JPH04232847A - 材料の水分測定装置 - Google Patents

材料の水分測定装置

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JPH04232847A
JPH04232847A JP3193821A JP19382191A JPH04232847A JP H04232847 A JPH04232847 A JP H04232847A JP 3193821 A JP3193821 A JP 3193821A JP 19382191 A JP19382191 A JP 19382191A JP H04232847 A JPH04232847 A JP H04232847A
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クルト　ケーラー
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    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/04—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant in circuits having distributed constants, e.g. having very long conductors or involving high frequencies
    • G01R27/06—Measuring reflection coefficients; Measuring standing-wave ratio

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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、請求項１の上位概念に
記載の材料の水分測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】材料の水分測定方法として次の方法が公
知である。
【０００３】乾燥計量法 試料を熱的に乾燥し、乾燥の前及び後の試料重量から材
料水分を推測する古典的水分測定法であり、多くの材料
に対して個別測定のための標準的方法である。しかし自
動化は、連続的に動作し遅延の小さい測定方法を要求す
る。試料を取出なければならないことも欠点である。
【０００４】炭化カルシウム法 多数の化学的水分測定方法がある。例えば、砂等の試料
が圧力的に密な容器の中で炭化カルシウムと混合する方
法が公知である。発生するアセチレンの圧力が砂水分の
尺度となる。この方法も連続的でもなく、試料の取出も
行わなければならない。
【０００５】Ｋａｒｌ　　Ｆｉｓｃｈｅｒ法沃素滴定反
応を利用するＫａｒｌ　　Ｆｉｓｃｈｅｒ法は、化学的
水分測定法のうちでは最も汎用性が高い、試料の溶剤抽
出液の中の０．１ｍｇの水分を求めることができる。し
かし現場で簡単に使用することはできない。
【０００６】導電率測定 材料水分測定のための導電率測定は優先される、何故な
らばこの方法は装置的に簡単でありコストが低く、連続
的に測定し実際の上で遅延がないからである。導電率の
測定領域は、乾燥状態にある非導電性の物質の吸湿性領
域である。非常に乾燥している材料に対しては導電率測
定は、測定抵抗が高いために適さず、水分の多い物質に
対しては、電解質の影響が大きいために適さない。
【０００７】中性子測定 中性子ビームは軽量の水素原子により強く制動され、こ
れに対して中性子ビームは、大部分の重い元素を容易に
貫通する。水分含有量又はより正確には測定材料におけ
る水素原子の含有量に依存して、照射された速い中性子
のある程度の部分はばらつき、制動される。放射線計数
管又はシンチレーションカウンタは、このようにして発
生した緩慢な中性子の代表的部分を検出し、１分のオー
ダーの時定数を有するパルス繰返周波数の形で水分の体
積含有量のための尺度を形成する。この場合、大きい測
定材料体積について測定値を積分すると非常に有利であ
る。物質と結合している水素の含有量が変動している材
料にはこの方法は利用できない。中性子ビームを使用す
ることは大きい欠点である。
【０００８】誘電的測定 導電率測定とは異なり、この方法は液体にも、非常に乾
燥している物質にも、水分の多い物質にも適している。 導電率測定と異なり、この方法は、外側が絶縁性の部分
