A Applic cation Note 改善されれた低ココスト⼟⼟壌⽔分セセンサーーのキャリブレーーションンと評価 Calibrattion and Evaluatio on of an Improve ed Low-Cost Soil M Moisture Sensor Colin S. Campbell C l, Gaylon S. Campb bell, Douglas R. Co obos, and d Lauren L. Bissey y 要旨ーザーが⼊⼿可可能でなければばならない。本研究の⽬的は本は、ユー農地及び芝⽣⽣の灌漑スケジジュールには⼟⼟壌⽔分センササー低価価格 SMS の開発と試験でああり、また灌漑漑市場での使⽤⽤ (SMS)が必要要で、そのセンンサーは精度、信頼性、低コスト可能能性を評価するることである。が要求されるる。市場には多多数の SMS があるが、これれら分野での要求⽔⽔準を満たしてていないため、使⽤が限られれてい背景景る。商業的灌漑漑事業に提案するにふさわしい⾼品質測定が⻑年年にわたり、現場での⼟壌⽔⽔分モニターには数多くの⼿⼿でき、且つ安安価なセンサーーに対する需要要が存在する。本研法がが使⽤されてききた。初期の⽅⽅法としては、⽔分量推定にに究の⽬的は、新型で低コスストの SMS が、⽔分量と電電気伝は、電気抵抗や低低周波静電容量量測定が⽤いらられてきた。こ異なる様々な⼟⼟壌で、如何にに測定されるかかを導度(EC)の異ら技術は⽔分量量と相関があるるが、⼟壌の塩塩分や構造に影影れら検証する事、また現場でのの耐久性を検討討することにあある。響さされている。全般的に灌漑市全市場で⼟壌⽔分分センサーが概概砂、沈泥質壌⼟⼟、粘⼟質⼟壌壌間、また幅広広い試験された砂してて信⽤されていいないのは、これらタイプののセンサーの低低 EC でも、SMS はキャリブレーションに差は⾒られなかっ信頼頼性に原因がああると思われるる。た。現場試験験では、測定期間を問わず良好な信頼性を⽰した。新型 SMS は、⼟壌⽔分分測定と灌漑計画に有⽤なツールであると⽰⽰唆された。⼟壌壌バルクの誘電電率を測定し、⼟壌の体積含含⽔率(VWC) を推推定する為、その測定結果をそを⽤いるセンササーが、⼈気をを博ししつつある。ここれまで、エレレクトロニクスス分野での、作作動原原理の理解・向向上及び改善、超過作業によよって、市場向向序論淡⽔は、何代代にも渡って確確実に利⽤出来来るよう、注意深い管理が要求さされる有限資源源である。淡⽔を流し込む最⼤の⽤途の⼀つがが灌漑で、商業業⽤地、ゴルフフコース、住宅の芝⽣と庭で実施施されている。⽔資源保護ののカギは、植物⽔の需要量及び利利⽤可能な⼟壌壌⽔量を元にしした意思決定でであけにに低価格で性能能の優れた、数数多くのセンササー設計が産みみ出さされた。今⽇、⾼品質で低価価格のセンサーが利⽤可能にになっったことによりり、センサー⽤⽤途が⾮常に拡拡がり、研究ででの地地理空間のモニニタリングからら農地、芝⽣でで改善された灌灌漑管管理まで拡がっっている。る。植物からら損失する⽔量量の推測は⼤ききく進歩したがが、灌誘電電率センサーはは、⼀般的にはは⼆種類が利⽤⽤可能である。漑ツールとししての⼟壌⽔分分測定の実⾏はは遅れている。良好⼀⽅⽅は電気インパパルスが⼟壌中中の⼀定距離のの伝送路を通な精度及び安安定性と、必要個所全てで使⽤できるような、低価格を併せせ持つ⼟壌⽔分分センサー(SM MS)の需要があある。⻑年の間、⼟壌⽔分の計測⼟測技術は、灌漑市場で利⽤されてきた。しかしなながら、通常⽤⽤途への適⽤ははなかなか進ままず、それはある種種のセンサーのの場合測定品質質の悪さが、また他のセンサーのの場合⾼価でああることが理由由であろう。⽣き延びていくにはは、SMS は精度度良く、信頼性性があり、エンンドアイネネクス株式会社社 TEL : 03-5713-0388 0 過すするのに要するる時間を計測しし、もう⼀⽅はは、⼟壌が誘電電性でであるキャパシシターのインピピーダンス成分分を測定する。