(57)【要約】【課題】媒質の誘電率の測定精度を維持しながらコストの低下を図りうる誘電率測定装置および方法を提供する。【解決手段】媒質に挿入されている一対のプローブ３１、３２の間にパルスジェネレータ１０によりパルス電圧が印加される。一対または複数対のそれぞれをなす２箇所で一対の伝送ライン２１、２２の間の電位差Ｖ１およびＶ２が測定され、当該パルス電圧に由来する電位差Ｖ１およびＶ２の立ち上がり時間差Δｔ’が測定される。当該立ち上がり時間差Δｔ’に基づき、所定の関係式εr＝ｆ（Δｔ’）にしたがって、媒質の比誘電率εrが測定される。【選択図】  図１
2014215246.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のプローブと、
前記一対のプローブのそれぞれに接続されている一対の伝送ラインと、
前記一対の伝送ラインを介して前記一対のプローブの間にパルス電圧を印加するように構成されているパルスジェネレータと、
前記一対の伝送ラインの間の電位差を一対または複数対のそれぞれをなす２箇所で測定するように構成されている電位差検出器と、
媒質に挿入されている前記一対のプローブの間に前記パルスジェネレータによりパルス電圧が印加された際の前記２箇所間の前記電位差の立ち上がり時間差Δｔ’を測定し、前記立ち上がり時間差Δｔ’に基づき、所定の関係式εr＝ｆ（Δｔ’）にしたがって、前記媒質の比誘電率εrを測定するように構成されているコンピュータと、を備えていることを特徴とする誘電率測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の誘電率測定装置において、
前記コンピュータが、前記立ち上がり時間差Δｔ’に加えて、光速ｃと、前記プローブの長さＬと、校正係数α、βおよびγと、前記媒質に挿入される前の前記一対のプローブの間に前記パルスジェネレータによりパルス電圧が印加された際の前記２箇所間の前記電位差の基準立ち上がり時間差Δｔとに基づき、前記所定の関係式としてのｆ（Δｔ’）＝｛ｃ・α（Δｔ’−Δｔ）／（２βＬ）｝2＋γにしたがって、前記媒質の比誘電率εrを測定するように構成されていることを特徴とする誘電率測定装置。
【請求項３】
一対のプローブを媒質に挿入し、
一対の伝送ラインを通じて前記一対のプローブの間にパルス電圧を印加し、
前記パルス電圧に由来する前記一対の伝送ラインの間の電位差の、一対または複数対のそれぞれをなす２箇所間での立ち上がり時間差Δｔ’を測定し、
前記立ち上がり時間差Δｔ’に基づき、所定の関係式εr＝ｆ（Δｔ’）にしたがって、前記媒質の比誘電率εrを測定することを特徴とする誘電率測定方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、
前記媒質に挿入される前の前記一対のプローブの間に前記一対の伝送ラインを通じてパルス電圧を印加し、
前記一対の伝送ラインの異なる前記２箇所間での電位差の基準立ち上がり時間差Δｔを測定し、
光速ｃと、前記プローブの長さＬと、校正係数α、βおよびγと、前記２箇所間での立ち上がり時間差Δｔ’および前記基準立ち上がり時間差Δｔとに基づき、前記所定の関係式としてのｆ（Δｔ’）＝｛ｃ・α（Δｔ’−Δｔ）／（２βＬ）｝2＋γにしたがって、前記媒質の比誘電率εrを測定することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、媒質の誘電率及び当該誘電率に基づき水分含有率を測定するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
土壌または構造物等の媒質の誘電率または水分含有率の測定手法として時間領域反射法（ＴＤＲ法）が提案されている（特許文献１〜５および非特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２９１３０２２号公報
【特許文献２】特許第３３６７２７９号公報
【特許文献３】特許第３７１４７４１号公報
【特許文献４】特開平０９−２８８０７０号公報
【特許文献５】特開２００５−０６９７７９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Topp et al.“Electromagnetic determination of soil water content :Measurements in coaxial transmission lines”Water Resour. Res.16, 574-582 (1980)
【非特許文献２】Miyamoto, et al. “Applicability of multiple length TDR probes measure water distributions in an Andisol under different tillage systems in Japan”, Soil & Tillage Res. 60, pp.91-99, 2001
