JP5421566B2 - 低含水率茶葉の含水率測定方法及びその装置並びにこれらを用いた製茶加工工程の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は製茶加工工程における茶葉の含水率測定手法に関するものであって、特に従来は実施が困難であった精揉工程での高精度な含水率測定を可能にした、低含水率茶葉の含水率測定方法及びその装置並びにこれらを用いた製茶加工工程の制御方法に係るものである。

製茶工場における加工工程は茶葉の乾燥を促す工程が多く占められているものであり、含水率約３６０％程度（水分ゼロの茶葉の重量を基準とする）の蒸し葉から、最終的に含水率約５％の荒茶を得るまでの揉乾工程が段階的に配置されている。具体的には、葉打ち工程、粗揉工程、揉捻工程、中揉み工程、中揉工程、精揉工程及び乾燥工程等が具えられるものであって、各工程において加工茶葉の含水率を把握することが、良質な製品を得る上で重要な要素となっている。そこでこのための水分計として赤外線水分計やマイクロ波水分計等が用いられ、加工途中の茶葉の含水率計測が行われることにより、各製茶機器の運転条件が制御されている。

このような状況の下、本出願人は、加工途中の茶葉の含水率測定を合理的且つ正確に行うことのできるマイクロ波（マイクロストリップ線路）を用いた含水率の測定方法並びに装置を開発し、既に特許として権利化するとともに実用化し、製茶品質の向上に寄与している（特許文献１、２参照）。
ところで製茶加工工程の後半に位置する精揉工程においては、加工中の茶葉の含水率は１０〜２０％程度にまで低下しており、更に次段に位置する乾燥機で最終的な乾燥が行われることもあり、従来、測定器を用いての含水率測定は行われていなかった。
そこで本出願人は、上述のマイクロ波を用いた含水率の測定技術を応用し、精揉機に具えられる揉手装置にマイクロストリップ線路を取り付けることにより、精揉機による加工中の茶葉の含水率測定を試みている（特許文献３参照）。そしてこのような揉手装置を具える精揉機を、実用上問題のない製品とするためには、部材の新規設計等が必須となるため、本出願人は並行して既存の精揉機に適用することのできる、合理的な含水率の測定手法の研究を継続してきた。

また、精揉工程の次段に位置する乾燥工程においては、乾燥機から排出された茶葉の含水率測定が行われ、この値に基づいて乾燥機のフィードバック制御が行われている。因みにこの測定にあっては、茶葉の含水率が１０％以下となっているため、マイクロ波の減衰量から含水率を求める手法では減衰信号の変化量が少なすぎて測定精度が著しく低下してしまうこともあり、近赤外線による含水率測定が行われていた。
しかしながら近赤外線による測定は、茶葉の色や形状に影響を受けてしまうため充分な精度が得られているとはいえず、更には近赤外線水分計自体の値段が高価であるといった問題があった。

特許第３９６３０４５号公報 特許第４０１９２６４号公報 特開２００１−１６５８７２公報

本発明はこのような背景を認識してなされたものであって、低含水率茶葉の含水率を高精度で、且つ低コストで測定することのできる、新規な低含水率茶葉の含水率測定方法及びその装置並びに製茶加工工程の最終段階に位置する精揉工程及び乾燥工程周辺における合理的な制御方法を開発することを技術課題としたものである。

すなわち請求項１記載の低含水率茶葉の含水率測定方法は、 マイクロ波の送信機と受信機との間にマイクロストリップ線路から成る伝送路を形成し、このマイクロストリップ線路上に被測定物を位置させて被測定物の含水率の測定を行う方法において、前記被測定物を精揉機から排出された含水率が３０％以下の茶葉とし、前記マイクロストリップ線路にマイクロ波を伝送させて移相量を測定し、更にこのときの被測定物の温度を測定し、これら移相量と温度とを変数とした検量線Ｙ＝ａＸ＋ｂＴ＋ｃ（Ｙは計測水分、Ｘは移相量、Ｔは茶葉の温度、ａ、ｂ、ｃは補正値）に基づいて、茶葉を一定の温度まで冷却することなく含水率を導出することを特徴として成るものである。
この発明によれば、反射の影響を受けない時間信号である移相量を計測するとともに、変数として移相量及び温度を用いることにより、低含水率茶葉の含水率を正確に導出することができる。またこの際に温度補正が行われるため、茶葉を一定の温度まで冷却することなく含水率を導出することができる。
更にまた、精揉機に改変を加えることなく含水率を測定することが可能となるため、低コストでの含水率測定を実現することができる。

