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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2018-159672(P2018-159672A)
(43)【公開日】2018年10月11日
(54)【発明の名称】歪み検出装置及び歪み検出方法
(51)【国際特許分類】
   G01B 7/16 20060101AFI20180914BHJP
【FI】
   G01B7/16 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2017-58091(P2017-58091)
(22)【出願日】2017年3月23日
(71)【出願人】
【識別番号】000211307
【氏名又は名称】中国電力株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】大櫃 和成
(72)【発明者】
【氏名】西田 秀高
(72)【発明者】
【氏名】吉光 昭典
(72)【発明者】
【氏名】今田 栄
【テーマコード(参考)】
2F063
【Fターム(参考)】
2F063AA25
2F063BC02
2F063BD01
2F063CB03
2F063DA01
2F063DA05
2F063HA01
2F063HA12
2F063LA29
(57)【要約】
【課題】より正確に歪みを測定することができる歪み検出装置等を提供する。
【解決手段】非接触状態で所定方向に並ぶ2つの電極に蓄積される静電容量の変化に基づいて当該2つの電極が設けられた被検出体の歪みを検出する歪み検出装置であって、静電容量を測定する測定部と、測定された静電容量に基づいて被検出体の歪み量を算出する演算部と、2つの電極に生じる経時変化と静電容量との対応に関する情報を記憶する記憶部とを備え、演算部は、情報に基づいて歪み量を補正する。
【選択図】図8
【特許請求の範囲】
【請求項1】
非接触状態で所定方向に並ぶ2つの電極に蓄積される静電容量の変化に基づいて当該2つの電極が設けられた被検出体の歪みを検出する歪み検出装置であって、
前記静電容量を測定する測定部と、
測定された前記静電容量に基づいて前記被検出体の歪み量を算出する演算部と、
前記2つの電極に生じる経時変化と前記静電容量との対応に関する情報を記憶する記憶部とを備え、
前記演算部は、前記情報に基づいて前記歪み量を補正する
歪み検出装置。
【請求項2】
前記経時変化は、前記2つの電極の酸化により生じる前記2つの電極の間隔の変化である
請求項1に記載の歪み検出装置。
【請求項3】
前記2つの電極の設置後の経過時間を計時するタイマーを備え、
前記演算部は、前記タイマーが計時した時間に基づいて前記補正の度合いを決定する
請求項1又は2に記載の歪み検出装置。
【請求項4】
前記2つの電極のうち少なくとも対向面にはロジウムが用いられている
請求項1から3のいずれか一項に記載の歪み検出装置。
【請求項5】
前記被検出体は、溶接によって接続された配管であり、
前記2つの電極は、前記溶接の位置を挟んで対向する
請求項1から4のいずれか一項に記載の歪み検出装置。
【請求項6】
非接触状態で所定方向に並ぶ2つの電極に蓄積される静電容量の変化に基づいて当該2つの電極が設けられた被検出体の歪みを検出する歪み検出方法であって、
前記静電容量を測定し、
測定された前記静電容量に基づいて前記被検出体の歪み量を算出し、
前記2つの電極に生じる経時変化と前記静電容量との対応に関する情報に基づいて前記歪み量を補正する
歪み検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、歪み検出装置及び歪み検出方法に関する。
【背景技術】
【0002】
2つの電極間に蓄えられる静電容量を測定することで、温度変化による配管の歪みを測定する装置が知られている(例えば、特許文献1)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第4926543号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
静電容量に基づいて歪みをより正確に測定するためには、歪み以外の事象によって生じる静電容量の変化の影響を低減する必要がある。例えば、2つの電極に酸化、腐食のような化学変化を生じた場合、2つの電極の間隔が変化し、歪みの有無に関わらず静電容量が変化することがある。しかしながら、従来の装置では、このような化学変化に伴い生じる静電容量への影響を低減することができなかった。
【0005】
本発明では、より正確に歪みを測定することができる歪み検出装置及び歪み検出方法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】
