JP6253096B2

JP6253096B2 - 電磁波特性評価装置

Info

Publication number: JP6253096B2
Application number: JP2014037185A
Authority: JP
Inventors: 堀部　雅弘; 雅弘堀部; 悠人加藤; 充隆飴谷
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: JP2015161597A

Description

本発明は、物質の特性評価装置に関するものであって、より詳しくは、物質が空気等と混合体をなす場合に於いて、物質の材料特性を空気等との混合比にかかわらず評価できる電磁波(特に、周波数１０⁵〜１０¹²［Ｈｚ］：ＲＦ波・マイクロ波・ミリ波)特性評価装置に関する。例えば、粉状・粒状・バラ状の物質が空気等との混合体をなす場合に、その混合比にかかわらず物質の水分量を評価できるマイクロ波水分量評価装置として好適である。

従来、農産物の品質を評価するため、例えば米等の水分量の評価には、小量のサンプルを抜き取ってつぶした試料の電気抵抗や静電容量を測定することにより評価することが行われてきたが、接触式でかつ破壊検査であるため清掃を含めた測定者の技量・経験に依存するところがあった。また、牧草等では、サンプルを加熱する加熱乾燥法により乾燥前後の重量から水分量を測定することも行われてきたが、加熱して乾燥させるため時間がかかりすぎるという欠点があった。
非接触式の検査法として、マイクロ波の減衰量を測定して水分量を評価する検査法も知られている。例えば、非特許文献１は、マイクロ波を用いた非接触式の米の水分量測定が提案されており、底にステンレス板を貼った直径３００ｍｍ、深さ５０ｍｍのアクリル製容器に試料(米)を入れ、マイクロ波を照射し試料表面からの表面反射波あるいは試料を通過してステンレス板から反射する透過反射波のゲインと水分量との間に線形の関係を見出し、表面または透過反射波のゲインから水分量を推定するものであった。特許文献１は、マイクロ波の減衰量から茶葉等の含水率(水分量)を測定するものが提案されているが、精度良く測定するには茶葉を押圧状態で挟持して移送し茶葉が均一化した密度で測定できるようにする必要があった。
一方、特許文献２には、マイクロ波の位相差遅れを測定することにより水分量を評価するものも知られているが、この技術は、粉状・粒状・バラ状の物質が空気等との混合体をなす場合は想定しておらず、混合比がばらつくようなものに対応することができない。

特開平１１−２２３６１１号公報特開昭５９−１０２１４６号公報

泉田・大坊・川又、"マイクロ波を用いた米の水分量測定"岩手県工業技術センター研究報告、第８号（２００１）

上記非特許文献１のマイクロ波の透過反射波または表面反射波のゲインの測定によるものは非接触で水分量を測定できるものの、前記ゲインは規定の容器に米を充填する際の体積充填率のばらつきによっても変化するので、ばらつかないように体積充填率を一定に保つことが難しく、測定者の技量・経験に依存するという問題があった。また、サンプルを規定の容器に充填して測定する必要があるためリアルタイムの測定が困難であり、例えば牧草等のラッピングされた輸入品においては、サンプル採取のためにラップを破ると、ラップを破った時点で商品価値が損なわれるという問題もあった。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、体積充填率(言い換えれば空気等との混合率)の変動に影響されない水分量および材料の電気特性測定法および装置であって、サンプルを採取することなく、オンラインでリアルタイムに測定できる水分量測定法および装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明者らは、周波数１０⁵〜１０¹²［Ｈｚ］の電磁波(ＲＦ波・マイクロ波・ミリ波)の振幅変化(減衰量)と位相差(位相遅れ)の双方に着目し、充填率(混合比)の変化は振幅変化と位相差の比(振幅変化／位相差)として検出されることを見出した。そこで、物質の充填率を種々変えて上記電磁波の振幅変化と位相差を測定しプロットすれば一直線上に並ぶこととなり、この直線の式の傾きは充填率の変化に影響されない。したがって、予め既知の種々の水分量の値の物質を、各水分量で充填率を変えて上記電磁波の振幅変化と位相差を測定し、各水分量における直線の式の傾きを求め、さらに、前記傾きと水分量との関係を予め求めておく。次に、被検査対象物に、前記電磁波を照射し、被検査対象物を透過または反射した電磁波の振幅変化と位相差を測定し、振幅変化と位相差の関係式の傾きを求め、求めた傾きの値を予め求めておいた傾きと水分量との関係にあてはめれば水分量が求まる。

