土壌水分計及び土壌水分測定方法
【課題】土壌水分計及び土壌水分測定方法において、土中の水分量を高精度に測定すること。
【解決手段】鉛直方向に配設された１本の第１の電極と、前記第１の電極と複数の電極対を形成すると共に、高さ方向に一部重複するように配設された前記第１の電極よりも短い複数の第２の電極と、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、水分量に変換する静電容量−水分量変換部４０と、を有することを特徴とする土壌水分計。また前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて水位を測定する処理部６０と、前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量を前記処理部に送信する通信部５０と、を更に有することを特徴とする土壌水分計。
【解決手段】鉛直方向に配設された１本の第１の電極と、前記第１の電極と複数の電極対を形成すると共に、高さ方向に一部重複するように配設された前記第１の電極よりも短い複数の第２の電極と、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、水分量に変換する静電容量−水分量変換部４０と、を有することを特徴とする土壌水分計。また前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて水位を測定する処理部６０と、前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量を前記処理部に送信する通信部５０と、を更に有することを特徴とする土壌水分計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌水分計及び土壌水分測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
防災等のためには、河川やダム等の堤防決壊や土砂災害を迅速に検知し、予測する必要がある。そのためには、堤防内等の土壌の水分量や間隙水圧を測定し、土壌内にどの程度水が浸透しているか、地下水が危険水位に近づいているか、危険領域内での水位、水分量の変動の様子について判定することが有効である。特に、正確に災害を予測し、分析するためには、高精度に土中の水位、水分量を測定する必要がある。
【０００３】
土中の水位、水分量を測定するものとしては、間隙水圧計、水位計、土壌水分計等がある。
【０００４】
水位計として、絶縁材料の円筒状の構造体である管状構造体に、複数組の電極対を形成したものがある。この管状構造体を水槽内に設置すると、管状構造体の空洞部に液体が侵入することになる。どの電極対の電極間容量が変化するかに基づいて、液体の水位を検出することを可能としている。
【０００５】
土壌水分計のセンサ用プローブとして、プローブ本体の表面に設ける２つの電極を、プローブ本体の長手方向に亘って連続的に、かつ交互に配設したものがある。このようにすることによって、電極間に位置する土壌の面積を大きくし、土壌を媒質とするプローブの電気定数（導電率、静電容量）を大きくして、測定のバラツキを抑えると共に、測定精度の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３１１５６２号公報
【特許文献２】実開平７−２９４８０号公報
【特許文献３】特開平７−１０３８０５号公報
【特許文献４】特開２００３−９０７５３号公報
【特許文献５】特開平６−３０７９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
土壌水分計及び土壌水分測定方法において、土中の水分量を高精度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】
【０００８】
以下の開示の一観点によれば、高さ方向に一部重複する鉛直方向に配設された複数の電
極対と、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、水分量に変換する静電容量−
水分量変換部と、を有する土壌水分計が提供される。
【０００９】
また、その開示の別の観点によれば、鉛直方向に配設された１本の第１の電極と、前記
第１の電極と複数の電極対を形成すると共に、高さ方向に一部重複するように配設された
前記第１の電極よりも短い複数の第２の電極と、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量
を測定し、水分量に変換する静電容量−水分量変換部と、を有する土壌水分計が提供され
る。
【００１０】
更に、その開示の他の観点によれば、鉛直方向に高さが一部重複するように配設された
複数の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、前記静電容量を測定した後に、前記複数の
電極対のそれぞれの静電容量から前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量を測定する
土壌水分測定方法が提供される。
【００１１】
更に、その開示の他の観点によれば、鉛直方向に配設された１本の第１の電極と、高さ
が一部重複する前記第１の電極よりも短い複数の第２の電極とで形成された複数の電極対
の静電容量を測定し、前記静電容量を測定した後に、前記複数の電極対のそれぞれの静電
容量から前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量を測定する土壌水分測定方法が提供
される。
【発明の効果】
【００１２】
以下の開示によれば、複数の電極対が鉛直方向に一部重複するように配設されているので、土中の水分量を高精度かつ連続に測定することができる。
【００１３】
更に、以下の開示によれば、個々の電極の大きさを大きくする必要がないので、測定の精度を向上させることができる。また、間隙水圧計に比較して小型化が容易であると共に、比較的浅い位置に設置することができるので、設置費用を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、第１実施形態に係る土壌水分計の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る土壌水分計の、電極対の構造の一例を説明する断面図である。
【図３】図３は、第１実施形態に係る土壌水分計の、電極対の構造の別の例について示す正面図である。
【図４】図４は、第１実施形態に係る土壌水分計の、第１の静電容量−水分量変換回路の構成例を示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態に係る土壌水分計において、各電極対における水分量と水位との関係を示す曲線である。
【図６】図６は、第１実施形態に係る土壌水分計において、重複領域において２つの電極対のデータを補間して得た水分量と水位との関係を示す曲線である。
【図７】図７は、第１実施形態に係る土壌水分計の動作手順について説明するフローチャートである。
【図８】図８は、第２実施形態に係る土壌水分計の構成を示す模式図である。
【図９】図９は、第２実施形態に係る土壌水分計の、電極の構造の一例について示す正面図である。
【図１０】図１０は、第２実施形態に係る土壌水分計において、各電極対における水分量と水位との関係を示す曲線である。
【図１１】図１１は、第２実施形態に係る土壌水分計において、各電極対のデータを重複領域において補間して得た水分量と水位との関係を示す曲線である。
【図１２】図１２は、第２実施形態に係る土壌水分計の動作手順について説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
土中の水位、水分量を測定するものとしては、間隙水圧計、水位計、土壌水分計等がある。
【００１６】
しかし、間隙水圧計については、水位が危険水位に接近していることを判断するためには一定以上の水圧が必要であり、地中深くに設置しなければならないため、設置費用が高くなるという問題がある。また、間隙水圧計は、浸水の進行方向を把握することはできないという問題がある。
【００１７】
水位計については、複数の電極対を用いて、水位や、浸水の方向を把握することができるが、各電極対の測定量に連続性がないため、水位の測定精度が低下するという問題がある。
【００１８】
土壌水分計については、鉛直方向に長い電極を使用することにより、深さ方向に広い範囲で水分量を測定できる。そのため、危険水位を含む範囲に土壌水分計を設置することにより、危険水位前後で水位を測定することができる。しかし、土壌水分計は、１つの電極で広い範囲を測定しなければならないため、測定の精度が低下するという問題がある。また、土壌水分計は、浸水の進行方向を把握することができないという問題がある。
【００１９】
本願発明者は上記の問題を解決するため、以下に説明するような本実施形態に想到した。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る土壌水分計の構成を示す模式図である。
【００２１】
図１に示されるように、第１実施形態に係る土壌水分計は、鉛直方向に配設された第１の電極対１０と、第２の電極対２０と、第１の電極対１０と第２の電極対２０の相対的な位置を一定に保持するための電極保持具３０とを有している。第１の電極対１０は２個の電極１１と電極１２とを有し、同様に第２の電極対２０は２個の電極２１と電極２２とを有している。
【００２２】
第１の電極対１０は電極保持具３０の下部に、第２の電極対２０は電極保持具３０の上部に配設され、第１の電極対１０の上部と第２の電極対２０の下部とは、重複領域３１において高さが重複している。この高さの重複は、第１の電極対１０の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分と、第２の電極対２０の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分とを、互いに補うようにしたものである。
【００２３】
また、第１実施形態に係る土壌水分計は、第１の電極対１０と第２の電極対２０のそれぞれの静電容量を測定し、水分量に変換する静電容量−水分量変換部４０を有している。
【００２４】
静電容量−水分量変換部４０は、第１の電極対１０の電極１１に交流電圧を印加して、電極１２を流れる電流より第１の電極対１０の静電容量を測定し、その静電容量を水分量に変換する第１の静電容量−水分量変換回路４１を有している。また、静電容量−水分量変換部４０は、第２の電極対２０の電極２１に交流電圧を印加して、電極２２を流れる電流より第２の電極対２０の静電容量を測定し、その静電容量を水分量に変換する第２の静電容量−水分量変換回路４２を有している。
【００２５】
更に、第１実施形態に係る土壌水分計は、静電容量−水分量変換部４０が測定した、第１の電極対１０における水分量と第２の電極対２０における水分量とを、処理部６０に送信するための通信部５０を有している。
【００２６】
また、第１実施形態に係る土壌水分計は、受信した第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて、水位を測定するための処理部６０とを有している。
【００２７】
図２は、第１の電極対１０の構造の一例を説明する断面図である。
【００２８】
図２に示されるように、第１の電極対１０は、金や銅等の導電率の高い材料からできた電極１１及び電極１２を有し、電極１１及び電極１２は絶縁体の基材１３で支持され、更に電極１１、電極１２及び基材１３は絶縁体のコーティング材１４で覆われている。
【００２９】
なお、基材１３の材料としては、例えばガラスエポキシ、アクリルが挙げられ、コーティング材１４の材料としては、例えばポリウレタン、アクリル、セルロースが挙げられる。
【００３０】
第２の電極対２０も、図２に示される第１の電極対１０の構造と同じ構造であってよい。
【００３１】
図３は、電極対の構造の別の例を示す図である。
【００３２】
図３の例では、電極保持具３０を絶縁シートとし、絶縁シート上に第１の電極対１０と、第２の電極対２０とを蒸着している。また、絶縁シート上には、第１の電極対１０と、第２の電極対２０と、静電容量−水分量変換部４０とを電気的に接続するための配線パターンを蒸着している。
【００３３】
