JPWO2019082763A1 - 土壌センサ及び土壌計測方法 - Google Patents

Abstract

土壌センサ１は、電流供給部２と、土壌１００に配置される電極３と、土壌１００へ直流電流が提供されている間に、電極３に生じる被測定電圧ＶＭの経時変化を利用して、土壌１００が含む水分量Ｗ及び総イオン濃度Ｎを得る処理部４と、を備える。処理部４は、被測定電圧ＶＭの経時変化を利用して、被測定電圧ＶＭが第１閾電圧ＶＨ１、ＶＬ１及び第２閾電圧ＶＨ２、ＶＬ２に達するまでの第１時間ｔ１及び第２時間ｔ２を周波数情報に変換する情報変換部１１と、土壌１００のインピーダンスを得るインピーダンス算出部１８と、インピーダンスを利用して水分量Ｗを得る水分量算出部１９と、インピーダンスを利用して総イオン濃度Ｎを得る総イオン濃度算出部２１と、を有する。

Description

本発明は、土壌センサ及び土壌計測方法に関する。

近年、土壌の中の水分量やイオン濃度（農業分野では養分濃度）の計測は、農業分野及び防災分野において注目されている。土壌の水分量、イオン濃度を計測する方法として、電気的インピーダンスを利用する方法（例えば、非特許文献１参照）、電磁波を照射しその反射を利用する方法、及び温度の伝搬速度を利用する方法などがあげられる。その中でも、電気的インピーダンスを利用する方法が主流となっている。

小笠原慎、二川雅登ほか、「低水分土壌計測を可能とするシールド電極型土壌インピーダンスセンサの開発」、第３３回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム予稿集、日本、一般社団法人電気学会、２０１６年１０月１７日。

土壌の水分量を計測する場合、土壌の状態は、非常に乾いた状態から多量に水分を含んだ状態まで変わる可能性がある。従って、計測装置には、広い計測レンジが要求される。その結果、当該分野においては、広い計測可能な範囲を有する土壌センサ及び土壌計測方法が望まれていた。

本発明は、広い計測可能な範囲に基づいて、土壌の特性値を測定可能な土壌センサ及び土壌計測方法を得ることを目的とする。

本発明の一形態に係る土壌センサは、直流電流を出力する電流供給部と、電流供給部に接続されると共に測定対象である土壌に配置されて、直流電流を測定対象に提供する電極部と、電極部に接続されると共に、測定対象へ直流電流が提供されている間に、電極部に生じる被測定電圧の経時変化を利用して、測定対象が含む水分量及び総イオン濃度を得る処理部と、を備え、処理部は、被測定電圧の経時変化を利用して、被測定電圧の絶対値が閾電圧の絶対値に達したか否かを判定することにより、電流供給部が直流電流の提供を開始したときから被測定電圧の絶対値が閾電圧の絶対値に達するまでの時間情報を周波数情報に変換する情報変換部と、周波数情報、閾電圧及び直流電流を利用して、測定対象のインピーダンスを得るインピーダンス算出部と、インピーダンスを利用して水分量を得る水分量算出部と、インピーダンスを利用して総イオン濃度を得る総イオン濃度算出部と、を有する。

土壌は、抵抗成分と容量成分とを含む電気回路としてモデル化できる。さらに、土壌における水分量と総イオン濃度とは、抵抗成分と容量成分とに基づいて得ることができる。これらの抵抗成分と容量成分とは、電極部に生じる被測定電圧の経時変化に基づいて得ることが可能である。すなわち、被測定電圧の経時変化において、被測定電圧が閾電圧に達するまでの時間を利用すれば、経時変化を規定する抵抗成分と容量成分とを求めることが可能である。そして、被測定電圧の経時変化を生じさせるために、土壌センサは、電流供給部から電極部へ直流電流を提供する。直流電流は、電極部を介して測定対象である土壌へ提供される。電極部では、土壌における抵抗成分及び容量成分の大きさに応じた電圧の経時変化が生じる。このように、土壌センサは、抵抗成分及び容量成分を求める際に、測定対象に直流電流を提供する。その結果、抵抗成分及び容量成分の変化の幅が大きい場合であっても、直流電流の大きさを調整することにより、良好な電圧の経時変化を得ることが可能である。従って、土壌センサは、広い計測可能な範囲に基づいて、土壌の特性値を測定することができる。

一形態において、情報変換部は、被測定電圧の絶対値が閾電圧の絶対値に達したことを示すパルス信号を出力し、電流供給部は、パルス信号に応じて、直流電流の向きを切り替えてもよい。この構成によれば、電圧の経時変化に関する時間に基づく情報は、周波数に基づく情報に好適に変換される。時間に基づく情報が周波数に基づく情報に変換されることにより、ノイズに対する耐性を高めることができる。

一形態において、直流電流は、正の電流値を有する第１直流電流と、負の電流値を有する第２直流電流と、を含み、電流供給部は、第１直流電流を出力する第１定電流源と、第２直流電流を出力する第２定電流源と、パルス信号に応じて、第１定電流源及び第２定電流源の一方を選択的に電極部に接続するスイッチと、を有してもよい。この構成によれば、測定対象に対して周期的に変化するパルス状の電流を提供することができる。パルス状の電流は、正弦波のように高周波域における制限がない。その結果、高い周波数を有する電流を測定対象に提供することが可能になる。従って、測定対象の前後に存在し得る付加的な容量成分の影響を低減することが可能となるので、より良好な電圧の変動を得ることができる。

一形態において、情報変換部は、電極部に接続されて、正の閾電圧と被測定電圧とを比較する第１コンパレータと、電極部に接続されて、負の閾電圧と被測定電圧とを比較する第２コンパレータと、を有してもよい。この構成によれば、時間に基づく情報を簡易な構成で周波数に基づく情報に変換することができる。

一形態において、情報変換部は、第１コンパレータ及び第２コンパレータに接続された論理回路部を有してもよい。この構成によれば、時間に基づく情報をより簡易な構成で周波数基づく情報に変換することができる。

一形態において、論理回路部は、フリップフロップ回路を有してもよい。この構成によれば、時間に基づく情報をさらに簡易な構成で周波数に基づく情報に変換することができる。

一形態において、情報変換部は、第１コンパレータの出力とインピーダンス算出部との間に設けられたバッファを有してもよい。この構成によれば、情報変換部からインピーダンス算出部に送られる情報へのノイズの影響を低減することができる。

一形態において、処理部は、電極部と第１コンパレータとの間に配置され、被測定電圧を増幅させる増幅器をさらに有してもよい。この構成によれば、被測定電圧が小さい場合にコンパレータの閾電圧の読み取り誤差を無くすことができる。

本発明の別の形態に係る土壌計測方法は、直流電流を出力する電流供給部に接続された電極部を、測定対象である土壌に配置した後に、電極部を介して直流電流を測定対象に提供する工程と、測定対象へ直流電流が提供されている間に、電極部に生じる被測定電圧の経時変化を利用して、測定対象が含む水分量及び総イオン濃度を得る工程と、を有し、水分量及び総イオン濃度を得る工程は、被測定電圧の経時変化を利用して、被測定電圧の絶対値が閾電圧の絶対値に達したか否かを判定することにより、電流供給部が直流電流の提供を開始したときから被測定電圧の絶対値が閾電圧の絶対値に達するまでの時間情報を周波数情報に変換する工程と、周波数情報、閾電圧及び直流電流を利用して、測定対象のインピーダンスを得る工程と、インピーダンスを利用して水分量を得る工程と、インピーダンスを利用して総イオン濃度を得る工程と、を含む。

この方法においても、抵抗成分及び容量成分を求める際に、測定対象に直流電流を提供する。その結果、抵抗成分及び容量成分の変化の幅が大きい場合であっても、直流電流の大きさを調整することにより、良好な電圧の経時変化を得ることが可能である。従って、土壌計測方法は、広い計測可能な範囲に基づいて、土壌の特性値を測定することができる。

一形態において、土壌センサは、測定対象に配置されて、測定対象の温度に応じた電圧を出力し、当該電圧を処理部に提供する温度計測部をさらに備え、処理部は、温度計測部から提供される電圧を受け入れて、受け入れた電圧を温度周波数情報に変換する温度情報変換部と、温度情報変換部から出力される温度周波数情報を利用して、測定対象の温度を算出する温度算出部と、を有してもよい。

一形態において、土壌センサの温度計測部は、ダイオードを有し、電流供給部は、ダイオードに対して電流を供給してもよい。

本発明のさらに別の形態である土壌センサは、測定対象である土壌に配置されて、土壌に含まれる水分量及び総イオン濃度に対応する第１被測定電圧を出力する第１センサ部と、測定対象である土壌に配置されて、土壌の温度に対応する第２被測定電圧を出力する第２センサ部と、第１センサ部及び第２センサ部に選択的に接続されて、第１被測定電圧を第１周波数情報に変換すると共に、第２被測定電圧を第２周波数情報に変換する情報変換部と、情報変換部に接続されて、第１周波数情報を利用して水分量及び総イオン濃度を得ると共に、第２周波数情報を利用して温度を得る計測値算出部と、を備える。

