(57)【要約】【課題】長尺状構造物における長手方向の広い範囲を検知領域にできる、設置が容易な変位検知装置を提供する。【解決手段】配管１の表面に、溶接熱影響部２を挟んで互いに平行に配される左右のパルス波伝送ラインからなるセンサ部１０と、各伝送ラインの一端からそれぞれ電気パルス波を入射し、その反射波を検知するＥＴＤＲ１１と、センサ部１０のインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置１２とを有する。左右の波伝送ラインは、配管１の表面に接着される長尺状の誘電板材１６と、誘電板材１６上にライン状に積層される金属電極１７とを有し、クロストークが生じる間隔で配されている。そして、配管１が周方向に変位したとき、これに伴い両伝送ライン間の距離が変化することで電界分布が変化して、インピーダンス変化として検知されることを特徴とする。【選択図】図１
2010237064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺状構造物の変位を検知する変位検知装置であって、
前記長尺状構造物の表面に、該長尺状構造物の長手方向に沿って互いに平行に配される左右２本のパルス波伝送ラインと、
前記２本のパルス波伝送ラインの一端からそれぞれ電気パルス波を入射し、その反射波を検知する電気的時間領域反射装置と、
前記電気的時間領域反射装置によって検知された検知信号から、前記パルス波伝送ラインのインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置とを有し、
前記２本のパルス波伝送ラインは、電気パルス波が入射された際に、互いの電界が結合したクロストークが生じる間隔で配されており、
前記長尺状構造物が、これの長手方向と直交する方向へ変位したとき、これに伴い前記２本のパルス波伝送ライン間の距離が変化することでクロストークによる電界分布が変化して、インピーダンス変化として検知されることを特徴とする、変位検知装置。
【請求項２】
前記長尺状構造物は導電性を有し、
前記パルス波伝送ラインは、前記長尺状構造物を下部電極として、該長尺状構造物の表面に接着剤によって接着される長尺状の誘電板材と、
前記誘電板材上に、該誘電板材の長手方向両端に亘ってライン状に積層される金属電極とからなることを特徴とする、請求項１に記載の変位検知装置。
【請求項３】
前記パルス波伝送ラインは、前記長尺状構造物の表面に接着剤によって接着される長尺状の誘電板材と、
前記誘電板材の上面及び下面に、該誘電板材の長手方向両端に亘ってライン状に積層される上下の金属電極とからなることを特徴とする、請求項１に記載の変位検知装置。
【請求項４】
前記長尺状構造物は円筒形の金属製配管であり、
前記配管は、周壁の一部に、長手方向にライン状の溶接部を有し、前記溶接部に沿い溶接加工時の熱の影響により前記配管が変性した溶接熱影響部が生じており、
前記２本のパルス波伝送ラインは、前記配管の溶接熱影響部を挟んで対向配置されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の変位検知装置。
【請求項５】
長尺状構造物の変位を検知する変位検知装置であって、
前記長尺状構造物の表面に、該長尺状構造物の長手方向に沿って配される１本のパルス波伝送ラインと、
前記パルス波伝送ラインの一端から電気パルス波を入射し、その反射波を検知する電気的時間領域反射装置と、
前記電気的時間領域反射装置によって検知された検知信号から、前記パルス波伝送ラインのインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置とを有し、
前記パルス波伝送ラインは、それぞれ前記長尺状構造物の表面に接着剤によって接着され、前記長尺状構造物の長手方向に沿って平行に対向配置される左右２つの長尺状の誘電板材を含み、
両誘電板材の対向面同士は、上下に重なることができるよう互いに平行な傾斜面となっており、
前記パルス波伝送ラインは、前記左右２つの誘電板材と、各誘電板材の傾斜面の裏面に、それぞれ誘電板材の長手方向両端に亘ってライン状に積層される上下の金属電極とからなり、
前記長尺状構造物が、これの長手方向と直交する方向へ変位したとき、これに伴い前記２つの誘電板材の傾斜面間の距離が変化することでコンデンサ静電容量が変化して、インピーダンス変化として検知されることを特徴とする、変位検知装置。
【請求項６】
前記金属電極は、それぞれ前記誘電板材の傾斜面の幅以上の幅を有することを特徴とする、請求項５に記載の変位検知装置。
【請求項７】
前記長尺状構造物は円筒形の金属製配管であり、
前記配管は、周壁の一部に、長手方向にライン状の溶接部を有し、前記溶接部に沿い溶接加工時の熱の影響により前記配管が変性した溶接熱影響部が生じており、
前記２本のパルス波伝送ラインは、前記配管の溶接熱影響部を挟んで対向配置されていることを特徴とする、請求項５または請求項６に記載の変位検知装置。
【請求項８】
前記誘電板材がセラミックスからなり、
前記接着剤がセラミックス系又は金属系の接着剤であることを特徴とする、請求項２ないし請求項７のいずれかに記載の変位検知装置。
【請求項９】
前記パルス波伝送ラインにおけるインピーダンス変化が、該パルス波伝送ラインの入射端からの距離の関数として検出されることを特徴とする、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の変位検知装置。
【請求項１０】
円筒形金属配管の周方向に作用する力による変位を検知する、配管の変位検知方法であって、
