JPH076926B2

JPH076926B2 - 物体中に含まれる水分量の計測方法及びその計測装置

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Publication number: JPH076926B2
Application number: JP1072163A
Authority: JP
Inventors: 宏東
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-03-24
Filing date: 1989-03-24
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPH02249958A

Description

【発明の詳細な説明】発明の目的本発明は物体中に含まれる水分量の計測方法及びその計
測装置に関する。物体には、木材等の吸湿性の固形物、
穀物等の粒状物、加工食品用の粉体物、あるいは織物、
紙等のシート状物等が含まれる。この被測定物体にマイ
クロ波を照射するとき、含まれている水分量に応じて反
射率及び透過率が変化する。本発明は、この中、反射率
が変化する現象を利用して汎用のマイクロ波ドップラセ
ンサを用いて簡便に水分量を計測する計測方法及びその
計測装置を提供することを目的とする。

従来の技術及び解決しようとする問題点従来、マイクロ波が物体を通過するとき、水分量に応じ
て減衰率すなわち透過率が変化するのを利用して水分量
を計測する方法がすでに実用化されている。

第６図はその原理を図示したものである。

（１）はマイクロ波発信器、（２）はマイクロ波受信器
であって、一定の間隔（Ｓ）を置いて互いに対向配置
し、その間に被測定物体（３）（以下、単に物体と云
う）を置く。発信器（１）より照射されたマイクロ波
（矢印Ａ）は、物体（３）を通過するとき水分に吸収さ
れて減衰し受信器（２）に達する（矢印Ｂ）。この減衰
率は一定範囲内で水分量に比例して変化するから、これ
を測定すれば水分量を計測することができる。

しかしながら、この減衰率を的確に計測することはそれ
ほど簡単ではない。一般に汎用されている発信器と受信
器を用いた場合には、その間隔（Ｓ）を一定に保ち、物
体（３）はその間の特定位置に置かなければならない。
もし、物体（３）が少しでもずれたり、間隔（Ｓ）が変
化すれば、受信器から得られる受信信号（直流電圧）が
変動し、安定した計測が出来なくなる。これは、照射し
たマイクロ波の一部が物体（３）により反射され、更に
二次的な照射波（点線矢印Ｃ）となるが、この二次的な
照射波（Ｃ）は、物体（３）の位置により元の照射波
（Ａ）に対して位相のずれが生じて、これらの照射合成
波（ＡとＣの合成波）の強弱が変動し、従って、受信器
（２）の受信信号が変動するからである。また、透過し
たマイクロ波（矢印Ｂ）の二次的な反射波（点線矢印
Ｄ）も物体（３）の位置により位相のずれが生じ、複合
的に受信器の受信信号に影響を与える。このような変動
をなくするためには、上記の二次的な反射波（点線Ｃ及
びＤ）の影響を受けないように発信器及び受信器に特別
な工夫をこらす必要があり、その結果、特殊な設計の発
信器及び受信器となって、取り付け精度も要求され、高
価な据付式構造とならざるを得なくなっていた。

このように、従来、実用化されているマイクロ波の透過
減衰率を利用した方式の水分量計測装置はいずれも使用
法に制限があった。例えば、固形物、粒状物、粉体物等
の場合は抜取られた少量の物しか測定できないとか、連
続計測ができないとか、高価であるにもかかわらず、設
置した場所でしか使用できないとかの制限があり、加工
工程中で連続的に計測しようとする場合において、需要
者の要求を満たすものではなかった。

一方、マイクロ波の反射波を利用した水分計が市販され
ているのを未だ見聞していないが、水分量により反射波
が変化するのを利用して水分量を検出する方式の水分計
測技術について開示した文献はある。（例、特開昭59-8
7346公報など）マイクロ波ドップラセンサ［第１図に示すようにマイク
ロ波発信器（１）と受信器（２）を一体に組込み、発信
器（１）からのマイクロ波を導波管内で直接に受ける自
己発信波と物体からの反射波（Ｃ）との合成波を受信器
（２）で受信し、これを検波（整流し平滑化すること）
して受信信号（直流検出電圧）（Ｖ）を得るセンサ］を
用いた方式の場合は、センサの形状寸法、センサと被検
出物体との距離、水分量の多寡などにより、受信器
（２）の位置で自己発信波と反射波（Ｃ）との位相のず
れが変化するため、これらの合成波の強さ（振幅）が変
動する。従って、受信器（２）の受信信号（検出電圧）
（Ｖ）は必ずしも反射波の強さに対応するものとは限ら
ず、むしろ、形状寸法、距離などの位置関係の影響を受
ける度合いが強くなる。このように、反射波が物体の水
分量に対応したものであっても、受信信号（Ｖ）は必ず
しも定まった値とはならず、水分量の検出は想定してい
るほど容易ではない。