電極保持具３０の形状は、土中に貫入することを考慮して、直径３０ｍｍ以下の円柱であることが望ましいが、電極保持具３０をボーリング等により穴に入れる場合には、それ以上の直径の円柱であってもよい。
【００３４】
電極保持具３０が図３に示される絶縁シートである場合には、電極保持具３０を土中に設置する際に、絶縁シートを上記のような円柱形状にするのが望ましい。
【００３５】
図４は、第１の静電容量−水分量変換回路４１の構成例を示す図である。
【００３６】
図４に示されるように、第１の静電容量−水分量変換回路４１は、オシレータ４１１により第１の電極対１０の一方の電極１１に、矩形波又は正弦波の交流電圧を印加する。電極１１に交流電圧を印加することによって、第１の電極対１０の他方の電極１２を流れる電流は、ダイオード４１２により順方向の成分のみの電流となり、ＣＲ並列回路４１３で直流電流に変換される。この直流電圧はＡ／Ｄコンバータ４１４に取り込まれ、電圧−水分量変換部４１５により第１の電極対１０における水分量が測定される。
【００３７】
第１の電極対１０のコンデンサに流れる電流Ｉは、下記の式（１）で表現される。
【００３８】
【数１】
式（１）において、Ｃはコンデンサの静電容量、Ｖはコンデンサに印加されている電圧、ｆはコンデンサに印加される交流電圧Ｖの周波数である。
【００３９】
式（１）より、下記の式（２）の関係が成り立つ。
【００４０】
【数２】
式（２）より、ダイオード４１２及びＣＲ並列回路４１３の半整流回路により整流された直流電流は、第１の電極対１０の静電容量Ｃに比例することが分かる。電圧−水分量変換部４１５では、整流された直流電流の値に対応する直流電圧を、電圧と水分量との間の関係を示す曲線により水分量に変換し、第１の電極対１０における水分量を測定する。
【００４１】
電圧−水分量変換部４１５において、電圧を水分量に変換する際に用いる電圧と水分量との間の関係を示す曲線は、土質、電極の形状によって変化するため、実験により求められる。
【００４２】
なお、第１の静電容量−水分量変換回路４１は、第１の電極対１０の静電容量を測定し、その静電容量を水分量に変換し、第１の電極対１０における水分量を測定するものであれば、図４の構成に限定されることはなく、任意の構成を取り得る。
【００４３】
第２の静電容量−水分量変換回路４２も、第１の静電容量−水分量変換回路４１と同じ構成を有していてよい。
【００４４】
通信部５０は、静電容量−水分量変換部４０と処理部６０とをＵＳＢ接続するものであってよい。これにより通信部５０は、静電容量−水分量変換部４０で測定した第１の電極対１０における水分量と第２の電極対２０における水分量とを処理部６０に送信する。また、静電容量−水分量変換部４０と処理部６０とはＵＳＢ接続されているので、静電容量−水分量変換部４０に処理部６０から電力が供給される。
【００４５】
或いは、通信部５０は、静電容量−水分量変換部４０で測定した、第１の電極対１０における水分量と第２の電極対２０における水分量とを、処理部６０に無線により送信するようにしてもよい。この場合、静電容量−水分量変換部４０には電池等により電力を供給するようにしてもよい。
【００４６】
処理部６０は、通信部５０によって送信された、第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量とを受信する。そして、処理部６０は、第１の電極対１０における水分量と第２の電極対２０における水分量とに基づいて、浸水の進行方向が上方向であるか下方向であるかを判定する。
【００４７】
下部に配設された第１の電極対１０における水分量が先に増加し、その後に上部に配設された第２の電極対２０における水分量が増加している場合、処理部６０は浸水が上方向に進行していると判定する。逆に、上部に配設された第２の電極対２０における水分量が先に増加し、その後に下部に配設された第１の電極対１０における水分量が増加している場合、処理部６０は浸水が下方向に進行していると判定する。
【００４８】
更に、処理部６０は、第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて、水位を測定する。
【００４９】
図５は、第１の電極対１０における水分量と水位との関係を示す曲線（Ｉ）と、第２の電極対２０における水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩ）を示している。
【００５０】
曲線（Ｉ）が示すように、第１の電極対１０における水分量が０のとき水位はａ１であり、第１の電極対１０における水分量が増加すると水位は増加し、第１の電極対１０における水分量がｂ２のとき水位はａ２となる。第１の電極対１０における水分量がｂ２以上になると、水分量の増加に対する水位の増加の割合が大きくなる。そして、第１の電極対１０における水分量がｂ３になると水位はａ３となって、第１の電極対１０において測定される水分量は飽和する。
【００５１】
また、曲線（ＩＩ）が示すように、第２の電極対２０における水分量が０のとき水位はａ２である。第２の電極対２０における水分量が０以上ｂ１以下のとき、第２の電極対２０における水分量の増加に対する水位の増加の割合は大きくなっており、第２の電極対２０における水分量がｂ１のとき水位はａ３になる。第２の電極対２０における水分量がｂ１以上になると曲線（ＩＩ）の傾きは小さくなり、第２の電極対２０における水分量がｂ３になると水位はａ４となって、第２の電極対２０において測定される水分量は飽和する。
【００５２】
図５に示されるように、水位がａ２以上ａ３以下のとき、第１の電極対１０及び第２の電極対２０における水分量の増加に対する水位の増加の割合が大きくなり、第１の電極対１０及び第２の電極対２０の水位の変化に対する水分量の感度が低下している。
【００５３】
第１実施形態における土壌水分計では、水位がａ２以上ａ３以下であるときを重複領域としている。そして、第１の電極対１０と第２の電極対２０は、この重複領域において互いに補うように、第１の電極対１０の上部と第２の電極対２０の下部における高さを重複させている。
【００５４】
また、図５で示されている曲線は、各電極対における水分量が増加するにつれて水位が上昇しているので、浸水が上方向に進行している場合の各電極対における水分量と水位との関係を示す曲線である。浸水が下方向に進行している場合、第１の電極対１０における水分量と水位との関係を示す曲線（Ｉ）と、第２の電極対２０における水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩ）は、水分量の増加に伴い水位が下がる曲線となる。
【００５５】
なお、第１の電極対１０における水分量と水位との関係を示す曲線（Ｉ）、第２の電極対２０における水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩ）は、間隙水圧計等の各種センサにより実験的に求められる。
【００５６】
図６は、図５に示される第１の電極対１０、第２の電極対２０における水分量と水位との関係を示す曲線（Ｉ）、曲線（ＩＩ）のデータを、重複領域において平均化して補間して得た、水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）を示している。
【００５７】
図６に示されるように、水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）は、線形関係を表す破線に対し、重複領域以外では小さく出っ張っており、重複領域では小さく窪んでいるが、全体として略線形関係を保っている。
【００５８】
水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）を得る際には、重複領域において、第１の電極対１０の曲線（Ｉ）から求められる水位と、第２の電極対２０の曲線（ＩＩ）から求められる水位とを平均化して補間している。これにより第１の電極対１０により測定可能な範囲と第２の電極対２０により測定可能な範囲とを合わせた広範囲において、連続した水分量と水位との関係を示す曲線が得られる。このようにすることによって、広範囲で水分量と水位との間の関係を略線形にすることができると共に、高精度の水分量の値を得ることができる。
【００５９】
重複領域における曲線（Ｉ）と曲線（ＩＩ）のデータの補間は、上述のように曲線（Ｉ）と曲線（ＩＩ）から得られる水位を重複領域において平均化することより行う。或いは、曲線（Ｉ）と曲線（ＩＩ）のデータの補間は、重複領域において、第１の電極対１０の感度の良い領域では曲線（Ｉ）の水位を使用し、第２の電極対２０の感度の良い領域では曲線（ＩＩ）の水位を使用することにより行ってもよい。
【００６０】
なお、図６に示される水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）は、水分量の増加に伴い水位が上昇しており、浸水が上方向に進行している場合の曲線である。浸水が下方向に進行している場合、水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）は、水分量の増加に伴い水位が下がる曲線となる。
【００６１】
処理部６０は、重複領域において補間された水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）を記憶している。或いは処理部６０は、重複領域において補間された水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）を、第１の電極対１０、第２の電極対２０における水分量と水位との関係を示す曲線（Ｉ）と曲線（ＩＩ）とに基づいて算出する。
【００６２】
そして、処理部６０は、第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）とに基づいて、水位を測定する。
【００６３】
第１実施形態に係る土壌水分計では、各電極対における水分量は一定の値に達すると飽和する。従って、２つの電極対の内、１つの電極対における水分量が飽和した場合、その後はもう一方の電極対の測定値に基づいて測定を行い、水分量が飽和した電極対に印加する交流電圧を停止してもよい。このようにすることによって、測定精度を低下させることなく省電力化が可能となる。
【００６４】
図７は、第１実施形態に係る土壌水分計の動作手順について説明するフローチャートである。
【００６５】
図７を参照しながら、第１実施形態に係る土壌水分計において、水分量及び水位を測定する手順について説明する。
【００６６】
先ず、第１の電極対１０及び第２の電極対２０を保持している電極保持具３０を、水分量及び水位を測定しようとする土中に設置する（ステップＳ１）。
【００６７】
土壌水分計による測定を開始すると、静電容量−水分変換部４０は、第１の電極対１０の静電容量と第２の電極対２０の静電容量とを測定する（ステップＳ２）。そして、静電容量−水分量変換部４０は、その静電容量を水分量に変換し、第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量とを測定する（ステップＳ３）。
【００６８】
なお、静電容量−水分量変換部４０が図４に示される第１、第２の静電容量−水分量変換回路４１、４２を有している場合、静電容量−水分量変換部４０は、第１の電極対１０の電極１１、第２の電極対２０の電極２１のそれぞれに交流電圧を印加する。そして、静電容量−水分量変換部４０は、第１の電極対１０の電極１２、第２の電極対２０の電極２２のそれぞれを流れる電流により、第１の電極対１０、第２の電極対２０のそれぞれの静電容量に比例する電圧の値を測定する。静電容量−水分量変換部４０は、その電圧の値を水分量に変換することにより、第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量とを測定する。
【００６９】
次に、通信部５０が、第１の電極対１０における水分量と第２の電極対２０における水分量を、処理部６０に送信する（ステップＳ４）。
【００７０】
処理部６０は、受信した第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量とに基づいて、浸水の進行方向が上方向であるか下方向であるかを判定する（ステップＳ５）
そして、処理部６０は、第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）とに基づいて、水位を測定する（ステップＳ６）。
【００７１】
