(57)【要約】【課題】十分に高い測定精度を得ることが出来る含水率測定装置を提供する。【解決手段】本発明に係る含水率測定装置は、測定対象物に光を照射するタングステンランプ６１と、測定対象物からの反射光を受けて受光量の大きさに応じた出力を発するシリコンフォトダイオード６２と、測定対象物からの反射光を受けて受光量の変化に応じた出力を発する焦電素子６３と、シリコンフォトダイオード６２及び焦電素子６３の出力信号に基づいて測定対象物の含水率を算出する制御回路５１とを具えている。制御回路５１は、クベルカ−ムンクの式にサンダーソンの補正式による補正を施した変形式を用いて、シリコンフォトダイオード６２の出力信号から導かれる光反射率データと焦電素子の出力信号から導かれる光反射率データから測定対象物の含水率を算出する。【選択図】　　　図３
2004093385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水に対する透過率が大きな第１の波長域及び水に対する透過率が小さな第２の波長域を含む光を測定対象物に照射する発光素子と、前記第１の波長域に感度を有し、測定対象物からの反射光を受けて受光量の大きさに応じた出力を発する第１受光素子と、前記第２の波長域に感度を有し、測定対象物からの反射光を受けて受光量の大きさ若しくはその変化に応じた出力を発する第２受光素子と、第１及び第２の受光素子の出力信号に基づいて測定対象物の含水率を算出する演算処理回路とを具えた含水率測定装置において、演算処理回路は、
クベルカ−ムンクの式にサンダーソンの補正式による補正を施したものであって、第１及び第２受光素子の出力信号からそれぞれ導かれる光検知量データ或いは光反射率データを変数とする関数式が格納されている関数式格納手段と、
第１及び第２受光素子の出力信号からそれぞれ導かれる光検知量データ或いは光反射率データを入力データとして前記関数式による演算を実行して測定対象物の含水率を算出する含水率算出手段
とを具えていることを特徴とする含水率測定装置。
【請求項２】
前記関数式は、クベルカ−ムンクの式に、サンダーソンの補正式を直線近似して得られる一次式による補正を施したものである請求項１に記載の含水率測定装置。
【請求項３】
前記発光素子は白熱光源によって構成され、第１受光素子はフォトダイオードによって構成され、第２受光素子は焦電素子によって構成される請求項１又は請求項２に記載の含水率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象物の含水率を光学的に測定する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、生ごみ処理材となる多孔質の木質細片（ホールチップ）が充填されている処理槽内に、生ごみを投入して、生ごみとホールチップとを攪拌して混合することにより、該混合物に生息する微生物によって、生ごみを水と炭酸ガス等に分解する生ごみ処理装置が知られている。
この様な生ごみ処理装置においては、生ごみ・チップ混合物の含水率を微生物の生息に適した範囲に調整することによって、処理効率を向上させることが出来る。
そこで、生ごみ処理装置においては、処理槽内に空気を送り込む送風機構と、処理槽内の生ごみ・チップ混合物を加熱して乾燥させるヒータを装備し、更に必要に応じて、処理槽内の生ごみ・チップ混合物に水を供給する給水装置を装備して、含水率を調整することが行なわれている。
【０００３】
含水率を自動的に最適調整するためには、処理槽内の生ごみ・チップ混合物の含水率を測定する必要がある。
従来、含水率の測定方法としては、一対の電極を生ごみ・チップ混合物に接触させて、両電極間の電気抵抗を測定することにより、含水率を検出する方法（特開平７−３３５７２号）や、発熱抵抗体を生ごみ・チップ混合物に接触させて、生ごみ・チップ混合物の温度上昇を測定することにより、含水率を検出する方法（特開平８−５７４５８号）が提案されている。
しかしながら、一対の電極を用いた含水率測定方法においては、一対の電極間に電解質の溶液や物質が介在した場合、これによって電極間の電気抵抗が大きく変化するため、含水率の測定値に大きな誤差を生じる問題がある。
