JP2007057481A - 充填物検知方法及び充填物検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサ素子と装置本体との間のケーブル長が長くなった場合に発生する波形歪を軽減し、正確な計測結果が得られる充填物検知方法及び充填物検知装置を得る。
【解決手段】 ローパスフィルタ８を通して得られる出力電圧Ｖｏの波形の傾きを検出し、検出した傾きを用いて出力電圧Ｖｏの波形をケーブル４５の標準長における電圧波形の傾きの波形に補正する。即ち出力電圧Ｖｏの波形から予め決めた２点Ｘ_１、Ｘ_２を抽出し、夫々の出力電圧ｙ_１、ｙ_２を用いて取得した波形を直線近似する。そして、α=(ｙ_２-ｙ_１)/(ｘ_２-ｘ_１)を用いて直線の傾き係数αを求め、その係数αを用いて任意の点Ｘｘ(０〜２５５)で取得した出力電圧Ｙｘにおける補正後の値ｙ′を、ｙ′=Ｙｘ-αＸｘより求める。
【選択図】 図１

Description

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充填物検知方法及び充填物検知装置に関する。

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、コンクリートを充填する方法が採られている。
ところで、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。現在商品化されている方法には、２つの電極をプレキャストコンクリート型枠内に配置し、その２つの電極（センサ素子）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（例えば、特許文献１又は特許文献２参照）。
特開平７−２６９１２０号公報 特開平６−２２９９６８号（特許第２８３６７９９号）公報

ところで、従来の充填物検知方法にあっては、プレキャストコンクリート型枠内に配置するセンサ素子と装置本体とを接続するケーブルは、数メートル程度の比較的短いものであった。しかしながら、構造体の複雑化や検出に影響を受けない周囲環境を確保する等の理由から、ケーブル長が長くなる傾向にあり、このケーブル長の増大に起因する容量分の増加により取得波形に歪が生じ、計測結果に誤差が生じたり、全く異なる結果が得られてしまったりするという新たな問題が生じた。

この発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、センサ素子と装置本体との間のケーブル長が長くなった場合に発生する波形歪を軽減し、正確な計測結果が得られる充填物検知方法及び充填物検知装置を提供することを目的とする。

上記目的は下記方法及び構成により達成される。
（１） 電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ素子に所定の範囲で周波数が経時的に変化する電気信号を印加し、このときに前記センサ素子に流れる電流の変化を電圧の変化として捉え、捉えた電圧波形の周波数特性を判定することで前記センサ素子を配設した空間内における充填物の充填状況を検知する充填物検知方法において、
前記センサ素子に流れる電流を電圧の変化として捉えた電圧波形の傾きを検出し、検出した傾きを用いて前記電圧波形を前記センサ素子と装置本体とを接続するケーブルの標準長における電圧波形の傾きの波形に補正し、補正した電圧波形の周波数特性を判定することで前記センサ素子を配設した空間内における充填物の充填状況を検知する。

（２） 充填物検知装置であって、電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ素子と、所定の範囲で周波数が経時的に変化する電気信号を発生し、発生した電気信号を前記センサ素子に印加する信号発生・印加手段と、前記信号発生・印加手段にて発生した電気信号が前記センサ素子に印加されることで前記センサ素子に流れる電流を電圧の変化として捉え、捉えた電圧波形の傾きを検出し、検出した傾きを用いて前記電圧波形を前記センサ素子と装置本体とを接続するケーブルの標準長における電圧波形の傾きの波形に補正する補正手段と、前記補正手段にて補正された電圧波形の周波数特性を判定することで前記センサ素子を配設した空間内における充填物の充填状況を検知する検知手段と、を備える。

上記（１）に記載の充填物検知方法又は上記（２）に記載の充填物検知装置では、センサ素子と装置本体とを接続するケーブル長が標準長よりも長くなった場合に発生する電圧波形の波形歪を軽減でき、正確な計測結果が得られる。

以下、本発明を実施するため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、本発明の一実施の形態に係る充填物検知装置の概略構成を示すブロック図である。
この図において、本実施の形態に係る充填物検知装置は、同期信号発生器１と、可変周波数発振器２と、増幅器３と、センサ素子（電極に対応する）４と、抵抗５と、差動増幅器６と、４象限掛け算器７と、ローパスフィルタ８と、判定部９とを備えて構成される。

