JPH02238353A - Apparatus for measuring water content rate - Google Patents
Apparatus for measuring water content rateInfo
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Abstract
Description
本発明は、物質中の含有水分量を測定する含水率測定装
置に関するものである。The present invention relates to a moisture content measuring device that measures the amount of water contained in a substance.
従来より、畑の土中の含水率など物質中の含有水分旦を
測定する方式として熱応答方式と静電容量方式とが知ら
れている.
熱応答方式は、測定対象となる物質中にヒータど温度セ
ンサとを埋め込み、ヒータによって物質を加熱するとと
もに、物質の温度変化を温度センサにより検出すること
によって、物質中に含まれる水分量を測定する方法であ
る.
また、静電容量方式は、測定対象となる物質中に一対の
電極を離間して挿入し、両電極と物質とにより形成され
るコンデンサの容量に基づいて物質の誘電率を求め、物
質の誘電率と物質中に含まれる水分量との対応関係から
物質中に含まれる水分量を測定する方法である。
(発明が解決しようとする課!!!)
熱応答方式では、測定対象となる物質をヒータにより加
熱するものであるから、物質が熱平衡状憇に戻るまで次
の測定を行うことができず、連続して測定を行うには時
間がかがるという問題がある.また、水は比熱が大きい
から物質の加熱にはヒータへの供給電力を大きくしなけ
ればならず、消費電力が大きいという問題もある.さら
に、ヒータと温度センザとは比較的近接して配置しなけ
ればならないから、土のように密度が不均一な物質内で
は測定場所によって測定結果が大きく変化するという問
題が生じる.
一方、静電容kζ方式では、熱応答方式に比較すれば、
物質の加熱が不要であるから、短時間で連続的に測定す
ることができ、また電力消費も少ないという利点がある
.しかしながら、コンデンサとしての容量の絶対値が非
常に小さ<、pFのオーダであるから、高度な測定技術
を要し回路構成が複雉になり、またノイズの影響を受け
やすいという問題がある。容量の絶対値を大きくするに
は電極の面積を大きくすることが考えられるが、大型化
するという問題が生じる.さらに、電極間の′#離や電
極の位置によって容量が変化するから、測定結果が安定
せず、測定結果の信頼性が低いという問題もある.
本発明は上記問題点の解決を目的とするものであり、簡
単な回路構成で実現できるものでありなから測定結果の
信頼性が高く、しがも短時間で連続的に測定ができると
ともに低消費電力とした含水>+S定装置を提供しよう
とするものである。Conventionally, the thermal response method and the capacitance method have been known as methods for measuring the water content in substances, such as the water content in soil in fields. Thermal response method measures the amount of water contained in the material by embedding a heater or temperature sensor in the material to be measured, heating the material with the heater, and detecting temperature changes in the material with the temperature sensor. This is the way to do it. In addition, in the capacitance method, a pair of electrodes is inserted into the material to be measured at a distance, and the dielectric constant of the material is determined based on the capacitance of the capacitor formed by both electrodes and the material. This is a method of measuring the amount of water contained in a substance based on the correspondence between the ratio and the amount of water contained in the substance. (The problem that the invention aims to solve!!!) In the thermal response method, the substance to be measured is heated by a heater, so the next measurement cannot be performed until the substance returns to a state of thermal equilibrium. The problem is that it takes time to perform continuous measurements. In addition, since water has a high specific heat, it is necessary to supply a large amount of power to the heater to heat the substance, leading to the problem of high power consumption. Furthermore, since the heater and temperature sensor must be placed relatively close to each other, there is the problem that measurement results vary greatly depending on the measurement location in materials with uneven density, such as soil. On the other hand, in the capacitance kζ method, compared to the thermal response method,
Since there is no need to heat the substance, measurements can be taken continuously in a short period of time, and it also has the advantage of low power consumption. However, since the absolute value of the capacitance as a capacitor is very small, on the order of pF, there are problems in that it requires sophisticated measurement techniques, the circuit configuration becomes complex, and it is susceptible to noise. One way to increase the absolute value of capacitance is to increase the area of the electrode, but this poses the problem of increasing the size. Furthermore, since the capacitance changes depending on the distance between the electrodes and the position of the electrodes, there is a problem that the measurement results are unstable and the reliability of the measurement results is low. The present invention aims to solve the above-mentioned problems, and since it can be realized with a simple circuit configuration, the reliability of the measurement results is high, and it is possible to perform continuous measurements in a short time and at low cost. The present invention aims to provide a device for determining water content>+S based on power consumption.
本発明では、上記目的を達成するために、測定月象とな
・る物質中に少なくとも一部が埋設される伝送線路と、
上記物質の誘電率を上記伝送線路の電気的変量として検
出するセンサ回路と、上記電気的変量を上記物質の含水
率に換算する演算部とを設けているのである.
センサ回路としては、伝送線路の共振周波数を検出する
周波数検出回路を用い、演算部において上記共振周波数
を物質の含水率に換算することができる.
また、センサ回路を、伝送線路の一端に信号を印加する
信号発生器と、信号が伝送線路の一端に印加されてから
他端に到達するまでに要する遅延時間を検出する時間検
出部とで構成し、演算部において上記遅延時間を物質の
含水率に換算するようにしてもよい。
周波数検出回路は、伝送線路に高周波信号を印加する可
変周波数発振器と、伝送線路のインピーダンスを検出す
るインピーダンス検出部とで構成し、可変周波数発振器
の出力周波数を変化させるとともに上記インピーダンス
を検出し、伝送線路のインピーダンスが最小または最大
となる周波数を伝送線路の共振周波数とすることができ
る.また、周波数検出回路として、伝送線路に高周波信
号を印加する可変周波数発振器と、伝送線路を通過する
高周波信号の電流位相と電圧位相との一方に対する他方
の位相角を検出する位相角検出部とで構成し、可変周波
数発振器の出力周波数を変化させるとともに上記位相角
を検出し、上記位相角の正負の符号が反転する周波数を
伝送線路の共振周波数としてもよい。
さらに、周波数検出回路を、伝送線路を共振回路とする
発振回路とし、発振回路出力を伝送線路の共振周波数と
することができる。
さらにまた、周波数検出回路としては、伝送線路に高周
波信号を印加する可変周波数発振器と、伝送線路を通過
する高周波信号の電流位相と電圧位相との位相差を検出
するとともに上記位相差が零になるように可変周波数発
振器の出力周波数を調節する位相差検出回路とで構成し
、可変周波数発振器の出力周波数を伝送線路の共振周波
数とするようにしてもよい。
センサ回路は、耐水性のケースに納装するのが望ましい
.
伝送線路は、導電性の一対の芯線と、芯線の周囲を覆う
絶縁被覆とにより形成するのが望ましい。
また、伝送線路に、両芯線を平行に保つスペーサを設け
るのが望ましい。
スペーサは、両芯線の長手方向において適宜間隔で透孔
を有する形状に形成するとよい.伝送線路の端末には終
端回路を接続するのが望ましい,In order to achieve the above object, the present invention includes a transmission line that is at least partially buried in a substance that is a measured lunar phenomenon;
A sensor circuit that detects the dielectric constant of the material as an electrical variable of the transmission line, and a calculation section that converts the electrical variable into the water content of the material are provided. A frequency detection circuit that detects the resonant frequency of the transmission line is used as the sensor circuit, and the resonant frequency can be converted into the water content of the material in the calculation section. In addition, the sensor circuit consists of a signal generator that applies a signal to one end of the transmission line, and a time detection unit that detects the delay time required from when the signal is applied to one end of the transmission line until it reaches the other end. However, the delay time may be converted into the water content of the substance in the arithmetic unit. The frequency detection circuit is composed of a variable frequency oscillator that applies a high frequency signal to the transmission line, and an impedance detection section that detects the impedance of the transmission line. The frequency at which the impedance of the line is minimum or maximum can be taken as the resonant frequency of the transmission line. The frequency detection circuit also includes a variable frequency oscillator that applies a high frequency signal to the transmission line, and a phase angle detection section that detects the phase angle of the current phase and voltage phase of the high frequency signal passing through the transmission line with respect to the other. The output frequency of the variable frequency oscillator may be changed, the phase angle may be detected, and the frequency at which the sign of the phase angle is reversed may be set as the resonant frequency of the transmission line. Furthermore, the frequency detection circuit can be an oscillation circuit using the transmission line as a resonant circuit, and the output of the oscillation circuit can be the resonant frequency of the transmission line. Furthermore, the frequency detection circuit includes a variable frequency oscillator that applies a high frequency signal to the transmission line, and detects the phase difference between the current phase and voltage phase of the high frequency signal passing through the transmission line, and the phase difference becomes zero. The output frequency of the variable frequency oscillator may be set to the resonant frequency of the transmission line. It is desirable to package the sensor circuit in a water-resistant case. The transmission line is preferably formed of a pair of conductive core wires and an insulating coating surrounding the core wires. Further, it is desirable to provide the transmission line with a spacer that keeps both core wires parallel. The spacer is preferably formed in a shape having through holes at appropriate intervals in the longitudinal direction of both core wires. It is desirable to connect a termination circuit to the terminal of the transmission line.
