(57)【要約】【課題】口径に関係なく低濃度から高濃度まで精度よく測定できるマイクロ波濃度計を提供する。【解決手段】実施形態のマイクロ波濃度計の測定管は、金属製の外筒と、外筒の内周面に形成された絶縁層と、絶縁層上に当該測定管の管軸に沿って延在されて配置されたマイクロ波伝搬路と、を有し、測定対象の液体を流す。マイクロ波発振器は、マイクロ波を生成し、マイクロ波伝搬路に供給し、位相差判定回路は、マイクロ波伝搬路を伝搬したマイクロ波と元のマイクロ波との位相差を判定し、濃度演算器は、位相差判定回路の判定した位相差に基づいて測定対象の液体の濃度を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の外筒と、前記外筒の内周面に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に当該測定管の管軸に沿って延在されて配置されたマイクロ波伝搬路と、を有し、測定対象の液体を流す測定管と、
マイクロ波を生成するマイクロ波発振器と、
前記マイクロ波伝搬路を伝搬した前記マイクロ波と元のマイクロ波との位相差を判定する位相差判定回路と、
前記位相差判定回路の判定した位相差に基づいて前記測定対象の液体の濃度を算出する濃度演算器と、
を備えたマイクロ波濃度計。
【請求項２】
前記マイクロ波伝搬路は、前記管軸に沿って前記絶縁層上に直線状に形成されている、
請求項１記載のマイクロ波濃度計。
【請求項３】
前記マイクロ波伝搬路は、前記管軸に沿って前記絶縁層上に螺旋状に形成されている、
請求項１記載のマイクロ波濃度計。
【請求項４】
前記マイクロ波伝搬路が複数並列に設けられている、
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のマイクロ波濃度計。
【請求項５】
前記測定対象の液体の液温を測定する液温測定部を備え、
前記濃度演算器は、前記位相差判定回路の判定した位相差及び前記液温に基づいて前記測定対象の液体の濃度を算出する、
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のマイクロ波濃度計。
【請求項６】
測定対象の液体により生じるマイクロ波の位相遅れに基づいて前記測定対象の液体の濃度を算出するマイクロ波濃度計に用いられる測定管であって、
金属製の外筒と、
前記外筒の内周面に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に当該測定管の管軸に沿って延在されて配置されたマイクロ波伝搬路と、  を備えた測定管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、マイクロ波濃度計及び測定管に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物質を含む測定対象液体（測定対象液体）の流れる測定管又は測定対象液体を収納した容器を介して対向配置されたマイクロ波の送受信器を備えたマイクロ波濃度計が知られている。
【０００３】
マイクロ波濃度計においては、送信器から送信され測定対象液体を通過し受信器にて受信されたマイクロ波の位相遅れθ２と、予め測定対象物質を含まない液体（液体）を用いて測定しておいたマイクロ波の位相遅れθ１と、の位相差Δθを求めることにより測定対象液体における測定対象物質の濃度を測定する。
【０００４】
このようなマイクロ波濃度計においては、測定対象液体の誘電率が温度によって変化し、位相差△θに影響を与えることから、液体温度（液温）を測定して位相差Δθを補正する液温補正が一般に行なわれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−０３６９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、配管形のマイクロ波濃度計は、管軸と垂直な位置に送信アンテナと受信アンテナを対向して設けていた。
したがって、配管の口径が小さい場合は、アンテナ間の距離が短くなり、低濃度の場合は位相の変化が少ないため、十分な測定精度を得られない虞があった。
【０００７】
逆に配管の口径が大きい場合は、受信アンテナで十分な電波強度が得られないため、導電率などの制約が厳しくなるが、送信する電波を強めることは電波法への適用を考慮すると難しいため、弱い受信信号で精度よく測定するには、信号とノイズ（雑音）比（S/N比）を向上させる必要がある。
【０００８】
