JP2007333705A - 水分センサー - Google Patents

Abstract

【課題】 測定対象物が土壌である水分センサーにおいて、応答性が速く、高精度で且つ低コストおよび小型軽量の水分センサーを提供する。
【解決手段】 単波長の光を照射する発光部２と反射光を受光する受光部３とを備えたセンサーヘッド５と、センサーヘッド５の出力信号を無線送信する送受信部８と、その出力信号をもとに測定対象物の含水率を計算する制御装置１０からなる水分センサー１であり、農業分野の施設栽培用のハウス圃場内６の土中にセンサヘッド５が埋設される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、例えば、土壌の含水率を測定する水分センサーに係り、特に、ハウス圃場内の土壌の保水量を一定に保つために行う灌水を制御するために用いて好適な水分センサーに関するものである。

従来、農場やハウス圃場内を複数のエリアに分割して、エリア毎にスプリンクラー等の灌水設備を配置し、各エリアの作物の種類、成長段階等に応じて、各エリアの散水量を決定し、その結果に基づいて各エリアの灌水設備を運転制御することが行われている。この様な灌水作業の省力化と節水を図るべく、各エリアに水分センサーを設置し、各エリアの含水率を測定し、測定結果に基づいて、自動的に各エリアの散水量を決定し、各エリアの灌水設備の運転時間を設定する土壌灌水システムが提案されている（例えば、特許文献1参照）。

上記した特許文献１においては、各エリアの土壌中に光学的に含水率を測定する水分センサーを埋設して、各エリアの含水率を測定している。この水分センサーとしては、水に対する透過率が大きな第１の波長域及び水に対する透過率が小さな第２の波長域を含む光を土壌に照射するタングステンランプと、前記第１の波長域に感度を有し、土壌からの反射光を受けて、受光量又はその変化に応じた出力を発するフォトダイオードと、前記第２の波長域に感度を有し、土壌からの反射光を受けて、受光量又はその変化に応じた出力を発する焦電素子と、前記フォトダイオード及び焦電素子の出力信号に基づいて、土壌の含水率を算出する演算処理回路と、で構成されている。
特開２００２ー６５０８６号公報

上記した水分センサーは、２波長型の水分センサーであり、土壌からの反射光をフォトダイオードと焦電素子の２つの素子で受光するように構成されている。このため、水分センサーの構造が複雑化し、その分センサーとしての体積が大きくなるとともにコストも嵩むという難点があった。さらに、発光素子としてタングステンランプを用いているため、消費電力が大きい。このため、水分センサーの電源として、電池を用いる場合には、頻繁に電池を交換する必要があるなどの難点があった。

この発明は、上述した従来の問題点に鑑みなされたものにして、水分センサーの小型化並びに低消費電力化を図り、保守が容易な土壌水分センサーを提供することを第１の目的とする。

また、栽培地の保水量を一定に保つには一回当たりの灌水量を少なくし高頻度で灌水する必要がある。このため、この発明は、土壌水分量に対して応答性が速く、高精度で且つ低コストの土壌水分センサーを提供することを第２の目的とする。

この発明の水分センサーは、水分に吸収される特定波長の分光発光強度にピークをもつ一波長光を測定対象物に照射する発光部と、前記発光部より照射されて前記測定対象物からの反射光を検出する受光部と、前記発光部と受光部とを内部に収容するセンサーヘッド本体と、前記受光部の受光信号に基づく出力信号を送信する送信手段と、この送信手段からの信号を受け取りこの信号に基づき測定対象物の含水率を算出する制御装置と、を備え、前記センサーヘッド本体には、前記発光部からの光が透過するとともに前記反射光が入光する窓部が設けられ、前記窓部に前記測定対象物が接した状態で含水率を検出することを特徴とする。

