JP2005201753A - 水分検出ユニット及び水分測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、水分検出ユニットの構造部や周囲の土壌から受ける影響を回避しつつ土壌水分の安定した測定値を得る水分検出ユニットを提供する。
【解決手段】本発明の水分検出ユニットは、測定ユニット本体１と、測定ユニット本体１に組み込まれたセラミック体４及びこのセラミック体４の両面に対向配置に接合した一対の電極５ａ、６ａとを具備し、セラミック体４の一対の電極５ａ、６ａと接する面の面積を、一対の電極５ａ、６ａのセラミック体４と接する面の面積より大きく形成するとともに、セラミック体４の端面を土壌内に挿入される測定ユニット本体１の端面に露出させ、封止材８にて封止した水分測定素子３と、水分測定素子３の出力信号を処理して土壌の水分測定を行う測定処理回路１１とを備え、伝送ケーブル２０で水分測定信号を出力することにより実現した。
【選択図】図１

Description

本発明は、土壌水分の安定した測定値を得ることができるようにした水分検出ユニット及び水分測定装置に関するものである。

従来、土壌に含まれる水分を測定する手段の一つとして、平行平板形状の対向電極を両側端面に取り付けたセラミック体を含む水分検出ユニットを土壌内に埋め込み、土壌中の水分の多少に従ってセラミック体に含まれる水分量の変化に伴う抵抗値変化を検出して水分測定を行うようにした水分測定手段がある。

しかし、この場合には、土壌中の水分が多くなるに従い、セラミック体の抵抗値変化は小さくなり、測定を必要とする土壌中の水分測定範囲全体に亙って安定した測定値を得ることは難しいという問題がある。

また、上述した平行平板形状の対向電極は、簡略な構造であるため製作が容易で低コストとすることができるが、対向電極で挟んだセラミック体以外の部分にも電界が分布するため、セラミック体以外の水分検出ユニットの構造部や周囲の土壌からうける影響も回避することができず、正確、且つ、安定した測定値を得ることは難しい。土壌の誘電率は水分と相関があるが、密度や含有成分にも大きく影響されるため、土壌中の水分測定に際して直接土壌の誘電率に影響されることは好ましくない。

特許文献１には、自然土壌等の水分を測定するために、土壌内に挿入する多孔質セラミック部材に信号線を備えた一対の電極を対向させて組み込み、多孔質セラミック部材に含まれる水分の変化を一対の電極間の抵抗値変化として検出するようにしたセンサを複数本使用する測定器ユニットが開示されている。
しかし、この測定器ユニットの場合、多孔質セラミック部材の外周部が直接土壌に接触する構造であるため、周囲の土壌から受ける影響を回避することは難しく、正確、且つ、安定した測定値を得ることは難しいという問題がある。
特開平１０−０７８４０１号公報

解決しようとする問題点は、水分検出ユニットの構造部や周囲の土壌から受ける影響を回避しつつ土壌水分の安定した測定値を得ることは難しいという点である。

本発明の水分測定ユニットは、測定ユニット本体と、測定ユニット本体に組み込まれたセラミック体及びこのセラミック体の両面に対向配置に接合した一対の電極とを具備し、セラミック体の一対の電極と接する面の面積を、前記一対の電極のセラミック体と接する面の面積より大きく形成するとともに、セラミック体の端面を土壌内に挿入される測定ユニット本体の端面に露出させた水分測定素子と、前記水分測定素子の出力信号を処理して土壌の水分測定を行う測定処理回路と、を有することを最も主要な特徴とする。

請求項１、２記載の発明によれば、セラミック体の一対の電極と接する面の面積を、一対の電極のセラミック体と接する面の面積より大きく形成するとともに、セラミック体の端面を土壌内に挿入される測定ユニット本体の端面に露出させた、且つ、封止材により封止された水分測定素子を有する構成で土壌水分を測定するものであるから、水分検出ユニットの構造部や周囲の土壌から受ける影響を回避しつつ土壌水分の安定した測定値を得ることができる。また、温度検出素子を備えた構成とすることで、土壌水分の測定に加えて、温度測定をも行うことができる。

