JP2021015074A - 非接触式水分計及び含水率の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体の含水率が高い場合であってもマイクロ波を被検体に送信することにより被検体の含水率を測定することができる非接触式水分計を提供する。【解決手段】非接触式水分計は、マイクロ波を利用した非接触式水分計であって、マイクロ波発振手段３と、サーキュレーター５と、送受信アンテナ７と、移動手段１１と、第一マイクロ波検出装置１３と、計算手段１７と、を備える。一例として、受信アンテナ９と第二マイクロ波検出装置１５とをさらに備える。好ましくは、移動位置調整手段１９をさらに備えさせてもよい。【選択図】図４

Description

本発明は、マイクロ波を利用して広範囲の含水率を測定することができる非接触式水分計及び含水率の測定方法に関する。

従来から、含水率を測定する方法としては、被検体にマイクロ波を送信し、送信したマイクロ波のレベルと該被検体を透過したマイクロ波のレベルとから含水率を算出するマイクロ波透過式の水分計が知られているが、被検体の含水率が高い場合、被検体に送信したマイクロ波の多くは被検体に含まれる水分に吸収されてしまうため、マイクロ波透過式の水分計では含水率を測定できないという問題点がある。例えば、土砂や粉粒体などの含水率が高い場合、連続して含水率を測定できない。

被検体の含水率が高い場合、送信したマイクロ波は被検体に反射する性質がある。反射するマイクロ波を利用して含水率を測定する装置であって、連続的に走行する粘土、セメント、布、紙、食品等の含水率を測定する装置として、特許文献１は、被検体を照射するマイクロ波送信器と被検体の透過成分又は反射成分を検知する受信器と、受信器の受信強度を検知する検知手段を有する含水率の測定装置を開示している。しかし、特許文献１の測定装置は、反射するマイクロ波を検知して被検体の含水率を測定するため、送信されたマイクロ波と反射したマイクロとの合成により生じる定在波の影響を受け、測定精度が低下するという問題点がある。

特開平６−１２９９９９号

本発明は、被検体の含水率が高い場合であってもマイクロ波を被検体に送信することにより被検体の含水率を測定することができる非接触式水分計及びマイクロ波を利用した含水率の測定方法を提供する。

上記課題を解決する本発明は次の内容のものである。

マイクロ波を利用した非接触式水分計であって、
マイクロ波発振手段と、サーキュレーターと、送受信アンテナと、移動手段と、第一マイクロ波検出装置と、計算手段と、を備え、
該マイクロ波発振手段は、マイクロ波を発振し、
該サーキュレーターは、該マイクロ波発振手段から発振されたマイクロ波を該送受信アンテナに送信する機能と、該送受信アンテナが受信したマイクロ波を該第一マイクロ波検出装置に送信する機能とを備え、
該送受信アンテナは、被検体に対してマイクロ波を送信する機能と、送信するマイクロ波と被検体に反射されるマイクロ波との合成により生じる定在波を受信する機能とを備え、
該移動手段は、該送受信アンテナを被検体に対して略直線上に往復移動させる機能を備え、
該第一マイクロ波検出装置は、該サーキュレーターから送信されるマイクロ波のレベルを検出する機能を備え、
該計算手段は、該第一マイクロ波検出装置により検出されたマイクロ波のレベルから被検体の含水率を算出する機能を備える。

受信アンテナと第二マイクロ波検出装置とをさらに備え、
該受信アンテナは、前記送受信アンテナから送信され被検体を透過したマイクロ波を受信する機能を備え、
該第二マイクロ波検出装置は、該受信アンテナが受信したマイクロ波のレベルを検出する機能を備え、
前記計算手段は、該送受信アンテナが送信するマイクロ波のレベルと該第二マイクロ波検出装置により検出されたマイクロ波のレベルとから被検体の含水率を算出する機能をさらに備える。

移動位置調整手段をさらに備え、
該移動位置調整手段は、前記第一マイクロ波検出装置により検出される定在波のレベルの変化に基づき、前記送受信アンテナが被検体に最も近づく位置と最も離れる位置を調整する。

