JPH11173998A - 分布測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広域、巨大、長尺構造物の監視、点検作業を
安全、かつ簡便な作業で短時間に行うこと。 【解決手段】 構造物２１内に電磁界漏洩ケーブル２２
を埋設し、この電磁界漏洩ケーブル２２に電源Ｖを接続
する。この電源Ｖが供給された電磁界漏洩ケーブル２２
から出力される電気的波形を波形測定部２４により観測
することにより、前記ケーブルに沿った構造物内の物理
量の分布、変化を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁波を用いた分
布測定装置に関し、特にコンクリート構造物、堤防など
の強度測定あるいは地中に埋設されている上下水道、ガ
ス管などの亀裂等の検出のような、状態監視、異常検出
に用いられる分布測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンクリート構造物、堤防などの強度、
寿命は部材内部の水分量や空隙の量に影響され、構造物
の寿命を決定する重要な指標となっとぃる。また上下水
道、ガス管などに代表されるライフラインは地中に埋設
されている。実際、埋設配管の異常としては配管の亀
裂、軸ずれ、屈曲、切断、崩れ、また埋設管周囲の異常
として空隙、水漏れ、陥没などを監視する必要がある。
従来このような監視を行うには対象が比較的小さい場合
は電磁波、音波によるレーダーを用いたり、監視カメ
ラ、内視鏡を使用していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、対象が非常に
大きい場合は従来の方法では全体の監視には非常な時間
を要し、また多くの装置を設置する必要があり、多大な
費用を必要とし、事実上全体の監視が不可能であった。

【０００４】そこで本発明は広域、巨大、長尺構造物の
監視、点検作業を安全、かつ簡便な作業で短時間で達成
できるような装置を提供することを目的とするものであ
る。なお、以下の本発明の説明においては、「構造物」
という用語は上記コンクリート構造物、堤防などを含
み、さらに上下水道、ガス管などが埋設されている大地
も含む概念として用いるものとする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の分布測定装置
は、構造物内に埋設された電磁界漏洩ケーブルと、この
電磁界漏洩ケーブルに接続された電源と、前記電磁界漏
洩ケーブルに接続され、前記電源が供給された電磁界漏
洩ケーブルから出力される電気的波形を観測する波形測
定部とを備え、前記ケーブルに沿った構造物内の物理量
の分布、変化を測定することを特徴とするものである。

【０００６】また、本発明の分布測定装置は、構造物内
に埋設され、終端が開放された一対の平行線路からなる
電磁界漏洩ケーブルと、この電磁界漏洩ケーブルの第１
の導体に第１の抵抗を介して接続された電源と、この第
１の抵抗および前記電源に並列となるように前記第１の
導体およびグランド間に接続されたスイッチと、前記電
磁界漏洩ケーブルの第２の導体とグランド間に接続され
た前記電磁界漏洩ケーブルの特性インピーダンスと等し
い第２の抵抗と、この第２の抵抗にその両端の電位差波
形を観測するように接続された波形測定部と、前記スイ
ッチおよび波形測定装置を制御する制御測定装置を備
え、前記スイッチを開放した状態で前記電源により前記
電磁界漏洩ケーブルを充電し、前記スイッチを閉じた場
合に前記第２の抵抗に発生する電位差波形信号を前記波
形測定部、制御測定部で測定し、前記ケーブルに沿つた
構造物内の物理量の分布、変化を測定することを特徴と
するものである。

【０００７】さらに、本発明の分布測定装置は、構造物
内に埋設され、一端が無反射終端された電磁界漏洩ケー
ブルと、この電磁界漏洩ケーブルの他端にサーキュレー
タを介して接続された電磁波信号源と、前記サーキュレ
ータの別のポートに接続された反射信号を観測する波形
測定部と、前記電磁波信号源及び波形測定装置を制御す
る制御測定装置を備え、前記電磁波信号源から前記電磁
界漏洩ケーブルに供給された電磁波信号による反射信号
の強度、発生位置を前記波形測定部、制御測定部で測定
し、前記ケーブルに沿つた構造物内の物理量の分布、変
化を測定することを特徴とするものである。