の中に閉じ込められている水分も検出し、水分含有量を
求め、これに対して幅が広い帯状路にわたる測定の際に
は導電率測定は水分の多い領域を指示する。対応する測
定能力が存在する場合には誘電的に、水分の多い領域の
内部深くまで測定することができる。
【０００９】本発明は誘電的測定であるので、これに関
する従来の技術を次に詳しく説明する。
【００１０】基本的に、媒体の誘電率εとその水分含有
量との間には単調で一義的な関係が存在する。従って問
題は誘電率εの測定に帰する。これに関しては２つの方
法が形成された。
【００１１】コンデンサ法。
【００１２】この方法では、２つのプレートが、状態が
定められている空間的配置で設けられ、これによりこの
プレート構造体の容量を介して誘電率を測定することが
できる。この場合、測定技術的問題か又はコンデンサプ
レートの障害となる程の大きさの問題が生じる。
【００１３】エコー法。
【００１４】この方法では、複数の導体が、既知の幾何
学的形状の長く開放されている導体を形成する。電気端
子には短いパルスが供給され、そのパルスの持続時間は
、導体の端部からのエコーの帰還までの時間に比して短
い。導体は２つの平行な槍の形に形成され、槍は測定材
料の中に差込むことができる場合、エコーの走行時間か
ら媒体の誘電率を推測し、更に水分含有量を推測するこ
とができる。この方法の難点は、信号の印加からエコー
の到来までの時間が短く（約１０ｎｓ）、従って著しく
短い励振パルスを発生させなければならないことと、パ
ルスの発生からそのエコーまでの時間を１／１００ｎｓ
のオーダーの十分に多数のインクリメントに分解する必
要があることにある。公知の機器では導体における入力
側における電圧を過渡電圧として受取り（部分的に標本
化動作）、電圧変化を手動で又は自動的に評価する。 これにより著しい装置技術的なコストがかかり、特に信
号が短くなければならず、信号が正確に繰返されなけれ
ばならず、前述のような過渡電圧としての受取が行われ
るために信号を周期的な列で形成しなければならないこ
とが装置の技術的コストを大きくする原因である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、単一
部品として又は集積チップとして市販されているか又は
簡単に集積することができる簡単で交差が大きい電子的
及び機械的部品で間に合い、製造の際に一度だけ補償調
整すればよく、簡単で自動的に測定値を求めることを可
能にする材料の水分測定装置を提供することにある。
【００１６】本発明の別の課題は、バルク材料、天然の
土又は例えばセメント等固体媒体の測定に個別に利用さ
れるか、又は面状に分散配置されて例えば生態学的な地
面調査に利用されるコストが小さく保守に手間がかから
ない材料の水分センサを製造することにある。
【００１７】本発明の別の課題は、通常の電子スイッチ
素子によるコスト的に好適な実現により従来の技術に対
して利点を提供し、しかも測定精度が高く自動的な材料
の水分測定を可能にし、製造時に１度だけ補償調整すれ
ばよい材料の水分センサを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】上記課題は本発明により
請求項１の特徴部分に記載の構成により、測定が、信号
の始端とこの始端のエコーとの間の予測時間に比してよ
り大きい持続時間を有する励振パルスにより行われるこ
とにより解決される。
【００１９】有利な実施例はその他の請求項に記載され
ている。
【００２０】
【実施例】次に本発明を実施例を用いて図１を用いて詳
しく説明する。
【００２１】２つの平行な測定棒から成る、端部が開放
されている測定導体路の上で、可及的に急峻な信号側縁
を有する電圧上昇が、無視できる長さのリード線と接続
されている信号源Ｋ１により発生される。信号源の内部
抵抗は、開放導体の特性インピーダンスに、この特性イ
ンピーダンスが簡単な手段により測定領域の中心に対し
て調整可能であるかぎり対応している。このようにして
信号源Ｋ１と測定導体との間の接続線に、測定領域が適
切な場合には反射障害は僅かしか発生しない。しかし測
定導体の開放端で完全な反射が発生する。エコーは導体
の始端に、誘電体の水分により影響され、導体の物理的
データに依存する時間ｔｘの経過後に到達する。測定棒
の電気端子における電圧を所定値と比較する既知スイッ
