JP2019070535A - 含水率等の測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の重量を測定することなく、被測定物を透過していないマイクロ波と被測定物を透過した後のマイクロ波との間の減衰量と位相量から該被測定物の密度や含水率を高い精度で測定できる測定装置とその測定方法を提供する。【解決手段】マイクロ波を送信手段７を用いて被測定物１３を透過させ、透過後のマイクロ波を受信手段９を用いて受信させ、被測定物を透過していないマイクロ波と透過後のマイクロ波との間の減衰量と位相量から被測定物１３の密度を算出し、算出した密度と減衰量とから被測定物の含水率を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波を利用して被測定物の密度又は含水率を測定する装置及びその方法に関するものである。

本発明で使用される用語「位相量」とは、マイクロ波発生手段から発生させるマイクロ波を送信手段を用いて被測定物を透過させ、透過後のマイクロ波を受信手段を用いて受信させ、被測定物を透過していないマイクロ波と被測定物を透過した後のマイクロ波との位相の差を電圧値として定量化したものをいう。

従来、マイクロ波が木材やコンクリート等の被測定物中の水分によって減衰され、その程度が含水率によって異なることを利用したマイクロ波水分計が知られている。しかし、この種のマイクロ波水分計による測定値は被測定物の密度の変化の影響を受け、密度が一定しない被測定物では、その測定精度が低下するという問題点があった。

そこで、例えば、特許文献１は、マイクロ波水分計に木材の重量測定手段を備えさせることにより、該木材の基準容積当りの水分量及び該木材の重量を演算データに用いて該木材の含水率を算出する技術を開示しているが、マイクロ波の減衰量及び位相量のみから、木材等の被測定物の密度を算出し、該被測定物の含水率を高い精度で測定することはできない。

特開２００１−１２４７０７号公報

本発明は、被測定物の重量を測定することなく、マイクロ波発生手段から発生させたマイクロ波を送信手段を用いて被測定物を透過させ、透過後のマイクロ波を受信手段を用いて受信させ、被測定物を透過していないマイクロ波と被測定物を透過した後のマイクロ波との間の減衰量と位相量のみから該被測定物の密度や含水率を高い精度で測定できる装置とその測定方法を提供する。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。

（１）マイクロ波を発生させて該マイクロ波を被測定物に透過させることにより該被測定物の密度を測定する測定装置において、
該測定装置は、マイクロ波送信手段とマイクロ波受信手段とを備え、
該マイクロ波送信手段から送信するマイクロ波と該マイクロ波が被測定物を透過して該マイクロ波受信手段により受信されるマイクロ波との間の減衰量及び位相量を検出する手段を備え、
該減衰量と該位相量とから被測定物の密度を算出するデータ処理手段を備え、
該データ処理手段により得られた被測定物の密度を表示する測定結果表示部を備える。

（２）マイクロ波を発生させて該マイクロ波を被測定物に透過させることにより該被測定物の含水率を測定する測定装置において、
該測定装置は、マイクロ波送信手段とマイクロ波受信手段とを備え、
該マイクロ波送信手段から送信するマイクロ波と該マイクロ波が被測定物を透過して該マイクロ波受信手段により受信されるマイクロ波との間の減衰量及び位相量を検出する手段を備え、
該減衰量と該位相量とから被測定物の密度を算出するデータ処理手段を備え、
密度を算出するデータ処理手段により算出される密度と該減衰量とから被測定物の含水率を算出するデータ処理手段を備え、
該各データ処理手段により得られた被測定物の含水率及び密度の両方、又は含水率のみを表示する測定結果表示部を備える。

（３）被測定物の密度を測定する方法であって、
マイクロ波を発生させる工程と、
発生させたマイクロ波を送信して被測定物に透過させる工程と、
被測定物を透過したマイクロ波を受信する工程と、
送信するマイクロ波と受信するマイクロ波との間の減衰量及び位相量を検出する工程と、
該減衰量及び該位相量に基づいて該被測定物の密度を算出する工程とを含むことを特徴とする密度測定方法である。

（４）被測定物の含水率を測定する方法であって、
マイクロ波を発生させる工程と、
発生させたマイクロ波を送信して被測定物に透過させる工程と、
被測定物を透過したマイクロ波を受信する工程と、
送信するマイクロ波と受信するマイクロ波との間の減衰量及び位相量を検出する工程と、
該減衰量及び該位相量に基づいて該被測定物の密度を算出する工程と、
算出される密度と該減衰量とから該被測定物の含水率を算出する工程とを含むことを特徴とする含水率測定方法である。

本発明によれば、被測定物にマイクロ波を透過させることにより、マイクロ波の減衰量及び位相量から該被測定物の密度を算出することができ、算出した密度と減衰量とから該被測定物の含水率を算出することができ、該被測定物の密度や含水率を高精度に測定することが可能となる。

図１は、本発明の測定装置の一例を示す正面図である。 図２は、本発明の測定装置の制御部の一例を示すブロック図である。 図３は、本発明の測定方法により算出した密度と全乾密度の関係を示すグラフである。 図４は、本発明の測定方法により算出した含水率と全乾水分との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、発明の測定装置の一例を示す側面図であり、図２は、本発明の測定装置の制御部の一例を示すブロック図である。