以上で、第１実施形態における土壌水分計は、水分量及び水位を測定する手順を終了する。
【００７２】
図１では第１実施形態における土壌水分計は、２個の電極対を有している。しかし、第１実施形態における土壌水分計は、２個以上のｎ個（ｎは２以上の整数）の電極対を下から順番に鉛直方向に配設するようしても良い。
【００７３】
この土壌水分計において、ｉ番目（ｉは２からｎまでの整数）の電極対の下部とｉ−１番目の電極対の上部とは、高さが重複している。この高さの重複は、ｉ番目の電極対の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分と、ｉ−１番目の電極対の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分とを、互いに補うようにする。
【００７４】
そして、静電容量−水分量変換部４０は、ｎ個の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、静電容量を水分量に変換し、ｎ個の電極対のそれぞれにおける水分量を測定する。
【００７５】
通信部５０は、ｎ個の電極対のそれぞれにおける水分量を処理部６０に送信すると共に、静電容量−水分量変換部４０に電力を供給する。
【００７６】
処理部６０は、受信したｎ個の電極対のそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）とに基づいて、水位を測定する。
【００７７】
また、図１に示される静電容量−水分量変換部４０は、電極対毎に図４に示される構成を有する第１の静電容量−水分量変換回路４１と、第２の静電容量−水分量変換回路４２とを有している。しかし、静電容量−水分量変換部４０は、各電極対の静電容量を測定し、各電極対の静電容量を水分量に変換し、各電極対における水分量を測定するものであれば、任意の構成を取り得る。
【００７８】
第１実施形態における土壌水分計は、図１に示される構成において、通信部５０と処理部６０、又は処理部６０が無い構成としてもよい。
【００７９】
通信部５０と処理部６０が無い構成の場合、静電容量−水分量変換部４０は各電極対における水分量を測定すると共に、各電極対における水分量を表示し、又は記憶するようにしてもよい。
【００８０】
処理部６０が無い構成の場合、静電容量−水分量変換部４０が測定した各電極対における水分量を、通信部５０によって表示装置又は記憶装置等に送信するようにしてもよい。表示装置又は記憶装置は、受信した各電極対における水分量を表示又は記憶する。
【００８１】
第１実施形態に係る土壌水分計によると、複数の電極対を鉛直方向に高さが一部重複するように配設し、水位が重複している部分を補間して、広範囲において水分量と水位とを連続データとして扱っている。そのため、広い範囲で水位と測定される水分量との間に線形関係が保たれ、土中の水分量を高精度かつ連続に測定することができる。また、第１実施形態に係る土壌水分計は、土中の水位の移動や、浸水が上方向に進行しているか、下方向に進行しているかを判定することができる。
【００８２】
更に第１実施形態に係る土壌水分計は、広い範囲を測定する場合でも、複数の電極対を設けることにより、個々の電極の大きさを大きくする必要がなく、測定の精度を向上させることができる。また、第１実施形態に係る土壌水分計は、間隙水圧計に比較して小型化が容易であると共に、比較的浅い位置に設置することができるので、設置費用を削減することができる。
【００８３】
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係る土壌水分計の構成を示す模式図である。
【００８４】
図８に示されるように、第２実施形態に係る土壌水分計では、鉛直方向に配設された、１本の長い電極１０１と、３個の短い電極１１１、電極１１２、電極１１３とを有している。３個の短い電極１１１、電極１１２、電極１１３は、この順番で下から上に配設されており、電極１０１とそれぞれ第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａを形成している。
【００８５】
また、第２実施形態に係る土壌水分計は、４個の電極１０１、電極１１１、電極１１２、電極１１３の相対的な位置を一定に保持するための電極保持具１２０を有している。
【００８６】
電極１１１と電極１１２は重複領域１２１において高さが重複している。この高さの重複は、第１の電極対１１１Ａの水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分と、第２の電極対１１２Ａの水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分とを、互いに補うためのものである。
【００８７】
同様に、電極１１２と電極１１３は、第２の電極対１１２Ａの水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分と、第３の電極対１１３Ａの水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分とを互いに補うために、重複領域１２２において高さが重複している。
【００８８】
なお、電極１０１、電極１１１、電極１１２、電極１１３の構造は、図６に示される構造であってよい。或いは、図９に示されるように、電極保持具１２０を絶縁シートとし、絶縁シート上に電極１０１、電極１１１、電極１１２、電極１１３、及び配線パターンを蒸着してもよい。なお、電極保持具１２０を絶縁シートとする場合、電極保持具１２０を土中に設置する際に、絶縁シートを円柱形状にするのが望ましい。
【００８９】
また、第２実施形態に係る土壌水分計は、静電容量−水分量変換部１３０を有している。静電容量−水分量変換部１３０は、第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａのそれぞれの静電容量を測定する。そして、静電容量−水分量変換部１３０は、測定した静電容量を水分量に変換し、第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａのそれぞれにおける水分量を測定する。
【００９０】
静電容量−水分量変換部１３０は、第１の静電容量−水分量変換回路１３１と、第２の静電容量−水分量変換回路１３２と、第３の静電容量−水分量変換回路１３３とを有している。第１、第２、第３の静電容量−水分量変換回路１３１、１３２、１３３は、図４に示される静電容量−水分量変換回路４１と同様の構成であってよい。
【００９１】
この場合、オシレータにより電極１０１に交流電圧が印加される。そして、第１の静電容量−水分量変換回路１３１は、電極１１１を流れる電流より第１の電極対１１１Ａの静電容量に比例する電圧を測定し、その電圧を水分量に変換して、第１の電極対１１１Ａにおける水分量を測定する。同様に、第２の静電容量−水分量変換回路１３２は第２の電極対１１２Ａにおける水分量を測定し、第３の静電容量−水分量変換回路１３３は第３の電極対１１３Ａにおける水分量を測定する。
【００９２】
第１、第２、第３の静電容量−水分量変換回路１３１、１３２、１３３において、電圧を水分量に変換する際に用いる電圧と水分量との間の関係を示す曲線は、第１実施形態と同様に、土質、電極の形状によって変化するため、実験により求められる。
【００９３】
なお、第１の静電容量−水分量変換回路１３１、第２の静電容量−水分量変換回路１３２、第３の静電容量−水分量変換回路１３３は、図４に示される構成に限定されることない。第１の静電容量−水分量変換回路１３１は、第１の電極対１１１Ａの静電容量を測定し、その静電容量を水分量に変換し、第１の電極対１１１Ａにおける水分量を測定するものであれば任意の構成を取り得る。第２の静電容量−水分量変換回路１３２、第３の静電容量−水分量変換回路１３３についても同様である。
【００９４】
更に、第２実施形態に係る土壌水分計は、第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａのそれぞれにおける水分量を処理部１５０に送信するための通信部１４０を有している。
【００９５】
また、第２実施形態に係る土壌水分計は、受信した第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａのそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて、水位を測定するための処理部１５０を有している。
【００９６】
通信部１４０は、第１実施形態と同様に、静電容量−水分量変換部１３０と処理部１５０とをＵＳＢ接続するものであってよい。或いは、通信部１４０は、静電容量−水分量変換部１３０で測定した各電極対における水分量を、無線により処理部１５０に送信するようにしてもよい。
【００９７】
処理部１５０は、第１の電極対１１１Ａにおける水分量と、第２の電極対１１２Ａにおける水分量と、第３の電極対１１３Ａにおける水分量とに基づいて、浸水の進行方向が上方向であるか下方向であるかを判定する。
【００９８】
また、処理部１５０は、水分量と水位との関係を示す曲線（ＶＩＩ）を記憶している。第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａのそれぞれにおける水分量と水位との関係を示す曲線を、曲線（ＩＶ）、曲線（Ｖ）、曲線（ＶＩ）と表すとする。水分量と水位との関係を示す曲線（ＶＩＩ）は、曲線（ＩＶ）と、曲線（Ｖ）と、曲線（ＶＩ）とを補間することにより得られた曲線である。
【００９９】
処理部１５０は、曲線（ＩＶ）と、曲線（Ｖ）と、曲線（ＶＩ）とを記憶し、曲線（ＩＶ）と、曲線（Ｖ）と、曲線（ＶＩ）とに基づいて、補間された水分量と水位との関係を示す曲線（ＶＩＩ）を算出するようにしてもよい。
【０１００】
図１０は、各電極対における水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＶ）、曲線（Ｖ）、曲線（ＩＶ）を示している。
【０１０１】
図１０に示されるように、曲線（ＩＶ）と曲線（Ｖ）は、水位がｃ１以上ｃ２以下の重複領域では、水分量の増加に対する水位の増加の割合が大きくなっている。よって、水位がｃ１以上ｃ２以下の重複領域では、第１の電極対１１１Ａと第２の電極対１１２Ａの水位の変化に対する水分量の感度が低下している。
【０１０２】
また、曲線（Ｖ）と曲線（ＶＩ）は、水位がｃ３以上ｃ４以下の重複領域では、水分量の増加に対する水位の増加の割合が大きくなっている。よって、水位がｃ３以上ｃ４以下の重複領域では、第２の電極対１１２Ａと第３の電極対１１３Ａの水位の変化に対する水分量感度が低下している。
【０１０３】
図１１は、曲線（ＩＶ）と曲線（Ｖ）と曲線（ＶＩ）を、重複領域において補間して得た水分量と水位との関係を示す曲線（ＶＩＩ）を示している。
【０１０４】
曲線（ＶＩＩ）を得る際には、曲線（ＩＶ）と曲線（Ｖ）とを、第１の電極対１１１Ａと第２の電極対１１２Ａの水位の変化に対する水分量の感度が低下する重複領域において補間する。更に、曲線（ＶＩＩ）は、曲線（Ｖ）と曲線（ＶＩ）とを、第２の電極対１１２Ａと第３の電極対１１３Ａの水位の変化に対する水分量の感度が低下する重複領域において補間することによって得られる。
【０１０５】
これにより第１の電極対１１１Ａと、第２の電極対１１２Ａと、第３の電極対１１３Ａとにより測定可能な範囲を合わせた広範囲において、連続した水分量と水位との関係を示す曲線が得られる。このようにすることによって、広範囲で水分量と水位との間の関係を略線形にすることができると共に、高精度の水分量の値を得ることができる。
【０１０６】
補間の方法は第１実施形態の場合と同じであり、重複領域において各電極対において測定される水位を平均化するか、或いは、重複領域において感度の良い方の電極対において測定される水位を使用することにより行う。
【０１０７】
なお、第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａにおける水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＶ）、曲線（Ｖ）、曲線（ＶＩ）は、間隙水圧計等の各種センサにより実験的に求められる。
【０１０８】
そして、処理部１５０は、第１の電極対１１１Ａにおける水分量と、第２の電極対１１２Ａにおける水分量と、第３の電極対１１３Ａにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線（ＶＩＩ）とに基づいて、水位を測定する。
