JP7636611B2 - Non-contact height measurement method using capacitance - Google Patents
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Description
本発明は、静電容量による非接触式高さ測定方法に関し、詳しくは、壁体を隔てた反対側の誘電体物質の高さレベルを電極体間の静電容量の値に基づいて検出する非接触式高さ測定方法に関するものである。 The present invention relates to a non-contact height measurement method using electrostatic capacitance, and more specifically, to a non-contact height measurement method that detects the height level of a dielectric material on the opposite side of a wall based on the value of the electrostatic capacitance between electrodes.
従来から、空間を形成する非金属材料体の内部に存する誘電体物質、例えば、液体を収容する容器内の液面レベルを静電容量の変化に基づいて検出する静電容量による液面レベルセンサが知られている( 例えば特許文献1、特許文献2を参照)。 Conventionally, there have been known capacitance-based liquid level sensors that detect the liquid level in a dielectric substance present inside a nonmetallic material body that forms a space, for example, a container that holds a liquid, based on changes in capacitance (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
上記特許文献1の提案は、液体又は粉体等の入ったタンク容器等の貯蔵レベルや貯蔵量をセンサ体を用いて計測するものであり、このセンサ体は、絶縁材料からなる2枚のフィルムの間に膜状の2枚の電極体を互いに間隔を置いて配置し、これら2枚の電極体の各々にリード線を接続するとともに、2枚のフィルムを互いに密着させてフレキシブルなセンサ体を形成している。そして、電極体に接続されたリード線を信号増幅器等の電気回路に接続している。また、リード線の途中に可撓性を有する信号処理電気回路部を介在させて接続してフレキシブルなセンサ体を形成し、このセンサ体において検出信号を信号処理してもよいことが記載されている。 The proposal in the above-mentioned Patent Document 1 is to measure the storage level or amount of a tank container or the like containing a liquid or powder, etc., using a sensor body, and this sensor body is formed by arranging two membrane-like electrode bodies at a distance from each other between two films made of an insulating material, connecting lead wires to each of these two electrode bodies, and bonding the two films to each other to form a flexible sensor body. The lead wires connected to the electrode bodies are then connected to an electric circuit such as a signal amplifier. It is also described that a flexible signal processing electric circuit unit may be inserted and connected to the lead wires to form a flexible sensor body, and the detection signal may be processed in this sensor body.
このセンサ体は、変形容器やガラスビン等のサイズのものの液面レベルの計測に使用し、センサ本体によって検出された検出信号を信号増幅器等の電気回路に接続し信号処理しているが、センサ体への入力電圧、出力信号とその信号の処理については記載されていない。 This sensor body is used to measure the liquid level of objects the size of irregular containers or glass bottles, and the detection signal detected by the sensor body is connected to an electrical circuit such as a signal amplifier for signal processing, but there is no description of the input voltage to the sensor body, the output signal, or the processing of those signals.
特許文献2の提案においては、液面レベルセンサがセンサ本体及びセンサ回路を備えており、センサ本体は、可撓性材料からなる絶縁シー トと、絶縁シートの一方の面に形成された検出電極と、他方の面に、検出電極と対向し検出電極の領域を含むように広く形成されたガード電極と、絶縁シートのいずれかの面に、検出電極又はガード電極から所定距離離れた位置に、検出電極又はガード電極に対して対称的に形成された一対の接地電極を有し、検出電極と接地電極およびガード電極間の静電容量を検出するとしている。また、センサ回路はセンサ本体に接続され、センサ本体によって検出された静電容量を電気信号に変換し、電気信号を信号処理して液面レベルを検出している。 In the proposal of Patent Document 2, the liquid level sensor includes a sensor body and a sensor circuit, and the sensor body includes an insulating sheet made of a flexible material, a detection electrode formed on one side of the insulating sheet, a guard electrode formed on the other side facing the detection electrode and wide enough to include the area of the detection electrode, and a pair of ground electrodes formed symmetrically with respect to the detection electrode or guard electrode at a predetermined distance from either side of the insulating sheet, and detects the electrostatic capacitance between the detection electrode and the ground electrode and the guard electrode. In addition, the sensor circuit is connected to the sensor body, converts the electrostatic capacitance detected by the sensor body into an electric signal, and detects the liquid level by signal processing the electric signal.
この液面レベルセンサは、液体を収容する容器内の液面レベルを静電容量の変化に基づいて検出電極として検出電極、ガード電極及び接地電極の3つの電極を必要とするとともに、センサ本体によって検出された静電容量を電気信号に変換して信号処理するセンサ回路を通じて液面レベルを検出しているため、構成が複雑であり高価なセンサとなる。 This liquid level sensor requires three electrodes to detect the liquid level in a container that holds the liquid based on changes in capacitance: a detection electrode, a guard electrode, and a ground electrode. The liquid level is also detected through a sensor circuit that converts the capacitance detected by the sensor body into an electrical signal and processes the signal, resulting in a complex and expensive sensor.
また、特許文献3は、ジャンカ等のコンクリート欠陥をコンクリート硬化前に検出する装置であり、コンクリート打設前と打設後に型枠の外面の一対の側点の間に高周波電流を印加してコンクリート型枠及びコンクリート外側部分の静電容量を測定し、その静電容量の差により型枠内部のコンクリート欠陥を検出するとしている。この検出方法は、測点に装置の両端子を当接させて測定するが、両端子の間のジャンカ等を検出するものであり、部分的な検出である。 Patent Document 3 describes a device that detects concrete defects such as junks before the concrete hardens, applying a high-frequency current between a pair of side points on the outer surface of the formwork before and after pouring the concrete, measuring the capacitance of the concrete formwork and the outer part of the concrete, and detecting concrete defects inside the formwork based on the difference in capacitance. This detection method involves bringing both terminals of the device into contact with measuring points, but it only detects junks between the two terminals, which is a partial detection method.
また、非特許文献1に記載の製品は、静電容量型液面レベルセンサであり、樹脂製等のタンクの外側にフィルム状の電極を貼り付け、静電容量の変化によりタンク内部の液体の高さを検出するものである。この場合、検出高さが最大250mmであり、比較的低い検出高さを対象としている。また、電源電圧はDC12V/DC245Vの直流電源を用いている。 The product described in Non-Patent Document 1 is a capacitance type liquid level sensor, in which a film-like electrode is attached to the outside of a tank made of resin or the like, and the level of the liquid inside the tank is detected by changes in capacitance. In this case, the maximum detection height is 250 mm, which is relatively low. The power supply voltage is a DC 12V/DC 245V DC power supply.
さらに、非特許文献2には、金属テープを容器の外側に貼り付け、その金属テープの静電容量を静電容量センサで計測し、静電容量値を水位の変化(cm)に換算し、水位を算出するものが記載されている。この水位変化の検出原理は、容量値の変化を共振周波数でとらえている静電容量センサ(Texas Instruments社のFDC2214)を使用し、任意のコンデンサとコイルをLC共振させ、センサ部(金属部)で生じた誘電率の変化に伴う容量値の変化を共振周波数の変化でとらえる仕組みである。 Furthermore, Non-Patent Document 2 describes a method in which a metal tape is attached to the outside of a container, the capacitance of the metal tape is measured with a capacitance sensor, and the capacitance value is converted into a change in water level (cm) to calculate the water level. The principle of detecting this change in water level is to use a capacitance sensor (Texas Instruments FDC2214) that captures the change in capacitance value at the resonant frequency, to cause LC resonance between an arbitrary capacitor and coil, and to capture the change in capacitance value associated with the change in dielectric constant occurring in the sensor part (metal part) as a change in resonant frequency.
これは、水位が上昇するとセンサの容量値が増加し、共振周波数は下がるという検出原理を用いているが、文献中の水位と容量値の関係のグラフに示されるように水位20cm程度までのレベルの計測に適用され、比較的計測高さが限られている。 This uses the detection principle that as the water level rises, the sensor's capacitance value increases and the resonant frequency decreases; however, as shown in the graph of the relationship between water level and capacitance value in the literature, this is only applicable to measuring water levels up to about 20 cm, and the measurement height is relatively limited.