含水率の測定方法は、
マイクロ波発振手段からマイクロ波を発信し、マイクロ波を送受信アンテナに送信する工程と、
送受信アンテナを被検体に対して略直線上に往復移動させながら、該送受信アンテナから該被検体にマイクロ波を送信する工程と、
送信するマイクロ波と被検体に反射されるマイクロ波との合成により生じる定在波を該送受信アンテナで受信する工程と、
該送受信アンテナで受信した該定在波のレベルを検出する工程と、
該定在波のレベルと該被検体の含水率とのあらかじめ規定された相関関係とにより、該被検体の含水率を算出する工程を有する。

マイクロ波発振手段からマイクロ波を発信し、マイクロ波を送受信アンテナに送信する工程と、
送受信アンテナから被検体にマイクロ波を送信し、被検体を透過するマイクロ波を受信アンテナで受信する工程と、
該受信アンテナが受信するマイクロ波のレベルを検出する工程と、
該受信アンテナが受信するマイクロ波のレベルが所定値に達した場合は、該送受信アンテナから被検体に送信するマイクロ波と該受信アンテナで受信するマイクロ波のレベルから被検体の含水率を算出する工程を有し、
該受信アンテナが受信するマイクロ波のレベルが所定値に達しない場合は、該送受信アンテナは被検体に対して略直線上に往復移動しながら該被検体にマイクロ波を送信し、送信するマイクロ波と被検体に反射されるマイクロ波との合成により生じる定在波を該送受信アンテナで受信し、該送受信アンテナで受信した定在波のレベルを検出し、該定在波のレベルと該被検体の含水率とのあらかじめ規定された相関関係とにより該被検体の含水率を算出する工程を有する。

前記送受信アンテナで受信した定在波のレベルに基づいて、該送受信アンテナが被検体に最も近づく位置と最も離れる位置を調整する工程をさら有する。

本発明の非接触式水分計は、被検体の含水率が高い場合であってもマイクロ波を被検体に送信することにより被検体の含水率を測定することができ、非接触式の水分計であることから、被検体の含水率を連続して測定することができる。

本発明の含水率の測定方法を用いることにより、被検体の含水率が高い場合であっても被検体の含水率を測定することができる。

本発明の非接触式水分計の一例の概略を示す側面図である。 本発明の非接触式水分計の一例の概略を示し、送受信アンテナが被検体に近づいた状態を示す側面図である。 本発明の非接触式水分計の一例の概略を示す正面図である。 本発明の非接触式水分計の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の含水率測定方法の工程の一例を示すフローチャートである。 本発明の含水率測定方法の工程の別の例を示すフローチャートである。 本発明の非接触式水分計を用いて測定した定在波の最大値と最小値の差と土砂の含水率との相関関係を示すグラフである。 本発明の非接触式水分計を用いて測定した定在波の最大値と最小値の和と土砂の含水率との相関関係を示すグラフである。 本発明の非接触式水分計を用いて測定した定在波の最大値と土砂の含水率との相関関係を示すグラフである。 本発明の非接触式水分計を用いて測定した定在波の最小値と土砂の含水率との相関関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態の例について図を参照しながら説明する。尚、本発明は、以下の形態の例に限定されるものではない。本明細書に記載の含水率は、質量含水率とする。

（全体構造）
本発明の非接触式水分計１は、マイクロ波を利用した非接触式水分計１であって、マイクロ波発振手段３と、サーキュレーター５と、送受信アンテナ７と、移動手段１１と、第一マイクロ波検出装置１３と、計算手段１７と、を備える。一例として、受信アンテナ９と第二マイクロ波検出装置１５とをさらに備える。好ましくは、移動位置調整手段１９をさらに備えさせてもよい（図１〜図４）。

本発明の非接触式水分計１は、例えば、ベルトコンベア２３の上を移動する被検体２１の含水率を連続して測定することができる。被検体２１としては、例えば、土砂、粉粒体などが挙げられる（図１〜図３）。