又、発熱抵抗体を用いた含水率測定方法においては、発熱抵抗体と生ごみ・チップ混合物の密着性が悪いとき、含水率の測定精度が低下する問題がある。
【０００４】
そこで、出願人は、生ごみ・チップ混合物の含水率を光学的に測定することによって測定精度の向上を図った含水率測定装置を開発し、該装置を具えた生ごみ処理装置を特許出願中である（特開２００１−０８７７４８号等）。
上記含水率測定装置は、生ごみ・チップ混合物に光を照射するタングステンランプと、生ごみ・チップ混合物から反射されてくる光を検知するシリコンフォトダイオード及び焦電素子とを具え、後述の如く生ごみ・チップ混合物の含水率を算出するものである。
【０００５】
シリコンフォトダイオードは、水に対する透過率が大きな第１の波長域（１μｍ未満）に感度を有するのに対し、焦電素子は、水に対する透過率が小さな第２の波長域（１μｍ以上）に感度を有している。従って、生ごみ・チップ混合物の含水率の違いに応じて、焦電素子による光検知量に大きな変化が生じるのに対し、シリコンフォトダイオードによる光検知量には殆ど変化が生じない。そこで、シリコンフォトダイオードによる光検知量を換算して得られる反射率をＲＰＤ、焦電素子による光検知量を換算して得られる反射率をＲＰＩＳとすると、生ごみ・チップ混合物の含水率Ｗは、ランベルト−ベールの式を用いて、下記数１によって表わされる。
【０００６】
【数１】
Ｗ＝ａ０＋ａ１ｌｏｇ（１／ＲＰＤ）＋ａ２ｌｏｇ（１／ＲＰＩＳ）
ａ０、ａ１、ａ２：定数
尚、上記数１の定数ａ０、ａ１、ａ２は、実験的に求められる。
【０００７】
上記含水率測定装置によれば、処理槽の外部から光学的に生ごみ・チップ混合物の含水率を測定することが出来るので、上述した従来の含水率測定方法における問題はなく、従来よりも高い測定精度が得られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、出願人の研究によれば、従来の光学式含水率測定装置においては、十分に高い測定精度が得られないことが判明した。
本発明の目的は、十分に高い測定精度を得ることが出来る含水率測定装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
出願人は、従来の光学式含水率測定装置において十分に高い測定精度が得られない原因を次のように究明した。
従来の光学式含水率測定装置は測定対象物からの反射光を測定するものであるのに対し、ランベルト−ベールの式は透過型のモデル式であるが、反射光には測定対象物を透過した拡散反射光が含まれているため、含水率の算出式にランベルト−ベールの式が適用されていた。しかし、ランベルト−ベールの式は基本的に透過型のモデル式であるため、測定対象物が拡散反射の度合いが大きい土や砂である場合には、測定誤差が大きくなるのである。
【００１０】
本発明に係る含水率測定装置は、水に対する透過率が大きな第１の波長域及び水に対する透過率が小さな第２の波長域を含む光を測定対象物に照射する発光素子と、前記第１の波長域に感度を有し、測定対象物からの反射光を受けて受光量の大きさに応じた出力を発する第１受光素子と、前記第２の波長域に感度を有し、測定対象物からの反射光を受けて受光量の大きさ若しくはその変化に応じた出力を発する第２受光素子と、第１及び第２の受光素子の出力信号に基づいて測定対象物の含水率を算出する演算処理回路とを具えている。そして、特徴的構成において、演算処理回路は、
クベルカ−ムンクの式にサンダーソンの補正式による補正を施したものであって、第１及び第２受光素子の出力信号からそれぞれ導かれる光検知量データ或いは光反射率データを変数とする関数式が格納されている関数式格納手段と、
第１及び第２受光素子の出力信号からそれぞれ導かれる光検知量データ或いは光反射率データを入力データとして前記関数式による演算を実行して測定対象物の含水率を算出する含水率算出手段
とを具えている。
【００１１】
