JP2010210366A

JP2010210366A - 導電性部材の損傷検出方法とその装置

Info

Publication number: JP2010210366A
Application number: JP2009055925A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kumazawa; 鉄雄熊沢
Original assignee: Akita Prefectural University
Current assignee: Akita Prefectural University
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】炭素繊維複合材、金属繊維複合材など導電体の内部についてき裂発生および進展、接合部や積層箇所の剥離、動的変形・衝撃負荷を常時監視すること、発生した損傷を的確に評価する導電性部材の損傷検出方法とその装置を提供する。
【解決手段】２つの異なる導電線で熱電対を形成し、それらの先端を間隔をあけて被測定部材、構造物表面に、あるいは板厚を挟んで接合して、あるいは一つの金属線と部材金属や複合材導電性繊維との組み合わせてなる熱電対を形成して起電力測定回路を設け、動的衝撃負荷や温度負荷により生じるひずみエネルギー、すなわち起電力の変化を捉え、部材内部の損傷個所とその程度を把握する。
【選択図】図３

Description

本発明は、軽量で高強度な材料である炭素繊維複合材や金属繊維複合材の内部の変形、ひずみ、欠陥損傷を検出することを容易にし、的確に監視する導電性部材の損傷検出方法とその装置に関する。

従来、発電プラントや化学プラントの配管及び配管類似部材が受ける可能性のある熱疲労を、低減あるいは防止することのできる方法及び装置が知られている（特許文献１を参照）。
上記公知技術は、高温の流体を流通させる配管やそれに類似する部材において、複数の熱電対をその周方向と軸方向に複数配置し、配管の管肉厚部の温度分布を計測できるようにし、熱電対で計測された配管の温度分布を初期条件として配管の応力分布とひずみ分布を解析し、解析により得た配管外周のひずみ分布と実測された配管外周のひずみ分布の差から、配管を外部から拘束している力学的条件を予測するものである。

また、機械、乗り物、構造物などでは安全性が重要な課題であり、き裂発生および進展、接合部や積層箇所の剥離、動的変形・衝撃負荷を常時監視することや、発生した損傷を的確に評価することなど安全性を確保することが必要となっている。
特に目視が可能な表面に比べ、部材の内部や構造物の内側ではき裂や損傷の検出は困難となっている。
軽量で高強度な材料である炭素繊維複合材や金属繊維複合材では飛行機や自動車で使用されつつあるが、これらの部材は繊維を積層、接着によって構成されており均一な鉄鋼、アルミ合金などの材料と違って剥離、衝撃による内部損傷が起こり易い。

特開平１１−１７３４９０号公報

本発明は、このような炭素繊維複合材や金属繊維複合材の導電性複合部材の内部の変形、ひずみ、欠陥損傷を検出することを容易にし、的確に監視する導電性部材の損傷検出方法とその装置を提供することが目的である

導電性複合材を構成する部材や構造物の損傷発生が予想される個所に単に熱電対線を接続して熱起電を捉える回路を形成する、あるいは２つの異なる金属線からなる二つの熱電対線の先端間隔をあけて部材や構造物表面に、あるいは板厚を挟んで接合して、あるいは一つの金属線と部材金属や導電性複合材との組み合わせてなる熱電対を形成して、動的衝撃負荷や温度負荷により、ひずみエネルギー、すなわち起電力の変化を記録・監視して部材内部の損傷個所とその程度を把握することで検出を可能にする

熱電対を一点、あるいは先端の間隔をあけて接合、複合材導電性繊維を熱電対として利用することで表面、あるいは内部のひずみ状況が把握できる。
き裂や欠陥個所，およびその近傍では外部負荷や熱によってひずみ集中が急激に高まり、また低下するため、これをひずみエネルギー変化、すなわち起電力として把握できる。
そのため、従来の電気抵抗線ひずみゲージによって表面のひずみ変化のみの観察に比べ、内部のひずみ変化によるエネルギーを捉えることができるので、高精度に効率よく損傷情報を取得することが可能になり、極めて効率よく、また精度よく安全性を評価、維持することが可能になる。

Carbon Fiber−Con．組合せの熱電対の説明図である。 Carbon Fiber−Con．熱起電力のグラフ図である。熱電対から起電力を取り出し差分処理、増幅、記録する回路配線図である。コンスタンタン線と炭素繊維を用いた熱電対の説明図である。鉄鋼部材のひずみ集中が起こる個所に適用して計測する状態の説明図である。炭素繊維複合材の円孔を挟んで熱電対を適用した状態の説明図である。炭素繊維複合板材の表面にコンスタンタン線、端部に銅線を接続してなる説明図である。機材の一部を取り出し、損傷の検査例を示した説明図である。

本発明の導電性部材の損傷検出装置は、導電体や複合材の導電性繊維に二つの異なる金属線を結合、あるいは間隔をあけて接合して熱電対＜Active＞とし、同じ材質の微小部材に同様の熱電対＜Dummy＞を取り付け、両者の差分回路を形成することにより、起電力を得る。
得られた起電力は、増幅、測定装置を通してからコンピュータに記録する。
この測定形態をとることによって導電物体が変形あるいは損傷が生じたときのひずみエネルギーを捉えることが可能になる。