本発明によれば、広い計測範囲に基づいて、土壌の特性値を測定可能な土壌センサ及び土壌計測方法が提供される。

図１は、土壌センサの構成を示す図である。 図２の（ａ）部は電流供給部から提供される直流電流の一例を示す図であり、図２の（ｂ）部は電極に発生する被測定電圧の一例を示す図である。 図３は、第１閾電圧及び第２閾電圧の関係を示す図である。 図４は、インピーダンス算出部の動作原理を説明するための土壌の回路モデルを示す図である。 図５は、土壌センサの具体的な構成例を示す図である。 図６の（ａ）部は直流電流の経時変化と被測定電圧の経時変化とを例示するグラフであり、図６の（ｂ）部はパルス信号を例示するグラフであり、図６の（ｃ）部は制御信号を例示するグラフである。 図７は、土壌測定方法の主要な工程を示すフロー図である。 図８の（ａ）部は実験例１の結果を示すグラフであり、図８の（ｂ）部は実験例２の結果を示すグラフであり、図８の（ｃ）部は実験例３の結果を示すグラフであり、図８の（ｄ）部は実験例４の結果を示すグラフである。 図９の（ａ）部は実験例５の結果を示すグラフであり、図９の（ｂ）部は実験例６の結果を示すグラフである。 図１０は、変形例に係る土壌センサの構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

＜土壌センサ＞
図１に示されるように、土壌センサ１は、測定対象である土壌１００に関するインピーダンスを得る。土壌１００は、インピーダンスを構成する静電容量（以下「容量成分Ｃ」と呼ぶ）と電気抵抗（以下「抵抗成分Ｒ」と呼ぶ）を含む。土壌１００は、容量成分Ｃ及び抵抗成分Ｒが互いに並列に接続された電気回路としてモデル化できる。例えば、土壌１００の容量成分Ｃの大きさは、１０ｐＦ以上５００ｐＦ以下である。また、土壌１００の抵抗成分Ｒの大きさは、１００Ω以上１ＭΩ以下である。従って、土壌センサ１は、このような広範囲の容量成分Ｃと抵抗成分Ｒとを計測する。容量成分Ｃ及び抵抗成分Ｒは、土壌１００の水分量Ｗ及び総イオン濃度Ｎと関連がある。従って、土壌センサ１は、容量成分Ｃ及び抵抗成分Ｒを得ることにより、水分量Ｗ及び総イオン濃度Ｎを得ることができる。水分量Ｗとは、単位体積当たりの土壌において、水の体積が占める割合をいう。総イオン濃度Ｎとは、水に含まれる種々のイオンの総和をいう。例えば、総イオン濃度としての窒素イオン、リン酸イオン及びカリウムイオンなどの主イオンの総和は、農業分野において用いられる。

土壌センサ１は、電流供給部２と、電極３（電極部）と、処理部４と、を有する。電流供給部２は、直流電流を電極３に提供する。電極３は、土壌１００に挿入される。電極３は、直流電流（図２の（ａ）部参照）を土壌１００に提供する。その結果、容量成分Ｃに電荷が提供される。従って、電極３が受ける被測定電圧ＶＭは、時間の経過とともに増加する。そして、被測定電圧ＶＭは、所定の値に収束する（図２の（ｂ）部参照）。被測定電圧ＶＭの経時変化は、容量成分Ｃ及び抵抗成分Ｒにより決まる。そこで、処理部４は、被測定電圧ＶＭの経時変化を利用して、容量成分Ｃと抵抗成分Ｒとを得る。さらに、処理部４は、容量成分Ｃと抵抗成分Ｒとを利用して、水分量Ｗ及び総イオン濃度Ｎを得る。

要するに、土壌センサ１は、例えば水である液体又は当該液体を含む物質中（例えば水を含む土壌）に、定電流を印加した結果として生じる電圧を検出する電極を有する。そして、土壌センサ１は、当該電圧の時間変化を検出する。

電流供給部２は、正の直流電流（第１直流電流）又は負の直流電流（第２直流電流）を電極３に提供する。電流供給部２は、入力２ａと、出力２ｂと、電流設定部６と、第１定電流源７と、第２定電流源８と、スイッチ９と、を有する。

出力２ｂは、電極３に接続されている。出力２ｂは、電極３に直流電流を提供する。入力２ａは、処理部４に接続されている。入力２ａは、処理部４から制御信号を受ける。電流設定部６は、第１定電流源７及び第２定電流源８を制御する。その結果、直流電流の大きさが決まる。

第１定電流源７は、スイッチ９及び電流設定部６に接続されている。第１定電流源７は、電流設定部６の制御信号に基づいて、所定の電流値（例えば＋１μＡ）を有する正の直流電流を発生する。第１定電流源７は、正の直流電流をスイッチ９に提供する。

第２定電流源８は、スイッチ９及び電流設定部６に接続されている。第２定電流源８は、電流設定部６の制御信号に基づいて、所定の電流値を有する負の直流電流（例えば−１μＡ）を発生する。負の直流電流の絶対値は、第１定電流源７における正の直流電流の絶対値と同じであってもよい。また、負の直流電流の絶対値は、第１定電流源７における正の直流電流の絶対値と異なっていてもよい。第２定電流源８は、負の直流電流をスイッチ９に提供する。

スイッチ９は、第１定電流源７、第２定電流源８及び出力２ｂに接続されている。スイッチ９は、第１定電流源７及び第２定電流源８の一方を選択的に出力２ｂに接続する。例えば、スイッチ９は、第１定電流源７を出力２ｂに接続するとき、第２定電流源８を出力２ｂに接続しない。この場合には、出力２ｂは、正の直流電流を受ける。逆に、スイッチ９は、第２定電流源８を出力２ｂに接続するとき、第１定電流源７を出力２ｂに接続しない。この場合には、出力２ｂは、負の直流電流を受ける。スイッチ９は、処理部４から提供される制御信号に基づいて、出力２ｂに第１定電流源７を接続する構成と、出力２ｂに第２定電流源８を接続する構成と、を相互に切り替える。

電極３は、土壌１００に挿し込まれるように配置される。電極３は、土壌１００に直流電流を提供する。電極３は、電流供給部２の出力２ｂ及び処理部４に接続される。

処理部４は、電極３に生じる被測定電圧ＶＭの経時変化を利用して、容量成分Ｃ、抵抗成分Ｒを得る。さらに、処理部４は、水分量Ｗ及び総イオン濃度Ｎを得る。処理部４は、入力４ａと、出力４ｂ、４ｃと、情報変換部１１と、算出部１２と、を有する。

入力４ａは、電極３に接続される。入力４ａは、電極３に生じる電圧を被測定電圧ＶＭとして受ける。出力４ｂは、電流供給部２の入力２ａに接続される。出力４ｂは、制御信号を電流供給部２に提供する。出力４ｃは、容量成分Ｃ、抵抗成分Ｒ、水分量Ｗ及び総イオン濃度Ｎを出力する。

情報変換部１１は、入力１１ａと、出力１１ｂ、１１ｃと、比較部１３と、論理回路部１４と、を有する。入力１１ａは、処理部４の入力４ａに接続される。出力１１ｂは、処理部４の出力４ｂに接続される。出力１１ｃは、算出部１２に接続される。

比較部１３は、被測定電圧ＶＭと閾値とを互いに比較する。比較部１３は、当該比較の結果を２値のデジタル値として出力する。例えば、比較部１３は、被測定電圧ＶＭが閾値より小さいとき、デジタル値（０）を出力する。また、比較部１３は、被測定電圧ＶＭが閾値より大きいとき、デジタル値（１）を出力する。さらに、比較部１３は、被測定電圧ＶＭが閾値と等しいとき、デジタル値（１）を出力する。

比較部１３は、入力１３ａと、出力１３ｂ、１３ｃと、閾電圧提供部１５と、第１コンパレータ１６と、第２コンパレータ１７と、を有する。

比較部１３の入力１３ａは、情報変換部１１の入力１１ａに接続される。入力１３ａは、被測定電圧ＶＭを受ける。出力１３ｂ、１３ｃは、論理回路部１４に接続される。出力１３ｂは、第１コンパレータ１６から受けた信号を論理回路部１４に提供する。出力１３ｃは、第２コンパレータ１７から受けた信号を論理回路部１４に提供する。

閾電圧提供部１５は、第１コンパレータ１６及び第２コンパレータ１７に接続される。閾電圧提供部１５は、閾値である閾電圧を第１コンパレータ１６及び第２コンパレータ１７を提供する。閾値は、第１閾電圧ＶＨ１、ＶＬ１及び第２閾電圧ＶＨ２、ＶＬ２を含む（図３参照）。第１閾電圧ＶＨ１及び第２閾電圧ＶＨ２は、正の電圧である。第２閾電圧ＶＨ２は、第１閾電圧ＶＨ１よりも大きい。第１閾電圧ＶＬ１及び第２閾電圧ＶＬ２は、負の電圧である。第２閾電圧ＶＬ２は、第１閾電圧ＶＬ１よりも小さい。第１閾電圧ＶＨ１の絶対値は、第１閾電圧ＶＬ１の絶対値と等しい。第２閾電圧ＶＨ２の絶対値は、第２閾電圧ＶＬ２の絶対値と等しい。なお、絶対値は異なっていてもよい。

