JP2908550B2 - Hydroponic cultivation equipment - Google Patents
Hydroponic cultivation equipmentInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、植物の養液栽培装置に係り、特に養液の成
分状態を管理する養液栽培装置に関する。Description: Object of the Invention (Industrial application field) The present invention relates to a hydroponic cultivation apparatus for plants, and more particularly to a hydroponic cultivation apparatus that manages the state of components of a nutrient solution.
(従来の技術) 養液(培養液)を用いて植物を育てる養液栽培は、栽
培環境の制御が容易であることから、これまで施設園芸
の一つの栽培方式として注目され、実施されている。ま
た、養液による植物の根圏の環境制御だけでなく、日射
量などの地上部の環境制御を併せて行ったり、実際の植
物の生育情報やその生育段階に応じた制御ソフトと組み
合わせて統合的にコンピュータで栽培環境の最適化を図
る植物工場なども、各方面から研究開発が進められてい
る。(Prior art) Hydroponic cultivation in which plants are grown using a nutrient solution (culture solution) has been attracting attention as one cultivation method of facility horticulture because it is easy to control the cultivation environment, and has been implemented. . In addition to controlling the rhizosphere environment of the plant with nutrient solution, it also controls the above-ground environment such as solar radiation, and integrates with actual plant growth information and control software according to the growth stage. Research and development of plant factories, etc., which use computers to optimize the cultivation environment, are being promoted from various fields.
この養液栽培における養液管理の方法は、その栽培方
式によって大きく異なってくる。例えば、多量の養液を
使用する水耕や、NFT(Nutrient Film Technique)など
の養液を循環する栽培方式では、栽培ベッド、あるいは
養液調節槽の中に養液の成分濃度を検出するセンサ(養
液成分センサ)を配置することによって、実際の根圏で
の養液状態を間接的に計測することができ、その情報を
元に養液を管理することが可能である。The method of nutrient solution management in this nutrient solution cultivation greatly differs depending on the cultivation method. For example, in a hydroponic system that uses a large amount of nutrient solution, or in a cultivation method that circulates a nutrient solution such as NFT (Nutrient Film Technique), a sensor that detects the concentration of nutrient solution in a cultivation bed or a nutrient solution adjusting tank is used. By arranging the (nutrient solution component sensor), the actual nutrient solution state in the rhizosphere can be indirectly measured, and the nutrient solution can be managed based on the information.
一方、固形培地を用いた栽培方式では、一般に養液を
かけ流しで供給する場合が多く、この場合にはセンサ計
測に十分な漏れ出し液を確保することが難しい。仮に、
漏れ出し液を確保できたとしても、その液の成分濃度と
実際の根圏での成分濃度には大きな誤差があったり、大
きなタイムラグが存在するなど、固形培地中の養液濃度
をリアルタイムで正確に計測することは困難である。ま
た、養液を循環する固形培地式栽培の場合でも、同様の
問題がある。従って、根圏の養液を直接計測するために
は、養液成分センサを固形培地中に配置する必要があ
る。しかし、現状の電極型センサは比較的大型で電極抵
抗が高いため、固形培地中に配置した場合、培地に保持
された養液と検出部との接触状態により、出力が非常に
不安定になりやすい問題があった。また、小型化を図っ
て養液と接触しやすい形状にしても、電極抵抗がさらに
高くなって、出力の不安定度が増してしまう問題があっ
た。従って、実際には注射器を用いて固形培地中から養
液を抽出して、分析装置にかける方法を取らざるを得な
かった。しかし、植物の生育を正確かつ最適に制御する
ためには、固形培地中の養液成分濃度をリアルタイムで
計測し、供給する養液の制御情報としてフィードバック
することが不可欠である。On the other hand, in a cultivation method using a solid medium, the nutrient solution is generally supplied in a flowing manner in many cases, and in this case, it is difficult to secure a sufficient leaking liquid for sensor measurement. what if,
Even if a leaked liquid can be secured, the concentration of the nutrient solution in the solid medium can be accurately determined in real time, such as when there is a large error between the component concentration of the liquid and the actual concentration in the rhizosphere or there is a large time lag. Measurement is difficult. In addition, there is a similar problem in the case of solid culture cultivation in which a nutrient solution is circulated. Therefore, in order to directly measure the nutrient solution in the rhizosphere, it is necessary to arrange the nutrient solution component sensor in the solid medium. However, current electrode type sensors are relatively large and have high electrode resistance, so when placed in a solid medium, the output becomes extremely unstable due to the contact state between the nutrient solution held in the medium and the detection unit. There was an easy problem. In addition, even if the size is reduced and the shape is easily brought into contact with the nutrient solution, there is a problem that the electrode resistance is further increased and the instability of the output is increased. Therefore, in practice, a method of extracting a nutrient solution from a solid medium using a syringe and applying the solution to an analyzer has to be adopted. However, in order to accurately and optimally control the growth of a plant, it is essential to measure the concentration of the nutrient solution component in the solid medium in real time and feed it back as control information of the nutrient solution to be supplied.