【０１０９】
図１２は、第２実施形態に係る土壌水分計の動作手順について説明するフローチャートである。
【０１１０】
図１２を参照しながら、第２実施形態に係る土壌水分計において、水分量及び水位を測定する手順について説明する。
【０１１１】
先ず、土壌水分計の電極保持具１２０を、水分量及び水位を測定しようとする土中に設置する（ステップＳ１１）。
【０１１２】
土壌水分計による測定を開始すると、静電容量−水分量変換部１３０は、第１の電極対１１１Ａの静電容量、第２の電極対１１２Ａの静電容量、第３の電極対１１３Ａの静電容量を測定する（ステップＳ１２）。そして、静電容量−水分量変換部１３０は、その静電容量を水分量に変換し、第１の電極対１１１Ａにおける水分量、第２の電極対１１２Ａにおける水分量、第３の電極対１１３Ａにおける水分量を測定する（ステップＳ１３）。
【０１１３】
なお、第１、第２、第３の静電容量−水分量変換回路１３１、１３２、１３３が図４に示される静電容量−水分量変換回路４１と同様の構成を有している場合、静電容量−水分量変換部１３０は、電極１０１に交流電圧を印加する。そして、静電容量−水分量変換部１３０は、電極１１１、電極１１２、電極１１３のそれぞれを流れる電流により、第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａのそれぞれの静電容量に比例する電圧の値を測定する。静電容量−水分量変換部１３０は、その電圧の値を水分量に変換することにより、第１の電極対１１１Ａにおける水分量、第２の電極対１１２Ａにおける水分量、第３の電極対１１３Ａにおける水分量を測定する。
【０１１４】
次に、通信部１４０が、第１の電極対１１１Ａにおける水分量と、第２の電極対１１２Ａにおける水分量と、第３の電極対１１３Ａにおける水分量とを処理部１５０に送信する（ステップＳ１４）。
【０１１５】
処理部１５０は、受信した第１の電極対１１１Ａにおける水分量と、第２の電極対１１２Ａにおける水分量と、第３の電極対１１３Ａにおける水分量とに基づいて、浸水の進行方向が上方向であるか下方向であるかを判定する（ステップＳ１５）。
【０１１６】
そして、処理部１５０は、第１の電極対１１１Ａにおける水分量と、第２の電極対１１２Ａにおける水分量と、第３の電極対１１３Ａにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線（ＶＩＩ）とに基づいて、水位を測定する（ステップＳ１６）。
【０１１７】
以上で、第２実施形態における土壌水分計は、水分量及び水位を測定する手順を終了する。
【０１１８】
図８では第２実施形態における土壌水分計は、３個の電極対を有している。しかし、第２実施形態における土壌水分計は、鉛直方向に、一本の長い電極と、１〜ｎ（ｎは２以上の整数）の順番で下から上に配設されたｎ個の短い電極とを有するようにしてもよい。長い電極とｎ個の短い電極とは、ｎ個の電極対を形成している。
【０１１９】
この土壌水分計において、ｉ番目（ｉは２からｎまでの整数）の電極の下部とｉ−１番目の電極の上部とは、高さが重複している。この高さの重複は、ｉ番目の電極対の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分と、ｉ−１番目の電極対の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分とを、互いに補うようにする。
【０１２０】
そして、静電容量−水分量変換部１３０は、ｎ個の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、静電容量を水分量に変換し、ｎ個の電極対のそれぞれにおける水分量を測定する。
【０１２１】
通信部１４０は、ｎ個の電極対のそれぞれにおける水分量を処理部１５０に送信すると共に、静電容量−水分量変換部１３０に電力を供給する。
【０１２２】
処理部１５０は、受信したｎ個の電極対のそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線（ＶＩＩ）とに基づいて、水位を測定する。
【０１２３】
図８では第２実施形態における土壌水分計において、静電容量−水分量変換部１３０は、第１、第２、第３の静電容量−水分量変換回路１３１、１３２、１３３を有している。しかし、静電容量−水分量変換部１３０は、各電極対の静電容量を測定し、各電極対の静電容量を水分量に変換し、各電極対における水分量を測定するものであれば、任意の構成を取り得る。
【０１２４】
また、第２実施形態における土壌水分計は、図８に示される構成において、通信部１４０と処理部１５０、又は処理部１５０が無い構成としてもよい。
【０１２５】
通信部１４０と処理部１５０が無い構成の場合、静電容量−水分量変換部１３０は各電極対における水分量を測定すると共に、各電極対における水分量を表示し、又は記憶するようにしてもよい。
【０１２６】
処理部１５０が無い構成の場合、静電容量−水分量変換部１３０が測定した各電極対における水分量は、通信部１４０によって表示装置又は記憶装置等に送信されるようにしてもよい。表示装置又は記憶装置は、受信した各電極対における水分量を表示又は記憶する。
【０１２７】
第２実施形態に係る土壌水分計によると、複数の電極対を鉛直方向に高さが一部重複するように配設し、水位が重複している部分を補間して、広範囲において水分量と水位とを連続データとして扱っている。そのため、広い範囲で水位と測定される水分量との間に線形関係が保たれ、土中の水分量を高精度かつ連続に測定することができる。また、第２実施形態に係る土壌水分計は、土中の水位の移動や、浸水が上方向に進行しているか、下方向に進行しているかを判定することができる。
【０１２８】
更に第２実施形態に係る土壌水分計は、広い範囲を測定する場合でも、複数の電極対を設けることにより、個々の電極の大きさを大きくする必要がなく、測定の精度を向上させることができる。また、第２実施形態に係る土壌水分計は、間隙水圧計に比較して小型化が容易であると共に、比較的浅い位置に設置することができるので、設置費用を削減することができる。
【０１２９】
上記で説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１３０】
（付記１） 高さ方向に一部重複する鉛直方向に配設された複数の電極対と、前記複数の電
極対のそれぞれの静電容量を測定し、水分量に変換する静電容量−水分量変換部と、を有
することを特徴とする土壌水分計。
【０１３１】
（付記２） 前記複数の電極対の相対位置は、電極保持具によって一定に保持されていることを特徴とする付記１に記載の土壌水分計。
【０１３２】
（付記３） 鉛直方向に配設された１本の第１の電極と、前記第１の電極と複数の電極対を形成すると共に、高さ方向に一部重複するように配設された前記第１の電極よりも短い複数の第２の電極と、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、水分量に変換する静電容量−水分量変換部とを有することを特徴とする土壌水分計。
【０１３３】
（付記４） 前記第１の電極と前記複数の第２の電極の相対位置は、電極保持具によって一定に保持されていることを特徴とする付記３に記載の土壌水分計。
【０１３４】
（付記５） 高さ方向に重複する２つの前記電極対は、前記２つの電極対の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分を補うように、高さが重複していることを特徴とする付記１乃至４のいずれかに記載の土壌水分計。
【０１３５】
（付記６） 前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて水位を測定する処理部と、前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量を前記処理部に送信する通信部と、を更に有することを特徴とする付記１乃至５のいずれかに記載の土壌水分計。
【０１３６】
（付記７） 鉛直方向に高さが一部重複するように配設された複数の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、前記静電容量を測定した後に、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量から前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量を測定することを特徴とする土壌水分測定方法。
【０１３７】
（付記８） 鉛直方向に配設された１本の第１の電極と、高さが一部重複する前記第１の電極よりも短い複数の第２の電極とで形成された複数の電極対の静電容量を測定し、前記静電容量を測定した後に、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量から前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量を測定することを特徴とする土壌水分測定方法。
【０１３８】
（付記９） 高さ方向に重複する２つの前記電極対は、前記２つの電極対の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分を補うように、高さが重複していることを特徴とする付記７又は付記８に記載の土壌水分測定方法。
【０１３９】
（付記１０） 前記水分量を測定した後に、前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて水位を測定することを特徴とする付記７乃至９のいずれかに記載の土壌水分測定方法。
【符号の説明】
【０１４０】
１０、１１１Ａ…第１の電極対、２０、１１２Ａ…第２の電極対、１１３Ａ…第３の電極対、１１、１２、２１、２２、１０１、１１１、１１２、１１３…電極、１３…基材、１４…コーティング材、３０、１２０…電極保持具、３１、１２１、１２２…重複領域、４０、１３０…静電容量−水分量変換部、４１、１３１…第１の静電容量−水分量変換回路、４２、１３２…第２の静電容量−水分量変換回路、１３３…第３の静電容量−水分量変換回路、５０、１４０…通信部、６０、１５０…処理部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌水分計及び土壌水分測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
防災等のためには、河川やダム等の堤防決壊や土砂災害を迅速に検知し、予測する必要がある。そのためには、堤防内等の土壌の水分量や間隙水圧を測定し、土壌内にどの程度水が浸透しているか、地下水が危険水位に近づいているか、危険領域内での水位、水分量の変動の様子について判定することが有効である。特に、正確に災害を予測し、分析するためには、高精度に土中の水位、水分量を測定する必要がある。
【０００３】
土中の水位、水分量を測定するものとしては、間隙水圧計、水位計、土壌水分計等がある。
【０００４】
水位計として、絶縁材料の円筒状の構造体である管状構造体に、複数組の電極対を形成したものがある。この管状構造体を水槽内に設置すると、管状構造体の空洞部に液体が侵入することになる。どの電極対の電極間容量が変化するかに基づいて、液体の水位を検出することを可能としている。
【０００５】
土壌水分計のセンサ用プローブとして、プローブ本体の表面に設ける２つの電極を、プローブ本体の長手方向に亘って連続的に、かつ交互に配設したものがある。このようにすることによって、電極間に位置する土壌の面積を大きくし、土壌を媒質とするプローブの電気定数（導電率、静電容量）を大きくして、測定のバラツキを抑えると共に、測定精度の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３１１５６２号公報
【特許文献２】実開平７−２９４８０号公報
【特許文献３】特開平７−１０３８０５号公報
【特許文献４】特開２００３−９０７５３号公報
【特許文献５】特開平６−３０７９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
土壌水分計及び土壌水分測定方法において、土中の水分量を高精度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】
【０００８】
