JPH0245740A - マイクロ波による水分測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、試料によるマイクロ波エネルギーの減衰量
を検出して試料の水分を測定する装置に関する。

〔従来の技術〕

従来から、水分によるマイクロ波の吸収を利用した試料
の水分量、含水率の測定方法、装置は多数発案されてい
る。

本出願人は、最近、例えば特願昭６３−１）７０８７号
、特願昭６３−１３０２２９号、特願昭６３−１４１６
６５号として出願した技術にみられるように、マイクロ
波の伝播路の途中に測定域となる部分をマイクロ波透過
率の高い素材で形成してなるトラフを配し、このトラフ
を振動して試料を搬送しつつ試料によるマイクロ波の減
衰量を測定し、もって試料の水分量または含水率を求め
るための装置を開発した。

その後、さらに研究を進めた結果、次のような改善箇所
を発見した。

〔発明が解決しようとする課題〕

マイクロ波の伝播路途中にトラフなり試料なりの誘電体
を挿入すると多かれ少なかれ定在波が生じることが知ら
れている。そして、この定在波の状態は、伝播路中の誘
電体の位置によって異なるため、トラフの振動によりト
ラフ自体や試料の位置が変化すると、それがマイクロ波
のエネルギーの検出値を大きくばらつかせる原因となる
。もちろん、一定時間の平均をとったり時定数をかけた
りして検出値を平滑に処理することもできるのであるが
、それにしても基になるデータのばらつきはできる限り
小さいほうがよい。

第７図は、発信アンテナａと受信アンテナｂを距離Ｌ（
１６１龍）だけ離して対向させてマイクロ波の伝播路を
形成し、この伝播路をほぼ横断するようにして板厚５ｕ
のアクリル板Ｃを配置した実験装置である。この装置で
９゜４ＧＨｚのマイクロ波を発振しつつ、受信ホーンｂ
とアクリル板Ｃの間隔ｌを２龍ずつ移動すると受信ホー
ンｂが受信したマイクロ波の検出電圧はアクリル板の移
動に伴って変化し、第８図にグラフ表示するようになる
。なお、アクリル板Ｃを横断させない状態での検出電圧
は１．３５Ｖであり、受信マイクロ波エネルギーの電圧
検出のための回路はマイクロ波エネルギーの減衰量が大
きいほど、検出電圧が高い値を示すようになっている。

第８図を見ると、検出電圧は距離ｌの増減に伴い約１６
ｍ（＃９゜４ＧＨｚのマイクロ波の半波長）周期でサイ
ンカーブをなしている。なお、本実験では、マイクロ波
エネルギーの検出値として電圧値を用いたが、これが電
流値や電力値であっても前記カーブの周期は同じ結果と
なる。そして、このカーブの山と谷とでは電圧値に約０
．４ＴＶの差が認められる。

この結果は、前記のアクリル板Ｃを振動コンベヤのトラ
フの底面として利用し、この部分を測定域とした場合に
、仮にトラフの伝播路方向の振幅の範囲が丁度前記カー
ブの山から谷へ渡るようにトラフが配置された場合（第
８図中に振幅の範囲Ａとして例示する）には、トラフ上
の試料の状態が全く同じでも、受信電圧を取り入れる瞬
間に振動によりトラフ底面がどの位置にあるかによって
、検出値に約０．４７Ｖの幅でばらつきが生じることを
示している。

よって、本発明では、送信アンテナと受信アンテナを対
向させてマイクロ波の伝播路を形成し、この伝播路途中
に測定域に当たる部分をマイクロ波透過率が高い素材で
形成してなるトラフを配し、このトラフを振動して試料
を搬送しつつ試料によるマイクロ波の減衰量を測定する
装置において、受信されるマイクロ波エネルギーがなる
べくトラフの撮動による影ツを受けないようにしたマイ
クロ波による水分測定装置を提供することを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明のマイクロ波による
水分測定装置は、送信アンテナと受信アンテナを対向さ
せてマイクロ波の伝播路を形成し、この伝播路途中に測
定域に当たる部分をマイクロ波透過率が高い素材で形成
してなるトラフを配し、このトラフを振動して試料を搬
送しつつ試料によるマイクロ波の減衰量を測定する装置
において、次の構成を持つことを特徴とする 請求項＋１）の発明においては、トラフの伝播路方向の
振幅を、トラフに材料を載せない状態においてトラフを
伝播路方向に前後移動した際に受信アンテナが受信する
マイクロ波エネルギーが成すカーブの周期よりも短くす
るとともに、トラフの伝播路方向の振幅の範囲が前記カ
ーブの山又は谷のいずれか一方のみを含む位置にトラフ
を特徴する請求項（２）の発明においては、トラフの伝
播路方向の振幅を、測定時における平均的な量の試料を
載せた状態においてトラフを伝播路方向に前後移動した
場合に受信アンテナが受信するマイクロ波エネルギーが
成すカーブの周期よりも短くするとともに、トラフの伝
播路方向の振幅の範囲が前記カーブの山又は谷のいずれ
か一方のみを含む位置にトラフを特徴する 請求項（３）の発明においては、請求項（１）、（２）
記載のマイクロ波による水分測定装置において、前記ト
ラフの伝播路方向の振幅の範囲が、前記カーブの山又は
谷のいずれか一方のみを含むとともに、山又は谷は振幅
のほぼ中央に位置するように配置する。

