JP2022154471A - Moisture sensor, moisture level detection method, and method of manufacturing moisture sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セメント質硬化体の表面および内部の水分量を検出する水分センサ、水分量検出方法および水分センサの製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a moisture sensor for detecting the amount of moisture on the surface and inside of a hardened cementitious body, a method for detecting the amount of moisture, and a method for manufacturing the moisture sensor.
従来から、コンクリート中の水分は、セメントの水和反応、コンクリートの収縮とクリープの進行などの特性を決定づける重要な役割をもつ。また、外部から侵入する水分は内部鉄筋の腐食因子となることや、塩化物イオンの浸透を促進するため、コンクリート中の水分の分布や状態を把握することはコンクリートの耐久性を決定づける重要な情報である。また、コンクリート構造物の含水状態は、強度発現や乾燥収縮などへ関与し、仕上げ工事や防水工事の作業性およびその品質にも大きく影響を与えている。仕上げ工事では、高い含水状態で仕上げ材を施すと、十分な接着強度が得られず、ふくれ、剥離、ひび割れなどが発生する場合がある。このようなことから、コンクリート中の水分量を把握することは重要である。 Conventionally, water content in concrete plays an important role in determining properties such as cement hydration, concrete shrinkage and creep progress. In addition, since moisture intruding from the outside becomes a corrosive factor of internal reinforcing bars and promotes the penetration of chloride ions, understanding the distribution and condition of moisture in concrete is important information that determines the durability of concrete. is. In addition, the water content of concrete structures is involved in strength development, drying shrinkage, etc., and greatly affects the workability and quality of finishing work and waterproofing work. In finishing work, if the finishing material is applied in a state of high water content, sufficient adhesive strength cannot be obtained, and blistering, peeling, cracking, etc. may occur. For these reasons, it is important to know the amount of water in concrete.
コンクリート中の含水状態を把握する方法として、例えば、特許文献1では、コンクリートの含水率と電気抵抗値との関係に基づいて電気抵抗の測定値からコンクリートの含水率を予測する方法(電気抵抗式)に関する技術が開示されている。また、特許文献2では、コンクリートの水分量と静電容量との関係に基づいて静電容量の測定値からコンクリートの水分量を予測する方法(静電容量式)に関する技術が開示されている。また、その他のコンクリート中の含水状態を把握する方法として、コンクリートに設けた小孔内部の湿度を測定する方法、コンクリート表面に不透湿シートを貼り付けて湿度を測定する方法、コンクリート表面に変色紙を貼り付けて水分量及び湿度を測定する方法、などが用いられている。そして、コンクリートの水分量の測定において、測定条件にバラツキのある建築物の工事現場等では、時間をかけずに簡便な方法を用いることが望ましい。
As a method for grasping the water content state in concrete, for example,
また、特許文献3では、コンクリート構造物内に設置し、コンクリート構造物の水分量を測定する水分センサに関する技術が開示されており、該水分センサは、モルタル素材を誘電体部とし、これに対向電極を形成した水分センサであって、該水分センサに交流電解を印加した際の誘電体部の電気特性を指標とすることで、コンクリート内部の水分量を測定している。
Further,
しかしながら、特許文献1および特許文献2に記載の方法は、簡便な作業で迅速にコンクリートの水分量を測定できるため、床工事等の工事現場で広く用いられているが、コンクリート表面に電極を埋め込む、またはコンクリート表面に電極を押し当てて、コンクリートの水分量を測定するため、コンクリート表面近傍のみのデータとなり、表面から数cm以上深いところの水分量は正確には測定できない(図10(a)(b))。また、特許文献1記載の方法では、電極埋め込み式のため、測定物を傷めるだけでなく、測定後に電極を埋め込んだ穴を補修する必要がある(図10(a))。また、特許文献2記載の方法では、コンクリート表面に電極を押し当てて、水分量を測定するため、大量に測定する際、センサ部に汚れが付着することがあり、信頼性に劣る。また、コンクリートに設けた小孔内部の湿度を測定する方法、コンクリート表面に不透湿シートを貼り付けて湿度を測定する方法、コンクリート表面に変色紙を貼り付けて水分量及び湿度を測定する方法では、測定に時間を要するため、迅速に測定を行うことができない。
However, the methods described in
また、特許文献3記載の水分センサでは、電極部の材料として、コンクリートやモルタルと熱膨張率が近い材料を用いることが好ましいことから、例えば、金または白金、パラジウム等に代表される貴金属をはじめ、SUS304、SUS316、SUS430等のステンレス鋼材などのバルク状の材料を使用している。また、誘電体部への電極形成方法としては、例えば、リング状の電極の空間へ、硬化前のセメントペースト、モルタル、コンクリートセメントなどを充填し、硬化させることで一体化を図っている。しかしながら、この電極形成方法では、セメント質硬化体は硬化の際に収縮する特性を有しており、電極部と誘電体部との間に微小な空隙が発生するおそれがある。また、実環境の使用においては季節変動により、例えば、氷点下から40℃を超える熱履歴を受ける可能性がある。このような環境下において、電極部の材料に、コンクリートやモルタルと熱膨張率が近い材料を使用していても、繰り返しの温度変動による負荷を考慮すると、電極部と誘電体部の熱膨張率の相違に起因する体積変化が微小であっても、電極部と誘電体部との間に微小な隙間を確実に抑制することは困難である。
In addition, in the moisture sensor described in
そのため、特許文献3記載の水分センサでは、モルタル素材の硬化収縮や電極とモルタルの材質相違による熱膨張差が起因となり、図9に示すように、電極部と誘電体部との間に微小な隙間が発生する。この隙間に水分が侵入することで、誘電体部の電気特性を正確に測定することが困難となり、その結果、コンクリート内部の正確な水分量を検知することができない場合があった。また、誘電体部がセラミックスで形成されている場合は、電極部との熱膨張差がモルタルよりも大きいため、微小隙間が顕著となる。
Therefore, in the moisture sensor described in
本願発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、誘電体を形成するセメント質硬化体の硬化収縮や実環境における温度変化による熱履歴を受けても、誘電体と電極との間に微小隙間が発生することを抑制でき、測定対象のセメント質硬化体を破壊することなく、長期間において、誘電体の電気特性を安定的に取得し、簡便かつ高精度で測定対象のセメント質硬化体の表面または内部の水分量をより正確に把握することが可能である水分センサおよび水分量検出方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances. It is possible to suppress the occurrence of minute gaps in the cementitious material to be measured, and to stably acquire the electrical properties of the dielectric over a long period of time without destroying the hardened cementitious material to be measured. It is an object of the present invention to provide a moisture sensor and a method for detecting the amount of moisture that can more accurately ascertain the amount of moisture on the surface or inside a hardened body.