以下の開示の一観点によれば、高さ方向に一部重複する鉛直方向に配設された複数の電
極対と、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、水分量に変換する静電容量−
水分量変換部と、を有する土壌水分計が提供される。
【０００９】
また、その開示の別の観点によれば、鉛直方向に配設された１本の第１の電極と、前記
第１の電極と複数の電極対を形成すると共に、高さ方向に一部重複するように配設された
前記第１の電極よりも短い複数の第２の電極と、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量
を測定し、水分量に変換する静電容量−水分量変換部と、を有する土壌水分計が提供され
る。
【００１０】
更に、その開示の他の観点によれば、鉛直方向に高さが一部重複するように配設された
複数の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、前記静電容量を測定した後に、前記複数の
電極対のそれぞれの静電容量から前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量を測定する
土壌水分測定方法が提供される。
【００１１】
更に、その開示の他の観点によれば、鉛直方向に配設された１本の第１の電極と、高さ
が一部重複する前記第１の電極よりも短い複数の第２の電極とで形成された複数の電極対
の静電容量を測定し、前記静電容量を測定した後に、前記複数の電極対のそれぞれの静電
容量から前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量を測定する土壌水分測定方法が提供
される。
【発明の効果】
【００１２】
以下の開示によれば、複数の電極対が鉛直方向に一部重複するように配設されているので、土中の水分量を高精度かつ連続に測定することができる。
【００１３】
更に、以下の開示によれば、個々の電極の大きさを大きくする必要がないので、測定の精度を向上させることができる。また、間隙水圧計に比較して小型化が容易であると共に、比較的浅い位置に設置することができるので、設置費用を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、第１実施形態に係る土壌水分計の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る土壌水分計の、電極対の構造の一例を説明する断面図である。
【図３】図３は、第１実施形態に係る土壌水分計の、電極対の構造の別の例について示す正面図である。
【図４】図４は、第１実施形態に係る土壌水分計の、第１の静電容量−水分量変換回路の構成例を示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態に係る土壌水分計において、各電極対における水分量と水位との関係を示す曲線である。
【図６】図６は、第１実施形態に係る土壌水分計において、重複領域において２つの電極対のデータを補間して得た水分量と水位との関係を示す曲線である。
【図７】図７は、第１実施形態に係る土壌水分計の動作手順について説明するフローチャートである。
【図８】図８は、第２実施形態に係る土壌水分計の構成を示す模式図である。
【図９】図９は、第２実施形態に係る土壌水分計の、電極の構造の一例について示す正面図である。
【図１０】図１０は、第２実施形態に係る土壌水分計において、各電極対における水分量と水位との関係を示す曲線である。
【図１１】図１１は、第２実施形態に係る土壌水分計において、各電極対のデータを重複領域において補間して得た水分量と水位との関係を示す曲線である。
【図１２】図１２は、第２実施形態に係る土壌水分計の動作手順について説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
土中の水位、水分量を測定するものとしては、間隙水圧計、水位計、土壌水分計等がある。
【００１６】
しかし、間隙水圧計については、水位が危険水位に接近していることを判断するためには一定以上の水圧が必要であり、地中深くに設置しなければならないため、設置費用が高くなるという問題がある。また、間隙水圧計は、浸水の進行方向を把握することはできないという問題がある。
【００１７】
水位計については、複数の電極対を用いて、水位や、浸水の方向を把握することができるが、各電極対の測定量に連続性がないため、水位の測定精度が低下するという問題がある。
【００１８】
土壌水分計については、鉛直方向に長い電極を使用することにより、深さ方向に広い範囲で水分量を測定できる。そのため、危険水位を含む範囲に土壌水分計を設置することにより、危険水位前後で水位を測定することができる。しかし、土壌水分計は、１つの電極で広い範囲を測定しなければならないため、測定の精度が低下するという問題がある。また、土壌水分計は、浸水の進行方向を把握することができないという問題がある。
【００１９】
本願発明者は上記の問題を解決するため、以下に説明するような本実施形態に想到した。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る土壌水分計の構成を示す模式図である。
【００２１】
図１に示されるように、第１実施形態に係る土壌水分計は、鉛直方向に配設された第１の電極対１０と、第２の電極対２０と、第１の電極対１０と第２の電極対２０の相対的な位置を一定に保持するための電極保持具３０とを有している。第１の電極対１０は２個の電極１１と電極１２とを有し、同様に第２の電極対２０は２個の電極２１と電極２２とを有している。
【００２２】
第１の電極対１０は電極保持具３０の下部に、第２の電極対２０は電極保持具３０の上部に配設され、第１の電極対１０の上部と第２の電極対２０の下部とは、重複領域３１において高さが重複している。この高さの重複は、第１の電極対１０の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分と、第２の電極対２０の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分とを、互いに補うようにしたものである。
【００２３】
また、第１実施形態に係る土壌水分計は、第１の電極対１０と第２の電極対２０のそれぞれの静電容量を測定し、水分量に変換する静電容量−水分量変換部４０を有している。
【００２４】
静電容量−水分量変換部４０は、第１の電極対１０の電極１１に交流電圧を印加して、電極１２を流れる電流より第１の電極対１０の静電容量を測定し、その静電容量を水分量に変換する第１の静電容量−水分量変換回路４１を有している。また、静電容量−水分量変換部４０は、第２の電極対２０の電極２１に交流電圧を印加して、電極２２を流れる電流より第２の電極対２０の静電容量を測定し、その静電容量を水分量に変換する第２の静電容量−水分量変換回路４２を有している。
【００２５】
更に、第１実施形態に係る土壌水分計は、静電容量−水分量変換部４０が測定した、第１の電極対１０における水分量と第２の電極対２０における水分量とを、処理部６０に送信するための通信部５０を有している。
【００２６】
また、第１実施形態に係る土壌水分計は、受信した第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて、水位を測定するための処理部６０とを有している。
【００２７】
図２は、第１の電極対１０の構造の一例を説明する断面図である。
【００２８】
図２に示されるように、第１の電極対１０は、金や銅等の導電率の高い材料からできた電極１１及び電極１２を有し、電極１１及び電極１２は絶縁体の基材１３で支持され、更に電極１１、電極１２及び基材１３は絶縁体のコーティング材１４で覆われている。
【００２９】
なお、基材１３の材料としては、例えばガラスエポキシ、アクリルが挙げられ、コーティング材１４の材料としては、例えばポリウレタン、アクリル、セルロースが挙げられる。
【００３０】
第２の電極対２０も、図２に示される第１の電極対１０の構造と同じ構造であってよい。
【００３１】
図３は、電極対の構造の別の例を示す図である。
【００３２】
図３の例では、電極保持具３０を絶縁シートとし、絶縁シート上に第１の電極対１０と、第２の電極対２０とを蒸着している。また、絶縁シート上には、第１の電極対１０と、第２の電極対２０と、静電容量−水分量変換部４０とを電気的に接続するための配線パターンを蒸着している。
【００３３】
電極保持具３０の形状は、土中に貫入することを考慮して、直径３０ｍｍ以下の円柱であることが望ましいが、電極保持具３０をボーリング等により穴に入れる場合には、それ以上の直径の円柱であってもよい。
【００３４】
電極保持具３０が図３に示される絶縁シートである場合には、電極保持具３０を土中に設置する際に、絶縁シートを上記のような円柱形状にするのが望ましい。
【００３５】
図４は、第１の静電容量−水分量変換回路４１の構成例を示す図である。
【００３６】
図４に示されるように、第１の静電容量−水分量変換回路４１は、オシレータ４１１により第１の電極対１０の一方の電極１１に、矩形波又は正弦波の交流電圧を印加する。電極１１に交流電圧を印加することによって、第１の電極対１０の他方の電極１２を流れる電流は、ダイオード４１２により順方向の成分のみの電流となり、ＣＲ並列回路４１３で直流電流に変換される。この直流電圧はＡ／Ｄコンバータ４１４に取り込まれ、電圧−水分量変換部４１５により第１の電極対１０における水分量が測定される。
【００３７】
第１の電極対１０のコンデンサに流れる電流Ｉは、下記の式（１）で表現される。
【００３８】
【数１】
式（１）において、Ｃはコンデンサの静電容量、Ｖはコンデンサに印加されている電圧、ｆはコンデンサに印加される交流電圧Ｖの周波数である。
【００３９】
式（１）より、下記の式（２）の関係が成り立つ。
【００４０】
【数２】
式（２）より、ダイオード４１２及びＣＲ並列回路４１３の半整流回路により整流された直流電流は、第１の電極対１０の静電容量Ｃに比例することが分かる。電圧−水分量変換部４１５では、整流された直流電流の値に対応する直流電圧を、電圧と水分量との間の関係を示す曲線により水分量に変換し、第１の電極対１０における水分量を測定する。
【００４１】
電圧−水分量変換部４１５において、電圧を水分量に変換する際に用いる電圧と水分量との間の関係を示す曲線は、土質、電極の形状によって変化するため、実験により求められる。
【００４２】
なお、第１の静電容量−水分量変換回路４１は、第１の電極対１０の静電容量を測定し、その静電容量を水分量に変換し、第１の電極対１０における水分量を測定するものであれば、図４の構成に限定されることはなく、任意の構成を取り得る。
【００４３】
第２の静電容量−水分量変換回路４２も、第１の静電容量−水分量変換回路４１と同じ構成を有していてよい。
【００４４】
通信部５０は、静電容量−水分量変換部４０と処理部６０とをＵＳＢ接続するものであってよい。これにより通信部５０は、静電容量−水分量変換部４０で測定した第１の電極対１０における水分量と第２の電極対２０における水分量とを処理部６０に送信する。また、静電容量−水分量変換部４０と処理部６０とはＵＳＢ接続されているので、静電容量−水分量変換部４０に処理部６０から電力が供給される。
【００４５】
或いは、通信部５０は、静電容量−水分量変換部４０で測定した、第１の電極対１０における水分量と第２の電極対２０における水分量とを、処理部６０に無線により送信するようにしてもよい。この場合、静電容量−水分量変換部４０には電池等により電力を供給するようにしてもよい。
【００４６】
処理部６０は、通信部５０によって送信された、第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量とを受信する。そして、処理部６０は、第１の電極対１０における水分量と第２の電極対２０における水分量とに基づいて、浸水の進行方向が上方向であるか下方向であるかを判定する。
【００４７】
下部に配設された第１の電極対１０における水分量が先に増加し、その後に上部に配設された第２の電極対２０における水分量が増加している場合、処理部６０は浸水が上方向に進行していると判定する。逆に、上部に配設された第２の電極対２０における水分量が先に増加し、その後に下部に配設された第１の電極対１０における水分量が増加している場合、処理部６０は浸水が下方向に進行していると判定する。
