(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端に開口部を有する容器の該開口部に、連続体試料の搬入用筒状部及び搬出用筒状部を接続して得られ、前記搬入用筒状部及び前記搬出用筒状部が音響管として作用することによりヘルムホルツ共鳴子を構成する音響体と、音源と、該音響体に音響的に結合されたマイクロホンと、該音響体の共鳴周波数を測定する手段と、を備えた第１の測定器及び第２の測定器と、
前記第１の測定器及び前記第２の測定器に、連続体試料を連続的に順次搬送する搬送装置と、
からなる容器内の連続体試料の体積測定用装置であって、
前記第１の測定器の容器と前記第２の測定器の容器は、連続体試料の搬送方向の長さが同一で、容積が異なるものであり、また該第１の測定器の搬入用筒状部と該第２の測定器の搬入用筒状部は同一形状であり、さらに該第１の測定器の搬出用筒状部と該第２の測定器の搬出用筒状部は同一形状であることを特徴とする、容器内の連続体試料の体積測定用装置。
【請求項２】
請求項１記載の体積測定用装置を用いた容器内の連続体試料の体積測定方法であって、
連続体試料が前記第１の測定器の容器内に存在するときに、該第１の測定器を用いて第１共鳴周波数を測定し、次いで連続体試料の同一部分が前記第２の測定器の容器内に搬送されたときに、該第２の測定器を用いて第２共鳴周波数を測定し、第１共鳴周波数と第２共鳴周波数の比に基づいて容器内の連続体試料の体積を測定することを特徴とする、容器内の連続体試料の体積測定方法。
【請求項３】
第１共鳴周波数と第２共鳴周波数の測定を、低レベル音圧の音波を連続的に発振しながら、スイープ波をパルス状に発信し、１秒以内にマイクロホンで容器内の音を検出することにより行うものである請求項２記載の容器内の連続体試料の体積測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘルムホルツ共鳴子を用いた、連続体の一定範囲内の体積を測定するための装置、及び該装置を用いた連続体の体積測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘルムホルツ共鳴とは、音響管と容器とを接合した共鳴子の内部に向けて音波を放射すると、音響管と容器の接合境界面で音波の一部が反射され、特定周波数（共鳴周波数）だけが再び放射される現象である。容器の体積と共鳴周波数との間には、一定の関係があるため、共鳴周波数を測定することにより、容器の容積を測定することができる。また、容器の中に物体が入っていれば、物体が入っていない場合の容積と物体が入った場合の容積との差から、物体の体積を測定することができる。
【０００３】
ところで、例えば果物、野菜、魚介類、石炭、セメント粉等が連続体を形成し、ベルトコンベア上を連続的に移動する場合に、この連続体がどのような体積分布をしているか（すなわち、一定個所を通過していく連続体の体積がどのように変化するか）を、ベルトコンベアを停止させることなく測定することができれば非常に有用である。果物等が連続体を形成せず、一定間隔でベルトコンベア上を搬送されている場合には、果物等の個々の体積を、ヘルムホルツ共鳴の原理を応用することにより、ベルトコンベアを停止させることなく測定することができることが知られている（音響による食品の体積・比重測定、ＳＰＥＣＴＲＡ  Ｐｒｏｊｅｃｔ  ｉｎ  ＦＯＯＭＡ９８、講演要旨集第４頁）。
【０００４】
図２は、試料がベルトコンベア上を一定間隔で搬送されているときに、該試料の体積を測定するための装置の概略説明図である。Ａはヘルムホルツ共鳴子を構成する体積測定装置、Ｂは試料が通過する容器、Ｃは音響管、Ｄは音源（スピーカー）、Ｅはベルトコンベアである。試料Ｐが搬入口Ｂ１から容器Ｂ内に搬入されたときに、音源Ｄからホワイトノイズ等の音波を発信し、共鳴周波数ｆ１をマイクロホン（図示しない）で検出する。共鳴周波数ｆ’は、次式で表される。
