JP5468626B2

JP5468626B2 - 歪測定装置

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Publication number: JP5468626B2
Application number: JP2012015622A
Authority: JP
Inventors: 田中　　誠; 秀高西田
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-01-27
Also published as: JP2013156074A

Description

本発明は、稼働中の機器や構造物に生じる歪を測定するための歪測定装置に関する。

稼働中の機器や構造物などにおいて、応力を受けやすい部分などの余寿命を診断する方法の一つとして、歪測定法が知られている。従来、歪を測定する装置として、電極型コンデンサの静電容量の変化により歪を測定する静電容量型歪測定装置などが開発されている（引用文献１及び２、並びに非特許文献１参照）。

特開２００７−３１５８５３号公報特開２００７−３１５８５４号公報

REMNANT LIFE MONITORING, APPLICATIONS REPORT, AUTOMATIC SYSTEMS LABORATORIES LTD; JULY 1972, Vol119, No7

本発明は、従来の静電容量型歪測定装置に比べ、より精度の高い歪測定を行うことができる歪測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る歪測定装置は、棒状に形成された第一の電極部と、前記第一の電極部がＸ方向に進退可能であり、かつ、前記Ｘ方向と直交するＹ方向並びに前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向のそれぞれと直交するＺ方向に前記第一の電極部が移動可能な大きさの孔を内側に有する管状の第二の電極部と、前記第一の電極部を支持する第一の絶縁支持体と、前記第二の電極部を支持する第二の絶縁支持体と、前記第一の絶縁支持体及び前記第二の絶縁支持体を測定対象物にそれぞれ取付ける取付部材と、前記第一の電極部と前記第二の電極部の間における前記Ｘ方向、前記Ｙ方向及び前記Ｚ方向の変位を演算するＸＹＺ方向演算部と、を備え、前記第一の電極部が、前記第一の電極部の中心軸を中心に４分割された電極から構成され、かつ、前記第二の電極部が、第二の電極部の中心軸を中心に４分割された電極から構成されており、前記第一の電極部を構成する電極と前記第二の電極部を構成する電極の組が、前記Ｙ方向に二組及び前記Ｚ方向に二組配置され、Ｙ方向に対向する電極同士が静電容量Ｃ１，Ｃ３のコンデンサを形成し、Ｚ方向に対向する電極同士が静電容量Ｃ２，Ｃ４のコンデンサを形成し、前記測定対象物の歪に応じて前記第一の電極部が前記第二の電極部の孔内を移動することにより前記コンデンサの静電容量Ｃ１〜Ｃ４が変化するように構成され、前記ＸＹＺ方向演算部は、前記静電容量Ｃ１からＣ４までの加算値を用いて前記Ｘ方向の変位を演算し、前記静電容量Ｃ１と前記静電容量Ｃ３の差分値を用いて前記Ｙ方向の変位を演算し、前記静電容量Ｃ２と前記静電容量Ｃ４の差分値を用いて前記Ｚ方向の変位を演算することを特徴とする。

本発明によれば、従来の静電容量型歪測定装置に比べ、より精度の高い歪測定を行うことができる歪測定装置を提供することができる。

本発明の一実施形態において、歪測定装置１００の概略構成の一部を示す図である。本発明の一実施形態として説明する電極１０及び電極２０の概略構成を示す図である。本発明の一実施形態において、静電容量測定手法の一例を説明するための図である。本発明の一実施形態において、静電容量測定手法の他の一例を説明するための図である。

以下、本発明の好ましい実施形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。本発明に係る歪測定装置は、稼働中の機器や構造物などにおいて、応力を受けやすい部分などの歪を測定する装置である。

図１は、本発明の一実施形態として説明する歪測定装置１００の概略構成を示す図である。図１に示すように、本発明に係る歪測定装置１００は、２つの電極本体１０，２０、２つの絶縁支持体３０，４０、２つの取付部材５０，６０などを備える。

２つの電極本体１０，２０のうち、一方の電極本体１０は円柱状に、他方の電極本体２０は管状にそれぞれ形成されている。電極本体２０の内径は、電極本体１０の径より大きく構成されており、電極本体２０が有する内側の孔（管内）２５に電極本体１０が挿入可能となっており、また、電極本体２０の管内の断面に対して電極本体１０が上下左右（電極本体１０の中心軸に対して直交する方向）に移動可能となっている。

