JP4028284B2

JP4028284B2 - 物質量測定装置

Info

Publication number: JP4028284B2
Application number: JP2002113330A
Authority: JP
Inventors: 一弘渡邉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2022-04-16
Also published as: JP2003307502A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波の伝播時間、または位相遅れの差を測定することによって被測定対象の濃度等の物理量を測定するマイクロ波による物質量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液体中の懸濁物質の濃度測定を行なう計器として、超音波の減衰率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等を測定して濃度を求める光学式濃度計等が多く用いられている。
【０００３】
ところが、超音波式濃度計では、液体中に気泡が混入している場合に、その影響を大きく受けて測定誤差が増大するという問題があった。また、後者の光学式濃度計では、光を入射或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、やはり、測定誤差が増大していた。
【０００４】
そこで、最近では、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きている。
【０００５】
図４は、このマイクロ波式濃度計の制御構成を示すブロック図である。同図において、流体の流通する配管１に、マイクロ波送信アンテナ２とマイクロ波受信アンテナ３とを、直径方向に互いに対向した状態で配置している。
【０００６】
マイクロ波送信アンテナ２には、パワースプリッター４を介してマイクロ波発信器５が接続されており、このマイクロ波発信機５からマイクロ波が供給される。また、マイクロ波受信アンテナ３は、伝播時間測定回路６を介して濃度演算回路７に接続されている。さらに、パワースプリッター４の出力側は伝播時間測定回路６の入力側に接続されている。
【０００７】
したがって、マイクロ波の通過経路は、パワースプリッター４を経てマイクロ波送信アンテナ２から送信され、配管１内の流体を伝播してマイクロ波受信アンテナ３に受信され、伝播時間測定回路６に導入される第１の経路と、パワースプリッター４から伝播時間測定回路６に導入される第２の経路との２系統となる。
【０００８】
伝播時間測定回路６からの出力を受けた濃度演算回路７は、第１経路からのマイクロ波の伝搬時間または位相遅れと、第２経路からのマイクロ波に対する伝播時間または位相遅れとから、その伝搬時間の差または位相差を求める。
【０００９】
このマイクロ波式濃度計では、マイクロ波発信器５からパワースプリッター４を経由して直接受信するマイクロ波に対する、配管１内の測定物質中を伝搬してくるマイクロ波の位相遅れθ２と、配管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測定対象液と同じ条件で測定した時のマイクロ波の位相遅れθ１とを比較する。そして、その位相差Δθ＝（θ２-θ１）から、図５に示す検量線８を用いて測定対象液の濃度を求める。
【００１０】
具体的には、その測定対象液の濃度Ｘは下記式（１）による演算を行なうことによって求められる。
【００１１】
Ｘ＝ａΔθ＋ｂ・・・・・・・・・（１）
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。
【００１２】
また、実際には、マイクロ波式濃度計による濃度測定にあたっては、基準となる純水を先に通して予め位相を測っておき、その後、被測定物質を通して前記の基準位相と比較することによって測定される。
【００１３】
