JP5873453B2 - Leak detector - Google Patents
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Description
この発明は、漏洩検出器に関し、特に、水道管、建物配管、工場内配管などからなる各種配管において、精度よく流体漏洩を検出する検出器に関する。 The present invention relates to a leak detector, and more particularly to a detector that accurately detects a fluid leak in various pipes including water pipes, building pipes, factory pipes, and the like.
従来より、漏水による水道管の振動をセンサーで検知することが一般になされている。例えば、特許文献１においては圧電素子を内蔵した検出部と剛性材料からなる台座部をゴム材料で連結した漏洩検出器が開示されている。これによれば、合成樹脂管に伝わる低周波振動を共振により増幅させることができるとされている。また、水道管路における消火栓等に２個の検出器を設置し、得られた相関波形を解析することで漏水箇所を特定できるとされている。 Conventionally, vibration of a water pipe due to water leakage is generally detected by a sensor. For example, Patent Document 1 discloses a leak detector in which a detection unit incorporating a piezoelectric element and a pedestal unit made of a rigid material are connected by a rubber material. According to this, it is said that the low frequency vibration transmitted to the synthetic resin tube can be amplified by resonance. In addition, it is said that a leak point can be identified by installing two detectors on a fire hydrant in a water pipe and analyzing the obtained correlation waveform.
上記特許文献１の漏洩検出器では、合成樹脂管における微小な振動音に対する感度が充分でなく、消火栓等に設置する検出器の設置スパンが短いために、広域の漏水調査を行おうとすると労力が大きいという問題があった。 In the leak detector of the above-mentioned Patent Document 1, the sensitivity to minute vibration sound in the synthetic resin pipe is not sufficient, and the installation span of the detector installed in a fire hydrant or the like is short. There was a problem of being big.
この発明の目的は、合成樹脂管の漏水による振動音に対して感度が高く、設置スパンを長くとれるため、より効率的な合成樹脂管の流体漏洩調査が可能となる漏洩検出器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a leakage detector that is highly sensitive to vibration noise caused by water leakage from a synthetic resin pipe and can take a longer installation span, and thus can more efficiently investigate the leakage of synthetic resin pipe fluid. It is in.
この発明による漏洩検出器は、配管からの流体漏洩によって生じる振動音を検知する漏洩検出器であって、台座と、前記台座に支持されて振動音を電気信号に変換する圧電素子と、前記圧電素子の両面に構成された上下１対の薄膜電極と、前記薄膜電極の上に積載され前記圧電素子に負荷された錘とを備えており、前記圧電素子がポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムもしくは多孔性のポリプロピレン延伸フィルムによって形成され、前記薄膜電極は、銀含有塗膜層からなり、前記錘は、前記圧電素子の前記台座に支持されていない部分に負荷されており、前記圧電素子の形状は、長さがこれに直交する幅に比べて長い長方形状とされており、前記台座上に支柱が設けられて、前記圧電素子の長さ方向の一方の端部が前記支柱に支持されており、前記圧電素子の長さ方向の他方の端部に前記錘が負荷されていることを特徴とするものである。 A leak detector according to the present invention is a leak detector that detects vibration sound generated by fluid leakage from a pipe, and includes a pedestal, a piezoelectric element that is supported by the pedestal and converts vibration sound into an electrical signal, and the piezoelectric element. A pair of upper and lower thin film electrodes formed on both sides of the element, and a weight loaded on the thin film electrode and loaded on the piezoelectric element, the piezoelectric element being a stretched film or porous film of polyvinylidene fluoride The thin film electrode is formed of a silver-containing coating layer, the weight is loaded on a portion of the piezoelectric element that is not supported by the pedestal, and the shape of the piezoelectric element is: The length is a rectangular shape that is longer than the width orthogonal to this, a support is provided on the pedestal, and one end in the length direction of the piezoelectric element is supported by the support. And it is characterized in that the are the weight load on the other longitudinal end of the piezoelectric element.
従来、この種の検出器に用いられる圧電材料は、チタン酸バリウムやジルコン酸チタン酸鉛などの圧電性セラミックが一般的であった。この発明の漏洩検出器によると、圧電素子が高分子圧電材料によって形成されているものとされ、これにより、圧電素子の弾性定数が低くなり、圧電素子に錘を負荷した系の共振周波数も低くなる。したがって、合成樹脂管の流体漏洩による振動音に対して感度が高くなり、設置スパンを長くとれるため、より効率的な合成樹脂管の漏水調査が可能となる。 Conventionally, piezoelectric ceramics such as barium titanate and lead zirconate titanate have been commonly used for this type of detector. According to the leak detector of the present invention, the piezoelectric element is made of a polymer piezoelectric material, which lowers the elastic constant of the piezoelectric element and lowers the resonance frequency of a system in which a weight is loaded on the piezoelectric element. Become. Accordingly, the sensitivity to vibration sound due to fluid leakage of the synthetic resin pipe is increased, and the installation span can be increased, so that a more efficient investigation of the leakage of the synthetic resin pipe is possible.
圧電素子に錘を負荷した系の共振周波数について説明する。 The resonance frequency of a system in which a weight is loaded on the piezoelectric element will be described.
バネ定数ｋ（Ｎ／ｍ）のバネの片端を固定し、片端に質量Ｍ（ｋｇ）の錘をつけたときの共振周波数ｆｏはｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２πで表せる。 The resonance frequency fo when one end of a spring having a spring constant k (N / m) is fixed and a weight of mass M (kg) is attached to one end can be expressed as fo = √ (k / M) / 2π.
