(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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液体を流す測定管外周側面から対向させて挿入し、前記マイクロ波送信アンテナからマイクロ波を送信し、前記マイクロ波受信アンテナで受信するまでの伝播時間の変化から前記被測定液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と前記マイクロ波受信アンテナの夫々は、パッチアンテナと、
前記パッチアンテナを取り付ける一対の開口部を備える前記測定管の外壁から前記開口部に圧入され、前記被測定液体に接液して固定される合成樹脂部材と、
前記合成樹脂部材の外壁後面側から、当該合成樹脂部材に近接して設ける前記パッチアンテナを前記測定管に固定する固定部材と
を備え、
前記パッチアンテナは、高誘電率の円形の誘電体基板と、
前記誘電体基板は、前記測定管外壁側の一方の面に成形される地板パターンと他方の面に成形される線状のアンテナパターンと、
前記地板パターンに固定される同軸コネクタと
を備え、
さらに、前記誘電体基板には、前記地板パターン面に垂直で前記アンテナパターンに挿通する孔を設け、前記同軸コネクタに同軸ケーブルを取り付け、当該同軸ケーブルの同軸芯を前記孔に挿通して前記アンテナパターンに接続するようにしたマイクロ波式濃度計。
【請求項２】
前記誘電体基板はセラミックスとし、また、前記地板パターン及びアンテナパターンは金属板または金属箔を固着して成形した請求項１に記載のマイクロ波濃度計。
【請求項３】
前記孔は、前記誘電体基板の中心位置をずらして設けた請求項１に記載のマイクロ波濃度計。
【請求項４】
前記固定部材は、金属で、前記誘電体基板の前記地板パターンを覆うように成形し、前記パッチアンテナと接する面に合成樹脂の絶縁物を介して固定した請求項１に記載のマイクロ波濃度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ波濃度計に係り、特に、被測定液体の液温が急変した場合の濃度の測定誤差を軽減したマイクロ波式濃度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物質を含む被測定液体の流れる測定管又は被測定液体を収納した容器を介して対向配置されたマイクロ波の送受信器を備え、この送信器から発射され被測定液体を通過し受信器にて受信されたマイクロ波の位相遅れθ２と、予め被測定物質を含まない液体を用いて測定しておいた位相遅れθ１との位相差Δθを求めることにより被測定液体の濃度を測定する、マイクロ波濃度計が知られている。
【０００３】
このようなマイクロ波式濃度計は、被測定液体の誘電率が温度によって変化し、位相差△θに影響を与えることから、液温を測定して位相差Δθを補正する液温補正が行なわれている。
【０００４】
この液温補正は、予め液温を測定して記憶しておいた被測定物質を含まない濃度ゼロの基準液体の温度ｔｗと被測定液体の測定時の温度ｔｓとの温度差Δｔ（＝ｔｓ−ｔｗ）と、位相差補正値Δθεとの関係を予め求めておき、位相差Δθと位相差補正値Δθεとの差Δθｔ
Δθｔ＝Δθ−Δθε
を求め、この補正された位相差Δθｔと濃度との関係を予め検量線として求めておき、被測定液体の濃度を求める様にしている。
【０００５】
また、最近では、被測定用液体の液温が急変した場合、基準位相Δθ１を求める基準系経路の周囲温度と被測定液体の位相Δθ２を求める測定系経路の被測定用液体の液温とに温度差が発生した場合に、マイクロ波送信アンテナ、マイクロ波受信アンテナの温度応答特性の相違、及び、マイクロ波送受信アンテナ自身の温度ドリフトによって、マイクロ波の伝播速度が変動し測定誤差が発生することも知られている。
【０００６】
さらに、マイクロ波受信アンテナ、マイクロ波送信アンテナの温度時定数は、測温抵抗体等の小熱容量金属の時定数と異なり、セラミックスなどの熱伝導率の低い誘電体で構成されるため、通常、数分〜６０分程度の時定数を有するので、液温が急変すると測定誤差が長時間発生する問題がある。
