JP7706153B2

JP7706153B2 - 水分量測定装置及び水分量測定方法

Info

Publication number: JP7706153B2
Application number: JP2021205289A
Authority: JP
Inventors: 謙一渡部; 盛太郎昆
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2025-07-11
Anticipated expiration: 2041-12-17
Also published as: JP2023090361A

Description

本発明は、水分量測定装置及び水分量測定方法に関する。

電磁波を用いて測定対象物の水分量等の物性を測定する技術がある。一般に、物質を電磁波が透過する際の電磁波の吸収率、位相遅れ等が水分量に応じて変化するため、測定対象物による電磁波の減衰量等を測定することで、測定対象物の水分量を推測できる。しかしながら、測定対象物の水分量の変化に対する電磁波の減衰率等の変化はさほど大きくない。このため、共振回路を用いて測定対象物の水分量の変化を高感度に測定する技術も知られている。

電磁波の吸収率は、測定対象物の大きさにも異存するため、測定対象物と同一形状の試料を用いて検量線を作成する必要がある。しかしながら、農産物等は、測定対象物の形状が不統一であるため、測定対象物の形状の違いによる測定誤差が生じる。そこで、測定対象物の量に依存することなく測定対象物の水分量を測定する方法として、空洞共振器の内部に測定対象物を配置しない状態と配置した状態との間での、共振周波数での振幅の変化率と特定周波数での位相の変化率との比に基づいて、米粒等の水分量を推定する技術も提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０２１－１２１２８号公報

特許文献１に記載されるように、振幅の変化率と位相の変化率との比に基づいて水分量を算出する場合、比較的誤差が大きくなるおそれがある。このため、本発明は、測定対象物の水分量を精度よく測定できる水分量測定装置及び水分量測定方法を提供することを課題とする。

本発明の一態様に係る水分量測定装置は、粉粒体状又は液体状の測定対象物を収容した測定容器の重量を測定する重量計と、電磁波を送信する送信アンテナ及び前記送信アンテナが送信する電磁波を受信する受信アンテナを有し、前記受信アンテナの出力を前記送信アンテナの入力にフィードバックする発振回路と、前記測定対象物を収容した前記測定容器の質量と、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間に前記測定容器を配置した状態における前記発振回路の電気的特性を示す特性値と、に基づいて、前記測定対象物の水分量を算出する算出部と、を備える。

上述の水分量測定装置において、前記算出部は、前記測定容器の複数の重量についてそれぞれ前記特性値と水分量との関係を示す検量線を予め設定してもよい。

上述の水分量測定装置において、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、上下に対向して配設されてもよい。

上述の水分量測定装置において、前記重量計は、前記測定容器を搬送するコンベアを有し、前記コンベアが搬送している前記測定容器の重量を測定してもよい。

上述の水分量測定装置において、前記算出部は、前記測定容器の搬送に伴って変化する前記特性値の極値を用いて前記測定対象物の水分量を算出してもよい。

上述の水分量測定装置において、水平断面積が略一定であり、水平方向の幅よりも高さが小さい前記測定容器を備えてもよい。

上述の水分量測定装置において、前記特性値は、前記送信アンテナの入力に対する前記受信アンテナの出力の減衰量、前記送信アンテナの入力に対する前記受信アンテナの出力の位相差、又は前記発振回路の発振周波数であってもよい。

上述の水分量測定装置において、前記発振回路は、前記送信アンテナからのフィードバックの位相を調整することにより当該発振回路を共振させる同調回路部を有してもよい。

また、本発明の一態様に係る水分量測定方法は、粉粒体状又は液体状の測定対象物を収容した測定容器の重量を測定する工程と、電磁波を送信する送信アンテナと前記送信アンテナが送信する電磁波を受信する受信アンテナとの間に前記測定対象物を配置した状態で、前記受信アンテナの出力を前記送信アンテナの入力にフィードバックする発振回路を駆動することにより、前記発振回路の電気的特性を示す特性値を検出する工程と、前記測定容器の質量と前記特性値とに基づいて前記測定対象物の水分量を算出する工程と、を備える。

