デジタル土壌物理性計測装置
【課題】 自然状態における構造を保持したままの土壌試料に係る物理量を高精度に計測する装置を提供する。
【解決手段】 デジタル土壌物理性計測装置１は、計測に必要な項目を入力する操作パネル３と、操作手順および計測結果を表示する表示部５と、計測する試料を入れる試料室１１と、計測に必要な電力の供給を受ける電源ソケット１３と、供給された電力を通電または遮断する電源スイッチ９と、計測データをデジタル出力する出力コネクタ１５と、計測制御プログラム１１５を入力する入力コネクタ１７と、これらを取り付けた筐体７で構成されている。
【解決手段】 デジタル土壌物理性計測装置１は、計測に必要な項目を入力する操作パネル３と、操作手順および計測結果を表示する表示部５と、計測する試料を入れる試料室１１と、計測に必要な電力の供給を受ける電源ソケット１３と、供給された電力を通電または遮断する電源スイッチ９と、計測データをデジタル出力する出力コネクタ１５と、計測制御プログラム１１５を入力する入力コネクタ１７と、これらを取り付けた筐体７で構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然状態における構造を保持したままの土壌試料を用いて、土壌の三相構造に係る物理量の計測をデジタルに変換して計測データを収集する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
土壌は、固相、液相および気相を構成成分とする三相系物質である。固相とは鉱物を主とする無機質と有機質から成り、液相および気相はそれぞれ土壌水分および土壌空気により構成されている。この固相・液相・気相のそれぞれが占める容積割合が土壌の三相分布である。土壌の肥沃度や作物の生育には、この土壌三相の適正な関係が決め手となり、三相分布状態を知ることが土壌診断の基本となっている。
【０００３】
自然状態における構造を保持したままの土壌試料の計測法として実容積計測法が用いられている。土壌の全容積と土壌三相の固相・液相・気相それぞれの容積は次の式に表わすことができる。
【０００４】
Ｖｔ＝Ｖｓ＋Ｖｌ＋Ｖａ
（Ｖｔ＝全容積、Ｖｓ＝固相、Ｖｌ＝液相、Ｖａ＝気相）
【０００５】
実容積計測法を用いて計測される実容積は土壌の固相容積と液相（水分）容積との和の容積量であり次の式に表わすことができる。
【０００６】
Ｖ＝Ｖｓ＋Ｖｌ
＝Ｖｔ−Ｖａ
（Ｖ＝実容積、Ｖｓ＝固相、Ｖｌ＝液相、Ｖｔ＝全容積、Ｖａ＝気相）
【０００７】
また、このとき、土壌の全重量と、土壌の三相の固相重量、液相（水分）重量、気相重量の関係は次の式に表わすことができる。
【０００８】
Ｗ＝Ｓ＋Ｍ＋Ａｗ
（Ｗ＝全重量、Ｓ＝固相重量、Ｍ＝液相（水分）重量、Ａｗ＝気相重量）
【０００９】
しかし、気相重量Ａｗは通常０とみなされるので、全重量は固相重量と液相（水分）重量との和となり次の式に表わすことができる。
【００１０】
Ｗ＝Ｓ＋Ｍ
（Ｗ＝全重量、Ｓ＝固相重量、Ｍ＝液相（水分重量））
【００１１】
実容積計測法では、計測する土壌の全重量と、実容積の計測を終えた試料を乾熱させて水分を除去し、それによって失われる重量を液相（水分）重量とする。このとき土壌水分の密度は１ｇ／ｃｍ３とし、土壌液相（水分）重量と液相（水分）容積とは等しい数値をもつとしている。したがって、土壌の固相容積は、実容積から液相（水分）容積を減じた容積量となり次の式に表わすことができる。
【００１２】
Ｖｓ＝Ｖ−Ｍ
（Ｖｓ＝固相容積、Ｖ＝実容積、Ｖｌ＝液相（水分）容積
【００１３】
つまり実容積計測法では、容量が既知の土壌採取容器で採取した土壌の実容積を計測すると、気相容積が求められる。そして、実容積の計測を終えた試料を乾熱させて水分を除去することで、固相容積と液相（水分）容積をもとめるこができる。
【００１４】
従来、土壌の三相（固相・液相・気相）それぞれの容積を計測しようとするときに、自然状態における土壌構造を保持したままの土壌試料の採取方法と、実容積を計測する計測方法が確立され広く用いられている。一般に農耕土壌の採取は１００ｍｌの金属製の円筒容器を用いて行われている。これは農業機械化研究所の考案に基づくもので、全容積１００ｍｌの大きさの容器を採用することは採取した土壌をそのまま実容積計測に用いることができるなど有利な点が多いからである。
【００１５】
ボイル−シャルル（Ｂｏｙｌｅ−Ｃｈａｒｅｌｅｓ）の法則によれば、温度が一定の場合にひとつの空気系において容積変化を生じたときに、それにともなう圧力変化について次の数式が成り立つ。
【００１６】
【数１】
【００１７】
この式は、はじめの圧力を一定（例えば大気圧）にし、さらに圧力変化量を一定にすれば、空気容積と容積変化量とが比例関係にあることを示している。土壌の実容積を求める計測器は、この原理を利用してはじめの圧力を一定にして、特定の目標圧力まで圧縮するときの容積変化量から実容積を求める方法を採用している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
自然状態における構造を保持したままの土壌試料に基づいて、土壌の三相に係る物理量の計測法として実容積計測法が広く用いられている。計測装置は土壌試料を入れる密閉容器に、エアーシリンダーを用いて目標圧力に達するまで圧縮操作をする。そのときのエアーシリンダーのピストン移動量から容積変化量を求めて実容積を計測している。このとき、エアーシリンダーで目標圧力まで圧縮操作するときに、土壌構造の特性から土壌粒子間にあるわずかな空気層、いわゆる土壌中の孔隙に加えられた圧力が定常状態になるまで密閉された容器の中で圧力変化に揺らぎが発生する。そのため、目標圧力に到達するまで一気に連続的に圧縮操作をすると計測精度に影響を与え正しい計測ができない。これを防ぐために、計測者は試料容器内の圧力計測値を見ながら、徐々に目標圧力に到達するまで圧縮操作をしなければならない。この一連の圧縮操作を手動で行っているため計測者による圧縮操作に個人差が生じて計測誤差の要因となっている。また、計測精度を高めるために同一試料を４〜５回程度計測してその平均値を求めて計測結果としているが、計測サンプル数が多くなると計測作業と計測値計算に多くの労力が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、このような従来の問題を解決しようとするためのもので、計測用試料室と前記試料室を加圧する加圧手段と前記試料室内の圧力を計測する圧力計測手段と、加圧に用いる空気の流量を計測する流量計測手段と前記加圧手段を駆動する加圧手段駆動装置と、前記試料室の内圧に基づいて前記加圧手段駆動装置を制御する制御装置を備え、試料室が目標圧力に達するまでの空気流量に基づいて試料室内の試料容積を計測する構造を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【００２０】
前記制御装置は、加圧手段駆動装置を高速から低速に変化するように制御する加圧速度調整手段を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【００２１】
前記加圧速度調整手段は、初期から一定の中間圧力までを加圧する第一速度と前記中間圧力から目標圧力までを加圧する第二速度で駆動装置を制御する手段を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【００２２】
前記制御装置は、途中で一時的に加圧を中断する加圧中断手段を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【００２３】
前記制御装置は、前記加圧中断中の圧力変化量に基づいて次への加圧に移行するか否かを判定する移行判定手段を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【００２４】
前記移行判定手段は、圧力低下を検出した場合に計測を中止する手段を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【００２５】
前記制御装置は、複数回の繰り返し計測の平均値を算出する平均値算出手段と計測値を保存する計測値保存手段を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【００２６】
