JPH1090201A - Structure for dielectric constant measuring probe and dielectric constant measuring method - Google Patents
Structure for dielectric constant measuring probe and dielectric constant measuring methodInfo
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- JPH1090201A JPH1090201A JP26233496A JP26233496A JPH1090201A JP H1090201 A JPH1090201 A JP H1090201A JP 26233496 A JP26233496 A JP 26233496A JP 26233496 A JP26233496 A JP 26233496A JP H1090201 A JPH1090201 A JP H1090201A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、時間領域反射率
（ＴＤＲ）法によって物質の比誘電率を測定するのに好
適な比誘電率測定用プローブの構造及び比誘電率測定方
法に関するものである。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a structure of a relative permittivity measuring probe suitable for measuring a relative permittivity of a substance by a time domain reflectivity (TDR) method and a relative permittivity measuring method. .
【０００２】[0002]
【従来の技術】物質中を伝搬する電磁波の速度とその物
質の比誘電率との間には密接な関係があることが知られ
ており、この関係は各種の分野において利用されてい
る。例えば石油探査工学の分野においては、地盤中の電
磁波の速度から得られるそこでの比誘電率より地盤中の
石油の含有量を推定している。また、最近、地盤の比誘
電率あるいは電磁波速度より、土質の違いによる影響を
受けることなく、従来の中性子水分計以上の精度で土壌
水分を計測することができることが明らかにされてお
り、この分野での応用も有望である。2. Description of the Related Art It is known that there is a close relationship between the speed of an electromagnetic wave propagating in a substance and the relative permittivity of the substance, and this relation is used in various fields. For example, in the field of petroleum exploration engineering, the oil content in the ground is estimated from the relative permittivity obtained from the speed of electromagnetic waves in the ground. Recently, it has been revealed that soil moisture can be measured more accurately than conventional neutron moisture meters without being affected by differences in soil properties due to the relative permittivity or electromagnetic wave velocity of the ground. Application in the field is also promising.
【０００３】ところで、電磁波の伝搬速度を計測するこ
とによって試料の比誘電率を求めるための従来の測定シ
ステムは、例えば、図１２（Ａ）に示されるように、プ
ローブ１００を構成する２本の棒状電極１０１、１０２
を平行にして試料１０３に差し込んだ状態で棒状電極１
０１、１０２間にパルス電圧を印加するように構成さ
れ、プローブ１００の棒状電極１０１、１０２のパルス
電圧印加端１０１Ａ、１０２Ａにパルス電圧が印加され
てから、このパルス電圧が棒状電極１０１、１０２の先
端１０１Ｂ、１０２Ｂで反射してそこまで戻ってくるま
でのパルスの往復時間ＴＷを計測することによって、試
料１０３の比誘電率を求めている。A conventional measurement system for measuring the relative permittivity of a sample by measuring the propagation speed of an electromagnetic wave is, for example, as shown in FIG. Rod electrodes 101 and 102
Are inserted in the sample 103 with the
A pulse voltage is applied to the rod electrodes 101 and 102 of the probe 100 after the pulse voltage is applied to the pulse voltage application ends 101A and 102A of the rod electrodes 101 and 102 of the probe 100. The relative dielectric constant of the sample 103 is obtained by measuring the round-trip time TW of the pulse from the reflection at the tips 101B and 102B to the return thereof.
【０００４】このパルスの往復時間ＴＷは、たとえば棒
状電極１０１、１０２にメモリ機能付のオシロスコープ
の如き電圧波形観測用の機器を接続し、そこでの電圧波
形のレベルの時間的変化を観察することにより求めるこ
とができる。The round-trip time TW of the pulse can be determined by connecting a voltage waveform observation device such as an oscilloscope with a memory function to the rod-shaped electrodes 101 and 102, and observing the temporal change in the voltage waveform level there. You can ask.
【０００５】図１２（Ｂ）には、上述の如くして測定し
た電圧波形の一例が示されている。ここでは、時間Ｔ１
においてパルス電圧印加端１０１Ａ、１０２Ａに印加さ
れたパルス電圧が棒状電極１０１、１０２の先端１０１
Ｂ、１０２Ｂで反射し、時間Ｔ２においてパルス電圧印
加端１０１Ａ、１０２Ａに戻ったことが判る。したがっ
て、パルスの往復時間ＴＷはＴ２ーＴ１との計測結果を
得、試料１０３中における電磁波の伝搬速度を計算する
ことができる。そして、このようにして得られた電磁波
の伝搬速度から、ｖ＝ｃ／ε1/2 （ここで、ｖは速度、
ｃは光速、εは比誘電率）の関係を用いて試料１０３の
比誘電率が求められる。FIG. 12B shows an example of a voltage waveform measured as described above. Here, the time T1
The pulse voltage applied to the pulse voltage application terminals 101A and 102A at the
It can be seen that the light was reflected at B and B and returned to the pulse voltage application terminals 101A and 102A at time T2. Therefore, a measurement result of the pulse reciprocation time TW of T2−T1 is obtained, and the propagation speed of the electromagnetic wave in the sample 103 can be calculated. Then, from the propagation velocity of the electromagnetic wave obtained in this way, v = c / ε 1/2 (where v is the velocity,
The relative permittivity of the sample 103 is obtained using the relationship of c as the speed of light and ε as the relative permittivity.
