JPH09218168A - マイクロ波による水分測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料の厚さ（Ｌ）や密度（ρ）など試料によ
る水分以外の変動要素に影響されない水分測定方法の提
供。 【解決手段】 厚さ（Ｌ）の試料に周波数が異なるマイ
クロ波（周波数Ｆ1 ，Ｆ2 ）を照射して試料によるマイ
クロ波の減衰量（Ａ1,Ａ2 ）を得、これらとあらかじめ
準備した同試料の水分が０％の場合の同じマイクロ波の
それぞれの減衰量（β1,β2 ）とから、次式により試料
の含水率（φ）を得る水分測定方法。 φ＝（Ａ2 ・β1 −Ａ1 ・β2 ）／（Ａ1 ・α2 −Ａ2
・α1 ） ただし、（α1 ，α2 ）は、周波数Ｆ1 ，Ｆ2 のマイク
ロ波の水分による減衰量（γ1 ，γ2 ）と含水率（φ）
間の係数であって定数とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、マイクロ波を利
用した水分測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波エネルギーが試料（測定対象
物）中の水分によって減衰され、その程度が水分の多少
に応じて異なることを利用する水分測定装置は種々のも
のが知られている（特開平１−３０１１５２号公報）。
このうち、透過型は試料にマイクロ波を貫通させ、貫通
後のマイクロ波エネルギーの減衰量を検出し、これから
試料の含水率（φ）を換算する。この減衰量から含水率
（φ）への換算にはすでに種々の算出式、手法が提案さ
れているが、透過型の場合、マイクロ波の減衰量（Ａ）
は、試料の厚さ（Ｌ）や密度（ρ）によっても異なるた
めに、測定する試料の厚さを均一にする必要がある。

【０００３】しかし、茶葉や木材チップの処理過程のよ
うに不定形小片の集合を帯状に移動させながら含水率を
測定する場合や、板材あるいは角材などの乾燥工程でこ
れらを移動させながら含水率を測定する場合に、茶葉や
木材チップの層の厚さ（Ｌ）や密度（ρ）、または板材
や角材の厚さ（Ｌ）を一定に維持することは困難であ
る。実際には、茶葉や木材チップの場合スクレーパーで
慣らすとか測定値を試料重量で補正するなど種々の手段
を採用しているが、誤差の混入は免れない。なお、水分
に関するマイクロ波の減衰量（γ）は周波数（Ｆ1 ，Ｆ
2 ）によって異なり、周波数に比例して高くなっていく
（図３）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、試料の厚
さ（Ｌ）や密度（ρ）などの水分以外の試料に関する変
動要素と無関係に含水率（φ）を測定できるマイクロ波
を利用した測定方法の提供を課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】試料に、周波数が異なる
マイクロ波（Ｆ1 ，Ｆ2 …Ｆn ，Ｆn+1 ）を照射する。
それぞれの場合に得られるマイクロ波の減衰量（検出減
衰量Ａ1 ，Ａ2 …Ａn，Ａn+1 ）、あらかじめ準備した
同試料の水分が０％の場合の同じマイクロ波のそれぞれ
の減衰量（既知の減衰量β1 ，β2 …βn ，βn+1 ）お
よび未知とした試料の含水率（φ）を用いて、前記の周
波数ごとに、検出減衰量に関する既知減衰量および未知
含水率との関係を示す式を必要な数（n ）だけ作る。原
則的に消去する項目の数が１個であれば２式、２個であ
れば３式が必要である。

【０００６】マイクロ波の減衰は試料そのものの材質や
例えば厚さ（Ｌ）および密度（ρ）、あるいは水分の量
（含水率φ）で影響を受ける。この内、材質による減衰
は厚さ（Ｌ）、密度（ρ）の関数となり、含水率（φ）
によるマイクロ波の減衰とは分離して考えることができ
る。これらの連立された式から試料による水分以外の変
動要素（例えば、厚さや密度）を消去して含水率（φ）
を得る。

【０００７】試料による水分以外の変動要素が試料の厚
さ（Ｌ）だけである場合は次の構成となる。厚さ（Ｌ）
の試料に周波数が異なるマイクロ波（例えば、周波数Ｆ
1 ，Ｆ2 ）を照射して試料によるマイクロ波の減衰量
（Ａ1,Ａ2 ）を得る。一方、あらかじめ準備した同じ試
料の水分が０％の場合における同じマイクロ波（周波数
Ｆ1 ，Ｆ2 ）のそれぞれの減衰量（β1,β2 ）を求めて
おく。また、周波数Ｆ1 ，Ｆ2 のマイクロ波が水分によ
って減衰される量（減衰量γ1 ，γ2 ）は含水率（φ）
と比例するので、その間の係数をα1 ，α2 （定数）と
すると、 γ1 ＝α1 ・φ γ2 ＝α2 ・φ である。

