(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
乾燥工程中の被乾燥物を、
形質及び形状が不均一な被乾燥物を所定容量の容器に入れ、該容器内に４つの電極端子を差し込み、該電極端子に所定電圧の交流信号を印加し、前記被乾燥物による２つの電極間の電気的特性を測定して高インピーダンス電圧計に接続し、前記被乾燥物の含水率を非破壊で電気的に計測する被乾燥物含水率の非破壊計測方法であって、
前記被乾燥物の含水率は、インピーダンスと静電容量の比を計算して表わすことを特徴とする被乾燥物含水率の非破壊計測方法。
【請求項２】
３．０ｋＨｚ付近の周波数における前記インピーダンスと前記静電容量の比は、製茶工程中の茶葉の含水率を表すことを特徴とする請求項１記載の被乾燥物含水率の非破壊計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状及び形質が不均一である農産物、果実、水産物等の乾燥工程中の被乾燥物の含水率を、電気的特性により非破壊で計測する被乾燥物含水率の非破壊計測方法に関する。
【０００２】
従来、製茶工程中の茶葉の含水率を直流電気抵抗により測定した例はあるが、含水率との相関はほとんど得られていない（例えば非特許文献１）。また、特許文献１の「製茶工程における茶葉取出時期判別方法及びその装置」では、電極間に茶葉を置いて交流または直流を流して電極間の電気抵抗を測定し、粗揉機からの取り出し時期を判定しているが、茶葉の状態や電極の状態等から測定値がばらつく、といった問題がある。さらに、マイクロ波により製茶工程中の茶葉の含水率を計測する例もあるが、比重を測定してからマイクロ波の減衰により含水率を計測するため、装置が複雑となっている(例えば特許文献２)。以上のことから、結局のところ、茶葉の乾き具合の判定は作業者の勘に頼ることが多いのが現状である。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２６６０２８８号公報
【特許文献２】
特開２００３−２９４６５４号公報
【非特許文献１】
吉冨ほか、農業機械学会誌、64巻3号、101−108.2002
【０００４】
製茶工程ではＦＡによる制御が行われており、そのため、茶葉状態のセンシングには測定時間が短く、判定が確実であること、形状や形質の影響を受けないこと、さらに、茶葉に損傷を与えないこと、等が必要条件である。生体の電気的情報を得る方法は、これらの条件を満たす方法の１つであると考えられる。
【０００５】
植物は、細胞レベルにおいて、抵抗と電気容量の著しく大きな細胞膜及びイオン伝導性を持つ抵抗の小さい細胞液から構成されている。従って、組織に交流電圧を印加すると、低周波電流は抵抗の大きな細胞膜を通過できずに細胞外液を通るため、組織全体としての低周波インピーダンスは大きい。一方、高周波電流は電気容量の大きな細胞膜を通過して抵抗の小さい細胞内液を通過するため、組織全体の高周波インピーダンスは小さくなる。このように電気的に不均一な組織の電気特性は一定でなく、幅広い周波数特性を持っており、不均質誘電体である。電気的に不均質な組織の電気特性は、周波数によって著しく変化する。そのため、幅広い周波数の測定によって材料の電気的特性は明らかになる。
【０００６】
製茶工程中の茶葉の水分分布は不均一であり、茶葉表面部分と内部では一様な状態でないことが多い。直流電流を茶葉に印加すると細胞内部まで電気が伝わらず、表面の水分状態を示す結果となる。しかし、高周波交流を印加すると細胞内部まで電気が伝わり、組織全体の水分を示すことになる。ただし、品目によって周波数応答特性が異なるため、材料に見合った周波数を選択する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、茶葉（被乾燥物）の形状及び形質にとらわれず、製茶（乾燥）工程において茶葉の電気的特性を計測する方法（手法）と、その特性により含水率を非破壊で高精度に測定する方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために本発明は、以下の手段・構成を特徴としている。
まず第１の発明は、４つの電極により構成される電極部と、電極間の水分量に応じて変化する電気的特性値を検出する装置を備えている。電極部はステンレス製であり、その一端より測定用の交流信号を被乾燥物（茶葉）に印加し、被乾燥物の電圧降下を２つの端子間で測定する。この時、検出電極はＬＣＲハイテスタ（3532−80、日置電気製）の高インピーダンス電圧計に接続されているため、接触抵抗の影響を受ける測定電極にはほとんど電流は流れない。従って、測定電極において電圧降下はほとんど起らず、接触抵抗の影響を軽減できる。電極部は丸棒の形状であり、ガラス容器に入れた茶葉（被乾燥物）に電極を差し込み測定する方法であるため、あらゆる形状の被乾燥物に対応できる。
【０００９】