また、現行の養液栽培装置では、養液成分センサとし
て導電率(EC)センサ、pHセンサを使用するにとどまっ
ており、養液濃度の調節には高濃度の養液原液と酸・ア
ルカリの調節液を用いている。即ち、植物の養分吸収に
より養液の導電率が減少した場合は、各成分が一定比で
含まれた高濃度原液を加えて調節し、pHが変動した場合
は、酸あるいはアルカリの液を加えてpHを調節するとい
う方法を取っている。しかし、実際の養液に含まれてい
る各種の成分は、植物による吸収速度の差により濃度変
化の度合いも異なっている。従って、上記の養液調節法
では、特定成分の濃度の偏りを補正することができず、
一定の期間で養液の全部交換せざるを得なかった。特に
固形培地を用いた養液栽培の場合は、蒸発散による濃度
や組成の変化が激しく、また固形培地材料の化学的な影
響もあり、実際の養液状態を把握することが極めて難し
かった。従って、固形培地に清水を湛水して洗浄した
後、最適条件に調節した養液を新たに供給する作業を定
期的に行うことで、対策が取られていた。しかしこの方
法では、固形培地中の養液成分を迅速かつ正確に管理す
ることが困難であり、作業の手間やコストも大きな問題
であった。In addition, current hydroponic cultivation equipment only uses conductivity (EC) sensors and pH sensors as nutrient solution component sensors. To adjust the nutrient solution concentration, a high-concentration nutrient solution and a mixture of acid and alkali are used. A control liquid is used. That is, when the conductivity of the nutrient solution decreases due to the absorption of nutrients by the plant, the concentration is adjusted by adding a high-concentration stock solution containing each component at a fixed ratio, and when the pH changes, an acid or alkali solution is added. To adjust the pH. However, various components contained in the actual nutrient solution have different degrees of concentration change due to a difference in the absorption rate by the plant. Therefore, the above-mentioned nutrient solution adjustment method cannot correct the bias of the concentration of the specific component,
All of the nutrient solution had to be replaced in a certain period. In particular, in the case of nutrient solution cultivation using a solid medium, it was extremely difficult to grasp the actual nutrient solution state due to drastic changes in concentration and composition due to evapotranspiration and the chemical influence of the solid medium material. Therefore, countermeasures have been taken by washing the solid medium by immersing the solid medium in fresh water and then periodically supplying a new nutrient solution adjusted to optimal conditions. However, in this method, it is difficult to quickly and accurately manage the nutrient solution components in the solid medium, and the labor and cost of the operation are also serious problems.
このように、固形培地を用いた養液栽培において、植
物の最適な生育を可能とする養液管理を実現するために
は、固形培地中の各養液成分濃度を直接リアルタイムで
計測し、供給する養液の制御情報としてフィードバック
して養液を管理することが必要であり、また経済性から
も有効である。As described above, in the nutrient solution cultivation using the solid medium, in order to realize the nutrient solution management that enables the optimal growth of the plant, the concentration of each nutrient solution component in the solid medium is directly measured in real time and supplied. It is necessary to feed back as control information of the nutrient solution to manage the nutrient solution, and it is also effective from the viewpoint of economy.
(発明が解決しようとする課題) 以上のように、現行の固形培地式養液栽培装置におい
ては、リアルタイムで固形培地中の養液成分濃度を正確
に検出する方法がなく、迅速な養液濃度管理が困難であ
るという問題があった。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, in the current solid medium type nutrient solution cultivation apparatus, there is no method for accurately detecting the nutrient solution component concentration in the solid medium in real time, and the rapid nutrient solution concentration There was a problem that management was difficult.
本発明は、リアルタイムで固形培地中の養液成分濃度
を正確に検出する養液成分センサを備え、植物の最適な
生育を可能とする養液管理システムを有する養液栽培装
置を提供することを目的とする。The present invention provides a nutrient solution cultivation apparatus including a nutrient solution component sensor that accurately detects a nutrient solution component concentration in a solid medium in real time, and a nutrient solution management system that enables optimal growth of a plant. Aim.
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明は、植物を育成するための固形培地と、該固形
培地に養液を供給する養液調節手段と、前記固形培地中
の養液の成分濃度を検出する養液成分センサを用いた養
液栽培装置において、前記養液成分センサとしてFET型
センサを用いたことを特徴とする養液栽培装置である。
本発明の好ましい実施態様としては、前記養液調節手段
中に第2の養液成分センサが配置された養液栽培装置で
ある。また、前記固形培地中に配置された養液成分セン
サが、養液中の成分に対応した複数のセンサを同一基板
上に一体形成したFET型センサである養液栽培装置であ
る。[Constitution of the Invention] (Means for Solving the Problems) The present invention provides a solid medium for growing plants, a nutrient solution adjusting means for supplying a nutrient solution to the solid medium, and a nutrient solution in the solid medium. A hydroponic cultivation apparatus using a nutrient solution component sensor for detecting the concentration of a component, wherein a FET type sensor is used as the nutrient solution component sensor.
As a preferred embodiment of the present invention, there is provided a nutrient solution cultivation device in which a second nutrient solution component sensor is disposed in the nutrient solution adjusting means. Further, the nutrient solution component sensor disposed in the solid medium is a FET type sensor in which a plurality of sensors corresponding to components in the nutrient solution are integrally formed on the same substrate.
