(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波用のセンサを備え、ばら物内を透過したマイクロ波の量及び位相が測定され、算出された値によってばら物の含水量が決定される測定通路内で食品または飼料のばら物の含水量を連続的に検出するための方法において、
センサ（２０）がトリプレートストリップ線路として形成され、ばら物を充填したセンサ（２０）の伝送特性が測定され、該線路（２０）が出口側に堰止め要素を備えた測定区間（８）の一部として形成され、そしてセンサ（２０）またはトリプレートストリップ線路が、ばら物主通路（１）及び他の固定要素から分離された測定区間（８）の測定通路（９）の一部として形成され、秤量信号を介してばら物の密度が測定され、そして電子評価装置（１８）を介してばら物の温度と密度と共にその含水量が検出され、続いてこのばら物含水量が調節されることを特徴とする方法。
【請求項２】
伝送特性の検出がマイクロ波測定ユニット（４５）を用いてヘテロダイン測定原理によって行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
測定精度を周期的に検定するため若しくは測定精度を高めるために、センサ（２０）に対して平行に、温度変化と長さ変化の影響を受けない基準線路が接続可能であることを特徴とする請求項１，２記載の方法。
【請求項４】
ばら物を通過させるための測定通路（９）と、測定通路（９）の出口側に設けられた堰止め要素とを備え、この測定通路がばら物流れ方向に対して横方向にセンサ（２０）の一部としての棒（２１）を備え、ばら物を充填したセンサ（２０）または測定通路の伝送特性を測定するための手段と、温度を検出するための手段と、電子評価装置と、そしてばら物内を通過したマイクロ波の量及び位相の値を測定するための手段とが設けられている、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法の実施のための、オンライン運転で食品若しくは飼料のばら物の含水量を連続的に検出するための装置において、
バイパス（４）の形をした測定通路（９）がトリプレートストリップ線路として形成され、測定通路（９）がばら物主通路及び他の固定要素から分離された秤量区間として形成されていることを特徴とする前記装置。
【請求項５】
測定通路（９）の出口側に、ばら物を強制的に排出するための排出要素（１０，１１）が付設されていることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
秤量区間がてこ秤として形成され、排出要素のための駆動モータ（１２）がてこ秤のレバー（１４）の一方の側に作用するように配置され、測定通路（９）がレバー（１４）の他方の側に作用するように配置されていることを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
測定通路（９）が垂直方向において２つの区間、すなわち上側の測定区間と下側に接続する排出区間とに分割され、測定区間が上側から下側へ拡がり、排出区間が上側から下側に狭まるように形成され、排出区間の下側にはスクリュー式排出計量器（１０）が設けられることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載の装置。
【請求項８】
ばら物の温度と密度と関連して、センサ（２０）から電子評価装置への接続導線を介して、ばら物の含水量が測定され、続いて制御され、この接続導線が同軸導線（１９，１９′）として形成され、測定誤差を減少させるために、同軸導線（１９，１９′）のケーブルの波動インピーダンスをセンサ（２０）に反射しないようにするために、逆漏斗状の分岐接続短管を備えていることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一つに記載の装置。
【請求項９】
測定通路（９）が金属で作られ、逆漏斗状の分岐接続短管（６）から測定通路（９）への移行部に亘ってマイクロ波を透過する層（２５，２５′）によって覆われていることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
測定通路（９）が傾斜配置された若しくはずらして配置されたばら物主通路（１）に対するバイパス管（４）として形成され、ばら物主通路（１）から測定通路（９）への入口が格子状に形成されていることを特徴とする請求項４〜９のいずれか一つに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、マイクロ波用センサを備えた測定通路内で、例えば食品または飼料のばら物の含水量（湿気、湿度）を連続的に検出するための方法および装置に関する。
最近、マイクロ波によってばら物の含水量を連続的に測定するための多くの提案がなされている。製粉工業の分野では、ホーンアンテナによる方法が或る程度採用されている。その際、勿論、同時にばら物の密度を検出する必要がある。米国特許第４，１３１，８４５号明細書では、密度の測定のために、γ（ガンマ）線測定が提案されている。それによって、知られている限り、利用可能な結果が得られる。このγ線は不利である。なぜなら、γ線が部分的に法律で規定された特別な予防措置を必要とするからである。
ヨーロッパ特許第２４９７３８号公報では、重量測定値変換器を介してばら物の密度が検出される。測定通路は製品の全体の流れを検出するために秤量要素上に配置され、透過するマイクロ波が対向配置された２本ずつのホーンアンテナを介して測定される。このような測定は信頼性がない。更に、含水量測定の湿潤の前にのみ行われる。
