(57)【要約】【課題】  インラインの検出が可能で、全量の検査をすることが可能な管内検出装置を提供する。【解決手段】  検出部１３は、マイクロ波送受信部１２が受信したマイクロ波の受信信号に基づいて管材Ｔ内の物質の変化を検出する。検出部１３には、受信信号の直流成分の変化を検出するＤＣ成分検出回路１３ａと、受信信号における所定の周波数帯の交流成分の変化を検出するＡＣ成分検出回路１３ｂとが備えられている。ここで、ＡＣ成分検出回路の増幅率がＤＣ成分検出回路の増幅率よりも３０ｄＢ以上高く設定してある。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管材の外周壁を狭着して保持する筒状の管材保持部と、
マイクロ波を送信及び受信するマイクロ波送受信部と、
前記マイクロ波送受信部が受信したマイクロ波の受信信号に基づいて前記管材内の物質の変化を検出する検出部と、
前記マイクロ波送受信部から前記管材保持部の内周面へ連通させる導波管路とを備え、
前記検出部は、前記受信信号の直流成分の変化を検出するＤＣ成分検出回路と、前記受信信号における所定の周波数帯の交流成分の変化を検出するＡＣ成分検出回路とを有し、前記ＡＣ成分検出回路の増幅率が前記ＤＣ成分検出回路の増幅率よりも３０ｄＢ以上高いことを特徴とする管内検出装置。
【請求項２】
前記管材保持部の長さは、前記管材の直径が１／２インチ以下の場合に３００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の管内検出装置。
【請求項３】
前記管材保持部の長さは、前記管材の直径が１インチ以下の場合に４００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載の管内検出装置。
【請求項４】
前記管材における前記マイクロ波の照射領域の上流側には、管材内の流れを変える部材を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の管内検出装置。
【請求項５】
前記管材内の流れを変える部材は、流れにほぼ直交する部材を同管材のほぼ中央に配置してあることを特徴とする請求項４に記載の管内検出装置。
【請求項６】
前記管材内の流れを変える部材は、管材の長さ方向に傾斜して配置される板状の部材であることを特徴とする請求項４に記載の管内検出装置。
【請求項７】
前記管材内の流れを変える部材は、管材の湾曲部位であることを特徴とする請求項４に記載の管内検出装置。
【請求項８】
前記管材内の流れを変える部材は、管材の長さ方向に回転軸を配向されたスクリュー状の部材であることを特徴とする請求項４に記載の管内検出装置。
【請求項９】
前記管材内の流れを変える部材は、流れにほぼ直交する格子状の部材であることを特徴とする請求項４に記載の管内検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を利用して管材内の流体の変化をインラインで検出する管内検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
食品、化学薬品、溶剤や接着剤などの製造工場では、搬送経路(チューブや配管内)の管内を流れる液体や粉体の中の異物や気泡の有無を調べたいという要望がある。
食品の異物混入が大きな問題となっている現在、食品の製造工程において、チューブや配管を通しての搬送工程があり、この時点で異物を検出することができれば、最終商品への異物混入を防ぐことができる。
しかし、マイクロ波を利用して管材内の流体を検査する装置は、細い径の管内の検査に限られていた。
【０００３】
また、接着剤や塗料の検査については、製造途中の工程での検査ができない。このため、製造の最終段階で、ほぼ完成した後に、接着剤や塗料を塗布してみて確認をしているのが現状である。
【０００４】
マイクロ波を利用した検出方法としては、特許文献１に開示するものが知られている。物質の状態まで測定するため空洞共振器が大きいことや、判別するための制御機器や測定器により、装置が高価になってしまうし、マイクロ波を照射することによって物質を変化させるものであるため、物質を変化させることなく異物や気泡だけを検出したような場合に利用できない。
【０００５】
また、設置には既存のチューブや配管を外す、又は切断する必要があり、異物混入の原因になる可能性がある。
異物検出方法の一つとしてＸ線を使用する検査として、特許文献２に開示するものが知られている。同公報に示す検査では、大型の装置となり、小型で安価な装置に向かない。また、薄い樹脂や毛根や昆虫など密度が低いものや薄い金属板は検出が難しい。
