JP4762620B2 - 測定装置及び流速測定システム - Google Patents
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Description
前記応力の負荷に連動して前記FBGに応力を負荷する負荷機構と、
前記応力が負荷される側にダイヤフラムを備え前記FBGおよび前記負荷機構を収容する気密室と、
前記気密室外に配置されて、前記外部から負荷された応力を受け前記ダイヤフラムを介して前記負荷機構に外部からの応力を伝達する受圧部と、
前記気密室に関して前記ダイヤフラムの反対側に第2の受圧部及び第2のダイヤフラムと、
前記外部から負荷された応力が消失したときに、前記負荷機構の位置を復帰させて前記FBGに負荷された応力を開放する復帰機能とを備え、
前記第2の受圧部及び前記第2のダイヤフラムは、前記受圧部が受ける大気圧又は静水圧分を相殺する面積を有し、
前記負荷機構には、対向する方向の外部からの応力が2つの受圧部からそれぞれダイヤフラムを介し、静水圧分を相殺して水流の速度圧分が伝達され、
前記復帰機能は、前記伝達シャフトに取り付けられたリンク機構とバランスウエイトで構成され、
前記外部から負荷された応力が消失したときに、前記FBGに負荷された応力が前記リンク機構及び前記バランスウエイトによって開放されることを特徴とする測定装置である。
前記受圧部及び前記第2の受圧部は、前記伝達シャフトの両端に接続され、前記外部から負荷された応力を受け、それぞれ前記ダイヤフラム及び前記第2のダイヤフラムを介して前記伝達シャフトに外部からの応力を伝達することを特徴とする測定装置である。
従って、可動部は小さな変位に対応できれば足りるので、負荷機構やFBGが収容される箇所を気密に保つにあたっては、大きな変位に対応するのは困難なものの、再現性、信頼性に優れたダイヤフラムを適用することができる。
そして、気密室には、ダイヤフラムを介して外部応力が伝達されるのみで気密室外に連通する部材はないので、有効に気密を保つことができる。さらに、受圧部はシールを考慮する必要が無いので、自由な設計が可能で、適正な大きさにすることができる。
また、一方のダイヤフラムの変形による気密室内の圧力上昇を他方のダイヤフラムによって吸収できるので、FBG、負荷機構を適正な環境下に維持することができる。
ところで、受圧部は、水圧、大気圧などの静止圧をも受け、静止圧の一部は測定しようとする外部応力に加算されて負荷機構、FBGに伝達される。この発明の本態様のごとく、第2の受圧部及び第2のダイヤフラムをさらに備え、第2の受圧部及び第2のダイヤフラムは、受圧部が受ける大気圧分又は静水圧分を相殺する面積を有し、負荷機構には、対向する方向の外部からの応力が2つの受圧部からそれぞれダイヤフラムを介して伝達される構成によれば、静止圧による測定値への影響をキャンセルでき、正確な測定を行うことができる。
さらに、外部から負荷された応力が消失したときに、負荷機構の位置を復帰させてFBGに負荷された応力を開放する復帰機能が設けられているので、応力消失後の測定において、前回負荷された応力の影響を受けることなく測定が可能である。
この発明の第4の態様のごとく、本発明に係る測定装置は、良好な動作特性と気密性を具備しているので、水中に設置し、流速測定装置としての使用に好適である。
この発明においては、負荷された応力を検知するFBGを使用する。FBG(Fiber Bragg Grating)は、光ファイバのコア部の屈折率を周期的に変化させた回折格子の構造を備えている。入射光がFBGを透過すると、ブラッグ波長と呼ばれる波長成分がFBGで反射され、残りの部分は透過される。このブラッグ波長のシフト量分が歪や温度に依存して変化することが知られている。
図1に示す態様の流速測定装置においては、直方体の長手方向の4つの面が例えばプラスチックで作製された容器の水平方向の対向する両端面にそれぞれ金属製のダイヤフラム5、5´が取り付けられて、内部が気密性の高い気密室4が形成されている。気密室の概ね中央付近に長軸方向に沿い、両端がダイヤフラム5、5´に接するように伝達シャフト6が設けられている。伝達シャフトは金属製ダイヤフラム5、5´を介して受圧板2、3と接し、受圧板2、3が受圧した応力は、ダイヤフラム5、5´を介して伝達シャフト6に伝達される。
また、FBGの透過特性は温度依存性があるため、気密室4内に気密室内に温度変化を検知するための別のFBGを備えていてもよい。また、気密室のダイヤフラムの反対側に第2のダイヤフラムを備えた場合は、第2のダイヤフラムが変位して、受圧板2の変位による気密室内の圧力上昇を緩和して、FBG、負荷機構の設置環境を適正に保つことができる。
バランスウエイト11は、固定軸14の周りに回転自在に取り付けられている。このため、バランスウエイト11は重力により常に鉛直下方に向かおうとしている。従って、図4に示すように、伝達シャフト6が右側に移動していた場合には、リンク機構を介して伝達シャフト6を左側で移動させる力が発生する。
この発明の流速測定装置においては、図1を参照して説明したように、受圧部2に負荷された応力と、受圧部3に負荷された応力が反対方向に働き、相互に相殺され、流体の流れによる応力が明らかになる。
