土壌サンプルホルダ
【課題】土壌サンプルについての計測に適した土壌サンプルホルダを提供する。土壌サンプルの比抵抗、熱伝導率、弾性波速度の測定を可能にする。
【解決手段】非導電性の容器１と、土壌サンプルに差し込まれた熱伝導率計測用プローブ３と、土壌サンプルに接触する発振側振動子６と、土壌サンプルに向けて取り付けられた受振側振動子７と、一対の電流電極８と、一対の電位電極９を備え、容器１は熱伝導率計測用プローブ３の周囲に少なくとも土壌サンプルの熱伝導率の計測に必要な厚さの土壌サンプルを存在させる内部空間１９を有しており、且つ、容器１は、発振側振動子６から土壌サンプル中を伝播して受振側振動子７に到達する弾性波の方が、少なくとも経路の一部において容器１の壁板を伝播して受振側振動子７に到達する弾性波よりも先に受振側振動子７に到達する形状を有している。
【解決手段】非導電性の容器１と、土壌サンプルに差し込まれた熱伝導率計測用プローブ３と、土壌サンプルに接触する発振側振動子６と、土壌サンプルに向けて取り付けられた受振側振動子７と、一対の電流電極８と、一対の電位電極９を備え、容器１は熱伝導率計測用プローブ３の周囲に少なくとも土壌サンプルの熱伝導率の計測に必要な厚さの土壌サンプルを存在させる内部空間１９を有しており、且つ、容器１は、発振側振動子６から土壌サンプル中を伝播して受振側振動子７に到達する弾性波の方が、少なくとも経路の一部において容器１の壁板を伝播して受振側振動子７に到達する弾性波よりも先に受振側振動子７に到達する形状を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌サンプルホルダに関する。更に詳しくは、本発明は、土壌の比抵抗、熱伝導率、弾性波速度を計測可能な土壌サンプルホルダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
岩石試料の比抵抗を計測するために使用するサンプルホルダとして、例えば図７に示すように、岩石試料１０１の両端を電流電極１０２及び電位電極１０３を介してキャップ１０４で支持するものがある（非特許文献１）。電流電極１０２及び電位電極１０３として銅製ネットを使用すると共に、導電性確保のために電解質溶液を含ませた濾紙１０５を岩石試料１０１と電流電極１０２との間、電流電極１０２と電位電極１０３との間、電位電極１０３とキャップ１０４との間に挟み込んでいる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】千葉昭彦・熊田政弘，「花崗岩及び凝灰岩試料の比抵抗測定−間隙水の比抵抗が岩石比抵抗に及ぼす影響について−」，物理探査，第４７巻，第３号，ｐ．１６１−１７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のサンプルホルダでは、岩石試料の両端をキャップ１０４によって挟持して支持する構成であるため、土壌試料については使用することができない。また、物性値として比抵抗しか測定することができない。
【０００５】
本発明は、土壌試料についての計測に適した土壌サンプルホルダを提供することを目的とする。また、本発明は、土壌の比抵抗の他に、熱伝導率、弾性波速度の測定も可能な土壌サンプルホルダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の土壌サンプルホルダは、土壌サンプルを収容する非導電性の容器と、容器の壁板に設けられた挿入口と、挿入口から土壌サンプルに差し込まれた熱伝導率計測用プローブと、容器の対向する一対の壁板に設けられた第１及び第２の振動子取付部と、第１の振動子取付部に取り付けられて土壌サンプルに接触する発振側振動子と、第２の振動子取付部に土壌サンプルに向けて取り付けられた受振側振動子と、容器の対向する一対の壁板に取り付けられ、土壌サンプルに比抵抗計測用電流を流す一対の電流電極と、比抵抗計測用電流が流れている状態の土壌サンプルの２箇所の電位差を計測する一対の電位電極を備え、容器は熱伝導率計測用プローブの周囲に少なくとも土壌サンプルの熱伝導率の計測に必要な厚さの土壌サンプルを存在させる内部空間を有しており、且つ、容器は、発振側振動子から土壌サンプル中を伝播して受振側振動子に到達する弾性波の方が、少なくとも経路の一部において容器の壁板を伝播して受振側振動子に到達する弾性波よりも先に受振側振動子に到達する形状を有するものである。
【０００７】
したがって、土壌サンプルを容器内に充填して計測が行なわれる。土壌サンプルの充填によって、電流電極と電位電極は土壌サンプルに接触する。土壌の比抵抗の計測は、一対の電流電極を使用して土壌サンプルに比抵抗計測用電流を流し、一対の電位電極間の電位差を計測することで行なわれる。また、土壌の熱伝導率の計測は、挿入口から土壌サンプルに差し込まれている熱伝導率計測用プローブを使用することで行なわれる。土壌サンプルの充填によって、熱伝導率計測用プローブの周囲には熱伝導率の計測に十分な厚さの土壌サンプルが存在する。したがって、周囲の空気の影響を排除して熱伝導率を計測することができる。さらに、土壌の弾性波速度の計測は、発振側振動子から発振された弾性波が受振側振動子に最初に到達するまでの時間を計測することで行なわれる。発振側振動子から発振された弾性波は、容器形状により、土壌サンプルのみを伝播したものが最初に受振側振動子に到達するので、受振側振動子に最初に到達した弾性波の到達までの時間を計測することで、土壌の弾性波速度を計測することができる。
【０００８】
また、請求項２記載の土壌サンプルホルダは、発振側振動子と受振側振動子を、超磁歪振動子としたものである。したがって、強い弾性波を発生させることができ、土壌サンプルを伝播しながら減衰される弾性波を受振側振動子に良好に到達させ易くなる。
【０００９】
さらに、請求項３記載の土壌サンプルホルダは、受振側振動子の受振部を土壌サンプルに接触させている。したがって、土壌サンプル中を伝播してきた弾性波を直接受振することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の土壌サンプルホルダでは、容器内に土壌サンプルを充填して計測を行なうので、崩れやすい土壌についての計測が容易である。また、土壌が水分を含むものであっても水分を含んだ状態で計測することができると共に、水分の蒸発を防ぎながらの計測も可能である。さらに、１つの土壌サンプルホルダを使用して、土壌サンプルの比抵抗と熱伝導率と弾性波速度をそれぞれ計測することができる。そのため、計測を効率的に行うことができると共に、同一条件下における３種類の物性値を測定することができる。また、それぞれの測定の為に専用のサンプルホルダを別々に準備する必要がなく、便利である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の土壌サンプルホルダの第１の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１のII−II線の沿う土壌サンプルホルダの断面図である。
【図３】同土壌サンプルホルダの平面図である。
【図４】本発明の土壌サンプルホルダの第２の実施形態を示す縦断面図である。
【図５】本発明の土壌サンプルホルダの第３の実施形態を示す縦断面図である。
【図６】条件３についての検討を行なうための土壌サンプルホルダの概念図である。