【0006】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の歪み検出装置は、非接触状態で所定方向に並ぶ2つの電極に蓄積される静電容量の変化に基づいて当該2つの電極が設けられた被検出体の歪みを検出する歪み検出装置であって、前記静電容量を測定する測定部と、測定された前記静電容量に基づいて前記被検出体の歪み量を算出する演算部と、前記2つの電極に生じる経時変化と前記静電容量との対応に関する情報を記憶する記憶部とを備え、前記演算部は、前記情報に基づいて前記歪み量を補正する。
【0007】
本発明の望ましい態様として、前記経時変化は、前記2つの電極の酸化により生じる前記2つの電極同士の間隔の変化である。
【0008】
本発明の望ましい態様として、前記2つの電極の設置後の経過時間を計時するタイマーを備え、前記演算部は、前記タイマーが計時した時間に基づいて前記補正の度合いを決定する。
【0009】
本発明の望ましい態様として、前記2つの電極のうち少なくとも対向面にはロジウムが用いられている。
【0010】
本発明の望ましい態様として、前記被検出体は、溶接によって接続された配管であり、前記2つの電極は、前記溶接の位置を挟んで対向する。
【0011】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の歪み検出方法は、非接触状態で所定方向に並ぶ2つの電極に蓄積される静電容量の変化に基づいて当該2つの電極が設けられた被検出体の歪みを検出する歪み検出方法であって、前記静電容量を測定し、測定された前記静電容量に基づいて前記被検出体の歪み量を算出し、前記2つの電極に生じる経時変化と前記静電容量との対応に関する情報に基づいて前記歪み量を補正する。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、より正確に歪みを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1図1は、本発明の一実施形態に係る歪み検出装置及び歪み検出装置が設けられた被検出体の主要構成例を示す模式図である。
図2図2は、歪み検出装置に接続されるLCRメータと2つの電極及び通電用電極との接続関係の一例を示す模式図である。
図3図3は、2つの電極及び通電用電極と導電部との位置関係であって図1に示す位置関係とは異なる位置関係の一例を示す図である。
図4図4は、2つの電極及び通電用電極と導電部との位置関係であって図1に示す位置関係とは異なる位置関係の一例を示す図である。
図5図5は、2つの電極の間隔を示す模式図である。
図6図6は、酸化が生じた2つの電極の間隔を示す模式図である。
図7図7は、図6に示す酸化後の2つの電極に蓄えられる静電容量の算出方法の考え方に関する模式図である。
図8図8は、2つの電極の設置後の経過時間と、溶接部Wを挟んだ配管Pに生じた歪み量と、みかけ上の変位量と、静電容量の変化に基づいて算出される補正前の歪み量との関係の一例を示すグラフである。
図9図9は、歪み及び酸化が生じた2つの電極の間隔と歪み量との関係を示す模式図である。
図10図10は、導電部の具体的構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
次に、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る歪み検出装置1及び歪み検出装置1が設けられた被検出体の主要構成例を示す模式図である。図2は、歪み検出装置1に接続されるLCRメータ20と2つの電極11,12及び通電用電極13との接続関係の一例を示す模式図である。
【0015】
歪み検出装置1が設けられる被検出体は、例えば溶接によって接続された配管Pである。図1は、2つの配管を接続している溶接部Wに設けられた歪み検出装置1を図示している。
【0016】
歪み検出装置1は、例えば図1に示すように、3つの電極、供給部21、導電部30、被覆部40、ワイヤ50等を備える。3つの電極のうち2つは、非接触状態で並ぶ2つの電極11,12である。3つの電極のうち2つの電極11,12を除く1つの電極は、通電用電極13である。
【0017】
本実施形態における配管Pは、例えば発電機のボイラーと接続されている蒸気輸送配管であり、自然環境下の気温(例えば、25[℃])よりも高温(例えば、600[℃])になる。以下、本実施形態において単に高温と記載した場合、係る配管Pの温度(例えば、600[℃])をさすものとする。
【0018】
配管Pに設けられている構成及び配管Pの周囲の構成は、配管Pから温度を伝達されて高温又は当該高温に近い温度になる。このような高温の環境下では自然環境下よりも酸化等の腐食が進行しやすいことから、2つの電極11,12及び通電用電極13は、より高い耐食性を有することが望ましい。本実施形態における2つの電極11,12及び通電用電極13は、例えば白金を素材とする電極である。また、本実施形態では、2つの電極11,12のうち少なくとも対向面にはロジウムが用いられている。具体的には、2つの電極11,12には、例えばロジウムによる表面被覆処理が行われている。
【0019】
