(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間領域反射率法によって被測定物質の比誘電率を測定するため被測定物質に設置される一対の電極を備えたプローブの構造であって、該一対の電極が一定間隔をあけて対向配置される２枚の導電性板状部材から成り、該導電性板状部材の幅Ｂと前記一定間隔Ｓとの比Ｓ／Ｂが０．２から２の範囲内の値に設定されていることを特徴とする比誘電率測定用プローブの構造。
【請求項２】
被測定物質に設置されたプローブにパルス電圧を印加して時間領域反射率法によって該被測定物質の比誘電率を測定するための測定方法において、前記プローブの一対の電極として２枚の導電性板状部材を用意し、該導電性板状部材間の一定間隔Ｓが、前記導電性板状部材の幅をＢとしたときＳ／Ｂの値が０．２〜２の範囲内の値となるように、前記導電性板状部材を前記被測定物質に設置して前記プローブを構成するようにしたことを特徴とする比誘電率測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、時間領域反射率（ＴＤＲ）法によって物質の比誘電率を測定するのに好適な比誘電率測定用プローブの構造及び比誘電率測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
物質中を伝搬する電磁波の速度とその物質の比誘電率との間には密接な関係があることが知られており、この関係は各種の分野において利用されている。例えば石油探査工学の分野においては、地盤中の電磁波の速度から得られるそこでの比誘電率より地盤中の石油の含有量を推定している。また、最近、地盤の比誘電率あるいは電磁波速度より、土質の違いによる影響を受けることなく、従来の中性子水分計以上の精度で土壌水分を計測することができることが明らかにされており、この分野での応用も有望である。
【０００３】
ところで、電磁波の伝搬速度を計測することによって試料の比誘電率を求めるための従来の測定システムは、例えば、図１２（Ａ）に示されるように、プローブ１００を構成する２本の棒状電極１０１、１０２を平行にして試料１０３に差し込んだ状態で棒状電極１０１、１０２間にパルス電圧を印加するように構成され、プローブ１００の棒状電極１０１、１０２のパルス電圧印加端１０１Ａ、１０２Ａにパルス電圧が印加されてから、このパルス電圧が棒状電極１０１、１０２の先端１０１Ｂ、１０２Ｂで反射してそこまで戻ってくるまでのパルスの往復時間ＴＷを計測することによって、試料１０３の比誘電率を求めている。
【０００４】
このパルスの往復時間ＴＷは、たとえば棒状電極１０１、１０２にメモリ機能付のオシロスコープの如き電圧波形観測用の機器を接続し、そこでの電圧波形のレベルの時間的変化を観察することにより求めることができる。
【０００５】
図１２（Ｂ）には、上述の如くして測定した電圧波形の一例が示されている。ここでは、時間Ｔ１においてパルス電圧印加端１０１Ａ、１０２Ａに印加されたパルス電圧が棒状電極１０１、１０２の先端１０１Ｂ、１０２Ｂで反射し、時間Ｔ２においてパルス電圧印加端１０１Ａ、１０２Ａに戻ったことが判る。したがって、パルスの往復時間ＴＷはＴ２ーＴ１との計測結果を得、試料１０３中における電磁波の伝搬速度を計算することができる。そして、このようにして得られた電磁波の伝搬速度から、ｖ＝ｃ／ε1/2 （ここで、ｖは速度、ｃは光速、εは比誘電率）の関係を用いて試料１０３の比誘電率が求められる。
【０００６】
上述した測定系において使用される従来のプローブは、棒状電極を２本用いる構成のほか、図１３に示される如き構成のプローブが用いられている。図１３（Ａ）に示される同軸セル形のプローブは、周辺からのノイズを遮断し、電気信号の損失が一番小さいという点では理想的な形状である。しかし、この形状では試料に設置するのが困難であるため、これを２本の金属製ロッドで置き換えたものが図１２に示されたプローブ１００である。その後、これを前記のような理由で同軸セルに近付けるため図１３の（Ｂ）、（Ｃ）に示されるようなロッド本数が３本以上のものも使用されている。このように、従来の比誘電率測定用プローブは金属製の棒状電極を２〜３本用いた構成のものが主流であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１３の（Ｂ）、（Ｃ）又は図１２に示したような棒状電極を用いて構成されたプローブでは，棒状電極の表面のごく近傍に測定感度が非常に高い部分が集中するという特性のために、電極と被測定物質との間に隙間があるとその影響を受けて正しい測定を行うことができず、信頼性の高い測定を困難にするという問題点を有している。
