デジタルTDTセンサー実践活用
発表のアウトライン
Practical application of digital time domaintransmission sensors● 1. 野外の多点計測に適したセンサーとは？
● 2. 時間領域透過法(TDT)の仕組み

佐賀大学農学部 宮本英揮

● 3. デジタルTDTセンサーの性能● 4. デジタルTDTセンサーの適⽤事例

取り扱いが簡単で，しかも頑丈で安価。
おまけに，TDRなみの性能を持つ！
そんなすごいセンサーはないだろうか？

● 5. まとめ

1. 野外の多点計測に適したセンサーとは？
土壌水分の影響

測定深度や空間スケールの異なる⼟壌⽔分計測
農業生産
リモートセンシング

土壌水分陸域⽣態系

COSMOS

地中レーダー

気候システム

土壌水分センサー
⼟壌物理の⼗⼋番

2大・土壌水分計測法

野外研究に使うためには，，，Decagon社・ECH2Oプローブ ◎ 周辺機器や適⽤事例が豊富◎ 使い易く，安価である＊ EC・温度依存性，⼟壌ごとの校正

Decagon社HPより転載
時間領域反射法(TDR)

センサーの特徴を理解すれば，誰もが簡単に利⽤できる国内普及率1位のセンサー！
◎ GHz帯の信号発信器を搭載◎ EC・温度の影響は軽微◎ Topp式の高い適合性

玄人も納得する
高い性能

簡単・安価
堅牢性
拡張性
安定性

＊ 高額機器，スキルが必要
機器が高額で，ユーザーには一定のスキルが要求されるが，玄人好みの測定法！

デジタルTDTセンサー

12. 時間領域透過法(TDT)の仕組み
TDTによる⽔分計測原理

時間領域透過法(TDT)の仕組み
Pulse generator
Step-pulse

Pulse generator

Step-pulse
or impulse

基準媒質 (εs)
eg
測定対象 (εm)
altoV

Lptt, sOscilloscope

Oscilloscope

Reflected signal

Transmitted signal

Soil

TDT probet t,s =t s +t stuff = ε s

Lpc+t stuff (1)c：光速， Lp：感知部⻑
測定対象媒質(tt,m)

tt, mt t,m =t m +t stuff(2)(1)，(2)式より

t m =t t, m −t t,s + ε s

伝播時間(tm) → ⾒かけの誘電率(εa)

(3)

LPc

 ct m  Lp 

2εa = → 体積含⽔率(θ)(4)

どちらが優れた手法なのか？ - TDR 対 TDT -TDTによるEC計測原理
低ECeg
altoV

ts ，tm基準媒質(tt,s)

伝播時間および⾒かけの誘電率の算出⽅法

Reflection
TDR probe

Time

全伝播時間
tstuff0.137 m②勾配最大点の勾配(SMax)

NaCl溶液信号発生器(18GHz)高周波用テストリード高EC

同期①振幅(V)TimeTDT センサー

①振幅に基づくEC計測法 (宮本ら，2013)
バルクECによって，透過信号の減衰量が異なる性質を利⽤する，従来

0.067 mSMA/BNC変換アダプタ
1.5 m

サンプリングオシロスコープのTDRと同⼀原理に基づく方法→ センサーが個性を有するため，センサーごとの校正が必要②勾配最大点の勾配(SMax)に基づくEC計測法
透過信号に含まれる⾼周波数成分の減衰量に基づく⽅法

TDRセンサー→ センサーの個性の影響が軽微で，校正の⼿間が省ける!?

