JP5683376B2 - 混合濃度測定用センサー装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検出流体の濃度を静電容量方式により検知するセンサー装置に関する。

図１１は特許文献１に記載されたセンサー装置を示す。
上流側の流体配管２５から下流側の流体配管２７に向かって流れる被検出流体Ｓを静電容量と温度で検出するために、流体配管２５が接続されるパイプ６１と、流体配管２７が接続されるパイプ６２と、パイプ６１とパイプ６２の間に挟まれた中間パイプ６３とで、流体通路６４を形成している。中間パイプ６３の内側の流体通路６４には、内部電極６５が支持部材６６を介して取り付けられている。ここでは、中間パイプ６３が外部電極であって、内部電極６５は支持部材６６によって中間パイプ６３とは電気的に絶縁して取り付けられている。温度センサ６７は、検知部６８が支持部材６６に熱的に結合して、間接的に内部電極６５の温度を検出している。

このようにして、中間パイプ６３と内部電極６５の間の静電容量値と、温度センサ６７による検出温度とに基づいて、被検出流体Ｓの濃度などの状態を検出している。
また、図１２は特許文献２に記載されたセンサー装置を示す。

パイプ７０，７１は略Ｔ字形状に接合されており、パイプ７０の一端の流入口７０ａから流入した被検出流体Ｓが、パイプ７１の一端の流出口７１ａから流出する。パイプ７０の他端は電極挿入部７２で閉塞されている。内部電極７３は、パイプ７０の前記他端からパイプ７０の前記一端に向かって挿入されている。７４はパイプ７０の外周面に取り付けられた温度センサである。

このようにして、パイプ７０と内部電極７３の間の静電容量値と、温度センサ７４による検出温度とに基づいて、被検出流体Ｓの濃度などの状態を検出している。

特表２００９−５０５０７４号公報 特許第２６３９７５３号公報

しかしながら、図１１の第１従来例では、流体通路６４内の棒状の内部電極６５が、支持部材６６によって一箇所のみで保持されており、被検出流体Ｓの流速や粘度により支持部材６６への余分なストレスが掛かってしまう。支持部材６６への余分なストレスにより、内部電極６５の振動や位置ズレなどが発生する可能性が高いため、支持部材６６を太くするか、電極間距離を広くするなどの対応が一般的だが、電極間距離が広がることによる検出精度の低下は免れない。また、流体通路の断面積が不均一となり被検出流体Ｓの流れが乱れるため、経時的に被検出流体Ｓをセンシングする際に検出精度が不安定になり、被検出流体Ｓの細かな特性変化に気づき難いという課題を有している。

図１２の第２従来例の場合も同様で、内部電極７３の一端だけが電極挿入部７２で支持されているため、内部電極７３の振動や位置ズレなどが発生する可能性が高い。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、被検出流体Ｓの流速や粘度にかかわらず、長期間にわたって高精度の検出が可能なセンサー装置を提供することを目的とする。

本発明の混合濃度測定用センサー装置は、筒状のケーシングの内側の通路に配置された筒状の外部電極と、前記外部電極の内側に前記外部電極と同心軸上に配置されるように前記通路の一端と他端の方向の複数個所が支持部材を介して前記ケーシングに連結された内部電極と、前記ケーシングの端部に取り付けられて内周通路が前記外部電極の内周と前記内部電極の外周との間に形成されている検出通路に連通したブラケットとを設け、前記外部電極と前記内部電極の間の通路を通過する被検出流体の状態を、前記外部電極と前記内部電極の間の静電容量に基づいて検出する混合濃度測定用センサー装置であって、中央に前記内部電極が貫通する孔が形成された電気絶縁体の第１部材が、前記外部電極の両端に装着され、中央に前記内部電極が貫通する孔が形成された電気導体の第２部材を前記第１部材の外側に装着するとともに、この第２部材の内周面と前記内部電極の外周面の間を電気導体の前記支持部材によって連結され、前記外部電極が装着された第１部材と前記内部電極が装着された第２部材を、前記ケーシングの内側の通路に挿入して、前記ケーシングの内側の通路における径方向の位置が位置決めされ、前記ケーシングの端部に前記ブラケットを取り付けて前記ケーシングの内側の通路における、前記外部電極，前記内部電極，前記第１部材，前記第２部材の、前記通路の一端と他端の方向の位置が位置決めされ、前記外部電極と前記第１部材の間、前記第１部材と前記第２部材の間、前記第２部材と前記ブラケットの間を、それぞれシール材でシールして、被検出流体が前記外部電極と前記内部電極の間を流れるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、内部電極が外部電極の内側に同心軸上に保持されるように、内部電極の前記通路の一端と他端の方向の複数個所を、支持部材を介してケーシングによって支持したため、内部電極の位置を正確に保持することができ、長期間にわたって高い検出精度を確保することができる。

