JP4194179B2 - 特性測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波等の電磁波の損失を利用して被測定物の含水率、イオン含有率、水分吸引圧値、電導度等の特性を測定する特性測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、農業では耕作地の土壌水分や土壌ｐＦ値を継続的に測定し、その測定値を参照して土壌管理が行われている。土壌水分や土壌ｐＦ値の測定には、例えば、テンションメータによる測定法等が用いられている。
【０００３】
また、土壌中の無機体窒素に代表される肥料養分の含有率を測定することにより、その測定値を参照して施肥計画に役立てられてきた。従来、肥料養分の含有率の測定には、ＥＣセンサ等が使用され、土壌溶液導電率と土壌水分率の測定値から硝酸体窒素の含有率即ち、硝酸イオンの含有率を算出する方法が知られている。ＥＣセンサには、従来、特開平１０−１００６６号、実開平２−１２４５４６号、実公平４−３２６０６号等の先行出願がある。
【０００４】
ところで、テンションメータ法による土壌含水率の測定には、例えば、図３１に示すセンサが使用されている。このセンサでは、ポーラスカップ９００を測定すべき土壌９０２中に埋設し、筐体９０４に充填されている内部測定水９０６をポーラスカップ９００を通して土壌９０２中の水分と連通させる。内部測定水９０６は脱気された水であり、また、筒状の筐体９０４の上端は、ゴム栓９０８で閉塞されている。ポーラスカップ９００を通して連通した内部測定水９０６と土壌９０２（ｈO は土壌表面概位置を示す）中の水分９１０の圧力（通常は負圧）が平衡になり、圧力センサ９１２は内部測定水９０６の圧力を検出し、その検出値は圧力測定装置９１４に加えられて内部測定水９０６の圧力から土壌９０２中の水分の圧力を算出する。その場合、圧力センサ９１２の位置ｈ1 とポーラスカップ９００の高さ位置ｈ2 との差Δｈによって生じる圧力差を補正する必要がある。算出された圧力はｐＦ値、即ち、ｌｏｇ10（−土壌中水分の圧力値〔ｃｍＨ2 Ｏ〕）に換算する。また、予め土壌の種類毎に求められた土壌中水分の圧力に対する土壌含水率の検量線、例えば、図３２に示す検量線Ａ、Ｂ、Ｃから土壌毎に土壌含水率を導くことができる。圧力及びｐＦ値は表示装置９１６に表示され、また、それらの換算値は換算表示装置９１８に換算表示される。
【０００５】
また、土壌のイオン含有率は、例えば、図３３に示すＥＣセンサが使用されており、図３４はその測定電極部の拡大断面を示す。このセンサでは、その測定電極部９２０を測定すべき土壌９０２中に埋設する。土壌９０２中に埋設前の初期状態では、セラミック吸収体９２２の孔隙９２４に純水９２５を浸透させてある。このセラミック吸収体９２２にある孔隙９２４中の純水９２５が土壌溶液９２７と置換される。このセラミック吸収体９２２の抵抗値は、孔隙９２４内の水の導電率（この場合は土壌溶液の導電率）により変化する。この変化は、セラミック吸収体９２２に設置された測定電極９２６、９２８間に一定電圧の直流電圧を加えた時に流れる電流値を測定することにより、検出することができる。９３０は測定補助電極である。
【０００６】
測定電極部９２０から取り出された測定出力は、増幅器９３２に加えられて増幅され、電流値として取り出される。この電流値は、直流電源９３４に接続された電流測定装置９３６で測定される。その測定値はコンピュータ９３８に取り込まれて演算が行われる。この場合、測定電流値に対するセラミック吸収体９２２内の溶液導電率の検量線、例えば、図３５に示す検量線（一次関数）から土壌溶液導電率を導くことができる。この場合、別途の方法で測定した土壌含水率を参照する必要がある。土壌溶液導電率と予め求められている土壌毎の特定の含水率（実際はｐＦ値＝１．５）時の土壌溶液導電率への換算式、又は、例えば、図３６に示す検量線により、特定の含水率（実際はｐＦ値＝１．５）時の土壌溶液導電率を算出する。また、土壌毎の土壌中のイオン、例えば、無機体窒素即ち、硝酸イオンの含有率に対する特定の含水率（実際はｐＦ値＝１．５）時の土壌溶液導電率の検量線、例えば、図３７に示す検量線から、土壌中のイオン、例えば、無機体窒素即ち、硝酸イオンの含有率を求めている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、テンションメータやＥＣセンサ等を用いて測定したｐＦ値や導電率から演算した含水率やイオン含有率の値は土壌の種類やその密度に影響される。また、テンションメータでは、侵入する空気の影響を回避するためのメンテナンスが必要であり、また、ＥＣセンサにおいては、一定の測定精度を維持するために定期的な較正が必要である。
【０００８】
テンションメータには、その構成としてセンサ筐体内部に測定水が充填されており、この測定水の内部圧力を測定することで周辺土壌水分の水分吸引圧（即ち、ｐＦ値）を測定しているため、測定水の充填中又は測定中に測定水内部に気泡を発生するおそれがある。筐体内に発生した気泡は、地温或いは地表温の変化により、その圧力が変化する。気体圧力の温度による変化は、液体圧力のそれより遙かに大きく、気泡が無い場合に比べると筐体内の圧力変動は大きく、その圧力変動速度は速い。それによって、内部測定水の圧力と、土壌中の水分の圧力の平衡が崩れる。双方の水の圧力が平衡になるのに比べ、一般的に温度変動が早いので、平衡が取れない。不平衡状態では、圧力センサで検出された内部測定水の圧力は、真の土壌中水分の圧力とは異なる。この気泡が筐体内部の圧力を大きく変動させ、これが圧力測定値を不正確にする。そのため、定期的なメンテナンスが必要であって、利便性に乏しく、長期的観測には不向きである。
【０００９】
また、ＥＣセンサでは、セラミック吸収体が、埋設使用中にそれ自体（包含した溶液以外の部分）の抵抗値が経時的変化を呈する結果、その測定値が不正確になる。長時間埋設使用すると、セラミック吸収体の包含した溶液以外の部分の抵抗値が変化し、孔隙内の土壌溶液の導電率が等しい場合でも、セラミック吸収体全体の電気抵抗が変化する。その結果、土壌溶液の導電率が等しい場合でも、セラミック吸収体を流れる電流は以前と異なる電流値となり、増幅器で増幅された電流値も従前値とは異なる。以降の換算式或いは検量線から得られた算出結果に誤差が生じ、継続的に測定するためには、セラミック吸収体内の溶液導電率と増幅器で増幅された電流値との関係を一定にするため、増幅器側の微調整が必要となる。
【００１０】
このように、ＥＣセンサでは、土壌溶液導電率測定のためのセンサ先端のセル定数が経時的に変化し、測定誤差が生じ、以降の算出即ち、硝酸体窒素の算出が不正確になる。程度の差はあるもののほぼ全ての場合でこのセル定数の変化は起こっており、現実的に定期的な校正作業を必要とし、しかも、土壌水分と同様に利便性を欠き、長期的観測には不向きである。
【００１１】
そこで、本発明では、被測定物によるマイクロ波等の電磁波損失を利用して被測定物の特性測定を実現するとともに、メンテナンスの軽減化ないし容易化を実現し、特性測定の精度を高めた特性測定装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の特性測定装置は、図１ないし図３０に例示するように、土壌、茶、木材、溶液等を被測定物（１０）とし、この被測定物に伝送線路、即ち、センサ（ＭＳＬセンサ２）を近接させ、このセンサを通過させた周波数の異なる複数のマイクロ波等の電磁波損失から、被測定物の含水率、イオン含有率、水分吸引圧値、電導度等の特性測定を行い、その測定精度を高めたものである。
【００１３】
本願発明において、特性測定センサは、単一の電磁波又は周波数の異なる複数の電磁波を通過させる単一又は複数の伝送線路（ストリップ導体８）を備え、この伝送線路に近接させた被測定物（１０）によって生じる電磁波損失を取り出す。マイクロ波等の電磁波は、伝送線路を通過する際、その周辺部における被測定物によって電磁波損失を受け、その電磁波損失は被測定物の特性に依存する。そこで、その電磁波損失を電気的諸量として測定することにより、被測定物の特性を知ることができる。
【００１８】
本願発明の特性測定装置において、前記伝送線路は、長さの異なる第１及び第２のストリップ導体（８Ａ、８Ｂ）を備えるとともに、前記第１のストリップ導体を単一又は複数で構成し、かつ、前記第２のストリップ導体を分岐させてなることを特徴とする。即ち、周波数に応じてストリップ導体の形態を変え、分岐回路を以て線路長を異ならせることができる。
【００３７】
本願発明の特性測定装置は、電磁波を通過させる単一又は複数のマイクロストリップラインからなる伝送線路を備え、被測定物（１０）に前記伝送線路を近接させたセンサ（ＭＳＬセンサ２）と、このセンサに１又は２以上の電磁波を入力する電磁波発生源（電磁波発生装置３８）と、この電磁波発生源から前記センサに加えられる入力電磁波と、前記センサを通して得られる出力電磁波とから前記被測定物による電磁波損失を検出する損失検出手段（電磁波損失検出装置４２）と、この損失検出手段で得た前記電磁波損失から前記被測定物の特性を演算する演算手段（演算・記録・表示装置３６）とを備え、前記伝送線路に周波数の異なる電磁波を通過させることにより前記センサを前記被測定物の含水率センサ又はイオン含有率センサとして機能させている。即ち、被測定物に近接させたセンサに電磁波発生源から１又は２以上の電磁波を加え、その入力電磁波と出力電磁波との関係から被測定物による電磁波損失を測定し、その電磁波損失から被測定物の特性を演算する。
【００４３】
本願発明の特性測定装置において、前記センサは、前記電磁波の周波数に適した伝送線路である。即ち、この特性測定装置においても、選択された電磁波に最適な伝送線路を設定することが測定精度を高める上で有効である。ここで、電磁波に最適な伝送線路は、長さや幅等の物理的な諸量を選択される電磁波に応じて決定することである。
【００４４】
本願発明の特性測定装置において、前記センサに前記電磁波の周波数に適した伝送線路（ストリップ導体８Ａ、８Ｂ）を備え、このセンサから取り出される前記電磁波の周波数に応じて前記伝送線路を切り換える切換手段（スイッチ５８）を備える。即ち、電磁波に応じて伝送線路を切り換えることにより、所望の伝送線路を選択し、精度の高い測定や所望の特性測定を行うことができる。電磁波に最適な伝送線路については、上述の通りである。
【００４８】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明の特性測定装置の原理を説明し、その実施形態に言及する。
【００４９】
図１は、特性測定センサとしてマイクロストリップライン・センサ（以下、「ＭＳＬセンサ」という）を示している。
【００５０】
このＭＳＬセンサ２は、例えば、厚みｔの板状の誘電体４を備え、その下表面に導体６、その上表面に伝送線路として幅ｗのストリップ導体８を貼り付けた板状構造体である。誘電体４は円筒状等の各種の形態としてもよく、円筒状の場合にはその内表面に導体６、外表面にストリップ導体８を貼り付けた円筒状構造体等としてもよい。
【００５１】
ストリップ導体８にマイクロ波等の電磁波を通じると、図２に示すように、電界Ｅがストリップ導体８から導体６に向かい、その磁界Ｈは電界Ｅを直交方向に包囲する環状形を成す電磁界分布を呈する。
【００５２】
ここで、ＭＳＬセンサの原理について説明すると、このＭＳＬセンサ２を被測定物１０中に埋め、又は、ストリップ導体８側を被測定物１０に近接させると、被測定物１０が電磁波に影響を与え、ストリップ導体８を通過する電磁波に電磁波損失Ｌを生じる。この電磁波損失Ｌは、式（１）で表すことができる。
【００５３】
ここで、Ｐinは入力電磁波の電力（入力電力）、Ｐout は出力電磁波の電力（出力電力）、Ｖinは電磁波の入力電圧レベル、Ｖout はその電磁波の出力電圧レベルを示している。
【００５４】
そして、この電磁波損失Ｌは、図１に示すストリップ導体８の幅ｗ及び誘電体４の厚さｔ、そして、ストリップ導体８の長さｋが一定の場合、被測定物１０の誘電率εによって決定される。誘電率εは被測定物１０の含水率、イオン含有率、即ち、被測定物１０の単位体積当たりの水分量及びイオン量に関係するため、この電磁波損失Ｌを測定することにより、被測定物１０の含水率、イオン含有率を算出することができる。
【００５５】
ところで、このようなＭＳＬセンサでは、被測定物１０の性質を無視することができない。一般に、物質の誘電率は複素数であり（ε＝ε´−ｊε″）、無損失物質において、虚数部が零となるため、実数で与えられる。多くの農産物及び工業原料は水を含む含水物質であるから、損失物質である。水の誘電率は乾燥した物質の誘電率より遙かに高く、含水物質の誘電率は主にその含水率によって決定される。そして、含水物質はイオンも含む物質が多く、例えば、海水や土壌等である。このような物質の誘電率はその含水率及びイオン含有率の双方に関係する。
