JP2007139498A

JP2007139498A - 比抵抗測定装置

Info

Publication number: JP2007139498A
Application number: JP2005331472A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Katayama; 辰雄片山; Hiromasa Kato; 裕将加藤; Tokitaka Ori; 隆孝小里
Original assignee: General Environmental Technos Co Ltd
Current assignee: Kanso Technos Co Ltd
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2007-06-07

Abstract

【課題】一次磁場によるノイズをキャンセルして比抵抗を測定できるようにする。
【解決手段】ターン数が同じで、ターン方向が逆の励磁コイル２２と打ち消しコイル２３を、棒状のコア２５に間隔を置いて配置する。その間隔を置いて配置した励磁コイル２２と打ち消しコイル２３の中間に受信コイル２４を配置する。励磁コイル２２と打ち消しコイル２３は、直列に接続して送信機２６から励磁電流を入力する。こうすることで、受信コイル２４に作用する励磁コイル２２の一次磁場による磁界をキャンセル（打ち消す）するようにする。さらに、棒状のコア２５を軸方向に移動できるようにして、前記コイル２２〜２４内の磁束を調整できるようにして加工精度やコア２５の不均衡などから生じる一次磁場によるノイズの発生を防止できるようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、土や岩石及びコンクリートなどの比抵抗を、それらの表面に当てるだけで測定することのできる比抵抗測定装置に関するものである。

地盤や岩盤の各部（表面→内部に亘る）の比抵抗分布を把握できれば、それらの安定性が把握できる。また、コンクリート（主に構造体）は劣化すると比抵抗が変化するので、例えば、各部の比抵抗分布を測定すれば、寿命の判断材料として利用できる。したがって、このような比抵抗の測定は防災面からも重要である。

従来、上記のような地盤や岩盤などの内部の比抵抗の測定は、それらの被測定体からサンプルを取って、そのサンプルの複数点に通電して測定したり、サンプルから試料を作成して測定したりしなければならなかった。そのため、測定に時間がかかったり、試料作成に手間がかかったりする。特に、コンクリートの測定では、コンクリートをはつり内部の鉄筋を露出させる（例えば、自然電位法）必要があるため、コンクリートに疵をつけて強度を低下させる心配がある。

これらを解決するには、被測定体を破壊せずに、表面から内部の比抵抗を測定できればよい。この方法の一つとして、渦電流を利用して比抵抗を測定する方法がある。この方法は、金属加工品や機械製品などの金属探傷分野で使用されているもので、金属（導体）の表面に励磁コイルで交番磁界を加え、加えた交番磁界で金属表面に渦電流を発生させる。この表面に発生させた渦電流は、金属表面の疵の存在や、存在する疵の寸法形状によって変化するので、その変化を検出コイルにより検出するというものである。

ところが、この方法を例えば、地盤や岩盤あるいはコンクリートの構造体に用いようとすると、金属類の比抵抗は１×１０^−７Ωｍなのに対して、土、岩石、コンクリートなどの比抵抗は１０〜１０００Ωｍなので発生する渦電流が小さく、発生した渦電流による磁界が交番磁界と重畳するので検出も難しい。

このような問題を解決するため、（特許文献１）には、図６に示すように、棒状のフェライトコア１に巻回した２個の入力コイル（励磁コイル）２，３の間に出力コイル（検出コイル）４を設けたプローブ５を採用し、そのプローブ５の各コイル２〜４を図７のように（図７ではプローブ５をＩ型センサと称している）、自動平衡器６と固定抵抗器（図示せず）とを相互に接続してブリッジ回路７を形成し、そのブリッジ回路７と同期検波器８とを、図７のように接続して、前記ブリッジ回路７が、出力コイル４の受けた渦電流による微少な信号（二次磁場によるもの）で不平衡になると、不平衡になった前記ブリッジ回路７を自動平衡器６が平衡にして、その際の出力を同期検波器８へ入力する。

こうすることで、不要な信号（ノイズ）を抑制して、出力コイル４から得られる渦電流による微少な信号（二次磁場によるもの）を同期検波器８へ入力する。同期検波器８は、発信器９が出力する交番電流の波形成分を基準信号として、受信した信号を電圧波形に変換し、この変換した電圧波形の位相角を位相比較器１０でもって表示可能な信号に変換する。