例えば、前記発光素子は白熱光源によって構成され、第１受光素子はフォトダイオードによって構成され、第２受光素子は焦電素子によって構成される。
【００１２】
一般に、拡散反射型のモデル式として、クベルカ−ムンクの式が知られている（「近赤外分光法」株式会社学会出版センター１９９６年５月２０日初版第５３頁〜第５６頁）。又、コンピュータ・カラーマッチングの分野においては、クベルカ−ムンクの式の補正式として、サンダーソンの補正式が知られている（「カラーマッチングの基礎と応用」日刊工業新聞社１９９１年１１月３０日初版１刷発行第１４７頁〜第１４８頁）。
そこで、本発明者らは、クベルカ−ムンクの式にサンダーソンの補正式による補正を施し、これによって得られるクベルカ−ムンクの変形式を含水率の算出式として適用したところ、測定対象物が拡散反射の度合いの小さいものである場合は勿論、拡散反射の度合いの大きい土壌や砂であっても、更には、水分量に応じて可視光の反射量、即ち色目が変化するようなものであっても、十分に高い測定精度が得られることが実験により実証された。
【００１３】
具体的構成において、前記関数式は、クベルカ−ムンクの式に、サンダーソンの補正式を直線近似して得られる一次式による補正を施したものである。
【００１４】
上記具体的構成によれば、前記関数式は、クベルカ−ムンクの式をサンダーソンの補正式を直線近似して得られる一次式による補正を施した簡単なものであるため、簡易且つ高速に含水率を算出することが出来る。
尚、かかる簡単な変形式を含水率の算出式として適用した場合であっても、十分に高い測定精度が得られることは後述の実験により確認されている。
【００１５】
【発明の効果】
本発明に係る含水率測定装置によれば、測定対象物の拡散反射の度合いが大きい場合であっても、十分に高い精度で含水率を測定することが出来る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図１及び図２に示す生ごみ処理装置に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
図１及び図２に示す生ごみ処理装置は、上方が開口したケーシング（１）と、ケーシング（１）の開口部に開閉可能に枢支された蓋（１１）とを具え、ケーシング（１）の内部には、生ごみ・チップ混合物（１０）を収容すべき処理槽（１２）が配備されている。処理槽（１２）は、可視光領域及び近赤外光領域を含む広帯域の波長の光を透過させることが可能な材料、色、及び厚さにて構成されており、例えば、厚さ２ｍｍの白色のポリカーボネートを用いて形成されている。
【００１７】
処理槽（１２）の内部には、シャフト（２１）が水平に架設され、該シャフト（２１）の周囲に放射状に複数本の攪拌棒（２）が突設されている。該シャフト（２１）の一方の端部は、動力伝達機構（２２）を介して、モータ（２３）に繋がっており、モータ（２３）の駆動によって、攪拌棒（２）を回動させて、生ごみ・チップ混合物（１０）を攪拌することが可能となっている。
【００１８】
処理槽（１２）の外面には面状のヒータ（３）が取り付けられており、処理槽（１２）内の生ごみ・チップ混合物（１０）を加熱することが可能となっている。又、処理槽（１２）の上部には、排気ファン（４）が配備され、該排気ファン（４）は、排気路（１４）を経て排気口（１３）に繋がっており、排気ファン（４）の駆動によって、処理槽（１２）内を換気することが可能となっている。
更に処理槽（１２）には、必要に応じて給水機構（図示省略）が接続され、処理槽（１２）内に水を供給することが可能となっている。
【００１９】
更に、処理槽（１２）の底壁の外側には、処理槽（１２）内の生ごみ・チップ混合物（１０）の含水率を光学的に測定するための含水率検出器（６）が取り付けられている。含水率検出器（６）は、図３に示す如く、処理槽（１２）に向けて取り付けられたタングステンランプ（６１）、シリコンフォトダイオード（６２）及び焦電素子（６３）を具えている。図４（ａ）に示す様に、タングステンランプ（６１）は、可視光領域と近赤外光領域とに跨った広い帯域を有する光を出射するものである。又、図４（ｂ）に示す様に、シリコンフォトダイオード（６２）は、０．５μｍ〜１．０μｍの比較的狭い波長域に感度を有し、焦電素子（６３）は、１．０μｍを越える広い波長域にフラットな感度特性を有するものである。
