WO2023012890A1 - 観察装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an observation device for observing the state of anchors buried in the ground.
- one end of the branch line is connected to the top of the utility pole, and the other end of the branch line is connected to an anchor buried in the surrounding ground via a branch line rod.
- Anchors moor the guy lines to the ground (earth) via guy rods.
- the above-mentioned anchors are concerned about a decrease in soil bearing capacity due to corrosion due to thinning, marginal defects, and the occurrence of corrosion holes. ) are also in progress.
- the present invention was made to solve the above problems, and aims to enable observation of anchors buried in the ground.
- the observation device includes a power supply that supplies current to the anchor, which is buried in the ground near the location of the utility pole provided on the ground, and is connected to the branch line connected to the utility pole as a heating element. , and an infrared camera for capturing a thermal image of the anchor being electrically heated from the ground at the anchor burying position.
- the anchor since the anchor is used as a heating element by the power supply and current is supplied to the anchor, the anchor buried in the ground can be observed.
- FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of an observation device according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is an explanatory view showing the fastening state between the tip of the anchor 107 and the lead wire 110.
- FIG. 3A is a configuration diagram showing a configuration in which one end or the other end of the anchor 107 and the power source 101 are connected by capacitive coupling.
- FIG. 3B is a circuit diagram showing an equivalent circuit connecting one end or the other end of the anchor 107 and the power source 101 by capacitive coupling.
- This observation device includes a power source 101 and an infrared camera 102 .
- the power supply 101 is buried in the ground 151 near the location of the utility pole 105 provided on the ground, and supplies current to the anchor 107 using the anchor 107 connected to the branch line 106 connected to the utility pole 105 as a heating element. .
- Power supply 101 applies current between one end of anchor 107 and the other end.
- Anchor 107 and power supply 101 can be electrically connected by lead wire 110, for example.
- the anchor 107 is connected to the branch line 106 by a branch line rod 108 .
- the branch line 106, the anchor 107, and the branch line rod 108 are made of steel.
- the guy wire 106 can be constructed, for example, from steel strands or the like.
- the branch rod 108 can be a bar member made of steel or the like, for example.
- a guy line cover 109 provided on the ground portion of the guy line rod 108 is provided.
- An anchor 107 for supporting the branch line 106 on the ground includes a guide plate 121 to which the branch line rod 108 is connected at the tip side, a resistance plate 122 curvedly extending from the base end side of the guide plate 121 , and a base of the resistance plate 122 . and a stabilizing plate 123 extending from the end side.
- the tip of the resistance plate 122 and the tip of the guide plate 121 face the utility pole 105 side, and the tip of the stabilizer plate 123 faces the direction crossing the utility pole 105 in plan view.
- the power source 101 can pass current between the tip side of the guide plate 121 and the tip side of the stabilizer plate 123 or between the tip side of the guide plate 121 and the tip side of the resistance plate 122 .
- the infrared camera 102 captures a thermal image of the anchor 107 being electrically heated from the ground where the anchor 107 is embedded.
- the infrared camera 102 is composed of, for example, a plurality of infrared sensors arranged two-dimensionally.
- the power supply 101 supplies an alternating current of a set frequency
- the image processing unit 104 extracts a component vibrating with the same period as the frequency from the thermal image captured by the infrared camera 102 .
- a clearer thermal image can be obtained by amplifying the extracted component (lock-in amplification).
- a thermal image obtained in this manner is displayed on the display unit 103 . By observing the displayed thermal image, it is possible to detect edge defects, corrosion holes, and the like of the anchor 107 buried in the ground 151 .
- the anchor 107 can be heated up to 1,000° C. (in the case of direct current) (Reference 1).
- lock-in thermography is used to non-destructively observe heat generating locations (failure locations) caused by shorts, leaks, etc. occurring inside electronic components, modules, semiconductor devices, etc. from the outside of the resin mold. technology is utilized.
- Lock-in thermography is a technique for observing heat-generating sites with high sensitivity by synchronizing signal amplification of a current source for heating and an infrared sensor (camera) for receiving and observing (Reference 2).
- thermography technology enables the observation of even the slightest amount of heat generation with high sensitivity, it is being considered for use in discovering coating peeling, concrete cracks, and internal defects in large structures.
- the effectiveness of a passive method using solar radiation and temperature changes as a heat source has also been confirmed (Reference 3).
- the anchor 107 buried in the ground 151 cannot simply be heated.
- observation by the infrared camera 102 is enabled by applying a large current to the anchor 107 buried in the ground 151 to heat and generate heat.