閾電圧提供部１５は、第１コンパレータ１６に対して第１閾電圧ＶＨ１又は第２閾電圧ＶＨ２の何れか一方を提供する。閾電圧提供部１５は、第２コンパレータ１７に対して第１閾電圧ＶＬ１又は第２閾電圧ＶＬ２の何れか一方を提供する。具体的には、閾電圧提供部１５は、第１コンパレータ１６に対して第１閾電圧ＶＨ１を提供するとき、第２コンパレータ１７に対して第１閾電圧ＶＬ１を提供する。また、閾電圧提供部１５は、第１コンパレータ１６に対して第２閾電圧ＶＨ２を提供するとき、第２コンパレータ１７に対して第２閾電圧ＶＬ２を提供する。

第１コンパレータ１６は、入力１３ａと、出力１３ｂと、閾電圧提供部１５と、に接続される。第１コンパレータ１６は、第１閾電圧ＶＨ１が提供されたとき、被測定電圧ＶＭと第１閾電圧ＶＨ１とを比較する。第１コンパレータ１６は、第２閾電圧ＶＨ２が提供されたとき、被測定電圧ＶＭと第２閾電圧ＶＨ２とを比較する。第１コンパレータ１６は、以下のように動作する。換言すると、第１コンパレータ１６は、被測定電圧ＶＭの絶対値が第１閾電圧ＶＨ１又は第２閾電圧ＶＨ２の絶対値よりも大きいとき、正の最大電圧（１）を発生する。そして、第１コンパレータ１６は、比較の結果（０または１）を出力１３ｂに提供する。
被測定電圧ＶＭ＜第１閾電圧ＶＨ１であるとき、負の最大電圧（０）。
被測定電圧ＶＭ＜第２閾電圧ＶＨ２であるとき、負の最大電圧（０）。
被測定電圧ＶＭ＞第１閾電圧ＶＨ１であるとき、正の最大電圧（１）。
被測定電圧ＶＭ＞第２閾電圧ＶＨ２であるとき、正の最大電圧（１）。

第２コンパレータ１７は、入力１３ａと、出力１３ｃと、閾電圧提供部１５と、に接続される。第２コンパレータ１７は、第１閾電圧ＶＬ１が提供されたとき、被測定電圧ＶＭと第１閾電圧ＶＬ１とを比較する。第２コンパレータ１７は、第２閾電圧ＶＬ２が提供されたとき、被測定電圧ＶＭと第２閾電圧ＶＬ２とを比較する。第２コンパレータ１７は、以下のように動作する。換言すると、第２コンパレータ１７は、被測定電圧ＶＭの絶対値が第１閾電圧ＶＬ１又は第２閾電圧ＶＬ２の絶対値よりも大きいとき、正の最大電圧（１）を発生する。そして、第２コンパレータ１７は、比較の結果（０または１）を出力１３ｃに提供する。
被測定電圧ＶＭ＞第１閾電圧ＶＬ１であるとき、負の最大電圧（０）。
被測定電圧ＶＭ＞第２閾電圧ＶＬ２であるとき、負の最大電圧（０）。
被測定電圧ＶＭ＜第１閾電圧ＶＬ１であるとき、正の最大電圧（１）。
被測定電圧ＶＭ＜第２閾電圧ＶＬ２であるとき、正の最大電圧（１）。

論理回路部１４は、比較部１３の結果を受けて、パルス信号（図６の（ｂ）部参照）を出力する。論理回路部１４は、いわゆるＳＲフリップフロップ回路１４ｆを含む。つまり、処理部４は、計測した電圧の値に応じた方形波の周波数を発生させる。論理回路部１４は、入力１４ａ、１４ｂと出力１４ｃ、１４ｄとを有する。入力１４ａは、比較部１３の出力１３ｂに接続される。入力１４ａは、比較部１３の出力１３ｃに接続される。出力１４ｃは、算出部１２に接続される。出力１４ｃは、パルス信号を算出部１２に提供する。バッファ１４ｅは、出力１４ｃの前段に接続される。バッファ１４ｅは、出力の値を反転させる。出力１４ｄは、出力１１ｂに接続される。

論理回路部１４は、以下のように動作する。
入力１４ａ（０）、入力１４ｂ（０）であるとき、出力１４ｃ（保持）、出力１４ｄ（保持）
入力１４ａ（０）、入力１４ｂ（１）であるとき、出力１４ｃ（１）、出力１４ｄ（１）
入力１４ａ（１）、入力１４ｂ（０）であるとき、出力１４ｃ（０）、出力１４ｄ（０）

例えば、被測定電圧ＶＭが、設定した第１閾電圧ＶＨ１より大きいとき、論理回路部１４は、出力１４ｃ、１４ｄの値を反転する。例えば、論理回路部１４の出力１４ｃが（０）であり出力１４ｄが（０）であるとき、条件を満たすと、出力１４ｃは（０）から（１）に切り替わる。出力１４ｄは（０）から（１）に切り替わる。

出力１４ｄは、出力１１ｄ及び出力４ｂを介して、電流供給部２のスイッチ９に接続される。従って、出力１４ｄの値が反転すると、スイッチ９が切り替わる。つまり、電流供給部２の出力は、正の直流電流から負の直流電流に切り替わる。または、電流供給部２の出力は、負の直流電流から正の直流電流に切り替わる。

算出部１２は、論理回路部１４から提供されるパルス信号を利用して、容量成分Ｃ、抵抗成分Ｒ、水分量Ｗ、総イオン濃度Ｎを得る。算出部１２は、入力１２ａと、出力１２ｂと、インピーダンス算出部１８と、水分量算出部１９と、総イオン濃度算出部２１と、を有する。

入力１２ａは、情報変換部１１の出力１１ｃに接続される。入力１２ａは、情報変換部１１からパルス信号としての入力信号を受ける。出力１３ｂは、インピーダンス算出部１８、水分量算出部１９、総イオン濃度算出部２１にそれぞれ接続される。入力１２ａは、各種情報を出力する。

インピーダンス算出部１８は、パルス信号と、第１閾電圧ＶＨ１、ＶＬ１及び第２閾電圧ＶＨ２、ＶＬ２と、直流電流Ｉと、を用いてインピーダンスを算出する。パルス信号は、論理回路部１４から得る。第１閾電圧ＶＨ１、ＶＬ１及び第２閾電圧ＶＨ２、ＶＬ２は、閾電圧提供部１５から得る。直流電流Ｉは、電流設定部６から得る。

インピーダンス算出部１８の動作について詳細に説明する。図４は、第２定電流源８と、土壌１００とをモデル化した電気回路を示す。この電気回路において、各要素における電流は、下記式により示される。式（１）は、容量成分Ｃにおける電流（ＩＣ）である。式（２）は、抵抗成分Ｒにおける電流（ＩＲ）である。

第２定電流源８における直流電流Ｉと、電流（ＩＣ）及び電流（ＩＲ）との関係は下記式により示される。

そして、上記式を変形すると、下記式を得る。

ここで、図２の（ｂ）部に示されるように、第１閾電圧ＶＨ１に到達するまでの時間が第１時間ｔ１であったとする。さらに、第２閾電圧ＶＨ２に到達するまでの時間がｔ２であったとする。そうすると、下記式を得る。

上記式において容量成分Ｃ及び抵抗成分Ｒは、未知である。第１閾電圧ＶＨ１、第２閾電圧ＶＨ２、第１時間ｔ１、第２時間ｔ２、直流電流Ｉは、既知である。従って、上記式を連立方程式として扱い、容量成分Ｃと抵抗成分Ｒとを求める。その結果、下記式を得る。

上記式（６）、（７）に、第１閾電圧ＶＨ１、第２閾電圧ＶＨ２、第１時間ｔ１、第２時間ｔ２、直流電流Ｉを代入することにより、容量成分Ｃと抵抗成分Ｒとを得る。つまり、インピーダンス算出部１８は、式（６）、（７）と第１閾電圧ＶＨ１、第２閾電圧ＶＨ２、第１時間ｔ１、第２時間ｔ２、直流電流Ｉとを用いて、容量成分Ｃと抵抗成分Ｒとを得る。

水分量算出部１９は、インピーダンス算出部１８に接続される。水分量算出部１９は、インピーダンス算出部１８から容量成分Ｃと抵抗成分Ｒとを受ける。水分量算出部１９は、容量成分Ｃを利用して水分量Ｗを算出する。容量成分Ｃの中の比誘電率ε_Ｓは、水の比誘電率、空気の比誘電率及び土の比誘電率により決まる。つまり、比誘電率ε_Ｓは、、水の比誘電率、空気の比誘電率及び土の比誘電率が合成された見かけ上の値である。例えば、水の比誘電率は、８０程度である。空気の比誘電率は、１程度である。土の比誘電率は、３以上７以下である。インピーダンス算出部１８は、比誘電率ε_Ｓにおける各比誘電率の比率を本方法により算出し、その比率から水の体積含水率を求める。例えば、土壌Ｍの容量成分Ｃは、ほとんど水の容量成分であると仮定できる。この仮定によれば、土壌Ｍの容量成分Ｃは、水分量Ｗと比誘電率ε_Ｓの積とみなせる。従って、土壌Ｍの容量成分Ｃを比誘電率ε_Ｓで除算することにより、水分量Ｗを得ることができる。

