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JPH0786482B2 - Water content measuring device - Google Patents
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JPH0786482B2 - Water content measuring device - Google Patents

Water content measuring device

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Publication number
JPH0786482B2
JPH0786482B2 JP1060508A JP6050889A JPH0786482B2 JP H0786482 B2 JPH0786482 B2 JP H0786482B2 JP 1060508 A JP1060508 A JP 1060508A JP 6050889 A JP6050889 A JP 6050889A JP H0786482 B2 JPH0786482 B2 JP H0786482B2
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JP
Japan
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transmission line
frequency
water content
circuit
measuring device
Prior art date
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JP1060508A
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龍三 野田
博保 金丸
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Kyoritsu Electric Corp
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Kyoritsu Electric Corp
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention 【産業上の利用分野】[Industrial applications]

本発明は、物質中の含有水分量を測定する含水率測定装
置に関するものである。
The present invention relates to a water content measuring device for measuring the amount of water contained in a substance.

【従来の技術】[Prior art]

従来より、畑の土中の含水率など物質中の含有水分量を
測定する方式として熱応答方式と静電容量方式とが知ら
れている。 熱応答方式は、測定対象となる物質中にヒータと温度セ
ンサとを埋め込み、ヒータによって物質を加熱するとと
もに、物質の温度変化を温度センサにより検出すること
によって、物質中に含まれる水分量を測定する方法であ
る。 また、静電容量方式は、測定対象となる物質中に一対の
電極を離間して挿入し、両電極と物質とにより形成され
るコンデンサの容量に基づいて物質の誘電率を求め、物
質の誘電率と物質中に含まれる水分量との対応関係から
物質中に含まれる水分量を測定する方法である。
Conventionally, a thermal response method and a capacitance method are known as methods for measuring the amount of water content in a substance such as the water content in the soil of a field. The thermal response method measures the amount of water contained in a substance by embedding a heater and a temperature sensor in the substance to be measured, heating the substance by the heater, and detecting the temperature change of the substance by the temperature sensor. Is the way to do it. In the electrostatic capacitance method, a pair of electrodes are separated and inserted into a substance to be measured, and the dielectric constant of the substance is calculated based on the capacitance of a capacitor formed by both electrodes and the substance. It is a method of measuring the amount of water contained in a substance from the correspondence between the rate and the amount of water contained in the substance.

【発明が解決しようとする課題】 熱応答方式では、測定対象となる物質をヒータにより加
熱するものであるから、物質が熱平衡状態に戻るまで次
の測定を行うことができず、連続して測定を行うには時
間がかかるという問題がある。また、水は比熱が大きい
から物質の加熱にはヒータへの供給電力を大きくしなけ
ればならず、消費電力が大きいという問題もある。さら
に、ヒータと温度センサとは比較的近接して配置しなけ
ればならないから、土のように密度が不均一な物質内で
は測定場所によって測定結果が大きく変化するという問
題が生じる。 一方、静電容量方式では、熱応答方式に比較すれば、物
質の加熱が不要であるから、短時間で連続的に測定する
ことができ、また電力消費も少ないという利点がある。
しかしながら、コンデンサとしての容量の絶対値が非常
に小さく、pFのオーダであるから、高度な測定技術を要
し回路構成が複雑になり、またノイズの影響を受けやす
いという問題がある。容量の絶対値を大きくするには電
極の面積を大きくすることが考えられるが、大型化する
という問題が生じる。さらに、電極間の距離や電極の位
置によって容量が変化するから、測定結果が安定せず、
測定結果の信頼性が低いという問題もある。 本発明は上記問題点の解決を目的とするものであり、簡
単な回路構成で実現できるものでありながら測定結果の
信頼性が高く、しかも短時間で連続的に測定ができると
ともに低消費電力とした含水率測定装置を提供しようと
するものである。
In the thermal response method, since the substance to be measured is heated by the heater, the next measurement cannot be performed until the substance returns to the thermal equilibrium state, and continuous measurement is performed. There is a problem that it takes time to do. Further, since water has a large specific heat, it is necessary to increase the power supplied to the heater in order to heat the substance, which causes a problem that the power consumption is large. Further, since the heater and the temperature sensor must be arranged relatively close to each other, there arises a problem that the measurement result largely changes depending on the measurement place in a substance having a non-uniform density such as soil. On the other hand, the electrostatic capacitance method has an advantage over the thermal response method in that it does not require heating of a substance, and therefore it can perform continuous measurement in a short time and consumes less power.
However, since the absolute value of the capacitance as a capacitor is very small and it is in the order of pF, there are problems that it requires advanced measurement technology, the circuit configuration becomes complicated, and it is easily affected by noise. Although it is conceivable to increase the area of the electrode in order to increase the absolute value of the capacitance, there is a problem of increasing the size. Furthermore, since the capacitance changes depending on the distance between the electrodes and the position of the electrodes, the measurement results are not stable,
There is also a problem that the reliability of the measurement result is low. The present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and it is possible to realize with a simple circuit configuration, but the reliability of the measurement result is high, and moreover, it is possible to perform continuous measurement in a short time and low power consumption. The present invention is intended to provide a water content measuring device.

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

本発明では、上記目的を達成するために、測定対象とな
る物質中に少なくとも一部が埋設されるLC共振回路と等
価な伝送線路と、電磁波の伝送線路での速度を反映する
電気的変量を検出するセンサ回路と、上記電気的変量を
上記物質の含水率に換算する演算部とを設けているので
ある。 センサ回路としては、伝送線路に定在波が生じている周
波数を検出する周波数検出回路を用い、演算部において
上記周波数を物質の含水率に換算することができる。 また、センサ回路を、伝送線路の一端に信号を印加する
信号発生器と、信号が伝送線路の一端に印加されてから
他端に到達するまでに要する遅延時間を検出する時間検
出部とで構成し、演算部において上記遅延時間を物質の
含水率に換算するようにしてもよい。 周波数検出回路は、伝送線路に高周波信号を印加する可
変周波数発振器と、伝送線路のインピーダンスを検出す
るインピーダンス検出部とで構成し、可変周波数発振器
の出力周波数を変化させるとともに上記インピーダンス
を検出し、伝送線路のインピーダンスが最小または最大
となる周波数を伝送線路に定在波が生じている周波数と
することができる。 また、周波数検出回路として、伝送線路に高周波信号を
印加する可変周波数発振器と、伝送線路を通過する高周
波信号の電流位相と電圧位相との一方に対する他方の位
相角を検出する位相角検出部とで構成し、可変周波数発
振器の出力周波数を変化させるとともに上記位相角を検
出し、上記位相角の正負の符号が反転する周波数を伝送
線路に定在波が生じている周波数としてもよい。 さらに、周波数検出回路は、伝送線路を共振回路とする
発振回路とし、発振回路出力を伝送線路に定在波が生じ
ている周波数とすることができる。 さらにまた、周波数検出回路としては、伝送線路に高周
波信号を印加する可変周波数発振器と、伝送線路を通過
する高周波信号の電流位相と電圧位相との位相差を検出
するとともに上記位相差が零になるように可変周波数発
振器の出力周波数を調節する位相差検出回路とで構成
し、可変周波数発振器の出力周波数を伝送線路に定在波
が生じている周波数とするようにしてもよい。 センサ回路は、耐水性のケースに納装するのが望まし
い。 伝送線路は、導電性の一対の芯線と、芯線の周囲を覆う
絶縁被覆とにより形成するのが望ましい。 また、伝送線路に、両芯線を平行に保つスペーサを設け
るのが望ましい。 スペーサは、両芯線を長手方向において適宜間隔で透孔
を有する形状に形成するとよい。 伝送線路の端末には終端回路が接続するのが望ましい。
In the present invention, in order to achieve the above object, a transmission line equivalent to an LC resonant circuit at least a part of which is embedded in a substance to be measured, and an electrical variable that reflects the speed of the electromagnetic wave in the transmission line. A sensor circuit for detecting and a calculation unit for converting the electric variable into the water content of the substance are provided. As the sensor circuit, a frequency detection circuit that detects a frequency in which a standing wave is generated in the transmission line is used, and the frequency can be converted into the water content of the substance in the calculation unit. Further, the sensor circuit is composed of a signal generator that applies a signal to one end of the transmission line, and a time detection unit that detects a delay time required for the signal to reach the other end after being applied to one end of the transmission line. However, the calculation unit may convert the delay time into the water content of the substance. The frequency detection circuit is composed of a variable frequency oscillator that applies a high-frequency signal to the transmission line and an impedance detection unit that detects the impedance of the transmission line.The frequency detection circuit changes the output frequency of the variable frequency oscillator, detects the impedance, and transmits it. The frequency at which the impedance of the line is minimum or maximum can be the frequency at which a standing wave is generated in the transmission line. As the frequency detection circuit, a variable frequency oscillator that applies a high-frequency signal to the transmission line, and a phase angle detection unit that detects the phase angle of the other of the current phase and the voltage phase of the high-frequency signal passing through the transmission line. Alternatively, the output frequency of the variable frequency oscillator may be changed, the phase angle may be detected, and the frequency at which the positive and negative signs of the phase angle are inverted may be the frequency at which the standing wave is generated in the transmission line. Further, the frequency detection circuit may be an oscillation circuit having a transmission line as a resonance circuit, and the output of the oscillation circuit may be a frequency at which a standing wave is generated in the transmission line. Furthermore, the frequency detection circuit detects a phase difference between a current phase and a voltage phase of a high frequency signal passing through the transmission line and a variable frequency oscillator that applies a high frequency signal to the transmission line, and the phase difference becomes zero. The output frequency of the variable frequency oscillator may be the frequency at which a standing wave is generated in the transmission line. The sensor circuit is preferably packaged in a water resistant case. The transmission line is preferably formed by a pair of conductive core wires and an insulating coating that covers the circumference of the core wires. Further, it is desirable to provide the transmission line with a spacer that keeps both cores in parallel. The spacer may be formed in a shape having through holes at appropriate intervals in the longitudinal direction of both core wires. It is desirable to connect a terminal circuit to the terminal of the transmission line.