電極本体１０は、絶縁支持体３０に支持されて、取付部材５０により測定対象物２００の表面に固定される。また、電極本体２０は、絶縁支持体４０に支持されて、取付部材６０により測定対象物２００の表面に固定される。なお、取付部材５０，６０の測定対象物２００への固定は、例えば、電極本体１０の電極の全部または一部が、電極本体２０の内周に設けられた電極の内部、すなわち、電極本体２０の内側の孔２５に挿入された状態で行われる。

絶縁支持体３０，４０は、電気を通しにくい材料から構成されている。その材料としては、例えば、アルミナ、サファイア等のセラミックス材料などを用いることができ、純度が高いセラミックス材料、具体的には、純度９０％以上のセラミックス材料が好ましく、純度９９％以上のセラミックス材料がより好ましく、純度９９．７％以上のセラミックス材料を用いることが特に好ましい。このように、純度の高いセラミックス材料を用いることにより、高温下での、電極本体１０，２０と取付部材５０，６０との間の通電を遮断することが可能となる。

取付部材５０，６０は、例えば、螺子などの固定具により固定されていてもよく、溶接により固定されていてもよい。

以上の構成によれば、測定対象物２００の表面に歪が生じたときに、取付部材５０，６０を介して、電極本体１０，２０を支持する絶縁支持体３０，４０が移動し、これにより電極本体２０に対して電極本体１０が、電極本体２０の内側の孔２５内を、電極本体１０の中心軸方向（電極本体１０の進退方向であるＸ方向）及び／又は電極本体１０の中心軸に対して上下左右（Ｘ方向に対して直交するＹ方向、及び、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれと直交するＺ方向，図２参照）に移動する。

図２に、本発明の一実施形態として説明する電極本体１０及び電極本体２０の概略構成を示す。
電極本体１０は、該電極本体１０の中心軸を中心に同形状で４分割されており、それらの４分割された電極１１，１２，１３，１４は、中心軸に対して上下左右に配置され、それぞれの電極１１，１２，１３，１４が一定間隔で接触しないように配置されている。

電極本体２０も、該電極本体２０の中心軸を中心に同形状で４分割されており、それらの４分割された電極２１，２２，２３，２４は、中心軸に対して上下左右に配置され、それぞれの電極２１，２２，２３，２４が一定間隔で接触しないように配置されている。

電極１１及び電極２１、電極１２及び電極２２、電極１３及び電極２３、並びに、電極１４及び電極２４は、コンデンサをそれぞれ形成し、アンプ１〜４（７１〜７４）にて各コンデンサの各静電容量Ｃ１〜Ｃ４が測定される。

各アンプ７１〜７４において、静電容量を測定する手法としては、例えば、図３に示すように、交流電源３００によってコンデンサ３１０に交流電圧を印加し、流れる電流を電流計３２０により測定して静電容量を算出してもよいし、図４に示すように、コンデンサ３１０及びコイル３３０からなる並列共振回路を構成させ、交流電圧を印加して流れる電流が最小となるような周波数を求めて静電容量を算出してもよい。このように算出された各コンデンサの静電容量Ｃ１〜Ｃ４のデータは、各アンプ７１〜７４からＸＹＺ方向演算部８０に送信される。ＸＹＺ方向演算部８０は、受信した各コンデンサの静電容量Ｃ１〜Ｃ４のデータを用いて、例えば、以下の式によりＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の歪（変位）をそれぞれ求めることができる。ＸＹＺ方向演算部８０は、例えば、パーソナルコンピュータなどである。

４つのコンデンサを構成する電極１１，１２，１３，１４と電極２１，２２，２３，２４の間のそれぞれの距離をｄｉ、電極１１，１２，１３，１４と電極２１，２２，２３，２４がそれぞれ重なりあう面積をＳｉとすると、各コンデンサの静電容量Ｃｉは、Ｃｉ＝ε×Ｓｉ／ｄｉで表され（εは、電極１１，１２，１３，１４と電極２１，２２，２３，２４との間の誘電体の誘電率を表す。）、また、４つのどのコンデンサもＳｉが変位量に比例して増減するので、Ｘ方向の変位は、以下の式：
Ｘ方向の変位＝Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４
で表される。

