JP5696446B2 - 土中水分量センサ、および土中水分量計測システム - Google Patents

Description

本発明は、土壌の水分含有量および浸水水位を検出する土中水分量センサ、および該土中水分量センサを用いて土壌の水分含有量および浸水水位を計測する土中水分量計測システムに関する。

地中の土壌は、水分を含まない乾燥状態から、降雨などにより、適度に水分を含む湿潤状態となり、やがて土壌の水分含有量が飽和して土壌が水に浸る浸水状態となる。土砂崩れなどが懸念される地域では、地中の土壌の水分含有量および浸水水位（水分量）を高精度でモニタしていくことが必要である。

地中の土壌の水分量を計測する方法としては、水分含有量センサおよび水位センサを地中に埋設して用いる方法が考えられる。水分含有量センサは、例えば、対向配置された一対の電極を有し、電極間に配置された土壌の水分含有量変化を、静電容量変化として検出する（例えば特許文献１、および２）。水位センサは、例えば、圧力センサを有し、浸水水位の変化を、水深に応じた水圧の変化として検出する（例えば間隙水位計など）。水分含有量センサは土壌の水分含有量が飽和するまでの水分量が検出範囲となり、水位センサは土壌の水分含有量が飽和してからの水分量が検出範囲となる。低コストで容易に土壌の水分量を検出するためには、土壌の水分含有量および浸水水位を連続的に検出できる水分量センサが望まれる。

特開２００７−０６４９３３号公報 特開２００８−２２４４５０号公報

本発明の課題は、地中の土壌の水分含有量および浸水水位を高精度で連続的に計測できる土中水分量センサ、および土中水分量計測システムを提供することにある。

本発明の一観点によれば、土壌の水分量を検出する土中水分量センサであって、一方面が閉塞され、他方面が開放された筒状の筐体と、前記筐体の側壁に設けられる一対の電極と、前記筐体の１断面を占有するように配置され、前記土壌を構成する土粒子よりも小さい開口を有する仕切部材と、を有し、前記仕切部材は、前記一対の電極が対向する領域に配置される土中水分量センサ、が提供される。

地中の土壌の水分含有量および浸水水位を高精度で連続的に計測できる土中水分量センサ、および土中水分量計測システムが提供される。

図１Ａおよび１Ｂは、第１の土中水分量センサの側面断面図、および下面図である。 図２は、第２の土中水分量センサの側面断面図である。 図３は、第１，２の土中水分量センサを含む土中水分量計測システムのブロック図である。 図４Ａ〜４Ｃは、従来の水分含有量センサを地中に埋設した様子を示すダイアグラムであり、図４Ｄは、従来の水分含有量センサが検出する比誘電率変化を示すグラフである。 図５Ａ〜５Ｃは、第１の土中水分量センサを地中に埋設した様子を示すダイアグラムであり、図５Ｄは、第１の土中水分量センサが検出する比誘電率変化を示すグラフである。 図６Ａ〜６Ｄは、第２の土中水分量センサを地中に埋設した様子を示すダイアグラムであり、図６Ｅは、第２の土中水分量センサが検出する比誘電率変化を示すグラフである。 図７Ａおよび７Ｂは、本発明者らが提供する土中水分量センサの他の例を示す下面図、および側面断面図である。

図１Ａおよび１Ｂは、本発明者らが提供する第１の土中水分量センサの構成を示す側面断面図および下面図である。なお、図１Ａに示す側面断面図は、図１ＢにおけるＩＡ−ＩＡ断面を示す。第１の土中水分量センサは、下面が開放された円筒型容器形状の筐体１と、筐体１の側壁に間隙部２ａを有して対向配置される一対の電極２と、一対の電極２が対向する領域に配置され、被測定土壌の土粒子径よりも小さい開口を有する仕切部材３と、によって構成される。仕切部材３は、一対の電極２が対向する領域を領域１０，１１に区画し、当該センサを地中に埋設する際、領域１１への土壌の侵入を防ぐ役割を果たす。仕切部材３は、強度の高い金属、例えばステンレスなどにより構成され、被測定土壌の土粒子径よりも小さい網目を有するメッシュ板などが好ましい。筐体１は、有機樹脂等で構成され、上面には空気抜きのための防水通気性膜１ａ等を備えていることが好ましい。また、一対の電極２は、腐食耐性の向上および絶縁性の担保のため有機絶縁膜等によりコーティングされていることが好ましい。