【００５６】
このように電磁波損失から被測定物１０の特性を測定するには、電磁波の使用周波数を選択し、周波数毎の電磁波損失Ｌを測定することが必要である。即ち、電磁波損失Ｌは、１００ＭＨｚ以下の低い周波数では小さくなり、また、１００ＧＨｚを越える高い周波数でも小さくなる。そのため、電磁波損失が適当な大きさであれば、イオンが無い場合、含水率が測定でき、電磁波損失が微小になる周波数帯では、イオンの有無に拘わらず含水率の測定ができなくなる。
【００５７】
被測定物１０の含水率の測定は、被測定物１０が含むイオンの影響を受け、イオン含有率に関係する。そこで、式（１）で定義した電磁波損失Ｌは、含水率Ｍ、イオン含有率Ｉ及びストリップ導体８の長さｋにより、次の式（２）で表すこことができる。
Ｌf1＝Ｌf1（Ｍ，Ｉ，ｋ） ・・・（２）
【００５８】
ところで、例えば、海水の場合では、イオン濃度は３％程度であり、周波数を約１０ＧＨｚまで高く設定すれば、イオンの影響は殆ど無視できる。この特性測定方法では、例えば、土壌含水率の測定に対応し、土壌及び標準砂を用いて含水率及びイオン含有率の変化可能な範囲で実験を行った。３ＧＨｚ程度の周波数ｆ1 を使用すれば、イオンの影響を無視できることが確認され、この場合、式（２）は、次の式（３）になる。
Ｌf1＝Ｌf1（Ｍ，ｋ） ・・・（３）
【００５９】
このような実験結果を踏まえて、被測定物１０のイオン含有率を測定するには、低い周波数を使用しなければならない。低い周波数領域における電磁波損失Ｌとイオン含有率との関係では、例えば、５００ＭＨｚ程度の周波数ｆ2 が想定される。そこで、式（１）で定義した電磁波損失Ｌは、含水率Ｍ、イオン含有率Ｉ及びストリップ導体８の長さｋにより、
Ｌf2＝Ｌf2（Ｍ，Ｉ，ｋ） ・・・（４）
決定される。
【００６０】
したがって、これら式（２）又は（３）及び（４）の連立方程式を解くことにより、含水率Ｍ、イオン含有率Ｉを算出することができる。
【００６１】
ところで、ＭＳＬセンサ２において、ストリップ導体８の長さｋは予め決定されており、その長さｋが未知数であっても、定数扱いになることから、周波数ｆ1 、ｆ2 に対応して電磁波損失Ｌは、含水率Ｍ、イオン含有率Ｉから、
Ｌf1＝Ｌf1（Ｍ，Ｉ） ・・・（５）
Ｌf2＝Ｌf2（Ｍ，Ｉ） ・・・（６）
を求めることができ、これら式（５）及び（６）の連立方程式を解くことにより、含水率Ｍ、イオン含有率Ｉを算出することができる。
【００６２】
なお、被測定物１０としては、土壌、茶、溶液、食品の他、木材等の建築資材等がある。
【００６３】
次に、図３は、特性測定センサとして含水率センサを示している。この含水率センサは、誘電体基板４０の下面側に導体６、上面側にストリップ導体８を配設してなるＭＳＬセンサ２である。即ち、電磁波損失はストリップ導体８の長さと被測定物の含水率に関係する。そこで、高い測定精度を得るために、十分長いストリップ導体８を設定する必要がある。高い含水率を測定する場合には、電磁波損失が大きく、電磁波出力のレベルが低下し、それが測定誤差の原因となる。即ち、広範囲で高精度な測定を実現するには、一定長さのストリップ導体８を持つＭＳＬセンサ２での対応は困難である。このため、この含水率センサは、誘電体基板４０の表面に１つの入力端子１２、複数の出力端子として３つの出力端子１４、１６、１８を形成するとともに、１つのストリップ導体８を分岐回路の形成により、入力端子１２から出力端子１４に至るストリップ導体８１、入力端子１２から出力端子１６に至るストリップ導体８２、入力端子１２から出力端子１８に至るストリップ導体８３を形成し、線路長が異なる複数の伝送線路を構成したものである。
【００６４】
次に、図４は、特性測定センサとして含水率・イオン含有率センサを示している。この含水率・イオン含有率センサは、図３に示すＭＳＬセンサを内包して構成したものであり、図３と同一部分に同一符号を付してある。即ち、独立した入力端子１２、２０と、独立した出力端子１４、１６、１８、２２を備えて線路長の異なる第１及び第２のストリップ導体８Ａ、８Ｂを構成し、ストリップ導体８Ａは、入力端子１２から出力端子１４に至るストリップ導体８１、入力端子１２から出力端子１６に至るストリップ導体８２、入力端子１２から出力端子１８に至るストリップ導体８３を形成し、線路長が異なる複数の伝送線路を構成し、また、ストリップ導体８Ｂは、入力端子２０から出力端子２２に至る最も長いストリップ導体であって、中途部を千鳥状に屈曲させて最長の線路長を確保している。
【００６５】
この実施形態では、ストリップ導体８Ａ側に第１の周波数の電磁波、例えば、３ＧＨｚの電磁波を独立して伝送させ、ストリップ導体８Ｂ側に第２の周波数の電磁波、例えば、５００ＭＨｚの電磁波を独立して伝送させることにより、含水率測定用ストリップ導体８Ａとイオン含有率測定用ストリップ導体８Ｂとを併設したものである。即ち、例えば、１ＧＨｚより低い周波数範囲において電磁波損失は含水率及びイオン含有率の双方に依存し、例えば、３ＧＨｚの周波数の電磁波損失から求めた含水率と５００ＭＨｚの電磁波損失によりイオン含有率を求めることができる。この含水率・イオン含有率センサでは、周波数の異なる電磁波を同時に入力することができるが、ストリップ導体８Ａ側の電磁波損失は、出力端子１４〜１８の選択によって取り出すことができ、それぞれの電磁波損失を測定することにより、含水率及びイオン含有率を同時に求めることができる。
【００６６】
実験によれば、５００ＭＨｚにおける電磁波損失は３ＧＨｚよりかなり低くなり、電磁波損失の測定精度を高めるため、ストリップ導体８Ｂの線路長は十分に長く設定する必要がある。
【００６７】
次に、図５は、特性測定センサとして含水率・イオン含有率センサを示している。図４に示すストリップ導体８Ａ、８Ｂを独立して構成したものであるのに対し、両者を合体して線路長を異ならせたものである。即ち、入力端子１２と入力端子２０とを共通化して１つの入力端子１２とし、分岐回路を以て所望の線路長を持つ複数のストリップ導体８Ａ、８１、８２、８３、８Ｂを構成したものである。図４に示す場合と同様に、ストリップ導体８Ａ側に第１の周波数の電磁波、例えば、３ＧＨｚの電磁波を独立して伝送させ、ストリップ導体８Ｂ側に第２の周波数の電磁波、例えば、５００ＭＨｚの電磁波を独立して伝送させる。即ち、含水率測定用ストリップ導体８Ａとイオン含有率測定用ストリップ導体８Ｂとを併設したことにより、周波数の異なる電磁波を同時に又は個別に入力し、それぞれの電磁波損失を測定して含水率及びイオン含有率を求めることができる。この場合、入力端子１２に周波数の異なる第１及び第２の電磁波として異なる周波数３ＧＨｚ、５００ＭＨｚを加えるため、その電磁波を切り換え、その切換えと同期して出力端子１４、１６、１８と出力端子２２の各出力の取出しを切り換えることにより、各周波数、即ち、ストリップ導体８Ａ、８Ｂ又はストリップ導体８１、８２、８３毎の電磁波損失を測定することができる。そして、それらの測定値から含水率及びイオン含有率を算出することができる。
【００６８】
また、ＭＳＬセンサ２の表面は、ストリップ導体８Ａ、８１、８２、８３、８Ｂの劣化を防止するための手段として誘電体皮膜等の保護膜で覆うようにしてもよい。また、土壌や溶液に浸すことから、各ストリップ導体８Ａ、８１、８２、８３、８Ｂの表面又はその上面を覆う保護膜の表面上に防水膜を設置することは有効である。
【００６９】
ところで、特性測定センサは、被測定物の特性に応じて各種の形態とすることができ、例えば、図６に示す円柱状としてもよく、また、図７及び図８に示すような形態としてもよい。
【００７０】
次に、図６は円柱状のＭＳＬセンサを示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図を示す。このＭＳＬセンサ２は、誘電体で形成された円筒体２４の外表面に螺旋状にストリップ導体８を配設するとともに、円筒体２４の内面に導体６を形成し、その中空部に接着剤等の誘電体、金属等の充填物２８を入れたものである。温度センサ３０はストリップ導体８側に設置してもよいが、充填物２８の内部に埋め込んで設置してもよい。図示しないが、円筒体２４の外面及びストリップ導体８の表面に誘電体からなる保護膜を設置してもよい。
【００７１】
このようなＭＳＬセンサ２では、その直径を小さくし、棒状に形成すれば、被測定物１０が土壌のような場合には埋設作業が容易になる。この場合、ストリップ導体８は螺旋状であるため十分な長さを確保できるが、螺旋状である必要はない。
【００７２】
また、図７は円筒状のＭＳＬセンサを示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図を示す。このＭＳＬセンサ２では、誘電体で形成された円筒体２４の内面側に螺旋状にストリップ導体８を配設するとともに、円筒体２４の外面に導体６を形成し、その中空部側に被測定物１０が侵入するようにしてもよい。同様に、このＭＳＬセンサ２では、その直径を小さくし、棒状に形成すれば、被測定物１０が土壌のような場合には埋設作業が容易になる。この場合、ストリップ導体８は螺旋状であるため十分な長さを確保できるが、螺旋状である必要はない。
【００７３】
また、図８は円筒状のＭＳＬセンサを示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図を示す。このＭＳＬセンサ２では、誘電体で形成された円筒体２４の外側で千鳥状に屈曲させて線路長を長くしたストリップ導体８を配設するとともに、円筒体２４の内面に導体６を形成してもよい。同様に、このＭＳＬセンサ２では、その直径を小さくし、棒状に形成すれば、被測定物１０が土壌のような場合には埋設作業が容易になる。
【００７４】
次に、特性測定センサとしてＭＳＬセンサの実験結果について説明する。実験には、被測定物として純水、標準砂及び塩化カリウムを用いた。
【００７５】
先ず、高い周波数の電磁波として例えば３．２５ＧＨｚを使用し、電磁波損失Ｌf1と含水率Ｍ及びイオン含有率Ｉとの関係の測定結果を得た。図９は、その結果を示しており、イオンの影響はなく、無視することができる。
【００７６】
そこで、含水率Ｍを電磁波損失Ｌf1の関数として較正し、図１０に示すように、含水率における較正カーブを得た。この較正方程式は次の通りである。
Ｍ＝ａＬf1 2 ＋ｂＬf1＋ｃ ・・・（７）
【００７７】
ここで、係数ａ、ｂ、ｃの値は実験によって求めた数値である。この較正方程式を用いて、電磁波損失Ｌf1から含水率Ｍが算出できる。
【００７８】
また、低い周波数における電磁波損失Ｌf2は含水率Ｍ及びイオン含有率Ｉに関係する。ここで、電磁波損失Ｌf2を、水自体による電磁波損失Ｌf2M とイオンによる電磁波損失Ｌf2I の和であると仮定する。
【００７９】
そして、例えば、５５０ＭＨｚにおいて、水分（純水の水分）による電磁波損失Ｌf2M と含水率Ｍとの関係の測定結果及び近似カーブを図１１に示し、近似方程式は式（８）のように書くことができる。
Ｌf2M ＝ａ’Ｍ2 ＋ｂ’Ｍ＋ｃ’ ・・・（８）
【００８０】
ここで、係数ａ’、ｂ’、ｃ’の値は実験によって求めた値である。
【００８１】
また、イオンによる電磁波損失Ｌf2I とイオン含有率Ｉとの関係の測定結果及び近似カーブを図１２に示し、近似方程式は式（９）のようになる。
Ｌf2I ＝ｇＩ ・・・（９）
【００８２】
ここで、係数ｇの値は実験によって求めた値である。したがって、試料である被測定物の電磁波損失Ｌf2は式（１０）で示すことができる。
Ｌf2＝Ｌf2M ＋Ｌf2I ＝ａ’Ｍ2 ＋ｂ’Ｍ＋ｃ’＋ｇＩ ・・・（１０）
【００８３】
この式（１０）からイオン含有率Ｉを解くと、イオン含有率における較正方程式は式（１１）のようになる。
Ｉ＝｛Ｌf2−（ａ’Ｍ2 ＋ｂ’Ｍ＋ｃ’）｝／ｇ ・・・（１１）
【００８４】
そこで、式（７）、（１１）における係数ａ、ｂ、ｃ、ａ’、ｂ’、ｃ’、ｇの値は実験によって求められるので、これら式（７）及び式（１１）により、２つの周波数における電磁波損失Ｌf1、Ｌf2の各測定値から含水率Ｍ及びイオン含有率Ｉを求めることができる。
【００８５】
