JP4042816B2

JP4042816B2 - 水分量検知センサー

Info

Publication number: JP4042816B2
Application number: JP2000165956A
Authority: JP
Inventors: 伊久林; 裕章中村
Original assignee: Fukuoka Prefectural Government
Current assignee: Fukuoka Prefectural Government
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2020-06-02
Also published as: JP2001343343A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象物内の熱移動特性を利用して水分量を測定する水分量検知センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、食品、生ごみ、土木建材、土壌等の性状が不均一な対象物に含まれる水分量を測定する場合、加熱型、誘電型、電気抵抗型、電磁波型、熱伝導型等の各種水分量検知センサーが使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、加熱型水分量検知センサーは、対象物を乾燥させ乾燥前後の重量変化から水分量を測定するもので、含水率０〜１００％の広い範囲の測定ができるが、バッチ式で測定時間が長いという問題がある。誘電型水分量検知センサーは、対象物に電気を流して誘電率の違いにより水分量を測定するもので、測定時間が短く連続測定が可能であるが、高水分量領域の測定ができないという問題がある。電気抵抗型水分量検知センサーは、対象物に電気を流して電気抵抗値の違いにより水分量を測定するもので、測定時間が短く連続測定が可能であるが、高水分量領域の測定ができないという問題がある。電磁波型水分量検知センサーは、赤外線照射に対する対象物のエネルギー吸収量の違いにより水分量を測定するもので、測定精度が高く測定時間が短く更に連続測定が可能という特徴を有する。しかし、表面状態や色等が常に一定である対象物、例えば、紙、小麦粉等に対しては測定精度の安定が確保できるが、電磁波が散乱し易い表面性状を有する、例えば、生ごみ、汚泥、土壌、穀物、果実等の多孔質体では、測定精度が安定しないという問題がある。更に、センサー価格が高価であるという問題も存在する。
【０００４】
熱伝導型水分量検知センサーは、外部加熱による対象物の熱伝導率と水の熱伝導率を比較して水分量を測定するもので、短時間で含水率０〜１００％の広い範囲の測定ができる。しかし、センサーの検知部分には手作業による精密加工が要求され量産化の妨げになっている。また、測定に際しては、センサーの検出信号を変換し処理するための変換器、及び演算処理器が必要で、測定装置としてシステム化する場合には高価になるという問題がある。以上のように、従来の水分量検知センサーは種々の問題を有しており、このため水分管理を必要とする各種分野への水分量検知センサーの適用において障害となっていた。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、広範囲の水分量領域を短時間で高精度にしかも連続測定が可能である水分量検知センサーを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る水分量検知センサーは、所定の電力が供給される面状ヒーターと、該面状ヒーターの一方面側に接合されている温度測定部と、前記面状ヒーターの他方面側に設けられている断熱層と、前記面状ヒーター、前記温度測定部、及び前記断熱層を一体化する耐熱カバーとを有し、
前記温度測定部は、異なる位置に配置されて並列接続されて平均の温度を出力する複数の温度測定素子を備え、前記温度測定部の測定対象物と接触する側には耐熱樹脂フィルムが配置されており、前記耐熱カバーの外側には、導出された前記面状ヒーターに接続される電気ケーブルと、前記温度測定部に接続される信号ケーブルが内部に配置されるケーブル用導管が設けられている。