図２は、本発明者らが提供する第２の土中水分量センサの構成を示す側面断面図である。第２の土中水分量センサは、第１の土中水分量センサの構成に加え、さらに筐体１の上面に弾性体４を介して接続される誘電部材５を備える。弾性体４は、例えばステンレス等により構成されたベローズ構造を用いることが可能である。誘電部材５は、有機樹脂、例えばシリコンゴム等により構成され、少なくともその一部が一対の電極２間の上方領域にかかるよう配置される。誘電部材５は、弾性体４を介して筐体１の上面に接続されているため、押圧ないし自重によって上下方向に移動することが可能である。なお、一対の電極２が対向する領域において、仕切部材３によって区切られた領域を領域１０，１１とし、さらに誘電部材５の重力と弾性体４の弾性力が均衡している状態で、誘電部材５が一対の電極２が対向する領域にかかる領域を領域１２とする。

これらの土中水分量センサを地中に埋設すると、地中の土壌を構成する土粒子は、筐体１の下面が開放されているため仕切部材３よりも下方の領域（領域１０）には侵入できるが、土粒子よりも小さい開口を有する仕切部材３が配置されているため仕切部材３よりも上方の領域（領域１１）には侵入することができない。ただし、領域１０に侵入している土壌が徐々に水分を含み、やがて土壌の水分含有量が飽和すると、土壌の水分含有量を飽和した水は、仕切部材３を透過して、領域１１に侵入することができる。つまり、これらの土中水分量センサの仕切部材３は、地中の水分量に対応して土壌の土成分と水成分を分離する役割を果たす。

図３は、本発明者らが提供する土中水分量センサを含む土中水分量計測システムの一例を示すブロック図である。地中に埋設され、一対の電極間に水分含有量が異なる土壌や水などが配置される土中水分量センサは、図に示すようにそれぞれ異なる誘電体を含むコンデンサを並列接続した回路として等価にみなすことが可能である。土中水分量センサの一対の電極間の水分量変化は、この等価回路の合成静電容量変化に対応している。したがって、土中水分量センサと、土中水分量センサが検出する静電容量を地中の水分量に変換する変換部と、を組み合わせることにより地中の水分量を計測することが可能である。この水分量変換部は、例えば、交流電圧を出力するオシレータ（ＯＳＣ）と、入力された電流を電圧に変換して出力する電圧変換回路と、入力されたアナログ電圧をデジタル変換して出力するＡ／Ｄコンバータと、所定の電圧値と水分量との変換テーブルを備え、入力された電圧値に対応する水分量を出力する水分量変換器と、により構成される。土中水分量計測システムは、具体的には、オシレータ（ＯＳＣ）から出力される矩形ないし正弦波の交流電圧を土中水分量センサに印加し、土中水分量センサの静電容量に応じて流れる電流を、例えば抵抗やコンデンサ、ダイオードにより構成される電圧変換回路により電圧に変換する。これより後段においては、電圧変換回路から出力された電圧をＡ／Ｄコンバータによりデジタル変換し、デジタル化された電圧値と地中の水分量との変換対応テーブルを参照して、地中の水分量を導出する。

本発明者らは、従来の水分含有量センサおよび第１，２の土中水分量センサを用いた水分量計測についてシミュレーションを行った。なお、従来の水分含有量センサとは、本発明者らが提供する第１の土中水分量センサの構成において、仕切部材３を取り除いた構成である。第１，２の土中水分量センサは、例えば外径３０ｍｍ以下、全長５ｃｍ程度を想定する。仕切部材３はメッシュ板とし、メッシュ板３の網目は直径１０〜２００μｍ、弾性体４の弾性定数は０．５〜２．０Ｎ／ｍｍ、誘電部材５のサイズは外形１０ｍｍ×全長２０ｍｍ程度を想定する。

