JP2010266324A - Moisture quantity measuring sensor, moisture quantity measuring device, and water supply quantity control device - Google Patents

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Norinao Miki
則尚 三木
Tomohiro Iwashita
知広 岩下
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive piercing-type moisture quantity measuring sensor capable of measuring a moisture quantity in a plant or the like directly and stably at site. <P>SOLUTION: This moisture quantity measuring sensor includes: a needle-shaped probe body 20 pierceable into, for example, a measuring object (plant 6); a water-insoluble polymer water-sensitive material (PES 24) formed on the outside surface thereof, and used for absorption and separation of moisture, whose impedance is changed corresponding to the moisture quantity; and an electrode 26 for detecting an impedance of the polymer water-sensitive material. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、水分量測定センサ、水分量測定装置及び水供給量制御装置に係り、特に、植物の潅水栽培に用いるのに好適な、植物内の水分量を直接測定可能な低コストの水分量測定センサ、該水分量測定センサを用いた水分量測定装置、及び、該水分量測定装置を用いた水供給量制御装置に関する。   The present invention relates to a water content measurement sensor, a water content measurement device, and a water supply amount control device, and more particularly, a low-cost water content that can be directly measured for water content in plants, suitable for use in irrigation cultivation of plants. The present invention relates to a measurement sensor, a moisture content measurement device using the moisture content measurement sensor, and a water supply amount control device using the moisture content measurement device.

近年、例えば糖度の高いトマト、マンゴー、メロン、ぶどう、みかん、苺などの高品質な農作物を栽培する技術として、潅水量(農作物に与える水の量)を細かく調節する潅水栽培が注目されている。この潅水栽培においては、植物を水の欠乏状態に置き、水分不足によるストレス(水ストレスと称する)を与えると、植物が糖分を溜めて糖度が高くなる性質を利用している。しかし、水ストレスを与えすぎると植物は枯れてしまうため、植物への潅水量を如何に制御するか、が大きな課題である。   In recent years, as a technique for cultivating high-quality crops such as tomatoes, mangoes, melons, grapes, mandarin oranges, and strawberries with high sugar content, irrigation cultivation that finely regulates the amount of irrigation (the amount of water given to the crops) has attracted attention. . In this irrigation cultivation, when a plant is placed in a water-deficient state and stress due to lack of water (referred to as water stress) is applied, the plant accumulates sugar and increases the sugar content. However, plants are withered when water stress is applied too much, so how to control the amount of watering to the plants is a major issue.

植物の茎部内は、導管や師管、あるいは細胞によって満たされており、内部の水分量は土壌の水分量や天候等の様々な外的な要因によって絶えず変化している。潅水栽培においては、植物内の水分量及び水の流れが、作物の収量や品質に大きく影響を与える。従って、潅水栽培によって高品質な作物を栽培するためには、植物内の水分状態を常にモニタリングし、潅水量を制御する必要がある。   The plant stem is filled with conduits, phloem tubes, or cells, and the moisture content in the plant is constantly changing due to various external factors such as soil moisture and weather. In irrigated cultivation, the amount of water in the plant and the flow of water greatly affect the yield and quality of the crop. Therefore, in order to cultivate a high-quality crop by irrigation cultivation, it is necessary to constantly monitor the water state in the plant and control the irrigation amount.

これまで施設栽培においては、土壌の水ポテンシャルや日射量など植物内の水分状態と関わりのある環境要因の変化から、間接的に水分状態を推測する手法がとられてきた。特に土壌の水ポテンシャル測定については、水の比誘電率が非常に大きいことを利用して、2点間の電磁波の伝播速度から、その間の水分量を求めるTDR式センサ、土壌の熱伝導率を測定するヒートプローブ式センサ、土壌の静電容量を測定する静電容量式センサ(特許文献1参照)、マイクロ波や短波長赤外光を利用した光学センサ(非特許文献1参照)など数多くの研究がなされている。しかし、植物内の水分状態は、土壌の水ポテンシャルや日射量以外の多くの環境要因からも影響を受けるため、高度な水分管理を必要とする高品質作物栽培に対しては精度が十分でなかった。   Until now, in the institutional cultivation, a method for indirectly estimating the water state from changes in environmental factors related to the water state in the plant such as the water potential of the soil and the amount of solar radiation has been taken. Especially for measuring the water potential of soil, using the relative dielectric constant of water being very large, the TDR sensor that calculates the amount of water between the propagation speed of electromagnetic waves between two points, the thermal conductivity of the soil A heat probe sensor for measuring, a capacitance sensor for measuring the capacitance of soil (see Patent Document 1), an optical sensor using microwaves and short-wavelength infrared light (see Non-Patent Document 1), etc. Research has been done. However, the water status in plants is affected by many environmental factors other than soil water potential and solar radiation, so accuracy is not sufficient for high-quality crop cultivation that requires advanced water management. It was.