【０００８】
このことを、図１４〜図１９を参照して２本の棒状電極を用いた構造のプローブの場合について具体的に説明する。図１４は、平行に配置された２つの棒状電極１０１、１０２の軸と直交する平面内におけるこれらの棒状電極１０１、１０２の周辺の電磁場の様子を示す図であり、複数の等ポテンシャル線Ｐ、及びこれと直交する一方の棒状電極１０１から他方の棒状電極１０２へ向かう複数の電気力線Ｆの様子が示されている。ここで、図１４において等ポテンシャル線Ｐとそれに直交する電気力線Ｆとによって囲まれる各領域を紙面と直角方向に通過するエネルギーは、その領域の大小に拘らず一定となる。この結果、例えば斜線を付した領域Ａ１におけるエネルギー密度は、同じく斜線を付した他の領域Ａ２におけるエネルギー密度より大きいということになる。しかるに、棒状電極１０１、１０２の表面に近づくに従ってエネルギー密度は急速に高くなり、測定感度もまた棒状電極１０１、１０２の表面に近づくに従って急速に高くなるのである。
【０００９】
図１５は、２つの棒状電極を用いて構成した従来の比誘電率測定用プローブの感度分布を実験により調べた結果の一例を示すグラフである。ここで、２つの棒状電極は所定値だけ離されて平行に配置されている。図１５から判るように、２つの棒状電極のごく近傍において測定感度（エネルギー密度）の高い部分が集中していることが判る。
【００１０】
図１６〜図１８はプローブが棒状電極２本、３本、４本の各場合における測定感度分布の数値解析結果を示す図であり、図１９はプローブが同軸セルの場合における測定感度分布の数値解析結果を示す図である。図１６〜図１９において棒状電極には斜線が付されている。いずれの図においても、各形状のプローブの特性を相対的に比較できるように、エネルギー密度はその最大値で除して無次元化して表示してある。よって、表示の最大値は１である。測定感度Ｖを示す等密度線は、１．０、０．６、０．４、０．２、０．１、０．０１、０．００１、０．０００１の順に引いてある。そして無次元化された測定感度Ｖの値により以下のように７つの領域に分けて示されている。
１．０≧Ｖ＞０．６                領域Ｒ１
０．６≧Ｖ＞０．４                領域Ｒ２
０．４≧Ｖ＞０．２                領域Ｒ３
０．２≧Ｖ＞０．１                領域Ｒ４
０．１≧Ｖ＞０．０１              領域Ｒ５
０．０１≧Ｖ＞０．００１          領域Ｒ６
０．００１≧Ｖ＞０．０００１      領域Ｒ７
図１６〜図１９から、いずれの場合においても、測定感度が０．２より大きい領域が棒状電極のごく近傍にのみ形成され、極めて不均一な測定感度分布となっていることが判る。
【００１１】
このように、従来のプローブによると棒状電極の周辺にのみ測定感度の高い領域が形成され、実際にプローブを設置したときに棒状電極の表面近傍に乱された部分やプローブと被測定物質との間に隙間が発生した場合、その影響を受けやすく、正しい測定結果を得ることができないという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、したがって、従来技術における上述の問題点を解決することができるようにした、プローブ近傍の測定感度をより均一にすることができる比誘電率測定用プローブの構造及び比誘電率測定方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の特徴は、時間領域反射率法によって被測定物質の比誘電率を測定するため被測定物質に設置される一対の電極を備えたプローブの構造であって、該一対の電極が一定間隔をあけて対向配置される２枚の導電性板状部材から成り、該導電性板状部材の幅Ｂと前記一定間隔Ｓとの比Ｓ／Ｂが０．２から２の範囲内の値に設定されている点にある。電極として板状のものを２枚対にして用い、且つＳ／Ｂの値を０．２〜２の範囲内の値に設定すると、２枚の導電性板状部材の間におけるエネルギー密度分布が均一となり、測定感度を均一にすることができる。
【００１４】
