JPH07507133A - 物質特性の非破壊測定のための広帯域測定装置 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 物質特性の非破壊測定のための広帯域測定装置発明の分野 本発明は測定装置、特に、電磁波の放射を検出することによって物質の特性を自 動的かつ非破壊的に測定する測定装置と、これを用いた測定方法に関する。

技術背景 多様な産業において物質の特性を測定するための測定装置が必要とされ、測定性 能が向上すれば製品の品質、効率も向上する。

例えば、石炭を燃焼する電力プラントは、そこで使用する石炭の発熱量、水分含 有量、灰、硫黄の量を知る必要がある。液化またはその他の処理に石炭を使用す る場合は、さらに上記以外の特性を測定する必要もある。食品加工産業では、ベ イカリ−製品、冷凍食品、日用食品、シリアルなどで、水分量、オイル含有量、 濃度、色、その他の特性が重要となる。製材・製紙関連産業では、材木中の水分 量とその導関数が決手となる。セメントは、それを生成する際の水分含有量が特 定の範囲に制限されるので、調合、養生時のセメントの水分量は最終製品の十分 な耐久性のためにも重要である。化学産業は特に、重合度、粘度、色、透明度、 その他のパラメータを含む物質の特性測定に依存している。石油精製も同様に、 発熱量、水素／炭素比、水分含有量など、多くの特性測定に依存する。採掘では 、コアにドリルで穴を開ける時の間隙率、ケローゲン含有率、水分量などを必要 とする。このように、各種産業で物質特性の測定の信頼性は極めて重要である。

物質の測定は、侵略的な（または破壊的な）方法で行われることもあるが（例え ば、質量の損失または増加、燃焼、試薬との結合など）、測定物質で吸収または 放射される電磁放射線（電磁波の放射）を用いて行うこともできる。特に上述の ような重要な測定はすべて電磁放射線で行われる。電磁放射線の利点は、サンプ ルに対してダメージを与えず、かつ直接的な接触なしに測定が行われる点である 。唯一の接触はサンプルを適切なセンサの下に配置する際に必要なサンプルケー スとの接触だけである。

電磁波のスペクトルは広範囲の波長にわたる。マイクロ波とラジオ波の波長は最 も長（（数ｍｍ〜数ｍ）、ついで赤外線（数マイクロメートル）、可視光線（数 分の１マイクロメートル）、紫外線（ナノメートル）、Ｘ線およびガンマ線（ナ ノメートル未満）の順に続く。

このような電磁スペクトルの各波長帯域を物質の特性測定に使用することができ る。例えば、物質の構造的、量的な分析決定値を得ることができる。表１は、電 磁スペクトルの主要領域における化学データを示す。ラジオ波は、核磁気共鳴（ ＮＭＲ）で物質の核と相互反応し、分子移動度とアイソトープ（同位元素）含有 量を示す。マイクロ波は、水やその他の誘電体で選択的に吸収または位相変換さ れる。赤外線は特定の分子構造で吸収される。可視光線と紫外線は物質中の特定 の原子および分子の種類によって吸収または反射される。Ｘ線およびガンマ線は 原子および同位元素を明らかにする。放射線のいずれの波長帯域でも、サンプル のイメージ形成に使用される。

表１ 電磁スペクトル化学データ 帯域　波長レンジ　波数レンジ　遷移 ガンマ線　＜１０ｐｍ　＞１０’　ｃｍ”　核Ｘ＃　ＩＣｌｐｍ−１０ｎｍ　１ ０９−１０’　Ｃｍ−’　Ｋ電子／Ｌ電子紫外線　１１０−４００ｎ　１０　〜 ２．５ｘｌＯ’　ｃｍ’　原子価電子可視光線　４００−８００ｎｍ　２．５ｘ ｌＯ〜ｌ、２５！　１０’　ｃｍ−’　原子価電子赤外線　８００ｎｍ−１ｍｍ 　１．２５１　ＩＱ’　〜１０ｃｍ−’　分子マイクロ波　１ｍｍ−１００ｍｍ 　１０〜０．１ｃｍ−’　回転ラジオ波　＞１００ｍｍ　＜Ｏ，１ｃｍ”　スピ ン電磁放射線（放射される電磁波）を検出する手段は、サンプル物質と電磁波と の相互反応のタイプによって区分される。例えば、赤外線吸収測定では、サンプ ルを通過する電磁波が検出され、残りの部分が吸収または散乱される。色決定で は、ある波長領域の可視光線がサンプルで反射され、検出される。ＮＭＲでは、 核がそのスピン方向を変える時に磁場で前進することによってラジオ信号が共鳴 的に吸収される。ラジオ信号はその後、核が当初の配向方向に戻ると核から放出 される。中性子を放射捕獲して特有のガンマ線を生成する放射測定では、非電磁 刺激（誘導放射のための刺激）に引き続いて検出可能となる電磁放射線を生成す る。

