JP2013145141A

JP2013145141A - 水分計

Info

Publication number: JP2013145141A
Application number: JP2012005054A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hamamoto; 弘浜本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: JP5742731B2

Abstract

【課題】加熱体の寿命到達時期を的確に予測できる機能を備えた水分計を提供する。
【解決手段】水分計において、測定ごとに、測定の全期間を単位測定時間ｔごとに区分し、区分された単位測定時間ｔごとに消費される加熱体８の寿命を、単位測定時間ｔにおける加熱電力に対応する色温度Ｋ（ｔ）から「色温度−寿命情報」に基づいて規格化し、規格化消費寿命Ｎ（ｔ）として算出する規格化消費寿命算出部１７と、過去に消費された規格化消費寿命を累積した累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）に、新たに算出された規格化消費寿命Ｎ（ｔ）を合算して最新の累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）に更新する累積規格化消費寿命算出部１８と、最新の累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）に基づいて寿命到達時期を判断する寿命判定部１９とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、水分計に関し、特に加熱乾燥式の水分計に関する。

加熱乾燥式の水分計は、試料皿に載置された試料を加熱乾燥して水分を蒸発させて重量の変化を検出することにより、試料の水分率を測定するものである（例えば、特許文献１参照）。
このような加熱前と加熱乾燥後の試料の重量変化により試料の水分率を測定する加熱乾燥式の水分計は、比較的安価に製作でき、かつ、多くの種類の試料に対応できるので、広く利用されている。

図３は、従来の加熱乾燥式水分計の基本的な構成を説明するための概略的な模式図である。この水分計３０は、試料の重量を計測する重量計測部２１と、その上部に配置された加熱ユニット２２とからなる。重量計測部２１は、試料を載せるための試料皿２３を備えている。加熱ユニット２２には、試料皿２３に載置された試料２４を加熱するための赤外線ランプやハロゲンランプ等の加熱体２５が配置されている。

試料皿２３に試料２４を載せて重量計測部２１により試料を計量したあと、加熱体２５を点灯する。試料２４が加熱されると内部に含まれている水分が蒸発し、計量されている試料重量が変化していく。この加熱前と加熱乾燥後の試料の重量変化から、試料に含まれる水分率を算出するものである。

特開２００３−３０２３２４号公報

水分率の測定にあたって、試料の種類や容量に対応して加熱温度の目標値や加熱時間を設定し、温度が目標値（設定温度）に達するように加熱体を制御することが必要である。
しかし、経年使用によって加熱体（ランプ）の寿命が近づいて加熱能力が低下すると、使用中に試料が設定温度に到達できなくなり、また、設定温度の安定持続が困難となって試料に含まれる水分の蒸発が不十分となり、正確な水分率の測定ができなくなるといった弊害が生じる。また、使用中に突然、加熱体が寿命を迎えて出力できなくなると、測定作業を中断して加熱体を交換せねばならず、測定をやり直さなければならなくなる。

したがって、予め加熱体の加熱時間を単純に積算し、積算時間が加熱体の定格寿命時間に近づくと、交換時期がきたことを使用者に通知して、故障する前に事前に交換を促すようにすることも考えられる。加熱体の「定格寿命時間」とは、同一形式の多数の加熱体の標準的な条件での連続点灯試験において、断線などの寿命到達までの点灯時間の平均値を示すものであって、メーカから提供され公表されている時間である。

