(57)【要約】      （修正有）【課題】高精度、高感度、高応答速度で、小型化、製造容易である。【解決手段】粉体の流路を輪切りするように静電容量を形成させる円筒電極１ａ，１ｂから構成する。円筒電極の径と電極間距離及びガード電極の径を適当な寸法にする事により、電極間を通過する粉体の場所による静電容量の変化の差が少なく高精度化が実現できる。【選択図】図２
2007093570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定体の粉体量を計測する粉体計測用静電容量センサーにおいて、
一対の電極を持ち、
一対の電極は粉体の流れる方向に静電容量を形成することを特徴とする粉体計測用静電容量センサー。
【請求項２】
請求項１記載の粉体計測用静電容量センサーにおいて、
一対の電極は円筒形状を有し、
さらに前記一対の電極を離して配置し、
前記一対の電極はそれぞれの円筒の中心軸を合わせたことを特徴とする粉体計測用静電容量センサー。
【請求項３】
請求項２記載の粉体計測用静電容量センサーにおいて、
前記円筒形状の一対の電極は筒形の多角形であることを特徴とする粉体計測用静電容量センサー。
【請求項４】
請求項１及至請求項３記載の粉体計測用静電容量センサーにおいて、
一対の電極を最適な間隔に調整できることを特徴とする粉体計測用静電容量センサー。
【請求項５】
請求項１及至請求項４記載の粉体計測用静電容量センサーにおいて、
前記一対の電極はガード電極とシールド電極を持ち、
前記電極の一部または全部を覆うガード電極で構成することが出来ることを特徴とする粉体計測用静電容量センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は粉体を静電容量の変化として測定する静電容量型粉体計測装置に関し、特に粉体の測定を高感度、高精度化して、同時に製造方法を簡単化する構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  粉体を静電容量の変化として測定する静電容量型粉体計測装置は円筒形状の静電容量センサーに粉体を通過させるだけで測定できる。この為、搬送パイプの経路に簡単取り付ける事ができるので用途の拡大が期待されている。
従来の静電容量センサーは円筒パイプの中心軸に対称に形成された並行半円筒形状電極及び螺旋形状電極の構造のものが多く用いられている。これらの電極は粉体の流れを挟むように静電容量が形成されていて、平行平面板コンデンサーに近似して、その中を通過する粉体による静電容量の変化で動作が説明される。
しかし、これらの形状の電極内は粉体が通過する静電容量を形成する円筒全体で電界強度が一様ではない。従って、静電容量センサーの電極内のどの場所を粉体が通過するかによって静電容量の変化が異なり、測定値が場所によって変動を受ける。
粉体が移動する時、円筒パイプ内をランダムにその場所を変化しながら通過するので、静電容量の変化は平均化されて、静電容量センサーの場所による変動は低減される。しかし、確率的に必ず平均化されるのではないので測定誤差を生じる事がある。
このような粉体のランダム移動による確率的な測定誤差の低減でなく、電極内の場所に依存する大きな測定誤差を低減する要求が高まってきている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  従来の静電容量センサーの構造を、図８に並行半円筒形状電極、図１０に螺旋形状電極の例を示す。これらの電極は粉体の流れを挟むように静電容量が形成されている。
並行半円筒形状電極内を粉体が通過する様子を図９に示す。（イ）電極が円周上に狭く形成された場合、（ロ）電極が円周上に広く形成された場合、（ハ）電極の外側を覆うガード・シールドの影響を考慮した場合を示す。
（イ）の例では、電極の端の効果が無視できなくなり、円筒の中心部を粉体が通過する時と電極から外れた円周部を粉体が通過する時では斜線部に示す部分が局部的に静電容量の変化が非常に小さくなり、中心部と円周部とでは静電容量の変化は大きく異なる。但し、ガード・シールドを考慮しない。
（ロ）の例では、局部的に静電容量の変化が非常に小さくなる領域は少なくなるが、円筒の中心部と円周部に近い場所では電極間距離が大きく異なり、静電容量の変化は異なる。
但し、ガード・シールドを考慮しない。
（ハ）の例では、外側に同じ円筒状の遮蔽板で覆われる為に静電容量電極の端の部分からの電気力線が対向電極間ではなく遮蔽板へと結ばれる事になり、対向電極間で静電容量を形成しない領域が部分的にできる。この場合も静電容量の変化は大きく異なる。