そして、前記送受信部と前記制御装置間の信号の送受を無線接続で構成するとよい。また、
前記センサーヘッドの容器を気密封止するとよい。

また、この発明の潅水制御システムは、潅水を施すべく複数のエリアに上記に記載のの水分センサーを配置し、それぞれのセンサーヘッド本体を土中に埋設し、各水分センサーにより各エリアの含水率を測定し、各エリアの含水率に応じて各エリアの潅水装置の作動を制御し、各エリアの土壌の保水量を制御することを特徴とする。

また、前記潅水を施すエリアは、農業分野の施設栽培用ハウス圃場内の土壌であり、且つ、同一ハウス圃場内の指定エリアに複数個のセンサーヘッドを土中に埋設するともに、制御装置に予め閾値を設定し、この閾値に基づき潅水制御を行うように構成できる。

以上説明したように、この発明は、水分センサーにおいては、１波長型にしていることにより低コスト化および小型軽量化を実現し、さらにはセンサーヘッドと測定対象物の焦点距離を極めて小さくしているので測定精度の向上を実現することができる。さらに、発光部として、発光ダイオードを用いているので、低消費電力化が図られ、電池交換等の頻度を少なくして保守性を向上させることができる。

さらに、計測データの信号のやり取りを無線通信で行っていることにより、ハウス圃場内などの設置場所での電気配線の簡素化を実現することができる。

センサーヘッドの気密性を向上させることにより、土中などに埋設してもセンサーヘッドの内部への水分の浸入防止ができ、幅広い用途を実現することができる。

この発明の潅水制御システムは、広大なハウス圃場内を１箇所ではなく複数箇所を同時に計測してエリア毎に適量の灌水指示を行うことにより栽培地の保水量の均一化の向上が図られ、その結果として農作物の安定な成長および収穫が期待できる。

制御装置に予め閾値を設定されていることにより一回当たりの灌水量を少なくし高頻度で応答性が速く灌水ができるので、栽培地の保水量の均一化の向上とともに広大なハウス圃場内の単位面積当たりの節水を実現することができる。

この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施形態にかかる１波長型土壌水分センサーのセンサーヘッド部分の一部を破断にした斜視図、図２は、この発明の実施形態にかかる１波長型土壌水分センサーのセンサーヘッド部分の断面図、図３は、この発明の実施形態にかかる１波長型土壌水分センサーのセンサーヘッドを土中に埋設した状態を示す概略図、図４は、この発明の実施形態にかかる１波長型土壌水分センサーの構成を示すブロック回路図である。

図１ないし図３に示すように、この発明の実施形態における１波長型土壌水分センサー１は、水分に吸収される特定波長である１．２μｍ、１．４５μｍ、１．９４μｍ、２．９５μｍなどに分光発光強度のピークをもつ何れかの単波長の光を照射する発光ダイオードを有する発光部２と、ＩｎＧａＡｓ系の受光素子を有する受光部３およびアンプ回路４を内蔵するセンサーヘッド５を備える。このセンサーヘッド５は、測定対象物であるハウス圃場内６の土壌９の含水率を測定するために土中７に埋設される。

図１及び図２に示すように、センサーヘッド５には、樹脂等で形成された容器１４を有し、この容器１４内に、発光部２及び受光部３を収容するための筒状の挿入部２ａ、３ａが設けられている。そして、この挿入部２ａに連接して光が照射される窓部１４ａまで案内するガイド部２ｂが設けられている。また、挿入部３ａには、窓部１４ａから入射する反射光が案内されるガイド部３ｂが設けられている。挿入部２ａに、この実施形態においては、波長１．９４μｍに分光発光強度のピークを有する発光ダイオードからなる発光部２が挿入されて固定される。また、挿入部３ａには、ＩｎＧａＡｓ系の受光素子からなる受光部３が挿入されて固定される。

発光部２と受光部３とは、測定対象物の検知面の法線に対して対象となるように配置される。この実施形態においては、発光ダイオードの出射光と測定対象物からの反射光を効率良く利用できるとともに、装置の小型化を考慮して４３度の角度になるように配置されている。

