JPH0438414A

JPH0438414A - 被搬送物質の厚さ計測装置

Info

Publication number: JPH0438414A
Application number: JP14598090A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Sakanishi; 坂西　昇一; Tomoyuki Abe; 阿部　友行
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1990-06-04
Filing date: 1990-06-04
Publication date: 1992-02-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、トンネル掘進機等、搬送管内を土砂等の被
搬送物質を搬送させる機械において、搬送管を通過する
被搬送物質の厚さ（高さ）を計測する被搬送物質の厚さ
計測装置に関する。

〔従来の技術および発明が解決しようとする課題〕

トンネル掘進機等の分野においては、搬送管を通過する
土砂の厚みを計測し、搬送土砂量を計測したいという要
望がある。この場合、土砂は搬送管全体に充満されて搬
送されるのでなく、搬送管内には上部空隙が存在してい
る。

このような土砂の厚みを計測する従来技術としては、以
下のようなものがある。

（１）搬送管内に発光素子および受光素子を間隔を置い
て複数組あるいは上下移動自在に設け、受光素子に到達
する受光素子の光を土砂が遮断したときの受光素子の位
置に基ずき土砂の厚みを計測する方法。

（２）搬送管下部外壁に超音波送信装置と受信装置を取
り付け、送信装置＝土と空気との境界面一受信装置へと
至る超音波の伝播時間を計測し、土砂の厚みを計測する
方法。

しかし、方法（１）の場合には、発光素子および受光素
子が土砂にて汚れてしまい計測不能となる問題点がある
。

また、方法（２）の場合には、土砂内に空隙のある場合
、超音波の減衰が大きくなるので計測不能となるととも
に、土砂の厚さ計測のためには土中の音波速度を計測す
る必要があるという問題がある。

そこで、最近では、電磁波を媒体として土砂の厚みを計
測する技術がいくつか提案されている。

第４図はその一例を示すもので、搬送管１の下部に送信
アンテナ２と受信アンテナ３を配設している。この場合
、送信アンテナ２から発射された電波は土砂４の表面（
土砂４と空気５との境界面）で反射し、受信アンテナ３
により受信される。

すなわち、この従来技術では、電波の送信アンテナ２か
ら受信アンテナ３までの伝播時間ｔ１を測定し、土砂の
厚さｇを下式（１）に従って算出する。

１　＋ｍ（，６ｔ、　／２ｚτ了　　　　−（１）Ｃ１
：土中での電波の速度 εｒ：土の比誘電率上式（１）において、土の比誘電率ε「は、土の種類や
含水量の状態に応じて大きく変動するため、この比誘電
率ε「は掘削機の進行に伴い時々刻々と変化してしまう
。

このような土の比誘電率ε「をリアルタイムに正確に測
定する技術として実用に耐えるものは存在しないため、
従来技術では比誘電率ε「に土の状態から考えられる適
当な値を設定するようにしていた。しかし、比誘電率ε
ｒの設定誤差は計測値ｇの誤差に跳ね返り、例えば比誘
電率の誤差が１０％あるときは計測値ｇの誤差は（Ｊゴ
て一］−１）Ｘ１００％となる。このように、この従来
技術では、土の比誘電率ＥＴの計測が大きなネックとな
っていた。

第５図はさらに他の従来技術を示すものであり、この場
合は搬送管１の上部に送信アンテナ２と受信アンテナ３
とを配設している。送信アンテナ２から発射された電波
は空気中を伝播した後、土の表面６で反射し、受信アン
テナ３で受信される。

この場合も、電波の送信アンテナ２から受信アンテナ３
までの伝播時間ｔ２を測定し、下式（２）に従って土砂
の厚さｇを算出する。

（Ｌ−ｇ）”Ｃ２ｔ２　　　　　　　−（２）Ｃ２：空
気中での電波の速度Ｌ：管径しかしながら、この従来技術では電波を空気中を伝播さ
せて計測を行うため、上記電波の伝播時間ｔ２は１０月
０秒程度と非常に短くなる（第６図（ａ）参照）。この
ため、土の表面で反射して受信アンテナ３に至る測定対
象の電波が、土の表面で反射することなく送信アンテナ
２から受信アンテナ３に直接はいる電波のパルス（第６
図（ａ）参照、パルス幅約１０−９秒程度）の中に埋も
れてしまい、実際には第６図（ｃ）に示すようになる。

