JP2004093493A - 成分解析装置及び成分解析システム - Google Patents
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Abstract
【課題】センサ部の設置が容易であり、またセンサ部の再利用が可能な成分解析装置及び成分解析システムを得る。
【解決手段】電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ部３を、１つの支持部材３１に複数のセンサ素子３０を設けた構成とする。この構成によれば、成分解析手段はセンサ部が検出する振動周波数特性の変化からセンサ部に接触する、例えば水や氷の違いが判定できると同時に、複数のセンサ素子の計測から氷厚や水位を測定することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ部３を、１つの支持部材３１に複数のセンサ素子３０を設けた構成とする。この構成によれば、成分解析手段はセンサ部が検出する振動周波数特性の変化からセンサ部に接触する、例えば水や氷の違いが判定できると同時に、複数のセンサ素子の計測から氷厚や水位を測定することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばプレキャストコンクリートで作られた型枠へのコンクリートの充填状況を検知することができる成分解析装置及び成分解析システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建築物の構造体には、プレキャストコンクリートで作られた型枠（以下、プレキャストコンクリート型枠と呼ぶ）の内部に鉄筋を配し、そこへコンクリートを充填する方法が採られている。
近年、デザインの多様化などからプレキャストコンクリート型枠の形状も複雑になり、その複雑な形状の末端部までコンクリートが正しく充填されているかどうかを非破壊検査で容易に検出することができる方法が望まれている。
【０００３】
従来、例えば、特開平６−２２９９６８号（特許第２８３６７９９号）公報や特開平１０−１９７４６７号公報が開示されているが、いずれも２つの電極（センサ部）をプレキャストコンクリート型枠内に配置してその２本の電極にコンクリートが接触した際に発生する電位を検出してコンクリートが充填されたことを検知するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の成分解析装置にあっては、センサ部を予め型枠内の鉄筋部やコンパネ部に接着剤、固定ベルト、粘着テープ等の固定部材を用いて取り付ける必要があり、作業性が悪いという問題がある。
また、コンクリートの充填後は、センサ部を取り外すことが容易でないため、センサ部の再利用が困難であるという問題もある。
【０００５】
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、例えば、型枠内へのセンサ部の設置が容易であり、またセンサ部の再利用が可能な成分解析装置及び成分解析システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決する為の手段】
請求項１に係る発明の成分解析装置は、電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ部と、周波数が経時的に変化する電気信号を前記センサ部に印加する信号発生・印加手段と、前記電気信号が前記センサ部に印加されることでそのセンサ部の振動周波数特性を検出する周波数特性検出手段とを具備する成分解析装置であって、前記センサ部は、電気エネルギーを振動する機械エネルギーに変換する複数のセンサ素子と、前記複数のセンサ素子を固定する支持部材とを具備することを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、センサ部は、１つの支持部材に複数のセンサ素子を設けたので、センサ部の型枠内等への設置を容易に行うことができる。また、型枠内等への出し入れが容易であることから繰り返し使用が可能となる。即ち、センサ部の再利用が可能となる。
【０００８】
請求項２に係る発明の成分解析装置は、請求項１に係る発明の成分解析装置において、前記センサ部の支持部材は、中実棒、中空棒又はプレートのいずれかの形状であることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、支持部材の形状を中実棒、中空棒又はプレートとしたので、例えばプレキャストコンクリート型枠内等の型枠内に容易に設置することができる。
【００１０】
請求項３に係る発明の成分解析装置は、請求項１又は請求項２のいずれかに係る発明の成分解析装置において、前記センサ部の支持部材は、その基端部分に前記センサ部を装着対象物に取り付けるための取付けハンドルを具備することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、支持部材の基端部に取付けハンドルを設けたので、センサ部の装着対象物（型枠内等）への取付け、取外しを容易に行うことができる。
【００１２】
請求項４に係る発明の成分解析装置は、請求項１から請求項３のいずれかに係る発明の成分解析装置において、前記センサ部の複数のセンサ素子夫々は、圧電スピーカであることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、センサ素子として圧電スピーカを利用することによって、安価な成分解析装置を実現することができる。
【００１４】
請求項５に係る発明の成分解析装置は、請求項１または請求項２に係る発明の成分解析装置において、前記センサ部の複数のセンサ素子夫々は、圧電セラミック振動板であることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、センサ素子として圧電セラミック振動板を利用することによって、安価な成分解析装置を実現することができる。
【００１６】
請求項６に係る成分解析システムは、電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ部と、周波数が経時的に変化する電気信号を前記センサ部に印加する信号発生・印加手段と、前記電気信号が前記センサ部に印加されることでそのセンサ部の振動周波数特性を検出する周波数特性検出手段と、検出された振動周波数特性に基づいて成分を解析する成分解析手段と、解析結果を表示する表示手段とを具備し、前記成分解析手段で求めた解析結果がパケット通信により前記表示手段に送信されることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、成分解析手段はセンサ部が検出する振動周波数特性の変化からセンサ部に接触する、例えば水や氷の違いが判定できると同時に、複数のセンサ素子の計測から氷厚や水位を測定することができる。また、センサ素子には固有の振動周波数特性が設定されているので、新たな基準値の設定等が不要にできる。さらに、解析結果はパケット通信を利用したテレメータシステムに載せることで、遠隔地での自動計測を実現できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る成分解析装置の構成を示すブロック図である。なお、以下の実施の形態では、本発明に係る成分解析装置が、型枠等へ充填されるコンクリートの充填状況を検出する場合について説明する。
【００１９】
この図において、本実施の形態の成分解析装置は、信号発生・印加部１と、複数の周波数特性検出部２−１、２−２、…、２−ｎと、センサ部３と、判定部４と、表示部５とを備えて構成される。信号発生・印加部１は、同期信号発生器１０と、可変周波数発振器１１と、増幅器１２とから構成される。
【００２０】
