(57)【要約】【課題】迅速かつ正確に培地中の水分率を計測することができる水分率センサーと、この水分率センサーを利用して、培養液の冗費が少なく、植物の生育に好適な環境を作ることができる培養液給液装置を提供すること。【解決手段】発振器１２から発生した高周波を、同軸線１０を通して培地中に挿入した金属ロッド９から培地５中に加え、同軸線１０上の進行波と培地５中からの反射波とにより同軸線１０上に発生した合成干渉波の電圧値に基づいて培地５中の水分率を計測する水分率センサー２において、発振器１２と同軸線１０のインピーダンスを不整合とし、水分率センサー２の計測水分率値に対する培地５中の塩分の影響を低減した。培養液給液装置は、培地に設置した水分率センサー２によってリアルタイムで計測した培地中の計測水分率値と、予め入力された目標水分率値とを比較して培養液を供給する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振器から発生した高周波を、同軸線を通して培地中に挿入した金属ロッドから培地中に加え、同軸線上の進行波と培地中からの反射波とにより同軸線上に発生した合成干渉波の電圧値に基づいて培地中の水分率を計測する水分率センサーにおいて、発振器と同軸線のインピーダンスを不整合とし、水分率センサーの計測水分率値に対する培地中の塩分の影響を低減したことを特徴とする水分率センサー。
【請求項２】
合成干渉波の電圧値を検出するための検波ダイオードを有する検波回路と、検波ダイオードと同一の特性を持つ補償ダイオードを有する補償回路とを設け、検波ダイオード及び補償ダイオードには同一の一定電流を流し、周囲温度の変化による検波ダイオードの出力の変化を補償ダイオードの出力により補償すするようにした請求項１に記載の水分率センサー。
【請求項３】
複数の金属ロッドを有し、各金属ロッド間の間隔を培地中のレキ等の塊状物の粒径よりも大きくした請求項１又は２に記載の水分率センサー。
【請求項４】
請求項１、２又は３に記載の水分率センサーと、培地に培養液を供給する給液手段と、培地に給液した培養液の給液量を計測する手段と、前記給液手段の給液動作を制御する給液制御手段と有する培養液給液装置であって、
前記給液制御手段は、培地に設置した前記水分率センサーによってリアルタイムで計測した培地中の計測水分率値と、予め入力された目標水分率値とを比較して前記給液手段を作動させる培養液給液装置。
【請求項５】
前記給液制御手段は、予め入力された、前記水分率センサーによる計測水分率値と培養液の電気伝導度との関係から、前記水分率センサーによる計測水分率値を補正する請求項４に記載の培養液給液装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、植物を栽培する培地への培養液の給液制御において、培地中の水分率を計測するための水分率センサー、及び計測した水分率値に基づいて培地の水分率管理を行うための培養液給液装置に関するものである。なお、本明細書において、培地とは土壌を含めレキ耕に用いられる細粒ボラ、砂、レキ等の固形の培地全体を指す。
【０００２】
【従来の技術】
養液栽培において植物を栽培するに当たって、植物が植え付けられている培地の水分管理は極めて重要である。
【０００３】
通常、養液栽培における給液制御はタイマーを用いた時間制御で行われている。ただし、タイマーによる給液制御では、植物にとって水分が必要なときの制御ではないため、晴天時の高温下では水分が不足の状態になり、雨天・曇天時には過剰な給液となる。培地を通過した過剰の培養液は肥料の冗費であり、培地を通過した過剰の培養液は地下へ浸透するので、窒素、リン分の多い培養液の地下への浸透は地下水汚染等の環境破壊につながる恐れがある。また、農業従事者の経験と勘により栽培環境の状態を観察して潅水を行う場合もある。この場合、たとえ最適な潅水量が得られたとしても、かなりの熟練を要し誰でもがすぐにその方法を活用できるものではない。
【０００４】
培地中の水分率の計測方法としては、テンシオメータ法、電気抵抗法、熱伝導測定法、及び土壌の誘電特性を測定する方法がある。テンシオメータ法は、土壌中の水分を多孔質セラミックスを通して測定する水の浸透圧を利用した方法である。この方法を用いた水分率センサーや給液装置については、特開平４−６３５２４号公報、及び特開平９−１２１６９９号公報に記載があるが、この方法は、古くから使われているものの反応速度が遅く、精密な給液制御には適さない。電気抵抗法は、培地の電気抵抗を測定して水分率を求める方法である。この方法を用いた水分率センサーや給液装置については、特開平２−４０５４９号公報、特開平２−１０９９１９号公報、特開平５−１９９８１９号公報、特開平９−１８９６９３号公報、特開２０００−１０３８１４号公報、及び特開２００１−２１１７６８号公報に記載がある。