JP3497989B2

JP3497989B2 - 湿潤度分布測定方法

Info

Publication number: JP3497989B2
Application number: JP10661598A
Authority: JP
Inventors: 友則安部; 健一斉藤; 哲山本; 康之菱田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1998-04-16
Filing date: 1998-04-16
Publication date: 2004-02-16
Anticipated expiration: 2018-04-16
Also published as: JPH11304739A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、土壌中の長さ方向
や高さ方向の湿潤度分布を測定する湿潤度分布測定方法
に係り、特に、短時間で、精度よく測定することができ
る湿潤度分布測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、土壌などの湿潤度を測定する場
合、測定対象物中に湿潤度センサを挿入し、湿潤度セン
サの出力から測定対象物の湿潤度を測定していた。しか
しながら、従来用いることのできた湿潤度センサは、１
点の湿潤度しか測定することができなかったため、例え
ば、堤防の土壌の長手方向の湿潤度分布を測定しようと
すると、多数の湿潤度センサを堤防に沿って設置しなけ
ればならず、膨大な設備となるため、手間及びコストの
点で実用的でなかった。

【０００３】このような問題点を解決する方法として、
特開平9-113472号では、湿潤度分布測定対象に沿って光
ファイバとヒータとを配置し、光ファイバを光ファイバ
温度分布測定装置に接続し、ヒータを発熱量制御回路に
接続したシステム構成とし、このヒータを加熱／停止制
御し、温度変化幅と温度変化の時定数とのいずれか一方
あるいは両方の情報を用いて光ファイバに沿った長手方
向の湿潤度分布を求めるようにした。この光ファイバと
ヒータとを複合したセンサを堤防や河川敷の土壌中に埋
設することにより、河川に沿った長さ方向の堤防や河川
敷の土壌の湿潤度分布を求めることも可能である。

【０００４】従来例の詳細を図８，９，１０を用いて以
下に説明する。図８に示すように、センサ用光ファイバ
ケーブル４０を金属やプラスティック等の円筒１１に巻
き付け、保護層１２で覆った円筒型センサ１を作り、円
筒１１の軸方向の湿潤度分布を測定する構成としてい
る。図１０に示すように、センサ用光ファイバケーブル
４０の片端を湿潤度分布測定装置２の光ファイバ温度分
布測定装置２１に接続して用いる。センサ用光ファイバ
ケーブル４０には、例えば、図９に示す構造のものを用
いる。図９のセンサ用光ファイバは、鋼線やＦＲＰから
なるテンションメンバ４５、アルミ箔積層等による遮水
層４７、ビニルなどの材質のシース４８、ポリエチレン
等からなるスペーサ４６、光ファイバ心線４１及びヒー
タ線４４ａ、４４ｂで構成される。２本のヒータ線４４
ａとヒータ線４４ｂとは並列に接続されており、図１０
に示すように、ヒータ用電源線７を介してループ状の通
電回路が構成されている。湿潤度分布測定装置２には、
光ファイバ温度分布測定装置２１、湿潤度分布演算部３
９、ヒータ電源５、ヒータ制御回路６、全体の制御回路
（図示せず）等が内蔵されている。光ファイバ温度分布
測定装置２１としては、センサ用光ファイバケーブル４
０中で発生するラマン散乱光強度の温度依存性をＯＴＤ
Ｒの手法で測定するもの等を用いることにより、例え
ば、数１０ｋｍの長さのセンサ用光ファイバケーブル４
０の温度分布を測定することができる。

【０００５】円筒型センサ１の円筒１１への光ファイバ
巻き付け直径をＤ、巻き付けピッチをＬｚ、光ファイバ
温度分布測定装置２１の距離分解能をＬｒとすると、円
筒１１の軸方向の湿潤度分布測定の距離分解能Ｌｗは、
（１）式で表すことができ、光ファイバ温度分布測定装
置２１の距離分解能よりも格段に分解能を上げて湿潤度
分布を測定することができる。

【０００６】Ｌｗ＝Ｌｒ×（Ｌｚ／√（Ｌｚ²＋（π×Ｄ）²））（１）円筒型センサ１は、堤防などの湿潤度測定対象に鉛直方
向に埋め込むことにより、高さ方向の湿潤度分布を高い
距離分解能で測定することができる。以下、円筒型セン
サ１を高さ方向湿潤度分布センサ１又は湿潤度分布セン
サ１と呼ぶ。

