(57)【要約】【課題】従来のような直接的な寸法測定又は重量測定によらずに、間接的に断面形状の変化を測定することを可能とする、金属体の断面形状測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】  導電性の液体中に浸された金属体の断面形状を測定する断面形状測定装置であって、金属体の近傍を取り囲むように配置される一又は複数の電極、又は周囲を移動可能に配置された単数若しくは複数の電極と、金属体と電極との間に交流電圧を印加して、金属体と電極との間の交流インピーダンスを測定する交流インピーダンス測定手段と、交流インピーダンスの測定値に基づいて、金属体の断面形状を同定する断面形状同定手段とを備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の液体中にある金属体の断面形状を測定する断面形状測定装置であって、
該装置は、
前記金属体の近傍を取り囲むように配置される一又は複数の電極、又は周囲を移動可能に配置された単数若しくは複数の電極と、
前記金属体と前記電極との間に交流電圧を印加して、前記金属体と前記電極との間の交流インピーダンスを測定する交流インピーダンス測定手段と、
前記交流インピーダンスの測定値に基づいて、前記金属体の断面形状を同定する断面形状同定手段とを備えることを特徴とする金属体の断面形状測定装置。
【請求項２】
前記断面形状同定手段が、
前記断面形状を表現する関数の形状パラメータを、前記交流インピーダンスの測定値に基づいてパラメータ同定を行い、前記金属体の断面形状を同定することを特徴とする請求項１に記載の金属体の断面形状測定装置。
【請求項３】
前記導電性の液体が海水で、かつ、前記金属体が海洋構造物の表面に設置された犠牲陽極である請求項１又は２に記載の金属体の断面形状測定装置。
【請求項４】
前記断面形状同定手段が、最小二乗法によって前記形状パラメータの同定を行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の金属体の断面形状測定装置。
【請求項５】
前記交流電圧の周波数が１０ｋＨｚ以上である、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属体の断面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、断面の形状が予め分かっている金属体を導電性の液体中に浸した場合に生ずる断面形状の変化を測定するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に海洋構造物は、長期間海水にさらされる環境下にあるため腐食が進行しやすい。海洋構造物の腐食を防ぐ手法として、ペイント防食や電気防食が挙げられる。このうち電気防食法は、外部電源方式と流電陽極方式に大別でき、流電陽極方式は電源設備が不要で設置が容易であることを理由に多くの海洋構造物に適用されている。
流電陽極方式では、犠牲陽極と呼ばれる金属体が構造物の表面に取り付けられる。犠牲陽極はその性質上、時間経過とともに消耗していくものであるため、定期的に残存量をチェックする必要がある。また、犠牲陽極の発生電流量は構造物の防食状態の確認や犠牲陽極の寿命予測において重要な役割を担う。そのため海洋構造物の維持管理では、犠牲陽極の残存量、発生電流量の測定が定期的に実施されている（非特許文献１）。
【０００３】
現在犠牲陽極の残存量の測定は次の２つの方法により行われている（非特許文献２）。１つはダイバーによる残存寸法の測定、もう１つは犠牲陽極を一度取り外して行う重量測定である。
しかし、これらの方法にはそれぞれ問題点がある。ダイバーによる残存寸法の測定では、寸法測定を行う前に犠牲陽極に付着した海洋性生物を除去する必要がある。この海洋性生物の除去はダイバーが手作業で行う必要があるため、ダイバーへの負担の増加が問題となる。犠牲陽極の重量測定では、一度取り外すために大掛かりな工事が必要であることが問題となる。ゆえに、より効率的、経済的に犠牲陽極の残存量を測定する新たな方法の開発が望まれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】（財）沿岸技術研究センター、“港湾の施設の維持管理技術マニュアル”、沿岸技術ライブラリー、No．26(2007)
