(57)【要約】センサが：マイクロ波信号を導く誘電体導波管と；誘電体導波管の端部にある誘電体反射器とを具えて、誘電体反射器を越えた検出電磁界の形成をもたらす。
2015517651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起波長のマイクロ波信号を用いて試料を検出するセンサであって、
前記マイクロ波信号を導く誘電体導波管と；
前記誘電体導波管の端部にある誘電体反射器とを具えて、
検出電磁界の形成をもたらすことを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記誘電体反射器が、当該誘電体反射器の外表面を越えた検出電磁界の形成をもたらすか、当該誘電体反射器の内表面の下方に電磁界の形成をもたらすことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記誘電体導波管が、前記励起波長の定在波を当該誘電体導波管内に形成することを可能にするように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記定在波が、ｎλ／４のような、前記励起波長の分数倍の波長で共振し、ここに、ｎは整数であり、λは前記励起波長であることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記共振のモードが、ＴＭまたはＴＥモードであることを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記検出電磁界がエバネセント電磁界であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ。
【請求項７】
前記検出電磁界が放射電磁界であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ。
【請求項８】
前記導波管の周囲に配置され、マイクロ波エネルギーを前記導波管内に集中させる集波器を具えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のセンサ。
【請求項９】
前記集波器が、分散型ブラッグ反射器構造であることを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記ブラッグ反射器構造が、ハニカム構造であることを特徴とする請求項９に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記誘電体反射器が、少なくともλg／２０の厚さを有し、ここに、λgは、当該誘電体反射器内に誘起される電磁波の波長であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１２】
前記励起波長が、０．３GHz〜１THzのマイクロ波領域内にあることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１３】
前記検出電磁界の変化を検出する手段を具えていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１４】
前記検出電磁界の変化を検出する手段は、周波数差、及び／または位相差、及び／または振幅差、及び／またはＱ値の差を測定するように動作可能であることを特徴とする請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記励起信号を発生するためのマイクロ波発生器を具えていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１６】
前記検出電磁界の変化を検出する手段が、前記導波管の、前記誘電体反射器とは反対側の端部に配置されていることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１７】
前記誘電体反射器が、前記誘電体導波管の誘電率とは異なる誘電率を有する材料を具えていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに記載のセンサを含む電子常磁性共鳴スペクトロメータ。
【請求項１９】
請求項１〜１７のいずれかに記載のセンサを含み、核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号を検出するためのＮＭＲシステムをさらに具えていることを特徴とする測定システム。
【請求項２０】
前記センサと前記ＮＭＲシステムとが同時に測定を行うように動作可能であることを特徴とする請求項１９に記載の測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
導入
本発明は、マイクロ波キャビティセンサに関するものである。本発明のマイクロ波キャビティセンサは、多相混合物の組成の検出、腐食の測定、及び誘電体材料の化学的性質の測定にとって特に有用であり、後者は、電子常磁性共鳴（ＥＰＲ：Electron Paramagnetic Resonance）及び核磁気共鳴（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance）と共に使用する際に、特に有用である。
