JPH03505124A - 水分含有量及び電気伝導度の測定 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称：水分含有量及び電気伝導度の測定技術分野 本発明は、時間領域反射率計（ＴＤＲ）を使用して、多孔性及び繊維質の固体中 の水分含有量及び電気伝導度の測定、特にこの測定に使用される改良されたプロ ーブに関するものである。

背景技術 本発明の技術には、平行線即ち２線の伝送線を多孔性物質内に挿入することが含 まれる。この明細書では、物質中の水分の体積含有量θ及び電気伝導度σを測定 するための、改良された挿入式プローブと新しい表面型、即ち非挿入式の、ＴＤ Ｒプローブを詳述する。該プローブは、多孔性固体、粉末、スラリー及び液体の θとσの測定に用いられる。該表面型プローブは、コンベヤベルトの上で固体及 びフィルムの乾燥状態の追跡に用いられる。これらのプローブが利用できる物質 の範囲は、土、岩石、石炭、コンクリート、紙、木、粉末、油、石油、塗料及び 工業用スラリーであるが、これらに限定されない。更に、この明細書では、プロ ーブが特定の測定に適用されることに関し述べているが、本発明のプローブはこ のような測定の使用に限定されないことは理解できるであろう。

現在この分野で使用されている２線伝送線ＴＤＲプローブは、プローブと接続用 同軸ケーブルとの間のインピーダンスの不整合に起因する好ましくないノイズ及 び情報の欠落を生じる。ここでは、これらの課題を最小にするとともに、プロー ブとＴＤＲ装置との間に平衡変成器を介在させる必要のない、対称的な多線プロ ーブについて説明する。

これらの新しいプローブの周囲の電界分布の解析は、これらのプローブが、同軸 伝送線に匹敵するとともに、これらの測定された特性インピーダンスの値が同軸 伝送線のそれに接近した値であることが示されている。新しいプローブがらの信 号は、より信頼性があって正確なθとσの測定値が得られ、平衡変成器を必要と する２線プローブよりも優れている。新しいプローブの飛び抜けた信号の明瞭さ は、試料の直径を少なくとも０．２ｍに拡張する。新しいプローブを使用して得 られた電気伝導度は同軸セルを使用して得られたものと同一であり、２線プロー ブを使用して得られたものとは実質的に相違していることが示される。薄い試料 のσを判断するギーゼ・ティーマン法（Ｇｉｅｓｅ−Ｔｊｅ＋ｗａｎｎ）は、こ れらの多線プローブに適しており、在来の測定法よりも優れている。表面に近い 部分や薄膜内のθとσを測定することが出来る非挿入式表面型プローブについて も述べる。

水理学、農業及び土木工学や生産業の種々の分野において、水分の体積含有量θ と土壌の電気伝導度σを、その場で監視するために、敏速で信頼性があり且つ決 まった方法で行える技術の必要性は明かであり、そしてその技術は煩雑であって はならない。時間領域反射率計（ＴＤＲ）は、これら３つの所望の特徴を提供す る可能性を、特にθの測定及びσの測定にも、有していると思える。

研究室内で使用される同軸伝送線セルは、最も多くの野外土壌に対して不適当で ある。代わりとして、平行線即ち２線伝送線プローブが土壌に挿入される。２線 プローブの形状が、ＴＤＲ装置にプローブを接続する同軸ケーブルの形状と異な るので、可成りの信号及び情報の損失が同軸ケーブル／プローブ接続部分で生じ る。電気的特性を整合させるために、平衡変成器、即ちバラン（ｂａｌｕｎ）は 通常接続部分に接続させる。しかし、この変成器は、それ自身が好ましくないノ イズ源となり、ＴＤＲからの信号、特に塩分を含む物質、の解析を困難にしてい る。

この問題は短いプローブ（５０，２５ｍ）で著しくなる。ＴＤＲは、土壌の表面 に近い層において、その場における測定技術が他よりも優れているので、短いプ ローブで生じる信号解析における不確実さを最小にすることは格別望ましいこと である。

この明細書において、平衡変成器を必要とせず、且つ不要なノイズとスプリアス 反射の減少した、同軸伝送線に匹敵する簡単な単線及び多線プローブを説明する 。プローブの周囲の電界の解析を提供し、水分含有量と電気伝導度の両者の測定 におけるこれらの利点を説明する。

本発明の第１の面は、導電性取付基板に設けられた導電性の線またはロッドを有 し、この線またはロッドは、誘電性物質の領域で前記取付基板から絶縁され、前 記線と基板とは、同軸伝送線の中心導体である線またはロッドを有する同軸伝送 線に相当する寸法と間隔とを備え、そして前記取付基板には、同軸シールドが形 成されている、時間領域反射率計による多孔性物質、スラリー、液体及びこれら の類似物の水分含有Ｉ、固形物含有量及び電気伝導度の測定に使用するプローブ を提供することにある。

好ましくは、誘電性物質の領域は前記取付基板の中央に位置する実質的に円筒形 のプラグで、そこに設けられた前記線またはロッドを有している。更に、プロー ブは、同軸線に接続するための接続手段を含んでいることが望ましい。該接続手 段は、前記導電性基板を同軸線のシールドに、前記線またはロッドを同軸線の中 心導体に夫々接続するのに適したものである。