【図７】従来のサンプルホルダの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１〜図３に、本発明の土壌サンプルホルダの実施形態の一例を示す。なお、図１，図２は土壌サンプルを入れる前の状態を示している（図４，５も同様である。）。土壌サンプルホルダは、土壌サンプルを収容する非導電性の容器１と、容器１の壁板に設けられた挿入口２と、挿入口２から土壌サンプルに差し込まれた熱伝導率計測用プローブ３と、容器１の対向する一対の壁板に設けられた第１及び第２の振動子取付部４，５と、第１の振動子取付部４に取り付けられて土壌サンプルに接触する発振側振動子６と、第２の振動子取付部５に土壌サンプルに向けて取り付けられた受振側振動子７と、容器１の対向する一対の壁板に取り付けられ、土壌サンプルに比抵抗計測用電流を流す一対の電流電極８と、比抵抗計測用電流が流れている状態の土壌サンプルの２箇所の電位差を計測する一対の電位電極９を備えている。
【００１４】
容器１の形状は、例えば直方体であり、底板１０ａと４枚の側板１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅより成る容器本体１０に蓋板１１を被せる構造となっている。蓋板１１は例えばねじ２０等の固定手段を使用して容器本体１０に固定される。ただし、容器１の形状は直方体に限るものではない。本実施形態では、アクリル板によって形成することで容器１を非導電性としている。ただし、アクリル板以外の非導電性の板材、例えばポリプロピレン板、ポリエチレン板等を使用して容器１を形成しても良い。また、容器１をアクリル板によって形成することで容器１を透明にすることができ、充填した土壌サンプルを視覚によって外から確認することができる。容器本体１０には例えば４本の脚１２が取り付けられており、受振側振動子７を配置する空間を確保している。
【００１５】
本実施形態では、側板（壁板）１０ｂに熱伝導率計測用プローブ３を挿入する挿入口２を、蓋板（壁板）１１に発振側振動子６を取り付ける第１の振動子取付部４を、底板（壁板）１０ａに受振側振動子７を取り付ける第２の振動子取付部５をそれぞれ設けている。また、挿入口２を設けた側板１０ｂの両側の側板（壁板）１０ｃ，１０ｄに電流電極８が取り付けられている。即ち、蓋板１１と底板１０ａが第１及び第２の振動子取付部４，５が設けられる一対の対向する壁板であり、側板１０ｃと側板１０ｄが一対の電流電極８が取り付けられる一対の対向する壁板である。このように本実施形態では、熱伝導率計測用プローブ３、発振側振動子６及び受振側振動子７、一対の電流電極８，８を別々の壁板に取り付けるようにしている。
【００１６】
挿入口２は側板１０ｂを貫通する孔であり、側板１０ｂの中央に設けられている。熱伝導率計測用プローブ３は挿入口２から容器１内に挿入されている。挿入口２には例えばゴム製のスリーブ１３が取り付けられている。スリーブ１３は熱伝導率計測用プローブ３がぐらつかないようにしっかりと保持すると共に、側板１０ｂと熱伝導率計測用プローブ３との間の隙間を塞いでシールする。熱伝導率計測用プローブ３を有する測定器として、例えばクリマテック株式会社製の土壌熱伝導率測定器（ＴＰ０８）の使用が可能である。熱伝導率計測用プローブ３は側板１０ｂから取り外し可能となっている。
【００１７】
第１の振動子取付部４は蓋板１１の上面の中央に設けられている。第１の振動子取付部４には蓋板１１を貫通する孔１４が設けられている。孔１４の内径は発振側振動子６の発振部６ａの外径とほぼ同一寸法になっており、発振部６ａによって孔１４を塞ぐことができる。第１の振動子取付部４には発振側振動子６の軸部６ｂを挟持する一対の支持片１５，１５が取り付けられている。即ち、一対の支持片１５，１５で発振側振動子６の軸部６ｂを挟持し、発振部６ａを孔１４に挿入し、一対の支持片１５，１５を第１の振動子取付部４に取り付けることで、発振側振動子６を第１の振動子取付部４に取り付けている。発振側振動子６は第１の振動子取付部４から取り外し可能となっている。
【００１８】
各支持片１５，１５には軸部６ｂの形状に対応する半円状の窪み１５ａが設けられており、２つの支持片１５，１５の窪み１５ａ，１５ａによって軸部６ｂをしっかりと挟み込んでいる。窪み１５ａ，１５ａの大きさは軸部６ｂを挟み込んだ状態で２つの支持片１５，１５の間に若干の隙間が生じる大きさとされており、２つの支持片１５，１５によって発振側振動子６の軸部６ｂをしっかりと挟み付け、保持することができる。２つの支持片１５，１５は軸部６ｂを挟持した状態で例えばボルト１６によって結合されている。結合された２つの支持片１５，１５は、例えばねじ１７によって第１の振動子取付部４に固定されている。発振側振動子６の発振部６ａの先端面は、蓋板１１の裏面と面一になっており、土壌サンプルと接触可能となっている。
【００１９】
第２の振動子取付部５は底板１０ａの下面の中央に設けられている。第２の振動子取付部５には底板１０ａを貫通する孔１８が設けられている。孔１８の内径は受振側振動子７の受振部７ａの外径とほぼ同一寸法になっており、受振部７ａによって孔１８を塞ぐことができる。第２の振動子取付部５には一対の支持片１５，１５を使用して受振側振動子７が取り付けられている。受振側振動子７の取付構造は上述の発振側振動子６の取付構造と同一であり、その説明を省略する。
【００２０】
本実施形態では第２の振動子取付部５に貫通孔１８を設けると共に、当該貫通孔１８に挿入した受振側振動子７の受振部７ａの先端面を底板１０ａの内面と面一にすることで、受振部７ａを突出させることなく土壌サンプルに接触させている。受振部７ａを土壌サンプルに接触させることで、土壌サンプル中を伝播してきた弾性波を直接受振することができる。
【００２１】
発振側振動子６と受振側振動子７は超磁歪振動子である。超磁歪素子を使用することで、土壌サンプルのみを伝播して受振側振動子７に到達できるような強い弾性波を発生するのが容易になる。
【００２２】
電流電極８は例えば板状の電極で、側板１０ｃ，１０ｄの内側面にほぼ全面に亘って設けられている。電流電極８には図示しないリード線が接続されている。リード線は容器本体１０と蓋板１１との間から外に引き出されている。電流電極８は土壌サンプルに接触している。ただし、電流電極８の位置はこれに限るものではなく、土壌サンプルに比抵抗計測用の電流を流すことができる位置であれば特に制限されるものではない。
【００２３】
電位電極９は例えば細長い板状の電極で、例えば側板１０ｂ，底板１０ａ，側板１０ｅの内面に電流電極８との間に若干の隙間をあけて設けられている。電位電極９には図示しないリード線が接続されている。リード線は容器本体１０と蓋板１１との間から外に引き出されている。電位電極９は土壌サンプルに接触している。ただし、電位電極９の位置はこれに限るものではなく、土壌サンプルの２箇所の電位差を計測することができる位置であれば特に制限されるものではない。
【００２４】
容器１は熱伝導率計測用プローブ３の周囲（径方向外側及び前方）に少なくとも土壌サンプルの熱伝導率の計測に必要な厚さの土壌サンプルを存在させる内部空間１９を有している。つまり、熱伝導率を正確に計測するためには、熱伝導率計測用プローブ３の周囲に熱が伝わる土壌サンプルが存在することが必要である。熱伝導率計測用プローブ３の周囲に厚さｔの土壌サンプルが必要であるとすると、容器１は熱伝導率計測用プローブ３の周囲に少なくとも厚さｔの土壌サンプルを存在させることができる広さの内部空間１９を有している（条件１）。また、容器１内の内部空間１９は熱伝導率計測用プローブ３を収容できる大きさであることが必要である（条件２）。
【００２５】
容器１は、発振側振動子６から土壌サンプル中を伝播して受振側振動子７に到達する弾性波（Ｐ波）の方が、少なくとも経路の一部において容器１の壁板を伝播して受振側振動子７に到達する弾性波（Ｐ波）よりも先に受振側振動子７に到達する形状を有している（条件３）。つまり、土壌サンプルの弾性波速度を計測するためには、発振側振動子６から土壌サンプル中を伝播して受振側振動子７に到達した弾性波（以下、土壌サンプルのみを伝播した弾性波という）と、少なくとも経路の一部において容器１の壁板を伝播して受振側振動子７に到達する弾性波、即ち一部区間において容器１の壁板を伝播して又は容器１の壁板のみを伝播して受振側振動子７に到達した弾性波（以下、容器１の壁板を伝播した弾性波という）とを区別し、前者が受振側振動子７に到達するまでの時間を計測する必要がある。前者を後者とは区別して計測するためには、前者が受振側振動子７に先に到達するようにし、受振側振動子７の検出信号の立ち上がり時を検出すれば良い。弾性波が土壌サンプル中を伝播する速度Ｖ１は、容器１の壁板を伝播する速度Ｖ２よりも遅い（Ｖ１＜Ｖ２）。したがって、単純に前者の伝播距離を後者の伝播距離よりも短くするだけでは条件３を満たすことはできない。容器１は、伝播速度と伝播距離とを考慮して、前者を後者よりも先に受振側振動子７に到達させる形状、即ち高さＨ、幅Ｗ、奥行きＤを有している。