前記制御装置は、前回の計測値と今回の計測値を比較してその差が一定の範囲内となるまで計測を繰り返す反復手段を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、試料室内の圧力を計測しながら目標圧力に達するまで加圧する一連の計測作業を全て自動化して制御するため、計測者の操作方法に個人差による計測誤差を防ぐことが可能となり計測精度が向上する。
【００２８】
また、試料室への加圧速度を自動制御することが可能である。これにより、試料容器内の圧力を計測しながら、目標圧力に到達する少し手前までは高速で加圧を行い、数秒間加圧を停止して圧力が定常状態になるのを確認してから徐々に目標圧力に到達するまで低速で圧縮を行うかあるいは、目標圧力に到達する少し手前までは高速で圧縮を行い、徐々に圧縮速度を減速させることで試料室内の圧力を定常状態近づけながら目標圧力に到達させることが可能である。この加圧速度の自動制御は計測精度の向上と計測時間の短縮につながる。
【００２９】
さらに、試料室内の圧力変化量に基づいて次への加圧に移行するか否かを判定する移行判定手段を備えることにより、計測装置あるいは計測手段の異常を自動で検出することが可能となり、計測を中止あるいは計測者に異常を知らせることができる。
【００３０】
また、自動で複数回の繰り返し計測をして、平均値を算出する平均値算出手段を備えることにより、計測値計算の時間を短縮することができる。さらに同一サンプルを複数回計測する時に、前回計測値と比較した値が一定範囲内であればさらなる計測を繰り返すことなく計測を自動判定して終了することで、計測精度を保ちながら計測時間を短縮することができる。
【００３１】
また、計測値保存手段を備えることにより計測した計測値をデジタルデータとして保存するとともにコンピュータに出力することができる。これによりデータ入力作業が軽減されるとともにデータ解析が容易に行えるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
実施形態の、デジタル土壌物理性計測装置１について図１から図３で説明する。デジタル土壌物理性計測装置１は、計測に必要な項目を入力する操作パネル３と、操作手順および計測結果を表示する表示部５と、計測する試料を入れる試料室１１と、計測に必要な電力の供給を受ける電源ソケット１３と、供給された電力を通電または遮断する電源スイッチ９と、計測データをデジタル出力する出力コネクタ１５と、計測制御プログラム１１５（図示省略）を入力する入力コネクタ１７と、これらを取り付けた筐体７で構成されている。
【００３３】
次に、デジタル土壌物理性計測装置１の筐体７の内部機構と接続状態について図４で説明する。筐体７の内部は、エアー出口２９を備えたエアーシリンダー２３と、エアーシリンダー２３内のエアー２５を加圧するピストン２７と、ピストン２７に取り付けたギヤ３３と、ギヤ３３を駆動する歯車３５を取り付けたモータ３７と、ピストン２７の初期位置を検知する原点センサ３９と、エアー２５の圧力を計測する圧力センサ３１と、エアーシリンダー２３と試料室１１へのエアー２５の出入りを開閉する電磁弁４１と、エアーシリンダー２３のエアー出口２９と試料室１１と圧力センサ３１と電磁弁４１とを接続する配管４３と、配管４３を分岐接続する継ぎ手４５と、モータ３７と原点センサ３９と圧力センサ３１と電磁弁４１と操作パネル３と表示部５と電源ソケット１３が配線４７で接続されている制御装置２１と、制御に必要な電力の供給を受ける電源ソケット１３と、供給する電力の電圧を制御装置２１用に変換するアダプター５５と、アダプター５５に接続する電源ケーブル５７とで構成されている。尚、制御に必要な電力の供給は制御装置２１の仕様に合致していれば何を用いても良いわけであり、例えば蓄電池５９を使用することもできる。さらに、制御装置２１はマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）４９と、計測制御プログラム１１５と計測データを有する記憶部（ＲＯＭ）５１と、設定した日付および時刻を電源が切られていても現在時刻を刻み続ける機能を有したリアルタイムクロック５３と、計測データを外部コンピュータ６１にデジタル出力する出力ケーブル６２を接続する出力コネクタ１５と、上位コンピュータ６３から計測制御プログラム１１５を入力する入力ケーブル６４接続する入力コネクタ１７を備えている。
【００３４】
次に、デジタル土壌物理性計測装置１の機能について図５で説明する。デジタル土壌物理性計測装置１は、計測用の試料室１１と、前記試料室１１を加圧す加圧手段６５と、前記試料室１１内の圧力を計測する圧力計測手段６７と、加圧に用いる空気の流量を計測する流量計測手段６９と、前記加圧手段６５を駆動する加圧手段駆動装置７１と、前記試料室１１の内圧に基づいて前記加圧手段駆動装置７１を制御する制御装置２１を備えている。
【００３５】
前記制御装置２１は、加圧手段駆動装置７１を高速から低速に変化するように制御する加圧速度調整手段１０１を備えている。
【００３６】
前記加圧速度調整手段１０１は、試料を入れた試料室１１を初期（大気圧）から一定の中間圧力（例えば３０ｋＰａ）までを加圧する第一速度と、前記中間圧力から目標圧力（例えば３６ｋＰａ）までを加圧する第二速度で駆動装置を制御する手段を備えている。第一速度に対して、第二速度は遅くなるように設定されている。
【００３７】
前記制御装置２１は、試料室１１内が初期から中間圧力に至る途中で一時的に加圧を中断する加圧中断手段１０３を備えている。
【００３８】
前記制御装置２１は、前記加圧中断中の試料室１１内の圧力変化量に基づいて次への加圧（中間圧力から目標圧力）に移行するか否かを判定する移行判定手段１０５を備えている。
【００３９】
前記移行判定手段１０５は、一定量以上の圧力低下を検出した場合に計測を中止する手段を備えている。また、一定量以上の圧力低下を検出しない場合、試料室１１内への加圧を再開する。具体的には、加圧手段６５により、試料室１１内を中間圧力から目標圧力まで加圧するように、加圧速度調整手段１０１により第二速度で加圧手段駆動装置７１を制御する。
【００４０】
前記制御装置２１は、試料室１１内の圧力が目標圧力に到達後、試料室１１内の圧力を複数回（例えば３回）繰り返して計測し、複数回の計測値から平均値を算出する平均値算出手段１０７と、個々の計測値をＲＡＭ（図示省略）の所定の記憶領域に保存する計測値保存手段１１３を備えている。つまり、制御装置２１のマイクロプロセッサ４９は、計測値保存手段１１３によりＲＡＭに記憶されている複数回の測定値を呼び出して、平均値算出手段１０７により平均値（例えば、３回測定の平均値）を算出するように制御を行う。
【００４１】
前記制御装置２１は、前回の計測値と今回の計測値を比較してその差が一定の範囲内となるまで計測を繰り返す反復手段１０９を備えている。なお、反復手段１０９により、３回測定分の各々前後を比較し、各測定値の差が一定の範囲内にない場合には、表示部５にエラー表示等を行い、処理を終了する。
【００４２】
なお、計測に必要な手段（前述した加圧速度調整手段１０１〜測定値保存手段１１３）として機能するコンピュータプログラムは、予め入力コネクタ１７を介して制御装置２１に備えられた記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶されている。前記記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶されたプログラムは前記制御装置２１に備えられたマイクロプロセッサ４９で入出力信号を演算しながら実行される。記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶された前記プログラムは電源の供給が停止しても記憶部（ＲＯＭ）５１から消去されることはない。つまり、前記転送操作を一度行った以降は、前記プログラムを転送する必要がなく前記プログラムを実行することが可能となる。さらに、入力コネクタ１７は筐体７の背面にあり前記プログラムの修正が必要となった場合に、筐体７を分解することなく短時間で制御装置２１に修正したプログラムを転送することができる。また、前記制御装置２１は、前記プログラムの指令に基づき、表示部５に操作手順と計測結果を表示する機能を備えている。
【００４３】