【背景技術】
【０００２】
背景
石油及びガス産業における配管及び流路の監視は、スケール（酸化膜）及び腐食の進行を制御または防止するために、あるいは、流体をパイプライン内で長距離にわたって輸送しなければならない際に、流量を管理及び監視するために、多数の測定を実行する必要がある。配管内を流れる油と水、及び場合によってはガス流体の個別成分の組成及び流量を監視する必要がある。これらの測定は、油井内に存在する成分を特定するために、そして、石油の抽出を制御して最大にすることを支援するためにも必要である。
【０００３】
個別成分の組成及び流量を測定するための従来技術は、流体成分の各々の流れを別個に測定することを必要とする。その代わりに、多相メーターを用いて、事前の分離なしに組成及び流量を測定することができる。これらのメーターは、石油、水、及びガスの流速及び相対比率を測定する（補償目的で、石油及びガスの温度、圧力、密度、及び水中塩分を、入力パラメータとして必要とすることもある）。沖合の「クリスマスツリー」型生産システムでは、多相メーターが利用可能な空間は限られている。従って、小型の多相メーターの必要性が存在する。
【０００４】
腐食監視は、特に石油及びガス産業における他の大きな問題である。酸、アルカリ溶液、及びガスの攻撃的な影響は、金属に腐食を生じさせる。プラスチックの腐食は、異物粒子、ＵＶ光、及び熱の捕捉により生じる。両方の腐食メカニズムは、マイクロ波、あるいは電磁スペクトルの高周波部分で動作する最適なセンサプローブによって監視し、検査し、そして試験することができる。
【０００５】
石油及びガスのパイプラインにおいて最も広く用いられている腐食検出及び監視のための技術は、電気抵抗（ＥＲ：Electric Resistance）監視及び重量損失クーポン（切り取り試片）である。これらの方法は、金属損失を検出する。これらの方法は、塗料及び保護被覆材料の劣化、及び腐食の開始の原因となる条件を検出することはできない。超音波、ラジオグラフィー（Ｘ線検査）、サーモグラフィ（表面温度測定）、及び渦電流測定技術のような非破壊検査（ＮＤＴ：Non-Destructive Testing）技術は、腐食予測のために十分な感度を有しない。さらに、塗料、プライマー（下塗剤）、及び腐食生成物は、一般に誘電（絶縁）材料である。従って、これらの方法は、塗料及びプライマーの薄層下の腐食層の性質（即ち、その存在及び厚さ）を検出して評価するには適さない。
【０００６】
金属の腐食は複雑な問題であり、市販及び産業機器に対するその影響は、非常に多数の資産の安全性及び完全性にとって莫大である。腐食の早期検出により絶縁下での腐食成長をより良好に予測可能にする必要がある。例えば、米国特許第７１９０１７７号明細書（特許文献１）は、塗料及び複合材料下の錆を検出するマイクロ波センサを記載している。このセンサを用いて、反射信号の測定値に応じて腐食を画像化することができる。このセンサは、パルスの伝搬時間から、バルク材料のレベルを測定することもできる。しかし、このセンサは、誘電体または材料の特性を検出することはできず、従って、これらの特性の変化を検出することはできない。
【０００７】
貯蔵油をシミュレート（模擬計算）するためには、多孔性、浸透性、及び流体飽和のような、地層岩石の性質の測定が必要である。近年までは、コア試料が浸透性の唯一の測定源であった。これに加えて、貯蔵物から収集されるデータは、取得するには少量かつ高価であり得る。核磁気共鳴（ＮＭＲ）データは、浸透性−多孔性データを収集するための価値あるツールとなり得る。例えば、米国特許第４７８５２４５号明細書（特許文献２）は、石油産業が、流動岩石の多孔性及び浸透性をその場で測定するために使用するＮＭＲ油井ロギング（記録）ツールを記載している。特に浸透性測定にとっては、ＮＭＲは他の油井ロギング法よりも良好である、というのは、ＮＭＲ信号の弛緩時間（Ｔ１またはＴ２）を用いて、孔隙サイズの分布についての情報を提供することができるからである。ＮＭＲは、岩石中にある総水素の尺度も提供する。
【０００８】
他の検討は、他の磁気共鳴技術−電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）−は、原油中の有機遊離基（オーガニック・フリーラジカル）から検出可能な信号を生成する。これらのＥＰＲ信号の振幅は、岩石内部の原油の量に比例し、従って、流動岩石中の原油比率、あるいは原油混合物の原油比率を直接測定する。従って、この方法をＮＭＲと共に用いると、岩石中の水と油（及び場合によってはガス）の成分を別個に検出することを可能にする。
【０００９】
ＥＰＲスペクトロメータは、一般に試料中の遊離基（フリーラジカル）の濃度及び組成を検出する。試料は、通常、高周波共鳴キャビティ内の、低速で変化する均一な磁界中に装填される。固定周波数のマイクロ波放射で照射される不対電子は、特徴的な磁界で、スピンアップ状態とスピンダウン状態との間の共鳴遷移を行う。これら２つのエネルギーレベル間のエネルギー差を、ゼーマン（Zeeman）分裂と称する。自由空間内の電子については、ゼーマン分裂はｈｖ＝ｇβＨに等しく、ここに、ｖは励起周波数、Ｈは印加する磁界、βはボーア・マグネトロン、ｈはプランク定数、ｇは分子に依存する係数である。
【００１０】
