(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に電磁波を発信する発信部と、前記被測定物に浸透した電磁波を受信する受信部とを備え、電磁界を被測定物に浸透させ、そのときの電磁界吸収から水分量を測定する電磁波を使用した水分量測定技術において、
前記発信部での抵抗を示す第１の抵抗、被測定物の共振による損失を示す第２の抵抗、コイル及びコンデンサ、受信部の検出用負荷での抵抗を示す第３の抵抗を直列に繋いで水分量測定センサの等価回路を表した場合に、
第３の抵抗の抵抗値が第１の抵抗及び第２の抵抗の各抵抗値の合計の１／３〜１倍であって、被測定物における電磁界損失に対して直線的に比例した出力特性を生じることを特徴とする水分量測定センサ。
【請求項２】
被測定物を収容する測定容器と、前記測定容器の外面に沿って移動可能に取り付けた請求項１に記載の水分量測定センサと、前記水分量測定センサと測定容器とを相対移動させる移動機構と、前記水分量測定センサで測定された被測定物の水分量のデータを出力する出力手段とを備え、前記水分量測定センサと測定容器とを相対移動させて複数箇所で被測定物に電磁界を浸透させて被測定物に含まれる水分量を測定し、被測定物の平均的な水分量を検出することを特徴とする水分量測定装置。
【請求項３】
被測定物がフレッシュコンクリート又は砂のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の水分量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共振器から発生する電磁界を被測定物に浸透させ、そのときの電磁界吸収から水分量を測定する水分量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、フレッシュコンクリートに含まれる水分量の測定は、電子レンジを用いた高周波加熱乾燥法により、乾燥前後の重量変化から計算式で単位水量を求めている。この方法は、乾燥に時間がかかることと、本来フレッシュコンクリートに含まれている粗骨材である砂利を取り除いたモルタルを計測しているため、砂利を除去したときの砂利に付着した水分が誤差となる。また、ラジオ・アイソトープを応用した水分センサが開発されているが、取り扱いに注意が必要なのと装置の価格が高価であることが問題である。
【０００３】
特に、コンクリート構造物の強度は、コンクリート中のセメントに対する水の量で調整されている。しかし、コンクリートの強度は、フレッシュコンクリートの状態ではわかりにくく測定が困難であった。フレッシュコンクリートの水分測定が簡便にできれば、コンクリート品質の向上に役立つ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
フレッシュコンクリート等の水分量を検出する手法として、電磁波（マイクロ波）を照射・透過させその減衰により水分量をもとめるものもあるが、照射・透過させたマイクロ波の減衰と出力が必ずしも比例しないので、測定精度が良くなかった。
【０００５】
そこで、本発明は被測定物の水分量を瞬時にかつ正確に測定する水分量測定センサ及び水分量測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の水分量測定センサは、被測定物に電磁波を発信する発信部と、前記被測定物に浸透した電磁波を受信する受信部とを備え、電磁界を被測定物に浸透させ、そのときの電磁界吸収から水分量を測定する電磁波を使用した水分量測定技術において、図２に示すように、前記発信部での抵抗を示す第１の抵抗（３２）、被測定物の共振による損失を示す第２の抵抗（３３）、コイル（３４）及びコンデンサ(３５)、受信部の検出用負荷での抵抗を示す第３の抵抗（３６）を直列に繋いで水分量測定センサの等価回路を表した場合に、第３の抵抗（３６）の抵抗値が第１の抵抗（３２）及び第２の抵抗（３３）の各抵抗値の合計の１／３〜１倍であって、被測定物における電磁界損失に対して直線的に比例した出力特性を生じることを特徴とする。ここで「電磁波」にはマイクロ波が含まれる。また、「検出負荷」には検出用ダイオードの他、抵抗やコンデンサが含まれる。また「被測定物における電磁界損失に対して直線的に比例した出力特性」を得るには、例えば、検出器において検出用負荷として検出用ダイオードを使用し、検出用ダイオードの電流−抵抗値の特性を考慮して、回路電流の大きいところで生じる飽和傾向と、回路電流の小さいところで生じる飽和傾向を組み合わせて、被測定物の検出水分量と検出出力が直線的に比例するように、検出用ダイオードのダイオードインピーダンスを選択すると良い。
