JP2006317323A - 水膜膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 道路上などの水膜の膜厚を測定する簡易な測定装置を提供する。
【解決手段】 固定電極１３上の水膜１５の膜厚を測定する水膜膜厚測定装置において、固定電極１３に対向し上下動する移動電極１１と、水膜１５を載せた固定電極１３と移動電極１１との間の電気抵抗を測定する電気抵抗測定部３とにより、移動電極１１の位置に応じて変化する電気抵抗に基づいて水膜膜厚を測定する。移動電極１１が空気中から下方に移動する間の電気抵抗測定部３の出力に基づいて、移動電極１１が固定電極１３に接触した位置Ｐ２と、移動電極１１を再度下降させ水膜１５に接触した位置Ｐ１をメモリ７に格納し、（Ｐ２−Ｐ１）を水膜膜厚ｄとする。これにより、表面張力により付着した移動電極上の水膜と固定電極厚は測定誤差から相殺され、水膜膜厚ｄの測定精度が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水膜膜厚測定装置に関し、特に、地面上の水膜の膜厚をマイクロメータなどの移動電極によって測定する水膜膜厚測定装置に関する。

水膜などの膜厚を測定する水膜膜厚測定装置は各種知られている。
例えば、特許文献１に開示された「ベルトキャスタの冷却水膜の厚さの測定方法」は、注入溶鉱薄層流を搬送する連続鋳造機のベルトキャスタの背面から供給される冷却水膜の厚さの測定方法である。具体的には、ベルトキャスタの長辺モールド鋼鈑からの超音波エコーを連続的に撮影し、第（ｎ＋１）枚目の画像から第ｎ枚目の画像を順次減算処理して、モールド鋼鈑内の多重エコーを消去し、冷却水膜の厚みを測定する。

また、特許文献２に開示された「ベルトキャスタの冷却水膜の厚さの測定方法および装置」は、注入溶鉱薄層流を搬送する連続鋳造機のベルトキャスタの背面から供給される冷却水膜の厚さの測定方法である。具体的には、ベルトキャスタの長辺モールド鋼鈑の背後にて冷却水流の導入排出をつかさどるパッドに取りつけた超音波探触子と、当該超音波探触子の近傍に設置した超音波反射体とを備え、ベルトキャスタからの超音波エコーと、冷却水流表面からの超音波エコーに基づいて冷却水流の厚さを求める。

また、特許文献３に開示された「ベルトキャスタの冷却水膜の厚さの測定方法」は、注入溶鉱薄層流を搬送する連続鋳造記のベルトキャスタの背面から供給される冷却水膜の厚さの測定方法である。具体的には、ベルトキャスタからの超音波エコーと、冷却水流表面からの超音波エコーに基づいて冷却水流の厚さを求める。

また、特許文献４に開示された「水膜の膜厚測定装置」では、降雨時における走行車両の安全を確保するため、ランダム偏光のレーザ光を路上の水膜に斜めに照射し、水面からの反射光と水底面からの反射光を検知し、水膜の膜厚を演算子出力する。

また、特許文献５に開示された「水膜膜厚測定装置」では、ワイパを取りつけた自動車の前面ガラス上の水膜膜厚を測定するために、水膜での赤外線吸収率により水膜の膜厚を測定する。具体的には、赤外線光源はＮｉ−Ｃｒヒータであり、水の吸収ピークである１．９２μｍと、２．９４μｍの赤外線を発光する。そして、フィルタにより、測定波長を切替えて、２．９４μｍの赤外線で４μｍまでの水膜膜厚を精度良く測定し、１．９２ミクロンの赤外線で３００μｍまでの水膜膜厚を精度良く測定する。

また、特許文献６に開示された「水膜測定装置」では、車両前方の水膜の厚さを、前方を照射する光が水によって減衰された割合から算出する。具体的には、水に対して適度な吸収（１ｍｍ当り透過率約３０％）を有するアイセーフ波長（１．５３〜１．５５μｍ）を用い、水膜下の路面からの拡散反射光強度を検知し減衰量を求め、水膜の膜さを算出する。

特開昭６１−９５７５４号公報（特許請求の範囲） 特開昭６１−９６４０４号公報（特許請求の範囲） 特開昭６２−１６１００６号公報（特許請求の範囲） 特開平４−１５７３０６号公報（特許請求の範囲） 実開平６−３７７０８号公報（図４、段落００２４） 特開平７−１９８３４１号公報（図１、段落００１６）