また、本発明の他の特徴によれば、被測定物質に設置されたプローブにパルス電圧を印加して時間領域反射率法によって該被測定物質の比誘電率を測定するための測定方法において、前記プローブの一対の電極として２枚の導電性板状部材を用意し、該導電性板状部材間の一定間隔Ｓが、前記導電性板状部材の幅をＢとしたときＳ／Ｂの値が０．２〜２の範囲内の値となるように、前記導電性板状部材を前記被測定物質に設置して前記プローブを構成するようにした点にある。導電性板状部材の厚みは、実際の使用に際して被測定物質内に打ち込み等により設置可能な剛性を得ることができるような適宜の値とすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００１６】
図１には、時間領域反射率法によって物質の比誘電率を測定するための、本発名によるプローブの構造の実施の形態の一例が示されている。本発明によるプローブ１は、例えば銅の如き導電性に富む適宜の材料から作られた導電性プレート２、３を一対の電極部材として有している。導電性プレート２は、厚さＴ、長さＬ、幅Ｂの長方形の板部材であり、もう一方の導電性プレート３も全く同様の寸法形状に作られている。これらの導電性プレート２、３は、一定の間隔Ｓをあけて対向しており、したがって導電性プレート２と導電性プレート３とは平行状態になっている。
【００１７】
符号４で示されるのは同軸ケーブルであり、同軸ケーブル４の外部導体４Ａが導電性プレート２に電気的に接続され、同軸ケーブル４の内部導体４Ｂが導電性プレート３に電気的に接続されている。同軸ケーブル４の他端は図示しないパルス電圧発生器の出力端子に接続することにより、測定のために必要なパルス電圧を同軸ケーブル４を介して導電性プレート２、３間に印加することができる構成である。
【００１８】
図１に示したプローブ１では、導電性プレート２、３は、機械的に独立して分離された状態になっているが、適宜の電気的絶縁材料を用いて導電性プレート２と導電性プレート３とをその端部において機械的に連結した一体構成としてもよいことは勿論である。
【００１９】
図２には、図１に示したプローブ１のＡ−Ａ線断面における電磁場の様子が示されている。図２において、一方の導電性プレート３から直角に出て他方の導電性プレート２に直角に入るように示されているのが電気力線Ｆであり、これらの電気力線Ｆと直交するするように示されているのが等ポテンシャル線Ｐである。図２から判るように、電気力線Ｆと等ポテンシャル線Ｐとで図示された各領域の面積は導電性プレート２、３間においては略均一となっている。したがって、導電性プレート２、３間にあってはエネルギー密度分布が略均一となり、測定感度も均一となる。
【００２０】
電導性プレート２、３間におけるエネルギー密度の分布の状態は一定間隔Ｓの値によって変化することが予想される。しかるに、導電性プレート２、３の幅Ｂとその一定間隔Ｓとの比Ｓ／Ｂを種々変化させて導電性プレート２、３間の測定感度分布がどのように変化するのかを数値解析によって求め、その結果を図３〜図７に示した。図３〜図７においても、図１６〜図１９の場合と同じく、測定感度Ｖの最大値を１として各部の測定感度を正規化し、Ｖの値によって領域Ｒ１〜Ｒ７に分けて測定感度分布の様子が示されている。
【００２１】
図３〜図７から判るように、棒状電極を用いたロッドタイプのプローブに比べて、板状電極を用いたプレートタイプのプローブでは、ある範囲の感度（０．４〜０．６）の部分でほとんどが占められることがわかる。また、プレートの両端部のごく狭い範囲で感度が高い部分がみられるが、全体のエネルギー量に比べるとその割合は非常に小さい。さらに、Ｓ／Ｂの値が０．２〜２の範囲にある場合には導電性プレート２、３間の感度は０．１以上の値であって略均一に保たれているので、実際に使用した場合良好な測定を行うことができる。なお、Ｓ／Ｂの値が０．２より小さくなると、導電性プレート２、３間の感度分布はより一層均一化されるが、実際の設置を考えた場合、導電性プレート２、３間が狭すぎないＳ／Ｂ＝０．２程度までが適切であると考えられる。図３〜図７から、導電性板状部材を用いたプレートタイプのプローブにあっては、プレートに挟まれた部分以外の感度が低いという特徴を有していることが判った。
【００２２】
ここで、導電性プレート２、３の材質は銅に限定されるものではなく、導電性に富む材料であれば特に制限はない。なお、ＴＤＲ法の性格上、導電性プレート２、３の各長さＬは原則的に等しくなければならないが、これらの厚さＴは実際の使用に際して設置できるだけの剛性をもつ程度の厚さであればよく、これは特に制限がない。
【００２３】