また、特許文献4においては、測定対象物の界面の高さを測定するための界面計測センサであって、界面の高さを測定する測定範囲に応じた長さを有する、測定対象物が導入される構造物の垂直方向に取り付けられる第1と第2の電極とを有しており、これらの電極間の容量を算出し、算出された結果を無線によって外部に送信する無線タグを有する界面計測センサが記載されている。 Patent Document 4 also describes an interface measurement sensor for measuring the height of an interface of a measurement object, which has first and second electrodes that have a length corresponding to the measurement range in which the height of the interface is measured and are attached vertically to a structure into which the measurement object is introduced, and which calculates the capacitance between these electrodes and has a wireless tag that wirelessly transmits the calculated result to the outside.
この場合、界面計測センサは、型枠(杭や柱など、管状の構造物)の内側に垂直方向に延びる方向に設置され、測定対象物(例えばコンクリート)は直接レベルセンサに接触しての測定となる。 In this case, the interface measurement sensor is installed in a direction extending vertically inside the formwork (a tubular structure such as a pile or pillar), and the object to be measured (e.g. concrete) is in direct contact with the level sensor for measurement.
また、特許文献5においては、水平方向に一定の間隔をおいて互いに平行し、上下方向に延在する一対の電極線を絶縁材で被覆してなるレベルセンサを型枠の内側の空所内に設置し、空所内にコンクリートが打設されるのに伴い、コンクリートの比誘電率に応じて一対の電極線間に生じる静電容量の変化に基づいて空所に打設されたコンクリートの打ち上がり高さを算出している。 In addition, in Patent Document 5, a level sensor consisting of a pair of electrode wires that are parallel to each other at a fixed horizontal distance and extend vertically and are covered with an insulating material is installed in the void inside the formwork, and as concrete is poured into the void, the rise height of the concrete poured into the void is calculated based on the change in capacitance that occurs between the pair of electrode wires according to the dielectric constant of the concrete.
この場合、レベルセンサは、型枠の内側の空所内に上下方向に延在して設置されるため、コンクリートが直接レベルセンサに接触しての測定となる。 In this case, the level sensor is installed extending vertically within the empty space inside the formwork, so the concrete comes into direct contact with the level sensor for measurement.
特許文献6においては、トンネル内に配設された型枠面に、コンクリートに接触する長さに応じて検出量が変化する、一対の電極線を絶縁材で被覆してなる細長形状のレベルセンサーを、その長手方向を型枠面の長さ方向あるいは幅方向に沿って延在するように取り付けている。そして、レベルセンサーがコンクリートに接触することにより、コンクリートの比誘電率に応じて一対の電極線間に生じる静電容量を検出し、この検出量から打設されたコンクリートの高さを把握するとしている。 In Patent Document 6, a long and narrow level sensor consisting of a pair of electrode wires covered with an insulating material, whose detection amount changes depending on the length of contact with the concrete, is attached to the formwork surface installed inside the tunnel so that its longitudinal direction extends along the length or width of the formwork surface. When the level sensor comes into contact with the concrete, it detects the electrostatic capacitance generated between the pair of electrode wires depending on the relative dielectric constant of the concrete, and the height of the poured concrete is determined from this detection amount.
このレベルセンサーは、型枠の外側に幅方向に沿って延在するように取り付けられているので、センサーが直接コンクリートに接触しての測定である。 This level sensor is attached to the outside of the formwork, extending along its width, so the sensor makes direct contact with the concrete when making measurements.
本発明は、壁体を隔てた反対側の誘電体物質の高さレベルを電極体間の静電容量の値に基づいて検出する方法において、特に容器内の液体や粉体の高さレベルを複雑な電気信号を処する回路を必要とせず、高い高さレベルまで測定でき、低コストで製造可能で簡便に使用可能な静電容量による非接触式高さ測定方法を提供することを課題とする。 The present invention aims to provide a non-contact height measurement method using capacitance that can measure the height level of a dielectric material on the opposite side of a wall based on the value of the capacitance between electrodes, and that can measure the height level of liquid or powder in a container up to a high height level without requiring a circuit to process complex electrical signals, and that can be manufactured at low cost and is easy to use.
本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法は、上記の技術的課題を解決するためになされたものであって、以下のことを特徴としている。 The non-contact height measurement method using capacitance of the present invention has been developed to solve the above technical problems, and has the following features:
第1に、本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法は、導線が接続された一対の電極体を、空間を有する非金属材料体の外側部、上下方向に、間隔を置いて密着配置又は離隔して配設し、前記空間を有する非金属材料体の内部に導入する誘電体物質の高さを前記電極体間の静電容量の値に基づいて測定する方法であって、
前記一対の電極体に、任意の測定周波数の測定用交流信号を入力し、
前記電極体間のインピーダンスと位相角を測定して容量性リアクタンスを算出し、静電容量の値を計算して、その値により前記誘電体物質の高さを求めることを特徴とする。
第2に、上記第1の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記一対の電極体が帯状であることが好ましい。
第3に、上記第1又は第2の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記測定用交流信号が5mVrms~5Vrms、前記測定周波数が1KHz~20MHzの範囲であることが好ましい。
第4に、上記第1から第3の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、測定時の静電容量の初期値をゼロ値として測定することが好ましい。
第5に、上記第1から第4の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記空間を有する非金属材料体が型枠であり、該型枠の内部に導入する前記誘電体物質がセメント系物質であることが好ましい。
第6に、上記第1から第5の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記空間を有する非金属材料体が型枠であり、該型枠が、前記電極体を非金属材料体に取り付けて一体化したセンサ付き高さ測定用型枠を、他の型枠に接続させた型枠であることが好ましい。
第7に、上記第1から第6の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記一対の電極体が、長尺の電極体であり、該長尺の電極体の長手方向の所定の一部が幅広に形成されていることが好ましい。
第8に、上記第1から第7の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、複数の前記一対の電極体が、導線で接続されていることが好ましい。
第9に、上記第5又は第6の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記型枠の接続部において、前記一対の電極体同士がコネクタで接続されていることが好ましい。
第10に、上記第1から第9の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記一対の電極体が防水されていることが好ましい。
第11に、上記第1から第10の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記測定に係るデータを無線通信装置で表示装置に送信することが好ましい。
第12に、上記第1から第11の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、高さの数値又は図表を表示装置により表示することが好ましい。
First, the non-contact height measurement method using capacitance of the present invention is a method in which a pair of electrode bodies connected to a conductor are arranged in close contact or spaced apart from each other at an interval on the outer side of a non-metallic material body having a space in the vertical direction, and the height of a dielectric material to be introduced into the non-metallic material body having a space is measured based on the value of the capacitance between the electrode bodies,
A measurement AC signal of an arbitrary measurement frequency is input to the pair of electrodes,
The impedance and phase angle between the electrodes are measured to calculate the capacitive reactance, and the value of the electrostatic capacitance is calculated, and the height of the dielectric material is obtained from the calculated value.
Secondly, in the non-contact height measurement method using electrostatic capacitance according to the first invention, it is preferable that the pair of electrode bodies is strip-shaped.
Thirdly, in the non-contact height measurement method using electrostatic capacitance according to the first or second invention, it is preferable that the measuring AC signal is in the range of 5 mVrms to 5 Vrms, and the measuring frequency is in the range of 1 KHz to 20 MHz.
Fourthly, in the non-contact height measurement method using electrostatic capacitance according to the first to third aspects of the present invention, it is preferable that an initial value of the electrostatic capacitance during measurement is set to a zero value.
Fifth, in the non-contact height measurement methods using electrostatic capacitance of any one of the first to fourth inventions, it is preferable that the non-metallic material having a space is a formwork, and the dielectric material introduced into the formwork is a cement-based material.
Sixth, in the non-contact height measurement method using electrostatic capacitance of any one of the first to fifth inventions, it is preferable that the non-metallic material body having the space is a formwork, and that the formwork is a formwork in which a height measurement formwork with a sensor in which the electrode body is attached and integrated with the non-metallic material body is connected to another formwork.
Seventh, in the non-contact height measurement method using electrostatic capacitance of any one of the first to sixth inventions, it is preferable that the pair of electrode bodies are elongated electrode bodies, and that a predetermined portion of the elongated electrode body in the longitudinal direction is formed wide.