【００２０】
上述の如く、処理槽（１２）は、可視光領域及び近赤外光領域を含む広帯域の波長の光を透過させることが可能であるから、タングステンランプ（６１）から出射された光は、処理槽（１２）を通過して、生ごみ・チップ混合物（１０）に照射され、生ごみ・チップ混合物（１０）にて反射された光は、処理槽（１２）を通過して、シリコンフォトダイオード（６２）及び焦電素子（６３）に入射する。
【００２１】
制御装置（５）は、マイクロコンピュータからなる制御回路（５１）を具えており、該制御回路（５１）によってタングステンランプ（６１）の点灯が制御されている。又、シリコンフォトダイオード（６２）及び焦電素子（６３）の出力信号は、それぞれアンプ（５２）（５３）を経て、制御回路（５１）に供給されている。
制御回路（５１）は、シリコンフォトダイオード（６２）及び焦電素子（６３）からの信号に基づいて、生ごみ・チップ混合物（１０）の含水率を検出し、その結果に応じて、ヒータ（３）、排気ファン（４）及びモータ（２３）の動作を制御し、これによって、処理槽（１２）内の生ごみ・チップ混合物（１０）の含水率を最適調整する。
【００２２】
ここで本発明における含水率の検出原理を、図４を用いて説明する。
上述の如く、図４（ａ）は、タングステンランプ（６１）の分光分布特性を示しており、可視光領域と近赤外光領域とに跨って光が分布している。又、図４（ｂ）は、シリコンフォトダイオード（６２）の分光分布特性Ｐと焦電素子（６３）の分光分布特性Ｑを表わしており、シリコンフォトダイオード（６２）は０．５μｍ〜１．０μｍの比較的狭い波長域に感度を有し、焦電素子（６３）は、１．０μｍを越える広い波長域にフラットな感度特性を有している。
【００２３】
図４（ｃ）は、タングステンランプ（６１）から発せられる光を直接に受光した場合の、シリコンフォトダイオード（６２）による光検知量の分光分布特性Ｐ′と焦電素子（６３）による光検知量の分光分布特性Ｑ′とを表わしている。
但し、焦電素子（６３）は、受光量の変化（微分）に応じた信号を発する熱型センサーであるため、その出力信号の波形を積分することによって、受光量の絶対値に応じたデータが得られるが、本実施例では、近似的に、その出力信号の波形のピーク値をもって積分値（光検知量）とする。
尚、シリコンフォトダイオード（６２）及び焦電素子（６３）によって検知される光検知量の大きさは、それぞれ特性曲線Ｐ′及びＱ′で囲まれる領域の面積に略比例する。
【００２４】
図４（ｄ）は、可視光領域から近赤外光領域にわたる波長域における光の水に対する透過率の分布を表わしており、可視光領域では、略１の透過率となっており、殆ど光が吸収されないのに対し、近赤外光領域では、透過率が低下しており、多くの光が吸収されることがわかる。
【００２５】
図４（ｅ）は、タングステンランプ（６１）から発せられた光が水分を含む物質を透過して、シリコンフォトダイオード（６２）及び焦電素子（６３）に入射した場合の、シリコンフォトダイオード（６２）による光検知量の分布Ｐｎ（ｎ＝０、４０、８０）及び焦電素子（６３）による光検知量の分布Ｑｎ（ｎ＝０、４０、８０）を表わしている。ここでｎは、前記物質の含水率（％）である。
これらの分布は、図４（ｃ）に示す分光分布特性Ｐ′、Ｑ′と、図４（ｄ）に示す水の透過率特性の積として把握することが出来、シリコンフォトダイオード（６２）及び焦電素子（６３）による光検知量の大きさは、分布曲線Ｐｎ、Ｑｎで囲まれる領域の面積に略比例する。
【００２６】
図４（ｅ）から分かる様に、可視光領域においては、水の透過率が略１であるので、含水率が変化してもシリコンフォトダイオード（６２）の光検知量には殆ど変化が見られないが、近赤外光領域においては、含水率の変化に応じて光が吸収される度合いが変化するため、焦電素子（６３）による光検知量は、含水率に応じて変化することになる。
【００２７】
