JPS6039169B2 - マイクロ波乾燥固形分または水分測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、例えば牛乳やしよう油等の固形分や水分を
含む液体や粘性物質の固形分または水分を、簡単かつ迅
速に測定できるようにしたマイクロ波乾燥固形分または
水分測定装置に関するものである。

以下牛乳の乾燥固形分の測定を例にとって説明する。

牛乳中には、脂肪、蛋白質、乳糖、灰分および水分が含
まれている。

これらの成分は決して一定ではなく、牛の品種、飼料、
季節、健康状態等によって大きく変化する。したがって
、牛乳の売買はこれら各成分の高低によって乳価を算出
するのが最良である。しかし、これらの各成分の測定に
は長時間を必要とするため、現在では測定時間の最も短
かし、（ゲルベル法やバブコック法などの公定法では約
２Ｈ／１２サンプル，ミルクチェッカーやミルクテスタ
ー等の光学的濁度法では約２娘抄／１サンプル）脂肪取
引だけに頼っている現状である。これまでは脂肪率が高
ければ他の成分も高いという相関関係があった。

ところが長年脂肪取引ばかりを続けてきたので低脂肪の
牛が自然濁汰されて、高脂肪の牛に品種固定されてきた
と同時に前記の相関がなくなってきた。したがって最近
高脂肪の牛乳にもか）わらず他の成分（無脂乳固形分＝
乳糖＋蛋白質十灰分）が異常に低い牛乳が続出しており
、大間題となっている。そこで最近、全成分取引までい
かなくても、せめて全乳固形分率（水以外のすべての成
分）取引に移行しなければならないとの考え方が生じて
きた。

しかし、公定法で定められている全乳固形分率の測定方
法は熱乾燥方式であり、測定には全体で７〜８時間を要
する。しかも、１日に測定できる数は１０サンプル程度
である。この他、全乳固形分率の測定方法として多小な
りとも使用されている方法には、比重法，牛乳比重計，
プラスチックビープ法，マジョニア・テスタ法，赤外線
全乳固形分測定法，マイクロ法乾燥方式，マイクロ波乾
燥水分計等がある。

比重法は牛乳の比重側定てその値から全乳固形分率を推
定する方法であるが、精度が悪いので乳取引には問題が
ある。

牛乳比重計は目盛から直ちに読みとれ、温度補正も加え
て測定値を出すものであるが、誤差が士０．１２％ＴＭ
Ｓ（ＴＭＳ：全乳固形分）程度もある。プラスチックビ
ーズ法は比重差０．００１で１の五，１伍球のポリメチ
ルスチレンからなるプラスチックビーズを用いて沈降球
の色と浮いている球の色で境界を見分け比重を測定する
もので、簡単ではあるが、精度が悪い。また、マジョニ
ア・テスタ法は１８０３０の固形分用プレートで予備乾
燥した後、１００±１℃に保った固形分用真空乾燥室で
一定時間乾燥冷却秤量する方法であり、全乳固形分率を
迅速に測定できるが、公定法とのカタョリが大きい事と
高価なため、ほとんど使用されていない。

赤外線全乳固形分測定法は、ろ紙に牛乳１夕に相当する
０．９７叫を含ませて、これをアルミ皿に置き、子熱後
、赤外線乾燥器（７５００）に入れ水分を蒸発させるも
のであるが、密閉されていない部分が随所にあるため、
乾燥した試料が空気中の水分を再吸湿してしまったり、
送りが手動のため乾燥終了時から測定時までの間隔が一
定しないので、再吸湿量が不均一であるなどの原因のた
め、精度が悪く、しかも手計算で％ＴＭＳを算出するた
め３入の要員を必要とし、検査個数も３００個／日が限
度である。

さらに、マイクロ波乾燥方式はいわゆる電子レンジをそ
のま）使用して乾燥させる方式であるが、パワーアップ
のためマイクロ波発振部は別層しなければならない。

そして、公定法における熱風乾燥をマイクロ波乾燥に代
えただけなので、乾燥工程以外は公定法と同じ工程が必
要であり、結局は測定時間がかなり必要となり、また電
子レンジのオーブン内の電界分布が不均一なため、ター
ンテーブルが必要となり、秤を内部に組込むことができ
ない。そのため直読の構成とすることができない。その
上、何回も測定しているとオーブン内の気温が上昇する
ので、乾燥時間を変化させなければならない。さらに、
オーブンの壁画は冷たいので蒸発水が凝縮水となって付
着したり、測定手順が複雑であるなどの欠点は免れなか
った。また、マイクロ波乾燥水分計は上記マイクロ波乾
燥方式と同一原理であるが、牛乳をオーブンから取出す
必要がなく、秤量装置によって乾燥前後の試料の重量を
直読できるように工夫はされているが、オーブン内の温
度上昇に伴う誤差は避けることができず、また、オーブ
ン内の電界が不安定、不均一のためこの解決としてスタ
ーラー等が必要である。さらに、試料が多量に必要であ
り、かつ、一旦蒸発した水が凝縮水となって付着するな
どの欠点があった。この発明は上記の欠点を除去するた
めになされたものである。

