JP5035729B2 - 張力測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、長尺の磁性体に作用する張力を、磁性体の応力磁気効果を利用して測定する張力測定装置に関する。

吊り構造物のケーブル、グラウンドアンカーの引張部材、輸送設備のワイヤロープ等、長尺の鋼製部材にかかっている張力を測定する装置としては、中心に鋼製部材を通す孔のあいたロードセル（ひずみゲージ式、差動トランス式）や油圧式プレッシャーディスクが用いられることが多い。しかし、これらの装置は、測定対象材を通した状態で固定物に固定される固定具と対象材端末部に取り付けられる定着具との間に介装されて用いられるので、対象材を架設する際に設置しておく必要があり、既設の部材の張力測定に適用することはできない。

これに対して、鋼等の磁性体に現れる応力磁気効果（応力によって磁化が変化する現象）を利用した応力測定方法を採用すれば、既設の長尺鋼製部材の任意の位置に測定装置を設置して張力測定を行うことが可能となる。このような応力測定方法には、応力による磁性体の透磁率の変化を利用したものとして、対象材を飽和漸近磁化範囲（磁化特性のヒステリシス環線が閉じた領域、磁性物理学の用語では「回転磁化領域」）まで磁化して微小振幅の交流磁界を付加し、この交流磁界に対する磁束密度の振幅を測定して透磁率を求め、応力を評価するものがある（特許文献１参照）。また、応力によって磁性体内部を通る磁束が変化すると空間へ分流している磁束も変化することを利用し、対象材を磁化する永久磁石から対象材と反対側の空間に漏れる磁束の密度を測定して、応力を評価するものも提案されている（特許文献２参照）。
特開平２−２４５６２９号公報 特開２００６−３００９０２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された方法では、応力変化に対する透磁率の変化が比較的小さいうえ、磁界強度が飽和漸近磁化範囲から外れないように交流磁界の振幅を制限する必要があるので、十分な感度が得られないという難点がある。また、交流磁界によって対象材の断面内に発生する渦電流が透磁率や導電率に影響するので、特に複数の素線を撚り合わせた撚り線構造のストランドやロープ等については、周方向の導電性が素線どうしの接触状態によって変化することから、測定値が渦電流の影響を受けやすく、適用が難しい。

一方、上記特許文献２に記載された方法では、永久磁石によって対象材を磁化しているが、一般的な永久磁石は対象材を飽和漸近磁化範囲まで磁化する仕様とはなっていない。このため、比較的弱い磁界（ヒステリシス環線が閉じていない領域）での測定となり、測定前の磁気や応力の履歴に影響されて、再現性のよい測定結果が得られないという問題がある。

そこで、本発明の課題は、撚り線構造の対象材に対しても高感度で再現性のよい張力測定を行うことができる張力測定装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の張力測定装置は、長尺の磁性体の一部を囲むように配され、その磁性体を長手方向に飽和漸近磁化範囲まで直流磁化する筒状の磁化器と、前記磁性体の磁化区間の長手方向中央部の近傍に配され、磁性体表面近傍の空間磁界強度を検出する磁気センサとを備え、前記磁気センサで検出される空間磁界強度に基づいて磁性体に作用する張力を測定するようにした。

すなわち、測定対象材となる長尺の磁性体の一部を飽和漸近磁化範囲まで直流磁化し、磁化された部位の表面近傍の空間磁界強度を検出して、その検出値から磁性体に作用する張力を測定する構成としたのである。以下、この構成を採用した理由について説明する。

図７は、鋼線材の長手方向の磁化特性の一例を示すものであり（横軸は励磁コイルの電流値で、厳密ではないが磁界強度と考えられる。）、鋼線材に生じる磁化（この図では磁化に対応する磁束密度）が応力によって異なること、すなわち鋼線材のもつ応力磁気効果を表している。従って、一定のバイアス磁界のもとで応力が変化すれば、それを磁束密度の変化として検知できることになる。しかし、図７にも表れているように、鋼等の磁性体にはヒステリシス性があるため、バイアス磁界が弱く、ヒステリシス環線が閉じていない領域では、過去の磁気や応力の履歴の影響があり、応力と磁化の関係の再現性が期待できない。これに対して、図７の鋼線材にヒステリシス環線が閉じた領域、すなわち飽和漸近磁化範囲で繰返し張力変動を与えた場合は、図８に示すように、応力による磁化の変化は可逆的でほぼ線形な関係となる。そこで、本発明では、対象材を飽和漸近磁化範囲まで強く磁化することにより、再現性のよい測定結果を得られるようにした。

また、前述のように交流磁界付加時には対象材に発生する渦電流が測定結果に影響を及ぼすことから、本発明では、対象材を直流磁化することで渦電流自体が発生しないようにした。これにより、渦電流の影響で測定結果がばらつきやすい撚り線構造の対象材についても、十分な信頼性をもって張力測定を行うことができる。