異なる２種の金属線Ａ，Ｂを接合し、接点１の温度をＴ１とし、接点２をそれと異なる温度Ｔ２に設定すると、回路に熱起電力ｅが発生する。この熱起電力は金属線の種類（組合せ）と温度Ｔ１，Ｔ２に依存して決まる。これをゼーベック効果という。金属線の代わりに炭素繊維を用いても炭素繊維は導体であり、金属と同様である。
図１に示す炭素繊維（Carbon Fiber）−コンスタンタン線（Constantan）の組合せの熱電対による起電力を測定したのが、図２である。図２に示すように、温度変化ｄＴと起電力ｍＶは比例する。

熱電対の接合点の温度に比例して起電力（熱起電力）が生じ、その回路に電圧計を挿入することで起電力が計測できる。

外部から負荷が加わるとひずみが発生し、このひずみによってエネルギー（＝温度）が変化する。材料のα（線膨張係数）、ρ（密度）、ｃ（比熱）、応力（ひずみ）変化ΔσとＴ（雰囲気温度）において、温度の変化ｄＴは

となる。
ひずみエネルギーを算出するには、取得した起電力を元の実起電力にして、温度と起電力の関係式であるゼーベック原理式とひずみの変化による熱効果のケルビンの公式とから算出する。この算出作業によって測定個所のひずみを知る。

図３はサーモカップル配線図であり、熱電対から記録するメータに接続する回路である。
一方を熱電対である銅線（Cu）とコンスタンタン線(CuNi)を導電体や複合材の導電性繊維に接続した熱電対＜Active＞とする。
他方を前記導電体や複合材の導電性繊維と同じ材質の小片に熱電対である銅線とコンスタンタン線を接続し、熱電対＜Dummy＞とする。
熱電対＜Dummy＞を入れることによって、基準温度から測定時の大気温度、室内では室温が部材と熱電対＜Dummy＞に加わっているので、これを相殺する。
また同時に空気中を伝わって伝搬してくる電波信号はノイズとなるが、このノイズも熱電対＜Dummy＞をいれることで相殺できる。
熱電対の両者はアースを基準として設定し、オペアンプに入れて増幅した電力信号をオッシロスコープ、あるいはパソコンにモニター表示、記録する。
図３に示した回路では零度の基準温度を設定した回路としているが、この基準温度を通過させない場合もある。
発生する起電力はサブミリボルト以下のボルト(0.001~ mV）であるのでアンプ（増幅器）によって100〜500倍に増幅して取得、記録する。
ひずみエネルギーを算出するには取得した起電力を元の実起電力にして、温度と起電力の関係式であるゼーベック原理式とひずみの変化による熱効果のケルビンの公式とから算出する。この算出作業によって測定個所のひずみを知る。

図４はコンスタンタン線と炭素繊維を接合してなる熱電対の例である。両線を基準温度、例えば基準温度槽を通過させれば接合個所の温度計測ができる。
この場合、温度変化に対してコンスタンタン線と銅線の組み合わせ熱電対とほぼ同等の起電力が計測できる。

図５に示す例は、鉄鋼部材のひずみ集中が起こる個所に適用して計測する状態の説明図である。熱電対である銅線（Cu）１とコンスタンタン線(CuNi)２を逆Ｔ字状の鉄鋼部材３の隅部を挟んで、接続したものであり、熱電対線先端の間隔は10mmである。
隅部は応力、ひずみ集中を起こし易く、き裂が発生し易いので、熱電対の先端をあけ、ひずみ集中個所を挟んで接合したものであり、この接合配線によって先端の間のひずみエネルギーが取得できる。

図６に示す本実施例では銅線４とコンスタンタン線５を炭素繊維複合材６の円孔７を挟んで表面に接続した場合である。
炭素繊維複合材６は縦横９０度の角度をなす織布構造であるので接着によって複合材中の導電性炭素繊維に熱電対線が繋がり導通する。
この状態で計測回路が形成されるので引張り、曲げ、ねじり変形によって円孔７の周囲ではひずみ集中が起こり、ひずみエネルギーの変化を測定できる。

この組み合わせに基づいて、図７に示した炭素繊維複合板材１２では表面を軽くサンドペーパーで研磨してからコンスタンタン線１０を接合している。
前記炭素繊維複合板材１２の端部に銅線１１を接合している。
これらの線を熱電対および引き出し線として測定回路に接合してひずみエネルギーを測定する。
この場合、特にコンスタンタン線１０と銅線１１との間は広範囲でありこの間のひずみや損傷によるエネルギーの変化を計測できる。
この方法は炭素繊維複合材１２を部材とした飛行機や自動車において熱電対先端の取り付け位置を、又は場所を変えて測定することができ、検査法あるいは欠陥を探査することを可能するものである。
この場合には熱電対先端は接合せず、クリップや重りを掛けることによって負荷し、接触抵抗を下げて導通をとることが便利である。
また、外部負荷や熱によって部材中の炭素繊維の周囲で繊維が樹脂から剥離した場合には炭素繊維のひずみ状態が変化するので検出が可能である。
これは熱電対の測定回路構成に熱電対箇所のみならずリード線においても抵抗や応力状態が変わると出力が変化することを示す。
これは熱起電力がリード線の材質で変わることと同じ現象として理解し、評価できることを意味する。