【非特許文献２】防食・補修工法研究会、“港湾鋼構造物調査診断・防食・補修工法”(2002)
【非特許文献３】Amaya，K．  and  Aoki，S．，”Effective  boundary  element  methods  in  corrosion  analysis”，Engineering  Analysis  with  Boundary   lements，27，pp．507-519(2003)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上述のような事情に鑑み為されたものであり、従来のような直接的な寸法測定又は重量測定によらずに、間接的に断面形状の変化を測定することを可能とする、金属体の断面形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、導電性の液体中にある金属体の断面形状を測定する断面形状測定装置に関するものであり、本発明の上記目的は、前記金属体の近傍を取り囲むように配置される一又は複数の電極、又は周囲を移動可能に配置された単数若しくは複数の電極と、前記金属体と前記電極との間に交流電圧を印加して、前記金属体と前記電極との間の交流インピーダンスを測定する交流インピーダンス測定手段と、前記交流インピーダンスの測定値に基づいて、前記金属体の断面形状を同定する断面形状同定手段とを備えたことを特徴とする金属体の断面形状測定装置によって達成される。
【０００７】
また、本発明の上記目的は、前記断面形状同定手段が、前記断面形状を表現する関数の形状パラメータを、前記交流インピーダンスの測定値に基づいてパラメータ同定を行い、前記金属体の断面形状を同定することを特徴とする金属体の断面形状測定装置によって効果的に達成される。
【０００８】
さらに、本発明の上記目的は、前記断面形状同定手段が、最小二乗法によって前記形状パラメータの同定を行うことを特徴とする前記金属体の断面形状測定装置によって効果的に達成される。
【０００９】
またさらに、本発明の上記目的は、前記交流電圧の周波数を１０ｋＨｚ以上とすることによって、より効果的に達成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る金属体の断面形状測定装置によれば、導電性の液体中から金属体を引き上げることなく、あるいは、液体中で巻尺等で直接に測定することなく断面形状を測定することができるので、この装置を、海洋構造物に取り付けられた犠牲陽極の残存量の測定に利用した場合には、ダイバーが犠牲陽極を取り外したり、犠牲陽極の周りに付着した海洋性生物を除去したりする作業が不要となり、ダイバーの作業負担の軽減となり、ゴミも出ない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る金属体の断面形状測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】犠牲陽極に電極が配置された状態を示す図である。
【図３】金属体（犠牲陽極）のインピーダンス変化を測定することによって金属体断面の形状変化を測定する方法を説明するための概念図である。
【図４】海水中における犠牲陽極近傍の電気的等価回路を示す図である。
【図５】犠牲陽極の断面形状を表現する関数のグラフを示す図である。
【図６】犠牲陽極−電極間のインピーダンス測定の回路図を示すものである。
【図７】インピーダンス測定方法の別の形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、導電性の液体中にある金属体の断面形状を測定する断面形状測定装置に関するものであるが、その代表的な実施形態として、海水中にある犠牲陽極の断面形状を測定する場合について説明する。なお、以下の説明は、導電性の液体が海水以外のものでも成立し、また、断面形状が予め分かっており、好ましくはパラメータで表現できるものであれば任意の形状のものにも適用できるものであるので、必ずしも矩形状のものには限定されない。また、金属体は犠牲陽極には限られないことは言うまでもない。
