(57)【要約】【課題】気体の音速・誘電率の同時測定装置を提供する。【解決手段】１つの円柱型シリンダの長さ方向に、直径が同じである２つの円型貫通孔を設け、両端を円形フランジで蓋をし、両円形フランジをボルトナットで締め付けることによって構成したデュアル円筒型キャビティと、サンプルガス導入・排気用の穴を開閉して２つの円筒型キャビティを理想的な円筒形状にすることができるバルブ機構と、第１の円筒型キャビティ中に音波を発生させて音波共鳴特性を測定する音波送受信器と、第２の円筒型キャビティ中に電磁波を発生させて電磁波共鳴特性を測定する電磁波送受信器を備え、第２の円筒型キャビティ内が真空時の電磁波共鳴特性測定により測定した円筒型キャビティの長さＬを２つの円筒型キャビティ長さとすることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの円柱型シリンダの長さ方向に、直径が同じである２つの円型貫通孔を設け、両端を円形フランジで蓋をし、両円形フランジで円柱型シリンダを挟持して締め付けることによって構成したデュアル円筒型キャビティと、サンプルガス導入・排気用の穴を開閉するバルブ機構であってバルブを閉じたときに２つの円筒型キャビティを理想的な円筒形状にするバルブ機構と、第１の円筒型キャビティ中に音波を発生させて音波共鳴特性を測定する音波送受信器と、第２の円筒型キャビティ中に電磁波を発生させて電磁波共鳴特性を測定する電磁波送受信器を備え、
円筒型キャビティ内が真空時の電磁波共鳴特性測定により測定した前記第２の円筒型キャビティの長さＬを２つの円筒型キャビティの長さとすることを特徴とするデュアル円筒型キャビティによる音波・電磁波共鳴特性測定装置。
【請求項２】
請求項１記載のデュアル円筒型キャビティによる音波・電磁波共鳴特性測定装置を用いてサンプルガスの音速を測定する音速測定方法であって、
前記デュアル円筒型キャビティ中にサンプルガスを封入してバルブを閉じ、音波送信器により音波を発信し、円筒長さ方向の共鳴モードすなわちｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｍｏｄｅにおける音波共鳴特性を音波受信器にて測定し、音波共鳴周波数を測定することでサンプルガスの音速を求める音速測定方法。
【請求項３】
請求項１記載のデュアル円筒型キャビティによる音波・電磁波共鳴特性測定装置を用いてサンプルガスの誘電率を測定する誘電率測定方法であって、
前記デュアル円筒型キャビティ中にサンプルガスを封入してバルブを閉じ、電磁波送信器によりマイクロ波を発信し、円筒軸方向に電場成分がないＴＥモードあるいは円筒軸方向に磁場成分がないＴＭモードにおける電磁波共鳴特性を電磁波受信器にて測定し、電磁波共鳴周波数を測定することでサンプルガスの誘電率を求める誘電率測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒型キャビティによる音波・電磁波共鳴測定装置を用いた、気体の音速および誘電率の同時測定装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
円筒型キャビティを用いた音波共鳴測定の例としては、非特許文献１などがある。円筒型キャビティ中にサンプルガスを封入し、音波送受信器によって音波共鳴特性を測定し、得られた音波共鳴周波数からサンプルガスの音速を求めることができる。
円筒型キャビティを用いた電磁波共鳴測定の例としては、非特許文献２などがある。円筒型キャビティ中にサンプルガスを封入し、電磁波送受信器によって電磁波共鳴特性を測定し、得られた電磁波共鳴周波数の真空時における値との比からサンプルガスの誘電率または屈折率を求めることができる。
また、本出願人は、音波送受信器と電磁波送受信器を備えた単一の円筒型キャビティを用いて、気体の音速、誘電率、粘性および熱伝導率を同時測定可能な装置を先に出願している（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−０８３２７６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Gillis KA,“Thermodynamicproperties of two gaseous harogenated ethers from speed-of-soundmeasurements:difluoromethoxy-difluomethane and2-difluoromethoxy-1,1,1-trifluoroethane,”Int.J.Thermophys. 15, pp.821-847, 1994