そこで、植物の水分状態を植物自体の情報から知る手法が研究されている。プレッシャーチャンバー法やサイクロメータ法は、水分状態の正確な指標である水ポテンシャルを測定することができるが、植物の一部を採取する破壊的な方法であることや、測定に時間を要することが問題である。また、茎径の変化(特許文献2参照)や蒸散量から植物内の水分状態を推測する方法は、非破壊的であるために継続的なモニタリングが可能であるが、茎径の変化や蒸散量と水分状態の関係性には不明瞭な点もあり、精度が十分でない。近年では、植物の葉の水分量を測定する近赤外分光法や赤外画像法、熱画像法などの光学センサの研究が盛んである。これらの光学センサは、非破壊かつ長時間のモニタリングが可能であるが、コストが高く、装置が大型であり、実際の農業の現場で、即ち農作物をその場で計測することはできないという問題がある。   Therefore, methods for knowing the moisture state of a plant from information on the plant itself have been studied. The pressure chamber method and the cyclometer method can measure the water potential, which is an accurate indicator of the moisture state, but it is a destructive method for collecting a part of a plant and it takes time to measure it. It is a problem. Moreover, since the method of estimating the water state in the plant from the change in stem diameter (see Patent Document 2) and the amount of transpiration is non-destructive, continuous monitoring is possible. The relationship between the amount and the moisture state is unclear, and the accuracy is not sufficient. In recent years, research on optical sensors such as near-infrared spectroscopy, infrared imaging, and thermal imaging for measuring the water content of plant leaves has been active. These optical sensors are capable of non-destructive and long-time monitoring, but they are expensive and have a large apparatus, and there is a problem in that it is impossible to measure crops on the spot in actual farming. is there.

このような理由から実際に実用化されている有効なセンサはなく、潅水量の制御を生産者の経験や長年の勘に頼っているのが現状である。   For this reason, there is no effective sensor that is actually put into practical use, and the current situation is that the irrigation amount depends on the experience of the producer and the intuition of many years.

一方、特許文献3には、刺入型の植物薬剤処理手段が記載されているが、水分量を測定するものではなかった。   On the other hand, Patent Document 3 describes an insertion-type botanical drug treatment means, but it does not measure water content.

このような問題点を解決するものとして、発明者は非特許文献2に記載したように、図1に示す如く、外径2.0mm、内径1.7mmの微小ガラス管を引き伸ばすことにより製作した、先端外形が200μmのプローブボディ10の内側表面に、一方の電極となる銀膜12を成膜する一方、他方の電極となる銀線14の外側に、吸水する水分量に応じて抵抗値が変化する高分子感水材であるポリビニールアルコール(PVA)を成膜し、これを銀線14が中心に来るよう前記プローブボディ10中に挿入した、高分子電気抵抗式の刺入型植物内水分量測定センサを開発した。このセンサは、植物内に直接プローブを刺入し、プローブ中の感水材により植物内の水分量を直接測定することができる。図において、18はリード線である。   As described in Non-Patent Document 2, the inventor manufactured the glass by stretching a micro glass tube having an outer diameter of 2.0 mm and an inner diameter of 1.7 mm as described in Non-Patent Document 2. A silver film 12 serving as one electrode is formed on the inner surface of the probe body 10 having a tip outer shape of 200 μm, while a resistance value is set on the outer side of the silver wire 14 serving as the other electrode according to the amount of water absorbed. Polyvinyl alcohol (PVA), which is a polymer water-sensitive material that changes, is formed into a film, and this is inserted into the probe body 10 so that the silver wire 14 is at the center. A moisture sensor was developed. This sensor can insert a probe directly into a plant and directly measure the amount of water in the plant with a water-sensitive material in the probe. In the figure, 18 is a lead wire.

特開2001−21517号公報JP 2001-21517 A 特開平7−289082号公報JP-A-7-289082 特表昭63−501262号公報JP-T 63-501262

SANYO TECHNICAL REVIEW, Vol.35, No.2, 2003, pp 40−47SANYO TECHNICAL REVIEW, Vol.35, No.2, 2003, pp 40-47 T.Iwashita,K.Ariga and N.Miki,“Development of a Plant Water Content Sensor Using a Micro Probe”PROCEEDINGS OF THE 24TH SENSOR SYMPOSIUM,2007,pp457−460T.A. Iwashita, K.M. Ariga and N.M. Miki, “Development of a Plant Water Content Sensor Using a Micro Probe” PROCEEDINGS OF THE 24TH SENSOR SYMPOSIUM, 2007, pp 457-460

しかしながら、発明者の実験の結果、非特許文献2で提案したセンサは、次のような問題点を有することが分かった。(1)PVAは親水性が非常に強く、温水に可溶である。従って、多量の水を吸収するとPVA自体が膨張したり、溶解して流出してしまうため、測定値が一定にならず安定性に欠けることや、繰り返し使用すると値が変わり、良い再現性が得られず、植物内の水分量を測定するセンサには適さない。(2)銀線14をプローブボディ10の中心に通す必要があるため、作り難い。(3)PVA16がプローブボディ10の内側に配設されているため、水分がプローブボディ10の中に入らないと水分量を測定できないが、水分がプローブ先端から、うまくプローブボディ10の中に入らない。   However, as a result of experiments by the inventors, it has been found that the sensor proposed in Non-Patent Document 2 has the following problems. (1) PVA has very strong hydrophilicity and is soluble in warm water. Therefore, if a large amount of water is absorbed, the PVA itself swells or dissolves and flows out, so that the measured value is not constant and lacks stability, and when repeatedly used, the value changes and good reproducibility is obtained. Therefore, it is not suitable for a sensor for measuring the amount of water in a plant. (2) Since it is necessary to pass the silver wire 14 through the center of the probe body 10, it is difficult to make it. (3) Since the PVA 16 is disposed inside the probe body 10, the moisture content cannot be measured unless moisture enters the probe body 10, but moisture enters the probe body 10 well from the probe tip. Absent.

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、植物などの水分量を直接且つその場で安定して測定することが可能な、低コストで実用的な水分量測定センサを提供することを課題とする。   The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and provides a low-cost and practical water content measurement sensor capable of directly and stably measuring the water content of plants and the like. The issue is to provide.