次に第２の発明は、前記第１の発明を用いて被乾燥物の電気的特性を多周波で計測すると、インピーダンスと静電容量の比は被乾燥物の含水率と高い相関を示すことである。例えば、製茶工程の粗揉、中揉、精揉及び乾燥工程において、５分ごとに茶葉を取り出し、前記第１の発明による方法によって茶葉の電気的特性を多周波で計測する。測定項目はインピーダンスと静電容量であり、パソコン（パーソナルコンピュータ）によりその比を算出する。得られた値は乾燥法により測定された含水率と相関があることを示している。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、上記の手段・構成を有することにより、以下の効果を奏することができる。
被乾燥物のあらゆる乾燥工程において、被乾燥物の形状や形質にとわれず、被乾燥物の電気的特性は４電極端子により安定して計測できる。ただし、精密に測定するためには、電極部とケーブルの補正を行う必要がある。被乾燥物の電気的特性を検出することによって、被乾燥物のあらゆる情報を得ることができるため、他要素も計測可能である。
【００１１】
形質及び形状が不均一である被乾燥物の含水率は、あらゆる乾燥工程においてインピーダンスと静電容量の比で表すことができる。例えば製茶は複数の乾燥工程があり、各工程での茶葉取り出し時期及び乾燥速度が荒茶品質に影響を及ぼす。これまで、茶葉の含水率を非破壊で高精度に計測できる手法が存在しなかったため、各工程における茶葉取り出し時期の判定は、結局のところ作業者の勘に頼ることが多かった。本発明によって、製茶工程で最も重要な茶葉取り出し時期と、乾燥速度が瞬時に計測できるため、作業者の勘に頼らずに各工程でその制御が行える。従って、製茶工場で用いられているＦＡ制御に即対応できる技術である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による電極部の側面図である。
【図２】本発明による被乾燥物の電気的特性を測定するシステム（装置）と電極部の正面図である。
【図３】本発明による各周波数における茶葉のインピーダンス／静電容量と含水率の関係を示すグラフである。
【図４】本発明による周波数３．０ｋＨｚの交流を印加した時に得られた茶葉のインピーダンス／静電容量と乾燥法により測定された含水率の関係を示すグラフである。
【図５】本発明により計測された周波数３．０ｋＨｚのインピーダンス／静電容量より算出された含水率と、乾燥法により測定された含水率の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を製茶工程において実施するための最良の形態について、添付の図面を参照しながら具体的に説明する。
図１は、本発明による電極部の斜視図、図２は、本発明による茶葉含水率計測システム（装置）の正面図、図３は、本発明による各周波数におけるインピーダンス／静電容量と含水率の関係を示すグラフ、図４は、本発明による電極に周波数３．０ｋＨｚの交流を印加した時に得られた茶葉のインピーダンス／静電容量と乾燥法により測定された含水率の関係を示すグラフ、図５は、本発明により計測された周波数３．０ｋＨｚのインピーダンス／静電容量より算出された含水率と、乾燥法により測定された含水率の関係を示すグラフである。
【００１４】
図１に示す本発明に係る茶葉の含水率を非破壊で計測する電極部３は、加工が容易であるシリコンゴムからなる所定厚さの円盤状の電極固定ベース３ａに、耐久性に優れているステンレス製の４本の電極端子３ｂを貫通させて表側に一定間隔で固設し、裏面に接続端子３ｃを突設している。各電極端子３ｂは、直径３．０ｍｍ、長さ４．５ｃｍの棒状のもので、相互の間隔は７．０ｍｍである。各電極端子３ｂは固定ベース３ａにより固定されているが、各電極端子３ｂ間を確実に絶縁するために、シリコーン(TSK550、GE  東芝シリコーン（株)製）が塗布されている。電極端子３ｂには、測定用の交流信号を被乾燥物（茶葉）に印加し、被乾燥物の電圧降下を２つの端子間で測定する。この時、検出電極は高インピーダンス電圧計であるＬＣＲハイテスタ２（3532−80、日置電気製）に接続されているため、接触抵抗の影響を受ける測定電極にはほとんど電流は流れない。従って、測定電極において電圧降下はほとんど起らず、接触抵抗の影響を軽減できる。電極部３は丸棒の形状であるが、他の形状であっても良く、被測定物に電極端子３ｂを差し込み測定する方式であるため、あらゆる形状の被乾燥物に対応できる。被乾燥物の電気的特性を多周波で計測すると、インピーダンスと静電容量の比は被乾燥物の含水率と高い相関を示す。製茶工程の粗揉、中揉、精揉及び乾燥工程において、５分ごとに茶葉を取り出し、電気的特性を多周波で計測する。測定項目はインピーダンスと静電容量であり、パソコン（パーソナルコンピュータ）によりその比を算出する。得られた値は乾燥法により測定された含水率と相関がある。
【００１５】
