JP2004012452A

JP2004012452A - マイクロ波水分計

Info

Publication number: JP2004012452A
Application number: JP2002204814A
Authority: JP
Inventors: Manabu Harada; 原田　学; Yoshiaki Wada; 和田　佳晃
Original assignee: MARCOM KK; Malcom Co Ltd
Current assignee: MARCOM KK; Malcom Co Ltd
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】小型軽量で簡便に試料の水分率を測定することができ、しかも導電率の異なる試料に対しても水分率を高い精度で測定することができるマイクロ波水分計を提供すること。
【解決手段】試料９０中の水分によるマイクロ波の吸収を利用してマイクロ波発信部１０に接続された２本の導体間に試料９０が接触したときに変化するマイクロ波出力レベルをマイクロ波受信部３０によって検出し予め測定された既知試料中の水分率に基づいて未知試料の水分率を演算する制御部とを具えてなる。
【選択図】　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロ波出力の変化を利用して試料の水分率を測定するマイクロ波水分計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
家庭および店舗などから廃棄される生ゴミや家畜などの排泄物、堆肥、土壌、粘土、その他の有機物、また木材等はそれぞれの目的に応じて水分率の測定が必要となる。また水分率を測定する方法は従来から数々存在し、例えば乾燥質量法、誘電率法、赤外線法、高周波容量法、マイクロ波法などが用いられている。この中でもマイクロ波法を利用したマイクロ波水分計はエマルジョンタイプの被測定体の水分測定や、木材、板紙等の水分測定に使用されている。
【０００３】
このマイクロ波水分計について一例をあげて具体的に説明すると図１に示すようにマイクロ波を発信する発信アンテナ１と、この発信されたマイクロ波を受信する受信アンテナ２とを有しこの発信アンテナ１と受信アンテナ２との間に設けられた板状部材３の水分率を上記マイクロ波の減衰量や同マイクロ波の位相の変化量から計測するような透過式水分率測定法といわれるものが利用されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のマイクロ波水分計においては以下のような問題があった。
（１）発信アンテナ１、受信アンテナ２の形状を小さくするのに限界がある。従って小型化することが困難である。
（２）コンベアロール４等に位置を固定された板状部材３等を測定しているために、発信アンテナ１と受信アンテナ２も固定しておかなくてはならないので測定場所の移動が困難である。
（３）以上の理由により小型化と移動が困難なため生ゴミや堆肥などに代表されるような多種類の被測定物を測定するには適していない。
（４）装置が大型化、精密化するので製作費が高価になる。
本発明は上記の欠点を除去するためになされたもので、その目的とするところは小型軽量にしてかつ多種類の試料の水分率を測定することができ、しかも導電率および密度の異なる試料に対しても、当該試料の水分率を高い精度でかつ簡単な操作で測定することができるマイクロ波水分計を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロ波水分計は試料中の水分率を測定するマイクロ波水分計において、マイクロ波発信部とこれに接続された絶縁物で被覆された２本の導体で構成された伝送路の入力と該伝送路の一部分を検出領域とした検出部と該検出領域で接触する試料の水分量によるマイクロ波出力レベルの変化を測定するために該伝送路の出力に接続されたマイクロ波受信部とを設け該受信部により測定されたマイクロ波出力レベルの変化と予め測定された既知試料中の水分率に基づいて未知試料の水分率を演算する制御部とを具えてなることを特徴とする。
【０００６】