【作用】
上記構成によれば、測定対象となる物質中に伝送線路の
少なくとも一部を埋設し、物質の誘電率に対応する伝送
線路の電気的変量に基づいて物質の含水率を測定するか
ら、測定中には測定対象となる物質に影響を与えること
がないのであり、短時間に連続して測定を行うことがで
きるのである、、また、測定対象となる物質に物理的な
影響をほとんど与えないから、エネルギーの損失が少な
く、電力消費も少なくなるのである.
また、物質の誘電率に対応する伝送線路の電気的変量と
しては、伝送線路の共振周波数や伝送線路による信号の
遅延時間を用いるがら、周波数測定や時間測定の既存技
術に濫みて高精度の測定が行えるのであり、回路構成が
比較的簡単になるとともにノイズの影響も受けにくくな
るのである。
また、伝送線路の長さを適宜設定すれば、密度が不均一
な物質内でも密度のばらつきによる影響を無視できるよ
うにすることができ、測定場所による測定結果のばらつ
きを防止することができる.すなわち、測定結果の再現
性がよく信顆性の高い測定が行えるのである.
また、センサ回路を耐水性のケースに納装したものでは
、センサ回路を伝送線路とともに物質中に埋設すること
ができ、高周波信号を発生ずる部分をすべて物質中に埋
設することになるから、外部への輻射ノイズを低減する
ことができるのである.あるいはまた、ケースの一部を
物質中から露出させるようにすれば、ケースを埋設位置
の目印として用いることができる。
さらに、伝送線路に絶縁被覆を設けているものでは、物
質中の水分による分布抵抗の影響を受けないから、測定
精度がさらに高まるのである。
しかも、伝送線路の両芯線間にスペーサを設けて両芯線
閏を平行になるようにすれば、特性が安定して測定結果
の信頼性がさらに高まり、スペーサに適宜間隔で透孔を
設ければ、スペーサの材料による測定値への影響が軽減
されて高感度な測定が行えるのである.
加えて、伝送線路の端末に終端回路を設ければ、伝送線
路の特性を安定化させることができ、測定結果の再現性
が一層高まるのである。[Operation] According to the above configuration, at least a portion of the transmission line is buried in the substance to be measured, and the moisture content of the substance is measured based on the electrical variable of the transmission line corresponding to the dielectric constant of the substance. , it does not affect the substance to be measured during the measurement, and measurements can be carried out continuously in a short period of time. Because it does not feed, there is less energy loss and less power consumption. In addition, while using the resonant frequency of the transmission line and the delay time of the signal due to the transmission line as the electrical variable of the transmission line that corresponds to the dielectric constant of the material, high-precision measurement is possible using existing frequency measurement and time measurement techniques. This makes the circuit configuration relatively simple and less susceptible to noise. In addition, by setting the length of the transmission line appropriately, it is possible to ignore the effects of density variations even in materials with non-uniform densities, and it is possible to prevent variations in measurement results depending on the measurement location. In other words, measurements with good reproducibility and high reliability can be performed. In addition, if the sensor circuit is housed in a water-resistant case, the sensor circuit can be buried in the material along with the transmission line, and all parts that generate high-frequency signals are buried in the material, making it easier to This makes it possible to reduce radiated noise. Alternatively, if a portion of the case is exposed from within the substance, the case can be used as a marker for the buried position. Furthermore, when the transmission line is provided with an insulating coating, it is not affected by distributed resistance due to moisture in the substance, which further increases measurement accuracy. Furthermore, if a spacer is provided between both core wires of the transmission line so that the two core wires are parallel to each other, the characteristics will be stabilized and the reliability of the measurement results will be further increased. This reduces the influence of the spacer material on the measured values, allowing highly sensitive measurements. In addition, by providing a termination circuit at the end of the transmission line, the characteristics of the transmission line can be stabilized, further increasing the reproducibility of measurement results.
本発明では、水の比誘電率が80程度であり、他の物質
に比較して非常に大きいことを利用して物質中の水分量
を測定している.すなわち、一般に固体物質の比誘電率
は1〜10程度であって、水の比誘電率・とけ大きな差
がある.したがって、物質中の水分量が変化すれば、物
質固有の比誘電率から水の比誘電率までの範囲で大きく
変化することになる.この性質は、静電容量方式でも利
用されているが、本発明では、物質中に一対の電極を埋
設する代わりに伝送線路を埋設し、伝送線路の共振周波
数や遅延時間のような電気的変量が、物質の誘電率に対
応する点に着目して物質の含水率を求めているのである
。
すなわち、伝送線路の長さ程度のオーダの波長の高周波
信号が伝送線路を通過するときには、伝送線路の分布定
数が伝送特性に影響を与えるのであって、伝送線路を物
質中に埋設すれば、伝送線路の分布定数は、物質の誘電
率に対応することになる.したがって、伝送線路の共振
周波数や遅延時間が変化するのであり、本発明は、伝送
線路についてこれらの電気的変量を測定すれば、物質の
含水率を求めることができるという知見に基づいている
.
以下に伝送線路の共振周波数や遅延時間を測定する基本
構成について説明する.
まず、伝送線路1上での電圧振幅について考察する。第
10[g(a)に示すように、開放終端を有する伝送線
路1の一端に、波長λの高周波を出力する高周波信号源
Sを接続すると、第10図(b)に示すように、高周波
信号源Sからの入射波Wと終端からの反射波W2どの干
渉により、伝送線路1上での電圧振幅の分布は、第10
図(C)のように、終端から(2n−1)・λ/4の位
置で最小、2n・λ/4の位置で最大になる(n=1.
2,・・・・・・).また、第11図(a)に示すよう
に、短絡終端を有する伝送線路1の一端に高周波信号源
Sを接続すると、第11図(b)に示すように、高周波
信号源Sからの入射波W}と反射波W2との干渉により
伝送線路1上での電圧振幅の分布は、第11図(e)の
ように、(2n−1)・λ/4の位置で最大、2n・λ
/4の位置で最小になる.
すなわち、高周波信号源Sから見れば、伝送線路1の終
端からλ/4の位置は、開放終端の伝送線路1ならばイ
ンピーダンスが最小、短絡終端の伝送線路1ならばイン
ピーダンスが最大の位置ということになる.逆に伝送線
路1の長さを固定すると、高周波信号源Sの出力周波数
fに対する・インピーダンス特性は、開放終端の伝送線
路1では第12図のようにLC直列共振回路と等価にな
り、短絡終端の伝送線路1では第13図のようにLC並
列共振回路と等価になる.ただし、共振点は複数存在し
ていることになる.
伝送線路1の単位長当たりのインダクタンスをし、容量
をCとすると、共振周波数で,は、f,=κ+/(L
C )”” ・・・■と表すことができる.ただし
、κ.は比例定数である。一方、容量Cは伝送線路1の
周囲の物質の比誘電率εに比例し、比例定数をκ2とす
れば、C=κ2・ε ・・・■
となるから、■■式により、
f,=κ,/(κ2・εL)1″ ・・・■となる。
つまり、L#一定とすれば、
f,=κ,/ε1″ ・・・■となる.ただ
し、κ,は比例定数である.ここに、インダクタンスし
は、伝送線路1の周囲の物質の比透磁率により変化する
が、比透磁率は物質中の古水率によってほとんど変化し
ないから、L吋一定という仮定に問題はない.また、伝
送線路1の単位長さ当たりの遅延時間τは、比例定数を
κ4とすれば、
τ=κ4・(LC)”” ・・・■となるから
、L″=.一定のとき、■[F]式により、τ=κ5・
ε ...■となる.
以上のように、伝送線路1の共振周波数で1や遅延時間
τは、伝送線路の周囲に存在する物質の比誘電率ε゛に
依存するから、伝送線路1の共振周波数や遅延時間を求
めることにより、伝送線路1の周囲に存在する物質の含
水率を求めることができるのである.
物質の含水率と共振周波数との関係の一例を示すと第1
4区のようになり、含水率の増加とともに共振周波数が
低下することがわかる.また、■■式を比較すれば、共
振周波数f7と遅延時間でとは反比例するから、含水率
が増加すれば遅延時闇は大きくなることがわかる.
