(57)【要約】【課題】土壌含水率および土壌中での金属の腐食速度を簡便に測定する。【解決手段】測定装置は、それぞれが互いに電気的に絶縁を保つように配置された同種の２つの金属１１ａ，１１ｂを腐食対象の金属かつ測定用の電極として備えるセンサ部１と、当該２つの金属１１ａ，１１ｂの間に電圧または電流を交流で印加して交流インピーダンス測定を行う測定部２と、当該交流インピーダンス測定による電気的応答データを用いて、所定の等価回路に基づき、土壌内での前記２つの金属１１ａ，１１ｂの腐食反応に対する抵抗を示す分極抵抗と、土壌内の抵抗を示す溶液抵抗とを算出し、当該分極抵抗と当該溶液抵抗の各逆数から土壌内での前記２つの金属１１ａ，１１ｂの腐食速度と土壌含水率をそれぞれ算出する計算部３と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに絶縁された同種の２つの金属を腐食対象の金属かつ測定用の電極として備えるセンサ部と、
前記２つの金属の間に電圧または電流を交流で印加して交流インピーダンス測定を行う測定部と、
前記交流インピーダンス測定による電気的応答データを用いて、所定の等価回路に基づき、土壌内での前記金属の腐食反応に対する抵抗を示す分極抵抗と、土壌内の抵抗を示す溶液抵抗とを算出し、前記分極抵抗と前記溶液抵抗の各逆数から土壌内での前記金属の腐食速度と土壌含水率をそれぞれ算出する計算部と、
を備えることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記２つの金属の各露出面は、それぞれ平面であることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記２つの金属の各露出面は、互いに同一の平面に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記２つの金属の各露出面における一方の露出面の外周のうち少なくとも一辺は、他方の露出面の外周のうち少なくとも一辺と平行であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の測定装置。
【請求項５】
測定部が、土壌内に埋設され、腐食対象の金属かつ測定用の電極として用いる互いに絶縁された同種の２つの金属の間に電圧または電流を交流で印加して交流インピーダンス測定を行う手順と、
計算部が、前記交流インピーダンス測定による電気的応答データを用いて、所定の等価回路に基づき、土壌内での前記金属の腐食反応に対する抵抗を示す分極抵抗と、土壌内の抵抗を示す溶液抵抗とを算出する手順と、
計算部が、前記分極抵抗と前記溶液抵抗の各逆数から土壌内での前記金属の腐食速度と土壌含水率をそれぞれ算出する手順と、
を行うことを特徴とする測定方法。
【請求項６】
前記等価回路は、
土壌内での前記金属の腐食反応に対する抵抗を示す分極抵抗と、前記金属と土壌の界面に形成される電気二重層容量と、土壌内の抵抗を示す溶液抵抗と、土壌内に形成される土壌容量とで構成されることを特徴とする請求項５に記載の測定方法。
【請求項７】
前記等価回路は、
前記分極抵抗と前記電気二重層容量を並列接続した２つの並列回路に前記溶液抵抗を直列接続した直列回路の両端に前記土壌容量を並列接続した回路であることを特徴とする請求項６に記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌含水率と土壌中での金属の腐食速度を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管柱、支持アンカ、配管などのインフラ設備に代表されるように、様々な金属構造物が、全体または一部を地中に埋設された状態で利用されている。金属構造物は、土壌に接するために腐食し、経過年数とともに劣化していく。
【０００３】
土壌腐食による劣化度合いは、土壌の種類や性質、金属構造物の構造や埋設状態および気象条件によって著しく異なる。土壌腐食に影響を及ぼす因子としては、土壌の種類、温度、ｐＨ、比抵抗、含水率、可溶性塩類濃度、酸素濃度、ガス類、バクテリア活動など、数多く挙げられる（非特許文献１，２）。