前記配管の表面に、互いの電界が結合したクロストークが生じる間隔で、前記配管の長手方向に沿って互いに平行に配した左右２本のパルス波伝送ラインの一端から、電気的時間領域反射装置によってそれぞれ電気パルス波を入射し、その反射波からインピーダンス計測装置によってパルス波伝送ラインのインピーダンスを計測して、
前記配管における周方向の変位を、これに伴う前記２本のパルス波伝送ライン間の距離の変化による電界分布の変化に基づくインピーダンス変化として検知することを特徴とする、配管の変位検知方法。
【請求項１１】
前記配管は、周壁の一部に、長手方向にライン状の溶接部を有し、前記溶接部に沿い溶接加工時の熱の影響により前記配管が変性した溶接熱影響部が生じており、
前記２本のパルス波伝送ラインを、前記配管の溶接熱影響部を挟んで対向配置して、該溶接熱影響部における周方向の変位を検知することを特徴とする、請求項１０に記載の配管の変位検知方法。
【請求項１２】
円筒形金属配管の周方向に作用する力による変位を検知する、配管の変位検知方法であって、
前記配管の表面に、該配管の長手方向に沿って平行に対向配置され、互いに平行な傾斜面とされた対向面同士が上下に重なりあう左右２つの誘電板材と、各誘電板材の傾斜面の裏面に、それぞれ誘電板材の長手方向両端に亘ってライン状に積層される上下の金属電極とによってコンデンサを形成する１本のパルス波伝送ラインの一端から、電気的時間領域反射装置によって電気パルス波を入射し、その反射波からインピーダンス計測装置によってパルス波伝送ラインのインピーダンスを計測して、
前記配管における周方向の変位を、これに伴う前記２つの誘電板材の傾斜面間の距離の変化による静電容量変化に基づくインピーダンス変化として検知することを特徴とする、配管の変位検知方法。
【請求項１３】
前記配管は、周壁の一部に、長手方向に沿うライン状の溶接部を有し、前記溶接部に沿い溶接加工時の熱の影響により前記配管が変性した溶接熱影響部が生じており、
前記２つの誘電板材を、前記配管の溶接熱影響部を挟んで対向配置して、該溶接熱影響部における周方向の変位を検知することを特徴とする、請求項１２に記載の配管の変位検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管などの長尺状の構造物に作用する変位を検知する変位検知装置と、これを利用した配管の変位検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、構造物に作用する力によって当該構造物の破損を検知診断する変位検知装置（歪検知装置）が開発されている。例えば特許文献１は、火力発電所におけるタービンや配管など、熱影響を受けやすい構造物の変位（歪）を検知する変位検知装置であって、筒状に構成された第１の電極と、この第１の電極の内側へ進退可能な第２の電極となる金属棒が、絶縁支持体によって配管などの構造物表面に設けられている。構造物の表面が伸縮すると、これに応じて金属棒が円筒電極内を進退移動することで、円筒電極と金属棒とからなるコンデンサの静電容量が変化するよう構成されている。この静電容量を検知することで、構造物の変位が検知される。
【０００３】
また、構造物のほかに地盤の変位を検知する変位検知装置として、特許文献２がある。特許文献２では、長手方向の圧縮又は引張りにより光伝送損失を生じる光ファイバと、当該光ファイバに光信号を入射し、その反射信号を検知する光学的時間領域反射装置（Optical Time Domain Reflectometry:OTDR）と、当該光学的時間領域反射装置からの検知信号を演算処理する演算処理装置とを有し、光ファイバによる光学的時間領域反射測定法を利用して地盤等の変位を検知している。光ファイバは、中心部材の外周に沿って並設された複数本の光ファイバ素線と、該光ファイバ素線を覆う樹脂製の保護被膜とを有する。そして、光ファイバに外力が作用したときの後方散乱光の変化によって地盤等の変位を検知している。
【０００４】
ところで、高い安全性が要求される構造物として、例えば火力発電所などにおいて縦横に配されている金属配管などが挙げられる。当該金属配管は、製造工程上、周壁の一部を溶接する必要がある。溶接方法としては、長手方向に溶接継手を配して長手方向に沿って溶接する長手溶接と、周方向に溶接継手を配して周方向に沿って溶接する周溶接とがある。このような金属配管内を高温・高圧流体が流動すると、配管のクリープ変形により溶接部における局所的な変形が優先的に進行する場合があり、そこが破壊の起点となって配管に亀裂が生じる危険性が危惧されている。火力発電所においては、６００℃を超える高温流体が３０Ｍｐａ程度の高圧で流動することもある。この場合、長手溶接継手に作用する応力の方が周溶接継手に作用する応力よりも大きいため、長手溶接部が周溶接部より先に損傷し易い。そのため、高温・高圧流体が流動する金属配管においては、長手方向に沿ってライン状に延びる溶接部の局所変形を亀裂が発生する前に初期段階で捉えて、溶接部のどの部位において変位が生じているかを検知できるセンシング技術が要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３１５８５３号公報