図４Ａ〜４Ｃは従来の水分含有量センサが地中に埋設された様子を示すダイアグラムである。ここで、地中の土壌を、水分を全く含まない乾燥土壌（水分含有量０％、比誘電率ε１）と、水分を適度に含む湿潤土壌（水分含有量０より大きく１００％未満、比誘電率ε２）と、水分含有量が飽和した水分飽和土壌（水分含有量１００％、比誘電率ε３）と、に区別する。湿潤土壌の比誘電率ε２は、ε１＜ε２＜ε３の範囲をとり得る。地中の土壌が全く水分を含まない状態、つまり乾燥土壌によって構成される状態を状態０とする。

図４Ａは、土壌が下方から徐々に水分を含み、一対の電極２間の下方領域の土壌が徐々に湿り始める状態を示す。筐体１の下面が開放されているため一対の電極２間の領域には土壌が充填し、その上方から下方にかけて乾燥土壌２１、湿潤土壌２２および水分飽和土壌２３が充填している状態となる。

図４Ｂは、土壌が下方からさらに水分を含み、一対の電極２間の領域に湿潤土壌２２および水分飽和土壌２３が充填している状態を示す（状態１）。一対の電極２間の領域には、その上方から下方にかけて湿潤土壌２２および水分飽和土壌２３が充填している状態となる。

図４Ｃは、土壌が下方からさらに水分を含んで水分飽和土壌２３の上端位置（浸水水位）が上昇し、一対の電極２間に水分飽和土壌２３が充填している状態を示す（状態２）。これよりさらに浸水水位が上昇すると、従来の水分含有量センサ自体が完全に水分飽和土壌２３に埋もれる状態（状態３）となる。

図４Ｄは、状態０〜３において、従来の水分含有量センサが検出する比誘電率変化を示すグラフである。一対の電極２間の領域に水分含有量が異なる土壌が充填される水分含有量センサは、所定の比誘電率を有する誘電体を含むコンデンサとみなすことが可能である。コンデンサの静電容量は、電極面積、電極間距離および電極間に配置される誘電体の比誘電率によって決定される。従来の水分含有量センサが検出する比誘電率変化は、このコンデンサにおける静電容量変化の代替パラメータとみなすことが可能である。乾燥土壌の比誘電率ε１は土質に依存するが約５〜１０程度であり、ここではε１を１０程度と想定する。また、水分飽和土壌の比誘電率ε３も土質に依存し約３０〜４０程度であり、ここではε３を３０程度と想定する。湿潤土壌の比誘電率ε２はε１（１０）より大きくε３（３０）未満の範囲をとり得る。従来の水分含有量センサが検出する比誘電率は、土壌の水分含有量に応じて状態０の比誘電率１０〜状態２の比誘電率３０の範囲をとり得る。状態２よりもさらに浸水水位が上昇しても、一対の電極間に充填される土壌の水分含有量は飽和し、比誘電率変化も飽和しているため、それ以上の水分量変化を検出することはできない。

図５Ａ〜５Ｃは、第１の土中水分量センサが地中に埋設された様子を示すダイアグラムである。地中の土壌が、全く水分を含まない状態を状態０とする。

図５Ａは、土壌の下方から徐々に水分を含み、第１の土中水分量センサの電極部分にかかる土壌が湿り始める状態を示す。なお、水分飽和土壌２３の上端位置（浸水水位）は、メッシュ板３が配置される位置よりも低い位置である。土壌は、筐体１の下面が開放されているため領域１０には侵入できるが、土壌を構成する土粒子よりも小さい網目を有するメッシュ板３が配置されているため領域１１には侵入することができない。したがって、第１の土中水分量センサは、領域１０には水分含有量の異なる土壌が充填し、領域１１には予め封入されている空気２４（比誘電率ε４）が充填している状態となる。土壌が下方からさらに水分を含むと、水分飽和土壌２３の上端位置は徐々に上昇し、やがてメッシュ板３が配置される位置と同じ位置になる（状態１）。

図５Ｂは、土壌が下方からさらに水分を含み、水分飽和土壌２３の上端位置（浸水水位）が、メッシュ板３が配置される位置よりも高い位置まで上昇している状態を示す。図５Ａと同様に、土壌は、筐体１の下端面が開放されているため領域１０には侵入できるが、土壌を構成する土粒子よりも小さい網目を有するメッシュ板３が配置されているため領域１１には侵入することができない。ただし、土壌の水分含有量を飽和した水２５は、メッシュ板３を透過し、水分飽和土壌２３の上端位置まで領域１１に侵入することができる。したがって、第１の土中水分量センサは、領域１０には水分飽和土壌２３が充填し、領域１１の下方の領域には水２５（比誘電率ε５）が充填し、領域１１の残りの領域には空気２４が充填している状態となる。