【０００６】上述した測定系において使用される従来の
プローブは、棒状電極を２本用いる構成のほか、図１３
に示される如き構成のプローブが用いられている。図１
３（Ａ）に示される同軸セル形のプローブは、周辺から
のノイズを遮断し、電気信号の損失が一番小さいという
点では理想的な形状である。しかし、この形状では試料
に設置するのが困難であるため、これを２本の金属製ロ
ッドで置き換えたものが図１２に示されたプローブ１０
０である。その後、これを前記のような理由で同軸セル
に近付けるため図１３の（Ｂ）、（Ｃ）に示されるよう
なロッド本数が３本以上のものも使用されている。この
ように、従来の比誘電率測定用プローブは金属製の棒状
電極を２〜３本用いた構成のものが主流であった。A conventional probe used in the above-described measurement system has a configuration using two rod-shaped electrodes and a probe shown in FIG.
The probe having the structure shown in FIG. FIG.
The coaxial cell type probe shown in FIG. 3A has an ideal shape in that noise from the surroundings is cut off and the loss of an electric signal is the smallest. However, since it is difficult to install the probe on the sample with this shape, the probe 10 shown in FIG.
0. Thereafter, in order to bring this closer to the coaxial cell for the above-described reason, a rod having three or more rods as shown in FIGS. 13B and 13C is also used. As described above, the conventional probe for measuring the relative permittivity mainly has a configuration using two to three metal rod-shaped electrodes.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１３
の（Ｂ）、（Ｃ）又は図１２に示したような棒状電極を
用いて構成されたプローブでは，棒状電極の表面のごく
近傍に測定感度が非常に高い部分が集中するという特性
のために、電極と被測定物質との間に隙間があるとその
影響を受けて正しい測定を行うことができず、信頼性の
高い測定を困難にするという問題点を有している。However, FIG.
(B), (C), or the probe constituted by using the rod-shaped electrode as shown in FIG. 12 has a characteristic that a portion having a very high measurement sensitivity is concentrated very close to the surface of the rod-shaped electrode. In addition, if there is a gap between the electrode and the substance to be measured, there is a problem that accurate measurement cannot be performed due to the influence of the gap, and highly reliable measurement becomes difficult.
【０００８】このことを、図１４〜図１９を参照して２
本の棒状電極を用いた構造のプローブの場合について具
体的に説明する。図１４は、平行に配置された２つの棒
状電極１０１、１０２の軸と直交する平面内におけるこ
れらの棒状電極１０１、１０２の周辺の電磁場の様子を
示す図であり、複数の等ポテンシャル線Ｐ、及びこれと
直交する一方の棒状電極１０１から他方の棒状電極１０
２へ向かう複数の電気力線Ｆの様子が示されている。こ
こで、図１４において等ポテンシャル線Ｐとそれに直交
する電気力線Ｆとによって囲まれる各領域を紙面と直角
方向に通過するエネルギーは、その領域の大小に拘らず
一定となる。この結果、例えば斜線を付した領域Ａ１に
おけるエネルギー密度は、同じく斜線を付した他の領域
Ａ２におけるエネルギー密度より大きいということにな
る。しかるに、棒状電極１０１、１０２の表面に近づく
に従ってエネルギー密度は急速に高くなり、測定感度も
また棒状電極１０１、１０２の表面に近づくに従って急
速に高くなるのである。[0008] This will be described with reference to FIGS.
The case of the probe having the structure using the rod-shaped electrodes will be specifically described. FIG. 14 is a diagram showing a state of an electromagnetic field around these bar-shaped electrodes 101 and 102 in a plane orthogonal to the axis of the two bar-shaped electrodes 101 and 102 arranged in parallel. And from one rod-shaped electrode 101 orthogonal to the other to the other rod-shaped electrode 10
The state of a plurality of electric lines of force F toward 2 is shown. Here, in FIG. 14, the energy passing through each region surrounded by the equipotential line P and the electric force lines F orthogonal thereto in the direction perpendicular to the paper surface is constant regardless of the size of the region. As a result, for example, the energy density in the hatched area A1 is larger than the energy density in the other hatched area A2. However, the energy density rapidly increases as approaching the surfaces of the rod-shaped electrodes 101 and 102, and the measurement sensitivity also rapidly increases as approaching the surfaces of the rod-shaped electrodes 101 and 102.
【０００９】図１５は、２つの棒状電極を用いて構成し
た従来の比誘電率測定用プローブの感度分布を実験によ
り調べた結果の一例を示すグラフである。ここで、２つ
の棒状電極は所定値だけ離されて平行に配置されてい
る。図１５から判るように、２つの棒状電極のごく近傍
において測定感度（エネルギー密度）の高い部分が集中
していることが判る。FIG. 15 is a graph showing an example of the result of an experiment in which the sensitivity distribution of a conventional probe for measuring relative permittivity constituted by using two rod-shaped electrodes is examined. Here, the two rod-shaped electrodes are spaced apart by a predetermined value and arranged in parallel. As can be seen from FIG. 15, it can be seen that portions having high measurement sensitivity (energy density) are concentrated very close to the two rod-shaped electrodes.