【０００５】
【数１】
ｆ’＝（ｃ／２π）［Ｓ／｛（Ｗ−Ｖ）×ｌ｝］1/2 
【０００６】
（式中、ｃは音速、Ｓは音響管の断面積、ｌは音響管の長さ、Ｗは容器２の容積、Ｖは試料Ｐの体積を示す。）
また、試料Ｐが容器Ｂ内に存在しないときの共鳴周波数ｆは、次式で表される。
【０００７】
【数２】
ｆ＝（ｃ／２π）｛Ｓ／（Ｗ×ｌ）｝1/2 
【０００８】
したがって、数１式を数２式で除して整理すれば、Ｖは、次式で表される。
【０００９】
【数３】
Ｖ＝Ｗ｛１−（ｆ／ｆ’）2 ｝
【００１０】
Ｗ、ｆ、ｆ’は測定可能であるから、数３式からＶを求めることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
かかる方法は、試料Ｐの間隔が大きく、試料Ｐが１個だけ容器内に存在する場合には有効である。しかしながら、試料Ｐの間隔が狭い場合や、試料Ｐが密接して連続体を形成しているような場合には、試料Ｐがベルトコンベア上で常に動いており、容器内の試料Ｐを除いた容積が常に変化するため、かかる方法で容器内に存在する試料Ｐの体積を測定することはできない。
【００１２】
したがって、本発明は、連続体が搬送装置上を搬送されているときの、容器内に存在する連続体の体積を測定するための装置、及び該装置を用いた容器内に存在する連続体の体積の測定方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究した結果、共鳴周波数を測定する測定器を２つ用いることを着想した。そして、２つの測定器で測定された共鳴周波数の比をとることにより、測定不能なパラメーターを相殺できるように、２つの測定器の形状を特定すること、具体的には、２つの測定器は、容器、試料の搬入用筒状部及び搬出用筒状部からなり、試料の搬入用筒状部及び搬出用筒状部を音響管として用い、また２つの測定器の各搬入用筒状部を同一形状とし、各搬出用筒状部も同一形状とし、さらに２つの測定器の各容器を、試料の搬送方向の長さが同一で、容積が異なるようにすれば、搬入用筒状部及び搬出用筒状部に試料が存在していても、容器内の連続体試料の体積を高精度で測定することができることを見出し、本発明を完成した。
【００１４】
すなわち、本発明は、両端に開口部を有する容器の該開口部に、連続体試料の搬入用筒状部及び搬出用筒状部を接続して得られ、前記搬入用筒状部及び前記搬出用筒状部が音響管として作用することによりヘルムホルツ共鳴子を構成する音響体と、音源と、該音響体に音響的に結合されたマイクロホンと、該音響体の共鳴周波数を測定する手段と、を備えた第１の測定器及び第２の測定器と、
前記第１の測定器及び前記第２の測定器に、連続体試料を連続的に順次搬送する搬送装置と、
からなる容器内の連続体試料の体積測定用装置であって、
前記第１の測定器の容器と前記第２の測定器の容器は、連続体試料の搬送方向の長さが同一で、容積が異なるものであり、また該第１の測定器の搬入用筒状部と該第２の測定器の搬入用筒状部は同一形状であり、さらに該第１の測定器の搬出用筒状部と該第２の測定器の搬出用筒状部は同一形状であることを特徴とする、容器内の連続体試料の体積測定用装置を提供するものである。
本発明はまた、かかる体積測定用装置を用いた容器内の連続体試料の体積測定方法であって、