TDR波形とTDT波形 (σw=19.9dS m-1)

性能比較実験
試料：豊浦砂溶液：蒸留⽔(0.0 dS m-1),
CaCl2 溶液(2.0，5.0，10.0，19.9 dS m-1)
測定項目：①TDT波形②TDR波形
③バルクEC (σ0)

TDR波形

TDT波形

2

⾒かけの誘電率(εa)と体積含⽔率(θ)との関係

TDR 対 TDT -EC計測-

θの測定精度

バルクECの測定精度

RMSE

RMSE

TDR：0.013 m3m-3

TDR：0.34 dS m-1TDT：0.017 m3m-3

TDT：0.33 dS m-1

高EC領域の測定限界
TDT > TDR

詳細はポスター「P01・上村ら」をご覧下さい

詳細はポスター「P02・上村ら」をご覧下さい

3. デジタルTDTセンサーの性能
市販の透過式センサー

TDR 対 TDTの比較実験のまとめ

10 cm○ 体積含⽔率(θ)・バルクECの測定精度： TDT ≒ TDR○ 高EC条件における適用限界：

自作のTDRセンサー

TDT ＞ TDRSCEME.DE○ 波形解析の容易さ：TDT >> TDR(解析エラーの発⽣頻度)

Acclima

結論：
TDRにない⻑所を，うまく検出できない！

TDTは持っている
A･R･P

インピーダンスの急変点

SDI-12プロトコルに対応したデジタルTDTセンサー
体積含水率
温度

⾒かけの誘電率
電気伝導度

ACC-SEN-SDI
約34,000円(税別)

計測に用いられるステップパルス信号
空気・蒸留⽔のTDT波形をコンピュータに取り込んで以下の手順で解析

コンピュータ

波形解析情報Time domain gating

体積含⽔率(θ)，温度⾒かけの誘電率(ε )，バルクEC(σ )○ 基本測定項目：

窓関数○ その他の特徴：

10個/ch接続可，約60mにケーブルを延⻑可，堅牢で安価，波形出⼒可，時間分解能は驚異の5ps，⾒かけの誘電率を出⼒，GHz帯の信号発信機能

A

波形解析情報(⽂字列)：最大勾配点の勾配(SMax)ほか

VTDT○ その他の測定項目：

Vaインターフェイス

Time

FFT
Time

Frequency

3信号のパワースペクトル

デジタルTDTセンサーを用いた水分・EC計測実験

TDTセンサー

4極ECセンサー
NaCl 溶液：0.1，5.0，10.0，19.9 dS m-1
空気および蒸留⽔(DW)中で測定したTDT波形から求めたパワー(A)スペクトル

積算排出⽔量 → 体積含⽔率(θ )，４極ECセンサー → バルクEC (σ0)
TDTセンサー → ⾒かけの誘電率(εTDT)，バルクEC(σ TDT)，最大勾配(SMax)

NaCl溶液の電気伝導度(σw)の異なる砂のTDT波形

体積含⽔率(θ)の異なる砂のTDT波形
σw = 0.1 dS m-1

最大勾配点(SMax)

伝播時間

5.0 (0.32)

VVθ = 0.06 m3 m-30.11

σw = 0.1 dS m-1(θ = 0.31 m3 m-3)

0.30

10.0 (0.31)

0.43

19.9 (0.33)

⾒かけの誘電率(εTDT)と体積含⽔率(θ)との関係
Topp equation

TDTセンサーで測定したバルクEC(σTDT)とθとの関係
σ0=1.45σwθ2 + 0.102θ

測定不可

0.1
5.0
10.0
19.9
(dS m-1)
RMSE = 0.028 m3 m-30.1
5.0
10.019.9(井上・塩沢, 1994)(dS m-1)
19.9 dS m-1

10.05.0

低バルクEC条件(低θ・低σw)では，ゼロとなる
0.14最大勾配値(SMax)とバルクEC(σ0)との関係修正値(σσ’0)とバルクEC(σ0)との関係

σw = -1.716ln(SMax)+10.95

σ0 = -0.9737 ln(SMax)+ 6.7008

NaCl溶液豊浦砂

Hilhorst(2000)モデルによる液相のECの推定
Hilhorst(2000)モデル

1:1 line

溶液電気伝導度(σσw)とその計算値(σw’)との関係
0.1
5.0
10.0
19.9

RMSE = 2.81 dS m-1(θ≤0.106 m3 m-3を除く)(dS m-1)