そこで、本発明は、口径に関係なく低濃度から高濃度まで精度よく測定できるマイクロ波濃度計及び測定管を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態のマイクロ波濃度計の測定管は、金属製の外筒と、外筒の内周面に形成された絶縁層と、絶縁層上に当該測定管の管軸に沿って延在されて配置されたマイクロ波伝搬路と、を有し、測定対象の液体を流す。
マイクロ波発振器は、マイクロ波を生成し、マイクロ波伝搬路に供給する。
これにより、位相差判定回路は、マイクロ波伝搬路を伝搬したマイクロ波と元のマイクロ波との位相差を判定し、濃度演算器は、位相差判定回路の判定した位相差に基づいて測定対象の液体の濃度を算出する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１実施形態のマイクロ波濃度計の取付状態の説明図である。
【図２】図２は、第１実施形態の測定管の構造説明模式図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ断面矢視図である。
【図４】図４は、第２実施形態の測定管の構造説明模式図である。
【図５】図５は、図４のＡ−Ａ断面矢視図である。
【図６】図６は、第３実施形態の測定管の構造説明模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に実施形態について詳細に説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態のマイクロ波濃度計の取付状態の説明図である。
マイクロ波濃度計１０は、濃度の測定対象の液体ＦＬが流れるとともに、内周面に液体ＦＬの流れ方向（管軸方向）に沿ってマイクロ波伝搬路１１が形成された測定管１２と、マイクロ波伝搬路１１に測定用マイクロ波Ｗを生成して出力するマイクロ波発振器１３と、マイクロ波発振器１３により出力された測定用マイクロ波Ｗを２系統に分離し、一方の系統の測定用マイクロ波Ｗ１をマイクロ波伝搬路１１に出力するパワースプリッタ１４と、パワースプリッタ１４により分離された他方の系統の測定用マイクロ波Ｗ２を位相比較用の基準位相マイクロ波として、マイクロ波伝搬路１１を介して供給された測定用マイクロ波Ｗ１と位相比較を行い位相差を判定する位相差判定回路１５と、位相差判定回路１５により判定された位相差及び温度センサ１６が出力した温度検出信号ＴＭに対応する液体ＦＬの液温に基づいて濃度測定対象の液体の濃度を算出する濃度演算器１７と、を備えている。
【００１２】
上記構成において、測定管１２は、ヘルール２１を用いて、被測定系の配管１０１に設けられたヘルール１０２にクランプ１０３により所定位置に取り付けられる。このとき、配管１０１のヘルール１０２と、測定管１２のヘルール２１との間には、リング状のガスケット１０４が挟み込まれて水密性を確保している。
【００１３】
ここで、第１実施形態の測定管１２の構造について説明する。
図２は、第１実施形態の測定管の構造説明模式図である。
図３は、図２のＡ−Ａ断面矢視図である。
測定管１２の両端には、測定対象システムの配管に接続するためのヘルール２１が設けられている。測定管１２の測定管本体２２は、金属製の外筒２３と、外筒２３の内周面にライニングされた絶縁層（誘電体層）２４と、を備えている。
【００１４】
絶縁層２４としては、測定対象の液体ＦＬに対する耐食性や、耐熱性等を考慮した材料を用いる必要がある。絶縁層２４の材料としては、例えば、フッ素樹脂やセラミクス等が挙げられる。また絶縁層２４の厚さとしては、０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度とされる。
【００１５】
この絶縁層２４の内周面の一部には、図１及び図２に示すように、マイクロ波伝搬路１１が設けられている。マイクロ波伝搬路１１は、図１に示すように、測定管１２の液体ＦＬの流れ方向（図１及び図２中、矢印ＦＬＷで表す）、すなわち、測定管１２の管軸ＡＸに沿って延在するように配置されている。
この結果、測定用マイクロ波Ｗ１と液体ＦＬは、互いに干渉し、液体ＦＬの濃度に応じて位相がずれることとなる。
【００１６】
次に第１実施形態の動作を説明する。
マイクロ波発振器１３は、測定用マイクロ波Ｗを生成する。
マイクロ波発振器１３で生成された測定用マイクロ波Ｗは、パワースプリッタ１４により、測定用マイクロ波Ｗ１及び測定用マイクロ波Ｗ２に分離される。そして、測定用マイクロ波Ｗ１は、測定管１２内に濃度測定対象の液体ＦＬが満管になっている状態で、マイクロ波伝搬路１１に出力される。ここで、満管とは、測定管１２内が隙間なく液体ＦＬで満たされている状態をいう。
一方、測定用マイクロ波Ｗ２は、位相差判定回路１５に出力される。
【００１７】
