JPH08122170A - 管の長手方向の曲げ応力連続測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 管長手方向の曲げ応力分布を容易にかつ精度
よく測定する。 【構成】 管内径Ｄ、板厚ｔおよび磁歪感度Ｍなどを入
力し初期設定を行う（ｎ１）。管周方向の複数箇所で磁
歪センサによる応力測定を行い（ｎ２）、測定値を正弦
波に近似して中立軸を求め、基準値Ｖ０を決定する（ｎ
３）。管軸方向の複数箇所で磁歪センサによる応力測定
を行い（ｎ４）、フーリエ級数などで測定値を近似する
（ｎ５）。近似された測定値と基準値Ｖ０との差（Ｖｉ
−Ｖ０）に磁歪感度Ｍを乗算して各測定箇所の曲げ応力
σｉを算出し（ｎ６）、曲げ応力σｉの分布を表示手段
に表示する（ｎ７）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋼管など円筒状の磁性
体に好適に用いられる長手方向の曲げ応力の測定方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】磁性材料に荷重または曲げなどの力が作
用すると、透磁率に異方性が生じる。たとえば磁化する
とその磁化した方向に伸びるような磁性体に前記力を作
用させるとき、引張応力の作用する方向の透磁率が大き
くまたは小さくなり、反対に圧縮応力の作用する方向の
透磁率が小さくまたは大きくなる。したがって磁性材料
中では、応力の方向とそれに垂直な方向の透磁率に差が
生じる。磁歪応力測定法は、この差を検出することによ
って、応力の方向および大きさを測定する方法である。
応力を非破壊的に測定することができるので、応力が大
きく作用し、長期間の使用で腐食するおそれのある箇所
を容易に検出して、対策を施すことができる。

【０００３】磁歪応力測定法を用いた管の応力測定の従
来技術を図７に示す。従来技術では、管２１の外周面に
磁歪センサ２２を近接させ、レール２３に沿うように、
磁歪センサ２２を駆動手段２４によって管周方向に１周
させる。管周方向の複数の測定点で磁歪センサ２２の出
力電圧を測定し、出力電圧の値を正弦波で近似する近似
式を求める。得られた近似式の振幅から管２１の測定し
た箇所に作用する応力を算出する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術は、管
の長手方向の微小範囲に作用する応力を測定するもので
ある。したがって、本従来技術を用いて管長手方向の曲
げ応力の分布を測定するには、管長手方向の複数箇所で
従来技術を用いた応力測定を行い、測定した各箇所の曲
げ応力をそれぞれ算出しなければならない。特により精
密な曲げ応力の分布状態の測定が必要な場合、管長手方
向の測定箇所を増やさなければならないため、本従来技
術を用いると作業能率が低下する。また測定対象とする
管が地中に埋設されている場合などは、測定を行うため
に管の周囲を長手方向の広範囲にわたって掘削しなくて
はならず、さらに作業能率が低下し、作業コストが上昇
する。

【０００５】本発明の目的は、管長手方向の曲げ応力の
分布を容易にかつ精度よく測定することができる応力測
定法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、管内を長手方
向に走行可能なロボットに、磁歪センサを搭載し、磁歪
センサを管の内面に近接させた状態で、ロボットを管の
長手方向に走行させて磁歪センサの連続出力Ｖｉを複数
の位置で測定し、磁歪センサを管の周方向に移動させる
ときの出力分布を表す正弦曲線から求められる中立軸に
対応する磁歪センサの基準出力Ｖ０を基準として、磁歪
センサからの前記連続出力Ｖｉと前記基準出力Ｖ０との
差に、磁歪感度Ｍを乗じて曲げ応力に換算することを特
徴とする管の長手方向の曲げ応力連続測定方法である。
また本発明は、管内を長手方向に走行可能なロボット
に、磁歪センサを搭載し、磁歪センサを管の内面に近接
させた状態で、ロボットを管の長手方向に走行させて磁
歪センサの往路出力Ｖｔを複数の位置で測定し、磁歪セ
ンサの管の内面に対する近接位置を、管の軸線に対して
対称な位置に移動させ、ロボットを前記長手方向の逆方
向に走行させ、往路出力Ｖｔの測定位置で復路出力Ｖｂ
を測定し、管の長手方向の各測定位置における往路出力
Ｖｔと復路出力Ｖｂとの差の１／２に、磁歪感度Ｍを乗
じて曲げ応力に換算することを特徴とする管の長手方向
の曲げ応力連続測定方法である。