本発明の第２の面は、取付基板から間隔をとって平行に延出した３本乃至それ以 上の多数本の導電性の線を有し、１本の線は、他の線の中心に位置して誘電性物 質で他の線と絶縁され、これらの線は、前記伝送線の中心導体である中心に位置 した線を有する同軸伝送線に相当する寸法と間隔とを備え、そして前記他の線が 同軸シールドを形成している、時間領域反射率計による多孔性物質、スラリー、 液体及びこれらの類似物の水分含有量、固形物含有量及び電気伝導度の測定に使 用する多線プローブを提供することにある。

好ましくは、前記取付基板は、誘電性物質を部分的に囲む金属性ケーシングを存 し、前記他の線は、前記誘電性物質によって前記他の線から絶縁されている前記 中心線を有する前記金属性ケーシングに接続している。

本発明の更に別の面は、試料物質に挿入する必要のない表面型プローブの構造に 関する。こらのプローブは単に試料物質の上に置くだけで測定ができる。本来、 これらは「漏洩」同軸伝送線即ちストリップ伝送線である。該プローブは、ここ に述べられている疑似同軸伝送線と同程度の明確さと明瞭さの信号を送り出すこ とが示されている。これらの「漏洩」同軸伝送線の感度は、通常の挿入式プロー ブの感度より小さいが、それでも、誘電率対水分含有量の正確な較正曲線が得ら れる。

プローブの周囲の電界の解析は、電界の浸透深度がプローブの幅と同程度である ことを示している。種々の半径のプローブを使用すれば、試料である多孔性物質 の異なった深さの水分含有量を測定できる。これらのプローブは、種々の多孔性 物質、例えば土、コンクリート、木材、紙、塗料及び油、の乾燥度と湿潤度の測 定、及び土壌や岩石の両者における深度に対応する液体含有量のダウンホール検 層（ｄｏｗｎ−ｈｏｌｅ　ｆｏｇｇｉｎｇ）に使用できることに気付くであろう ことは容品に想像できる。

本発明のもう１つの面によれば、誘電性充填媒体によって中心導体がら隔てられ たシールド導体によって少なくとも部分的に囲まれた少なくとも１つの中心導体 を有し、前記中心導体は、使用する際に、特性を測定しようとする物質に接触し て置かれるようにした、時間領域反射率計により多孔性物質、スラリー、液体及 びこれらの類似物質の水分含有量、固形物含有量及び電気伝導度を測定するのに 使用する表面型プローブを提供するにある。

好ましくは、前記シールド導体は、その底縁から外側に延出している翼状拡張部 分の手段によって広がっている。

このプローブの更なる実施例は、誘電性物質のスペーサ手段により導電性板体か ら間隔をおいて保持された導電性の線またはロッドを有し、前記スペーサ手段は 、前記線またはロッドと前記板体との間に、特性を測定しようとする物質を通す ように構成されている。前記板体は同軸伝送線のシールド導体の役目をする。

前記シールド導体水は、多数の線、網状体、その他適宜形状のもので形成するこ とができる。

図面の簡単な説明 本発明のプローブによる測定の好適な実施例は、以下簡単に説明する添付図面を ７照して述べられる： 第１ａ図−第１ｃ図は、それぞれ、本発明の単線プローブの大要を示す平面図、 正面図、斜視図であり： 第２ａ図−第２ｃ図は、それぞれ、本発明の３線プローブの大要を示す断面図、 平面図、斜視図であり： 第３ａ図−第３Ｃ図は、それぞれ、本発明の４線プローブの大要を示す断面図、 平面図、斜視図であり； 第４ａ図−第４ｃ図は、それぞれ、２，３及び４線プローブに対して計算により 求めた電界分布図であり； 第５ａ図−第５ｄ図は、それぞれ、バランを有する２線プローブ、３線プローブ 、４線プローブ及び同軸セルからの信号のトレース図であり；第６図は、３線プ ローブによる土壌の水分含有量と誘電率との関係を示す代表的較正曲線図であり ； 第７図は、３線プローブの線の間隔を変えた場合のオシロスコープのトレース図 であり； 第８ａ図は、２．３及び４線プローブについての比σＴ／σをσの関数として示 す図であり； 第８ｂ図は、ＮａＣ１溶液についての比σＧ−Ｔ／σをσの関数として示す図で あり、そして 第９図は、嵩のある土壌の電気伝導度測定において、多線プローブ及び同軸プロ ーブを使用したときの比較を示す図であり：第１０ａ図、第１０ｂ図及び第１０ ｃ図は、それぞれ、本発明の表面型プローブの縦断面図、側断面図及び下部断面 図であり；第１０ｄ図及び第１０ｅ図は、延出したシールドを有する第１０ａ図 に示す表面型プローブの側断面図及び下部断面図であり；第１１ａ図、第１１ｂ 図、第１１ｃ図及び第１１ｄ図は、第１０ａ図及び第１０６図に示す夫々のプロ ーブの上部と下部の斜視図であり；第１２ａ図及び第１２ｂ図は、ポーリングし た穴の検層に用いる表面型プローブの側断面図及び斜視図であり； 第１２ｃ図及び第１２ｄ図は、直接密着する表面型プローブの側断面図及び斜視 図であり； 第１３ａ図−第１３ｃ図は、それぞれ、本発明のストリップ伝送線プローブの第 ２実施例の大要を示す正面図、側面図、斜視図であり：第１４図は、表面型プロ ーブに対してラプラスの方程式の数値解を求めるための配置と境界条件を示すグ ラフであり：第１５ａ図−第１５ｆ図は、延出したシールドを持たない表面型プ ローブに対して、Ｋｏ：Ｋｍ：Ｋａの種々の組み合わせにおける電界分布を任意 単位で示す図であり； 第１６ａ図−第１６ｄ図は、延出したシールドを有する表面型プローブの電界分 布を示す図であり：及び 第１７ａ図、第１７ｂ図及び第１７ｃ図は、それぞれ、空気、水及び湿った土に 接触して置かれた表面型プローブの動作を説明するオシロスコープのトレース図 である。

