JPH07253365A - 管の磁歪応力測定方法および治具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 管の周囲の一部に狭小空間がある場合でも、
管に作用する最大曲げ応力を測定する。 【構成】 狭小空間を除き、管の周囲が開放されている
管周について少なくとも半周分の測定を行う。管長に対
して相対的に口径が小さい管の場合には、管周方向の応
力がごく小さい値であるため、管軸方向の応力のみを考
えればよい。管軸方向の応力は、最大で３６０°の周期
を有する正弦関数で近似することができる。したがっ
て、管の周方向に１８０°分の応力測定を行えば、必ず
正弦関数の最大値または最小値を含む点を測定すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、構造物などが隣接して
いるため、周囲の一部が狭小空間しかない管の磁歪応力
を測定する方法、およびその方法の実施に直接使用する
治具に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁歪応力測定法は、強磁性材料に荷重が
作用すると透磁率に異方性が生じ、荷重方向の透磁率が
大きくなり、反対に荷重方向と直角方向の透磁率が小さ
くなるので、両透磁率の差を磁歪センサによって検出す
ることによって、主応力の方向および大きさを測定する
手法である。

【０００３】図８は、管長に対して相対的に口径が小さ
い管１を示す側面図である。管１の外周には、全周にわ
たって環状のレールが装着される。磁歪センサは、管１
の周方向に沿ってレール上を移動することができる。

【０００４】図９は、磁歪センサを管１の周方向に移動
させつつ測定した管に作用している応力の分布を示すグ
ラフである。管１の管頂からの角度が異なる位置Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄなどに対応する応力が、図９に示される。管
１は長さに比べて相対的に小口径であるため、通常曲げ
変形が卓越しており、管周方向の応力は零またはごく小
さい値である。したがって、管１の場合磁歪センサの出
力は、管軸方向の応力に対応している。管軸方向の応力
は３６０°の周期を有する正弦関数で近似することがで
きる。

【０００５】このような応力測定を行うにあたり、従来
は、磁歪センサを管の周方向に１周分移動させつつ、管
に作用している応力を測定している。たとえば、特開平
５−２８１０５７号公報の第１５段落で述べられている
実験結果では、同公報の図７に示されるように、管の全
周３６０°について測定されている。また、特開平５−
２８１０５８号公報の第１３段落では、磁歪センサを管
１の周方向に沿って少なくとも１回転以上回転移動する
ことができる旨の記載がされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】管の周囲がすべて開放
されている場合には、管の周方向に１周分磁歪センサを
移動させつつ応力測定を行うことが可能である。しか
し、通常測定すべき管には橋梁などの他の構造物が隣接
していることが多い。このため、管の周囲の一部と構造
物との間には狭小な空間しかない場合が多い。このよう
な場合、管の全周にわたって磁歪センサを走行させるこ
とができない。該磁歪センサは、管の径方向に所定以上
の空間を必要とするからである。このことから、従来技
術では、管の周囲がすべて開放されていない場合には、
磁歪センサを管の周方向に移動させつつ管の応力測定を
行うことができない。

【０００７】本発明の目的は、管の周囲がすべて開放さ
れておらず、管の周囲の一部に狭小空間がある場合で
も、管に作用する最大曲げ応力を測定することができる
管の磁歪応力測定方法および治具を提供することであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、測定すべき管
の管軸方向に９０度以外の角度で交差する方向に間隔を
あけて一対の磁極を有する第１コアに、励磁コイルを巻
回して配置し、その励磁コイルを交流電力によって励磁
して、前記第１コアの一対の磁極を結ぶ直線に対して垂
直な方向に間隔をあけて一対の磁極を有する第２コアに
検出コイルを巻回して配置し構成される磁歪センサを用
い、磁歪センサを管の周方向に半周分移動しつつ、検出
コイルからの誘導起電力Ｖを検出し、検出コイルによっ
て検出された管の周方向の誘導起電力Ｖについて、管軸
まわりの角度θに対する分布を求め、角度θに対する分
布を正弦関数で近似し、近似された正弦関数の振幅値か
ら管に発生している最大曲げ応力を演算して求めること
を特徴とする管の磁歪応力測定方法である。