大部分のＥＰＲ測定は、９０００〜１００００MHz（９〜１０GHz）領域のマイクロ波、約３５００ガウス（０．３５Ｔ）に相当する磁界強度で行われる。例えば、３３５０ガウスの磁界については、電子の電子スピン共鳴は、９４００MHz付近（ＥＰＲ）で発生するのに対し、核磁気共鳴は、約１４．３MHz（ＮＭＲ）のみで発生する。多数のＥＰＲスペクトロスコピーシステムは、低Ｑ値共振器に合わせた自動周波数制御（ＡＦＣ：automatic frequency control）ロックが困難である。この困難性は、−７０dBm未満の低電力において、より一般的に生じる。ＡＦＣロックを得ることの困難性が、周波数ゆらぎ（ドリフト）、誤差電圧、分散、及びノイズを生じさせ得る。より高いＱ値のシステムは、GaAsＦＥＴ増幅器なしに周波数ロックを得ることを、より容易にする。従って、高いＱ値を有するＥＰＲプローブの必要性が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７１９０１７７号明細書
【特許文献２】米国特許第４７８５２４５号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、マイクロ波信号を励起波長で用いて試料を検出するセンサが提供され、このセンサは、マイクロ波信号を導く誘電体導波管と、誘電体導波管の端部にある誘電体反射器とを具えて、誘電体反射器の外表面を越えた検出電磁界の形成をもたらす。その代わりに、誘電体反射器は、当該誘電体反射器の内表面の直下に検出電磁界を生じさせることができる。この場合、検出される材料は、誘電体反射器の内表面の直下に配置されるか、あるいは、必要であれば、誘電体反射器内に加工した凹部内に配置される。この場合、この凹部の横方向寸法は、１mm×１mmから誘電体反射器の横方向寸法までとすることができる。凹部の厚さは、誘電体反射器の厚さまでとすることができる。
【００１３】
誘電体導波管は、励起波長の定在波を当該導波管内に形成することを可能にするように構成することができる。この定在波は、励起波長の半分で共振することができる。検出電磁界は、エバネセント電磁界または放射電磁界とすることができる。
【００１４】
上記センサは、導波管の周囲に配置された集波器を含んで、マイクロ波エネルギーを導波管内に集中させることができる。この集波器は、分散型ブラッグ反射器構造とすることができる。このブラッグ反射器構造は、ハニカム構造とすることができる。
【００１５】
以下、本発明の種々の態様を、ほんの一例として、添付した図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器センサの垂直断面図である。
【図２】高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器センサの水平断面図である。
【図３】図１の高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器センサの立体図である。
【図４】高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器センサにおける定在波電磁界分布をシミュレーションで示す図であり、誘電体反射器３の効果を示す。
【図５】誘電体反射器３なしの、高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器センサにおける定在波電磁界分布をシミュレーションで示す図である。
【図６】周波数応答の測定値を示す図であり、Ｑ値〜１０００の単純な開口端マイクロ波共振器を有する開口端キャビティ内に異なる材料を充填した際に観測された（痕跡の）周波数摂動を示す。
【図７】周波数応答の測定値を示す図であり、材料１の食品材料比率が異なる組成を、装填時のＱ値〜６００の単純な開口端マイクロ波共振器を有する開口端キャビティ内に充填した際に観測された（痕跡の）周波数摂動を示す。
【図８】共振周波数応答及び装填時のＱ値の測定値を示す図であり、材料１の食品材料比率が異なる組成を、単純な開口端マイクロ波共振器を有する開口端キャビティ内に充填した際に観測された（痕跡の）共振周波数及びＱ値を示す。
【図９】周波数応答の測定値を示す図であり、材料２の食品材料比率が異なる組成を、装填時のＱ値〜６００の単純な開口端マイクロ波共振器を有する開口端キャビティ内に充填した際に観測された（痕跡の）周波数摂動を示す。
【図１０】共振周波数応答及び装填時のＱ値の測定値を示す図であり、材料２の食品原料比率が異なる組成を、単純な開口端マイクロ波共振器を有する開口端キャビティ内に充填した際に観測された（痕跡の）共振周波数及びＱ値を示す。
【図１１】(a)は、図１に示す高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器について、周波数応答をシミュレーションで示す図であり、(b)は(a)の拡大図であり、共振器のＱ値は〜１０００００である。
【図１２】用意した電磁パラメータを利用する機器の主な構成要素の縦断面図であり、この機器は、高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器をパイプライン内に含んで多相流を測定する。