連続体試料が前記第１の測定器の容器内に存在するときに、該第１の測定器を用いて第１共鳴周波数を測定し、次いで連続体試料の同一部分が前記第２の測定器の容器内に搬送されたときに、該第２の測定器を用いて第２共鳴周波数を測定し、第１共鳴周波数と第２共鳴周波数の比に基づいて容器内の連続体試料の体積を測定することを特徴とする、容器内の連続体試料の体積測定方法を提供するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
従来、体積を測定しようとする試料が音響管内に存在する場合、音響管内の試料の位置によって共鳴周波数が著しく変化するため、ヘルムホルツ共鳴を用いてその試料の体積を測定することは困難であった。本発明によれば、特定形状の測定器を２つ配置した簡単な装置を用いることによって、試料が音響管内に存在し、しかも該試料が移動するという条件下であっても、容器内の体積を高精度で測定することができるものであり、従来全く知られていなかったものである。
【００１６】
本発明において、連続体とは、セメント粉体、砂、砂利、石炭、穀類、穀粉類、果物、野菜、魚介類等の粉状物、粒状物、固形物又はこれらを包装したものが、切れ目なく、概ね連続的に密に連なっているものをいう。あるいは液体でもよい。
【００１７】
図１は、本発明の体積測定装置の一実施形態を示す模式図である。第１の測定器１１及び第２の測定器１２の両端は、開口部を有しており、かかる開口部に連続体試料７の搬入用筒状部３１及び搬出用筒状部３２が接続されている。搬入用筒状部３１と搬出用筒状部３２は、音響管として作用し、容器２とともにヘルムホルツ共鳴子を構成している。第１の測定器１１及び第２の測定器１２は、搬送装置６が貫通しており、連続体試料７が順次、連続的に搬送されるように配置されている。４は音源、５はマイクロホンである。図１では、音源４は、容器２と接するように配置されているが、離して配置してもよい。マイクロホン５は、ヘルムホルツ共鳴子の共鳴周波数を検出する。各測定器の容器２は、連続体試料７の搬送方向の長さが等しく、容積が異なる（第１の測定器１１の容器２は、搬送方向の長さがＬ０、容積がＷであり、第２の測定器１２の容器２は、搬送方向の長さがＬ０、容積がＷ＋Ｗ’である。）。第１の測定器１１及び第２の測定器１２の搬入用筒状部３１は、同一形状である（搬送方向の長さはともにＬ１）。また、各測定器の搬出用筒状部３２は、同一形状である（搬送方向の長さはともにＬ２）。両測定器は、搬入用筒状部３１、容器２及び搬出用筒状部３２の搬送方向の長さがそれぞれ等しいから、第１の測定器１１で第１共鳴周波数を測定したときに第１の測定器１１内に存在した連続体試料７が、第２の測定器１２内に移行したときに、第２の測定器１２で第２共鳴周波数を測定すれば、連続体試料７の完全に同一な部分が各測定器内の搬入用筒状部３１、容器２及び搬出用筒状部３２に存在するときに第１共鳴周波数及び第２共鳴周波数を測定したことになるため、該連続体試料７の体積を高精度で測定することができる。
【００１８】
連続体試料７が搬送装置６によって搬送されている場合において、ある瞬間における第１の測定器１１が測定した第１共鳴周波数ｆ１は、次式で表される。
【００１９】
【数４】
ｆ１＝（ｃ／２π）［｛１／（Ｗ−Ｖ）｝×｛（Ｓ１／Ｌ１）＋（Ｓ２／Ｌ２）｝］1/2 
【００２０】
（式中、Ｓ１は第１共鳴周波数ｆ１を測定したときの搬入用筒状部３１の、連続体試料７の占める部分を除いた部分の平均断面積を示し、Ｓ２は第１共鳴周波数ｆ１を測定したときの搬出用筒状部３２の、連続体試料７の占める部分を除いた部分の平均断面積を示す。）
また測定器１１によって第１共鳴周波数ｆ１を測定したときに、第１の測定器１１内に存在した連続体試料７が、第２の測定器１２内に移行したときに、第２の測定器１２が測定した第２共鳴周波数ｆ２は、次式で表される。
【００２１】
【数５】
ｆ２＝（ｃ／２π）［｛１／（Ｗ＋Ｗ’−Ｖ）｝×｛（Ｓ１／Ｌ１）＋（Ｓ２／Ｌ２）｝］1/2 
