JP2007155506A - 液中張力測定装置および液中張力測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水圧の影響を排除して張力を正確に測定する。
【解決手段】液１中の２部材２，３間に作用する張力を測定する液中張力測定装置であって、２部材２，３間に設けられ、周囲の圧力の変化と２部材２，３の間隔の変化とに応じて容積が変化される圧力室４を有するケース５と、圧力室４内の圧力を計測する第１の圧力計６と、圧力室４の周囲の圧力を計測する第２の圧力計７と、第１及び第２の圧力計６，７の計測データに基づいて圧力室４の内外の圧力差を求めると共に、求めた圧力差に基づいて２部材２，３間に作用した張力を求める演算部８とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液中の２部材間に作用する張力を測定する液中張力測定装置および液中張力測定方法に関する。

２つの部材間に作用する張力を測定する測定器として張力センサがある。例えば磁歪式の張力センサを図４に示す。張力伝達軸１０１の両端には連結部１０２が設けられており、図示しない２つの部材の間に張力伝達軸１０１を連結することができる。張力伝達軸１０１の外周部には磁歪膜１０３が形成されており、この磁歪膜１０３を囲むようにしてコイル１０４が配置されている。

２部材の間隔が変化して張力伝達軸１０１に張力が伝わると、磁歪膜１０３の磁気特性（透磁率）が変化するので、コイル１０４のインピーダンスも変化する。インピーダンスの変化は張力伝達軸１０１に伝えられた張力に比例するので、インピーダンスの値に基づいて張力を求めることができる。

なお、このような張力センサを使用した技術として、例えば特開平６−７２１９１号公報に開示された架空電線の張力測定装置がある。

特開平６−７２１９１号

しかしながら、上述の張力センサでは、水中、特に大きな水圧が作用する深海等では２部材間に作用する張力を正確に測定することがでなかった。つまり、水中の２部材には張力の他に水圧も作用するので、張力のみを正確に測定することがでなかった。

本発明は、水圧の影響を排除して張力を正確に測定することができる液中張力測定装置および液中張力測定方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために請求項１記載の発明は、液中の２部材間に作用する張力を測定する液中張力測定装置において、２部材間に設けられ、周囲の圧力の変化と２部材の間隔の変化とに応じて容積が変化される圧力室を有するケースと、圧力室内の圧力を計測する第１の圧力計と、圧力室の周囲の圧力を計測する第２の圧力計と、第１及び第２の圧力計の計測データに基づいて圧力室の内外の圧力差を求めると共に、求めた圧力差に基づいて２部材間に作用した張力を求める演算部とを備えるものである。

ケース内の圧力室の容積は、液中の２部材の間隔によって変化する。この液中の２部材の間隔は、２部材間に作用する張力（以下、部材間張力という）と、圧力室の周囲の圧力即ち液中の深度に応じた圧力（以下、深度圧力という）とによって変化する。このため、圧力室の容積の変化によって決定される圧力室内の圧力は部材間張力と深度圧力とを反映した圧力となる。一方、２部材の間隔が変化しても圧力室の外の圧力は変化しない。このため、圧力室の外の圧力は深度圧力を反映し、部材間張力を反映しない圧力となる。したがって、圧力室の内外の圧力差は部材間張力のみを反映し、深度圧力をキャンセルしたデータとなる。また、圧力室内の圧力を決定する圧力室の容積即ち２部材の間隔は、深度圧力の大きさや部材間張力の大きさに応じて変化する。このため、圧力室の内外の圧力差は部材間張力の値に応じた値となる。本発明では、第１の圧力計によって圧力室内の圧力を計測し、第２の圧力計によって圧力室外の圧力（深度圧力）を計測する。そして、演算部が２つの圧力計の計測データに基づいて圧力室内外の圧力差を求めると共に、この圧力差に基づいて部材間張力を求める。

