JP3600217B2

JP3600217B2 - 植物の電気接地抵抗の測定方法

Info

Publication number: JP3600217B2
Application number: JP2002047778A
Authority: JP
Inventors: 逸雄山浦; 征雄矢嶋; 京子田中; 清治石田
Original assignee: Shin Nippon Air Technologies Co Ltd
Current assignee: Shin Nippon Air Technologies Co Ltd
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2022-02-25
Also published as: JP2003245015A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹木の健全度を評価するための手法として提案される、植物の根と大地との電気接地抵抗の測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
植物の生長は根の発達とともにあるので、根の張り具合を根を掘り起こさずに知ることができれば、緑化研究や樹木医の植物生長判断などの樹木健全性診断方法として役立てることができる。
【０００３】
かかる目的を達成すべく本出願人は、特開平11-332377号公報において、大地と植物の根との間の電気抵抗の測定方法（以下、従来法という。）を提案した。
【０００４】
具体的には、図５および図６に示されるように、樹木１２の幹１２ａの地表から離間した位置に通電用主電極Ｔを取り付け、前記樹木１２から十分離間した位置において、大地１４に通電用補助電極Ｃを設置し、前記幹１２ａの地表近傍に電位測定用第１電極Ｅを取り付け、前記樹木１２と通電用補助電極Ｃとの間の大地１４の電位分布を求めて、電位分布が平坦となる領域に第２電圧測定電極Ｐを設置した後、前記通電用主電極Ｔと通電用補助電極Ｃとの間に前記樹木１２を通って大地１４を流れる電流ｉを通電させ、前記電位測定用第１電極Ｅと電位測定用第２電極Ｐとの間の電位差を測定し、この電位差を前記電流ｉで除することにより樹木の根１２ｂの接地抵抗を求めるというものである。
【０００５】
この方法によれば、電位測定回路に電流を流す必要がないため、植物の茎や幹に取り付ける電極と当該茎や幹との間の電極抵抗に影響されずに、大地と植物の根との間の電気抵抗を正確に測定できるようになる。従って、この電気抵抗をもって植物の根の張り具合や、植えられた土地の土質や、土壌水分（湿度）や、大地と根との親和性等、植物の生育状況に大きな影響を与える要因を簡単に判断できるようになり、これらを基に植物自体の生育状況を大地を掘り起こさず的確に判断することができるようになる。
【０００６】
一方、前記植物に取り付ける電極には通常、裁縫用の針や木工用ステンレス製釘が用いられるが、これらを植物に刺入すると、植物に多かれ少なかれダメージを与えるのは避けられない。特に若い植物体に対しては、このような金属物質の刺入は今後の生長に影響を与えるので好ましくない。また、表皮に傷跡を残すので、観賞用植物に対してはその価値を著しく下げることになる。さらに、天然記念物や観光資源の樹木に対してはもちろんのこと、これらの樹木は多くの場合、老木であるため、腐朽菌が侵入する機会を与えることになるので、生傷を付けるような行為は避けたいところである。以上のような理由から、植物体に電極を刺入する方法以外の、植物に影響を及ぼさない電極設置方法が強く望まれていた。
【０００７】