同期信号発生器１０は、可変周波数発振器１１を繰り返し動作させるための同期信号を発生する。可変周波数発振器１１は、周波数が所定の周波数範囲（例えば１ｋＨｚから２０ｋＨｚ）で連続的に変化する正弦波の電気信号を発生する。この場合、同期信号発生器１０から同期信号が出力される毎に初期周波数（例えば１ｋＨｚ）から繰り返し正弦波信号を発生する。増幅器１２は、可変周波数発振器１１からの正弦波信号を、センサ部３を駆動できるレベルまで増幅し、加振用信号Ｖｒとして出力する。
【００２１】
センサ部３は、図２の斜視図及び図３の縦断面図に示すように、複数個の圧電スピーカ３０と、これらの圧電スピーカ３０を固定する中空棒状の支持部材３１と、支持部材３１の基端部（図面では上端部）に備えられ、手による取扱いを容易にするための例えば円柱状の取付けハンドル３２と、複数個の圧電スピーカ３０の夫々に配線された２芯の信号線を接続する多芯ケーブル３３とを備えて構成される。
各圧電スピーカ３０は、圧電素子を使用したものであり、電気信号を機械信号に変換して出力する。各圧電スピーカ３０には２芯（信号線とアース線）の出力ケーブル３４が接続されている。
【００２２】
支持部材３１は、金属又は樹脂等の耐腐食性を有する材料でできており、また長さ方向に沿って所定間隔で複数の孔が開けられている。これらの孔には圧電スピーカ３０が挿入状態で固定される。なお、この図では各圧電スピーカ３０は丸型形状になっているが、形状は丸型以外でも勿論構わない。その場合、支持部材３１の各孔の形状は圧電スピーカに合わせた形状になる。
取付けハンドル３２には、その軸心方向に孔が開けられており、この孔を通して多芯ケーブル３３が支持部材３１の内部に挿入される。多芯ケーブル３３には各圧電スピーカ３０に配線された２芯の出力ケーブル３４が接続される。
【００２３】
図１に戻り、各周波数特性検出部２−１、２−２、…、２−ｎは、センサ部３の各圧電スピーカ３０と１対１の関係となっており、夫々、抵抗２０と、差動増幅器２１と、４象限掛け算器２２と、ローパスフィルタ２３とから構成される。抵抗２０は、増幅器１２とセンサ部３との間に直列に介挿され、その両端にはセンサ部３の１つの圧電スピーカ３０に流れる電流に対応する電圧が発生する。圧電スピーカ３０に流れる電流の振幅と位相は周波数の変化に応じて変化するので、抵抗２０の両端に現れる電圧は圧電スピーカ３０の周波数特性を反映したものになる。
【００２４】
差動増幅器２１は、抵抗２０の両端に発生する電圧を増幅して電圧Ｖｉを出力する。４象限掛け算器２２は、増幅器１２から出力される加振用信号Ｖｒと差動増幅器２１から出力される電圧Ｖｉを乗算してこれらの電圧に対するノイズの影響を除去する。ローパスフィルタ２３は、４象限掛け算器２２の出力信号から以下で説明するｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）分を除去した信号（出力電圧Ｖｏ）を出力する。なお、本実施の形態では、図１に示すように、複数の周波数特性検出部２−１、２−２、…、２−ｎに対して１つの信号発生・印加部１を設けているが、複数の周波数特性検出部２−１、２−２、…、２−ｎ夫々に対して１つの信号発生・印加部１を設けても構わない。
【００２５】
判定部４は、センサ部３の圧電スピーカ３０に充填物（コンクリート、モルタル等）を接触させないときの固有の振動周波数特性を基準として、ローパスフィルタ２３から出力される信号から、圧電スピーカ３０に対するプレキャストコンクリート型枠内における充填物の接触・非接触を判定し、その結果（良否）を表示部５に表示する。
【００２６】
図４は、本実施の形態の成分解析装置の使用状態を示す図である。この図に示すように、センサ部３は固定具５０にて型枠５１内の鉄筋５２に固定され、多芯ケーブル３３は信号処理ユニット４０に接続される。なお、固定具５０を用いないで、センサ部に設けられたハンドルを手で保持しても良い。信号処理ユニット４０は、信号発生・印加部１と周波数特性検出部２−１、２−２、…、２−ｎを構成するチャネル周波数特性出力回路４１と、判定部４と表示部５を構成する充填判定表示回路４２とから成る。
【００２７】
次に、上記構成の成分解析装置の動作について説明する。
可変周波数発振器１１にて発生した正弦波信号は増幅器１２にて増幅された後、加振用電圧Ｖｒとしてセンサ部３の１つの圧電スピーカ３０に印加される。加振用電圧Ｖｒが圧電スピーカ３０に印加されることによって圧電スピーカ３０に機械的振動が発生し、それに流れる電流に対応する電圧が抵抗２０に発生する。
【００２８】
抵抗２０に発生した電圧は差動増幅器２１にて増幅されて電圧Ｖｉが得られ、その電圧Ｖｉが４象限掛け算器２２に入力される。一方、４象限掛け算器２２には加振用電圧Ｖｒも入力されるので、この加振用電圧Ｖｒと差動増幅器２１からの電圧Ｖｉとが乗算されて、これらの電圧に対するノイズが除去される。そして、ノイズが除去された４象限掛け算器２２からの出力信号は、ローパスフィルタ２２にてｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）成分が除去されて出力電圧Ｖｏが得られる。
【００２９】
この出力信号Ｖｏは、加振用電圧Ｖｒの周波数変化に対する圧電スピーカ３０の周波数特性（振幅と位相）を反映した信号になる。このとき、圧電スピーカ３０の表面に充填物が接触していない（空気が接触している）と、図５に示すように、圧電スピーカ３０の持つ固有振動数付近の周波数にピークを持った電圧が現れる。これに対して、圧電スピーカ３０の周囲に例えばコンクリートが充填されると、図６に示すように、圧電スピーカ３０の振動特性が変化してピーク電圧の位置と大きさが変化する。すなわち、ピーク電圧が殆ど無い状態になる。判定部４はこのピーク電圧の変化からコンクリートの充填状況を判定し、その結果を表示部５に表示する。これにより、ユーザはコンクリートの充填を容易に判別することができる。
【００３０】
次に、上記作動原理を、数式を用いて説明する。
ここで、Ｖｒ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α）、Ｖｉ＝Ｂｓｉｎ（ωｔ＋β）とする。但し、Ａ，Ｂは振幅、ωｔは周波数、αとβは位相のずれとする。
Ｖｒ×Ｖｉ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α）×Ｂｓｉｎ（ωｔ＋β）
＝ＡＢ［ｃｏｓ（β−α）−ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）］／２ （１）
【００３１】
式（１）のｃｏｓ（β−α）の部分は、位相差に合わせて変化する直流成分であり、ここに電圧Ｖｉの振幅成分も含まれる。また、ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）の部分は、元の加振用電圧Ｖｒと電圧Ｖｉの２倍の周波数の信号である。必要とする周波数特性の情報は、電圧Ｖｉの振幅（大きさ）であるので、式（１）のｃｏｓ（β−α）のみで良い。したがって、ローパスフィルタ２３を通過させてｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）の成分を除去すればよい。このようにして出力電圧Ｖｏには周波数特性が電圧の形で現れる。
【００３２】
図５及び図６で示したように、プレキャストコンクリート型枠内等の空間内にコンクリートが充填されると、ピークの周波数とレベルが変化することで、その状況を検知することができる。
【００３３】
このように、本実施の形態によれば、センサ部３は、１つの支持部材３１に複数のセンサ素子３０を設けた構成としたので、センサ部３の型枠５１内への設置を容易に行うことができる。また、型枠５１内への出し入れが容易であることから繰り返し使用が可能となる。即ち、センサ部３の再利用が可能となる。
【００３４】
図７は本発明の第２の実施の形態に係る成分解析装置のセンサ部６０を示す斜視図である。この図において、センサ部６０は、金属又は樹脂等の耐腐食性を有する材料でできた中実棒状の支持部材６１と、支持部材６１に圧電スピーカ３０を複数個取り付けた構造である。各圧電センサ３０は、図８の断面図に示すように、金属又は樹脂等の耐腐食性を有する材料でできたセンサ素子ケース６２内に設けられており、単体でも充填検知が可能な構造になっている。なお、支持部材６１は中実棒以外に中空棒でも構わない。