また、請求項２記載の液中張力測定装置は、第１及び第２の圧力計が自記式圧力計である。したがって、各圧力計による計測データは圧力計自身に記憶され、液中から回収された後にまとめて演算部に供給される。このため、測定中にデータ通信を行う機能が不要になる。

さらに、請求項３記載の発明は、液中の２部材間に作用する張力を測定する液中張力測定方法において、周囲の圧力の変化と２部材間の間隔の変化とに応じて容積が変化される圧力室を有するケースを２部材間に設けると共に、圧力室の内外の圧力差を求め、求めた圧力差に基づいて２部材間に作用した張力を求めるものである。

ケース内の圧力室の容積は、液中の２部材の間隔によって変化する。この液中の２部材の間隔は、２部材間に作用する張力（部材間張力）と、周囲の圧力即ち液中の深度に応じた圧力（深度圧力）とによって変化する。このため、圧力室の容積の変化によって決定される圧力室内の圧力は部材間張力と深度圧力とを反映した圧力となる。一方、２部材の間隔が変化しても圧力室の外の圧力は変化しない。このため、圧力室の外の圧力は深度圧力を反映し、部材間張力を反映しない圧力となる。したがって、圧力室の内外の圧力差は部材間張力のみを反映し、深度圧力をキャンセルしたデータとなる。また、圧力室内の圧力を決定する圧力室の容積即ち２部材の間隔は、深度圧力の大きさや部材間張力の大きさに応じて変化する。このため、圧力室の内外の圧力差は部材間張力の値に応じた値となり、この圧力差に基づいて部材間張力を求めることができる。

また、請求項４記載の液中張力測定方法は、圧力室の内外の圧力を自記式圧力計によって測定し、液中から引き上げた後、自記式圧力計に記憶されている計測データを取り込んで圧力差を求めるものである。したがって、各圧力計による計測データは圧力計自身に記憶され、液中から回収された後にまとめて圧力差が求められる。このため、測定中にデータ通信を行う必要がなくなる。

請求項１記載の液中張力測定装置では、２部材間に設けられ、周囲の圧力の変化と２部材の間隔の変化とに応じて容積が変化される圧力室を有するケースと、圧力室内の圧力を計測する第１の圧力計と、圧力室の周囲の圧力を計測する第２の圧力計と、第１及び第２の圧力計の計測データに基づいて圧力室の内外の圧力差を求めると共に、求めた圧力差に基づいて２部材間に作用した張力を求める演算部とを備えているので、深度圧力による影響を除去して２部材間に作用する張力を正確に測定することができる。

また、請求項２記載の液中張力測定装置では、第１及び第２の圧力計が自記式圧力計であるので、測定中にデータ通信を行う必要がなくなり、圧力室を密閉するのに適したものとなる。また、測定中にデータ通信を行うのが困難な場所、例えば深海等で使用するのに適したものとなる。さらに、液中張力測定装置の構造が簡単になり、安価で、取り扱いやすくて使い勝手が良く、耐久性に優れたものとなる。

さらに、請求項３記載の液中張力測定方法では、周囲の圧力の変化と２部材間の間隔の変化とに応じて容積が変化される圧力室を有するケースを２部材間に設けると共に、圧力室の内外の圧力差を求め、求めた圧力差に基づいて２部材間に作用した張力を求めるので、深度圧力による影響をキャンセルして２部材間に作用する張力を測定することができる。

また、請求項４記載の液中張力測定方法では、圧力室の内外の圧力を自記式圧力計によって測定し、液中から引き上げた後、自記式圧力計に記憶されている計測データを取り込んで圧力差を求めるので、測定中にデータ通信を行う必要がなくなり、圧力室を密閉するのに適したものとなる。また、測定中にデータ通信を行うのが困難な場所、例えば深海等で使用するのに適したものとなる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形態では海中で使用する液中張力測定装置を例に説明する。