電極を植物に刺入しない電極設置方法の一つの例として、前記特開平11-332377号公報では、樹木の外周面に電気的絶縁性を有するシート材料を巻き、その上から金属ベルト、アルミ箔等の導電性帯状体を巻き付け、容量結合によって電気的結合を図る方法が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した植物根の電気接地抵抗の測定方法においては、通電用電極を樹木の上方側に取り付け、電圧測定電極を樹木の地表近傍に取り付けて接地抵抗を測定しているため、樹木がまだ初期生長段階で小さかったり、生長しても元々小さい、或いは幹や茎が細い種類の樹木の場合には、前記通電用電極から根元までの電気抵抗、すなわち樹木の茎や幹自体の電気抵抗が非常に高いので、測定に適した量の電流を流すことが困難であった。
【０００９】
この場合、前記通電用電極を根元近くに取り付ければ、幹や茎の部分における抵抗が少なくなるので、測定電流を増やすことができるが、地表付近の幹等の周りの電位分布の変動が大きくなるので、電位測定用電極の取付位置によって測定結果が大幅に変動し測定誤差が大きくなってしまう問題があった。
【００１０】
さらに、通電用電極が樹木の上方に位置し、根元の電位測定用電極との間の抵抗が高くなると、通電用電極へ電流を供給する回路系と電位測定用回路系との間の漂流容量による影響が無視できなくなり、測定誤差が大きくなるなどの問題もあった。
【００１１】
一方、電極の設置方法に係り、前記した金属ベルト等の導電性帯状体を樹木に巻く方法の場合、樹木の幹や茎が細い場合は、測定に用いる電源の周波数が数kHz以内であることと、巻き付ける金属ベルトの接触面積に限界があること等からコンデンサを形成する電極のインピーダンスを十分低くすることができず、測定に十分な電流を流すことができない場合が多かった。
【００１２】
ところで、電極と樹木との電気的結合には、前記容量的結合の他、導電的結合が考えられる。しかし、樹木の表皮は植物体内組織の抵抗率よりもはるかに高い抵抗率を持つため、前記金属ベルトを単に樹木の表皮に接触させただけでは電極としての植物体との導電的結合を図るには不十分である。この際、一般的に導電性物質と被測定物との導電的な結合を図るため、電極ペーストを両者間に塗布して電気的結合を密にすることも多用されているが、これだけでは植物根の接地抵抗測定のような目的の場合は、電極での抵抗が依然として大きく、電気的結合が不十分であることが多い。
【００１３】
そこで、本発明の第１の課題は、植物の茎又は幹に設置される電極の電極抵抗の影響を除外することに加え、植物の茎又は幹自体の電気抵抗の影響を除外して電気接地抵抗の測定を可能とした植物の電気接地抵抗の測定方法を提供することにある。
【００１４】
第２の課題は、更に植物の茎や幹に対して全く損傷を与えず電極を植物に設置可能とすることにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために請求項１に係る発明として、大地に根ざした植物体の地表近傍に通電用主電極を取り付けるとともに、前記植物体から離間した大地に通電用補助電極を設置し、
前記植物体の前記通電用主電極より上方側位置に電位測定用第１電極を取り付けるとともに、前記植物体と前記通電用補助電極との間の大地に電位測定用第２電極を設置し、
前記通電用主電極と前記補助電極との間に前記植物体の根を経由して大地に流れる測定用電流を通電させ、前記電位測定用第１電極と前記電位測定用第２電極との間の電位差を測定し、この測定電位差を前記測定用電流の電流値で除することにより前記植物体の根と大地との電気抵抗を求めることを特徴とする植物の電気接地抵抗の測定方法が提供される。
【００１６】
前述した従来法の測定原理は、抵抗体の４電極測定法と大地に対する設置電極の接地抵抗測定法の組み合わせによっている。この４電極測定法では、測定のために電流を流す１対の通電用電極と、被測定体に流れた電流によって生じる電位差を測定するため１対の測定用電極との合計２対で４つの電極が使用される。通常、この４電極法によって抵抗体の抵抗を測定するとき、電位差測定端子は電流の流れている部分、即ち１対の通電用電極の回路の中に取り付けて電位差を測定する。そして、測定された電位差を通電用電極から流した電流で除すると、電圧測定用電極を配置した間の抵抗体の電気抵抗値が得られることになる。この測定方法の大きな特徴は、植物の茎又は幹に設置される電極の電極抵抗の影響を除外することができる点である。