従来開示された反射波利用の水分計測技術は、上記のよ
うなドップラセンサの受信原理についての考察が欠落し
ているものの他、反射波が水分量に応じて減少するとい
う誤解（実際は、反射波は水分量にほゞ比例して増大す
る。）に基づいてなされているものなどであって、一般
的に正確な水分量の検出が期待できるものではなかっ
た。

反射波を利用する場合には、上記のように物体（３）の
位置による反射波の位相のずれの影響は必然の現象であ
り、これを解消する方式が未だ未解決であったからであ
る。

このような上記従来の欠点と問題点に鑑みて、本発明
は、一般に汎用されているマイクロ波発信器及び受信器
を一体に組み込んだマイクロ波ドップラセンサを用い
て、簡便に物体中に含まれる水分量を計測することが出
来るように、反射率の変化と上記不安定要因となってい
た反射波の位相のずれとの関係を逆に巧みに利用したも
のであって、これにより、便利な計測方法及び計測装置
を提供し、需要者の要望に応えようとするものである。

発明の構成及び作用以下に、本発明の実施例について図面を参照して詳述す
る。

その前に栄５、マイクロ波発信器とマイクロ波受信器を
一体に組み込んだマイクロ波ドップラセンサを用いた場
合における、物体からのマイクロ波の反射波と受信信号
（Ｖ）との関係を第１図および第２図を参照して述べ
る。

第１図において、ドップラセンサ（４）は発信器（１）
と受信器（２）を一体に構成したものであって、導波管
（５）内に発信器（１）としてガンダイオード、受信器
（２）としてミキサダイオードを一体に内蔵している。
発信器（１）の入力端子（14）に適当な電圧（たとえ
ば、DC 8V）を印加すると、発信器（１）からマイクロ
波が導波管（５）を経てホーンアンテナ（６）により発
受信面（７）（必ずしも実体面である必要はなく、実体
のない仮想面と考えてもよい。）から一定の方向に発信
される（矢印Ａ）。物体（３）により反射されたマイク
ロ波（矢印Ｃ）は発受信面（７）からホーンアンテナ
（６）により収束されて受信器（２）で受信される。受
信器（２）は自己発信波「発信器（１）から発信された
マイクロ波が導波管（５）内で直接に受信器（２）に達
する発信波。以下同じ］と物体からの反射波との合成波
を受信し、これを検波してその振幅に比例した受信信号
（直流検出電圧）（Ｖ）を出力する。センサ（４）から
の受信信号は増幅器（８）、A/D変換器（９）を経てデ
ジタル値として演算器（10）へ読み込まれ、内蔵のメモ
リ（11）にデータとして記憶される。増幅器（８）、A/
D変換器（９）、演算器（10）、メモリ（11）及び表示
器（12）は全体として処理器（13）を構成する。演算器
（10）にはマイクロコンピュータを組み込み、データの
値の読み取りとその変動値の変化分の演算処理を行な
い、その結果を表示器（12）に表示する。

物体（３）の表面はセンサ（４）のホーンアンテナ
（６）の発受信面（７）より距離（Ｘ）の間隔をおいて
いる。

物体（３）が完全に乾燥したものである場合には、照射
されたマイクロ波は物体特有の反射を除きほとんど反射
されず吸収されるかまたは透過してしまう（点線矢印
Ｂ）。このとき、受信器（２）は自己発信波によって励
振され、これを検波して一定の基準信号（直流電圧）
（V₀）を出力している。（第２図のグラフの直線（Ｅ）
を参照。）この値は発信器（１）の照射マイクロ波の強
さ（出力）、導波管（５）の寸法、受信器（２）の性能
等によって定まる。但し、物体によっては、僅かながら
特有の反射があるから、若干変動することがある。

物体（３）が水分を含んでいるときは物体の誘電率が水
分量にほゞ比例して大きくなる。このため、照射された
マイクロ波は一部が物体（３）の表面および表面の浅い
層で反射され（矢印Ｃ）、深い部分では吸収されてしま
う。この反射波により受信器（２）は自己発信波と反射
波の合成波で励振される。この反射波は一定の範囲内で
物体の表層部分に含まれる水分量にほぼ比例して強くな
る。誘電率の異なる物質間の境界層に於けるマイクロ波
の反射率は誘電率の違いの大きいほど大きくなるからで
ある。

