(57)【要約】【課題】大電力まで測定可能な高周波複素誘電率測定装置を提供する。【解決手段】平行平板状の２つの高周波伝送路間に介在する試料の複素電圧を計測することにより複素誘電率を測定する、複素誘電率測定装置であって、高周波電力発生器に接続される第１の高周波伝送路と、該第１の高周波伝送路に対して平行平板状に配置される第２の高周波伝送路とを備え、第１の高周波伝送路は、末端において該高周波伝送路に整合して接地される負荷抵抗と、該末端から少なくとも１つの減衰抵抗を介して複素電圧測定器に接続される第１の電極と、該高周波伝送路の基端から少なくとも１つの減衰抵抗を介して前記複素電圧測定器に接続される第２の電極とを備え、第２の高周波伝送路は、該伝送路の長手方向に適宜間隔を有する２個所に、少なくとも各１つの減衰抵抗を介して前記複素電圧測定器に接続される第３および第４の電極を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象となる試料を介在させた平行平板状の２つの高周波伝送路の間における複素電圧を複素電圧測定器によって計測することにより、該試料の複素誘電率を測定する複素誘電率測定装置であって、
高周波電力発生器に接続される第１の高周波伝送路と、該第１の高周波伝送路との間に試料を介在させつつ該第１の高周波伝送路に対して平行平板状に配置される第２の高周波伝送路とを備え、
第１の高周波伝送路は、末端において該高周波伝送路に整合して接地される負荷抵抗と、少なくとも１つの減衰抵抗を介して前記複素電圧測定器に接続される少なくとも１つの入力配線を備え、
第２の高周波伝送路は、少なくとも１つの減衰抵抗を介して前記複素電圧測定器に接続される少なくとも１つの入力配線を備える
ことを特徴とする複素誘電率測定装置。
【請求項２】
前記第１の高周波伝送路の入力配線は、該高周波伝送路の末端から少なくとも１つの減衰抵抗を介して前記複素電圧測定器に接続される第１の入力配線と、該高周波伝送路の基端から少なくとも１つの減衰抵抗を介して前記複素電圧測定器に接続される第２の入力配線とを備え、
前記第２の高周波伝送路の入力配線は、該高周波伝送路の長手方向に適宜間隔を有する２個所に、少なくとも各１つの減衰抵抗を介して前記複素電圧測定器に接続される第３および第４の入力配線を備える
ことを特徴とする複素誘電率測定装置。
【請求項３】
前記第１の高周波伝送路、前記第２の高周波伝送路および前記試料は、単一のケースに収容されている請求項１または２に記載の複素誘電率測定装置。
【請求項４】
前記試料が液体試料であり、前記ケースの内部は、該液体試料を貯留するための空間部を有し、絶縁材料によって被覆された前記第１および第２の高周波伝送路が、前記空間部内において適宜間隔を有して平行平板状に配置されたものである請求項３に記載の複素誘電率測定装置。
【請求項５】
前記ケースは、内部空間が少なくとも２つの隔壁によって少なくとも３列の空間層が形成され、少なくとも中間層は試料が収容される試料空間であり、前記隔壁には前記第１および第２の高周波伝送路が配置されている請求項３に記載の複素誘電率測定装置。
【請求項６】
前記中間層以外の空間層は、試料が収容される試料空間である請求項５に記載の複素誘電率測定装置。
【請求項７】
前記試料空間は、絶縁材料によって包囲されるものである請求項５または６に記載の複素誘電率測定装置。
【請求項８】
前記試料は、絶縁材料によって形成された容器に充満された液体試料であり、該容器は、前記試料空間に収容可能に構成されている請求項５または６に記載の複素誘電率測定装置。
【請求項９】
