JP2007309700A

JP2007309700A - ギャップ裕度の評価装置

Info

Publication number: JP2007309700A
Application number: JP2006136937A
Authority: JP
Inventors: Yuji Matsui; 祐二松井; Shigeki Karashi; 茂樹唐司; Kimio Yamada; 喜美雄山田; Manabu Aoki; 学青木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2007-11-29

Abstract

【課題】比較的簡便な装置構成でギャップ裕度を正確に評価でき、かつ真空中、冷媒中及び高磁場雰囲気中でも使用可能なギャップ裕度の評価装置を提供する。
【解決手段】ギャップ距離に応じて形状が変化する片持ち梁状の金属接点４と導通距離に応じた抵抗変化を測定可能な抵抗膜６とからなるギャップ裕度評価センサを２つの構造材１，２間に設置する。金属接点４と抵抗膜６間の電気抵抗を電気抵抗測定部９にて測定し、得られた電気抵抗値から構造材１，２が接触するまでのギャップ裕度を評価する。静電容量式変位センサと組み合わせて構造材１，２間の傾きを加味したギャップ裕度の評価を行うこともできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、２つの構造材間のギャップ裕度を評価する装置に係り、特に、真空、極低温、高磁場雰囲気などの環境下にも適用可能なセンサ構造に関する。

２つの構造材の間に存在するギャップの裕度（２つの構造材が接触するまでの距離的余裕度）を評価する方法としては、従来より静電容量式変位センサを利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。静電容量式変位センサは、ギャップを介して配置される２つの構造体の表面に２枚１組の電極を設置し、この電極間の静電容量Ｃ_０を測定するものである。電極間の静電容量Ｃ_０は、電極間距離ｄ_０と反比例する（Ｃ_０＝ｋ／ｄ_０、ただしｋは比例定数）ので、このセンサと用いればギャップ距離d（≒電極間距離ｄ_０）の絶対値を算出することができ、算出したギャップ距離dから２つの構造材が接触するまでの裕度を評価できる。

なお、特許文献１に開示の静電容量式変位センサは、電極間距離の測定に関するダイナミックレンジの拡大を実現するものであり、ダイナミックレンジの拡大を阻害する要因の１つである被測定対象の電気的状態によって変化する分布容量Ｃ_Ｓを打ち消すためのマイナス静電容量−Ｃ_ｍ１を作成して静電容量Ｃ_０に並列に接続するものである。
特開２００４−１７０１６３号公報

特許文献１に開示の静電容量式変位センサは、ギャップ距離の絶対値を測定することを目的としているため測定部の構成が複雑であり、単に２つの構造材間のギャップ裕度を評価する装置として用いるには品質が過剰であり、コストの点から不適切である。即ち、被測定対象が、例えば断熱槽を構成する内槽と外槽の間のギャップである場合のように、ギャップ距離が設計値から多少ずれても大きな問題が発生しない場合には、ギャップ距離の絶対値を高精度に測定する必要はなく、構造材同士の接触を前兆段階で把握するためのギャップ裕度を評価できれば充分であるので、ギャップ距離の絶対値を測定可能な特許文献１に開示の静電容量式変位センサを用いたのでは、無駄が多い。

また、特許文献１に開示の静電容量式変位センサは、電極間の静電容量Ｃ_０を測定する構成であるため、電極間の比誘電率に応じて定数ｋの値が変化し、測定の過程で電極間の比誘電率が変化する被測定対象について適用した場合、定数ｋの設定を電極間の比誘電率が変化するたびにやり直さなくてはならず、使用が面倒であるという問題もある。即ち、真空容器や冷媒貯留槽からなる断熱槽の製作過程及び使用過程での各容器間のギャップ裕度を継続的に評価しようとする場合、断熱槽の製作過程及び使用過程によっては、電極の間に空気が存在することもあれば、液体窒素・液体ヘリウムなどの冷媒が存在することもあれば、真空状態となることもあるので、そのたびに定数ｋの設定をやり直さなくてはならず、使用が面倒である。

さらに、特許文献１に開示の静電容量式変位センサは、電極間の静電容量Ｃ_０を測定する構成であるため、電極間の電気的状態の変化や磁場の影響を受けやすく、例えば超電導装置のように高磁場雰囲気中で使用した場合、ギャップ裕度を正確に求めることが難しいという問題や、センサからの信号の取り出しに微小な信号を取り出すことができる同軸ケーブルを用いる必要があることから、ケーブルの熱容量が大きく、例えば超電導装置のように液体窒素・液体ヘリウムなどの冷媒が封入された被測定対象に適用した場合、冷媒が蒸発により失われやすいという問題もある。