(作用) 本発明による養液栽培装置は、培地環境制御部の一構
成として、固形培地中に配置した養液成分センサと、養
液調節槽中に配置した養液成分センサを有し、特に固形
培地中に配置した養液成分センサがFET型センサを基盤
に作製されたものであり、固形培地中の養液濃度を直接
リアルタイムで計測し、供給する養液の濃度制御情報と
してフィードバックすることによって、迅速で正確な養
液管理を実現することができる。(Function) The nutrient solution cultivation apparatus according to the present invention includes, as one component of the medium environment control unit, a nutrient solution component sensor arranged in a solid medium and a nutrient solution component sensor arranged in a nutrient solution adjusting tank. The nutrient solution component sensor placed in the solid medium is based on the FET sensor and measures the nutrient solution concentration in the solid medium directly in real time and feeds it back as concentration control information of the nutrient solution to be supplied. Thereby, quick and accurate nutrient solution management can be realized.
養液成分センサを固形培地中に配置して計測する場合
に最も問題になることは、養液と検出部との接触に基づ
く安定な出力を得ることである。即ち、固形培地を用い
た養液栽培では、根への酸素供給を促進する意味から、
固形培地は養液を大量に含んだ状態ではなく、実際には
半乾燥状態に保たれる。従って、固形培地に保持された
少量の養液と効率的に接触し、安定な出力を得るために
は、必然的に養液成分センサの検出部面積が小さい必要
があり、各種成分に対応したセンサが一体化できる構造
のものが望ましい。本発明によるFET型センサを用いた
養液成分センサは、上記の条件を満たすセンサとして非
常に有効である。When the nutrient solution component sensor is placed in a solid medium for measurement, the most problem is to obtain a stable output based on the contact between the nutrient solution and the detection unit. That is, in the nutrient cultivation using the solid medium, from the viewpoint of promoting oxygen supply to the roots,
The solid medium is not in a state containing a large amount of nutrient solution, but is actually kept in a semi-dry state. Therefore, in order to efficiently contact with a small amount of nutrient solution held in the solid medium and obtain a stable output, the detection area of the nutrient solution component sensor must necessarily be small, corresponding to various components. It is desirable that the sensor has a structure that can be integrated with the sensor. The nutrient solution sensor using the FET sensor according to the present invention is very effective as a sensor satisfying the above conditions.
一方、一般に養液調節槽と固形培地とはかなりの距離
があり、調節された養液は長いチューブを使って個々の
固形培地に供給される。また、固形培地中で均一な分散
状態を作り出すために、養液は極端な低圧でマイクロチ
ューブからゆっくりと供給される。従って、固形培地中
に配置した養液成分センサだけを用いて養液を調節しよ
うとした場合、センサの情報を元に調節した養液が、再
び固形培地中のセンサにより所定の濃度になったか確認
をするのに、長い時間がかかる問題がある。そこで、本
発明による養液栽培装置は、固形培地中に配置した養液
成分センサと同様のセンサか、あるいは同種のイオンを
対象とする別種の養液成分センサを養液調節槽中に配置
することによって、供給すべき養液の調節状態を迅速に
計測、管理することができ、固形培地中の養液成分をよ
り正確で、精度の高い制御が可能になる。On the other hand, in general, there is a considerable distance between the nutrient solution adjusting tank and the solid medium, and the adjusted nutrient solution is supplied to each solid medium using a long tube. Also, in order to create a uniform dispersion state in the solid medium, the nutrient solution is slowly supplied from the microtube at an extremely low pressure. Therefore, when trying to adjust the nutrient solution using only the nutrient solution component sensor arranged in the solid medium, the nutrient solution adjusted based on the sensor information has reached a predetermined concentration again by the sensor in the solid medium. There is a problem that it takes a long time to confirm. Therefore, the nutrient solution cultivation apparatus according to the present invention arranges the same sensor as the nutrient solution component sensor arranged in the solid medium or another kind of nutrient solution component sensor targeting the same kind of ion in the nutrient solution adjusting tank. As a result, the adjustment state of the nutrient solution to be supplied can be measured and managed quickly, and more accurate and accurate control of the nutrient solution component in the solid medium can be performed.
(実施例) 以下に、本発明の実施例を説明する。(Example) An example of the present invention will be described below.
第1図は、本発明による養液栽培装置の一実施例にお
ける培地環境制御部の構成図であり、第2図は、その養
液栽培装置の全体構成図である。この実施例では、固形
培地式養液栽培装置が、ハウス19、栽培ベッド20、培地
環境制御部21、地上環境制御部22、統括制御部18、によ
って構成され、第2図に示されたような相互関係を持っ
ている。各構成部の内部構成および機能を簡単に説明す
る。FIG. 1 is a configuration diagram of a culture medium environment control unit in one embodiment of the hydroponic cultivation device according to the present invention, and FIG. 2 is an overall configuration diagram of the hydroponic cultivation device. In this embodiment, a solid medium type nutrient cultivation apparatus is constituted by a house 19, a cultivation bed 20, a medium environment control unit 21, a ground environment control unit 22, and a general control unit 18, as shown in FIG. Have a good relationship. The internal configuration and function of each component will be briefly described.
まずハウス19は、栽培環境の維持や病菌の侵入防止を
目的した建築構造物であり、太陽光利用の場合は塩化ビ
ニール等の透光性被覆材を用い、人工光利用の場合は断
熱性壁材を用いて構成される。First, the house 19 is a building structure for the purpose of maintaining the cultivation environment and preventing the invasion of pathogens. A translucent covering material such as vinyl chloride is used for sunlight, and a heat insulating wall is used for artificial light. It is configured using materials.
