数カ
国） ９１５ＭＨｚ±１３ＭＨｚ（北米・南米） ２４５０ＭＨｚ±５０ＭＨｚ ５．８ＧＨｚ±７５ＭＨｚ ２４．１２５ＧＨｚ±１２５ＭＨｚ ３４は周波数ｆISM と少し異なる周波数ｆISM ＋△ｆの
参照信号３５，３６を出力する参照用発振器であって、
この参照信号３６と基準信号３０とはミキサ３７にて混
合され、差の周波数△ｆである基準側ヘテロダイン出力
３８として位相差測定手段３９に送出される。
【００４７】一方、受信用アンテナ３３で受信された受
信信号４０と参照信号３５とが結合手段４１にて結合さ
れ、増幅器４２にて増幅され、分配手段４３にて受信信
号４０と参照信号３５とに分配され、ミキサ４４により
混合することにより、差の周波数△ｆである測定側ヘテ
ロダイン出力４５を取り出し、位相差測定手段３９に送
出する。なお、結合手段４１によって受信信号４０と参
照信号３５とを結合することにより、増幅器４２の温度
変化等による位相変化が補償される。
【００４８】そして、位相差測定手段３９により、２つ
のヘテロダイン出力の位相差を求めた後、演算装置４６
に送出する。この演算装置４６では、予め基準濃度にお
ける位相差を求めておけば、この基準濃度の位相差デー
タを基に、測定位相差から被測定物の濃度を求めること
ができる。
【００４９】また、マイクロ波濃度計は、ミキサ４４の
出力側に電圧測定手段４７が設けられ、測定側ヘテロダ
イン出力４５の電圧Ｖを測定し、演算装置４６に送出す
る。この演算装置４６は、測定側ヘテロダイン出力４５
の電圧Ｖを用いて受信したマイクロ波の減衰量を算出
し、この減数量から被測定物の導電率を算出し、導電率
変化による濃度の誤差を補正する。
【００５０】また、配管３２には被測定物の温度ｔを測
定する温度測定手段４８が設けられている。この温度測
定手段４８は、被測定物の温度ｔを測定し、温度変化に
よる濃度の誤差を補正する。
【００５１】以下、電圧Ｖと温度ｔとから、導電率σと
補正された濃度Ｄを求める例について説明する。今、配
管３２の内径をｚ、減衰がない場合の電圧をＶ0 、減衰
率をαとすると、 Ｖ＝Ｖ0 ｅｘｐ（−αｚ） ∴ α＝（１／ｚ）ｌｎ（Ｖ0 ／Ｖ） ……（１４） の関係が成立する。また、導電率σと減衰率αと温度ｔ
とについて、 σ＝ａ0 ＋ａ1 α＋ａ2 ｔ＋ａ3 αｔ＋ａ4 α2 ＋ａ5 ｔ2 ……（１５） とおき、校正時に温度計と導電率計で温度ｔと導電率σ
とを測定しながら変えたときの減衰率αの測定を多数回
繰り返し、回帰分析により係数ａi を求めておく。
【００５２】そして、測定時、前記（１５）式により減
衰率αと温度ｔとから導電率σを求める。一方、導電率
σと温度ｔと位相変化量△Φとについては、 △Φ＝ａ0 ＋ａ1 Ｄ＋ａ2 σ＋ａ3 ｔ＋ａ4 Ｄσ＋ａ5 Ｄｔ ＋ａ6 σｔ＋ａ7 Ｄ2 ＋ａ8 σ2 ＋ａ9 ｔ2 ……（１６） とおき、校正時に濃度と導電率と温度とを変えたときの
位相変化量を多数回測定し、回帰分析により係数ａi を
求め、前記（１６）式のＤについての解を求める。
【００５３】測定時には、△Φと前記（１５）式により
求めた導電率σと温度ｔとを、Ｄの解に代入し、補正さ
れた濃度を求める。次に、別の濃度測定例としては、位
相変化量△Φと前記（１４）式で求めた減衰率αとにつ
いて次のような連立方程式を立てる。
【００５４】 △Φ＝ａ0 ＋ａ1 Ｄ＋ａ2 σ＋ａ3 ｔ＋ａ4 Ｄσ＋ａ5 Ｄｔ ＋ａ6 σｔ＋ａ7 Ｄ2 ＋ａ8 σ2 ＋ａ9 ｔ2 …（１７ａ） α＝ｂ0 ＋ｂ1 Ｄ＋ｂ2 σ＋ｂ3 ｔ＋ｂ4 Ｄσ＋ｂ5 Ｄｔ ＋ｂ6 σｔ＋ｂ7 Ｄ2 ＋ｂ8 σ2 ＋ｂ9 ｔ2 …（１７ｂ） そして、校正時には、濃度と導電率と温度とを変えたと
きの位相変化量と減衰量と多数回測定し、各々回帰分析
を行い、係数ａi ，ｂi を求める。この求めた係数を
（１７ｂ）式に代入し、導電率σの解を求める。前記
（１７ａ）式のＤについての解を求める。
【００５５】測定時には、減衰率αと温度ｔとを導電率
σの解に代入して求め、このσの値と位相差変化量△Φ
と温度ｔとをＤの解に代入し、補正された濃度を求め
る。さらに、別の濃度測定例としては、位相変化量△Φ