【００１７】
しかし、植物の茎や幹自体の電気抵抗が大きい場合、即ち樹木がまだ初期生長段階で小さかったり、生長しても元々小さい、或いは幹や茎が細い種類の樹木の場合には、前記通電用電極から根元までの電気抵抗、すなわち樹木の茎や幹自体の電気抵抗が非常に高いので、測定に適した量の電流を流すことが困難になる。
【００１８】
仮に、植物の茎や幹自体の電気抵抗の影響を軽減するため、前記茎や幹の上方に取り付けている通電用電極を地表レベル近傍に設置するようにすれば、茎や幹自体の電気抵抗を最小化することができるようになるが、この場合は植物の根本に設置する電位測定用電極と近接することになり、その近接効果によって電位差の測定結果に大きな誤差が生じることになる。
【００１９】
そこで本発明では、前記地表レベル近傍に設置する通電用電極の上方側には電流が流れていないこと、およびその部分の電位は本来植物の根本と等電位であることに着眼し、電位測定用電極を通電用電極の近接効果を受けない程度に、茎や幹の上方側位置に取り付ければ、茎や幹自体の電気抵抗の影響を受けないで植物の根と大地との電気接地抵抗が計測可能になるとの発想から本願発明に至った。
【００２０】
具体的には、請求項２に係る発明に記載されるように、前記通電用主電極は、地表面から０〜５cmの植物体位置に取付け、前記電位測定用第１電極は前記通電用主電極取付位置より上方側位置であってかつ地表面から１〜２００cmの植物体位置に取付けるようにするのが望ましい。
【００２１】
一方、上記第２課題を解決するために請求項３に係る発明として、前記通電用主電極および前記電位測定用第１電極は、フェルト状金属繊維からなり植物体に巻き付けるようにして取り付ける帯状電極とし、植物体の表面と前記帯状電極との間に導電性を有する水溶性粘性物質を介在させてある請求項１、２いずれかに記載の植物の電気接地抵抗の測定方法が提供される。
【００２２】
上記請求項３に係る発明においては、前記通電用主電極および前記電位測定用第１電極として、金属繊維よりなるフェルト状帯電極を用い、植物体との間に導電性を有する水溶性粘性物質を充填するようにした。その結果、植物の茎や幹に対して全く損傷を与えることなく、電極と植物体とを導電的に結合できるようになる。
【００２３】
前記水溶性粘性物質としては、例えばグリセリン、ソニコート、ソノゼリー、ポリビニルアルコールのいずれかを主成分とするゼリー状物質が好適に用いられる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
【００２５】
図１は樹木１を対象とし本発明に係る電気接地抵抗の測定要領図、図２はその等価回路図である。
【００２６】
大地２に根１ｂを根ざした樹木１の幹１ａの地表面近傍位置、具体的には地表面から０〜５cm、好ましくは０〜３cm、より好ましくは０〜１cmの位置に通電用主電極Ｔを取り付けるとともに、前記樹木１から十分に離間した大地に通電用補助電極Ｃを挿入設置する。前記両電極Ｔ，Ｃの回路中には交流電源３、電流計４が設けられる。
【００２７】
一方、幹１ａの前記通電用主電極Ｔの取付位置の上方位置であって、かつ地表面から１〜２００cm、好ましくは１〜１５０cmの位置に電位測定用第１電極Ｅを取り付けるとともに、前記樹木１と通電用補助電極Ｃとの間の大地２に電位測定用第２電極Ｐを挿入設置する。これら両電極Ｅ，Ｐの回路中には電圧計６が備えられている。上記測定回路の等価回路は図２に示されるものとなる。
【００２８】