このような従来のマイクロ波式濃度計は、マイクロ波の減衰率を測定する方式ではなく、位相差を測定する方式であり、また、マイクロ波を入射或いは受波する窓部が透明である必要はない。このため、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できるという利点を持っている。
【００１４】
このようなマイクロ波式濃度計において、濃度演算を行なうための伝播時間は、マイクロ波発振部５からの送信用ケーブル９および受信用ケーブル１０の長さや、ケーブルを構成する部材のサイズおよび材質等によっても変化する。しかし、これらについては機器ごとに初期調整することによって測定への影響を排除することができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このマイクロ波式濃度計では、濃度測定の際に、上記以外の要因により位相の指示が変化したり、測定が不安定となる場合がある。
【００１６】
その原因の一つは、配管１内を流れる被測定物質内のガス、すなわち、気泡等が配管１の特定の箇所に溜り、この箇所を伝搬するマイクロ波により測定されるマイクロ波が干渉されて測定誤差を生ずるという問題が起きている。
【００１７】
また、配管１の底部における被測定物質の堆積、例えば、汚泥の沈降等や、配管１の内壁部への付着等によっても同様の問題が生じていた。
【００１８】
さらに、昨今は配管１の大口径化が進んでおり、従来のように配管壁面に送信用および受信用のアンテナを固定している場合、配管の口径が３００mm以上と大きくなると、マイクロ波の伝播距離が長くなり減衰する。特に、配管内部の流体が導電性を有する場合には、マイクロ波の減衰が著しく、感度が低下してしまう。
【００１９】
本発明の目的は、配管が大口径化してもマイクロ波が減衰せず、配管内の気泡や沈殿物および付着物による影響を受け難い物質量測定装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明による物質量測定装置は、送信アンテナからマイクロ波を送信し、受信アンテナとの間に位置する被測定物質を伝播したマイクロ波の伝播時間または位相遅れから被測定物質の物理量を測定する物質量測定装置であって、被測定物質を流すための配管と、この配管内に設置された支持部材に支持され、かつ前記被測定物質中に設置されたマイクロ波送信アンテナと、この送信アンテナと対向し、前記支持部材の、配管内に生じる気泡及び堆積物による影響を受け難い位置に設置された第１の受信アンテナと、前記送信アンテナと対向し、配管内壁の、前記気泡又は堆積物による影響を比較的受け易い位置に設置された第２の受信アンテナとを備え、前記支持部材は、前記送信アンテナから前記第１の受信アンテナまでの距離と第２の受信アンテナまでの距離とが互いに等しくなる位置関係で、送信アンテナと第１の受信アンテナとを支持したことを特徴とする。
【００２５】
これらの発明では、マイクロ波伝播経路を構成する送信アンテナ及び受信アンテナのうち、少なくとも送信アンテナを支持部材によって配管内の被測定物質による流体中に設置しているので、受信アンテナとの距離を短くすることができ、正確に物理量を測定することができると共に、配管内壁部分に生じやすい気泡や堆積物など発生を検出することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による物質量測定装置の一実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。
【００２７】
図１は本実施の形態における配管内部の断面構成を示した模式図である。この物質量測定装置は、汚泥や紙パルプなどの繊維質、コーヒ、澱粉質等の懸濁物が混入している被測定物質の物理量、例えば懸濁物濃度などを測定するものである。
【００２８】
図では、被測定物質が流れる配管１１内において、送信アンテナ１２及び受信アンテナ（以下、第１の受信アンテナと呼ぶ）１３を、支持部材１４に取り付け、被検出物質中で対向配置させ、マイクロ波伝播経路（以下、第１のマイクロ波伝播経路と呼ぶ）を形成している。この支持部材１４は、被測定物質の流れ方向と交差して設けられており、金属または強度の高い合成樹脂やセラミックにより、棒状或いは板状に形成されている。各アンテナ１２、１３は、通常の構成のものを用いているがモノポールアンテナを用いてもよい。これらアンテナ１２、１３はそれぞれ保護部材１５で覆い、被測定物質から保護している。
