(57)【要約】【課題】製茶工程前半の水分を多く含んだ茶葉の水分を測定する。【解決手段】水分測定容器に茶葉を取込み、茶葉に隙間が出来ないように、加圧板で密着させ、超音波を茶葉に照射し、その減衰量を測って水分を測定する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水分測定容器の側壁に、超音波発振器と受信器をセットし、該水分測定容器に、高水分物質を空気層が出来ないように隙間なく、平均に詰め込み、高水分物質に超音波を照射し、受信した超音波の減衰量を測ることによって、高水分物質中の水分を測定することを特長とした高水分物質の水分測定法。
【請求項２】
前記水分測定容器の上方に加圧板を設け、高水分物質を上下方向から加圧したことを特長とした請求項１記載の高水分物質の水分測定法。
【請求項３】
前記水分測定容器の水平方向に、超音波発振器と受信器をセットしたことを特長とした請求項２記載の高水分物質の水分測定法。
【請求項４】
前記水分測定容器の上下方向に、超音波発振器と受信器をセットしたことを特長とした請求項２記載の高水分物質の水分測定法。
【請求項５】
前記水分測定容器の、超音波発振器取付け面に、発振器と受信器を並べて取付け、対面を超音波の反射板で構成したことを特長とした請求項１、２、３、４記載の高水分物質の水分測定法。
【請求項６】
超音波発振器と受信器を発振と受信の双方を行う超音波発振受信器としたことを特長とした請求項１、２、３、４、５記載の高水分物質の水分測定法。
【請求項７】
発振器から照射する超音波をパルス波とし、超音波が反射して返ってくる時間と、超音波の減衰量を同時に測ることを特長とした請求項１、２、３、４、５、６記載の高水分物質の水分測定法。
【請求項８】
前面が開放され、上面を加圧板、後面を可動板で構成した前記水分測定容器を、製茶機械の壁面に設けた開口部に取付け、被測定物を茶葉としたことを特長とした請求項１、２、３、４、５、６、７記載の高水分物質の水分測定法。
【請求項９】
水分測定容器の側壁に、超音波発振器と受信器をセットし、該容器に、高水分物質を空気層が出来ないように隙間なく、平均に詰め込み、高水分物質に超音波を照射し、受信した超音波の減衰量を測ることによって、高水分物質中の水分を測定することを特長とした高水分物質の水分測定装置。
【請求項１０】
前記水分測定容器の上方に加圧板を設け、高水分物質を上下方向から加圧したことを特長とした請求項９記載の高水分物質の水分測定装置。
【請求項１１】
前記水分測定容器の水平方向に、超音波発振器と受信器をセットしたことを特長とした請求項１０記載の高水分物質の水分測定装置。
【請求項１２】
前記水分測定容器の上下方向に、超音波発振器と受信器をセットしたことを特長とした請求項１０記載の高水分物質の水分測定装置。
【請求項１３】
前記水分測定容器の、超音波発振器取付け面に、発振器と受信器を並べて取付け、対面を超音波の反射板で構成したことを特長とした請求項９、１０、１１、１２記載の高水分物質の水分測定装置。
【請求項１４】
超音波発振器と受信器を発振と受信の双方を行う超音波発振受信器としたことを特長とした請求項９、１０、１１、１２、１３記載の高水分物質の水分測定装置。
【請求項１５】
発振器から照射する超音波をパルス波とし、超音波が反射して返ってくる時間と、超音波の減衰量を同時に測ることを特長とした請求項９、１０、１１、１２、１３、１４記載の高水分物質の水分測定装置。
【請求項１６】
前面が開放され、上面を加圧板、後面を可動板で構成した水分測定容器を、製茶機械の壁面に設けた開口部に取付け、被測定物を茶葉としたことを特長とした請求項９、１０、１１、１２、１３、１４、１５記載の高水分物質の水分測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は乾量基準で１００％以上の多量の水分を含んだ物質、例えば、食品、水産物、農産物、木材、紙、土壌、などの水分の測定方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料に含まれる水分を測る方法としては、絶乾法、近赤外線法、電気抵抗法、静電容量法、マイクロ波測定法など多くの方法が使用されている。
