(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の移動速度を測定する速度計において、物体に誘電分極を誘起させる手段と、物体中の誘電分極状態を検出する手段を有し、物体の移動に伴って誘電分極状態が移動する度合いを、物体の誘電的性質の変化として検出して前記物体の移動速度を知ることを特徴とする誘電分極式速度計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、物体の移動速度を測定する装置、とくに、誘電体である物体に電場をかけて誘電分極を誘起し、物体とともに物体内の誘電分極が移動するのに伴う物体の誘電的性質の変化を検出して、物体の移動速度を測定する速度計に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
物体の移動速度を測定する従来の速度計には、次のような原理のものが在る。磁界中を運動する導線に発生する速度起電力を利用する速度計、場所によって変化している磁界中を運動する導体に発生する渦電流を利用する速度計、測定対象に取り付けた等間隔格子の単位時間内の通過数を計数する速度計、空間フィルターの原理を用いた速度計、超音波やレーザーのドップラー効果を利用した速度計などである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の速度計は、その測定原理に応じてそれぞれ、ノイズが大きい、構成部品の寿命が短い、移動速度がゼロの時に残留出力がある、速度測定範囲が狭い、適用できる測定対象が限定される、設置条件・設置環境に制限がある、コストが高いなどの問題点をもっている。本発明は、物体の移動速度を非接触で測定でき、構造が単純で堅牢な、低コストの速度計を、新しい原理に基づいて実現する事を目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、物体に電場をかけて誘電分極を誘起し、物体の移動とともに形を保って移動しようとする誘電分極の移動の度合いを、物体の誘電的性質の変化として検出して、物体の移動速度を測定する。
【０００５】
【作用】
誘電体である物体に電場をかけると、物体中に誘電分極が誘起される。物体が移動するのにともなって、物体が感じる外部電場は変化するが、誘電分極には有限の緩和時間があるため、物体中の誘電分極は、瞬間的には外部電場に追従できず、微小な時間間隔でみると、前の時刻の状態をほぼ保ったままで移動する。物体に電場をかけて誘電分極を誘起し、物体の移動とともに形を保って移動しようとする誘電分極の移動の度合いは、物体の誘電的性質の変化となって観測されるので、これを検出することによって、物体の移動速度を測定することができる。
【０００６】
【実施例】
以下、実施例を基に、本発明の詳細を説明する。図１は本発明の第一実施例である。図１において、６は、それ自身に平行な方向へ速度Ｕで移動している帯状の物体である。１は四角形の平行平板からなる電極であり、極板の間隔はｄ、物体６の移動方向に平行な辺の長さはｌ、移動方向に直角な方向の辺の長さはｗである。物体６は、電極１にはさまれて、電極１によって形成された電場の中を移動している。２は発振器で、電極１に矩形波状の交番電位を与えている。３は電流検出器で、電極１と物体６によって構成されているコンデンサーに流れる電流を検出している。４は信号処理装置で、電流検出器３の出力信号から、物体６の移動速度を計算して、指示計器５に出力している。
【０００７】
まず、物体６が静止している場合について説明する。なお、電場は、電極１にはさまれた領域では一様で、他所ではゼロであると仮定するが、この仮定は、説明を簡単化して分かり易くするためであって、本発明の原理上の前提条件である訳ではない。電極１の両端の電位差をＶ、電場をＥ、電気変位をＤ、物体中の誘電分極をＰとする。このときＤ＝Ｅ＋４πＰが成り立つ。物体６が、単一緩和時間の緩和型分極を持つ線形な常誘電性の誘電体であれば、電場Ｅ（ｔ）と誘電分極Ｐ（ｔ）の間には、次の関係がある。
【０００８】
【数１】
0003639391.tif 000002
【０００９】
数１の右辺第一項は、電場の変化に瞬間的に追従する光学分極や赤外分極の成分を、右辺第二項が、配向分極などの緩和型の分極の成分を表す。ここで、χe1は瞬間的な分極に対応した電気感受率である。ａ（ｔ）は余効関数で、電場がインパルス状に変化したときの、緩和型分極のインパルス応答に相当し、次のような関数である。
【００１０】
【数２】
0003639391.tif 000003