【００１３】
図１は本発明に係る金属体の断面形状測定装置の構成を示すブロック図である。この装置は、金属体を取り囲むように配置された複数の電極（一又は複数の電極を順次移動させるようにしてもよい。）と金属体との間に交流電圧を印加して、その間の交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、断面形状のパラメータ（ａｊ，ｂｋ）ごとに予め計算（実験で求めてもよい。）されているインピーダンス計算値（Ｚ（ａｊ，ｂｋ））とインピーダンス測定値Ｚ＊との差が最も小さくなるときのパラメータ（ａｊ，ｂｋ）を数値解析によって求める断面形状同定手段とを備えている。断面形状同定手段は専用のユニットで構成してもよいし、汎用のパソコンに専用のソフトウェアを組み込んで実現してもよい。
【００１４】
図２は海洋構造物に取り付けられた犠牲陽極（以下、単に「陽極」という。）、インピーダンス測定用の電極が配置されている状態を示すものである。電極は図示しない固定具にて陽極を取り囲むように固定される。なお、陽極の周囲に移動用のガイドを設け、一又は複数の電極を移動可能に配置するようにしてもよい。
そして陽極と各電極との間に交流電流を印加し、電極と陽極間のインピーダンスを測定する。測定されたインピーダンスの値から陽極の断面形状を逆解析により同定する。
【００１５】
図３は金属体（陽極）のインピーダンス変化を測定することによって金属体の断面形状変化が測定できることを説明するための概念図である。すなわち、陽極の断面形状が変化すれば、電極と陽極との間のインピーダンスが変化するという性質を利用している。
【００１６】
本発明に係る方法において、陽極と電極間のインピーダンスに影響を及ぼす要因として陽極表面の分極抵抗が挙げられる。実環境の陽極について分極抵抗を測定することは困難であるため、分極抵抗の値に影響されない測定値を用いることが望まれる。そこで本発明では、陽極と電極間の印加電圧を交流電圧とすることで、分極抵抗の影響が生じないインピーダンス測定を採用した。
図４に陽極近傍の電気的等価回路を示す。図４に示すように、表面は分極抵抗Ｒａと電気二重層コンデンサＣの並列回路で表される。キャパシタの性質上、高周波領域でのＣのインピーダンスＺｃは略ゼロとなるため、高周波領域での陽極表面全体のインピーダンスＺ’はゼロとみなすことが出来る。従って、十分高い周波数（１０ＫＨｚ以上）の交流電圧を印加することで、陽極の分極抵抗を無視することができる。
【００１７】
次に、陽極の断面形状を表現する関数を決定する。陽極形状の関数として次の関数を考える。
【数１】
2011075492.tif 000003
ここで、ａ，ｂはそれぞれ陽極のｘ方向の長さ、ｙ方向の長さの半分を表す。この形状をグラフ化すると図５の通りになる。ただし、これらのグラフは各関数のパラメータａ，ｂが等しい場合を示している。式１より陽極の断面形状は２つのパラメータａ，ｂで表される。よって本発明は陽極と各電極間のインピーダンス測定結果から陽極の形状パラメータａ，ｂを求める逆問題となる。ここで、次の式２で表される評価関数を考える。
【数２】
2011075492.tif 000004
Ｚ＊ｉは陽極−電極間インピーダンスの測定値であり、添え字のｉは例えば図３のような場合では最大１３になる。Ｚｉ（ａｊ，ｂｋ）は後述のように数値解析で事前に算出する、陽極形状パラメータに対する陽極−電極間インピーダンスの計算値である（後述のように実物モデルを作成して実験で求めてもよい。）。この評価関数Ｊが最小となるときの（ａｊ，ｂｋ）の組み合わせを求めることで陽極の形状を同定する（最小二乗法）。（ａｊ，ｂｋ）の組み合わせは、（ｊ×ｋ）通り存在するので、Ｊ（ａｊ，ｂｋ）も同じ個数だけ計算する必要がある。
しかし、実際には、そのすべてを計算せずに効率的な最適化手法により効率的に解を探索する。たとえばマルカート法、パターン探索法、ＧＡなどが最適化手法として利用できる。さらに（ｊ×ｋ）通りの（ａｊ，ｂｋ）は離散的であるが、Ｚｉ（ａｊ，ｂｋ）のデータテーブルを応答曲面法などで内挿して（ａｊ，ｂｋ）を連続的に取り扱うことも可能である。
【００１８】