【００３５】
このように、本実施の形態によれば、センサ部６０を、１つの支持部材６１に複数のセンサ素子３０を設けた構成としたので、センサ部６０の型枠５１内への設置を容易に行うことができる。また、型枠５１内への出し入れが容易であることから繰り返し使用が可能となる。即ち、センサ部６０の再利用が可能となる。
【００３６】
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る成分解析装置のセンサ部７０を示す斜視図である。この図において、センサ部７０は、金属又は樹脂等の耐腐食性を有する材料でできた板状の支持部材７１と、支持部材７１に圧電センサ３０を複数個取り付けた構造である。支持部材７１には、型枠内に出し入れし易いように、また鉄筋や型枠に固定し易いように、取付けハンドル７２が設けられている。
【００３７】
このように、本実施の形態によれば、センサ部７０を、１つの支持部材７１に複数のセンサ素子３０を設けた構成としたので、センサ部７０の型枠５１内への設置を容易に行うことができる。また、型枠５１内への出し入れが容易であることから繰り返し使用が可能となる。即ち、センサ部７０の再利用が可能となる。
【００３８】
なお、上記各実施の形態では、単一の周波数範囲の正弦波を用いたが、周波数範囲を切り替える周波数範囲切替器（図示略）を設けて、複数の周波数範囲の正弦波を択一的に選択できるようにしてもよい。この場合、可変周波数発振器１１（図１参照）は、周波数範囲切替器にて切り替えられた範囲の周波数帯で正弦波信号を繰り返し発生させる機能を有することになる。このように、複数の周波数範囲の正弦波を択一的に選択できるようにすることで、プレキャストコンクリート型枠の構造や材質等の物理的な特性に応じて測定に最適な周波数範囲を選択することができ、これによって、より精度の高い測定が可能となる。
【００３９】
また、上記各実施の形態では、コンクリートのプレキャストコンクリート型枠等への充填状況の検出について述べたが、他の木製型枠や鋼材で作られた型枠内への充填状況の検出等に使用できることは述べるまでもない。
【００４０】
更に、本発明に係る成分解析装置は、上記各実施の形態で示したようなコンクリートの充填検知に限らず、種々の用途にも利用できて多様性を有する。
例えば、本発明に係る成分解析装置は、冬季において、湖沼や河川等の氷厚を測定するような場合にも利用できる。
【００４１】
従来、冬季において、湖沼や河川等の氷厚を計測する方法としては、一般的には計測者が氷上において氷に専用ドリルで孔を空けて専用の物差し等で計測していた。しかし、氷厚が充分でないときの計測は氷が割れて落水事故が起きたり、また、悪天候時には計測自体が困難になったりするなどの理由から、自動計測や無人計測の要求は高い。
そこで、次に示す実施の形態では、上記した本発明に係る成分解析装置を利用して、湖沼や河川等の氷厚を測定する成分解析システムについて説明する。
【００４２】
なお、成分解析装置の構成は、先の図１に示したものと同じであるので、同一部分には同一符号を付して説明を省略する。但し、本実施の形態では、センサ部は圧電スピーカに代えて、圧電セラミック振動板がセンサ素子として用いられている点で先の実施の形態と相違する。
【００４３】
図１０は、本実施の形態の成分解析システムの概要を示す図である。この図に示すように、湖沼や河川等に設置するセンサ部８０は、先の実施の形態と同じように支持部材８１に複数個の圧電セラミック振動板８２を取り付けた構造で、複数個の圧電セラミック振動板８２夫々に配線された２芯の信号線（図示略）が、信号処理ユニット９０に接続される。信号処理ユニット９０は、信号発生・印加部１並びに周波数特性検出部２−１、２−２、…、２−ｎを構成して圧電セラミック振動板８２の振動特性を計測する信号処理アンプ９１と、成分解析手段として各センサ素子の周りの物質が水であるか氷であるかを判定すると同時に、氷厚及び水位を計算する判定部４を構成するマイコン９２と、マイコン９２の出力を表示する表示部１００とから成る。
【００４４】
信号処理ユニット９０は、図１１に示すようにセンサ部８０と一体化されて、センサ部８０を構成する支持部材８１の基端部（図面では上端部）に取り付けられている。
図１０に戻り、測定結果を表示する表示部１００は、信号処理ユニット９０と無線によって接続される。なお、信号処理ユニット９０と表示部１００との接続は、有線で行うこともできる。
【００４５】
図１１は、本実施の形態に係る成分解析システムの使用状態を示す図である。この図において、センサ部８０は支持部材８１の先端部（図面では下端部）を、湖沼や河川等の底部Ｂに突き刺すように埋め込んで支持部材８１を鉛直状態に固定した状態で、信号処理ユニット９０を水面上に突出させる。
センサ部８０は、金属又は樹脂等の耐腐食性を有する材料でできた中実棒状の支持部材８１と、この支持部材８１上に一定間隔で取り付けられた複数個の圧電セラミック振動板８２とを備えて構成される。なお、圧電セラミック振動板８２の数量と間隔の関係は、氷厚及び水位の計測範囲と分解能とに関連し、計測要求に応じて適宜設定される。
【００４６】
信号処理ユニット９０の出力は、パケット通信を利用したテレメータシステムに載せて送られ、センサ部８０から離れた陸上に設置の表示部１００に、モデム（図示略）を介してリアルタイムで表示される。
なお、信号処理ユニット９０及びセンサ部８０への電源供給は、信号処理ユニット９０に電池（図示略）を設けて行うが、電池交換の頻度を低減するために、図１３に示すように、信号処理ユニット９０に一体化されたソーラ電池９３との併用や、リチウム電池を使用して長寿命化を図ることができる。あるいは、成分解析装置を間欠作動させて、電源の消耗を減らすこともできる。
【００４７】
次に、上記成分解析システムの動作について説明する。
図１に示した成分解析装置において、可変周波数発振器１１にて発生した正弦波信号は増幅器１２にて増幅された後、加振用電圧Ｖｒとしてセンサ部３の１つの圧電セラミック振動板８２に印加される。加振用電圧Ｖｒが圧電セラミック振動板８２に印加されることによって圧電セラミック振動板８２に機械的振動が発生し、それに流れる電流に対応する電圧が抵抗２０に発生する。つまり、この抵抗２０の両端に現れる電圧は、センサ素子としての圧電セラミック振動板８２の周波数特性を反映したものになる。
【００４８】
抵抗２０に発生した電圧は差動増幅器２１にて増幅されて電圧Ｖｉが得られ、その電圧Ｖｉが４象限掛け算器２２に入力される。一方、４象限掛け算器２２には加振用電圧Ｖｒも入力されるので、この加振用電圧Ｖｒと差動増幅器２１からの電圧Ｖｉとが乗算されて、これらの電圧に対するノイズが除去される。そして、ノイズが除去された４象限掛け算器２２からの出力信号は、ローパスフィルタ２２にてｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）成分が除去されて出力電圧Ｖｏが得られる。
【００４９】
この出力信号Ｖｏは、加振用電圧Ｖｒの周波数変化に対する圧電セラミック振動板８２の周波数特性（振幅と位相）を反映した信号になる。このとき、圧電セラミック振動板８２の表面になにも接触していないと （空気が接触している）と、図１２の実線で示すように、圧電セラミック振動板８２の持つ固有振動数付近の周波数にピークを持った電圧が現れる。次に、この圧電セラミック振動板８２の周りが水没すると、図１２の破線で示すように、圧電セラミック振動板８２の振動特性が変化してピーク電圧の位置と大きさが変化する。このように、ピーク点の変化から容易に水を検知することができる。又、圧電セラミック振動板８２の周囲が氷で埋もれると、図１２の一点鎖線で示すように、圧電セラミック振動板８２の振動特性はさらに変化してピーク点が殆ど無い状態になるため、容易に氷を検知することができる。
【００５０】
次に、成分解析システムの具体的構成及び計測例を、図１３に基づいて説明する。
