JP2010139246A - ベントナイトの水分量測定方法及びこれを用いた測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度が変化してケーブルの伸縮や発信機器周辺にかかる熱が増減すること等に伴い測定値にノイズが生じる状況であっても、ベントナイトの水分量を正確に測定することができるようにする。
【解決手段】 ベントナイト系材料の水分量を測定するために、電極を直接ベントナイト面に当ててその誘電率を測定し、ベントナイトの近傍空間の誘電率を測定し、ベントナイトおよびその周辺の温度を測定し、前記ベントナイト面の誘電率と空間の誘電率を前記温度の測定結果を基にノイズを除去する補正をし、ベントナイトの真正の誘電率を得るベントナイト水分量測定方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ベントナイトの水分量測定方法及びこれを用いた測定装置、例えば複素誘電率測定技術を用いて高配合ベントナイト混合土の水分量測定を行う方法及び装置に関するものである。

従来から、土壌に対する水分計としては、テンシオメータ、熱伝導率測定器などがある。ベントナイトが放射性廃棄物処分に用いられる場合、一般の土壌と比べてベントナイト中での水分の計測には以下の事項が要求される。
（１）ベントナイトが高サクションであること。
（２）崩壊熱分解油による温度変化が生じること。
（３）電解質イオンの影響があること。
（４）再冠水の期間が数十年以上となり耐久性が要求されること。
である。

従来、ベントナイト中の水分量を測定するに当たり、耐久性のある測定方法として、代替特性として地盤の誘電率を測定することによりベントナイト水分量を算出する、誘電率測定法が開発されている。この誘電率測定法にはＴＤＲ法、ＡＤＲ法、ＦＤＲ法がある。これらの測定法の中でも、複素誘電率測定技術を用いた水分量測定法（すなわち、ＦＤＲ−Ｖ法）は原理的にイオンの影響を受け難いという点で優れている。ＦＤＲ−Ｖ法とは、入射波と反射波の位相と振幅の差から反射係数を求め、複素誘電率を求める方法である。

しかしながら、ＦＤＲ−Ｖ法による測定装置に用いられる通常のセンサーは温度が変化する場では誘電率を正確に測定できないという不具合があった。

本発明は上述のような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、温度が変化する場合であっても誘電率を正しく測定し、ベントナイトの水分量を正確に測定することができるベントナイトの水分量測定方法及びこれを用いた測定装置を提供することである。

本発明は、上記目的を達成するため、ベントナイト系材料の水分量を測定する方法として、電極を直接ベントナイト面に当ててその誘電率を測定し、ベントナイトの近傍空間の誘電率を測定し、ベントナイトおよびその周辺の温度を測定し、
前記ベントナイト面の誘電率と空間の誘電率を前記温度の測定結果を基にノイズを除去する補正をし、ベントナイト面の真正の誘電率を得るようにした。

本発明はまた、ベントナイト水分量測定装置として、耐腐食性の材質により構成され、ベントナイト内に埋設される測定用プローブと、耐腐食性の材質により構成され、ベントナイトから離れた部位に設けられた大気開放プローブと、耐腐食性の材質により構成され、ベントナイトに接触してベントナイトの温度を測定するベントナイト温度センサーと、耐腐食性の材質により構成され、大気の温度を測定する大気温度センサーと、前記各プローブ及びセンサーからの測定結果を基に補正演算処理を行い、ベントナイト水分量を算出する演算処理手段とを備え、前記演算処理手段は、下記（１）式の演算によりノイズのフィルタリングを行ったＦＤＲ−Ｖ値を求め、
ε＝ε_m(t)−（ε_0(t)−ε_0(t=0)） ・・・・・（１）
ここで、
ε：ＦＤＲ−Ｖ値
ε_0(t)：時間ｔにおける測定用ＦＤＲ−Ｖ値（１ＧＨｚの誘電率実数部）
ε_0(t=0)：時間ｔにおけるダミーＦＤＲ−Ｖ値（１ＧＨｚの誘電率実数部）
である。
次に、前記ベントナイト水分量測定手段は、下記（２）式の演算によりベントナイトの体積含水率を得る構成としている。
θｃ＝ａε³＋ｂε²＋ｃε＋ｄ ・・・・・（２）
ここで、
θｃ：体積含水率
ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数であり、
ａ＝６．３５×１０^-8Ｔ²−７．７９×１０^-6Ｔ＋２．５４×１０^-4
ｂ＝−２．５６×１０^-6Ｔ²＋３．１４×１０^-4Ｔ−１．１１×１０^-2
ｃ＝３．３８×１０^-5Ｔ²−４．０８×１０^-3Ｔ＋１．７９×１０^-1
ｄ＝−１．６０×１０^-4Ｔ²＋１．７３×１０^-2Ｔ−７．４０×１０^-1
ε：誘電率の実数部
Ｔ：温度（℃）
である。