【０００４】
ここで、土壌環境は、固相である土粒子と、その間隙を占める水と気体の３相で構成される。腐食反応には水と水中の溶存酸素が必要であることを考えると、特に土壌含水率が土壌腐食の支配因子と言える。そのため、土壌含水率と土壌中に存在する金属の腐食速度の定量的関係を明らかにすることは、土壌腐食のメカニズム解明に重要である。
【０００５】
土壌含水率の測定方法としては、ＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）法、ＡＤＲ（Amplitude Domain Reflectometry）法、テンシオメータ法がある。水の誘電率は、土粒子と比較して非常に高いため、土壌の誘電率が水の量に応じて変化する。ＴＤＲ法およびＡＤＲ法は、誘電率と含水率の関係を予め調べておき、誘電率を測定することで土壌含水率に変換する。ＴＤＲ法もＡＤＲ法も金属製の電極棒（センサ）を土壌中に埋めて計測を行う。また、テンシオメータ法は、ポーラスカップと呼ばれる素焼きのカップを土壌中に埋めて計測を行う方法である。テンシオメータ内の容器を水で満たした状態で埋めると、土壌の乾燥状態に応じて容器内の水が土壌にしみ込み容器内が負圧になるため、このときの圧力から土壌含水率を求めることができる。
【０００６】
一方、腐食速度の測定方法は、水溶液中に暴露された金属の場合において確立されている。一般的には、対象とする金属を試料電極として水溶液中に暴露し、試料電極と参照電極（例えば、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極）との間の電位差を所定の値に保ち、試料電極と対極（試料電極および参照電極以外の任意の電極）との間に流れる電流応答を測定する方法が用いられる。この方法は、電気化学インピーダンス測定法と呼ばれる。
【０００７】
この方法で試料極の腐食速度を求める場合、腐食反応を電気回路的にモデル化した等価回路を決めておく必要がある。例えば、試料電極の金属と水溶液との界面では、水溶液中のイオンが電気二重層を形成するため、等価回路上はコンデンサのような容量成分として機能する。また、試料電極の金属表面から金属原子が陽イオンとして溶出する腐食反応に対する抵抗と、水溶液中の陽イオンが水溶液中で移動する際に受ける電気抵抗（水溶液内の抵抗）が存在する。前者は分極抵抗、後者は溶液抵抗と呼ばれており、水溶液中での試料電極における金属の腐食反応をモデル化すると、図１２に示す等価回路として近似で記述できることが知られている（非特許文献３）。つまり、水溶液中における試料電極の腐食反応を表す回路は、分極抵抗Ｒｐと電気二重層容量Ｃｄｌの並列結合に溶液抵抗Ｒｓを直列に結合した回路で近似される。
【０００８】
分極抵抗は腐食により金属の原子が陽イオンとして溶出する際の抵抗であるから、その逆数が腐食速度に比例する。金属のイオン価数が既知の場合、所定の電圧を印加した際の分極抵抗と電圧値の関係から電流値を計算することができ、この電流値が腐食速度に相当する。
【０００９】
従って、対象とする金属の試料電極、参照電極および対極を水溶液中に暴露し、試料電極と参照電極間の電圧と、試料極と対極間に流れる電流とを測定しながら、所定の電圧または電流を印加した際の電気的応答から、図１２に示した等価回路に基づいて分極抵抗を求めることができる。また、求めた分極抵抗から腐食速度を求めることができる。なお、印加する電圧または電流が直流の場合を直流分極抵抗法、交流の場合を交流インピーダンス測定法と呼ぶ。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】門井守夫、外２名、“金属材料の土壌腐食についての研究（第１報）”、防蝕技術、Vol.16、No.6、1967年、p.10-p.18
【非特許文献２】宮田義一、外１名、“電気化学的手法を中心とした土壌腐食計測（その２）”、材料と環境、Vol.46、1997年、p.610-p.619
