JP2004093213A

JP2004093213A - 特性分布測定装置

Info

Publication number: JP2004093213A
Application number: JP2002251532A
Authority: JP
Inventors: Tomoyasu Kawasaki; 川▲崎▼　智康
Original assignee: Kawasaki Kiko Co Ltd
Current assignee: Kawasaki Kiko Co Ltd
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】耕作地の土壌等の被測定物における含水率や硝酸態窒素等の特性分布測定に関し、経時的変化を容易に且つ高精度に測定して表示すること。位置的な特性分布を容易に且つ高精度に測定して表示すること。
【解決手段】被測定物（耕作地１０、土壌６４）の垂直方向に特定間隔（ｄ_１〜ｄ_３）で設置され、測定対象が同一又は異なる複数のセンサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂと、これらセンサーの測定値を取り込み、前記測定対象毎に各測定値の時系列的な分布データを演算する演算手段（演算処理装置４）とを備えている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耕作地の土壌等の被測定物の含水率、イオン含有率等の特性分布の測定に用いられる特性分布測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、農業において、適正な灌水や施肥には耕作地の土壌中の含水率や肥料養分含有率等を連続的に観測（モニタリング）することが収量や環境汚染を防止する上から不可欠である。この種のモニタリング機器において、含水率測定にはｐＦ値を測定するテンションメーター等のセンサーや、ＴＤＲ（Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ　）法等の含水率を測定するセンサー等が用いられ、肥料養分については土壌水の導電率を測定するセンサー（例えば、ＥＣメーター）が用いられる。
【０００３】
耕作地に対する施肥について、その施肥成分が表層の土壌から地下水層へ浸透、流出し、その流亡施肥成分が飲料水源を汚染するのではないかとの指摘がある。係る観点から、含水率、肥料養分について、地中での動態を把握しようとする試みがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、地中における施肥成分の動態把握には、同一地点で深さを変えて測定することが必要であるが、従来のセンサーを用いて異なる深さに複数埋設することは、個々のセンサーの深さ調整が必要であったり、センサーの個数だけケーブルが必要である等、設定作業が厄介であり、設置深さによる測定誤差が問題となる。
【０００５】
そこで、本発明は、耕作地の土壌等の被測定物における含水率や硝酸態窒素等の特性分布測定に関し、経時的変化を容易に且つ高精度に測定して表示できる特性分布測定装置を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、位置的な特性分布を容易に且つ高精度に測定して表示できる特性分布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】
係る課題を解決した本発明の特性分布測定装置は次の通りである。
【０００７】
本発明の特性分布測定装置は、被測定物（耕作地１０、土壌６４）の垂直方向に特定間隔（ｄ_１〜ｄ_３）で設置され、測定対象が同一又は異なる複数のセンサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂと、これらセンサーの測定値を取り込み、前記測定対象毎に各測定値の時系列的な分布データを演算する演算手段（演算処理装置４）とを備えたことを特徴とする。即ち、被測定物の垂直方向の異なる位置に設定された各センサーで得られる測定値を取り込むことにより、各測定値の時系列的な分布データを得ることができ、被測定物の特定位置における各測定値の経時的変化、被測定物の特定時における各測定値の位置的変化を知ることができる。
【０００８】
