JP2004520568A - 物質中の選択された特性の分布を測定するための装置、方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
本発明は材料の選択された特性の分布を測定する装置に関し、この装置は電磁放射のエミッターとさらに少なくとも1つの第1のセンサーとからなる。エミッターは、選択された周波数レンジの電磁放射を材料に向けて発し、材料から来る選択された周波数レンジの電磁放射を検知する。検知された電磁放射はエミッターから発せられたものである。この装置は、また空間における材料の位置に関する3次元的画像外形情報を発する手段と(a)このセンサーから情報を受ける、(b)この情報を処理する及び(c)前記特性の分布についての情報を含む信号を発する分析器を含む。本発明はまた材料の選択された特性の分布を測定するシステム及び方法に関する。
Description
【0001】
本発明は、物質中の選択された特性の分布を測定するための装置に関し、特に電磁放射を検出することによって物質の密度、水分量及び温度などの特性の空間的分布を物質と接触することなく且つ物質を破壊することなく測定する装置に関する。本発明はまたそのような測定の方法及びシステムに関する。
【0002】
多くの産業上の工程は、温度、水分量及び密度などの物質特性の測定に依存している。これらの物性を厳密に監視することによって作業効率を向上させ且つ製品の品質を改良することができる。もしこのような測定が、物質を破壊せず且つ物質と接触せずに許容できる正確性をもって迅速に行えれば、さらなる利益が得られる。
【0003】
その一例として食料品の加熱工程中の温度分布の測定が挙げられる。ここでは温度分布をオンラインで監視することによってバクテリアが完全に除去されていない冷えた部分が発生するのを防ぎ又は完全にバクテリアを除去するのに必要な最小限の時間で加熱するのに役立つ。その結果、加熱時間及びエネルギー消費を減少させ且つ生産ラインの処理量を増加することができる。
【0004】
物質の特性は、従来物質を破壊(サンプルセパレーション、ピーキング)して測定されているが、物質の誘電性反応を評価することによって送られた電磁放射を分析することによって測定することもできる。電磁放射を使用する測定は、通常、物質と接触せず且つ物質を破壊することなく行える。
【0005】
温度分布、水分含有量及び密度などの物質特性を測定するのに好適な電磁放射の周波数領域は、水分の吸収が大きすぎず且つ波長が適正な空間的分解(spatial resolution)を確実に行えるのに充分短い低マイクロ波である。上記物質特性の測定は、物質の分極性(polarizability)に基づいて物質の誘電性反応を分析することによって行われる。物質サンプルの誘電性データは、通常、電磁波の反射及び伝動(transmission)特性又はこれらの組み合わせの分析によって得られる。物質特性の分布を得るためには、物質の誘電性反応の3次元像を測定しなければならない。これを行うにはマイクロ波検知装置と物質サンプルを互いに移動させなければならない。
【0006】
単独の測定周波数又は照射周波数のいずれかを利用する従来の機器は、周波数インターバル(FMCW)内で掃引され、平均遅延時間が得られたデータから算出される。
【0007】
多数のアンテナ位置間の単独の周波数(又は小さい帯域)の電磁照射の送波又は物質サンプルを利用した誘電画像形成(dielectric imaging)は、従来、空間分解を得るために移行(shift)及び回転され又は2次元に移行される。これらのデータに基づいて誘電画像形成は、例えばよく知られている分極性源の位置及び強度が、繰り返し工程で得られるCSI(contrast source iteration)法によって得られる。
【0008】
当業者によく知られている技術、即ち以下に述べるCSIを利用する場合、電磁像が、誘電像の未知の誘電機能を算出するのに使用される。
【0009】
まず始めにマクスウェル方程式(1961年、Mc. Graw Hill社より刊行された「Time Harmonic Electromagnetic Fields」と題された本でR. R. Harringtonが説明している)では、誘電率が単位系(unity)と異なるすべての領域において、電磁場は、分極による拘束電荷を生じさせると仮定している。これらの拘束電荷は、電場自体によって発生させられ、電場と共に振動し、別の電流成分を生じさせ、これは
【数1】
で表され、この式中、電流密度はjであり、電場はuであり、物質の誘電率(dielectric function)がεであり、バックグラウンドの誘電率はεbで表される。p及びqが測定ギャップの2次元断面において2つの位置ベクトルであると仮定する。Dは物質サンプルの断面を含む領域(domain)である。ベクトルqは電磁放射の発生源を表す。測定空間の電場間の接続(connection)の一般的な関係は、その電流にグリーン関数の定義を当てはめることによって正式に得られる:
【数2】
上記電流密度関数(current density relation)を導入し、得られた積分値を2分する:
【数3】
ここで、第1の項はバックグラウンドの誘電応答のみが存在する場合の電場を表し、第2の項は分極、即ち誘電率によって発生する場を表す。バックグラウンドのみが存在する時の場は、入射場(incident fields)uincと呼ばれている。放射源から入射する観測ポイントでの場は、1999年4月に刊行された「IEEE Antenna and Propagation Magazine」に掲載されたP. M. Van den Berg、B. J. Kooj、R. E. Kleinman等による「Image Reconstruction from Isich−Data III」と題された論文の27頁から32頁によると次のように表される
【数4】
ここでGは次のように表される電磁的問題の2次元グリーン関数を表し、
【数5】
そして分極関数χは次のように物質ε及びバックグラウンドεbの誘電関数に依存する
【数6】
散乱場(scattered fields)fを定義すると直接、次の式が得られる
【数7】
これからすべてのポイントrでの散乱場の積分方程式が決まる。
【数8】
この関係は、rがアンテナの位置に等しく且つFi(r)が、周波数f:
k=(2π/c)・fの与えられた波動ベクトルの散乱場の測定値である場合、正確に満たされる。領域Dの内部のポイントのFi(r)の値は、ほぼ満たされる。従って上記の関係は、場Fi(r)と極性χ(r)の[K・Q]x[K・Q]で表される非線形マトリックスの問題になるkベクトルの集合Kと内部ポイントの集合Qのために解決されなければならない。
【0010】
マトリックス形状において状態方程式(state equation)はu = uinc + Gχuとなり、一方周波数関数は、F = Gχuとなる。
コントラスト源ψ= χ・uを導入すると上記関数は、Kの測定周波数いずれかのすべての内部ポイントQにおいて、ψ= χuinc + χGψとなり、Kの測定周波数のいずれかの単独のアンテナ位置において、F = Gψとなる。
【0011】
共役勾配の方法を用いることによって上記問題を解決するコントラストとコントラスト源のシーケンスが得られる。
【0012】
本発明の装置はマイクロ波放射を用いて得られる送信測定値に含まれる誘電及び磁力情報に基づいて物質中の温度、水分量及び密度の空間分布を測定するために設計されている。
【0013】
本発明は測定されたデータからのこのような情報を解析する次の2つの方法を提供する。
(a) 温度、密度及び水分プロフィールをこれらプロフィールが予め知られている以前測定された物質サンプル間で内挿することによって得る。測定結果は内挿によって得られたデータベースに最も合致するものを採用する。
(b) 上記プロフィールは、誘電及び磁力特性のすでに知られている分布となる反散乱問題(inverse scattering problem)を直接計算することによって得られる。所望のパラメータの関数として誘電及び磁力特性の依存性モデルに基づいて、これら特性のマップを直接得る。
【0014】