【００２６】
容器１は上記３つの条件１〜３を満足するように形成されている。以下、蓋板１１と底板１０ａの間隔を高さＨ、電流電極８が取り付けられている側板１０ｃ，１０ｄの間隔を幅Ｗ、熱伝導率計測用プローブ３が取り付けられている側板１０ｂと当該側板１０ｂに対向する側板１０ｅとの間隔を奥行きＤとして、条件１〜３を満たす容器１について検討する。なお、ここでの高さＨ、幅Ｗ、奥行きＤは、容器１の内側の寸法とする。
【００２７】
先ず、条件１について検討する。熱伝導率計測用プローブ３の周囲に少なくとも厚さｔの土壌サンプルが必要であるため、熱伝導率計測用プローブ３の直径を２ｒとすると、高さＨと幅Ｗを〔ｔ＋２ｒ＋ｔ〕＝〔２ｔ＋２ｒ〕よりも大きくする必要がある。若干の余裕をα１とすると、高さＨと幅Ｗは数式１，２となる。
＜数１＞ Ｈ≧２ｔ＋２ｒ＋α１
＜数２＞ Ｗ≧２ｔ＋２ｒ＋α１
【００２８】
次に、条件２について検討する。熱伝導率計測用プローブ３の容器１内への挿入部分の長さをＬ４とすると、奥行きＤをＬ４よりも大きくする必要がある。若干の余裕をα２とすると、奥行きＤは数式３となる。ただし、条件１を考慮すると、α２≧ｔである。
＜数３＞ Ｄ≧Ｌ４＋α２
【００２９】
次に、図６に基づいて、条件３について検討する。ここで、土壌サンプルを伝播する弾性波の速度：Ｖ１、容器１の壁板を伝播する弾性波の速度：Ｖ２である。また、発振側振動子６と受振側振動子７は幅Ｗの中央に設けられている。
【００３０】
(１) 容器１の壁板を伝播する弾性波が、スネルの法則に従って伝播する場合
いま、スネルの法則（全反射が成り立つならば）：sinθ＝Ｖ１／Ｖ２である。
図６の土壌サンプル中を伝播する区間ａの長さＬ１は、cosθ＝（Ｗ／２）／Ｌ１より、数式４となる。
＜数４＞ Ｌ１＝Ｗ／２cosθ
【００３１】
また、土壌サンプル中を伝播する区間ｃの長さＬ３は、Ｌ３＝Ｌ１より、数式５となる。
＜数５＞ Ｌ３＝Ｗ／２cosθ
【００３２】
容器１の壁板を伝播する区間ｂの長さＬ２は、数式６となる。
＜数６＞ Ｌ２＝Ｈ−Ｌ１sinθ×２
＝Ｈ−（Ｗ／２cosθ）×sinθ×２
＝Ｈ−Ｗtanθ
【００３３】
従って、容器１の壁板を伝播する弾性波の伝播時間Ｔ２は、数式７となる。
＜数７＞ Ｔ２＝（Ｌ１＋Ｌ３）／Ｖ１＋Ｌ２／Ｖ２
＝Ｗ／Ｖ１cosθ＋（Ｈ−Ｗtanθ）／Ｖ２
【００３４】
一方、土壌サンプルのみを伝播する弾性波の伝播時間Ｔ１は、数式８となる。
＜数８＞ Ｔ１＝Ｈ／Ｖ１
【００３５】
Ｔ１＞Ｔ２であれば、容器１の壁板を伝播する弾性波が先に受振側振動子７に到達することになる。
【００３６】
ここで、Ｔ１＝Ｔ２の時の幅Ｗを求めると、Ｈ／Ｖ１＝Ｗ／Ｖ１cosθ＋（Ｈ−Ｗtanθ）／Ｖ２より、数式９となる。
＜数９＞ Ｗ＝Ｈcosθ（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｖ２−Ｖ１sinθ）
【００３７】
また、スネルの法則より、数式１０，１１を数式９に代入すると、数式１２となる。
＜数１０＞ sinθ＝Ｖ１／Ｖ２
【数１１】
【数１２】
【００３８】
土壌サンプルのみを伝播する弾性波が容器１の壁板を伝播する弾性波よりも先に受振側振動子７に到達するには、幅Ｗが数式１２のＷよりも大きければ良いので、数式１３となる。
【数１３】
【００３９】
(２) 容器１の壁板を伝播する弾性波が、壁板のみを伝播するものである場合
容器１の壁板を伝播する弾性波の伝播時間Ｔ３は、数式１４となる。
＜数１４＞ Ｔ３＝（Ｗ／２＋Ｈ＋Ｗ／２）／Ｖ２
【００４０】
Ｔ１＝Ｔ３のときのＷは、Ｈ／Ｖ１＝（Ｗ／２＋Ｈ＋Ｗ／２）／Ｖ２より、数式１５，１５となる。
＜数１５＞ Ｗ＝（Ｖ２／Ｖ１−１）×Ｈ
【００４１】
土壌サンプルのみを伝播する弾性波が容器１の壁板を伝播する弾性波よりも先に受振側振動子７に到達するには、幅Ｗが数式１５のＷよりも大きければ良いので、数式１６となる。
＜数１６＞ Ｗ＞（Ｖ２／Ｖ１−１）×Ｈ
【００４２】
(３) なお、発振側振動子６と受振側振動子７を基準に考えると、幅Ｗと奥行きＤは容器１を見る方向の違いであり、弾性波の伝播経路としては同等である。したがって、Ｗ≦Ｄの場合は数式１３、１６を採用し、条件３に関しては奥行きＤを考慮しなくても良いが、Ｗ＞Ｄの場合には、数式１３，１６のＷをＤに置き換えた数式１７（(１)の場合），数式１８（(２)の場合）を採用し、条件３に関しては幅Ｗを考慮しなくても良い。この関係を表１に示す。
【数１７】
＜数１８＞ Ｄ＞（Ｖ２／Ｖ１−１）×Ｈ
【００４３】
【表１】
【００４４】
条件１〜３を纏めると、高さＨは、条件１の数式１を満たす必要がある。幅Ｗは、条件１の数式２と、条件３の該当する数式１３，１６を満たす必要がある。奥行きＤは、条件２の数式３と、条件３の該当する数式１７，１８を満たす必要がある。
【００４５】
なお、土壌サンプルを伝播する弾性波速度Ｖ１として考えられる値を考慮して幅Ｗを決定すると、幅Ｗ＝奥行きＤ（又は幅Ｗ≒奥行きＤ）とすることができる。そして、高さＨ（条件１）に厚さｔを考慮した実用的な数値（例えば厚さｔ＝２ｃｍ）を当てはめ、奥行きＤ（条件２）に長さＬ４を考慮した実用的な数値（例えば長さＬ４＝８ｃｍ，α２＝４ｃｍ）を当てはめ、さらに幅Ｗ＝奥行きＤ（又は幅Ｗ≒奥行きＤ）とすることで、条件３も満たされると考えられる。したがって、条件１，２を考慮し、幅Ｗ＝奥行きＤ（又は幅Ｗ≒奥行きＤ）となるように容器１を形成するのが実用的である。
【００４６】
このような観点から土壌サンプルホルダを製作すると、容器１は幅Ｗと奥行きＤに比べて高さＨが小さい扁平形状の直方体となる。例えば、高さＨ：５ｃｍ、幅Ｗ：１２ｃｍ、奥行きＤ：１２ｃｍとなる。ただし、これらの値に限るものではなく、条件１，２，３を満足するものであれば変更可能である。また、土壌サンプルホルダの充填量を少なくするという観点からは容器１をできるだけ小さくすることが好ましい。
【００４７】
次に、土壌サンプルホルダを使用した計測について説明する。
【００４８】
容器本体１０に熱伝導率計測用プローブ３と受振側振動子７を取り付けた後、容器本体１０内に土壌サンプルを充填する。熱伝導率計測用プローブ３の取り付けによって側板１０ｂの挿入口２が塞がれ、受振側振動子７の取り付けによって底板１０ａの孔１８が塞がれるので、たとえ土壌サンプルが水分を含んでいても漏水することはない。土壌サンプルを充填すると、受振側振動子７の受振部７ａが土壌サンプルに接触する。また、熱伝導率計測用プローブ３の周囲に計測に十分な厚さの土壌サンプルが充填される。そして、土壌サンプルを所定の高さまで充填した後、発振側振動子６を取り付けた蓋板１１を容器本体１０に被せて固定する。蓋板１１を被せることで発振側振動子６の発振部６ａが土壌サンプルに接触する。
【００４９】
次に、土壌サンプルの比抵抗の計測について説明する。この土壌サンプルホルダは２つの電流電極８と２つの電位電極９を使用する４極法に使用される。電流電極８のリード線と電位電極９のリード線を図示しない比抵抗計測器に接続する。そして、電流電極８間に矩形波の電流を流し、その際に生じる土壌サンプルの２箇所の電位差を電位電極９を用いて計測する。容器１は非導電性であるため、電流は土壌サンプルを流れる。計測器としては、例えば応用地質株式会社製のミニオームの使用が可能である。
