JPS58115349A

JPS58115349A - 含水量測定装置

Info

Publication number: JPS58115349A
Application number: JP57225132A
Authority: JP
Inventors: マイクル・テイ−・リギン
Original assignee: Sentrol Systems Ltd
Current assignee: Sentrol Systems Ltd
Priority date: 1981-12-23
Filing date: 1982-12-23
Publication date: 1983-07-09
Also published as: GB2112148B; FI76433C; US4484133A; FI824389L; FI76433B; GB2112148A; CA1193660A; JPH0339580B2; FI824389A0; DE3247017A1

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】本発明は、オンライン・マイクロ波水分センサ、ことに
移動するウェ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。

移動するウェブの含水量を、オンライン式に演１】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、ウェブの一方の狽りのマイクロ波送信ホーン
アンテナにより、ウェブを通過してこのウェブの反対側
の受信ホーンアンテナにマイクロ波エネルギーを約２２
．２９１（２の周、波数で差し向ける。受信ホーンアン
テナの信号出力番マ、ウェ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
（ま、マウｙ　ス（Ｍｏｕｎｃｅ　）を発明者とする１
９７４年１１月２６日付米国特許第３，８５１，２４４
号明細書に記載しである。その他の含水量測定器共に丁
、ウォーカー（Ｗａｌｋｅｒ　）を発明者とする米国特
許第６，６９ろ、０７９号、バスカー（Ｂｕｓｋｅｒ　
）等を発明者とする米国特許第５．６８１，６８４号及
びウォーカーを発明者とする米国特許第３，５３４．２
６０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Ｐｏ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　／　Ｐ、　＝　ｅ−” 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
。ウェブの減衰定数は次の式により与えられる。

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ェ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ニｔ
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、含水量以外のウェブの性
質に対する放射線の影響を考慮してない。

マイクロ波は、ウェブの母材又はベース材料と福の水分
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。たとえばウェ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
合水に対する相対的結合量は、ウェ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。

ウェブ内の水に対するマイクロ波の相互作用のほかに、
放射線は又ウェブの母材と相互作用し、減衰定数はウェ
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
。

ウェブの厚さが媒体中のマイクロ波の波長の髪′２の倍
数に近いときは、ウェブの表面からの反射により減衰定
数がウェブ厚さに依存する。

従来の水分測定装置はどれも、減衰定数に対するウェブ
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、移動するウェブの厚さに関係なくその
含水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ェブの基本（
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、移動するウェブ内の７５０９
　／　ｍ２以上の高い水分濃度と５９７　ｍ”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１゜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４０９Ｈ，ｉ。

以上では減衰定数は１８０９Ｈ２まで単調に増す〔ニュ
ーヨーク市プリーナム・ゾレス（ＰｌｅｎｕｍＰｒｅθ
６）社から１９７２年刊行の７エリツクス・フランクス
（Ｆｅｌｉｘ　Ｆｒａｎｋ日）を著者とするフィジック
ス・エンド・フィジカル・ケミストリ・オフ・ウォータ
（Ｐｈｙｓｉ、ｃｓ　ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｃｈ
ｅｍｉｓｔｒｙｏｆ　Ｗａｔｅｒ　）　’）。

第２図に示すように移動するウェーブ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。

固定局、波数発振器１６は、約３．０９　ｇ）（２又は
１００＋ａ＋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チ）を第
１の半導体検出器２１６に差し向ける。半導体検出器２
６は、衝突する放射線の強さの単調に増加する関数てあ
及びオフ（Ｏｏ）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の出力は前置増幅器２８を経てマ
イクロコンぎユータ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ュレータ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、ウェブ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、ウェブ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、ウェブ１２の反対側の送信ホーンアンテナ
３６に整合し、ウェブ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の受は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。このマイクロ波強によって送
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（０２）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
ピュータ３０に結合される°。

本発明によるセンサの動作中にウェブ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。この放射
線は、送信ホーンアンテナ３６により収集され、マイク
ロ波サーキュレータ３４により第６の端子に導かれる。

この第６端子は、電気信号を発生する第６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（０３）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ュータ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
るウェブ区域を観察する。

