JPH0339580B2

JPH0339580B2 -

Info

Publication number: JPH0339580B2
Application number: JP57225132A
Authority: JP
Inventors: Teii Rigin Maikuru
Original assignee: BARUMETSUTO SENTORORU Ltd
Current assignee: BARUMETSUTO SENTORORU Ltd
Priority date: 1981-12-23
Filing date: 1982-12-23
Publication date: 1991-06-14
Also published as: DE3247017A1; FI824389L; FI824389A0; FI76433B; CA1193660A; JPS58115349A; FI76433C; US4484133A; GB2112148B; GB2112148A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、オンライン・マイクロ波水分センサ、
ことに移動するウエブ体の含水量をその厚さに関
係なく測定するセンサに関する。

移動するウエブの含水量を、オンライン式に測
定する測定器具は従来知られている。このような
測定器具においては、ウエブの一方の側のマイク
ロ波送信ホーンアンテナにより、ウエブを通過し
てこのウエブの反対側の受信ホーンアンテナにマ
イクロ波エネルギーを約22.2GHzの周波数で差し
向ける。受信ホーンアンテナの信号出力は、ウエ
ブ内へ含水量を指示するのに使用される。このよ
うなマイクロ波水分測定器具の１例は、マウンス
（Mounce）を発明者とする1974年11月26日付米
国特許第3851244号明細書に記載してある。その
他の含水量測定器具は、ウオーカー（Walker）
を発明者とする米国特許第3693079号、バスカー
（Busker）等を発明者とする米国特許第3681684
号及びウオーカーを発明者とする米国特許第
3534260号の各明細書に記載されているこれ等の
特許明細書には反射される放射線が、送信ホーン
アンテナにもどらないようにして、送信ホーンア
ンテナから放射される見掛けの電力を有効に増減
する。

前記したような装置においては、受信ホーンア
ンテナにおける電力P₀は、送信ホーンアンテナ
からの電力P₁に対し次の関係により関連する。

(1) Ｐ／P₀＝e^-〓^t この式でαは減衰定数でありｔは減衰媒体の厚さ
である。ウエブの減衰定数は次の式により与えら
れる。

(2)α＝2π／２｛E′／２〔（１＋（E″／E′）²）^1/2−１〕｝^1/2 前記した所から明らかなように従来のマイクロ波
水分センサはその動作がマイクロ波とウエブ内の
水との相互作用による。

従来のマイクロ波水分測定器具は一般に移動す
るウエブの含水量を指示するのには満足が得られ
るが、これ等のマイクロ波水分測定器具は幾つか
の欠点がある。これ等のマイクロ波水分測定器具
は、含有量以外のウエブの性質に対する放射線の
影響を考慮してない。

マイクロ波は、ウエブの母材又はベース材料と
他の水分子とに対する相互作用により妨げられる
水分子の回転自由度に関連する。たとえばウエブ
がセルロース生成物であるときは、水分子は繊維
の水酸基に結合する。結合水は放射線に対し非結
合水とは異る相互作用をする。非結合水に対する
相互的結合量は、ウエブの平衡温度により定まる
から、セルロース−水混合物による放射線の減衰
は温度に依存する。

ウエブ内の水に対するマイクロ波の相互作用の
ほかに、放射線は又ウエブの母材と相互作用し、
減衰定数はウエブの単位面積当たりの乾燥重量又
は乾燥質量に依存する。

ウエブの厚さが媒体中のマイクロ波の波長の1/
４の倍数に近いときは、ウエブの表面からの反射
により減衰定数がウエブ厚さに依存する。

従来の水分測定装置はどれも、減衰定数に対す
るウエブ厚さの影響を考慮してないから、得られ
る指示は所望通りには正確でない。

本発明の目的は、移動するウエブの厚さに関係
なくその含有量を正確に測定するマイクロ波セン
サを提供しようとするにある。

本発明の他の目的は、水分測定に対するウエブ
基本（basis）重量及び温度の変化の影響を補償
するマイクロ波水分センサを提供しようとするに
ある。

なお本発明の他の目的は、移動するウエブ内の
750ｇ／m²以上の高い水分濃度と５ｇ／m²以下の
低い水分濃度とを測定することのできるマイクロ
波水分センサを提供しようとするにある。

