(57)【要約】【課題】装置の特性や周辺環境の影響を受けずに再現性良く非破壊で青果物の糖度を測定する方法を提供する。【解決手段】温度計２と、ホーンアンテナ３と、アイソレータ４と、ピンスイッチ５と、ローノイズアンプ７及びパワーアンプ８の２段からなる増幅器と、検波器９と、ロックインアンプ１０と、を有する電波放射計を用い、アイソレータ４とピンスイッチ５とアンプ７，８を恒温装置１３にて一定温度に保持しながら、青果物１の温度を測定すると同時に該青果物１が放射する電波を測定し、既存の糖度測定方法により青果物１の糖度を測定し、青果物１の温度と糖度と電波強度の関係を示す検量線を得、次いで、糖度が未知の青果物１について、アイソレータ４とピンスイッチ５とアンプ７，８を恒温装置１３にて検量線作成時と同じ温度に保持し、青果物１の温度と電波を同時に測定して、上記検量線より糖度を算出する。【選択図】図１
2008256612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物が自ら放射する電波を測定する電波放射計であって、
被測定物の温度を測定する温度計と、ホーンアンテナと、アイソレータと、ピンスイッチと、ローノイズアンプ及びパワーアンプの２段からなる増幅器と、検波器と、ロックインアンプと、を有し、
上記アイソレータとピンスイッチと増幅器とが恒温装置を備えていることを特徴とする電波放射計。
【請求項２】
請求項１に記載の電波放射計を用いた青果物の糖度測定方法であって、
アイソレータとピンスイッチと増幅器とを恒温装置によって一定の温度に保持しながら、
青果物の温度を温度計により測定し、同時に、ホーンアンテナを該青果物に接触させて該青果物から放射される電波を測定する操作を、該青果物の温度を変えて複数回行う工程を、複数個の青果物についてそれぞれ行い、さらに、既存の糖度測定方法により測定に供した青果物の糖度を測定し、
測定結果に基づいて、青果物の温度と糖度と電波強度との関係を示す検量線を作成し、
アイソレータとピンスイッチと増幅器とを恒温装置によって検量線作成時と同じ温度で一定に保持しながら、
必要に応じてアイソレータの温度と異なるように冷却或いは加温した、糖度が未知の青果物の温度を温度計により測定し、同時に、ホーンアンテナを該青果物に接触させて青果物から放射される電波を測定し、
測定された青果物の温度と電波強度から、上記検量線に基づいて糖度を算出することを特徴とする青果物の糖度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物が自ら放射する電波を測定する電波放射計と、該電波放射計を用いた青果物の糖度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射計（Ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ）とは、電磁波の放射電力を測定する機器であり、ラジオメーターとも呼ばれている。一般的に放射計と言えば、赤外線の放射を測定する機器を示すが、赤外線以外の周波数領域でも使われている。例えば、マイクロ波領域の電磁波を計測する機器をマイクロ波放射計、ミリ波領域の電磁波を計測する機器をミリ波放射計と言う。近年、高周波電波デバイスの開発が進んできており、高い周波数の電波を計測できる放射計の開発が進んでいる。しかしながら、放射計の測定対象である電波は微弱であるため、装置の特性や周辺環境のわずかな変化により測定の再現性が良くないという問題を抱えており、十分に完成度が高いとは言えない。
【０００３】
一方、屈折式糖度計による果物の糖度測定においては、果物を搾って測定する必要があり、測定に用いた果物は傷ついて商品価値が低下してしまうため、全数検査ができないという問題があった。そのため、果物を破壊することなく、そのままの状態で分析する非破壊分析法が開発されてきている。特に、果物に近赤外線を照射して、透過或いは反射した光を測定することにより、果物中に含まれる成分の種類や量などを分析することができるアクティブ型装置が最も多く用いられている。しかしながら、この装置は小型化が困難であり、農場内での生産管理に使用できないことが課題であった。