JP2002098633A - 含水率測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な操作によって、測定エリアの含水率の
分布を測定することが出来る含水率測定装置を提供す
る。 【解決手段】 本発明に係る含水率測定装置１は、複数
のＣＣＤをマトリクス状に配列して構成される光センサ
を具えたＣＣＤカメラ11と、可視光透過フィルタ15と、
赤外光透過フィルタ16と、ＣＣＤカメラ11のレンズが可
視光透過フィルタ15で覆われた第１状態でＣＣＤカメラ
11によって撮影された可視光画像の画像データとＣＣＤ
カメラ11のレンズが赤外光透過フィルタ16で覆われた第
２状態でＣＣＤカメラ11によって撮影された赤外光画像
の画像データとに基づいて、測定エリアの含水率の分布
を算出するＭＰＵ12とを具えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定エリアの含水
率の分布を光学的に測定する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、含水率の測定方法としては、一対
の電極を測定対象物に接触させて、両電極間の電気抵抗
を測定することにより、含水率を検出する方法(特開平7
-33572号)や、発熱抵抗体を測定対象物に接触させて、
測定対象物の温度上昇を測定することにより、含水率を
検出する方法(特開平8-57458号)が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一対の
電極を用いた含水率測定方法においては、一対の電極間
に電解質の溶液や物質が介在した場合、これによって電
極間の電気抵抗が大きく変化するため、含水率の測定値
に大きな誤差を生じる問題がある。又、発熱抵抗体を用
いた含水率測定方法においては、発熱抵抗体と測定対象
物の密着性が悪いとき、含水率の測定精度が低下する問
題がある。

【０００４】そこで、出願人は、測定対象物の含水率を
光学的に測定することによって測定精度の向上を図った
含水率測定装置を開発し、該装置を具えた生ごみ処理装
置を特許出願中である(特願2000-087235号等)。上記生
ごみ処理装置は、生ごみ処理材となる多孔質の木質細片
(ホールチップ)が充填されている処理槽内に、生ごみを
投入して、生ごみとホールチップとを攪拌して混合する
ことにより、該混合物に生息する微生物によって、生ご
みを水と炭酸ガス等に分解するものである。そして、該
生ごみ処理装置に搭載された含水率測定装置は、処理槽
内の生ごみ・チップ混合物に光を照射するタングステン
ランプと、生ごみ・チップ混合物から反射されてくる光
を検知するシリコンフォトダイオード及び焦電素子とを
具え、シリコンフォトダイオードを用いて検出される反
射光量と焦電素子を用いて検出される反射光量の比に基
づいて、生ごみ・チップ混合物の含水率を算出するもの
である。

【０００５】尚、シリコンフォトダイオードは、水に対
する透過率が大きな第１の波長域(１μｍ未満)に感度を
有するのに対し、焦電素子は、水に対する透過率が小さ
な第２の波長域(１μｍ以上)に感度を有している。従っ
て、生ごみ・チップ混合物の含水率の違いに応じて、焦
電素子による光検知量に大きな変化が生じるのに対し、
シリコンフォトダイオードによる光検知量には殆ど変化
が生じない。そこで、シリコンフォトダイオードによる
光検知量と焦電素子による光検知量の比をとれば、後述
する公知のランベルト−ベールの式を用いて、前記光検
知量の比から生ごみ・チップ混合物の含水率を算出する
ことが出来る。

【０００６】上記含水率測定装置によれば、処理槽の外
部から光学的に生ごみ・チップ混合物の含水率を測定す
ることが出来るので、上述した従来の含水率測定方法に
おける問題はなく、従来よりも高い測定精度が得られ
る。

