JP2019207192A

JP2019207192A - 材料試験機

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Publication number: JP2019207192A
Application number: JP2018103659A
Authority: JP
Inventors: 博志辻; Hiroshi Tsuji
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2038-05-30
Also published as: CN110553908A; US20190368987A1; EP3575771A1; CN110553908B; JP6988696B2; US10876940B2; EP3575771B1

Abstract

【課題】ケーブルの断線検出を容易に行うことが可能な材料試験機を提供する。【解決手段】制御装置２０には、ひずみゲージブリッジ回路への搬送波データを記憶する記憶素子３５、搬送波をデジタル−アナログ変換するＤ／Ａ変換器３２、アナログ変換波形を増幅するパワーアンプ３１、記憶素子３５から搬送波データをＤ／Ａ変換器３２に送信するタイミングを制御する同期信号発生回路３６、ひずみゲージブリッジ回路から入力された測定信号を増幅する計装アンプ３３、測定信号をアナログ—デジタル変換するＡ／Ｄ変換器３４、測定信号から抵抗成分Ａと容量成分Ｂを抽出する検波回路４１、正常時の容量成分ＢＮを記憶する記憶素子４５、現時点の容量成分Ｂと正常時の容量成分ＢＮを比較する比較器４７、表示部１８への測定結果等の表示制御のためのＭＰＵ５１が配設される。容量成分Ｂが正常時の容量成分ＢＮからの許容範囲を越えたらケーブルの断線と判断する。【選択図】図２

Description

この発明は、制御装置にケーブルを介して検出器を接続した材料試験機に関する。

材料の強度や特性を評価するための材料試験を実行する材料試験機は、試験片の伸びに相当する変位を測定する変位計や、試験片に与えられる試験力を測定するためのロードセルなど、物理量を測定する検出器を備えている。変位計とロードセルは、材料試験機の制御装置に接続され、制御装置には、変位計用の測定回路、ロードセル用の測定回路がそれぞれ配設されている。そして、制御装置は、これらの検出器から取り込んだデータを表示器に表示している（特許文献１参照）。

制御装置と検出器との間は、ケーブルにより接続されている。特許文献２には、ケーブルの断線あるいは短絡などの異常を検出するための断線検出回路を備えた異常検出装置が提案されている。

特開２０１７−１３８１７２号公報特許第４４０５２４２号

特許文献２の異常検出装置における断線検出回路は、ひずみゲージブリッジ回路からなる検出器の通常の測定信号が入力されるひずみ測定回路とは別に存在する。このため、ケーブルの断線検出をしたいときには、ひずみゲージブリッジ回路からひずみ測定回路への入力を、ひずみゲージブリッジ回路から断線検出回路への入力に切り替える必要がある。このようにひずみゲージブリッジ回路からの信号をどちらか一方の回路に入力させる切り替え方式では、断線検出回路と測定回路を同時に動かすことができない。このため、測定中にケーブルの断線を検出することができず、ユーザがケーブルの断線に気付くのが遅れ、試験片や試験時間が無駄になることがある。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ケーブルの断線検出をいつでも容易に行うことが可能な材料試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、試験片に試験力を与える負荷機構と、前記負荷機構により前記試験片に試験力を与えているときに物理量を測定するための検出器と、制御装置と、前記検出器と前記制御装置とを接続するケーブルと、前記検出器による測定結果を表示する表示部と、を備える材料試験機において、前記制御装置は、前記検出器からの測定信号から、前記物理量に起因する抵抗成分と前記ケーブルの静電容量に起因する容量成分を抽出する検波回路と、前記検波回路により抽出された正常時の容量成分を記憶する記憶素子と、前記検波回路により抽出された現時点の容量成分と前記正常時の容量成分とを比較する比較器と、を備え、前記比較器による比較の結果、前記正常時の容量成分に対して前記現時点の容量成分の値が予め決められた許容範囲を超えて変動した場合に、前記ケーブルが断線しているとして断線警告を通知することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の材料試験機において、前記制御装置は、前記表示部に警告を表示することにより断線警告を通知する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、前記検出器は、物理量の検出機構としてひずみゲージブリッジ回路を備えた前記試験片に加えられた試験力を測定するロードセル、または、物理量の検出機構としてひずみゲージブリッジ回路を備えた前記試験片の伸びを測定する変位計である。