(1)上記目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の水分センサは、セメント質硬化体の水分量を検出する水分センサであって、柱状に形成された誘電体と、前記誘電体の対向する表面に密着するように設けられた一対以上の電極と、前記各電極に電気的に接続された通電部と、を備え、前記電極の少なくとも一方は柔軟性を有する金属薄膜で形成されていることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above objects, the present invention takes the following measures. That is, the moisture sensor of the present invention is a moisture sensor for detecting the moisture content of a hardened cementitious material, comprising a pair of dielectrics formed in a columnar shape and a pair of dielectrics provided so as to be in close contact with the facing surfaces of the dielectrics. It is characterized by comprising the above electrodes and current-carrying parts electrically connected to each of the electrodes, wherein at least one of the electrodes is formed of a flexible metal thin film.
これにより、誘電体を形成するセメント質硬化体の硬化収縮や実環境における温度変化による熱履歴を受けても、誘電体と電極との間に微小隙間が発生することを抑制でき、測定対象となるセメント質硬化体を破壊することなく、長期間において、誘電体の電気特性を安定的に取得し、簡便かつ高精度で測定対象のセメント質硬化体の表面または内部の水分量をより正確に把握することが可能となる。また、水分センサを、測定対象のセメント質硬化体の任意の場所に設置することができるため、測定対象のセメント質硬化体の表面だけでなく、深部でも測定が可能となり、測定対象のセメント質硬化体全体の水分量の分布を把握することが可能となる。 As a result, it is possible to suppress the occurrence of minute gaps between the dielectric and the electrode even when subjected to thermal history due to hardening shrinkage of the hardened cementitious material that forms the dielectric and temperature changes in the actual environment. Without destroying the hardened cementitious material, it is possible to stably acquire the electrical properties of the dielectric over a long period of time, and to easily and accurately measure the water content on the surface or inside the hardened cementitious material. It is possible to comprehend. In addition, since the moisture sensor can be placed anywhere on the hardened cementitious material to be measured, it is possible to measure not only the surface of the hardened cementitious material to be measured, but also the deep part of the hardened cementitious material. It becomes possible to grasp the distribution of the moisture content of the entire cured body.
(2)また、本発明の水分センサにおいて、前記誘電体は、セメント質硬化体またはセラミックスであることを特徴としている。これにより、測定対象となるセメント質硬化体と同等の吸水性を有することになり、高精度で水分量を測定することが可能となる。 (2) Further, in the moisture sensor of the present invention, the dielectric is cementitious hardening material or ceramics. As a result, it has the same water absorbency as the hardened cementitious material to be measured, and it becomes possible to measure the water content with high accuracy.
(3)また、本発明の水分センサにおいて、前記誘電体は、中空円柱体に形成され、前記一対の電極は、前記中空円柱体の外側面および内側面に設けられていることを特徴としている。これにより、より正確に電気特性値を測定することが可能となる。さらに、誘電体内へ浸透する水分の均一性が担保される。 (3) Further, in the moisture sensor of the present invention, the dielectric is formed in a hollow cylindrical body, and the pair of electrodes are provided on the outer surface and the inner surface of the hollow cylindrical body. . This makes it possible to measure the electrical characteristic value more accurately. Furthermore, the uniformity of moisture permeating into the dielectric is ensured.
(4)また、本発明の水分量検出方法は、セメント質硬化体の表面または内部に設置され、前記セメント質硬化体の水分量を検出する水分量検出方法であって、上記(1)から(3)のいずれかに記載の水分センサを前記セメント質硬化体の表面または内部に設置し、前記水分センサに交流電界を印加し、前記水分センサの電気特性値の変化とセメント質硬化体の水分量との相関性に基づいて、前記セメント質硬化体の水分量を検出する方法であることを特徴としている。 (4) Further, the water content detection method of the present invention is a method for detecting the water content of the hardened cementitious material, which is installed on the surface or inside of the hardened cementitious material, and comprises: (3) The moisture sensor according to any one of (3) is installed on the surface of or inside the hardened cementitious body, and an alternating electric field is applied to the moisture sensor. The method is characterized by detecting the water content of the cementitious hardened body based on the correlation with the water content.
