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技術 比重測定方法及び比重測定装置

出願人 KSコンサルタント株式会社システム計測株式会社
発明者 清水茂治郎北岡茂樹久保豊中西義隆
出願日 2013年10月3日 (4年11ヶ月経過) 出願番号 2014-539810
公開日 2016年8月25日 (2年0ヶ月経過) 公開番号 WO2014-054728
状態 特許登録済
技術分野 重量、体積、圧力、比重等による材料の調査
主要キーワード 流体比重 電気サーボ 特許技術 収縮変化 感度検定 平均比重 ベアリング機構 スケールアウト
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年8月25日)のものです。
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図面 (12)

課題・解決手段

測定対象の任意の位置においてその比重が測定でき、液体に限らず気体流動性のある粉体であってもその比重が直接測定できる比重測定方法と、比重測定装置を提供する。体積の異なる第1の重り16と第2の重り19との連結体支軸12を定め、測定対象へ連結体を浸漬したとき第1の重り16と第2の重り19との体積差により支軸11にかかる力若しくはその変位又は支軸を中心とした連結体の回転方向の変位に基づき、測定対象の比重を求める。

概要

背景

土木の分野で液体比重を求める場合、測定対象の液体の比重測定に適する浮標浮沈状態を目視して求める方法が利用される。この例のように液体の比重測定では液体中にフロートを挿入しフロートが受ける浮力を利用する方法が一般的である(例えば、特許文献1、特許文献2)。3個のフロートを有する回転体を測定対象の液体中に入れ、対象の液体の比重に合わせて、3個のフロートに比重が既知である液体を入れ、フロートに作用する浮力を回転力に変換して、回転体の回転角度から比重を測定する方法が提案されている(特許文献3)。

浮標を含め、フロートを利用する従前の方法の多くは、測定時に液面を基準にすることから、深い場所における比重を直接測定することができなかった。このため、深い場所における液体の比重を測定する場合、その液体をサンプリングして測定する必要があり不便であった。また、測定対象としての液体の比重は、多くの場合、液中に入れられるフロートの平均比重より大きい場合に限定され、気体の比重は測定できなかった。特許文献3の技術は、比重が既知の液体を利用しなければ測定ができないし、目視で比重を測定する前提でなされた発明で、深い地点の液体の比重を測定したり、測定データを遠方伝送し、遠隔監視する用途には適していない。さらに、測定対象の液体中でフロートが静止した際、フロートの静止位置の差によりフロートの受ける浮力が違い、その違いが回転力の大きさに影響を与え、測定誤差要因になる欠点があった。

概要

測定対象の任意の位置においてその比重が測定でき、液体に限らず気体や流動性のある粉体であってもその比重が直接測定できる比重測定方法と、比重測定装置を提供する。体積の異なる第1の重り16と第2の重り19との連結体支軸12を定め、測定対象へ連結体を浸漬したとき第1の重り16と第2の重り19との体積差により支軸11にかかる力若しくはその変位又は支軸を中心とした連結体の回転方向の変位に基づき、測定対象の比重を求める。

目的

本発明は、上記のような課題を解決するためになされ、その目的は、測定対象の任意の位置においてその比重が測定でき、液体に限らず気体や流動性のある粉体(この明細書で「流体」と総称することがある)であってもその比重が直接測定できる比重測定方法と、比重測定装置を提供する。本発明の比重測定方法であれば、流体中の任意の深さで連続して比重が測定でき、信号線を介して遠方まで測定結果が伝送できるため、流体比重の遠隔監視ができる。電波を利用してデータを伝送すれば、密閉した容器内部においても被測定流体の比重が測定できる。もちろん、特許技術3のように、比重測定時に比重が既知の液体を利用する必要もない。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

体積の異なる第1の重りと第2の重りとの連結体支軸を定め、測定対象へ前記連結体を浸漬したとき前記第1の重りと第2の重りとの体積差により前記支軸にかかる力、歪若しくはその変位又は前記支軸を中心とした前記連結体の回転方向の変位に基づき、前記測定対象の比重を求める、比重測定方法。

請求項2

前記支軸の少なくとも一方は固定され、前記測定対象へ前記連結体を浸漬したとき前記第1の重りと第2の重りとの体積差により前記支軸にねじれ力が生じる、請求項1に記載の比重測定方法。

請求項3

体積の異なる第1の重りと第2の重りとの連結体と、該連結体の支軸と、測定対象へ前記連結体を浸漬したとき前記第1の重りと第2の重りとの体積差により前記支軸にかかる力、歪若しくは変位又は前記支軸を中心とした前記連結体の回転方向の変位を測定する測定部と、該測定部により測定された力又は変位に基づき前記測定対象の比重を演算する演算部と、を備える比重測定装置

請求項4

前記支軸の少なくとも一方は支持体に固定され、前記測定対象へ前記連結体を浸漬したとき前記第1の重りと第2の重りとの体積差により前記支軸にねじれ力が生じる、請求項3に記載の比重測定装置。

請求項5

前記測定部はコイル磁気センサを有し、前記連結体の回転に伴って前記コイルと前記磁気センサとの距離が変化するように、前記コイルまたは前記磁気センサの一方のみが前記連結体に固定され、前記コイルには交流電流が供給され、前記磁気センサは、前記コイルとの距離の変化に応じて変化する信号を出力する、請求項3または請求項4に記載の比重測定装置。