妨害作用のあるマイクロ波反射が周囲の壁によって生じないようにするために、この周囲壁はマイクロ波を吸収する発泡材で作られている。発泡材は更にその内側がマイクロ波を透過する材料で覆われている。それによって、測定物質、例えば食品が発泡材に接触することがない。この測定方法は実際には広く普及していない。マイクロ波の反射と吸収の正確な状態が特定不可能であり、従って大きなエラー源となることが推測される。
例えばヨーロッパ特許第４６８０２３号公報またはヨーロッパ特許出願公開第６６９５２２号広報に記載されているようないわゆる共振器を用いてマイクロ波を適用することが知られている。製品に応じていろいろな共振振動数が必要であり、精度が制限される。
フランス国特許出願公開第２２０５１９６号公報と、専門刊行物（マイクロ波パワー年鑑、１５０４、１９８０年第２０９〜２２０頁、Ａ．Ｋ．マイクロ波アクアメトリー評論）により、マイクロ波場によって食品や飼料を含むばら物の含水量を、オンライン運転で連続的に検出することが知られている。この場合、マイクロ波場が発生させられ、透過したマイクロ波の量と位相がばら物内で測定され、それに基づいて含水量が算出され、この算出された値によってばら物の含水量が制限される。他のパラメータは考慮されない。その際、フランス国特許出願公開第２２０５１９６号公報は、製品流れに対して横方向に棒を有するセンサを備えた測定通路を開示している。
他の専門刊行物（技術フェア、年鑑６１（１９９４年）、１１月、第１１号、第４０９〜４２０頁、Ｋ．Ｋ．マイクロ波−湿気測定装置およびプロセス技術におけるその使用）には、マイクロ波によって湿気を測定するための実施形が開示されている。この場合、自動化のための湿気測定の主問題が、その都度の測定物質のために測定方法を正しく選択することにあることが強調されている。同様に、蒸発によって影響を受ける測定誤差がばら物の大きな粒によって生じることが開示されている。従って、マイクロ波センサの測定室内で次に述べる特性を保証するために、測定物質に対する所定の要求または試料準備が行われる。
・一様な表面
・ばら物の予圧縮
・湿気の均一性
・一定の流量
・顆粒化の所定の特性
これは、特に粒状のばら物についても、既存のマイクロ波湿気測定装置が様々な制約を受けることを示す。
ＷＯ９０／０７１１０では、透過したマイクロ波の量と位相をばら物の周囲で測定し、それに基づいて測定物質の含水量を算出することが試みられた。マイクロ波場を発生するために、測定通路内のばら物に侵入するアンテナが用いられた。マイクロ波場は好ましくは方法領域の最後の区間で発生させられ、同時にばら物の温度が検出された。多くの実験により、含水量測定がばら物の種類に大きく影響されることが判った。製粉装置ではいろいろな種類の穀物、特にいろいろな穀物混合物が加工されることが知られている。従って、新しい穀物混合物を最初に加工する際に、マイクロ波測定のための関連する製品特性が判らないので、少なくとも製品が代わる度に、知られていない製品によって、測定装置の新たな検出を行わなければならない。機器内部の自動的な検定に関するこの問題を解決することは今まで知られていない。更に、含水量について誤差が±０．２パーセントの必要な精度を達成するために、検定の度に更に実験測定を行わなければならない。それによって、（自動的な）オンライン含水量測定の目的は部分的にしか達成されない。容量的な測定方法と異なり、マイクロ波が、水を加えた直後、新たに湿らせた小麦の含水量を正確に検出可能であることが知られている。正確な水添加のための閉じた制御回路内での制御は、水を添加した後の湿気または含水量の測定に基づいていなければならない。過去のすべての実験により、ばら物の種類に依存する問題が存在し、水添加から含水量測定までの時間ファクターが測定結果に悪影響を与えることが判った。製品予備処理において通常は２倍または３倍の水が穀物に添加されるので、今まで知られている方法でこの問題を充分に解決することは不可能である。
本発明の課題は公知の解決策の欠点をできるだけ充分に除去することと、ばら物の種類が代わったときにも実際に簡単に使用可能であり、かつ特に湿らせたばかりの小麦を測定することができ、かつそれ基づいて水添加を例えば所定の目標値に確実に制御することができるマイクロ波測定を開発することである。
湿潤の前に含水量を補足的に測定することは同様に公知のごとく行うことができる。
本発明による解決策は、センサがトリプレートストリップ線路（遮蔽されたストリップ線路）として形成され、ばら物を充填したセンサの伝送特性（線路特性）が測定され、センサが特に測定通路の一部として形成されていることを特徴とする。
今まで、マイクロ波測定技術の大半は化学的な方法技術において、特に木、紙、繊維ウェブ等のような固体の水分含有量を測定するために用いられた。その際、技術的な制約を受けていわゆるホーンアンテナが最も普及した。このホーンアンテナは上記の専門分野において高い成熟度まで開発された。
上記のゴボ（Ｇｏｂｏ）センサ方法（ＷＯ９０／０７１１０）と共振方法が知られている。ゴボセンサ方法では前述のように、ばら物密度が一緒に検出されないので、結果が不正確のままである。ばら物充填によって伝送特性を測定するいわゆるトリプレートストリップ線路を使用することにより、重要な妨害因子、特にマイクロ波反射やマイクロ波吸収に基づいて生じる一連の問題が、除去されることが判った。今までの主な難点、すなわちばら物の種類に依存することは、エラー源として充分に排除可能である。測定結果は、穀物の湿潤と測定との間の時間ファクターに関係なく、正確に再現可能である。