Eighth, in any of the first to seventh inventions, in the non-contact height measurement method using electrostatic capacitance, it is preferable that a plurality of the pairs of electrode bodies are connected by a conductor.
Ninthly, in the non-contact height measurement method using electrostatic capacitance according to the fifth or sixth invention, it is preferable that the pair of electrode bodies are connected to each other by a connector at the connection portion of the formwork.
Tenthly, in any of the first to ninth inventions, in the non-contact height measurement method using electrostatic capacitance, it is preferable that the pair of electrode bodies is waterproof.
Eleventhly, in any of the first to tenth aspects of the present invention, in the non-contact height measurement method using electrostatic capacitance, it is preferable that data relating to the measurement is transmitted to a display device by a wireless communication device.
Twelfthly, in any of the first to eleventh aspects of the present invention, in the non-contact height measurement method using electrostatic capacitance, it is preferable that a numerical value or a chart of the height is displayed by a display device.
本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法によれば、空間を形成する非金属材料体の空間内の液体や粉体等の誘電体物質の高さレベルを、非金属材料体の外側に配置した簡便で製造コストが安価なセンサにより、複雑な電気信号を処する回路を必要とせず容易に検出でき、特に比較的高い高さレベルに対しても検出することができる。 According to the non-contact height measurement method using electrostatic capacitance of the present invention, the height level of a dielectric substance such as a liquid or powder within a space formed by a non-metallic material body can be easily detected by a simple and inexpensive sensor placed on the outside of the non-metallic material body without the need for a circuit to process complex electrical signals, and can even be detected at relatively high height levels.
本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法は、導線が接続された一対の電極体を、空間を有する非金属材料体の外側部、上下方向に、間隔を置いて密着配置又は離隔して配設し、前記空間を有する非金属材料体の内部に導入する誘電体物質の高さを前記電極体間の静電容量の値に基づいて測定する方法である。 The non-contact height measurement method using capacitance of the present invention is a method in which a pair of electrodes connected to a conductor are arranged close together or spaced apart at a distance on the outer side of a non-metallic material body having a space, in the vertical direction, and the height of a dielectric material introduced into the non-metallic material body having a space is measured based on the value of the capacitance between the electrodes.
以下に、本発明に係る静電容量による非接触式高さ測定方法の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1(a)は、本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、空間を形成する非金属材料体の形状が四角の容器において、一対の電極体が帯状で、容器の同じ側面に配設されている場合の概略斜視図であり、図1(b)は、図1(a)における上面視図である。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。 Below, one embodiment of the non-contact height measurement method using electrostatic capacitance according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Fig. 1(a) is a schematic perspective view of the non-contact height measurement method using electrostatic capacitance according to the present invention, in which a pair of electrode bodies are strip-shaped and arranged on the same side of a container in which the non-metallic material body forming the space has a square shape, and Fig. 1(b) is a top view of Fig. 1(a). Note that the present invention is not limited to this embodiment.
本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法の動作原理は、距離をおいて空気で絶縁させた一対の電極体11間に交流電流を印加することにより、電極体11間に電界を生じさせてコンデンサのように静電容量を生じさせ、この電界内に空気より比誘電率の高い誘電体物質20を導入すると静電容量が増加するという原理を用いている。 The operating principle of the non-contact height measurement method using capacitance of the present invention is that an alternating current is applied between a pair of electrodes 11 separated by a distance and insulated by air, generating an electric field between the electrodes 11 and generating capacitance like a capacitor, and when a dielectric material 20 with a higher dielectric constant than air is introduced into this electric field, the capacitance increases.
誘電体物質20としては、比誘電率が高く測定可能なものであれば特に限定されるものではなく、液体、流動体、粉体等のいずれでもよく、具体的には、例えばフレッシュコンクリート、フレッシュモルタル等のセメント系物質22や水等を例示することができる。空間を有する非金属材料体2の材質は絶縁体であり、有機材料としては、プラスチック、ゴム、木材、皮革等を例示することができ、無機材料としては、ファインセラミックス、ガラス、陶磁器、耐火物、セメント系物質やFRP等、また、これらの複合材料を例示することができる。 The dielectric material 20 is not particularly limited as long as it has a high and measurable relative dielectric constant, and may be any of liquids, fluids, powders, etc., and specific examples include cement-based materials 22 such as fresh concrete and fresh mortar, and water. The material of the non-metallic material body 2 having a space is an insulator, and examples of organic materials include plastic, rubber, wood, leather, etc., and examples of inorganic materials include fine ceramics, glass, ceramics, refractories, cement-based materials, FRP, etc., as well as composite materials of these.
一対の電極体11への入力信号は、所定の周波数の測定用交流信号であり、電極体11間のインピーダンスと位相角を測定して容量性リアクタンスを算出し、次式を用いて静電容量の値を計算して、その値により誘電体物質20の高さレベルを求める。
XC=1/(2πfC)
(XC:容量リアクタンス f:交流電圧の周波数 C:静電容量)
測定用交流信号は5mvV~5vVrms、測定周波数は1KHz~20MHzの範囲が好ましい。測定周波数を高い周波数範囲に設定することにより、電界の変動に対する検出感度が向上し、微細な静電容量の変化が検出できるとともに、ノイズに対して比較的耐性を有し、外部からの干渉や電磁ノイズの影響を抑えることができる。
The input signal to the pair of electrode bodies 11 is a measurement AC signal of a predetermined frequency, and the impedance and phase angle between the electrode bodies 11 are measured to calculate the capacitive reactance, and the capacitance value is calculated using the following equation, and the height level of the dielectric material 20 is determined from this value.
X C =1/(2πfC)
( XC : capacitive reactance, f: frequency of AC voltage, C: electrostatic capacitance)
It is preferable that the measurement AC signal is 5 mvV to 5 vVrms and the measurement frequency is in the range of 1 KHz to 20 MHz. By setting the measurement frequency in a high frequency range, the detection sensitivity to electric field fluctuations is improved, minute changes in capacitance can be detected, and the device has relatively high resistance to noise and can suppress the effects of external interference and electromagnetic noise.
静電容量の計測装置3としては、LCRメータ、マルチメータあるいはインピーダンスアナライザ等交流入力信号の静電容量を測定できる機器を好適に用いることができる。なお、非金属材料体2の厚みについては、厚さが増加するにつれて静電容量が検出しづらくなるため、検出可能な範囲の厚みとすることが考慮される。また、計測装置3で測定した計測データは、表示装置5により表示することができる。 As the capacitance measuring device 3, an instrument capable of measuring the capacitance of an AC input signal, such as an LCR meter, multimeter, or impedance analyzer, can be suitably used. As the thickness of the nonmetallic material body 2 increases, it becomes more difficult to detect the capacitance, so it is considered that the thickness should be within a detectable range. Furthermore, the measurement data measured by the measuring device 3 can be displayed on the display device 5.
導線10が接続された一対の電極体11は、図1(b)に示すように、非金属材料体2としての上面視矩形容器の外側部に間隔を空けて密着して配設されている。そして、矩形容器の内側に誘電体物質20が充填されると、充填高さの増加に伴い電極体11間の静電容量の値も増加する。これにより、静電容量の値に基づいて誘電体物質20の高さを測定することができる。なお、図1(a)では、2本の導線10はそれぞれ一対の電極体11の上端部に接続されているが、電極体11への接続部は電極のどの高さ位置でもよく、例えば電極の下端部でもよい。 As shown in FIG. 1(b), a pair of electrode bodies 11 connected to conductive wires 10 are closely spaced apart on the outer side of a rectangular container as viewed from above, which is a non-metallic material body 2. When a dielectric material 20 is filled inside the rectangular container, the capacitance between the electrode bodies 11 increases as the filling height increases. This makes it possible to measure the height of the dielectric material 20 based on the capacitance value. In FIG. 1(a), the two conductive wires 10 are each connected to the upper ends of the pair of electrode bodies 11, but the connection to the electrode body 11 may be at any height position of the electrode, for example, the lower end of the electrode.
