葉濡れセンサーの塗装と校正がうまくいかない理由

Why painting and calibrating your leaf wetness sensor won’t work

センサー表面の相対湿度RHs)が90%以上の場合 (RHs)が90%を超えると、塗装された葉濡れセンサーによって偽陽性が登録される。

貢献者

葉面湿潤と植物病害の研究のリーダーたちによる多くの研究が、正確な測定のためには葉面湿潤センサーを塗装し、校正する必要があることを示唆している(例えば、Gillespie and Duan, 1987; Lau et al, 2000; Sentelhas et al.)

標準的な抵抗グリッドの葉濡れセンサーでは、水滴がグリッドの2本の指の間のギャップを橋渡しし、実効抵抗を下げるのに十分な大きさになったときのみ、濡れが感知される。研究者たちはずっと以前からこの事実を認識しており、センサーが露の発生に典型的な小さな水滴を検出できるような方法を考案しようと試みてきた。その方法は、センサーの上に布を敷く方法から、センサー表面にラテックス塗料を塗るという現在の標準的な方法まで様々であった。ラテックス塗料を塗るという方法は、実際に水がトレースを橋渡しするのではなく、濡れるとラテックス塗料自体の抵抗値が変化し、プローブの出力が変化する。

ペイント法では偽陽性が生じる

しかしこの方法には、多くの研究者が気づいていないであろう大きな欠点がある。ラテックス塗料が水を取り込んで抵抗変化を起こすためには、もともと吸湿性でなければならない。ほとんどの吸湿性材料と同様、ラテックス塗料は水がどのような状態にあるかには無関心であり、液体の水と同じように容易に水蒸気を吸収する。GillespieとDuan(1987)とSentelhasら(2004)は、ラテックス塗料を焼成して吸湿性成分を除去し、センサーを水蒸気に対する感度を低くすることで、この影響を最小限に抑えることができると提案している。しかし、この特殊なプロトコルでも水蒸気の影響を完全に取り除くことはできない。

Gillespie and Duan (1987)に従い、ラテックス塗料を塗って焼成した標準的な抵抗グリッド式葉濡れセンサーでフィールドデータを収集した。葉濡れセンサーに隣接して気温と相対湿度(RH)を測定し、葉濡れセンサー自体の温度を細線熱電対で測定して、センサー表面の相対湿度(RHs)を計算できるようにした。図1は、センサーの抵抗値をRHsに対してプロットしたものである。この特定のセンサーの場合、乾燥抵抗は約7000kΩであり、この基準値以下の抵抗は一般的に湿潤センサーを示すと考えられる。このプロットから明らかなように、注意深く処理され焼成されたセンサーでさえ、相対湿度約70%を超えると偽陽性の結果を出し始める。実際、図1から明らかなように、RHsが90%を超えると、塗装済みプローブでは常に偽陽性が記録されます。

A graph showing grid resistance of a painted, baked resistance type leaf wetness sensor as a function of sensor surface relative humidity (RHs)
図1.塗装した焼き付け抵抗式葉濡れセンサーのグリッド抵抗値とセンサー表面の相対湿度(RHs)の関係。データは2005年の夏から秋にかけて60日間にわたって収集された。降雨と露のイベント中およびイベント後の期間は慎重にデータセットから削除されたため、基準値7000 kΩ未満の抵抗値は偽の液体水イベントである。

研究者の中には、塗装された各センサーを個別に校正することで、図1で明らかな吸湿効果に対抗している者もいる。一般的な校正方法のひとつは、各センサーを等温容器に密閉して水溜めに入れ、その結果生じる100%RH条件下での平衡状態でのセンサー抵抗を記録することである。この値を新しい基準値とする。想像できるように、これは面倒で時間のかかる作業である。

塗装も校正も不要な新方式

最近開発された葉濡れセンサー(PHYTOS 31、METER)は、表面の濡れを測定するために異なる方法を使用している。金属グリッド・フィンガー間の抵抗を測定する代わりに、このセンサーはセンサー表面の誘電率を測定する。誘電体法では、液滴は隣接するトレースを橋渡しするほど大きくなくてもよいので、液滴の大きさに関係なく、プローブ表面のあらゆる量の液水が測定される。このため、センサーを塗装する必要がない。

広範なテストにより、約98.5%RH以下では吸湿の影響はなく、98.5%と飽和の間でも偽陽性値として登録されるほど大きくないことが示されています。また、誘電葉湿度センサーは工場出荷前に個別に調整され、各センサーが正確に同じ値を読み取るため、ユーザーによる校正の必要はありません。図2と図3は、典型的な夜露の発生時に、それぞれ塗装された抵抗グリッドセンサーと誘電体葉濡れセンサーで収集されたデータを示しています。図2から、塗装センサーの吸湿応答は、塗装後にセンサーを個別に較正しなければ、葉濡れ持続時間(この場合、1.5時間以上)の大幅な過大評価につながることが明らかである。図3は、ユーザーによる塗装や較正のない誘電性葉濡れセンサーで収集された同じ露イベントのデータです。誘電葉濡れセンサーは葉濡れ時間を5分過小評価している。

A graph showing grid resistance and surface relative humidity of a painted, baked resistance grid leaf wetness sensor over the onset of evening dew
図2.夕露の発生に伴う、塗装した焼き付け抵抗グリッド式葉濡れセンサーのグリッド抵抗と表面相対湿度。破線の水平線はセンサーの乾燥抵抗を示し、その閾値より小さいものは表面湿潤を示す。縦の実線は、100%RHが存在し、露がセンサー表面に形成され始める時間を示す。破線と実線の間のグレーゾーンは、グリッドセンサーが液体の水の存在(表面湿潤)を出力するが、何も存在しない時間を示す。
A graph showing sensor output and surface relative humidity of an out-of-the-box dielectric leaf wetness sensor over the onset of evening dew
図3.夕露の発生に伴う、既製品の誘電体葉濡れセンサーのセンサー出力と表面相対湿度。破線の水平線はセンサーの乾燥ベースライン出力を示し、その閾値より大きいものは表面湿潤を示す。縦の実線は、100%RHが存在し、センサー表面に露が形成され始める時間を示す。破線と実線の間のグレーゾーンは、誘電センサーが液体の水の存在(表面湿潤)を出力するが、何も存在しない時間を示す。

上に示したデータは、新しい誘電葉濡れセンサーが、塗装や焼き付け、個別校正の煩わしさがなく、未塗装または塗装・未校正の抵抗グリッド葉濡れセンサーよりも正確な結果を提供するという説得力のある論拠となる。

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参考文献

Gillespie, T. J., and R-X.Duan."表面湿潤期間のための円筒形センサーと平板センサーの比較".Agricultural and Forest Meteorology40, no:61-70.記事のリンク

Lau, Yewah F., Mark L. Gleason, Narjess Zriba, S. Elwynn Taylor, and Paul N. Hinz."コーティング、展開角度、コンパスの向きが、露期間中の電子湿潤センサーの性能に及ぼす影響".Plant Disease84, no:192-197.記事リンク(オープンアクセス)

Sentelhas, P. C., J. E. B. A. Monteiro, and T. J. Gillespie."電子式葉濡れ期間センサー:なぜ塗装すべきか".International Journal of Biometeorology48, no.4 (2004):202-205.記事のリンク

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