最初初のタイプのセセンサーは、時時間領域と呼ばばれている(時間領領域反射率計ままたは TDR；時時間領域透過率率計または TDT T) 。第⼆の区区分に属するののは、周波数領領域センサーととも呼呼ばれ、それはは固定周波数でで使⽤されるたためである。しかしし、頻繁に多く呼ばれるのは「キャパシタンンスセンサー」であある。 1 〒144-005 54 東京都⼤⽥⽥区新蒲⽥２－４４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 時間領域センンサーは、本質的に周波数領域センサーよりもこのの式は、⽔分量を決定する様様々なパラメーター中の不確確良質あるいはは精度が⾼いとと信じられていいる場合があるる。こ定要要素に対する、予測される⽔⽔分量の感度をを決定するためめれには、いくくつかの理由ががある。通常、時間領域センサーに使使⽤可能であるる。計算はいかかなるパラメーターの組み合合は、キャパシシタンスセンササーより⾮常にに⾼価であり、価格わせせでも可能であある。説明⽬的的の為、表 1 の公称値が選のを通じて⾼精精度を⽰す傾向向にある。またた、キャパシタンス択さされた。これららの値を⽤い、表 1 から感度度が⽰された。センサーは 1 世紀以上試さされている⼀⽅⽅で、時間領域域法量シンボルル公称値感度 1 バルク誘電率バ Εb 10 -5 ⽔の誘電率 εw 80 8.5 鉱物の誘電率鉱 εm 4 16.2 かさ密度 ρb 1.3 16.2 粒⼦密度 ρs 2.65 -16.4 はまだ使⽤さされるようにななって 30 年もも経っていないい。初期のキャパシシタンスセンササーには多くのの限界があったたが、その限界も現現代エレクトロロニクスの技術術とより良い理理論の理解によっって本来なら解解決できたにももかかわらず、本⼿法はその初期期の経験のせいいで未だに悪いい印象が残ってているのかもしれれない。 2 種のセンササータイプの性性能に違いが存存在するというう認識の理由がななんであるにせせよ、時間領域センサー御⽤達がそれら商品をを売り込みたいいが故、その認識は⽀持されれ後押 1 感度は、予測される体積⽔分分率の１％変化化で実際に⽰さされるる％変化を指しします。しされる。そそして、これららの主張は、周波数領域と時間領域センサーのの相対的⻑所にに関する議論のの絶好の論拠をを与かささ密度が精度度に及ぼす影影響える。⼟壌壌のかさ密度はは⼤きく異なるる。農業で⽤いいられる典型的的鉱物物⼟壌では、かかさ密度は 0.8 8 から 1.8 g cm-3 で、80% % 精度ほどど異なる。有機⼟壌及び地質質⼯学的⽤途ででの⼟壌の場合合、誘電性センササーは⽔分量をを検知しないがが、⼟壌のバルルク絶そのの幅はさらに広広くなる。鉱物農業⼟壌の範範囲を考えるとと、縁誘電率を検検知する。それれ故、2 つの要素が精度の決定に式 2 では 0.8 からら 1.8 g cm-3 において 0.05 m3m-3 の⽔⽔関連しているる。それらは、センサーがバルク誘電率を決定分量量の変化が予測測できる。独⽴⽴の密度測定ががなく(誘電性する精度、及びびバルク誘電率と⼟壌⽔分率の関係の精度で⽔分分センサーの場場合も同様)、密密度のみ不確定定であると考ある。後者をを初めに考慮すすると、典型的な誘電混合モデルえるるならば、鉱物物や農業⽤⼟壌壌での⽔分率のの精度はを⽤いて精度度を分析できるる。 ±2..5%である。有有機及び圧密⼟⼟壌の場合、誤誤差はさらに⼤ききくなる。如何何なる誘電性セセンサーも、⼟壌タイプに関⼟関わららず絶対精度がが 1%である、という主張はは明らかに誇張張 (1) 表現現である。鉱物誘電率及び粒粒⼦密度の不確確実性に対するる誘電率、x は体積積分率、及び下付きの b, a, a m ε は⽐絶縁誘感度度は、かさ密度に⼟壌固相特特性の変化に起起因する総合的的及び w はバルルク、空気、鉱鉱物及び⽔を⽰⽰す。空気の誘誘電不確確実性が加わっった場合と同様様であると表 1 で⽰される。