JP2001124706A - 水分測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比重が一定しない茶葉、穀物等の被測定物の
水分の測定精度を高めた水分測定方法及びその装置を提
供する。 【解決手段】 茶葉、穀物等の被測定物（２）の測定単
位である容積（Ｓ）及び重量（全体重量Ｗ₁ ）、マイク
ロ波減衰により求められる被測定物の水分量（Ｗ _S ）か
ら被測定物の含水率（η）を算出することにより、茶葉
等の比重が一定しない被測定物の水分の測定精度を高め
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波等を測
定媒体に用いて、茶葉、穀物、木材等の被測定物の含水
率等を測定する水分測定方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】茶葉等の水分量や含水率を測定する水分
計にはマイクロ波水分計や近赤外線水分計に代表される
非接触型水分計、高周波容量式に代表される接触型水分
計がある。何れの水分計を用いても、被測定物毎に検量
線を作成し、この検量線から水分を求める方式が取られ
る。従来、この種の水分測定技術には、例えば、特開平
２−２３８３４８号「材料の水分含有量の測定方法およ
び装置」、特開平３−７３８３２号「木材水分量測定
器」等がある。

【０００３】従来の水分計の概要を図１０を参照して説
明する。被測定物１０２は矢印Ａで示す方向に移送さ
れ、その上側に設置された送信アンテナ１０４から被測
定物１０２に送信されたマイクロ波ｍ_i は被測定物１０
２に放射され、被測定物１０２を透過したマイクロ波ｍ
_O 、即ち、水分によって減衰を受けた透過波が送信アン
テナ１０４に被測定物１０２を挟んで対向する下側の受
信アンテナ１０６に受信される。演算手段であるデータ
処理装置１０８において、送信アンテナ１０４に加えら
れる入力電圧Ｖ_i と、受信アンテナ１０６を通して得ら
れる出力電圧Ｖ_Oとのレベル比（Ｖ_i ／Ｖ_O ）から被測
定物１０２の含水率、即ち、水分値（％）が求められ
る。通常、演算を容易にするため、例えば、図１１に示
すように、出力電圧と水分値ｙ（％）との関係を示す検
量線（ｙ＝ａＭ＋ｂ）を求めておき、出力電圧Ｖ_O の平
均値をＭとすると、検量線ｙ＝ａＭ＋ｂに平均値Ｍを代
入して水分値（％）が算出される。

【０００４】ところで、この種のマイクロ波水分計によ
る測定値は、被測定物の実際の水分量との相関は高いも
のの、被測定物の比重の変化が測定値に影響し、比重が
一定しない被測定物では、その含水率（％）の測定精度
が低下する。

【０００５】そこで、本発明は、比重が一定しない茶
葉、穀物等の被測定物の水分の測定精度を高めた水分測
定方法及びその装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の水分測定方法及
びその装置は、図１〜図９に例示するように、茶葉、穀
物等の被測定物（２）の測定単位である容積（Ｓ）及び
重量（全体重量Ｗ₁ ）、マイクロ波減衰により求められ
る被測定物の水分量（Ｗ_S ）から被測定物の含水率
（η）を算出することにより、茶葉等の比重が一定しな
い被測定物の水分の測定精度を高めることができる。

【０００７】請求項１に係る本発明の水分測定方法は、
被測定物（２）の容積（Ｓ）及び重量（全体重量Ｗ₁ ）
を測定し、前記被測定物を透過させたマイクロ波の検出
レベルにより前記被測定物の基準容積当たりの水分量
（Ｗ_S ）を求め、この水分量（Ｗ_S ）、前記容積（Ｓ）
及び前記重量（全体重量Ｗ₁ ）から前記被測定物の含水
率（η）を算出することを特徴とする。