- Thermal image analysis using infrared rays is a technology that uses an infrared camera to detect infrared rays emitted from an object and superimposes them on the shape of the object as temperature for visualization.
- An ideal substance that absorbs all electromagnetic waves (infrared rays) without reflecting or transmitting them is called a black body.
- Planck's law shown below.
- h Planck's constant
- k Boltzmann's constant
- c the speed of light.
- Lock-in amplification is used to detect minute signals with specific frequencies buried in noise with high sensitivity.
- Lock-in thermography is a technology that incorporates lock-in amplification into infrared thermal image analysis.
- a signal (heating source) synchronized with the reference lock-in signal is applied to the observation target, and the periodically generated heat (radiation) is captured as temperature information of each pixel of the sample image with a high-sensitivity infrared camera. This is imaged as a temperature distribution (Reference 2).
- a lead wire 110 is connected to an anchor 107 (tips of a resistance plate 122 and a stabilizer plate 123) to be observed, and alternating current of a frequency set from a power supply 101 synchronized with a control signal (lock-in signal) is applied. Apply current. By energizing in this manner, the anchor 107 is heated to generate heat. Electromagnetic waves (infrared rays) radiated from a heating anchor 107 (corresponding to a black body) pass through the soil deposited on the anchor 107 and enter the light receiving portion of the infrared camera 102 . If a thermal image is obtained by lock-in-amplifying weak infrared rays received by a light-receiving part composed of an infrared sensor, it is possible to observe and detect peripheral edge defects and corrosion holes of the anchor 107 .
- the signal sin( ⁇ t+ ⁇ ) received by the infrared sensor of the light receiving unit and photoelectrically converted is multiplied by the reference signal sin( ⁇ t+ ⁇ ) to obtain cos( ⁇ - ⁇ )/2-cos
- a direct current of (2 ⁇ t+ ⁇ + ⁇ )/2 and a multiplier output signal having a component of the double frequency (2 ⁇ t) are obtained.
- this multiplier output signal only the DC component is passed through a low-pass filter (LPF) with a high Q factor to remove the noise component, and only the weak photoelectric conversion signal synchronized with the reference signal (lock-in signal) is allowed to pass through. can be obtained by amplifying the thermal image (Reference 4).
- LPF low-pass filter
- a narrow-band bandpass filter In the case of a narrowband bandpass filter (BPF), if the center frequency and the signal frequency deviate, a measurement error occurs. In the worst case, the signal itself is also removed. Even if it goes wrong, it will not have a big effect on the imaging result as long as it can pass through the direct current.
- a narrow-band LPF is easier to implement than a BPF, and the band can be narrowed as much as desired. Lock-in amplification is advantageous for amplifying weak signals buried in noise, so it is possible to measure radiant heat from anchors installed deep underground with high sensitivity.
- the lead wire 110 is directly connected to one end or the other end of the anchor 107, it may not be possible to obtain a thermal image that accurately shows the state of this portion. Since little current flows in the distal end side of the connecting portion (coupling portion) of the lead wire 110, little heat is generated, which may not be reproduced as a thermal image.
- one end or the other end of the anchor 107 and the power source 101 are connected by capacitive coupling.
- a terminal plate 111 to which a lead wire (power cable) 110 is fastened is arranged close to the tip of the anchor 107 .
- the terminal board 111 can be made of, for example, a copper plate.
- the terminal plate 111 can have a portion facing the anchor 107 shaped along the anchor 107 .
- An equivalent circuit is shown in FIG. 3B.
- the equivalent circuit shown in FIG. 3B constitutes a BPF (band pass filter) composed of LCRs.
- ⁇ S is the permittivity of vacuum.
- S is the area of the surfaces of the tip of the anchor 107 and the terminal plate 111 facing each other.
- d is the distance between the tip of the anchor 107 and the terminal plate 111 .
- 50/60 Hz is suitable as the low-frequency power source to be applied.
- the power source supplies the anchor with the anchor as a heating element, the anchor buried in the ground can be observed.