ここで、圧電素子をバネと見なすことができる。バネ定数のｋは圧電素子の弾性定数をＥとすると、ｋ＝Ｅ・Ａ／ｔで表すことができる（Ａは圧電素子の断面積（ｍ２）、ｔは圧電素子の厚み（ｍ）を表す。）。ポリフッ化ビニリデン（高分子圧電材料）の弾性定数Ｅは２〜５×１０９（Ｎ／ｍ２）である。それに対し、ジルコン酸チタン酸鉛（セラミック圧電材料）の弾性定数は、２〜１０×１０１０（Ｎ／ｍ２）であり、一桁大きい。このため、セラミック系の圧電素子を使った振動センサーは高い共振周波数に設計しやすく、共振周波数を数ｋＨｚとされることが多い。共振周波数を低くしようとすると錘を減らす必要があるが、そうすると圧電素子にかかる応力が小さくなり、大きな出力が得られない。特許文献１のように、ゴム材料を用いて共振周波数を低周波にシフトさせることも可能であるが、ゴム材料によって振動が減衰するために、圧電素子に効率よく振動を伝達することが出来ない。本発明による漏洩検出器では、高分子圧電材料から圧電素子が構成されることで、圧電材料自体の弾性定数を低くし、低い共振周波数にしている。高分子圧電材料には銀やニッケル銅などの電極が必要に応じて取り付けられる。 Here, the piezoelectric element can be regarded as a spring. The spring constant k can be expressed as k = E · A / t, where E is the elastic constant of the piezoelectric element (A is the cross-sectional area (m 2 ) of the piezoelectric element, and t is the thickness (m) of the piezoelectric element. Represents.) The elastic constant E of polyvinylidene fluoride (polymer piezoelectric material) is 2 to 5 × 10 9 (N / m 2 ). On the other hand, the elastic constant of lead zirconate titanate (ceramic piezoelectric material) is 2 to 10 × 10 10 (N / m 2 ), which is an order of magnitude larger. For this reason, a vibration sensor using a ceramic piezoelectric element is easily designed to have a high resonance frequency, and the resonance frequency is often set to several kHz. In order to lower the resonance frequency, it is necessary to reduce the weight, but in this case, the stress applied to the piezoelectric element is reduced, and a large output cannot be obtained. As in Patent Document 1, it is possible to shift the resonance frequency to a low frequency using a rubber material. However, since the vibration is attenuated by the rubber material, the vibration cannot be efficiently transmitted to the piezoelectric element. . In the leak detector according to the present invention, the piezoelectric element is made of a polymer piezoelectric material, so that the elastic constant of the piezoelectric material itself is lowered and the resonance frequency is lowered. Electrodes such as silver and nickel copper are attached to the polymer piezoelectric material as necessary.
高分子圧電材料の圧電素子は、セラミック系の圧電素子と比較して圧電出力定数が高い。例えば、ポリフッ化ビニリデンの圧電出力定数ｇ３３が３００×１０−３（Ｖｍ／Ｎ）程度であることに対し、ジルコン酸チタン酸鉛の圧電出力定数ｇ３３は２０×１０−３（Ｖｍ／Ｎ）程度である。これは、高分子圧電材料の方が一定の力Ｆをかけた時に出力電圧Ｖが高いことを示している。 A piezoelectric element made of a polymer piezoelectric material has a higher piezoelectric output constant than a ceramic piezoelectric element. For example, the piezoelectric output constant g 33 of polyvinylidene fluoride is about 300 × 10 −3 (Vm / N), whereas the piezoelectric output constant g 33 of lead zirconate titanate is 20 × 10 −3 (Vm / N). ) This indicates that the polymer piezoelectric material has a higher output voltage V when a constant force F is applied.
Ｖ＝Ｆ・ｇ３３・ｔ／Ａ
Ｖ：出力電圧 ｇ３３：圧電出力定数 Ｆ：圧電材料にかかる力 ｔ：厚み Ａ：断面積。
V = F · g 33 · t / A
V: output voltage g 33 : piezoelectric output constant F: force applied to the piezoelectric material t: thickness A: cross-sectional area.
本発明における高分子圧電材料は特に限定されないが、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムや多孔性のポリプロピレン延伸フィルムなどが挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデンは耐久性が高く、好適である。また、圧電材料は複数積層するなどしてさらに感度を高めることができる。圧電フィルムの上に錘を負荷して厚み方向の変形を与えることで電位差を発生させることができる。なお、フィルムの厚みは、特に限定されるものではなく、「シート」と称されている厚みのものであってもよい。 The polymeric piezoelectric material in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a stretched film of polyvinylidene fluoride and a stretched porous polypropylene film. Among these, polyvinylidene fluoride has high durability and is preferable. Further, the sensitivity can be further increased by laminating a plurality of piezoelectric materials. A potential difference can be generated by loading a weight on the piezoelectric film and applying deformation in the thickness direction. The thickness of the film is not particularly limited, and may be a thickness called “sheet”.
圧電素子は、その一部のみが台座に支持されており、錘は、圧電素子の台座に支持されていない部分に負荷されていることが好ましい。 It is preferable that only a part of the piezoelectric element is supported by the pedestal, and the weight is loaded on a portion of the piezoelectric element that is not supported by the pedestal.
例えば、フィルムの片端ないしは両端を支持し、フィルムに曲げ変形を加えることによって電位差を発生させると、バネ定数を小さくでき、共振周波数をより低くできるという点で好ましいものとなる。 For example, if one end or both ends of the film are supported and a potential difference is generated by applying bending deformation to the film, the spring constant can be reduced and the resonance frequency can be further reduced.
圧電素子の片端を支持する場合、バネ定数kは下記のように表される。 When supporting one end of the piezoelectric element, the spring constant k is expressed as follows.
ｋ＝３ＥＪ／Ｌ３ （Ｊ＝ｂｈ３／１２）
Ｅ：圧電材料の弾性定数 Ｊ：断面２次モーメント Ｌ：長さ ｂ：幅 ｈ：高さ。
k = 3EJ / L 3 (J =
E: Elastic constant of piezoelectric material J: Secondary moment of section L: Length b: Width h: Height
圧電素子の片端を支持する構成は、例えば、台座上に圧電素子の一方の端部を支持する支柱が設けられて、圧電素子の一方の端部が支柱に支持されており、圧電素子の他方の端部に錘が負荷されているものとされる。 The structure for supporting one end of the piezoelectric element is, for example, a support that supports one end of the piezoelectric element is provided on a pedestal, and one end of the piezoelectric element is supported by the support, and the other end of the piezoelectric element is supported. It is assumed that a weight is loaded at the end of the.