【０００８】即ち、被測定物の容積（Ｓ）及び重量（全
体重量Ｗ₁ ）を適宜の方法で測定する。そして、被測定
物を透過したマイクロ波の出力レベル（Ｖ_O ）により被
測定物の基準容積（Ｓ_K ）当たりの水分量（Ｗ_S ）を求
める。この場合、出力レベル（Ｖ_O ）は、その平均値
（Ｍ）を用いてもよい。この水分量（Ｗ_S ）、被測定物
の容積（Ｓ_K ）当たりの水分量（Ｗ_S ）及び重量（全体
重量Ｗ₁ ）から被測定物の含水率ηを算出する。ここ
で、被測定物の全水分量をＷ₂ （＝Ｗ_S ×Ｓ）、全乾重
量をＷ₀ （＝Ｗ₁ −Ｗ₂ ）とすると、被測定物の含水率
η（ドライベース、即ち、ＤＢ％）は、 η＝Ｗ₂ ／Ｗ₀ ×１００（％） ＝Ｗ₂ ／（Ｗ₁ −Ｗ₂ ）×１００（％） ＝Ｗ_S ×Ｓ／（Ｗ₁ −Ｗ_S ×Ｓ）×１００（％） ＝Ｗ_S ／｛（Ｗ₁ ／Ｓ）−Ｗ_S ｝×１００（％） ＝Ｗ_S ／（ω−Ｗ_S ）×１００（％） ・・・（１） である。ここで、ωは、ω＝Ｗ₁ ／Ｓであり、被測定物
の比重を示している。即ち、被測定物の含水率η（ＤＢ
％）は、被測定物の基準容積Ｓ_K 当たりの水分量Ｗ_S と
比重ωとを以て算出されるから、比重ωに応じた値とな
っている。したがって、比重が一定しない茶葉等の被測
定物について、測定精度の高い含水率η（ＤＢ％）が求
められる。

【０００９】請求項２に係る本発明の水分測定方法は、
前記被測定物の基準容積（Ｓ_K ）当たりの水分量
（Ｗ_S ）と、前記被測定物の前記容積（Ｓ）及び前記重
量（全体重量Ｗ₁ ）から求められる前記被測定物の比重
（ω）とを用いて前記含水率を算出することを特徴とす
る。即ち、式（１）のη＝Ｗ_S ／（ω−Ｗ_S ）×１００
（％）から明らかなように、比重ω及び水分量Ｗ_S から
含水率ηを算出することができる。

【００１０】請求項３に係る本発明の水分測定装置は、
被測定物（２）の重量を測定する重量測定手段（ロード
セル４、４Ａ、４Ｂ）と、前記被測定物を透過させたマ
イクロ波の検出レベルにより前記被測定物の基準容積
（Ｓ_K ）当たりの水分量（Ｗ_S）を検出する水分検出手
段（マイクロ波水分計６）と、この水分検出手段で検出
された前記水分量及び前記被測定物の容積から前記被測
定物の全水分量（Ｗ₂ ）を求め、この全水分量及び前記
重量（全体重量Ｗ₁ ）から前記被測定物の含水率を算出
する演算手段（データ処理装置１４）とを備えたことを
特徴とする。

【００１１】即ち、被測定物は、ロードセル等の重量測
定手段により、その重量、即ち、全体重量Ｗ₁ が測定さ
れる。また、放射されたマイクロ波により、被測定物を
透過したマイクロ波、即ち、透過マイクロ波の出力レベ
ルが測定される。この出力レベルは平均値を用いてもよ
い。そして、演算手段では、この出力レベルにおける被
測定物の基準容積Ｓ_K 当たりの水分量Ｗ_S 、容積Ｓ及び
重量（全体重量Ｗ₁ ）を用いて、被測定物の含水率η
（ＤＢ％）を算出する。即ち、被測定物の全水分量をＷ
₂ （＝Ｗ_S ×Ｓ）、全乾重量をＷ₀ （＝Ｗ₁ −Ｗ₂ ）と
すると、被測定物の含水率η（ＤＢ％）は、式（１）か
ら求められ、比重ω＝Ｗ₁ ／Ｓに応じた値となる。した
がって、比重が一定しない被測定物について測定精度の
高い含水率η（ＤＢ％）を求めることができる。