以下図面についてこの発明を説明する。まず、この発明
の原理について説明する。一般に誘導体にマイクロ波を
与えた時の吸収電力Ｐは次式で表わされる。Ｐ＝０．５
５６ｆＥ２ごｒｔａｎ６×１０‐１０〔Ｗ／ｍ３〕こ）
で、ｆ：周波数〔日２〕Ｅ：電界の強さ〔Ｖ／ｍ〕 ごｒ：比護電率 ねｎ６：誘電正援 したがって、誘導体の吸収エネルギーはマイクロ波の電
界の強さＥ，周波数ｆおよび誘電損失ごｒｘｔａｎ６に
よって変わる。

一般のマイクロ波加熱装置においては、電界の強さＥと
周波数ｆは一定であるので、吸収電力は誘電損失ごｒね
ｎ６のみによって変化する。ところで水分子は強大な永
久双極子モーメントを有しているために、マイクロ波領
域に回転分極に伴う強力な譲電分散を生じているので、
譲露損失ごｒｔａｎ６は大きな値となる。

例えば、約ＨＺでの水の誘電損失は約１２（水温２５ｏ
０）と非常に大きな値を示すのに対し、他の物質（例え
ば石英ガラスでは約０．０００５）では非常に小さい値
を示す。したがって、水は他の物質に比べて強くマイク
ロ波エネルギーを吸収し早く乾燥する。しかし、回転分
極は周囲の粘性に左右されるので、粘性を左右する要因
つまり水の状態（気体，液体，固体，結合水）や温度で
大きく変化する。

この様子を水の場合について第１図と第２図に示す。第
１図は水の状態による誘電損失のごｎａｎ６の周波数特
性を示したもので、曲線１は気体の場合、曲線２は液体
の場合、曲線３は物質に含水された場合であり、点線４
はマイクロ波加熱の発振周波数２．４５ＧＨＺを示す。
この第１図からわかるように、２．４昨日２のマイクロ
波で物質を乾燥する場合には、物質に含水された水，例
えば、牛乳をろ紙にしみ込ませて乾燥させる場合には、
ろ紙と結合した水や牛乳成分と結合した水が、主として
マイクロ波を吸収し、その熱が液体の水に伝わって温ま
り、蒸発するものと考えられる。

それ故、液体の水だけの場合にはこの２．４的日２の周
波数では、水はなかなか乾燥しない。第２図は水の誘電
損失ごｎａｎ６の温度特性を示したもので、これからわ
かるように水の譲露損失ごｎａｎ６つまり吸収電力は、
水温によって大きく変化する。

第３図はこの発明の−実施例を示すものである。

第３図の実施例の構成を動作とともに説明する。マグネ
トロン１１のアンテナ１２から放射されたＴＥＩＯモー
ドのマイクロ波は、導波管１３で園された空間、つまり
オープン１４に並べられた２つの試料血、すなわち、本
乾燥用試料皿１５および予備乾燥用試料皿１６中の水に
吸収されて水を加熱して蒸発させる。

こ）で吸収されなかった残りのマイクロ波は、ウオータ
ダミー１７中の水に吸収される。本乾燥用試料皿１５お
よび予備乾燥用試料皿１６から蒸発した水蒸気は、導波
管１３にあげた排気口１８からファン１９につて排気さ
れる。排気に必要な空気は吸気口２０から得られる。第
２図で説明したように、水の誘電損失ごｒ×ねｎ６は水
温によって大幅に変化するので、ウオータダミー１７に
流れ込む水の温度を一定にしておかないと、水温によっ
て試料の乾燥時間が異なり好ましくない。

それ故、恒温水槽２１で水温を一定にした水をポンプ２
２でウオータダミー１７に送り込んでいる。本乾燥用試
料皿１５は秤量台２３を介して、バランスチェック２４
、フオースコイル２５およびアンプ２６を有する自動平
衡秤２７に載遣されている。