【０００７】しかしながら、上記含水率測定装置によれ
ば、１回の測定で１点のみの含水率が得られるに過ぎな
いため、上記含水率測定装置を用いて、例えば土壌など
の含水率の分布を測定する際には、測定エリア内の多数
点における含水率を得るために、測定エリア内でシリコ
ンフォトダイオード及び焦電素子を移動させて、該ダイ
オード及び焦電素子による光検知量を測定する作業を多
数回行なわねばならず、この作業が煩わしい問題があっ
た。本発明の目的は、簡易な操作によって、測定エリア
の含水率の分布を測定することが出来る含水率測定装置
を提供することである。

【０００８】

【課題を解決する為の手段】本発明に係る含水率測定装
置は、水に対する透過率が大きな第１の波長域及び水に
対する透過率が小さな第２の波長域を含む光を測定エリ
アに照射し、測定エリアからの反射光の光量の大きさに
基づいて、測定エリアの含水率の分布を測定する装置で
あって、第１の波長域及び第２の波長域を含む波長域に
感度を有する複数の受光素子をマトリクス状に配列して
なる光センサと、第１の波長域に通過帯域を有すると共
に第２の波長域に通過阻止帯域を有する第１フィルタ
と、第２の波長域に通過帯域を有すると共に第１の波長
域に通過阻止帯域を有する第２フィルタと、光センサに
入射する光の光路中に第１フィルタを介在させた第１状
態における光センサの出力信号と、光センサに入射する
光の光路中に第２フィルタを介在させた第２状態におけ
る光センサの出力信号とに基づいて、測定エリアの含水
率の分布を算出する演算処理回路とを具えている。

【０００９】本発明に係る含水率測定装置においては、
光センサは複数の受光素子をマトリクス状に配列して構
成されているので、該配列に応じた一定の拡がりを有す
る領域が測定エリアとなって、該測定エリアに対して、
太陽光、或いは必要に応じて配置された光源からの光が
照射され、各受光素子に対応する測定エリア内の各単位
エリアが測定点となって、各測定点からの反射光が各受
光素子に入射する。ここで、第１状態では、光路中に第
１フィルタが介在するため、前記反射光の内、第１波長
域の光成分が各受光素子によって検知される一方、第２
状態では、光路中に第２フィルタが介在するため、第２
波長域の光成分が各受光素子によって検知される。

【００１０】測定エリア内の１点の含水率が大きい場合
と小さい場合の１つの受光素子による光検知量を比較し
たとき、第１状態において受光素子によって検知される
光成分の波長域(第１の波長域)では水に対する透過率が
大きいため、受光素子による光検知量に殆ど差は生じな
いが、第２状態において受光素子によって検知される光
成分の波長域(第２の波長域)では水に対する透過率が小
さいため、受光素子による光検知量に差が生じることに
なる。従って、例えば第１状態における受光素子による
光検知量と第２状態における受光素子による光検知量の
比をとれば、この比は、含水率の変化に応じて変化する
ことになる。

【００１１】そこで、第１状態における受光素子による
光検知量と、第２状態における受光素子による光検知量
とに基づいて、測定エリア内の１点の含水率が算出され
る。従って、光センサを構成する複数の受光素子につい
て夫々、第１状態における光検知量と第２状態における
光検知量とに基づいて含水率を算出すれば、測定エリア
の含水率の分布が得られることになる。この様にして、
第１状態における光センサの出力信号と第２状態におけ
る光センサの出力信号とに基づいて、測定エリアの含水
率の分布が算出される。本発明に係る含水率測定装置に
おいては、第１状態における光センサによる光検知量の
測定と第２状態における光センサによる光検知量の測定
の２回の測定で、測定エリア内の複数点における含水率
が得られる。従って、測定エリア内でシリコンフォトダ
イオード及び焦電素子を移動させて、該ダイオード及び
焦電素子による光検知量を測定する作業を多数回行なわ
ねばならなかった従来の含水率測定装置に比べて、測定
エリアの含水率の分布を測定する際の作業が簡易とな
る。

