(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分散粒子を含む液体が流れる配管中に挿入される誘電率測定プローブ、同プローブがテストセットを介して接続されたアナライザ、同アナライザが接続された発振器、および上記分散粒子を含む液体の誘電率、剪断速度、剪断応力、及び分散粒子の粒径のデータの間の一定の相関関係が予め記憶されてあり、上記テストセットとアナライザと発振器が接続され液体の誘電率を求め更に上記相関関係にもとづき上記分散粒子を含む液体の剪断速度、剪断応力、及び分散粒子の粒径を求めるコンピュータを備えたことを特徴とする分散状態測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の分散状態測定装置において、上記誘電率測定プローブが同軸ケーブルの先端部により形成されたことを特徴とする分散状態測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の分散状態測定装置において、上記誘電率測定プローブが共振器により形成されたことを特徴とする分散状態測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の分散状態測定装置において、上記誘電率測定プローブが発信側ホーンアンテナと受信側ホーンアンテナにより形成されたことを特徴とする分散状態測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭を微粉にして水と懸濁した流動性燃料である石炭・水混合物（以下．ＣＷＭとする：Coal Water Mixture) や、セメントスラリー等が配管内を流れるとき等の分散粒子の分散状態の監視に適用される分散状態測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
粒子が媒質中に散在する分散系には、微粒子、油滴粒子が水中に分散しているＣＷＭやセメントスラリーなどがあり、また、水滴が油系の溶媒に分散しているものもある。
【０００３】
これらの分散系では、経時変化による分散粒子の凝集を防ぎ、適切な分散状態を維持するため、微粒子、油滴、水滴などの分散粒子の分散状態を監視し、粒径を適宜制御する必要がある。
【０００４】
従来の上記分散系の監視手段としては、ラジオ波、マイクロ波を含む電磁波、赤外、可視、紫外領域の光、及び超音波などを用い、分散系の物性をオンラインで測定する本出願人の出願に係る発明（特願平６−２２００６６号）があるが、流動状態や、剪断応力下での物性の変化に着目した監視装置はなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の分散系の分散状態を監視するための装置としては、前記のように、電磁波、光、及び超音波などを用い、分散系の物性をオンラインで測定するものはあったが、流動状態や剪断応力下での分散系の物性の変化に着目したものはなかった。
【０００６】
パイプラインなどを流れるＣＷＭ等の分散状態をオンラインで監視できれば、品質管理、プロセスモニターに有用であり、湿式ミル等の内部の状態を監視できれば破砕条件（回転速度、運転時間など）の最適化に貢献することができるため、流動状態や剪断応力下での分散系の分散状態の監視装置の実現が望まれていた。
本発明は、上記の課題を解決しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１の発明に係る分散状態測定装置は、分散粒子を含む液体が流れる配管中に挿入される誘電率測定プローブ、同プローブがテストセットを介して接続されたアナライザ、同アナライザが接続された発振器、および上記分散粒子を含む液体の誘電率、剪断速度、剪断応力、及び分散粒子の粒径のデータの間の一定の相関関係が予め記憶されてあり、上記テストセットとアナライザと発振器が接続され液体の誘電率を求め更に上記相関関係にもとづき上記分散粒子を含む液体の剪断速度、剪断応力、及び分散粒子の粒径を求めるコンピュータを備えたことを特徴としている。
【０００８】
本発明は、種々実験を重ねた結果、分散粒子を含む液体の誘電率、剪断速度、剪断応力（粘度）、及び分散粒子の粒径の間には一定の相関関係があることを見出したことによるものであり、それぞれのデータの相関関係は予めコンピュータに記憶されている。
【０００９】