この方法は、簡便であるが、培地中に蓄積された塩分の影響を非常に受けやすく、また、温度による影響も大きいので精密な給液制御には適さない。熱伝導測定法は、水分を含む培地中の熱の伝達速度から水分率を求める方法である。この方法を用いた水分率センサーや給液装置については、特開平４−２４０５４８号公報、特開平９−１４９７３７号公報、及び特開平１１−２８１６０１号公報に記載がある。この方法は、周辺温度の影響を受けやすいので精密な給液制御には適さない。土壌の誘電特性を測定する方法は、培地中の水分率による培地の誘電率の変化から水分率を求める方法である。この方法を用いた水分率センサーや給液装置については、特開平２−２３８３５３号公報、特開平６−７０６５２号公報、及び特開平９−１９６８６４号公報に記載がある。この方法は、測定時間は短時間であるが、周辺温度及び培地中の塩分の影響を受けるので精密な給液制御には適さない。以上のように、前述の各計測方法では迅速で精度の高い給液制御を行うことはできない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、迅速かつ正確に培地中の水分率を計測することができる水分率センサーと、この水分率センサーを利用して、培養液の冗費が少なく、植物の生育に好適な環境を作ることができる培養液給液装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の水分率センサーは、土壌の誘電特性を測定する方法による従来の水分率センサーを改良したもので、同方法による従来の水分率センサーでは、電気回路を設計する際の技術常識に基づいて発振器と同軸線のインピーダンスを整合させるようにしていたのに対し、本発明は、発振器と同軸線のインピーダンスを整合させないようにすると、計測水分率値に対する培地中の塩分の影響を低減できるという新しい知見に基づいて完成されたものである。
【０００７】
すなわち、本発明の水分率センサーは、発振器から発生した高周波を、同軸線を通して培地中に挿入した金属ロッドから培地中に加え、同軸線上の進行波と培地中からの反射波とにより同軸線上に発生した合成干渉波の電圧値に基づいて培地中の水分率を計測する水分率センサーにおいて、発振器と同軸線のインピーダンスを不整合とし、水分率センサーの計測水分率値に対する培地中の塩分の影響を低減したことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の水分率センサーでは、周囲温度の変化による計測水分率値の変化を低減するために、合成干渉波の電圧値を検出するための検波ダイオードを有する検波回路と、検波ダイオードと同一の特性を持つ補償ダイオードを有する補償回路とを設け、検波ダイオード及び補償ダイオードには同一の一定電流を流し、周囲温度の変化による検波ダイオードの出力の変化を補償ダイオードの出力により補償すするようにすることもできる。
【０００９】
さらに、本発明の水分率センサーでは、そのセンサー部となる金属ロッドを複数接続する場合、レキ等の粒径の大きい培地にも適用できるように、各金属ロッド間の間隔を培地中のレキ等の塊状物の粒径よりも大きく設定することもできる。
【００１０】
以上の水分率センサーを利用した本発明の培養液給液装置は、前記水分率センサーと、培地に培養液を供給する給液手段と、培地に給液した培養液の給液量を計測する手段と、前記給液手段の給液動作を制御する給液制御手段と有する培養液給液装置であって、前記給液制御手段は、培地に設置した前記水分率センサーによってリアルタイムで計測した培地中の計測水分率値と、予め入力された目標水分率値とを比較して前記給液手段を作動させることを特徴とする。また、前記給液制御手段は、予め入力された、前記水分率センサーによる計測水分率値と培養液の電気伝導度との関係から、前記水分率センサーによる計測水分率値を補正し、計測水分率値に対する培養液の電気伝導度すなわち培地中の塩分濃度の影響を補正した計測水分値を出力することもできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づき説明する。図１は、本発明に係る培養液給液装置の実施例を示す概略構成図である。図２は、本発明に係る水分率センサーの回路構成図である。
【００１２】