率は 1 で、⼟⼟壌鉱物の誘電電率は 3 から 16 1 であるが、4 という値が通常常⽤いられる。1 - xw - xm を xa で置き換え⽔のの絶縁誘電率率が精度に及及ぼす影響られる。また、、⼟壌中のバルルクと粒⼦の⽐⽐率を xm で表表す。⾃由由⽔の絶縁誘電電率は、室温でで約 80 であるる。この誘電率率 ρb/ρs は測定定誘電率から⽔⽔分量を求めるる式である。は、温度上昇に伴伴い 0.5%/C のの割合で減少すする。⽔誘電の 8.5% の誤差差によって、体体積⽔分率 20%の予想⽔分分率の ( (2) アイネネクス株式会社社 TEL : 03-5713-0388 0 率でで 1%の誤差ををもたらす。このの程度の⽔分率率では、±20C C 2 〒144-005 54 東京都⼤⽥⽥区新蒲⽥２－４４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note の温度変化にによって予想⽔⽔分率は±1.2% %のみ変化し、、ほされれたモデルとしして考えることとで、理解可能能である。抵抗抗とんどの⽬的的の場合無視でできる程度であある。この誤差は⽔の電電気抵抗は、⼟⼟壌のバルク導導電性に⽐例すする。そして、分率が⾼くななると⼤きくななるが、温度測定するセンササーはキャャパシターの静静電容量は、⼟⼟壌のバルク誘誘電率に⽐例すす多く、適正にキキャリブレーションされるのでこの影響はたる。⼟壌の導電性性が無視できるるほど⼩さけれれば、誘電率測測いてい無視でできる。定はは時間領域、周周波数領域どちちらも容易で⾼⾼精度である。導電電性増加につれれ、移動時間測測定の為に分析析する、減衰すす「結合⽔」が⽔誘電率率に及ぼす影響響る TDT T 及び TDR R 波形は、特に⾼周波で顕著著に減衰する。「結合⽔」がが TDR 及び TDT T センサーにに影響を及ぼすすことがある。結結合⽔の絶縁誘誘電率は、緩和和周波数 15GH Hz 以下では⽐較的的⼀定である。但し、結晶⽔⽔は（例えば氷氷）、数 kHz 下がるるだけで誘電率率が⾼くなる。。⽔の結合⼜はは構造は、特定のの周波数で誘電電率に⼤きく影影響する。⼟壌鉱物及び有機物にに吸収された⽔⽔は⾃由ではなない。それは様様々な範囲の結合エエネルギーを有有し、多くの TDR T 及び TD DT センサーが作動動する周波数(⾼⾼ MHz から低低 GHz 領域)以下に⽔の緩和周波波数を下げるののに⼗分な場合合もある。アルルゴリズムによよってある程度度まで、波の開開始・終了点ををよりり分け可能でああるが、最終的には信号の識識別が不可能ととなるる。導波管を短短くし、ある程程度の信号を得得るものもあるるが、⾼周波数の減減衰は推定バルルク誘電率を⾮⾮常に⼤きくすするたため、この影響響は正しい⽔分分率測定を⽬的的として、補償償されれなければなららない。これららの問題は、E EC が 2 dS/m 以上上の孔隙⽔で典典型的に発⽣すする。農業⽣産産は、この 10 倍以以上の EC を持持つ⼟壌で⾏わわれることもああるため、このの限界界は深刻であるる。結合⽔の精度度に及ぼす影響響は、有機物の少ない地の荒い⼟壌では無視でできるが、⾼粘⼟質⼟壌では実質的過⼩評価につながる。何故ならキャパ何パシタンスセンンサーは、⼟壌⽔が凍結しない限限り、誤差が問題題とならない低周波数で作動するためであるる。凍結した⼟⼟壌では、両タイプのセンササーは凍結⽔のみをを「⾒る」。周波波数領域法でもも、⼟壌 EC に悪悪影響を及ぼすす恐れがある。またた、信号を実数数と虚数に分けけるサンサーももある。実数部部分はは、キャパシタンスと抵抗に対する虚数部部分に帰因してているる。⼟壌の EC 増加は、これれらセンサーにとって問題でではなない。何故ならら、前述の⼆種種成分を別々に測定するかららであある。しかし、ほとんどのキキャパシタンススセンサーはここ他の影響は、結合⽔の緩和和周波数が温度度依存性で、⾼周波れらら⼆種成分を分分離出来ず、抵抵抗成分がキャパシタンスとと TDR 及び TD DT センサーでで測定された場場合、バルク誘誘電率してて加えられ、相当の誤差をも相もたらす。