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Abstract
観察装置は、電源（１０１）、赤外線カメラ（１０２）を備える。電源（１０１）は、地上に設けられている電柱（１０５）の箇所の近傍の地中（１５１）に埋設され、電柱（１０５）に接続されている支線（１０６）に連結されるアンカ（１０７）を発熱体としてアンカ（１０７）に電流を供給する。電源（１０１）は、アンカ（１０７）の一端と他端との間に電流を流す。アンカ（１０７）は、支線ロッド（１０８）により支線（１０６）に連結されている。また、支線（１０６），アンカ（１０７）、および支線ロッド（１０８）は、鋼材から構成されている。赤外線カメラ（１０２）は、アンカ（１０７）の埋設位置の地上より、通電加熱されているアンカ（１０７）の熱画像を撮像する。
Description
本発明は、地中に埋設されたアンカの状態を観察する観察装置に関する。
電柱における不平衡荷重を受け持つために、電柱の上部に支線の一端が接続され、支線の他端が、支線ロッドを介し、周辺の地中に埋設されたアンカに接続されている。アンカにより、支線ロッドを介して支線を地面（大地）に係留している。
上述したアンカは、埋設土壌の性状や経年によっては、腐食によって減肉、辺縁部欠損、腐食孔の発生などにより、地耐力低下が懸念され、種々の検討がなされ、新品への交換（更改）なども順次進められているところである。
しかしながら、アンカは、地中に埋設されているため、上述した欠損などの状態を観察することができないと問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、地中に埋設されているアンカが観察できるようにすることを目的とする。
本発明に係る観察装置は、地上に設けられている電柱の箇所の近傍の地中に埋設され、電柱に接続されている支線に連結されるアンカを発熱体としてアンカに電流を供給する電源と、アンカの埋設位置の地上より、通電加熱されているアンカの熱画像を撮像する赤外線カメラとを備える。
以上説明したように、本発明によれば、電源よりアンカを発熱体としてアンカに電流を供給するので、地中に埋設されているアンカが観察できる。
以下、本発明の実施の形態に係る観察装置について図１を参照して説明する。この観察装置は、電源１０１、赤外線カメラ１０２を備える。
電源１０１は、地上に設けられている電柱１０５の箇所の近傍の地中１５１に埋設され、電柱１０５に接続されている支線１０６に連結されるアンカ１０７を発熱体としてアンカ１０７に電流を供給する。電源１０１は、アンカ１０７の一端と他端との間に電流を流す。アンカ１０７と電源１０１とは、例えば、リード線１１０により電気的に接続することができる。
アンカ１０７は、支線ロッド１０８により支線１０６に連結されている。また、支線１０６，アンカ１０７、および支線ロッド１０８は、鋼材から構成されている。支線１０６は、例えば、鋼より線などから構成することができる。また、支線ロッド１０８は、例えば、鋼などによる棒部材とすることができる。また、この例では、支線ロッド１０８の地上部分に設けられた支線カバー１０９を備える。
支線１０６を地面に支持するアンカ１０７は、先端側に支線ロッド１０８が連結される案内板１２１と、案内板１２１の基端側から湾曲して延出する抵抗板１２２と、抵抗板１２２の基端側から延出する安定板１２３とを備える。抵抗板１２２の先端および案内板１２１の先端は、電柱１０５の側を向き、安定板１２３の先端は、平面視で電柱１０５の方向に交差する方向を向く。これらは、各々独立した部品である。例えば、電源１０１は、案内板１２１の先端側と安定板１２３の先端側との間、または、案内板１２１の先端側と抵抗板１２２の先端側との間に電流を流すことができる。
赤外線カメラ１０２は、アンカ１０７の埋設位置の地上より、通電加熱されているアンカ１０７の熱画像を撮像する。赤外線カメラ１０２は、例えば、２次元配列された複数の赤外線センサから構成されている。また、電源１０１は、設定された周波数の交流電流を供給し、画像処理部１０４により、赤外線カメラ１０２が撮像した熱画像より、上記周波数と同じ周期で振動する成分が取り出される。取り出された成分を増幅する（ロックイン増幅）ことでより鮮明な熱画像を得ることができる。このようにして得られた熱画像は、表示部１０３に表示される。表示される熱画像を観察することで、地中１５１に埋設されているアンカ１０７の辺縁部欠損や腐食孔などについて、検知することができる。
例えば、電源１０１より～１０，０００Ａ程度の電流を流すことで、アンカ１０７を～１，０００℃（直流通電の場合）まで加熱することができる（文献１）。