好適な実施例の説明 単線プローブの構造の大要を第１図に示す。各プローブには、誘電性の挿入部２ を囲む導電性の頭部１がある。一本の線またはロッド３が、挿入部２の中心を通 り頭部１に直角に延びている。同軸コネクタ４は、それの中心の同軸リードが線 またはロッド３に接続され、シールドが頭部１に接続されている。長さしは、１ ００關を越えないことが好ましい。

３線プローブの構造の大要を第２図に示す。各プローブには、誘電性の挿入部６ を囲む導電性の頭部５がある。外側の線７は、挿入部に挿通されて同軸線８に接 続する中心の線９を有する頭部５に取り付けられている。プローブの線は、平行 で一平面上にあり、長さはし、線の間隔はＳ、線の直径はｄである。

このプローブを設計する際、同軸接続ケーブルの中心導体を中心の線に、また同 軸シールドを外側の２本の線に接続して、−次元の形状を持つ同軸伝送線セルと して使えるようにした。

４線プローブの構造の大要を第３図に示す。ここでは、３本の外側の線は、プロ ーブの円板周縁に等間隔に配置されて同軸ケーブルのシールドに接続され、内側 の第４の線は円板の中心に位置している。明らかに、周縁の線を３本以上にした 多線プローブは、より一層同軸伝送線に近似してくる。後述するが、第２図及び 第３図に示すプローブを使った場合のＴＤＲに現れる測定結果は、同軸伝送線セ ルを使った場合とよく近似しているので、これ以上の多数の線を設けたプローブ は必要としない。

このことをテストするため、プローブの周囲の電界分布をｔＩ算してみた。第４ 図は、３線及び４線プローブの電界分布が、等電位面が内側の導体を中心とする 同心円である同軸伝送線セルに順々により近づくことを示している。注記するが 、第４図に示す電位分布からは、プローブによってどの位の量の土壌か検知され るとか、最後に得られた信号に、電界が透過する誘電体の種々の部分の情報がど のようなウェイトをもって含まれるかは正確には分からない。しかし、これらは 、第２図及び第３図に示すプローブか同軸セルと同様の動作をするという我々の 主張を実証している。これは、プローブとＴＤＲの間の平南変成器を省略しても 十分に差し支えないことを示唆している。次にこのプローブがＴＤＲの動作を顕 著に改良するかどうかを調べてみる。

特性インピーダンス 同軸伝送線の特性インピーダンス２゜は、線の配列のみに依存し、Ｚｏ　＝６０ ４ｎ　（２ｓ／ｄ）　　　　　（１）ここで、２ｓは外側の導体の直径、ｄは内 側の導体の直径である。あるいは、線を誘電率Ｋ　の均一な誘電体で満たしたと きの線の反射係数ρ　が決定すれば、ｒ　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｒｚｏは下式で 求められる［Ｋｒａｕｓ、１９８４］　：ｚｏ−ｚ　、Ｋ　　（１＋ρ　）バ１ −ｐ　　）　　　　（２）ｌｒ　　　　　　　　　　ｒ　　　　　　　　　　　 　ｒここで、２．はＴＤＲシステムの出力インピーダンス、ρ　−（ｖ、／ｖｏ ）ｒｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　ｒ−〕である。ここで、ｖ０はＴＤＲ装置から送り出さ れる信号の振幅、Ｖ、はプローブの動作開始からの部分反射信号の振幅である。

本発明のプローブは同軸線ではないが、式（１）から２゜を求めるために寸法Ｓ とｄに数値を入れ、式（２）による２゜の測定値と比較する。ここでＳの値は、 プローブの外側の線、即ちシールド線と中心の線との距離である。プローブを同 軸線により近似させる程、２つの値はより接近することが期待される。この比較 の場合、〜、の値を正確に得るために、基準誘電体は電気伝導度の出来るだけ小 さいものであることが重要である。

第１表に、３線、４線プローブ及び同軸セルの特性インピーダンスを、式（１） による配列・形状からの計算値と、式（２）による測定値２゜との比較を示す。

プローブは全て、Ｌ＝１５０ｍｍ、基準誘電体は２０℃の蒸留水、使用されてい るプローブのＳとｄの実寸は表に記しである。

第１表において、同軸セルに対する配列・形状からの計算値と測定値２゜の比は １ではない。式（１）は端部効果がないという仮定に立っている。この比較に用 いた同軸プローブでは、セルの底部が外側導体の一部を形成しており、１からの 差異は端部効果によるものと考える。端部効果を考慮すると、３線、４線プロー ブに対する計算値と測定値の特性インピーダンスの比は、それぞれ、同軸セルに 対する比より１７％及び５％低い値となる。このことは、これらのプローブが同 軸セルに近似していることを確認させる。バランからの反射のため、２線プロー ブに対しては式（２）を使っても良い結果は得られない。

水分含有量の決定 第５図に、２０℃の蒸留水に対する、３線、４線プローブからの信号と、バラン く＾ＮＺＡＣｔｙｐｅ　ＴＰ−１０４１）を接続した２線プローブからの信号及 び同軸セルからの信号との比較を示す。この図において、Ｌ−１５０１富、ｄ− ４，７ｍｍ、５−３０ｍ■のプローブを使用し、同軸セルは長さＬ＝１５Ｏｎを 有し、内側の導体の直径は４、　７ｍｍ、外側の導体の直径は７２．８■ｌであ る。