【作用】[Action]

上記構成によれば、測定対象となる物質中に伝送線路の
少なくとも一部を埋設し、電磁波の伝送線路での速度を
反映する電気的変量に基づいて物質の含水率を測定する
から、測定中には測定対象となる物質に影響を与えるこ
とがないのであり、短時間に連続して測定を行うことが
できるのである。また、測定対象となる物質に物理的な
影響をほとんど与えないから、エネルギーの損失が少な
く、電力消費も少なくなるのである。 また、電磁波の伝送線路での速度を反映する電気的変量
としては、伝送線路に定在波が生じている周波数や伝送
線路による信号の遅延時間を用いるから、周波数測定や
時間測定の既存技術に鑑みて高精度の測定が行えるので
あり、回路構成が比較的簡単になるとともにノイズの影
響も受けにくくなるのである。また、伝送線路の長さを
適宜設定すれば、密度が不均一な物質内でも密度のばら
つきによる影響を無視できるようにすることができ、測
定場所による測定結果のばらつきを防止することができ
る。すなわち、測定結果の再現性がよく信頼性の高い測
定が行えるのである。 また、センサ回路を耐水性のケースに納装したもので
は、センサ回路を伝送線路とともに物質中に埋設するこ
とができ、高周波信号を発生する部分をすべて物質中に
埋設することになるから、外部への輻射ノイズを低減す
ることができるのである。あるいはまた、ケースの一部
を物質中から露出させるようにすれば、ケースを埋設位
置の目印として用いることができる。 さらに、伝送線路に絶縁被覆を設けているものでは、物
質中の水分による分布抵抗の影響を受けないから、測定
精度がさらに高まるのである。 しかも、伝送線路の両芯線間にスペーサを設けて両芯線
間を平行になるようにすれば、特性が安定して測定結果
の信頼性がさらに高まり、スペーサに適宜間隔で透孔を
設ければ、スペーサの材料による測定値への影響が軽減
されて高感度な測定が行えるのである。 加えて、伝送線路の端末に終端回路を設ければ、伝送線
路の特性を安定化させることができ、測定結果の再現性
が一層高まるのである。
According to the above configuration, at least a part of the transmission line is embedded in the substance to be measured, and the water content of the substance is measured based on the electrical variable that reflects the velocity of the electromagnetic wave in the transmission line. Since it does not affect the substance to be measured, it is possible to continuously measure in a short time. Moreover, since the substance to be measured has almost no physical influence, energy loss is small and power consumption is also small. In addition, since the frequency at which a standing wave is generated in the transmission line and the signal delay time due to the transmission line are used as the electrical variables that reflect the speed of the electromagnetic wave in the transmission line, the existing technology for frequency measurement and time measurement is used. In view of this, high-accuracy measurement can be performed, the circuit configuration is relatively simple, and it is less susceptible to noise. Further, by appropriately setting the length of the transmission line, it is possible to ignore the influence of the density variation even in a substance having a non-uniform density, and prevent the variation of the measurement result depending on the measurement location. That is, it is possible to perform measurement with high reproducibility of measurement results and high reliability. Also, in the case where the sensor circuit is installed in a water resistant case, the sensor circuit can be embedded in the substance together with the transmission line, and all the parts that generate high frequency signals will be embedded in the substance. It is possible to reduce the radiation noise to the. Alternatively, by exposing a part of the case from the substance, the case can be used as a mark for the embedding position. Further, in the case where the transmission line is provided with an insulating coating, it is not affected by the distributed resistance due to the moisture in the substance, so that the measurement accuracy is further enhanced. Moreover, if a spacer is provided between both cores of the transmission line so that the two cores are parallel to each other, the characteristics will be stable and the reliability of the measurement result will be further enhanced. The influence of the material of the spacer on the measured value is reduced, and highly sensitive measurement can be performed. In addition, if a terminating circuit is provided at the terminal of the transmission line, the characteristics of the transmission line can be stabilized and the reproducibility of the measurement result is further enhanced.