この図において、センサ部８０は支持部材８１の先端部を湖沼の底部Ｂに埋め込んだ状態で、水面上に、信号処理ユニット９０及び電源補助用のソーラ電源９３が露出するように設置される。信号処理ユニット９０には送信手段（図示略）が付属されている。信号処理ユニット９０は携帯電話のパケット通信を利用したテレメータシステムにより、受信手段（図示略）を備えた管理事務所１１０内のパソコン１１１と接続され、センサ部８０の測定結果がリアルタイムでパソコン１１１上に表示されるようになっている。
【００５１】
センサ部８０は、直径２ｃｍの複数個の圧電セラミック振動板８２が、隣接する各圧電セラミック振動板８２との間に０．３ｍｍの隙間を夫々設けて配列されている。
上位位置から下位位置に向かって配列された複数個の圧電セラミック振動板８２に、便宜上、Ｎｏ１、Ｎｏ２、Ｎｏ３、…、の番号を順番に付したとき、信号処理ユニット９０のマイコン９２（図１０参照）は、先の図１２に示した圧電セラミック振動板８２の振動特性の変化から、図示の例では、Ｎｏ１の圧電セラミック振動板８２の周囲を空気と判定し、Ｎｏ２〜Ｎｏ６の圧電セラミック振動板８２の周囲を氷と判定し、Ｎｏ７の圧電セラミック振動板８２の周囲を水と判定する。
【００５２】
パソコン１１１は、上記の判定に基づいて、圧電セラミック振動板８２の寸法及び取り付け間隔から氷厚を計算し、氷厚が約１１．５ｃｍであると算出して、画面上に表示する。また、パソコン１１１は測定された水位を表示する。
【００５３】
なお、上記の実施の形態では、パソコン１１１はリアルタイムで氷厚や水位の測定結果を表示するとしたが、リアルタイムによるこれらの表示の他に、水から氷への変化を時刻と共に記録して氷の成長速度及び氷解速度を計測し、表示することもできる。
また、上記の実施の形態では、水位及び氷厚を測定する場合について記載したが、パソコン１１１は振動周波数特性の変化から、例えばシャーベット状の氷であるか完全に氷結した氷であるかのような、氷の形態の違いについても測定することもできる。
【００５４】
図１４は、他の実施の形態を示す図である。
この実施の形態では、センサ部１２０及び信号処理ユニット１３０がフロート１４０に取り付けられて、水面上に浮いたフロート１４０よりセンサ部１２０が水中に吊り下げられる構造となっている。フロート１４０にはアンカ１４１が装備されていて、アンカ１４１を底部Ｂに固定することで、フロート１４０が測定位置に常時係留される。
【００５５】
センサ部１２０及び信号処理ユニット１３０によって測定された測定結果は、先の実施の形態と同様、テレメータシステムによりパケット通信されて、遠隔地のパソコン上に表示される。
このような構成の成分解析装置は、水深が深く、支持部材８１の先端部を湖沼の底部Ｂに埋め込むことができないような場合に有効である。
【００５６】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の成分解析装置によれば、センサ部を、１つの支持部材に複数のセンサ素子を設けた構成にしたので、センサ部の測定対象物への設置、出し入れを容易に行うことができる。また、繰り返しの使用が可能となる。即ち、センサ部の再利用が可能となる。従って、測定対象物をコンクリートや水とした場合には、センサ部の型枠内への設置、あるいはセンサ部の水深に応じた水中への設置を容易に行うことができる。また、型枠内への出し入れや水中からの取り出しが容易であることから繰り返しの使用が可能となる。即ち、センサ部の再利用が可能となる。
【００５７】
請求項２に係る発明の成分解析装置によれば、支持部材の形状を中実棒、中空棒又はプレートとしたので、測定対象物に容易に設置することができる。従って、測定対象物をコンクリートや水とした場合には、プレキャストコンクリート型枠内や湖沼等への設置が容易である。
【００５８】
請求項３に係る発明の成分解析装置によれば、支持部材の基端部に取付けハンドルを設けたので、測定対象物への取付け、取外しを容易に行うことができる。従って、例えば測定対象物がコンクリートの場合に、型枠内への手による取扱いが容易である。
【００５９】
請求項４に係る発明の成分解析装置によれば、センサ素子として圧電スピーカを利用することによって、安価な成分解析装置を実現することができる。従って、例えば測定対象物がコンクリートの場合に、安価な充填検知装置が実現できる。
【００６０】
請求項５に係る発明の成分解析装置によれば、センサ素子として圧電セラミック振動板を利用することによって、安価な成分解析装置を実現することができる。従って、例えば測定対象物がコンクリートの場合に、安価な充填検知装置が実現できる。
【００６１】
請求項６に係る発明の成分解析システムによれば、センサ素子の周波数特性を検出し、センサ素子に測定対象物が接触することで、この周波数特性が測定対象成分ごとに違った特性になることを利用しているので、測定対象成分の厚さや高さ（位置）等を検出することができる。また、センサ素子は予め振動特性が判っているので、計測現場での基準値等の新たな設定を不要にできる。さらに、解析結果は通信回線を利用したテレメータシステムに載せることで、遠隔地においての自動計測が実現できる。従って、例えば測定対象物が水又は氷の場合には、湖沼等の氷厚・水位の自動検知システムが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る成分解析装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のセンサ部を示す斜視図である。
【図３】図１のセンサ部を示す断面図である。
【図４】図１のセンサ部の設置例を示す図である。
【図５】図１の成分解析装置での測定結果の一例を示す図で、プレキャストコンクリート型枠内にコンクリートが無い場合の出力電圧波形図である。
【図６】図１の成分解析装置での測定結果の一例を示す図で、プレキャストコンクリート型枠内にコンクリートが有る場合の出力電圧波形図である。
【図７】本発明の他の実施の形態に係る成分解析装置のセンサ部を示す斜視図である。
【図８】図７のセンサ部のセンサ素子ケースを示す断面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施の形態に係る成分解析装置のセンサ部を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る成分解析システムの概要を示す構成図である。
【図１１】図１０の成分解析システムの設置例を示す図である。
【図１２】図１０の成分解析システムでの測定結果の一例を示す図で、空気、水、氷における出力電圧波形図である。
【図１３】図１０の成分解析システムの具体的構成及び計測例を示す図である。
【図１４】本発明の他の実施の形態に係る成分解析システムを示す構成図である。
【符号の説明】
１ 信号発生・印加部
２−１、２−２、…、２−ｎ 周波数特性検出部
３、６０、７０、８０、１２０ センサ部
４ 判定部
５、１００ 表示部
１０ 同期信号発生器
１１ 可変周波数発振器
１２ 増幅器
２０ 抵抗
２１ 差動増幅器
２２ ４象限掛け算器
２３ ローパスフィルタ
３０ 圧電スピーカ
３１、６１、７１、８１、１２１ 支持部材
３２、７２ 取付けハンドル
３３ 多芯ケーブル
３４ 出力ケーブル
５１ 型枠
５２ 鉄筋
６２ センサ素子ケース
８２ 圧電セラミック振動板
９０、１３０ 信号処理ユニット
９１ 信号処理アンプ
９２ マイコン
１１０ 管理事務所
１１１ パソコン
１４０ フロート
１４１ アンカ
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばプレキャストコンクリートで作られた型枠へのコンクリートの充填状況を検知することができる成分解析装置及び成分解析システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建築物の構造体には、プレキャストコンクリートで作られた型枠（以下、プレキャストコンクリート型枠と呼ぶ）の内部に鉄筋を配し、そこへコンクリートを充填する方法が採られている。