【００２２】
数４式及び数５式の両辺を２乗し、辺々を割ってＶを求めると次式となる。
【００２３】
【数６】
Ｖ＝Ｗ−［（ｆ２）2 ／｛（ｆ１）2 −（ｆ２）2 ｝］×Ｗ’
【００２４】
すなわち、各測定器は、搬入用筒状部３１、容器２及び搬出用筒状部３２の搬送方向の長さがそれぞれ等しいので、実質的に測定不可能であるパラメーターＳ１及びＳ２を消去することができるため、各測定器を用いて各共鳴周波数を測定するだけで、そのときの容器内の連続体試料７の体積を測定することができる。なお、音速ｃは温度により変化するので、第１の測定器１１と第２の測定器１２は、両測定器内の温度が等しくなるように配置することが好ましい。温度に差が生じる場合には、空気温度を測定し、音速を補正することが好ましい。また搬送装置６による搬送中にその形状が変化しやすい連続体試料７の体積を測定する場合には、各測定器で共鳴周波数を測定するときの形状が変化し難いように、各測定器は近接して配置することが好ましい。また、搬送装置６の速さは、連続体試料７の形状が変化しないものであれば特に制限はないが、等速であることが好ましい。搬送装置としては、例えばベルトコンベア等が挙げられる。ベルトの材質に特に制限はないが、例えばプラスチック製、ゴム製、金属製等が挙げられる。
【００２５】
各測定器における共鳴周波数の測定方法は、例えば以下の通りである。発信器等から音波を発信し、これが音源４を駆動すると、容器２内の内部の空気が駆動される。これが入力の駆動力となり、ヘルムホルツ共鳴子が数式４又は数式５の周波数で共鳴する。このときの音を、マイクロホン５で検出し、解析する。本発明においては、連続体試料７の移動中に共鳴周波数を測定するため、発信時間、検出時間を短くすることが好ましい。好ましい発信時間の範囲は、共鳴周波数や搬送装置上を移動する連続体試料の速さにも依存し、例えば共鳴周波数が高くなれば下限値は低くなり、連続体試料の速さが速くなれば上限値が低くなるため、一概にはいえないが、一般に１秒以内が好ましく、０．５秒以内がより好ましく、０．２秒以内が特に好ましく、０．１秒以内が最も好ましい。音波の発信時間を上記のようにするためには、低レベルの音圧、例えば１〜１０Ｗ程度の出力を有するスピーカ（音源）から、例えば５０〜８０Ｈｚ又は２００〜３００Ｈｚの音を常時発信しながら、スイープ波をパルス状に発信し、容器内の音を好ましくは１秒以内、より好ましくは０．５秒以内、特に好ましくは０．２秒以内、最も好ましくは０．１秒以内にマイクロホンで検出することが好ましい。検出した音を解析して共鳴周波数を算出するが、解析方法としては、最大エントロピー法（ＭＥＭ）が好ましい。ＭＥＭを用いれば、少ない波形データから共鳴周波数を簡単、確実に同定することができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の体積測定用装置を用いれば、容器内の連続体試料の体積を容易に高精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の体積測定用装置の一実施形態を示す図である。
【図２】搬送装置上を移動する物体の体積を、ヘルムホルツ共鳴子を用いて測定するための従来の装置である。
【符号の説明】
１：体積測定用装置
１１：第１の測定器
１２：第２の測定器
２：容器
３１：搬入用筒状部
３２：搬出用筒状部
４：音源
５：マイクロホン
６：搬送装置
７：連続体試料
Ａ：ヘルムホルツ共鳴子
Ｂ：容器
Ｂ１：搬入口
Ｂ２：搬出口
Ｃ：音響管
Ｄ：音源
Ｅ：ベルトコンベア
Ｐ：試料
【図１】
0004017093.tif 000002
【図２】
0004017093.tif 000003