請求項１から請求項３に記載の発明によれば、検波回路により、検出器からの測定信号から、検出器の物理量に起因する抵抗成分と、ケーブルの静電容量に起因する容量成分とを抽出し、正常時の容量成分と現時点の容量成分を比較する比較器を備えることにより、検出器による物理量の測定中にも、ケーブルが断線しているか否かの検出を行うことができ、ユーザに断線警告を通知することが可能となる。容量成分の検出には、検波回路の構成をそのまま利用するため、従来のように、測定回路とは別にケーブルの異常検出のための回路を設ける必要がなく、簡易な構成でケーブルの断線を検出することが可能となる。

この発明に係る材料試験機の正面概要図である。制御装置２０の主要な機能構成を示すブロック図である。断線警告の通知手順を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の正面概要図である。

この材料試験機は、クロスヘッド１３と、基台１５と、この基台１５の左右に立設されたカバー１４とにより囲まれた材料試験機本体の試験空間に、試験片１０を配置して材料試験としての引張試験を実行するものである。試験片１０は、クロスヘッド１３側に配設された上つかみ具１１と基台１５に固定された下つかみ具１２とによって両端部を把持されることにより、試験空間に配置される。また、この材料試験機は、試験片１０に加えられた試験力を検出する検出器であるロードセル１６と、試験片１０に生じる伸びを検出する変位計１７を備える。なお、ロードセル１６および変位計１７は、試験片１０における物理量を電気信号に変換する検出機構として、各々ひずみゲージブリッジ回路を備えている。そして、ロードセル１６と制御装置２０、および、変位計１７と制御装置２０は、各々ケーブルＣＬにより接続されている。

クロスヘッド１３の両端部には、基台１５の左右に立設されたカバー１４内に配置される一対のねじ棹と螺合する図示しないナット部が配設されている。そして、一対のねじ棹が基台１５内に配設されたモータの駆動により同期して回転することで、クロスヘッド１３が上下方向に移動する。クロスヘッド１３が上昇することにより、試験片１０に引張荷重（試験力）が負荷される。

クロスヘッド１３には、試験片１０の上端部を把持するための上つかみ具１１が付設されている。一方、基台１５には、試験片１０の下端部を把持するための下つかみ具１２が付設されている。引張試験を行う場合には、試験片１０の両端部をこれらの上つかみ具１１および下つかみ具１２により把持した状態で、クロスヘッド１３を上昇させることにより、試験片１０に引張試験力を負荷する。

試験片１０に負荷される試験力は、クロスヘッド１３に配設されたロードセル１６により検出される。また、試験片１０の上下の標点間の変位量は、接触式の伸び検出器である変位計１７により検出される。ロードセル１６および変位計１７からの信号は、ケーブルＣＬを介して制御装置２０に入力される。制御装置２０は、クロスヘッド１３を昇降させるためのモータの駆動制御信号を作成し、基台１５内部に配置している図示していないサーボアンプを介して同じく図示していないサーボモーターを回転させ、負荷機構を動作させる。これにより、クロスヘッド１３が負荷軸に沿って移動し、引張試験等の各種材料試験が実行される。なお、変位計１７は接触式であっても非接触式であってもよい。

制御装置２０は、コンピュータやシーケンサーおよびこれらの周辺機器によって構成されており、ＭＰＵ（ＭｉｃｒｏＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）５１や、装置の制御に必要な動作プログラムやデータ等が一時的にストアされるメモリを有し、装置全体を制御する。制御装置２０は、試験の開始や停止、クロスヘッド１３の昇降操作などを行うときに使用する操作部１９と、ロードセル１６により測定した試験力および変位計１７により測定した変位量を表示するための表示部１８とに接続されている。

図２は、制御装置２０の主要な機能構成を示すブロック図である。この材料試験機の制御装置２０には、試験に応じて選択される測定機器やセンサなどの機能に対応させた構成単位として、複数のユニットが設けられている。図２では、ロードセル１６または変位計１７の物理量検出機構を構成するひずみゲージブリッジ回路に信号を出力し、ひずみゲージブリッジ回路からの信号入力を受け付ける機能ブロックを含む、搬送波式（交流式）のひずみ測定回路を示している。

制御装置２０には、ひずみゲージブリッジ回路を励起するための搬送波データを記憶する記憶素子３５、搬送波をデジタル−アナログ変換するＤ／Ａ変換器３２、アナログ変換された波形を増幅するパワーアンプ３１、記憶素子３５から搬送波データをＤ／Ａ変換器３２に送信するタイミングを制御する同期信号発生回路３６、ひずみゲージブリッジ回路から入力された測定信号を増幅する計装アンプ３３、測定信号をアナログ―デジタル変換するＡ／Ｄ変換器３４、測定信号から抵抗成分Ａと容量成分Ｂを抽出する検波回路４１、正常時の容量成分Ｂ_Ｎを記憶する記憶素子４５、現時点の容量成分Ｂと正常時の容量成分Ｂ_Ｎを比較する比較器４７、表示部１８への測定結果等の表示制御を実行するＭＰＵ５１が配設される。