【０００７】

【作用】本発明に従えば、管の長手方向に走行可能なロ
ボットに、磁歪センサを搭載し、磁歪センサを管の内面
に近接させた状態で、ロボットを管の長手方向に走行さ
せて磁歪センサの連続出力Ｖｉを複数の位置で測定す
る。磁歪センサを管の周方向に移動させるときの出力分
布を表す正弦曲線から求められる中立軸に対応する磁歪
センサの基準出力Ｖ０を基準として、前記連続出力Ｖｉ
と前記基準出力Ｖ０との差に、磁歪感度Ｍを乗じて曲げ
応力を求めるので、磁歪センサなどの測定箇所の数を減
少させることができる。また埋設管などにおいては測定
のために管周囲の掘削を行う必要がない。

【０００８】また本発明に従えば、前述の磁歪センサに
よって管の長手方向の往路出力Ｖｔを複数の位置で測定
し、磁歪センサの管の内面に対する近接位置を管の軸線
に対して対称な位置に移動させ、前記ロボットを前記長
手方向の逆方向に走行させ、往路出力Ｖｔの測定位置で
復路出力Ｖｂを測定する。管の長手方向の各測定位置に
おける前記往路出力Ｖｔと前記復路出力Ｖｂとの差の１
／２に磁歪感度Ｍを乗じて曲げ応力を求めるので、磁歪
センサの測定箇所の数を減少させ、かつ曲げ応力分布を
連続的に高精度で測定することができる。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の応力測定装置１
の簡略化した図である。応力測定装置１は磁歪センサ
２、移動手段３、制御手段４および表示手段５を含んで
構成される。

【００１０】移動手段３は、たとえば管内長手方向を前
後に走行可能なロボットなどで実現される。前記移動手
段は、たとえばモータなどを収める円筒状の本体３ａと
管内周面に接する複数個の車輪３ｂとを備える。車輪３
ｂはばねなどが組合わされた支軸を介して本体３ａと接
続され、本体の両端部寄りの外周にそれぞれ分散した、
たとえば左右対称な４カ所の合計８カ所に取付けられ
る。

【００１１】移動手段３の本体３ａの中心軸と管６の中
心軸とは一致するように車輪３ｂの支軸の長さなどによ
って調整されており、本体３ａの一方端部には磁歪セン
サ２が管６内周面と近接、またはほとんど接触し、本体
３ａの中心軸を中心に角変位可能に取付けられている。
また前記本体３ａには磁歪センサ２を角変位させる駆動
手段２ａが設けられている。

【００１２】磁歪センサ２から出力される信号は、制御
手段４内の処理回路４ａに入力される。磁歪センサ２が
管６の内周面から離れているときは、その間隔をリフト
オフ量として出力の補正が行われる。前記信号は処理回
路４ａ内でメモリ４ｂに記録されている情報を考慮して
処理され、ＣＲＴディスプレイなどで実現される表示手
段５に表示される。また制御手段４は移動手段３および
駆動手段２ａを制御する。

【００１３】図２は図１の磁歪センサ２の簡略化した斜
視図および平面図である。磁歪センサ２は第１コア７、
励磁コイル８、交流電源９、第２コア１０、検出コイル
１１および電圧測定手段１２を備える。第１コア７は逆
Ｕ字状に形成され、励磁コイル８が巻回される。励磁コ
イル８には交流電源９が接続され、交流電源９から出力
される電圧によって励磁コイル８が励磁される。第２コ
ア１０は逆Ｕ字状に形成され、検出コイル１１が巻回さ
れる。検出コイル１１には電圧計などで実現される電圧
検出手段１２が接続される。第１コア７の一対の磁極７
ａ，７ｂと第２コア１０の一対の磁極１０ａ，１０ｂの
各中心は仮想上の正方形の各頂点位置にあり、前記磁極
７ａ，７ｂとを結ぶ直線７ｃと、前記磁極１０ａ，１０
ｂを結ぶ直線１０ｃとは直交し、前記正方形の対角線に
一致する。