本発明の実施の形態１におけるセンサー装置の概略断面図 同実施の形態の組み立ての工程図 図２の要部の拡大断面図 図１におけるＡ−Ａ断面図 図１におけるＢ−Ｂ断面図 実施例１のウレタン発泡設備の構成図 同実施例１の静電容量測定結果の入出力特性図 実施例２のウレタン発泡設備の構成図 実施例２の静電容量測定結果の入出力特性図 本発明の実施の形態２における要部の拡大断面図 特許文献１に記載された従来のセンサー装置の断面図 特許文献２に記載された従来のセンサー装置の断面図

以下、本発明の各実施の形態を、図１〜図１０に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図５は実施の形態１のセンサー装置２０を示す。

このセンサー装置２０は、筒状のケーシング２１の内側の通路に固定された筒状の外部電極２２と、外部電極２２と同心軸上に外部電極２２の内側に配置された内部電極２３と、ケーシング２１の端部に取り付けられたブラケット２４ａ，２４ｂを有している。被検出流体Ｓは、ブラケット２４ａに連結された流体配管２５から流入する。

センサー装置２０に入った被検出流体Ｓは、外部電極２２の内周と内部電極２３の外周との間に形成されている検出通路２６を流れてブラケット２４ｂを介して、ブラケット２４ｂに連結された流体配管２７から流出する。

両端の形状が円錐形状の内部電極２３は、検出通路２６の一端と他端の方向の複数個所、ここでは２個所が支持部材２８ａ，２８ｂを介してケーシング２１によって支持されている。なお、内部電極２３の長さは外部電極２２の長さよりも長く、支持部材２８ａ，２８ｂの位置は、外部電極２２と内部電極２３との対向部よりも外側である。

組み立て工程に基づいて構成を詳しく説明する。
図２（ａ）に示すように、中央に孔２９が形成された電気絶縁体の第１部材３０ａ，３０ｂを、外部電極２２の両端に装着する。

第１部材３０ａ，３０ｂの外側に、中央に孔３１が形成された電気導体の第２部材３２ａ，３２ｂを装着するとともに、この第２部材３２ａ，３２ｂの内周面と内部電極２３の外周面の間を電気導体の支持部材２８ａ，２８ｂによって連結している。

また、外部電極２２，第１部材３０ａ，第２部材３２ａの内周とブラケット２４ａの内部通路Ｅとは、面一に形成されている。外部電極２２，第１部材３０ｂ，第２部材３２ｂの内周とブラケット２４ｂの内部通路Ｅも、面一に形成されている。

具体的には、図３に示すように、第２部材３２ａに形成された貫通孔３３と支持部材２８ａの中心孔３４にボルト３５を通して、ボルト３５の先端を内部電極２３に螺合させて締める。第２部材３２ｂの側も同様にボルト留めする。

外部電極２２の端部の外周と第１部材３０ａの内周面の当接面がＯリング３６によってシールされている。第１部材３０ａと第２部材３２ａとの当接面がＯリング３７によってシールされている。第１部材３０ｂと第２部材３２ｂとの当接面も、Ｏリング３８によってシールされている。第１部材３０ｂと第２部材３２ｂとの当接面がＯリング３９によってシールされている。