これによりマイクロ波伝搬路１１は、測定対象の液体ＦＬに接触した状態で測定用マイクロ波Ｗ１を伝搬させる。このとき測定用マイクロ波Ｗ１の特性は、外筒２３の金属と絶縁層２４を構成している材料の種類と厚さが同一条件であれば、蒸着したマイクロ波伝搬路１１（アンテナ）と被測定対象の境界条件で決定される。すなわち、測定対象の液体ＦＬの濃度に応じた伝搬特性が得られる。すなわち、元の測定用マイクロ波Ｗ（＝測定用マイクロ波Ｗ２）の位相に対して、濃度に応じて位相がずれることとなる。
【００１８】
従って、位相差判定回路１５は、入力された測定用マイクロ波Ｗ１の位相と、測定用マイクロ波Ｗ２の位相と、に基づいて位相差θ２を算出し、濃度演算器１７に出力する。
そして濃度演算器１７は、被測定対象が水の場合の伝搬特性（位相差θ１）を基準とし、測定対象の液体ＦＬの伝搬特性（位相差θ２）との差（θ２−θ１）から濃度を演算する。
【００１９】
より詳細には、濃度演算器１７は、水の場合の液温と伝搬特性の関係を予め記憶しておき、温度センサ１６が出力した温度検出信号ＴＭに対応する液体ＦＬの液温に基づいて、液温による伝搬特性の変化を差し引いた差（θ２’−θ１）から濃度を演算する。
【００２０】
第１実施形態によれば、マイクロ波伝搬路１１を測定管１２の管軸ＡＸに沿って延在させるように形成することで、マイクロ波伝搬路１１を長く設けることができるので、低濃度であっても、位相差（θ２’−θ１）を大きくすることができ、測定対象系の配管１０１、ひいては、測定管１２が小口径（１０ｍｍ以下）の場合でも、低濃度から高濃度まで広範囲で高精度な濃度測定が可能となる。
したがって、小口径の製造プロセスが多い、食品、医薬品などの分野での濃度管理に適用ができる。
【００２１】
［２］第２実施形態
上記第１実施形態では、マイクロ波伝搬路が一つ設けられている場合の実施形態であったが、本第２実施形態は、マイクロ波伝搬路を複数（具体的には、３個）設けた場合の実施形態である。
【００２２】
ここで、第２実施形態の測定管１２の構造について説明する。
図４は、第２実施形態の測定管の構造説明模式図である。
図５は、図４のＡ−Ａ断面矢視図である。
なお、図４及び図５において、第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付すものとし、その説明を援用する。
【００２３】
第２実施形態のパワースプリッタ１４は、マイクロ波発振器１３により出力された測定用マイクロ波Ｗを４系統に分離し、第１の系統の測定用マイクロ波Ｗ１１をマイクロ波伝搬路１１Ａに出力し、第２の系統の測定用マイクロ波Ｗ１２をマイクロ波伝搬路１１Ｂに出力し、第３の系統の測定用マイクロ波Ｗ１３をマイクロ波伝搬路１１Ｃに出力し、第４の系統の測定用マイクロ波Ｗ２を位相差判定回路１５に出力する。
【００２４】
また、第２実施形態の位相差判定回路１５は、パワースプリッタ１４により分離された第４の系統の測定用マイクロ波Ｗ２を位相比較用の基準位相マイクロ波として、マイクロ波伝搬路１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを介して供給された測定用マイクロ波Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３とそれぞれ位相比較を行いそれぞれ位相差を判定する。
【００２５】
また第２実施形態の測定管１２の絶縁層２４の内周面の一部には、図５に示すように、３個のマイクロ波伝搬路１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが設けられている。マイクロ波伝搬路１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、図４に示すように、測定管１２の液体ＦＬの流れ方向（図４中、矢印ＦＬＷで表す）、すなわち、測定管１２の管軸ＡＸに沿って延在するように配置されている。
【００２６】
この結果、測定用マイクロ波Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３と測定対象の液体ＦＬは、互いに干渉し、液体ＦＬの濃度に応じてそれぞれ位相がずれることとなる。
【００２７】
次に第２実施形態の動作を説明する。
マイクロ波発振器１３は、測定用マイクロ波Ｗを生成する。
マイクロ波発振器１３で生成された測定用マイクロ波Ｗは、パワースプリッタ１４により、測定用マイクロ波Ｗ１１、測定用マイクロ波Ｗ１２、測定用マイクロ波Ｗ１３及び測定用マイクロ波Ｗ２に分離される。そして、測定管１２内に濃度測定対象の液体ＦＬが満管になっている状態で、測定用マイクロ波Ｗ１１はマイクロ波伝搬路１１Ａに出力され、測定用マイクロ波Ｗ１２はマイクロ波伝搬路１１Ｂに出力され、測定用マイクロ波Ｗ１３はマイクロ波伝搬路１１Ｃに出力される。
一方、測定用マイクロ波Ｗ２は、位相差判定回路１５に出力される。
