JPH11304764A

JPH11304764A - 水分センサ

Info

Publication number: JPH11304764A
Application number: JP11692798A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Hirako; 進一平子; Eiji Kasai; 英治笠井
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-04-27
Filing date: 1998-04-27
Publication date: 1999-11-05

Abstract

(57)【要約】【課題】粉末、土壌等の含水率を簡単な操作で迅速に
測定する。【解決手段】先端内に検知コイル３を設けたプローブ
ハウジング２の先端を、穀物１内に差し込み、発振部５
から検知コイルを含む共振部４に高周波信号を加え、穀
物１の含水率に応じた電磁場の変化を検知コイル３で検
知し、変化の結果が共振部４よりの反射波の変化として
現れるので、反射波検出部６で反射波を検出し、信号処
理部７で反射波レベルと穀物の重量から含水率を求め、
表示部８で表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、穀物、粉末、土
壌等の含水率を検出する水分センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】収穫した米や麦、トウモロコシなどの穀
物は、乾燥処理して出荷する。一般に穀物の売買は品質
と重量によって、その対価が決められるため、穀物の含
水率を規定の範囲に収めることが要求される。そこで、
従来含水率の測定は、サンプリング型水分センサやコン
デンサ式の水分センサを用いている。

【０００３】サンプリング型水分センサは、図１５に示
すように、穀物１を図示していない器具ですりつぶし、
電極２０と２１の間に挟み、圧印加ネジ２９で規定の圧
力になるように締めつけ、その後、微弱な電流を電極２
０、２１間に流し、すりつぶされた穀物の電気伝導度を
測定して含水率を求める。コンデンサ式の水分センサ
は、図１６に示すように、コンデンサの極板を形成する
内筒電極２２と外筒電極２３間の空間に穀物１を入れ
て、コンデンサの電気容量の変化から含水率を求める。

【０００４】また、農場においては、圃場の水分管理の
ために、土壌の含む水分量を知ることは重要である。従
来、圃場における土壌の含水率測定には、セラミック型
水分センサが使用される。この水分センサは、図１７に
示すように、多孔質のセラミック２４を土中に埋設し、
電極２５、２６間の水分の浸透したセラミックの電気伝
導度を測定して土壌１の含水率を測定する。また、ＴＤ
Ｒ（Time,domain,reflectometry ）と呼ばれる土中に埋
めた伝導線を伝わるマイクロ波パルスの伝搬速度から土
壌の含水率を測定する装置もある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の水分セ
ンサのうち、サンプリング型水分センサは、測定に際
し、穀物をすりつぶす等の煩雑な操作を要するし、すり
つぶしの程度で測定値が変化するおそれがあり、正確な
値を求めるには熟練を要するという問題がある。また、
コンデンサ式水分センサは、感度を向上するには極板の
大きさを大きくする必要があり、装置が大型化し、高価
となる上、ノイズ耐性も悪化するという問題がある。

【０００６】また、セラミック型水分センサは、セラミ
ックに水分が浸透するのに時間を要するため、迅速に結
果を知ることができない。さらに、ＴＤＲは装置が高価
であるという問題があった。この発明は、上記問題点に
着目してなされたものであって、粉末、土壌等の含水率
を簡単な操作で迅速に測定でき、しかも比較的安価な水
分センサを提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の水分センサ
は、被測定物体の存在による電磁場の変化を検知する検
知コイルと、この検知コイルと共に共振回路を形成する
共振部と、高周波を発生し、共振部に加えるように出力
する高周波発振部と、共振部からの反射波を検出する反
射波検出部と、この検出された反射波より含水率を求め
る信号処理部とを備えている。

【０００８】この水分センサでは、被測定物体の水分が
異なると、それに応じて検知コイルの電磁場が異なるも
のとなり、検知コイルを含む共振回路の共振周波数が変
化する。この共振周波数の変化による反射波を検出し
て、反射波に対応した水分を求める。ところで、含水率
を測定する際には、被測定対象物の単位体積に対して水
分が占める体積の割合を示す体積含水率と、被測定対象
物の単位重量に対して水分が占める重量の割合を表す重
量含水率を使うことが考えられるが、本明細書では、単
に「含水率」と記す時は、体積含水率を表す。「重量含
水率」と記す時には、重量含水率を表す。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態により、この発
明をさらに詳細に説明する。図１は、この発明の一実施
形態水分センサの構成を示す図である。この実施形態水
分センサは、ペン状のプローブハウジング（容器）２に
収納されたプローブ型である。プローブハウジング２は
高周波損失の少ない材質、例えばテフロン、ＡＢＳ、天
然ゴム、セラミック等で作られている。