第５図のオシロスコープ（７６０Ｂ　　オシロスコープに３５２サンプルヘツド 及び９８バ／ｌ、ス発生器を備えたテクトａニクス７Ｓ１２　ＴＤＲ／サンプラ （Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ　７Ｓ１２　ＴＤＲ／Ｓａ＊ｐｌｅｒ　ｖＨｈ　Ｓ５２　 Ｓａｍｐｌｅ　Ｈｅａｄａｎｄ　Ｓ＋！　Ｐｕ１ｓｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｆ ｎ　ａ　７６０１０ｓｅ奄撃撃盾唐モ盾■ ｅ））トレース図は、３線、４線プローブからの信号がバランを接続した２線プ ローブからの信号よりも明確であることを示す。２線プローブからの信号が正確 でないこと、及びバランによるノイズが入ることは明かである。更に、３線、４ 線プローブからの信号は、同軸セルからの信号と殆ど同等である。空気及び土壌 に対しても同様な結果が得られる。

バランを接続しない２Ｉ！プローブを使用したときのＴＤＲによる水分含有量測 定は、バランを接続した２線プローブを使用したときと一致した結果が得られて いる。しかし、バランを接続しないときは、測定値の不確実さを増す漂ａｍ圧や 漂ａ電流が生じる危険がある。理論上は必要とされるバランが実際に必要か否か の論議は、３線、４線プローブを使用すれば関係ないものとなる。

第６図に３線プローブによる土壌の水分含有量と誘電率との関係を表す典型的な 較正曲線を示す。見かけ上の誘電率Ｋ　は、トップその他により記述された方法 （Ｔｏｐｐ　ｅｔ　ａｌ、）［１９８０］　（土壌水分の電磁気的測定二同軸伝 送線での測定、水質資源研究、　１８．５７４−５８２．１９８０　（Ｅｌｅｃ ｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｒ　５ｏｉｌ　ｗａ 狽■窒メB ｎｔｅｎｔ：　Ｍｅａｓｕｒｅ■ｅｎｔ　Ｉｎ　ｃｏ−ａｘｉａｌｔｒａｎｓｍ ｉｓｓｉｏｎ　１ｉｎｅｓ、　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅ５ｏｕｒｃ■刀@Ｒｅ５ｅａｒ ｃｈ、１６．５７４−５８２．１９８０）　）で使用することが見出だされてお り、普通の炉の中で１０５℃で乾燥させたブンゲンドール（Ｂｕｎｇｅｎｄｏｒ ｅ）の細かい砂により測定した水分の体積含有量θに対してプロットしたもので ある。Ｌ＝１５０ｍｍ、ｄ−４，７ｍｍ。

ｓ＝３０ｗ＋＋ｓの寸法を有するプローブを使用した。種々の土壌に対するトッ プその他により見出だされた最も一致する線とこれを比較する。この較正曲線は １、乾燥が著しい領域を除くと、トップその他が得た曲線［１９８０３によく一 致している。

乾燥が著しい領域における差異は、この領域では砂の誘電率がＫ　の値を支配す るからである。

導線の間隔の効果 ３線プローブの優位性は、第５図及び第６図の説明の際に記したプローブの特定 の物理的寸法だけによるものではない。中心線とシールド線の間隔を１５曹■と １００１の間、即ちプローブの全幅を２００龍まて広げる。第７図で水中に挿入 した３線プローブの線の間隔を変えた場合のオシロスコープの記録を比較すると ：全てのプローブは、Ｌ＝１５（）＋ｍ、ｄ−４．７ｍｍで、Ｓが１５から１０ ０ｍｍまで変化する。中心線とシールド線の間隔の各々のトレースから測定され たＫ　の値は変わらない。これは３線プローブを使用すると、少なくとも２００ 曹曹の間の土の量を容易に且つ正確に測れることを意味している。信号がＴＥＭ モードで伝わる場合、これらの結果は、Ｌ、　　ｄ及びＳの全許容範囲において 妥当する。

電気伝導度の測定 反射されたＴＤＲ信号の減衰が電気伝導度σを推定するのに使えることが最近提 案された。この発明において、Ｋ　とＴＤＲプローブの長さ方向に沿う種々の位 置の電圧値が媒体のＤＣＣ電気伝導度合求めるのに使われる。

σの測定には、プローブのインピーダンスと電気的配列とが、プローブとＴＤＲ 装置とを接続する同軸ケーブルに出来るだけ整合していることが重要である。

さもないと、減衰とスプリアス反射成分が信号に含まれている電気伝導度につい ての情報を埋没させてしまう。２線プローブは、バランが減衰器として動作する ので、この点で問題がある。本発明は、同軸線に匹敵する多線プローブもこの点 を厳しくテストする必要がある。

ＴＤＲを用いてゼロ周波数における電気伝導度を推定する２つの方法が使われた 。ダルトンその他の方法（Ｄａｌｔｏｎ　ｅｔ　ａｌ、）［１９８４］　　（時 間領域反射率計：単一プローブによる土壌水分及び電気伝導度の同時測定、サイ エンス２２４．９８９−９９０．１９８４（Ｔｉｍｅ　　Ｄｏｍａｉｎ　　Ｒｅ ｆｌｅｃｔｏ＊ｅｔｒｙ：　　５ｆｕｌｔａｎｅｏｕｓ　　　ｍｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ　　ｏｒ　　５盾奄戟@　ｗａｔｅｒ　　ｃｏｎｔ ｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｗｉｔｈ 　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｒｏｂｅ、　５ｃｉｅｎｃｅ　２２S．９８９−９９ ０、１９８４））では、σは、ＴＤＲ装置からの信号の振幅Ｖ。、プローブの動 作開始後部分反射した信号の振幅ｖ１％及びプローブの動作終了後反射した信号 の振幅ｖ２を用いてＴＤＲの記録から見積もられる（第５図参照）。このσの値 をσＴと記す。