この構造ではマイクロ波サーキュレータ３４は必要がな
い。

マイクロコンピュータ３０は、変調のオフ及びオンのサ
イクルで６個全部の前置増幅器２８．４４．４８からの
電圧出力を受は堆り、さらに適当ケ検出器５ｏを経てウ
ェブ１２の基準重量の測定値である入力を、又適当な検
出器５２を経てウェブ１２の温度の測定値である入力を
受ける。検出器５２は、たとえばウェブ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ェブ含
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
、移動するウェブ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がらパルス変調器６８を経て電力を受は取
る発振器６４を備えている。５　ｊｉ　／　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６
４は、約４０９Ｈ２又は７．７５＋ｍｉ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、電力の一部を第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を経てサーキュレータ７８に供給する。サー
キュレータ７８は、この電力を第１の送信ホーンアンテ
ナ８０に導く。ウェブ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ェブ６２を経
て差し向ける。ウェブ６２により吸収され又は散乱しな
い放射線は、ウェブ６２の下方に送信ホーンアンテナ８
０に整合して位置させｌた第１の受信ホーンアンテナ８
２に入る。受信ホーンアンテナ８２の受は取るエネルギ
ーは、ウェブ６２内の水分子による減衰又は吸収によっ
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ェブ６２を経て第２の受信ポーンア
ンテナ８６に差し向ける。受信ホーンアンテナ８６の受
は取るエネルギーは、ウェブ６２内の水分子による減衰
又は吸収によっ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回ウェブを通過さ
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、ウェブ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、サーキュレータ７８により
、反射される放射線を測定する第５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
ヂ８２．８６は、ウェブ６２の各側て送信ホー７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ュータ９４に
結合される。さらにマイクロコンぎユータ９４には、検
出器１０２．１０４を経てウェ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ェブ含
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ュータ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ぎユータ９４とに
より追従されるルーチンは、ブロック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
ンアンテナ間のウェ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〔ブロック１１２〕。得られる電圧が誤動作
を指示する前もっ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〔ブロッ
ク１１４，１１６．１１８〕。さもなければ−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Ｐ
２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＝畷−〇姿この式でそれぞれ６個の各検出器から、靭は変調のオン
サイクルで得られる電圧であり、ＯＸはオフサイクルで
得られる電圧である〔ブロック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Ｒ，−Ｐ２／Ｐ１と反射される電力対基準電力の比
Ｒ２＝Ｐ３／Ｐ工とを定めるのに使用されル〔ブロック
１２２〕。送信ホーンアンテナ及び受信ホーンアンテナ
間のウェブによるこれ等のオンシート比はＳｌに対し比
較される〔ブロック１２４〕。Ｓｏは、送信ホーンアン
テナ及び受信ホーンアンテナ間でウェブが除かれ何もな
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（Ｓ□−ＲニーＰ２／Ｐ］）。

これ等の比較は次の式により表わされる。

（４）Ｃ，＝Ｓ工／Ｒ□ （５）、Ｃ２＝Ｓ工／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たって定められ、マイクロコ
ンぎユータに記憶される。

次いで比Ｃ０、Ｃ２はデシベルＤ１、Ｄ２に変換され〔
ブロック１２６Ｌそして送信される莢射線及び反射され
る放射線の損失特性Ｄ３は次の式により表わされる。

（６）　　Ｄ３＝　Ｄｌ　＋ＫＤ２この式でＫは計算される較正パラメータである〔ブロッ
ク１２８〕。較正パラメータには、反射信号Ｄ２と共に
使用され伝送信号Ｄ１を正常化し、ウェブの厚さの変動
を補正する損失係数Ｄ３を供給する。次いで損失係数Ｄ
３は、ウェ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、マイクロコンピュータに記憶された
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５０．５
２又は各検出器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。従って値ＲＭ
は調節される〔ブロック１３０〕。

ブロック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ィールド較
正に補正される。このフィールド補正は、フィールド内
にセットしたたとえば傾斜ＳＬ及びオフセラ）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）　　ｆＶ　＝　ＳＬ　Ｘ　ＲＭ　十ＯＦこの最終
較正では、主較正をマイクロプロセッサに記憶すること
により必要となり、フィールド内では容易に調節でさな
い。次いでこの瞬間値は、適当に表示され〔ブロック１
３４〕、次いでプログラムはブロック１１２にループバ
ックする。