【０００６】
別の検出方法として超音波を使用する特許文献３に開示するものが知られている。同公報に示す検査では、チューブや配管を超音波センサで挟み込んで密着させる必要がある。この方式は超音波センサの密着が必須のためチューブや配管の劣化や振動に弱い。また、液体専用であり粉体の流れに対しては異物の検出はできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１２／１５３７９３号公報
【特許文献２】特許公開２００６−１０５１２号公報
【特許文献３】特許公開２００２−３３３４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
マイクロ波を利用して管材内の流体を検査する装置は、細い径の管内の検査に限られていた。しかし、食品の製造工程では、このような細い管体では食材を搬送することはできない。従って、食品の製造工程では利用できなかった。
また、接着剤や塗料は、ほぼ完成した後に、接着剤や塗料を塗布してみて確認をしているが、この段階で不良が見つかった場合はすべて廃棄するしかない。従って、塗布前となるチューブや配管の途中で異物や気泡を発見又は混合溶液の異常を取り除くことができれば、材料の無駄がなくなりコストダウンにつながる。
【０００９】
その他の検出方法として、光やレーザーでの検出方法もあるが、透明や半透明のチューブや配管あるいは液体に限定される。Ｘ線や光を利用した検査の場合、画像の検査が主であり、製造の最終段階となる。この場合も、製造の最終段階で不良が発生した場合は、製品を廃棄せざるを得ない。
また、金属探知機については、金属だけに限定された検出となる。
【００１０】
本発明は、マイクロ波を使用した管内のセンサであって、インラインの検出が可能で、全量の検査をすることが可能な管内検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、管材の外周壁を狭着して保持する筒状の管材保持部と、マイクロ波を送信及び受信するマイクロ波送受信部と、前記マイクロ波送受信部が受信したマイクロ波の受信信号に基づいて前記管材内の物質の変化を検出する検出部と、前記マイクロ波送受信部から前記管材保持部の内周面へ連通させる導波管路とを備え、前記検出部は、前記受信信号の直流成分の変化を検出するＤＣ成分検出回路と、前記受信信号における所定の周波数帯の交流成分の変化を検出するＡＣ成分検出回路とを有し、前記ＡＣ成分検出回路の増幅率が前記ＤＣ成分検出回路の増幅率よりも３０ｄＢ以上高い。
【００１２】
筒状の管材保持部により、管材の外周壁を狭着して保持する。保持された管材に対し、導波管路を介して接続されるマイクロ波送受信部がマイクロ波を送信し、同管材の側から反射してくるマイクロ波を受信する。検出部は、前記マイクロ波送受信部が受信したマイクロ波の受信信号に基づいて前記管材内の物質の変化を検出する。検出部には、前記受信信号の直流成分の変化を検出するＤＣ成分検出回路と、前記受信信号における所定の周波数帯の交流成分の変化を検出するＡＣ成分検出回路とが備えられている。ここで、ＡＣ成分検出回路の増幅率がＤＣ成分検出回路の増幅率よりも３０ｄＢ以上高く設定してある。ＡＣ成分検出回路の増幅率よりも、増幅率が３０ｄＢ以上低く設定してあるＤＣ成分検出回路が検出するのは、ＡＣ成分検出回路が検出する対象とは全く異なる対象を検出対象としているからである。
【００１３】
食材の中の異物や、塗料の中の気泡を検出対象とする場合は、小さな信号変化を対象としたＡＣ成分検出回路である。故に増幅率も高くなければならない。一方、ゆっくりと大きな変化となって現れるのは、食材の中の主成分の配分の変化であったり、塗料や接着剤の主成分の配分の変化が相当する。このような主成分の変化は管材の内部を占める部材の誘電率の変化であり、ＤＣ成分検出回路がこの誘電率の変化を検出する。また、管材の内部を占める部材の誘電率の変化であるため、増幅率はさほど大きくする必要はない。このため、相対的にはＡＣ成分検出回路の増幅率がＤＣ成分検出回路の増幅率よりも３０ｄＢ以上高いという状態となる。
【発明の効果】
【００１４】
本特許によれば、既存のチューブや配管を出来るだけ加工することなくインラインでの異物や気泡の検出が可能であり、異物の種類や大きさ等の物性を分析する必要がないことから、必要最小限の大きさと検出機能を備えた小型のセンサを提供できる。