電極体11は、導電性を有する金属板状のものであればよく、特に、銅、アルミ等の材質で、薄板状、膜状のものが軽量で好適である。電極体11の容器への取り付けは、例えば、容器側面の密着面に両面テープ又は絶縁性を有する接着剤により取り付けたり、電極体11の片面に接着剤が塗布された導電性銅箔粘着テープや導電性アルミ箔粘着テープ等を使用することもできる。電極体11の外側面は、絶縁性を有する片面粘着のテープで覆う等の保護をすることが望ましい。 The electrode body 11 may be a conductive metal plate, and is particularly suitable for its light weight and thin plate or film shape made of copper, aluminum, or other materials. The electrode body 11 can be attached to the container by, for example, attaching it to the contact surface of the container side with double-sided tape or an insulating adhesive, or by using a conductive copper foil adhesive tape or a conductive aluminum foil adhesive tape with an adhesive applied to one side of the electrode body 11. It is desirable to protect the outer surface of the electrode body 11 by covering it with an insulating one-sided adhesive tape, for example.
また、予め一組の電極体11を絶縁体上に形成しておくこともできる。具体的には、例えば、絶縁材料からなる1枚のフィルムの片面に、板状又は膜状の2枚の電極体11を互いに間隔を置いて配設したり、絶縁材料からなる2枚のフィルムの間に、膜状の2枚の電極体11を互いに間隔を置いて配設する等して一対の電極体11を一体に形成することができる。また、容器は、電極体11との密着面が非金属材料体2であればよく複合材料であってもよい。また、膜状の電極体11は、フィルムに印刷又は蒸着又はめっきにより形成されていてもよい。 A pair of electrode bodies 11 can also be formed on an insulator in advance. Specifically, for example, two plate- or film-shaped electrode bodies 11 can be arranged at a distance from each other on one side of a film made of an insulating material, or two film-shaped electrode bodies 11 can be arranged at a distance from each other between two films made of an insulating material to form a pair of electrode bodies 11 as a single body. In addition, the container may be made of a composite material as long as the contact surface with the electrode bodies 11 is the non-metallic material body 2. The film-shaped electrode body 11 may be formed on the film by printing, vapor deposition, or plating.
導線10は、リード線でも同軸ケーブルでもよく、リード線は単線でも撚線でもよい。ただし、リード線の場合は、高周波になるほど外部から到来する電磁波の影響を受けやすいため、伝送長さが長い場合は電磁波の影響を受けにくい、高周波信号伝送用のケーブルとして用いる同軸ケーブルを用いるのが好ましい。 The conductor 10 may be a lead wire or a coaxial cable, and the lead wire may be a solid wire or a twisted wire. However, in the case of a lead wire, the higher the frequency, the more susceptible it is to the effects of electromagnetic waves coming from the outside. Therefore, when the transmission length is long, it is preferable to use a coaxial cable, which is used as a cable for transmitting high-frequency signals and is less susceptible to the effects of electromagnetic waves.
図2(a)は、本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、空間を形成する非金属材料体の形状が四角の容器で、一対の帯状の電極体を、容器の隣り合う側面に配設した実施形態の概略斜視図であり、図2(b)は、図2(a)における上面視図である。本発明においては、このように一対の帯状の電極体11を同じ側面ではなく、隣り合う側面に一列ずつ配設することもできる。この場合も、距離をおいて空気で絶縁された一対の電極体11間に交流電流を印加することにより、電極体11間に電界を生じさせてコンデンサのように静電容量を生じさせることができる。また、一対の帯状の電極体各々の距離が遠くなく電界が届く範囲であれば、一対の帯状の電極体11を向かい合う面に配設することもできる。 2(a) is a schematic perspective view of an embodiment of the non-contact height measurement method using capacitance of the present invention, in which the non-metallic material forming the space is a rectangular container, and a pair of strip-shaped electrodes are arranged on adjacent sides of the container, and FIG. 2(b) is a top view of FIG. 2(a). In the present invention, the pair of strip-shaped electrodes 11 can be arranged in a row on adjacent sides, rather than on the same side. In this case, too, by applying an alternating current between the pair of electrodes 11, which are separated by air and insulated from each other by a distance, an electric field can be generated between the electrodes 11, generating electrostatic capacitance like a capacitor. In addition, as long as the distance between the pair of strip-shaped electrodes is not too far and the electric field can reach them, the pair of strip-shaped electrodes 11 can be arranged on opposing surfaces.
以下に、上記本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法による効果を確認した実験(実験1~3)を示す。
<実験1>
図3(a)は、空間を形成する非金属材料体2が上面視円形のアクリルパイプで、誘電体物質20が水である場合の高さ測定状況の概略斜視図である。このアクリルパイプは、円筒形の形状であるが、一対の電極体11が可撓性を有する帯状の電極体11であれば、曲線を伴う各種形状のタンクや容器、あるいは型枠形状のもの等空間を形成するものにフレキシブルに対応でき、容器内にある物質の高さレベルを検出することができる。
The following are experiments (Experiments 1 to 3) for confirming the effects of the non-contact height measurement method using capacitance according to the present invention.
<Experiment 1>
3(a) is a schematic perspective view of a height measurement situation when the non-metallic material body 2 forming the space is an acrylic pipe that is circular when viewed from above, and the dielectric substance 20 is water. This acrylic pipe is cylindrical in shape, but if the pair of electrode bodies 11 are flexible band-like electrode bodies 11, it can flexibly accommodate tanks or containers of various shapes with curves, or objects that form a space such as objects in the shape of a formwork, and can detect the height level of the substance in the container.
図3(b)は、図3(a)における誘電体物質20が水である場合の水位と静電容量との関係を示すグラフである。なお、静電容量の測定は、測定用交流信号を0.63Vrms、測定周波数を100kHzの条件で測定した。また、測定開始時の静電容量は、電極体11設置時の周囲の環境による静電容量の値があるので、その値をゼロ値として初期値とした。なお、以下の実験においても同様の計測装置を使用し、初期値をゼロとして測定した。 Figure 3(b) is a graph showing the relationship between the water level and the capacitance when the dielectric material 20 in Figure 3(a) is water. The capacitance was measured under conditions of a measurement AC signal of 0.63 Vrms and a measurement frequency of 100 kHz. The capacitance at the start of the measurement was set to zero as the initial value, since the capacitance value is determined by the surrounding environment when the electrode body 11 was installed. The same measuring device was used in the following experiments, and measurements were made with the initial value set to zero.
アクリルパイプの厚さは3mm、導電性銅箔テープの幅は、より広くすることにより比例定数が高くなるので、適宜、測定精度や取り付けスペースの制限等の条件に応じて適宜決定することができ、本実験1では20mmのものを使用した。なお、以下の実験においても本実験1で使用した導電性銅箔テープを用いた。測定結果より、静電容量は水位にほぼ比例して増加したため水位8mまで測定した。比例定数としては、約0.53pF/cmであった。 The thickness of the acrylic pipe is 3 mm, and the width of the conductive copper foil tape can be appropriately determined according to conditions such as measurement accuracy and installation space restrictions, as the proportionality constant increases as the thickness is increased. In this experiment 1, a 20 mm width was used. The conductive copper foil tape used in this experiment 1 was also used in the following experiments. The measurement results showed that the capacitance increased almost in proportion to the water level, so measurements were taken up to a water level of 8 m. The proportionality constant was approximately 0.53 pF/cm.
<実験2>
図4(a)は、空間を形成する非金属材料体2がFRP型枠464で、誘電体物質20がフレッシュコンクリート22である場合の高さ測定状況の概略斜視図である。土木、建築工事等で構築する構造物は、型枠46を設置し、その型枠46内へフレッシュコンクリート22を打設して築造する。その際、電極体11を型枠46の外側に上下に取り付け、コンクリート22の打設高さを測定する。FRP(繊維強化プラスチック)型枠464は、鋼製の型枠と比較して優れた保温性を有し、剥離性に優れるのでケレン作業の軽減ができ、面板48が錆びることがない等の特長がある。本実験2では厚さ6mmの型枠で4側面を形成し、型枠46内部にフレッシュコンクリート22を打設して、フレッシュコンクリート22の打設高さと静電容量の関係を調べた。
<Experiment 2>
4(a) is a schematic perspective view of a height measurement state when the non-metallic material 2 forming the space is an FRP formwork 464 and the dielectric material 20 is fresh concrete 22. A structure to be constructed in civil engineering, construction work, etc. is constructed by installing a formwork 46 and pouring fresh concrete 22 into the formwork 46. At that time, the electrode body 11 is attached to the top and bottom of the outside of the formwork 46, and the pouring height of the concrete 22 is measured. The FRP (fiber reinforced plastic) formwork 464 has excellent heat retention compared to a steel formwork, has excellent peelability so that scraping work can be reduced, and has features such as the face plate 48 not rusting. In this experiment 2, four sides were formed with a formwork with a thickness of 6 mm, fresh concrete 22 was poured inside the formwork 46, and the relationship between the pouring height of the fresh concrete 22 and the electrostatic capacitance was investigated.