ここで提案する装置は、1つの機械的走査次元(scanning dimension)のみを使用するものであってもよい。多重アンテナ及び多数の周波数を使用することによって誘電画像の2次元断面が得られる。この計算工程は、分極源の位置及び強度が複数の周波数で送信された電磁場に基づいて反復工程において得られるコントラスト源イタレーションに関連した新規な方法を必要とする。これによりアンテナパターンは、周波数依存性でなければならず、基本的に2次元アプローチとなるサンプルの断面に向けられると推定される。
【0015】
誘電パラメータの計算を促進するために誘電特性が1次定数にある領域は、少なくとも2つの異なる観点から得られたビデオ画像を重なる画像領域で評価することによって得られる。これらのビデオ画像から材料サンプルの誘電構造の理にかなった推定を行うことができる。また別法として、超音波像を同じ目的で使用することができあるいは材料サンプルの3次元画像をメモリーに蓄えてもよい。
【0016】
本発明の目的は、従って物に触れず且つ破壊することなくその特性の空間的分布を測定する装置を提供することである。
【0017】
本発明ではこの目的は、コンベア手段の一側部に配され、コンベア上に載置された材料に向かって特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射を発するエミッターと、このエミッターに対してコンベアの反対側に位置し、エミッターから発せられ材料を通過した特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射を検知する少なくとも1つのセンサーと、各選択された周波数の振幅及び/又はフェーズとからなる電磁放射に関する情報を受けるために配された分析器とからなる物質の選択された特性の分布を測定するための装置において、さらに材料の3次元的外形を得るために分析器に情報を送るために配された画像装置を含み、この分析器は受信した情報に基づいて材料中の選択された特性分布を計算するために配されていることを特徴とする測定装置によって達成される。
【0018】
この目的は、(a)コンベアの一側部に配されたエミッターからコンベア上の材料に向かって選択された周波数レンジの電磁放射を発する工程と、
(b)このエミッターに対してコンベアの反対側に位置するセンサーでエミッターから発せられ材料を通過した特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射を検知する工程と、
(c)これら電磁放射に関する各選択された周波数で振幅及び/又はフェーズからなる情報情報を分析器送信する工程と、からなる材料の選択された特性を測定する方法において、さらに材料の3次元的外形を得るための情報を分析器に送信する工程と、分析器中の情報を分析することによって材料中の選択された特性分布を計算する工程を含む測定方法及び材料の温度、密度及び/又は水分含有量を計算するために使用される材料の誘電及び磁力特性の情報を得るために上記方法に基づいて測定データを評価する上記装置からなるシステムによって達成される。
【0019】
本発明の利点は、マイクロ波反射及び伝達測定の組み合わせと材料の3次元的外形によって空間的に分析された材料の特性分布の測定をオンラインで迅速に行うことができる。
【0020】
従来、材料サンプルの温度と密度は、材料サンプルの特定の部分をプローブすることによって測定される。この方法により、製品管理の程度を向上させる製造においてすべての材料サンプルを完全にオンラインで監視することができる。
【0021】
測定の正確性は、一定の間隔を置いて測定される既に知られている成分及び温度分布を有する較正(calibration)サンプルによって確認される。これによりサンプルがその異なるいくつかの部位で測定された後、サンプル内の温度をプローブにより測定し、その測定温度を機械によって測定された値と比較すればよい。追加の確認工程として、同じ工程をサンプルが例えば冷えた場合に繰り返すことができる。
【0022】
本発明の利点をまとめると、必要最低限の人的干渉で誘電体の水分量及び温度分布を誘電体を破壊せず、誘電体に進入せずそして誘電体と接触せずに迅速且つ自動的に測定することができるということである。この測定方法は、製品の大きさ、形状及び位置の変化に対して影響を受けない。
【0023】
本発明のその他の特徴を本発明の原理を例示する以下に説明する好ましい態様を参照して詳述する。
【0024】
図1に示すように本発明の第1の態様による測定装置10の主要部は、マイクロ波発生器11と送信アンテナ12と受信アンテナ13と分析器14である。これら主要部は材料サンプル16の特性(水分量、密度及び温度)の分布を分析するために共に稼動する。サンプルはコンベア17によって搬送され、このコンベアはリニアモーター上に取り付けられたスライドテーブルからなり、送信アンテナ12と受信アンテナ13との間の測定ギャップ内に配されている。
【0025】
発生器11は送信アンテナ12に接続され、電磁放射を発生させる。この電磁放射は、送信アンテナ12から受信アンテナ13へと送信される。材料サンプル16は送信アンテナ12と受信アンテナ13の間に置かれ、送信された電磁放射の少なくとも1部が材料サンプルを通過する。電磁放射は信号18として送信され、各信号は第1の振幅とフェーズ(phase)及びある周波数領域内で異なる周波数を有する。
【0026】
発生器11はまた分析器14にも接続され、各送信された信号18の振幅及び周波数に関する情報がこの分析器14に送られる。
【0027】
送信された信号18は材料サンプル16の少なくとも1部を通過し、第2の振幅とフェーズを有する受信信号19として受信アンテナ13によって受信される。第2の振幅とフェーズは、各異なる周波数の第1の振幅とフェーズと異なる場合がある。
【0028】
受信アンテナ13は、分析器14に接続され、分析器は受信信号19に関する情報を受け取る。分析器14は各送信された周波数の送信信号の振幅とフェーズと対応する受信信号の振幅とフェーズを比較する。
【0029】
各送信アンテナ12は、材料サンプル16を部分的に衝突し且つ流れる一組の選択された周波数の電磁放射を発射するように設計されている。各受信アンテナ13は、送信アンテナ12から発射され且つ材料サンプルによって少なくとも部分的に送信及び反射された電磁放射を受信するように設計されている。受信アンテナ13は材料サンプル16を走査することができる1つ以上の位置に設置してもよい。
【0030】
分析器14は未処理のデータと使用者の間のインターフェースの役割を果たす。分析器14の出力は、密度、水分含有量及び/又は温度として材料サンプルの特性の3次元映像から構成される。
【0031】
送信アンテナ12と受信アンテナ13との間のマイクロ波の減衰と実行時間(run time)(又はマイクロ波出力波(microwave power wave)のフェーズ及びダンピング)についての情報は、分析器14で計算される。選択された周波数組の各周波数で且つ選択された1組の送受信アンテナ対で材料サンプル16の特定のポイントでこのような計算が行われる。
【0032】
本発明のこの態様では、材料サンプル16の形状は知られているものと仮定し、材料サンプルの3次元像は分析器14に接続されたメモリー15に記憶される。この3次元像は、コンベア17上の材料サンプルの各測定位置の断面像を計算するために使用される。3次元像が知られている材料の例は、管内でギャップを通過する流体又はキャンディーバーなどの決まった形状を有するサンプルである。
【0033】
材料サンプル16に沿った全ての測定位置での全ての周波数でのダンピング及びフェーズの測定結果は、当業者にとって自明の電磁画像を決定するために使用されるが、これは本発明の主要部ではないので、これらの工程についてはここでは説明しない。メモリーからの位置情報は、材料サンプル16の3次元的外形を説明する3次元表面位置データとしてセーブされる。
【0034】
材料の水分含有量、密度及び温度などの材料特性は、次に説明する材料特性分布の内挿(interpolation)によって得られる。
【0035】
一組の材料サンプルが参照として予め測定されたと仮定する。そのデータ群をその大きさのまま又はデータを小さくするために変換した形で記憶する。これらの材料の測定されるパラメータの分布は知られている。これらパラメータ分布は、異なる温度、温度分布、密度及び水分含有量分布である。これら参照製品の測定の抽出パラメータは、高次元ベクター空間(high dimensional vector space)においてポイントを形成する。この空間の各ポイントに決定されるパラメータの特定の分布が参照測定値の隣接するポイントを内挿することによって関連づけられる。ある知られていない製品の測定結果は、このベクター空間の別のポイントに関連づけられる。測定されるパラメータ分布が、ベクター空間のある特定の領域で知られているので、測定ポイントに関連づけられた分布によって測定結果が与えられる。