【０００９】また本発明は、測定すべき管の外周に半周
分以上形成され、磁歪センサを移動可能に装着するレー
ルと、管にレールを装着した状態でレールに対向する側
から管に装着され、レールよりも管の径方向の厚みが小
さく、管をレールとともに挟持する固定部材とを含むこ
とを特徴とする管の磁歪応力測定治具である。

【００１０】

【作用】本発明に従えば、測定すべき管に第１コアおよ
び第２コアを含んで構成される磁歪センサを配置する。
前記第１コアは一対の磁極を有し、測定すべき管の管軸
方向に９０度以外の角度、たとえば４５度で交差する方
向に間隔をあけて配置される。前記第１コアには、交流
電力によって励磁される励磁コイルが巻回されている。
前記第１コアの一対の磁極を結ぶ直線に対して垂直な方
向に間隔をあけて、一対の磁極を有する前記第２コアが
設けられる。前記第２コアには検出コイルが巻回され
る。このようにして構成される磁歪センサを管の周方向
に半周分移動させつつ、前記検出コイルからの誘導起電
力Ｖを検出する。

【００１１】前記検出コイルからの誘導起電力Ｖは、管
軸方向の応力と管周方向の応力との差に対応している。
該検出コイルによって検出された管の周方向の誘導起電
力Ｖについて、管軸まわりの角度θに対する分布を求め
る。求められた角度θに対する分布を正弦関数で近似す
る。近似された正弦関数の振幅値から管に発生している
最大曲げ応力を演算して求める。管軸方向の応力は３６
０°の周期を有する正弦関数で近似することができる。
また、管周方向の応力は１８０°の周期を有する正弦関
数で近似することができる。したがって、磁歪センサを
管の全周にわたって移動させなくとも、半周分移動させ
れば最大値または最小値が含まれる。また管の半周分移
動させたときの測定結果から全周分の近似が可能で、近
似された応力分布から曲げ応力の分布を求めることがで
きる。磁歪応力の測定にあたり、磁歪センサを管の半周
分移動させるだけでよいので、他の構造物が管の隣接し
ているために、管の全周を測定することができない場合
でも、管の最大曲げ応力を容易に算出することができ
る。

【００１２】また本発明に従えば、管の磁歪応力測定治
具には、レールと固定部材とが含まれる。前記レール
は、測定すべき管の外周に半周分以上形成される。磁歪
センサは前記レールに移動可能に装着される。前記固定
部材は、管に前記レールを装着した状態で、該レールに
対向する側から管に装着される。こうして固定部材は、
管をレールとともに挟持する。前記固定部材は、前記レ
ールよりも管の径方向の厚みが小さくなるように形成さ
れる。したがって、管が構造物に隣接しているため、管
の外周と構造物との間に狭小な空間しかない場合でも、
固定部材をこの狭小な空間に挿入して管に装着させるこ
とができる。測定すべき管の周囲がすべて開放されてお
らず、周囲の一部に狭小空間がある場合でも、治具を用
いることによって、磁歪センサによる管の磁歪応力測定
を行うことができる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の管の磁歪応力測定方法を用
いて測定される管１１の断面図である。管１１は、橋梁
などの構造物１２と隣接している。そのため、管１１の
周囲はすべて開放されておらず、管周の一部と構造物１
２との間には狭小空間１３が存在する。本発明の磁歪応
力測定方法では、狭小空間１３を除き、管１１の周囲が
開放されている管周について少なくとも半周分θ１の測
定を行う。管１１を半周分測定することができれば、管
１１に作用する最大曲げ応力を測定することができるか
らである。これは、管１１に作用する応力が最大で３６
０°、すなわち全周分の周期を有する正弦関数を用いて
表すことができることを利用するものである。半周分に
ついてのデータがあれば、全周分の応力分布を容易に演
算処理によって推定することができる。

