JP2019207192A - 材料試験機 - Google Patents

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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(Micro Processing Unit)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。
Figure 2019207192

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。
Figure 2019207192
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。
Figure 2019207192
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。
Figure 2019207192
Figure 2019207192
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
32 D/A変換器
33 計装アンプ
34 A/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
51 MPU
CL ケーブル

Claims (3)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
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