【００４８】
更に、処理部６０は、第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて、水位を測定する。
【００４９】
図５は、第１の電極対１０における水分量と水位との関係を示す曲線（Ｉ）と、第２の電極対２０における水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩ）を示している。
【００５０】
曲線（Ｉ）が示すように、第１の電極対１０における水分量が０のとき水位はａ１であり、第１の電極対１０における水分量が増加すると水位は増加し、第１の電極対１０における水分量がｂ２のとき水位はａ２となる。第１の電極対１０における水分量がｂ２以上になると、水分量の増加に対する水位の増加の割合が大きくなる。そして、第１の電極対１０における水分量がｂ３になると水位はａ３となって、第１の電極対１０において測定される水分量は飽和する。
【００５１】
また、曲線（ＩＩ）が示すように、第２の電極対２０における水分量が０のとき水位はａ２である。第２の電極対２０における水分量が０以上ｂ１以下のとき、第２の電極対２０における水分量の増加に対する水位の増加の割合は大きくなっており、第２の電極対２０における水分量がｂ１のとき水位はａ３になる。第２の電極対２０における水分量がｂ１以上になると曲線（ＩＩ）の傾きは小さくなり、第２の電極対２０における水分量がｂ３になると水位はａ４となって、第２の電極対２０において測定される水分量は飽和する。
【００５２】
図５に示されるように、水位がａ２以上ａ３以下のとき、第１の電極対１０及び第２の電極対２０における水分量の増加に対する水位の増加の割合が大きくなり、第１の電極対１０及び第２の電極対２０の水位の変化に対する水分量の感度が低下している。
【００５３】
第１実施形態における土壌水分計では、水位がａ２以上ａ３以下であるときを重複領域としている。そして、第１の電極対１０と第２の電極対２０は、この重複領域において互いに補うように、第１の電極対１０の上部と第２の電極対２０の下部における高さを重複させている。
【００５４】
また、図５で示されている曲線は、各電極対における水分量が増加するにつれて水位が上昇しているので、浸水が上方向に進行している場合の各電極対における水分量と水位との関係を示す曲線である。浸水が下方向に進行している場合、第１の電極対１０における水分量と水位との関係を示す曲線（Ｉ）と、第２の電極対２０における水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩ）は、水分量の増加に伴い水位が下がる曲線となる。
【００５５】
なお、第１の電極対１０における水分量と水位との関係を示す曲線（Ｉ）、第２の電極対２０における水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩ）は、間隙水圧計等の各種センサにより実験的に求められる。
【００５６】
図６は、図５に示される第１の電極対１０、第２の電極対２０における水分量と水位との関係を示す曲線（Ｉ）、曲線（ＩＩ）のデータを、重複領域において平均化して補間して得た、水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）を示している。
【００５７】
図６に示されるように、水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）は、線形関係を表す破線に対し、重複領域以外では小さく出っ張っており、重複領域では小さく窪んでいるが、全体として略線形関係を保っている。
【００５８】
水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）を得る際には、重複領域において、第１の電極対１０の曲線（Ｉ）から求められる水位と、第２の電極対２０の曲線（ＩＩ）から求められる水位とを平均化して補間している。これにより第１の電極対１０により測定可能な範囲と第２の電極対２０により測定可能な範囲とを合わせた広範囲において、連続した水分量と水位との関係を示す曲線が得られる。このようにすることによって、広範囲で水分量と水位との間の関係を略線形にすることができると共に、高精度の水分量の値を得ることができる。
【００５９】
重複領域における曲線（Ｉ）と曲線（ＩＩ）のデータの補間は、上述のように曲線（Ｉ）と曲線（ＩＩ）から得られる水位を重複領域において平均化することより行う。或いは、曲線（Ｉ）と曲線（ＩＩ）のデータの補間は、重複領域において、第１の電極対１０の感度の良い領域では曲線（Ｉ）の水位を使用し、第２の電極対２０の感度の良い領域では曲線（ＩＩ）の水位を使用することにより行ってもよい。
【００６０】
なお、図６に示される水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）は、水分量の増加に伴い水位が上昇しており、浸水が上方向に進行している場合の曲線である。浸水が下方向に進行している場合、水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）は、水分量の増加に伴い水位が下がる曲線となる。
【００６１】
処理部６０は、重複領域において補間された水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）を記憶している。或いは処理部６０は、重複領域において補間された水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）を、第１の電極対１０、第２の電極対２０における水分量と水位との関係を示す曲線（Ｉ）と曲線（ＩＩ）とに基づいて算出する。
【００６２】
そして、処理部６０は、第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）とに基づいて、水位を測定する。
【００６３】
第１実施形態に係る土壌水分計では、各電極対における水分量は一定の値に達すると飽和する。従って、２つの電極対の内、１つの電極対における水分量が飽和した場合、その後はもう一方の電極対の測定値に基づいて測定を行い、水分量が飽和した電極対に印加する交流電圧を停止してもよい。このようにすることによって、測定精度を低下させることなく省電力化が可能となる。
【００６４】
図７は、第１実施形態に係る土壌水分計の動作手順について説明するフローチャートである。
【００６５】
図７を参照しながら、第１実施形態に係る土壌水分計において、水分量及び水位を測定する手順について説明する。
【００６６】
先ず、第１の電極対１０及び第２の電極対２０を保持している電極保持具３０を、水分量及び水位を測定しようとする土中に設置する（ステップＳ１）。
【００６７】
土壌水分計による測定を開始すると、静電容量−水分変換部４０は、第１の電極対１０の静電容量と第２の電極対２０の静電容量とを測定する（ステップＳ２）。そして、静電容量−水分量変換部４０は、その静電容量を水分量に変換し、第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量とを測定する（ステップＳ３）。
【００６８】
なお、静電容量−水分量変換部４０が図４に示される第１、第２の静電容量−水分量変換回路４１、４２を有している場合、静電容量−水分量変換部４０は、第１の電極対１０の電極１１、第２の電極対２０の電極２１のそれぞれに交流電圧を印加する。そして、静電容量−水分量変換部４０は、第１の電極対１０の電極１２、第２の電極対２０の電極２２のそれぞれを流れる電流により、第１の電極対１０、第２の電極対２０のそれぞれの静電容量に比例する電圧の値を測定する。静電容量−水分量変換部４０は、その電圧の値を水分量に変換することにより、第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量とを測定する。
【００６９】
次に、通信部５０が、第１の電極対１０における水分量と第２の電極対２０における水分量を、処理部６０に送信する（ステップＳ４）。
【００７０】
処理部６０は、受信した第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量とに基づいて、浸水の進行方向が上方向であるか下方向であるかを判定する（ステップＳ５）
そして、処理部６０は、第１の電極対１０における水分量と、第２の電極対２０における水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）とに基づいて、水位を測定する（ステップＳ６）。
【００７１】
以上で、第１実施形態における土壌水分計は、水分量及び水位を測定する手順を終了する。
【００７２】
図１では第１実施形態における土壌水分計は、２個の電極対を有している。しかし、第１実施形態における土壌水分計は、２個以上のｎ個（ｎは２以上の整数）の電極対を下から順番に鉛直方向に配設するようしても良い。
【００７３】
この土壌水分計において、ｉ番目（ｉは２からｎまでの整数）の電極対の下部とｉ−１番目の電極対の上部とは、高さが重複している。この高さの重複は、ｉ番目の電極対の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分と、ｉ−１番目の電極対の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分とを、互いに補うようにする。
【００７４】
そして、静電容量−水分量変換部４０は、ｎ個の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、静電容量を水分量に変換し、ｎ個の電極対のそれぞれにおける水分量を測定する。
【００７５】
通信部５０は、ｎ個の電極対のそれぞれにおける水分量を処理部６０に送信すると共に、静電容量−水分量変換部４０に電力を供給する。
【００７６】
処理部６０は、受信したｎ個の電極対のそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＩＩ）とに基づいて、水位を測定する。
【００７７】
また、図１に示される静電容量−水分量変換部４０は、電極対毎に図４に示される構成を有する第１の静電容量−水分量変換回路４１と、第２の静電容量−水分量変換回路４２とを有している。しかし、静電容量−水分量変換部４０は、各電極対の静電容量を測定し、各電極対の静電容量を水分量に変換し、各電極対における水分量を測定するものであれば、任意の構成を取り得る。
【００７８】
第１実施形態における土壌水分計は、図１に示される構成において、通信部５０と処理部６０、又は処理部６０が無い構成としてもよい。
【００７９】
通信部５０と処理部６０が無い構成の場合、静電容量−水分量変換部４０は各電極対における水分量を測定すると共に、各電極対における水分量を表示し、又は記憶するようにしてもよい。
【００８０】
処理部６０が無い構成の場合、静電容量−水分量変換部４０が測定した各電極対における水分量を、通信部５０によって表示装置又は記憶装置等に送信するようにしてもよい。表示装置又は記憶装置は、受信した各電極対における水分量を表示又は記憶する。
【００８１】
第１実施形態に係る土壌水分計によると、複数の電極対を鉛直方向に高さが一部重複するように配設し、水位が重複している部分を補間して、広範囲において水分量と水位とを連続データとして扱っている。そのため、広い範囲で水位と測定される水分量との間に線形関係が保たれ、土中の水分量を高精度かつ連続に測定することができる。また、第１実施形態に係る土壌水分計は、土中の水位の移動や、浸水が上方向に進行しているか、下方向に進行しているかを判定することができる。
【００８２】
更に第１実施形態に係る土壌水分計は、広い範囲を測定する場合でも、複数の電極対を設けることにより、個々の電極の大きさを大きくする必要がなく、測定の精度を向上させることができる。また、第１実施形態に係る土壌水分計は、間隙水圧計に比較して小型化が容易であると共に、比較的浅い位置に設置することができるので、設置費用を削減することができる。
【００８３】
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係る土壌水分計の構成を示す模式図である。
【００８４】