【００５０】
次に、土壌サンプルの弾性波速度の計測について説明する。発振側振動子６を図示しない振動子発振用ドライバアンプ（例えば、日本地下探査製振動子発振用ドライバアンプ ）に接続すると共に、発振側振動子６及び受振側振動子７を図示しないオシロスコープに接続する。発振側振動子６の発振部６ａから、弾性波（パルス波）を発振させ、土壌サンプル中を伝播した弾性波を受振側振動子７の受振部７ａで受振することで、Ｐ波の初動到達時刻を計測し、土壌サンプルのＰ波速度を計測する。オシロスコープによって受振波形と発振波形も読み取り、発振時刻と受振時刻との時間差を読み取ることで弾性波速度を計測する。
【００５１】
次に、土壌サンプルの熱伝導率の計測について説明する。熱伝導率計測用プローブ３に一定の熱量を加えることで周囲の土壌サンプルを加熱し、その温度変化を観察することで温度の上昇の仕方（温度の傾き）から熱伝導率を求める。また、熱伝導率を求めることで、その逆数である固有熱抵抗も求めることができる。
【００５２】
このように、１つの土壌サンプルホルダを使用して比抵抗、弾性波速度、熱伝導率という３つの物性値を計測することができる。土壌サンプルを詰め替えることなく３つの物性値を連続的に計測することができるので、非常に効率的である。また、それぞれの物性値を計測するために専用の土壌サンプルホルダを個別に製作する必要がない。
【００５３】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００５４】
例えば、上述の説明では、蓋板１１と底板１０ａに発振側振動子６と受振側振動子７を取り付け、側板１０ｂに熱伝導率計測用プローブ３を取り付け、側板１０ｃと側板１０ｄに電流電極８を取り付けていたが、必ずしもこれに限るものではなく、例えば図４に示すように、側板１０ｄと側板１０ｃに発振側振動子６と受振側振動子７を取り付け、側板１０ｂに熱伝導率計測用プローブ３を取り付け、蓋板１１と底板１０ａに電流電極８を取り付けても良く、例えば図５に示すように、側板１０ｂと側板１０ｅに発振側振動子６と受振側振動子７を取り付け（側板１０ｅと発振側振動子７の図示省略）、蓋板１１又は底板１０ａ（図５では蓋板１１）に熱伝導率計測用プローブ３を取り付け、側板１０ｃと側板１０ｄに電流電極８を取り付けても良く、その他でも良い。
【００５５】
また、上述の説明では、受振側振動子７の受振部７ａを土壌サンプルに接触させていたが、土壌サンプルのみを伝播した弾性波の受振が可能な場合には必ずしも受振部７ａを土壌サンプルに接触させなくても良く、底板１０ａの外側に取り付けても良い。この場合には、容器本体１０の底板１０ａに孔１８をあける必要がなくなり、漏水を完全に防止することができる。ただし、受振側振動子７の受振部７ａを取り付ける部分では底板１０ａの厚みを薄くし、弾性波をより受振し易くすることが好ましい。
【実施例１】
【００５６】
条件１〜３を満たす容器１について設計を行なった。
【００５７】
高さＨについては、厚さｔとして例えば２ｃｍ程度必要であり、熱伝導率計測用プローブ３の直径２ｒと余裕α１を合わせて例えば１ｃｍ程度とすると、条件１の数式１より高さＨは５ｃｍ以上となる。土壌サンプルの充填量を少なくするという観点から高さＨは小さい方が好ましいので、高さＨを５ｃｍとした。なお、条件１においては、幅Ｗも高さＨと同じ５ｃｍとなる（数式２）。
【００５８】
奥行きＤについては、熱伝導率計測用プローブ３の容器１内への挿入部分の長さＬ４は例えば８ｃｍであり、条件２の数式３より、奥行きＤは８ｃｍ＋α２以上となる。土壌サンプルの充填量を少なくするという観点から、奥行きＤは小さい方が好ましいので、奥行きＤを８ｃｍ＋α２とした。また、土壌サンプルを伝播する弾性波速度Ｖ１として考えられる値を考慮して幅Ｗを決定すると、幅Ｗ＝奥行きＤとすることができるので、幅Ｗも８ｃｍ＋α２とした。
【００５９】
次に、条件３について検討する。例えば、Ｖ１：１０００ｍ／ｓ、Ｖ２：２７３０ｍ／ｓとすると、上述のように、高さＨは５ｃｍ（０．０５ｍ）、Ｗ＝Ｄであることから、幅Ｗは、(１)の場合は０．０３４ｍ（数式１３）、(２)の場合は０．０８７ｍ（数式１６）となる。
【００６０】
つまり、(１)のスネルの法則に従って弾性波が容器１の壁板を伝播する場合は幅Ｗ＝０．０３４ｍ（＝３．４ｃｍ）となり、これは条件１の数式２による５ｃｍよりも小さいので、条件１を考慮することで条件３を考慮する必要がなくなる。
【００６１】
また、(２)の弾性波が容器１の壁板のみを伝播する場合は幅Ｗ＝０．０８７ｍ（＝８．７ｃｍ）となり、これは条件１の数式２による５ｃｍよりも大きくなるが、条件２の８ｃｍ＋α２（数式３，Ｗ＝Ｄの場合）とほぼ同じであることから、条件２を適切に設定することで、条件３を考慮する必要がなくなる。
【００６２】
ここで、(１)の場合の幅Ｗ：５ｃｍと(２)の場合の幅Ｗ：８ｃｍ＋α２とを比較すると、「(１)の幅Ｗ」＜「(２)の幅Ｗ」であるため、(２)の場合を考慮することで(１)の場合を考慮する必要がなくなる。したがって、(２)の場合を考慮して幅Ｗを決定すると、結局、幅Ｗについては、条件２を適切に設定することで、条件１，３を考慮する必要がなくなる。ここでは、条件２のα２を例えば４ｃｍとし、数式３（Ｗ＝Ｄの場合）より、Ｗ≧１２ｃｍ（＝８ｃｍ＋４ｃｍ）となる。そして、土壌サンプルの充填量を少なくするという観点から、幅Ｗを１２ｃｍとした。
また、Ｗ＝Ｄであることから、奥行きＤも１２ｃｍとした。
【００６３】
なお、条件３において、特に(２)の場合は、土壌サンプルを伝播する弾性波の速度Ｖ１が遅くなることで、容器１の壁板のみを伝播する弾性波の方が受振側振動子７に先に到達することも考えられる。しかしながら、本願発明のように土壌サンプルを計測対象にするのであれば、α２を４ｃｍに設定して弾性波が容器１の壁板のみを伝播する場合の伝播経路を十分に長くすることで、土壌サンプルのみを伝播する弾性波よりも容器１の壁板のみを伝播する弾性波の方が受振側振動子７に先に到達するという事態を防止することができる。ただし、実際の計測データからは(２)の場合の弾性波は受振側振動子７に到達していないと推測される。
【００６４】
以上より、容器１の形状を、高さＨ：５ｃｍ、幅Ｗ：１２ｃｍ、奥行きＤ：１２ｃｍとした。
【符号の説明】
【００６５】
１ 容器
２ 挿入口
３ 熱伝導率計測用プローブ
４ 第１の振動子取付部
５ 第２の振動子取付部
６ 発振側振動子
７ 受振側振動子
７ａ 受振側振動子の受振部
８ 電流電極
９ 電位電極
１０ａ 底板（壁板）
１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 側板（壁板）
１１ 蓋板（壁板）
１９ 内部空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌サンプルホルダに関する。更に詳しくは、本発明は、土壌の比抵抗、熱伝導率、弾性波速度を計測可能な土壌サンプルホルダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
岩石試料の比抵抗を計測するために使用するサンプルホルダとして、例えば図７に示すように、岩石試料１０１の両端を電流電極１０２及び電位電極１０３を介してキャップ１０４で支持するものがある（非特許文献１）。電流電極１０２及び電位電極１０３として銅製ネットを使用すると共に、導電性確保のために電解質溶液を含ませた濾紙１０５を岩石試料１０１と電流電極１０２との間、電流電極１０２と電位電極１０３との間、電位電極１０３とキャップ１０４との間に挟み込んでいる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】千葉昭彦・熊田政弘，「花崗岩及び凝灰岩試料の比抵抗測定−間隙水の比抵抗が岩石比抵抗に及ぼす影響について−」，物理探査，第４７巻，第３号，ｐ．１６１−１７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のサンプルホルダでは、岩石試料の両端をキャップ１０４によって挟持して支持する構成であるため、土壌試料については使用することができない。また、物性値として比抵抗しか測定することができない。