キャパシターのイイの温度依存性性が通常より⾼⾼くなることでである。また、低周ンピピーダンスは周周波数と共に減減少し、⼀⽅、抵抗(虚数波センサーははこの影響を受受けない。い。周波数増加成分分)は周波数の影影響を受けない加は、それ故、誘電電率に⽐べ⼟壌壌導電性の⽐較較影響を減少ささせる。誘電性性センンサーの周波数数が⾼くなるほほど、⼟壌塩分分が測定値に影影バルク絶縁縁誘電率が精精度に及ぼす影影響表 1 より、1% %の⽔分率精度度が要求されるバルク誘電電率の精度は 5%でである。これはは⽔分率によって異なり、飽和⼟壌では約 3% %、乾燥⼟壌ででは約 10%とななる。時間領域域及びキャパシタタンスセンサーーは、この要求を満たすのに何ら問題はないがが、そこには落落とし⽳が存在在する。最も深深刻なのは、周辺の誘誘電率を正確にサンプリングするセンササー能⼒及び、塩を含含有する⼟壌の導電効果からキャパシタンスを離すセンササー能⼒であるる。サンプリングの問題は後後述するが、塩の問問題は、⼟壌が抵抵抗とキャパシターが直列接続アイネネクス株式会社社 TEL : 03-5713-0388 0 響をを与えなくなるる。無塩⼟壌ででは、1-10 MH Hz の範囲の周周波数数で、⼗分に良良好な誘電率測測定ができるがが、⾼塩分ではは⾼周周波数が必要でである。6 MHz EC で作動すする Decagon EC--10 及び EC-2 20 センサーはは、約 1 dS/m m まで影響をを無視視できる。70 MHz M で作動すする⾼周波センンサーでは、約約 10 dS/m まで塩のの影響を無視できる。孔隙⽔⽔の EC がその閾閾値を超えてもも、⽔分率と共共に出⼒変化すするが、出⼒かから計計算される誘電電率は真の⼟壌壌誘電率ではなない。この⾒かかけ誘誘電率は、問題題とする特定⼟⼟壌ではキャリブレーションン 3 〒144-005 54 東京都⼤⽥⽥区新蒲⽥２－４４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 可能だが、EC C が 2%/C に及ぶ温度影響響では、強い正の温際、どちらのセンサーであっても全く同じシシミュレーショ度応答を⽰すす。ソフトを使⽤すする。ンソ時間領域及及び周波数領領域センサーののサンプリンンセンンサーの研究究及び現場評評価グ体積ランンダムに選定さされた 5 台の商商業⼟壌⽔分セセンサー誘電性⼟壌⽔⽔分センサーのの⼤きな弱点はは、サンプリング体 (EC C-5, Decagon n Devices, Incc., Pullman, WA)が、キャ積に起因するる。時間領域及及び周波数領域域センサーは、センリブブレーションとと評価に選定さされた。4 種のの鉱物⼟壌(砂サー表⾯に最最⼤の電界を有有するセンサーー周囲の電界をを形丘砂砂、パターソンン砂壌⼟、パロロース沈泥質壌壌⼟、ヒュースス成する。そしして、センサーから距離が離れると共にその強トンン⿊⾊粘⼟) を広範囲に渡るをる⼟壌タイプのの代表として度が減少するる。周辺物体のの誘電率増加はは、センサー表表⾯周選定定した。(表 2))⼟壌を⼟壌粉粉砕機で粉砕しし、⼤きな塊をを囲の電界を激激しく破壊するる。影響する電界中の⾼誘電電率まほぐぐし均⼀に詰めめた。広範囲のの⼟壌塩分を得得られる様、追た低誘電率領領域は、電界形形状を⾮線形状状に歪め、測定され加⼯⼯程を実施したた。始めに、~ ~1 to >15 dS S/m の EC 値た誘電率を電電界中の材料のの平均誘電率とと異なる値にすする。を有有する数種の溶溶液を調整したた。⼟壌は⼩分分けされ、そののセンサーと感感知される物体体間の空隙は、測定される誘誘電率後溶溶液が選択されれた⼟壌に加ええられ、⼟壌導導電性が異なるるに⼤きな誤差差をもたらす。液体中の測定液は困難ではないが、試料料を作成した。溶液が加えらられた⼟壌は、加熱炉で乾乾⼟壌は⾮常にに困難である。