JP2004144513A

JP2004144513A - 茶葉の含水率測定装置及び含水率測定方法

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Publication number: JP2004144513A
Application number: JP2002307045A
Authority: JP
Inventors: Seichi Okamura; 岡村　静致; Nobuto Tsukamoto; 塚本　伸人; Hitoshi Miura; 三浦　仁志
Original assignee: Hamamatsu Foundation for Science and Technology Promotion; Kawasaki Kiko Co Ltd
Current assignee: Hamamatsu Foundation for Science and Technology Promotion; Kawasaki Kiko Co Ltd
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-22
Also published as: JP4019264B2

Abstract

【課題】マイクロストリップ線路を用いて高含水率の茶葉をも正確に測定することができる茶葉の含水率測定装置及び含水率測定方法を提供する。
【解決手段】茶葉を収容し得る収容空間Ｓと、マイクロ波の伝播経路を成すマイクロストリップ線路１０と、該マイクロストリップ線路１０を伝播する過程で収容空間Ｓ中の茶葉に含まれた水分にマイクロ波が吸収されることにより生じるマイクロ波の減衰量及び移相量を検出する検出手段１５と、該検出手段で検出されたマイクロ波の減衰量と移相量との比を求め、該比に基づいて含水率を算出する算出手段１６とを具備したものである。
【選択図】　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波を用いて茶葉の含水率を測定する茶葉の含水率測定装置及び含水率測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
茶葉の加工工程においては、そのほとんどが揉乾装置（葉打ち機、粗揉機、揉捻機、中揉み機、中揉機、精揉機等）を用いて茶葉を揉みつつ乾燥させる作業工程であり、加工途中における茶葉の乾燥状態（茶葉の含水率）を把握することが、品質管理上、極めて重要となっている。それ故、従来より、茶葉の含水率を測定するための装置が種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１にて開示された茶葉の含水率測定装置は、加工中の茶葉を収容する収容空間に臨ませてマイクロストリップ線路が配設されており、該マイクロストリップ線路をマイクロ波の伝播経路とするとともに、その減衰量を求めている。即ち、マイクロストリップ線路をマイクロ波が伝播する過程において、その一部が茶葉中に含まれる水分に吸収されて減衰するので、当該減衰量と茶葉に含まれる水分量とは相関しており、発振したマイクロ波の減衰量に基づいて含水率を算出することができるのである。
【０００４】
上記マイクロ波の減衰量（ΔＡ）は、茶葉の含水率Ｍ（％）、収容空間内の茶葉の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）、茶葉のマイクロストリップ線路上の長さ（実効測定長）Ｌ（ｍ）及び茶葉の温度Ｔの関数であり、それぞれ以下に示すように関数Ｇ及びＱで表すことができる。即ち、ΔＡ＝Ｇ（Ｍ、ρ、Ｌ、Ｔ）＝ρＬＧ（Ｍ、Ｔ）なる関係式が成り立つ。
【０００５】
特に、茶葉の温度が一定であるという前提であれば、上記関係式をΔＡ＝ρＬＧ’（Ｍ）と表すことができる。従って、マイクロストリップ線路を伝播する過程において茶葉中の水分によって減衰したマイクロ波の減衰量（ΔＡ）を求めるとともに、各パラメータ（密度ρ、長さＬ）を把握しておけば、含水率Ｍを算出することができるのである。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−４６７５８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の茶葉の含水率測定装置においては、以下のような問題があった。即ち、上記関係式からも分かるように、より正確な含水率を求めるには、密度ρ及び長さＬなる２つのパラメータを正確に把握しておく必要があるが、収容空間内に収容された茶葉の如く、形状が一定でなく多数のものから成る物質の場合、測定の度に密度ρが変動してしまい、正確な含水率を求めるのが困難となっている。