【００１２】具体的には、各受光素子は、ＣＣＤによっ
て構成される。

【００１３】該具体的構成においては、例えば、複数の
ＣＣＤによって構成される光センサを具えたＣＣＤカメ
ラを用いて、前記第１状態での測定エリアの撮影及び前
記第２状態での測定エリアの撮影が行なわれ、第１状態
でＣＣＤカメラによって撮影された画像と、第２状態で
ＣＣＤカメラによって撮影された画像とに基づいて、測
定エリアの含水率の分布が算出される。

【００１４】又、具体的には、前記演算処理回路によっ
て算出された測定エリアの含水率の分布を視覚的に表示
するための画像表示回路を具えている。

【００１５】上記具体的構成においては、含水率測定装
置の出力端に例えばモニタ装置が接続され、該モニタ装
置に測定エリアの含水率の分布が表示される。従って、
ユーザは、モニタ装置の表示を見れば、測定エリアの含
水率の分布を容易に認識することが出来る。

【００１６】

【発明の効果】本発明に係る含水率測定装置によれば、
簡易な操作によって、測定エリアの含水率の分布を測定
することが可能である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につ
き、図面に沿って具体的に説明する。本発明に係る含水
率測定装置(１)は、図１に示す如く、ＣＣＤカメラ(11)
を具えている。該ＣＣＤカメラ(11)は、複数のＣＣＤを
マトリクス状に配列して構成される光センサを具えてお
り、各ＣＣＤは、図２に示す様に、０.１μｍを越える
広い波長域にフラットな感度特性を有している。ＣＣＤ
カメラ(11)には、ＭＰＵ(12)が接続されている。

【００１８】又、本発明に係る含水率測定装置(１)は、
可視光透過フィルタ(15)及び赤外光透過フィルタ(16)を
駆動するフィルタ駆動機構(17)を具えており、該フィル
タ駆動機構(17)は、フィルタ制御回路(14)を介して前記
ＭＰＵ(12)に接続されている。フィルタ制御回路(14)
は、ＭＰＵ(12)からの制御信号に基づいて、フィルタ駆
動機構(17)に対し第１指令或いは第２指令を発する。フ
ィルタ駆動機構(17)は、前記第１指令を受けて、赤外光
透過フィルタ(16)をＣＣＤカメラ(11)のレンズ前方位置
から離間させて可視光透過フィルタ(15)をＣＣＤカメラ
(11)のレンズ前方位置に移動させる一方、前記第２指令
を受けて、可視光透過フィルタ(15)をＣＣＤカメラ(11)
のレンズ前方位置から離間させて赤外光透過フィルタ(1
6)をＣＣＤカメラ(11)のレンズ前方位置に移動させる。
この様にして、ＣＣＤカメラ(11)のレンズは、可視光透
過フィルタ(15)或いは赤外光透過フィルタ(16)の何れか
一方のフィルタに覆われることになる。可視光透過フィ
ルタ(15)は、図３に示す様に、０.５μｍ〜１.０μｍの
比較的狭い波長域に通過帯域を有する一方、赤外光透過
フィルタ(16)は、図４に示す様に、１.０μｍを越える
広い波長域に通過帯域を有している。

【００１９】ＭＰＵ(12)には、後述の各種データを記録
するための記憶装置(13)が接続されている。又、本発明
に係る含水率測定装置(１)は、ＣＲＴディスプレイを接
続することが可能であって、ＭＰＵ(12)には、ＣＲＴデ
ィスプレイ(２)が接続されている。