【非特許文献３】澤田孝、外３名、“電気通信用の構造物や装置に対する腐食防食技術の研究”、NTT技術ジャーナル、2010年11月、p.32-p.36
【非特許文献４】米田稔、外３名、“インピーダンス測定法による一定温度下でのカラム内水分物質移動の実時間測定”、土木学会論文集、Vol.11、No.579、1997年11月、p.1-p.14
【非特許文献５】松村卓郎、外２名、“７年間海岸に暴露した鉄筋コンクリート試験体への交流インピーダンス法を用いた鉄筋腐食検査手法の適用”、材料、Vol.51、2002年5月、p.581-p.586
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
それゆえ、土壌含水率と土壌内の金属の腐食速度の定量的関係を調査するための方法としては、例えば、前述の土壌含水率を計測するためのセンサ、および、腐食速度を求めるために対象の金属（試料電極）、参照電極、ならびに、対極をそれぞれ埋設し、センサで土壌含水率を計測するとともに、電気化学インピーダンス測定法を用いて腐食速度を計測する方法が考えられる。
【００１２】
しかし、この方法は複数の電極およびセンサを埋設する必要があるため、水溶液中と比べて作業性が著しく低い土壌環境には適していない。また、土壌は土粒子と水と気体の３相で構成されているため、水溶液のみを考慮した従来の等価回路を用いて分極抵抗を求めるのは適切でない。
【００１３】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、土壌含水率および土壌中での金属の腐食速度を簡便に測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
以上の課題を解決するため、請求項１に係る測定装置は、互いに絶縁された同種の２つの金属を腐食対象の金属かつ測定用の電極として備えるセンサ部と、前記２つの金属の間に電圧または電流を交流で印加して交流インピーダンス測定を行う測定部と、前記交流インピーダンス測定による電気的応答データを用いて、所定の等価回路に基づき、土壌内での前記金属の腐食反応に対する抵抗を示す分極抵抗と、土壌内の抵抗を示す溶液抵抗とを算出し、前記分極抵抗と前記溶液抵抗の各逆数から土壌内での前記金属の腐食速度と土壌含水率をそれぞれ算出する計算部と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項２に係る測定装置は、請求項１に記載の測定装置において、前記２つの金属の各露出面は、それぞれ平面であることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る測定装置は、請求項１または２に記載の測定装置において、前記２つの金属の各露出面は、互いに同一の平面に形成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に係る測定装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載の測定装置において、前記２つの金属の各露出面における一方の露出面の外周のうち少なくとも一辺は、他方の露出面の外周のうち少なくとも一辺と平行であることを特徴とする。
【００１８】
請求項５に係る測定方法は、測定部が、土壌内に埋設され、腐食対象の金属かつ測定用の電極として用いる互いに絶縁された同種の２つの金属の間に電圧または電流を交流で印加して交流インピーダンス測定を行う手順と、計算部が、前記交流インピーダンス測定による電気的応答データを用いて、所定の等価回路に基づき、土壌内での前記金属の腐食反応に対する抵抗を示す分極抵抗と、土壌内の抵抗を示す溶液抵抗とを算出する手順と、計算部が、前記分極抵抗と前記溶液抵抗の各逆数から土壌内での前記金属の腐食速度と土壌含水率をそれぞれ算出する手順と、を行うことを特徴とする。
【００１９】
