地盤工学 / 土壌熱伝達経路解析 – Hukseflux Thermal Sensors

土壌の熱経路調査

インフラを設計する際、土壌の熱特性が重要な役割を果たすことがあります。熱伝導率は、材料の特性の一つです。これは、定常状態における材料の熱伝導率を表します。

土の熱伝導率は、例えば、次のような設計の際に重要です。

高圧電線による電力輸送
加温された油の輸送
地熱暖房システム

プロジェクトの設計段階において、多くの場合、経路全体またはその場所の土壌の熱伝導率が測定されます。

測定対象

測定値は熱伝導率（W/(m·K)）である。ユーザーはこれを「K値」と呼ぶこともある。また、熱抵抗率と呼ぶ人もいる。後者は、単に熱伝導率の逆数（(m·K)/W）である。

土壌の熱伝導率を測定するための規格があります。最も一般的に使用されているのは

ASTM D5334-14 熱的ニードルプローブ法による土と軟岩の熱伝導率の測定に関する標準試験方法
IEEE Std 442-1981（2003年再確認）、土壌の熱抵抗測定に関するIEEEガイド

どちらの方法もサーマルニードルを採用しています。これらのニードルは、土壌に挿入されます。

想定される測定；

フィールドで、要求された正確な場所で、現地の条件下で測定する。
実験室で、現地で採取した試料を使用し、採取時の現地条件を可能な限り再現して測定する。
実験室で、現地で採取した試料を使い、試料を飽和させ、乾燥させる。

採取の際、他のパラメータもメモしておくことが望ましいです

密度
土壌の種類

測定後、特に実験室では、多くのユーザーが以下を判断する。

乾燥密度
採取後の密度と乾燥密度から計算した、採取時の試料の含水率。
場合によっては：乾燥と飽和の2つの極限状態における熱伝導率
場合によっては、IEEE P 1254に準拠した土壌の熱安定性

高圧電力ケーブルの準備に際しては、プラスチック絶縁体の温度を 80 ℃以下に保つことが主な考慮点です。最も危険な状況、すなわち乾燥した土壌の熱伝導率を設定することが重要です。

仕様

土の熱伝導率は以下の特徴を持っています

土壌の熱伝導率は、土質、密度、含水率に依存する
温度依存性は 0.1 %/K のオーダーで小さい。
乾燥状態から水分を加えると、熱伝導率の変化は土壌水分率(質量比)が10%までは急で、それ以上では緩やかになる。
含水率に対する変動は、砂が最も大きく、粘土は小さい。ロームはその中間に位置する。これは粒子の熱的性質と粒子形状に関係する。
岩石が混在し、粒子が小さい土壌は、ニードル法では分析が困難である。しかし、ほとんどの固い岩石は飽和土壌よりも熱伝導率が高ため、通常の測定では熱伝導率が過小評価されてしまいます
測定時間は10分程度かかります

Table 1 ：土壌の熱伝導率例　単位：W/(m·K)

粒状土（様々な種類）
飽和土壌	0.6 to 4
乾燥土	0.15 to 0.25
砂（湿潤）	0.25 to 2
砂（飽和）	2 to 4
粘土質（乾燥～湿潤）	0.15 to 1.8
粘土（飽和）	0.6 to 2.5
有機物を含む土壌	0.15 to 2
岩石	2 to 7
凝灰岩（多孔質火山岩）	0.5 to 2.5

ニードル測定について知っておくべきこと

ニードル測定は、土壌に針を刺し、段階的に定電力加熱したときの温度と時間の過渡変化を測定するものである。絶縁性土壌の場合、導電性土壌よりも温度上昇が速い。
ニードル法は、針の直径よりも小さな粒子径を持つ均質な土壌に最も適している（< 6 x 10-3 m）。
ニードルが土壌によく接触し、動かないようにする必要があります。
局所的な水分の蒸発がないように、低電力で測定する必要があります。
硬い土壌やコンクリート、セメントを測定する際には、ガイドチューブなどの特別なアクセサリーを使用することができます。
一般的な測定は、測定精度の検証から始まります。
現場での測定精度は10％程度、実験室ではそれ以上の精度が期待されます。
データを視覚的に分析する必要があります。これは規格で要求されていることです。測定システムの標準偏差の表示は、あくまでも目安です。

センサーや計測システムの選択

典型的なチェックリストです。

アプリケーションは何か？現場か、実験室か、それとも複合的な使用か？
要求される精度：高いか低いか
どのように測定するのか（現場での正確な位置、現場での試料、研究室での測定）。
陸上または海上での作業か？
どのような深さで測定するか？
特別な実験要件は？
使用可能な試料の寸法は？
測定に必要な温度範囲は？
要求される精度は？
密度や熱容量など、他に測定しなければならないものはあるか？