近年、デザインの多様化などからプレキャストコンクリート型枠の形状も複雑になり、その複雑な形状の末端部までコンクリートが正しく充填されているかどうかを非破壊検査で容易に検出することができる方法が望まれている。
【０００３】
従来、例えば、特開平６−２２９９６８号（特許第２８３６７９９号）公報や特開平１０−１９７４６７号公報が開示されているが、いずれも２つの電極（センサ部）をプレキャストコンクリート型枠内に配置してその２本の電極にコンクリートが接触した際に発生する電位を検出してコンクリートが充填されたことを検知するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の成分解析装置にあっては、センサ部を予め型枠内の鉄筋部やコンパネ部に接着剤、固定ベルト、粘着テープ等の固定部材を用いて取り付ける必要があり、作業性が悪いという問題がある。
また、コンクリートの充填後は、センサ部を取り外すことが容易でないため、センサ部の再利用が困難であるという問題もある。
【０００５】
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、例えば、型枠内へのセンサ部の設置が容易であり、またセンサ部の再利用が可能な成分解析装置及び成分解析システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決する為の手段】
請求項１に係る発明の成分解析装置は、電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ部と、周波数が経時的に変化する電気信号を前記センサ部に印加する信号発生・印加手段と、前記電気信号が前記センサ部に印加されることでそのセンサ部の振動周波数特性を検出する周波数特性検出手段とを具備する成分解析装置であって、前記センサ部は、電気エネルギーを振動する機械エネルギーに変換する複数のセンサ素子と、前記複数のセンサ素子を固定する支持部材とを具備することを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、センサ部は、１つの支持部材に複数のセンサ素子を設けたので、センサ部の型枠内等への設置を容易に行うことができる。また、型枠内等への出し入れが容易であることから繰り返し使用が可能となる。即ち、センサ部の再利用が可能となる。
【０００８】
請求項２に係る発明の成分解析装置は、請求項１に係る発明の成分解析装置において、前記センサ部の支持部材は、中実棒、中空棒又はプレートのいずれかの形状であることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、支持部材の形状を中実棒、中空棒又はプレートとしたので、例えばプレキャストコンクリート型枠内等の型枠内に容易に設置することができる。
【００１０】
請求項３に係る発明の成分解析装置は、請求項１又は請求項２のいずれかに係る発明の成分解析装置において、前記センサ部の支持部材は、その基端部分に前記センサ部を装着対象物に取り付けるための取付けハンドルを具備することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、支持部材の基端部に取付けハンドルを設けたので、センサ部の装着対象物（型枠内等）への取付け、取外しを容易に行うことができる。
【００１２】
請求項４に係る発明の成分解析装置は、請求項１から請求項３のいずれかに係る発明の成分解析装置において、前記センサ部の複数のセンサ素子夫々は、圧電スピーカであることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、センサ素子として圧電スピーカを利用することによって、安価な成分解析装置を実現することができる。
【００１４】
請求項５に係る発明の成分解析装置は、請求項１または請求項２に係る発明の成分解析装置において、前記センサ部の複数のセンサ素子夫々は、圧電セラミック振動板であることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、センサ素子として圧電セラミック振動板を利用することによって、安価な成分解析装置を実現することができる。
【００１６】
請求項６に係る成分解析システムは、電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ部と、周波数が経時的に変化する電気信号を前記センサ部に印加する信号発生・印加手段と、前記電気信号が前記センサ部に印加されることでそのセンサ部の振動周波数特性を検出する周波数特性検出手段と、検出された振動周波数特性に基づいて成分を解析する成分解析手段と、解析結果を表示する表示手段とを具備し、前記成分解析手段で求めた解析結果がパケット通信により前記表示手段に送信されることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、成分解析手段はセンサ部が検出する振動周波数特性の変化からセンサ部に接触する、例えば水や氷の違いが判定できると同時に、複数のセンサ素子の計測から氷厚や水位を測定することができる。また、センサ素子には固有の振動周波数特性が設定されているので、新たな基準値の設定等が不要にできる。さらに、解析結果はパケット通信を利用したテレメータシステムに載せることで、遠隔地での自動計測を実現できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る成分解析装置の構成を示すブロック図である。なお、以下の実施の形態では、本発明に係る成分解析装置が、型枠等へ充填されるコンクリートの充填状況を検出する場合について説明する。
【００１９】
この図において、本実施の形態の成分解析装置は、信号発生・印加部１と、複数の周波数特性検出部２−１、２−２、…、２−ｎと、センサ部３と、判定部４と、表示部５とを備えて構成される。信号発生・印加部１は、同期信号発生器１０と、可変周波数発振器１１と、増幅器１２とから構成される。
【００２０】
同期信号発生器１０は、可変周波数発振器１１を繰り返し動作させるための同期信号を発生する。可変周波数発振器１１は、周波数が所定の周波数範囲（例えば１ｋＨｚから２０ｋＨｚ）で連続的に変化する正弦波の電気信号を発生する。この場合、同期信号発生器１０から同期信号が出力される毎に初期周波数（例えば１ｋＨｚ）から繰り返し正弦波信号を発生する。増幅器１２は、可変周波数発振器１１からの正弦波信号を、センサ部３を駆動できるレベルまで増幅し、加振用信号Ｖｒとして出力する。
【００２１】
センサ部３は、図２の斜視図及び図３の縦断面図に示すように、複数個の圧電スピーカ３０と、これらの圧電スピーカ３０を固定する中空棒状の支持部材３１と、支持部材３１の基端部（図面では上端部）に備えられ、手による取扱いを容易にするための例えば円柱状の取付けハンドル３２と、複数個の圧電スピーカ３０の夫々に配線された２芯の信号線を接続する多芯ケーブル３３とを備えて構成される。
各圧電スピーカ３０は、圧電素子を使用したものであり、電気信号を機械信号に変換して出力する。各圧電スピーカ３０には２芯（信号線とアース線）の出力ケーブル３４が接続されている。
【００２２】
支持部材３１は、金属又は樹脂等の耐腐食性を有する材料でできており、また長さ方向に沿って所定間隔で複数の孔が開けられている。これらの孔には圧電スピーカ３０が挿入状態で固定される。なお、この図では各圧電スピーカ３０は丸型形状になっているが、形状は丸型以外でも勿論構わない。その場合、支持部材３１の各孔の形状は圧電スピーカに合わせた形状になる。
取付けハンドル３２には、その軸心方向に孔が開けられており、この孔を通して多芯ケーブル３３が支持部材３１の内部に挿入される。多芯ケーブル３３には各圧電スピーカ３０に配線された２芯の出力ケーブル３４が接続される。
【００２３】