技術分野

0001

本発明は、比重測定方法及び比重測定装置に関わる。

背景技術

0002

土木の分野で液体比重を求める場合、測定対象の液体の比重測定に適する浮標浮沈状態を目視して求める方法が利用される。この例のように液体の比重測定では液体中にフロートを挿入しフロートが受ける浮力を利用する方法が一般的である(例えば、特許文献1、特許文献2)。3個のフロートを有する回転体を測定対象の液体中に入れ、対象の液体の比重に合わせて、3個のフロートに比重が既知である液体を入れ、フロートに作用する浮力を回転力に変換して、回転体の回転角度から比重を測定する方法が提案されている(特許文献3)。

0003

浮標を含め、フロートを利用する従前の方法の多くは、測定時に液面を基準にすることから、深い場所における比重を直接測定することができなかった。このため、深い場所における液体の比重を測定する場合、その液体をサンプリングして測定する必要があり不便であった。また、測定対象としての液体の比重は、多くの場合、液中に入れられるフロートの平均比重より大きい場合に限定され、気体の比重は測定できなかった。特許文献3の技術は、比重が既知の液体を利用しなければ測定ができないし、目視で比重を測定する前提でなされた発明で、深い地点の液体の比重を測定したり、測定データを遠方伝送し、遠隔監視する用途には適していない。さらに、測定対象の液体中でフロートが静止した際、フロートの静止位置の差によりフロートの受ける浮力が違い、その違いが回転力の大きさに影響を与え、測定誤差要因になる欠点があった。

先行技術

0004

特開平10−281971
特開平11−23443
特開平10−221236

発明が解決しようとする課題

0005

本発明は、上記のような課題を解決するためになされ、その目的は、測定対象の任意の位置においてその比重が測定でき、液体に限らず気体や流動性のある粉体(この明細書で「流体」と総称することがある)であってもその比重が直接測定できる比重測定方法と、比重測定装置を提供する。本発明の比重測定方法であれば、流体中の任意の深さで連続して比重が測定でき、信号線を介して遠方まで測定結果が伝送できるため、流体比重の遠隔監視ができる。電波を利用してデータを伝送すれば、密閉した容器内部においても被測定流体の比重が測定できる。もちろん、特許技術3のように、比重測定時に比重が既知の液体を利用する必要もない。

課題を解決するための手段

0006

本発明者らは、液体の任意の深さにおける比重の連続測定や、気体の比重の連続測定をすべく鋭意検討を重ねた結果、下記の発明に想到した。
即ち、この発明の第1の局面の比重測定方法は次のように規定される。
本発明は、流体比重測定方法に関わり、
弾性素材回転軸を有する回転体と、該回転体の支持体と、該回転体の回転角を測定する回転角測定手段より構成され、
該回転体は、少なくとも2つ以上の重りを有し、
第1の重りは、第1の体積と第1の重量を有し、
第2の重りは、第2の体積と第2の重量を有し、
該回転体の該回転軸の少なくとも1箇所を該支持体に固定した状態で、該支持体と共に被測定流体中に挿入し、
第1の重りに作用する重力と浮力との差力により該回転体に加わる第1の回転力と、第2の重りに作用する重力と浮力との差力により該回転体に逆方向に加わる第2の回転力との、2つの回転力の差である第3の回転力と、第3の回転力の大きさに対応して支持体に固定された該回転軸に生じる回転歪による第4の回転力とを力平衡状態とし、
該力平衡状態における回転体の回転角を該回転角測定手段により測定し、
測定した回転体の回転角より、演算により被測定流体の比重を測定する回転力平衡型流体比重測定方法。

0007

既述の第1の局面の比重測定方法によれば、該回転体が該支持体と共に被測定流体中に挿入された場合、第1の重りと第2の重りに作用する重力の大きさは変わらないが、第1の重りと第2の重りの体積の差に対応して、第1の重りと第2の重りに作用する浮力の大きさが異なり、その回転力の差が第3の回転力となり該回転体が回転し、この回転により該支持体に固定された該回転体を支える該回転軸が回転し、該回転軸に回転歪による逆方向の回転力(ねじれ剛性による第4の回転力)が発生する。該第3の回転力とこの逆方向の第4の回転力とが釣り合うまで該回転体が回転する。該回転体の回転角と第4の回転力とは対応関係にあることから、該回転体の回転角の大きさから、第4の回転力の大きさが求められ、その第4の回転力と釣り合っている第3の回転力の大きさから、第1の重りと第2の重りに作用する浮力の差が求められる。該浮力の差と既知である第1の体積と第2の体積の差より被測定流体の密度が求まり、その密度から比重を求めることができる(以下では単に比重を測定できると記載する)。
本発明の比重測定方法は、回転体に固定された第1の重りと、第2の重りに作用する浮力の差より被測定流体の比重を求める方法であるため、回転体自体の浮力の影響を少なくするため、回転体の容積はできるだけ小さく、回転軸に対して軸対称の構成が好ましい。また、比重の測定に関与する浮力の影響を大きくする観点から、回転軸に固定された第1のアーム及び第1のアームに、第1の重りと第2の重りを着ける等、重りを回転軸からの離れた位置に保ち、大きな回転力が得られる構成にすることが好ましい。
第1の局面の比重測定方法によれば、第3の回転力と該回転軸の回転歪による第4の回転力が釣り合うまで該回転体が回転するため、該回転軸のねじれ剛性率が小さければ回転角を大きくでき、被測定流体の比重を精度良く測定できる。しかし、該回転軸のねじれ剛性率をあまり小さくすると該回転体の回転角が大きくなり該角度測定手段で回転角が測定できなくなることがある。例えば変位測定手段で角度を測定している場合に変位が大きくなるとスケールアウトして変位が測定できなくなる。一方、ねじれ剛性率が大きい場合でも、第1の体積と第2の体積との間の体積差が大きく第3の回転力が大きくなれば、該回転体が大きく回転し、回転軸の回転角が測定できなくなる。