また、本発明の特性分布測定装置は、被測定物（耕作地１０、土壌６４）の垂直方向に特定間隔（ｄ_１〜ｄ_３）で設置されるとともに、前記被測定物の水平方向に任意の間隔で設置され、測定対象が同一又は異なる複数のセンサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂと、これらセンサーの測定値を取り込み、前記測定対象毎に各測定値の位置的な分布データを演算する演算手段（演算処理装置４）とを備えたことを特徴とする。即ち、被測定物の垂直方向及び水平方向に設定された各センサーで得られる各測定値を取り込むことにより、各測定値の時系列的又は位置的な分布データを得ることができ、被測定物の特定位置における各測定値の経時的変化、被測定物の特定時における各測定値の位置的変化を知ることができる。
【０００９】
本発明の特性分布測定装置において、前記センサーが前記被測定物に設置される筐体４０にその長手方向に前記特定間隔（ｄ_１〜ｄ_３）で設置されていることを特徴とする。即ち、筐体上にセンサーを特定間隔で設置すれば、被測定物に筐体を設置することで、例えば、被測定物の垂直方向の特定間隔にセンサーを設置でき、各センサーには被測定物の垂直方向の異なる位置における測定対象毎の測定値が得られる。
【００１０】
本発明の特性分布測定装置において、前記演算手段で得られる前記分布データを表示する表示手段（表示器８）を備えたことを特徴とする。即ち、ＣＲＴや印字装置等の表示手段には、時系列的又は位置的な分布データを表示でき、その表示から各測定値の経時的変化や位置的変化を知ることができる。
【００１１】
本発明の特性分布測定装置において、前記センサーが含水率センサー（センサー３１ａ〜３４ａ）とイオン含有率センサー（センサー３１ｂ〜３４ｂ）であることを特徴とする。即ち、含水率センサーには測定値として被測定物の水分、イオン含有率センサーには測定値として被測定物の硝酸態窒素が測定される。被測定物を土壌とすれば、これらの測定値によって土壌養水分が得られる。
【００１２】
本発明の特性分布測定装置において、前記センサーがマイクロストリップ線路センサーであることを特徴とする。即ち、マイクロストリップ線路センサーによれば、周波数とストリップ線路長さを適当に選んで、異なる測定対象に対応した複数のマイクロストリップ線路センサーが構成できる。この場合、マイクロ波の損失が被測定物として、例えば土壌の含水率とイオン含有率を表し、そのイオンが耕作地の土壌における肥料成分を表している。従って、マイクロストリップ線路センサーによれば、被測定物の水分や養分を容易に測定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態に係る特性分布測定装置を示している。この特性分布測定装置には、耕作地の任意の位置に設置される１又は２以上のセンサー群１１、１２、１３・・・１Ｎが備えられ、各センサー群１１〜１Ｎには測定回路２１、２２、２３・・・２Ｎが個別に設けられ、各測定回路２１〜２Ｎではセンサー群１１〜１Ｎの測定値の授受が行われる。各測定値は、図示しないデータロガーや無線機等のデータ伝送手段を介して演算処理装置４に伝送される。この演算処理装置４は、例えば、コンピュータで構成されており、各測定値を取り込んで記憶装置６に記憶させて蓄積するとともに、各センサー群１１〜１Ｎの各センサーの測定値を演算処理し、測定対象毎に位置的な分布データ、時系列的な分布データを演算し、各分布データを記憶装置６に記憶させ、且つ、表示器８に表示させる。この場合、表示器８は、ＣＲＴ表示器、液晶表示器等の映像表示を行うものの他、プリンタ等も含むものである。
【００１４】
各センサー群１１〜１Ｎは、図２に示すように、被測定物として例えば、耕作地１０の特性測定が必要な任意の位置、即ち、水平方向の複数の位置Ｐ_１、Ｐ_２・・・Ｐｎに設置される。この場合、配置形態は任意であり、マトリクス状又はその他散点的でもよい。
【００１５】
そして、各センサー群１１〜１Ｎは、図３に示すように、測定対象が異なる複数のセンサーとして、耕作地１０の垂直方向（深さ方向）の位置Ｐ_ｎ１、Ｐ_ｎ２、Ｐ_ｎ３、Ｐ_ｎ４（但し、ｎは水平方向の位置を表す番号）に第１のセンサー３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ及び第２のセンサー３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂが垂直方向に特定間隔ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３で設置されている。この場合、間隔ｄ_１〜ｄ_３はそれぞれ同一でもよく（ｄ_１＝ｄ_２＝ｄ_３）、異なってもよい（ｄ_１≠ｄ_２≠ｄ_３）。各センサー３１ａ〜３４ａは共通の測定対象を測定し、同様に、各センサー３１ｂ〜３４ｂも共通の測定対象を測定するが、センサー３１ａ〜３４ａとセンサー３１ｂ〜３４ｂとは異なる測定対象を測定するものとする。
【００１６】