【原理】【principle】

本発明では、水の比誘電率が80程度であり、他の物質に
比較して非常に大きいことを利用して物質中の水分量を
測定している。すなわち、一般に固体物質の比誘電率は
1〜10程度であって、水の比誘電率とは大きな差があ
る。したがって、物質中の水分量が変化すれば、物質固
有の比誘電率から水の比誘電率までの範囲で大きく変化
することになる。この性質は、静電容量方式でも利用さ
れているが、本発明では、物質中に一対の電極を埋設す
る代わりにLC共振回路と等価な伝送線路を埋設し、伝送
線路に定在波が生じている周波数(以下、定在周波数と
いう)や遅延時間のような電気的変量が、電磁波の伝送
線路での速度対応する点に着目して物質の含水率を求め
ているのである。 すなわち、伝送線路の長さ程度のオーダの波長の高周波
信号が伝送線路を通過するときには、伝送線路の分布定
数が伝送特性に影響を与えるのであって、伝送線路を物
質中に埋設すれば、伝送線路の分布定数は、物質の誘電
率に対応することになる。物質の誘電率を測定する方法
としては、従来例で説明した静電容量方式もあるが、本
発明では、物質の誘電率が変化すれば伝送線路での電磁
波の速度ないし物質中での電磁波の伝播速度も変化する
という知見から、伝送線路での電磁波の速度を検出しよ
うとするものであり、このため電磁波の速度を反映する
電気的変量として伝送線路の定在周波数や遅延時間の変
化を検出するのである。 以下に伝送線路の定在周波数や遅延時間を測定する基本
構成について説明する。 まず、伝送線路1上での電圧振幅について考察する。第
10図(a)に示すように、開放終端を有する伝送線路1
の一端に、波長λの高周波を出力する高周波信号源Sを
接続すると、第10図(b)に示すように、高周波信号源
Sからの入射波W1と終端からの反射波W2との干渉により
定在波が生じ、伝送線路1上での電圧振幅の分布は、第
10図(c)のように、終端から(2n−1)・λ/4の位置
で最小、2n・λ/4の位置で最大になる(n=1,2,…
…)。また、第11図(a)に示すように、短絡終端を有
する伝送線路1の一端に高周波信号源Sを接続すると、
第11図(b)に示すように、高周波信号源Sからの入射
波W1と反射波W2との干渉により伝送線路1上での電圧振
幅の分布は、第11図(c)のように、(2n−1)・λ/4
の位置で最大、2n・λ/4の位置で最小になる。 すなわち、高周波信号源Sから見れば、伝送線路1の終
端からλ/4の位置は、開放終端の伝送線路1ならばイン
ピーダンスが最小、短絡終端の伝送線路1ならばインピ
ーダンスが最大の位置ということになる。逆に伝送線路
1の長さを固定すると、高周波信号源Sの出力周波数f
に対するインピーダンス特性は、開放終端の伝送線路1
では第12図のようにLC直列共振回路と等価になり、短絡
終端の伝送線路1では第13図のようにLC並列共振回路と
等価になる。ただし、共振点は複数存在していることに
なる。 伝送線路1の単位長当たりのインダクタンスをL、容量
をCとすると、定在周波数frは、 fr=κ1/(LC)1/2 … と表すことができる。ただし、κは比例定数である。
一方、容量Cは伝送線路1の周囲の物質の比誘電率εに
比例し、比例定数をκとすれば、 C=κ・ε … となるから、式により、 fr=κ1/(κ・εL)1/2 … となる。つまり、L≒一定とすれば、 fr=κ31/2 … となる。ただし、κは比例定数である。ここに、イン
ダクタンスLは、伝送線路1の周囲の物質の比透磁率に
よる変化するが、比透磁率は物質中の含水率によってほ
とんど変化しないから、L≒一定という過程に問題はな
い。また、伝送線路1の単位長さ当たりの遅延時間τ
は、比例定数をκとすれば、 τ=κ・(LC)1/2 … となるから、L≒一定のとき、式により、 τ=κ・ε1/2 … となる。 以上のように、伝送線路1の定在波周波数frや遅延時間
τは、伝送線路の周囲に存在する物質の比誘電率εに依
存するから、伝送線路1の定在波周波数や遅延時間を求
めることにより、伝送線路1の周囲に存在する物質の含
水率を求めることができるのである。 物質の含水率と定在波周波数との関係の一例を示すと第
14図のようになり、含水率の増加とともに定在波周波数
が低下することがわかる。また、式を比較すれば、
定在波周波数frと遅延時間τとは反比例するから、含水
率が増加すれば遅延時間は大きくなることがわかる。 ところで、物質中での電磁波の伝播速度Vは、物質中で
の電磁波の屈折率がnであるときに、V=c/n(cは光
速度)であることが知られており、屈折率nは、比透磁
率と比誘電率との積の平方根であって、非磁性体では比
透磁率は1程度であるから、V≒c/ε1/2となる。この
式を式や式と比較すればわかるように、伝送線路1
の共振周波数や遅延時間を求めることは、物質中での電
磁波の伝播速度を間接的に測定していることになるので
ある。ところで、伝送線路1での電磁波の速度は、定在
波周波数frに比例し、遅延時間τに反比例するから、定
在波周波数frや遅延時間τを測定すれば、電磁波の速度
を求めたことに相当する。つまりは、伝送線路1での電
磁波の速度は物質中での電磁波の伝播速度にも対応す
る。ここにおいて、電磁波の速度を測定すれば、物質中
の水分量が測定できるのであるが、電磁波の伝播速度は
非常に速いので、伝播速度を直接測定するには装置が大
掛かりになるとともに、誤差が生じ易くなる。これに対
して、上述したように伝送線路の定在波周波数や遅延時
間を求める構成を採用すれば、装置の構成を簡単にする
ことができ、しかも信頼性の高い測定値が得られるので
ある。
In the present invention, the amount of water in a substance is measured by utilizing the fact that the relative permittivity of water is about 80, which is very large compared to other substances. That is, generally, the relative permittivity of a solid substance is about 1 to 10, and there is a large difference from the relative permittivity of water. Therefore, if the amount of water in the substance changes, it will change significantly in the range from the relative permittivity of the substance to the relative permittivity of water. This property is also used in the capacitance method, but in the present invention, instead of burying a pair of electrodes in a substance, a transmission line equivalent to an LC resonance circuit is embedded, and a standing wave is generated in the transmission line. The water content of a substance is obtained by paying attention to the fact that electrical variables such as the frequency (hereinafter referred to as the standing frequency) and the delay time correspond to the speed of the electromagnetic wave on the transmission line. That is, when a high frequency signal having a wavelength on the order of the length of the transmission line passes through the transmission line, the distributed constant of the transmission line affects the transmission characteristics. The distribution constant of the line will correspond to the dielectric constant of the material. As a method of measuring the dielectric constant of a substance, there is the capacitance method described in the conventional example, but in the present invention, if the dielectric constant of the substance changes, the velocity of the electromagnetic wave in the transmission line or the electromagnetic wave in the substance The idea is to detect the velocity of electromagnetic waves in the transmission line based on the knowledge that the propagation velocity also changes.Therefore, changes in the standing frequency and delay time of the transmission line are detected as electrical variables that reflect the velocity of electromagnetic waves. To do. The basic configuration for measuring the standing frequency and delay time of the transmission line will be described below. First, consider the voltage amplitude on the transmission line 1. First
As shown in FIG. 10 (a), a transmission line 1 having an open termination
When a high-frequency signal source S that outputs a high-frequency wave of wavelength λ is connected to one end of, the incident wave W 1 from the high-frequency signal source S and the reflected wave W 2 from the end are connected as shown in FIG. 10 (b). A standing wave is generated by the interference, and the distribution of the voltage amplitude on the transmission line 1 is
As shown in Fig. 10 (c), it is minimum at the position (2n-1) · λ / 4 from the end and maximum at the position 2n · λ / 4 (n = 1,2, ...
…). Further, as shown in FIG. 11 (a), when the high frequency signal source S is connected to one end of the transmission line 1 having a short-circuit termination,
As shown in FIG. 11 (b), the distribution of the voltage amplitude on the transmission line 1 due to the interference between the incident wave W 1 and the reflected wave W 2 from the high frequency signal source S is as shown in FIG. 11 (c). , (2n-1) ・ λ / 4
The maximum is at the position of 2, and the minimum is at the position of 2n · λ / 4. That is, from the viewpoint of the high-frequency signal source S, the position λ / 4 from the end of the transmission line 1 is the position where the impedance is the minimum for the open transmission line 1 and the maximum for the short-circuited transmission line 1. become. Conversely, if the length of the transmission line 1 is fixed, the output frequency f of the high frequency signal source S
Impedance characteristics for open transmission line 1
Then, it becomes equivalent to the LC series resonance circuit as shown in FIG. 12, and becomes equivalent to the LC parallel resonance circuit as shown in FIG. However, there are multiple resonance points. When the inductance per unit length of the transmission line 1 is L and the capacitance is C, the standing frequency f r can be expressed as f r = κ 1 / (LC) 1/2 . However, κ 1 is a proportional constant.
On the other hand, the capacitance C is proportional to the relative permittivity ε of the material around the transmission line 1, and if the proportional constant is κ 2 , then C = κ 2 · ε ... Therefore, from the formula, f r = κ 1 / (Κ 2 · εL) 1/2 ... That is, if L≈constant, then f r = κ 3 / ε 1/2 . However, κ 3 is a proportional constant. Here, the inductance L changes according to the relative magnetic permeability of the substance around the transmission line 1, but since the relative magnetic permeability hardly changes depending on the water content in the substance, there is no problem in the process of L≈constant. In addition, the delay time τ per unit length of the transmission line 1
Is τ = κ 4 · (LC) 1/2 ... If the proportionality constant is κ 4 , then τ = κ 5 · ε 1/2 ... As described above, the standing wave frequency f r and the delay time τ of the transmission line 1 depend on the relative permittivity ε of the substance existing around the transmission line. Thus, the water content of the substance existing around the transmission line 1 can be obtained. An example of the relationship between the water content of a substance and the standing wave frequency is
As shown in Fig. 14, it can be seen that the standing wave frequency decreases as the water content increases. Also, comparing the formulas,
Since the standing wave frequency f r is inversely proportional to the delay time τ, it can be seen that the delay time increases as the water content increases. By the way, it is known that the propagation velocity V of an electromagnetic wave in a substance is V = c / n (c is a light velocity) when the refractive index of the electromagnetic wave in the substance is n. n is the square root of the product of the relative magnetic permeability and the relative permittivity. Since the relative magnetic permeability is about 1 in a nonmagnetic material, V≈c / ε 1/2 . As can be seen by comparing this formula with the formula and the formula, the transmission line 1
Obtaining the resonance frequency and the delay time of is to indirectly measure the propagation velocity of the electromagnetic wave in the substance. Incidentally, the speed of an electromagnetic wave in the transmission line 1 is proportional to the standing wave frequency f r, inversely proportional to the delay time tau, by measuring the standing wave frequency f r and delay time tau, determine the velocity of electromagnetic wave It is equivalent to that. That is, the velocity of the electromagnetic wave in the transmission line 1 also corresponds to the velocity of propagation of the electromagnetic wave in the substance. Here, if the velocity of the electromagnetic wave is measured, the amount of water in the substance can be measured, but since the propagation velocity of the electromagnetic wave is very fast, the device is large-scaled to directly measure the propagation velocity and an error occurs. It tends to occur. On the other hand, if the structure for obtaining the standing wave frequency and the delay time of the transmission line is adopted as described above, the structure of the device can be simplified and a highly reliable measured value can be obtained. .