【０００８】
また、高含水率の茶葉は、収容空間内のマイクロストリップ線路上において島状に堆積してしまい、当該マイクロストリップ線路上に均等に分布しにくいこと、及び乾燥が進むに従って茶葉の弾性が異なってしまうので密度変化が生じやすいこと等により、同一の含水率の茶葉であっても測定される減衰量がばらついてしまうという不具合があった。
【０００９】
上記ばらつきの度合は、茶葉の含水率が高い程顕著となるため、上記従来のマイクロストリップ線路を用いた含水率測定装置では、特に、含水率が６０％以上の茶葉を正確に測定するのが困難となっていた。然るに、緑茶の加工においては、蒸気で蒸した後の全揉乾工程で含水率を測定することが求められているのであるが、その場合、含水率が約６０〜８０％程度の茶葉を正確に測定しなくてはならず、従来のものでは対応できない。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、マイクロストリップ線路を用いて高含水率の茶葉をも正確に測定することができる茶葉の含水率測定装置及び含水率測定方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、茶葉を収容し得る収容空間と、該収容空間に臨ませつつ延設され、一端がマイクロ波発振手段に接続されるとともに他端がマイクロ波受信手段に接続されたマイクロストリップ線路と、該マイクロストリップ線路を伝播する過程で前記収容空間中の茶葉に含まれた水分にマイクロ波が吸収されることにより生じるマイクロ波の減衰量を検出する検出手段と、該検出手段で検出されたマイクロ波の減衰量から茶葉の含水率を算出する算出手段とを有する茶葉の含水率測定装置において、前記検出手段は、マイクロ波の減衰量に加えて当該マイクロ波の移相量をも検出するとともに、前記算出手段は、その減衰量と移相量との比を求め、該比に基づいて含水率を算出することを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の茶葉の含水率測定装置において、前記収容空間は、茶葉の揉乾装置における加工室に臨んで配置され、当該揉乾装置による揉乾加工前、加工中又は加工後の茶葉を所定量収容し得るものであることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の茶葉の含水率測定装置において、前記収容空間内の茶葉を当該収容空間から排出し得る排出手段を具備したことを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明は、茶葉を収容し得る収容空間と、該収容空間に臨ませつつ延設され、一端がマイクロ波発振手段に接続されるとともに他端がマイクロ波受信手段に接続されたマイクロストリップ線路とを備えた含水率測定装置を用いた含水率測定方法において、前記マイクロストリップ線路を伝播したマイクロ波の減衰量とその移相量との比を求め、該比に基づいて含水率を算出することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係る茶葉の含水率測定装置は、図７に示すように、製茶工程における粗揉機１に配設され、該粗揉機１で揉乾加工中の茶葉の含水率を測定するためのものである。かかる粗揉機１に配設された含水率測定装置２は、当該粗揉機１による揉乾加工中に茶葉を適宜採取し、検出手段１５及び算出手段１６（図４参照）で含水率を算出し得るよう構成されている。
【００１６】
尚、揉乾加工前、或いは揉乾加工後の茶葉の含水率を測定するよう構成してもよい。また、同図中符号８、１７、１８及び１９は、それぞれ粗揉機１を制御する制御盤、熱風を発生するための熱風発生機、熱風を導入するための熱風ダクト及び加工後の茶葉を取り出すための取出扉を示している。
【００１７】
この含水率測定装置２は、図１に示すように、茶葉を収容し得る収容空間Ｓを有したもので、かかる収容空間Ｓは、固設の底板３と、エアシリンダ７により同図中上下方向に移動可能な計測板４と、エアシリンダ６により同図中左右方向に移動可能な排出板５と、同図手前及び奥側に固設された側板（図示せず）とに囲まれて形成されている。
【００１８】