以下本発明測定装置の実施例を添付図面につい
て詳細に説明する。

第１図に明らかなように水に対するマイクロ波
の感度はその周波数の関数である。さらに40GHz
以上では減衰定数は180GHzまで単調に増す〔ニ
ユーヨーク市プリーナム・プレス（Plenum
Press）社から1972年刊行のフエリツクス・フラ
ンクス（Felix Franks）を著者とするフイジツ
クス・エンド・フイジカル・ケミストリ・オブ・
ウオータ（Physics and Physical Chemistry of
Watrer）〕。

第２図に示すように移動するウエブ１２中の高
い水分濃度（750ｇ／m²以上）を測定する形で示
した本発明によるマイクロ波水分センサ１０は、
標準の固定周波数発振器１６に変調器１８を経て
電力を供給する電圧調整器１４を備えている。固
定周波数発振器１６は、約3.09GHz又は100mmの
波長を中心とする周波数のＳ又はＧの帯域でマイ
クロ波放射線を発生する。この放射線はアイソレ
ータ２０及び減衰器２２を経て方向性結合器２４
に進む。アイソレータ２０は、固定周波数発振器
１６にエネルギーがもどらないようにして発振器
１６の安定性を保つ。方向性結合器２４は、出力
の少部分（約５％）を第１の半導体検出器２６に
差し向ける。半導体検出器２６は、衝突する放射
線の強さの単調に増加する関数である電流（又は
電圧）を発生し、変調のオン（M₁）及びオフ
（O₁）のサイクルに対し基準電力信号を供給す
る。基準検出器２６の出力は前記増幅器２８を経
てマイクロコンピユータ３０に結合される。

方向性結合器２４は、残りの電力をアイソレー
タ３２を経てマイクロ波サーキユレータ３４の第
１の端子に差し向ける。この端子に入るエネルギ
ーは、ウエブ１２の下方に位置させた送信ホーン
アンテナ３６に結合した第２の端子に伝送され
る。送信ホーンアンテナ３６は、ウエブ１２を経
て受信ホーンアンテナ３８に放射線を差し向け
る。受信ホーンアンテナ３８は、ウエブ１２の反
対側の送信ホーンアンテナ３６に整合し、ウエブ
１２により吸収されたり散乱したりしない放射線
を収集する。アイソレータ４０は、受信ホーンア
ンテナ３８と第２の半導体検出器４２との間の単
向性結合を行なう。半導体検出器４２は、受信ホ
ーンアンテナ３８の受け取るマイクロ波強さの既
知の関数である電気信号を発生する。このマイク
ロ波強さは、ウエブ１２中の水分子による減衰又
は吸収によつて送信ホーンアンテナ３６により送
信される強さより弱い。半導体検出器４２は、オ
ン（M₂）及びオフ（O₂）の変調サイクルに対し
送信電力信号を発生する。送信検出器４２の出力
は、前置増幅器４４を経てマイクロコンピユータ
３０に結合される。

本発明によるセンサの動作中にウエブ１２から
送信ホーンアンテナ３６に若干量の放射線を反射
する。この反射線は、送信ホーンアンテナ３６に
より収集され、マイクロ波サーキユレータ３４に
より第３の端子に導かれる。この第３端子は、電
気信号を発生する第３の半導体検出器４６に結合
されている。半導体検出器４６は、変調のオン
（M₃）及びオフ（O₃）の両サイクルに対する反
射電力信号を供給する。反射検出器４６の出力
は、前置増幅器４８を経てマイクロコンピユータ
３０に結合される。