そして、窓部１４ａには、前面ガラス１２が設けられる。この前面ガラス１２は、樹脂等からなる蓋材１４ｂの凹所にはめ込まれ、この蓋材１４ｂを容器１４にねじ１４ｃを用いて固定される。

容器１４の窓部１４ａと反対面側に、受光部３から出力信号を増幅するアンプ回路４を備えた基板４ａが取り付けられる。そして、この基板４ａを覆うようにキャップ１４ｅがねじ１４ｆで取り付けられている。さらに、基板４ａには、発光部２のオン／オフを後述する制御装置１０からの制御信号に基づき行うスイッチング回路４ｂが設けられている。アンプ回路４からの出力信号、発光部２、受光部３への制御信号、並びに電源供給はケーブル５ａを介して行われる。

土中７に埋設するセンサーヘッド５の容器１４は、土壌９の保水による水の浸入を防止するために気密度を向上させて、水の浸入による容器１４内の誤動作を未然に防止できる構造となっている。その気密封止構造は一般的なＯリングやシール剤が使用される。この実施形態においては、窓部１４と前面ガラス１２との間にＯリング１４ｄがはめ込まれている。さらに、センサーヘッド５の封止条件を内部圧力が１気圧以上の状態で封止することで水の浸入を防止できる高気密構造に構成している。

また、図２に示すように、発光部２から照射された光は前面ガラス１２の外側に焦点を合わせるように発光部２と受光部３をＶ字型に配置しているので、土中７に埋設されたセンサーヘッド５は前面ガラス１２の外側に位置する測定対象物の土壌９に焦点が合っており、前面ガラス１２の外側に密着している土壌９から反射した光を受光部３で受けるようにしている。この結果、センサーヘッド５と測定対象物である土壌９の焦点距離は０ｍｍとなっている。

図３に示すように、センサーヘッド５は、土中７に埋設される。各センサーヘッド５は、地上に配備された送受信部８とケーブル５ａで接続されている。センサーヘッド５とケーブル５ａで接続される送受信部８は、電池８ａおよび送受信回路８ｂを備えるとともに、制御装置１０と通信を行うためのアンテナ８ｃを備えている。

図４に示すように、センサーヘッド５で計測された出力信号は、アンテナ８ｃから無線にて制御装置１０へ送信される。制御装置１０には、無線通信するためのアンテナ１０ａが設けられている。このアンテナ１０ａから入力されたセンサーヘッド５の出力信号は送受信回路１０２に与えられ、この送受信回路１０２から制御装置１０の信号が取り込まれる。制御装置１０は、メモリ１０３、ＣＰＵ１００ａを内蔵する中央演算装置１００及びコンプレックス・プログラマブルロジック・デバイス（ＣＰＬＤ）１０１を備える。この制御装置１０は、主たる制御は中央演算装置１００で行い、データの入出力や制御等をＣＰＬＤ１０１を介して行うように構成している。勿論、ＣＰＬＤ１０１を省略し、中央演算処理１００で全ての制御を行うようにも構成することができる。

送受信回路１０２に入力された各センサーヘッド５からの出力はメモリ１０３に格納される。送受信回路１０２の通信制御は、ＣＰＬＤ１０１を介して行われる。メモリ１０３に格納された各センサーヘッド５の受信信号は中央演算装置１００のサンプルホールド回路１００ｂに与えられ、そして、ＡＤ変換回路１００ｃでデジタル変換されてＣＰＵ１００ａ内のメモリエリアに格納される。ＣＰＵ１００ａは、取り込んだセンサーヘッド５の受信信号に基づき、測定対象物の土壌９の含水率を計算する。

測定対象物の土壌９の含水率が所定値（閾値）より低い場合には、中央演算装置１００ａは、センサーヘッド５の該当する灌水装置を作動させるための信号を出力する。当該信号がＣＰＬＤ１０１を介して潅水制御出力回路１０８に与えられる。そして、この潅水制御出力回路１０８から灌水装置１１に信号を出力し、潅水装置１１が動作する。