同様に、誘電率や透磁率といった、材料特性の評価においても、粒状等の不定形材料の同定や分別を行うことができる。

すなわち、本発明は、周波数１０⁵〜１０¹²［Ｈｚ］の電磁波を対象物に照射する電磁波送信手段と、透過または反射した電磁波を受信する電磁波受信手段と、送受信波の位相と振幅を測定する測定器と、前記測定器で測定した送信波と受信波の振幅・位相を比較し振幅変化と位相差を検出し解析する解析装置を備えた粉状・粒状・不定形のバラ状の物質の水分量測定装置であって、前記解析装置は、予め既知の水分量の前記物質について前記振幅変化と位相差を検出し、前記振幅変化と位相差の関係を直線近似した直線の傾きを求め、さらに、前記傾きと水分量との関係を表す検量線を求めて記憶手段に記憶しておき、被検査対象物に前記電磁波を照射して検出した振幅変化と位相差から前記傾きを求め、当該傾きを前記検量線に当てはめることにより水分量を検出することを特徴とする。
また、本発明は、粉状・粒状・不定形のバラ状の対象物に周波数１０⁵〜１０¹²［Ｈｚ］の電磁波を照射し、透過または反射した電磁波を受信し、送信波と受信波の振幅・位相を測定して振幅変化と位相差を検出し解析する粉状・粒状・不定形のバラ状の物質の水分量測定方法であって、予め既知の水分量の前記物質について前記振幅変化と位相差を検出し、前記振幅変化と位相差の関係を直線近似した直線の傾きを求め、さらに、前記傾きと水分量との関係を表す検量線を求めておき、次に、粉状・粒状・不定形のバラ状の被検査対象物に前記電磁波を照射して検出した振幅変化と位相差から前記傾きを求め、当該傾きを前記予め求めていた検量線に当てはめて水分量を検出することを特徴とする。
また、本発明は、粉状・粒状・不定形のバラ状の対象物に周波数１０⁵〜１０¹²［Ｈｚ］の電磁波を照射し、透過または反射した電磁波を受信し、送信波と受信波の振幅・位相を測定して振幅変化と位相差を検出し解析する粉状・粒状・不定形のバラ状の物質の誘電率および透磁率といった材料特性測定方法であって、予め既知の材料の特性の前記物質について前記振幅変化と位相差を検出し、前記振幅変化と位相差の関係を直線近似した直線の傾きを求め、さらに、前記傾きと材料の特性との関係を表した検量線を求めておき、次に、粉状・粒状・不定形のバラ状の被検査対象物に前記電磁波を照射して検出した振幅変化と位相差から前記傾きを求め、当該傾きを前記予め求めていた検量線に当てはめて材料の特性を検出することを特徴とする。
また、本発明は、粉状・粒状・不定形のバラ状の対象物に周波数１０⁵〜１０¹²［Ｈｚ］の電磁波を照射し、透過または反射した電磁波を受信し、送信波と受信波の振幅・位相を測定して振幅変化と位相差を検出し解析する粉状・粒状・不定形のバラ状の物質の材料同定方法であって、予め既知の材料の前記物質について前記振幅変化と位相差を検出し、前記振幅変化と位相差の関係を直線近似した直線の傾きを求め、さらに、前記傾きと材料との関係を求めておき、次に、粉状・粒状・不定形のバラ状の被検査対象物に前記電磁波を照射して検出した振幅変化と位相差から前記傾きを求め、当該傾きを前記予め求めていた傾きと材料との関係に当てはめて前記対象物の材料を同定することを特徴とする。

本発明によれば、非接触・非破壊で測定できるため、高いスループットが得られ全数検査も可能であり、オンラインでリアルタイム測定も可能である。
本発明では、体積充填率(言い換えれば、対象物と空気等との体積混合率)に依存しないので、測定者の技量や経験によらず正確に測定可能である。
本発明によれば、同じ測定原理で周波数１０⁵〜１０¹²［Ｈｚ］：ＲＦ波・マイクロ波・ミリ波の幅広い周波数の選択性があるので、測定の対象物に応じた周波数の選択が可能となる。
本発明では、穀物などの粉・粒状物以外にも、牧草等の不定形状物に対しても適用でき、農産物一般の水分量の測定に適用可能である。
本発明は、水分量以外にも、誘電率または透磁率といった粉状・粒状・不定形のバラ状のセラミック材料等の対象物の材料特性を測定することもでき、それを利用して材料の同定や分別に用いることもできる。

図１は本発明の概略を説明した図である。図２は、米に電磁波を照射し透過した電磁波を用いることを説明した図である。図３は、既知の水分量２４.６２％の米を処理ラインに流した場合(■印)と、水分量２２.０３％の米を処理ラインに流した場合(▲印)と、水分量２０.２２％の米を処理ラインに流した場合(×印)について、横軸位相差・縦軸振幅変化のグラフにプロットしたもので、それぞれを直線近似し直線の傾きを求めた図である。図４は、図３の結果より求めた、横軸水分量・縦軸傾きで表した米の水分量の検量線である。図５は、牧草に電磁波を照射し透過した電磁波を用いることを説明した図である。図６は、既知の水分量５７.７％の牧草(◆印)と、水分量７５.７％の牧草(■印)について、縦軸位相差・横軸振幅変化のグラフにプロットしたもので、それぞれを直線近似し直線の傾きを求めた図である。図７は、材料が既知で異なる粒径・異なる充填率のアルミナ(●印)と、ジルコニア(■印)について、横軸位相差・縦軸振幅変化のグラフにプロットしたもので、それぞれを直線近似し直線の傾きを求めた図である。