そこで、各センサー群１１〜１Ｎには、例えば、図４に示すように、筒状の筐体４０が用いられ、この筐体４０の共通の壁面部４２にセンサー３１ａ〜３４ａが設置され、他の壁面部４４にセンサー３１ｂ〜３４ｂが設置されている。この場合、センサー３１ａ〜３４ａは含水率センサー、センサー３１ｂ〜３４ｂはイオン含有率センサーで構成されている。
【００１７】
このような筐体４０の長手方向に特定間隔ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３で各センサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂを設置すれば、被測定物である耕作地１０の地中に筐体４０を埋め込むことで、地表面から特定の深さに各センサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂを埋設でき、しかも、地中の所望の位置に各センサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂを高精度に位置設定することができる。
【００１８】
そして、筐体４０に設置される各センサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂは、例えば、図５の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、マイクロストリップ線路センサーで構成することができる。マイクロストリップ線路センサーからなる各センサー３１ａ〜３４ａは、含水率センサーとして構成されており、例えば、図６に示すように、誘電体基板４６の表面にストリップ導体４８、裏面側に導体５０を配設して構成されている。誘電体基板４６は絶縁体からなる筐体４０の表面部に埋め込まれ、筐体４０とともにストリップ導体４８及び誘電体基板４６の表面に保護膜５２が設置されている。
【００１９】
また、マイクロストリップ線路センサーからなる各センサー３１ｂ〜３４ｂは、イオン含有率センサーとして構成されており、例えば、図７に示すように、誘電体基板５４の表面にストリップ導体５６、裏面側に導体５８を配設して構成されている。誘電体基板５４は絶縁体からなる筐体４０の表面部に埋め込まれ、筐体４０とともにストリップ導体５６及び誘電体基板５４の表面に保護膜５９が設置されている。含水率センサーを構成するマイクロストリップ線路センサーであるセンサー３１ａ〜３４ａ、イオン含有率センサーを構成するマイクロストリップ線路センサーであるセンサー３１ｂ〜３４ｂの基本構造は同一であるが、誘電体基板５４が誘電体基板４６より大きく、ストリップ導体５６がストリップ導体４８に比較して屈曲数が多く、長い線路を構成している。
【００２０】
そして、図８に示すように、筐体４０は筒状であることから、その内部空間６０が形成されており、この内部空間６０において、センサー３１ａ〜３４ａの背面側には測定回路２１〜２Ｎの一部を構成する制御ユニット６１、センサー３１ｂ〜３４ｂの背面側には測定回路２１〜２Ｎの一部を構成する制御ユニット６２が設置されている。各制御ユニット６１、６２は、マイクロ波を発生する電磁波発生装置、被測定物として水平位置Ｐ_１〜Ｐｎ、その垂直位置（深さ位置）Ｐ_ｎ１〜Ｐ_ｎ４における土壌６４でのマイクロ波の減衰を検出する検出回路等を備えている。この場合、ストリップ導体４８は誘電体基板４６及び筐体４０を貫通して制御ユニット６１に接続され、この制御ユニット６１には導体５０も接続されている。同様に、ストリップ導体５６は誘電体基板５４及び筐体４０を貫通して制御ユニット６２に接続され、この制御ユニット６２には導体５８も接続されている。
【００２１】
このような各センサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂにおいて、センサー３１ａ〜３４ａは含水率センサーを構成し、センサー３１ｂ〜３４ｂはイオン含有率センサーを構成しているので、ストリップ導体４８、導体５０間にマイクロ波等の電磁波を加え、また、ストリップ導体５６、導体５８間にマイクロ波等の電磁波を加えると、電界Ｅがストリップ導体４８から導体５０、また、ストリップ導体５６から導体５８に向かい、磁界Ｈが電界Ｅと直交方向に包囲する環状系の電磁界分布を呈する。このような電磁界分布が被測定物である土壌６４に作用すると、ストリップ導体４８又はストリップ導体５６を通過する電磁波に影響を与え、電磁波損失Ｌ_１、Ｌ_２を生じる。ここで、入力電磁波の電力をＰ_ＩＮ、出力電磁波の電力をＰ_ＯＵＴとすると、各電磁波損失Ｌ_１、Ｌ_２は、
Ｌ_１＝−１０ｌｏｇ（Ｐ_ＯＵＴ／Ｐ_ＩＮ）　　　　　　　・・・（１）
Ｌ_２＝−１０ｌｏｇ（Ｐ_ＯＵＴ／Ｐ_ＩＮ）　　　　　　　・・・（２）
となる。
【００２２】