0008

そこで、この発明の第2の局面の比重測定方法は次のように規定される。
第1の局面における角度測定手段の代わりに、電気サーボ機構により該回転軸を静止位置状態に保持する手段を有し、該手段による電磁力を測定し、測定した電磁力より演算により被測定流体の比重を測定する第1の局面に記載の回転力平衡型流体比重測定方法。

0009

既述の第2の局面の比重測定方法によれば、被測定流体中で該回転体に作用する第3の回転力の大きさと釣り合う大きさの第5の回転力としての電磁力が測定できるから、測定した電磁力による第5の回転力と釣り合う第3の回転力の大きさから、第1の重りと第2の重りに作用する浮力の差が求められる。第1の体積と第2の体積が既知であるから、これらの体積差と浮力の差より被測定流体の比重を測定できる。
第1の回転力と第2の回転力の差が大きくなっても、電気サーボ機構により電磁力を大きくして、例えば固定した永久磁石の作る磁界内に該回転軸を配置し、該回転軸に固定したコイルに大きな電流を流すことで磁界内に生じる電磁力を大きくしコイルの回転を抑止し、該回転体を静止位置状態に保持すれば、スケールアウトすることなく被測定流体の比重を測定できる。
第1の回転力と第2の回転力の差が小さい場合は、電気サーボ機構による電磁力を小さくして、僅かな回転力の差でも検出できるようにすれば、被測定流体の比重を精度良く測定できる。さらに、第1の重りと第2の重りの形状を扁平にして、同じ高さの流体による浮力が両者の重りに作用するように保つことが好ましい。浮力の原因となる流体の高低差がなければ、重りが受ける浮力による回転力の差がなく、被測定流体の比重を正確に測定できる。

0010

しかし、第1の局面や第2の局面では、該回転体の回転角度ないしは回転力を測定する手段として電子回路を利用しているため、落雷等の際に過大な誘導電圧を受けると電子回路が故障し、比重の測定ができなくなることがあり、野外観測には不向きである。
そこで、この発明の第3の局面の比重測定方法は次のように規定される。
第2の局面における電気サーボ機構により該回転体を静止位置状態に保持する手段の代わりに、該回転体に固定された光ファイバセンサの1つであるFBGセンサと、該FBGセンサの一端を該支持体に固定する固定治具とを有し、第1の回転力と第2の回転力との差により生じる第3の回転力を、該FBGセンサに加え、該FBGセンサに歪を励起し、該FBGセンサに生じる歪変化を測定し、測定した歪変化より演算により被測定流体の比重を測定する第1の局面に記載の回転力平衡型流体比重測定方法。

0011

既述の第3の局面の比重測定方法であれば、第3の回転力の大きさをFBGセンサの歪変化として検出でき、第1の局面や第2の局面の場合と異なり電子回路が不要で、落雷等の際に故障することがない。また、FBGセンサであれば、電気ノイズが大きな環境下で使用できるし、遠方に測定点を配置することができる。
好ましくは、該FBGセンサを該回転体に設けたアームに着けて回転軸から離せば、第3の回転力により該FBGセンサに大きな歪を与えることができ、その歪変化から高精度で該回転体の回転力が測定でき、結果として比重が測定できる。

0012

第1の局面、第2の局面、第3の局面の比重測定方法では、被測定流体中の温度が変わると流体の体積変化が生じその影響で比重が変化する。
そこで、この発明の第4の局面の比重測定方法は次のように規定される。
温度を測定する手段を有し、該手段を用いて該構造体の重りの周りの被測定流体の温度を測定し、温度測定結果を用いて演算により被測定流体の比重を測定する第1の局面、第2の局面、第3の局面に記載の回転力平衡型流体比重測定方法。

0013

既述の第4の局面の比重測定方法であれば、温度を測定する手段により、該回転体の重りの周りの被測定流体の温度を測定することで、温度変化による流体の体積変化を求めることができる。被測定流体の体積変化が分かれば、その変化より、流体が膨張ないしは収縮した影響による被測定流体の比重の変化を補正できる。好ましくは、該FBGセンサを利用する比重測定方法の場合、温度を測定する手段として、温度変化の影響による光ファイバ伸縮を利用すれば、電子回路が不要で落雷等の際に故障することなく比重を測定できる。