ところで、物質中での電磁波の伝播速度■は、物質中で
の電磁波の屈折率がnであるときに、■=c/n(cは
光速度)であることが知られており、屈折率nは、比透
磁率と比誘電率との積の平方根であって、非磁性体では
比透磁率は1程度であるから、V ”t ( /ε1″
となる.この式を■式や■式と比較すればわかるように
、伝送線路1の共振周波数や遅延時閏を求めることは、
物質中での電磁波の伝播速度を間接的に測定しているこ
とになるのである.
つまり、物質中での電磁波の伝播速度を測定すれば、物
質中の水分量が測定できるのであるが、電磁波の伝播速
度は非常に速いので、伝播速度を直接測定するには装置
が大掛かりになるとともに、誤差が生じ易くなる.これ
に対して、上述したように伝送線路の共振周波数や遅延
時間によって,物質中での電磁波の伝播速度を問接的に
測定すれば、装置の構成を簡単にすることができ、しか
も信頼性の高い測定値が得られるのである.In the present invention, the amount of water in a substance is measured by taking advantage of the fact that the dielectric constant of water is approximately 80, which is extremely large compared to other substances. That is, the relative permittivity of solid substances is generally about 1 to 10, and there is a large difference in the relative permittivity of water. Therefore, if the amount of water in a substance changes, there will be a large change in the range from the specific dielectric constant of the substance to the dielectric constant of water. This property is also used in the capacitance method, but in the present invention, instead of burying a pair of electrodes in the material, a transmission line is buried, and electrical variables such as the resonant frequency and delay time of the transmission line are However, the water content of a substance is determined by focusing on the point that corresponds to the dielectric constant of the substance. In other words, when a high-frequency signal with a wavelength on the order of the length of the transmission line passes through the transmission line, the distribution constant of the transmission line affects the transmission characteristics. The distribution constant of the line corresponds to the dielectric constant of the material. Therefore, the resonant frequency and delay time of the transmission line change, and the present invention is based on the knowledge that by measuring these electrical variables on the transmission line, it is possible to determine the water content of the substance. The basic configuration for measuring the resonant frequency and delay time of a transmission line is explained below. First, consider the voltage amplitude on the transmission line 1. As shown in FIG. 10[g(a), when a high-frequency signal source S that outputs a high-frequency wave with a wavelength λ is connected to one end of the transmission line 1 having an open termination, a high-frequency Due to the interference between the incident wave W from the signal source S and the reflected wave W2 from the terminal end, the voltage amplitude distribution on the transmission line 1 is
As shown in Figure (C), the minimum occurs at the position (2n-1)·λ/4 from the end, and the maximum occurs at the position 2n·λ/4 (n=1.
2,...). Furthermore, when a high-frequency signal source S is connected to one end of the transmission line 1 having a short-circuit termination as shown in FIG. 11(a), the incident wave from the high-frequency signal source S as shown in FIG. 11(b) Due to the interference between the reflected wave W} and the reflected wave W2, the voltage amplitude distribution on the transmission line 1 is maximized at the position of (2n-1)·λ/4 and becomes 2n·λ, as shown in FIG. 11(e).
It becomes minimum at position /4. That is, from the perspective of the high-frequency signal source S, the position λ/4 from the end of the transmission line 1 is the position where the impedance is minimum if the transmission line 1 has an open termination, and the position where the impedance is maximum if the transmission line 1 is short-terminated. become. Conversely, if the length of the transmission line 1 is fixed, the impedance characteristics with respect to the output frequency f of the high-frequency signal source S will be equivalent to that of an LC series resonant circuit in the open-terminated transmission line 1, as shown in Figure 12, and in the case of a short-circuited termination. The transmission line 1 is equivalent to an LC parallel resonant circuit as shown in Figure 13. However, there are multiple resonance points. Let the inductance per unit length of the transmission line 1 be C and the capacitance be C, then at the resonant frequency, f,=κ+/(L
It can be expressed as C)””...■. However, κ. is a proportionality constant. On the other hand, the capacitance C is proportional to the relative dielectric constant ε of the material surrounding the transmission line 1, and if the proportionality constant is κ2, then C=κ2・ε ...■. According to the formula, f,= κ,/(κ2・εL)1″...■.In other words, if L# is constant, f,=κ,/ε1″...■. However, κ is a proportionality constant. Here, the inductance changes depending on the relative magnetic permeability of the material surrounding the transmission line 1, but since the relative magnetic permeability hardly changes depending on the old water content in the material, there is no problem with the assumption that L is constant. Also, the delay time τ per unit length of the transmission line 1 is τ=κ4・(LC)''...■, if the proportionality constant is κ4, so when L''=.constant,■ [F] By formula, τ=κ5・
ε. .. .. ■It becomes. As mentioned above, since the resonant frequency 1 and the delay time τ of the transmission line 1 depend on the dielectric constant ε'' of the material existing around the transmission line, it is possible to find the resonant frequency and delay time of the transmission line 1. Therefore, the moisture content of the material existing around the transmission line 1 can be determined. An example of the relationship between the water content of a substance and the resonant frequency is as follows.
It can be seen that the resonance frequency decreases as the water content increases. Furthermore, if we compare the formulas, it can be seen that the resonance frequency f7 is inversely proportional to the delay time, so as the water content increases, the darkness at the time of delay increases. By the way, it is known that the propagation speed of electromagnetic waves in a substance is ■ = c/n (c is the speed of light) when the refractive index of electromagnetic waves in the substance is n, and the refractive index is n is the square root of the product of relative magnetic permeability and relative permittivity, and since the relative magnetic permeability of non-magnetic materials is about 1, V ``t (/ε1''
becomes. As can be seen by comparing this formula with formulas ■ and ■, finding the resonant frequency and delay time leap of transmission line 1 is as follows:
This means that the propagation speed of electromagnetic waves in materials is indirectly measured. In other words, by measuring the propagation speed of electromagnetic waves in a material, it is possible to measure the amount of water in the material, but since the propagation speed of electromagnetic waves is extremely fast, direct measurement of the propagation speed requires large-scale equipment. As a result, errors are more likely to occur. On the other hand, if the propagation speed of electromagnetic waves in materials is measured indirectly using the resonant frequency and delay time of the transmission line as described above, the configuration of the device can be simplified and the reliability can be improved. Therefore, high measured values can be obtained.
【実施例1
】
本実施例では、伝送線路に流れる高周波信号の周波数を
変化させながら伝送線路のインピーダンスを測定するこ
とにより、インピーダンスが最小もしくは最大となる周
波数を伝送線路の共振周波数としている。
伝送線路1は、平行に配設された導電線よりなり、第1
図に示すように、基準インピーダンス2に直列接続され
る.伝送線路1の終端については開放していても短絡し
ていてもよい.伝送線路1と基準インピーダンス2との
直列回路には可変周波数発振器3の出力電圧が印加され
、上記直列回路の両端電圧V,と、伝送線路1の両端電
圧■6どの比が測定される.
すなわち、周波数fに対する伝送線路1と基準インピー
ダンス2とのインピーダンスを、それぞれZウ(f),
ZA(f)とすると、
Z .m/(Z x(f)十Z A(f)) = V
./V.という関係が成立するから、
z 。(r)= Z A(f)・V./(V.−Vb)
・・・■となり、ここに基準インピーダンス2の
インピーダンスZA(f)は既知であるから、電圧V.
,V。の測定により周波数fに対する伝送線路1のイン
ピーダンスを求めることができる.したがって、可変周
波数発振器3の出力周波数を可変しながら、電圧V −
, V bを測定し、■式に基づいてZx(f)が最
小(伝送線路1の終端が開放の場合)もしくは最大(伝
送線路1の終端が短絡の場合)になる周波数を求めれば
、それが伝送線路1の共振周波数となるのである.
ここにおいて、伝送線路1の共振周波数の測定が容易に
行えるように、可変周波数発振器3の出力周波数の制御
、および電圧V.,V.の測定はマイクロコンピュータ
4を用いて自動化されている.すなわち、伝送線路1と
基準インピーダンス2との直列回路の両端電圧Vっと、
伝送線路1の両端電圧V.とのどちらを測定するかは切
換スイッチ5により選択され、被測定電圧はアナログー
ディジタル変換器6によりディジタル信号に変換される
5こうして被測定電圧はディジタル信号としてマイクロ
コンピュータ4に入力され、■式の演算が行われて伝送
線路1のインピーダンスが求められる.また、可変周波
数発振器3は出力周波数が段階的に変化するように制御
され、同一周波数に保持されている時間内に切換スイッ
チ5が切り換えられて2種の電圧V.,V.が測定され
る.したがって、切換スイッチ5の切換タイミングもマ
イクロコンピュータ4により制御される.すなわち、基
準インピーダンス2、切換スイッチ5、アナログーディ
ジタル変換器6によりインピーダンス検出部が構成され
、このインピーダンス検出部は可変周波数発振器3とと
もにセンサ回路7を構成するのである.