図１に戻り、各周波数特性検出部２−１、２−２、…、２−ｎは、センサ部３の各圧電スピーカ３０と１対１の関係となっており、夫々、抵抗２０と、差動増幅器２１と、４象限掛け算器２２と、ローパスフィルタ２３とから構成される。抵抗２０は、増幅器１２とセンサ部３との間に直列に介挿され、その両端にはセンサ部３の１つの圧電スピーカ３０に流れる電流に対応する電圧が発生する。圧電スピーカ３０に流れる電流の振幅と位相は周波数の変化に応じて変化するので、抵抗２０の両端に現れる電圧は圧電スピーカ３０の周波数特性を反映したものになる。
【００２４】
差動増幅器２１は、抵抗２０の両端に発生する電圧を増幅して電圧Ｖｉを出力する。４象限掛け算器２２は、増幅器１２から出力される加振用信号Ｖｒと差動増幅器２１から出力される電圧Ｖｉを乗算してこれらの電圧に対するノイズの影響を除去する。ローパスフィルタ２３は、４象限掛け算器２２の出力信号から以下で説明するｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）分を除去した信号（出力電圧Ｖｏ）を出力する。なお、本実施の形態では、図１に示すように、複数の周波数特性検出部２−１、２−２、…、２−ｎに対して１つの信号発生・印加部１を設けているが、複数の周波数特性検出部２−１、２−２、…、２−ｎ夫々に対して１つの信号発生・印加部１を設けても構わない。
【００２５】
判定部４は、センサ部３の圧電スピーカ３０に充填物（コンクリート、モルタル等）を接触させないときの固有の振動周波数特性を基準として、ローパスフィルタ２３から出力される信号から、圧電スピーカ３０に対するプレキャストコンクリート型枠内における充填物の接触・非接触を判定し、その結果（良否）を表示部５に表示する。
【００２６】
図４は、本実施の形態の成分解析装置の使用状態を示す図である。この図に示すように、センサ部３は固定具５０にて型枠５１内の鉄筋５２に固定され、多芯ケーブル３３は信号処理ユニット４０に接続される。なお、固定具５０を用いないで、センサ部に設けられたハンドルを手で保持しても良い。信号処理ユニット４０は、信号発生・印加部１と周波数特性検出部２−１、２−２、…、２−ｎを構成するチャネル周波数特性出力回路４１と、判定部４と表示部５を構成する充填判定表示回路４２とから成る。
【００２７】
次に、上記構成の成分解析装置の動作について説明する。
可変周波数発振器１１にて発生した正弦波信号は増幅器１２にて増幅された後、加振用電圧Ｖｒとしてセンサ部３の１つの圧電スピーカ３０に印加される。加振用電圧Ｖｒが圧電スピーカ３０に印加されることによって圧電スピーカ３０に機械的振動が発生し、それに流れる電流に対応する電圧が抵抗２０に発生する。
【００２８】
抵抗２０に発生した電圧は差動増幅器２１にて増幅されて電圧Ｖｉが得られ、その電圧Ｖｉが４象限掛け算器２２に入力される。一方、４象限掛け算器２２には加振用電圧Ｖｒも入力されるので、この加振用電圧Ｖｒと差動増幅器２１からの電圧Ｖｉとが乗算されて、これらの電圧に対するノイズが除去される。そして、ノイズが除去された４象限掛け算器２２からの出力信号は、ローパスフィルタ２２にてｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）成分が除去されて出力電圧Ｖｏが得られる。
【００２９】
この出力信号Ｖｏは、加振用電圧Ｖｒの周波数変化に対する圧電スピーカ３０の周波数特性（振幅と位相）を反映した信号になる。このとき、圧電スピーカ３０の表面に充填物が接触していない（空気が接触している）と、図５に示すように、圧電スピーカ３０の持つ固有振動数付近の周波数にピークを持った電圧が現れる。これに対して、圧電スピーカ３０の周囲に例えばコンクリートが充填されると、図６に示すように、圧電スピーカ３０の振動特性が変化してピーク電圧の位置と大きさが変化する。すなわち、ピーク電圧が殆ど無い状態になる。判定部４はこのピーク電圧の変化からコンクリートの充填状況を判定し、その結果を表示部５に表示する。これにより、ユーザはコンクリートの充填を容易に判別することができる。
【００３０】
次に、上記作動原理を、数式を用いて説明する。
ここで、Ｖｒ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α）、Ｖｉ＝Ｂｓｉｎ（ωｔ＋β）とする。但し、Ａ，Ｂは振幅、ωｔは周波数、αとβは位相のずれとする。
Ｖｒ×Ｖｉ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α）×Ｂｓｉｎ（ωｔ＋β）
＝ＡＢ［ｃｏｓ（β−α）−ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）］／２ （１）
【００３１】
式（１）のｃｏｓ（β−α）の部分は、位相差に合わせて変化する直流成分であり、ここに電圧Ｖｉの振幅成分も含まれる。また、ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）の部分は、元の加振用電圧Ｖｒと電圧Ｖｉの２倍の周波数の信号である。必要とする周波数特性の情報は、電圧Ｖｉの振幅（大きさ）であるので、式（１）のｃｏｓ（β−α）のみで良い。したがって、ローパスフィルタ２３を通過させてｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）の成分を除去すればよい。このようにして出力電圧Ｖｏには周波数特性が電圧の形で現れる。
【００３２】
図５及び図６で示したように、プレキャストコンクリート型枠内等の空間内にコンクリートが充填されると、ピークの周波数とレベルが変化することで、その状況を検知することができる。
【００３３】
このように、本実施の形態によれば、センサ部３は、１つの支持部材３１に複数のセンサ素子３０を設けた構成としたので、センサ部３の型枠５１内への設置を容易に行うことができる。また、型枠５１内への出し入れが容易であることから繰り返し使用が可能となる。即ち、センサ部３の再利用が可能となる。
【００３４】
図７は本発明の第２の実施の形態に係る成分解析装置のセンサ部６０を示す斜視図である。この図において、センサ部６０は、金属又は樹脂等の耐腐食性を有する材料でできた中実棒状の支持部材６１と、支持部材６１に圧電スピーカ３０を複数個取り付けた構造である。各圧電センサ３０は、図８の断面図に示すように、金属又は樹脂等の耐腐食性を有する材料でできたセンサ素子ケース６２内に設けられており、単体でも充填検知が可能な構造になっている。なお、支持部材６１は中実棒以外に中空棒でも構わない。
【００３５】
このように、本実施の形態によれば、センサ部６０を、１つの支持部材６１に複数のセンサ素子３０を設けた構成としたので、センサ部６０の型枠５１内への設置を容易に行うことができる。また、型枠５１内への出し入れが容易であることから繰り返し使用が可能となる。即ち、センサ部６０の再利用が可能となる。
【００３６】
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る成分解析装置のセンサ部７０を示す斜視図である。この図において、センサ部７０は、金属又は樹脂等の耐腐食性を有する材料でできた板状の支持部材７１と、支持部材７１に圧電センサ３０を複数個取り付けた構造である。支持部材７１には、型枠内に出し入れし易いように、また鉄筋や型枠に固定し易いように、取付けハンドル７２が設けられている。
【００３７】
このように、本実施の形態によれば、センサ部７０を、１つの支持部材７１に複数のセンサ素子３０を設けた構成としたので、センサ部７０の型枠５１内への設置を容易に行うことができる。また、型枠５１内への出し入れが容易であることから繰り返し使用が可能となる。即ち、センサ部７０の再利用が可能となる。
【００３８】
なお、上記各実施の形態では、単一の周波数範囲の正弦波を用いたが、周波数範囲を切り替える周波数範囲切替器（図示略）を設けて、複数の周波数範囲の正弦波を択一的に選択できるようにしてもよい。この場合、可変周波数発振器１１（図１参照）は、周波数範囲切替器にて切り替えられた範囲の周波数帯で正弦波信号を繰り返し発生させる機能を有することになる。このように、複数の周波数範囲の正弦波を択一的に選択できるようにすることで、プレキャストコンクリート型枠の構造や材質等の物理的な特性に応じて測定に最適な周波数範囲を選択することができ、これによって、より精度の高い測定が可能となる。