自己発信波は距離（Ｘ）に関係なく受信器（２）に一定
の強さで達するが、反射波は距離（Ｘ）により自己発信
波に対して位相のずれが変化するため、受信器（２）の
検出部で自己発信波と反射波とが共鳴して（同じ位相と
なって）合成波が強まる位置と、打消されて（逆の位相
となって）合成波が弱まる位置とがある。従って、受信
器（２）からの受信信号（Ｖ）は距離（Ｘ）により高く
なったり低くなったりする。

この関係の一例をグラフで示したのが第２図の波形曲線
（Ｆ）である。縦軸に受信器（２）からの受信信号（直
流電圧）（Ｖ）、横軸に距離（Ｘ）をとる。グラフの波
形曲線（Ｆ）の山部（M₁、M₃・・）が共鳴部（自己発信
波と反射波とが同じ位相となる位置）、谷部（M₂、M₄・
・）が打消部（逆の位相となる位置）である。距離
（Ｘ）が大きくなると反射波の捕捉率が低下して曲線
（Ｆ）の振幅は次第に減衰する。なお、この曲線の二周
期分の長さ（Ｌ）が原理的にマイクロ波の波長と一致す
る。

この波形曲線（Ｆ）の隣接する山部と谷部の振幅は反射
波の強さに比例し、また、基準信号（V₀）にも比例して
大きくなる。つまり基準信号（V₀）と反射率の積にほぼ
比例して大きくなるが、水分量が多くなると反射波もほ
ゞ比例して高くなるから、この振幅も水分量にほゞ比例
して大きくなる。

直線（Ｅ）は自己発信波のみによって受信器（２）が励
振されて出力する基準信号（電圧）（V₀）を示し、距離
（Ｘ）とは無関係である。

従って、例えば、一定の距離の位置（M₁）で受信信号を
測定して得られる値（V₁）と基準信号（V₀）の差（ΔＶ
＝V₁−V₀）を計算すれば、この値を水分量のパラメータ
（Ｙ）とすることができる。基準信号（V₀）は発信出
力、温度、受信器の性能等の影響をうけるから、（Ｙ＝
ΔV/V₀）の値の方が安定したパラメータとなる。

測定位置は一定の距離の位置（M₁）が最も効果的である
が、位置（M₂）、（M₃）・・でもよい。

（第２図参照）しかしながら、非接触方式による連続測定の場合には距
離（Ｘ）がどうしても変動しやすく、一定の位置に保つ
のは困難である。例えば、第２図に示すように、距離
（Ｘ）が位置（M₁）から（ΔＸ）だけ揺れると、受信信
号（Ｖ）が（ΔＶ）だけふらついて安定した計測ができ
ない。

このように、たとえ被測定物体の水分量が一定で反射波
の強さが一定であっても、受信信号（Ｖ）は距離（Ｘ）
によって大きく変化し、水分量に対応した値にはならな
いことが分かる。

この問題を解決し、非接触方式でも連続計測できるよう
にしたのがこの実施例である。

第１図において、ドップラセンサ（４）を物体（３）の
表面に対して垂直に周期的に強制的に往復揺動させてみ
る。揺動の振幅は照射マイクロ波の波長の二分の一以上
とし、揺動範囲は、第２図において、例えば位置
（M₁）、（M₂）を含むような範囲（Ｒ）となるようにす
る。具体的には、発信周波数10.525GHzのマイクロ波を
用いた場合には、振幅は20mmあればよい。

センサ（４）が揺動している間に、受信器（２）からの
受信信号（Ｖ）を増幅器（８）、A/D変換器（９）を介
して極く短い時間間隔でサンプリングして刻々と演算器
（10）に読取り、多数のデータとしてメモリ（11）に記
憶させる。一周期（T₀）の間にサンプリングした多数の
データとオシロスコープで得られる波形を重ね合わせた
のが第３図の波形曲線（Ｇ）である。黒点がサンプリン
グした多数のデータの軌跡、実線がオシロスコープで得
られる波形曲線（Ｇ）である。この波形曲線（Ｇ）はセ
ンサが一往復揺動する間に、第２図の受信信号（Ｖ）の
波形を一定の範囲（Ｒ）の間でトレースした形で得られ
るから、時刻（T₁）、（T₄）の受信信号の値（V₁）は、
第２図の位置（M₁）を通過した時点の値（V₁）と一致
し、時刻（T₂）、（T₃）の受信信号の値（V₂）は位置
（M₂）を通過した時点の値（V₂）と一致する。サンプリ
ングの時間間隔を充分に短くすれば、このサンプリング
したデータの最大値は値（V₁）、最小値は値（V₂）とみ
なしてよい。そして、この差（ΔＶ＝V₁−V₂）は反射波
の強さに比例し、従って、水分量にほゞ比例した値とな
るから、これを物体中に含まれる水分量のパラメータ
（Ｙ）とすることができる。