圧電素子の両端を支持する場合、バネ定数kは下記のように表される。 When supporting both ends of the piezoelectric element, the spring constant k is expressed as follows.
ｋ＝１９２ＥＪ／Ｌ３（Ｊ＝ｂｈ３／１２）
圧電素子の両端を支持する構成は、例えば、台座上に圧電素子の両方の端部を支持する支柱が設けられて、圧電素子の各端部が対応する各支柱に支持されており、圧電素子の中央部に錘が負荷されているものとされる。
k = 192EJ / L 3 (J =
The structure that supports both ends of the piezoelectric element is, for example, a support that supports both ends of the piezoelectric element is provided on a pedestal, and each end of the piezoelectric element is supported by the corresponding support, and the piezoelectric element It is assumed that a weight is loaded at the center of the.
圧電素子の片端または両端を支持し、上記のバネ定数算出式と上記の共振周波数の算出式とにより、所望の共振周波数に検出器を設定することができる。 One end or both ends of the piezoelectric element are supported, and the detector can be set at a desired resonance frequency by the above spring constant calculation formula and the above resonance frequency calculation formula.
圧電素子に錘を負荷した系の共振周波数は、１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚ（より好ましくは、１０Ｈｚ〜２００Ｈｚ）の間に設定されていることが好ましい。圧電素子は、その一部のみが台座に支持されており、錘は、圧電素子の台座に支持されていない部分に負荷されているようにすることで、共振周波数を１０００Ｈｚ以下〜２００Ｈｚ以下とすることが容易となる。このように設定することで、この発明の漏洩検出器を上記のような合成樹脂管の流体漏洩調査に好適なものとできる。 The resonance frequency of a system in which a weight is loaded on the piezoelectric element is preferably set between 10 Hz and 1000 Hz (more preferably between 10 Hz and 200 Hz). Only a part of the piezoelectric element is supported by the pedestal, and the weight is loaded on a portion of the piezoelectric element that is not supported by the pedestal, so that the resonance frequency is 1000 Hz or less to 200 Hz or less. It becomes easy. By setting in this way, the leak detector of the present invention can be suitable for the fluid leak investigation of the synthetic resin pipe as described above.
この発明の漏洩検出器によると、圧電素子が高分子圧電材料によって形成されているので、圧電素子の弾性定数が低くなり、圧電素子に錘を負荷した系の共振周波数も低くなる。したがって、合成樹脂管の流体漏洩による振動音に対して感度が高くなり、設置スパンを長くとれるため、より効率的な合成樹脂管の流体漏洩調査が可能となる。 According to the leak detector of the present invention, since the piezoelectric element is made of a polymer piezoelectric material, the elastic constant of the piezoelectric element is lowered, and the resonance frequency of a system in which a weight is loaded on the piezoelectric element is also lowered. Therefore, the sensitivity to vibration sound caused by the fluid leakage of the synthetic resin pipe is increased and the installation span can be increased, so that a more efficient investigation of the fluid leakage of the synthetic resin pipe becomes possible.
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１は、この発明による漏洩検出器が使用される一例としての配管の監視装置を示している。 FIG. 1 shows a pipe monitoring apparatus as an example in which a leak detector according to the present invention is used.
配管の監視装置(1)は、複数の合成樹脂管(3)および複数の合成樹脂継手(4)(5)で構成された配管（図示は水道管路網）(2)と、各継手(4)(5)に設けられた漏洩検出器(6)と、各検出器(6)にそれぞれ接続された無線通信機(7)と、各無線通信機(7)から送られてくる情報を受け取って表示する表示装置(8)とを備えている。 The piping monitoring device (1) is composed of a plurality of synthetic resin pipes (3) and a plurality of synthetic resin joints (4) and (5) (illustrated water pipe network) (2) and each joint ( 4) Leakage detector (6) provided in (5), wireless communication device (7) connected to each detector (6), and information sent from each wireless communication device (7) And a display device (8) for receiving and displaying.
検出器(6)は、図２に示すように、鉄製の台座(11)と、台座(11)上に設置された圧電素子(12)と、圧電素子(12)の両面に銀ペーストを塗布して形成した（すなわち、銀含有塗膜層からなる）上下１対の薄膜電極(13)(14)と、上側の薄膜電極(13)の上に積載された錘(15)とを備えている。台座(11)と錘(15)にはそれぞれ、リード線(16)(17)が取り付けられている。リード線(16)(17)に、表示装置(8)としてのオシロスコープやデータロガー等が接続され、これにより、台座(11)と錘(15)との間の電位差が測定されて表示装置(8)に記録される。
As shown in FIG. 2, the detector (6) has an iron base (11), a piezoelectric element (12) placed on the base (11), and a silver paste applied to both sides of the piezoelectric element (12). And a pair of upper and lower thin film electrodes (13) (14) formed of a silver-containing coating layer, and a weight (15) mounted on the upper thin film electrode (13). Yes. Lead wires (16) and (17) are attached to the base (11) and the weight (15), respectively. An oscilloscope, a data logger, or the like as a display device (8) is connected to the lead wires (16) (17), thereby measuring the potential difference between the pedestal (11) and the weight (15) to display the display device ( Recorded in 8).