したがって自動平衡秤２７からは重量に比例したアナロ
グの電気信号が得られる。このアナログの電気信号をＡ
／Ｄ変換器２８を通してディジタル信号に変換して記憶
回路２９に適宜記憶させる。記憶信号は指令部３０から
の信号によって適宜呼び出されて、演算部３１で演算さ
れて表示部３２とプリンタ３３に送られる。プリントア
ウト時に、日付設定器３４によって設定された年月日、
地域番号および農家番号等が同時に印字される。風袋引
ボタン３５を押すことにより風袋重量が記憶回路２９に
記憶され、試料重量測定ボタン３６を押すことで風袋重
量と試料重量との総知を記憶回路２９に記憶させるとと
もに、遅延回路３７を介して一定時間遅延後にタイマー
３８を始動させる。

３９は電源、４川ま前記予備乾燥用試料血１６を戦層す
る支持台で、４１は感圧スイッチである。

第４図は第３図の導波管１３のマイクロ波の進行方向に
対する横断面を示したもので、導波管１３の内部、すな
わちオーブン１４内の電界４２の電界分布は、点曲線で
示すように安定なＴＥＩＯモード‘こなっている。

試料を含浸させたグラスファイバー等のろ紙４３は試料
血４４中に収容され、電界４２の最大の点、つまり導波
管１３の中央に置く。このように安定なＴＨＩＯモード
を使用することによって、乾燥状態が安定となり、乾燥
時間も一定となる。また、導波管１３の中央にろ紙４３
が位置するように配置されているので、乾燥時間も短か
くなる。次に第３図の実施例の操作方法について説明す
る。

測定の終了した本乾燥用試料皿１５を秤量台２３から取
り除く。支持台４０上にあって既に前回の測定で予備乾
燥されている第４図に示すろ紙４３の入った予備乾燥用
試料皿１６を秤量台２３に乗せて本乾燥用試料皿１５と
する。これによりあいた支持台４０‘こは、第４図に示
す試料皿４４にろ紙４３を入れて乗せ予備乾燥用試料皿
１６とする。次いで、風袋引ボタン３５を押し風袋重量
のｏを記憶回路２９に記憶させた後、試料（牛乳の場合
は約１夕）を入れてろ紙４３に吸収させる。ろ紙４３を
使用する目的は「例えば牛乳を加熱すると液面に脂肪膜
ができて乾燥いこくくなったり、急激な加熱で牛乳が飛
び散ったりする現象を防止するためと、原理説明で述べ
たように、ろ紙４３を使用すると物質に含水される水が
多くなり、マイクロ波電力を多く吸収し早く乾燥できる
ためである。

その後、試料重量測定ボタン３６を押し、風袋重量の。

と試料重量との総和重量の，を記憶回路２９に記憶させ
る。同時に試料重量測定ボタン３６の信号は総和重量の
， を記憶させるに必要な時間（例えば約１の砂）だけ
遅延回路３７で遅延されてタイマ３８を始動させる。こ
れによりタイマ３８のスイッチが入り、電源３９が接続
されてマグネトロン１１からマイクロ波がオーブン１４
内に放射され、同時にファン１９も動作する。タイマ３
９で設定された試料乾燥に最適な時間に達すると、マグ
ネトロン１１の電源が切れてマイクロ波の放射が止まり
、ファン１９も止まる。タイマ３８の終了信号により風
袋重量のｏと乾燥重量との総和重量の２が記憶回路２９
に記憶される。その後、演算部３１が指令部３０の指令
を受けて、含水率表示を希望する場合には山［Ｊ凶×ｌ
ｏｏ〔％日２０〕 ■１一のｏ と演算させ、牛乳のように固形分率表示を希望する場合
には○２一のｏＸＩ。

〇〔％ＴＭＳ〕仙一也ｏ を演算させ、表示と印字を行わせる。

なお、予備乾燥用試料皿１６の乗せ忘れと防止するため
に、感圧スイッチ４１を設けてランプ表示を可能にして
いる。

第５図ａはこの発明に用いられる本乾燥用および予備乾
燥用の試料皿４４の一実施例を示すもので、縁が轡曲面
に形成され、底部中央にろ紙４３が位置するようにした
ものである。

この作用を第５図ｂのシャーレ状の試料血４４′と対比
しながら説明する。第５図ｂは悪い例を示すもので、こ
のような形状の試料皿４４′においては、ろ紙４３から
出てくる水蒸気が試料皿４４′で冷却されて凝縮水Ｗと
なって溜る。