図８には機材の一部を取り出し、損傷の検査例を示した例である。
熱電対であるコンスタンタン線１４と銅線１５はフレキシブルな湾曲状の帯板１７に搭載し、これらの帯板１７はブロック１６に固定されている。
前記帯板１７はフレキシブルであり板ばねの役目を果たし、所定の圧力で熱電対の先端を被検査部材１３に押し付ける働きをしている。
ヘッド１８で微小振動や超音波振動をさせ、被検査部材１３に衝撃波を起こし、ひずみ波を伝搬させながら、熱電対先端を近傍に位置させて起電力をモニターする。
健全な個所では起電力はほぼ一定であるが、損傷個所ではひずみ波が集中するため大きな起電力が発生する。
前記ヘッド１８とブロック１６を同時に移動させながら平面的に探査を行い、起電力が大きくなる個所を探すことで、非破壊的に損傷個所を探し出すことができる。
また損傷が目視検査で分かっている場合には、その損傷個所に前記ヘッド１８とブロック１６を設置して起電力を測定することによって、損傷の大きさや広がり方向を調べることができる。
また、前記ヘッド１８の振動を停止させた状態で電気抵抗を測定することで抵抗変化を同時に評価することもできる。
建物や橋梁で経年劣化した個所、損傷個所を離れた遠隔地から常時監視する場合には、監視する個所に取り付ける熱電対は記録装置まで伸ばして連結する必要はなく、数センチの長さ、例えば長さ5cm程度の熱電対線を先端に接合し、残りのリード線は一般に汎用されている銅線あるいは他の金属線からなるリード線としても何ら支障なく同等の起電力が測定できる。

本発明の導電性複合材を構成する部材や構造物に熱電対線先端を一点に接合、あるいは間隔をおいて接合した回路に、同じ部材と熱電対からなる構成要素をダミーとし、両者の起電力の差分をとり増幅、記録する測定回路において、電気抵抗を測定し、起電力と抵抗を交互に常時監視することにより材質変化、剥離やき裂発生および進展、疲労、動的・衝撃負荷を検出することでモニタリングすることが可能である。
鉄鋼やアルミニューム合金のみならず炭素繊維複合材は航空機、車両に用いられるが、繰り返し負荷が加えられる個所からき裂が発生し、進展することがあり安全上重要な問題である。
本発明で提案した組み合わせの熱電対で構成した装置を用いることによって、このき裂を部材内部のひずみ、あるいは負荷で常にモニタリングすることが可能である。
き裂に成長する前段階における応力やひずみ負荷を常時モニタリングすることは負荷履歴を知る上にも重要であり本発明を容易に適用できる。
またエンジンや反応炉などの周囲や温度が上昇する装置における温度測定、損傷の監視では部材を構成する炭素繊維と金属線、例えば白金との組み合わせることで熱電対を形成して用いることが可能である。
従来の白金／白金ロジウムの組み合わせによる熱電対に比べて安価であり、しかも耐熱性に優れ、劣化が少なく信頼性のある熱電対を提供できる。

１銅線
２コンスタンタン線
３鉄鋼部材
４銅線
５コンスタンタン線
６炭素繊維複合材
７円孔
８炭素繊維複合材
９炭素繊維複合材
１０コンスタンタン線
１１銅線
１２炭素繊維複合板材
１３被測定部材
１４コンスタンタン線
１５銅線
１６ブロック
１７帯板
１８ヘッド

Claims

導電性複合材を構成する部材や構造物に熱電対線先端を一点に接合、あるいは間隔をおいて接合し、外部負荷，振動および熱負荷により生じたひずみエネルギーを起電力として引き出し、起電力の変化からひずみ、損傷を検出することを特徴とした導電性部材の損傷検出方法。
導電性複合材を構成する部材や構造物に熱電対線先端を一点に接合、あるいは間隔をおいて接合した回路に同じ部材と熱電対からなる構成要素をダミーとし、両者の起電力の差分をとり増幅、記録することを特徴とした導電性部材の損傷検出装置。
銅線あるいは他の金属線からなるリード線の先端に長さ５cm以上の熱電対線を接合してなる熱電対構成を用いた請求項２記載の導電性部材の損傷検出装置。
炭素繊維複合材、金属繊維複合材から成る板、円柱、棒などの各種部材において、部材を構成する繊維とその繊維と異なる導電性線を組み合わせて構成した熱電対を用いたことを特徴とした請求項２記載の導電性部材の損傷検出装置。
導電性複合材を構成する部材や構造物に熱電対線先端を一点に接合、あるいは間隔をおいて接合した回路に同じ部材と熱電対からなる構成要素をダミーとし、両者の起電力の差分をとり増幅、記録する測定回路において、電気抵抗を測定し、起電力と抵抗を交互に常時監視することにより材質変化、剥離やき裂発生および進展、疲労、動的・衝撃負荷を検出することを特徴としたモニタリング装置。