JP4664723B2 - 圧力変換式検出装置 - Google Patents

Description

本発明は測定すべき歪または温度によりその圧力が変化する圧力変換容器と温度補償用容器との圧力の差をデジタル式差圧変化器で検出する圧力変換式検出装置に関する。

図1により、歪ケージを用いた従来の歪測定技術の概要について説明する。
1) 被測定物に貼付した歪ゲージが、被測定物の長さ変化(歪)と同様に長さ変化すると、歪ゲージの電気抵抗が、歪に比例して変化する。
2) 歪ゲージの電気抵抗の変化を、ブリッジボックスを経由してブリッジ電圧の変化として取り出す。
3) ブリッジ電圧を、歪測定アンプで増幅し、アナログ信号として取り出す。
4) アナログ信号を、ＡＤ変換器でデジタル信号に変換する。最終的にデジタル信号をパソコンでデータ処理し、解析等に利用する。

このような歪ゲージによる測定には次のような課題がある。
1) 測定現場で歪を測定する場合、被測定物に貼付した歪ゲージ一枚に対し、一台のブリッジボックス、歪測定アンプ及びアンプ信号(アナログ信号)を処理するために一台のAD変換器が必要であり、歪ゲージ近傍に設置する必要がある。
2) 多数の歪ゲージを貼付する場合、多数のブリッジアンプが必要になり、測定場所の近傍に設置空間を確保する必要がある。もし近傍に設置空間が無かった場合、信号配線を延々と伸ばし設置工事をする必要が生じる。測定作業の煩雑さ、コスト増加となる。
3) ゲージと同数のブリッジボックス、歪測定アンプ、AD変換器が必要であり、高価な購入費用を必要とする。

これらの課題に対し、従来技術の特許文献1にて、上記課題の信号配線工事の煩雑を解消するように歪をデジタル信号化して無線で発信し、無線でデジタル信号を受信するシステムが提案されている。歪ゲージの場合、ゲージの電圧信号をデジタル化するまでの配線は必要なので、これをもってしても課題を解決できない。

また、特許文献2にて、ブリッジボックス、歪測定アンプ、AD変換器を一体的にモジュール化することを提案している。配線工事は大幅に低減可能であるが、測定装置が高価であり、これをもってしても課題を解決できない。

ここで、データ処理室デジタル信号処理する場合、アンプ信号(アナログ信号)をデータレコーダーに記録し、その後にAD変換器で処理する必要がある。このためデータレコーダーの購入、記録作業、AD変換作業と、労力と費用を要する。

さらに、従来技術の特許文献3にて、歪ゲージの抵抗変化を直接アナログ信号に変換するシステムを提案している。新たに基準三角形信号発生装置が必要であり高価となり、配線工事も必要となるため、これをもってしても課題を解決できない。

特開平８−２２７６２０号公報 特開平９−２４８３９２号公報 特開平９−１１３０７１号公報

本発明は設置空間の極小化、測定装置購入費の大幅な削減、測定作業の削減が可能となる歪によりその圧力が変化する圧力変換容器と温度保障用容器との圧力の差をデジタル式差圧変化器で検出する圧力変換式検出装置を提供する。

本発明は上記の知見を基になされたものであって、その要旨は以下のとおりである。

(1) 貼付した被測定物の歪の変化により圧力が変化する圧力媒体を封入した歪変換圧力容器と、前記歪変換圧力容器内の圧力媒体の圧力を導出する歪変換用圧力導管と、前記圧力媒体を封入した温度補償用圧力容器と、前記温度補償用圧力容器内の圧力媒体の圧力を導出する温度補償用圧力導管と、前記歪変換用圧力導管と前記温度補償用圧力導管との間の差圧を電気的なデジタル信号に変換するデジタル式差圧変換器と、からなることを特徴とする圧力変換式検出装置。

(2) 前記温度補償用圧力容器を温度の自明な液体に浸漬し、前記歪変換圧力容器に歪が作用しない位置に設置し、検出された歪を熱膨張率から換算することで、前記歪変換圧力容器周囲の雰囲気温度を測定することを特徴とする(1)に記載の圧力変換式検出装置。

(3) 前記圧力媒体が、シリコンオイルであることを特徴とする(1)または(2)に記載の圧力変換式検出装置。

(4) 前記歪変換用圧力導管と前記温度補償用圧力導管が同一長さ、同一管径、同一肉厚、同一経路となる圧力導管であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれか１に記載の圧力変換式検出装置。

本発明によれば、歪または温度を歪変換圧力容器により圧力として取り出し、デジタル式差圧変換器より直接デジタル信号を取り出せるので、設置空間の極小化、測定装置購入費の大幅な削減、測定作業の削減を可能とする。

歪または温度を直接歪変換圧力容器にて圧力のアナログ信号に変換できるので、ブリッジボックス・歪測定アンプが不要となる。

歪変換圧力容器と温度補償用圧力容器の差圧をデジタル式差圧変換器にて、電気的なデジタル信号に変換できるので、AD変換が不要となる。

歪変換圧力容器とデジタル式差圧変換器を接続することにより、ブリッジボックスと歪測定アンプ及び歪測定アンプとＡＤ変換器との配線が不要となり、配線作業が不要となる。

本発明の(3)において、シリコンを使用しているので、媒体の熱膨張による圧力変化及び媒体の圧縮性による圧力変動・圧力振動を防止することが出来る。
また、本発明の(4)において、圧力導管は同一長さ、同一管径、同一肉厚、同一経路となる圧力導管を使用するので、管の振動変位による圧力変化及び熱影響を打ち消すことにより、測定精度を高くすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
図3において、被測定物1は、鉄鋼部材であり、例えば大型球形LPGガスタンク圧力容器や鋼橋である。この被測定物1は、負荷を受けて歪を生じている。この歪を測定するに当り、歪変換圧力容器3を接着剤2で被測定物1に貼り付け、歪変換圧力容器3は被測定物1と同量の歪だけ変形する。

