JP3534315B2 - 圧力変化計測装置 - Google Patents

圧力変化計測装置

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JP3534315B2 JP2001368042A JP2001368042A JP3534315B2 JP 3534315 B2 JP3534315 B2 JP 3534315B2 JP 2001368042 A JP2001368042 A JP 2001368042A JP 2001368042 A JP2001368042 A JP 2001368042A JP 3534315 B2 JP3534315 B2 JP 3534315B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、円筒容器の内径の
変化を検出して該円筒容器に加わる圧力変化を計測する
圧力変化計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】海域に大地震が発生した場合、極短時間
のうちに沿岸部での津波の高さを推定し、関係地域に伝
達することは、防災上極めて重要である。現行の気象庁
の津波警報システムでは、標準的な断層モデルに基くシ
ミュレーション結果と、実際の地震の大きさと位置を組
み合わせ、各地における津波到達時刻と波高を予測して
いる。このような予測システムの上に津波による海面変
化の実測値に基づく波高や到達時刻の推定値を付加すれ
ば、予報の精度が格段に向上することになる。
【0003】従来、津波計としては、日本周辺で稼働中
のケーブル式海底地震常時観測システムに併用して利用
しているものがある。これらは水晶振動式の水圧変化計
であり、津波計測上、圧力変化検出のためには十分な分
解能を有しているが、構造上から耐久性、信頼性に欠け
る面がある。また、搬送装置等が必要となり、津波計だ
けのシステムとして使用するときは高価なものとなる。
【0004】そこで、このような従来の津波計測の手段
に代わるものとして、本発明者は、円筒容器の内壁に直
径方向が光軸となるようにして基準(低感度センサ)用
共振器とセンサ(高感度センサ)用共振器を配置し、ひ
ずみを計測するレーザひずみ計(特許第2560260
号)を利用した圧力変化計測装置(特許第287652
8号)を提案した。この圧力変化計測装置は、圧力を検
出する感圧部と該感圧部に対して基準の信号を発生する
基準部とを有する圧力変化計測装置において、感圧部及
び基準部に外側容器を設けると共に、感圧部における外
側容器には、外部と連通する小孔を設けて該小孔を通し
て外部の圧力を伝達し、基準部における外側容器は、内
側容器との間に外部の媒体を導入して封入するように構
成するものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の圧
力変化計測装置に基づいたレーザ津波計の実海域(水深
20M)試験観測結果から、レーザ干渉計による計測シ
ステムは正常に機能しているが、上記従来の発明装置の
本来の目的であった温度変化による影響の自動補償機能
が十分に働かず、さらに改良の余地のあることが判明し
た。
【0006】その理由として、上記従来の発明において
は、水の温度変化が高感度センサ部と低感度センサ部の
両部分に同じように働くことを前提としていたが、現実
には、水の温度変化が場所的に均一でないため、両セン
サ部の熱膨脹の影響が十分に打ち消されていないという
ことが考えられる。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、高感度センサと低感度センサの距
離をできるだけ近づけることにより熱膨脹の差による影
響を十分に除去できるようにするものである。
【0008】そのために本発明は、円筒容器の内径の変
化を検出して該円筒容器に加わる圧力変化を計測する圧
力変化計測装置であって、前記円筒容器の軸対称に円周
に沿って肉厚t 1 の高感度センサ用薄肉部と肉厚t 2
低感度センサ用厚肉部に区分し、レーザ干渉計により前
記円筒容器の軸を通る高感度センサ用薄肉部の中心で内
径D 1 を測定し、同じく前記円筒容器の軸を通る低感度
センサ用厚肉部の中心で内径D 2 を測定してそれぞれの
内径の変化の差を求めることにより温度変化の影響をキ
ャンセルして、前記差に基づき前記円筒容器に加わる圧
力変化を計測することを特徴とするものである。
【0009】また、円筒容器の内径の変化を検出して該
円筒容器に加わる圧力変化を計測する圧力変化計測装置
であって、前記円筒容器の軸方向に肉厚t 1 の高感度セ
ンサ用薄肉部と肉厚t 2 の低感度センサ用厚肉部に区分
し、レーザ干渉計により前記円筒容器の軸を通る高感度
センサ用薄肉部の中心で内径D 1 を測定し、同じく前記
円筒容器の軸を通る低感度センサ用厚肉部の中心で内径
2 を測定してそれぞれの内径の変化の差を求めること
により温度変化の影響をキャンセルして、前記差に基づ
き前記円筒容器に加わる圧力変化を計測することを特徴
とするものである。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図1は本発明に係る圧力変化計
測装置の実施の形態を説明するための図であり、感圧容