本発明では、吸収する水分量に応じて抵抗値が変化する高分子を用いる高分子電気抵抗式センサを用いる。感水材である高分子は、水分(湿分)によってイオン伝導を起こす。水分(湿分)を吸収した高分子中には、図2に示す如く、自由に動き回れない固定イオンと、フリーな状態にあり電離して移動しやすい可動イオン(水素イオン)が存在する。ほとんどの伝導は、この可動イオンによって生じ、その可動イオン濃度は、吸湿水分量が増加するにつれ増加する。逆に吸湿水分量が減少すると可動イオン濃度が減少する。この高分子に電圧を印加することにより、可動イオンの濃度変化、すなわち吸湿水分量を抵抗の変化としてとらえることができる。尚、実際にセンサとして用いる高分子においては、水分(湿分)は可逆的な吸脱着を行う。ここで、感水材として高分子材料を用いる理由は、微小領域においても加工が容易であり、且つ、比較的安価だからである。   In the present invention, a polymer electric resistance sensor using a polymer whose resistance value changes according to the amount of moisture to be absorbed is used. Polymers that are water-sensitive materials cause ionic conduction by moisture (humidity). In the polymer that has absorbed moisture (humidity), as shown in FIG. 2, there are fixed ions that cannot move freely, and mobile ions (hydrogen ions) that are free and easily move by ionization. Most conduction is caused by this mobile ion, and the mobile ion concentration increases as the amount of moisture absorbed increases. Conversely, when the amount of moisture absorption decreases, the mobile ion concentration decreases. By applying a voltage to this polymer, the change in the concentration of mobile ions, that is, the amount of moisture absorbed can be regarded as a change in resistance. In a polymer actually used as a sensor, moisture (moisture) is reversibly absorbed and desorbed. Here, the reason for using a polymer material as the water-sensitive material is that processing is easy even in a minute region and it is relatively inexpensive.

次に、刺入型水分量測定センサの原理について説明する。   Next, the principle of the penetration type moisture measurement sensor will be described.

図3に示すように、センサ8を植物6に刺入すると、プローブ部分の感水材が植物(例えば茎部)6内の水分を吸収する。プローブの先端(図3の右端)から吸収された水分は、末端(図3の左端)の感水材に伝わっていく。末端の感水材は空気と接しているため、水分は大気中に放出される。感水材が植物6内から吸収する水分量と、感水材から大気中に放出される水分量が等量になったところで、見掛け上の水分の移動が止まる。大気中の温度、湿度が一定で、大気中への水分の放出量が一定であるとすると、感水材内に含まれる水分量は、植物6内の水分量を反映している。感水材は、吸収する水分量によってインピーダンスが変化するので、インピーダンスを測定することで植物6内の水分量が測定できる。   As shown in FIG. 3, when the sensor 8 is inserted into the plant 6, the water-sensitive material in the probe portion absorbs moisture in the plant (for example, the stem) 6. Moisture absorbed from the tip of the probe (the right end in FIG. 3) is transmitted to the water sensitive material at the end (the left end in FIG. 3). Since the water-sensitive material at the end is in contact with air, moisture is released into the atmosphere. When the amount of water absorbed by the water-sensitive material from the plant 6 is equal to the amount of water released from the water-sensitive material into the atmosphere, the apparent water movement stops. If the temperature and humidity in the atmosphere are constant and the amount of moisture released into the atmosphere is constant, the amount of moisture contained in the water-sensitive material reflects the amount of moisture in the plant 6. Since the impedance of the water-sensitive material changes depending on the amount of moisture absorbed, the moisture content in the plant 6 can be measured by measuring the impedance.

高分子感水材は、通常、水分吸収力が高いため湿度の測定には適していても、水分量の多い固体の水分量測定には適していなかった。しかし、常に大気中に水分を放出させることによって、高分子感水材を用いて固体の水分量の測定が可能になる。   Although the polymer water-sensitive material usually has a high moisture absorption capacity, it is not suitable for measuring the moisture content of a solid having a large moisture content, even though it is suitable for measuring humidity. However, by always releasing moisture into the atmosphere, it becomes possible to measure the moisture content of the solid using the polymer water-sensitive material.

また、本発明で主な対象としている植物は、主にビニールハウスで栽培されており、温度がある程度制御され、雨などの天候の影響も受けないと想定できる。   Moreover, the plant which is the main target in the present invention is mainly cultivated in a greenhouse, and it can be assumed that the temperature is controlled to some extent and is not affected by weather such as rain.

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、プローブボディと、その外側表面に成膜された、水分の吸収離脱を行わせるための、水に溶けず、水分量に応じてインピーダンスが変化する高分子感水材と、該高分子感水材のインピーダンスを検出するための電極と、を備えたことを特徴とする水分量測定センサにより、前記課題を解決したものである。   The present invention has been made on the basis of the above knowledge, and is formed on the outer surface of the probe body and its outer surface, so that it does not dissolve in water and the impedance changes according to the amount of water. The above-mentioned problem is solved by a water content measuring sensor comprising a polymer water-sensitive material and an electrode for detecting the impedance of the polymer water-sensitive material.

ここで、前記プローブボディを針状とし、測定対象中に刺入可能とすることができる。   Here, the probe body can be shaped like a needle and can be inserted into a measurement object.

又、前記高分子感水材を多孔質高分子(例えばポリエーテルサルフォン)とすることができる。   The polymer water-sensitive material can be a porous polymer (for example, polyethersulfone).

