JPH07325054A - 水分測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測温素子を測定対象物に接触させた後の外乱
が収束した状態で測定値を表示できるようにする。 【構成】 ロックインアンプ３０で同期整流された信号
ａを微分回路３６で微分し、整流回路３８で整流し、平
滑化回路４０で平滑化して信号ｂをえる。この信号ｂが
判定レベル以下になるとコンパレータ３４からの出力に
よりホールド回路３２がロックインアンプ３０からの出
力をホールドし、そのホールドされた信号が水分量を表
わすものとして表示器４４に表示される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は化粧品業界における皮膚
の水分測定や、食品加工や化学工業における商品の水分
測定などを行なうための水分測定装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】測定対象物の水分を測定する方法として
光熱分光法という測定方法がある。光熱分光法は、分光
された光を測定対象物に照射し、測定対象物における光
吸収の結果生じた温度変化量を測温素子で検出すること
により、測定対象物の水分量を求める方法である。しか
し、光熱分光法を利用した水分測定装置はまだ実現され
ていない。本発明はこの光熱分光法を利用して水分測定
装置を構成するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】測定対象物の水分を実
験的に測定するだけであれば、測定対象物にサーミスタ
ーなどの測温素子を接触させ固定して測定することがで
きるので、測定対象物に測温素子を接触させてから測温
素子自体の温度が安定するまでの外乱を考慮する必要は
ない。

【０００４】しかし、汎用の水分測定装置とするために
は、試料を頻繁に取り替えて測定する必要がある。した
がって、測定対象物に測温素子を接触して固定すること
はできず、測定対象物に測温素子をその都度接触させる
ことになる。その場合、測定対象物の温度に測温素子が
馴染むまで回路内部に過大信号を生じ、交流結合アンプ
の特性とも相俟って表示が大きくふらつくといった外乱
を生じる。汎用の測定装置としては、読取りの誤りを防
ぎ、わずらわしさを除くためにも外乱が収束した後の正
しい値を表示するのが望ましい。そこで、本発明の第１
の目的は測温素子を測定対象物に接触させた後の外乱が
収束した状態で測定値を表示できるようにすることであ
る。

【０００５】皮膚の水分を測定する場合を考えると、測
温素子、光学部品又は電極などが皮膚の測定部位に接触
していたり、測定部位が狭い空間に密閉されることが予
想され、汗や蒸散水分が測定部位と測温素子の間に滞留
し、測定中にその滞留した水分が水分測定値を大きくす
る方向に変化させる。これでは正確な水分量を測定する
ことができない。

【０００６】また、測定開始直後は一般的に装置の過渡
応答により表示値が乱れて外乱となるが、その外乱が収
束した後の測定値を表示しようとすると、外乱が収束す
るまでの間も皮膚には水分の滞留が生じているので、外
乱が収束した状態ですでに滞留水分による誤差を生じて
いる。そこで、本発明の第２の目的は外乱が収束するま
での間に生じた滞留水分による誤差を除くことである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】測温素子を測定対象物に
接触させた後の外乱が収束した状態で測定値を表示でき
るようにするために、本発明は、特定波長の光を断続し
て測定対象物に照射する光学系と、その光学系により照
射された部分の測定対象物温度を検出する測温素子と、
その測温素子の検出信号を交流増幅する交流増幅手段
と、交流増幅した検出信号を光学系の断続に同期して同
期整流する同期整流手段と、同期整流された信号を微分
し、整流し、さらに平滑化し、その平滑化後の信号が予
め定められた一定レベル以下になった時点で、同期整流
された信号を測定対象物の水分量に対応した信号として
出力させる収束判定手段とを備えている。外乱が収束す
るまでの間に生じた滞留水分による誤差を除くために、
本発明はさらに、測定開始後、収束判定手段による収束
までの時間を計測する計時手段と、収束後の水分量に対
応した信号の変化を測定開始時点に外插して水分量に対
応した信号を補正する補正手段を備えている。

【０００８】

【作用】測定開始時にサーミスターなどの測温素子を測
定対象物に接触させると、測温素子自体の当初の温度と
測定対象物の表面温度には通常大きな差があることか
ら、測温素子の指示に大きな変化を生じる。この変化は
水分に基づく変化に比べて極端に大きいため、回路のダ
イナミックレンジや周波数特性の影響を受けて大きな信
号のうねりとなる。これをそのまま表示していると表示
値が大きく上下し、非常に見苦しく、表示が安定するま
で表示を見ていなければならず、不便で、読み間違いを
起こしやすい。このうねりは本来の水分量に対応した信
号に対して大きな外乱となる。