圧電素子(12)は、高分子圧電材料であるポリフッ化ビニリデンの延伸フィルム（ＰＶＤＦフィルム）によって形成されている。圧電素子(12)と錘(15)からなる系の共振周波数ｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２π（ｋは圧電素子のバネ定数、Ｍは錘の質量）は、１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚに設定されている。 The piezoelectric element (12) is formed of a stretched film (PVDF film) of polyvinylidene fluoride which is a polymer piezoelectric material. The resonance frequency fo = √ (k / M) / 2π (k is the spring constant of the piezoelectric element and M is the mass of the weight) of the system composed of the piezoelectric element (12) and the weight (15) is set to 10 Hz to 1000 Hz. Yes.
配管(2)内で漏水が発生すると、合成樹脂管(3)および合成樹脂継手(4)(5)には、振動音が生じる。これに伴って、合成樹脂継手(4)(5)に貼り付けられた検出器(6)の圧電素子(12)に付与される圧力が変動し、圧電素子(12)において、圧力変動が電荷信号に変換される。 When water leaks in the pipe (2), vibration noise is generated in the synthetic resin pipe (3) and the synthetic resin joints (4) and (5). Along with this, the pressure applied to the piezoelectric element (12) of the detector (6) attached to the synthetic resin joint (4) (5) fluctuates, and in the piezoelectric element (12), the pressure fluctuation is charged. Converted to a signal.
実験的に口径７５ｍｍのポリ塩化ビニル製の配管(2)に台座(11)を固定し、そこから１０ｍ離れた地点においてポリ塩化ビニル製の合成樹脂管(3)を一定の力でハンマーを用いて叩いた。その時の波形（漏水音）の周波数スペクトルを図１１に示す。１０００Ｈｚより低周波数側の周波数帯域において大きな信号が記録された。 Experimentally, a base (11) is fixed to a polyvinyl chloride pipe (2) with a diameter of 75 mm, and a synthetic resin pipe (3) made of polyvinyl chloride is used with a constant force at a point 10 m away from it. I hit it. The frequency spectrum of the waveform (leakage sound) at that time is shown in FIG. A large signal was recorded in a frequency band lower than 1000 Hz.
比較として、圧電材料をジルコン酸チタン酸鉛とした場合の波形（漏水音）の周波数スペクトルを図１２に示す。図１２においては、図１１で得られている合成樹脂管(3)の特徴的な振動である低周波領域の信号がほとんど拾えていないことが分かる。 As a comparison, FIG. 12 shows a frequency spectrum of a waveform (water leakage sound) when the piezoelectric material is lead zirconate titanate. In FIG. 12, it can be seen that almost no signals in the low frequency region, which are characteristic vibrations of the synthetic resin pipe (3) obtained in FIG. 11, are picked up.
すなわち、図２に示した漏洩検出器(6)によると、従来困難であったポリ塩化ビニル製のような合成樹脂管(3)の漏水による振動音に対して感度が高くなる。したがって、検出器(6)の設置スパンを長くとれるため、効率的な合成樹脂管(3)の漏水調査が可能となる。 That is, according to the leak detector (6) shown in FIG. 2, the sensitivity becomes high with respect to the vibration sound caused by the leak of the synthetic resin pipe (3) made of polyvinyl chloride, which has been difficult in the past. Therefore, since the installation span of the detector (6) can be made long, an efficient water leakage investigation of the synthetic resin pipe (3) becomes possible.
図２において、圧電素子(12)は、全面が台座(11)に支持されているが、支持する方法はこれに限られるものではなく、以下に示すような実施形態とすることもできる。 In FIG. 2, the entire surface of the piezoelectric element (12) is supported by the pedestal (11), but the method of supporting is not limited to this, and the following embodiments may be adopted.
漏洩検出器(6)の第２実施形態は、図３に示すように、鉄製の台座(21)と、台座(21)上に設置された圧電素子(22)と、下端部が台座(21)に固定されて上端部で圧電素子(22)を支持する支柱(23)と、圧電素子(22)の両面に銀ペーストを塗布して形成した上下１対の薄膜電極(24)(25)と、上側の薄膜電極(24)の上に積載された錘(26)とを備えている。支柱(23)と上側および下側の薄膜電極(24)(25)との間は絶縁されており、各薄膜電極(24)(25)にリード線(27)(28)が取り付けられている。リード線(27)(28)に、表示装置(8)としてのオシロスコープやデータロガー等が接続され、これにより、上側の薄膜電極(24)と下側の薄膜電極(25)との間の電位差が測定されて表示装置(8)に記録される。 As shown in FIG. 3, the second embodiment of the leak detector (6) includes an iron pedestal (21), a piezoelectric element (22) installed on the pedestal (21), and a lower end portion of the pedestal (21 ) And a pair of upper and lower thin film electrodes (24), (25) formed by applying silver paste on both sides of the piezoelectric element (22). And a weight (26) mounted on the upper thin film electrode (24). The column (23) is insulated from the upper and lower thin film electrodes (24) (25), and lead wires (27) (28) are attached to the thin film electrodes (24) (25). . An oscilloscope or a data logger as a display device (8) is connected to the lead wires (27) and (28), so that the potential difference between the upper thin film electrode (24) and the lower thin film electrode (25) Is measured and recorded on the display device (8).
この実施形態では、支柱(23)による圧電素子(22)の支持は、片持ち支持とされており、圧電素子(22)の一方の端部が支柱(23)の上端部に支持されており、錘(26)は、圧電素子(22)の他方の端部に積載されている。 In this embodiment, the support of the piezoelectric element (22) by the support (23) is cantilevered, and one end of the piezoelectric element (22) is supported by the upper end of the support (23). The weight (26) is stacked on the other end of the piezoelectric element (22).
圧電素子(22)は、高分子圧電材料であるポリフッ化ビニリデンの延伸フィルム（ＰＶＤＦフィルム）によって形成されている。圧電素子(22)の片端が支持されていることで、バネ定数kは下記のように表される。 The piezoelectric element (22) is formed of a stretched film (PVDF film) of polyvinylidene fluoride which is a polymer piezoelectric material. Since one end of the piezoelectric element (22) is supported, the spring constant k is expressed as follows.