【非特許文献３】Casanova, J.J., Evett, S.R., Schwartz, R.C. 2012. Design and field tests of an access-tube soil water sensor. Applied Engineering in Agriculture. 28(4):603-610.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ＴＤＲ法における測定精度を確保するために立ち上がり時間が１［ｎｓ］以下の急峻なパルスが必要とされる。その結果、パルスジェネレータのコストが高くなり、その分だけ装置全体のコストが高くなってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、媒質の誘電率の測定精度を維持しながらコストの低下を図りうる誘電率測定装置および方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の誘電率測定装置は、一対のプローブと、前記一対のプローブのそれぞれに接続されている一対の伝送ラインと、前記一対の伝送ラインを介して前記一対のプローブの間にパルス電圧を印加するように構成されているパルスジェネレータと、前記一対の伝送ラインの間の電位差を一対または複数対のそれぞれをなす２箇所で測定するように構成されている電位差検出器と、媒質に挿入されている前記一対のプローブの間に前記パルスジェネレータによりパルス電圧が印加された際の前記２箇所間の前記電位差の立ち上がり時間差Δｔ’を測定し、前記立ち上がり時間差Δｔ’に基づき、所定の関係式εr＝ｆ（Δｔ’）にしたがって、前記媒質の比誘電率εrを測定するように構成されているコンピュータと、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の誘電率測定装置において、前記コンピュータが、前記立ち上がり時間差Δｔ’に加えて、光速ｃと、前記プローブの長さＬと、校正係数α、βおよびγと、前記媒質に挿入される前の前記一対のプローブの間に前記パルスジェネレータによりパルス電圧が印加された際の前記２箇所間の前記電位差の基準立ち上がり時間差Δｔとに基づき、前記所定の関係式としてのｆ（Δｔ’）＝｛ｃ・α（Δｔ’−Δｔ）／（２βＬ）｝2＋γにしたがって、前記媒質の比誘電率εrを測定するように構成されていることが好ましい。
【０００９】
本発明の誘電率測定方法は、一対のプローブを媒質に挿入し、一対の伝送ラインを通じて前記一対のプローブの間にパルス電圧を印加し、前記パルス電圧に由来する前記一対の伝送ラインの間の電位差の、一対または複数対のそれぞれをなす２箇所間での立ち上がり時間差Δｔ’を測定し、前記立ち上がり時間差Δｔ’に基づき、所定の関係式εr＝ｆ（Δｔ’）にしたがって、前記媒質の比誘電率εrを測定することを特徴とする。
【００１０】
本発明の方法において、前記媒質に挿入される前の前記一対のプローブの間に前記一対の伝送ラインを通じてパルス電圧を印加し、前記一対の伝送ラインの異なる前記２箇所間での電位差の基準立ち上がり時間差Δｔを測定し、光速ｃと、前記プローブの長さＬと、校正係数α、βおよびγと、前記２箇所間での立ち上がり時間差Δｔ’および前記基準立ち上がり時間差Δｔとに基づき、前記所定の関係式としてのｆ（Δｔ’）＝｛ｃ・α（Δｔ’−Δｔ）／（２βＬ）｝2＋γにしたがって、前記媒質の比誘電率εrを測定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の誘電率測定装置および方法によれば、媒質に挿入される一対のプローブ間に印加されるパルス電圧として、立ち上がり時間が１［ｎｓ］以下の時間で急峻に立ち上がるパルス電圧が採用されなくても、立ち上がり時間差Δｔ’（および基準立ち上がり時間差Δｔ）が高精度で測定されうる。このため、当該媒質の比誘電率および含水率の測定精度を維持しながら、パルスジェネレータのコスト、ひいては当該測定に要するコストの低下が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態としての誘電率測定装置の構成説明図。
【図２】本発明の誘電率測定原理に関する説明図。
【図３】本発明の原理にしたがった含水率の測定結果に関する説明図。
【図４】本発明の原理にしたがった含水率の測定結果に関する説明図。
【図５】立ち上がり時間差と含水率との相関関係に関する説明図。
【図６】参考装置による含水率測定精度に関する説明図。
【図７】本発明の他の実施形態としての誘電率測定装置の構成説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（誘電率測定装置の構成）
