JPS59174739A - 水分測定方法および装置 - Google Patents

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】 この発明は粉体、粒状体、土壌などの固体性被測定物に
光を照射してこれを加熱し、この加熱にもとづく水分の
蒸発量から前記被測定物Ｋｌｌ＆着あるいは含有されて
いる水分量を測定する方法および装置に関する。

〔従来技術と、その問題点〕

従来、上述のような被測定物ρ水分量を測定する装置は
各種の乾燥二相において乾燥状態を監視した９制御する
だめの検出端として使用されていルカ、このような装置
ではオ・ンライン（（’５Ｎ−ＬＩＮＥ）で連続的に測
定できること、高水分量から低水分量にわたる広い測定
範囲を有すること、測定結果が被測定物の状態、′ｔ７
！ｉ：わち色、反射率、組成や粒状物の形態などの影響
を受けないことなどの性態が要求されるのが逆側である
。ところが現在、これらの諸要求を一柚類の動作原理を
用いた測定装置ですべて満足させることのできる測定装
置は実用に供されておらず、この結果粉体、粒状体、土
壌などの固体性被測定物の含水Ｉを測定するに際しては
、被測定物の状態や測定の目的などに応じて最も適切と
思われる動作原理を有する測定装置を選定せさるをえな
いのであるが、浄水場や下水処理場における汚泥のよう
に、高水分量でしかも状態が一定してい々い被測定物に
対しては実用に供しうる適当な水分測定装置が見当らな
い現状である。

次に従来一般によく使用されている固体の含有水分を連
続的に測定することのできる反射形赤外線水分計を図面
を参照して説明する０ 第１図はこのような反射形赤外紛水分組の動作原理図で
あって、°図において１は連続スペクトルを有する光を
出射する光源、２は凹面鏡、３はレンズで、光源１から
出射した光は凹面鏡２、レンズ３によって集束されて反
射鏡４に達し、“その反射ｉで反射されて回転板５に投
射される。回転板５にはフィルタ５ａ、５ｂが設けられ
ていて、この回転板５は電動機６によって回転している
。フィつ水分によって吸収されない特定の波長領域の光
のみを透過させるように特性が撰定されている。

反射鏡４から回転板５に投射された光は回転板５の回μ
に伴なってフィル゛りｓａ、’ｓｂを交互に透過して反
射鏡７に達し、ここで反射されて被測定物８０表面８ａ
に投射され、ここでさらに反射された後凹面ｆＲ９で集
束されて検出器１０に入射する。検出器１０は入射した
光景をそれに相当した電気信号に変換する。前記の被測
定物８に入射した光は、その中の一部が表面８ａで反射
され、残部は被岬定物８を構成する粒子の間隙にはいシ
こんで乱反射され、その一部は吸収され残部は再び被測
定物８外に反射される。この際被測定物８に入射した光
に水分の特性吸収波長領域に一致した波長成分が含まれ
ていると、この波長成分の光は前記の表面８１、附近に
おける反射の過程で、表面８３に吸着されあるいは表面
８ａ附近の被測定物８を構成する粒子間にはいυこんで
いる水分によって吸収され、しかもその吸収光景は前記
の水分の景に依存する。

したがってフィルタ５ａを透過して被測定物８に達した
光は、ここで被測定物８の含水量に応じて吸収されて残
部が検出器工０に入射するが、フィルタ５ｂを透過して
被測定物８に達した光は水分による吸収を受りないで検
出器１０に入射する。検出器１０に入射するフィルタ５
８オたは５ｂのいずれを透過して来た光の光量も共に光
源１の出射光量変化や被測定物８における反射率変化等
の影響を受けるが、その影響は両者に対して同程度であ
るので、検出器ｌＯの出力信号を、図示していない電気
回路によＩってフィルタ５ａの透過光とフィルタ５ｂ−
の透過光との各々に相当する信号に分離した後両信号の
比を演算することによシ、この−演界結果から被測定物
８の表面８ａＫ吸着されあるいは表面８８・附近の被測
定物８を構成する粒子間にいはりこんでいる水分の量が
測定され、これによって被測定物８全体の含水量が推定
されることになる。