0014

第1の局面、第2の局面、第3の局面、第4の局面の比重測定方法で、深い地点の流体の比重を測定する場合、その深さを正確に求めることが難しい。例えば、信号ケーブルで該回転体を吊り下げる場合、信号ケーブルが長くなると信号ケーブルの自重で信号ケーブルが伸長し、該回転体の深度が分からなくなる。流動体の場合、高さ方向の位置(深さ)が違えば比重も違ってくるため、測定している場所の深度が分からなければ、測定した比重の違いが、深さ方向の差による違いか、比重自体の違いなのか区別できない。したがって、精密な測定になればそれだけ該構造体の深度を正確に把握する必要がある。
そこで、この発明の第5の局面の比重測定方法は次のように規定される。
深度を測定する手段を有し、該手段を用いて該回転体の重りの周りの被測定流体の深度を測定し、演算により該構造体の深度を測定する第1の局面、第2の局面、第3の局面、第4の局面に記載の回転力平衡型流体比重測定方法。

0015

既述の第5の局面の比重測定方法であれば、回転体の被測定流体内における深度を測定する手段、例えば圧力計で圧力を測定し、その圧力から深度を求めれば、深い場所における被測定流体の比重の測定でも精度良く測定できる。好ましくは、該FBGセンサを利用する比重測定方法の場合、被測定流体内でうける圧力を利用し、第2のFBGセンサの歪変化として圧力の大きさを検出すれば(例えばベローズ等を利用して圧力によりFBGセンサを歪ませ、その変化を検出する)、電子回路が不要で落雷等の際に、故障することなく比重が測定できる。

0016

第1の局面、第2の局面、第3の局面、第4の局面、第5の局面の比重測定方法では、該回転体や支持体を保護するために該回転体等を覆うように容器を設けたり、変位を検出したり電磁力を発生させるための電子回路を入れる容器が必要であるし、FBGセンサを保護する容器が必要である。被測定流体中に入れた該回転体等を上下あるいは左右に移動させる場合は、回転体の重りの周りの流体が入れ替わり易いが、該回転体を停止し状態で被測定流体中の比重を測定する場合、被測定流体の流れが遅く、該回転体の重りの周りの流体の入れ替わりが遅れる場合、被測定流体の比重を正確に測定できなくなることがある。
そこで、この発明の第6の局面の比重測定方法は次のように規定される。
流体を攪拌する手段を有し、該手段を用いて該回転体の重りの周りの被測定流体が入れ替えられる構成を備えた、被測定流体の比重を測定する第1の局面、第2の局面、第3の局面に記載の回転力平衡型流体比重測定方法。

0017

既述の第6の局面の比重測定方法であれば、被測定流体に流れがあり、被測定流体の比重が時間と共に変わっても、流体を攪拌する手段により該回転体の重りの周り被測定流体を迅速に入れ替えることで、被測定流体の比重の時間変化を測定できる。この比重測定方法であれば、流れの緩やかな河川の水や海水の比重を連続して測定できるし、流れが遅いパイプライン中の液体の比重を連続して測定できる。

0018

以上をまとめて、この発明は次のように規定できる。
体積の異なる第1の重りと第2の重りとの連結体支軸を定め、測定対象へ前記連結体を浸漬したとき前記第1の重りと第2の重りとの体積差により前記支軸にかかる力、歪若しくはその変位又は前記支軸を中心とした前記連結体の回転方向の変位に基づき、前記測定対象の比重を求める、比重測定方法。
また、体積の異なる第1の重りと第2の重りとの連結体と、該連結体の支軸と、測定対象へ前記連結体を浸漬したとき前記第1の重りと第2の重りとの体積差により前記支軸にかかる力若しくは変位又は前記支軸を中心とした前記連結体の回転方向の変位を測定する測定部と、該測定部により測定された力、歪又は変位に基づき前記測定対象の比重を演算する演算部と、を備える比重測定装置。

図面の簡単な説明

0019

図1は第1の実施例の概念図を示す。
図2は永久磁石とコイルによる電磁力を利用する実施例である。
図3はFBGセンサを利用する実施例である。
図4比重計周辺環境温度を測定をする手段を設けた実施例である。
図5は比重計の周辺の圧力を測定する手段を設けた実施例である。
図6は他の実施例の比重測定装置の斜視図である。
図7は同じく比重測定装置の平面図である。
図8図7におけるA−A矢視線断面図である。
図9図7におけるB−B矢視線断面図である。
図10は連結体の斜視図である。
図11は本発明の変形例による回転角測定手段の構成を示す概略図である。

実施例

0020

以下、この発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施例を示す概念図である。この比重測定装置1では、回転角測定手段13として、発磁体13Aとその検出器13Bにより回転体11の回転に伴う支持体(図示しない)と回転体との相対変位を測定し、相対変位から回転角を求める。
回転体11には、第1のアームと第2のアームが固定され、素材弾性体である回転軸12、及び、回転角測定手段13を備えている。また、第1のアームには第1の重量(M1)と第1の体積(V1)を有する第1の重り16が、第2のアームには第2の重量(M2)と第2の体積(V2)を有する第2の重り19が着けられている。そして、該回転体11の回転軸12の両端が支持体(図示しない)に支えられ、該回転体11に第3のアームが着けられ、その第3のアームに発磁体13Aが取り付けられ、検出器13Bは該発磁体13Aに対向して支持体に固定される。