【００２０】上記含水率測定装置(１)は、土壌の含水率
の分布を測定するためのものであって、測定対象となる
土壌の表面から所定距離だけ離れた高さ位置に固定さ
れ、ＣＣＤカメラ(11)のレンズが可視光透過フィルタ(1
5)に覆われた第１状態、及びＣＣＤカメラ(11)のレンズ
が赤外光透過フィルタ(16)に覆われた第２状態で、ＣＣ
Ｄカメラ(11)によって測定エリアの土壌の撮影が行なわ
れる。撮影は、土壌の表面に太陽光が照射されている状
態で行なわれ、各ＣＣＤに対応する測定エリア内の各単
位エリアからの反射光が各ＣＣＤに入射する。ここで、
第１状態では、ＣＣＤカメラ(11)のレンズが可視光透過
フィルタ(15)に覆われているため、前記反射光の内、可
視光領域の光成分が各ＣＣＤによって検知される一方、
第２状態では、ＣＣＤカメラ(11)のレンズが赤外光透過
フィルタ(16)に覆われているため、赤外光領域の光成分
が各ＣＣＤによって検知される。

【００２１】第１状態でＣＣＤカメラ(11)によって撮影
された可視光画像の画像データ、及び第２状態でＣＣＤ
カメラ(11)によって撮影された赤外光画像の画像データ
は、ＭＰＵ(12)に供給される。ＭＰＵ(12)は、可視光画
像の画像データを構成する各画素データと、赤外光画像
の画像データを構成する各画素データとに基づいて、測
定エリアの各単位エリアの含水率を算出した後、測定エ
リアを複数の単位エリアからなる複数のエリアに分割し
て、各分割エリアの含水率の高低を判定し、該判定結果
をＣＲＴディスプレイ(２)に出力する。この結果、ＣＣ
Ｄカメラ(11)によって撮影された土壌の含水率の分布が
ＣＲＴディスプレイ(２)に表示されることになる。

【００２２】ここで本発明における含水率の検出原理
を、図５を用いて説明する。図５(ａ)は、太陽光の分光
分布特性を示しており、可視光領域と近赤外光領域とに
跨って光が分布している。又、図５(ｂ)は、ＣＣＤカメ
ラ(11)のレンズが可視光透過フィルタ(15)に覆われてい
る第１状態で太陽光を直接に受光した場合のＣＣＤによ
る光検知量の分光分布特性を表わし、図５(ｃ)は、ＣＣ
Ｄカメラ(11)のレンズが赤外光透過フィルタ(16)に覆わ
れている第２状態で太陽光を直接に受光した場合のＣＣ
Ｄによる光検知量の分光分布特性を表わしている。尚、
ＣＣＤによって検知される光検知量の大きさは、特性曲
線で囲まれる領域の面積に略比例する。

【００２３】図５(ｄ)は、可視光領域から近赤外光領域
にわたる波長域における光の水に対する透過率の分布を
表わしており、可視光領域では、略１の透過率となって
おり、殆ど光が吸収されないのに対し、近赤外光領域で
は、透過率が低下しており、多くの光が吸収されること
がわかる。

【００２４】図５(ｅ)は、太陽光が水分を含む物質を透
過してＣＣＤに入射した場合の、前記第１状態における
ＣＣＤによる光検知量の分布Ｐｎ(ｎ＝０、４０、８０)
及び前記第２状態におけるＣＣＤによる光検知量の分布
Ｑｎ(ｎ＝０、４０、８０)を表わしている。ここでｎ
は、前記物質の含水率(％)である。これらの分布は、図
５(ｂ)及び(ｃ)に示す分光分布特性と、図５(ｄ)に示す
水の透過率特性の積として把握することが出来、第１状
態及び第２状態におけるＣＣＤによる光検知量の大きさ
は、分布曲線Ｐｎ、Ｑｎで囲まれる領域の面積に略比例
する。

【００２５】図５(ｅ)から分かる様に、可視光領域にお
いては、水の透過率が略１であるので、含水率が変化し
てもＣＣＤによる光検知量には殆ど変化が見られない
が、近赤外光領域においては、含水率の変化に応じて光
が吸収される度合いが変化するため、ＣＣＤによる光検
知量は、含水率に応じて変化することになる。

【００２６】前記第１状態におけるＣＣＤによる光検知
量の大きさをＰs、前記第２状態におけるＣＣＤによる
光検知量の大きさをＱsとすると、測定対象物の含水率
Ｗは、ランベルト−ベールの式を用いて、下記数１によ
って表わされる。