請求項６に係る測定方法は、請求項５に記載の測定方法において、前記等価回路は、土壌内での前記金属の腐食反応に対する抵抗を示す分極抵抗と、前記金属と土壌の界面に形成される電気二重層容量と、土壌内の抵抗を示す溶液抵抗と、土壌内に形成される土壌容量とで構成されることを特徴とする。
【００２０】
請求項７に係る測定方法は、請求項６に記載の測定方法において、前記等価回路は、前記分極抵抗と前記電気二重層容量を並列接続した２つの並列回路に前記溶液抵抗を直列接続した直列回路の両端に前記土壌容量を並列接続した回路であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、土壌含水率および土壌中での金属の腐食速度を簡便に一度に測定することができる。また、土壌含水率および土壌中での金属の腐食速度を簡便に一度に測定可能な測定装置とその測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】測定装置の構成を示す図である。
【図２】センサ部の側面の断面および金属の腐食進行の様子を示す図である。
【図３】センサ部の側面の断面を示す図である。
【図４】センサ部の側面の断面（ａ）および下面（ｂ）を示す図である。
【図５】センサ部の側面の断面（ａ）および下面（ｂ）を示す図である。
【図６】センサ部の側面の断面（ａ）および下面（ｂ）を示す図である。
【図７】センサ部の側面（ａ）および上面の断面（ｂ）を示す図である。
【図８】土壌含水率と腐食速度の測定手順を示す図である。
【図９】Ｎｙｑｕｉｓｔ線図の例を示す図である。
【図１０】土壌中での金属の腐食反応を含む構成に対応する等価回路を示す図である。
【図１１】溶液抵抗の逆数と土壌含水率の関係を示す図である。
【図１２】水溶液中での金属の腐食反応を含む構成に対応する等価回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、土壌含水率および土壌中での金属の腐食速度を簡便に一度に測定すること、その測定を行う測定装置とその測定方法を提供することを目的とする。
【００２４】
そのため、本発明に係る測定装置は、互いに絶縁された同種の２つの金属を腐食対象の金属かつ測定用の電極として備えるセンサ部と、前記２つの金属の間に電圧または電流を交流で印加して交流インピーダンス測定を行う測定部と、前記交流インピーダンス測定による電気的応答データを用いて、所定の等価回路に基づき、土壌内での前記金属の腐食反応に対する抵抗を示す分極抵抗と、土壌内の抵抗を示す溶液抵抗とを算出し、前記分極抵抗と前記溶液抵抗の各逆数から土壌内での前記金属の腐食速度と土壌含水率をそれぞれ算出する計算部と、を備えることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明に係る測定方法は、測定部が、土壌内に埋設され、腐食対象の金属かつ測定用の電極として用いる互いに絶縁された同種の２つの金属の間に電圧または電流を交流で印加して交流インピーダンス測定を行う手順と、計算部が、前記交流インピーダンス測定による電気的応答データを用いて、所定の等価回路に基づき、土壌内での前記金属の腐食反応に対する抵抗を示す分極抵抗と、土壌内の抵抗を示す溶液抵抗とを算出する手順と、計算部が、前記分極抵抗と前記溶液抵抗の各逆数から土壌内での前記金属の腐食速度と土壌含水率をそれぞれ算出する手順と、を行うことを特徴とする。
【００２６】
すなわち、本発明によれば、腐食対象の金属かつ測定用の電極として用いる２つの金属からなる簡易な構成で１つのセンサ部を構成し、当該２つの金属を用いて交流インピーダンス測定を行い分極抵抗と溶液抵抗を算出し、当該分極抵抗と当該溶液抵抗の各逆数から土壌内での金属の腐食速度と土壌含水率をそれぞれ算出するという簡易な手法を採るので、土壌含水率および土壌中での金属の腐食速度を簡便に一度に測定することができる。
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。本実施の形態に係る測定装置は、図１に示すように、センサ部１、測定部２、および、計算部３を備えて構成される。