2つの電極11,12は、蓄電器(コンデンサ)と同様の原理で静電容量(C0´(t))を蓄積する。歪み検出装置1は、非接触状態で所定方向に並ぶ2つの電極11,12に蓄積される静電容量(C0´(t))の変化に基づいて当該2つの電極11,12が設けられた被検出体の歪みを検出する。
【0020】
本実施形態における2つの電極11,12は、配管Pを接続している溶接の位置を挟んで並ぶ。具体的には、2つの電極11,12は、例えば図1に示す配管Pにおいて、溶接前に別体であった2つの配管同士を物理的に接続している溶接部Wを挟んで非接触の位置関係となるよう設けられた板状の電極である。2つの電極11,12は、板面が平行になるよう配管Pに固定されている。より具体的には、2つの電極11,12は互いに対向する側が最も径が大きい円板状となっており、その反対側に相対的に小さい径の円筒が延出している電極であり、絶縁体14,15を介して配管Pに固定されている。本実施形態では、2つの電極11,12の形状、すなわち、円板の径及び厚みは等しいが、これは一例であってこれに限られるものでなく、適宜変更可能である。2つの電極11,12の各々と配管Pとの間は絶縁されている。
【0021】
通電用電極13は、2つの電極11,12に対して2つの電極11,12の所定方向に並ぶ。具体的には、通電用電極13は、円筒状の電極であり、絶縁体16を介して配管Pに固定されている。本実施形態では、2つの電極11,12の円筒の中心と通電用電極13の円筒の中心は同一直線上に位置するが、これは一例であってこれに限られるものでなく、適宜変更可能である。通電用電極13と配管Pとの間は絶縁されている。
【0022】
供給部21は、通電用電極13に電力を供給する。具体的には、供給部21は、例えばLCRメータ20が有する発振器である。係る発振器は、配線MI1を介して通電用電極13と電気的に接続されて通電用電極13に電圧を印加する。
【0023】
なお、LCRメータ20は、接続された構成の静電容量(C0´(t))(キャパシタンス)に限らず、抵抗値(インピーダンス)、誘導起電力(インダクタンス)を求めることもできる。本実施形態のLCRメータ20は、例えば2端子法で2つの電極11,12と接続されるLCRメータであり、電圧を印加するハイ(H)側のセンサケーブルが通電用電極13と接続され、LCRメータ20に設けられている検流計等の測定部22と接続されているロウ(L)側のセンサケーブルが2つの電極11,12のうち1つ(電極11:他方の電極)と配線MI2を介して接続されている。電極11は、2つの電極11,12のうち、通電用電極13からより遠い位置にある電極である。LCRメータ20による静電容量(C0´(t))等の測定の際には、2つの電極11,12のうち1つ(電極12:一方の電極)と通電用電極13とが導電部30によって接続される。配線MI1,MI2は例えば無機物絶縁(MI:Mineral Insulation)ケーブルであるが、これに限られるものでなく、絶縁のための被覆が施された導線であればよく、適宜変更可能である。
【0024】
図3図4は、2つの電極11,12及び通電用電極13と導電部30との位置関係であって図1に示す位置関係とは異なる位置関係の一例を示す図である。導電部30は、所定方向に移動可能に設けられる。具体的には、2つの電極11,12及び通電用電極13には導電部30を挿通可能な孔(例えば、孔11a,12a,13a)が設けられており、導電部30は、所定方向への移動に係り、これら3つの電極に設けられている孔を挿通する。
【0025】
より具体的には、2つの電極11,12及び通電用電極13はそれぞれ、例えば図3に示すように、円板の中央を貫通する孔11a,12a,13aを有する。孔11a,12a,13aは、例えば2つの電極11,12及び通電用電極13の円板と同心の円状の孔であるが、これは孔11a,12a,13aの具体的形状の一例であってこれに限られるものでなく、導電部30が挿通可能な形状であればよく、適宜変更可能である。
【0026】
導電部30は、2つの電極11,12及び通電用電極13と同時に当接する延設長を有する。具体的には、導電部30は、例えば、当接体30a、第1連結体30b、第2連結体30c、連結部30d等を有する。当接体30aは、例えば環状の導電体である。第1連結体30bと第2連結体30cは、例えば両端側が丸みを帯びるように両端側に向かって径が小さくなる部分を有する円柱状の部材である。当接体30aは、第1連結体30bと第2連結体30cのうち、丸みを帯びず、相対的に径が大きい位置の外周縁に沿って設けられている。当接体30aの外径は、第1連結体30bと第2連結体30cの外径よりも大きい。導電部30の外径は、当接体30aの外径に対応する。
【0027】