このようにして、前記プローブ５によって広範囲に及ぶ磁界Ｈを発生させることにより、内部のかぶりの深い鉄筋に渦電流を発生させることで、探査可能深度も深くしたというものである。
特開２００２−３１０９９５号公報

しかしながら、上記のものでは、渦電流による微少な信号を得るため、ブリッジ回路が必須であり、ブリッジ回路を平衡させるために自動平衡器を必要とする問題がある。

また、ブリッジ回路は、少しでも不平衡であると、誤差が出てしまうので調整が難しい。

さらに、自動平衡回路の電子回路による位相遅れの発生や回路部品による内部ノイズが微弱な渦電流からの信号に影響を与えることが懸念される。

そこで、この発明の課題は、自動平衡器を使用したブリッジ回路を使用しなくとも渦電流のみを検出して比抵抗の測定ができるようにすることである。

上記の課題を解決するため、この発明では、棒状のコアに間隔を置いて励磁コイルと、その励磁コイルと逆巻きの打消コイルを配置し、その間隔を置いた励磁コイルと打ち消しコイルを直列に接続して、その両端に励磁電流を入力し、かつ、前記間隔を置いた励磁コイルと打ち消しコイル間に受信コイルを設けて位相比較手段と接続し、その位相比較手段には、前記励磁電流を入力するとともに、前記コイル内の棒状のコアを軸方向に移動自在にして、コアを移動させて前記励磁コイルと打ち消しコイルを平衡させた後、位相比較手段から出力される位相差に基づいて比抵抗を検出するようにした構成を採用したのである。

このような構成を採用することにより、励磁コイルと打ち消しコイルは、互いに逆方向に巻かれたコイルなので、直列に接続して励磁電流を入力すると、互いに逆方向の磁束を生じる。そのため、励磁コイルと打ち消しコイルの巻き数を同じにすれば、両者の間に設けた受信コイルに作用する励磁コイルからの一次磁場をキャンセルできる。また、ここで、コアを移動させると、受信コイルに作用する励磁コイルと打ち消しコイルの磁束のバランスを変えることができるので、そのバランスを調整してコイルの加工精度やコアの不均衡などから生じる不均衡電流の発生を抑制しノイズを打ち消すようにすれば、自動平衡器を使用したブリッジ回路を使用しなくとも渦電流による磁場のみを検出して比抵抗の測定ができる。

このとき、上記コアが複数の棒状部材で形成されている構成を採用すれば、棒状部材を組み合わせて移動させることにより、コイル内の磁束の調整が細かく行なえる。

また、上記コアが外コアと、その外コアの内側に設けられた内コアとからなり、前記内コアが外コアの軸方向に移動自在になっている構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、内コアを移動させるだけで、コイル内の磁束の調整をできるようにしたので、磁束の調整が簡単に行なえる。

また、このとき、上記励磁電流の周波数あるいは電流のいずれか一方、または、両方を変えられるようにした構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、励磁電流の大きさに比例して励磁コイルの磁界は強くなり、磁界の到達距離が伸びるので、測定深度を調整できる。また、励磁電流の周波数は、高くなるほど減衰が大きくなるが分解能が向上するので、状況に応じて使い分けて測定ができる。

また、このとき、上記励磁電流の電流及び周波数を変えて測定した測定値を演算処理して比抵抗の深度分布を出力するようにした構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、深度方向の抵抗分布が把握できる。

この発明は、以上のように構成したことにより、ノイズをキャンセルして比抵抗を測定できる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

この形態の比抵抗測定装置は、図１に示すように、センシング部２０と検出部２１とで構成されている。センシング部２０は、励磁コイル２２と打ち消しコイル２３及び受信コイル２４とで構成されている。また、この励磁コイル２２と打ち消しコイル２３は、棒状のコア２５に間隔を置いて配置されており、その間隔を置いて配置した励磁コイル２２と打ち消しコイル２３の中間に受信コイル２４を配置した構成となっている。

