CN101010581A - 被干燥物含水率的无损伤测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种被干燥物含水率的无损伤测量方法及装置，从而提供形状和性质不均匀的被干燥物的电气特性测量手段，以及通过测量阻抗和静电电容，使用合适的回归式而无损伤地且高精度地测量形状和性质不稳定的被干燥物的含水率的手段。其中，测量方法，将性质和形状不均匀的被干燥物放入规定容量的容器中，在该容器内插入4个电极端子，向该电极端子施加规定电压的交流信号，测量被干燥物的两个电极之间的电气特性，将该电极端子连接到高阻抗电压表上，无损伤地测量被干燥物的含水率。其装置具有：收容性质和形状不均匀的被干燥物的规定容量的容器(3d)；被插入到容器(3d)内的4个电极端子(3b)；以及高阻抗电压表(2)，其测量并输入施加给电极端子(3d)的规定电压的交流信号、和被干燥物的两个电极之间的电气特性。

Description

被干燥物含水率的无损伤测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种被干燥物含水率的无损伤测量方法及装置，其利用电气特性无损伤地测量形状和性状不均匀的农作物、果实、水产品等的干燥步骤中的被干燥物的含水率。

背景技术

以往有利用直流电阻测量制茶工艺中的茶叶含水率的示例，但是几乎得不到与含水率的相关度(例如非专利文献1)。并且，在专利文献1的“制茶工艺中的茶叶取出时间判别方法及其装置”中，将茶叶放置在电极间，通交流或直流，测量电极间的电阻，判定自粗揉机的取出时间，但是存在测量值因茶叶的状态和电极状态等而具有偏差的问题。另外，也有利用微波测量制茶工艺中的茶叶含水率的示例，但在测量比重后根据微波的衰减测量含水率，所以装置变复杂(例如专利文献2)。由于上述问题，结果，目前现状是茶叶的干燥程度的判定多依赖于作业者的感觉。

专利文献1  日本特许第2660288号公报

专利文献2  日本特开2003-294654号公报

非专利文献1  吉富等，农业机械学会志，64卷3号，101-108.2002

在制茶工艺中进行基于FA的控制，因此在感知茶叶状态时，其必要条件有测量时间短、判定可靠、不受到形状和性质的影响、还有不给茶叶带来损伤等。获得活体的电气信息的方法被认为是符合这些条件的方法之一。

植物在细胞等级中由电阻和电容明显较大的细胞膜、和具有离子传递性的电阻较小的细胞液构成。因此，在对组织施加交流电压时，低频电流不能通过电阻较大的细胞膜而通过细胞外液，所以整个组织的低频阻抗较大。另一方面，高频电流通过电容较大的细胞膜而通过电阻较小的细胞内液，所以整个组织的高频阻抗较小。这样，电气形式上不均匀的组织的电气特性不稳定，具有幅度较宽的频率特性，属于不均匀电介质。电气形式上不均匀的组织的电气特性因频率而明显变化。因此，通过幅度宽的频率测量，可以明确材料的电气特性。

制茶工艺中的茶叶的水分分布不均匀，茶叶表面部分和内部不是相同状态的情况居多。在向茶叶施加直流电流时，电气不会传递到细胞内部，成为表示表面的水分状态的结果。但是，在施加高频交流时，电气传递到细胞内部，表示出整个组织的水分。但是，由于频率响应特性因品种而不同，所以需要选择与材料吻合的频率。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种与茶叶(被干燥物)的形状和性质无关地、在制茶(干燥)工艺中测量茶叶的电气特性的方法(手法)，以及利用该特性无损伤地且高精度地测量含水率的方法及装置。

为了达到上述目的，本发明的特征为下述的手段/构成。

首先，第1发明具有：利用4个电极构成的电极部；和检测根据电极间的水分量而变化的电气特性值的装置。电极部是不锈钢制品，从其一端对被干燥物(茶叶)施加测量用的交流信号，在两个端子之间测量被干燥物的电压下降。此时，检测电极连接到LCR高精度测试仪(hightester)(3532-80，日置电气制造)的高阻抗电压表上，所以电流几乎不流过受到接触电阻影响的测量电极。因此，在测量电极中几乎不产生电压下降，可以减轻接触电阻的影响。电极部是圆棒形状，由于是将电极插入被放入玻璃容器的茶叶(被干燥物)中进行测量的方法，所以能够对应于所有形状的被干燥物。

然后，第2发明在使用所述第1发明以多频方式测量被干燥物的电气特性时，阻抗和静电电容之比表示出与被干燥物的含水率之间的较高的相关度。例如，在制茶工艺的粗揉、中揉、精揉及干燥步骤中，每隔5分钟取出茶叶，利用前述第1发明的方法以多频方式测量茶叶的电气特性。测量项目是阻抗和静电电容，利用计算机(个人计算机)计算其比率。所得到的值表示与利用干燥法测量的含水率具有相关度。

本发明具有上述手段/构成，从而可以发挥以下效果。

在被干燥物的所有干燥步骤中，与被干燥物的形状和性质无关，被干燥物的电气特性可以利用4电极端子来稳定地进行测量。但是，为了精密地进行测量，需要进行电极部与电缆的校正。通过检测被干燥物的电气特性，可以获得被干燥物的所有信息，因此也可以测量其他要素。