図4(b)は、図4(a)における打設高さと静電容量の関係の測定結果を示すグラフである。この測定結果より、静電容量は、水位の場合と同様にフレッシュコンクリート22の打設高さにほぼ比例して高さ1.7mまで増加している。比例定数としては、約0.32pF/cmであった。なお、本実験2で用いたFRP型枠464の厚さは6mmである。
<実験3>
Fig. 4(b) is a graph showing the measurement results of the relationship between the pouring height and the capacitance in Fig. 4(a). From this measurement result, the capacitance increases almost in proportion to the pouring height of the fresh concrete 22 up to a height of 1.7 m, as in the case of the water level. The proportionality constant was about 0.32 pF/cm. The thickness of the FRP formwork 464 used in this experiment 2 was 6 mm.
<Experiment 3>
図5(a)は、空間を形成する非金属材料体2として木製型枠466を用い、誘電体物質20がフレッシュコンクリート22である場合の高さ測定状況の概略斜視図であり、図5(b)は、図5(a)を用いてフレッシュコンクリートを打設した場合の静電容量と高さの関係の測定結果を示すグラフである。測定結果によれば、静電容量はフレッシュコンクリート22の打設高さにほぼ比例して高さ1.7mまで増加している。比例定数としては、約0.27pF/cmであった。なお、本実験3で用いた木製型枠466の厚さは12mmである。 Figure 5(a) is a schematic perspective view of the height measurement situation when a wooden formwork 466 is used as the non-metallic material 2 forming the space and the dielectric substance 20 is fresh concrete 22, and Figure 5(b) is a graph showing the measurement results of the relationship between capacitance and height when fresh concrete is poured using Figure 5(a). According to the measurement results, the capacitance increases almost in proportion to the pouring height of the fresh concrete 22 up to a height of 1.7 m. The proportionality constant was approximately 0.27 pF/cm. The thickness of the wooden formwork 466 used in this experiment 3 was 12 mm.
以上、実験1(図3(b))、実験2(図4(b))、実験3(図5(b))の結果より、アクリルパイプ、FRP型枠464、木製型枠466の非金属材料体2の外側に、1対の電極体11を互いに間隔を存して密着配置し、導線10を接続して所定の交流電圧を印加し、静電容量を該電極体11間に生じるインピーダンスと位相角を測定し、容量リアクタンスを算出して、静電容量の値を算出することにより、非金属材料体2からなる容器内の誘電体物質20である水、フレッシュコンクリート22の高さレベルを非接触で測定できることが確認できた。 From the results of Experiment 1 (Fig. 3(b)), Experiment 2 (Fig. 4(b)), and Experiment 3 (Fig. 5(b)), it was confirmed that the height level of the dielectric material 20 (water and fresh concrete 22) in a container made of a non-metallic material 2 can be measured in a non-contact manner by arranging a pair of electrode bodies 11 in close contact with each other at a distance from each other on the outside of the non-metallic material 2 of an acrylic pipe, an FRP formwork 464, or a wooden formwork 466, connecting conductors 10 and applying a predetermined AC voltage, measuring the capacitance and the impedance and phase angle generated between the electrode bodies 11, calculating the capacitive reactance, and calculating the value of the capacitance.
また、実験2では、型枠46としてFRP型枠464、実験3では、木製型枠466を使用したが、型枠46は非金属材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、透明型枠、プラスチック型枠等を用いることもできる。なお、木製型枠466は、加工が容易で仕上がりが美しく、一般的に安価であるため特に好適に用いることができる。 In addition, in experiment 2, an FRP formwork 464 was used as the formwork 46, and in experiment 3, a wooden formwork 466 was used, but the formwork 46 is not particularly limited as long as it is made of a non-metallic material, and for example, a transparent formwork, a plastic formwork, etc. can also be used. Note that a wooden formwork 466 is particularly suitable for use because it is easy to process, has a beautiful finish, and is generally inexpensive.
図6(a)は、センサ付き高さ測定用型枠463の実施形態を示す概略正面図である。本実施形態では、センサ付き高さ測定用型枠463として、電極体11を取り付けたFRP型枠464を用いている。本実施形態のセンサ付き高さ測定用型枠463では、高さ検知部である電極体11を非金属材料体であるFRP型枠464に取り付け一体化して、センサ付き高さ測定用型枠463として専用に用い、他の型枠465とを接続させる構成としている。より具体的には、電極体11をアクリル板等の保護材467で覆ったり、密着させ保護している。フレーム468には締結用穴469を設け、他の型枠465にボルトで固定できるようにしている。他の型枠465にセットして繰り返し測定することにより、多数箇所でのコンクリート打設や高架橋のような柱状構造物で下層から上層に順次コンクリートを打設する場合に、機能的にコンクリートの打設高さを測定することができる。なお、センサ付き高さ測定用型枠463に用いる非金属材料体は、FRP型枠464以外の非金属材料体でもよく、木製型枠、透明型枠、プラスチック型枠等を例示することができ、これらを適宜組み合わせで使用することもできる。 6(a) is a schematic front view showing an embodiment of the sensor-equipped height measurement formwork 463. In this embodiment, an FRP formwork 464 with an electrode body 11 attached thereto is used as the sensor-equipped height measurement formwork 463. In the sensor-equipped height measurement formwork 463 of this embodiment, the electrode body 11, which is the height detection unit, is attached and integrated with the FRP formwork 464, which is a non-metallic material body, and is used exclusively as the sensor-equipped height measurement formwork 463, and is configured to be connected to another formwork 465. More specifically, the electrode body 11 is covered with a protective material 467 such as an acrylic plate, or is protected by being in close contact with it. The frame 468 is provided with fastening holes 469 so that it can be fixed to another formwork 465 with bolts. By setting it in another formwork 465 and repeatedly measuring, the concrete pouring height can be functionally measured when pouring concrete at multiple locations or pouring concrete sequentially from the lower layer to the upper layer in a columnar structure such as an elevated bridge. The non-metallic material used for the sensor-equipped height measurement formwork 463 may be a non-metallic material other than the FRP formwork 464, and examples of such materials include wooden formwork, transparent formwork, and plastic formwork, and these may be used in appropriate combinations.
図6(b)は、図6(a)のセンサ付き高さ測定用型枠463としての電極体11を取り付けたFRP型枠464と他の型枠465を互いに側部で接続させた実施形態を示す概略斜視図である。本実施形態では、センサ付き高さ測定用型枠463としての電極体11を取り付けたFRP型枠464と、他の型枠465としての木製型枠466を互いに側部に接続し、電極体11をFRP型枠464の外側に上下に取り付けている。本実施形態においては、FRP型枠464と木製型枠466の間は継目がずれないようにすることが好ましく、具体的には、例えば単管をホームタイで締め付けたり、より確実に締め付けるために、FRP型枠464と木製型枠466の接続部471に締結用穴469を設けてボルトで固定したり、クランプで挟んで固定することができる。また、継目の止水をより強力にする場合は、FRP型枠464と木製型枠466の継目に防水テープを張ったり、継目の間にシールを挟むことで対応することもできる。なお、この場合、予めFRP型枠464のフレーム468に止水用のシール材を貼付しておくことが好ましい。 6(b) is a schematic perspective view showing an embodiment in which the FRP formwork 464 to which the electrode body 11 is attached as the sensor-equipped height measurement formwork 463 in FIG. 6(a) and another formwork 465 are connected to each other at their sides. In this embodiment, the FRP formwork 464 to which the electrode body 11 is attached as the sensor-equipped height measurement formwork 463 and the wooden formwork 466 as the other formwork 465 are connected to each other at their sides, and the electrode body 11 is attached above and below the outside of the FRP formwork 464. In this embodiment, it is preferable to prevent the joints between the FRP formwork 464 and the wooden formwork 466 from shifting. Specifically, for example, a single pipe can be fastened with a home tie, or in order to tighten more reliably, a fastening hole 469 can be provided at the connection portion 471 of the FRP formwork 464 and the wooden formwork 466 to fix with a bolt or clamp it. To make the joints more waterproof, waterproof tape can be applied to the joints between the FRP formwork 464 and the wooden formwork 466, or a seal can be placed between the joints. In this case, it is preferable to apply a waterproof sealant to the frame 468 of the FRP formwork 464 in advance.