【０００８】さらに、本発明の分布測定装置は、構造物
内に埋設され、終端が開放された一対の平行線路からな
る電磁界漏洩ケーブルと、この電磁界漏洩ケーブルの第
１の導体に第１の抵抗を介して接続された電源と、この
第１の抵抗および前記電源に並列となるように前記第１
の導体およびグランド間に接続されたスイッチと、前記
電磁界漏洩ケーブルの第２の導体とグランド間に接続さ
れた前記電磁界漏洩ケーブルの特性インピーダンスと等
しい第２の抵抗と、この第２の抵抗にその両端の電位差
波形を観測するように接続された波形測定部と、前記ス
イッチおよび波形測定装置を制御する制御測定装置を備
え、前記スイッチを開放した状態で前記電源により前記
電磁界漏洩ケーブルを充電し、前記スイッチを閉じた場
合に前記第２の抵抗に発生する電位差波形信号の振幅変
化を前記波形測定部で測定し、この測定結果を用いて前
記制御測定部で前記信号の減衰率を算出し、前記ケーブ
ルに沿つた構造物内の導電率の分布、変化を測定するこ
とを特徴とするものである。

【０００９】さらに、本発明の分布測定装置は、構造物
内に埋設され、一端が無反射終端された電磁界漏洩ケー
ブルと、この電磁界漏洩ケーブルに沿って前記構造物内
に埋設された漏洩電磁界検出ケーブルと、前記電磁界漏
洩ケーブルの他端に接続された電磁波信号源と、漏洩電
磁界検出ケーブルに接続された反射信号を観測する波形
測定部と、前記電磁波信号源及び波形測定装置を制御す
る制御測定装置とを備え、前記電磁波信号源から発信さ
れる電磁波信号による反射信号の強度、発生位置を前記
波形測定部、制御測定部で測定し、前記ケーブルに沿っ
た物理量の分布、変化を測定することを特徴とするもの
である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明の実施の
形態を説明する。

【００１１】本発明では前記問題を解決するために前記
構造物に対し、測定ルートに沿ってケーブルを敷設し、
電磁信号を前記ケーブルに入射し、ケーブルより外界に
漏れる前記入射した電磁信号の電磁界とケーブル及びそ
の周囲媒質との相互作用を測定することにより前記構造
物の異常を検出する。以下その原理について説明する。

【００１２】１）電磁界漏洩ケーブルとその周囲の媒質
を伝搬する電磁波のふるまい 電磁波の媒質内における伝搬特性はその媒質の導電率、
誘電率、透磁率で決定される。さらに実際の堤防などの
構造物は石、れきなど不均一な媒質から構成される。こ
のような場合はその粒子径と電磁波の波長との関連で各
種の散乱電波を発生するとともにその値に応じた減衰、
位相変化、反射インピーダンス、偏波面の変化を生じ
る。

【００１３】従って漏洩ケーブルから漏洩した電磁界は
周囲媒質の電気的特性変化をケーブルまたは伝搬信号ま
たは反射信号などの散乱、反射の有無、振幅や伝搬信号
の減衰、位相またはインピ−ダンス変化として検出する
ことが出来る。次に、漏洩ケーブル及びその周囲を伝搬
する電磁波の基本的特性について検討する。

【００１４】２）土中における電磁波のふるまいの基本 土中の電磁波の伝搬に関しては地中レーダー等で研究さ
れている。それらの知見によれば、配管中の電波の伝搬
を検討する場合、基本的な問題となるのは土の電気特性
である。すなわち、境界を形成する土が導電性なのか絶
縁性なのか、によって電波の伝搬モードが性格付けされ
る。大地の抵抗率は半導体と絶縁物の中間の値である。
以下に大地とこれに含まれる水分などの比誘電率および
導電率を示す。

