JP5724773B2 - 土壌センサ - Google Patents

Description

本発明は、土壌センサに関し、例えば参照材を用い土質を判定する土壌センサに関する。

例えば、防災を目的として、河川やダムなどの堤防決壊や土砂災害を迅速に検知し予測するために、土壌内の水分量等を計測することが有効であると考えられている。例えば、土壌内の水分量を時系列で計測することができれば、土壌内の水分の浸透の様子を知ることができる。これにより、堤防決壊や土砂災害を迅速に検知することができる。土壌センサとして、土壌の比誘電率や伝導率を計測し、土壌の水分含有量を計測するセンサが知られている（特許文献１および２）。このようなセンサを用い、土壌内の水分量を時系列で計測することができる。

特開平１０−６２３６８号公報 特開２００３−３２９６２５号公報

土壌の誘電率と土壌内の水分量との関係は、土壌の土質により異なる。このため、土質が不明な土壌においては、ボーリング等の掘削により計測対象の土壌のサンプルを採取する。採取した土壌の分析した上で、土壌の誘電率と水分量との相関曲線を取得する。この相関曲線を用い、土壌の誘電率から土壌内の水分量を計測することとなる。この場合、土壌のサンプルを採取し分析するコストがかかってしまう。また、土壌の土質は、土壌サンプルの採取位置により変わってしまうこともあるため、土壌センサを設置した位置の正確な土質を判定することは難しい。土壌サンプルを採取せず、土壌の誘電率と水分量との相関曲線を推測することもある。しかし、この場合、正確なデータは取得できない。

本土壌センサは、土壌の土質を簡単に正確に判定することを目的とする。

例えば、土壌と直接接触する第１電極と、透水性および保水性を備える参照材と、前記参照材を介し前記土壌と接触する第２電極と、前記参照材中の前記第２電極と接する第１面と、前記参照材が前記土壌に接する第２面と、の間に設けられ、定電位が印加され、かつ前記第１面と前記第２面との方向に貫通する孔を備えた第３電極と、前記第１電極と前記第２電極とを用い前記土壌の土質を判定する判定部と、を具備することを特徴とする土壌センサを用いる。

例えば、土壌と直接接触する第１電極と、透水性および保水性を備える参照材と、前記参照材を介し前記土壌と接触する第２電極と、前記参照材中の前記第２電極と接する第１面と、前記参照材が前記土壌に接する第２面と、の間に設けられ、かつ前記第１面と前記第２面との方向に貫通した孔を備えた第３電極と、前記第１電極と、前記第２電極および前記第３電極と、を用い前記土壌の土質を判定する判定部と、を具備することを特徴とする土壌センサを用いる。

本土壌センサによれば、土壌の土質を簡単に正確に判定することができる。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、実施例１に係る土壌センサを示す図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施例１に係る土壌センサの本体部の機能ブロック図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施例１に係る本体部の動作を示すフローチャートである。 図４は、土壌の比誘電率と土壌中の水分量との関係の例を示す図である。 図５は、参照材の比誘電率ε０^＊と土壌の比誘電率ε１^＊との関係を示す測定結果の例である。 図６は、実施例１に係る土壌センサの第２電極付近を拡大した模式図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例２に係る土壌センサの埋没部を示す図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施例３に係る土壌センサを示す図である。 図９は、実施例３に係る土壌センサの第２電極付近の拡大図である。 図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例４に係る土壌センサの埋没部を示す図である。