1:1線θ ≤ 0.106 m3 m-3

4. デジタルTDTセンサーの適⽤事例
性能評価実験のまとめ

事例①：諫早湾⼲拓地の⽔分・塩分濃度モニタリング○ 従来のTDRと同様に，体積含⽔率(θ)とバルクECを同時に測定できる。θ計測に対するECの 影響は認められない。
○ 低EC条件(低⽔分，低電解質濃度)におけるECの計測値はゼロとなるが，波形の最大勾配値(SMax)に基づいて修正可能である。
→ CR-Basicを利⽤して，ロガー内部で演算して出⼒可能！

COSMOS × TDTセンサー

⻑崎県農林技術開発センター○ 低水分条件を除けば，測定したθおよびバルクEC値に基づき，土中溶液のEC(σw)を推定可能である。
詳細はポスター「P04・平嶋ら」をご覧下さい

5

事例②：津波被災農地の水分・塩分モニタリング

事例③：重粘⼟SRI水田における⻲裂内⽔分計測
⾒かけの誘電率(εTDT)の経時変化(2015/07/10〜2015/08/10)

水分計測値がECの影響を受けないため，水分・ECの変化を捉えられた！

意図的に乾燥させて⻲裂形成を促すSRI農法

詳細はポスター「P41・徳本ら」をご覧下さい

5. まとめ事例④： TDTセンサネットワーク
TDTセンサーネットワークのイ
メージ図

デジタルTDTセンサーの⻑所○ 単一チャンネルに10個のセンサーを接続可能○ 測定精度を落とすことなく，約60mまでケーブルを延⻑可能○ 堅牢で安価，波形解析エラーは皆無○ 波形と波形の解析情報を出⼒できる → 独自の校正○ ケーブルテスターと同じGHz帯の信号 → θに及ぼすECの影響は軽微

1km以内○ ⾒かけの誘電率を計測できるので，過去30年のTDR研究において蓄積した知⾒(ε-θ関係)を，そのまま無駄なく活用できる(例) ・Topp et al.(1980)・⿊ボク⼟ (Miyamoto et al., 2001)

TDTセンサーとXbeeを活用すれば，水分・電気伝導度の時空間変動をリアルタイムで把握できる！

・誘電率混合モデル(Maxwell-De Loorモデル)
詳細はポスター「P10・國﨑ら」をご覧下さい

課題

新型「TDR-315」に関する情報○ 適⽤事例が少なく，情報が乏しい○ 低バルクEC条件における正確なEC計測には，測定対象土壌における校正(SMax-バルクEC関係)を⾏う必要がある→ 校正のノウハウや，代表的な土壌における情報を蓄積する必要がある○ 構造上の理由から，⼟を乱さずにセンサーを設置できない→ TDR-315を利⽤する！？

TDT波形

TDR波形

現在，センサー特性を評価中。。。。

クリマテックHPより転載

6

TDTは普及するか？

本研究は，以下の皆様のご助⼒のもと実施しました。
ここに記して，謝意を表します。

我が国ではTDTの適⽤事例が少ないものの，・かつてのTDRマニアが，TDTへ乗り換えている
・欧⽶では利⽤者急増中！
・我が国でも，口コミレベルで広がっている！
↓なぜか？

・M.Tuller先生(アリゾナ大学)，石川洋平先生(有明高専)，弓削こずえ先生(佐賀大学)，徳本家康先生(佐賀大学)

・S.Anderson氏(Acclima)，クリマテック株式会社，⻑崎県農林技術開発セン
ター・⼲拓営農研究部門

・上村将彰氏(⿅児島⼤学⼤学院,D1)，平嶋雄太氏(佐賀大学大学院，M1)，松本 薫氏(佐賀大学，B4)，中村 実津希氏(佐賀大学，B3)

その答えは，TDRなみの高い性能を持ち，しかも堅牢で安価。これらのことから，TDTセンサーは野外計測のための非常に強⼒な研究ツールになり得ると考えられ，今後の利⽤拡⼤が期待される

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