これにより、誘電体を形成するセメント質硬化体の硬化収縮や実環境における温度変化による熱履歴を受けても、誘電体と電極との間に微小隙間が発生することを抑制でき、測定対象となるセメント質硬化体を破壊することなく、長期間において、誘電体の電気特性を安定的に取得し、簡便かつ高精度で測定対象のセメント質硬化体の表面または内部の水分量をより正確に把握することが可能となる。また、水分センサを、測定対象のセメント質硬化体の任意の場所に設置することができるため、測定対象のセメント質硬化体の表面だけでなく、深部でも測定が可能となり、測定対象のセメント質硬化体全体の水分量の分布を把握することが可能となる。 As a result, it is possible to suppress the occurrence of minute gaps between the dielectric and the electrode even when subjected to thermal history due to hardening shrinkage of the hardened cementitious material that forms the dielectric and temperature changes in the actual environment. Without destroying the hardened cementitious material, it is possible to stably acquire the electrical properties of the dielectric over a long period of time, and to easily and accurately measure the water content on the surface or inside the hardened cementitious material. It is possible to comprehend. In addition, since the moisture sensor can be placed anywhere on the hardened cementitious material to be measured, it is possible to measure not only the surface of the hardened cementitious material to be measured, but also the deep part of the hardened cementitious material. It becomes possible to grasp the distribution of the moisture content of the entire cured body.
(5)また、本発明の水分センサの製造方法は、上記(1)から(3)のいずれかに記載の水分センサを製造する製造方法であって、前記誘電体の表面に、ペースト状の電極材の塗布、スパッタリング、蒸着またはメッキによって、柔軟性を有する金属薄膜を形成することを特徴としている。 (5) Further, a method for manufacturing a moisture sensor according to the present invention is a method for manufacturing the moisture sensor according to any one of (1) to (3) above, wherein a paste-like substance is applied to the surface of the dielectric. It is characterized by forming a flexible metal thin film by applying an electrode material, sputtering, vapor deposition, or plating.
これにより、誘電体を形成するセメント質硬化体の硬化収縮や実環境における温度変化による熱履歴を受けても、誘電体と電極との間に微小隙間が発生することを抑制でき、セメント質硬化体を破壊することなく、長期間において、誘電体の電気特性を安定的に取得し、簡便かつ高精度でセメント質硬化体の表面または内部の水分量をより正確に把握することが可能となる。 As a result, it is possible to suppress the occurrence of minute gaps between the dielectric and the electrode even when subjected to thermal history due to hardening shrinkage of the hardened cementitious material that forms the dielectric and temperature changes in the actual environment, and the hardening of the cementitious material. It is possible to stably acquire the electrical properties of the dielectric over a long period of time without destroying the body, and to more accurately grasp the water content on the surface or inside of the hardened cementitious body simply and with high accuracy. .
本発明によれば、測定対象となるセメント質硬化体を破壊することなく、測定対象のセメント質硬化体全体の水分量の分布を、簡便かつ正確に把握することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to grasp easily and correctly the distribution of the water content of the whole cementitious hardened body to be measured, without destroying the cementitious hardened body to be measured.
本発明者らは、測定対象のセメント質硬化体の表面または内部に設置した水分センサが、誘電体を形成するセメント質硬化体の硬化収縮や実環境における温度変化による熱履歴を受けることにより、誘電体と電極との間に微小隙間が発生し、正確な含水量が測定できないことに着目し、電極を薄膜電極とすることで、誘電体と電極との間に微小隙間が発生することを抑制でき、測定対象となるセメント質硬化体を破壊することなく、長期間において、誘電体の電気特性を安定的に取得し、簡便かつ高精度で測定対象のセメント質硬化体の表面または内部の水分量をより正確に把握することができることを見出し、本発明をするに至った。 The inventors of the present invention have found that a moisture sensor installed on the surface or inside of the hardened cementitious material to be measured receives thermal history due to curing shrinkage of the hardened cementitious material that forms the dielectric and temperature changes in the actual environment. Focusing on the fact that a minute gap is generated between the dielectric and the electrode, making it impossible to measure the water content accurately, by using a thin-film electrode as the electrode, the generation of a minute gap between the dielectric and the electrode was investigated. It is possible to stably obtain the electrical properties of the dielectric over a long period of time without destroying the hardened cementitious material to be measured, and to easily and accurately measure the surface or inside of the hardened cementitious material to be measured. The inventors have found that the water content can be more accurately determined, and have completed the present invention.
本実施形態について、図面を参照しながら説明する。セメント質硬化体とは、少なくともセメントを含む硬化体であり、セメントペースト、モルタル、およびコンクリートを含む概念である。 This embodiment will be described with reference to the drawings. A cementitious hardened body is a hardened body containing at least cement, and is a concept including cement paste, mortar, and concrete.