前記制御装置２１は、さらに、計測値保存手段１１３によってＲＡＭに保存された前記計測値（以下、計測データとも言う）を、出力コネクタ１５を介して外部の上位コンピュータに出力する出力手段１１１を備えている。
【００４４】
次に、図４と図５の対応関係について説明する。図５の加圧手段６５は、図４の２３エアーシリンダーと、エアー２５と、ピストン２７と、エアー出口２９に相当する。図５の圧力計測手段６７は、図４の圧力センサ３１と配線４７に相当する。図５の流量計測手段６９と加圧手段駆動装置７１は、図４のギヤ３３と、歯車３５と、モータ３７と、原点センサ３９と、配線４７に相当する。図５の加圧速度調整手段１０１と、加圧中断手段１０３と、移行判定手段１０５と、平均値算出手段１０７と、反復手段１０９と、出力手段１１１と、計測値保存手段１１３は、図４の記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶されたプログラムをマイクロプロセッサ４９で実行することで実現する、デジタル土壌物理性計測装置１を動作制御する機能である。
【００４５】
次に、デジタル土壌物理性計測装置１の計測手順について、図４で説明する。まず、デジタル土壌物理性計測装置１の駆動に必要な電源を供給するために電源ソケット１３に電源ケーブル５７と、商用電源の場合は電圧変換用のアダプターを接続する。商用電源のない場所で計測する場合は、蓄電池５９を接続する。次に、電源スイッチ９（図３参照）をＯＮにして前記デジタル土壌物理性計測装置１に通電する。
【００４６】
次に、デジタル土壌物理性計測装置１は、土壌を計測する前に試料室１１に既知の体積を持った校正用の円柱を用いて校正作業をする。前記の校正作業は、前記試料室１１に前記校正用の円柱を入れて密閉し表示部５を見ながら操作パネル３で前記校正用の円柱の体積を入力して校正を開始する。前記校正は制御装置２１の記憶部（ＲＯＭ）５１にある前記プログラムにより校正が自動的に行われる。前記の自動的な校正を具体的に説明すると、まず、図４に示される、原点センサ３９の電気信号に基づいてモータ３７を駆動させることにより前記モータ３７に取り付けられた歯車３５が、ピストン２７に取り付けられたギヤ３３を特定の開始点に移動させて停止する。次に、電磁弁４１を開きエアーシリンダー２３内のエアー２５と大気の圧力が等しくなることを圧力センサ３１が計測して確認する。つまり圧力センサ３１がエアーシリンダー２３内のエアー２５と電磁弁４１と配管４３と継ぎ手４５とエアー出口２９で接続されたひとつの空気系の圧力を計測した電気信号が配線４７を介して前記制御装置２１に備えられたマイクロプロセッサ４９に送られて演算処理され、エアー２５と大気に圧力差があるか否かを確認する。もし、このときエアー２５と大気の圧力にある一定以上の圧力差がある場合は、前記の空気系のどこかに詰り等の問題があるか、もしくは圧力センサ３１、原点センサ３９、モータ３７、ピストン２７、ギヤ３３、歯車３５、制御装置２１に故障がある可能性があることになる。すなわち、エアー２５と大気の圧力に一定以上の圧力差がある場合は、エラーメッセージを表示部５に表示する。
【００４７】
既知の体積を持った校正用の円柱は計測範囲内以下の体積を持つものであればよい。しかし、圧縮や温度変化に対して体積変化のない材質のものがよいので通常は金属製の円柱状のものを使用するが、他の形状・材質のものを使用してもよい。
【００４８】
次に、エアー２５と大気の圧力に圧力差がないことがマイクロプロセッサ４９で確認された後、前記電磁弁４１を閉め目標圧力に到達するまで前記空気系の空気を圧縮する。前記圧縮は、前記圧力センサ３１からの電気信号を前記マイクロプロセッサ４９で演算しながら目標圧力に到達するまで前記モータ３７を駆動させる。このとき前記ピストン２７と前記ギヤ３３が前記エアーシリンダー２３内の前記エアー２５を前記試料室１１に送る方向に動くように、前記モータ３７に取り付けられた前記歯車３５を回転させる。このとき前記空気系は密閉されているので、前記ピストン２７により前記空気系の空気は圧縮され圧力が上昇することになる。前記空気系を圧縮する速度は、前記圧力センサ３１で前記空気系の圧力を計測しながら、前記目標圧力に到達する少し手前までは高速（第一速度）で加圧を行い、数秒間加圧を停止して前記空気系の圧力が定常状態になるのを確認してから、徐々に前記目標圧力に到達するまで低速（第二速度）で圧縮を行う。あるいは、目標圧力に到達する少し手前までは高速で圧縮を行い、徐々に圧縮速度を減速させることで前記空気系の圧力を定常状態近づけながら目標圧力に到達させる。即ち、第一速度と第二速度は、それぞれ一定の速度である場合に限定されず、平均値としての第一速度と、平均値としての第二速度が、高速と低速に設定されるようにしても良い。空気系の圧力が目標圧力に到達したことを確認した後、前記ピストン２７の到達点と前記の特定の開始点の移動量をマイクロプロセッサ４９で演算して記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶する。このときの前記ピストン２７の移動量は、前記モータ３７の総回転角度に置き換えることが出来る。また、使用する前記ピストン２７の断面積の値を予め前記プログラムに入れておくことで、前記ピストン２７の移動量から前記試料室１１に送られた空気の流量を前記マイクロプロセッサ４９で演算することができる。つまり、試料室１１には既知の体積を持った校正用の円柱が入っているので、前記移動量は、計測原理でいうところのはじめの圧力を一定にして特定の目標圧力まで圧縮するときの容積変化量となり、求める実容積の値は前記の円柱の体積となるので、この関係を計算式として前記記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶する。また、前記ピストン２７は前記開始点に移動させて停止して、前記電磁弁４１を開いて前記空気系を大気開放すると同時に前記表示部５に校正終了を知らせる表示を出す。もし、特定の終了点まで前記ピストン２７が移動しても目標圧力に到達しない場合は、前記の空気系のどこかに詰り等の問題があるか、もしくは圧力センサ３１、原点センサ３９、モータ３７、ピストン２７、ギヤ３３、歯車３５、制御装置２１に故障がある可能性があることになる。その場合は、エラーメッセージを表示部５に表示する。
【００４９】
未知の計測試料の実容積を計測する時は、計測対象の試料を前記試料室１１に入れて、密閉し前記表示部５を見ながら前記操作パネル３で計測開始を入力すると前記制御装置２１の記憶部（ＲＯＭ）５１にある前記プログラムにより計測が自動的に行われ計測結果が表示部５に表示される。前記の自動的な計測を具体的に説明すると、まず、前記原点センサ３９の電気信号に基づいてモータ３７を駆動させることにより前記モータ３７に取り付けられた歯車３５が、ピストン２７に取り付けられたギヤ３３を特定の開始点に移動させて停止する。次に、電磁弁４１を開きエアーシリンダー２３内のエアー２５と大気の圧力が等しくなることを圧力センサ３１が計測して確認する。つまり圧力センサ３１がエアーシリンダー２３内のエアー２５と電磁弁４１と配管４３と継ぎ手４５とエアー出口２９で接続されたひとつの空気系の圧力を計測した電気信号が配線４７を介して前記制御装置２１に備えられたマイクロプロセッサ４９に送られて演算処理され、エアー２５と大気に圧力差がないことが確認できる。もし、このときエアー２５と大気にある一定以上の圧力差がある場合は、前記の空気系のどこかに詰り等の問題があるか、もしくは圧力センサ３１、原点センサ３９、モータ３７、ピストン２７、ギヤ３３、歯車３５、制御装置２１に故障がある可能性があることになる。すなわち、エアー２５と大気に一定以上の圧力差がある場合は、エラーメッセージを表示部５に表示する。
【００５０】