【図１３】用意した電磁パラメータを利用する機器の主な構成要素の横断面図であり、この機器は、高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器をパイプライン内に含んで多相流を測定する。
【図１４】用意した電磁パラメータ及びＮＭＲパラメータを利用する機器の主な構成要素の縦断面図であり、この機器は、高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器をパイプライン内に含んで多相流を測定する。
【図１５】用意した電磁パラメータ及びＮＭＲパラメータを利用する機器の主な構成要素の横断面図であり、この機器は、高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器をパイプライン内に含んで多相流を測定する。
【図１６】高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器を用いて誘電体パラメータを抽出するのに必要な主要ブロックを示すブロック図であり、これらの誘電体パラメータは、対称材料についての、Ｑ値、電子常磁性共鳴パラメータ、及び核磁気共鳴パラメータである。
【図１７】近接場電磁パラメータを利用する機器の主な構成要素の横断面図であり、この機器は、高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器をパイプライン内に含んで、腐食の監視及び検査を行う。
【図１８】遠距離場電磁パラメータを利用する機器の主な構成要素の横断面図であり、この機器は、高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器をパイプライン内に含んで、腐食の監視及び検査を行う。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に、高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器センサ７の断面図を示す。センサ７は、導波管１、及び導波管１を囲む集波器１０を有する誘電体構造である。導波管の一端は、ＳＭＡコネクタ５を介してマイクロ波発生器１１に接続され、これにより、マイクロ波を導波管の長軸に沿って注入することができる。導波管の長軸に沿った他端は、所定の厚さの誘電体反射器３で終端する。導波管１は、誘電体反射器を越えて延びて、試料チャンバ６を形成する。導波管１は、励起波長の半分の共振波長λ／２を有する。誘電体共振器は、少なくともλg／２０の厚さを有し、ここにλgは、誘電体内で励起された電磁波の波長である。誘電体反射器の機能は、試料チャンバ６内の電磁界強度を最大にすることである。実際に、誘電体反射器は、誘電体導波管の誘電体材料とは異なる誘電体材料製とすべきである。
【００１８】
集波器１０は、キャビティのアレイを有する。図１に示す例では、このアレイが、λ／２で共振する複数のキャビティ、及びλ／４で共振する複数のキャビティを具えている。しかし、他のキャビティ配列、例えば、λ／８キャビティ、あるいはλの奇数倍であるキャビティを用いることができる。導波管１は、厚さλ／４の誘電体反射器２によって、集波器キャビティ９から分離されている。多数の異なる構造を実現することができる。例えば、λ／４キャビティ９は、ハニカム様式で配列することができ、λ／２共振器によって中央スロットがとられる。導波管１、集波器１０、及び誘電体反射器３は、中空金属筐体（ハウジング）４内にある。使用中には、導波管１の同じ端部に、マイクロ波信号が注入されると共に、同じ端部から、測定電磁界が検出される。
【００１９】
導波管は、支配的な電磁定在波を反射器３と中空金属筐体４の最下層との間に構成する導波管モードを支援する断面を有し、この定在波の強度は、反射器の直近（上下）において、より強い。共振は、共振器の長さが、最上部の反射器３と中空金属筐体４の最下層との間の半波モード波長の整数倍に相当する際に、上記モードのうちの１つに対して発生する。
【００２０】
電磁界がλ／２の共振周波数で励起されると、定在波が、λ／２共振器導波管１の長軸に沿って形成される。定在波及び電磁界を最大に限定することによって、マイクロ波共振器のＱ値が増加する。誘電体壁を用いて共振器を形成することによって、Ｑ値が増加する、というのは、これらの誘電体壁は最小の誘電損失しか有しない（誘電体壁材料の損失正接（ロス・タンジェント）はゼロに近い）からである。電磁界の最大値は、センサの表面において、誘電体反射器の厚さを制御することによって制御される。
【００２１】
上記センサを用いて、気体、液体、固体、あるいはこれら３者の組合せのような異なる種類の試料を検出することができ、そして、この試料内で、特定化合物の存在及び濃度を測定することができる。上記センサは、所定のカットオフ周波数以下で励起すると、近接場モードで動作することができ、このカットオフ周波数以上で励起すると、遠距離場モードで動作することができる。
【００２２】
近接場モードでは、非常に高いＱ値の定在波パターンが要求される。例えば、近接場動作については、１０以上のＱ値、理想的には２０以上のＱ値が好ましい。この場合、周囲（空気）との固有波インピーダンス整合は存在しない。その代わりに、上記センサを、誘電体導波管の共振周波数と比べた際のカットオフ以下で、例えばＴＭ11モードで動作させ、これにより、エバネセント波を生成して、検出領域内に近接場を構成することができる。このことは、検出領域６が、導波管領域１の共振周波数と比べた際のカットオフ以下で動作することを意味する。このことを実現するためには、領域６の横方向寸法を、領域６の共振周波数が領域１の共振周波数以下になるように選択しなければならない。