次ぎに、図２（ｂ）に示すように、外部電極２２が装着された第１部材３０ａ，３０ｂと内部電極２３が装着された第２部材３２ａ，３２ｂを、ケーシング２１の内側の通路に挿入して、ケーシング２１の内側の通路における径方向の位置が位置決めされる。第１部材３０ａの外周面とケーシング２１の内周面との間をＯリング４０によってシールし、第１部材３０ｂの外周面とケーシング２１の内周面との間がＯリング４１によってシールされている。

図２（ｃ）では、ケーシング２１の端部にブラケット２４ａ，２４ｂをボルト４２によって取り付ける。第２部材３２ａとブラケット２４ａとの当接面がＯリング４３によってシールされ、第２部材３２ｂとブラケット２４ｂの当接面がＯリング４４によってシールされている。なお、ブラケット２４ａ，２４ｂの内周Ｅは、内部電極２３の端部の円錐形状に沿ってテーパー状に形成されている。

このように組み立てられた後に、ケーシング２１の孔４５から露出している外部電極２２の外周面に、温度センサ４６を熱的に結合させ、図１に示すようにケーシング２１の外周面に孔４５に連通するように筒４７が取り付けられている。

図４は、図１におけるＡ−Ａ矢視の部分断面図である。図５は、図１におけるＢ−Ｂ矢視の部分断面図である。
このように構成したため、外部電極２２と内部電極２３の間の静電容量値を測定し被検出流体Ｓの薬液濃度を判定する。このとき、比誘電率は被検出流体Ｓの濃度以外に温度によっても変化するものであるため、温度センサ４６を設置している。なお、外部電極２２と内部電極２３の間の静電容量値の測定、ならびに温度センサ４６については、かかる測定を実施するために公知の技術を利用する。

流体配管２５から流入してセンサー装置２０を通過し流体配管２７から流出する流路の断面積が、支持部材２８ａ，２８ｂの設置箇所以外で、内部電極２３とブラケット２４ａ，２４ｂとの間の流路の断面積と、内部電極２３と外部電極２２との間の流路の断面積が、ほぼ同一となるように、内部電極２３の両端を円錐形状とし、ブラケット２４ａ，２４ｂの内周面も内部電極２３の端部に沿ったテーパー状に形成したため、検出通路２６を流れる被検出流体Ｓの流れを層流とできる。

内部電極２３の円錐部の角度は、最大角度が、６０度より大きいと、流体の抵抗が大きく、センサーに力がかかり、安定した測定ができない。最小角度が１０度より小さいと、センサーの厚みが薄くなり、センサーがゆがんだり、曲がったりし、測定ができない。よって、１０〜６０度の範囲がよい。さらに、最大角度が、６０度から４５度となると、流体の抵抗が下がり、さらに、被検出流体のほとんどが層流となり、測定が安定し、測定精度が上がる。最小角度が、１０度から２０度となると、強度が向上し、さらに、円錐部の軸方向の長さが短くなり、センサーの全長が短くなるので、測定精度が向上する。よって、２０〜４５度の範囲がより好ましい。

図示の例では、内部電極２３の円錐部の角度を両側とも２５度に設定し、流体通路２６の断面積が一定になるように構成している。
内部電極２３の下流端の円錐形状をなくすと、内部電極２３の下流側付近で流体が渦を巻き、その近傍の流れが乱れてしまう。図１に示したように、センサー装置２０の検出通路２６が一直線上になる場合は、両端を円錐形状に設定するほうが好ましい。

支持部材２８ａ，２８ｂは、被検出流体Ｓの流動抵抗を極力軽減するために円柱形状に設定しており、直径はφ１〜３ｍｍ程度が望ましい。センサー装置２０の検出範囲は外部電極２２と内部電極２３との対向長さで決定しており、支持部材２８ａ，２８ｂの間の内部電極２３と対向するように、この内部電極２３の外側に外部電極２２を設けることで、支持部材２８ａ，２８ｂを設けたにもかかわらず、検出範囲は均一な断面積の円筒状を成す。