第１図の水分針は上述のような構成ならび作用を有する
ものであるが、この水分計は被測定物からの反射光を検
出するものであるから、被測定物の表面が粗であったシ
被測定物が着色していて黒色に近くなっていると光の反
射率が小さくなシ、また被測定物の含水量が多いと吸収
光景が多くなるので、このような場合反射光景が検出に
必要な光景以下となることが多く、この結果このよう々
水分計は被測定物が黒色に近くなっていたシ高含水量で
あったシ表面が粗であったシすると安定した高Ｎ廓の測
定ができないという欠点、＞ｆある。

（発明の目的〕 この発明は以上に説明したような粉体、粒状体や土壌な
どの同体性被測定物に対する従来の水分測定方法および
装置の欠点を除去して、被測定物の状態すなわち色、反
射率、組成や粒状物の形態などによらず連続的に測定で
き゛て、特に高含水量の着色した対象物のような反射率
の小さい被測定物に対して有効な水分測定方法および装
置を提供することを目的とするものである。

〔発明の要点〕

この発明は上述の目的を達成するために固体性被測定物
の含水量を測定する方法を、 １）被測定物に光を照射するとその被測定物の表面附近
が加熱されて含有されていた水分が蒸発し、この水蒸気
によって被測定物の光を照射された部分附近の雰囲気中
の水分量が増加し、この増加した水分量は光の照射時間
が一定であれに被測定物の含水量に依存しているので、
この雰囲気中の水分のａＫを検出して前記含水量を測定
するようにするか、ｔたは、 ２ン前記１）項のようにして検出した雰囲気中の水分量
は、光の照射によって蒸発しノこ水分と光が照射される
前に被測定物のその附近の雰囲気中に始めから存在して
いた水分との和てｂるがら、前記１）項のようにして水
分＃度を検出すると同時に被測定物の光を照射されない
部分附近の雰囲気中の水分濃度も検出して、雨検出結果
の差を求゛めることによって被測定物から蒸発した水分
量のみを検出し、これによって被測定物の含水量を測定
するようにしたものであって、 いずれの方法も被測定物からの反射光を利用しない方法
としたものであり、またこの発明は上述の目的を達成す
るた、めに固体性被測定物の含水量を測定する水分測定
装置を、 ３）投光部と導管と分析部とで構成し、前記投光部によ
；て被測定物に光を照射してこの照射された部分を加熱
してここから水分を蒸発させ、この蒸発させられた水分
を含む附近の雰囲気を導管に捕集し、この捕集された雰
囲気中の水分子％度を前記分析部で光学的□に検出する
ようにすると、前記の蒸発させられた水分の量は光の照
射時間が一定であれば被測定物の含水量に依存していて
これに伴なって前記導管内の水分濃度が変化′するので
、前記分析部によるｆＲ度検出の結果をもって被測定物
の含水量を測定するようにするか、または、４ン前記３
）項のようにして検出した導管内の水分濃度は、光の照
射によって蒸発した水分と光が照射される前に被測定物
のその附近の雰囲気中に始めから存在していた水分とに
よって形成されたものであるから、前記３）項のように
水分測定装置を投光部と導管と分析部とで構成して該導
管内の水分濃度を検出すると同時Ｋ、該水分測定装置に
さらに第２導管と第２分析部と差動検出器とを設けて被
測定物の光を照射されない部分附近の雰囲気を第２導管
に捕集し、この捕集された雰囲気中の水分濃度を第２分
析部で検出し、前記の分析部による検出結果と第２分析
部による検出結果との差を差動検出器で検出して被測定
物から蒸発した水分量のみを求めるようにして、との差
動検出器による検出結果をもって被測定物の含水量を測
定するようにしたものであって、 いずれの測定装置も被測定物からの反射光を利用しない
測定装置としたものである。

〔発明の実施例〕

次に本発明を図面にもとづいて詳細に説明する。

第２図は本発明による水分測定方法を説明するだめの、
ハロゲンランプで照射された汚泥試料における水分蒸発
量の時間的変化を示す実数結果の一例である。図から明
らかなように水分蒸発量は時間経過と共に増大している
が、照射時間が一定であれば水分蒸発量は試料の含水率
が高い程多くなっていてその含水率に一義的に依存して
いる。