【実施例1】 本実施例では、伝送線路に流れる高周波信号の周波数を
変化させながら伝送線路のインピーダンスを測定するこ
とにより、インピーダンスが最小もしくは最大となる周
波数を伝送線路の定在波周波数としている。 伝送線路1は、平行に配設された導電線よりなり、第1
図に示すように、基準インピーダンス2に直列接続され
る。伝送線路1の終端については開放していても短絡し
ていてもよい。伝送線路1と基準インピーダンス2との
直列回路には可変周波数発振器3の出力電圧が印加さ
れ、上記直列回路の両端電圧Vaと、伝送線路1の両端電
圧Vbとの比が測定される。 すなわち、周波数fに対する伝送線路1と基準インピー
ダンス2とのインピーダンスを、それぞれZX(f),ZA
(f)とすると、 ZX(f)/(ZX(f)+ZA(f))=Vb/Va という関係が成立するから、 ZX(f)=ZA(f)・Vb/(Va−Vb) … となり、ここに基準インピーダンス2のインピーダンス
ZA(f)は既知であるから、電圧Va,Vbの測定による周
波数fに対する伝送線路1のインピーダンスを求めるこ
とができる。したがって、可変周波数発振器3の出力周
波数を可変しながら、電圧Va,Vbを測定し、式に基づ
いてZX(f)が最小(伝送線路1の終端が開放の場合)
もしくは最大(伝送線路1の終端が短絡の場合)になる
周波数を求めれば、それが伝送線路1の定在波周波数と
なるのである。 ここにおいて、伝送線路1の定在波周波数の測定が容易
に行えるように、可変周波数発振器3の出力周波数の制
御、および電圧Va,Vbの測定はマイクロコンピュータ4
を用いて自動化されている。すなわち、伝送線路1と基
準インピーダンス2との直列回路の両端電圧Vaと、伝送
線路1の両端電圧Vbとのどちらを測定するかは切換スイ
ッチ5により選択され、被測定電圧はアナログ−ディジ
タル変換器6によりディジタル信号に変換される。こう
して被測定電圧はディジタル信号としてマイクロコンピ
ュータ4に入力され、式の演算が行われて伝送線路1
のインピーダンスが求められる。また、可変周波数発振
器3は出力周波数が段階的に変化するように制御され、
同一周波数に保持されている時間内に切換スイッチ5が
切り換えられて2種の電圧Va,Vbが測定される。したが
って、切換スイッチ5の切換タイミングもマイクロコン
ピュータ4により制御される。すなわち、基準インピー
ダンス2、切換スイッチ5、アナログ−ディジタル変換
器6によりインピーダンス検出部が構成され、このイン
ピーダンス検出部は可変周波数発振器3とともにセンサ
回路7を構成するのである。 以上のようにして可変周波数発振器3の周波数可変範囲
におけるインピーダンスの測定が終了した後、マイクロ
コンピュータ4では、インピーダンスが最小(伝送線路
1が開放終端の場合)もしくは最大(伝送線路1が短絡
終端の場合)になる周波数が求められる。この周波数が
伝送線路1の定在波周波数であって、この定在波周波数
が含水率に換算されるのである。すなわち、マイクロコ
ンピュータ4は、伝送線路のインピーダンスおよび定在
波周波数をセンサ回路7の出力に基づいて演算するか
ら、インピーダンス検出部の一部(つまり周波数検出回
路の一部)として機能するとともに、演算部として機能
する。 次に上記構成の装置によって土中の水分量を測定する場
合について説明する。この場合、第2図に示すように、
伝送線路1の全体が土Eの中に埋設される。また、土E
の中の空洞等による密度の局所的な不均一の影響が出な
いように、伝送線路1は適宜長さに設定され、その長さ
の範囲の平均値が得られるようにする。たとえば、1m程
度の伝送線路1を用いれば、1m程度の範囲の平均値が得
られるのであって、いま、1m程度の長さの伝送線路1を
用いるとすると、空気中で波長1mの電磁波は300MHzにな
るが、定在周波数は、空気中では約75MHzとなり、第14
図に示したように、物質中では含水率が増加するにした
がって定在波周波数が下がるから、この伝送線路1に対
しては、可変周波数発振器3の出力周波数は数MHz〜100
MHz程度の範囲に設定される。この程度に周波数を可変
するのは比較的容易であり、回路構成が簡単で安定した
動作が期待でき、測定器として好ましい条件となる。こ
こに、水に振動電界を与えた場合に、振動電界の周波数
が1GHz程度になると水分子の配向変化が電界の変化に追
随できなくなり誘電率が急速に低減するから、実用的に
は500MHz程度を上限として使用することになる。すなわ
ち、伝送線路1は少なくとも数十cmは必要である。一
方、畑のように比較的広範囲の平均値として含水率を測
定する場合には、伝送線路1を数十mに設定することも
でき、この場合には定在波周波数が一層低くなるから、
回路設計はさらに容易になる。伝送線路1を埋設する深
さについては測定目的に応じて調節すればよいが、通常
は10cm以上に設定される。 基準インピーダンス2、可変周波数発振器3、切換スイ
ッチ5、アナログ−ディジタル変換器6等の高周波に関
与するセンサ回路7は、耐水性を有するケース10内に納
装され、伝送線路1とともに土Eの中に埋設される。ま
た、ケース10からはマイクロコンピュータ4への接続線
11が引き出される。すなわち、土Eの中の水分量によっ
て影響を受ける部位をすべて土Eの中に埋設することが
できるから、土Eの中への挿入寸法の差による測定値の
ばらつきを防止することができ、測定値の信頼性が高ま
るとともに、高周波の不要な輻射ノイズが外部に漏れる
のを防止するという効果が得られる。また、ケース10の
一部を土Eから露出させるようにすれば、ケース10の露
出部分により埋設位置を確認することができ、接続線11
とトラクタなどで引掛けることが防止できるのである。 伝送線路1は、第3図に示すように、導電性の一対の芯
線12の周囲に耐水性の絶縁被覆13を設けたフィーダ線状
に形成されており、両芯線12の間には薄肉のスペーサ14
が絶縁被覆13に一体に形成され、両芯線12間の距離が一
定に保たれる。このように、絶縁被覆13を有しているこ
とにより、土Eの水分に溶けた電解質による分布抵抗の
影響を防止し、分布抵抗を通して電流が流れることによ
る電力消費の増加や分布抵抗の増加による選択度(Q)
の低下を防止して、測定が容易になるようにしている。
また、絶縁被膜13によって芯線12の腐食も防止できる。
ここにおいて、絶縁被膜13の存在により、測定される誘
電率の変化幅が若干小さくなるが、インピーダンスは高
精度に測定できるから、絶縁被膜13の誘電率の影響は無
視できる程度のものになる。なお、芯線12に絶縁被膜13
を施すことによって、上述したように測定が容易になる
が、必要がなければ絶縁被膜13はなくてもよい。また、
第4図に示すように、伝送線路1に沿ってスペーサ14に
適宜間隔で透孔15を形成して伝送線路1をはしご状に形
成すると、透孔15を形成していない場合に比較すれば、
伝送線路1の表面積が大きくなり、かつ誘電体であるス
ペーサ14の量が減少するから、土中Eの水分量の変化を
高感度に検出できるようになる。 伝送線路1の終端には、終端回路16が設けられる。終端
回路16は、コンデンサ、抵抗等の受動回路部品よりな
り、伝送線路1のインピーダンスを変更したり、外来電
磁波の影響を軽減したりすることができる。また、伝送
線路1の終端における境界条件が明確になるから、たと
えば、開放終端において終端にコンデンサを接続すれ
ば、定在波周波数が低下し、インピーダンス特性のあば
れが小さくなるという効果が得られる。このようなコン
デンサを接続していない場合では、第5図に細線で示す
ように、インピーダンスの周波数分布は不規則な部分が
現れることが多く、測定値の信頼性が低下するが、終端
回路16を設けることによって、第5図に太線で示すよう
に、このような問題が改善されるのである。終端に抵抗
を接続すれば、伝送線路1の定在波周波数には影響を与
えずに、インピーダンス特性のあばれを小さくすること
ができる。また、伝送線路1の終端を短絡している場合
には、伝送線路1の両端側の抵抗が小さくなるから、こ
の場合には、伝送線路1の接地側に抵抗を直列接続する
のが望ましい。
First Embodiment In this embodiment, the impedance of the transmission line is measured while changing the frequency of the high-frequency signal flowing through the transmission line, and the frequency at which the impedance is minimum or maximum is set as the standing wave frequency of the transmission line. . The transmission line 1 is composed of conductive wires arranged in parallel,
As shown in the figure, it is connected in series to the reference impedance 2. The end of the transmission line 1 may be open or short-circuited. The output voltage of the variable frequency oscillator 3 is applied to the series circuit of the transmission line 1 and the reference impedance 2, and the ratio between the voltage V a across the series circuit and the voltage V b across the transmission line 1 is measured. That is, the impedances of the transmission line 1 and the reference impedance 2 with respect to the frequency f are Z X (f) and Z A , respectively.
When (f), Z X (f ) / from (Z X (f) + Z A (f)) = relation V b / V a is satisfied, Z X (f) = Z A (f) · V b / (V a −V b ) ... where the impedance of reference impedance 2 is
Since Z A (f) is known, the impedance of the transmission line 1 with respect to the frequency f can be obtained by measuring the voltages V a and V b . Therefore, while varying the output frequency of the variable frequency oscillator 3, the voltages V a and V b are measured, and Z X (f) is minimum based on the formula (when the end of the transmission line 1 is open).
Alternatively, if the maximum frequency (when the end of the transmission line 1 is short-circuited) is obtained, it becomes the standing wave frequency of the transmission line 1. Here, in order to easily measure the standing wave frequency of the transmission line 1, control of the output frequency of the variable frequency oscillator 3 and measurement of the voltages V a and V b are performed by the microcomputer 4
Has been automated using. That is, which of the voltage V a between both ends of the series circuit of the transmission line 1 and the reference impedance 2 or the voltage V b between both ends of the transmission line 1 is selected by the changeover switch 5, and the measured voltage is analog-digital. It is converted into a digital signal by the converter 6. In this way, the measured voltage is input to the microcomputer 4 as a digital signal, the equation is calculated, and the transmission line 1
The impedance of is required. Also, the variable frequency oscillator 3 is controlled so that the output frequency changes stepwise,
The changeover switch 5 is changed within the time period in which the same frequency is maintained, and the two kinds of voltages V a and V b are measured. Therefore, the switching timing of the changeover switch 5 is also controlled by the microcomputer 4. That is, the reference impedance 2, the changeover switch 5, and the analog-digital converter 6 constitute an impedance detecting section, and the impedance detecting section constitutes the sensor circuit 7 together with the variable frequency oscillator 3. After the measurement of the impedance in the frequency variable range of the variable frequency oscillator 3 is completed as described above, in the microcomputer 4, the impedance is minimum (when the transmission line 1 is an open termination) or maximum (when the transmission line 1 is a short circuit termination). Frequency) is calculated. This frequency is the standing wave frequency of the transmission line 1, and this standing wave frequency is converted into the water content. That is, since the microcomputer 4 calculates the impedance of the transmission line and the standing wave frequency on the basis of the output of the sensor circuit 7, the microcomputer 4 functions as a part of the impedance detection unit (that is, a part of the frequency detection circuit), and the calculation is performed. Function as a department. Next, a case of measuring the amount of water in the soil by the device having the above configuration will be described. In this case, as shown in FIG.
The entire transmission line 1 is buried in the soil E. Also, Sat E
The transmission line 1 is set to an appropriate length so that the influence of the local nonuniformity of the density due to the cavities in the inside is not obtained, and the average value of the range of the length is obtained. For example, if the transmission line 1 of about 1 m is used, the average value in the range of about 1 m can be obtained. Now, if the transmission line 1 having a length of about 1 m is used, an electromagnetic wave with a wavelength of 1 m will be generated in the air. Although it becomes 300MHz, the standing frequency is about 75MHz in air,
As shown in the figure, since the standing wave frequency decreases as the water content increases in the substance, the output frequency of the variable frequency oscillator 3 is several MHz to 100 MHz for this transmission line 1.
It is set in the range of about MHz. It is relatively easy to change the frequency to this extent, and the circuit configuration is simple and stable operation can be expected, which is a preferable condition for a measuring instrument. Here, when an oscillating electric field is applied to water, if the frequency of the oscillating electric field is about 1 GHz, the orientation change of water molecules cannot follow the change of the electric field, and the dielectric constant decreases rapidly. Will be used as the upper limit. That is, the transmission line 1 needs to be at least several tens of cm. On the other hand, when measuring the water content as an average value in a relatively wide range such as in a field, the transmission line 1 can be set to several tens of meters, and in this case, the standing wave frequency becomes lower,
Circuit design becomes easier. The buried depth of the transmission line 1 may be adjusted according to the purpose of measurement, but is usually set to 10 cm or more. The reference impedance 2, the variable frequency oscillator 3, the changeover switch 5, the analog-digital converter 6, and other sensor circuits 7 involved in high frequencies are housed in a water-resistant case 10 and in the soil E together with the transmission line 1. Buried in. Also, a connection line from the case 10 to the microcomputer 4
11 is withdrawn. That is, since all the parts affected by the amount of water in the soil E can be embedded in the soil E, it is possible to prevent variations in the measured values due to the difference in the insertion dimension into the soil E, The reliability of the measured value is enhanced, and the effect of preventing unnecessary radiation noise of high frequency from leaking to the outside can be obtained. If a part of the case 10 is exposed from the soil E, the buried position can be confirmed by the exposed part of the case 10, and the connecting line 11
It is possible to prevent it from being caught by a tractor. As shown in FIG. 3, the transmission line 1 is formed in a feeder line shape in which a waterproof insulating coating 13 is provided around a pair of conductive core wires 12, and a thin wall between the core wires 12 is formed. Spacer 14
Is integrally formed with the insulating coating 13, and the distance between both core wires 12 is kept constant. As described above, by having the insulating coating 13, the influence of the distributed resistance due to the electrolyte dissolved in the moisture of the soil E is prevented, and the increase in power consumption and the increase in the distributed resistance due to the current flowing through the distributed resistance. Selectivity (Q)
Is prevented so that measurement becomes easy.
Further, the insulation coating 13 can prevent the core wire 12 from being corroded.
Here, the presence of the insulating coating 13 slightly reduces the variation range of the measured dielectric constant, but since the impedance can be measured with high accuracy, the influence of the dielectric constant of the insulating coating 13 is negligible. The core wire 12 has an insulating coating 13
The measurement facilitates the measurement as described above, but the insulating coating 13 may be omitted if unnecessary. Also,
As shown in FIG. 4, when the transmission line 1 is formed in a ladder shape by forming the through holes 15 in the spacer 14 at appropriate intervals along the transmission line 1, as compared with the case where the through holes 15 are not formed, ,
Since the surface area of the transmission line 1 is increased and the amount of the spacer 14 which is a dielectric is reduced, it becomes possible to detect the change in the water content of the soil E with high sensitivity. A terminating circuit 16 is provided at the end of the transmission line 1. The terminating circuit 16 is composed of passive circuit components such as a capacitor and a resistor, and can change the impedance of the transmission line 1 and reduce the influence of external electromagnetic waves. Further, since the boundary condition at the end of the transmission line 1 becomes clear, for example, if a capacitor is connected to the end at the open end, the effect of lowering the standing wave frequency and reducing the imperfections of the impedance characteristic can be obtained. When such a capacitor is not connected, as shown by a thin line in FIG. 5, the frequency distribution of impedance often has an irregular portion, which lowers the reliability of the measured value. By providing the above, such a problem is ameliorated as shown by the bold line in FIG. If a resistor is connected to the terminal end, the imperfections in the impedance characteristics can be reduced without affecting the standing wave frequency of the transmission line 1. Further, when the end of the transmission line 1 is short-circuited, the resistance at both ends of the transmission line 1 becomes small. Therefore, in this case, it is desirable to connect a resistor in series to the ground side of the transmission line 1.