【００１４】磁歪センサ２では第１コア７の磁極７ａ，
７ｂが第２コア１０の磁極１０ａ，１０ｂと等距離にあ
り、したがってたとえば管軸方向に応力σが発生してい
ない状態では、管周方向および管軸方向の透磁率は等し
いゆえに、励磁コイル８が交流電源１０から出力される
電圧によって励磁されているとき、磁極７ａから磁極１
０ａに入る磁束の量と磁極７ａから磁極１０ｂに入る磁
束の量とが等しい。したがって検出コイル１１に誘導さ
れる電流は互いに打消され、誘導起電力は生じない。管
６に管軸方向の応力が作用すると、管６の管軸方向と管
周方向との各透磁率が異なるため、前記両方向の磁気抵
抗に差が生じる。このため、磁極１０ａに入る磁束の量
と、磁極１０ｂに入る磁束の量とに差が生じて検出コイ
ル１１に電流が流れ、誘導起電力が生じる。この誘導起
電力が電圧検出手段１２で検出され、磁歪センサ２の出
力電圧Ｖとして出力される。

【００１５】前記出力電圧Ｖは管軸方向の応力σ１と管
周方向の応力σ２との差および磁歪感度Ｍに比例し、Ｍ
（σ１−σ２）と表される。磁歪感度Ｍは、管と同一材
料の試験片について応力と磁歪センサ出力との関係を測
定した結果に従って、予め求めておく。

【００１６】図３は本発明の一実施例の管長手方向の曲
げ応力測定の動作を示すフローチャートである。ステッ
プｎ１では、管の内径Ｄ、板厚ｔおよび磁歪感度Ｍを入
力し、初期設定を行う。また内径Ｄ、板厚ｔ、磁歪感度
Ｍなどは予めメモリ４ｂにストアしておき、必要に応じ
て読込むようにしてもよい。

【００１７】ステップｎ２では管周方向の応力測定を行
う。移動手段３は固定し、駆動手段２ａによって磁歪セ
ンサ２を角変位させる。予め定められた一定角度Δθ
毎、たとえば５°毎に交流電源９によって励磁コイル８
を励磁させ、電圧検出手段１２で検出コイル１１に誘導
された電流によって生じる誘導起電力、すなわちセンサ
の出力電圧Ｖ_θを検出し読込む。前記出力電圧Ｖ_θは前
記一定角度Δθ毎にサンプリングされ、メモリ４ｂにス
トアされる。前記測定は、管周方向の測定開始位置から
の角変位量が３６０°以上になるまで繰返される。前記
角変位量が３６０°以上になると、すなわち磁歪センサ
２が管周方向に回転すると、ステップｎ３に進む。ステ
ップｎ３ではステップｎ２で測定した前記出力電圧Ｖ_θ
を正弦波で近似し、次式のような近似式を求める。

【００１８】 Ｖ_θ ＝ Ｖ０ ＋ Ｂｃｏｓ２θ …（１） Ｖ０はこの近似式の中立軸に対応する値である。これに
よって管の初期残留応力などによって生じる磁歪センサ
２の基準出力Ｖ０を管周方向の各測定点の値を、測定値
が本来従うと考えられる正弦波に近似することによって
測定誤差の影響を小さくしたより正確な値として求める
ことができる。