以上のような方法ないしは装置によってベントナイトの誘電率を測定することにより温度の変化によるノイズをキャンセルして、より正確なベントナイトの水分量の測定を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明によるベントナイトの水分量測定装置のシステム構成を示すブロック図である。この図において、１はベントナイトの誘電率を測定するための測定用プローブ（電極部材）、２は大気に開放され空気の誘電率を測定する大気開放プローブ、３は上記測定用プローブ１及び大気開放プローブ２の測定値との比較をとるためのアセトン誘電率測定用プローブである。アセトン誘電率測定用プローブ３は本発明におけるベントナイトの水分量測定装置のシステムにとっては必ずしも必要なものではない。４はベントナイト混合土からなる供試体、５は供試体４の温度測定用の熱電対、６は熱電対式温度センサーである。供試体４には熱電対５に対応する電極が密着して取り付けられている。また、７は各プローブ１，２，３を計測動作させるとともに、これらのプローブ１，２，３からの信号を解析して誘電率を求める演算手段としてのベクトル・ネットワーク・アナライザー（以下、「ＶＮＡ」と表記する）、８はＶＮＡ７と各プローブ１，２，３との間の接続を切り替えるためのスイッチングユニット、９はＶＮＡ７において得られた解析結果や誘電率測定値のデータを送信する通信ユニットである。

この実施の形態において、ベントナイトの誘電率測定はセンサーである測定用プローブ１を供試体４に密着させて行う。計測動作に際して、各プローブ１，２，３から放射される送信波の周波数は１００ＭＨｚ〜３ＧＨｚに設定されるが、この実施の形態においては周波数は１ＧＨｚに設定される。供試体４としてはベントナイトと砂を所定の割合で混合したベントナイト混合土が用いられる。

図２は本実施の形態において用いられる測定用プローブの構造を示す断面図である。図２において、１１は概略筒構造を有し測定用プローブの本体となる筐体、１２は筐体１１の内部に収容固定される支持部材である。１３は供試体４に向けて入射波を照射しまた供試体４からの反射波を受信する電極部材、１４は電極部材１３の先端部分に取り付けられた温度センサー、１５は支持部材１２を通して筐体１１の内部に延びる支持ロッドである。

筐体１１の先端には開口２１が開設されている。筐体１１と支持部材１２とは、筐体１１の上部位置（基端側位置）においてねじ部２０でねじ結合され、筐体１１の内部に天井側が支持部材１２により閉鎖された形の空間２２を形成している。また、筐体１１と支持部材１２との側面間にはＯ−リング１７が装着され、両部材間の接合部を気密に保っている。

電極部材１３は、筐体１１の空間２２内に配置されたヘッド部１３ａと、ヘッド部１３ａを支持するロッド部１３ｂとからなり、ロッド部１３ｂはヘッド部１３ａの上端部に結合され且つ支持部材１２を貫通して上方へ延びている。支持部材１２には、電極部材１３のロッド部１３ｂを通すための挿通孔２３が設けられており、この挿通孔２３と電極部材１３のロッド部１３ｂとの側面間にはＯ−リング１９が装着されて両部材間の接合部を気密に保っている。また、電極部材１３のヘッド部１３ａは筐体１１に開設された開口２１に挿通可能であり、この開口２１とヘッド部１３ａの側面間にはＯ−リング１８が装着されて両部材間の接合部を気密に保っている。そして、電極部材１３は、筐体１１に設けられた開口２１及び支持部材１２に設けられた挿通孔２３にガイドされた状態で上下方向に摺動運動可能である。