螺旋形電極構造は前記並行半円筒形状の電極を円周上に回転させて形成し、静電容量が部分的に大きくなる、または小さくなる問題を改良している。
しかし、粉体が円筒パイプの中心部を通過する場合、粉体は対向電極の間にあり、対向電極の間からは外れない。一方、円周部に近いところを通過する場合は対向電極の間から外れるところがあり、粉体の通過する場所により静電容量の変化は異なる事になる。図１１にその様子を示す。但し、ガード・シールドを考慮しない。
従来の螺旋形状電極は螺旋を円周上に多く回転させて形成する方が誤差は低減するが、粉体の搬送路に沿ってより長くなってしまう。静電容量センサーの電極を長くすると計測装置が大きくなり、また、その応答速度も低下する。
この為、粉体計測用静電容量センサーとして高精度、高感度、高速応答速度で小型化による性能向上という課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  静電容量センサーを構成する静電容量電極を粉体が通過する流路を輪切りするようにして円筒電極を形成し、円筒電極の間で粉体が流れる方向に静電容量を形成させる。
円筒電極間で形成させた静電容量は従来の対向電極のような電極板の端の影響を生じない。電気力線の長さは静電容量に逆比例するので、円筒電極間の部分的な静電容量は電気力線が長い円筒軸の中心部が小さく、電気力線が短い円周部が大きい。従って、円筒電極の径を短くして電極間距離を長くすると静電容量の差が少なくなる。
円周部の電気力線はガード・シールドと結ぶ事になる。ガード・シールドの径が円筒電極の径に近くなると円周部とガード・シールドを結ぶ電気力線の数は多くなり、部分的な静電容量は逆に円周部より中心部の方が大きくなる。
円筒電極の径、電極間距離及び円筒電極の外側を覆うガード・シールドの径を適当な寸法にする事で電極間距離を長くするだけでなく、粉体が通過する場所による変化を従来の電極構造より少なくできる。
また、円筒電極間の距離を短くすると、その静電容量も大きくなり、粉体による静電容量の変化も増大する。
この為、従来の静電容量センサーとは逆に小型化、短小化する事により高感度化が実現できる。また、この発明による静電容量センサーの外形寸法を短くする事により粉体の流れの変化分をより高速に検出できるようになる。
【発明の効果】
【０００５】  この発明によれば、静電容量センサーを通過する粉体の位置による誤差を低減する。さらに微小な粉体流でも静電容量センサーの変化分が大きくなり、より高速に測定できるようになる。また、小型化ができて、製造方法を簡単にする事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【０００６】  図１に本発明の概略を示す。図１の静電容量センサーは静電容量電極の外側にガード電極とシールド電極を構成した実際に近い静電容量センサーの概略を示す。図２は静電容量センサーを構成する対向する円筒電極の部分を示す。
円筒電極間の中心軸に沿ってａ−ａ断面の２次元電位係数分布の概略を図３に示す。
円筒電極間の二等分した断面の電位は平面となる。この断面に平行に近い電位分布とこの断面に対して直角な円筒電極に向かう電位分布とに分ける事にする。このように近似した静電容量の等価回路を図６（イ）、（ロ）に示す。図２の円筒の直径と電極幅及び円筒電極間の距離等の関係にもよるが、Ｃ１及びＣ２は図３に示すように電位係数が小さくなっているので静電容量の値はＣ０に比べて大きな値である。
全体の静電容量は各々が直列接続なので
2007093570.tif 000003
となる。静電容量電極は対称な構造なのでＣ１＝Ｃ２とすると
2007093570.tif 000004
ここで、Ｃ０≪Ｃ１と仮定すると
2007093570.tif 000005
と近似できる。
図２の静電容量を上式のように近似すると図７のような円形電極の平行平面板コンデンサーとして見る事ができる。この場合の円筒の半径をｒ、仮定した円形電極間の平均距離をｄ′とすると静電容量は
2007093570.tif 000006
と表す事ができる。
ｄ′は実際の電極間距離に対して、図３に示す電位が円筒電極に入り込んだところに仮想電極が形成されたものとする事ができる。上記、円筒電極間距離ｄとその仮定平均距離ｄ′と
2007093570.tif 000007
と表され、図７で表すような円形電極の平行平面板コンデンサーとして見る事ができる。