チＫ２により、励振パルスの開始時とエコーの到達時と
の間の時間の中でのみ、自走形発振器のパルスを計数す
るカウンタのためのゲート信号が発生される。カウンタ
は評価及び指示装置に接続されている。ゲート開放の開
始は有利には信号源を介して遅延して開始することがで
き、従って測定棒における反射が終わった後に初めて開
放が行われる。
【００２２】材料水分の変動により誘電率とひいては測
定導体の棒を囲む被覆媒体容量とが変化する。測定導体
の幾何学的データが一定になった後、これから、材料水
分と、エコーの測定された走行時間ｔｘとの間の既知の
関係が得られる。この関係は式又は校正曲線により与え
ることができる。次にｔｘの測定が本装置の実質的な構
成部分として説明する。
【００２３】本発明により得られる、公知の装置に対す
る改善は、エコーの走行時間に比して短い必要がない励
振パルス信号の使用にある。測定導体の入力側で励振パ
ルスとそのエコーとは、図２に示されているように重畳
されて合計電圧変化となる。
【００２４】図２において、励振パルスの開始時に先ず
初めに静止め値（ここでは零）からＵ１へ電圧が高まる
。Ｕ１は、信号源の無負荷電圧と、線路整合Ｒｉ（信号
源の内部抵抗）と特性インピーダンスとから得られる分
圧比とから得られる。Ｕ２−Ｕ１の高まりは、ほぼ１で
ある導体の反射係数により決まる。次いで、導体の上の
過渡電圧は減衰する。しかし同時に特性インピーダンス
は信号源をもはや負荷せず、信号源の無負荷電圧に到達
する。
【００２５】ｔｘで測定される前縁及び後縁が時間的に
互いに大幅に離れている入力信号の利点は、電子的実現
のコストが小さいことにある。
【００２６】急峻な側縁の信号を発生するために飽和ま
で制御される出力段を使用することができ、これにより
、時間ｔｘに比して小さいパルス持続時間を得るのを困
難にする蓄積時間が生ずる。ここで本明細書で述べる構
成ではこの蓄積時間が障害にならない。大量生産製品と
して市販の回転素子を使用できる。しかし時間ｔｘを１
０ｐｓの分解能により求める必要性は残る。これを同様
に簡単な電子手段により自動的に実行するために、本発
明では、後述のスタティックな手段を用いる。
【００２７】エコーｔｘの走行時間の間に、適切な回路
Ｋ２によりゲート信号が発生され、この場合に開始は信
号源から導出され、終りは、Ｕ１とＵ２との間の閾値を
電圧が上回ることによりエコーの到来を検出する閾値ス
イッチにより与えられる。更に、自走形の周期持続時間
が、その周期のうちの僅かな周期しか時間ｔｘの中に入
らないように設定されている発振器が設けられている。 発振器は測定クロック信号を発生する。
【００２８】発振器により発生された振動を、ｔｘの中
で発生する発振器の負の側縁の数をその都度に計数する
（正の側縁又は正及び負の側縁を計数することもできる
）カウンタに接続するゲートが時間ｔｘの間開放される
。図３は、エコー時間ｔｘが発振器の周期の１．５倍で
あり、ゲート信号と発振器信号との間の時間関係により
発振器の２つの負の側縁の計数が得られる１つの例を示
す。
【００２９】図４は、図３と同様であるが、１つの側縁
の計数のみが行われる、ゲート信号と測定クロック信号
との間の時間関係を示す。
【００３０】測定動作に発振器の位相を関連させること
は行われないので、すべての中間段が可能である。従っ
て、ｔｘの中で発振器信号の２つの負の側縁が（図３に
示されているように）計数される確率は、この場合には
０．５である。この例では双方の場合が同一の頻度で発
生するので、ゲート開放の際に平均１．５の側縁が計数
される。側縁が例えば１０００回のゲート開放にわたり
計数されると、１５００の数が、ｔｘに対する結果とし
て僅かなばらつきで予測される。
【００３１】一般にｔｘとともに、予測計数結果は比例
して増加する。測定が十分な頻度で繰返されると、計数
結果とひいてはｔｘの持続時間とを、時間ｔｘを１０ｐ
ｓの分解能で推測できるような良好な分解能で求めるこ
とができる。この測定に対する信頼できる期間は、前述
の考えとゲート回路及び計数回路の機能における変動と
に統計の法則を、この変動が正規に分布でありかつ変動
の原因が、測定結果を得るための時間を越えるドリフト
又は変動にあるのではない場合に適用することにより得
られる。
【００３２】従って発振器周波数の平均が一定であるこ
とと、論理スイッチ素子の遅延時間が一定又は補償可能
であることが必要なだけであり、ジッタがないこと、ノ