茶葉の電気的特性を計測する計測システム（装置）を、図２に示す。図２において符号１はパソコン（パーソナルコンピュータ）であり、このパソコン１に高インピーダンス電圧計であるＬＣＲハイテスタ２（3532−80、日置電気製）を接続している。前記電極部３は、各接続端子３ｃにリード線２ｂを連結した接続キャップ２ａを被冠し、各リード線２ｂを集合したケーブル２ｃをＬＣＲハイテスタ２に接続している。含水率を測定しようとする茶葉は、有底円筒形状で容量が４２ｍｍ３  のガラス容器３ｄに収容され、その中に電極部３の電極端子３ｂを差し込んで測定する。電極端子３ｂには１０Ｈｚから１．０ＭＨｚの区間で１．０Ｖの交流を印加し、茶葉のインピーダンスと静電容量をＬＣＲハイテスタ２により計測する。１．０ＭＨｚ以上の高周波帯では、空気をコンデンサとして検出するため、印加する交流の上限周波数を１．０ＭＨｚとしている。
【００１６】
電極部３により茶葉のインピーダンスと静電容量を計測する前に、電極端子３ｂとケーブル２Ｃの補正を行う。この補正は２種類あり、電極端子３ｂとＬＣＲハイテスタ２を接続するケーブル２ｃの浮遊アドミッタンスと、残留インピーダンスの補正である。これらの補正を行うことで、測定精度を高めることができ、さらに、高インピーダンスから低インピーダンスの試料を測定することができる。計測されたインピーダンスと静電容量の値は、ＬＣＲハイテスタ２を介してパソコン１に取り込まれ計算される。なお、計測時間は１サンプルにつき１分である。
【００１７】
この実施例において供試した生葉の品種は‘やぶきた’であり、６０秒蒸してから各揉乾工程に入る。茶葉は、製茶の各揉乾工程において５分ごとに取り出し、各周波数における茶葉のインピーダンスと静電容量を前記の手段により計測し、パソコン１によりその比を計算する。その後、直ちに含水率を乾燥法により測定し、これらの値と乾燥法で測定された含水率を統計処理し、含水率と最も高い相関が得られる周波数を選択する。図３には各周波数におけるインピーダンス／静電容量と含水率の関係を示している。この図３より周波数が高くなるにつれ、３．０ｋＨｚまでは相関係数は１に近づくことが明らかである。すなわち、最も高い相関が得られた周波数は３．０ｋＨｚであり、相関係数は０．９９である。一方、３．０ｋＨｚより高い周波数帯では、相関係数は１より低くなることが明らかである。従って、高周波数帯におけるインピーダンスと静電容量は、茶葉水分以外の影響を受けることが分かる。
【００１８】
図４には、電極部３の電極端子３ｂに周波数３．０ｋＨｚの交流を印加した時に得られた茶葉のインピーダンス／静電容量と含水率の関係を示している。これらの関係は、指数関数でよく近似できる。茶葉のインピーダンス／静電容量と合水率との関係式を以下に示す。
【００１９】
【数１】
ωＷ＝−３．６５×ｌｎ（Ｚ／Ｃｐ）＋１６６．７７
なお、ωwは湿潤基準の茶葉含水率であり、Ｚは３．０ｋＨｚにおける茶葉のインピーダンス(Ω)、Ｃpは静電容量(Ｆ)である。
【００２０】
図５には、計測された３．０ｋＨｚのインピーダンス／静電容量より算出された含水率と乾燥法により測定された含水率の関係を示している。茶葉の含水率は６．０％から８．０％の範囲であり、相関係数は０．９９、直線の傾きは１．００、バイアスは０．０１％、また標準誤差は３．２％である。なお、上限信頼限界は１．６％、下限信頼限界も１．６％である。これより３．０ｋＨｚのインピーダンス／静電容量は茶葉の含水率をよく表すことが明らかである。なお、３．０ｋＨｚのインピーダンスと静電容量を測定するのであれば、計測時間は１．０秒以内である。
【００２１】
なお、本発明による含水率の非破壊計測方法及び装置は、実施例における製茶工程中の茶葉の含水率計測に限らず、例えば、穀類のような農産物、果実、水産物等を人工乾燥する際に、被乾燥物の含水率の変化を計測して適正な乾燥状態に仕上げるのに用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明による被乾燥物含水率の非破壊計測方法及び装置は、被乾燥物の乾燥工程において、被乾燥物の含水率を非破壊で高精度に計測することができる。従って、乾燥工程で用いられているＦＡ制御において、最も重要であるセンシング技術の向上に寄与できる発明である。このことは、将来無人化が予想される人工乾燥技術の発展に貢献する発明でもある。被乾燥物を人工乾燥する場合には、迅速に被乾燥物の含水率を測定し、乾燥工程において被乾燥物の取出時期を判断することは非常に重要である。製茶においては、８０％(ｄｗ)の茶葉から５０％(ｄｗ)程度まで乾燥させる粗揉工程が製茶品質に大きく影響するが、高含水率の被乾燥物を非破壊で計測することはこれまで困難であった。本発明はそれらの課題を解決している。インピーダンスと静電容量の計測により、茶葉の含水率６．０％(ｄｗ)から８０％(ｄｗ)まで高精度に計測でき、装置も複雑でないことから製茶産業での利用性は非常に高いものである。
【符号の説明】
【００２３】
１  データ解析のためのパソコン（パーソナルコンピュータ）
２  ＬＣＲハイテスタ  ２ａ  接続キャップ  ２ｂ  リード線  ２ｃ  ケーブル
３  電極部  ３ａ  電極固定ベース  ３ｂ  電極端子  ３ｃ  接続端子  ３ｄ  ガラス容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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