本発明のマイクロ波水分計においては検出部には試料の温度を検出する温度センサーが設けられており、制御部において、前記温度センサーにより検出された試料の温度に基づいて受信部により測定されたマイクロ波出力レベルの変化が補正されることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図２は、本発明のマイクロ波水分計の一例における回路構成を模式的に示すブロック図である。１０はマイクロ波発信部であって例えば周波数３ＧＨｚのマイクロ波を発振する発振器１１とインピーダンスを調整する抵抗１２と第１トランス１３とを有する。２０は検出部であって、互いに対向して伝送路を形成する一方の電極棒２１および他方の電極棒２２と温度センサー２３とを有する。また一方の電極棒２１と他方の電極棒２２には検出範囲として、それぞれ２１ａ，２２ａが向かい合う形となっており、この２１ａと２２ａの間に試料９０の検出領域Ｔが形成されている。電極棒２１，２２はマイクロ波発信部と整合状態となっている。また両方の電極棒は例えばテフロン等の絶縁材料によりコーティングされている。このため電極棒間に存在する試料自体の導電率が高くても、当該電極棒間には十分な絶縁性が確保される。その結果、試料の導電率を測定することが不要となり、したがって導電率の高い試料に対しても当該試料の水分率を高い精度で測定することができる。またマイクロ波受信部３０の入力インピーダンスは第２トランス３１と抵抗３２によって主に調整される。以上のインピーダンス調整を行うことにより、マイクロ波発信部１０、検出部２０およびマイクロ波受信部３０間の整合をとることが出来る。これにより検出部２０から検出され電極棒の負荷端２１ｂ、２２ｂに生じるマイクロ波出力レベルは最大となり第２トランス３１を介してダイオード３５で整流され、この整流電圧が増幅器４０によって増幅され出力電圧ｅとなった後、図６に示される制御部５０の出力電圧ｅ入力端子９７に送られる。
５０はマイクロ波受信部３０から出力される検出電圧ｅの変化により水分率を演算する制御部である。また水はその温度が高くなるにつれてその比誘電率も高くなり試料９０の温度によっては、その比誘電率の変化量が無視することができない程度に大きくなるため制御部５０に検出領域Ｔの近傍にある、温度に比例した出力を出す温度センサ２３を接続し、検出された試料９０の温度に基づいてマイクロ波受信部３０の検出電圧ｅを補正する。これにより試料９０の水分率を高い精度で測定することができる。表示部６０は制御部５０で図７に示されるような検量線によって演算された結果、試料９０の水分率を表示する。
【０００８】
図３は電極棒２１、電極棒２２の形状と相互位置を示すものであり電極棒の断面形状は半径ａの丸型となっている。電極棒２１，２２はＵ字型の形状で互いに平行に向かいあっていて、その間隔はｄとなっている。またＵ字型の先端部に電極棒の試料検出範囲２１ａ、２２ａが存在している。
【０００９】
マイクロ波発信部１０で発生したマイクロ波電力を伝送中に減衰させないためにマイクロ波発信部１０と検出部２０の間および検出部２０とマイクロ波受信部３０の間は整合状態に保たれている。また検出部２０の特性インピーダンスは電極棒２１と電極棒２２間の平行間距離ｄと電極棒の半径ａによって決定される。このときの検出部２０の特性インピーダンスＺはＺ＝１２０ｌｎ（ｄ／ａ）でもとめられる。
従って電極棒２１，２２の半径ａと電極棒２１，２２間の距離ｄを調節すればマイクロ波発信部１０と検出部２０とマイクロ波受信部３０間の整合状態を保つことができる。
【００１０】
この状態において電極棒の試料検出範囲２１ａ，２２ａに試料９０が接触している状態をさらに等価回路で説明すると図４に示すようになる。試料９０を電気的等価回路で表すとコンデンサ９１と抵抗９２の並列回路で表される。なおコンデンサ９１の誘電体は水分も含む状態となっている。さらに各電極棒２１、２２は絶縁材料でコーティングされているため当該電極棒２１、２２と試料９０の間には等価的にコンデンサ９３、９４がそれぞれ直列に接続された状態となっている。また抵抗４１はマイクロ波受信部３０の等価抵抗である。
【００１１】
図２において整合状態にある検出部２０の電極棒の試料検出範囲２１ａ，２２ａに図４で示した試料９０を接触させて測定するとマイクロ波エネルギーは水分により吸収されるので検出領域Ｔに空気が存在していた場合と比較して負荷端２１ｂ，２２ｂ間のマイクロ波出力レベルが減衰する。これにともない、増幅器４０の出力電圧ｅのレベルの変化によって試料９０の水分率の変化を検出することができる。
【００１２】
図５は本発明の実際の使用例を表したものである。センサケース８０内には電極棒２１、２２、温度センサ２３、発信部１０、受信部３０、その他配線ケーブル（図示せず）が収容されている。電極棒２１、２２はすべて外部に出ているわけではなく、試料検出部２１ａ、２２ａのみが外部に露出して試料９０と接触することができる。センサケース８０には取っ手８１が付けられ、この部分を持って試料９０に試料検出部２１ａ、２２ａおよび温度センサ２３を接触させ試料中の水分率を測定する。