しかし、水分計では、試料の種類、測定目的等によって、試料温度を何度にして乾燥させるか、何分間加熱するか、急激に加熱するか、緩やかに加熱するか、といった様々な加熱のパラメータを設定する必要がある。具体的には、例えば図４（ａ）に示すように、設定温度を一定にして継続加熱するパターン（標準モード）や、図４（ｂ）に示すように、加熱当初にランプの出力（加熱電力）を最大にして所定時間フルパワーで加熱し、その後水分が乾燥したら設定温度に移行するようにして測定時間を短縮するパターン（急速乾燥モード）、図４（ｃ）に示すように緩やかに設定温度へ到達させるパターン（緩速乾燥モード）がある。これら以外にも、設定温度を段階的に変化させていくパターン（ステップ乾燥モード）といったように、様々な加熱パターンがあって、それぞれのパターンごとに出力が異なり、また、１つの加熱パターンにおいても時間経過とともに出力（加熱電力）が変化する。したがって、単純に加熱時間だけを積算するだけでは正確な寿命が予測できない。
そのため、実際の寿命より短く通知してしまったり、逆に寿命が近づき加熱能力が低下し始めているのに寿命通知ができなかったりするという不都合が生じる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、加熱体の寿命到達時期を的確に予測して使用者に通知することができる機能を備えた水分計を提供することにある。

上記目的を解決するために本発明では次のような技術的手段を講じた。すなわち、本発明の水分計は、試料の重量を計測する重量計測部と、その上部に配置された加熱ユニットとを備え、加熱ユニットには、重量計測部の試料皿に載せた試料を加熱するための加熱体が配置されている水分計において、測定ごとに、当該測定の全期間を単位測定時間ｔごとに区分し、区分された単位測定時間ｔごとに消費される前記加熱体の寿命を、当該単位測定時間ｔにおける加熱電力に対応する色温度から「色温度−寿命情報」に基づいて規格化し、規格化消費寿命Ｎ（ｔ）として算出する規格化消費寿命算出部と、過去に消費された規格化消費寿命を累積した累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）に、新たに算出された規格化消費寿命Ｎ（ｔ）を合算して最新の累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）に更新する累積規格化消費寿命算出部と、最新の累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）に基づいて寿命到達時期を判断する寿命判定部とを備えるようにしている。

本発明によれば、規格化消費寿命算出部は、測定ごとに、当該測定における測定開始から測定終了までの全期間を単位測定時間ｔごとに区分する。そして区分された単位測定時間ｔごとに消費される加熱体の寿命を算出する。その際に、当該単位測定時間ｔの加熱体の加熱電力に対応する色温度から「色温度−寿命情報」を参照して消費寿命を算出するが、参照できる「色温度−寿命情報」は、色温度が一定であるとして当該加熱体を加熱し続けたときの寿命到達までの時間であるので、「規格化」した上で単位測定時間ｔごとの規格化消費寿命Ｎ（ｔ）として算出する。「規格化」とは、寿命到達まで単位測定時間ｔごとに消費される寿命を合計したときの寿命合計が、色温度に関わらず「１」となるようにして、各単位測定時間ｔでの消費寿命を、色温度に関わらずに積算できる消費寿命の値に変換する算出方法をいう。規格化消費寿命Ｎ（ｔ）として算出することにより、様々な色温度で、また、様々な加熱パターンで加熱する場合であっても、実質的な消費寿命の合計を適切に見積もることができる。
なお、「色温度−寿命情報」は加熱体のメーカにより提供される情報であり、表形式あるいは近似式等として表された情報である。加熱体の色温度は、加熱体に投入する加熱電力に対応して定まるので、これについても加熱体のメーカから「加熱電力−色温度情報」として表形式あるいは近似式等で提供される。
そして累積規格化消費寿命算出部が、過去の規格化消費寿命を通算し、記憶させてある累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）に、新たに算出された規格化消費寿命Ｎ（ｔ）を合算する。寿命判定部は、最新の累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）に基づいて寿命到達時期を判断する。

本発明の水分計によれば、加熱体の寿命到達時期（残存寿命）を的確に予測して使用者に加熱体の交換時期を知らせることが可能となり、これにより、計測中に加熱体の寿命がきて加熱能力が低下することによる水分率測定不良や、測定不能の状態になるのを事前に回避することができるといった効果がある。

また本発明では、加熱体の寿命到達時期が近づいたときに使用者に加熱体の交換時期を知らせる寿命表示部を設けた構成とするのがよい。
これにより、加熱体の寿命到達時期が近づいたときに、寿命表示部によって使用者に通知され、加熱体の交換を促すことができる。