このように合成された受信波を第６図（ａ）および（ｂ
）に示す２つの受信波に分離することは、非常に困難で
あり、実際上無理である。

この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、搬
送管内の被搬送物質の厚みを土の比誘電率の計測を行う
ことなくリアルタイムに正確に測定する被搬送物質の厚
さ計測装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、搬送管内を搬送される被搬送物質の厚さを
計測する被搬送物質の厚さ計測装置において、前記搬送
管の下部に送信アンテナおよび第１の受信アンテナを設
け、前記搬送管の上部に第２の受信アンテナを設けると
ともに、前記第１の受信アンテナの受信出力に基ずき送
信アンテナを発射してからこの第１の受信アンテナで受
信されるまでの電波の伝播時間を計測する第１の計測手
段と、前記第２の受信アンテナの受信出力に基ずき送信
アンテナを発射してからこの第２の受信アンテナで受信
されるまでの電波の伝播時間を計測する第２の計測手段
と、これら第１および第２の計測手段の計測値により、
前記被搬送物質の厚さを計算する計算手段と、を具える
ようにする。

〔作用〕

送信アンテナを発射された電波の一部は被搬送物質と空
気との境界面で反射され第１の受信アンテナで受信され
第１の計測手段によってその伝播時間ｔ１が計測される
。

一方、送信アンテナを発射された電波は１／２・ｔ１後
に前記境界面に到達し、その一部は反射されることなく
透過して空気中を伝播し第２の受信アンテナ４で受信さ
れる。この空気中の伝播時間をｔ３とすると、この伝播
時間ｔ４は（Ｌｌ）−Ｃ２・ｔ４　（ただし　Ｌ：搬送
管径、Ｃ２：空気中での電波速度、ｐ：被搬送物質の厚
さ）と表せる。

従って、第２の受信アンテナで受信される電波の伝播時
間ｔ４は　ｔａ　＝　（ｔ＋　／２）　＋Ｌｘ　−（ｔ
＋　／２）　＋（Ｌ　　、ｃ）／ｃ　　となり、この−
式を変形すると、被搬送物質の厚さｇはＤ　−Ｌ−（（ｔ＋　／２）−ｔ４）ｌ　ｘｃ・・・（
Ａ）とな、る。

すなわち、第１および第２の受信アンテナにより伝播時
間ｔｌ＋　　ｔ４をそれぞれ測定し、これらを上式（Ａ
）に代入することで被搬送物質の厚さｇを求めることが
できる。

〔実施例〕

以下、この発明を添付図面を示す実施例にしたがって詳
細に説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示すもので、鋼製の土砂
搬送管１の中を土砂４が搬送される。この場合、土砂４
はスクリューコンベア７によって土砂搬送管１の中へ次
々押し出されることで移動していく。

前述したように電磁波は、土中を透過し、比誘電率の異
なる物質の境界で反射する。空気、土。

鋼板の比誘電率はそれぞれ異なるので、それぞれの境界
で電波は反射する。

本装置においては、搬送管１の下部に送信アンテナ２お
よび受信アンテナ３を設けるとともに、搬送管１の上部
に受信アンテナ８を設け、２つの受信アンテナ３．８で
送信アンテナ２からの電波を受信する。

すなわち、アンテナ２から発射された電波の一部は、土
砂４の表面で反射し、アンテナ３で受信される。この際
の電波の伝播時間をｔ、とすると、この伝播時間ｔ１は
受信アンテナ３て測定できる。

また、送信アンテナ２から発射された電波の一部はｔ１
／２秒後土の表面６に到着し、その一部は反射すること
なく透過して空気中５を伝播し、受信アンテナ８で受信
される。

この空気中５の電波の伝播時間をｔ、とすると、この伝
播時間ｔ３は下式（３）のように表わされる。

（Ｌ　　　１）　　）　　−Ｃ２’　　ｔ３　　　　　
　　−　　（３）Ｌ：搬送管１の外径Ｃ２：空気中での電波の速度従って、受信アンテナ８で受信される電波の伝播時間ｔ
４はｔａ　−（ｔ＋　／２）＋　ｔｉ ’＝　（ｔ＋　／２）＋　（Ｌ　　Ｄ　）／Ｃ２・・　
（４）となり、この（４）式を変形すると、土砂の厚さ
ｐは下式（５）のようになる。

ｆｌ　＝Ｌ　　　ｆ　（ｔ＋　／２　　ｔ４）　ｌ　　
ＸＣ２・・・（５）従って、受信アンテナ３て伝播時間
ｔ　を測定し、受信アンテナ８て伝播時間ｔ４を測定し
、これらを上記（５）式に代入することて、土砂の厚さ
ｇを土の比誘電率εｒを測定することなく求めることが
できる。