【実施例2】 本実施例では、第7図に示すように、伝送線路1の定在
波周波数の前後において電圧位相と電流位相との間の位
相角が急激に変化することを利用して伝送線路の定在波
周波数を検出する。すなわち、伝送線路1が開放終端で
ある場合には、第7図(a)に太線で示すように、電圧
位相に対して電流位相は遅相から進相に変化し、短絡終
端である場合には、第7図(b)に太線で示すように、
進相から遅相に変化する。このように、定在波周波数の
前後では電圧位相と電流位相との間の位相角の符号の正
負が反転するから、位相角の符号の反転を検出すれば、
伝送線路1の定在波周波数を求めることができるのであ
る。 このようにして定在波周波数を検出する回路構成として
は、第6図に示すように、伝送線路1に抵抗Rを直列接
続し、この直列回路に可変周波数発振器2の高周波出力
を印加するとともに、抵抗Rの両端の位相差を検出する
ようにすればよい。すなわち、抵抗Rにおいて可変周波
数発振器2側の端部では、上記直列回路の電圧位相が検
出され、抵抗Rにおいて伝送線路1側の端部では、上記
直列回路の電流位相が検出されるから、抵抗Rの両端で
の位相差を検出すれば、電圧位相と電流位相との間の位
相角が検出できるのである。位相差の検出には、入力位
相の差に対応した電圧出力が得られる位相差検出回路9
を設け、位相差検出回路9の出力電圧をアナログ−ディ
ジタル変換器6によりディジタル信号に変換してマイク
ロコンピュータ4に入力すればよい。マイクロコンピュ
ータ4は、可変周波数発振器3を出力周波数が変化する
ように制御し、周波数に対する位相差検出回路9の出力
変化を求め、位相角の符号が反転する周波数を伝送線路
1の定在波周波数とするのである。こうして得られた定
在波周波数は含水率に換算される。 以上のように、抵抗R、アナログ−ディジタル変換器
6、位相差検出回路9により位相角検出部がが構成さ
れ、この位相角検出部は可変周波数発振器3とともにセ
ンサ回路7を構成するのである。マイクロコンピュータ
4は、伝送線路を通過する高周波信号の電圧位相と電流
位相との間の位相角および定在波周波数をセンサ回路7
の出力に基づいて演算するから、位相角検出部の一部
(つまり周波数検出回路の一部)として機能するととも
に演算部として機能する。
Second Embodiment In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the fact that the phase angle between the voltage phase and the current phase sharply changes before and after the standing wave frequency of the transmission line 1 is used. Detect the standing wave frequency of the transmission line. That is, when the transmission line 1 has an open termination, as shown by the thick line in FIG. As shown by the thick line in FIG. 7 (b),
It changes from advanced to late. In this way, the positive and negative signs of the phase angle between the voltage phase and the current phase are inverted before and after the standing wave frequency, so if the inversion of the sign of the phase angle is detected,
The standing wave frequency of the transmission line 1 can be obtained. As a circuit configuration for detecting the standing wave frequency in this way, as shown in FIG. 6, a resistor R is connected in series to the transmission line 1 and the high frequency output of the variable frequency oscillator 2 is applied to this series circuit. , The phase difference between both ends of the resistor R may be detected. That is, the voltage phase of the series circuit is detected at the end of the resistor R on the variable frequency oscillator 2 side, and the current phase of the series circuit is detected at the end of the resistor R on the transmission line 1 side. By detecting the phase difference at both ends of R, the phase angle between the voltage phase and the current phase can be detected. To detect the phase difference, the phase difference detection circuit 9 that obtains a voltage output corresponding to the difference in the input phase
Is provided and the output voltage of the phase difference detection circuit 9 is converted into a digital signal by the analog-digital converter 6 and input to the microcomputer 4. The microcomputer 4 controls the variable frequency oscillator 3 to change the output frequency, obtains the output change of the phase difference detection circuit 9 with respect to the frequency, and determines the frequency at which the sign of the phase angle is inverted to the standing wave frequency of the transmission line 1. And The standing wave frequency thus obtained is converted into the water content. As described above, the resistor R, the analog-digital converter 6, and the phase difference detection circuit 9 constitute a phase angle detection section, and the phase angle detection section constitutes the sensor circuit 7 together with the variable frequency oscillator 3. The microcomputer 4 detects the phase angle between the voltage phase and the current phase of the high frequency signal passing through the transmission line and the standing wave frequency as the sensor circuit 7.
Since the calculation is performed based on the output of 1), it functions as a part of the phase angle detection section (that is, a part of the frequency detection circuit) and also as a calculation section.