（マイクロ波発振器）
該マイクロ波発振器３は、被検体２１に送信するためのマイクロ波を発振する機能を有する。含水率の測定に一般的に使用されるものを使用すればよい。

（サーキュレーター）
サーキュレーター５は、マイクロ波発振手段３から発振されたマイクロ波を送受信アンテナ７に送信する機能と（図４、Ａ―Ｂ）、該送受信アンテナ７が受信したマイクロ波を分離して第一マイクロ波検出装置１３に送信する機能（図４、Ｃ―Ｄ）とを備える。該送受信アンテナ７が受信するマイクロ波は、該送受信アンテナ７が送信するマイクロ波と被検体２１に反射されるマイクロ波とから生じる定在波２９となる。

（送受信アンテナ）
送受信アンテナ７は、被検体２１に対してマイクロ波を送信する機能と、該送受信アンテナ７が送信するマイクロ波と被検体２１に反射されるマイクロ波とから生じる定在波２９を受信する機能とを備える。一例として、指向性を有するものとする。好ましくは、外来電波や構造物の影響を受けにくい送受信用ホーンアンテナとする。

（移動手段）
移動手段１１は、送受信アンテナ７を被検体２１に対して略直線上に往復移動させる機能を備える。該被検体２１の含水率が高い場合、該被検体２１に送信したマイクロ波は該被検体２１を透過せず、該被検体２１に反射する。そして、送信するマイクロ波と反射するマイクロ波から定在波２９が生じるため、該移動手段１１により該送受信アンテナ７を該被検体２１に向かって略直線上を往復移動させることにより、該定在波２９のレベルの最大値、最小値等を検出する。

移動手段１１は、送受信アンテナ７を被検体２１に対して略直線上に往復移動させる機能を備えるものであれば特に限定はなく、一例として、該送受信アンテナ７をレール２７の上に支持し、モーター２５により、該送受信アンテナ７を往復移動させるなどする（図１、２）。

（移動位置調整手段）
送受信アンテナ７の往復移動の位置は、一例として、移動位置調整手段１９により調整する。該移動位置調整手段１９は、第一マイクロ波検出装置１３により検出されるマイクロ波（定在波２９）のレベルの変化に基づき、該送受信アンテナ７が被検体２１に最も近づく位置と最も離れる位置とを調整する。

後述するとおり、被検体２１の含水率は、一例として、第一マイクロ波検出装置１３により検出されるマイクロ波（定在波２９）のレベルの最大値と最小値の差、最大値と最小値の和、最大値、最小値から算出する。そのため、送受信アンテナ７は、定在波の最大値と最小値のどちらか一方又は両方が検出できるように移動させるのが好ましい。該移動位置調整手段１９は、定在波２９のレベルが最大値を示す際の該送受信アンテナ７の位置と最小値を示す際の該送受信アンテナ７の位置のどちらか一方又は両方を感知し、該定在波２９のレベルが最大値と最大値のどちらか一方又は両方を検出できるように該送受信アンテナ７が被検体２１に最も近づく位置と最も離れる位置を調整する。

（第一マイクロ波検出装置）
該第一マイクロ波検出装置１３は、サーキュレーター５から送信されるマイクロ波（定在波２９）のレベルを検出する機能を備える。該第一マイクロ波検出装置１３により、マイクロ波のレベルはアナログ電圧に処理され、計算機１７に送られる。

（受信アンテナ）
受信アンテナ９は、送受信アンテナ７から送信されて被検体２１を透過したマイクロ波３１を受信する機能を備える。一例として、指向性を有するものとする。好ましくは、外来電波や構造物の影響を受けにくい受信用ホーンアンテナとする。

（第二マイクロ波検出装置）
第二マイクロ波検出装置１５は、受信アンテナ９が受信したマイクロ波３１のレベルを検出する機能を備える。該第二マイクロ波検出装置１５により、マイクロ波のレベルはアナログ電圧に処理され、計算機１７に送る。

（計算手段）
計算手段１７は、第一マイクロ波検出装置１３により検出されたマイクロ波（定在波２９）のレベルから被検体２１の含水率を算出する機能を備える。前記送受信アンテナ７が送信するマイクロ波が該被検体２１を透過する場合は、該送受信アンテナ７が送信するマイクロ波のレベルと該第二マイクロ波検出装置１５により検出されたマイクロ波のレベルとから該被検体２１の含水率を算出する機能をさらに備える。含水率の算出は、あらかじめ作っておいた含水率とマイクロ波の電圧値との相関関係を表す検量線に基づいて行う。