栽培ベッド20には、固形培地、培地を支持するための
ベッド、養液の蒸発散を抑えるための被覆材、給液マイ
クロチューブ、などにより構成される。The cultivation bed 20 is composed of a solid medium, a bed for supporting the medium, a coating material for suppressing evaporation of nutrient solution, a liquid supply microtube, and the like.
地上環境制御部22は、温度、湿度、CO2濃度、日射量
(照度)、風速、などの地上環境に対するセンサを設
け、空調機、窓、カーテン、加湿・除湿気、CO2ボン
ベ、人工光ランプ、換気扇などを用いて地上環境を制御
する。The ground environment control unit 22 is provided with sensors for the ground environment such as temperature, humidity, CO 2 concentration, solar radiation (illuminance), wind speed, etc., and air conditioners, windows, curtains, humidifying / dehumidifying air, CO 2 cylinders, artificial light Control the ground environment using lamps, ventilation fans, etc.
統括制御部18は、蓄積されたデータベースと各環境制
御部のセンサから環境情報を元に、植物が最適に生育す
るような環境条件に調節するように各環境制御部へ出力
信号を出す。The overall control unit 18 outputs an output signal to each environmental control unit based on the stored database and the environmental information from the sensors of each environmental control unit so as to adjust the environmental conditions so that the plant grows optimally.
最後に、培地環境制御部21を第1図を用いて説明す
る。培地環境制御部は、培地環境計測部と培地環境調節
部に大別される。まず培地環境計測部は、固形培地17中
に配置された養液成分センサ1、温度センサ3、水分セ
ンサ5と、養液調節槽7中に配置された養液成分センサ
2、温度センサ4、水位センサ6により構成される。こ
の養液成分センサ1,2としては、養液の主要成分であるN
O3 -、NH4 +、HPO4 2-あるいはH2PO4 -、K+、Ca2+、Mg2+、S
O4 2-、微量成分であるFe2+あるいはFe3+、BO3 3-あるい
はB4O7 2-、Zn2+、Mn2+、Cu2+、Cl-、MoO4 2-、などのイ
オンを検出対象にするセンサ、またpH、溶存酸素、導電
率を検出するセンサなどが挙げられる。一方、培地環境
調節部は、養液調節槽7、薬液タンク8(養液原液タン
ク、pH調節液タンク)およびそのバルブ9と流量計10、
水道水を引き込むポンプ11、調節された養液を栽培ベッ
ドに供給するポンプ12および流量計13、液温を調節する
ヒートポンプ14、撹拌機15、そしてそれぞれの液を輸送
する配管16によって構成される。本発明の特徴は、この
培地環境制御部の一構成として、固形培地17中と養液調
節槽7中に配置された養液成分センサを備えていること
にあり、さらに固形培地中に配置された養液成分センサ
1がFET型センサを基盤に作製されたものであることを
最大の特徴とする。このようなFET型センサを基盤とし
て作製した養液成分センサ(以後、FET型養液成分セン
サと略す)1は、小型で、高入力インピーダンス素子で
あることから、固形培地中に保持された養液がわずかな
場合でも、検出部が養液と有効に接触し、安定な出力信
号が得られる。実際に、本発明者は植物栽培時における
固形培地の保水率変化範囲(90〜10重量%)内におい
て、FET型養液成分センサ1が正確で安定な出力を示す
ことを実験で確認した。このFET型養液成分センサ1に
よる固形培地中の養液成分濃度のリアルタイム情報を、
統括制御部18を経て、培地環境調節部ヘフィードバック
させることにより、正確な養液成分濃度管理が可能にな
り、植物の最適な生育を実現することが可能となる。ま
た、養液調節槽中に配置した養液成分センサ2と併せて
使用することによって、供給すべき養液の調節状態を正
確に管理することができ、固形培地中の養液成分濃度を
迅速に最適化することが可能となる。Finally, the medium environment control unit 21 will be described with reference to FIG. The medium environment control unit is roughly divided into a medium environment measurement unit and a medium environment control unit. First, the culture medium environment measuring unit includes a nutrient solution component sensor 1, a temperature sensor 3, and a moisture sensor 5 arranged in the solid medium 17, and a nutrient solution component sensor 2, a temperature sensor 4, and It is constituted by a water level sensor 6. The nutrient solution component sensors 1 and 2 include N which is a main component of the nutrient solution.