【実施例3】 本実施例では、第8図に示すように、伝送線路1がLF共
振回路と等価である性質を利用し、伝送線路1を発振器
8の共振回路として用いるようにし、発振器8の出力周
波数によって伝送線路1の定在波周波数を求めるように
している。第8図においては、発振器8を変形クラップ
回路として構成することにより、能動素子であるトラン
ジスタQが1個であり、回路構成が非常に簡単になって
いる。なお、発振器8は他の構成としてもよいのはもち
ろんのことである。 このようにして発振器8の出力周波数から伝送線路1の
定在波周波数を求めることにより、実施例1と同様にし
て物質の含水率に換算することができる。
Third Embodiment In this embodiment, as shown in FIG. 8, the transmission line 1 is used as a resonance circuit of an oscillator 8 by utilizing the property that the transmission line 1 is equivalent to an LF resonance circuit. The standing wave frequency of the transmission line 1 is obtained according to the output frequency of. In FIG. 8, by configuring the oscillator 8 as a modified Clap circuit, there is only one transistor Q that is an active element, and the circuit configuration is very simple. Of course, the oscillator 8 may have another configuration. In this way, by obtaining the standing wave frequency of the transmission line 1 from the output frequency of the oscillator 8, the moisture content of the substance can be converted in the same manner as in the first embodiment.

【実施例4】 本実施例では、第9図に示すように、伝送線路1に抵抗
Rを直列接続し、この直列回路に可変周波数発振器2の
出力を印加しているのであって、抵抗Rの両端の位相差
が零になるように、フェーズロックドループを構成して
いる。すなわち、抵抗Rの両端の位相差は、実施例2で
説明したように、電圧位相と電流位相との位相差に対応
する。また、可変周波数発振器2は電圧制御発振器であ
って、上記位相差に相当する電圧を発生する位相差検出
回路9の出力電圧により制御される。したがって、可変
周波数発振器2は上記位相差を低減するように調節さ
れ、位相差が零になると周波数が安定する。この周波数
が伝送線路1の定在波周波数であるから、可変周波数発
振器2の出力周波数を測定すれば、伝送線路1の定在波
周波数を知ることができるのである。以後の処理は実施
例1と同様であって、定在波周波数が物質の含水率に変
換されるのである。 このように、フェーズロックドループによって、伝送線
路1の定在波周波数を求めているから、伝送線路1の選
択度(Q)の影響がほとんどなく、伝送線路1の定在波
周波数を正確に求めることができるのである。
Fourth Embodiment In this embodiment, as shown in FIG. 9, a resistance R is connected in series to the transmission line 1 and the output of the variable frequency oscillator 2 is applied to this series circuit. The phase-locked loop is configured so that the phase difference between both ends of the is zero. That is, the phase difference between both ends of the resistor R corresponds to the phase difference between the voltage phase and the current phase, as described in the second embodiment. The variable frequency oscillator 2 is a voltage controlled oscillator and is controlled by the output voltage of the phase difference detection circuit 9 that generates a voltage corresponding to the phase difference. Therefore, the variable frequency oscillator 2 is adjusted to reduce the phase difference, and the frequency becomes stable when the phase difference becomes zero. Since this frequency is the standing wave frequency of the transmission line 1, it is possible to know the standing wave frequency of the transmission line 1 by measuring the output frequency of the variable frequency oscillator 2. Subsequent processing is the same as in Example 1, and the standing wave frequency is converted into the water content of the substance. In this way, the standing wave frequency of the transmission line 1 is obtained by the phase-locked loop, so that the selectivity (Q) of the transmission line 1 has almost no effect and the standing wave frequency of the transmission line 1 is obtained accurately. It is possible.

