JP4929435B2 - 圧力変換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力変換器に関し、より詳しくは、ダム底、河底、海底並びに堆積斜面などの地盤中の間隙水圧を除去した土圧（有効土圧）を検出して伝送信号として出力する圧力変換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ダム底、河底、海底並びに堆積斜面などの地盤は、堆積と流動を繰り返しており、堆積礫や堆積土砂が地盤形状や構造物に影響を与えるため、予め地盤中の土圧を調べる必要がある。一般に土圧とは、土壌を構成する土粒子の砂圧と土粒子間に存在する間隙水圧を加えたもので、一般にはこれを全土圧という。また、間隙水圧は、空気と水の混合物による圧力のことをいう。
また全土圧から間隙水圧を除外した土圧を有効土圧という。従って、地盤が地中構造物の構築に適する強度であるか否かや斜面の安定は、地盤中の有効土圧あるいは間隙水圧を測定することによって判断できるし、また堆積土砂面の上昇や下降および移動の判断もするようになってきている。
このような計測を行うための従来例として、本発明者等が特許第２６９６０９９号として提案した電気式圧力変換器がある。
図１２は、その従来例に係る有効土圧計（以下、「第１の従来例」という）の構成を示す断面図である。
【０００３】
図１２において、起歪部８１の表・裏面の中心には、同軸的に受圧ロッド８３，８３が本体部８２外へ突き出るように一体にまたは一体的に固設され、受圧ロッド８３，８３のそれぞれの先端部に鍔状の受圧板８４，８４が設けてある。
両受圧板８４，８４と本体部８２間には、それぞれ伸縮可能のベローズ８５，８５が取付けられ、該ベローズ８５，８５によって上記起歪部８１側へ湿気などの浸入が阻止されるように密閉している。この起歪部８１の中心寄りの部位および周縁寄りの部位の表・裏面には、起歪部８１の変形量を電気信号に変換する素子として、それぞれ複数のひずみゲージ８６が添着され、図示しないがホイートストンブリッジを形成している。
上記各々の一方（図においては上方）の受圧板８４およびベローズ８５の外周側に水圧室８８を形成するように囲繞（包囲）したフィルタ９３が本体部８２に例えば、ねじ込みなどの手段によって支持されている。また、他方の受圧板８４およびベローズ８５の外周側に、本体部８２の一部を鍔状に張り出させ、その断面に薄肉状の受圧ダイアフラム９４を上記受圧板８４と微小間隙を存して対向的に設けた検出部９５を形成してある。この検出部９５内に、例えば作動油等の液体９６を充填したものである。
【０００４】
上記のように構成した土圧計は、地盤内に埋設されたとき、受圧ダイアフラム９４面に土粒子の土圧と間隙水圧とが加算された全土圧を受けるようにし、一方、フィルタ９３側は、土粒子の浸入を遮断し、間隙水のみ通過して水圧室８８に間隙水圧を受けるようにしてある。
従って、受圧ダイアフラム９４に受けている土圧と間隙水圧のうち、間隙水圧は、フィルタ９３側からの間隙水圧とキャンセルされ、土圧（これを有効土圧という）のみの力が受圧板８４と受圧ロッド８３を介して起歪部８１に加わり、従って有効土圧に対応した電気信号をひずみゲージ８６によって得ることができる。この土圧の計測によって地盤中の土圧強度が判るので、土木構築物の構築に先立つ地盤の強さを予め知ることができる。
図１３は、特許第２６９６０９９号に記載されている動間隙水圧計（以下、「第２の従来例」という）の構成を示す断面図である。
【０００５】
図１３において、図１２と異なる点は、下方の受圧板８４とベローズ８５の外周側に、本体部８２の一部を鍔状に張り出させ、その前面に薄肉状の受圧ダイアフラム９４を受圧板８４と微小間隙を存して対向的に設けた検出部９５を無くし、これに代わって、水圧室８７を形成するように、受圧板８４とベローズ８５を囲繞するようにして上方のフィルタ９０とは減衰特性の異なるフィルタ８９を本体部８２に、例えばねじ込みなどの手段によって、取付けたところにある。
これらのフィルタ８９，９０は、図１４の被測定圧力の変動周波数〔Ｈｚ〕とフィルタの減衰率〔Ｐｂ／Ｐｏ〕との関係を表わす特性図に示すように、一方のフィルタ８９は、メッシュが粗いため高い周波数まで圧力波を減衰させることのないＡ特性曲線のフィルタが用いられ、他のフィルタ９０は、上記フィルタ８９に比べて低い周波数で圧力の減衰が発生するＢ特性曲線のフィルタが用いられている。なお、上記フィルタの減衰率を示す記号のうち、Ｐｏは入力圧力値、Ｐｂは出力信号圧力値を示す。
【０００６】