前記第１および第２の高周波伝送路の両端は、対向する前記ケースの側面にそれぞれ設けられる二組のコネクタにそれぞれ接続されている請求項３ないし８のいずれかに記載の液相複素誘電率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波における複素誘電率測定装置に関する。とくに、大電力を与えた場合の液体の複素誘電率を測定するための測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の液相複素誘電率測定装置は、平行平板コンデンサ法に基づいて、一般に対向配置した一組の電極を持ち、前記一組の電極に挟まれた測定槽からなる測定用コンデンサを有し、前記電極の一方は高周波伝送線路の一端に接続されており、前記高周波伝送線路の他端は透過反射電力測定器に接続されており、前記電極は前記高周波伝送線路のグラウンドと接続される構成からなる。前記測定槽に測定対象となる液体を注入し、前記一組の電極および前記測定槽からなる前記測定用コンデンサのインピーダンスを測定することにより液相の複素誘電率を測定することができるものである。
【０００３】
例えば、特許文献１には、加熱炉内に配置された平行平板状電極と、各電極への円板状試料の直接接触を妨げる少なくとも一対の絶縁性薄膜材料と、円板状試料のラジアル方向への流動を制限するために試料外周部に配置される試料と等厚の絶縁性リング状材料と、前記平行平板電極間に挿入される試料、絶縁性薄膜材料および絶縁性リング状材料のうち試料のみの誘電率を算出する測定回路と、からなる誘電率測定装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３１２７５６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような従来の液相複素誘電率測定装置では、測定用コンデンサと高周波伝送線路で不整合が生じることが問題となっていた。
【０００６】
すなわち、従来の液相複素誘電率測定装置では、測定対象となる液体に大電力を与えたときの複素誘電率を測定するため前記透過反射電力測定器から大電力を出力すると、その電力の大部分が反射電力として前記透過反射電力測定器へ入力され、前記透過反射電力測定器が故障する原因となる。
【０００７】
例えば、従来の液相複素誘電率測定装置では、透過反射電力測定器としてベクトルネットワークアナライザが使用される。この装置は１ＭＨｚ以上の周波数で測定することができるが、電力は最大１００ｍＷまでしか出力できないため１００ｍＷより大きな電力が入力された場合の液体の複素誘電率を測定することはできない。外部高周波電力発生器および減衰器を使って測定した場合でも、該ベクトルネットワークアナライザに接続した該減衰器に１Ｗ以上の電力が入力されると故障する。また、前記減衰器によって反射透過信号の雑音比の悪化を招き、測定精度が悪化する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。
【０００９】
請求項１に記載の液相複素誘電率測定装置は、測定対象となる試料を介在させた平行平板状の２つの高周波伝送路の間における複素電圧を複素電圧測定器によって計測することにより、該試料の複素誘電率を測定する複素誘電率測定装置であって、
高周波電力発生器に接続される第１の高周波伝送路と、該第１の高周波伝送路との間に試料を介在させつつ該第１の高周波伝送路に対して平行平板状に配置される第２の高周波伝送路とを備え、
第１の高周波伝送路は、末端において該高周波伝送路に整合して接地される負荷抵抗と、少なくとも１つの減衰抵抗を介して前記複素電圧測定器に接続される少なくとも１つの入力配線を備え、
第２の高周波伝送路は、少なくとも１つの減衰抵抗を介して前記複素電圧測定器に接続される少なくとも１つの入力配線を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の液相複素誘電率測定装置は、前記第１の高周波伝送路の入力配線は、該高周波伝送路の末端から少なくとも１つの減衰抵抗を介して前記複素電圧測定器に接続される第１の入力配線と、該高周波伝送路の基端から少なくとも１つの減衰抵抗を介して前記複素電圧測定器に接続される第２の入力配線とを備え、