以上のようにして可変周波数発振器3の周波数可変範囲
におけるインピーダンスの測定が終了した後、マイクロ
コンピュータ4では、インピーダンスが最小(伝送線路
1が開放終端の場合)もしくは最大(伝送線路1が短絡
終端の場合)になる周波数が求められる.この周波数が
伝送線路1の共振周波数であって、この共振周波数が含
水率に換算されるのである.すなわち、マイクロコンピ
ュータ4は、伝送線路のインピーダンスおよび共振周波
数をセンサ回路7の出力に基づいて演算するから、イン
ピーダンス検出部の一部(つまり周波数検出回路の一部
)として機能するとともに、演算部として機能する.
次に上記構成の装置によって土中の水分量を測定する場
合について説明する.この場合、第2図に示すように、
伝送線路1の全体が土Eの中に埋設される.また、土E
の中の空洞等による密度の局所的な不均一の影響が出な
いように、伝送線路1は適宜長さに設定され、その長さ
の範囲の平均値が得られるようにする。たとえば、1l
程度の伝送線路1を用いれば、1l程度の範囲の平均値
が得られるのであって、この伝送線路1の共振周波数は
、空気中では約75MHzとなり、第14図に示したよ
うに、物質中では含水率が増加するにしたがって共振周
波数が下がるから、この伝送線路1に対しては、可変周
波数発振器3の出力周波数は数M H z〜100MH
z程度の範囲に設定される.この程度に周波数を可変す
るのは比較的容易であり、回路構成が簡単で安定した動
作が期待でき、測定器として好ましい条件となる.ここ
に、水に振動電界を与えた場合に、振動電界の周波数が
IGHz程度になると水分子の配向変化が電界の変化に
追随できなくなり誘電率が急速に低減するから、実用的
には500M82程度を上限として使用することになる
.すなわち、伝送線路1は少なくとも数十CJIは必要
である.一方、畑のように比較的広範囲の平均値として
含水率を測定する場合には、伝送線路1を数十lに設定
することもでき、この場合には共振周波数が一層低くな
るから、回路設計はさらに容易になる.伝送線路1を埋
設する深さについては測定目的に応じて調節すればよい
が、通常は10cm以上に設定される.基準インピーダ
ンス2、可変周波数発振器3、切換スイッチ5、アナ口
グーディジタル変換器6等の高周波に関与するセンサ回
路7は、耐水性を有するケース10内に納装され、伝送
線路1とともに土Eの中に埋設される.また、ケース1
oからはマイクロコンピュータ4への接続線11が引き
出される.すなわち、土Eの中の水分量によって影響を
受ける部位をすべて土Eの中に埋設することができるか
ら、土Eの中への挿入寸法の差による測定値のばらつき
を防止することができ、測定値の信頼性が高まるととも
に、高周波の不要な輻射ノイズが外部に漏れるのを防止
するという効果が得られる。また、ゲース10の一部を
土Eがら露出させるようにすれば、ゲース1oの露出部
分により埋設位!を確認することができ、接続線11を
トラクタなどで引掛けることが防止できるのである.
伝送線路1は、第3図に示すように、導電性の一対の芯
線12の周囲に耐水性の絶縁被覆13を設けたフィーダ
線状に形成されており、両芯線12の間には薄肉のスペ
ーサ14が絶縁被F!J!13に一休に形成され、両芯
線12間の距離が一定に保たれる.このように、絶縁被
FW13を有していることにより、土Eの水分に溶けた
電解質による分布抵抗の影響を防止し、分布抵抗を通し
て電流が流れることによる電力消費の増加や分布抵抗の
増加による選択度(Q)の低下を防止して、測定が容易
になるようにしている.また、絶縁被覆13によって芯
線12の腐食も防止できる。ここにおいて、絶縁被覆1
3の存在により、測定される誘電率の変化幅が若干小さ
くなるが、インピーダンスは高精度に測定できるから、
絶縁被覆13の誘電率の影響は無視できる程度のものに
なる.なお、芯線12に絶縁被覆13を施すことによっ
て、上述したように測定が容易になるが、必要がなけれ
ば絶縁被覆13はなくてもよい.また、第4図に示すよ
うに、伝送線路1に沿ってスペーサ14に適宜間隔で透
孔15を形成して伝送線路1をはしご状に形成すると、
透孔15を形成していない場合に比較すれば、伝送線路
1の表面積が大きくなり、かつ誘電体であるスペーサ1
4の量が減少するから、土中Eの水分量の変化を高惑度
に検出できるようになる.
伝送線路1の終端には、終端回路16が設けられる.終
端回路16は、コンデンサ、抵抗等の受動回路部品より
なり、伝送線路1のインピーダンスを変更したり、外来
電磁波の影響を軽減したりすることができる.また、伝
送線路1の終端における境界条件が明確になるから、た
とえば、開放終端において終端にコンデンサを接続すれ
ば、共振周波数が低下し、インピーダンス特性のあばれ
が小さくなるという効果が得られる.このようなコンデ
ンサを接続していない場合では、第5図に細線で示すよ
うに、インピーダンスの周波数分布に不規則な部分が現
れることが多く、測定値の信頼性が低下するが、終端回
路16を設けることによって、第5図に太線で示すよう
に、このような問題が改善されるのである.終端に抵抗
を接続すれば、伝送線路1の共振周波数には影響を与え
ずに、インピーダンス特性のあばれを小さくすることが
できる.また、伝送線路1の終端を短絡している場合に
は、伝送線路1の両端間の抵抗が小さくなるから、この
場合には、伝送線路1の接地側に抵抗を直列接続するの
が望ましい.[Example 1
] In this embodiment, the impedance of the transmission line is measured while changing the frequency of the high-frequency signal flowing through the transmission line, and the frequency at which the impedance is minimum or maximum is determined as the resonant frequency of the transmission line. The transmission line 1 is made up of conductive wires arranged in parallel.
As shown in the figure, it is connected in series to the reference impedance 2. The terminal end of the transmission line 1 may be open or short-circuited. The output voltage of the variable frequency oscillator 3 is applied to the series circuit of the transmission line 1 and the reference impedance 2, and the ratio between the voltage V across the series circuit and the voltage across the transmission line 1 is measured. That is, the impedances of the transmission line 1 and the reference impedance 2 for the frequency f are respectively Zu(f),
Let ZA(f) be Z. m/(Z x (f) + Z A (f)) = V
.. /V. Since the relationship holds true, z. (r)=Z A(f)・V. /(V.-Vb)
...■, and since the impedance ZA(f) of the reference impedance 2 is known, the voltage V.
,V. By measuring , the impedance of the transmission line 1 with respect to the frequency f can be determined. Therefore, while varying the output frequency of the variable frequency oscillator 3, the voltage V −
, Vb, and find the frequency at which Zx(f) is minimum (when the end of transmission line 1 is open) or maximum (when the end of transmission line 1 is short-circuited) based on formula becomes the resonant frequency of transmission line 1. Here, in order to easily measure the resonant frequency of the transmission line 1, the output frequency of the variable frequency oscillator 3 is controlled and the voltage V. ,V. The measurement is automated using a microcomputer 4. That is, the voltage across the series circuit of the transmission line 1 and the reference impedance 2 is Vt.