そして、ＭＳＬセンサ２の表面に素焼き等で多孔質な吸水媒体を貼り付け、その媒体吸水率やイオン含有率を測定することで、間接的に土壌を測定することができる。即ち、ＭＳＬセンサ２の表面に吸水媒体としてセラミックを貼り付けると、そのセラミックの周辺土壌から吸い取る水分と相関するｐＦ値によって電磁波の損失が変化する。３ＧＨｚ以上の周波数の電磁波を利用すると、その電磁波損失測定には土壌水に存在するイオンの影響を無視でき、その電磁波損失の測定値からｐＦ値を求めることができる。また、１ＧＨｚ以下の低い周波数における電磁波損失はｐＦ値及び土壌水の導電率やイオン濃度に依存する。このため、２つの周波数における電磁波損失の測定により、ｐＦ値、土壌水の導電率及びイオン濃度を算出できる。
【００８６】
次に、本発明の特性測定装置の実施形態について説明する。
【００８７】
図１３ないし図１５は、本発明の特性測定装置の第１の実施形態を示している。即ち、この特性測定装置は、ＭＳＬセンサ２、温度センサ３０、制御ユニット３２、伝送装置３４及び演算・記録・表示装置３６を備えている。
【００８８】
ＭＳＬセンサ２には、図３に示すＭＳＬセンサ２等が用いられ、その構成及び電磁波損失の測定原理は上述の通りである。
【００８９】
温度センサ３０は、ＭＳＬセンサ２又は被測定物１０に設置され、ＭＳＬセンサ２の近傍の温度を測定する。測定温度は、例えば、電圧として取り出すことができ、電磁波損失Ｌの温度補正に用いられる。
【００９０】
制御ユニット３２は、電磁波損失の測定制御を行う制御手段であって、電磁波発生源である電磁波発生装置３８、参照信号としての入力電磁波とともにＭＳＬセンサ２からの出力電磁波を受けて電磁波損失Ｌを検出する損失検出手段としての電磁波損失検出装置４２（以下単に「検出装置４２」と言う）を備える。この制御ユニット３２には避雷対策を施す。例えば、制御ユニット３２は金属製の筐体に収容され、その筐体に接地４４を施して避雷対策とすることができる。
【００９１】
電磁波発生装置３８は、５００ＭＨｚ、３ＧＨｚ等の所望の周波数の電磁波を発生し、接続されているＭＳＬセンサ２に発生した電磁波を入力する。図１３において、ＰinはＭＳＬセンサ２に加えられる入力電磁波、Ｐout はＭＳＬセンサ２から取り出される減衰を伴う出力電磁波である。
【００９２】
また、検出装置４２は、電磁波発生装置３８からの参照信号としての入力電磁波Ｐinと、ＭＳＬセンサ２からの出力電磁波Ｐout から周波数毎、即ち、第１及び第２の電磁波損失Ｌf1、Ｌf2として、この実施形態では、３ＧＨｚと５００ＭＨｚの電磁波損失を測定する。この検出装置４２には、電磁波損失を電圧で検出した際に、局部発振周波数との混合により周波数変換、即ち、ヘテロダイン検波等を用いて所望の周波数に変換した後、その電圧値を対数増幅して対数変換する手段として対数増幅器を用いることができる。
【００９３】
また、伝送装置３４は、検出装置４２が出力した周波数毎の電圧信号Ｖ1 、Ｖ2 、温度センサ３０が出力した電圧信号Ｖｔを有線又は無線により演算・記録・表示装置３６に伝送する信号伝送手段である。この場合、伝送装置３４は、図１４に示すように、電圧測定装置４６、温度検出装置４８を備えるとともに、ディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換装置５０、そのディジタル信号を伝送する送信装置５２を備えている。即ち、周波数３ＧＨｚと周波数５００ＭＨｚの電磁波損失を表す電圧Ｖ1 、Ｖ2 、測定温度を表す電圧Ｖｔをディジタル信号に変換して送信装置５２によって演算・記録・表示装置３６に伝送する。
【００９４】
そして、演算・記録・表示装置３６は、得られた電磁波損失及び測定温度から求めた検量線を用いて被測定物１０の特性を演算し、その演算結果を記録するとともに、表示する手段であって、図１５に示すように、伝送装置３４からの送信信号を受信する受信装置５４及びパーソナルコンピュータ５６を備える。即ち、伝送装置３４からの電圧信号（Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖｔ）を受信装置５４によってパーソナルコンピュータ５６に入力される。式（１）から求めた検量線、即ち、式（２）、（３）、（４）から、次の式（１２）、（１３）が得られ、
Ｍ＝Ｍ（Ｖ1 ，ｋ） ・・・（１２）
Ｉ＝Ｉ（Ｖ2 ，Ｍ） ・・・（１３）
これらの式（１２）、（１３）から含水率（Ｍ）、イオン含有率（Ｉ）を演算し、その温度補正した値を記録、表示する。
【００９５】
次に、図１６及び図１７は、本発明の特性測定装置の第２の実施形態を示している。第１の実施形態と同一部分には同一符号を付してある。この実施形態では、ＭＳＬセンサ２に図４に示すＭＳＬセンサ２が用いられる。即ち、電磁波発生装置３８から周波数ｆ1 （＝３ＧＨｚ）、周波数ｆ2 （＝５００ＭＨｚ）の各電磁波がＭＳＬセンサ２の入力端子１２、２０に独立して入力され、周波数ｆ1 側の出力電磁波Ｐout は切換手段であるスイッチ５８により選択されて第１の検波器６１に加えられ、周波数ｆ2 側の出力電磁波Ｐout は第２の検波器６２に加えられる。スイッチ５８の出力切換えは切換制御部６４によって行われる。第１及び第２の検波器６１、６２は、例えば、入力周波数と局部発振周波数とを混合するミキサを備え、ヘテロダイン検波によって所望の周波数の検波出力を取り出す検波器が使用される。
【００９６】
そして、伝送装置３４は、図１７に示すように、電圧測定装置４６、温度検出装置４８を備えるとともに、ディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換装置５０、Ａ／Ｄ変換された電圧信号を有線又は無線を以て演算・記録・表示装置３６に伝送する送信装置５２を備えている。即ち、３ＧＨｚと５００ＭＨｚの周波数の電磁波損失を表す電圧Ｖ1 、電圧Ｖ2 、測定温度を表す電圧Ｖｔをディジタル信号に変換して送信装置５２によって演算・記録・表示装置３６に伝送する。
【００９７】
次に、図１８は、本発明の特性測定装置の第３の実施形態を示している。第２の実施形態と同一部分には同一符号を付してある。この実施形態では、ＭＳＬセンサ２に図５に示すＭＳＬセンサが用いられる。電磁波発生装置３８は、例えば、周波数ｆ1 （＝３ＧＨｚ）、周波数ｆ2 （＝５００ＭＨｚ）の各電磁波を選択的に発生してＭＳＬセンサ２に入力する。例えば、電磁波発生装置３８に周波数選択手段としてスイッチを設け、発生した周波数ｆ1 、ｆ2 がそのスイッチを通して選択されてＭＳＬセンサ２に加えられる。即ち、周波数ｆ1 が選択されるとき、検波器６１には、スイッチ５８を通して周波数ｆ1 の出力電磁波Ｐout が加えられるとともに、スイッチ６６を通して入力電磁波Ｐinが加えられ、また、周波数ｆ2 が選択されるとき、検波器６２には、スイッチ５８を通して周波数ｆ2 の出力電磁波Ｐout が加えられるとともに、スイッチ６６を通して入力電磁波Ｐinが加えられ、それぞれの電磁波損失が検波器６１から電圧Ｖ1 、検波器６２から電圧Ｖ2 として取り出される。
【００９８】
次に、図１９及び図２０に示す特性測定装置を含水率センサに用いた土壌の含水率測定について説明する。
【００９９】
ＭＳＬセンサ２は、被測定物としての土壌１１に埋設等し、そのストリップ導体８を土壌１１に隣接させる。このＭＳＬセンサ２は、例えば、図２０に示すように、誘電体基板４０を備え、その裏面側に導体６、その表面側にストリップ導体８を配設したものを絶縁物で形成された筐体２１内に埋め込み、ストリップ導体８側の表面を誘電体からなる保護膜としての防護層２３で被覆したものである。筐体２１には、温度センサ３０が埋め込まれている。この場合、温度センサ３０は、ＭＳＬセンサ２とともに土壌１１中に埋設され、ＭＳＬセンサ２の近傍の温度を測定し、その測定温度をＭＳＬセンサ２の出力の温度補正に用いる。
【０１００】
また、制御ユニット３２における電磁波発生装置３８にはマイクロ波等の電磁波を発生させ、ＭＳＬセンサ２のストリップ導体８に加える。また、検出装置４２には参照信号としてＭＳＬセンサ２の入力電磁波とＭＳＬセンサ２を通過した出力電磁波を加える。この場合、土壌１１のイオンの影響を無視できるレベルにするために、高い周波数、例えば、約１ＧＨｚ超のマイクロ波を使用する。検出装置４２は、入力電磁波と出力電磁波とを受け、両者の電力比、電圧比、電力差又は電圧差に応じた直流電圧又は低周波電圧を出力する。この出力電圧は出力信号である出力電磁波と参照信号である入力電磁波により変化する。
【０１０１】
伝送装置３４は、図１４に示す構成であり、制御ユニット３２から出力された直流電圧又は低周波電圧を測定し、そのレベルを表す出力を取り出し、温度センサ３０の測定温度を表す電圧信号に変換し、これらの出力信号を無線又は有線により演算・記録・表示装置３６に伝送する。
【０１０２】
そして、演算・記録・表示装置３６は、伝送装置３４を通して受けた電磁波損失から含水率やｐＦ値を演算し、温度補正を行うとともに、その含水率やｐＦ値及び温度を表示する。
【０１０３】
このとき、出力電磁波の振幅は、ストリップ導体８上の水分により、入力電磁波の振幅より減少する。これを参照信号と比較して電磁波損失を検出する。具体的には、電磁波損失を表す直流電圧又は低周波電圧として取り出す。このストリップ導体８を通過した電磁波に生じる電磁波損失は、その導体上空間にある水分の多寡に依存する。この実施例では、含水率センサとして機能させている。
【０１０４】
また、電磁波の周波数が高く、約１ＧＨｚ超では、電磁波損失へのイオンによる影響が小さくなり、この事実に基づき、３〜３．５ＧＨｚを選択している。
【０１０５】
そして、ＭＳＬセンサ２の出力レベルである電圧と電磁波損失の相関については予め数式等を作成し、パーソナルコンピュータ５６に格納しておく。そして、電磁波損失から土壌の含水率を算出し、温度補正を行う。この場合、予め電磁波損失と土壌の含水率の相関を表す検量線及び数式等を作成し、パーソナルコンピュータ５６に格納しておく。図２１は、実験により得られた検量線を示す。
【０１０６】
実験には、被測定物として豊浦標準砂と土壌を使用し、使用した水溶液は、純水、塩化カリウム水溶液、肥料水溶液について行った。電磁波の周波数は３．０ＧＨｚを使用し、その測定結果として図２１に示す電磁波損失を得た。この電磁波損失は含水率に依存し、高い相関性を示している。しかも、水の中のイオンの影響は殆ど無視できるレベルであり、その検量線及び数式の温度依存性を把握できる。
【０１０７】
また、温度補正後の含水率を表示し、含水率とｐＦ値の相関関係を用いて含水率をｐＦ値に置換して表示する。この場合、電磁波損失とｐＦ値は土壌の種類によって異なるので、検量線は、土壌の種類毎に作成しておく必要がある。
【０１０８】
次に、図１９及び図２０に示す特性測定装置をイオン含有率センサに用いた土壌のイオン等の測定について説明する。
【０１０９】
ＭＳＬセンサ２は、被測定物である土壌１１中に埋め、ストリップ導体８にその土壌１１を近接させる。この場合、電磁波発生装置３８には周波数１ＧＨｚ未満の特定波長の電磁波を発生させ、ＭＳＬセンサ２に加えるとともに、参照信号としてその入力電磁波を検出装置４２に加える。検出装置４２にＭＳＬセンサ２からの出力電磁波が加えられるのは前記と同様である。
【０１１０】
この場合、出力電磁波の振幅は、ストリップ導体８上の水分のみならずイオンによっても減衰する。これを参照信号である入力電磁波と比較して電磁波損失として取り出す。この場合、電磁波損失が直流電圧又は低周波電圧として取り出される。
【０１１１】
ストリップ導体８を通過する電磁波に生じる電磁波損失は、その導体上にあるイオンの多寡にも依存することから、この実施形態では、イオン含有率センサとして機能させている。この場合、前記の方法で測定した含水率又は別途測定した含水率を参照する必要がある。
【０１１２】
また、この電磁波損失にイオンが影響する度合いは、電磁波の周波数が低い範囲（約１ＧＨｚ未満）で顕著になり、そのため、数百ＭＨｚの周波数を選択している。
【０１１３】
そこで、電磁波損失と含水率とから土壌のイオン含有率を算出し、その算出値に温度補正を施す。この場合、予め電磁波損失と含水率に対する土壌のイオン含有率の相関について検量線や数式等を作成しておく必要がある。また、その検量線及び数式の温度依存性を予め把握する必要がある。
【０１１４】
なお、電磁波損失と含水率に対する土壌のイオン含有率の相関関係について、そのイオンには複数種類のイオンがあり、それらが混在している場合、特定のイオンを主成分としている場合や各種イオンの混合比率の変動が低い場合には、主成分イオンを測定するイオン含有率センサとして十分に機能する。例えば、茶畑では、慣習的に多施肥栽培が行われており、且つ、肥料成分的に窒素偏重の傾向が一般的に見られる。土壌中のイオンは、肥料窒素成分が土壌中で変化して生成する硝酸体窒素（即ち、硝酸イオン）を主成分としており、その比率があまり変わらない状況であることから、本発明に係る特性測定装置を硝酸イオン含有率センサとして使用することにより、そのイオンの測定が可能である。