一例として、被検体２１の含水率が高い場合、例えば含水率が約１５％以上約３５％以下の場合は、該被検体２１を透過するマイクロ波のレベルは低くなり正確に検出することは困難になるため、第一マイクロ波検出装置１３により検出されたマイクロ波（定在波２９）のレベルから該被検体２１の含水率を算出する。

被検体２１の含水率低い場合、例えば含水率が約０．１％以上約１５％未満の場合は、送受信アンテナ７が送信するマイクロ波のレベルと第二マイクロ波検出装置１５により検出されたマイクロ波のレベルから該被検体２１の含水率を算出する。この場合、含水率は一般的に行われている方法を用いて算出すればよい。例えば、透過させたマイクロ波の減衰量や位相変化量に基づいて含水率を算出する方法を用いることができる。

（相関関係）
被検体２１の含水率と第一マイクロ波検出装置１３により検出されたマイクロ波（定在波２９）のレベルとの相関関係について、図７〜図１０に示す。被検体２１は土砂を使用し、図７〜図１０の横軸（含水率）は、ＪＩＳ Ａ １４７６に基づいて測定した。縦軸は、図７は定在波２９のレベルの最大値と最小値の差であり、図８は定在波２９のレベルの最大値と最小値の和であり、図９は定在波２９のレベルの最大値であり、図１０は定在波２９のレベルの最小値である。

被検体の含水率と定在波２９のレベルの最大値と最小値の差とは比例関係があり（図７）、被検体の含水率と定在波２９のレベルの最大値と最小値の和とは比例関係があり（図８）、被検体の含水率と定在波２９のレベルの最大値とは比例関係があり（図９）、被検体の含水率と定在波２９のレベルの最小値とは比例関係がある（図１０）ことから、該定在波２９のレベルを検出することにより、該被検体の含水率とのあらかじめ規定された相関関係とにより該被検体２１の含水率を算出することができる。

（測定方法）
次に、含水率の測定方法の一例を説明する（図１〜図６）。

（含水率が高い場合の測定方法）
被検体２１の含水率の測定にあたり、該被検体２１にマイクロ波を透過させて測定することが適当ではない場合は、一例として、以下の測定方法を用いることができる（図５）。該被検体２１にマイクロ波を透過させて測定することが適当ではない場合は、一例として、土砂の場合は、含水率が約１７％以上約５０％以下の場合が挙げられる。

マイロ発振手段３からマイクロ波を発信し（Ｓ１１）、例えば、サーキュレーター５を介してマイクロ波を送受信アンテナ７に送信する（Ｓ１２）。

送受信アンテナ７を被検体２１に対して略直線上に往復移動させながら、該送受信アンテナ７から該被検体２１にマイクロ波を送信し、送信するマイクロ波と該被検体２１に反射するマイクロ波との合成により生じる定在波２９を該送受信アンテナ７で受信する（Ｓ１３）。

該送受信アンテナ７で受信する定在波２９は、例えば、サーキュレーター５を介して第一マイクロ波検出装置１３に送信し（Ｓ１４）、該定在波２９のレベルを検出する（Ｓ１５）。

一例として、第一マイクロ波検出装置１３により検出される定在波２９のレベルに基づいて、移動位置調整手段１９により、該送受信アンテナ７が被検体２１に最も近づく位置と最も離れる位置を調整する（Ｓ１７）。

該定在波２９のレベルと該被検体２１の含水率とのあらかじめ規定された相関関係とにより該被検体２１の含水率を算出する（Ｓ１６）。被検体の含水率と定在波２９のレベルの最大値と最小値の差とは比例関係があり（図７）、被検体の含水率と定在波２９のレベルの最大値と最小値の和とは比例関係があり（図８）、被検体の含水率と定在波２９のレベルの最大値とは比例関係があり（図９）、被検体の含水率と定在波２９のレベルの最小値とは比例関係がある（図１０）ことから、該定在波２９のレベルを検出することにより、該被検体の含水率とのあらかじめ規定された相関関係とにより該被検体２１の含水率を算出することができる。