そして、張力を高感度で測定できるように、対象材を磁化する長さを短くし、磁化された部位の表面近傍の空間磁界強度を検出する構成とした。この構成により高感度の測定が可能となるメカニズムについて次に説明する。

図９は、磁性体の磁化によって生じる磁界を模式的に示すものである。有限な長さの対象材をその長手方向に沿った一様な外部磁界Ｈ_exのもとに置いたとき、対象材には磁化Ｍが生じる。しかし、その磁化Ｍにより対象材両端にＮ極とＳ極ができ、それによって外部磁界Ｈ_exとは逆方向の磁界（反磁界）Ｈ_demagが生じることになる。従って、実際に対象材に生じる磁化Ｍは、有効磁界Ｈ_eff＝Ｈ_ex−Ｈ_demagに応じた分だけである。対象材の長手方向中央部での表面に沿った空間磁界Ｈ_sfは、この有効磁界Ｈ_effとほぼ同じと考えてよい。また、反磁界Ｈ_demagは、対象材の形状によって異なるが、対象材の磁化Ｍに比例し、その比例係数（反磁界係数）Ｎは幾何学的な形状と配置が決まれば一定である（R.M.Bozorth：Ferromagnetism（D.van Nostrand Co., 1951））。円柱形状の磁性体の反磁界係数を図示すれば、図１０のようになる。

従って、対象材表面近傍の空間磁界Ｈ_sfは、下記（１）式で表すことができる。
Ｈ_sf≒Ｈ_eff＝Ｈ_ex−Ｈ_demag＝Ｈ_ex−Ｎ（Ｍ／μ₀） （１）
ここで、μ₀は真空の透磁率である。上記（１）式において、外部磁界が一定（Ｈ_ex＝const.）のとき、磁化がＭ→Ｍ＋ΔＭに変化したとすると、有効磁界すなわち表面近傍の空間磁界は、下記（２）式で表される分だけ変化することになる。
ΔＨ_sf≒ΔＨ_eff＝（−Ｎ／μ₀）ΔＭ （２）
この磁化の変化ΔＭが応力によってもたらされたものとすると、反磁界係数Ｎがゼロでない限り、応力の変化が対象材表面近傍の空間磁界の変化ΔＨ_sfに現れることになる。しかも、反磁界係数Ｎが大きいほど（図１０を参照すれば、磁化される部位の長さが短くなるほど）、空間磁界の変化ΔＨ_sfが大きく現れる。そこで、本発明は、磁化区間を短くして、反磁界Ｈ_demagが大きくなるような構造とすることにより、応力による空間磁界の変化ΔＨ_sfを大きく取り出して、高感度な張力測定ができるようにしたのである。その磁化区間の長さは、対象材の直径に対する比が３以下となるようにすることが望ましい。磁化区間の長さと対象材の直径との比が大きくなるほど反磁界係数Ｎひいては測定の感度が低下し（例えば、図１０では、この比が５の場合は３の場合に対して反磁界係数Ｎが約１／２になる。）、この比が３を超えると実用上十分な感度を得にくくなるからである。

ここで、前記磁気センサは、前記筒状の磁化器の内周側に配することが望ましい。磁気センサの位置を磁性体表面に近づけるほど、磁気センサによる空間磁界Ｈ_sfの測定値が、反磁界Ｈ_demagの影響を受けて大きく変化する有効磁界Ｈ_effの挙動を正確に反映したものとなり、張力測定の感度および精度を高めることができるからである。

前記磁化器を、前記磁性体の長手方向に間隔をおいて互いに異なる磁極で対向する少なくとも一対の永久磁石を備えたものとすれば、磁性体をコイルで磁化するものに比べて構造が簡単で小型になるし、外部電源が不要となり測定場所の制約が少なくなる。さらに、この磁化器を周方向に複数に分割すれば、既設の磁性体への取付けや交換が容易に行えるようになる。また、前記磁気センサとしてはホール素子を用いることができる。

前記磁性体が複数の素線を撚り合わせた撚り線構造となっている場合は、前記磁気センサを磁性体の周方向に複数配し、これらの各磁気センサの出力の平均値を空間磁界強度の検出値として用いるようにすることが好ましい。このようにすれば、磁気センサの取付位置による素線との距離の変化に起因する測定誤差を少なくして、測定精度の向上を図ることができる。

また、このような構成とすることにより、対象材の長さ方向の任意の位置で測定が可能となるし、対象材と非接触で測定できるので対象材が動く場合でも適用できる。さらに、磁性体が本来的に有している性質を利用しているので、特別な材料を用いる必要がなく、どのような磁性体にも適用することができる。

