2. 時間領域透過法 (TDT) の仕組み 時間領域透過法 (TDT) の仕組み Sep-pulse Pulse generaor Sep-pulse or impulse Pulse generaor TDT による 分計測原理 e g a l o 基準媒質 (ε s ) 測定対象 (ε m )

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1 デジタル TDT センサー実践活用 Pracical applicaion of digial ime domain ransmission sensors 発表のアウトライン 1. 野外の多点計測に適したセンサーとは? 2. 時間領域透過法 (TDT) の仕組み 佐賀大学農学部 宮本英揮 取り扱いが簡単で, しかも頑丈で安価 おまけに,TDR なみの性能を持つ! そんなすごいセンサーはないだろうか? 3. デジタル TDT センサーの性能 4. デジタル TDT センサーの適 事例 5. まとめ 1. 野外の多点計測に適したセンサーとは? 土壌水分の影響 農業生産 測定深度や空間スケールの異なる 壌 分計測 リモートセンシング 土壌水分 COSMOS 地中レーダー 陸域 態系 気候システム 土壌水分センサー 壌物理の 番 2 大 土壌水分計測法 野外研究に使うためには,,, Decagon 社 ECH2Oプローブ Decagon 社 HPより転載時間領域反射法 (TDR) 周辺機器や適 事例が豊富 使い易く, 安価である * EC 温度依存性, 壌ごとの校正 センサーの特徴を理解すれば, 誰もが簡単に利 できる国内普及率 1 位のセンサー! GHz 帯の信号発信器を搭載 EC 温度の影響は軽微 Topp 式の高い適合性 * 高額機器, スキルが必要 簡単 安価 堅牢性拡張性安定性 玄人も納得する高い性能 機器が高額で, ユーザーには一定のスキルが要求されるが, 玄人好みの測定法! デジタル TDT センサー 1

2 2. 時間領域透過法 (TDT) の仕組み 時間領域透過法 (TDT) の仕組み Sep-pulse Pulse generaor Sep-pulse or impulse Pulse generaor TDT による 分計測原理 e g a l o 基準媒質 (ε s ) 測定対象 (ε m ) L p 全伝播時間 suff 基準媒質 (,s ) Lp,s= s+ suff = ε s + s, m c c: 光速, L p : 感知部 (1) suff Oscilloscope Refleced signal Reflecion TDR probe Oscilloscope Transmied signal TDT probe Soil, s Time, m 測定対象媒質 (,m ), m= m+ suff 伝播時間および かけの誘電率の算出 法 (1),(2) 式より LP (3) m=,m,s+ ε s c 2 伝播時間 ( c m m ) かけの誘電率 (ε a ) εa = (4) L p 体積含 率 (θ) (2) TDT による EC 計測原理 どちらが優れた手法なのか? - TDR 対 TDT - e g a l o 低 EC 2 勾配最大点の勾配 (S Max ) 高 EC 1 振幅 () NaCl 溶液 37 m 高周波用テストリード同期 信号発生器 (18GHz) Time 1 振幅に基づく EC 計測法 ( 宮本ら,2013) バルク EC によって, 透過信号の減衰量が異なる性質を利 する, 従来 の TDR と同 原理に基づく方法 センサーが個性を有するため, センサーごとの校正が必要 TDT センサー m SMA/BNC 変換アダプタ 1.5 m サンプリングオシロスコープ 2 勾配最大点の勾配 (S Max ) に基づく EC 計測法 透過信号に含まれる 周波数成分の減衰量に基づく 法 センサーの個性の影響が軽微で, 校正の 間が省ける!? TDR センサー 性能比較実験 試料 : 豊浦砂溶液 : 蒸留 (0.0 ds m -1 ), CaCl 2 溶液 (2.0,,,19.9 ds m -1 ) 測定項目 :1TDT 波形 2TDR 波形 3バルク EC (σ 0 ) TDR 波形と TDT 波形 (σ w =19.9dS m -1 ) TDR 波形 TDT 波形 2