電磁放射線を検出して物質の特性を測定する従来の手段は、１つまたは２〜３の 波長帯域に集中するもので、かつ１種類の測定を行うものであった。例えば、赤 外線吸収または反射測定で、物質のある重要な特性の一部だけが測定でき、可視 光線と紫外線の分光測定で、また別の部分が測定でき、Ｘ線とガンマ線は、さら に別の特性を検出し、それぞれの検出方法はそれに対応する特定の波長帯域に限 定されていた。このような個別の測定プロセスで不均一な物質を測定すると、各 測定手段ごとに別々の複数サンプルを用意して各々のデータ部分を生成せねばな らないので、非常に効率が悪い。

また、このような個別の分析から得られるデータは、別の測定モードでの測定結 果と組み合わせるまで、利用が制限されるという失点がある。特に、多種の測定 データを組み合わせてそのプラントの全体の状態評価を行うのに効果的な管理制 御を必要とする複雑な製造プロセスでは、個別の測定では効率が悪い。

多様な測定方法からデータを融合すると、その物質に関して実際に測定しなくと も、保存の法則やその他の原理を用いて測定結果を組み合わせることにより、追 加情報を推論することができる。しかし、異なるモダリティで測定値を検出する 場合、それぞれの手段どうしの相互適応が困難なので、データの融合は集中的な 作業となる。このようなデータと、電子形態または物理的形態のデータとは互換 性がなく、手作業の変換や分析が必要となる。

特定の例について考えてみると、一般に必要とされる石炭の特性は、水分含有量 、結合して水を形成していない水素の量、発熱量、多種の形態での硫黄などであ る。炭化水素分子と、いくつかの硫黄化合物は、赤外線分光によって測定される 。介在する水はマイクロ波によって検出され、その他の化合物は可視光線や紫外 線分光によって検出される。これらのテストは通常別々の測定手段を用いて行わ れ、その後組み合わせられて石炭の特性を決定する。

発明の概要 高周波、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線、ガンマ線など電磁スペ クトルの多様な部分を用いた測定により、単一のサンプルから種々のデータを得 るための測定装置を提供する。測定後、すべてのセンサからのデータをまとめて データ融合解析法で解析することによって、所望の物質特性値を決定する。

すなわち、複数の測定手段を用い、電磁スペクトルを広範囲に渡って利用して物 質の特性を測定し、得られた多種のデータを統合して、各種測定手段から単独に 得た場合よりも優れた物質の特性結果を得る。この測定装置は、単一の物質サン プルで、多種のテストを非破壊的かつ迅速に行う。

本発明の効果は、従来は得られなかったような物質特性の測定や、従来は個別の 測定を多数回行い、その後に組み合わせることによってしか得られなかった測定 を得ることにある。多数回の測定は、各測定により、測定精度を累積的に低下す るエラー帯域になる。従来は物質の特性測定の精度を統計的に向上するために、 多大な回数の測定と多数のサンプルを必要としたが、本発明では、単一のサンプ ルで複数の測定を自動的に行い、多数のサンプルを用意する必要性を解消し、測 定精度を向上し、時間と労力をセーブできる。

また、直接測定するのが困難な特性もいくつかあるが、本発明ではそのような測 定も、簡単な測定の後にデータを融合して所望の量を導くことによって、間接測 定で行うことができる。最終的に得られた結果における不確実性は、直接測定だ けから得られる場合よりもずっと低い。

本発明の測定装置で用いる電磁スペクトルの各波長帯域は単一のセンサで測定さ れる。センサの種類は表２に示す通りである。

表２（センサ種類） ＥＳＲ（Ｅｌｅｃｔｉｏｎ　５ｐｉｎ　Ｒｅｃｏｎ１ａｃ！：電子スピン共鳴） システムＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅｉ＋　Ｍｘｇｎｔｌｉｃ　Ｒｅｓｏｎｇｎｃｅ　： 核磁気共鳴）システムマイクロ波生成・透過・吸収・位相検出器赤外線・可視光 線・紫外線分光器 Ｘ線・ガンマ線エミッタ／ディテクタ 各センサは、物質との相互作用の種類に応じて、電磁放射線を各々測定する。