【特許文献２】特開平２−２４２１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、構造物の変位に伴い円筒電極内を金属棒が進退する構成とすることで、変位を検知できる範囲の拡大を図っている。しかし、円筒電極と金属棒が重なっている長さ範囲でしか検知できないので、検知範囲には限界がある。これでは、長尺状の構造物における長手方向全体を検知範囲とすることは不可能である。例えば、金属性配管の長手溶接部の周方向への変位を検知したくても、特許文献１の変位検知装置では、金属棒の進退方向を長手方向へ向けたところで、円筒形の第１電極及び金属棒を配管と同等の長さにすることはできないばかりか、そもそも長手方向に沿ってライン状に延びる溶接部の周方向への変位は検知できない。一方、金属棒の進退方向を周方向へ向けた場合、長手方向に沿ってライン状に延びる溶接部の一部における周方向への変位を検知できるに過ぎない。したがって、長手方向の両端に亘る範囲において周方向の変位を検知するには、変位検知装置を長手方向に複数個並設するしかない。これでは、装置の設置が煩雑であると共に、各装置間の変位は検知できないので、検知精度に欠ける。このような問題は、長尺な構造物において、長手方向両端に亘って長手方向と直交する方向の変位を検知する場合でも同様である。
【０００７】
一方、特許文献２では、光ファイバを用いていることで長尺状構造物の長手方向の両端に亘って配すことはできる。しかし、長手方向への圧縮又は引張りにより光伝送損失を生じる構成なので、長手方向と直交する方向の変位は検知できない。また、光ファイバに作用する外力に起因して変位を検知する構成なので、単に構造物の表面に配しただけでは、構造物が膨張・収縮する内部応力による変位は検知できない。構造物の内部に埋設すれば検知し得るが、構造物の製造や装置の設置が困難となる。さらに、光ファイバは樹脂製の被膜が必要であり耐熱性を有しないので、高温の熱影響を受ける構造物の変位検知には使用できない。
【０００８】
そこで、本発明は上記課題を解決するものであって、長尺状構造物における長手方向の広い範囲に亘って長手方向と直交する方向への変位を検知できる、設置が容易な変位検知装置と、これを利用した配管の変位検知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】
【０００９】
本発明は、長尺状構造物の、主として内部応力に基づく変位（歪）を検知する変位検知装置である。もちろん、外部から作用する力による変位（歪）も検知できる。本発明によって提案される変位検知装置には、大きく分けてクロストークによる電界分布の変化を利用した第１の構成と、コンデンサ静電容量の変化を利用した第２の構成との２つがある。第１の構成の変位検知装置は、前記長尺状構造物の表面に、該長尺状構造物の長手方向に沿って互いに平行に配される左右２本のパルス波伝送ラインと、前記２本のパルス波伝送ラインの一端からそれぞれ電気パルス波を入射し、その反射波を検知する電気的時間領域反射装置（Electrical Time Domain Reflectometer、以下、ＥＴＤＲと略称することがある）と、前記電気的時間領域反射装置によって検知された検知信号から、前記パルス波伝送ラインのインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置とを有する。ＥＴＤＲは、電子回路で間欠的に発信した電気的なパルス波を伝送ラインに入射して伝播させ、伝送ライン上の反射波を受信する装置である。そして、インピーダンス計測装置によって測定対象のインピーダンス分布（入射端からの距離とインピーダンスの関係）を測定する。そして、この伝送ラインに何らかの外的な要因が作用してその電気的性質（分布定数回路の回路定数）が変化すると、このインピーダンス分布にその変化が現れることを利用している。一般的には、ＥＴＤＲにインピーダンス計測装置（機能）が組み込まれている。
【００１０】
前記２本のパルス波伝送ラインは、電気パルス波が入射された際に、互いに電磁気的な相互作用が生じ得る間隔、すなわち互いの電界が結合したクロストークが生じる間隔で配されている。２本のパルス波伝送ラインには、同じタイミングで電気パルス波が入射される。通常、１本の伝送ラインに通電されると、これに基づき等電位線や電気力線が当該伝送ラインを起点として発生した電界分布となる。２本の伝送ラインに通電した場合も、当該２本の伝送ライン同士が十分に離れていれば、図８に示すように、各ラインにおける電界分布は互いに影響を受けず、それぞれ単独のラインに通電した場合と変わらない。したがって、この場合のトータルインピーダンスは、各ラインにおけるインピーダンスＺの合成（Ｚ2／２Ｚ）となる。これに対し、２本の伝送ライン同士の距離が近いと、電磁気的な相互作用によって図９に示すように各電気力線が変化すると共に、等電位線が結合された電界分布となる。この現象がクロストークである。このようにクロストークが生じている場合のトータルインピーダンスは、上記クロストークが生じていない単独インピーダンスの合成値よりも高くなる。構造物に力が作用していない初期状態において、両パルス波伝送ラインの間に一定の距離を設けておけば、その後に構造物に作用するの引張歪と圧縮歪とを検知できる。構造物に引張応力しか作用しない場合は、初期状態では両パルス波伝送ライン同士を当接させておいても構わない。
【００１１】
そして、前記長尺状構造物が、これの長手方向と直交する方向へ変位したとき、これに伴い前記２本のパルス波伝送ライン間の距離が変化することでクロストークによる電界分布が変化して、インピーダンス変化として検知されることを特徴とする。すなわち、２本の伝送ラインにおけるインピーダンスは、当該平行に配された２本の伝送ライン同士の距離に依存する。具体的には、２本の伝送ライン同士の距離が初期距離よりも大きくなればインピーダンスが下がり、２本の伝送ライン同士の初期距離よりも小さくなればインピーダンスが上がる特性を有する。当該インピーダンス変化により、長尺状構造物の変位を検知診断することができる。
【００１２】