本実施形態の当接体30aは、第1連結体30bと第2連結体30cの各々に2つずつ設けられている。第1連結体30bに設けられた2つの当接体30a同士の間隔は、2つの当接体30aのうち第2連結体30cに対してより遠い位置にある一方が電極11と当接している場合に他方が電極12と当接することが可能であって、かつ、当該一方が電極12と当接している場合に当該他方が通電用電極13と当接することが可能な間隔である。第2連結体30cに設けられた2つの当接体30a同士の間隔は、2つの当接体30aのうち第1連結体30bに対してより近い位置にある一方が電極12と当接している場合に他方が通電用電極13と当接することが可能な間隔である。連結部30dは、丸みを帯びた第1連結体30bと第2連結体30cの一端同士を連結する。連結部30dを介して、第2連結体30cは第1連結体30bに対して回動可能に連結されている。
【0028】
連結部によって連結された第1連結体30bと第2連結体30cは、孔11a,12a,13aの全ての内側に同時に進入した状態となることができる延設長を有する。また、導電部30は、第1連結体30bに設けられた2つの当接体30aのうち第2連結体30cに対してより遠い位置にある一方が電極11と当接し、他方が電極12と当接している場合に、第2連結体30cに設けられた2つの当接体30aのうち第1連結体30bに対してより近い位置にある一方が電極12と当接し、他方が通電用電極13と当接することができるよう、当接体30aの位置、第1連結体30b及び第2連結体30cの延設長が決定されている。当接体30aは、例えば白金を素材とする。第1連結体30b、第2連結体30c及び連結部30dは、例えばインコネル(登録商標)等のニッケル合金を素材とする。
【0029】
導電部30は、孔11a,12a,13aの内側を挿通することで、2つの電極11,12及び通電用電極13に対して当接しながら所定方向に沿って移動可能に設けられている。本実施形態では、孔11a,12a,13aは全て同じ径である。また、導電部30の外径は、2つの電極11,12及び通電用電極13との嵌合によって導電部30が所定方向に移動することを妨げられないよう、孔11a,12a,13aの内径以下となっている。
【0030】
導電部30は、孔11a,12a,13aを挿通しているか否かによって2つの電極11,12及び導通用電極13との接触と非接触とが切り替わる。具体的には、導電部30は、第1位置と、第2位置と、第3位置とを切り替え可能に設けられている。第1位置は、導電部30が2つの電極11,12に対して非接触である位置である。第2位置は、導電部30が2つの電極11,12及び通電用電極13に接触する位置である。第3位置は、導電部30が2つの電極11,12のうち一方と通電用電極13に接触する位置である。
【0031】
具体的には、導電部30は、例えば図3に示すように、2つの電極11,12と非接触の位置に移動可能に設けられている。また、導電部30は、例えば図4に示すように、2つの電極11,12及び通電用電極13と接触する位置に移動可能に設けられている。また、導電部30は、例えば図1に示すように、導電部30が2つの電極11,12のうち一方の電極12と通電用電極13に接触する位置に移動可能に設けられている。すなわち、図3は、本実施形態において導電部30が第1位置にある場合の例を示している。また、図4は、本実施形態において導電部30が第2位置にある場合の例を示している。また、図1及び図2は、本実施形態において導電部30が第3位置にある場合の例を示している。
【0032】
被覆部40は、2つの電極11,12及び通電用電極13を外部から覆う。具体的には、被覆部40は、例えば図1等に示すように、3つの電極を内包する空間を形成するように配管Pに固定されたカバーとして設けられる。より具体的には、被覆部40は、例えば、内側面が3つの電極に対して非接触となる位置で固定された状態で配管Pに立設するよう設けられる。
【0033】
ワイヤ50は、例えば図1等に示すように、導電部30と接続された状態で孔13aを挿通可能な絶縁部45を介して導電部30の所定方向の一端と連結されたワイヤである。絶縁部45は、導電部30とワイヤ50とを絶縁した状態で連結する。また、本実施形態の絶縁部45は、導電部30が第2位置にある状態でもワイヤ50を通電用電極13に対して被覆部40の外側寄りの位置に留める延設長を有する。これによって、ワイヤ50は導電性に関する設計上の制限を受けない。すなわち、ワイヤ50は、導電性を有していてもよい。具体的には、絶縁部45は、例えば第1接続部45a及び第2接続部45bを有する。第1接続部45aは、一端側が第2連結体30cに固定され、他端側が第2接続部45bと連結している。第2接続部45bは、一端側が第1接続部45aに連結され、他端側がワイヤ50に固定されている。第1接続部45aと第2接続部45bのうち少なくとも一方は、絶縁性を有する。すなわち、第1接続部45aと第2接続部45bのうち少なくとも一方は、一端側と他端側との間を導通させない表面加工処理が施されているか又は絶縁性を有する部材からなる。
【0034】