非破壊的かつ非接触性のセンサを用いるので、本発明の測定装置でサンプルを分 析した後も、これを別の用途に再使用できる。各センサは、電磁または非電磁刺 激の後、サンプルから放射される放射線を検出する。サンプルを透過または散乱 した電磁放射線の検出や、サンプルとの共鳴反応も検出できる。測定の種類とし ては、インライン減衰測定における輝度測定や、可視光線分光での波長測定、Ｘ 線トモグラフィの画像情報、ＮＭＲの自由誘導減衰率などのその他の電磁放射線 パラメータ測定などがある（ここにおいて、波長、波数、周波数、電磁波エネル ギーという言葉はすべて均等の物を表わし、これらの用語をすべて「波長測定」 として用いる）。用いるセンサの種類や検出される電磁波のパラメータは、測定 したい物質特性によって決定される。

データ融合に用いられる、物質特性をめるための解析アルゴリズムは、本発明の 測定装置に組み込まれた特定のセンサごとに定められる。中央演算コンピュータ は十分な演算力と記憶容量を有し、種々のセンサがらのデータを処理して、そこ からアプリケーションに必要な特性を算出する。

個々のセンサからのデータは、サンプルの所望のパラメータを検出できる任意の 手段によって解析され、組み合わせられる。また、本発明の装置以外の外部測定 手段から供給されるデータを解析に使用することもできる。例えば、装置に組み 込んだ自動重量計測ステーションでサンプルの重量を測定し、その質量データを データプロセッサに送ってもよい。このような測定は別個に行ってもよいし、解 析時に入力してもよい。

異なる測定手段からのデータを融合して物質特性を引き出す有効な方法に、所望 のパラメータと測定値とを相関させる数学的マトリクスを形成することがある。

異なる測定種類の数がセンサデータからめられる物質特性の未知数の数に十分に マツチする限り、そのマトリクスを解くことによって（例えば対角行列化によっ て）、所望のパラメータがめられる。

多数の数値を実験的に測定して、それらの数値を所望のパラメータで表わした等 式に代入すると、２つ以上の実験測定値の組み合わせによって最終結果の不確実 性を低減できる。保存の法則やその他の基本原理を用いて異なる測定値を相関さ せ、解析に使用する。この解析に関しては例とともに、さらに詳細に後述する。

センサおよび解析方法の精度は、特別に用意した公知の成分と特性を有する較正 用サンプルでチェックされる。これらの較正サンプルで解析係数のパラメータを 決定できる。

この測定装置は前述のように非破壊性、非接触性のセンサを備えるので、測定終 了後もサンプルを別のテストに使用することができる。

さらに別の利点として、異種のセンサがらのデータが効果的に組み合わせられる ので、データ融合を用いない場合よりも、より迅速かつ正確に物質の特性が決定 される。

要約するならば、本発明ではテスト物質の単一のサンプルだけで迅速がっ自動的 に特性測定を行い、データ融合を用いて各種のセンサデータを相関させることに よってその物質に関する情報を引き出し、必要人員を最小にとどめることができ る。

本発明のその他の特徴、効果も以下の詳細な説明および本発明の原理を例示する 添付図面とから、より明確になるであろう。

図面の簡単な説明 添付図面は本発明を図示するものである。

図１は、コンベヤベルト上の石炭の特性を測定するために用いられる、本発明の 測定装置の概略図である。

図２は、電磁スペクトルの波長を横軸に、サイズを縦軸にとって、多種のセンサ の適用部分を示すグラフである。

図３は、水分量測定におけるデータ融合を表象的に示した図である。

図４は、本発明の別の実施例を示す図であり、電磁放射線を同時に検出する複数 のセンサを備えた装置を示す。

良好な実施形態の詳細な説明 図１に示すように、本発明の測定装置の主要な構成要素は、センサアセンブリ１ ０とデータプロセッサ１２であり、これらが共同してサンプル１４の物質特性を 分析する。サンプル１４はコンベヤ手段によって運ばれ、本実施例ではプーリ１ ８によって駆動されるコンベヤベルト１６を用いる。センサアセンブリ１ｏの内 部には、複数の電磁照射線センサ２ｏが含まれ、各々が対応するコントローラ２ ２に電嶽的に接続される。各コントローラ２２は、それに接続されるセンサ２０ の操作を制御し、また、センサ２ｏで生成されたデータのデータ処理を行うこと もできる。コントローラ２２はデータプロセッサ１２に電気的に接続される。

サンプル１４の物質特性に関する情報はプロセッサ１２がら伝達手段２６を介し て送り出され、またオペレータやその他の装置からの指令や追加データもこの伝 達手段を介してプロセッサ１２に入力される。

各センサ２０は、サンプル１４がらの電磁波を電磁スペクトルの特定の波長帯域 で刺激して（電磁波を誘導放出させる）その放射線を検出する装置がらなってい る。

センサ２０は、広範囲に渡る電磁スペクトルの電磁波を検出する。図２は、下は ラジオ波から、上はガンマ線までの電磁スペクトルを示し、どの領域で各種セン サが使用されるかを示したものである。図中で、白抜きの長方形と黒塗りの長方 形は、後述する本発明の２つの実施例での波長領域をそれぞれ示している。