本発明は、このような従来技術の不備を解決するためになされたものであって、その目的は、比較的簡便な装置構成でギャップ裕度を正確に評価でき、かつ真空中、冷媒中、及び高磁場雰囲気中でも使用可能なギャップ裕度の評価装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、第１に、ギャップを有するものとして設計されている２つの構造材間のギャップ裕度を評価する装置であって、前記２つの構造材の一方に一端が取り付けられた片持ち梁状の金属接点と、他方の構造材に取り付けられ、前記２つの構造材間のギャップ距離が所定値以下になったときに前記金属接点の先端部が接触する抵抗膜と、前記金属接点と前記抵抗膜との間の電気抵抗値を測定する電気抵抗測定部とを備え、前記電気抵抗測定部にて測定された前記電気抵抗値から前記２つの構造材が接触するまでのギャップ裕度を評価するという構成にした。

かかる構成のギャップ裕度の評価装置は、図1（１）に示すように、構造材のギャップが十分に大きく裕度が大きいときには、金属接点４と絶縁フィルム５上の抵抗膜６は電気的に接触していないので両者間の抵抗は無限大となる。図1（２）に示すように、構造材のギャップ距離が狭まり、裕度が小さくなると、金属接点４と抵抗膜６とが電気的に導通し、両者間の抵抗が測定可能となる。ただし、接触開始時点では、抵抗膜６の面上において金属接点４の接触点からケーブル７と接続点までの通電距離１０ａが長いので、金属接点４と抵抗膜６間の抵抗値は大きい。図１（３）に示すように、さらにギャップ距離が狭まり、裕度がいっそう小さくなると、金属接点４が弾性変形して抵抗膜６上における通電距離１０ｂが短くなるので、金属接点４と抵抗膜６間の抵抗値は小さくなる。ギャップ距離と抵抗値との関連性を予め測定し、両者の関連性が記録しておけば、金属接点４と抵抗膜６間の抵抗測定値からギャップ距離を求めることができる。よって、一方の構造材に設置した金属接点４と他方の構造材に設置した抵抗膜６間の抵抗測定値からギャップ間の裕度を評価することができる。

また、前記構成のギャップ裕度の評価装置は、図１に示すように、金属接点４、金属接点４を構造材１に取付けるための絶縁ホルダ３、構造材２に貼り付けられる絶縁フィルム５、絶縁フィルム５上に形成された抵抗膜６をもってセンサ部を構成できるので、金属接点４はステンレスやアルミニウムや銅など、絶縁ホルダ３はポリテトラフルオロエチレンやＦＲＰなど、絶縁フィルム５はポリイミドなど、抵抗膜６は酸化チタンなど、非磁性で極低温に耐えうる材料を選定して製作することにより、極低温かつ高磁場環境下でも安定して使用できる。

さらに、前記構成のギャップ裕度の評価装置は、抵抗膜６の電気抵抗を測定するので、ケーブル７及びケーブル８として細い被覆線を使用できるので、静電容量変位センサや超音波式センサを使用する場合に必須となる同軸ケーブルを用いる場合に比べて、配線が外部から被測定部に持ち込む熱侵入量を著しく小さくすることができ、冷媒を使用する被測定対象にも適用できる。また、測定装置としては、テスタ程度の簡便な抵抗測定器９を備えればよいので、静電容量変位センサ等に比べて装置構成を格段に簡略化できる。

本発明は、前記の課題を解決するため、第２に、ギャップを有するものとして設計されている２つの構造材間のギャップ裕度を評価する装置であって、前記２つの構造材の一方に一端が取り付けられた片持ち梁状の金属接点と、他方の構造材に取り付けられ、前記２つの構造材間のギャップ距離が所定値以下になったときに前記金属接点の先端部が接触する抵抗膜と、前記金属接点と前記抵抗膜との間の電気抵抗値を測定する電気抵抗測定部と、前記２つの構造材のそれぞれに設けられた電極をもって構成される静電容量式変位センサと、当該静電容量式変位センサにおける各電極間の静電容量値を測定する静電容量測定部とを備え、前記電気抵抗測定部にて測定された前記電気抵抗値から前記２つの構造材が接触するまでのギャップ裕度を評価すると共に、前記静電容量測定部にて測定された前記静電容量値から前記２つの構造材間に存在するギャップ距離の絶対値を求めるという構成にした。