図８に示されるように、第２実施形態に係る土壌水分計では、鉛直方向に配設された、１本の長い電極１０１と、３個の短い電極１１１、電極１１２、電極１１３とを有している。３個の短い電極１１１、電極１１２、電極１１３は、この順番で下から上に配設されており、電極１０１とそれぞれ第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａを形成している。
【００８５】
また、第２実施形態に係る土壌水分計は、４個の電極１０１、電極１１１、電極１１２、電極１１３の相対的な位置を一定に保持するための電極保持具１２０を有している。
【００８６】
電極１１１と電極１１２は重複領域１２１において高さが重複している。この高さの重複は、第１の電極対１１１Ａの水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分と、第２の電極対１１２Ａの水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分とを、互いに補うためのものである。
【００８７】
同様に、電極１１２と電極１１３は、第２の電極対１１２Ａの水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分と、第３の電極対１１３Ａの水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分とを互いに補うために、重複領域１２２において高さが重複している。
【００８８】
なお、電極１０１、電極１１１、電極１１２、電極１１３の構造は、図６に示される構造であってよい。或いは、図９に示されるように、電極保持具１２０を絶縁シートとし、絶縁シート上に電極１０１、電極１１１、電極１１２、電極１１３、及び配線パターンを蒸着してもよい。なお、電極保持具１２０を絶縁シートとする場合、電極保持具１２０を土中に設置する際に、絶縁シートを円柱形状にするのが望ましい。
【００８９】
また、第２実施形態に係る土壌水分計は、静電容量−水分量変換部１３０を有している。静電容量−水分量変換部１３０は、第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａのそれぞれの静電容量を測定する。そして、静電容量−水分量変換部１３０は、測定した静電容量を水分量に変換し、第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａのそれぞれにおける水分量を測定する。
【００９０】
静電容量−水分量変換部１３０は、第１の静電容量−水分量変換回路１３１と、第２の静電容量−水分量変換回路１３２と、第３の静電容量−水分量変換回路１３３とを有している。第１、第２、第３の静電容量−水分量変換回路１３１、１３２、１３３は、図４に示される静電容量−水分量変換回路４１と同様の構成であってよい。
【００９１】
この場合、オシレータにより電極１０１に交流電圧が印加される。そして、第１の静電容量−水分量変換回路１３１は、電極１１１を流れる電流より第１の電極対１１１Ａの静電容量に比例する電圧を測定し、その電圧を水分量に変換して、第１の電極対１１１Ａにおける水分量を測定する。同様に、第２の静電容量−水分量変換回路１３２は第２の電極対１１２Ａにおける水分量を測定し、第３の静電容量−水分量変換回路１３３は第３の電極対１１３Ａにおける水分量を測定する。
【００９２】
第１、第２、第３の静電容量−水分量変換回路１３１、１３２、１３３において、電圧を水分量に変換する際に用いる電圧と水分量との間の関係を示す曲線は、第１実施形態と同様に、土質、電極の形状によって変化するため、実験により求められる。
【００９３】
なお、第１の静電容量−水分量変換回路１３１、第２の静電容量−水分量変換回路１３２、第３の静電容量−水分量変換回路１３３は、図４に示される構成に限定されることない。第１の静電容量−水分量変換回路１３１は、第１の電極対１１１Ａの静電容量を測定し、その静電容量を水分量に変換し、第１の電極対１１１Ａにおける水分量を測定するものであれば任意の構成を取り得る。第２の静電容量−水分量変換回路１３２、第３の静電容量−水分量変換回路１３３についても同様である。
【００９４】
更に、第２実施形態に係る土壌水分計は、第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａのそれぞれにおける水分量を処理部１５０に送信するための通信部１４０を有している。
【００９５】
また、第２実施形態に係る土壌水分計は、受信した第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａのそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて、水位を測定するための処理部１５０を有している。
【００９６】
通信部１４０は、第１実施形態と同様に、静電容量−水分量変換部１３０と処理部１５０とをＵＳＢ接続するものであってよい。或いは、通信部１４０は、静電容量−水分量変換部１３０で測定した各電極対における水分量を、無線により処理部１５０に送信するようにしてもよい。
【００９７】
処理部１５０は、第１の電極対１１１Ａにおける水分量と、第２の電極対１１２Ａにおける水分量と、第３の電極対１１３Ａにおける水分量とに基づいて、浸水の進行方向が上方向であるか下方向であるかを判定する。
【００９８】
また、処理部１５０は、水分量と水位との関係を示す曲線（ＶＩＩ）を記憶している。第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａのそれぞれにおける水分量と水位との関係を示す曲線を、曲線（ＩＶ）、曲線（Ｖ）、曲線（ＶＩ）と表すとする。水分量と水位との関係を示す曲線（ＶＩＩ）は、曲線（ＩＶ）と、曲線（Ｖ）と、曲線（ＶＩ）とを補間することにより得られた曲線である。
【００９９】
処理部１５０は、曲線（ＩＶ）と、曲線（Ｖ）と、曲線（ＶＩ）とを記憶し、曲線（ＩＶ）と、曲線（Ｖ）と、曲線（ＶＩ）とに基づいて、補間された水分量と水位との関係を示す曲線（ＶＩＩ）を算出するようにしてもよい。
【０１００】
図１０は、各電極対における水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＶ）、曲線（Ｖ）、曲線（ＩＶ）を示している。
【０１０１】
図１０に示されるように、曲線（ＩＶ）と曲線（Ｖ）は、水位がｃ１以上ｃ２以下の重複領域では、水分量の増加に対する水位の増加の割合が大きくなっている。よって、水位がｃ１以上ｃ２以下の重複領域では、第１の電極対１１１Ａと第２の電極対１１２Ａの水位の変化に対する水分量の感度が低下している。
【０１０２】
また、曲線（Ｖ）と曲線（ＶＩ）は、水位がｃ３以上ｃ４以下の重複領域では、水分量の増加に対する水位の増加の割合が大きくなっている。よって、水位がｃ３以上ｃ４以下の重複領域では、第２の電極対１１２Ａと第３の電極対１１３Ａの水位の変化に対する水分量感度が低下している。
【０１０３】
図１１は、曲線（ＩＶ）と曲線（Ｖ）と曲線（ＶＩ）を、重複領域において補間して得た水分量と水位との関係を示す曲線（ＶＩＩ）を示している。
【０１０４】
曲線（ＶＩＩ）を得る際には、曲線（ＩＶ）と曲線（Ｖ）とを、第１の電極対１１１Ａと第２の電極対１１２Ａの水位の変化に対する水分量の感度が低下する重複領域において補間する。更に、曲線（ＶＩＩ）は、曲線（Ｖ）と曲線（ＶＩ）とを、第２の電極対１１２Ａと第３の電極対１１３Ａの水位の変化に対する水分量の感度が低下する重複領域において補間することによって得られる。
【０１０５】
これにより第１の電極対１１１Ａと、第２の電極対１１２Ａと、第３の電極対１１３Ａとにより測定可能な範囲を合わせた広範囲において、連続した水分量と水位との関係を示す曲線が得られる。このようにすることによって、広範囲で水分量と水位との間の関係を略線形にすることができると共に、高精度の水分量の値を得ることができる。
【０１０６】
補間の方法は第１実施形態の場合と同じであり、重複領域において各電極対において測定される水位を平均化するか、或いは、重複領域において感度の良い方の電極対において測定される水位を使用することにより行う。
【０１０７】
なお、第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａにおける水分量と水位との関係を示す曲線（ＩＶ）、曲線（Ｖ）、曲線（ＶＩ）は、間隙水圧計等の各種センサにより実験的に求められる。
【０１０８】
そして、処理部１５０は、第１の電極対１１１Ａにおける水分量と、第２の電極対１１２Ａにおける水分量と、第３の電極対１１３Ａにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線（ＶＩＩ）とに基づいて、水位を測定する。
【０１０９】
図１２は、第２実施形態に係る土壌水分計の動作手順について説明するフローチャートである。
【０１１０】
図１２を参照しながら、第２実施形態に係る土壌水分計において、水分量及び水位を測定する手順について説明する。
【０１１１】
先ず、土壌水分計の電極保持具１２０を、水分量及び水位を測定しようとする土中に設置する（ステップＳ１１）。
【０１１２】
土壌水分計による測定を開始すると、静電容量−水分量変換部１３０は、第１の電極対１１１Ａの静電容量、第２の電極対１１２Ａの静電容量、第３の電極対１１３Ａの静電容量を測定する（ステップＳ１２）。そして、静電容量−水分量変換部１３０は、その静電容量を水分量に変換し、第１の電極対１１１Ａにおける水分量、第２の電極対１１２Ａにおける水分量、第３の電極対１１３Ａにおける水分量を測定する（ステップＳ１３）。
【０１１３】
なお、第１、第２、第３の静電容量−水分量変換回路１３１、１３２、１３３が図４に示される静電容量−水分量変換回路４１と同様の構成を有している場合、静電容量−水分量変換部１３０は、電極１０１に交流電圧を印加する。そして、静電容量−水分量変換部１３０は、電極１１１、電極１１２、電極１１３のそれぞれを流れる電流により、第１の電極対１１１Ａ、第２の電極対１１２Ａ、第３の電極対１１３Ａのそれぞれの静電容量に比例する電圧の値を測定する。静電容量−水分量変換部１３０は、その電圧の値を水分量に変換することにより、第１の電極対１１１Ａにおける水分量、第２の電極対１１２Ａにおける水分量、第３の電極対１１３Ａにおける水分量を測定する。
【０１１４】
次に、通信部１４０が、第１の電極対１１１Ａにおける水分量と、第２の電極対１１２Ａにおける水分量と、第３の電極対１１３Ａにおける水分量とを処理部１５０に送信する（ステップＳ１４）。
【０１１５】
処理部１５０は、受信した第１の電極対１１１Ａにおける水分量と、第２の電極対１１２Ａにおける水分量と、第３の電極対１１３Ａにおける水分量とに基づいて、浸水の進行方向が上方向であるか下方向であるかを判定する（ステップＳ１５）。
【０１１６】
そして、処理部１５０は、第１の電極対１１１Ａにおける水分量と、第２の電極対１１２Ａにおける水分量と、第３の電極対１１３Ａにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線（ＶＩＩ）とに基づいて、水位を測定する（ステップＳ１６）。
【０１１７】
以上で、第２実施形態における土壌水分計は、水分量及び水位を測定する手順を終了する。
【０１１８】
図８では第２実施形態における土壌水分計は、３個の電極対を有している。しかし、第２実施形態における土壌水分計は、鉛直方向に、一本の長い電極と、１〜ｎ（ｎは２以上の整数）の順番で下から上に配設されたｎ個の短い電極とを有するようにしてもよい。長い電極とｎ個の短い電極とは、ｎ個の電極対を形成している。
【０１１９】
この土壌水分計において、ｉ番目（ｉは２からｎまでの整数）の電極の下部とｉ−１番目の電極の上部とは、高さが重複している。この高さの重複は、ｉ番目の電極対の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分と、ｉ−１番目の電極対の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分とを、互いに補うようにする。
【０１２０】
そして、静電容量−水分量変換部１３０は、ｎ個の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、静電容量を水分量に変換し、ｎ個の電極対のそれぞれにおける水分量を測定する。
【０１２１】
通信部１４０は、ｎ個の電極対のそれぞれにおける水分量を処理部１５０に送信すると共に、静電容量−水分量変換部１３０に電力を供給する。