【００１４】また、管１１は管長に対して相対的に口径
が小さい管である。このような管では、通常、管周方向
の応力はごく小さい値であるため無視することができ、
管軸方向の応力のみを考えればよい。管軸方向の応力
は、３６０°の周期を有する正弦関数ｓｉｎθで近似す
ることができる。したがって、管１１の周方向に少なく
とも１８０°の応力測定を行えば、必ず正弦関数の最大
値または最小値を含む点を測定することができる。

【００１５】図２は、本発明の方法によって求められた
管１１に作用する応力結果を示すグラフである。グラフ
中の×印は、実際に測定された測定点である。グラフ
は、管頂Ａから管１１の周方向に時計回りに測った角度
に対して管１１に作用する曲げ応力分布を示す。グラフ
の最小値Ｅは、実際に測定された管１１に作用する最大
圧縮応力を示す。管１１の場合、管軸方向の応力のみを
考えることができるため、管１１に作用する応力は３６
０°の周期を有する正弦関数ｓｉｎθで近似される。し
たがって、実際の測定点に対し、最小二乗法を用いて正
弦関数ｓｉｎθで近似する。グラフの最大値Ａ′はこの
近似から推定された管１１に作用する最大引っ張り応力
であり、管頂Ａに一致する。こうして、管１１に作用す
る最大曲げ応力および曲げ応力分布を求めることができ
る。

【００１６】図３は、本発明の方法の実施に直接使用さ
れる一実施例の治具１４を示す斜視図である。治具１４
は、磁歪センサを走行させるためのレール１６と、狭小
空間１３に配置されレール１５を固定するためのバンド
１５とから構成される。バンド１５は図３（１）に示さ
れ、レール１６は図３（２）に示される。バンド１５お
よびレール１６は、半円周状に、撓み変形可能な材料、
好ましくは黄銅などの非強磁性材料で形成される。レー
ル１６は、少なくとも円周分すなわち円周角１８０°分
形成される。一方、バンド１５は半径方向の厚みｔが５
ｍｍ程度となるように形成される。バンド１５の一端に
は、レール１６と同一断面形状のレール１６ａが形成さ
れる。こうして、バンド１５とレール１６とが接合され
たとき、磁歪センサが円周角１８０°以上のレール１６
ａ，１６を走行することができるようにする。円周角１
８０°以上となるように形成されたレール１６ａ，１６
上に、磁歪センサを走行させるためのフレーム２１が走
行可能に取付けられ、フレーム２１の上に磁歪センサが
装着される。

【００１７】バンド１５の両端には、ボルト１７が矢符
１９で示される方向に回転可能に接続されている。この
ボルト１７にはナット１８が螺着されている。一方、レ
ール１７の外周面２０上には凹溝２４が設けられてい
る。レール１６とバンド１５とを接合するにあたり、ボ
ルト１７を凹溝２４に挿入し、ナット１８で締付けて、
レール１６とバンド１５とを接合しつつ、測定されるべ
き管に固定する。

【００１８】測定されるべき管１１に治具１４を固定す
る方法について以下に詳述する。レール１６ａが形成さ
れていない方のバンド１５の一端２２を狭小空間１３に
挿入し、バンド１５を管１１の周囲に配置する。バンド
１５は撓み変形可能であり、バンド１５の管径方向の厚
さは５ｍｍ程度で非常に薄い。このため、狭小空間１３
であっても、バンド１５を容易に挿入することができ
る。

【００１９】次に開放された管１１の周囲にレール１６
が配置される。レール１６は、その内周面２３に板ばね
部材などを介して管１１に配置される。これは、レール
１６と管１１との間に隙間をあけて、磁歪センサを装着
するためのフレーム２１を、走行可能にレール１６に取
付けることができるようにするためである。