【実施例5】 実施例1ないし実施例4では、伝送線路1の定在波周波
数を求めるようにしていたが、本実施例では伝送線路1
を分布定数遅延線路とみなして、伝送線路1の一端から
入力された信号が他端まで到達するのに要する遅延時間
を測定することにより、伝送線路1の周囲の物質の含水
率に対応させるものである。 すなわち、第15図に示すように、伝送線路1の一端に信
号発生器20が接続され、パルス信号が伝送線路1の一端
に印加される。また、信号発生器20の出力端と伝送線路
1の他端との信号の排他的論理和が排他的オア回路21に
より演算される。ここに、伝送線路1の両端にはそれぞ
れ抵抗R1,R2が接続され、インピーダンスの整合がなさ
れる。また、信号発生器20の出力は分圧抵抗R3,R4によ
り分圧され、排他的オア回路21の両入力がほぼ同レベル
になるように調節される。排他的オア回路21の出力は、
抵抗R5、コンデンサC、増幅回路OPよりなる積分回路22
により積分され、排他的オア回路21の出力レベルが“H"
である時間に対応した電圧レベルの出力が得られるよう
になっている。 この構成によれば、第16図(a)に示すように、信号発
生器20よりパルス幅がT1であるパルス信号が出力され、
第16図(b)に示すように、伝送線路1の一端から他端
まで信号が到達するのに要する遅延時間がT2であったと
すると、排他的オア回路21からは、第16図(c)に示す
ように、伝送線路1の遅延時間T2に相当するパルス幅の
パルス出力が得られる。伝送線路1が空気中に存在する
ときの遅延時間がT2であり、伝送線路1が水中に存在す
るときの遅延時間がT3であるとすれば、第16図(b′)
のように、T2<T3となるから、排他的オア回路21の出力
としては、第16図(c′)のように、空気中の場合より
もパルス幅の大きなパルス出力が得られる。積分回路22
の出力レベルは、上述したように、排他的オア回路21か
ら出力されるパルス信号のパルス幅に対応しているか
ら、第16図(d)(d′)を比較すればわかるように、
伝送線路1が水中に存在する場合に比較して空気中に存
在する場合のほうが、積分回路22の出力レベルが大きく
なる。すなわち、伝送線路1の遅延時間が大きくなる
と、積分回路22の出力レベルが大きくなるのである。 以上のようにして、積分回路22の出力レベルとして伝送
線路1の遅延時間が得られるから、この遅延時間を、マ
イクロコンピュータ等の演算部により物質の含水率に換
算するのである。 本実施例では、信号発生器20からパルス信号を出力する
ようにしたが、信号発生器20としては正弦波等の他の信
号を出力し、排他的オア回路21への入力の前に波形整形
を行うようにしてもよい。
Fifth Embodiment In the first to fourth embodiments, the standing wave frequency of the transmission line 1 is determined, but in the present embodiment, the transmission line 1 is used.
Is regarded as a distributed constant delay line, and the delay time required for a signal input from one end of the transmission line 1 to reach the other end is measured to correspond to the moisture content of the substance around the transmission line 1. Is. That is, as shown in FIG. 15, the signal generator 20 is connected to one end of the transmission line 1, and the pulse signal is applied to one end of the transmission line 1. Further, the exclusive OR circuit 21 calculates the exclusive OR of the signals at the output end of the signal generator 20 and the other end of the transmission line 1. Here, resistors R 1 and R 2 are connected to both ends of the transmission line 1, respectively, and impedance matching is performed. Further, the output of the signal generator 20 is divided by the voltage dividing resistors R 3 and R 4 , and both inputs of the exclusive OR circuit 21 are adjusted to have substantially the same level. The output of the exclusive OR circuit 21 is
Integrator circuit 22 consisting of resistor R 5 , capacitor C, and amplifier circuit OP
The output level of the exclusive OR circuit 21 is "H"
The output of the voltage level corresponding to a certain time is obtained. According to this configuration, as shown in FIG. 16 (a), the signal generator 20 outputs a pulse signal having a pulse width of T 1 ,
As shown in FIG. 16 (b), if the delay time required for the signal to reach from one end to the other end of the transmission line 1 is T 2 , the exclusive OR circuit 21 outputs the delay time shown in FIG. ), A pulse output having a pulse width corresponding to the delay time T 2 of the transmission line 1 is obtained. If the delay time when the transmission line 1 exists in air is T 2 and the delay time when the transmission line 1 exists in water is T 3 , then FIG. 16 (b ′)
As described above, since T 2 <T 3 , as the output of the exclusive OR circuit 21, a pulse output having a larger pulse width than that in the case of air is obtained as shown in FIG. 16 (c '). Integrator circuit 22
As described above, since the output level of 1 corresponds to the pulse width of the pulse signal output from the exclusive OR circuit 21, as can be seen by comparing FIG. 16 (d) and (d ′),
The output level of the integrating circuit 22 is higher when the transmission line 1 is present in the air than when it is present in the water. That is, when the delay time of the transmission line 1 increases, the output level of the integrating circuit 22 increases. As described above, since the delay time of the transmission line 1 is obtained as the output level of the integrating circuit 22, this delay time is converted into the moisture content of the substance by the arithmetic unit such as a microcomputer. In this embodiment, the pulse signal is output from the signal generator 20, but the signal generator 20 outputs another signal such as a sine wave, and the waveform shaping is performed before the input to the exclusive OR circuit 21. May be performed.

【発明の効果】【The invention's effect】

本発明は上述のように、測定対象となる物質中に少なく
とも一部が埋設されるLC共振回路と等価な伝送線路と、
電磁波の伝送線路での速度を反映する電気的変量を検出
するセンサ回路と、上記電気的変量を上記物質の含水率
に換算する演算部とを設けているものであり、測定対象
となる物質中に伝送線路の少なくとも一部を埋設し、物
質の誘電率に対応した電磁波の伝送線路での速度を反映
する電気的変量に基づいて物質の含水率を測定するか
ら、測定中には測定対象となる物質に影響を与えること
がなく、短時間に連続して測定を行うことができるとい
う利点がある。また、測定対象となる物質に物理的な影
響をほとんど与えないから、エネルギーの損失が少な
く、電力消費も少なくなる。 また、物質の誘電率に対応した電磁波の伝送線路での速
度を反映する電気的変量としては、伝送線路に定在波波
が生じている周波数や伝送線路による信号の遅延時間を
用いるから、周波数測定や時間測定の既存技術に鑑みて
高精度の測定が行えるのであり、回路構成が比較的簡単
になるとともにノイズの影響も受けにくくなるのであ
る。また、伝送線路の長さを適宜設定すれば、密度が不
均一な物質内でも密度のばらつきによる影響を無視でき
るようにすることができ、測定場所による測定結果のば
らつきを防止することができる。すなわち、測定結果の
再現性がよく信頼性の高い測定が行えるという効果があ
る。 センサ回路を耐水性のケースに納装すれば、センサ回路
を伝送線路とともに物質中に埋設することができ、高周
波信号を発生する部分をすべて物質中に埋設することに
なるから、外部への輻射ノイズを低減することができる
という利点がある。あるいはまた、ケースの一部を物質
中から露出させるようにすれば、ケースを埋設位置の目
印として用いることもできる。 さらに、伝送線路に絶縁被覆を設けているものでは、物
質中の水分による分布抵抗の影響を受けないから、測定
精度がさらに高まる。 しかも、伝送線路の両芯線間にスペーサを設けて両芯線
間を平行になるようにすれば、特性が安定して測定結果
の信頼性がさらに高まり、スペーサに適宜間隔で透孔を
設ければ、スペーサの材料による測定値への影響が軽減
されて高感度な測定が行えるのである。 加えて、伝送線路の端末に終端回路を設ければ、伝送線
路の特性を安定化させることができ、測定結果の再現性
が一層高まるのである。
The present invention, as described above, a transmission line equivalent to an LC resonant circuit in which at least a part is embedded in the substance to be measured,
A sensor circuit that detects an electrical variable that reflects the speed of an electromagnetic wave in a transmission line, and a calculation unit that converts the electrical variable into the water content of the substance are provided. At least a part of the transmission line is embedded in and the water content of the substance is measured based on the electrical variable that reflects the velocity of the electromagnetic wave corresponding to the permittivity of the substance in the transmission line. There is an advantage that the measurement can be continuously performed in a short time without affecting the substance. Further, since the substance to be measured has almost no physical influence, energy loss is small and power consumption is small. In addition, since the frequency at which a standing wave is generated in the transmission line and the delay time of the signal due to the transmission line are used as the electrical variable that reflects the velocity of the electromagnetic wave in the transmission line corresponding to the dielectric constant of the substance, Since high-precision measurement can be performed in view of existing techniques of measurement and time measurement, the circuit configuration is relatively simple and is less susceptible to noise. Further, by appropriately setting the length of the transmission line, it is possible to ignore the influence of the density variation even in a substance having a non-uniform density, and prevent the variation of the measurement result depending on the measurement location. That is, there is an effect that the reproducibility of the measurement result is good and the measurement can be performed with high reliability. If the sensor circuit is installed in a water-resistant case, the sensor circuit can be embedded in the substance together with the transmission line, and all the parts that generate high-frequency signals will be embedded in the substance. There is an advantage that noise can be reduced. Alternatively, if a part of the case is exposed from the substance, the case can be used as a mark for the embedding position. Further, in the case where the transmission line is provided with the insulating coating, the measurement accuracy is further improved because the distribution resistance is not affected by the moisture in the substance. Moreover, if a spacer is provided between both cores of the transmission line so that the two cores are parallel to each other, the characteristics will be stable and the reliability of the measurement result will be further enhanced. The influence of the material of the spacer on the measured value is reduced, and highly sensitive measurement can be performed. In addition, if a terminating circuit is provided at the terminal of the transmission line, the characteristics of the transmission line can be stabilized and the reproducibility of the measurement result is further enhanced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の実施例1を示すブロック図、第2図は
同上の使用状態を示す説明図、第3図は同上に用いる伝
送線路を示す斜視図、第4図は同上に用いる伝送線路の
他の例を示す斜視図、第5図は同上に用いる終端回路の
効果を示す動作説明図、第6図は本発明の実施例2を示
すブロック図、第7図は同上の動作説明図、第8図は本
発明の実施例3を示す要部回路図、第9図は本発明の実
施例4を示す要部回路図、第10図および第11図は本発明
における伝送線路の性質を示す動作説明図、第12図およ
び第13図は本発明における伝送線路の周波数−インピー
ダンス特性を示す動作説明図、第14図は定在波周波数と
含水率との関係を説明するグラフ、第15図は本発明の実
施例5を示す回路図、第16図は同上の動作説明図であ
る。 1……伝送線路、2……基準インピーダンス、3……可
変周波数発振器、4……マイクロコンピュータ、5……
切換スイッチ、6……アナログ−ディジタル変換器、7
……センサ回路、8……発振回路、9……位相差検出回
路、10……ケース、11……接続線、12……芯線、13……
絶縁被覆、14……スペーサ、15……透孔、20……信号発
生器、21……排他的オア回路、22……積分回路、E……
土、R……抵抗。
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory view showing a usage state of the above, FIG. 3 is a perspective view showing a transmission line used in the same, and FIG. 4 is a transmission used in the same. FIG. 5 is a perspective view showing another example of the line, FIG. 5 is an operation explanatory view showing an effect of a termination circuit used in the same, FIG. 6 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 8 is a circuit diagram of essential parts showing a third embodiment of the present invention, FIG. 9 is a circuit diagram of essential parts showing a fourth embodiment of the present invention, and FIGS. 10 and 11 show transmission lines according to the present invention. Operation explanatory diagram showing the characteristics, FIG. 12 and FIG. 13 is an operation explanatory diagram showing the frequency-impedance characteristic of the transmission line in the present invention, FIG. 14 is a graph explaining the relationship between the standing wave frequency and the water content, FIG. 15 is a circuit diagram showing a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 16 is an operation explanatory diagram of the same as above. 1 ... Transmission line, 2 ... Reference impedance, 3 ... Variable frequency oscillator, 4 ... Microcomputer, 5 ...
Changeover switch, 6 ... Analog-digital converter, 7
…… Sensor circuit, 8 …… Oscillation circuit, 9 …… Phase difference detection circuit, 10 …… Case, 11 …… Connecting wire, 12 …… Core wire, 13 ……
Insulation coating, 14 ... Spacer, 15 ... Through hole, 20 ... Signal generator, 21 ... Exclusive OR circuit, 22 ... Integrating circuit, E ...
Sat, R ... resistance.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−135357(JP,A) 特開 昭54−115295(JP,A) 特公 昭57−33551(JP,B2) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-59-135357 (JP, A) JP-A-54-115295 (JP, A) JP-B-57-33551 (JP, B2)