本発明の張力測定装置は、上述したように、測定対象材となる長尺の磁性体の一部を飽和漸近磁化範囲まで直流磁化し、応力変化に対する変化の大きい磁性体表面近傍の空間磁界強度を検出して、その検出値から磁性体に作用する張力を測定するようにしたものであるから、高感度で再現性のよい測定結果が得られ、撚り線構造の対象材に対しても適用することができる。

以下、図１乃至図６に基づき、本発明の実施形態を説明する。この実施形態の張力測定装置１は、図１に示すように、長尺の磁性体Ａの一部を囲むように配される筒状の磁化器２と、この磁化器２と磁性体Ａとの間に挿入されるスペーサ３と、磁性体Ａ表面近傍の空間磁界強度を検出する磁気センサとしてのホール素子４と、ホール素子４の出力を増幅する増幅器５とで基本的に構成されている。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、前記磁化器２は、円筒形の鋼製ヨーク６の内周両端部に、円筒の一部をなす形状の４個の永久磁石７をそれぞれ接着剤で固定し、各永久磁石７の外側端面を覆うカバー８をヨーク６の両端面に取り付けたものである。そのヨーク６は、２つの半円筒形のヨーク片６ａ、６ｂに分割されており、その一つの分割面から両ヨーク片６ａ、６ｂに差し込まれる複数のピン９と、一方のヨーク片６ａの外側から他方のヨーク片６ｂにねじ込まれる複数のボルト１０とによって一体化されている。永久磁石７は、各ヨーク片６ａ、６ｂに一対ずつ磁性体Ａの長手方向に間隔をおいて互いに異なる磁極で対向する姿勢で配されており、磁性体Ａを長手方向に短い範囲で飽和漸近磁化範囲まで直流磁化するものとなっている。

前記スペーサ３は、非磁性のポリエチレン製で、磁化器２と同様に周方向に２分割されており、各永久磁石７の内周側に接着固定されて、永久磁石７と磁性体Ａとの接触を防止している。そして、その外周面のヨーク６内周面と対向する位置に、前記ホール素子４および増幅器５が複数取り付けられている。

前記ホール素子４は、磁化器２内周側の一対の永久磁石７の中間点、すなわち磁性体Ａの磁化区間の長手方向中央部の近傍に、周方向に等間隔で配されている。そして、各ホール素子４の出力を増幅器５で増幅してデータ処理装置（図示省略）に送り、その平均値として得られる磁性体Ａ表面近傍の空間磁界強度に基づいて、磁性体Ａに作用する張力を測定するようになっている。

次に、この張力測定装置１の測定性能を確認する実験を行った。この実験では、図３に示すように、縦型引張試験機１１に長尺磁性体としてのエポキシストランド（直径１５．２ｍｍのＰＣ鋼撚り線にエポキシ樹脂を被覆したもの）１２をセットし、その張力負荷領域の中央部分に張力測定装置１を取り付けた。そして、下記の２通りの載荷条件で繰り返し荷重を載荷し、ロードセル１３および張力測定装置１の出力をデータレコーダ１４を介してコンピュータ１５に取り込み、両者の関係を調べた。
＜載荷条件１＞
・負荷荷重 ：２１．６〜１５６ｋＮ
・載荷方法 ：手動
・繰返し回数 ：５回
＜載荷条件２＞
・負荷荷重 ：２１．６〜２００ｋＮ
・載荷方法 ：正弦波形０．００２Ｈｚ
・繰返し回数 ：１０回

図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ上記載荷条件１、２での実験結果を示す。ロードセル１３で検出される荷重と張力測定装置１で検出される磁界強度とは、若干のヒステリシスはあるものの、ほぼ線形な関係にある。また、そのヒステリシスによるばらつきは最大５％程度であり、ほぼ実用に耐える測定性能を有していることが確認された。

この張力測定装置１は、上述した構成および性能を有するものであり、測定対象材となる長尺の磁性体の一部を飽和漸近磁化範囲まで直流磁化するので、再現性のよい測定結果が得られるし、対象材に渦電流が発生せず、渦電流の影響で測定結果がばらつきやすい撚り線構造の対象材についても適用できる。しかも、磁化区間を短くして、対象材内に生じる反磁界が大きくなるようにしているので、応力による空間磁界の変化を大きく取り出して高感度な張力測定を行うことができる。

また、磁化器２が永久磁石７で対象材を磁化するものであるので、コイルを用いたものに比べて構造が簡単かつ小型で、測定場所の制約も少ない。そして、磁化器２およびその内周に配されるスペーサ３が周方向に２分割されているので、対象材と同時に設置しておく必要がなく、既設部材への取付けや交換も容易に行える。

さらに、磁性体周方向に等間隔で複数配したホール素子４の出力の平均値を空間磁界強度の検出値として用いるようにしているので、磁性体が撚り線構造で、その素線とホール素子４との距離がホール素子４取付位置によって変化する場合でも、それによる測定誤差が少なく測定精度を確保できる。