以下に、本発明の上記静電容量による非接触式高さ測定方法をトンネルの施工に適用した実施形態について詳述する。 Below is a detailed description of an embodiment in which the non-contact height measurement method using capacitance of the present invention is applied to tunnel construction.
図7(a)は、空間を形成する非金属材料体2がトンネル4の二次覆工に用いるFRP型枠464で、誘電体物質20としてフレッシュコンクリート22を打設する場合の高さ測定状況を示す斜視図である。トンネル4の二次覆工の実施形態では、電極体11をFRP製のセントル44の内側にトンネル天端部41に向けて円周方向に取り付け、セントル44の天井部付近からは電極体11に接続した導線10をトンネル4の長手方向に沿わせ、妻型枠側43の外部の計測装置3と表示装置5に繋げて測定、表示するようにしている。電極体11のセントル44への取り付けは、セントル44の内面に密着して取り付ける。セントル44のリブ等の部材に対しては穴開けするなど加工をしてセントル44に密着させるようにしてもよい。 Figure 7 (a) is a perspective view showing the height measurement situation when the non-metallic material 2 forming the space is an FRP formwork 464 used for the secondary lining of the tunnel 4, and fresh concrete 22 is poured as the dielectric material 20. In the embodiment of the secondary lining of the tunnel 4, the electrode body 11 is attached in the circumferential direction toward the tunnel top end 41 on the inside of the FRP center 44, and the conductor 10 connected to the electrode body 11 is aligned along the longitudinal direction of the tunnel 4 from near the ceiling of the center 44, and is connected to the measuring device 3 and the display device 5 outside the gable formwork side 43 for measurement and display. The electrode body 11 is attached to the center 44 in close contact with the inner surface of the center 44. The ribs and other components of the center 44 may be machined, such as by drilling holes, to be in close contact with the center 44.
防水シート42とセントル44との間のコンクリート打設空間21にフレッシュコンクリート22を打設する。打設するフレッシュコンクリート22の流動性の状況により打設高さの高低差の大小が生じるため、フレッシュコンクリート22の流動性に応じて検出導線10の本数を定めるが、通常、片側2~4本程度をトンネル4の両側に配設する。 Fresh concrete 22 is poured into the concrete pouring space 21 between the waterproof sheet 42 and the center 44. Since the difference in pouring height will vary depending on the fluidity of the fresh concrete 22 being poured, the number of detection conductors 10 is determined according to the fluidity of the fresh concrete 22, but typically 2 to 4 are placed on each side of the tunnel 4.
図7(b)は、図7(a)における横断面図である。電極体11は、セントル44の内面を下から上側に向けて内面に密着して沿わせて設置している。なお、図7(a)では、セントル44の天井部から妻型枠側43に延伸した導線10を計測装置3に繋げているが図7(b)では省略している。防水シート42とセントル44との間のコンクリート打設空間21にフレッシュコンクリート22を打設し、上方側に順次打設が進むのに伴い、コンクリート22の充填に応じて静電容量が増加し、その値に伴い円周方向での打設コンクリート22の充填高さを測定する。 Figure 7(b) is a cross-sectional view of Figure 7(a). The electrode body 11 is installed in close contact with the inner surface of the center 44 from bottom to top. In Figure 7(a), the conductor 10 extending from the ceiling of the center 44 to the gable formwork side 43 is connected to the measuring device 3, but this is omitted in Figure 7(b). Fresh concrete 22 is poured into the concrete pouring space 21 between the waterproof sheet 42 and the center 44, and as the concrete is poured in sequence upward, the capacitance increases as the concrete 22 is filled, and the filling height of the poured concrete 22 in the circumferential direction is measured based on this value.
この際、フレッシュコンクリート22の比誘電率は温度に依存し、フレッシュコンクリート22の温度が高い程比誘電率が低くなり、比例定数が多少変動することが考慮される。また、フレッシュコンクリート22の打設に際し、打設条件により長時間かけて打設するような場合、既に下方部に打設されているフレッシュコンクリート22が時間の経過により硬化が進行することで含水比が低下し、高さと静電容量との比例定数が多少変動することも考慮される。そのため、実際の施工に際しては、事前に使用するフレッシュコンクリート22における、発熱温度と硬化時間等の特性を考慮した高さと静電容量の比例定数を調べておき、実際の高さ測定の算定に反映させることもできる。 At this time, it is taken into consideration that the relative dielectric constant of the fresh concrete 22 depends on the temperature, and the higher the temperature of the fresh concrete 22, the lower the relative dielectric constant, and the proportionality constant fluctuates slightly. In addition, when pouring the fresh concrete 22, if the pouring takes a long time depending on the pouring conditions, the water content of the fresh concrete 22 already poured in the lower part will decrease as the hardening progresses over time, and the proportionality constant between the height and the capacitance will fluctuate slightly. Therefore, when actually carrying out construction, the proportionality constant between the height and the capacitance of the fresh concrete 22 to be used, taking into account the characteristics such as the heat generation temperature and hardening time, can be found in advance, and reflected in the calculation of the actual height measurement.
図8(a)は、他の実施形態の正面図であり、一対の電極体11を長尺の電極体11と、所定の位置の電極体11の幅を大きくした電極体12からなる電極体11を配置して高さを測定する場合を示している。本実施形態では、一対の電極体11において、中央部の一定高さ区間を幅広に形成した電極体12をFRP型枠464の側部の定点高さに位置するように配置することで、フレッシュコンクリート22が幅広の電極体12の位置まで充填されていることが確認でき、より精度よく測定することができる。長尺の電極体11の横幅は20mm、途中の短尺で幅広の電極体12の横幅は80mm、長さは20mmであり、高さ50cmから52cmの箇所に取り付けている。打設時間が長時間に及ぶ場合の打設済みのコンクリート22の硬化に伴う比例定数の変化等が生じる場合の打設にも適用できる。幅広の電極体12は、必要に応じて複数個所設置することもできる。 8(a) is a front view of another embodiment, showing a case where a pair of electrode bodies 11 consisting of a long electrode body 11 and an electrode body 12 with a larger width at a predetermined position is arranged to measure the height. In this embodiment, the pair of electrode bodies 11, the electrode body 12 with a fixed height section in the center formed wide, is arranged to be located at a fixed point height on the side of the FRP formwork 464, so that it can be confirmed that the fresh concrete 22 is filled up to the position of the wide electrode body 12, and more accurate measurement can be performed. The long electrode body 11 has a width of 20 mm, and the short and wide electrode body 12 in the middle has a width of 80 mm and a length of 20 mm, and is attached at a position from 50 cm to 52 cm in height. It can also be applied to casting when the proportional constant changes due to the hardening of the cast concrete 22 when the casting time is long. The wide electrode body 12 can be installed in multiple places as necessary.
図8(b)は、図8(a)におけるコンクリート高さと静電容量との関係を示すグラフである。この測定結果では、高さが0~50cm程度まで一定の増加率で50~52cm程度で増加率が高くなり、また52cm程度を過ぎると前の増加率に戻っている。この結果、50~52cmの箇所の増加率の変化から、この高さまで打設が行われたことが確認できる。それ以降、引き続き比例定数を基に高さを測定することができる。 Figure 8 (b) is a graph showing the relationship between concrete height and capacitance in Figure 8 (a). The measurement results show a constant rate of increase from 0 to 50 cm in height, then the rate of increase increases from 50 to 52 cm, and returns to the previous rate of increase after about 52 cm. As a result, the change in the rate of increase at the 50 to 52 cm point confirms that concrete has been poured up to this height. From that point on, the height can continue to be measured based on the proportionality constant.