パルス波伝送ラインに電気パルス波を入射してそのインピーダンス分布を計測するには、当該パルス波伝送ラインが上部電極と下部電極との間に誘電層を有するマイクロストリップ路線を構成する必要がある。これを前提として、前記長尺状構造物が導電性を有する場合は、前記パルス波伝送ラインは、前記長尺状構造物を下部電極として、該長尺状構造物の表面に接着剤によって接着される長尺状の誘電板材と、前記誘電板材上に、該誘電板材の長手方向両端に亘ってライン状に積層される金属電極とによって構成することができる。ここでの接着剤は、導電性、非導電性のいずれでもよい。または、前記パルス波伝送ラインを、前記長尺状構造物の表面に接着剤によって接着される長尺状の誘電板材と、前記誘電板材の上面及び下面に、該誘電板材の長手方向両端に亘ってライン状に積層される上下の金属電極とによって構成することもできる。後者の場合は、構造物が導電性であると非導電性であるとを問わない。また、後者の場合も、接着剤は導電性、非導電性のいずれでもよいが、金属系の導電性接着剤を使用して、当該接着剤を下部電極として兼用することもできる。前者及び後者の構成とすれば、誘電板材の長さが、構造物の変位を検知できる範囲となる。したがって、誘電板材の長さは特に限定されないが、できるだけ長いことが好ましい。最も好ましくは、検知対象である長尺状構造物の長さ方向両端に亘る長さとする。なお、前記パルス波伝送ライン（金属電極や誘電層）は、構造物の表面に溶射するなど厚膜形成によって設けることもできる。
【００１３】
第２の構成の変位検知装置は、前記長尺状構造物の表面に、該長尺状構造物の長手方向に沿って配される１本のパルス波伝送ラインと、前記パルス波伝送ラインの一端から電気パルス波を入射し、その反射波を検知する電気的時間領域反射装置と、前記電気的時間領域反射装置によって検知された検知信号から、前記パルス波伝送ラインのインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置とを有する。前記パルス波伝送ラインは、それぞれ前記長尺状構造物の表面に接着剤によって接着され、前記長尺状構造物の長手方向に沿って平行に対向配置される左右２つの長尺状の誘電板材を含む。両誘電板材の対向面同士は、上下に重なることができるよう互いに平行な傾斜面となっている。そのうえで、前記パルス波伝送ラインは、前記左右２つの誘電板材と、各誘電板材の傾斜面の裏面に、それぞれ誘電板材の長手方向両端に亘ってライン状に積層される上下の金属電極とからなる。そして、前記長尺状構造物が、これの長手方向と直交する方向へ変位したとき、これに伴い前記２つの誘電板材の傾斜面間の距離が変化することでコンデンサ静電容量（キャパシタンス）が変化して、インピーダンス変化として検知されることを特徴とする。なお、前記金属電極は、それぞれ前記誘電板材の傾斜面の幅以上の幅を有することが好ましい。
【００１４】
長尺状構造物としては、幅若しくは径方向寸法に対して長さ方向の寸法が十分に大きいものであれば特に限定されず、板状、筒状、柱状のいずれの構造物に対しても適用できる。中でも、上記第１又は第２の構成の変位検知装置を、前記長尺状構造物として円筒形の金属製配管に設置する場合であって、さらに前記配管の周壁の一部に、長手方向（長さ方向）に沿うライン状の溶接部を有する場合、配管には前記溶接部に沿い溶接加工時の熱の影響により前記配管が変性した溶接熱影響部が生じている。そこで、前記２本のパルス波伝送ライン又は２つの誘電板材を、前記配管の溶接熱影響部を挟んで対向配置することが好ましい。
【００１５】
構造物が熱による影響を受けない場合（外力により変位する場合）であれば、前記誘電板材は誘電層となり得る素材であれば特に限定されず、合成樹脂等の高分子化合物によって成形することもできる。しかし、例えば火力発電所の配管など、構造物が熱の影響を受ける場合（内部応力により変位する場合）は、誘電率の温度依存性が小さく、且つ耐熱性の高いセラミックスとすることが好ましい。また、接着剤も、構造物が熱による影響を受けない場合であれば合成樹脂系の接着剤を使用できるが、構造物が熱の影響を受ける場合は、当該熱によって誘電板材が剥離しないようなセラミックス系もしくは金属系の接着剤を使用することが好ましい。前記パルス波伝送ラインにおけるインピーダンス変化は、該パルス波伝送ラインの入射端からの距離の関数として検出される。
【００１６】
このような変位検知装置を使用すれば、電気的時間領域反射法（Electrical Time Domain Reflectometry）によって円筒形金属配管の周方向に作用する力による変位を検知する、次のような配管の変位検知方法を提案することができる。第１に、前記配管の表面に、互いの電界が結合したクロストークが生じる間隔で、前記配管の長手方向に沿って互いに平行に配した左右２本のパルス波伝送ラインの一端から、電気的時間領域反射装置によってそれぞれ電気パルス波を入射し、その反射波からインピーダンス計測装置によってパルス波伝送ラインのインピーダンスを計測して、前記配管における周方向の変位を、これに伴う前記２本のパルス波伝送ライン間の距離の変化による電界分布の変化に基づくインピーダンス変化として検知することを特徴とする方法である。
【００１７】
第２に、前記配管の表面に、該配管の長手方向に沿って平行に対向配置され、互いに平行な傾斜面とされた対向面同士が上下に重なりあう左右２つの誘電板材と、各誘電板材の傾斜面の裏面に、それぞれ誘電板材の長手方向両端に亘ってライン状に積層される上下の金属電極とによってコンデンサを形成する１本のパルス波伝送ラインの一端から、電気的時間領域反射装置によって電気パルス波を入射し、その反射波からインピーダンス計測装置によってパルス波伝送ラインのインピーダンスを計測して、前記配管における周方向の変位を、これに伴う前記２つの誘電板材の傾斜面間の距離の変化による静電容量変化に基づくインピーダンス変化として検知することを特徴とする方法である。
【００１８】