本来、電気接地抵抗は、無限遠地点に対する対象電極の電位をその電極に流れ込む電流で除したものと定義される。しかし、実際には無限遠方に対して測定することはできないので、前記通電用電極Ｔ、Ｃ間の電圧分布における平坦部が無限遠の電位分布に近似していると考え、このフラットな部分に電位測定用電極Ｐを設置し、電極Ｔ、Ｐ間の電圧を測定するようにする。
【００２９】
従って、前記電位測定用第２電極Ｐの設置位置の決定に当たっては、図３(a)に示されるように、測定対象の樹木の近傍に通電を兼用する第１の電圧測定電極１０を設置するとともに、ここから十分離れた大地に電流用補助電極１２を設置する。次に、前記第１の電圧測定電極１０と電流用補助電極１２との間に交流電源１３から所定の交流電圧ｅを印加する。そして、第２の電圧測定電極１１を、前記第１の電圧測定電極１０と電流用補助電極１２との間を移動させながら順に設置し、第１の電圧測定電極１０と第２の電圧測定電極１１との間の電圧値exを測定して、第１の電圧測定電極１０と電流用補助電極１２との間の電位分布を求め、電圧分布がフラット（平坦）となる領域Ｂを探し、この電位分布が平坦となる位置に前記電位測定用第２電極Ｐを設置するようにする。なお、電位分布の測定は、図１に示される計測回路により、電位測定用第２電極Ｐを順に移動させながら電圧測定を行い電位分布を測定してもよい。この方法では、実際に通電用主電極Ｔが取り付けられた樹木１に電流を流して電位分布を求めるので、実際の測定回路に即した電位分布が求められる。なお、過去の実験等から前記通電用補助電極Ｃは樹木から２０ｍ程離れた位置とし、そのほぼ中央点位置（樹木から約１０ｍ程度の位置）に前記電位測定用第２電極Ｐを設置すればよいことが分かっている。
【００３０】
前記根１ｂの電気接地抵抗の測定を行うには、図２において、前記交流電源３より交流電圧ｅを印加して、電流回路５に一定の測定電流ｉを流す。そして、前記電位測定用第１電極Ｅと電位測定用第２電極Ｐとの間の電位差ｅ_ｘを電圧計６で測定する。図２の等価回路から分かるように、測定用電流（好ましくは定電流）が流れる通電用回路の外側に、樹木１に設置される電位測定用第１電極Ｅの電極抵抗ＲeEと、電位測定用第２電極Ｐの電極抵抗Ｒ ep 、および樹木１の幹自体の電気抵抗Ｒｔとが存在するが、電圧計６の内部抵抗は極めて高いので、これら電極抵抗ＲeE、電極抵抗Ｒ ep 、電気抵抗Ｒtにはほとんど電流が流れないため、樹木１の幹１ａは、図２の等価回路中、Ｒ r とＲ eT の接続部の電位と等電位になる。従って、植物の茎又は幹に設置される電極の電極抵抗の影響を除外できることに加え、樹木１の幹１ａ自体の電気抵抗の影響を除外して電位差ｅ_ｘを測定できるようになる。この計測された電位差ｅｘを測定電流ｉで除することにより、樹木１の根１ｂと大地２との電気接地抵抗Ｒrを求めることができるようになる。なお、ここでは植物１の根１ｂと大地２との電気抵抗は、等価回路で示すように純抵抗として求めたが、植物の根と大地との間には容量（キャパシタンス）による結合も存在することが考えられるとともに、根の組織自身にも容量が存在することが知られている。このような場合は、測定電流ｉと電位差ｅ_ｘの位相も併せて測定し、樹木の根と大地との間の電気抵抗を複素インピーダンスの形で求めるようにする。このように本願でいう電気抵抗は、純抵抗および複素インピーダンスを含む概念である。
【００３１】
ところで、前記樹木１に取り付ける通電用主電極Ｔ及び電位測定用第１電極Ｅは、図４に示されるように、フェルト状の金属繊維よりなる帯状電極を使用し、幹１ａに巻き付けるようにして設置するとともに、前記帯状電極Ｔ、Ｅと幹１ａとの間には、導電性を有するゼリー状の水溶性粘性物質を充填させるようにするのが望ましい。
【００３２】