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
、ウェ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
ェブの基本重量及び温度の変化の影響を補償し又移動す
るウェブで７５０！ｌ／ｍ”以上の高い水分濃度と５９
　／’　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°Ｃ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の実施例のブロック線図、第６
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
例のブロック線図、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−・・ウェブ、
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）（イ）マイクロ波エネルギー源と、（吻このマイ
クロ波エネルギー源からウェブを通過してエネルギーを
差し向ける差し向は手段と、（ハ）前記ウェブを通過し
て送られるエネルギーを検出し、第１の信号を発生する
検出手段と、に）前記ウェブの厚さの測定値として第２
の信号を発生する信号発生手段と、（ホ）前記第１及び
第２の信号に応答し、前記ウェブの含水量を指示する指
示手段とを包含する、ウェブの含水量を測定〜する含水
量測定装置。
（２）（イ）マイクロ波エネルギー源と、（ロ）このマ
イクロ波エネルギー源からウェブに向いこのウェブを通
過してエネルギーを差し向ける差し向は手段と、（／つ
前記ウェブを通過して送られるエネルギーの量な測定し
、第１の信号を発生する第１信号発生手段と、に）前記
ウェブから反射されるエネルギーの量を測定し、第２の
信号を発生する第２信号発生手段と、（ホ）前記第１及
び第２の信号に応答し、前記ウェブの含水量を指示する
指示手段とを包含する、ウェブ材料含水量を測定する含
水量測定装置。
（３）（イ）ウェブの一方の側に位置し、このつ再ゾに
向いエネルギーを差し向けるマイクロ波エネルギー源と
、（ロ）前記ウェブの他方の側に位置し、この帽状体を
通過して送られるエネルギーの量の測定値を与える第１
の信号を発生する第１の検出手段と、０前記ウエブの前
記一方の側に位置し、このウェブから反射されるエネル
ギーの量の測定値を与える第２の信号を発生する第２の
検出手段と、に）前記第１及び第２の信号に応ガし、前
記ウェブの含水量を指示する指示手段とを包含する、ウ
ェブ材料の含水量を測定する含水量測定装置。
（４）（イ）マイクロ波エネルギー源と、（→このマイ
クロ波エネルギー源から放出されるエネルギーを測定し
１．第１の信号を発生する第１信夛発生手段と、（ハ）
前記マイクロ波エネルギー源から材料に向いエネルギー
を差し向けるとエネルギー差し向は手段と、に）前記材
料を通過して送゛られるエネルギーの量を測定し、第２
の信号を発生する第２信号発生手段と、（ホ）前記材料
から反射されるエネルギーの量を測定し、第６の信号を
発生する第３信号発生手段と、（へ）前記第１、第２及
び第６の信号に応答し、前記ウェブ材料の含水量の測定
値を供給する供給手段とを包含する、材料の含水量を測
定する含水量測定装置。
（５）前記マイクロ波エネルギー源が周波数のＳ又はＧ
帯域で動作するようにした特許請求の範囲第（４）項記
載の含水量測定装置。
（６）　　マイクロ波エネルギーΩ源が周波数へＱ帯域
で動作するようにした特許請求の範囲第（４）項記載の
き水量測定装置。
（７）　　（イ）ウェブの一方の側に位置し、このウェ
ブに向いエネルギーを差し向けるマイクロ波エネルギー
源と、（Ｏ１前記ウェブの他方の側に位置し、このウニ
／を通過して送られるエネ、□ルイーの量の測定値を与
える第１の信号を発生する第１の検出手段と、（／つ前
記ウェブの前記一方の側に位置し１．前記ウェブから反
射されるエネルギーの量の測定値をに）前記ウェブの温
度の測定値を与える第６の信号を発生ず・る第３信号発
生手段と、（ホ）前記ウェブの基本重量の測定値を与え
る第４の信号を発生する第４信号発生手段と、（ハ）前
記第１、第２、第６及び第４の信号に応答し、前記ウェ
ブの含水量を指示する指示手段とを包含する、ウェブ材
料の含水量を測定する含水量測定装置。
（８）（ｆ）周波数のＱ帯域におけるマイクロ波エネル
ギー源と、（（ロ）このマイクロ波エネルギー源からウ
ェブに向いエネルギーを差し向けるエネルギー差し向は
手段と、（１）前記ウェブを通過してエネルギーを複数
回送り、合成エネルギーを発生する手段と、に）前記合
成エネルギーを検出し、前記ウェブを通過して送られる
エネルギーの量を指示する第１の信号を発生する第１の
検出手段と、（ホ）前記ウェブから反射されるエネルギ
ーを検出し、第２の信号を発生する第２の検出手段と、
（へ）前記第１及び第２の信号に応答し、前記ウェブの
含水量を指示する指示手段とを包含する、ウェブの含水
量を測定する含水量測定装置。