総イオン濃度算出部２１は、インピーダンス算出部１８に接続される。総イオン濃度算出部２１は、インピーダンス算出部１８から容量成分Ｃと抵抗成分Ｒとを受ける。総イオン濃度算出部２１は、容量成分Ｃ及び抵抗成分Ｒを利用して総イオン濃度を算出する。総イオン濃度算出部２１は、容量成分Ｃに基づいて求めた水分量Ｗを用い、抵抗成分Ｒを水分量Ｗで除算することにより総イオン濃度Ｎを算出する。例えば、土壌Ｍの抵抗成分Ｒは、水分量Ｗと総イオン濃度Ｎの積であると仮定される。水分量算出部１９により水分量Ｗが得られる。インピーダンス算出部１８において抵抗成分Ｒが得られる。その結果、抵抗成分Ｒを水分量Ｗで除算することにより総イオン濃度Ｎが得られる。

図５は、土壌センサ１の具体的な構成を示す。図５に示されるように、土壌センサ１は、プローブ２２と、ケーブル２３と、コンピュータ２４と、を有する。プローブ２２は、土壌１００に差し込まれる棒状の部品である。プローブ２２の先端には、センサチップ２６が設けられる。センサチップ２６は、土壌１００に埋め込まれる。センサチップ２６は、電流供給部２、電極３及び情報変換部１１を含む。例えば、センサチップ２６は、ＩＣチップであってもよい。プローブ２２の後端には、ケーブル２３の一方の端部が接続される。ケーブル２３の他方の端部は、プローブ２２から離れた位置に設置されたコンピュータ２４に接続される。プローブ２２から出力される信号は、ケーブル２３を介してコンピュータ２４に提供される。プローブ２２とコンピュータ２４とは、無線通信によって接続されてもよい。

センサチップ２６は、情報変換部１１を含む。従って、センサチップ２６から出力される信号は、パルス信号である。つまり、センサチップ２６から出力される信号は、二値のデジタル信号である。従って、センサチップ２６からコンピュータ２４までの間に物理的な距離が存在する場合であっても、有線及び無線を問わずノイズに対する耐性を高めることができる。

コンピュータ２４は、上述したインピーダンス算出部１８、水分量算出部１９、総イオン濃度算出部２１を含む。インピーダンス算出部１８、水分量算出部１９及び総イオン濃度算出部２１は、コンピュータ２４がプログラムを実行することにより実現される機能的構成要素であってよい。このような構成によれば、複雑かつ多様な電圧特性においても、アルゴリズムの調整により対応できるので、抵抗成分Ｒと容量成分Ｃを容易に算出できる。コンピュータ２４は、インピーダンス算出部１８、水分量算出部１９、総イオン濃度算出部２１のためのプログラムを実行可能であれば、特に制限はない。例えば、コンピュータ２４は、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、スマートフォンなどの携帯情報端末であってもよい。

以下、土壌センサ１の動作について説明する。

スイッチ９は、第１定電流源７及び第２定電流源８の何れか一方を電極３に接続する。初期設定として第２定電流源８を電極３に接続する。なお、初期設定として第１定電流源７を電極３に接続してもよい。

電流設定部６は、電流の大きさを設定する。例えば、第１閾電圧ＶＨ１及び第２閾電圧ＶＨ２を制御しやすい電圧（例えば０．５Ｖ）に設定する。この状態において、電流値を徐々に大きくしながら周波数信号を観察する。そして、所望の周波数信号が取得できる電流値を設定値として決定する。処理部４は、比較部１３における閾電圧提供部１５から第１閾電圧ＶＨ１を第１コンパレータ１６に提供する。さらに、処理部４は、第１閾電圧ＶＬ１を第２コンパレータ１７に提供する。例えば、第１閾電圧ＶＨ１、ＶＬ１を徐々に大きくしながら、線形変化から外れる変極点を探索する。変極点の探索結果に基づいて、第１閾電圧ＶＨ１、ＶＬ１を決定してよい。

第１定電流源７及び第２定電流源８の動作を開始する。第１定電流源７は、正の直流電流を出力する。第２定電流源８は、負の直流電流を出力する。第２定電流源８は、電極３に接続されている。その結果、電極３は、負の直流電流を受ける。

図６の（ａ）部は、被測定電圧ＶＭから提供される直流電流の経時変化及び電流供給部２から提供される直流電流の経時変化を示すグラフである。図６の（ａ）部において、グラフＧ６Ａは被測定電圧ＶＭを示す。グラフＧ６Ｂは電極３に提供される直流電流を示す。図６の（ｂ）部は情報変換部１１の出力１４ｃから出力されるパルス信号の例である。図６の（ｃ）部は情報変換部１１の出力１４ｄから出力される制御信号Ｇ６Ｒの例である。電極３に負の直流電流が提供されると（図６のＧ６ａ部参照）、電極３と基準電位１０１との間の電圧（被測定電圧ＶＭ）が時間の経過とともに高まる（図６のＧ６ｂ部参照）。被測定電圧ＶＭは、第１コンパレータ１６及び第２コンパレータ１７にそれぞれ提供される。

第１コンパレータ１６は、被測定電圧ＶＭと第１閾電圧ＶＨ１とを比較する。被測定電圧ＶＭは、当初は第１閾電圧ＶＨ１より小さい（ＶＭ＜ＶＨ１）。従って、第１コンパレータ１６は、最小電圧（例えば−１．５Ｖ）（デジタル値（０））を出力する。以下の説明において、デジタル値（０）とは、例えば電圧値が−１．５Ｖであるものとする。また、デジタル値（１）とは、例えば電圧値が＋１．５Ｖであるものとする。

第２コンパレータ１７は、被測定電圧ＶＭと第１閾電圧ＶＬ１とを比較する。被測定電圧ＶＭは、時間の経過とともに高まる。被測定電圧ＶＭは、第１閾電圧ＶＬ１より大きい（ＶＭ＞ＶＬ１）。従って、第２コンパレータ１７は、最小電圧（デジタル値（０））を出力する。

論理回路部１４の入力１４ａは、デジタル値（０）を受ける。論理回路部１４の入力１４ｂは、デジタル値（０）を受ける。従って、論理回路部１４は、出力１４ｃ、１４ｄにおける状態を維持する。例えば、論理回路部１４は、初期値としてのデジタル値（出力１４ｃ（０）、出力１４ｄ（０））を維持する。

時間経過とともに被測定電圧ＶＭが高まる。そして、被測定電圧ＶＭが第１閾電圧ＶＨ１を超えたとする（図６のＧ６ｃ部参照）。第２コンパレータ１７では、被測定電圧ＶＭと第１閾電圧ＶＬ１との大小関係は変わらない（ＶＭ＞ＶＬ１）。その結果、第２コンパレータ１７は、最小電圧（デジタル値（０））を出力する。

第１コンパレータ１６では、被測定電圧ＶＭと第１閾電圧ＶＨ１との大小関係が逆転する（ＶＭ＞ＶＨ１）。第１コンパレータ１６は、最大電圧（例えば＋１．５Ｖ）（デジタル値（１））を出力する。

論理回路部１４の入力１４ａは、デジタル値（１）を受ける。論理回路部１４の入力１４ｂは、デジタル値（０）を受ける。出力１４ｃ、１４ｄに生成されるデジタル値が逆転する。論理回路部１４は、出力１４ｃにデジタル値（１）を生成する。論理回路部１４は、出力１４ｄにデジタル値（１）を生成する。

出力１４ｃに生成されるパルス信号の極性が逆転する（図６の（ｂ）部参照）。また、出力１４ｄからスイッチ９に提供されるパルス信号の極性も逆転する（図６の（ｃ）部参照）。従って、スイッチ９は、第２定電流源８と電極３との接続を解除する。スイッチ９は、第１定電流源７を電極３に接続する。この接続の切り替えにより、電極３は、正の直流電流を受ける（図６のＧ６ｄ部参照）。なお、本開示でいう「電流供給部が直流電流の提供を開始したとき」とは、電極３に提供される直流電流の向きが逆転したときも含むものとする。

電極３に正の直流電流が提供されると、電極３と基準電位１０１との間の電圧が時間の経過とともに低くなる（図６のＧ６ｅ部参照）。

第１コンパレータ１６は、被測定電圧ＶＭと第１閾電圧ＶＨ１とを比較する。被測定電圧ＶＭは、当初は第１閾電圧ＶＨ１より小さい（ＶＭ＜ＶＨ１）。従って、第１コンパレータ１６は、最小電圧（デジタル値（０））を出力する。

第２コンパレータ１７は、被測定電圧ＶＭと第１閾電圧ＶＬ１とを比較する。被測定電圧ＶＭは、時間の経過とともに低くなる。被測定電圧ＶＭは、当初は第１閾電圧ＶＬ１より大きい（ＶＭ＞ＶＬ１）。第２コンパレータ１７は、最小電圧（デジタル値（０））を出力する。

論理回路部１４の入力１４ａは、デジタル値（０）を受ける。論理回路部１４の入力１４ｂは、デジタル値（０）を受ける。従って、論理回路部１４は、出力１４ｃ、１４ｄの状態を維持する。

時間経過とともに被測定電圧ＶＭが低くなる。そして、被測定電圧ＶＭが第１閾電圧ＶＬ１を下回ったとする（図６のＧ６ｆ部参照）。第１コンパレータ１６では、被測定電圧ＶＭと第１閾電圧ＶＨ１の大小関係は変わらない（ＶＭ＜ＶＨ１）。その結果、第１コンパレータ１６は、最小電圧（デジタル値（０））を出力する。