【００３９】
また、上記各実施の形態では、コンクリートのプレキャストコンクリート型枠等への充填状況の検出について述べたが、他の木製型枠や鋼材で作られた型枠内への充填状況の検出等に使用できることは述べるまでもない。
【００４０】
更に、本発明に係る成分解析装置は、上記各実施の形態で示したようなコンクリートの充填検知に限らず、種々の用途にも利用できて多様性を有する。
例えば、本発明に係る成分解析装置は、冬季において、湖沼や河川等の氷厚を測定するような場合にも利用できる。
【００４１】
従来、冬季において、湖沼や河川等の氷厚を計測する方法としては、一般的には計測者が氷上において氷に専用ドリルで孔を空けて専用の物差し等で計測していた。しかし、氷厚が充分でないときの計測は氷が割れて落水事故が起きたり、また、悪天候時には計測自体が困難になったりするなどの理由から、自動計測や無人計測の要求は高い。
そこで、次に示す実施の形態では、上記した本発明に係る成分解析装置を利用して、湖沼や河川等の氷厚を測定する成分解析システムについて説明する。
【００４２】
なお、成分解析装置の構成は、先の図１に示したものと同じであるので、同一部分には同一符号を付して説明を省略する。但し、本実施の形態では、センサ部は圧電スピーカに代えて、圧電セラミック振動板がセンサ素子として用いられている点で先の実施の形態と相違する。
【００４３】
図１０は、本実施の形態の成分解析システムの概要を示す図である。この図に示すように、湖沼や河川等に設置するセンサ部８０は、先の実施の形態と同じように支持部材８１に複数個の圧電セラミック振動板８２を取り付けた構造で、複数個の圧電セラミック振動板８２夫々に配線された２芯の信号線（図示略）が、信号処理ユニット９０に接続される。信号処理ユニット９０は、信号発生・印加部１並びに周波数特性検出部２−１、２−２、…、２−ｎを構成して圧電セラミック振動板８２の振動特性を計測する信号処理アンプ９１と、成分解析手段として各センサ素子の周りの物質が水であるか氷であるかを判定すると同時に、氷厚及び水位を計算する判定部４を構成するマイコン９２と、マイコン９２の出力を表示する表示部１００とから成る。
【００４４】
信号処理ユニット９０は、図１１に示すようにセンサ部８０と一体化されて、センサ部８０を構成する支持部材８１の基端部（図面では上端部）に取り付けられている。
図１０に戻り、測定結果を表示する表示部１００は、信号処理ユニット９０と無線によって接続される。なお、信号処理ユニット９０と表示部１００との接続は、有線で行うこともできる。
【００４５】
図１１は、本実施の形態に係る成分解析システムの使用状態を示す図である。この図において、センサ部８０は支持部材８１の先端部（図面では下端部）を、湖沼や河川等の底部Ｂに突き刺すように埋め込んで支持部材８１を鉛直状態に固定した状態で、信号処理ユニット９０を水面上に突出させる。
センサ部８０は、金属又は樹脂等の耐腐食性を有する材料でできた中実棒状の支持部材８１と、この支持部材８１上に一定間隔で取り付けられた複数個の圧電セラミック振動板８２とを備えて構成される。なお、圧電セラミック振動板８２の数量と間隔の関係は、氷厚及び水位の計測範囲と分解能とに関連し、計測要求に応じて適宜設定される。
【００４６】
信号処理ユニット９０の出力は、パケット通信を利用したテレメータシステムに載せて送られ、センサ部８０から離れた陸上に設置の表示部１００に、モデム（図示略）を介してリアルタイムで表示される。
なお、信号処理ユニット９０及びセンサ部８０への電源供給は、信号処理ユニット９０に電池（図示略）を設けて行うが、電池交換の頻度を低減するために、図１３に示すように、信号処理ユニット９０に一体化されたソーラ電池９３との併用や、リチウム電池を使用して長寿命化を図ることができる。あるいは、成分解析装置を間欠作動させて、電源の消耗を減らすこともできる。
【００４７】
次に、上記成分解析システムの動作について説明する。
図１に示した成分解析装置において、可変周波数発振器１１にて発生した正弦波信号は増幅器１２にて増幅された後、加振用電圧Ｖｒとしてセンサ部３の１つの圧電セラミック振動板８２に印加される。加振用電圧Ｖｒが圧電セラミック振動板８２に印加されることによって圧電セラミック振動板８２に機械的振動が発生し、それに流れる電流に対応する電圧が抵抗２０に発生する。つまり、この抵抗２０の両端に現れる電圧は、センサ素子としての圧電セラミック振動板８２の周波数特性を反映したものになる。
【００４８】
抵抗２０に発生した電圧は差動増幅器２１にて増幅されて電圧Ｖｉが得られ、その電圧Ｖｉが４象限掛け算器２２に入力される。一方、４象限掛け算器２２には加振用電圧Ｖｒも入力されるので、この加振用電圧Ｖｒと差動増幅器２１からの電圧Ｖｉとが乗算されて、これらの電圧に対するノイズが除去される。そして、ノイズが除去された４象限掛け算器２２からの出力信号は、ローパスフィルタ２２にてｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）成分が除去されて出力電圧Ｖｏが得られる。
【００４９】
この出力信号Ｖｏは、加振用電圧Ｖｒの周波数変化に対する圧電セラミック振動板８２の周波数特性（振幅と位相）を反映した信号になる。このとき、圧電セラミック振動板８２の表面になにも接触していないと （空気が接触している）と、図１２の実線で示すように、圧電セラミック振動板８２の持つ固有振動数付近の周波数にピークを持った電圧が現れる。次に、この圧電セラミック振動板８２の周りが水没すると、図１２の破線で示すように、圧電セラミック振動板８２の振動特性が変化してピーク電圧の位置と大きさが変化する。このように、ピーク点の変化から容易に水を検知することができる。又、圧電セラミック振動板８２の周囲が氷で埋もれると、図１２の一点鎖線で示すように、圧電セラミック振動板８２の振動特性はさらに変化してピーク点が殆ど無い状態になるため、容易に氷を検知することができる。
【００５０】
次に、成分解析システムの具体的構成及び計測例を、図１３に基づいて説明する。
この図において、センサ部８０は支持部材８１の先端部を湖沼の底部Ｂに埋め込んだ状態で、水面上に、信号処理ユニット９０及び電源補助用のソーラ電源９３が露出するように設置される。信号処理ユニット９０には送信手段（図示略）が付属されている。信号処理ユニット９０は携帯電話のパケット通信を利用したテレメータシステムにより、受信手段（図示略）を備えた管理事務所１１０内のパソコン１１１と接続され、センサ部８０の測定結果がリアルタイムでパソコン１１１上に表示されるようになっている。
【００５１】
センサ部８０は、直径２ｃｍの複数個の圧電セラミック振動板８２が、隣接する各圧電セラミック振動板８２との間に０．３ｍｍの隙間を夫々設けて配列されている。
上位位置から下位位置に向かって配列された複数個の圧電セラミック振動板８２に、便宜上、Ｎｏ１、Ｎｏ２、Ｎｏ３、…、の番号を順番に付したとき、信号処理ユニット９０のマイコン９２（図１０参照）は、先の図１２に示した圧電セラミック振動板８２の振動特性の変化から、図示の例では、Ｎｏ１の圧電セラミック振動板８２の周囲を空気と判定し、Ｎｏ２〜Ｎｏ６の圧電セラミック振動板８２の周囲を氷と判定し、Ｎｏ７の圧電セラミック振動板８２の周囲を水と判定する。
【００５２】
パソコン１１１は、上記の判定に基づいて、圧電セラミック振動板８２の寸法及び取り付け間隔から氷厚を計算し、氷厚が約１１．５ｃｍであると算出して、画面上に表示する。また、パソコン１１１は測定された水位を表示する。
【００５３】
なお、上記の実施の形態では、パソコン１１１はリアルタイムで氷厚や水位の測定結果を表示するとしたが、リアルタイムによるこれらの表示の他に、水から氷への変化を時刻と共に記録して氷の成長速度及び氷解速度を計測し、表示することもできる。
