アプリケーションに最適な土壌水分含有量センサを見つける方法

土壌水分含有量センサーにはさまざまな種類があるため、用途に最適なものを選択するのは難しく、混乱するかもしれません。選択を支援するには、土壌水分含有量センサーが実際に何を測定するのか、優れた土壌水分含有量センサーの特徴は何か、メーカーの仕様をどのように理解するかを理解することが重要です。この記事では、センサーの選択プロセスに役立つこれらのトピックについて説明します。

土壌水分含有量センサーは実際に何を測定するのでしょうか?

水分を直接測定する市販の土壌水分含有量センサーがないことに驚かれるかもしれません。代わりに、センサーは、水分含有量に関連する他の土壌特性の変化を予測可能な方法で検出します。水分含有量によって変化し、簡単に測定できる一般的な土壌特性には、誘電率、熱伝導率、中性子束密度などがあります。この記事では、誘電率を測定するセンサーに焦点を当てます。

誘電率センサーは、市場で最も一般的なタイプの土壌水分含有量センサーです。これらのセンサーは、次のようなさまざまな技術を使用して周囲の土壌の誘電率を測定します。

• Time domain reflectometry
• Time domain transmissivity
• Frequency domain reflectometry
• Time of charge capacitance
• Transmission line oscillation
• Coaxial impedance dielectric reflectometry
• Coaxial differential amplitude reflectometry

技術に関係なく、同じ原理が使われます。土壌のバルク誘電率は体積水分含有量に応じて変化します。

誘電率を最も簡単に考える方法は、蓄えられた電気エネルギーと考えることです。センサーは土壌に電界を生成し、水分子は極性があるため、土壌内の結合していない水分子は電界線に沿って回転します。

結合していない水分子の回転にはエネルギーが必要で、このエネルギーは整列した水分子に位置エネルギーとして蓄えられます。土壌に水分が多いほど、蓄えられるエネルギーも多くなり、土壌の体積誘電率が高くなります。

土壌の他の成分、つまり鉱物や有機固形物、空気も電気エネルギーを蓄えますが、水は土壌の他の部分の 10 倍以上のエネルギーを蓄えることができます。そのため、センサーの測定体積に出入りする水の動きが誘電率の変化に大きく影響します。

土壌水分量センサーは、誘電率、つまり水分量に応じて変化する電気信号を出力するように設計されています。一部のセンサーは誘電率を決定してから水分量に変換しますが、他のセンサーはセンサーの電気出力を 1 回のステップで体積水分量に変換します。どちらの方法を使用する場合でも、土壌の水分は体積誘電率に影響し、それがセンサーの電気出力に影響します。精度仕様を比較するときには、この点を覚えておくことが重要です。

優れた土壌水分含有量センサーとはどのようなものでしょうか?

理想的な高性能土壌水分含有量センサーは、次の特性をすべて備えています。

1. 精度と解像度の要件を満たします。
2. 必要な期間だけ使用できます。
3. 校正は最小限で済み、再校正は必要ありません。
4. 予算の要件を満たします。
5. 設置と測定が簡単です。
   
   

ご想像のとおり、これらの特性は互いに競合する可能性があります。たとえば、耐久性があり高精度のセンサーは、耐久性が低く精度が低いセンサーと比較すると高価になる可能性があります。センサーメーカーは、これらの競合する要素の適切なバランスを見つけようとします。アプリケーションに最適なセンサーを決定するには、これらの要素のどれが最も重要かを判断し、最優先事項に最も一致するセンサーを探します。

メーカーの仕様とは何を意味しますか?

土壌水分含有量センサーの仕様を本当に理解するには、水分含有量、誘電率、および誘電率に応じて変化する電気信号の関係について考えると役立ちます。これら 3 つの関係によって、水分含有量値の精度と解像度、およびセンサーの動作範囲が決まります。

正確度

体積水分含有量測定の精度は、いくつかの要素に依存します。

• 電気測定の精度
• 測定電子機器に対する温度の影響
• 水の誘電率と土壌の電気伝導率に対する温度の影響
• 異なる誘電率の値を推定するセンサーの精度
• 電気測定値または誘電率値を体積水分含有量に変換する関数の精度
• センサー周囲の土壌が校正関数とどの程度一致するか

すべての土壌水分含有量センサーが誘電率の測定精度仕様を提供していれば、さまざまなセンサーの性能を比較するのがはるかに簡単になります。残念ながら、多くのユーザーは誘電率と体積水分含有量の関係、および最終的な水分含有量の推定値に誤差を加える可能性のあるさまざまな条件を完全に理解していません。