【００２８】
センサ部１は、それぞれが互いに電気的に絶縁を保つように配置された同種の２つの金属１１ａ，１１ｂと、当該２つの金属１１ａ，１１ｂの各一面をそれぞれ大気に暴露した状態で固定してセンサ部全体を形成する樹脂からなる筐体１２と、を備える。
【００２９】
測定部２は、センサ部１が備える同種の２つの金属１１ａ，１１ｂに個々の導線４ａ，４ｂを介してそれぞれ電気的に接続され、少なくとも交流インピーダンス測定（電気化学インピーダンス測定）を行う測定機能部を備える。当該測定機能部は、回路またはプログラムで構成され、２つの金属１１ａ，１１ｂ間に電圧または電流を交流で印加してインピーダンスを測定する機能部である。
【００３０】
計算部３は、測定部２に電気ケーブル５を介して接続されており、測定部２から出力された測定結果の電気的応答データを記録する機能と、当該電気的応答データを用いて、所定の等価回路に基づき、分極抵抗および溶液抵抗をそれぞれ算出する機能と、当該分極抵抗および当該溶液抵抗の各逆数から土壌中での金属の腐食速度および土壌含水率をそれぞれ算出する機能と、記録した電気的応答データおよび算出した算出結果をモニタに表示する機能と、を備える。
【００３１】
次に、センサ部１の構成および機能について具体的に説明する。
【００３２】
本実施の形態に係るセンサ部１は、前述した通り、同種の２つの金属１１ａ，１１ｂを備える。当該２つの金属の種類は、特に制限しないが、土壌中の腐食速度を求めたい材料とすることが好ましい。例えば、一般的な構造用鋼材であるＳＳ４００、ＳＰＨＣ、ダクタイル鋳鉄材、ステンレス鋼などを用いる。本実施の形態において、当該２つの金属１１ａ，１１ｂは、それぞれ腐食対象の金属として機能することとなる。
【００３３】
また、センサ部１が備える同種の２つの金属１１ａ，１１ｂは、それぞれが電気的に絶縁を保つように配置されている。これは、本実施の形態では、分極抵抗を、２つの電極を用いた交流インピーダンス法によって測定するためである。すなわち、本実施の形態において、センサ部１が備える２つの金属１１ａ，１１ｂは、それぞれ、腐食対象の金属として機能するとともに、交流インピーダンス測定用の電極として機能することとなる。
【００３４】
ここで、本実施の形態に係るセンサ部１において、同種である２つの金属１１ａ，１１ｂのそれぞれの形状や、当該２つの金属１１ａ，１１ｂの形状のうち土壌へ露出した部分の形状も特に制限しない。例えば、当該２つの金属の形状を互いに同一又は異にして立方体、円柱体としてもよい。また、例えば、土壌へ露出した露出部分の形状をそれぞれ平面としてもよい。これは、図２に示すように、例えば、一定の板厚を有する金属板を筐体１２の絶縁樹脂中に埋没させ、露出する部分の表面を研磨することで露出面を平面加工することで実現する。露出面が平面であれば金属の露出面積を規定しやすくなり、分極抵抗および溶液抵抗の算出が容易になる。また、２つの金属の腐食が経時的に進行しても常に一定面積が露出するので、計算上の取り扱いが容易になる。さらに、２つの金属の露出面積を互いに同じにすれば、分極抵抗および溶液抵抗の算出もより容易になる。
【００３５】
また、本実施の形態に係るセンサ部１において、同種である２つの金属１１ａ，１１ｂの露出部分の配置も特に制限しない。例えば図３に示すように、互いの露出部分を平面とした場合において、所定の間隔を空けて互いの露出面を向い合せに配置することも考えられる。ただし、この配置では、２つの露出面で挟まれた空間に存在する土壌中の鉄イオンや鉄の酸化物濃度の増加が速く、この作用が金属の腐食速度に影響する可能性がある。これは、土壌中での溶出イオンや酸化物の拡散は水溶液中と比べてそれほど大きくないためである。つまり、２つの露出面で挟まれた空間に存在する土壌中において、腐食の進行に伴い溶出した鉄イオンや鉄の酸化物濃度が増加すると、腐食による鉄の溶出反応が制限され、本来求めたい腐食速度とは異なる結果が得られてしまう。
【００３６】