[水分センサの構成]
図1は、本実施形態に係る水分センサ100の概略構成を示す図である。水分センサ100は、柱状に形成された誘電体3と、誘電体3の対向する表面に密着するように設けられた一対以上の電極5と、各電極5に接続され通電部を構成するリード線7と、を備え、誘電体の含水率に応じて変化する静電容量、インピーダンス、誘電正接等の電気特性値を検出する。リード線7は、半田で電極5に接着されている。リード線7を計測器9に接続し、交流電界を印加することにより、誘電体3の電気特性値を検出する。
[Configuration of Moisture Sensor]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a
誘電体3は、リング状の形状を有する柱体、いわゆる中空円柱(環形円柱)体である。本実施形態では、一例として、中空円柱体の形状を用いて説明するが、これに限定されない。例えば、中空を有しない多角形を底面とする角柱体、円柱体であってもよい。 The dielectric 3 is a columnar body having a ring-like shape, a so-called hollow cylinder (annular cylinder). In this embodiment, as an example, the shape of a hollow cylindrical body is used for description, but the present invention is not limited to this. For example, it may be a prismatic body or a cylindrical body whose bottom surface is a polygon with no hollow.
誘電体3に形成する電極間の距離は、3mm以上50mm以下が好ましい。電極間距離が3mmより短いと、短絡する可能性があり、50mmより長いと、含水のむらが測定精度に影響を与える可能性がある。また、誘電体3の厚さは、3mm以上50mm以下が好ましい。誘電体3の厚さが、3mmより短いと、強度が弱く破損する可能性があり、50mmより長いと、水の浸透に時間が掛かり、応答性が低下する可能性がある。
The distance between the electrodes formed on the
誘電体3に用いる材料は、含水するものであればよく、測定対象となるセメント質硬化体と同等の吸水性を有する材料を用いることが好ましい。例えば、測定対象と同様にセメントペースト、モルタル、コンクリート等のセメント質硬化体や、セラミックス等が良い。また、一部樹脂を含浸したセメント質硬化体を用いても良い。 Any material may be used for the dielectric 3 as long as it contains water, and it is preferable to use a material having water absorption equivalent to that of the hardened cementitious material to be measured. For example, similar to the object to be measured, cementitious hardened bodies such as cement paste, mortar, and concrete, ceramics, and the like are preferable. A hardened cementitious material partially impregnated with a resin may also be used.
また、セメント質硬化体のセメント種は、普通ポルトランドセメント、早強セメントなど、何でも良いが、水和反応の観点から、早強セメントを用いることが好ましい。セメント質硬化体の材齢は、水和反応がほぼ完了する28日以上が好ましい。 The hardened cementitious material may be made of any type of cement, such as ordinary Portland cement or high-early-strength cement. The material age of the cementitious hardened body is preferably 28 days or longer, which is when the hydration reaction is almost completed.
誘電体3に、モルタルを用いた場合は、測定対象となるセメント質硬化体と同等の吸水性を有する配合が好ましく、具体的には、水/セメント比(W/C)は15~70%、セメントと細骨材の比率は、セメント1に対し、細骨材2~3が好ましい。水/セメント比が15%より小さい場合は、モルタル内の気孔量が小さくなり過ぎること、70%より大きい場合は、吸水量が増大することから、水分量がセメント質硬化体と近似しなくなるため、好ましくない。細骨材の比率が、セメント比2より小さい場合は、モルタル内の気孔量が小さくなり過ぎること、セメント比3より大きい場合は、細骨材の吸水の影響を受けやすくなることから、水分量がセメント質硬化体と近似しなくなるため、好ましくない。また、細骨材は、細骨材の吸水の影響を受けやすくなるため、細骨材の物性が、吸水率3.0%以下、比表面積400cm2/g以下が好ましい。細骨材としては、例えば、緻密な人口砂が良い。 When mortar is used for the dielectric 3, it is preferable to have a composition that has water absorption equivalent to that of the hardened cementitious material to be measured. Specifically, the water/cement ratio (W/C) is 15 to 70%. The ratio of cement to fine aggregate is preferably 1 part cement to 2 to 3 fine aggregates. If the water/cement ratio is less than 15%, the pore volume in the mortar will become too small, and if it is greater than 70%, the water absorption will increase and the water content will no longer approximate that of the hardened cementitious material. , unfavorable. If the ratio of fine aggregate is less than 2 cement ratio, the pore volume in the mortar becomes too small. It is not preferable because it is no longer similar to cementitious hardened body. In addition, since fine aggregates are susceptible to the water absorption of fine aggregates, the physical properties of fine aggregates are preferably water absorption of 3.0% or less and specific surface area of 400 cm 2 /g or less. As the fine aggregate, for example, dense artificial sand is preferable.
誘電体3に、コンクリートを用いた場合は、測定対象となるセメント質硬化体と同等の吸水性を有する配合が好ましい。 When concrete is used for the dielectric 3, it is preferable to use a mixture having water absorption equivalent to that of the hardened cementitious material to be measured.
誘電体3にセメント質硬化体やセラミックスを使用することにより、測定対象のセメント質硬化体との密着性を高めることができ、測定対象のセメント質硬化体の強度や耐久性に影響を与えにくい。 By using a hardened cementitious material or ceramics for the dielectric 3, it is possible to increase the adhesion to the hardened cementitious material to be measured, and the strength and durability of the hardened cementitious material to be measured are less likely to be affected. .