3 かけの誘電率 (ε a ) と体積含 率 (θ) との関係 TDR 対 TDT -EC 計測 - θの測定精度 RMSE TDR:0.013 m 3 m -3 TDT:0.017 m 3 m -3 バルクEC の測定精度 RMSE TDR:0.34 ds m -1 TDT:0.33 ds m -1 高 EC 領域の測定限界 TDT > TDR 詳細はポスター P01 上村ら をご覧下さい 詳細はポスター P02 上村ら をご覧下さい 3. デジタル TDT センサーの性能 TDR 対 TDT の比較実験のまとめ 体積含 率 (θ) バルク EC の測定精度 : TDT TDR 市販の透過式センサー 自作の TDR センサー 10 cm 高 EC 条件における適用限界 : 波形解析の容易さ :TDT >> TDR ( 解析エラーの発 頻度 ) インピーダンスの急変点 うまく検出できない! TDT > TDR 結論 : TDRにない 所を, TDTは持っている SCEME.DE Acclima A R P SDI-12 プロトコルに対応したデジタル TDT センサー 計測に用いられるステップパルス信号 ACC-SEN-SDI 約 34,000 円 ( 税別 ) 体積含水率温度 かけの誘電率電気伝導度波形解析情報 空気 蒸留 の TDT 波形をコンピュータに取り込んで以下の手順で解析 インターフェイスコンピュータ 基本測定項目 : 体積含 率 (θ), 温度 かけの誘電率 (ε a ), バルク EC(σ TDT ) その他の測定項目 : Time domain gaing A 波形解析情報 ( 字列 ): 最大勾配点の勾配 (S Max ) ほか その他の特徴 : 10 個 /ch 接続可, 約 60m にケーブルを延 可, 堅牢で安価, 波形出 可, 時間分解能は驚異の 5ps, かけの誘電率を出,GHz 帯の信号発信機能 Time 窓関数 Time FFT Frequency 3

4 信号のパワースペクトル デジタル TDT センサーを用いた水分 EC 計測実験 TDT センサー 4 極 EC センサー 空気および蒸留 (DW) 中で測定した TDT 波形から求めたパワー (A) スペクトル NaCl 溶液 :,,,19.9 ds m -1 積算排出 量 体積含 率 (θ ),4 極 EC センサー バルク EC (σ 0 ) TDT センサー かけの誘電率 (ε TDT ), バルク EC(σ TDT ), 最大勾配 (S Max ) 体積含 率 (θ) の異なる砂の TDT 波形 NaCl 溶液の電気伝導度 (σ w ) の異なる砂の TDT 波形 σ w = ds m -1 伝播時間 最大勾配点 (S Max ) σ w = ds m -1 (θ = 0.31 m 3 m -3 ) θ = 0.06 m 3 m -3 1 (0.32) (0.31) 19.9 (0.33) かけの誘電率 (ε TDT ) と体積含 率 (θ) との関係 TDT センサーで測定したバルク EC(σ TDT ) と θ との関係 測定不可 Topp equaion 19.9 (ds m -1 ) RMSE = m 3 m -3 σ 0 =1.45σ w θ θ 19.9 (ds m -1 ) ( 井上 塩沢, 1994) 19.9 ds m -1 低バルク EC 条件 ( 低 θ 低 σ w ) では, ゼロとなる 4