したがって水分が蒸発するとその蒸発量に応じて被測定
物であるところの試料のその附近の雰囲気φの水分濃度
が上昇するので、試料を一定時間光で照射してこの水分
濃度を検出することによって試料の水分量が測定できる
ことになる。この芥囲気中の水分濃度は、本発明者の実
験によれば、被かつ 測定物が高含水量ν譬射率が小さいために前述の反射形
赤外線水分計では測定不能であるよ５な場合でも、後に
述べる本発明による測定装置の分析部で充分に検出でき
・る程度の濃度である。ただしこの場合に濃度検出が行
表われる雰囲気中の水分濃度は、光の照射によって試料
から蒸発した水分と、光を照射しない前に初めから雰囲
気中に存在していた水分とによって形成されたものであ
るから、前記のような水分の測定方法は試料に光を照射
しない前に初めから雰囲気中に存在していた水分量が既
知である場合に適用できる方法である。

このため試料の光が照射されることになる部分附近の雰
囲気中の水分量が未知である場合は、光が照射された部
分と光が照射されない部分との各部分附近の雰囲気中の
水分濃度を検出してそれら各濃度の差から蒸発水分量を
求めるよ、うにすると、この蒸発水分量から試料の水分
量を測定することができることになり、このような測定
方法は試料の光が照射されることになる部分附近の雰囲
気中の水分量が既知である場合にも適用できるので、こ
の既知の水分量が時間的に変動するような場合でも、こ
のような測定方法によれば水分蒸発量の検出が容易で、
この結果被測定物中の水分を連続的に測定することがで
きる。

第３図は本発明による水分測定装置の一実施例の概略縦
断面図である。図において１１は水分測定を行なう空気
中にはは水平Ｋｆｌｉかれた被測定物、１２は赤外線を
出射するタングステンランプあるいはハロゲンランプ等
の光源、１３はその出射光、′１４は出射光を平行光束
にして被測定物１１に照射する凹面鏡、１５は光源１２
と凹面鏡１４とからなる投光部、１６は両端が開口した
導管である。導管１６はその一つの開口端が被測定物１
１に対向するようにｉｔ　ｔｘ垂直にして、かつ被測定
物に対しイー間隙１７を有するようにして、図示してい
ない本水分測定装置の筐体に固定されており、投光部１
５は平行光束となった出射光１３が導管１６内をその軸
の方向に通って被測定物１１を照射するように配設され
ていて、これもまた図示していない前記筐体に固定され
ている。

１８は導管１６の被測定物１１＠とけ反対側の開口端の
近くで該導管１６を横切って設りた光路、１９．ａａそ
れぞれ赤外線が光路１８に沿って導管１６を貫通するよ
うに該導管１６の側面に対向して設けた赤外線透過窓、
２１は繭記亦外線を透過窓１９から透過窓２０へ向けて
出射するように導管１６の外１側面に接して設けた光源
部、２２は光源部２１から出射された前記の赤外線を透
過窓■９および２０を介して受光するように導管１６の
外側面に接して設゛けた受光部である。

受光部２２は受光量に応じた電気信号を出力する。

したがって光路１８は光源部２１と受光部２２と透過窓
１９および茄とで形成嘔れておシ、光源部２１と受光部
２２とで分析部ｎが構成されている。

図のｍ＋＋定装置は上述のように構成されているので、
光源１２の出射光１３が被測定物１１を照射すると被測
定物１１が加熱されてこの部分から水分２４が蒸発する
。同時に被測定物１１の出射光１３によって照射され７
’ｃ部分附近の雰囲気を形成している空気も暖められる
ので、この暖められた空気はトンネル現象によって水分
２４と共に導管１６内を上昇し、光路１８を横切った後
導管１６の上部の叩目端から販導に入射する。この光の
吸収量は光路１８における空気中の水分の製置に依存し
ているので結局受光部２２はこの水分濃度を検出してそ
の検出結果に相嶺する電気信号を出力することになる。