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】測定対象となる物質中に少なくとも一部が
埋設されるLC共振回路と等価な伝送線路と、電磁波の伝
送線路での速度を反映する電気的変量を検出するセンサ
回路と、上記電気的変量を上記物質の含水率に換算する
演算部とを具備して成ることを特徴とする含水率測定装
置。
1. A transmission line equivalent to an LC resonant circuit, at least a part of which is embedded in a substance to be measured, a sensor circuit for detecting an electrical variable that reflects the speed of an electromagnetic wave in the transmission line, and A water content measuring device, comprising: an arithmetic unit for converting an electrical variable into a water content of the substance.
【請求項2】上記センサ回路は、伝送線路に定在波が生
じている周波数を検出する周波数検出回路であって、演
算部は上記周波数を物質の含水率に換算することを特徴
とする請求項1記載の含水率測定装置。
2. The sensor circuit is a frequency detection circuit for detecting a frequency in which a standing wave is generated in a transmission line, and the arithmetic unit converts the frequency into a water content of a substance. Item 1. A water content measuring device according to item 1.
【請求項3】上記周波数検出回路は、伝送線路に高周波
信号を印加する可変周波数発振器と、伝送線路のインピ
ーダンスを検出するインピーダンス検出部とを備え、可
変周波数発振器の出力周波数を変化させるとともに上記
インピーダンスを検出し、伝送線路のインピーダンスが
最小または最大となる周波数を伝送線路に定在波が生じ
ている周波数とすることを特徴とする請求項2記載の含
水率測定装置。
3. The frequency detection circuit includes a variable frequency oscillator for applying a high frequency signal to a transmission line, and an impedance detection section for detecting the impedance of the transmission line, and the output frequency of the variable frequency oscillator is changed and the impedance is also provided. 3. The moisture content measuring device according to claim 2, wherein the frequency at which the impedance of the transmission line is minimum or maximum is detected as the frequency at which a standing wave is generated in the transmission line.
【請求項4】上記周波数検出回路は、伝送線路に高周波
信号を印加する可変周波数発振器と、伝送線路を通過す
る高周波信号の電流位相と電圧位相との一方に対する他
方の位相角を検出する位相角検出部とを備え、可変周波
数発振器の出力周波数を変化させるとともに上記位相角
を検出し、上記位相角の正負の符号が反転する周波数を
伝送線路に定在波が生じている周波数とすることを特徴
とする請求項2記載の含水率測定装置。
4. A variable frequency oscillator for applying a high frequency signal to a transmission line, and a phase angle for detecting the phase angle of one of the current phase and the voltage phase of the high frequency signal passing through the transmission line. A detector is provided, the output frequency of the variable frequency oscillator is changed, the phase angle is detected, and the frequency at which the positive and negative signs of the phase angle are inverted is set as the frequency at which a standing wave is generated in the transmission line. The water content measuring device according to claim 2.
【請求項5】上記周波数検出回路は、伝送線路を共振回
路とする発振回路であって、発振回路出力を伝送線路に
定在波が生じている周波数とすることを特徴とする請求
項2記載の含水率測定装置。
5. The frequency detecting circuit is an oscillating circuit having a transmission line as a resonance circuit, and the oscillating circuit output has a frequency at which a standing wave is generated in the transmission line. Water content measuring device.
【請求項6】上記周波数検出回路は、伝送線路に高周波
信号を印加する可変周波数発振器と、伝送線路を通過す
る高周波信号の電流位相と電圧位相との位相差を検出す
るとともに上記位相差が零になるように可変周波数発振
器の出力周波数を調節する位相差検出回路とを備え、可
変周波数発振器の出力周波数を伝送線路に定在波が生じ
ている周波数とすることを特徴とする請求項2記載の含
水率測定装置。
6. The frequency detection circuit detects a phase difference between a current phase and a voltage phase of a high frequency signal passing through the transmission line and a variable frequency oscillator for applying a high frequency signal to the transmission line, and the phase difference is zero. And a phase difference detection circuit that adjusts the output frequency of the variable frequency oscillator so that the output frequency of the variable frequency oscillator is the frequency at which a standing wave is generated in the transmission line. Water content measuring device.
【請求項7】上記センサ回路は、伝送線路の一端に信号
を印加する信号発生器と、信号が伝送線路の一端に印加
されてから他端に到達するまでに要する遅延時間を検出
する時間検出部とから成り、演算部は上記遅延時間を物
質の含水率に換算することを特徴とする請求項1記載の
含水率測定装置。
7. The sensor circuit comprises a signal generator for applying a signal to one end of a transmission line, and a time detection for detecting a delay time required for the signal to reach the other end after being applied to one end of the transmission line. The water content measuring device according to claim 1, wherein the operation unit converts the delay time into a water content of a substance.
【請求項8】上記センサ回路は、耐水性のケースに納装
されて成ることを特徴とする請求項2乃至請求項7のい
ずれかに記載の含水率測定装置。
8. The water content measuring device according to claim 2, wherein the sensor circuit is housed in a water resistant case.
【請求項9】上記伝送線路は、導電性の一対の芯線と、
芯線の周囲を覆う絶縁被覆とにより形成されて成ること
を特徴とする請求項2乃至請求項8のいずれかに記載の
含水率測定装置。
9. The transmission line comprises a pair of conductive core wires,
The water content measuring device according to claim 2, wherein the water content measuring device is formed of an insulating coating that covers the periphery of the core wire.
【請求項10】上記伝送線路は、両芯線を平行に保つス
ペーサを備えて成ることを特徴とする請求項9記載の含
水率測定装置。
10. The water content measuring device according to claim 9, wherein the transmission line is provided with a spacer for keeping both core wires in parallel.
【請求項11】上記スペーサは、両芯線の長手方向にお
いて適宜間隔で透孔を有する形状に形成されて成ること
を特徴とする請求項10記載の含水率測定装置。
11. The water content measuring device according to claim 10, wherein the spacer is formed in a shape having through holes at appropriate intervals in the longitudinal direction of both core wires.
【請求項12】上記伝送線路の端末には終端回路が接続
されて成ることを特徴とする請求項2乃至請求項11のい
ずれかに記載の含水率測定装置。
12. The water content measuring device according to claim 2, wherein a terminal circuit is connected to a terminal of the transmission line.
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