図８は、本発明によるプレートタイプのプローブと従来型のプローブとの性能を比較するために示したエネルギー加積曲線である。図８のグラフは、エネルギー密度が高い方からエネルギーを累積した結果を示すもので、横軸に正規化したエネルギー密度をとり、縦軸に正規化した累積エネルギー量をとって示してある。すなわち、このグラフは、各エネルギー密度レベルが占める面積と密度レベルとを掛け合わせてエネルギー量をもとめ、密度レベルの値が大きいほうから累積した図であり、曲線の勾配が大きいほど、その密度レベルの部分が占める面積が大きく密度（感度）のバラツキが小さいことを示す。全てのプローブにおいて、密度値０．０１程度までで総エネルギーの約９０％を占め、それ以下では曲線の傾きは小さくなる。これは、密度値０．０１程度以下の範囲は測定値にあまり影響しないことを示している。
【００２４】
図８では、本発明によるプローブはＳ／Ｂ＝０．５の場合が示されており、従来型のプローブの例として、２ロッド、３ロッド、４ロッド及び同軸セルの場合の例が示されている。図８に示す各曲線の勾配の様子から、本発明によるプレートタイプのプローブの感度のバラツキが従来型のプローブのそれに比べて極めて小さくなっていることが判る。
【００２５】
なお、導電性プレート２、３を横切る方向に水などの物質の移動がある場合においては、導電性プレート２、３に穴をあけたり、多数のロッドを並べることによりプレートを近似する構成としてもよい。
【００２６】
次に、図９〜図１１を参照して、図１に示した本発明によるプローブ１を用いて地盤の含水量を測定するための方法の実施の形態の例について説明する。
【００２７】
図９は、降雨時等における地山１１の斜面１１Ａの含水状態を測定する場合の方法を説明するための図である。プローブ１は斜面１１Ａに適宜の間隔をあけて複数設けられる。図示の例ではプローブ１は３つ設けられているが、プローブ１は必要な箇所に必要な数だけ設置される。降雨時には、地山１１の斜面１１Ａにおいては水分の高飽和度領域１１Ｂと低飽和度領域１１Ｃとが形成されるが、各プローブ１は、導電性プレート２、３の各先端２Ｂ、３Ｂが低飽和度領域にまで達するような状態に設置されることにより、地表面からどれだけの範囲が高飽和度になっているかを把握することができる。
【００２８】
以上のようにしてプローブ１の設置が終了したならば、ＴＤＲ法により斜面１１Ａにおける比誘電率の測定を行うため、測定装置１０からパルス電圧を各プローブ１へ順次印加する。プローブ１に印加されたパルス電圧は、その導電性プレート２、３の各先端２Ｂ、３Ｂにおいて反射して戻るので、そのパルス電圧の往復時間ＴＷを測定装置１０において測定する。測定装置１０における往復時間ＴＷの測定方法は図１２に基づいて説明したのと同様である。
【００２９】
一般に、土壌は土粒子、空気及び間隙水の三相の混合体であり、体積含水率０％の土壌の比誘電率は３〜７程度であるのに対し、間隙水のそれは８０と土粒子や空気の値（約１）と比べてはるかに大きい。したがって、三相の混合体としての土壌の比誘電率（見かけ上の比誘電率）は含水量に極めて敏感に影響され、上述の如くして測定された土壌の見かけ上の比誘電率から土壌の含水量が求められる。測定により得られた比誘電率から含水量を得るには、予め実験より求められた変換表を用いることができる。このようにして、地山１１の斜面１１Ａの含水状態を把握することにより、造成地などの斜面の安定性の確保に役立てることができる。
【００３０】
図１０は、根切り工事等における地下水面位置の把握のために、図１に示すプローブを用いて溝２１の底部２２の比誘電率を測定する場合の方法を説明するための図である。この場合には、底部２２にプローブ１を打ち込んで測定装置１０を用いて比誘電率を測定する。地下水面２３に達しているプローブ１による測定値が地下水面２３に達していないプローブ１による測定値と大きく異なることから、地下水面の位置を把握することができ、地下水面をコントロールした情報化施工が可能となる。
【００３１】
図１１は、トンネル堀削時における周辺の含水状態及び地下水挙動の把握のために、トンネル３１の周壁３２及び床部３３の含水状態を本発明の方法を利用して測定する方法を説明するための図である。ここでは、図１に示したプローブ１が周壁３２及び床部３３に設置され、これらのプローブ１は測定装置１０に接続されている。測定装置１０からのパルス電圧が各プローブ１に順次印加され、これらのプローブ１の各導電性プレート２、３の先端２Ｂ、３Ｂで反射されるパルス電圧の往復時間が測定装置１０において測定される。これによりプローブ１が設置されている各部の比誘電率が測定され、トンネル３１内の各部の含水状態を把握することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、導電性板状部材により構成される２つの電極間の測定感度が均一となり、その感度帯域がプローブによる感度帯域のほとんどを占める。この結果、プローブを設置する際に発生する可能性のある被測定物質と電極との間の隙間の影響を減少させ、測定範囲内を均一に測定することができる。