本発明の一実施形態としての図１に示されている誘電率測定装置は、パルスジェネレータ１０と、たとえば同軸ケーブルにより構成されている一対の伝送ライン２１，２２と、長さＬの一対のプローブ３１，３２と、電位差検出器（たとえばオシロスコープ）４０と、コンピュータ５０と、を備えている。
【００１４】
パルスジェネレータ１０は、一対の伝送ライン２１および２２を通じて、一対のプローブ３１および３２の間にパルス電圧を印加するように構成されている。パルスジェネレータ１０により発生されるパルスの立ち上がり時間は、たとえば１［ｎｓ］よりも長い２〜１０［ｎｓ］の範囲に含まれている。電位差検出器４０は、一対をなす２箇所Ｐ１（Ｐ１１およびＰ１２）およびＰ２（Ｐ２１およびＰ２２）のそれぞれにおいて、一対の伝送ライン２１および２２の間の電位差Ｖ１（第１電位差）およびＶ２（第２電位差）を時系列的に測定するように構成されている。コンピュータ５０は、電位差検出器４０による測定結果に基づき、プローブ３１および３２が挿入された媒質の比誘電率を測定または算定するように構成されている。
【００１５】
（誘電率測定方法）
比誘電率εrの測定対象である土壌等の媒質に対して挿入される前の（たとえば空気に曝されている状態の）プローブ３１および３２の間にパルスジェネレータ１０によりパルス電圧が印加される。これに応じて、図２に一点鎖線で示されているように電位差検出器４０を通じて測定される第１電位差Ｖ１および第２電位差Ｖ２が変化する。当該変化態様に基づき、コンピュータ５０により第１電位差Ｖ１の立ち上がり時刻および第２電位差Ｖ２の立ち上がり時刻の時間差Δｔが測定される。
【００１６】
第１電位差Ｖ１および第２電位差Ｖ２のそれぞれの立ち上がり時刻は、当該電位差が上昇してその最大値の１０％の値に至った時刻を意味する。基準となる立ち上がり時間差Δｔは１回だけ測定され、コンピュータを構成する記憶装置に保存されていれば足りるが、複数回にわたり測定され、その平均値が記憶装置に保持されるまたは測定のたびに保存されている値が更新されてもよい。
【００１７】
プローブ３１および３２が媒質に対して挿入される。この状態でパルスジェネレータ１０によりプローブ３１および３２の間にパルス電圧が印加される。これに応じて、図２に二点鎖線で示されているように電位差検出器４０を通じて測定される第１電位差Ｖ１および第２電位差Ｖ２が変化する。当該変化態様に基づき、コンピュータ５０により第１電位差Ｖ１の立ち上がり時刻および第２電位差Ｖ２の立ち上がり時刻の時間差Δｔ’が測定される。
【００１８】
基準立ち上がり時間差Δｔおよび立ち上がり時間差Δｔ’の測定結果に加え、光速ｃ、プローブ３１および３２の長さＬ、ならびに、校正係数α、βおよびγに基づき、所定の関係式（１）にしたがって媒質の比誘電率εrが測定される。
【００１９】
εr＝｛ｃ・α（Δｔ’−Δｔ）／（２βＬ）｝2＋γ  ‥（１）。
【００２０】
校正係数α、βおよびγの値は、比誘電率εrが既知の複数の媒質にプローブ３１および３２が挿入された状態で測定された立ち上がり時間差Δｔ’が関係式（１）に代入されることにより、当該既知の比誘電率εrに適合するように定められる。基準立ち上がり時間差Δｔの測定時にプローブ３１および３２が空気に曝されている。媒質が空気であればΔｔ’＝Δｔとなる、すなわち、関係式（１）の右辺第１項が０になることから、γの値が空気の標準的な比誘電率である「１．０」に固定されてもよい。
【００２１】
（測定結果）
図３には、本発明の誘電率測定装置および方法による媒質の水分含有率θvを変化させたときの比誘電率εrの測定結果が三角（▲）で示されている。媒質の含水率θvは、当該媒質の比誘電率εrの測定結果に基づき、Ｔｏｐｐ式（２０）にしたがって測定されうる（前記非特許文献１参照）。εは誘電率（＝εr×ε0（真空誘電率））である。
【００２２】
θv= −５．３×１０-2＋２．９×１０-2ε-5.5×１０-4ε2＋４．３×１０-6ε3  ‥（２０）。
【００２３】
校正係数（α，β，γ）は（２．５，１．５，３．０）と定められた。丸（●）は校正係数（α，β，γ）が（１，１，０）と定められた場合の計算結果を表わしている。
【００２４】
参考として、ＴＲＩＭＥ社製の水分率測定装置（ＴＲＩＭＥ  ＦＭシリーズ（「ＴＲＩＭＥ」は登録商標））による媒質の含水率θvの測定結果が四角（■）で示されている。当該市販装置においては、１［ｎｓ］以下の短時間で急峻に立ち上がるパルス電圧を発生するパルスジェネレータが用いられている。主にパルスジェネレータのコストに依存して、本発明の装置は、ハンディサイズの市販装置と比較して１／１０〜１／１００程度のコストで製造されうる。  図６には、当該市販装置による媒質の含水率の測定結果と、Ｔｏｐｐ式にしたがった当該媒質の理論含水率（実線）とが示されている。丸（●）は媒質が砂である場合の測定結果を表わし、四角（■）は媒質が粘土である場合の測定結果を表わしている。