ｋ＝３ＥＪ／Ｌ３ （Ｊ＝ｂｈ３／１２）
Ｅ：圧電材料の弾性定数 Ｊ：断面２次モーメント Ｌ：長さ（図３の左右方向の寸法） ｂ：幅（図３の紙面表裏方向の寸法） ｈ：高さ（図３の上下方向の寸法）
圧電素子(22)と錘(26)からなる系の共振周波数ｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２πは、１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚに設定されている。
k = 3EJ / L 3 (J =
E: Elastic constant of the piezoelectric material J: Secondary moment of section L: Length (dimension in the horizontal direction in FIG. 3) b: Width (dimension in the front and back direction in FIG. 3) h: Height (vertical direction in FIG. 3) Size)
The resonance frequency fo = √ (k / M) / 2π of the system composed of the piezoelectric element (22) and the weight (26) is set to 10 Hz to 1000 Hz.
この実施形態においても、リード線(27)(28)より電位差を測定することで、図１１に示したのと同じように、合成樹脂管(3)の特徴的な振動である低周波領域の信号を計測することができた。 Also in this embodiment, by measuring the potential difference from the lead wires (27) and (28), as shown in FIG. 11, the low frequency region which is characteristic vibration of the synthetic resin tube (3) is obtained. The signal could be measured.
上記では一つの支柱に対して圧電素子を一つ固定した例を示したが、これに限定されず、一つの支柱に対して複数の圧電素子を固定し、それに応じた錘を備えるようにすることで、片持ち梁が複数個ある構成とすることもできる。 In the above, an example in which one piezoelectric element is fixed to one support column is shown, but the present invention is not limited to this, and a plurality of piezoelectric elements are fixed to one support column and a weight corresponding thereto is provided. Thus, a configuration having a plurality of cantilever beams can be used.
漏洩検出器(6)の第３実施形態は、図４に示すように、鉄製の台座(31)と、台座(31)上に設置された圧電素子(32)と、下端部が台座(31)に支持されて上端部で圧電素子(32)を支持する１対の支柱(33)(34)と、圧電素子(32)の両面に銀ペーストを塗布して形成した上下１対の薄膜電極(35)(36)と、上側の薄膜電極(35)の上に積載された錘(37)とを備えている。各支柱(33)(34)と上側および下側の薄膜電極(35)(36)との間は絶縁されており、各薄膜電極(35)(36)にリード線(38)(39)が取り付けられている。リード線(38)(39)に、表示装置(8)としてのオシロスコープやデータロガー等が接続され、これにより、上下１対の薄膜電極(35)(36)間の電位差が測定されて表示装置(8)に記録される。 As shown in FIG. 4, the third embodiment of the leak detector (6) includes an iron pedestal (31), a piezoelectric element (32) installed on the pedestal (31), and a lower end portion of the pedestal (31 ) And a pair of upper and lower thin film electrodes formed by applying silver paste on both sides of the piezoelectric element (32), and supporting the piezoelectric element (32) at the upper end. (35) (36) and a weight (37) mounted on the upper thin film electrode (35). Each column (33) (34) is insulated from the upper and lower thin film electrodes (35) (36), and lead wires (38) (39) are connected to the respective thin film electrodes (35) (36). It is attached. An oscilloscope, a data logger, or the like as a display device (8) is connected to the lead wires (38) and (39), thereby measuring a potential difference between the pair of upper and lower thin film electrodes (35) and (36). Recorded in (8).
この実施形態では、支柱(33)(34)による圧電素子(32)の支持は、両持ち支持とされており、圧電素子(32)の両方の端部が支柱(33)(34)の上端部に支持されており、錘(37)は、圧電素子(32)の中央部に積載されている。 In this embodiment, the support of the piezoelectric element (32) by the support pillars (33) and (34) is a both-end support, and both ends of the piezoelectric element (32) are the upper ends of the support pillars (33) and (34). The weight (37) is mounted on the central portion of the piezoelectric element (32).
圧電素子(32)は、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルム（ＰＶＤＦフィルム）によって形成されている。圧電素子(32)の両端が支持されていることで、バネ定数kは下記のように表される。 The piezoelectric element (32) is formed of a stretched film (PVDF film) of polyvinylidene fluoride. Since both ends of the piezoelectric element (32) are supported, the spring constant k is expressed as follows.
ｋ＝１９２ＥＪ／Ｌ３（Ｊ＝ｂｈ３／１２）
Ｅ：圧電材料の弾性定数 Ｊ：断面２次モーメント Ｌ：長さ（図４の左右方向の寸法） ｂ：幅（図４の紙面表裏方向の寸法） ｈ：高さ（図４の上下方向の寸法）
圧電素子(32)と錘(37)からなる系の共振周波数ｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２πは、１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚに設定されている。
k = 192EJ / L 3 (J =
E: Elastic constant of the piezoelectric material J: Secondary moment of section L: Length (dimension in the horizontal direction in FIG. 4) b: Width (dimension in the front and back direction in FIG. 4) h: Height (vertical direction in FIG. 4) Size)
The resonance frequency fo = √ (k / M) / 2π of the system composed of the piezoelectric element (32) and the weight (37) is set to 10 Hz to 1000 Hz.
この実施形態においても、リード線(38)(39)より電位差を測定することで、図１１に示したのと同じように、合成樹脂管(3)の特徴的な振動である低周波領域の信号を計測することができた。 Also in this embodiment, by measuring the potential difference from the lead wires (38) and (39), as shown in FIG. 11, in the low frequency region which is characteristic vibration of the synthetic resin tube (3). The signal could be measured.