また、変位前の電極１１，１３と電極２１，２３とのＹ方向の距離をそれぞれｄ１，ｄ３とし、Ｙ方向の変位による、電極１１，１３と電極２１，２３とのＹ方向のそれぞれの変位量（移動量）をΔｄとした場合の各コンデンサの静電容量Ｃ１〜Ｃ４は、
Ｃ１＝ε×Ｓ１／（ｄ１−Δｄ）
Ｃ２＝０
Ｃ３＝ε×Ｓ３／（ｄ３＋Δｄ）
Ｃ４＝０
と表されるので、Ｙ方向の変位は、以下の式：
Ｙ方向の変位＝Ｃ１−Ｃ３
で表される。

さらに、変位前の電極１２，１４と電極２２，２４とのＺ方向の距離をそれぞれｄ２，ｄ４とし、Ｚ方向の変位による、電極１２，１４と電極２２，２４とのＺ方向のそれぞれの変位量（移動量）をΔｄとした場合の各コンデンサの静電容量Ｃ１〜Ｃ４は、
Ｃ１＝０
Ｃ２＝ε×Ｓ２／（ｄ２−Δｄ）
Ｃ３＝０
Ｃ４＝ε×Ｓ４／（ｄ４＋Δｄ）
と表されるので、Ｚ方向の変位は、以下の式：
Ｚ方向の変位＝Ｃ２−Ｃ４
で表される。

以上の構成によれば、４つのコンデンサを形成し、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の歪（変位）をそれぞれ同時に求めることができるので、稼働中の機器や構造物などにおいて応力を受けやすい部分などに対して、より精度の高い歪測定を行うことが可能となる。

なお、本発明に係る歪測定装置１００を、例えば、火力発電所等に利用される高温材料、例えば、ボイラやタービンあるいはそれらの配管などの、高温下に曝される部分の歪を測定するために用いる場合には、電極（１１〜１４，２１〜２４）の材料として、高温下で使用しても酸化しない金属材料を用いることが好ましい。ここで「酸化しない」とは、例えば、５００℃以上の高温下であっても金属の内部まで酸化が進行しないことを意味する。

このように電極（１１〜１４，２１〜２４）を高温下で使用しても酸化しない金属材料によって構成すれば、高温度下で長時間使用しても電極（１１〜１４，２１〜２４）の性状変化が少なくなるので、酸化による電極表面の誘電率の変化による影響を受けにくくなり、従って、測定誤差を小さくすることができる。

５００℃以上の高温下で酸化しない金属材料としては、例えば、ニッケル基合金、クロム基合金、コバルト基合金や、Ｃｒを９％以上含有するＳＵＨ２１，ＳＵＨ４０９，ＳＵＨ４０９Ｌ，ＳＵＨ４４６，ＳＵＳ４０５，ＳＵＳ４１０Ｌ，ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４３０ＪＩＬ，ＳＵＳ４３６ＪＩＬ，ＳＵＨ１，ＳＵＨ３，ＳＵＨ４，ＳＵＨ１１，ＳＵＨ６００，ＳＵＨ６１６，ＳＵＳ４０３，ＳＵＳ４１０，ＳＵＳ４１０ＪＩ，ＳＵＳ４３１，ＳＵＨ３１，ＳＵＨ３５，ＳＵＨ３６，ＳＵＨ３７，ＳＵＨ３８，ＳＵＨ３０９，ＳＵＨ３１０，ＳＵＨ３３０，ＳＵＨ６６０，ＳＵＨ６６１，ＳＵＳ３０２Ｂ，ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３０９Ｓ，ＳＵＳ３１０Ｓ，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３１６Ｔｉ，ＳＵＳ３１７，ＳＵＳ３２１，ＳＵＳ３４７，ＳＵＳＸＭ１４ＪＩ，ＳＵＳ６３０，ＳＵＳ６３１などの耐熱鋼を用いることができる。

なお、本実施の形態においては、電極本体２０を管状に形成し、電極２０の内側に貫通した孔２５を設けることとしているが、電極本体２０の内側の孔２５に電極本体１０が所定距離だけ挿入できれば、孔の一方端を絶縁体などによって塞いでもよい。