次に、実際に使用する電極の組み合わせを決定する。図３に示す複数の電極のうち、どの組み合わせの陽極−電極間インピーダンスを利用するかを決定する。組み合わせを考える際、断面形状の変化に対するインピーダンスの感度が高くなるように電極の配置及び接続を設定した。図６に、測定する陽極−電極間インピーダンスＺｉ（ｉ＝１，２，３）を示す。ここで図６（ａ）について説明する。白抜き文字で示した電極６と陽極間のインピーダンスをＺ１とする。また、電極６に着目すると、電極６は隣接する電極５と７と接続されていることが確認できる。このような接続を行っている理由は、陽極が消耗し小さくなった時の形状変化に対するＺ＊ｉの感度を高めるためである。すなわち、中心電極（６）からの電流の広がりを抑えるために、両サイドの電極（５、７）から電流を流すと効果的である。また、本実施例では陽極の並進、回転の位置ずれが生じない状態を考えるため、図６に示す３種類のインピーダンスで陽極の断面形状を同定する。図６で「Ｖ」は電圧計、「Ａ」は電流計を示し、その比からインピーダンス測定値が求められる。
なお、すべての電極に対して一斉に電圧を印加しておいて、電圧、電流を測定する電極を一つずつ切り換えていってもよい。
【００１９】
図７は、インピーダンス測定方法の別の形態を示す図である。周波数応答分析器（ＦＲＡ）を用いて測定する場合である。電流を電圧に変換するためのシャント抵抗が挿入されている。ＣＨ１とＣＨ２の出力の比にシャント抵抗値を乗ずれば、陽極−電極間のインピーダンスが求められる。
【００２０】
数値解析により本発明に係る装置の有効性を確認する。解析方法には、腐食防食解析に適した境界要素法（非特許文献３）を用いた。本発明では交流電場について取り扱うが、本実施例の系では高周波領域で電位と電流の位相差が発生しないため、電位と電流密度の最大値を考え、通常の直流電場での解析を行った。また、交流電圧を印加しない状態の電位φを初期値として、その電位からの変化量Δφを解析対象とした。
【００２１】
＜Ｚ（ａｊ，ｂｋ）の計算＞
陽極形状の同定の際に必要となる、陽極形状パラメータに対するインピーダンスの計算値Ｚ（ａｊ，ｂｋ）を算出する。ここで解析する陽極の大きさは、ａ＝ｂ＝０．２［ｍ］とする。この状態を１００％とし、パラメータａ，ｂの値を０．１［ｍ］まで０．０１［ｍ］刻みで１１段階変化させる。従って、ｊ＝１〜１１、ｋ＝１〜１１となり、合計（ｊ×ｋ）＝１１2=１２１通りのＺ（ａｊ，ｂｋ）が算出されることになる。なお、実際には、使用する電極の組み合わせによって決まる、測定値Ｚ＊ｉの個数（すなわち式２におけるｎ）倍だけＺ（ａｊ，ｂｋ）が存在する。
Ｚ１算出時の各境界の境界条件を表１に示す。計算でインピーダンスを求める方法のほかに実際にさまざまなサイズの犠牲陽極をあらかじめ用意して実験でインピーダンスのデータテーブルを構成する方法もある。
【表１】
2011075492.tif 000005
【００２２】
＜パラメータ（ａｊ，ｂｋ）の同定＞
任意の形状パラメータでの評価関数Ｊ（ａｊ，ｂｋ）を計算し、そのＪ（ａｊ，ｂｋ）を最小とするときのパラメータ（ａｊ，ｂｋ）を同定する。測定時の誤差を考慮するため、Ｚｉの値に±１％の誤差を与えた時のパラメータ同定も行った。表２にａが等しい（0.175m）場合の３種類の任意形状での陽極形状同定結果を示す。表３はａが0.125mの場合の３種類の任意形状での陽極形状同定結果を示す。
【表２】
2011075492.tif 000006
【表３】
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表２及び３より、測定誤差がゼロの場合は面積の誤差が１％以下であり、良い同定値を示していることが確認できる。これに対して、±１％の測定誤差を考慮した場合は面積の誤差が数％生じていることが確認できる。しかし、ここで要求される陽極の形状変化の同定誤差は１０％以内であるため、本発明に係る装置により十分な陽極の残存量同定が可能であると考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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