【０１１５】
また、温度補正後のイオン含有率を表示し、この土壌のイオン含有率を土壌溶液中のイオン濃度に置換して土壌溶液中のイオン濃度を算出して表示する。この場合、検量線に相当する電磁波損失と含水率に対する土壌溶液中のイオン濃度を予め求めておくことが必要である。土壌溶液中のイオン濃度と含水率とを乗算することにより、土壌のイオン含有率を算出することができる。イオン濃度やイオン含有率を求める時点では、既に含水率が判明しているので、その含水率を用いてイオン濃度やイオン含有率を求めることができる。
【０１１６】
土壌１１のイオン含有率を、土壌溶液導電率に置換することにより、土壌溶液導電率を算出して表示する。この場合、検量線として電磁波損失と含水率に対する土壌溶液導電率を予め求めておくことが必要である。水溶液の導電率は、その溶液中のイオン濃度に依存し、両者の間には相関があるから、何れか一方が判れば、他方は容易に判明し、土壌溶液においても同様である。即ち、土壌溶液導電率、土壌溶液中のイオン濃度、土壌のイオン含有率は何れかが判明すれば、他の２つの特性が判明する。
【０１１７】
ところで、土壌中硝酸イオン含有率の測定は、耕作地の土壌の肥料成分観測を目的として行われることが多いが、従来用いられた方法によっては、算出される硝酸イオン含有率よりも土壌溶液導電率の挙動に着目する場合がある。本発明の特性測定センサでは、土壌溶液導電率を算出することによって、それに対応できる。
【０１１８】
次に、図２２及び図２３は、実験結果を示すグラフである。実験には、土壌として豊浦標準砂を使用し、水溶液には塩化カリウム水溶液を使用し、濃度を変えたものを数種用いた。濃度のレベルについては、導電率を測定し、それを数水準に設定し、導電率０つまり濃度０を設定した。
【０１１９】
その実験結果は、図２２及び図２３に示す通りであり、各結果の損失レベルが異なるが、これは含水率に依存するものである。同じ含水率でも、水溶液の導電率によって電磁波損失が変化し、特定の周波数範囲では、電磁波損失は水分と導電率の双方に相関していることが判る。
【０１２０】
次に、図２４〜図２８に示す本発明の特性測定装置を土壌のイオン含有率・含水率センサに用いた土壌のイオン含有率及び含水率の同時測定について説明する。
【０１２１】
図２４及び図２５は本発明の特性測定装置による土壌のイオン含有率・含水率センサを示している。ＭＳＬセンサ２には、含水率測定用ストリップ導体８Ａと、イオン含有率等測定用ストリップ導体８Ｂとを１つの筐体２１内に収容している。この場合、単一の誘電体基板４０上にそれぞれのストリップ導体８Ａ、８Ｂを設置してもよく、また、２枚の誘電体基板４０上にストリップ導体８Ａ、８Ｂを個別に設置し、各誘電体基板を貼り付けてもよい。
【０１２２】
制御ユニット３２の構成は前記の通りであり、この場合、電磁波発生装置３８には、イオンの影響をより明確にするための低い周波数（約１ＧＨｚ未満）の電磁波と、イオンの影響を無視できるレベルにするための高い周波数（約１ＧＨｚ超）のマイクロ波の２つの周波数の電磁波を発生させる。そして、検出装置４２で得られた電磁波損失を表す一方の直流電圧又は低周波電圧により含水率やｐＦ値を算出し、温度センサ３０で測定された温度を以てその算出値を温度補正する。
【０１２３】
そして、検出装置４２で得られた電磁波損失を表す他方の直流電圧又は低周波電圧と前記含水率とからイオン含有率、イオン濃度、溶液導電率を算出し、その値を測定温度で温度補正する。これらの測定値を表示する。
【０１２４】
次に、図２６及び図２７は本発明の特性測定装置による土壌のイオン含有率・含水率センサの他の例を示している。ＭＳＬセンサ２には、含水率測定用ストリップ導体８Ａと、イオン含有率等測定用ストリップ導体８Ｂとを入力側の端を共通に設置し、ストリップ導体８の中途部で分岐させている。
【０１２５】
この場合、電磁波発生装置３８には、イオンの影響をより明確にするための低い周波数（約１ＧＨｚ未満）の電磁波と、イオンの影響を無視できるレベルにするための高い周波数（約１ＧＨｚ超）の２つの電磁波を発生させ、何れかの波長、即ち、周波数を選択するための切換手段としてのスイッチ６６を備えている。検出装置４２は、ＭＳＬセンサ２を通過した出力電磁波と、参照信号としての入力電磁波とを受け取る。この場合、検出装置４２では、入力電磁波の選択に対応して各周波数で個別の出力電磁波を検出する。この結果、検出装置４２は、電磁波損失を表す直流電圧又は低周波電圧を周波数毎に出力し、その直流電圧又は低周波電圧が出力信号と参照信号により変化する。
【０１２６】
制御ユニット３２から出力された直流電圧又は低周波電圧は、伝送装置３４の電圧測定装置４６によって測定され、また、温度検出装置４８は温度センサ３０の出力から温度を表す電圧信号に変換する。これら出力信号は、伝送装置３４を通して演算・記録・表示装置３６に伝送され、一方の直流電圧又は低周波電圧から含水率やｐＦ値を算出し、それを温度補正した後、表示する。また、他方の直流電圧又は低周波電圧と、既に求めた含水率とからイオン含有率やイオン濃度や溶液導電率を算出し、それを温度補正した後、表示する。
【０１２７】
次に、図２８は本発明の特性測定装置による土壌のイオン含有率・含水率センサの他の例を示している。ＭＳＬセンサ２には、単一のストリップ導体８を備えたものを用いる。
【０１２８】
この場合、電磁波発生装置３８には、イオンの影響をより明確にするための低い周波数（約１ＧＨｚ未満）のマイクロ波と、イオンの影響を無視できるレベルにするための高い周波数（約１ＧＨｚ超）のマイクロ波の２つの周波数の電磁波を発生させ、何れかの波長を選択して送り出すための切換手段としてのスイッチ６６を備えている。
【０１２９】
このような構成によれば、一つの周波数の電磁波損失を表す直流電圧又は低周波電圧から含水率やｐＦ値を算出し、それを温度補正する。また、他の電磁波損失を表す直流電圧又は低周波電圧と、既に算出した含水率とからイオン含有率、イオン濃度、溶液導電率を算出し、それを温度補正した後、それらを表示する。
【０１３０】
次に、図２９は、本発明の特性測定方法及び特性測定装置の他の実施形態を示し、図３０は特性測定センサの他の実施形態として一部を切り欠いて内部構造を示している。この実施形態では、ＭＳＬセンサ２の表面に多孔質な吸水媒体として素焼板６８を貼り付け、その媒体吸水率やイオン含有率を測定することで、間接的に土壌を測定するようにしたものである。即ち、ＭＳＬセンサ２の表面に吸水媒体としてセラミックを貼り付けると、そのセラミックの周辺土壌から吸い取る水分と相関するｐＦ値によって電磁波の損失が変化する。したがって、吸水媒体である素焼板６８側で電磁波損失を測定することで、吸水媒体における含水率、水分の吸引圧、イオン含有率、水分のイオン濃度、水分の導電率の何れかを算出することができる。
【０１３１】
なお、土壌の含水率とイオン含有率の両方を一度に測定するには図２６の特性測定装置を使用し、ＭＳＬセンサ２を測定すべき土壌に埋設し、ストリップ導体８に隣接し、電磁波発生装置３８に発生させた電磁波の周波数の３〜３．５ＧＨｚの一波長と、１ＧＨｚ未満の一波長の２つの電磁波を用いて得られる電磁波損失から含水率とイオン含有率を算出すればよい。
【０１３２】
また、実施形態では、伝送線路としてマイクロストリップ線路を例に取って説明したが、基板等に配設された各種の導体を用いればよく、本発明は実施形態のものに限定されるものではない。
【０１３３】
また、実施形態では、電磁波損失を電力比又は電圧比で求めたが、電力差又は電圧差等のレベル差で算出することが可能である。
【０１３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次の効果が得られる。
ａ．メンテナンスの軽減化ないし容易化を図ることができ、土壌水分等の被測定物の特性を高精度に測定することができる。
ｂ．耕作地の土壌水分の管理等に必要な特性測定の利便性を向上させることができる。
ｃ．メンテナンスの軽減化ないし容易化を図ることができ、土壌中イオン含有率や、土壌溶液のイオン濃度や、土壌溶液の導電率を高精度に測定することができる。
ｄ．耕作地の肥料成分管理のための観測における利便性を向上させることができる。
ｅ．被測定物の特性として水分、イオンの双方を単一のＭＳＬセンサで測定できる。
ｆ．被測定物の水分測定については、その測定値を含水率及びｐＦ値の何れでも表すことができる。
ｇ．イオン測定については、その測定値をイオン含有率、溶液イオン濃度、溶液導電率の何れでも表すことができる。
ｈ．また、特性測定センサ及び特性測定装置は既存の部品等を用いてしかも特殊な技術や高精度な技術を要することなく、容易かつ安価に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 特性測定センサを示す斜視図である。
【図２】 特性測定センサの電磁界分布を示す図である。
【図３】 特性測定センサを示す平面図である。
【図４】 他の特性測定センサを示す平面図である。
【図５】 他の特性測定センサを示す平面図である。
【図６】 他の特性測定センサを示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図７】 他の特性測定センサを示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその一部を切り欠いて示した側面図である。
【図８】 他の特性測定センサを示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図９】 特性測定センサを用いた実験結果を示す図である。
【図１０】 他の特性測定センサを用いた実験結果を示す図である。
【図１１】 他の特性測定センサを用いた実験結果を示す図である。
【図１２】 他の特性測定センサを用いた実験結果を示す図である。
【図１３】 本発明の特性測定装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図１４】 伝送装置を示すブロック図である。
【図１５】 演算・記録・表示装置を示すブロック図である。
【図１６】 本発明の特性測定装置の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図１７】 伝送装置を示すブロック図である。
【図１８】 本発明の特性測定装置の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図１９】 本発明の特性測定装置の一実施形態である含水率センサ又はイオン含有率センサを示すブロック図である。
【図２０】 ＭＳＬセンサの構成を示す縦断面図である。
【図２１】 本発明の特性測定装置による含水率センサの実験結果を示す図である。
【図２２】 本発明の特性測定装置によるイオン含有率センサの実験結果を示す図である。
【図２３】 本発明の特性測定装置によるイオン含有率センサの実験結果を示す図である。
【図２４】 本発明の特性測定装置の一実施形態である含水率・イオン含有率センサを示すブロック図である。
【図２５】 ＭＳＬセンサの構成を示す縦断面図である。
【図２６】 本発明の特性測定装置の他の実施形態である含水率・イオン含有率センサを示すブロック図である。
【図２７】 ＭＳＬセンサの構成を示す縦断面図である。
【図２８】 本発明の特性測定装置の他の実施形態である含水率・イオン含有率センサを示すブロック図である。
【図２９】 本発明の特性測定装置の他の実施形態であって、ＭＳＬセンサの一部を切り欠いて示したブロック図である。
【図３０】 ＭＳＬセンサの構成を示す縦断面図である。
【図３１】 従来のテンションメータ法によるセンサを示す図である。
【図３２】 従来のテンションメータ法による検量線を示す図である。
【図３３】 従来のＥＣセンサを示す図である。
【図３４】 従来のＥＣセンサの測定電極部分の拡大図を示す図である。
【図３５】 従来のＥＣセンサによる検量線を示す図である。
【図３６】 従来のＥＣセンサによる検量線を示す図である。
【図３７】 従来のＥＣセンサによる検量線を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波等の電磁波の損失を利用して被測定物の含水率、イオン含有率、水分吸引圧値、電導度等の特性を測定する特性測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、農業では耕作地の土壌水分や土壌ｐＦ値を継続的に測定し、その測定値を参照して土壌管理が行われている。土壌水分や土壌ｐＦ値の測定には、例えば、テンションメータによる測定法等が用いられている。
【０００３】