本発明の基本原理を、米の水分量の測定を例にして以下に説明するがこれに限定されるものではない。
リヒトネッカー(Lichtenecker)の対数混合則(２種類の物質の混合比で全体の誘電率・透磁率が決まる)を用いると、第１の物質の誘電率ε_r1、第２の物質の誘電率をε_r2、第１の物質の混合率をＮ(０＜Ｎ＜１)、とすれば、混合体の誘電率ε_rは次式
ｌｎε_r＝Ｎｌｎε_r1＋(１−Ｎ)ε_r2
で表される。
ここで、ε_r1を米の誘電率、Ｎを米の体積充填率(体積混合率)、ε_r2を空気の誘電率とすれば、ε_r2＝１であるから、被測定対象物が水分を含む米と空気との混合体の誘電率ε_rは次式
ｌｎε_r＝Ｎｌｎε_r1
で表される。
これを複素誘電率で表し変形すると次式
ｌｎ(ε_r’−ｊε_r”)＝ｌｎ(ε_r1’−ｊε_r1”)^N
となる。ここで、「ｊ」は虚数単位、「’」は実数部、「”」は虚数部を表す。
次に、米の体積充填率(体積混合率)Ｎは十分１に近いため、上式は近似的に次のように変形でき、
ε_r’−ｊε_r”＝ε_r1’^Ｎ−ｊε_r1”^N
この式から次の２式
ε_r’＝ε_r1’^N，ε_r”＝ε_r1”^N
が成り立ち、この２式から、
ε_r”／ε_r’＝(ε_r1”／ε_r1’)^N
が成り立ち、この式の左辺は測定量であり、右辺の括弧内は米の水分量に依存する量であり、右辺のＮが充填率である。

一方、伝搬電磁波の大きさ(振幅)と位相差は、近似的に以下の関係にある。
位相差∝ｌｎε_r’
振幅∝ｌｎε_r”
電磁波の減衰定数をα、位相差定数をβとすると、
振幅変化／位相差∝Δα／Δβ
であり、

であるから、α／βは、

となる。したがって、

と表される。この式から、体積充填率(体積混合率)Ｎの変化は、測定される電磁波の振幅変化と位相差の比として検出されることが分かる。

（米の水分量の例）
以上のことから、具体的にどのように水分量を測定するのかを、以下に、米の水分量を例にとって、図１〜図４を参照しながら説明する。
図１は、本発明の概要を説明した図である。周波数１０⁵〜１０¹²［Ｈｚ］の電磁波を対象物に照射する電磁波送信手段と、反射または透過した電磁波を受信する電磁波受信手段(図では反射した電磁波を受信する方式で図示しているが、透過した電磁波を受信する方式のものでもよい)と、送受信波の位相差と振幅を測定する測定器と、送信波と受信波の振幅・位相差を比較し振幅変化と位相差を検出し解析する解析装置を備えている。
まず被検査対象物の測定に先立って、予め水分量が既知の水分量２４.６２％の米を処理ラインに流し、周波数４［ＧＨｚ］の電磁波を照射して透過した電磁波を受信し(図２参照)、振幅変化と位相差を検出し、横軸位相差・縦軸振幅変化のグラフにプロットすると図３のグラフの■印のように一直線上になり、その直線の式から傾きを求める。同様に、水分量２２.０３％の場合は図３の▲印、水分量２０.２２％の場合は図３のグラフの×印となり、それぞれ一直線上に並びその直線の式から傾きが求まる。なお、処理ラインに米を流して解析すれば、米と空気との混合率(体積充填率)は刻々変化するので、各既知の水分量の米について意図的に混合率を変化させなくとも検出可能であるが、もちろん意図的に混合率(体積充填率)を変化させても良いことはもちろんである。次に、求めた傾きと水分量の関係を横軸水分量・縦軸傾きのグラフにプロットしたものが図４のグラフ(図では直線近似でグラフを求めた)であり、このグラフを以て、検量線とすることができる。この検量線を求めるまでを、被検査対象物の測定に先立って、予め行っておく。
次に、被検査対象物の米を処理ラインに流し、周波数４［ＧＨｚ］の電磁波を照射して透過した電磁波を受信し、振幅変化と位相差を検出し、位相差と振幅変化の直線のグラフの傾きを求め、予め求めていた図４のグラフである傾きと水分量の検量線にあてはめれば、被検査対象物の米の水分量が求まる。例えば、求めた傾きが０.２であれば、図４の検量線から水分量は約１３.４％であることが求まる。