なお、この発明の流速測定装置においては、微小荷重を高感度で測定することができる。例えば、45cm相当の水圧(4500Pa)で波長シフト1nmである。
図3に示すように、この発明の流速測定装置は下水管の底部の管壁に例えば、固定金具によって固定される。下水管の底部においては、管内を流れる下水の流れによる応力と、水位に対応する水圧が生じる。
この発明の測定装置は、光ファイバで接続された、少なくとも1つの光流速計、光源、波長計およびデータ処理装置を備えている。この例では2つの光流速計直列に接続して使用しているが、線路長15km内に5台までの光流速計を設置することができる。光源と光流速計1、光流速計2をサーキュレータを介して光ファイバで接続する。即ち、図2を参照して説明したように、光流速計の気密室内に取り入れられた光ファイバは、一部がFBG取付部に固定され、それ以外の部分はファイバ収納ケースに収められ、ケーブル固定部を通って光流速計2外に取り出される。光流速計2を通って取り出された光ファイバは、更に光流速計1に同様にして取り入れられ、一部がFBG取付部に固定され、それ以外の部分はファイバ収納ケースに収められ、ケーブル固定部を通って光流速計1外に取り出される。光流速計1から取り出されたファイバの端部には、反射光によって測定が妨害されないように、光を吸収する機能を備えた無反射端が設けられている。
対象となる流速測定範囲は、概ね0.3〜3.0m/sである。図1、2、5、6を参照して説明した装置の接液部分は全てステンレス(SUS316)製が好ましい。耐水圧は概ね10mH2Oである。
ダイヤフラムとしては、φ60mm、板厚0.03〜0.1mmの波型ダイヤフラムを使用する。板厚が0.05mm以下の場合のダイヤフラムは、高感度測定型に適している。但し、水圧、衝撃に弱いという特性がある。板厚が0.05mmより厚い場合のダイヤフラムは、低感度測定型に適している。この場合は水圧、衝撃に強いという特性があり、使用する環境によって選択することができる。
更に、筐体の下水管壁面への固定方法として、アンカーボルトM10を使用し、筐体側面からでる固定金具を利用して固定する。
なお、この光流速計の適用水位としては、80mm以上が好ましい。
2 受圧部
3 受圧部
4 気密室
5 ダイヤフラム
6 伝達シャフト
7 FBG
8 別のFBG
9 FBG取付部
10 別のFBG取付部
11 バランスウエイト
12 ゴムカバー
13 軸回転防止機能付きリニアブッシュ
14 固定軸
15 長さ調整器
16 ケーブル固定部
17 整流板
18 ファイバ収納ケース
19 バランスウエイト固定部材
20 外部カバー
21 伝達ロッド
22 接触板
23 規制板
24 復帰バネ
25 直動スライドガイド
26 Oリング
27 予張力
Claims (7)
- 外部から負荷された応力を検知するFBG(ファイバブラッググレーティング)と、
前記応力の負荷に連動して前記FBGに応力を負荷する負荷機構と、
前記応力が負荷される側にダイヤフラムを備え前記FBGおよび前記負荷機構を収容する気密室と、
前記気密室外に配置されて、前記外部から負荷された応力を受け前記ダイヤフラムを介して前記負荷機構に外部からの応力を伝達する受圧部と、
前記気密室に関して前記ダイヤフラムの反対側に第2の受圧部及び第2のダイヤフラムと、前記外部から負荷された応力が消失したときに、前記負荷機構の位置を復帰させて前記FBGに負荷された応力を開放する復帰機能とを備え、
前記第2の受圧部及び前記第2のダイヤフラムは、前記受圧部が受ける大気圧分又は静水圧分を相殺する面積を有し、
前記負荷機構には、対向する方向の外部からの応力が2つの受圧部からそれぞれダイヤフラムを介し、静水圧分を相殺して水流の速度圧分が伝達され、
前記復帰機能は、前記伝達シャフトに取り付けられたリンク機構とバランスウエイトで構成され、
前記外部から負荷された応力が消失したときに、前記FBGに負荷された応力が前記リンク機構及び前記バランスウエイトによって開放されることを特徴とする測定装置。 - 前記負荷機構は伝達シャフトからなり、
前記受圧部及び前記第2の受圧部は、前記伝達シャフトの両端に接続され、前記外部から負荷された応力を受け、それぞれ前記ダイヤフラム及び前記第2のダイヤフラムを介して前記伝達シャフトに外部からの応力を伝達することを特徴とする請求項1記載の測定装置。 - 前記気密内に配置され、前記気密室内の温度を検知する第2のFBGを更に備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。
- 水中に設置され、前記受圧部は、水流の速度圧を受圧することを特徴とする、請求項1から3の何れか1項に記載の測定装置。
- 水中に設置され、前記受圧部は、水流の速度圧を受圧し、前記第2の受圧部は、整流板で覆われていることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の測定装置。
- 管壁に設置されることを特徴とする、請求項4又は5に記載の測定装置。
- 請求項4から6の何れか1項に記載の測定装置を用いたことを特徴とする流速測定システム。
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