前記第２の高周波伝送路の入力配線は、該高周波伝送路の長手方向に適宜間隔を有する２個所に、少なくとも各１つの減衰抵抗を介して前記複素電圧測定器に接続される第３および第４の入力配線を備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の液相複素誘電率測定装置は、前記第１の高周波伝送路、前記第２の高周波伝送路および前記試料は、単一のケースに収容されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の液相複素誘電率測定装置は、前記試料が液体試料であり、前記ケースの内部は、該液体試料を貯留するための空間部を有し、絶縁材料によって被覆された前記第１および第２の高周波伝送路が、前記空間部内において適宜間隔を有して平行平板状に配置されたものであることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の液相複素誘電率測定装置は、前記ケースは、内部空間が少なくとも２つの隔壁によって少なくとも３列の空間層が形成され、少なくとも中間層は試料が収容される試料空間であり、前記隔壁には前記第１および第２の高周波伝送路が配置されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の液相複素誘電率測定装置は、前記中間層以外の空間層は、試料が収容される試料空間であることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載の液相複素誘電率測定装置は、前記試料空間は、絶縁材料によって包囲されるものであることを特徴とする。
【００１６】
請求項８に記載の液相複素誘電率測定装置は、前記試料は、絶縁材料によって形成された容器に充満された液体試料であり、該容器は、前記試料空間に収容可能に構成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項９に記載の液相複素誘電率測定装置は、前記第１および第２の高周波伝送路の両端は、対向する前記ケースの側面にそれぞれ設けられる二組のコネクタにそれぞれ接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
前記構成により、高周波電力発生器から出力された大電力高周波信号は高周波伝送線路を介して整合された負荷抵抗で消費されるため高周波電力発生器には反射電力が入力されない。また、前記高周波伝送線路と前記対向配置した高周波伝送線路間に結合が生じるため、前記高周波電力発生器から出力された大電力高周波信号の一部は、前記対向配置した高周波伝送線路を伝わるが、前記対向配置した高周波伝送線路と接続された減衰抵抗で消費されるため複素電圧測定器には大電力は入力されない。
【００１９】
結果として、高周波電力発生器および複素電圧測定器を破壊することなく、高周波伝送線路と前記高周波伝送線路と対向配置した高周波伝送線路間に液体を配置することで液体に大電力を与えた場合の複素誘電率を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施に係る液相複素誘電率測定装置の構成図である。
【図２】実施例１に係る液相複素誘電率測定装置の構造図である。
【図３】実施例１に係る液相複素誘電率測定装置の断面図である。
【図４】複素電圧測定器７の測定端子１１で測定された複素電圧を基準とした測定端子８で測定された複素電圧比を表すグラフである。
【図５】複素電圧測定器７の測定端子１１で測定された複素電圧を基準とした測定端子１６で測定された複素電圧比を表すグラフである。
【図６】複素電圧測定器７の測定端子１１で測定された複素電圧を基準とした測定端子１３で測定された複素電圧比を表すグラフである。
【図７】実施例２に係る液相複素誘電率測定装置の構造図である。
【図８】実施例２に係る液相複素誘電率測定装置の断面図である。
【図９】実施例３に係る液相複素誘電率測定装置の構造図である。
【図１０】実施例３に係る液相複素誘電率測定装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施に係る液相複素誘電率測定装置について、図１を用いて説明する。図１は本発明に係る液相複素誘電率測定装置の構成図である。図１において、測定槽１は高周波伝送線路２と前記高周波伝送線路２と対向配置された高周波伝送線路３と、前記高周波伝送線路２、３で挟まれた液槽４からなる。前記高周波伝送線路２の一端は負荷抵抗５の一端および減衰抵抗６の一端と接続されている。