【０００５】
本発明は、土壌試料についての計測に適した土壌サンプルホルダを提供することを目的とする。また、本発明は、土壌の比抵抗の他に、熱伝導率、弾性波速度の測定も可能な土壌サンプルホルダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の土壌サンプルホルダは、土壌サンプルを収容する非導電性の容器と、容器の壁板に設けられた挿入口と、挿入口から土壌サンプルに差し込まれた熱伝導率計測用プローブと、容器の対向する一対の壁板に設けられた第１及び第２の振動子取付部と、第１の振動子取付部に取り付けられて土壌サンプルに接触する発振側振動子と、第２の振動子取付部に土壌サンプルに向けて取り付けられた受振側振動子と、容器の対向する一対の壁板に取り付けられ、土壌サンプルに比抵抗計測用電流を流す一対の電流電極と、比抵抗計測用電流が流れている状態の土壌サンプルの２箇所の電位差を計測する一対の電位電極を備え、容器は熱伝導率計測用プローブの周囲に少なくとも土壌サンプルの熱伝導率の計測に必要な厚さの土壌サンプルを存在させる内部空間を有しており、且つ、容器は、発振側振動子から土壌サンプル中を伝播して受振側振動子に到達する弾性波の方が、少なくとも経路の一部において容器の壁板を伝播して受振側振動子に到達する弾性波よりも先に受振側振動子に到達する形状を有するものである。
【０００７】
したがって、土壌サンプルを容器内に充填して計測が行なわれる。土壌サンプルの充填によって、電流電極と電位電極は土壌サンプルに接触する。土壌の比抵抗の計測は、一対の電流電極を使用して土壌サンプルに比抵抗計測用電流を流し、一対の電位電極間の電位差を計測することで行なわれる。また、土壌の熱伝導率の計測は、挿入口から土壌サンプルに差し込まれている熱伝導率計測用プローブを使用することで行なわれる。土壌サンプルの充填によって、熱伝導率計測用プローブの周囲には熱伝導率の計測に十分な厚さの土壌サンプルが存在する。したがって、周囲の空気の影響を排除して熱伝導率を計測することができる。さらに、土壌の弾性波速度の計測は、発振側振動子から発振された弾性波が受振側振動子に最初に到達するまでの時間を計測することで行なわれる。発振側振動子から発振された弾性波は、容器形状により、土壌サンプルのみを伝播したものが最初に受振側振動子に到達するので、受振側振動子に最初に到達した弾性波の到達までの時間を計測することで、土壌の弾性波速度を計測することができる。
【０００８】
また、請求項２記載の土壌サンプルホルダは、発振側振動子と受振側振動子を、超磁歪振動子としたものである。したがって、強い弾性波を発生させることができ、土壌サンプルを伝播しながら減衰される弾性波を受振側振動子に良好に到達させ易くなる。
【０００９】
さらに、請求項３記載の土壌サンプルホルダは、受振側振動子の受振部を土壌サンプルに接触させている。したがって、土壌サンプル中を伝播してきた弾性波を直接受振することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の土壌サンプルホルダでは、容器内に土壌サンプルを充填して計測を行なうので、崩れやすい土壌についての計測が容易である。また、土壌が水分を含むものであっても水分を含んだ状態で計測することができると共に、水分の蒸発を防ぎながらの計測も可能である。さらに、１つの土壌サンプルホルダを使用して、土壌サンプルの比抵抗と熱伝導率と弾性波速度をそれぞれ計測することができる。そのため、計測を効率的に行うことができると共に、同一条件下における３種類の物性値を測定することができる。また、それぞれの測定の為に専用のサンプルホルダを別々に準備する必要がなく、便利である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の土壌サンプルホルダの第１の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１のII−II線の沿う土壌サンプルホルダの断面図である。
【図３】同土壌サンプルホルダの平面図である。
【図４】本発明の土壌サンプルホルダの第２の実施形態を示す縦断面図である。
【図５】本発明の土壌サンプルホルダの第３の実施形態を示す縦断面図である。
【図６】条件３についての検討を行なうための土壌サンプルホルダの概念図である。
【図７】従来のサンプルホルダの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１〜図３に、本発明の土壌サンプルホルダの実施形態の一例を示す。なお、図１，図２は土壌サンプルを入れる前の状態を示している（図４，５も同様である。）。土壌サンプルホルダは、土壌サンプルを収容する非導電性の容器１と、容器１の壁板に設けられた挿入口２と、挿入口２から土壌サンプルに差し込まれた熱伝導率計測用プローブ３と、容器１の対向する一対の壁板に設けられた第１及び第２の振動子取付部４，５と、第１の振動子取付部４に取り付けられて土壌サンプルに接触する発振側振動子６と、第２の振動子取付部５に土壌サンプルに向けて取り付けられた受振側振動子７と、容器１の対向する一対の壁板に取り付けられ、土壌サンプルに比抵抗計測用電流を流す一対の電流電極８と、比抵抗計測用電流が流れている状態の土壌サンプルの２箇所の電位差を計測する一対の電位電極９を備えている。
【００１４】
容器１の形状は、例えば直方体であり、底板１０ａと４枚の側板１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅより成る容器本体１０に蓋板１１を被せる構造となっている。蓋板１１は例えばねじ２０等の固定手段を使用して容器本体１０に固定される。ただし、容器１の形状は直方体に限るものではない。本実施形態では、アクリル板によって形成することで容器１を非導電性としている。ただし、アクリル板以外の非導電性の板材、例えばポリプロピレン板、ポリエチレン板等を使用して容器１を形成しても良い。また、容器１をアクリル板によって形成することで容器１を透明にすることができ、充填した土壌サンプルを視覚によって外から確認することができる。容器本体１０には例えば４本の脚１２が取り付けられており、受振側振動子７を配置する空間を確保している。
【００１５】
本実施形態では、側板（壁板）１０ｂに熱伝導率計測用プローブ３を挿入する挿入口２を、蓋板（壁板）１１に発振側振動子６を取り付ける第１の振動子取付部４を、底板（壁板）１０ａに受振側振動子７を取り付ける第２の振動子取付部５をそれぞれ設けている。また、挿入口２を設けた側板１０ｂの両側の側板（壁板）１０ｃ，１０ｄに電流電極８が取り付けられている。即ち、蓋板１１と底板１０ａが第１及び第２の振動子取付部４，５が設けられる一対の対向する壁板であり、側板１０ｃと側板１０ｄが一対の電流電極８が取り付けられる一対の対向する壁板である。このように本実施形態では、熱伝導率計測用プローブ３、発振側振動子６及び受振側振動子７、一対の電流電極８，８を別々の壁板に取り付けるようにしている。
【００１６】
挿入口２は側板１０ｂを貫通する孔であり、側板１０ｂの中央に設けられている。熱伝導率計測用プローブ３は挿入口２から容器１内に挿入されている。挿入口２には例えばゴム製のスリーブ１３が取り付けられている。スリーブ１３は熱伝導率計測用プローブ３がぐらつかないようにしっかりと保持すると共に、側板１０ｂと熱伝導率計測用プローブ３との間の隙間を塞いでシールする。熱伝導率計測用プローブ３を有する測定器として、例えばクリマテック株式会社製の土壌熱伝導率測定器（ＴＰ０８）の使用が可能である。熱伝導率計測用プローブ３は側板１０ｂから取り外し可能となっている。