【０００７】以下に従来例での湿潤度分布測定例を図１
０に示す模擬堤防を用いた実験系での測定結果として説
明する。高さ方向湿潤度分布センサ１を模擬堤防８４に
垂直に埋設し、図１１に示すヒータの加熱・冷却サイク
ル（１時間加熱、１時間自然冷却）を実施し、センサ用
光ファイバ４０の温度分布を光ファイバ温度分布測定装
置２１で測定した。光ファイバ温度分布測定装置２１で
の測定時間間隔は１０分とした。ある高さにおける温度
の変化は、図１１に示すように、加熱開始から温度が徐
々に上昇した後、安定し、加熱終了から温度が徐々に下
降した後、安定することがわかる。

【０００８】センサ埋設部の湿潤度は、河川水を模擬し
た貯水部８３から模擬堤防８４に水が浸潤してくること
で変化する。

【０００９】光ファイバ温度分布測定装置２１で測定さ
れた高さ方向の温度分布を図１２に示す。加熱直前（１
Ｈ自然冷却後）の温度分布と加熱終了時（１Ｈ加熱後）
の温度分布とを示してある。加熱終了時の温度分布から
加熱直前の温度分布を差し引くことにより加熱による温
度変化幅の高さ方向分布を求めることができる。このよ
うにして求めた温度変化幅を湿潤度に換算した結果を図
１３に示す。ここでは、３通りの高さについての経時変
化を示した。即ち、高さ４００ｍｍ，８００ｍｍ，１６
００ｍｍにおける温度変化幅を三角形、菱形、正方形で
示した。温度変化幅と湿潤度の関係は、湿潤度を変えた
土壌で別途測定したデータを用いて較正した。高さ毎の
湿潤度の経時変化が読みとれており、高さ毎の湿潤度を
求めることができるので、堤防への水の浸潤状況を把握
して、堤防の管理に活用できる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術では、加熱・冷却サイクルの時間間隔（上記例では２
時間間隔）でしか湿潤度を得ることができなかった。サ
イクル時間を短くすると温度変化幅が小さくなるため測
定精度が低下する。土壌の熱容量が大きいため、測定精
度を確保できる温度変化幅を得るには、時間間隔が長く
なる。従来技術では、実用的には１〜２時間程度の時間
間隔でしか湿潤度分布のデータを得ることができなかっ
た。

【００１１】ヒータ加熱を温度上昇が飽和するまで行わ
ずに、加熱途中でうち切り、異なる時刻ｔ１、ｔ２での
温度分布測定データから、温度変化幅と熱時定数τを求
めることも可能である。しかし、この場合も、時刻ｔ１
と時刻ｔ２とでの温度差が小さくなるため、最終的に求
められる湿潤度分布の精度が時間短縮の程度に比例して
低下するという問題があった。

【００１２】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、短時間で、精度よく測定することができる湿潤度分
布測定方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、河川の堤防や河川敷等の土壌内に光ファイ
バとヒータとを複合したセンサ部を埋設し、上記ヒータ
に発熱量制御回路を接続して加熱／停止のサイクルを与
えると共に上記光ファイバを光ファイバ温度分布測定装
置に接続して上記光ファイバに沿った土壌内の温度分布
を測定し、あるサイクルでの温度分布測定データとそれ
より前のサイクルでの温度分布測定データとを演算する
ことにより、上記センサ部に沿った土壌内の湿潤度分布
を求めるものである。

【００１４】あるサイクルでの温度分布測定データとそ
れより前のサイクルでの温度分布測定データとの差分を
用いて湿潤度分布を求めてもよい。

【００１５】１サイクル中に複数回の温度分布測定を行
い、そのサイクルにおけるある回の温度分布測定データ
とそれより前のサイクルにおける同じ回の温度分布測定
データとを演算して、その演算結果により前のサイクル
で求めた湿潤度分布からの湿潤度変化分を検出して湿潤
度分布を更新してもよい。

【００１６】河川の水位を検出すると共に降雨の有無を
検出し、サイクル中に水位変化がなくかつ降雨がなかっ
たサイクルではそのサイクルでの温度分布測定データの
みから湿潤度分布を求め、水位変化又は降雨があったサ
イクルでは、前記両サイクルでの温度分布測定データを
用いた前記演算により湿潤度分布の更新を行ってもよ
い。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて詳述する。

【００１８】図１は本発明の湿潤度分布測定方法を用い
た湿潤度分布測定システムのシステム構成図である。こ
こでは、センサ部として従来例と同様の円筒型の高さ方
向湿潤度分布センサ１を用いる。この湿潤度分布センサ
１に使用する光ファイバケーブル４は、図９に示した従
来例と同様なものでも構わないが、例えば、図２に示す
ような、中空部に光ファイバ心線４１があり、シースに
ＳＵＳ等の金属管４２、ポリエチレン等の絶縁層４３を
用いた構造のものを用いることにより、従来のものより
外径を小さくして、光ファイバケーブル４を円筒１１に
密に巻き、高さ方向の分解能を向上させることができ
る。