【００１１】
χe2は、緩和型分極に対応した電気感受率、τは緩和時間である。電極１の電位差Ｖを矩形波状に変化させた場合、電場Ｅ＝Ｖ／ｄは図２（上）に示すような波形に、誘電分極Ｐは図２（中）に示すような波形になる。また、電極１により形成されるコンデンサーに流れる電流はｄＤ／ｄｔに比例するから、電流検出器３の出力は図２（下）のような波形となる。コンデンサーに流れる電流の内、パルス状に流れる電流を瞬間電流、パルス状の電流に続いて指数関数的に流れる電流を吸収電流と呼ぶ。
【００１２】
次に、物体６が速度Ｕで移動している場合を考える。今、電極１にはさまれた領域における電場をＥ、緩和型分極の大きさをＰ2 として、物体の誘電分極がＰ＝４πχe1Ｅ＋Ｐ2 であるとする。微小な時間間隔Δｔの間に、電場の存在する領域から電場がゼロの領域へ出ていく誘電体の体積はｗｄＵΔｔである。一方、同じ体積ｗｄＵΔｔの誘電体が、電場がゼロの領域から電場の存在する領域に入ってくる。新たに入ってきた微小体積内の誘電分極は、Δｔが緩和時間τに比べて十分小さいならば、Δｔの間に誘起される緩和型分極の成分はほとんどゼロなので、瞬間的に形成される分極成分４πχe1Ｅにほぼ等しい。結局、電極１にはさまれた領域全体では、誘電体中の誘電分極は、ｗｄＵΔｔ・Ｐ2 だけ減少することになる。本来の緩和現象によるＰ2 の変化も考慮すれば、電極１にはさまれた領域で平均したＰ2 について
【００１３】
【数３】
0003639391.tif 000004
【００１４】
という微分方程式が成り立つ。数３から、物体６の移動によって、緩和型分極の緩和時間τが等価的にγ倍なり、また電気感受率χe2も等価的にγ倍になることがわかる。ただし
【００１５】
【数４】
0003639391.tif 000005
【００１６】
である。このように、物体が移動することによって、固定した電極から観測した物体の誘電体としての性質が見かけ上変化する。その変化の度合いは、物体中の誘電分極の移動の度合いの、従って物体の移動速度Ｕの関数である。誘電体の性質が等価的に変化するから、みかけの余効関数も変化し、電流検出器３の出力波形の吸収電流の波形が変化する。信号処理装置４は、吸収電流の波形から緩和時間を求め、その変化から物体６の移動速度Ｕを計算している。
【００１７】
上に説明したように、物体の移動によって、見かけの緩和時間だけでなく、見かけの電気感受率もまた変化する。従って、本実施例のように緩和時間の変化から移動速度を計算するのではなく、電気感受率の変化から移動速度Ｕを計算しても構わない。また、電極１と物体６とで形成されるコンデンサーのインピーダンスには、電極にはさまれた物体の誘電的性質が反映しているから、コンデンサーのインピーダンスを測定して移動速度Ｕを求めてもよい。この場合、コンデンサーのインピーダンス測定は、通常のインピーダンス測定法のいずれの方法を用いても構わない。
【００１８】
本実施例では、物体の厚みや誘電率は一定であるとして、緩和時間のみを計算して移動速度を測定している。もし、物体の誘電率や物体の厚みなどが変化すると、物体の移動速度が同一でも、観測される緩和時間が変化するので、速度測定の誤差を生じる。このような事が想定される場合には、電極１の形成するコンデンサーの静電容量をも併せて測定し、この値によって、補正を加える方法を採ることができる。
【００１９】
（第二実施例）図３は、管内の流れの流速測定に適用した、本発明の第二実施例を示している。図３において、７は流体の流れている管、１は管７の中の流体に電場を印可する電極、８および９は、それぞれ電極１の上流と下流に設置された検出用電極である。本実施例においては、電極１を中心にして、電極８と電極９とは対称な形状に作られている。２は発振器で、電極１に正弦波電圧を印可している。１０および１１は、検出用電極８および９の電位差を検出して増幅する電圧増幅器、１２は電圧増幅器１０と１１の出力の差を増幅する差動増幅器である。１３は信号処理装置で、差動増幅器１２の出力を、発振器２の信号を同期信号として同期検波し、管７中の流体の流速を計算して、指示計器５に出力している。
【００２０】