同期信号発生器１は、可変周波数発振器２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２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１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３は、可変周波数発振器２からの正弦波信号を、センサ素子４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。
なお、本実施の形態では、同期信号発生器１、可変周波数発振器２及び増幅器３を含めて信号発生・印加手段と呼ぶ。

センサ素子４は、電気信号を機械信号に変換して出力するものであり、図２に示すように、圧電セラミックス４０と、圧電セラミックス４０を固定する金属板４１と、圧電セラミックス４０を金属板４１と共に収容するケース４２と、ケース４２を固定する台座４３と、台座４３とケース４２に収容された金属板４１との間に介挿され、ケース４２へのコンクリートの侵入を防止するシール材４４とを備えて構成される。なお、ケース４２は圧電セラミックス４０の周囲に空間を保てる大きさに形成されている。また、センサ素子４と装置本体とはケーブル４５によって接続される。センサ素子４に圧電セラミックス４０を使用することで装置を安価にできるとともに精度の高い検査が可能となる。

図１に戻り、抵抗５は、増幅器３とセンサ素子４との間に直列に介挿され、その両端にはセンサ素子４に流れる電流に対応する電圧が発生する。センサ素子４に流れる電流は周波数の変化によって変化するので、抵抗５の両端に現れる電圧はセンサ素子４の周波数特性を反映したものになる。差動増幅器６は、抵抗５の両端の電圧を増幅して電圧Ｖｉを出力する。４象限掛け算器７は、加振用信号Ｖｒと電圧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８は、４象限掛け算器７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。

判定部９は、検知手段及び補正手段として機能し、図示せぬマイコン、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換器、ＬＣＤ（液晶表示器）等の表示器を備えて構成される。判定部９は、センサ素子４にコンクリート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８から出力される信号から、センサ素子４に対するプレキャストコンクリート型枠内におけるコンクリートの接触・非接触を判定し、その結果（良否）を上述した表示器上に表示する。因みに、センサ素子４の固有の振動周波数特性を一度設定しておくことで以後メンテナンス時以外、再設定する必要はなくなる。なお、センサ素子４の固有の振動周波数特性は上記したＲＡＭに記憶される。また、マイコンを制御するためのプログラムは上記したＲＯＭに記憶されている。

このように構成された充填物検知装置において、可変周波数発振器２にて発生した正弦波信号が増幅器３で増幅されて加振用電圧Ｖｒとしてセンサ素子４と４象限掛け算器７の夫々に入力される。センサ素子４に加振用電圧Ｖｒが入力されることでセンサ素子４から機械的振動が発生する。また、抵抗５の両端にはセンサ素子４に流れる電流に対応する電圧が発生し、この電圧が差動増幅器６にて増幅されて電圧Ｖｉが出力される。差動増幅器６からの電圧Ｖｉと増幅器３からの加振用電圧Ｖｒとが４象限掛け算器７にて乗算され、その出力がローパスフィルタ８にてｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）成分が除去されて出力電圧Ｖｏが得られる。出力信号Ｖｏは加振用信号の周波数変化に対するセンサ素子４の周波数特性（振幅と位相）を反映した信号になる。このときセンサ素子４の表面に何も接触していなければ、図３に示すように、センサ素子４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。センサ素子４の周りにコンクリートが充填された場合には、センサ素子４の振動特性が変化して、図４に示すように、ピーク電圧の位置と大きさが変化する。判定部９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、その結果を表示器上に表示する。これにより、ユーザは容易にコンクリートの充填を判別することができる。

ここで、上記作動原理を、数式を用いて説明すると以下のようになる。
この場合、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）

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８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。

図３及び図４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。

ところで、センサ素子４を配置する計測地点と装置本体との間の距離が離れている場合、センサ素子４に配線するケーブル４５を延長することで計測が可能であるが、その際、ケーブル長に起因する容量分の増加により取得波形に歪が生じ、周囲がコンクリートの場合でも空気又は水の判定範囲に入ってしまい、接触物を誤判定してしまう虞がある。
図５は、標準ケーブル長(例えば５ｍ)のときの判定部９で用いられる接触物質毎のピーク電圧分布の一例を示すものであり、縦軸の単位が出力電圧（Ｖ）、横軸の単位が周波数（ｋＨｚ）である。この図に示す例では、周波数３ｋＨｚ〜１３．５ｋＨｚで出力電圧０〜２．５Ｖの範囲をコンクリートとし、周波数４．５ｋＨｚ〜６．５ｋＨｚで出力電圧３Ｖ〜６Ｖの範囲を水とし、周波数７ｋＨｚ〜１３．５ｋＨｚで出力電圧３〜９Ｖの範囲を空気としている。