励磁コイル２２と打ち消しコイル２３は、ターン数は同じであるが、ターン方向を逆にしたコイルで、図１のように直列に接続し、直列に接続した直列回路の両端に、送信機２６を接続して励磁用の正弦波電流（１ｋ〜１０ｋＨｚ）を入力するようになっている。

また、受信コイル２４には、検出部２１として位相比較器２７を接続し、この位相比較器２７と送信機２６とを（図１では図示せず）接続して、前記位相比較器２７に送信機２６からの正弦波電流出力を入力して受信コイル２４の出力信号との位相差を出力できるようにしてある。

一方、棒状のコア２５は、強磁性体である鉄またはフェライトで形成したもので、図１の矢印のように、軸方向に移動自在になっている。

この形態は、上記のように構成されており、測定を行う前に送信機２６から励磁電流を入力してキャリブレーションを行うことにより、センシング部２０の矯正を行う。

すなわち、センシング部２０の励磁コイル２２へ送信機２６から励磁電流を入力する。このように、励磁電流を入力すると、入力された励磁電流による磁界（一次磁場）が励磁コイル２２から発生し、発生した磁界が、同軸上の受信コイル２４にも作用する。

このとき、打ち消しコイル２３にも励磁コイル２２と同じ励磁電流が流れており、励磁コイル２２と逆向きの磁界を生じる。

この逆向きの磁界は、受信コイル２４に作用する励磁コイル２２の磁界をキャンセル（打ち消す）するように作用するので、励磁コイル２２による一次磁場の影響をキャンセルできる筈である。このとき、位相比較器２７から信号が出力されている場合は、信号が出力されないようにコア２５を軸方向へ移動させて調整する。このようにすることにより、コア２５の移動で前記受信コイル２４を通る励磁コイル２２と打ち消しコイル２３の互いに逆向きの磁束を調整し、コイルの加工精度や磁心の不均衡により生じる不均衡電流の発生を簡便な操作で迅速に抑制して不均衡電流によるノイズの発生を防止する。

こうして、コア２５を調整して一次磁場によるノイズの発生を防止したのち、図１に示すように、センシング部２０を被測定体（ここでは、コンクリート構造体）２８に向けて測定する。すると、入力された励磁電流による一次磁場が励磁コイル２２より被測定体２８の内部に形成される。そのため、前記一次磁場による渦電流が被測定体２８の内部に発生し、その内部に発生した渦電流による二次磁場が、同軸上の受信コイル２４によって検出される。この二次磁場は、通常、励磁電流との間に位相遅れが９０°程度あるので、位相比較器により検出できる。

このように、コア２５を移動できるようにして、前記コイル２２〜２４の加工精度やコア２５の不均衡などから生じる不均衡電流の発生を抑制してノイズの発生を防止できるので、抵抗が１０〜１０００Ωｍと大きく、発生する渦電流の小さな土、岩石、コンクリートなどの微弱な渦電流による二次磁場も検出できる。

この実施例１は、図２に示すように、センシング部２０のコアが外コア３０と、その外コア３０の内側に設けられた内コア３１とからなり、前記内コア３１を外コア３０の軸方向に移動自在にしたものである。また、その外コア３０と内コア３１を複数の強磁性体の棒状部材３７で構成し、内コア３１を構成する棒状部材３７を組み合わせて移動させることで、コイル２２〜２４内の磁束の調整が細かくできるようにしたものである。しかし、ここでは、中心にある１本の棒状部材３７を軸方向に微動調整する機構によって行うようにしている。

一方、検出部２１は、位相比較回路２７に、Ａ／Ｄ変換器３２と演算処理装置３３を接続し、前記演算処理装置３３と送信機２６とを周波数及び電流の自動可変装置３４を介して接続し、自動可変装置３４と接続された送信機２６を位相比較回路２７と接続してある。こうすることで、受信コイル２４で検出した渦電流による二次磁場は、位相比較器回路２７で励磁電流と比較され、両者の位相差に応じた電圧が出力される。この位相差電圧は、表示器３５でノイズの打ち消し（キャンセル）状態あるいは検出した渦電流の強さを表示する。そして、この位相差電圧は、Ａ／Ｄ変換器３２でデジタル化され、前記処理装置３３で比抵抗を算出してディスプレイ３６に表示する。