【００１９】センサ用光ファイバケーブル４の片端を湿
潤度分布測定装置２の光ファイバ温度分布測定装置２１
に接続して用いる。ヒータ電源５には、センサ用光ファ
イバケーブル４を構成する金属管４２が接続されてお
り、金属管４２に通電することによりヒータの役目をさ
せている。

【００２０】湿潤度分布演算部２には、温度分布測定デ
ータから湿潤度分布を演算する湿潤度分布演算部３が内
蔵されており、この湿潤度分布演算部３で行う演算内容
は、従来の湿潤度分布演算部３９の演算内容とは異なる
（後に詳述する）。

【００２１】本発明の湿潤度分布測定システムは、土壌
内に温度分布測定用の光ファイバとヒータとを複合した
センサ部１を埋設し、ヒータ作動による所定時間の加熱
とヒータ停止による所定時間の自然冷却とを繰り返して
センサ部近傍の土壌に加熱・冷却サイクルを与え、各サ
イクル中に複数回の温度分布測定を一定時間間隔で行
い、今サイクルにおけるｍ（ｍは自然数）回目の温度分
布測定データと、ｋ（ｋは自然数）回前のサイクルにお
けるｍ回目の温度分布測定データとの差分を演算し、そ
の差分（温度変化量分布）から今サイクルにおけるｍ回
目の測定時間とｋ回前のサイクルにおけるｍ回目の測定
時間との湿潤度変化分（湿潤度変化量分布）を検出し、
この湿潤度変化量分布を用いてｋ回前のサイクルにおけ
るｍ回目の測定時間の湿潤度分布を今サイクルにおける
ｍ回目の測定時間の湿潤度分布に更新するものである。
また、この湿潤度分布測定システムは、河川の水位を検
出すると共に降雨の有無を検出し、サイクル中に水位変
化がなくかつ降雨がなかったサイクルではそのサイクル
での加熱開始直前と加熱終了時との温度分布測定データ
から温度変化幅の高さ方向分布を求め、この温度変化幅
の高さ方向分布から湿潤度分布を求め、この湿潤度分布
を初期値とし、水位変化又は降雨があったサイクルで
は、前記初期値から順次、前記両サイクルでの温度分布
測定データを用いた前記演算により湿潤度分布の更新を
行うようになっている。

【００２２】以下、ｋ＝１とした実施形態を説明する。

【００２３】加熱・冷却のサイクルは、図３に示される
ように、加熱１時間、冷却１時間、計２時間のサイクル
とする。光ファイバ温度分布測定装置２１での測定時間
間隔は１０分とする。この測定条件で、貯水部８１から
堤防８２に浸潤してきた水による高さ方向の土壌湿潤度
の経時変化を測定する。

【００２４】最初のサイクルからｎ（ｎは自然数）サイ
クル目の加熱・冷却サイクルでのｍ回目に測定した温度
分布測定データ（ｎサイクル目のｍ×１０分経過後の温
度分布測定データ）における高さｈの温度をＴ（ｈ，
ｎ，ｍ）で表す。高さｈについて、図３に示すように、
ｎサイクル目とｎ−１サイクル目とのｍ回目の温度分布
測定データ同士の差分ΔＴ、即ち温度変化量を下記
（２）式により求めることができる。

【００２５】 ΔＴ（ｈ，ｎ，ｍ）＝Ｔ（ｈ，ｎ，ｍ）−Ｔ（ｈ，ｎ−１，ｍ） …（２）高さｈを変えてｎサイクル目とｎ−１サイクル目とのｍ
回目温度分布測定データから温度変化量を求めると、温
度変化量の高さ方向分布が得られる。時間経過により、
図４に示す温度変化量の高さ方向分布の時間変化が得ら
れる。ここでは、時刻０：００〜１：００の加熱、時刻
１：００〜２：００の自然冷却、時刻２：００〜３：０
０の加熱、時刻３：００〜４：００の自然冷却、…とい
うようにサイクルを与えてある。測定時間間隔１０分毎
にそのサイクルの温度分布と１サイクル前の温度分布と
の差分を得たことになる。この差分は、１サイクル間で
の湿潤度分布の差分（変化量）に対応する。１サイクル
前の湿潤度分布が分かっていれば、この湿潤度変化量を
加える又は減じることで、今回サイクルの湿潤度分布が
得られる。両サイクルの同回目の温度分布測定データか
ら湿潤度分布が得られるので、温度分布測定時間間隔
（この場合は１０分）毎に湿潤度分布を求められること
になる。なお、図４において温度変化量がマイナスの値
になっているのは、湿潤度が増加したことに対応してい
る。