トップその他による式（４）から式（８）までの式０９８ｇ］　（ＴＤＲを用い た電気伝導度の測定二同軸伝送線での土及び水の実験、水資源研究１９８８　（ Ｔｈｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｏｎｄ ｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｕｓｉｎｇ　ＴＤＲ：　５ｏｉｌ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｅ ｘｐ■窒奄高■獅狽■ ｉｎ　ｃｏａｘｊａｌｌｉｎｅｓ、Ｗａｔｅｒ　Ｒｅ５ｏｕｒｃｅｓ　Ｒｅ５ｅ ａｒｃｈ　１９８ｇ））から次式が導かれる：ａ　Ｔ−Ｅ　Ｋ　ａ　”　／　（ １２０’ｒ　Ｌ　）　］ノｎ　　［ｖ＋　　（２ｖｏ　−Ｖｌ　　）／　（ＶＯ （Ｖ２　　ｖ＋））］　　　　　　　　　　　　　　　（３ａ）式中のＶ、は実 験的に問題がある。トップその他［１９８８］は、周波数に依存する減衰はｖ２ の値を若干任意的な量であると指摘した。これを解決するためヤヌカその他（Ｙ ａｎｕｋａ　ｅｔ　ａｌ、）　［１９８８］　（ＴＤＲパルスの多重反射及び減 衰：土及び水ヘノ応用についての理論的考察、水資源研究１９８８　（Ｍｕｌｔ ｉｐｌｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　ｏｒ　Ｔ ＤＲｐｕｌｓｅｓ：Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ　 ｆｏｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｔ潤@５ｏｉｌ　ａ ｎｄ　ｖａｔ、ｅｒ、Ｗａｔｅｒ　Ｒｅ５ｏｕｒｃｅｓ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　１ ９８８）　）は多重反射モデルを導入し、セル中で全ての反射がなされた後の信 号振幅Ｖ、を使用した。彼らの式（８）、　　（１９）及び（２６）から次式か 得られる：σ　−［Ｋ　　”／（１２０πＬ）］！ｎ［（ｖ＋　ｖ（−ＶＱ　　 （Ｖ＋　＋ｖｒ））　　　　ａ ／　　（Ｖｏ　　　（Ｖ＋　　　　Ｖ　　ｆ））コ　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　（３ｂ）第２の方法は、ギーゼ・ティーマンの 薄い試料の躬折（Ｇｉｅｓｅ　ａｎｄ　Ｔｉｅｍａｎｎ）［！９７５コ（薄いサ ンプル時間領域反射率計からの複合誘電率の測定、　Ａｄｖ、Ｍｏｌ□リラクセ ーシジンプロセス、　７．４５−４９．１９７５（Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ 　ｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｐｅｒ＊１ｔｔｉｖｉｔｙ　ｆｒｏｍ　ｔｈ ｉｎ−ｓａｍｐｌｅ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ、 　Ａｄｖ、Ｍｏｌ　、Ｒｅ１ａｘａｔ奄盾氏@Ｐｒｏｃｅｓ ｓ、７．４５−４９．１９７５）　）によるもので、次式のσＧ−Ｔをσと推定 する［クラークノンその他（Ｃ１ａｒｋｓｏｎ　ｅｔ　ａｌ、、）１９７７］　 　（時間領域スベトロスコピーにおける実験的要素の評価、リラクセーション　 インターアクション　プロセス、　］、］０．１７３−２０２．１９７７＾ｎ　 　ａｐｐｒｌｃｌａｔｌｏｎ　　ｏｆ　　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　　！’ａ ｃｔｏｒｓ　　ｉｎ　　ｔｉｍｅ−ｄｏｍａ奄氏@　５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ 。

＾ｄｖ、Ｍｏ１．　Ｒｅ１ａｘａｔｉｏｎ　Ｉｎｔｅｒａｃｔ４ｏｎ　Ｐｒｏｃ ｅｓｓ、１０．１７３−２０２．１９７７）：（）に　　７−（ε。ｃ／Ｌ）（ ｚｏ　／ｚ　−）［（２ｖｏ　／ｖ　ｆ）　−１１（４）工 ここでと。は自由空間の透磁率で急（３６π）　−’Ｘ　１０−’Ｆ、　ｍ−’ 　；　ｃは自由空間中の電磁波の速度で＞３　Ｘ　Ｉ　Ｑ８　ｍ、　　Ｓ−＋、 ｚ、は自由空間（または自由空間が使用できないならば空気）の特性インピーダ ンス、２．はＴＤＲ装置の出力インピーダンスである。