【００１０】プローブハウジング２内には、先端内に配
置される検知コイル３と、この検知コイル３とで共振回
路を形成する共振部４と、この共振部４に高周波信号を
加える発振部５と、共振部４からの反射波を検出する反
射波検出部６と、検出された反射波から含水率を求める
信号処理部７と、求めた含水率を表示する表示部８とを
備えている。検知コイル３は、高周波損失の少ないコイ
ルガイド９に巻かれている。もっとも、検知コイル３
は、コイルガイド９を使用せず、空中に保持されてもよ
い。共振部４は、図２に示すように、共振用コンデンサ
１０、実数変換トランス１１より構成されている。検知
コイル３は共振部４の中の共振用コンデンサ１０と共に
共振回路１２を形成している。発振部５は、共振回路１
２に高周波電力を送り、反射波検出部６は共振回路１２
からの反射波の強度を検出する。発振部５の発振周波数
は、この実施形態ではＩＳＭ周波数である４０．６８Ｍ
Ｈｚを中心として、被測定物の含水率に依存した共振回
路の共振周波数変化の範囲で周波数スイープされる。発
振周波数は、微弱電波強度であれば１０ＭＨｚから３０
０ＭＨｚ位の範囲使用可能である。発振部５の発振回路
は、上記周波数の掃引が可能なものであれば、ＬＣ発振
回路、水晶発振回路、ＰＬＬや、その他、自励、他励に
かかわらず、よく知られたものを使用すれば十分であ
る。

【００１１】信号処理部７は反射波検出部６の出力から
共振回路の共振周波数を求め、共振周波数と含水率Ｄの
較正データを基に、穀物の含水率を計算し、表示部８で
表示する。反射波検出部６の詳細を図３で説明する。反
射波検出部６は、発振部５と共振部４間に接続される一
次コイル３１と、この一次コイル３１に接続される二次
コイル３２と、この二次コイル３２に並列に接続され、
一端が接地される抵抗３３と、この抵抗３３の他端と信
号処理部７に接続される一次コイル３４と、ダイオード
３５の直列回路と、一次コイル３４とダイオード３５の
接続点と接地間に接続さるダイオード３６とダイオード
３５の出力（カソード）側と接地間に接続されるコンデ
ンサ３７と、共振部６と接地間に接続され、一次コイル
３４に結合される二次コイル３８とから構成されてい
る。

【００１２】次に、図４、図５を用いて含水率Ｄの測定
法を説明する。図４は、反射波検出部６の出力、すなわ
ち反射波強度の周波数依存性を示す。これは、共振回路
１２の共振特性を示すものである。Ｃ₀はハウジング２
の外に何もない時の共振特性で、共振周波数はＦ₀とな
るように調整されている。Ｃ₁、Ｃ₂はそれぞれハウジ
ング２を含水率がＤ₁、Ｄ₂の穀物１に挿入した時の共
振特性であり、その含水率が大きくなると、誘電率が大
きくなるため、共振周波数はＦ₀からＦ₁、Ｆ ₂と下が
る。図５は、共振周波数と含水率の関係を示す較正曲線
Ｋを示す。特定種類の穀物について、含水率Ｄを求める
手順は以下となる。予め、様々な含水率の穀物を用い
て、図５に示すような共振周波数Ｆと含水率Ｄとの関係
を示す較正曲線Ｋを作成して、信号処理部７に保存して
おく。含水率未知の穀物中に、この水分センサの先端を
入れて、その時の共振周波数を測定し、信号処理部７で
較正曲線Ｋを用いて含水率Ｄを求め、表示部８で表示す
る。ここで、一般に物質の誘電率等の電気的特性は温度
依存性を示すので、図６に示すように、プローブハウジ
ング２の先端内に、温度センサ１３を設置して穀物１の
温度を測定し、物質の誘電率の温度依存性も加味した較
正曲線を用いることで、測定精度を向上できる。