また請求項２記載の低含水率茶葉の含水率測定装置は、マイクロ波の送信機と受信機との間にマイクロストリップ線路から成る伝送路を形成し、このマイクロストリップ線路上に被測定物を位置させて被測定物の含水率の測定を行う装置において、前記被測定物を精揉機から排出された含水率が３０％以下の茶葉とし、精揉機から排出された茶葉を乾燥機に向けて搬送するための垂直バケットコンベアにおいて落下してくる茶葉をサンプリングする機構を具え、前記マイクロストリップ線路にマイクロ波を伝送させて移相量を測定する機能と、このときの被測定物の温度を測定する機能と、これら移相量と温度とを変数とした検量線Ｙ＝ａＸ＋ｂＴ＋ｃ（Ｙは計測水分、Ｘは移相量、Ｔは茶葉の温度、ａ、ｂ、ｃは補正値）に基づいて、茶葉を一定の温度まで冷却することなく含水率を導出する機能とを具えたことを特徴として成るものである。
この発明によれば、反射の影響を受けない時間信号である移相量を計測するとともに、変数として移相量及び温度を用いることにより、低含水率茶葉の含水率を正確に導出することができる。またこの際に温度補正が行われるため、茶葉を一定の温度まで冷却することなく含水率を導出することができる。
更にまた、精揉機に改変を加えることなく含水率を測定することが可能となるため、低コストでの含水率測定を実現することができる。

更にまた請求項３記載の製茶加工工程の制御方法は、前記請求項１記載の低含水率茶葉の含水率測定方法又は請求項２記載の低含水率茶葉の含水率測定装置によって、精揉機から排出された茶葉の含水率を導出し、この値に基づいて乾燥機をフィードフォワード制御することを特徴として成るものである。
この発明によれば、乾燥機の運転条件を、乾燥機に投入される茶葉が所望の含水率にまで低下するために好適な条件とすることができる。また乾燥機は従来のフィードバック制御ではなく、フィードフォワード制御が行われるため、乾燥機から排出される茶葉の含水率をよりいっそう所望の値に近づけることができる。
そしてこれら各請求項記載の発明の構成を手段として前記課題の解決が図られる。

本発明によれば、低含水率茶葉の含水率を高精度で且つ低コストで測定することができ、また製茶加工工程の最終段階に位置する精揉工程及び乾燥工程周辺における工程の制御を合理的に行うことができる。

本発明の「低含水率茶葉の含水率測定方法及びその装置並びにこれらを用いた製茶加工工程の制御方法」の最良の形態の一つは以下の実施例に説明するとおりであり、初めに低含水率茶葉の含水率測定装置１（以下、単に含水率測定装置１と称する。）の構成について説明し、その後この装置を用いた「低含水率茶葉の含水率測定方法」について説明を行うとともに、これらを用いた「製茶加工工程の制御方法」について説明する。
なお以下の実施例に対して、本発明の技術的思想の範囲内において適宜変更を加えることも可能である。

図中、符号１で示すものが本発明の含水率測定装置であって、このものは含水率が３０％以下の茶葉Ａの含水率測定を可能としたものであり、後述するマイクロストリップ線路１５上に茶葉Ａを位置させるとともにマイクロ波を伝送させて移相量を測定する機能と、この移相量と茶葉Ａの温度とを変数とした検量線に基づいて含水率を導出する機能とを具えて成るものである。

具体的には図１に拡大して示すように、底板１１と、この底板１１の両側（図１中、正面とその背面）に立ち上がる対向した一対の側板１２と、前記底板１１に対向して設けられる押圧板１３と、底板１１と押圧板１３との間に挟まれた排出板１４とによって茶葉Ａの収容空間１０が形成されるものであり、前記底板１１に形成されるマイクロストリップ線路１５上に茶葉Ａを位置させてその含水率の測定が行われるものである。
なお前記押圧板１３及び排出板１４はそれぞれシリンダ１３ａ、１４ａによって前後に移動するように構成されている。また押圧板１３には、熱電対などを適用した温度センサ１３ｂが具えられる。