しかし、特許文献１〜６では、移動するベルトキャスタ上の水膜膜厚を測定したり、走行中の車両から風防ガラス水膜膜厚や路上の水膜膜厚を測定することが目的であり、複雑な測定装置・方法が要求される。
これに対して、地面上などの水膜を静止した装置で測定するには、特許文献１〜６に開示された複雑な測定装置・方法は不要であり、より簡易な装置・方法により、効率的に水膜膜厚を測定することが求められる。
そこで、本発明は、地面上や道路上などの水膜の膜厚を制した装置により正確に測定することができる測定装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明では、道路などの上に設置した固定電極と、マイクロメータなどの移動電極を使用し、移動電極が空気中、水膜、固定電極の間を移動する際の、固定電極と移動電極との間の電気抵抗変化を検知することにより、水膜膜厚を測定するものである。
具体的には、上述した課題を解決するための手段としての第１の発明は、固定電極上の水膜膜厚を測定する水膜膜厚測定装置において、上記固定電極に対向し上下動する移動電極と、上記水膜を載せた上記固定電極と上記移動電極との間の電気抵抗を測定する電気抵抗測定部とを備え、上記移動電極の位置に応じて変化する上記電気抵抗に基づいて上記水膜膜厚を測定する
第２の発明は、第１の発明において、上記固定電極及び上記移動電極の表面は、親水性処理されている。
第３の発明は、第２の発明において、上記固定電極及び上記移動電極の表面は、酸化チタンでコーティングされている。
第４の発明は、第１の発明において、上記移動電極は、空気中から水膜表面を経て上記固定電極に接触するまで下方に移動し、該接触位置を測定し、上記接触位置から上記移動電極を空気中に引き上げた後再度下方に移動し、上記移動電極が上記水膜に接触した位置を測定する。
第５の発明は、第１の発明において、上記移動電極を上下動させるモータと、上記モータを制御するモータ制御部をさらに備える。
第６の発明は、第５の発明において、上記モータは、ステッピングモータであり、
上記モータ制御部は、上記ステッピングモータに入力されたパルス数に基づいて、上記移動電極の位置を検知する。
第７の発明は、第６の発明において、上記移動電極の位置と上記電気抵抗との関係を表示する移動電極位置表示部をさらに備え、上記モータ制御部は、上記移動電極の位置を上記移動電極位置表示部に出力する。

本発明の水膜膜厚測定装置によれば、道路上などの水膜の膜厚を静止した装置により自動的に測定することができる。特に、表面張力による測定誤差を小さくして、水膜膜厚を正確に測定することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本実施形態の水膜膜厚測定装置のブロック図である。
本実施形態の水膜膜厚測定装置は、水膜が載った固定電極に移動電極を対向させ、移動電極を、空気中から水膜を経て固定電極に至るまで下方に移動させて、移動電極と固定電極の間の電気抵抗Ｒｘを測定し、電気抵抗変化に基づいて水膜膜厚を測定するものである。
本実施形態の水膜膜厚測定装置は、移動電極１１を手動又はモータ５で上下動させる。移動電極１１は、例えばマイクロメータのヘッドの表面であり、その表面は、水に対するぬれを良くするため、例えば酸化チタンなどのコーティング１２により親水性処理されてもよい。また、モータ５は、ステッピングモータであり、モータ制御部６から入力される駆動パルス信号により、移動電極１１を上下動させる。
固定電極１３は、地面など１６の上に設置された金属板であり、その表面は、水に対するぬれを良くするため酸化チタンなどのコーティング１４により親水性処理されてもよい。降雨などがあると、上記コーティングにより、固定電極１３の上に水膜１５が均一に形成される。
移動電極１１と固定電極１３とは、電気抵抗測定部３の入力端子に接続され、移動電極１１と固定電極１３との間の電気抵抗Ｒｘが、電気抵抗測定部３の一方の出力端子からの出力電圧Ｖｏｕｔとして検知される。
さらに、電気抵抗測定部３の一方の出力端子からの出力電圧Ｖｏｕｔは、移動電極位置表示部４に入力される。移動電極位置表示部４は、移動電極１１が、空気中、水膜表面、又は固定電極１３上のいずれの位置にあるかを視認させるものである。なお、移動電極１１の位置視認とともに、移動電極１１の位置も表示する場合には、移動電極位置表示装置４にモータ制御部６から移動電極１１の位置も入力する。
さらに、出力電圧Ｖｏｕｔは、メモリ７に入力される。ここに、メモリ７は、移動電極の位置Ｐｘと電気抵抗Ｒｘとの関係を、測定経過に沿って所定時間間隔でサンプリングして格納するものである。そのために、メモリ７には、モータ制御部６から、移動電極１１の位置を示す信号が入力される。