上記のように構成した動間隙水圧計は、例えば海底などの地盤内に埋設して使用される。水深による水圧、つまり静的な水圧は、それぞれのフィルタ８９，９０の減衰特性が異なるものであっても、フィルタ８９，９０を通過しそれぞれの水圧室８７，８８に圧力差を生じさせることなく、従って、受圧板８４，８４への間隙水圧がそれぞれ等しく作用し、この結果、起歪部８１の変形もなくひずみゲージ８６からの電気的出力もなく、従って静的な水圧はキャンセルされることになる。
ところが、地盤中の間隙水に特定周期の波として動間隙水圧が発生した場合には、両フィルタ８９，９０の減衰特性の差により水圧室８７，８８に圧力差が生じる。
すなわち、動間隙水は、図１４のＡ特性曲線のフィルタ８９側の水圧室８７側が高圧となるので、受圧板４を介して起歪部８１を変形させ、この起歪部８１の変形量をひずみゲージ８６で電気抵抗値として検出し、ひずみゲージ８６で形成されるブリッジの出力端から動間隙水圧に対応した電気信号を取出すことができる。
これによって水深による水圧あるいは土圧の大きさに関係なく、地震動や地殻変動などにより生じる微小な動間隙水圧の変動が計測できる。また、この動間隙水圧データに基づき地盤の強度を知ることができるため土木構築物の設計、建設および安全管理の目安となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した第１の従来例に係る有効土圧計および第２の従来例に係る動間隙水圧計によれば、有効土圧および動間隙水圧の測定ができるようになったが、これらの従来例においては、いずれも同じばね定数のベローズ８５，８５を２個用いて、両ベローズ８５，８５の外部に導かれた液圧で両ベローズ８５，８５内部の起歪部８１が差動変形する、いわゆる差圧計の構造が用いられている。
ベローズ８５，８５を２個を用いた構造の場合、図１２、１３で判るように差圧中心位置からベローズの圧力負荷位置Ａ、Ｂ間に水頭差があり測定圧力にこの差が影響してしまい、発生有効応力を１CM水頭程度以下の誤差で測定が要求される高精度の場合には問題となる。
この誤差を取り除くためには、図１２、図１３を９０度回転して設置すれば水頭差がなくなるが、その場合有効土圧の測定では、垂直土圧方向で対称性がくずれたり、動間隙水圧測定に用いるには横長の形状となり、土中への挿入、すなわち一般的に小径のボーリング孔への挿入・設置が困難になる。
【０００８】
また２個のベローズは、実際には全く同じばね定数のものは得られず近似したものを使用せざるを得ないことになり、そのばね定数の差分は設置深さの水圧影響を干渉出力として受けることになる。有効土圧計にあっては、図１２で判るように一方のベローズ８５には受圧ダイアフラム９４からダイアフラム室に満たされた液体９６の液圧を介して土圧が働くため、その影響が無視できない場合も発生する。
ところで、近来、有効土圧計および動間隙水圧計を複数連結し、深さ方向の有効土圧分布および動間隙水圧分布の測定も行われるようになってきている。
しかしながら、上述した第１および第２の従来例に係るベローズ式の圧力変換器を多段式に連結しようとすると、次のような問題が生じる。
すなわち、図１５において、第１の圧力変換器１１０、第２の圧力変換器１２０および第３の圧力変換器１３０等の圧力変換器を順次、多段に接続管１１４、１２４および１３４を介して接続する場合、信号ケーブル１１１，１２１および１３１は、各圧力変換器１１０，１２０および１３０の外側に沿わせて他方側へ引き出す他はない。
【０００９】
その上、各信号ケーブル１１１，１２１および１３１を保護するために、引き出し保護部材１１３，１２３および１３３と、これらに接続された保護管１１２，１２２および１３２を付設し、それらの中を、信号ケーブル１１１，１２１および１３１を挿通する必要がある。
このように、信号ケーブル１１１，１２１および１３１は、図１５に示すように、接続管１１４，１２４および１３４の部分から引き出し保護部材１１３，１２３および１３３を介して引き出され、保護管１１２，１２２および１３２と共に円筒状の第１〜第３の圧力変換器１１０〜１３０本体とフィルタ１１５，１２５および１３５の外周部を這うように、導き出されるため、そのケーブル周りの部分での形状が大きくなってしまい、延いては、観測土圧を乱したり、信号ケーブルが摩耗環境にさらされてしまう等の欠点を有する。
【００１０】
本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、その第１の目的は、有効土圧の検出を直接的な差動力で検出し得る圧力変換器を提供することにある。本発明の第２の目的は、設置深さによる水圧干渉がない有効土圧を検出し得る圧力変換器を提供することにある。また、本発明の第３の目的は、水平設置や垂直挿入を容易にする圧力変換器を提供することにある。さらに、本発明の第４の目的は、長さ方向の分布圧力の検出が容易な圧力変換器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、上記第１〜第３の目的を達成するために、ダム底、河底、海底並びに堆積斜面などの地盤中の土圧を検出する圧力変換器において、端部近傍に薄肉弾性部を有する２枚の剛性板と、