本発明に係る培養液給液装置は、図１に示すように、給液制御手段としての給液制御装置１、水分率センサー２、給液手段としての給液ポンプ３、及び給液量を計測する手段としての流量計４から構成される。給液制御は、予め給液制御装置１に制御目標値である目標水分率値を入力しておき、水分率センサー２で計測した計測水分率値と目標水分率値とを比較し、計測水分率値が予め入力した目標水分率値より低下した場合、給液制御装置１から給液ポンプ３へ制御信号を出し、給液ポンプ３を作動させて、培養液タンク８内の培養液を給液管７を通して栽培ベッド６内の培地５へ供給する。給液ポンプ３を作動させて給液した培養液量は流量計４により計測され、給液制御装置１のモニターに表示される。実施例では、給液制御装置１に予め入力する目標水分率値と同時に、目標水分率値の許容幅、給液ポンプ３の作動時間及び給液周期を入力できるようにして、給液制御時に給液ポンプ３の過度のチャタリングを防ぐようにした。培地の水分率は複数の水分率センサー２を用いて計測し、平均値を目標水分率値と比較するようにした。また、給液制御装置１から給液ポンプ３へ作動信号が出ても、一定時間、流量計４が培養液の供給を感知しない場合、給液ポンプ３の空転等による異常が考えられる。そのような場合に、給液ポンプ３の破損を防ぐため、給液制御装置１から給液ポンプ３へ作動信号が出ても、一定時間、流量計４が培養液の供給を感知しない場合、一定時間後、給液制御装置１から給液ポンプ３の作動を強制的に中止する信号を発するとともに、警報を発するようにした。
【００１３】
さらに給液制御装置１には、予め水分率センサー２による計測水分率値に対する培養液の電気伝導度（ＥＣ）の影響を示す相関特性を入力しておき、作業者が給液する培養液の電気伝導度（ＥＣ）を入力すれば、相関特性に基づき、水分率センサー２が計測した計測水分率値に補正をかけることができるようにした。補正後の計測水分率値は、給液制御装置１のモニターに表示される。
【００１４】
水分率センサー２は、図２に示すように、金属ロッド９、同軸線１０、インピーダンス調整回路１１、発振器１２、検波器１３、補償回路２０、及び変換器１８から構成される。検波器１３及び補償回路２０はダイオード１４，１６と定電流回路１５，１７から構成されている。金属ロッド９は、培地中に挿入して設置される。実施例では、一つの水分率センサー２に３本の金属ロッド９を接続したが、各金属ロッド９間の間隔を粒径が大きいレキよりも広くして、レキ等の粒径の大きい培地にも適用できるようにした。また、各金属ロッド９の先端は、培地に挿入し易いように鋭くした。
【００１５】
発振器１２から高周波が、インピーダンス調整回路１１を介して同軸線１０及び金属ロッド９に向けて発振される。インピーダンス調整回路１１は、発振器１２と、金属ロッド９及び同軸線１０との合成インピーダンスを調整のための回路である。インピーダンス調整回路１１により、発振器１２から発振された高周波が効率よく同軸線１０及び金属ロッド９に伝達される。金属ロッド９から発振された高周波は、金属ロッド９が培地５に接触していることにより吸収・反射が起こる。特に培地５中に含有する水分により吸収・反射の度合いが大きく影響される。この時、同軸線１０の長さを発振器１２の高周波の波長に合わせて調整することで、同軸線１０上に、同軸線１０上の進行波と培地５から金属ロッド９を経由して戻ってくる反射波との合成干渉波ができる。この合成干渉波の電圧レベルを検出することで培地５中の水分率の変化が測定できる。その原理は、例えばＴｒａｎｓ．ｏｆ　ＪＳＩＤＲＥ（農業土木学会論文集）Ｎｏ．１８２，ｐｐ．２５〜３０（１９９６．４）に記載されており、培地中の水分率が高くなると合成干渉波の電圧レベルも高くなるという関係になる。
【００１６】
従来の土壌の誘電特性を測定する方法では、前述のとおり、培地５中に蓄積する塩分が計測水分率値に大きな影響を及ぼすが、本発明では、同軸線１０とインピーダンス調整回路１１の特性を調整することにより、発振器１２と同軸線１０とのインピーダンスを不整合とし、同軸線１０上とインピーダンス調整回路１１上で進行波と反射波との乱反射を起こさせた。これにより、培地５中に蓄積する塩分の影響を低減できることが実験的に確認できた。
【００１７】
合成干渉波の電圧レベルを検出するために、検波器１３は高周波を整流して直流レベルに変換する。検波器１３に使用している検波ダイオード１４は、温度及び通過電流により特性が変化するので補償回路２０が必要となる。検波ダイオード１４に流れる電流は、定電流回路１５により固定している。また、補償回路２０に使用する補償ダイオード１６に流れる電流も同様の定電流回路１７により固定している。この時、検波ダイオード１４と補償ダイオード１６に同一の特性を持つダイオード素子を用いて検波ダイオード１４の損失分を補償ダイオード１６の損失で補うことで、温度補償も可能にした。
【００１８】
図３には、培地中に蓄積した塩分濃度に対する本発明及び従来の土壌の誘電特性を測定する方法による水分率センサーの特性を示す。実験では、予め十分に水洗し、高温で乾燥した培地を冷却後、電気伝導度（ＥＣ）の異なる培養液を用いて、体積水分率が同じで異なる塩分濃度（ＥＣ値で表示）を有する培地サンプルを作成して、塩分濃度に対する水分率センサーの特性を測定した。図３に示すように、本発明の水分率センサーの塩分濃度に対する特性の近似線の傾きは１．５、従来の水分率センサーの傾きは１０であり、本発明の水分率センサーの塩分濃度に対する影響は非常に小さいことが分かる。また、この相関特性を、給液制御装置１内に予め記憶させておくことにより、給液制御装置１に給液する培養液の電気伝導度（ＥＣ値）を入力すれば、給液制御装置１にＥＣ値に基づいて補正した計測水分率値を表示できるようになる。