制御装置１１０には、表示装置１１０、測定メニュー装置１１１を備える。測定メニュー設定装置１１１は、キーパネル、プッシュボタン等で構成され、この測定メニュー設定装置１１により、装置のオン／オフ、各センサーヘッド５を動作させる時間、各センサーヘッド５の出力調整などの初期設定を行う。これら設定作業は、表示装置１１０に表示するように、ＣＰＬＤ１０１を介して中央演算装置１００が制御を行う。更に、測定メニュー設定装置１１により、所望のセンサーヘッド５の出力による含水率を表示装置１１０に表示させることもできる。

さらに、この制御装置１０は、ＵＳＢＩ／Ｆ１０５、ＳＤカードＩ／Ｆ１０６を備え、センサーヘッド５で検出した各含水率をパーソナルコンピュータに対してデータ通信したり、また、ＳＤカードにその記録を書き込むことができるように構成している。

また、この水分センサー１においては、発光部２として、発光ダイオードを用いて低消費電力化を図っている。しかし、発光部２を常に動作させておくと、電池８ａの消耗が早くなる。そこで、この実施形態においては、予め決められた時間にだけ、センサーヘッド５を動作させ、それ以外は、動作をオフにし、電池８ａの消耗を少なくなるように構成し、電池８ａの交換頻度を少なくし、保守性を向上させている。このため、中央演算装置１００は、所定の含水率測定の時間になると、センサーヘッド５を動作させるための制御信号を送受信回路１０２からアンテナ１０ａを介して無線で送受信部８に送る。送受信部８は、動作を開始するための信号を受けると、センサーヘッド５の発光部２、受光部３及びアンプ回路４に電源を供給し、そして、発光部２の発光ダイオードをオンさせる。そして、所定のセンサーヘッド５からの信号を制御装置１０が入手すると、センサーヘッド５の動作を終了する制御信号を送受信部８に与える。送受信部８が終了信号を受け取ると、センサーヘッド５の動作を終了させ、電源供給を遮断する。

図５は、この発明の水分センサー１をハウス圃場内６に設置し土壌潅水制御システムを構成した場合の構成図である。この図５に示すように、この実施形態においては、ハウス圃場内６の所定エリア毎にセンサーヘッド５を地中に埋設する。そして、センサーヘッド５には、それぞれ送受信部８が設けられている。複数個の送受信部８と集中コントロール機能をもつ制御装置１０の間の信号の送受信は無線で行い、ハウス圃場内６の電気配線を極力簡素化にしている。

上記のように、ハウス圃場内６は、指定エリアに複数個のセンサーヘッド５を埋め込んでおり、それぞれのセンサーヘッド５から近距離に位置し、且つセンサーヘッド５に対応するそれぞれの送受信部８にセンサーヘッド５で計測された出力信号をケーブル５ａで接続している。その出力信号は制御装置１０からの指示で送受信部８を経由してセンサーヘッド５で土壌９の水分量を計測して得られた受光部３の出力である。この出力がアンプ回路４で増幅され、送受信部８から制御装置１０へ無線送信して制御装置１０に与えられる。制御装置１０で各エリアの土壌９の含水率を計算し、制御装置１０に予め設定されている閾値よりその含水率が下回った場合に灌水装置１１を作動させるための電気信号を出力して、ハウス圃場内６の各灌水バルブ１３ａ〜１３ｅを開いて灌水ノズル１６より栽培地の灌水を行うものである。すなわち、制御装置１０に予め設定されている閾値を含水率が下回った場合、あるいは上回った場合に灌水装置１１の作動をさせるための電気信号である灌水制御出力が信号線１５から各潅水バルブ１３ａ〜１３ｅに与えられる。その出力を受けてハウス圃場内６の各灌水バルブ１３ａ〜１３ｅの開閉が個別に作動し、ハウス圃場内６のエリア毎に灌水ノズル１６により適量の灌水を行う。