時間領域型装置では導波管の形燥さされ、また粉砕砕し、飽和抽出出物を実際の⼟⼟壌 EC 測定にに状とサイズにによって、またキャパシタンスセンサーではキ使⽤⽤した。(U.S.S Salinity Labo oratory Staff, 1954) 試験、ャパシターププレートの形状状とサイズによよって、それぞぞれのキャャリブレーショョン及び評価ププロセス中(下記参照)、⼟壌壌センサータイイプで影響するる体積が決定さされる。これらは⼀サンンプルは蒸留⽔⽔で濡らして加加熱炉で乾燥しし、塩度が⽐較較⽅のセンサーー設計を他⽅とと異なるようににさせるが、影響す影的⼀⼀定となるよううに調製した。る体積は時間間領域かまたはは周波数領域にに依存しない。⼟壌中での何れかかのセンサーのの性能をモデルル化しようとすする表 2. 分取及及び試験に⽤いいられた⼟壌のの分取分及び分分取前の導電性性⼟⼟壌砂沈泥粘⼟ ---------------kg kg-1---------------- の導電率元の dS S m-1 砂丘砂 0.8 87 0.03 0.03 0.04 0 砂壌⼟パターソン砂 0.7 79 0.09 0.12 0.34 0 パロース沈泥泥質壌⼟ 0.0 03 0.71 0.26 0.12 0 ヒューストンン⿊⾊粘⼟ 0.13 0.34 0.53 0.53 0 ⼟壌中でののセンサーキキャリブレーシションセンサーは、Starr 及び Paltineanu P によって推奨されれた器にに詰める。⼟壌壌を均⼀に詰めめるよう注意しし、測定の偏り技術を採⽤ししキャリブレーーションした( 2002)。本⼿法のを防防⽌した。センンサーから値がが読み取られたた後、⼩円柱をを詳細な記載はは、Cobos によよって与えられれている( 200 06)。⽤いい体積⽔分率(V VWC) が得らられ、また乾燥燥加熱炉と秤量量これを簡潔にに述べると、まず⾵乾⼟壌をセンサー周囲の容計をを⽤い質量⽔分分率が得られたた(Topp 及び Ferre, F アイネネクス株式会社社 TEL : 03-5713-0388 0 4 〒144-005 54 東京都⼤⽥⽥区新蒲⽥２－４４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 2002) 。次にに、⼤きい容器器に⼟壌を投⼊⼊し、既知体積積の穀物物の必要性によよって異なる。転倒ます形⾬⾬量計(解像度⽔とよく混ぜぜ、元の容器のセンサー周囲にこの⼟壌を詰め、 1 mm)が埋設され m れたセンサー上上に設置され、、灌漑の時期⽔分率を測定定した。これはは⼟壌タイプ及及び導電性別にに 4、と量量が記録されたた。センサーはは全育成期を通通じてモニターー 5 回繰り返さされ、センサー出出⼒と VWC の相関が得られた。されれ、灌漑に対すする信頼性、感感度及び⻑期安安定性が調査ささ⼟壌のタイププと導電性がセセンサー出⼒にに及ぼす影響をを特れたた。定するためににデータがプロロットされた。結果果と考察統計分析数種種の導電性レベベルにおける 4 種の⼟壌(表表 2)での標準統計的優位性性を特定するたため、各キャリブレーションから EC--5 センサー5 台のキャリブ台レーションを図 1 に⽰したた。のデータはそそれぞれ特有ななものと考えららる。即ち、それぞ試験験された全てののセンサー間ででは、センサー間の⼤きなばばれの測定されれた導電性と⼟⼟壌⽔分率は、特定タイプの⼟壌らつつきは⾒られななかった(データタなし)。各⼟⼟壌タイプ／導導での組み合わわせである。⼟壌壌タイプ／EC C の組み合わせせは、電率率の組み合わせせ間のキャリブブレーションのの傾きを統計従属変数とししての⽔分率とと独⽴変数とししての導電性、また的⽐⽐較すると、12 のキャリブレーションカーブの内 11 共分散分析でで⽐較した。共分散分析は共 PROC GLM を⽤いにはは⼤きな違いははなかった(表 3)。興味深いいことに、⼤実施した (SA AS Institute, 2006)。