本発明に係る装置を用いて配管内を流れる分散粒子の分散状態を測定する場合、発振器より電磁波を発振させ、これをアナライザ、テストセットを介して誘電率測定プローブへ伝送し、同プローブは液体中に計測信号を照射し、その反射信号を検出する。
【００１０】
上記プローブにより検出された反射信号は、テストセットを介してアナライザへ伝送され、同アナライザが信号処理してコンピュータに入力し、コンピュータはまず液体の誘電率を求める。
【００１１】
上記コンピュータは、この誘電率と相関関係を有する上記データを記憶しており、誘電率より液体の剪断速度、剪断応力、分散粒子の粒径等を求めて出力するため、液体中の分散粒子の分散状態を求めることができる。
【００１２】
（２）請求項２の発明は、上記発明（１）に記載の分散状態測定装置において、上記誘電率測定プローブが同軸ケーブルの先端部により形成されたことを特徴としている。
【００１３】
本発明において、同軸ケーブルの先端部は液体中に計測信号の照射が可能であり、液体による反射信号の検出が可能なため、上記発明（１）と同様に液体中の分散粒子の分散状態の把握が可能である。
【００１４】
（３）請求項３の発明は、上記発明（１）に記載の分散状態測定装置において、上記誘電率測定プローブが共振器により形成されたことを特徴としている。
【００１５】
本発明において、共振器は液体中に計測信号の照射が可能であり、液体による反射信号の検出が可能なため、上記発明（１）と同様に液体中の分散粒子の分散状態の把握が可能である。
【００１６】
（４）請求項４の発明は、上記発明（１）に記載の分散状態測定装置において、上記誘電率測定プローブが発信側ホーンアンテナと受信側ホーンアンテナにより形成されたことを特徴としている。
【００１７】
本発明においては、発信側ホーンアンテナが液体中に計測信号を照射し、液体による反射信号を受信側ホーンアンテナが検出するため、上記発明（１）と同様に液体中の分散粒子の分散状態の把握が可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の第１形態に係る分散状態測定装置について、図１により説明する。なお、本実施形態は、配管中に流れるＣＷＭについての水中における石炭粒子の分散状態の測定に適用されたものである。
【００１９】
図１に示す本実施形態に係る分散状態測定装置は、ＣＷＭが流れる配管１０内に挿入される同軸ケーブル２の一端により形成された誘電率測定プローブ１、上記同軸ケーブル２の他端に接続されたテストセット３、同テストセット３が接続されたネットワークアナライザ４、同アナライザ４に接続された発振器５、および上記テストセット３とネットワークアナライザ４と発振器５が接続されたコンピュータ６を備えている。
【００２０】
上記において、配管１０内を流れるＣＷＭの分散状態を測定する場合、発振器５により電磁波を発信させ、この電磁波をネットワークアナライザ４で参照信号と計測信号に分割し、計測信号をテストセット３を介して誘電率測定プローブ１へ伝送し、同プローブ１よりＣＷＭに照射する。
【００２１】
この計測信号のＣＷＭによる反射信号は上記誘電率測定プローブ１が検出し、テストセット３を介してネットワークアナライザ４へ伝送され、同アナライザ４が参照信号と比較し、信号処理してコンピュータ５に入力し、同コンピュータ６はＣＷＭの誘電率を求めた後、この誘電率よりＣＷＭの剪断速度や石炭粒子の粒径を求め、更に、剪断速度よりＣＷＭの剪断応力（粘度）を求める。
【００２２】
なお、剪断速度と剪断応力の管径方向の分布については、上記誘電率測定プローブ１を配管１０の半径方向へ移動することによりその半径方向の分布も測定することができる。
【００２３】
上記により、配管内におけるＣＷＭの剪断速度や剪断応力の分布の測定、及び石炭粒子の粒径が測定可能となったため、ＣＷＭの分散状態の把握が可能となった。
【００２４】
なお、本実施形態において、誘電率測定プローブ１の先端で検出した電磁波の反射係数から誘電率を求めるためのコンピュータ６による処理は、以下のとおりである。同軸ケーブル２の先端部からなる誘電率測定プローブ１は、図２に示すような等価回路で表わすことができる。
【００２５】
図２中のΖm は、ネットワークアナライザー４で測定される反射係数ρm より得られる出力インピーダンスであり、（１）式で示される。また、図２から（２）式で示される。
【００２６】
【数１】
0003876064.tif 000002
【００２７】