請求項３乃至５記載の発明によれば、上述した作用、効果を奏する水分測定ユニットにて土壌水分又は、土壌水分と温度の双方を測定し、更に、伝送ケーブルを介して接続される測定装置本体ユニットにて土壌水分、又は土壌水分と温度の信号をアナログ信号に変化して出力できるとともに、測定の基準となるリアルタイムクロックを生成して、測定時間の設定、必要な電力供給動作を効率よく実行できる水分測定装置を提供することができる。

本発明においては、水分検出ユニットの構造部や周囲の土壌から受ける影響を回避しつつ土壌水分の安定した測定値を得るという目的を、測定ユニット本体と、測定ユニット本体に組み込まれたセラミック体及びこのセラミック体の両面に対向配置に接合した一対の電極とを具備し、セラミック体の一対の電極と接する面の面積を、一対の電極のセラミック体と接する面の面積より大きく形成するとともに、セラミック体の端面を土壌内に挿入される測定ユニット本体の端面に露出させ、封止材にて封止した水分測定素子と、前記水分測定素子の出力信号を処理して土壌の水分測定を行う測定処理回路とを備え、伝送ケーブルで水分測定信号を出力することにより実現した。

以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は本発明の実施例に係る水分測定装置を構成する水分測定ユニットの概略断面図、図２は同水分測定ユニットの正面図、図３は同水分測定ユニットの側面図、図４は本実施例に係る水分測定装置の全体構成を示すブロック図である。

本実施例に係る水分測定ユニット１は、直方体状の樹脂材からなる測定ユニット本体２を具備し、この測定ユニット本体２に、セラミック体４を用いた水分測定素子３、詳細は図４で後述する測定処理回路１１を搭載した回路基板１０を組み込むとともに、測定ユニット本体２に伝送ケーブル２０を接続した構成としている。

前記水分測定素子３は、直方体状のセラミック体４と、セラミック体４に密着接合した平行平板形状の一対の電極５ａ、６ａとを有し、前記測定ユニット本体２の一方の端面に設けた素子収容凹部７に前記セラミック体４の一方の端面側、すなわち、セラミック体４の端面側の相対する２つの面が土壌に接するように露出させる状態で埋め込んでいる。また、セラミック体４の一方の端面側を除く他の面の回りと素子収容凹部７の内壁との間にエポキシ樹脂からなる封止材８を充填している。

前記回路基板１０は、測定ユニット本体２内に配置されていて、前記一対の電極５ａ、６ａと回路基板１０とは、前記素子収容凹部７を貫通させた接続リード板５ｂ、６ｂにより接続されている。更に、測定ユニット本体２の内部には、シリコンからなる封止材８ａが充填されている。

本実施例において、セラミック体４の一対の電極５ａ、６ａと接する面の面積と、一対の電極５ａ、６ａのセラミック体４と接する面の面積との関係は、図５に拡大して示すように、等面積とするものではなく、セラミック体４側の面積を一対の電極５ａ、６ａ側の面積よりも大きくしている。
これにより、水分測定素子３に作用する電界（図５において点線で示す）のうちの電界の強い部分（図５の点線間隔が密の部分）に対してセラミック体４を一層広く臨ませることができ、水分測定時の安定性向上に寄与できる。

次に、図４を参照して本実施例に係る水分測定装置の全体構成について説明する。
本実施例に係る水分測定装置は、水分測定ユニット１と、測定装置本体ユニット３０とを伝送ケーブル２０により接続する構成としている。

前記水分測定ユニット１は、回路基板１０に搭載した測定処理回路１１を具備し、この測定処理回路１１は、前記水分測定素子３に接続した高周波の発振回路で構成される測定回路１２と、この測定回路１２の出力を分周し測定ユニットＣＰＵ１４が処理可能な周波数に下げる分周回路１３と、測定ユニットＣＰＵ１４とを有している。前記水分測定素子３、測定回路１２により、水分測定素子３周辺の広範囲にわたって水分の測定が可能となるとともに、この際、周辺から受ける高周波ノイズ等の影響を低減するために、既述した構成から明らかなように前記水分測定素子３の回りに封止材８を充填したり、セラミック体４の面積をより広く設定している。