性质和形状不均匀的被干燥物的含水率，在所有干燥步骤中，可以利用阻抗与静电电容之比来进行表示。例如，制茶有多个干燥步骤，各个步骤的茶叶取出时间和干燥速度给粗茶质量带来影响。在此之前，由于不存在能够无损伤地且高精度地测量茶叶的含水率的方法，因此各个步骤的茶叶取出时间的判定多依赖于作业者的感觉。根据本发明，可以在瞬间测量制茶工艺中最重要的茶叶取出时间和干燥速度，所以能够在各个步骤中进行其控制，而且不依赖于作业者的感觉。因此，属于能够对应于在制茶工厂中使用的FA控制的技术。

附图说明

图1是本发明的电极部的侧视图。

图2是本发明的测量被干燥物的电气特性的系统(装置)与电极部的主视图。

图3是表示本发明的各个频率下的茶叶的阻抗/静电电容与含水率之间的关系的曲线图。

图4是表示在本发明中施加3.0kHz频率的交流时获得的茶叶的阻抗/静电电容、与利用干燥法测量的含水率之间的关系的曲线图。

图5是表示根据通过本发明测量的3.0kHz频率的阻抗/静电电容计算的含水率、与利用干燥法测量的含水率之间的关系的曲线图。

符号说明

1数据分析用的计算机(个人计算机)；2 LCR高精度测试仪；2a连接帽；2b引线；2c电缆；3电极部；3a电极固定基座；3b电极端子；3c连接端子；3d玻璃容器

具体实施方式

以下，参照附图具体说明在制茶工艺中实施本发明用的最佳方式。

图1是本发明的电极部的立体图，图2是本发明的茶叶含水率测量系统(装置)的主视图，图3是表示本发明的各个频率下的阻抗/静电电容与含水率之间的关系的曲线图，图4是表示在本发明中向电极施加3.0kHz频率的交流时获得的茶叶的阻抗/静电电容、与利用干燥法测量的含水率之间的关系的曲线图，图5是表示根据通过本发明测量的3.0kHz频率的阻抗/静电电容计算的含水率、与利用干燥法测量的含水率之间的关系的曲线图。

图1所示的本发明涉及的无损伤地测量茶叶的含水率的电极部3，在由容易加工的硅橡胶构成的规定厚度的圆盘状的电极固定基座3a上，贯穿耐久性良好的不锈钢制的4个电极端子3b而在表面侧以一定间隔进行固定设置，在背面突出设置连接端子3c。各个电极端子3b是直径3.0mm、长度4.5cm的棒状物，相互间隔为7.0mm。各个电极端子3b利用固定基座3a进行了固定，但为了将各个电极端子3b之间可靠地进行绝缘，涂覆了硅(TSK550、GE东芝硅(株)制)。在电极端子3b上，向被干燥物(茶叶)施加测量用的交流信号，在两个端子之间测量被干燥物的电压下降。此时，检测电极连接到高阻抗电压表即LCR高精度测试仪2(3532-80、日置电气制造)上，所以电流几乎不流过受到接触电阻影响的测量电极。因此，在测量电极中几乎不产生电压下降，可以减轻接触电阻的影响。电极部3是圆棒形状，但也可以是其他形状，由于是将电极端子3b插入被测量物中进行测量的方法，所以能够对应于所有形状的被干燥物。在以多频方式测量被干燥物的电气特性时，阻抗和静电电容之比表示出与被干燥物的含水率之间的较高的相关度。在制茶工艺的粗揉、中揉、精揉及干燥步骤中，每隔5分钟取出茶叶，以多频方式测量电气特性。测量项目有阻抗和静电电容，利用计算机(个人计算机)计算其比率。所得到的值与利用干燥法测量的含水率具有相关度。

图2表示测量茶叶的电气特性的测量系统(装置)。在图2中，符号1表示计算机(个人计算机)，将高阻抗电压表即LCR高精度测试仪2(3532-80、日置电气制造)连接到该计算机1上。所述电极部3在各个连接端子3c上冠以连接有引线2b的连接帽2a，将汇集了各个引线2b的电缆2c连接到LCR高精度测试仪2上。将要测量含水率的茶叶被收容在容积为42mm³的有底圆筒形状的玻璃容器3d中，向其中插入电极部3的电极端子3b而进行测量。在10Hz到1.0MHz的范围内向电极端子3b施加1.0V交流，利用LCR高精度测试仪2测量茶叶的阻抗和静电电容。在1.0MHz以上的高频带中，将空气作为电容器进行检测，所以把将要施加的交流的上限频率设为1.0MHz。

在利用电极部3测量茶叶的阻抗和静电电容之前，进行电极端子3b和电缆2C的校正。该校正有两种，其是连接电极端子3b和LCR高精度测试仪2的电缆2c的寄生导纳、和残留阻抗的校正。通过进行这些校正，可以提高测量精度，另外可以测量从高阻抗到低阻抗的试料。所测量的阻抗和静电电容的值通过LCR高精度测试仪2读入计算机1而进行计算。另外，测量时间是每一次采样为1分钟。