と前記（１４）式で求めた減衰率αとについて次のよう
な連立方程式を立てる。
【００５６】 △Φ＝ａ0 ＋ａ1 Ｄ＋ａ2 σ＋ａ3 Ｄσ＋ａ4 Ｄ2 ＋ａ5 σ2 …（１８ａ） α＝ｂ0 ＋ｂ1 Ｄ＋ｂ2 σ＋ｂ3 Ｄσ＋ｂ4 Ｄ2 ＋ｂ5 σ2 …（１８ｂ） この場合、校正時には温度を十分に細かい刻みで変えて
係数ａi 、ｂi を求め、各温度ごとのテーブルを作成す
る。測定時には、温度ｔにより係数ａi 、ｂiのテーブ
ルを選択し、連立方程式の解により導電率σと補正され
た濃度Ｄを算出する。
【００５７】以上のような濃度測定例で述べたように、
導電率を予め求めておいた位相変化量の式に代入すれ
ば、補正された濃度を求めることができる。これらは、
第１の実施の形態のように、複数の周波数を用いて行う
場合にも同様に適用できる。
【００５８】また、実施の形態におけるマイクロ波濃度
計においては、受信用アンテナ３３と結合手段４１との
間、終端抵抗４９と結合手段４１との間に、それぞれス
イッチ５０，５１を介挿し、何れか一方のスイッチ５０
または５１のみをオンする構成となっている。スイッチ
５１側は終端抵抗４９により配管３２の近くに設置され
ている。
【００５９】これらスイッチ５０，５１のうち、スイッ
チ５１のオンにすればマイクロ波の誘導による成分を測
定し、スイッチ５０オン時のマイクロ波の強度、位相か
ら差し引くことにより、位相を補正できる。
【００６０】因みに、図３で説明するように、受信信号
５２の強度をＶt 、位相をΦt 、誘導による信号５３の
強度Ｖi 、位相をΦi とすると、真の受信信号５４の強
度Ｖr 、位相Φr は次式から求めることができる。
【００６１】 Ｖr ＝（Ｖt 2 ＋Ｖi 2 −２Ｖt Ｖi （cos Φt cos Φi ＋sin Φt sin Φi ）1/2 …（１９） Φr ＝arc tan ｛（Ｖt sin Φt −Ｖi sin Φi ） ／（Ｖt cos Φt −Ｖi sin Φi ）｝…（２０） 次に、図４は配管３２と拡大した送受信部分との断面を
示す図である。
【００６２】このマイクロ波濃度計は、送信用アンテナ
３１と配管３２内の被測定物との間には被測定物と同等
の誘電率をもつ誘電体５５を介在させることにより、距
離が短くなるように設置し、管壁近くをマイクロ波がス
ムーズに通るようにする。同様に、受信用アンテナ３３
と配管３２内の被測定物との間には被測定物と同等の誘
電率をもつ誘電体５６を介在させることにより、反射を
低減して被測定物を通ってくるマイクロ波を適切に受信
する構成である。
【００６３】このような構成とすることにより、配管３
２の壁による影響を除去し、被測定物のみに依存した濃
度を測定できる。また、マイクロ波送受信部としては、
図５に示すように配管３２内に、当該配管３２の内径よ
りも小さい距離となるように送信用アンテナ５７および
受信用アンテナ５８よりなる送受信部５９を設置した構
成である。このような構成とすることにより、マイクロ
波の減衰量を小さくでき、高精度に被測定物の濃度を測
定できる。
【００６４】
【発明の効果】請求項１，３，４の発明によれば、複数
の周波数のマイクロ波を発生し、位相の回転を測定する
ことにより、濃度が高い場合や管径が大きい場合におい
て位相が回転する場合にも、その回転を把握して濃度を
正確に求めることができる。
【００６５】請求項２〜５の発明によれば、受信したマ
イクロ波の減衰量を測定し、この減衰量から導電率を算
出し、導電率により濃度を補正することにより、導電率
の影響を受けずに濃度を高精度に測定できる。
【００６６】また、受信したマイクロ波の減衰量を測定
し、被測定物の温度を算出し、温度により濃度を補正す
ることにより、温度の変化に影響されずに濃度を高精度
に測定できる。
【００６７】請求項６の発明によれば、受信信号と参照
信号とを加算後、分配し混合することにより、測定側ヘ
テロダイン出力を得ることにより、例えば増幅器の温度
変化等による位相変化の影響を受けずに高精度に濃度を
測定できる。
【００６８】請求項７の発明によれば、受信信号出力ラ
インを切り替えて終端抵抗側を選択し、誘導量を測定す