また、支持部材１２には、支持ロッド１５を通すための挿通孔２４が設けられており、支持ロッド１５は挿通孔２４にガイドされた状態で上下方向に摺動運動可能である。

さらに、電極部材１３の先端部分には供試体４に接触して当該供試体４の温度を計測する第１の温度センサー１４が取り付けられている。また、支持ロッド１５の先端部分には空間２２内における空気の温度を計測する第２の温度センサー１６が取り付けられている。なお空間２２内における空気は大気と同等であり、空間２２内の温度を計測することは大気中における空気の温度を計測しているに等しい。

以上のような構成を有するベントナイトの水分量測定装置による誘電率の測定動作について、以下説明する。

まず、供試体４であるベントナイト混合土の体積含水率を所定の値に設定し、この供試体４の温度をそれぞれ２０℃、４０℃、６０℃、８０℃に変化させ、誘電率を測定した。図３は上記誘電率の測定動作における測定結果を示すグラフ図である。図３において、横軸は供試体４の設定された体積含水率を表し、縦軸は誘電率を表す。また、同図中の曲線ａは供試体４の温度が２０℃における体積含水率−誘電率の関係を表す。以下同様に、曲線ｂは４０℃、曲線ｃは６０℃、曲線ｄは８０℃、における供試体４の体積含水率−誘電率の関係をそれぞれ表す。この測定結果から、温度が高くなるにしたがって誘電率は高くなることがわかり、且つ同じ体積含水率であっても温度の違いにより誘電率が異なることがわかる。この測定結果を基に以下の校正式を得た。
θｃ＝ａε³＋ｂε²＋ｃε＋ｄ ・・・・・（３）
上記（３）式中、
ａ，ｂ，ｃ，ｄは係数であり、
ａ＝６．３５×１０^-8Ｔ²−７．７９×１０^-6Ｔ＋２．５４×１０^-4
ｂ＝−２．５６×１０^-6Ｔ²＋３．１４×１０^-4Ｔ−１．１１×１０^-2
ｃ＝３．３８×１０^-5Ｔ²−４．０８×１０^-3Ｔ＋１．７９×１０^-1
ｄ＝−１．６０×１０^-4Ｔ²＋１．７３×１０^-2Ｔ−７．４０×１０^-1
である。
ここで、
θｃ：体積含水率
ε：誘電率の実数部
Ｔ：温度（℃）

図４は、式（３）を用いて算出された供試体４の水分量と実際の水分量との差を表示して校正曲線の精度を表すグラフ図である。図４において、横軸は供試体４の設定された体積含水率を表し、縦軸は式（３）を用いて算出した体積含水率を表す。また図４において、実線ｅは供試体４の設定された体積含水率と式（３）を用いて算出した体積含水率との差が０となる（設定値と計算値が一致する）点の集まりを表し、実線よりも上側の点線ｆは供試体４の設定された体積含水率よりも式（３）を用いて算出した体積含水率の方が大きな値となりその誤差比率が１０％である点の集まりを表し、実線よりも下側の点線ｇは供試体４の設定された体積含水率よりも式（３）を用いて算出した体積含水率の方が小さな値となりその誤差比率が１０％である点の集まりを表す。この図を見ると、供試体４の設定された体積含水率と式（３）を用いて算出した体積含水率との差は、いずれの温度においても０付近となり、誤差比率が１０％に達する事例はない。このことから、上記（３）式から算出した校正曲線が有効な精度を示しているといえる。