また、近赤外線方式は光の透過率が低いため、果物の表層部しか測定できないため、メロンなどの皮の厚い果物の測定には適応していないことも課題であった。そこで、光ではなく電波を利用すればこれらの課題が解決すると考えられることから、果物が自ら放射している電波を測定することにより糖度を判別する装置が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−６２０３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、青果物が自ら放射する電波を測定することにより、該青果物の糖度を測定する方法において、装置の特性や周辺環境の影響を受けずに再現性良く電波を測定することにより、非破壊で青果物の糖度を測定する方法と、該方法に用いる電波放射計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１は、被測定物が自ら放射する電波を測定する電波放射計であって、
被測定物の温度を測定する温度計と、ホーンアンテナと、アイソレータと、ピンスイッチと、ローノイズアンプ及びパワーアンプの２段からなる増幅器と、検波器と、ロックインアンプと、を有し、
上記アイソレータとピンスイッチと増幅器とが恒温装置を備えていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第２は、上記本発明第１の電波放射計を用いた青果物の糖度測定方法であって、
アイソレータとピンスイッチと増幅器とを恒温装置によって一定の温度に保持しながら、
青果物の温度を温度計により測定し、同時に、ホーンアンテナを該青果物に接触させて該青果物から放射される電波を測定する操作を、該青果物の温度を変えて複数回行う工程を、複数個の青果物についてそれぞれ行い、さらに、既存の糖度測定方法により測定に供した青果物の糖度を測定し、
測定結果に基づいて、青果物の温度と糖度と電波強度との関係を示す検量線を作成し、
アイソレータとピンスイッチと増幅器とを恒温装置によって検量線作成時と同じ温度で一定に保持しながら、
必要に応じてアイソレータの温度と異なるように冷却或いは加温した、糖度が未知の青果物の温度を温度計により測定し、同時に、ホーンアンテナを該青果物に接触させて青果物から放射される電波を測定し、
測定された青果物の温度と電波強度から、上記検量線に基づいて糖度を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の電波放射計では、温度計とホーンアンテナを青果物の表面に接触するだけで良いため、非破壊で青果物に含まれる糖度を測定することができる。また、本発明の電波放射計では測定環境の温度による影響を受けず、被測定物の温度による電波強度の変動も補償されるため、高精度に糖度が測定される。さらに、小型化が可能で、持ち運びを容易にすることができる。よって、全数測定が可能であり、農場内で生育中の青果物に対して摘果・収穫の熟度判定を行うことができる。また、化学分解や抽出等の煩雑な前処理が不要であるため、迅速な糖度測定が可能で、糖度による選別作業を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の電波放射計は、温度計と、ホーンアンテナと、アイソレータと、ピンスイッチと、ローノイズアンプ及びパワーアンプの２段からなる増幅器と、検波器と、ロックインアンプとを有し、上記アイソレータとピンスイッチと増幅器とが恒温装置を備えていることを特徴とする。
【００１０】
全ての物体は、プランクの法則に従い電磁波を放射している。本発明の主たる特徴は、青果物中に含まれる糖分の含有率の違いによって、該青果物が放射する電磁波の放射率が異なることから、該青果物が放射している微弱な電磁波の電力に違いが生じる現象を利用し、糖度の含有率を測定することにある。尚、本発明の電波放射計は、電磁波の中でも光を含まない電波を測定の対象としている。
【００１１】
本発明の電波放射計においては、微弱な電波を測定するため、
〔１〕ノイズフィギュアの小さなアンプを使用する、
〔２〕微弱な信号の測定が可能なロックインアンプを使用する、
〔３〕装置自体が発生する電波により発生する定在波問題を解決するためにアイソレータを使用する、
〔４〕被測定物の温度に合わせて、アイソレータの温度を変化させる、
