JPS61233350A - 土壌水分測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は土壌中の水分量の測定装置に関するものであり
、より詳しくは双子型非定常加熱プローブ法により土壌
の熱伝導率を計測することにより該土壌の水分量を測定
するための新規な装置に関するものである。

現在、土壌中の水分量に対する経時的測定装置は極めて
広範囲に要望されている。従来この目的のためには、テ
ンジオメーターによる土壌水ポテンシャル測定装置、電
気抵抗式測定装置、中性子水分計、ガンマ−純水分計な
どが考案され試用されている。

しかしながら、これらのうち、テンジオメーターによる
方法は、安価ではあるが、水分測定範囲が狭く、かつ応
答が遅く、保守に時間を要し、精度は必ずしも高くない
。電気抵抗による方法は、安価であり保守は容易である
が、精度は極めて低い、中性子水分計およびガンマ−純
水分計は比較的精度は高いが高価であり、かつ放射線を
用いることによる取扱上の制限があるため、圃場等の現
場で容易に用いることはできない。

このように、今日まで国内はもとより外国においても、
精度が高くかつ容易に利用できる水分計はなく、各方面
から、応答性迅速、保守容易で価格も余り高くないとい
う装置が久しく要望されていたものである。

このような要望に応えるべく本発明者は研究を重ねた結
果、従来とは全く異なる原理を用いることにより、既存
の計測法の欠点を克服した高精度で実用に耐える新規な
土壌水分計を開発した。これにより、圃場における土壌
水分量の自動計測、かんがいの自動化、環境保全のため
の土壌水分のモニタリング、防災−例えば土砂崩壊の予
知−等に広く利用可能となった。

本発明の土壌水分計は、土壌の熱伝導率が土壌水分量と
高い相関関係をもっことに着目し、土壌中に埋設した土
壌熱伝導率測定用の双子型非定常プローブを用いて短時
間に熱伝導率を測定し、別途、予め測定した土壌水分−
熱伝導率の関係式または曲線から校正変換し、土壌水分
を求めうるようにしたことを特徴とする。

まず、本発明の測定装置の原理について概略述べろと、
最初時間ｔ＝Ｑの時に温度Ｔ０の無限個体中における線
熱源から単位時間に一定発熱ｑがある場合の該線熱源の
ｔ時間後における温度Ｔと先のＴｏとの温度差は次式の
如く対数を含んだ式で表されることが知られている。

ただし、上式中λは個体の熱伝導率、ｄは定数、εは式
の簡略化のための補正項である。

この線熱源による発熱を１時間まで続け、その時間で発
熱を停止した後の咳線熱源の温度ＴとＴｏとの温度差は
また次式の如くに表されている。

次ぎに熱伝導率がそれぞれλ１、λ、の如く異なる２種
類の無限個体ＡとＢとがあり、これら各個体中において
全く相似な線熱源から同時に発熱が開始されたとすると
、両側体中において上記（１）式および（２）式がとも
に同じように成立ち、しかも定数ｄおよび補正項εは同
じであると見てよいから、Ａおよび８個体中の各線熱源
の温度をＴ、。

Ｔｈとすると、線熱源が発熱してからその発熱が停止す
るまでの１．時間、およびそれに続く発熱停止後におい
ても、両側体中における温度変化Ｔ、　−Ｔ、、　　と
　Ｔｂ−Ｔａｂとの比をとると次式の如くλ、／λ１に
等しくなることが分かる。

（Ｔ−Ｔｏ−）／　　（Ｔｂ　　　Ｔ。、）＝λ、／λ
、　・　・（３）〔ただし、温度差（Ｔ−Ｔｏ−）　、
　（Ｔｂ　−Ｔａｂ　）　）を大きくすると土壌中の水
分の対流などが起こり、前記（１）　、　（２）および
（３）式は適用できなくなるので、温度差は１℃前後に
なるようｑを設定する必要がある。またＴ８も、温度変
化に合わせて短時間に設定される。

（３）式から、Ａ、　Ｂ　　両個体の内偵れか一方の熱
伝導率が既知ならば他方のものの熱伝導率は容易に測知
しうろことになる。たとえば、ｂが既知ならば未知量ａ
は次式で与えられる。