The voltage across the transmission line 1 is V. Which of the following is to be measured is selected by the changeover switch 5, and the voltage to be measured is converted into a digital signal by the analog-to-digital converter 6.5The voltage to be measured is thus inputted to the microcomputer 4 as a digital signal, and the voltage to be measured is inputted to the microcomputer 4 as a digital signal. The impedance of the transmission line 1 is obtained by calculating the impedance of the transmission line 1. Further, the variable frequency oscillator 3 is controlled so that the output frequency changes stepwise, and the changeover switch 5 is switched within the time period during which the output frequency is maintained at the same frequency, and the output frequency is changed between two types of voltage V. ,V. is measured. Therefore, the switching timing of the changeover switch 5 is also controlled by the microcomputer 4. That is, the reference impedance 2, the changeover switch 5, and the analog-to-digital converter 6 constitute an impedance detection section, and this impedance detection section, together with the variable frequency oscillator 3, constitutes the sensor circuit 7. After the impedance measurement in the variable frequency range of the variable frequency oscillator 3 is completed as described above, the microcomputer 4 determines whether the impedance is the minimum (if the transmission line 1 has an open termination) or the maximum (if the transmission line 1 has a short-circuit termination). Find the frequency that satisfies (case). This frequency is the resonant frequency of the transmission line 1, and this resonant frequency is converted into the water content. That is, since the microcomputer 4 calculates the impedance and resonance frequency of the transmission line based on the output of the sensor circuit 7, it functions as a part of the impedance detection section (that is, a part of the frequency detection circuit), and also functions as a calculation section. Function. Next, we will explain how to measure the moisture content in soil using the device with the above configuration. In this case, as shown in Figure 2,
The entire transmission line 1 is buried in soil E. Also, soil E
The transmission line 1 is set to an appropriate length so as to avoid the influence of local non-uniform density due to cavities in the transmission line 1, and to obtain an average value over the length range. For example, 1l
If a transmission line 1 of about 100 MHz is used, an average value in a range of about 1 liter can be obtained, and the resonant frequency of this transmission line 1 is about 75 MHz in air, and as shown in Fig. Since the resonant frequency decreases as the water content increases, for this transmission line 1, the output frequency of the variable frequency oscillator 3 is from several MHz to 100 MHz.
It is set to a range of about z. It is relatively easy to vary the frequency to this degree, and the circuit configuration is simple and stable operation can be expected, which are desirable conditions for a measuring instrument. Here, when an oscillating electric field is applied to water, when the frequency of the oscillating electric field reaches about IGHz, the change in the orientation of water molecules cannot follow the change in the electric field, and the dielectric constant decreases rapidly, so in practical terms, it is about 500M82. will be used as the upper limit. That is, the transmission line 1 requires at least several tens of CJI. On the other hand, when measuring the moisture content as an average value over a relatively wide area, such as in a field, the transmission line 1 can be set to several tens of liters, and in this case, the resonant frequency becomes even lower, so the circuit design becomes even easier. The depth at which the transmission line 1 is buried may be adjusted depending on the measurement purpose, but is usually set to 10 cm or more. A sensor circuit 7 that is involved in high frequencies, such as a reference impedance 2, a variable frequency oscillator 3, a changeover switch 5, and an analogue digital converter 6, is housed in a water-resistant case 10, and is connected to the soil E along with the transmission line 1. It is buried inside. Also, case 1
A connection line 11 to the microcomputer 4 is drawn out from o. That is, since all parts affected by the moisture content in the soil E can be buried in the soil E, it is possible to prevent variations in measured values due to differences in the dimensions of insertion into the soil E. The reliability of measured values is increased, and unnecessary high-frequency radiation noise is prevented from leaking to the outside. Also, if a part of the gauge 10 is exposed from the soil E, the exposed part of the gauge 1o can be buried. This makes it possible to prevent the connecting wire 11 from being caught by a tractor or the like. The transmission line 1, as shown in FIG. Spacer 14 is insulated F! J! 13, and the distance between both core wires 12 is kept constant. In this way, by having the insulated FW 13, it is possible to prevent the influence of distributed resistance caused by the electrolyte dissolved in the moisture of soil E, and to prevent the increase in power consumption due to current flowing through the distributed resistance and the increase in distributed resistance. This prevents selectivity (Q) from decreasing and facilitates measurement. Further, the insulation coating 13 can also prevent corrosion of the core wire 12. Here, insulation coating 1
Due to the presence of 3, the range of change in the measured dielectric constant becomes slightly smaller, but impedance can be measured with high accuracy.
The influence of the dielectric constant of the insulation coating 13 is negligible. Note that by applying the insulation coating 13 to the core wire 12, the measurement becomes easier as described above, but the insulation coating 13 may be omitted if it is not necessary. Further, as shown in FIG. 4, if the transmission line 1 is formed into a ladder shape by forming through holes 15 in the spacer 14 at appropriate intervals along the transmission line 1,
Compared to the case where the through hole 15 is not formed, the surface area of the transmission line 1 becomes larger, and the spacer 1 which is a dielectric material
Since the amount of 4 decreases, changes in the moisture content of soil E can be detected with high accuracy. A termination circuit 16 is provided at the end of the transmission line 1. The termination circuit 16 is composed of passive circuit components such as capacitors and resistors, and can change the impedance of the transmission line 1 and reduce the influence of external electromagnetic waves. In addition, since the boundary conditions at the end of the transmission line 1 are clear, for example, if a capacitor is connected to the open end, the resonance frequency will be lowered and the fluctuations in the impedance characteristics will be reduced. If such a capacitor is not connected, irregular portions often appear in the frequency distribution of impedance, as shown by the thin line in FIG. 5, and the reliability of the measured value decreases. By providing this, such problems can be improved, as shown by the thick line in Figure 5. By connecting a resistor to the terminal end, it is possible to reduce fluctuations in impedance characteristics without affecting the resonant frequency of the transmission line 1. Furthermore, when the ends of the transmission line 1 are short-circuited, the resistance between both ends of the transmission line 1 becomes small, so in this case, it is desirable to connect a resistor in series to the ground side of the transmission line 1.
【実施例2】
本実施例では、第7図に示すように、伝送線路1の共振
周波数の前後において電圧位相と電流位相との間の位相
角が急激に変化することを利用して伝送線路の共振周波
数を検出する,すなわち、伝送線路1が開放終端である
場合には、第7図(a)に太線で示すように、電圧位相
に対して電流位相は遅相から進相に変化し、短絡終端で
ある場合には、第7図(b)に太線で示すように、進相
から遅相に変化する.このように、共振周波数の前後で
は電圧位相と電流位相との間の位相角の符号の正負が反
転するから、位相角の符号の反転を検出すれば、伝送線
路1の共振周波数を求めることができるのである.
このようにして共振周波数を検出する回路構成としては
、第6図に示すように、伝送線路1に抵抗Rを直列接続
し、この直列回路に可変周波数発振器2の高周波出力を
印加するとともに、抵抗Rの両端の位相差を検出するよ
うにすればよい.すなわち、抵抗Rにおいて可変周波数
発振器2側の端部では、上記直列回路の電圧位相が検出
され、抵抗Rにおいて伝送線路1側の端部では、上記直
列回路の電流位相が検出されるから、抵抗Rの両端での
位相差を検出すれば、電圧位相と電流位相との間の位相
角が検出できるのである.位相差の検出には、入力位相
の差に対応した電圧出力が得られる位相差検出回路9を
設け、位相差検出回路9の出力電圧をアナログーディジ
タル変換器6によりディジタル信号に変換してマイクロ
コンピュータ4に入力すればよい.マイクロコンピュー
タ4は、可変周波数発振器3を出力周波数が変化するよ
うに制御し、周波数に対する位相差検出回路9の出力変
化を求め、位相角の符号が反転する周波数を伝送線路1
の共振周波数とするのである.こうして得られた共振周
波数は含水率に換算される.
以上のように、抵抗R、アナログーディジタル変換器6
、位相差検出回路9により位相角検出部がが構成され、
この位相角検出部は可変周波数発振器3とともにセンサ
回路7を構成するのである.マイクロコンピュータ4は
、伝送線路を通過する高周波信号の電圧位相と電流位相
との間の位相角および共振周波数をセンサ回路7の出力
に基づいて演算するから、位相角検出部の一部(つまり
周波数検出回路の一部)として機能するとともに演算部
として機能する.[Embodiment 2] In this embodiment, as shown in FIG. 7, the transmission line is In other words, when the transmission line 1 has an open termination, the current phase changes from lagging to leading with respect to the voltage phase, as shown by the bold line in Figure 7(a). , in the case of a short-circuit termination, the phase changes from leading to lagging, as shown by the thick line in FIG. 7(b). In this way, the sign of the phase angle between the voltage phase and the current phase reverses before and after the resonant frequency, so if the reversal of the sign of the phase angle is detected, the resonant frequency of the transmission line 1 can be determined. It is possible. As shown in FIG. 6, the circuit configuration for detecting the resonance frequency in this way is to connect a resistor R in series to the transmission line 1, apply the high frequency output of the variable frequency oscillator 2 to this series circuit, and apply the high frequency output of the variable frequency oscillator 2 to the series circuit. It is sufficient to detect the phase difference between both ends of R. That is, at the end of the resistor R on the variable frequency oscillator 2 side, the voltage phase of the series circuit is detected, and at the end of the resistor R on the transmission line 1 side, the current phase of the series circuit is detected. By detecting the phase difference at both ends of R, the phase angle between the voltage phase and current phase can be detected. To detect the phase difference, a phase difference detection circuit 9 is provided which can obtain a voltage output corresponding to the input phase difference, and the output voltage of the phase difference detection circuit 9 is converted into a digital signal by the analog-to-digital converter 6 and converted into a digital signal. Just enter it into computer 4. The microcomputer 4 controls the variable frequency oscillator 3 so that the output frequency changes, determines the change in the output of the phase difference detection circuit 9 with respect to the frequency, and selects the frequency at which the sign of the phase angle is reversed to the transmission line 1.