〔５〕温度に依存して特性が変動する装置については、該特性を安定させるために恒温装置内に組み込む、
ことを特徴としている。
【００１２】
本発明において測定に使用するアンテナは、被測定物が発生する電波のみを受信することが可能なホーンアンテナ（ホーン型の電波受信素子）であり、これを被測定物に接触させて使用する。
【００１３】
被測定物が自ら放射する電磁波の強度は、レイリー・ジーンズの法則から導かれる、下記式（１）で表すことができる。
【００１４】
Ｐ（ｆ）＝εｋＴＢ    （１）
ε：放射率
ｋ：ボルツマン定数＝１．３８×１０-23［Ｊ／Ｋ］
Ｔ：温度［Ｋ］
Ｂ：周波数帯域
【００１５】
電磁波はあらゆる周波数成分を持つが、本発明の電波放射計の測定対象である電波の周波数帯域は、３００ＧＨｚ〜３ＴＨｚを上限とし、それ以下の周波数帯域の電波を受信するものである。この強度は非常に弱く、検波器のノイズレベルに埋もれてしまうため、そのままでは検知することができない。そこで、大きな利得のアンプ（増幅器）で信号を十分に大きくする必要がある。しかしながら、利得が大きいアンプを使えば信号は大きくなるが、同じ割合でノイズも大きくなってしまう。さらに、アンプには少なからず内部ノイズがあるので、結果的にアンプ出力のノイズは信号より大きな割合で増えてしまう。これを解決するために、本発明においては、初段にノイズフィギュアの小さなアンプ（プリアンプ）を接続する。プリアンプの利得は一般的に小さいため、これだけでは信号は検波器のノイズレベルに埋もれたままになってしまうため、プリアンプの後段に利得の大きなアンプを接続する。即ち、本発明においては、増幅器としてローノイズアンプとパワーアンプの２段構成とすることにより、アンテナで受信した電波を検波器のノイズレベルに埋もれない程度まで増幅し、次いで増幅した信号を検波器で直流に変換する。
【００１６】
尚、本発明で用いられるプリアンプとしては、ノイズフィギュア（ＮＦ）が３以下のローノイズアンプが好ましく用いられる。また、後段のアンプとしては３０ｄＢ以上のパワーアンプが好ましく用いられる。
【００１７】
プランクの法則に従って発生する電磁波は、物体が絶対零度でない限り全ての物体から放射されている。そのため、アンプが放射している電波がアンテナを通り、被測定物に対して放射され、被測定物表面で反射し、再びアンテナに受信される際に定在波が発生することがわかった。アンプは電力を消費して高温になるため、食品が発生する電波よりも強い電波を発生する。さらに、定在波になるために、より強い信号になる。そのため、測定対象の電波を測定することができなくなってしまう。そこで、本発明においては、アンテナと増幅器の間にアイソレータを設置することが重要である。
【００１８】
アイソレータは電波を一方向にのみ通す素子である。アイソレータを設置した場合にも、アイソレータ自身が放射する電波が被測定物の表面で反射し、アンテナに受信されるが、この場合は、アイソレータの一方向性特性のため、進行波と反射波が合成されることがなく、定在波は発生しない。しかしながら、アイソレータの影響を考慮すると、先に示した式（１）は、下記式（２）のようになる。
【００１９】
Ｐ（ｆ）＝εｋＴＢ＋（１−ε）ｋＴ’Ｂ      （２）
Ｔ’：アイソレータ温度（アイソレータの放射率はほぼ１である）
【００２０】
上記式より、被測定物の温度とアイソレータの温度が等しい場合には、被測定物の測定対象である成分の含有率が異なることにより放射率が異なっても、受信電力に差が生じない現象が起きる。即ち、被測定物とアイソレータの温度差が大きいほど、測定の分解能が高くなる。そこで、本発明においては、予め被測定物の温度に対してアイソレータの温度が高温或いは低温となるようにアイソレータを恒温装置によって一定の温度に保持し、測定を行う。また、アイソレータの温度に対して被測定物の温度に差がない場合には、被測定物を冷却或いは加温して、被測定物の温度がアイソレータの温度よりも高温或いは低温となるようにして測定を行ってもかまわない。いずれの場合も、被測定物の温度が少しでも変動すると電波強度が変動するため、被測定物の電波測定と同時に該被測定物の温度を測定し、被測定物の温度変動による影響を補償する。
【００２１】