以下、図面を参照に本発明に係る実施例について説明する。

実施例１は、誘電率を用い土壌の土質または水分量を判定する例である。図１（ａ）および図１（ｂ）は、実施例１に係る土壌センサを示す図である。図１（ａ）は、土壌センサ１００の模式図であり、図１（ｂ）は、土壌センサ１００の埋没部２６の断面図である。図１（ａ）においては、第３電極１７を省略している。図１（ａ）および図１（ｂ）のように、土壌センサ１００は、埋没部２６と本体部３０とを備えている。埋没部２６は、土壌２８内に埋没されている。本体部３０は、土壌２８の外に設置される。埋没部２６は、第１電極１２、第２電極１４、第３電極１７、参照材１６および支持体１８を備えている。支持体１８は、例えば非透水性の材料から形成されており、支持体１８内部には浸水しないことが好ましい。また、支持体１８は、第１電極１２間、第２電極１４間、および、第１電極１２と第２電極１４との間が短絡しないように少なくとも表面が絶縁体であることが好ましい。支持体１８としては、例えばアクリルまたはジュラコン等の樹脂を用いることができる。また、支持体１８は、アルミニウムまたは鉄等の金属の表面を絶縁処理したものでもよい。支持体１８の形状は、土壌２８内に設置するため、先端が尖った円柱形である。支持体１８の形状は、他の形状でもよい。

支持体１８の表面には、複数の第１電極１２が設けられている。第１電極１２は、土壌２８と直接接触している。さらに、支持体１８の表面には、複数の第２電極１４が設けられている。第２電極１４は、参照材１６により覆われている。参照材１６は、透水性および保水性を備える材料により形成される。参照材１６としては、例えばセルロースを用いることができる。参照材１６内には第３電極１７が設けられている。第３電極１７は、第２電極１４と土壌２８との間の参照材１６中に設けられている。第３電極１７には、幅方向に貫通する孔１５が１または複数形成されている。孔１５は、第３電極１７をパンチングすることにより形成できる。また、第３電極１７を網状とすることもできる。孔１５を介し、土壌２８内の水分が参照材１６内に自由に移動することができる。

第２電極１４は、参照材１６を介し土壌２８と接触している。第１電極１２、第２電極１４および第３電極１７は、例えば金または銅等の金属により形成されている。第１電極１２および第２電極１４は、支持体１８の周囲に設けられたリング形状をしている。第３電極１７は、第２電極１４の周囲に設けられたリング状をしている。また、第１電極１２および第２電極１４は、それぞれ１対設けられている。第１電極１２および第２電極１４の形状および数はこれらに限られない。第１電極１２および第２電極は、それぞれ１または複数設けられていればよい。第１電極１２と本体部３０とはケーブル２０により電気的に接続され、第２電極１４と本体部３０とはケーブル２２により接続される。第３電極１７はケーブル２１を介し定電位が印加されている。定電位としては、例えばグランド電位とすることができる。

支持体１８の直径は、例えば２０ｍｍから３０ｍｍとすることができる。第１電極１２の間隔および第２電極１４の上下方向の間隔は各々、５ｍｍ〜１０ｍｍとすることができる。第１電極１２の間隔および第２電極１４の上下方向の幅は各々、５ｍｍ〜１０ｍｍとすることができる。参照材１６の左右方向の幅および上下方向の長さは、参照材１６の誘電率を測定するのに十分な大きさとすることが好ましい。しかしながら、参照材１６が大きすぎる場合、水分が参照材１６内に十分浸透しなくなる可能性もある。参照材１６の大きさは、上記を考慮して設計される。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施例１に係る土壌センサの本体部の機能ブロック図である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施例１に係る本体部の動作を示すフローチャートである。図２（ａ）のように、本体部３０は、土壌誘電率計測部３２、参照誘電率計測部３４および判定部３６を備えている。例えば静電容量を測定する測定器とＣＰＵ（Central Processing Unit）とは、プログラム等により土壌誘電率計測部３２および参照誘電率計測部３４として機能する。また、ＣＰＵ等は、判定部３６として機能する。