それぞれのセンササーはきくく異なる傾きはは 0.7 dS/m のの飽和抽出 EC のパロース⼟⼟観察の複製をを表し、取扱いの影響を表すものではないと考壌でで、試験されたた 3 種のパローース⼟壌中、中中間の導電率えられる。何何故なら、同⼀⼀タイプの⼟壌壌でのセンサーーは、を持持つサンプルでであった。⼟壌壌タイプや導電電率が、これらら主要なばらつつき源ではないいからである(デデータは⽰されれての違違いに影響してているとは思わわれない。いない)。の、それぞれの⼟⼟壌タイプ／E EC の PROC GLM の推定機能は、組み合わせででのキャリブレレーションカーーブの傾きを⽐⽐較するために⽤⽤いられる。センサーのの特性表⽰精度に関してて、混同される⼟壌因⼦を推定する感度はは既に討論されていいる。しかしなながら、メーカー提出のキャリブレーション式式が、典型的な⼟壌条件での実際の体積⽔⽔分率と、いかに⽐較較されるかを特特定する必要が依然としてある。これを試験すするため、EC--5 及び Theta aProbe (Mode el ML2, Delta-T Devices, Cambridge, C U UK) が製造ロッットからランダムムに選択され、砂、沈泥質壌壌⼟、粘⼟、培培養⼟で試験されたた。その結果、直接、測定された体積⽔分率と⽐較した。現場評価 3 台の EC-5 センサーが微細セ細な砂壌⼟中の商業ジャガイモ畑で、それぞれれ 15, 30 及びび 60 cm の深さに設置されれた。この畑はセンンターピボットト灌漑を⾏ってており、その頻頻度はアイネネクス株式会社社 TEL : 03-5713-0388 0 5 〒144-005 54 東京都⼤⽥⽥区新蒲⽥２－４４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 図 1. 導電率率別(カッコ内にに表⽰)に 4 種の鉱物⼟壌中種中で、70MHz で使⽤したで 5 台の⽔分率セ台ンサーのキャリブレーションデータ表 3．それぞれの 3 の⼟壌タイプ／／導電率(EC)のの組合せでの傾傾きと統計的⽐⽐較⼟壌タイプ溶液液 EC (dS m-1) キャリブブレーションカカーブのの傾き(x 10-4)* * 砂 0.65 9.8a 砂 7.6 9.9a パタターソン 5.3 10.3a パロロース 1.5 10.3a 砂 2.2 10.5ab パタターソン 0.52 11.9ab パタターソン 0.83 12.1ab パロロース 0.2 12.5ab パタターソン 1.7 12.7ab 0.53 12.8ab 0.7 13.4b ヒュューストン⿊⾊⾊パロロース * 同じ⽂字字が記された傾傾きは⼤きくはは異ならない (p < 0.01) アイネネクス株式会社社 TEL : 03-5713-0388 0 6 〒144-005 54 東京都⼤⽥⽥区新蒲⽥２－４４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 異なる塩度ででのキャリブレレーションカーーブ間で⼤きなな違を⽰⽰唆している。図 2 は 3 種のの培養⼟でキャャリブレーシいがみられなないことは、類似似周波数で使⽤したセンササーでョンンされた同じ 5 台の EC-5 セセンサーを⽰ししている。センンの知⾒を考慮慮すると、驚くべきことでははない。(Campbell, サーー出⼒は、R2 が 0.977 の際際に、重量測定定で得られた 1991) 初期タタイプのセンンサー(EC-20 0, Decagon 体積積⽔分率で直線線的に相関されれる。培養⼟のの混合や導電率率 Devices, Inc c.)での類似試試験では、⼟壌タイプによってキに関関わらず、試験験された何れのの培養⼟にも、同じキャリブブャリブレーシションに⼤きななばらつきが観観察されレーーション式が使使⽤可能とデーータは⽰していいる。培養⼟のの (Campbell, 2001)。