ここで、ストリップ導体４８の幅をｗ_１、誘電体基板４６の厚さをｔ、ストリップ導体４８の長さをｋ_１とし、ストリップ導体５６の幅をｗ_２、誘電体基板５４の厚さをｔ、ストリップ導体５６の長さをｋ_２とすると、電磁波損失Ｌ_１、Ｌ_２は、土壌６４の誘電率εによって決定される。この結果、各水平位置Ｐ_１〜Ｐｎに設置された各センサー３１ａ〜３４ａから、特定水平位置、特定深さ位置における土壌６４の含水率を表す測定値Ｄ_ａ１１〜Ｄ_ａｎ４が得られ、また、各水平位置Ｐ_１〜Ｐｎに設置された各センサー３１ｂ〜３４ｂから、特定水平位置、特定深さ位置における土壌６４のイオン含有率を表す測定値Ｄ_ｂ１１〜Ｄ_ｂｎ４が得られる。この測定原理については、例えば、特開２００１−１３０８７号「特性測定センサ、特性測定方法及びその装置」に記載されている。
【００２３】
このように構成された各センサー群１１〜１Ｎを用いて含水率及びイオン含有率を一定の時間間隔で測定すれば、例えば、図９に示す測定値が得られる。この測定値において、ｔ_１、ｔ_２・・・ｔｎは測定値取込みの時点即ち、時間情報、Ｐ_１〜Ｐｎは被測定物の水平方向の位置（センサー群１１〜１Ｎの配置位置）、Ｐ_１１〜Ｐ_ｎ４は筐体４０に設置された各センサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂの位置（被測定物の深さ位置）を表す位置情報である。
【００２４】
このようにして得られた各測定値は、演算処理装置４を通して記憶装置６に記憶され、演算処理の結果、次のような形態で表示される。
【００２５】
（１）　表として表示
取り込んだ各センサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂの測定値を時間と位置との関係を用いて演算処理し、例えば、図９に示す表として全てのデータを表示器８に表示する。このような表示によれば、各センサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂ毎に、どの位置の筐体４０、即ち、センサー群１１〜１Ｎのものか、はっきり識別でき、各特性として含水率やイオン含有率の位置的分布を数値によって知ることができる。
【００２６】
（２）　グラフ表示（位置をパラメータ）
継続的に測定を行うことで、特性分布の経時的変化を表示する。即ち、図９に示す各水平方向の位置Ｐ_１〜Ｐｎ又は垂直方向の位置Ｐ_１１〜Ｐ_ｎ４をパラメータとして各センサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂの測定値を捉えれば、含水率とイオン含有率、即ち、硝酸態窒素の経時的変化をグラフ表示することができる。このグラフによれば、耕作地１０における養水分の動態把握、肥料成分の流亡の状況等をモニタリングすることができる。
【００２７】
（３）　グラフ表示（時間をパラメータ）
特性分布の位置的変化を表示する。即ち、図９に示す時間ｔ_１、ｔ_２・・・ｔｎをパラメータとして各水平方向の位置Ｐ_１〜Ｐｎ又は垂直方向の位置Ｐ_１１〜Ｐ_ｎ４の各センサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂの測定値を捉えれば、含水率とイオン含有率、即ち、硝酸態窒素の位置的変化をグラフ表示することができる。このグラフによれば、特定時点のｔ_１、ｔ_２・・・ｔｎにおける耕作地１０の養水分の動態把握、肥料成分の流亡の状況等をモニタリングすることができる。
【００２８】
（４）　各センサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂの測定値の個別表示
各センサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂの配置位置を識別できるようにした上で、それら各センサー３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂの測定値を表示する。この結果、含水率と硝酸態窒素の位置的分布を表示することができる。
【００２９】
次に、他の実施の形態について説明する。
【００３０】
実施の形態では、角筒状の筐体４０を用いたが、円筒状又は円柱状の筐体を使用し、センサーを曲面上に作成し、例えば、マイクロストリップ線路をらせん状に形成してもよい。
【００３１】
実施の形態では、被測定物として土壌６４を取り上げたが、本発明は、土壌６４以外の被測定物を対象としてもよい。例えば、海水等でもよい。
【００３２】
実施の形態では、含水率とイオン含有率とを測定対象とし、土壌６４の養水分の動態測定を例にとったが、本発明は、養水分以外の測定対象の測定に用いることができる。
【００３３】