ところで、電子回路部品の故障診断分野では、電子部品やモジュール、半導体デバイスなどの内部で生じたショート、リークなどに伴う発熱箇所（故障箇所）を、樹脂モールド外側から非破壊で観察するロックインサーモグラフィ技術が活用されている。ロックインサーモグラフィは、加熱する電流源と受信観察する赤外線センサ（カメラ）の信号増幅の同期をとって高感度に発熱箇所を観察する技術である（文献２）。
このロックインサーモグラフィの技術は、わずかな発熱部位を、高感度で観察することが可能であることから、大型構造物の塗膜剥離やコンクリートひび割れ、内部欠陥の発見などにも利用が検討されている。熱源として、日射や気温変化を利用したパッシブ法の有効性も確認されている（文献３）。しかしながら、地中１５１に埋設されているアンカ１０７は、単純には加熱することができない。実施の形態では、地中１５１に埋設されているアンカ１０７に、大電流を通電して加熱発熱させることで、赤外線カメラ１０２による観察を可能としている。
ここで、ロックイン増幅の概要について述べる。赤外線による熱画像解析（赤外線サーモグラフィ）は、赤外線カメラを用いて、物体から放射される赤外線を検知し、温度として物体の形状に重ね合わせて可視化する技術である。電磁波（赤外線）を反射あるいは透過せず、全てを吸収する理想的な物質を黒体と呼ぶが、この黒体から輻射される電磁波の分光放射輝度Ｉは、周波数（ν）と絶対温度（Ｔ）の関数として、以下に示すプランクの法則で記述できる。ここで、ｈ はプランク定数、ｋ はボルツマン定数、ｃ は光速度である。
ロックイン増幅は、雑音に埋もれた特定周波数を持つ微小信号を高感度に検知するために用いる。ロックインサーモグラフィは、赤外線熱画像解析にロックイン増幅を取り入れた技術である。基準となるロックイン信号に同期した信号（加熱源）を観察対象に印加し、これにより周期的に発生する熱（輻射）を、高感度赤外線カメラでサンプルイメージの各画素の温度情報として捕らえ、これを温度分布として画像化する（文献２）。
観察の対象となるアンカ１０７（抵抗板１２２、安定板１２３の先端）に、リード線１１０を接続しておき、制御信号（ロックイン信号）に同期している電源１０１から設定された周波数の交流電流を印加する。このようにして通電することで、アンカ１０７を加熱して発熱させる。発熱しているアンカ１０７（黒体相当）から輻射される電磁波（赤外線）は、アンカ１０７の上に堆積して存在する土壌を通過して、赤外線カメラ１０２の受光部に入射する。赤外線センサから構成されている受光部で受光した微弱な赤外線を、ロックイン増幅することで熱画像を得れば、アンカ１０７の辺縁部欠損や腐食孔を観察、検知することができる。
ロックイン増幅では、赤外線カメラ１０２において、受光部の赤外線センサで受光して光電変換された信号ｓｉｎ（ωｔ＋α）に、参照信号ｓｉｎ（ωｔ＋β）を掛け算し、ｃｏｓ（β－α）／２－ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）／２ という直流と、倍周波（２ωｔ）の成分を持つ掛け算器出力信号とを得る。この掛け算器出力信号のうち、直流成分のみを高いＱファクタを持つローパスフィルタ（ＬＰＦ）を通して雑音成分を除去し、参照信号（ロックイン信号）に同期した微弱な光電変換信号のみを通過させ、これを増幅することで、熱画像を得ることができる（文献４）。
なお、狭帯域バンドパスフィルタ （ＢＰＦ） は、中心周波数と信号周波数がずれると測定誤差が発生、最悪の場合は信号自体も除去してしまうが、ロックイン増幅では、ＬＰＦのカットオフ周波数が多少狂っても、直流さえ通過できれば、撮像結果に大きな影響がでない。ＢＰＦと比べて狭帯域ＬＰＦは実現が容易で、いくらでも狭帯域化が可能である。ロックイン増幅は、雑音に埋もれた微弱な信号の増幅に有利であるため、地中深部に設置されたアンカからの輻射熱を高感度で測定することが可能である。
ところで、図２に示すように、アンカ１０７の一端または他端にリード線１１０が直接接続されていると、この部分の状態を正確に示す熱画像を得ることができない場合がある。リード線１１０の接続部（連結部）より先端側には、電流があまり流れないため、発熱が少なく、熱画像として再現されない場合がある。この場合、アンカ１０７の一端または他端と電源１０１とを、容量結合により接続する。例えば、図３Ａに示すように、アンカ１０７の先端部に、リード線（電源ケーブル）１１０が締結されている端子板１１１を近接して配置する。端子板１１１は、例えば、銅板から構成することができる。また、端子板１１１は、アンカ１０７と向かい合う部分を、アンカ１０７に沿う形状とすることができる。等価回路を図３Ｂに示す。