このように、誘電体3のセメント質硬化体の配合を制御することで、水分センサ100と測定対象となるセメント質硬化体内部の水分量との整合性を高めることができる。つまり、誘電体3に用いるセメント質硬化体の吸水率を、測定対象となるセメント質硬化体と同等とすることで、測定対象となるセメント質硬化体の水分量を適切に把握できる。
By controlling the composition of the hardened cementitious material of the dielectric 3 in this way, it is possible to improve the consistency between the
一対の電極5は、中空円柱(環形円柱)体に形成された誘電体3の対向する表面に密着し、中心軸が同一となるように設けられ、同心円筒電極を形成している。
The pair of
ペースト状に形成された金属薄膜は、バルク状に形成された金属よりも剛性(ヤング率)が低く、誘電体の硬化収縮による微小な体積変化に追従が可能である。また、ペースト状の薄膜電極は、誘電体に塗布後、結合剤の効果により、誘電体の表面に完全に密着せることができる。その結果、誘電体と電極との間に微小隙間が発生することを抑制することができる。 A metal thin film formed in the form of a paste has a lower rigidity (Young's modulus) than a metal formed in the form of a bulk, and can follow minute changes in volume due to cure shrinkage of the dielectric. In addition, the pasty thin film electrode can be completely adhered to the surface of the dielectric after being applied to the dielectric due to the effect of the binder. As a result, it is possible to suppress the occurrence of minute gaps between the dielectric and the electrodes.
また、誘電体3の形状が直方体、多角形を底面とする中空を有しない柱体である角柱や円柱の場合、上面、底面に平行平板電極を形成してもよい。平行平板電極の場合、対抗する一対の電極は同一の形状、大きさであることが好ましい。また、測定精度の観点から、電極間の距離は、一定が好ましい。 When the dielectric 3 has a shape of a rectangular parallelepiped, a prism or a cylinder which is a hollow column having a polygonal bottom surface, parallel plate electrodes may be formed on the top surface and the bottom surface. In the case of parallel plate electrodes, it is preferable that a pair of opposing electrodes have the same shape and size. Moreover, from the viewpoint of measurement accuracy, it is preferable that the distance between the electrodes is constant.
図2(a)、(b)は、誘電体内への水分の浸透の様子を示す図である。図2(b)に示すように、平行平板状の電極の場合は、側面が解放されるため、水分の浸透が不均一となる場合がある。一方、図2(a)に示すように、誘電体の形状を中空円柱体とし、曲面に電極を形成した構造では、誘電体側面が閉塞されており、誘電体内へ浸透する水分の均一性が担保されるため、最も好ましい。なお、水分センサの誘電体の露出部の一部の面が樹脂などで被覆されていても良い。 2(a) and 2(b) are diagrams showing how moisture permeates into the dielectric. As shown in FIG. 2(b), in the case of the parallel plate-like electrodes, since the side surfaces are open, the permeation of water may become non-uniform. On the other hand, as shown in FIG. 2(a), in the structure in which the dielectric is a hollow cylinder and the electrodes are formed on the curved surface, the side surfaces of the dielectric are closed, and the uniformity of water permeating into the dielectric is poor. Most preferred because it is guaranteed. Part of the surface of the exposed portion of the dielectric of the moisture sensor may be covered with resin or the like.
当該水分センサは、セメント質硬化体の内部に埋設して使用するため、電極5は、腐食性の材料で形成されていることが好ましい。さらに、誘電体の硬化収縮や実環境における熱履歴による微小な体積変化に対する電極5の追従性をより高めるため、ペースト状の電極5は、スパッタリングや蒸着、めっき等で成膜して形成することができ、柔軟性を有する材料であって、コンクリートやモルタルと熱膨張率が近い材料が好ましい。ここで、柔軟性とは、ペースト状の電極5は、誘電体の硬化収縮や実環境における温度変化による熱履歴による体積変化に対し、誘電体に密着したまま追従できる程度の柔軟性を有すればよく、例えば、誘電体に密着したまま追従できる程度の延性や可撓性を有するものを用いることができる。例えば、金または白金、パラジウム等に代表される貴金属をはじめ、銀、チタン、カーボンが好ましい。
Since the moisture sensor is embedded in the hardened cementitious body for use, the
[水分センサの製造方法]
図3は、水分センサの製造方法の工程を示す図である。まず、誘電体を作製する(S1)。誘電体の型枠に、セメントペースト、モルタル、コンクリート、セラミックス等などの誘電体を形成する材料を流し込み、硬化させる。例えば、誘電体の材料として、モルタルを用いる場合、型枠に流し込むモルタルは、セメント:細骨材=1:3とし、セメントは普通ポルトランドセメント、細骨材は比表面積300cm2/gの人工砂を用いた。W/Cは、55%とし、材齢期間は、28日間が好ましい。誘電体に用いる材料は、前述したとおり、モルタルに限定されない。モルタル以外のセメント質硬化体(セメントペースト、コンクリート)や、セラミックス等を用いてもよい。
[Manufacturing method of moisture sensor]
FIG. 3 is a diagram showing the steps of the manufacturing method of the moisture sensor. First, a dielectric is produced (S1). A dielectric forming material such as cement paste, mortar, concrete, ceramics, or the like is poured into the dielectric mold and hardened. For example, when mortar is used as the dielectric material, the mortar to be poured into the mold is cement: fine aggregate=1:3, the cement is ordinary Portland cement, and the fine aggregate is artificial sand with a specific surface area of 300 cm 2 /g. was used. W/C is preferably 55% and the material age period is preferably 28 days. The material used for the dielectric is not limited to mortar, as described above. A hardened cementitious material (cement paste, concrete) other than mortar, ceramics, or the like may also be used.