本発明に係る加熱乾燥式水分計の全体構成を示す斜視図である。図１の水分計の構成を示すブロック図である。従来の加熱乾燥式水分計の構成を示す概略的な模式図である。加熱乾燥式水分計の加熱パターンを示すグラフである。ハロゲンランプの寿命と色温度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の詳細を図面に示した一実施例に基づき説明する。
図１は、本発明に係る加熱乾燥式の水分計の全体構成を示す斜視図であって、蓋を開けた状態を示す。また、図２は、本発明の水分計の構成を示すブロック図である。

図１において、この水分計１は、試料の重量を計測する重量計測部２と、その上方に配置された加熱ユニット３とからなる。重量計測部２は電磁力平衡式天秤機構からなり、本体ケース４の内部に収納され、試料５を載せるための試料皿６を備えている。加熱ユニット３は、試料皿６の上部空間を覆う蓋体７と、蓋体内部に配置されて試料皿６に載置された試料５を加熱する加熱体８とを備えている。この加熱体８として、赤外線ランプやハロゲンランプ等が用いられる。蓋体７は、ヒンジ９を介して開閉可能に形成されている。

本体ケース４内には、制御部（ＣＰＵ）１０が収納されている。この制御部１０は、図２のブロック図で示すように、加熱体８による加熱電力（したがって加熱温度）を制御する加熱体制御部１１と、重量計測部２からのデータを処理する荷重データ処理部１２と、本体ケース４に設けられたモニタ（液晶表示器）１３に「水分率」等を表示する主表示制御部１４とからなり、各種データを入力するための入力装置１５（テンキー、ボタンキーなど）と、各種データを記憶するメモリ１６（内蔵メモリ）とが付設されている。メモリ１６には、加熱体のメーカが供給する「電力−色温度情報」「色温度−寿命情報」が表形式あるいは近似式として記憶してあり、加熱電力に対応して色温度が一義的に定まり、色温度に対応して、当該色温度で連続したときの寿命が一義的に定まる。図５はメモリ１６に記憶してあるハロゲンランプの「電力−色温度情報」「色温度−寿命情報」の一例である。

また、本発明で実行される寿命計測に関する制御部１０の機能を説明するため機能ブロックにより説明すると、規格化消費寿命算出部１７と、累積規格化消費寿命算出部１８と、寿命判定部１９とを備えるようにしてある。

規格化消費寿命算出部１７は、以下の演算を行う。測定ごとに、測定の全期間を単位測定時間ｔごとに区分する。ｔは任意の間隔（１０秒〜１分間隔が好適）に設定することができるが、１つの単位測定時間内は加熱電力が一定であるとして演算が行われるので、あまりｔを長く設定しすぎると、演算の精度が劣るようになる。そして区分された単位測定時間ｔごとに、その時点での加熱電力を抽出し、メモリ１６の「電力−色温度情報」に基づいて色温度を求める。
さらに、区分された単位測定時間ｔごとに消費される寿命を、当該単位測定時間ｔについて求めた色温度とメモリ１６の「色温度−寿命情報」とに基づいて規格化し、規格化消費寿命Ｎ（ｔ）として算出する。なお、説明の便宜上、「電力−色温度情報」と「色温度−寿命情報」と２つに分けて記憶させているが、これらをまとめて「電力−寿命情報」にして記憶してある場合も、実質的に加熱電力から色温度を介して寿命を算出しているのと同じであるので、「電力−寿命情報」としてメモリ１６に記憶させている場合も本発明に含まれる。「規格化」の演算内容については後述する。

累積規格化消費寿命算出部１８は、過去に消費された規格化消費寿命Ｎを累積した「累積規格化消費寿命（ΣＮ）」に、新たに算出された規格化消費寿命Ｎを合算して最新の累積規格化消費寿命（ΣＮ）に更新する演算を行う。

寿命判定部１９は、最新の累積規格化消費寿命（ΣＮ）に基づいて寿命到達時期を判断する演算を行う。
また、加熱体８の寿命到達時期が近づいてきたときに、使用者に加熱体８の交換時期を知らせる寿命表示器２０を備えている。寿命表示器２０として、例えば赤色の点滅ランプやブザー等が用いられる。