（Ｔ、−Ｔ１．　） このような温度上昇または降下による温度差の比はＸ−
Ｙ記録器により記録することができる。

すなわち、（Ｔ、　−ＴＯ，）と（Ｔｂ　−Ｔｕｂ　）
が記録器の７輪およびＸ軸上にそれぞれ記録されるとこ
れらの軌跡が直線として表示され、その傾斜により比が
直ちに求まる。また、あるいはマイクロコンピュータを
用いて、ヒータ電源の入切操作、温度差の計測、熱伝導
率の計算等を自動的に行わせることもできる。

実際の測定にあたっては、式（１）と式（２）とによる
測定値が一致しない場合が生じる。これは、物質Ａ、Ｂ
のいずれか又は両者が測定中にヒータ以外の原因で微少
な温度変化するためである。この場合、（１）　、　（
２）の両者による測定を行い、各々について（４）式で
得た値を平均化することにより正しい値を得ることがで
きる。

双子型非定常プローブ法は単一の非定常プローブ法に比
較して、（１）　、　（２）各式中の対数項を消去でき
、原理も操作も極めて簡単となるので、極めて短時間に
迅速に施行しうる上に、±１％の精度で熱伝導率を測定
することができ、はるかに優れていることが明らかであ
る。

上記の如き原理に基づいて土壌中の水分を測定するため
に用いる本発明の土壌中の水分測定装置は、に）細長い
金属パイプ内に、それぞれ絶縁被覆した加熱用電線およ
び測温用電気抵抗線を封入固定した加熱兼測温用プロー
ブと、該プローブの上端に該プローブの加熱用電線およ
び測温用電気抵抗線を外部付設機器に接続するための結
線部を包囲する管状部材を装着した土壌水分測定用セン
サー、および（ｉｉ）該土壌水分測定用センサーと実質
的に全く同じセンサーを円筒体中央部に収納固定し、そ
の円筒体内に基準物質を充填した基準センサー、とより
主としてなり、これら両センサーを同時に通電発熱せし
めるための直流可変安定化電源、該発熱の開始および停
止後におけるセンサーの温度変化を測定するための電気
抵抗測定用機器、およびこれら両センサーの温度変化を
記録する機器を付設したことを特徴とする熱伝導測定に
よる土壌水分測定装置である。

本発明の実施例を図示した図面を参照して本発明の詳細
な説明する。

第１図および第２図はいずれも本発明の土壌中の水分測
定装置を図式的に示す説明図であり、両土壌水分測定用
センサーおよび基準センサーの温度変化を読み取り必要
な変換作業を行う装置として第１図に示す装置ではＸ−
Ｙ記録器、第２図に示す装置では所定のプログラムを組
み込んだコンピュータを用いている０図において１は土
壌水分測定用センサー、２は基準センサー、３は直流可
変安定化電源、４は抵抗測定器、５はＸ−Ｙ記録器、６
はＡ／Ｄ変換器、７はリレー切換器、８はマイクロコン
ピュータ、である。これらの機器は１および２のそれぞ
れ土壌水分測定用センサーおよび基準センサーを除いて
いずれも適当な公知のものを用いることができる。

第３図は本発明による土壌本分測定用センサー・の一実
施例の中央縦断面図である。このセンサーでは一端を閉
じた内径０　、５　ａｍ、肉圧０．２５ｎ＋、長さ２０
ｃｍのステンレス製の管状パイプ９の中に、それぞれ温
度測定用抵抗線および加熱用電線として抵抗値４０Ωの
絶縁被覆した白金′ｆｓ１０と同じく絶縁被覆したマン
ガニン抵抗線１１を、パラフィン１２を充填することに
よって固定しである。これらの線の両端は金属パイプの
開放端より外部に取り出して他の機器との接続のための
電線に結線しである。

温度測定用抵抗線の抵抗値は必ずしも４０Ωでなくとも
よい。またその材質は本実施例の如く白金線の他例えば
ニッケル線を用いることが出来る。加熱用電線としては
マンガニン抵抗線のほかに例えばコンスタンタン線を用
いてもよい。

土壌水分測定用センサーに用いる金属製パイプは機能上
熱伝導率の大きいものが好ましく、また土壌中に埋設し
て使用する関係上耐蝕性に優れたものが好ましい０例え
ばその代表的なものはステンレスステイールである。

温度測定用抵抗線および加熱用電線を固定するための充
填剤としては例えばパラフィンのように電気絶縁性のも
のであれば特に制限はない。

温度測定用抵抗線および加熱用電線はシールド付６芯ケ
ーブル１３と結線されて外部付設機器へ接続されており
、その結線部は金属製パイプ９の開放端に取りつけた合
成樹脂製の管状部材１４内に収納し、該管状部材１４は
外部に対して充填接着剤１５等により密閉しである。