【０００７】
この水分量測定センサは、被測定物に発信部から電磁波を発信して、被測定物に浸透した電磁波を受信することにより被測定物に含まれる水分量を測ることができるから、瞬時に水分量を測ることができる。また、被測定物に含まれる水分量による電磁界損失に対して直線的に比例した電気的出力を生じさせることができ、かつ受信部の検出用負荷において出力値が大きくなるので、被測定物に含まれる水分量を良好な精度で測定することができる。
【０００９】
請求項２に記載の水分量測定装置は、被測定物を収容する測定容器と、前記測定容器の外面に沿って移動可能に取り付けた請求項１に記載の水分量測定センサと、前記水分量測定センサと測定容器とを相対移動させる移動機構と、前記水分量測定センサで測定された被測定物の水分量のデータを出力する出力手段とを備え、前記水分量測定センサと測定容器とを相対移動させて複数箇所で被測定物に電磁界を浸透させて被測定物に含まれる水分量を測定し、被測定物の平均的な水分量を検出することを特徴とする。ここで、「出力手段」は、データの記録や、表示、プリントができる手段をいうものとする。
【００１０】
請求項３に記載の水分量測定装置は、被測定物がフレッシュコンクリート又は砂のいずれかであることを特徴とする。被測定物が砂である場合は、例えば、砂を貯めるホッパーを測定容器とし、測定容器としてのホッパーの側面に水分量測定センサを移動可能に取り付け、ホッパーに対して複数箇所で砂の水分量が測定できるようにしても良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る水分量測定装置を図面に基づいて説明する。
【００１２】
この水分量測定装置は、図１に示す水分量測定センサ20を備えている。水分量測定センサ20は、セラミックス基板に蒸着されたマイクロストリップ共振器アンテナ21と、センサ部としての発信回路基板22と、ＣＰＵコントロール基板23とで構成され、堅牢なステンレス製のケース24に組み込み、マイクロストリップ共振器アンテナ21が配設された測定面に保護セラミックス25を装着したものである。
【００１３】
マイクロストリップ共振器アンテナ21は、電磁界を被測定物に浸透させる発信部としての機能と、被測定物に浸透した電磁界を受信する受信部としての機能を備えている。
【００１４】
保護セラミックス25は、被測定物との磨耗を防止し、かつ、マイクロストリップ共振器アンテナ21から発生する電磁界を安定させるためのものである。保護セラミックス25には、防水効果を高めるため、水浸入防止Ｏリング26とコーティング剤で強化されている。水分量測定センサ20は、ＣＰＵコントロール基板23からの周波数指令信号に伴い発信回路基板22から、指定の周波数の電磁波が出力される。この出力はマイクロストリップ共振器アンテナ21に接続され、このマイクロストリップ共振器アンテナ21から発生する電磁波を被測定物に浸透させる。また、被測定物に浸透した電磁波をマイクロストリップ共振器アンテナ21で受信して発信回路基板22内に取り付けた検出用負荷としての検出用ダイオードにより、被測定物の検出水分量に直線的に比例した検出出力が得られるようになっている。
【００１５】
この水分量測定センサ20は、図２に示すように、発信器、共振器（被測定物の損失）および検出器を等価回路で表して説明することができる。この等価回路は、２ポート共振器の一方のポートに発信器を、他方のポートに検出器を接続したものである。図２中、31はアンテナ電力源、32は発信部での抵抗としての発信回路の内部インピーダンス（第1の抵抗）、33は被測定物の共振による損失（電磁界吸収）としての共振器損失抵抗（第2の抵抗）、34は共振器誘導器、35は共振器容量器、36は受信部の検出用ダイオードの抵抗としての検出用ダイオードのインピーダンス（第3の抵抗）をそれぞれ示している。
【００１６】
また、共振器損失抵抗33は、共振器を形成している導体や誘電体によるものと、外に漏れた電磁界が被測定物で受けるもの（Rm）との２種類に分けて取扱うこととする。また、発信器ポート１による回路の良好度QをQ1ext、負荷ポート２をQ2ext、損失のうちの共振器を形成している導体や誘電体によるものをQ0、外に漏れた電磁界が被測定物によるものをQmとする。
【００１７】
発信器から負荷への共振周波数における透過電力は式１に示す。