本装置の変型による同様に有効な構造では、整
合する別個の受信ホーンアンテナを介し反射放射
線を監視し、送信ホーンアンテナ３６からのマイ
クロ波により照射されるウエブ区域を観察する。
この構造ではマイクロ波サーキユレータ３４は必
要がない。

マイクロコンピユータ３０は、変調のオフ及び
オンのサイクルで３個全部の前置増幅器２８，４
４，４８からの電圧出力を受け取り、さらに適当
な検出器５０を経てウエブ１２の基準重量の測定
値である入力を、又適当な検出器５２を経てウエ
ブ１２の温度の測定値である入力を受ける。検出
器５２は、たとえばウエブ１２に直接接触するサ
ーミスタ又は光学的赤外線高温計でよい。次いで
これ等の測定値は、なお詳しく後述するようにウ
エブ含水量に変換される。

第３図に示した変型によるマイクロ波水分セン
サ６０は、移動するウエブ６２中の低い水分濃度
（５ｇ／m²以下）の測定ができる。この変型によ
る本測定装置は、電圧調整器６６からパルス変調
器６８を経て電力を受け取る発振器６４を備えて
いる。５ｇ／m²以下の含水量に対する本装置の感
度を高めるように、発振器６４は、約40GHz又は
7.75mmを中心とする周波数のＱ帯域でマイクロ波
放射線を発生する。この放射線は、アイソレータ
７０を経て方向性結合器７２に伝送される。方向
性結合器７２は、電力一部を第１の半導体検出器
７４に差し向け、基準信号を供給し残りの電力を
アイソレータ７６を経てサーキユレータ７８に供
給する。サーキユレータ７８は、この電力を第１
の送信ホーンアンテナ８０に導く。ウエブ６２の
上方に位置させた送信ホーンアンテナ８０は、マ
イクロ波放射線をウエブ６２を経て差し向ける。
ウエブ６２により吸収され又は散乱しない放射線
は、ウエブ６２の下方に送信ホーンアンテナ８０
に整合して位置させた第１の受信ホーンアンテナ
８２に入る。受信ホーンアンテナ８２の受け取る
エネルギーは、ウエブ６２内の水分子による減衰
又は吸収によつて送信ホーンアンテナ８０により
送信されるエネルギーより弱い。次いでこのエネ
ルギーは、第２の送信ホーンアンテナ８４に導か
れる。送信ホーンアンテナ８４は、放射線をふた
たびウエブ６２を経て第２の受信ホーンアンテナ
８６に差し向ける。受信ホーンアンテナ８６の受
け取るエネルギーは、ウエブ６２内の水分子によ
る減衰又は吸収によつて送信ホーンアンテナ８４
により送信されるエネルギーより弱い。アイソレ
ータ８８は、受信ホーンアンテナ８６と伝送され
る放射線を測定する第２の半導体検出器９０との
間に単向性結合を行なう。マイクロ波を２回ウエ
ブを通過させることにより本装置の感度が著しく
向上する。

若干量の放射線は、ウエブ６２から第１の送信
ホーンアンテナ８０に反射される。この放射線
は、送信ホーンアンテナ８０により収集され、サ
ーキユレータ７８により、反射される放射線を測
定する第３の半導体検出器９２に導かれる。さら
に又若干量のエネルギーが第１の送信ホーンアン
テナ８０から第２の受信ホーンアンテナ８６にそ
して第２の送信ホーンアンテナ８４から第１の受
信ホーンアンテナ８２に反射される。両受信ホー
ンアンテナ８２，８６は、ウエブ６２の各側で送
信ホーンアンテナ８４，８０に対し直交偏波され
る。

半導体検出器７４，９０，９２の出力は、各前
置増幅器９６，９８，１００を経てマイクロコン
ピユータ９４に結合される。さらにマイクロコン
ピユータ９４には、検出器１０２，１０４を経て
ウエブの温度及び重量に関する情報が供給され
る。次いでこの情報は、なお詳しく後述するよう
にウエブ含水量に変換される。

