JP5745044B2 - 水分を測定するための容量電極構造 - Google Patents

Description

本発明は、水分の工業的測定に関し、特に工業処理で加工される生成物の水分を測定するための装置に関する。

水分を測定するための機器は、多数の物質サンプル中に存在する水分を測定するように適合された器具であり、幾つかの用途を有しており、実際に食品産業、化学産業、医薬産業で使用されている。

水分を測定するための異なる種類の機器が存在する。

例えば、国際特許出願公開第8903527号は、容量プローブと、水分含有量に対応する信号を得るために探知された材料の誘電率を得る対応する回路とを備える、水分を測定するための携帯型電子器具について記載する。前記プローブは、探知された材料の温度を得る温度プローブを更に備え、前記回路は、水分含有量の得られた信号の温度補償を行なうようになっていると思われる。

一方、米国特許第4736156号は、パイプ内またはシュート壁内を移動する「たばこ」などの材料の誘電定数または水分率を「インライン」測定するための機器について記載する。容量差が指標として使用される。

前記機器は4つの電極を有する装置から構成され、その場合、電極のうちの2つはパイプまたはシュート壁の外側にあり、電極のうちの2つはパイプまたはシュート壁の内側に取り付けられる。2つの内側電極はスイッチによって2つの他の電極にそれぞれ接続され、それにより、スイッチ位置に基づき、電極装置の出力端子で、第1および第2の容量が明らかにされる。電極装置の出力端子は、電極装置の端子で測定される容量に比例する振動数を示す出力信号を生成するオシレータに接続される。オシレータの出力信号は、スイッチが閉じられるときの電極装置の容量の変化に比例する値を計算するために使用されるマイクロプロセッサに接続される。この値は、シュート内の材料の誘電定数または水分率を決定するために使用されてもよい。

国際特許出願公開第8903527号 米国特許第4736156号

出願人は、最初に、幾つかの既知の装置では水分測定が製造プロセス中にインラインで起こらずにサンプリングまたはその後の測定によって起こることに気付いた。

同様の手法は、非常に複雑であり、長い時間を必要とし、また、多くの要素が不正確なサンプリングによって引き起こされるため、測定値が信頼できない。

これらのケースにおいて、出願人は、サンプリングが進行中の製造を全く表わしていないことに更に気付いた。これは、実験システムが数グラムしかサンプリングできず、また、幾つかの製造プロセスでは、特定の対象ポイントで、例えば窒素環境中のサイロまたは乾燥器で、サンプルを取得できないからである。

また、出願人は、測定がインラインで起こる既知のシステムでは、測定装置が、それらの内側での材料流れを困難にし、その結果、材料水分の測定を困難にする複雑な構造を有することにも気付いた。

更に、出願人は、測定がインラインで起こるシステム計器の複雑な構造が、それらの容易な設置および処理統合および/または製造プロセスを妨げることにも気付いた。

出願人は、その水分率の測定が必要である材料が流れる複数のリングを備えるキャパシタの容量変化を検出するようになっている、乾燥した粒状体、液状の粒状体、または、ガス状の粒状体の形で、あるいは粉末の形で流れる材料の水分を測定するための装置を用いると前述した問題が克服され得ることを見出した。

したがって、第1の態様において、本発明は、少なくとも一部が軸(X-X)に沿って配置されて水分測定が必要である材料が流通する少なくとも1つのダクト内で、乾燥した粒状体、液状の粒状体、または、ガス状の粒状体の形で、あるいは粉末の形で流れる材料の水分を測定するための装置であって、
- その水分測定が必要である材料が内部で流れる少なくとも1つのキャパシタCxを備える装置において、
キャパシタが、
- 前記軸X-Xに対して同軸に取り付けられ、その水分測定が必要である材料が流通するダクトの内壁に隣接する少なくとも3つの金属リングと、
- 温度変化に伴って略線形な誘電定数、および、
α=27×10^-6/℃よりも低い熱膨張、
を有する少なくとも1つの誘電体要素と、
を備えることを特徴とする装置に関する。