私たちが貢献すること

ハクセフラックス社は、20年以上にわたって土壌の熱伝導率測定センサーとシステムを設計してきました。その間に、多くのセンサーを製品群に追加してきました。

ハクセフラックス社は以下の測定システムを提供しています。

FTN02: 100%フィールド測定器
MTN02: フィールドとラボの複合使用向け
TPSYS02: 一般的に実験室向けの科学計測システムですが、軟質堆積物やドライアウト実験のみを行う場合にも有効です。

TP07 (MTN02で使用)、TP08、TP02の熱針には、ステンレス製の「ガイドチューブ」を用意しています。このチューブを使用することで、セメントやサーマルバックフィル（重粘土）、乾燥した土壌などの硬い材料でも、試料に設置して測定することが可能です。

全てのモデルには校正用リファレンスシリンダーが用意されており、トレーサブルな基準物質（キャリブレーション用コラム）を提供します。また、フィールドやオフショア用にカスタム設計されたモデル（ヘビーデューティー、耐圧）の供給も可能です。

TP02とTP08は、可能な限り高い測定精度を提供するために、主に研究室での使用を目的としています。屋内測定用ですが、TP02とTP08は屋外に持ち出して現場でテストすることも可能です（ただし、操作には注意が必要です）。堆積物のような柔らかい土壌での操作は簡単です。硬い土壌では、穴をあらかじめ開けておくか、ガイドチューブを使用する必要があります。TP02と小型のTP08は、単一のニードルとして、または完全な計測システムTPSYS02の一部として購入することができます。モデルTP02またはTP08は、ほとんどの測定室で見られる「標準的な」電子機器を使用して操作することができます。ユーザーは、どのプローブを使用するか慎重に検討する必要があります。標準モデルはTP02です。これは、最高の精度と外部影響に対する最小の感度を提供し、高温または低温で最高の性能を発揮します。TP02の試料サイズ（通常150 x 10-³ mの高さ）が入手できない場合、TP08の使用を検討する必要があります。TP08はTP02より短いですが、一般的な動作はTP02と同じです。TP08 を使用するために、専用のサンプルコンテナ（TP08-CO）が用意されています。TP08は、洋上実験での堆積物コアの分析にもよく使われます。コアの側面からTP08を挿入することができる場合が多いようです。

フィールド実験用に、Hukseflux社はFTN02、MTN02、およびこれらを組み合わせたTNS02という測定システムを提供しています。これらの「ヘビーデューティー」システムは、柔らかい土壌だけでなく硬い土壌の貫通にも適した頑丈な熱針を備えています。FTN02システムは、現場での使用、特に高電圧ケーブルの調査（施工前）用に設計されており、通常、土壌表面から1.5mの深さで測定します。FTN02には長さ1.4mのランス（モデルLN02）があり、その先端には非常に頑丈な（直径6.3 x 10-³ m）針（モデルTP09）が装着されています。溝を掘る代わりに杖を使用することで、時間を節約することができます。MTN02システムは、野外実験だけでなく、実験室での実験にも適しています。直径3.5×10-³ mの針（モデルTP07）が小型挿入工具（IT03）に取り付けられています。TP07とTP09はTP02やTP08よりも頑丈ですが、測定精度はかなり低くなります。

Huksefluxは熱伝導率測定におけるリーディングカンパニーです。私たちは以下を提供します。

サポート：お客様のアプリケーションに最適なセンサーやシステムの選択をサポートします。
確かな性能：ほとんどのアプリケーションで実績があります。
ワールドワイドなサポート：主要な経済圏でスペシャリストが対応します。
規格に準拠。ieee, astm, …
価格と性能のバランス：レンタルシステムもあります。
トレーサビリティ: 国際標準に準拠した計量トレーサビリティー
トレーニング

当社のセンサーセレクションをご覧ください。

メリット

Huksefluxは熱伝導率測定におけるリーディングカンパニーです。私たちは以下を提供します。

サポート：お客様のアプリケーションに最適なセンサーやシステムの選択をサポートします。
確かな性能：ほとんどのアプリケーションで実績があります。
ワールドワイドなサポート：主要な経済圏でスペシャリストが対応します。
規格に準拠してます。IEEE, ASTM, …
トレーサビリティ: 国際標準に準拠した計量トレーサビリティー
トレーニング

詳細については各センサーのページをご覧ください：