【0036】
一方、材料分布を直接計算することも適用可能である。
【0037】
材料サンプルの誘電構造の3次元モデルと共にこの3次元画像が、材料の(未知の)誘電率が変わらないと仮定することができる測定ギャップ内の領域を定めるために使用される。図2はチキン20のモデルを例示し、図3はパン30のモデルを例示している。
【0038】
各モデルは誘電率が一定であると仮定されるいくつかの領域21,31からなる。これらモデルの領域の数をxとy座標の関数、ε(x、y)として誘電率のカーブを滑らかに且つ滑らかになり過ぎないように材料の特性を得る工程中であっても調整してもよい。
【0039】
図3の領域は、同心円32によって分割され、複数のマッピング(mapping)ポイントP1−P14が、外方の同心円33に配置されている。各マッピングポイント間の距離は、等間隔であるのが好ましい。
【0040】
適当なモデルが、サンプル材料、この例ではパンの3次元像に適用される。図4はx軸とy軸と共にパンの3次元像の断面40を例示する。パンの外形は、線41で示され、この線はメモリーに記憶された3次元表面位置データから得られ、図3のマッピングポイントP1−P14が、外形線41にマッピングされている。図3の同心円32は、図4に線42で示される外形形状が、誘電率が一定と推定される領域43にパンの断面を分割した後、調節される。
【0041】
以下に図2及び3で説明したモデルで示したような誘電率が、一定の領域を予測するCSIの簡単な方法を説明する。
【0042】
コントラスト源の関数として所定の位置での散乱場間の関係から始めると、誘電率が一定である領域の位置が、予め知られている場合、つぎのように解式工程をかなり単純化することができる。
【数9】
ここでGは再度、次の式で表される電磁問題の2次元グリーン関数を表す
【数10】
そして極性χnは、次のように領域Dnとバックグラウンドεbで一定である材料εの誘電率に依存する
【数11】
【0043】
明らかに上記工程は、コントラスト源の数から考慮された異なる領域の数へとマトリックスのサイズを小さくしている。
【0044】
上記のことから全てのポイントrでの散乱電場の類似の微分方程式が得られる
【数12】
【0045】
この関係で一般的な場合においてと同じような解式工程が適用される。
【0046】
次に説明するのは、周波数に依存しない極性の種々の周波数における一組のアンテナの誘電率の計算についてである。
【0047】
コントラスト源の関数として所定の位置での散乱場間の関係から開始すると、誘電率が一定である領域の位置が予め知られている場合、解式工程を次のようにかなり単純化することができる。
【数13】
【0048】
上述の工程と類似する工程において、その関係は誘電率が一定であると仮定される領域を導入することによって次のように単純化される
【数14】
ここでGは、再度、次の式で表される電磁問題の2次元グリーン関数を表す
【数15】
そして極性χnは、次のように領域Dnとバックグラウンドεbで一定である材料の誘電率εに依存する
【数16】
【0049】
波数ベクトルkは、εr,b、μr,bによって与えられるバックグラウンド媒体での波の伝播定数となるように定義される
【数17】
【0050】
上記から全てのポイントrでの散乱電場の類似の周波数依存の微分方程式が得られる
【数18】
【0051】
この関係で一般の場合においてと同じような解式工程が適用される。
【0052】
下記に説明するのは周波数に依存する極性の種々の周波数における一組のアンテナの誘電率の計算についてである。
【0053】
極性の周波数依存度の一次近似値は、測定周波数を2つのグループ、即ち低周波数グループと高周波数グループにグループ分けすることによって得られる。上記で説明した計算工程は、2度繰り返され、得られた極性値の違いがその周波数依存度の測定値となる。
【0054】
誘電データに基づいて材料パラメータを計算するために密度、温度及び水分量として材料パラメータ間の相関が必要になる。ほとんどの用途では、水の誘電率の温度依存性は次のモデルで表される(A. Kraszewskiによる”Microwave Aquametry”と題され、IEEE Press 1995年版に掲載された実験データから抽出された)
【数19】
【0055】
単純な容量的混合相関(volumetric mixing relation)に基づいた方法によって、誘電率の実際及び仮想の部分が独立した座標とした図5に示す誘電チャートが与えられる
【数20】
【0056】
明らかに複合誘電面における全てのポイントは、乾燥状態にある基準材料の誘電特性が、顕著に変わらないとき、特有の水分含有量と材料温度を表す。特有の密度−温度のプロットは、水分含有量が均一の場合、得られる。
【0057】
材料サンプル16の誘電率の空間分布からその密度分布、水分含有量及び温度は、水モデル(式1参照)及び混合相関(式2参照)を適用することによって容易に得られる。この評価のこの部分を図5に略式に示し、完全な計算工程を図7にチャートで示している。
【0058】
誘電率の仮想部分Im(ε)は図5の第1軸を形成し、誘電率の実際の部分Re(ε)は第1軸に垂直な第2軸を形成する。実際部分を正とし、仮想部分を負とする。水分を含まない全ての材料は、いわゆるεdryとして表される特定の誘電率を有し、この誘電率は材料によって50ポイントと51ポイントの間を変動し、これらのポイントは実際部分のみを有する。一方、4℃の温度の純水は、実際部分と仮想部分の両方からなる誘電率52を有し、水の温度が上昇すると水は純水が99℃の温度で誘電率54を有するポイントへと曲線53をなぞって移動する。いくらかでも水を含む材料の誘電定数の実際部分は、温度の上昇ともに減少し、仮想部分は温度の上昇とともに増加する。例示のため水分含有量が25、50及び75%の場合を破線で示した。
【0059】
誘電値55の例を図5に示す。この誘電値55は、ポイント52、54間を延びる曲線53と、ポイント54とεdryの間を延びる直線と、εdryとポイント52の間を延びる直線によって境界が定められた領域内に位置する。上述のように水分含有量が一定で温度が上昇すれば、誘電率の値は矢印56にて示すようにグラフの左へと移動し、水分含有量が一定で温度が下がれば、矢印57にて示すように右へと移動する。一方、温度が一定で水分含有量が減ると、誘電値55は矢印58にて示すようにεdryの方へ移動し、温度が一定で水分含有量が増えると、誘電値55は矢印59にて示すようにεdryから離れるように移動する。
【0060】
各限定された領域43において、算出又は推定された誘電率は、水分含有量及び温度に直接変換される。
【0061】
図6は本発明の第2の態様による測定装置60を例示する。この態様は、メモリー15がビデオ画像構造に置き換えられ、これが2つのビデオカメラ61、62からなり、これらカメラが分析器14に接続された評価ユニット63にそれぞれ接続されている以外、図1を参照して説明した第1の態様と同じ部材からなる。
【0062】
各ビデオカメラは、材料サンプルの像を連続的に撮る。得られた画像は、評価ユニット63に送られ、そこで公知の技術を使用して3次元映像が製せられる。得られた3次元画像は、第1の態様のメモリーに記憶されたものと類似している。
【0063】
ビデオ画像を使用することによって、システムの適応性が広がり、これにより形状が知られていない又は水分含有量及び/又は温度によって形状が変化する材料サンプルにもこの測定装置を使用することが可能になる。
【0064】
上記評価において、ビデオ画像を使用する最大の理由は、材料サンプルの誘電率の分布を得るための計算工程における未知数を減らすことである。このように計算時間を短縮することは、測定工程を迅速化する上で必要である(少なくとも現代の可能な計算能力において)。この好ましい態様において、材料サンプルは容易にビデオ画像化することができる。もしそうでない場合、別の解決策として超音波画像を使用してもよい。もしサンプル材料が、非常に単純な形状寸法を有するあるいは測定される材料サンプルが非常に類似している場合、図1で説明したような上述の計算工程を行うためにこれらサンプル材料の余分な画像形成は必要ない。