第２コンパレータ１７では、被測定電圧ＶＭと第１閾電圧ＶＬ１の大小関係が逆転する（ＶＭ＜ＶＬ１）。その結果、第２コンパレータ１７は、最大電圧（デジタル値（１））を出力する。

論理回路部１４の入力１４ａは、デジタル値（０）を受ける。論理回路部１４の入力１４ｂは、デジタル値（１）を受ける。出力１４ｃ、１４ｄに生成されるデジタル値が逆転する。論理回路部１４は、出力１４ｃにデジタル値（０）を生成する。論理回路部１４は、出力１４ｄにデジタル値（０）を生成する。

従って、出力１４ｃに生成されるパルス信号の極性が逆転する。出力１４ｄからスイッチ９に提供されるパルス信号の極性も逆転する。スイッチ９は、第１定電流源７と電極３との接続を解除する。スイッチ９は、第２定電流源８を電極３に接続する。この接続の切り替えにより、電極３は、正の直流電流を受ける（図６のＧ６ｇ部参照）。

土壌センサ１は、以上の動作を所定時間繰り返す。

繰り返しの結果、図６の（ｂ）部に示されるようなパルス信号Ｇ６Ｐを得る。パルス信号Ｇ６Ｐによれば、極性が維持される時間（極性が反転するまでの時間）は、被測定電圧ＶＭが第１閾電圧ＶＬ１に達するまでに要した時間（第１時間ｔ１Ｈ）に相当する。同様に、極性が維持される時間（極性が反転するまでの時間）は、被測定電圧ＶＭが第１閾電圧ＶＬ１に達するまでに要した時間（第１時間ｔ１Ｌ）に相当する。パルス信号Ｇ６Ｐの周期は、第１時間ｔ１に対応する。

処理部４は、閾電圧提供部１５を制御して、第１閾電圧ＶＨ１、ＶＬ１を第２閾電圧ＶＨ２、ＶＬ２に変更する。例えば、第２閾電圧ＶＨ２、ＶＬ２は、抵抗成分Ｒと容量成分Ｃの両方が現れてくる点としてよい。容量成分Ｃのみの場合は、（第２閾電圧÷第１閾電圧）＝（第１周波数÷第２周波数）である。一方、抵抗成分Ｒを含む電圧では（第２閾電圧÷第１閾電圧）＜（第１周波数÷第２周波数）である。その結果、第１周波数÷第２周波数が十分大きな値になるように、第２閾電圧ＶＨ２、ＶＬ２を設定してよい。電流設定部６は、当初の設定を維持する。比較部１３及び論理回路部１４は、第１閾電圧ＶＨ１、ＶＬ１のときと同様の動作を行う。その結果、図６に示されるようなパルス信号Ｇ６Ｑを得る。

第２閾電圧ＶＨ２は第１閾電圧ＶＨ１よりも大きい。従って、被測定電圧ＶＭが第２閾電圧ＶＨ２に達するまでに要する第２時間ｔ２Ｈは、被測定電圧ＶＭが第１閾電圧ＶＨ１に達するまでに要する第１時間ｔ１Ｈよりも長くなる。同様に、被測定電圧ＶＭが第２閾電圧ＶＬ２に達するまでに要する第２時間ｔ２Ｌは、被測定電圧ＶＭが第１閾電圧ＶＬ１に達するまでに要する第１時間ｔ１Ｌよりも長くなる。

インピーダンス算出部１８は、上述したように、下記式により容量成分Ｃと抵抗成分Ｒとを得る。

水分量算出部１９は、上述したように、土壌Ｍの容量成分Ｃを比誘電率ε_Ｓで除算することにより、水分量Ｗを得る。

総イオン濃度算出部２１は、上述したように、抵抗成分Ｒを水分量Ｗで除算することにより総イオン濃度Ｎを得る。

上記の動作によって、土壌センサ１は、水分量Ｗと総イオン濃度Ｎとを得る。

＜土壌計測方法＞
図７に示されるフロー図を参照しつつ、土壌計測方法について説明する。土壌計測方法は、上述した土壌センサ１を動作させることにより実行される。例えば、土壌センサ１における処理部４は、アルゴリズムを実行することにより実現される。このアルゴリズムは、計測した周波数、設定した電流及び電圧により抵抗成分Ｒと容量成分Ｃを算出するものである。

直流電流を設定する工程（Ｓ１）を実施する。工程Ｓ１は、電流設定部６が行う。例えば、電流設定部６は、第１定電流源７から出力される直流電流を＋１μＡに設定する。さらに、電流設定部６は、第２定電流源８から出力される直流電流を−１μＡに設定する。

スイッチを設定する工程（Ｓ２）を実施する。工程Ｓ２は、電流供給部２が行う。例えば、電流供給部２は、第２定電流源８が電極３に接続されるように、スイッチ９を制御する。

第１閾電圧の提供を開始する工程（Ｓ３）を実施する。工程Ｓ３は、閾電圧提供部１５が行う。例えば、閾電圧提供部１５は、第１閾電圧ＶＨ１として＋０．５Ｖを第１コンパレータ１６に提供する。さらに閾電圧提供部１５は、第１閾電圧ＶＬ１として−０．５Ｖを第２コンパレータ１７に提供する。

上述した工程Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、測定を開始する前の準備工程である。

直流電流の提供を開始する工程（Ｓ４）を実施する。工程Ｓ４は、電流供給部２が行う。工程Ｓ４により、電極３への直流電流の提供が開始される。工程Ｓ４により、測定が開始される。

第１パルス信号を得る工程（Ｓ５）を行う。工程Ｓ５は、被測定電圧ＶＭを受ける工程（Ｓ５ａ）と、被測定電圧ＶＭと第１閾電圧ＶＨ１とを互いに比較する工程（Ｓ５ｂ）と、被測定電圧ＶＭを受ける工程（Ｓ５ｃ）と、被測定電圧ＶＭと第１閾電圧ＶＬ１とを互いに比較する工程（Ｓ５ｄ）と、を含む。

工程Ｓ５ａを行う。電極３への負の直流電流の提供が開始されると、処理部４は入力４ａから被測定電圧ＶＭを受ける（Ｓ５ａ）。

工程Ｓ５ｂを行う。工程Ｓ５ｂは、比較部１３及び論理回路部１４が実施する。被測定電圧ＶＭは、第１コンパレータ１６に提供される。第１コンパレータ１６によって、被測定電圧ＶＭと第１閾電圧ＶＨ１とを互いに比較する（Ｓ５ｂ）。具体的には、被測定電圧ＶＭの絶対値が第１閾電圧ＶＨ１の絶対値より大きいか否かを判定する。

判定の結果、被測定電圧ＶＭが正の第１閾電圧ＶＨ１より大きくない場合（Ｓ５ｂ：ＮＯ、ＶＭ＜ＶＨ１）、論理回路部１４は、出力の状態を維持する。そして、所定時間経過後に再び工程Ｓ５ａ、Ｓ５ｂを実施する。

被測定電圧ＶＭが正の第１閾電圧ＶＨ１より大きい場合（Ｓ５ｂ：ＹＥＳ、ＶＭ＞ＶＨ１）、論理回路部１４は、出力１４ｃ、１４ｄの値を反転する。出力１４ｄの値が反転される結果に応じてスイッチ９が動作する。その結果、電極３は、正の直流電流を受け始める。

工程Ｓ５ｃを行う。電極３が直流電流を受け始めると、処理部４は入力４ａから被測定電圧ＶＭを受ける（Ｓ５ｃ）。

工程Ｓ５ｄを行う。工程Ｓ５ｄは、比較部１３及び論理回路部１４が実施する。被測定電圧ＶＭは、第２コンパレータ１７に提供される。第２コンパレータ１７は、被測定電圧ＶＭと第１閾電圧ＶＬ１とを互いに比較する（Ｓ５ｄ）。具体的には、被測定電圧ＶＭの絶対値が第１閾電圧ＶＬ１の絶対値より大きいか否かを判定する。

判定の結果、被測定電圧ＶＭが負の第１閾電圧ＶＨ１より大きい場合（Ｓ５ｄ：ＮＯ、ＶＭ＞ＶＬ１）、論理回路部１４は、出力の状態を維持する。そして、所定時間経過後に再び工程Ｓ５ｃ、Ｓ５ｄを実施する。

被測定電圧ＶＭが負の第１閾電圧ＶＬ１より小さい場合（Ｓ５ｄ：ＹＥＳ、ＶＭ＜ＶＬ１）、論理回路部１４は、出力１４ｃ、１４ｄの値を反転する。出力１４ｄの値が反転される結果に応じてスイッチ９が動作する。その結果、電極３は、負の直流電流を受け始める。

第２パルス信号を得る工程（Ｓ６）を行う。工程Ｓ６は、第２閾電圧ＶＨ２の提供を開始する工程（Ｓ６ａ）と、被測定電圧ＶＭを受ける工程（Ｓ６ｂ）と、被測定電圧ＶＭと第２閾電圧ＶＨ２とを互いに比較する工程（Ｓ６ｃ）と、被測定電圧ＶＭを受ける工程（Ｓ６ｄ）と、被測定電圧ＶＭと第２閾電圧ＶＬ２とを互いに比較する工程（Ｓ６ｅ）と、を含む。