【００２５】
図３における実線、一点鎖線および二点鎖線のそれぞれは、媒質の比誘電率εrに基づき、前記非特許文献１、２および３のそれぞれにしたがって算定される理論含水率を表わしている。
【００２６】
図４には、（α，β，γ）が（１．１，１．２，３．０）と定められた場合の媒質の含水率θvの測定結果が同様の形で示されている。
【００２７】
図３および図４から、本発明の誘電率測定装置および方法によれば、砂または粘土質の土壌等の媒質の含水率θv、ひいてはその基礎となっている比誘電率εrが、Ｔｏｐｐ理論と整合するという観点で、市販の装置と比較して遜色ない程度に高精度で測定されうることがわかる。
【００２８】
図５には、立ち上がり時間差Δｔ’および基準立ち上がり時間差Δｔの差Δｔ’−Δｔと、媒質の含水率θvとの相関関係が示されている。丸（●）は媒質が砂である場合の測定結果を表わし、四角（■）は媒質が粘土である場合の測定結果を表わしている。図５から、本発明の手法によれば、当該差Δｔ’−Δｔと、媒質の含水率θvとの相関度が高く、媒質の相違に関わらず、その含水率θv、ひいては比誘電率εrが高精度で測定されうることがわかる。
【００２９】
媒質の比誘電率に基づき、含水率のみならず、当該媒質に存在する亀裂、空洞または異物の有無または大きさなどが推定されてもよい。これにより、堤防、道路（路盤）および建築物を構成するコンクリートなどのインフラの劣化状態又は耐久年数などが推定されうる。
【００３０】
（本発明の他の実施形態）
前記関係式（１）とは異なる形の関係式が所定の関係式εr＝ｆ（Δｔ’）として採用されてもよい。たとえば、１つの校正係数Ｃ1が含まれる関係式（２）または２つの校正係数Ｃ1およびＣ2が含まれる関係式（３）が所定の関係式として採用されてもよい。当該校正係数の決定方法は、前記実施形態と同様である。
【００３１】
εr＝｛ｃ・Ｃ1（Δｔ’−Δｔ）／（２Ｌ）｝2  ‥（２）。
【００３２】
εr＝｛ｃ・Ｃ1（Δｔ’−Δｔ）／（２Ｌ）｝2＋Ｃ2  ‥（３）。
【００３３】
基準となる立ち上がり時刻Δｔが省略されたまたは校正係数に繰り込まれた関係式が所定の関係式として採用されてもよい。たとえば、１つの校正係数Ｃ1が含まれる関係式（４）、２つの校正係数Ｃ1およびＣ2が含まれる関係式（５）または３つの校正係数Ｃ1、Ｃ2およびＣ3含まれる関係式（６）が所定の関係式として採用されてもよい。当該校正係数の決定方法も前記実施形態と同様である。
【００３４】
εr＝｛ｃ・Ｃ1Δｔ’／２Ｌ｝2  ‥（４）。
【００３５】
εr＝｛ｃ・Ｃ1Δｔ’／２Ｌ｝2＋Ｃ2  ‥（５）。
【００３６】
εr＝｛ｃ・Ｃ1Δｔ’／（２Ｃ2Ｌ）｝2＋Ｃ3  ‥（６）。
【００３７】
前記実施形態では、一対をなす２箇所Ｐ１およびＰ２における一対の伝送ライン２１、２２の間の電位差Ｖ１およびＶ２の測定結果に基づいて媒質の比誘電率εrが測定された。他の実施形態として、複数対のそれぞれをなす２箇所における一対の伝送ライン２１、２２の間の電位差の複数の測定結果に基づいて媒質の比誘電率εrが測定されてもよい。
【００３８】
たとえば、図７に示されているように、Ｎ箇所（Ｎ≧３）における一対の伝送ライン２１、２２の間の電位差Ｖ１〜ＶＮが測定され、対をなすＶｉおよびＶｊ（ｉ≠ｊ，ｉ，ｊ＝１〜Ｎ）の間の基準立ち上がり時間差Δｔijおよび立ち上がり時間差Δｔij’が測定される。プローブ３１、３２に最も近い一の測定点と、その他の測定点のそれぞれとがＮ−１個の対をなしていてもよい。その上で、Ｍ個の対のそれぞれをなす２箇所間でのΔｔijおよびΔｔij’に基づく、所定の関係式（７）にしたがった算出結果の平均値が媒質の比誘電率εrとして決定される。関係式（７）は関係式（１）の変形であるが、関係式（２）〜（６）のいずれかが当該変形態様と同様に（Δｔ’→ΣijΔｔij’／Ｍ、Δｔ→ΣijΔｔij／Ｍ、）変形された所定の関係式が媒質の比誘電率εrの測定のために用いられてもよい。
【００３９】
εr＝｛ｃ・Σijα（Δｔij’−Δｔij）／（２ＭβＬ）｝2＋γ  ‥（７）。
【００４０】
これにより、伝送ライン２１、２２のそれぞれにおいて局所的なインピーダンス変化等の影響が軽減されうるので、媒質の比誘電率εrの測定精度の向上が図られる。
【符号の説明】
【００４１】
１０‥パルスジェネレータ、２１，２２‥伝送ライン、３１，３２‥プローブ、４０‥電位差検出器、５０‥コンピュータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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