また、土壌中の無機体窒素に代表される肥料養分の含有率を測定することにより、その測定値を参照して施肥計画に役立てられてきた。従来、肥料養分の含有率の測定には、ＥＣセンサ等が使用され、土壌溶液導電率と土壌水分率の測定値から硝酸体窒素の含有率即ち、硝酸イオンの含有率を算出する方法が知られている。ＥＣセンサには、従来、特開平１０−１００６６号、実開平２−１２４５４６号、実公平４−３２６０６号等の先行出願がある。
【０００４】
ところで、テンションメータ法による土壌含水率の測定には、例えば、図３１に示すセンサが使用されている。このセンサでは、ポーラスカップ９００を測定すべき土壌９０２中に埋設し、筐体９０４に充填されている内部測定水９０６をポーラスカップ９００を通して土壌９０２中の水分と連通させる。内部測定水９０６は脱気された水であり、また、筒状の筐体９０４の上端は、ゴム栓９０８で閉塞されている。ポーラスカップ９００を通して連通した内部測定水９０６と土壌９０２（ｈO は土壌表面概位置を示す）中の水分９１０の圧力（通常は負圧）が平衡になり、圧力センサ９１２は内部測定水９０６の圧力を検出し、その検出値は圧力測定装置９１４に加えられて内部測定水９０６の圧力から土壌９０２中の水分の圧力を算出する。その場合、圧力センサ９１２の位置ｈ1 とポーラスカップ９００の高さ位置ｈ2 との差Δｈによって生じる圧力差を補正する必要がある。算出された圧力はｐＦ値、即ち、ｌｏｇ10（−土壌中水分の圧力値〔ｃｍＨ2 Ｏ〕）に換算する。また、予め土壌の種類毎に求められた土壌中水分の圧力に対する土壌含水率の検量線、例えば、図３２に示す検量線Ａ、Ｂ、Ｃから土壌毎に土壌含水率を導くことができる。圧力及びｐＦ値は表示装置９１６に表示され、また、それらの換算値は換算表示装置９１８に換算表示される。
【０００５】
また、土壌のイオン含有率は、例えば、図３３に示すＥＣセンサが使用されており、図３４はその測定電極部の拡大断面を示す。このセンサでは、その測定電極部９２０を測定すべき土壌９０２中に埋設する。土壌９０２中に埋設前の初期状態では、セラミック吸収体９２２の孔隙９２４に純水９２５を浸透させてある。このセラミック吸収体９２２にある孔隙９２４中の純水９２５が土壌溶液９２７と置換される。このセラミック吸収体９２２の抵抗値は、孔隙９２４内の水の導電率（この場合は土壌溶液の導電率）により変化する。この変化は、セラミック吸収体９２２に設置された測定電極９２６、９２８間に一定電圧の直流電圧を加えた時に流れる電流値を測定することにより、検出することができる。９３０は測定補助電極である。
【０００６】
測定電極部９２０から取り出された測定出力は、増幅器９３２に加えられて増幅され、電流値として取り出される。この電流値は、直流電源９３４に接続された電流測定装置９３６で測定される。その測定値はコンピュータ９３８に取り込まれて演算が行われる。この場合、測定電流値に対するセラミック吸収体９２２内の溶液導電率の検量線、例えば、図３５に示す検量線（一次関数）から土壌溶液導電率を導くことができる。この場合、別途の方法で測定した土壌含水率を参照する必要がある。土壌溶液導電率と予め求められている土壌毎の特定の含水率（実際はｐＦ値＝１．５）時の土壌溶液導電率への換算式、又は、例えば、図３６に示す検量線により、特定の含水率（実際はｐＦ値＝１．５）時の土壌溶液導電率を算出する。また、土壌毎の土壌中のイオン、例えば、無機体窒素即ち、硝酸イオンの含有率に対する特定の含水率（実際はｐＦ値＝１．５）時の土壌溶液導電率の検量線、例えば、図３７に示す検量線から、土壌中のイオン、例えば、無機体窒素即ち、硝酸イオンの含有率を求めている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、テンションメータやＥＣセンサ等を用いて測定したｐＦ値や導電率から演算した含水率やイオン含有率の値は土壌の種類やその密度に影響される。また、テンションメータでは、侵入する空気の影響を回避するためのメンテナンスが必要であり、また、ＥＣセンサにおいては、一定の測定精度を維持するために定期的な較正が必要である。
【０００８】
テンションメータには、その構成としてセンサ筐体内部に測定水が充填されており、この測定水の内部圧力を測定することで周辺土壌水分の水分吸引圧（即ち、ｐＦ値）を測定しているため、測定水の充填中又は測定中に測定水内部に気泡を発生するおそれがある。筐体内に発生した気泡は、地温或いは地表温の変化により、その圧力が変化する。気体圧力の温度による変化は、液体圧力のそれより遙かに大きく、気泡が無い場合に比べると筐体内の圧力変動は大きく、その圧力変動速度は速い。それによって、内部測定水の圧力と、土壌中の水分の圧力の平衡が崩れる。双方の水の圧力が平衡になるのに比べ、一般的に温度変動が早いので、平衡が取れない。不平衡状態では、圧力センサで検出された内部測定水の圧力は、真の土壌中水分の圧力とは異なる。この気泡が筐体内部の圧力を大きく変動させ、これが圧力測定値を不正確にする。そのため、定期的なメンテナンスが必要であって、利便性に乏しく、長期的観測には不向きである。
【０００９】
また、ＥＣセンサでは、セラミック吸収体が、埋設使用中にそれ自体（包含した溶液以外の部分）の抵抗値が経時的変化を呈する結果、その測定値が不正確になる。長時間埋設使用すると、セラミック吸収体の包含した溶液以外の部分の抵抗値が変化し、孔隙内の土壌溶液の導電率が等しい場合でも、セラミック吸収体全体の電気抵抗が変化する。その結果、土壌溶液の導電率が等しい場合でも、セラミック吸収体を流れる電流は以前と異なる電流値となり、増幅器で増幅された電流値も従前値とは異なる。以降の換算式或いは検量線から得られた算出結果に誤差が生じ、継続的に測定するためには、セラミック吸収体内の溶液導電率と増幅器で増幅された電流値との関係を一定にするため、増幅器側の微調整が必要となる。
【００１０】
このように、ＥＣセンサでは、土壌溶液導電率測定のためのセンサ先端のセル定数が経時的に変化し、測定誤差が生じ、以降の算出即ち、硝酸体窒素の算出が不正確になる。程度の差はあるもののほぼ全ての場合でこのセル定数の変化は起こっており、現実的に定期的な校正作業を必要とし、しかも、土壌水分と同様に利便性を欠き、長期的観測には不向きである。
【００１１】
そこで、本発明では、被測定物によるマイクロ波等の電磁波損失を利用して被測定物の特性測定を実現するとともに、メンテナンスの軽減化ないし容易化を実現し、特性測定の精度を高めた特性測定装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の特性測定装置は、図１ないし図３０に例示するように、土壌、茶、木材、溶液等を被測定物（１０）とし、この被測定物に伝送線路、即ち、センサ（ＭＳＬセンサ２）を近接させ、このセンサを通過させた周波数の異なる複数のマイクロ波等の電磁波損失から、被測定物の含水率、イオン含有率、水分吸引圧値、電導度等の特性測定を行い、その測定精度を高めたものである。
【００１３】
本願発明において、特性測定センサは、単一の電磁波又は周波数の異なる複数の電磁波を通過させる単一又は複数の伝送線路（ストリップ導体８）を備え、この伝送線路に近接させた被測定物（１０）によって生じる電磁波損失を取り出す。マイクロ波等の電磁波は、伝送線路を通過する際、その周辺部における被測定物によって電磁波損失を受け、その電磁波損失は被測定物の特性に依存する。そこで、その電磁波損失を電気的諸量として測定することにより、被測定物の特性を知ることができる。
【００１８】
本願発明の特性測定装置において、前記伝送線路は、長さの異なる第１及び第２のストリップ導体（８Ａ、８Ｂ）を備えるとともに、前記第１のストリップ導体を単一又は複数で構成し、かつ、前記第２のストリップ導体を分岐させてなることを特徴とする。即ち、周波数に応じてストリップ導体の形態を変え、分岐回路を以て線路長を異ならせることができる。
【００３７】
本願発明の特性測定装置は、電磁波を通過させる単一又は複数のマイクロストリップラインからなる伝送線路を備え、被測定物（１０）に前記伝送線路を近接させたセンサ（ＭＳＬセンサ２）と、このセンサに１又は２以上の電磁波を入力する電磁波発生源（電磁波発生装置３８）と、この電磁波発生源から前記センサに加えられる入力電磁波と、前記センサを通して得られる出力電磁波とから前記被測定物による電磁波損失を検出する損失検出手段（電磁波損失検出装置４２）と、この損失検出手段で得た前記電磁波損失から前記被測定物の特性を演算する演算手段（演算・記録・表示装置３６）とを備え、前記伝送線路に周波数の異なる電磁波を通過させることにより前記センサを前記被測定物の含水率センサ又はイオン含有率センサとして機能させている。即ち、被測定物に近接させたセンサに電磁波発生源から１又は２以上の電磁波を加え、その入力電磁波と出力電磁波との関係から被測定物による電磁波損失を測定し、その電磁波損失から被測定物の特性を演算する。
【００４３】
本願発明の特性測定装置において、前記センサは、前記電磁波の周波数に適した伝送線路である。即ち、この特性測定装置においても、選択された電磁波に最適な伝送線路を設定することが測定精度を高める上で有効である。ここで、電磁波に最適な伝送線路は、長さや幅等の物理的な諸量を選択される電磁波に応じて決定することである。
【００４４】
本願発明の特性測定装置において、前記センサに前記電磁波の周波数に適した伝送線路（ストリップ導体８Ａ、８Ｂ）を備え、このセンサから取り出される前記電磁波の周波数に応じて前記伝送線路を切り換える切換手段（スイッチ５８）を備える。即ち、電磁波に応じて伝送線路を切り換えることにより、所望の伝送線路を選択し、精度の高い測定や所望の特性測定を行うことができる。電磁波に最適な伝送線路については、上述の通りである。
【００４８】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明の特性測定装置の原理を説明し、その実施形態に言及する。
【００４９】
図１は、特性測定センサとしてマイクロストリップライン・センサ（以下、「ＭＳＬセンサ」という）を示している。
【００５０】
このＭＳＬセンサ２は、例えば、厚みｔの板状の誘電体４を備え、その下表面に導体６、その上表面に伝送線路として幅ｗのストリップ導体８を貼り付けた板状構造体である。誘電体４は円筒状等の各種の形態としてもよく、円筒状の場合にはその内表面に導体６、外表面にストリップ導体８を貼り付けた円筒状構造体等としてもよい。
【００５１】
ストリップ導体８にマイクロ波等の電磁波を通じると、図２に示すように、電界Ｅがストリップ導体８から導体６に向かい、その磁界Ｈは電界Ｅを直交方向に包囲する環状形を成す電磁界分布を呈する。
【００５２】
ここで、ＭＳＬセンサの原理について説明すると、このＭＳＬセンサ２を被測定物１０中に埋め、又は、ストリップ導体８側を被測定物１０に近接させると、被測定物１０が電磁波に影響を与え、ストリップ導体８を通過する電磁波に電磁波損失Ｌを生じる。この電磁波損失Ｌは、式（１）で表すことができる。
ここで、Ｐinは入力電磁波の電力（入力電力）、Ｐout は出力電磁波の電力（出力電力）、Ｖinは電磁波の入力電圧レベル、Ｖout はその電磁波の出力電圧レベルを示している。
【００５４】
そして、この電磁波損失Ｌは、図１に示すストリップ導体８の幅ｗ及び誘電体４の厚さｔ、そして、ストリップ導体８の長さｋが一定の場合、被測定物１０の誘電率εによって決定される。誘電率εは被測定物１０の含水率、イオン含有率、即ち、被測定物１０の単位体積当たりの水分量及びイオン量に関係するため、この電磁波損失Ｌを測定することにより、被測定物１０の含水率、イオン含有率を算出することができる。
【００５５】
ところで、このようなＭＳＬセンサでは、被測定物１０の性質を無視することができない。一般に、物質の誘電率は複素数であり（ε＝ε´−ｊε″）、無損失物質において、虚数部が零となるため、実数で与えられる。多くの農産物及び工業原料は水を含む含水物質であるから、損失物質である。水の誘電率は乾燥した物質の誘電率より遙かに高く、含水物質の誘電率は主にその含水率によって決定される。そして、含水物質はイオンも含む物質が多く、例えば、海水や土壌等である。このような物質の誘電率はその含水率及びイオン含有率の双方に関係する。
【００５６】
このように電磁波損失から被測定物１０の特性を測定するには、電磁波の使用周波数を選択し、周波数毎の電磁波損失Ｌを測定することが必要である。即ち、電磁波損失Ｌは、１００ＭＨｚ以下の低い周波数では小さくなり、また、１００ＧＨｚを越える高い周波数でも小さくなる。そのため、電磁波損失が適当な大きさであれば、イオンが無い場合、含水率が測定でき、電磁波損失が微小になる周波数帯では、イオンの有無に拘わらず含水率の測定ができなくなる。