【００２０】その後、レール１６とバンド１５とを接合
し、管１１に固定する作業を行う。

【００２１】図４は、図３の矢符Ａで示される方向から
見たバンド１５とレール１６との接合状態を示す側面図
である。前述したようにバンド１５のボルト１７をレー
ル１６の外周面２０上に設けられた凹溝２４に挿入す
る。ボルト１７に螺着されるナット１８の直径に合わせ
て、凹溝２４の一部分は、溝幅が広く形成される。溝幅
が広く形成された凹溝２４ａに、ボルト１７に螺着され
たナット１８が挿入される。その後、ボルト１７に螺着
されたナット１８の締付けが行われる。このようにし
て、接合されたレール１６とバンド１５とを、管１１の
外周を挟持しつつ管１１に固定される。

【００２２】レール１６およびバンド１５は、撓み変形
可能に形成されるけれども、測定すべき管の直径に合わ
せて予め複数種類作成しておくと、より精密に管周に適
合させることができ、精度のよい磁歪応力測定が可能と
なる。

【００２３】上述の実施例では、バンド１５の一端にレ
ール１６ａを形成し、バンド１５とレール１６とが接合
されたとき、磁歪センサを走行させることができるレー
ルが円周角１８０°以上となるようにした。他の実施例
として、レール自体を円周角１８０°以上に形成しても
よい。この場合には、図３で示されるようにバンド１５
の一端にレール１６ａを設ける必要はない。

【００２４】前述の実施例では、バンド１５とレール１
６とをともに半円周状に形成するため、バンド１５およ
びレール１６の両端はともに開放されていた。そのた
め、バンド１５の両端とレール１６の両端とをそれぞれ
接合することとしたが、バンド１５の一端とレール１６
の一端とを予め接続して一体的に形成することとしても
よい。すなわち、レール１６を１８０°以上に形成し、
レール１６の続きにバンド１５を設けて略円周状の治具
とする。この場合は、バンド１５の一端とレール１６の
一端とを一か所のみ接合することによって管の周囲に固
定する。

【００２５】図５は、レール１６が管１１に装着された
状態を示す断面図である。レール１６は管１１に板ばね
部材２５を介して装着される。板ばね部材２５を介する
ことによってレール１６と管１１との間に隙間をあける
ことができる。この隙間があることによって、磁歪セン
サを装着するために取付けられるフレーム２１は円滑に
移動することができる。

【００２６】図５では、磁歪センサを装着させるための
フレーム２１がレール１６に取付けられている。フレー
ム２１には、ばねなどの弾性体２７が設けられる。した
がって、フレーム２１は撓み変形可能であり、レール１
６に容易に取付けることができる。レール１６と対向す
るフレーム２１の表面には、ローラ２６が設けられる。
ローラ２６が回転することによって、フレーム２１がレ
ール上を走行移動することができる。こうして管１１の
周囲に狭小空間１３がある場合でも、上述の治具１４を
用いて磁歪センサによる磁歪応力測定を行い、管に作用
する最大曲げ応力を求めることができる。

【００２７】図６は、フレーム２１に取付けられる磁歪
センサ３１の簡略化した平面図である。磁歪センサ３１
は略Ｕ字状の第１コア３２を有し、この第１コア３２に
は、励磁コイル３３が巻回される。第１コア３２の一対
の磁極３４，３５は管軸３６方向に９０度以外の角度α
（この実施例ではα＝４５度）で交差する直線３７の方
向に間隔をあけて設けられる。励磁コイル３３には、た
とえば５０Ｈｚまた６０Ｈｚ、１００Ｖの交流電源３８
が接続されて、励磁コイル３３が励磁される。さらにま
た第２コア３９が設けられる。この第２コア３９は、逆
Ｕ字状に形成される。第２コア３９には検出コイル４０
が巻回される。第２コア３９の一対の磁極４１，４２
は、第１コア３２の一対の磁極３４，３５を結ぶ直線３
７に対して垂直な直線４３上で間隔をあけて一対の磁極
４１，４２を有する。各磁極３４，３５；４１，４２の
各図心は、仮想上の正方形の各頂点位置にあり、直線３
７，４３は、その仮想上の正方形の対角線に位置する。