イズがないこと、５００ＭＨｚを上回る周波数を処理す
ることは必要ではない。この解決方法においては、プレ
ハブの顧客回路（ＡＳＩＣ）への良好な組込みを実現で
き、これにより再現性及び迅速性が得られる。これによ
りコストのかからない解決方法も得られる。
【００３３】この場合、測定結果の平均値形成は、カウ
ンタ連鎖回路による計数結果の加算により行われる。こ
の実施例の変形は可能であり、次に説明される。
【００３４】本発明の１つの実施例では、カウンタの計
数結果を、材料の水分の計算及指示を行う計算機によっ
て呼出のためにスタンバイにする出力側を有するセンサ
が設けられている。複数のセンサを計数装置に接続する
こともできる。
【００３５】本発明の１つの有利な実施例では、カウン
タは必要な数のゲート開放の前にできるかぎり頻繁に読
出され、十分な分解能と精度とで測定値を求めることを
可能にする数への累算が１つの別の装置、例えば計算装
置で行われる。例えば１０００回のゲート開放が必要で
あり、例えば２０度目の開放の都度に中間値が検出され
記憶される場合、求めるべき数値結果は５０の個々の値
の加算により得られる。更に、個々の値を用いて、例え
ば、測定の統計的評価に導く個々の検出された数のばら
つきに関するデータを得ることも可能である。
【００３６】本発明の１つの別の実施例は測定導体の構
成方法に関する。測定導体は、アースとばら荷材料とに
対しては平行な槍として実現されるが、しかし接触する
ことしかできない又は許されない材料（セメント、コン
クリート板、損傷してはいけない表面）の測定のために
は、積載されている平行な導体として実施される。この
場合、材料水分を求める際に、導体に沿って分割されて
おり半分は空気から成る誘電体が設けられていることを
考慮しなければならない。この実施例により、建設及び
木材工業界全体での利用が容易になる。
【００３７】１つの別の実施例では、測定導体は、開放
されておらず端部が短絡されている導体として実施され
ている。開放導体に対して、この場合にはエコーの極性
が反転する。導体の入力側の電圧変化は図５に示されて
いるようになる。
【００３８】この実施例は走行時間ｔｘを求める際に有
利である。閾値Ｕ１とＵ２との間の閾値を有する閾値ス
イッチから成る回路Ｋ２は、カウンタのためのゲート信
号を容易に発生することができる。信号源からゲート開
放のための開始時点を導出することは必要でないが、し
かし励振のすぐ後でその作用効果の独立性を得るために
は有利であることもある。
【００３９】別の実施例は、測定導体の形状から得られ
る。測定導体は、複数の統合接続されている単一導体か
ら成ることもあり、従って電磁波は、試料の中で、所定
の所望の伝播状態になる。有利には、導体のうちの１つ
を、この導体が他方又はその他の導体を囲み、外部電磁
界を遮蔽するように実施する。
【００４０】特に固体材料の材料の水分測定の場合、一
対の平行な導体を測定導体として配設することにより、
開放されている半空間の誘電率の大きさが定まらない。 例えば手を載せると測定結果は使いものにならなくなる
。図６の実施例はこのような問題を解決する。
【００４１】測定導体の形状は、中央軸に沿って分割さ
れている同軸導体に対応する。中間導体と、外側導体の
長手エッジとは、測定材料上に載せるための平面を形成
する。内側導体と外側導体との間の中間空間は、一定の
特性を有する誘電体、空気又は固体物質により形成され
る。外側導体は把持部として用いることができる。この
場合にも導体は端部が開放されているか又は短絡されて
いる。経験から、この場合にｔｘと材料水分との間に線
形の関係が存在することが分かっている。
【００４２】１つの別の実施例は、測定導体の始端にお
ける電子回路とこれを囲むケーシングとが試料に影響す
る場合、これらの素子が、例えば測定する地面を雨から
遮蔽する場合に有利である。この場合、発生器と時間測
定装置との接続は、発生器の出力側又は時間測定回路の
入力側における線の特性インピーダンスが測定導体のイ
ンピーダンスの影響をほとんど受けない程に長く、従っ
て発生器における接続端子及び時間測定回路における接
続端子が整合されかつほぼ反射なしに形成されるような
線を介して行われる。図７はその回路を示す。
【００４３】発生器の信号は、一方では直接に測定導体
における接続端子を介して時間測定装置に到達し、他方
ではエコー時間ｔｘだけ遅延して時間測定装置に到達す
る。直接の信号は、第１の実施例におけるようなゲート