図１に、本発明の液中張力測定装置の実施形態の一例を示す。液中張力測定装置は、液（海）１中の２部材２，３間に作用する張力を測定するもので、２部材２，３間に設けられ、周囲の圧力の変化と２部材２，３の間隔の変化とに応じて容積が変化される圧力室４を有するケース５と、圧力室４内の圧力を計測する第１の圧力計６と、圧力室４の周囲の圧力を計測する第２の圧力計７と、第１及び第２の圧力計６，７の計測データに基づいて圧力室４の内外の圧力差を求めると共に、求めた圧力差に基づいて２部材２，３間に作用した張力を求める演算部８とを備えている。本実施形態の液中張力測定装置は、ケース５及び各圧力計６，７より主に構成された測定部９と前記演算部８とに分かれており、測定部９を２部材２，３間に連結して液１中に降ろし測定が行われる。

測定部９のケース５は例えばシリンダ機構であり、シリンダ５ａとピストン５ｂとによって圧力室４が形成されている。ピストン５ｂの周囲はＯリング１０によって液密にシールされている。圧力室４内は例えば水によって満たされている。圧力室４内には第１の圧力計６が収容されている。第１の圧力計６は圧力室４内の水圧を計測する水圧計である。また、ピストン５ｂには、ピストン５ｂ着脱時に圧力を逃がす圧力逃がし孔１１が設けられており、圧力逃がし孔１１は栓１２によって塞がれている。

シリンダ５ａの外周には例えば水圧計格納籠１３が取り付けられており、水圧計格納籠１３内には第２の圧力計７が格納されている。第２の圧力計７は海水の圧力を計測する水圧計である。水圧計格納籠１３には多数の編み目があるので、水圧計格納籠１３内の圧力は外の圧力と等しくなる。シリンダ５ａとピストン５ｂには連結部材１４が取り付けられており、連結部材１４に張力を測定する２部材２，３が連結されている。

本実施形態では、第１及び第２の圧力計６，７として、例えば計測データを記憶するメモリを備える自記式圧力計（自記式水圧計）を使用している。第１及び第２の圧力計６，７は例えば時計を有しており、記憶したデータが計測された時間又はスイッチオンからの経過時間等を同時記憶しておき、第１の圧力計６と第２の圧力計７との計測データに基づいて、同じ計測時間又は経過時間における圧力差を求めることができる。自記式圧力計としては、例えば魚類に取り付けてその生息域の調査等に使用される小型の水圧計（深度計）の使用が可能であり、例えばＤＳＴシリーズのＤＳＴ−Ｍｉｌｌｉ（スターオッディー社製、日本総代理店：ケー・エンジニアリング株式会社）の使用が可能である。ただし、ＤＳＴ−Ｍｉｌｌｉ以外の自記式水圧計を使用しても良いことは勿論である。

演算部８は、例えばコンピュータによって構成されている。即ち、少なくとも１つのＣＰＵやＭＰＵなどの中央演算装置と、データの入出力を行うインターフェースと、プログラムやデータを記憶する記憶装置等を備えるコンピュータと所定の制御ないし演算プログラムによって、演算部８を実現している。即ち、中央演算装置は、記憶装置に記憶されたＯＳ等の制御プログラム、第１及び第２の圧力計６，７の計測データに基づいて圧力差を求めて張力を求める方法などの手順を規定したプログラム及び所要データ等により、演算部８を実現している。また、コンピュータには、第１及び第２の圧力計６，７との間でデータ通信を行うコミュニケーションボックス１６が接続されている。

次に、本発明の液中張力測定方法について説明する。液中張力測定方法は、液１中の２部材２，３間に作用する張力を測定するもので、周囲の圧力の変化と２部材２，３間の間隔の変化とに応じて容積が変化される圧力室４を有するケース５を２部材２，３間に設けると共に、圧力室４の内外の圧力差を求め、求めた圧力差に基づいて２部材２，３間に作用した張力を求めるものである。