【００２８】励磁コイル３３を交流電源３８によって励
磁し、検出コイル４０の誘導起電力Ｖは電圧計などの電
圧測定手段４４によって検出される。検出コイル４０の
誘導起電圧Ｖは、管軸３６方向の応力σ１と管周方向の
応力σ２とに依存して第１式で示される。

【００２９】 Ｖ＝Ｍ（σ１−σ２） …（１） ここでＭは磁歪感度であり、管１１の材質などに依存す
る定数である。管１１が管長に対して相対的に小口径で
あるときには、σ２＝０である。コア３２，３９は一体
的に相互に固定されて構成される。磁歪センサ３１で
は、第１コア３２の磁極３４，３５が第２コア３９の磁
極４１と等距離にある。管１１の管軸３６方向に磁歪応
力σ１が発生していない状態では、その管１１の管軸方
向および管周方向の透磁率μは等しい。このことから、
励磁コイル３３が交流電源３８によって励磁されている
とき、磁極３４から磁極４１に入る磁束と、この磁極４
１から磁極３５に出ていく磁束とは等しくなる。同様な
ことは磁極４２に対しても成立する。したがって検出コ
イル４０に接続されている電圧測定手段４４によって検
出される誘導起電力Ｖは零またはごく小さい値である。

【００３０】管１１に管軸方向の磁歪応力σ１および／
または管周方向の磁歪応力σ２が作用すると、管１１の
管軸方向と管周方向との各透磁率は異なる。このため、
検出コイル４０の誘導起電力Ｖは、磁歪感度Ｍと磁歪応
力σ１，σ２とに対応した値となる。ここで管軸方向の
応力σ１と管周方向の応力σ２とを総括的に応力σと言
うことがある。

【００３１】図７は、図６に示される磁歪センサ３１の
電気的構成を示すブロック図である。電圧測定手段４４
の出力は、マイクロコンピュータなどによって実現され
る処理回路４５に与えられる。処理回路４５にはまた、
キーボードなどの入力手段が接続される。処理回路４５
が駆動手段４６を制御し、電圧測定手段４４の測定結果
を管軸３６まわりに角度θ毎にストアするメモリ４７に
接続される。メモリ４７のストア内容は陰極線管または
液晶などの目視表示手段４８によって表示することがで
きる。

【００３２】処理回路４５の動作を順を追って説明す
る。管１１が小口径であって偏平になっておらず、真円
に近い断面であるとき前述のように管周方向の応力σ２
は無視することができる程度に小さい値である。第１の
工程で、駆動手段４６を駆動してフレーム２１に取付け
られた磁歪センサ３１を用いて、角度θに対応する検出
コイル４０の誘導起電力Ｖ、したがってそれに対応する
管軸方向の応力σ１を測定する。この誘導起電力Ｖは、
管１１の周方向の予め定める一定の角度、たとえば５度
毎にサンプリングされて、メモリ４７にストアされる。
このメモリ４７にストアされた誘導起電力Ｖは、表示手
段４８によって表示される。

【００３３】第２の工程では、誘導起電力Ｖの各測定値
に基づいて、最小二乗法によって第２式で示される正弦
波形で近似する関数を演算して求める。

【００３４】 Ｖ＝Ｆ＋Ｇｓｉｎ（θ−Ｈ） …（２） 上記演算によって得られた第２式で示される関数が、図
２で示されるグラフである。振幅Ｇは、管軸方向の応力
σ１に対応した値である。こうして、管１１が小口径で
あるときにおける管軸方向の応力σ１を演算して求める
ことができる。

【００３５】上述の実施例では、管１１は小口径であ
り、したがって第１式における管周方向の応力σ２は無
視することができる程度に小さい場合であった。

【００３６】本発明の他の実施例として、管が管長に対
して相対的に大口径であるときには、管の周方向に測定
された角度θの各位置における磁歪センサ３１の検出コ
イル４０から得られる誘導起電力Ｖは、ｓｉｎ２θに対
応する周期、すなわち１８０°の周期で変化する。この
場合は、管の周方向に沿って半周分測定することなく、
少なくとも１／４周分以上の測定を行えば第３式に示さ
れる関数を前述の第２工程において得ることができる。