【００２８】
これによりマイクロ波伝搬路１１Ａは、測定対象の液体ＦＬに接触した状態で測定用マイクロ波Ｗ１１を伝搬させ、マイクロ波伝搬路１１Ｂは、測定対象の液体ＦＬに接触した状態で測定用マイクロ波Ｗ１２を伝搬させ、マイクロ波伝搬路１１Ｃは、測定対象の液体ＦＬに接触した状態で測定用マイクロ波Ｗ１３を伝搬させる。
【００２９】
このとき測定用マイクロ波Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３の特性は、外筒２３の金属と絶縁層２４を構成している材料の種類と厚さが同一条件であれば、蒸着したマイクロ波伝搬路１１Ａ〜１１Ｃ（アンテナ）と被測定対象の境界条件でそれぞれ決定され、測定対象の液体ＦＬの濃度に応じた伝搬特性が得られる。すなわち、元の測定用マイクロ波Ｗ（＝測定用マイクロ波Ｗ２）の位相に対して、接触している液体ＦＬの各部の濃度に応じて位相がそれぞれずれることとなる。
【００３０】
従って、位相差判定回路１５は、入力された測定用マイクロ波Ｗ１１の位相と、測定用マイクロ波Ｗ２の位相と、に基づいて位相差θ２１を算出し、入力された測定用マイクロ波Ｗ１２の位相と、測定用マイクロ波Ｗ２の位相と、に基づいて位相差θ２２を算出し、入力された測定用マイクロ波Ｗ１３の位相と、測定用マイクロ波Ｗ２の位相と、に基づいて位相差θ２３を算出し、濃度演算器１７に出力する。
【００３１】
そして濃度演算器１７は、被測定対象が水の場合の伝搬特性（位相差θ１）を基準とし、測定対象の液体ＦＬの伝搬特性（位相差θ２１）との差（θ２１−θ１）から濃度を演算し、測定対象の液体ＦＬの伝搬特性（位相差θ２２）との差（θ２２−θ１）から濃度を演算し、測定対象の液体ＦＬの伝搬特性（位相差θ２３）との差（θ２３−θ１）から濃度を演算し、求めた３系統の濃度の平均値を測定対象の液体ＦＬの濃度とする。
【００３２】
なお、この場合においても、液体ＦＬの液温に基づいて、液温による伝搬特性の変化を差し引いた差から濃度を演算するようにしている。
したがって、第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、複数の伝搬路からの位相差を平均することで、測定管内の濃度ムラの影響や測定誤差を低減することができる。
【００３３】
［３］第３実施形態
以上の各実施形態においては、マイクロ波伝搬路が直線状に配置されていたが、第３実施形態は、マイクロ波伝搬路を螺旋状に形成した場合の実施形態である。
図６は、第３実施形態の測定管の構造説明模式図である。
絶縁層２４の内周面には、図６に示すように、マイクロ波伝搬路１１Ｄが測定管１２の管軸ＡＸを中心として螺旋状に形成されている。
【００３４】
第３実施形態の構成によれば、第１実施形態及び第２実施形態と比較して、より一層、マイクロ波伝搬路１１Ｄの伝搬経路長を長くできるとともに、測定管の全周にわたって測定が行えるため、得られる位相差は、第２実施形態の測定結果と同様に、平均化された濃度に対応するものとなる。
【００３５】
したがって、本第３実施形態によっても、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、第２実施形態と同様に、螺旋状のマイクロ波伝搬路を複数設けるように構成することも可能である。
【００３６】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００３７】
例えば、以上の説明においては、マイクロ波伝搬路１１、１１Ａ〜１１Ｃは、測定管１２の管軸ＡＸと平行となるように配置されていたが、管軸ＡＸと所定角度をなすように斜めに配置することも可能である。
また、マイクロ波伝搬路は、ジグザグ形状、サインカーブ形状など様々な形状とすることが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０    マイクロ波濃度計
１１、１１Ａ〜１１Ｄ  マイクロ波伝搬路
１２    測定管
１３    マイクロ波発振器
１４    パワースプリッタ
１５    位相差判定回路
１６    温度センサ
１７    濃度演算器
２１    ヘルール
２２    測定管本体
２３    外筒
２４    絶縁層
ＡＸ    管軸
ＦＬ    液体
ＴＭ    温度検出信号
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ１１〜Ｗ１３    測定用マイクロ波
【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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