図１、図２に示すとおり、本発明の測定装置１は、主要部３と測定結果表示部５とマイクロ波送信手段７とマイクロ波受信手段９とを備える。主要部３は、マイクロ波発生手段３ａとパワースプリッタ３ｂと減衰量・位相量検出手段３ｃと密度を算出するデータ処理手段３ｄと含水率を算出するデータ処理手段３ｅを内蔵する。該マイクロ波送信手段７とマイクロ波受信手段９は支持部１１により該主要部３と連結される。

該マイクロ波送信手段７及び該マイクロ波受信手段９は通常使用される手段を用いればよく、例えば、マイクロ波送信手段７はトランスデューサ７ａと送信ホーン７ｂを備え、マイクロ波受信手段９はトランスデューサ９ａと受信ホーン９ｂを備える。被測定物１３は、該マイクロ波送信手段７と該マイクロ波受信手段９との間に介在させてマイクロ波を透過させるのが好ましい。

本発明の測定装置１は、固定して使用することができる。一例として、測定装置１を架台等に固定し、インラインで使用する。

また、本発明の測定装置１は、携帯して使用することができる。一例として、該支持部１１を把持して測定装置１を携帯し、被測定物１３をマイクロ波送信手段７とマイクロ波受信手段９との間に介在させることにより含水率を測定する。被測定物１３は、マイクロ波送信手段７とマイクロ波受信手段９との間に介在させることができればよい。被測定物は、粉体や粒状体を含む固体、液体（懸濁液を含む）、ゲル状体等がある。粉体、粒状体、液体等は、容器に入れて測定するのが好ましく、該容器はマイクロ波の減衰及び位相測定を阻害しないものが好ましい。被測定物としては、一例として、木材、コンクリート、砂、プラスチック原料に用いるペレット、紙の原料パルプ等が挙げられる。

図２に示すとおり、本発明の測定装置１は、マイクロ波発生手段３ａからマイクロ波１５ａを発生させる。発生させるマイクロ波の周波数は、一般的に利用できる周波数を用いればよい。マイクロ波１５ａはパワースプリッタ３ｂによりマイクロ波１５ｂとマイクロ波１５ｃとに分かれる。マイクロ波１５ｂはマイクロ波送信手段７に送られ、マイクロ波１５ｃは減衰量・位相量検出手段３ｃに送られる。

マイクロ波送信手段７はマイクロ波１５ｄを被測定物１に透過させる。マイクロ波１５ｄは被測定物１３を透過することにより、減衰し、位相が変化し、マイクロ波１７ａとなる。マイクロ波受信手段９はマイクロ波１７ａを受信し、減衰量・位相量検出手段３Ｃにマイクロ波１７ｂを送る。マイクロ波１５ａ〜１５ｄの周波数は全て同じとなり、マイクロ波１７ａと１７ｂの周波数は同じとなる。

減衰量・位相量検出手段３ｃはマイクロ波１５ｃとマイクロ波１７ｂとの間の減衰量１９ａ・位相量１９ｂを検出する。例えば、測定した減衰量及び位相量は位相検出器によりボルトに換算するのが好ましい。該減衰量・位相量検出手段３ｃにより検出された減衰量１９ａ・位相量１９ｂは密度を算出するデータ処理手段３ｄに送られる。

密度を算出するデータ処理手段３ｄは、減衰量１９ａ・位相量１９ｂから被測定物１３の密度２１を算出する。減衰量をＦ、位相量をＧ、密度をＮとすると、Ｎ＝αＦ＋β＋γＧ＋δという検量線が求められる（α、β、γ、δは補正値）。上記検量線に基づき算出された密度２１は測定結果表示部５に表示される。

次に、密度を算出するデータ処理手段３ｄにより算出された密度２１は、含水率を算出するデータ処理手段３ｅに送られる。含水率を算出するデータ処理手段３ｅは、算出された密度２１と減衰量・位相量検出手段３ｃにより検出された減衰量１９ａから被測定物の含水率２３を算出する。減衰量をＦ、密度をＮ、含水率をＰとすると、Ｐ＝θＦ／（Ｎ＋φ）＋λという検量線が求められる（θ、φ、λは補正値）。上記検量線に基づき算出された含水率２３は測定結果表示部５に表示される。

測定結果表示部５は、通常の測定装置に使用されるものを用いればよく、一例として液晶画面が挙げられる。測定結果表示部５は、その使用目的に併せて、密度だけを表示したり、含水率だけを表示したり、密度と含水率の両方を表示したりすることができる。

次に実施例を挙げ、本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例により何ら制約されるものではない。

〈減衰量及び位相量の測定〉
本発明の測定装置につき、実施例について説明する。被測定物として木材を用い、スギ材、ヒノキ材、ナラ材を用いた。各木材の寸法は横２２ｃｍ、縦１７ｃｍ、厚さ０．５５ｃｍ（体積は２０５．７立方センチ）のものを用いた。マイクロ波発生手段にて周波数１０．５２５ＧＨｚのマイクロ波を発生させ、マイクロ波送信手段から送信し、前記各木材を透過させた後マイクロ波受信手段にて受信し、減衰量及び位相量を測定した。測定した減衰量及び位相量は位相検出器によりボルトに換算した。

