JP3748424B2 - スケーリング則式水分量測定法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、土壌、生ごみ、食品、生コンクリートといった含水被検体の水分量測定方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、食品、生ごみ、土木建築材料、土壌等その性状が必ずしも均一ではない対象物に含まれる水分量を測定する手段として、加熱型、誘電型、電気抵抗型、電磁波型、熱伝導型等の水分量測定方法・装置が知られている。
【0003】
加熱型水分量測定方法・装置は、被検体を乾燥させ、乾燥前後の被検体の重量変化から水分量を測定するものである。この水分量測定手段によるときは、水分量が0%〜100%の広い範囲の被検体の水分量を正確に知ることができるけれども、バッチ式であり測定に時間がかかるという問題がある。誘電型水分量測定方法・装置は、被検体に電流を流してその誘電率の値によって水分量を測定するものである。
電気抵抗型水分量測定方法・装置は、被検体に電流を流してその電気抵抗の値によって水分量を測定するものである。電磁波型水分量測定方法・装置は、赤外線照射に対する被検体のエネルギー吸収量の大きさによって水分量を測定するものである。熱伝導型水分量測定方法・装置は、外部からの加熱による被検体の熱伝導率と水の熱伝導率とを比較して水分量を測定するものである。
【0004】
この熱伝導型水分量測定方法・装置を改良したものとして、たとえば特開2001−343343号公報に開示されている水分量検知センサーがある。この先行技術は、被検体の水分量と温度応答との相関関係を利用して水分量を求めるものである。相関関数は、水分量水準に対応する、時間に対する温度応答を両対数変換し直線化した後、水分量と温度応答との一次相関関数を求めて得る。水分量測定に際しては、温度応答を測定し、予め作成した一次相関関数により演算し水分量を算出する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術によるときは、水分量と測定変数(パラメータ)たとえば温度応答値(K/s)との相関関係を予め確定しておく必要がある。通常、被検体の水分量を3水準(通常、4水準以上)に変化させて温度応答値を測定し、それらのデータを基に最小自乗法によって相関関数を確定する。而して、相関関数確定に多くの手間・時間を必要とし、このことが水分量測定装置普及の隘路となっていた。
本発明は、従来技術における問題を解決し、水分量と測定変数(パラメータ)間の相関関数作成に要する時間を、従来技術による場合(最大5時間程度)の1/10に相当する30分間〜1時間程度に短縮できる水分量測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項1に記載の発明は、土壌、生ごみ等被検体の水分量測定方法であって、被検体の水分量0%の時の測定変数Γqと、被検体の任意の水分量WHの時の測定変数ΓHとから、測定変数Γ=0の時の被検体の水分量Wqを、
式 Wq=WH/[1−(ΓH/Γq)2]によって求め、被検体の測定時の水分量Wを、測定時の測定変数Γから、式 W=Wq[1−(Γ/Γq)2]によって求めることを特徴とするスケーリング則式水分量測定方法である。
【0007】
請求項2に記載の発明は、被検体の水分量の測定変数を計測する手段と、被検体の水分量Wを求めるための、W=Wq[1−(Γ/Γq)2]なる演算処理手段を有することを特徴とするスケーリング則式水分量測定装置である。
但し、Γ:被検体の水分量測定時の測定変数の値
Γq:被検体の水分量0%の時の測定変数の値
Wq=WH/[1−(ΓH/Γq)2]
WH:被検体の任意の水分量
ΓH:WHの時の測定変数の値
【0008】
請求項3に記載の発明は、測定変数が、被検体の加熱による温度応答値(K/s)である請求項2に記載のスケーリング則式水分量測定装置である。
【0009】
請求項4に記載の発明は、測定変数が、被検体の電気抵抗値(kΩ)である請求項2に記載のスケーリング則式水分量測定装置である。
【0010】
請求項5に記載の発明は、測定変数が、被検体の誘電率である請求項2に記載のスケーリング則式水分量測定装置である。
【0011】
請求項6に記載の発明は、測定変数が、被検体への近赤外線照射に伴うエネルギー吸収量に比例した電圧出力値(mV)である請求項2に記載のスケーリング則式水分量測定装置である。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の、スケーリング則式水分量測定法及び装置においては、従来技術における最小自乗法を用いた数水準の水分量サンプルを用いた相関関数作成方法とは異なり、2水準の水分量(%)と測定変数(パラメータ)測定値によって相関関数を確定する。