最大値と最小値の和（ΣＶ＝V₁＋V₂）は基準信号（V₀）
にほゞ比例するから、Ｙ＝ΔV/ΣＶ・・・・・（30）を求めると、より安定したパラメータ（Ｙ）を得ること
ができる。

パラメータとしては、この他に測定データの微分値ある
いは積分値を演算して得ることもできる。

このように、マイクロ波センサを周期的に一定の範囲内
で強制的に往復揺動させ、その間にサンプリングした多
数の受信信号のデータの変動値の一周期の間の変化分を
パラメータとすることによって水分量を一周期に一回づ
つ計測することができる。

この場合、センサを固定し、物体を揺動させても同様の
計測ができる。

なお、往復揺動する一周期とその間にサンプリングした
多数のデータを演算処理する時間はコンピュータの演算
速度にもよるが、通常は１秒以内に充分に納まるから、
水分計測の結果を表示する周期は観測者からみれば充分
に短く、実質的には連続的に計測しているものとみなし
うる。

本実施例においては、第２図の位置（M₁）、（M₂）を含
むようにセンサ（４）の揺動範囲を選びさえすれば、物
体あるいはセンサの多少の揺れや傾きには影響されず、
非接触方式で水分量を連続計測できるところに大きな利
点がある。

上記においては、変動値の変化分としてデータの最大値
と最小値を用いたが、これに限ることなく、微分値、積
分値等の電気的に検出できる値を用いることもできる。
例えば、コンデンサと整流器を組み合わせた検波器によ
りアナログ値として検出してもよい。

第４図は本発明実施の計測装置の一例を示したものであ
って、センサ（４）を収納した箱（15）はロッド（16）
の先端に固定され、ロッドの根元は揺動装置（17）に連
結されている。揺動装置（17）は内蔵のモータ及びクラ
ンク機構（図示せず）によりロッドの軸方向にセンサ箱
（15）を一定周期で一定範囲内で強制的に往復揺動する
ように構成されている。制御箱（19）内には電源（20）
と処理器（13）が納められ、電源（20）はモータと処理
器（13）に接続し、処理器（13）はセンサ（４）に揺動
装置（17）、ロッド（16）を介して接続している。

センサ（４）が揺動している間に得られる受信信号は処
理器（13）内の増幅器、A/D変換器を経てデジタル値と
して演算器へ極く短い時間間隔でサンプリングされて刻
々と読み込まれ、内蔵のメモリにデータとして記憶され
る。演算器はサンプリングされた多数のデータの変動値
の一周期の間の変化分の演算処理を行ない、その結果を
表示器（12）に表示する。例えば、一周期（T₀）内のデ
ータの最大値（V₁）と最小値（V₂）の差（Ｙ＝ΔＶ＝V₁
−V₂）に一定の係数（α）を掛けた値（α・ΔＶ）を、
計測した水分量の値として表示器（12）に表示する。あ
るいは、最大値と最小値の差（ΔＶ）と和（ΣＶ＝V₁＋
V₂）の比（Ｙ＝ΔV/ΣＶ）を表示する。

このように構成された装置を用いれば、物体（３）の表
面にセンサ箱（15）を近ずけて揺動装置（17）を設置す
ることにより、非接触方式で水分量を連続計測すること
ができる。この際、多少の物体の揺れや傾きが許容され
るのは前述のとうりである。

上記の実施例に示されたパラメータ（Ｙ）に一定の係数
（α）または（β）を掛けた値は物体の表層部分（数mm
以内の深さまで）に含まれる水分量を表わすものである
が、水分が均一に分散している場合には、物体全体に含
まれる水分量（単位体積当りの水分重量）（Ｗ）を代表
しているものとみなすことができる。このパラメータ
（Ｙ）と水分量（Ｗ）の関係は、物体の素材、水分に含
まれる溶剤の性質によって変わり、必ずしも一定には定
まらない。一例として、（30）式の（Ｙ）と（Ｗ）の関
係を一般的にグラフで示したのが第５図である。３本の
検量線は異なった物体の素材について異なった傾きにな
ることを示している。なお、水分量の高い範囲では受信
信号（Ｖ）が飽和するから、比例しなくなることを示
す。