【００５７】
被測定物１０の含水率の測定は、被測定物１０が含むイオンの影響を受け、イオン含有率に関係する。そこで、式（１）で定義した電磁波損失Ｌは、含水率Ｍ、イオン含有率Ｉ及びストリップ導体８の長さｋにより、次の式（２）で表すこことができる。
Ｌf1＝Ｌf1（Ｍ，Ｉ，ｋ） ・・・（２）
【００５８】
ところで、例えば、海水の場合では、イオン濃度は３％程度であり、周波数を約１０ＧＨｚまで高く設定すれば、イオンの影響は殆ど無視できる。この特性測定方法では、例えば、土壌含水率の測定に対応し、土壌及び標準砂を用いて含水率及びイオン含有率の変化可能な範囲で実験を行った。３ＧＨｚ程度の周波数ｆ1 を使用すれば、イオンの影響を無視できることが確認され、この場合、式（２）は、次の式（３）になる。
Ｌf1＝Ｌf1（Ｍ，ｋ） ・・・（３）
【００５９】
このような実験結果を踏まえて、被測定物１０のイオン含有率を測定するには、低い周波数を使用しなければならない。低い周波数領域における電磁波損失Ｌとイオン含有率との関係では、例えば、５００ＭＨｚ程度の周波数ｆ2 が想定される。そこで、式（１）で定義した電磁波損失Ｌは、含水率Ｍ、イオン含有率Ｉ及びストリップ導体８の長さｋにより、
Ｌf2＝Ｌf2（Ｍ，Ｉ，ｋ） ・・・（４）
決定される。
【００６０】
したがって、これら式（２）又は（３）及び（４）の連立方程式を解くことにより、含水率Ｍ、イオン含有率Ｉを算出することができる。
【００６１】
ところで、ＭＳＬセンサ２において、ストリップ導体８の長さｋは予め決定されており、その長さｋが未知数であっても、定数扱いになることから、周波数ｆ1 、ｆ2 に対応して電磁波損失Ｌは、含水率Ｍ、イオン含有率Ｉから、
Ｌf1＝Ｌf1（Ｍ，Ｉ） ・・・（５）
Ｌf2＝Ｌf2（Ｍ，Ｉ） ・・・（６）
を求めることができ、これら式（５）及び（６）の連立方程式を解くことにより、含水率Ｍ、イオン含有率Ｉを算出することができる。
【００６２】
なお、被測定物１０としては、土壌、茶、溶液、食品の他、木材等の建築資材等がある。
【００６３】
次に、図３は、特性測定センサとして含水率センサを示している。この含水率センサは、誘電体基板４０の下面側に導体６、上面側にストリップ導体８を配設してなるＭＳＬセンサ２である。即ち、電磁波損失はストリップ導体８の長さと被測定物の含水率に関係する。そこで、高い測定精度を得るために、十分長いストリップ導体８を設定する必要がある。高い含水率を測定する場合には、電磁波損失が大きく、電磁波出力のレベルが低下し、それが測定誤差の原因となる。即ち、広範囲で高精度な測定を実現するには、一定長さのストリップ導体８を持つＭＳＬセンサ２での対応は困難である。このため、この含水率センサは、誘電体基板４０の表面に１つの入力端子１２、複数の出力端子として３つの出力端子１４、１６、１８を形成するとともに、１つのストリップ導体８を分岐回路の形成により、入力端子１２から出力端子１４に至るストリップ導体８１、入力端子１２から出力端子１６に至るストリップ導体８２、入力端子１２から出力端子１８に至るストリップ導体８３を形成し、線路長が異なる複数の伝送線路を構成したものである。
【００６４】
次に、図４は、特性測定センサとして含水率・イオン含有率センサを示している。この含水率・イオン含有率センサは、図３に示すＭＳＬセンサを内包して構成したものであり、図３と同一部分に同一符号を付してある。即ち、独立した入力端子１２、２０と、独立した出力端子１４、１６、１８、２２を備えて線路長の異なる第１及び第２のストリップ導体８Ａ、８Ｂを構成し、ストリップ導体８Ａは、入力端子１２から出力端子１４に至るストリップ導体８１、入力端子１２から出力端子１６に至るストリップ導体８２、入力端子１２から出力端子１８に至るストリップ導体８３を形成し、線路長が異なる複数の伝送線路を構成し、また、ストリップ導体８Ｂは、入力端子２０から出力端子２２に至る最も長いストリップ導体であって、中途部を千鳥状に屈曲させて最長の線路長を確保している。
【００６５】
この実施形態では、ストリップ導体８Ａ側に第１の周波数の電磁波、例えば、３ＧＨｚの電磁波を独立して伝送させ、ストリップ導体８Ｂ側に第２の周波数の電磁波、例えば、５００ＭＨｚの電磁波を独立して伝送させることにより、含水率測定用ストリップ導体８Ａとイオン含有率測定用ストリップ導体８Ｂとを併設したものである。即ち、例えば、１ＧＨｚより低い周波数範囲において電磁波損失は含水率及びイオン含有率の双方に依存し、例えば、３ＧＨｚの周波数の電磁波損失から求めた含水率と５００ＭＨｚの電磁波損失によりイオン含有率を求めることができる。この含水率・イオン含有率センサでは、周波数の異なる電磁波を同時に入力することができるが、ストリップ導体８Ａ側の電磁波損失は、出力端子１４〜１８の選択によって取り出すことができ、それぞれの電磁波損失を測定することにより、含水率及びイオン含有率を同時に求めることができる。
【００６６】
実験によれば、５００ＭＨｚにおける電磁波損失は３ＧＨｚよりかなり低くなり、電磁波損失の測定精度を高めるため、ストリップ導体８Ｂの線路長は十分に長く設定する必要がある。
【００６７】
次に、図５は、特性測定センサとして含水率・イオン含有率センサを示している。図４に示すストリップ導体８Ａ、８Ｂを独立して構成したものであるのに対し、両者を合体して線路長を異ならせたものである。即ち、入力端子１２と入力端子２０とを共通化して１つの入力端子１２とし、分岐回路を以て所望の線路長を持つ複数のストリップ導体８Ａ、８１、８２、８３、８Ｂを構成したものである。図４に示す場合と同様に、ストリップ導体８Ａ側に第１の周波数の電磁波、例えば、３ＧＨｚの電磁波を独立して伝送させ、ストリップ導体８Ｂ側に第２の周波数の電磁波、例えば、５００ＭＨｚの電磁波を独立して伝送させる。即ち、含水率測定用ストリップ導体８Ａとイオン含有率測定用ストリップ導体８Ｂとを併設したことにより、周波数の異なる電磁波を同時に又は個別に入力し、それぞれの電磁波損失を測定して含水率及びイオン含有率を求めることができる。この場合、入力端子１２に周波数の異なる第１及び第２の電磁波として異なる周波数３ＧＨｚ、５００ＭＨｚを加えるため、その電磁波を切り換え、その切換えと同期して出力端子１４、１６、１８と出力端子２２の各出力の取出しを切り換えることにより、各周波数、即ち、ストリップ導体８Ａ、８Ｂ又はストリップ導体８１、８２、８３毎の電磁波損失を測定することができる。そして、それらの測定値から含水率及びイオン含有率を算出することができる。
【００６８】
また、ＭＳＬセンサ２の表面は、ストリップ導体８Ａ、８１、８２、８３、８Ｂの劣化を防止するための手段として誘電体皮膜等の保護膜で覆うようにしてもよい。また、土壌や溶液に浸すことから、各ストリップ導体８Ａ、８１、８２、８３、８Ｂの表面又はその上面を覆う保護膜の表面上に防水膜を設置することは有効である。
【００６９】
ところで、特性測定センサは、被測定物の特性に応じて各種の形態とすることができ、例えば、図６に示す円柱状としてもよく、また、図７及び図８に示すような形態としてもよい。
【００７０】
次に、図６は円柱状のＭＳＬセンサを示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図を示す。このＭＳＬセンサ２は、誘電体で形成された円筒体２４の外表面に螺旋状にストリップ導体８を配設するとともに、円筒体２４の内面に導体６を形成し、その中空部に接着剤等の誘電体、金属等の充填物２８を入れたものである。温度センサ３０はストリップ導体８側に設置してもよいが、充填物２８の内部に埋め込んで設置してもよい。図示しないが、円筒体２４の外面及びストリップ導体８の表面に誘電体からなる保護膜を設置してもよい。
【００７１】
このようなＭＳＬセンサ２では、その直径を小さくし、棒状に形成すれば、被測定物１０が土壌のような場合には埋設作業が容易になる。この場合、ストリップ導体８は螺旋状であるため十分な長さを確保できるが、螺旋状である必要はない。
【００７２】
また、図７は円筒状のＭＳＬセンサを示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図を示す。このＭＳＬセンサ２では、誘電体で形成された円筒体２４の内面側に螺旋状にストリップ導体８を配設するとともに、円筒体２４の外面に導体６を形成し、その中空部側に被測定物１０が侵入するようにしてもよい。同様に、このＭＳＬセンサ２では、その直径を小さくし、棒状に形成すれば、被測定物１０が土壌のような場合には埋設作業が容易になる。この場合、ストリップ導体８は螺旋状であるため十分な長さを確保できるが、螺旋状である必要はない。
【００７３】
また、図８は円筒状のＭＳＬセンサを示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図を示す。このＭＳＬセンサ２では、誘電体で形成された円筒体２４の外側で千鳥状に屈曲させて線路長を長くしたストリップ導体８を配設するとともに、円筒体２４の内面に導体６を形成してもよい。同様に、このＭＳＬセンサ２では、その直径を小さくし、棒状に形成すれば、被測定物１０が土壌のような場合には埋設作業が容易になる。
【００７４】
次に、特性測定センサとしてＭＳＬセンサの実験結果について説明する。実験には、被測定物として純水、標準砂及び塩化カリウムを用いた。
【００７５】
先ず、高い周波数の電磁波として例えば３．２５ＧＨｚを使用し、電磁波損失Ｌf1と含水率Ｍ及びイオン含有率Ｉとの関係の測定結果を得た。図９は、その結果を示しており、イオンの影響はなく、無視することができる。
【００７６】
そこで、含水率Ｍを電磁波損失Ｌf1の関数として較正し、図１０に示すように、含水率における較正カーブを得た。この較正方程式は次の通りである。
Ｍ＝ａＬf1 2 ＋ｂＬf1＋ｃ ・・・（７）
【００７７】
ここで、係数ａ、ｂ、ｃの値は実験によって求めた数値である。この較正方程式を用いて、電磁波損失Ｌf1から含水率Ｍが算出できる。
【００７８】
また、低い周波数における電磁波損失Ｌf2は含水率Ｍ及びイオン含有率Ｉに関係する。ここで、電磁波損失Ｌf2を、水自体による電磁波損失Ｌf2M とイオンによる電磁波損失Ｌf2I の和であると仮定する。
【００７９】
そして、例えば、５５０ＭＨｚにおいて、水分（純水の水分）による電磁波損失Ｌf2M と含水率Ｍとの関係の測定結果及び近似カーブを図１１に示し、近似方程式は式（８）のように書くことができる。
Ｌf2M ＝ａ’Ｍ2 ＋ｂ’Ｍ＋ｃ’ ・・・（８）
【００８０】
ここで、係数ａ’、ｂ’、ｃ’の値は実験によって求めた値である。
【００８１】
また、イオンによる電磁波損失Ｌf2I とイオン含有率Ｉとの関係の測定結果及び近似カーブを図１２に示し、近似方程式は式（９）のようになる。
Ｌf2I ＝ｇＩ ・・・（９）
【００８２】
ここで、係数ｇの値は実験によって求めた値である。したがって、試料である被測定物の電磁波損失Ｌf2は式（１０）で示すことができる。
Ｌf2＝Ｌf2M ＋Ｌf2I ＝ａ’Ｍ2 ＋ｂ’Ｍ＋ｃ’＋ｇＩ ・・・（１０）
【００８３】
この式（１０）からイオン含有率Ｉを解くと、イオン含有率における較正方程式は式（１１）のようになる。
Ｉ＝｛Ｌf2−（ａ’Ｍ2 ＋ｂ’Ｍ＋ｃ’）｝／ｇ ・・・（１１）
【００８４】
そこで、式（７）、（１１）における係数ａ、ｂ、ｃ、ａ’、ｂ’、ｃ’、ｇの値は実験によって求められるので、これら式（７）及び式（１１）により、２つの周波数における電磁波損失Ｌf1、Ｌf2の各測定値から含水率Ｍ及びイオン含有率Ｉを求めることができる。
【００８５】
そして、ＭＳＬセンサ２の表面に素焼き等で多孔質な吸水媒体を貼り付け、その媒体吸水率やイオン含有率を測定することで、間接的に土壌を測定することができる。即ち、ＭＳＬセンサ２の表面に吸水媒体としてセラミックを貼り付けると、そのセラミックの周辺土壌から吸い取る水分と相関するｐＦ値によって電磁波の損失が変化する。３ＧＨｚ以上の周波数の電磁波を利用すると、その電磁波損失測定には土壌水に存在するイオンの影響を無視でき、その電磁波損失の測定値からｐＦ値を求めることができる。また、１ＧＨｚ以下の低い周波数における電磁波損失はｐＦ値及び土壌水の導電率やイオン濃度に依存する。このため、２つの周波数における電磁波損失の測定により、ｐＦ値、土壌水の導電率及びイオン濃度を算出できる。
【００８６】
次に、本発明の特性測定装置の実施形態について説明する。
【００８７】
図１３ないし図１５は、本発明の特性測定装置の第１の実施形態を示している。即ち、この特性測定装置は、ＭＳＬセンサ２、温度センサ３０、制御ユニット３２、伝送装置３４及び演算・記録・表示装置３６を備えている。