この凝縮水Ｗは第１図の液体の場合、すなわち曲線２に
相当するので、２．４５印ＭＨ２ではなかなか蒸発しな
い。一方、第５図ａのこの発明による試料皿４４では、
縁が轡曲面となっているので、水蒸気が抜け易く、凝縮
水が生じにくい。そして、たとえ凝縮水が生じても轡曲
面に添って下り再度ろ紙４３中に含水されるので、第１
図における物質に含水された場合、すなわち曲線３に水
になり、マイクロ波電力を強く吸収し、迅速に乾燥する
。そして繰返し使用する際に洗練が容易である。ところ
で、第５図ｂの悪い例において、ろ紙４３を試料皿４４
′の内径一杯の大きさにすれば、凝縮水Ｗはろ紙４３中
に戻るが、ろ紙４３は試料皿４４′の底面に平行な層状
の繊維から形成されているために、マイクロ波で急激に
乾燥を行うと、水蒸気は繊維層に従ってろ紙４３の緑か
ら多く出る。そのため、内径一杯にろ紙４３を敷くと、
ろ紙４３の縁に蓋をされたことになり、乾燥時間が長く
なり不可であり、その上洗練もしにくい。したがって、
第５図ａに示す試料皿４４の方が優れていることは明ら
かである。なお、試料皿４４としては、マイクロ波を反
射したり吸収したりしないような材質、例えばガラスの
ような材質で作るのがよい。第６図はこの発明の他の実
施例を示すもので、複数の本乾燥用試料皿１５と予備乾
燥用試料皿１６をオーブン１４内に収容する場合の最適
位置を示す。

この図において、マイクロ波はマグネトロン１１のアン
テナ１２から放射されて、オーブン１４を通って試料を
乾燥させた後、ウオータダミー１７に吸収されるが、マ
イクロ波はウオ−タダミー１７で完全には吸収されない
ので反射波が生じ、オーブン１４内に定在波４５が多小
起きる。

定在波４５の山の位置で電界が最大であるので、迅速に
乾燥させるには本乾燥用試料皿１５と予備乾燥用試料皿
１６の置く位置を定在波４５の各山の頂上Ｐの位置に置
くものとする。なお、これは第３図の実施例の場合のよ
うに本乾燥用試料皿１５と予備乾燥用試料血１６が１個
ずつの場合も同様である。さらに各試料皿１５，１６を
増加したい場合には導波管１３を長くしても同様の位置
に試料皿１５，１６を暦レナ‘まよい。第７図はこの発
明のマイクロ波乾燥固形分測定装置の直線性を示すため
に牛乳についての測定した結果である。

この図で機軸には公定法の測定値（×）をとり縦軸には
この発明による装置の測定値（Ｙ）をとって示した図で
ある。回帰式は Ｙ＝１．０１１５×−０．１２７，相
関係数はし＝１．００００，回帰からの標準偏差は０．
０１４７４〔％ＴＭＳ〕であり、いご・れも非常に良好
である。

第８図は同じくこの発明による装置のバラッキを示す測
定結果である。すなわち、同一全乳固形分率の牛乳を４
０回繰り返して測定し、そのバラッキを調べた結果であ
る。機軸には測定回数を、縦軸にはこの発明による測定
値を示してある。この結果、バラッキの標準偏差は、０
．０２２〔％ＴＭＳ〕、レンジ（最大値一最小値）は０
．１〔％ＴＭＳ〕と小さい。第９図はこの発明による装
置のカタョリ（この発明による装置の測定値−公定法の
測定値）を示す測定結果である。

機軸には公定法の測定値を、縦軸にはカタョリをとつて
ある。この結果、全測定範囲にわたってカタョリはすべ
て±０．０５〔％ＴＭＳ〕以内にあり非常に小さい値で
ある。なお、上記の実施例の説明では測定対象物として
牛乳を例にとったが、この発明はこれに限定されるもの
ではない。さらに、この発明は固形分測定に限らず水分
の測定も全く同様にして行いうろことは自明である。ま
た、導波管１３の端部に設けるウオータダミー１７は、
必ずしもこれに限らず他のダミーを使用することもでき
る。以上詳細に説明したように、この発明はオーブンと
して導波管そのものを用いたので、内部の電界は安定モ
ードとなり、従来のいわゆる電子レンジ式のようなもの
と異なりスターラー等を必要としない。

しかも端部にはダミーを取付けてこれにマイクロ波を吸
収させるようにしたので、オ−ブン内のマイクロ波の反
射が減少し、そのためマイクロ波発生部が損傷すること
なく長寿命となる。また、オーブン内に発生した水蒸気
を排出させる手段を設けたので、凝結水が生ずることが
なく前記ダミーの効果と相まって正確な測定が可能とな
る。さらにこの発明は本乾燥用試料血と予備乾燥用試料
皿の２つを同時に加熱できるようにしたので、予備乾燥
の時間が不要となり、また、秤量台から得られる重量を
電気信号として取出し記憶演算して被測定物の固形分率
または水分率を求め、これを表示するようにしたため、
固形分率または水分率を直読することができる。

