JP4647138B2 - Moisture content measurement sensor and moisture content measurement device - Google Patents

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JP4647138B2
JP4647138B2 JP2001172849A JP2001172849A JP4647138B2 JP 4647138 B2 JP4647138 B2 JP 4647138B2 JP 2001172849 A JP2001172849 A JP 2001172849A JP 2001172849 A JP2001172849 A JP 2001172849A JP 4647138 B2 JP4647138 B2 JP 4647138B2
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共振器から発生する電磁界を被測定物に浸透させ、そのときの電磁界吸収から水分量を測定する水分量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、フレッシュコンクリートに含まれる水分量の測定は、電子レンジを用いた高周波加熱乾燥法により、乾燥前後の重量変化から計算式で単位水量を求めている。この方法は、乾燥に時間がかかることと、本来フレッシュコンクリートに含まれている粗骨材である砂利を取り除いたモルタルを計測しているため、砂利を除去したときの砂利に付着した水分が誤差となる。また、ラジオ・アイソトープを応用した水分センサが開発されているが、取り扱いに注意が必要なのと装置の価格が高価であることが問題である。
【０００３】
特に、コンクリート構造物の強度は、コンクリート中のセメントに対する水の量で調整されている。しかし、コンクリートの強度は、フレッシュコンクリートの状態ではわかりにくく測定が困難であった。フレッシュコンクリートの水分測定が簡便にできれば、コンクリート品質の向上に役立つ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
フレッシュコンクリート等の水分量を検出する手法として、電磁波（マイクロ波）を照射・透過させその減衰により水分量をもとめるものもあるが、照射・透過させたマイクロ波の減衰と出力が必ずしも比例しないので、測定精度が良くなかった。
【０００５】
そこで、本発明は被測定物の水分量を瞬時にかつ正確に測定する水分量測定センサ及び水分量測定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】
請求項１に記載の水分量測定センサは、被測定物に電磁波を発信する発信部と、前記被測定物に浸透した電磁波を受信する受信部とを備え、電磁界を被測定物に浸透させ、そのときの電磁界吸収から水分量を測定する電磁波を使用した水分量測定技術において、図２に示すように、前記発信部での抵抗を示す第１の抵抗（３２）、被測定物の共振による損失を示す第２の抵抗（３３）、コイル（３４）及びコンデンサ(３５)、受信部の検出用負荷での抵抗を示す第３の抵抗（３６）を直列に繋いで水分量測定センサの等価回路を表した場合に、第３の抵抗（３６）の抵抗値が第１の抵抗（３２）及び第２の抵抗（３３）の各抵抗値の合計の１／３〜１倍であって、被測定物における電磁界損失に対して直線的に比例した出力特性を生じることを特徴とする。ここで「電磁波」にはマイクロ波が含まれる。また、「検出負荷」には検出用ダイオードの他、抵抗やコンデンサが含まれる。また「被測定物における電磁界損失に対して直線的に比例した出力特性」を得るには、例えば、検出器において検出用負荷として検出用ダイオードを使用し、検出用ダイオードの電流−抵抗値の特性を考慮して、回路電流の大きいところで生じる飽和傾向と、回路電流の小さいところで生じる飽和傾向を組み合わせて、被測定物の検出水分量と検出出力が直線的に比例するように、検出用ダイオードのダイオードインピーダンスを選択すると良い。
【０００７】
この水分量測定センサは、被測定物に発信部から電磁波を発信して、被測定物に浸透した電磁波を受信することにより被測定物に含まれる水分量を測ることができるから、瞬時に水分量を測ることができる。また、被測定物に含まれる水分量による電磁界損失に対して直線的に比例した電気的出力を生じさせることができ、かつ受信部の検出用負荷において出力値が大きくなるので、被測定物に含まれる水分量を良好な精度で測定することができる。
【０００９】
請求項２に記載の水分量測定装置は、被測定物を収容する測定容器と、前記測定容器の外面に沿って移動可能に取り付けた請求項１に記載の水分量測定センサと、前記水分量測定センサと測定容器とを相対移動させる移動機構と、前記水分量測定センサで測定された被測定物の水分量のデータを出力する出力手段とを備え、前記水分量測定センサと測定容器とを相対移動させて複数箇所で被測定物に電磁界を浸透させて被測定物に含まれる水分量を測定し、被測定物の平均的な水分量を検出することを特徴とする。ここで、「出力手段」は、データの記録や、表示、プリントができる手段をいうものとする。
【００１０】
請求項３に記載の水分量測定装置は、被測定物がフレッシュコンクリート又は砂のいずれかであることを特徴とする。被測定物が砂である場合は、例えば、砂を貯めるホッパーを測定容器とし、測定容器としてのホッパーの側面に水分量測定センサを移動可能に取り付け、ホッパーに対して複数箇所で砂の水分量が測定できるようにしても良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る水分量測定装置を図面に基づいて説明する。
【００１２】
