JPH0786482B2 - 含水率測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

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。

【従来の技術】

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。

【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。

【課題を解決するための手段】

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。

【作用】

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。

【原理】

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f_rは、 f_r＝κ₁/（LC）^1/2 … と表すことができる。ただし、κ_１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_２とすれば、 Ｃ＝κ_２・ε … となるから、式により、 f_r＝κ₁/（κ_２・εＬ）^1/2 … となる。つまり、Ｌ≒一定とすれば、 f_r＝κ₃/ε^1/2 … となる。ただし、κ_３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_４とすれば、 τ＝κ_４・（LC）^1/2 … となるから、Ｌ≒一定のとき、式により、 τ＝κ_５・ε^1/2 … となる。 以上のように、伝送線路１の定在波周波数f_r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f_r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/ε^1/2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f_rに比例し、遅延時間τに反比例するから、定
在波周波数f_r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。

【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V_aと、伝送線路１の両端電
圧V_b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Z_X（ｆ）,Z_A
（ｆ）とすると、 Z_X（ｆ）／（Z_X（ｆ）＋Z_A（ｆ））＝V_b/V_a という関係が成立するから、 Z_X（ｆ）＝Z_A（ｆ）・V_b/（V_a−V_b） … となり、ここに基準インピーダンス２のインピーダンス
Z_A（ｆ）は既知であるから、電圧V_a,V_b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V_a,V_bを測定し、式に基づ
いてZ_X（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V_a,V_b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V_aと、伝送
線路１の両端電圧V_b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V_a,V_b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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【発明の効果】

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。

【図面の簡単な説明】

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。

───────────────────────────────────────────────────── 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)

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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。
7. 【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。
8. 【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。
9. 【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。
10. 【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。
11. 【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。
12. 【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。