〈全乾密度及び実際の含水率の測定〉
前記各木材の実際の全乾密度及び含水率を算出するため、該各木材の乾燥前後の重量を測定した。乾燥条件はＪＩＳＺ２１０１による全乾法を用いた。全乾密度（各木材の乾燥後の密度）は、該各木材の乾燥後の重量÷該各木材の体積（２０５．７立方センチメートル）である。実際の含水率は、水分量（該各木材乾燥前の重量−該各木材乾燥後の重量）×１００÷該各木材乾燥後の重量である。

上記測定結果を表１に示す。

〈算出した密度と全乾密度との関係〉
表１のとおり、算出した密度をＮ、減衰量をＦ、位相量をＧとすると、Ｎ＝αＦ＋β＋γＧ＋δという検量線が求められる（α、β、γ、δは補正値）。表１においては、α＝０．０３、β＝−０．０１、γ＝０．７０、δ＝０．０１となる。求められた検量線により算出した密度Ｎと全乾密度Ｈとの関係は、図３のグラフに示すとおりであり、減衰量Ｆと位相量Ｇとから算出した密度Ｎは、全乾密度Ｈに近い値が求められる。

〈算出した含水率と実際の含水率との関係〉
表１のとおり、算出した含水率をＰとすると、Ｐ＝θＦ／（Ｎ＋φ）＋λという検量線が求められる（θ、φ、λは補正値）。表１においては、θ＝１３５．０６、φ＝０．０８、λ＝−１６．２となる。求められた検量線により算出した含水率Ｐと実際の含水率Ｌとの関係は、図４のグラフに示すとおりであり、減衰量Ｆと位相量Ｇとから算出した含水率Ｐは、実際の含水率Ｌに近い値が求められる。

１ 測定装置
３ 主要部
３ａ マイクロ波発生手段
３ｂ パワースプリッタ
３ｃ 減衰量・位相量検出手段
３ｄ 密度を算出するデータ処理手段
３ｅ 含水率を算出するデータ処理手段
５ 測定結果表示部
７ マイクロ波送信手段
７ａ トランスデューサ
７ｂ 送信ホーン
９ マイクロ波受信手段
９ａ トランスデューサ
９ｂ 受信ホーン
１１ 支持部
１３ 被測定物
１５ａ〜１５ｄ マイクロ波
１７ａ、１７ｂ マイクロ波
１９ａ 減衰量
１９ｂ 位相量
２１ 密度
２３ 含水率

Claims (4)

1. マイクロ波を発生させて該マイクロ波を被測定物に透過させることにより該被測定物の密度を測定する測定装置において、
   該測定装置は、マイクロ波送信手段とマイクロ波受信手段とを備え、
   該マイクロ波送信手段から送信するマイクロ波と該マイクロ波が被測定物を透過して該マイクロ波受信手段により受信されるマイクロ波との間の減衰量及び位相量を検出する手段を備え、
   該減衰量と該位相量とから被測定物の密度を算出するデータ処理手段を備え、
   該データ処理手段により得られた被測定物の密度を表示する測定結果表示部を備えることを特徴とする測定装置。
2. マイクロ波を発生させて該マイクロ波を被測定物に透過させることにより該被測定物の含水率を測定する測定装置において、
   該測定装置は、マイクロ波送信手段とマイクロ波受信手段とを備え、
   該マイクロ波送信手段から送信するマイクロ波と該マイクロ波が被測定物を透過して該マイクロ波受信手段により受信されるマイクロ波との間の減衰量及び位相量を検出する手段を備え、
   該減衰量と該位相量とから被測定物の密度を算出するデータ処理手段を備え、
   密度を算出するデータ処理手段により算出される密度と該減衰量とから被測定物の含水率を算出するデータ処理手段を備え、
   該各データ処理手段により得られた被測定物の含水率及び密度の両方、又は含水率のみを表示する測定結果表示部を備えることを特徴とする測定装置。
3. 被測定物の密度を測定する方法であって、
   マイクロ波を発生させる工程と、
   発生させたマイクロ波を送信して被測定物に透過させる工程と、
   被測定物を透過したマイクロ波を受信する工程と、
   送信するマイクロ波と受信するマイクロ波との間の減衰量及び位相量を検出する工程と、
   該減衰量及び該位相量に基づいて該被測定物の密度を算出する工程とを含むことを特徴とする密度測定方法。
4. 被測定物の含水率を測定する方法であって、
   マイクロ波を発生させる工程と、
   発生させたマイクロ波を送信して被測定物に透過させる工程と、
   被測定物を透過したマイクロ波を受信する工程と、
   送信するマイクロ波と受信するマイクロ波との間の減衰量及び位相量を検出する工程と、
   該減衰量及び該位相量に基づいて該被測定物の密度を算出する工程と、
   算出される密度と該減衰量とから該被測定物の含水率を算出する工程とを含むことを特徴とする含水率測定方法。
   

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