かかる構成によれば、内部電極２３の両端を支持部材２８ａ，２８ｂを介してケーシング２１から支持して、内部電極２３の位置を正確に保持するとともに、内部電極２３の両端を円錐形状にして流体通路の断面積を均一にし、被検出流体を可能な限り層流状態に近づけることで、より高い検出精度を確保することができる。

仮に、内部電極２３が円柱形状で片側だけをケーシング２１から支持した構成である場合、図１１における支持部材６６の根元部や図１２における電極挿入部７２の流体通路側の端部より内部電極が径方向に撓み易くなり、電極間距離が狭まることで測定精度が変わってくる。このような撓みが発生すると、流体の圧力により徐々に撓み量が大きくなり、測定精度も徐々に変化することになる。例えば、電極間距離が５ｍｍの場合に０．５ｍｍの撓み（ズレ）が発生すると検出精度は約１０％変化することになる。また、この現象は閉空間で発生するため発見が遅れがちになり、内部電極が外部電極に接してしまった場合は検出不能となる。

なお、上記の実施の形態において内部電極２３は、図４および図５に示すように両側とも円柱状の支持部材２８ａ，２８ｂを介して４方向で溶着固定しているが、用途に応じて２方向や３方向としても良い。

（実施例１）
図６はセンサー装置２０を、冷蔵庫断熱材用のウレタン発泡設備の原料供給配管に介装した具体的な実施例を示している。

本設備は第１の原料５１（ポリオール成分）に、発泡剤となる第２の原料５２（シクロペンタン）を混合させたプレミックス原料５３からなる循環型原料供配管と、第３の原料５４（イソシアネート成分）の循環型原料供給配管と、両原料を混合吐出させるミキシングヘッド５５から成り、冷蔵庫などの断熱筐体へウレタン原料を注入させる生産設備である。

第１の原料５１と第２の原料５２を混合するためにスタティックミキサーに代表される液―液混合器５６を用いている。なお、本生産設備では発泡剤となる第２の原料５２にシクロペンタンを用いていることから、本生産設備にて使用するセンサー装置２０は本質安全防爆仕様とする。

ここで、第１の原料５１と第２の原料５２の混合比の重要性について述べる。
第２の原料５２は発泡剤であるため、混合、吐出後の流動性に大きく関係する。冷蔵庫などの断熱筐体に混合原料注入直後から時間経過と共に反応が進行し硬化していくが、発泡剤が少な過ぎると発泡倍率が少なくなるため断熱筐体の隅々まで行き渡らず充填不良となり、断熱性能が失われることに加え筐体強度も低下する。また、発泡剤が多過ぎると過度の充填となってしまい筐体の変形やウレタン漏れなどの品質不良の原因となる。このため、発泡剤となる第２の原料５２の濃度管理が重要となる。

本実施の形態１では第１の原料５１と第２の原料５２が混合された下流側の原料供給配管にセンサー装置２０を設置し、第１の原料５１に対する第２の原料５２の混合割合Ｘを１ｗｔ％ずつ変更させた３水準（Ｘ−１／Ｘ／Ｘ＋１ｗｔ％）の原料を用い、静電容量値が温度によって変化する特性を考慮し原料温度を３水準（２１／２３／２５℃）にて測定した。

この実施例で用いる原料の比誘電率は、第１の原料５１が約１１．１、第２の原料５２が約２．６を示しており、高い比誘電率の物質の中に低い比誘電率の物質を混合させることから、混合割合Ｘが増加すれば求める静電容量値は減少すると予測できる。

センサー装置２０は、電極間距離２．８ｍｍ／検出長さ１００ｍｍの均一断面円筒形状の検出範囲を有し、発振部より２００ｋＨｚの発振周波数を印加後、周波数―電圧変換回路により直流電圧に変換出力される。出力電圧は直流電圧０〜１０Ｖの範囲で検出され、１０ｐＦの静電容量変動に対し１０Ｖ変化するように調整されている。