土壌水分測定用センサーは線熱源に代わるものであるか
ら出来るだけ細く、外径が１鶴程度が好ましいが、強度
との関連もありそれよりも幾分太くすることもある。し
かしあまり太いと測定精度が低くなるので太くても外径
２ｆｉ程度以下にすべきである。

第４図は第３図に示した土壌水分測定用センサーの結線
部に、ｓｉ用電気抵抗線と同じ材質で同じ抵抗値を有す
る電気抵抗線を熱伝導性良好な金属芯に巻きつけた比較
温度設定のための標準抵抗装置１６を設けた土壌水分測
定用センサーを示す。

土壌中の水分測定のためには機能的には第３図に示す土
壌水分測定用センサーで十分であるが、さらに第４図の
如き比較温度設定のための標準抵抗装置を用いることに
よってセンサーの温度変化の読み取りが容易になり、第
３図に示す土壌水分測定用センサーを用いる場合に比べ
て他の付設機器に廉価な従って程度の低い機器を用いて
も同程度の精度で測定値を得ることが出来る。

第５図には基準センサー１７を示す、このセンサーは内
径５ｃｍ、肉厚５鶴、長さ２５３のアクリル樹脂製の円
筒体１８の中央部に土壌水分測定用センサーと全く同じ
構造のプローブ１の結線部を収納した合成樹脂製の管状
部材１４をゴム栓２０の一方に固定することにより固着
しである０円筒体には基準物質として１％寒天ゲルを封
入しである。

基準用センサーの円筒体は基準物質を出来るだけ多く容
れることが出来るのが好ましく、その意味では円筒体は
大きいほうがよいことになるが、必要以上に大きいと土
壌中に埋設するｖｔＷとしての機動性を制約することに
なる。従って、本発明の水分測定装置が必要とする精度
の測定値を得るためには外径ｌｆｉ程度の土壌水分測定
用センサーを収容する場合、内径が５ｃｍ程度あれば必
要かつ十分である。

また、この円筒体の材質は熱伝導率が小さくある程度の
強度を存するものが好ましい。合成樹脂であればアクリ
ル樹脂に限らず他のどのような合成樹脂でも用いること
が出来、強度的な条件を充足できるものであれば合成樹
脂発泡体は最も好ましいものである。また合成樹脂以外
のものを用いてもよいことは勿論である。

この基準センサーに用いる基準物質としては測定精度を
高めるために、熱伝導率の値が既に正確に求められてお
りかつ土壌の熱伝導率にできる限り近い熱伝導率を有し
、温度差が生じたときに対流が生じない物質が好ましい
０例えば、水は精度の高い熱伝導率の値が知られており
、かつ、入手が容易で土壌の熱伝導率に近い値であるこ
となどから、基準物質としての利用が期待される。しか
し、常温で液体であり、温度差があると対流を生じ、こ
の点で基準物質として不通である。この欠点を取り除く
ため、水の熱伝導率が変わらない程度の少量の物質を溶
解させ水の対流を妨げることができれば、基準物質とし
て用いることができる。

濃度１％程度の寒天ゲルは、最も好ましいものの一つで
ある。

土壌水分測定用センサーと基準センサーとは必ずしも長
さを同じにする必要はなく、長さの異なる場合にはどち
らが長くてもよい。

次ぎに本発明の土壌中の水分測定装置の作動について説
明する。

まず現地の圃場において水分を測定しようとする土壌中
所望の深度において土壌水分測定用センサーを水平（も
しくは特別な場合は垂直）にして埋設し、一方基準セン
サーは土壌水分測定用センサーと同一深度でかつそれよ
り３０Ｃ１１以上間隔をおいて埋設する。ただしコンピ
ュータ制御により一度に数点を同時に計測する場合は、
最も深部に設置した基準センサー一点のみを共通に用い
ることもできる０次ぎに、基準物質および被検土壌用の
各センサーに同時に直流可変安定化電源から通電する。

この時の供給電圧は通電開始後約３分でプローブの温度
上昇が１℃内外になるよう前もって調整しておく。通電
と同時に両センサーの測温用電気抵抗線の抵抗値の測定
を開始し、通電停止後もこれを継続する０通電時間は通
常約３分であり、抵抗測定時間はこの通電時間の約２倍
である。Ｘ−Ｙ記録器を用いた場合にＸ−Ｙ記録器の描
く線状の形状は第６図のような一般的特色を示す、すな
わち、発熱開始ならびに停止の初期を除き直線となる。