図３Ｂに示す等価回路は、ＬＣＲで構成されるＢＰＦ（バンドパスフィルタ）を構成している。共振周波数ｆ0は、ｆ0＝１／（２π√ＬＣ）である。アンカ１０７の先端部の端面と、端子板１１１とで構成されるコンデンサの電気容量Ｃは、εを誘電率として、Ｃ＝εＳ／ｄ（ε＝ε０εS）。ε0は、比誘電率。εSは、真空の誘電率である。また、Ｓは、アンカ１０７の先端部と、端子板１１１との向かい合う面の面積である。またｄは、アンカ１０７の先端部と、端子板１１１との間隔である。印加する低周波電源としては、５０／６０Ｈｚが好適である。また、コイルのインダクタンスＬを、Ｌ＝｛１／（４π2ｆ0
2）｝・（ｄ／εS）［Ｈ］により設定する。この容量結合を採用することで、アンカ１０７の先端の辺縁部欠損が精緻に観察できる。
以上に説明したように、本発明によれば、電源よりアンカを発熱体としてアンカに電流を供給するので、地中に埋設されているアンカが観察できるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
［文献１］「鉄筋コンクリート構造物を直流電源で加熱破砕 「マスホット工法TM」を現場適用 （戸田建設HP ニュースリリース）」、［令和３年７月１２日検索］、（https://www.toda.co.jp/news/2020/20201020_002838.html）。
［文献２］吉井 一郎 著、「特集／パワーエレクトロニクス パワーデバイスと実装の故障解析へのロックインサーモグラフィの応用」、エレクトロニクス実装学会誌、Vol. 17、No. 6、４７９－４８３頁、２０１４年。
［文献３］佐藤 太輔 著、「パッシブロックイン赤外線サーモグラフィ法による剥離検出限界の向上」、土木学会第６３回年次学術講演会、5-163、３２５－３２６頁、平成２０年。
［文献４］株式会社ＮＦ回路設計ブロック「雑音に埋もれた信号の測定 ～ロックインアンプを用いた微小信号の測定 ロックインアンプの原理（１）」、［令和３年７月１２日検索］、http://www.nfcorp.co.jp/techinfo/keisoku/noise/li_genri1.html。
［文献２］吉井 一郎 著、「特集／パワーエレクトロニクス パワーデバイスと実装の故障解析へのロックインサーモグラフィの応用」、エレクトロニクス実装学会誌、Vol. 17、No. 6、４７９－４８３頁、２０１４年。
［文献３］佐藤 太輔 著、「パッシブロックイン赤外線サーモグラフィ法による剥離検出限界の向上」、土木学会第６３回年次学術講演会、5-163、３２５－３２６頁、平成２０年。
［文献４］株式会社ＮＦ回路設計ブロック「雑音に埋もれた信号の測定 ～ロックインアンプを用いた微小信号の測定 ロックインアンプの原理（１）」、［令和３年７月１２日検索］、http://www.nfcorp.co.jp/techinfo/keisoku/noise/li_genri1.html。
１０１…電源、１０２…赤外線カメラ、１０３…表示部、１０４…画像処理部、１０５…電柱、１１０…リード線、１２１…案内板、１２２…抵抗板、１２３…安定板、１５１…地中。
Claims (7)
- 地上に設けられている電柱の箇所の近傍の地中に埋設され、前記電柱に接続されている支線に連結されるアンカを発熱体として前記アンカに電流を供給する電源と、
前記アンカの埋設位置の地上より、通電加熱されている前記アンカの熱画像を撮像する赤外線カメラと
を備える観察装置。 - 請求項１記載の観察装置において、
前記赤外線カメラが撮像した前記アンカの熱画像を表示する表示部を備えることを特徴とする観察装置。 - 請求項１または２記載の観察装置において、
前記電源は、前記アンカの一端と他端との間に電流を流すことを特徴とする観察装置。 - 請求項３記載の観察装置において、
前記アンカの一端または他端と前記電源とは、容量結合により接続していることを特徴とする観察装置。 - 請求項１～４のいずれか１項に記載の観察装置において、
前記電源は、設定された周波数の交流電流を供給し、
前記赤外線カメラが撮像した熱画像より、前記周波数と同じ周期で振動する成分を取り出す画像処理部をさらに備える
ことを特徴とする観察装置。 - 請求項１～５のいずれか１項に記載の観察装置において、
前記アンカは、案内板と、前記案内板の基端側から延出する抵抗板と、前記抵抗板の基端側から延出する安定板とを備え、
前記電源は、前記案内板の先端側と前記安定板の先端側との間、または、前記案内板の先端側と前記抵抗板の先端側との間に電流を流す
ことを特徴とする観察装置。 - 請求項１～６のいずれか１項に記載の観察装置において、
前記アンカと前記電源とを電気的に接続するリード線を備えることを特徴とする観察装置。
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