また、測定ユニットＣＰＵ１４には、前記水分測定素子３の温度を検出する温度測定素子（温度センサ）１６（図１、図２には図示せず）を接続している。測定ユニットＣＰＵ１４は、水分測定素子３及び測定回路１２により測定される土壌の水分の信号、前記温度測定素子１６により測定する水分測定素子３の温度の信号を、ＲＳ−２３２Ｃ（Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｓｔａｎｄａｒｄ−２３２Ｃ）変換器１５に出力する。そして、前記ＲＳ−２３２Ｃ変換器１５により前記各信号はＲＳ−２３２Ｃ規格の信号に変換され、伝送ケーブル２０を経て測定装置本体ユニット３０へ伝送するようになっている。

前記測定装置本体ユニット３０は、全体の制御を行うＣＰＵ３１を具備している。このＣＰＵ３１により、伝送ケーブル２０が接続されるＲＳ−２３２Ｃ変換器３２と、水分測定ユニット１及び測定装置本体ユニット３０全体の動作に必要な電力供給を行う電源部３３と、測定動作の基本となる時間管理のためのクロックを生成するリアルタイムクロック部３４と、設定入力スイッチ３５及び表示部３６と、２個のＤＡ（デジタル−アナログ）コンバータ３７及びＤＡコンバータ３８との動作制御を行うようになっている。

前記設定入力スイッチ３５及び表示部３６は、土壌水分測定時の測定時間を設定するために用いられる。
２個のＤＡコンバータ３７、ＤＡコンバータ３８は、ＣＰＵ３１の制御の基に、土壌の水分の信号、前記水分測定素子３の温度の信号を各々アナログ信号に変換し、出力するようになっている。

更に、前記ＣＰＵ３１は、設定入力スイッチ３５及び表示部３６にて設定された測定時間とリアルタイムクロック部３４により計測される時間とが一致した場合に、前記電源部３３を動作させ水分測定ユニット１及び測定装置本体ユニット３０全体に対する必要な電力供給を行い測定動作、測定結果の出力処理を可能とするとともに、これらの動作が終了した段階で、水分測定ユニット１及び測定装置本体ユニット３０の動作を終了させる。

但し、測定装置本体ユニット３０における時間計測動作を維持するために、リアルタイムクロック部３４と、ＣＰＵ３１のクロック信号を受け取り処理する要素に対しては、電源部３３から必要な電力供給を継続するようになっている。

次に、本実施例に係る水分測定装置の動作について説明する。
本実施例に係る水分測定装置において、水分測定ユニット１の水分測定素子３側を、測定すべき土壌内に差し込む。これにより、土壌に含まれる水分が水分測定素子３に徐々に浸透して行く。水分測定ユニット１の水分測定素子３と高周波の発振回路で構成される測定回路１２とによって、水分測定素子３への水分浸透に応じた電気容量の変化が土壌水分の信号として検出され、分周回路１３に送られる。分周回路１３は、土壌水分の信号を測定ユニットＣＰＵ１４が処理可能な周波数に下げ、測定ユニットＣＰＵ１４に送る。また、前記温度測定素子１６は、水分測定素子３の温度を測定して、測定信号を測定ユニットＣＰＵ１４に送る。また、前記温度測定素子１６は、水分測定ユニット１自体の温度を測定することで、測定信号を測定ユニットＣＰＵ１４に送る。水分測定ユニット１は長時間土壌内に埋め込まれることにより土壌の温度とほぼ等しくなるので、温度測定素子１６は間接的に土壌の温度を測定することになる。

測定ユニットＣＰＵ１４は、前記土壌水分の信号及び温度の測定信号を、ＲＳ−２３２Ｃ変換器１５により、ＲＳ−２３２Ｃ規格の信号に変換し、伝送ケーブル２０を経て測定装置本体ユニット３０へ伝送する。