型枠から、硬化した誘電体を脱型し、中空円柱(環形円柱)体の内側面と外側面に、電極材となるペースト状の薄膜金属を塗布し、電極を作製する(S2)。薄膜金属の形成方法は、塗布に限定されない。例えば、スパッタリングや蒸着、めっき等で成膜してもよい。 The hardened dielectric is removed from the mold, and a paste-like thin film metal, which is an electrode material, is applied to the inner and outer surfaces of a hollow cylinder (annular cylinder) to produce an electrode (S2). The method of forming the thin film metal is not limited to coating. For example, the film may be formed by sputtering, vapor deposition, plating, or the like.
次に、S2で作製した2つの電極にリード線を半田で接着(S3)し、水分センサを作製する。 Next, lead wires are soldered to the two electrodes produced in S2 (S3) to produce a moisture sensor.
[水分センサの設置方法]
水分センサを測定対象となるセメント質硬化体の表面または内部に設置する。設置する際に、電極に接続されたリード線は、測定対象となるセメント質硬化体の側面から外部へ出しておく。リード線をLCRメーター等の測定器に接続する。また、水分センサは、測定対象となるセメント質硬化体の表面にボルトで固定するなどして、設置しても良い。
[How to install the moisture sensor]
A moisture sensor is installed on the surface or inside the hardened cementitious material to be measured. At the time of installation, the lead wires connected to the electrodes are protruded from the side surface of the hardened cementum to be measured. Connect the leads to a measuring instrument such as an LCR meter. Also, the moisture sensor may be installed by fixing it with bolts to the surface of the hardened cementitious material to be measured.
[水分量の算出]
本実施形態に係る水分センサは、交流電圧下、周波数一定下において、誘電体の静電容量(C)と水分量との相関性から、測定対象となるセメント質硬化体の水分量を検出する。なお、比誘電率(εr)、インピーダンス(Z)、誘電正接(tanδ)と水分量との相関性から、測定対象となるセメント質硬化体の水分量を検出することも可能である。
[Calculation of moisture content]
The water content sensor according to the present embodiment detects the water content of the hardened cementitious material to be measured from the correlation between the capacitance (C) of the dielectric and the water content under an alternating voltage and a constant frequency. . It is also possible to detect the water content of the hardened cementitious material to be measured from the correlation between the relative permittivity (ε r ), impedance (Z), dielectric loss tangent (tan δ) and the water content.
また、10Hz~100MHzの周波数領域において、誘電体の静電容量(C)を測定し、周波数(対数)に対する各測定値(対数)の傾きとの相関から、測定対象となるセメント質硬化体の水分量を検出する。同様に、比誘電率(εr)についても、周波数(対数)に対する各測定値(対数)の傾きとの相関から、測定対象となるセメント質硬化体の水分量を検出することもできる。 In addition, in the frequency range of 10 Hz to 100 MHz, the capacitance (C) of the dielectric is measured, and from the correlation with the slope of each measured value (logarithm) with respect to the frequency (logarithm), the hardened cementitious material to be measured Detect moisture content. Similarly, for the dielectric constant (ε r ), the water content of the hardened cementitious material to be measured can also be detected from the correlation with the slope of each measured value (logarithm) with respect to the frequency (logarithm).
後者の検出方法については、広範な周波数に対する測定データから傾きを導くため、周波数一定下で測定するよりも、測定精度が高まる。 As for the latter detection method, since the slope is derived from the measurement data for a wide range of frequencies, the measurement accuracy is higher than the measurement under a constant frequency.
[実施例]
[1]水分センサの作製
実際に、水分センサを作製し、コンクリート試験体内部の水分量の測定を行った。図4は、実施例で使用する水分センサの概略構成を示す図である。
[Example]
[1] Fabrication of Moisture Sensor A moisture sensor was actually fabricated, and the amount of moisture inside a concrete specimen was measured. FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a moisture sensor used in Examples.
(1)誘電体の準備
外径28mm、内径10mm、厚さ10mmのリング状の型枠にモルタルを流し込み、硬化させた。型枠に流し込んだモルタルは、セメント:細骨材=1:3とし、セメントは普通ポルトランドセメント、細骨材は比表面積300cm2/gの人工砂を用いた。W/Cは、55%とし、材齢期間は、28日間とした。
(1) Preparation of dielectric A mortar was poured into a ring-shaped mold with an outer diameter of 28 mm, an inner diameter of 10 mm, and a thickness of 10 mm and cured. The mortar poured into the mold was cement:fine aggregate=1:3, the cement was ordinary Portland cement, and the fine aggregate was artificial sand with a specific surface area of 300 cm 2 /g. W/C was set to 55%, and the material age period was set to 28 days.
(2)薄膜電極の準備
次に、硬化したモルタルを型枠から脱型し、中空円柱(環形円柱)体の内側面と外側面に、電極材となるペースト状の薄膜金属を塗布し、硬化させ、電極を形成した。
(2) Preparation of thin-film electrodes Next, the hardened mortar is removed from the formwork, and a paste-like thin-film metal that will be the electrode material is applied to the inner and outer surfaces of the hollow cylinder (annular cylinder) and hardened. to form an electrode.