本発明は、前述した態様において、本明細書中で後述する少なくとも1つの好ましい特徴を与え得る。

前記少なくとも1つの誘電体要素は、前記少なくとも3つの金属リングの寸法にほぼ対応する寸法を有する誘電体材料の少なくとも1つのリングを備えることが好ましい。

金属リングの径方向内側の面は、その水分測定が必要である材料が流通するダクトの内壁とほぼ位置合わせされて配置されるのが都合良い。

誘電体は低い吸湿特性を有することが好ましい。

一実施形態によれば、キャパシタCxは、4つの誘電体材料のリングと、4つの誘電体材料のリング間に介挿される3つの金属リングとを備えるのが都合良い。

また、水分を測定するための装置は、前記少なくとも1つの誘電体要素の熱膨張を補償するための少なくとも1つのユニットを有する。

補償ユニットは、少なくとも1つの誘電体材料のリングとキャパシタを支持するためのフランジとの間に配置される、少なくとも1つの弾性手段および少なくとも1つのセンサを備えることが好ましい。

水分の正確なインライン測定を行なうべく、温度が変化するにつれて水の誘電定数が変化することから、水分を測定するための装置は少なくとも1つの温度プローブを更に備える。

温度プローブはRTDセンサであることが好ましい。

キャパシタはブリッジ回路内に挿入されるのが有益である。

ブリッジ回路は、少なくとも、並列に接続される第1の給電ラインおよび第2の給電ラインを備え、第1の給電ラインが少なくとも2つの抵抗(R1;R2)を備え、前記第2の給電ラインが少なくとも1つの基準抵抗(RX)と少なくとも前記キャパシタ(Cx)とを備えることが都合良い。

ブリッジ回路は、キャパシタ容量の変化を測定するためにブリッジ回路に対して決定された可変正弦波信号を印加するようになっているオシレータに接続されるのが好ましい。

誘電体要素はPTFEでほぼ実現されるのが都合良い。

あるいは、誘電体要素はセラミック材料でほぼ実現される。

また、キャパシタCxの内壁は密閉される。

これは、装置が窒素環境中でも動作できるようにする。

本発明の更なる特徴および利点は、排他的ではないが、乾燥した粒状体、液状の粒状体、または、ガス状の粒状体の形で、あるいは粉末の形で流れる材料の水分を測定するための本発明に係る装置の幾つかの好ましい実施形態の詳細な説明から更に明らかになる。

以下、そのような説明を、単なる例示目的で与えられ、したがって限定的ではない添付図面を参照して述べる。

本発明に係る測定装置の第1の実施例の概略斜視図である。 図1の装置の概略部分分解図である。 本発明に係る測定装置の補償ユニットの概略部分断面図である。 本発明に係る測定装置のブリッジ回路の一実施形態の概略図である。

図1〜図2を参照すると、乾燥した粒状体、液状の粒状体、または、ガス状の粒状体の形で、あるいは粉末の形で流れる材料が処理されるプロセスで水分をインラインで測定するための本発明に係る装置が参照符号1により特定される。

装置1は、図示しない少なくとも1つのダクト内にそれが位置決めされるようになっており、前記ダクトは少なくとも一部が軸(X-X)に沿って配置され、その水分測定が必要である材料が前記ダクトを流通する。

図1および図2に示される実施形態の装置1には少なくとも1つのキャパシタCxが設けられ、該キャパシタCxは、
- それぞれがそれ自体の電気接続用の端子4を備える少なくとも3つの金属リング3、および、
- 少なくとも1つの誘電体要素5
を備える。

図示の実施形態において、前記少なくとも1つの誘電体要素5は、金属リング3とほぼ同じ形状および寸法を有して3つの金属リング間に介挿される誘電体材料のリング6によって表わされる。