この水分量測定装置は、図１に示す水分量測定センサ20を備えている。水分量測定センサ20は、セラミックス基板に蒸着されたマイクロストリップ共振器アンテナ21と、センサ部としての発信回路基板22と、ＣＰＵコントロール基板23とで構成され、堅牢なステンレス製のケース24に組み込み、マイクロストリップ共振器アンテナ21が配設された測定面に保護セラミックス25を装着したものである。
【００１３】
マイクロストリップ共振器アンテナ21は、電磁界を被測定物に浸透させる発信部としての機能と、被測定物に浸透した電磁界を受信する受信部としての機能を備えている。
【００１４】
保護セラミックス25は、被測定物との磨耗を防止し、かつ、マイクロストリップ共振器アンテナ21から発生する電磁界を安定させるためのものである。保護セラミックス25には、防水効果を高めるため、水浸入防止Ｏリング26とコーティング剤で強化されている。水分量測定センサ20は、ＣＰＵコントロール基板23からの周波数指令信号に伴い発信回路基板22から、指定の周波数の電磁波が出力される。この出力はマイクロストリップ共振器アンテナ21に接続され、このマイクロストリップ共振器アンテナ21から発生する電磁波を被測定物に浸透させる。また、被測定物に浸透した電磁波をマイクロストリップ共振器アンテナ21で受信して発信回路基板22内に取り付けた検出用負荷としての検出用ダイオードにより、被測定物の検出水分量に直線的に比例した検出出力が得られるようになっている。
【００１５】
この水分量測定センサ20は、図２に示すように、発信器、共振器（被測定物の損失）および検出器を等価回路で表して説明することができる。この等価回路は、２ポート共振器の一方のポートに発信器を、他方のポートに検出器を接続したものである。図２中、31はアンテナ電力源、32は発信部での抵抗としての発信回路の内部インピーダンス（第1の抵抗）、33は被測定物の共振による損失（電磁界吸収）としての共振器損失抵抗（第2の抵抗）、34は共振器誘導器、35は共振器容量器、36は受信部の検出用ダイオードの抵抗としての検出用ダイオードのインピーダンス（第3の抵抗）をそれぞれ示している。
【００１６】
また、共振器損失抵抗33は、共振器を形成している導体や誘電体によるものと、外に漏れた電磁界が被測定物で受けるもの（Rm）との２種類に分けて取扱うこととする。また、発信器ポート１による回路の良好度QをQ1ext、負荷ポート２をQ2ext、損失のうちの共振器を形成している導体や誘電体によるものをQ0、外に漏れた電磁界が被測定物によるものをQmとする。
【００１７】
発信器から負荷への共振周波数における透過電力は式１に示す。
【００１８】
【数１】

Figure 0004647138
で与えられる。
【００１９】
また、式１中の回路全体の良好度Ｑtは式２の関係で表される。
【数２】
Figure 0004647138
【００２０】
また、式１中のＸは式３の関係で表される。
【数３】
Figure 0004647138
【００２１】
また、式３中のＲtは共振器等価回路における全損失抵抗（32、33、36の合計）からＲmを除いたものであり、Ｒmは被測定物に漏れた共振器電磁界が受ける水分損失に対応する抵抗である。
【００２２】
ここで、Ｘは，被測定物の損失に対応する量（以下損失と呼ぶ）である。図３は損失Ｘに対する規格化共振器出力電力Ｙの特性及び式４で与えられるＺの値を表したグラフである。
【数４】
Figure 0004647138
【００２３】
良好度Ｑ1extは、Ｑ1ext＝ω ×（共振器誘導器34と共振器容量器35に蓄積されているエネルギー）／（発信回路の内部インピーダンス32で1秒間に失われるエネルギー）で定義したものである。ここで、ωは角周波数を示す。
【００２４】
その他の良好度Qも同様である。良好度Ｑ2extは、Ｑ2ext＝ω×（共振器誘導器34と共振器容量器35に蓄積されているエネルギー）／（出力検出器のインピーダンス36で1秒間に失われるエネルギー）で定義したものである。良好度Ｑ0は、Ｑ0＝ω×（共振器誘導器34と共振器容量器35に蓄積されているエネルギー）／（共振器を構成する導体や誘電体で1秒間に失われるエネルギー）で定義したものである。良好度Ｑmは、Ｑm＝ω×（共振器誘導器34と共振器容量器35に蓄積されているエネルギー）／（Rmで1秒間に失われるエネルギー）で定義したものである。
【００２５】
透過電力Ｔは、T=（出力検出器で消費される電力）／（アンテナ電力源31の有能電力）で定義することができる。なお、「有能電力」とは、電力源が発生することのできる最大の電力を示す。
【００２６】
規格化共振器出力電力Yの「規格化」とは、X=0のときY=1となるようにしたという意味である。透過電力Tは色々な値を取るが、規格化共振器出力電力Yの値は0と1の間になる。
【００２７】
従来、検出用ダイオードは、等価回路で表した場合の回路全体の抵抗（抵抗32、33、36の和）に比べて、ダイオードインピーダンスが十分に小さくなるように選定していた。この場合、規格化共振器出力電力Ｙは、図３に示すように、Ｘの増加に対して（式１）の形で減少する。また、√Ｙで示されるＺは、１／（１＋Ｘ）の形で減少する。Ｙは検出用ダイオードの特性が２乗特性のとき、Ｚは直線特性のときをそれぞれ示している。
【００２８】
規格化共振器出力電力Ｙは、規格化損失Ｘが小さいときには、１／(１＋Ｘ)2≒１−Ｘと近似されて傾き−１の直線となる。これは、Ｙの変化がＸに比例し、またはＺの変化がＸに比例することを意味している。これに対して、Ｘが大きくなると、上記の近似は成り立たず、ＹまたはＺの変化がＸに比例しなくなる。これはダイオード出力の変化量と損失との関係が直線でなくなることを意味する。また、Ｘが大きくなるにつれて規格化損失Ｘの変化に対して出力の変化が小さく出力されるため、検出精度が低下していくものとなっている。
【００２９】