【００１２】請求項４に係る本発明の水分測定装置は、
前記演算手段において、前記被測定物の基準容積当たり
の水分量と、前記被測定物の前記容積及び前記重量から
求められる前記被測定物の比重とを演算データに用いて
前記被測定物の含水率を算出することを特徴とする。即
ち、前記演算手段において、前記被測定物の基準容積当
たりの水分量を求め、この水分量及び前記被測定物の容
積から前記被測定物の全水分量を求め、この全水分量及
び前記重量から前記被測定物の含水率を算出することを
特徴とする。即ち、式（１）について述べた通りであ
り、比重が一定しない茶葉等の被測定物について測定精
度の高い含水率η（ＤＢ％）を求めることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示した実施
形態を参照して詳細に説明する。

【００１４】図１は、本発明の水分測定方法及びその装
置の実施の態様を示している。含水率を測定すべき被測
定物２は、茶葉、木材等の比重が一定しないものであ
る。この被測定物２は、例えば、木材では所定の形状に
裁断されており、例えば、所定の幅、厚み及び長さを持
つ角柱状であり、茶葉や穀物では測定単位を特定するた
め所定容積の容器に収容される。この被測定物２は、図
示しないコンベヤ等の搬送手段に載せられ、例えば、矢
印Ａで示す方向に搬送される。この被測定物２は、重量
測定手段であるロードセル４により、その全体重量Ｗ₁
が測定される。その全体重量Ｗ₁ の測定には、ロードセ
ル４以外の測定手段を用いてもよい。

【００１５】また、水分検出手段としてマイクロ波水分
計６が用いられ、被測定物２を挟んで送信アンテナ８及
び受信アンテナ１０が設置されるとともに、これら送信
アンテナ８及び受信アンテナ１０には制御手段として水
分計制御部１２が接続されている。送信アンテナ８から
放射されたマイクロ波ｍ_i が被測定物２を透過し、被測
定物２中の水分によって減衰を受けた透過波としてのマ
イクロ波ｍ_O が受信アンテナ１０に受信される。この送
信アンテナ８側に加えられるマイクロ波ｍ_i の入力レベ
ルＶ_i 、受信アンテナ１０側から取り出される出力レベ
ルＶ_O は電流又は電圧等で与えられ、水分計制御部１２
に加えられる。

【００１６】水分計制御部１２は、図示しないが、マイ
クロ波発振器及びマイクロ波検波器を備えており、マイ
クロ波発振器で発振させたマイクロ波は送信アンテナ８
に加えられ、受信アンテナ１０の出力レベルＶ_O がマイ
クロ波検波器によって取り出される。説明を容易にする
ため、水分計制御部１２には送信アンテナ８側から入力
レベルＶ_i 、受信アンテナ１０側から出力レベルＶ_O が
加えられており、この水分計制御部１２から水分量Ｗ_S
が得られる。ここで、入力レベルＶ_i 及び出力レベルＶ
_O は、マイクロ波のレベルに対応する電気的なレベルで
あって、電圧又は電流等の何れでもよい。

【００１７】そして、パーソナルコンピュータ等で構成
される演算手段としてのデータ処理装置１４が設けられ
ており、このデータ処理装置１４には、水分計制御部１
２から水分量Ｗ_S 、ロードセル４から被測定物２の全体
重量Ｗ₁ が加えられるとともに、被測定物２のサイズ等
のデータＤ_i がデータ入力手段、例えばキーボード等を
通して入力される。データ処理装置１４では、これら入
力データを演算データとして被測定物２の含水率η（Ｄ
Ｂ％）、比重、全乾比重等を算出することができる。