前記フェルト状の金属繊維としては、例えば調理器具や金属を磨くために市販されているスチールウールが好適に用いられる。一般にスチールウールは、繊維の横断面は円形ではなく方形（板形）をなしており、その角は汚れを落とし易いように鋭利に加工されている。したがって、幹１ａの表皮に当接させたときの接触性は横断面が円形の繊維より優れ、表皮との電気伝導性も増す。さらに、仮に金属プレートからなるベルト状電極を樹木の表皮に押し付けても、表皮は平坦ではないため、実際に接触している部分は僅かであるが、フェルト状の金属繊維よりなるものを巻きつければ、電極全体の接触面積は著しく増し、電極の接触抵抗が低くなる。
【００３３】
しかし、表皮の抵抗は内部組織に比してかなり高いため、樹木との十分な導電的結合を図るにはまだ不十分である。そこで、前述の水溶性粘性物質を介在させると、表皮中に水溶性粘性物質の水分が染み込み、表皮の抵抗を低くすることができ、かつ金属繊維が表皮と接触していないところがあっても、当該箇所が水溶性粘性物質により満たされるため、その導電性により表皮全面を通じて導電的結合を図ることができ、所望の電気的結合を得ることができる。
【００３４】
前記水溶性粘性物質としては、超音波診断用として生体と探触子との間の音響学的結合を図るために、商品名「超音波ゼリー」として市販されているグリセリンを主成分とする粘性物質や、超音波探査において被測定体との接触媒質として使用されるソニコート、ソノゼリー（商品名〔東芝医療用品株式会社製〕）などの水溶性粘性物質を好適に用いることができる。前記水溶性粘性物質としてはその他に、事務用品として市販されているポリビニルアルコールを主成分とする合成糊や、ポリビニルアルコール水溶液単体で用いてもよい。
【００３５】
ところで、導電性を有する物質として、前記水溶性粘性物質の代わりに食塩水や水単体を使用することも考えられるが、これらは粘性を有しないため樹木の表皮に液体が流れ出し、対象外部材の表皮表面を濡らすため測定電流の漏洩が起こり正確な測定を困難にする。また、食塩水は測定後に樹木表皮の洗浄を行った際、根本の地面にしみ込んでしまうことが避けられず、植物の生長に対して好ましくない影響を与えるため使用は避けるべきである。更に、生体との電気的結合を図る電極ペーストも考えられるが、電極ペーストは多くの場合、導電性を高めるために電解質が含まれており、食塩水と同様に洗浄後の問題を残すので好ましくない。
【００３６】
以上、本形態例では植物体の一例として樹木１を対象とした場合について説明したが、樹木以外の植物であっても、本発明は同様に適用可能である。
【００３７】
【実施例】
本発明に係る測定方法の具体的な効果を確認すべく、従来例に係る方法との比較実験を行った。
【００３８】
条件は、測定電圧５Ｖ、測定周波数５７５Hzで統一し、測定対象としては径の太いケヤキ、径の細いケナフを用いた。その結果は以下の通りである。
【００３９】
１．径の太いケヤキの測定データ
・測定植物体ケヤキ樹齢９０年高さ１８ｍ
・幹の半径３３．８cm（地表において）
・植物体上方に取り付ける電極の地上高１ｍ
1)従来法に係る方法による測定結果
接地抵抗２６．７Ω
通電電流１．２３mA
測定回路全体の抵抗４．０６５kΩ
2)本発明に係る方法による測定結果
接地抵抗２６．７Ω
通電電流５．８２mA
測定回路全体の抵抗８５９Ω
２．径の細い植物体の測定データ
・測定植物体ケナフ発芽後２ヶ月９日高さ１．１３ｍ
・茎の半径０．５cm（地表において）
・植物体上方に取り付ける電極の地上高０．４ｍ
1)従来法に係る方法による測定結果
接地抵抗１１．３kΩ
通電電流０．０２３mA
測定回路全体の抵抗２１７．４kΩ
2)本発明に係る方法による測定結果
接地抵抗１１．２kΩ
通電電流０．３８０mA
測定回路全体の抵抗１３．２kΩ
上記測定結果から、径の太いケヤキの場合であれば、従来法の場合であっても、測定電流が1.23mAであり、十分な感度で電位差を計測することが可能である。
【００４０】