ここで前記底板１１に形成されるマイクロストリップ線路１５について詳細に説明すると、このものは、構造的には対称形ストリップ線路の導体板の一つを取り除いたものであるが、電気的には平行二線を変形したものとして考えることのできるマイクロ波伝送路である。そしてその構造は、図３に示すように導体板１５ａの上方に帯状のストリップ導体１５ｃが位置するものであって、このストリップ導体１５ｃを保持するために、導体板１５ａと、ストリップ導体１５ｃとの間に誘電体１５ｂがスペーサとして挿入されている。
またマイクロストリップ線路１５におけるストリップ導体１５ｃ側の面を、絶縁材から成る適宜の保護板１６で被覆するものであり、この実施例では保護板１６として、厚さ０．５ｍｍのアクリル板を用いた。

前記導体板１５ａ及びストリップ導体１５ｃの素材としては、銅、鉄等導電率の高い金属を用いることが好ましいが、ステンレススチール等の耐蝕性に優れた金属を用いることもできる。また前記誘電体１５ｂとしてはシリコーン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂等を含んだグラスファイバー、セラミック等が用いられる。

またこの実施例においては、電磁波の内、特に２〜４ＧＨｚ帯の一例として３ＧＨｚのマイクロ波を扱うため、この周波数に於けるマイクロストリップ線路１５の特性インピーダンスが、送信機１７及び受信機１８とマッチングするように寸法等が適宜設計される。この実施例では、一例として誘電体１５ｂとして比誘電率ε_r ≒４．７のガラス繊維入りエポキシを用い、ストリップ導体１５ｃの幅を２〜５ｍｍ、ストリップ導体１５ｃと導体板１５ａの間隔を１〜１．５ｍｍとした。もちろんこれらの数値は誘電体１５ｂの比誘電率ε_r の値、使用するマイクロ波の周波数等によって変化するものである。
また、使用する電磁波の周波数は、前記２〜４ＧＨｚ帯のマイクロ波に限定されるものではなく、要は水分に吸収される周波数であれは適宜の高周波を選択することができる。

またこの実施例におけるストリップ導体１５ｃの形状は、図４（ａ）に示すように馬蹄形状に底板１１のほぼ全域にわたって引き廻すようにした。
このようなストリップ導体１２の引き廻しパターンについては、図４（ｂ）に示すように底板１１の二辺に沿ってほぼ全域にわたって引き廻すようにしたり、図４（ｃ）に示すように数カ所で折り返すことにより底板１１の全面を通るようにする等、種々の形態が採り得るものである。
そして前記ストリップ導体１１５ｃの両端には、適宜のコネクタを介在させてそれぞれ送信機１７、受信機１８が接続される。

ここで本発明の含水率測定装置１の測定原理について説明しておく。
前記送信機１７からマイクロストリップ線路１５にマイクロ波が送出されると図３に示すように、ストリップ導体１５ｃの下面から導体板１１に向かって電界（図中の実線）が生じ、ストリップ導体１５ｃを中心とした磁界（図中の破線）が生じる。また縁端効果によってストリップ導体１５ｃの上面縁端から導体板１１に向かって電界が生じる。そしてこのような状態でマイクロ波はマイクロストリップ線路１５中を進行するものであり、やがて受信機１８に到達することなる。
このとき、ストリップ導体１５ｃ上に茶葉Ａが位置している場合には、水分によってマイクロ波の一部が吸収されるため、受信機１８によって受信されるマイクロ波のレベルは、送信機１７から出力されたレベルよりも低下することとなり、この減衰量をもとに茶葉Ａの含水率を算出することができるものである（例えば背景技術で例示した特許文献１、３）。

また受信機１８によって受信されるマイクロ波は、茶葉Ａに含まれる水分の量に応じて位相が変化するものであり、この移相量と前記減衰量との双方から茶葉Ａの含水率を算出することもできる（例えば背景技術で例示した特許文献２に開示された手法による）。
ところがこのような手法では、６０〜８０％の高含水率の茶葉Ａの含水率は高精度で測定することができるものの、３０％以下の低水分の茶葉Ａでは測定誤差が大きくなり、正しい値を算出することができなかった。
そこで本出願人は、前記マイクロストリップ線路１５を用いて３０％以下の低水分の茶葉Ａの含水率を高精度で測定することのできる手法について案出することに成功したものであり、以下その手法について説明する。