【００１５】

【表１】 以上のように土壌に関しては電気的には導体と絶縁体の
中間である半導体という位置づけとなる。また大地の誘
電率はその水分量で大きく変化することが分かる。導電
率もまた水分の量により大きく変化することが分かる。

【００１６】３）電磁界漏洩ケーブルと特性インピーダ
ンス 一般に電磁波を伝搬させるには導波管の様に導体内部に
電磁波を閉じ込めて伝搬させる方法あるいは二つの導体
を用いて線路を構成する方法がある。後者については特
に平行線路、同軸線路がー般的である。これらの漏洩ケ
ーブル線路の電磁界の分布は外部に向かって広がつてい
る。同軸線路の場合も外部導体を適当に構成することに
より電磁波が漏洩する構造をとることができ、漏洩同軸
ケーブルとして通信分野などで利用が検討されている。

【００１７】ここでは簡単な例として平行２線路の場合
を検討する。電磁界の分布は以下の式で表せ、その状況
は図１（Ａ）に示す。この線路の特性インピーダンスＺ
は線路の分布容量をＣ、分布インダクタンスをＬとする
と Ｚ＝（Ｌ／Ｃ）^-1/2 で与えられる。分布容量が２つの導体間の物理的位置関
係と媒質の誘電率εにより Ｃ＝πε／（ｌｎＤ／ｒ） ただし、Ｄ：２導体間の距離、ｒ：導体の半径と与えら
れる。従って、Ｌは周囲の透磁率があまり変化しないこ
とを考慮すると２）で記述したように、誘電率の変化に
基づく分布容量の変化を特性インピーダンスの変化とし
て捉えることができる。

【００１８】４）ケーブルを伝搬する信号の減衰 損失媒質中に導電性（コンダクタンスＧ）がある場合は
等価回路的に図１（Ｂ）に示す分布定数回路として捕ら
え、線路上をＸ方向に伝搬する電気信号Ｖは例えば受電
端を線路の特性インピーダンスＲZ で終端した場合 Ｖ＝Ｖｏｅｘｐ（γｘ） γ＝｛（Ｒ＋ｊωＬ）（Ｇ＋ｊωＣ｝^-1/2と表せる。た
だし、γは伝搬定数、Ｒは単位長さ当たりの抵抗、Ｌは
単位長さ当たりのインダクタンス、Ｃは単位長さ当たり
の静電容量、Ｇは単位長さ当たりのコンダクタンスであ
る。この式から、伝搬定数の実数項が信号の減衰を示す
減衰定数となる関係があることが分かる。従って信号の
減衰率から周囲媒質の導電率変化を捉えることができ
る。

【００１９】以上説明した知見に基づいて、漏洩電磁界
ケーブルを測定対象に敷設、または埋設することによ
り、前記ケーブルからの漏洩電磁界を検出することによ
り、周囲媒質の電気特性変化を分布容量変化、インピー
ダンス変化、損失変化として計測ができる。また、前記
電気特性が周囲媒質の水分量でその値が大きく変化する
ため、周囲の媒質に含まれる水分量を測定するための指
針として利用することも可能である。

【００２０】

【実施例】図２は分布容量変化を検出する分布測定装置
の実施例を示す概略構成図である。構造物２１内に埋設
された一対の平行線路からなる電磁界漏洩ケーブル２２
の一方の導体２２−１には電源Ｖが抵抗ＲL を介して接
続される。前記電磁界漏洩ケーブル２２の他端は開放と
している。また前記抵抗ＲL と電源Ｖに並行にスイッチ
ＳＷ１が接続され、制御測定部２３から制御される。ま
たもう一方の導体２２−２には前記電磁界漏洩ケーブル
２２の特性インピーダンスに等しい抵抗ＲZがグランド
との間に接続され、前記抵抗ＲZ の両端電位差を波形測
定部２４により時系列的に観測する。