ギーゼ・ティーマンの解析は、理論的に数ミリメータの薄い試料に対してのみ有 効であるにも拘らず、トップその他［１９８ｇ］は、同軸セルにおいては、σＧ −Ｔの方がσ　よりもよい値を与えることを見出した。多線プローブのσＧ−Ｔ を計算するため式（２）を使って式（４）の２゜に入れると次式を得る：σ（、 ７−［Ｋ　　　”（１２０πＬ）］［（ρ　　＋１）バ　−　−ρ　　）コｒ　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　「　　　　　　　　　　　　　　　 「測定すれば一定値であり、ｖｏとｖｆだけを測定すればよい。式（５ａ）はま た、誘電率Ｋ　（第１６ａ図）の試料に対しては、次式のように書き換えられ、 これ［（２Ｖｏ　−Ｖ　ｆ）／（２ＶＯ−Ｖ＋　）］　　　　　　（５ｂ）電解 質溶液の電気伝導度 式（３ｂ）と（５ａ）を用いて濃度範囲が０〜０．０５Ｍの種々の〜ａｃＩ水溶 液の２０℃における電気伝導度を計算した。これらの水溶液の電気伝導度σの実 際の値も、通常の白金浸漬セルとＡＣブリッジを使用して１〜２０Ｘ１．０３Ｈ ｚの周波数範囲で測定した。

第８図に２，３及び４線プローブと同軸セルを使用して測定した比σＴ／σをσ のＭとして示す。２線プローブにはバランが接続されている。３及び４線プロー ブと同軸セルは同様な動作をするが、２線プローブは可成り異なる。信号の明確 さも２線プローブは劣り、このプローブはσ＞１００ｍ５．ｍ−’の範囲では使 用できない。更に、３及び４線プローブと同軸セルではσＴ３２σで、２線プロ ーブではσＴさ３σである。σが増加すると、同軸セル及びそれに匹敵するプロ ーブではσＴ−σとなる。

第８ｂ図にＮａＣｌ溶液について測定した比σＴ／σをσの関数として示す。こ こでも、３．４線プローブ及び同軸プローブ間に大きな差異はない。図からまた 、σアはσより、電解質濃度が低い方で約８％大きく、電解質濃度が高い方で約 ５％小さい。

式（３ｂ）から計算したＣ７を使うと電気伝導度の値は過大になる。これもトッ プその他［１９８８］によって見出されたのであるが、導電性溶液中のｖ２の測 定値は周波数に依存する減衰係数を含むので驚く程のことではない。多線プロー ブの場合にギーゼとティーマンの解析方法で電気伝導度σを求めると、７くσ〈 ５００ｍ５．ｍ−’の範囲で±１０％内にある。これは、同軸セルでのトップそ の他［１９８８］の観測に一致する。

土壌の電気伝導度 第９図に、土壌の高電気伝導度を多線プローブと同軸プローブを使って測定した ときの比較を示す。試料とする土はブンゲンドールの細かい砂で、濃度０．００ ５と０．・５ＭのＮａＣｌ水溶液で、水分の体積含有量θは一方が０．１３、他 方が０．２６である。

ローデスその他（Ｒｈｏａｄｅｓ　ｅｔ　ａｌ、）［１９７６］は、土壌の電気 伝導度σｂは次式に従うとした： σｂ−σ９．（ａθ２＋ｂθ）＋σ５（６）ユニで、σ　は土と水との混合溶液 の電気伝導度、σ　は混合溶液表面の高電気Ｗ　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｓ伝導度、ａとｂは土壌によっ て決まる経験的定数である（嵩のある土の電気伝導度に対する液相電気伝導度、 水分及び表面伝導度の影響、土壌科学協会　＾■、Ｊ、。

４０．８５１−６５５．１９７６　（Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　１ｉｑｕｉｄ−ｐ ｈａｓｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔ凵A　ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ　ａｎｄ　５ｕｒ４ａｃｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｎ　 ｂｕｌｋ　５ｏｉｌ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｏｎｄｕｃ狽奄魔奄狽凵A　５ ｏｉｌ　５ｃｉｅｎｃｅ　５ｏｃｉｅｔｙ＾ｍ、　Ｊ、、　４０．６５１−６５ ５．１９７８）、　ローデスその他［１９７［ｉ］は、選択した若干の土につい てのａとｂの値の表を作成した。この表にある土はどれもブンゲンドールの細か い砂に似ていないが、σｂを求めるために、比較できそうな土としてインディオ （Ｉｎｄｉｏ）ｖｆｓｌ、を選んで、ａ−１，２９，ｂ　−−０，１１６を採り 、σ　−〇とし、σ　はＮａＣＩ水溶液に対して実験から得た値を使う。

Ｓ　　　　　　　　　　　　　　Ｗ 第９図に、式（５）に以上の値を入れて求めたσ、を示す。ここでも、３及び４ 線プローブは、同軸セルと同様に振る舞うことが分かる。σ　　　とσ　の直Ｇ −Ｔ　　　ｂ 線的関係は式（６）の妥当性を示唆する。しかし、図の線の傾き１．６７は、ブ ンゲンドールの砂に対してはａとｂの値を２／３大きく採る必要があることを示 している。ブンゲンドールの砂は、ローデスその他［１９７６］が作成した表で は「粘土」の分類の中に入る。

ここで、挿入式２線プローブに存在する難点を克服するため、新しく設計したＴ ＤＲ用単線、３線及び４線プローブについて記す。これらのプローブの周囲の電 界分布の解析は、単線、３線及び４線プローブが同軸伝送線セルに匹敵し、２線 プローブで生じるインピーダンス不整合を最小にしていることを示す。プローブ の特性インピーダンスの測定はこれらの計算を裏付けている。

平衡変成器を必要としない新しいプローブからの信号は、バランが接続された現 存のプローブより正確でノイズが少ない。増幅された信号の明解さは、水分含有 量を直接読み取るマイクロプロセッサ制御ＴＤＲ装置にとって特に必要である。