回路を開放するために用いられる。測定導体の端部にお
ける反射の後に受信される信号は、ゲートを再び閉じる
ために用いられる。このようにしてｔｘの測定は第１の
実施例のように行われる。
【００４４】１つの別の実施例は、既知の又は水分によ
り変化しない誘電率を有する電気的絶縁層により測定導
体の導体を包囲することである。これにより、測定する
媒体を流れる望ましくない電流が回避される。
【００４５】１つの別の実施例は、発生器により制御さ
れるゲートの開放が、測定導体の始端における反射が終
わると初めて行われるか、又は励振パルスが直接に時間
測定装置に到達した後に行われ、従ってこの場合には測
定導体の端部から反射された励振パルスのみが閾値スイ
ッチにゲートを閉成させることができる。
【００４６】
【発明の効果】本発明の材料の水分測定装置は、個々の
部品として又は集積チップとして市販されているか又は
簡単に集積することができる簡単で交差が大きい電子的
及び機械的部品により構成され、製造の際に一度だけ補
償調整すればよく、簡単で自動的に測定値を求めること
を可能である。本発明の材料水分センサは、ばら荷材料
、天然の土又は例えばセメント等固体媒体の測定に個別
に利用されるか、又は面状に分散配置されて例えば生態
学的な地面調査に利用され、コストが小さく保守に手間
がかからず、通常の電子スイッチ素子によりコスト的に
好適に構成され、しかも測定精度が高く自動的な材料の
水分測定を可能にし、製造時に１度だけ補償調整すれば
よい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例のブロック回路図である
。
【図２】測定導体の入力側で励磁とエコーとが重畳して
合計電圧変化となることを示す線図である。
【図３】ゲート信号と発振器信号との間の時間関係を示
す線図である。
【図４】ゲート信号と測定クロック信号との間の時間関
係で示す線図である。
【図５】測定導体が、開放されておらず端部が短絡され
ている導体として構成されている開放導体の入力側の電
圧変化を示す線図である。
【図６】固体材料の材料の水分測定の場合には一対の平
行な導体を測定導体として配設することにより、開放さ
れている半空間部の誘電率の大きさが定まらない問題を
解決する実施例を示す斜視図である。
【図７】発生器における接続端子及び時間測定回路にお
ける接続端子が整合されかつほぼ反射なしに形成される
ような線を介して行われる実施例を示すブロック回路図
である。
【符号の説明】
Ｋ１　　　　信号源 Ｋ２　　　　スイッチ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　測定導体に印加される励振パルスとエ
    コーの到来との間の時間を用いて、測定導体の誘電体を
    形成する媒体の誘電率を求めることによって材料の水分
    を測定する装置において、測定が、信号の始端とこの始
    端のエコーとの間の予測時間に比してより大きい持続時
    間を有する励振パルスにより行われることを特徴とする
    材料の水分測定装置。
  2. 【請求項２】　　励振パルスの印加と励振パルスのエコ
    ーとの間の時間の測定を、僅かなインクリメントだけで
    分解し、所要の測定分解能と測定精度とを多数の単一測
    定の平均形成により行うことを特徴とする請求項１に記
    載の材料の水分測定装置。
  3. 【請求項３】　　測定導体への励振パルスの印加と励振
    パルスのエコーとの間の時間の測定装置を有する請求項
    １又は請求項２に記載の材料の水分測定装置において、
    励振パルスの印加と励振パルスのエコーとの間の時間の
    測定をカウンタにより行い、カウンタを、自走形発振器
    にゲート回路を介して接続し、発振器は固定周波数を有
    し、固定周波数の周期持続時間は、励振パルスの印加と
    励振パルスのエコーとの間の予期される最小の時間に比
    して数倍しか小さくなく、測定導体に励振パルスが印加
    される時点と、測定導体の端部で反射された信号が到来
    する時点との間にその都度にゲートを開放し、ゲートが
    開放されると、発生器により発生された事象をカウンタ
    が累算し、計数結果が十分に高い分解能を得る数だけの
    ゲート開放が行われてから初めて計数動作の結果を利用
    し、計数動作の結果を利用してから初めてカウンタをリ