食品、化学薬品、溶剤や接着剤の製造工場では、搬送経路(チューブや配管内)の管内を流れる液体や粉体の中の異物や気泡に対して、マイクロ波のドップラーと定在波信号を利用し、インラインで検出するセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例にかかる管内検出装置の概略ブロック図である。
【図２】同管内検出装置の外観斜視図である。
【図３】同管内検出装置の分解状態を示す外観斜視図である。
【図４】従来の管内検出装置の外観斜視図である。
【図５】管材保持部の長さとＳ／Ｎ比の改善を示すグラフである。
【図６】本発明の管材の太さを概略的に示す斜視図である。
【図７】従来の管材の太さを概略的に示す斜視図である。
【図８】管材内の流れを変える部材とその影響を示すイメージ図である。
【図９】制御板を備えた場合の影響を示すイメージ図である。
【図１０】管路を曲げた場合の影響を示すイメージ図である。
【図１１】スクリューを備えた場合の影響を示すイメージ図である。
【図１２】格子を備えた場合の影響を示すイメージ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面にもとづいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の一実施例にかかる管内検出装置を概略ブロック図により示しており、図２は同管内検出装置を外観斜視図により示しており、図３は同管内検出装置の分解状態を外観斜視図により示している。
図において、管内検出装置１０の金属製の筺体１１は、管材保持部１１ａ，１１ｂと、収容部１１ｃとを備えている。管材保持部１１ａ，１１ｂは、筒体を長さ方向に沿って二つに分割して形成されており、それぞれが半筒状となっている。管材保持部１１ａ，１１ｂは、互いに凹部を対面させて合体させることで一つの筒体を形成する。管材保持部１１ａ，１１ｂは、合体して筒体となった状態では、内部に管材Ｔを挟み込んで保持することが可能となる。すなわち、管材保持部１１ａ，１１ｂは、管材Ｔの外周壁を狭着して保持することができる。
【００１７】
管材Ｔは、食品、化学薬品、溶剤や接着剤の製造工場における搬送経路(チューブや配管内)であり、管材内を液体や粉体が流れる。なお、マイクロ波を利用した検出であるため、マイクロ波を容易に透過する素材が利用される。
収容部１１ｃは、マイクロ波を送信及び受信するマイクロ波送受信部１２と、このマイクロ波送受信部１２が受信したマイクロ波の受信信号に基づいて管材Ｔ内の物質の変化を検出する検出部１３とを収容可能となっており、さらに、マイクロ波送受信部１２から管材Ｔへと連通する導波管路１４を形成してある。マイクロ波送受信部１２と管材Ｔと導波管路１４は、管材Ｔと導波管路１４内に所定の定在波を形成できるようにしてある。
【００１８】
検出部１３は、マイクロ波送受信部１２での受信信号の直流成分の変化を検出するＤＣ成分検出回路１３ａと、同受信信号における所定の周波数帯の交流成分の変化を検出するＡＣ成分検出回路１３ｂとを有している。
ＤＣ成分検出回路１３ａには受信信号に含まれる直流成分を増幅する増幅器１３ａ１が備えられ、ＡＣ成分検出回路１３ｂには受信信号から所定の周波数帯の交流成分を取り出すためのバンドパスフィルタ１３ｂ１と、このバンドパスフィルタを通過する交流成分を増幅する増幅器１３ｂ２が備えられている。
【００１９】
ＡＣ成分検出回路１３ｂは、管材Ｔ内を流れる液体や粉体の中の異物や気泡の有無を調べる。管材内Ｔを微少な異物や気泡が流れるとき、同異物や気泡の誘電率と、本来の液体や粉体との誘電率が異なるため、管材Ｔ内の誘電率に変化は生じる。この誘電率の変化により管材Ｔ内のマイクロ波の定在波が変化するが、体積比から考慮してもその変化は微小である。また、直流成分の微量な変化を正確に検知するのは外乱の影響を考慮すると困難である。このため、誘電率の全体的な変化（直流成分の変化）よりも、マイクロ波のドップラー効果に基づいて異物や気泡の有無を検出することが実用的である。マイクロ波のドップラー効果は受信信号の交流成分の変化として現れるため、所定の周波数帯を通過させるバンドパスフィルタ１３ｂ１を介在させることで同交流成分を抽出することが可能である。
【００２０】
ただし、異物や気泡が小さいため、受信信号に含まれる所定の交流成分が小さく、増幅器１３ｂ２で増幅するが、その増幅率は概ね数千倍〜数万倍となる。もっとも、周波数帯を特定してバンドパスフィルタ１３ｂ１にて抽出するため、交流成分に基づく異物や気泡を正確に検出することが可能である。
