JP7057563B2 - 測定装置および測定システム - Google Patents

Description

本発明は、被覆物により被覆された部材の該被覆物の内部の状態を測定する装置およびシステムに関する。

被覆物により被覆された部材としては、例えば外套管の内部に鋼材が収納された斜張橋の斜材がある。この斜材は、内部の水分状態（水分量）が鋼材の腐食と関係することから、内部の水分量を測定することが斜材の維持管理上、重要な事項となっている。

従来、被測定物の水分量を測定する装置として、電極を用い、被測定物に含まれる水分量によって変化する電気容量や電気抵抗等の値を検出する装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

ＷＯ９６／３２６３４号 実開昭６２－５５１５４号公報

しかしながら、従来の測定装置は、木材やコンクリート円柱のような被測定物に被覆がないこと、均一材料であること等の測定条件があり、被覆がある場合については想定されていない。また、被測定物の径が変わると、電極の一部が被測定物に接触しない状態になったり、電極と被測定物との間隔が変化したりするため、測定精度が低下するという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、被覆物により被覆された部材の該被覆物の内部の状態を測定する装置であって、
内部の状態を測定するための２つの電極と、
各電極がそれぞれに取り付けられる２つの棒状または板状の支持部材と、
２つの支持部材の一端同士を連結するとともに、２つの支持部材の他端を互いに近づく方向に付勢する付勢手段とを含む、測定装置が提供される。

本発明によれば、被覆物により被覆されていても、内部の状態を測定することができ、その測定精度を向上させることができる。

斜材について説明する図。 各方式で水分量を測定している様子を示した図。 各方式で水分量を測定した結果を示した図。 電極を斜材に接触させて内部の水分量を測定している様子を示した図。 電極が浮いた状態で測定した結果を示した図。 斜材の外表面と電極との間隔を固定して測定した結果を示した図。 測定装置の第１の構成例を示した図。 開閉角度を変えたところを示した図。 ２つの支持部材と付勢手段の連結方法を説明する図。 測定装置の第２の構成例を示した図。 測定装置の正面図と、測定装置を斜材に取り付けたときの電極の部分を拡大して示した側面図。 電極の角度を変えることを可能にする構成例を示した図。 測定システムの構成例を示した図。

本発明の測定装置について説明する前に、測定装置が設置される、被覆物により被覆された部材の一例である斜張橋の斜材について、図１を参照して説明する。以下、被覆物により被覆された部材を斜材として説明するが、被覆物により被覆された部材は、斜材に限定されるものではない。

斜張橋は、人や車両が通行する部分である主桁と、主桁に対して垂直な鉛直方向に延びる主塔と、主塔から斜めに延びて主桁と連結し、主桁を支える斜材とから構成される。斜張橋では、主桁に圧縮力が作用し、斜材に引張力が作用する。

斜材は、図１に示すように、複数のPC(Prestressed Concrete)鋼材１０と、防錆用の保護管１１と、保護管１１内を充填する充填材１２とから構成される。図１は、斜材の断面図である。充填材１２は、PC鋼材１０への空気や水等の侵入を防ぐとともに、PC鋼材１０と一体化し、強度を高める。

保護管１１は、内部のPC鋼材１０および充填材１２を被覆する被覆物とされ、腐食しない材料、例えばプラスチックにより作製されたものを用いることができる。プラスチックとしては、例えばポリエチレン(PE)を用いることができ、一定の強度が必要であることから、高密度ポリエチレンが好ましい。充填材１２としては、PC鋼材１０と一体化し、強度を高めるべく、モルタルやセメントペースト等が用いられる。

斜材は、外側に保護管１１があり、その外表面は、平面ではなく、曲率があり、内部に複数のPC鋼材１０がある特殊な断面を有している。

斜材は、PC鋼材１０と、保護管１１と、充填材１２とから構成されるため、PC鋼材１０と充填材１２との間、保護管１１と充填材１２との間には、隙間が存在する。その隙間には、水が侵入することがある。また、充填材１２として用いられるモルタルやセメントペーストにひび割れを生じた場合、ひび割れにも、水が浸透することがある。水は、保護管１１の端部や保護管１１に生じた破損箇所等から侵入した雨水等である。