【０００８】そして、これらの値には次の関係がある。 Ａ1 ＝γ1 ・Ｌ＋β1 ・Ｌ＝（α1 ・φ＋β1 ）・Ｌ … Ａ2 ＝γ2 ・Ｌ＋β2 ・Ｌ＝（α2 ・φ＋β2 ）・Ｌ … 、式から（Ｌ）を消去すると、次式を得る。 φ＝（Ａ2 ・β1 −Ａ1 ・β2 ）／（Ａ1 ・α2 −Ａ2 ・α1 ） … 式は（Ｌ）の要素を持たないから、異なる周波数のマ
イクロ波を照射し、その減衰量（Ａ1,，Ａ2 ）を得るこ
とによってに試料の厚さ（Ｌ）と無関係に含水率（φ）
を得ることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図２は、板材あるいは角材１の乾
燥行程を概略で示したもので、乾燥炉２の内部をコンベ
ア３に載って板材あるいは角材１が移動する。乾燥炉２
には加熱送風装置４が配置されると共に出口には水分測
定装置５が配置され、コンベア３はモーター６で駆動さ
れる。加熱送風装置４に対する電力の供給量、コンベア
３を駆動するモーター６の回転量は、制御装置７の制御
下にあり、また、水分測定装置５の測定値出力は制御装
置７に入力される。

【００１０】水分測定装置５（図１）は、制御部８、マ
イクロ波発振装置９およびマイクロ波受信装置１０を備
える。制御部８は、制御装置７の一部として構成され、
演算装置（CPU)とそのバスに接続された処理プログラム
格納部（ROM ）、データ記憶部（RAM ）、手動データ入
力部（MDI ）および入出力部（I/O ）を備える。マイク
ロ波発振装置９は、ガンダイオードなどを用いた周知の
発振回路１１とその発振周波数の切換え回路１２および
発振ホーン１３を有する。マイクロ波受信装置１０は、
受信ホーン１４と受信回路１５を備える。

【００１１】発振ホーン１３と受信ホーン１４はコンベ
ア３上の試料１を挟むようにして配置され、発振装置９
と受信装置１０は、制御部８の入出力部（I/O ）に接続
される。発振装置９は通常一つの定まった周波数（例、
１０GHz ）のマイクロ波を連続発振しているが、制御部
８から周波数切換え回路１２に指令のあったとき発振周
波数を今一つの定まった周波数（例 １８GHz ）に切換
える。この場合、別の発振ホーンを必要とすることがあ
る。受信装置１０で得た測定値はデジタル値に変換され
て入出力部（I/O ）の入力ポートに伝達される。

【００１２】制御部８の処理プログラム格納部（ROM ）
には、前記の式である演算式 φ＝（Ａ2 ・β1 −Ａ1 ・β2 ）／（Ａ1 ・α2 −Ａ2
・α1 ） および水分測定用のシーケンスプログラムが格納されて
いる。すなわち、この制御部８は現在、試料による水分
以外の変動要素を試料の厚さ（Ｌ）のみとしている。デ
ータ記憶部（RAM ）には手動データ入力部（MDI ）か
ら、板材あるいは角材１に関するβ1 ，β2 の値、およ
び使用するマイクロ波の周波数（Ｆ1,Ｆ2 ）に関するα
1 ，α2 の値が入力され、記憶されている。

【００１３】板材あるいは角材１の乾燥工程が稼働され
ると、乾燥炉２の内部を通過する板材あるいは角材１に
加熱乾燥空気が送られ、試料１は炉内を移動中に乾燥作
用を受ける。加熱乾燥空気の熱量と風量、湿度およびコ
ンベア３による移送速度は、乾燥炉２の出口位置に配置
された水分測定装置５の測定結果を一つの要素として制
御装置７によって制御される。制御部８は、自身が備え
たタイマーに基づいて所定間隔（例、３秒ごと）に測定
指令を発して、発振装置９から、現在の周波数（例、Ｆ
1 ）とその出力の大きさをデータ記憶部（RAM ）の第１
領域に記憶し、また、入出力部のポートからそのときの
受信値を第２領域に記憶し、これらからマイクロ波の減
衰量（Ａ1 ）を算出してデータ記憶部（RAM ）の第３領
域に記憶する。