本発明の有利な態様によれば、ダクトに流れ込む水分とは無関係にキャパシタCxの容量が可能な限り一定となるように、誘電体要素5を構成する誘電体材料には温度変化に応じて略線形な誘電定数が与えられ、また、該誘電体材料は、温度が変化するにつれて低い熱膨張を有する。

誘電体要素5を構成する誘電体材料は、α=27×10^-6/℃よりも低い線熱膨張係数を有することが好ましい。

誘電体要素5を構成する誘電体材料は、1よりも高い、あるいは1に等しい誘電定数を有することが好ましい。

また、誘電体要素5を構成する誘電体材料は、低い吸湿特性および低い多孔率を有する。

誘電体要素5を構成する誘電体材料は、70nm未満、好ましくは30nm未満、例えば20nmに等しい、場合によりゼロに近い多孔率を有することが好ましい。

また、前記キャパシタCxの内壁は密閉される。

誘電体要素5は、実質的に、セラミック材料で、あるいはほぼPTFEで実現されてもよい。

出願人は、前述の材料が線形な挙動または簡単な多項式の挙動を有し、それにより、ソフトウェアによる僅かな修正だけで、水分を測定するための装置キャパシタの容量の計算値を維持できることに気付いた。

また、出願人は、50℃よりも低いプロセス温度においてはPTFEを使用することが推奨される一方で、50℃よりも高いプロセス温度においてはセラミック材料を使用することが好ましいことにも気付いた。

ダクトを通じて流れる好ましくは粒状体の形の材料の水分を測定できるようにするため、装置1の金属リング3は、軸X-Xと同軸に取り付けられて略周方向断面を有するリングである。

あるいは、金属リング3は、本発明の保護範囲から逸脱することなく、異なる断面、例えば正方形、楕円形、および/または、星形形状を有してもよい。

同じ装置の金属リング3は、同じ形状および寸法を有することが好ましい。

同様に、前述したように、誘電体要素5は前述した特性を備える誘電体材料のリング6から構成され、該リングは、略円形の断面をも有するとともに、金属リング3の直径にほぼ対応する直径も有する。

詳細には、図示の実施形態において、金属リング3は、リングを形成するように閉じられる金属製の薄いシートから構成される。

金属製シートは、端部を含めて3mm〜25mmの高さhを有することが好ましい。

また、金属製シートは、端部を含めて0.7mm〜5mmの厚さsを有してもよい。

金属リング3を覆うため、各誘電体リングは、金属リング3の少なくとも一部を収容するようになっている環状の内側シート7を有する。

方向X-Xで隣り合う誘電体材料の2つのリング6の環状シート7は、金属リング3をほぼ完全に収容する。

測定装置1を異なるダクトに適合させるため、本発明に係る装置1は、金属リング3および誘電体材料のリング6を付加できるようにするモジュール構造を有することが有益である。

そのような目的のため、誘電体材料の各リング6は、軸方向X-Xに、略環状の上側平坦面8と、形状および寸法に関して上側平坦面にほぼ対応し且つ誘電体材料のリング6の高さに等しい寸法だけ上側平坦面から軸方向X-Xに離間される第2の下側平坦面9とを有する。

測定装置1が組み付けられた状態では、誘電体材料のリング6の各上側平坦面8が、軸方向X-Xで隣り合う誘電体材料のリング6の下側平坦面9に当接される。

装置は、その水分測定が必要である材料が流れるダクト内に、前記少なくとも3つの金属リング3がダクトの内壁に隣接するように取り付けられるのが有益である。

詳細には、金属リング3の径方向内側の面11が、図示しないダクトの内壁と軸方向X-Xでほぼ位置合わせされて配置される。

金属リング3の径方向内側の面11は、金属リング3の内壁11とダクト(図示せず)の内壁とがほぼ面一となるようにダクトの内壁と軸方向X-Xでほぼ位置合わせされて配置されるのが好ましい。