面状ヒーターの他方面側に断熱層を設けることにより、面状ヒーターで発生した熱を温度測定部が接合されている面状ヒーターの一方側からほぼすべて伝導させることができ、熱移動に関して近似的に１次元の非定常熱伝導状態を形成させることができる。従って、面状ヒーターで発生した熱は面状ヒーターの一方側に接合されている温度測定部を介して伝導する構造となっているため、温度測定部が面状ヒーターの一方面側に設けられている温度測定素子を有する構成とすることにより、面状ヒーターから発生し伝導する熱の移動特性を温度変化として確実に把握することができる。なお、温度測定素子の個数は、面状ヒーターの加熱面の面積や、測定対象物の性状により選定する。例えば、面状ヒーターの加熱面の面積が広い場合又は測定対象物の均質性が低い場合は、温度測定素子の個数を多くするのがよい。一方、面状ヒーターの加熱面の面積が狭い場合、又は測定対象物の均質性が高い場合は、温度測定素子の個数を少なくすることが可能となる。
【０００６】
本発明に係る水分量検知センサーにおいて、前記温度測定部は複数の異なる位置に配置された複数の温度測定素子を有し、複数の該温度測定素子から得られる温度の平均値を出力する。複数の温度測定素子を配置し、各温度測定素子で測定される温度の平均値を出力するので、局所的な影響を抑えて常に安定した温度測定を維持することができる。
また、本発明に係る水分量検知センサーにおいて、前記断熱層が、前記面状ヒーターの他方面側に設けられた空気層と、該空気層を介して設けられた断熱材とを有している構成とするのが好ましい。
面状ヒーターと断熱材との間に空気層を介在させることにより、断熱層の断熱特性を向上させることができる。このため、面状ヒーターで発生した熱を確実に温度測定部を介して外部に伝導させることができる。
【０００７】
【０００８】
本発明の水分量検知センサーの測定原理は、測定対象物の熱拡散率を利用したものである。測定対象物の熱拡散率とは、測定対象物を温めたり冷ましたりする度合いに対する熱の伝わりやすさを示す比の値であり、通常、熱伝導率／熱容量で表される。
いま、水分量検知センサーを測定対象物に接触させ面状ヒーターに所定の電力を供給して面状ヒーターから熱を発生させると、発生した熱は温度測定部を介して測定対象物中に伝導していく。このとき、加熱時間が、例えば１００秒程度と短ければ、急激に加熱しても測定対象物内での水の移動や蒸発は無視できる。
ここで、測定対象物の含水率が低いと、測定対象物内での熱の伝わりが遅く、また水分を温めるのに必要な熱エネルギーが小さいため、面状ヒーターから発生した熱は水分量検知センサーと測定対象物との接触面に多量に蓄積される。このため、温度測定部で測定される温度の上昇速度は大きくなる。一方、測定対象物の含水率が高いと、測定対象物内での熱の伝わりが速く、また水分を温めるのに必要な熱エネルギーが大きいため、面状ヒーターから発生した熱は水分量検知センサーと測定対象物との接触面に蓄積されない。このため、温度測定部で測定される温度の上昇速度は小さくなる。従って、水分量検知センサーを用いて一定の加熱条件で測定対象物を加熱し、そのときの温度変化から温度上昇速度を求めると、水分量と温度上昇速度との間には相関関係が存在することになる。
そこで、水分量検知センサーにより、測定対象物と同一種類で水分量が判明している対象物に対して水分量と温度上昇速度との相関関係を求めておくと、この相関関係と実際の測定対象物に対して水分量検知センサーを用いて得られた温度上昇速度とを比較することにより、測定対象物の水分量を決定することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係る水分量検知センサーを適用した水分量測定装置の概念図、図２は同水分量検知センサーの温度測定部の概念図、図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ同水分量検知センサーで測定された測定対象物に対する時間と温度の関係を示す説明図、両対数処理を行なった時間と温度の関係を示す説明図、図４（ａ）、（ｂ）はそれぞれ同水分量検知センサーで測定された比較用の測定対象物に対する時間と温度の関係を示す説明図、両対数処理を行なった時間と温度の関係を示す説明図、図５は同水分量検知センサーで測定された比較用の測定対象物に対する水分量と温度上昇速度の関係を示す説明図である。
【００１０】
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る水分量検知センサー１０は、所定の電力が供給される面状ヒーター１１と、面状ヒーター１１の一方面側に接合されている温度測定部１２と、面状ヒーター１１の他方面側に設けられている断熱層１３と、面状ヒーター１１、温度測定部１２、及び断熱層１３を一体化する耐熱カバー１４とを有している。以下、これらについて詳細に説明する。