【００１８】そこで、これら含水率η（ＤＢ％）等の算
出について説明すると、被測定物２のサイズデータとし
て、その幅ｗ、厚みｌ及び長さｈを入力し、被測定物２
の持つ容積Ｓを求める。容積Ｓは、 Ｓ＝ｗ×１×ｈ ・・・（２） である。次に、被測定物２の全体重量Ｗ₁ をロードセル
４で測定する。

【００１９】次に、被測定物２のマイクロ波ｍ_O の出力
レベルＶ_O を測定し、その平均値Ｍを求める。この平均
値Ｍは、数回の出力レベルＶ_O の加算平均等によって求
める。

【００２０】次に、図２に示す検量線Ｗ_S ＝ａＭ＋ｂ
に、平均値Ｍを代入し、平均値Ｍにおける、被測定物２
の基準容積Ｓ_K 当たりの水分量Ｗ_S を求める。

【００２１】次に、被測定物２の全水分量Ｗ₂ を測定す
ると、全水分量Ｗ₂ は、 Ｗ₂ ＝Ｗ_S ×Ｓ／Ｓ_K ・・・（３） となる。ここで、基準容積Ｓ_K を１（ｍ³ ）とすると、
式（３）は、 Ｗ₂ ＝Ｗ_S ×Ｓ ・・・（４） となる。

【００２２】そこで、被測定物２の全乾重量Ｗ_O を求め
ると、全乾重量Ｗ_O は、 Ｗ_O ＝Ｗ₁ −Ｗ₂ ・・・（５） となる。

【００２３】以上から、含水率η（ＤＢ％）、比重及び
全乾比重を求めると、含水率η（ＤＢ％）は、 η＝（Ｗ₂ ／Ｗ_O ）×１００ ＝｛Ｗ₂ ／（Ｗ₁ −Ｗ₂ ）｝×１００ ＝｛Ｗ_S ×Ｓ／（Ｗ₁ −Ｗ_S ×Ｓ／Ｓ_K ）｝×１００ ＝〔Ｗ_S ／｛（Ｗ₁ ×Ｓ_K ／Ｓ）−Ｗ_S ｝〕×１００ ＝｛Ｗ_S ／（ω×Ｓ_K −Ｗ_S ）｝×１００ ・・・（６） となる。

【００２４】式（６）において、ωは、被測定物２の比
重であり、ω＝Ｗ₁ ／Ｓで求められる。ここで、Ｓ_K ＝
１（ｍ³ ）とすると、式（１）が成立する。また、全乾
比重は、Ｗ_O ／Ｓから求められる。

【００２５】なお、水分測定の被測定物が茶葉、穀物
等、流動性のものでは、それを入れる容器が必要となる
が、その場合、ナイロン、アクリル、ポリプロピレン、
ポリカーボネート等の合成樹脂、食品衛生を害すること
なくマイクロ波透過率が均一な材質によって形成した容
器によって被測定物を入れ、容器を以て容積を設定する
ことができる。

【００２６】次に、図３は、水分測定装置の具体的な実
施の態様を示している。被測定物２が茶葉、穀物、穀粉
の場合、２つの振動コンベヤ２１、２２を設定し、振動
コンベヤ２１の終端に掻き均しや堰２４を作って振動を
加えながら一定量の被測定物２を振動コンベヤ２１から
振動コンベヤ２２側に落とし込み、振動コンベヤ２２に
入れられた被測定物２の重量Ｗ₁ をロードセル４Ａ、４
Ｂで測定するとともに、マイクロ波水分計６で被測定物
２の水分を測定する。この場合、水分測定の被測定物で
ある茶葉、穀物等を送る振動コンベヤ２２は、ナイロ
ン、アクリル、ポリプロピレン、ポリカーボネート等の
合成樹脂、食品衛生を害することなくマイクロ波透過率
が均一な材質によって形成する。