次に、エアー２５と大気に圧力差がないことがマイクロプロセッサ４９で確認された後、前記電磁弁４１を閉め目標圧力に到達するまで前記空気系の空気を圧縮する。前記圧縮は、前記圧力センサ３１からの電気信号を前記マイクロプロセッサ４９で演算しながら目標圧力に到達するまで前記モータ３７を駆動させる。このとき前記ピストン２７と前記ギヤ３３が前記エアーシリンダー２３内の前記エアー２５を前記試料室１１に送る方向に動くように、前記モータ３７に取り付けられた前記歯車３５を回転させる。このとき前記空気系は密閉されているので、前記ピストン２７により前記空気系の空気は圧縮され圧力が上昇することになる。前記空気系を圧縮する速度は、前記圧力センサ３１で前記空気系の圧力を計測しながら、前記目標圧力に到達する少し手前までは高速（第一速度）で加圧を行い、数秒間加圧を停止して前記空気系の圧力が定常状態になるのを確認してから徐々に前記目標圧力に到達するまで低速（第一速度）で圧縮を行うかあるいは、目標圧力に到達する少し手前までは高速で圧縮を行い、徐々に圧縮速度を減速させることで前記空気系の圧力を定常状態近づけながら目標圧力に到達させる。目標圧力に到達したことを確認したら、前記ピストン２７の到達点と前記の特定の開始点の移動量をマイクロプロセッサ４９で演算して記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶する。このときの前記ピストン２７の移動量は、前記モータ３７の総回転角度に置き換えることが出来る。前記マイクロプロセッサ４９は、特定の目標圧力まで圧縮するときの容積変化量から前記校正で求められた計算式で前記試料の実容積値を演算して前記記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶する。また、前記ピストン２７は前記開始点に移動させて停止して、前記電磁弁４１を開いて前記空気系を大気開放すると同時に前記表示部５に計測終了を知らせる表示を出す。もし、特定の終了点まで前記ピストン２７が移動しても目標圧力に到達しない場合は、前記の空気系のどこかに詰り等の問題があるか、もしくは圧力センサ３１、原点センサ３９、モータ３７、ピストン２７、ギヤ３３、歯車３５、制御装置２１に故障がある可能性があることになる。その場合は、エラーメッセージを表示部５に表示する。
【００５１】
デジタル土壌物理性計測装置１は、自動で複数回の繰り返し計測をして、平均値をマイクロプロセッサ４９で演算して記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶することができる。さらに同一サンプルを複数回計測する時に、前回計測値と比較した値が一定範囲内であればさらなる計測を繰り返すことなく計測をマイクロプロセッサ４９で演算して自動判定して終了することもできる。また、計測した計測値をデジタルデータとして前記記憶部（ＲＯＭ）５１に保存するとともに、出力ケーブル６２と出力コネクタ１５を介して計測データを外部コンピュータ６１に出力することができる。
【００５２】
デジタル土壌物理性計測装置１の前記制御装置２１は、時計機能としてリアルタイムクロック５３を備えている。前記リアルタイムクロック５３は、表示部５を見ながら操作パネル３で現在時刻・日付を入力することができる。前記時計機能は計測した日時を計測データに付加して、記憶部（ＲＯＭ）５１に保存されることでデータの整理を簡単に行うことができる。
【００５３】
ここで説明した実施例は、特定の目標圧力（圧縮圧力）に対する空気容積（圧縮容積）の変化量から実容積を求める方法で記載しているが、ボイル−シャルル（Ｂｏｙｌｅ−Ｃｈａｒｅｌｅｓ）の法則によれば、圧縮容積を一定にしたときに圧力変化量から実容積を求める計測方法も原理的には全く同等であるためあえて記載していない。
【００５４】
デジタル土壌物理性計測装置１の、校正と計測はプログラムにより目標圧力に達するまで加圧する一連の計測作業を全て自動化して制御するので、個人差による計測誤差を防ぐことが可能となり計測精度が向上する。
【００５５】
また、目標圧力に到達させる加圧速度を自動制御することが可能であるので、この加圧速度の自動制御は計測精度の向上と計測時間の短縮につながる。
【００５６】
さらに、圧力変化量に基づいて次への加圧に移行するか否かを判定するので、計測装置あるいは計測手段の異常を自動で検出することが可能となり、計測を中止あるいは計測者に異常を知らせることができ計測精度が向上する。
【００５７】
また、自動で複数回の繰り返し平均値を算出することができるので、計測値計算の時間を短縮するメリットがある。さらに同一サンプルを複数回計測するとき、前回計測値と比較した値が一定範囲内であればさらなる計測を繰り返すことなく計測を自動判定して終了することができるので、計測精度を保ちながら計測時間を短縮するメリットがある。
【００５８】
また、計測した計測値をデジタルデータとして保存できるので、データ入力作業が軽減されるとともにデータ解析が容易に行えるメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】デジタル土壌物理性計測装置の外観図である。
【図２】デジタル土壌物理性計測装置の上面図である。
【図３】デジタル土壌物理性計測装置の背面図である。
【図４】デジタル土壌物理性計測装置の接続状態を示す構成図である。
【図５】デジタル土壌物理性計測装置の機能を示すブロック図である。
【符号の説明】
１．デジタル土壌物理性計測装置
３．操作パネル
５．表示部
７．筐体
９．電源スイッチ
１１．試料室
１３．電源ソケット
１５．出力コネクタ
１７．入力コネクタ
２１．制御装置
２３．エアーシリンダー
２５．エアー
２７．ピストン
２９．エアー出口
３１．圧力センサ
３３．ギヤ
３５．歯車
３７．モータ
３９．原点センサ
４１．電磁弁
４３．配管
４５．継ぎ手
４７．配線
４９．マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）
５１．記憶部
５３．リアルタイムクロック
５５．アダプター
５７．電源ケーブル
５９．蓄電池
６１．外部コンピュータ
６２．出力ケーブル
６３．上位コンピュータ
６４．入力ケーブル
６５．加圧手段
６７．圧力計測手段
６９．流量計測手段
７１．加圧手段駆動装置
１０１．加圧速度調整手段
１０３．加圧中断手段
１０５．移行判定手段
１０７．平均値算出手段
１０９．反復手段
１１１．出力手段
１１３．計測値保存手段
１１５．計測制御プログラム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然状態における構造を保持したままの土壌試料を用いて、土壌の三相構造に係る物理量の計測をデジタルに変換して計測データを収集する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
土壌は、固相、液相および気相を構成成分とする三相系物質である。固相とは鉱物を主とする無機質と有機質から成り、液相および気相はそれぞれ土壌水分および土壌空気により構成されている。この固相・液相・気相のそれぞれが占める容積割合が土壌の三相分布である。土壌の肥沃度や作物の生育には、この土壌三相の適正な関係が決め手となり、三相分布状態を知ることが土壌診断の基本となっている。
【０００３】
自然状態における構造を保持したままの土壌試料の計測法として実容積計測法が用いられている。土壌の全容積と土壌三相の固相・液相・気相それぞれの容積は次の式に表わすことができる。
【０００４】
Ｖｔ＝Ｖｓ＋Ｖｌ＋Ｖａ
（Ｖｔ＝全容積、Ｖｓ＝固相、Ｖｌ＝液相、Ｖａ＝気相）
【０００５】
実容積計測法を用いて計測される実容積は土壌の固相容積と液相（水分）容積との和の容積量であり次の式に表わすことができる。
【０００６】
Ｖ＝Ｖｓ＋Ｖｌ
＝Ｖｔ−Ｖａ
（Ｖ＝実容積、Ｖｓ＝固相、Ｖｌ＝液相、Ｖｔ＝全容積、Ｖａ＝気相）
【０００７】
また、このとき、土壌の全重量と、土壌の三相の固相重量、液相（水分）重量、気相重量の関係は次の式に表わすことができる。
【０００８】
Ｗ＝Ｓ＋Ｍ＋Ａｗ
（Ｗ＝全重量、Ｓ＝固相重量、Ｍ＝液相（水分）重量、Ａｗ＝気相重量）
【０００９】
しかし、気相重量Ａｗは通常０とみなされるので、全重量は固相重量と液相（水分）重量との和となり次の式に表わすことができる。
【００１０】
Ｗ＝Ｓ＋Ｍ
（Ｗ＝全重量、Ｓ＝固相重量、Ｍ＝液相（水分重量））
【００１１】
実容積計測法では、計測する土壌の全重量と、実容積の計測を終えた試料を乾熱させて水分を除去し、それによって失われる重量を液相（水分）重量とする。このとき土壌水分の密度は１ｇ／ｃｍ３とし、土壌液相（水分）重量と液相（水分）容積とは等しい数値をもつとしている。したがって、土壌の固相容積は、実容積から液相（水分）容積を減じた容積量となり次の式に表わすことができる。
【００１２】
Ｖｓ＝Ｖ−Ｍ
（Ｖｓ＝固相容積、Ｖ＝実容積、Ｖｌ＝液相（水分）容積
【００１３】