第２閾電圧の提供を開始する工程（Ｓ６ａ）を実施する。工程Ｓ６ａは、閾電圧提供部１５が行う。例えば、閾電圧提供部１５は、第２閾電圧ＶＨ２として＋１Ｖを第１コンパレータ１６に提供する。さらに、閾電圧提供部１５は、第２閾電圧ＶＬ２として−１Ｖを第２コンパレータ１７に提供する。

工程Ｓ６ｂを行う。電極３が直流電流を受け始めると、処理部４は入力４ａから被測定電圧ＶＭを受ける（Ｓ６ｂ）。

工程Ｓ６ｃを行う。工程Ｓ６ｃは、比較部１３及び論理回路部１４が実施する。第１コンパレータ１６は、被測定電圧ＶＭを受ける。つまり、第１コンパレータ１６は、被測定電圧ＶＭと第２閾電圧ＶＨ２とを互いに比較する（Ｓ６ｃ）。具体的には、第１コンパレータ１６は、被測定電圧ＶＭの絶対値が第２閾電圧ＶＨ２の絶対値より大きいか否かを判定する。

被測定電圧ＶＭが正の第２閾電圧ＶＨ２より大きくない場合（Ｓ６ｃ：ＮＯ、ＶＭ＜ＶＨ２）、論理回路部１４は、出力１４ｃ、１４ｄの状態を維持する。そして、所定時間経過後に再び工程Ｓ６ｂ、Ｓ６ｃを実施する。

被測定電圧ＶＭが正の第２閾電圧ＶＨ２より大きい場合（Ｓ６ｃ：ＹＥＳ、ＶＭ＞ＶＨ１）、論理回路部１４は、出力１４ｃ、１４ｄの値を反転する。出力１４ｄの値が反転される結果に応じてスイッチ９が動作する。その結果、電極３は、逆向きの直流電流を受け始める。

工程Ｓ６ｄを行う。電極３への直流電流の提供が開始されると、処理部４は入力４ａから被測定電圧ＶＭを受ける（Ｓ６ｄ）。

工程Ｓ６ｆを行う。工程Ｓ６ｆは、比較部１３及び論理回路部１４が実施する。第２コンパレータ１７は、被測定電圧ＶＭを受ける。第２コンパレータ１７は、被測定電圧ＶＭと第２閾電圧ＶＬ２とを互いに比較する（Ｓ６ｆ）。具体的には、第２コンパレータ１７は、被測定電圧ＶＭの絶対値が第２閾電圧ＶＬ２の絶対値より大きいか否かを判定する。

被測定電圧ＶＭが第２閾電圧ＶＨ２より大きい場合（Ｓ６ｆ：ＮＯ、ＶＭ＞ＶＬ１）、論理回路部１４は、出力１４ｃ、１４ｄの状態を維持する。そして、所定時間経過後に再び工程Ｓ６ｄ、Ｓ６ｅを実施する。

被測定電圧ＶＭが第２閾電圧ＶＬ２より小さい場合（Ｓ６ｆ：ＹＥＳ、ＶＭ＜ＶＬ１）、論理回路部１４は、出力１４ｃ、１４ｄの値を反転する。出力１４ｄの値が反転される結果に応じてスイッチ９が動作する。その結果、電極３は、逆向きの直流電流を受け始める。

インピーダンスを得る工程（Ｓ７）を行う。工程Ｓ７は、インピーダンス算出部１８が行う。工程Ｓ７は、第１時間ｔ１を取得する工程（Ｓ７ａ）と、第２時間ｔ２を取得する工程（Ｓ７ｂ）と、容量成分Ｃを得る工程（Ｓ７ｃ）と、抵抗成分Ｒを得る工程（Ｓ７ｄ）と、を含む。

工程Ｓ７ａを行う。工程Ｓ７ａでは、第１時間ｔ１を得る。第１時間ｔ１は、負の直流電流の提供が開始されたタイミング（図６の（ａ）部におけるＧ６ｈ部参照）から、正の直流電流へ切り替わったタイミング（図６の（ａ）部におけるＧ６ｊ部参照）までの経過時間である。なお、第１時間ｔ１は、正の直流電流の提供が開始されたタイミング（Ｇ６ｊ部）から、負の直流電流へ切り替わったタイミング（Ｇ６ｋ部）までの経過時間としてもよい。

工程Ｓ７ｂを行う。工程Ｓ７ａと同様に、電流の極性が切り替わったタイミングに基づいて、第２時間ｔ２を得る。

工程Ｓ７ｃを行う。工程Ｓ７ｃは、インピーダンス算出部１８が行う。

工程Ｓ７ｄを行う。工程Ｓ７ｄも、インピーダンス算出部１８が行う。

水分量Ｗを得る工程（Ｓ８）を行う。工程Ｓ８は、水分量算出部１９が行う。

総イオン濃度Ｎを得る工程（Ｓ９）を行う。工程Ｓ９は、総イオン濃度算出部２１が行う。

以上の工程Ｓ１〜Ｓ９により、土壌１００の特性を示す容量成分Ｃ、抵抗成分Ｒ、水分量Ｗ、総イオン濃度Ｎが得られる。

以下、土壌センサ１の作用効果について説明する。

農業分野や防災分野において、土壌の中の水分量やイオン濃度（農業分野では養分濃度）を計測することは非常に重要である。土壌の水分量及びイオン濃度を得る方法として、電気的インピーダンスを利用する方法、電磁波を照射しその反射を利用する方法、温度の伝搬速度を利用する方法などがあげられる。インピーダンスを利用する方法は、温度を利用する方法と比較して計測精度が高い。また、インピーダンスを利用する方法は、電磁波の反射を利用する方法と比較して消費電力が少ない。

一般的にインピーダンスを計測するとき、電圧もしくは電流の正弦波（単一の周波数）を測定対象に印加する。インピーダンスは、電圧又は電流の印加の結果として得られる電流もしくは電圧を利用して得ることができる。土壌及び水のインピーダンス（Ｚ）はＺ＝１／（１／Ｒ＋ｊωＣ）として示される。抵抗成分Ｒと容量成分Ｃは、正弦波の計測結果（インピーダンスの絶対値｜Ｚ｜、位相Θ、周波数ｆ）を利用して算出できる。

この方法によれば、インピーダンス（Ｚ）を精密に求めることができる。しかし、土壌の水分量及び総イオン濃度が変化する範囲は大きい。従って、水分量及び総イオン濃度に応じて、抵抗成分Ｒ及び容量成分Ｃも大きく変化する可能性がある。抵抗成分Ｒ及び容量成分Ｃも大きく変化する場合には、単一の周波数による計測ではすべての変化範囲において計測を行うことが困難になる。低水分量の土壌ではインピーダンスが高くなる。その結果、計測する信号が微弱になる。従って、低水分量の土壌では真の信号成分がノイズ成分に隠れてしまうこともあり得る。

実施形態に係る土壌センサ１及び土壌計測方法によれば、以下のような作用効果を奏し得る。

土壌１００は、抵抗成分Ｒと容量成分Ｃとを含む電気回路としてモデル化できる。土壌１００における水分量Ｗと総イオン濃度Ｎとは抵抗成分Ｒと容量成分Ｃとにより得ることができる。抵抗成分Ｒと容量成分Ｃとは、電極３に生じる電圧変化により得ることが可能である。第１閾電圧ＶＨ１、ＶＬ１に達するまでの第１時間ｔ１と、第２閾電圧ＶＨ２、ＶＬ２に達するまでの第２時間ｔ２とを利用すれば、電圧変化を規定する抵抗成分Ｒと容量成分Ｃとを求めることが可能である。電圧変化を生じさせるために、土壌センサ１は、電流供給部２から電極３へ直流電流を提供する。直流電流は、電極３を介して測定対象である土壌１００へ提供される。直流電流を提供の結果、土壌１００における抵抗成分Ｒ及び容量成分Ｃの大きさに応じて、当該電極３は電圧の変化を受ける。抵抗成分Ｒ及び容量成分Ｃを求める際に、測定対象に直流電流を提供する。その結果、抵抗成分Ｒ及び容量成分Ｃの変化が大きい場合であっても、直流電流の大きさを調整することにより、良好な電圧変化を得ることが可能である。従って、土壌センサ１は、広い計測範囲をもって、土壌１００の特性値を測定することができる。

土壌センサ１及び土壌計測方法では、土壌１００に直流電流を印加し、印加の結果として得られる電圧の変化を得る。土壌センサ１及び土壌計測方法は、当該電圧変化を利用して、抵抗成分Ｒと容量成分Ｃを算出する。土壌センサ１及び土壌計測方法は、土壌１００に印加する直流電流の条件を、抵抗成分Ｒ及び容量成分Ｃを検出しやすい条件へと能動的に変化させることができる。従って、広範囲の抵抗成分Ｒ及び容量成分Ｃの検出が可能となる。

土壌センサ１は、広範囲の水分量変化及びイオン濃度変化を得ることができる。単一の周波数の正弦波の印可では、容量成分Ｃと抵抗成分Ｒが大きく変動する土壌や水の計測において、計測できない場合があり得る。そこで、土壌センサ１及び土壌計測方法は、容量成分Ｃ及び抵抗成分Ｒの検出が可能な条件へと能動的に切り替えることにより、計測が可能な範囲を拡大することができる。