【００１８】
【数１】
0004647138.tif 000002
で与えられる。
【００１９】
また、式１中の回路全体の良好度Ｑtは式２の関係で表される。
【数２】
0004647138.tif 000003
【００２０】
また、式１中のＸは式３の関係で表される。
【数３】
0004647138.tif 000004
【００２１】
また、式３中のＲtは共振器等価回路における全損失抵抗（32、33、36の合計）からＲmを除いたものであり、Ｒmは被測定物に漏れた共振器電磁界が受ける水分損失に対応する抵抗である。
【００２２】
ここで、Ｘは，被測定物の損失に対応する量（以下損失と呼ぶ）である。図３は損失Ｘに対する規格化共振器出力電力Ｙの特性及び式４で与えられるＺの値を表したグラフである。
【数４】
0004647138.tif 000005
【００２３】
良好度Ｑ1extは、Ｑ1ext＝ω ×（共振器誘導器34と共振器容量器35に蓄積されているエネルギー）／（発信回路の内部インピーダンス32で1秒間に失われるエネルギー）で定義したものである。ここで、ωは角周波数を示す。
【００２４】
その他の良好度Qも同様である。良好度Ｑ2extは、Ｑ2ext＝ω×（共振器誘導器34と共振器容量器35に蓄積されているエネルギー）／（出力検出器のインピーダンス36で1秒間に失われるエネルギー）で定義したものである。良好度Ｑ0は、Ｑ0＝ω×（共振器誘導器34と共振器容量器35に蓄積されているエネルギー）／（共振器を構成する導体や誘電体で1秒間に失われるエネルギー）で定義したものである。良好度Ｑmは、Ｑm＝ω×（共振器誘導器34と共振器容量器35に蓄積されているエネルギー）／（Rmで1秒間に失われるエネルギー）で定義したものである。
【００２５】
透過電力Ｔは、T=（出力検出器で消費される電力）／（アンテナ電力源31の有能電力）で定義することができる。なお、「有能電力」とは、電力源が発生することのできる最大の電力を示す。
【００２６】
規格化共振器出力電力Yの「規格化」とは、X=0のときY=1となるようにしたという意味である。透過電力Tは色々な値を取るが、規格化共振器出力電力Yの値は0と1の間になる。
【００２７】
従来、検出用ダイオードは、等価回路で表した場合の回路全体の抵抗（抵抗32、33、36の和）に比べて、ダイオードインピーダンスが十分に小さくなるように選定していた。この場合、規格化共振器出力電力Ｙは、図３に示すように、Ｘの増加に対して（式１）の形で減少する。また、√Ｙで示されるＺは、１／（１＋Ｘ）の形で減少する。Ｙは検出用ダイオードの特性が２乗特性のとき、Ｚは直線特性のときをそれぞれ示している。
【００２８】
規格化共振器出力電力Ｙは、規格化損失Ｘが小さいときには、１／(１＋Ｘ)2≒１−Ｘと近似されて傾き−１の直線となる。これは、Ｙの変化がＸに比例し、またはＺの変化がＸに比例することを意味している。これに対して、Ｘが大きくなると、上記の近似は成り立たず、ＹまたはＺの変化がＸに比例しなくなる。これはダイオード出力の変化量と損失との関係が直線でなくなることを意味する。また、Ｘが大きくなるにつれて規格化損失Ｘの変化に対して出力の変化が小さく出力されるため、検出精度が低下していくものとなっている。
【００２９】
この結果、図３に示すように、従来のように検出用ダイオードのダイオードインピーダンスが小さい場合には、発信器から電磁波を被測定物に照射・透過した場合に、被測定物での損失が小さいときは検出器において損失に直線的に比例した出力が生じるが、被測定物での損失が大きくなると出力が飽和傾向を示して次第に比例しなくなる。そして、被測定物での損失が小さい領域において検出精度が低下していた。
【００３０】
このような場合に、出力を大きくするべく回路電流を大きくしても、ダイオードに掛かる電圧は大きくなるが、図４に示すように、ダイオードの電流−抵抗値の特性が非直線型特性であり、電流が大きくなるとダイオードのインピーダンスがさきほどより小さくなるので、結果として回路電流の増加ほどには出力が増加せず測定精度が良くならなかった。
【００３１】