従って、正確な水分量（Ｗ）の絶対値を計測するために
は、物体の素材、密度及び溶解液の薬品の性質等につい
て補正を加え、直線化するために、Ｗ＝ｆ（Ｙ）なる関数補正をしなければならない。

なお、上記の水分量を決定する係数（α）、（β）、関
数ｆ（Ｙ）は、マイクロ波ドップラセンサの性能が定ま
り、物体の材質、水溶液の性質等の対象物が定まれば、
表示する水分量の単位を決めて実験的に得られる検量線
から求められる。

発明の効果以上、詳述したように、本発明によれば、センサを構成
するマイクロ波発信器及び受信器は一般に汎用されてい
るマイクロ波ドップラセンサをそのまゝ使用し、従来の
方法では計測を阻害していた不安定な要因（自己発信波
と反射波との位相のずれ）を逆に巧みに利用することに
よって、簡便に物体に含まれる水分量を連続計測するこ
とが可能となる。従って、加工工程中で移動している物
体に対しても非接触状態で連続的に計測できる水分量の
計測装置を得ることができる。

また、特別な工夫をこらした高価なマイクロ波発信器お
よび受信器を用いる必要もなく、取付精度も厳しく要求
されることはないから、安価で便利な計測装置を提供で
きることになる。

更に、非接触方式で計測可能としているから、移動中の
物体であっても接触痕をつけたり痛めたりすることはな
い。

このように、本発明は従来にないきわめて有益な効果を
もたらすものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明による水分量の計測方法及びその計測装置
の実施例を示したもので、第１図はマイクロ波ドップラ
センサを用いた場合の構成図、第２図は被測定物体とセ
ンサ間の距離（Ｘ）とその受信信号（直流電圧）との関
係を示すグラフ、第３図はその受信信号と時間との関係
を示すグラフ、第４図は計測装置の一例を示す図面、第
５図はパラメータと実際の水分量との関係を示すグラ
フ、第６図は従来の水分量の計測方法を示す図面であ
る。（１）……マイクロ波発信器（ガンダイオード）（２）……マイクロ波受信器（ミキサダイオード）（３）……被測定物体（４）……マイクロ波ドップラセンサ（８）……増幅器、（９）……A/D変換器（10）……演算器、（11）……メモリ（12）……表示器、（13）……処理器（17）……揺動装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波発信器（１）とマイクロ波受信
器（２）を一体に備えて一つの発受信面からマイクロ波
の発信及び受信をするマイクロ波ドップラセンサ（４）
を、被測定物体の表面に向けて近づけ、該センサ（４）
の発受信面と該物体の表面との相対距離（Ｘ）を周期的
に強制的に往復変動させ、その間に、被測定物体からの
反射波と自己発信波との合成波を受信した前記受信器
（２）がこれを検波して出力する受信信号（Ｖ）の値を
極く短い時間間隔で処理器（13）に刻々と読み込み、そ
の読み込まれた多数のデータから得られる変動値の往復
一周期の間の変化分をパラメータとして、被測定物体中
に含まれる水分量を計測するようにしたことを特徴とす
る物体中に含まれる水分量の計測方法。
【請求項２】マイクロ波発信器（１）とマイクロ波受信
器（２）を一体に備えて一つの発受信面からマイクロ波
の発信及び受信をするマイクロ波ドップラセンサ（４）
と、該センサ（４）をその発受信面に対して垂直方向に
一定の振幅をもって周期的に強制的に往復揺動させる揺
動手段（17）と、その往復揺動の間に、被測定物体から
の反射波と自己発信波との合成波を受信した前記受信器
（２）がこれを検波して出力する受信信号（Ｖ）の値を
極く短い時間間隔で刻々と読み込み、その読み込まれた
多数のデータから得られる変動値の往復一周期の間の変
化分をパラメータとして、物体中に含まれる水分量を求
めるように演算処理する処理器（13）とから成り、被測
定物体の表面に向けて前記センサ（４）の発受信面を近
づけ周期的に往復揺動することにより、非接触状態で被
測定物体中に含まれる水分量を計測するように構成した
ことを特徴とする物体中に含まれる水分量の計測装置。