〔作用〕

本発明において、マイクロ波の減衰量の測定を行うには
、送信アンテナから受信アンテナへマイクロ波を伝播し
、一方、トラフを振動させて試料をマイクロ波の伝播路
中に搬送する。すると、マイクロ波は試料が含有する水
分量にほぼ比例して減衰を受ける。この際にトラフ及び
試料は、マイクロ波の伝播路を伝播方向に振動している
ため、受信マイクロ波のエネルギーの値はその振動の影
響を受けて揺れているが、その揺れ幅はわずかである。

〔実施例〕

以下、本発明装置を第１図乃至第３図に示す第１実施例
に基づいて説明する。

ｌはトラフであって、−例として全体を板厚５鶴のアク
リル板で形成している。トラフｌは板バネ２によって中
空枠３に支架され、トラフ１の搬送面１′は水平面に平
行である。板バネ２と垂直方向が成す角αは３０度であ
る。中空枠３はマイクロ波の伝播路の主要部分に当たる
部分を切り欠き、マイクロ波の伝播を阻害しないように
なっている。トラフ１の一端には、トラフ１に振動を与
えるために、−例として、ハイブレーク４が連結される
。バイブレータ４は駆動バネ５と、駆動バネを周期的に
往復させる偏心軸６と、偏心軸６を回転させる傘歯車７
．７′と、傘歯車７′を先端に取りつけた出力軸を持つ
モータ８とからなる。

駆動バネ５と水平方向が成す角α′はやはり３０度であ
る。偏心軸６は回転の中心から５璽１偏心しているため
、トラフ１は駆動バネの長さ方向にＩＣＪｍの範囲で振
動する。よって、トラフ１の振動の上下方向の振幅Ｂは
ｌ　Ｏｍｘｓｉｎ　３０’　−５ｍとなる。１５は試料
の供給部である。

トラフ１の上下には、マイクロ波の送信アンテナ９と受
信アンテナ１０が配設される。この際に、送信アンテナ
９と受信アンテナ１０、及びトラフ１の位置関係が重要
である。本実施例では、アンテナ９．１０間を第４図と
同様の１６１ｍｍとし、トラフ１をその上下方向の振幅
が第８図に振幅の範囲Ｂで示す位置になるように配置す
る。すなわち、トラフの伝播路方向の振幅を、トラフに
材料を載せない状態においてトラフを伝播路方向に前後
移動じた際に受信アンテナが受信するマイクロ波エネル
ギーが成すカーブの周期（約１６龍）よりも短い５ｎに
するととともに、トラフの伝播路方向の振幅の範囲が前
記カーブの山のみを含み、さらにこの山が前記振幅の範
囲のほぼ中央に位置するようにトラフが配置されている
。よって、撮動によるトラフ１の位置の変化に起因する
測定値のばらつきの幅は約１．０■と少ない。なお、前
記振幅の範囲が、前記カーブの山又は谷のいずれか一方
を含めば、トラフの振幅がマイクロ波の検出値に与える
影口は、山又は谷の中央で前記振幅の範囲を２分した際
に、どちらか大きい方の範囲の与える影響に留まる。さ
らに、前記振幅の範囲が前記山又は谷を中央に位置する
ように配置されていれば、マイクロ波が検出値に与える
影響から見れば、前記振幅の範囲は実質的に半分になっ
たのと同様である。なお、トラフの振幅の範囲が前記カ
ーブの山又は谷のいずれか一方のみを含むためには、ト
ラフの振幅の範囲が前記カーブの周期よりも小さくなく
てはならない。

送信アンテナ９には、マイクロ波の発振器１）が接続さ
れ、電源回路１２からの電力で９．４ＧＨｚのマイクロ
波を発振する。受信アンテナ１０には、受信器１３が接
続され、受信されたマイクロ波エネルギーの検出値は、
受信電圧として検出値処理装置１４に伝達される。