次に水分計の計測動作について説明する。計測にあたって、試料皿６に試料５を載せて重量計測部２により試料を計量したあと、加熱体８を点灯して出力を開始する。試料５が加熱されると内部に含まれている水分が蒸発し、計量されている試料重量が変化していく。この加熱前と加熱乾燥後の試料の重量変化から、試料に含まれる水分率を算出する。

水分率の測定の際に、予め、入力装置１５から設定温度、加熱時間を含む加熱パターン（加熱モード）が設定されており、これら設定情報に基づいて測定が開始される。測定が始まると開始から終了まで単位測定時間ｔごとに加熱電力を抽出する。加熱電力は、設定温度および加熱パターンから加熱体制御部１１により自動設定される。また、水分計内に電力計を設けて実測することもできる。このとき抽出された加熱電力に基づいて「電力−色温度情報」を参照し、当該単位測定時間ｔにおける色温度Ｋ（ｔ）を求める。さらに、求めた色温度Ｋ（ｔ）から、「色温度−寿命情報」を参照して、規格化消費寿命Ｎ（ｔ）を算出する。

ここで、規格化消費寿命Ｎ（ｔ）の計算について説明する。
ハロゲンランプや赤外線ランプ等の加熱体の寿命は、使用時の色温度Ｋによって変化する。また、色温度Ｋは出力（電力）Ｗによって変化する。既述のように、これら「電力−色温度情報」「色温度−寿命情報」の関係は、加熱体のメーカによって供給されている。
これらデータが表形式で与えられている場合は、表のデータをすべてメモリに記憶させておくこともできるが、以下に示すように、近似式として記憶させることもできる。
以下は、図５で示したハロゲンランプについての「電力−色温度情報」「色温度−寿命情報」を近似式で記憶させている場合について説明する。

図５（ａ）の電力−色温度データについて、自然対数関数Ｌｎを用いた次式で近似する。

Ｋ＝αＬｎＷ−β

ここで、Ｗは電力、Ｋは色温度であり、α，βはランプの種類によって異なる係数である。
最小自乗法等による数値計算により、図５（ａ）の曲線データを的確に反映する係数α，βを求めることができる。具体的には、図５（ａ）に示した例（ハロゲンランプ）では、α＝７３３，β＝１７３５である。

同様に、図５（ｂ）の色温度−寿命データについて、指数関数ｅを用いた次式で近似する。

Ｌ＝γ・ｅ^−ε・Ｋ

ここで、Ｌは寿命であり、γ，εはランプの種類によって異なる係数である。
最小自乗法等による数値計算により、図５（ｂ）に示した例（ハロゲンランプ）では、 γ＝８．７×１０^１５，ε＝１．０５×１０^−２
である。
メモリ１６には、これらＫ，Ｌの近似式および係数が記憶される。

そして、規格化消費寿命算出部１７は、これらの近似式および係数を用いた関数式である次式（１）（２）を用いて、単位測定時間ｔごと（時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・，ｔｎ）に演算を行う。

Ｋ（ｔ）＝α・Ｌｎ（Ｗ（ｔ））−β ・・・（１）

ここで、Ｗ（ｔ）は単位測定時間ｔにおける加熱電力であり、Ｋ（ｔ）は単位測定時間ｔにおける色温度であり、α，βはランプの種類によって定まる係数である。

Ｌ（ｔ）＝γ・ｅ^{−ε・Ｋ（ｔ）} ・・・（２）

ここで、Ｌ（ｔ）は色温度Ｋ（ｔ）で温度一定にして使用し続けたときの寿命である。 γ，εはランプの種類によって定まる係数である。

さらに、規格化消費寿命を、次式（３）によって算出する。

Ｎ（ｔ）＝ｔ／Ｌ（ｔ）・・・（３）

すなわち、単位測定時間ｔの期間中、温度一定にして使用し続けたときの寿命がＬ（ｔ）であるから、逆に、その単位測定時間ｔ内の間には、全寿命を１としたスケールで、ｔ／Ｌ（ｔ）が消費されたことになる。単位測定時間ｔ（時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・，ｔｎ）が経過するごとに加熱電力が変化し、それぞれの時刻での上記寿命Ｌ（ｔ）が、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，・・・，Ｌｎと算出されたときに、時刻ｔ１から時刻ｔｎまでの間に消費された寿命の合計は、全寿命を１とするスケールで、