【００１０】図１６〜図１８はプローブが棒状電極２
本、３本、４本の各場合における測定感度分布の数値解
析結果を示す図であり、図１９はプローブが同軸セルの
場合における測定感度分布の数値解析結果を示す図であ
る。図１６〜図１９において棒状電極には斜線が付され
ている。いずれの図においても、各形状のプローブの特
性を相対的に比較できるように、エネルギー密度はその
最大値で除して無次元化して表示してある。よって、表
示の最大値は１である。測定感度Ｖを示す等密度線は、
１．０、０．６、０．４、０．２、０．１、０．０１、
０．００１、０．０００１の順に引いてある。そして無
次元化された測定感度Ｖの値により以下のように７つの
領域に分けて示されている。 １．０≧Ｖ＞０．６ 領域Ｒ１ ０．６≧Ｖ＞０．４ 領域Ｒ２ ０．４≧Ｖ＞０．２ 領域Ｒ３ ０．２≧Ｖ＞０．１ 領域Ｒ４ ０．１≧Ｖ＞０．０１ 領域Ｒ５ ０．０１≧Ｖ＞０．００１ 領域Ｒ６ ０．００１≧Ｖ＞０．０００１ 領域Ｒ７ 図１６〜図１９から、いずれの場合においても、測定感
度が０．２より大きい領域が棒状電極のごく近傍にのみ
形成され、極めて不均一な測定感度分布となっているこ
とが判る。FIGS. 16 to 18 show that the probe is the rod-shaped electrode 2.
It is a figure which shows the numerical analysis result of the measurement sensitivity distribution in each case of three, four, and four, and FIG. 19 is a figure which shows the numerical analysis result of the measurement sensitivity distribution when a probe is a coaxial cell. In FIGS. 16 to 19, the rod-shaped electrodes are hatched. In each of the figures, the energy density is divided by its maximum value to make it dimensionless so that the characteristics of the probe of each shape can be compared relatively. Therefore, the maximum value of the display is 1. The iso-density line showing the measurement sensitivity V is
1.0, 0.6, 0.4, 0.2, 0.1, 0.01,
It is drawn in the order of 0.001, 0.0001. Then, the values are divided into seven regions as shown below according to the value of the measurement sensitivity V which has been made dimensionless. 1.0 ≧ V> 0.6 Region R1 0.6 ≧ V> 0.4 Region R2 0.4 ≧ V> 0.2 Region R3 0.2 ≧ V> 0.1 Region R4 0.1 ≧ V> 0.01 region R5 0.01 ≧ V> 0.001 region R6 0.001 ≧ V> 0.0001 region R7 From FIGS. 16 to 19, in any case, the region where the measurement sensitivity is larger than 0.2 It can be seen that the measurement sensitivity distribution is extremely non-uniform formed only in the vicinity of the rod-shaped electrode.
【００１１】このように、従来のプローブによると棒状
電極の周辺にのみ測定感度の高い領域が形成され、実際
にプローブを設置したときに棒状電極の表面近傍に乱さ
れた部分やプローブと被測定物質との間に隙間が発生し
た場合、その影響を受けやすく、正しい測定結果を得る
ことができないという問題があった。As described above, according to the conventional probe, a region having high measurement sensitivity is formed only around the rod-shaped electrode, and when the probe is actually installed, a portion disturbed in the vicinity of the surface of the rod-shaped electrode or the probe and the object to be measured. When a gap is formed between the substance and the substance, there is a problem that the gap is easily affected and a correct measurement result cannot be obtained.
【００１２】本発明の目的は、したがって、従来技術に
おける上述の問題点を解決することができるようにし
た、プローブ近傍の測定感度をより均一にすることがで
きる比誘電率測定用プローブの構造及び比誘電率測定方
法を提供することにある。It is therefore an object of the present invention to provide a structure of a relative permittivity measuring probe which can make the measurement sensitivity near the probe more uniform and which can solve the above-mentioned problems in the prior art. An object of the present invention is to provide a relative dielectric constant measurement method.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の特徴は、時間領域反射率法によって被測定物
質の比誘電率を測定するため被測定物質に設置される一
対の電極を備えたプローブの構造であって、該一対の電
極が一定間隔をあけて対向配置される２枚の導電性板状
部材から成り、該導電性板状部材の幅Ｂと前記一定間隔
Ｓとの比Ｓ／Ｂが０．２から２の範囲内の値に設定され
ている点にある。電極として板状のものを２枚対にして
用い、且つＳ／Ｂの値を０．２〜２の範囲内の値に設定
すると、２枚の導電性板状部材の間におけるエネルギー
密度分布が均一となり、測定感度を均一にすることがで
きる。A feature of the present invention for solving the above-mentioned problems is that a pair of electrodes provided on a substance to be measured are measured for measuring a relative dielectric constant of the substance to be measured by a time-domain reflectance method. A probe comprising: a pair of electrodes comprising a pair of conductive plate members arranged opposite to each other at a predetermined interval, wherein the width B of the conductive plate members and the predetermined interval S The point is that the ratio S / B is set to a value within the range of 0.2 to 2. When two plate-like electrodes are used as electrodes and the value of S / B is set to a value in the range of 0.2 to 2, the energy density distribution between the two conductive plate-like members is reduced. It becomes uniform and the measurement sensitivity can be made uniform.