るので、不要な受信信号による影響を除去できる。請求
項８，９の発明によれば、電波の受信量を増加させるた
め、管に接する部分に管内の被測定物と同等の誘電率を
有する誘電体を配置することにより、マイクロ波の反射
を低減でき、管の内径より小さい距離と同等の機能を発
揮させることができる。また、管の内径より小さい距離
で送受信部を設置することにより、マイクロ波の減衰量
を小さくでき、高精度に濃度を測定できる。請求項１０
の発明によれば、ＩＳＭの周波数を使用し大出力のマイ
クロ波を送信することにより、十分な受信信号が得ら
れ、高精度に濃度を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係わるマイクロ波濃度計の一実施の
形態を示す構成図。
【図２】 本発明に係わるマイクロ波濃度計の他の実施
の形態を示す構成図。
【図３】 受信信号と誘導による信号とから真の受信信
号を求める説明図。
【図４】 配管に対する送受信用アンテナの設置例を示
す拡大図。
【図５】 配管内に送受信部を配置した構成図。
【図６】 従来のマイクロ波濃度計の構成図。
【符号の説明】
１，２…回路ブロック ３，２７…発振器 ５，２９…分配手段 ９，５０，５１…スイッチ ８，１８，３７，４４…ミキサ １０…結合手段 １９，３４…参照用発振器 ２３，３９…位相差測定手段 ２５，４７…電圧測定手段 ２６，４６…演算装置 ４８…温度測定手段 ４９…終端抵抗 ５５，５６…誘電体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下川 勝千 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 管内の被測定物を通るマイクロ波の位
    相遅れを計測し、前記被測定物の濃度を測定するマイク
    ロ波濃度計において、 複数の周波数のマイクロ波を発生するマイクロ波発生手
    段と、 このマイクロ波発生手段から個別に発生される複数の周
    波数のマイクロ波を選択的に送信し前記管内の被測定物
    を介して受信するマイクロ波送受信部と、 このマイクロ波送受信部により受信される受信信号を用
    いて、前記複数の周波数のマイクロ波に基づく第１およ
    び第２の位相差を測定する位相差測定手段と、 この第１および第２の位相差に基づいて位相の回転を判
    定する手段と、 を備えたことを特徴とするマイクロ波濃度計。
  2. 【請求項２】 管内の被測定物を通るマイクロ波の位
    相遅れを計測し、前記被測定物の濃度を測定するマイク
    ロ波濃度計において、 所定の周波数のマイクロ波を発生するマイクロ波発生手
    段と、 このマイクロ波発生手段から発生されるマイクロ波を前
    記管内の被測定物を介して受信するマイクロ波送受信部
    と、 このマイクロ波送受信部により受信される受信信号を用
    いて、位相差を測定する位相差測定手段と、 前記受信信号に係わる信号の電圧を測定する電圧測定手
    段と、 この電圧測定手段で測定された電圧から受信したマイク
    ロ波の減衰量を測定するとともに、この減衰量を用いて
    前記被測定物の導電率を算出し、この算出された導電率
    を用いて前記位相差を補正する補正手段と、 を備えたことを特徴とするマイクロ波濃度計。
  3. 【請求項３】 １つのマイクロ波発生手段を設けた場
    合、周波数の設定変えを行って異なる複数の周波数のマ
    イクロ波を選択的に発生する請求項１または請求項２に
    記載のマイクロ波濃度計。
  4. 【請求項４】 異なる周波数のマイクロ波を発生する
    ２つのマイクロ波発生手段を設けた場合、各マイクロ波
    発生手段にそれぞれスイッチを介してマイクロ波送受信
    部を接続し、これらスイッチを選択的にオンし、異なる
    周波数のマイクロ波を送信信号としてマイクロ波送受信
    部に送出する請求項１または請求項２１に記載のマイク
    ロ波濃度計。
  5. 【請求項５】 管内の被測定物を通るマイクロ波の位