【0065】
測定ギャップ内の材料サンプルの誘電画像(2次元断面の)の計算は、上述した反散乱問題を解決することによって達成される。
【0066】
ビデオカメラ61、62は、測定ギャップの一部を画像形成する。これらカメラの位置は、材料サンプル16が測定ギャップ内に位置する3次元画像の再生(reconstruction)ができるように選択される。
【0067】
材料サンプルの各位置において、測定ギャップ内の同じ位置の3次元画像は、ビデオカメラ61、62によって撮られた像に基づいて計算される。
【0068】
さらに光学的画像に含まれる位置情報は、測定下の誘電構造を最初に推測するのに材料構造の先行知識と共に使用される。これにより誘電画像計算工程の未知数の数を劇的(約2オーダー)に減らすことができ且つ計算を速く行うことができる。
【0069】
図7は本発明の装置の完全な計算工程を略式に示している。
【0070】
図1と図6を参照して説明したように分析器への入力データは、マイクロ波送信測定値、即ち、放射信号18(使用された各周波数の振幅とフェーズ)に関する情報と検出信号19(対応する周波数の振幅とフェーズ)からなる。この情報が計算工程71に入力される。
【0071】
材料サンプル16のイメージ外形に関する情報も必要であり、工程72に入力される。イメージ外形の予め決められた解像度(resolution)が、計算工程を開始するのに使用される。解像度は、以下に述べるように計算結果に応じて上下させてもよい。測定ギャップ16の材料サンプルの位置に関する情報もまた72の工程に入力される。
【0072】
72からの情報は、目的の形状寸法(geometry)73を構築するために使用される。例えば図3で説明したようなモデルは、その後、誘電率が一次、即ち一定であると仮定される領域を決めるのに使用される。使用される領域の数は、モデルに設定されている。選択されたモデル、この場合モデル30は、同心円を図4で説明したように目的の形状寸法の結果に合わせることによって材料サンプル16内に領域を設定するために使用され、これは74で行われる。
【0073】
74からの形状寸法的仮定及び71からのマイクロ波送信測定の結果は、その後、各領域75内で誘電率を計算するために使用される。この計算工程は、本明細書で説明済みである。
【0074】
もう1つ別の情報、即ち材料に水が全く含まれない、材料サンプル16の誘電定数εdryが、誘電定数を水分含有量及び/又は温度に変換するのに必要となる。この情報は、文献又は類似の材料サンプルで以前測定したものから得られる(工程76)。
【0075】
この情報は、図5で説明したような誘電率及び水分含有量と温度間の相関を定義する方程式を設定するために使用される(工程77)。
【0076】
75からの各領域内の得られた誘電率は、その後、78で水分含有量及び温度に変換される。
【0077】
計算工程が良好に構築されたらその後の工程は必要なくなるが、ほとんどの場合、理にかなわない結果がでるのを防ぐために必要になる。
【0078】
79では、得られた温度及び水分含有量が適正であるかどうか、即ち温度がゼロを超える、T>0であり、水分含有量がゼロを超える、CH20>0(Im(ε)<0)で且つ水分含有量が100%未満の場合、CH20<100%となるかどうかの確認が行われる。
【0079】
もしこれらのいずれかの条件が満たされない場合、計算工程は80を介してフィードバックされ、そこで材料サンプルの位置が更新される。図6で説明したようにビデオカメラを使用した場合、材料サンプルの新しいイメージ外形が、工程74、75及び78を繰り返すために使用される。イメージ外形情報が図1で説明したようにメモリーに予め記憶されている場合、計算工程は材料のサイズに応じて微調整を行ったり、材料の外形を変形させたり、一方向に材料を移動させたり、工程74、75及び78を繰り返してもよい。
【0080】
79において情報の適正に問題がなければ、工程は81へと続き、そこで材料サンプルの断面に亘る誘電率を説明するカーブの平滑性が調べられる。誘電率が滑らか過ぎたり又は充分滑らかでない場合、工程は82を介してフィードバックされ、そこでイメージ外形の解像度が変えられる。その後、確認工程79、81が再度行われる前に工程73、74、75及び78が繰り返される。
【0081】
計算する領域の数を増やしたり又は減らしたりするために74で使用されたモデルの領域の数を変えることも可能である。
【0082】
カーブの平滑性が許容できる場合、工程は83へと進み、そこで材料の新しい乾燥誘電率、εdryがこの工程の計算結果に応じて計算される。計算された乾燥誘電率、εdryが、使用された乾燥誘電率、εdry、priorに対応しない場合、その誘電率は84で更新され、確認工程79、81が再度行われる前に工程76、77及び79の誘電率の移動が行われる。
【0083】
83で問題が無ければ、計算工程は水分含有量及び/又は温度として結果を提示する。
【0084】
図7で説明した計算工程は、通常測定ギャップの材料サンプルの位置で行われる。計算工程が終了すると材料サンプル16が載っているコンベア手段17は新しい場所へと移動し、そこで別の測定が行われる。εdry、領域の数、材料の位置などに関する最新の情報は、本工程を促進するために次の位置で使用される。
【0085】
本発明のさらなる態様において、図7で説明したような1回の処理で材料サンプル内の3次元的温度又は水分分布を設定できるようにするために複数の受信アンテナを使用してもよい。
【0086】
図7の計算工程は誘電定数が一定と推察される領域を確立するためモデルが使用されている態様のみを説明している。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明の装置の第1の態様の概略図。
【図2】
サンプルの誘電的性質の知られていない変数の量を減少させるために予測された鶏肉の誘電モデルを示すチャート。
【図3】
サンプルの誘電的性質の知られていない変数の量を減少させるために予測されたパンの誘電モデルを示すチャート。
【図4】
図3から誘電モデルが写像されたパンの断面図。
【図5】
誘電特性から水分、密度及び温度データを得るための評価方法を示す略式チャート。
【図6】
本発明の装置の第2の態様を示す略図。
【図7】
計算工程全体のフローチャート。
本発明は、物質中の選択された特性の分布を測定するための装置に関し、特に電磁放射を検出することによって物質の密度、水分量及び温度などの特性の空間的分布を物質と接触することなく且つ物質を破壊することなく測定する装置に関する。本発明はまたそのような測定の方法及びシステムに関する。
【0002】
多くの産業上の工程は、温度、水分量及び密度などの物質特性の測定に依存している。これらの物性を厳密に監視することによって作業効率を向上させ且つ製品の品質を改良することができる。もしこのような測定が、物質を破壊せず且つ物質と接触せずに許容できる正確性をもって迅速に行えれば、さらなる利益が得られる。
【0003】
その一例として食料品の加熱工程中の温度分布の測定が挙げられる。ここでは温度分布をオンラインで監視することによってバクテリアが完全に除去されていない冷えた部分が発生するのを防ぎ又は完全にバクテリアを除去するのに必要な最小限の時間で加熱するのに役立つ。その結果、加熱時間及びエネルギー消費を減少させ且つ生産ラインの処理量を増加することができる。
【0004】
物質の特性は、従来物質を破壊(サンプルセパレーション、ピーキング)して測定されているが、物質の誘電性反応を評価することによって送られた電磁放射を分析することによって測定することもできる。電磁放射を使用する測定は、通常、物質と接触せず且つ物質を破壊することなく行える。
【0005】
温度分布、水分含有量及び密度などの物質特性を測定するのに好適な電磁放射の周波数領域は、水分の吸収が大きすぎず且つ波長が適正な空間的分解(spatial resolution)を確実に行えるのに充分短い低マイクロ波である。上記物質特性の測定は、物質の分極性(polarizability)に基づいて物質の誘電性反応を分析することによって行われる。物質サンプルの誘電性データは、通常、電磁波の反射及び伝動(transmission)特性又はこれらの組み合わせの分析によって得られる。物質特性の分布を得るためには、物質の誘電性反応の3次元像を測定しなければならない。これを行うにはマイクロ波検知装置と物質サンプルを互いに移動させなければならない。