図9(a)は、他の実施形態の正面図であり、一対の電極体11を、導線10で複数接続した電極体11を配置して高さを測定する場合を示している。本実施形態では、複数接続した一対の短尺の電極体11をFRP型枠464の側部の定点高さに位置するように配置し、間欠的に物質の高さレベルを測定している。このように、定められた高さに短尺の電極体11を配置することにより、間欠的に高さを測定することもできる。電極体11の横幅は80mm、長さは20mmで、高さ10~60cmまで10cm間隔で取り付けている。打設時間が長時間に及ぶ場合の打設済みのコンクリート22の硬化に伴う比例定数の9化等が生じる場合の打設にも適用できる。 Figure 9 (a) is a front view of another embodiment, showing a case where a pair of electrode bodies 11 connected in multiples with a conductor 10 is arranged to measure the height. In this embodiment, a pair of short electrode bodies 11 connected in multiples are arranged at a fixed height on the side of the FRP formwork 464, and the height level of the material is measured intermittently. In this way, by arranging the short electrode bodies 11 at a fixed height, it is also possible to measure the height intermittently. The electrode bodies 11 are 80 mm wide and 20 mm long, and are attached at 10 cm intervals from a height of 10 to 60 cm. It can also be applied to pouring when the proportional constant becomes 9 due to the hardening of the poured concrete 22 when the pouring time is long.
図9(b)は、図9(a)における高さと静電容量の関係の測定結果を示すグラフである。この測定結果では、高さが0~10cmのところで静電容量は増加せず、10~12cmのところで増加し、12~20cmのところでほとんど増加せず、それ以降高さ70cmまで同じ状況を繰り返している。この結果、10cm毎に静電容量が増加することにより、間欠的ではあるが打設高さを測定することができる。 Figure 9(b) is a graph showing the measurement results of the relationship between height and capacitance in Figure 9(a). In this measurement result, the capacitance does not increase when the height is 0 to 10 cm, increases when the height is 10 to 12 cm, and barely increases when the height is 12 to 20 cm, and then repeats the same situation up to a height of 70 cm. As a result, the capacitance increases every 10 cm, making it possible to measure the pouring height, albeit intermittently.
図10(a)は、上型枠461と下型枠462の縦方向の接続部において上下の一対の電極体11をコネクタ13で縦方向に接続した実施形態の正面図である。型枠46の高さを1.8mとした場合、その高さより高く打設する場合は、上型枠461と下型枠462を接続して型枠を高くして打設する。このとき、打設高さを測定するためには、型枠の接続部47で上下の電極体11を接続すればよい。その接続方法は、上型枠461と下型枠462の面板48(裏側)の上下に沿って取り付けている電極体11を上型枠461と下型枠462が接続される横フレーム482の箇所で、コネクタ13を用いて接続する。 Figure 10 (a) is a front view of an embodiment in which a pair of upper and lower electrode bodies 11 are connected vertically by a connector 13 at the vertical connection part of the upper formwork 461 and the lower formwork 462. If the height of the formwork 46 is set to 1.8 m, and concrete is poured higher than that height, the upper formwork 461 and the lower formwork 462 are connected to raise the formwork and pouring is performed. In this case, in order to measure the pouring height, the upper and lower electrode bodies 11 can be connected at the connection part 47 of the formwork. The connection method is to connect the electrode bodies 11 attached along the top and bottom of the face plate 48 (back side) of the upper formwork 461 and the lower formwork 462 using the connector 13 at the location of the horizontal frame 482 where the upper formwork 461 and the lower formwork 462 are connected.
図10(b)は、図10(a)の電極体接続部の横断面の拡大図である。電極体11の接続部では、縦フレーム481に対して横フレーム482の位置で上型枠461と下型枠462に跨って面板48(裏側)に沿って取り付けられている導線10を通じてコネクタ13で繋ぎ接続する。このようにして、型枠の接続部47でも連続的に打設高さを測定するが、上型枠461と下型枠462の接続部47は、電極体11が横フレーム482の厚さ分ないので、電極体接続部の高さを増加調整するため、下型枠462から上型枠461に打設部分が移ったとき、電極体11が接続されていない導線10の部分においては横フレーム482の厚みを高さの数値にプラスする。 Figure 10(b) is an enlarged cross-sectional view of the electrode body connection part in Figure 10(a). At the connection part of the electrode body 11, the connector 13 is connected through the conductor 10 attached along the face plate 48 (back side) across the upper formwork 461 and the lower formwork 462 at the position of the horizontal frame 482 with respect to the vertical frame 481. In this way, the casting height is continuously measured at the connection part 47 of the formwork, but since the electrode body 11 is not as thick as the horizontal frame 482 at the connection part 47 of the upper formwork 461 and the lower formwork 462, when the casting part moves from the lower formwork 462 to the upper formwork 461, the thickness of the horizontal frame 482 is added to the height value at the part of the conductor 10 where the electrode body 11 is not connected.
図11は、一対の電極体11を防水した実施形態を示す平面図である。一対の電極体11による静電容量は、空間21を形成する非金属材料体2の外側の電界内に誘電体物質である水等が付いた場合、静電容量が増加し、高さの値に誤差が生じると考えられる。そこで、電極体11の周囲を防水囲い49で覆うことが好ましい。防水囲い49は、電極体11に対してある程度距離を置き、間に絶縁体である空気層を設けるようにする。防水囲い49は他の誘電体物質の接触の防御にもなる。また、防水囲い49の代わりに、アクリル板等の板を直接銅シートに張り付けることも考えられる。この場合の張り付け方法は、両面テープか接着剤を使用する。 Figure 11 is a plan view showing an embodiment in which the pair of electrode bodies 11 is waterproofed. It is believed that the capacitance of the pair of electrode bodies 11 will increase and cause an error in the height value if a dielectric substance such as water is attached to the electric field outside the non-metallic material body 2 that forms the space 21. It is therefore preferable to cover the periphery of the electrode body 11 with a waterproof enclosure 49. The waterproof enclosure 49 is placed at a certain distance from the electrode body 11, and an air layer, which is an insulator, is provided between them. The waterproof enclosure 49 also serves to prevent contact with other dielectric substances. It is also possible to attach a plate such as an acrylic plate directly to the copper sheet instead of the waterproof enclosure 49. In this case, the attachment method is to use double-sided tape or adhesive.
図12は、計測装置3で測定したデータを無線通信装置6で表示装置5に送信する実施形態の斜視図である。本実施形態は、トンネル4の二次覆工において、打設高さの測定とトンネル天端部41の充填を検知している場合である。導線10を接続した計測装置3を妻型枠側43の外側に設置し、測定データを無線通信装置6でパソコン等の表示装置5に無線でデータ送信することができる。このように無線通信装置6を使用することにより、狭い場所での通信を有線から無線にすることができ、導線10の切断の危険性を解消するとともに作業性も向上させることができる。 Figure 12 is a perspective view of an embodiment in which data measured by the measuring device 3 is transmitted to the display device 5 by the wireless communication device 6. This embodiment is for the case where the pouring height is measured and the filling of the tunnel top end 41 is detected in the secondary lining of the tunnel 4. The measuring device 3 connected to the conductor 10 is installed on the outside of the gable formwork side 43, and the measurement data can be wirelessly transmitted to the display device 5 of a personal computer or the like by the wireless communication device 6. By using the wireless communication device 6 in this way, communication in a narrow space can be changed from wired to wireless, eliminating the risk of cutting the conductor 10 and improving workability.