【０００７】
そこで、マイクロ波送信アンテナからのマイクロ波の伝播距離が異なる２台のマイクロ波受信アンテナへの伝播位相差を求めて、マイクロ波送信アンテナ及びマイクロ波受信アンテナ間での温度変化によるマイクロ波の伝播速度の変動をキャンセルして濃度を測定するようにしたマイクロ波濃度計がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
また、液温温度センサと、アンテナ自身の温度を測定するアンテナ温度センサを設け、液温が急変した場合の液温とマイクロ波送受信アンテナの温度差から測定誤差補正するようにしたマイクロ波濃度計がある（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−８３８２１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１に開示されたマイクロ波式濃度計の構成では、新たにもう１つのマイクロ波受信アンテナを備えることが必要となる点や、アンテナ自身を被測定液体中に挿入するため、被測定液体が汚泥やパルプなどの懸濁物質を含む場合、その堆積物がアンテナ自身に体積または付着して測定誤差や発生する問題がある。
【００１１】
また、特許文献２に開示された方法では、液温温度センサ以外に、新たにアンテナ温度センサを備える必要があることや、測定液温とアンテナの温度差から測定誤差を補正する液温・アンテナ温度差補正テーブルを実測値から作成するので、一義的に定まらず測定条件が変るごと実測する手間が掛かる問題がある。
【００１２】
本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたもので、液温の急変があっても、簡単な構成で測定誤差を軽減することが可能なマイクロ波濃度計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明のマイクロ波濃度計は、マイクロ波送信アンテナとマイクロ波受信アンテナとを被測定液体を流す測定管外周側面から対向させて挿入し、前記マイクロ波送信アンテナからマイクロ波を送信し、前記マイクロ波受信アンテナで受信するまでの伝播時間の変化から前記被測定液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と前記マイクロ波受信アンテナの夫々は、パッチアンテナと、前記パッチアンテナを取り付ける一対の開口部を備える前記測定管の外壁から前記開口部に圧入され、前記被測定液体に接液して固定される合成樹脂部材と、前記合成樹脂部材の外壁後面側から、当該合成樹脂部材に近接して設ける前記パッチアンテナを前記測定管に固定する固定部材とを備え、前記パッチアンテナは、高誘電率の円形の誘電体基板と、前記誘電体基板は、前記測定管外壁側の一方の面に成形される地板パターンと他方の面に成形される線状のアンテナパターンと、前記地板パターンに固定される同軸コネクタとを備え、さらに、前記誘電体基板には、前記地板パターン面に垂直で前記アンテナパターンに挿通する孔を設け、前記同軸コネクタに同軸ケーブルを取り付け、当該同軸ケーブルの同軸芯を前記孔に挿通して前記アンテナパターンに接続するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、液温の急変があっても、簡単な構成で測定誤差を軽減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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のマイクロ波濃度計の送（受）信アンテナの構成図。
【図２】パッチアンテナの構造図。
【図３】本発明のマイクロ波濃度計の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１乃至図３を参照して説明する。先ず、図３を参照して、マイクロ波式濃度計の全体の構成を説明する。
【００１７】