この結果、図３に示すように、従来のように検出用ダイオードのダイオードインピーダンスが小さい場合には、発信器から電磁波を被測定物に照射・透過した場合に、被測定物での損失が小さいときは検出器において損失に直線的に比例した出力が生じるが、被測定物での損失が大きくなると出力が飽和傾向を示して次第に比例しなくなる。そして、被測定物での損失が小さい領域において検出精度が低下していた。
【００３０】
このような場合に、出力を大きくするべく回路電流を大きくしても、ダイオードに掛かる電圧は大きくなるが、図４に示すように、ダイオードの電流−抵抗値の特性が非直線型特性であり、電流が大きくなるとダイオードのインピーダンスがさきほどより小さくなるので、結果として回路電流の増加ほどには出力が増加せず測定精度が良くならなかった。
【００３１】
そこで、本発明に係る水分量検査装置は、出力検出器の検出用ダイオードのインピーダンス36を十分に大きくした。検出用ダイオードのダイオードインピーダンス36を大きくすると、図４に示すダイオードの電流−抵抗値の特性が回路全体として無視できなくなる。このとき共振器損失抵抗33が小さい場合は、回路電流が大きくなり、検出用ダイオードのダイオードインピーダンスが小さくなって、検出用ダイオードの出力は飽和する傾向を示す。このとき損失に対するダイオード出力の変化も飽和傾向になる。また、共振器損失抵抗33が大きい場合は、回路電流が小さくなり、検出用ダイオードのダイオードインピーダンスが大きくなって、検出用ダイオードの出力は飽和する傾向を示す。このときも損失に対してダイオード出力の変化も飽和傾向になる。即ち、共振器損失抵抗33が小さい場合及び大きい場合の両方で、損失に対してダイオード出力の変化が飽和傾向になるので、共振器損失抵抗33に対して直線的に比例した出力が得られるようになる。
【００３２】
さらに、ダイオードインピーダンスを大きくすることにより、回路の電流が小さいときでもダイオードに掛かる電圧はある程度大きいので、より大きな出力が得られるから検出精度が保障されるようになる。
【００３３】
なお、検出器の検出用ダイオードは、ダイオードの電流−抵抗値の特性を考慮して、回路電流の大きいところで生じる飽和傾向と、回路電流の小さいところで生じる飽和傾向を組み合わせて、損失に対して直線的な出力結果が得られるものを選定することが望ましい。
【００３４】
具体的には、等価回路で表した場合に、検出用ダイオードのダイオードインピーダンス36が、発信器の抵抗32と共振器損失抵抗33の和に比べて無視できない大きさ、例えば、1/10以上にすることにより、損失に対して直線的な出力結果が得られるようになる。より好適には、検出用ダイオードのダイオードインピーダンスは、発信器の抵抗32と共振器損失抵抗33の和に比べて1/3〜１倍程度の大きさで選定することが好ましい。
【００３５】
本発明の水分量測定センサ20は、上記理論に基づいて検出器を構成しており、検出用ダイオードのダイオードインピーダンスを大きくしたので、被測定物の水分量の変化（Ｘ）に対して、水分量測定センサ20の出力（Ｙ又はＺ）が均一に変化し、被測定物の水分量が多い場合でも精度良く水分量を測定することができる。
【００３６】
この水分量測定センサ20の出力ケーブル28は、図１に示すように、出力電圧を被測定物に含まれる水分量に換算する演算手段51に接続してあり、その測定結果を出力手段としての表示装置52に表示するようになっている。演算手段51は、水分量測定センサ20の電気的出力、（例えば、出力電圧）を基に、被測定物の水分量を求めるようになっている。表示装置52は、表示器54、操作スイッチ55、プリンター56およびＣＰＵを内蔵した制御部（図示省略）で構成されており、操作スイッチ55の操作に基づいて、演算手段51の測定結果を表示器54に表示し、また、測定結果をプリンター56から出力できるようになっている。なお、演算手段51は図１に示すように別の演算処理装置を併設しても良いし、表示装置に内蔵しても良い。
【００３７】
この水分量測定センサ20は、作業者が手動で操作して保護セラミックス25の表面から被測定物へ電磁波を発信し、被測定物へ浸透した電磁波をマイクロストリップ共振器アンテナ21で受信して、演算手段51で水分量に換算して当該被測定物に含まれる水分量を測定することができる。
【００３８】
また、この水分検出センサ20は、図５(a)(b)に示すように、被測定物43を収容する測定容器41の側面に昇降可能に取り付けて、測定容器41内の被測定物43に満遍なく電磁波を浸透させてこれに含まれる水分量を測定するように構成することができる。この測定容器41は、上記水分量測定センサ20を外部から取り付ける構造になっていて、水分量測定センサ面は誘電率の低い樹脂42を使用する。これは、電磁波の吸収を最低減にすることを目的とする。水分量測定センサ20から発生される電磁波は、この測定樹脂を通過して、被測定物43（たとえば、フレッシュコンクリート）の水分量の計測を行うことができる。
【００３９】
また、被測定物43の水分量検出を均一にするため、水分量測定センサ20を昇降させる昇降機構47がある。昇降機構47は、昇降モータ44の回転軸に構成したボールねじ45に水分量測定センサ20を取り付けたものである。この昇降機構47に取り付けた水分量測定センサ20は、測定容器41の側面に沿って上下に移動させて複数箇所で被測定物43の水分量を測定するから、測定容器41内の被測定物43を満遍なく測定することができる。このように測定容器41内の被測定物43を複数箇所で測定しているので、粗骨材の含まれる割合で水分量が異なるフレッシュコンクリートでも、被測定物43全体の平均的な水分量を正確に測定することができるようになる。
【００４０】