本実施の形態の充填物検知装置では、センサ素子４のケーブル４５を延長して長くなっても取得波形を元の波形になるように補正するようにして、接触物の誤判定を無くすようにしている。以下、ケーブル４５を長くした場合の取得波形の補正処理について説明する。

図６は、センサ素子４がコンクリート中にあるときのケーブル延長と出力電圧波形の裾野傾斜の関係を示す図であり、縦軸の単位が出力電圧（Ｖ）、横軸の単位が周波数（Ｈｚ）である。この図において、ＣＶ１は延長無しの標準ケーブル長（５ｍ）を使用したときの波形、ＣＶ２は７０ｍに延長したときの波形、ＣＶ３は１３０ｍに延長したときの波形、ＣＶ４は１８０ｍに延長したときの波形である。これらの波形ＣＶ１〜ＣＶ４の裾野部分に着目してみると、ケーブル長が長くなるに従い、ケーブル４５の容量分の影響で裾野の傾斜が右上りで大きくなることが分かる。

図７は、ケーブル４５を７０ｍに延長したときの補正前の出力電圧波形ＣＶ２を示す図である。センサ素子４の周囲はコンクリートであるが、ケーブル延長により波形歪が生じ、本来検出すべきピーク周波数位置のピーク電圧及びピーク周波数（３．１Ｖ、８６００Ｈｚ）を検知せず、ノイズ成分による電圧及び周波数（３．２Ｖ、１３５００Ｈｚ）をピークとして誤検出してしまう。ピークを誤検出した結果、判定がコンクリートにならない。また、波形歪により本来のピーク電圧値もコンクリート判定閾値電圧（２．５Ｖ）以下にならない。この場合は、図５から分かるように空気と判定することになる。

図６に示す関係よりケーブル延長に比例して波形歪が大きくなることから、この傾き量を検出し、その結果を基に補正することで誤検出を防止することが可能である。本実施の形態では、判定部９にて次のようにして波形歪の補正を行っている。すなわち、図８に示すように、取得した波形から予め決めた２点Ｘ_１、Ｘ_２を抽出し、それぞれの出力電圧ｙ_１、ｙ_２を用いて取得した波形を直線近似する。この直線の傾き係数αは、式（２）で求めることができる。
α＝（ｙ_２−ｙ_１）／（ｘ_２−ｘ_１）…（２）
そして、この傾き係数αを用いて任意の点Ｘｘ（０〜２５５）で取得した出力電圧Ｙｘにおける補正後の値ｙ′を求めると、ｙ′＝Ｙｘ−αＸｘとなる。
図７に示す誤検出した波形に対して補正を行うと図９に示すようになり、本来のピーク周波数位置、ピーク電圧値を検出することが可能となる。すなわち、周波数３ｋＨｚ〜１３．５ｋＨｚで出力電圧０〜２．５Ｖの範囲内でピーク電圧値を検出でき、コンクリートを判定できる。この処理の詳細を図１０に示すフローチャートを参照して説明する。

図１０において、まずローパスフィルタ８より得られえる出力電圧ＶｏをＡ／Ｄ変換して２５６個のデータを取得する（ステップＳＴ１０）。次いで、１６番目（Ｘ_１６）のデータＹ_１６を取得し（ステップＳＴ１１）、さらに２５０番目（Ｘ_２５０）のデータＹ_２５０を取得する（ステップＳＴ１２）。１６番目のデータＹ_１６と２５０番目のデータＹ_２５０とを取得した後、これらの値を用いて式（２）から近似直線の傾きである係数αを求める（ステップＳＴ１３）。近似直線の傾きである係数αを求めた後、ループ回数ｎ＝０〜２５５で補正値ｙ_ｎ′＝Ｙ_ｎ−αＸ_ｎを求める（ステップＳＴ１４〜ステップＳＴ１６）。これにより、図９に示すような補正後のピーク周波数位置が求まる。この場合、ケーブル４５を７０ｍに延長したときのピーク周波数位置が３．１Ｖ、８６００Ｈｚであるが、補正後のピーク周波数位置が１．６Ｖ、８６００Ｈｚとなり、コンクリートを判定することができるようになる。なお、上記処理は当然ながらプログラムとしてマイコンに接続されたＲＯＭに書き込まれており、マイコンによって実行される。

