樹液流計測について―グラニエセンサーの自作法―

10/12/2003　　　　　　　　　　.

10/28/2006改訂　　　熊谷　朝臣

 

本編は、「樹液流計測について―グラニエ法の理屈―」の続編です。ここではグラニエセンサーを自作する方法について書きます。高価なグラニエセンサーも、自作すれば１組当り数百円でできてしまいます。前編の最後の方で述べたように”複雑地形上の森林の蒸散”を精度良く知るためには、グラニエセンサーを大量にばら撒く必要がありますが、それは、この”自作”によってはじめて可能になると思います。

 

本稿は、Nathan Phillips博士（現Boston University）がDuke Universityの後輩達に残した（教育的）資料「Granier sapflow sensor construction notes」から多くを引用しています。また、私が実際にセンサーを作成するに当って、Ram Oren教授（Duke University）の研究室の学生さん達に、本当にお世話になりました。特にChristopher OishiとJoshua Uebelherrには、私が納得いくまで懇切丁寧に教えてもらいました。ここに記して、深い感謝の意を表します。

 

さて、グラニエ法による樹液流計測システムは大きく、センサー部（あの２本の針みたいなヤツのことですね）とヒーターに安定した電力を供給するためのパワーボードの２つの部分に分かれます。

 

まずセンサー部の工作について説明します。実際の手順で、どんどん説明していきましょう。以下は１組のセンサー（１本の木の樹液流速を測るのに必要なセンサー、つまりヒーター付きセンサー（HS）とリファレンスセンサー（RS）（前編を参照のこと）の２本のセンサーという意味）を作る手順です。

 

まず、針部の細工からです。私はテルモのステンレス注射針（19G×１1/2”）を使ってます。材質とサイズがこれと同じなら、別に他のメーカー製でも構いません。そうそう、工具としてホビールーターと切断砥石が必要です。あと、防護メガネと防塵マスクをつけて作業すべきです。おいおい分かりますが、切断した針や細かい金属塵が飛んできて健康に悪いだけでなく、結構危険です。

１．HSの場合、注射針の（針だけの）根元から10mm、21mmのところにマジックで印をつけます。RSでは、10mm、20mmのところになります。そして、21mm（HS）、20mm（RS）のところから針を切り落とします。”21mm”の余分な1mmは、後でヒーター線を巻きつけるときに重要な意味を持ちます。気をつけておいてください。

２．HSの先端の“余分な1mm”にノッチを作ります。あと、針の根のプラスチックの部分（これから先、”ベース”と呼びます）に小さな穴を開けときます。他の注射針を使うのが便利です。この穴にはヒーター線（後述）が通ります。

３．HS、RSともに10mmのところに穴を開けます。このとき、穴が大きすぎると針自体の強度が弱くなります。気をつけて下さい。あと、作業でできたケバケバや削りカスはヤスリできれいにしておいてください。最後に、注射針の内側を細い鋼製の針で、滑らかにしておいて下さい。そうしないと、熱電対やヒーター線（後述）が針の中をうまく通りません。

細工の完了した注射針は、図１のような感じになります。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

図１．細工後の注射針の様子（RSとHS）

 

次は、熱電対とヒーター線の細工です。熱電対には銅−コンスタンタン線、ヒーター線にはコンスタンタン線を使います。それぞれOmega Engineering社製のTT-T-36、TFCC-005を使います。これ以外の製品を使った場合スペックが変わると思うし、だいたい、針の中に線が通らなくなると思います。これらの製品は、銅線やコンスタンタン線自体が細いだけでなく、その皮膜が薄くて強いのが自慢です。あと、超重要なこととして“貝印”でも“フェザー”でも良いですからカミソリが必要です。カッターでやると線を一杯無駄にすることになると思います。ご注意を。

 

１’．ヒーター線であるTFCC-005を50cmの長さで切ります。両端の皮膜を1cmほど取って裸線にしときます。

 