本発明は、又、前記の水分量測定センサと、該水分量測定センサの電極間に電圧を印加して、該電極間のインピーダンスを検出するためのインピーダンス検出回路と、検出されたインピーダンスを水分量に変換する回路と、を備えたことを特徴とする水分量測定装置を提供するものである。   The present invention also provides the moisture content measurement sensor, an impedance detection circuit for detecting an impedance between the electrodes by applying a voltage between the electrodes of the moisture content measurement sensor, and the detected impedance as a moisture content. And a circuit for converting the amount into a water content.

又、前記の水分量測定装置の出力により、測定対象への水の供給量を制御することを特徴とする水供給量制御装置を提供するものである。   The present invention also provides a water supply amount control device that controls the supply amount of water to the measurement object based on the output of the water content measurement device.

本発明によれば、低コストのセンサで、植物などの水分量を直接、且つその場で安定して測定することが可能となる。従って、例えば植物潅水栽培で供給する水の量を制御することで、例えば高糖度な農作物を栽培することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to measure the moisture content, such as a plant, directly and stably on the spot with a low-cost sensor. Therefore, for example, by controlling the amount of water supplied by plant irrigation cultivation, it becomes possible to cultivate, for example, high-sugar crops.

非特許文献2に記載された従来の刺入型水分量測定センサの構成を示す(a)斜視図及び(b)横断面図(A) perspective view and (b) cross-sectional view showing the configuration of a conventional insertion-type moisture measurement sensor described in Non-Patent Document 2. 本発明の原理を示す図Diagram showing the principle of the present invention 本発明に係る刺入型水分量測定センサの原理を示す図The figure which shows the principle of the penetration type moisture content measuring sensor which concerns on this invention 本発明に係る水分量測定センサの実施形態の構成を示す(a)斜視図及び(b)横断面図The (a) perspective view and (b) cross-sectional view which show the structure of embodiment of the moisture content measuring sensor which concerns on this invention 本実施形態におけるセンサ製作プロセスを示す図The figure which shows the sensor manufacture process in this embodiment 同じくPES成膜プロセスを示す図The figure which also shows the PES film formation process 前記実施形態の評価実験を行なった構成を示す模式図The schematic diagram which shows the structure which performed the evaluation experiment of the said embodiment 前記実施形態における水分量とインピーダンスの関係の検量線を示す図The figure which shows the calibration curve of the relationship between the moisture content and impedance in the said embodiment. 同じく湿度の影響を示す図Figure showing the effect of humidity 前記実施形態の水分量測定センサを苺に刺入した状態を示す図The figure which shows the state which inserted the moisture content measuring sensor of the said embodiment in the bag. 苺の水分量変化の測定結果を示す図Figure showing the measurement results of moisture content change 前記実施形態を用いた水分量測定装置の構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the moisture content measuring apparatus using the said embodiment. 前記実施形態を潅水装置に適用した例を示す図The figure which shows the example which applied the said embodiment to the irrigation apparatus

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

刺入型植物内水分量測定センサに適用した本発明の実施形態は、図4に示す如く、微小ガラス管を引き伸ばすことにより製作した、先端が針状のプローブボディ20と、その外側表面に成膜された、水に溶けず、水分に応じてインピーダンスが変化する高分子感水材であるポリエーテルサルフォン(PES)24と、該PES24の膜に電圧を印加するための一対の電極26とから構成されている。図において、28は、前記電極26に接続されたリード線である。   As shown in FIG. 4, the embodiment of the present invention applied to the insertion-type in-plant moisture content sensor is formed on a probe body 20 having a needle-like tip produced by stretching a micro glass tube and an outer surface thereof. Polyether sulfone (PES) 24, which is a polymer water-sensitive material that does not dissolve in water and changes impedance depending on moisture, and a pair of electrodes 26 for applying a voltage to the film of the PES 24, It is composed of In the figure, reference numeral 28 denotes a lead wire connected to the electrode 26.

本実施形態の水分量測定センサ(以下、単にセンサとも称する)は、植物内に直接刺入するため、刺入部には植物の破壊を最小限に抑えるための微小さと強度が必要である。そこで本実施形態では、前記プローブボディ20として、微小ガラス管を用いたマイクロプローブを用いる。マイクロプローブは、微小ガラス管をプーラと呼ばれる機械で引き伸ばすことにより製作する。ガラスは熱伝導が非常に小さく不伝導熱体に近いため、ヒータの熱により変形する範囲が小さく、短く細く引き伸ばすことができる。本実施形態で使用したプーラは、引張方向の力として、重りの重力を使っている。ヒータにより与える熱量及び重りを変えることで、微小ガラス管形状をコントロールできる。本実施形態では、外径2.0mm、内径1.7mmの微小ガラス管を用いてマイクロプローブを製作した。その際、強度と刺さり易さが得られるように、できる限り細く短く設計した。プローブの先端は、強度や刺さり易さを考慮し、外径200μmとした。   Since the moisture content measurement sensor of the present embodiment (hereinafter also simply referred to as a sensor) is directly inserted into a plant, the insertion portion needs to be fine and strong enough to minimize the destruction of the plant. Therefore, in this embodiment, a microprobe using a micro glass tube is used as the probe body 20. The microprobe is manufactured by stretching a micro glass tube with a machine called a puller. Since glass has a very small heat conduction and is close to a non-conductive heat body, the range of deformation due to the heat of the heater is small, and the glass can be stretched short and thin. The puller used in this embodiment uses the gravity of a weight as a force in the tensile direction. By changing the amount of heat and weight applied by the heater, the shape of the micro glass tube can be controlled. In this embodiment, the microprobe was manufactured using a micro glass tube having an outer diameter of 2.0 mm and an inner diameter of 1.7 mm. At that time, it was designed to be as thin and short as possible in order to obtain strength and ease of sticking. The tip of the probe has an outer diameter of 200 μm in consideration of strength and ease of sticking.