器の断面を示し、1は高感度センサ用薄肉部、2は低感
度センサ用厚肉部、D1 、D2 は内径(直径)、t1
2 は肉厚、θ1 、θ2 は中心角を示す。
【0011】本発明に係る圧力変化計測装置は、図1に
示すような円筒容器を感圧容器として使用するものであ
り、円筒容器の外周部分は、薄い肉厚t1 の高感度セン
サ用薄肉部1と厚い肉厚t2 の低感度センサ用厚肉部2
の二つに分かれる。高感度センサ用薄肉部1と低感度セ
ンサ用厚肉部2は、それぞれθ1 とθ2 の中心角で円筒
容器の軸対称に円周に沿って区分される。高感度センサ
用薄肉部1の中心角θ 1 と低感度センサ用厚肉部2の中
心角θ2 は、θ1 +θ2 =180°になるようにする
と、θ1 が90°のとき、θ2 も90°になる。このと
き、円筒容器の軸を通る高感度センサ用薄肉部1の中心
で内径D1 を測定し、同じく円筒容器の軸を通る低感度
センサ用厚肉部2の中心で内径D2 を測定すると、これ
らの測定線D1 とD2 は直交する。
【0012】それぞれ肉厚t1 、t2 を有する部分から
なる円筒容器は、予想圧力下で座屈しない範囲でできる
だけ薄くする。また、円筒容器の材料は、熱伝導度ある
いは温度伝導率の高い方がより好ましい。これらの要請
は、外部の液体の温度が変化した場合、厚みの差にもか
かわらず、両センサ部の円筒部分ができるだけ速やかに
均一な温度分布になるようにするためである。温度変化
の影響がそれでも取りきれない時のためには、材料の熱
膨脹率の低いものがより好ましい。また、円筒容器の肉
厚を薄くすることは、感度を上げるために好ましい。
【0013】次に、上記構成の圧力変化計測装置による
作用を説明する。まず、円筒の感圧容器の外側に液体の
圧力変化ΔPが働くと、2つの内径D1 、D2 はそれぞ
れΔD1 、ΔD2 だけ変化する。これらは、 ΔD1 =α1 ΔP ΔD2 =α2 ΔP で表わされる。ここでα1 、α2 は弾性論から計算で求
められる係数であり、図1に示すような肉厚の違いがあ
る場合、 α1 >α2 であることは直観からも明らかである。このように上記
感圧容器により、ある圧力変化に対して2つの異なる内
径変化が得られることから、例えばレーザ干渉計による
光ヘテロダイン計測により、その内径変化ΔD1 、ΔD
2 の差(ΔD1 −ΔD2 )を検出すると、 ΔP=(ΔD1 −ΔD2 )/(α1 −α2 ) により圧力変化ΔPを検出することができる。
【0014】以上はこの感圧容器に圧力変化が働く場合
について説明したが、次に、外部の液体温度がΔTだけ
変化した場合について説明する。このとき液体から金属
部分への熱の伝わり方と金属部分内の熱の伝わり方を比
較すると、通常は後者の方がはるかに大きい。従って、
外部の液体の温度変化は、金属の内部に素早く伝わり、
円筒部の板厚が薄ければ金属の内部の温度は速やかに一
様になる。いいかえると、金属内部の温度勾配あるいは
その時間変化を考える必要はないので、容器の肉厚にか
かわらず外部温度の変化による内径の膨脹量は同じにな
ると扱ってよい。
【0015】以上のような考察の結果、高感度センサ用
薄肉部1の内径D1 と低感度センサ用厚肉部2の内径D
2 の温度変化による膨脹量は同じと考えられ、二者の差
をとるとキャンセルされる。そして圧力変化による内径
変化の差のみが残るのである。
【0016】上記実施の形態によれば、高感度センサ用
薄肉部1と低感度センサ用厚肉部2が同一断面上にある
ため、外部の温度変化が両者に同等に効くことになり、
上記従来の発明装置より確実な温度補償が期待できる。
しかも、このような形状を採用した結果、感圧容器の全
長を短くすることもできる。
【0017】図2は本発明に係る圧力変化計測装置をレ
ーザ津波計として利用した実施の形態を示す図である。
図示のように薄肉の高感度センサ用薄肉部1、厚肉の低
感度センサ用厚肉部2の各部分の中央に凹面鏡を取り付
け、それぞれの対でもって高感度センサ用共振器3と低
感度センサ用共振器4を構成する。これらを用いて内径
変化の差を検出する方法は、従来の発明装置と同じであ
り、コリメータ5、光ファイバ6、ケーブル7により内
径変化の検出信号を取り出す。
【0018】このようなレーザ津波計は、海中部分には
2組の共振器以外何も収容するものがなく、構造が簡単
で故障しにくい。しかもこの海中感圧容器は従来の発明
装置に比べて全長を短かくできるため、取り扱いその他
も便利である。
【0019】図3は本発明に係る圧力変化計測装置の他
の実施の形態を説明するための図、図4は図3に示す圧
力変化計測装置をレーザ津波計として利用した実施の形
態を示す図である。図3に示す感圧容器は、薄肉円筒部
分21と厚肉円筒部分22が同軸で軸方向に直列に接続
されている。薄肉円筒部分21が高感度センサ部とな
り、厚肉円筒部分22が低感度センサ部分となる。した
がって、この感圧容器を利用すると、レーザ津波計とし
ては、図4に示すように薄肉円筒部分21、厚肉円筒部
分22の各部分の中央に凹面鏡を取り付け、それぞれの
対でもって高感度センサ用共振器23と低感度センサ用
共振器24を構成する。これらを用いて内径変化の差を
検出する方法は、従来の発明装置と同じであり、コリメ
ータ25、光ファイバ26、ケーブル27により内径変