反受圧面側を互いに内方に向けて対峙させてなる前記２枚の剛性板の中央部間に介挿され且つ固定された荷重計と、
前記２枚の剛性板の前記薄肉弾性部より外方端部間において前記２枚の剛性板の反受圧面間に所定の空隙を存するように介挿され且つ固定された支持体と、
前記２枚の剛性板間の前記空隙内への土粒子の浸入を遮断し、間隙水のみ通過して前記２枚の剛性板の反受圧面側で間隙水圧を受けるように前記２枚の剛性板の端部間に介挿され且つ固定されたフィルタと、
を具備し、
前記２枚の剛性板の受圧面に作用する有効土圧に対応した信号を前記荷重計により検出し得るように構成したことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、上記第１〜第３の目的を達成するために、前記２枚の剛性板は、共に、受圧面形状が円形板状を呈し、反受圧面側の周辺端部近傍に断面凹状の周回溝を形成することによって、前記薄肉弾性部を形成してなることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、上記第１〜第３の目的を達成するために、前記２枚の剛性板は、
共に、受圧面形状が矩形板状を呈し、反受圧面側の長手方向の端部近傍に断面凹状の溝を短手方向に沿って形成することによって前記薄肉弾性部を形成してなることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、上記第１〜第４の目的を達成するために、前記２枚の剛性板は、受圧面横断面形状が略半円弧状を呈し、共に、前記２枚の剛性板の長手方向の端部近傍に薄肉弾性部を有することを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、上記第１〜第３の目的を達成するために、中心部に貫通孔が穿設された連結支持体を介して前記２枚の剛性板を長手方向に複数段に順次連結し、前記荷重計が前記２枚の剛性板に挟持された状態で生じる前記空隙および前記連結支持板に穿設された前記貫通孔を順次介して前記荷重計の出力信号ケーブルを挿通し最終段の荷重変換器の端部から導出可能となし、
前記複数段の圧力変換器により軸方向の複数個所の有効土圧をそれぞれ測定し得るように構成したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、上記第１〜第３の目的を達成するために、ダム底、河底、海底並びに堆積斜面などの地盤中の土圧を検出する圧力変換器において、端部近傍に薄肉弾性部を有する２枚の剛性板と、
反受圧面側を互いに内方に向けて対峙させてなる前記２枚の剛性板の前記薄肉弾性部の反受圧面側に添着された光ファイバ式ひずみ計またはひずみゲージと、
前記２枚の剛性板の前記薄肉弾性部より外方端部間において前記２枚の剛性板の反受圧面間に所定の空隙を存するように介挿され且つ固定された支持体と、
前記２枚の剛性板間の前記空隙内への土粒子の浸入を遮断し、間隙水のみ通過して前記２枚の剛性板の反受圧面側で間隙水圧を受けるように前記２枚の剛性板の端部間に介挿され且つ固定されたフィルタと、
を具備し、
前記２枚の剛性板の受圧面に作用する有効土圧に対応した信号を前記光ファイバ式ひずみ計または前記ひずみゲージにより検出し得るように構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
【作用】
上述のように構成された圧力変換器は、地盤内へ埋設されると、例えば水深による水圧、つまり静的な水圧は、フィルタを通過し、土圧を受ける２枚の剛性板にはさまれる空隙に導かれるため、２枚の剛性板の受圧面側と反受圧面側に対する水圧（間隙水圧）は等しく、荷重点では、圧力差が発生しないため、上記静的な水圧は、キャンセルされる。一方、地盤中の砂圧、即ち有効圧力分の荷重は、一対の剛性板の受圧面への押し付け力となって荷重計に加わることになり、有効圧力のみに対応した信号が荷重計で検出される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１、図２は、本発明の第１の実施の形態に係る有効土圧を検出する圧力変換器の構成を示すものである。このうち、図１は、図2のＡ−Ａ矢視方向断面図であり、図２は、その平面図である。
図１および図２において、２枚の円形剛性板１１，１２は、例えばステインレススチールのような金属からなる厚肉の剛性板であり、平面から見た形状が円板状を呈し、受圧面側は平面に形成されているが、反受圧面側においては、中央部に荷重計４１を取着するための浅い凹部が形成され、周縁端部近傍に円環状に断面台形状の溝１１ｂ，１２ｂを削成することにより、薄肉弾性部１１ａ，１２ａがそれぞれ形成されている。