This is the resonant frequency of . The resonant frequency thus obtained is converted to water content. As described above, the resistor R, the analog-to-digital converter 6
, a phase angle detection section is configured by the phase difference detection circuit 9,
This phase angle detection section constitutes the sensor circuit 7 together with the variable frequency oscillator 3. Since the microcomputer 4 calculates the phase angle between the voltage phase and the current phase of the high-frequency signal passing through the transmission line and the resonance frequency based on the output of the sensor circuit 7, It functions as a part of the detection circuit) and as an arithmetic unit.
【実施例3】
本実施例では、第8区に示すように、伝送線路1がLC
共振回路と等価である性質を利用し、伝送線路1を発振
器8の共振回路として用いるようにし、発振器8の出力
周波数によって伝送線路1の共振周波数を求めるように
している.第8図においては、発振器8を変形クラップ
回路として構成することにより、能動素子であるトラン
ジスタQが1個であり、回路構成が非常に簡単になって
いる.なお、発振器8は他の構成としてもよいのはもち
ろんのことである.
このようにして発振器8の出力周波数から伝送線路1の
共fi問波数を求めることにより、実施例1と同様にし
て物質の含水率に換算することができる.[Embodiment 3] In this embodiment, as shown in section 8, the transmission line 1 is an LC
Utilizing the property of being equivalent to a resonant circuit, the transmission line 1 is used as a resonant circuit for the oscillator 8, and the resonant frequency of the transmission line 1 is determined from the output frequency of the oscillator 8. In FIG. 8, by configuring the oscillator 8 as a modified Clapp circuit, there is only one transistor Q, which is an active element, and the circuit configuration is extremely simple. It goes without saying that the oscillator 8 may have other configurations. By determining the common wave number of the transmission line 1 from the output frequency of the oscillator 8 in this way, it can be converted to the water content of the substance in the same manner as in Example 1.
【実施例4】
本実施例は、第9図に示すように、伝送線路1に抵抗R
を直列接続し、この直列回路に可変周波数発振器2の出
力を印加しているのであって、抵抗Rの両端の位相差が
零になるように、フェー ズロックドループを構成して
いる.すなわち、抵抗Rの両端の位相差は、実施例2で
説明したように、電圧位相と電流位相との位相差に対応
する.また、可変周波数発振器2は電圧制御発振器であ
って、上記位相差に相当する電圧を発生する位相差検出
回路9の出力電圧により制御される。したがって、可変
周波数発振器2は上記位相差を低減するように調節され
、位相差が零になると周波数が安定する.この周波数が
伝送線路1の共振周波数であるから、可変周波数発振器
2の出力周波数を測定すれば、伝送線路1の共振周波数
を知ることができるのである.以後の処理は実施例1と
同様であって、共振周波数が物質の含水率に変換される
のである.
このように、フェーズロックドルーブによって、伝送線
路1の共振周波数を求めているから、伝送線路1の選択
度(Q)の影響がほとんどなく、伝送線路1の共振周波
数を正確に求めることができるのである.[Embodiment 4] In this embodiment, as shown in FIG.
are connected in series, and the output of the variable frequency oscillator 2 is applied to this series circuit, forming a phase-locked loop so that the phase difference between both ends of the resistor R is zero. That is, the phase difference between both ends of the resistor R corresponds to the phase difference between the voltage phase and the current phase, as explained in the second embodiment. Further, the variable frequency oscillator 2 is a voltage controlled oscillator, and is controlled by the output voltage of a phase difference detection circuit 9 that generates a voltage corresponding to the phase difference. Therefore, the variable frequency oscillator 2 is adjusted to reduce the phase difference, and when the phase difference becomes zero, the frequency becomes stable. Since this frequency is the resonant frequency of the transmission line 1, the resonant frequency of the transmission line 1 can be determined by measuring the output frequency of the variable frequency oscillator 2. The subsequent processing is the same as in Example 1, and the resonant frequency is converted into the water content of the substance. In this way, since the resonant frequency of the transmission line 1 is determined using the phase-locked groove, there is almost no influence of the selectivity (Q) of the transmission line 1, and the resonant frequency of the transmission line 1 can be determined accurately. It is.
【実施例5】
実施例1ないし実施例4では、伝送線路1の共振周波数
を求めるようにしていたが、本実施例では伝送線路1を
分布定数遅延線路とみなして、伝送線61の一端から入
力された信号が他端まで到達するのに要する遅延時間を
測定することにより、伝送線路1の周囲の物質の含水率
に対応させるものである.
すなわち、第15図に示すように、伝送線路1の一端に
信号発生器20が接続され、パルス信号が伝送線路1の
一端に印加される.また、信号発生器20の出力端と伝
送線路1の他端との信号の排他的論理和が排他的オア回
路21により演算される.ここに、伝送線路1の両端に
はそれぞれ抵抗R + , R xが接続され、インピ
ーダンスの整合がなされる.また、信号発生器20の出
力は分圧抵抗R 3 . R 4により分圧され、排他
的オア回路21の両入力がほぼ同レベルになるように調
節される.排他的オア回路21の出力は、抵抗R5、コ
ンデンサC、増幅回路oPよりなる積分回路22により
積分され、排他的オア回路21の出力レベルが“H”で
ある時問に対応した電圧レベルの出力が得られるように
なっている.
この構成によれば、第16図(a)に示すように、信号
発生器20よりパルス幅がTIであるパルス信号が出力
され、第16図(b)に示すように、伝送線路1の一端
から他端まで信号が到達するのに要する遅延時間がT2
であったとすると、排他的オア回路21からは、第16
図(c)に示すように、伝送線路1の遅延時間T2に相
当するパルス幅のパルス出力が得られる.伝送線路1が
空気中に存在するときの遅延時間がT2であり、伝送線
路1が水中に存在するときの遅延時間がT,であるとす
れば、第16r5!i(b′》ノヨウニ、T 2 <
T ) ):− ナルから、排他的オア回路21の出力
としては、第16図(C′)のように、空気中の場合よ
りもパルス幅の大きなパルス出力が得られる。積分回路
22の出力レベルは、上述したように、排他的オア回路
゜21から出力されるパルス信号のパルス幅に対応して
いるから、第16図(cl)(d′)を比較すればわか
るように、伝送線路1が水中に存在する場合に比較して
空気中に存在する場合のほうが、積分回路22の出力レ
ベルが大きくなる。すなわち、伝送線路1の遅延時間が
大きくなると、積分回路22の出力レベルが大きくなる
のである。
以上のようにして、積分回路22の出力レベルとして伝
送線路1の遅延時間が得られるから、この遅延時間を、
マイクロコンピュータ等の演算部により物質の含水率に
換算するのである6本実施例では、信号発生器20から
パルス信号を出力するようにしたが、信号発生器20と
しては正弦波等の他の信号を出力し、排他的オア回路2
1への入力の前に波形整形を行うようにしてもよい。[Embodiment 5] In Embodiments 1 to 4, the resonant frequency of the transmission line 1 was determined, but in this embodiment, the transmission line 1 is regarded as a distributed constant delay line, and the resonance frequency is determined from one end of the transmission line 61. By measuring the delay time required for the input signal to reach the other end, it can be made to correspond to the moisture content of the material surrounding the transmission line 1. That is, as shown in FIG. 15, a signal generator 20 is connected to one end of the transmission line 1, and a pulse signal is applied to one end of the transmission line 1. Further, an exclusive OR circuit 21 calculates the exclusive OR of the signals from the output end of the signal generator 20 and the other end of the transmission line 1 . Here, resistors R + and R x are connected to both ends of the transmission line 1, respectively, for impedance matching. Further, the output of the signal generator 20 is connected to a voltage dividing resistor R 3 . The voltage is divided by R4 and adjusted so that both inputs of the exclusive OR circuit 21 are at approximately the same level. The output of the exclusive OR circuit 21 is integrated by an integrating circuit 22 consisting of a resistor R5, a capacitor C, and an amplifier circuit oP, and outputs a voltage level corresponding to the time when the output level of the exclusive OR circuit 21 is "H". is now available. According to this configuration, as shown in FIG. 16(a), a pulse signal having a pulse width of TI is output from the signal generator 20, and as shown in FIG. 16(b), one end of the transmission line 1 The delay time required for the signal to reach the other end is T2
, the exclusive OR circuit 21 outputs the 16th
As shown in Figure (c), a pulse output with a pulse width corresponding to the delay time T2 of the transmission line 1 is obtained. If the delay time when the transmission line 1 exists in the air is T2, and the delay time when the transmission line 1 exists in the water is T, then the 16th r5! i(b′》Noyouni, T 2 <
T)):- As the output of the exclusive OR circuit 21, a pulse output having a larger pulse width than that in the air is obtained as shown in FIG. 16(C'). As mentioned above, the output level of the integrating circuit 22 corresponds to the pulse width of the pulse signal output from the exclusive OR circuit 21, so it can be seen by comparing FIGS. 16(cl) and (d'). As shown, the output level of the integrating circuit 22 is higher when the transmission line 1 is in the air than when it is in the water. That is, as the delay time of the transmission line 1 increases, the output level of the integrating circuit 22 increases. As described above, the delay time of the transmission line 1 is obtained as the output level of the integrating circuit 22, so this delay time is
In this embodiment, the signal generator 20 outputs a pulse signal, but the signal generator 20 may output other signals such as a sine wave. Outputs exclusive OR circuit 2
Waveform shaping may be performed before input to 1.
