JP3631840B2

JP3631840B2 - マイクロ波による水分測定方法

Info

Publication number: JP3631840B2
Application number: JP04839796A
Authority: JP
Inventors: 静致岡村
Original assignee: Kawasaki Kiko Co Ltd
Current assignee: Kawasaki Kiko Co Ltd
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1996-02-13
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2016-02-13
Also published as: JPH09218168A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波を利用した水分測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波エネルギーが試料（測定対象物）中の水分によって減衰され、その程度が水分の多少に応じて異なることを利用する水分測定装置は種々のものが知られている（特開平１−３０１１５２号公報）。このうち、透過型は試料にマイクロ波を貫通させ、貫通後のマイクロ波エネルギーの減衰量を検出し、これから試料の含水率（φ）を換算する。この減衰量から含水率（φ）への換算にはすでに種々の算出式、手法が提案されているが、透過型の場合、マイクロ波の減衰量（Ａ）は、試料の厚さ（Ｌ）や密度（ρ）によっても異なるために、測定する試料の厚さを均一にする必要がある。
【０００３】
しかし、茶葉や木材チップの処理過程のように不定形小片の集合を帯状に移動させながら含水率を測定する場合や、板材あるいは角材などの乾燥工程でこれらを移動させながら含水率を測定する場合に、茶葉や木材チップの層の厚さ（Ｌ）や密度（ρ）、または板材や角材の厚さ（Ｌ）を一定に維持することは困難である。実際には、茶葉や木材チップの場合スクレーパーで慣らすとか測定値を試料重量で補正するなど種々の手段を採用しているが、誤差の混入は免れない。
なお、水分に関するマイクロ波の減衰量（γ）は周波数（Ｆ１，Ｆ２）によって異なり、周波数に比例して高くなっていく（図３）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、試料の厚さ（Ｌ）や密度（ρ）などの水分以外の試料に関する変動要素と無関係に含水率（φ）を測定できるマイクロ波を利用した測定方法の提供を課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
試料に、周波数が異なるマイクロ波（Ｆ１，Ｆ２ …Ｆｎ，Ｆｎ＋１）を照射する。
それぞれの場合に得られるマイクロ波の減衰量（検出減衰量Ａ１，Ａ２ …Ａｎ，Ａｎ＋１）、あらかじめ準備した同試料の水分が０％の場合の同じマイクロ波のそれぞれの減衰量（既知の減衰量β１，β２ …βｎ，βｎ＋１）および未知とした試料の含水率（φ）を用いて、前記の周波数ごとに、検出減衰量に関する既知減衰量および未知含水率との関係を示す式を必要な数（ｎ）だけ作る。原則的に消去する項目の数が１個であれば２式、２個であれば３式が必要である。
【０００６】
マイクロ波の減衰は試料そのものの材質や例えば厚さ（Ｌ）および密度（ρ）、あるいは水分の量（含水率φ）で影響を受ける。この内、材質による減衰は厚さ（Ｌ）、密度（ρ）の関数となり、含水率（φ）によるマイクロ波の減衰とは分離して考えることができる。
これらの連立された式から試料による水分以外の変動要素（例えば、厚さや密度）を消去して含水率（φ）を得る。
【０００７】
試料による水分以外の変動要素が試料の厚さ（Ｌ）だけである場合は次の構成となる。
厚さ（Ｌ）の試料に周波数が異なるマイクロ波（例えば、周波数Ｆ１，Ｆ２）を照射して試料によるマイクロ波の減衰量（Ａ１，Ａ２）を得る。
一方、あらかじめ準備した同じ試料の水分が０％の場合における同じマイクロ波（周波数Ｆ１，Ｆ２）のそれぞれの減衰量（β１，β２）を求めておく。
また、周波数Ｆ１，Ｆ２のマイクロ波が水分によって減衰される量（減衰量γ１，γ２）は含水率（φ）と比例するので、その間の係数をα１，α２（定数）とすると、 γ１＝α１・φ
γ２＝α２・φ である。
【０００８】
そして、これらの値には次の関係がある。
Ａ１＝γ１・Ｌ＋β１・Ｌ＝（α１・φ＋β１）・Ｌ …▲１▼
Ａ２＝γ２・Ｌ＋β２・Ｌ＝（α２・φ＋β２）・Ｌ …▲２▼
▲１▼、▲２▼式から（Ｌ）を消去すると、次式を得る。
φ＝（Ａ２・β１ −Ａ１・β２）／（Ａ１・α２ −Ａ２・α１） …▲３▼
▲３▼式は（Ｌ）の要素を持たないから、異なる周波数のマイクロ波を照射し、その減衰量（Ａ１，，Ａ２）を得ることによってに試料の厚さ（Ｌ）と無関係に含水率（φ）を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図２は、板材あるいは角材１の乾燥行程を概略で示したもので、乾燥炉２の内部をコンベア３に載って板材あるいは角材１が移動する。乾燥炉２には加熱送風装置４が配置されると共に出口には水分測定装置５が配置され、コンベア３はモーター６で駆動される。加熱送風装置４に対する電力の供給量、コンベア３を駆動するモーター６の回転量は、制御装置７の制御下にあり、また、水分測定装置５の測定値出力は制御装置７に入力される。