測定装置本体ユニット３０側では、送られてきた前記土壌水分の信号及び温度の測定信号を、ＲＳ−２３２Ｃ変換器３２によりＣＰＵ３１が処理可能な信号に変換し、ＣＰＵ３１に送る。ＣＰＵ３１は、前記土壌水分の信号及び温度の測定信号を、各々２個のＤＡコンバータ３７及びＤＡコンバータ３８に送る。ＤＡコンバータ３７及びＤＡコンバータ３８は、前記土壌水分の信号及び温度の測定信号を各々アナログ信号に変換して外部に出力する。なお、前記温度測定素子１６により測定された土壌の温度の信号は、水分測定素子３による土壌水分の検出結果に対する温度補正用に用いるものである。

このような本実施例に係る水分測定装置の動作において、前記水分測定ユニット１の水分測定素子３は、前記エポキシ樹脂からなる封止材８により封止されていて、また、水分測定素子３のセラミック体４側の面積を、一対の電極５ａ、６ａ側の面積よりも大きくしているので、これにより、水分測定素子３に作用する電界のうちの電界の強い部分（図５の点線間隔が密の部分）に対してセラミック体４を一層広く臨ませることができ、水分測定ユニット１の他の構成要素の影響を回避しつつ安定した動作の基に水分測定を実行できる。

また、前記測定装置本体ユニット３０、ＣＰＵ３１の制御によって、土壌水分の信号及び温度の測定信号を、各々２個のＤＡコンバータ３７及びＤＡコンバータ３８に送って、アナログ信号に変換して外部に出力することができるとともに、ＣＰＵ３１の管理下で、リアルタイムクロック部３４からの測定の基準となるリアルタイムクロックを管理し、前記設定入力スイッチ３５、表示部３６による測定のための測定時間の設定、電源部３３による必要な電力供給動作を効率よく実行できる

なお、前記伝送ケーブル２０を用いた信号伝送方式としては、既述したＥＩＡ規格のうちのＲＳ−２３２Ｃ規格を採用する他、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）規格等のインターフェースを採用することも勿論可能である。

本発明の水分測定装置は、自然土壌の水分測定の他に、家庭菜園等の培地等の水分測定等、水分を含有する対象物の水分測定に幅広く適用できる。

本発明の実施例に係る水分検出装置を構成する水分測定ユニットの概略断面図である。 本実施例に係る水分測定ユニットの正面図である。 本実施例に係る水分測定ユニットの側面図である。 本実施例に係る水分検出装置のブロック図である。 本実施例に係る水分検出素子における電界分布を示す説明図である。

符号の説明

１ 水分測定ユニット
２ 測定ユニット本体
３ 水分測定素子
４ セラミック体
５ａ、６ａ 電極
５ｂ、６ｂ 接続リード板
７ 素子収容凹部
８ 封止材
８ａ 封止材
１０ 回路基板
１１ 測定処理回路
１２ 測定回路
１３ 分周回路
１４ 測定ユニットＣＰＵ
１５ ＲＳ−２３２Ｃ変換器
１６ 温度測定素子
２０ 伝送ケーブル
３０ 測定装置本体ユニット
３１ ＣＰＵ
３２ ＲＳ−２３２Ｃ変換器
３３ 電源部
３４ リアルタイムクロック部
３５ 設定入力スイッチ
３６ 表示部
３７、３８ ＤＡコンバータ

Claims (5)