図５Ｃは、土壌が下方からさらに水分を含んで浸水水位が上昇し、第１の土中水分量センサの電極部分が水没している状態を示す（状態２）。第１の土中水分量センサは、領域１０には水分飽和土壌２３が充填し、領域１１には水２５が充填している状態となる。これよりさらに浸水水位が上昇すると、第１の土中水分量センサ自体が完全に水分飽和土壌２３に埋もれる状態（状態３）となる。

図５Ｄは、状態０〜３において、第１の水分量センサが検出する比誘電率変化を示すグラフである。一対の電極２間に水分含有量が異なる土壌や空気、水などが配置される第１の土中水分量センサは、所定の比誘電率を有する誘電体を含むコンデンサを並列接続した回路として等価にみなすことが可能である。第１の水分量センサが検出する比誘電率変化は、この等価回路における合成静電容量変化の代替パラメータとみなすことが可能である。ここで、領域１０，１１を等分に区画した場合を想定する。空気２４の比誘電率ε４は約１であり、水２５の比誘電率ε５は約８０程度である。第１の土中水分量センサが検出する比誘電率は、地中の水分量に応じて状態０の合成比誘電率５．５（＝（ε１＋ε４）／２）から状態１の合成比誘電率１５（＝（ε３＋ε４）／２）、さらに状態２の合成比誘電率５５（＝（ε３＋ε５）／２）までの範囲をとり得る。従来の水分含有量センサと同様に、状態２を超えた水分量変化を検出することはできないが、従来の水分含有量センサと比べて検出レンジが広がっていることがわかる。第１の土中水分量センサは、地中の水分量計測の精度向上に寄与するであろう。

図６Ａ〜６Ｅは、第２の土中水分量センサが地中に埋設された様子を示すダイアグラムである。地中の土壌が、全く水分を含まない状態を状態０とする。

図６Ａは、土壌が下方から徐々に水分を含み、第２の土中水分量センサの電極部分にかかる土壌が湿り始める状態を示す。なお、水分飽和土壌２３の上端位置（浸水水位）は、メッシュ板３が配置される位置よりも低い位置である。第２の土中水分量センサは、領域１０には水分含有量の異なる土壌が、領域１１には空気２４が充填され、さらに領域１２には誘電部材５が配置されている状態となる。土壌が下方からさらに水分を含むと、水分飽和土壌２３の上端位置は徐々に上昇し、やがてメッシュ板３が配置される位置と同じ位置になる（状態１）。

図６Ｂは、土壌が下方からさらに水分を含み、水分飽和土壌２３の上端位置（浸水水位）が、メッシュ板３が配置される位置よりも高い位置まで上昇している状態を示す（状態２）。第２の土中水分量センサは、領域１０には水分飽和土壌２３が、領域１１には水２５が充填され、さらに領域１２には誘電部材５が配置されている状態となる。

図６Ｃは、土壌が下方からさらに水分を含んで浸水水位が上昇し、第２の土中水分量センサの電極部分が水没している状態を示す。浸水水位が上昇し、領域１２に水２５が侵入してくるようになると、誘電部材５には徐々に水圧がかかるようになる。誘電部材５は、筐体１の上面に弾性体４により接続されているため、水圧と弾性体４の弾性力が均衡する位置まで上方に移動する。したがって、第２の土中水分量センサは、領域１０には水分飽和土壌２３が充填され、領域１１には水２５が充填され、領域１２の下方の領域には水２５が充填され、領域１２の残りの領域には誘電部材５が配置されている状態となる。

図６Ｄは、さらに浸水水位が上昇し、第２の土中水分量センサ自体が完全に水分飽和土壌に埋もれている状態を示す（状態３）。浸水水位がさらに上昇し、第２の土中水分量センサの相対的な水深が深くなると、誘電部材５には水深に応じた水圧がかかるようになる。誘電部材５が領域１２よりも上方に移動する、または弾性体４の縮状態が限界に達するまで、領域１２における水２５の占領比率は増加し続ける。