ここで、３つのパラメータΔ，Δ12，Δ23を下記のように定義すると、（２）式は（３）式で表わされる。
Δ＝Ζ1 Ζ2 ＋Ζ2 Ζ3 ＋Ζ3 Ζ1 
Δ12＝Ζ1 Ζ2 
Δ23＝（Ζ2 ＋Ζ3 ）
【００２８】
【数２】
0003876064.tif 000003
【００２９】
上記インピーダンスΖ（ε，ω）を（４）式に示すように定義すると、（３）式は（５）式となる。
Ζ（ε，ω）＝１／ωＣ0 ε…………………………………………………（４）
【００３０】
【数３】
0003876064.tif 000004
【００３１】
ここで、上記（５）式に含まれる比誘電率（以下、誘電率）εに着目する。
プローブ先端がオープンのときにはεは空気の誘電率に等しいとみなし、ε＝１と考えると、このときの出力インピーダンスΖmoは（６）式により表わされ、プローブ先端がショートのときにはεは無限大とみなすと、出力インピーダンスΖmsは下記の（７）式により表わされる。
【００３２】
また、誘電率が既知の物質がプローブ先端にあるときには、ε＝εa とすると、出力インピーダンスΖmaは下記の（８）式により表わされ、プローブ先端に誘電率εの試料があるときには、出力インピーダンスΖmmは下記の（９）式により表わせる。
【００３３】
【数４】
0003876064.tif 000005
【００３４】
上記（６）〜（９）式からは、パラメータΔ，Δ12，Δ23を消去し、Ζmo，Ζms，Ζma，Ζmmで表された試料の誘電率εを示す（１０）式を得ることができる。
【００３５】
【数５】
0003876064.tif 000006
【００３６】
上記（１０）式に含まれる４つのインピーダンスΖmo，Ζms，Ζma，Ζmmは（１）式と同様にそれぞれ反射係数で表わすことができ、これらを（１０）式に代入すると、（１１）式が得られる。
【００３７】
【数６】
0003876064.tif 000007
【００３８】
従って、コンピュータ６は、オープン、ショート、標準試料、試料の場合に対するプローブ先端の反射係数と、標準物質の誘電率εa を用いることにより、試料の誘電率εを計算することができる。
【００３９】
本実施形態においては、上記のように、ＣＷＭの誘電率よりその剪断速度や粒径等を求めるものとしているが、これは種々実験をくり返した結果、両者の間に相関関係のあることを見出したことによるものであり、以下に、カーボンブラックを２５ｗｔ％含有する水懸濁液を試料として行った実験について、実験の内容と結果を説明する。
【００４０】
この実験に用いた装置は、図３に示すように本実施形態に係る分散状態測定装置にコーンプレート型回転粘度計（型式番号ＲＳ−１００，ハーケ（ドイツ）社製）１１を組み合わせたものであり、この回転粘度計１１は測定試料をのせるプレート上に試料の周囲を囲むように円筒形の壁が形成された容器１２に配設されている。
【００４１】
この容器１２の壁には穴があけられて誘電率測定プローブ１である同軸ケーブル２の先端が挿入され、樹脂製のシールで固定されており、試料は回転粘度計１１により剪断力を与えられながら、粘度と誘電率が測定される。
【００４２】
なお、ネットワークアナライザ４はウィルトロン（アメリカ）社製で型式番号３６０Ｂのもの、発振器５はウィルトロン（アメリカ）社製で型式番号６８１６９Ａのもの、テストセット３はウィルトロン（アメリカ）社製で型式番号３６１１Ａのもの、コンピュータ６はＩＢＭ  ＰＣ／ＡＴ互換機を用いた。
【００４３】
上記実験により得られた剪断速度と誘電率の関係を図４に、剪断速度と剪断応力（粘度）の関係を図５に、剪断速度と微分粘度ｄτ／ｄＤ（ここで、τは剪断応力、Ｄは剪断速度）の関係を図６に、また、粒径と誘電率の関係を図７に示している。
【００４４】
図６を見ると、剪断速度が２００〜４００ｓ-1のときには微分粘度はほぼ一定がだ、４００ｓ-1を越えると増加する。また、図４を見ると、微分粘度が一定の領域では誘電率も変化していないが、剪断速度を上げて微分粘度が上昇を始めると同時に誘電率の値も増大する。
【００４５】
これは、分散しているカーボンブラックの粒子同士が互いに衝突し微粒化する過程で固体粒子周りの拘束水が変化し、粒子が微細化するためである。これにより、カーボンブラック粒子を分散し微粒化するためには、４００ｓ-1以上の剪断速度で攪拌する必要があることが分かる。
【００４６】