上記第３実施形態の漏洩検出器(6)における圧電素子(32)および薄膜電極(35)(36)の形状は、特に限定されないが、図５に示すように支柱(33)(34)間の距離に対応する長さがこれに直交する幅に比べて長い長方形状とすることで、曲げ変形量を大きいものとすることができる。共振周波数を小さくしたい場合には、より細長い長方形状とすることで対応できる。図５には、第３実施形態に対応する図を示しているが、図３に示す第２実施形態の漏洩検出器(6)における圧電素子(22)および薄膜電極(24)(25)の形状についても、同様である。 The shapes of the piezoelectric element (32) and the thin film electrodes (35) (36) in the leakage detector (6) of the third embodiment are not particularly limited, but as shown in FIG. By making the length corresponding to the distance of the rectangle longer than the width orthogonal to the distance, the amount of bending deformation can be increased. When it is desired to reduce the resonance frequency, it can be dealt with by making it a more elongated rectangular shape. FIG. 5 shows a diagram corresponding to the third embodiment, but the piezoelectric element (22) and the thin film electrodes (24) and (25) of the leak detector (6) of the second embodiment shown in FIG. The same applies to the shape.
図４および図５に示す第３実施形態では、長方形状の圧電素子(32)の支持位置と錘(37)の負荷位置との関係について、圧電素子(32)が両端部で支持されて（すなわち両持ち）、錘(37)の重量が圧電素子(32)の中央部に負荷されているが、圧電素子の中央部が支持されて、両端部に錘が負荷されているようにしてもよく、この場合には、圧電素子の支持は、片持ちが２つと見なすことができ、第２実施形態と同程度にバネ定数kを大きいものとすることができる。 In the third embodiment shown in FIGS. 4 and 5, the piezoelectric element (32) is supported at both ends with respect to the relationship between the support position of the rectangular piezoelectric element (32) and the load position of the weight (37) ( In other words, the weight of the weight (37) is loaded on the center of the piezoelectric element (32), but the center of the piezoelectric element is supported and the weight is loaded on both ends. In this case, the support of the piezoelectric element can be regarded as having two cantilevers, and the spring constant k can be made as large as that of the second embodiment.
また、図４および図５に示す第３実施形態では、長方形状の圧電素子(32)の両端部が支持されているが、圧電素子の形状を正方形または円形として、圧電素子(52)の（両端部ではなく）周縁部を支持して、錘(57)を圧電素子(52)の中央部に積載するようにしても、同様の効果を得ることができる。この実施形態を図６および図７に示す。 Further, in the third embodiment shown in FIGS. 4 and 5, both ends of the rectangular piezoelectric element (32) are supported, but the shape of the piezoelectric element is set to a square or a circle. The same effect can be obtained even if the weight (57) is stacked on the central portion of the piezoelectric element (52) by supporting the peripheral portion (not both ends). This embodiment is shown in FIGS.
図６および図７において、漏洩検出器(6)の第４実施形態は、鉄製の台座(51)と、台座(51)上に設置された円形の圧電素子(52)と、下端部が台座(51)に固定されて上端部で圧電素子(52)を支持する円筒状の支柱(53)と、圧電素子(52)の両面に銀ペーストを塗布して形成した上下１対の薄膜電極(54)(55)と、上側の薄膜電極(54)の上に積載された錘(56)とを備えている。支柱(53)と上側および下側の薄膜電極(54)(55)との間は絶縁されており、各薄膜電極(54)(55)にリード線(57)(58)が取り付けられている。リード線(57)(58)に、表示装置(8)としてのオシロスコープやデータロガー等が接続され、これにより、上下１対の薄膜電極(54)(55)間の電位差が測定されて表示装置(8)に記録される。 6 and 7, the fourth embodiment of the leak detector (6) includes an iron pedestal (51), a circular piezoelectric element (52) installed on the pedestal (51), and a lower end portion of the pedestal. A cylindrical column (53) that is fixed to (51) and supports the piezoelectric element (52) at its upper end, and a pair of upper and lower thin film electrodes formed by applying silver paste on both sides of the piezoelectric element (52) ( 54) (55) and a weight (56) loaded on the upper thin film electrode (54). The column (53) is insulated from the upper and lower thin film electrodes (54) (55), and lead wires (57) (58) are attached to the thin film electrodes (54) (55). . An oscilloscope, a data logger, or the like as a display device (8) is connected to the lead wires (57) and (58), thereby measuring the potential difference between the pair of upper and lower thin film electrodes (54) and (55). Recorded in (8).
この実施形態では、支柱(53)による圧電素子(52)の支持は、周縁部支持とされて、圧電素子(52)の周縁部（環状となっている）が支柱(53)の上端部に支持されている。また、錘(56)は、円形の圧電素子(52)の中心部分に積載されている。 In this embodiment, the support of the piezoelectric element (52) by the support post (53) is the peripheral part support, and the peripheral part (annular) of the piezoelectric element (52) is at the upper end of the support post (53). It is supported. Further, the weight (56) is stacked on the central portion of the circular piezoelectric element (52).
圧電素子(52)は、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルム（ＰＶＤＦフィルム）によって形成されている。圧電素子(52)の周縁部が支持されていることで、圧縮変形が小さくて、曲げ変形が大きいものとなっており、両持ち支持と同程度にバネ定数kを大きいものとすることができる。 The piezoelectric element (52) is formed of a stretched film (PVDF film) of polyvinylidene fluoride. Since the peripheral portion of the piezoelectric element (52) is supported, the compression deformation is small and the bending deformation is large, and the spring constant k can be made as large as the both-end support. .
図示省略するが、第４実施形態における圧電素子(52)の周縁部支持・中心部分に錘(56)の関係を逆にして、圧電素子(52)の中央部を円柱状の支柱で支持するとともに、圧電素子(52)の周縁部に環状の錘を積載するようにしてもよい。圧電素子(52)の中央部を円柱状の支柱で支持するとともに、圧電素子(52)の中央部支持・周縁部に錘とすることで、圧縮変形が小さくて、曲げ変形が大きいものとなり、両持ち支持と同程度にバネ定数kを大きいものとすることができる。 Although not shown in the drawings, the peripheral portion of the piezoelectric element (52) in the fourth embodiment is supported and the relation of the weight (56) to the central portion is reversed, and the central portion of the piezoelectric element (52) is supported by a cylindrical column. At the same time, an annular weight may be stacked on the periphery of the piezoelectric element (52). By supporting the central part of the piezoelectric element (52) with a columnar column and supporting the peripheral part of the piezoelectric element (52) with a weight, the compression deformation is small and the bending deformation is large, The spring constant k can be made as large as that of the both-end support.