上記のようにして被測定物から放射される電波を測定し、検波器によって直流に変換しても、非常に微弱な電圧なので通常の電圧計では安定した測定ができない。そこで本発明では、この問題を解決するために検波器の後段にロックインアンプを組み合わせた。ロックインアンプとは、ノイズに埋もれた微小な繰り返し信号を検出する測定器であり、該ロックインアンプで微弱な信号を測定する場合には、測定対象の信号が繰り返し信号である必要がある。そのため、本発明ではさらに、測定対象の信号を繰り返し信号とするために、アイソレータの後段にピンスイッチを取り付ける。ピンスイッチは、制御信号の状態に応じてアナログ信号が通過する経路のオン／オフを切り替えるアナログ回路であり、ＲＦスイッチとも呼ばれている。主に無線通信機器の送受信の切り替えに使用され、変調方式によっては数Ｗ以上の信号を切り替えるために使用されている。しかしながら、係るピンスイッチがオフの時に発生する電波の強度が変化すると、繰り返し信号も変化するため、本発明においてはピンスイッチを恒温装置によって一定温度に保持する。
【００２２】
次に、本発明の青果物の糖度測定方法について手順を説明する。
【００２３】
本発明の糖度測定方法は、上記した本発明の電波放射計を用い、被測定物として青果物の電波を測定し、これにより青果物の糖度を非破壊で測定する方法である。
【００２４】
先ず、検量線を作成する。
【００２５】
ピンスイッチと増幅器とアイソレータを恒温装置によって一定の温度に保持し、青果物の温度を温度計で測定し、同時に、ホーンアンテナを該青果物に接触させて該青果物から放射される電波を測定する。この操作を、青果物の温度を変えて複数回行う。さらに、上記温度・電波の測定操作を温度を変えて複数回行う工程を、複数個の青果物についてそれぞれ行う。さらに、測定に用いた青果物の糖度を既存の糖度測定方法（化学分析等）により測定する。このように、複数個の青果物について測定を行うことにより、異なる糖度における温度・電波のデータが得られることになる。そして、測定結果に基づいて、青果物の温度と電波と糖度の関係を示す検量線を作成する。得られた検量線は演算表示器のメモリに記憶させる。
【００２６】
尚、検量線を作成する際のアイソレータの温度は、想定される青果物の温度に対して有意差を有するように、好ましくは、想定される青果物の温度に対して２０℃以上温度差を有するように設定する。
【００２７】
また、予めアイソレータの温度を変えて上記検量線を作成しておくことにより、測定環境の温度の変動に応じて、青果物の温度に対して有意な差を有するようにアイソレータの温度変更ができるようにしておくことも好ましい。
【００２８】
次に、上記検量線を作成した際の温度になるようにアイソレータを恒温装置で一定温度に保持し、また、ピンスイッチと増幅器も恒温装置で一定温度に保持し、糖度が未知の青果物について温度計で温度を測定し、同時に、ホーンアンテナを該青果物に接触させて青果物から放射される電波を測定する。尚、青果物の温度がアイソレータの温度とほぼ等しく、糖度の算出に当たって精度が低下する恐れがある場合には、青果物を適宜冷却或いは加温してもかまわない。
【００２９】
上記のようにして、青果物の温度と電波とを同時に測定し、演算表示器において、メモリ内に保存された検量線データを参照して糖度を算出し、表示する。
【００３０】
図１に、本発明の電波放射計で果物の糖度を測定している様子を概略的に示すブロック図を示す。図中、１は被測定物である果物、２は温度計、３はアンテナ、４はアイソレータ、５はピンスイッチ、６は無反射終端、７はローノイズアンプ、８はパワーアンプ、９は検波器、１０はロックインアンプ、１１は演算表示器、１２は同期信号発生器、１３は恒温装置である。
【００３１】
本例においては、ピンスイッチ５がオフの時に発生する電波（参照信号）の発生源に無反射終端６を使用し、アイソレータ４、ピンスイッチ５、無反射終端６、アンプ７，８を一定温度に保つため、恒温装置１３内にこれらを組み込んだ。尚、本例では一つの恒温装置１３内に温度を保持するための装置を全てを組み込んだ構成を示したが、本発明は特にこれに限定されるものではなく、個々に、恒温装置を備えていても良い。いずれの装置も、検量線作成時と同じ温度条件に保持されるように構成されていればよい。また、恒温装置としては、各装置を所定の温度に一定に保ちうる構成であればよく、特に限定されない。