【００１９】ステップｎ４では管長手方向すなわち管軸
方向の応力分布の測定を行う。駆動手段２ａは固定し、
移動手段３を用いて磁歪センサ２を管長手方向に変位さ
せる。予め定められた一定変位量毎にセンサの出力電圧
Ｖｒｉを測定し読込む。前記出力電圧Ｖｒｉは前記一定
変位量毎にサンプリングされ、メモリ４ｂにストアされ
る。前記測定は管長手方向の測定開始位置からの変位量
が予め定められた一定量になるまで繰返される。前記変
位量が前記一定量を超えると、ステップｎ５に進み、前
記出力電圧Ｖｒｉを最小２乗法などを用い、高次関数あ
るいはフーリエ級数などで近似し、図４の実線で示すよ
うな近似関数を求める。これによって管軸方向の各測定
点での測定誤差の影響を抑えたより正しい出力電圧の値
を求めることができる。

【００２０】ステップｎ６では管軸方向の各測定点での
応力σの値を次式のように求める。

【００２１】 σｉ ＝ Ｍ （ Ｖｉ − Ｖ０ ） …（２） ここでＶｉは高次関数などで近似することで補正された
管軸方向の各測定点の磁歪センサの出力電圧である。Ｍ
Ｖ０は管の初期残留応力に相当し、管軸方向の各測定点
で測定された応力ＭＶｉから初期残留応力ＭＶ０を除く
ことによって管軸方向の曲げ応力σｉを知ることができ
る。ステップｎ７では算出された曲げ応力σｉを表示手
段５に表示して処理を終了する。

【００２２】また本実施例では、初期残留応力ＭＶ０を
算出するために行う管周方向の応力測定を、各軸方向の
応力測定を行う前に管軸方向の応力測定開始位置におい
て行っているけれども、管軸方向の応力測定終了後また
はそれ以外の時点に行ってもよい。また測定を行う箇所
を他の箇所としてもよい。

【００２３】図５は本発明の他の実施例の管長手方向の
曲げ応力測定の動作を示すフローチャートである。ステ
ップｎ１１では、図３のステップｎ１と同様に初期設定
を行う。ステップｎ１２では、管が荷重などの力を受け
ている方向、たとえば地盤沈下などによって埋設管が力
を受けているならば、管６の地表に近い側である管頂に
おいて管長手方向の応力測定を行い、センサの出力電圧
Ｖｔｒｉをメモリにストアする。前記測定が終了したな
らば、ステップｎ１３で移動手段３を固定し、駆動手段
２ａを駆動させて磁歪センサ２を管周方向に１８０°角
変位させ、磁歪センサの管の内面に対する近接位置を管
の軸線に対して対称な位置、たとえば管底に近接させ
る。ステップｎ１３では、管底においてステップｎ１２
で測定した方向とは逆方向に移動手段３を移動させ、管
長手方向の応力測定を行い、センサの出力電圧Ｖｂｒｉ
をメモリにストアする。すなわち外部から作用する力に
よる応力が最も大きいと予想される方向について応力測
定を行うことになる。

【００２４】ステップｎ１５では、高次関数またはフー
リエ級数などによって図６の白丸および×で示す管頂お
よび管底で測定されたセンサの出力電圧Ｖｔｒｉ，Ｖｂ
ｒｉを近似し、図６の実線および２点破線で示される近
似式を求める。ステップｎ１６では、管長手方向の各測
定点での曲げ応力σｉを次式のように求める。

【００２５】

【数１】

【００２６】ＶｔｉおよびＶｂｉはステップｎ１５の近
似式から求めた管頂および管底の出力電圧である。管頂
に作用する曲げ応力は、管底に作用する曲げ応力と大き
さが等しく、作用する方向が逆の力であると考えられ
る。初期残留応力が管底および管頂に同方向に等しい大
きさの力として作用しているならば、前記出力電圧Ｖｔ
ｉと前記出力電圧Ｖｂｉとの差をとることで初期残留応
力が打消される。これによって各測定点毎に初期残留応
力を除去することができるので、より正確な曲げ応力の
分布を測定することができる。このような正確な曲げ応
力の分布測定によって、地盤沈下などで大きな応力が発
生している危険箇所を容易に発見し、必要な対策を施す
ことができる。