【００１９】
図４は、本発明の水分率センサーの温度特性図であり、水分率センサーの出力下限時（空気中）と出力上限時（水１００％）での温度特性を示している。出力下限を約１０ｍＶとし出力上限を約１０００ｍＶに調整して、０℃〜６０℃での出力の変化を測定した。図４に示すように、温室等での実用的な温度域では温度による影響は認められなかった。
【００２０】
図５は、本発明の培養液給液装置を用いたトマト栽培での培地中の水分率の推移と給液制御状況を示す図である。水分率センサーを２本設置し、供試品種として桃太郎ヨークを用いて目標水分率値３０ｖｏｌ％で給液制御を行った。日中に、培地中の水分率の低下が認められ、それに追随して給液制御が行われたことが分かる。
【００２１】
表１に本発明による培養液給液装置を用いてトマト栽培を行った時の株・日あたりの給液量と排液量を示す。比較データとして従来の培養液給液装置（タイマー制御方式）によるトマト栽培での株・日あたりの給液量と排液量を示す。
【００２２】
【表１】
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表１に示すように、本発明による培養液給液装置を使用することにより、給液量の節減及び培地からの排液量すなわち肥料の冗費を低減することができた。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の水分率センサーでは、同軸線上の進行波と培地中からの反射波とにより同軸線上に発生した合成干渉波の電圧値に基づいて培地中の水分率を計測するのでリアルタイムで培地中の水分率を計測することができ、また、発振器と同軸線のインピーダンスを不整合としたことにより、水分率センサーによる計測水分率値に対する培地中の塩分の影響を低減することができる。さらに合成干渉波の電圧値を検出するための検波回路に補償回路を接続すれば、温度変化による影響も低減することができる。したがって、培地中に蓄積した塩分の影響や温室内の急激な温度変化による影響を受けずにリアルタイムで水分率が測定できる。また、水分率センサーのセンサー部となる金属ロッドを複数接続する場合、各金属ロッド間の間隔を培地中のレキ等の塊状物の粒径よりも大きくすれば、レキ等の粒径の大きい培地にも適用範囲を拡げることができる。
【００２４】
本発明の培養液給液装置では、給液制御装置に予め目標水分率値を入力しておき、水分率センサーにより計測した培地の計測水分率値と比較して給液手段を作動させることにより、常に培地が植物の生育に好適な水分状態になるように管理できる。
【００２５】
本発明の培養液給液装置を使用して培養液栽培を行うことにより、従来の時間制御による給液方法に比べて、曇天・雨天時等の培養液の冗費を削減できる。また、従来では農業従事熟練者の経験によるところが大であった適時の給液に関しても、本発明の培養液給液装置では培地中の水分率を数値で示すことができるので、熟練者の経験を未習熟者でも活用することができる。
【００２６】
さらに、数値化された給液管理と収穫物の品質とを関連づけることにより、目標とする作物品質を得る指標とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る培養液給液装置の実施例を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る水分率センサーの回路構成図である。
【図３】培地中に蓄積した塩分濃度に対する本発明及び従来の土壌の誘電特性を測定する方法による水分率センサーの特性を示す図である。
【図４】本発明の水分率センサーの温度特性図である。
【図５】本発明の培養液給液装置を用いたトマト栽培での培地中の水分率の推移と給液制御状況を示す図である。
【符号の説明】
１　給液制御装置
２　水分率センサー
３　給液ポンプ
４　流量計
５　培地
６　栽培ベッド
７　給液管
８　培養液タンク
９　金属ロッド
１０　同軸線
１１　インピーダンス調整回路
１２　発振器
１３　検波器
１４　検波ダイオード
１５　定電流回路
１６　補償ダイオード
１７　定電流回路
１８　変換器
１９　センサー出力
２０　補償回路
【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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