これらの方法においても、前記配管の周壁の一部に、長手方向に沿うライン状の溶接部を有する場合は、前記２本のパルス波伝送ライン又は２つの誘電板材を、溶接加工時の熱の影響により前記配管が変性した溶接部に沿う溶接熱影響部を挟んで対向配置することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、電気的時間領域反射法を利用して構造物の変位（歪）をインピーダンス変化として検知できる画期的な発明である。すなわち、長尺状構造物の長手方向に沿って平行に配した２本のパルス波伝送ライン間（正確には各パルス波伝送ラインの誘電板材間）の距離が変化することで、長尺状構造物の長手方向と直交する方向への変位を検知できる。したがって、各パルス波伝送ラインの長さがそのまま変位検知範囲となるので、幅方向ないし周方向の変位を長手方向の広い範囲で確実に検知できる。しかも、パルス波伝送ラインにおけるインピーダンス変化が該パルス波伝送ラインの入射端からの距離の関数として検出されるので、長手方向の変位位置と周方向の変位量との関係を分布状態で検知することができる。このとき、２本のパルス波伝送ラインを構造物の表面に設置するだけでよいので、検知装置の設置ないしこれを備える構造物の製造が容易である。
【００２０】
電界分布の変化に起因したインピーダンス変化を検知する場合、構造物に変位が生じていない初期状態において、２本のパルス波伝送ラインをクロストークが生じない間隔で配していれば、クロストークが生じる範囲にまで構造物が変位しなければ、変位を検知できない。これに対し、本発明のように初期状態において２本のパルス波伝送ラインをクロストークが生じる間隔で配していれば、２本のパルス波伝送ライン間の距離変化に伴って確実にインピーダンスが変化するので、構造物の変位を確実に検知できる。
【００２１】
パルス波伝送ラインは、溶射等によって設けることもできる。しかし、この場合、種々の表面形状をもつ構造物への設置には有利であるが、誘電層の独立した形状設計は困難である。これに対し、誘電層となるバルク板材（誘電板材）を接着する手法によれば、誘電層の独立した形状設計が容易であり実用性が高い。特に、傾斜面を設ける場合に有利である。このとき、金属電極を誘電板材の長手方向両端に亘って形成しておくことで、誘電板材の長さを検知可能範囲にできる。構造物が導電性を有する場合に、当該構造物を下部電極として利用すれば、誘電層に上部電極のみを積層するだけでよいので、製造が楽であると共に下部電極の積層に必要なコストも削減できる。一方、誘電板材の下面にも金属電極を設けておけば、非導電性の構造物にも適用できる。
【００２２】
コンデンサ静電容量（キャパシタンス）の変化に起因したインピーダンス変化を検知する場合、２つの誘電板材の互いに平行な傾斜面同士が上下に重なる状態で設置しておけば、２つの誘電板材同士の距離が長手方向と直行する方向へ変化することで、傾斜面同士の間に上下方向（電極間の厚み方向）の距離を変化させられる。これにより、上下の金属電極で挟まれたコンデンサにおいて空気層の厚みが増減することで、構造物の変位に基づきキャパシタンスが変動する。このとき、金属電極が傾斜面の幅以上の幅で積層されていれば、傾斜面全体をキャパシタンス変化に利用できる。
【００２３】
周壁の一部にライン状の溶接部を有する配管において、溶接熱影響部を挟んで２本のパルス波伝送ライン又は２つの誘電板材を対向配置しておけば、他の部位に優先して破損し易い溶接熱影響部における周方向の変位を、長手方向の広い範囲に亘って的確に検知できる。このとき、誘電板材をセラミックスとし、接着剤がセラミックス系又は金属系の接着剤であれば、耐熱性が良好なので、高温流体が通過する配管など、高温条件に曝される構造物の変位も検知できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例１の変位検知装置を設置した配管の斜視図である。
【図２】実施例１の変位検知装置を設置した配管の要部拡大断面図である。
【図３】実施例１の変位検知装置において、ライン間隔変化に伴う伝送ラインのインピーダンス変化率を示すグラフである。
【図４】実施例１の変位検知装置において、伝送ライン上の特定部位におけるライン間隔とインピーダンス変化率との関係を示すグラフである。
【図５】実施例２の変位検知装置を設置した配管の要部拡大断面図である。
【図６】実施例２の変位検知装置において、ライン間隔変化に伴う伝送ラインのインピーダンス変化率を示すグラフである。
【図７】実施例２の変位検知装置において、伝送ライン上の特定部位におけるライン間隔とインピーダンス変化率との関係を示すグラフである。
【図８】クロストークが生じていない状態の電界分布を示す模式図である。
【図９】クロストークが生じている状態の電界分布を示す模式図である。
【図１０】実施例３の変位検知装置を設置した配管の要部拡大断面図である。
【図１１】実施例３の変位検知装置におけるコンデンサの模式図である。
【図１２】実施例３の変位検知装置において、ライン間隔変化に伴う伝送ラインのインピーダンス変化率を示すグラフである。
【図１３】実施例３の変位検知装置において、伝送ライン上の特定部位におけるライン間隔とインピーダンス変化率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、図面を参照しながら本発明に係る変位検知装置の実施の形態について説明するが、これに限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。本発明の変位検知装置は、長尺状構造物の変位検知用として好適である。長尺状構造物としては、幅若しくは径方向寸法に対して長さ方向の寸法が十分に大きいものであれば特に限定されず、板状、筒状、柱状のいずれの構造物に対しても適用できる。特に、例えば火力発電所の蒸気管など、６００℃以上の高温条件に晒されて熱影響を受けやすい各種配管の溶接部（厳密には溶接熱影響部）の変位（歪）を検知するのに好適である。そこで、以下には、配管に設置した場合を例に挙げて説明する。