（牧草の水分量の例）
次に、図５、図６に牧草の水分量の例を示す。図２の米の場合と同様に、図５のごとく電磁波を牧草に照射して透過した電磁波を受信する。図６のグラフは、予め既知の水分量５７.７％(◆印のプロット参照)、水分量７５.７％(■印のプロット参照)について位相差と振幅変化の関係をプロットしたものであり、図３場合と同様に直線で近似される。したがって、上記の米の場合と同様に、この直線の傾きと水分量から、傾きと水分量の関係を表す検量線を予め求めることができる。
こうして検量線を予め求めておけば、被検査対象の牧草に電磁波を照射し透過した電磁波を受信して得られた位相差と振幅変化のグラフの傾きを求め、求めた傾きの値を前記検量線に当てはめれば水分量が得られる。

（セラミック材料の例）
次に、粒状セラミック材料の特性評価・材料同定の例を示す。
図７のグラフには、予め既知のアルミナ(●印のプロット参照)、ジルコニア(■印のプロット参照)について、異なる粒径・異なる充填率(空気との混合率)で位相差と電磁波の損失を求めると、位相差と電磁波の損失(振幅変化と等価である)の関係は図３(米)および図６(牧草)の場合と同様に直線で近似される。なお、図７の縦軸と横軸の二重の目盛りは、内側がアルミナに対する目盛りであり、外側がジルコニアに対する目盛りである。
したがって、上記の米、牧草の場合と同様に、この直線の傾きと材料特性(誘電率または透磁率)との関係を表す検量線を予め求めることができる。あるいは、前記直線の傾きから材料の同定、例えば、アルミナであるのかジルコニアであるのかの同定が可能となる。

以上の説明では、米と牧草の水分量を例に取って説明したが、米以外の穀物であっても、牧草以外の葉物であっても適用でき、さらには、農産物以外でも、粉状・粒状・不定形のバラ状の対象物であれば同様に適用することができる。
また、セラミック材料の例では粉状・粒状・不定形のバラ状のセラミック材料について誘電率または透磁率についての検量線が求まり、この検量線はセラミック材料の同定に用いることもできる。
また、樹脂等の他の材料・他の物性についても利用可能である。

Claims

処理ラインを流れる粉状・粒状・不定形のバラ状の物質に周波数１０^５〜１０^１２［Ｈｚ］にある所定周波数の電磁波を照射する電磁波送信手段と、透過または反射した電磁波を受信する電磁波受信手段と、送受信波の位相と振幅を測定する測定器と、前記測定器での測定から振幅変化と位相差を検出し解析する解析装置と、を備えた粉状・粒状・不定形のバラ状の物質の水分量測定装置であって、
前記解析装置は、
予め既知の水分量の前記物質について前記振幅変化と前記位相差を検出し、前記振幅変化と前記位相差の関係を直線近似した直線の傾きを求め、さらに、前記傾きと前記水分量との関係を表す検量線を求めて記憶手段に記憶しておき、
前記処理ラインを流れる前記物質に前記所定周波数の前記電磁波を照射して検出した振幅変化と位相差との組の複数の関係を直線近似した直線の傾きを求め、当該傾きを前記検量線に当てはめることにより水分量を検出することを特徴とする水分量測定装置。
粉状・粒状・不定形のバラ状の前記物質は、米、米以外の穀物、牧草、又は、牧草以外の葉物であることを特徴とする請求項１記載の水分量測定装置。
処理ラインを流れる粉状・粒状・不定形のバラ状の物質に周波数１０^５〜１０^１２［Ｈｚ］にある所定周波数の電磁波を照射し、透過または反射した電磁波を受信し、送受信波の位相と振幅を測定して振幅変化と位相差を検出し解析する粉状・粒状・不定形のバラ状の物質の水分量測定方法であって、
予め既知の水分量の前記物質について前記振幅変化と前記位相差を検出し、前記振幅変化と位相差の関係を直線近似した直線の傾きを求め、さらに、前記傾きと前記水分量との関係を表す検量線を求めておき、
次に、前記処理ラインを流れる前記物質に前記所定周波数の前記電磁波を照射して検出される振幅変化と位相差との組の複数の関係を直線近似した直線の傾きを求め、当該傾きを前記検量線に当てはめて水分量を検出することを特徴とする水分量測定方法。
粉状・粒状・不定形のバラ状の前記物質は、米、米以外の穀物、牧草、又は、牧草以外の葉物であることを特徴とする請求項３記載の水分量測定方法。