本発明は上述のように、測定対象となる物質中に少なく
とも一部が埋設される伝送線路と、上記物質の誘電率を
上記伝送線路の電気的変量として検出するセンサ回路と
、上記電気的変量を上記物質の含水率に換算する演算部
とを設けているものであり、測定対象となる物質中に伝
送線路の少なくとも一部を埋設し、物質の誘電率に対応
する伝送線路の電気的変量に基づいて物質の含水率を測
定するから、測定中には測定対象となる物質に影響を与
えることがなく、短時間に連続して測定を行うことがで
きるという利点がある。また、測定対象となる物質に物
理的な影響をほとんど与えないから、エネルギーの損失
が少なく、電力消費も少なくなる.
また、物質の誘電率に対応する伝送線路の電気的変量と
しては、伝送線路の共振周波数や伝送線路による信号の
遅延時間を用いるから、周波数測定や時間測定の既存技
術に鑑みて高精度の測定が行えるのであり、回路構成が
比較的簡単になるとともにノイズの影響も受けにくくな
るのである。
また、伝送線路の長さを適宜設定すれば、密度が不均一
な物質内でも密度のばらつきによる影響を無視できるよ
うにすることができ、測定場所による測定結果のばらつ
きを防止することができる。
すなわち、測定結果の再現性がよく信頼性の高い測定が
行えるという効果がある。
センサ回路を耐水性のケースに納装すれば、センサ回路
を伝送線路とともに物質中に埋設することができ、高周
波信号を発生する部分をすべて物質中に埋設することに
なるから、外部への輻射ノイズを低減することができる
という利点がある.あるいはまた、ケースの一部を物質
中から露出させるようにすれば、ケースを埋設位置の目
印として用いることもできる.
さらに、伝送線路に絶縁被覆を設けているものでは、物
質中の水分による分布抵抗の影響を受けないから、測定
精度がさらに高まる。
しかも、伝送線路の両芯線間にスペーサを設けて両芯線
間を平行になるようにすれば、特性が安定して測定結果
の信頼性がさらに高まり、スペーサに適宜間隔で透孔を
設ければ、スペーサの材料による測定値への影響が軽減
されて高感度な測定が行えるのである。
加えて、伝送線路の端末に終端回路を設ければ、伝送線
路の特性を安定化させることができ、測定結果の再現性
が一層高まるのである.As described above, the present invention includes a transmission line that is at least partially buried in a substance to be measured, a sensor circuit that detects the dielectric constant of the substance as an electrical variable of the transmission line, and a sensor circuit that detects the dielectric constant of the substance as an electrical variable of the transmission line. At least a part of the transmission line is buried in the substance to be measured, and the electric variable of the transmission line corresponding to the dielectric constant of the substance is calculated. Since the moisture content of a substance is measured based on the above, there is an advantage that the measurement does not affect the substance to be measured during the measurement, and measurements can be carried out continuously in a short period of time. Additionally, since it has almost no physical effect on the substance being measured, there is less energy loss and less power consumption. In addition, the resonant frequency of the transmission line and the delay time of the signal due to the transmission line are used as the electrical variables of the transmission line that correspond to the dielectric constant of the material. This makes the circuit configuration relatively simple and less susceptible to noise. Furthermore, by appropriately setting the length of the transmission line, it is possible to ignore the influence of variations in density even within a substance with non-uniform density, and it is possible to prevent variations in measurement results depending on the measurement location. That is, there is an effect that the reproducibility of measurement results is good and highly reliable measurements can be performed. If the sensor circuit is packaged in a water-resistant case, the sensor circuit can be buried in the material along with the transmission line, and all the parts that generate high-frequency signals are buried in the material, reducing radiation to the outside. This has the advantage of being able to reduce noise. Alternatively, if a part of the case is exposed from the material, the case can be used as a marker for the burial location. Furthermore, if the transmission line is provided with an insulating coating, it will not be affected by distributed resistance due to moisture in the substance, so the measurement accuracy will be further improved. Moreover, if a spacer is provided between both core wires of the transmission line so that the two core wires are parallel to each other, the characteristics will be stabilized and the reliability of the measurement results will be further increased. , the influence of the spacer material on the measured values is reduced, and highly sensitive measurements can be performed. In addition, by providing a termination circuit at the end of the transmission line, the characteristics of the transmission line can be stabilized, further increasing the reproducibility of measurement results.
第1図は本発明の実施例1を示すブロック図、第2図は
同上の使用状態を示す説明図、第3図は同上に用いる伝
送線路を示す斜視図、第4図は同上に用いる伝送線路の
他の例を示す斜視図、第5図は同上に用いる終端回路の
効果を示す動作説明図、第6図は本発明の実施例2を示
すブロック図、第7図は同上の動作説明図、第8図は本
発明の実施例3を示す要部回路図、第9図は本発明の実
施例4を示す要部回路図、第10図および第11図は本
発明における伝送線路の性質を示す動作説明図、第12
図および第13図は本発明における伝送線路の周波数−
インピーダンス特性を示す動作説明図、第14図は共振
周波数と含水率との関俤を説明するグラフ、第15図は
本発明の実施例5を示す回路図、第16図は同上の動作
説明図である..
1.・・・伝送線路、2・・・基準インピーダンス、3
・・・可変周波数発振器、4・・・マイクロコンピュー
タ、5・・・切換スイッヂ、6・・・Tナログーデイジ
タル変換器、7・・・センザ回路、8・・・発振回路、
9・・・位相差検出回路、10・・・ケース、11−・
・接続線、12・・・芯線、13・・・絶縁被覆、l4
・・スベ・−リー、15・・透孔、20・・・信号発生
器、2〕・・排他的オr回路、22・・・積分回路、E
・・・十 [え・・・抵抗、代理人 弁理士 石 田
長 七
第5図
第6K
第7図
(a)
hf
(b)
ゐgf
第10図
第11図
第8図
第9図
第
2図
lO9f
第13図
b,fFig. 1 is a block diagram showing Embodiment 1 of the present invention, Fig. 2 is an explanatory diagram showing the usage state of the same, Fig. 3 is a perspective view showing a transmission line used in the above, and Fig. 4 is a transmission line used in the same. A perspective view showing another example of the line, FIG. 5 is an operation explanatory diagram showing the effect of the termination circuit used in the above, FIG. 6 is a block diagram showing Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 7 is an operation explanation of the same as above. 8 is a circuit diagram of a main part showing a third embodiment of the present invention, FIG. 9 is a circuit diagram of a main part showing a fourth embodiment of the present invention, and FIGS. 10 and 11 are diagrams of a transmission line in the present invention. Operation explanatory diagram showing properties, 12th
The diagram and FIG. 13 show the frequency of the transmission line in the present invention.
FIG. 14 is a graph explaining the relationship between resonance frequency and water content; FIG. 15 is a circuit diagram showing Embodiment 5 of the present invention; FIG. 16 is an explanatory diagram of the same operation. It is. .. 1. ...Transmission line, 2...Reference impedance, 3
... variable frequency oscillator, 4... microcomputer, 5... changeover switch, 6... T-narrow-to-digital converter, 7... sensor circuit, 8... oscillation circuit,
9... Phase difference detection circuit, 10... Case, 11-...