斜材内部の水分量は、PC鋼材１０の腐食に関係するため、斜材の維持管理において、内部の水分量の測定が重要である。使用中の斜材内部の水分量を測定するため、その測定は、非破壊で行う必要がある。非破壊でコンクリート等の水分を測定する手法としては、電気容量式やマイクロ波式がある。

電気容量式は、測定対象に交流電流を流し、その電気容量（どのくらい電荷を蓄えられるかを示す値）の変化を水分値に置き換えて表示する方式である。電気容量式の測定装置は、検出回路を含み、検出回路に発振回路を利用する。この測定装置は、２つの電極を有し、一方の電極から他方の電極へ向けて電流を流し、発振回路がある他方の電極の静電容量の変化により変化する発振周波数や周期から水分量を求める。

マイクロ波式は、水分によるマイクロ波の波長の減衰率（マイクロ波がどれだけ熱に置き換わったか）を測定し、減衰率を水分値に置き換えて表示する方式である。マイクロ波式の測定装置は、マイクロ波を送信する送信機と、送信されたマイクロ波を受信する受信機とを備える。マイクロ波は、水分が多いほど吸収され、水分が少ないとそのまま吸収されずに通り抜ける。このため、受信機でその電波の強さ（伝搬の多い、少ない）を測定し、電波の強さから水分量を求める。

このように水分量の測定には、上記の２つの方式があるが、いずれの方式が、斜材のように被覆物で被覆された部材の内部の状態を測定するのに適しているかを、試験を行い、検討した。試験は、図２に示すように、PC鋼材１０として鉄管２０を用い、保護管１１としてPE管２１を用い、充填材１２として水を吸収させたスポンジ２２を用いた。図２（ａ）は、マイクロ波式での試験の様子を示した図で、図２（ｂ）は、電気容量式での試験の様子を示した図である。図２（ａ）に示すマイクロ波式では、送信機２３と受信機２４を９０°の位置に配置し、測定した。図２（ｂ）に示す電気容量式では、PE管２１に向けた面に一定距離で離間した２つの電極３０、３１が設けられ、２つの電極３０、３１がPE管２１の外表面に接触するように配置し、測定した。

図３は、図２に示す方法により試験を行った結果を示した図である。図３中、θ(%)は、含水率で、スポンジ２２に吸収可能な水分量の最大値を１００%としたときの、その最大値に対する割合を示す。マイクロ波(%)は、送信機２３から送信されたマイクロ波を１００%としたときの、その送信されたマイクロ波に対する受信機２４で受信されたマイクロ波の割合を示す。電気容量出力値は、予め複数の種類の材料につき、水分と高周波容量との関係を求め、測定された高周波容量の値から関係式により算出される水分値で、この例では０～１９９９の範囲の値として算出される。

図３に示す結果から、マイクロ波式では、測定値と含水率との間に相関は見られないが、電気容量式では、測定値が、含水率が増加するにつれて増加するため、測定値と含水率との間に相関が見られた。

このことから、マイクロ波式と電気容量式とでは、電気容量式の方が適していることが分かった。

次に、電気容量式の測定装置を採用する場合の曲率の影響について検討した。測定対象に曲率があると、同じ平面上に一定間隔で離間して２つの電極が設けられた測定装置では、図４に示すように、保護管１１の外表面に電極３０、３１の対向する面の一部のみが接触し、大部分が浮いた状態になる。これでは、電極３０、３１の対向する面の位置によって保護管１１の外表面との間隔が変化する。

図５は、電気容量式で同じ試験を２度行った結果を示した図である。保護管１１の外表面と電極３０、３１との間隔が変化すると、図５に示すように、出力値が大きく変化し、測定精度が低く、再現性が低いことが確認された。

一方、保護管１１の外表面に電極３０、３１の対向する面の大部分が接触するように配置し、保護管１１の外表面と電極３０、３１との間隔が位置によって変化しないように固定してみると、図６に示すように、同じ試験を３度行った結果は、いずれの含水率でも、ほぼ同じ出力値を示した。この結果から近似式を求めると、対数近似ではあるが、ほぼ同じ係数の近似式が得られた。また、得られた出力値と、得られた近似式との近さを示す数値である決定係数(R²)を求めると、１に近い値が得られた。これにより、近似式が正確に近似できていることが示された。ちなみに、Rは、得られた出力値と、得られた近似式との相関を示す相関係数である。