在该实施例中，供试验的生叶的品种是“ゃぶきた”，在蒸制60秒后转入各个揉干步骤。茶叶在制茶的各个揉干步骤中每隔5分钟取出，利用前述方法测量各个频率下的茶叶的阻抗和静电电容，利用计算机1计算其比率。然后，马上利用干燥法测量含水率，对这些值和利用干燥法测量的含水率进行统计处理，选择能够得到与含水率的最高相关度的频率。图3表示各个频率下的阻抗/静电电容与含水率之间的关系。根据该图3可知，随着频率提高，相关系数接近1。能够获得最高相关度的频率是3.0kHz，相关系数是0.99。但是，得知在高于3.0kHz的高频带，相关系数低于1。因此，得知高频带的阻抗与静电电容受到茶叶水分以外的影响。

图4表示向电极部3的电极端子3b施加3.0kHz频率的交流时得到的茶叶的阻抗/静电电容与含水率之间的关系。这些关系在指数函数上很近似。以下表示茶叶的阻抗/静电电容与含水率之间的关系。

(数式1)

$\mathrm{\ωW}=-3.651n\left(\frac{Z}{\mathrm{Cp}}\right)+166.77$

其中，ωw是湿润基准的茶叶含水率，Z是3.0kHz时的茶叶的阻抗(Ω)，Cp是静电电容(F)。

图5表示根据所测量的3.0kHz时的阻抗/静电电容计算的含水率与利用干燥法测量的含水率之间的关系。茶叶的含水率在6.0％～8.0％的范围内，相关系数为0.99，直线斜率为1.00，偏置为0.01％，标准误差为3.2％。另外，上限可靠界限为1.6％，下限可靠界限也是1.6％。由此，可知3.0kHz时的阻抗/静电电容可以良好地表示茶叶的含水率。另外，如果测量3.0kHz时的阻抗和静电电容，则测量时间在1.0秒以内。

另外，本发明的含水率的无损伤测量方法及装置，不限于实施例中的制茶工艺中的茶叶的含水率测量，例如也可以用来在人工干燥像谷物那样的农作物、果实、水产品等时，测量被干燥物的含水率的变化，并调整为合适的干燥状态。

产业上的可利用性

本发明的被干燥物含水率的无损伤测量方法及装置，可以在被干燥物的干燥步骤中无损伤地且高精度地测量被干燥物的含水率。因此，本发明是有助于在干燥步骤中使用的FA控制中提高最重要的感知技术的发明。本发明也是对可预想到未来无人化的人工干燥技术的发展做出贡献的发明。在人工干燥被干燥物时，迅速测量被干燥物的含水率，在干燥步骤中判断被干燥物的取出时间是非常重要的。在制茶中，从80％(dw)的茶叶干燥到约50％(dw)左右的粗揉步骤对制茶质量的影响很大，但以往很难无损伤地测量高含水率的被干燥物。本发明解决了这些问题。通过测量阻抗和静电电容，可以在茶叶的含水率6.0％(dw)到80％(dw)的范围内实现高精度测量，而且装置也不复杂，所以在制茶产业中的利用性非常高。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.(删除)

2.一种被干燥物含水率的无损伤测量方法，其中，干燥步骤中的被干燥物被放入性质和形状不均匀的规定容量的容器中，在该容器内插入4个电极端子，向该电极端子施加规定电压的交流信号，测量被干燥物的两个电极之间的电气特性，将该电极端子连接到高阻抗电压表上，从而无损伤地测量被干燥物的含水率，其特征在于：

被干燥物的含水率通过计算阻抗与静电电容之比来表示。

3.(删除)

4.根据权利要求1所述的被干燥物含水率的无损伤测量方法，其特征在于：制茶工艺中茶叶的含水率由频率在3.0kHz附近的阻抗与静电电容之比来表示。

Claims (3)

1.一种被干燥物含水率的无损伤测量方法，该方法无损伤地且以电气方式测量干燥步骤中的被干燥物的含水率，该方法的特征在于，

将性质和形状不均匀的被干燥物放入规定容量的容器中，在该容器内插入4个电极端子，向该电极端子施加规定电压的交流信号，测量被干燥物的两个电极之间的电气特性，将该电极端子连接到高阻抗电压表上，从而无损伤地测量被干燥物的含水率。

2.一种被干燥物含水率的无损伤测量方法，其特征在于，通过计算阻抗与静电电容之比来表示利用权利要求1所述的测量方法测量的被干燥物的含水率。

3.一种被干燥物含水率的无损伤测量装置，该装置无损伤地且以电气方式测量干燥步骤中的被干燥物的含水率，该装置的特征在于，

该装置具有：收容性质和形状不均匀的被干燥物的规定容量的容器；被插入到该容器内的4个电极端子；以及高阻抗电压表，其测量并输入施加给该电极端子的规定电压的交流信号、和被干燥物的两个电极之间的电气特性，并且，该装置无损伤地测量被干燥物的含水率。

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