【００２３】
近接場モードでは、誘電体共振器３との境界面における内部全反射によって定在波が形成される。試料チャンバ６内に延びるエバネセント波が形成される。試料チャンバ６内の電磁界の変化は、試料の存在を示し、試料特性を測定するために用いることができる。近接場モードで動作させると、上記センサは、共振周波数のシフト（周波数摂動）、反射信号の大きさ、及びセンサのＱ値のような誘電体パラメータを検出することができる。
【００２４】
遠距離場モードでは、共振器の開口端面から少なくとも２cmの所に電磁波を放射するためには、低Ｑ値共振器で十分である。遠距離場検出を実現するためには、Ｑ値が１０未満であることが理想的である。この場合、周囲（空気及び検出される材料）との固有波インピーダンス整合が存在する。このことを実現するために、上記センサを、誘電体導波管内部の共振周波数と比べた際のカットオフ以上で動作させる。このことは伝搬モードを維持する。このことは、検出領域６が、導波管領域１の共振周波数と比べた際のカットオフ以上で動作することを意味する。領域６は、断面寸法（図２に示す領域６の上面図）の適切な選択によってカットオフ以上に維持される。実際に、図１に示す集波器１０は、センサを遠距離場モードで動作させるためには必要でない。その代わりに、放射性の低Ｑ値モードでは、図１のセンサに信号を供給することができる。
【００２５】
遠距離場モードでは、励起波長の電磁界が、誘電体反射器の表面を越えて放射される。この場合、試料は、センサから０．１mm〜１００cmの範囲をとり得る距離をおいた所にある。センサが、遠距離場モードで動作する際には、後方散乱（拡散反射）、伝送信号の正反射、送信信号と受信信号との間の時間差、及び伝送信号の後方散乱または正反射の大きさのような反射信号パラメータを測定することができる。
【００２６】
図４に、図１の高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器における定在波電磁界分布をシミュレーションで示す。この図は、センサの誘電体反射器の表面において、電磁界強度が最大（最も濃い色）になることを示している。誘電体反射器の表面の直下でも、高い強度の電界を観測することができる、というのは、この領域内の材料が、相対誘電率１を有する空気で構成されるのに対し、センサの表面は１０の相対誘電率を有するからである。比較のため、図５に、誘電体反射器を除去した際の、図１の反射器内の定在波電磁界分布をシミュレーションで示す。この場合、試料領域６内の電磁界は、図４の電磁界と比べると、相対的に低い。このことは、誘電体反射器が、検出電磁界を最大にし、従って、センサ感度を増加させることを実証している。
【００２７】
センサの開口端における電磁界は、誘電体反射器の反射係数によって制御され、この反射係数は、誘電体反射器の材料の厚さ及び誘電率によって制御される。一般に、誘電体反射器の誘電率は、導波管の誘電体材料の誘電率よりも高く、誘電体反射器は非常に低損失の材料製である。誘電体反射器の厚さを、誘電率の所定値に対する、誘電体反射器−空気の境界面及び誘電体反射器の開口端に存在する境界条件に基づく方程式を用いて決定して、誘電体反射器−空気の境界面における電磁界の最大強度を達成することができる。誘電体反射器３を用いることによって、挿入誘電体と検出領域６との境界面における電磁界強度が増強される。高誘電率の誘電体を用いてこのことを実現する場合、領域１と領域２との間の境界条件は、領域２内のモード場パターンが、強い非伝搬性の（エバネセント）電磁界を領域６内に構成することを決定付ける。これらのエバネセント場は、近接場動作用の検出メカニズムの源である。セラミック、テフロン（登録商標）、またはガラス系の誘電体材料が、誘電体反射器に適した例であるが、誘電体導波管の誘電率とは異なる誘電率を有するあらゆる誘電体材料を、原則的に用いることができる。
【００２８】
マイクロ波キャビティ共振器センサ７を用いて、試験中の材料の複素誘電率または複素透磁率に依存する種々の異なる物理量を検出することができる。このセンサの原理は、誘電体材料をキャビティ内に導入した際の、マイクロ波キャビティの共振周波数の変化に基づく。測定した共振周波数の、反射信号からのシフトは、マイクロ波共振器キャビティのＱ値に依存し、かつ、試料の誘電率、試料の体積、及びキャビティ共振器内での電界強度分布に対する試料の位置にも依存する。従って、高い感度及び分解能は（検出される）材料の特性に依存するので、このセンサは、特定用途向けに設計する必要がある。
【００２９】
本発明のセンサは、マイクロ波の周波数範囲、あるいはマイクロ波より高い周波数で動作させることができる。この場合、このセンサを用いて、反射信号の位相の変化を測定することによって、材料を「画像化」することができる。従って、振幅、共振周波数のシフト、及び位相の変化のような反射電磁信号のすべての特性も、測定可能な量である。電磁信号を、スペクトルのマイクロ波／ミリメートル波部分に限定することは、信号のより大きな浸透と、センサのより高い感度との組合せを可能にする。