【００２１】
一方、接着剤や塗料の製造工程では、構成成分の変化（液質の変化）を検出したいという要望がある。また、食品の製造工程でも均等な分量比を維持する必要がある。管材Ｔ内で構成成分が変化すれば、各成分が持つ誘電率の違いにより、管材Ｔ内の全体的な誘電率が変化する。誘電率の変化はマイクロ波の吸収量に影響を及ぼすから、定在波が受ける変化が大きいし、その変化量は構成成分の分量比に比例する。すなわち、マイクロ波の受信信号の直流成分の変化として検出可能である。
【００２２】
この際、ＤＣ成分検出回路１３ａは構成成分の変化による受信信号に含まれる直流成分の変化は比較的大きいといえ、増幅器１３ａ１で増幅する際の増幅率は概ね数倍で足る。
このようにＡＣ成分検出回路１３ｂとＤＣ成分検出回路１３ａは、それらの検出対象を全く異にしており、検出の作用自体も異なり、それに従って受信信号を増幅する際の増幅率に大きな差異がある。なお、ＤＣ成分検出回路の数倍程度の増幅率と比較してＡＣ成分検出回路の増幅率が概ね数千倍〜数万倍であるとき、概略的にはＡＣ成分検出回路の増幅率はＤＣ成分検出回路の増幅率より概ね３０ｄＢ〜４０ｄＢ程度高いといえる。
【００２３】
すなわち、本発明によれば、ドップラー効果を利用した反射による異物や気泡検出に加え、マイクロ波の反射による定在波のアナログ信号により液質(別液の混入等)の変化を同時に検出できるセンサを提供することができる。
【００２４】
次に、図４は、異物や気泡の有無を調べる従来の管内検出装置を外観斜視図により示している。
図２に示す本発明の管内検出装置と比較すると、外観上、管材保持部１１ａ，１１ｂの長さが異なる。
図５は、管材保持部の長さとＳ／Ｎ比の改善を示すグラフである。
同グラフは、管材Ｔの直径ごとに、管材保持部１１ａ，１１ｂの長さを変化させた場合の従来のものとのＳ／Ｎ比の変化を示している。管材Ｔは、直径が１／４インチ、直径が１／２インチ、直径が１インチのものを検査対象とした。また、従来のものの管材保持部１１ａ，１１ｂの長さは１００ｍｍである。
【００２５】
Ｓ／Ｎ比を少なくとも２倍以上改善させようとするのであれば、直径が１インチの管材Ｔを検査対象とすると、約４００ｍｍ程度であることが分かる。また、直径が１／２インチの管材Ｔを検査対象とすると、約３００ｍｍ程度であることが分かる。
次に、直径が１／４インチの管材Ｔを検査対象とすると、約２１０ｍｍ程度であることが分かる。さらに、管材Ｔの長さが約３００ｍｍ程度となると、Ｓ／Ｎ比は６倍以上改善させることができる。
【００２６】
このように管材保持部１１ａ，１１ｂの長さは、管材Ｔの直径が１インチ以下の場合に３００ｍｍ以上、あるいは、４００ｍｍ以上であるときにＳ／Ｎ比の改善を期待できる。
Ｓ／Ｎ比の向上により、微小な異物や気泡の信号を増幅し検出できる。例えば、外径１ｍｍの異物の検出が限界であったものが、Ｓ／Ｎ比が４倍に向上することにより信号を４倍に増幅できる。すなわち、外径０．５ｍｍの異物を検出できる。ドップラー効果を利用する受信信号は異物の面での反射によるため、外径の２乗に比例する。
【００２７】
マイクロ波の外乱の減衰については、マイクロ波の吸収電力の式
W=2πfE2qεtanδ
(普及版マイクロ波加熱技術集成8ページ参照)
(W:吸収電力、f:周波数、E:電解強度、q:体積、ε:誘電率、tanδ:誘電損失)
から換算できる。周波数と電解強度(発信電力)が変わらなければ、誘電体の電気的特性と体積から吸収電力を算出でき、測定に用いたテフロン配管以外の材質や肉厚に対して換算ができる。
【００２８】
図６は、本発明の管材Ｔの太さを斜視図により概略的に示しており、図７は液質の変化を検出する従来の管材Ｔの太さを斜視図により概略的に示している。
本発明が検査対象とする管材Ｔは、上述したように直径が１／４インチ、直径が１／２インチ、直径が１インチであるが、従来のものの管材Ｔは１／８インチ程度のものであった。
従来のセンサが検査対象とできる管材（チューブや配管）Ｔのサイズが１／８インチとなっていたのは、２４ＧＨｚ帯で形成できる定在波の大きさに依存している。この定在波は波長の１／２程度の大きさである。また、定在波を形成する空洞共振器は、中心のチューブや配管以外は空洞である(図７)。提供するセンサはチューブや配管を金属で挟み、導波管路１４を介してマイクロ波を直接伝播させている。この構造により空洞共振器の空洞部分がなくなり、チューブや配管に対して最小のサイズとなっている。
【００２９】