かかる構成のギャップ裕度の評価装置は、図１０（１）に示すように、静電容量式変位センサ７４の電極が接触した場合には、電極間が導通するので静電容量は無くなってしまう。この場合は、電極間の導通を確認すれば、明らかに構造材が接触している（ギャップが消滅している）と判断でき、導通センサの設置位置から接触箇所も明瞭に判定できる。

図１０（２）に示すように、いずれの静電容量式変位センサも接触していない場合には、静電容量式変位センサの容量を測定できる状態になる。ギャップ裕度評価用センサ７１が導通し、構造材１と構造材２のギャップ裕度が小さくなった判定できたときには、センサ７１でセンサ設置位置におけるギャップ距離ｄ_７１の絶対値を評価する。ギャップ距離ｄ_７１と静電容量式変位センサ７２の電極間距離ｄ_７２はほぼ等しいと考え、静電容量Ｃ_７２と電極間距離ｄ_７２の関連性を表す係数ｋ（ここで、Ｃ_７２＝ｋ／ｄ_７２）を算出する。同一面内に設置した電極間において、流体の有無と流体の種類、及び、電気的状況となどが同じであると考えてよい場合には、面内の係数ｋはどの場所でも一定であると考え、センサ７３及びセンサ７４の係数kは、センサ７２のｋと同一値を用いる。それぞれの位置における容量Ｃ_７３、Ｃ_７４を測定すれば、電極間距離ｄ_７３、ｄ_７４を算出できる。このような測定評価をすれば、同一面内の直線状に配置した複数のセンサの測定値から、上記直線における2面間のギャップの傾きを算出することができる。このような手順で、図１０（３）に示すように、０°−１８０°上の傾きを表すベクトル７５と、９０°−２７０°上の傾きベクトル７６を合成すると、面全体の傾きベクトル７７を算出することができる。ギャップ面を構成する構造材１と構造材２の寸法、面全体の傾きベクトル、及び面内のどこか1箇所のギャップ距離の絶対値が解れば、面内でギャップが最小となる箇所と最小ギャップ距離を推定できる。

本発明によれば、構造材間に存在する流体の有無や流体の種類に影響を受けることなく、比較的簡便な装置構成でギャップ裕度を評価できる装置を提供できるので、構造材の接触を予兆段階で把握することが可能となる。また、本発明によれば、構造材のギャップ裕度が最小となる箇所及び最小ギャップ距離を推定できるので、構造材の接触を回避する運転操作及び接触箇所の解体修理の方針策定を支援できる。

以下、本発明の第１実施形態を、図１〜図９を参照しながら説明する。本例のギャップ裕度評価装置は、ギャップ距離に応じて形状が変化する片持ち梁状の金属接点と導通距離に応じた抵抗変化を測定可能な抵抗膜とからなるセンサを２つの構造材間に設置し、金属接点と抵抗膜間の電気抵抗を測定することにより、センサ設置箇所のギャップ裕度を評価することを特徴とするものである。

図１に示すように、本例のギャップ裕度評価装置は、一方の構造材１に絶縁ホルダ３を介して一端が取り付けられた片持ち梁状の金属接点４と、他方の構造材２に絶縁フィルム５を介して貼り付けられた抵抗膜６と、金属接点４及び抵抗膜６の各端子部から引き出されたケーブル７，８と、これら各ケーブル７，８の先端部が接続され、前記各端子部間の電気抵抗値を測定する電気抵抗測定器９とをもって、センサ部が構成されている。

以下、本例のギャップ裕度評価装置を用いて超電導装置を構成する各構成材間のギャップ裕度を評価する方法について説明する。

図２に示すように、超電導装置は、超電導機器２７を液体ヘリウム温度で稼働させるため、超電導機器２７が内槽２５の内部に設置されている。また、液体ヘリウム温度の内槽２５と室温の温度差を確保するため、装置全体が真空容器２１の内部に設置され、さらに、真空容器２１から内槽２５への熱輻射を防止するため、真空容器２１と内槽２５との間には、輻射シールド２３が設けられている。真空容器２１、輻射シールド２３及び内槽は、加重支持体２２、２４、２６などの最低限の箇所で接触している。また、これら３つの槽の貫通部は、トランスファーチューブ２８など必要最小限の部分に限定されている。