【００３０】
図６に、（〜１０００のＱ値、９１５５MHzの領域内の共振周波数、−１０dBmの領域内の入力電力を有する）開口端マイクロ波共振器を用いて、変性アルコール（メチレーテッド・スピリット）の種々の異なる濃度を測定した際に得られた周波数応答を示す。ｙ軸はＳ11パラメータを示し、これは、dB単位で表した反射率である。その代わりに、このパラメータは、大きさで表すことができ、そして大きさの逆数で表すこともできる。この場合、使用するセンサは図１に示すものと同じであったが、集波器はない。脱イオン化した水及び変性アルコールの溶液は、空のキャビティで測定した周波数に比べて、それぞれ３５MHz及び４０MHzの特徴的な周波数シフトを有する。この周波数シフトは、特定化合物に特有のものである。変性アルコール溶液の周波数応答の振幅は、変性アルコールの濃度の増加と共に増加し、液体中の特定化合物の存在を識別するだけでなく、それらの実際の濃度を測定することの可能性も示している。
【００３１】
図７に、（〜１０００のＱ値、９１５５MHzの領域内の共振周波数、−１０dBmの領域内の入力電力を有する）開口端マイクロ波共振器を用いて、材料１を種々の組成比率で有する種々の異なる組成を測定した際に得られた周波数応答の測定値を示す。この場合、使用したセンサは図１に示すものと同じであったが、集波器はない。材料１は、例えば、スキムミルク（脱脂粉乳）、ダブルクリーム、バター、水（＜１０％）、砂糖、加工でんぷん、安定剤、乳化剤の種々の組成比率を有する。これらの材料は、空のキャビティで測定した周波数に比べて、それぞれ２００MHz及び２６０MHzの特徴的な周波数シフトを示している。この周波数シフトは、材料１の特定組成に特有のものである。
【００３２】
図８に、材料１の食品材料比率が（図７に示す）組成１〜組成４とは異なる組成を、単純な開口端マイクロ波共振器を有する開口端キャビティ内に充填した際に観測された（痕跡の）共振周波数及びＱ値を示す。材料１の種々の組成について測定したＱ値応答は、共振周波数応答と比べれば、材料１の各組成間での明確なシフトを示している。コンピュータ・アルゴリズムは、図７に示す測定された反射パラメータの大きさ、材料組成を分類するための材料組成の共振周波数及びＱ値を考慮に入れて開発することができる。
【００３３】
図９に、材料２を有し、かつ、これらの材料１を種々の比率で有する食品の異なる組成を、（Ｑ値〜１０００、９９００MHzの範囲の入力周波数、−１０dBmの範囲の入力電力の）開口端マイクロ波共振器を用いて測定した際に得られた周波数応答の測定値を示す。この場合、使用したセンサは図１に示すものと同じであるが、集波器はない。材料２は、スキムミルク、ダブルクリーム、バター、水（＜１０％）、砂糖、加工でんぷん、安定剤、乳化剤の種々の組成比率を有する。これらの材料は、空のキャビティで測定した周波数に比べて、それぞれ３００MHz及び３５０MHzの範囲内の特徴的な周波数シフトを示している。この周波数シフトは、材料２の特定組成に特有のものである。
【００３４】
図１０に、材料２の食品材料比率が（図９に示す）組成１〜組成４とは異なる組成を、単純な開口端マイクロ波共振器を有する開口端キャビティ内に充填した際に観測された（痕跡の）共振周波数及びＱ値を、図９の測定値に対して導出して示す。材料２の種々の組成について測定された応答は、装填時のＱ値と比べれば、材料２の各組成間での明確な共振周波数のシフトを示しており、これらの材料２については、装填時のＱ値は、より小さいシフトである。従って、それにもかかわらず、図９に示す測定された反射パラメータの大きさ、材料組成を区別するための材料組成の共振周波数及びＱ値を考慮に入れることのできるコンピュータ・アルゴリズムを開発することができる。
【００３５】
図１１に、〜１０００００のＱ値を有する高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器をシミュレーションで示す。この図は、このマイクロ波を用いて、種々の液体組成についての異なる痕跡を正確に区別することができることを示している。このシミュレーションは、市販の有限要素法（ＦＥＭ：finite element method）ベースの電磁ソフトウェアで実行した。シミュレーションのパラメータは、高Ｑ値ブラッグ反射器の幾何学的形状及び寸法、及び１Wの入力電力である。このソフトウェア・プログラムの出力は、共振器の共振周波数と共に、共振器のＱ値である。図６に示すＱ値のシミュレーションと図１１に示すＱ値のシミュレーションとの差異は、主に、ハニカム状ブラッグ集波器を具えた周波器に起因する。図６は、集波器１０なしに生成されている。
【００３６】
上述した高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器は、種々の用途に用いることができる。例えば、上述したように、単純な組成センサとして用いることができる。この場合、対象の液体組成材料を試料領域６内に入れ、検出によって測定または特定される液体組成比率が、検出領域内で変化する。他の用途は、油配管の連続的な流量及び組成の測定、及び配管、表面の腐食検査、厚さ監視、等である。
【００３７】