【００８８】
ＭＳＬセンサ２には、図３に示すＭＳＬセンサ２等が用いられ、その構成及び電磁波損失の測定原理は上述の通りである。
【００８９】
温度センサ３０は、ＭＳＬセンサ２又は被測定物１０に設置され、ＭＳＬセンサ２の近傍の温度を測定する。測定温度は、例えば、電圧として取り出すことができ、電磁波損失Ｌの温度補正に用いられる。
【００９０】
制御ユニット３２は、電磁波損失の測定制御を行う制御手段であって、電磁波発生源である電磁波発生装置３８、参照信号としての入力電磁波とともにＭＳＬセンサ２からの出力電磁波を受けて電磁波損失Ｌを検出する損失検出手段としての電磁波損失検出装置４２（以下単に「検出装置４２」と言う）を備える。この制御ユニット３２には避雷対策を施す。例えば、制御ユニット３２は金属製の筐体に収容され、その筐体に接地４４を施して避雷対策とすることができる。
【００９１】
電磁波発生装置３８は、５００ＭＨｚ、３ＧＨｚ等の所望の周波数の電磁波を発生し、接続されているＭＳＬセンサ２に発生した電磁波を入力する。図１３において、ＰinはＭＳＬセンサ２に加えられる入力電磁波、Ｐout はＭＳＬセンサ２から取り出される減衰を伴う出力電磁波である。
【００９２】
また、検出装置４２は、電磁波発生装置３８からの参照信号としての入力電磁波Ｐinと、ＭＳＬセンサ２からの出力電磁波Ｐout から周波数毎、即ち、第１及び第２の電磁波損失Ｌf1、Ｌf2として、この実施形態では、３ＧＨｚと５００ＭＨｚの電磁波損失を測定する。この検出装置４２には、電磁波損失を電圧で検出した際に、局部発振周波数との混合により周波数変換、即ち、ヘテロダイン検波等を用いて所望の周波数に変換した後、その電圧値を対数増幅して対数変換する手段として対数増幅器を用いることができる。
【００９３】
また、伝送装置３４は、検出装置４２が出力した周波数毎の電圧信号Ｖ1 、Ｖ2 、温度センサ３０が出力した電圧信号Ｖｔを有線又は無線により演算・記録・表示装置３６に伝送する信号伝送手段である。この場合、伝送装置３４は、図１４に示すように、電圧測定装置４６、温度検出装置４８を備えるとともに、ディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換装置５０、そのディジタル信号を伝送する送信装置５２を備えている。即ち、周波数３ＧＨｚと周波数５００ＭＨｚの電磁波損失を表す電圧Ｖ1 、Ｖ2 、測定温度を表す電圧Ｖｔをディジタル信号に変換して送信装置５２によって演算・記録・表示装置３６に伝送する。
【００９４】
そして、演算・記録・表示装置３６は、得られた電磁波損失及び測定温度から求めた検量線を用いて被測定物１０の特性を演算し、その演算結果を記録するとともに、表示する手段であって、図１５に示すように、伝送装置３４からの送信信号を受信する受信装置５４及びパーソナルコンピュータ５６を備える。即ち、伝送装置３４からの電圧信号（Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖｔ）を受信装置５４によってパーソナルコンピュータ５６に入力される。式（１）から求めた検量線、即ち、式（２）、（３）、（４）から、次の式（１２）、（１３）が得られ、
Ｍ＝Ｍ（Ｖ1 ，ｋ） ・・・（１２）
Ｉ＝Ｉ（Ｖ2 ，Ｍ） ・・・（１３）
これらの式（１２）、（１３）から含水率（Ｍ）、イオン含有率（Ｉ）を演算し、その温度補正した値を記録、表示する。
【００９５】
次に、図１６及び図１７は、本発明の特性測定装置の第２の実施形態を示している。第１の実施形態と同一部分には同一符号を付してある。この実施形態では、ＭＳＬセンサ２に図４に示すＭＳＬセンサ２が用いられる。即ち、電磁波発生装置３８から周波数ｆ1 （＝３ＧＨｚ）、周波数ｆ2 （＝５００ＭＨｚ）の各電磁波がＭＳＬセンサ２の入力端子１２、２０に独立して入力され、周波数ｆ1 側の出力電磁波Ｐout は切換手段であるスイッチ５８により選択されて第１の検波器６１に加えられ、周波数ｆ2 側の出力電磁波Ｐout は第２の検波器６２に加えられる。スイッチ５８の出力切換えは切換制御部６４によって行われる。第１及び第２の検波器６１、６２は、例えば、入力周波数と局部発振周波数とを混合するミキサを備え、ヘテロダイン検波によって所望の周波数の検波出力を取り出す検波器が使用される。
【００９６】
そして、伝送装置３４は、図１７に示すように、電圧測定装置４６、温度検出装置４８を備えるとともに、ディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換装置５０、Ａ／Ｄ変換された電圧信号を有線又は無線を以て演算・記録・表示装置３６に伝送する送信装置５２を備えている。即ち、３ＧＨｚと５００ＭＨｚの周波数の電磁波損失を表す電圧Ｖ1 、電圧Ｖ2 、測定温度を表す電圧Ｖｔをディジタル信号に変換して送信装置５２によって演算・記録・表示装置３６に伝送する。
【００９７】
次に、図１８は、本発明の特性測定装置の第３の実施形態を示している。第２の実施形態と同一部分には同一符号を付してある。この実施形態では、ＭＳＬセンサ２に図５に示すＭＳＬセンサが用いられる。電磁波発生装置３８は、例えば、周波数ｆ1 （＝３ＧＨｚ）、周波数ｆ2 （＝５００ＭＨｚ）の各電磁波を選択的に発生してＭＳＬセンサ２に入力する。例えば、電磁波発生装置３８に周波数選択手段としてスイッチを設け、発生した周波数ｆ1 、ｆ2 がそのスイッチを通して選択されてＭＳＬセンサ２に加えられる。即ち、周波数ｆ1 が選択されるとき、検波器６１には、スイッチ５８を通して周波数ｆ1 の出力電磁波Ｐout が加えられるとともに、スイッチ６６を通して入力電磁波Ｐinが加えられ、また、周波数ｆ2 が選択されるとき、検波器６２には、スイッチ５８を通して周波数ｆ2 の出力電磁波Ｐout が加えられるとともに、スイッチ６６を通して入力電磁波Ｐinが加えられ、それぞれの電磁波損失が検波器６１から電圧Ｖ1 、検波器６２から電圧Ｖ2 として取り出される。
【００９８】
次に、図１９及び図２０に示す特性測定装置を含水率センサに用いた土壌の含水率測定について説明する。
【００９９】
ＭＳＬセンサ２は、被測定物としての土壌１１に埋設等し、そのストリップ導体８を土壌１１に隣接させる。このＭＳＬセンサ２は、例えば、図２０に示すように、誘電体基板４０を備え、その裏面側に導体６、その表面側にストリップ導体８を配設したものを絶縁物で形成された筐体２１内に埋め込み、ストリップ導体８側の表面を誘電体からなる保護膜としての防護層２３で被覆したものである。筐体２１には、温度センサ３０が埋め込まれている。この場合、温度センサ３０は、ＭＳＬセンサ２とともに土壌１１中に埋設され、ＭＳＬセンサ２の近傍の温度を測定し、その測定温度をＭＳＬセンサ２の出力の温度補正に用いる。
【０１００】
また、制御ユニット３２における電磁波発生装置３８にはマイクロ波等の電磁波を発生させ、ＭＳＬセンサ２のストリップ導体８に加える。また、検出装置４２には参照信号としてＭＳＬセンサ２の入力電磁波とＭＳＬセンサ２を通過した出力電磁波を加える。この場合、土壌１１のイオンの影響を無視できるレベルにするために、高い周波数、例えば、約１ＧＨｚ超のマイクロ波を使用する。検出装置４２は、入力電磁波と出力電磁波とを受け、両者の電力比、電圧比、電力差又は電圧差に応じた直流電圧又は低周波電圧を出力する。この出力電圧は出力信号である出力電磁波と参照信号である入力電磁波により変化する。
【０１０１】
伝送装置３４は、図１４に示す構成であり、制御ユニット３２から出力された直流電圧又は低周波電圧を測定し、そのレベルを表す出力を取り出し、温度センサ３０の測定温度を表す電圧信号に変換し、これらの出力信号を無線又は有線により演算・記録・表示装置３６に伝送する。
【０１０２】
そして、演算・記録・表示装置３６は、伝送装置３４を通して受けた電磁波損失から含水率やｐＦ値を演算し、温度補正を行うとともに、その含水率やｐＦ値及び温度を表示する。
【０１０３】
このとき、出力電磁波の振幅は、ストリップ導体８上の水分により、入力電磁波の振幅より減少する。これを参照信号と比較して電磁波損失を検出する。具体的には、電磁波損失を表す直流電圧又は低周波電圧として取り出す。このストリップ導体８を通過した電磁波に生じる電磁波損失は、その導体上空間にある水分の多寡に依存する。この実施例では、含水率センサとして機能させている。
【０１０４】
また、電磁波の周波数が高く、約１ＧＨｚ超では、電磁波損失へのイオンによる影響が小さくなり、この事実に基づき、３〜３．５ＧＨｚを選択している。
【０１０５】
そして、ＭＳＬセンサ２の出力レベルである電圧と電磁波損失の相関については予め数式等を作成し、パーソナルコンピュータ５６に格納しておく。そして、電磁波損失から土壌の含水率を算出し、温度補正を行う。この場合、予め電磁波損失と土壌の含水率の相関を表す検量線及び数式等を作成し、パーソナルコンピュータ５６に格納しておく。図２１は、実験により得られた検量線を示す。
【０１０６】
実験には、被測定物として豊浦標準砂と土壌を使用し、使用した水溶液は、純水、塩化カリウム水溶液、肥料水溶液について行った。電磁波の周波数は３．０ＧＨｚを使用し、その測定結果として図２１に示す電磁波損失を得た。この電磁波損失は含水率に依存し、高い相関性を示している。しかも、水の中のイオンの影響は殆ど無視できるレベルであり、その検量線及び数式の温度依存性を把握できる。
【０１０７】
また、温度補正後の含水率を表示し、含水率とｐＦ値の相関関係を用いて含水率をｐＦ値に置換して表示する。この場合、電磁波損失とｐＦ値は土壌の種類によって異なるので、検量線は、土壌の種類毎に作成しておく必要がある。
【０１０８】
次に、図１９及び図２０に示す特性測定装置をイオン含有率センサに用いた土壌のイオン等の測定について説明する。
【０１０９】
ＭＳＬセンサ２は、被測定物である土壌１１中に埋め、ストリップ導体８にその土壌１１を近接させる。この場合、電磁波発生装置３８には周波数１ＧＨｚ未満の特定波長の電磁波を発生させ、ＭＳＬセンサ２に加えるとともに、参照信号としてその入力電磁波を検出装置４２に加える。検出装置４２にＭＳＬセンサ２からの出力電磁波が加えられるのは前記と同様である。
【０１１０】
この場合、出力電磁波の振幅は、ストリップ導体８上の水分のみならずイオンによっても減衰する。これを参照信号である入力電磁波と比較して電磁波損失として取り出す。この場合、電磁波損失が直流電圧又は低周波電圧として取り出される。
【０１１１】
ストリップ導体８を通過する電磁波に生じる電磁波損失は、その導体上にあるイオンの多寡にも依存することから、この実施形態では、イオン含有率センサとして機能させている。この場合、前記の方法で測定した含水率又は別途測定した含水率を参照する必要がある。
【０１１２】
また、この電磁波損失にイオンが影響する度合いは、電磁波の周波数が低い範囲（約１ＧＨｚ未満）で顕著になり、そのため、数百ＭＨｚの周波数を選択している。
【０１１３】
そこで、電磁波損失と含水率とから土壌のイオン含有率を算出し、その算出値に温度補正を施す。この場合、予め電磁波損失と含水率に対する土壌のイオン含有率の相関について検量線や数式等を作成しておく必要がある。また、その検量線及び数式の温度依存性を予め把握する必要がある。
【０１１４】
なお、電磁波損失と含水率に対する土壌のイオン含有率の相関関係について、そのイオンには複数種類のイオンがあり、それらが混在している場合、特定のイオンを主成分としている場合や各種イオンの混合比率の変動が低い場合には、主成分イオンを測定するイオン含有率センサとして十分に機能する。例えば、茶畑では、慣習的に多施肥栽培が行われており、且つ、肥料成分的に窒素偏重の傾向が一般的に見られる。土壌中のイオンは、肥料窒素成分が土壌中で変化して生成する硝酸体窒素（即ち、硝酸イオン）を主成分としており、その比率があまり変わらない状況であることから、本発明に係る特性測定装置を硝酸イオン含有率センサとして使用することにより、そのイオンの測定が可能である。
【０１１５】
また、温度補正後のイオン含有率を表示し、この土壌のイオン含有率を土壌溶液中のイオン濃度に置換して土壌溶液中のイオン濃度を算出して表示する。この場合、検量線に相当する電磁波損失と含水率に対する土壌溶液中のイオン濃度を予め求めておくことが必要である。土壌溶液中のイオン濃度と含水率とを乗算することにより、土壌のイオン含有率を算出することができる。イオン濃度やイオン含有率を求める時点では、既に含水率が判明しているので、その含水率を用いてイオン濃度やイオン含有率を求めることができる。
【０１１６】