    セットし、１つの式又は１つの経験的表を用いて材料水
    分の尺度数に計数動作の結果を変換することを特徴とす
    る請求項１又は請求項２のいずれかに記載の材料の水分
    測定装置。
  4. 【請求項４】　　測定導体への励振パルスの印加と励振
    パルスのエコーとの間の時間の測定装置を有する材料の
    水分測定装置において、励振パルスへの印加と励振パル
    スのエコーとの間の時間の測定をカウンタにより行い、
    カウンタをゲート回路を介して、自走形発振器に接続し
    、発振器は固定周波数を有し、固定周波数の周期持続時
    間は、励振パルス印加と励振パルスのエコーとの間の予
    測される最小の時間の数分の一であり、ゲート開放が行
    われるとその都度に計数結果を部分結果として読取り、
    次いでカウンタをリセットし、十分な数の部分結果から
    平均値とばらつきとを求め、平均値は実際の測定値を表
    し、ばらつきは平均値の信頼期間に関するデータを提供
    し、１つの式又は１つの経験的表を用いて測定値ｔｘか
    ら材料水分のための尺度数に計数動作の結果を変換する
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記
    載の材料の水分測定装置。
  5. 【請求項５】　　測定導体の導体が一定の誘電率の電気
    絶縁性被覆を有することを特徴とする請求項１から請求
    項４までのいずれか１項に記載の材料の水分測定装置。
  6. 【請求項６】　　測定導体の導体のうちの１つの導体が
    他方又はその他の導体を包囲し、従って外部の電磁界が
    遮断されることを特徴とする請求項１から請求項５まで
    のいずれか１項に記載の材料の水分測定装置。
  7. 【請求項７】　　測定導体の導体を試料の表面の上に載
    置し、従ってほぼ平坦な表面を有する固体試料の中の材
    料水分を測定することができ、誘電体が測定導体に沿っ
    て分割し、エコーの走行時間と材料水分との間には１つ
    の式又は１つの経験的に求められた表により表せる非線
    形の関係が成立ち、この非線形の関係を材料の水分のた
    めの尺度を表わすために利用することを特徴とする請求
    項１から請求項５までのいずれか１項に記載の材料の水
    分測定装置。
  8. 【請求項８】　　誘電率の測定が、包囲する導体の外部
    の領域に依存しないように、包囲する導体のエッジと他
    方又はその他の導体のエッジとが同時に試料表面の上に
    載置することができるように測定導体の導体のうちの１
    つの導体が他方又はその他の導体を包囲し、包囲する導
    体と、試料表面との間の空間を、既知の誘電率を有する
    媒体により満たすことを特徴とする請求項１から請求項
    ７までのいずれか１項に記載の材料の水分測定装置。
  9. 【請求項９】　　測定導体を励振する発生器と、測定導
    体の励振からエコーの到来までの時間の測定回路との双
    方を測定導体にそれぞれ導線を介して接続し、該導線は
    、一端における特性インピーダンスが他端における成端
    にほとんど依存せず、従って測定導体の特性インピーダ
    ンスが強く異なる場合でも発生器への成端及び時間測定
    回路への成端を整合することができるような長さを有し
    、発生器から測定導体へ、測定導体と時間測定回路との
    間の接続線を通って励振パルスが時間測定装置に到達す
    るとゲート回路を開放し、測定導体の端部で反射された
    励振パルスが時間測定回路に到達するとゲート回路を閉
    成することにより、測定導体への励振パルスの印加とエ
    コーの到来との間の時間を測定導体の始端で測定し、評
    価を行うことを特徴とする請求項１から請求項８までの
    いずれか１項に記載の材料の水分測定装置。
  10. 【請求項１０】　　測定導体の始端における反射が終了
    してから、又は直接の導線を通って到来する励振パルス
    が到来した後で初めてゲート回路を回路技術的手段によ
    り又は遅延により開放することを特徴とする請求項１か
    ら請求項９までのいずれか１項に記載の材料の水分測定
    装置。
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