図２（ａ）および図３（ａ）を用い、本体部３０の動作について説明する。まず、土壌誘電率計測部３２は、ケーブル２０により第１電極１２と接続されており、第１電極１２を用い土壌２８の誘電率を計測する（ステップＳ１０）。参照誘電率計測部３４は、ケーブル２２により第２電極１４と接続されており、第２電極１４を用い参照材１６の誘電率を計測する（ステップＳ１２）。土壌誘電率計測部３２および参照誘電率計測部３４は、それぞれ第１電極１２間および第２電極１４間の静電容量を測定し、測定された静電容量より土壌２８の誘電率および参照材１６の誘電率を計測することができる。土壌２８の誘電率および参照材１６の誘電率は、それぞれ第１電極１２および第２電極１４を用い、他の方法により計測してもよい。また、ステップＳ１０とステップＳ１２とは同時に行なってもよく、ステップＳ１２をステップＳ１０より先に行なってもよい。判定部３６は、第１電極１２を用い計測した土壌２８の誘電率ε１と、第２電極１４を用い計測した参照材の誘電率ε０と、に基づき、土壌の土質を判定する（ステップＳ１４）。その後終了する。

図２（ｂ）および図３（ｂ）を用い、別の本体部３０の動作について説明する。図２（ｂ）のように、本体部３０は、図２（ａ）の本体部３０に加え算出部３８を備えている。ＣＰＵ等は、算出部３８として機能する。図２（ｂ）および図３（ｂ）のように、算出部３８は、判定部３６の判定した土壌の土質と、土壌２８の誘電率ε１と、に基づき、土壌２８中の水分量を算出する（ステップＳ１６）。その後、終了する。

以上のように、図２（ａ）に示した本体部３０を備える土壌センサは、土壌の土質を判定することができる。図２（ｂ）に示した本体部３０を備える土壌センサは、加えて土壌２８の水分量を算出することができる。

図４は、土壌の比誘電率と土壌中の水分量との関係の例を示す図である。図４において、土壌が黒土の場合を実線Ｆ１、土壌が川砂の場合を実線Ｆ２で示している。図４のように、黒土と、川砂とは、土壌の比誘電率ε１^＊と土壌の水分量との関係が大きく異なる。

未知の土壌の体積Ｖｓ中に含まれる水分の体積をＶｗとした場合、土壌中の水分の体積含有率（水分量）Ｗ１は、Ｗ１＝Ｖｗ／Ｖｓとなる。土壌の水分量Ｗ１は、誘電率（または比誘電率）ε１を用い、以下の相関曲線で表される。
Ｗ１＝Ｆｎ（ε１）
ここで、Ｆｎは土質ごとの相関曲線である。

このように、誘電率（または比誘電率）に相関曲線Ｆｎを適用することにより、土壌中の水分量を算出可能である。しかしながら、相関曲線Ｆｎは土質ごとに異なる。このため、土質が不明な状態では体積水分量Ｗ１を算出できない。

一方、既知の参照材１６の体積Ｖｓ０中に含まれる水分の体積Ｖｗ０とした場合、参照材１６の水分の体積含有率（水分量）Ｗ０は、Ｗ０＝Ｖｗ０／Ｖｓ０となる。参照材１６の水分量Ｗ０は、誘電率（または比誘電率）ε０を用い、以下の相関曲線を用い表される。
Ｗ０＝Ｆ０（ε０）
相関曲線Ｆ０は既知のため、誘電率（または比誘電率）ε０を用い、参照材１６内の水分量Ｗ０を算出できる。

土壌の水分量Ｗ１と参照材１６の水分量Ｗ０は、土壌と参照材１６との吸水性の違いにより、土壌ごとに一定の相関がある。例えば、Ｆ１（ε１）とＦ０（ε０）との間には一定の相関がある。

図５は、参照材の比誘電率ε０^＊と土壌の比誘電率ε１^＊との関係を示す測定結果の例である。図５において、土壌が黒土の測定点を黒丸、土壌が川砂の測定点を白丸で示している。実線は、各点から最小二乗法を用い計算した直線である。黒土の比誘電率ε０^＊とε１^＊の相関曲線Ｅ１（ε０^＊、ε１^＊）と、川砂の比誘電率ε０^＊とε１^＊の相関曲線Ｅ２（ε０^＊、ε１^＊）と、は異なる。