ここで前記移相量とは、前記送信機１７から送出されたマイクロ波の位相と、受信機１８によって受信されたマイクロ波の位相とのズレを電圧値として定量化したものであって、マイクロストリップ線路１５上に位置する茶葉Ａの含水率が高い程その値（ズレ）も大きくなるものである。なお移相量は図４（ａ）に示すように、送信機１７から送出されたマイクロ波の位相と、受信機１８によって受信されたマイクロ波の位相とを比較することができるように設けられた算出手段１９によって求められるものである。
そしてこのような移相量をＸとし、測定時の茶葉Ａの温度をＴとし、計測水分をＹとすると、Ｙ＝ａＸ＋ｂＴ＋ｃという検量線が求められる（ａ、ｂ、ｃは補正値）。なお温度補正無しの場合はＹ＝ａＸ＋ｂという検量線が求められる。
そして求められた検量線による、計測水分と実際の含水率との関係は、図５のグラフに示すとおりであり、温度補正有の方が、温度補正無よりも実際の含水率に近い値が求められることが確認された。
このように、反射の影響を受けない時間信号である移相量及び茶葉Ａの温度を計測することにより、前記検量線に基づいて低含水率の茶葉Ａの含水率を正確に導出することができる。特にこの際に温度補正が行われるため、茶葉Ａを一定の温度まで冷却することなく含水率を導出することができる。

そしてこの実施例において前記含水率測定装置１は、一例として図１に示すように、製茶工場における精揉機３と乾燥機５との間に配される垂直バケットコンベヤ４に対して具えられるものであり、垂直バケットコンベヤ４内を落下してくる茶葉Ａをサンプリングするためのサンプリング装置２が併設される。
前記垂直バケットコンベヤ４は図２に示すように、下部に形成された受入口４１に供給された茶葉Ａを、バケットコンベヤ４３によって上部に移送して排出口４２から排出するように構成されたものである。そして前記排出口４２の上方に取込口２１が形成され、ここから受入口４１の上方に至るシュート２２が設けられるものであり、前記取込口２１はシリンダ２３ａ及び適宜のリンク機構によって回動するように構成された開閉板２３によって開閉状態が選択されるものである。
また前記シュート２２の途中（この実施例では垂直部分）に前記含水率測定装置１が配されるものであり、収容空間１０の一部（開放部）がシュート２２内の移送空間に突出するように設置される。
なおこのようなサンプリング装置２は、既存の垂直バケットコンベヤ４に僅かな改造を加えるだけで後付けすることができるため、低コストでの含水率測定を可能とするものである。

本発明の含水率測定装置１並びにその周辺機器は一例として上述したように構成されるものであり、以下この装置を用いた本発明の「低含水率茶葉の含水率測定方法」について説明を行うとともに本発明の「製茶加工工程の制御方法」について説明する。

〔茶葉の取り込み〕
まず図１に示すように、製茶加工ラインにおける精揉機３による処理が済んだ茶葉Ａは、バイブレーションコンベヤ３０上に排出されるとともに、垂直バケットコンベヤ４によって上昇コンベヤ４０に投入され、ここから乾燥機５に供給されて乾燥処理が施される。そしてこのような茶葉Ａの移送の際に、前記垂直バケットコンベヤ４において落下してくる茶葉Ａの一部をサンプルとして抽出する。
具体的には図６（ａ）に示すように、排出板１４を後退させ、押圧板１３を上昇させることにより、収容空間１０の前面（図５中右側）が開放された状態とする。
そしてこの状態で図２（ｂ）に示すように、サンプリング装置２の開放板２３を倒して取込口２１を開放状態とすることにより、バケットコンベヤ４３によって排出口４２に向けて放たれた茶葉Ａの一部がシュート２２内に取り込まれる。
シュート２２内に取り込まれた茶葉Ａは、シュート２２内を下降する途中で図６（ｂ）に示すように含水率測定装置１における収容空間１０に入り込むものであり、所定量が取り込まれた時点で開放板２３を起こして取込口２１を封鎖状態とする。

〔マイクロ波による計測〕
次いで図６（ｃ）に示すように押圧板１３を下降させて茶葉Ａをマイクロストリップ線路１５に所定の圧力で押し付けるとともに、送信機１７からマイクロ波を送出する。そして、この送出波の位相と、受信機１８によって受信された受信波の位相とから、算出手段１９によって移相量Ｘが算出され、更にこの移相量Ｘ及び温度センサ１３ｂによって測定された茶葉Ａの温度Ｔから求められた検量線に基づいて含水率が導出される。
因みに精揉機３から排出された茶葉Ａの含水率は、１０〜２０％程度となっている。