0021

第1のアームの長さをL1、第2のアームの長さをL2とし、時計回りの回転力を正とすれば、該回転体11が図示しない支持金具等と共に真空中にある場合、
第1のアームには第1の重り16に作用する重力による回転力、
第1の回転力=−L1*M1 (1)
第2のアームには第2の重り19に作用する重力による回転力、
第2の回転力= L2*M2 (2)
が加わる。このとき、両端が固定されている(図示しない)回転軸の回転力が平衡状態で回転軸に回転歪が生じていないと仮定する。
該回転体が、密度ρの流体中に入れられた場合、
第1のアームには、第1の重りに流体の浮力による回転力が加わり、
第1の回転力=L1* ρ*V1−L1*M1 (3)
第2のアームには、第2の重りに流体の浮力による回転力が加わり、
第2の回転力=L2*M2−L2*ρ*V2 (4)
の如くになり、式(1)から(4)より、該回転軸12の受ける第3の回転力は、
第3の回転力=L1* ρ*V1−L2*ρ*V2
= ρ*(L1*V1−L2*V2) (5)
となり、この第3の回転力により両端が支持体に固定されている該回転軸11にねじれ(歪)が生じ、そのねじれによる第4の回転力が、第3の回転力と釣り合うまで、ねじれが進行する。この場合、被測定流体の比重に対応して生じる回転力の差により、時計方向に回転して回転力平衡状態となり静止する場合もあれば、反時計方向に回転して静止する場合もある。
第1のアームの長さL1と第1の体積V1及び、第2のアームの長さと第2の体積V2が既知であるから、回転角測定手段13で測定した回転角より第4の回転力の大きさを求めれば、演算により該回転体11が入れられた流体の密度 ρが求められる。比重は密度1の水との比であるから、この流体の比重は、式(5)から求められた密度から単位を取った値となる。
なお、上記の計算では。2つの重りの大きさと体積が2つのアームの重さと体積に比べて十分に大きいと仮定し、2つのアームに作用する重力と浮力による回転力を無視したが、正確な演算では2つのアームに作用する重力と浮力による回転力を考慮する必要がある。

0022

図1では、回転角測定手段として、支持体に着けられた検出器13Bと、第3のアームに着けられた発磁体13Aにより、支持体と回転体との相対変位が測定され、その変位から回転体11の回転角が求める方法である。しかし、浮力の作用で回転体11が回転する場合、回転軸12の一方を支持体に固定し、他端を固定しない場合には他端は回転体11と共に回転する(例えばベアリング等を使用した治具で支持体に固定する等すれば自由に回転する)。この場合、回転角測定手段13をアーム等に取り付けず、回転体11と共に回転する回転軸12に回転角測定手段13としてのホール素子等を直接取り付け、回転角を測定してもよい。

0023

従前の比重測定装置では、液体の比重しか測定できなかったが、本発明の比重測定装置であれば、式(5)から分かるように、密度が小さな気体であってもその比重を測定できる。気体の場合は、第1の体積V1ないしは第2の体積V2の一方の体積を大きく、他方の体積を小さくして体積の差を大きくし、回転軸12に加わる浮力による回転力の差を大きくすれば比重が測定しやすくなる。
また、比重測定装置1は、回転角の測定結果を電気信号として取り出せるため、流体内部の任意の位置で比重が測定できるし、電源線と信号線を用いれば遠方で比重の監視ができる等、従前の技術にない長所がある。

0024

第1の実施例では、回転歪を生じさせる回転軸として棒状の回転軸を想定し、少なくともその1箇所を固定し、回転軸に回転歪が生じることを想定したが、2箇所を固定すれば回転体を安定に支持でき、回転歪を生じさせることができる。この場合、回転軸の断面の形状には制限はなく、断面が長方形ないしは正方形であってもよく、好ましくは軸対象の形状が望ましい。また、軸対象に配置できれば、長方形の断面をもつ弾性体を2枚平行に配置しても良い。ただし、この場合は少なくとも2箇所を固定する等して配置された弾性体の位置関係がずれないようにする必要がある。
第1の実施例では、回転軸の少なくとも1個所を固定し重りに作用する浮力の差により回転軸に生じる回転歪を比重の測定に利用する。回転軸の少なくとも1個所を固定する方法は、従前の技術にない特徴である。特許文献3の技術のように回転軸が支持体に拘束されずに自由に回転する機構を利用する場合、流体中に固形物混入している(例えば泥水中小石が混ざるなど)と、その固形物が回転軸と支持体の隙間に入り、回転軸の回転の妨げその影響で測定結果が乱れることがある。しかし、第1の実施例では回転軸は支持体に固定されているため、固形物等が隙間に入り込むことはなく回転角を正確に測定できる。
なお、本例においては、比重測定装置1が真空中にあるとき、両端が固定されている回転軸の回転力が平衡状態で回転軸に回転歪が生じていないと仮定したが、これに限らない。すなわち、比重測定装置1が真空中にあるとき、両端が固定されている回転軸の回転力が平衡状態で回転軸に所定の回転歪が生じていても良く、この場合は、当該所定の回転歪が生じている状態を基準状態として上記の測定を行えば良い。