図２において、符号３１〜３８は、図1に示した絶縁ホルダ３、金属接点４、絶縁フィルム５及び抵抗膜６から構成されるギャップ裕度評価センサを示している。このうち、ギャップ裕度評価センサ３１〜３４は、超電導機器２７と内槽２５との間のギャップ距離を評価するためのものであり、超電導機器２７の上面と内槽２５の天板下面とに設置されている。また、ギャップ裕度評価センサ３５〜３８は、内槽２５と輻射シールド２３との間のギャップ距離を評価するためのものであり、内槽２５の天板上側と輻射シールド２３の天板下側とに設置されている。ギャップ裕度評価センサ３１〜３４の配線ケーブルは、超電導機器２７を内槽２５の内部に設置する製造過程で内槽２５の側壁に取り付けられたコネクタ４１に接続され、このコネクタ４１は、内槽２５を輻射シールド２３の内部に設置する製造過程で輻射シールド２３の側壁に取り付けられたコネクタ４２と多芯ケーブルで接続され、このコネクタ４２は、輻射シールド２３を真空容器２１の内部に設置する製造過程で真空容器２１の側壁に取り付けられたコネクタ４３と多芯ケーブルで接続される。一方、ギャップ裕度評価センサ３５〜３８の配線ケーブルは、内槽２５を輻射シールド２３の内部に設置する製造過程で輻射シールド２３の側壁に取り付けられたコネクタ４５に接続され、このコネクタ４５は、輻射シールド２３を真空容器２１の内部に設置する製造過程で真空容器２１の側壁に取り付けられたコネクタ４６と多芯ケーブルで接続される。したがって、コネクタ４３に外部コネクタ４４を接続することにより、ギャップ裕度評価センサ３１〜３４の検出信号を取り出すことができ、また、コネクタ４６に外部コネクタ４７を接続することにより、ギャップ裕度評価センサ３５〜３８の検出信号を取り出すことができる。

図３は、第１実施形態に係るギャップ裕度評価装置の回路構成図であり、超電導装置の製造過程が内槽２５の組立てまで進み、内槽２５の胴部２５ｂに天板２５ａを溶接する際における超電導機器２７の上部と天板２５ａとの間のギャップ裕度を評価する状態を示している。図３に至るまでに、内槽の底板２５ｃの上に加重支持体２６を取付け、その上に超電導機器２７を設置し、内槽の底板２５ｃと内槽の胴部２５ｂを溶接している。超電導機器２７の上部に、絶縁フィルム５と抵抗膜６からなるギャップ裕度評価センサ下部３１ｂ〜３４ｂを取り付け、配線ケーブルをコネクタ４１に接続してある。内槽の天板２５ａの下側には、絶縁ホルダ３と金属接点４からなるギャップ裕度評価センサ上部３１ａ〜３４ａが取り付けてあり、これらの配線ケーブルもコネクタ４４に接続してある。内槽２５の胴部２５ｂと天板２５ａの溶接が始めると、内槽２５の内部にアクセスすることはできなくなり、溶接による熱変形が発生しても内部の状態を目視確認することすら難しい状態となる。

ギャップ裕度評価センサ３１〜３４とギャップ裕度評価装置の切替え器５１とは、コネクタ４１、コネクタ４１に接続された外部コネクタ４４、外部コネクタ４４に備えられた多芯ケーブル５７を介して接続される。測定の時間間隔、センサのスキャン順序、センサへの印加電圧Ｅ［Ｖ］などの設定値は、測定開始前にキーボード、マウスなどからなる入力部５４から制御・記録部５５に入力しておく。切替え器５１は、ギャップ裕度評価センサ３１〜３４を選択的に抵抗測定器５２に接続するものであって、入力部５４から入力された時間間隔で各センサ３１〜３４をスキャンしていく。抵抗測定器５２は、測定センサに電圧Ｅ［Ｖ］を印加したときの電流Ｉ［Ａ］を測定する。測定電流が予め定めておいたノイズレベル未満の時には、ギャップ裕度評価センサ３１〜３４の抵抗は無限大であると判断し、センサ設置位置のギャップ間には十分な裕度があると判定する。電流値Ｉ［Ａ］が測定できる場合には、
Ｒ［Ω］＝Ｅ［Ｖ］／Ｉ［Ａ］
の式に基づいて、ギャップ裕度評価センサ３１〜３４の抵抗を算出する。抵抗−ギャップ距離換算部５３には、予め測定しておいた抵抗−ギャップ距離の関連を示す校正曲線が記憶されており、抵抗測定器５２で算出した抵抗値に基づき、測定センサ設置箇所のギャップ距離を算出する。記録・制御部５５では、測定時刻、センサ番号、抵抗値、ギャップ裕度（裕度あり／ギャップ距離）、作業状態（溶接中／真空排気中／冷却中/稼働中／・・・）などの項目を記録していく。評価中に、１つ以上のセンサでノイズレベルを超える電流値Ｉ［Ａ］を測定した場合には、警報・表示部５６で注意音を奏鳴するとともに、注意報の内容を画面表示する。また、ギャップ距離の算出値が予め定めておいた警報のしきい値未満になった場合には、警報音を奏鳴し、警報内容を画面表示する。