以上のことから、被覆物で被覆された部材の被覆物の内部の状態を測定するには、電気容量式が適しており、被覆物が曲率を有する場合、被覆物の外表面と電極３０、３１との間隔を固定できることが望ましいことが分かった。

これを実現するための測定装置の構成について、図７を参照して説明する。図７は、測定装置の第１の構成例を示した図である。測定装置４０は、内部の状態、すなわち水分状態を測定するための２つの電極４１、４２と、各電極４１、４２がそれぞれに取り付けられる２つの棒状または板状の支持部材４３、４４と、２つの支持部材４３、４４の一端同士を連結するとともに、２つの支持部材４３、４４の他端が互いに近づく方向に付勢する付勢手段４５とを含む。

支持部材４３、４４は、一定の長さを有する棒状または板状のものとされ、各々の所定の位置に電極４１、４２が取り付けられる。支持部材４３、４４は、被覆物である保護管１１を損傷しないように、かつ各電極４１、４２が保護管１１の外表面に密着して固定されるように、保護管１１と同程度の強度を有する材料が好ましい。このため、支持部材４３、４４は、保護管１１と同様、プラスチック材料とすることができ、例えばPE、ポリプロピレン(PP)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ABS樹脂等を用いることができる。

付勢手段４５は、２つの支持部材４３、４４の他端を互いに近づく方向に付勢し、また、各他端に力を加えることで互いに離間する方向に各他端を移動させて、２つの支持部材４３、４４の一端を中心に他端を開閉可能にするものであれば、いかなる手段であってもよく、例えば弾性変形するバネやゴム等を用いることができる。バネは、コイルバネであってもよいし、板バネであってもよい。バネやゴムは、弾性変形し、元に戻ろうとする復元力により上記の他端が互いに近づく方向に付勢する。

図７に示す例では、付勢手段４５の両端に、支持部材４３、４４の各々の一端が連結され、斜材の径（保護管１１の外径）に合わせて、２つの支持部材４３、４４を開閉し、支持部材４３、４４により形成される角度αを変えることにより、２つの電極４１、４２を斜材（保護管１１の外表面）に密着させて固定することができる。図８に、斜材の径、すなわち斜材の曲率に合わせて、角度αを変えた例を示す。いずれも、２つの電極４１、４２が、斜材６０に密着して固定されている。

２つの電極４１、４２の一方は、電流を供給する電流供給手段と接続され、他方は、電気容量の変化を測定する測定手段と接続される。測定手段としては、予め水分と誘電率との関係を求めておき、誘電率を測定して関係式から水分を算出する手段を用いることができる。これは一例であるので、これに限定されるものではない。

２つの支持部材４３、４４は、付勢手段４５を使用し、例えば図９に示すように連結することができる。図９に示す例では、２つの支持部材４３、４４が、断面が矩形の棒状物とされている。図９（ａ）に示す例では、２つの支持部材４３、４４の一端には、円形の穴が形成され、その穴にコイル状のバネが付勢手段４５として挿着されている。付勢手段４５は、各穴において回転しないように接着あるいは溶着される。

付勢手段４５は、２つの支持部材４３、４４の一端同士を連結し、２つの支持部材４３、４４の他端同士が重なるとき、変形しない状態で、各他端に力を加えて離間させていくと、変形していく。付勢手段４５をある程度変形させた後、斜材６０を挟み込むように支持部材４３、４４を配置し、各他端に加えた力を解放すると、付勢手段４５が元の変形しない状態に戻ろうとするので、斜材６０に支持部材４３、４４が密着した状態で固定される。その密着する部分には、各電極４１、４２が設けられるため、各電極４１、４２が斜材６０に密着し、斜材６０と２つの電極４１、４２との間隔を固定することが可能となる。

付勢手段４５は、図９（ｂ）に示すように、２つの支持部材４３、４４の他端が開閉する方向に伸縮するように、２つの支持部材４３、４４の一端の、２つの支持部材４３、４４間に設けられていてもよい。この場合、２つの支持部材４３、４４の一端を支点として回転可能にするために、軸部材４６を設けることができる。