【０００３】
上記以外に、超音波を利用する方法がある。例えば、異なった成分が混ざった液体の濃度を測るために、液体中に超音波を照射し、超音波が伝わる速度を測定して、濃度を測る装置が市販されている。また排水処理などで、液体中に超音波を照射し、超音波の減衰量を測定して、液体中の浮遊物の濃度を測定する方法も行われている。しかし、いずれも液体を対象物とするもので、本発明が対象とする、固形物である高水分物質の水分を測るものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３１１７９２号公報（近赤外線）
【特許文献２】特開２００６−２５０９５０号公報（静電容量）
【特許文献３】特開２００５−２６５４９６号公報（マイクロ波）
【特許文献４】特許第２６６０２８８号公報（電気抵抗）
【特許文献５】特開２０１１−２２６８４４号公報（超音波）
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】（株）島津製作所天びん台はかりカタログ２０１３Ｐ．３９水分計（絶乾式）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近赤外線法、マイクロ波測定法などは、電磁波が水分に吸収され、減衰する性質を利用するものだが、高水分物質では殆んど水に吸収されてしまい、水分１００％となってしまう。電気抵抗法、静電容量法も水分が多いと、水そのものを測ることになり、物質中の水分量は１００％となってしまう。
【０００７】
前述の多くの方法のうち、絶乾法だけが、乾量基準で１００％以上の多量の水分を含んだ試料の水分測定が可能である。しかし、まず試料の重さを量り、次いで加熱などにより完全に水分を除去した状態の重さを量る為、多くの手間と時間がかかる。また、加熱などにより試料の状態を損なうという欠点がある。更に、オンラインでの測定ができない。
【０００８】
本出願では特に、水分の多い製茶加工前の原葉、及び製茶操作のうち、水分の多い葉打、粗揉工程中の茶葉の水分を測定する方法と装置、を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
マイクロ波が水分に吸収されて、減衰するのに対し、本願では、超音波は水分に吸収されず、水中をよく伝わるという反対の作用に着目し、高水分中の固形分の粒子で散乱し、減衰するという性質を利用して、高水分物質の水分量を知ろうとするものである。
【００１０】
この発明では、固形物である高水分物質に超音波を照射し、その超音波の減衰量と水分量の関係を示す検量線を作成しておき、高水分物質の水分量を測るという手段を用いる。基本的に超音波の伝わり方、減衰量は、高水分物質の種類、波長、温度によって異なるので、それぞれについて検量線をつくることが必要である。
【００１１】
請求項１、９記載の発明では、水分測定容器の側壁に、超音波発振器と受信器をセットし、該容器に、高水分物質を空気層が出来ないように隙間なく、平均に詰め込み、高水分物質に超音波を照射し、受信した超音波の減衰量を測る、という手段を用いる。（図１）
【００１２】
請求項２、１０記載の発明では、前記水分測定容器の上方に加圧板を設け、高水分物質を上下方向から加圧するという手段を用いる。（図２）
本願の対象とする高水分物質は固形物であり液体ではないので、しっかり詰込まないと隙間が生ずる恐れがある。測定物同士に隙間があると、超音波はそこで反射してしまい、高水分物質内に入っていかない。
水分測定容器に入れた高水分物質を、加圧板で上下方向から加圧することで、高水分物質間に生ずる隙間を無くすることができる。
【００１３】