コントローラ２２は、それぞれ少なくとも１つのセンサ２ｏに電気的に接続され る電子装置であり、センサ２０に１つ以上の電気信号を送ってその操作を制御す る。また、センサ２ｏからのデータは一時格納のために対応のコントローラ２２ に送られ、最初のデータ処理がそのコントローラで行われてもよい。図１の実施 例では、コントローラ２２はマイクロプロセッサである。

データプロセッサ１２は十分なデータ処理能力と伝達容量を有し、生データとユ ーザとの間のインターフェイスとして機能する。図１の実施例のプロセッサ手段 はコンピュータであり、コントローラ手段２２に接続するディジタルｌ１０（入 出力）伝送ポートと、接続手段２６を介してユーザに処理結果を送るし・′。

ボートをひとつずつ有する。

コントローラ２２のひとつが十分な演算能力を有する場合は、そのコントローラ を、それに対応するセンサ２０のコントローラとしてと同時に、全体のセンサア センブリ１０のデータプロセッサ１２として使用することも可能である。

接続手段２４は、各コントーラ２２とデータプロセッサ１２との間を情報伝達で きるならば、どのような手段であってもよい。図１の実施例では接続手段２４は 、パラレルタイプのディジタルラインとして情報を伝達する複数導体リボンケー ブルである。伝達手段２６も、データプロセッサ１２とユーザの間を情報伝達で きるならば任意の手段でよく、図１の実施例では、ファイバオプティックまたは 、情報をディジタル形態でシリアルに伝達できるその他適切な伝達ラインを用い る。

図１の実施例では、すべてのセンサ２０は、センサアセンブリ１０として輪郭を 形成する単一の構造サポート内に収められるが、センサアセンブリ１０は、お互 いに機械的な結合性のない複数の個々のシャーシから構成されてもよい。その場 合は、各シャーシがひとつ以上のセンサ２０を内蔵することになる。

コンベヤ手段は、サンプル１４をセンサアセンブリ１０に対して間隔をおいて位 置させるための任意の手段であり、これによってセンサ２ｏの各々がサンプル１ ４からの電磁波を刺激して検出する。図１の実施例ではコンベヤ手段はフレキシ ブルなコンベヤベルト１６であり、モータ（図示せず）によって駆動されサンプ ル１４を搭載してセンサ群２０を通過する。モータは、各サンプル１４がそれぞ れのセンサに対して位置される間、所定の時間間隔だけ停止するように制御され てもよいし、または十分に低速で駆動されて十分な量の電磁波を受け取り、物質 の特性を決定してもよい。

図１の実施例は、発熱量、水分量、硫黄含有量、灰分の含有量などを含む、石炭 の特性の測定に用いる。この実施例でのセンサ２０は、赤外線分光器、マイクロ 波位相変換モニタ、核ガンマ線分光測定器である。これらのセンサ２ｏで検出さ れる波長帯域は、図２の白抜きの長方形で示される。いずれのセンサも単独で必 要とされるすべての特質測定を行うわけではなく、各々のセンサ２ｏからのデー タを組み合わせ、プロセッサ１２で解析して所望の物質特性を検出する。

センサ２０は、それぞれ対応の電磁スペクトル帯域をひとつずつ検出することに よって石炭に関する情報を生成する。マイクロ波検出器は、サンプル１４を通過 するマイクロ波の振幅と位相シフトを検出して、サンプル１４の密度と遊離水分 含有量を測定する。赤外線分光器は、スペクトル線の比を決定して、Ｏ−Ｈに対 するＣ−Ｈの比率を測定する。核ガンマ線検出器は、サンプル１４を中性子照射 した後に放射捕獲ガンマと核下方遷移ガンマとを検出することによって、水素、 酸素、硫黄、その他の成分の相対発生量を決定する。これらのセンサの波長帯域 は、マイクロ波では波長レンジ１０−１メートル（図２の白抜きの長方形３０で 示される）、赤外線では１０−４メートル（白抜き長方形３２）、ガンマ線では １〇−１２メートル（白抜きの長方形３４）である。

マイクロ波、赤外線、ガンマ線を個別に検出できる測定装置は商業的に入手可能 である。これらの測定装置は通常コントローラを含むか、適切なマイクロプロセ ッサベースのコントローラに容易に取り付は可能である。また、本発明のデータ 融合部で使用されるその他の構成要素、すなわち、データプロセッサ、伝達リン ク、コンベヤ手段なども一般に入手可能である。これらの構成要素は非破壊セン サ関係の当業者にとって周知であるので、ここでは詳細には述べない。