土壌１１のイオン含有率を、土壌溶液導電率に置換することにより、土壌溶液導電率を算出して表示する。この場合、検量線として電磁波損失と含水率に対する土壌溶液導電率を予め求めておくことが必要である。水溶液の導電率は、その溶液中のイオン濃度に依存し、両者の間には相関があるから、何れか一方が判れば、他方は容易に判明し、土壌溶液においても同様である。即ち、土壌溶液導電率、土壌溶液中のイオン濃度、土壌のイオン含有率は何れかが判明すれば、他の２つの特性が判明する。
【０１１７】
ところで、土壌中硝酸イオン含有率の測定は、耕作地の土壌の肥料成分観測を目的として行われることが多いが、従来用いられた方法によっては、算出される硝酸イオン含有率よりも土壌溶液導電率の挙動に着目する場合がある。本発明の特性測定センサでは、土壌溶液導電率を算出することによって、それに対応できる。
【０１１８】
次に、図２２及び図２３は、実験結果を示すグラフである。実験には、土壌として豊浦標準砂を使用し、水溶液には塩化カリウム水溶液を使用し、濃度を変えたものを数種用いた。濃度のレベルについては、導電率を測定し、それを数水準に設定し、導電率０つまり濃度０を設定した。
【０１１９】
その実験結果は、図２２及び図２３に示す通りであり、各結果の損失レベルが異なるが、これは含水率に依存するものである。同じ含水率でも、水溶液の導電率によって電磁波損失が変化し、特定の周波数範囲では、電磁波損失は水分と導電率の双方に相関していることが判る。
【０１２０】
次に、図２４〜図２８に示す本発明の特性測定装置を土壌のイオン含有率・含水率センサに用いた土壌のイオン含有率及び含水率の同時測定について説明する。
【０１２１】
図２４及び図２５は本発明の特性測定装置による土壌のイオン含有率・含水率センサを示している。ＭＳＬセンサ２には、含水率測定用ストリップ導体８Ａと、イオン含有率等測定用ストリップ導体８Ｂとを１つの筐体２１内に収容している。この場合、単一の誘電体基板４０上にそれぞれのストリップ導体８Ａ、８Ｂを設置してもよく、また、２枚の誘電体基板４０上にストリップ導体８Ａ、８Ｂを個別に設置し、各誘電体基板を貼り付けてもよい。
【０１２２】
制御ユニット３２の構成は前記の通りであり、この場合、電磁波発生装置３８には、イオンの影響をより明確にするための低い周波数（約１ＧＨｚ未満）の電磁波と、イオンの影響を無視できるレベルにするための高い周波数（約１ＧＨｚ超）のマイクロ波の２つの周波数の電磁波を発生させる。そして、検出装置４２で得られた電磁波損失を表す一方の直流電圧又は低周波電圧により含水率やｐＦ値を算出し、温度センサ３０で測定された温度を以てその算出値を温度補正する。
【０１２３】
そして、検出装置４２で得られた電磁波損失を表す他方の直流電圧又は低周波電圧と前記含水率とからイオン含有率、イオン濃度、溶液導電率を算出し、その値を測定温度で温度補正する。これらの測定値を表示する。
【０１２４】
次に、図２６及び図２７は本発明の特性測定装置による土壌のイオン含有率・含水率センサの他の例を示している。ＭＳＬセンサ２には、含水率測定用ストリップ導体８Ａと、イオン含有率等測定用ストリップ導体８Ｂとを入力側の端を共通に設置し、ストリップ導体８の中途部で分岐させている。
【０１２５】
この場合、電磁波発生装置３８には、イオンの影響をより明確にするための低い周波数（約１ＧＨｚ未満）の電磁波と、イオンの影響を無視できるレベルにするための高い周波数（約１ＧＨｚ超）の２つの電磁波を発生させ、何れかの波長、即ち、周波数を選択するための切換手段としてのスイッチ６６を備えている。検出装置４２は、ＭＳＬセンサ２を通過した出力電磁波と、参照信号としての入力電磁波とを受け取る。この場合、検出装置４２では、入力電磁波の選択に対応して各周波数で個別の出力電磁波を検出する。この結果、検出装置４２は、電磁波損失を表す直流電圧又は低周波電圧を周波数毎に出力し、その直流電圧又は低周波電圧が出力信号と参照信号により変化する。
【０１２６】
制御ユニット３２から出力された直流電圧又は低周波電圧は、伝送装置３４の電圧測定装置４６によって測定され、また、温度検出装置４８は温度センサ３０の出力から温度を表す電圧信号に変換する。これら出力信号は、伝送装置３４を通して演算・記録・表示装置３６に伝送され、一方の直流電圧又は低周波電圧から含水率やｐＦ値を算出し、それを温度補正した後、表示する。また、他方の直流電圧又は低周波電圧と、既に求めた含水率とからイオン含有率やイオン濃度や溶液導電率を算出し、それを温度補正した後、表示する。
【０１２７】
次に、図２８は本発明の特性測定装置による土壌のイオン含有率・含水率センサの他の例を示している。ＭＳＬセンサ２には、単一のストリップ導体８を備えたものを用いる。
【０１２８】
この場合、電磁波発生装置３８には、イオンの影響をより明確にするための低い周波数（約１ＧＨｚ未満）のマイクロ波と、イオンの影響を無視できるレベルにするための高い周波数（約１ＧＨｚ超）のマイクロ波の２つの周波数の電磁波を発生させ、何れかの波長を選択して送り出すための切換手段としてのスイッチ６６を備えている。
【０１２９】
このような構成によれば、一つの周波数の電磁波損失を表す直流電圧又は低周波電圧から含水率やｐＦ値を算出し、それを温度補正する。また、他の電磁波損失を表す直流電圧又は低周波電圧と、既に算出した含水率とからイオン含有率、イオン濃度、溶液導電率を算出し、それを温度補正した後、それらを表示する。
【０１３０】
次に、図２９は、本発明の特性測定方法及び特性測定装置の他の実施形態を示し、図３０は特性測定センサの他の実施形態として一部を切り欠いて内部構造を示している。この実施形態では、ＭＳＬセンサ２の表面に多孔質な吸水媒体として素焼板６８を貼り付け、その媒体吸水率やイオン含有率を測定することで、間接的に土壌を測定するようにしたものである。即ち、ＭＳＬセンサ２の表面に吸水媒体としてセラミックを貼り付けると、そのセラミックの周辺土壌から吸い取る水分と相関するｐＦ値によって電磁波の損失が変化する。したがって、吸水媒体である素焼板６８側で電磁波損失を測定することで、吸水媒体における含水率、水分の吸引圧、イオン含有率、水分のイオン濃度、水分の導電率の何れかを算出することができる。
【０１３１】
なお、土壌の含水率とイオン含有率の両方を一度に測定するには図２６の特性測定装置を使用し、ＭＳＬセンサ２を測定すべき土壌に埋設し、ストリップ導体８に隣接し、電磁波発生装置３８に発生させた電磁波の周波数の３〜３．５ＧＨｚの一波長と、１ＧＨｚ未満の一波長の２つの電磁波を用いて得られる電磁波損失から含水率とイオン含有率を算出すればよい。
【０１３２】
また、実施形態では、伝送線路としてマイクロストリップ線路を例に取って説明したが、基板等に配設された各種の導体を用いればよく、本発明は実施形態のものに限定されるものではない。
【０１３３】
また、実施形態では、電磁波損失を電力比又は電圧比で求めたが、電力差又は電圧差等のレベル差で算出することが可能である。
【０１３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次の効果が得られる。
ａ．メンテナンスの軽減化ないし容易化を図ることができ、土壌水分等の被測定物の特性を高精度に測定することができる。
ｂ．耕作地の土壌水分の管理等に必要な特性測定の利便性を向上させることができる。
ｃ．メンテナンスの軽減化ないし容易化を図ることができ、土壌中イオン含有率や、土壌溶液のイオン濃度や、土壌溶液の導電率を高精度に測定することができる。
ｄ．耕作地の肥料成分管理のための観測における利便性を向上させることができる。
ｅ．被測定物の特性として水分、イオンの双方を単一のＭＳＬセンサで測定できる。
ｆ．被測定物の水分測定については、その測定値を含水率及びｐＦ値の何れでも表すことができる。
ｇ．イオン測定については、その測定値をイオン含有率、溶液イオン濃度、溶液導電率の何れでも表すことができる。
ｈ．また、特性測定センサ及び特性測定装置は既存の部品等を用いてしかも特殊な技術や高精度な技術を要することなく、容易かつ安価に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 特性測定センサを示す斜視図である。
【図２】 特性測定センサの電磁界分布を示す図である。
【図３】 特性測定センサを示す平面図である。
【図４】 他の特性測定センサを示す平面図である。
【図５】 他の特性測定センサを示す平面図である。
【図６】 他の特性測定センサを示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図７】 他の特性測定センサを示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその一部を切り欠いて示した側面図である。
【図８】 他の特性測定センサを示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図９】 特性測定センサを用いた実験結果を示す図である。
【図１０】 他の特性測定センサを用いた実験結果を示す図である。
【図１１】 他の特性測定センサを用いた実験結果を示す図である。
【図１２】 他の特性測定センサを用いた実験結果を示す図である。
【図１３】 本発明の特性測定装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図１４】 伝送装置を示すブロック図である。
【図１５】 演算・記録・表示装置を示すブロック図である。
【図１６】 本発明の特性測定装置の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図１７】 伝送装置を示すブロック図である。
【図１８】 本発明の特性測定装置の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図１９】 本発明の特性測定装置の一実施形態である含水率センサ又はイオン含有率センサを示すブロック図である。
【図２０】 ＭＳＬセンサの構成を示す縦断面図である。
【図２１】 本発明の特性測定装置による含水率センサの実験結果を示す図である。
【図２２】 本発明の特性測定装置によるイオン含有率センサの実験結果を示す図である。
【図２３】 本発明の特性測定装置によるイオン含有率センサの実験結果を示す図である。
【図２４】 本発明の特性測定装置の一実施形態である含水率・イオン含有率センサを示すブロック図である。
【図２５】 ＭＳＬセンサの構成を示す縦断面図である。
【図２６】 本発明の特性測定装置の他の実施形態である含水率・イオン含有率センサを示すブロック図である。
【図２７】 ＭＳＬセンサの構成を示す縦断面図である。
【図２８】 本発明の特性測定装置の他の実施形態である含水率・イオン含有率センサを示すブロック図である。
【図２９】 本発明の特性測定装置の他の実施形態であって、ＭＳＬセンサの一部を切り欠いて示したブロック図である。
【図３０】 ＭＳＬセンサの構成を示す縦断面図である。
【図３１】 従来のテンションメータ法によるセンサを示す図である。
【図３２】 従来のテンションメータ法による検量線を示す図である。
【図３３】 従来のＥＣセンサを示す図である。
【図３４】 従来のＥＣセンサの測定電極部分の拡大図を示す図である。
【図３５】 従来のＥＣセンサによる検量線を示す図である。
【図３６】 従来のＥＣセンサによる検量線を示す図である。
【図３７】 従来のＥＣセンサによる検量線を示す図である。
Claims (2)
- 電磁波を通過させる単一又は複数のマイクロストリップラインからなる伝送線路を備え、被測定物に前記伝送線路を近接させたセンサと、
このセンサに１又は２以上の電磁波を入力する電磁波発生源と、
この電磁波発生源から前記センサに加えられる入力電磁波と、前記センサを通して得られる出力電磁波とから前記被測定物による電磁波損失を検出する損失検出手段と、
この損失検出手段で得た前記電磁波損失から前記被測定物の特性を演算する演算手段とを備え、
前記センサに前記電磁波の周波数に適した伝送線路を備えて前記センサから取り出される前記電磁波の周波数に応じて前記伝送線路を切り換える切換手段を備え、
前記伝送線路に周波数の異なる電磁波を通過させることにより前記センサを前記被測定物の含水率センサ又はイオン含有率センサとして機能させたことを特徴とする特性測定装置。 - 請求項１記載の特性測定装置において、
前記伝送線路は、長さの異なる第１及び第２のストリップ導体を備えるとともに、前記第１のストリップ導体を単一又は複数で構成し、かつ、前記第２のストリップ導体を分岐させてなることを特徴とする特性測定装置。
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