【００１４】ついで、制御部８は発振装置９に指令を出
して周波数切換え回路を駆動して発振周波数（Ｆ1 ）か
ら周波数（Ｆ2 ）に切換え、前記と同様にしてその時の
マイクロ波の減衰量（Ａ2 ）を得、データ記憶部（RAM
）の所定の領域に記憶する。そして、演算装置（CPU)
は、データ記憶部（RAM ）におけるこれらの値を呼び出
して式を演算して含水率（φ）を得る。

【００１５】このようにして得られる含水率（φ）は、
式の特徴から、試料の厚さ（Ｌ）に影響されないか
ら、板材あるいは角材１の厚さ（Ｌ）に多少の変化（む
ら）があっても、正確な測定値を得られる。得られた含
水率（φ）は、必要に応じていくつかを合計して平均化
する等の処理をして制御部８に付属する表示装置１６に
表示し、また、入出力部（I/O ）を介して前記の加熱送
風装置４のような外部機器１７の制御に用いられる。

【００１６】以上は、一つの実施形態であって、試料に
よる水分以外の変動要素として密度（ρ）やその他のも
のを選定して同様に処理することができる。ただし、こ
の変動要素が複数となったときはその数だけの式を作る
必要がある。もちろん、本願発明は、例えば石膏ボード
の乾燥行程のように比較的均等な厚さ（Ｌ）を持つ試料
の含水率（φ）の検出にも用いることができる。また、
減衰量（Ａ）に変えて、位相の変化量（Ｐ）を採用し、
前記の式における（Ａ）を（Ｐ）に置換することで同様
に含水率（φ）求めることができる。すなわち、前記の
式は、次のようになる。 Ｐ1 ＝δ1 ・Ｌ＋ε1 ・Ｌ＝（ｂ1 ・φ＋ε1 ）・Ｌ … ただし、δ1 ＝ｂ1 ・φ。また、δ1 は水分により周波
数（Ｆ1 ）のマイクロ波が受ける位相変化量、ｂ1 は位
相変化量と含水率（φ）間の係数、ε1 は試料の水分が
０％のときの位相変化量（単位rad/m ）である。

【００１７】

【発明の効果】試料の厚さや密度等、試料による水分以
外の変動要素によって測定結果が影響されず、例えば、
搬送されている板材あるいは角材、茶葉や木材チップな
どの厚さ、密度を一定に整えることが困難なものについ
ても、水分測定の精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】測定方法を概念的に示す図。

【図２】乾燥工程を概念的に示す図。

【図３】マイクロ波の周波数と減衰量の関係を示す図。

【符号の説明】

１ 試料（板材あるいは角材） ２ 乾燥炉 ３ コンベア ４ 加熱送風装置 ５ 水分測定装置 ６ モーター ７ 制御装置 ８ 制御部 ９ マイクロ波発振装置 １０ マイクロ波受信装置 １１ 発振回路 １２ 周波数切換え回路 １３ 発振ホーン １４ 受信ホーン １５ 受信装置 １６ 表示装置 １７ 外部機器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周波数が異なるマイクロ波を試料に照射
   して、それぞれの場合に得られるマイクロ波の減衰量
   （検出減衰量Ａ1 ，Ａ2 …Ａn ，Ａn+1 ）、およびあら
   かじめ準備した同試料の水分が０％の場合の同じマイク
   ロ波のそれぞれの減衰量（既知の減衰量β1 ，β2 …，
   βn ，βn+1 ）および未知とした試料の含水率（φ）を
   用いて、前記の周波数ごとに、検出減衰量に関する既知
   減衰量および未知含水率との関係を示す式を必要な数
   （n ）だけ作り、これらの連立された式から試料による
   水分以外の変動要素の項目を消去して含水率（φ）を得
   ることを特徴としたマイクロ波による水分測定方法。
2. 【請求項２】 厚さ（Ｌ）の試料に周波数が異なるマイ
   クロ波（周波数Ｆ1，Ｆ2 ）を照射して試料によるマイ
   クロ波のそれぞれの減衰量（Ａ1,Ａ2 ）を得、これらと
   あらかじめ準備した同試料の水分が０％の場合の同じマ
   イクロ波のそれぞれの減衰量（β1,β2 ）とから、次式
   により試料の含水率（φ）を得る水分測定方法。 φ＝（Ａ2 ・β1 −Ａ1 ・β2 ）／（Ａ1 ・α2 −Ａ2
   ・α1 ） ただし、（α1 ，α2 ）は、周波数Ｆ1 ，Ｆ2 のマイク
   ロ波の水分による減衰量（γ1 ，γ2 ）と含水率（φ）
   間の係数であって定数である。