したがって、土壌２８の誘電率ε１と参照材１６の誘電率ε０とを計測し、比較することにより、土壌の土質を推定することができる。例えば、複数の既知の土質について予め誘電率ε１と参照材１６の誘電率ε０との相関曲線Ｅｎ（ε０、ε１）を計測しておく。土壌２８の誘電率ε１と参照材１６の誘電率ε０とを計測し、既知の相関曲線Ｅｎ（ε０、ε１）から最も近い土質を、土壌の土質と判定することができる。

さらに、複数の既知の土質について、予め土壌の誘電率と水分量との相関曲線Ｆｎを計測しておく。土壌の土質が推定できれば、推定した土壌の誘電率と水分量との相関曲線Ｆｎを用い、土壌の水分量を算出できる。

実施例１によれば、図３（ａ）のステップＳ１４のように、判定部３６が第１電極１２を用い計測した土壌２８の誘電率と、第２電極１４を用い計測した参照材１６の誘電率と、に基づき、土壌２８の土質を判定する。このように、土壌２８の土質を判定することができる。

また、図３（ｂ）のステップＳ１６のように、算出部３８が判定部３６の判定した土壌２８の土質と、第１電極１２を用い計測した土壌２８の誘電率ε１と、に基づき、土壌２８中の水分量を算出する。このように、土壌２８中の水分量を算出することができる。

第２電極１４を用い参照材１６の誘電率を計測する場合、第２電極１４間に生成される電界が土壌２８に漏れると、誘電率を正確に測定することが難しくなる。図６は、実施例１に係る土壌センサの第２電極付近を拡大した模式図である。図６に示すように、定電位を印加された第３電極１７が、第２電極１４が参照材１６と接する第１面５０と参照材１６が土壌２８と接触する第２面５２との間に設けられている。これにより、第２電極１４間に生成される電界４０は領域４２内に留まり、電界４０が土壌２８に漏れること抑制できる。よって、参照材１６の誘電率を正確に計測することができる。第３電極１７の高さＨ２は、第２電極１４の高さＨ１（複数の第２電極１４が形成されている場合、最上の第２電極１４の上端と最下の第２電極１４の下端との高さ）より大きいことが好ましい。これにより、電界４０の土壌２８への漏れを抑制することができる。さらに、第３電極１７は、参照材１６を図６の上下方向および支持体１８の外周に沿って全て覆っていることが好ましい。すなわち、第３電極１７の上下方向の高さＨ２は参照材１６の上下方向の高さに等しいことが好ましい。第３電極１７の左右方向の幅は、水分の左右の異動を阻害しない範囲として例えば０．１ｍｍ〜０．２ｍｍとすることができる。さらに、第３電極１７は複数に分割されて設けられていてもよい。第３電極１７は、第１面５０と第２面５２との間に設けられていればよいが、参照材１６の最表面に設けられてもよい。

第３電極１７には、第１面５０と第２面５２との方向に貫通する孔１５が設けられている。孔１５の大きさφは、水分が参照材１６内に十分浸透する程度の大きさであることが好ましい。しかしながら、孔１５は、電界４０が土壌２８側に漏れない程度の大きさであることが好ましい。例えば、孔１５の大きさは参照材１６の厚さｔ１より小さいことが好ましい。孔１５の大きさは、土壌の種類により設定することもできる。例えば、土壌が泥の場合は小さく、砂利の場合は大きく設定することができる。孔１５の大きさとしては、例えば１０μｍから５００μｍとすることができる。孔１５の断面形状は円形、楕円形および長方形等任意の形状でよい。孔１５大きさは、孔１５の断面形状の内の最も長い箇所である。例えば、孔１５の大きさは、孔１５の断面が円形の場合は直径、長方形の場合は対角線、楕円形の場合は長軸である。正確に参照材１６の誘電率を測定するためには、孔１５内は参照材１６で埋め込まれていることが好ましい。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例２に係る土壌センサの埋没部を示す図である。図７（ａ）は、土壌センサ１０２の埋没部２６の断面図であり、図７（ｂ）は、第２電極１４付近の拡大図である。図７（ａ）および図７（ｂ）のように、実施例２においては、第２電極１４ａが支持体１８の表面に設けられ、第３電極１４ｂが第１面５０と第２面５２との間に設けられている。参照材１６の誘電率は第２電極１４ａと第３電極１４ｂとを用い計測される。このため、実施例１とは異なり、第３電極１４ｂは定電位とはなっていない。第２電極１４ａと第３電極１４ｂとの間に電界４０が生成される。電界４０は領域４２内に留まり、電界４０が土壌２８に漏れること抑制できる。よって、参照材１６の誘電率を正確に計測することができる。