本実施例装置により試料の水分量を測定する際には次の
ように行う。

バイブレータ４を作動してトラフ１を振動させるととも
に、送信アンテナより９．４ＧＨｚのマイクロ波を発振
する。マイクロ波は、トラフ１により若干の減衰、反射
を受け、その後、受信アンテナ１０を介して受信器１３
に受信され、受信マイクロ波エネルギーは検出値ｍとし
て次々に検出値処理装置１４に送られる。検出値処理装
置１４では、この値を一定時間蓄積し、平均を算出して
、その平均値を基準値ＭＯとする。この時点では、まだ
試料はトラフ１上に供給されていない。

次に試料の供給口１５からトラフ１上に試料を供給する
。試料は、粉粒体、薄片体等、トラフ輸送に通したもの
なら、なんでもかまわないが、例えば、砂利、茶菓、煙
草、米等があげられる。

試料はトラフ１の振動を受けて、トラフ上に広がりつつ
搬送される。この場合に、試料が水分を多量に含むもの
であると、試料同士が互いに付着し、その結果として、
検出値に影響を与えることが考えられるが、トラフ１の
振動によりそのような不具合は少なく、試料はマイクロ
波の伝播路を平均的に横切っていく。

試料の含有水分によって減衰を受けたマイクロ波は、受
信器１３に受信されて、そのエネルギーは検出値ｍとし
て、次々に検出値処理装置に送られる。検出値処理装置
１４では、この受信電圧を一定時間蓄積し、平均を算出
して、その値を測定値Ｍｌとする。そして、前記基準値
ＭＯと検出値Ｍ１の差、すなわち試料によるマイクロ波
エネルギーの減衰量を算出し、既知の減衰量と水分量の
関係式から、試料の水分量を求めるのである。検出値処
理装置が求めた試料の水分値は、水分量表示や産業機器
の制御に利用される。

次に第４図乃至第６図に示す第２実施例を説明する。

送信アンテナ１６と受信アンテナ１７は、適宜の間隔を
持って対向させる。送信アンテナ１６には、マイクロ波
の発振器１８、電源回路１９が接続され、２４ＧＨｚの
マイクロ波を発振する。受信アンテナ１７には受信器２
０、検出値処理装置２１が接続される。

２２はトラフであって全体が板厚１ｆｉのポリプロピレ
ンで形成され、中空枠２３に板バネ２４によって支持さ
れている。トラフ２２の底面は、試料搬送方向に傾斜す
るとともに、試料搬送方向中央を最深部とすべく両側が
中心に向けて傾斜しており、また、測定域に当たる部分
には切欠孔２５が設けられ、この切欠孔２５には、発砲
スチロールの板２６が試料の搬送を阻害しないように嵌
めこまれている。

発砲スチロールはマイクロ波透過率が非常に高い材料で
ある。なお、アクリル板もマイクロ波透過率が高いもの
であり、第１実施例では、特別に測定域を異なった材質
で構成しなかった。

板バネ２４が垂直方向と成す角θは２５度であり、駆動
バネ２７が水平方向と成す角θ′も２５度である。駆動
バネ２７は、図中矢印の方向へ往復運動し、その１辰幅
は６ｆｌである。よって、トラフ２２のマイクロ波伝播
路方向への振幅は、６龍Ｘ５ｉｎ　２５°＝２．５鰭で
ある。

中空枠２３はロードセル２日にて支架されており、ロー
ドセル２８は、中空枠２３とともにトラフｌその他の部
材の全体重量を測定し、その結果を検出値処理装置２１
に送る。２９は試料の供給部である。

第２実施例において、アンテナ１６．１７間のトラフ２
２の位置は、次のように決定される。まず、実際の測定
の際にトラフ２２上を流れる試料の平均的な量を予め求
め、その量の試料をトラフ１上に載置した状態で、トラ
フ２２をマイクロ波伝播路方向にゆっくり上下し、その
際に受信マイクロ波エネルギーが示すサインカーブを求
める。そして、そのカーブの山または谷のいずれか一方
のみをトラフの伝播路方向の振幅の範囲が含むようにト
ラフの位置を設定する。第２実施例の場合、マイクロ波
の波長は約１２．５ｍｍなので、前記カーブは約６．３
鶴の周期で増減する。そして、このカーブの山又は谷の
位置を求め、トラフ２２のマイクロ波伝播路方向の振幅
の範囲（２，５１））が前記山又は谷のいずれか一方の
みを含むようにトラフ２２を配置する。前記山又は谷が
前記振幅の範囲の丁度中央に位置すればなおよい。

第２実施例では、試料によるマイクロ波の減衰量ととも
に試料の重量も測定しているため、試料が含有する水分
の量だけでなく、試料の含水率をも測定することが可能
であり、水分量を測定する場合には試料重量は測定精度
を高めるための補正因子とすることも可能である。ここ
では、第２実施例装置によって試料の含水率を測定する
方法について説明する。