情報変換部１１は、被測定電圧ＶＭの絶対値が第１閾電圧又は第２閾電圧の絶対値に達したことを示すパルス信号（周波数情報）を出力する。電流供給部２は、パルス信号に応じて、直流電流の向きを切り替える。この構成によれば、電圧の経時変化に関する時間情報が周波数情報に変換される。電圧の経時変化に関する時間情報が周波数情報に変換されることにより、ノイズ耐性を高めることができる。

換言すると、土壌センサ１及び土壌計測方法は、電圧変化をデジタル信号の方形波のパルス数（周波数）へと変換する。その結果、ノイズの多い土壌環境の現場計測において、安定した信号の伝達が行われる。その結果、土壌センサ１及び土壌計測方法により、広範囲の水分量、イオン濃度を検出することができるようになる。そのうえ、土壌センサ１及び土壌計測方法は、デジタル信号化により安定した信号の伝達を行うことができる。

要するに、抵抗成分Ｒの桁は、１００Ωから１０ＭΩと幅広く変化することがある。ここで土壌センサ１及び土壌計測方法は、電圧を方形波のパルス数に変換する。つまり、電圧情報は、周波数の情報に変換される。その結果、抵抗成分Ｒの桁の変化は、周波数の桁の変化として対応できる。従って、１個の検出器によって、広範囲のデジタル信号への変換を行うことができる。換言すると、土壌センサ１及び土壌計測方法では、電圧を得る際に、複数の計測レンジを用意する必要がない。

ところで、既存の土壌センサは、計測周波数の限界を有する。土中水分量及びイオン濃度の測定では、水のインピーダンスを計測する場合に、１００ｋＨｚ以上の高周波数の正弦波を水に印加することがある。しかし、既存の土壌センサでは１００ｋＨｚ以上の高周波数の正弦波を生成することが難しい。従って、計測そのものが困難である。

一方、土壌センサ１の電流供給部２は、正の直流電流を出力する第１定電流源７と、負の直流電流を出力する第２定電流源８と、パルス信号に応じて、第１定電流源７及び第２定電流源８の一方を選択的に電極３に接続するスイッチ９と、を有する。この構成によれば、土壌１００に対して周期的に変化するパルス状の電流を提供することができる。パルス状の電流は、正弦波のように高周波域における制限がない。その結果、高い周波数を有する電流を土壌１００に提供することが可能になる。従って、土壌１００の前後に存在し得る付加的な容量成分の影響（いわゆる電気二重層）を低減することが可能となる。その結果、土壌センサ１は、より良好な電圧変動を得ることができる。

情報変換部１１は、電極３に接続されて、正の第１閾電圧と被測定電圧ＶＭとを比較する第１コンパレータ１６と、電極３に接続されて、負の第１閾電圧と被測定電圧ＶＭとを比較する第２コンパレータと、を有する。この構成によれば、第１時間ｔ１及び第２時間ｔ２を簡易な構成で周波数に変換することができる。

情報変換部１１は、第１コンパレータ１６及び第２コンパレータ１７に接続された論理回路部１４を有する。この構成によれば、時間情報をより簡易な構成で周波数情報に変換することができる。

論理回路部１４は、フリップフロップ回路である。この構成によれば、時間情報をさらに簡易な構成で周波数情報に変換することができる。

情報変換部１１は、第１コンパレータ１６の出力とインピーダンス算出部１８との間に設けられたバッファ１２ｅを有する。この構成によれば、情報変換部１１からインピーダンス算出部１８に送られる情報へのノイズの影響を低減し得る。

本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。

例えば、図１に示されるように、土壌センサ１は、電極３に接続されるモニタ用端子４１を備えてもよい。

図１に示されるように、土壌センサ１は、電極３と処理部４との間において、基準電位１０１との間に接続された容量成分４２を備えてもよい。

処理部４は、アンプ（増幅器）を有してもよい。アンプは、第１コンパレータ１６及び／又は第２コンパレータ１７へ提供される被測定電圧ＶＭを増幅する。アンプは、電極３と第１コンパレータ１６との間、及び／又は電極３と第２コンパレータ１７との間であれば、設けられる位置は限定されない。例えば、アンプは、処理部４の入力４ａと情報変換部１１の入力１１ａとの間に設けられてもよい。アンプによれば、被測定電圧ＶＭが小さい場合にコンパレータの閾電圧との読み取り誤差を無くすことができる。

例えば、土壌センサ１及び土壌計測方法は、農業に用いてもよい。農業において土壌水分量及びイオン濃度は重要な情報である。土壌水分量は、作物の生育に大きな影響を与える。イオン濃度は土壌中の養分濃度に影響を与える。従って、精密農業には、作物とその環境に関する情報の収集と、収集した情報の農業生産管理への利用が必要である。従って、土壌の情報を計測する必要がある。土壌センサ１及び土壌計測方法によれば、広い計測レンジにおいて精度良い土壌の情報を提供することができる。その結果、精密農業に対して好適に用いることができる。

土壌センサ１及び土壌計測方法は、広い計測レンジを有するので、土砂災害の予知に用いてもよい。例えば、土壌センサ１及び土壌計測方法は、土砂災害が起こり得る度合いの評価に用いてもよい。例えば、土壌センサ１及び土壌計測方法によって、法面における土壌に含まれる水分量を得ることにより、土砂災害が起こり得る度合いを評価できる。この水分量を得るために土壌センサ１及び土壌計測方法を好適に用いることができる。

例えば、図１０に示すように、土壌センサ１Ａは、互いに異なる特性値を得る複数のセンサを備えてもよい。土壌センサ１Ａは、水分量及び総イオン濃度を得るセンサ５１（第１センサ部）と、温度を得るセンサ５２（第２センサ部、温度計測部）と、を有する。センサ５１は、上述した電流供給部２及び電極３などにより構成され、水分量及び総イオン濃度に応じた電圧（第１被測定電圧）を出力する。センサ５２は、土壌１００に埋め込まれて、土壌１００の温度に応じた電圧（第２被測定電圧）を出力する。例えば、センサ５２は、ダイオードを用いた温度センサ又はｎ−ｍｏｓを用いた温度センサであってよい。そして、土壌センサ１Ａは、センサ５１、５２に接続されたスイッチ回路５３を有する。スイッチ回路５３は、センサ５１、５２を選択的に処理部４Ａに接続する。例えば、土壌センサ１Ａによって水分量及び総イオン濃度を得る場合には、センサ５１を処理部４Ａに接続する。また、土壌センサ１Ａによって温度を得る場合には、センサ５２を処理部４Ａに接続する。処理部４Ａは、第１被測定電圧を第１周波数情報に変換する情報変換部１１及び算出部１２に加えて、追加された情報変換部５４（温度情報変換部）及び算出部５６（温度算出部）を有する。算出部１２、５６は、計測値算出部を構成する。情報変換部５４は、スイッチ回路５３から受けた電圧を第２周波数情報（温度周波数情報）に変換する。そして、情報変換部５４は、第２周波数情報を算出部５６に提供する。なお、処理部４Ａは、一つの情報変換部１１を備えており、この情報変換部１１を共用するものとしてもよい。情報変換部５４は、いわゆるＶＦ変換回路であり、情報変換部１１とおおむね同様の構成を有する。算出部５６は、情報変換部５４から提供された周波数情報を温度情報に変換する。算出部５６は、周波数と温度の対応を規定する関数又はデータシートといった変換情報を記録している。算出部５６は、これらの情報を用いて、周波数情報を温度情報に変換する。

＜実験例１＞
実験例１では、回路シミュレーションを行った。このシミュレーションには、図１に示される回路を模擬したモデルを用いた。土壌１００の容量成分Ｃを５００ｐＦとした。抵抗成分Ｒを１ＭΩとした。直流電流の大きさを６μＡとした。第１閾電圧ＶＨ１を＋１Ｖとした。第１閾電圧ＶＬ１を−１Ｖとした。図８の（ａ）部は、シミュレーションの結果を示す。図８の（ａ）部において、グラフＧ８ａは、情報変換部１１の入力１１ａが受ける被測定電圧ＶＭを示す。グラフＧ８ｂは、情報変換部１１の出力１１ｃが受けるパルス信号を示す。グラフＧ８ａを参照すると、＋１Ｖ及び−１Ｖ付近において、被測定電圧ＶＭが折り返されていることがわかった。グラフＧ８ｂを参照すると、被測定電圧ＶＭが折り返されるタイミングに同期して、パルス信号の信号レベルが変化していることがわかった。その結果、図１に示された回路は、正しい動作を行うことができることがわかった。上記の条件によれば、パルス信号の周波数は、２．９１ｋＨｚであった。

＜実験例２＞
図１に示される回路を、ディスクリート部品を用いて作成した。そして、作成した回路の特性を確認した。図８の（ｂ）部は、回路の特性を示す。図８の（ｂ）部において、グラフＧ８ｃは、情報変換部１１の入力１１ａが受ける被測定電圧ＶＭを示す。グラフＧ８ｄは、情報変換部１１の出力１１ｃが提供するパルス信号を示す。グラフＧ８ｃ、グラフＧ８ｄを参照すると、シミュレーション結果（図８の（ａ）部）と同様の傾向を示すことがわかった。その結果、図１に示された回路に基づいて作成した実際の回路は、正しい動作を行うことができることがわかった。また、実験例２によれば、パルス信号の周波数は、２．９５ｋＨｚであった。