そこで、本発明に係る水分量検査装置は、出力検出器の検出用ダイオードのインピーダンス36を十分に大きくした。検出用ダイオードのダイオードインピーダンス36を大きくすると、図４に示すダイオードの電流−抵抗値の特性が回路全体として無視できなくなる。このとき共振器損失抵抗33が小さい場合は、回路電流が大きくなり、検出用ダイオードのダイオードインピーダンスが小さくなって、検出用ダイオードの出力は飽和する傾向を示す。このとき損失に対するダイオード出力の変化も飽和傾向になる。また、共振器損失抵抗33が大きい場合は、回路電流が小さくなり、検出用ダイオードのダイオードインピーダンスが大きくなって、検出用ダイオードの出力は飽和する傾向を示す。このときも損失に対してダイオード出力の変化も飽和傾向になる。即ち、共振器損失抵抗33が小さい場合及び大きい場合の両方で、損失に対してダイオード出力の変化が飽和傾向になるので、共振器損失抵抗33に対して直線的に比例した出力が得られるようになる。
【００３２】
さらに、ダイオードインピーダンスを大きくすることにより、回路の電流が小さいときでもダイオードに掛かる電圧はある程度大きいので、より大きな出力が得られるから検出精度が保障されるようになる。
【００３３】
なお、検出器の検出用ダイオードは、ダイオードの電流−抵抗値の特性を考慮して、回路電流の大きいところで生じる飽和傾向と、回路電流の小さいところで生じる飽和傾向を組み合わせて、損失に対して直線的な出力結果が得られるものを選定することが望ましい。
【００３４】
具体的には、等価回路で表した場合に、検出用ダイオードのダイオードインピーダンス36が、発信器の抵抗32と共振器損失抵抗33の和に比べて無視できない大きさ、例えば、1/10以上にすることにより、損失に対して直線的な出力結果が得られるようになる。より好適には、検出用ダイオードのダイオードインピーダンスは、発信器の抵抗32と共振器損失抵抗33の和に比べて1/3〜１倍程度の大きさで選定することが好ましい。
【００３５】
本発明の水分量測定センサ20は、上記理論に基づいて検出器を構成しており、検出用ダイオードのダイオードインピーダンスを大きくしたので、被測定物の水分量の変化（Ｘ）に対して、水分量測定センサ20の出力（Ｙ又はＺ）が均一に変化し、被測定物の水分量が多い場合でも精度良く水分量を測定することができる。
【００３６】
この水分量測定センサ20の出力ケーブル28は、図１に示すように、出力電圧を被測定物に含まれる水分量に換算する演算手段51に接続してあり、その測定結果を出力手段としての表示装置52に表示するようになっている。演算手段51は、水分量測定センサ20の電気的出力、（例えば、出力電圧）を基に、被測定物の水分量を求めるようになっている。表示装置52は、表示器54、操作スイッチ55、プリンター56およびＣＰＵを内蔵した制御部（図示省略）で構成されており、操作スイッチ55の操作に基づいて、演算手段51の測定結果を表示器54に表示し、また、測定結果をプリンター56から出力できるようになっている。なお、演算手段51は図１に示すように別の演算処理装置を併設しても良いし、表示装置に内蔵しても良い。
【００３７】
この水分量測定センサ20は、作業者が手動で操作して保護セラミックス25の表面から被測定物へ電磁波を発信し、被測定物へ浸透した電磁波をマイクロストリップ共振器アンテナ21で受信して、演算手段51で水分量に換算して当該被測定物に含まれる水分量を測定することができる。
【００３８】
また、この水分検出センサ20は、図５(a)(b)に示すように、被測定物43を収容する測定容器41の側面に昇降可能に取り付けて、測定容器41内の被測定物43に満遍なく電磁波を浸透させてこれに含まれる水分量を測定するように構成することができる。この測定容器41は、上記水分量測定センサ20を外部から取り付ける構造になっていて、水分量測定センサ面は誘電率の低い樹脂42を使用する。これは、電磁波の吸収を最低減にすることを目的とする。水分量測定センサ20から発生される電磁波は、この測定樹脂を通過して、被測定物43（たとえば、フレッシュコンクリート）の水分量の計測を行うことができる。
【００３９】
また、被測定物43の水分量検出を均一にするため、水分量測定センサ20を昇降させる昇降機構47がある。昇降機構47は、昇降モータ44の回転軸に構成したボールねじ45に水分量測定センサ20を取り付けたものである。この昇降機構47に取り付けた水分量測定センサ20は、測定容器41の側面に沿って上下に移動させて複数箇所で被測定物43の水分量を測定するから、測定容器41内の被測定物43を満遍なく測定することができる。このように測定容器41内の被測定物43を複数箇所で測定しているので、粗骨材の含まれる割合で水分量が異なるフレッシュコンクリートでも、被測定物43全体の平均的な水分量を正確に測定することができるようになる。
【００４０】