実施例１の図６において説明したように、第３電極１７の高さＨ２は、第２電極１４の高さＨ１より大きいことが好ましい。また、孔１５の大きさは参照材１６の厚さｔ１より小さいことが好ましい。さらに、孔１５内は参照材１６で埋め込まれていることが好ましい。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。また、実施例２に係る土壌センサの動作は、実施例１と同じであり説明を省略する。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施例３に係る土壌センサを示す図である。図８（ａ）は、土壌センサ１０４の模式図であり、図８（ｂ）は、土壌センサ１０４の埋没部２６の断面図である。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、支持体１８に凹部１９が形成されている。第２電極１４は凹部１９の底面に設けられている。参照材１６は、凹部１９内に設けられている。第１電極１２は、支持体１８の表面に設けられている。

図９は、実施例３に係る土壌センサの第２電極付近の拡大図である。図９に示すように、参照材１６が支持体１８の凹部１９内に設けられているため、実施例１の図６に比べ、参照材１６の上下方向に漏れる電界４０を抑制できる。また、実施例１のように、参照材１６が支持体１８から突出していないため、埋没部２６を土壌２８内に埋没させる際に、参照材１６に力が加わり、参照材１６が剥がれることを抑制できる。また、参照材１１の上部に土壌２８で満たされない空隙が生じることを抑制できる。さらに、参照材１６内に異物が混入することを抑制できる。埋没部２６を埋没させる際の上記問題を解消するため、参照材１６の表面と支持体１８の表面は同一面を形成することが好ましい。また、図７（ａ）および図７（ｂ）のように、第１電極１２も支持体１８に埋め込まれていることが好ましく、第１電極１２の表面と支持体１８の表面は同一面を形成することが好ましい。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。また、実施例３に係る土壌センサの動作は、実施例１と同じであり説明を省略する。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例４に係る土壌センサの埋没部を示す図である。図１０（ａ）は土壌センサ１０６の埋没部２６の断面図であり、図１０（ｂ）は第２電極付近の拡大図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）のように、実施例４においては、第２電極１４ａが凹部１９底面に設けられ、第３電極１４ｂが第１面５０と第２面５２との間に設けられている。参照材１６の誘電率は第２電極１４ａと第３電極１４ｂとを用い計測される。支持体１８と第３電極１４ｂとにより、電界４０が土壌２８に漏れること抑制できる。よって、参照材１６の誘電率を正確に計測することができる。第３電極１４ｂの高さは、第２電極１４ａの高さより大きいことが好ましく、参照材１６以下であることが好ましい。特に、支持体１８が導電性である場合、支持体１８と第３電極１４ｂとの間の静電容量が大きくならないように、第３電極１４ｂの高さは参照材１６の高さより小さいことが好ましい。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。また、実施例４に係る土壌センサの動作は、実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例１から実施例４においては、判定部３６が参照材１６の誘電率と土壌２８の誘電率とを用い土質を判定する例を説明した。実施例１および実施例３においては、判定部３６は、第１電極１２と第２電極１４とを用い土壌の土質を判定すればよい。また、実施例２および実施例４においては、判定部３６は、第１電極１２と、第２電極１４ａおよび第３電極１４ｂと、を用い土壌の土質を判定すればよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施例１〜４を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
付記１：
土壌と直接接触する第１電極と、透水性および保水性を備える参照材と、前記参照材を介し前記土壌と接触する第２電極と、前記参照材中の前記第２電極と接する第１面と、前記参照材が前記土壌に接する第２面と、の間に設けられ、定電位が印加され、かつ前記第１面と前記第２面との方向に貫通する孔を備えた第３電極と、前記第１電極と前記第２電極とを用い前記土壌の土質を判定する判定部と、を具備することを特徴とする土壌センサ。
付記２：
土壌と直接接触する第１電極と、透水性および保水性を備える参照材と、前記参照材を介し前記土壌と接触する第２電極と、前記参照材中の前記第２電極と接する第１面と、前記参照材が前記土壌に接する第２面と、の間に設けられ、かつ前記第１面と前記第２面との方向に貫通した孔を備えた第３電極と、前記第１電極と、前記第２電極および前記第３電極と、を用い前記土壌の土質を判定する判定部と、を具備することを特徴とする土壌センサ。
付記３：
前記貫通孔の大きさは、前記参照材の厚さより小さいことを特徴とする付記１または２記載の土壌センサ。
付記４：
前記第３電極の高さは前記第２電極の高さより大きいことを特徴とする付記１から３のいずれか一項記載の土壌センサ。
付記５：
表面に凹部が設けられ、前記表面において前記第１電極を支持し、前記凹部の底面において前記第２電極を支持し、前記凹部内に前記参照材が設けられた支持体を具備することを特徴とする付記１から４のいずれか一項記載の土壌センサ。
付記６：
前記参照材の表面と前記支持体の表面は同一面を形成することを特徴とする付記５記載の土壌センサ。
付記７：
前記判定部は、前記第１電極を用い計測した前記土壌の誘電率と、前記第２電極を用い計測した前記参照材の誘電率と、に基づき、前記土壌の土質を判定することを特徴とする付記１から６のいずれか一項記載の土壌センサ。
付記８：
前記判定部の判定した前記土壌の土質と、前記第１電極を用い計測した前記土壌の誘電率と、に基づき、前記土壌中の水分量を算出する算出部を具備する付記７記載の土壌センサ。