5 最大勾配値 (S Max ) とバルク EC(σ 0 ) との関係 修正値 (σ 0 ) とバルク EC(σ 0 ) との関係 σ w = ln(S Max ) σ 0 = ln(s Max ) NaCl 溶液豊浦砂 1:1 line Hilhors(2000) モデルによる液相の EC の推定 Hilhors(2000) モデル 溶液電気伝導度 (σ w ) とその計算値 (σ w ) との関係 19.9 (ds m -1 ) RMSE = 2.81 ds m -1 (θ 06 m 3 m -3 を除く ) 1:1 線 θ 06 m 3 m デジタル TDT センサーの適 事例 性能評価実験のまとめ 事例 1: 諫早湾 拓地の 分 塩分濃度モニタリング 従来の TDR と同様に, 体積含 率 (θ) とバルク EC を同時に測定 できる θ 計測に対する EC の影響は認められない 低 EC 条件 ( 低 分, 低電解質濃度 ) における EC の計測値はゼロと なるが, 波形の最大勾配値 (S Max ) に基づいて修正可能である CR-Basic を利 して, ロガー内部で演算して出 可能! COSMOS TDT センサー 崎県農林技術開発センター 低水分条件を除けば, 測定した θ およびバルク EC 値に基づき, 土中溶液の EC(σ w ) を推定可能である 詳細はポスター P04 平嶋ら をご覧下さい 5

6 事例 2: 津波被災農地の水分 塩分モニタリング 事例 3: 重粘 SRI 水田における 裂内 分計測 かけの誘電率 (ε TDT ) の経時変化 (2015/07/ /08/10) 水分計測値が EC の影響を受けないため, 水分 EC の変化を捉えられた! 詳細はポスター P41 徳本ら をご覧下さい 意図的に乾燥させて 裂形成を促す SRI 農法 5. まとめ 事例 4: TDT センサネットワーク 1km 以内 TDT センサーネットワークのイメージ図 デジタル TDT センサーの 所 単一チャンネルに10 個のセンサーを接続可能 測定精度を落とすことなく, 約 60mまでケーブルを延 可能 堅牢で安価, 波形解析エラーは皆無 波形と波形の解析情報を出 できる 独自の校正 ケーブルテスターと同じGHz 帯の信号 θに及ぼすecの影響は軽微 かけの誘電率を計測できるので, 過去 30 年のTDR 研究において蓄積した知 (ε-θ 関係 ) を, そのまま無駄なく活用できる TDT センサーと Xbee を活用すれば, 水分 電気伝導度の時空間変動をリアルタイムで把握できる! 詳細はポスター P10 國﨑ら をご覧下さい ( 例 ) Topp e al.(1980) ボク (Miyamoo e al., 2001) 誘電率混合モデル (Maxwell-De Loorモデル ) 課題 新型 TDR-315 に関する情報 適 事例が少なく, 情報が乏しい 低バルクEC 条件における正確なEC 計測には, 測定対象土壌における校正 (S Max -バルクEC 関係 ) を う必要がある 校正のノウハウや, 代表的な土壌における情報を蓄積する必要がある 構造上の理由から, を乱さずにセンサーを設置できない TDR-315を利 する!? TDT 波形 TDR 波形 現在, センサー特性を評価中 クリマテック HP より転載 6

7 TDT は普及するか? 我が国では TDT の適 事例が少ないものの, かつての TDR マニアが,TDT へ乗り換えている 欧 では利 者急増中! 我が国でも, 口コミレベルで広がっている! なぜか? その答えは,TDR なみの高い性能を持ち, しかも堅牢で安価 これらのことから,TDT センサーは野外計測のための非常に強 な研究ツールになり得ると考えられ, 今後の利 拡 が期待される 本研究は, 以下の皆様のご助 のもと実施しました ここに記して, 謝意を表します M.Tuller 先生 ( アリゾナ大学 ), 石川洋平先生 ( 有明高専 ), 弓削こずえ先生 ( 佐賀大学 ), 徳本家康先生 ( 佐賀大学 ) S.Anderson 氏 (Acclima), クリマテック株式会社, 崎県農林技術開発セン ター 拓営農研究部門 上村将彰氏( 児島 学 学院,D1), 平嶋雄太氏 ( 佐賀大学大学院,M1), 松本薫氏 ( 佐賀大学,B4), 中村実津希氏 ( 佐賀大学,B3) 7

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