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JP2960549B2 - 拡がりのある層に対する湿度センサ - Google Patents

拡がりのある層に対する湿度センサ

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JP2960549B2
JP2960549B2 JP8521992A JP52199296A JP2960549B2 JP 2960549 B2 JP2960549 B2 JP 2960549B2 JP 8521992 A JP8521992 A JP 8521992A JP 52199296 A JP52199296 A JP 52199296A JP 2960549 B2 JP2960549 B2 JP 2960549B2
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JP
Japan
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line
line conductor
line conductors
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シューマン ライナー
ブランデリク アレクサンダー
ヒュープナー クリストフ
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FUORUSHUNGUSUTSUENTORUMU KAARUSURUUE GmbH
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FUORUSHUNGUSUTSUENTORUMU KAARUSURUUE GmbH
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G01N22/04Investigating moisture content

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は拡がりのある層に対する湿度センサに関す
る。
ごみ、くずの堆積、貯蔵物は、降雨で洗い流されない
ように粘土性の層ないし層状体により漏れを防止する、
ないし、非漏れ状態にする封隙、シール措置ないし該措
置のための材料を施される。上記の層ないし層状体によ
る漏れ防止手段ないし漏れ防止材は、下方の基底、ベー
ス部に対する漏れ防止のみならず、上方のカバー部分に
対する漏れ防止をも果たすよう、それの可塑性により、
ごみ、くずの山全体の変形に追従して適合的に機能作用
を発揮すべきであり、そして、何十年にも亘って水漏れ
のない状態ないし水密性を保証すべきである。もはや可
制御でなくなる、せん断力ないしすべり力により、上記
の漏れ防止のための層は、裂断ないし亀裂を惹起するお
よれがある。更に、高度に粘稠化、緻密化ないし凝縮さ
れた粘土性で、且つ、ほぼ飽和状態におかれている保護
層のわずかな湿度損失分(ほぼ4ないし5%)があった
だけで、水分の絶縁、隔離能力の喪失、逸失を来す。従
って、場合により、裂断ないし亀裂の形成または乾燥に
より損傷する個所を早期に識別検出すること及びわずか
な空間的拡がりに亘っての損傷個所の追跡ないし当該の
損傷個所をつきとめることは、環境公害上及び経済上大
きな重要性、意義がある。漏れ水発生源を用いての今日
通常、慣用の監視コントロールによっては、損害、損傷
の信号化が過度に遅く行われ、損傷した個所の位置測定
は、可能でない。漏れ防止層の湿度ないし湿り状態及び
コンパクト性ないし緻密性の測定を常に反復可能かつ局
所的な分解能で行うことが要求されるが、今日まで未だ
実現されていない。
農業及び園芸では、最適の給湿ないし給水、潅漑は土
壌、地面の湿度、湿り気に対する大面積に亘っての、そ
して、局所的な分解能に依存する。過度にわずかな水分
量の状態が起こると、植物が破壊され、これに反し、過
度の給湿、給水がなされると、栄養分が洗い流され、塩
分の状態が狂うこととなる。
大きな穀物保管所では、当該の保管所の容積、ボリウ
ム全体における保管物の湿度、湿り気の監視が必要であ
る。表面からの、採取したサンプルまたは測定では十分
でない。
気象学上のモデルでは土壌における水分の精確な検知
が必要とされる、それというのは、土壌と大気との間で
のエネルギ交換が、もっぱら、水分の蒸発及び凝縮によ
り行われるからである。特に、表面に近い層がそれに関
与している。
概して、湿度、湿り気測定のため、被検混合物の誘電
率、係数DKを測定するゾンデないしセンサが利用され
る。それにより、校正測定を用いて、湿度、湿り気を検
出できる。導入採用されたプロセス手法は、時間領域−
反射測定であり、該時間領域−反射測定は,専門文献
中、通常、英訳“Time−Domain−Reflectometyr"又は省
略して“TDR−Methode"と称されている。上記測定手法
は、線路導体に沿っての電磁波伝搬に立脚する。線路導
体の電気的特性、従って、信号伝送の特性が、就中、特
性インピーダンス、減衰量及び伝搬速度により表され
る。上記量は、公知のように、空間(ここを通って電界
が延びている)の(場合により損失を伴う)誘電性に依
存する。当該の空間は、同軸線路導体の場合、外部シー
ルドにより制限される。2重線路導体(レッヒエル線路
導体)(例えばGoubauによるもの)のような開放線路導
体系では、当該フィールドは、線路導体の次の周囲環境
を越えて貫通、分布する。そこでの材料特性の変化によ
り上記の伝送特性が変化される。
土壌における水分測定のための時間領域反射測定Time
Domain Reflectometry(TDR)は、雑誌「Wasser+Bo
den」(水及び土壌)から公知である(R.Rook、SMeichi
or、G.Miehlich、“Die Time Domain Reflectometry
(TDR)fuer die Wassergehaltsmessung in Boede
n"、Wasser+Boden、Nr.4、1993)。そこに記載されて
いるゾンデないしセンサは、Davis et.alにより説明さ
れたセンサに基づく。(J.L.Davis、A.P.Annan、“Elec
tromagnetic Detection of Soil Moisture"、Canad
ian Journal of Remote Sensing、Band 3、Nr.