【０００９】交流増幅した検出信号を同期整流すると直
流成分となるので、信号のうねりは交流成分として現れ
る。この交流成分を微分して信号の交流成分に由来する
変化の度合いを抽出し、それを整流し平滑化することに
より、うねりの程度を直流レベルに変換する。この出力
を一定レベルの判定レベルと比較し、判定レベル以下に
なった時点をもってうねりが収束したと判定させる。

【００１０】測定対象物が皮膚の場合にはうねりの収束
を待っている間にも測定部位に水分が滞留し、測定値が
増加する方向にシフトしているので、うねりが収束した
後の水分測定量にはすでに滞留水分による誤差が含まれ
ている。補正手段はうねりが収束した後の測定値の変化
を測定開始時点まで外插し、測定部位に水分滞留がなか
ったとした状態での水分量を算出する。

【００１１】

【実施例】図１はうねりが収束するのを判定するように
した一実施例を表わすものである。 測定対象物２に特
定波長の光を照射する光学系として、光源４からの光の
波長を選択する干渉フィルタ６と、光を集光して測定対
象物２に照射するためのレンズ８ａ，８ｂを備えてい
る。測定対象物２は例えば人体の皮膚であり、光源４と
しては例えばタングステンハロゲンランプを用い、干渉
フィルタ６としては水で強い吸収を受ける波長域の光、
例えば１９４０ｎｍ付近又は１４５０ｎｍ付近の光を透
過するものを用いる。測定対象物２に光を断続して照射
するために、光源４と測定対象物２の間にはチョッパ１
０が配置され、チョッパ１０の回転はホトインタラプタ
１２により検出され、ホトインタラプタ１２の信号がノ
イズ除去のための同期整流の参照信号として利用される
ようになっている。１４はチョッパ１０を回転させるモ
ータである。

【００１２】測定対象物２の光照射にともなう温度変化
を検出するために、光照射された部分の測定対象物に接
触するようにサーミスタ１６が設けられている。サーミ
スタ１６の検出信号を直流増幅するためにプリアンプ１
８が設けられ、プリアンプ１８で増幅された信号を交流
増幅するためにコンデンサ２０とアンプ２２が設けられ
ている。アンプ２２で増幅された交流増幅信号はロック
インアンプ３０に入力される。ロックインアンプ３０に
はローパスフィルタが備えられている。ロックインアン
プ３０の参照信号としてチョッパのホトインタラプタ１
２の信号が取り込まれている。ロックインアンプ３０で
同期整流された信号はローパスフィルタで高周波ノイズ
が除かれて、ホールド回路３２と収束判定手段３４とに
入力される。

【００１３】収束判定手段３４は微分回路３６、その微
分された信号を整流する整流回路３８、その整流後の信
号を平滑化する平滑化回路４０、その平滑化された信号
を一定レベルの判定レベルと比較するコンパレータ４２
とを備えている。コンパレータ４２は、平滑化後の信号
が一定レベル以下になったときにホールド回路３２に対
し入力信号をホールドさせ、表示器４４に対しそのホー
ルドされた信号を表示させる信号を出力する。

【００１４】図１の動作を図２に示す。ロックインアン
プ３０で同期整流され、ローパスフィルタで高周波ノイ
ズが除かれた信号ａは、図２に実線で示されるように、
測定開始時点でサーミスタを測定対象物に接触させると
測定対象物の表面温度とサーミスタ自体の当初の温度と
の大きな差により、サーミスタの抵抗が大きく変化し、
うねりを生じる。信号ａは測定対象物が断続した光照射
を受けることによる温度変化に対応した直流成分に、こ
のうねりが交流成分として重ね合わされたものである。
この信号ａを微分回路３６で微分し、整流回路３８で整
流し、平滑化回路４０で平滑化して得られる信号ｂは、
図２中に破線で示されたものであり、うねりが収束する
につれて０に近づいてくる。この信号ｂが判定レベル以
下になるとコンパレータ３４からの出力によりホールド
回路３２がロックインアンプ３０からの出力をホールド
し、そのホールドされた信号が表示器４４に表示され
る。これにより、サーミスタを測定対象物２に接触させ
た後、外乱が収束したときに安定状態での水分量が自動
的に表示されるので、表示が乱れる見苦しさや読み間違
いがなくなる。