そこで、例えば図４に示すように、２つの金属１１ａ，１１ｂの各露出面が同一平面上になるように配置してもよい。つまり、図４（ｂ）に示すように、金属１１ａと金属１１ｂの２つの露出面がｘ−ｙ平面に存在するように形成する。これにより、露出面上に存在する土壌中において、金属の腐食反応に伴う鉄イオンや鉄の酸化物濃度の上昇を自然環境中で金属が腐食する際と近い状態に留めることができる。
【００３７】
さらに、本実施の形態に係るセンサ部１において、同種である２つの金属１１ａ，１１ｂの各露出面の形状も特に制限しない。例えば、一方の露出面の外周のうち少なくとも一辺が、他方の露出面の外周のうち少なくとも一辺と互いに平行なるよう配置されていてもよい。例えば図５に示すように、互いの露出面の形状をそれぞれ同じ長方形として配置する方法がある。このように配置することで、金属同士（＝電極間）の距離を一定に保つことができ、交流インピーダンス測定時において、露出面のある領域に局所的に電流が集中することを防ぐことができる。なお、露出面が長方形の場合、横辺ａよりも縦辺ｂの長さを長くした形状にすることが好ましい。その他、図６に示すように、ドーナツ型の２つの金属を同心円状に連ねた形状としてもよい。
【００３８】
また、本実施の形態に係るセンサ部１の同種である２つの金属１１ａ，１１ｂは、前述の通り電極として機能し、これら２つの電極は互いに電気的に絶縁が保たれた状態で配置されている。例えば、当該２つの金属を所定の間隔で配置した後、露出面以外をすべて絶縁性の材料で固定してもよい。例えば、アクリルやポリエチレンなどで固定してもよい。ここで、センサ部１は土壌に埋設するので、例えば図７に示すように、筐体１２の側面に２つの金属１１ａ，１１ｂを埋没または表面に張り付け、埋設する先端部分を鋭利な板状構造にすることで、土壌に埋設する際の作業性を改善することができる。なお、先端を鋭利な形状にするのは土壌に埋設する際の利便性のためであり、２つの金属１１ａ，１１ｂの各端部を併せて尖らせる必要はない。ただし、本実施の形態では、センサ部１の形状も特に制限するものではない。
【００３９】
次に、測定部２の機能について具体的に説明する。
【００４０】
本実施の形態に係る測定部２は、前述した通り、少なくとも交流インピーダンス測定を行う測定機能部を備える。測定部２が備えるべき当該測定機能部は、特に制限はしないが、少なくとも、例えば、センサ部１の備える同種の２つの金属１１ａ，１１ｂ間に±５ｍＶ程度の交流電圧を印加し、当該２つの金属１１ａ，１１ｂ間（＝電極間）に流れる電流値やインピーダンスなどの応答を測定できることが好ましい。また、交流電圧の周波数幅も特に制限しないが、溶液抵抗および分極抵抗を測定するため、例えば０．１Ｈｚ〜５００ｋＨｚ程度の幅で周波数を変化させられることが好ましい。また、センサ部１と測定部２は、前述した通り、センサ部１が備える同種の２つの金属１１ａ，１１ｂにそれぞれ接続された導線４ａ，４ｂを介して電気的に接続されている。当該電気的な接続方法は、特に制限しないが、簡単にはそれぞれリード線で接続するのがよい。
【００４１】
次に、計算部３の機能について具体的に説明する。
【００４２】
本実施の形態に係る計算部３は、測定部２から出力された測定結果の電気的応答データを用いて、所定の等価回路に基づき分極抵抗および溶液抵抗を算出し、当該分極抵抗および溶液抵抗の各逆数から腐食速度および土壌含水率をそれぞれ算出して、表示および記録する機能を備える。なお、計算部３は、分極抵抗、溶液抵抗、腐食速度、土壌含水率のうち、少なくとも１つ以上を表示、記録してもよい。計算部３は、演算、記録、表示などの処理を行う装置であればよく、例えば、パソコン、サーバなどを利用できる。
【００４３】
次に、本実施の形態に係る測定装置で行う土壌含水率および金属の腐食速度の測定方法について説明する。本実施の形態に係る測定手順を図８に示す。
【００４４】