【0006】
単独の測定周波数又は照射周波数のいずれかを利用する従来の機器は、周波数インターバル(FMCW)内で掃引され、平均遅延時間が得られたデータから算出される。
【0007】
多数のアンテナ位置間の単独の周波数(又は小さい帯域)の電磁照射の送波又は物質サンプルを利用した誘電画像形成(dielectric imaging)は、従来、空間分解を得るために移行(shift)及び回転され又は2次元に移行される。これらのデータに基づいて誘電画像形成は、例えばよく知られている分極性源の位置及び強度が、繰り返し工程で得られるCSI(contrast source iteration)法によって得られる。
【0008】
当業者によく知られている技術、即ち以下に述べるCSIを利用する場合、電磁像が、誘電像の未知の誘電機能を算出するのに使用される。
【0009】
まず始めにマクスウェル方程式(1961年、Mc. Graw Hill社より刊行された「Time Harmonic Electromagnetic Fields」と題された本でR. R. Harringtonが説明している)では、誘電率が単位系(unity)と異なるすべての領域において、電磁場は、分極による拘束電荷を生じさせると仮定している。これらの拘束電荷は、電場自体によって発生させられ、電場と共に振動し、別の電流成分を生じさせ、これは
【数1】
で表され、この式中、電流密度はjであり、電場はuであり、物質の誘電率(dielectric function)がεであり、バックグラウンドの誘電率はεbで表される。p及びqが測定ギャップの2次元断面において2つの位置ベクトルであると仮定する。Dは物質サンプルの断面を含む領域(domain)である。ベクトルqは電磁放射の発生源を表す。測定空間の電場間の接続(connection)の一般的な関係は、その電流にグリーン関数の定義を当てはめることによって正式に得られる:
【数2】
上記電流密度関数(current density relation)を導入し、得られた積分値を2分する:
【数3】
ここで、第1の項はバックグラウンドの誘電応答のみが存在する場合の電場を表し、第2の項は分極、即ち誘電率によって発生する場を表す。バックグラウンドのみが存在する時の場は、入射場(incident fields)uincと呼ばれている。放射源から入射する観測ポイントでの場は、1999年4月に刊行された「IEEE Antenna and Propagation Magazine」に掲載されたP. M. Van den Berg、B. J. Kooj、R. E. Kleinman等による「Image Reconstruction from Isich−Data III」と題された論文の27頁から32頁によると次のように表される
【数4】
ここでGは次のように表される電磁的問題の2次元グリーン関数を表し、
【数5】
そして分極関数χは次のように物質ε及びバックグラウンドεbの誘電関数に依存する
【数6】
散乱場(scattered fields)fを定義すると直接、次の式が得られる
【数7】
これからすべてのポイントrでの散乱場の積分方程式が決まる。
【数8】
この関係は、rがアンテナの位置に等しく且つFi(r)が、周波数f:
k=(2π/c)・fの与えられた波動ベクトルの散乱場の測定値である場合、正確に満たされる。領域Dの内部のポイントのFi(r)の値は、ほぼ満たされる。従って上記の関係は、場Fi(r)と極性χ(r)の[K・Q]x[K・Q]で表される非線形マトリックスの問題になるkベクトルの集合Kと内部ポイントの集合Qのために解決されなければならない。
【0010】
マトリックス形状において状態方程式(state equation)はu = uinc + Gχuとなり、一方周波数関数は、F = Gχuとなる。
コントラスト源ψ= χ・uを導入すると上記関数は、Kの測定周波数いずれかのすべての内部ポイントQにおいて、ψ= χuinc + χGψとなり、Kの測定周波数のいずれかの単独のアンテナ位置において、F = Gψとなる。
【0011】
共役勾配の方法を用いることによって上記問題を解決するコントラストとコントラスト源のシーケンスが得られる。
【0012】
本発明の装置はマイクロ波放射を用いて得られる送信測定値に含まれる誘電及び磁力情報に基づいて物質中の温度、水分量及び密度の空間分布を測定するために設計されている。
【0013】
本発明は測定されたデータからのこのような情報を解析する次の2つの方法を提供する。
(a) 温度、密度及び水分プロフィールをこれらプロフィールが予め知られている以前測定された物質サンプル間で内挿することによって得る。測定結果は内挿によって得られたデータベースに最も合致するものを採用する。
(b) 上記プロフィールは、誘電及び磁力特性のすでに知られている分布となる反散乱問題(inverse scattering problem)を直接計算することによって得られる。所望のパラメータの関数として誘電及び磁力特性の依存性モデルに基づいて、これら特性のマップを直接得る。
【0014】
ここで提案する装置は、1つの機械的走査次元(scanning dimension)のみを使用するものであってもよい。多重アンテナ及び多数の周波数を使用することによって誘電画像の2次元断面が得られる。この計算工程は、分極源の位置及び強度が複数の周波数で送信された電磁場に基づいて反復工程において得られるコントラスト源イタレーションに関連した新規な方法を必要とする。これによりアンテナパターンは、周波数依存性でなければならず、基本的に2次元アプローチとなるサンプルの断面に向けられると推定される。
【0015】
誘電パラメータの計算を促進するために誘電特性が1次定数にある領域は、少なくとも2つの異なる観点から得られたビデオ画像を重なる画像領域で評価することによって得られる。これらのビデオ画像から材料サンプルの誘電構造の理にかなった推定を行うことができる。また別法として、超音波像を同じ目的で使用することができあるいは材料サンプルの3次元画像をメモリーに蓄えてもよい。
【0016】
本発明の目的は、従って物に触れず且つ破壊することなくその特性の空間的分布を測定する装置を提供することである。
【0017】
本発明ではこの目的は、コンベア手段の一側部に配され、コンベア上に載置された材料に向かって特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射を発するエミッターと、このエミッターに対してコンベアの反対側に位置し、エミッターから発せられ材料を通過した特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射を検知する少なくとも1つのセンサーと、各選択された周波数の振幅及び/又はフェーズとからなる電磁放射に関する情報を受けるために配された分析器とからなる物質の選択された特性の分布を測定するための装置において、さらに材料の3次元的外形を得るために分析器に情報を送るために配された画像装置を含み、この分析器は受信した情報に基づいて材料中の選択された特性分布を計算するために配されていることを特徴とする測定装置によって達成される。
【0018】
この目的は、(a)コンベアの一側部に配されたエミッターからコンベア上の材料に向かって選択された周波数レンジの電磁放射を発する工程と、
(b)このエミッターに対してコンベアの反対側に位置するセンサーでエミッターから発せられ材料を通過した特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射を検知する工程と、
(c)これら電磁放射に関する各選択された周波数で振幅及び/又はフェーズからなる情報情報を分析器送信する工程と、からなる材料の選択された特性を測定する方法において、さらに材料の3次元的外形を得るための情報を分析器に送信する工程と、分析器中の情報を分析することによって材料中の選択された特性分布を計算する工程を含む測定方法及び材料の温度、密度及び/又は水分含有量を計算するために使用される材料の誘電及び磁力特性の情報を得るために上記方法に基づいて測定データを評価する上記装置からなるシステムによって達成される。