ここで、送信機２６は、自動可変装置３４によって励磁電流の強さと周波数とを可変できるようになっている。

他の構成は実施形態と同じなので、図１と同符号を付して説明は省略する。

この形態は、上記のように構成されており、実施形態と同様にセンシング部２０のキャリブレーションを行った後、図２のように、センシング部２０を被測定体２８に向けて測定する。

すると、コア２５を複数本の棒状部材３７によるコアの束にして前記コイル２２〜２４との相対位置を中心の棒状部材３７の内コア３１で微調整できるようにしたので、励磁電流による一次磁場を完全に打ち消す（キャンセル）ことができた。そして、渦電流による二次磁場の測定ができた。

ここで、受信感度を高めるためには、棒状部材３７を太くしたり、受信コイル２４のターン数をできるだけ多くしたりするなどの工夫をすればよく、例えば、外コア３０をドーナツ状の円筒形のものとし、内コア３１を円柱状のものとすることもできる。

また、受信コイル２４と励磁コイル２２とを同軸に設けたことにより、磁束が収束されるので、励磁コイル２２の一次磁場の軸下方向（図２では）への感度が鋭くなり指向性が増すので、測定位置を正確に特定できる。このとき、前記コイル２２〜２４の径を大きくすると、一度に広い範囲の平均的な比抵抗を測定することができる。逆に、前記コイル２２〜２４の径を、コンクリートなどは鉄筋が挿入されているものもあるので、鉄筋のピッチよりも十分に小さな径にすることで、鉄筋の影響を避けてコンクリート部分の比抵抗を測定できる。したがって、被測定体２８に合わせて径の異なるセンシング部２０を準備しておけば、被測定体２８に応じた最適な測定ができる。

こうして、渦電流による二次磁場の測定ができると、二次磁場と一次磁場との位相差Φが正確に測定できるので、その正確な位相差Φから中心誘導法を用いて測定比抵抗を求めるのである。

すなわち、中心誘電法によれば、測定比抵抗は、下記の式で示される。

測定比抵抗 ρ＝πμ_０ａ^２ｆ／（２ｔａｎΦ）
ここで、μ_０：真空の透磁率で定数（４×１０^−７Ｈ／ｍ）、ａ：受信コイルの直径（ｍ）、ｆ：測定周波数（Ｈｚ）、Φ：位相角である。

以上述べたように、この発明の比抵抗測定装置は、センシング部２０でノイズをキャンセルするので、従来例のように、例えば、電子回路による位相遅れによる誤差やそれに付随して混入する部品のノイズの影響を受けないため、高精度な比抵抗を求めることができる。また、位相差が高精度で微小な角度まで測れるということは、測定原理から測定困難とされる比抵抗の高いものも測定対象として測定できる。

次に、この実施例１の測定装置では、自動可変装置３４により励磁電流の周波数を変化させて測定深度の選択ができる。

このとき、比抵抗の深度方向での分解能を高める目的で周波数を数百ｋＨｚ以上にすると、被測定体２８の導電率（比抵抗の逆数）とは別に誘電率が作用して測定誤差が大きくなる。誘電率効果の少ない周波数帯での表皮深度（電磁波が被測定体２８の表面から侵入する場合、これは、周波数が高いほど早く減衰し、低いほど減衰し難い性質があり、表面での強さの約３７％になる深度が表皮深度と定義されている）は、地盤やコンクリートを対象とする場合は、およそ数ｍ〜数十ｍになる。したがって、地盤調査のように測定深度を深くまで選択したい場合は、周波数をいくつか変えてデータを取る。すると、表皮深度に応じた見かけの比抵抗を測定することができるので、このデータを一般的な電磁理論の逆解析によって深度方向の比抵抗分布を計算で求める。この演算は演算処理装置３３が行なう。

一方、コンクリートの劣化診断などの場合は、せいぜい数十ｃｍ程度の測定になるが、誘電率効果の無い周波数帯では、逆に表皮深度が深すぎるため、周波数を変えても測定深度は変わらなくなる。このような場合は、自動可変装置３４により励磁電流の周波数に代えて、励磁電流を増減することで、一次磁場の作用する深さを加減する。こうして、励磁電流を種々変えて測定データを取れば深度方向の比抵抗成分が把握できる。但し、電流強度と測定深度の関係は予め校正試験によって確認する。