O 3 -, NH 4 +, HPO 4 2- or H 2 PO 4 -, K + , Ca 2+, Mg 2+, S
O 4 2- , trace components Fe 2+ or Fe 3+ , BO 3 3- or B 4 O 7 2- , Zn 2+ , Mn 2+ , Cu 2+ , Cl − , MoO 4 2- , etc. And a sensor for detecting pH, dissolved oxygen, and conductivity. On the other hand, the culture medium environment control section comprises a nutrient solution adjusting tank 7, a chemical solution tank 8 (a nutrient solution undiluted solution tank and a pH adjusting solution tank) and its valve 9 and flow meter 10,
It is composed of a pump 11 for drawing in tap water, a pump 12 and a flow meter 13 for supplying the adjusted nutrient solution to the cultivation bed, a heat pump 14 for adjusting the solution temperature, a stirrer 15, and a pipe 16 for transporting each solution. . The feature of the present invention resides in that a nutrient solution component sensor arranged in the solid medium 17 and the nutrient solution adjusting tank 7 is provided as one configuration of the medium environment control unit, and further arranged in the solid medium. The most characteristic feature is that the nutrient solution sensor 1 is manufactured based on an FET sensor. The nutrient solution component sensor (hereinafter abbreviated as FET-type nutrient solution sensor) 1 manufactured on the basis of such an FET type sensor is a small-sized, high-input impedance element, and is therefore a nutrient solution held in a solid medium. Even when the amount of the liquid is small, the detection unit effectively contacts the nutrient solution, and a stable output signal can be obtained. Actually, the present inventor has confirmed through experiments that the FET-type nutrient solution sensor 1 shows an accurate and stable output within the water retention rate change range (90 to 10% by weight) of the solid medium during plant cultivation. The real-time information of the concentration of the nutrient solution in the solid medium by the FET-type nutrient solution sensor 1 is
By feeding back to the culture medium environment control unit via the overall control unit 18, it is possible to accurately control the concentration of the nutrient solution, and to realize optimal growth of the plant. Further, by using the nutrient solution component sensor 2 arranged in the nutrient solution adjusting tank, the adjustment state of the nutrient solution to be supplied can be accurately controlled, and the nutrient solution component concentration in the solid medium can be quickly measured. Can be optimized.
第3図(a)(b)(c)(d)は、固形培地中に配
置されたFET型養液成分センサの一実施例の実装後にお
ける平面図とそのA−A′、B−B′、C−C′におけ
る断面図である。この実施例は、SISシリコン−絶縁体
−シリコン)構造のウェーハを用いて作製されたFET型
イオンセンサ23であり、検出部であるゲート領域にはカ
リウムイオン感応膜30が形成されている。即ち、第3図
(c)に示したように、シリコン基板24上にSiO2膜25を
介して形成された島状のシリコン層27にソース領域28お
よびドレイン領域29を設け、ゲート絶縁膜としてSiO2膜
25とSiNX膜26を形成し、さらにそのゲート絶縁膜上にカ
リウムイオン感応膜30を形成して、FET型カリウムイオ
ンセンサを構成している。カリウムイオン感応膜30はこ
の実施例では、感応物質であるバリノマイシンを1%,
バインダであるポリ塩化ビニールを39%,可塑剤である
アジピン酸ジオクチルを60%,カリウムテトラフェニル
ボレートを0.1%の重量比で含んでおり、テトラヒドロ
フランで溶解したこの感応膜材料をFET型イオンセンサ2
3のゲート領域に塗布し、3日間低湿状態で風乾するこ
とにより得られる。また、第3図(b)(d)に示した
ように、FET型イオンセンサ23のソース電極31およびド
レイン電極32は鉛−錫はんだ33を介してフレキシブルプ
リント回路基板35の電極36に接続されている。さらに、
この電極接続部を外界から保護するため、樹脂36によっ
て封止している。FIGS. 3 (a), (b), (c) and (d) are plan views of an embodiment of a FET type nutrient solution component sensor arranged in a solid medium after mounting, and AA 'and BB thereof. ′, CC ′. This embodiment is an FET-type ion sensor 23 manufactured using a wafer having a SIS silicon-insulator-silicon) structure, and a potassium ion sensitive film 30 is formed in a gate region serving as a detection unit. That is, as shown in FIG. 3 (c), a source region 28 and a drain region 29 are provided in an island-like silicon layer 27 formed on a silicon substrate 24 via an SiO 2 film 25, and a gate insulating film is formed. SiO 2 film
25 and a SiN x film 26 are formed, and a potassium ion sensitive film 30 is further formed on the gate insulating film to constitute an FET type potassium ion sensor. In this embodiment, the potassium ion sensitive membrane 30 contains 1% of the sensitive substance valinomycin,
It contains 39% of polyvinyl chloride as a binder, 60% of dioctyl adipate as a plasticizer, and 0.1% of potassium tetraphenylborate. The sensitive membrane material dissolved in tetrahydrofuran is used as a FET-type ion sensor 2
It is obtained by applying to the gate area of No. 3 and air-drying in a low humidity state for 3 days. As shown in FIGS. 3B and 3D, the source electrode 31 and the drain electrode 32 of the FET type ion sensor 23 are connected to the electrode 36 of the flexible printed circuit board 35 through the lead-tin solder 33. ing. further,
In order to protect this electrode connection from the outside, it is sealed with a resin.
また、前述の養液主要成分あるいは微量成分に対応し
たFET型養液成分センサは、第3図に示されたFET型イオ
ンセンサ23のゲート領域に設けられたカリウムイオン感
応膜30を、それぞれの成分に対応した感応膜に置き換え
ることにより実現できる。Further, the FET type nutrient solution component sensor corresponding to the main component or the trace component of the nutrient solution described above is provided with a potassium ion sensitive film 30 provided in the gate region of the FET type ion sensor 23 shown in FIG. It can be realized by replacing with a sensitive film corresponding to the component.