図７はこの場合の静電容量測定結果である。
原料温度が低いほど静電容量値は高くなり、原料温度の影響を受け易いことが分かる。どの混合割合の原料においても高い直線性を示していることから、被検出流体の温度管理を同時に行うことで容易に温度補正が可能となり、原料濃度検出に有効であることが分かる。よって、発泡ポリウレタン断熱材およびそれを用いた断熱箱体の発泡品質を向上させることができる。

なお、電極間距離２．８ｍｍ／検出長さ１００ｍｍの検出範囲としたが、被検出流体Ｓの比誘電率に応じて適当な寸法設定にしても良い。
（実施例２）
図８は、ミキシングヘッド５５の上流側で略大気圧で沸点が零度以下の発泡剤５７（二酸化炭素）を混合している点が図６とは異なっている。この混合経路は特開２０１０−１３８２３９号に示されたものである。その他は図６と同じである。

新たに混合される発泡剤５７は略大気圧雰囲気に置かれると気化してプレミックス原料５３に気泡が発生するため、８〜１３ＭＰａ程度の高圧雰囲気下で、液―液混合器５８などを用いることが望ましい。プレミックス原料５３と発泡剤５７は液―液混合器５８で混合された後、ミキシングヘッド５５にて第２の原料５２と混合され、系外へ吐出される。吐出された原料には、略大気圧で容易に気化する発泡剤５７を含有しているので、吐出後直ちに発泡が開始される。発泡剤５７の混合割合はプレミックス原料５３に対し０．１〜１ｗｔ％程度が最もよく利用される。そのため、実施の形態１と同様に発泡剤５７の混合量と吐出時間における混合分布を検出し管理することは、発泡品質に大きく関わってくる。なお、発泡剤５７は吐出タイミングに応じて混合されるため、循環型原料供給配管に戻ることはない。

これまでの混合量検出方法として、コリオリ式流量計を代表される公知の流量計で発泡剤５７の混合量検出が試みられてきた。コリオリ式流量計とは、Ｕ字型のフローチューブ内を被検出流体が流れることにより２つの脚（チューブ）の間で逆方向のコリオリの力が作用し、チューブがねじられ、チューブのねじれ角度を測定すれば流量が分かるというコリオリの力を利用した流量計である。しかし、このコリオリ式流量計はＵ字型のフローチューブを有しており、そこで発生する圧力損失や振動の影響が設備配管上にセンサー装置を設置する大きな課題に挙げられていた。本発明でターゲットとする発泡剤５７の混合量はプレミックス原料３に対し０．１〜１ｗｔ％程度と少なく、コリオリ式流量計を用いる場合はさらに感度を上げるためにフローチューブを細くする必要が有り、フローチューブ内の圧力損失や振動の影響が出るなどの理由から、発泡剤５７の正確な検出ができないという課題がある。

この実施例２では、混合割合が実施例１とは大きく異なるため、センサー固有の電極容量を適正化する必要があり、センサー装置２０の電極間距離１．６５ｍｍ／検出長さ１３５ｍｍの検出範囲に変更している。

図９は実施例２における静電容量測定結果である。
山形の波形Ｄ１は、前述のコリオリ式流量計によるＣＯ_２流量の測定結果を示し、凹形の波形Ｄ２が、センサー装置２０による測定結果を示す。両者とも実吐出時間Ｔ１は５秒であるが、前者のコリオリ式流量計による測定では、流量ピークまでの応答性が悪い上、実吐出時間を超えて測定を続けているため、実際にどのくらいの発泡剤５７が混合されたのか判断ができない。一方のセンサー装置２０による測定では、静電容量ピークまでの応答時間が約１秒、吐出終了時の初期値復帰までの応答時間が０．３秒以内を示しており、より高精度な測定ができると言える。また、波形の状態をより詳しく検出可能なことで混合分布をより正確に検出することが可能となる。

（実施の形態２）
図１０は本発明の実施の形態２のセンサー装置２０を示す。
実施の形態１では、内部電極２３と第２部材３２ａ，３２ｂの間を、支持部材２８ａ，２８ｂを挟んでボルト締めしていたが、この実施の形態２では、内部電極２３と第２部材３２ａ，３２ｂの間を、支持部材２８ａ，２８ｂを挟んで溶着固定している点だけが実施の形態１とは異なっている。