【００１３】上記図１、図６等の実施形態水分センサで
は、予め被測定穀物の単位体積あたりの重量が既知ある
いは別途の手段で測定される場合は、重量含水率を求め
ることができる。これらの実施形態水分センサでは、被
測定対象物をサンプリングすることなく含水率を測定で
きるので、手間を省け、作業の効率をあげることができ
る。

【００１４】以上の実施形態では、共振周波数の変位を
測定して水分量を求めているが、発振部１０の発振周波
数をプローブハウジング２の周囲が空の時の共振周波数
Ｆ₀に設定し、周波数Ｆ₀での反射波強度Ｒ₀、Ｒ₁、
Ｒ₂等を測定して水分量を求めてもよい。また、反射波
の電圧、電流、ＳＷＲを測定して水分量を求めることも
できる。本実施形態では、発振器の発振周波数を変化さ
せ、反射波を検出して共振回路の共振周波数変位を測定
している。一方、共振周波数の変位を測定する方法とし
て、検知コイルと共振部を含む自励発振回路を構成し、
自励発振周波数を測定して共振回路の共振周波数の変位
を測定する方法がある。しかし、自励発振回路の共振周
波数は、検知コイルと共振部より構成される共振回路だ
けでなく、増幅素子をはじめ、周辺素子の容量やコイル
成分にも依存するが、一般にこれらは温度特性を有し、
発振周波数が不安定であり、微少な周波数変位を精度よ
く検出することが困難である。また、微少な周波数変位
を計測するには高価な周波数カウンタが必要という問題
点がある。

【００１５】図７は、検知コイル４の軸をプローブハウ
ジング２の軸に直角に配置した例を示す。プローブ式で
は、被測定物体が土壌である場合は、圃場において、直
接プローブを土壌に挿入して測定できるため、圃場から
サンプルを持ち帰る必要がなく、その場で含水率を測定
することができるので、特に有効である。図８は、プロ
ーブ式の土壌の水分センサにおいて、検知コイルを複数
個設置し、土中の異なる深さの土壌の水分を同時に測定
する例である。この場合、検知コイル３_-1、３_-2、
３_-3、３_-4の相互の間隔が少ない場合、検知コイルの間
の相互干渉により、動作が不安定になるので、各検知コ
イルの動作を順次スイッチングして時分割的に測定する
ことが望ましい。この図では、温度センサは図示してい
ない。

【００１６】図９は、この発明の他の実施形態水分セン
サを示す図である。この実施形態水分センサは、信号処
理部７で求めた水分量、含水率を伝送手段１４よりアン
テナ１５により、外部に送信し得るようになっている。
ここでは、アンテナ１５により無線で送信しているが、
有線、つまりコード付きで伝送するようにしてもよい。

【００１７】プローブ型の水分センサで、特に土壌に挿
入してその含水率を測定する時は、プローブハウジング
２の先端部分は、土壌への挿入に際し、傷つかないよう
に金属で構成されることが望ましい。図１０は、この発
明のさらに他の実施形態水分センサを示す図である。こ
の水分センサは穀物の含水率を測定する。被測定対象物
である穀物１は、高周波の損失が少ない材料、例えばテ
フロン製の容器１６に規定の重量を入れる。容器１６が
検知コイル３に極度に接近すると、検知コイル３のＱが
低下し、検出の感度が低下するので、容器１６をある程
度検知コイル３から離して配置するため、容器１６は位
置決め手段１７を介して、規定の位置、例えば検知コイ
ル３の中心に置く。検知コイル３は高周波損失の少ない
コイルガイド９に巻かれている。

【００１８】検出回路部として、検知コイル３、共振部
４、発振部５、反射波検出部６、信号処理部７及び表示
部８を備える点で、図１のプローブ型のものと同様であ
る。動作原理及び動作も、図１のものと同様である。こ
の水分センサでは、容器２に一定体積Ｖの穀物を入れる
ことができるので、信号処理部７で反射波レベルと別途
測定した重さから重量含水率を求めることができる。