このように、本実施の形態の充填物検知装置によれば、所定の範囲で周波数が経時的に変化する正弦波の電気信号を発生させて、この電気信号をセンサ素子４に印加して振動周波数特性を検出し、この振動周波数特性をもとにセンサ素子４をプレキャストコンクリート型枠内に充填されたコンクリートに接触させた際の周波数特性の変化を検出するようにしたので、プレキャストコンクリート型枠内におけるコンクリートの充填状況を正確且つ容易に検知することができる。

また、取得した出力電圧Ｖｏの波形の傾きを検出し、検出した傾きを用いて出力電圧Ｖｏの波形をケーブル４５の標準長における電圧波形の傾きの波形に補正するので、ケーブル４５を標準長よりも長くしても、そのときに発生する電圧波形の波形歪を軽減でき、正確な計測結果が得られる。

なお、上記実施の形態では、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良い。この場合、可変周波数発振器２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。

また、上記実施の形態では、コンクリートのプレキャストコンクリート型枠等の閉鎖空間内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。

本発明は、センサ素子と装置本体との間のケーブル長が長くなった場合に発生する波形歪を軽減し、正確な計測結果が得られるといった効果を有し、コンクリートのプレキャストコンクリート型枠等の閉鎖空間内への充填状況を検出する充填物検知装置として有用である。

本発明の一実施の形態に係る充填物検知装置の概略構成を示すブロック図である。 図１の充填物検知装置が有するセンサ素子の概略構成を示す図である。 図１の充填物検知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１の充填物検知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１の充填物検知装置での接触物質毎のピーク電圧値分布の例を示す図である。 図１の充填物検知装置の機能を説明するための図で、ケーブル延長と裾野傾斜の関係を示す図である。 図１の充填物検知装置の機能を説明するための図で、誤検出の一例を示す図である。 図１の充填物検知装置のケーブル延長による波形歪の補正方法を説明するための図である。 図１の充填物検知装置の補正効果を説明するための図である。 図１の充填物検知装置の補正処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 同期信号発生器
２ 可変周波数発振器
３ 増幅器
４ センサ素子
５ 抵抗
６ 差動増幅器
７ ４象限掛け算器
８ ローパスフィルタ
９ 判定部
４０ 圧電セラミックス
４１ 金属板
４２ ケース
４３ 台座
４４ シール材
４５ ケーブル

Claims (2)

1. 電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ素子に所定の範囲で周波数が経時的に変化する電気信号を印加し、このときに前記センサ素子に流れる電流の変化を電圧の変化として捉え、捉えた電圧波形の周波数特性を判定することで前記センサ素子を配設した空間内における充填物の充填状況を検知する充填物検知方法において、
   前記センサ素子に流れる電流を電圧の変化として捉えた電圧波形の傾きを検出し、検出した傾きを用いて前記電圧波形を前記センサ素子と装置本体とを接続するケーブルの標準長における電圧波形の傾きの波形に補正し、補正した電圧波形の周波数特性を判定することで前記センサ素子を配設した空間内における充填物の充填状況を検知する充填物検知方法。
2. 電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ素子と、
   所定の範囲で周波数が経時的に変化する電気信号を発生し、発生した電気信号を前記センサ素子に印加する信号発生・印加手段と、
   前記信号発生・印加手段にて発生した電気信号が前記センサ素子に印加されることで前記センサ素子に流れる電流を電圧の変化として捉え、捉えた電圧波形の傾きを検出し、検出した傾きを用いて前記電圧波形を前記センサ素子と装置本体とを接続するケーブルの標準長における電圧波形の傾きの波形に補正する補正手段と、
   前記補正手段にて補正された電圧波形の周波数特性を判定することで前記センサ素子を配設した空間内における充填物の充填状況を検知する検知手段と、
   を備える充填物検知装置。

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