【００１０】
水分測定装置５（図１）は、制御部８、マイクロ波発振装置９およびマイクロ波受信装置１０を備える。
制御部８は、制御装置７の一部として構成され、演算装置（ＣＰＵ）とそのバスに接続された処理プログラム格納部（ＲＯＭ）、データ記憶部（ＲＡＭ）、手動データ入力部（ＭＤＩ）および入出力部（Ｉ／Ｏ）を備える。マイクロ波発振装置９は、ガンダイオードなどを用いた周知の発振回路１１とその発振周波数の切換え回路１２および発振ホーン１３を有する。マイクロ波受信装置１０は、受信ホーン１４と受信回路１５を備える。
【００１１】
発振ホーン１３と受信ホーン１４はコンベア３上の試料１を挟むようにして配置され、発振装置９と受信装置１０は、制御部８の入出力部（Ｉ／Ｏ）に接続される。発振装置９は通常一つの定まった周波数（例、１０ＧＨｚ）のマイクロ波を連続発振しているが、制御部８から周波数切換え回路１２に指令のあったとき発振周波数を今一つの定まった周波数（例１８ＧＨｚ）に切換える。この場合、別の発振ホーンを必要とすることがある。
受信装置１０で得た測定値はデジタル値に変換されて入出力部（Ｉ／Ｏ）の入力ポートに伝達される。
【００１２】
制御部８の処理プログラム格納部（ＲＯＭ）には、前記の式▲３▼である演算式
φ＝（Ａ２・β１ −Ａ１・β２）／（Ａ１・α２ −Ａ２・α１）
および水分測定用のシーケンスプログラムが格納されている。すなわち、この制御部８は現在、試料による水分以外の変動要素を試料の厚さ（Ｌ）のみとしている。
データ記憶部（ＲＡＭ）には手動データ入力部（ＭＤＩ）から、板材あるいは角材１に関するβ１，β２の値、および使用するマイクロ波の周波数（Ｆ１，Ｆ２）に関するα１，α２の値が入力され、記憶されている。
【００１３】
板材あるいは角材１の乾燥工程が稼働されると、乾燥炉２の内部を通過する板材あるいは角材１に加熱乾燥空気が送られ、試料１は炉内を移動中に乾燥作用を受ける。加熱乾燥空気の熱量と風量、湿度およびコンベア３による移送速度は、乾燥炉２の出口位置に配置された水分測定装置５の測定結果を一つの要素として制御装置７によって制御される。
制御部８は、自身が備えたタイマーに基づいて所定間隔（例、３秒ごと）に測定指令を発して、発振装置９から、現在の周波数（例、Ｆ１）とその出力の大きさをデータ記憶部（ＲＡＭ）の第１領域に記憶し、また、入出力部のポートからそのときの受信値を第２領域に記憶し、これらからマイクロ波の減衰量（Ａ１）を算出してデータ記憶部（ＲＡＭ）の第３領域に記憶する。
【００１４】
ついで、制御部８は発振装置９に指令を出して周波数切換え回路を駆動して発振周波数（Ｆ１）から周波数（Ｆ２）に切換え、前記と同様にしてその時のマイクロ波の減衰量（Ａ２）を得、データ記憶部（ＲＡＭ）の所定の領域に記憶する。そして、演算装置（ＣＰＵ）は、データ記憶部（ＲＡＭ）におけるこれらの値を呼び出して式▲３▼を演算して含水率（φ）を得る。
【００１５】
このようにして得られる含水率（φ）は、▲３▼式の特徴から、試料の厚さ（Ｌ）に影響されないから、板材あるいは角材１の厚さ（Ｌ）に多少の変化（むら）があっても、正確な測定値を得られる。
得られた含水率（φ）は、必要に応じていくつかを合計して平均化する等の処理をして制御部８に付属する表示装置１６に表示し、また、入出力部（Ｉ／Ｏ）を介して前記の加熱送風装置４のような外部機器１７の制御に用いられる。
【００１６】
以上は、一つの実施形態であって、試料による水分以外の変動要素として密度（ρ）やその他のものを選定して同様に処理することができる。ただし、この変動要素が複数となったときはその数だけの式を作る必要がある。
もちろん、本願発明は、例えば石膏ボードの乾燥行程のように比較的均等な厚さ（Ｌ）を持つ試料の含水率（φ）の検出にも用いることができる。
また、減衰量（Ａ）に変えて、位相の変化量（Ｐ）を採用し、前記の式における（Ａ）を（Ｐ）に置換することで同様に含水率（φ）求めることができる。
すなわち、前記の▲１▼式は、次のようになる。
Ｐ１＝δ１・Ｌ＋ε１・Ｌ＝（ｂ１・φ＋ε１）・Ｌ …▲４▼
ただし、δ１＝ｂ１・φ。また、δ１は水分により周波数（Ｆ１）のマイクロ波が受ける位相変化量、ｂ１は位相変化量と含水率（φ）間の係数、ε１は試料の水分が０％のときの位相変化量（単位ｒａｄ／ｍ）である。
【００１７】
【発明の効果】
試料の厚さや密度等、試料による水分以外の変動要素によって測定結果が影響されず、例えば、搬送されている板材あるいは角材、茶葉や木材チップなどの厚さ、密度を一定に整えることが困難なものについても、水分測定の精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】測定方法を概念的に示す図。
【図２】乾燥工程を概念的に示す図。
【図３】マイクロ波の周波数と減衰量の関係を示す図。
【符号の説明】
１試料（板材あるいは角材）
２乾燥炉
３コンベア
４加熱送風装置
５水分測定装置
６モーター
７制御装置
８制御部
９マイクロ波発振装置
１０マイクロ波受信装置
１１発振回路
１２周波数切換え回路
１３発振ホーン
１４受信ホーン
１５受信装置
１６表示装置
１７外部機器