従って、２つの円形剛性板１１と１２は、中央部から周縁近傍に至るまでは厚肉の剛体部とされ、周縁近傍部は薄肉の弾性部（可撓部）とされ、周縁部は厚肉の取付部とされていることになる。
【００１７】
これら両円形剛性板１１，１２は、この実施の形態の場合、同一または対称形状に形成されており、反受圧面側、即ち、溝１１ｂ，１２ｂが形成された側を互いに内方に向けて対峙させ、両円形剛性板１１，１２の中央部に形成した浅い凹溝間に１つの荷重計４１を、周縁部間に３つの支持体２１を等角度（１２０°）間隔で挟み、その荷重計４１の上方および下方の荷重導入部（支点）を、円形剛性板１１および１２にねじ止め等の手段により取着する。このとき、荷重計４１から信号を導出する信号ケーブル５１を、両円形剛性板１１，１２間に形成される間隙１０を介して外部に引き出す。
その後、両円形剛性板１１，１２間の周縁端部近傍にフィルタ３１，３２を半径方向に一定間隔を設けて周回させるように配設し、空隙１０内に空気および水は導入するが、粒子の大きい土砂は遮断し、空隙１０内に土砂が入り込んで剛性板１１，１２の変位および薄肉弾性部１１ａ，１２ａの土圧による弾性変形を損わないようにされている。
【００１８】
ところで、ここで用いられる荷重計４１は、図１１に示すように荷重導入部４１ａ、４１ｂの２点を支点とする荷重を検出するものであり、荷重計４１の周囲に流体圧力が存在し圧力が変化しても原理的に出力がない、すなわち圧力干渉誤差が極めて小さい荷重計である。
このような荷重計４１を備えた圧力変換器１に図１に示すように土圧Ｐが作用すると、土圧Ｐの中の間隙水圧Ｐｗ分は、フィルタ３１，３２を介して空隙１０に流入するが、砂圧Ｐｓ分は、空隙１０に侵入できないため、荷重計４１には次の式で表される荷重Ｆが作用する。
Ｆ＝（Ｐｓ＋Ｐｗ）・Ａ−Ｐｗ・Ａ＝Ｐｓ・Ａ ……………（１）
ここに、Ｐ＝Ｐｓ＋Ｐｗ、Ｐ：全土圧、Ｐｓ：砂圧（有効土圧）
Ｐｗ：間隙圧、Ａ：土圧計の有効載荷面積
理解を容易にするため２枚の剛性板１１、１２の薄肉弾性部１１ａを説明に用いたが、薄肉弾性部１１ａは荷重計４１と共に土圧に比例して弾性変形するバネの役割を持つから、薄肉弾性部１１ａのバネ定数分をｋ１、荷重計４１のバネ定数分をｋ２とすれば、有効土圧計中央部でのバネ定数ｋは（２）式であらわすこともできる。
【００１９】
ｋ＝ｋ１＋ｋ２ ………………………………………………（２）
（２）式のような観点から現場状況に応じ前記円形剛性板１１,１２の間に荷重計４１を例えば１個、２個、３個、４個、等角度間隔で複数取り付けても動作原理は変わらない。また、図３に示す第２の実施の形態のように、薄肉弾性部１１ａおよび支持体２１をなくして荷重計４１のみの弾性支持で製作することもできる。
このように構成した場合、図３のフィルタ３３は、空隙１０内に砂圧の侵入のみを防げばよいから、簡単な合成繊維やスポンジの利用も可能である。
これまで剛性板１１、１２を円板状のもので説明したが、第３の実施の形態または第４の実施の形態のように、受圧面形状として、矩形板または円弧面で形成することもでき、その場合複数の有効土圧計を多段に連結して分布圧の測定も可能となる。
【００２０】
図４、図５、図６および図７に矩形形状の剛性板を用いた圧力変換器を複数接続して使用する第３の実施の形態につき説明する。図４は、側断面図、図５は、その拡大平面図、図６は、斜視図、図７は、図５のＢ−Ｂ断面図、図８は、図５のＣ−Ｃ断面図である。
支持体２３の基端（図５においては下端）には、現場で地中への挿入抵抗を小さく抑えるための、挿入ヘッド７１を取付けてある。
図４において、両矩形剛性体１３，１４は、一方側の薄肉弾性部１３ａ，１４ａより外側の固定部にて止めねじにより支持体２３に固定され、他方側の薄肉弾性部１３ｂ，１４ｂより外側の固定部にて止めねじにより支持体２４に同様に固定さている。
尚、このような固定作業が行われる前に、矩形剛性板１３，１４間の空隙１０に荷重計４１が、上述したような要領で固着されるものとする。
また、荷重計４１の代わりに薄肉弾性部１３ａ、１３ａａ、１３ｂ、１３ｂｂの４箇所に直接光ファイバーひずみ計またはひずみゲージ（半導体ゲージを含む）を取り付け荷重に応じた信号を検出するように製作することもできる。
両矩形剛性板１３，１４を対峙した状態において形成される空隙１０の両側の開口端部には、フィルタ３４，３５が、矩形剛性板１３，１４の動きを阻害しないように、若干の隙間を設けて取り付けられている。
【００２１】