【非特許文献２】Ewing MB, and Royal DD,“A highlystable cylindrical microwave cavity resonator for the measurement of therelative permittivities of gases,” J. Chem. Thermodynamics 34, pp.1073-1088,2002.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本出願人が先に出願した特許文献１におけるキャビティ中における音波および電磁波共鳴を測定する方法では、単一のキャビティに音波および電磁波の送・受信器を取り付けることにより、キャビティ形状が非理想的なものとなるため、音波および電磁波共鳴それぞれの測定不確かさを悪化するという問題があった。すなわち、音波共鳴測定に不要な電磁波送・受信器が音波共鳴測定不確かさを悪化させ、電磁波共鳴測定に不要な音波送・受信器が電磁波共鳴測定不確かさを悪化させるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために、本発明は、１つの円柱型シリンダの長さ方向に、直径が同じである２つの円型貫通孔を設け、両端を円形フランジで蓋をし、両円形フランジで円柱型シリンダを挟持して締め付けることによって構成したデュアル円筒型キャビティと、サンプルガス導入・排気用の穴を開閉するバルブ機構であってバルブを閉じたときに２つの円筒型キャビティを理想的な円筒形状にするバルブ機構と、第１の円筒型キャビティ中に音波を発生させて音波共鳴特性を測定する音波送受信器と、第２の円筒型キャビティ中に電磁波を発生させて電磁波共鳴特性を測定する電磁波送受信器を備え、円筒型キャビティ内が真空時の電磁波共鳴特性測定により測定した前記第２の円筒型キャビティの長さＬを２つの円筒型キャビティの長さとすることを特徴とするデュアル円筒型キャビティによる音波・電磁波共鳴特性測定装置。
また、本発明は上記デュアル円筒型キャビティによる音波・電磁波共鳴特性測定装置を用いてサンプルガスの音速を測定する音速測定方法であって、前記デュアル円筒型キャビティ中にサンプルガスを封入してバルブを閉じ、音波送信器により音波を発信し、円筒長さ方向の共鳴モードすなわちｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｍｏｄｅにおける音波共鳴特性を音波受信器にて測定し、音波共鳴周波数を測定することでサンプルガスの音速を求める音速測定方法。
また、本発明は、上記デュアル円筒型キャビティによる音波・電磁波共鳴特性測定装置を用いてサンプルガスの誘電率を測定する誘電率測定方法であって、前記デュアル円筒型キャビティ中にサンプルガスを封入してバルブを閉じ、電磁波送信器によりマイクロ波を発信し、円筒軸方向に電場成分がないＴＥモードあるいは円筒軸方向に磁場成分がないＴＭモードにおける電磁波共鳴特性を電磁波受信器にて測定し、電磁波共鳴周波数を測定することでサンプルガスの誘電率を求める誘電率測定方法。
【発明の効果】
【０００７】
デュアル円筒型キャビティにより音波共鳴測定用キャビティと電磁波共鳴測定用キャビティとを分けることで、音波共鳴測定に不要な電磁波送受信器と、電磁波共鳴測定に不要な音波送受信器とを、それぞれのキャビティから排除することができるようになり，音波および電磁波共鳴における非理想性を低減することができ、それぞれの共鳴周波数の測定精度を向上することができる。
また、本発明のデュアル円筒型キャビティは、１つの円柱型シリンダの長さ方向に、直径が同じである２つの円型貫通孔を設け、両端を円形フランジで挟持して締め付けて蓋をした構造であるため、２つの円筒型キャビティの長さＬをほとんど理想的に等しくすることができ、真空中での第２の円筒型キャビティ内が真空時の電磁波共鳴測定により求めた第２の円筒型キャビティの長さＬにより、２つのキャビティの長さＬを求めることができ、物性が既知の参照試料を用いた校正をする手間を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のデュアル円筒型キャビティによる音波・電磁波共鳴測定装置の一例を示す概略図である。