（ｔ／Ｌ１）＋（ｔ／Ｌ２）＋（ｔ／Ｌ３）＋・・・＋（ｔ／Ｌｎ）

と表すことができる。
このように、規格化消費寿命Ｎ（ｔ）（＝ｔ／Ｌ（ｔ））を用いることにより、加熱電力が変化したとしても、単純に積算することで、規格化消費寿命Ｎ（ｔ）が的確に算出できることになる。

そして、メモリ１６には、過去の規格化消費寿命Ｎ（ｔ）が通算された累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）が記憶してあるので、今回新たに算出された規格化消費寿命Ｎ（ｔ）を加算して、メモリ１６にある値を更新して新しい累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）を蓄積するようにする。

このようにして算出された累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）が１になると、寿命に到達したこととなる。

ゆえに、予め設定した安全率で寿命到達前に警告を発するようにする。
例えば、累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）が０．９（規格化された残存寿命が０．１）に達したときに、寿命表示器１９で表示を行うようにする。
これにより、まもなく寿命となることがわかるので、寿命到達前の都合のよいときに加熱体交換を行うようにすることで、不慮の故障をなくすことができるようになる。

以上本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施形態に特定されるものでなく、その目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。

本発明は、試料を加熱乾燥して水分を蒸発させて重量の変化を検出することにより、試料の水分率を測定する加熱乾燥式の水分計に好適に利用できる。

１水分計
２重量計測部
３加熱ユニット
４本体ケース
５試料
６試料皿
８加熱体
１０制御部
１１加熱体制御部
１７規格化消費寿命算出部
１８累積規格化消費寿命算出部
１９寿命判定部
２０寿命表示器

Claims

試料の重量を計測する重量計測部と、その上部に配置された加熱ユニットとを備え、加熱ユニットには、重量計測部の試料皿に載せた試料を加熱するための加熱体が配置されている水分計において、
測定ごとに、当該測定の全期間を単位測定時間ｔごとに区分し、区分された単位測定時間ｔごとに消費される前記加熱体の寿命を、当該単位測定時間ｔにおける加熱電力に対応する色温度から「色温度−寿命情報」に基づいて規格化し、規格化消費寿命Ｎ（ｔ）として算出する規格化消費寿命算出部と、
過去に消費された規格化消費寿命を累積した累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）に、新たに算出された規格化消費寿命Ｎ（ｔ）を合算して最新の累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）に更新する累積規格化消費寿命算出部と、
最新の累積規格化消費寿命ΣＮ（ｔ）に基づいて寿命到達時期を判断する寿命判定部とを備えたことを特徴とする水分計。
前記規格化消費寿命算出部は、次式により単位測定時間ｔごとの規格化消費寿命Ｎ（ｔ）を算出する請求項１に記載の水分計。

Ｎ（ｔ）＝ｔ／Ｌ（ｔ）

Ｌ（ｔ）＝γ・ｅ^{−ε・Ｋ（ｔ）}

ここで、Ｋ（ｔ）は各単位測定時間ｔにおける色温度であり、Ｌ（ｔ）は色温度Ｋ（ｔ）一定として使用し続けたときの寿命である。また、γ，εはランプの種類によって定まる係数である。

Ｋ（ｔ）＝α・Ｌｎ（Ｗ（ｔ））−β

ここで、Ｗ（ｔ）は各単位測定時間ｔにおける出力であり、α，βはランプの種類によって定まる係数である。
加熱体の寿命到達時期が近づいたときに使用者に加熱体の交換時期を知らせる寿命表示器を備えた請求項１に記載の水分計。