面状ヒーター１１としては、例えば、発熱容量が９０Ｗで、長さ５０ｍｍ×幅３０ｍｍの加熱面を有し、厚さが１ｍｍ程度の市販の面状セラミックヒーターを使用することができる。
【００１１】
図１、図２に示すように、温度測定部１２は、例えば、面上ヒーター１１の加熱面の長さ方向にわたって等間隔に並列に配置された温度測定素子の一例である４個の熱電対１５と、各熱電対１５の周囲に充填されたセラミック系の耐熱接着剤層１６とを有している。４個の熱電対１５が並列に接続されているので、各熱電対１５で測定される温度の平均値を温度測定部１２の測定結果として出力することができる。このため、局所的な影響を強く受けないで常に安定した測定を維持することができる。
【００１２】
断熱層１３は、例えば、厚さ１ｍｍの空気層１７と、この空気層１７を介して設けられている厚さ５ｍｍのガラス繊維製の断熱材１８とを有している。面状ヒーター１１と断熱材１８との間に空気層１７を介在させることにより断熱層１３の断熱特性を向上させることができる。このため、面状ヒーター１１で発生した熱を断熱層１３が設けられていない面、すなわち温度測定部１２が接合されている面側からのみ伝導させることができる。
【００１３】
耐熱カバー１４は、温度測定部１２側に設けられ測定対象物２８と接触する、耐熱樹脂の一例である、厚さ０．１ｍｍ程度の耐熱ポリミドフィルムの接触部１９と、断熱層１３側に設けられているステンレス製の裏面部２０と、接触部１９と裏面部２０とを繋ぐステンレス製の側壁部２１とを有している。また、側壁部２１には１組の面状ヒーター１１用の電気ケーブル２２と、１組の温度測定部１２用の信号ケーブル２３が通過する図示しない孔が設けられ、耐熱カバー１４の外部に導出された電気ケーブル２２と信号ケーブル２３は、裏面部２０に設けられたケーブル用導管２４内に集合される。
【００１４】
次に、本発明の一実施の形態に係る水分量検知センサー１０を適用した水分量測定装置２５について説明する。
図１に示すように、水分量測定装置２５は、水分量検知センサー１０と、水分量検知センサー１０内の温度測定部１２からの出力信号を処理するコンピュータ２６と、水分量検知センサー１０及びコンピュータ２６に動作用の電力を供給する、例えば、定電圧源を備えた電源部２７とを有している。コンピュータ２６は、例えば、パソコンからなって、入力された信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、Ａ／Ｄ変換された信号を処理する演算部と、演算部の処理結果を表示する表示部とを有している。
【００１５】
続いて、水分量測定装置２５を使用した本発明の一実施の形態に係る含水率測定方法について詳細に説明する。
本実施の形態の含水率測定方法は、水分量検知センサー１０を測定対象物２８に接触させ面状ヒーター１１に所定の電力を供給して面状ヒーター１１を加熱する第１工程と、面状ヒーター１１を加熱した際に温度測定部１２によって検知される温度から温度上昇速度の実測値を求める第２工程と、第２工程で得られた温度上昇速度の実測値と測定対象物２８と同一種類で水分量が判明している対象物（比較用の測定対象物）に対して別途測定して得られている温度上昇速度と水分量の相関関係とを比較して、測定対象物２８の水分量を求める第３工程とを有する。以下、各工程毎に詳しく説明する。
【００１６】
（１）第１工程
図１に示すように、電源部２７から水分量検知センサー１０とコンピュータ２６に電力を供給し、水分量検知センサー１０の接触部１９を貯留されている測定対象物２８の上に接触させる。その後水分量検知センサー１０の図示しない測定開始スイッチを入れて、面状ヒーター１１に、例えば９０Ｗの電力を１００秒間供給する。面状ヒーター１１の加熱時間が１００秒と短時間であるため、測定対象物２８内での水の移動や蒸発は無視できる。
【００１７】
（２）第２工程
面状ヒーター１１に９０Ｗの電力を１００秒間供給している際に、温度測定部１２により温度を測定する。温度測定部１２で得られた測定値をコンピュータ２６に入力して処理を行い時間と温度の関係を求める。表示部に示される時間と温度の関係を図３（ａ）に示す。
面状ヒーター１１では、加熱面のサイズ（５０ｍｍ×３０ｍｍ）に対して面状ヒーター１１の厚さが１ｍｍと薄いため、面状ヒーター１１の端部から伝導する熱は無視できる。また、面状ヒーター１１の一方面側には温度測定部１２が接合され、他方面側には空気層１７を介して断熱材１８が設けられているので、面状ヒーター１１の他方面側への熱の移動は妨げられ、面状ヒーター１１で発生した熱はほぼすべて温度測定部１２を介して面状ヒーター１１の外部に伝導する。このため、コンピュータ２６の演算部に、図３（ａ）に示す時間と温度の関係に対して両対数演算を行なう処理手段を設けておくと、両対数処理を行なった時間と温度の関係は図３（ｂ）に示すような直線関係となる。従って、この直線の傾きが温度上昇速度に対応する。