また、誘電体材料のリング6の径方向内側の面12も、図示しないダクトの内壁と軸方向X-Xでほぼ位置合わせされて配置されるのが好ましい。

誘電体材料のリング6の径方向内側の面12は、誘電体材料のリング6の内壁とダクトの内壁とがほぼ面一となるようにダクトの内壁と軸方向X-Xでほぼ位置合わせされて配置されるのが好ましい。

図1および図2に示される好ましい実施形態において、装置1は、5つの金属リング3と、誘電体材料の6つのリング6とから構成され、各金属リング3が2つの誘電体材料のリング6間に介挿される。

金属リング3および誘電体材料のリング6は、2つの抑制環状フランジ14と便利な組み付けネジ13とによって組み付けられ、図示の実施形態では、2つの組み付けネジがリング外周に沿って所定の角度間隔を隔てて離間される。

最終的な熱膨張を補償するため、水分を測定するための装置1は、熱膨張を補償するための少なくとも1つのユニット15を備える。

装置は、組み付けネジ13のための少なくとも1つの補償ユニット15を有することが好ましい。

図3に示される実施形態において、補償ユニット15は、少なくとも1つの弾性手段16と、少なくとも1つのセンサ17とから構成される。

圧縮により作用する螺旋スプリング18によって表わされる弾性手段16は、組み付けネジ13の端部上に嵌め付けられて、少なくとも誘電体材料のリング6と環状フランジ14との間に配置される。

センサ17は、その水分測定が必要である材料の通過により検出される誘電定数を検出された熱膨張に応じて修正するために制御プロセッサから情報を与える。

温度は、装置1の動作原理において非常に重要であるため、温度が変化するにつれて誘電定数が変化することから、本発明に係る装置は、処理温度を検出して信号を図示しない制御プロセッサへ送るようになっている図示しない少なくとも1つの温度プローブを有し、それにより、誘電定数を修正し、その後に、検出された水分を修正する。

温度プローブは、通常は市場で入手できるRTDセンサであることが好ましい。

第2の特に有利な態様によれば、キャパシタがブリッジ回路29内に挿入される。

そのようなブリッジ回路29の一例が図4に概略的に表わされており、図示のように、ブリッジ回路29は、少なくとも、並列に接続される第1の給電ライン20および第2の給電ライン21を有する。

第1のライン20は、直列に接続される少なくとも2つの抵抗R1;R2を備え、一方、第2のラインは、キャパシタCxに対して直列に接続される少なくとも1つの基準抵抗RXを備える。

ブリッジ回路29は、キャパシタCxの容量の変化を測定するためにブリッジ回路29に対して決定された可変正弦波信号を印加するようになっているオシロスコープ19に対して並列に接続されるのが好ましい。

水分を測定するための本発明に係る装置は、その内側で流れる、乾燥した粒状体、液状の粒状体、または、ガス状の粒状体の形の、あるいは粉末の形の材料の、基準値に対するキャパシタ容量の変化を測定できる。詳細には、金属リング3および誘電体材料のリング6の内側で流れる材料のキャパシタCxの容量の基準値に対する変化を測定できる。

基準値は、装置内で流れる同じ完全に乾燥した材料により与えられる容量値であり、それは完全に乾燥した材料の誘電定数の関数である。

完全に乾燥した材料を用いた第1の測定の後、キャパシタCxの容量変化の関数である水分のインライン測定を直接行なうことができる。

キャパシタCxの容量変化は、キャパシタの内側を流れる材料の誘電定数が同じ完全に乾燥した材料の誘電定数の値に対して変化するにつれて変化する。

特に、例えば材料温度および想定し得る熱膨張などの他の考慮すべき事項に加えて、誘電定数は、キャパシタCx内で流れる材料中に含まれる水双極子の数が変化するにつれて変化する。

したがって、基準値に対するキャパシタCxの容量の変化と、図示しない制御プロセッサによる適切な処理とによって、キャパシタ自体を通じて流れる材料の水分率を測定することができる。