0025

図2は、本発明の他の実施例を示す概念図である。この比重測定装置2では第1実施例における角度測定手段13(13Aと13B)に替えて、電気サーボ機構23の作用により、該回転体11の回転を抑止する。具体的には、永久磁石23Aとコイル23Bの作用による電磁力で該回転体11の回転を抑止する。(図2において既述の図と同一の作用を奏する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。)
比重測定装置2には素材が弾性体である回転軸12、及び、電気サーボ機構23が備えられており、図1と同様に重りを有する2つのアームが取り付けられているとする。該回転軸12には、コイル23Bが固定されその周りに、図示しない該回転体支持体に永久磁石23Aが配置固定され(固定部分は図示しない)、図示しない電子回路部と共に電気サーボ機構23を形成している。さらに、図示しない支持体を含め比重測定装置2が密度ρの流体中に入れられているとする。図1の説明の如く、比重測定装置2の回転軸12には、式(5)で示す回転力が作用する。この回転力と釣り合う電磁力を、電気サーボ機構23で形成し、回転軸12の回転を抑止し、回転力の平衡状態が保持されているとする。
第1の実施例と同様に、電気サーボ機構による電磁力が第3の回転力の大きさと平衡状態のときの電磁力の大きさを求めれば、第1の実施例の場合と同様に、演算により比重測定装置2が入れられた流体の密度 ρが式(5)から求められ、結果として流体の比重が求められる。本実施例の電気サーボ機構では、電磁力の大きさは、永久磁石の磁界内部に入れられたコイルに流す電流の大きさから求めることができる。

0026

第2の実施例に於いて、永久磁石を選択して磁界の強度を変えたり、コイルに流す電流量を調整することで、大きな電磁力を作成して比重の大きな流体の比重を測定したり、逆に、電磁力を小さくして、僅かな回転力の差を検出することで比重を精密に測定するなど、第1の実施例より広範囲の用途に対応できる。本実施例では、永久磁石とコイルの組合せで電磁力を形成したが、図示しないコンデンサーや変位測定手段等で回転体の回転を検出し、回転体の回転を抑止するように電磁力を作成してもよい。
第2の実施例の場合、第3の回転力と釣り合う電磁力を電気サーボ機構で作成し、回転軸11のねじれによる第4の回転力は無視した。電気サーボ機構で電磁力を作成し第3の回転力と釣り合わせる場合は、回転軸11の両端をベアリング機構摩擦力がない機構を用いて支持体で支え、該回転軸11にねじれが生じない状態を保持すれば、第4の回転力を考慮せずに、該回転体11に生じる浮力による回転力が第3の回転力と同じであるとして演算でき、被測定流体の比重を測定できる。

0027

第1の局面では第3の回転力と釣り合う回転歪による回転力に基づき、第2の局面では第3の回転力と釣り合う電磁力に基づき、重りに加わる浮力の差を求めていたが、両者を併用して浮力の差を求めても良い。すなわち、第2の局面における実施例では、回転軸の回転がゼロ位置を保持するように電気サーボ機構で電磁力を発生させたが、回転軸に対し一定の大きさの電磁力による回転力を加えるように(図示しない)電気サーボ機構を活用し、回転歪による回転力との合力で、第3の回転力と釣り合うように、回転軸の力平衡状態を保持する。
回転歪による回転力の寄与の割合を少なくし(例えば1%)、電磁力の割合を大きくすれば(例えば99%)、被測定流体中の回転力を一定の大きさの電磁力で99%軽減させ、残余の1%回転力を回転歪による回転力で釣り合わせれば、比重の測定感度を100倍近く増加させることができる。また、回転歪による回転力と電磁力による回転力とを併用し(各50%の割合とした状態等)、電磁力を増減させれば、回転軸の回転角度が変わる。この回転角の大きさと、電磁力の大きさは対応関係にあり、電磁力の大きさと回転角の大きさの関係を利用し、比重測定装置の感度検定が実施できる。

0028

図3は、本発明の他の実施例を示す概念図である。この比重測定装置3では、第2実施例の電気サーボ機構の代わりに、光ファイバセンサの1つであるFBGセンサ33が取り付けられた第3のアームが該回転軸12に固定され、該FBGセンサ33の他端は回転体11の支持具に固定されているとする。さらに、図1と同様に重りを有する2つのアームが取り付けられているとする。(図3において既述の図1と同一の作用を奏する要素は省略する。)
浮力の作用で回転軸12に第3の回転力が加わった場合、その回転力は第3のアームの作用で、先端に固定された該FBGセンサ33に力を及ぼし、その作用で該FBGセンサ33が歪を受ける。該FBGセンサ33の受ける歪の大きさと第3の回転力の大きさは対応するから、該FBGセンサ33の歪の大きさを図示しない光りファーバーで検出すれば、第3の回転力の大きさが求まり、既述の実施例の場合と同様に、演算により該回転体11が図示しない支持体等と共に入れられた流体の密度ρが式(5)から求められ、結果として被測定流体の比重が測定できる。この方法であれば、電子回路を利用していないため、落雷等の際に、故障することなく比重が測定できる。