図４は、内槽の胴部２５ｂと天板２５ａの溶接作業中に、超電導機器２７の上面と内槽の天板２５ａとの間のギャップ裕度を評価したときに表示される注意報表示の一例である。超電導装置の９０°方向に設置したセンサ３２に電圧を印加したときの電流値がノイズレベルより大きくなったので、画面の９０°付近に接触注意を表すマーク６１が表示されるとともに、センサの取付け位置とギャップ距離を明示するプロンプト６２が表示されている。

また、図５は、さらに溶接作業を継続し、１８０°方向に設置したセンサ３３からも注意報が発令され、９０°方向に設置したセンサ３２から警報が発令されたときの警報表示画面の一例である。センサ３３でも電流値がノイズレベルより大きくなったので、接触注意を表すマーク６５とセンサ位置・ギャップ距離を明示するプロンプト６６が表示されている。同時に、９０°方向に設置したセンサ３２位置でのギャップ距離が警報のしきい値を下回ったので、接触が近いという警報を表すマーク６３とセンサ位置・ギャップ距離を明示するプロンプト６４も表示されている。

図６は、上述した溶接作業中のギャップ裕度の変化をトレンド表示させた画面の一例である。各センサの電流値がノイズレベル以下のときには、裕度ありの項目の中央付近にトレンド値を表示している。電流値がノイズレベルを超え、ギャップ距離が算出できるようになると、ギャップ距離を表示させている。このトレンド表示は、操作者が、ギャップ裕度の時間変化を把握したり、これからのギャップ裕度の変化予測をしたりする場合に有効な表示である。

ギャップ間の裕度が小さくなり、超電導機器２７の上面と内槽２５の天板２５ａとが接触する危険性が高まったので、熱変形量が小さくなるように溶接作業をやり直し、製造過程を完成させた。次の過程では、図２に示す真空容器21内部の空気を真空排気した。真空排気中に、超電導機器２７の上部と内槽２５の天板２５ａの間に設置したギャップ裕度評価センサ３１〜３４、及び内槽２５の天板２５ａと輻射シールド２３の天板２３ａの間に設置したセンサ３５〜３８で、超電導機器２７−内槽２５間、及び、内槽２５−輻射シールド２３間のギャップ裕度を評価したが、真空排気中はギャップ裕度の低下はなかった。

さらに次の過程では、トランスファーチューブ２８を経由して、内槽２５の内部を液体窒素で冷却した。液体窒素注液中にも、超電導機器２７−内槽２５間、及び、内槽２５−輻射シールド２３間のギャップ裕度を評価した。評価中に、内槽２５−輻射シールド２３間の４５°位置に取付けたギャップ裕度評価センサ３５の評価結果から、注意報が発令された。図7は、この注意報の画面表示例である。超電導機器２７−内槽２５間、及び、内槽２５−輻射シールド２３間のギャップ裕度を同時に評価しているので、画面内に２つの被測定ギャップが表示されている。接触注意を表すマーク６７とセンサ位置・ギャップ距離を明示するプロンプト６８が表示されている。このときの内槽２５−輻射シールド２３間のギャップ裕度トレンド変化を図８に示す。４５°に設置したセンサ位置でのギャップ距離が減少している。操作者が、入力部５４から表示指示した外挿線６９は、注意報発令後のギャップ距離の平滑化曲線を外挿したものである。外挿線６９とギャップ距離０．０ｍｍが交差する時刻を算出し、接触予想時刻をプロンプト７０に表示している。

操作者は、このまま液体窒素の注液を続けると、内槽とシールドが接触すると判断した。液体窒素の注液では内槽２５の温度勾配が急峻になるため熱変形量が大きいと考え、冷却方法について、内槽２５全体を穏やかに冷却できる窒素ガス冷却に変更した。図９は、このときのギャップ裕度を示すトレンドグラフであり、時刻Ｔ１で冷却方法を液体窒素注液から窒素ガス冷却に変更している。図９の例では、冷却法変更の効果があって、ギャップ裕度の低下を抑えることができたことを示している。