【００１４】また、本発明の他の特徴によれば、被測定
物質に設置されたプローブにパルス電圧を印加して時間
領域反射率法によって該被測定物質の比誘電率を測定す
るための測定方法において、前記プローブの一対の電極
として２枚の導電性板状部材を用意し、該導電性板状部
材間の一定間隔Ｓが、前記導電性板状部材の幅をＢとし
たときＳ／Ｂの値が０．２〜２の範囲内の値となるよう
に、前記導電性板状部材を前記被測定物質に設置して前
記プローブを構成するようにした点にある。導電性板状
部材の厚みは、実際の使用に際して被測定物質内に打ち
込み等により設置可能な剛性を得ることができるような
適宜の値とすることができる。According to another feature of the present invention, a measurement for applying a pulse voltage to a probe installed on a substance to be measured and measuring a relative dielectric constant of the substance to be measured by a time-domain reflectance method. In the method, two conductive plate-like members are prepared as a pair of electrodes of the probe, and a constant interval S between the conductive plate-like members is S / S when a width of the conductive plate-like member is B. The point is that the probe is formed by installing the conductive plate-shaped member on the substance to be measured so that the value of B is in the range of 0.2 to 2. The thickness of the conductive plate-shaped member can be set to an appropriate value so as to obtain rigidity that can be installed by being driven into the substance to be measured in actual use.
【００１５】[0015]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態の一例を詳細に説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
【００１６】図１には、時間領域反射率法によって物質
の比誘電率を測定するための、本発名によるプローブの
構造の実施の形態の一例が示されている。本発明による
プローブ１は、例えば銅の如き導電性に富む適宜の材料
から作られた導電性プレート２、３を一対の電極部材と
して有している。導電性プレート２は、厚さＴ、長さ
Ｌ、幅Ｂの長方形の板部材であり、もう一方の導電性プ
レート３も全く同様の寸法形状に作られている。これら
の導電性プレート２、３は、一定の間隔Ｓをあけて対向
しており、したがって導電性プレート２と導電性プレー
ト３とは平行状態になっている。FIG. 1 shows an embodiment of the structure of a probe according to the present invention for measuring the relative dielectric constant of a substance by a time domain reflectivity method. The probe 1 according to the present invention has, as a pair of electrode members, conductive plates 2 and 3 made of an appropriate material having high conductivity such as copper. The conductive plate 2 is a rectangular plate member having a thickness T, a length L, and a width B, and the other conductive plate 3 is formed in exactly the same shape. These conductive plates 2 and 3 are opposed to each other with a predetermined interval S therebetween, and therefore, the conductive plates 2 and 3 are in a parallel state.
【００１７】符号４で示されるのは同軸ケーブルであ
り、同軸ケーブル４の外部導体４Ａが導電性プレート２
に電気的に接続され、同軸ケーブル４の内部導体４Ｂが
導電性プレート３に電気的に接続されている。同軸ケー
ブル４の他端は図示しないパルス電圧発生器の出力端子
に接続することにより、測定のために必要なパルス電圧
を同軸ケーブル４を介して導電性プレート２、３間に印
加することができる構成である。Reference numeral 4 denotes a coaxial cable, and an outer conductor 4A of the coaxial cable 4 is a conductive plate 2
The inner conductor 4 </ b> B of the coaxial cable 4 is electrically connected to the conductive plate 3. By connecting the other end of the coaxial cable 4 to an output terminal of a pulse voltage generator (not shown), a pulse voltage required for measurement can be applied between the conductive plates 2 and 3 via the coaxial cable 4. Configuration.
【００１８】図１に示したプローブ１では、導電性プレ
ート２、３は、機械的に独立して分離された状態になっ
ているが、適宜の電気的絶縁材料を用いて導電性プレー
ト２と導電性プレート３とをその端部において機械的に
連結した一体構成としてもよいことは勿論である。In the probe 1 shown in FIG. 1, the conductive plates 2 and 3 are separated mechanically independently from each other. However, the conductive plates 2 and 3 are separated from each other by using an appropriate electrically insulating material. Needless to say, the conductive plate 3 may be integrally formed at its end by mechanical connection.
【００１９】図２には、図１に示したプローブ１のＡ−
Ａ線断面における電磁場の様子が示されている。図２に
おいて、一方の導電性プレート３から直角に出て他方の
導電性プレート２に直角に入るように示されているのが
電気力線Ｆであり、これらの電気力線Ｆと直交するする
ように示されているのが等ポテンシャル線Ｐである。図
２から判るように、電気力線Ｆと等ポテンシャル線Ｐと
で図示された各領域の面積は導電性プレート２、３間に
おいては略均一となっている。したがって、導電性プレ
ート２、３間にあってはエネルギー密度分布が略均一と
なり、測定感度も均一となる。FIG. 2 shows the A-A of the probe 1 shown in FIG.
The state of the electromagnetic field in the section A is shown. In FIG. 2, lines of electric force F are shown so as to exit at right angles from one conductive plate 3 and enter at right angles to the other conductive plate 2, and are perpendicular to these lines of electric force F. The equipotential line P is shown as follows. As can be seen from FIG. 2, the area of each region shown by the electric force lines F and the equipotential lines P is substantially uniform between the conductive plates 2 and 3. Therefore, the energy density distribution between the conductive plates 2 and 3 is substantially uniform, and the measurement sensitivity is also uniform.