図 2 1 のデータは、センサーが鉱物⼟キャャリブレーショョンは壌で使⽤されれる場合はキャャリブレーショョンが必要ないい事違いいにより、鉱物物⼟壌とは異ななる。図 2. 各種混合培養養⼟での 5 台のの EC-5 センササーのキャリブブレーション上記記の通り、かささ密度の⼤きなな飽和抽出 EC 値はカッコ内に表⽰ t EC-5 及びび ML2 の試験はは、実際の VW WC Testing on the は現現場の何れかののセンサーで取取得可能というう事が、これららとメーカーののキャリブレーーションによっって得られた値値とデーータから⽰唆さされる。しかししながら、1% VWC という⼀致した(図 3)。両センサーの全⼟壌に対する標準偏差は、精度度の規格は、現場はもちろんん研究室の条件件でも困難といいであった(EC-5 5 及び ML2 につきそれぞれ、⾮常に良好でう事事は明らかであある。 0.0089 及びび 0.013 m3 m-3)。 m 精度の良い⽔分率デデータアイネネクス株式会社社 TEL : 03-5713-0388 0 7 〒144-005 54 東京都⼤⽥⽥区新蒲⽥２－４４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 図 3. 実際のの VWC とメーカーキャリブブレーションを⽤い計算されれた VWC(a) 砂 (b) 粘⼟ ((c) 沈泥質壌⼟⼟ (d) 培養⼟⼟商業ジャガイイモ畑に設置さされたセンサーーは、育成期全全体でが、穀物が成熟すするに従い、根根が地中深くにに伸び、灌漑がが信頼性ある安安定な結果を⽰⽰した(図 4)。図 4 は、ある部分多くくなり、両深ささでの⽔分率はは同様になる。深さ 60 cm の季節でセンンサーが多量のの灌漑及び穀物物成熟サイクルルのでのの⽔分率はシーーズンを通じてて⾮常に⼀定ななので、根はここ重要段階でのの乾燥期に、如如何に反応したたかを⽰していいる。の深深さからさほどど⽔を吸収せずず、⽔もこの深深さまで移動しし深度別の⽔使使⽤量変化によよると、穀物が⽐較的若い場合にないいことを⽰唆ししている。は、深さ 15c cm での⽔分率率は深さ 30cm m のそれより低低いアイネネクス株式会社社 TEL : 03-5713-0388 0 8 〒144-005 54 東京都⼤⽥⽥区新蒲⽥２－４４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 図 4. センンターピボットト灌漑のジャガガイモ畑の育成成期を通じた⼟⼟壌⽔分及び灌灌漑データ燥及び湿潤期のの⽔分率と灌漑漑データの部分分集図 5 は、乾燥度がが深いほど悪化化した。60 cm m 深さのセンササーでは、灌合を⽰していいる。これらののデータは、⽔分率センサーの各漑⽔⽔はセンサー応応答にあまり問問題なかったがが、全体の変化化灌漑操作に対対する相対感度度を⽰す。灌漑によって各深深さでは⽔⽔分率の増加でであり、深度のの浅いセンサーーで⾒られる、⽔量増加してているのは明ららかである。但し、但相対感度は深急激激な⽔分率上昇昇とその後の減減少とは異なっっている。図 5. 各灌漑操作に対各対する SMS 反応を⽰す、灌反灌漑ジャガイモモ畑の部分集合合データアイネネクス株式会社社 TEL : 03-5713-0388 0 9 〒144-005 54 東京都⼤⽥⽥区新蒲⽥２－４４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note 結論 Methods. M SoilScience Society of America, Inc., SMS キャリブブレーションはは、試験されたた数種の鉱物⼟⼟壌 Madison, M WI. 及び培養⼟にには⼤きく影響響を受けなかっった。この知⾒では、⽐較的経験のの浅いユーザーーでも、無処置の⼟壌にセンサー pp, G.C., and T.P.A. Ferre e. 2002. The Soil Solution n Top を設置し正確確な⼟壌 VWC 測定が可能でであることを⽰⽰唆 Phase. p. 417 7-1074. In J.H. Dane, and d G.C. Topp している。