【００１７】
第１の振動子取付部４は蓋板１１の上面の中央に設けられている。第１の振動子取付部４には蓋板１１を貫通する孔１４が設けられている。孔１４の内径は発振側振動子６の発振部６ａの外径とほぼ同一寸法になっており、発振部６ａによって孔１４を塞ぐことができる。第１の振動子取付部４には発振側振動子６の軸部６ｂを挟持する一対の支持片１５，１５が取り付けられている。即ち、一対の支持片１５，１５で発振側振動子６の軸部６ｂを挟持し、発振部６ａを孔１４に挿入し、一対の支持片１５，１５を第１の振動子取付部４に取り付けることで、発振側振動子６を第１の振動子取付部４に取り付けている。発振側振動子６は第１の振動子取付部４から取り外し可能となっている。
【００１８】
各支持片１５，１５には軸部６ｂの形状に対応する半円状の窪み１５ａが設けられており、２つの支持片１５，１５の窪み１５ａ，１５ａによって軸部６ｂをしっかりと挟み込んでいる。窪み１５ａ，１５ａの大きさは軸部６ｂを挟み込んだ状態で２つの支持片１５，１５の間に若干の隙間が生じる大きさとされており、２つの支持片１５，１５によって発振側振動子６の軸部６ｂをしっかりと挟み付け、保持することができる。２つの支持片１５，１５は軸部６ｂを挟持した状態で例えばボルト１６によって結合されている。結合された２つの支持片１５，１５は、例えばねじ１７によって第１の振動子取付部４に固定されている。発振側振動子６の発振部６ａの先端面は、蓋板１１の裏面と面一になっており、土壌サンプルと接触可能となっている。
【００１９】
第２の振動子取付部５は底板１０ａの下面の中央に設けられている。第２の振動子取付部５には底板１０ａを貫通する孔１８が設けられている。孔１８の内径は受振側振動子７の受振部７ａの外径とほぼ同一寸法になっており、受振部７ａによって孔１８を塞ぐことができる。第２の振動子取付部５には一対の支持片１５，１５を使用して受振側振動子７が取り付けられている。受振側振動子７の取付構造は上述の発振側振動子６の取付構造と同一であり、その説明を省略する。
【００２０】
本実施形態では第２の振動子取付部５に貫通孔１８を設けると共に、当該貫通孔１８に挿入した受振側振動子７の受振部７ａの先端面を底板１０ａの内面と面一にすることで、受振部７ａを突出させることなく土壌サンプルに接触させている。受振部７ａを土壌サンプルに接触させることで、土壌サンプル中を伝播してきた弾性波を直接受振することができる。
【００２１】
発振側振動子６と受振側振動子７は超磁歪振動子である。超磁歪素子を使用することで、土壌サンプルのみを伝播して受振側振動子７に到達できるような強い弾性波を発生するのが容易になる。
【００２２】
電流電極８は例えば板状の電極で、側板１０ｃ，１０ｄの内側面にほぼ全面に亘って設けられている。電流電極８には図示しないリード線が接続されている。リード線は容器本体１０と蓋板１１との間から外に引き出されている。電流電極８は土壌サンプルに接触している。ただし、電流電極８の位置はこれに限るものではなく、土壌サンプルに比抵抗計測用の電流を流すことができる位置であれば特に制限されるものではない。
【００２３】
電位電極９は例えば細長い板状の電極で、例えば側板１０ｂ，底板１０ａ，側板１０ｅの内面に電流電極８との間に若干の隙間をあけて設けられている。電位電極９には図示しないリード線が接続されている。リード線は容器本体１０と蓋板１１との間から外に引き出されている。電位電極９は土壌サンプルに接触している。ただし、電位電極９の位置はこれに限るものではなく、土壌サンプルの２箇所の電位差を計測することができる位置であれば特に制限されるものではない。
【００２４】
容器１は熱伝導率計測用プローブ３の周囲（径方向外側及び前方）に少なくとも土壌サンプルの熱伝導率の計測に必要な厚さの土壌サンプルを存在させる内部空間１９を有している。つまり、熱伝導率を正確に計測するためには、熱伝導率計測用プローブ３の周囲に熱が伝わる土壌サンプルが存在することが必要である。熱伝導率計測用プローブ３の周囲に厚さｔの土壌サンプルが必要であるとすると、容器１は熱伝導率計測用プローブ３の周囲に少なくとも厚さｔの土壌サンプルを存在させることができる広さの内部空間１９を有している（条件１）。また、容器１内の内部空間１９は熱伝導率計測用プローブ３を収容できる大きさであることが必要である（条件２）。
【００２５】
容器１は、発振側振動子６から土壌サンプル中を伝播して受振側振動子７に到達する弾性波（Ｐ波）の方が、少なくとも経路の一部において容器１の壁板を伝播して受振側振動子７に到達する弾性波（Ｐ波）よりも先に受振側振動子７に到達する形状を有している（条件３）。つまり、土壌サンプルの弾性波速度を計測するためには、発振側振動子６から土壌サンプル中を伝播して受振側振動子７に到達した弾性波（以下、土壌サンプルのみを伝播した弾性波という）と、少なくとも経路の一部において容器１の壁板を伝播して受振側振動子７に到達する弾性波、即ち一部区間において容器１の壁板を伝播して又は容器１の壁板のみを伝播して受振側振動子７に到達した弾性波（以下、容器１の壁板を伝播した弾性波という）とを区別し、前者が受振側振動子７に到達するまでの時間を計測する必要がある。前者を後者とは区別して計測するためには、前者が受振側振動子７に先に到達するようにし、受振側振動子７の検出信号の立ち上がり時を検出すれば良い。弾性波が土壌サンプル中を伝播する速度Ｖ１は、容器１の壁板を伝播する速度Ｖ２よりも遅い（Ｖ１＜Ｖ２）。したがって、単純に前者の伝播距離を後者の伝播距離よりも短くするだけでは条件３を満たすことはできない。容器１は、伝播速度と伝播距離とを考慮して、前者を後者よりも先に受振側振動子７に到達させる形状、即ち高さＨ、幅Ｗ、奥行きＤを有している。
【００２６】
容器１は上記３つの条件１〜３を満足するように形成されている。以下、蓋板１１と底板１０ａの間隔を高さＨ、電流電極８が取り付けられている側板１０ｃ，１０ｄの間隔を幅Ｗ、熱伝導率計測用プローブ３が取り付けられている側板１０ｂと当該側板１０ｂに対向する側板１０ｅとの間隔を奥行きＤとして、条件１〜３を満たす容器１について検討する。なお、ここでの高さＨ、幅Ｗ、奥行きＤは、容器１の内側の寸法とする。
【００２７】
先ず、条件１について検討する。熱伝導率計測用プローブ３の周囲に少なくとも厚さｔの土壌サンプルが必要であるため、熱伝導率計測用プローブ３の直径を２ｒとすると、高さＨと幅Ｗを〔ｔ＋２ｒ＋ｔ〕＝〔２ｔ＋２ｒ〕よりも大きくする必要がある。若干の余裕をα１とすると、高さＨと幅Ｗは数式１，２となる。
＜数１＞ Ｈ≧２ｔ＋２ｒ＋α１
＜数２＞ Ｗ≧２ｔ＋２ｒ＋α１
【００２８】
次に、条件２について検討する。熱伝導率計測用プローブ３の容器１内への挿入部分の長さをＬ４とすると、奥行きＤをＬ４よりも大きくする必要がある。若干の余裕をα２とすると、奥行きＤは数式３となる。ただし、条件１を考慮すると、α２≧ｔである。
＜数３＞ Ｄ≧Ｌ４＋α２
【００２９】
次に、図６に基づいて、条件３について検討する。ここで、土壌サンプルを伝播する弾性波の速度：Ｖ１、容器１の壁板を伝播する弾性波の速度：Ｖ２である。また、発振側振動子６と受振側振動子７は幅Ｗの中央に設けられている。
【００３０】
(１) 容器１の壁板を伝播する弾性波が、スネルの法則に従って伝播する場合
いま、スネルの法則（全反射が成り立つならば）：sinθ＝Ｖ１／Ｖ２である。
図６の土壌サンプル中を伝播する区間ａの長さＬ１は、cosθ＝（Ｗ／２）／Ｌ１より、数式４となる。
＜数４＞ Ｌ１＝Ｗ／２cosθ
【００３１】
また、土壌サンプル中を伝播する区間ｃの長さＬ３は、Ｌ３＝Ｌ１より、数式５となる。
＜数５＞ Ｌ３＝Ｗ／２cosθ
【００３２】
容器１の壁板を伝播する区間ｂの長さＬ２は、数式６となる。