【００１３】
また本体ケース８３には制御部５０、表示部６０、電源部７０、電源スイッチ５１、校正ボタン５２、記憶ボタン５３、測定ボタン５４が収容されている。電源スイッチ５１が入るとコード８２を通してセンサケース８０内のマイクロ波発信部１０およびマイクロ波受信部３０に電源が供給される。
【００１４】
図５および図６により試料９０の測定時の動作を説明する。測定前の準備として基準水分率と表示部６０の表示値との関係を示す図７のような検量線を作成し制御部５０に記憶させる。その方法として、例えば乾燥質量法などで測定して予め水分率が段階的に既知となっている試料を何種類か用意する。そして水分率を順番に測定していく。測定は試料保存ケース９５に既知の試料を、ならして密度を均等に保つようにしてから行う。次にセンサケース８０の先端にある電極棒の試料検出範囲２１ａ、２２ａ全体と温度センサ２３を試料９０に十分触れる程度に接触させる。そして校正ボタン５２を押して既知の試料の水分率と表示部６０の表示値を合わせる。表示が安定したら記憶ボタン５３を押し水分率データと対応する表示値を制御部５０に記憶させる。この操作を他の既知の試料に対しても同様に必要回数繰り返すと水分率に対応した表示値のデータが揃うので図７に示すような検量線を作成するのに必要なデータが収集される。
測定方法としては始めに試料保存ケース９５に水分率が未知の試料を入れ前記測定準備と同様にセンサケース８０の先端を未知の試料に十分に接触させ測定ボタン５３を押して、その水分率を測定する。この時、温度センサ入力端子９６からは温度データが制御部５０に入っており制御部５０では前記測定準備によって作成された検量線から換算した試料９０の水分率を前記温度データにより補正し表示部６０に表示する。
【発明の効果】
請求項１に記載のマイクロ波水分計によれば特別な形状の発信アンテナや受信アンテナを必要とせず小型軽量のため移動も自由でかつ簡便に多種類の試料の水分率を測定することができ、しかも、導電率の異なる試料に対しても、当該試料の水分率を高い精度で測定することができる。請求項２に記載のマイクロ波水分計によれば試料の温度に関わらず、当該試料の水分率を高い精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマイクロ波水分計の一例を示す説明図である。
【図２】本発明の一例における回路構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】検出部の一例を示す斜視図である。
【図４】本発明の電極棒に試料が接触したときの状態を説明するための等価回路を示すブロック図である。
【図５】本発明の実際の一使用例を示す斜視図である。
【図６】本体ケース内の回路構成を表したブロック図である。
【図７】制御部５０に記憶させる検量線の図の一例である。
【符号の説明】
１．発信アンテナ
２．受信アンテナ
３．板状部材
４．コンベアロール
１０．マイクロ波発信部
１１．発振器
１３．第１トランス
２０．検出部
２１，２２．電極棒
２１ａ，２２ａ　電極棒の試料検出範囲
２１ｂ，２２ｂ．電極棒の負荷端
２３．温度センサ
３０．マイクロ波受信部
３１．第２トランス
１２，３２，３４，３６，３７，３９，９２　抵抗
３３，３８，９１　コンデンサ
３５．ダイオード
４０．増幅器
４１．等価抵抗
５０．制御部
５１．電源スイッチ
５２．校正ボタン
５３．記憶ボタン
５４．測定ボタン
６０．表示部
７０．電源部
８０．センサケース
８１．取っ手
８２．コード
８３．本体ケース
９０．試料
９３，９４　等価コンデンサ
９５．試料保存ケース
９６．温度センサ入力端子
９７．出力電圧ｅ入力端子
９８．アース端子
９９．電源端子

Claims

試料中の水分率を測定するマイクロ波水分計において、マイクロ波発信部とこれに接続され絶縁物で被覆された２本の導体で構成された伝送路の入力と該伝送路の一部分を検出領域とした検出部と該検出領域で接触する試料の水分量によるマイクロ波出力レベルの変化を測定するために該伝送路の出力に接続されたマイクロ波受信部とを設け該受信部により測定されたマイクロ波出力レベルの変化と予め測定された既知試料中の水分率に基づいて未知試料の水分率を演算する制御部とを具えてなることを特徴とするマイクロ波水分計。
検出部には試料の温度を検出する温度センサーが設けられており、制御部において、前記温度センサーにより検出された試料の温度に基づいてマイクロ波受信部により測定されたマイクロ波出力レベルの変化が補正されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波水分計。