第4図は、第3図に示されたようなFET型養液成分セ
ンサを固形培地中に配置した時の構成図である。この第
4図に示したように、FET型養液成分センサ1の配置場
所はキューブ(上部固形培地:育苗用)37の内部、スラ
ブ(下部固形培地:定植用)38の内部、キューブ37とス
ラブ38の間、の3箇所に大きく分けられる。この配置場
所はどこの養液状態を知りたいかによって決定されるも
のであるが、通常の養液管理を行う場合には、植物の生
育状況、すなわち根の発達状況に応じて、キューブ38の
内部、キューブ38とスラブ39の中間、スラブ39の内部へ
と移行させる方法が標準的である。また、キューブ37や
スラブ38の内部に配置する場合は、刃物等で予め切り口
を入れた後にFET型養液成分センサ1を挿入する方法が
有効で、挿入時の衝撃が軽減されると共に、固形培地−
感応部間の良好の接触を可能とする切断面が得られる効
果がある。FIG. 4 is a configuration diagram when the FET-type nutrient solution component sensor as shown in FIG. 3 is arranged in a solid medium. As shown in FIG. 4, the location of the FET-type nutrient solution sensor 1 is located inside a cube (upper solid medium: for raising seedlings) 37, inside a slab (lower solid medium: for planting) 38, and a cube 37. It is roughly divided into three places, between the slabs 38. The location of this arrangement is determined by the state of the nutrient solution that is desired to be known.However, in the case of normal nutrient solution management, the cube 38 is placed in accordance with the growth condition of the plant, that is, the development status of the root. A standard method is to move the inside, the middle between the cube 38 and the slab 39, and the inside of the slab 39. In addition, when it is arranged inside the cube 37 or the slab 38, it is effective to insert the FET-type nutrient solution sensor 1 after making a cut in advance with a cutting tool or the like. Medium-
There is an effect that a cut surface that enables good contact between the sensitive parts is obtained.
一方、FET型養液成分センサ1は、養液の電位を固定
するための参照電極39が必要である。第4図では、FET
型養液成分センサ1の配置場所とは別の場所に参照電極
39を配置してFET型養液成分センサ1を動作させた場合
のを示している。本発明者による実験では、第4図に示
されたいずれの場所のFET型養液成分センサ1でも、参
照電極39を用いて安定な出力が得られることが確認され
た。この時、参照電極39の液絡部を固形培地38に押し付
ける圧力によって出力の安定性が増し、さらに液絡部周
辺に数ミリリットルほどの溶液を滴下することによって
出力の初期ドリフトが減少する効果が得られた。On the other hand, the FET type nutrient solution component sensor 1 requires a reference electrode 39 for fixing the potential of the nutrient solution. In FIG. 4, the FET
A reference electrode in a location different from the location of the type nutrient solution sensor 1
39 shows a case in which the FET type nutrient solution component sensor 1 is operated with 39 disposed. In the experiment by the inventor, it was confirmed that a stable output was obtained using the reference electrode 39 in any of the FET-type nutrient solution component sensors 1 in any of the locations shown in FIG. At this time, the stability of the output is increased by the pressure of pressing the liquid junction of the reference electrode 39 against the solid medium 38, and the effect of reducing the initial drift of the output by dropping a few milliliters of the solution around the liquid junction is obtained. Obtained.
また、第5図は同一スラブ上の複数のキューブに配置
されたFET型養液成分センサを一個の参照電極で動作さ
せた時の構成図である。第4図に示したように、同一の
固形培地に配置された複数のFET型養液成分センサ1を
一個の参照電極で動作させられることはもちろんである
が、第5図に示したような、同じスラブ38上の複数のキ
ューブ37に配置された各FET型養液成分センサ1をスラ
ブ38に配置した一個の参照電極39で動作させることも可
能である。実際に、FET型養液成分センサと参照電極の
距離が90cmの範囲内において、出力が一定であり、安定
した信号で得られることを発明者は実験で確認した。FIG. 5 is a configuration diagram when the FET type nutrient solution component sensors arranged on a plurality of cubes on the same slab are operated by one reference electrode. As shown in FIG. 4, a plurality of FET-type nutrient solution component sensors 1 arranged on the same solid medium can be operated by one reference electrode, as shown in FIG. It is also possible to operate each FET-type nutrient solution sensor 1 arranged on a plurality of cubes 37 on the same slab 38 with one reference electrode 39 arranged on the slab 38. In fact, the inventors have confirmed by experiments that the output is constant and a stable signal can be obtained when the distance between the FET-type nutrient solution sensor and the reference electrode is within a range of 90 cm.
第4図や第5図に示したように、参照電極はFET型養
液成分センサの配置場所とは別の場所に配置しても機能
することを説明したが、小型化を図ってFET型養液成分
センサに一体化させて使用することも可能である。As shown in FIGS. 4 and 5, it has been described that the reference electrode functions even if it is arranged at a place different from the place where the FET type nutrient solution component sensor is arranged. It is also possible to use it integrated with the nutrient solution component sensor.