＜実験例３、４＞
実験例２で用いた回路を水に浸した場合に、当該回路が適切に動作することを確認した。電極３に対応する部品として、ディスクリート部品に替えて水に浸した金属板を用いた。測定対象物である水は、超純水（実験例３）及び１００ｍＳ／ｍである水（実験例４）とした。図８の（ｃ）部は、実験例３の結果を示す。グラフＧ８ｅは、情報変換部１１の入力１１ａが受ける被測定電圧ＶＭを示す。グラフＧ８ｆは、情報変換部１１の出力１１ｃが提供するパルス信号を示す。図８の（ｄ）部は、実験例４の結果を示す。グラフＧ８ｇは、情報変換部１１の入力１１ａが受ける被測定電圧ＶＭを示す。グラフＧ８ｈは、情報変換部１１の出力１１ｃが提供するパルス信号を示す。図８の（ｃ）部及び（ｄ）部を参照すると、測定対象物が水であっても回路はパルス状の波形を生成できることがわかった。つまり、作成した回路は、測定対象物が水であっても正しい動作を行うことができることがわかった。

＜実験例５、６＞
実験例２で用いた回路を利用して、土壌１００を模擬する容量成分Ｃ及び抵抗成分Ｒと、パルス信号の周波数と、の関係を確認した。実験例５では、抵抗成分Ｒは、１ＭΩに設定した。容量成分Ｃは、１００ｐＦ、２００ｐＦ、３００ｐＦ、４００ｐＦ、５００ｐＦにそれぞれ設定した。実験例６では、抵抗成分Ｒを１０ｋΩに設定した。容量成分Ｃは、１００ｐＦ２００ｐＦ、３００ｐＦ、４００ｐＦ、５００ｐＦにそれぞれ設定した。図９の（ａ）部は実験例５の結果を示す。図９の（ｂ）部は実験例６の結果を示す。図９の（ａ）部及び図９の（ｂ）部を確認すると、容量成分Ｃが小さくなるほど周波数が大きくなる傾向が確認できた。つまり、閾電圧に達するまでの時間が短くなることが確認できた。図９の（ａ）部と図９の（ｂ）部とを比較すると、抵抗成分Ｒが小さいほど、周波数が小さくなることも確認できた。これらの結果より、設計した図１に示される回路は、正しい動作を行うことができることがわかった。

１…土壌センサ、２…電流供給部、２ａ…入力、２ｂ…出力、３…電極（電極部）、４…処理部、４ａ…入力、４ｂ，４ｃ…出力、６…電流設定部、７…第１定電流源、８…第２定電流源、９…スイッチ、１１…情報変換部、１１ａ…入力、１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…出力、１２…算出部、１２ａ…入力、１２ｂ…出力、１３…比較部、１３ａ…入力、１３ｂ，１３ｃ…出力、１４…論理回路部、１４ａ，１４ｂ…入力、１４ｃ，１４ｄ…出力、１４ｅ…バッファ、１５…閾電圧提供部、１６…第１コンパレータ、１７…第２コンパレータ、１８…インピーダンス算出部、１９…水分量算出部、２１…総イオン濃度算出部、２２…プローブ、２３…ケーブル、２４…コンピュータ、２６…センサチップ、４１…モニタ用端子、４２…容量成分、１００…土壌、１０１…基準電位、Ｃ…容量成分、Ｒ…抵抗成分、Ｗ…水分量、Ｎ…総イオン濃度、ＶＭ…被測定電圧、ＶＨ１，ＶＬ１…第１閾電圧、ＶＨ２，ＶＬ２…第２閾電圧、Ｉ…直流電流、ｔ１，ｔ１Ｈ，ｔ１Ｌ…第１時間、ｔ２，ｔ２Ｈ，ｔ２Ｌ…第２時間、Ｇ６Ｐ，Ｇ６Ｑ…パルス信号。

Claims (12)

1. 直流電流を出力する電流供給部と、
   前記電流供給部に接続されると共に測定対象である土壌に配置されて、前記直流電流を前記測定対象に提供する電極部と、
   前記電極部に接続されると共に、前記測定対象へ前記直流電流が提供されている間に、前記電極部に生じる被測定電圧の経時変化を利用して、前記測定対象が含む水分量及び総イオン濃度を得る処理部と、を備え、
   前記処理部は、
   前記被測定電圧の経時変化を利用して、前記被測定電圧の絶対値が閾電圧の絶対値に達したか否かを判定することにより、前記電流供給部が前記直流電流の提供を開始したときから前記被測定電圧の絶対値が前記閾電圧の絶対値に達するまでの時間情報を周波数情報に変換する情報変換部と、
   前記周波数情報、前記閾電圧及び前記直流電流を利用して、前記測定対象のインピーダンスを得るインピーダンス算出部と、
   前記インピーダンスを利用して前記水分量を得る水分量算出部と、
   前記インピーダンスを利用して前記総イオン濃度を得る総イオン濃度算出部と、を有する土壌センサ。
2. 前記情報変換部は、前記被測定電圧の絶対値が前記閾電圧の絶対値に達したことを示すパルス信号を出力し、
   前記電流供給部は、前記パルス信号に応じて、前記直流電流の向きを切り替える、請求項１に記載の土壌センサ。
3. 前記直流電流は、正の電流値を有する第１直流電流と、負の電流値を有する第２直流電流と、を含み、
   前記電流供給部は、
   前記第１直流電流を出力する第１定電流源と、
   前記第２直流電流を出力する第２定電流源と、
   前記パルス信号に応じて、前記第１定電流源及び前記第２定電流源の一方を選択的に前記電極部に接続するスイッチと、を有する、請求項２に記載の土壌センサ。
4. 前記情報変換部は、
   前記電極部に接続されて、正の前記閾電圧と前記被測定電圧とを比較する第１コンパレータと、
   前記電極部に接続されて、負の前記閾電圧と前記被測定電圧とを比較する第２コンパレータと、を有する、請求項１〜３の何れか一項に記載の土壌センサ。
5. 前記情報変換部は、前記第１コンパレータ及び前記第２コンパレータに接続された論理回路部を有する、請求項４に記載の土壌センサ。
6. 前記論理回路部は、フリップフロップ回路を有する、請求項５に記載の土壌センサ。
7. 前記処理部は、前記電極部と前記第１コンパレータとの間に配置され、前記被測定電圧を増幅させる増幅器をさらに有する、請求項４〜６の何れか一項に記載の土壌センサ。
8. 前記情報変換部は、前記第１コンパレータの出力と前記インピーダンス算出部の間に設けられたバッファを有する、請求項４〜７の何れか一項に記載の土壌センサ。
9. 直流電流を出力する電流供給部に接続された電極部を、測定対象である土壌に配置した後に、前記電極部を介して前記直流電流を前記測定対象に提供する工程と、
   前記測定対象へ前記直流電流が提供されている間に、前記電極部に生じる被測定電圧の経時変化を利用して、前記測定対象が含む水分量及び総イオン濃度を得る工程と、を有し、
   前記水分量及び総イオン濃度を得る工程は、
   前記被測定電圧の経時変化を利用して、前記被測定電圧の絶対値が閾電圧の絶対値に達したか否かを判定することにより、前記電流供給部が前記直流電流の提供を開始したときから前記被測定電圧の絶対値が前記閾電圧の絶対値に達するまでの時間情報を周波数情報に変換する工程と、
   前記周波数情報、前記閾電圧及び前記直流電流を利用して、前記測定対象のインピーダンスを得る工程と、
   前記インピーダンスを利用して前記水分量を得る工程と、
   前記インピーダンスを利用して前記総イオン濃度を得る工程と、を含む、土壌計測方法。
10. 前記測定対象に配置されて、前記測定対象の温度に応じた電圧を出力し、当該電圧を前記処理部に提供する温度計測部をさらに備え、
    前記処理部は、
    前記温度計測部から提供される電圧を受け入れて、受け入れた電圧を温度周波数情報に変換する温度情報変換部と、
    前記温度情報変換部から出力される前記温度周波数情報を利用して、前記測定対象の温度を算出する温度算出部と、を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の土壌センサ。
11. 前記温度計測部は、ダイオードを有し、
    前記電流供給部は、前記ダイオードに対して電流を供給する、請求項１０に記載の土壌センサ。
12. 測定対象である土壌に配置されて、前記土壌に含まれる水分量及び総イオン濃度に対応する第１被測定電圧を出力する第１センサ部と、
    前記測定対象である土壌に配置されて、前記土壌の温度に対応する第２被測定電圧を出力する第２センサ部と、
    前記第１センサ部及び前記第２センサ部に選択的に接続されて、前記第１被測定電圧を第１周波数情報に変換すると共に、前記第２被測定電圧を第２周波数情報に変換する情報変換部と、
    前記情報変換部に接続されて、前記第１周波数情報を利用して前記水分量及び前記総イオン濃度を得ると共に、前記第２周波数情報を利用して前記温度を得る計測値算出部と、を備える土壌センサ。

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