ワイヤ50は、可撓性を有する。また、ワイヤ50は、被覆部40の外側に延出する延出部として機能する。具体的には、ワイヤ50は、電極11,12及び通電用電極13に対して所定方向に沿う延長線上に位置する被覆部40の一側面に設けられている貫通孔41を挿通可能に設けられている。より具体的には、貫通孔41は、3つの電極に設けられている孔11a,12a,13aが位置する一直線上に位置している。本実施形態における貫通孔41は、3つの電極に設けられている孔11a,12a,13aと同一径の円状の孔であり、導電部30、絶縁部45及びワイヤ50が挿通可能となっている。本実施形態では、貫通孔41は、被覆部40から延出するよう設けられた延出部41aの内側の孔であるが、延出部41aが省略され、被覆部40の側方に設けられた孔が貫通孔41となっていてもよい。
【0035】
ワイヤ50は、導電部30を移動させる際の取っ手として機能する。具体的には、例えば導電部30の一端のうち溶接部Wに対して電極13側に設けられたワイヤ50が被覆部40の外側から引っ張り出されるように力を加えられることで、導電部30は溶接部Wに対して電極13側に移動する。逆に、ワイヤ50が押し込まれるるように力を加えられることで、導電部30は溶接部Wに対して電極12側に移動する。このように、導電部30を移動させる作業を行う作業者は、ワイヤ50を介して係る作業を実施することができる。
【0036】
本実施形態では、被覆部40は、貫通孔41が設けられた側面の外側に延設されたチューブ状の延設部42を有する。延出部41a及び延設部42は、例えば被覆部40と同様の素材で設けられており、貫通孔41を介して被覆部40内の空間と延設部42内の空間とが連続するよう設けられている。延設部42が設けられる場合、ワイヤ50は、ワイヤ50の端部が延設部42の端部より外側に位置する延設長を有する。延設部42は、その延設長に応じて、被覆部40が設けられている位置からより遠くまで被覆部40及び延設部42によって外部から絶縁された空間を延長する構成として機能する。このため、配管Pからの温度の伝達がより及びにくい位置まで当該外部から絶縁された空間を延長することができる。従って、ワイヤ50を介した導電部30の移動に係る作業を、配管Pからの温度に実質的に晒されることのない遠方から行うことができるようになる。
【0037】
次に、歪み検出の補正方法について説明する。まず、導電部30が第1位置に移動されることで、オープン補正が行われる。次に、導電部30が第2位置に移動されることで、ショート補正が行われる。係るオープン補正及びショート補正によって、測定部22のゼロ点と測定値との間に生じる誤差を補正する所謂ゼロ点補正のための補正値をより高い精度で求めることができる。係るオープン補正及びショート補正が行われた後、導電部30が第3位置に移動されることで、静電容量(C0´(t))に基づいた歪み検出が可能な状態になる。このように、導電部30を第3位置とする前に、導電部30を第1位置とし、導電部30を第2位置とすることで、歪み検出の精度をより高めることができる。
【0038】
特に、本実施形態のように高温になる配管Pに固定される歪み検出装置1は、高温の環境下で生じる可能性がある配管Pの溶接部W及び溶接部W付近の歪みを検出することを主要な目的としている。また、歪み検出の分解能として、例えばマイクロメートル単位の分解能が求められている。このため、歪み検出装置1に接続される測定部22の誤差補正は、配管Pが高温になってから行われることが望ましい。本実施形態では、ワイヤ50を介して導電部30を第1位置と第2位置に移動させることでオープン補正とショート補正を行うことができるので、歪み検出が行われる環境と同様の環境下で簡便に補正を行うことができる。従って、本実施形態によれば、簡便な作業で歪み検出の精度をより高めることができる。
【0039】
次に、歪み量の算出に関して説明する。図5は、2つの電極11,12の間隔を示す模式図である。2つの電極11,12の間隔に応じた静電容量は、以下の式(1)のように表すことができる。式(1)において、C0は、静電容量を示す。ε0は、2つの電極11,12の間が真空である場合の誘電率を示す。εrは、2つの電極11,12の間が空気である場合の誘電率を示す。d0は、2つの電極11,12の間隔を示す。Sは、2つの電極11,12の対向面の面積を示す。以下、C0は、設置時点における2つの電極11,12の静電容量、すなわち、酸化前の静電容量を示すものとする。また、d0は、酸化前の2つの電極11,12の間隔を示すものとする。
【数1】
【0040】
図6は、酸化が生じた2つの電極110,120の間隔を示す模式図である。図6及び後述する図7図9では、酸化が生じた2つの電極に符号110,120を付して、酸化が生じる前の2つの電極11,12と区別している。図6に示すように、2つの電極11,12同士の対向面に酸化が生じると、2つの電極11,12の間隔が酸化前後で変化する。具体的には、酸化によって電極110,120の膨出、浸食が生じた場合、2つの電極11,12の間隔が変化する。図6に示す例では、2つの電極110,120の各々の対向面に生じた浸食よりも膨出の方が大きく、酸化後の2つの電極110,120の間隔(d1)が酸化前の2つの電極11,12の間隔(d0図5参照)よりも短くなっている。なお、図6で示す膨出(d+)は、酸化前の電極11,12の対向面を基準として、浸食(d-)の影響を含めてなお生じた膨出の度合いを示す。図5に示す2つの電極11,12の間隔(d0)と、図6に示す2つの電極110,120の間隔(d1)及び膨出(d+)との対応関係は、例えば以下の式(2)のように表すことができる。