【0013】
本発明は、食品、生ごみ、土壌、生コンクリートといった含水物質における水分量と、水分量に対応する測定変数(パラメータ)、たとえば温度応答値、電気抵抗値、誘電率といったパラメータとの相関が、すべての物質に関して、Φ=1−χ2(Φ:無次元水分量、χ:無次元測定変数値)という形で表すことができる、という発明者の知見に基づいて完成された。
【0014】
含水物質(被検体)における水分量Wと水分量に対応する測定変数Γの関係は、種々の実験的根拠から次式の形で表現される。
【0015】
【数1】
W=a0+a2Γ2 ------(1)
【0016】
今、水分量0の時の測定変数をΓq、Γ=0の時の水分量をWqとすると、式(1)から、a0=Wq、a2=−Wq/Γq 2となる。
ここで、Φ=W/Wq、χ=Γ/Γqとおくと、無次元水分量Φと、無次元測定変数χの関係は次式のようになる。
【0017】
【数2】
Φ=1−χ2------(2)
【0018】
式(2)は、すべての被測定物(被検体)に対応できる無次元関数である。図1に、無次元水分量と無次元測定変数による無次元相関関係を示す。
【0019】
本発明における相関関数は、以下のようにして求める。
被測定物(被検体)を完全乾燥し、その状態における測定変数をΓqを測定する。次に、実用上の上限に可及的に近い任意の水分量WHの被検体の測定変数ΓHを測定する。式(2)およびΦ=W/Wq、χ=Γ/Γqより、下記式によってWqを得る。
【0020】
【数3】
Wq=WH/[1−(ΓH/Γq)2]------(3)
【0021】
こうして、水分量0%における測定変数Γqおよび実用上の上限に可及的に近い任意の水分量WHの被検体の測定変数ΓHに基づいて、Γ=0の時の水分量Wqを導出することができる。而して、式(3)で得られたWqを用いて、式(2)およびΦ=W/Wq、χ=Γ/Γqより、下記式を得る。
【0022】
【数4】
W=Wq[1−(Γ/Γq)2]------(4)
【0023】
式(4)のΓに被検体の測定変数値を入れれば、測定時の被検体の水分量Wを得ることができる。このようにして、従来、4点以上の複数箇のデータ(水分量と測定変数の対応)が必要であったものを、被検体の完全乾燥時と、実用上の上限に可及的に近い任意の水分量の2点における水分量と測定変数の対応から相関関数を作成することが可能となった。
【0024】
【実施例】
実施例1
測定変数(パラメータ)を温度応答値(K/s)とする、熱流束式水分量測定装置のセンサー部分の構造を図2に示す。センサー構造は、図2に示すように、エポキシ樹脂1、断熱材2、ヒーター3、温度素子4、およびセラミックス5からなる多層構造となっており、ヒーター3および温度素子4にはそれぞれケーブルが接続されている。
【0025】
この熱流束式水分量測定装置を用いて被検体の水分量を測定するには、先ず、被検体を完全乾燥したときおよび実用上の上限に近い任意の水分量WHのときの2点について、ヒーター3に電流を流して被検体に一定熱量を加える。次いで、図2に示すセンサーと被検体との接触面の温度の経時変化を測定し、温度上昇速度(K/s)を演算算出する。この温度上昇速度(K/s)即ち温度応答値(測定変数ΓH、Γq)およびWHとから式(3)によってWqを得る。これらの数値を基に相関関数(式(4))を得る。温度応答値(K/s)を測定変数ΓとするときのΓqの測定結果を表1に示す。
【0026】
【表1】
【0027】
これらの測定結果から、温度応答値(K/s)を測定変数Γとするときの相関関数(式(4))は次の如くである。
【0028】
【数5】
W=100.79×[1−(Γ/2.372)2]----(5)
【0029】
式(5)で表される水分量(%)と、温度上昇速度(℃/s)の関係を、図3に示す。式(5)のΓに、測定時の温度応答値(℃/s)を入れれば水分量(%)が得られる。表2に、得られた結果を示す。
【0030】
【表2】
【0031】
実施例2
測定変数を、被検体の抵抗値(kΩ)とする場合について、相関関数を求めた。電気抵抗値(kΩ)を測定変数ΓとするときのΓqの測定結果(電気抵抗値)を表3に示す。
【0032】
【表3】
【0033】
この測定結果から、電気抵抗値(kΩ)を測定変数Γとするときの相関関数は、次の如くである。
【0034】
【数6】
W=28.08×[1−(Γ/620.4)2]----(6)
【0035】
式(6)で示される、水分量(%)と電気抵抗値(kΩ)の関係を図4に示す。式(6)のΓに、測定時の電気抵抗値(kΩ)を入れれば水分量(%)が得られる。表4に、得られた結果を示す。
【0036】
【表4】
【0037】
実施例3
測定変数を、被検体の誘電率とするときの、相関関数を求めた。誘電率を測定変数ΓとするときのΓqの測定結果(誘電率)を表5に示す。