すなわち、被測定体２８の浅い部分（概ね数メートル未満）を測定する場合の深度の設定は、周波数を決めて励磁電流を調節して行う。また、深い部分での深度設定は、電流をできるだけ強くして周波数を変えて行う。これは、表皮深度の効果を利用するものである。なお、地盤や岩盤あるいはコンクリートでの表皮深度は、周波数で数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ帯では、数ｍから数十ｍ程度であるので、数ｍ未満での測定深度の設定は、周波数の調節では原理上不可能である。したがって、励磁電流の調節は、一次磁場の照射深度を加減しようとするものである。

この実施例２は、図３に示すように、センシング部２０の態様を示すもので、図のようにセンシング部２０をケース４０に収めたものである。

図の符号４１は、入力コネクタで、励磁電流を入力するためのものである。符号４２は出力コネクタで受信コイル２４の検出出力を出力するためのものである。また、ケース４０には、調整ツマミ４３が設けられており、前記ツマミ４３を回転させることにより、内コア３１を上下に移動させることができるようになっている。この磁心調節装置４４は、図４に示すように、ラック４５とピニオンギア４６とを組み合わせたもので、ツマミ４３の回転を上下方向の直線運動に変えるようになっている。

また、図３では、内コア３１は、実施例１と同様に中心にある１本の棒状部材３７で形成されているが、これに限定されるものではなく、図５に示すように、外管と内管(例えば塩ビ管)の間に複数の棒状部材３７を挿入して外コア３０を形成し、内管に複数の棒状部材３７を挿入して内コア３１を形成し、内コア３１の複数の棒状部材３７を上下に移動させるようにしてもよい。

このように、内コア３１を移動させるようにして、前記コイル２２〜２４内の磁束の調整をできるようにしたので、前記調整が簡便で迅速に行なえる。

なお、この実施例２では、磁心調節装置としてラックとピニオンギアを使用したものについて述べたが、これに限定されるものではない。磁心調節装置としては、例えば、スライドとスライダーとからなるスライド機構やネジ機構によるものでも構わない。例えば、ネジ機構とは、コアの上方のケースにネジ孔を設け、そのネジ孔を貫通するネジをコアに連結するようなものでも構わない。

実施形態の作用説明図実施例１のブロック図実施例２の作用説明図実施例２の要部の斜視図実施例２の他の態様を示す斜視図従来例のプローブを示す作用説明図従来例のブロック図

符号の説明

２０センシング部
２１検出部
２２励磁コイル
２３打ち消しコイル
２４受信コイル
２５コア
２６送信機
２７位相比較器
２８被測定体
３０外コア
３１内コア
３７棒状部材
４３調整ツマミ
４４磁心調節装置
４５ラック
４６ピニオンギア

Claims

棒状のコアに間隔を置いて励磁コイルと、その励磁コイルと逆巻きの打ち消しコイルを配置し、その間隔を置いた励磁コイルと打ち消しコイルを直列に接続して、その両端に励磁電流を入力し、かつ、前記間隔を置いた励磁コイルと打ち消しコイル間に受信コイルを設けて位相比較手段と接続し、その位相比較手段には、前記励磁電流を入力するとともに、前記コイル内の棒状のコアを軸方向に移動自在にして、コアを移動させて前記励磁コイルと打ち消しコイルを平衡させた後、位相比較手段から出力される位相差に基づいて比抵抗を検出するようにした比抵抗測定装置。
上記コアが複数の棒状部材で形成されている請求項１に記載の比抵抗測定装置。
上記コアが外コアと、その外コアの内側に設けられた内コアとからなり、前記内コアが外コアの軸方向に移動自在になっている請求項１または２に記載の比抵抗測定装置。
上記励磁電流の周波数あるいは電流のいずれか一方、または、両方を変えられるようにした請求項１乃至３のいずれかに記載の比抵抗測定装置。
上記励磁電流の電流及び周波数を変えて測定した測定値を演算処理して比抵抗の深度分布を出力するようにした請求項４に記載の比抵抗測定装置。