センサ２０からのデータはデータプロセッサ１２で組み合わせられ、所望の物質 特性を計算する。最も実用的な例では、物質の成分を変数として含む一連の連立 方程式によってその物質の特性を表わす。石炭のケースでは、所望のパラメータ は、水素含有量、結合および遊離水分、炭素元素、その他の基本成分などの石炭 成分に関係付けられる。

センサ２０て測定されたパラメータはまた、異なる方程式集合の同じ変数集合を 用いて表わされる。数学的マトリクスはこの種のデータ解析の分析に有用である 。複数の所望のパラメータが共通の変数を用いて複数の測定数値で表わされる場 合、マトリクスは以下のように生成される。列（カラム）は、物質特性方程式と 測定パラメータ方程式に共通な物質成分またはその他の基本量に対応する。マト リクスの行は、センサ２０てめられた測定パラメータに対応する。マトリクスの 要素は、化学成分の相対発生量を表わす係数である。その後マトリクスを測定数 値で解いて物質成分の値をめ、それらの成分から物質の特性を計算する。

例えば、図１の実施例での測定からは、基本成分である。炭素、水素、酸素、硫 黄、その他の化学成分がめられる。発熱量、水分量などの所望の物質特性はこれ らの成分をもとに計算される。

石炭の発熱量はその化学エネルギーの直接測定値であり、その値を燃料値として 決定するパラメータである。石炭の等級が上がると、水分量に対する固定炭素の 割合と、発熱量の双方が増加する。固定炭素量は石炭の等級を決定し、発熱量は 水分量やその他の化学成分で決定される。

表３は、この手順にしたがって形成したマトリクスである。各列（カラム）は原 子成分に対応し、各行（ロー）は各センサからのデータに対応する。マトリクス の要素はそれらを関連付ける係数である。シンボルＣ，Ｈ，Ｓ、　Ｏ，Ｚはそれ ぞれ炭素、水素、硫黄、酸素、その他の成分を表わす。Ｍはマイクロ波センサか らの水分測定値、ＣＨ／ＣＯは赤外線データから得られたＣ−０結合に対するＣ −Ｈ結合の比率を表わし、左側の残りのシンボルはガンマ線からめられた基本発 生量を表わす。

表３ 石灰データのマトリクス解析 ＣＨ／Ｃｏ　ｃ　６　−　ｅ　− 物質特性はこのマトリクスを解き、成分量を所望のパラメータの方程式に代入す ることによってめられる。例えば、「高位」発熱量ＨＨＶ　（旧ｇｈｅ＋　ｆｌ ｕｔｉｎｇＶａｌｕｅ）は以下の式の基本数量で表わされる。

）ＩＨＶ−α（Ｃ）＋／３　（Ｈ）＋７　（２Ｓ−０）ここでギリシャ文字は演 算または較正でめられた係数であり、アルファベット大文字は基本成分である。

その他の物質特性も、物質特性の方程式を構成するすべての基本要素または成分 が測定パラメータのマトリクスによって決定される限り、同様のやり方でめられ る。

表３のマトリクスを解き（例えばガウス消去によって）、その解を物質のパラメ ータで表わされる方程式に代入する。個別の手段でめた２つ以上の実験測定値を 関連づけて表わす保存の法則を用いると、最終結果の不確実性は十分に低減され る 例として、物質のパラメータＰ１、Ｐ２と測定値Ｍとを、等式Ｍ＝Ｐ１＋Ｐ２で 表わし、所望の数量がＰｌである場合を考える。ここてＰ２は未知数なので、Ｐ ｌの不確実性は測定値Ｍの不確実性よりずっと大きい。すべての数量を正の値と するなら、Ｐｌの不確実性は、一般にＭ／２、すなわち測定値Ｍで得られるトー タル値の半分である。しかしながら本発明を用いると、Ｐｌに関してはるかによ い情報が得られる。複数の異なる種類の測定を行うことによって、必要なすへて の重要パラメータにおいて独立した値が得られる。この例では、測定したパラメ ータＰ２を測定値Ｍから減算することによって、この独立の測定値Ｐ２でＰｌの 認識がかなり改善される。Ｐｌの不確実性は、Ｍ、Ｐ２それぞれの不確実性δＭ １６Ｐ２を用いて以下のように表わされる。

δＰ１−巨δＭ）＋（δＰ２）２）１／２ＭとＰ２の測定値の不確実性は、通常 通りＭの大きさよりはるかに小さいとすると、Ｐｌの不確実性は、Ｐ２の補足追 加測定によって大幅に低減される。