第２図は送受信回路の構成を示すもので、トリガ回路１
０は所定周期のトリガ信号Ｔｒを出力する。

パルス発生回路２０はトリガ回路１０のトリガ信号Ｔｒ
によるタイミングで高周波パルス信号を発生し、これを
送信アンテナ２に出力する。これにより、送信アンテナ
２からは、第３図（ａ）に示すようなパルス電波が発射
される。

この送信パルス波のうち土中４を伝播し、土と空気との
境界面６で反射した電波は受信アンテナ３で受信される
。この受信波はサンプリング回路３０てトリガ信号Ｔｒ
のタイミングでサンプリングされ、サンプリング回路３
０で低周波信号に変換され、さらにアベレージヤ４０に
よる平均化処理により非同期ノイズが低減されて信号処
理器５０に入力される。

信号処理器５０では、入力信号を第３図（ｂ）に示すよ
うなパルス波形に変換し、さらに、この変換パルス波と
送信波に基すき送信波が発射されてから受信アンテナ３
で受信されるまでの伝播時間ｔ１を求め、受信パルス波
および求めた伝播時間ｔ１を計゛算機９０に入力する。

一方、土中４を伝播し、前記境界面６を透過した電波は
受信アンテナ８で受信される。この受信波は前記同様サ
ンプリング回路６０、アベレージヤ７０を経て信号処理
器８０に入力され、信号処理器８０で第３図（Ｃ）に示
すようなパルス波形に変換される。さらに、信号処理器
８０では、送信波が発射されてから受信アンテナ８で受
信されえるまでの伝播時間ｔ４を求め、この伝播時間ｔ
４を変換パルス波と共に計算機９０に入力する。

計算機９０では、信号処理器５０．８０から入力された
受信パルス波を送信波とともにＣＲ７表示装置１００に
表示するとともに、入力された伝播時間ｔｌ＋　　ｔ４
を先の第（５）式に入力することにより土砂の厚さｐを
演算する。計算機９ｏは、このようにして演算した厚さ
ｐから管内を通過する土砂量等を求める。

なお、この場合には、信号処理器５０．８０で伝播時間
ｔＩ＋　　ｔ４を計測するようにしたが、ＣＲ７表示装
置１００に表示された送信波および両受倍波から計算機
９０が時間ｔｌ＋ｉ４を求めるようにしてもよい。

ところで、本装置においては土砂の厚さｇを計測するこ
とができるので、先の（１）式に測定したｐおよび時間
ｔ、を代入することで比誘電率εｒを算出することがで
き、比誘電率の自動算出システムとして用いても有効で
ある。

また、本技術は土砂の搬送以外の任意物質の搬送にも適
用可能であり、例えば、管内水位の検出にも適用するこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上、説明したように、この発明によれば、電波アンテ
ナの配置を工夫することで被搬送物質の比誘電率を測定
することなく被搬送物質の厚さを正確かつ非接触で測定
することができる。

８０・・・信号処理器、９０・・・計算機、１００・・
・ＣＲ

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略図、第２図は計測系の
ブロック図、第３図は本実施例のパルス波形図、第４図
および第５図は電磁波を用いた従来技術を示す図、第６
図は第５図の各信号を示すパルス波形図である。１・・・搬送管、２・・・送信アンテナ、３．８・・・
受信アンテナ、４・・・土砂、５・・・空気、６・・・
土と空気の境界面、７・・・スクリューコンベア、１ｏ
・・・トリガ回路、２０・・・パルス発生回路、３０．
６０・・・サンプリング回路、４０．７０・・・アベレ
ージヤ、５０゜第図第４図

Claims

【特許請求の範囲】　搬送管内を搬送される被搬送物質の厚さを計測する被
搬送物質の厚さ計測装置において、前記搬送管の下部に送信アンテナおよび第１の受信アン
テナを設け、前記搬送管の上部に第２の受信アンテナを
設けるとともに、前記第１の受信アンテナの受信出力に基ずき送信アンテ
ナを発射してからこの第１の受信アンテナで受信される
までの電波の伝播時間を計測する第１の計測手段と、前記第２の受信アンテナの受信出力に基ずき送信アンテ
ナを発射してからこの第２の受信アンテナで受信される
までの電波の伝播時間を計測する第２の計測手段と、これら第１および第２の計測手段の計測値により、前記
被搬送物質の厚さを計算する計算手段と、を具えるよう
にした被搬送物質の厚さ計測装置。