第４図に示すように高い水分濃度を測定する本
発明の実施例のマイクロコンピユータ３０と、低
い水分濃度を測定する本発明の実施例のマイクロ
コンピユータ９４とにより追従されるルーチン
は、ブロツク１１０で開始する。初めに電圧出力
は、送信ホーンアンテナ及び受信ホーンアンテナ
間のウエブについてオン及びオフの両変調サイク
ルにおいて基準１、送信２及び反射３の各検出器
から得られる〔ブロツク１１２〕。得られる電圧
が誤動作を指示する前もつて設定した限度を越え
ると、警報メツセージが出て、プログラムはルー
チンから出る〔ブロツク１１４，１１６，１１
８〕。さもなければ基準に対する電力パラメータ
P₁、送信に対する電力パラメータP₂及び反射に
対する電力パラメータP₃は次の式により定めら
れる。

(3) Px＝M^2X−O^2X この式でそれぞれ３個の各検出器から、M_Xは
変調のオンサイクルで得られる電圧であり、O_X
はオフサイクルで得られる電圧である〔ブロツク
１２０〕。

これ等のパラメータは、次で伝送される電力対
基準電力の比R₁＝P₂／P₁と反射される電力対基
準電力の比R₂＝P₃／P₁とを定めるのに使用され
る〔ブロツク１２２〕。送信ホーンアンテナ及び
受信ホーンアンテナ間のウエブによるこれ等のオ
ンシート比はS₁に対し比較される〔ブロツク１２
４〕。S₁は、送信ホーンアンテナ及び受信ホーン
アンテナ間でウエブが除かれ何もない場合に標準
化又はオフシートにおける伝送される電力対基準
電力の比である（S₁＝R₁＝P₂／P₁）。これ等の比
較は次の式により表わされる。

(4) C₁＝S₁／R₁ (5) C₂＝S₁／R₂ 値S₁は、反射される電力対基準電力の比に対する
等価のオフシート測定がない場合には両方の比
R₁、R₂に対する比較に又は標準化ではR₂に対す
る比較に使用される。値S₁の測定値は、マイクロ
波水分センサ１０の実際のオンライン動作に先だ
つて定められ、マイクロコンピユータに記録され
る。

次いで比C₁、C₂はデシベルD₁、D₂に変換され
〔ブロツク１２６〕、そして送信される放射線及び
反射される放射線の損失特性D₃は次の式により
表わされる。

(6) D₃＝D₁＋KD₂ この式でＫは計算される較正パラメータである
〔ブロツク１２８〕。較正パラメータＫは、反射信
号D₂と共に使用され伝送信号D₁を正常化し、ウ
エブの厚さの変動を補正する損失係数D₃を供給
する。次いで損失係数D₃は、ウエブ含水量すな
わち真の含水量RMに変換される。含水量RM
は、マイクロコンピユータに記憶された主較正表
を使うことにより工学単位で表わされた水分重量
である。次いでこの真の含水量は、各検出器５
０，５２又は検出器１０４，１０２により定めら
れる基準重量及び温度の変化に対して補正され
る。たとえば基準重量又は温度の増加は、損失係
数D₃により指示されない異なる含水量に対応す
る。従つて値RMは調節される〔ブロツク１３
０〕。

ブロツク１３２により示されるように真の含水
量RMすなわち水重量は、さらに基準により最終
のフイールド較正に補正される。このフイールド
補正は、フイールド内にセツトしたたとえば傾斜
SL及びオフセツトOFのような自由な浮動パラメ
ータの使用により次の式により表わした最終の瞬
間的水分値になる。

(7) ＝SL×RM＋OF この最終較正では、主較正をマイクロプロセツサ
に記憶することにより必要となり、フイールド内
では容易に調節できない。次いでこの瞬間値は、
適当に表示され〔ブロツク１３４〕、次いでプロ
グラムはブロツク１１２にループバツクする。

