はじめに

• 使用した主な測定器
  
  • 土壌水分：　簡易土壌水分計ＤＭ−６（水分起電型・目盛最大８）説明書によると目盛（３／８）〜（５／８）位が栽培目安のようです。
  • キャパシタンス・インダクタンス：　ＬＣＲメータＤＥ−５０００（上限周波数１００ＫＨｚ）
  • 周波数：　周波数カウンターSKU 20-111-968/101-60-227
• ディップ特性の図表化について
  製作後の本器を使っています。観測データはＬＥＤ表示のほかに本器のマイコン内にも保存するので、このメモリ値を図表化したものです。図表化については後述「ＬＥＤ表示」に 本器の使い方 共々記載しています。
• 試作手順
  発振側、受信側の共振部はインダクタンス・キャパシタンスを同じ値になるようにしました。発振側のバリキャップ（可変容量ダイオード）の容量値は部品によって決まってしまうので受側センサーの電極はこれに合せて作る必要があります。なのでセンサーを作ることから始めました。

• 電極線はＡＶケーブルの同軸線を使ってみたのですが特にメリットがなかったので安直に手元にあったものにしています。電源コードの類は線間容量と工作性に難点があり、あまり細い線では線間浮遊容量の遊動が考えられます。

製作

• 予め、パイプ類の勘合部は同径で入りにくかったので銅パイプをかるく熱して何回か抜差しをして入るようにしました。　パイプの切断は手作業では大変なので２〜３千円で購入したパイプカッターを使っています。

経緯と結果

• センサーの電極について
  • 電極間容量は測定器側で使用するバリキャップに合わせるようにしたので、最大値を必要とする水中で２０ｐＦ前後を目安としました。バリキャップについては土壌水分計で記述しています。
  • 浮遊容量の影響を避けるため予め長尺で作成した電極で調べると、電極本体に該当する肉薄部の容量は１０ｐＦ／ｃｍ、電極支持部に該当する肉厚部の容量は５ｐＦ／ｃｍとなりました。
  • この結果から電極長さを図のように各２ｃｍ（容量＝１７．５ｐＦ＋浮遊容量）とし作成しました。浮遊容量については殆どが電極線の長さと重なり具合によるもので、図のつくりでは空中で４〜６ｐＦとなりました。　電極の間隔を２〜４０ｍｍ間でかえてみたのですが容量変化は全くありません。構造は違いますが似たような実験結果があります。セッピーナの趣味の天文計算
  • 作成した電極部を試料土（一時的に使用するだけなので適当な土砂ををフルイにかけたものです）に実装して測定した結果です。
    体積含水率（水／（水＋土））は本稿の環境で設定したかなり大雑把なものです。　キャパシタンス変化比は１．５倍、遊浮容量なしとしても１．８倍とかなり微妙な値です。

    キャパシタンス DM-6の目盛 体積含水率 *共振周波数 水中 22pF - - 80MHz 試料土Ａ 19pF 8/8 30%(水1:土2) 86MHz 試料土Ｂ 16pF 5/8 25%(水1:土3) 94MHz 試料土Ｃ 13pF 1/8 20%(水1:土4) 104MHz 空中 5pF - - 168MHz ＊共振周波数はインダクタンス確定後の計算値

• センサーのコイルについて
  • 共振周波数はＦＭラジオで確認できるようにセンサー水中での周波数を８０ＭＨｚ（２２ｐＦ）と設定しました。インダクタンスは０．１８μＨとなります。
  • 部材の銅線と巻きつけるパイプの外径は決まっているので、工作性も考慮して計算サイトから　コイル径１１ｍｍ　長さ１２ｍｍ　巻数５　として約０．１８μＨと算出し作成しました。
  • 完成後のセンサーの共振周波数はグリッドディップメーターを持っていないので計算して上表に参考表記しています。　この値を基に土壌水分計の試作を進めました。

製作

• 基板は趣味の基板屋さんにお願いしました。片面基板に軟銅線ジャンパーを併用しています。
• チップのバリキャップの場合は半田面に取り付けています。
• 自作コイルＬ１の取付は縦形にしてピンを立てて取り付けています。やや本体に近い配置となってますが特に問題がなかったので、このようにしています。写真に見えるコイルの樹脂パイプは外力に強い銅線を使っているので実際には省略しています。
  

調整

1. 調整のためメニュー選択で（鋸波中心電圧を発生）にする。
2. 鋸波発生部ＶＲ３の調整　ＴＰ１で６．０Ｖに調整
3. 発振検波部ＶＲ１の調整　ＴＰ２でディップ検出のため最大値から３０〜５０％程度低くセット。０．５〜０．７Ｖ付近
4. マイコン入力ＶＲ２の調整　ＴＰ３で２．５Ｖ付近に調整
5. 直前のフリー発振を参照しているので、測定状態にするため電源を再投入する。
6. 発振周波数の調整
   センサーを製作時のように試料土Ｂに実装してLEDアレイの中央が点灯するようにコイルＬ１を伸縮して調整。 後々のメンテナンスのため写真のような擬似共振回路を作っておきました。
   
   

完成後のテスト

• 完成後のテスト結果です。
  
  • 図１＿２は上の写真の擬似共振回路を使って本器の温度特性を調べた図です。 レベル変動の大きさが気になりますがディップ検出方法が直前値との比較なので対策はこうじていません。周波数変動は一般的な範囲内のようです。
  • 図１＿３は試料土での測定結果です。
  • 図１＿４はセンサーを水中に入れて水深位置による変化を調べた図です。上記調整時に大雑把ですが試料土を使わずとも図の水深位置で調整してしまう方法でも良いかもしれません。