本発明を幾つかの実施形態を参照して説明してきた。本明細書中で詳しく表わされた実施形態に対して様々な改変をなすことができ、いずれにしても、それらの改変は以下の特許請求の範囲により規定される本発明の保護範囲にとどまる。

1 装置
3 金属リング
5 誘電体要素
6 誘電体材料のリング
15 ユニット
16 弾性手段
17 センサ
19 オシレータ
20 第1の給電ライン
21 第2の給電ライン
29 ブリッジ回路
Cx キャパシタ
R1、R2 抵抗
RX 基準抵抗

Claims (14)

1. 少なくとも一部が軸(X-X)に沿って配置されて水分測定が必要である材料が流通する少なくとも1つのダクト内で、乾燥した粒状体、液状の粒状体、若しくはガス状の粒状体の形、又は粉末の形で流れる材料の水分を測定するための装置(1)であって、
   - 前記水分測定が必要である材料が内部で流れる少なくとも1つのキャパシタ(Cx)を備える装置(1)において、
   前記キャパシタ(Cx)は、
   - 前記軸(X-X)に対して同軸に取り付けられ、前記水分測定である材料が流通する前記ダクトの内壁に隣接する少なくとも2つの金属リング(3)と、
   - 温度変化に伴って略線形な誘電定数、および、α=27×10-6/℃よりも低い熱膨張、を有する少なくとも1つの誘電体要素(5)と、
   を備え、
   前記誘電体要素(5)の前記熱膨張を補償するための少なくとも1つのユニット(15)を備えることを特徴とする装置(1)。
2. 前記少なくとも1つの誘電体要素(5)が誘電体材料からなる少なくとも1つのリング(6)を備えることを特徴とする請求項1に記載の水分を測定するための装置(1)。
3. 前記金属リング(3)の径方向内側の面は、前記少なくとも1つのダクトの前記内壁に実質的に合わせて配置されることを特徴とする請求項2に記載の水分を測定するための装置(1)。
4. モジュール構造を有することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の水分を測定するための装置(1)。
5. 前記誘電体要素(5)が低い吸湿特性を有することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の水分を測定するための装置(1)。
6. 前記キャパシタ(Cx)は、誘電体材料からなる４つのリング(6)と、該誘電体材料からなる４つのリング(6)間に介挿される3つの金属リング(3)とを備えることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の水分を測定するための装置(1)。
7. 前記補償ユニット(15)は、誘電体材料からなる少なくとも1つのリング(6)と前記キャパシタ(Cx)を支持するためのフランジとの間に配置される少なくとも1つの弾性手段(16)および少なくとも1つのセンサ(17)を備えることを特徴とする請求項1に記載の水分を測定するための装置(1)。
8. 少なくとも1つの温度プローブを備えることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の水分を測定するための装置(1)。
9. 前記キャパシタ(Cx)がブリッジ回路(29)内に挿入されることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の水分を測定するための装置(1)。
10. 前記ブリッジ回路(29)は、少なくとも、並列に接続される第1の給電ライン(20)および第2の給電ライン(21)を備え、前記第1の給電ライン(20)が少なくとも2つの抵抗(R1;R2)を備え、前記第2の給電ライン(21)が少なくとも1つの基準抵抗(RX)と少なくとも前記キャパシタ(Cx)とを備えることを特徴とする請求項9に記載の水分を測定するための装置(1)。
11. 前記ブリッジ回路(29)は、前記キャパシタ(Cx)の容量の変化を測定するために前記ブリッジ回路(29)に対して可変正弦波信号を印加するようになっているオシレータ(19)に接続されることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の水分を測定するための装置(1)。
12. 前記少なくとも1つの誘電体要素が実質的にPTFEから構成されることを特徴とする請求項1に記載の水分を測定するための装置(1)。
13. 前記誘電体要素(5)が実質的にセラミック材料から構成されることを特徴とする請求項1に記載の水分を測定するための装置(1)。
14. 前記キャパシタ(Cx)の内壁が密閉されることを特徴とする請求項1に記載の水分を測定するための装置(1)。

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