請求項３、１１記載の発明では、前記水分測定容器の水平方向に、超音波発振器と受信器をセットするという手段を用いる。（図２）
【００１４】
請求項４、１２記載の発明では、前記水分測定容器の上下方向に、超音波発振器と受信器をセットする、という手段を用いる。（図３）
【００１５】
水分測定容器に入れた高水分物質を、加圧板で上下方向から加圧すれば、高水分物質は上下方向に完全に密着し、超音波を完全に高水分物質内を伝播させることができる。超音波発振器と受信器のセットは、水平方向、上下方向のどちらも可能である。
【００１６】
請求項５、１３記載の発明では、前記水分測定容器の、超音波発振器取付け面に、発振器と受信器を並べて取付け、対面を超音波の反射板で構成するという手段を用いる。（図４）
超音波は、適当な反射板に当たると反射して戻ってくるという性質を利用し、対面に反射板を設けることで、超音波発振器と受信器を同じ面に、並べて設ければ、測定機器との接続面を片側に纏めることが出来る。
【００１７】
請求項６、１４記載の発明では、超音波発振器と受信器を発振と受信の双方を行う、超音波発振受信器とする、という手段を用いる。（図５）
超音波素子は、超音波の発振と受信の双方を同一の素子で行うことが出来る、と言う性質を利用し、超音波素子に繋がる電気回路で、発信、受信を区別することによって、超音波の発振器と受信器を、１ケ纏めることができる。
【００１８】
請求項７、１５記載の発明では、発振器から照射する超音波をパルス波とし、超音波の減衰量と同時に、超音波が反射して返ってくる時間を測ることによって、超音波が高水分物質中を透過する距離を測る、という手段を用いる。（図５）
高水分物質を上下から加圧すると、水分測定容器内に入った高水分物質の量により、加圧板と反射板の距離が変わり、超音波の通過する距離が変わる。超音波の減衰量は通過する距離に比例するが、超音波の減衰量と通過距離を同時に測定することにより、加圧板の位置が変わっても、被測定物の水分を正確に測定できる。
【００１９】
請求項８、１６記載の発明では、前面が開放され、上面を加圧板、後面を可動板で構成した水分測定容器を、製茶機械の壁面に設けた開口部に取付け、被測定物を茶葉とする、という手段を用いる。（図６、７）
これによって製茶操作中の茶葉の水分の測定ができる。
【発明の効果】
【００２０】
製茶工程は、摘採した原料茶を蒸熱した後、茶葉に揉圧を加えながら、熱風で乾燥させる、という揉乾操作を主体としている。製茶は、原料茶の保管、蒸熱、葉打ち、粗揉、揉捻、中揉、精揉、乾燥という各工程からなっている。粗揉の後半以降は、茶葉の水分が５０％以下（湿量基準）であり、電気抵抗、マイクロ波、近赤外線、などの方法で測定が可能である。しかし、葉打ち、粗揉工程のように５０％以上の水分を持つ茶葉の測定は困難であった。この発明で、超音波を使うことにより高水分の茶葉の水分測定が可能となった。水分を沢山含んだ、スラリー状の物体、繊維質の物体、粉粒体を扱う食品加工などで、水分を測定するのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は側壁に超音波の発振器と受信器をセットした、水分測定容器の実施例の側面図。
【図２】図２は水分測定容器に入れた被測定物を、加圧板で加圧した実施例の側面図。
【図３】図３は超音波の発振器と受信器を、上下方向にセットした実施例の側面図。
【図４】図４は超音波の発振器と受信器を、同一面にセットし、対面に反射板を設けた実施例の側面図。
【図５】図５は超音波の発振器を受信器と兼ねたものとし、対面に反射板を設けた実施例の側面図。
【図６】図６は茶葉の水分測定器の実施例を示す側面図（茶葉を押出した状態）。
【図７】図７は茶葉の水分測定器の実施例を示す側面図（水分測定中）。