この２直線の傾斜の算術平均から両センサーの温度変化
の比を求めることができる。

この比の値を（４）式中のｂに前記水の熱伝導率を代入
すれば、土壌の熱伝導率はａとしてただちに算出できる
。別に第７図のごとく土壌の熱伝導率と水分との関係を
予め調べておけば以後随時該土壌中の水分の経時的測定
が可能となる。

去腋斑−１ 外径ｌ鶴、内径０．“５ｆｉ１．長さ２０ｃｍのステン
レスステイールチューブに加熱用電線として絶縁被覆し
た０、１ｆｉ中のコンスタンタン＊４０ｃｍ　（１！気
抵抗値約４０Ω）及び測温用電気抵抗線として絶縁被覆
した０、０３ｍｍφのニッケル線（１！気抵抗値約４０
Ω）とを封入し、パラフィンを充填して該電線を固定し
たプローブを第３図のように６芯シールド線と結線し、
結線部分を保護するためにプローブ上端に外径１０ｍ−
のアクリル製管状部材を装着して土壌水分測定用センサ
ーを２本作成した。

次に、外径６０鶴、内径５０鶴、長さ２５■の透明アク
リルパイプの一端をゴム栓で封じ、この中に１％寒天水
溶液を流し込み、さらに残る一端も中央部に１０ｗｍの
穴をあけたゴム栓でアクリルパイプ中に空気が入らない
ように封じ、このゴム栓の穴の中に上記土壌水分測定用
センサーを挿入固定して基準センサーを作成した。これ
らのセンサーを第１図のごとく他の機器と接続した。

土壌水分測定用センサーを基準センサーに用いたと同じ
１％寒天ゲル中に入れたのち、直流可変安定化電源の電
圧を５．ＯＶに設定し、３分間通電し、通電中および通
電停止後の両プローブの温度変化をｘ−ｙ；ａｉｌ！録
器により記録した。それを第６図に示す。通電初期およ
び通電停止直後以外は直線的な変化が明確であり、通電
中および通電停止後の直線の勾配は各々０．９９５．０
．９８０であり、平均０．９９であった。勾配は、理論
的には同一物質を測定しているため１．０でなければな
らないが、実際には１〜２％程度の範囲内でセンサー間
に出力の相違がみられる。これは、センサーを作成する
ときに生じる不可避的な相違を反映している。実際の熱
伝導率の計算においては、この値の逆数を各センサーご
とに決定し、これを計器係数とじて実測した勾配に乗す
ることにより補正する。

叉狼Ｌｕ 実験例１の装置を用い水分含量の異なる土壌試料を作成
し、実験室内で熱伝導率を測定した。用いた土壌は関東
地方に広く分布する火山灰土壌の一つである厚層黒ボク
土である。測定条件は実験例１と同じである。得られた
結果を表１および第７図に示す、各試料について３回ず
つ測定し、その結果をプロットした。第７図から明らか
なように、水分量が増すにつれて熱伝導率は増加する。

測定値の変動からみた水分率の誤差は、最大で約２％で
ある。

ス」■（−１ 実験例１で用いたセンサーと同一形状で、結線部の管状
部材内に外径３鶴長さ２５ｍｍ■の黄銅に、プローブに
封入したものと同じニッケル線と同じ長さく４０ｃｍ）
まきつけ比較温度設定用の基準抵抗装置としたものを付
属させた土壌水分測定用センサーを７本作成した。この
うちの一本を用いて実験例１と同様な基準センサーを作
成した。これらセンサーを用いて圃場の水分変化をみる
ために、実際の圃場に埋設し測定した。圃場は茨城県筑
波郡谷田部町の農林水産省農業環境技術研究所り圃場で
ある。土壌水分測定用センサーは表面より５゜１０、２
０．３０．４０．５０ｃｍの深さに水平に埋設し、基準
センサーは５０ｃＩ１１の深さに被検土壌用センサーよ
り約５０１離れた位置に埋設した。これらのセンサーを
用い、３０分ごとに第２図に示したマイクロコンピュー
タを用いて自動計測を行った。得られた結果の一部を第
８図に示す、第８図中の番号は、センサーの番号であり
、番号１は深さ５０　ｃｔｓのセンサーを示し順次浅い
位置のセンサーを示す、測定初日から次ぎの日にかけて
約３Ｏｎの降雨があったが、浅い層から除々に水分が増
加する様子が明らかに観察される。これから明らかなよ
うに、土壌の水分測定用センサーとして十分な精度を有
していることがわかる。