本発明によれば、測定対象物の水分量を精度よく測定できる。

本発明の一実施形態に係る水分量測定装置の構成を示す模式図である。図１の水分量測定装置において減衰量から水分量を算出する検量線の一例を示すグラフである。図１の水分量測定装置において発振周波数から水分量を算出する検量線の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明をする。図１は、本発明の一実施形態に係る水分量測定装置１の構成を示す模式図である。水分量測定装置１は、本発明に係る水分量測定方法の一実施形態を実施する装置である。

水分量測定装置１は、粉粒体状又は液体状の測定対象物２の水分量（含水率）を測定する。水分量測定装置１は、測定対象物２を収容する測定容器１０と、測定対象物２を収容した測定容器１０の重量を測定する重量計２０と、電磁波を送信する送信アンテナ３１及び送信アンテナ３１が送信する電磁波を受信する受信アンテナ３２を有し、受信アンテナ３２の出力を送信アンテナ３１の入力にフィードバックするよう構成された発振回路３０と、測定対象物２を収容した測定容器１０の質量と、送信アンテナ３１と受信アンテナ３２との間に測定容器１０を配置した状態における発振回路３０の電気的特性を示す特性値と、に基づいて、測定対象物２の水分量を算出する算出部４０と、を備える。

測定容器１０は、送信アンテナ３１と受信アンテナ３２との対向方向、つまり電磁波の透過方向の厚みが略一定になるよう、測定対象物２を収容する。測定容器１０は、水平断面積が略一定であることが好ましい。これにより、測定容器１０に収容された測定対象物２の量にかかわらず測定対象物２の投影面積を一定に保持し、測定誤差を低減できる。なお、「略一定」とは、技術的効果を奏する範囲で変動が有ってもよいことを意味する。また、測定容器１０としては、水平方向の幅（短軸長さ）よりも高さが小さいものが、好適に利用される。これにより、送信アンテナ３１及び受信アンテナ３２の間隔を小さくして、送信アンテナ３１から送信アンテナ３１への電磁波の伝達効率を向上できるので、Ｓ／Ｎ比を向上して測定誤差を低減できる。

重量計２０は、測定容器１０を搬送する計量コンベア２１を有し、計量コンベア２１が搬送している測定容器１０の重量を測定するよう構成されることが好ましい。具体的には、重量計２０は、計量コンベア２１の重量を測定するロードセル２２と、計量コンベア２１に測定容器１０を供給する計量コンベア２１よりも低速の供給コンベア２３と、計量コンベア２１から測定容器１０を排出する排出コンベア２４を有するインライン検査用ウェイトチェッカと同様の構成とされ得る。これにより、異なる測定対象物２を収容した複数の測定容器１０を連続して計量し、各測定容器１０に収容した測定対象物２の水分量を迅速に測定することが可能になる。

発振回路３０は、送信アンテナ３１と受信アンテナ３２の間に測定容器１０を配置することで、特に収容される測定対象物２の重量及び水分量に応じて変化する送信アンテナ３１から受信アンテナ３２への電磁波の伝達特性を、回路全体の電気的特性を示す特性値として検出する。図示する例では、重量計２０による測定容器１０の重量の測定と略同時に送信アンテナ３１及び受信アンテナ３２の間に測定容器１０を配置した状態の特性値を検出できるよう、送信アンテナ３１及び受信アンテナ３２は計量コンベア２１を挟んで対向するよう配置されている。なお、「略同時」とは、技術的効果を奏する範囲で時間差が有ってもよいことを意味する。

送信アンテナ３１及び受信アンテナ３２としては、送信アンテナ３１から受信アンテナ３２への電磁波の伝達率を向上するために、例えばホーンアンテナ等の指向性の高いアンテナを用いることが好ましい。また、送信アンテナ３１及び受信アンテナ３２は、測定容器１０に収容される測定対象物２の量によって電磁波の透過方向の測定対象物２の投影面積が変化しないよう、上下に対向して配設されることが好ましい。これにより、送信アンテナ３１から受信アンテナ３２への電磁波の伝達特性、ひいては測定される特性値の値は、測定対象物２の材質、重量、及び水分量の３つより定められる。そのため、測定時に設定される測定対象物２の材質及び重量計２０により測定される重量を考慮することで、発振回路３０の特性値から水分量を正確に算出できる。