【００２２】
前記負荷抵抗５は前記高周波伝送線路２と整合されており、他端が接地されている。
【００２３】
減衰抵抗６の他端は複素電圧測定器７の１つめの測定端子８に接続されている。
【００２４】
前記高周波伝送線路２の他端は高周波電力発生器９および減衰抵抗１０の一端と接続されており、前記減衰抵抗１０の他端は前記複素電圧測定器７の２つめの測定端子１１に接続されている。
【００２５】
前記高周波伝送線路２と対向配置した高周波伝送線路３は一端が接地された減衰抵抗１２の他端および前記複素電圧測定器７の３つめの測定端子１３に接続された減衰抵抗１４の一端と接続されている。
【００２６】
前記高周波伝送線路３の他端は一端が接地された減衰抵抗１５の他端および前記複素電圧測定器７の４つめの測定端子１６に接続された減衰抵抗１７の一端と接続されている。
【００２７】
このような構成により、高周波電力発生器９から出力された大電力高周波信号は高周波伝送線路２を介して整合された負荷抵抗５で消費されるため、前記高周波電力発生器９には反射電力が入力されない。また、前記高周波伝送線路２と対向配置した高周波伝送線路３と間に結合が生じるため、前記高周波電力発生器９から出力された大電力高周波信号の一部は、高周波伝送線路３を伝わるが、前記対向配置した高周波伝送線路３と接続された減衰抵抗１２、１４、１５、１７で消費されるため複素電圧測定器７には大電力は入力されない。
【００２８】
結果として、高周波電力発生器９および複素電圧測定器７を破壊することなく、高周波伝送線路２と、前記高周波伝送線路２と対向配置した高周波伝送線路３との間に液体を配置することで液体に大電力を与えた場合の複素誘電率を測定することができる。
【００２９】
なお、減衰抵抗６と複素電圧測定器７の１つめの測定端子８の間に新たに一端が接地された減衰抵抗１８を接続してもよい。この場合、前記高周波伝送線路２から前記複素電圧測定器７に流れ込む電力をさらに減衰できるため、前記複素電圧測定器７を大電力から保護できる。
【００３０】
減衰抵抗１０と複素電圧測定器７の２つめの測定端子１１の間に新たに一端が接地された減衰抵抗１９を、減衰抵抗１４と複素電圧測定器７の３つめの測定端子１３の間に新たに一端が接地された減衰抵抗２０を、減衰抵抗１７と複素電圧測定器７の４つめの測定端子１６の間に新たに一端が接地された減衰抵抗２１を接続しても同様の効果を得ることができる。
【００３１】
なお、液体にかかる電力の大きさによって複素誘電率の実部が変化する場合がある。その場合、高周波伝送線路２と高周波電力発生器９の間で不整合が生じる。これは、負荷抵抗５のインピーダンスで調整できるため、負荷抵抗５は可変素子であることが望ましい。
【００３２】
なお、あらかじめ測定する液体のおおよその比誘電率が分かっている場合や小電力での比誘電率が分かっている場合は、液体を満たした状態で高周波伝送線路２と高周波電力発生器９の整合がとれるように高周波伝送線路２の線路幅を設計することが望ましい。これにより、前記高周波伝送線路２へ入力する電力を段階的に大きくしても前記高周波電力発生器９との整合のずれ範囲を小さくできる。したがって、整合を取るための負荷抵抗５でのインピーダンス調整範囲を小さくできる。
【００３３】
なお、前記液相複素誘電率測定装置の構成は前記高周波伝送線路２、３の間隔を任意の値に設定できるため、前記高周波伝送線路２、３の結合度を任意の値に設定できる。したがって、液体に加わる電力を容易に所望の値に設定できる。
【００３４】
さらに、前記液相複素誘電率測定装置の構成は前記高周波伝送線路２、３の対向している線路長を任意の値に設定できるため、前記高周波伝送線路２、３の結合度が最大となる周波数を任意の値に設定できる。したがって、容易に任意の周波数における液体の複素誘電率を測定することができる。