同期信号発生回路３６からのタイミング信号にしたがって記憶素子３５からＤ／Ａ変換器３２に送られてアナログ変換された搬送波データは、パワーアンプ３１で増幅された後に制御装置２０から出力され、ケーブルＣＬを介して検出器のひずみゲージブリッジ回路に入力される。搬送波により励起されたひずみゲージブリッジ回路からは、ひずみにより振幅変調された搬送波が出力され、ケーブルＣＬを介して制御装置２０に入力される。制御装置２０が受信した信号は、計装アンプ３３で増幅され、Ａ／Ｄ変換器３４でデジタル化された後、検波回路４１に入力される。

検波回路４１には、同期信号発生回路３６から記憶素子３５に入力されるタイミングと同じ同期信号が入力される。検波回路４１は、デジタル計算回路により構成され、入力された測定信号の搬送波に同期した成分のうち、搬送波の位相に揃った抵抗成分Ａと、搬送波と９０度位相の異なる容量成分Ｂを抽出する。すなわち、図２に示すひずみ測定回路では、検波回路４１を設けて、力や変位という物理量に起因する抵抗成分Ａと、力や変位とは無関係に、ケーブルＣＬに寄生する静電容量に起因する容量成分Ｂとを抽出する。抵抗成分Ａは力や変位の変化量に比例している。本発明は、ケーブルＣＬに寄生する静電容量に起因する容量成分Ｂの値が、ケーブルＣＬが断線したときには変化することを利用して、ケーブルＣＬの断線を検出する構成を採用している。

ここで、ひずみゲージブリッジ回路において、抵抗成分Ａと容量成分Ｂにより、受信信号ｆ（ｔ）は次式（１）で表すことができる。

式（１）において、ωはキャリア信号の各周波数であり、簡単のために、搬送波との位相差はゼロとしている。一般的に受信信号ｆ（ｔ）のフーリエ変換Ｆ（ω）は、次式（２）で表される。

図２に示すひずみ測定回路における検波回路４１では、搬送波１周期分ごとに次式（３）で示す畳み込み積分を行い、抵抗成分Ａと容量成分Ｂを抽出している。

式（２）および式（３）のうち、式（１）のｓｉｎωｔに位相が一致する成分が抵抗成分Ａであり、式（１）のｃｏｓωｔに位相が一致する成分が容量成分Ｂである。次式（４）および（５）により、抵抗成分Ａと容量成分Ｂをそれぞれ抽出する。

式（４）により、容量成分Ｂが消えて、抵抗成分Ａのみが抽出される。同じく、式（５）により、抵抗成分Ａが消えて、容量成分Ｂのみが抽出される。

図３は、断線警告の通知手順を示すフローチャートである。

図２に示したひずみ測定回路では、ロードセル１６や変位計１７と制御装置２０を接続するケーブルＣＬが断線しているか否かのチェックは、材料試験機に電源が投入され、各検出器のひずみゲージブロック回路からの信号が制御装置２０側で受信できる状態であれば、常時可能である。各検出器のひずみゲージブロック回路からケーブルＣＬを介して制御装置２０に入力された信号が検波回路４１に入力されると、上述した式（４）および（５）により、抵抗成分Ａと容量成分Ｂが抽出される（ステップＳ１１）。抵抗成分Ａは、物理量の信号としてＭＰＵ５１に入力され、ロードセル１６が検出した試験力、または、変位計１７が検出した変位として、表示部１８に表示される。

容量成分Ｂは、比較器４７に送られ、記憶素子４５に予め記憶させておいた正常時の容量成分Ｂ_Ｎと比較される。ここで、記憶素子４５に記憶させる正常時の容量成分Ｂ_Ｎは、例えば、ケーブルＣＬの最初の使用開始時や検出器の校正時など、正常であると認識できるときに上述した式（５）により求めた容量成分Ｂの値である。比較器４７での比較は、正常時の容量成分Ｂ_Ｎに対して、現時点の検出器の信号から抽出された容量成分Ｂがどの程度変動しているかを知るためのものである。したがって、比較器４７は、検波回路４１で抽出された現時点の容量成分Ｂと正常時の容量成分Ｂ_Ｎを比較し、その比較結果をＭＰＵ５１に出力する。ここでの比較結果とは、例えば、容量成分Ｂが正常時の容量成分Ｂ_Ｎに対して許容範囲を超えて変動しているか否かを判断した結果（ステップＳ１２）など、現時点の容量成分Ｂと正常時の容量成分Ｂ_Ｎの比較に基づいて導かれる結果を意味する。