鷹−一−１ 土壌質　水分量（Ｖχ）熱伝導率（ａ＋ｃａｌ／ｅｌｌ
　Ｓ、　’Ｃ）料番号 １　　　　０．０　　　　　０．２９７　　ｆ　　Ｏ，
００３２５，８０，３４９±　０．００３ ３１２゜１　　　　　０．４１６　　±　０．００３４
１９゜９　　　　　０．５９４　　±　０．００５５　
　　２７．８　　　　　０．９１７　　±　０．０１２
６　　　３５．８　　　　　１．１８９　　”　　０．
０１５？　　　　４３．７　　　　　１．４６８　　±
　０．０１７８　　　５ｍｍ．５　　　　　１．６８１
　　±　０．０２７９　　　５９．２　　　　　１．８
０８　　±　０．０３１１０　　　６８．０　　　　　
２．００１　　＋　　０．０３

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の土壌の水分測定装置を図
式的に示す説明図、第３図および第４図は本発明の土壌
の水分測定装置に用いる土壌水分測定用センサーの中央
縦断面図、第５図は本発明の土壌の水分測定装置に用い
る基準センサーの中央縦断面図、第６図は本発明の装置
の土壌水分測定用センサーおよび基準センサーに通電し
た時の通電前後にわたっての両センサーの温度変化の比
をＸ−Ｙ記録器により読み取った記録の模式図、第７図
は土壌の熱伝導率と水分率の関係を示すグラフ、第８図
は圃場の水分量の経時的測定結果を示すグラフである。 特許出願人　農林水産省農業環境技術研究所長代　理　
人　　弁理士　鈴木守三部 第１図 第２図 第３図 第４゛図 第５図 第６図 Ｘ軸　　（±、４人令渭り友甲ブローデ紡第７図 ０２　０．４　　０．６ 水分子（ｖ％）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ｉ）細長い金属パイプ内に、それぞれ絶縁被覆し
   た加熱用電線および測温用電気抵抗線を封入固定した加
   熱兼測温用プローブと、該プローブの上端に該プローブ
   の加熱用電線および測温用電気抵抗線を外部付設機器に
   接続するための結線部を包囲する管状部材を装着した土
   壌水分測定用センサー、および （ｉｉ）該土壌水分測定用センサーと実質的に全く同じ
   センサーを円筒体中央部に収納固定し、その円筒体内に
   基準物質を充填した基準センサとより主としてなり、こ
   れら両センサーを同時に通電発熱せしめるための直流可
   変安定化電源、該発熱の開始および停止後におけるセン
   サーの温度変化を測定するための電気抵抗測定用機器、
   およびこれら両センサーの温度変化を記録する機器を付
   設したことを特徴とする熱伝導測定による土壌水分測定
   装置。 ２、該土壌水分測定用センサーの管状部材内の結線部に
   該プローブの測温用電気抵抗線と同じ材質で同じ抵抗値
   を有する電気抵抗線を熱伝導性良好な金属芯に巻きつけ
   た比較温度設定のための標準抵抗装置を設けた特許請求
   の範囲第１項の土壌水分測定装置。 ３、該土壌水分測定用センサーの金属パイプがステンレ
   スステイール製である特許請求の範囲第１項の土壌水分
   測定装置。 ４、該土壌水分測定用センサーの金属パイプの内径が約
   ０．５ｍｍ以上、外径が約１ｍｍ以上、および長さが約
   ５ｃｍ以上である特許請求の範囲第１項の土壌水分測定
   装置。 ５、該基準センサーの円筒体の内径が５ｃｍ以上である
   特許請求の範囲第１項の土壌水分測定装置。 ６、該基準物質が１％寒天ゲルである特許請求の範囲第
   １項の土壌水分測定装置。 ７、該基準センサーの円筒体がアクリル樹脂製である特
   許請求の範囲第１項の土壌水分測定装置。 ８、両センサーの温度変化を記録する機器がＸ−Ｙ記録
   器である特許請求の範囲第１項の土壌水分測定装置。 ９、両センサーの温度変化を記録する機器がマイクロコ
   ンピューターを付属したデーターロガーである特許請求
   の範囲第１項の土壌水分測定装置。