＜数６＞ Ｌ２＝Ｈ−Ｌ１sinθ×２
＝Ｈ−（Ｗ／２cosθ）×sinθ×２
＝Ｈ−Ｗtanθ
【００３３】
従って、容器１の壁板を伝播する弾性波の伝播時間Ｔ２は、数式７となる。
＜数７＞ Ｔ２＝（Ｌ１＋Ｌ３）／Ｖ１＋Ｌ２／Ｖ２
＝Ｗ／Ｖ１cosθ＋（Ｈ−Ｗtanθ）／Ｖ２
【００３４】
一方、土壌サンプルのみを伝播する弾性波の伝播時間Ｔ１は、数式８となる。
＜数８＞ Ｔ１＝Ｈ／Ｖ１
【００３５】
Ｔ１＞Ｔ２であれば、容器１の壁板を伝播する弾性波が先に受振側振動子７に到達することになる。
【００３６】
ここで、Ｔ１＝Ｔ２の時の幅Ｗを求めると、Ｈ／Ｖ１＝Ｗ／Ｖ１cosθ＋（Ｈ−Ｗtanθ）／Ｖ２より、数式９となる。
＜数９＞ Ｗ＝Ｈcosθ（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｖ２−Ｖ１sinθ）
【００３７】
また、スネルの法則より、数式１０，１１を数式９に代入すると、数式１２となる。
＜数１０＞ sinθ＝Ｖ１／Ｖ２
【数１１】
【数１２】
【００３８】
土壌サンプルのみを伝播する弾性波が容器１の壁板を伝播する弾性波よりも先に受振側振動子７に到達するには、幅Ｗが数式１２のＷよりも大きければ良いので、数式１３となる。
【数１３】
【００３９】
(２) 容器１の壁板を伝播する弾性波が、壁板のみを伝播するものである場合
容器１の壁板を伝播する弾性波の伝播時間Ｔ３は、数式１４となる。
＜数１４＞ Ｔ３＝（Ｗ／２＋Ｈ＋Ｗ／２）／Ｖ２
【００４０】
Ｔ１＝Ｔ３のときのＷは、Ｈ／Ｖ１＝（Ｗ／２＋Ｈ＋Ｗ／２）／Ｖ２より、数式１５，１５となる。
＜数１５＞ Ｗ＝（Ｖ２／Ｖ１−１）×Ｈ
【００４１】
土壌サンプルのみを伝播する弾性波が容器１の壁板を伝播する弾性波よりも先に受振側振動子７に到達するには、幅Ｗが数式１５のＷよりも大きければ良いので、数式１６となる。
＜数１６＞ Ｗ＞（Ｖ２／Ｖ１−１）×Ｈ
【００４２】
(３) なお、発振側振動子６と受振側振動子７を基準に考えると、幅Ｗと奥行きＤは容器１を見る方向の違いであり、弾性波の伝播経路としては同等である。したがって、Ｗ≦Ｄの場合は数式１３、１６を採用し、条件３に関しては奥行きＤを考慮しなくても良いが、Ｗ＞Ｄの場合には、数式１３，１６のＷをＤに置き換えた数式１７（(１)の場合），数式１８（(２)の場合）を採用し、条件３に関しては幅Ｗを考慮しなくても良い。この関係を表１に示す。
【数１７】
＜数１８＞ Ｄ＞（Ｖ２／Ｖ１−１）×Ｈ
【００４３】
【表１】
【００４４】
条件１〜３を纏めると、高さＨは、条件１の数式１を満たす必要がある。幅Ｗは、条件１の数式２と、条件３の該当する数式１３，１６を満たす必要がある。奥行きＤは、条件２の数式３と、条件３の該当する数式１７，１８を満たす必要がある。
【００４５】
なお、土壌サンプルを伝播する弾性波速度Ｖ１として考えられる値を考慮して幅Ｗを決定すると、幅Ｗ＝奥行きＤ（又は幅Ｗ≒奥行きＤ）とすることができる。そして、高さＨ（条件１）に厚さｔを考慮した実用的な数値（例えば厚さｔ＝２ｃｍ）を当てはめ、奥行きＤ（条件２）に長さＬ４を考慮した実用的な数値（例えば長さＬ４＝８ｃｍ，α２＝４ｃｍ）を当てはめ、さらに幅Ｗ＝奥行きＤ（又は幅Ｗ≒奥行きＤ）とすることで、条件３も満たされると考えられる。したがって、条件１，２を考慮し、幅Ｗ＝奥行きＤ（又は幅Ｗ≒奥行きＤ）となるように容器１を形成するのが実用的である。
【００４６】
このような観点から土壌サンプルホルダを製作すると、容器１は幅Ｗと奥行きＤに比べて高さＨが小さい扁平形状の直方体となる。例えば、高さＨ：５ｃｍ、幅Ｗ：１２ｃｍ、奥行きＤ：１２ｃｍとなる。ただし、これらの値に限るものではなく、条件１，２，３を満足するものであれば変更可能である。また、土壌サンプルホルダの充填量を少なくするという観点からは容器１をできるだけ小さくすることが好ましい。
【００４７】
次に、土壌サンプルホルダを使用した計測について説明する。
【００４８】
容器本体１０に熱伝導率計測用プローブ３と受振側振動子７を取り付けた後、容器本体１０内に土壌サンプルを充填する。熱伝導率計測用プローブ３の取り付けによって側板１０ｂの挿入口２が塞がれ、受振側振動子７の取り付けによって底板１０ａの孔１８が塞がれるので、たとえ土壌サンプルが水分を含んでいても漏水することはない。土壌サンプルを充填すると、受振側振動子７の受振部７ａが土壌サンプルに接触する。また、熱伝導率計測用プローブ３の周囲に計測に十分な厚さの土壌サンプルが充填される。そして、土壌サンプルを所定の高さまで充填した後、発振側振動子６を取り付けた蓋板１１を容器本体１０に被せて固定する。蓋板１１を被せることで発振側振動子６の発振部６ａが土壌サンプルに接触する。
【００４９】
次に、土壌サンプルの比抵抗の計測について説明する。この土壌サンプルホルダは２つの電流電極８と２つの電位電極９を使用する４極法に使用される。電流電極８のリード線と電位電極９のリード線を図示しない比抵抗計測器に接続する。そして、電流電極８間に矩形波の電流を流し、その際に生じる土壌サンプルの２箇所の電位差を電位電極９を用いて計測する。容器１は非導電性であるため、電流は土壌サンプルを流れる。計測器としては、例えば応用地質株式会社製のミニオームの使用が可能である。
【００５０】
次に、土壌サンプルの弾性波速度の計測について説明する。発振側振動子６を図示しない振動子発振用ドライバアンプ（例えば、日本地下探査製振動子発振用ドライバアンプ ）に接続すると共に、発振側振動子６及び受振側振動子７を図示しないオシロスコープに接続する。発振側振動子６の発振部６ａから、弾性波（パルス波）を発振させ、土壌サンプル中を伝播した弾性波を受振側振動子７の受振部７ａで受振することで、Ｐ波の初動到達時刻を計測し、土壌サンプルのＰ波速度を計測する。オシロスコープによって受振波形と発振波形も読み取り、発振時刻と受振時刻との時間差を読み取ることで弾性波速度を計測する。
【００５１】
次に、土壌サンプルの熱伝導率の計測について説明する。熱伝導率計測用プローブ３に一定の熱量を加えることで周囲の土壌サンプルを加熱し、その温度変化を観察することで温度の上昇の仕方（温度の傾き）から熱伝導率を求める。また、熱伝導率を求めることで、その逆数である固有熱抵抗も求めることができる。
【００５２】
このように、１つの土壌サンプルホルダを使用して比抵抗、弾性波速度、熱伝導率という３つの物性値を計測することができる。土壌サンプルを詰め替えることなく３つの物性値を連続的に計測することができるので、非常に効率的である。また、それぞれの物性値を計測するために専用の土壌サンプルホルダを個別に製作する必要がない。
【００５３】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００５４】
例えば、上述の説明では、蓋板１１と底板１０ａに発振側振動子６と受振側振動子７を取り付け、側板１０ｂに熱伝導率計測用プローブ３を取り付け、側板１０ｃと側板１０ｄに電流電極８を取り付けていたが、必ずしもこれに限るものではなく、例えば図４に示すように、側板１０ｄと側板１０ｃに発振側振動子６と受振側振動子７を取り付け、側板１０ｂに熱伝導率計測用プローブ３を取り付け、蓋板１１と底板１０ａに電流電極８を取り付けても良く、例えば図５に示すように、側板１０ｂと側板１０ｅに発振側振動子６と受振側振動子７を取り付け（側板１０ｅと発振側振動子７の図示省略）、蓋板１１又は底板１０ａ（図５では蓋板１１）に熱伝導率計測用プローブ３を取り付け、側板１０ｃと側板１０ｄに電流電極８を取り付けても良く、その他でも良い。
【００５５】
また、上述の説明では、受振側振動子７の受振部７ａを土壌サンプルに接触させていたが、土壌サンプルのみを伝播した弾性波の受振が可能な場合には必ずしも受振部７ａを土壌サンプルに接触させなくても良く、底板１０ａの外側に取り付けても良い。この場合には、容器本体１０の底板１０ａに孔１８をあける必要がなくなり、漏水を完全に防止することができる。ただし、受振側振動子７の受振部７ａを取り付ける部分では底板１０ａの厚みを薄くし、弾性波をより受振し易くすることが好ましい。