1、1997a)。
上記センサにいて欠点となるのは開放線路導体として
形成された測定フォークの短い区間である。一般的に
は、TDRゾンデ、センサは、数10cmの長さのものしか作
製、提供されない。亦、欠点となるのは、種々の層が、
ロッドに沿ってそれの作用を打消すことである。多重反
射は、相互に打ち消し合うおそれがある。亦、比較的高
い導電性によっても、大きな線路導体−減衰量に基づき
利用可能性が数cmへ制約される。更なる欠点となるの
は、差込の際フォークが混合物内に拡開し得ることであ
る。それによりそれに引き続いて生じるインピーダンス
増大の故に、実際よりも乾燥した状態が誤認される。水
の誘電率は、IGHzを上回る周波数の場合、著しく低下な
いし劣化する。この低下ないし劣化は、付加的に多くの
フォクタ、要因により影響を受ける。含有湿度、湿り気
と誘電率DKとの精確な関係性を達成するため、測定周波
数(従って、測定パルスの立ち上がり急峻度)は、1GHz
以下に制限されねばならない。今日知られているTDR−
ゾンデ、センサは遺憾乍ら、そのような所要の制限作用
を果たさない。
本発明の課題とするところは、最初に述べた形式のセ
ンサを、高い局所分解能のもとで可及的に大きな面を検
出するように校正することにある。
上記課題は請求の範囲1の構成により解決される。
有利には、連続的な、または、不連続のウェブを有す
る2重線路導体が、使用される。上記の2重線路導体
は、一定のケーブルインピーダンスを確保し、そして、
次のような作用、働きをする、即ち、電界の一部のみ
が、被測定材料内に延びるようにする作用、働きをす
る。
次に、本発明を図を用いて事例に即して詳細に説明す
る。
図1には複雑の線路導体、導体の測定装置の1セクシ
ョンを示す。図2及び図3は、相互に交差し合う複数の
線路導体系を有する配置構成を示す。
図1は、それの湿度、湿り気変化及び粘稠性、緻密性
が測定される材料層のセクション1を示す。下方平面内
には測定線路導体2、有利には2重線路導体が布設され
ている。材料層は、上記線路導体2を線路導体3(これ
は他の方向に配向されている)を分離、隔離する。線路
導体2及び3は、交点にて相互に接触し合わない。ここ
で、独立の線路導体の各々が、それぞれ知られている一
定の波動インピーダンスを有する2心又は多心のストリ
ップーないしウエブ線路導体であり、また、前記独立の
線路導体は、相互に次のような程度だけ離隔し合ってい
る、即ち、当該の独立の線路導体の交差領域にて信号ク
ロストークが行われ得る程度だけ相互に離隔し合う。あ
る1つの交差部の領域4(小さなX印で示す)における
2つの線路導体間の信号クロストークは、次のようにし
て高められる、即ち、交差角が90゜とは異なるようにし
て高められる。大きい裂断の場合、線路導体は破損す
る。最初の測定では、反射測定を用いて、線路導体2を
断線についてチェックし、該反射測定は、信号ゼネレー
タ5及びこれに同期化される受信器E6を用いて実施され
る。上記測定は、反射系を用いて実施することもでき
る。場合により起こる裂断の個所は、反射の時間特性か
ら計算される。第2の測定によってはインピーダンス変
化が線路導体2に沿って生じているかを検出する。この
ことは、ゼネレータ5と受信器E1 6との間の伝搬走行
遅延時間測定により、または、ゼネレータ5と受信器E6
とから成る反射計を用いてのインピーダンス測定により
実施できる。乾燥した個所での伝搬走行遅延時間は、比
較的短くなり、インピーダンスは比較的高くなる。線路
導体2に沿ってインピーダンスが複数回変化する場合受
信器E2は交差する線路導体3に切換接続し、新たに測定
する。クロストークにより、線路導体3のうちの1つに
おける受信が可能になる。線路導体3(これは信号ゼネ
レータに比較的近くに位置する)へ受信器E2を切り換え
ることにより、場合により、線路導体2にて複数のイン
ピーダンス変化を惹起する個所が分離される。DK(誘電
率)の変化測定は、伝搬遅延装置及びインピーダンス測
定により行われる。信号ゼネレータ及び受信器E6の個所
のパーミュテーションにより、それぞれ他の方法に走行
する線路導体2及び3から成るネットワークシステムの
いずれの任意の区間をも測定できる信号ゼネレータ5
は、前述の理由からその周波数は、1GHzに制限されてい
る。測定線路導体3は、それの両端にて前述の線路導体
インピーダンス7で終端されている。
上記の測定ネットワークの特別な利点とするところ
は、布設されたケーブルの著しく低い価格(m当たり略