なお、上記拘束水とは、固体と水の界面に形成され、固体からの影響を受けて通常の水よりも運動が遅い水であり、普通の水である自由水に対応する用語であって、水を媒質とする分散系の分散粒子の分散状態が変化すれば、比表面積の変化や固体中に取り込まれた内包水の生成・消失などにより、その状態が変化するものである。
【００４７】
本発明の実施の第２形態に係る分散状態測定装置について、図８により説明する。図８に示す本実施形態に係る装置は、図１に示す第１実施形態に係る装置において、同軸ケーブル２の先端とした誘電率測定プローブ１に代えて共振器７を用い、共振器７とテストセット３の間を導波管８により接続したものである。
【００４８】
本実施形態においては、共振器７が電磁波である計測信号をＣＷＭに照射し、その反射信号を受信してテストセット３へ伝送するため、上記第１実施形態の場合と同様にＣＷＭの誘電率を測定し、その分散状態を測定することができる。
【００４９】
本発明の実施の第３形態に係る分散状態測定装置について、図９により説明する。図９に示す本実施形態に係る装置は、図１に示す第１実施形態に係る装置において、同軸ケーブル２の先端とした誘電率測定プローブ１に代えて発信側ホーンアンテナ９ａと受信側ホーンアンテナ９ｂを用い、それぞれのアンテナ９ａ，９ｂとテストセット３の間を導波管８により接続したものである。
【００５０】
本実施形態においては、発信側ホーンアンテナ９ａが電磁波である計測信号をＣＷＭに照射し、その反射信号を受信側ホーンアンテナ９ｂが受信してテストセット３へ伝送するため、上記第１実施形態の場合と同様にＣＷＭの誘電率を測定し、その分散状態を測定することができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の分散状態測定装置は、分散粒子を含む液体が流れる配管中に挿入される誘電率測定プローブ、同プローブがテストセットを介して接続されたアナライザ、同アナライザが接続された発振器、および上記分散粒子を含む液体の誘電率、剪断速度、剪断応力、及び分散粒子の粒径のデータの間の一定の相関関係が予め記憶されてあり、上記テストセットとアナライザと発振器が接続され液体の誘電率を求め更に上記相関関係にもとづき上記分散粒子を含む液体の剪断速度、剪断応力、及び分散粒子の粒径を求めるコンピュータを備えたものとしたことによって、また、上記誘電率測定プローブが、同軸ケーブルの先端部、共振器、又は発信側ホーンアンテナと受信側ホーンアンテナにより形成されたものとしたことによって、ＣＷＭ等が流れるパイプラインや湿式ミルの内部等のように分散粒子を含有する液体が流動状態や剪断応力下にある分散系の分散状態を監視することができる装置の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係る分散状態測定装置の説明図である。
【図２】上記第１実施形態に係る誘電率測定プローブの等価回路図である。
【図３】上記第１実施形態に係る実験装置の説明図である。
【図４】上記第１実施形態に係る剪断速度と誘電率の関係図である。
【図５】上記第１実施形態に係る剪断速度と剪断応力の関係図である。
【図６】上記第１実施形態に係る剪断速度と微分粘度の関係図である。
【図７】上記第１実施形態に係る粒径と誘電率の関係図である。
【図８】本発明の実施の第２形態に係る分散状態測定装置の説明図である。
【図９】本発明の実施の第３形態に係る分散状態測定装置の説明図である。
【符号の説明】
１            誘電率測定プローブ
２            同軸ケーブル
３            テストセット
４            ネットワークアナライザ
５            発振器
６            コンピュータ
７            共振器
８            導波管
９ａ，９ｂ    ホーンアンテナ
１０          配管
１１          コーンプレート型回転粘度計
１２          容器
【図１】
0003876064.tif 000008
【図２】
0003876064.tif 000009
【図３】
0003876064.tif 000010
【図４】
0003876064.tif 000011
【図５】
0003876064.tif 000012
【図６】
0003876064.tif 000013
【図７】
0003876064.tif 000014
【図８】
0003876064.tif 000015
【図９】
0003876064.tif 000016