SQUID磁束計によるインピーダンス計測システムの災害時土壌特性評価に関する研究

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K01268
• Research Institution: Kushiro National College of Technology
• Principal Investigator: 松本 和健 釧路工業高等専門学校, 創造工学科, 教授 (30342439)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 坂口 直志 釧路工業高等専門学校, 創造工学科, 教授 (80225789)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 土砂災害 / 土壌インピーダンス / 四探針法 / SQUID磁束計 / 磁気シールド / 極低温アナログスイッチ

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，土砂災害の発生予防評価手法の提案と実証試験による適用可能性の検討を行っている。土壌インピーダンスの評価手法は，土壌表面から数mの範囲を四探針法により，10mから数百mの範囲をSQUID磁束計によるRMS法によって評価する。本研究の主たる目的は，土壌の複素インピーダンスを測定することにより，土壌の粒形と含水率を評価できることを提案することと，その結果が土砂災害の評価に有益な情報を提供できるかについて検証することを目的としている。
平成30年度までの四年間の研究実績は，一昨年度の研究計画の変更及び，予定していた今年度の屋外測定が台風及び地震災害等のため，十分な実証結果を得ることができなかったことに伴い外部に公開するまでに至らなかったため期間延長申請した。そこで今年度までに不足した実証試験を次年度に実施し，その結果に基づいて以下の研究内容で成果をまとめるとともに論文公表する予定である。
四探針法による土壌のインピーダンス計測は，土砂災害と土壌粒形の関係を明確にするために，複素インピーダンスの評価手法に基づいて実地試験を行った。研究内容としてはボーリング調査により地層データの推定可能な地点での四端子法に依る電気探査を実施し，土壌の複素インピーダンスのデータを取得した。天候が晴天と雨天時のデータを比較することにより，土壌の含水率をパラメータとして複素インピーダンスの評価手法と位相情報の利用可能性を実証試験から解析する手法に取り組んでいる。
SQUID磁束計によるRMS法に関連して，検出コイル設計，SQUID磁束計の駆動回路の広帯域化に関する回路設計と実証試験，信号処理手法について検討を行った。特に，液体窒素中で動作可能なアナログスイッチデバイスの選定のための実証試験を行い，MEMSの試作回路を作成し，高周波信号伝送の実用可能性を検討している。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

四探針法による土壌のインピーダンス計測では，地下の土壌層構造が明らかになっている場所で屋外測定を行い，10 [Hz] ～ 100 [kHz] の範囲で見かけ抵抗率の大きさと位相データを計測した。晴天時と雨天時の同一地点のデータから，土壌の含水率が複素インピーダンスに与える影響についてデータ解析を行っている。具体的には，土壌インピーダンスの逆解析手法と，複素インピーダンスの周波数特性から推定される土壌モデルのRLC電気回路モデル解析を行い，土壌の含水率と粒形が，回路パラメータの値と対応付けて解析可能かについて検討中である。現在の所，雨天時及び，雨天後の見かけ抵抗率の計測において，晴天時の場合と比較して複素インピーダンスのピーク周波数の高周波へのシフトと，低週数側で誘導性位相，ピーク周波数より高周波数側で容量性位相へのシフトを観測している。この周波数特性から，電気回路のRLCモデルを推定し，土壌中の分極とイオンの移動伝導性への対応付けから，含水率と粒形の解析を検討する。但し，現時点では同一地点での晴天時と雨天時のデータ量が不足しているため次年度も引き続き現地データの取得とその分析を継続する予定である。
SQUID磁束計によるRMS法に関連して，MEMSについて利用に関して検討を行い，100[kHz] 以上の高周波信号の伝送特性が良好であることを評価した。但し，液体窒素中で，MEMSに内蔵されている昇圧回路の動作が不安定になる場合があり，今後，その対策の検討とシステム構成に最適なデバイスを決定する予定である。
今回製作予定の試作機に用いる磁気的アクティブシールドは，磁界作成に影響の大きい最も内側のコイルの寸法を大きくした場合に，より寸法変化によるシールド性能劣化が小さいことが確認された。今後，よりロバスト性の高い構成方法に基づいて試作機の評価を行っていく。

Strategy for Future Research Activity

四探針法による土壌のインピーダンス計測では測定系のシステム構成と現地での計測手法が確立したので，次年度も引き続き，土壌の粒径と水分含有量などと複素インピーダンスのパラメータとの相関関係を明確に実証するために含水率の比較可能な屋外データを取得する。また，複素インピーダンスの解析については，RLC電気回路による等価回路を適用して周波数特性を再現できることが判ったので，R，L，Cの推定値がそれぞれ土壌の粒形と含水率の評価に役立つことを実証する。また，土壌複素インピーダンスの逆問題解析手法について検討を進める。この土壌の複素インピーダンス評価手法を用いて，インピーダンスの位相特性と土壌パラメータの関係を明確にし，実地調査による本手法の災害評価利用技術としての実証試験を行う予定である。また，得られた結果は論文公開する予定である。
SQUIDによるRMS探査法の実証試験を二個から一個に変更して実現することにした。SQUIDセンサーが二個必要な理由は，RMS法によるインピーダンス測定のために土壌での表皮効果による電磁波の水平磁界成分の勾配計測（磁界の空間微分）が必要なためである。そこで本研究で実現する試作機段階として，リアルタイムでの計測は不可能となるが，センサーに接続される検出コイルの切り替えをMEMSのスイッチングによる時間的分離によって空間微分を行うことで実証試験を行う。
シールド方法については，磁気補償コイルのロバスト性も含めた最適設計が完了次第，試作機の作成に取り掛かる予定である。現在マルチコイル構成の最も内側のコイルのサイズを大きくした方がロバスト性に優れることが判っているが，目標とするシールド性能を満たしていない。この問題を解決するようにコイルサイズ等のパラメータの最適化を行い，実証試験を行う予定である。

Causes of Carryover

一昨年度，当初の計画から研究内容の一部に変更があり（2016年度報告書に記載），当初の計画以上に研究遂行に時間を要した。また，今年度計画していた現地での評価実験が自然災害により大部分を遂行できなかった。具体的には，今年度の9/3～9/6に実施した実地での実証試験が，9/4～9/5に北海道に上陸した台風21号の影響で実験不可能であったことに加え，9/6の胆振東部地震の影響で実験不可能となった。そのため今年度は次年度への延長申請を行った。
翌年度も継続して，現地での評価データの取得をするとともに，得られた土壌の複素インピーダンスのデータ解析及び評価も行う。従って，現地実験のための旅費及び消耗物品費と，得られた成果の公表に助成金の残額を使用する予定である。