第6図(a)(b)は、他の実施例のFET型養液成分
センサの平面図とそのA−A′断面図である。この実施
例は、第3図に示したFET構造のシリコン層27が4個、
同一シリコン基板24上に一体形成されている。それぞれ
のFET構造のシリコン層27は、SiNX膜とSiO2膜により良
好な電気的絶縁分離が成されている。各シリコン層27の
ゲート領域には、pH感応膜40、硝酸イオン感応膜41、カ
リウムイオン感応膜30、イオンに不感応な参照膜42が形
成され、pHセンサ、硝酸イオンセンサ、カリウムイオン
センサ、参照用FETを構成しれいる。これらの養液成分
センサと参照用FETを、同一シリコン基板24上に設けら
れた不活性金属電極43に対して差動動作させることによ
って、養液中のpH、硝酸イオン濃度、カリウムイオン濃
度を検出することができ、特に参照電極を必要としな
い。このように養液成分に対応した複数のセンサを同一
基板上に形成した養液成分センサは、固形培地中に含ま
れる養液が少量の場合において非常に有効である。ま
た、同一基板上に設けるFET型養液成分センサの種類や
個数は、管理しようとする養液成分に応じて決定される
ものであって、この実施例の限りではない。FIGS. 6 (a) and 6 (b) are a plan view and a sectional view taken along the line AA 'of a FET type nutrient solution sensor of another embodiment. In this embodiment, four silicon layers 27 having the FET structure shown in FIG.
They are integrally formed on the same silicon substrate 24. The silicon layer 27 of each FET structure has a good electrical insulation and separation by the SiN X film and the SiO 2 film. In the gate region of each silicon layer 27, a pH-sensitive film 40, a nitrate ion-sensitive film 41, a potassium ion-sensitive film 30, and an ion-insensitive reference film 42 are formed, and a pH sensor, a nitrate ion sensor, a potassium ion sensor, A reference FET is configured. By differentially operating the nutrient solution component sensor and the reference FET with respect to the inert metal electrode 43 provided on the same silicon substrate 24, the pH, nitrate ion concentration, and potassium ion concentration in the nutrient solution can be adjusted. It can be detected and does not particularly require a reference electrode. A nutrient solution sensor in which a plurality of sensors corresponding to nutrient solutions are formed on the same substrate as described above is very effective when the nutrient solution contained in the solid medium is small. Further, the type and number of the FET-type nutrient solution components provided on the same substrate are determined according to the nutrient solution to be managed, and are not limited to this embodiment.
第7図(a)(b)は、更に他の実施例のプローブ状
FET型養液成分センサの実装構造の平面図と断面図であ
る。ここで、FET型センサチップ44は第3図のカリウム
センサ、あるいは第6図の一体型センサ等である。この
FET型センサチップ44は、先端部にSUS等の金属補強板47
を付属したガラス・エポキシ配線基板45に接着され、金
ワイヤ46によって配線基板45の電極34に接続されてい
る。また、金属補強板47は、先端を尖状に加工されてい
る。そして、検出部を除くすべての部分を樹脂36で封止
した構造である。このように先端の鋭利なプローブ状養
液成分センサは、例えば1個の養液成分センサで固形培
地の数箇所を計測する場合など、繰り返し固形培地に挿
入し、引き抜くような使用法に対して有効である。即
ち、FET型センサチップ44を挿入時の衝撃から保護し、
検出部と養液との安定な接触を作り出す培地状態が得ら
れる形状である。FIGS. 7 (a) and 7 (b) show a probe according to still another embodiment.
It is the top view and sectional drawing of the mounting structure of FET type nutrient solution component sensor. Here, the FET sensor chip 44 is the potassium sensor shown in FIG. 3, or the integrated sensor shown in FIG. this
The FET type sensor chip 44 has a metal reinforcing plate 47
Is bonded to a glass-epoxy wiring board 45 attached thereto, and is connected to the electrodes 34 of the wiring board 45 by gold wires 46. Further, the metal reinforcing plate 47 has a tip processed into a pointed shape. In addition, the structure is such that all parts except the detection unit are sealed with the resin 36. Such a probe-like nutrient solution sensor having a sharp tip is used for repeated insertion and withdrawal from a solid medium, for example, when measuring several locations of a solid medium with one nutrient solution sensor. It is valid. That is, the FET type sensor chip 44 is protected from the impact at the time of insertion,
The shape is such that a state of the culture medium that creates stable contact between the detection unit and the nutrient solution can be obtained.
一方、第1図に示した養液調節槽中に配置された養液
成分センサ2は、養液調節槽7が十分大きいことから、
必ずしもFET型センサを基盤に作製されたものである必
要はない。即ち、固形培地中に配置したFET型養液成分
センサ1と全く同じセンサでも構わないし、同様のイオ
ンを検出対象とする電極型センサであっても問題はな
い。また、養液調節手段としてフロ−スル−式にメイン
パイプに対し、各原液からのパイプを接続させて注入す
る方式を用いても良い。On the other hand, the nutrient solution sensor 2 arranged in the nutrient solution adjusting tank shown in FIG.
It is not always necessary to manufacture the sensor based on the FET sensor. That is, the sensor may be exactly the same as the FET-type nutrient solution component sensor 1 disposed in the solid medium, or may be an electrode-type sensor for detecting similar ions. Further, as a nutrient solution adjusting means, a system may be used in which a pipe from each stock solution is connected to the main pipe in a flow-through manner and injected.
