JP3772215B2

JP3772215B2 - 混合物質の導電率・抵抗率測定方法

Info

Publication number: JP3772215B2
Application number: JP2003139804A
Authority: JP
Inventors: 雅樹富永
Original assignee: 独立行政法人防災科学技術研究所
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2020-07-13
Also published as: JP2004077465A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電極棒を混合物質中に貫入して該混合物質の導電率・抵抗率の測定を行うための混合物質の導電率・抵抗率測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水の導電率は、水の中に溶け込んでいる汚濁物質が多いほど高くなるので、近年、環境保全への関心の高まりにより、水質汚濁の指標の一つとして、導電率の測定が広く行われるようになった。導電率は、物質中に含まれる不純物の濃度を反映するので、水質汚濁のみならず成分測定の分野でも応用が期待できる。
【０００３】
また、土壌の中に含まれている水分量や塩水量が多ければ土壌の導電率は高くなるので、例えば灌漑農業では灌水量の把握に、さらには、土砂災害では水分を含んだ土壌が脆弱化する状況の把握に、海岸地帯の耕作地では塩水侵入の把握に、乾燥地帯では過剰灌漑による土壌中の塩類集積の状況の把握などにも応用が期待できる。
【０００４】
導電率や、その逆数としての抵抗率の測定においては、２個の電極のみを用いて電流と電圧を同時に測定する方法と、４個の電極を一組として電流と電圧とを別々の電極で独立に測定する方法とがあるが、２個の電極のみを用いる方法では、電極と被測定物との間の接触電位差の影響が現れるのに対し、４個の電極を用いて電流と電圧と独立に測定する方法では、接触電位差の影響を除去することができる。
【０００５】
また、２個の電極のみで測定する方法では、２個の電極の間に存在する被測定物質の導電率・抵抗率の接触電位差を誤差として含む値しか反映しないが、４個の電極を一組とする測定方法では、地盤のように被測定物が広がっている場合などに、電極の配置の仕方で、広い範囲の導電率や抵抗率の値を反映させることができるので有利である。さらに、多くのセンサーを地盤の広がりに応じて設置し、広い範囲での導電率や抵抗率の分布や時間的変化などの状況を観測することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
地盤探査における比抵抗測定では、複数の電極を地表面に水平方向に配置して測定を行うが、灌漑農業での灌水量、土砂災害において水分を含んだ土壌が脆弱化する状況の把握、海岸地帯の耕作地への塩水侵入、乾燥地帯での過剰灌漑による土壌中の塩類集積の状況の把握などの目的のために測定を行うには、地盤の深度方向の水分量や塩分濃度の分布、時間的な変化が影響しているので、電極系を地中の深さ方向に設置しなければならない。
【０００７】
このために棒状体に電極を取り付けて埋設するが、深さ方向に多数の地点での測定を行うには、各電極に接続されている多数のケーブルの処理が問題だった。すなわち、電極棒の外壁に配線すれば、円筒状電極と周囲の土壌との接触が悪くなると同時に、土壌中の多数のケーブルの存在で、被測定物中の水分量や塩分濃度の分布や時間的な変化に影響を与えてしまうからである。また、野外での測定では、地中温度の日周変化により、導電率や抵抗率が大きく変化し、水分量や塩分濃度に正しく追従しないといった欠点があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、土壌や湖沼などの深部方向の導電率や抵抗率の分布や時間的変化を容易に測定できるようにするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そのために本発明は、電極棒を混合物質中に貫入して該混合物質の導電率・抵抗率の測定を行うための混合物質の導電率・抵抗率測定方法であって、
円筒の１端を円錐状にした先端部と、前記先端部の外径ｄ１の円筒の他端に一体に前記外径ｄ１より小さい外径ｄ２に形成した内筒部と、前記内筒部と同じ外径ｄ２の連結内筒部の１端に外径ｄ２の前記内筒部の外周に嵌挿される内径を有する前記内筒部との連結部を一体に形成した連結用筒部と、前記内筒部又は前記連結内筒部の外周に嵌挿される複数の環状スペーサと、前記スペーサを挟んで前記内筒部又は前記連結内筒部の外周に嵌挿される複数の環状電極とを備えると共に、前記内筒部及び前記連結内筒部の壁面にケーブル引き込み孔を設けた電極棒を用い、
前記ケーブル引き込み孔から前記複数の環状電極にケーブルを引き込み、４個の前記環状電極を一組として前記一組の環状電極の中央に位置するスペーサの外周面に前記混合物質の温度係数に近い温度係数の抵抗を取り付け、前記一組の環状電極のうちの２つの電極間に前記抵抗を直列に接続して交流電流を流し、前記抵抗の両端の電圧により電流の測定を行い、他の２つの電極間の電位差の測定を行って、前記電流の値と電位差の値と所定の係数との演算により導電率・抵抗率を求めるようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る混合物質の導電率・抵抗率測定方法の実施の形態を説明するための図であり、１は先端部、２は内筒部、３はケーブル引き込み孔、４は中空部、５は環状電極、６、７はスペーサ、８は電流測定用抵抗の取付部、９は連結用筒部、１０は連結内筒部を示す。