更にこれらの改良は、３線プローブに対して中心線とシールド線との間隔を少な くとも０．１ｍまでにした。これにより直径が少なくとも０．２ｍの多孔性物質 が試料として使用可能となる。

多線プローブを使ってＴＤＲ信号の減衰から電気伝導度を求める場合、物理的に 不適当に見えるギーゼ・ティーマンの薄層モデル法の方が、ダルトンその他［１ ９８４］が使った方法よりも信頼できる電気伝導度を与えることは前に示した。

これは、同軸セルに対してトップその他［１９８ｇ］が見出したこととも一致し ている。このような多線プローブの動作の利用に対しては、同軸セルのそれと区 別することはできない。

３線及び４線プローブは、水分含有量θと電気伝導度σの両方を決めるとき非常 に似た特性を持っている。両プローブとも現存の２線プローブよりも優れた動作 をする。

種々の構造の表面型プローブを第１０図に示す。第１０ａ図、第１０ｂ図及び第 １０ｃ図に同軸線を半分に切断した型のプローブを示す。各々の表面型プローブ は、内側導体１５と、それを囲む半円状の外側シールド１６と、内側導体１５と シールド１６の間隔を保つようにその間に詰められた誘電性充填物質１７とを包 含する。内側導体１５は同軸信号線１８の内側導体に接続され、外側導体Ｊ６は 同軸線１８のシールドに接続されている。本質的にはこれらの表面型プローブは 、「漏洩」ストリップ線と考えられ、プローブの内側導体であるサーフエースラ インとその下にある試料物質との結合の度合いは、サーフエースラインの形状と 、サーフエースラインとシールド平面の間の誘電性充填物質の組成とを変えるこ とによって変わる。

第１０ｄ図及び第１０ｅ図に表面を横切って延びる外側シールドを持つ設計例を 示す。延出した部分は、シールド導体１６の底縁２０から外側に延びた翼状部１ ９の形状である。試料物質に加えられる電界の大部分はこの翼状部からである。

外側シールドの断面形状は半円にする必要はない。その形にしているのは便宜上 に過ぎない。

このプローブの斜視図を第１１図に示す。プローブの全体の内半径Ｒ１延出した 部分の長さＳ及び内部導体の半径ｒは変えてもよく、プローブの長さしは測定す るものによって決まる。

多孔性物質のライニングされてないポーリング穴の水分含有量を検層するのに用 いられるように形成されたプローブを第１２図に示す。この実施例では外側シー ルド導体１６は、ポーリング穴２１の面に密接するように曲げられ、第１２ａ図 及び第１２ｂ図に明示されているように、張出し機構２２によってポーリング穴 ２１の面に保持される。

スラリーの如き動いている物質や動いている細長い固体に特に適したストリップ 線プローブの別の実施例を第１３図に示す。このプローブは、導体ロッド３０と 、導体板３１と、導体棒ロッド３０を導体板３１上に保持する１対の誘電体の保 持具３２を包含する。同軸接続プラグ３３は、同軸線の中心導体にロッド３０を 接続するとともに、導体板３１を同軸線のシールド導体に接続する手段を有して いる。測定試料はロッド３０と板３１の間を通過する。

第１０図及び第１１図に示す半円形プローブのつくる電界分布を計算した。

電界の強度分布は、ｒ、　Ｒ，Ｓ、試料の誘電率Ｋ　、大気の誘電率Ｋ。ユ１、 及びプローブ中の誘電性充填物質の誘電率Ｋ　に依存する。計算の基礎となる前 提を第１４図に示す。

第１５ａ図、第１５ｂ図、第１５ｅ図、第１５ｄ図、第１５ｅ図、第１５ｆ図に 、延出したシールドを持たないプローブについてＫ。：Ｋ　　：Ｋ　　の種々な 組ｍ　　　　　ａ み合わせに対する電界分布を任意単位で示す。これらの図は、充填物質の誘電率 Ｋ　が増すと、空気の誘電率から、試料内への電界進入の深さが減少することを 示す。このことから、充填物質の誘電率は出来るだけ小さく（Ｋ＜３）すべきで あることが分かる。それ故、プラスチック、特に発泡プラスチックが適している 。

第１５図からはまた、この状態の下で、試料の誘電率Ｋ　が増すと、電界進入の 深さが減少することが分かる。これらの計算は、試料内への電界進入の深さはプ ローブの断面の直径と同程度であることを示す。試料が水でＫ　　：＝−８１と いう極端な場合、可成りの電界がプローブ外へ漏洩する。この漏洩を少なくする ため、第１１図に示すように同軸シールドを横に延出する。

延出した表面シールドプローブの周囲の電界分布を第１６ａ図、第１．６　ｂ図 。

第１６ｃ図、第１６ｄ図に示す。この図の場合、Ｋ　−１（誘電性充填物質とし て空気）とし、試料としては空気Ｋ　　−１と水Ｋ　−８１の２つの極端な場合 をａ　　　　　　　　　　ａ 取った。第１６ａ図、第１．６　ｂ図では、延出したシールドの長さＳ−Ｒとし 、第１６ｃ図、第１６ｄ図では５−２Ｒとした。表面のシールドを延ばすと、明 らかに、試料に加えられる電界は強くなり試料内への電界進入の深さは増大する 。これらの計算は、シールドの延出した部分の幅をプローブの半径Ｒの１または ２倍にするとプローブの動作性能が高められることが示唆される。