一方導管１６においては、その内部を暖められた空気が
上昇するにつれて、その外部の空気が間１１Ｊ１７から
内部に遂次流入して被測定物１１の嵌置によって暖めら
れ、遂次蒸発する水分２４と共に導管１６内を上昇する
。

すなわち、導管１６は光によって照射されて被測定物１
１から蒸発す゛る水分２４を含む該被測定物１１の光を
照射された部分附近の雰囲気を捕集する機能を有してい
る。受光部２２ではこの上昇して来る空気中の光路１８
における水分濃度が時間的に連続して検出されることに
なる。受光部２２で検出される水分濃度は被測定物１１
からの蒸発水分量に依存しておシ、その蒸発水分量れ前
述のように出射光１３による照射時間が一足である場合
には被測定物１１の含有水分量に依存しているのて、結
局本実施例の測定装置における、水分濃度を光学的に検
出する分析部ｎを構成する受光部２２の出力信号は被測
定物１１の含有水分量を測定する尺度となるものである
。

本実施例の水分測定装置は上述のような構成ならびに作
用を有していて、被測定物１１からの反射光を利用して
水分測定を行なうものではないから、本実施例の測定装
置には測定結′果が被測定物１１０色や反射率などの影
響を受けることが少なく、また先に述べた実験結果から
特に高含水量でしかも着色した対象物のよう表反射率の
小さい被測定物に対しても安定した高精度の測定ができ
るという効果がある５、ｉた本実施例では光源１２から
の出射光１３を平行光束にして、この平行光束が導管１
６内をその軸の方向に通るようにしているので、この光
束が導管１６の内壁面で反射、吸収されることが殆んど
なく、このため光源１２からの出射エネルギーが有効に
被測定物１１表面の加熱に利用されるという効果もおる
。さらＫまた本実施例では、導音１６内を上昇する空気
の中の水分濃度が受光部２２において時間的に連続して
検出されるので、たとえば被測定物１１がコンベアに乗
せられた下水処理場の汚泥である場合のように、被測定
物工１と導管１６とが相対的に動いているような場合で
も、被測定物１１の表面上の一点が導管１６の端面に対
向する位置を所定時間で通過するようになっていれば被
測定物１１の含水量の測定が可能であるという効果もあ
る０ しかしながら本実施例の測定装置では光路１８における
空気中の水分濃度を検出するのであるから、その検出結
果は間隙１７から導管１６内に流入する導管１６外の空
気中の水分量と被測定物１１から蒸発する水分量との和
にもとづく濃度となっている。したがって本実施例の測
定装置ではその検出結果からなんらかの手段によって導
管１６外の空気中の水分量の影響を除く必要がある。

第４図は、第３図の測定装置に対して導管１６外の空気
中の水分量の影響を除く手段を設けた水分測定装置の一
実施例の構成図である。図において２２ａは光路１８に
おける空気中の水分濃度に応じた失光部２２の出力電気
信号、５は第、３図において間隙１７から導管１６内に
流入する該導管１６外の空気中の水分量を検出しうるよ
うに導管１６の外側面に固定し７ｃ湿度センサ（Ｍ３図
に１図示していない）、２５杜その出力電気信号である
。１９号２２ａは前述のように第３図において間隙１７
から導管１６内に流入する導管１６外の空気中の水分量
と被測定物１１から蒸発する水分量との和に相当した信
号で、２６はこの信号２２ａと信号２５ａとが入力され
て内部で信号処理を行ない、被測定物１１から蒸発する
水分量に対応した該被測定物１１の含有水分量に相当し
た電気信号２６ａを出力する信号処理回路である。しだ
がって第４図の測定装置では第３図における導管１６外
の空気中の水分量の影響が除去されて被測定物に流側の
械略横断平面図である。図において２７は導管１６に外
接してかつその導管１６に平行して設けた導管１６と＃
１ぼ同じ長さの第２導管、邦は導管１６と２７とに共通
な管壁である。第２導管２７は導管１６と同様に両端が
開口している。図においては、第３図の投光部１５は導
管１６の部分に対応する本紙面の表側の位置に、第３図
の被測定物ｌ１１本紙面の裏側の位置に配設されている
。前記の投光部１５はその出射光が導管１６内のみを通
るように配設されている。２９は導管１６における光路
１８とほぼ平行に第ように該導管２７の側面に対向して
設けた赤外線透過窓、３２は前記赤外線を透過窓３０か
ら透過窓３１へ向けて出射するように導管２７の外側面
に接近させて図示していない本測定装置の筐体に固定し
た第２光源部である。−第２光源部３２の出射光量は光
源部２１の出射光量に等しくなるように構成されている
。３３は第２光源部３２から出射された前記の赤外線を
透過窓３０および３１を介して受光するように導管２７
の外側面に接して設けた第２受光部である。