図２は、図１に示した電気抵抗測定部３のブロック図である。
電気抵抗測定部３は、交流定電圧電源２０と、検出抵抗Ｒｆと、検出抵抗Ｒｆの端子電圧を測定する端子電圧測定回路２２からなる。
交流定電圧電源２０の一方の出力端子は、移動電極１１に接続され、他方の出力端子は、検出抵抗Ｒｆの一端に接続される。なお、検出抵抗Ｒｆの他端は、固定電極１３に接続される。さらに、検出抵抗Ｒｆの一端及び他端は、端子電圧測定回路２２の２つの入力端子にそれぞれ接続され、検出抵抗Ｒｆの端子電圧Ｖｏｕｔが、端子電圧測定回路２２の一方の出力端子から出力される。
図２には、移動電極位置表示装置４の一例も示されている。
この移動電極位置表示装置４は、比較器１、２、３と、これらにそれぞれ接続されたランプ１、２、３からなる。比較器１、２、３には、移動電極１１が、空気中、水膜１５の表面、及び固定電極１３の表面にあるときの出力電圧Ｖｏｕｔが、それぞれ予め設定された比較電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２、Ｖｒｅｆ３として設定されており、移動中の移動電極１１がこれらの位置に来た時、比較器の１、２、３の出力に基づいて、ランプ１、ランプ２、ランプ３が点灯される。
但し、移動電極位置表示装置４は、これに限定されず、ＬＣＤなどの２次元表示装置であってもよい。この場合、移動電極位置表示装置４の横軸を移動電極１１の位置Ｐｘとし、縦軸を測定中のＶｏｕｔとして、ＰｘとＶｏｕｔとを２次元表示し、測定中のＶｏｕｔが、上述した比較電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２、Ｖｒｅｆ３となった時に、対応する位置Ｐｘをマーカで点滅表示するとよい。

図３は、移動電極１１を空気中から下降させ固定電極１３に接触するまでの移動電極１１の位置Ｐｘと電気抵抗測定部３の出力Ｖｏｕｔとの関係を示すグラフである。
まず、移動電極１１を空気中から下降させ水面と接触させると、移動電極１１と固定電極１３の間の電気抵抗Ｒｘは無限大から数ｋΩへと変化する。これに対応して、電気抵抗測定部出力Ｖｏｕｔは０ボルトからＶ１ボルトへと跳ね上がる。この時の移動電極の位置ＰｘがＰ１である。
さらに、移動電極１１を下降させると、電気抵抗Ｒｘは小さくなり、これに伴ってＶｏｕｔは上昇する。なお、図３では、簡単のため、この上昇カーブを直線として図示しが、実際にはこの上昇カーブは直線ではない。
そして、移動電極１１が固定電極１３に接触すると、親水性コーティングの電気抵抗を無視すると、両電極は短絡された状態となり、Ｒｘは０Ωとなり、これに伴ってＶｏｕｔは最高電圧Ｖ２となる。この時の移動電極の位置ＰｘがＰ１である。

図４は、水膜膜厚の測定を説明するためのフローチャートである。
まず、Ｓ４０において、空中から水膜１５を経て固定電極１３に至るまで、移動電極１１を下方に移動させ、固定電極１３に達した位置Ｐ２をメモリに格納する。
次に、Ｓ４２において、移動電極１１を上方に移動させ、水膜中から空気中に至るまで、移動する。
次に、Ｓ４４において、移動電極１１を下方に移動させ、水膜と接触した位置Ｐ１をメモリに格納する。
最後に、Ｓ４６において、水膜膜厚ｄ＝（Ｐ２−Ｐ１）を演算する。

[水膜膜厚測定装置の設定]
図５（Ａ)に示すように、移動電極１１は、マイクロメータヘッドであり、先端を先細りさせた金属円柱である。先細りされた先端の直径は１ｍｍである。また、テーパー部及び先端には酸化チタン１２が鍍金されている。また、テーパ部の軸方向長さは２ｍｍとした。
図５（Ｂ）に示すように、固定電極１３は、厚さ１００μｍ（酸化チタン鍍金層１４を含む）であり、直径３０ｍｍである。
移動電極１１及び固定電極１３上の酸化チタン鍍金層により、薄い水膜（０．５〜２ｍｍ）でもそれぞれの電極上に水が均一にぬれる。なお、移動電極１１が一旦下降して固定電極１３と接触し、その後上昇して空気中に戻った時に、移動電極１１の先端に付着した水滴１５１の厚みは、図５（Ｂ）に示すように、８０〜１００μｍであった。
図３に示した位置Ｐ２では、移動電極１１と固定電極１３とが接触するため、Ｒｘは０Ωである。また、移動電極１１が水膜１５中にある時は、Ｒｘは数ｋΩである。また、移動電極１１が表面張力を振り切って水膜との繋がりを絶ち空中にある時は、Ｒｘは数ＭΩ以上無限大となる。
図２に示した交流定電圧電源２０は、周波数１ｋＨｚ、内部抵抗数Ω、出力２．０Ｖ、検出抵抗Ｒｆは、１０ｋΩとした。