（含水率が分からない場合）
被検体２１の含水率の測定にあたり、該被検体２１にマイクロ波を透過させて測定することが適当か、該被検体２１を反射するマイクロ波により生じる定在波２９を測定することが適当かを判断できない場合は、一例として、以下の測定方法を用いることができる（図６）。

マイロ発振手段３からマイクロ波を発信し（Ｓ２１）、例えば、サーキュレーター５を介してマイクロ波を送受信アンテナ７に送信する（Ｓ２２）。

送受信アンテナ７から被検体２１にマイクロ波を送信し（Ｓ２３）、該被検体２１を透過するマイクロ波３１を受信アンテナ９で受信する（Ｓ２４）。

受信アンテナ９が受信するマイクロ波３１のレベルを第二マイクロ波検出装置１５で検出する（Ｓ２５）。

第二マイクロ波検出装置１５で検出したマイクロ波のレベルが所定値に達する場合（Ｓ２６）、送受信アンテナ７から被検体２１に送信するマイクロ波のレベルと受信アンテナ９で受信するマイクロ波３１のレベルとから該被検体２１の含水率を算出する（Ｓ２７）。該所定値は、一例として、送信レベルと受信レベルとの差が約１Ｖ〜約２Ｖとする。

第二マイクロ波検出装置１５で検出したマイクロ波のレベルが所定値に達しない場合（Ｓ２８）は、マイクロ波は被検体２１に反射されると判断し、送受信アンテナ７の往復移動を開始させ（Ｓ２９）、定在波２９を受信する方法に切り替える。該送受信アンテナ７の往復移動は、被検体に対して略直線上に移動させる。往復移動を開始させる手段としては、該第二マイクロ波検出装置１５で検出したマイクロ波のレベルが所定値に達しない場合に自動で往復移動を開始させる機能を持たせてもよいし、該第二マイクロ波検出装置１５で検出したマイクロ波のレベルを測定者が確認したうえで往復移動を開始させてもよい。

送受信アンテナ７を被検体２１に対して略直線上に往復移動させながら、該送受信アンテナ７から該被検体２１にマイクロ波を送信し、送信するマイクロ波と該被検体２１に反射されるマイクロ波との合成により生じる定在波２９を該送受信アンテナ７で受信する（Ｓ３０）。

該送受信アンテナ７で受信する定在波２９は、例えば、サーキュレーター５を介して第一マイクロ波検出装置１３に送信し（Ｓ３１）、該定在波２９のレベルを検出する（Ｓ３２）。

一例として、該第一マイクロ波検出装置１３により検出される定在波２９のレベルに基づいて、移動位置調整手段１９により、該送受信アンテナ７が被検体２１に最も近づく位置と最も離れる位置を調整する（Ｓ３４）。

該定在波２９のレベルと該被検体の含水率とのあらかじめ規定された相関関係とにより該被検体２１の含水率を算出する（Ｓ３３）。被検体の含水率と定在波２９のレベルの最大値と最小値の差とは比例関係があり（図７）、被検体の含水率と定在波２９のレベルの最大値と最小値の和とは比例関係があり（図８）、被検体の含水率と定在波２９のレベルの最大値とは比例関係があり（図９）、被検体の含水率と定在波２９のレベルの最小値とは比例関係がある（図１０）ことから、該定在波２９のレベルを検出することにより、該被検体の含水率とのあらかじめ規定された相関関係とにより該被検体２１の含水率を算出することができる。

本発明は、例えば、ＣＳＧ（Ｃｅｍｅｎｔ Ｓａｎｄ ａｎｄ Ｇｒａｖｅｌ）工法によりダムの堤体や防潮堤を整備するにあたり、近傍で容易に入手できる土砂の含水率の測定に利用することにより、添加する水の量を管理することができ、高い品質のＣＳＧ（Ｃｅｍｅｎｔ Ｓａｎｄ ａｎｄ Ｇｒａｖｅｌ）工法に利用できる。

１ 非接触式水分計
３ マイクロ波発振手段
５ サーキュレーター
７ 送受信アンテナ
９ 受信アンテナ
１１ 移動手段
１３ 第一マイクロ波検出装置
１５ 第二マイクロ波検出装置
１７ 計算手段
１９ 移動位置調整手段
２１ 被検体
２３ ベルトコンベア
２５ モーター
２７ レール
２９ 定在波
３１ マイクロ波