【０１２２】
処理部１５０は、受信したｎ個の電極対のそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線（ＶＩＩ）とに基づいて、水位を測定する。
【０１２３】
図８では第２実施形態における土壌水分計において、静電容量−水分量変換部１３０は、第１、第２、第３の静電容量−水分量変換回路１３１、１３２、１３３を有している。しかし、静電容量−水分量変換部１３０は、各電極対の静電容量を測定し、各電極対の静電容量を水分量に変換し、各電極対における水分量を測定するものであれば、任意の構成を取り得る。
【０１２４】
また、第２実施形態における土壌水分計は、図８に示される構成において、通信部１４０と処理部１５０、又は処理部１５０が無い構成としてもよい。
【０１２５】
通信部１４０と処理部１５０が無い構成の場合、静電容量−水分量変換部１３０は各電極対における水分量を測定すると共に、各電極対における水分量を表示し、又は記憶するようにしてもよい。
【０１２６】
処理部１５０が無い構成の場合、静電容量−水分量変換部１３０が測定した各電極対における水分量は、通信部１４０によって表示装置又は記憶装置等に送信されるようにしてもよい。表示装置又は記憶装置は、受信した各電極対における水分量を表示又は記憶する。
【０１２７】
第２実施形態に係る土壌水分計によると、複数の電極対を鉛直方向に高さが一部重複するように配設し、水位が重複している部分を補間して、広範囲において水分量と水位とを連続データとして扱っている。そのため、広い範囲で水位と測定される水分量との間に線形関係が保たれ、土中の水分量を高精度かつ連続に測定することができる。また、第２実施形態に係る土壌水分計は、土中の水位の移動や、浸水が上方向に進行しているか、下方向に進行しているかを判定することができる。
【０１２８】
更に第２実施形態に係る土壌水分計は、広い範囲を測定する場合でも、複数の電極対を設けることにより、個々の電極の大きさを大きくする必要がなく、測定の精度を向上させることができる。また、第２実施形態に係る土壌水分計は、間隙水圧計に比較して小型化が容易であると共に、比較的浅い位置に設置することができるので、設置費用を削減することができる。
【０１２９】
上記で説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１３０】
（付記１） 高さ方向に一部重複する鉛直方向に配設された複数の電極対と、前記複数の電
極対のそれぞれの静電容量を測定し、水分量に変換する静電容量−水分量変換部と、を有
することを特徴とする土壌水分計。
【０１３１】
（付記２） 前記複数の電極対の相対位置は、電極保持具によって一定に保持されていることを特徴とする付記１に記載の土壌水分計。
【０１３２】
（付記３） 鉛直方向に配設された１本の第１の電極と、前記第１の電極と複数の電極対を形成すると共に、高さ方向に一部重複するように配設された前記第１の電極よりも短い複数の第２の電極と、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、水分量に変換する静電容量−水分量変換部とを有することを特徴とする土壌水分計。
【０１３３】
（付記４） 前記第１の電極と前記複数の第２の電極の相対位置は、電極保持具によって一定に保持されていることを特徴とする付記３に記載の土壌水分計。
【０１３４】
（付記５） 高さ方向に重複する２つの前記電極対は、前記２つの電極対の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分を補うように、高さが重複していることを特徴とする付記１乃至４のいずれかに記載の土壌水分計。
【０１３５】
（付記６） 前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて水位を測定する処理部と、前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量を前記処理部に送信する通信部と、を更に有することを特徴とする付記１乃至５のいずれかに記載の土壌水分計。
【０１３６】
（付記７） 鉛直方向に高さが一部重複するように配設された複数の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、前記静電容量を測定した後に、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量から前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量を測定することを特徴とする土壌水分測定方法。
【０１３７】
（付記８） 鉛直方向に配設された１本の第１の電極と、高さが一部重複する前記第１の電極よりも短い複数の第２の電極とで形成された複数の電極対の静電容量を測定し、前記静電容量を測定した後に、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量から前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量を測定することを特徴とする土壌水分測定方法。
【０１３８】
（付記９） 高さ方向に重複する２つの前記電極対は、前記２つの電極対の水位の変化に対する水分量の感度が低下する部分を補うように、高さが重複していることを特徴とする付記７又は付記８に記載の土壌水分測定方法。
【０１３９】
（付記１０） 前記水分量を測定した後に、前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて水位を測定することを特徴とする付記７乃至９のいずれかに記載の土壌水分測定方法。
【符号の説明】
【０１４０】
１０、１１１Ａ…第１の電極対、２０、１１２Ａ…第２の電極対、１１３Ａ…第３の電極対、１１、１２、２１、２２、１０１、１１１、１１２、１１３…電極、１３…基材、１４…コーティング材、３０、１２０…電極保持具、３１、１２１、１２２…重複領域、４０、１３０…静電容量−水分量変換部、４１、１３１…第１の静電容量−水分量変換回路、４２、１３２…第２の静電容量−水分量変換回路、１３３…第３の静電容量−水分量変換回路、５０、１４０…通信部、６０、１５０…処理部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高さ方向に一部重複する鉛直方向に配設された複数の電極対と、
前記複数の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、水分量に変換する静電容量−水分量
変換部と、
を有することを特徴とする土壌水分計。
【請求項２】
鉛直方向に配設された１本の第１の電極と、
前記第１の電極と複数の電極対を形成すると共に、高さ方向に一部重複するように配設
された前記第１の電極よりも短い複数の第２の電極と、
前記複数の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、水分量に変換する静電容量−水分量変換部と、
を有することを特徴とする土壌水分計。
【請求項３】
高さ方向に重複する２つの前記電極対は、前記２つの電極対の水位の変化に対する水分
量の感度が低下する部分を補うように、高さが重複していることを特徴とする請求項１又
は請求項２に記載の土壌水分計。
【請求項４】
前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて水位を測定する処理部と、
前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量を前記処理部に送信する通信部と、
を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の土壌水分計。
【請求項５】
鉛直方向に高さが一部重複するように配設された複数の電極対のそれぞれの静電容量を
測定し、
前記静電容量を測定した後に、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量から前記複数の
電極対のそれぞれにおける水分量を測定することを特徴とする土壌水分測定方法。
【請求項６】
鉛直方向に配設された１本の第１の電極と、高さが一部重複する前記第１の電極よりも
短い複数の第２の電極とで形成された複数の電極対の静電容量を測定し、
前記静電容量を測定した後に、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量から前記複数の
電極対のそれぞれにおける水分量を測定することを特徴とする土壌水分測定方法。
【請求項７】
高さが重複する２つの前記電極対は、前記２つの電極対の水位の変化に対する水分量の
感度が低下する部分を補うように、高さが重複していることを特徴とする請求項５又は請
求項６に記載の土壌水分測定方法。
【請求項８】
前記水分量を測定した後に、前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて水位を測定することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の土壌水分測定方法。
【請求項１】
高さ方向に一部重複する鉛直方向に配設された複数の電極対と、
前記複数の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、水分量に変換する静電容量−水分量
変換部と、
を有することを特徴とする土壌水分計。
【請求項２】
鉛直方向に配設された１本の第１の電極と、
前記第１の電極と複数の電極対を形成すると共に、高さ方向に一部重複するように配設
された前記第１の電極よりも短い複数の第２の電極と、
前記複数の電極対のそれぞれの静電容量を測定し、水分量に変換する静電容量−水分量変換部と、
を有することを特徴とする土壌水分計。
【請求項３】
高さ方向に重複する２つの前記電極対は、前記２つの電極対の水位の変化に対する水分
量の感度が低下する部分を補うように、高さが重複していることを特徴とする請求項１又
は請求項２に記載の土壌水分計。
【請求項４】
前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて水位を測定する処理部と、
前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量を前記処理部に送信する通信部と、
を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の土壌水分計。
【請求項５】
鉛直方向に高さが一部重複するように配設された複数の電極対のそれぞれの静電容量を
測定し、
前記静電容量を測定した後に、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量から前記複数の
電極対のそれぞれにおける水分量を測定することを特徴とする土壌水分測定方法。
【請求項６】
鉛直方向に配設された１本の第１の電極と、高さが一部重複する前記第１の電極よりも
短い複数の第２の電極とで形成された複数の電極対の静電容量を測定し、
前記静電容量を測定した後に、前記複数の電極対のそれぞれの静電容量から前記複数の
電極対のそれぞれにおける水分量を測定することを特徴とする土壌水分測定方法。
【請求項７】
高さが重複する２つの前記電極対は、前記２つの電極対の水位の変化に対する水分量の
感度が低下する部分を補うように、高さが重複していることを特徴とする請求項５又は請
求項６に記載の土壌水分測定方法。
【請求項８】
前記水分量を測定した後に、前記複数の電極対のそれぞれにおける水分量と、水分量と水位との関係を示す曲線とに基づいて水位を測定することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の土壌水分測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１３２７９４（Ｐ２０１２−１３２７９４Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８５４２２（Ｐ２０１０−２８５４２２）
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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