【００２６】１サイクル間の温度分布変化量（湿潤度分
布変化量）を順次、加減して湿潤度分布を更新するに
は、少なくとも１サイクル分について温度分布測定時間
間隔毎の湿潤度分布を予め求めておく必要がある。この
湿潤度分布は、１サイクル間で湿潤度分布の変化がない
サイクルの温度分布データから求めることができる。ま
ず、このサイクルの加熱終了時の湿潤度分布を、従来方
法にしたがって温度変化幅から求める。このサイクルで
は、湿潤度分布の変化がないので、温度変化幅から求め
た前記湿潤度分布をそのサイクル内での全ての回の温度
分布測定時の湿潤度分布として与えることができる。河
川周辺での土壌の湿潤度は、河川の水位が安定してい
て、降雨の無い状態では２時間程度の時間では殆ど変化
しないので、水位が安定し、降雨が無いときにはそのサ
イクル内での全ての回の温度分布測定時の湿潤度分布を
加熱終了時の湿潤度分布と同じとすることに何ら問題が
ない。

【００２７】この手順を図５のフローチャートに示す。

【００２８】図５に示されるように、まず、サイクル中
に水位変化がなく（無視できるほど小さく）かつ降雨が
なかったサイクルにおいて、加熱終了時に温度変化幅か
ら温度変化幅と湿潤度との較正カーブを使用して加熱終
了時の湿潤度分布を求める。加熱終了前のｍ回目（ｍ番
目）の湿潤度分布は全て加熱終了時の湿潤度分布と同じ
とする。このサイクルの湿潤度分布を初期値とし、爾後
のサイクルの温度変化量を用いて順次、更新する。即
ち、そのサイクルでの温度分布測定の度に、温度変化量
ΔＴを（２）式により求め、この温度変化量ΔＴより温
度変化量と湿潤度との較正カーブを使用して湿潤度変化
量分布を求め、この湿潤度変化量分布を１サイクル前の
湿潤度分布に加えて（減じて）その時間の湿潤度分布を
求める。もし、このサイクルにおいて、水位変化及び降
雨がなければ、そのサイクルの温度変化幅から湿潤度分
布を求めて新たな初期値にする。

【００２９】温度変化幅から湿潤度を求める際には、加
熱終了後の温度分布から加熱直前の温度分布を差し引い
ても、あるいは、冷却終了時（加熱直前）の温度分布か
ら冷却開始時（加熱終了時）の温度分布を差し引いて求
めても良い。この２つの方式を併用すると、１回の加熱
・冷却サイクルで２回湿潤度分布を求められる。

【００３０】また、温度変化幅から湿潤度分布を求める
処理は、図５のように、最初の１回に限らず、１サイク
ル間で湿潤度分布の変化が無い（水位変化及び降雨がな
い）場合に随時行っておくと、安定した湿潤度分布を得
ることができる。

【００３１】湿潤度分布変化が１サイクル以上に亘って
生じている場合等では、複数サイクル前の温度分布デー
タとの差分を取ることにより、湿潤度分布変化、即ち湿
潤度分布を求める精度が向上する。１０サイクル前（２
０時間前) の温度分布データとの差分を今回の実験デー
タについて取った例を図６に示す。温度変化量がマイナ
スの値になっているのは、湿潤度が増加したことに対応
している。図６には、１０サイクル間に生じた湿潤度変
化による温度変化量分布が現れているので、１サイクル
間に生じた湿潤度変化による温度変化量分布を取った図
４に比べて、湿潤度変化がよくわかる。

【００３２】円筒型のセンサを構成する場合、図７のよ
うに、巻き付ける光ファイバケーブル４にヒータ線を内
蔵させず、円筒１１にヒータ１３を内蔵させることも可
能である。このようにすると、巻き付けるケーブルの外
径を小さくすることができるので、巻き付け直径や巻き
付けピッチを小さくでき、円筒型センサ１の外径を小さ
くしたり湿潤度分布測定の高さ方向距離分解能を向上さ
せることができる。また、円筒型センサ１から外部にで
ているリード部分の光ファイバケーブルを加熱しないの
で、不要な加熱部をなくして加熱電力を節約できる。