実施の形態では、センサー群１１〜１Ｎに水平方向に一対、垂直方向に四組のセンサーを設置した場合について説明したが、センサーの構成は、水平方向に単一又は一対を超える複数、垂直方向に三組以下又は五組以上としてもよい。
【００３４】
実施の形態では、各測定回路２１〜２Ｎと演算処理装置４とを直結してデータ伝送を概念的に表示しているが、有線や無線等のデータ伝送手段を設置してもよく、例えば、データロガーや無線機等のデータ伝送手段を設置して構成することを排除するものではない。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次の効果が得られる。
【００３６】
請求項１に係る特性分布測定装置によれば、被測定物の垂直方向の異なる位置に設定された各センサーで得られる測定値を取り込むことができ、各測定値の時系列的な分布データを得て被測定物の特定位置における各測定値の経時的変化、特定時における各測定値の位置的変化を知ることができる。
【００３７】
請求項２に係る特性分布測定装置によれば、被測定物の垂直方向及び水平方向に設定された各センサーで得られる各測定値を取り込むことができ、各測定値の時系列的又は位置的な分布データを得て被測定物の特定位置における各測定値の経時的変化、特定時における各測定値の位置的変化を知ることができる。
【００３８】
請求項３に係る特性分布測定装置によれば、被測定物に筐体を設置することで、例えば、被測定物の垂直方向の特定間隔にセンサーを設置でき、各センサーには被測定物の垂直方向の異なる位置における測定対象毎の測定値を容易に得ることができる。また、被測定物の垂直方向の位置設定が筐体の設置のみで画一的に決定できるので、位置的誤差の発生を回避でき、測定値の精度及び信頼性を高めることができる。
【００３９】
請求項４に係る特性分布測定装置によれば、ＣＲＴや印字装置等の表示手段には、時系列的又は位置的な分布データを表示でき、その表示から各測定値の経時的変化や位置的変化を知ることができる。
【００４０】
請求項５に係る特性分布測定装置によれば、含水率センサーには測定値として被測定物の水分、イオン含有率センサーには測定値として被測定物の硝酸態窒素を得ることができる。
【００４１】
請求項６に係る特性分布測定装置によれば、被測定物の水分や養分等の各種の特性を容易に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る特性分布測定装置を示すブロック図である。
【図２】センサー群の水平方向の配置を示す図である。
【図３】センサー群の構成を示すブロック図である。
【図４】筐体を用いたセンサー群の具体的な構成例を示す斜視図である。
【図５】センサー群の具体的な構成例を示し、（Ａ）はその右側面図、（Ｂ）はその左側面図である。
【図６】一部を切り欠いて示した筐体上の含水率センサーを示す図である。
【図７】一部を切り欠いて示した筐体上のイオン含有率センサーを示す図である。
【図８】筐体上のセンサーを示す図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】水平方向の配置、垂直方向の位置及び時間における測定値を示す図である。
【符号の説明】
４　演算処理装置（演算手段）
８　表示器（表示手段）
１０　耕作地（被測定物）
１１〜１Ｎ　センサー群
３１ａ〜３４ａ　センサー（含水率センサー）
３１ｂ〜３４ｂ　センサー（イオン含有率センサー）
４０　筐体
６４　土壌（被測定物）

Claims

被測定物の垂直方向に特定間隔で設置され、測定対象が同一又は異なる複数のセンサーと、
これらセンサーの測定値を取り込み、前記測定対象毎に各測定値の時系列的な分布データを演算する演算手段と、
を備えたことを特徴とする特性分布測定装置。
被測定物の垂直方向に特定間隔で設置されるとともに、前記被測定物の水平方向に任意の間隔で設置され、測定対象が同一又は異なる複数のセンサーと、
これらセンサーの測定値を取り込み、前記測定対象毎に各測定値の位置的な分布データを演算する演算手段と、
を備えたことを特徴とする特性分布測定装置。
前記センサーが前記被測定物に設置される筐体にその長手方向に前記特定間隔で設置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の特性分布測定装置。
前記演算手段で得られる前記分布データを表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の特性分布測定装置。
前記センサーが含水率センサーとイオン含有率センサーであることを特徴とする請求項１又は２記載の特性分布測定装置。
前記センサーがマイクロストリップ線路センサーであることを特徴とする請求項１又は２記載の特性分布測定装置。