また、ダミーとしてウオータダミーを用いたので安価で
あるばかりでなく、温度を一定に制御するのが容易であ
る。かようにこの発明は測定時間が短かく、操作簡単で
、かつ精度が良い等の優れた特長を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は水の状態による譲露損失の周波数特性図、第２
図は水の譲露損失の温度特性図、第３図はこの発明の一
実施例を示す要部を断面とした斜視図ならびに電気系統
のブロック図、第４図は第３図の導波管の横断面拡大図
、第５図ａはこの発明に用いられる本乾燥用および予備
乾燥用の試料血の一実施例を示す正断面図、第５図ｂは
同じく試料皿の悪い例を示す正断面図、第６図はこの発
明の他の実施例を示す姿部の側断面略図、第７図はこの
発明による装置の直線性を示す牛乳についての測定結果
を示す図、第８図は同じくバラツキについての測定結果
を示す図、第９図は同じくカタョＩＪ‘こついての測定
結果を示す図である。 図中、１１はマグネトロン、１２はアンテナ、１３は導
波管、１４はオープン、１５は本乾燥用試料皿、１６は
予備乾燥用試料皿、１７はウオータダミー、１８は排気
口、１９はファン、２川ま吸気□、２１は恒温水槽、２
２はポンプ、２３は秤量台、２７は自動平衡秤、４０‘
ま支持台、４１は感圧スイッチである。第１図 第５図 第２図 第３図 第４図 第６図 第７図 第８図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一端にマイクロ波発生部が設けられ他端にダミーが
   設けられ内部をオーブンとして導波管と、前記オーブン
   内に設けられ被測定物を収容する本乾燥用試料皿を取出
   し格納自在に載置するとともにこの載置された重量を検
   知する秤量台と、前記オーブン内に発生した水蒸気を排
   出させる手段とよりなることを特徴とするマイクロ波乾
   燥固形分または水分測定装置。 ２ オーブン内に発生した水蒸気を排出させる手段は、
   導波管に設けた空気の入口と水蒸気の出口およびフアン
   とからなる特許請求の範囲第１項記載のマイクロ波乾燥
   固形分または水分測定装置。 ３ 本乾燥用および予備乾燥用試料皿は縁が彎曲面をな
   す形状である特許請求の範囲第１項記載のマイクロ波乾
   燥固形分または水分測定装置。 ４ 本乾燥用試料皿と予備乾燥用試料皿はいずれも複数
   である特許請求の範囲第１項記載のマイクロ波乾燥固形
   分または水分測定装置。 ５ 一端にマイクロ波発生部が設けられ他端にウオータ
   ダミーが設けられ内部をオーブンとした導波管と、前記
   オーブン内に設けられ被測定物を収容する本乾燥用試料
   皿を取出し格納自在に載置するとともにこの載置された
   重量を検知する秤量台と、同じく前記オーブン内に設け
   られ予備乾燥用試料皿を取出し格納自在に載置する支持
   台と、前記オーブン内に発生した水蒸気を排出させる手
   段と、前記秤量台から得られる重量を電気信号として取
   出し記憶演算して被測定物の固形分率または水分率を求
   める手段と、前記求められた固形分率または水分率を直
   読できるよう表示する手段とからなることを特徴とする
   マイクロ波乾燥固形分または水分測定装置。 ６ オーブン内に発生した水蒸気を排出させる手段は、
   導波管に設けた空気の入口と水蒸気の出口およびフアン
   とからなる特許請求の範囲第５項記載のマイクロ波乾燥
   固形分または水分測定装置。 ７ ウオータダミーは内部の水温が一定に制御された特
   許請求の範囲第５項記載のマイクロ波乾燥固形分または
   水分測定装置。 ８ 本乾燥用および予備乾燥用試料皿は縁が彎曲面をな
   す形状である特許請求の範囲第５項記載のマイクロ波乾
   燥固形分または水分測定装置。 ９ 本乾燥用試料皿と予備乾燥用試料皿はいずれも複数
   である特許請求の範囲第５項記載のマイクロ波乾燥固形
   分または水分測定装置。 １０ 予備乾燥用試料皿を載置する支持台は載置の有無
   を表示する手段を有するものである特許請求の範囲第５
   項記載のマイクロ波乾燥固形分または水分測定装置。