【００１９】図１１は、図１０の水分センサの容器１６
の下端に温度センサ１３を設けたものである。温度セン
サ１３の出力を信号処理部７に取り込み温度補正ができ
る。図１２は、図１０の水分センサの容器１６の下部に
重量センサ１８を設けたものであり、穀物１の重量が未
知でも、この重量センサ１８により重量を計測できるの
で、この重量を信号処理部７に取り込み、重量含水率を
求めることができる。

【００２０】図１３は、図１０の水分センサで、さらに
温度センサ１３と重量センサ１８を備えたものである。
図１４は、さらに他の実施形態水分センサであり、容器
１６を２個に分割した検知コイル３ａ、３ｂで挟む形式
のものである。

【００２１】

【発明の効果】この発明によれば、高周波共振回路の場
の中に、被測定対象物を置き、穀物の含有する水分量に
依存した共振回路の共振特性の変化を検出して、含水率
を測定するようにしたので、被測定対象物が穀物等でも
すりつぶすなどの前処理なしで測定できる。また、装置
を小型化できる。

【００２２】また、測定部をプローブ式にすれば、圃場
で直接、土壌に測定部を挿入することにより、迅速に水
分の含有率を測定できる。また、圃場に定常設置し、自
動灌水機の制御用センサとして使った場合などは、土壌
の含水率の精密な制御ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態水分センサの構成を示す
概略図である。

【図２】同実施形態水分センサの共振部を示す回路図で
ある。

【図３】同実施形態水分センサの反射波検出部を示す回
路図である。

【図４】同実施形態水分センサにおける被測定対象物の
変化に対する共振特性の変化を示す図である。

【図５】同実施形態水分センサにおける共振周波数と含
水率との関係を示す図である。

【図６】この発明の他の実施形態水分センサの構成を示
す概略図である。

【図７】この発明のさらに他の実施形態水分センサの構
成を示す概略図である。

【図８】この発明のさらに他の実施形態水分センサの構
成を示す概略図である。

【図９】この発明のさらに他の実施形態水分センサの構
成を示す概略図である。

【図１０】この発明のさらに他の実施形態水分センサの
構成を示す概略図である。

【図１１】この発明のさらに他の実施形態水分センサの
構成を示す概略図である。

【図１２】この発明のさらに他の実施形態水分センサの
構成を示す概略図である。

【図１３】この発明のさらに他の実施形態水分センサの
構成を示す概略図である。

【図１４】この発明のさらに他の実施形態水分センサの
構成を示す概略図である。

【図１５】従来のサンプリング型水分センサを説明する
図である。

【図１６】従来のコンデンサ型水分センサを説明する図
である。

【図１７】従来のセラミック型水分センサを説明する図
である。

【符号の説明】

１穀物２プローブハウジング３検知コイル４共振部５発振部６反射波検出部７信号処理部８表示部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物体の存在による電磁場の変化を検
知する検知コイルと、この検知コイルと共に共振回路を形成する共振部と、高周波を発生し、前記共振部に加えるように出力する高
周波発振部と、前記共振部からの反射波を検出する反射波検出部と、この検出された反射波より含水率を求める信号処理部
と、からなることを特徴とする水分センサ。
【請求項２】前記検知コイルと被測定物体間に所定の空
間を設けたことを特徴とする請求項１記載の水分セン
サ。
【請求項３】少なくとも前記検知コイルがプローブハウ
ジングに収納されており、このプローブハウジングを被
測定物体に挿入することを特徴とする請求項１又は請求
項２記載の水分センサ。
【請求項４】被測定物体の温度を測定する温度センサを
備え、前記信号処理部で温度補正を行うことを特徴とす
る請求項１、請求項２又は請求項３記載の水分センサ。
【請求項５】前記検知コイルの近傍に被測定物体を入れ
る容器を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項４
記載の水分センサ。
【請求項６】被測定物体の重量を測定する重量センサを
備え、前記信号処理部は、この重量センサで得た重量に
より重量含水率を求めることを特徴とする請求項１、請
求項２、請求項４又は請求項５記載の水分センサ。
【請求項７】前記検知コイルは、複数個備え、軸方向に
配置されていることを特徴とする請求項３記載の水分セ
ンサ。
【請求項８】前記信号処理部で得た水分データを外部へ
送信する送信手段を備えたことを特徴とする請求項１、
請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６又
は請求項７記載の水分センサ。