【数2】
【0041】
図7は、図6に示す酸化後の2つの電極110,120に蓄えられる静電容量の算出方法の考え方に関する模式図である。酸化後の2つの電極110,120の間には、酸化による電極110,120の膨張及び浸食によって生じた層が介在することになる。ここで、酸化後の2つの電極110,120の間隔に応じた静電容量をC1とすると、C1は、以下の式(3)のように表すことができる。また、酸化による電極110,120の膨張及び浸食によって生じた層に応じた静電容量をC2とすると、C2は、以下の式(4)のように表すことができる。また、酸化が生じた2つの電極110,120の間の静電容量をC0(t)とすると、C0(t)は、以下の式(5)のように表すことができる。
【数3】
【0042】
式(5)における2d+・(1−1/εr´)をδ+とし、2d-/εr´をδ-とすると、式(5)は、以下の式(6)のように表すことができる。ここで、δ+は、電極110,120の対向面の酸化による膨出が生じさせる2つの電極11,12の間隔の縮小分に相当する。また、δ-は、電極110,120の対向面の酸化による浸食が生じさせる2つの電極11,12の間隔の拡大分に相当する。なお、δ+及びδ-は、2つの電極11,12の対向面の面積(S)及び酸化する前の2つの電極11,12の間隔(d0)と関係性を有しない。
【数4】
【0043】
(δ+−δ-)は、以下の式(7)のように表すことができる。
【数5】
【0044】
2つの電極11,12の間が空気である場合の誘電率を示すεrの値は、例えば1.00059であり、約1.0である。このため、εr=1.0とすると、式(1)と式(7)に基づいて、以下の式(8)が導出される。式(8)のように導出される(δ+−δ-)は、2つの電極11,12が酸化することで生じる、間隔の変位量(みかけ上の変位量:δ(t))を表す。
【数6】
【0045】
図8は、2つの電極11,12の設置後の経過時間と、溶接部Wを挟んだ配管Pに生じた歪み量と、みかけ上の変位量と、静電容量の変化に基づいて算出される補正前の歪み量との関係の一例を示すグラフである。δ(t)の具体的な値は、溶接部Wの歪みを生じない環境下に設けられた2つの電極11,12が設置後の経過時間に応じて酸化することにより生じる電極11,12の間隔の変位を事前に計測することで、予め把握することができる。「溶接部Wの歪みを生じない環境下に設けられた2つの電極11,12」とは、図1とは異なり、溶接部Wを挟まない一続きの配管Pに設けられた2つの電極11,12をさす。みかけ上の変位量(δ(t))として現れる「経過時間と、酸化による電極110,120の間隔の変位との関係」は、例えば図8における線L1のようになる。線L1が示す電極110,120の間隔の変位は、溶接部Wに生じた歪み量とは関係ない電極110,120の間隔の変位であり、例えば経過時間が2000時間に満たないうちに0.04[mm]以上の間隔の縮小が生じた後、間隔の縮小が0.08[mm]に達するのが6000時間を過ぎてからになるような特性カーブを描く。従って、より正確に静電容量に基づいて溶接部Wに生じた歪み量を算出する場合、このようなみかけ上の変位量による電極110,120の間隔の変位の影響を考慮する必要がある。
【0046】
図8では、2つの電極11,12の設置後の経過時間と、静電容量の変化に基づいて算出される補正前の歪み量との関係の一例を線L2で示している。また、図8では、線L2が示す補正前の歪み量から、線L1が示すみかけ上の変位量による電極110,120の間隔の変位を差し引いた歪み量、すなわち、溶接部Wを挟んだ配管Pに生じた歪み量を線L3で示している。線L1,L2,L3が示す各々の値はあくまで一例であってこれに限られるものでない。
【0047】
図9は、歪み及び酸化が生じた2つの電極110,120の間隔と歪み量との関係を示す模式図である。図7図9では、静電容量を求める仕組みを分かりやすく図示する目的で2つの電極110,120の浸食及び膨出が電極120側に纏めて図示されているが、実際には図6に示すように、2つの電極110,120の各々で浸食及び膨出が生じる。図9のように、溶接部Wを挟む配管Pに生じた歪み量をΔd(t)とすると、歪み及び酸化が生じた2つの電極110,120の間隔に応じた静電容量(C0´(t))は、以下の式(9)のように表すことができる。従って、溶接部Wを挟む配管Pに生じた歪み量(Δd(t))は、式(1)と式(9)に基づいて、以下の式(10)のように表すことができる。式(10)のうち、2つの電極11,12の間が真空である場合の誘電率(ε0)及び2つの電極11,12の対向面の面積(S)は、既知の値である。酸化前の静電容量(C0)及びみかけ上の変位量(δ(t))は、事前に測定されている。また、歪み及び酸化が生じた2つの電極110,120の間隔に応じた静電容量(C0´(t))は、LCRメータ20によって測定される。歪み及び酸化が生じた2つの電極110,120の間隔に応じた静電容量(C0´(t))は、例えば図8における線L2に対応する値である。溶接部Wを挟む配管Pに生じた歪み量(Δd(t))は、例えば図8における線L3に対応する値である。式(10)は、例えば図8における線L1が示すような、2つの電極110,120に生じる経時変化と静電容量との対応に関する情報(みかけ上の変位量(δ(t)))に基づいた歪み量の補正を含む。