また、測定された数量からサンプルの重量を演鐸して、試し算として実際の重量 と比較することができる。例えば、重量値は以下の式からめられる。

Ｗｅｉｇｈｌ＝ｃｙ　（Ｃ）＋Φ（Ｈ）十〇（０）＋φ（ｓ）＋Ｅ　（Ｚ）ここ でギリシャ文字は各要素の原子の質量（σ−１２、Φ＝１など）を表わす。

この重量値を外部の重量測定ステーションで測定された重量と比較してもよい。

それら２つの測定値の一致に基づいて、システムチェックが有意義に行われる。

較正定数を用いて個々のセンサデータから物質特性をめることもできるし、また 、データ融合を用いて複数のセンサからのデータを組み合わせてもよい。後者の 場合、個別のセンサだけからのデータを用いた場合よりも最終数値の不確実性が 低い。例えば、石炭の水分量を赤外線データからだけ計算してもよいし、赤外線 データとガンマ線センサの測定値とを組み合わせてめてもよい。赤外線データは 、水素−酸素結合（Ｈ−０）や水素−炭素結合（Ｈ−Ｃ）などの種々の分子構造 に対応するスペクトル線を測定する。それらのスペクトル線の振幅比を取ること によって、以下の式から水分量が推定される。

１１ｏｉ＋ｌｕ＋ｅ（ｉｎｌｎｎｄ）＝Ｎ　（Ｈ−０）　／　（Ｎ　（Ｈ−０） 　＋Ｎ　（Ｈ−Ｃ）　）　＊Ωここで、Ｎ　（Ｈ−０）は検出された水素−酸素 結合の相対数、Ｎ　（Ｈ−Ｃ）は検出された水素−炭素結合の相対数、Ωは右辺 の比に対する水分比の平均値である。定数Ωは、多量の同質の石炭で水分量を測 定することによって導かれると考えられる。

Ωの値は石炭の供給源と取扱い方によって左右されるので、赤外線データのみを 使用した水分決定の不確実さは高い。Ωは多量の個別のサンプルの平均値である ことから、結果として得られる水分量の不確実性は、最小でもΩが変化するレン ジにわたる。

このような水分決定における不確実さはガンマ線センサからのデータと赤外線セ ンサのデータとを組み合わせることで低減される。ガンマ線センサは特に、サン プル中のトータル水素原子量Ｎ　（Ｈ）を測定する。基本的にすべての水素は酸 素または炭素原子にくっつくので、サンプル中の水素は保存の法則に基づいて以 下の等式で表わされる。

Ｎ　（Ｈ）＝Ｎ　（Ｈ−０）＋Ｎ　（Ｈ−Ｃ）この等式を上記水分量の等式と組 み合わせることによって、較正定数Ωを消去できる。

Ｍｏｉ＋ｌｏ＋ｅ（ｉｎｌ＋ｉ＋ｃｄ　＋　ｇｘｍｍａｌ＝Ｎ　（Ｈ−０）　／ 　（Ｎ　（Ｈ−０）　＋Ｎ　（Ｈ−Ｃ）　）　＊Ｎ　（Ｈ）　／２ここで、ｒＭ ｏｉ＋ｌｕ＋ｅ（ｉｎｌｎｎｄ　＋　ｇｘｆｆｌＩＩＩＩ）　Ｊは、赤外線デー タとガンマ線データを組み合わせてめた水分量、因数２は水の分子に２つの水素 原子が含まれることを示す。

図３はこれらの計算を表象的に表わしたものである。赤外線データのみを使用し た水分測定値は曲線４２であり、平均較正値Ωの不確かさのせいでかなりの不確 実性を有する。トータルの水素測定値は曲線４４で示され、不確実性は低い。

水分量とトータル水素量との相関は等高線４６で示される。破線４８は等高線プ ロットに実測水素量データを投影し、破線５０はこの測定値を水分測定値に投射 したものである。オーバーラツプした領域は最終的な水分量を表わす曲線５２を 生成する。この曲線５２の不確実さはかなり挟まり、ガンマ線データを相関関数 と赤外線データとに組み合わせられたほうが、赤外線データに較正定数を組み合 わせるよりも不確実性が低いことがわかる。