【実施例１】
【００３５】
続いて、図１中の破線で示される部分２２について、図２に、実施例１に係る液相複素誘電率測定装置の構造図を示し、図３に、該液相複素誘電率測定装置の断面図を示す。
【００３６】
前記液相複素誘電率測定装置は、液槽の交換が可能な金属箱３０をもち、その内部に高周波伝送線路２、３に挟まれた液槽４、前記高周波伝送線路２、３と前記金属箱３０の内部側面にそれぞれ挟まれた液槽１をもつ。前記高周波伝送線路２、３は、その両端を前記金属箱３０の対向面に設けられた二対二組のコネクタ３５を介して前記金属箱３０の外部と接続される。なお、前記金属箱３０に開口部分を設けてもよい。
【００３７】
前記液槽１および前記液槽４は、絶縁性素材により作られる前記液槽容器１ａおよび前記液槽容器４ａと被測定物１ｂ、４ｂにより構成される。なお、前記液槽容器１ａ、４ａに開口部を設けてもよい。
【００３８】
また、前記液槽１および前記液槽４の間の空隙を埋め、かつ前記高周波伝送線路２、３の機械的強度確保のため、前記液槽容器１ａおよび前記液槽容器４ａと素材を同じくし、前記高周波伝送線路２、３と厚さを同じくする保持材３１、３２、３３、３４を設けてもよい。
【００３９】
前記液槽１および前記液槽４により、前記高周波伝送線路２、３を伝搬する大電力高周波信号の位相速度は偶モード、奇モードで一致する。そのため、従来の方向性結合器と同様な手法により、前記高周波伝送線路２、３の線路幅と線路長、および前記高周波伝送線路２、３の間隔、前記高周波伝送線路２、３と前記金属箱３０の内部側面までの間隔を設計することができる。
【００４０】
また、被測定物を液槽に入れて測定するため、測定対象の交換が容易になる。
【００４１】
例として、淡水に大電力を与えた場合の高周波複素誘電率を測定する構成を示す。淡水のおおよその比誘電率は８１であるため、この比誘電率を用いて構成する。
【００４２】
前記高周波伝送線路２、３を線路幅５ｍｍ、線路長９１０ｍｍの板厚０．６ｍｍの銅板とする。前記金属箱３０の内部寸法は、前記高周波伝送線路２、３の間隔を１４ｍｍ、前記高周波伝送線路２、３と前記金属箱３０の内部側面までの間隔をそれぞれ１４ｍｍとし、前記高周波伝送線路２、３の両狭側面から前記金属箱３０の内部側面までの距離を４７．５ｍｍとし、前記高周波伝送線路２、３は前記金属箱３０の対向面に設けられた二対二組のコネクタ３５に接続できるように、前記金属箱３０のコネクタ３５のある対向面内部間隔は９１０ｍｍとなるようにする。また、前記金属箱３０は厚さ３ｍｍのアルミニウム板を同材質の１０ｍｍ角の角棒材とねじ止めすることで構成する。
【００４３】
前記液槽１、４は厚さ２ｍｍのアクリル板材で、１０ｍｍ角の同材質の棒材を挟み込み接着することで構成する。幅９０ｍｍ長さ８８０ｍｍのアクリル板材で、アクリル板の一方の長辺を開放するようにコの字配置された同材質の棒材を挟み接着することで外寸幅１４ｍｍ、高さ９０ｍｍ、長さ８８０ｍｍ、内寸幅１０ｍｍ、深さ８０ｍｍ、長さ８６０ｍｍの液槽ができる。これにより、被測定物１ｂ、４ｂに淡水を与えた場合、１０ＭＨｚ時に前記高周波伝送線路２、３の結合度が最大となる。
【００４４】
また、前記高周波伝送線路２、３の特性インピーダンスが前記高周波電力発生器９の特性インピーダンスと一致するように設計した。
【００４５】
以上の設計に基づく実施例１の液相複素誘電率測定器は１０ＭＨｚから１００ＭＨｚまでの高周波複素誘電率を測定することができる。
【００４６】
図４に、前記高周波電力発生器９で１４ＭＨｚの高周波電力を発生させ、前記高周波伝送線路２に入力した際に、複素電圧測定器７の測定端子１１で測定された複素電圧を基準とした前記複素電圧測定器７の測定端子８で測定された複素電圧の比、複素電圧比を、横軸を入力高周波電力として実部を実線、虚部を破線にて示している。
【００４７】
同様に、図５に、前記高周波電力発生器９で高周波電力を発生させ、前記高周波伝送線路２に入力した際に、前記測定端子１１で測定された複素電圧を基準とした前記複素電圧測定器７の測定端子１６で測定された複素電圧の比、複素電圧比を、横軸を入力高周波電力として実部を実線、虚部を破線にて示している。