Claims (6)

1. マイクロ波を利用した非接触式水分計であって、
   マイクロ波発振手段と、サーキュレーターと、送受信アンテナと、移動手段と、第一マイクロ波検出装置と、計算手段と、を備え、
   該マイクロ波発振手段は、マイクロ波を発振し、
   該サーキュレーターは、該マイクロ波発振手段から発振されたマイクロ波を該送受信アンテナに送信する機能と、該送受信アンテナが受信したマイクロ波を該第一マイクロ波検出装置に送信する機能とを備え、
   該送受信アンテナは、被検体に対してマイクロ波を送信する機能と、送信するマイクロ波と被検体に反射されるマイクロ波との合成により生じる定在波を受信する機能とを備え、
   該移動手段は、該送受信アンテナを被検体に対して略直線上に往復移動させる機能を備え、
   該第一マイクロ波検出装置は、該サーキュレーターから送信されるマイクロ波のレベルを検出する機能を備え、
   該計算手段は、該第一マイクロ波検出装置により検出されたマイクロ波のレベルから被検体の含水率を算出する機能を備えることを特徴とする非接触式水分計。
   
2. 受信アンテナと第二マイクロ波検出装置とをさらに備え、
   該受信アンテナは、前記送受信アンテナから送信され被検体を透過したマイクロ波を受信する機能を備え、
   該第二マイクロ波検出装置は、該受信アンテナが受信したマイクロ波のレベルを検出する機能を備え、
   前記計算手段は、該送受信アンテナが送信するマイクロ波のレベルと該第二マイクロ波検出装置により検出されたマイクロ波のレベルとから被検体の含水率を算出する機能をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の非接触式水分計。
   
3. 移動位置調整手段をさらに備え、
   該移動位置調整手段は、前記第一マイクロ波検出装置により検出される定在波のレベルの変化に基づき、前記送受信アンテナが被検体に最も近づく位置と最も離れる位置を調整することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非接触式水分計。
   
4. マイクロ波発振手段からマイクロ波を発信し、マイクロ波を送受信アンテナに送信する工程と、
   送受信アンテナを被検体に対して略直線上に往復移動させながら、該送受信アンテナから該被検体にマイクロ波を送信する工程と、
   送信するマイクロ波と被検体に反射されるマイクロ波との合成により生じる定在波を該送受信アンテナで受信する工程と、
   該送受信アンテナで受信した該定在波のレベルを検出する工程と、
   該定在波のレベルと該被検体の含水率とのあらかじめ規定された相関関係とにより、該被検体の含水率を算出する工程を有することを特徴とする含水率の測定方法
   
5. マイクロ波発振手段からマイクロ波を発信し、マイクロ波を送受信アンテナに送信する工程と、
   送受信アンテナから被検体にマイクロ波を送信し、被検体を透過するマイクロ波を受信アンテナで受信する工程と、
   該受信アンテナが受信するマイクロ波のレベルを検出する工程と、
   該受信アンテナが受信するマイクロ波のレベルが所定値に達した場合は、該送受信アンテナから被検体に送信するマイクロ波と該受信アンテナで受信するマイクロ波のレベルから被検体の含水率を算出する工程を有し、
   該受信アンテナが受信するマイクロ波のレベルが所定値に達しない場合は、該送受信アンテナは被検体に対して略直線上に往復移動しながら該被検体にマイクロ波を送信し、送信するマイクロ波と被検体に反射されるマイクロ波との合成により生じる定在波を該送受信アンテナで受信し、該送受信アンテナで受信した定在波のレベルを検出し、該定在波のレベルと該被検体の含水率とのあらかじめ規定された相関関係とにより該被検体の含水率を算出する工程を有することを特徴とする請求項４に記載の含水率の測定方法。
   
6. 前記送受信アンテナで受信した定在波のレベルに基づいて、該送受信アンテナが被検体に最も近づく位置と最も離れる位置を調整する工程をさら有する ことを特徴とする請求項５記載の含水率の測定方法

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