【実施例１】
【００５６】
条件１〜３を満たす容器１について設計を行なった。
【００５７】
高さＨについては、厚さｔとして例えば２ｃｍ程度必要であり、熱伝導率計測用プローブ３の直径２ｒと余裕α１を合わせて例えば１ｃｍ程度とすると、条件１の数式１より高さＨは５ｃｍ以上となる。土壌サンプルの充填量を少なくするという観点から高さＨは小さい方が好ましいので、高さＨを５ｃｍとした。なお、条件１においては、幅Ｗも高さＨと同じ５ｃｍとなる（数式２）。
【００５８】
奥行きＤについては、熱伝導率計測用プローブ３の容器１内への挿入部分の長さＬ４は例えば８ｃｍであり、条件２の数式３より、奥行きＤは８ｃｍ＋α２以上となる。土壌サンプルの充填量を少なくするという観点から、奥行きＤは小さい方が好ましいので、奥行きＤを８ｃｍ＋α２とした。また、土壌サンプルを伝播する弾性波速度Ｖ１として考えられる値を考慮して幅Ｗを決定すると、幅Ｗ＝奥行きＤとすることができるので、幅Ｗも８ｃｍ＋α２とした。
【００５９】
次に、条件３について検討する。例えば、Ｖ１：１０００ｍ／ｓ、Ｖ２：２７３０ｍ／ｓとすると、上述のように、高さＨは５ｃｍ（０．０５ｍ）、Ｗ＝Ｄであることから、幅Ｗは、(１)の場合は０．０３４ｍ（数式１３）、(２)の場合は０．０８７ｍ（数式１６）となる。
【００６０】
つまり、(１)のスネルの法則に従って弾性波が容器１の壁板を伝播する場合は幅Ｗ＝０．０３４ｍ（＝３．４ｃｍ）となり、これは条件１の数式２による５ｃｍよりも小さいので、条件１を考慮することで条件３を考慮する必要がなくなる。
【００６１】
また、(２)の弾性波が容器１の壁板のみを伝播する場合は幅Ｗ＝０．０８７ｍ（＝８．７ｃｍ）となり、これは条件１の数式２による５ｃｍよりも大きくなるが、条件２の８ｃｍ＋α２（数式３，Ｗ＝Ｄの場合）とほぼ同じであることから、条件２を適切に設定することで、条件３を考慮する必要がなくなる。
【００６２】
ここで、(１)の場合の幅Ｗ：５ｃｍと(２)の場合の幅Ｗ：８ｃｍ＋α２とを比較すると、「(１)の幅Ｗ」＜「(２)の幅Ｗ」であるため、(２)の場合を考慮することで(１)の場合を考慮する必要がなくなる。したがって、(２)の場合を考慮して幅Ｗを決定すると、結局、幅Ｗについては、条件２を適切に設定することで、条件１，３を考慮する必要がなくなる。ここでは、条件２のα２を例えば４ｃｍとし、数式３（Ｗ＝Ｄの場合）より、Ｗ≧１２ｃｍ（＝８ｃｍ＋４ｃｍ）となる。そして、土壌サンプルの充填量を少なくするという観点から、幅Ｗを１２ｃｍとした。
また、Ｗ＝Ｄであることから、奥行きＤも１２ｃｍとした。
【００６３】
なお、条件３において、特に(２)の場合は、土壌サンプルを伝播する弾性波の速度Ｖ１が遅くなることで、容器１の壁板のみを伝播する弾性波の方が受振側振動子７に先に到達することも考えられる。しかしながら、本願発明のように土壌サンプルを計測対象にするのであれば、α２を４ｃｍに設定して弾性波が容器１の壁板のみを伝播する場合の伝播経路を十分に長くすることで、土壌サンプルのみを伝播する弾性波よりも容器１の壁板のみを伝播する弾性波の方が受振側振動子７に先に到達するという事態を防止することができる。ただし、実際の計測データからは(２)の場合の弾性波は受振側振動子７に到達していないと推測される。
【００６４】
以上より、容器１の形状を、高さＨ：５ｃｍ、幅Ｗ：１２ｃｍ、奥行きＤ：１２ｃｍとした。
【符号の説明】
【００６５】
１ 容器
２ 挿入口
３ 熱伝導率計測用プローブ
４ 第１の振動子取付部
５ 第２の振動子取付部
６ 発振側振動子
７ 受振側振動子
７ａ 受振側振動子の受振部
８ 電流電極
９ 電位電極
１０ａ 底板（壁板）
１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 側板（壁板）
１１ 蓋板（壁板）
１９ 内部空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土壌サンプルを収容する非導電性の容器と、前記容器の壁板に設けられた挿入口と、前記挿入口から前記土壌サンプルに差し込まれた熱伝導率計測用プローブと、前記容器の対向する一対の壁板に設けられた第１及び第２の振動子取付部と、前記第１の振動子取付部に取り付けられて前記土壌サンプルに接触する発振側振動子と、前記第２の振動子取付部に前記土壌サンプルに向けて取り付けられた受振側振動子と、前記容器の対向する一対の壁板に取り付けられ、前記土壌サンプルに比抵抗計測用電流を流す一対の電流電極と、前記比抵抗計測用電流が流れている状態の前記土壌サンプルの２箇所の電位差を計測する一対の電位電極を備え、前記容器は前記熱伝導率計測用プローブの周囲に少なくとも前記土壌サンプルの熱伝導率の計測に必要な厚さの前記土壌サンプルを存在させる内部空間を有しており、且つ、前記容器は、前記発振側振動子から前記土壌サンプル中を伝播して前記受振側振動子に到達する弾性波の方が、少なくとも経路の一部において前記容器の壁板を伝播して前記受振側振動子に到達する弾性波よりも先に前記受振側振動子に到達する形状を有することを特徴とする土壌サンプルホルダ。
【請求項２】
前記発振側振動子と前記受振側振動子は、超磁歪振動子であることを特徴とする請求項１記載の土壌サンプルホルダ。
【請求項３】
前記受振側振動子の受振部は前記土壌サンプルに接触していることを特徴とする請求項１記載の土壌サンプルホルダ。
【請求項１】
土壌サンプルを収容する非導電性の容器と、前記容器の壁板に設けられた挿入口と、前記挿入口から前記土壌サンプルに差し込まれた熱伝導率計測用プローブと、前記容器の対向する一対の壁板に設けられた第１及び第２の振動子取付部と、前記第１の振動子取付部に取り付けられて前記土壌サンプルに接触する発振側振動子と、前記第２の振動子取付部に前記土壌サンプルに向けて取り付けられた受振側振動子と、前記容器の対向する一対の壁板に取り付けられ、前記土壌サンプルに比抵抗計測用電流を流す一対の電流電極と、前記比抵抗計測用電流が流れている状態の前記土壌サンプルの２箇所の電位差を計測する一対の電位電極を備え、前記容器は前記熱伝導率計測用プローブの周囲に少なくとも前記土壌サンプルの熱伝導率の計測に必要な厚さの前記土壌サンプルを存在させる内部空間を有しており、且つ、前記容器は、前記発振側振動子から前記土壌サンプル中を伝播して前記受振側振動子に到達する弾性波の方が、少なくとも経路の一部において前記容器の壁板を伝播して前記受振側振動子に到達する弾性波よりも先に前記受振側振動子に到達する形状を有することを特徴とする土壌サンプルホルダ。
【請求項２】
前記発振側振動子と前記受振側振動子は、超磁歪振動子であることを特徴とする請求項１記載の土壌サンプルホルダ。
【請求項３】
前記受振側振動子の受振部は前記土壌サンプルに接触していることを特徴とする請求項１記載の土壌サンプルホルダ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２７１１３０（Ｐ２０１０−２７１１３０Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２２１６０（Ｐ２００９−１２２１６０）
【出願日】平成２１年５月２０日（２００９．５．２０）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２０日（２００９．５．２０）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
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