図中（１）が試料導入または真空排気時の状態を表し、（２）が音波共鳴測定時の状態を表し、（３）が電磁波共鳴測定時の状態を表す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の音波・電磁波共鳴特性測定装置は、１つの円柱型シリンダの長さ方向に、直径が同じである２つの円型貫通孔を設け、両端を円形フランジで挟持して締め付けて蓋をした構造のデュアル円筒型キャビティと、サンプルガス導入・排気用の穴を開閉するバルブ機構であってバルブを閉じたときに２つの円筒型キャビティを理想的な円筒形状にすることができるバルブ機構と、第１の円筒型キャビティ中に音波を発生させて音波共鳴特性を測定することができる音波送受信器と、第２の円筒型キャビティ中に電磁波を発生させて電磁波共鳴特性を測定することができる電磁波送受信器を備えることで、円筒形キャビティ中の音波および電磁波送受信器がそれぞれ電磁波および音波共鳴測定へ与える悪影響を排除することができる。
さらに、第２の円筒型キャビティ内が真空時の電磁波共鳴測定により２つの円筒型キャビティ長さＬを求めることを可能とし、円筒型キャビティにおける音波および電磁波共鳴の測定による音速および誘電率の測定精度向上を図ることができる。
【実施例】
【００１０】
本発明の音波・電磁波共鳴測定装置の概略図を図１に示す。図において、（Ａ）はデュアル円筒型キャビティ、（Ｂ）は音波送信器、（Ｃ）は音波受信器、（Ｄ）は電磁波送信器、（Ｅ）は電磁波受信器、（Ｆ）は音波側サンプルガス導入・排気用バルブ、（Ｇ）は電磁波側サンプルガス導入・排気用バルブである。
（Ａ）のデュアル円筒型キャビティは、１つの円柱型シリンダの長さ方向に、直径が同じである２つの円型貫通孔を設け、両端を円形フランジで蓋をし、両円形フランジで円柱型シリンダを挟持して締め付けることによって構成され、２つのキャビティが共通の円形フランジで蓋をされ締め付けられるので、締め付け力による影響は２つの円筒型キャビティに対して同等となり、２つの円筒型キャビティの長さＬをほとんど理想的に等しくすることができる。
なお、同じサイズに加工したシングル円筒型キャビティを２つ用意して、個別の音波共鳴測定装置と電磁波共鳴測定装置を用いた場合、各個別装置のアセンブル時の締め付け力のバラツキ等により個別装置の円筒型キャビティの長さＬを同じとみなすことはできないが、これに対して本発明のデュアル円筒型キャビティでは、上述のとおり２つの円筒型キャビティの長さＬをほとんど理想的に等しくすることができるのである。
【００１１】
まず、（Ｆ）音波側サンプルガス導入・排気用バルブおよび（Ｇ）電磁波側サンプルガス導入・排気用バルブそれぞれを開けた状態（図１（１）の状態）で、（Ａ）デュアル円筒型キャビティ内を真空排気する。
その後、（Ｇ）電磁波側サンプルガス導入・排気用バルブを閉じた状態（図１（３）の状態）にして、（Ａ）デュアル円筒型キャビティの電磁波側キャビティを理想的な円筒形状に近づける。この状態で（Ｄ）電磁波送信器よりキャビティ中にマイクロ波を発信すると、マイクロ波はキャビティ内壁で反射し、入射波と反射波とで干渉が起こる。したがって、発信周波数を掃印して（Ｅ）電磁波受信器で測定していくと、ある特定の周波数の時に電磁波が強め合い、電磁波共鳴特性が得られる。円筒軸方向に磁場成分がないＴＭモード、あるいは円筒軸方向に電場成分がないＴＥモードにおける電磁波共鳴特性を測定し、円筒型キャビティの長さＬを求める。
電磁波共鳴モードは（ｐ，ｑ，ｓ）という３つの整数からなるインデックスで表記される。円筒キャビティ内が真空時の電磁波共鳴周波数をｆvacP,q,s円筒キャビティの長さをＬ、半径をｒとすると、以下のような関係式が成り立つ。
【００１２】
【数１】
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【数２】
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【００１３】
ここで、ｃ0は真空中の光速度（定義値）、φp,qは円筒型キャビティにおける電磁波共鳴モードごとの固有値で電磁気理論より数学的に導かれる値、μ0は真空の透磁率、σはキャビティ材料の導電率をそれぞれ示している。したがって、デュアル円筒型キャビティ内が真空時において、ＴＭモードあるいはＴＥモードの電磁波共鳴周波数ｆvacp,q,sを少なくとも２つ（例えばＴＭ０１０とＴＭ０１１）測定し、式（１）〜（２）の関係から連立方程式を解くことにより、デュアル円筒型キャビティの長さＬを求めることができる。
【００１４】