【００３２】
また、ピンスイッチ５とロックインアンプ１０とは同期信号発生器１２で同期をとっている。
【実施例】
【００３３】
図１に示す構成の電波放射計を用いて、マンゴーの糖度を測定した。恒温装置１３の温度は４０℃とした。各装置は以下の通りである。測定した電波の周波数帯域はＫａ帯（２６．５〜４０ＧＨｚ）である。
温度計：安立計器株式会社製「ＷＥ−１１Ｋ−ＴＳ２−ＷＴ３」
アジレント・テクノロジー株式会社製「３４９７０Ａ」
ホーンアンテナ：導波管アンテナ、ＷＲ２８（自作）
アイソレータ：ワイズウエーブ社製、Ｆｕｌｌ  Ｂａｎｄ  Ｆａｒａｄａｙ  Ｉｓｏｌａｔｏｒ、Ｍｏｄｅｌ「ＦＦＦ−２８−０１」、２６．５−４０ＧＨｚ、ＷＲ２８
ピンスイッチ：自作
ローノイズアンプ：自作
ユーディナデバイス株式会社製「ＭＭＩＣ  ＦＭＭ５７０４Ｘ」使用
ＮＦ＝２．０、２０ｄＢ
パワーアンプ：自作、４０ｄＢ
検波器：アジレント・テクノロジー株式会社製「ＨＰ  ８４７４Ｅ」
ロックインアンプ：株式会社エヌエフ回路設計ブロック製「ＬＩ  ５６４０」
演算表示器：汎用パーソナルコンピュータ
同期信号発生器：自作
恒温装置：自作した。具体的には、金属ケースの内側５面に断熱シートを貼り付け、蓋にラバーヒータを取り付けた。金属ケースの内部に温度計を取り付けておき、ラバーヒータに供給する電力を調節して内部の温度が一定になるようにした。アズワン株式会社製のデジタル温度調節器「ＴＣ−３０００」に温度計とラバーヒータを接続し、温度が設定温度を上回ると、ラバーヒータへの電力供給を停止し、温度が設定温度より低い場合にはラバーヒータへ電力を供給する。
【００３４】
先ず、２個のマンゴーの温度を変えて電波を測定した。次いで、屈折式糖度計（ＢＲＩＸ）にてそれぞれの糖度を測定したところ、１８．５と１５．１であった。結果を図２に示す。図２のデータより、同一温度でのマンゴーの糖度と電波強度の関係を算出することにより、検量線が得られる。図２では糖度が１８．５と１５．１の２点検量線としたが、測定するマンゴーの糖度をより多く設定すれば、多点検量線が得られ、より測定精度が向上する。
【００３５】
図２のグラフより、マンゴーの温度が低い場合には糖度が上がると電波強度が下がり、マンゴーの温度が高い場合には糖度が上がると電波強度が上がることが分かる。また、マンゴーの温度が４０℃付近では、糖度の差による電波強度の差がなくなり、実質的に電波強度から糖度を算出することが難しくなる。即ち、本発明において測定精度を高めるためには、アイソレータの温度と被測定物の温度との温度差が大きくなるように制御することが重要であることがわかる。
【００３６】
図２の結果に基づいて、糖度が未知のマンゴーを同じ装置で測定し、その後、測定したマンゴーの糖度を屈折式糖度計（ＢＲＩＸ）により測定し、本発明による糖度と比較した。結果を図３に示す。
【００３７】
図３からも明らかなように、従来の測定方法による糖度と本発明による糖度は良好な相関関係を示しており、測定点数を多くして精度の高い検量線を得ておけば、非破壊で高精度に糖度を測定しうることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の電波放射計で果物の糖度を測定している様子を概略的に示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例において、検量線作成用に２個の青果物の温度と電波を測定した結果を示すグラフである。
【図３】本発明の実施例において得られた、本発明の測定方法とＢＲＩＸによる測定方法との相関関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１  青果物
２  温度計
３  ホーンアンテナ
４  アイソレータ
５  ピンスイッチ
６  無反射終端
７  ローノイズアンプ
８  パワーアンプ
９  検波器
１０  ロックインアンプ
１１  演算表示器
１２  同期信号発生器
１３  恒温装置
【図１】
2008256612.tif 000003
【図２】
2008256612.tif 000004
【図３】
2008256612.tif 000005