歪変換圧力容器3の歪による圧力変化量ΔPは、初期圧力P0と歪εの積に比例して変化する。
ΔP=− P0×ε ---------- (a)
歪圧力変換容器３は、歪の検出精度を向上させるため初期圧力P0を昇圧すればよい。好ましくは、0.2MPa≦P0≦20MPaが望ましい。更に高精度の測定にするには、15MPa≦P0≦20MPa が望ましい。なお、この初期圧力範囲は、歪圧力変換容器３の剛性によって変化する。

歪による圧力変化量に、温度変化による圧力変化量が加わり、デジタル式差圧変換器6に伝えられる。圧力変化量は、圧力導管5に充填した圧力媒体4を介して、歪変換圧力容器3からデジタル式差圧変換器6に伝えられる。

一方、歪変換圧力容器3は、温度によって変形し内部圧力が変動する。この温度変化を補償するため、歪みを受けず温度変化のみに影響を受ける温度補償用圧力容器7を設ける。温度による圧力変化量は、圧力導管9に充填した圧力媒体8を介して温度補償用圧力容器7からデジタル式差圧変換器6に伝えられる。

デジタル式差圧変換器6にて、歪変換圧力容器3と温度補償用圧力容器7との圧力変化量の差圧を取ることにより、温度変化による内部圧力変化量を打ち消し、被測定物1の歪による圧力変化量を測定することが出来る。圧力変化量は、デジタル式差圧変換器6により、テジタル信号に変換され、出力端子10を経由して、パソコン11に接続される。パソコンにより種々の解析が可能となる。

さらに、本発明装置は、温度も測定可能である。例えば、温度補償用圧力容器7を温度の自明な液体に浸漬し、歪変換圧力容器3に歪が作用しない位置に設置し、検出された歪を圧力媒体の熱膨張率から換算することで、歪変換圧力容器3周囲の雰囲気温度を測定可能である。
シリコンオイルについては圧力媒体として使われるので、使用温度でも気泡を生じず、内部圧力により膨張・圧縮しない物質である。この他にも代替可能な物質としては、鉱物油、脂肪酸エステル、WOエマルジョン、その他作動油がある。

歪変換圧力容器３は、可能な限り小さいほど局所的な被測定物の歪を測定することが出来る。しかし、製造可能な形状も限られるので、歪ゲージと同程度の5×5mm角程度とする。外形厚みは、1mm程度とする。板厚は、最大内部圧力20MPaを考慮して、0.2mmとする。

圧力導管については、二本の圧力導管を、同一長さ・同一管径・同一肉厚・同一経路とすることで、二本間の温度差が出ににくく、配管振動とそれによる圧力変動も同期するので、差圧を取った場合全て外乱要素を打ち消すことが可能となる。

大型球形LPGガスタンク圧力容器や鋼橋に歪変換圧力容器を貼付し、歪みを測定した。例えば、内圧が0.8MPaかかった1万m3の球形タンクで50μの歪が測定された。これは、歪ゲージで測定した値及び計算して得られた値と比べよし一致を得た。

引張試験片に貼り付け測定可能範囲を測定した。測定可能歪は、5μ〜500μ程度の測定が可能であり、測定精度は、最大測定範囲の±０．１％であった。

150 Hzの歪を与えられる疲労試験機で応答速度を測定し、100Hzまで応答可能であった。

従来の歪ゲージによる測定装置の構成図である。 本発明の測定装置のブロック図である。 本発明の測定装置の構成図である。

符号の説明

1 被測定物
2 接着剤
3 歪変換用圧力容器
4 圧力媒体
5 圧力導管
6 デジタル式差圧変換器
7 温度補償用圧力容器
8 圧力媒体
9 圧力導管
10 出力端子
11 パソコン

Claims (4)

1. 貼付した被測定物の歪の変化により圧力が変化する圧力媒体を封入した歪変換圧力容器と、
   前記歪変換圧力容器内の圧力媒体の圧力を導出する歪変換用圧力導管と、
   前記圧力媒体を封入した温度補償用圧力容器と、
   前記温度補償用圧力容器内の圧力媒体の圧力を導出する温度補償用圧力導管と、
   前記歪変換用圧力導管と前記温度補償用圧力導管との間の差圧を電気的なデジタル信号に変換するデジタル式差圧変換器と、からなることを特徴とする圧力変換式検出装置。
2. 前記温度補償用圧力容器を温度の自明な液体に浸漬し、前記歪変換圧力容器に歪が作用しない位置に設置し、検出された歪を熱膨張率から換算することで、前記歪変換圧力容器周囲の雰囲気温度を測定することを特徴とする請求項１に記載の圧力変換式検出装置。
3. 前記圧力媒体が、シリコンオイルであることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力変換式検出装置。
4. 前記歪変換用圧力導管と前記温度補償用圧力導管が同一長さ、同一管径、同一肉厚、同一経路となる圧力導管であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力変換式検出装置。

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