【0019】
本発明の利点は、マイクロ波反射及び伝達測定の組み合わせと材料の3次元的外形によって空間的に分析された材料の特性分布の測定をオンラインで迅速に行うことができる。
【0020】
従来、材料サンプルの温度と密度は、材料サンプルの特定の部分をプローブすることによって測定される。この方法により、製品管理の程度を向上させる製造においてすべての材料サンプルを完全にオンラインで監視することができる。
【0021】
測定の正確性は、一定の間隔を置いて測定される既に知られている成分及び温度分布を有する較正(calibration)サンプルによって確認される。これによりサンプルがその異なるいくつかの部位で測定された後、サンプル内の温度をプローブにより測定し、その測定温度を機械によって測定された値と比較すればよい。追加の確認工程として、同じ工程をサンプルが例えば冷えた場合に繰り返すことができる。
【0022】
本発明の利点をまとめると、必要最低限の人的干渉で誘電体の水分量及び温度分布を誘電体を破壊せず、誘電体に進入せずそして誘電体と接触せずに迅速且つ自動的に測定することができるということである。この測定方法は、製品の大きさ、形状及び位置の変化に対して影響を受けない。
【0023】
本発明のその他の特徴を本発明の原理を例示する以下に説明する好ましい態様を参照して詳述する。
【0024】
図1に示すように本発明の第1の態様による測定装置10の主要部は、マイクロ波発生器11と送信アンテナ12と受信アンテナ13と分析器14である。これら主要部は材料サンプル16の特性(水分量、密度及び温度)の分布を分析するために共に稼動する。サンプルはコンベア17によって搬送され、このコンベアはリニアモーター上に取り付けられたスライドテーブルからなり、送信アンテナ12と受信アンテナ13との間の測定ギャップ内に配されている。
【0025】
発生器11は送信アンテナ12に接続され、電磁放射を発生させる。この電磁放射は、送信アンテナ12から受信アンテナ13へと送信される。材料サンプル16は送信アンテナ12と受信アンテナ13の間に置かれ、送信された電磁放射の少なくとも1部が材料サンプルを通過する。電磁放射は信号18として送信され、各信号は第1の振幅とフェーズ(phase)及びある周波数領域内で異なる周波数を有する。
【0026】
発生器11はまた分析器14にも接続され、各送信された信号18の振幅及び周波数に関する情報がこの分析器14に送られる。
【0027】
送信された信号18は材料サンプル16の少なくとも1部を通過し、第2の振幅とフェーズを有する受信信号19として受信アンテナ13によって受信される。第2の振幅とフェーズは、各異なる周波数の第1の振幅とフェーズと異なる場合がある。
【0028】
受信アンテナ13は、分析器14に接続され、分析器は受信信号19に関する情報を受け取る。分析器14は各送信された周波数の送信信号の振幅とフェーズと対応する受信信号の振幅とフェーズを比較する。
【0029】
各送信アンテナ12は、材料サンプル16を部分的に衝突し且つ流れる一組の選択された周波数の電磁放射を発射するように設計されている。各受信アンテナ13は、送信アンテナ12から発射され且つ材料サンプルによって少なくとも部分的に送信及び反射された電磁放射を受信するように設計されている。受信アンテナ13は材料サンプル16を走査することができる1つ以上の位置に設置してもよい。
【0030】
分析器14は未処理のデータと使用者の間のインターフェースの役割を果たす。分析器14の出力は、密度、水分含有量及び/又は温度として材料サンプルの特性の3次元映像から構成される。
【0031】
送信アンテナ12と受信アンテナ13との間のマイクロ波の減衰と実行時間(run time)(又はマイクロ波出力波(microwave power wave)のフェーズ及びダンピング)についての情報は、分析器14で計算される。選択された周波数組の各周波数で且つ選択された1組の送受信アンテナ対で材料サンプル16の特定のポイントでこのような計算が行われる。
【0032】
本発明のこの態様では、材料サンプル16の形状は知られているものと仮定し、材料サンプルの3次元像は分析器14に接続されたメモリー15に記憶される。この3次元像は、コンベア17上の材料サンプルの各測定位置の断面像を計算するために使用される。3次元像が知られている材料の例は、管内でギャップを通過する流体又はキャンディーバーなどの決まった形状を有するサンプルである。
【0033】
材料サンプル16に沿った全ての測定位置での全ての周波数でのダンピング及びフェーズの測定結果は、当業者にとって自明の電磁画像を決定するために使用されるが、これは本発明の主要部ではないので、これらの工程についてはここでは説明しない。メモリーからの位置情報は、材料サンプル16の3次元的外形を説明する3次元表面位置データとしてセーブされる。
【0034】
材料の水分含有量、密度及び温度などの材料特性は、次に説明する材料特性分布の内挿(interpolation)によって得られる。
【0035】
一組の材料サンプルが参照として予め測定されたと仮定する。そのデータ群をその大きさのまま又はデータを小さくするために変換した形で記憶する。これらの材料の測定されるパラメータの分布は知られている。これらパラメータ分布は、異なる温度、温度分布、密度及び水分含有量分布である。これら参照製品の測定の抽出パラメータは、高次元ベクター空間(high dimensional vector space)においてポイントを形成する。この空間の各ポイントに決定されるパラメータの特定の分布が参照測定値の隣接するポイントを内挿することによって関連づけられる。ある知られていない製品の測定結果は、このベクター空間の別のポイントに関連づけられる。測定されるパラメータ分布が、ベクター空間のある特定の領域で知られているので、測定ポイントに関連づけられた分布によって測定結果が与えられる。
【0036】
一方、材料分布を直接計算することも適用可能である。
【0037】
材料サンプルの誘電構造の3次元モデルと共にこの3次元画像が、材料の(未知の)誘電率が変わらないと仮定することができる測定ギャップ内の領域を定めるために使用される。図2はチキン20のモデルを例示し、図3はパン30のモデルを例示している。
【0038】
各モデルは誘電率が一定であると仮定されるいくつかの領域21,31からなる。これらモデルの領域の数をxとy座標の関数、ε(x、y)として誘電率のカーブを滑らかに且つ滑らかになり過ぎないように材料の特性を得る工程中であっても調整してもよい。
【0039】
図3の領域は、同心円32によって分割され、複数のマッピング(mapping)ポイントP1−P14が、外方の同心円33に配置されている。各マッピングポイント間の距離は、等間隔であるのが好ましい。
【0040】
適当なモデルが、サンプル材料、この例ではパンの3次元像に適用される。図4はx軸とy軸と共にパンの3次元像の断面40を例示する。パンの外形は、線41で示され、この線はメモリーに記憶された3次元表面位置データから得られ、図3のマッピングポイントP1−P14が、外形線41にマッピングされている。図3の同心円32は、図4に線42で示される外形形状が、誘電率が一定と推定される領域43にパンの断面を分割した後、調節される。
【0041】
以下に図2及び3で説明したモデルで示したような誘電率が、一定の領域を予測するCSIの簡単な方法を説明する。
【0042】
コントラスト源の関数として所定の位置での散乱場間の関係から始めると、誘電率が一定である領域の位置が、予め知られている場合、つぎのように解式工程をかなり単純化することができる。
【数9】
ここでGは再度、次の式で表される電磁問題の2次元グリーン関数を表す
【数10】
そして極性χnは、次のように領域Dnとバックグラウンドεbで一定である材料εの誘電率に依存する
【数11】
【0043】
明らかに上記工程は、コントラスト源の数から考慮された異なる領域の数へとマトリックスのサイズを小さくしている。
【0044】
上記のことから全てのポイントrでの散乱電場の類似の微分方程式が得られる
【数12】
【0045】
この関係で一般的な場合においてと同じような解式工程が適用される。
【0046】
次に説明するのは、周波数に依存しない極性の種々の周波数における一組のアンテナの誘電率の計算についてである。
【0047】