【００１５】図１はハードウェアを用いて信号をアナロ
グ処理する例であるが、アンプ２２以降の回路をＡ／Ｄ
コンバータとマイクロプロセッサを用いてデジタル処理
することもできる。その場合の例を図３に示す。アンプ
２２の出力がＡ／Ｄコンバータ４６でデジタル信号に変
換されてマイクロプロセッサ４８に取り込まれる。マイ
クロプロセッサ４８には図１におけるホールド回路３２
及び収束判定手段３４と同じ機能を果たすようにプログ
ラムが施されている。この場合、ロックインアンプ３０
に対応する機能としてホトインタラプタ１２からの信号
の有無に従ってデータの極性を反転するプログラムを対
応させ、ローパスフィルタや平滑化回路４０の機能には
平均化操作のプログラムを対応させ、微分回路３６の機
能には差分操作のプログラムを対応させ、整流回路３８
の機能には絶対値化のプログラムを対応させることによ
りソフトウェアで実現することができる。そのようにし
て処理を行なう手順を図４のフローチャート図に示す。

【００１６】図４のフローチャートについて説明する。
Ｓｔをロックインアンプの出力に相当する時系列データ
とし、Ａ／Ｄコンバータからのデータ入力値をｘとす
る。ホトインタラプタの状態を入力し、オン（光束遮
断）のときは一定時間間隔で取り込んだＡ／Ｄコンバー
タからのデータ入力値ｘをＳｔに加算していく。一方、
ホトインタラプタの状態がオフ（光束透過）のときは一
定時間間隔で取り込んだＡ／Ｄコンバータからのデータ
入力値ｘを反転した後にＳｔに加算していく。この処理
はロックインアンプでデータを取り込んで同期整流する
ことに相当する。

【００１７】ホトインタラプタの状態がオンからオフに
切り換わったタイミングで式による平均化処理を行な
う。式で、ｔは時刻を表わし、ｔが最新時刻である。
ａｏ〜ａｂは平均処理のための係数である。算出された
平均値Ｒｔはローパスフィルタ出力に相当する時系列デ
ータとなる。平均値Ｒｔについて、式による微分処理
又は差分処理と、絶対値化処理を行なう。式でｃｏ〜
ｃｄは微分処理のための係数である。式により算出さ
れるＤｔは図１の整流回路３８の出力に相当する。次
に、その算出された微分値の絶対値又は差分値の絶対値
Ｄｔを式により平均化する。式で、ｆｏ〜ｆｇは平
均化のための係数である。その算出された平均値Ｌは図
１の平滑化回路４０の出力に相当する。算出された平均
値Ｌが予め定められた判定値以下になっていなければ、
まだ外乱が収束していないと判断して、操作に示され
るように時系列データを１つずつ進め、最新データＳｔ
を０に初期化して次のデータ取込みに備える。微分値又
は差分値Ｄの平均値Ｌが予め定められた判定値以下にな
れば、外乱が収束したと判断して、時系列データの平均
値Ｒｔを水分量を表わす値として表示して測定を終了す
る。

【００１８】図５はサーミスタを測定対象物の皮膚に接
触させ、外乱が収束するまでの間に測定部位に滞留した
水分による誤差を除くようにした実施例を表わす。光学
系３は図１における光源４、干渉フィルタ６、収束レン
ズ８ａ，８ｂ、チョッパ１０及びホトインタラプタ１２
を用いたものと同じものであり、簡略化して示してい
る。

【００１９】サーミスタ１６の検出信号がプリアンプ１
８、コンデンサ２０及びアンプ２２を経て交流増幅信号
となり、Ａ／Ｄコンバータ５０でデジタル信号に変換さ
れてマイクロプロセッサ５２に取り込まれる。マイクロ
プロセッサ５２には光学系のホトインタラプタ１２から
の信号が参照信号として取り込まれ、チョッパによる光
照射の断続と同期した同期整流に用いられる。

【００２０】マイクロプロセッサ５２での機能を図６に
示す。同期整流手段５４はチョッパによる断続と同期し
てノイズ成分を除去し、光照射による温度変化を水分量
に対応した直流信号に変換する。図１から図３で説明さ
れているように、測定対象物にサーミスタを接触させた
後、外乱が収束したことを判定する収束判定手段５６
は、図１から図４で説明されているのと同じ処理を行な
う。計時手段５８は測定対象物にサーミスタを接触させ
た時点から収束判定手段５６が外乱が収束したと判定す
るまでの時間を計測する。補正手段６０は外乱収束後、
同期整流手段５４の出力の変化を測定開始時点まで外插
し、外乱が収束するまでの間に水分が滞留することによ
り生じた誤差を同期整流手段５４による信号から除いて
表示器４４へ表示させる。