【００１８】
（３）第３工程
測定対象物２８と同一種類の対象物に対して、例えば、水分量が２０％、４０％、６０％及び８０％となる状態に調整した比較用の測定対象物を準備する。この比較用の測定対象物に対して、水分量検知センサー１０の接触部１９を接触させ面状ヒーター１１に９０Ｗの電力を１００秒間供給している際に、温度測定部１２により温度を測定する。得られた時間と温度の関係を図４（ａ）に示す。比較用の測定対象物に対しても１次元の非定常熱伝導状態を仮定できるので、図４（ａ）に示す時間と温度の関係に対して両対数演算を行なうと、図４（ｂ）に示すような直線関係が得られる。従って、図４（ｂ）に示す各直線の傾きａ₁、ａ₂、ａ₃、ａ₄が、２０％、４０％、６０％及び８０％の各水分量を有する比較用の測定対象物の温度上昇速度に対応する。従って、横軸に水分量、縦軸にそのときの温度上昇速度をプロットすると、図５に示す水分量と温度上昇速度の関係が得られる。
【００１９】
図５に示される各点を補間する補間曲線を求めると、測定対象物２８と同一種類の対象物、すなわち比較用の測定対象物に対して、水分量が２０〜８０％の範囲において任意の水分量に対する温度上昇速度の値を推定することができる。従って、コンピュータ２６の演算部に図５に示される補間曲線の関数を入力しておけば、測定対象物２８に対して得られた温度上昇速度の実測値を補間曲線の関数に代入して演算することにより、測定対象物２８の水分量が決定できる。
【００２０】
【実施例】
水分量検知センサー１０を使用した水分量測定装置２５を用いて含水率測定方法を適用しておからの水分量を測定した。
（１）比較用のおからに対する水分量と温度上昇速度の定量関係の導出
先ず、おからの水分量と温度上昇速度の関係を求めるため、おからの水分量を２０％、４０％。６０％、及び８０％となるように調整した。続いて、水分量検知センサー１０の接触部１９を水分調整したおからに接触させて、面状ヒーター１１に９０Ｗの電力を供給して１００秒間加熱し、温度測定部１２によりそのときの温度を測定した。温度測定部１２の出力をコンピュータ２６に入力し、演算部に設けられている両対数演算を行なう処理手段により温度上昇速度を求めた。温度測定部１２で測定された時間と温度の関係を図６に示す。図６の関係に対して、コンピュータ２６の演算部に設けられている両対数演算を行なう処理手段により温度上昇速度を求め、更に水分量と温度上昇速度の関係を示す補間曲線の関数を求めた。得られた水分量と温度上昇速度の関係及び補間曲線を図７に示す。
【００２１】
（２）おからの含水率測定
種々の水分量を有する測定対象物のおからに対して水分量検知センサー１０の接触部１９を接触させ、面状ヒーター１１に９０Ｗの電力を供給して１００秒間加熱し、温度測定部１２によりそのときの温度を測定した。温度測定部１２の出力をコンピュータ２６に入力し、演算部に設けられている両対数演算を行なう処理手段により温度上昇速度を求めた。得られた温度上昇速度を、図７に示す補間曲線の関数に代入して水分量を求めた。その結果を表１に示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
表１には、同一のおからに対してＪＩＳ試験方法に採用されている加熱乾燥重量測定方式水分計により測定した結果を標準値として併記している。また、表１には、本発明の水分量検知センサー１０で測定した測定値と加熱乾燥重量測定方式水分計で測定した測定値（標準値）との偏差を、標準値からの偏差として表示している。
表１から判るように、本発明の水分量検知センサー１０を用いて得られた水分量の値は、ＪＩＳ試験方法である加熱乾燥重量測定方式水分計を用いて得られた水分量と全範囲にわたって比較的よく一致している。従って、本発明の水分量検知センサー１０は十分に実使用に対応できると考えられる。
【００２４】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、例えば、水分量検知センサーによる測定では貯留されている測定対象物に水分量検知センサーの接触部を接触させて測定したが、水分量検知センサーを測定対象物中に埋設あるいは浸漬してもよいし、水分量検知センサーの接触部の上に測定対象物を載せてもよい。更に、搬送中の測定対象物に水分量検知センサーの接触部を接触させたり、水分量検知センサーを測定対象物中に埋設あるいは浸漬してもよいし、水分量検知センサーの接触部の上に測定対象物を通過させてもよい。