次に、計測ノイズの補正方法について説明する。ベントナイトに対する地下水の浸潤は非常に緩慢であり、また放射能の減衰にも長時間を要するため、ベントナイトの水分量を測定するには経時的な測定が必要となる。しかしながら、本発明の水分量測定法として用いられるＦＤＲ−Ｖ法は、測定プローブ先端での反射係数を測定しているため、電磁波の反射に環境の変化などが影響し、結果として測定値にノイズが生じる。上記環境の変化の例としては、温度によるケーブルの伸縮や発信機器周辺にかかる熱などがある。そこで、測定部位の周辺環境の変化に対する補正方法の検討のため、図１に示すように室内においてベントナイトおよび空気の誘電率の経時的な変化を計測し、その結果を計測ノイズの補正に用いる。この測定に当たって、ベントナイトは水分量が変化しない状態に密封される。

図５は上述のようにして、室内においてベントナイトおよび空気の誘電率の経時的な変化を計測した結果を示すグラフ図である。この図において、横軸は測定を行ったときの時間の経過を表し、グラフの左側の縦軸は誘電率を表し、グラフの右側の縦軸は温度を表す。曲線ｈは気温の経時変化を表し、その値はグラフの右側の縦軸で示される。曲線ｉはベントナイトの温度の経時変化を表し、その値もまたグラフの右側の縦軸で示される。曲線ｊは大気開放プローブ２により測定される誘電率の経時変化を表し、その値はグラフの左側の縦軸で示される。曲線ｋは測定用プローブ１により測定されるベントナイトの誘電率の経時変化を表し、その値もまたグラフの左側の縦軸で示される。なお、図１の装置ではアセトンの誘電率測定も行う構成となっており、その結果は図５中において曲線ｍで表されるが、すでに説明したようにアセトンの誘電率測定は本発明におけるベントナイトの水分量測定には必ずしも必要なものではないから、ここでは考慮しない。
この図から、気温の上昇に伴いそれぞれの誘電率は下降し、気温の下降に伴いそれぞれの誘電率は上昇するという傾向を示していることがわかる。さらに、上記誘電率の変化量はベントナイトと大気開放プローブではほぼ等しい。この結果は、上記図３のグラフに示された測定結果では温度が高くなるにしたがって誘電率は高くなる、ということと矛盾するように思われるが、図３はベントナイト自体の性質ないしは特性を示す測定結果であるのに対し、図５はベントナイト自体の性質ないしは特性のみならず気温の変化に対する測定装置の特性や機能の変化をも含んだ測定結果を表すものであるから、両者は矛盾しない。そこで、図５に示された測定結果中の大気開放プローブ２による測定値を基に、以下に示す式（４）を用いた演算によりノイズのフィルタリングを行った補正ＦＤＲ−Ｖ値を求める。
ε＝ε_m(t)−（ε_0(t)−ε_0(t=0)） ・・・・・（４）
ここで、
ε：ＦＤＲ−Ｖ値
ε_0(t)：時間ｔにおける測定用ＦＤＲ−Ｖ値（１ＧＨｚの誘電率実数部）
ε_0(t=0)：時間ｔにおけるダミー（大気開放）のＦＤＲ−Ｖ値（１ＧＨｚの誘電率実数部）
である。

図６は上記式（４）を用いてフィルタリングを行った補正結果を示すグラフ図である。この図において、横軸は測定を行ったときの時間の経過を表し、グラフの左側の縦軸は誘電率を表し、グラフの右側の縦軸は温度を表す。曲線ｎは気温の経時変化を表し、その値はグラフの右側の縦軸で示される。曲線ｏはベントナイトの温度の経時変化を表し、その値もまたグラフの右側の縦軸で示される。曲線ｐは大気開放プローブ２により測定される誘電率（補正値）の経時変化を表し、その値はグラフの左側の縦軸で示される。曲線ｑは測定用プローブ１により測定されるベントナイトの誘電率（補正値）の経時変化を表し、その値もまたグラフの左側の縦軸で示される。この手法を用いることにより、ベントナイトの誘電率の変化がノイズに対してキャンセルされていることが分かる。