【００２１】この実施例の分布測定装置を用いた測定の
動作手順は次の通りである。ＳＷ１は開放で電源Ｖから
電磁界漏洩ケーブル２２に充電される。前記ケーブル２
２上は等電位に充電されるが分布容量が構造物の媒質の
水分量などで変化するため電荷密度は場所により異な
り、これによってケーブル上に電荷分布が発生する。次
にＳＷ１を閉じると高電位側の第１の導体２２−１の電
位がグランドレベルとなるため、もう一方の第２の導体
２２−２の電位は負の電位となり、充電された電荷が前
記抵抗ＲZ に順次流れ込んでいく。この時電荷密度が高
い部分は大きな電流値となりＲZ の両端電位は高くな
り、逆に電荷密度が低いところでは電流値が下がり、Ｒ
Z 両端の電位差は小さな値となる。従って充電時に発生
したケーブル上の電荷分布がＳＷ１を閉じることによ
り、ＲZ の両端電位の時系列信号に変換して計測でき
る。前記時系列信号は波形測定部２４でサンプリングさ
れデジタル信号として制御測定部２３ににより振幅の変
化をケーブル上の例えば水分量分布に変換して出力す
る。

【００２２】測定例を図３に示す。ＳＷ１を閉じた時刻
からの時間差がケーブル上の距離と対応している。電磁
界漏洩ケーブル２２の分布容量が大きいところでは電荷
量が多く、検出される電位差が大きくなり、該当部分の
ケーブル周囲の水分量の増加などを検出することができ
る。

【００２３】図４は本発明の第２の実施例を示す分布測
定装置の概略構成図である。この分布測定装置はインピ
ーダンス変化を検出することにより、周囲の媒質の変化
を検出するものである。電磁波信号源Ｖｆはサーキュレ
ータ４１を介して構造物４２に埋設された電磁波漏洩ケ
ーブル４３に接続され、制御測定部４４で制御される。
前記電磁波漏洩ケーブル４３の他端４５は適当な終端例
えば無反射終端が接続される。前記サ−キュレータ４１
の他端は反射波形測定部４６、制御測定部４４が接続さ
れる。

【００２４】この実施例の分布測定装置を用いた測定の
動作手順は以下の通りである。電磁波信号源Ｖｆは制御
測定部４４の信号で適当な電磁波パルス、例えば単純パ
ルスを発生する。発生した電磁波パルスはサーキュレー
タ４１を通過して電磁波漏洩ケーブル５３に入射する。
通常、無反射終端５５で終端されたケーブル４３からは
反射パルスが測定されないが、電磁界漏洩ケーブル４３
の場合、ケーブルの特性インピーダンスは周囲媒質の影
響例えば水分量等で大きく変化するため、特性インピー
ダンスの変化によるインピーダンス不整合が原因となる
反射を発生する。発生した反射パルスは反射波形測定部
４６により、その電力または波形の時系列をサンプリン
グ、デジタル信号化する。前記デジタル信号は制御測定
部４４でその観測時間から位置の計算、反射パルスの大
きさからケーブル上の物理量変化の程度例えば水分量の
変化に変換して出力する。

【００２５】図５に測定信号例を示す。電磁波パルスの
発生直後、パルスの漏洩信号が検出されるがその後漏洩
ケーブル４３からの反射波形が観測される。ケーブル上
にインピーダンス変化が生じた場合、該当部分からの反
射パルス５６が計測され、その発生時間からケーブル上
の位置、またその振幅からケーブルに沿った例えば水分
量の変化が計測される。