【００１２】
図１において、先端部１は、電極棒を地中あるいは水中の深度方向に貫入するときの先端になる部分で、円筒部の一端を円錐状にすることにより、地表面から貫入するときの地盤などからの抗力を低減している。内筒部２は、円筒部の他端にその外径ｄ１よりも肉厚分だけ小さい外径ｄ２で一体化され、壁面の一部にケーブル引き込み孔３を有するものである。連結用筒部９は、内筒部２と同じ外径ｄ２の連結内筒部１０の１端にその外径ｄ２に対応する内径の連結部を一体に形成したもの、つまり先端部１の円筒部と同じ連結部を一体化し、内筒部２、連結内筒部１０を相互にほぼ隙間なく嵌挿して、複数段に連結できるようにしたものである。また、連結用筒部９の連結内筒部１０の壁面の一部にも内筒部２と同様のケーブル引き込み孔３を有する。環状電極５及びスペーサ６、スペーサ７は、内径が内筒部２、連結内筒部１０の外径に対応して、その外周にほぼ隙間なく嵌挿するものであり、スペーサ６は、内筒部２、連結内筒部１０に嵌挿する環状電極５を短い間隔で固定し、スペーサ７は、内筒部２、連結内筒部１０に嵌挿する環状電極５を長い間隔で固定すると共に電流測定用抵抗の取付部８を有するものである。
【００１３】
次に、上記それぞれの部材を用いて組み立てられる混合物質の導電率・抵抗率測定用電極について説明する。まず、先端部１の内筒部２に中空部４側から環状電極５、スペーサ６、環状電極５をセットとして順に嵌挿する。次に、スペーサ７を嵌挿する。そして、環状電極５、スペーサ６、環状電極５をセットとして順に嵌挿し、その上に連結用筒部９を嵌挿する。以上により４個の環状電極５がスペーサ６、７、６を挟んで内筒部２に固定される。このとき、４個の環状電極５及びスペーサ７の電流測定用抵抗の取付部８に取り付けられる電流測定用抵抗の配線は、ケーブル引き込み孔３、中空部４の空間を使って引き出される。
【００１４】
さらに、環状電極５を多段に取り付ける場合には、上記と同様に連結内筒部１０に対して、環状電極５、スペーサ６、環状電極５、スペーサ７、環状電極５、スペーサ６、環状電極５、連結用筒部９を順に嵌挿し、これを繰り返すことにより、段数を増やすことができる。
【００１５】
環状電極５は、外周に突起を付けることにより、地中設置時に周囲の地盤との接触状態を良好に保つようにすることができ、環状電極５とスペーサ６、７、連結用筒部９によって決まる電極間隔で電極系固有の電極定数が決定される。また、連結用筒部９は、４個の電極系を１組とした場合に、１組の電極系と隣接する別の電極系との間隔を決めるものであり、地中深部方向の目的の深さに電極系が設置されるように、任意の長さに決めることができる。したがって、スペーサ６、７、連結用筒部９は、複数種類の長さのものを用意することにより、それぞれ目的に応じた電極間隔を選択することができる。
【００１６】
各環状電極５及び電流測定用抵抗から引き込まれたケーブルは中空部４を通って電極棒の他端（地中に設置した場合は上端部になる）から引き出される。上記のように混合物質の導電率・抵抗率測定用の電極棒として作成する場合、各部分を組み立てるごとに、内部に絶縁材料を充填することによって、被測定物質が液体の場合でも、回路が短絡しないようにする配慮は勿論必要なことである。
【００１７】
次に、上記電極棒を用いた導電率測定について説明する。まず、先端部１を地中深度方向に向けて貫入し設置すると、電極棒を設置した段階で、４個の電極を１組とする複数の電極系が地中各部の、定まった深度に固定される。ケーブルは、電極棒の中空部を通って地表に引き出されるから、地中では電極棒の周囲は一様に土壌と接触しており、電極棒の存在は、降雨水の浸透や塩水侵入による地盤各部での導電率や抵抗率の変動現象に影響を与えない。また、環状電極の表面には小さい突起を有することにより、周囲の土壌との接触が保たれている。しかも、それぞれの組の電極系は、同一の形状と間隔であるから、電極定数は同一である。したがって、電極棒に取り付けられた複数の電極系を、順次切り替えながら、導電率や抵抗率の測定を行うことにより、地中深度方向の導電率の分布を観測することができる。
【００１８】
図２は４個の電極を１組とする３段の電極棒を地中に埋設した例を示す図であり、１１〜１４は環状電極、１５は先端部、１６は電流測定用抵抗、１７は地表面である。図２において、地表面１７から地中に貫入した環状電極１１〜１４を組とする４個の電極を用いて、導電率あるいは抵抗率を測定する場合には、環状電極１１と１４から地中に電流を印加し、地中に電流界を形成させ、環状電極１２、１３間の電位差を測定し、印加電流と電位差との比、あるいはその逆数として導電率あるいは抵抗率が求められる。なお、環状電極１１〜１４は、図１の環状電極５に対応し、環状電極１１と１２、１３と１４の間は、図１のスペーサ６に対応し、環状電極１２と１３の間は、図１のスペーサ７に相当し、環状電極１１と１４の間は、連結用筒部９に対応し、先端部１５は、図１の先端部１に相当する。
【００１９】
被測定物として、土壌中の塩分濃度や水分量、あるいは湖沼水の汚濁度などのように、対象物が屋外に広がっているような場合、被測定物の導電率は、外気温の日周変化などの影響を受ける。このような場合の導電率は、次の〔数１〕のように表現される。
【００２０】
【数１】