図１２及び図１３に、パイプライン１５を流れる湿潤ガス混合物の組成を測定するシステムを示す。このシステムは、パイプラインの内面上に装着された複数の高Ｑ値ブラッグ反射器ベースの開口端マイクロ波共振器を有し、各センサの試料チャンバが、パイプラインの内側に開口している。これらのセンサは、パイプラインの２つの領域内に配置されている。第１領域は、第２領域１６よりも大きい内径を有して、異なる圧力測定を可能にする。
【００３８】
マイクロ波発生器（図示せず）を設けて、励起信号を発生させる。この発生器を用いて、電磁共振をセンサ内に発生させて、被制御のフリンジ電磁界を発生させて、湿潤ガス流に対面する表面に隣接した電磁界を最大にすることができる。その代わりに、センサを非共振モードに励起し、センサに関連する位相及び反射パラメータを記録することができる。
【００３９】
センサに結合された記録装置は、反射の大きさを含めた反射及び位相特性を測定し；湿潤ガス流がセンサを通過する間に、応答のＱ値、伝送のＱ値、及び位相差を導出するように構成されている。デジタルデータ分析用の処理装置を設け、このデジタルデータ分析は、共振及び伝送データの主成分及びスペクトル分析を用いて、上記湿潤ガス流の少なくとも一部分の性質を推定する。
【００４０】
使用中には、組成が、例えば油と水の混合物である際に、油の量は、混合物全体の等価な誘電率の変化、第１周波数スペクトルにおける結果的なＱ値、位相、及び反射振幅の変化による周波数摂動を測定することによって得ることができ、システムは、非常に近接した電磁界またはフリンジ電磁界に応答し、次に、システムが遠距離場電磁界に応答する他のより高い周波数スペクトルで、これらのパラメータを再度測定する。一旦、これらのパラメータを測定すると、データを処理装置に送信し、ＰＣＡ（principal component analysis：主成分分析）及びスペクトル角技術を用いて、混合物の流動成分パラメータを得る。
【００４１】
他の実施形態では、多相流測定を、電磁技術とＮＭＲ技術とを組み合わせて実行する。図１４及び１５に示すシステムは、配管１５に隣接して配置された強力な磁石を有し、この磁石は、配管１５を通る一方向に配向した強力な（例えば＞０．１テスラの）一定の磁界を有する。電磁コイル１８も、コンテナに隣接して、上記一定の磁界の付近に配置して、追加的な低強度の交番磁界（例えば３５dBm〜−６０dBm）を供給し、この磁界は、上記強力磁石による磁界に直交するように配向される。他の電磁コイル１５をパイプラインの内部に配置して、これらの磁界に晒されたコンテナ内の混合物からのＲＦ放射を検出する。近接場モードの高Ｑ値開口端ブラッグ反射器センサは、ＥＰＲスペクトロメータとして動作することができる。
【００４２】
図１４及び１５のシステムを用いることは、本発明のＥＰＲ／ＮＭＲ及びマイクロ波センサを用いた多相流の推定を可能にする。分散せずに流れる多相ガス流では、広範囲の条件で、流体の大部分が配管壁上の膜として進む。従って、本明細書で説明する表面感応性共振器センサを用いれば、流体（水／油／凝縮混合物）の量及び／または組成を測定する際に、流体内容物に対するより高い感度が可能になる。ＮＭＲ、マイクロ波共振、及び伝送測定を組み合わせて、多相統合型メーターにすることによって、感度及び精度が改善される。ＮＭＲ技術は現在技術において既知であり、従って、詳細には説明しない。
【００４３】
図１６に、材料の誘電体、ＥＰＲ、及びＮＭＲパラメータを得るシステムを示す。このシステムは、少なくとも１つのブラッグセンサ・プローブ１４、及び図１４に示す配管１５の表面上に埋め込まれた少なくとも一対の永久磁石、及びＮＭＲ測定用のコイルを有する。誘電体パラメータ及びＥＰＲパラメータを、サーキュレータ（循環器）を用いることによって単一のブラッグセンサを用いて測定して、信号の送信（プローブ測定信号）と受信（出力）とを分離することができる。サーキュレータは、現在技術において周知であり、従って、詳細には説明しない。
【００４４】
図１６に概略的に示すように、増幅（２１）した後の、マイクロ波周波数源１６からの信号によって、ブラッグセンサ・プローブを励起する。ブラッグ共振器プローブ１４の内部に、パルスコントローラまたはパルス発生器２２を設けて、間欠的なパルスの持続時間及び周期を設定して制御する。受信部は、プリアンプ２４、ＲＦマイクロ波整流器２５、ロックイン増幅器２６、及びデジタル変換器２７を有する。デジタル信号が、コンピュータ２８に供給される。ロックイン増幅器は、高ノイズ環境から信号を抽出するために有用である。デジタルデータを識別し、異なるデジタル・アルゴリズムで処理して、誘電体特性２９及びＥＰＲ／ＮＭＲパラメータ３０を、異なる材料について抽出する。スペクトル技術または主成分分析技術３１に基づく他のデジタル・アルゴリズムを用いて、信号を既知のライブラリと関係を比較することができる。これらのアルゴリズムは現在技術において既知である。
【００４５】
ブラッグセンサの近くには、パワースプリッタ及びサーキュレータ２０が配置されている。サーキュレータを用いて、図１６に示すブラッグセンサ、送信ポート、及び受信ポートの間で、発信信号及び到着信号を経路設定する。（必要であれば）マイクロ波パルス及び高いダイナミックレンジを用いることは、図１６に示すように、パワースプリッタ１９を用いて一組のブラッグ反射器センサ間で電力を分割する間に、送信パルスと受信パルスとの一時的なオーバラップをもたらすことがあり、サーキュレータが必要になる。