【００２１】図５，６の実施例の動作を詳細に説明する
と、サーミスタ１６が皮膚から離れているときはサーミ
スタ１６には空気が接していることになるが、空気中の
水分量は微量であるので水分信号値はほぼ０である。サ
ーミスタ１６を皮膚に接触させて測定を開始すると、サ
ーミスタ１６の検出信号が急激に増加するので、回路が
本質的にもつ過渡的特性により水分量を表わす信号は図
７の実線で示されるように過渡的に大きく乱れる。０レ
ベルからの立上りで測定開始時点を検出し、収束判定手
段５６で時系列データを差分（微分）し、絶対値化（整
流）し、平均化（平均化）することにより乱れの度合い
が分かるので、図２により説明されているように、それ
が一定の判定レベル以下になったことによって過渡的な
変化期間が終了したことを検出する。測定開始から信号
が安定するまでの時間を計時手段５８によって求め、こ
れを記憶しておく。安定後の信号を経時的にマイクロプ
ロセッサ５２内に記録していくが、測定部位に滞留した
水分のために一般に信号量が漸増していく。この水分信
号の増加の程度をマイクロプロセッサ５２内の時系列デ
ータに最小二乗法などの統計処理を施すことにより直
線、２次曲線又は３次曲線をあてはめて求める。通常の
測定においては直線で外插すれば十分である。その変化
を先に記憶した時間分遡って延長し、測定開始時点での
水分量を求める。この手順は図７に概略的に示され、図
８にフローチャートとしてまとめて示されている。

【００２２】この実施例の説明としては外乱が収束する
のを交流増幅信号を用いて判定しているが、図５にプリ
アンプ１８からの出力（直流増幅信号）をＡ／Ｄコンバ
ータ５０でデジタル信号に変換してマイクロプロセッサ
５２に取り込み、その直流増幅信号を用いて外乱が収束
するのを判定するようにしてもよい。交流増幅信号は光
の断続照射に基づく温度変化、すなわち水分を反映する
信号であるが、直流増幅信号は皮膚自体の温度（体温）
を反映する信号であるので、測定開始時点を体温による
測温素子の温度上昇によって検出し、測温素子の温度が
安定した時点をもって水分信号が安定したと判定する。

【００２３】

【発明の効果】本発明では、測温素子の検出信号を交流
増幅し、その交流増幅された信号を光学系の断続に同期
して同期整流し、それをさらに微分し、整流し、平滑化
して外乱に対応した出力を得、それが予め定められた一
定レベル以下になった時点で外乱が収束したと判定して
測定対象物の水分量に対応した信号を出力させるように
したので、測温素子を測定対象物に接触させてから外乱
が収束したことを自動的に検知することができるように
なり、外乱が収束した後の安定状態での水分量が自動的
に表示され、表示が乱れる見苦しさや読み間違いがなく
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例を示す構成図である。

【図２】同実施例における外乱の収束を判定する動作を
説明する図である。

【図３】第２の実施例の信号処理系を示すブロック図で
ある。

【図４】図３の実施例における動作を示すフローチャー
ト図である。

【図５】外乱収束までの水分滞留を補正する手段を備え
た実施例を示す構成図である。

【図６】同実施例におけるマイクロプロセッサの機能を
示すブロック図である。

【図７】同実施例の滞留水分補正動作を示す図である。

【図８】同実施例の動作を示すフローチャート図であ
る。

【符号の説明】

２ 測定対象物 ３ 光学系 １６ サーミスタ ２０ コンデンサ ２２ アンプ ３０ ローパスフィルタを含むロックインアンプ ３４ 収束判定手段 ３６ 微分回路 ３８ 整流回路 ４０ 平滑化回路 ３２ ホールド回路 ４２ コンパレータ ４４ 表示回路 ４６，５０ Ａ／Ｄコンバータ ４８，５２ マイクロプロセッサ ５４ 同期整流手段 ５６ 収束判定手段 ５８ 計時手段 ６０ 補正手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 特定波長の光を断続して測定対象物に照
   射する光学系と、 前記光学系により照射された部分の測定対象物温度を検
   出する測温素子と、 前記測温素子の検出信号を交流増幅する交流増幅手段
   と、 交流増幅した検出信号を前記光学系の断続に同期して同
   期整流する同期整流手段と、 同期整流された信号を微分し、整流し、さらに平滑化
   し、その平滑化後の信号が予め定められた一定レベル以
   下になった時点で、前記同期整流された信号を測定対象
   物の水分量に対応した信号として出力させる収束判定手
   段とを備えたことを特徴とする水分測定装置。
2. 【請求項２】 測定開始後、前記収束判定手段による収
   束までの時間を計測する計時手段と、 収束後の水分量に対応した信号の変化を測定開始時点に
   外插して水分量に対応した信号を補正する補正手段を更
   に備えた請求項１に記載の水分測定装置。