図１＿２	図１＿３	図１＿４

本器を使ったセンサーの評価

• そのつど試料土でセンサーを評価するのは大変なので水を使って調べてみました。
  
  • 図１＿５は温度特性を調べた図です。変化は微量なようです。
  • 図１＿６は検知範囲を知るため容器のサイズを変えて測定したものです。センサーの直径が８ｍｍなので検知能力は周辺１ｃｍ程度と考えられます。
  • 図１＿７は試作した６本のセンサーのばらつきを調べた図です。大きく乖離している左側のセンサーはキャパシタンス換算で３ｐＦ位なので電極線の線回しの影響かもしれません、調整できない手作り品としてはこの程度のばらつきは仕方ないと考えています。

図１＿５	図１＿６	図１＿７

発振周波数

• 下図は発振周波数を周波数カウンターで測定したグラフです。発振はFMラジオ７６ＭＨｚ・・・１０８ＭＨｚで確認できますが、かなり小さな発振です。
  
  1. 左端の「センサー共振周波数」とあるのはセンサー製作時に得たデータを範囲表記したものでＬＥＤ表示に必要な範囲内にあることが確認できます。
  2. 赤色グラフは前述「完成後のテスト」にある図１＿３を重ねて表記したものです。
  3. 白丸印はバリキャップのデータから発振周波数を計算した参考表記です。


• バリキャップのデータから発振周波数を計算
  左図は発振部の簡易等価回路と計算方法を示した図です、静電容量計やコイル測定器と同じ方法をとっています。　下表は計算式のＣに該当する回路のバリキャップをセラコンに換えて発振周波数を測定した表です、この表値をもとに算出した発振回路の浮遊容量は７．５ｐＦ，コイルのインダクタンスは０．１８μＨです。　これらの値と前掲のデータシート値（バリキャップ１Ｔ３３）から逆算した周波数が上図の白丸印です、実測値とかなり近似した結果となったので参考記載しました。　自作計算アプリ
  
  

  セラコンの半分値C	16pF	13.5pF	11pF	7.5pF	5pF
  発振周波数実測値F	77.6MHz	81.9MHz	87.8MHz	97.5MHz	106.1MHz

追跡調査

• ここまでは含水一様な試料土での測定だったので
  自然乾燥による測定をするため、写真のように鉢植えのイメージで屋内で試作センサー（写真中央）を立てて潅水後の追跡調査をしました。夏季と違って冬季なので長期にわたっています。 鉢はプラスチック製８号、土はホームセンターで販売されている一般的な園芸培養土で乾燥時は写真のように瓦礫の山といった感じです。　環境は夜間約５℃日中は暖房で約２５℃の木造家屋です。
  


• 下図が調査結果です。
  
  1. 上段のグラフは試作センサーを使って本器で測定した結果です。朱書き部分は既に調べた各試料土の７ｓｅｇ（ディップ中央）値です。
  2. 中段のグラフは鉢の重量を測定した結果です。潅水前の重量は３Ｋｇです。
  3. 下段2本のグラフはＤＭ−６による含水測定です。


• 観測前にきずいたことですが
  

  図１＿８

  気温の低い朝（６℃）よりも午後（２５℃）の方が共振周波数が低く（含水が多く）なることを確認しました図１＿８。この繰返しで乾燥状態に変化していくようです、細かいことですが　本器の温度特性・水温による誘電率変化・時間経過による含水率変化　等からは共振周波数が高い方へ変化するはずなので、このように逆な現象を呈したのが気にはなります。

結果

• 発振周波数の調整
  対象のセンサーは１２Ｖ編と同じなので１２Ｖ編のグラフと同じになるよう周波数カウンターを使って、コイル伸縮でグラフ全体の上下を、傾きはｒｅｆ電圧調整のＶＲ３で、各々交互に繰返して調整しました。調整後のインダクタンスは０．１６μＨ（コイル長１４ｍｍ）　ｒｅｆ電圧は３．２Ｖとなりました。
• 図１＿９はセンサーを試料土に実装して測定した結果です。
  

  図１＿９

  ディップがやや浅いようで、若干センサーに近づけた測定となりました。　部品点数の少量化、回路の簡略化、消費電流の減少化と利点は多いのですが、低電圧で容量変化比のあるバリキャップは入手困難なようです。


• 下図は調整後の発振周波数を測定したグラフです。ｍｃｐ４９２２の出力をバリキャップに直結したのでＤＡＣ出力ＲｔｏＲの効果で素直な線図となっています。
  
  1. 左端のセンサー範囲表記は１２Ｖ編と同じものです。
  2. 赤色グラフは前項の図１＿９を重ねて表記したものです。
  3. 白丸印は前掲１ＳＶ３２３のデータシート値と回路の浮遊容量＝７．５ｐＦ　インダクタンス＝０．１６μＨから発振周波数を計算した参考表記です。
  　

おわりに

• 試作にあたって多くのサイトを参照しました。特に参考になった本文中のサイトについて、勝手ながら無断でリンクさせて頂きました。
• 回路図作成に水魚堂さんのBSch3Vを、基板作成に高戸谷さんのPCBEを使わさせて頂きました。
• ASMファイルの改造やCコンパイル化する場合は、メニューの「データ保存」時にプログラム直下からプログラムメモリへデータ書込みをするのでプログラムの消去に気をつけて下さい。
• センサーと土の密着には十分注意をはらう必要があります。　大がかりな試作のわりには水分検知器程度の玩具のようなものが出来ました、一応機能はしますが参考にされる場合は自己責任でお願いします。