つまり実容積計測法では、容量が既知の土壌採取容器で採取した土壌の実容積を計測すると、気相容積が求められる。そして、実容積の計測を終えた試料を乾熱させて水分を除去することで、固相容積と液相（水分）容積をもとめるこができる。
【００１４】
従来、土壌の三相（固相・液相・気相）それぞれの容積を計測しようとするときに、自然状態における土壌構造を保持したままの土壌試料の採取方法と、実容積を計測する計測方法が確立され広く用いられている。一般に農耕土壌の採取は１００ｍｌの金属製の円筒容器を用いて行われている。これは農業機械化研究所の考案に基づくもので、全容積１００ｍｌの大きさの容器を採用することは採取した土壌をそのまま実容積計測に用いることができるなど有利な点が多いからである。
【００１５】
ボイル−シャルル（Ｂｏｙｌｅ−Ｃｈａｒｅｌｅｓ）の法則によれば、温度が一定の場合にひとつの空気系において容積変化を生じたときに、それにともなう圧力変化について次の数式が成り立つ。
【００１６】
【数１】
【００１７】
この式は、はじめの圧力を一定（例えば大気圧）にし、さらに圧力変化量を一定にすれば、空気容積と容積変化量とが比例関係にあることを示している。土壌の実容積を求める計測器は、この原理を利用してはじめの圧力を一定にして、特定の目標圧力まで圧縮するときの容積変化量から実容積を求める方法を採用している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
自然状態における構造を保持したままの土壌試料に基づいて、土壌の三相に係る物理量の計測法として実容積計測法が広く用いられている。計測装置は土壌試料を入れる密閉容器に、エアーシリンダーを用いて目標圧力に達するまで圧縮操作をする。そのときのエアーシリンダーのピストン移動量から容積変化量を求めて実容積を計測している。このとき、エアーシリンダーで目標圧力まで圧縮操作するときに、土壌構造の特性から土壌粒子間にあるわずかな空気層、いわゆる土壌中の孔隙に加えられた圧力が定常状態になるまで密閉された容器の中で圧力変化に揺らぎが発生する。そのため、目標圧力に到達するまで一気に連続的に圧縮操作をすると計測精度に影響を与え正しい計測ができない。これを防ぐために、計測者は試料容器内の圧力計測値を見ながら、徐々に目標圧力に到達するまで圧縮操作をしなければならない。この一連の圧縮操作を手動で行っているため計測者による圧縮操作に個人差が生じて計測誤差の要因となっている。また、計測精度を高めるために同一試料を４〜５回程度計測してその平均値を求めて計測結果としているが、計測サンプル数が多くなると計測作業と計測値計算に多くの労力が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、このような従来の問題を解決しようとするためのもので、計測用試料室と前記試料室を加圧する加圧手段と前記試料室内の圧力を計測する圧力計測手段と、加圧に用いる空気の流量を計測する流量計測手段と前記加圧手段を駆動する加圧手段駆動装置と、前記試料室の内圧に基づいて前記加圧手段駆動装置を制御する制御装置を備え、試料室が目標圧力に達するまでの空気流量に基づいて試料室内の試料容積を計測する構造を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【００２０】
前記制御装置は、加圧手段駆動装置を高速から低速に変化するように制御する加圧速度調整手段を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【００２１】
前記加圧速度調整手段は、初期から一定の中間圧力までを加圧する第一速度と前記中間圧力から目標圧力までを加圧する第二速度で駆動装置を制御する手段を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【００２２】
前記制御装置は、途中で一時的に加圧を中断する加圧中断手段を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【００２３】
前記制御装置は、前記加圧中断中の圧力変化量に基づいて次への加圧に移行するか否かを判定する移行判定手段を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【００２４】
前記移行判定手段は、圧力低下を検出した場合に計測を中止する手段を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【００２５】
前記制御装置は、複数回の繰り返し計測の平均値を算出する平均値算出手段と計測値を保存する計測値保存手段を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【００２６】
前記制御装置は、前回の計測値と今回の計測値を比較してその差が一定の範囲内となるまで計測を繰り返す反復手段を備えたことを特徴とするデジタル土壌物理性計測装置である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、試料室内の圧力を計測しながら目標圧力に達するまで加圧する一連の計測作業を全て自動化して制御するため、計測者の操作方法に個人差による計測誤差を防ぐことが可能となり計測精度が向上する。
【００２８】
また、試料室への加圧速度を自動制御することが可能である。これにより、試料容器内の圧力を計測しながら、目標圧力に到達する少し手前までは高速で加圧を行い、数秒間加圧を停止して圧力が定常状態になるのを確認してから徐々に目標圧力に到達するまで低速で圧縮を行うかあるいは、目標圧力に到達する少し手前までは高速で圧縮を行い、徐々に圧縮速度を減速させることで試料室内の圧力を定常状態近づけながら目標圧力に到達させることが可能である。この加圧速度の自動制御は計測精度の向上と計測時間の短縮につながる。
【００２９】
さらに、試料室内の圧力変化量に基づいて次への加圧に移行するか否かを判定する移行判定手段を備えることにより、計測装置あるいは計測手段の異常を自動で検出することが可能となり、計測を中止あるいは計測者に異常を知らせることができる。
【００３０】
また、自動で複数回の繰り返し計測をして、平均値を算出する平均値算出手段を備えることにより、計測値計算の時間を短縮することができる。さらに同一サンプルを複数回計測する時に、前回計測値と比較した値が一定範囲内であればさらなる計測を繰り返すことなく計測を自動判定して終了することで、計測精度を保ちながら計測時間を短縮することができる。
【００３１】
また、計測値保存手段を備えることにより計測した計測値をデジタルデータとして保存するとともにコンピュータに出力することができる。これによりデータ入力作業が軽減されるとともにデータ解析が容易に行えるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
実施形態の、デジタル土壌物理性計測装置１について図１から図３で説明する。デジタル土壌物理性計測装置１は、計測に必要な項目を入力する操作パネル３と、操作手順および計測結果を表示する表示部５と、計測する試料を入れる試料室１１と、計測に必要な電力の供給を受ける電源ソケット１３と、供給された電力を通電または遮断する電源スイッチ９と、計測データをデジタル出力する出力コネクタ１５と、計測制御プログラム１１５（図示省略）を入力する入力コネクタ１７と、これらを取り付けた筐体７で構成されている。
【００３３】
次に、デジタル土壌物理性計測装置１の筐体７の内部機構と接続状態について図４で説明する。筐体７の内部は、エアー出口２９を備えたエアーシリンダー２３と、エアーシリンダー２３内のエアー２５を加圧するピストン２７と、ピストン２７に取り付けたギヤ３３と、ギヤ３３を駆動する歯車３５を取り付けたモータ３７と、ピストン２７の初期位置を検知する原点センサ３９と、エアー２５の圧力を計測する圧力センサ３１と、エアーシリンダー２３と試料室１１へのエアー２５の出入りを開閉する電磁弁４１と、エアーシリンダー２３のエアー出口２９と試料室１１と圧力センサ３１と電磁弁４１とを接続する配管４３と、配管４３を分岐接続する継ぎ手４５と、モータ３７と原点センサ３９と圧力センサ３１と電磁弁４１と操作パネル３と表示部５と電源ソケット１３が配線４７で接続されている制御装置２１と、制御に必要な電力の供給を受ける電源ソケット１３と、供給する電力の電圧を制御装置２１用に変換するアダプター５５と、アダプター５５に接続する電源ケーブル５７とで構成されている。尚、制御に必要な電力の供給は制御装置２１の仕様に合致していれば何を用いても良いわけであり、例えば蓄電池５９を使用することもできる。さらに、制御装置２１はマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）４９と、計測制御プログラム１１５と計測データを有する記憶部（ＲＯＭ）５１と、設定した日付および時刻を電源が切られていても現在時刻を刻み続ける機能を有したリアルタイムクロック５３と、計測データを外部コンピュータ６１にデジタル出力する出力ケーブル６２を接続する出力コネクタ１５と、上位コンピュータ６３から計測制御プログラム１１５を入力する入力ケーブル６４接続する入力コネクタ１７を備えている。