１．熱電対になるTT-T-36を15cmの長さで切ります。

２．TT-T-36は皮膜付きの銅線と皮膜付きのコンスタンタン線を２本まとめてさらに皮膜で覆った形になってます。ここで、一番外側の皮膜を丁寧に取り除きます。つまり、細ーい皮膜付き銅線（CU）と皮膜付きコンスタンタン線（CO）が別々に誕生です。

３．CUもCOも両端の皮膜を1cmほど剥きます。そしてCU、COのお互いの端っこを、きれいによじります。

４．この“よじり”をはんだ付けするのですが、はんだは薄く、なおかつしっかりとつけなければなりません。はんだが玉になったりすると針の中（特にHS）を熱電対が通らなくなります。気を付けねばなりません。

５．はんだ付けされた“よじり”を1mmほど残して切り落とします。これで熱電対接点が出来上がったはずです。

６．線の端の方で皮膜がケバケバになってたりしますと、これが邪魔になって熱電対が針の中を通らなくなることがよくあります。不精せず、きれいにしときましょう。

７．最後に、この熱電対接点の抵抗を測ります。抵抗値は３〜50Ωの範囲に入るはずです。この範囲に入らない場合、あなたの作った熱電対接点は失敗作です。

熱電対接点作成の様子は、図２のような感じになります。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

図２．熱電対接点作成の様子

 

さて、センサーの組み立てに入ります。まずHSの組み立てについて説明しましょう。必要なものは、瞬間接着剤（実は、最重要項目。私はアロンアルファ一般用を使っている）、熱伝導性シリコン（私は、サンハヤト社のSCH-20を使っている）、アルミニウムチューブです。アルミニウムチューブはサイズが外径3/32”、壁厚0.014”であればどこで買ってもいいのですが、私が知る限り、このサイズのアルミニウムチューブはSmall Parts, Inc.（www.smallparts.com）でしか手に入りません（でも、日本からでもキャッシュカードで簡単に買えます）。

 

１．熱電対接点のコード側とヒーター線を束ねて、針の先端から突っ込みます。

２．３本線がベースから出てくるはずです。この３本を、接点部（はんだがついている所）が針の真中の穴の位置に来るまで引っ張ります。こんな感じ（図３）になってるはずです。

 

 

 

 

 

 

図３．作りかけのHS―１

 

３．針の中央の穴から瞬間接着剤を一滴ずつたらします。すると毛管力で針の中に瞬間接着剤が入り込んでいきます。瞬間接着剤が完全に固まる前に、針部と熱電対接点のコード側（どちらでも良い）の裸線をテスターで繋ぎます。つまり、接点が針に触れていないかを調べるのです。触れていたらダメです。接点を千枚通しで押すなり、コードを動かすなりして触れないように直してください。触れなくなったら、瞬間接着剤を中央の穴が埋まるまで流し込んでください。あとは、接着剤が乾くまで待ちます。焦ってはダメです。

４．カミソリで針についた瞬間接着剤カスを削り落します。特に針中央部の瞬間接着剤の塊はきれいに針と連続するよう整形してください。次にヒーター線を針に巻きつけて、さらにその上にアルミニウムチューブを被せるのですが、このチューブに針＋ヒーター線が入らなくなります。注意！です。さて、針先端のノッチのところからヒーター線を針に巻きつけます。巻きつけて余ったヒーター線はベースの穴からベースの内側を通して外に出します（結果、４本の線が束ねられることになります）。こんな感じ（図４：大サービス、写真です）になります。あと、ベースの穴に瞬間接着剤をたらし込んどきます。

図４．作りかけのHS―２（デジカメ写真：Special Thanks 内海さん）

 

５．巻きつけたヒーター線（コイル部と呼びます）の表面に熱伝導性シリコンを塗ります。そして21mmの長さに切ったアルミニウムチューブをコイル部に被せます。アルミニウムチューブの両端に補強の意味で瞬間接着剤をつけときます。