流量と温度のほかにばら物重量を取り込むことにより、ばら物の種類に左右されない確実な含水量測定と、含水量制御が可能となり、この取込みは公知の技術水準から容易に導き出すことは不可能である。
本発明はかなりの数の有利な実施を可能にする。特に、マイクロ波測定ユニットを用いてヘテロダイン測定原理により伝送特性を検出ことが行われる。この場合、電子評価装置を介して他の測定量と共に製品含水量が算出される。測定精度を検定するためまたは高めるために、例えば温度変化や長さ変化を排除するために、センサに対して平行に、基準線路（参照線路）が周期的に接続される。更に、特に有利な実施形では、トリプレートストリップ線路が、固定された装置部分から秤量技術的に分離された測定通路の一部として形成され、秤量信号を介して製品密度が測定される。若干の場合、ばら物の密度測定が必要でないことが判った。しかし、実験の結果、ばら物密度を同時に測定することによって測定信頼性が高まることが判った。これにより、例えば原料または穀物の種類が異なることによってばら物が粒状、荒挽き、綿状または粉状であるときに、特にばら物の種類が大きく変わるときにも、測定を一層良好に制御支配することができる。
本発明は更に、ばら物を通過させるための測定通路と、測定通路の出口側に設けられた堰止め要素とを備え、この測定通路が堰止め要素領域においてマイクロ波センサを備えている、オンライン運転で特に食品または飼料のばら物の含水量を連続的に検出するための装置に関し、測定通路がトリプレートストリップ線路として形成されていることを特徴とする。
測定通路は好ましくは、ばら物のための制御可能な排出要素を付設した秤量区間である。その際、この秤量区間は好ましくはさお秤として形成され、電子評価装置と排出要素用駆動モータがレバー（さお）の一方の側に作用するように設けられ、測定通路が他方の側に作用するように設けられている。レバーには更に、所定のばら物を有する測定装置を完全につりあわせるために、調節可能なカウンタウェイトを配置することができる。
更に、測定通路が高さ方向において２つの区間、すなわち上側の測定区間と下側に接続する排出区間とに分割され、測定区間が上側から下側に拡がり、排出区間が上側から下側に狭まるように形成され、排出区間の下側がスクリュー式排出計量器によって画成されていることが提案される。
センサから電子評価装置への接続導線は同軸導線であり、この場合、接続漏斗部はケーブルの波動インピーダンスをセンサに反射しないように適合させる。マイクロ波にとって有効な測定通路の部分は金属で作られている。測定通路の内部への移行部の接続漏斗部はマイクロ波を透過する層によって覆われている。測定通路は好ましくは、傾斜配置されたまたはずらして配置された製品主通路に対するバイパス管として形成され、製品主通路から測定通路への入口が格子状に形成されている。
本発明は更に、ばら物を通過させるための測定通路と、測定通路の出口側に設けられた堰止め要素とを備え、この測定通路が堰止め領域において測定通路内に製品流れ方向に対して横方向に棒を備えている、オンライン運転で特に食品または飼料のばら物の含水量を連続的に検出するための測定装置に関し、測定装置が秤量装置、特にさお秤として形成されていることを特徴とする。重量信号はロードセルを介して測定され、この信号から密度が算出される。
更に、マイクロ波透過信号の振幅およびまたは位相を測定することができる。
次に、若干の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明によるマイクロ波測定装置の断面図、
図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図、
図３はトリプレート（Triplate）ストリップ線路（遮蔽されたストリップ線路）の基本概念を示す図、
図４はヘテロダイン測定システムのブロック線図、
図５は図４の特別な実施形を示す図、
図６は例えば穀物用の湿潤装置全体を示す図、
図７は水量制御装置の基本要素を概略的に示す図である。
図１，２を参照する。製品主通路１には、ばら物が入口２を経て供給され、出口３から排出される。この製品主通路には、左側半部の方で、バイパス４が格子蓋５を介して接続されている。ばら物は固定された分岐接続短管６を通ってバイパス４に案内され、水平な接続短管７を経て再び製品主通路１に戻る。本来の測定区間８は分岐接続短管６の下端で始まり、接続短管７の排出端部によって画成されている。測定区間８は垂直な測定通路９と排出計量装置１０からなっている。この排出計量装置はスクリューコンベヤ１１と駆動モータ１２を備えている。測定区間８は上側と下側が製品主通路１から秤量技術的に分離されているので、測定区間８の秤量運動が妨害されることなく可能である。測定区間８は垂直な支持部材１３と水平なレバー（さお）１４を介して刃状の旋回点（支点）１５につり下げられている。レバー１４は力変換器１６に力伝達的に接続されている。電子評価装置１８から、それに接続された同軸導線１９，１９′がセンサ２０まで案内されている。このセンサはばら物に侵入する棒２１と、例えば鋼製の少なくとも２個の金属壁部分２２または２２′からなっているので（図３）、測定中、電気導線、棒２１または壁部分２２，２２′に直接付設されて、測定通路９内に磁場Ｈと電場Ｅが生じる。
温度センサ２６によってばら物の温度が測定される。
図２から判るように、波動インピーダンス（特性インピーダンス）を例えば同軸導線の
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からばら物によって形成される誘電体２４の範囲の