【００３４】
次に、デジタル土壌物理性計測装置１の機能について図５で説明する。デジタル土壌物理性計測装置１は、計測用の試料室１１と、前記試料室１１を加圧す加圧手段６５と、前記試料室１１内の圧力を計測する圧力計測手段６７と、加圧に用いる空気の流量を計測する流量計測手段６９と、前記加圧手段６５を駆動する加圧手段駆動装置７１と、前記試料室１１の内圧に基づいて前記加圧手段駆動装置７１を制御する制御装置２１を備えている。
【００３５】
前記制御装置２１は、加圧手段駆動装置７１を高速から低速に変化するように制御する加圧速度調整手段１０１を備えている。
【００３６】
前記加圧速度調整手段１０１は、試料を入れた試料室１１を初期（大気圧）から一定の中間圧力（例えば３０ｋＰａ）までを加圧する第一速度と、前記中間圧力から目標圧力（例えば３６ｋＰａ）までを加圧する第二速度で駆動装置を制御する手段を備えている。第一速度に対して、第二速度は遅くなるように設定されている。
【００３７】
前記制御装置２１は、試料室１１内が初期から中間圧力に至る途中で一時的に加圧を中断する加圧中断手段１０３を備えている。
【００３８】
前記制御装置２１は、前記加圧中断中の試料室１１内の圧力変化量に基づいて次への加圧（中間圧力から目標圧力）に移行するか否かを判定する移行判定手段１０５を備えている。
【００３９】
前記移行判定手段１０５は、一定量以上の圧力低下を検出した場合に計測を中止する手段を備えている。また、一定量以上の圧力低下を検出しない場合、試料室１１内への加圧を再開する。具体的には、加圧手段６５により、試料室１１内を中間圧力から目標圧力まで加圧するように、加圧速度調整手段１０１により第二速度で加圧手段駆動装置７１を制御する。
【００４０】
前記制御装置２１は、試料室１１内の圧力が目標圧力に到達後、試料室１１内の圧力を複数回（例えば３回）繰り返して計測し、複数回の計測値から平均値を算出する平均値算出手段１０７と、個々の計測値をＲＡＭ（図示省略）の所定の記憶領域に保存する計測値保存手段１１３を備えている。つまり、制御装置２１のマイクロプロセッサ４９は、計測値保存手段１１３によりＲＡＭに記憶されている複数回の測定値を呼び出して、平均値算出手段１０７により平均値（例えば、３回測定の平均値）を算出するように制御を行う。
【００４１】
前記制御装置２１は、前回の計測値と今回の計測値を比較してその差が一定の範囲内となるまで計測を繰り返す反復手段１０９を備えている。なお、反復手段１０９により、３回測定分の各々前後を比較し、各測定値の差が一定の範囲内にない場合には、表示部５にエラー表示等を行い、処理を終了する。
【００４２】
なお、計測に必要な手段（前述した加圧速度調整手段１０１〜測定値保存手段１１３）として機能するコンピュータプログラムは、予め入力コネクタ１７を介して制御装置２１に備えられた記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶されている。前記記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶されたプログラムは前記制御装置２１に備えられたマイクロプロセッサ４９で入出力信号を演算しながら実行される。記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶された前記プログラムは電源の供給が停止しても記憶部（ＲＯＭ）５１から消去されることはない。つまり、前記転送操作を一度行った以降は、前記プログラムを転送する必要がなく前記プログラムを実行することが可能となる。さらに、入力コネクタ１７は筐体７の背面にあり前記プログラムの修正が必要となった場合に、筐体７を分解することなく短時間で制御装置２１に修正したプログラムを転送することができる。また、前記制御装置２１は、前記プログラムの指令に基づき、表示部５に操作手順と計測結果を表示する機能を備えている。
【００４３】
前記制御装置２１は、さらに、計測値保存手段１１３によってＲＡＭに保存された前記計測値（以下、計測データとも言う）を、出力コネクタ１５を介して外部の上位コンピュータに出力する出力手段１１１を備えている。
【００４４】
次に、図４と図５の対応関係について説明する。図５の加圧手段６５は、図４の２３エアーシリンダーと、エアー２５と、ピストン２７と、エアー出口２９に相当する。図５の圧力計測手段６７は、図４の圧力センサ３１と配線４７に相当する。図５の流量計測手段６９と加圧手段駆動装置７１は、図４のギヤ３３と、歯車３５と、モータ３７と、原点センサ３９と、配線４７に相当する。図５の加圧速度調整手段１０１と、加圧中断手段１０３と、移行判定手段１０５と、平均値算出手段１０７と、反復手段１０９と、出力手段１１１と、計測値保存手段１１３は、図４の記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶されたプログラムをマイクロプロセッサ４９で実行することで実現する、デジタル土壌物理性計測装置１を動作制御する機能である。
【００４５】
次に、デジタル土壌物理性計測装置１の計測手順について、図４で説明する。まず、デジタル土壌物理性計測装置１の駆動に必要な電源を供給するために電源ソケット１３に電源ケーブル５７と、商用電源の場合は電圧変換用のアダプターを接続する。商用電源のない場所で計測する場合は、蓄電池５９を接続する。次に、電源スイッチ９（図３参照）をＯＮにして前記デジタル土壌物理性計測装置１に通電する。
【００４６】
次に、デジタル土壌物理性計測装置１は、土壌を計測する前に試料室１１に既知の体積を持った校正用の円柱を用いて校正作業をする。前記の校正作業は、前記試料室１１に前記校正用の円柱を入れて密閉し表示部５を見ながら操作パネル３で前記校正用の円柱の体積を入力して校正を開始する。前記校正は制御装置２１の記憶部（ＲＯＭ）５１にある前記プログラムにより校正が自動的に行われる。前記の自動的な校正を具体的に説明すると、まず、図４に示される、原点センサ３９の電気信号に基づいてモータ３７を駆動させることにより前記モータ３７に取り付けられた歯車３５が、ピストン２７に取り付けられたギヤ３３を特定の開始点に移動させて停止する。次に、電磁弁４１を開きエアーシリンダー２３内のエアー２５と大気の圧力が等しくなることを圧力センサ３１が計測して確認する。つまり圧力センサ３１がエアーシリンダー２３内のエアー２５と電磁弁４１と配管４３と継ぎ手４５とエアー出口２９で接続されたひとつの空気系の圧力を計測した電気信号が配線４７を介して前記制御装置２１に備えられたマイクロプロセッサ４９に送られて演算処理され、エアー２５と大気に圧力差があるか否かを確認する。もし、このときエアー２５と大気の圧力にある一定以上の圧力差がある場合は、前記の空気系のどこかに詰り等の問題があるか、もしくは圧力センサ３１、原点センサ３９、モータ３７、ピストン２７、ギヤ３３、歯車３５、制御装置２１に故障がある可能性があることになる。すなわち、エアー２５と大気の圧力に一定以上の圧力差がある場合は、エラーメッセージを表示部５に表示する。
【００４７】
既知の体積を持った校正用の円柱は計測範囲内以下の体積を持つものであればよい。しかし、圧縮や温度変化に対して体積変化のない材質のものがよいので通常は金属製の円柱状のものを使用するが、他の形状・材質のものを使用してもよい。
【００４８】