即ち、収容空間Ｓは、下方が底板３、上方が計測板４、側方が一対の側板及び後ろ側が排出板５で囲まれた空間とされており、当該排出板５と対向する側（前側）が開口して開口部Ａを形成したものである。この開口部Ａは、粗揉機１の加工室（茶葉を揉乾する室）内に臨むよう形成されており、かかる開口部Ａにより、加工室内で揉乾加工中の茶葉を収容空間Ｓ内へ導入、又は含水率の測定が終了した茶葉の収容空間Ｓからの排出を行い得るようになっている。
【００１９】
計測板４は、底板３の上方に所定寸法離間して配設された板状部材から成り、エアシリンダ７によって当該底板３に対し近接又は離間方向に移動可能とされている。即ち、茶葉を収容空間Ｓに採取する際は、計測板４は、底板３と離間した位置とされており、含水率の測定の際には、図５に示すように、当該底板３に近接して収容空間Ｓ内の茶葉を加圧し得るようになっている。尚、計測板４の端部（開口部Ａ側）には、シャッター９が形成されており、開口部Ａを開閉可能としている。
【００２０】
排出板５は、底板３及び計測板４と同様、板状部材から成り、エアシリンダ６により、その計測板４と底板３との間隙部を摺動し得るよう構成されていている。即ち、図１の状態からエアシリンダ６が駆動すると、図６に示すように、排出板５が収容空間Ｓ内に入り込んで、当該収容空間Ｓ内の茶葉を開口部Ａから排出し得るようになっている。尚、かかる排出板５の下端（底板３の上面と当接する側）にスクレーパ等の払拭手段を設けるようにしてもよい。
【００２１】
底板３は、その上面が収容空間Ｓに面しつつ所定角度傾斜して配設され、開口部Ａから導入した茶葉を載置し得る板状部材から成るものである。即ち、開口部Ａ側から排出板５側に亘って所定角度下方へ傾斜しているので、収容空間Ｓ内の茶葉が自然と開口部Ａから落下してしまうのを回避している。かかる底板３の上面には、図２に示すように、収容空間Ｓに収容された茶葉の含水率を測定すべきマイクロストリップ線路１０が形成されている。このマイクロストリップ線路１０は、底板３の縁に沿って形成されているため、収容空間Ｓの略全域を測定し得るようになっている。
【００２２】
また、マイクロストリップ線路１０は、図３に示すように、保護板１４、ストリップ導体１１、誘電体１２及び導体板１３が積層して成るものであり、このうちストリップ導体１１の一端がマイクロ波を発振し得る発振器Ｐに接続されるとともに、その発振されたマイクロ波を受信すべく他端に受信器Ｑが接続されている。ストリップ導体１１の表面（即ち、収容空間Ｓに面した側）には、アクリル等から成る保護板１４が形成されている。
【００２３】
一方、ストリップ導体１１と導体板１３とは誘電体１２を介して対向するよう配設されている。尚、ストリップ導体１１及び導体板１３は、銅やプラチナ或いは金等の金属から成るものとするのが好ましく、誘電体１２は、シリコンや樹脂を含有したグラスファイバ或いはセラミックを用いるのが好ましい。また、ストリップ導体１１（即ち、マイクロストリップ線路１０）の平面視配設パターンは、図２のものに限定されず、種々パターンを成して形成されていてもよい。
【００２４】
そして、発振器Ｐから発振されたマイクロ波は、マイクロストリップ線路１０を伝播する過程において種々の損失（導体損失、誘電体損失及び放射損失）を生じてレベルが低下した後、受信器Ｑにて受信される。ここで、マイクロストリップ線路１０上に茶葉が位置しない状態で発振器Ｐからマイクロ波を送出するとともに、受信器Ｑにて受信し、発振器Ｐの送信レベル（出力レベル）と受信器Ｑの受信レベル（入力レベル）との差を基準値としておく。
【００２５】
一方、収容空間Ｓ内に茶葉を導入し、底板３に計測板４を近接させることにより茶葉を加圧した状態において、発振器Ｐからマイクロ波を送出すると、上記損失に加えて、茶葉中に含まれる水分にマイクロ波が吸収されることによる損失が生じるので、送信レベルと受信レベルとの差から更に基準値を差し引いた値が、茶葉中の水分によるマイクロ波の減衰量となる。
【００２６】
具体的には、マイクロ波の減衰量をΔＡとした場合、該減衰量ΔＡは、茶葉の含水率Ｍ（％）、収容空間Ｓに収容された茶葉の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）、茶葉のマイクロストリップ線路上の長さ（実効測定長）Ｌ（ｍ）及び茶葉の温度Ｔの関数Ｇ及びＱで表すことができる。即ち、ΔＡ＝Ｇ（Ｍ、ρ、Ｌ、Ｔ）＝ρＬＧ’（Ｍ、Ｔ）なる関係式が成り立つ。
【００２７】
尚、上記関係式は、マイクロストリップ線路１０上にある茶葉の高さが十分大きく、その高さの変化が測定値に影響を与えない範囲であることが前提とされる。また、特に、測定時間にそれほど長時間を費やすことがないので、茶葉の温度Ｔは一定であるという前提が成り立つ。そこで、上記関係式は、ΔＡ＝ρＬＧ”（Ｍ）（以下、関係式１という。）と簡略化することができる。