比較結果を受けたＭＰＵ５１は、比較器４７から出力された比較結果に応じて、断線警告を通知する（ステップＳ１３）。例えば、現時点の容量成分Ｂが正常時の容量成分Ｂ_Ｎに対して許容範囲を超えて変動していた場合には、この結果を受けたＭＰＵ５１により、表示部１８に「ケーブル断線有」と表示する断線警告が通知される。なお、断線警告は、表示部１８への警告表示に限らず、警報音など他の手法を採用してもよい。

このように、この実施形態では、独立した断線検出回路を設けることなく、制御装置２０に入力された検出器からの信号をＡ／Ｄ変換器３４により数値化し、この検波回路４１に入力することで、入力信号から物理量を示す信号（抵抗成分Ａ）を取り出すときに、ケーブルＣＬの静電容量に起因する信号（容量成分Ｂ）も取り出すことができる。そして、正常なケーブルＣＬの静電容量に起因する信号を予め記憶素子４５に記憶させておき、予め記憶させておいた値との違いが大きくなってきたら、ケーブルＣＬが断線したと判断してユーザに警告するようにしている。したがって、ユーザは、常時断線を知ることができ、無駄な試験の続行を防ぐことができる。

また、この検波回路４１により、所定の時間間隔で抽出したケーブルＣＬの静電容量に起因する信号は、連続量として取り出すこともできることから、ケーブルＣＬの完全な断線だけでなく、容量成分Ｂの経時的な変化の傾向から、断線しかけの状態なのかを判断することも可能である。ケーブルＣＬが完全に断線する前に、ケーブルＣＬの交換や修理を行うことができれば、試験片１０や試験時間の無駄を防ぐことができる。

上述した実施形態では、ひずみゲージブリッジ回路を備えた検出器を例に説明したが、他の交流測定回路を備えた検出器においても、この実施形態と同様の検波回路４１と比較器４７を採用して、ケーブルＣＬを介して入力される信号からケーブルＣＬの静電容量に起因する容量成分を抽出して、ケーブルＣＬの断線の有無の判断に利用することは可能である。例えば、１次コイルを交流で励磁し、試験片１０の伸びに連動して動く可動鉄心により２次コイルに発生する誘起電圧により変位を測定する差動トランス式変位計のケーブルＣＬの断線検出にも、この発明を適用することは可能である。

１０試験片
１１上つかみ具
１２下つかみ具
１３クロスヘッド
１４カバー
１５基台
１６ロードセル
１７変位計
１８表示部
１９操作部
２０制御装置
３１パワーアンプ
３２Ｄ／Ａ変換器
３３計装アンプ
３４Ａ／Ｄ変換器
３５記憶素子
３６同期信号発生回路
４１検波回路
４５記憶素子
４７比較器
５１ＭＰＵ
ＣＬケーブル

Claims

試験片に試験力を与える負荷機構と、前記負荷機構により前記試験片に試験力を与えているときに物理量を測定するための検出器と、制御装置と、前記検出器と前記制御装置とを接続するケーブルと、前記検出器による測定結果を表示する表示部と、を備える材料試験機において、
前記制御装置は、
前記検出器からの測定信号から、前記物理量に起因する抵抗成分と前記ケーブルの静電容量に起因する容量成分を抽出する検波回路と、
前記検波回路により抽出された正常時の容量成分を記憶する記憶素子と、
前記検波回路により抽出された現時点の容量成分と前記正常時の容量成分とを比較する比較器と、
を備え、
前記比較器による比較の結果、前記正常時の容量成分に対して前記現時点の容量成分の値が予め決められた許容範囲を超えて変動した場合に、前記ケーブルが断線しているとして断線警告を通知することを特徴とする材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記制御装置は、前記表示部に警告を表示することにより断線警告を通知する材料試験機。
請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、
前記検出器は、物理量の検出機構としてひずみゲージブリッジ回路を備えた前記試験片に加えられた試験力を測定するロードセル、または、物理量の検出機構としてひずみゲージブリッジ回路を備えた前記試験片の伸びを測定する変位計である材料試験機。