図２（ａ）に示すように、圧力室４内の圧力は圧力室４の容積によって決定され、その容積はシリンダ５ａに対するピストン５ｂの位置即ち２部材２，３の間隔によって決定される。また、２部材２，３の間隔は、２部材２，３間に作用する張力（部材間張力）と海中の深さに応じた水圧（深度圧力）とによって決定される。つまり、圧力室４内の圧力は部材間張力と深度圧力によって決定される。一方、図２（ｂ）に示すように、圧力室４の外の圧力は深度圧力である。したがって、圧力室４内外の圧力の差を求めることで、深度圧力をキャンセルすることができ、部材間張力によって決定される圧力を求めることができる（図２（ｃ））。つまり、２つの圧力計６，７を備え、第２の圧力計７を校正用の圧力計として使用することで、部材間張力によって決定される圧力を正確に測定することができる。

部材間張力の大きさに応じて２部材２，３の間隔は変化するので、結局、圧力室４内外の圧力差も部材間張力の大きさに応じて変化する。このため、圧力室４内外の圧力差に基づいて部材間張力を算出することができる。例えば、圧力室４内外の圧力差：ΔＰ、ピストン５ｂの受圧面積（圧力を受ける面積）：Ｓ、部材間張力：Ｔとすると、数式１により部材間張力Ｔを求めることができる。

＜数１＞
Ｔ＝ΔＰ×Ｓ
測定を行う２部材２，３間に測定部９を接続し、海（液）１中に沈める（図１（ａ））。圧力室４内の圧力は第１の圧力計６によって計測され、圧力室４外の圧力（＝深度圧力）は第２の圧力計７によって計測される。計測後、海１中から２部材２，３を引き上げて測定部９を回収し、第１及び第２の圧力計６，７を取り出す。そして、コミュニケーションボックス１６を通じて各圧力計６，７と演算部８との間でデータ通信を行い、演算部８の記憶装置に計測データを取り込む。

演算部８は各圧力計６，７の計測データに基づいて圧力室４内外の圧力差ΔＰを算出し、予め記憶装置に記憶されているピストン５ｂの受圧面積Ｓを用いて部材間張力Ｔを算出する。そして、算出した部材間張力Ｔをディスプレイ等の出力装置に表示すると共に、記憶装置に記憶する。このようにして、２部材２，３間に作用する張力Ｔを正確に求めることができる。

本発明では、２つの圧力計６，７を使用し、第２の圧力計７を校正用の圧力計として使用するので、深度圧力による影響をキャンセルして２部材２，３間に作用する張力を正確に測定することができる。

また、第１及び第２の圧力計６，７として自記式圧力計を使用している。このため、圧力計測中にデータ通信を行う必要がなくなり、計測中にデータ通信を行うのが困難な場所、例えば深海等で使用するのに適した液中張力測定装置・方法を実現することができる。また、自記式圧力計を使用しているので圧力室４を密閉するのが容易であり、このことからも深海等の大きな圧力が作用する場所で使用するのに適した液中張力測定装置・方法を実現することができる。さらに、液中張力測定装置の構造を簡単なものにすることができ、安価で、取り扱いやすくて使い勝手が良く、耐久性に優れた液中張力測定装置を実現することができる。

また、圧力室４内に水等の液体を満たしているので、深度圧力や部材間張力が大きくてもピストン５ｂの移動距離を小さくすることができる。このため、深海等の大きな圧力が作用する場所で使用するのに適した液中張力測定装置・方法や、大きな張力を測定するのに適した液中張力測定装置・方法を実現することができる。なお、圧力室４内に封入する液体は水に限るものではなく、オイル、その他の液体を使用することもできる。ただし、万一漏れた場合のことを考慮すると、海、川、湖等で使用する場合には水の使用が好ましく、オイル中で使用する場合にはオイルの使用が好ましい。