【００２８】
ここで、本実施形態に係る含水率測定装置２においては、上記減衰率ΔＡの他、マイクロ波の移相量Δφをも検出して、含水率を求めることとしている。具体的には、発振器Ｐ及び受信器Ｑは、減衰量ΔＡ及び移相量Δφを検出するための検出手段１５と電気的に接続されており、該検出手段１５で検出された減衰量ΔＡと移相量Δφとの比を算出手段１６が算出し得るよう構成されている。
【００２９】
マイクロ波の移相量Δφは、ΔＡと同一条件下、次式で表すことができる。即ち、移相量Δφ＝Ｑ（Ｍ、ρ、Ｌ、Ｔ）＝ρＬＱ’（Ｍ、Ｔ）なる関係式が成り立つ。上述と同様の理由で、茶葉の温度Ｔは一定であるという前提が成り立つので、上記関係式は、Δφ＝ρＬＱ”（Ｍ）（以下、関係式２という。）と簡略化することができる。
【００３０】
ところで、上述した関数Ｇ”（Ｍ）及びＱ”（Ｍ）は、含水率Ｍに対して１次関数として近時できるので、関係式１及び関係式２は、それぞれＧ”（Ｍ）＝ａ１Ｍ＋ａ２、Ｑ”（Ｍ）＝ｂ１Ｍ＋ｂ２と表すことができる。これらを用いて減衰量の移相量に対する比を求めると、ΔＡ／Δφ＝Ｇ”（Ｍ）／Ｑ”（Ｍ）＝（ａ１Ｍ＋ａ２）／（ｂ１Ｍ＋ｂ２）（以下、関係式３という。）となる。
【００３１】
かかる関係式３より、減衰量の移相量に対する比ΔＡ／Δφは、含水率Ｍのみの関数となり、密度ρ及び長さＬに影響されることなく含水率を測定することができることが分かる。更に、緑茶のような植物を測定すべき数ＧＨｚのマイクロ波においては、当該マイクロ波に対する減衰量は乾燥した状態ではほとんどゼロと見なすことができるので、上記関係式３は、更に簡略化することができ、以下の如き関係式とされる。即ち、ΔＡ／Δφ＝ａ１／ｂ１×（１−１／（ｂ１／ｂ２）Ｍ＋ｂ２）なる関係式４が導かれ、該関係式４を用いて算出手段１６が茶葉の含水率Ｍを求める。
【００３２】
次に、上記構成の含水率測定装置２における作用について説明する。
粗揉機１による揉乾作業中において、シャッター９を開いて開口部Ａを粗揉機１の加工室に臨ませておく。これにより、粗揉機１の揉乾作用で上方へ浚われた茶葉の一部は、開口部Ａから入り込み、収容空間Ｓに収容されることとなる。該収容空間Ｓに所定量の茶葉が収容された時点で、エアシリンダ７が駆動して計測板４が底板３に近接する方向に移動し、図５に示すように、収容空間Ｓ内の茶葉を加圧する。
【００３３】
その状態にて発振器Ｐからマイクロ波を発振するとともに受信機Ｑで受信し、検出手段１５で減衰量ΔＡ及び移相量φを検出する。続いて、算出手段１６により関係式４（関係式３であってもよい。）を用いて減衰量ΔＡの移相量Δφに対する比を求め、該比から含水率Ｍ（％）を算出する。かかる算出手段１６で用いられる関係式４が密度ρ及び長さＬをパラメータとしていないため、これら密度ρ及び長さＬに影響せず含水率Ｍ（％）を求めることができる。
【００３４】
即ち、減衰量の移相量に対する比を求めることにより、含水率Ｍを求めるための関係式から密度ρ及び長さＬなるパラメータを排除することができるので、測定値の不安定要素であった当該密度ρ及び長さＬなる２つのパラメータを把握する必要がなく、マイクロストリップ線路を用いて高含水率の茶葉をも正確に測定することができるのである。
【００３５】
また、このように高含水率の茶葉をも正確に測定することができるので、本実施形態の如く粗揉機の他、葉打機等においても適用することができる。特に、緑茶の製造工程において必要とされる含水率が約６０〜８０％程度の茶葉の含水率を正確に測定することができるので、より実用的なものとすることができる。
【００３６】
更に、粗揉機１による加工中の茶葉に対して本実施形態に係る含水率測定装置２にて含水率を測定することにより、当該粗揉機１の加工条件や取出時間等を最適なものとすることができ、より正確な茶葉の含水率に基づく粗揉工程を行うことができる。従って、より高品質の茶葉を製造することができるとともに、後工程をよりスムーズに行わせることができる。
【００３７】
上記した一連の含水率測定が終了すると、エアシリンダ７が駆動して計測板４が元の位置（図１で示した位置）まで戻り、茶葉に対する加圧作用が解かれるとともに、エアシリンダ６が駆動して排出板５が収容空間Ｓ内まで摺動する（図６参照）。これにより、収容空間Ｓ内の茶葉が開口部Ａから排出され、粗揉機１の加工室に戻されるのである。その後、エアシリンダ６が駆動して排出板５が元の位置（図１で示した位置）まで戻り、次の含水率測定までの待機状態とされる。
【００３８】