【００２０】電導性プレート２、３間におけるエネルギ
ー密度の分布の状態は一定間隔Ｓの値によって変化する
ことが予想される。しかるに、導電性プレート２、３の
幅Ｂとその一定間隔Ｓとの比Ｓ／Ｂを種々変化させて導
電性プレート２、３間の測定感度分布がどのように変化
するのかを数値解析によって求め、その結果を図３〜図
７に示した。図３〜図７においても、図１６〜図１９の
場合と同じく、測定感度Ｖの最大値を１として各部の測
定感度を正規化し、Ｖの値によって領域Ｒ１〜Ｒ７に分
けて測定感度分布の様子が示されている。It is expected that the state of the distribution of the energy density between the conductive plates 2 and 3 changes depending on the value of the constant interval S. However, the ratio S / B between the width B of the conductive plates 2 and 3 and the constant interval S is variously changed, and how the distribution of measurement sensitivity between the conductive plates 2 and 3 changes is obtained by numerical analysis. The results are shown in FIGS. Also in FIGS. 3 to 7, as in FIGS. 16 to 19, the measurement sensitivity of each part is normalized by setting the maximum value of the measurement sensitivity V to 1, and divided into regions R1 to R7 according to the value of V. The situation is shown.
【００２１】図３〜図７から判るように、棒状電極を用
いたロッドタイプのプローブに比べて、板状電極を用い
たプレートタイプのプローブでは、ある範囲の感度
（０．４〜０．６）の部分でほとんどが占められること
がわかる。また、プレートの両端部のごく狭い範囲で感
度が高い部分がみられるが、全体のエネルギー量に比べ
るとその割合は非常に小さい。さらに、Ｓ／Ｂの値が
０．２〜２の範囲にある場合には導電性プレート２、３
間の感度は０．１以上の値であって略均一に保たれてい
るので、実際に使用した場合良好な測定を行うことがで
きる。なお、Ｓ／Ｂの値が０．２より小さくなると、導
電性プレート２、３間の感度分布はより一層均一化され
るが、実際の設置を考えた場合、導電性プレート２、３
間が狭すぎないＳ／Ｂ＝０．２程度までが適切であると
考えられる。図３〜図７から、導電性板状部材を用いた
プレートタイプのプローブにあっては、プレートに挟ま
れた部分以外の感度が低いという特徴を有していること
が判った。As can be seen from FIGS. 3 to 7, the plate type probe using the plate electrode has a certain range of sensitivity (0.4 to 0.6) as compared with the rod type probe using the rod electrode. It can be seen that most of the part is occupied by the parentheses. In addition, although the sensitivity is high in a very narrow range at both ends of the plate, the ratio is very small compared to the total energy amount. Further, when the value of S / B is in the range of 0.2 to 2, the conductive plates 2, 3
Since the sensitivity during the period is a value of 0.1 or more and is kept substantially uniform, good measurement can be performed when actually used. When the value of S / B is smaller than 0.2, the sensitivity distribution between the conductive plates 2 and 3 is further uniformed.
It is considered appropriate that S / B = approximately 0.2 where the distance is not too narrow. From FIGS. 3 to 7, it was found that the plate type probe using the conductive plate member had a characteristic that the sensitivity was low except for the portion sandwiched between the plates.
【００２２】ここで、導電性プレート２、３の材質は銅
に限定されるものではなく、導電性に富む材料であれば
特に制限はない。なお、ＴＤＲ法の性格上、導電性プレ
ート２、３の各長さＬは原則的に等しくなければならな
いが、これらの厚さＴは実際の使用に際して設置できる
だけの剛性をもつ程度の厚さであればよく、これは特に
制限がない。Here, the material of the conductive plates 2 and 3 is not limited to copper, and there is no particular limitation as long as the material is rich in conductivity. Although the length L of each of the conductive plates 2 and 3 must be basically equal due to the nature of the TDR method, the thickness T is a thickness having sufficient rigidity for installation in actual use. There is no particular limitation.
【００２３】図８は、本発明によるプレートタイプのプ
ローブと従来型のプローブとの性能を比較するために示
したエネルギー加積曲線である。図８のグラフは、エネ
ルギー密度が高い方からエネルギーを累積した結果を示
すもので、横軸に正規化したエネルギー密度をとり、縦
軸に正規化した累積エネルギー量をとって示してある。
すなわち、このグラフは、各エネルギー密度レベルが占
める面積と密度レベルとを掛け合わせてエネルギー量を
もとめ、密度レベルの値が大きいほうから累積した図で
あり、曲線の勾配が大きいほど、その密度レベルの部分
が占める面積が大きく密度（感度）のバラツキが小さい
ことを示す。全てのプローブにおいて、密度値０．０１
程度までで総エネルギーの約９０％を占め、それ以下で
は曲線の傾きは小さくなる。これは、密度値０．０１程
度以下の範囲は測定値にあまり影響しないことを示して
いる。FIG. 8 is an energy addition curve shown for comparing the performance of the plate type probe according to the present invention with that of the conventional type probe. The graph of FIG. 8 shows the result of accumulating the energy from the higher energy density, in which the horizontal axis represents the normalized energy density and the vertical axis represents the normalized accumulated energy amount.
In other words, this graph is a graph obtained by multiplying the area occupied by each energy density level and the density level to obtain the amount of energy, and accumulating the energy level from the larger value of the density level. Indicates that the area occupied by the portion is large and the variation in density (sensitivity) is small. For all probes, a density value of 0.01
Up to about 90% of the total energy, below which the slope of the curve is small. This indicates that the range where the density value is about 0.01 or less does not significantly affect the measured value.