(3)仕上げ
作製した2つの電極に、リード線を半田で接着し、水分センサを作製した。
(3) Finishing A lead wire was soldered to the two produced electrodes to produce a moisture sensor.
(4)従来の水分センサの作製
図5は、従来の水分センサの概略構成を示す図である。比較例として、電極に孔を有さない金属板で形成された従来の水分センサを作製した。比較例の水分センサは、材質SUS304、厚さ2.0mm、幅10mmの金属板を用いて、外径32mmのリング形状の外側電極15aと、同じ材質(材質SUS304)で、厚さ1.0mm、幅10mmの外径8.2mmのリング形状の内側電極15bを作製し、内側電極15bを外側電極15aの中央に配置した。次に、2つの電極15(15a、15b)間に形成された空間に、モルタルを充填し、誘電体13を形成した。充填したモルタルは、実施例で用いたモルタルと同様であり、モルタル硬化後、2つの電極にリード線を半田で接着した。
(4) Fabrication of Conventional Moisture Sensor FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional moisture sensor. As a comparative example, a conventional moisture sensor made of a metal plate having electrodes without holes was fabricated. The moisture sensor of the comparative example uses a metal plate of SUS304 material, thickness of 2.0 mm, and width of 10 mm. A ring-shaped
[2]水分センサの含水率と電気特性値の相関性
次に、水分センサの含水率と電気特性値の相関性について説明する。以下の条件のもと、水分センサの含水率と電気的特性との相関データを採取した。
[2] Correlation Between Moisture Content and Electrical Characteristic Value of Moisture Sensor Next, the correlation between the moisture content and electrical characteristic value of the moisture sensor will be described. Correlation data between the moisture content and electrical characteristics of the moisture sensor was collected under the following conditions.
(i)水分センサを絶乾状態とし、絶乾状態となった水分センサの総重量から電極およびリード線の重量を差し引いた重量を初期重量(W0)とした。次に、水分センサを真空環境下で浸水し、誘電体内部を飽和含水状態とした。そして、温度20℃、湿度60%の環境下で24時間放置し、含水量1(W1)を測定した。さらに、同一環境下で12時間放置し、含水量2(W2)を測定し、W1=W2であることを確認し、平衡状態であることを確認した。 (i) The moisture sensor was placed in an absolute dry state, and the initial weight (W0) was obtained by subtracting the weight of the electrodes and lead wires from the total weight of the moisture sensor in the absolute dry state. Next, the moisture sensor was immersed in water in a vacuum environment to make the inside of the dielectric saturated with water. Then, it was allowed to stand for 24 hours under an environment with a temperature of 20° C. and a humidity of 60%, and the water content 1 (W1) was measured. Furthermore, it was left in the same environment for 12 hours, the water content 2 (W2) was measured, and it was confirmed that W1 = W2, and it was confirmed that it was in an equilibrium state.
(ii)次に、含有量2(W2)/初期重量(W0)×100により、誘電体内の含水率(A60)を算出した。この水分センサについて、リード線に接続された計測器(LCRメーター)を用いて、周波数100Hz、1kHz、100kHzにおいて、水分センサの静電容量(C)を測定した。 (ii) Next, the water content (A60) in the dielectric was calculated by content 2 (W2)/initial weight (W0) x 100. For this moisture sensor, the capacitance (C) of the moisture sensor was measured at frequencies of 100 Hz, 1 kHz, and 100 kHz using a measuring instrument (LCR meter) connected to the lead wire.
湿度60%と同様に、温度一定(20℃)で湿度20%の環境においても、(i)および(ii)の作業を繰り返し行った。この結果、絶乾状態(A0)、湿度20%環境下(A20)、湿度60%環境下(A60)、および飽和含水状態(A100)における水分センサの含水率は、それぞれ、おおよそ2.0wt%、4.0wt%、6.0wt%であった。 The operations (i) and (ii) were repeated in an environment with a constant temperature (20° C.) and a humidity of 20% as well as the humidity of 60%. As a result, the moisture content of the moisture sensor in the absolutely dry state (A0), the environment of 20% humidity (A20), the environment of 60% humidity (A60), and the saturated water content state (A100) are each approximately 2.0 wt%. , 4.0 wt % and 6.0 wt %.
次に、水分センサのそれぞれの含水率において、周波数100Hz、1kHz、100kHzの静電容量を測定した。図6は、実施例の電極を用いた水分センサの周波数100Hz、1kHz、100kHzにおける含水率と静電容量の関係を示すグラフである。図7は、比較例の従来の電極を用いた水分センサの周波数100Hz、1kHz、100kHzにおける含水率と静電容量の関係を示すグラフである。図6および図7に示すように、水分センサの含水率と静電容量は、比例関係を有しており、正確な含水量が測定できていることがわかった。 Next, the capacitance at frequencies of 100 Hz, 1 kHz, and 100 kHz was measured at each moisture content of the moisture sensor. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the water content and the capacitance at frequencies of 100 Hz, 1 kHz, and 100 kHz for the water sensor using the electrode of the example. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the water content and the capacitance at frequencies of 100 Hz, 1 kHz, and 100 kHz for a water sensor using a conventional electrode as a comparative example. As shown in FIGS. 6 and 7, it was found that the moisture content and the capacitance of the moisture sensor had a proportional relationship, and the moisture content could be measured accurately.