このように、排出板５が収容空間Ｓ内において摺動可能とされ、当該収容空間Ｓ内の茶葉を粗揉機１の加工室に戻すことができるので、茶葉の収容空間からの排出を作業者が行うものに比べ、含水率測定作業における一連の動作を自動で行うことができ、作業性を向上させることができる。
【００３９】
以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、算出手段がマイクロ波の減衰量とその移相量との比を求めれば足り、本実施形態の如く減衰量の移相量に対する比（ΔＡ／Δφ）を求めるものの他、移相量の減衰量に対する比（Δφ／ΔＡ）を求めるようにしてもよい。また、マイクロ波の伝播経路であるマイクロストリップ線路は、収容空間Ｓに臨んで延設されていれば足り、底板３の他、計測板４や側面板或いは排出板５の収容空間Ｓを臨んだ面に形成するようにしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１及び請求項４の発明によれば、マイクロ波の減衰量とその移相量との比から含水率を算出しているので、従来必要であった密度ρ及び長さＬなる２つのパラメータを把握する必要がなく、マイクロストリップ線路を用いて高含水率の茶葉をも正確に測定することができる。
【００４１】
請求項２の発明によれば、揉乾装置による揉乾加工前、加工中又は加工後の茶葉を所定量収容し、その含水率を測定するので、例えば緑茶の製造工程において必要とされる含水率が約６０〜８０％程度の茶葉の含水率を正確に測定することができ、より実用的なものとすることができる。
【００４２】
請求項３の発明によれば、収容空間内の茶葉を当該収容空間から排出し得る排出手段を具備したので、含水率測定作業における一連の動作を自動で行うことができ、作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る茶葉の含水率測定装置を示す縦断面模式図
【図２】本発明の実施形態に係る茶葉の含水率測定装置におけるマイクロストリップ線路を示す模式図
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図
【図４】本発明の実施形態に係る茶葉の含水率測定装置における発振器、受信器、検出手段及び算出手段の接続関係を示すブロック図
【図５】図１において計測板４が底板３に近接した状態を示す模式図
【図６】図１において排出板５が収容空間Ｓ内まで摺動した状態を示す模式図
【図７】本発明の実施形態に係る茶葉の含水率測定装置が適用される粗揉機を示す全体模式図
【符号の説明】
１…粗揉機
２…含水率測定装置
３…底板
４…計測板
５…排出板
６、７…エアシリンダ
８…制御盤
９…シャッター
１０…マイクロストリップ線路
１１…ストリップ導体
１２…誘電体
１３…導体板
１４…保護板
１５…検出手段
１６…算出手段
１７…熱風発生機
１８…熱風ダクト
１９…取出扉
Ｓ…収容空間

Claims

茶葉を収容し得る収容空間と、
該収容空間に臨ませつつ延設され、一端がマイクロ波発振手段に接続されるとともに他端がマイクロ波受信手段に接続されたマイクロストリップ線路と、
該マイクロストリップ線路を伝播する過程で前記収容空間中の茶葉に含まれた水分にマイクロ波が吸収されることにより生じるマイクロ波の減衰量を検出する検出手段と、
該検出手段で検出されたマイクロ波の減衰量から茶葉の含水率を算出する算出手段と、
を有する茶葉の含水率測定装置において、
前記検出手段は、マイクロ波の減衰量に加えて当該マイクロ波の移相量をも検出するとともに、前記算出手段は、その減衰量と移相量との比を求め、該比に基づいて含水率を算出することを特徴とする茶葉の含水率測定装置。
前記収容空間は、茶葉の揉乾装置における加工室に臨んで配置され、当該揉乾装置による揉乾加工前、加工中又は加工後の茶葉を所定量収容し得るものであることを特徴とする請求項１記載の茶葉の含水率測定装置。
前記収容空間内の茶葉を当該収容空間から排出し得る排出手段を具備したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の茶葉の含水率測定装置。
茶葉を収容し得る収容空間と、該収容空間に臨ませつつ延設され、一端がマイクロ波発振手段に接続されるとともに他端がマイクロ波受信手段に接続されたマイクロストリップ線路とを備えた含水率測定装置を用いた含水率測定方法において、
前記マイクロストリップ線路を伝播したマイクロ波の減衰量とその移相量との比を求め、該比に基づいて含水率を算出することを特徴とする含水率測定方法。