【００２９】
この保護部材１５には、被測定物質によって性質変化の影響を受け難い合成樹脂部材を用いる。この性質変化の影響を受け難い合成樹脂部材とは、被測定物質の温度範囲で熱変形しない耐熱性の材質からなる部材であり、また、被測定物質が酸性もしくはアルカリ性である場合には、強い耐酸性ないし耐アルカリ性の材質からなる部材である。
【００３０】
これら送信アンテナ１２及び第１の受信アンテナ１３による第１のマイクロ波伝播経路には、図４で示した回路が接続されている。すなわち、送信アンテナ１２に対しては、パワースプリッター４を介してマイクロ波発信器５が接続され、このマイクロ波発信器５からマイクロ波が供給される。また、受信アンテナ１３は、伝播時間測定回路６を介して濃度演算回路７に接続されている。さらに、パワースプリッター４の出力側は伝播時間測定回路６の入力側に接続されている。
【００３１】
そして、マイクロ波発信器５からパワースプリッター４を経由して直接伝播時間測定回路７に入力されるマイクロ波に対する、配管１内の被測定物質中を伝搬してくるマイクロ波の位相遅れθ２と、配管１内に基準流体を充填して同じ条件で測定した時のマイクロ波の位相遅れθ１とを比較し、その位相差Δθ＝（θ２-θ１）から、図５に示す検量線８を用いて測定対象液の濃度を求める。
【００３２】
このように、第１のマイクロ波伝播経路を構成する送信アンテナ１２と第１の受信アンテナ１３を支持部材１４に取り付け、配管１１内を流れる被測定物質中に設置しているので、送信アンテナ１２と受信アンテナ１３との対向距離を、配管１の管径に影響されることなく最適な値に任意に設定できる。
【００３３】
すなわち、図４で示した、従来の配管１の内壁に送信アンテナ２と受信アンテナ３を取り付ける構造では、これらアンテナ２、３間の対向距離は配管の直径によって決まるため、直径が３００ｍｍ以上に大きくなると、アンテナ２、３間の対向距離が長くなり、マイクロ波が減衰して感度が低下してしまう。
【００３４】
これに対し、上記実施の形態では、送信アンテナ１２と第１の受信アンテナ１３とを支持部材１４に取り付けたことにより、アンテナ１２、１３間の対向距離を、配管の直径に影響されることなく、最適な値に任意に設定できる。このため、充分な測定感度を維持し、高い測定精度が得られる。
【００３５】
また、被測物質によっては配管内に気泡溜りが生じたり、長期間の使用等によって配管１１の内壁に物質が堆積したり付着したりして、測定性能に影響を与えることが考えられる。しかし、配管１１内におけるこれらの発生部位は予め想定できるため、支持部材１４に取り付けた送信アンテナ１２と第１の受信アンテナ１３とを、想定される発生部位を避けた任意の位置に設置することにより、これらの影響を排除することができる。
【００３６】
例えば、気泡溜りは配管１１内部の頂部に集中するし、堆積物は配管１１の底部に生じる。すなわち、多くは配管１１の上下内壁面に接する部分に生じるので、支持部材１４に取り付けた送信アンテナ１２及び第１の受信アンテナ１３を、配管１１内の断面中央部に近い被測定物質中に設置すれば、配管１１内に発生する気泡や堆積物、付着物の影響を殆ど受けずに良好な測定結果を得ることができる。
【００３７】
さらに、送信アンテナ１２および受信アンテナ１３は、被測定物質による性質変化の影響を受け難い保護部材１５で覆われているため、被測定物質中に設置されていても、この被測定物質から確実に保護され、各アンテナ１２、１３の寿命は大幅に長くなる。
【００３８】
この実施の形態では、送信アンテナ１２に対して、もう一つの受信アンテナ１７（以下、第２の受信アンテナと呼ぶ）を設け、第２のマイクロ波伝播経路を形成する。これら送信アンテナ１２及び第２の受信アンテナ１７による第２のマイクロ波伝播経路にも図４で示した回路が接続されており、被測定物質の物理量を測定することができる。
【００３９】