この水分量測定装置の使用例としては、フレッシュコンクリートを測定容器41に入れる。そして、表示装置52の操作スイッチ55を操作することにより、測定容器41につけられた昇降機構47が動作し、水分量測定センサ20が測定容器41の側面に沿って上下に移動しながら測定を開始する。被測定物43の水分量を一定に測定するため、各点で水分量の計測をおこなう。水分量測定センサ20からの信号は出力ケーブル28にて演算手段51に送られる。演算手段51では、水分量測定センサ20からの多点の測定データを、例えば最小二乗法による回帰分析を行い被測定物全体に平均化した水分量を求める。
【００４１】
以上、本発明に係る水分量測定装置の一実施形態を説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。
【００４２】
本発明の水分量測定センサは、特に、フレッシュコンクリートや砂及び砂利等の水分量の検出装置に適用できるが、用途はこれに限定されず、例えば、モルタルや木材などの水分量も測定できる。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１に記載の水分量測定センサは、被測定物に電磁波を発信する発信部と、前記被測定物に浸透した電磁波を受信する受信部とを備え、電磁界を被測定物に浸透させ、そのときの電磁界吸収から水分量を測定する電磁波を使用した水分量測定技術において、前記発信部での抵抗を示す第１の抵抗、被測定物の共振による損失を示す第２の抵抗、コイル及びコンデンサ、受信部の検出用負荷での抵抗を示す第３の抵抗を直列に繋いで水分量測定センサの等価回路を表した場合に、第３の抵抗の抵抗値が第１の抵抗及び第２の抵抗の各抵抗値の合計の１／３〜１倍であって、被測定物における電磁界損失に対して直線的に比例した出力特性を生じることを特徴とする。この水分量測定センサは、被測定物に電磁界を浸透させ、被測定物に浸透した電磁波を受信することにより被測定物に含まれる水分量を測ることができるから、瞬時に水分量を測ることができる。また、被測定物に含まれる水分量に対して直線的に比例した電気的出力を生じさせることができるので、被測定物に含まれる水分量を均一な精度で測定することができる。また、受信部の検出用負荷の抵抗が第１の抵抗及び第２の抵抗の各抵抗値に対して大きいから、検出用負荷の出力値が大きくなるので検出精度が良くなる。
【００４５】
請求項２に記載の水分量測定センサは、被測定物を収容する測定容器と、前記測定容器の外面に沿って移動可能に取り付けた請求項１に記載の水分量測定センサと、前記水分量測定センサと測定容器とを相対移動させる移動機構と、前記水分量測定センサで測定された被測定物の水分量のデータを出力する出力手段とを備え、前記水分量測定センサと測定容器とを相対移動させて複数箇所で被測定物に電磁界を浸透させて被測定物に含まれる水分量を測定し、被測定物の平均的な水分量を検出するので、被測定物全体の平均的な水分量を正確に測定することができる。
【００４６】
本発明の水分量測定装置は、フレッシュコンクリート、砂などの水分量の検出に好適である。
【００４７】
【図面の簡単な説明】
【図１】 水分量測定センサを示す分解斜視図。
【図２】 本発明の一実施形態に係る水分量測定装置の等価回路図。
【図３】 規格化損失Ｘと出力電力Ｙ，Ｚの相関グラフ。
【図４】 検出用ダイオードの電流と抵抗値の相関グラフ。
【図５】 (a)は本発明の一実施形態に係る水分量測定装置の側面図、(b)はその水分量測定装置の正面図。
【符号の説明】
20 水分量測定センサ
21 マイクロストリップ共振器アンテナ
22 発信回路基板
23 ＣＰＵコントロール基板
24 ケース
25 保護セラミックス
26 Ｏリング
28 出力ケーブル
31 アンテナ電力源
32 発信回路の内部インピーダンス
33 共振器損失抵抗
34 共振器誘導器
35 共振器容量器
36 出力検出器のインピーダンス
41 測定容器
42 樹脂
43 被測定物
44 モータ
45 ボールねじ
47 昇降機構
51 演算手段
52 表示装置
54 表示器
55 操作スイッチ
56 プリンター[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a moisture content measuring apparatus that penetrates an object to be measured from an electromagnetic field generated from a resonator and measures the moisture content from electromagnetic field absorption at that time.
[0002]
[Prior art]
For example, in measuring the amount of water contained in fresh concrete, the unit water amount is obtained by a calculation formula from the weight change before and after drying by a high-frequency heating drying method using a microwave oven. This method takes time to dry and measures the mortar from which gravel, which is coarse aggregate originally contained in fresh concrete, is removed. It becomes. In addition, moisture sensors using radioisotopes have been developed. However, there are problems in that they need to be handled with care and are expensive.