測定装置４０は、一方に長く延びる斜材全体の水分量を測定するために、図１０に示すような、斜材６０が通される通路を有するフレーム部材４７と、フレーム部材４７の両端に設けられ、通路に連続する開口の中心に向けて突出し、通路に通された斜材６０の上側に当接して、フレーム部材４７を斜材６０に支持する支持手段４８とを備えることができる。

フレーム部材４７は、４枚の矩形の板を用い、それらを接合して両端に開口を有する箱状の構成とすることができる。矩形の板は、プラスチック板や鋼板を用いてもよいが、軽量で、一定以上の強度を有し、耐食性を有する点で、アルミニウム板が望ましい。このように、側面を覆うことで、何らかの原因で測定装置４０等が外れた場合でも、測定装置４０等の落下を防止することができる。この落下を確実に防止するためには、フレーム部材４７の両端も、斜材６０が通される開口以外は閉鎖されるように覆われていることが望ましい。

なお、フレーム部材４７は、アルミニウム製の角管を複数本用い、角管に嵌合される突出部が三方向に延びる三方向ジョイントにより連結したものや、円管を複数本用い、突出部が円筒状の三方向ジョイントにより連結したもの等であってもよい。

支持手段４８は、斜材６０が延びる方向に向いた、フレーム部材４７の両端に少なくとも２つずつ設けられる。図１０に示す例では、フレーム部材４７の両端に４つずつ支持手段４８が設けられている。支持手段４８は、フレーム部材４７を斜材６０に支持することができればいかなるものであってもよく、例えば支点ローラを用いることができる。支点ローラは、斜材６０に向けて突出する２つのローラ支持部材と、２つのローラ支持部材間を架け渡すように回転可能に配置される回転軸を有するローラとから構成される。

支点ローラは、斜材の外表面上を、滑りを生じることなく回転し、測定装置４０を移動させるため、その接触部分となるローラの表面が、密着性が良好で、摩擦抵抗が大きいほうが望ましい。このため、ローラの表面は、天然ゴム、イソプレンゴム、ウレタンゴム、クロロプレンゴム等の弾性部材から形成されたものとすることができる。

支点ローラの少なくとも１つは、駆動ローラとされ、駆動手段としてのモータにより回転駆動される。モータには、通信手段が設けられ、遠隔からモータの起動および停止を制御することができる。

支点ローラは、フレーム部材４７の両端に、斜材６０の周方向に９０°毎に４つずつ設けるのではなく、斜材６０の上側に接触するように２つずつ設けることで、斜材６０上にフレーム部材４７を支持してもよい。支持部材４３、４４の一端には、支持軸４９が設けられ、支持軸４９は、回転可能に支持する脚部材５０によりフレーム部材４７と連結することができる。図９（ｂ）に示す構成では、軸部材４６をそのまま、支持軸４９として用いることができる。

斜材６０の上側に接触するように２つずつ設けた構成では、支持部材４３、４４等が錘となって、フレーム部材４７の斜材６０の周方向への回転を抑止することができる。また、２つの支持部材４３、４４により斜材６０を挟み込むようにして固定することによっても、周方向への回転を抑止することができる。

このように測定装置４０を移動可能に構成することで、斜材６０の全体の水分の分布を得て、含水率が高い箇所の位置等を検知することができる。

図１１は、測定装置４０の正面図と、測定装置４０を斜材６０に取り付けたときの電極４２の部分を拡大して示した側面図である。電極４２は、図８に示すように、斜材６０の外表面に隣接してもよいが、斜材６０と２つの電極４２との間隔を固定することができれば精度良く水分量を測定することができるので、一定の間隔Cで離間していてもよい。

図１１（ｂ）に示す例では、フレーム部材４７に支持手段４８を設け、支持手段４８のローラが斜材６０に密着して固定されるので、同じくフレーム部材４７に脚部材５０を介して連結される支持部材４４上の電極４２は、一定の間隔Cで離間した状態に保持される。

なお、電極４１、４２を一定の間隔Cで離間させることで、金属製の電極４１、４２が斜材６０のプラスチック製の保護管を擦りながら移動すること等による斜材６０の損傷を防ぐことができる。