【数7】
【0048】
図2に示すように、本実施形態のLCRメータ20は、さらに、記憶部23、タイマー24、演算部25等の回路を有する。また、本実施形態の測定部22は、例えば静電容量に対応した電気信号をデジタル化して演算部25に出力するためのA/Dコンバータとしての機能を含むが、当該A/Dコンバータは、測定部22と独立した構成として設けられてもよい。記憶部23、タイマー24及び演算部25のうち一部又は全部は、FPGA(Field Programmable Gate Array)等のプログラマブルロジックデバイスに統合して実装されていてもよい。
【0049】
記憶部23は、例えば第1補正プログラム23a、第2補正プログラム23b等のソフトウェア・プログラムを記憶する。以下、プログラム等と記載した場合、ソフトウェア・プログラム及び当該ソフトウェア・プログラムの実行に際して参照されるパラメータ等を含む。第1補正プログラム23aは、図1から図4を参照して説明したオープン補正及びショート補正を含む歪み検出の補正を実施するためのプログラムである。第1補正プログラム23aを演算部25が実行した状態でオープン補正及びショート補正が行われることで、ゼロ点補正の結果としての初期値(静電容量(C0))が決定される。第2補正プログラム23bは、上記の図5から図9を参照して説明した酸化による静電容量の変化を補正するためのプログラムである。
【0050】
また、記憶部23は、初期値情報23c、経時変化情報23d等を記憶する。初期値情報23cは、第1補正プログラム23aを演算部25が実行することで決定された初期値(静電容量(C0))を示す情報である。経時変化情報23dは、上記の図8を参照して説明した、2つの電極11,12の設置後の経過時間とみかけ上の変位量との関係を示す情報である。本実施形態において、経時変化情報23dは、2つの電極11,12に生じる経時変化と静電容量との対応に関する情報として機能する。タイマー24は、2つの電極11,12の設置後の経過時間を計時する。
【0051】
演算部25は、静電容量に基づいて被検出体の歪み量を算出する。具体的には、2つの電極11,12に蓄積される静電容量に基づいた歪み量の算出に際して、演算部25は、例えば第2補正プログラム23bを読み出して実行する。第2補正プログラム23bを実行した演算部25は、初期値情報23cを読み出して、式(1)が示す酸化前の静電容量(C0)とする。また、演算部25は、2つの電極11,12の設置後の経過時間をタイマー24から取得する。演算部25は、経時変化情報23dを参照し、経過時間に応じたみかけ上の変位量(δ(t))を特定する。このように、本実施形態の演算部25は、タイマー24が計時した時間に基づいて、経時変化に応じた補正の度合いを決定する。また、演算部25は、2つの電極11,12に蓄積される静電容量を示す情報を測定部22から取得する。演算部25は、測定部22から取得した2つの電極11,12に蓄積される静電容量を、歪み及び酸化が生じた2つの電極110,120の間隔に応じた静電容量(C0´(t))として算出する。演算部25は、酸化前の静電容量(C0)、みかけ上の変位量(δ(t))、静電容量(C0´(t))を上記の式(10)に代入して、溶接部Wを挟む配管Pに生じた歪み量(Δd(t))を算出する。
【0052】
以上説明したように、本実施形態によれば、2つの電極110,120に蓄積される静電容量の変化に基づいて算出される被検出体の歪み量を、2つの電極110,120に生じる経時変化と静電容量との対応に関する情報に基づいて補正する。これによって、2つの電極110,120に生じる経時変化によってもたらされる静電容量への影響を低減することができる。従って、より正確に歪みを測定することができる。
【0053】
また、2つの電極110,120の酸化により生じる2つの電極110,120の間隔の変化を経時変化として考慮することで、より正確に歪みを測定することができる。
【0054】
また、2つの電極11,12の設置後の経過時間を計時するタイマー24を備え、タイマー24が計時した時間に基づいて補正の度合いを決定することで、経時変化により生じる静電容量への影響をより正確に把握することができる。
【0055】
また、2つの電極11,12のうち少なくとも対向面にロジウムを用いることで、酸化等の経時変化をより生じにくくすることができる。
【0056】
また、2つの電極11,12が配管Pを接続している溶接部Wを挟んで並ぶことで、溶接部Wに歪みが生じた場合に当該歪みを検出することができる。
【0057】