前記PES24は、水に溶けず、化学的に安定で、生体適合性に優れている。なお、PES24の代りに、他のサルフォン系高分子感水材や、水に溶けず、水分量に応じてインピーダンスが変化する高分子感水材を用いることもできる。   The PES 24 does not dissolve in water, is chemically stable, and has excellent biocompatibility. Instead of the PES 24, other sulfone-based polymer water-sensitive materials or polymer water-sensitive materials that do not dissolve in water and whose impedance changes according to the amount of water can also be used.

図5にセンサの製作プロセスを示す。まず、例えば外径2.0mm、内径1.7mmのガラス管を熱しながら引き伸ばし、例えば外径が200μmの所で切断することで、図5(a)に示す如く、強度と刺さり易さを両立した、先端が鋭利なプローブボディ20を製作する。   FIG. 5 shows a sensor manufacturing process. First, for example, a glass tube having an outer diameter of 2.0 mm and an inner diameter of 1.7 mm is stretched while being heated, and, for example, is cut at a position where the outer diameter is 200 μm, thereby achieving both strength and ease of sticking as shown in FIG. Thus, the probe body 20 having a sharp tip is manufactured.

次いで、図5(a)のB−B断面を示す図5(b)に示す如く、プローブボディ20の側面に、電極をパターニングして分離するための、例えば幅1.5mmのPTFEテープ42を貼り付けた後、図5(c)に示す如く、まず電極金属(本実施形態では金)とガラスの密着性を高めるためのコンタクトメタルとしてチタン44を成膜し、その上に電極26の材料である金を成膜する。このように、金とガラス両方と強く吸着するコンタクトメタルを用いることにより、ガラス上に吸着強度の強い金を成膜することができる。なお、電極金属は金に限定されず、基材との密着性に問題がない場合は、コンタクトメタルを省略することもできる。   Next, as shown in FIG. 5B showing a BB cross section of FIG. 5A, a PTFE tape 42 having a width of 1.5 mm, for example, is formed on the side surface of the probe body 20 for patterning and separating the electrodes. After pasting, as shown in FIG. 5C, first, a titanium 44 film is formed as a contact metal for improving the adhesion between the electrode metal (gold in this embodiment) and the glass, and the material of the electrode 26 is formed thereon. A gold film is formed. In this way, by using a contact metal that strongly adsorbs both gold and glass, gold having a high adsorption strength can be formed on the glass. The electrode metal is not limited to gold, and the contact metal can be omitted if there is no problem with the adhesion to the substrate.

その後、図5(d)に示す如く、PTFEテープ42を引き剥がして図5(e)の状態とし、更に、図6に示すWet Inversion法によりPES24を成膜することで、図4(b)に示すような断面のセンサが得られる。   Thereafter, as shown in FIG. 5 (d), the PTFE tape 42 is peeled off to obtain the state shown in FIG. 5 (e). Further, the PES 24 is formed by the wet inversion method shown in FIG. A sensor having a cross section as shown in FIG.

図6に示すWet Inversion法は、図5(e)の状態のプローブボディ20を、PESと溶解補助剤であるポリビニールピロリドン(PVP)を溶媒であるN−メチルピロリドン(NMP)に溶かして作成したPES溶液30に図6(a)に示す如く浸した後、図6(b)に示す如く、純水32に浸漬することで、PES24を成膜する。膜厚は、PES濃度により決定され、本実施形態では、PES溶液30の成分比を変えることで膜厚を調整した。具体的には、4種類の成分比の異なる溶液を使用し、各溶液で成膜されたPESの膜厚を測定し、その膜について評価した。溶液の成分比とその結果を表1に示す。   The Wet Inversion method shown in FIG. 6 is prepared by dissolving the probe body 20 in the state of FIG. 5 (e) by dissolving PES and a solubilizing agent polyvinyl pyrrolidone (PVP) in a solvent N-methylpyrrolidone (NMP). After immersing in the PES solution 30 as shown in FIG. 6A, the PES 24 is formed by immersing in pure water 32 as shown in FIG. 6B. The film thickness is determined by the PES concentration. In this embodiment, the film thickness is adjusted by changing the component ratio of the PES solution 30. Specifically, four types of solutions having different component ratios were used, and the film thickness of PES formed with each solution was measured, and the films were evaluated. The component ratios of the solutions and the results are shown in Table 1.

結果として、溶液中のPESとPVPの割合が高くなり、溶液の粘性が高まるに連れ、膜が厚くなった。又、成膜された膜を評価すると、溶液1では、粘性が低いためか先端まで一様に成膜されなかったが、溶液2〜4では、良好な膜を一様に成膜することができた。   As a result, the ratio of PES and PVP in the solution increased and the film became thicker as the solution viscosity increased. Further, when the formed film was evaluated, the solution 1 was not uniformly formed to the tip because of its low viscosity, but the solutions 2 to 4 could form a good film uniformly. did it.

膜厚の影響は、センサを植物に刺入する際に表れ、膜が厚いほど、刺入の際に剥れ易くなってしまうので、できる限り薄い方が良い。従って、本実施形態では、最も薄く、しかも良好な膜を成膜できる溶液2(PES10.0%、PVP10.0%、NMP80%)を最適な溶液と決定した。   The influence of the film thickness appears when the sensor is inserted into the plant, and the thicker the film, the easier it is to peel off during the insertion. Therefore, in this embodiment, the solution 2 (PES 10.0%, PVP 10.0%, NMP 80%) that can form the thinnest and good film is determined as the optimum solution.