【0038】
【表5】
【0039】
この測定結果から、誘電率を測定変数Γとするときの相関関数は、次の如くである。
【0040】
【数7】
W=−8.67×[1−(Γ/1.8)2]----(7)
【0041】
式(7)で示される、水分量(%)と誘電率の関係を図5に示す。式(7)のΓに、測定時の誘電率を入れれば水分量(%)が得られる。表6に、得られた結果を示す。
【0042】
【表6】
【0043】
実施例4
測定変数を、被検体への近赤外線照射に伴うエネルギー吸収量に比例した電圧出力値(mV)とするときの相関関数を求めた。被検体への近赤外線照射に伴うエネルギー吸収量に比例した電圧出力値(mV)を測定変数ΓとするときのΓqの測定結果(エネルギー吸収量に比例した電圧出力値(mV))を表7に示す。
【0044】
【表7】
【0045】
この測定結果から、被検体への近赤外線照射に伴うエネルギー吸収量に比例した電圧出力値(mV)を測定変数Γとするときの相関関数は、次の如くである。
【0046】
【数8】
W=−1.42×[1−(Γ/950)2]----(8)
【0047】
式(8)で示される、水分量(%)と被検体への近赤外線照射に伴うエネルギー吸収量に比例した電圧出力値(mV)の関係を図6に示す。式(8)のΓに、測定時の被検体への近赤外線照射に伴うエネルギー吸収量に比例した電圧出力値(mV)を入れれば水分量(%)が得られる。表8に、得られた結果を示す。
【0048】
【表8】
【0049】
【発明の効果】
本発明によれば、被検体の水分量を、温度応答値(K/s)等の測定変数との相関を全ての物質について、無次元相関関数、Φ=1−χ2(Φ:無次元水分量、χ:無次元測定変数値)という形で表すことができる。従来、相関関数作成には4点以上の複数箇のデータを必要としていたものを、本発明においては、被検体の完全乾燥時および実用上の上限に近い任意の水分量の2点ならびに各水分量での測定変数値から相関関数を得ることができる。而して、相関関数作成に要する時間を、従来(最大5時間程度)の1/10に相当する30分間〜1時間程度に短縮することができる。
【0050】
請求項2乃至請求項6に記載の発明によれば、高価な精密測定器を必要とせずかつ、構造が簡単であるから安価でしかも短時間で高精度下に水分の連続測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】無次元水分量Φと、無次元測定変数値χの関係を示すグラフ
【図2】本発明の一実施例に係る、温度応答値(K/s)を測定変数とするときのセンサ構造を示す斜視図
【図3】温度応答値(K/s)を測定変数とするときの、水分量(%)と測定変数(℃/s)の相関関係を示すグラフ
【図4】電気抵抗値(kΩ)を測定変数とするときの、水分量(%)と測定変数(kΩ)の相関関係を示すグラフ
【図5】誘電率を測定変数とするときの、水分量(%)と測定変数(誘電率)の相関関係を示すグラフ
【図6】被検体への近赤外線照射に伴うエネルギー吸収量に比例した電圧出力値(mV)を測定変数とするときの、水分量(%)と測定変数(被検体への近赤外線照射に伴うエネルギー吸収量に比例した電圧出力値(mV))の相関関係を示すグラフ
【符号の説明】
1 合成樹脂
2 断熱材
3 ヒーター
4 温度素子
5 セラミックス
Claims (6)
- 土壌、生ごみ等被検体の水分量測定方法であって、被検体の水分量0%の時の測定変数Γqと、被検体の任意の水分量WHの時の測定変数ΓHとから、測定変数Γ=0の時の被検体の水分量Wqを、
式 Wq=WH/[1−(ΓH/Γq)2]によって求め、被検体の測定時の水分量Wを、測定時の測定変数Γから、式 W=Wq[1−(Γ/Γq)2]によって求めることを特徴とするスケーリング則式水分量測定法。 - 被検体の水分量の測定変数を計測する手段と、被検体の水分量Wを求めるための、W=Wq[1−(Γ/Γq)2]なる演算処理手段を有することを特徴とするスケーリング則式水分量測定装置。
但し、Γ:被検体の水分量測定時の測定変数の値
Γq:被検体の水分量0%の時の測定変数の値
Wq=WH/[1−(ΓH/Γq)2]
WH:被検体の任意の水分量
ΓH:WHの時の測定変数の値 - 測定変数が、被検体の加熱による温度応答値(K/s)である請求項2に記載のスケーリング則式水分量測定装置。
- 測定変数が、被検体の電気抵抗値(kΩ)である請求項2に記載のスケーリング則式水分量測定装置。
- 測定変数が、被検体の誘電率である請求項2に記載のスケーリング則式水分量測定装置。
- 測定変数が、被検体への近赤外線照射に伴うエネルギー吸収量に比例した電圧出力値(mV)である請求項2に記載のスケーリング則式水分量測定装置。
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