しかし、径の細いケナフの場合には、従来法では測定回路全体の抵抗が217.4kΩとなり、本発明法の13.2kΩに比べて著しく高くなっている。従来法の抵抗が高いのはほとんどが細い茎の部分の抵抗によるものである。測定回路全体の抵抗が高いため測定電流は僅か0.023mAである。この感度レベルは電磁ノイズや誘導電流の影響のため測定可能な限界レベルである。本測定では測定器のアバレージングを１６回にセットしたことにより、かろうじて計測が可能であった。
【００４１】
これに対して、本発明法の場合は、ケナフの茎の部分には電流を流さず茎の根本から電流を流し込んでいるため、測定回路全体の抵抗を極めて小さくできる。その結果、測定電流は0.38mAとなり十分な感度レベルで測定が可能となっている。この事は逆に言えば、測定信号電圧をもっと低くして測定が可能であることを意味する。測定信号電圧を低くできるということは、装置的に余裕を与えることはもちろんであるが、植物にとっても、余計な負担（ストレス）を与えずに済むことになる。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳説のとおり本発明によれば、植物の茎又は幹に設置される電極の電極抵抗の影響を除外することに加えて、植物の茎又は幹自体の電気抵抗の影響を除外して電気接地抵抗の測定を行うことができるようになる。その結果、例え茎や幹の径が細く電気抵抗が大きい植物であっても高感度かつ低測定電圧で計測できるようになる。
【００４３】
植物に設ける電極に関しては、フェルト状金属繊維からなる帯状電極とし、植物体の表面と前記帯状電極との間に導電性を有する水溶性粘性物質を介在させるようにした。その結果、植物に対して全く損傷を与えずに計測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】樹木１を対象とし本発明に係る電気接地抵抗の測定要領図である。
【図２】その等価回路を示す図である。
【図３】(a)は大地の電位分布の測定要領図、(b)は電位分布測定結果を示すグラフである。
【図４】通電用主電極Ｔ及び電位測定用第１電極Ｅの樹木１への取付状態を示す図である。
【図５】従来法に係る電気接地抵抗測定要領図である。
【図６】その等価回路図である。
【符号の説明】
１…樹木、１ａ…幹、１ｂ…根、２…大地、３…交流電源、４…電流計、５…電流回路、６…電圧計、７…電位測定回路、Ｔ…通電用主電極、Ｃ…通電用補助電極、Ｅ…電位測定用第１電極、Ｐ…電位測定用第２電極

Claims

大地に根ざした植物体の地表近傍に通電用主電極を取り付けるとともに、前記植物体から離間した大地に通電用補助電極を設置し、
前記植物体の前記通電用主電極より上方側位置に電位測定用第１電極を取り付けるとともに、前記植物体と前記通電用補助電極との間の大地に電位測定用第２電極を設置し、
前記通電用主電極と前記補助電極との間に前記植物体の根を経由して大地に流れる測定用電流を通電させ、前記電位測定用第１電極と前記電位測定用第２電極との間の電位差を測定し、この測定電位差を前記測定用電流の電流値で除することにより前記植物体の根と大地との電気抵抗を求めることを特徴とする植物の電気接地抵抗の測定方法。
前記通電用主電極は、地表面から０〜５cmの植物体位置に取付け、前記電位測定用第１電極は前記通電用主電極取付位置より上方側位置であってかつ地表面から１〜２００cmの植物体位置に取付けるようにしてある請求項１記載の植物の電気接地抵抗の測定方法。
前記通電用主電極および前記電位測定用第１電極は、フェルト状金属繊維からなり植物体に巻き付けるようにして取り付ける帯状電極とし、植物体の表面と前記帯状電極との間に導電性を有する水溶性粘性物質を介在させてある請求項１、２いずれかに記載の植物の電気接地抵抗の測定方法。
前記水溶性粘性物質は、グリセリン、ソニコート、ソノゼリー、ポリビニルアルコールのいずれかを主成分とするものである請求項１〜３いずれかに記載の植物の電気接地抵抗の測定方法。