１２ 第１電極
１４、１４ａ 第２電極
１４ｂ、１７ 第３電極
１５ 孔
１６ 参照材
１８ 支持体
１９ 凹部
２６ 埋没部
２８ 土壌
３０ 本体部
３２ 土壌誘電率計測部
３４ 参照誘電率計測部
３６ 判定部
３８ 算出部

Claims (5)

1. 土壌と直接接触する第１電極と、
   透水性および保水性を備える参照材と、
   前記参照材を介し前記土壌と接触する第２電極と、
   前記参照材中の前記第２電極と接する第１面と、前記参照材が前記土壌に接する第２面と、の間に設けられ、定電位が印加され、かつ前記第１面と前記第２面との方向に貫通する孔を備えた第３電極と、
   前記第１電極と前記第２電極とを用い前記土壌の土質を判定する判定部と、
   を具備することを特徴とする土壌センサ。
2. 土壌と直接接触する第１電極と、
   透水性および保水性を備える参照材と、
   前記参照材を介し前記土壌と接触する第２電極と、
   前記参照材中の前記第２電極と接する第１面と、前記参照材が前記土壌に接する第２面と、の間に設けられ、かつ前記第１面と前記第２面との方向に貫通する孔を備えた第３電極と、
   前記第１電極と、前記第２電極および前記第３電極と、を用い前記土壌の土質を判定する判定部と、
   を具備することを特徴とする土壌センサ。
3. 前記貫通する孔の前記第１面と前記第２面との方向に直交する方向の幅は、前記参照材の前記第１面と前記第２面との方向の厚さより小さいことを特徴とする請求項１または２記載の土壌センサ。
4. 前記第３電極の前記第１面と前記第２面との方向に直交する方向の高さは前記第２電極の前記直交する方向の高さより大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の土壌センサ。
5. 表面に凹部が設けられ、前記表面において前記第１電極を支持し、前記凹部の底面において前記第２電極を支持し、前記凹部内に前記参照材が設けられた支持体を具備することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の土壌センサ。

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