0029

図4は、本発明の他の実施例を示す概念図である。この比重測定装置4には、第1の局面、第2の局面、第3の局面で既述した比重測定装置に温度計43が備えられ、比重測定装置に備わっている2つの重り近傍の流体の温度を測定する。(図4において既述の図1と同一の作用を奏する要素を省略する。)
物質は環境温度が変化するとその影響を受け体積変化が生じる。被測定流体も例外ではなく、体積変化が生じその影響で密度変化が生じ、結果として比重が変わる。環境温度の変化に対する流体の体積変化の割合は、演算で求めることができるため、比重を求める被測定流体の温度を測定し、その測定結果から体積変化の割合を求め、被測定流体の密度変化を求めれば、その流体の比重を求めることができる。
環境温度の影響で光ファイバは収縮するため、その収縮変化から光ファイバ周辺の温度変化が測定できる。したがって、第3実施例のように該回転体11に着けた該FBGセンサで第3の回転力の大きさを求め、演算で被測定流体の比重を測定する場合、光ファイバで該回転体11の周りの被測定流体の温度を測定するとすれば、既述の実施例の場合と同様に、演算により該回転体11が図示しない支持体等と共に入れられた流体の密度ρが式(5)から求められ、結果として被測定流体の比重が求められる。

0030

図5は、本発明の他の実施例を示す概念図である。この比重測定装置5には、第1の局面、第2の局面、第3の局面、第4の局面で既述した比重測定装置に圧力計53が備えられ、比重測定装置に備わっている2つの重り近傍の流体の圧力を測定する。(図5において既述の図と同一の作用を奏する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。)
既述の比重測定装置から第3の回転力の大きさに関わる情報を得る場合、信号線や電源線・光ファイバが必要であるし、比重測定装置を吊り下げるためのワイヤーないしは、信号線等を兼ねたケーブルが必要である。流体中の深い場所で比重を測定する場合はワイヤーやケーブルを長くする必要があり、ワイヤーやケーブルが伸び比重測定装置の深度が特定できなくなる。一方、流体内では比重を測定する場所が深くなると、流体の加重が加わり密度が増加する。このため、その比重は深くなるほど大きな値になる。
比重測定装置で比重を測定したとしても、比重測定装置の深度が不正確であると比重の値が変化したのか深度の違いによる見かけ上の差であるか特定できない。しかし、該圧力計53で流体の圧力を測定しその圧力から比重測定装置の深度を決めればその深度における比重を正確に求めることができる。
圧力測定手段の場合、通常は、ベローズ等により圧力の大きさに対応した力を得て、その圧力に基づく力で弾性体を変形させ、変形量を変位センサで検出する方法が利用される。光ファイバーを利用して回転体の大きさを測定したり、環境温度の測定をする場合、圧力に基づく力をFBGセンサに作用させてFBGセンサの歪の割合から圧力を求める方法にすれば、落雷等の影響で比重測定装置5が故障することがない。

0031

第1の局面、第2の局面、第3の局面、第4の局面、第5の局面で既述した比重測定装置には流体を攪拌する撹拌機を備えることができる。比重測定装置には、変位を検出したり電磁力を発生させるための電子回路を入れる容器が必要であるし、FBGセンサを保護する容器が必要である。また、該回転体11や図示しない支持体、浮力を感知する重り等を保護するために比重測定装置を覆うように保護する治具が必要である。
比重測定装置の深さが変わり、被測定流体の比重が変わった場合、該回転体11の周りに上記のような容器や治具があると、容器や治具が妨げとなり重りが着けられている該回転体11の周りの流体は入れ替わらない。また、流体に流れがあり比重が時間と共に変化するような場合でも、上記と同様に該回転体11の周りの流体が入れ替わるのが遅れ、比重の変化に対応できない。
そこで撹拌機を備えることにより、流体を攪拌することで容器や治具があっても、該回転体11の周りの流体を比重の変化に対応できるよう迅速に入れ替えることができ、持って比重の変化に対応した測定ができる。

0032

図6図10に他の例の比重測定装置70を示す。
この比重測定装置70は、図6に示されるように、筒状のケーシング71に収められる。従って、この比重測定装置70は掘削された地盤の穴へ挿入して、その中の地下水の比重を測定することに好適である。
ケーシング71には窓72があけられており、この窓72を介して地下水がケーシング71内へ取りこまれる。

0033

ケーシング71には支軸としてのトーションバー75が懸架され、トーションバー75の両端はケーシング71に固定される。トーションバー75は金属製の円盤77の中心へ貫通固定される。円盤77の一側には樹脂製のバランサー79が取り付けられている。円盤77とバランサー79との連結体81において、円盤77に比べてバランサー79が極めて軽いため、無負荷状態(自然状態)で、トーションバー75にはその周方向に回転する力(ねじれ力)は殆どかかっていない。
バランサー79の形成材料は測定対象である地下水の大きな比重を持つものでも、小さな比重をもつものでもよい。また、トーションバー75のねじれを安定させるため、図8に示す通り、円盤75に対して線対象とする。
勿論、無負荷状態で連結体81が回転しないように、即ち、トーションバー75がねじられないように、図9において円盤77の左側の一部を切欠いたり、薄肉にしたり、また、その右側へ付設してもよい。
トーションバー75を支軸として、図9で連結体81の左側の部分が第1の重りを構成し、右側の部分が第2の重りを構成する。