1. 測定ユニット本体と、測定ユニット本体に組み込まれたセラミック体及びこのセラミック体の両面に対向配置に接合した一対の電極とを具備し、セラミック体の一対の電極と接する面の面積を、一対の電極のセラミック体と接する面の面積より大きく形成するとともに、セラミック体の端面を土壌内に挿入される測定ユニット本体の端面に露出させ封止材にて封止された水分測定素子と、
   前記水分測定素子の出力信号を処理して土壌の水分測定を行う測定処理回路と、
   を有することを特徴とする水分測定ユニット。
2. 測定ユニット本体と、測定ユニット本体に組み込まれたセラミック体及びこのセラミック体の両面に対向配置に接合した一対の電極とを具備し、セラミック体の一対の電極と接する面の面積を、一対の電極のセラミック体と接する面の面積より大きく形成するとともに、セラミック体の端面を土壌内に挿入される測定ユニット本体の端面に露出させ封止材にて封止された水分測定素子と、
   前記土壌の温度を検出する温度検出素子と、
   前記水分測定素子の出力信号、温度検出素子の出力信号を処理して土壌の水分測定及び温度測定を行う測定処理回路と、
   前記測定ユニット本体に取り付けられた信号伝送及び電力供給用の伝送ケーブルと、
   を有することを特徴とする水分測定ユニット。
3. 測定ユニット本体と、測定ユニット本体に組み込まれたセラミック体及びこのセラミック体の両面に対向配置に接合した一対の電極とを具備し、セラミック体の一対の電極と接する面の面積を、一対の電極のセラミック体と接する面の面積より大きく形成するとともに、セラミック体の端面を土壌内に挿入される測定ユニット本体の端面に露出させ封止材にて封止された水分測定素子と、
   前記水分測定素子の出力信号を処理して土壌の水分測定を行う測定処理回路と、
   を有する水分測定ユニットと、
   前記水分測定ユニットに伝送ケーブルを介して接続されるとともに、必要な電力供給機能、測定時間の設定機能、測定の基準となるリアルタイムクロックの生成機能、測定処理回路から伝送ケーブルを介して伝送される水分の測定信号をアナログ信号に変換し出力する機能を具備する測定装置本体ユニットと、
   を有することを特徴とする水分測定装置。
4. 測定ユニット本体と、測定ユニット本体に組み込まれたセラミック体及びこのセラミック体の両面に対向配置に接合した一対の電極とを具備し、セラミック体の一対の電極と接する面の面積を、一対の電極のセラミック体と接する面の面積より大きく形成するとともに、セラミック体の端面を土壌内に挿入される測定ユニット本体の端面に露出させ封止材にて封止された水分測定素子と、
   前記土壌の温度を検出する温度検出素子と、
   前記水分測定素子の出力信号、温度検出素子の出力信号を処理して土壌の水分測定及び温度測定を行う測定処理回路と、
   を有する水分測定ユニットと、
   前記水分測定ユニットに伝送ケーブルを介して接続されるとともに、必要な電力供給機能、測定時間の設定機能、測定の基準となるリアルタイムクロックの生成機能、測定処理回路から伝送ケーブルを介して伝送される水分の測定信号及び温度測定信号をアナログ信号に変換し出力する機能を具備する測定装置本体ユニットと、
   を有することを特徴とする水分測定装置。
5. 測定ユニット本体と、測定ユニット本体に組み込まれたセラミック体及びこのセラミック体の両面に対向配置に接合した一対の電極とを具備し、セラミック体の一対の電極と接する面の面積を、一対の電極のセラミック体と接する面の面積より大きく形成するとともに、セラミック体の端面を土壌内に挿入される測定ユニット本体の端面に露出させ封止材にて封止された水分測定素子と、
   前記土壌の温度を検出する温度検出素子と、
   前記水分測定素子の出力信号、温度検出素子の出力信号を処理して土壌の水分測定及び温度測定を行う測定処理回路と、
   を有する水分測定ユニットと、
   前記水分測定ユニットに伝送ケーブルを介して接続される測定装置本体ユニットであって、必要な電力供給を行う電源部と、測定時間の設定を行う設定入力スイッチ及び表示部と、測定の基準となるリアルタイムクロックを生成するリアルタイムクロック部と、前記測定処理回路から伝送ケーブルを介して伝送される水分の測定信号及び温度測定信号をアナログ信号に変換し出力する２個のＤＡコンバータと、前記水分測定ユニット及び水分測定ユニット全体の制御を行う制御部とを具備する測定装置本体ユニットと、
   を有することを特徴とする水分測定装置。
   
   

Images