又、走査電子顕微鏡(SEM)を用いてPES膜の表面を観察したところ、溶液の成分比の違いにより孔のサイズに違いが見られるものの、感水材としての性能に大きな違いは見られなかった。   In addition, when the surface of the PES film was observed using a scanning electron microscope (SEM), there was no difference in the performance as a water-sensitive material although there was a difference in the pore size due to the difference in the component ratio of the solution. It was.

なお、プローブボディ20の材料はガラス管に限定されず、中実のガラス棒であっても良い。又、絶縁性があって刺し易いものであれば、プラスチックでもよく、金属に絶縁コーティングを施したものでも良い。更には、金属をプローブボディ20として一方の電極とし、その外側表面に高分子感水剤ともう一方の電極をコーティングする構造でもよい。断面形状も円に限定されない。   The material of the probe body 20 is not limited to a glass tube, and may be a solid glass rod. In addition, as long as it is insulative and easy to stab, it may be plastic or a metal with an insulating coating. Furthermore, a structure may be used in which a metal is used as one electrode with the probe body 20 and a polymer water sensitive agent and the other electrode are coated on the outer surface thereof. The cross-sectional shape is not limited to a circle.

センサを植物に刺入し、PESが水分を吸収することで、電極間のインピーダンスが変化する。これを検出することで、水分量を測定することができる。   When the sensor is inserted into a plant and the PES absorbs moisture, the impedance between the electrodes changes. By detecting this, the amount of water can be measured.

図7に示す実験装置を用いて、センサ特性の評価を行なった。このセンサは、本来、植物内の水分量を測定するものであるが、センサの特性を評価するため、湿度を一定に保ったグローブボックス内で、測定の対象として、一定の水分量を保った脱脂綿58にセンサ8の先端を接触させ、その際のインピーダンスを測定した。   Sensor characteristics were evaluated using the experimental apparatus shown in FIG. This sensor is originally intended to measure the amount of water in the plant, but in order to evaluate the characteristics of the sensor, a constant amount of water was maintained as a measurement target in a glove box where the humidity was kept constant. The tip of the sensor 8 was brought into contact with the absorbent cotton 58, and the impedance at that time was measured.

具体的には、ファンクションジェネレータ52によって発生した交流電源の信号を、ピエゾドライバ54によって増幅して交流電源装置として作用させた。ここから一定の周波数と交流電圧を、水分を調整した脱脂綿58に先端を刺入したセンサ8の電極26間に印加し、その際の電流値をマルチメータ56で測定した。更に、測定した電流値からインピーダンスを算出した。ファンクションジェネレータ52とピエゾドライバ54を組み合わせることにより、1〜1MHzの周波数と0.1〜200Vの電圧を印加することが可能となる。マルチメータ56は、0.1μAまで測定できるものを用いた。ここでは1kHzで5Vの交流電圧を印加したが、その理由は、直流電圧を印加すると、PESが電気分解を起こし腐食してしまうからである。   Specifically, the signal of the AC power generated by the function generator 52 is amplified by the piezo driver 54 to act as an AC power supply device. From here, a constant frequency and an alternating voltage were applied between the electrodes 26 of the sensor 8 in which the tip was inserted into the absorbent cotton 58 with adjusted moisture, and the current value at that time was measured by the multimeter 56. Furthermore, the impedance was calculated from the measured current value. By combining the function generator 52 and the piezo driver 54, it is possible to apply a frequency of 1 to 1 MHz and a voltage of 0.1 to 200V. A multimeter 56 that can measure up to 0.1 μA was used. Here, an AC voltage of 5 V was applied at 1 kHz because the application of DC voltage causes PES to undergo electrolysis and corrode.

先ず、センサ8が水分を吸収・放出する際に必要とする時間を測定したところ、最大10分程度で、植物の潅水における数時間のタイムスケールと比べて、十分実用になる応答時間であることが確認できた。   First, when the time required for the sensor 8 to absorb and release moisture is measured, the response time is about 10 minutes at the maximum, which is sufficiently practical compared to the time scale of several hours in irrigation of plants. Was confirmed.

脱脂綿58の水分量と測定したインピーダンスから作成した検量線を図8に示す。脱脂綿の水分量が増加するに従い、インピーダンスが指数関数的に減少し、両者の間に良好な相関があることが確認できた。その際のインピーダンス変化幅は2〜3桁と非常に大きい。又、測定可能範囲は水分量17%から62%までとなり、これまで高分子感水材が用いられてきた湿度センサなどに比べ、非常に高い水分領域での測定が可能となっている。この結果より、製作したセンサの有効性を確認することができた。   A calibration curve created from the moisture content of the absorbent cotton 58 and the measured impedance is shown in FIG. As the moisture content of the absorbent cotton increased, the impedance decreased exponentially, and it was confirmed that there was a good correlation between the two. The impedance change width at that time is as large as 2 to 3 digits. In addition, the measurable range is from 17% to 62% of the moisture content, and it is possible to measure in a very high moisture region as compared with a humidity sensor or the like in which a polymer water-sensitive material has been used so far. From this result, the effectiveness of the manufactured sensor could be confirmed.

