JP2007085990A - 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を接続するケーブルを延長した場合でも正確な検知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】 可変周波数発振器２のメモリ２１に、ケーブル４５の標準長時に対応させた振幅の正弦波信号を生成するための振幅情報方データＤ１と、ケーブル４５を標準長時より長くした延長時に対応させ、標準長時より振幅の大きい正弦波信号を生成するための振幅情報Ｄ２を記憶させておき、センサ素子４と装置本体とを接続するケーブル４５の長さが標準時には振幅情報Ｄ１を選択し、ケーブル４５の長さが標準時より長くなる場合には振幅情報Ｄ２を選択するようにする。
【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（センサ素子）をプレキャストコンクリート型枠内に配置し、該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の充填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を延長した場合に、それに起因する容量分の増加により取得波形が変化し、検知結果に誤りが生ずるという問題がある。

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を接続するケーブルを延長した場合でも正確な検知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） 所定空間内への充填物の充填を検知する充填物検知方法において、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正弦波信号を印加し、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を検知し、前記センサ素子と装置本体とを接続するケーブルの長さが標準長より長くなる場合には、その延長程度に応じて標準長時よりも前記センサ素子に印加する正弦波信号の振幅を大きくする。

（２） 所定空間内への充填物の充填を検知する充填物検知装置において、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正弦波信号を発生し、発生した正弦波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正弦波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の周波数特性を検出し、前記センサ素子を配設した空間内における充填物に前記センサ素子が接触したときの周波数特性の変化を判定することで前記充填物の充填を検知する充填物検知手段と、前記信号発生・印加手段に対し、発生する正弦波信号の振幅を変化させる制御を行う制御手段と、を備える。

（３） 上記（２）に記載の充填物検知装置において、前記信号発生・印加手段は、振幅の異なる複数の正弦波信号の発生が可能であり、前記制御手段は、前記信号発生・印加手段の発生する振幅の異なる複数の正弦波信号のうち１つを択一的に選択する。

上記（１）に記載の充填物検知方法では、センサ素子と装置本体とを接続するケーブルが延長された場合に、その延長程度に応じてセンサ素子に印加する正弦波信号の振幅を標準長時よりも大きくするので、容量分の増加による取得波形の変化を補償でき、これにより正確な検知結果が得られる。

上記（２）及び（３）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が延長された場合に、その延長程度に応じてセンサ素子に印加する正弦波信号の振幅を標準長時よりも大きくできるので、容量分の増加による取得波形の変化を補償でき、これにより正確な検知結果が得られる。

以下、本発明を実施するための好適な一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、ゲイン切替スイッチ１０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。また、振幅の異なる２種類の正弦波信号の発生が可能であり、この詳細については後述する。
増幅器３は、可変周波数発振器２で発生した正弦波信号を、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。なお、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。なお、本実施の形態では、抵抗５、差動増幅器６、４象限掛け算器７、ローパスフィルタ８及び判定部９を含めて充填物検知手段と呼ぶ。また、判定部９を制御手段と呼ぶ。

判定部９は、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する。そして、抵抗５の両端に発生した電圧が差動増幅器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にて乗算されて、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。出力電圧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のピーク電圧が低下し、周囲が空気（コンクリート未充填）や水の状態の場合でもコンクリート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、空気中でのケーブル延長の影響を示すピーク電圧分布を示す図である。
この図において、曲線ＣＶ１はケーブル延長無しの標準ケーブル長（例えば５ｍ）のときのピーク電圧分布、曲線ＣＶ２は７０ｍ延長したときのピーク電圧分布、曲線ＣＶ３は１３０ｍ延長したときのピーク電圧分布、曲線ＣＶ４は１８０ｍ延長したときのピーク電圧分布である。これらの曲線ＣＶ１〜ＣＶ４から分かるように、ケーブル長が長くなるに従ってピーク電圧が低下する。

判定部９は出力電圧Ｖｏと周波数範囲から接触物の判定を行っており、例えば図６に示す例では、周波数３ｋＨｚ〜１３ｋＨｚで出力電圧０〜２．５Ｖの範囲ではコンクリートと判定し、周波数４．５ｋＨｚ〜６．５ｋＨｚで出力電圧３Ｖ〜６Ｖの範囲では水と判定し、周波数７ｋＨｚ〜１３ｋＨｚで出力電圧３〜９Ｖの範囲では空気と判定している。ここで、ケーブル４５の長さを標準長としてピーク電圧が空気又は水の範囲に入っている状態でケーブル４５を延長し、そのときのピーク電圧がコンクリートの範囲に入ってしまうと、判定部９は接触物を空気又は水と判定せず、コンクリートと判定してしまう。つまり誤判定することになる。このようにケーブル延長によるピーク電圧の低下を考慮しなければ、誤った判定をしてしまう虞がある。

本実施の形態の充填物検知装置は、可変周波数発振器２から振幅の異なる２種類の正弦波信号を発生できるので、ケーブル４５を標準長より長くした場合には振幅の大きな方の正弦波信号を発生させてピーク電圧の低下の軽減を図っている。以下、本実施の形態の充填物検知装置におけるピーク電圧低下の補正処理について説明する。