【００３３】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００３４】（１）あるサイクルでの温度分布測定デー
タとそれより前のサイクルでの温度分布測定データとを
演算することにより湿潤度分布を求めるようにしたの
で、従来のようにサイクルの終了を待たずに温度分布測
定と同時に湿潤度分布が得られる。

【００３５】（２）長手方向や高さ方向の湿潤度分布の
測定を従来よりも短い時間間隔で行うことができるよう
になり、河川水位の変化や降雨による堤防や河川敷の高
さ方向の湿潤度変化を速やかに把握でき、堤防の管理に
非常に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す湿潤度分布測定シス
テムのシステム構成図である。

【図２】本発明に好適な温度分布測定用光ファイバケー
ブルの断面図である。

【図３】本発明におけるヒータ制御と温度変化とを示す
時間波形図である。

【図４】本発明で得られる温度変化量の高さ方向分布を
測定時間順に示した三次元波形図である。

【図５】図１の湿潤度分布測定システムにおける処理の
流れ図である。

【図６】本発明で得られる温度変化量の高さ方向分布を
示す分布波形図である。

【図７】本発明に好適な湿潤度分布センサの構成図であ
る。

【図８】湿潤度分布センサの構成図である。

【図９】温度分布測定に使用する光ファイバケーブルの
断面図である。

【図１０】従来の湿潤度分布測定システムのシステム構
成図である。

【図１１】ヒータ制御と温度変化とを示す時間波形図で
ある。

【図１２】高さ方向の温度分布を示す分布波形図であ
る。

【図１３】湿潤度及び対応する温度変化幅の時間波形図
である。

【符号の説明】

１湿潤度分布センサ（センサ部）３湿潤度分布演算部４センサ用光ファイバケーブル６ヒータ制御回路２１光ファイバ温度分布測定装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本哲茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社オプトロシステム研究所内 (72)発明者菱田康之茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社オプトロシステム研究所内 (56)参考文献特開平９−113472（ＪＰ，Ａ) 特開平８−166365（ＪＰ，Ａ) 特開平７−55748（ＪＰ，Ａ) 特開平11−142281（ＪＰ，Ａ) 特開平８−4499（ＪＰ，Ａ) 特開平７−218354（ＪＰ，Ａ) 特開平６−307896（ＪＰ，Ａ) 特開平５−34196（ＪＰ，Ａ) 特開平８−14984（ＪＰ，Ａ) 特開平11−304738（ＪＰ，Ａ) 特公平５−23710（ＪＰ，Ｂ２) 特公昭57−50253（ＪＰ，Ｂ２) 特公平７−58310（ＪＰ，Ｂ２) 実公平７−23702（ＪＰ，Ｙ２) 登録実用新案3048784（ＪＰ，Ｕ) 特許2612812（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 25/00 - 25/72 G01J 5/00 - 5/62 G01K 11/00 - 11/32 G01N 33/00 - 33/46 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】河川の堤防や河川敷等の土壌内に光ファ
イバとヒータとを複合したセンサ部を埋設し、上記ヒー
タに発熱量制御回路を接続して加熱／停止のサイクルを
与えると共に上記光ファイバを光ファイバ温度分布測定
装置に接続して上記光ファイバに沿った土壌内の温度分
布を測定し、あるサイクルでの温度分布測定データとそ
れより前のサイクルでの温度分布測定データとを演算す
ることにより、上記センサ部に沿った土壌内の湿潤度分
布を求めることを特徴とする湿潤度分布測定方法。
【請求項２】あるサイクルでの温度分布測定データと
それより前のサイクルでの温度分布測定データとの差分
を用いて湿潤度分布を求めることを特徴とする請求項１
記載の湿潤度分布測定方法。
【請求項３】１サイクル中に複数回の温度分布測定を
行い、そのサイクルにおけるある回の温度分布測定デー
タとそれより前のサイクルにおける同じ回の温度分布測
定データとを演算して、その演算結果により前のサイク
ルで求めた湿潤度分布からの湿潤度変化分を検出して湿
潤度分布を更新することを特徴とする請求項１又は２記
載の湿潤度分布測定方法。
【請求項４】河川の水位を検出すると共に降雨の有無
を検出し、サイクル中に水位変化がなくかつ降雨がなか
ったサイクルではそのサイクルでの温度分布測定データ
のみから湿潤度分布を求め、水位変化又は降雨があった
サイクルでは、前記両サイクルでの温度分布測定データ
を用いた前記演算により湿潤度分布の更新を行うことを
特徴とする請求項１〜３いずれか記載の湿潤度分布測定
方法。