【００２６】
（実施例１）
変位検知対象である配管１は、高クロム鋼（例えば９％クロム含有鋼）などの金属製であり、図１に示すように、長尺な円筒形に形成されている。配管１の周壁の一部は、長手方向両端に亘って溶接加工されていることで、長手方向に沿ったライン状の溶接部３が形成されている。この場合、配管１には溶接加工時の熱の影響により配管１が変性した２本の溶接熱影響部２・２が溶接部３に沿って生じている。当該溶接熱影響部２・２は、配管１が内部の高温・高圧流体によって熱や内部圧力の影響を受けると、周方向へ優先的に局所変形して亀裂が発生しやすい。そこで、変位検知装置のセンサ部１０を各溶接熱影響部２・２上に設置して、溶接熱影響部２における局所変形を検知できるように構成されている。
【００２７】
変位検知装置は、配管１の表面に長手方向に沿って配されるパルス波伝送ライン（以下、伝送ラインと称す）からなるセンサ部１０と、伝送ラインの一端から電気パルス波を入射し、その反射波を検知する電気的時間領域反射装置（ＥＴＤＲ）１１と、ＥＴＤＲ１１によって検知された検知信号から、センサ部１０のインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置１２と、インピーダンス計測装置１２による計測結果を表示する表示装置１３とを有する。インピーダンス計測装置１２としては、デジタイジングオシロスコープを使用できる。表示装置１３の代表例としては、モニタである。詳しくは、図１及び図２に示すように、センサ部１０は、溶接熱影響部２を挟んで互いに平行に対向配置された左右２本の伝送ライン１０Ｌ・１０Ｒによって構成されている。なお、配管１は導電性を有しており、下部電極（グランド面）として伝送ラインの一部として利用できる。両伝送ライン１０Ｌ・１０Ｒには、ＥＴＤＲ１１からコネクタ１４を介して同時に同じタイミングで電気パルス波が入射される。両伝送ライン１０Ｌ・１０Ｒは、電気パルス波の入射に伴う互いの電界が結合したクロストークが生じる間隔で配されている。
【００２８】
各伝送ライン１０Ｌ・１０Ｒは、配管１の表面に接着剤１５によって接着される長尺状の誘電板材（バルク板材）１６と、各誘電板材１６上に積層される金属電極１７とからなる。電極１７は、ＡｇやＣｕなどの導電性が良好な金属からなり、誘電板材１６の長手方向両端に亘ってライン状に形成されている。また、金属電極１７は、各誘電板材１６の対向面側一側縁に沿って形成されている。金属電極１７は、印刷、塗布、蒸着等によって積層できる。誘電板材１６の長さはできるだけ長い方が好ましい。誘電板材１６の長さが、溶接熱影響部２の変位を検知できる範囲となるからである。最も好ましくは、溶接部３の長さと同じにする。誘電板材１６は、両伝送ライン１０Ｌ・１０Ｒの対向面側と反対側の側縁において接着されている。誘電板材１６は、接着剤１５の厚み分、配管１の表面から浮いている。
【００２９】
誘電板材１６はセラミックス製である。具体的には、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2などの酸化物系、ＡｌＮ、ＳｉＮなどの窒化物系、ＳｉＣなどの炭化物系などが挙げられ、温度変化による誘電率変化が小さいセラミックスを使用する。誘電率の温度依存性が大きいと、配管１に変位が生じていなくても、配管温度の変動によりインピーダンスが変化し得るからである。中でも、６００℃以上の耐熱性と誘電率の安定性に優れるＭｇＯが好ましい。
【００３０】
また、接着剤１５にもセラミックス系の接着剤を使用している。具体的には、ＭｇＯ系接着剤、Ａｌ2Ｏ3系接着剤などを使用できる。中でもＭｇＯ系接着剤が好ましい。配管を下部電極として利用する場合、この接着層も誘電層として機能するため、比誘電率の温度安定性が必要とされるためである。
【００３１】
次に、このような変位検知装置を使用して、溶接熱影響部２の変位を検知する方法（作用）について説明する。配管１に変位が生じていない初期状態において、センサ部１０を構成する左右の伝送ライン１０Ｌ・１０Ｒには、これらの一端（入射端）に設けられたコネクタ１４を介してＥＴＤＲ１１から同じタイミングの電気パルス波が入射されている。これにより、両伝送ライン１０Ｌ・１０Ｒの周囲には電界が発生しているが、両伝送ライン１０Ｌ・１０Ｒ同士が当接ないし近接していることでクロストークが生じている。各伝送ライン１０Ｌ・１０Ｒに入射された電気パルス波は、伝送ラインのインピーダンス分布に応じて反射し、当該反射パルス波がＥＴＤＲ１１によって検知される。すると、ＥＴＤＲ１１からの検知信号に基づいて、インピーダライン１０Ｌ・１０Ｒのトータルインピーダンス）を計測し、その結果が表示装置１３に表示される。このときのインピーダンスが、溶接熱影響部２の変位を検知する基準となる。
【００３２】