また、上記の実施の形態では、水位及び氷厚を測定する場合について記載したが、パソコン１１１は振動周波数特性の変化から、例えばシャーベット状の氷であるか完全に氷結した氷であるかのような、氷の形態の違いについても測定することもできる。
【００５４】
図１４は、他の実施の形態を示す図である。
この実施の形態では、センサ部１２０及び信号処理ユニット１３０がフロート１４０に取り付けられて、水面上に浮いたフロート１４０よりセンサ部１２０が水中に吊り下げられる構造となっている。フロート１４０にはアンカ１４１が装備されていて、アンカ１４１を底部Ｂに固定することで、フロート１４０が測定位置に常時係留される。
【００５５】
センサ部１２０及び信号処理ユニット１３０によって測定された測定結果は、先の実施の形態と同様、テレメータシステムによりパケット通信されて、遠隔地のパソコン上に表示される。
このような構成の成分解析装置は、水深が深く、支持部材８１の先端部を湖沼の底部Ｂに埋め込むことができないような場合に有効である。
【００５６】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の成分解析装置によれば、センサ部を、１つの支持部材に複数のセンサ素子を設けた構成にしたので、センサ部の測定対象物への設置、出し入れを容易に行うことができる。また、繰り返しの使用が可能となる。即ち、センサ部の再利用が可能となる。従って、測定対象物をコンクリートや水とした場合には、センサ部の型枠内への設置、あるいはセンサ部の水深に応じた水中への設置を容易に行うことができる。また、型枠内への出し入れや水中からの取り出しが容易であることから繰り返しの使用が可能となる。即ち、センサ部の再利用が可能となる。
【００５７】
請求項２に係る発明の成分解析装置によれば、支持部材の形状を中実棒、中空棒又はプレートとしたので、測定対象物に容易に設置することができる。従って、測定対象物をコンクリートや水とした場合には、プレキャストコンクリート型枠内や湖沼等への設置が容易である。
【００５８】
請求項３に係る発明の成分解析装置によれば、支持部材の基端部に取付けハンドルを設けたので、測定対象物への取付け、取外しを容易に行うことができる。従って、例えば測定対象物がコンクリートの場合に、型枠内への手による取扱いが容易である。
【００５９】
請求項４に係る発明の成分解析装置によれば、センサ素子として圧電スピーカを利用することによって、安価な成分解析装置を実現することができる。従って、例えば測定対象物がコンクリートの場合に、安価な充填検知装置が実現できる。
【００６０】
請求項５に係る発明の成分解析装置によれば、センサ素子として圧電セラミック振動板を利用することによって、安価な成分解析装置を実現することができる。従って、例えば測定対象物がコンクリートの場合に、安価な充填検知装置が実現できる。
【００６１】
請求項６に係る発明の成分解析システムによれば、センサ素子の周波数特性を検出し、センサ素子に測定対象物が接触することで、この周波数特性が測定対象成分ごとに違った特性になることを利用しているので、測定対象成分の厚さや高さ（位置）等を検出することができる。また、センサ素子は予め振動特性が判っているので、計測現場での基準値等の新たな設定を不要にできる。さらに、解析結果は通信回線を利用したテレメータシステムに載せることで、遠隔地においての自動計測が実現できる。従って、例えば測定対象物が水又は氷の場合には、湖沼等の氷厚・水位の自動検知システムが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る成分解析装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のセンサ部を示す斜視図である。
【図３】図１のセンサ部を示す断面図である。
【図４】図１のセンサ部の設置例を示す図である。
【図５】図１の成分解析装置での測定結果の一例を示す図で、プレキャストコンクリート型枠内にコンクリートが無い場合の出力電圧波形図である。
【図６】図１の成分解析装置での測定結果の一例を示す図で、プレキャストコンクリート型枠内にコンクリートが有る場合の出力電圧波形図である。
【図７】本発明の他の実施の形態に係る成分解析装置のセンサ部を示す斜視図である。
【図８】図７のセンサ部のセンサ素子ケースを示す断面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施の形態に係る成分解析装置のセンサ部を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る成分解析システムの概要を示す構成図である。
【図１１】図１０の成分解析システムの設置例を示す図である。
【図１２】図１０の成分解析システムでの測定結果の一例を示す図で、空気、水、氷における出力電圧波形図である。
【図１３】図１０の成分解析システムの具体的構成及び計測例を示す図である。
【図１４】本発明の他の実施の形態に係る成分解析システムを示す構成図である。
【符号の説明】
１ 信号発生・印加部
２−１、２−２、…、２−ｎ 周波数特性検出部
３、６０、７０、８０、１２０ センサ部
４ 判定部
５、１００ 表示部
１０ 同期信号発生器
１１ 可変周波数発振器
１２ 増幅器
２０ 抵抗
２１ 差動増幅器
２２ ４象限掛け算器
２３ ローパスフィルタ
３０ 圧電スピーカ
３１、６１、７１、８１、１２１ 支持部材
３２、７２ 取付けハンドル
３３ 多芯ケーブル
３４ 出力ケーブル
５１ 型枠
５２ 鉄筋
６２ センサ素子ケース
８２ 圧電セラミック振動板
９０、１３０ 信号処理ユニット
９１ 信号処理アンプ
９２ マイコン
１１０ 管理事務所
１１１ パソコン
１４０ フロート
１４１ アンカ
Claims (6)
- 電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ部と、周波数が経時的に変化する電気信号を前記センサ部に印加する信号発生・印加手段と、前記電気信号が前記センサ部に印加されることでそのセンサ部の振動周波数特性を検出する周波数特性検出手段とを具備する成分解析装置であって、
前記センサ部は、電気エネルギーを振動する機械エネルギーに変換する複数のセンサ素子と、前記複数のセンサ素子を固定する支持部材とを具備することを特徴とする成分解析装置。 - 前記センサ部の支持部材は、中実棒、中空棒又は板状のいずれかの形状であることを特徴とする成分解析装置。
- 前記センサ部の支持部材は、その基端部分に前記センサ部を装着対象物に取り付けるための取付けハンドルを具備することを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の成分解析装置。
- 前記センサ部の複数のセンサ素子夫々は、圧電スピーカであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の成分解析装置。
- 前記センサ部の複数のセンサ素子夫々は、圧電セラミック振動板であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成分解析装置。
- 電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ部と、周波数が経時的に変化する電気信号を前記センサ部に印加する信号発生・印加手段と、前記電気信号が前記センサ部に印加されることでそのセンサ部の振動周波数特性を検出する周波数特性検出手段と、検出された振動周波数特性に基づいて成分を解析する成分解析手段と、解析結果を表示する表示手段とを具備し、
前記成分解析手段で求めた解析結果がパケット通信により前記表示手段に送信されることを特徴とする成分解析システム。
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- 2002-09-03 JP JP2002257872A patent/JP2004093493A/ja active Pending
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