まず、ステップＳ１において、センサ部１を土壌中に設置する。土壌は、自然環境中のものであっても、人工的に作り出した環境であってもよく、求めたい土壌含水率や金属の腐食速度が得られる環境中に埋設する。このとき、センサ部１の設置の仕方は、なるべく全ての測定で統一するのがよい。例えば、前回の測定でセンサ部１の露出面を重力方向の下側に向けて設置したのであれば、土壌環境を変えた場合であっても前回と同様にセンサ部１の露出面を重力方向の下側に向けて設置して、それぞれの測定で得られた結果を比較することが好ましい。
【００４５】
次に、ステップＳ２において、測定部２は、当該測定部２の備える交流インピーダンスを行う測定機能部を用いて、センサ部１の備える同種の２つの金属１１ａ，１１ｂ間に微小電圧または微小電流を交流で印加する。印加する電圧または電流幅は特に制限しないが、２つの金属１１ａ，１１ｂの露出面の表面の形状を測定の影響でなるべく変化させないように微小にするのがよい。例えば±５ｍＶ程度でもよい。測定部２は、印加する微小電圧または微小電流の交流周波数を変えながら電気的応答を測定し、測定した電気的応答データを計算部３に入力する。なお、交流周波数の幅は、求める溶液抵抗および分極抵抗を算出し得る範囲であればよく、例えば０．１Ｈｚ〜５００ｋＨｚの幅で変化させればよい。
【００４６】
次に、ステップＳ３において、計算部３は、測定部２からセンサ部１へ印加した微小電圧または微小電流による電気的応答データをもとに、所定の等価回路に基づいて分極抵抗および溶液抵抗に相当する値を算出する。なお、電気的応答データには、電圧値、電流値、インピーダンス値などが含まれる。
【００４７】
具体的には、計算部３は、測定部２からのインピーダンス値を複素平面にプロットしてカーブフィッティングすること、つまり、インピーダンスの軌跡を描くことで図９に示すようなＮｙｑｕｉｓｔ線図を取得する。印加する微小電圧または微小電流の交流周波数を変えながら電気的応答を測定し、交流周波数の幅を上述した所定幅で変化させたときのインピーダンス変化から、図９に示したようなＮｙｑｕｉｓｔ線図を得ることができる。図９に示した実線の曲線は、実際に測定した際に描かれる測定結果であり、この曲線から、所定の等価回路に基づいて分極抵抗および溶液抵抗を取得する。
【００４８】
このとき、本実施の形態では、図１０に示す等価回路を用いる。当該等価回路は、土壌中における２つの金属１１ａ，１１ｂの腐食反応に対する各抵抗をそれぞれ表す２つの分極抵抗Ｒｐと、当該２つの金属１１ａ，１１ｂと土壌の界面にそれぞれ存在する２つの電気二重層容量Ｃｄｌと、当該２つの金属１１ａ，１１ｂの陽イオンが土壌中で移動する際に受ける抵抗を表す溶液抵抗Ｒｓ（＝土壌中の溶液抵抗）と、土壌中に形成される土壌容量Ｃｓ（＝土壌中の容量成分）とで構成され、分極抵抗Ｒｐと電気二重層容量Ｃｄｌからなる２つの並列回路と、土壌中の溶液抵抗Ｒｓとを直列接続し、かつ、その直列回路の両端に土壌容量Ｃｓを並列接続した回路である。
【００４９】
図９に示した測定結果を図１０に示す等価回路で解釈して理論的にカーブフィッティングすることで、溶液抵抗および分極抵抗を算出することができる。具体的には、図１０に示した等価回路を用いる場合、図９に示した高周波側（５００ｋＨｚ程度）の半円と実軸上とが交わる幅Ａより溶液抵抗Ｒｓを得ることができ、また、低周波側（０．１Ｈｚ程度）の半円と実軸上とが交わる幅Ｂより分極抵抗Ｒｐを得ることができる。ただし、幅Ｂは、求める分極抵抗Ｒｐの２倍値になると考えられる。
【００５０】
なお、カーブフィッティングする際、図１０に示した等価回路の電気二重層容量Ｃｄｌおよび土壌容量ＣｓをＣＰＥ（Constant Phase Element）に置き換えてもよい。また、補足しておくが、図１０に示した等価回路の電気二重層容量Ｃｄｌおよび土壌容量Ｃｓについても、電気化学インピーダンス測定法に基づき、図９に示した測定結果の円弧に含まれる情報から算出することができる。
【００５１】
最後に、図８に示したステップＳ４において、計算部３は、算出した溶液抵抗Ｒｓおよび分極抵抗Ｒｐの各逆数から、土壌含水率および金属の腐食速度の情報を同時に算出する。
【００５２】