その後、内槽２５内の窒素を追い出し、液体ヘリウムで冷却する過程、超電導機器２７に大電流を通電して稼働させる過程に進んだ。どちらの過程でも、超電導機器２７−内槽２５間、及び、内槽２５−輻射シールド２３間のギャップ裕度を評価したが、問題となるような裕度低下は観察されなかった。超電導機器２７に大電流を通電する過程では、大きな電磁力が構造材に働いてギャップ裕度が低下する可能性があり、裕度が低下した場合には通電電流の上昇速度を遅くして構造材の変形量を小さくすることを考えていた。しかし、通電時にギャップ裕度が低下しなかったので、最大の上昇速度で通電電流を定格電流まで上昇させることができた。

次に、本発明の第２実施形態を、図１０〜図１２を参照しながら説明する。本例のギャップ裕度評価装置は、１個以上のギャップ裕度評価センサと複数の静電容量式変位センサを組合せて、２つの構造材が形成する面全体のギャップ裕度を評価することを特徴とするものである。

図１０は、構造材１，２の間に設けられたギャップ裕度評価センサ７１と静電容量式変位センサ７２，７３，７４の構成と配列とを示す図である。この図から明らかなように、ギャップ裕度評価センサ７１は、第１実施形態に係るギャップ裕度評価センサ３１〜３８と同様に、一方の構造材に絶縁ホルダ３を介して一端が取り付けられた片持ち梁状の金属接点４と、他方の構造材２に絶縁フィルム５を介して貼り付けられた抵抗膜６とから構成されている。これに対して、静電容量式変位センサ７２，７３，７４は、一方の構造材に絶縁フィルム７２ａ，７３ａ，７４ａを介して設定された第１電極７２ｂ，７３ｂ，７４ｂと、他方の構造材２に絶縁フィルム７２ｃ，７３ｃ，７４ｃを介して設定された第２電極７２ｄ，７３ｄ，７４ｄとから構成されている。

図１１は、第２実施形態に係るギャップ裕度評価装置の回路構成図であり、内槽２５の天板上部と輻射シールド２３の天板下部との間のギャップ裕度を評価する状態を示している。内槽２５の天板上部中央には、ギャップ裕度評価センサの下部８１ｂと静電容量式変位センサの下部８２ｂが近接して取り付けられ、内槽２５の天板の外周付近の０°、９０°、１８０°、２７０°の位置には、静電容量式変位センサの下部８３ｂ〜８６ｂが取付けられている。また、輻射シールド２３の天板２３ａの対応位置には、ギャップ裕度評価センサの上部８１ａと静電容量式変位センサの上部８２ａ〜８６ａとが取り付けられている。

センサ８１〜８５の信号は、コネクタ８７に接続されており、このコネクタ８７にギャップ面裕度評価装置９０の多芯ケーブル８９の先に設けたコネクタ８８を接続することにより、ギャップ裕度の評価が可能になる。測定の時間間隔、センサのスキャン順序、センサへの印加電圧Ｅ［Ｖ］などの設定値は、測定開始前にキーボード、マウスなどからなる入力部９８から制御・記録部９９に入力しておく。ギャップ裕度評価センサは１個しか取付けていないので、センサ８１からのケーブルは常に抵抗測定部９２に接続されている。抵抗測定部９２は、ギャップ裕度評価センサ８１の抵抗を測定し、ギャップ裕度評価センサ８１の抵抗が無限大であると判断したときは、センサ設置位置のギャップ間には十分な裕度があると判定する。ギャップ裕度評価センサ８１の抵抗が有効な値として算出できたときには、抵抗−ギャップ距離換算部９３に記憶させている校正曲線に基づき、測定センサ設置箇所のギャップ距離ｄ_８１を算出する。

ギャップ裕度評価センサ８１の抵抗が有効値として算出できたときには、静電容量式変位センサ８２〜８６の測定を行う。まず、測定装置の切替え器９４を導通チェッカー９７に接続する。切替え器９１は静電容量式変位センサ８２〜８６を順番にスキャンしていく。導通しているセンサを１つでも発見した場合には、構造材の接触が確定したと判断し、警報・表示部１００で接触確定音を奏鳴するとともに、接触確定位置を画面表示する。