[発明の効果] 以上述べたように本発明によれば、培地環境制御部の
一構成として、固形培地中に配置した養液成分センサ
と、養液調節槽中に配置した養液成分センサを有し、特
に固形培地中に配置した養液成分センサがFET型センサ
を基盤に作製されたものであることを特徴とする養液栽
培装置は、固形培地中の養液成分濃度を直接リアルタイ
ムで計測し、供給する養液の濃度制御情報としてフィー
ドバックすることが可能であり、迅速で正確な養液管理
を実現することができる。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a nutrient solution component sensor disposed in a solid medium and a nutrient solution component sensor disposed in a nutrient solution adjusting tank are provided as one component of the medium environment control unit. In particular, a nutrient solution cultivation apparatus characterized in that the nutrient solution component sensor arranged in the solid medium is manufactured based on the FET type sensor, and the concentration of the nutrient solution component in the solid medium is directly measured in real time. It is possible to measure and feed back as concentration control information of the nutrient solution to be supplied, so that quick and accurate nutrient solution management can be realized.
第1図及び第2図は本発明の一実施例の養液栽培装置の
構成図、第3図はカリウムイオン対応のFET型養液成分
センサの平面図およびその断面図、第4図はFET型養液
成分センサと参照電極を固形培地中に配置した時の構成
図、第5図は複数のFET型養液成分センサと参照電極を
同一スラブ上のキューブに配置した時の構成図、第6図
は複数の養液成分に対応したセンサを一体化したFET型
養液成分センサの平面図およびA−A′断面図、第7図
は、プローブ状FET型養液成分センサの実装構造の平面
図および断面図である。 1……固形培地用養液成分センサ、2……養液調節槽用
養液成分センサ、3……水分センサ、4……水位セン
サ、5,6……温度センサ、7……養液調節槽、17……固
形培地、18……統括制御部、19……ハウス、20……栽培
ベッド、21……培地環境制御部、22……地上環境制御
部、23……FET型イオンセンサ、24……シリコン基板、3
0……カリウムイオン感応膜、33……鉛−錫はんだ、35
……フレキシブルプリント配線基板、36……樹脂、37…
…キューブ、38……スラブ、39……参照電極、40……pH
感応膜、41……硝酸イオン感応膜、42……参照膜、43…
…不活性電極、44……FET型センサチップ、45……ガラ
ス・エポキシ配線基板、46……金ワイヤ、47……金属補
強板。1 and 2 are diagrams showing the configuration of a nutrient solution cultivation apparatus according to one embodiment of the present invention, FIG. 3 is a plan view and a cross-sectional view of a FET type nutrient solution component sensor for potassium ions, and FIG. Fig. 5 is a configuration diagram when a type nutrient solution component sensor and a reference electrode are arranged in a solid medium. Fig. 5 is a configuration diagram when a plurality of FET type nutrient solution component sensors and reference electrodes are arranged in a cube on the same slab. FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view taken along the line AA 'of an FET type nutrient solution component sensor in which sensors corresponding to a plurality of nutrient components are integrated. FIG. It is a top view and a sectional view. 1. Nutrient solution sensor for solid medium 2. Nutrient component sensor for nutrient solution adjustment tank 3. Water sensor 4. Water level sensor 5. 6, Temperature sensor 7. Nutrient solution adjustment Tank, 17: Solid medium, 18: General control unit, 19: House, 20: Cultivation bed, 21: Medium environment control unit, 22: Ground environment control unit, 23: FET type ion sensor, 24 ... Silicon substrate, 3
0: Potassium ion sensitive film, 33: Lead-tin solder, 35
…… Flexible printed circuit board, 36 …… Resin, 37…
… Cube, 38 …… Slab, 39 …… Reference electrode, 40 …… pH
Sensitive membrane, 41 ... Nitrate ion sensitive membrane, 42 ... Reference membrane, 43 ...
... Inert electrode, 44 ... FET sensor chip, 45 ... Glass / epoxy wiring board, 46 ... Gold wire, 47 ... Metal reinforced plate.
Claims (4)
培地に養液を供給する養液調節手段と、前記固形培地中
の養液の成分濃度を検出する養液成分センサを用いた養
液栽培装置において、前記養液成分センサとしてFET型
センサを用い、該FET型センサは前記固形培地に挿入可
能な鋭利な先端部を有することを特徴とする養液栽培装
置。1. A solid medium for growing a plant, a nutrient solution adjusting means for supplying a nutrient solution to the solid medium, and a nutrient solution sensor for detecting a component concentration of the nutrient solution in the solid medium. In the nutrient solution cultivation device, an FET type sensor is used as the nutrient solution component sensor, and the FET type sensor has a sharp tip that can be inserted into the solid medium.
サが配置されたことを特徴とする請求項1記載の養液栽
培装置。2. The nutrient solution cultivation apparatus according to claim 1, wherein a second nutrient solution component sensor is arranged in said nutrient solution adjusting means.
サが、養液中の成分に対応した複数のセンサを同一基板
上に一体形成したFET型センサであることを特徴とする
請求項1記載の養液栽培装置。3. The nutrient solution component sensor disposed in the solid medium is a FET sensor in which a plurality of sensors corresponding to components in the nutrient solution are integrally formed on the same substrate. The hydroponic cultivation device according to 1.
る補強板と、検出部を有するFET型センサチップと、前
記検出部以外の部分を封止する樹脂とを備えたことを特
徴とする請求項1記載の養液栽培装置。4. The FET-type sensor includes a reinforcing plate having a sharp tip, a FET-type sensor chip having a detecting portion, and a resin sealing portions other than the detecting portion. The hydroponic cultivation device according to claim 1.
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