本発明の含水率検出器（６）においては、シリコンフォトダイオードによる光検知量を換算して得られる反射率をＰＰＤ、焦電素子による光検知量を換算して得られる反射率をＰＰＩＳとすると、測定対象物の含水率Ｗは、後述のクベルカ−ムンクの式及びサンダーソンの補正式を用いて、下記数２によって表わされる。
【００２８】
【数２】
2004093385.tif 000003
【００２９】
尚、上記数２の定数ｂ０、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４は、多変量解析により決定することが出来る。
上記数２に示すクベルカ−ムンクの変形式は、次のようにして得られる。
即ち、一般に知られているクベルカ−ムンクの式は、吸収係数をＫ、散乱係数をＳ、拡散反射率をＲとして、下記数３によって表わされる。
【００３０】
【数３】
2004093385.tif 000004
【００３１】
ここで、吸収係数Ｋは、含水率との間に比例関係を有するため、散乱係数Ｓが一定であるとすると、測定対象物の含水率Ｗは、下記数４によって表わされる。
【００３２】
【数４】
2004093385.tif 000005
【００３３】
尚、上記数４の定数ｃ０、ｃ１、ｃ２は、回帰分析によって求められる。
上記数３によって表わされるクベルカ−ムンクの式は、二次元空間のモデル式である。そこで、かかるモデル式を三次元空間に適用する場合の補正式として、反射率Ｒに対する補正式であるサンダーソンの補正式が知られている。サンダーソンの補正式は、光学系に対する定数をｄ、フレネル反射係数をｋ１、内部拡散反射率をｋ２として、下記数５によって表わされる。
【００３４】
【数５】
2004093385.tif 000006
【００３５】
図５は、上記数５のフレネル反射係数ｋ１を０として、内部拡散反射率ｋ２を０．２、０．４、０．６、０．８と変化させた場合の補正前反射率Ｒと補正後反射率Ｒ′の関係を表わしている。図示の如く、内部拡散反射率ｋ２が０．２のとき、両反射率の関係は略比例関係となっている。従って、フレネル反射係数ｋ１及び内部拡散反射率ｋ２が小さく、補正前反射率Ｒの数値範囲が狭い場合には、サンダーソンの補正式は、直線近似することにより下記数６に示す一次式によって表わすことが出来る。
【００３６】
【数６】
Ｒ′＝αＲ
α：定数
【００３７】
尚、上記数６に示す一次式は、シリコンフォトダイオードによる光検知量を換算して得られる反射率ＲＰＤと焦電素子による光検知量を換算して得られる反射率ＲＰＩＳのそれぞれに適用されるのであるが、シリコンフォトダイオードと焦電素子の感度が異なるため、定数αは、ダイオード及び焦電素子のそれぞれについて求められる。
そして、シリコンフォトダイオードについての上記一次式と焦電素子についての上記一次式とを用いて上記数４に示す関数式を変形することにより、上記数２に示すクベルカ−ムンクの変形式が得られる。
上記含水率検出器（６）においては、数２に示す変形式に、シリコンフォトダイオードによる光検知量を換算した反射率ＲＰＤと焦電素子による光検知量を換算した反射率ＰＰＩＳとを代入して演算を実行することにより、測定対象物の含水率を算出する。
【００３８】
本発明に係る含水率検出器（６）においては、上述の如く、含水率の算出に、拡散反射型のモデル式であるクベルカ−ムンクの式にサンダーソンの補正式による補正を施した変形式が用いられるので、十分に高い測定精度を得ることが出来る。
【００３９】
次に、本発明の含水率検出器（６）の性能を確認するために行なった実験の結果について説明する。
実験においては、拡散反射の度合いが異なる３種類の砂を用いて、各砂の含水率を５つの異なる値に変化させ、各点においてシリコンフォトダイオードによる光検知量と焦電素子による光検知量とから含水率を算出した。含水率の算出式としては、ランベルト−ベールの式を用いた数１に示す関数式、クベルカ−ムンクの式を用いた数４に示す関数式、及びクベルカ−ムンクの式をサンダーソンの補正式を用いて変形した数２に示す関数式を用いた。尚、数１の定数ａ０〜ａ２は重回帰分析によって決定し、数２の定数ｂ０〜ｂ４はＰＬＳ（Ｐａｒｔｉａｌ　Ｌｅａｓｔ　Ｓｑｕａｒｅ）分析によって決定した。