[0003]
In particular, the strength of the concrete structure is adjusted by the amount of water relative to the cement in the concrete. However, the strength of the concrete was difficult to measure in the state of fresh concrete and was difficult to measure. If the moisture measurement of fresh concrete can be done easily, it will help to improve the concrete quality.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Some methods of detecting the amount of moisture in fresh concrete, etc., irradiate and transmit electromagnetic waves (microwaves) and determine the amount of moisture by attenuation, but the attenuation and output of the irradiated and transmitted microwaves are not necessarily proportional. The measurement accuracy was not good.
[0005]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a moisture content measurement sensor and a moisture content measurement device that instantaneously and accurately measure the moisture content of an object to be measured.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The moisture content measurement sensor according to claim 1 includes a transmitter that transmits electromagnetic waves to the object to be measured and a receiver that receives electromagnetic waves that have penetrated the object to be measured, and allows the electromagnetic field to permeate the object to be measured. In the moisture content measurement technique using electromagnetic waves for measuring the moisture content from the electromagnetic field absorption at that time, as shown in FIG. 2, the first resistor (32) indicating the resistance at the transmitting section, Moisture content measurement sensor by connecting a second resistor (33) indicating loss due to resonance, a coil (34) and a capacitor (35), and a third resistor (36) indicating resistance at a detection load of the receiving unit in series. When the equivalent circuit is expressed, the resistance value of the third resistor (36) is 1/3 to 1 times the total of the resistance values of the first resistor (32) and the second resistor (33). To produce output characteristics that are linearly proportional to the electromagnetic field loss in the device under test. And features. Here, “electromagnetic waves” include microwaves. The “detection load” includes a resistance and a capacitor in addition to the detection diode. In addition, in order to obtain “an output characteristic linearly proportional to the electromagnetic field loss in the object to be measured”, for example, a detection diode is used as a detection load in the detector, and the current-resistance value of the detection diode is calculated. Considering the characteristics, combining the saturation tendency that occurs when the circuit current is large and the saturation tendency that occurs when the circuit current is small, so that the detection moisture amount and the detection output of the object to be measured are linearly proportional. It is better to select a diode impedance of
[0007]
This moisture content measurement sensor can measure the amount of moisture contained in the measurement object by transmitting electromagnetic waves from the transmitter to the measurement object and receiving the electromagnetic waves that have penetrated the measurement object. You can measure the amount. In addition, an electrical output that is linearly proportional to the electromagnetic field loss due to the amount of moisture contained in the object to be measured can be generated , and the output value becomes large at the detection load of the receiver . Can be measured with good accuracy.
[0009]
The moisture content measuring apparatus according to claim 2 is a measurement container that accommodates an object to be measured, a moisture content measurement sensor according to claim 1 movably attached along an outer surface of the measurement container, and the moisture content. A movement mechanism for moving the measurement sensor and the measurement container relative to each other; and an output means for outputting data on the moisture content of the object measured by the moisture content measurement sensor. Relative movement is performed, an electromagnetic field is penetrated into the object to be measured at a plurality of locations, the amount of moisture contained in the object to be measured is measured, and the average moisture content of the object to be measured is detected. Here, the “output unit” means a unit capable of recording, displaying and printing data.
[0010]
The moisture content measuring apparatus according to claim 3 is characterized in that the object to be measured is either fresh concrete or sand. When the object to be measured is sand, for example, a hopper for storing sand is used as a measurement container, and a moisture measurement sensor is movably attached to the side surface of the hopper as the measurement container. May be measured.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a moisture content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0012]
This water content measuring apparatus includes a water content measuring sensor 20 shown in FIG. The moisture measurement sensor 20 is composed of a microstrip resonator antenna 21 deposited on a ceramic substrate, a transmission circuit board 22 as a sensor unit, and a CPU control board 23, and is incorporated in a robust stainless steel case 24. A protective ceramic 25 is mounted on the measurement surface on which the microstrip resonator antenna 21 is disposed.
[0013]
The microstrip resonator antenna 21 has a function as a transmission unit that permeates an object to be measured and a function as a reception unit that receives an electromagnetic field that has penetrated the object to be measured.
[0014]
The protective ceramic 25 is for preventing wear on the object to be measured and stabilizing the electromagnetic field generated from the microstrip resonator antenna 21. The protective ceramic 25 is reinforced with a water intrusion prevention O-ring 26 and a coating agent in order to enhance the waterproof effect. The moisture measurement sensor 20 outputs an electromagnetic wave having a specified frequency from the transmission circuit board 22 in response to a frequency command signal from the CPU control board 23. This output is connected to the microstrip resonator antenna 21, and the electromagnetic wave generated from the microstrip resonator antenna 21 permeates the object to be measured. Also, the electromagnetic wave that has penetrated the object to be measured is received by the microstrip resonator antenna 21 and is detected by the detection diode as a detection load mounted in the transmission circuit board 22, so that it is linearly proportional to the detected water content of the object to be measured. The detected output can be obtained.
[0015]
As shown in FIG. 2, the moisture content measuring sensor 20 can be described by representing an oscillator, a resonator (loss of the object to be measured), and a detector with an equivalent circuit. This equivalent circuit has a transmitter connected to one port of a two-port resonator and a detector connected to the other port. In FIG. 2, 31 is the antenna power source, 32 is the internal impedance (first resistance) of the transmitting circuit as the resistance at the transmitting section, and 33 is the resonator loss as loss due to resonance of the object to be measured (electromagnetic field absorption) Resistance (second resistance), 34 is a resonator inductor, 35 is a resonator capacitor, and 36 is the impedance of the detection diode (third resistance) as the resistance of the detection diode of the receiver. .