    相遅れを計測し、前記被測定物の濃度を測定するマイク
    ロ波濃度計において、 所定の周波数のマイクロ波を発生するマイクロ波発生手
    段と、 このマイクロ波発生手段から発生されるマイクロ波を前
    記管内の被測定物を介して受信するマイクロ波送受信部
    と、 このマイクロ波送受信部により受信される受信信号を用
    いて、位相差を測定する位相差測定手段と、 前記受信信号に係わる信号の電圧を測定する電圧測定手
    段と、 前記管内の被測定物の温度を測定する温度測定手段と、 前記電圧測定手段により測定される電圧から受信マイク
    ロ波の減衰量を測定するとともに、この減衰量と測定温
    度とから前記被測定物の導電率を算出し、この算出され
    た導電率を用いて前記位相差を補正する補正手段と、 を備えたことを特徴とするマイクロ波濃度計。
  6. 【請求項６】 管内の被測定物を通るマイクロ波の位
    相遅れを計測し、前記被測定物の濃度を測定するマイク
    ロ波濃度計において、 所定の周波数のマイクロ波を発生するマイクロ波発生手
    段と、 このマイクロ波発生手段から発生されるマイクロ波を前
    記管内の被測定物を介して受信するマイクロ波送受信部
    と、 このマイクロ波送受信部により受信される受信信号と予
    め定めた前記所定の周波数と異なる周波数の参照信号と
    を加算した後に分配し混合した信号を取り出す周波数変
    換手段と、 この分配し混合した信号を用いて位相差を測定する位相
    差測定手段と、 を備えたことを特徴とするマイクロ波濃度計。
  7. 【請求項７】 管内の被測定物を通るマイクロ波の位
    相遅れを計測し、前記被測定物の濃度を測定するマイク
    ロ波濃度計において、 所定の周波数のマイクロ波を発生するマイクロ波発生手
    段と、 このマイクロ波発生手段から発生されるマイクロ波を前
    記管内の被測定物を介して受信するマイクロ波送受信部
    と、 一端を接地してなる終端抵抗と、 この終端抵抗の他端側出力ラインと前記マイクロ波受信
    部の出力ラインとを選択する選択手段と、 この選択手段によって選択された終端抵抗の他端側出力
    ラインの出力から前記マイクロ波の誘導成分を測定し、
    前記選択された前記マイクロ波受信部の出力ラインの出
    力から得られる位相差を補正する誘導補正手段と、を備
    えたことを特徴とするマイクロ波濃度計。
  8. 【請求項８】 管内の被測定物を通るマイクロ波の位
    相遅れを計測し、前記被測定物の濃度を測定するマイク
    ロ波濃度計において、 マイクロ波を発生するマイクロ波送信部およびこの発生
    されたマイクロ波を管内の被測定物を介して受信するマ
    イクロ波受信部と、前記管と接する部分または当該管を
    貫通し前記被測定物と接する部分との間にそれぞれ当該
    被測定物と同等の誘電率をもつ誘電体を配置したことを
    特徴とするマイクロ波濃度計。
  9. 【請求項９】 管内の被測定物を通るマイクロ波の位
    相遅れを計測し、前記被測定物の濃度を測定するマイク
    ロ波濃度計において、 前記管内に、当該管の内径よりも距離的に小さくなるよ
    うにマイクロ波を発生するマイクロ波送信部と、この発
    生されたマイクロ波を管内の被測定物を介して受信する
    マイクロ波受信部とを配置したことを特徴とするマイク
    ロ波濃度計。
  10. 【請求項１０】 所定の周波数のマイクロ波として、
    ＩＳＭの周波数を用いることを特徴とする請求項２およ
    び請求項５ないし請求項９の何れか１つに記載のマイク
    ロ波濃度計。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2016032008A1 (ja) * 2014-08-29 2016-03-03 京セラ株式会社 センサ装置およびセンシング方法
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