上記各実施形態では、圧電素子(12)(22)(32)(52)の上面に錘(15)(26)(37)(56)を積載することで負荷を与えるようにしているが、圧電素子の下面に錘を吊り下げるように固定して、圧電素子に負荷を与えるようにしてもよい。また、圧電素子(12)(22)(32)(52)を支柱(23)(33)(34)(53)の上端部で支持する形態に代えて、圧電素子を支柱の下端部で吊り下げるように支持してもよい。その例を図８から図１０までに示す。 In each of the above embodiments, a load is applied by loading the weights (15), (26), (37), and (56) on the upper surfaces of the piezoelectric elements (12), (22), (32), and (52). A weight may be fixed to the lower surface of the piezoelectric element so as to be suspended, and a load may be applied to the piezoelectric element. Instead of supporting the piezoelectric elements (12), (22), (32), and (52) at the upper ends of the columns (23), (33), (34), and (53), the piezoelectric elements are suspended at the lower ends of the columns. You may support so that it may lower. Examples thereof are shown in FIGS.
図８に示す第５実施形態の漏洩検出器(6)において、台座(61)は、底壁(61a)、頂壁(61b)および側壁(61c)を有する直方体の中空状とされており、頂壁(61b)に支柱(63)が垂下状に設けられている。圧電素子(62)は、図５に示した長方形状とされている。圧電素子(62)の両面には、銀ペーストを塗布することで上下１対の薄膜電極(64)(65)が形成されている。圧電素子(62)は、上側の薄膜電極(64)を介して、その中央部上面が支柱(63)の下端面に固定されている。錘(66)(67)は、直方体状のものが２つ使用されて、その上面が下側の薄膜電極(65)の両端部の下面にそれぞれ接着されている。支柱(63)の下端部と上側の薄膜電極(64)との間は絶縁されており、各薄膜電極(64)(65)にリード線(68)(69)が取り付けられている。リード線(68)(69)に、表示装置(8)としてのオシロスコープやデータロガー等が接続され、これにより、上下１対の薄膜電極(64)(65)間の電位差が測定されて表示装置(8)に記録される。 In the leak detector (6) of the fifth embodiment shown in FIG. 8, the base (61) has a rectangular parallelepiped hollow shape having a bottom wall (61a), a top wall (61b), and a side wall (61c). A column (63) is provided in a suspended shape on the top wall (61b). The piezoelectric element (62) has the rectangular shape shown in FIG. A pair of upper and lower thin film electrodes (64) and (65) are formed on both surfaces of the piezoelectric element (62) by applying a silver paste. The upper surface of the center of the piezoelectric element (62) is fixed to the lower end surface of the support (63) via the upper thin film electrode (64). Two weights (66) and (67) are used in the form of a rectangular parallelepiped, and the upper surfaces thereof are respectively bonded to the lower surfaces of both end portions of the lower thin film electrode (65). The lower end of the column (63) is insulated from the upper thin film electrode (64), and lead wires (68) and (69) are attached to the thin film electrodes (64) and (65). An oscilloscope, a data logger, or the like as a display device (8) is connected to the lead wires (68) and (69), thereby measuring the potential difference between the pair of upper and lower thin film electrodes (64) and (65). Recorded in (8).
この実施形態（第５実施形態）は、圧電素子(62)の中央部を支持して、圧電素子(62)の両端部に錘(66)(67)を負荷するようになっており、第２〜第４実施形態と同様にバネ定数kを大きいものとすることができる。 In this embodiment (fifth embodiment), the central portion of the piezoelectric element (62) is supported, and weights (66) and (67) are loaded on both ends of the piezoelectric element (62). As in the second to fourth embodiments, the spring constant k can be increased.
なお、図８において、圧電素子(62)を円形状または方形状に変更するとともに、錘(66)(67)を円筒状または角筒状に変更した実施形態（図６および図７に示す第４実施形態と類似の実施形態）としてもよい。 In FIG. 8, the piezoelectric element (62) is changed into a circular shape or a rectangular shape, and the weights (66) and (67) are changed into a cylindrical shape or a rectangular tube shape (the first embodiment shown in FIGS. 6 and 7). (Embodiment similar to the fourth embodiment).
図９には、片持ちの場合の変形例を示している。同図に示す第６実施形態の漏洩検出器(6)において、台座(71)は、底壁(71a)、頂壁(71b)および側壁(71c)を有する直方体の中空状とされており、頂壁(71b)の端部近くに支柱(73)が垂下状に設けられている。圧電素子(72)は、図５に示した長方形状とされている。圧電素子(72)の両面には、銀ペーストを塗布することで上下１対の薄膜電極(74)(75)が形成されている。圧電素子(72)は、片持ち、すなわち、一方の端部が上側の薄膜電極(74)を介して支柱(73)の下面に固定されて、他端が自由端とされている。錘(76)は、直方体状とされて、圧電素子(72)の他端部に積載されている。支柱(73)の下端部と上側の薄膜電極(74)との間は絶縁されており、各薄膜電極(74)(75)にリード線(77)(78)が取り付けられている。リード線(77)(78)に、表示装置(8)としてのオシロスコープやデータロガー等が接続され、これにより、上下１対の薄膜電極(74)(75)間の電位差が測定されて表示装置(8)に記録される。
FIG. 9 shows a modification in the case of cantilever. In the leak detector (6) of the sixth embodiment shown in the figure, the pedestal (71) has a rectangular parallelepiped hollow shape having a bottom wall (71a), a top wall (71b) and a side wall (71c), A column (73) is provided in a hanging shape near the end of the top wall (71b). The piezoelectric element (72) has the rectangular shape shown in FIG. A pair of upper and lower
この実施形態（第６実施形態）は、圧電素子(72)の一端部を支持して、圧電素子(72)の他端部に 錘(76)を負荷するようになっており、図３に示した第２実施形態と同様の特性を奏することができる。 In this embodiment (sixth embodiment), one end of the piezoelectric element (72) is supported and a weight (76) is loaded on the other end of the piezoelectric element (72). The same characteristics as the second embodiment shown can be achieved.