本発明は、例えば海水中金属の捕集装置の捕集材係留索の張力測定に使用することができる。なお、海水中金属の捕集装置としては、例えば特開２００２−１１９８０１号公報に開示されたものがある。海水中金属の捕集装置１７の一例を図３に示す。この捕集装置１７は、錘を内蔵した着底部１８と浮きを内蔵した浮遊部１９とを交互に配置すると共に、少なくとも浮遊部１９に、表面に海水中の金属を吸着する金属吸着材を備える捕集部材２０を多数設け、海底１５に降ろした着底部１８から浮遊部１９を浮き上がらせて捕集部材２０を海水中に漂わせるものである。

浮遊部１９には捕集部材２０がモール（シェニール）のパイル状に多数設けられている。捕集部材２０は、例えばポリエチレン製であり、一本一本の表面には金属吸着材が設けられている。金属吸着材の種類は、海水中から吸着させる金属の種類に応じて選択する。例えば、海水中のバナジウムやウランを選択的に吸着させたい場合には、金属吸着材としてアミドキシム基を採用する。即ち、ポリエチレンを基材とし、これに例えば公知の放射線グラフト重合法を使用してアミドキシム基をグラフト重合させる。

端部となる着底部１８は接続金具２１によってアンカー２２に接続されている。このアンカー２２には耐圧ブイ２３が接続されており、耐圧ブイ２３には位置を示す信号を発する発信機２４が接続されている。この発信機２４は、例えば通常時には待機状態となっており、探知信号を受信した場合にのみ位置を示す信号を発する。

このような海水中金属の捕集装置１７の開発において、捕集部材２０に浮力を持たせて海底１５から立ち上げ係留するための錘、即ち着底部１８に設ける錘は、できるだけ軽いものにすることがコストダウンのために重要である。１本の捕集部材係留索には複数の着底部１８が設けられるため、１箇所の着底部１８については錘の無駄が僅かであったとしても、捕集部材係留索全体としてはその無駄が大きくなる。そのため、使用時に捕集部材係留索に作用する張力を測定して、たとえ台風等が来たとしても浮遊部１９が流されることのない必要最小限の錘の重さを決定する。この張力の測定に、本発明の液中張力測定装置・方法を使用することができる。

例えば、浮遊部１９の両端又は一端に液中張力測定装置を介してアンカーを接続した試験体を製作し、この試験体を実際に海中に係留して試験を行う。この場合、液中張力測定装置には一方の連結部材１４に浮遊部１９の端部を、もう一方の連結部材１４にアンカーを接続することになる。即ち、２部材２，３は浮遊部１９とアンカーである。

この試験体を試験期間にわたって海中に係留しておき、圧力室４内外の圧力を計測する。各圧力計６，７は、例えば一定時間毎に繰り返し水圧を計測する。そして、試験期間の経過後、試験体を海中から引き上げて液中張力測定装置を回収し、浮遊部１９とアンカーの間に作用する部材間張力、換言するとアンカーに対する浮遊部１９の張力を算出する。各圧力計６，７は所定時間毎に繰り返し水圧を計測するので、浮遊部１９の張力の変化を測定することができる。そして、張力の測定結果に基づいて捕集装置１７で使用する錘の重さ、即ち捕集部材係留索の係留に必要な錘の重さを決定する。試験は実際の使用に即して行われるので、例えば台風などの気象条件、変動する潮流の速度等を考慮して錘の重さを決定することができる。

各圧力計６，７として自記式圧力計を使用しているので、例えば水深１００ｍ〜２００ｍの海底１５等の遠隔地でのデータ取得や、台風などの異常気象条件下でのデータ取得であっても容易である。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の説明では、液中張力測定装置・方法を海中で使用していたが、海中での使用に限るものではない。例えば、湖中，川中，池中，水槽中，プール中、その他の液体中で使用しても良い。

また、上述の説明では、第１及び第２の圧力計６，７として自記式圧力計を使用し、計測データを圧力計自身に記憶させていたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、データ通信手段を備えた圧力計を使用し、圧力を計測しながらその計測データを逐次又は一定時間経過後まとめて演算部８に送信するようにしても良い。この場合のデータ通信の手段としては、各圧力計６，７と演算部８との間をケーブルで接続して有線データ通信を行うことも考えられるが、各圧力計６，７に無線通信機能を持たせて演算部８との間で無線通信を行うことも考えられる。無線通信を行う場合には、深海等の遠隔地での計測が容易になると共に、圧力室４の密閉が容易となる。