【００２４】図８では、本発明によるプローブはＳ／Ｂ
＝０．５の場合が示されており、従来型のプローブの例
として、２ロッド、３ロッド、４ロッド及び同軸セルの
場合の例が示されている。図８に示す各曲線の勾配の様
子から、本発明によるプレートタイプのプローブの感度
のバラツキが従来型のプローブのそれに比べて極めて小
さくなっていることが判る。In FIG. 8, the probe according to the present invention has an S / B
= 0.5, and as examples of conventional probes, two rod, three rod, four rod and coaxial cells are shown. From the state of the slope of each curve shown in FIG. 8, it can be seen that the variation in sensitivity of the plate type probe according to the present invention is extremely smaller than that of the conventional type probe.
【００２５】なお、導電性プレート２、３を横切る方向
に水などの物質の移動がある場合においては、導電性プ
レート２、３に穴をあけたり、多数のロッドを並べるこ
とによりプレートを近似する構成としてもよい。When a substance such as water moves across the conductive plates 2 and 3, the plates are approximated by making holes in the conductive plates 2 and 3 and arranging a large number of rods. It may be configured.
【００２６】次に、図９〜図１１を参照して、図１に示
した本発明によるプローブ１を用いて地盤の含水量を測
定するための方法の実施の形態の例について説明する。Next, an example of an embodiment of a method for measuring the water content of the ground using the probe 1 according to the present invention shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
【００２７】図９は、降雨時等における地山１１の斜面
１１Ａの含水状態を測定する場合の方法を説明するため
の図である。プローブ１は斜面１１Ａに適宜の間隔をあ
けて複数設けられる。図示の例ではプローブ１は３つ設
けられているが、プローブ１は必要な箇所に必要な数だ
け設置される。降雨時には、地山１１の斜面１１Ａにお
いては水分の高飽和度領域１１Ｂと低飽和度領域１１Ｃ
とが形成されるが、各プローブ１は、導電性プレート
２、３の各先端２Ｂ、３Ｂが低飽和度領域にまで達する
ような状態に設置されることにより、地表面からどれだ
けの範囲が高飽和度になっているかを把握することがで
きる。FIG. 9 is a view for explaining a method for measuring the water-containing state of the slope 11A of the ground 11 at the time of rainfall or the like. A plurality of probes 1 are provided on the slope 11A at appropriate intervals. Although three probes 1 are provided in the illustrated example, the required number of probes 1 are provided at required locations. During rainfall, the high-saturation region 11B and the low-saturation region 11C of the moisture on the slope 11A of the ground 11
However, each probe 1 is installed in such a state that the tips 2B, 3B of the conductive plates 2, 3 reach the low-saturation region, so that how much range from the ground surface is It is possible to determine whether the saturation is high.
【００２８】以上のようにしてプローブ１の設置が終了
したならば、ＴＤＲ法により斜面１１Ａにおける比誘電
率の測定を行うため、測定装置１０からパルス電圧を各
プローブ１へ順次印加する。プローブ１に印加されたパ
ルス電圧は、その導電性プレート２、３の各先端２Ｂ、
３Ｂにおいて反射して戻るので、そのパルス電圧の往復
時間ＴＷを測定装置１０において測定する。測定装置１
０における往復時間ＴＷの測定方法は図１２に基づいて
説明したのと同様である。When the installation of the probes 1 is completed as described above, a pulse voltage is sequentially applied to each probe 1 from the measuring device 10 in order to measure the relative dielectric constant on the slope 11A by the TDR method. The pulse voltage applied to the probe 1 is applied to the tips 2B of the conductive plates 2 and 3,
Since the light is reflected back at 3B, the round trip time TW of the pulse voltage is measured by the measuring device 10. Measuring device 1
The method of measuring the round trip time TW at 0 is the same as that described with reference to FIG.
【００２９】一般に、土壌は土粒子、空気及び間隙水の
三相の混合体であり、体積含水率０％の土壌の比誘電率
は３〜７程度であるのに対し、間隙水のそれは８０と土
粒子や空気の値（約１）と比べてはるかに大きい。した
がって、三相の混合体としての土壌の比誘電率（見かけ
上の比誘電率）は含水量に極めて敏感に影響され、上述
の如くして測定された土壌の見かけ上の比誘電率から土
壌の含水量が求められる。測定により得られた比誘電率
から含水量を得るには、予め実験より求められた変換表
を用いることができる。このようにして、地山１１の斜
面１１Ａの含水状態を把握することにより、造成地など
の斜面の安定性の確保に役立てることができる。Generally, soil is a mixture of three phases of soil particles, air and pore water. The relative dielectric constant of soil having a volumetric water content of 0% is about 3 to 7, whereas that of pore water is about 80%. And much larger than the values of soil particles and air (about 1). Therefore, the relative permittivity (apparent relative permittivity) of soil as a mixture of three phases is very sensitive to water content, and from the apparent relative permittivity of soil measured as described above, Is determined. In order to obtain the water content from the relative dielectric constant obtained by the measurement, a conversion table previously obtained from an experiment can be used. In this manner, by grasping the water-containing state of the slope 11A of the ground 11, it is possible to help secure the stability of the slope such as a lands.