したがって光路四は光源部３２と受光部おと透過窓３０
および３１とで形成されておシ、光源部３２と受光部３
３とで第２分析部３４が構成されている。３５は差動検
出器で、３６は吸光部２２の内部と差動検出器３５の内
部とを連通させた連通部、３７ａ第２受光部３３の内部
と差動検出器３５の内部とを連通させた連通部、３８は
検出器３５の内部に設けた金属細線からなる検出素子で
ある。検出素子詔は本測定装置が測定状態にある時は電
流で加熱されている。受光部２２の内部と受光部３３の
内部とは差動検出器３５の内部を介して連通ずるように
構成゛されていて、この一連の連通空所には水分の特性
吸収波長領域と同一の特性吸収波長領域を有する気体４
２が封入みれている。３９は差動検出器３５の出力電気
信号、４０は同期電動機、４１は電動機４０の軸４０ａ
に固定されて回転する回転円板で、この回転円板は光路
１８および２９における各赤外線を同時にしゃ断しまた
は通過させるように導管１６および２７の外部に配設さ
れている。光源部２１はこの場合導管Ｉ６の外側面に接
近させられて、図示していない本測定装置の筐体に固定
されている。

図の測定装置は上述のように構成されているの該光路上
の水分濃度に応じて水分の特性吸収波長領域の光が吸収
されて受光部２２および３３に同時に入射する。受光部
２２および３３では入射した赤外線の中の水分の特性吸
収波長領域における残存した光が気体４２に吸収される
のでこの気体４２の圧力が上昇する。光路１ＢＫおりる
水分濃度と光路２９における水分濃度とに差があれば気
体４２の圧力上昇は受光部２２と受光部おとでは異なる
。したがってこの圧力差に応じて気体４２が差動検出器
３５内を流れ、この結果検出素子間が冷却されてその電
気抵抗が変・化する。この電気抵抗の変化量は前記の圧
力差に依存しておシ、この圧力差線光路１８における水
分濃度と光路２９における水分濃度との差に対応してい
て、光路１８における水分濃度は被測定物から蒸発した
水分と導管１６外の空気中の水分とにもとづくもので、
光路２９における水分濃度は導管２７内の空気中の水分
にもとづくもので、導管２７内の空気はその、外部すな
わち導管１６外の空気とわずかな風によって容易に置換
す石ので、素子３８の電気抵抗の変化量は被測定物から
蒸発した水分量に相当した信号となり、結局この信号は
被測定物の含水量を測定する尺度となるものである。上
述の説明から明らかなように、差動検出器３５は分析部
ｎにおける水分濃度の検出結果に相当する出カイ１号と
しての受光部２２内の気体４２の上昇圧力と、第２分析
部３４における水分濃度の検出結果に相当する出力信号
としての受光部３３内の気体４２の上昇圧力とが入力さ
れて、その差に相当す゛る検出素子３８の電気抵抗の変
化を出力信号３９として出方するものである。回転板４
１は出力信号３９が交流になるよう圧して、この信号に
対する輻幅等の処理を容易にするという機能を有してい
る。

本実施例の水分測定装置は上述のような構成ならびに作
用を有しているので、本実施例には、第４図の実施例に
おける湿度センサ２５のような補イに手段を設けること
なく導管Ｉ６外の空気中の水分の影響を除去して被測定
物の含有水分量を一測定できるという効果があシ、また
本実施例には第３図の実施例におけると同様に測定値が
被測定物の色や反射率の影響を受けることが少なく、移
動物体に対する連続測定ができるなどの効果もある。