発振回路３０は、受信アンテナ３２の出力を増幅する増幅器３３を有し、増幅器３３が増幅した信号を送信アンテナ３１の入力側にフィードバックする構成とすることができる。発振回路３０は、単純に受信アンテナ３２からのフィードバックを増幅して送信アンテナ３１に再入力するだけで自励発振させる構成であってもよいが、受信アンテナ３２からのフィードバックの位相を調整することにより発振回路３０を能動的に共振させる同調回路部３４を有する構成とすることができる。能動的に共振させる同調回路部３４を設けることにより、発振回路３０は共振状態で安定して動作できるため、測定対象物２の水分量を精度よく測定できる。

同調回路部３４としては、周知の回路を採用することができるが、図示する実施形態では、低周波発生器３４１、低周波で位相変調器３４２、サーキュレータ３４３、位相比較器（ミキサ）３４５、フィルタ３４６及び位相制御器３４７を有する構成とされている。この同調回路部３４は、低周波発生器３４１が生成する低周波に従って受信アンテナ３２の出力のフィードバック信号を位相変調器３４２により位相変調し、フィードバック信号の周波数が主に送信アンテナ３１から受信アンテナ３２への電磁波の伝達特性によって定められる発振回路３０の共振周波数と一致しないときに生じる送信アンテナ３１からの反射波を、サーキュレータ３４３を介して周波数検出回路部３４４で検出する。そして、同調回路部３４は、検出した低周波と低周波発生器３４１の低周波との差分を位相比較器（ミキサ）３４５で求め、この差分をフィルタ３４６に通すことで生成される制御信号を用いて位相制御器３４７を制御することにより、送信アンテナ３１に入力される周波数が発振回路３０の共振周波数に一致するように周波数同期を行う。

また、同調回路部３４による調整を確実にするために、例えば受信アンテナ３２の出力のフィードバック信号の位相を調整する移相器３５を設け、手動操作で大まかな位相調整を行うようにしてもよい。

さらに、水分量測定装置１は、発振回路３０の電気的特性を示す特性値を検出できるよう構成される。図示する水分量測定装置１は、特性値として、送信アンテナ３１の入力に対する受信アンテナ３２の出力の減衰量、送信アンテナ３１の入力に対する受信アンテナ３２の出力の位相差、及び発振回路３０の発振周波数を検出するよう構成されている。このため、水分量測定装置１は、送信アンテナ３１の入力を検出する入力検出回路部３６と、受信アンテナ３２の出力を検出する出力検出回路部３７と、送信アンテナ３１の入力と受信アンテナ３２の出力の位相差を検出する位相差検出回路部３８と、増幅器３３の出力の周波数を検出する周波数検出回路部３９とを有する。なお、送信アンテナ３１の入力に対する受信アンテナ３２の出力の減衰量は、算出部４０において入力検出回路部３６の検出値と出力検出回路部３７の検出値との差分として算出される。

算出部４０は、測定容器１０の重量を取得する重量取得部４１と、発振回路３０の特性値を取得する特性値取得部４２と、特性値と水分量との関係を示す検量線を予め設定する検量線設定部４３と、重量取得部４１が取得した重量及び特性値取得部４２が取得した特性値に基づいて、検量線設定部４３に設定された検量線を用いて測定対象物２の水分量を特定する水分量特定部４４と、を有する構成とされ得る。算出部４０は、例えばメモリ、プロセッサ、入出力インターフェイス等を含むコンピュータ装置に適切な制御プログラムを実行させることにより実現できる。なお、上述の重量取得部４１、特性値取得部４２、検量線設定部４３及び水分量特定部４４は、算出部４０の機能を類別したものであって、物理構成及びプログラム構成において明確に区分できるものでなくてもよい。

重量取得部４１は、重量計２０から測定対象物２を含む。特性値取得部４２は、発振回路３０から特性値を、必要に応じて検出値の演算を行うことにより取得する。

検量線設定部４３は、測定対象物２の種類ごとに測定容器１０の複数の重量についてそれぞれ特性値と水分量との関係を示す検量線を予め設定する。検量線は、測定対象物２の試料の水分量を調整し、測定容器１０に所定の重量だけ量り入れ、発振回路３０から特性値を取得する工程を、水分量を変えて複数回行うことで設定することができる。また、検量線設定部４３は、他の水分量測定装置１において設定した検量線データをインポートできるよう構成されてもよい。検量線設定部４３は、代表的な種類の測定対象物２の検量線データが水分量測定装置１の出荷時に予め設定されていてもよく、所望の種類の測定対象物２の検量線のデータを記録媒体、ネットワーク等を介してダウンロード可能に構成されてもよい。