【００３０】図１０は、根切り工事等における地下水面
位置の把握のために、図１に示すプローブを用いて溝２
１の底部２２の比誘電率を測定する場合の方法を説明す
るための図である。この場合には、底部２２にプローブ
１を打ち込んで測定装置１０を用いて比誘電率を測定す
る。地下水面２３に達しているプローブ１による測定値
が地下水面２３に達していないプローブ１による測定値
と大きく異なることから、地下水面の位置を把握するこ
とができ、地下水面をコントロールした情報化施工が可
能となる。FIG. 10 is a view showing a groove 2 using the probe shown in FIG.
FIG. 6 is a diagram for explaining a method for measuring the relative dielectric constant of the bottom 22 of FIG. In this case, the probe 1 is driven into the bottom 22 and the relative permittivity is measured using the measuring device 10. Since the measured value of the probe 1 reaching the groundwater table 23 is significantly different from the measured value of the probe 1 not reaching the groundwater table 23, the position of the groundwater table can be grasped, and the information processing of the groundwater table controlled. Becomes possible.
【００３１】図１１は、トンネル堀削時における周辺の
含水状態及び地下水挙動の把握のために、トンネル３１
の周壁３２及び床部３３の含水状態を本発明の方法を利
用して測定する方法を説明するための図である。ここで
は、図１に示したプローブ１が周壁３２及び床部３３に
設置され、これらのプローブ１は測定装置１０に接続さ
れている。測定装置１０からのパルス電圧が各プローブ
１に順次印加され、これらのプローブ１の各導電性プレ
ート２、３の先端２Ｂ、３Ｂで反射されるパルス電圧の
往復時間が測定装置１０において測定される。これによ
りプローブ１が設置されている各部の比誘電率が測定さ
れ、トンネル３１内の各部の含水状態を把握することが
できる。FIG. 11 is a view showing the structure of the tunnel 31 for understanding the water content and groundwater behavior in the surrounding area when excavating the tunnel.
FIG. 5 is a diagram for explaining a method for measuring the water-containing state of the peripheral wall 32 and the floor portion 33 using the method of the present invention. Here, the probe 1 shown in FIG. 1 is installed on the peripheral wall 32 and the floor 33, and these probes 1 are connected to the measuring device 10. The pulse voltage from the measuring device 10 is sequentially applied to each probe 1, and the round trip time of the pulse voltage reflected by the tips 2B, 3B of the conductive plates 2, 3 of these probes 1 is measured by the measuring device 10. . Thereby, the relative permittivity of each part where the probe 1 is installed is measured, and the water content of each part in the tunnel 31 can be grasped.
【００３２】[0032]
【発明の効果】本発明によれば、導電性板状部材により
構成される２つの電極間の測定感度が均一となり、その
感度帯域がプローブによる感度帯域のほとんどを占め
る。この結果、プローブを設置する際に発生する可能性
のある被測定物質と電極との間の隙間の影響を減少さ
せ、測定範囲内を均一に測定することができる。According to the present invention, the measurement sensitivity between the two electrodes constituted by the conductive plate members becomes uniform, and the sensitivity band occupies most of the sensitivity band by the probe. As a result, it is possible to reduce the influence of the gap between the electrode and the substance to be measured which may occur when the probe is installed, and to uniformly measure the inside of the measurement range.
【００３３】さらに、測定範囲が板状の電極間に集中す
るため、従来のようにロッドを設置するための小孔径の
穴をあける必要がなく、被測定物質をブロック状に加工
して板状の電極で挟むことにより精度よい設置が可能で
ある。また、被測定物質が土のような場合には、従来通
り打ち込みにより容易に設置することもできる。Further, since the measurement range is concentrated between the plate-like electrodes, it is not necessary to make a small-diameter hole for installing a rod as in the prior art. By sandwiching the electrodes, accurate installation is possible. Further, when the substance to be measured is soil, it can be easily installed by driving as before.
【図１】本発明による比誘電率測定用プローブの実施の
形態の一例を示す斜視図。FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of a relative dielectric constant measurement probe according to the present invention.
【図２】図１に示したプローブのＡ−Ａ線断面における
電磁場の様子を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a state of an electromagnetic field in a cross section taken along line AA of the probe shown in FIG. 1;
【図３】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝２とした
場合の数値解析による感度分布を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a sensitivity distribution by numerical analysis when S / B = 2 in the probe shown in FIG. 1;
【図４】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝１とした
場合の数値解析による感度分布を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a sensitivity distribution by numerical analysis when S / B = 1 in the probe shown in FIG. 1;
【図５】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝０．５と
した場合の数値解析による感度分布を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a sensitivity distribution by numerical analysis when S / B = 0.5 in the probe shown in FIG. 1;
【図６】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝０．３３
とした場合の数値解析による感度分布を示す図。FIG. 6: S / B = 0.33 in the probe shown in FIG.
The figure which shows the sensitivity distribution by the numerical analysis when it is set as.
【図７】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝０．２と
した場合の数値解析による感度分布を示す図。FIG. 7 is a diagram showing a sensitivity distribution by numerical analysis when S / B = 0.2 in the probe shown in FIG. 1;
【図８】本発明によるプローブと従来のプローブとの性
能比較をするためのエネルギー加算曲線図。FIG. 8 is an energy addition curve diagram for comparing the performance of a probe according to the present invention with a conventional probe.
【図９】降雨時の斜面の含水状態を本発明の方法を用い
て測定する場合の測定方法の説明のための図。FIG. 9 is a diagram for explaining a measurement method when measuring the water-containing state of a slope during rainfall using the method of the present invention.