分析に、例えば電磁データを取った後に行われる非破壊／非電磁測定などの外部 測定を用いてもよい。特定の例で考えると、サンプルを燃焼カロリーメータに通 してすべての非破壊テストが終了した後にＨＨＶ高位発熱量を測定できる。通常 販売されているカロリーメータは低位発熱量（ＬＨＶ　：　Ｌｏｗ　Ｈｅ５ｌｉ Ｂ　Ｖ！ｌｕｅ　）を測定するものである。低位発熱量ＬＨＶは、高位発熱ｆｆ １ＨＨＶから燃焼排ガスの凝縮エネルギーをマイナスした値に等しい。凝縮エネ ルギーは、電磁測定でめられる加熱減量から計算される。したがって、カロリー メータで測定されるＬＨＶに凝縮エネルギーをプラスした値を、純粋に電磁測定 からめたＨＨＶ値と比較して、システムの一貫性をチェックすることができる。

本発明は以下のステップを含む方法で実施される。

物質特性を検出するサンプル素材をコンベヤ手段におく。

複数のセンサ１０でサンプル物質１４からの電磁放射線を刺激してその放射線を 検出する。放射線は、電磁スペクトルの広範囲の個別領域に対応する複数の波長 帯域を含み、異なる種類の測定を行うことができる。

各センサ２０のデータを、コントローラ２２を介して、または直接センサからデ ータプロセッサ１２に送る。

データをデータプロセッサで解析する。この解析は、センサ２０からのデータを 入力として取り、所望の物質特性値を出力として計算する。この物質の成分を要 素とするマトリクスを解くことによって、解析を可能にする等式をあらかしめめ ることができる。

算出された物質特性に関する情報を伝達手段２６を介してユーザに送る。

上記方法は、その特性が個別にわかっている較正サンプルからの電磁波を測定す るステップを含んでもよい。また、解析でセンサのデータと共に用いるための、 外部測定手段からのデータを受信するステップを含んでもよい。

本発明の別の実施例を図４に示す。この実施例は、パッケージング前の焼き菓子 の測定に適用される。この実施例ではすべてのセンサ２０が単一のサンプル１４ からの電磁波を基本的に同時に検出する。ここにおいて、サンプル物質１４を固 定位置に保ち、センサ２０のアレイを定位置に移動でサンプル１４からの電磁波 を検出する。センサ２０は適切な搬送手段（図示せず）で定位置に位置される。

決定される物質特性は、製品の重量、色、水分含有量であり、ここで製品はクラ ッカーとする。これらのパラメータを決定する複数のセンサ２０は、それぞれＮ ＭＲシステム、光学分光計、赤外線検出器である。この実施例で検出される波長 帯域は、図２の黒塗りの長方形３６．３８．４０である。

ＮＭＲシステムは、サンプル１４中の流動分子（水と油）の水素量を、自由誘導 減衰信号の振幅として測定する、自動パルス修正ワイドラインＮＭＲ測定装置で ある。この信号は、サンプル中の水素核によって電磁スペクトルの無線周波数部 分で発せられる。光学分光計はサンプル１４で反射した可視光線を検出して、サ ンプルの色を推定する。赤外線検出器は、水と油に個別に反応する種々の赤外線 遷移を測定する。

これらのセンサで測定された数値は、所望の物質特性に関連される。水分含有量 は、赤外線分光計で決定された油／水分比に基づいて補正されたＮＭＲ信号の振 幅からをめられる。

サンプル１４の重量のめがたは２通りある。ＮＭＲスペクトルの初期部分は、ク ラッカーの液体成分と固体成分からのスペクトル部分を含み、サンプル中のトー タル水素測定値となる。この値を水分および油の含有量で補正した後、残りの固 体信号はサンプルの乾燥成分の近似値となる。

別の方法は、サンプルの赤外線発熱によるものである。サンプル１４の熱容量は 、サンプル１４を周知の量の赤外線で照射し、サンプル１４から放射される赤外 線放射線を測定することによって測定される。この測定値を水およびその他の成 分の特定の熱容量で補正したサンプルの熱容量値が、その重量測定値となる。

プロセッサ１２は、ＮＭＲデータ、赤外線データ、光学分光計データを組み合わ せてサンプル１４の重量、水分量、色のパラメータをめ、その結果を伝達手段２ ６を介してユーザに提供する。

本発明を特定の実施例を参照して述べてきたが、当業者゛にとって上記の方法を もとに種々の変形が可能であることは明白である。これらの記載は例示に過ぎず 、添付クレームに定義される本発明の範囲を限定するものではない。

波長（メートル） ＦＩＧＵＲＥ２ 補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成　６年　７月２７ 日