・Connection wire, 12...core wire, 13...insulation coating, l4
...Suberi, 15...Through hole, 20...Signal generator, 2]...Exclusive OR circuit, 22...Integrator circuit, E
...10 [Eh...resistance, agent patent attorney Ishida]
Long 7 Figure 5 Figure 6K Figure 7 (a) hf (b) ゐgf Figure 10 Figure 11 Figure 8 Figure 9 Figure 2 lO9f Figure 13 b, f
Claims (12)
れる伝送線路と、上記物質の誘電率を上記伝送線路の電
気的変量として検出するセンサ回路と、上記電気的変量
を上記物質の含水率に換算する演算部とを具備して成る
ことを特徴とする含水率測定装置。(1) A transmission line that is at least partially buried in a substance to be measured; a sensor circuit that detects the dielectric constant of the substance as an electrical variable of the transmission line; and a sensor circuit that detects the dielectric constant of the substance as an electrical variable of the transmission line; 1. A moisture content measuring device comprising: a calculating section for converting into a moisture content.
する周波数検出回路であって、演算部は上記共振周波数
を物質の含水率に換算することを特徴とする請求項1記
載の含水率測定装置。(2) The moisture content measurement according to claim 1, wherein the sensor circuit is a frequency detection circuit that detects a resonance frequency of a transmission line, and the calculation unit converts the resonance frequency into a moisture content of a substance. Device.
印加する可変周波数発振器と、伝送線路のインピーダン
スを検出するインピーダンス検出部とを備え、可変周波
数発振器の出力周波数を変化させるとともに上記インピ
ーダンスを検出し、伝送線路のインピーダンスが最小ま
たは最大となる周波数を伝送線路の共振周波数とするこ
とを特徴とする請求項2記載の含水率測定装置。(3) The frequency detection circuit includes a variable frequency oscillator that applies a high frequency signal to the transmission line, and an impedance detection section that detects the impedance of the transmission line, and changes the output frequency of the variable frequency oscillator and detects the impedance. 3. The water content measuring device according to claim 2, wherein the frequency at which the impedance of the transmission line is minimum or maximum is set as the resonant frequency of the transmission line.
印加する可変周波数発振器と、伝送線路を通過する高周
波信号の電流位相と電圧位相との一方に対する他方の位
相角を検出する位相角検出部とを備え、可変周波数発振
器の出力周波数を変化させるとともに上記位相角を検出
し、上記位相角の正負の符号が反転する周波数を伝送線
路の共振周波数とすることを特徴とする請求項2記載の
含水率測定装置。(4) The frequency detection circuit includes a variable frequency oscillator that applies a high frequency signal to the transmission line, and a phase angle detection unit that detects the phase angle of the current phase and voltage phase of the high frequency signal passing through the transmission line with respect to the other. 3. The transmission line according to claim 2, wherein the output frequency of the variable frequency oscillator is changed and the phase angle is detected, and a frequency at which the sign of the phase angle is reversed is set as the resonant frequency of the transmission line. Moisture content measuring device.
る発振回路であって、発振回路出力を伝送線路の共振周
波数とすることを特徴とする請求項2記載の含水率測定
装置。(5) The water content measuring device according to claim 2, wherein the frequency detection circuit is an oscillation circuit that uses a transmission line as a resonant circuit, and the oscillation circuit output is the resonant frequency of the transmission line.
印加する可変周波数発振器と、伝送線路を通過する高周
波信号の電流位相と電圧位相との位相差を検出するとと
もに上記位相差が零になるように可変周波数発振器の出
力周波数を調節する位相差検出回路とを備え、可変周波
数発振器の出力周波数を伝送線路の共振周波数とするこ
とを特徴とする請求項2記載の含水率測定装置。(6) The frequency detection circuit detects the phase difference between the variable frequency oscillator that applies a high frequency signal to the transmission line and the current phase and voltage phase of the high frequency signal passing through the transmission line, and the phase difference becomes zero. 3. The water content measuring device according to claim 2, further comprising a phase difference detection circuit that adjusts the output frequency of the variable frequency oscillator so that the output frequency of the variable frequency oscillator is the resonance frequency of the transmission line.
する信号発生器と、信号が伝送線路の一端に印加されて
から他端に到達するまでに要する遅延時間を検出する時
間検出部とから成り、演算部は上記遅延時間を物質の含
水率に換算することを特徴とする請求項1記載の含水率
測定装置。(7) The sensor circuit includes a signal generator that applies a signal to one end of the transmission line, and a time detection unit that detects the delay time required from when the signal is applied to one end of the transmission line until it reaches the other end. 2. The moisture content measuring device according to claim 1, wherein the calculation unit converts the delay time into the moisture content of the substance.
成ることを特徴とする請求項2乃至請求項7のいずれか
に記載の含水率測定装置。(8) The moisture content measuring device according to any one of claims 2 to 7, wherein the sensor circuit is housed in a water-resistant case.
周囲を覆う絶縁被覆とにより形成されて成ることを特徴
とする請求項2乃至請求項8のいずれかに記載の含水率
測定装置。(9) The moisture content measurement according to any one of claims 2 to 8, wherein the transmission line is formed of a pair of conductive core wires and an insulating coating that covers the core wires. Device.
を備えて成ることを特徴とする請求項9記載の含水率測
定装置。(10) The water content measuring device according to claim 9, wherein the transmission line includes a spacer that keeps both core wires parallel.
宜間隔で透孔を有する形状に形成されて成ることを特徴
とする請求項10記載の含水率測定装置。(11) The water content measuring device according to claim 10, wherein the spacer is formed in a shape having through holes at appropriate intervals in the longitudinal direction of both core wires.
成ることを特徴とする請求項2乃至請求項11のいずれ
かに記載の含水率測定装置。(12) The moisture content measuring device according to any one of claims 2 to 11, characterized in that a termination circuit is connected to a terminal of the transmission line.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1060508A JPH0786482B2 (en) | 1989-03-13 | 1989-03-13 | Water content measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1060508A JPH0786482B2 (en) | 1989-03-13 | 1989-03-13 | Water content measuring device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02238353A true JPH02238353A (en) | 1990-09-20 |
JPH0786482B2 JPH0786482B2 (en) | 1995-09-20 |
Family
ID=13144321
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1060508A Expired - Lifetime JPH0786482B2 (en) | 1989-03-13 | 1989-03-13 | Water content measuring device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0786482B2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010213889A (en) * | 2009-03-17 | 2010-09-30 | Panasonic Corp | Cleaning liquid sensor |
JP2017127619A (en) * | 2016-01-15 | 2017-07-27 | ユースエンジニアリング株式会社 | Biological information detection apparatus and biological information detection method |
CN109342515A (en) * | 2018-11-29 | 2019-02-15 | 中国水利水电第七工程局有限公司 | Concrete mix moisture percentage measuring device and its measurement method based on TDT with phase bit comparison |
CN113049641A (en) * | 2021-03-12 | 2021-06-29 | 华东交通大学 | Method for measuring water content of soil body |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006133088A (en) * | 2004-11-05 | 2006-05-25 | Kyoto Prefecture | Method and system for measuring moisture distribution in soil |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS54115295A (en) * | 1978-02-28 | 1979-09-07 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Moisture meter |
JPS5733551A (en) * | 1980-06-23 | 1982-02-23 | Upjohn Co | Agricultural composition |
JPS59135357A (en) * | 1983-01-21 | 1984-08-03 | Tatsuta Electric Wire & Cable Co Ltd | Moisture detecting wire |
-
1989
- 1989-03-13 JP JP1060508A patent/JPH0786482B2/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS54115295A (en) * | 1978-02-28 | 1979-09-07 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Moisture meter |
JPS5733551A (en) * | 1980-06-23 | 1982-02-23 | Upjohn Co | Agricultural composition |
JPS59135357A (en) * | 1983-01-21 | 1984-08-03 | Tatsuta Electric Wire & Cable Co Ltd | Moisture detecting wire |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010213889A (en) * | 2009-03-17 | 2010-09-30 | Panasonic Corp | Cleaning liquid sensor |
JP2017127619A (en) * | 2016-01-15 | 2017-07-27 | ユースエンジニアリング株式会社 | Biological information detection apparatus and biological information detection method |
CN109342515A (en) * | 2018-11-29 | 2019-02-15 | 中国水利水电第七工程局有限公司 | Concrete mix moisture percentage measuring device and its measurement method based on TDT with phase bit comparison |
CN113049641A (en) * | 2021-03-12 | 2021-06-29 | 华东交通大学 | Method for measuring water content of soil body |
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---|---|
JPH0786482B2 (en) | 1995-09-20 |
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