[水膜膜厚測定方法]
水膜膜厚測定方法は、図４に示したフローチャートに従う。
具体的には、まず、移動電極１１が空気中から水膜を経て固定電極１３に達したことをＶｏｕｔがＶ２となったことにより確認し、その時のＰｘ（＝Ｐ２)をメモリに格納する。
次に、移動電極１１を上方に移動し、水膜から空気中に上げる。この時、Ｖｏｕｔは０ボルトになる。ところで、この時の移動電極１１の位置は、移動電極１１と水膜表面間で引き起こされる表面張力の高さ、具体的には表面張力による水柱の高さ（８００μｍ〜１０００μｍ）を加算したものである。したがって、この時の移動電極１１の位置はメモリに記録しない。
空気中にある移動電極１１には、水中に接した際に付着した水滴（高さ８０μｍ〜１００μｍ）が付いている。
移動電極１１を再度下方に移動する。すると、移動電極１１が水膜１５に接触した瞬間、両電極間の電気抵抗Ｒｘは無限大から数ｋΩに急激に変化し、移動電極１１が水膜１５に接触したことが容易に判定できる。そこで、この時の移動電極１１の位置Ｐ１をメモリに格納する。但し、Ｐ１は、移動電極１１付着した水滴８０μｍ〜１００μｍを加算したものである。
一方、Ｐ２は地面１６の位置に固定電極１３の厚さ（酸化チタン鍍金層１４の厚さを含む）１００μｍを加算したものである。
したがって、移動電極１１に付着した水膜膜厚膜厚と固定電極厚さとが略相殺され、水膜膜厚ｄの測定精度が向上されている。

[水膜膜厚測定結果]
移動電極１１が空中にある時、ＶｏｕｔはゼロＶであった。また、移動電極１１が水膜に接触すると、Ｖｏｕｔは０．４Ｖであった。また、移動電極１１が水膜中にある間、Ｖｏｕｔは０．４Ｖ〜２．８Ｖであった。そして、移動電極１１が固定電極１３とＰ２で接触したときは、Ｖｏｕｔは２．８Ｖであった。
以上の測定結果に基づいて、水膜膜厚０．４ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲をプラスマイナス０．１ｍｍ以内の精度で測定することができた。

本発明は、地面上や道路上などの水膜を移動電極などの機械的手段で測定することに利用することができ、さらに、地面や道路の安全管理などに利用することができる。

本実施形態の水膜膜厚測定装置のブロック図である。 本実施形態の本実施形態の水膜膜厚測定装置に使用する電気抵抗測定部の一例のブロック図である。 移動電極位置に応じて変化する電気抵抗測定部出力を示すグラフである。 本実施形態の水膜膜厚測定方法のフローチャートである。 移動電極と固定電極の具体例を示す断面図である。

符号の説明

３ 電気抵抗測定部
４ 移動電極位置表示部
５ ステッピングモータ
６ モータ制御部
７ メモリ
１１ 移動電極
１２ 移動電極コーティング
１３ 固定電極
１４ 固定電極コーティング
１５ 水膜
１６ 地面又は道路など
２０ 交流定電圧電源
２２ 端子電圧測定回路
Ｐ１ 移動電極１１が水膜１５の表面にある位置
Ｐ２ 移動電極１１が固定電極１３と接触する位置

Claims (7)

1. 固定電極上の水膜膜厚を測定する水膜膜厚測定装置において、
   前記固定電極に対向し上下動する移動電極と、
   前記水膜を載せた前記固定電極と前記移動電極との間の電気抵抗を測定する電気抵抗測定部とを備え、
   前記移動電極の位置に応じて変化する前記電気抵抗に基づいて前記水膜膜厚を測定することを特徴とする水膜膜厚測定装置。
2. 前記固定電極及び前記移動電極の表面は、親水性処理されていることを特徴とする請求項１記載の水膜膜厚測定装置。
3. 前記固定電極及び前記移動電極の表面は、酸化チタンでコーティングされていることを特徴とする請求項２記載の水膜膜厚測定装置。
4. 前記移動電極は、空気中から水膜表面を経て前記固定電極に接触するまで下方に移動し、該接触位置を測定し、
   前記接触位置から前記移動電極を空気中に引き上げた後再度下方に移動し、前記移動電極が前記水膜に接触した位置を測定することを特徴とする請求項１記載の水膜膜厚測定装置。
5. 前記移動電極を上下動させるモータと、
   前記モータを制御するモータ制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の水膜膜厚測定装置。
6. 前記モータは、ステッピングモータであり、
   前記モータ制御部は、前記ステッピングモータに入力されたパルス数に基づいて、前記移動電極の位置を検知することを特徴とする請求項５記載の水膜膜厚測定装置。
7. 前記移動電極の位置と前記電気抵抗との関係を表示する移動電極位置表示部をさらに備え、
   前記モータ制御部は、前記移動電極の位置を前記移動電極位置表示部に出力することを特徴とする請求項６記載の水膜膜厚測定装置。

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