図７は可変周波数発振器２の構成を示すブロック図であり、デジタル方式の周波数可変信号発生回路２０と、メモリ２１と、Ｄ／Ａ変換器２２とを備えて構成される。
メモリ２１には、振幅の異なる２種類のパターンの正弦波信号を生成するための振幅情報がそれぞれ１周期分書き込まれている。２つの振幅情報は、それぞれ１アドレス単位の振幅データの集合である。
図８はメモリ２１のメモリマップと振幅データの読み出しを模式的に示す図である。
この図に示すようにアドレス００〜６４には振幅情報Ｄ１が格納されており、アドレス１００〜１６４には振幅情報Ｄ２が格納されている。周波数可変信号発生回路２０は、周波数設定信号ｎに従い、メモリ２１に記憶されている振幅データを読み出す周期を可変して周波数の異なる正弦波の出力を可能にする。この場合、周波数可変信号発生回路２０から出力されるアドレスは一定であるので、振幅情報Ｄ１の振幅データを読み出す場合は周波数可変信号発生回路２０からのアドレスをそのまま使用すれば良いが、振幅情報Ｄ２の振幅データを読み出す場合はメモリ２１内でアドレスのオフセット値を加算する。

振幅の異なる２種類のパターンの正弦波信号のいずれを生成するかは、判定部９に接続されたゲイン切替スイッチ１０を操作することによりユーザが任意に選択することができる。メモリ２１から読み出された各振幅データはＤ／Ａ変換器２２に入力されてアナログの電圧として出力される。
図９はＤ／Ａ変換器２２の出力を示す波形図である。
この図に示す振幅２．５Ｖ_Ｐ−Ｐの曲線ＣＶ１０は振幅情報Ｄ１による正弦波信号であり、振幅５Ｖ_Ｐ−Ｐの曲線ＣＶ１１は振幅情報Ｄ２による正弦波信号である。

可変周波数発振器２にはその選択を行うための読み出しアドレス制御信号のほか、周波数設定信号ｎが入力される。ここで、可変周波数発振器２の出力周波数をｆｏｕｔ（Ｈｚ）、設定周波数をｎ（ＦＲＥＱ［１３．．０］）とすると、ｆｏｕｔは式（２）で表すことができる。
ｆｏｕｔ＝（（４．１９４３０４×１０^６）／２^２２）×ｎ …（２）
ｎ（ＦＲＥＱ［１３．．０］）を可変することで出力周波数を変化させる。

このように、ケーブル４５の長さが長く、充填物がコンクリートでないことが明確であれば、使用者は振幅情報Ｄ２を選択して振幅の大きな正弦波信号でセンサ素子４を加振するようにする。これにより、ピーク電圧の降下が補われて充填物が空気の場合でもコンクリート判定領域までピーク電圧が降下せず、接触物を正しく検知することが可能となる。

ところで、逆に最初から正弦波の振幅を大きくしてしまうと、ケーブル４５が標準長で充填物がコンクリートのときに、コンクリートの判定領域までピーク電圧が下がらず誤判定する可能性がある。したがって、ケーブル４５の長さに応じて最適な振幅の正弦波信号を発生することが大切である。

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、ケーブル４５が延長されて標準長より長くなる場合には、センサ素子４を加振する正弦波の振幅を大きくできるので、ケーブル長さが長くなることによる容量分の増加によるピーク電圧の低下を補うことができ、接触物を正しく検知することができる。

なお、上記実施の形態では、振幅の異なる正弦波信号を２種類発生できるようにしたが、その種類を更に増やすことによって、様々なケーブル長に対応させることができる。

また、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を接続するケーブルを延長した場合でも正確な検知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の充填物検知装置にて得られる空気中でのケーブル延長の影響を示すピーク電圧分布図である。 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可変周波数発振器の構成を示すブロック図である。 図７の可変周波数発振器におけるメモリのメモリマップと振幅データの読み出しを示す模式図である。 図７の可変周波数発振器にて発生される電圧を示す波形図である。

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
１０ ゲイン切替スイッチ
２０ 周波数可変信号発生回路
２１ メモリ
２２ Ｄ／Ａ変換器
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 (3)

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正弦波信号を印加し、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を検知し、前記センサ素子と装置本体とを接続するケーブルの長さが標準長より長くなる場合には、その延長程度に応じて標準長時よりも前記センサ素子に印加する正弦波信号の振幅を大きく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正弦波信号を発生し、発生した正弦波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正弦波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の周波数特性を検出し、前記センサ素子を配設した空間内における充填物に前記センサ素子が接触したときの周波数特性の変化を判定することで前記充填物の充填を検知する充填物検知手段と、
   前記信号発生・印加手段に対し、発生する正弦波信号の振幅を変化させる制御を行う制御手段と、
   を備える充填物検知装置。
3. 前記信号発生・印加手段は、振幅の異なる複数の正弦波信号の発生が可能であり、
   前記制御手段は、前記信号発生・印加手段の発生する振幅の異なる複数の正弦波信号のうち１つを択一的に選択する請求項２に記載の充填物検知装置。

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