また、面状ヒーターの加熱面のサイズを５０ｍｍ×３０ｍｍとしたが、１０ｍｍ×１０ｍｍと小さくすることも可能である。更に、耐熱カバーの裏面部と側壁部はステンレスで構成したが、エポキシ樹脂等の耐熱樹脂により構成することも可能である。耐熱樹脂を使用することにより、測定時の熱損失を更に減少できて測定精度を向上させることができ、水分量検知センサーの軽量化や耐腐食性を向上させることができる。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１、２記載の水分量検知センサーにおいては、所定の電力が供給される面状ヒーターと、面状ヒーターの一方面側に接合されている温度測定部と、面状ヒーターの他方面側に設けられている断熱層と、面状ヒーター、温度測定部、及び断熱層を一体化する耐熱カバーとを有するので、面状ヒーターで発生した熱の損失を少なくすると共に測定対象物内での熱移動特性の影響を敏感に温度測定部で検知することができ、短時間で高精度の測定を行なうことができる。また、水分量検知センサーは高価な精密測定機器を使用せず、しかも構造が簡単なため、価格を従来の水分量検知センサーと比較して１／２０程度に抑えることができる。
【００２６】
特に、温度測定部は複数の異なる位置に配置された複数の温度測定素子を有し、複数の温度測定素子から得られる温度の平均値を出力するので、性状が不均質な測定対象物に対しても安定した測定精度を維持することができ、高精度の測定を行なうことができる。
請求項２記載の水分量検知センサーにおいては、断熱層が、面状ヒーターの他方面側に設けられた空気層と、空気層を介して設けられた断熱材とを有しているので、面状ヒーターで発生した熱の損失を最小限に抑えることができ、より高精度の測定を行なうことができる。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る水分量検知センサーを適用した水分量測定装置の概念図である。
【図２】同水分量検知センサーの温度測定部の概念図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ同水分量検知センサーで測定された測定対象物に対する時間と温度の関係を示す説明図、両対数処理を行なった時間と温度の関係を示す説明図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ同水分量検知センサーで測定された比較用の測定対象物に対する時間と温度の関係を示す説明図、両対数処理を行なった時間と温度の関係を示す説明図である。
【図５】同水分量検知センサーで測定された比較用の測定対象物に対する水分量と温度上昇速度の関係を示す説明図である。
【図６】同水分量検知センサーで測定された比較用のおからに対する時間と温度の関係を示す説明図である。
【図７】同水分量検知センサーで測定された比較用のおからに対する水分量と温度上昇速度の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１０：水分量検知センサー、１１：面上ヒーター、１２：温度測定部、１３：断熱層、１４：耐熱カバー、１５：熱電対、１６：耐熱接着剤層、１７：空気層、１８：断熱材、１９：接触部、２０：裏面部、２１：側壁部、２２：電気ケーブル、２３：信号ケーブル、２４：ケーブル用導管、２５：水分量測定装置、２６：コンピュータ、２７：電源部、２８：測定対象物

Claims

所定の電力が供給される面状ヒーターと、該面状ヒーターの一方面側に接合されている温度測定部と、前記面状ヒーターの他方面側に設けられている断熱層と、前記面状ヒーター、前記温度測定部、及び前記断熱層を一体化する耐熱カバーとを有し、
前記温度測定部は、異なる位置に配置されて並列接続されて平均の温度を出力する複数の温度測定素子を備え、前記温度測定部の測定対象物と接触する側には耐熱樹脂フィルムが配置されており、前記耐熱カバーの外側には、導出された前記面状ヒーターに接続される電気ケーブルと、前記温度測定部に接続される信号ケーブルが内部に配置されるケーブル用導管が設けられていることを特徴とする水分量検知センサー。
請求項１記載の水分量検知センサーにおいて、前記断熱層が、前記面状ヒーターの他方面側に設けられた空気層と、該空気層を介して設けられた断熱材とを有していることを特徴とする水分量検知センサー。