定在波はマイクロ波における金属や誘電体での反射や、誘電体の吸収や透過により形成されるから、誘電体(液体)が変わることにより定在波の電解強度や形状が変わり受信電力が変化する。従来のセンサのように定在波の電界の縞の中心を利用すれば、各液体に対して大きな検出の差異が得られるが、本発明のような導波管路１４と管材保持部１１ａ，１１ｂによってチューブや配管を挟み込む構造に対しても、チューブや配管と液体の誘電率の違いによる境界面の反射量と液体による吸収電力の違いにより、定在波の電界強度や形状が変わり検出が可能である。
【００３０】
本発明の構造とすることにより、チューブや配管径が大きいものに対応できるし、管材Ｔを外側から挟み込んで保持する構造としたので取り付けが容易となっている。
ところで、マイクロ波は液体を透過するときに吸収され、電波強度が弱まる。１インチより大きい径の太いチューブや配管の液体搬送においては、マイクロ波が吸収され、中心付近の異物や気泡は検出できない。特に食品の搬送には２インチ以上のチューブや配管が使われ、太い径に対応したものが望まれている。
【００３１】
この問題を解決する、マイクロ波の電界強度の強いチューブや配管壁面に、異物や気泡を移動させる機構を備えたセンサを提供する。
以下の例では、管材Ｔにおけるマイクロ波の照射領域の上流側に、管材Ｔ内の流れを変える部材を備えている。
【００３２】
図８は、管材内の流れを変える部材Ｂとその影響を示すイメージ図である。
この手法は、チューブや配管内に棒を入れカルマン渦を作ることにより、中央部分を流れる異物でも管材Ｔの内表面側に移動させることができる。
この例では、管材Ｔ内の流れを変える部材Ｂは、流れにほぼ直交する棒部材を同管材Ｔのほぼ中央に配置してある。
【００３３】
図９は、制御板を備えた場合の影響を示すイメージ図である。
この手法は、チューブや配管内部に制御板を入れて強制的に内表面方向に移動させるものである。
この例では、管材Ｔ内の流れを変える部材Ｂは、管材の長さ方向に傾斜して配置される板状の部材Ｂである。
【００３４】
図１０は、管路を曲げた場合の影響を示すイメージ図である。
この手法は、遠心力を利用したもので、管材保持部の流路における上流側の管路を曲げている。遠心力によって質量比の大きい異物はより外周側に沿って流れようとし、中央部分を流れる異物でも管材Ｔの内表面側に移動させることができる。
この例では、管材Ｔ内の流れを変える部材Ｂは、管材Ｔの湾曲部位である。
【００３５】
図１１は、スクリューを備えた場合の影響を示すイメージ図である。
この手法では、スクリューによって強制的に円軌道を形成することにより、質量比の大きい異物は外周側に沿って流れようとし、中央部分を流れる異物でも管材Ｔの内表面側に移動させることができる。さらに、スクリューや羽が乱流を引き起こすことによっても異物は外周側に移動する。
この例では、管材Ｔ内の流れを変える部材Ｂは、管材Ｔの長さ方向に回転軸を配向されたスクリュー状の部材Ｂである。
【００３６】
図１２は、格子を備えた場合の影響を示すイメージ図である。
この手法は、格子を入れて流れを乱し、層流から乱流に変える手段を用いている。格子の間隔や穴形状は異物の種類や大きさ、液体などにより選択する。
この例では、管材Ｔ内の流れを変える部材Ｂは、流れにほぼ直交する格子状の部材Ｂである。
【００３７】
以上のような手法を採用することにより、例えば、２インチ以上のチューブや配管での異物や気泡を検出することが可能となる。
【００３８】
なお、本発明は上記実施例に限られるものでないことは言うまでもない。当業者であれば言うまでもないことであるが、
・上記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって上記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が上記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。
【符号の説明】
【００３９】
１０…管内検出装置、１１…筺体、１１ａ，１１ｂ…管材保持部、１１ｃ…収容部、１２…マイクロ波送受信部、１３…検出部、１３ａ…ＤＣ成分検出回路、１３ａ１…増幅器、１３ｂ…ＡＣ成分検出回路、１３ｂ１…バンドパスフィルタ、１３ｂ２…増幅器、１４…導波管路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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