図１に示す構成が、特許文献1等に示される従来の構成と異なる点は、マイクロ波送信アンテナ４、及びマイクロ波受信アンテナ５は、詳細を後述するパッチアンテナ４ｃとし、液温の急な変化に対して、液温温度センサ７と液温補正テーブル１４ａとによる温度補正演算を行う温度補正演算部１４とを備えるようにした点にある。
【００１８】
次に、図１を参照して、実施例による全体構成について説明する。図１（ａ）は、測定管３の管軸と直交する方向から見たマイクロ波送信アンテナ４の断面図で、図１（ｂ）は、測定管３の外壁方向から見たパッチアンテナ４ｃのアンテナパターン４ｃ３とその同軸芯の位置を示す側面図である。
【００１９】
同図において、本実施例によるマイクロ波式濃度計の構成は、被測定液体を流す検出部１０と、検出部１０からの信号を受信して被測定液体の濃度を求める信号処理部２０とから成る。
【００２０】
検出部１０は、通常、金属管で成形される測定管３の管外壁側から被測定液体に接液し、測定管３の管軸と直交する方向の測定管３管壁内面で互いに対向する位置で設けるマイクロ波送信アンテナ４及びマイクロ波受信アンテナ５と、同じく、測定管３管壁外部から挿入して設ける液温温度センサ７とを備える。
【００２１】
次に、信号処理部２０は、マイクロ波発信器１と、当該マイクロ波発信器1から送信するマイクロ波は信号を２系統に分岐ずるパワースプリッタ２と、パワースプリッタ２から送信されたマイクロ波をマイクロ波送信アンテナ４、被測定液体、及びマイクロ波受信アンテナ５を介して送信された一方の測定系経路のマイクロ波信号と、他方のパワースプリッタ２から直接出力された基準系経路のマイクロ波信号との位相差を測定する位相差測定部１１と、当該位相差測定部１１の出力から液温による位相差の補正演算を行なう温度補正演算部１４と、温度補正された位相差と濃度との関係を求める濃度演算部１５とから成る。
【００２２】
さらに、液温温度センサ７からの信号を受信して、温度補正演算部１４に温度信号を出力する変換器１２を備える。
【００２３】
また、このように構成された信号処理部２０は、測定系路と基準経路の同じ温度環境に維持するため、検出部１０と一体の構造としておくことが望ましい。
【００２４】
次に、図１を参照して、マイクロ波送信アンテナ４、及びマイクロ波受信アンテナ５の詳細について説明する。マイクロ波送信アンテナ４とマイクロ波受信アンテナ５は同じ構成であるので、一方のマイクロ波送信アンテナ４について説明し、マイクロ波受信アンテナ５の説明を省略する。
【００２５】
マイクロ波送信アンテナ４は、パッチアンテナ（マイクロストリップアンテナ、マイクロストリップパッチアンテナとも言う）４ｃと、パッチアンテナ４ｃを取り付ける一対の開口部Ａを備える測定管３の外壁から開口部Ａに圧入され、被測定液体に接液して固定されるプラスティク等で成形する合成樹脂部材４ａと、合成樹脂部材４ａの外壁後面側から合成樹脂部材４ａに近接して設けるパッチアンテナ４ｃを測定管３に固定するＳＵＳなどの金属で成形された固定部材４ｂとを備える。
【００２６】
固定部材４ｂは、固定部材４ｂ１と４ｂ２とに分割しているが、これは一体成形されたものでも良い。
【００２７】
次に、図２を参照して、パッチアンテナ４ｃの詳細について説明する。図２（ａ）は、パッチアンテナ４ｃの断面図（同図（ｂ）のｘ−ｘ断面図）、図２（ｂ）は、パッチアンテナ４ｃを測定管３内面方向から見た、また、図２（ｃ）は、測定管３の外面方向から見た側面図である。
【００２８】
パッチアンテナ４ｃは、セラミックス等の高誘電率の円形の誘電体基板４ｃ１と、誘電体基板４ｃ１の測定管３外壁側の一方の面に成形される接地電位に接続される地板パターン４ｃ２と他方の面に成形される線状のアンテナパターン（Ｌ×Ｗ）４ｃ３と、地板パターン４ｃ２に固定される同軸コネクタ４ｄ１とを備える。
【００２９】
そして、誘電体基板４ｃ１は、地板パターン４ｃ２面に垂直でアンテナパターン４ｃ３に挿通する孔Ａａを設け、同軸コネクタ４ｄ１にマイクロ波信号を供給する同軸ケーブル４ｄを取り付け、同軸ケーブル４ｄの同軸芯を孔Ａａに挿通してアンテナパターン４ｃ３に接続する。
【００３０】
尚、この孔Ａａの径ｄは、同軸芯を圧入出来る程度の許容寸法の径とし、孔Ａａは誘電体基板４ｃの中心位置から距離Ｓずれた位置に設け、挿通した同軸芯は、アンテナパターン４ｃ３に半田付けして固定する。