【００２６】図６は本発明の第３の実施例の動作を示す
分布測定装置の出力波形図である。この分布測定装置は
損失変化を検出することにより、周囲の媒質の変化を検
出するものである。分布測定装置の構成は図２の場合と
ほぼ同じであるため、構成図は省略するが、測定された
信号を制御測定部２３において波形のエンペロープが残
るようなフィルタ処理を行う点において、図２の構成と
異なっている。このような構成により、図６−ａのよう
な信号が得られる。すなわち、充電された信号が観測地
点に戻るまでは充電地点から入射端までの減衰を受け
る。電磁界漏洩ケーブル２２の場合、減衰率は周囲媒質
の導電率の影響を受けるため、図６−ａの信号の傾き、
すなわち減衰率が媒質の導電率を反映している。例えば
６−ａの信号の微分を演算することにより図６−ｂが得
られこの信号はケーブル上の減衰率分布を示しており、
図６−ａで傾きの大きな部分は減衰率が大きな部分とし
て減衰率部分が得られる。

【００２７】図７および図８は本発明の第４の実施例を
示す分布測定装置の概略構成図である。この分布測定装
置においては電磁界漏洩ケーブル７１と並行して検出用
のケーブル７２を沿わせた構成を持つ。この電磁界漏洩
ケーブル７１は前述した電磁界漏洩ケーブルと異なり、
多くの電磁界を外部に漏洩する必要はなく、検出用のケ
ーブル７２が電磁界漏洩ケーブル７１の電磁界と結合で
きれば十分である。電磁界漏洩ケーブル７１が平行２線
路の場合は２つの導体間の距離を十分狭めることによ
り、漏洩の少ない検出用線路を構成できる。

【００２８】図８はこの電磁界漏洩ケーブル７１および
検出用のケーブル７２を用いた分布測定装置の概略構成
図である。電磁波信号源Ｖｆは電磁界漏洩ケーブル７１
に接続され、制御測定部８３により制御される。また検
出用ケーブル８２は反射波形測定部８４に接続され、検
出用ケーブル７２に結合する反射波形をサンプリング、
デジタル化し制御測定部８３でケーブルに沿った物理量
分布に変換する。

【００２９】図９に測定波形例を示す。電磁界漏洩ケー
ブル７１を伝搬する電磁波信号は周囲媒質の導電率によ
り減衰を受けると共に誘電率の変化で反射信号が発生
し、検出用線路に結合する。こうして検出された信号は
図９に示すように、時間の経過と共に信号レベルはケー
ブル中を伝搬する電磁波信号の減衰に対応して減少して
いき、インピーダンス変化のある場所からは反射信号９
４が検出される。減衰率の変化率、または反射信号の大
きさから漏洩ケーブルに沿った物理量の変化例えば水分
量の分布を計測することができる。

【００３０】

【発明の効果】上記した本発明によれば、広域、巨大、
長尺構造物の監視、点検作業を安全、かつ簡便な作業で
短時間で達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の分布測定装置に用いる平行２線路の電
磁界分布を示す平面図である。