【００２７】この場合、振動コンベヤ２２の底に窓２６
を作って測定領域とし、搬送中の被測定物２の厚みを一
定とする。振動コンベヤ２２の長さをＬ、幅をｄ、被測
定物２の厚みをｔとすると、被測定物２の容積Ｓは、 Ｓ＝Ｌ×ｄ×ｔ ・・・（７） で与えられ、その場合、振動コンベヤ２２の窓２６の面
積をｚ、被測定物２の厚みをｔとすると、被測定物２の
基準容積Ｓ_K は、 Ｓ_K ＝ｚ×ｔ ・・・（８） とする。重量Ｗ₁ は、ロードセル４Ａ、４Ｂの測定値を
用いる。

【００２８】これらの測定値及び式（６）を用いて茶
葉、穀物、穀粉等の被測定物２の含水率ηを求めること
ができる。

【００２９】

【実施例】本発明の水分測定方法の実施例について説明
する。この実施例では、被測定物２にホワイトウッド、
米松及び楢を使用し、厚みｔを３０（ｍｍ）に設定し
た。そして、被測定物２として用いた試料の全乾比重は
表１の通りである。

【００３０】

【表１】

【００３１】そして、図４ないし図７に示すように、マ
イクロ波水分計６にマイクロ波透過型水分計を使用し、
マイクロ波の周波数を９．４ＧＨｚ、測定領域（窓の大
きさ）を７０×７０（ｍｍ）、マイクロ波の初期値（０
点）を１Ｖとし、各試料としての木材は乾燥機により、
１０５℃で２４時間乾燥させる。この場合、一時間ずつ
延長して重量変化がなくなるまで乾燥を行うこととし、
任意の時間で各試料から試料片を切り出し、試料重量と
マイクロ波出力電圧を測定した。

【００３２】その測定の結果、ドライベースの含水率η
₁ （ＤＢ％）は、式（６）から明らかなように、 η₁ ＝（Ｗ₂ ／Ｗ₀ ）×１００ ・・・（９） とし、このとき、水分量Ｗ₂ ´は、 Ｗ₂ ´＝測定重量−全乾重量 ＝Ｗ₁ −Ｗ_O ・・・（１０） から算出した。

【００３３】また、ウェットベースの含水率η₂ （ＷＢ
％）は、 η₂ ＝水分量／試料全体重量×１００ ・・・（１１） から求めた。

【００３４】そして、マイクロ波出力レベル（Ｖ）は、 マイクロ波出力レベル（Ｖ）＝実測値−初期値 ・・・（１２） から求め、基準容積当たりの水分量（ｇ／mm³ ）は、 基準容積当たりの水分量（ｇ／mm³ ）＝水分量／マイクロ波測定容積 ・・・（１３） から求めた。このとき、マイクロ波測定容積は、 マイクロ波測定容積＝窓の大きさ×厚さ ・・・（１４） で与えられる。

【００３５】また、全乾比重ω_O は、 ω_O ＝全乾重量／試料容積 ・・・（１５） となり、式（９）、（１２）の関係を各試料、即ち、木
材毎にグラフに表し、検量線ｙ＝ａＭ＋ｂを求めたもの
が図４、図５及び図６に示すグラフである。

【００３６】また、図４〜図６の各グラフを混合して検
量線を求めたものが図７のグラフである。

【００３７】また、式（１２）、（１３）の関係を３種
の試料即ち、各木材を混合してグラフに表して、検量線
を求めたものが図８のグラフである。

【００３８】従来は、式（９）、（１２）の関係によっ
て求めた検量線を用いて水分値を表示していたが、木材
の種類等の違いに応じて検量線を数種類用意する等の対
策をしており、比重の違いについては全く考慮していな
かったが、本発明では、式（１２）、（１３）の関係に
よって求めた検量線を用いることにより、木材の比重の
違いに対応している。