トラフ２２を振動させるとともに、送信アンテナより２
４Ｇ！（ｚのマイクロ波を発振し、供給部２９より試料
を供給する。マイクロ波は、トラフ２２上を流れる試料
によって減衰され、受信アンテナ１７を介して受信器２
０に受信され、受信マイクロ波エネルギーは検出値ｍと
して次々に検出値処理装置２１に送られる。ロードセル
２８は検出した重量を検出値Ｗとして次々に検出値処理
装置２１に送る。検出値処理装置２１では、これらの検
出値ｍ、ｗをそれぞれ一定時間蓄積し、それぞれの平均
を算出して測定値Ｍｌ、Ｗｌとする。一方、試料がトラ
フ２２上に載っていない時の受信マイクロ波エネルギー
の検出値の平均値、及び、ロードセル２８の検出値の平
均値は、第１実施例と同様の手順によって、それぞれ基
準値ＭＯ，ＷＯとして、検出値処理装置２１に記憶され
ている。そして、検出値処理装置２１内では、これら値
（ＭＯ，Ｍｌ、ＷＯ，Ｗｌ）と含水率の関係式から、試
料の含水率を算出する。

この関係式の一例として下式があげられる。

含水率＝ａ＊　（ＭＯ−Ｍｌ）／　（Ｗｌ−ＷＯ）＋　
ｂ ただし、ａ、ｂは実験によって求まる定数である。

なお、トラフの位置を決定する際に基になるカーブを、
第１実施例では、トラフに材料を載せない状態において
トラフを伝播路方向に前後移動して求めているのに対し
、第２実施例においては、測定時における平均的な量の
試料をトラフ上に載せた状態においてトラフを伝播路方
向に前後移動して求めている。どちらの方法を採るかは
、適宜選択すればよいのであるが、例えば、トラフの測
定域の反射が比較的大きいもの、試料の反射が比較的小
さいもの、測定時に流れる試料の量が不定で平均値が求
めにくいものは前者、トラフの測定域の反射が比較的小
さいもの、試料の反射が比較的大きいもの、測定時に試
料が平均的に流れるものは後者を選択すればよい。

なお、第１、第２実施例は、送受信アンテナとして、電
磁ホーンを用いたものであるが、その他にもスロット、
パラボラアンテナ等種々のアンテナを利用できる。また
、アンテナに限らず、トラフ、パイブレーク、発振器、
受信器その他の部材も、必要に応じて様々なものが選択
できる。

〔発明の効果〕

本発明のマイクロ波による水分測定装置によれば、トラ
フ及び試料が振動することによりマイクロ波が受ける影
響を極力さけることができるため、精度の高い試料の水
分測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は、本発明の第１実施例を示し、第１
図は一部破断側面、第２図は正面図、第３図はトラフの
振幅を説明するための簡略正面図である。第４図乃至第
６図は、本発明の第２実施例を示し、第４図は正面図、
第５図は一部断面図、第６図はトラフの平面図である。 第７図は実験装置、第８図は実験結果を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）送信アンテナと受信アンテナを対向させてマイク
   ロ波の伝播路を形成し、この伝播路途中に測定域に当た
   る部分をマイクロ波透過率が高い素材で形成してなるト
   ラフを配し、このトラフを振動して試料を搬送しつつ試
   料によるマイクロ波の減衰量を測定する装置において、
   トラフの伝播路方向の振幅を、トラフに材料を載せない
   状態においてトラフを伝播路方向に前後移動した際に受
   信アンテナが受信するマイクロ波エネルギーが成すカー
   ブの周期よりも短くするとともに、トラフの伝播路方向
   の振幅の範囲が前記カーブの山又は谷のいずれか一方の
   みを含む位置にトラフを配置したことを特徴とする、マ
   イクロ波による水分測定装置。
2. （２）送信アンテナと受信アンテナを対向させてマイク
   ロ波の伝播路を形成し、この伝播路途中に測定域に当た
   る部分をマイクロ波透過率が高い素材で形成してなるト
   ラフを配し、このトラフを振動して試料を搬送しつつ試
   料によるマイクロ波の減衰量を測定する装置において、
   トラフの伝播路方向の振幅を、測定時における平均的な
   量の試料を載せた状態においてトラフを伝播路方向に前
   後移動した場合に受信アンテナが受信するマイクロ波エ
   ネルギーが成すカーブの周期よりも短くするとともに、
   トラフの伝播路方向の振幅の範囲が前記カーブの山又は
   谷のいずれか一方のみを含む位置にトラフを配置したこ
   とを特徴とする、マイクロ波による水分測定装置。
3. （３）前記トラフの伝播路方向の振幅の範囲が、前記カ
   ーブの山又は谷のいずれか一方のみを含むとともに、山
   又は谷は振幅のほぼ中央に位置するように配置されてい
   ることを特徴とする、請求項（１）又は（２）記載のマ
   イクロ波による水分測定装置。