コントラスト源の関数として所定の位置での散乱場間の関係から開始すると、誘電率が一定である領域の位置が予め知られている場合、解式工程を次のようにかなり単純化することができる。
【数13】
【0048】
上述の工程と類似する工程において、その関係は誘電率が一定であると仮定される領域を導入することによって次のように単純化される
【数14】
ここでGは、再度、次の式で表される電磁問題の2次元グリーン関数を表す
【数15】
そして極性χnは、次のように領域Dnとバックグラウンドεbで一定である材料の誘電率εに依存する
【数16】
【0049】
波数ベクトルkは、εr,b、μr,bによって与えられるバックグラウンド媒体での波の伝播定数となるように定義される
【数17】
【0050】
上記から全てのポイントrでの散乱電場の類似の周波数依存の微分方程式が得られる
【数18】
【0051】
この関係で一般の場合においてと同じような解式工程が適用される。
【0052】
下記に説明するのは周波数に依存する極性の種々の周波数における一組のアンテナの誘電率の計算についてである。
【0053】
極性の周波数依存度の一次近似値は、測定周波数を2つのグループ、即ち低周波数グループと高周波数グループにグループ分けすることによって得られる。上記で説明した計算工程は、2度繰り返され、得られた極性値の違いがその周波数依存度の測定値となる。
【0054】
誘電データに基づいて材料パラメータを計算するために密度、温度及び水分量として材料パラメータ間の相関が必要になる。ほとんどの用途では、水の誘電率の温度依存性は次のモデルで表される(A. Kraszewskiによる”Microwave Aquametry”と題され、IEEE Press 1995年版に掲載された実験データから抽出された)
【数19】
【0055】
単純な容量的混合相関(volumetric mixing relation)に基づいた方法によって、誘電率の実際及び仮想の部分が独立した座標とした図5に示す誘電チャートが与えられる
【数20】
【0056】
明らかに複合誘電面における全てのポイントは、乾燥状態にある基準材料の誘電特性が、顕著に変わらないとき、特有の水分含有量と材料温度を表す。特有の密度−温度のプロットは、水分含有量が均一の場合、得られる。
【0057】
材料サンプル16の誘電率の空間分布からその密度分布、水分含有量及び温度は、水モデル(式1参照)及び混合相関(式2参照)を適用することによって容易に得られる。この評価のこの部分を図5に略式に示し、完全な計算工程を図7にチャートで示している。
【0058】
誘電率の仮想部分Im(ε)は図5の第1軸を形成し、誘電率の実際の部分Re(ε)は第1軸に垂直な第2軸を形成する。実際部分を正とし、仮想部分を負とする。水分を含まない全ての材料は、いわゆるεdryとして表される特定の誘電率を有し、この誘電率は材料によって50ポイントと51ポイントの間を変動し、これらのポイントは実際部分のみを有する。一方、4℃の温度の純水は、実際部分と仮想部分の両方からなる誘電率52を有し、水の温度が上昇すると水は純水が99℃の温度で誘電率54を有するポイントへと曲線53をなぞって移動する。いくらかでも水を含む材料の誘電定数の実際部分は、温度の上昇ともに減少し、仮想部分は温度の上昇とともに増加する。例示のため水分含有量が25、50及び75%の場合を破線で示した。
【0059】
誘電値55の例を図5に示す。この誘電値55は、ポイント52、54間を延びる曲線53と、ポイント54とεdryの間を延びる直線と、εdryとポイント52の間を延びる直線によって境界が定められた領域内に位置する。上述のように水分含有量が一定で温度が上昇すれば、誘電率の値は矢印56にて示すようにグラフの左へと移動し、水分含有量が一定で温度が下がれば、矢印57にて示すように右へと移動する。一方、温度が一定で水分含有量が減ると、誘電値55は矢印58にて示すようにεdryの方へ移動し、温度が一定で水分含有量が増えると、誘電値55は矢印59にて示すようにεdryから離れるように移動する。
【0060】
各限定された領域43において、算出又は推定された誘電率は、水分含有量及び温度に直接変換される。
【0061】
図6は本発明の第2の態様による測定装置60を例示する。この態様は、メモリー15がビデオ画像構造に置き換えられ、これが2つのビデオカメラ61、62からなり、これらカメラが分析器14に接続された評価ユニット63にそれぞれ接続されている以外、図1を参照して説明した第1の態様と同じ部材からなる。
【0062】
各ビデオカメラは、材料サンプルの像を連続的に撮る。得られた画像は、評価ユニット63に送られ、そこで公知の技術を使用して3次元映像が製せられる。得られた3次元画像は、第1の態様のメモリーに記憶されたものと類似している。
【0063】
ビデオ画像を使用することによって、システムの適応性が広がり、これにより形状が知られていない又は水分含有量及び/又は温度によって形状が変化する材料サンプルにもこの測定装置を使用することが可能になる。
【0064】
上記評価において、ビデオ画像を使用する最大の理由は、材料サンプルの誘電率の分布を得るための計算工程における未知数を減らすことである。このように計算時間を短縮することは、測定工程を迅速化する上で必要である(少なくとも現代の可能な計算能力において)。この好ましい態様において、材料サンプルは容易にビデオ画像化することができる。もしそうでない場合、別の解決策として超音波画像を使用してもよい。もしサンプル材料が、非常に単純な形状寸法を有するあるいは測定される材料サンプルが非常に類似している場合、図1で説明したような上述の計算工程を行うためにこれらサンプル材料の余分な画像形成は必要ない。
【0065】
測定ギャップ内の材料サンプルの誘電画像(2次元断面の)の計算は、上述した反散乱問題を解決することによって達成される。
【0066】
ビデオカメラ61、62は、測定ギャップの一部を画像形成する。これらカメラの位置は、材料サンプル16が測定ギャップ内に位置する3次元画像の再生(reconstruction)ができるように選択される。
【0067】
材料サンプルの各位置において、測定ギャップ内の同じ位置の3次元画像は、ビデオカメラ61、62によって撮られた像に基づいて計算される。
【0068】
さらに光学的画像に含まれる位置情報は、測定下の誘電構造を最初に推測するのに材料構造の先行知識と共に使用される。これにより誘電画像計算工程の未知数の数を劇的(約2オーダー)に減らすことができ且つ計算を速く行うことができる。
【0069】
図7は本発明の装置の完全な計算工程を略式に示している。
【0070】
図1と図6を参照して説明したように分析器への入力データは、マイクロ波送信測定値、即ち、放射信号18(使用された各周波数の振幅とフェーズ)に関する情報と検出信号19(対応する周波数の振幅とフェーズ)からなる。この情報が計算工程71に入力される。
【0071】
材料サンプル16のイメージ外形に関する情報も必要であり、工程72に入力される。イメージ外形の予め決められた解像度(resolution)が、計算工程を開始するのに使用される。解像度は、以下に述べるように計算結果に応じて上下させてもよい。測定ギャップ16の材料サンプルの位置に関する情報もまた72の工程に入力される。
【0072】
72からの情報は、目的の形状寸法(geometry)73を構築するために使用される。例えば図3で説明したようなモデルは、その後、誘電率が一次、即ち一定であると仮定される領域を決めるのに使用される。使用される領域の数は、モデルに設定されている。選択されたモデル、この場合モデル30は、同心円を図4で説明したように目的の形状寸法の結果に合わせることによって材料サンプル16内に領域を設定するために使用され、これは74で行われる。
【0073】
74からの形状寸法的仮定及び71からのマイクロ波送信測定の結果は、その後、各領域75内で誘電率を計算するために使用される。この計算工程は、本明細書で説明済みである。
【0074】
もう1つ別の情報、即ち材料に水が全く含まれない、材料サンプル16の誘電定数εdryが、誘電定数を水分含有量及び/又は温度に変換するのに必要となる。この情報は、文献又は類似の材料サンプルで以前測定したものから得られる(工程76)。
【0075】
この情報は、図5で説明したような誘電率及び水分含有量と温度間の相関を定義する方程式を設定するために使用される(工程77)。