ここで、土壌含水率が溶液抵抗Ｒｓの逆数に比例することが知られている（非特許文献４）。ただし、比例係数は、土壌中溶液のイオン濃度などによって異なる。そこで、本実施の形態では、次の方法で土壌含水率を算出する。図１１に示すように、土壌中の溶液抵抗Ｒｓの逆数（＝１／Ｒｓ）を横軸にとり、土壌含水率を縦軸にとると、これらは比例関係を示す。それゆえ、例えば、測定したい環境の土壌を用いて予め土壌含水率と１／Ｒｓの関係を導いておき、これまでに説明した測定方法で得られた溶液抵抗Ｒｓの値から土壌含水率を測定する。これにより、土壌含水率を容易に測定することが可能である。
【００５３】
また、土壌含水率と１／Ｒｓの関係式を予め得られなくても、土壌含水率を推定することは可能である。例えば、土壌含水率は、降雨などによって上昇し、その値には上限があると考えられる。これは、土壌中の水は土粒子によって作られた間隙中を満たすものであり、間隙率が水の含水率の上限と言えるからである。そこで、例えば、降雨などで土壌含水率が充分に上昇したときの最大値（１／Ｒｓ）を水の含水率の上限と捉え、例えばこれを間隙中の含水率１００％とすると、図１１を流用して大凡の含水率を推定することができる。ただし、この方法で推定される含水率は、間隙中を占める水の割合である。もし土壌含水率の正確な値を必要とする場合は、土壌の乾燥密度と湿潤密度から空隙率を算出しておくのが好ましい。
【００５４】
一方、金属の腐食速度については、次の方法で求める。分極抵抗Ｒｐの逆数と金属の腐食速度は、比例関係にあることが知られている（非特許文献５）。このときの比例定数のＫ値は、実験で求めることができる。そこで、実験室内で対象とする土壌中における金属のアノード分極およびカソード分極試験の結果をもとに予めＫ値を求めておき、それを使用することが好ましい。Ｋ値を用いることで、分極抵抗Ｒｐの逆数から腐食電流密度を算出することができる。この腐食電流密度がすなわち腐食速度であるが、例えば当該腐食速度から重量減肉速度および体積減肉速度を算出してもよい。
【００５５】
ここまで、土壌含水率および金属の腐食速度の測定方法について説明した。当該測定方法を所定の時間間隔で所定の回数だけ繰り返すことにより、降雨などで経時的に変化する土壌含水率とその瞬間の腐食速度をモニタリングすることが可能となる。当該時間間隔および当該繰り返し回数は、特に制限しない。求めたい土壌含水率と腐食速度の関係性が充分に判断できる程度に行うのがよい。
【００５６】
以上より、本実施の形態によれば、腐食対象の金属かつ測定用の電極として機能する２つの金属１１ａ，１１ｂからなる簡易な構成で１つのセンサ部１を構成し、当該２つの金属１１ａ，１１ｂを用いて交流インピーダンス測定を行い分極抵抗と溶液抵抗を算出し、当該分極抵抗と当該溶液抵抗の各逆数から土壌内での金属の腐食速度と土壌含水率をそれぞれ算出するという簡易な手法を採るので、土壌含水率および土壌中での金属の腐食速度を簡便に一度に測定することができ、その測定を行う測定装置とその測定方法を提供することができる。
【００５７】
また、本実施の形態によれば、土壌容量Ｃｓを含む等価回路であって、具体的には、土壌中における２つの金属１１ａ，１１ｂの腐食反応に対する各抵抗をそれぞれ表す２つの分極抵抗Ｒｐと、当該２つの金属１１ａ，１１ｂと土壌の界面にそれぞれ存在する２つの電気二重層容量Ｃｄｌと、当該２つの金属１１ａ，１１ｂの陽イオンが土壌中で移動する際に受ける抵抗を表す溶液抵抗Ｒｓと、土壌中に形成される土壌容量Ｃｓとで構成された等価回路を用いるので、土壌環境における土壌含水率および土壌中での金属の腐食速度を適切に測定することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１…センサ部
１１ａ，１１ｂ…金属
１２…筐体
２…測定部
３…計算部
４ａ，４ｂ…導線
５…電気ケーブル
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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