【００２７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、管内を長
手方向に走行可能なロボットに、磁歪センサを搭載し、
磁歪センサを管の内面に近接させた状態で、ロボットを
管の長手方向に走行させて磁歪センサの連続出力Ｖｉを
複数の位置で測定する。前記磁歪センサを管の周方向に
移動させるときの出力分布を表す正弦曲線から求められ
る中立軸に対応する磁歪センサの基準出力Ｖ０を基準と
して、磁歪センサからの前記連続出力Ｖｉと前記基準出
力Ｖ０との差に、磁歪感度Ｍを乗じて曲げ応力を計算す
るので、磁歪センサなどの測定箇所の数を減少させるこ
とができる。これによって測定の作業能率を上昇させる
ことができる。また埋設管などにおいては、測定のため
に管の周囲を掘削する必要がなくなるので、作業能率を
上昇させ、作業コストを減少させることができる。

【００２８】また本発明によれば、前記磁歪センサによ
る往路出力Ｖｔを複数の位置で測定し、磁歪センサの管
の内面に対する近接位置を、管の軸線に対して対称な位
置に移動させ、前記ロボットを前記長手方向の逆方向に
走行させ、往路出力Ｖｔの測定位置で復路出力Ｖｂを測
定し、管の長手方向の各測定点における往路出力Ｖｔと
復路出力Ｖｂとの差の１／２に、磁歪感度Ｍを乗じて曲
げ応力を算出するので、磁歪センサの測定箇所の数を減
少させ、かつさらに曲げ応力分布を連続的に高精度で測
定することができる。これによって管長手方向の応力の
ピークの位置を確実に知ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の応力測定装置の簡略化した
図である。

【図２】図１の磁歪センサ２の簡略化した斜視図および
平面図である。

【図３】本発明の一実施例の管長手方向の曲げ応力測定
動作を示すフローチャートである。

【図４】図３の実施例の測定例および近似曲線を示すグ
ラフである。

【図５】本発明の他の実施例の管長手方向の曲げ応力測
定動作を示すフローチャートである。

【図６】図５の一実施例の測定例および近似曲線を示す
グラフである。

【図７】従来技術を用いた磁歪応力測定法による管の応
力測定の様子を示す図である。

【符号の説明】

１ 応力測定装置 ２ 磁歪センサ ３ 移動手段 ３ａ 本体 ３ｂ 車輪 ４ 制御手段 ４ａ 処理回路 ４ｂ メモリ ５ 表示手段 ６ 管 ７ 第１コア ８ 励磁コイル ９ 交流電源 １０ 第２コア １１ 検出コイル １２ 電圧検出手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管内を長手方向に走行可能なロボット
   に、磁歪センサを搭載し、 磁歪センサを管の内面に近接させた状態で、ロボットを
   管の長手方向に走行させて磁歪センサの連続出力Ｖｉを
   複数の位置で測定し、 磁歪センサを管の周方向に移動させるときの出力分布を
   表す正弦曲線から求められる中立軸に対応する磁歪セン
   サの基準出力Ｖ０を基準として、 磁歪センサからの前記連続出力Ｖｉと前記基準出力Ｖ０
   との差に、磁歪感度Ｍを乗じて曲げ応力に換算すること
   を特徴とする管の長手方向の曲げ応力連続測定方法。
2. 【請求項２】 管内を長手方向に走行可能なロボット
   に、磁歪センサを搭載し、 磁歪センサを管の内面に近接させた状態で、ロボットを
   管の長手方向に走行させて磁歪センサの往路出力Ｖｔを
   複数の位置で測定し、 磁歪センサの管の内面に対する近接位置を、管の軸線に
   対して対称な位置に移動させ、 ロボットを前記長手方向の逆方向に走行させ、往路出力
   Ｖｔの測定位置で復路出力Ｖｂを測定し、 管の長手方向の各測定位置における往路出力Ｖｔと復路
   出力Ｖｂとの差の１／２に、磁歪感度Ｍを乗じて曲げ応
   力に換算することを特徴とする管の長手方向の曲げ応力
   連続測定方法。