〔乾燥機の制御〕
そして求められた含水率の値に基づいて乾燥機５をフィードフォワード制御するものであり、通常、製茶工場で使用される乾燥機５にあっては温度と風量とを一定にし、処理時間を調節することにより乾燥度合いを調整するものが用いられるため、この処理時間を含水率の値に応じて調整することにより、茶葉Ａを所望の乾燥状態とすることができる。
なお求められた含水率の値に基づいて精揉機３をフィードバック制御するようにしてもよい。

〔茶葉の排出〕
次いで図６（ｄ）に示すように、押圧板１３を上昇させるとともに、押出板１４を進行させて、マイクロストリップ線路１５上の茶葉Ａをシュート２２に向けて押し出し、次の測定に備える。

本発明の含水率測定装置及びこのものが設置される製茶加工ラインを示す側面図である。 垂直バケットコンベヤ及びサンプリング装置を一部透視して示す側面図及び正面図である。 マイクロストリップ線路の横断面図である。 ストリップ導体の種々の引き回し形態を示す平面図である。 検量線による計測水分と実際の含水率の関係を示すグラフである。 測定にあたっての押圧板及び押出板の動きを段階的に示す側面図である。

１ 含水率測定装置
１０ 収容空間
１１ 底板
１２ 側板
１３ 押圧板
１３ａ シリンダ
１３ｂ 温度センサ
１４ 排出板
１４ａ シリンダ
１５ マイクロストリップ線路
１５ａ 導体板
１５ｂ 誘電体
１５ｃ ストリップ導体
１６ 保護板
１７ 送信機
１８ 受信機
１９ 算出手段
２ サンプリング装置
２１ 取込口
２２ シュート
２３ 開閉板
２３ａ シリンダ
３ 精揉機
３０ バイブレーションコンベヤ
４ 垂直バケットコンベヤ
４０ 上昇コンベヤ
４１ 受入口
４２ 排出口
４３ バケットコンベヤ
５ 乾燥機
Ａ 茶葉

Claims (3)

1. マイクロ波の送信機と受信機との間にマイクロストリップ線路から成る伝送路を形成し、このマイクロストリップ線路上に被測定物を位置させて被測定物の含水率の測定を行う方法において、前記被測定物を精揉機から排出された含水率が３０％以下の茶葉とし、前記マイクロストリップ線路にマイクロ波を伝送させて移相量を測定し、更にこのときの被測定物の温度を測定し、これら移相量と温度とを変数とした検量線Ｙ＝ａＸ＋ｂＴ＋ｃ（Ｙは計測水分、Ｘは移相量、Ｔは茶葉の温度、ａ、ｂ、ｃは補正値）に基づいて、茶葉を一定の温度まで冷却することなく含水率を導出することを特徴とする低含水率茶葉の含水率測定方法。
   
2. マイクロ波の送信機と受信機との間にマイクロストリップ線路から成る伝送路を形成し、このマイクロストリップ線路上に被測定物を位置させて被測定物の含水率の測定を行う装置において、前記被測定物を精揉機から排出された含水率が３０％以下の茶葉とし、精揉機から排出された茶葉を乾燥機に向けて搬送するための垂直バケットコンベアにおいて落下してくる茶葉をサンプリングする機構を具え、前記マイクロストリップ線路にマイクロ波を伝送させて移相量を測定する機能と、このときの被測定物の温度を測定する機能と、これら移相量と温度とを変数とした検量線Ｙ＝ａＸ＋ｂＴ＋ｃ（Ｙは計測水分、Ｘは移相量、Ｔは茶葉の温度、ａ、ｂ、ｃは補正値）に基づいて、茶葉を一定の温度まで冷却することなく含水率を導出する機能とを具えたことを特徴とする低含水率茶葉の含水率測定装置。
   
3. 前記請求項１記載の低含水率茶葉の含水率測定方法又は請求項２記載の低含水率茶葉の含水率測定装置によって、精揉機から排出された茶葉の含水率を導出し、この値に基づいて乾燥機をフィードフォワード制御することを特徴とする製茶加工工程の制御方法。

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