図４は電位係数分布に対応した電気力線の概略を表したものである。電気力線は円筒の円周部より中心部が長いので、円筒形状電極の部分的な静電容量は円筒の円周部より中心部の方が相対的に小さい。この為、粉体が中心部を通過する場合と円周部を通過する場合で静電容量の変化が異なり誤差を生じる。
円筒電極型静電容量センサーの外側はガード・シールドで覆われて、センサー内に外部から雑音が混入しないようにする必要がある。このガード・シールドの影響を考慮した場合の電気力線の様子を図５に示す。
図５の場合、円周部の一部の電気力線はガード・シールドと結ぶ。この電気力線は円筒電極の径と電極間の距離及びガード・シールドの円筒パイプの径との相対的な寸法により様子が異なる。
ガード・シールドの径が円筒電極の径に近いと円筒電極とガード・シールドと結ぶ電気力線が多くなり、部分的な静電容量は円筒の円周部より中心部の方が相対的に大きくなる。つまり、本発明の静電容量センサーにおいて、計測に関与する領域の円周部と中心部の電気力線の長さを整える事になる。
円筒の径、ガード・シールドの径、一対の円筒電極間隔等の寸法を適切に選ぶ事により、円筒の中心部と円周部の部分的な静電容量の変化の差を小さくする事ができる。
相対する円筒電極の間隔を短くすると電極間の静電容量は増加する。これは粉体が微小量でも静電容量の変化が大きくなり、感度が向上する。また、同時に静電容量センサーの寸法が短く構成できる事になる。
図１２に本発明による静電容量センサーの各電極の接続例を示す。この回路接続で、従来のように図１３に示す交流ブリッジ回路を構成して、その出力を交流増幅、検波して直流電圧として取り出す事ができる。
【産業上の利用可能性】
【０００７】  以上、図を参照して実施例を説明したところから明らかのように、本発明によれば、粉体が静電容量センサー内を通過する位置が変わっても、静電容量の変化が大きく変わらなくする事ができる。さらに粉体量が微小になっても、静電容量の変化量を増加させ、応答速度の速い計測が可能になる。また、従来の螺旋構造電極に比べて非常に簡単な構造となり、小型で製造コストを大幅に低減する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の静電容量センサーを示す概略図である。
【図２】本発明の静電容量電極を示す概略図である。
【図３】本発明の静電容量センサーの電位係数分布を示す図である。
【図４】本発明の静電容量センサーの電気力線を示す図である。
【図５】本発明の静電容量センサーのガード・シールドを考慮した電気力線を示す図である。
【図６】本発明の静電容量センサーの等価回路を示す図である。
【図７】本発明の静電容量センサーを円形電極の平行平面板コンデンサーに表した図である。
【図８】並行半円筒形電極の静電容量センサーを示す概略図である。
【図９】並行半円筒形電極の静電容量センサーの断面を示す概略図である。
【図１０】螺旋形電極の静電容量センサーを示す概略図である。
【図１１】螺旋形電極の静電容量センサーの断面を示す概略図である。
【図１２】本発明の静電容量センサーの回路接続した概略図である。
【図１３】本発明の測定電極と基準電極をブリッジ回路にした概略図である。
【符号の説明】
１          静電容量センサー
１ａ        円筒電極
１ｂ        円筒電極
２、３、４  ガード・シールド電極
２０        測定電極
２１        基準電極
２２、２３  抵抗
２４        交流発振器
３０、３２  交流ブリッジ出力
【図１】
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【図２】
2007093570.tif 000009
【図３】
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【図４】
2007093570.tif 000011
【図５】
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【図６】
2007093570.tif 000013
【図７】
2007093570.tif 000014
【図８】
2007093570.tif 000015
【図９】
2007093570.tif 000016
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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