【００４０】
図６は、上記３種類の砂について実際に含水率を変化させた５つ異なる値（実測値）と、各点においてシリコンフォトダイオードによる光検知量と焦電素子による光検知量とから算出した値（予測値）との関係を表わしている。図中の正方形のプロットは、上記数１に示す関数式を用いたときの予測値、三角形のプロットは、上記数４に示す関数式を用いたときの予測値、黒丸のプロットは、上記数２に示す関数式を用いたときの予測値を表わしている。又、実線で表わされる直線は、実測値と予測値が一致する点を結んだものである。
図６に示す如く、三角形のプロットは、正方形のプロットに比べて直線の近傍位置に分布しており、上記数４に示す関数式によれば上記数１に示す関数式よりも高い測定精度が得られると言えるが、十分に高い測定精度が得られるとは言えない。
これに対し、黒丸のプロットは何れも、直線の極めて近傍位置に分布している。従って、上記数２に示す関数式によれば、十分に高い測定精度が得られると言える。
【００４１】
下記表１は、上記実測値と予測値の相関係数、及び標準偏差を算出した結果を表わしている。
【００４２】
【表１】
2004093385.tif 000007
【００４３】
上記表１に示す如く、数２に示す関数式を用いて含水率を算出した場合の相関係数は、数１によって表わされる関数式を用いて含水率を算出した場合に比べて大幅に増大している。又、数２に示す関数式を用いて含水率を算出した場合の標準偏差は、数１に示す関数式を用いて含水率を算出した場合に比べて大幅に減小している。従って、数２に示す関数式によれば、数１に示す関数式よりも十分に高い測定精度が得られると言える。
【００４４】
上記生ごみ処理装置においては、含水率検出器（６）として、タングステンランプ（６１）や焦電素子（６３）等の広帯域のセンサーを用いながら上記数２に示す関数式による演算を実行することによって含水率の測定を実現しているので、簡易な構成と演算処理で十分に高い測定精度が得られる。そして、この高精度の測定値を用いることによって、含水率を正確に調整することが出来る。
【００４５】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態においては、光検知量を換算して得られる反射率から含水率を算出する構成を採用しているが、これに限らず、光検知量から含水率を算出する構成を採用することも可能である。
又、受光素子として、シリコンフォトダイオード（６２）と焦電素子（６３）の組合せを用いているが、これに限らず、水による吸収が弱い波長域に感度を有する受光素子と水による吸収が強い波長域に感度を有する受光素子の組合せであれば、シリコンフォトダイオードとゲルマニウムフォトダイオードの組合せ等、周知の種々の受光素子の組合せを採用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施した生ごみ処理装置の断面図である。
【図２】上記生ごみ処理装置の図１とは直交する方向の断面図である。
【図３】本発明に係る含水率検出器及び制御装置の構成を表わすブロック図である。
【図４】本発明における含水率検出の原理を説明する一連のグラフである。
【図５】補正前反射率と補正後反射率の関係を表わすグラフである。
【図６】砂の含水率の実測値と予測値の関係を表わすグラフである。
【符号の説明】
（１）　ケーシング
（１０）　生ごみ・チップ混合物
（１１）　蓋
（１２）　処理槽
（２）　攪拌棒
（３）　ヒータ
（４）　排気ファン
（５）　制御装置
（６）　含水率検出器
（６１）　タングステンランプ
（６２）　シリコンフォトダイオード
（６３）　焦電素子
【図１】
2004093385.tif 000008
【図２】
2004093385.tif 000009
【図３】
2004093385.tif 000010
【図４】
2004093385.tif 000011
【図５】
2004093385.tif 000012
【図６】
2004093385.tif 000013