次に、（Ｆ）音波側サンプルガス導入・排気用バルブおよび（Ｇ）電磁波側サンプルガス導入・排気用バルブそれぞれを開けた状態（図１（１）の状態）で、（Ａ）デュアル円筒型キャビティ内にサンプルガスを導入する。その後、（Ｇ）電磁波側サンプルガス導入・排気用バルブを閉じた状態（図１（３）の状態）にして、（Ａ）デュアル円筒型キャビティの電磁波側キャビティを理想的な円筒形状に近づける。この状態で、（Ｄ）電磁波送信器によりキャビティ中にマイクロ波を発信し、発信周波数を掃印して（Ｅ）電磁波受信器で測定していくと、先ほどと同じように電磁波共鳴特性が得られる。サンプルガスの屈折率をｎ（＝√με，μ：比透磁率，ε：比誘電率）とすると、ガスの比透磁率はほぼ１と見なせるため、電磁波共鳴周波数ｆgasｐ,q,sは以下のような関係式で表わされる。
【００１５】
【数３】
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【００１６】
したがって、同じインデックス表記で示される電磁波共鳴モードで、デュアル円筒型キャビティ内が真空時とサンプルガス封入時での電磁波共鳴周波数測定値の比を取ることで、サンプルガスの屈折率あるいは比誘電率は下記の式で求められる。
【００１７】
【数４】
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【００１８】
次に、（Ｆ）音波側サンプルガス導入・排気用バルブおよび（Ｇ）電磁波側サンプルガス導入・排気用バルブそれぞれを開けた状態（図１（１）の状態）で、（Ａ）デュアル円筒型キャビティ内にガスサンプルを導入する。その後、（Ｆ）音波側サンプルガス導入・排気用バルブを閉じた状態（図１（２）の状態）にして、（Ａ）デュアル円筒型キャビティの音波側キャビティを理想的な円筒形状に近づける。この状態で、（Ｂ）音波送信器によりキャビティ中に音波を発信すると、音波はキャビティ内壁で反射し、入射波と反射波とで干渉が起こる。したがって，発信周波数を掃印して（Ｃ）音波受信器で測定していくと、ある特定の周波数の時に音波が強め合い、音波共鳴特性が得られる。
音波共鳴モードは（ｌ，ｍ，ｎ）という３つの整数からなるインデックスで表記される。音波周波数がｋＨｚオーダーの低周波域では、サンプルガスの体積粘性等による音波吸収の影響は非常に小さいので、音波共鳴周波数ｆl,m,nとサンプルガスの音速ｗには以下のような関係式が成り立つ。
【００１９】
【数５】
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【数６】
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【数７】
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【数８】
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【数９】
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【数１０】
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【００２０】
ここで、χm,nは円筒型キャビティにおける音波共鳴ごとの固有値で音響理論より数学的に導かれる値、ηはサンプルガスの粘度、ρはサンプルガスの密度、λはサンプルガスの熱伝導率、ｃpはサンプルガスの定圧比熱、ｐはサンプルガスの圧力、Ｒは気体定数（定義値）、Ｔはサンプルガスの温度、Ｍはサンプルガスのモル質量、ｃrはサンプルガスの定容比熱をそれぞれ表す。インデックス表記（ｌ，０，０）で表される音波共鳴モードはｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｍｏｄｅと呼ばれ、χ0,0＝０となるため式（５）よりｗ＝２Ｌ／ｌ（ｆl,0,0−ΔｆAC）となり、音速ｗは円筒型キャビティ長さＬおよび音波共鳴周波数ｆl,0,0によってほぼ決定される。したがって、式（１）〜（２）より求めたデュアル円筒型キャビティの長さＬを用いて、ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｍｏｄｅの音波共鳴周波数ｆｌ，０，０を測定することにより、式（５）〜（１０）よりサンプルガスの音速ｗを求めることができる。
【図１】
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