[0016]
Further, the resonator loss resistance 33, be handled and by a conductor or a dielectric forming the resonator, electromagnetic field that leaks to the outside is divided into two types of those received by the measurement object (R m) And Moreover, a good degree Q of the circuit according to the transmitter port 1 Q 1Ext, the load port 2 Q 2ext, Q 0 as by conductors and dielectrics forming the resonator of a loss, the electromagnetic field leaked to the outside There are those from the object to be measured and Q m.
[0017]
The transmitted power at the resonance frequency from the transmitter to the load is shown in Equation 1.
[0018]
[Expression 1]
Figure 0004647138
Given in.
[0019]
Further, the goodness level Q t of the entire circuit in Expression 1 is expressed by the relationship of Expression 2.
[Expression 2]
Figure 0004647138
[0020]
Moreover, X in Formula 1 is represented by the relationship of Formula 3.
[Equation 3]
Figure 0004647138
[0021]
Also, R t in Formula 3 are those from the total loss resistance in the resonator equivalent circuit (a total of 32, 33, 36) except for the R m, R m is the resonator electromagnetic field that leaks to the object to be measured It is the resistance corresponding to the moisture loss to be received.
[0022]
Here, X is an amount corresponding to the loss of the device under test (hereinafter referred to as loss). FIG. 3 is a graph showing the characteristics of the normalized resonator output power Y with respect to the loss X and the value of Z given by Equation 4.
[Expression 4]
Figure 0004647138
[0023]
Goodness Q 1ext is defined as Q 1ext = ω x (energy stored in resonator inductor 34 and resonator capacitor 35) / (energy lost per second due to internal impedance 32 of transmission circuit) It is. Here, ω represents an angular frequency.
[0024]
The same applies to other goodness levels Q. Goodness Q 2ext is defined as Q 2ext = ω × (energy stored in resonator inductor 34 and resonator capacitor 35) / (energy lost per second due to impedance 36 of output detector) It is. The goodness Q 0 is Q 0 = ω × (energy stored in the resonator inductor 34 and the resonator capacitor 35) / (energy lost in one second by the conductor and dielectric constituting the resonator). Defined. The goodness Q m is defined by Q m = ω × (energy stored in the resonator inductor 34 and the resonator capacitor 35) / (energy lost per second at R m ).
[0025]
The transmitted power T can be defined as T = (power consumed by the output detector) / (capable power of the antenna power source 31). The “capable power” indicates the maximum power that can be generated by the power source.
[0026]
“Normalization” of the normalized resonator output power Y means that Y = 1 when X = 0. The transmitted power T takes various values, but the value of the normalized resonator output power Y is between 0 and 1.
[0027]
Conventionally, the detection diode has been selected so that the diode impedance is sufficiently smaller than the resistance of the entire circuit (the sum of the resistors 32, 33, and 36) in the case of an equivalent circuit. In this case, the normalized resonator output power Y decreases in the form of (Equation 1) as X increases, as shown in FIG. Z indicated by √Y decreases in the form of 1 / (1 + X). Y indicates the case where the characteristic of the detection diode is a square characteristic, and Z indicates the case where the characteristic is a linear characteristic.
[0028]
When the normalized loss X is small, the normalized resonator output power Y is approximated as 1 / (1 + X) 2 ≈1−X and becomes a straight line having a slope of −1. This means that the change in Y is proportional to X, or the change in Z is proportional to X. On the other hand, when X increases, the above approximation does not hold and the change in Y or Z is not proportional to X. This means that the relationship between the amount of change in the diode output and the loss is not a straight line. Moreover, since X is the change in output to a change in hand Tadashi Kakuka loss X is output decreased as the increase, which is assumed that the detection accuracy decreases.
[0029]
As a result, as shown in FIG. 3, when the diode impedance of the detection diode is small as in the prior art, when the electromagnetic wave is irradiated / transmitted from the transmitter to the measured object, the loss at the measured object is small. Sometimes, the detector produces an output linearly proportional to the loss, but when the loss at the object to be measured increases, the output shows a tendency to saturate and gradually becomes not proportional. And the detection accuracy has fallen in the area | region where the loss in a to-be-measured object is small.
[0030]
In such a case, even if the circuit current is increased to increase the output, the voltage applied to the diode increases. However, as shown in FIG. 4, the current-resistance characteristic of the diode is a non-linear characteristic. When the current is increased, the impedance of the diode is further reduced. As a result, the output is not increased as the circuit current is increased, and the measurement accuracy is not improved.
[0031]
Therefore, in the water content inspection apparatus according to the present invention, the impedance 36 of the detection diode of the output detector is sufficiently increased. If the diode impedance 36 of the detection diode is increased, the current-resistance characteristic of the diode shown in FIG. At this time, when the resonator loss resistance 33 is small, the circuit current increases, the diode impedance of the detection diode decreases, and the output of the detection diode tends to saturate. At this time, the change in the diode output with respect to the loss also tends to be saturated. Further, when the resonator loss resistance 33 is large, the circuit current decreases, the diode impedance of the detection diode increases, and the output of the detection diode tends to saturate. Also at this time, the change in the diode output tends to be saturated with respect to the loss. That is, in both cases where the resonator loss resistance 33 is small and large, the change in the diode output tends to be saturated with respect to the loss, so that an output linearly proportional to the resonator loss resistance 33 can be obtained. become.