すべての土壌に機能する単一の校正機能はないため、メーカーは通常、1 つまたはいくつかの「代表的な」土壌を選択し、その選択に基づいて水分含有量の精度仕様を提供します。では、たとえば、「±1% 体積水分含有量」などの精度仕様は実際には何を意味するのでしょうか。この仕様は、校正作業が行われた条件下での ±1% を意味します。これらの条件は、おそらく屋内で、温度変化が最小限で、代表的な土壌タイプが 1 つまたは数種類しかない場合です。

• ご使用の環境が同じ条件である場合、センサーの精度は仕様を満たします。
• センサーを自然環境（変動がはるかに大きい）に設置する場合、独自のキャリブレーションを実行しない限り、精度が仕様を満たさない可能性があります。

もう 1 つの重要な考慮事項は、土壌が非常に乾燥すると、誘電土壌水分含有量センサーの精度が低下することです。土壌内の水分量が非常に少ない場合、土壌全体の体積誘電率に対する水分の寄与は小さくなり、センサーの変化検出能力を下回る場合があります。乾燥した土壌では、水分含有量の変化よりも温度がセンサー出力に大きく影響することがよくあります。

ヒント: 低水分含有量レベルで高い精度を保証する仕様には十分注意してください。

注意: 精度は絶対精度 (水分率/乾燥土壌率) または読み取り値のパーセンテージとして指定できます。読み取り値のパーセンテージを絶対精度に変換するには、動作範囲の上限と下限を掛けます。

精度に関する最後の一言: メーカーは、センサーが設置後に経験する条件よりも広範囲の条件をカバーするように仕様を記述しています。通常、土壌固有のキャリブレーションを独自に実行すれば、仕様が示すよりも高い精度が得られます。

分解能

分解能の仕様は、土壌水分含有量の変化がセンサーによって検出されるまでにどの程度必要かを表します。これは主に、センサーの電気出力の測定品質によって決まります。(この測定は、センサーの電子機器内部で行われる場合もあれば、データ ロガーなどの外部デバイスで行われる場合もあります。) 分解能は、数学的処理から生じる丸め誤差やデジタル データの形式によっても影響を受ける場合があります。最高性能の土壌水分含有量センサーは、高精度と高分解能の両方を備えています。

範囲

さまざまな土壌水分含有量センサーの動作範囲を比較する場合、範囲の定義方法と誘電法の限界を理解することが重要です。

体積水分含有量の範囲は、さまざまな方法で表現できます。

• 0 ～ 100%: これは通常、センサーが空気から水への誘電率の変化に反応することを意味します。
• 乾燥から飽和まで: 数値は示されていませんが、センサーはどの土壌よりも広い範囲の誘電率で調整されています。あらゆる土壌の全範囲で水分含有量の変化に反応します。
• 0 ～ XX%: これは通常、センサーが乾燥から飽和までの土壌条件でテストされたことを意味します。
• X% ～ XX%: これは、センサーが最も優れた性能を発揮する範囲を指定します。これにより、競合製品と比較してセンサーの性能が劣っているように見える場合がありますが、誘電率センサーは乾燥した土壌では精度が低くなるため、この仕様は期待できるパフォーマンスをより正確に表しています。

注意: 体積水分含有量は、パーセントではなく分数で表される場合があります。分数 (体積水分/乾燥土壌の体積) をパーセントに変換するには、100% を掛けるだけです。

センサーの測定範囲が土壌の空気乾燥状態から飽和状態まで対応していれば、それで十分です。ほとんどの鉱物土壌の最大水分含有量は 40% ～ 50% です。一部の粘土質土壌や有機質土壌では、水分含有量が 60% ～ 70% に達することがあります。土壌の種類に適した範囲のセンサーを選択してください。

要約すると

残念ながら、理想的な土壌水分含有量センサーは存在しないというのが真実です。どのセンサーにも長所と短所があります。アプリケーションに最適なセンサーとは、最も重要視している情報を提供してくれるセンサーです。優れたセンサーは数多くありますが、センサーが実際に何を測定しているのか理解していれば、それらを比較してアプリケーションに最適なものを選択することが容易になります。

最後に、疑問がある場合はいつでも Campbell Scientific に連絡して、最適な測定を行うための選択肢を理解するのに役立つ信頼できるアドバイザーを探すことができます。

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