その灌水によって土壌９の含水率が上昇し、それをセンサーヘッド５により、リアルタイムで含水率を検知して制御装置１０に予め設定されている閾値をその含水率が上回った場合に灌水装置１１の作動を止め、栽培地への灌水を停止させる。

また、センサーヘッド５と送受信部８は有線による接続で分割されているために、土中７に埋設するセンサーヘッド５は小型軽量化にできる。

図３に示すように、測定対象物は農業分野の施設栽培用のハウス圃場内６の土壌９であって、ハウス圃場内６の指定エリアに複数個のセンサーヘッド５をハウス圃場内６の土中７に埋め込んで使用するために、従来型のテンシオメーターなどの土壌水分計の問題点であったハウス圃場内６全体の土壌９の乾湿差が大きいという欠点に対して、この発明の多点計測による灌水制御によって広大な面積であるハウス圃場内６全体における乾湿差の均一化の向上が図られ、その結果として農作物の安定な成長および収穫が期待できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、農業分野の施設栽培用ハウス圃場内で土中に埋設して使用される１波長型土壌水分センサーに用いられる。更に、センサーヘッドと測定対象物の焦点距離が０ｍｍとなっていることと、多点計測が可能であることを生かして、加工工程中の各種粉末状製品の中にセンサーヘッドを直接埋設して粉末状製品の含水率計測用としても利用できる。

この発明の実施形態にかかる１波長型土壌水分センサーのセンサーヘッド部分の一部を破断にした斜視図である。 この発明の実施形態にかかる１波長型土壌水分センサーのセンサーヘッド部分の断面図である。 この発明の実施形態にかかる１波長型土壌水分センサーのセンサーヘッドを土中に埋設した状態を示す概略図である。 この発明の実施形態にかかる１波長型土壌水分センサーの構成を示すブロック回路図である。 この発明の水分センサー１をハウス圃場内６に設置し土壌潅水制御システムを構成した場合の構成図である。

符号の説明

１ １波長型土壌水分センサー
２ 発光部
３ 受光部
４ アンプ回路
５ センサーヘッド
６ ハウス圃場内
７ 土中
８ 送受信部
９ 土壌
１０ 制御装置
１１ 灌水装置
１２ 前面ガラス
１３ａ〜１３ｅ 各灌水バルブ
１４ 容器
１５ 灌水制御出力
１６ 灌水ノズル

Claims (5)

1. 水分に吸収される特定波長の分光発光強度にピークをもつ一波長光を測定対象物に照射する発光部と、前記発光部より照射されて前記測定対象物からの反射光を検出する受光部と、前記発光部と受光部とを内部に収容するセンサーヘッド本体と、前記受光部の受光信号に基づく出力信号を送信する送信手段と、この送信手段からの信号を受け取りこの信号に基づき測定対象物の含水率を算出する制御装置と、を備え、前記センサーヘッド本体には、前記発光部からの光が透過するとともに前記反射光が入光する窓部が設けられ、前記窓部に前記測定対象物が接した状態で含水率を検出することを特徴とする水分センサー。
2. 前記送受信部と前記制御装置間の信号の送受を無線接続としたことを特徴とする請求項１に記載の水分センサー。
3. 前記センサーヘッドの容器を気密封止したことを特徴とする請求項１または２に記載の水分センサー。
4. 潅水を施すべく複数のエリアに請求項１ないし３のいずれかに記載の水分センサーを配置し、それぞれのセンサーヘッド本体を土中に埋設し、各水分センサーにより各エリアの含水率を測定し、各エリアの含水率に応じて各エリアの潅水装置の作動を制御し、各エリアの土壌の保水量を制御することを特徴とする潅水制御システム。
5. 前記潅水を施すエリアは、農業分野の施設栽培用ハウス圃場内の土壌であり、且つ、同一ハウス圃場内の指定エリアに複数個のセンサーヘッドを土中に埋設するともに、制御装置に予め閾値を設定し、この閾値に基づき潅水制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の潅水制御システム。

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