DM0.1)である。それにより、大面積に亘っての永続
的、永久的な観測を経済的に行うことができる。
図2は、5つの独立の線路導体から成る1つのシステ
ムを示し、それらの線路導体のうち、それぞれは、せい
ぜい2つの他の線路導体と交差し、ここで、単一のサー
ビス経路8により、ゼネレータ5及び受信器Eに対する
すべての接続個所にアクセスできる。
図3の配置構成の場合、個々の線路導体は、隣接する
線路導体との交差点を遥かにより一層多数有する。更に
各線路導体の破線で示す部分9は実線で示す部分10より
低く、深い所に位置する。それにより、層全体における
深度分解能が高められる、それというのは、両線路導体
半部9、10は、それぞれフィールドの進入深度の領域に
て部分層を検出できるからである。場合により例えば、
送信器5受信E1との間に位置する、場合により存在する
損害個所は、当該の線路導体と交差する線路導体での、
記入されたポジション内への受信器E2の切換により突き
止めることができる。当該分解能は、個々の線路導体間
での交差点をより多く有する装置構成により更に精細に
できる。
また線路導体を次のように布設することもできる、即
ち、複数の線路導体平面を相互に上下に配置することに
より、2つの多くの部分層を検出できるように布設する
こともできる。
実現された測定は、2つの異なる線路導体型式により
実施された。240Ωのインピーダンスを有するストリッ
プ線路導体:上記ケーブルは、以前は、テレビアンテナ
リードに対して使用された。湿った、濡れた土壌では、
0.6dB/mの減衰量、90%の伝搬走行遅延時間−変化及び
空気に対する97%のインピーダンス変化を呈した。440
Ωのインピーダンスを有するウエブ線路導体:当該のケ
ーブルは、同じ濡れた土壌では0.4dB/mの減衰量、120%
の伝搬走行遅延時間変化及び空気に対する160%のイン
ピーダンス変化を呈した。第1ケーブルに対するクロス
トーク減衰量は、−26dBであり、そして、第2ケーブル
に対するクロストーク減衰量は、たんに−20dBであっ
た。上記データに示すところでは、1度のクロストーク
を有する区間は、ほぼ70mであってよい。
フロントページの続き (72)発明者 クリストフ ヒュープナー ドイツ連邦共和国 D−68535 エーデ ィンゲン−ネッカーハウゼン アルベル ト−シュヴァイツァー−シュトラーセ 36 (56)参考文献 特開 平5−196582(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 22/00 - 22/04

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】湿度センサにおいて、 相互に交差するが接触し合わない少なくとも2つの独立
    の線路導体を有し、ここで、交差領域において前記線路
    導体は、次のような程度だけ相互に離隔しあっており、
    即ち当該交差領域にて信号クロストークを生じさせ得る
    程度だけ相互に離隔しあっており、更に交差し合う線路
    導体におけるインピーダンス測定のため、信号伝搬走行
    遅延時間測定装置を有するそれぞれ少なくとも1つの高
    周波の電気的信号ジェネレータが設けられており、更
    に、個々の独立の線路導体にて、伝搬走行遅延時間−及
    びインピーダンス測定のため反射測定計を有することを
    特徴とする拡がりのある層に対する湿度センサ。
  2. 【請求項2】線路導体系の独立の個別の線路導体がレッ
    ヘル線(Lecher)の2心線路導体であることを特徴とす
    る請求の範囲1記載のセンサ。
  3. 【請求項3】線路導体系の1つの線路導体が、複数の独
    立の線路導体との交差領域をそれぞれ1つ有し、ここ
    で、各交差領域の相互間隔が既知であることを特徴とす
    る請求の範囲1または2記載のセンサ。
  4. 【請求項4】線路導体系の各線路導体は、被測定層にネ
    ット状に編み込まれて通されていることを特徴とする請
    求の範囲1から3までのうちいずれか1項記載のセン
    サ。
  5. 【請求項5】クロストークにより振振される、線路導体
    系のすべての線路導体が両端にて、整合、適合した端子
    を有することを特徴とする請求の範囲1から4までのう
    ちいずれか1項記載のセンサ。
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