さらに、式（３）を適用した結果としての体積含水率が図７のグラフ図に示される。この図において、横軸は測定を行ったときの時間の経過を表し、縦軸は体積含水率を表す。曲線ｒは、参考として、測定用プローブ１により測定されるベントナイトの誘電率（補正値）の経時変化を表し、曲線ｓは供試体４の体積含水率の経時変化を表す。体積含水率はほぼ一定の値を示していることから、本発明においては誘電率から正確な体積含水率を得られることが分かる。

本発明によるベントナイトの水分量測定方法によれば、温度が変化してケーブルの伸縮や発信機器周辺にかかる熱が増減すること等に伴い測定値にノイズが生じても、これを補正して誘電率の測定結果が得られるようにする。これにより誘電率を正しく測定し、ベントナイトの水分量を正確に測定することができる。

本発明によるベントナイトの水分量測定装置のシステム構成を示すブロック図である。 本実施の形態において用いられる測定用プローブの構造を示す断面図である。 上記誘電率の測定動作における測定結果を示すグラフ図である。 温度補正の演算処理を行って算出された供試体４の水分量と実際の水分量 との差を表示して校正曲線の精度を表すグラフ図である。 室内においてベントナイトおよび空気の誘電率の経時的な変化を計測した結果を示すグラフ図である。 図５で得られた測定結果に対してフィルタリングを行った補正結果を示すグラフ図である。 図６の補正結果に温度補正の演算処理を行って得られた結果を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 測定用プローブ（電極部材）
２ 大気開放プローブ
３ アセトン誘電率測定用プローブ
４ 熱電対
６ 熱電対式温度センサー
７ ベクトル・ネットワーク・アナライザー（演算手段）
８ スイッチングユニット
９ 通信ユニット

Claims (2)

1. ベントナイト系材料の水分量を測定する方法であって、
   電極を直接ベントナイト面に当ててその誘電率を測定し、
   ベントナイトの近傍空間の誘電率を測定し、
   ベントナイトおよびその周辺の温度を測定し、
   前記ベントナイト面の誘電率と空間の誘電率を前記温度の測定結果を基にノイズを除去する補正をし、
   ベントナイトの真正の誘電率を得ることを特徴とするベントナイト水分量測定方法。
2. 耐腐食性の材質により構成され、ベントナイト内に埋設される測定用プローブと、
   耐腐食性の材質により構成され、ベントナイトから離れた部位に設けられた大気開放プローブと、
   耐腐食性の材質により構成され、ベントナイトに接触してベントナイトの温度を測定するベントナイト温度センサーと、
   耐腐食性の材質により構成され、大気の温度を測定する大気温度センサーと、
   前記各プローブ及びセンサーからの測定結果を基に補正演算処理を行い、ベントナイト水分量を算出する演算処理手段とを備え、
   前記演算処理手段は、
   ε＝ε_m(t)−（ε_0(t)−ε_0(t=0)）
   ここで、
   ε：ＦＤＲ−Ｖ値
   ε_0(t)：時間ｔにおける測定用ＦＤＲ−Ｖ値（１ＧＨｚの誘電率実数部）
   ε_0(t=0)：時間ｔにおけるダミーＦＤＲ−Ｖ値（１ＧＨｚの誘電率実数部）
   の演算によりノイズのフィルタリングを行ったＦＤＲ−Ｖ値を求め、また、
   θｃ＝ａε³＋ｂε²＋ｃε＋ｄ
   ここで、
   θｃ：体積含水率
   ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数であり、
   ａ＝６．３５×１０^-8Ｔ²−７．７９×１０^-6Ｔ＋２．５４×１０^-4
   ｂ＝−２．５６×１０^-6Ｔ²＋３．１４×１０^-4Ｔ−１．１１×１０^-2
   ｃ＝３．３８×１０^-5Ｔ²−４．０８×１０^-3Ｔ＋１．７９×１０^-1
   ｄ＝−１．６０×１０^-4Ｔ²＋１．７３×１０^-2Ｔ−７．４０×１０^-1
   ε：誘電率の実数部
   Ｔ：温度（℃）
   の演算によりベントナイトの体積含水率を得ることを特徴とするベントナイト水分量測定装置。

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