【００３７】 Ｖ＝Ｆ＋Ｇｓｉｎ（２θ−Ｈ） …（３） 管が大口径であるとき、第３式の係数Ｇは、正弦関数の
振幅値に相当し、管の周方向の応力σ２に対応した値で
ある。

【００３８】こうして管の種類に応じて、管の周方向の
角度θとするとき、ｓｉｎθまたはｓｉｎ２θで近似し
た関数を作成する。その関数の振幅Ｇに対応する応力θ
を演算して求めることによって、管に作用する最大曲げ
応力を測定することができる。

【００３９】本実施例では、管に作用する応力を正弦関
数で近似したが、正弦関数と同様の変化曲線であるた
め、余弦関数で近似することにしてもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、管の磁歪
応力の測定にあたり、磁歪センサを管の半周分移動させ
るだけでよいので、他の構造物が管に隣接しているため
に管の全周を測定することができない場合でも、管に生
じる最大曲げ応力を算出することができる。

【００４１】また本発明によれば、管に構造物などが隣
接しているため、管の周囲の一部に狭小空間しかない場
合でも、磁歪応力測定用の治具を用いて磁歪センサが装
着されたレールを管に挟持するので、磁歪センサによる
管の磁歪応力測定を行うことができる。この治具を用い
た管の磁歪応力測定によって、管の最大曲げ応力を求め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁歪応力測定方法を用いて測定される
管１１の断面図である。

【図２】本発明の方法によって求められた管１１に作用
する応力結果を示すグラフである。

【図３】本発明の方法の実施に直接使用される一実施例
の治具１４を示す斜視図である。

【図４】図３の矢符Ａで示される方向から見たバンド１
５とレール１６との接合状態を示す側面図である。

【図５】レール１６が管１１に装着された状態を示す断
面図である。

【図６】フレーム２１上に取付られる磁歪センサ３１の
簡略化した平面図である。

【図７】磁歪センサ３１の電気的構成を示すブロック図
である。

【図８】管長に対して相対的に口径が小さい管１を示す
側面図である。

【図９】磁歪センサを管１の周方向に移動させつつ測定
した管に作用している応力結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１１ 管 １２ 構造物 １３ 狭小空間 １４ 治具 １５ バンド １６，１６ａ レール １７ ボルト １８ ナット ２１ フレーム ２５ 板ばね部材 ２６ ローラ ３１ 磁歪センサ ３２ 第１コア ３３ 励磁コイル ３４，３５；４１，４２ 磁極 ３６ 管軸 ３８ 交流電源 ３９ 第２コア ４０ 検出コイル ４４ 電圧測定手段 ４５ 処理回路 ４６ 駆動手段 ４７ メモリ ４８ 目視表示手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒田 ▲隆▼司 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 境 禎明 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定すべき管の管軸方向に９０度以外の
   角度で交差する方向に間隔をあけて一対の磁極を有する
   第１コアに、励磁コイルを巻回して配置し、その励磁コ
   イルを交流電力によって励磁して、前記第１コアの一対
   の磁極を結ぶ直線に対して垂直な方向に間隔をあけて一
   対の磁極を有する第２コアに検出コイルを巻回して配置
   し構成される磁歪センサを用い、 磁歪センサを管の周方向に半周分移動しつつ、検出コイ
   ルからの誘導起電力Ｖを検出し、 検出コイルによって検出された管の周方向の誘導起電力
   Ｖについて、管軸まわりの角度θに対する分布を求め、
   角度θに対する分布を正弦関数で近似し、近似された正
   弦関数の振幅値から管に発生している最大曲げ応力を演
   算して求めることを特徴とする管の磁歪応力測定方法。
2. 【請求項２】 測定すべき管の外周に半周分以上形成さ
   れ、磁歪センサを移動可能に装着するレールと、 管にレールを装着した状態でレールに対向する側から管
   に装着され、レールよりも管の径方向の厚みが小さく、
   管をレールとともに挟持する固定部材とを含むことを特
   徴とする管の磁歪応力測定治具。