即ち、フィルタ３４，３５は、一端が支持体２３に、他端が連結支持体２４にそれぞれ止めねじによって固定されている。長尺状の連結板６１は、一端が支持体２３に他端が連結支持体２４にそれぞれ取付けねじによって固定されている。この連結板６１は、複数の圧力変換器を順次連結する機能と共に圧力変換器の軸方向（長手方向）の引張りまたは圧縮方向の力やねじりによるトルクを分担し、前記剛性板１３,１４の受圧面には測定方向の土圧のみが掛かるようにする機能を果たす。
図４、図５、図６に示すように、支持体２４の連結部２４ｂおよび２４ｂｂには、片側を圧力変換器１の矩形剛性板１３の薄肉弾性部１３ｂ，１３ｂｂの近傍および矩形剛性板１４の薄肉弾性部１４ｂ，１４ｂｂ（図示せず）近傍がそれぞれ止めねじによって連結される。
一方、支持体２４の他側の連結部２４ａ，２４ａａには、次段の圧力変換器２の矩形剛性板１５の薄肉弾性部１５ａ，１５ａａの近傍および矩形剛性板１６の薄肉弾性部１６ａ，１６ａａ（図示せず）の近傍が、それぞれ止めねじによつて、連結される。
【００２２】
このようにして、次々と複数の圧力変換器を連結し、軸方向の分布圧、すなわち、有効土圧を測定し得る多段式の圧力変換器が構成される。
そして、荷重変換器４１より出力される信号を外部に取り出すための信号ケーブル５１は、２つの矩形剛性板１３，１４との間に形成された空隙１０内を挿通させ、さらに、圧力変換器１，２を連結する連結支持体２４に穿設された貫通孔２４ｃ内を挿通させ（図８）、以降、同様の要領で空隙１０および貫通孔２４ｃ内を順次挿通させることができるので、図１５に示すように信号ケーブルが圧力変換器の外側方に出ることがない。
従って、観測土砂を乱したり、信号ケーブルが摩耗環境にさらされることがなくなるので、正確な計測結果と、耐久性、信頼性、便宜性を一般と向上させることが可能となる。
この第３の実施の形態におけるフィルタ３４，３５は、地盤内に挿入するときの摩耗に耐え得るように、また、生産コストを低減させるために、有孔金属板等を利用して製作されている。
【００２３】
次に、２枚の剛性板の機能と形状を変えた第４の実施の形態について説明する。
図４および図７において二点鎖線（仮想線）をもって示すように、２枚の剛性板１３′，１４′（図示には示されていない）の受圧面横断面形状が略半円弧状を呈し、両剛性板１３′，１４′の端部近傍に、薄肉弾性部１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂを有し、反受圧面側を互いに内方に向けて対峙させ、両剛性板１３′，１４′の中央部間に荷重計４１を介挿し、両剛性板１３′，１４′の長手方向端部間に支持体２３と連結支持体２４を介挿し、短手方向端部間にフィルタ３４，３５を介挿したものである。
このように構成することにより、円形孔であるボーリング孔壁面に対し、ほぼ近似した外観を呈するので、比較的硬い地盤の土圧を測定する場合、受圧面とボーリング孔壁面とが近似する結果、受圧面全体に略均等に砂圧が印加されるようになり、より実態に即した有効土圧の検出をすることができる。
【００２４】
尚、両剛性板１３′，１４′は、受圧面部が半円弧状である限り、いわゆる蒲鉾状であってもよいし、厚板を半円弧状にカーリングさせ、図７に示す平板状の剛性板１３，１４の表面に溶接等の手段により一体的に固着するようにしてもよい。この場合、後者のように構成した方が軽量化が実現されるという利点が得られる。
図９、図１０に、本発明の応用例としての第５の実施の形態に係る圧力変換器に示す。このうち、図９は、一部を破断して示す正面図、図１０は、図９のＤ−Ｄ線断面図である。この第５の実施の形態の圧力変換器は、基本的な構成は、図４〜図７に示した第３の実施の形態の圧力変換器と共通であり、両剛性板１３，１４の開口端部間に水圧応答性の遅い第１のフィルタを取り付け、２枚の剛性板を囲繞するように水圧応答性の速い円筒状のフィルタ３６を設け、２枚の剛性板間に介挿した荷重計４１により動間隙水圧に対応した信号を得るようにしたものである。この第５の実施の形態を図９、図１０を用いて詳しく説明する。
【００２５】
この圧力変換器１は、図４〜図７に示すものと同様に、支持体２３の一端に挿入ヘッド７２が固定され、支持体２３と連結支持体２４との間に、１対の剛性板１３，１４が掛け渡された上、固定されている。
荷重計４１は、１対の剛性板１３，１４間に固定されている。
また、支持体２３と連結支持体２４との間には、多数の孔が穿孔されてなる目の細かい、換言すれば、水圧応答性の遅い、第１のフィルタ３４，３５が掛け渡され、その各端部が止めねじにより取り付けられている。
さらに、これらフィルタ３４，３５の側方に合計４本の連結板６２が、その両端を支持体２３と連結支持体２４に固定されている。
このような構成の圧力変換器１の外周を囲繞するように目の粗い、換言すれば、水圧応答性の速い第２のフィルタ３６が設けられている。