【００４８】
同様に、図６に、前記高周波電力発生器９で高周波電力を発生させ、前記高周波伝送線路２に入力した際に、前記測定端子１１で測定された複素電圧を基準とした前記複素電圧測定器７の測定端子１３で測定された複素電圧の比、複素電圧比を、横軸を入力高周波電力として実部を実線、虚部を破線にて示している。
【００４９】
図４、５、６に示す複素電圧比は淡水の複素比誘電率に依存するため、これらの結果より解析的に複素比誘電率を求めることができる。
【００５０】
実施例１に係る高周波複素誘電率測定装置は線形回路であるため、前記高周波電力発生器９から前記高周波伝送線路２に入力した高周波電力を前記測定端子１１で測定した複素電圧と前記測定端子８、１３、１６で測定した複素電圧は比例の関係となる。したがって、前記測定端子１１の複素電圧と前記測定端子８、１３、１６の複素電圧の比は一定値をとる。それに対し、図４、５、６の結果は一定値をとっていない。したがって、淡水は大電力下では非線形な振る舞いを持つといえる。
【実施例２】
【００５１】
続いて、図１中の破線で示される部分２２について、図７に、実施例２に係る液相複素誘電率測定装置の構造図を示し、図８に、該液相複素誘電率測定装置の断面図を示す。
【００５２】
前記液相複素誘電率測定装置は金属箱４０をもち、その内部に高周波伝送線路２、３に挟まれた液槽４をもつ。前記高周波伝送線路２、３は、その両端を前記金属箱４０の対向面に設けられた二対二組のコネクタ４５を介して前記金属箱４０の外部と接続される。なお、前記金属箱４０に開口部分を設けてもよい。
【００５３】
前記液槽４は絶縁性素材により作られる前記液槽容器４ａと被測定物４ｂにより構成される。なお、前記液槽４に開口部を設けてもよい。
【００５４】
また、前記高周波伝送線路２、３の機械的強度確保のため、前記液槽容器１ａと素材を同じくした保持材４１、４２、４３、４４を設けてもよい。
【００５５】
前記液槽４のみで測定を行うため、測定に必要な前記被測定物は少量で済み、被測定物の交換も前記液槽４のみの交換で対応できるため、迅速な測定が可能である。
【００５６】
前記液槽４は、高周波伝送線路２もしくは３、と前記金属箱４０の内部側面の間に挟まれる位置においてもよい。
【実施例３】
【００５７】
続いて、図１中の破線で示される部分２２について、図９に、実施例３に係る液相複素誘電率測定装置の構造図を示し、図１０に、該液相複素誘電率測定装置の断面図を示す。
【００５８】
前記液相複素誘電率測定装置は液槽を兼ねる金属箱５０を持ち、内側は絶縁被膜５０ｂにより絶縁処理されている。なお、前記金属箱５０に開口部分を設けてもよい。
【００５９】
また、前記金属箱５０の内部に高周波伝送線路２ｂ、３ｂをもち、その外側はそれぞれ絶縁被膜２ａ、３ａにより絶縁処理されている。
【００６０】
前記絶縁被膜２ａ、３ａ、５０ｂにより、被測定物５１が電解質であった場合でも、金属部分の腐食を防止し、安定した測定を行うことができる。
【００６１】
前記高周波伝送線路２、３は、その両端を前記金属箱５０の対向面に設けられた二対二組のコネクタ５２を介して前記金属箱５０の外部と接続される。
【００６２】
前記液相複素誘電率測定装置自体が液槽を兼ねることにより、装置の構成が簡易になる。
【符号の説明】
【００６３】
２、３、２ｂ、３ｂ  高周波伝送路
２ａ、３ａ、５０ｂ  絶縁被膜
５  負荷抵抗
６、１０、１２、１４、１５、１７〜２１  減衰抵抗
７  複素電圧測定器
９  高周波電力発生器
３５、４５、５２  コネクタ
【図１】
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【図２】
2016109486.tif 000004
【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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