【００２１】
〔数１〕において、σは被測定物の導電率、ρは被測定物の抵抗率、θは被測定物の温度、αは被測定物の抵抗温度係数、ρ₀はθ＝０のときの抵抗率である。したがって、環状電極１２、１３間の電位差は、次の〔数２〕のように表される。
【００２２】
【数２】

【００２３】
〔数２〕において、ｖ_pは測定された電圧、ｋ_pは電極系の配置や形状で決まる係数、ｉは印加電流である。環状電極１１、１４からの印加電流を測定するために、環状電極１１、１４の回路に直列に電流測定用抵抗１６を挿入すれば、その両端の電圧は印加電流に比例したものになる。電流測定用抵抗１６は、電極棒の表面に、被測定物と接して取り付けられているから、被測定物と同じ温度変化の影響を受ける。印加電流の大きさは次の〔数３〕で表される。
【００２４】
【数３】

【００２５】
〔数３〕において、ｖ_cは電流測定用抵抗の両端での電位差、Ｒ₀はθ＝０での抵抗値、βはＲの抵抗温度係数である。本発明では、電流測定用抵抗１６を、被測定物に接するように、電極棒の表面かつ４個の電極系の中央部に設置しているので、〔数３〕におけるθは〔数２〕における被測定物の中のα、θと同じと考えてよい。従って、被測定物の導電率は、〔数２〕、〔数３〕との比に比例するから、α＝βの場合には、
【００２６】
【数４】