【図２】本発明の分布測定装置の第１の実施例を示す概
略構成図である。

【図３】図２に示す分布測定装置の動作を説明するため
の信号波形図である。

【図４】本発明の分布測定装置の第２の実施例を示す概
略構成図である。

【図５】図４に示す分布測定装置の動作を説明するため
の信号波形図である。

【図６】本発明の第３の実施例である分布測定装置の動
作を説明するための信号波形図である。

【図７】本発明の分布測定装置の第４の実施例を示す要
部構成図である。

【図８】本発明の分布測定装置の第４の実施例を示す概
略構成図である。

【図９】図８に示す分布測定装置の動作を説明するため
の信号波形図である。

【符号の説明】

２１ 構造物 ２２ 電磁界漏洩ケーブル ２３ 制御測定部 ２４ 波形測定部 ４１ サーキュレータ ４２ 構造物 ４３ 電磁波漏洩ケーブル ４４ 制御測定部 ４５ 電磁波漏洩ケーブル４３の他端 ４６ 波形測定部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造物内に埋設された電磁界漏洩ケーブ
   ルと、この電磁界漏洩ケーブルに接続された電源と、前
   記電磁界漏洩ケーブルに接続され、前記電源が供給され
   た電磁界漏洩ケーブルから出力される電気的波形を観測
   する波形測定部とを備え、前記ケーブルに沿った構造物
   内の物理量の分布、変化を測定することを特徴とする分
   布測定装置。
2. 【請求項２】 構造物内に埋設され、終端が開放された
   一対の平行線路からなる電磁界漏洩ケーブルと、この電
   磁界漏洩ケーブルの第１の導体に第１の抵抗を介して接
   続された電源と、この第１の抵抗および前記電源に並列
   となるように前記第１の導体およびグランド間に接続さ
   れたスイッチと、前記電磁界漏洩ケーブルの第２の導体
   とグランド間に接続された前記電磁界漏洩ケーブルの特
   性インピーダンスと等しい第２の抵抗と、この第２の抵
   抗にその両端の電位差波形を観測するように接続された
   波形測定部と、前記スイッチおよび波形測定装置を制御
   する制御測定装置を備え、前記スイッチを開放した状態
   で前記電源により前記電磁界漏洩ケーブルを充電し、前
   記スイッチを閉じた場合に前記第２の抵抗に発生する電
   位差波形信号を前記波形測定部、制御測定部で測定し、
   前記ケーブルに沿つた構造物内の物理量の分布、変化を
   測定することを特徴とする分布測定装置。
3. 【請求項３】 構造物内に埋設され、一端が無反射終端
   された電磁界漏洩ケーブルと、この電磁界漏洩ケーブル
   の他端にサーキュレータを介して接続された電磁波信号
   源と、前記サーキュレータの別のポートに接続された反
   射信号を観測する波形測定部と、前記電磁波信号源及び
   波形測定装置を制御する制御測定装置を備え、前記電磁
   波信号源から前記電磁界漏洩ケーブルに供給された電磁
   波信号による反射信号の強度、発生位置を前記波形測定
   部、制御測定部で測定し、前記ケーブルに沿つた構造物
   内の物理量の分布、変化を測定することを特徴とする分
   布測定装置。
4. 【請求項４】 構造物内に埋設され、終端が開放された
   一対の平行線路からなる電磁界漏洩ケーブルと、この電
   磁界漏洩ケーブルの第１の導体に第１の抵抗を介して接
   続された電源と、この第１の抵抗および前記電源に並列
   となるように前記第１の導体およびグランド間に接続さ
   れたスイッチと、前記電磁界漏洩ケーブルの第２の導体
   とグランド間に接続された前記電磁界漏洩ケーブルの特
   性インピーダンスと等しい第２の抵抗と、この第２の抵
   抗にその両端の電位差波形を観測するように接続された
   波形測定部と、前記スイッチおよび波形測定装置を制御
   する制御測定装置を備え、前記スイッチを開放した状態
   で前記電源により前記電磁界漏洩ケーブルを充電し、前
   記スイッチを閉じた場合に前記第２の抵抗に発生する電
   位差波形信号の振幅変化を前記波形測定部で測定し、こ
   の測定結果を用いて前記制御測定部で前記信号の減衰率
   を算出し、前記ケーブルに沿つた構造物内の導電率の分
   布、変化を測定することを特徴とする分布測定装置。
5. 【請求項５】 構造物内に埋設され、一端が無反射終端
   された電磁界漏洩ケーブルと、この電磁界漏洩ケーブル
   に沿って前記構造物内に埋設された漏洩電磁界検出ケー
   ブルと、前記電磁界漏洩ケーブルの他端に接続された電
   磁波信号源と、漏洩電磁界検出ケーブルに接続された反
   射信号を観測する波形測定部と、前記電磁波信号源及び
   波形測定装置を制御する制御測定装置とを備え、前記電
   磁波信号源から発信される電磁波信号による反射信号の
   強度、発生位置を前記波形測定部、制御測定部で測定
   し、前記ケーブルに沿った物理量の分布、変化を測定す
   ることを特徴とする分布測定装置。