0034

フロート79の側面には、図1で説明したように、発磁体83、84が取り付けられ、それに対向するようにケーシング71には磁気センサ85、86が取り付けられる。
この比重測定装置70を地盤へあけた穴へ挿入し、地下水へ浸漬すると、フロート79の存在により、トーションバー75は図9において反時計まわり方向にねじられ、回転する。そのときの発磁体83、84の変位量が磁気センサ85、86で検出される。
磁気センサ85,86で検出された変位量は、ケーシング71の頭部に収納された演算部87において、地下水の比重に演算される。
(変形例)

0035

体積の異なる第1の重りと第2の重りとの連結体と、該連結体の支軸と、測定対象へ前記連結体を浸漬したとき前記第1の重りと第2の重りとの体積差により前記支軸にかかる力若しくは変位又は前記支軸を中心とした前記連結体の回転方向の変位測定において、永久磁石による磁界を測定に利用する場合、測定対象の内部に磁性体が混入していると磁化して磁界が影響を受け、前記支軸にかかる力若しくは変位又は前記支軸を中心とした前記連結体の回転方向の変位の測定が乱される。このような場合、永久磁石を使用せず、コイルに加える電流を用いて測定に関わる磁界を作成することが好ましい。その理由は、コイルに加える電流の向きを交互に変化させ、磁界の向きを変更すれば、磁性体は磁化することなく磁界は影響を受けず、測定の乱れが避けられるためである。

0036

例えば、図1の回転角測定手段13に代えて、図11(A)に示す構成を採用することができる。図11(A)は、回転体11と、回転体11の回転角を測定するための回転角測定手段の構成を、回転体11の軸方向に見た場合の概略構成図である。図示するように、回転角測定手段は、発磁体としての、特性が同一の一対のコイル113A、113Bと、1つの相互誘導式磁気センサ113Cを有する。磁気センサ113Cは、回転体11の周面に対して固定され、回転体11と一体的に回転可能である。コイル113A、113Bは、磁気センサ113Cとそれぞれ対向しつつ磁気センサ11Cの回転方向に沿って並ぶように支持体に対して取り付けられる。

0037

回転体11の回転角ωを測定する場合、例えば図11(B)に示すような逆位相で同じ大きさ(振幅)の交流電流ia、ibをコイル113A、113Bにそれぞれ供給する。測定の基準位置、つまり回転体11が回転していない状態(ω=0)では、磁気センサ113Cは、コイル113A、113Bから等距離の位置にある。磁気センサ113Cは、例えば、コイル113A、113Bを流れる交流電流ia、ibに起因して磁気センサ113C内に発生する誘導電圧(二次電圧)に比例した出力信号sを出力するものである。測定の基準位置においては、両コイル113A、113Bを流れる逆位相の交流電流ia、ibによる影響が打ち消し合って、磁気センサ113Cの出力信号sω=0は図11(C)に示すように、常時0となる。

0038

この状態から、回転体11が図11(A)中のωの方向に所定角度a1だけ回転し(ω=a1)、磁気センサ113Cがコイル113Bよりもコイル113Aに近づいた状態になったとする。そうすると、コイル113Aを流れる電流iaが磁気センサ113Cに対して与える影響が相対的に大きくなり、図11(D)に示すように、磁気センサ113Cの出力信号sω=a1は、電流ia、ibと同じ周期を有する信号となる。そして、磁気センサ113Cがコイル113Aに近づくほど、コイル113Bを流れる電流ibの時間変化と比べてコイル113Aを流れる電流iaの時間変化をより強く反映した信号となり、具体的には、出力信号sは、より大きくなる。なお、コイル113A、113Bを流れる1次電流ia、ibと、磁気センサ113C内に発生する誘導電圧とでは位相が異なるが、図11(D)においては、電流ia、ibの変化の各時点と、その変化に対応する信号sの変化の各時点とが一致するように調整して表示した。また、出力信号sの正負を電流iaの正負と合わせて表示した。これらは、簡潔な説明のための調整に過ぎない。

0039

磁気センサ113Cからの出力信号sを伝達するための信号線を回転軸12に巻き付け、更に比重測定装置1の外部へと伸びるように構成しても良い。その場合、回転軸12に巻き付ける部分の信号線としては、回転軸12のねじれを妨げないように柔軟なものを用いることが好ましい。あるいは、出力信号sを電波で外部へ送信するための無線ユニットを回転体11や回転体11とともに回転する部材(重り16、19等)に備えるようにしても良い。
比重の測定対象または測定条件によっては、2つのコイル113A、113Bに代えて、一つのコイルを用いることとしても良い。また、回転体11側にコイルを取り付け、支持体側に磁気センサを取り付けても良い。

0040

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

0041

1,2,3,4,5、170比重測定装置、11回転体、13、113A、113B、113C回転角測定手段、13A,83,84発磁体、13B,85,87検出器(磁気センサ)、16 第1の重り、19 第2の重り、23サーボ機構、23A永久磁石、23Bコイル、33FBGセンサ、43温度測定計、53圧力計、71ケーシング、72 窓、75トーションバー、77円盤、79バランサー、81連結体、87演算部。

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