ところで、各電極４１、４２は、各支持部材４３、４４の所定の位置に固定して設けることができるが、斜材６０の曲率を有する外表面に合わせて、斜材６０に対向する各電極４１、４２の面の角度を変える機構を備えることができる。これにより、斜材６０と電極４１、４２との間隔の変化をより小さくし、測定精度をさらに向上させることができる。

例えば、図１２（ａ）に示すように、支持部材４３に溝５１を設け、溝５１の対向する２つの側面にそれぞれ穴５２を設け、電極４１に穴５２に挿入可能な突起５３を設け、電極４１が突起５３を支点として回転することが可能な構造とすることができる。これにより、図１２（ｂ）に示すように、斜材６０の曲率に合わせて、電極４１の接触する面の向きを変えることができる。なお、突起５３と、上記の電流供給手段または測定手段とを接続し、電流を供給し、または電気容量の変化を測定することができる。

図１２（ｂ）に示す構造では、溝５１の側面に電極４１の角部が当たり、その側面が損傷する可能性があるが、その側面にゴム板等の緩衝材を設け、損傷を防止してもよい。

なお、図１２に示した構造は一例であるので、電極４１の接触する面の向きを変えることができれば、電極４１と支持部材４３との間に導電性を有する材料から作製されたバネを有する構造等、いかなる構造にしてもよい。

測定装置４０は、２つの電極４１、４２と、２つの支持部材４３、４４と、付勢手段４５とから構成されるものを１組のみ、フレーム部材４７内に設置してもよいが、電気容量式では表面から深い位置にある水分量を測定することができないため、複数設けることが望ましい。

図１３に、測定装置４０を複数設けた測定システムの構成例を示す。図１３（ａ）は、斜材６０の上下に、測定装置４０ａ、４０ｂを設けた例を示し、図１３（ｂ）は、斜材６０の上下左右の４箇所に、測定装置４０ａ～４０ｄを設けた例を示す。

水は、斜材６０の下側に溜まりやすいことから、１つの測定装置４０で下側のみを測定してもよいが、図１３（ａ）に示すように２つ設け、斜材６０の上下を測定することで、測定結果を比較し、その差が大きければ、下側に水が溜まっている可能性が高いことを検知することができる。また、図１３（ｂ）に示すように４つ設け、斜材６０の上下左右の４箇所を測定することで、斜材６０内のより広い範囲を高い精度で測定することができる。

ここでは上下に２つ、上下左右に４つ設けた例を挙げたが、斜材６０の断面に対して１２０°毎に３つ、７２°毎に５つ、６０°毎に６つ等、いかなる数設けてもよい。

また、測定システムは、電極４１、４２や支持部材４３、４４等をフレーム部材４７内に設置して斜材６０内の水分量を測定するだけではなく、振動測定装置やカメラ等の探傷装置等を搭載した同様のフレーム部材を連結し、斜材６０の振動特性調査や外観調査も、同時に実施することも可能である。したがって、測定システムは、振動測定装置や探傷装置を搭載した第２のフレーム部材や第２の支持手段を含むことができる。第２の支持手段も、少なくとも１つが駆動ローラを含み、モータにより回転駆動する構成とすることができ、モータには、通信手段が設けられ、遠隔からモータの起動および停止を制御することができる。この場合、第２のフレーム部材によりフレーム部材４７を牽引する構成とすることができる。なお、フレーム部材４７により第２のフレーム部材を牽引してもよい。

また、測定システムは、測定装置４０から離間した場所にある測定結果を評価する評価装置、例えばPC(Personal Computer)やタブレット端末等を含み、測定装置４０は、評価装置に測定結果を送信するために送信機等の通信手段を備えることができる。通信手段は、無線で通信する手段であってもよいし、有線で通信する手段であってもよい。

以上のように、測定装置４０は、斜材６０等の被覆物で被覆された部材の内部の状態を、内部には非接触で測定することができる。測定精度が高いので、例えば斜材６０の内部のPC鋼材１０の腐食の可能性を判断するためのデータ等として充分に利用することができる。このため、測定装置４０を用いることで、被覆物で被覆された部材を利用した構造物等、例えば斜張橋の維持管理の効率化を図ることができる。