図13は、トンネル4の二次覆工におけるコンクリート22の打設高さをモニタ5で画面表示した説明図である。ここでは、一対の電極体11をセントル44の内側に、既設側、中央、妻側の3ヶ所で上下に左右取り付けて測定している。図13の上部映像はトンネル4を側面から見た図で、下部映像はトンネル4を横断から見た図である。打設コンクリート22の高さをこのように表示、図化することにより、打設状況をリアルタイムに視覚的に把握することができる。この場合、トンネル4の断面形状はアーチ型になるので、事前にアーチ形状に合わせて電極体11がコンクリート22に浸かる長さと、そのときの打設高さとの関係を算定しておき、打設高さを算出することができる。 Figure 13 is an explanatory diagram showing the pouring height of concrete 22 in the secondary lining of tunnel 4 displayed on the screen of monitor 5. Here, a pair of electrode bodies 11 are attached to the inside of center 44 at three locations on the existing side, center, and end side, and are measured from above, below, left and right. The upper image in Figure 13 is a view of tunnel 4 from the side, and the lower image is a view of tunnel 4 from the cross section. By displaying and illustrating the height of poured concrete 22 in this way, the pouring situation can be visually grasped in real time. In this case, since the cross-sectional shape of tunnel 4 is arch-shaped, the relationship between the length of immersion of electrode body 11 in concrete 22 in accordance with the arch shape and the pouring height at that time is calculated in advance, and the pouring height can be calculated.
図14は、電極体11をFRP型枠464の各側面の外側、上下方向に取り付けた複数のセンサ付き高さ測定用型枠463を木製型枠466の間に接続した実施形態の概略斜視図である。本実施形態では、打設面積が広く複数の位置の打設高さを知りたいときに、型枠に近い部分について同時に把握することができる。また、生コンポンプ車のブームの移動による打設ではなく、配管を用いたバルブの切り替えで打設をする場合、打設箇所のコンクリートの打設高さを知ることができるため、各バルブ切り替えのタイミングを適時把握することができる。ここでは、一対の電極体11をFRP型枠464の4面に計8箇所取り付けて測定している。また、データは無線通信装置6で伝送し、パソコン等の表示装置5で画面表示することができる。伝送先は、打設をしている作業所内のほか、遠く離れた事務所等に伝送してもよい。 Figure 14 is a schematic perspective view of an embodiment in which a plurality of height measuring formworks 463 with sensors are attached to the outside of each side of an FRP formwork 464 in the vertical direction and connected between wooden formwork 466. In this embodiment, when the pouring area is large and the pouring height at multiple positions is to be known, the parts close to the formwork can be grasped at the same time. In addition, when pouring is performed by switching valves using piping rather than pouring by moving the boom of a ready-mixed concrete pump vehicle, the pouring height of the concrete at the pouring location can be known, so the timing of each valve switching can be grasped in a timely manner. Here, a pair of electrode bodies 11 are attached to a total of eight places on the four sides of the FRP formwork 464 for measurement. In addition, the data can be transmitted by a wireless communication device 6 and displayed on a display device 5 such as a personal computer. The transmission destination may be within the work site where the concrete is poured, or to a distant office, etc.
図15は、図14におけるコンクリートの打設高さをモニタで画面表示した実施形態の説明図である。本実施形態では、8箇所の各位置の打設高さを表示している。この表示を作業所内の大型画面で表示することにより、作業関係者が打設の進捗状況を逐次把握することができ、次作業の準備などへの助けとすることができる。 Figure 15 is an explanatory diagram of an embodiment in which the pouring height of the concrete in Figure 14 is displayed on a monitor screen. In this embodiment, the pouring height at each of eight positions is displayed. By displaying this display on a large screen in the work site, those involved in the work can keep track of the progress of the concrete pouring, which can help with preparations for the next work, etc.
10 導線
11 電極体
12 幅広の電極体
13 コネクタ
2 空間を有する非金属材料体
20 誘電体物質
21 コンクリート打設空間
22 セメント系物質(フレッシュコンクリート)
3 計測装置
4 トンネル
41 トンネル天端部
42 防水シート
43 妻型枠側
44 セントル
45 地山
46 型枠
461 上型枠
462 下型枠
463 センサ付き高さ測定用型枠
464 FRP型枠
465 他の型枠
466 木製型枠
467 保護材
468 フレーム
469 締結用穴
47 上下型枠の接続部
471 センサ付き高さ測定用型枠(FRP型枠)と他の型枠(木製型枠)の接続部
48 面板
481 縦フレーム
482 横フレーム
49 防水囲い
5 表示装置(モニタ)
6 無線通信装置
REFERENCE SIGNS LIST 10 Conductor 11 Electrode body 12 Wide electrode body 13 Connector 2 Non-metallic material body having space 20 Dielectric material 21 Concrete casting space 22 Cement-based material (fresh concrete)
3 Measuring device 4 Tunnel 41 Tunnel top end 42 Waterproof sheet 43 Gable formwork side 44 Center 45 Natural ground 46 Formwork 461 Upper formwork 462 Lower formwork 463 Formwork for height measurement with sensor 464 FRP formwork 465 Other formwork 466 Wooden formwork 467 Protective material 468 Frame 469 Fastening hole 47 Connection part of upper and lower formworks 471 Connection part of formwork for height measurement with sensor (FRP formwork) and other formwork (wooden formwork) 48 Face plate 481 Vertical frame 482 Horizontal frame 49 Waterproof enclosure 5 Display device (monitor)
6. Wireless communication device
Claims (9)
前記一対の電極体が帯状であり、
前記空間を有する非金属材料体が型枠であり、
該型枠の内部に導入する前記誘電体物質がセメント系物質であり、
静電容量の計測装置を用いて、前記一対の電極体に、測定周波数が1KHz~20MHz、5mVrms~5Vrmsの範囲の測定用交流信号を前記計測装置から導線を通して直接入力し、
前記電極体間のインピーダンスと位相角を測定して容量性リアクタンスを算出し、静電容量の値を計算して、その値と前記誘電体物質の高さが比例することを利用して、前記誘電体物質の高さを求めることを特徴とする静電容量による非接触式高さ測定方法。 A method for measuring the height of a dielectric substance to be introduced into a non-metallic material body having a space based on a value of electrostatic capacitance between the electrodes, the method comprising the steps of: disposing a pair of electrodes connected to a conductor in close contact with each other or at a distance from each other at an outer portion of a non-metallic material body having a space in the vertical direction; and measuring the height of a dielectric substance to be introduced into the non-metallic material body having a space based on a value of electrostatic capacitance between the electrodes, the method comprising the steps of
The pair of electrode bodies are strip-shaped,
the non-metallic material body having the space is a formwork;
the dielectric material introduced into the formwork is a cement-based material;
Using a capacitance measuring device, a measurement AC signal having a measurement frequency in the range of 1 KHz to 20 MHz and 5 mVrms to 5 Vrms is directly input from the measuring device through a conductor to the pair of electrodes;
A non-contact height measurement method using capacitance, characterized in that the impedance and phase angle between the electrodes are measured to calculate capacitive reactance, a capacitance value is calculated, and the height of the dielectric material is determined by utilizing the fact that the capacitance value is proportional to the height of the dielectric material.
前記一対の電極体が帯状であり、The pair of electrode bodies are strip-shaped,
前記空間を有する非金属材料体が型枠であり、該型枠が、前記電極体を非金属材料体に取り付けて一体化したセンサ付き高さ測定用型枠を、他の型枠に接続させた型枠であり、the non-metallic material body having the space is a formwork, the formwork being formed by connecting a sensor-equipped height measurement formwork in which the electrode body is attached to the non-metallic material body and integrated with the formwork to another formwork,
静電容量の計測装置を用いて、前記一対の電極体に、測定周波数が1KHz~20MHz、5mVrms~5Vrmsの範囲の測定用交流信号を前記計測装置から導線を通して直接入力し、Using a capacitance measuring device, a measurement AC signal having a measurement frequency in the range of 1 KHz to 20 MHz and 5 mVrms to 5 Vrms is directly input from the measuring device through a conductor to the pair of electrodes;
前記電極体間のインピーダンスと位相角を測定して容量性リアクタンスを算出し、静電容量の値を計算して、その値と前記誘電体物質の高さが比例することを利用して、前記誘電体物質の高さを求めることを特徴とする静電容量による非接触式高さ測定方法。A non-contact height measurement method using capacitance, characterized in that the impedance and phase angle between the electrodes are measured to calculate capacitive reactance, a capacitance value is calculated, and the height of the dielectric material is determined by utilizing the fact that the capacitance value is proportional to the height of the dielectric material.
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