【００２７】

【数１】Ｘ＝−ｌｏｇ(Ｑｓ／Ｐｓ) Ｗ＝ａ・Ｘ＋ｂ ａ、ｂ：定数

【００２８】尚、上記数１の定数ａ、ｂは実験的に求め
られる。即ち、図６の如く、含水率が既知の複数の物質
について上記Ｘの値と含水率をプロットし、両者の関係
を直線近似することによって、その直線の傾きと接片か
ら定数ａ、ｂを決定することが出来る。

【００２９】上述の原理説明は、光が測定対象物(水を
含む物質)を透過してＣＣＤに入射する場合を前提とし
ているが、光が測定対象物(水を含む物質)にて反射され
て、その反射光がＣＣＤに入射する場合にも成立する。
これは、測定対象物からの反射光には、その表面で反射
された光以外に、測定対象物の内部へ侵入して、内部の
粒子表面で反射された光、即ち拡散反射光が含まれてお
り、拡散反射光は、測定対象物の吸収特性の影響を受け
ているからである。

【００３０】図７は、上記含水率測定装置における含水
率分布測定手続きを表わすフローチャートである。先
ず、ステップＳ１にて、可視光透過フィルタ(15)をＣＣ
Ｄカメラ(11)のレンズ前方位置に移動させ、ステップＳ
２では、ＣＣＤカメラ(11)のレンズが可視光透過フィル
タ(15)に覆われた第１状態で測定エリアの土壌の撮影を
行なう。この結果、図８(ａ)に示す如き可視光画像が得
られる。

【００３１】次にステップＳ３にて、赤外光透過フィル
タ(16)をＣＣＤカメラ(11)のレンズ前方位置に移動させ
た後、ステップＳ４では、ＣＣＤカメラ(11)のレンズが
赤外光透過フィルタ(16)に覆われた第２状態で測定エリ
アの土壌の撮影を行なう。この結果、図８(ｃ)に示す如
き赤外光画像が得られる。

【００３２】続いてステップＳ５では、図８(ｂ)に示す
如く可視光画像を構成する各画素データ、及び図８(ｄ)
に示す如く赤外光画像を構成する各画素データに基づい
て、前記第１状態及び第２状態のそれぞれにおける各Ｃ
ＣＤの光検知量を検出した後、上記数１を用いて、図８
(ｅ)に示す如く画素ごとに含水率を算出する。この様に
して、測定エリアの各単位エリアの含水率が算出され
る。

【００３３】その後、ステップＳ６では、上記可視光画
像を図９(ａ)に示す如く複数の領域に分割して、各領域
の位置を表わす位置情報を認識する。次にステップＳ７
では、図９(ｂ)に示す如く、画素ごとに算出した含水率
に基づいて、各領域の含水率の高低を“高”、“中”、
“低”の３段階のレベルで判定する。この様にして、測
定エリアの各分割エリアの含水率の高低が判定される。

【００３４】続いてステップＳ８では、可視光画像の画
像データ、前記複数の領域を識別するための領域デー
タ、各領域の位置を表わす位置データ、及び各領域の含
水率の高低を表わす判定データを記憶装置に記録する。
最後に、ステップＳ９では、図１０(ａ)に示す可視光画
像に、同図(ｂ)に示す領域情報及び同図(ｃ)に示す含水
率判定情報を重畳して得られる画像を、同図(ｄ)に示す
如くＣＲＴディスプレイ(２)に表示して、手続きを終了
する。