これまで本発明の測定装置および測定システムについて図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。したがって、この測定装置は、斜材内の水分量を測定するものに限られるものではなく、２つの電極を浮かずに接触させる技術にも適用することが可能である。

１０…PC鋼材
１１…保護管
１２…充填材
２０…鉄管
２１…PE管
２２…スポンジ
２３…送信機
２４…受信機
３０、３１…電極
４０、４０ａ～４０ｄ…測定装置
４１、４２…電極
４３、４４…支持部材
４５…付勢手段
４６…支持軸
４７…フレーム部材
４８…支持手段
４９…支持軸
５０…脚部材
５１…溝
５２…穴
５３…突起
６０…斜材

Claims (9)

1. 被覆物により被覆された部材の該被覆物の内部の状態を測定する電気容量式の測定装置であって、
   前記内部の状態を測定するための２つの電極と、
   前記各電極がそれぞれに取り付けられる２つの棒状または板状の支持部材と、
   前記２つの支持部材の一端同士を連結するとともに、前記２つの支持部材の他端を互いに近づく方向に付勢する付勢手段とを含み、
   前記付勢手段により一端同士が連結された前記２つの支持部材により形成される角度が、前記被覆物の外表面の曲率に合わせて変更される、測定装置。
2. 前記被覆物の外表面の曲率に合わせて、前記各電極の前記外表面に対向する面の向きを変える機構を含む、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記各支持部材の一端に設けられる軸部材と、
   前記軸部材を回転可能に支持する２つの脚部材と、
   前記２つの脚部材が連結され、前記被覆物により被覆された部材が通される通路を有するフレーム部材と、
   前記フレーム部材の両端に設けられ、前記通路に連続する開口の中心に向けて突出し、前記通路に通された前記被覆物により被覆された部材に当接して、前記フレーム部材を前記被覆物により被覆された部材に支持する支持手段とを含む、請求項１または２に記載の測定装置。
4. 前記２つの電極は、前記被覆物により被覆された部材から一定の間隔で離間して配置される、請求項３に記載の測定装置。
5. 前記付勢手段は、前記２つの支持部材の他端が互いに離間する際に弾性変形する、請求項１～４のいずれか１項に記載の測定装置。
6. 前記被覆物により被覆された部材は、鋼材と、鋼材を被覆する保護管とを含む、斜張橋に用いられる斜材であり、
   前記２つの電極は、前記内部の状態として、前記斜材の内部の水分量を測定する、請求項１～５のいずれか１項に記載の測定装置。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の測定装置を少なくとも１つ含み、被覆物により被覆された部材の内部の状態を測定する、測定システム。
8. 前記被覆物により被覆された部材の周方向に２以上の測定装置を配置した、請求項７に記載の測定システム。
9. 前記測定装置は、
   各支持部材の一端に設けられる軸部材と、
   前記軸部材を回転可能に支持する２つの脚部材と、
   前記２つの脚部材が連結され、前記被覆物により被覆された部材が通される第１の通路を有する第１のフレーム部材と、
   前記第１のフレーム部材の両端に設けられ、前記第１の通路に連続する第１の開口の中心に向けて突出し、前記第１の通路に通された前記被覆物により被覆された部材に当接して、前記第１のフレーム部材を前記被覆物により被覆された部材に支持する支持手段とを含み、
   前記測定システムは、
   前記被覆物により被覆された部材の外表面の損傷を検出する探傷装置もしくは該被覆物により被覆された部材の振動を測定する振動測定装置またはその両方と、
   前記探傷装置もしくは前記振動測定装置またはその両方が取り付けられ、前記被覆物により被覆された部材が通される第２の通路を有する第２のフレーム部材と、
   前記第２のフレーム部材の両端に設けられ、前記第２の通路に連続する第２の開口の中心に向けて突出し、前記第２の通路に通された前記被覆物により被覆された部材に当接して、前記第２のフレーム部材を前記被覆物により被覆された部材に支持する第２の支持手段とを含み、
   前記第２のフレーム部材に前記測定装置が牽引される、請求項７または８に記載の測定システム。

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