[0032]
Furthermore, by increasing the diode impedance, the voltage applied to the diode is somewhat large even when the circuit current is small, so that a larger output can be obtained, so that the detection accuracy is guaranteed.
[0033]
The detector diode of the detector takes into account the current-resistance characteristic of the diode and combines a saturation tendency that occurs when the circuit current is large with a saturation tendency that occurs where the circuit current is small, and is linear with respect to the loss. It is desirable to select the one that gives a realistic output result.
[0034]
Specifically, when represented by an equivalent circuit, the diode impedance 36 of the detection diode is not negligible compared to the sum of the transmitter resistance 32 and the resonator loss resistance 33, for example, 1/10 or more. As a result, a linear output result with respect to the loss can be obtained. More preferably, the diode impedance of the detection diode is preferably selected to be about 1/3 to 1 times the sum of the resistor 32 and the resonator loss resistor 33 of the transmitter.
[0035]
The moisture content measuring sensor 20 of the present invention constitutes a detector based on the above theory, and the diode impedance of the detection diode is increased. Even when the output (Y or Z) of the quantity measuring sensor 20 changes uniformly and the amount of moisture in the object to be measured is large, the amount of moisture can be accurately measured.
[0036]
As shown in FIG. 1, the output cable 28 of the moisture amount measuring sensor 20 is connected to a calculation means 51 for converting the output voltage into the moisture amount contained in the object to be measured, and the measurement result is used as the output means. It is displayed on the display device 52. The calculation means 51 obtains the moisture content of the object to be measured based on the electrical output (for example, output voltage) of the moisture content measurement sensor 20. The display device 52 includes a display unit 54, an operation switch 55, a printer 56, and a control unit (not shown) with a built-in CPU. Based on the operation of the operation switch 55, the display unit 52 displays the measurement result of the computing means 51. 54, and the measurement result can be output from the printer 56. The calculation means 51 may be provided with another calculation processing device as shown in FIG. 1 or may be built in the display device.
[0037]
This moisture content measurement sensor 20 is manually operated by an operator to transmit an electromagnetic wave from the surface of the protective ceramic 25 to the object to be measured, and the electromagnetic wave penetrating the object to be measured is received by the microstrip resonator antenna 21, The amount of water contained in the object to be measured can be measured in terms of the amount of water by the computing means 51.
[0038]
Further, as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), the moisture detection sensor 20 is attached to the side surface of the measurement container 41 accommodating the measurement object 43 so as to be movable up and down, and the measurement object 43 in the measurement container 41 is attached. The electromagnetic wave can be uniformly permeated to measure the amount of water contained therein. The measurement container 41 has a structure in which the moisture content measurement sensor 20 is attached from the outside, and the moisture content measurement sensor surface uses a resin 42 having a low dielectric constant. This aims to minimize the absorption of electromagnetic waves. The electromagnetic waves generated from the moisture content measuring sensor 20 can pass through this measurement resin and measure the moisture content of the measurement object 43 (for example, fresh concrete).
[0039]
In addition, there is an elevating mechanism 47 that elevates and lowers the moisture content measurement sensor 20 in order to make the moisture content detection of the measurement object 43 uniform. The elevating mechanism 47 is configured by attaching the moisture amount measuring sensor 20 to a ball screw 45 configured on the rotating shaft of the elevating motor 44. Since the moisture content measurement sensor 20 attached to the lifting mechanism 47 moves up and down along the side surface of the measurement container 41 and measures the moisture content of the measurement object 43 at a plurality of locations, the measurement object in the measurement container 41 43 can be measured evenly. In this way, since the object to be measured 43 in the measurement container 41 is measured at a plurality of locations, the average moisture content of the entire object to be measured 43 can be obtained even with fresh concrete having a different moisture content depending on the proportion of coarse aggregate. It becomes possible to measure accurately.
[0040]
As an example of use of this moisture content measuring apparatus, fresh concrete is placed in a measurement container 41. Then, by operating the operation switch 55 of the display device 52, the elevating mechanism 47 attached to the measurement container 41 operates, and the measurement is started while the moisture content measurement sensor 20 moves up and down along the side surface of the measurement container 41. To do. In order to measure the water content of the measurement object 43 uniformly, the water content is measured at each point. A signal from the moisture measuring sensor 20 is sent to the computing means 51 through the output cable 28. The computing means 51 obtains a moisture content that is averaged over the entire object to be measured by, for example, performing regression analysis on the multipoint measurement data from the moisture content measurement sensor 20 by the least square method.
[0041]
As mentioned above, although one Embodiment of the moisture content measuring apparatus based on this invention was described, this invention is not limited above.
[0042]
The water content measurement sensor of the present invention is particularly applicable to a water content detection device such as fresh concrete, sand, and gravel, but the application is not limited to this. For example, the water content of mortar or wood can also be measured.