さらに、導電部30の位置を第1位置と第2位置と第3位置に切り替えることで2つの電極11,12と通電用電極13との接続関係を切り替えることができるので、2つの電極11,12の位置関係を変ずることなくオープン補正及びショート補正を行うことができる。従って、本実施形態によれば、歪み検出の精度をより高めることができる。
【0058】
さらに、被覆部40によって2つの電極11,12及び通電用電極13を外部から絶縁することができることから、2つの電極11,12に対する外部の影響を抑制することができる。従って、歪み検出の精度をより高めることができる。
【0059】
さらに、ワイヤ50が導電部30の所定方向の一端側に連結されたているので、ワイヤ50を操作することで当該端部側に導電部30を移動させることができる。
【0060】
さらに、導電部30が2つの電極11,12及び通電用電極13と同時に当接する延設長を有する棒状の導電体であるので、単純な操作で2つの電極11,12と通電用電極13との接続関係を切り替えることができる。
【0061】
なお、上記の実施形態における歪み検出装置1の具体的構成はあくまで一例であってこれに限られるものでなく、適宜変更可能である。
【0062】
図10は、導電部300の具体的構成の一例を示す図である。例えば図10に示すように、導電部300は、棒状の基部31と、基部31の外周面よりも外側に突出する複数の弾性部32,33,34とを具備していてもよい。弾性部32,33同士の所定方向の間隔及び弾性部33,34同士の所定方向の間隔は、2つの電極11,12同士の所定方向の間隔及び通電用電極13と2つの電極11,12のうち通電用電極13に相対的に近い位置の電極12との間隔に応じる。また、基部31の所定方向に直交する断面形状は、2つの電極11,12及び通電用電極13に設けられた孔11a,12a,13aを非接触の状態で挿通することができる断面形状である。より具体的には、例えば円柱状の基部31の外径は、孔11a,12a,13aの径未満である。また、弾性部32,33,34を含む導電部30の所定方向に直交する断面形状は、2つの電極11,12及び通電用電極13に設けられた孔11a,12a,13aを挿通した場合に2つの電極11,12及び通電用電極13に接触する断面形状である。より具体的には、例えば円柱状の基部31の周囲を取り巻くように配設されたばね状の部材による弾性部32,33,34の外径は、孔11a,12a,13aの径以上であり、その弾性によって孔11a,12a,13aの径以下に収まることができるよう設けられている。基部31及び弾性部32,33,34は、例えば白金等の導電体からなる。図1から図4で例示した導電部30を図10に示すような導電部300に置き換えてもよい。これによって、2つの電極11,12及び通電用電極13と導電部300とをより接触させやすくなる。
【0063】
導電部30等、各部の構成の具体的な素材及び形状は上記の実施形態で例示したものに限定されず、適宜変更可能である。例えば、当接体30aの素材として、インコネル(登録商標)等のニッケル合金を採用してもよい。
【0064】
導電部30は、非測定時に被覆部40の外部に取り出されてもよい。この場合、歪み検出装置1等が固定される環境と同様の環境下(例えば、高温環境下)に導電部30が晒される期間をオープン補正及びショート補正の実施期間並びに歪み検出の実施期間に限定することができるので、導電部30に要求される耐腐食性等の条件をより緩和しやすくなり、上記のニッケル合金の採用をより容易にすることができる。
【0065】
また、歪み検出装置1等は溶接部W、高温環境下に限らず任意の構成に設けることができる。
【0066】
また、上記の実施形態ではタイマー24が設けられているが、他の方法によって経時変化と静電容量との対応を考慮するようにしてもよい。例えば、設置後の経過時間を示すパラメータを外部から入力可能な入力部をLCRメータ20に設けるようにしてもよい。この場合、歪み量の算出をLCRメータ20に実行させる作業者が、設置後の経過時間を示すパラメータを入力する。
【0067】
また、本実施形態において述べた態様によりもたらされる他の作用効果について本明細書記載から明らかなもの、又は当業者において適宜想到し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。
【符号の説明】
【0068】
1 歪み検出装置
11,12 電極
11a,12a,13a 孔
13 通電用電極
20 LCRメータ
21 供給部
22 測定部
23 記憶部
23a 第1補正プログラム
23b 第2補正プログラム
23c 初期値情報
23d 経時変化情報
24 タイマー
25 演算部
30 導電部
30a 当接体
30b 第1連結体
30c 第2連結体
30d 連結部
31 基部
32,33,34 弾性部
40 被覆部
41 貫通孔
42 延設部
45 絶縁部
50 ワイヤ
P 配管
W 溶接部
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10