図６Ｅは、状態０〜３において、第２の水分量センサが検出する比誘電率変化を示すグラフである。一対の電極２間に水分含有量が異なる土壌や空気、水、誘電部材などが配置される土中水分量センサは、それぞれ異なる比誘電率を有するコンデンサを並列接続した回路として等価にみなすことが可能である。第２の水分量センサが検出する比誘電率変化は、この等価回路における合成静電容量変化の代替パラメータとみなすことが可能である。例えば、領域１０〜１２を等分に区画する場合を想定し、誘電部材５の比誘電率ε６を約４とする。また、状態３で、誘電部材５が領域１２の半分を占領するものとする。第２の土中水分量センサが検出する比誘電率は、地中の水分量に応じて状態０の合成比誘電率５（＝（ε１＋ε４＋ε６）／３）から状態１の合成比誘電率１１．７（＝（ε３＋ε４＋ε６）／３）、状態２の合成比誘電率３８（＝（ε３＋ε５＋ε６）／３）、状態３の合成比誘電率５０．７（＝（ε３＋１．５×ε５＋０．５×ε６）／３）までの範囲をとり得る。このように、第２の土中水分量センサは、その全長以上の浸水水位を検出することが可能である。例えば、全長５ｃｍ程度の第２の土中水分量センサであっても、弾性体４の弾性定数および誘電部材５のサイズを調整することにより、１０ｍ相当の浸水水位を検出することが可能となる。第２の土中水分量センサを用いることにより、地中の土壌の水分含有量および浸水水位を連続的に検出することが可能となる。

なお、第１，２の土中水分量センサが検出する比誘電率は、厳密には、一対の電極２の間隙部２ａ付近における筐体１の外側の土壌状態にも影響を受けるであろう。実際の計測では、予め所定の電極配置に対応した水分量変換テーブルを用意することが好ましいであろう。

以上、本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、筐体１の形状は下面が開放された筒型容器状であればよく、図７Ａに示すような角柱状でもかまわない。また、筐体１の上面に備える通気性膜は空気抜きのための構造であればよく、図７Ｂに示すような中空管１ｂであってもかまわない。さらに、図７Ｂに示すように、仕切部材３を一対の電極２にかからないように筐体１を塞いで配置し、浸水水位のみの検出に用いてもかまわない。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１ 筐体、
２ 電極、
３ 仕切部材（メッシュ板）、
４ 弾性体、
５ 誘電部材、
２１ 乾燥土壌、
２２ 湿潤土壌、
２３ 水分飽和土壌、
２４ 空気、
２５ 水。

Claims (6)

1. 土壌の水分量を検出する土中水分量センサであって、
   一方面が閉塞され、他方面が開放された筒状の筐体と、
   前記筐体の側壁に設けられる一対の電極と、
   前記筐体の１断面を占有するように配置され、前記土壌を構成する土粒子よりも小さい開口を有する仕切部材と、
   を有し、
   前記仕切部材は、前記一対の電極が対向する領域に配置される土中水分量センサ。
2. さらに、前記筐体の一方面に弾性体を介して接続された誘電部材を有し、
   前記誘電部材は、前記一対の電極が対向する領域に少なくとも該誘電部材の一部がかかるよう配置される請求項１記載の土中水分量センサ。
3. 前記一対の電極の表面は、絶縁性部材により覆われる請求項１または２記載の土中水分量センサ。
4. 前記筐体の一方面は、通気性を有する構造を備える請求項１〜３いずれか１項記載の土中水分量センサ。
5. 請求項１〜４いずれか１項記載の土中水分量センサと、
   前記土中水分量センサの一対の電極間の静電容量を所定の水分量に変換する水分量変換部と、を具備する土中水分量計測システム。
6. 前記水分量変換部は、
   前記一対の電極に交流電圧を印加するオシレータと、
   前記一対の電極に流れる電流を電圧に変換する電圧変換回路と、
   前記電圧変換回路により変換された電圧値を所定の水分量に変換する水分量変換器と、を含む請求項５記載の土中水分量計測システム。