配管１の内部を高温・高圧流体が流動すると、配管１は熱されながら内部流体からの圧力を受ける。このとき、火力発電所などでは配管１内を６００℃以上の高温流体が流動し得るが、誘電板材１６がセラミックス系の接着剤１５によって接着されているので、センサ部１０が剥離することはない。また、誘電板材１６自体も、誘電率の温度依存性が小さく、且つ耐熱性が良好なセラミックス製なので、センサ部１０が破損したり配管１に変位が生じる前からインピーダンスが変化することもない。配管１が熱及び圧力の影響を受けると、これに伴い金属製の配管１には周方向への引張応力が作用するが、周壁の一部が溶接されていることで、溶接熱影響部２において優先的に局所変形する場合がある。すると、当該溶接熱影響部２を挟んで対向配置された左右の伝送ライン１０Ｌ・１０Ｒ同士の距離が大きくなることでクロストークの影響が小さい電界分布となり、センサ部１０のインピーダンスが変化（低下）する。そして、このようなセンサ部１０のインピーダンス変化を表示装置１３によって監視することで、又は初期状態の基準インピーダンスが変化したときに警告が表示装置１３に表示されたり、警報が鳴ることで、溶接熱影響部２の局所変形を検知することができる。溶接熱影響部２における長手方向の一部のみに変位が生じた場合は、表示装置１３には当該箇所に相当するインピーダンスンス計測装置１２が所定のプログラムによってセンサ部１０のインピーダンス（両伝送のみが変化したインピーダンスライン形状が表示装置１３に表示されるので、変位箇所を特定できる。また、ＥＴＤＲ１１の検知信号からインピーダンス計測装置１２によって変位箇所、変位方向、変位量等を診断することもできる。なお、この配管の検査方法として、配管１内に高温流体が流れている実稼動状態での検査のみでなく、定期点検時に配管１への流体を止めて室温とした状態において、インピーダンスを計測することも可能である。
【００３３】
次に、実施例１の変位検知装置を使用した変位検知試験について説明する。模擬構造物として、長さ７０ｍｍ、幅２２０ｍｍ、厚み１０ｍｍのＳＵＳ４３０製金属板からなる試験片を使用した。当該試験片の下面の幅方向中央を、長さ方向の両端に亘って幅５ｍｍで切削し、長さ方向に沿ってライン状に延びる厚み０．５ｍｍの薄肉部を形成した。当該薄肉部は、試験片の左右両端から引っ張り応力を作用させた際に応力集中によって優先的に変位する部位であり、配管における模擬溶接部となる。当該試験片の上面に、薄肉部を挟んで２本の伝送ラインを平行に対向配置した。誘電層（誘電板材）としては、長さ７０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み１ｍｍのＭｇＯ板（ニッカトー社製、ＭＧ−１２）を接着した。両ＭｇＯ板の上面に、金属電極としてＡｇを印刷して５３０℃で焼き付けた。Ａｇ電極は、両ＭｇＯ板の対向面側縁に沿って、長さ方向両端に亘る幅１ｍｍのライン状に印刷した。接着剤としては、誘電板材と同じ素材のＭｇＯ系セラミックス接着剤（ＡＲＥＭＣＯ社製、５７１）を使用した。試験前の初期状態では、左右の両ＭｇＯ板同士が薄肉部の幅方向中央にて当接している状態で接着した。
【００３４】
そして、この試験片の幅方向両端をグリップして油圧式の引張試験装置へ設置し、両伝送ラインとＳＵＳ４３０板にＳＭＡコネクタを介してＥＴＤＲによって電気パルス波を入射しながら、両伝送ライン同士の距離が徐々に増加するように引張応力を与え、両伝送ライン同士の距離が４０μｍ増加する毎に、デジタイジングオシロスコープによって両伝送ラインのトータルインピーダンスを計測した。伝送ライン同士の距離（変位量）は、ＣＣＤカメラを用いた光学顕微鏡（ＫＥＹＥＮＣＥ社製、ＶＨ−８０００）により計測した。各間隔における伝送ラインのインピーダンス変化率を図３に示す。インピーダンス変化率とは、伝送ライン間隔変化に伴うインピーダンスの変化量ΔＺを初期状態でのインピーダンスＺ0で除した値である。図３における距離（ｘ軸）とは、伝送ラインの入射端（ＳＭＡコネクタ）からの距離位置である。また、伝送ライン上の入射端から２８ｍｍの位置におけるライン間隔とインピーダンス変化率との関係を図４に示す。
【００３５】
試験片の両端から引張応力を作用させると、応力集中により薄肉部分が優先的に局所変形する。これに伴い、両伝送ライン同士が徐々に離れていくことで、図３及び図４の結果のように、インピーダンスが低下していく。これは、初期状態では両伝送ラインの間でクロストークが発現していたが、ライン間隔が広がるにつれてクロストークによって高められていたインピーダンスが次第に低下していくことで理解できる。当該実施例１によれば、例えばライン間隔が２５０μｍに広がるとインピーダンスは約２％低下し、ライン間隔が５００μｍではインピーダンスが約４％低下することがわかる。このようなインピーダンス変化を観測することで、溶接熱影響部における局所変位を検知することができる。
【００３６】
（実施例２）
上記実施例１では、金属電極１７を誘電板材１６の上面のみに設けたが、金属電極を誘電板材１６の下面にも設けることが好ましい。すなわち、本実施例２では、図５に示すように、誘電板材１６の下面にも、当該誘電板材１６の長手方向両端に亘って金属電極１８が設けられている。当該誘電板材１６下面の金属電極１８は、誘電板材１６の下面全体に設けられている。なお、下面の金属電極１８の幅は、上面の金属電極１６と同じ幅としてもよいし、異ならせてもよい。また、下面の金属電極１８には、上面の金属電極１６と同じものを使用すればよい。下面の金属電極１８をグランド面として機能させるため、この電極構造とすることにより、設置する構造体には導電性を必要としない。その他の基本構成や作用は実施例１と同様なので、同じ部材に同じ符号を付してその説明を省略する。
【００３７】
当該実施例２の変位検知装置によっても、実施例１における評価試験と同じ条件及び手順でインピーダンス変化を評価した。なお、接着剤１５にはＡｇを使用した。その結果を図６及び図７に示す。図６は、各間隔における伝送ラインのインピーダンス変化率を示す。図７は、伝送ライン上の入射端から２８ｍｍの位置におけるライン間隔とインピーダンス変化率との関係を示す。図６及び図７の結果から、薄肉部分の局所変形に伴い両伝送ライン同士が徐々に離れていくことで、実施例１と同様にインピーダンスが低下していく。しかし、当該実施例２によれば、例えばライン間隔が２５０μｍに広がるとインピーダンスは約３％低下しており、実施例１と比べて１．５倍の変化率があった。