６．最後にベースの内側にシリコン（これは普通の奴で良いです）を流し込んで、ベースを埋めてしまいます。シリコンが乾くまで触っちゃダメです。

 

RSの工程は、以上のHSの工程からヒーター線の部分を除いただけで、あとは全く同じです。あと、アルミニウムチューブは20mm（HSは21mmでしたね）の長さのものを使います。ただし、チューブを被せるのは、実際にセンサーを木に挿すときです。そのときは、もちろん針に熱伝導性シリコンを塗ったくります。楽勝ですね。

 

最後にHSの抵抗値を決めなければいけません。HS（正確にはHSのコイル部）には正確に0.2Wのジュール熱がかけられなければならないのですが、そのためにはコイル部の抵抗値を知った上でHSに流す電流を決定する必要があります（電流の方はパワーボード（後述）で調整します）。・・・という訳で、HSのコイル部の抵抗値を決める手順です。

１．テスターを使って、ベースから出ている２本のヒーター線の両端で抵抗値を測ります。20Ω程度になるはずです。この値をR_total（Ω）とします。

２．コイル部に含まれていないヒーター線の長さ（２本の線の合計になりますから、注意して下さい）を測ります。これをL（cm）とします。このヒーター線（TFCC-005のことです）の長さ（cm）当りの抵抗値は0.4（Ω／cm）です。よって、コイル部に含まれないヒーター線の抵抗値R_lead（Ω）は0.4×Lで表されることになります。

３．もうお解かりですね。コイル部の抵抗値R_coil（Ω）はR_coil＝R_total−R_lead＝R_total−0.4×Lで計算されます。ここで求まったR_coilはそのHS特有の値です。ベースのところに油性マジックでR_coil値を書いといてください。わかんなくなったら大変ですよ。あ、あとR_coilは大体12〜13Ωくらいになると覚えておくと便利です。

 

パワーボードの作り方は次で説明するとして、ここで、パワーボードからHSに供給する電流の調整手順を説明しときます。パワーボードはHSに電流を流し、またその電流を調節可能な代物である、ということを前提としときます。

１．１つの電力供給ユニットは図５のように、３つのHSをコントロールします。当たり前ですが、３つのHSに流れる電流は共通です（I（A）としておきましょう）。各HSのコイル部でのジュール熱は全て0.2Wでなければならないのはわかりますね。つまり、これら３つのHSのコイル部の抵抗値（R_coil（Ω）ですね）は全て同じでなければならないのです。前に作ったHSのR_coil値をベースに書いとくよう言いました。ここで、その値を使って、同じR_coil値のHSを３つセットで揃えとかなければなりません。

２．さて、３つのHSを実際にパワーボードにつなぎます。で、電圧をかけます。そのときの電流値I（A）をテスターで測ります。0.2W、R_coil（Ω）が既知ですから、

　　　　　　　（１）

により必要なI（A）がわかります。テスターを見ながら、パワーボードの電流を調整してください。Iは大体0.12Aくらいになるはずです。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

図５．パワーボードとHSの配置

 

 

さて、パワーボードを作っていきましょう。これが無くてはグラニエ法は成立しません。頑張りましょう。大変そうですが、“電気に弱い”という人も、もう何も考えず指示通りバカ正直に作ってみてください。動きゃいいんです動きゃ。実際Ramの研究室の学生さん達も回路の意味については全く理解していませんでした。

 

パワーボードは、図５のユニットが並列で幾つか集まった形をしています。私が普段作るパワーボードは図５のユニットが10個、つまり30個のHSを制御可能なものです。以下では、1つのユニットを作るためにどうすれば良いかを説明します。つまり、以下で挙げる材料も1つのユニット分の材料です。あとはお好きにどうぞ（とにかく並列に繋げば良いんです）。

 

必要な材料リストを示します。各電子部品に番号が付いてます。これは回路図（図６）中の電子部品の番号に対応してますから、注意しておいてください。そうそう、基盤が必要なのは言うまでもないですね（私は23cm×11cmを適当に切るなりそのまま使うなりしています）。