本センサは、先に述べたとおり、常にPESから大気中に水分を放出し続けることで、植物内の水分量を測定している。そのため、大気中への水分放出量が測定値に大きく影響する。例えば、同じ水分量の植物を測定しても、大気中への水分放出量が多ければインピーダンスが高くなり、逆に、大気中への水分放出量が少なければインピーダンスは低くなる。水分放出量は、湿度や温度、対流に依存するが、潅水栽培では、温度調整されたビニールハウス内で使用することを目的としているため、温度と対流の影響は小さくなり、湿度の影響を主に受けると考えられる。具体的には、湿度が高くなると水分放出量が小さくなり、インピーダンスが低くなる。逆に、湿度が低くなると水分放出量が大きくなり、インピーダンスが高くなると予想される。   As described above, this sensor always measures the amount of moisture in the plant by continuously releasing moisture from the PES into the atmosphere. Therefore, the amount of moisture released into the atmosphere greatly affects the measured value. For example, even if plants with the same amount of moisture are measured, the impedance increases if the amount of moisture released into the atmosphere is large, and conversely, the impedance decreases if the amount of moisture released into the atmosphere is small. The amount of moisture released depends on humidity, temperature, and convection, but irrigated cultivation is intended to be used in a temperature-controlled greenhouse. It is thought that we receive. Specifically, when the humidity increases, the amount of water released decreases and the impedance decreases. On the contrary, it is expected that when the humidity is lowered, the amount of water released is increased and the impedance is increased.

そこで、図7に示した装置で、グローブボックス内の湿度を30%、40%、50%と変化させて、湿度の影響を調べた。その際、脱脂綿58の水分量を29〜62%に変えて、実験を行なった。その結果、予想したように、図9に示す如く、湿度が低くなるに連れてインピーダンスが高くなることが確認された。湿度が30%と40%の値を比較してみると、同程度のインピーダンスにおいても水分量で10〜15%の差がある。特に、湿度が低いほど、その影響が顕著に現われた。又、水分量が高い領域では変化の幅が小さくなった。従って、本センサを使用する際は、湿度補正を行なうことが望ましい。逆に、本センサを用いて、大気中の湿度を測定することも可能である。   Therefore, the humidity in the glove box was changed to 30%, 40%, and 50% with the apparatus shown in FIG. At that time, the moisture content of the absorbent cotton 58 was changed to 29 to 62%, and an experiment was conducted. As a result, as expected, as shown in FIG. 9, it was confirmed that the impedance increased as the humidity decreased. Comparing the values of 30% and 40% humidity, there is a difference of 10 to 15% in the amount of water even at the same impedance. In particular, the lower the humidity, the more pronounced the effect. Further, the range of change was smaller in the region where the amount of moisture was high. Therefore, it is desirable to perform humidity correction when using this sensor. Conversely, it is also possible to measure the atmospheric humidity using this sensor.

更に、本センサを用いて、苺の水分状態のモニタリングを行なった。初めに製作したセンサ8を、図10に示す如く、苺の茎部6に刺入し、固定した。刺入後、測定値が安定するまで数時間そのままの状態にした。数時間後、測定を開始した。測定は2時間毎(潅水後4時間は1時間毎)に行った。植物への潅水は、土が十分に乾燥したと思われるタイミング(開始から12時間後と27時間後)で2度行った。測定結果を図11に示す。   Furthermore, the moisture state of the cocoon was monitored using this sensor. As shown in FIG. 10, the sensor 8 produced at the beginning was inserted into the stalk stem 6 and fixed. After the insertion, it was left as it was for several hours until the measured value became stable. After several hours, the measurement was started. Measurements were taken every 2 hours (4 hours after irrigation every hour). The plants were watered twice at the timings (12 hours and 27 hours after the start) when the soil was thought to be sufficiently dry. The measurement results are shown in FIG.

図11より、第一に、潅水を行った直後にインピーダンスが低下していることが分かる。これは潅水を行ったことで、植物内の水分量が増加したためであると考えられる。2度の潅水でインピーダンスの変化幅に違いが見られるが、これは潅水を行った時間帯の違いが影響していると考えられる。第二に、日中の時間帯ではインピーダンスが徐々に増加し、夜間の時間帯ではほとんど変化が見られないことが分かる。日中は太陽光を浴び、光合成を行うために水分を消費するが、夜間は光合成を行わないため水分の消費は無い。従って、このような結果になったと考えられる。   From FIG. 11, it can be seen that the impedance is reduced immediately after irrigation. This is thought to be because the amount of water in the plant increased due to irrigation. There is a difference in the change width of the impedance between the two irrigations, which is thought to be affected by the difference in the time zone during which irrigation was performed. Second, it can be seen that the impedance gradually increases during the daytime, and hardly changes during the nighttime. It is exposed to sunlight during the day and consumes water for photosynthesis, but does not consume water because it does not perform photosynthesis at night. Therefore, it is considered that such a result was obtained.

これらの検証により、潅水による植物内水分量の増加や、光合成による水分量の減少などの、植物内の水分量変化の特徴をインピーダンスの変化として捉えることに成功したと考えられる。結果として、刺入型水分量測定センサの実用可能性を実証することができた。   Based on these verifications, it is considered that the characteristics of changes in water content in plants, such as an increase in water content in plants due to irrigation and a decrease in water content due to photosynthesis, were successfully captured as changes in impedance. As a result, the feasibility of the insertion type moisture measurement sensor could be verified.