また、送信アンテナ１２に対する第２の受信アンテナ１７との距離は、第１の受信アンテナ１３との距離に等しく設定しておく。このようにすると濃度測定のための演算が容易となる。
【００４０】
但し、この第２のマイクロ波伝播経路は、前述した第１のマイクロ波伝播経路とは異なり、配管１１内に生じる気泡や堆積物などによる影響を比較的受けやすい位置に形成する。
【００４１】
すなわち、第１の受信アンテナ１３は、送信アンテナ１２と共に、支持部材１４によって、気泡や堆積物の影響を殆ど受けない被検出物質中に設置されているが、第２の受信アンテナ１７は、例えば、配管１１内に生じる気泡が集まる頂部内壁に設置する。したがって、配管１１内に気泡が発生した場合、第２のマイクロ波伝播経路による測定結果は、気泡溜りによる干渉を受け大きく変動する。
【００４２】
このように、構成した本実施の形態において、まず、送信アンテナ１２から配管１１内を流れる被測定物質（流体）を経て受信アンテナ１３に至る第１の伝播経路でのマイクロ波の伝播時間を測定する。また、同じく、送信アンテナ１２から配管１１内の被測定物質を経て受信アンテナ１７に至る第２の伝播経路でのマイクロ波の伝播時間を測定する。
【００４３】
この２つの伝播経路におけるマイクロ波の伝播時間から被測定物質の物理量、例えば、濃度がそれぞれ算出される。このとき、配管１１内に気泡溜りがない場合は、算出された濃度の値はほぼ等しい。
【００４４】
しかし、配管１１内に気泡が生じると、配管１１内の頂部、すなわち、第２のアンテナ１７が設置された内壁直下に気泡溜りが生じ、第２の受信アンテナ１７は気泡溜りによる影響を受ける。すなわち、第２の受信アンテナ１７に受信されるマイクロ波は気泡溜りに邪魔されて、その伝播時間が遅くなる。
【００４５】
一方、第１の受信アンテナ１３は、配管１１内の断面中心近くに配置されており、配管１１内に気泡が生じても、その周囲に気泡溜りは殆ど生じない。したがって、第１の受信アンテナ１３で受信されるマイクロ波の伝播時間は正常である。
【００４６】
これらの結果、第２のマイクロ波伝播経路による伝播時間は、気泡溜まりの影響を受けない第１のマイクロ波伝播経路による伝播時間と比較して大幅に変動する。この伝播時間の変動により、気泡溜りが配管１１内に発生したことを直ちに検出することができる。
【００４７】
なお、このとき、被測定物質の濃度は、気泡溜りの影響がない第１の受信アンテナ１３によって正確に測定することができる。
【００４８】
上記実施の形態では、第２の受信アンテナ１７を配管１１の頂部内壁に設けたが、送信側アンテナ１２および第１の受信アンテナ１３と共に、同一の支持部材１４に取り付けてもよい。
【００４９】
また、上記実施の形態では、配管１１の内部に生じた気泡溜りを検出するため、第２のアンテナ１７を配管１１内の頂部内壁に設けたが、堆積物の発生を検出する場合は、第２のアンテナ１７を配管１１内の底部内壁に設ければよい。
【００５０】
このように構成すると、配管１１内に堆積物が生じた場合、第２のマイクロ波伝播経路による測定結果は大きく変動するため、堆積物の発生を直ちに検出することができる。
【００５１】
次に、図２及び図３で示す実施の形態について説明する。なお、図１と対応する部分には同一符号を付している。
【００５２】
この実施の形態においても、マイクロ波の送信アンテナ１２は、配管１１内において支持部材１４に取り付けられており、配管１１内の被測定物質中に設置される。この実施の形態では、送信アンテナ１２は配管１１の断面中心部に設置している。
【００５３】
なお、支持部材１４は金属または強度の高い合成樹脂やセラミックにより、棒状或いは板状に形成されており、また、送信アンテナ１２は、保護部材１５で覆われ、被測定物質から保護されている。
【００５４】
この送信アンテナ１２に対し、第１のマイクロ波伝播経路を形成する第１の受信アンテナ１３と、第２のマイクロ波伝播経路を形成する第２の受信アンテナ１７を、配管１１内壁の互いに異なる位置に設けている。
【００５５】
第１のマイクロ波伝播経路は、配管１１内に生じる気泡や堆積物の影響を受け難い位置に形成されている。すなわち、第１の受信アンテナ１３は、気泡溜りの生じない配管１１内の下部で、堆積物が堆積し難い図示斜め右下に設置する。