【図８】図８は超音波の減衰率と水分の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明を、製茶加工中の茶葉の水分の測定に使用した場合を、図面に従って説明する。蒸熱操作後の茶葉には７０〜８０％（湿量基準）の水分がある。次の粗揉工程では５０％程度まで乾燥させる。粗揉の前半を葉打ちと呼び、葉打機として別の機械としてある場合が多い。葉打機では茶葉の水分が非常に多く水分の測定が出来なかった。
【００２３】
この実施例では、葉打機（粗揉機も同じ）に本発明の水分測定装置を取付けた場合を示している。葉打工程では攪拌軸を横架した揉乾室に茶葉をいれ、熱風を送って揉乾操作を行う。
【００２４】
揉乾室の前面側壁１に、本発明の水分測定容器２を取付ける。水分測定容器２の前面は開放されており、葉打機の側壁１の開口部に取付ける。容器２の後壁は押出板３になっており、エアーシリンダ４によって前後させる。
【００２５】
図６では、押出板３は容器２の前端に止めてある。この状態では茶葉５は容器２に入ってこない。エアーシリンダ４を作動させて、押出板を３’の位置に後退させると、側壁１の開口部を通って、茶葉５が容器２内に入ってくる。容器２の底板６は茶葉５を奥まで取込む為に傾斜させてある。底板６は超音波を反射する部材（アルミ板など）で構成する。
【００２６】
容器２上方には、エアーシリンダ８に取付けた加圧板７がある。加圧板７には超音波の発振受信器９がセットしてある。発振受信器９は、超音波の発振回路、受信回路、水分を計算する演算回路につながっているが、回路図は省略する。
【００２７】
図７に示すように、茶葉５が容器２内に溜まると、エアーシリンダ８を作動させ、加圧板７が茶葉５を底板６に押付ける。
この状態で、超音波を茶葉５に照射し、水分を測定する。
測定が終わると加圧板７が上昇し、押出板３で、茶葉５を葉打機の機内に押出し、図６の状態に戻る。
【００２８】
次に超音波で水分を測定するメカニズムを説明する。茶葉は、７０〜８０％の水分と茶葉を構成する細胞からなる微細な固形分で出来ている。水中を伝わる超音波は、固形分の粒に当たると散乱し減衰する。固形分が多ければ（水分が少なければ）減衰量は多くなる。この超音波の減衰量と水分の関係を測定し検量線を求め、図８のグラフを作っておく。超音波の波長が短くなると減衰量は大きくなるので、被測定物によって適切な波長を選ぶことが大切である。
【００２９】
超音波の発振器は同時に、受信器としても使用できるので、図４に示すように、発振器と受信器を別々に設けなくてもよい。発振受信器９から発射された超音波は底板６に当たって反射し、発振受信器９で受信される。その行き返りの道中で、固形分に当たり減衰する。超音波の伝わる距離が長ければ、減衰量は多くなる。
【００３０】
加圧板７と底板６の距離Lは被測定物である茶葉５の量によって変わってくる。別途にこの距離の測定センサーを付けてもよいが、ここでは、超音波をパルス波で発射し、底板６から反射してくる時間を測って距離Lを算出する。
【００３１】
超音波の伝わる速度をＣ（ｃｍ／ｓｅｃ）、往復時間をｔ（ｓｅｃ）とすると、
距離Ｌ（ｃｍ）＝Ｃ×ｔ／２、
測定した減衰量をＡ（ｄＢデシベル）とすると、
単位長さ当たりの減衰量ａ＝Ａ／Ｌとなる。
【００３２】
図８のグラフに減衰量ａを記し、検量線グラフとの交点ｂを求め、ｂ点から真直ぐに下して、水分のメモリｃを読めば、水分の量を知ることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１    揉乾室の側壁
２    水分測定容器
３    押出板（前進位置）
３’  押出板（後退位置）
４    エアーシリンダ
５    茶葉
６    底板（反射板）
７    加圧板（引上げ位置）
７’  加圧板（加圧位置）
８    エアーシリンダ
９    超音波発振受信器
１０    発振器
１１    受信器
１２    被測定物
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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