静電容量式変位センサ８２〜８６の全てのセンサが導通していないことを確認したら、切替え器９４を静電容量測定部９５に接続し、静電容量式変位センサ８２〜８６の静電容量を測定する。静電容量式変位センサ８２の電極間距離ｄ_８２とギャップ裕度評価センサ８１のギャップ距離ｄ_８１とは同じであると考え、静電容量式変位センサ８２の静電容量を静電容量Ｃ_８２とギャップ裕度評価センサ８１のギャップ距離ｄ_８１とから、電極間距離と静電容量の関連性を表す係数k（ここで、Ｃ_８２＝ｋ／ｄ_８１）を算出する。同一面内に設置した電極間において、流体の有無と流体の種類、及び、電気的状況となどが同じであると考えてよい場合には、面内の係数kはどの場所でも一定であると考え、静電容量式変位センサ８３〜８６の係数kは、静電容量式変位センサ８２のkと同一値を用いる。それぞれの位置における容量Ｃ_８３〜Ｃ_８６を測定すれば、電極間距離ｄ_８３〜ｄ_８６を算出できる。

静電容量式変位センサ８３、８２、８５の電極間距離ｄ_８３，ｄ_８２，ｄ_８５から図１０（３）に示すような０°−１８０°上のギャップ面間の傾きを表すベクトル７５を算出することができる。また、静電容量式変位センサ８４、８２、８６の電極間距離ｄ_８４，ｄ_８２，ｄ_８６から９０°−２７０°上の面間の傾きベクトル７６を算出することができる。ベクトル７５とベクトル７６を合成すると、面全体の傾きベクトル７７を算出することができる。内槽２５の天板、及び、輻射シールド２３の天板は、どちらも円形をした平板であるため、面全体の傾きベクトルの方向で、内槽２５の天板の外径に相当する点が面内におけるギャップ最小箇所であると評価できる。また、ギャップ裕度評価センサ８１位置におけるギャップ距離ｄ_８１と、面全体の傾きベクトル、及び、内槽２５の天板の外径が解っているので、最小ギャップ距離を算出することが可能である。

記録・制御部９９では、測定時刻、センサ番号、抵抗値、導通の有無、静電容量、最小ギャップ位置、最小ギャップ距離などの項目を記録していく。評価中に、ギャップ裕度評価センサ８１の抵抗が有効値として算出でき、静電容量式変位センサ８２〜８６の全てのセンサが導通していないことを確認したら、警報・表示部１００で注意音を奏鳴するとともに、注意報の内容を画面表示する。

図１２は、内槽２５の天板と輻射シールド２３の天板のギャップ裕度を評価したときに表示された注意報表示の一例である。天板の中心付近に設置したギャップ裕度評価センサ８１において有効な抵抗値が測定されたことと、中心位置におけるギャップ距離を明示するプロンプト１０１が表示されている。また、面内の最小ギャップ位置付近を示すマーク１０２、及び、最小ギャップ距離と最小ギャップ位置を明示するプロンプト１０３が表示されている。

図１３は、接触が生じた場合における表示の一例である。ギャップ裕度評価センサ８１において有効な抵抗値が測定されたことと、中心位置におけるギャップ距離を明示するプロンプト１０４が表示されている。また、接触確定と接触センサを示すマーク１０５、及び、接触センサの位置を明示するプロンプト１０６が表示されている。

第１実施形態に係るギャップ裕度評価センサの構造とこれを用いたギャップ裕度の評価原理を示す説明図である。被測定対象である超電導装置の構造とセンサの設置位置とを示す図である。第１実施形態に係るギャップ裕度評価装置の回路構成を示す図である。接触注意報の画面表示の一例を示す図である。接触警報の画面表示の一例を示す図である。ギャップ裕度の時間変化を例示するトレンドグラフである。接触注意報の画面表示の他の例を示す図である。ギャップ裕度の時間変化と進展予測とを例示するトレンドグラフである。ギャップ裕度の時間変化の他の例を示すトレンドグラフである。第２実施形態に係るギャップ裕度評価センサ及び静電容量式変位センサの構造とこれを用いたギャップ面の最小裕度の評価原理とを示す説明図である。第２実施形態に係るギャップ裕度評価装置の回路構成を示す図である。接触注意報の画面表示の一例を示す図である。接触確定警報の画面表示の一例を示す図である。

符号の説明

１，２構造材
４金属接点
６抵抗膜
９抵抗計測器
２１真空容器
２３輻射シールド
２５内槽
２７超電導機器
３１〜３８ギャップ裕度評価センサ
４１〜４７コネクタ
５０ギャップ裕度評価装置
５２抵抗計測器
５３抵抗−ギャップ距離換算部
５４入力部
５５制御・記録部
５６警報・表示部
７１ギャップ裕度評価センサ
７２〜７４静電容量式変位センサ