図２及び図３に、測定対象物２が精米である場合の特性値と水分量との関係を示す検量線を例示する。図２は、精米の重量（測定容器１０の重量を含まない）が４５０ｇ、５００ｇ及び５５０ｇのそれぞれの場合における送信アンテナ３１の入力に対する受信アンテナ３２の出力の減衰量と測定対象物２の水分量との関係を示す。図３は、同様の測定対象物について、増幅器３３の出力の周波数（発振周波数）と測定対象物２の水分量との関係を示す。これらのグラフから明らかなように、検量線の傾きと測定対象物２の重量との間には相関関係が認められる。

水分量特定部４４は、検量線設定部４３に設定された複数の重量における検量線から、重量取得部４１が取得した重量において想定される検量線の特性値取得部４２が取得した特性値での水分量の値を算出する。例として、予め設定された複数の検量線における特性値取得部４２が取得した特性値での水分量を求め、重量取得部４１が取得した重量に応じて加重平均することによって、測定した測定対象物２の水分量を算出することができる。

水分量特定部４４は、測定対象物２の水分量の算出に用いる特性値を選択可能に構成されてもよく、複数の特性値から算出された複数の水分量の候補値に基づいて、例えば複数の候補値の平均値等として水分量を特定するよう構成されてもよい。

水分量特定部４４は、測定容器１０の搬送に伴って変化する特性値の極値を用いて測定対象物２の水分量を算出してもよい。送信アンテナ３１及び受信アンテナ３２の投影面積に対して測定容器１０が十分に大きくない場合には、搬送されている測定容器１０が送信アンテナ３１及び受信アンテナ３２に正対する瞬間を特定することが容易ではない。しかしながら、特性値は測定容器１０が送信アンテナ３１及び受信アンテナ３２に正対する瞬間に極値となるため、特性値の値を連続的に監視し、その極値を用いることで測定対象物２の水分量を正確に算出できる。

以上の説明から明らかなように、水分量測定装置１により実施される本発明に係る水分量測定方法の一実施形態は、粉粒体状又は液体状の測定対象物２を収容した測定容器１０の重量を測定する工程と、電磁波を送信する送信アンテナ３１と送信アンテナ３１が送信する電磁波を受信する受信アンテナ３２との間に測定対象物２を収容した測定容器１０を配置した状態で、受信アンテナ３２の出力を送信アンテナ３１の入力にフィードバックする発振回路３０を駆動することにより、発振回路３０の電気的特性を示す特性値を検出する工程と、測定対象物２を収容した測定容器１０の質量と、発振回路３０の特性値と、に基づいて測定対象物２の水分量を算出する工程と、を備える。

このように、水分量測定装置１による水分量の測定では、測定容器１０の内部全面に測定対象物２が層を形成していればよく、比較的容易に測定作業を行うことができる。また、水分量測定装置１は、多数の粒状物の集合体である測定対象物２の層を用いるため、水分量の変化に対する感度が高く、測定対象物２の水分量を精度よく測定できる。

以上、本発明の一実施形態に係る水分量測定装置及び水分量測定方法について説明したが、本発明に係る水分量測定装置及び水分量測定方法の構成及びその効果は、上述したものに限定されない。

例として、本発明に係る水分量測定装置は、測定対象物の水分量の測定に適した形状及び材質を有する専用の測定容器を備えることが好ましいが、測定容器は任意の構成要素であり、当該水分量測定装置には含まれない適当な容器を用いて検量線の設定及び水分量の測定を行ってもよい。

また、本発明において、送信アンテナの入力に対する受信アンテナの出力の減衰量、送信アンテナの入力に対する受信アンテナの出力の位相差、及び発振回路の発振周波数の一部の特性値だけを検出してもよく、他の特性値を検出してもよい。また、特性値の検出は、上述の実施例と異なる回路構成により実現されてもよい。