この水分量測定装置の使用例としては、フレッシュコンクリートを測定容器41に入れる。そして、表示装置52の操作スイッチ55を操作することにより、測定容器41につけられた昇降機構47が動作し、水分量測定センサ20が測定容器41の側面に沿って上下に移動しながら測定を開始する。被測定物43の水分量を一定に測定するため、各点で水分量の計測をおこなう。水分量測定センサ20からの信号は出力ケーブル28にて演算手段51に送られる。演算手段51では、水分量測定センサ20からの多点の測定データを、例えば最小二乗法による回帰分析を行い被測定物全体に平均化した水分量を求める。
【００４１】
以上、本発明に係る水分量測定装置の一実施形態を説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。
【００４２】
本発明の水分量測定センサは、特に、フレッシュコンクリートや砂及び砂利等の水分量の検出装置に適用できるが、用途はこれに限定されず、例えば、モルタルや木材などの水分量も測定できる。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１に記載の水分量測定センサは、被測定物に電磁波を発信する発信部と、前記被測定物に浸透した電磁波を受信する受信部とを備え、電磁界を被測定物に浸透させ、そのときの電磁界吸収から水分量を測定する電磁波を使用した水分量測定技術において、前記発信部での抵抗を示す第１の抵抗、被測定物の共振による損失を示す第２の抵抗、コイル及びコンデンサ、受信部の検出用負荷での抵抗を示す第３の抵抗を直列に繋いで水分量測定センサの等価回路を表した場合に、第３の抵抗の抵抗値が第１の抵抗及び第２の抵抗の各抵抗値の合計の１／３〜１倍であって、被測定物における電磁界損失に対して直線的に比例した出力特性を生じることを特徴とする。この水分量測定センサは、被測定物に電磁界を浸透させ、被測定物に浸透した電磁波を受信することにより被測定物に含まれる水分量を測ることができるから、瞬時に水分量を測ることができる。また、被測定物に含まれる水分量に対して直線的に比例した電気的出力を生じさせることができるので、被測定物に含まれる水分量を均一な精度で測定することができる。また、受信部の検出用負荷の抵抗が第１の抵抗及び第２の抵抗の各抵抗値に対して大きいから、検出用負荷の出力値が大きくなるので検出精度が良くなる。
【００４５】
請求項２に記載の水分量測定センサは、被測定物を収容する測定容器と、前記測定容器の外面に沿って移動可能に取り付けた請求項１に記載の水分量測定センサと、前記水分量測定センサと測定容器とを相対移動させる移動機構と、前記水分量測定センサで測定された被測定物の水分量のデータを出力する出力手段とを備え、前記水分量測定センサと測定容器とを相対移動させて複数箇所で被測定物に電磁界を浸透させて被測定物に含まれる水分量を測定し、被測定物の平均的な水分量を検出するので、被測定物全体の平均的な水分量を正確に測定することができる。
【００４６】
本発明の水分量測定装置は、フレッシュコンクリート、砂などの水分量の検出に好適である。
【００４７】
【図面の簡単な説明】
【図１】  水分量測定センサを示す分解斜視図。
【図２】  本発明の一実施形態に係る水分量測定装置の等価回路図。
【図３】  規格化損失Ｘと出力電力Ｙ，Ｚの相関グラフ。
【図４】  検出用ダイオードの電流と抵抗値の相関グラフ。
【図５】  (a)は本発明の一実施形態に係る水分量測定装置の側面図、(b)はその水分量測定装置の正面図。
【符号の説明】
20  水分量測定センサ
21  マイクロストリップ共振器アンテナ
22  発信回路基板
23  ＣＰＵコントロール基板
24  ケース
25  保護セラミックス
26  Ｏリング
28  出力ケーブル
31  アンテナ電力源
32  発信回路の内部インピーダンス
33  共振器損失抵抗
34  共振器誘導器
35  共振器容量器
36  出力検出器のインピーダンス
41  測定容器
42  樹脂
43  被測定物
44  モータ
45  ボールねじ
47  昇降機構
51  演算手段
52  表示装置
54  表示器
55  操作スイッチ
56  プリンター
【図１】
0004647138.tif 000006
【図２】
0004647138.tif 000007
【図３】
0004647138.tif 000008
【図４】
0004647138.tif 000009
【図５】
0004647138.tif 000010