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に適合させるために、両同軸導線１９または１９′はホーンアンテナのように漏斗状の拡がり部２３，２３′を備えている。漏斗状の拡がり部２３または２３′は測定通路８の方でマイクロ波を通過させる層２５または２５′によって覆われている。基準導線（標準導線）３１はスイッチ３０を介して接続可能である。
図４はヘテロダイン測定システムのブロック線図を示している。マイクロ波入力信号ａ（ｆ＋Δｆ）は測定区間を案内され、出力信号ｂ（ｆ＋Δｆ）が後方で混合される。それによって、ＺＦ範囲において簡単な位相兼振幅測定を行うことができる。その際、情報（振幅と位相）は失われない（マイクロ波と後方で混合された信号は比例する）。
図５は図４の測定システムの具体的な構成を示している。測定区間の入口でのマイクロ波入力信号ａ（ｆ＋Δｆ）は、周波数シフタ（単側波帯変調器）によって生じる。更に、測定区間の入力と出力は後方（下方）で混合され、評価ユニットで処理される。ヘテロダインシステムを実現するための他の例は、ＰＬＬ（位相同期ループ）を有する変形例である。この場合、テスト区間のマイクロ波入力信号とＺＦ信号がシフトされないで、ミクサ信号ＸがＰＬＬによってｆ＋Δｆに保たれる。それによって、ミクサ出力は再びＺＦ信号を供給し、このＺＦ信号は更に処理される。
次に、湿潤装置全体を示す図６を参照する。湿潤機器４０には例えば乾燥した穀物が入口４１から供給される。湿潤機器はその出口４２を介して製品主通路１の入口に直接接続されている。湿潤機器４０は回転する１個または複数の遠心ロータ４３を備えている。この遠心ロータは駆動モータ４４によって駆動される。マイクロ波測定装置４５はマイクロ波測定装置４５の制御ユニット４７の測定信号に基づいて目標−実際−比較によって評価され、制御信号として水計量ユニット４８に供給する。この水計量ユニットは必要な水の量を調節し、給水管４９と水噴射管５０を経てばら物に水を加える。水の量の制御および調節装置は図７に概略的にかつ拡大して示してあり、それ自体公知のごとく、水カウンタ５１、電子制御装置５５、モータ制御弁５２、フィルタ５３およびバイパス５４のような主構成要素を有する。
参照符号の一覧表
１                      製品主通路
２                      入口
３                      出口
４                      バイパス
５                      格子蓋
６                      分岐接続短管
７                      接続短管
８                      測定区間
９                      測定通路
１０                    排出計量器
１１                    スクリューコンベヤ
１２                    駆動モータ
１３                    支持部材
１４                    レバー
１５                    支点
１６                    力変換器
１７                    プレート
１８                    電子評価装置
１９                    同軸導線
１９′                  同軸導線
２０                    センサ
２１                    棒
２２                    壁部分
２２′                  壁部分
２３                    拡がり部
２３′                  拡がり部
２４                    誘電体
２５                    層
２５′                  層
２６                    温度センサ
４０                    湿潤機器
４１                    入口
４２                    出口
４３                    遠心ロータ
４４                    駆動モータ
４５                    マイクロ波測定装置
４６                    制御装置
４７                    制御ユニット
４８                    水計量ユニット
４９                    給水管
５０                    水噴射管
５１                    水カウンタ
５２                    モータ制御弁
５３                    フィルタ
５４                    バイパス
５５                    電子制御装置
Ｈ                      場
Ｅ                      場
Ｘ                      ミクサ信号
ａ                      入力信号
ｂ                      出力信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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