化の検出信号を取り出す。
【0020】このように構成することにより、ある圧力
変化に対応して、上記実施の形態と同様に薄肉円筒部分
21及び厚肉円筒部分22でそれぞれの内径変化が異な
るので、この内径変化の差を検出し、圧力変化を計測し
レーザ津波計とすることができる。
【0021】この実施の形態では、高感度センサ部と低
感度センサ部が離れているので、温度が場所的にも時間
的にも不均一で変動が激しいところ、例えば浅い海で使
用するには問題があり不適切となる。しかし、深い海な
どでは温度変化があまりなく、また、あってもゆっくり
したところでは、このような形の感圧容器でも十分機能
すると思われる。なお、図1、図2に示す実施の形態に
比べ、図3、図4に示す実施の形態では、やや全長が大
きくなるが、機械加工が簡単で製造しやすいのが利点で
ある。
【0022】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、海底に設置して津波計などに利用す
る圧力変化計測装置として説明したが、高温ガスの中や
その他の気体、液体を含む流体中の圧力変化計測装置と
しても同様に適用可能であることはいうまでもない。ま
た、外周側に段差を設けて薄肉部と厚肉部を設けたが、
内周側に段差を設けて薄肉部と厚肉部を設けるようにし
てもよい。また、薄肉部と厚肉部の板厚変化を連続的な
ものとすることにより、例えば外側の形状が楕円筒にな
っている容器を使うことも考えられる。
【0023】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、円筒容器の内径の変化を検出して該円筒容器
に加わる圧力変化を計測する圧力変化計測装置であっ
て、円筒容器を薄肉部と厚肉部に区分し該薄肉部と厚肉
部のそれぞれの内径の変化を検出して該それぞれの内径
の変化の差を求め、該差を基に円筒容器に加わる圧力変
化を計測するので、薄肉部を高感度センサ、厚肉部を低
感度センサとして、その距離をできるだけ近づけること
で温度膨脹の影響を十分に除去することができ、温度の
急激な変化があっても円筒容器の熱伝導率あるいは熱拡
散係数を高く、熱膨脹率を低くすることにより、さらに
その影響を小さくして圧力変化を計測することができ
る。
【0024】また、薄肉部と厚肉部は、円周に沿って9
0°ずつの中心角で区分され、円筒容器の軸方向に区分
され、内径は、円筒容器の断面の中心を通り、薄肉部と
厚肉部で直交する方向で変化を検出し、また、円筒容器
として、二重円筒の隙間が隔壁により円周方向に4つに
区分され、区分された対の一方の隙間のみを外部との開
孔で連通させることにより、薄肉部に対応させたので、
計測対象環境に応じて高精度の圧力変化計測が可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る圧力変化計測装置の実施の形態
を説明するための図である。
【図2】 本発明に係る圧力変化計測装置をレーザ津波
計として利用した実施の形態を示す図である。
【図3】 本発明に係る圧力変化計測装置の他の実施の
形態を説明するための図である。
【図4】 図3に示す圧力変化計測装置をレーザ津波計
として利用した実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
1…高感度センサ用薄肉部、2…低感度センサ用厚肉
部、D1 、D2 …内径、t1 、t2 …肉厚、θ1 、θ2
…中心角
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01L 9/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 円筒容器の内径の変化を検出して該円筒
    容器に加わる圧力変化を計測する圧力変化計測装置であ
    って、前記円筒容器の軸対称に円周に沿って肉厚t 1
    高感度センサ用薄肉部と肉厚t 2 の低感度センサ用厚肉
    部に区分し、レーザ干渉計により前記円筒容器の軸を通
    る高感度センサ用薄肉部の中心で内径D 1 を測定し、同
    じく前記円筒容器の軸を通る低感度センサ用厚肉部の中
    心で内径D 2 を測定してそれぞれの内径の変化の差を求
    めることにより温度変化の影響をキャンセルして、前記
    差に基づき前記円筒容器に加わる圧力変化を計測する
    とを特徴とする圧力変化計測装置。
  2. 【請求項2】 円筒容器の内径の変化を検出して該円筒
    容器に加わる圧力変化を計測する圧力変化計測装置であ
    って、前記円筒容器の軸方向に肉厚t 1 の高感度センサ
    用薄肉部と肉厚t 2 の低感度センサ用厚肉部に区分し、
    レーザ干渉計により前記円筒容器の軸を通る高感度セン
    サ用薄肉部の中心で内径D 1 を測定し、同じく前記円筒
    容器の軸を通る低感度センサ用厚肉部の中心で内径D 2
    を測定してそれぞれの内径の変化の差を求めることによ
    り温度変化の影響をキャンセルして、前記差に基づき前
    記円筒容器に加わる圧力変化を計測することを特徴とす
    る圧力変化計測装置。
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