また、上述の説明では、シリンダ５ａとピストン５ｂによって圧力室４を形成し、ピストン５ｂの移動によって圧力室４の容積を変化させていたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、例えばピストン５ｂに変えて弾性変形可能な膜状部材又は板状部材等（以下、膜板状部材という）を設け、この膜板状部材の周縁をシリンダ５ａに固着させ、膜板状部材が弾性変形することで圧力室４の容積を変化させるようにしても良い。

また、上述の説明では、第２の圧力計７を水圧計格納籠１３内に格納することで第２の圧力計７をケース５に取り付けていたが、第２の圧力計７を取り付ける手段はこれに限るものではない。例えばケース５にネットを取り付け、このネット内に第２の圧力計７を収容することで第２の圧力計７をケース５に取り付けるようにしても良い。また、その他の方法でも良い。

また、上述の説明では、圧力室４内を水等の液体で満たしていたが、液体の変わりに気体で満たすようにしても良い。この場合には、液体で満たした場合に比べてピストン５ｂが移動し易くなるので、測定する張力が比較的小さい場合や、例えば水深が浅く深度圧力が比較的小さな場所で使用する場合等の使用に適している。この場合には、万一圧力室４内の気体が漏れたとしても、液体が漏れた場合に比べて周囲に与える影響を小さくすることができる。

また、上述の説明では、海水中金属の捕集装置１７に使用する錘の重さを決定するために浮遊部１９に作用する張力を測定するのに本発明の液中張力測定装置・方法を使用した場合を例示したが、本発明の液中張力測定装置・方法の使用はこれに限るものではなく、液１中の２部材２，３間に作用する張力を測定する場合であれば使用可能である。

本発明の液中張力測定装置を示し、（ａ）は測定部の概略構成を示す断面図、（ｂ）は演算部の概略構成図である。 本発明の原理を説明するための図で、（ａ）は圧力室内の圧力についての図、（ｂ）は圧力室外の圧力についての図、（ｃ）は圧力室の内外の圧力差についての図である。 本発明の液中張力測定装置・方法を使用可能な海水中金属の捕集装置を示す概略構成図である。 従来の張力センサを示す概略構成図である。

符号の説明

１ 液
２，３ 液中の２部材
４ 圧力室
５ ケース
６ 第１の圧力計
７ 第２の圧力計
８ 演算部

Claims (4)

1. 液中の２部材間に作用する張力を測定する液中張力測定装置において、前記２部材間に設けられ、周囲の圧力の変化と前記２部材の間隔の変化とに応じて容積が変化される圧力室を有するケースと、前記圧力室内の圧力を計測する第１の圧力計と、前記圧力室の周囲の圧力を計測する第２の圧力計と、前記第１及び第２の圧力計の計測データに基づいて前記圧力室の内外の圧力差を求めると共に、求めた圧力差に基づいて前記２部材間に作用した張力を求める演算部とを備えることを特徴とする液中張力測定装置。
2. 前記第１及び第２の圧力計は自記式圧力計であることを特徴とする請求項１記載の液中張力測定装置。
3. 液中の２部材間に作用する張力を測定する液中張力測定方法において、周囲の圧力の変化と前記２部材間の間隔の変化とに応じて容積が変化される圧力室を有するケースを前記２部材間に設けると共に、前記圧力室の内外の圧力差を求め、求めた圧力差に基づいて前記２部材間に作用した張力を求めることを特徴とする液中張力測定方法。
4. 前記圧力室の内外の圧力を自記式圧力計によって測定し、液中から引き上げた後、前記自記式圧力計に記憶されている計測データを取り込んで前記圧力差を求めることを特徴とする請求項３記載の液中張力測定方法。

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