【００３５】本発明に係る含水率測定装置(１)において
は、ＣＣＤカメラ(11)のレンズが可視光透過フィルタ(1
5)に覆われた第１状態、及びＣＣＤカメラ(11)のレンズ
が赤外光透過フィルタ(16)に覆われた第２状態で、測定
エリアの土壌の撮影を行なえば、土壌の含水率の分布が
算出される。従って、土壌の含水率の分布を測定する際
にシリコンフォトダイオード及び焦電素子の移動作業や
ダイオード及び焦電素子による光検知量についての多数
回の測定作業が必要であった従来の含水率測定装置に比
べて、その際の作業が簡易である。

【００３６】又、上記含水率測定装置(１)によれば、該
装置(１)に接続されたＣＲＴディスプレイ(２)に、図１
０(ｄ)に示す如く含水率の分布の測定結果が表示され
る。従って、ユーザは、該表示を見れば、測定エリアの
土壌の含水率の分布を容易に認識することが出来る。

【００３７】尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に
限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の
変形が可能である。例えば、測定対象である土壌の表面
に照射する光として太陽光を利用しているが、可視光領
域と近赤外光領域とに跨る光を出射することが可能な発
光素子を配置して、該発光素子からの光を利用する構成
を採用することも可能である。又、本発明に係る含水率
測定装置は、生ごみ処理装置の処理槽内における生ごみ
・チップ混合物の含水率の分布を測定するためにも用い
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る含水率測定装置の構成を表わすブ
ロック図である。

【図２】ＣＣＤの感度特性を表わすグラフである。

【図３】可視光透過フィルタのフィルタ特性を表わすグ
ラフである。

【図４】赤外光透過フィルタのフィルタ特性を表わすグ
ラフである。

【図５】本発明における含水率検出の原理を説明する一
連のグラフである。

【図６】含水率の実測値と、焦電素子とシリコンフォト
ダイオードの出力比の対数値との関係を表わすグラフで
ある。

【図７】本発明に係る含水率測定装置における含水率分
布測定手続きを表わすフローチャートである。

【図８】測定エリアの各単位エリアの含水率を算出する
手順を説明する図である。

【図９】測定エリアの各分割エリアの含水率の高低を判
定する手順を説明する図である。

【図１０】ＣＲＴディスプレイに表示される画像を表わ
す図である。

【符号の説明】

(１) 含水率測定装置 (11) ＣＣＤカメラ (12) ＭＰＵ (13) 記憶装置 (14) フィルタ制御回路 (15) 可視光透過フィルタ (16) 赤外光透過フィルタ (17) フィルタ駆動機構 (２) ＣＲＴディスプレイ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB08 CC09 EE01 EE02 EE11 FF08 HH01 JJ02 JJ11 KK03 KK04 MM01 MM10 PP04 4D004 AA03 CA15 CA19 CC08 DA01 DA09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水に対する透過率が大きな第１の波長域
   及び水に対する透過率が小さな第２の波長域を含む光を
   測定エリアに照射し、測定エリアからの反射光の光量の
   大きさに基づいて、測定エリアの含水率の分布を測定す
   る装置であって、 第１の波長域及び第２の波長域を含む波長域に感度を有
   する複数の受光素子をマトリクス状に配列してなる光セ
   ンサと、 第１の波長域に通過帯域を有すると共に第２の波長域に
   通過阻止帯域を有する第１フィルタと、 第２の波長域に通過帯域を有すると共に第１の波長域に
   通過阻止帯域を有する第２フィルタと、 光センサに入射する光の光路中に第１フィルタを介在さ
   せた第１状態における光センサの出力信号と、光センサ
   に入射する光の光路中に第２フィルタを介在させた第２
   状態における光センサの出力信号とに基づいて、測定エ
   リアの含水率の分布を算出する演算処理回路とを具えて
   いる含水率測定装置。
2. 【請求項２】 各受光素子は、ＣＣＤによって構成され
   る請求項１に記載の含水率測定装置。
3. 【請求項３】 前記演算処理回路によって算出された測
   定エリアの含水率の分布を視覚的に表示するための画像
   表示回路を具えている請求項１又は請求項２に記載の含
   水率測定装置。