１水分量測定装置
２測定対象物
１０測定容器
２０重量計
２１計量コンベア
２２ロードセル
２３供給コンベア
２４排出コンベア
３０発振回路
３１送信アンテナ
３２受信アンテナ
３３増幅器
３４同調回路部
３５移相器
３６入力検出回路部
３７出力検出回路部
３８位相差検出回路部
３９周波数検出回路部
４０算出部
４１重量取得部
４２特性値取得部
４３検量線設定部
４４水分量特定部

Claims

粉粒体状又は液体状の測定対象物を収容した測定容器の重量を測定する重量計と、
電磁波を送信する送信アンテナ及び前記送信アンテナが送信する電磁波を受信する受信アンテナを有し、前記受信アンテナの出力を前記送信アンテナの入力にフィードバックする発振回路と、
前記測定対象物を収容した前記測定容器の質量と、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間に前記測定容器を配置した状態における前記発振回路の電気的特性を示す特性値と、に基づいて、前記測定対象物の水分量を算出する算出部と、
を備え、
前記発振回路は、前記受信アンテナからのフィードバックの位相を調整することにより当該発振回路を共振させる同調回路部を有し、
前記同調回路部は、低周波発生器と、前記低周波発生器が生成する低周波に従って前記受信アンテナからのフィードバック信号を位相変調して前記送信アンテナに入力する位相変調器と、送信アンテナからの反射波を分離するサーキュレータと、前記サーキュレータが分離した反射波を検出する周波数検出回路部と、前記低周波発生器が発生する低周波と前記周波数検出回路部が検出した反射波との差分を算出する位相比較器と、前記位相比較器の出力をフィルタリングするフィルタと、前記フィルタを通過した信号により前記受信アンテナからのフィードバック信号の位相を制御する位相制御器と、を有する、水分量測定装置。
前記算出部は、前記測定容器の複数の重量についてそれぞれ前記特性値と水分量との関係を示す検量線を予め設定する、請求項１に記載の水分量測定装置。
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、上下に対向して配設される、請求項１又は２に記載の水分量測定装置。
前記重量計は、前記測定容器を搬送するコンベアを有し、前記コンベアが搬送している前記測定容器の重量を測定する、請求項１から３のいずれかに記載の水分量測定装置。
前記算出部は、前記測定容器の搬送に伴って変化する前記特性値の極値を用いて前記測定対象物の水分量を算出する、請求項４に記載の水分量測定装置。
水平断面積が略一定であり、水平方向の幅よりも高さが小さい前記測定容器を備える、請求項１から５のいずれかに記載の水分量測定装置。
前記特性値は、前記送信アンテナの入力に対する前記受信アンテナの出力の減衰量、前記送信アンテナの入力に対する前記受信アンテナの出力の位相差、又は前記発振回路の発振周波数である、請求項１から６のいずれかに記載の水分量測定装置。
粉粒体状又は液体状の測定対象物を収容した測定容器の重量を測定する工程と、
電磁波を送信する送信アンテナと前記送信アンテナが送信する電磁波を受信する受信アンテナとの間に前記測定対象物を配置した状態で、前記受信アンテナの出力を前記送信アンテナの入力にフィードバックする発振回路を駆動することにより、前記発振回路の電気的特性を示す特性値を検出する工程と、
前記測定容器の質量と前記特性値とに基づいて前記測定対象物の水分量を算出する工程と、
を備え、
前記発振回路は、前記受信アンテナからのフィードバックの位相を調整することにより当該発振回路を共振させる同調回路部を有し、
前記同調回路部は、低周波発生器と、前記低周波発生器が生成する低周波に従って前記受信アンテナからのフィードバック信号を位相変調して前記送信アンテナに入力する位相変調器と、送信アンテナからの反射波を分離するサーキュレータと、前記サーキュレータが分離した反射波を検出する周波数検出回路部と、前記低周波発生器が発生する低周波と前記周波数検出回路部が検出した反射波との差分を算出する位相比較器と、前記位相比較器の出力をフィルタリングするフィルタと、前記フィルタを通過した信号により前記受信アンテナからのフィードバック信号の位相を制御する位相制御器と、を有する、水分量測定方法。