図５は上述した実施形態の張力測定装置１の使用状態の一例を示す。この使用例では、斜面に設置されるグラウンドアンカーにおいて、斜面Ｇ上にアンカープレート１６を固定するために引張部材として用いられるＰＣストランド（ＰＣ鋼撚り線）１７の張力を計測している。ＰＣストランド１７は、一端側から地中に差し込まれ、他端側の一部が防食用パイプ１８に通された状態でグラウト１９により固定されている。そして、ＰＣストランド１７の他端側端末部に取り付けられた定着具２０が、２段のスペーサ２１、２２を介してアンカープレート１６を斜面Ｇに押し付けて固定しており、張力測定装置１は防食用パイプ１８内でＰＣストランド１７に取り付けられている。

また、図６は実施形態の張力測定装置１の別の使用例を示す。この使用例では、吊橋のハンガーケーブル２３の張力計測を行っている。吊橋は、複数の橋脚２４の間にメインケーブル２５を張り渡し、メインケーブル２５から垂下された多数のハンガーケーブル２３で橋桁２６を吊っており、そのうちの１本のハンガーケーブル２３の長手方向中央付近に張力測定装置１が取り付けられている。

図６の例のように、吊り構造物のケーブルや輸送設備のワイヤロープ等で、外に露出しているものに対しては、既設の状態でいつでも張力測定装置１を取り付けて測定を行うことができる。なお、張力測定装置を測定対象材新設時に設置する場合は、必ずしも磁化器およびその内周に配されるスペーサを周方向に分割しておく必要はなく、これらの部材を対象材の端末から通すようにすればよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、磁化器には、実施形態のような永久磁石を用いることが好ましいが、コイルで直流磁化するようしてもよい。また、磁気センサは、ホール素子に限らず、ホールＩＣ等、磁界強度を検出できるものであればよい。さらに、対象材としては、磁性体で形成されたすべての棒状、単線状、ストランド（単撚り線）状、ロープ（複撚り線）状の要素を含む。

本発明の張力測定装置は、静的な張力測定だけでなく動的な張力測定にも利用できる。例えば、上述したグラウンドアンカーや吊橋においては、ＰＣストランドやケーブルに加わっている張力の経年変化だけでなく、地震発生時等に生じる過渡的な張力変化の測定も可能である。

実施形態の張力測定装置の概略を示す縦断正面図 ａは図1の磁化器の縦断正面図、ｂはａの側面図 図1の測定装置の性能確認実験の説明図 ａ、ｂは、それぞれ図３の性能確認実験の結果を示すグラフ 図1の測定装置の使用例を示す縦断正面図 図1の測定装置の別の使用例を説明する概念図 鋼線材の磁化特性の一例を示すグラフ 図７の鋼線材の応力による磁化の変化を示すグラフ 磁性体の磁化によって生じる磁界の模式図 円柱棒の寸法比と反磁界係数の関係を示すグラフ

符号の説明

１ 張力測定装置
２ 磁化器
３ スペーサ
４ ホール素子
５ 増幅器
６ ヨーク
６ａ、６ｂ ヨーク片
７ 永久磁石
１１ 引張試験機
１２ エポキシストランド
１３ ロードセル
１６ アンカープレート
１７ ＰＣストランド
１８ 防食用パイプ
１９ グラウト
２０ 定着具
２３ ハンガーケーブル
２４ 橋脚
２５ メインケーブル
２６ 橋桁
Ａ 磁性体

Claims (6)

1. 長尺の磁性体の一部を囲むように配され、その磁性体を長手方向に飽和漸近磁化範囲まで直流磁化する筒状の磁化器と、前記磁性体の磁化区間の長手方向中央部の近傍に配され、磁性体表面近傍の空間磁界強度を検出する磁気センサとを備え、前記磁気センサで検出される空間磁界強度に基づいて磁性体に作用する張力を測定するようにした張力測定装置。
2. 前記磁気センサを、前記筒状の磁化器の内周側に配したことを特徴とする請求項１に記載の張力測定装置。
3. 前記磁化器が、前記磁性体の長手方向に間隔をおいて互いに異なる磁極で対向する少なくとも一対の永久磁石を備えたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の張力測定装置。
4. 前記磁化器を周方向に複数に分割したことを特徴とする請求項３に記載の張力測定装置。
5. 前記磁気センサとしてホール素子を用いたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の張力測定装置。
6. 前記磁性体が複数の素線を撚り合わせた撚り線構造となっており、前記磁気センサを磁性体の周方向に複数配し、これらの各磁気センサの出力の平均値を空間磁界強度の検出値として用いるようにしたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の張力測定装置。

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