Claims

周波数が異なるマイクロ波を試料に照射して、それぞれの場合に得られるマイクロ波の減衰量（検出減衰量Ａ１，Ａ２ …Ａｎ，Ａｎ＋１）、およびあらかじめ準備した同試料の水分が０％の場合の同じマイクロ波のそれぞれの減衰量（既知の減衰量β１，β２ …，βｎ，βｎ＋１）および未知とした試料の含水率（φ）を用いて、前記の周波数ごとに、検出減衰量に関する既知減衰量および未知含水率との関係を示す式を必要な数（ｎ）だけ作り、これらの連立された式から試料による水分以外の変動要素の項目を消去して含水率（φ）を得ることを特徴としたマイクロ波による水分測定方法。
厚さ（Ｌ）の試料に周波数が異なるマイクロ波（周波数Ｆ１，Ｆ２）を照射して試料によるマイクロ波のそれぞれの減衰量（Ａ１，Ａ２）を得、これらとあらかじめ準備した同試料の水分が０％の場合の同じマイクロ波のそれぞれの減衰量（β１，β２）とから、次式により試料の含水率（φ）を得る水分測定方法。
φ＝（Ａ２・β１ −Ａ１・β２）／（Ａ１・α２ −Ａ２・α１）
ただし、（α１，α２）は、周波数Ｆ１，Ｆ２のマイクロ波の水分による減衰量（γ１，γ２）と含水率（φ）間の係数であって定数である。
周波数が異なるマイクロ波を試料に照射して、それぞれの場合に得られるマイクロ波の位相変化量（検出位相変化量Ｐ１，Ｐ２ …Ｐｎ，Ｐｎ＋１）、およびあらかじめ準備した同試料の水分が０％の場合の同じマイクロ波のそれぞれの位相変化量（既知の位相変化量ε １， ε ２ …，ε ｎ，ε ｎ＋１）および未知とした試料の含水率（φ）を用いて、前記の周波数ごとに、検出位相変化量に関する既知の位相変化量および未知含水率との関係を示す式を必要な数（ｎ）だけ作り、これらの連立された式から試料による水分以外の変動要素の項目を消去して含水率（φ）を得ることを特徴としたマイクロ波による水分測定方法。