[3]誘電体と外部電極との一体性について
次に、各水分センサを恒湿恒温槽内に静置し、昇降温速度10℃/hrにて、-5~50℃の温度範囲で、昇降温を100回繰り返した。その後、各水分センサの電極界面を光学顕微鏡にて観察した。図8は、実施例の水分センサの電極界面の状態を示す写真である。図8に示すように、熱履歴を付与した後であっても、誘電体と電極との間に微小隙間は生じず、誘電体と外部電極とが密着していることが確認できた。一方、図9に示すように、比較例の水分センサは、誘電体と電極との間に微小隙間が認められた。
[3] Consistency between the dielectric and the external electrode The heating and cooling was repeated 100 times. After that, the electrode interface of each moisture sensor was observed with an optical microscope. FIG. 8 is a photograph showing the state of the electrode interface of the moisture sensor of the example. As shown in FIG. 8, it was confirmed that the dielectric and the external electrode were in close contact with each other without forming a micro gap between the dielectric and the electrode even after the thermal history was applied. On the other hand, as shown in FIG. 9, a minute gap was observed between the dielectric and the electrode in the moisture sensor of the comparative example.
さらに、[2]と同様の方法で、静電容量を測定したところ、実施例の水分センサでは、熱履歴の付与前後で数値に変化は見られなかったのに対し、比較例の水分センサには、相違がみられた。つまり、比較例の水分センサは、誘電体と電極との間に、微小隙間ができたことで、微小隙間に水分が入り込み、正確な静電容量を計測することはできなかった。 Furthermore, when the capacitance was measured in the same manner as in [2], the moisture sensor of the example showed no change in the numerical value before and after the heat history was applied, while the moisture sensor of the comparative example showed no change. was different. In other words, in the moisture sensor of the comparative example, a minute gap was formed between the dielectric and the electrode, and moisture entered the minute gap, making it impossible to accurately measure the capacitance.
以上説明したように、本実施形態にかかる水分センサを、測定対象のセメント質硬化体の表面または内部に設置し、電気特性値の変化をモニタリングすることにより、測定対象のセメント質硬化体の表面および内部の水分量を、簡便、かつ高精度で測定することが可能となる。また、水分センサを、測定対象のセメント質硬化体内の任意の場所に設置することができるため、測定対象のセメント質硬化体の表面付近だけでなく、深部でも測定が可能となり、測定対象となるセメント質硬化体全体の水分量の分布を把握することが可能となる。 As described above, the moisture sensor according to the present embodiment is installed on or inside the hardened cementitious material to be measured, and by monitoring the change in the electrical property value, the surface of the hardened cementitious material to be measured and the internal moisture content can be measured simply and with high accuracy. In addition, since the moisture sensor can be installed at any location in the hardened cementitious body to be measured, it is possible to measure not only near the surface of the hardened cementitious body to be measured, but also to the deep part. It becomes possible to grasp the distribution of the water content of the entire cementitious hardened body.
100 水分センサ
3、13 誘電体
5、15 電極
7 リード線、通電部
9 計測器、LCRメーター
15a 外側電極
15b 内側電極
100
Claims (5)
柱状に形成された誘電体と、
前記誘電体の対向する表面に密着するように設けられた一対以上の電極と、
前記各電極に電気的に接続された通電部と、を備え、
前記電極の少なくとも一方は柔軟性を有する金属薄膜で形成されていることを特徴とする水分センサ。 A moisture sensor for detecting the moisture content of hardened cementum,
a columnar dielectric;
a pair or more of electrodes provided so as to be in close contact with the facing surfaces of the dielectric;
and a current-carrying part electrically connected to each of the electrodes,
A moisture sensor, wherein at least one of said electrodes is formed of a flexible metal thin film.
前記一対の電極は、前記中空円柱体の外側面および内側面に設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の水分センサ。 The dielectric is formed in a hollow cylindrical body,
3. The moisture sensor according to claim 1, wherein the pair of electrodes are provided on the outer surface and the inner surface of the hollow cylindrical body.
請求項1から請求項3のいずれかに記載の水分センサを前記セメント質硬化体の表面または内部に設置し、
前記水分センサに交流電界を印加し、
前記水分センサの電気特性値の変化とセメント質硬化体の水分量との相関性に基づいて、前記セメント質硬化体の水分量を検出することを特徴とする水分量検出方法。 A water content detection method for detecting the water content of the hardened cementitious material, which is installed on the surface or inside the hardened cementitious material, comprising:
installing the moisture sensor according to any one of claims 1 to 3 on the surface or inside the hardened cementitious body,
applying an alternating electric field to the moisture sensor;
A moisture content detection method, comprising: detecting the moisture content of the hardened cementitious material based on a correlation between a change in the electrical characteristic value of the moisture sensor and the moisture content of the hardened cementitious material.
前記誘電体の表面に、ペースト状の電極材の塗布、スパッタリング、蒸着またはメッキによって、柔軟性を有する金属薄膜を形成することを特徴とする製造方法。
A manufacturing method for manufacturing the moisture sensor according to any one of claims 1 to 3,
A manufacturing method characterized by forming a flexible metal thin film on the surface of the dielectric by applying a paste-like electrode material, sputtering, vapor deposition, or plating.
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