【００２７】
となる。〔数４〕で、ｋσは比例定数、ｋはｋ＝ｋσ／ｋ_pとなる定数である。〔数４〕より、求められたσは、被測定物の温度変化の項は含まれず、被測定物の導電率のみに比例した値となる。この場合、抵抗の温度係数が被測定物質の温度特性と完全に一致しなくても、それに近い特性であればそれだけ温度変化の影響が軽減されることはいうまでもない。
【００２８】
図３は各種形状の４個の環状電極からなる混合物質の導電率・抵抗率測定用電極棒の他の実施の形態を示す図であり、２１、２４は電流印加電極、２２、２３は電位差測定電極、２５は電流測定用抵抗、２６〜２８は環状電極の平面形状を示す。
【００２９】
４電極系においては、図３に示す電位差測定電極２２、２３の間隔ａ、電流印加電極２１、２４の間隔ｂを広くすれば、測定された導電率や抵抗率に、被測定物の広い範囲にわたる影響が反映される。一方、これらの間隔を狭くすれば、局部的な測定が行える。したがって、例えば広大な野外地盤での平面的な分布の測定を行う場合には、電極間隔ａ、ｂを広く設定して、代表的な値を測定することができる。他方、深度方向の水分量の変化などを測定に反映させたい場合には、電極間隔ａ、ｂを狭く設定して、４電極を１組とする電極系を多数設置すれば、深度方向の細かな分布が観測できる。
【００３０】
また、環状電極は、電極棒の直径が大きく、中心線方向の幅が広い場合には、周囲の被測定物との接触を良好に保ことができるので、環状電極２６の形状でもよい。しかし、導電率の変化を細かい間隔で測定したい場合には、電極棒、環状電極、電極間隔を小さくする必要があるので、設置の状況によっては、被測定物との接触状態が悪くなる場合がある。このような場合には、環状電極２７、２８のように突起をつければ、よい接触状態を保ことができる。電極形状の違いによる測定値の変化は、〔数４〕の係数ｋによって較正することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、外形が丸棒状であるので、野外地盤での設置が簡単であり、４個の電極を一組とし、一対を電流印加電極、他の一対を電圧測定電極とするので、電圧測定電極と被測定物と間の接触抵抗の影響を受けない測定が行える。したがって、一旦設置すると、その後の点検等が不要であり、メンテナンスに要する負担を軽減することができる。しかも、電極材料としての特別な制約がないので、黄銅などの安価で丈夫な材料が、スペーサとしては塩化ビニール管等の安価で丈夫な材料が使用でき、頑丈である。
【００３２】
また、電流測定抵抗を電極棒に内蔵させることにより、被測定物の導電率の温度変化による影響を除去あるいは軽減できる。特に、多数の電極系を被測定物中に埋設して、水分量などの地中への深さ方向と面的な広がり方向での、長期間にわたる時間変動を観測する場合には、被測定物の温度変化の影響が軽減され、かつ、被測定物中の着目する成分以外の密度や構成成分が変化しないので、正確な変動を観測することができる。
【００３３】
例えば長期にわたって観測しなければならないような、灌漑農業での灌水量の監視、土砂災害において水分を含んだ土壌が脆弱する状況の把握、海岸地帯の耕作地への塩水侵入観測、乾燥地帯での過剰灌漑による土壌中の塩類集積の状況の把握等の分野は、本発明のもっとも効果の期待できる応用分野である。
【００３４】
さらに、４個の電極を一組として、必要なだけ、任意の間隔で多数の測定点を設けることができ、深さ方向に複数組の電極系を持つ電極棒を、平面場に多数配置して、各センサを切り替えながら測定を行えるので、広い範囲における、地盤中の３次元測定が行える。しかも、本発明では、深さ方向の観測点を切り替えながら、測定を行う事ができるので、測定器としては１台が必要になるのみである。多数の観測点をスキャンする方法では、アナログ信号の測定を１つの機器で行うので、各測定点間での測定値の、機器による誤差がばらつかない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る混合物質の導電率・抵抗率測定方法の実施の形態を説明するための図である。
【図２】４個の電極を１組とする３段の電極棒を地中に埋設した例を示す図である。
【図３】各種形状の４個の環状電極からなる混合物質の導電率・抵抗率測定用電極棒の他の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１…先端部、２…内筒部、３…ケーブル引き込み孔、４…中空部、５…環状電極、６、７…スペーサ、８…電流測定用抵抗の取付部、９…連結用筒部、１０…連結内筒部

Claims

電極棒を混合物質中に貫入して該混合物質の導電率・抵抗率の測定を行うための混合物質の導電率・抵抗率測定方法であって、
円筒の１端を円錐状にした先端部と、前記先端部の外径ｄ１の円筒の他端に一体に前記外径ｄ１より小さい外径ｄ２に形成した内筒部と、前記内筒部と同じ外径ｄ２の連結内筒部の１端に外径ｄ２の前記内筒部の外周に嵌挿される内径を有する前記内筒部との連結部を一体に形成した連結用筒部と、前記内筒部又は前記連結内筒部の外周に嵌挿される複数の環状スペーサと、前記スペーサを挟んで前記内筒部又は前記連結内筒部の外周に嵌挿される複数の環状電極とを備えると共に、前記内筒部及び前記連結内筒部の壁面にケーブル引き込み孔を設けた電極棒を用い、
前記ケーブル引き込み孔から前記複数の環状電極にケーブルを引き込み、４個の前記環状電極を一組として前記一組の環状電極の中央に位置するスペーサの外周面に前記混合物質の温度係数に近い温度係数の抵抗を取り付け、前記一組の環状電極のうちの２つの電極間に前記抵抗を直列に接続して交流電流を流し、前記抵抗の両端の電圧により電流の測定を行い、他の２つの電極間の電位差の測定を行って、前記電流の値と電位差の値と所定の係数との演算により導電率・抵抗率を求めるようにしたことを特徴とする混合物質の導電率・抵抗率測定方法。