図１０には、片持ちの場合の別の変形例を示している。同図に示す第７実施形態の漏洩検出器(6)において、台座(81)は、底壁(81a)、頂壁(81b)および側壁(81c)(81d)を有する直方体の中空状とされている。そして、頂壁(81b)に支柱を設けるのではなく、いずれか１つの側壁(81d)を支柱として使用する構成とされて、圧電素子(82)は、図５に示した長方形状とされて、その一端部が側壁（支柱）(81d)に固定されている。 FIG. 10 shows another modification in the case of cantilever. In the leak detector (6) of the seventh embodiment shown in the figure, the pedestal (81) has a rectangular parallelepiped hollow shape having a bottom wall (81a), a top wall (81b) and side walls (81c) (81d). ing. The top wall (81b) is not provided with a support, but any one of the side walls (81d) is used as a support, and the piezoelectric element (82) has the rectangular shape shown in FIG. One end thereof is fixed to the side wall (post) (81d).
圧電素子(82)の両面には、銀ペーストを塗布することで上下１対の薄膜電極(84)(85)が形成されている。錘(86)は、直方体状とされて、その上面が下側の薄膜電極(86)の他方の端部の下面に接着されている。支柱とされた側壁(81d)と上下の薄膜電極(84)(85)との間は絶縁されており、各薄膜電極(84)(85)にリード線(87)(88)が取り付けられている。リード線(87)(88)に、表示装置(8)としてのオシロスコープやデータロガー等が接続され、これにより、上下１対の薄膜電極(84)(85)間の電位差が測定されて表示装置(8)に記録される。 A pair of upper and lower thin film electrodes (84) and (85) are formed on both surfaces of the piezoelectric element (82) by applying a silver paste. The weight (86) has a rectangular parallelepiped shape, and its upper surface is bonded to the lower surface of the other end of the lower thin film electrode (86). The side wall (81d), which is a column, is insulated from the upper and lower thin film electrodes (84) (85), and lead wires (87) (88) are attached to the thin film electrodes (84) (85). Yes. An oscilloscope, a data logger, or the like as a display device (8) is connected to the lead wires (87) and (88), thereby measuring the potential difference between the pair of upper and lower thin film electrodes (84) and (85). Recorded in (8).
この実施形態（第７実施形態）は、圧電素子(82)の一端部を支持して、圧電素子(82)の他端部に錘(86)を負荷するようになっており、図３に示した第２実施形態と同様の特性を奏することができる。 In this embodiment (seventh embodiment), one end of the piezoelectric element (82) is supported and a weight (86) is loaded on the other end of the piezoelectric element (82). The same characteristics as the second embodiment shown can be achieved.
第２から第７までの実施形態によると、圧電素子(22)(32)(52)(62)(72)(82)は、その一部のみが台座(21)(31)(51)(61)(71)(81)に支持されており、錘(26)(37)(56)(66)(67)(76)(86)は、圧電素子(22)(32)(52)(62)(72)(82)の台座(21)(31)(51)(61)(71)(81)に支持されていない部分に負荷されており、曲げ変形を利用できることで、圧電素子(22)(32)(52)(62)(72)(82)に錘(26)(37)(56)(66)(67)(76)(86)を負荷した系の共振周波数を所望の小さな値に容易に設定することができ、この点で、第１実施形態の圧電素子(12)の全面が支持されて全面に錘(15)が負荷されている形態に比べて有利となっている。 According to the second to seventh embodiments, only a part of the piezoelectric elements (22) (32) (52) (62) (72) (82) is the bases (21) (31) (51) ( 61) (71) (81) is supported by the weights (26) (37) (56) (66) (67) (76) (86), the piezoelectric elements (22) (32) (52) ( 62) (72) (82) of the pedestal (21) (31) (51) (61) (71) (81) is loaded on the part that is not supported by the bending deformation, the piezoelectric element ( 22) (32) (52) (62) (72) (82) loaded with weights (26) (37) (56) (66) (67) (76) (86) This can be easily set to a small value. In this respect, the piezoelectric element (12) according to the first embodiment is supported on the entire surface, and the weight (15) is loaded on the entire surface. Yes.
上記漏洩検出器(6)は、水道の配管装置からの漏水を検出する用途の他、水道以外の各種配管内の漏水を検出する用途や、例えば工場内の薬液等の配管における薬液等の流体の漏洩を検出する用途などでも使用される。 The leak detector (6) is used for detecting leaks from water pipe devices, for detecting leaks in various pipes other than water pipes, and for example, fluids such as chemicals in pipes such as chemicals in factories. It is also used for purposes such as detecting leaks.
(2) ：配管
(3) ：合成樹脂管
(6) ：漏洩検出器
(11)(21)(31)(51)(61)(71)(81)：台座
(12)(22)(32)(52)(62)(72)(82)：圧電素子
(15)(26)(37)(56)(66)(67)(76)(86)：錘
(23)(33)(34)(53)(63)(73)(81d) ：支柱
(2): Piping
(3): Synthetic resin pipe
(6): Leak detector
(11) (21) (31) (51) (61) (71) (81): Pedestal
(12) (22) (32) (52) (62) (72) (82): Piezoelectric element
(15) (26) (37) (56) (66) (67) (76) (86): Weight
(23) (33) (34) (53) (63) (73) (81d): Prop
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