【００５６】
これに対し、第２のマイクロ波伝播経路は、配管１１内に生じる気泡や堆積物の影響を比較的受け易い位置に形成する。すなわち、第２の受信アンテナ１７は、図３で示すように、気泡溜りの生じ易い配管１１内の頂部内壁に設置する。
【００５７】
これら送信アンテナ１２と第１の受信アンテナ１３とによる第１のマイクロ波伝播経路及び、第２の受信アンテナ１７とによる第２のマイクロ波伝播経路には、それぞれ図４で示した回路が接続されており、被測定物質の物理量をそれぞれ測定することができる。また、送信アンテナ１２に対する両受信アンテナ１３、１７との距離は、送信アンテナ１２が配管１１の断面中心部に配置されていることから、互いに等しく設定されている。
【００５８】
上記構成において、被測定物質の濃度測定に当っては、まず、送信アンテナ１２から配管１１内を流れる被測定物質を経て受信アンテナ１３に至る第１の伝播経路でのマイクロ波の伝播時間を測定する。同じく、送信アンテナ１２から配管１１内の被測定物質を経て受信アンテナ１７に至る第２の伝播経路でのマイクロ波の伝播時間を測定する。
【００５９】
この２つの伝播経路におけるマイクロ波の伝播時間から被測定物質の濃度がそれぞれ算出される。このとき、配管１１内に気泡溜まりがない場合は、算出された濃度の値はほぼ等しい。
【００６０】
しかし、配管１１内に気泡が生じると、図３で示すように、配管１１内の、第２のアンテナ１７が設置された内壁直下に気泡溜まりが生じる。このため、第２の受信アンテナ１７に受信されるマイクロ波は気泡溜りに邪魔されて、その伝播時間が遅くなる。
【００６１】
一方、第１の受信アンテナ１３は、配管１１の斜め下部の内壁面に設置されているため、その周囲に気泡溜りは殆ど生じない。また、堆積が生じても堆積物によって覆われることもない。したがって、第１の受信アンテナ１３で受信されるマイクロ波の伝播時間は正常である。
【００６２】
これらの結果、第２のマイクロ波伝播経路による伝播時間は、第１のマイクロ波伝播経路による伝播時間に比べ大幅に変動する。この伝播時間の変動により、気泡溜まりが配管１１内に発生したことが直ちに検出される。
【００６３】
もちろん、被測定物質の濃度は、気泡溜まりや堆積物による影響がない第１の受信アンテナ１３によって正確に測定することができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、配管が大口径化してもマイクロ波の伝播距離を適正な範囲に保つことができ、また、配管内に気泡や沈殿物および付着物が生じた場合、直ちにこれらを検出して対処でき、これらによる影響を受け難く、正確で安定な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による物質量測定装置の一実施の形態を示す模式図である。
【図２】本発明の他の実施の形態を示す模式図である。
【図３】図２の実施の形態の動作を説明する模式図である。
【図４】従来のマイクロ波式濃度計の制御構成を示すブロック図である。
【図５】検量線を示したグラフ図である。
【符号の説明】
１１配管
１２マイクロ波送信アンテナ
１３、１７マイクロ波受信アンテナ
１４支持部材

Claims

送信アンテナからマイクロ波を送信し、受信アンテナとの間に位置する被測定物質を伝播したマイクロ波の伝播時間または位相遅れから被測定物質の物理量を測定する物質量測定装置であって、
被測定物質を流すための配管と、
この配管内に設置された支持部材に支持され、かつ前記被測定物質中に設置されたマイクロ波送信アンテナと、
この送信アンテナと対向し、前記支持部材の、配管内に生じる気泡及び堆積物による影響を受け難い位置に設置された第１の受信アンテナと、
前記送信アンテナと対向し、配管内壁の、前記気泡又は堆積物による影響を比較的受け易い位置に設置された第２の受信アンテナとを備え、
前記支持部材は、前記送信アンテナから前記第１の受信アンテナまでの距離と第２の受信アンテナまでの距離とが互いに等しくなる位置関係で、送信アンテナと第１の受信アンテナとを支持した
ことを特徴とする物質量測定装置。