その加工工程は、第２部材３２ａの貫通孔３３に支持部材２８ａを挿入し、支持部材２８ａの先端を内部電極２３に当接させる。このとき、第２部材３２ａと内部電極２３との間隔を規定値に維持するために、第２部材３２ａと内部電極２３の間に電気絶縁性の間隔形成用治具４８を挟む。このようにして第２部材３２ａと内部電極２３の間隔を規定値に維持した状態で、支持部材２８ａを内部電極２３に押し付けながら内部電極２３と支持部材２８ａの間に通電して、支持部材２８ａの先端を内部電極２３に熔着させる。

次ぎに、支持部材２８ａと第２部材３２ａの間に通電して、支持部材２８ａを第２部材３２ａに熔着させる。
支持部材２８ｂと内部電極２３，支持部材２８ｂと第２部材３２ｂとの熔着も同様に実施し、その後に全ての間隔形成用治具４８を取り外す。

このように内部電極２３と第２部材３２ａ，３２ｂの間を、支持部材２８ａ，２８ｂを挟んで溶着固定することによって、実施の形態１のボルト固定の場合に比べて、検出通路２６に占める支持部材２８ａ，２８ｂの面積を小さくすることができ、流量検出精度の向上を期待できる。

本発明のセンサー装置は、被検出流体中の混合物の混合濃度を正確に検知することができるため、被検出流体を用いて製造する部品や製品の品質を向上させることができる。

２０ センサー装置
２１ ケーシング
２２ 外部電極
２３ 内部電極
２４ａ，２４ｂ ブラケット
２５ 流体配管
２６ 検出通路
２７ 流体配管
２８ａ，２８ｂ 支持部材
２９ 孔
３０ａ，３０ｂ 第１部材
３１ 孔
３２ａ，３２ｂ 第２部材
３３ 貫通孔
３４ 支持部材２８ａの中心孔
３５，４２ ボルト
３６〜４１，４３，４４ Ｏリング
４５ ケーシング２１の孔
４６ 温度センサ
４７ 筒
Ｓ 被検出流体
Ｅ ブラケット２４ａ，２４ｂの内周通路

Claims (2)

1. 筒状のケーシングの内側の通路に配置された筒状の外部電極と、
   前記外部電極の内側に前記外部電極と同心軸上に配置されるように前記通路の一端と他端の方向の複数個所が支持部材を介して前記ケーシングに連結された内部電極と、
   前記ケーシングの端部に取り付けられて内周通路が前記外部電極の内周と前記内部電極の外周との間に形成されている検出通路に連通したブラケットと
   を設け、
   前記外部電極と前記内部電極の間の通路を通過する被検出流体の状態を、前記外部電極と前記内部電極の間の静電容量に基づいて検出する混合濃度測定用センサー装置であって、
   中央に前記内部電極が貫通する孔が形成された電気絶縁体の第１部材が、前記外部電極の両端に装着され、
   中央に前記内部電極が貫通する孔が形成された電気導体の第２部材を前記第１部材の外側に装着するとともに、この第２部材の内周面と前記内部電極の外周面の間を電気導体の前記支持部材によって連結され、
   前記外部電極が装着された第１部材と前記内部電極が装着された第２部材を、前記ケーシングの内側の通路に挿入して、前記ケーシングの内側の通路における径方向の位置が位置決めされ、
   前記ケーシングの端部に前記ブラケットを取り付けて前記ケーシングの内側の通路における、前記外部電極，前記内部電極，前記第１部材，前記第２部材の、前記通路の一端と他端の方向の位置が位置決めされ、
   前記外部電極と前記第１部材の間、前記第１部材と前記第２部材の間、前記第２部材と前記ブラケットの間を、それぞれシール材でシールして、被検出流体が前記外部電極と前記内部電極の間を流れるようにした
   混合濃度測定用センサー装置。
2. 前記外部電極に温度センサーが熱結合している
   請求項１記載の混合濃度測定用センサー装置。

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