【図１０】根切り工事等における地下水面位置の把握を
本発明の方法を用いて行う場合の説明のための図。FIG. 10 is a diagram for explaining a case where the groundwater table position is grasped by the method of the present invention in root cutting work or the like.
【図１１】トンネル掘削時における周辺の含水状態の把
握を本発明の方法を用いて行う場合の説明のための図。FIG. 11 is a diagram for explaining a case in which the state of water content in the periphery during tunnel excavation is grasped using the method of the present invention.
【図１２】ＴＤＲ法を用いた比誘電率測定のための従来
の測定システムを説明するための図。FIG. 12 is a view for explaining a conventional measurement system for measuring the relative dielectric constant using the TDR method.
【図１３】ＴＤＲ法による比誘電率測定のために用いら
れている従来のプローブを示す斜視図。FIG. 13 is a perspective view showing a conventional probe used for measuring a relative dielectric constant by a TDR method.
【図１４】図１２に示したプローブにおけるエネルギー
密度分布の状態を説明するための図。FIG. 14 is a view for explaining a state of an energy density distribution in the probe shown in FIG. 12;
【図１５】図１２に示したプローブにおける感度分布を
実験により調べた結果を示す図。FIG. 15 is a view showing the results of an experiment conducted to examine the sensitivity distribution of the probe shown in FIG. 12;
【図１６】２本の棒状電極を用いた従来のプローブの数
値解折による感度分布図。FIG. 16 is a sensitivity distribution diagram obtained by numerical analysis of a conventional probe using two rod-shaped electrodes.
【図１７】３本の棒状電極を用いた従来のプローブの数
値解折による感度分布図。FIG. 17 is a sensitivity distribution diagram of a conventional probe using three rod-shaped electrodes by numerical analysis.
【図１８】４本の棒状電極を用いた従来のプローブの数
値解折による感度分布図。FIG. 18 is a sensitivity distribution diagram obtained by numerical analysis of a conventional probe using four rod-shaped electrodes.
【図１９】回転セル型の従来のプローブの数値解析によ
る感度分布図。FIG. 19 is a sensitivity distribution diagram by numerical analysis of a conventional rotating cell probe.
１ プローブ ２、３ 導電性プレート Ｂ 幅 Ｓ 間隔 ＴＷ 往復時間 1 Probe 2, 3 Conductive plate B Width S Interval TW Round trip time
Claims (2)
比誘電率を測定するため被測定物質に設置される一対の
電極を備えたプローブの構造であって、該一対の電極が
一定間隔をあけて対向配置される２枚の導電性板状部材
から成り、該導電性板状部材の幅Ｂと前記一定間隔Ｓと
の比Ｓ／Ｂが０．２から２の範囲内の値に設定されてい
ることを特徴とする比誘電率測定用プローブの構造。1. A probe structure comprising a pair of electrodes installed on a substance to be measured for measuring the relative permittivity of the substance to be measured by a time domain reflectometry method, wherein said pair of electrodes are spaced apart from each other by a predetermined distance. It is composed of two conductive plate-like members which are spaced apart from each other and the ratio S / B between the width B of the conductive plate-like member and the predetermined interval S is set to a value in the range of 0.2 to 2. A structure of a probe for measuring relative permittivity, characterized in that the probe is formed.
ス電圧を印加して時間領域反射率法によって該被測定物
質の比誘電率を測定するための測定方法において、前記
プローブの一対の電極として２枚の導電性板状部材を用
意し、該導電性板状部材間の一定間隔Ｓが、前記導電性
板状部材の幅をＢとしたときＳ／Ｂの値が０．２〜２の
範囲内の値となるように、前記導電性板状部材を前記被
測定物質に設置して前記プローブを構成するようにした
ことを特徴とする比誘電率測定方法。2. A measuring method for applying a pulse voltage to a probe installed on a substance to be measured and measuring a relative dielectric constant of the substance to be measured by a time-domain reflectance method, wherein the pair of electrodes of the probe is Two conductive plate-like members are prepared, and the constant interval S between the conductive plate-like members is 0.2 to 2 when the width of the conductive plate-like member is B. The relative permittivity measuring method, wherein the probe is configured by installing the conductive plate-shaped member on the substance to be measured so that the value is within the range.
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|---|---|---|---|
| JP26233496A JP3714741B2 (en) | 1996-09-12 | 1996-09-12 | Structure of relative permittivity measuring probe and relative permittivity measuring method |
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006133088A (en) * | 2004-11-05 | 2006-05-25 | Kyoto Prefecture | Method and system for measuring moisture distribution in soil |
| JP2014059176A (en) * | 2012-09-14 | 2014-04-03 | Casio Comput Co Ltd | Moisture content determination device and program |
| CN104820136A (en) * | 2015-04-17 | 2015-08-05 | 江苏大学 | Device and method for rapidly measuring dielectric constant of crop leaf |
| WO2021085198A1 (en) * | 2019-10-28 | 2021-05-06 | ソニー株式会社 | Sensor device and moisture content measurement device |
| US11428714B2 (en) | 2017-06-02 | 2022-08-30 | Sony Corporation | Sensor device, water amount measurement device, water amount measurement method, information processing device, and information processing method |
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1996
- 1996-09-12 JP JP26233496A patent/JP3714741B2/en not_active Expired - Fee Related
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