〔発明の効果〕

本発明によれば粉体、粒状体または土壌などの固体性被
測定物の含有水分量を測定する方法を、被測定物に光を
照射してこれを加熱して該被測定物の含有水分の一部を
蒸発させ、その蒸発水分を含む被測定物の前記光を照射
された部分附近の雰囲気中の水分濃度を検出する方法と
し、前記の固体性被測定物の含有水分量を測定する装置
を、投光部と導管と水分＃１度を光学的に検出する分析
部とで構成して、この投光部からの出射光によって被測
定物を照射してこれを加熱して該被測定物の含有水分の
一部を蒸発させ、その蒸発水分を含む被測定物の前記投
光部によって光を照射された部分附近の雰囲気を前記導
管内に捕集し、この導管内の前記雰囲気中の水分濃度を
前記分析部で検出してその検出結果に相当する信号を出
方させるようにしたので、このような水分測定方法およ
び装置においては、被測定物からの蒸発水分量がその被
測定物の含水量に依存し、その蒸発水分を含む雰囲気中
の水分濃度はその蒸発水分量に依存しているため、この
水分濃度の検出結果は被測定物の東 含拵量に対する尺度となシ、結局この水分濃度な検出す
ることにより被測定物の含水量を測定できることＫなる
。またこのような水分測定方法および装置においては、
被測定物からの水分の蒸発は被測定物に光を照射してこ
れを加熱して行なうものであシ、被測定物の含水量の測
定を蒸発水分を含む雰囲気中の水分濃度の検出を介して
行なうものであるから、本発明による水分測定方法およ
び装置には、被測定物の色や反射率などの影響を受ける
ことが少なく、特に、反射光を利用した水分測定装置で
は反射光量が少なくなって測定不能となるような、高含
水量でしかも着色した反射率の小さい被測定物に対して
も安定した高精度の測定ができるという効果もある。

なお本発明による測定方法および装置はそのまま固体中
の揮発しやすい成分、たとえば高分子材料中の単量体や
固体中の有機溶剤などの測定にも応用できるものでおる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の反射形赤外線水分計の動ｐ原理図、第２
図は汚泥試料における水分蒸発の模様を示す実験結果、
第３図は本発明による水分測定装置の一実施例の概略縦
断側面図、第４図Ｖｉ第３図の装置に対して空気中の水
分量の影響を除く手段を設けた一実施例の構成図、第５
図は本発明による水分測定装置の第２の実施例の概略横
断平面図である。 各図において、１１：被測定物、１３；光、１５：投光
部、１６：導管、１８　、２９　：光路、２３：分析部
、２４：蒸発水分、２７：第２導管、３４：第２分析部
、３５：差動検出器。 第１図 照射時間（Ｓｅｅ） 第２図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）被測定物に光を照射して前記被測定物から水分を蒸
   発ぜせ、その蒸発させられた水分濃度を検２、特許請求
   の範１２′Ｉｌｌ第１項に６ピ載の方法において、蒸発
   させられた水分を含む被測定物の光を照射さ少 れた部妾附近の８囲気中の水分濃度の検出結果と前記被
   測定物の前記光を照射されな一部分附近の雰囲気中の水
   分濃度の検出結果との差を検出して、３）被測定物に光
   を照射する投光部と、前記光に照射されて前記被測定物
   から蒸発する水分を含む前記被測定物の光を照射された
   部分附近の雰囲気を捕集する４管と、前記導管を枦切っ
   て設けた光路における前記導管内の前記雰囲気中の水分
   濃度を光学的に検出する分析部とを倫え、前記分析部４
   ）特許請求の範囲第３項に記載の装置において、投光部
   と導管と分析部とのほかにさらに、被測定物の光を照射
   されない部分附近の雰囲気を捕集する第２導管と、前記
   第２導管を横切って設けた光路における前記第２傳管内
   の前記雰囲気中の水分濃度を光学的に検出する第２分析
   部と、前記分析部の出力信号と前記第２分析部の出力信
   号との両信号が入力されてこの両信号の差に相当する信
   号を出力する差動検出器とを設け、前記差動検出器