空気、水及び湿った土に接触して置かれた表面型プローブの動作を示すオシロス コープ画面のトレースを第１７ａ図、第１７ｂ図、第１７ｃ図に示す。プローブ は、Ｌ−０，２ｍ、Ｒ−０，００９５ｍ、ｒ−０，００２５ｍの寸法の非延出シ ールドタイプであり、誘電性充填物質はパースペックスである。間違えようのな い内側導体の端からの反射が明らかに図に現れている。信号波形は、「綺麗」で 測定値として使用し得る反射波が含まれており、ここににも記述した同軸プロー ブによって得られる波形に劣らない。

挿入式または同軸プローブでは、水に浸漬したときと空気に置いたときとの信号 伝播時間の比は９：１である。表面型プローブでは、第１７図の結果からこの比 は４．３４：１であることが分かる。明らかに表面型プローブの感度は、通常の プローブの感度の約半分であるが、水分含有量の測定においては十分な性能をも っている。

以上に、多孔性物質、液体及びスラリーに対して挿入式プローブの必要はない表 面型ＴＤＲプローブの構造を示した。モデルとして示した計算は、プローブの周 囲の電界進入の深さがプローブの幅とほぼ同じであることを示した。更に、誘電 性充填物質の誘電率は可能な限り小さくなければならないことが分かった。計算 はまた、外側シールドを試料の表面に沿う方向に延ばすと試料中への電界進入の 深さが増大することも示した。

これらのプローブは、挿入式プローブの約半分の感度を持って鋭い明解な信号を 与える。感度は低いが、正確な水分や液体の含有量分布が得られる。

これらのプローブは、試料の表面近傍を探査するので、多孔性物質、スラリー及 び液体の湿潤度、乾燥度及びそれらからの蒸発の追跡に使用され、且つライニン グされてないポーリング穴に差し込んで水分含有量及び電気伝導度を検層するの に使われる。

当業者であれば、上述の発明の精神と範囲を逸脱しないで本発明の別の実施例が 達成できることは勿論である。

第１表　プローブ特性インピーダンスの比較Ｌ−１５０ｍｍ、　　Ｋ−８１ メ７θ、５１２　　　　　　　　　　　　　ｆ／８５Ｃ，Ｉ’／Ｇ、　５ｂ　　 　　　　　　　　／’／ε、５ｄ補正書の写しく翻訳文）提出書 平成２年１２月２０日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．導電性取付基板に設けられた導電性の線またはロッドを有し、該線またはロ ッドは、誘電性物質の領域で前記取付基板から絶縁され、前記線と基板とは、同 軸伝送線の中心導体である線またはロッドを有する同軸伝送線に相当する寸法と 間隔とを備え、そして前記取付基板には、同軸シールドが形成されている、時間 領域反射率計による多孔性物質、スラリー、液体及びこれらの類似物の水分含有 量、固形物含有量及び電気伝導度の測定に使用するプローブ。
2. ２．前記誘電性物資の領域は、前記取付基板の中央に位置する実質的に円筒形の プラグであって、そこに設けられた前記線またはロッドを有していることを特徴 とする請求項１記載のプローブ。
3. ３．同軸線に接続するための接続手段を有し、該接続手段は、前記導電性基板を 同軸線のシールドに、前記線またはロッドを同軸線の中心導体に夫々接続するも のであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプローブ。
4. ４．取付基板から間隔をとって平行に延出した３本乃至それ以上の多数本の導電 性の線を有し、１本の線は、他の線の中心に位置して誘電性物質で他の線と絶縁 され、これらの線は、前記伝送線の中心導体である中心に位置した線を有する同 軸伝送線に相当する寸法と間隔とを備え、そして前記他の線が同軸シールドを形 成している、時間領域反射率計による多孔性物質、スラリー、液体及びこれらの 類似物の水分含有量、固形物含有量及び電気伝導度の測定に使用する多線プロー ブ。
5. ５．前記取付基板は、誘電性物質を部分的に囲む金属性ケーシングを有し、前記 他の線は、前記誘電性物質によって前記他の線から絶縁されている前記中心線を 有する前記金属性ケーシングに接続していることを特徴とする請求項４記載の多 線プローブ。
6. ６．誘電性物質のスペーサ手段により導電性板体から間隔をおいて保持された導 電性の線またはロッドを有し、前記スペーサ手段は、前記線またはロッドと前記 板体との間に、特性を測定しようとする物質を通すように構成されている、時間 領域反射率計による多孔性物質、スラリー、液体及びこれらの類似物の水分含有 量、固形物含有量及び電気伝導度の測定に使用するプローブ。
7. ７．前記スペーサ手段は前記板の相対する縁において直立している形状体を有し 、前記線またはロッドが前記形状体の間を架橋していることを特徴とする請求項 ６記載のプローブ。
8. ８．同軸線に接続するための接続手段を有し、該接続手段は、前記導体板を同軸 線のシールドに接続するとともに、前記ロッドまたは線を前記同軸線の中心導体 に接続するようにしたことを特徴とする請求項６又は請求項７記載のプローブ。
9. ９．誘電性充填媒体によって中心導体から隔てられたシールド導体によって少な くとも部分的に囲まれた少なくとも１つの中心導体を有し、前記中心導体は、使 用する際に、特性を測定しようとする物質に接触して置かれるようにした、時間 領域反射率計により多孔性物質、スラリー、液体及びこれらの類似物質の水分含 有量、固形物含有量及び電気伝導度を測定するのに使用する表面型プローブ。
10. １０．前記シールド導体は、その底縁から外側に延出している翼状拡張部分の手 段によって広がっていることを特徴とする請求項９記載の表面型プローブ。