次に、エアー２５と大気の圧力に圧力差がないことがマイクロプロセッサ４９で確認された後、前記電磁弁４１を閉め目標圧力に到達するまで前記空気系の空気を圧縮する。前記圧縮は、前記圧力センサ３１からの電気信号を前記マイクロプロセッサ４９で演算しながら目標圧力に到達するまで前記モータ３７を駆動させる。このとき前記ピストン２７と前記ギヤ３３が前記エアーシリンダー２３内の前記エアー２５を前記試料室１１に送る方向に動くように、前記モータ３７に取り付けられた前記歯車３５を回転させる。このとき前記空気系は密閉されているので、前記ピストン２７により前記空気系の空気は圧縮され圧力が上昇することになる。前記空気系を圧縮する速度は、前記圧力センサ３１で前記空気系の圧力を計測しながら、前記目標圧力に到達する少し手前までは高速（第一速度）で加圧を行い、数秒間加圧を停止して前記空気系の圧力が定常状態になるのを確認してから、徐々に前記目標圧力に到達するまで低速（第二速度）で圧縮を行う。あるいは、目標圧力に到達する少し手前までは高速で圧縮を行い、徐々に圧縮速度を減速させることで前記空気系の圧力を定常状態近づけながら目標圧力に到達させる。即ち、第一速度と第二速度は、それぞれ一定の速度である場合に限定されず、平均値としての第一速度と、平均値としての第二速度が、高速と低速に設定されるようにしても良い。空気系の圧力が目標圧力に到達したことを確認した後、前記ピストン２７の到達点と前記の特定の開始点の移動量をマイクロプロセッサ４９で演算して記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶する。このときの前記ピストン２７の移動量は、前記モータ３７の総回転角度に置き換えることが出来る。また、使用する前記ピストン２７の断面積の値を予め前記プログラムに入れておくことで、前記ピストン２７の移動量から前記試料室１１に送られた空気の流量を前記マイクロプロセッサ４９で演算することができる。つまり、試料室１１には既知の体積を持った校正用の円柱が入っているので、前記移動量は、計測原理でいうところのはじめの圧力を一定にして特定の目標圧力まで圧縮するときの容積変化量となり、求める実容積の値は前記の円柱の体積となるので、この関係を計算式として前記記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶する。また、前記ピストン２７は前記開始点に移動させて停止して、前記電磁弁４１を開いて前記空気系を大気開放すると同時に前記表示部５に校正終了を知らせる表示を出す。もし、特定の終了点まで前記ピストン２７が移動しても目標圧力に到達しない場合は、前記の空気系のどこかに詰り等の問題があるか、もしくは圧力センサ３１、原点センサ３９、モータ３７、ピストン２７、ギヤ３３、歯車３５、制御装置２１に故障がある可能性があることになる。その場合は、エラーメッセージを表示部５に表示する。
【００４９】
未知の計測試料の実容積を計測する時は、計測対象の試料を前記試料室１１に入れて、密閉し前記表示部５を見ながら前記操作パネル３で計測開始を入力すると前記制御装置２１の記憶部（ＲＯＭ）５１にある前記プログラムにより計測が自動的に行われ計測結果が表示部５に表示される。前記の自動的な計測を具体的に説明すると、まず、前記原点センサ３９の電気信号に基づいてモータ３７を駆動させることにより前記モータ３７に取り付けられた歯車３５が、ピストン２７に取り付けられたギヤ３３を特定の開始点に移動させて停止する。次に、電磁弁４１を開きエアーシリンダー２３内のエアー２５と大気の圧力が等しくなることを圧力センサ３１が計測して確認する。つまり圧力センサ３１がエアーシリンダー２３内のエアー２５と電磁弁４１と配管４３と継ぎ手４５とエアー出口２９で接続されたひとつの空気系の圧力を計測した電気信号が配線４７を介して前記制御装置２１に備えられたマイクロプロセッサ４９に送られて演算処理され、エアー２５と大気に圧力差がないことが確認できる。もし、このときエアー２５と大気にある一定以上の圧力差がある場合は、前記の空気系のどこかに詰り等の問題があるか、もしくは圧力センサ３１、原点センサ３９、モータ３７、ピストン２７、ギヤ３３、歯車３５、制御装置２１に故障がある可能性があることになる。すなわち、エアー２５と大気に一定以上の圧力差がある場合は、エラーメッセージを表示部５に表示する。
【００５０】
次に、エアー２５と大気に圧力差がないことがマイクロプロセッサ４９で確認された後、前記電磁弁４１を閉め目標圧力に到達するまで前記空気系の空気を圧縮する。前記圧縮は、前記圧力センサ３１からの電気信号を前記マイクロプロセッサ４９で演算しながら目標圧力に到達するまで前記モータ３７を駆動させる。このとき前記ピストン２７と前記ギヤ３３が前記エアーシリンダー２３内の前記エアー２５を前記試料室１１に送る方向に動くように、前記モータ３７に取り付けられた前記歯車３５を回転させる。このとき前記空気系は密閉されているので、前記ピストン２７により前記空気系の空気は圧縮され圧力が上昇することになる。前記空気系を圧縮する速度は、前記圧力センサ３１で前記空気系の圧力を計測しながら、前記目標圧力に到達する少し手前までは高速（第一速度）で加圧を行い、数秒間加圧を停止して前記空気系の圧力が定常状態になるのを確認してから徐々に前記目標圧力に到達するまで低速（第一速度）で圧縮を行うかあるいは、目標圧力に到達する少し手前までは高速で圧縮を行い、徐々に圧縮速度を減速させることで前記空気系の圧力を定常状態近づけながら目標圧力に到達させる。目標圧力に到達したことを確認したら、前記ピストン２７の到達点と前記の特定の開始点の移動量をマイクロプロセッサ４９で演算して記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶する。このときの前記ピストン２７の移動量は、前記モータ３７の総回転角度に置き換えることが出来る。前記マイクロプロセッサ４９は、特定の目標圧力まで圧縮するときの容積変化量から前記校正で求められた計算式で前記試料の実容積値を演算して前記記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶する。また、前記ピストン２７は前記開始点に移動させて停止して、前記電磁弁４１を開いて前記空気系を大気開放すると同時に前記表示部５に計測終了を知らせる表示を出す。もし、特定の終了点まで前記ピストン２７が移動しても目標圧力に到達しない場合は、前記の空気系のどこかに詰り等の問題があるか、もしくは圧力センサ３１、原点センサ３９、モータ３７、ピストン２７、ギヤ３３、歯車３５、制御装置２１に故障がある可能性があることになる。その場合は、エラーメッセージを表示部５に表示する。
【００５１】
デジタル土壌物理性計測装置１は、自動で複数回の繰り返し計測をして、平均値をマイクロプロセッサ４９で演算して記憶部（ＲＯＭ）５１に記憶することができる。さらに同一サンプルを複数回計測する時に、前回計測値と比較した値が一定範囲内であればさらなる計測を繰り返すことなく計測をマイクロプロセッサ４９で演算して自動判定して終了することもできる。また、計測した計測値をデジタルデータとして前記記憶部（ＲＯＭ）５１に保存するとともに、出力ケーブル６２と出力コネクタ１５を介して計測データを外部コンピュータ６１に出力することができる。
【００５２】
デジタル土壌物理性計測装置１の前記制御装置２１は、時計機能としてリアルタイムクロック５３を備えている。前記リアルタイムクロック５３は、表示部５を見ながら操作パネル３で現在時刻・日付を入力することができる。前記時計機能は計測した日時を計測データに付加して、記憶部（ＲＯＭ）５１に保存されることでデータの整理を簡単に行うことができる。
【００５３】
ここで説明した実施例は、特定の目標圧力（圧縮圧力）に対する空気容積（圧縮容積）の変化量から実容積を求める方法で記載しているが、ボイル−シャルル（Ｂｏｙｌｅ−Ｃｈａｒｅｌｅｓ）の法則によれば、圧縮容積を一定にしたときに圧力変化量から実容積を求める計測方法も原理的には全く同等であるためあえて記載していない。
【００５４】
デジタル土壌物理性計測装置１の、校正と計測はプログラムにより目標圧力に達するまで加圧する一連の計測作業を全て自動化して制御するので、個人差による計測誤差を防ぐことが可能となり計測精度が向上する。
【００５５】
また、目標圧力に到達させる加圧速度を自動制御することが可能であるので、この加圧速度の自動制御は計測精度の向上と計測時間の短縮につながる。
【００５６】