電極１に正弦的な電圧を加えると、電極８および電極９には、静電誘導により正弦波電圧が誘起される。流れが無い場合は、電極８と９とが対称に作成されているので、それぞれの電極の誘起電圧は等しく、差動増幅器１２の出力はゼロである。これに対して、管７中の流体が流れていると、上流側電極８にはさまれた領域には、誘電分極の誘起されていない流体が流れ込むのに対して、下流側電極９にはさまれた領域には、電極１の電場によって分極された流体が流れ込む。このため、電極８に誘起される電圧と電極９に誘起される電圧に差が生じ、差動増幅器１２の出力信号はゼロではなくなる。差動増幅器１２の出力信号の振幅は、流体の流速が大きくなる程大きくなるから、信号処理装置１３で同期検波して、その結果から流速を知ることができる。なお、この実施例では管１を流れるのは液体であるが、測定原理から明らかなように、粉体が気体によって搬送される固気二相流のような流れにも適用することができる。
【００２１】
（第三実施例）図４は、櫛歯型電極を用いた本発明の第三実施例である。図４において、６は速度Ｕで移動している帯状の物体である。１４および１４’は、等しい間隔２ｐで平行に並んだ多数の細長い導体から成る櫛歯型電極で、１４と１４’とは、それぞれの櫛歯状の電極が交互に並ぶように設置されている。２は周波数可変の発振器で、電極１４と１４’の間に周波数ｆの正弦的な電位差を加えている。３は櫛歯型電極１４、１４’によって形成されているコンデンサーに流れる電流を検出する電流検出器である。１５は信号処理装置で、発振器２の発振周波数ｆを変えながら、電極１４と１４’で形成されるコンデンサーのインピーダンスを測定して、物体６の移動速度Ｕを計算し、結果を指示計器５に出力している。
【００２２】
櫛歯型電極１４および１４’に電圧を加えると、物体６の表面には、図５（ａ）に示したような分極が誘起される。時間ｐ／Ｕだけ後には、物体６は、電極のピッチの半分ｐだけ移動する。もし、分極の緩和時間τがｐ／Ｕと同程度以上のオーダーであれば、移動後の物体表面上には、移動前の分極状態の影響が残っている。この残留分極の影響により、櫛歯型電極１４、１４’から観察した物体の誘電体としての性質は、物体が移動している時と静止している時とで変化する。しかも、その変化は、残留分極と、電極間の電場の相対的な位相関係によって異なってくる。このため、物体の移動による誘電的性質の等価的な変化は、電極に加えられる電圧の周波数の関数となる。特に、周波数がｆ0 ＝Ｕ／２ｐの場合には、図５（ｂ）に示すように、物体が櫛歯型電極の半ピッチｐだけ移動する間に電場が半周期変化するため、一種の共鳴状態となる。従って、信号処理装置４５によって、周波数ｆを変えながらコンデンサーのインピーダンスを測定してｆ0 を求めれば、物体６の移動速度Ｕを知ることができる。なお、発振器としてＶＣＯを用い、コンデンサーのインピーダンスの位相角の特定の値でロックされるようにフェーズロックトループを形成して、ＶＣＯの発振周波数からＵを求める構成をとることも可能である。
【００２３】
以上の実施例の説明において、測定対象である移動物体を、単一緩和時間の緩和型分極を持つ常誘電体としてきたが、二つ以上の緩和時間を持つ誘電体や強誘電体であっても、物体の運動によって見かけの誘電的性質が変化することは同じであるから、信号処理装置における計算式を変えれば、これらの誘電体にも本発明の原理を適用することが可能である。
【００２４】
【発明の効果】
誘電分極の移動の度合いから速度を検出するという新しい原理に基づく本発明によって、次のような特徴を有する速度計を実現することができる。すなわち、本発明の速度計は、非接触で速度を測定することができる。また、測定対象物体は緩和時間を持つ誘電体であればよく、幅広い対象に適用できる。更に、構造的にも、測定対象近くに電極を設置するだけで速度計が構成できるので、単純で堅牢であり、幅広い使用条件に耐えうる。この他、構造とともに構成要素も単純で一般的な安価なものであるため、低コストに作製することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例である。
【図２】電場、誘電分極およびコンデンサー電流の波形図である。
【図３】流体の流速測定に適用した、本発明の第二実施例である。
【図４】櫛歯型電極を使用した、本発明の第三実施例である。
【図５】物体表面の分極状態を示す概念図である。
【符号の説明】
１    電極
２    発振器
３    電流検出器
４    信号処理装置
５    指示計器
６    物体
７    管
８、９  検出用電極
１０、１１  電圧増幅器
１２  差動増幅器
１３  信号処理装置
１４、１４’  櫛歯型電極
１５  信号処理装置
【図１】
0003639391.tif 000006
【図２】
0003639391.tif 000007
【図３】
0003639391.tif 000008
【図４】
0003639391.tif 000009
【図５】
0003639391.tif 000010