１．1/2W、12Ω固定抵抗×１

２．1/2W、47Ω固定抵抗×１

３．1/2W、180Ω固定抵抗×１

４．1/2W、１kΩ可変抵抗×１

５．25V、220μF電解コンデンサー×１

６．1.2-37V、1.5A、TO-220レギュレーター（LM317Tと言えば買えるはず）×１

７．１A、50Vダイオード×２

８．１A、250Vヒューズ×１

９．ヒューズホルダー×１

１０．       ６点のターミナルブロック×１（例えば、CR10なんかで入力の電線を繋ぐネジ式のアレですよアレ。アレを６点分揃えて下さい。）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

図６．パワーボードの回路図（但し図５の１ユニット分）

 

何も考える必要はありません。とにかく図６の回路図に従って組み立てて下さい。それだけです。時間に余裕のある人はこの回路について考えてみるのも良いでしょう（そんな事は本題ではないのでお薦めしませんが・・・）。図６は図５に示したユニット（HS×３センサー分）１つ分の回路図です。図６の「並列ユニットへ」にこの回路と全く同じモノを組めばもっと多くのHSを制御できます。ただ、そのときバッテリーを使うのでしたら電気のヘタリ具合をきちんと見積もっといた方が良いでしょう。

 

 

最後に、グラニエセンサーを実際に木に挿すときの手順を説明します。前編「樹液流計測について―グラニエ法の理屈―」にはセンサーを実際に木に適用する場合の注意点が一杯書いてあります。以下の手順について、その理由がわからない場合は、これを参照してください。

１．10〜15cm離して、２箇所で直径１〜２cm程度で樹皮を剥ぎます。位置は胸高にこだわる必要はありません。高い位置の方が、樹液流速分布の変動は小さくなることを覚えておくと便利です。

２．上記の２箇所に直径2.5mm、深さ22mmの穴を開けます。

３．まず、RSの針部に熱伝導性シリコンをつけてその上にアルミニウムチューブを被せます。このRSを下側の穴、HSを上側の穴に埋めます。

４．HS、RSの熱電対接点のコンスタンタン線（TT-T-36の場合、赤コードになります）を繋ぎます（絶縁も忘れずに）。

５．これで、HSとRSから成る一組のグラニエセンサーから出てるコードは、熱電対出力の２本（TT-T-36の場合、青コードになります。当ったり前ですが、HSから出てる線の方がプラス出力になります）とヒーター線入力２本の計４本になります。ぜひ、４線式の頑丈な皮膜付きケーブルを手に入れてください。センサーから出てる４本の線をケーブルに繋ぎます（やっぱり絶縁も忘れずに）。

６．樹皮が剥けて材がむき出しになってる部分をシリコンで埋めて、センサーを固定します。これをやらないと、“蜜”が出てきて、虫がやってきて、えらいことになります。次にカバーをセンサーにかけて、日射や水からセンサーを守ってください。カバーの意味に関する詳細な説明が前編にあります。参照してください。カバーと樹皮との間をシリコンで埋めて下さい。

７．ケーブルの線を、それぞれデータロガー、パワーボードに繋ぎます。データロガーについては問題無いでしょうが、パワーボードへの電気は12〜13VDC（カーバッテリーもしくはACアダプターを使うことになります）ですから、お間違えなく。

 

これでグラニエ法に関する解説（前・後編）は終わりますが、言うまでも無くグラニエ法自体は単なる手段です（まあ、“より正確に測る方法を探る”、という研究はありえますが）。樹液流計測自体は重要なものではありません（“勉強をするのに紙と鉛筆を手に入れる”という意味では重要ですが）。「樹液流計測から得られるデータを使って何を知りたいのか？」、これが一番大事です。勘違いしている人が結構多いので、ここで書いてみました。「そんなことは当ったり前じゃい！」という方に対しては、失礼いたしました。

では、成功を祈ります。

 

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