さらに、圧力変化量に基づいて次への加圧に移行するか否かを判定するので、計測装置あるいは計測手段の異常を自動で検出することが可能となり、計測を中止あるいは計測者に異常を知らせることができ計測精度が向上する。
【００５７】
また、自動で複数回の繰り返し平均値を算出することができるので、計測値計算の時間を短縮するメリットがある。さらに同一サンプルを複数回計測するとき、前回計測値と比較した値が一定範囲内であればさらなる計測を繰り返すことなく計測を自動判定して終了することができるので、計測精度を保ちながら計測時間を短縮するメリットがある。
【００５８】
また、計測した計測値をデジタルデータとして保存できるので、データ入力作業が軽減されるとともにデータ解析が容易に行えるメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】デジタル土壌物理性計測装置の外観図である。
【図２】デジタル土壌物理性計測装置の上面図である。
【図３】デジタル土壌物理性計測装置の背面図である。
【図４】デジタル土壌物理性計測装置の接続状態を示す構成図である。
【図５】デジタル土壌物理性計測装置の機能を示すブロック図である。
【符号の説明】
１．デジタル土壌物理性計測装置
３．操作パネル
５．表示部
７．筐体
９．電源スイッチ
１１．試料室
１３．電源ソケット
１５．出力コネクタ
１７．入力コネクタ
２１．制御装置
２３．エアーシリンダー
２５．エアー
２７．ピストン
２９．エアー出口
３１．圧力センサ
３３．ギヤ
３５．歯車
３７．モータ
３９．原点センサ
４１．電磁弁
４３．配管
４５．継ぎ手
４７．配線
４９．マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）
５１．記憶部
５３．リアルタイムクロック
５５．アダプター
５７．電源ケーブル
５９．蓄電池
６１．外部コンピュータ
６２．出力ケーブル
６３．上位コンピュータ
６４．入力ケーブル
６５．加圧手段
６７．圧力計測手段
６９．流量計測手段
７１．加圧手段駆動装置
１０１．加圧速度調整手段
１０３．加圧中断手段
１０５．移行判定手段
１０７．平均値算出手段
１０９．反復手段
１１１．出力手段
１１３．計測値保存手段
１１５．計測制御プログラム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測用の試料室と、前記試料室を加圧する加圧手段と、前記試料室内の圧力を計測する圧力計測手段と、加圧に用いる空気の流量を計測する流量計測手段と、前記加圧手段を駆動する加圧手段駆動装置と、前記試料室の内圧に基づいて前記加圧手段駆動装置を制御する制御装置とを備え、前記試料室が目標圧力に達するまでの空気流量に基づいて前記試料室内の試料容積を計測するデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記加圧手段駆動装置を高速から低速に変化するように制御する加圧速度調整手段を備えた請求項１に記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項３】
前記加圧速度調整手段は、初期から一定の中間圧力までを加圧する第一速度と前記中間圧力から目標圧力までを加圧する第二速度で前記加圧手段駆動装置を制御することを特徴とする請求項２に記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項４】
前記制御装置は、途中で一時的に加圧を中断する加圧中断手段を備えた請求項１から請求項３のいずれかに記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記加圧中断手段による加圧中断中の圧力変化量に基づいて次への加圧に移行するか否かを判定する移行判定手段を備えた請求項４に記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項６】
前記移行判定手段は、加圧中断中の圧力低下を検出した場合に計測の中止を決定することを特徴とする請求項５に記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項７】
前記制御装置は、複数回の繰り返し計測の平均値を算出する平均値算出手段を備えた請求項１から請求項６のいずれかに記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項８】
前記制御装置は、複数回の繰り返し計測値および前記平均値を保存する計測値保存手段を備えた請求項７に記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項９】
前記制御装置は、複数回の繰り返し計測における前回の計測値と今回の計測値を比較してその差が一定の範囲内となるまで計測を繰り返す反復手段を備えた請求項１から請求項８に記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項１】
計測用の試料室と、前記試料室を加圧する加圧手段と、前記試料室内の圧力を計測する圧力計測手段と、加圧に用いる空気の流量を計測する流量計測手段と、前記加圧手段を駆動する加圧手段駆動装置と、前記試料室の内圧に基づいて前記加圧手段駆動装置を制御する制御装置とを備え、前記試料室が目標圧力に達するまでの空気流量に基づいて前記試料室内の試料容積を計測するデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記加圧手段駆動装置を高速から低速に変化するように制御する加圧速度調整手段を備えた請求項１に記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項３】
前記加圧速度調整手段は、初期から一定の中間圧力までを加圧する第一速度と前記中間圧力から目標圧力までを加圧する第二速度で前記加圧手段駆動装置を制御することを特徴とする請求項２に記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項４】
前記制御装置は、途中で一時的に加圧を中断する加圧中断手段を備えた請求項１から請求項３のいずれかに記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記加圧中断手段による加圧中断中の圧力変化量に基づいて次への加圧に移行するか否かを判定する移行判定手段を備えた請求項４に記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項６】
前記移行判定手段は、加圧中断中の圧力低下を検出した場合に計測の中止を決定することを特徴とする請求項５に記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項７】
前記制御装置は、複数回の繰り返し計測の平均値を算出する平均値算出手段を備えた請求項１から請求項６のいずれかに記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項８】
前記制御装置は、複数回の繰り返し計測値および前記平均値を保存する計測値保存手段を備えた請求項７に記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【請求項９】
前記制御装置は、複数回の繰り返し計測における前回の計測値と今回の計測値を比較してその差が一定の範囲内となるまで計測を繰り返す反復手段を備えた請求項１から請求項８に記載のデジタル土壌物理性計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２１７１５６（Ｐ２０１０−２１７１５６Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９２４８５（Ｐ２００９−９２４８５）
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【出願人】（３９４００８８４６）大起理化工業株式会社 (10)
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【出願人】（３９４００８８４６）大起理化工業株式会社 (10)
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