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. １．物質の特定の特性を測定するための装置であって、複数のセンサとひとつの プロセッサを含み、前記センサの各々は前記物質から放射される電磁波をそれぞ れ特定の波長帯域で検出し、前記データプロセッサは、（ａ）前記センサで検出 された放射電磁波に関する情報を含む信号を各センサからの入力として受信し、 （ｂ）前記情報を処理して前記物質の特性を推定し、（ｃ）前記物質の特性に関 する情報を含む信号を出力として生成する、物質特性測定装置。
2. ２．請求項１に記載の装置において、前記センサは前記物質から粒子磁気共鳴を 検出するための手段を含む、物質特性測定装置。
3. ３．請求項１に記載の装置において、前記センサは前記物質からマイクロ波を検 出するための手段を含む、物質特性測定装置。
4. ４．請求項１に記載の装置において、前記センサは前記物質から赤外線を検出す るための手段を含む、物質特性測定装置。
5. ５．請求項１に記載の装置において、前記センサは前記物質から可視放射線を検 出するための手段を含む、物質特性測定装置。
6. ６．請求項１に記載の装置において、前記センサは前記物質から紫外線を検出す るための手段を含む、物質特性測定装置。
7. ７．請求項１に記載の装置において、前記センサは前記物質からＸ線を検出する ための手段を含む、物質特性測定装置。
8. ８．請求項１に記載の装置において、前記センサは前記物質からガンマ線を検出 するための手段を含む、物質特性測定装置。
9. ９．請求項１に記載の装置において、前記放射電磁波は前記物質の外部で生成さ れ、この物質を通過した後に検出される、物質特性測定装置。
10. １０．請求項１に記載の装置において、前記放射電磁波は前記物質の外部で生成 され、この物質で散乱された後に検出される、物質特性測定装置。
11. １１．請求項１に記載の装置において、前記放射電磁波は前記物質の内部で生成 され、この物質を通って外部に放出して検出される、物質特性測定装置。
12. １２．請求項１に記載の装置において、前記センサの少なくともひとつは前記放 射電磁波の輝度を測定する、物質特性測定装置。
13. １３．請求項１に記載の装置において、前記センサの少なくともひとつは前記放 射電磁波の波長を検出する、物質特性測定装置。
14. １４．請求項１に記載の装置において、前記センサの少なくともひとつは前記放 射電磁波の輝度の時間変動を検出する、物質特性測定装置。
15. １５．請求項１に記載の装置において、前記センサの少なくともひとつは前記放 射電磁波の空間分布を検出して前記物質の画像を形成する、物質特性測定装置。
16. １６．請求項１に記載の装置において、前記物質はコンベヤベルトを含むコンベ ヤ手段によって前記複数のセンサに対して正確に位置される、物質特性測定装置 。
17. １７．請求項１６に記載の装置において、前記物質は前記コンベヤ手段によって 複数センサに対して正確に位置されて、これらセンサが放射電磁波を逐時検出す る、物質特性測定装置。
18. １８．請求項１６に記載の装置において、前記物質は前記コンベヤ手段によって 複数センサに対して正確に位置されて、これらセンサが放射電磁波を基本的に同 時に検出する、物質特性測定装置。
19. １９．請求項１に記載の装置において、前記センサは搬送手段によって前記物質 に対して正確に位置される、物質特性測定装置。
20. ２０．請求項１９に記載の装置において、前記センサは前記搬送手段によって物 質に対して正確に位直されて、放射電磁波を逐時検出する、物質特性測定装置。
21. ２１．請求項１９に記載の装置において、前記センサは前記搬送手段によって物 質に対して正確に位置されて、放射電磁波を基本的に同時に検出する、物質特性 測定装置。
22. ２２．特定の物質特性を測定するための方法であって、前記物質からの放射電磁 波を第１の波長帯域で検出する工程と、前記物質からの放射電磁波を第２の波長 帯域で検出する工程と、前記検出された放射電磁波に関する情報を含む信号をデ ータプロセッサに送信する工程と、 前記データプロセッサで前記情報を解析することによって特定の特性を算出する 工程と、を含む。
23. ２３．請求項２２に記載の方法において、前記解析は、前記物質の特性の各々と 、この物質の特定成分量との関係をそれぞれ表わす第１の等式集合を作る工程と 、 前記検出された放射電磁波と、前記各成分量との関係をそれぞれ表わす第２の等 式集合を作る工程と、 前記第１および第２の等式集合を組み合わせて、前記物質特性の各々と、前記検 出された各放射電磁波との関係を表わす、第３の等式集合を作る工程と、を含む 。
24. ２４．請求項２３に記載の方法において、さらに、前記成分量を表わす変数から 数学マトリクスを形成する工程と、前記マトリクスを解いて、前記第３の等式集 合を求める工程と、を含む。
25. ２５．（１）物質からの放射電磁波を、各帯域が十分に間隔をおいた複数の波長 帯域で測定して、各帯域での測定からサンプルに関するそれぞれ異なる情報を獲 得し、（２）前記すべての波長帯域からの測定値を入力として用いて計算し、前 記物質の特定の特性値を出力として生成する、測定装置。