特に、第２のフィルタ３６は、地中への挿入時の摩耗に耐えるように、金属円筒を利用して一部を有孔部にして製作されている。
【００２６】
このように構成された圧力変換器は、図１０にても分かるように、２枚の剛性板１３，１４間と２枚の第１のフィルタ３４，３５との間に形成される内部の空隙１０と、２枚の剛性板１３，１４の周囲と円筒状の第２のフィルタ３６との間に形成される中間の空隙２０とが形成されることになる。
内部の空隙１０は、比較的大きな容積を有しているから、第１のフィルタ３４，３５からの圧力流入口を狭くし、水圧変化への応答を遅らせるように調整すると、内部の空隙１０は静止水圧分のままの緩い変化しかおきない。
従って、荷重計４１の測定信号は、中間の空隙２０の圧力変化と空隙１０の圧力変化の差として検出されるので、間隙水圧変化Ｐwdから静止水圧Ｐwsを引いた分、即ち動間隙水圧に対応する信号を取り出すことができる。
円筒状の第２のフィルタ３６は、測定の中心部分である水圧導入部36ａのみが水圧応答の速いフィルタ機能部分となり、残り部分は複数の検出本体を連結する機能部分となる。
ここで、図１１（ａ）、（ｂ）を参照して、荷重計４１の原理を説明する。
【００２７】
図１１の（ａ）は、荷重計の構成を示す平面図、（ｂ）は、荷重計の動作を説明するための正面図である。
図１１（ａ）、（ｂ）に示す荷重計の曲げビームには、ひずみゲージＧ１〜Ｇ４が接着されている。
荷重が導入される作用点４１ａ、４１ｂに荷重Ｆを受けると、ゲージＧ１とＧ３は圧縮されてεｃ＝εｍだけひずみ、ゲージＧ２とＧ４は引張られてεｔ＝−εｍだけひずむから、ひずみゲージＧ１〜Ｇ４の４枚で構成されたブリッジでの出力変化εｓは
εｓ＝２（εｔ−εｃ）≒−４εｍ …………………（３）
で表される変化をする。
一方、この曲げビームに水圧Ｐｐがかかった場合の水圧Ｐｐによる軸方向ひずみεｚは、曲げビームのヤング率をＥｂとすると、εｚ＝Ｐｐ／Ｅｂなる軸ひずみがひずみゲージＧ１〜Ｇ４の４枚に等しい量発生するため、この場合の出力変化εｓｚは
εｓｚ＝２（εｚ−εｚ）≒０ …………………（４）
となる。
【００２８】
また、水圧の影響による曲げひずみの増加分εｍがあった場合にも、各ひずみゲージＧ１からＧ４は、軸ひずみ同様同符号で且つ同量の発生量であるため、ブリッジでの出力変化εｓｍは、
εｓｍ＝２（εｍ−εｍ）≒０ …………………（５）
となり、（４）、（５）式ともに原理的に周囲圧力の干渉出力は発生しないことを示している。
実際のひずみゲージを用いた荷重計にあっては、ひずみゲージＧ１〜Ｇ４の電気絶縁が必要であるため、図１１に示した圧力変換器では、直接水液に触れないように、水液と絶縁した内面にひずみゲージを添着する構成としてある。
ところで、近年光ファイバ式ひずみ計の開発が行われ、光ファイバ式ひずみ計の代表例として、透過光を用いて光ファイバの屈曲に応じて変化する透過率を利用する方式の実用化が進んでいる。透過光を用いた光ファイバの場合は、一往復の光ファイバで複数のひずみ計測点を測定できるため、前述の曲げビームのゲージＧ１〜Ｇ４の曲げひずみ検出位置に光ファイバ式ひずみ計を装着することにより有効土圧または動間隙水圧の分布を的確に検出し得る圧力変換器を構成することができる。
【００２９】
この光ファイバ式ひずみ計にあっては、電気絶縁を必要としないので、図１１のように内空にひずみゲージを装着するなどの密閉構造方法を取らなくて良いから、信号線の引き回しも容易となる。
図４、図５，図６における薄肉弾性部１３ａ、１３ａａ、１３ｂ、１３ｂｂは、圧力干渉による軸ひずみや曲げひずみの発生しない場所であるから、薄肉弾性部１３ａ、１３ａａ、１３ｂ、１３ｂｂの反受圧面側に透過型の光ファイバ式ひずみ計を装着することにより、荷重計４１に変わって有効土圧に応じた信号を検出することができる。
複数の透過型光ファイバ式ひずみ計は、１往復の光ファイバで測定できるので、本発明の圧力変換器ではその特徴を有効にいかして計測コストを大きく削減することができる。
【００３０】
尚、本発明は、上述し且つ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施することができる。
例えば、上述したところでは、２枚の剛性板は、対称的な形状を呈したものとして説明してきたが、剛性板の端部に設けた薄肉部、または薄肉弾性部は、少なくとも一方の剛性板のみに設けてもよい。
このように構成した場合は、一方の剛性板に、薄肉弾性部を形成するための溝やスリットを形成する必要がなくなり、その分、製造コストを低減することができる。
但し、上述した実施の形態のように、一対の対称形の剛性板を用いた方が、より高感度、より高精度な有効土圧または動間隙水圧を検出できる点で、有利である。