【0076】
75からの各領域内の得られた誘電率は、その後、78で水分含有量及び温度に変換される。
【0077】
計算工程が良好に構築されたらその後の工程は必要なくなるが、ほとんどの場合、理にかなわない結果がでるのを防ぐために必要になる。
【0078】
79では、得られた温度及び水分含有量が適正であるかどうか、即ち温度がゼロを超える、T>0であり、水分含有量がゼロを超える、CH20>0(Im(ε)<0)で且つ水分含有量が100%未満の場合、CH20<100%となるかどうかの確認が行われる。
【0079】
もしこれらのいずれかの条件が満たされない場合、計算工程は80を介してフィードバックされ、そこで材料サンプルの位置が更新される。図6で説明したようにビデオカメラを使用した場合、材料サンプルの新しいイメージ外形が、工程74、75及び78を繰り返すために使用される。イメージ外形情報が図1で説明したようにメモリーに予め記憶されている場合、計算工程は材料のサイズに応じて微調整を行ったり、材料の外形を変形させたり、一方向に材料を移動させたり、工程74、75及び78を繰り返してもよい。
【0080】
79において情報の適正に問題がなければ、工程は81へと続き、そこで材料サンプルの断面に亘る誘電率を説明するカーブの平滑性が調べられる。誘電率が滑らか過ぎたり又は充分滑らかでない場合、工程は82を介してフィードバックされ、そこでイメージ外形の解像度が変えられる。その後、確認工程79、81が再度行われる前に工程73、74、75及び78が繰り返される。
【0081】
計算する領域の数を増やしたり又は減らしたりするために74で使用されたモデルの領域の数を変えることも可能である。
【0082】
カーブの平滑性が許容できる場合、工程は83へと進み、そこで材料の新しい乾燥誘電率、εdryがこの工程の計算結果に応じて計算される。計算された乾燥誘電率、εdryが、使用された乾燥誘電率、εdry、priorに対応しない場合、その誘電率は84で更新され、確認工程79、81が再度行われる前に工程76、77及び79の誘電率の移動が行われる。
【0083】
83で問題が無ければ、計算工程は水分含有量及び/又は温度として結果を提示する。
【0084】
図7で説明した計算工程は、通常測定ギャップの材料サンプルの位置で行われる。計算工程が終了すると材料サンプル16が載っているコンベア手段17は新しい場所へと移動し、そこで別の測定が行われる。εdry、領域の数、材料の位置などに関する最新の情報は、本工程を促進するために次の位置で使用される。
【0085】
本発明のさらなる態様において、図7で説明したような1回の処理で材料サンプル内の3次元的温度又は水分分布を設定できるようにするために複数の受信アンテナを使用してもよい。
【0086】
図7の計算工程は誘電定数が一定と推察される領域を確立するためモデルが使用されている態様のみを説明している。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明の装置の第1の態様の概略図。
【図2】
サンプルの誘電的性質の知られていない変数の量を減少させるために予測された鶏肉の誘電モデルを示すチャート。
【図3】
サンプルの誘電的性質の知られていない変数の量を減少させるために予測されたパンの誘電モデルを示すチャート。
【図4】
図3から誘電モデルが写像されたパンの断面図。
【図5】
誘電特性から水分、密度及び温度データを得るための評価方法を示す略式チャート。
【図6】
本発明の装置の第2の態様を示す略図。
【図7】
計算工程全体のフローチャート。
Claims (16)
- コンベア手段(17)の一側部に配され前記コンベア上に載置された材料(16)に向かって特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射(18)を発するエミッター(12)と、このエミッターに対して前記コンベアの反対側に位置し、エミッターから発せられ前記材料を通過した前記特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射(19)を検知する少なくとも1つのセンサー(13)と、各選択された周波数の振幅及び/又はフェーズとからなる前記電磁放射(18、19)に関する情報を受けるために配された分析器(14)とからなる前記物質の選択された特性の分布を測定するための装置(10;60)において、さらに前記材料の3次元的外形を得るために前記分析器に情報を送るために配された画像装置(15;61−63)を含み、前記分析器は受信した情報に基づいて前記材料中の選択された特性分布を計算するために配されていることを特徴とする測定装置。
- 前記画像装置が前記材料の3次元的外形に関する情報を記憶したメモリー(15)であることを特徴とする請求項1記載の測定装置。
- 前記画像装置は画像処理装置(63)に接続された少なくとも1つの画像センサー(61、62)からなり、前記少なくとも1つの画像センサーは前記材料の像を検知し、この像は前記画像処理装置で前記材料の3次元的外形に処理されることを特徴とする請求項1記載の測定装置。
- 前記少なくとも1つの画像センサーは、光学波長で反射性の画像を検知することを特徴とする請求項3記載の測定装置。
- 前記少なくとも1つの画像センサーが、ビデオカメラであることを特徴とする請求項4記載の測定装置。
- 前記画像センサーが音波の反射性、透過性及び伝播速度の像を検知することを特徴とする請求項3記載の測定装置。
- 前記少なくとも1つの画像センサーが、超音波像装置であることを特徴とする請求項6記載の測定装置。
- 前記分析器に前記材料の選択された特性を得るためにメモリーに記憶された予め測定された結果を内挿するための手段が設けられていることを特徴とする請求項1乃至7いずれか1項記載の測定装置。
- 前記分析器に前記材料の誘電分布を計算しこの誘電分布を前記材料の選択された特性分布に変換する手段が設けられていることを特徴とする請求項1乃至7いずれか1項記載の測定装置。
- 前記誘電分布を計算する手段が誘電率が変わらないと仮定される前記材料内の領域を決める3次元的モデル(20、30)と、前記モデルを材料の3次元的外形に当てはめる手段とからなり、これにより誘電分布が得られることを特徴とする請求項9記載の測定装置。
- 前記誘電分布を選択された特性分布に変換する手段が設けられていることを特徴とする請求項9又は10記載の測定装置。
- (a)コンベア(17)の一側部に配されたエミッター(12)から前記コンベア上の材料(16)に向かって選択された周波数レンジの電磁放射(18)を発する工程と、
(b)前記このエミッターに対して前記コンベアの反対側に位置するセンサー(13)でエミッターから発せられ前記材料を通過した前記特定の周波数領域の複数の周波数の電磁放射(19)を検知する工程と、
(c)前記電磁放射(18、19)に関する各選択された周波数で振幅及び/又はフェーズからなる情報情報を分析器(14)に送信する工程と、からなる前記材料の選択された特性を測定する方法において、さらに前記材料の3次元的外形を得るための情報を前記分析器に送信する工程と、前記分析器中の前記情報を分析することによって前記材料中の選択された特性分布を計算する工程を含む測定方法。 - 選択された特性分布を計算する工程がメモリーに記憶された予め測定された結果を内挿する工程からなることを特徴とする請求項12記載の測定方法。
- 前記選択された特性分布を計算する工程が電磁放射(18、19)に関する情報を使用して前記材料の誘電分布を計算する工程と、誘電分布を前記材料中の選択された特性分布に変換する工程とからなることを特徴とする請求項12記載の測定方法。
- 誘電分布を計算する前記工程が誘電関数が変わらないと仮定される前記材料内の領域を決める3次元的モデル(20、30)を供する工程と、画像装置(15;61−63)によって得られた3次元的外形に前記モデルを当てはめる工程とからなることを特徴とする請求項14記載の測定方法。
- 材料の温度、密度及び/又は水分含有量を計算するために使用される前記材料の前記誘電及び磁力特性の情報を得るために請求項12乃至15いずれかに記載の方法に基づいて測定データを評価する請求項1乃至11いずれかに記載の装置からなるシステム。
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