【００４６】
図１６のブロック１９〜３０は、ブラッグ反射器センサに関連し、誘電体及びＥＰＲパラメータを測定するために使用される。ＮＭＲパラメータは、図１４に示すコイル１８を用いて、電磁スペクトルの異なる周波数（通常、１MHz〜２０MHzの電磁スペクトル）で測定する必要があり、従って、同様の別個のブロック１６〜２２及び２８〜２９を有する。
【００４７】
誘電体特性測定値に関連するマイクロ波測定値、ＥＰＲ測定値に関連するマイクロ波測定値、及びＲＦ周波数測定値に関連するＮＭＲ測定値は、基本的に独立して取得することができる。これらの測定値を、組み合わせるか関係付けて、あるいは独立して用いて、上述したアルゴリズムを用いて、検出すべき材料について必要な情報を抽出することができる。
【００４８】
マイクロ波または容量技術を用いて、流れの誘電率を測定することができる。流れの誘電率は成分に依存し、流れの誘電率は、混合物の組成についての情報を含む。水分の誘電率は、他の成分に比べて相対的に高く〜８１であるので、この誘電率は含水量に特に敏感である。種々の密度計を用いて、流れの密度を測定することができる。いくつかのエネルギーレベルのガンマ放射を組み合わせて、混合物及び化学組成についての情報を生み出すことができる。流れ中の限定区間にわたる相互相関技術または差圧測定を用いて、流速を測定することができる。
【００４９】
図１７に、近接場モードで動作して腐食を監視及び検査するセンサの断面図を示す。開口端電磁共振キャビティ１４は、塗料またはエラストマーのような保護材料で覆われたパイプライン３５の壁面に対面し、材料の腐食３４を監視するために用いることができる。これらのセンサは、反射信号の振幅、共振周波数の変化、及び反射信号の位相をプローブ測定することができ、そして、材料の変化、並びに腐食３４による金属組成の変化を推定することができる。その代わりに、３４は、クラック（亀裂、材料組成の変化、さらには特定材料の厚さの変化）による空気のような、検出する必要のある他のあらゆる誘電体／金属層とすることができる。このセンサは、腐食領域を包囲する直接的環境をプローブ測定することもでき、従って、腐食の原因に関する潜在的情報を与えることもできる。
【００５０】
図１８に、遠距離場モードで動作して、腐食、材料欠陥、クラック、等を監視及び検査するセンサの断面図を示す。本発明のセンサは、マイクロ波範囲を上回る周波数で動作することができる。この場合、このセンサを用いて、反射信号の位相の変化を測定することによって、試料を「画像化」する。従って、反射電磁信号のすべての特性、例えば振幅、共振周波数のシフト、及び位相の変化も、これらの新規なプローブにより高精度で測定可能な量である。電磁信号を、マイクロ波／ミリメートル波のスペクトル部分に限定することは、信号のより大きな貫通とセンサのより高い感度との組合せを可能にする。
【００５１】
本発明のセンサを用いて腐食を監視することによって、比較的大きな有効領域を、既存のシステムよりも精密かつ迅速に監視することができる。このセンサを用いて、陸上、パイプライン、海中、及び設備上の材料及び金属の腐食を監視し、検査し、そして試験することができる。感度を改善するために、本発明のセンサを、マイクロ波を使用するように構成して、試料領域を誘導加熱し、次に、マイクロ波反射を監視することによって冷却速度を監視することができる。腐食した鋼鉄は腐食していない鋼鉄よりも遅く冷え、このことが腐食の度合いの尺度を与える。
【００５２】
開口端電磁共振キャビティ７は、図１に示すように、スタンドアロン（自立型）実験室として、かつハンドヘルド構成として、独立して使用して、流体、固体材料、チャンバ領域６内に閉じ込めたガスの組成を検出することができる。
【００５３】
本発明の用途は、産業、科学、または教育用の廉価な汎用ベンチトップ装置；化学的臨界性質のリアルタイム分析を可能にする、石油製品、潤滑油、油圧流体用のオンラインまたはインラインセンサ、配管のクラッディング（耐食肉盛）における酸化、欠陥検出、及び食品及び飲料製品についての組成検出及び保存寿命検討；及び、石油分析及び生物医学研究ツールのような特定産業用途を含むが、これらに限定されない。
【００５４】
本発明から逸脱することなしに、開示した構成の変形が可能であることは、当業者にとって明らかである。例えば、特定実施形態では、試料チャンバ６を誘電体反射器の外部表面にあるものとして示しているが、試料チャンバ６は反射器の内表面の直下にすることもでき、ここでは、電磁界強度も、導波管の残り部分よりも高い。この場合、検出すべき材料は、誘電体反射器の直下に配置されるか、必要であれば、誘電体反射器内に加工した凹部内に配置される。凹部の横方向寸法は、１mm×１mmから誘電体反射器の横方向寸法までとすることができる。凹部の厚さは、誘電体反射器の厚さまでとすることができる。従って、以上の特定実施形態の説明は、ほんの一例として行ったに過ぎず、限定目的ではない。説明した動作の大幅な変更なしに、小変更を行うことができることは、当業者にとって明らかである。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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