【００３８】
（実施例３）
図１０に、実施例３の変位検知装置を設置した配管の要部拡大断面図を示す。実施例３の変位検知装置でも、センサ部１０を各溶接熱影響部２・２上に設置して、溶接熱影響部２における局所変形を検知できるように構成されている。すなわち、実施例３の変位検知装置も、配管１の表面に長手方向に沿って配される伝送ラインからなるセンサ部１０と、伝送ラインの一端からコネクタ１４を介して電気パルス波を入射し、その反射波を検知するＥＴＤＲ１１と、ＥＴＤＲ１１によって検知された検知信号から、センサ部１０のインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置１２と、インピーダンス計測装置１２による計測結果を表示する表示装置１３とを有する（図１参照）。図１０に示すように、センサ部１０を構成する左右の誘電板材１６Ｌ・１６Ｒは、溶接熱影響部２を挟んで互いに平行に対向配置されている。伝送ライン１０は、それぞれ配管１の表面に接着剤１５によって接着される長尺状の誘電板材１６Ｌ・１６Ｒと、それらの長手方向両端に亘ってライン状に積層される金属電極１７とからなる。
【００３９】
そのうえで、実施例１や実施例２と異なる点は、両誘電板材１６Ｌ・１６Ｒのうち、一方（図１０の左側）の誘電板材１６Ｌの幅方向一側面（右側の誘電板材１６Ｒとの対向面）は、下方から上方にかけて徐々に薄肉となる傾斜面１６Ｌａとなっている。一方、他方（図１０の右側）の誘電板材１６Ｒの幅方向一側面（左側の誘電板材１６Ｌとの対向面）は、上方から下方にかけて徐々に薄肉となる傾斜面１６Ｒａとなっている。金属電極１７は、各誘電板材１６Ｌ・１６Ｒの傾斜面１６Ｌａ・１６Ｒａの裏面に積層されておいる。金属電極１７は、それぞれ傾斜面１６Ｌａ・１６Ｒａの幅以上の幅とする。両誘電板材１６Ｌ・１６Ｒの傾斜面１６Ｌａ・１６Ｒａは互いに平行であり、両誘電板材１６Ｌ・１６Ｒは、傾斜面１６Ｌａ・１６Ｒａ同士が対向するように配されている。これにより、上下の金属電極１７・１７の間で各誘電板材１６Ｌ・１６Ｒの傾斜面１６Ｌａ・１６Ｒａが上下に重なり、コンデンサが形成される。なお、それぞれ平行な傾斜面１６Ｌａ・１６Ｒａを有する誘電板材１６Ｌ・１６Ｒを製造するには、１枚の誘電板材の幅方向中央部分を斜めにカットするだけで容易に製造できる。
【００４０】
このような構成となっていると、配管１の溶接熱影響部２が周方向に変位することに伴い、両誘電板材１６Ｌ・１６Ｒ間の距離が広がって、図１１の左図に示すように両傾斜面１６Ｌａ・１６Ｒａの間に空気層が形成される。この状態では、図１１の右図に示すように、左側誘電板材１６ＬのコンデンサＣ誘電層と、空気層のコンデンサＣairと、右側誘電板材１６ＲのコンデンサＣ誘電層とが上下に並んだ状態となる。ここで、例えば誘電板材１６がＭｇＯであれば、当該ＭｇＯの比誘電率εrは１０であり、空気層の比誘電率εrは１である。したがって、溶接熱影響部２の変位に伴い空気層の厚みが増大することで全体的なコンデンサ静電容量が減少して、インピーダンスが増大することになる。その他は、実施例１や実施例２と同様である。
【００４１】
当該実施例３の変位検知装置によっても、実施例１における評価試験と同じ条件及び手順でインピーダンス変化を評価した。このとき、傾斜面及び金属電極の幅は、それぞれ１ｍｍとした。その結果を図１２及び図１３に示す。図１２は、各間隔における伝送ラインのインピーダンス変化率を示す。図１３は、伝送ライン上の入射端から２５ｍｍの位置におけるライン間隔とインピーダンス変化率との関係を示す。図１２及び図１３の結果から、薄肉部分の局所変形に伴い両伝送ライン同士が徐々に離れていくことで、実施例１とは逆にインピーダンスが増大していく。当該実施例３によれば、例えばライン間隔が２５０μｍに広がるとインピーダンスは約１７％増大しており、実施例１と比べて約９倍の変化率があった。
【００４２】
（変形例）
なお、上記実施例１〜３における評価試験では、初期状態において伝送ライン同士を当接させたが、初期状態においてある程度（実施例１及び実施例２ではクロストークが発現する範囲で）離しておけば、構造物が圧縮変形した場合に、実施例１及び実施例２ではインイーダンスの増加として、実施例３ではインピーダンスの低下として検知できる。
【００４３】
上記実施例１〜３では、変位検知装置を円筒形の配管に配して、溶接熱影響部における周方向への変位を検知する構成としたが、これに限らず、変位検知装置を板状や角状の長尺構造物へ配して、長手方向と直交する方向への変位を検知するようにすることもできる。なお、ライン間隔に伴うインピーダンス変化率の顕著性から、上記実施例３の構成が最も好ましく、上記実施例２の構成が次いで好ましい。
【符号の説明】
【００４４】
１  配管（長尺状構造物）
２  溶接熱影響部
３  溶接部
１０  センサ部
１１  電気的時間領域反射装置（ＥＴＤＲ）
１２  インピーダンス測定装置
１３  表示装置
１５  接着剤
１６  誘電板材（誘電層）
１６ａ  傾斜面
１７・１８  金属電極
【図１】
2010237064.tif 000003
【図２】
2010237064.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010237064.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010237064.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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