また、本実施の形態においては、電極本体１０及び電極本体２０を、該電極本体１０，２０の中心軸を中心に同形状で４分割した４つの電極（１１〜１４，２１〜２４）を備えることとしているが、一方の電極本体のみを該電極本体の中心軸を中心に同形状で４分割し、もう一方の電極本体が１つの電極から構成されるようにしてもよい。この場合には、４つの電極（１１〜１４，２１〜２４）と他方の電極本体２０，１０とで４つのコンデンサが形成されるので、スイッチの切り換えなどによって各コンデンサの静電容量を時分割で測定することができ、もってＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の歪（変位）をそれぞれ求めることができるようになる。従って、稼働中の機器や構造物などにおいて応力を受けやすい部分などに対して、より精度の高い歪測定を行うことが可能となる。

さらに、本実施の形態においては、電極本体１０は円柱状に形成されるとしているが、電極本体１０の断面は、円形であっても楕円形であってもよく、また、電極本体１０は、管状（例えば、断面の外形形状が円形、楕円形などの管状）であっても、角管状（例えば、断面の外形形状が正方形、長方形などの角管状）であっても、角柱状（例えば、断面形状が正方形、長方形などの角柱状）であってもよい。電極本体１０の断面形状あるいは断面の外形形状が楕円形、長方形である場合には、電極本体１０において、上下に配置される電極１１と電極１３が同じ形状をし、左右に配置される電極１２と電極１４が同じ形状をし、電極１１，１３と電極１２，１４の形状は異なる。

また、本実施の形態において、電極本体２０は管状に形成されるとしているが、電極本体２０の内側の孔の断面形状は、円形であっても楕円形であってもよく、また、電極本体２０は、角管状（例えば、内側の孔の断面形状が正方形、長方形などの角管状）であってもよい。電極本体２０の内側の孔の断面形状が楕円形、長方形である場合には、電極本体２０において、上下に配置される電極２１と電極２３が同じ形状をし、左右に配置される電極２２と電極２４が同じ形状をし、電極２１，２３と電極２２，２４の形状は異なる。なお、電極本体１０の断面の外形形状と電極本体２０の内側の孔の断面形状は相似形であることが好ましい。

１０電極本体，１１〜１４電極，２０電極本体，２１〜２４電極，２５孔，３０絶縁支持体，４０絶縁支持体，５０取付部材，６０取付部材，７１〜７４アンプ１〜４，８０ＸＹＺ方向演算部，１００歪測定装置，２００測定対象物，３００交流電源，３１０コンデンサ，３２０電流計，３３０コイル

Claims

棒状に形成された第一の電極部と、
前記第一の電極部がＸ方向に進退可能であり、かつ、前記Ｘ方向と直交するＹ方向並びに前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向のそれぞれと直交するＺ方向に前記第一の電極部が移動可能な大きさの孔を内側に有する管状の第二の電極部と、
前記第一の電極部を支持する第一の絶縁支持体と、
前記第二の電極部を支持する第二の絶縁支持体と、
前記第一の絶縁支持体及び前記第二の絶縁支持体を測定対象物にそれぞれ取付ける取付部材と、
前記第一の電極部と前記第二の電極部の間における前記Ｘ方向、前記Ｙ方向及び前記Ｚ方向の変位を演算するＸＹＺ方向演算部と、を備え、
前記第一の電極部が、前記第一の電極部の中心軸を中心に４分割された電極から構成され、かつ、前記第二の電極部が、第二の電極部の中心軸を中心に４分割された電極から構成されており、
前記第一の電極部を構成する電極と前記第二の電極部を構成する電極の組が、前記Ｙ方向に二組及び前記Ｚ方向に二組配置され、Ｙ方向に対向する電極同士が静電容量Ｃ１，Ｃ３のコンデンサを形成し、Ｚ方向に対向する電極同士が静電容量Ｃ２，Ｃ４のコンデンサを形成し、
前記測定対象物の歪に応じて前記第一の電極部が前記第二の電極部の孔内を移動することにより前記コンデンサの静電容量Ｃ１〜Ｃ４が変化するように構成され、
前記ＸＹＺ方向演算部は、
前記静電容量Ｃ１からＣ４までの加算値を用いて前記Ｘ方向の変位を演算し、
前記静電容量Ｃ１と前記静電容量Ｃ３の差分値を用いて前記Ｙ方向の変位を演算し、
前記静電容量Ｃ２と前記静電容量Ｃ４の差分値を用いて前記Ｚ方向の変位を演算することを特徴とする歪測定装置。