【００３１】
また、誘電体基板４ｃ１は、セラミックス基盤上に金属板、または、金属めっきを固着成形、または、金属箔をエッチングして成形する。
【００３２】
そして、合成樹脂部材４ａとパッチアンテナ４ｃとが対面する面間は、合成樹脂部材４ａ及びパッチアンテナ４ｃが、周囲温度の変化で変形した場合でもアンテナ４ｃが機械的なストレスを受けないように、且つ、被測定液体の温度が断熱できるように間隙を備えるように、予め当該固定部材４ａ、及び合成樹脂部材４ｂ１を所定の厚さに成形しておく。
【００３３】
また、固定部材４ｂは、パッチアンテナ４ｃの外周面と接触する面に合成樹脂等の断熱材を挟み、測定管３、固定部材４ｂを介して伝熱される熱を断熱できるようにして固定する。さらに、固定部材４ｂは、金属で、誘電体基板４ｃの地板パターン４ｃ２を覆うように成形し、測定管３外に送信するマイクロ波が放射されないようにしておく。
【００３４】
尚、液温の変化範囲が軽度の場合には、誘電体基板４ｃのみの構成としても良い。
【００３５】
以上のように構成されたマイクロ波送信アンテナ４の幾何学的な形状は、予め設定されるマイクロ波の周波数ｆと、使用する誘電体基板４ｃ１の誘電率により、パッチアンテナ４ｃの径Ｄａ、厚さｔ、線状のアンテナパターン４ｃ３のサイズ（Ｌ×Ｗ）を求める。
【００３６】
また、パッチアンテナ４ｃのサイズは、理論的に求めることも可能であるが、発信されるマイクロ波を測定して、カットアンドトライによって最適な値を決定しても良い。
【００３７】
実験に拠れば、マイクロ波の周波数を２ＧＨｚ近傍に設定する場合、比誘電率は、３０以上のセラミックスで、その厚さは、５ｍｍ以上であることが望ましい。
【００３８】
また、同軸芯を挿通する孔Ａａの位置は、開口部Ａの径Ｄの中心位置から距離Ｓずらして設けるが、これは、開口部Ａから放射される放射効率を高めるためのものであり、マイクロ波受信アンテナ５で受信して、最適な値を調整するようにしても良い。
【００３９】
以上のような実施例に拠れば、被測定液体の液温が急変しても、セラミックスで成形される誘電体基板４ｃ１上に成形されたパッチアンテナ４ｃには伝熱量が軽減され、パッチアンテナ４ｃの幾何学的な変形が抑制されるので、マイクロ波の発信状態は急変しない。
【００４０】
次に、このように構成されたマイクロ波式濃度計に拠れば、液温が急変した場合、特許文献２に記載された従来の液温補正テーブル１４ａによる液温補正のみで、液温とアンテナ温度の相違を補正することなく測定誤差を軽減することが出来る。
【００４１】
また、パッチアンテナ４は、円形平板の形状としているので測定管３に取り付ける場合の測定管３の加工が容易に出来ることや、測定管３の寸法をコンパクトに出来る効果もある。
【００４２】
以上述べたように、本実施例に示した構造に拠れば、被測定液体の液温が急変してもパッチアンテナ４ｃにその変化が伝熱されないので、マイクロ波送受信アンテナの温度変化による測定誤差を生じる恐れがないマイクロ波濃度計を提供することが出来る。
【００４３】
本発明は、上述したような実施例に何ら限定されるものではなく、パッチアンテナを使用して断熱固定するものであれば良く、被測定液体の液温の変化範囲により断熱の構造は適宜変更しても良く、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  マイクロ波発信器
２  パワースプリッタ
３  測定管
４  マイクロ波送信アンテナ
４ａ  合成樹脂部材
４ｂ  固定部材
４ｂ１、４ｂ２  固定部材
４ｃ  パッチアンテナ
４ｃ１  誘電体基板
４ｃ２  地板パターン
４ｃ３  アンテナパターン
４ｄ  同軸ケーブル
５  マイクロ波受信アンテナ
７  液温温度センサ
１０  検出部
１２  変換器
１４  温度補正演算部
１４ａ  液温補正テーブル
１５  濃度演算部
２０  信号処理部
【図１】
0005443292.tif 000002
【図２】
0005443292.tif 000003
【図３】
0005443292.tif 000004