また、図５、図６に示すように、薄肉弾性部１３ａ、１３ａａや薄肉弾性部１３ｂ，１３ｂｂのように、コ字状のスリットを形成して薄肉部または薄肉弾性部のばね定数を調整するようにしてもよい。
薄肉化するだけで、例えば、小さいばね定数を持たせようとすると、強度不足となって破壊する虞れがある場合には、薄肉弾性部１３ａ、１３ａａ、１３ｂ、１３ｂｂの部分を幅は狭いが加工し易い厚みを持てるように、スリットを入れることで強度を持たせることができる。
また、薄肉弾性部１３ａ、１３ａａ、１３ｂ、１３ｂｂの部分をユニットとして精密加工仕上げをした後、所定の位置にネジ止め等で装着して組み上げることもできる。
【００３１】
以上詳述したところから明らかなように、請求項１の発明によれば、有効土圧の変化を、砂圧の進入を防ぐフィルタと２枚の剛性板に挟まれた空隙に取着された、静水圧の影響を受けて出力が変化しない荷重計によって検出することができ、さらには有効土圧の計測位置と間隙水圧の進入位置を一致させて測定することができ、圧力負荷位置との水頭差がないため、高精度な有効土圧の測定が可能となり、
また、２枚の剛性板の端部近傍に、薄肉弾性部を有し、土圧変形を乱さないで土圧に比例した荷重を荷重計に伝達するように構成したから、２枚の剛性板の薄肉弾性部より外方端部間において端部同士を固定することができ、運搬、設置の段階で取扱い易く計測においては安定性よく有効土圧の検出を行い得る圧力変換器を提供することができる。
また、請求項２の発明によれば、前記２枚の剛性板は、共に、受圧面形状が円形板状を呈し、反受圧面側の周辺端部近傍に断面凹状の周回溝を形成することによって、前記薄肉弾性部を形成してなるので、計測現場が偏平で円盤状のものを埋設するのに適する場合に好適であると共に汎用性に優れ、特に構成が簡素であり、製作コストが低廉で精度よく有効土圧を検出し得る圧力変換器を提供することができる。
【００３２】
また、請求項３の発明によれば、前記２枚の剛性板は、
共に、受圧面形状が矩形板状を呈し、反受圧面側の長手方向の端部近傍に断面凹状の溝を短手方向に沿って形成することによって前記薄肉弾性部を形成してなる構成としたので、単独での使用にも使用し得るが、特に、複数の圧力変換器を縦列状に多段に連結して複数位置での有効土圧分布を測定する場合に、スリムに形成することができ、比較的小さなポーリング孔にも容易に挿入することができ、有効土圧を容易且つ正確に検出し得る圧力変換器を提供することができる。
また、請求項４の発明によれば、前記２枚の剛性板は、受圧面横断面形状が略半円弧状を呈し、共に、前記２枚の剛性板の長手方向の端部近傍に薄肉弾性部を有するようにしたから、ボーリング孔に挿入した状態で、圧力変換器の外周とボーリング孔の内周壁とが均等に接触し易く、比較的硬い地中に埋設したとき、地盤の変状をより正確に対応した有効土圧を検出し得る圧力変換器を提供することができる。
【００３３】
また、請求項５の発明によれば、中心部に貫通孔が穿設された連結支持体を介して前記２枚の剛性板を、長手方向に複数段に順次連結し、前記荷重計が前記２枚の剛性板に挟持された状態で生じる前記空隙および前記連結支持板に穿設された前記貫通孔を順次介して前記荷重計の出力信号ケーブルを挿通し最終段の荷重変換器の端部から導出可能となし、
前記複数段の圧力変換器により軸方向の複数個所の有効土圧をそれぞれ測定し得るように構成したから、信号ケーブルが圧力変換器の外部に露出せず、従って、従来のように観測土圧を乱したり信号ケーブルが摩耗環境にさらされることがなく、長さ方向の有効土圧分布を正確に検出し得る圧力変換器を提供することができる。
また、請求項６の発明によれば、ダム底、河底、海底並びに堆積斜面などの地盤中の土圧を検出する圧力変換器において、端部近傍に薄肉弾性部を有する２枚の剛性板と、
反受圧面側を互いに内方に向けて対峙させてなる前記２枚の剛性板の前記薄肉弾性部の反受圧面側に添着された光ファイバ式ひずみ計またはひずみゲージと、
前記２枚の剛性板の前記薄肉弾性部より外方端部間において前記２枚の剛性板の反受圧面間に所定の空隙を存するように介挿され且つ固定された支持体と、
前記２枚の剛性板間の前記空隙内への土粒子の浸入を遮断し、間隙水のみ通過して前記２枚の剛性板の反受圧面側で間隙水圧を受けるように前記２枚の剛性板の端部間に介挿され且つ固定されたフィルタと、
を具備し、
前記２枚の剛性板の受圧面に作用する有効土圧に対応した信号を前記光ファイバ式ひずみ計または前記ひずみゲージにより検出し得るように構成したので、別途、荷重計を設ける必要がなく、直接薄肉弾性部に光ファイバ式ひずみ計あるいはひずみゲージを添着するだけでよく、その分コストを低減することができ、上述した請求項１の発明と同様の効果を奏し得る荷重変換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係る有効土圧を検出し得る圧力変換器であって、剛性板が円板形状を呈する圧力変換器の構成を示す断面図である。