このようにして本発明の目的が達成できるのは
明らかである。本発明により反射マイクロ波エネ
ルギーを利用し、ウエブの厚さに関係なく含水量
測定ができるマイクロ波水分センサが得られる。
本発明によるマイクロ波水分センサは、水分測定
時にウエブの基本重量及び温度の変化の影響を補
償し又移動するウエブで750ｇ／m²以上の高い水
分濃度と５ｇ／m²以下の低い水分濃度とを測定す
ることができる。

以上本発明をその実施例について詳細に説明し
たが本発明はなおその精神を逸脱しないで種種の
変化変型を行うことができるのはもちろんであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は25℃における純水の周波数及び減衰定
数間の関係を示す線図、第２図は高い水分濃度を
測定するのに使う本発明装置の第１の実施例のブ
ロツク線図、第３図は低い水分濃度の測定に使う
本発明装置の第２の実施例のブロツク線図、第４
図は含水量を測定するために本発明により追従さ
れるルーチンの流れ図である。１０……マイクロ波水分センサ、１２……ウエ
ブ、１６……固定周波数発振器、２６……検出
器、３６……送信ホーンアンテナ、３８……受信
ホーンアンテナ、４２……半導体検出器、４６…
…半導体検出器。

Claims

【特許請求の範囲】１減衰定数に対するウエブ１２の厚さの影響を
考慮しながら、ウエブ材料の含水量を測定する、
含水量測定装置において、 (イ) 前記ウエブ１２の一方の側に設けられた第１
のホーン３６と、 (ロ) マイクロ波エネルギー源１６と、 (ハ) 前記ウエブをその前記一方の側からマイクロ
波エネルギーで照射するように、前記マイクロ
波エネルギー源を前記第１のホーンに接続する
回路素子２０，２２，２４，３２，３４と、 (ニ) 前記ウエブを通過して送られるマイクロ波エ
ネルギーを受け取るように、前記ウエブの他方
の側に設けられた第２のホーン３８と、 (ホ) 伝送信号を発生するように、前記第２のホー
ンに接続された回路素子４０，４２，４４と、 (ヘ) 前記ウエブの前記一方の側に設けられ、この
一方の側から反射されるマイクロ波エネルギー
を受け取るのに適する第３のホーンかまたは前
記第１のホーンと、 (ト) 反射信号を発生するように、前記第１のホー
ンかまたは前記第３のホーンに接続された回路
素子３４，４６，４８と、 (チ) 前記ウエブの厚さに依存する前記伝送信号を
補正することにより、補正された伝送信号が、
前記ウエブの含水量の正確な測定値となるよう
に、前記伝送信号及び反射信号に応答するコン
ピユータ３０と、を備えた、含水量測定装置。２基準信号を発生する回路素子２４，２６，２
８を備え、前記コンピユータが、前記基準信号に
応答して、この基準信号に対して前記伝送信号と
前記反射信号とを正規化する、特許請求の範囲第
１項記載の含水量測定装置。３前記マイクロ波エネルギー源が、約3GHzの
周波数のマイクロ波エネルギーを発生する、特許
請求の範囲第１項記載の含水量測定装置。４前記マイクロ波エネルギー源が、約40GHzの
周波数のマイクロ波エネルギーを発生する、特許
請求の範囲第１項記載の含水量測定装置。５前記伝送信号が、前記ウエブの温度に依存
し、温度信号を供給するウエブ温度測定装置５２を
備え、前記コンピユータ３０が、前記温度信号に応答
して、前記ウエブの温度に対して前記伝送信号を
補正する、特許請求の範囲第１項記載の含水量測
定装置。６前記伝送信号が、前記ウエブの基準重量に依
存し、基準重量信号を供給する基準重量測定装置５０
を備え、前記コンピユータ３０が、前記基準重量信号に
応答して、前記ウエブの基準重量に対して前記伝
送信号を補正する、特許請求の範囲第１項記載の
含水量測定装置。