[0043]
【The invention's effect】
The moisture content measurement sensor according to claim 1 includes a transmitter that transmits electromagnetic waves to the object to be measured and a receiver that receives electromagnetic waves that have penetrated the object to be measured, and allows the electromagnetic field to permeate the object to be measured. In the moisture content measurement technique using electromagnetic waves for measuring the moisture content from the electromagnetic field absorption at that time, a first resistance indicating resistance at the transmitter, a second resistance indicating loss due to resonance of the object to be measured, When the equivalent circuit of the moisture measurement sensor is represented by connecting a coil, a capacitor, and a third resistor indicating resistance at the detection load of the receiver in series, the resistance value of the third resistor is the first resistance and It is 1/3 to 1 times the sum of the resistance values of the second resistor, and produces an output characteristic that is linearly proportional to the electromagnetic field loss in the device under test. This moisture content measurement sensor can measure the amount of moisture instantaneously because it can measure the amount of moisture contained in the measurement object by penetrating the electromagnetic field into the measurement object and receiving the electromagnetic wave that has penetrated the measurement object. be able to. In addition, since an electrical output linearly proportional to the amount of water contained in the object to be measured can be generated, the amount of water contained in the object to be measured can be measured with uniform accuracy. In addition, since the resistance of the detection load of the receiving unit is larger than the resistance values of the first resistance and the second resistance, the output value of the detection load is increased, so that the detection accuracy is improved.
[0045]
The moisture content measurement sensor according to claim 2 , wherein the moisture content measurement sensor according to claim 1, which is attached so as to be movable along an outer surface of the measurement container, and the moisture content. A movement mechanism for moving the measurement sensor and the measurement container relative to each other; and an output means for outputting data on the moisture content of the object measured by the moisture content measurement sensor. Since the electromagnetic field penetrates the object to be measured at multiple locations by relative movement, the amount of water contained in the object to be measured is measured, and the average amount of water in the object to be measured is detected. It is possible to accurately measure the amount of moisture.
[0046]
The water content measuring apparatus of the present invention is suitable for detecting the water content of fresh concrete, sand and the like.
[0047]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a moisture measuring sensor.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a water content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a correlation graph of normalized loss X and output powers Y and Z.
FIG. 4 is a correlation graph between a detection diode current and a resistance value;
5A is a side view of a moisture content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5B is a front view of the moisture content measuring apparatus.
[Explanation of symbols]
20 Moisture content sensor
21 Microstrip resonator antenna
22 Transmission circuit board
23 CPU control board
24 cases
25 Protective ceramics
26 O-ring
28 Output cable
31 Antenna power source
32 Internal impedance of transmitter circuit
33 Resonator loss resistance
34 Resonator inductor
35 Resonator capacitor
36 Output detector impedance
41 Measuring container
42 resin
43 DUT
44 Motor
45 Ball screw
47 Lifting mechanism
51 Calculation means
52 Display device
54 Display
55 Operation switch
56 Printer

Claims (3)

被測定物に電磁波を発信する発信部と、前記被測定物に浸透した電磁波を受信する受信部とを備え、電磁界を被測定物に浸透させ、そのときの電磁界吸収から水分量を測定する電磁波を使用した水分量測定技術において、
前記発信部での抵抗を示す第１の抵抗、被測定物の共振による損失を示す第２の抵抗、コイル及びコンデンサ、受信部の検出用負荷での抵抗を示す第３の抵抗を直列に繋いで水分量測定センサの等価回路を表した場合に、
第３の抵抗の抵抗値が第１の抵抗及び第２の抵抗の各抵抗値の合計の１／３〜１倍であって、被測定物における電磁界損失に対して直線的に比例した出力特性を生じることを特徴とする水分量測定センサ。Equipped with a transmitter that transmits electromagnetic waves to the object to be measured and a receiver that receives electromagnetic waves that have penetrated the object to be measured. In the moisture measurement technology using electromagnetic waves that
A first resistor indicating resistance at the transmitter, a second resistor indicating loss due to resonance of the object to be measured, a coil and a capacitor, and a third resistor indicating resistance at the detection load of the receiver are connected in series. When the equivalent circuit of the moisture measurement sensor is represented by
The resistance value of the third resistor is 1/3 to 1 times the sum of the resistance values of the first resistor and the second resistor, and the output is linearly proportional to the electromagnetic field loss in the device under test. Moisture content measurement sensor characterized by producing characteristics. 被測定物を収容する測定容器と、前記測定容器の外面に沿って移動可能に取り付けた請求項１に記載の水分量測定センサと、前記水分量測定センサと測定容器とを相対移動させる移動機構と、前記水分量測定センサで測定された被測定物の水分量のデータを出力する出力手段とを備え、前記水分量測定センサと測定容器とを相対移動させて複数箇所で被測定物に電磁界を浸透させて被測定物に含まれる水分量を測定し、被測定物の平均的な水分量を検出することを特徴とする水分量測定装置。  A measurement container for storing an object to be measured, a moisture measurement sensor according to claim 1 movably attached along an outer surface of the measurement container, and a moving mechanism for relatively moving the moisture measurement sensor and the measurement container. And an output means for outputting data on the moisture content of the object measured by the moisture content measurement sensor, and electromagnetically controls the object to be measured at a plurality of locations by relatively moving the moisture content measurement sensor and the measurement container. An apparatus for measuring a moisture content, wherein a moisture content in a measurement object is measured by infiltrating a boundary to detect an average moisture content of the measurement object. 被測定物がフレッシュコンクリート又は砂のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の水分量測定装置。The water content measuring apparatus according to claim 2 , wherein the object to be measured is either fresh concrete or sand.
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