【００３３】
さらに、測定範囲が板状の電極間に集中するため、従来のようにロッドを設置するための小孔径の穴をあける必要がなく、被測定物質をブロック状に加工して板状の電極で挟むことにより精度よい設置が可能である。また、被測定物質が土のような場合には、従来通り打ち込みにより容易に設置することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による比誘電率測定用プローブの実施の形態の一例を示す斜視図。
【図２】図１に示したプローブのＡ−Ａ線断面における電磁場の様子を示す図。
【図３】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝２とした場合の数値解析による感度分布を示す図。
【図４】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝１とした場合の数値解析による感度分布を示す図。
【図５】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝０．５とした場合の数値解析による感度分布を示す図。
【図６】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝０．３３とした場合の数値解析による感度分布を示す図。
【図７】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝０．２とした場合の数値解析による感度分布を示す図。
【図８】本発明によるプローブと従来のプローブとの性能比較をするためのエネルギー加算曲線図。
【図９】降雨時の斜面の含水状態を本発明の方法を用いて測定する場合の測定方法の説明のための図。
【図１０】根切り工事等における地下水面位置の把握を本発明の方法を用いて行う場合の説明のための図。
【図１１】トンネル掘削時における周辺の含水状態の把握を本発明の方法を用いて行う場合の説明のための図。
【図１２】ＴＤＲ法を用いた比誘電率測定のための従来の測定システムを説明するための図。
【図１３】ＴＤＲ法による比誘電率測定のために用いられている従来のプローブを示す斜視図。
【図１４】図１２に示したプローブにおけるエネルギー密度分布の状態を説明するための図。
【図１５】図１２に示したプローブにおける感度分布を実験により調べた結果を示す図。
【図１６】２本の棒状電極を用いた従来のプローブの数値解折による感度分布図。
【図１７】３本の棒状電極を用いた従来のプローブの数値解折による感度分布図。
【図１８】４本の棒状電極を用いた従来のプローブの数値解折による感度分布図。
【図１９】回転セル型の従来のプローブの数値解析による感度分布図。
【符号の説明】
１  プローブ
２、３  導電性プレート
Ｂ  幅
Ｓ  間隔
ＴＷ  往復時間
【図１】
0003714741.tif 000002
【図２】
0003714741.tif 000003
【図３】
0003714741.tif 000004
【図４】
0003714741.tif 000005
【図５】
0003714741.tif 000006
【図６】
0003714741.tif 000007
【図７】
0003714741.tif 000008
【図８】
0003714741.tif 000009
【図９】
0003714741.tif 000010
【図１０】
0003714741.tif 000011
【図１１】
0003714741.tif 000012
【図１２】
0003714741.tif 000013
【図１３】
0003714741.tif 000014
【図１４】
0003714741.tif 000015
【図１５】
0003714741.tif 000016
【図１６】
0003714741.tif 000017
【図１７】
0003714741.tif 000018
【図１８】
0003714741.tif 000019
【図１９】
0003714741.tif 000020