【図２】 図１に示す圧力変換器の平面図である。
【図３】 本発明の第２の実施の形態に係る垂直有効土圧を検出し得る圧力変換器であって、剛性板の周縁を固定しないタイプの圧力変換器の構成を示す断面図である。
【図４】 本発明の第３および４の実施の形態に係る複数の有効土圧を検出し得る圧力変換器のユニットの構成を示す半断面図である。
【図５】 図４に示す圧力変換器の正面図である。
【図６】 図４に示す圧力変換器の構成を示す斜視図である。
【図７】 図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【図８】 図４のＣ−Ｃ線断面図である。
【図９】 本発明の応用例としての第５の実施の形態に係る動間隙水圧を検出し得る圧力変換器の構成を一部破断して示す側面図である。
【図１０】 図９のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１１】 本発明の第１〜第４の実施の形態に用いられる荷重計における水圧非干渉の原理を示す図である。
【図１２】 第１の従来例に係る有効土圧計の断面構成図である。
【図１３】 第２の従来例に係る動間隙水圧計の断面構成図である。
【図１４】 第２の従来例に係る動間隙水圧計の応答図である。
【図１５】 さらに他の従来例に係る有効土圧計を複数連結した場合の構成を示す側面図である。

Claims (6)

1. ダム底、河底、海底並びに堆積斜面などの地盤中の土圧を検出する圧力変換器において、端部近傍に薄肉弾性部を有する２枚の剛性板と、
   反受圧面側を互いに内方に向けて対峙させてなる前記２枚の剛性板の中央部間に介挿され且つ固定された荷重計と、
   前記２枚の剛性板の前記薄肉弾性部より外方端部間において前記２枚の剛性板の反受圧面間に所定の空隙を存するように介挿され且つ固定された支持体と、
   前記２枚の剛性板間の前記空隙内への土粒子の浸入を遮断し、間隙水のみ通過して前記２枚の剛性板の反受圧面側で間隙水圧を受けるように前記２枚の剛性板の端部間に介挿され且つ固定されたフィルタと、
   を具備し、
   前記２枚の剛性板の受圧面に作用する有効土圧に対応した信号を前記荷重計により検出し得るように構成したことを特徴とする圧力変換器。
2. 前記２枚の剛性板は、共に、受圧面形状が円形板状を呈し、反受圧面側の周辺端部近傍に断面凹状の周回溝を形成することによって、前記薄肉弾性部を形成してなることを特徴とする請求項１に記載の圧力変換器。
3. 前記２枚の剛性板は、
   共に、受圧面形状が矩形板状を呈し、反受圧面側の長手方向の端部近傍に断面凹状の溝を短手方向に沿って形成することによって前記薄肉弾性部を形成してなることを特徴とする請求項１に記載の圧力変換器。
4. 前記２枚の剛性板は、受圧面横断面形状が略半円弧状を呈し、共に、前記２枚の剛性板の長手方向の端部近傍に薄肉弾性部を有することを特徴とする請求項１に記載の圧力変換器。
5. 中心部に貫通孔が穿設された連結支持体を介して前記２枚の剛性板を、長手方向に複数段に順次連結し、前記荷重計が前記２枚の剛性板に挟持された状態で生じる前記空隙および前記連結支持板に穿設された前記貫通孔を順次介して前記荷重計の出力信号ケーブルを挿通し最終段の荷重変換器の端部から導出可能となし、
   前記複数段の圧力変換器により軸方向の複数個所の有効土圧をそれぞれ測定し得るように構成したことを特徴とする請求項１に記載の圧力変換器。
6. ダム底、河底、海底並びに堆積斜面などの地盤中の土圧を検出する圧力変換器において、端部近傍に薄肉弾性部を有する２枚の剛性板と、
   反受圧面側を互いに内方に向けて対峙させてなる前記２枚の剛性板の前記薄肉弾性部の反受圧面側に添着された光ファイバ式ひずみ計またはひずみゲージと、
   前記２枚の剛性板の前記薄肉弾性部より外方端部間において前記２枚の剛性板の反受圧面間に所定の空隙を存するように介挿され且つ固定された支持体と、
   前記２枚の剛性板間の前記空隙内への土粒子の浸入を遮断し、間隙水のみ通過して前記２枚の剛性板の反受圧面側で間隙水圧を受けるように前記２枚の剛性板の端部間に介挿され且つ固定されたフィルタと、
   を具備し、
   前記２枚の剛性板の受圧面に作用する有効土圧に対応した信号を前記光ファイバ式ひずみ計または前記ひずみゲージにより検出し得るように構成したことを特徴とする圧力変換器。

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