Claims

ギャップを有するものとして設計されている２つの構造材間のギャップ裕度を評価する装置であって、
前記２つの構造材の一方に一端が取り付けられた片持ち梁状の金属接点と、他方の構造材に取り付けられ、前記２つの構造材間のギャップ距離が所定値以下になったときに前記金属接点の先端部が接触する抵抗膜と、前記金属接点と前記抵抗膜との間の電気抵抗値を測定する電気抵抗測定部とを備え、
前記電気抵抗測定部にて測定された前記電気抵抗値から前記２つの構造材が接触するまでのギャップ裕度を評価することを特徴とするギャップ裕度の評価装置。
ギャップを有するものとして設計されている２つの構造材間のギャップ裕度を評価する装置であって、
前記２つの構造材の一方に一端が取り付けられた片持ち梁状の金属接点と、他方の構造材に取り付けられ、前記２つの構造材間のギャップ距離が所定値以下になったときに前記金属接点の先端部が接触する抵抗膜と、前記金属接点と前記抵抗膜との間の電気抵抗値を測定する電気抵抗測定部と、前記２つの構造材のそれぞれに設けられた電極をもって構成される静電容量式変位センサと、当該静電容量式変位センサにおける各電極間の静電容量値を測定する静電容量測定部とを備え、
前記電気抵抗測定部にて測定された前記電気抵抗値から前記２つの構造材が接触するまでのギャップ裕度を評価すると共に、前記静電容量測定部にて測定された前記静電容量値から前記２つの構造材間に存在するギャップ距離の絶対値を求めることを特徴とするギャップ裕度の評価装置。
前記電気抵抗測定部に前記抵抗膜を流れる電流の電流値を測定する電流測定手段を備えると共に、当該電流測定手段にて測定された前記電流値から前記２つの構造材間のギャップ裕度を判定する判定部と、当該判定部の判定結果を表示する表示部とを備え、
前記判定部は、前記金属接点と前記抵抗膜との間に予め定められた一定電圧を印加したときに測定される前記電流値がノイズレベルに相当する所定の電流値未満であったとき、ギャップに裕度があると判定して、その判定結果を前記表示部に表示することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のギャップ裕度の評価装置。
前記電気抵抗測定部に前記抵抗膜を流れる電流の電流値を測定する電流測定手段を備えると共に、当該電流測定手段にて測定された前記電流値から前記２つの構造材間のギャップ裕度を判定する判定部と、前記電気抵抗測定部にて測定された前記電気抵抗値から前記２つの構造材間のギャップ距離を求める電気抵抗値−ギャップ距離換算部と、当該電気抵抗値−ギャップ距離換算部にて求められた前記２つの構造材間のギャップ距離を表示する表示部とを備え、
前記判定部は、前記金属接点と前記抵抗膜との間に予め定められた一定電圧を印加したときに測定される前記電流値がノイズレベルに相当する所定の電流値以上であったとき、ギャップの裕度が小さくなったと判定して、前記電気抵抗値−ギャップ距離換算部にて求められたギャップ距離を前記表示部に表示することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のギャップ裕度の評価装置。
前記電気抵抗値−ギャップ距離換算部に、電気抵抗値とギャップ距離との関係を示す校正曲線が記憶された校正曲線記憶部を付設し、前記電気抵抗値−ギャップ距離換算部は、前記計測部にて測定された前記電気抵抗値に相当するギャップ距離を前記校正曲線記憶部に記憶された前記校正曲線から求めることを特徴とする請求項４に記載のギャップ裕度の評価装置。
前記電気抵抗値−ギャップ距離換算部から出力されるギャップ距離データを順次取り込み、当該ギャップ距離データの時間変化からギャップ距離が０となる時刻を推測するギャップ距離変化予測部を備え、当該ギャップ距離変化予測部にて求められた前記ギャップ距離が０となる時刻を前記表示部に表示することを特徴とする請求項４に記載のギャップ裕度の評価装置。
前記２つの構造材のそれぞれに、複数の前記静電容量式変位センサを構成するための複数の電極を設けたことを特徴とする請求項２に記載のギャップ裕度の評価装置。
前記複数の静電容量式変位センサについて電極間の導通の有無を検査する導通検査部と、当該導通検査部の検査結果を表示する表示部とを備え、
前記導通検査部から少なくとも１つの前記静電容量式変位センサについて電極間に導通が生じているとの検査結果が出力されたとき、導通しているとの検査結果が得られた前記静電容量式変位センサの設置位置を前記表示部に表示することを特徴とする請求項７に記載のギャップ裕度の評価装置。