本発明に係る水分量測定センサ8を用いた水分量測定装置60の一例を図12に示す。図において、60Aは、図7に示したファンクションジェネレータ52とピエゾドライバ54の組合せに相当する交流電源、60Bは、同じくマルチメータ56に相当する電流検出回路、60Cは、交流電源60Aで印加した電圧Vと電流検出回路60Bで検出した電流Iからインピーダンスを算出するインピーダンス算出回路、60Dは、算出したインピーダンスから、例えば図8に示した検量線を使って水分量を求める水分量換算回路、62は、測定された水分量を表示する表示装置である。この表示装置62としては、水分量を直接表示するアナログ又はデジタルのメータの他、水分量に応じて、水やりが必要な状態を、例えば色で表示するディスプレイや、音で知らせるスピーカ等を用いることができる。   An example of a water content measuring apparatus 60 using the water content measuring sensor 8 according to the present invention is shown in FIG. In the figure, 60A is an AC power source corresponding to the combination of the function generator 52 and the piezo driver 54 shown in FIG. 7, 60B is a current detection circuit corresponding to the multimeter 56, and 60C is a voltage applied by the AC power source 60A. An impedance calculation circuit for calculating an impedance from V and the current I detected by the current detection circuit 60B, 60D is a moisture amount conversion circuit for obtaining a moisture amount from the calculated impedance, for example, using a calibration curve shown in FIG. This is a display device for displaying the measured water content. As the display device 62, in addition to an analog or digital meter that directly displays the amount of water, for example, a display that displays water in a state that requires watering according to the amount of water, a speaker that informs by sound, or the like is used. be able to.

本発明に係る水分量測定センサは、植物の水分量を測定するだけでなく、図13に例示する如く、その出力により、測定対象への水の供給量を制御する潅水装置を構成することも可能である。図において、60は、図12と同じ構成の水分量測定装置、64は、測定された水分量に応じて水供給量をフィードバック制御するための潅水量制御装置、66は、配管68から供給される水の流量を制御するためのバルブである。   The water content measurement sensor according to the present invention not only measures the water content of plants, but also constitutes an irrigation device that controls the amount of water supplied to the measurement object by its output as illustrated in FIG. Is possible. In the figure, 60 is a water content measuring device having the same configuration as FIG. 12, 64 is an irrigation amount control device for feedback control of the water supply amount according to the measured water content, and 66 is supplied from a pipe 68. This is a valve for controlling the flow rate of water.

なお、本発明のセンサの構成は刺入型に限定されず、プローブボディや電極の形状、サイズ、材質も実施形態に限定されない。測定対象も植物に限定されず、例えば食品中の水分や空気中の水分(湿度)を測定することもできる。更に、適用対象も、潅水装置に限定されない。   The configuration of the sensor of the present invention is not limited to the insertion type, and the shape, size, and material of the probe body and electrodes are not limited to the embodiment. The measurement object is not limited to plants, and for example, moisture in food or moisture (humidity) in air can be measured. Furthermore, the application target is not limited to the irrigation apparatus.

6…植物(茎部)
8…センサ
20…プローブボディ
24…PES(膜)
26…電極
28…リード線
52…ファンクションジェネレータ
54…ピエゾドライバ
56…マルチメータ
60…水分量測定装置
60A…交流電源
60B…電流検出回路
60C…インピーダンス算出回路
60D…水分量換算回路
62…表示装置
64…潅水量制御装置
66…バルブ
68…配管
6 ... Plant (stem)
8 ... sensor 20 ... probe body 24 ... PES (membrane)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 26 ... Electrode 28 ... Lead wire 52 ... Function generator 54 ... Piezo driver 56 ... Multimeter 60 ... Water content measuring device 60A ... AC power supply 60B ... Current detection circuit 60C ... Impedance calculation circuit 60D ... Water content conversion circuit 62 ... Display device 64 ... irrigation amount control device 66 ... valve 68 ... piping

Claims (5)

プローブボディと、
その外側表面に成膜された、水分の吸収離脱を行わせるための、水に溶けず、水分量に応じてインピーダンスが変化する高分子感水材と、
該高分子感水材のインピーダンスを検出するための電極と、
を備えたことを特徴とする水分量測定センサ。
A probe body;
A polymer water-sensitive material that is filmed on its outer surface, does not dissolve in water, and changes impedance according to the amount of water, in order to cause moisture absorption and desorption.
An electrode for detecting the impedance of the polymer water-sensitive material;
A water content measuring sensor comprising:
前記プローブボディが針状とされ、測定対象中に刺入可能とされていることを特徴とする請求項1に記載の水分量測定センサ。   The moisture content measurement sensor according to claim 1, wherein the probe body is needle-shaped and can be inserted into a measurement target. 前記高分子感水材が多孔質高分子とされていることを特徴とする請求項1又は2に記載の水分量測定センサ。   The moisture measuring sensor according to claim 1 or 2, wherein the polymer water-sensitive material is a porous polymer. 請求項1乃至3のいずれかに記載の水分量測定センサと、
該水分量測定センサの電極間に電圧を印加して、該電極間のインピーダンスを検出するためのインピーダンス検出回路と、
検出されたインピーダンスを水分量に変換する回路と、
を備えたことを特徴とする水分量測定装置。
The water content measurement sensor according to any one of claims 1 to 3,
An impedance detection circuit for detecting an impedance between the electrodes by applying a voltage between the electrodes of the water content measurement sensor;
A circuit that converts the detected impedance into a moisture content;
A water content measuring device comprising:
請求項4に記載の水分量測定装置の出力により、測定対象への水の供給量を制御することを特徴とする水供給量制御装置。   A water supply amount control device, wherein the water supply amount to the measurement object is controlled by the output of the water content measurement device according to claim 4.
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