【００３９】この結果、図４ないし図６の各グラフによ
り、従来技術と本発明にかかる水分測定装置によって測
定した水分値の違いを見ると、図４〜図６のグラフが試
料の正確な水分値（比重の異なる同種試料とみなす）、
図７が従来技術によるグラフ、図８のグラフが本発明の
水分測定装置による水分測定の結果である。

【００４０】ここで、試料の容積Ｓが基準容積Ｓ_K と同
じとして計算すると、従来のものでは、図７に示すグラ
フの検量線を用いる。測定した出力電圧が０．４Ｖのと
き、その算出結果は、表２の通りである。

【００４１】

【表２】

【００４２】次に、図８に示すグラフの検量線を用いる
と、測定出力電圧が０．４Ｖのとき、その測定結果は、
表３の通りである。

【００４３】

【表３】

【００４４】そして、比重と検量線の傾きの関係は、図
９に示すグラフとなり、検量線と比重は比例関係にある
ことが判る。

【００４５】なお、実施の形態に記載した被測定物に
は、各種茶葉、果物、野菜、穀物の他、複数種の材料か
らなる集合材や、合板を含むものである。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
茶葉、穀物、穀粉、木材等の比重が一定しない被測定物
の含水率を容易に測定できるとともに、その測定精度を
向上させることができ、従来、比重の相違に応じて数種
類の検量線を必要としていた測定が単一の検量線で対応
できる等、測定の簡略化とともに迅速化を図ることがで
き、水分値の他、比重や全乾比重等の測定にも利用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水分測定方法及びその装置の実施の態
様を示す図である。

【図２】水分測定に用いられる検量線を示す図である。

【図３】水分測定装置の具体的な実施の態様を示す図で
ある。

【図４】ホワイトウッドの含水率対出力電圧を示す図で
ある。

【図５】米松の含水率対出力電圧を示す図である。

【図６】楢の含水率対出力電圧を示す図である。

【図７】３種混合検量線を示す図である。

【図８】３種混合水分量対出力電圧の検量線を示す図で
ある。

【図９】比重と検量線の傾きの関係を示す図である。

【図１０】従来の水分測定の概要を示す図である。

【図１１】従来の水分値対電圧の検量線を示す図であ
る。

【符号の説明】

２ 被測定物 ４、４Ａ、４Ｂ ロードセル（重量測定手段） ６ マイクロ波水分計（水分検出手段） １４ データ処理装置（演算手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 勝義 静岡県榛原郡金谷町金谷河原347の８ カ ワサキ機工株式会社内 (72)発明者 松井 直樹 静岡県榛原郡金谷町金谷河原347の８ カ ワサキ機工株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の容積及び重量を測定し、前記
   被測定物を透過させたマイクロ波の検出レベルにより前
   記被測定物の基準容積当たりの水分量を求め、この水分
   量、前記容積及び前記重量から前記被測定物の含水率を
   算出することを特徴とする水分測定方法。
2. 【請求項２】 前記被測定物の基準容積当たりの水分量
   と、前記被測定物の前記容積及び前記重量から求められ
   る前記被測定物の比重とを用いて前記含水率を算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の水分測定方法。
3. 【請求項３】 被測定物の重量を測定する重量測定手段
   と、 前記被測定物を透過させたマイクロ波の検出レベルによ
   り前記被測定物の基準容積当たりの水分量を検出する水
   分検出手段と、 この水分検出手段で検出された前記水分量及び前記被測
   定物の容積から前記被測定物の全水分量を求め、この全
   水分量及び前記重量から前記被測定物の含水率を算出す
   る演算手段と、 を備えたことを特徴とする水分測定装置。
4. 【請求項４】 前記演算手段において、前記被測定物の
   基準容積当たりの水分量と、前記被測定物の前記容積及
   び前記重量から求められる前記被測定物の比重とを演算
   データに用いて前記被測定物の含水率を算出することを
   特徴とする請求項２記載の水分測定装置。