ここれは特に重要要な知⾒でありり、なぜなら、こも ed.) Methodss of Soil Anallysis: Part 4 Physical (e ことがほとんんどのモニターー、制御⽤途ででは、未知の⼟壌組 Methods. M Soil ScienceSociety of America, Inc., 織へのセンササー設置を物語語っているかららだ。さらに、⼟壌 Madison, M WI. または灌漑⽔⽔による塩度条条件の変更はセセンサー測定ににほ S. Salinity Lab boratory Stafff. 1954. Dia agnosis and U.S とんど影響をを与えない。 im mprovement of saline and d alkali soils.. USDA この分野でのの過去のセンササーの失敗を考考慮すると、これは Handbook H 60 ed. U.S. Gov vernment Priinting Office,, ⾮常に重要なな品質である。さらに、メーカーキャリブブレー Washington, W D D.C ションは、研究究レベルで試験験された全ての⼟壌で精度良い測定を成し遂遂げた。ジャガイモ畑での全期間に及ぶ灌漑及び VWC 測定定は、SMS が頑頑健であり、灌灌漑操作から予予測されるようにに応答することとを⽰しているる。参照⽂献 Campbell, C.S. C 2001. Re esponse of th he ECH2O So oil Moisture Probe P to Varriation in Watter Content, Soil Type, and d Solution Ele ectrical Cond ductivity [Available e at http://ww ww.decagon.com/appnote es/echo_ana alysi s.pdf. electric-Properties and Campbell, J.E. 1990. Die Influence of Conductiv vity in Soils at a One to 50 z. Soil Sci So oc Am J. 54(2 2):332-341. Megahertz brating ECH2O O Soil Moistu ure Cobos, D.R.. 2006. Calib Sensors [A Available at http://ww ww.decagon.com/appnote es/echocal.p pdf. a I.C. Paltineanu. 2002 2. Methods fo or Starr, J.L., and Measurem ment of Soil Water W Conten nt: Capacitan nce Devices. p. p 463-474. In I J.H. Dane e, and G.C. Topp T 492-01 ©20 009 Decagon n Devices, Inc. I All 134 (ed.) Meth hods of Soil Analysis: A Parrt 4 Physical righ hts reserved d アイネネクス株式会社社 TEL : 03-5713-0388 0 10 0 〒144-005 54 東京都⼤⽥⽥区新蒲⽥２－４４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp A Applic cation Note アイネネクス株式会社社 TEL : 03-5713-0388 0 11 〒144-005 54 東京都⼤⽥⽥区新蒲⽥２－４４－３ FAX：03-5713-1388 http p://www.ai-ne ex.co.jp