(57)【要約】【課題】ワイヤメッシュセンサを適用した新規な固体の状態変化検知センサ及び固体の状態変化検知方法を提供する。【解決手段】固体１１の状態変化検知センサは、固体１１中に配設される、相互に間隔をあけて配設された第１のワイヤ電極２１ａ〜２１ｄからなる励起電極２２と、相互に間隔をあけて配設され且つ第１のワイヤ電極２１ａ〜２１ｄと交差して設けられた第２のワイヤ電極２３ａ〜２３ｄからなる計測電極２４とを有するワイヤメッシュセンサ２０と、第１のワイヤ電極２１ａ〜２１ｄに励起信号ＰＩを入力する入力手段３０と、第２のワイヤ電極２３ａ〜２３ｄから出力されたキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４を検出する検出手段４０と、キャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４を演算処理して固体１１の状態変化を検知する演算処理手段５０とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体中に配設される、
相互に間隔をあけて配設された複数の第１のワイヤ電極からなる励起電極と、相互に間隔をあけて配設され且つ前記複数の第１のワイヤ電極と交差して設けられた複数の第２のワイヤ電極からなる計測電極とを有するワイヤメッシュセンサと、
前記第１のワイヤ電極に励起信号を入力する入力手段と、
前記第２のワイヤ電極から出力されたキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号を検出する検出手段と、
前記キャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した前記計測信号を演算処理して前記固体の状態変化を検知する演算処理手段と
を有することを特徴とする固体の状態変化検知センサ。
【請求項２】
前記ワイヤメッシュセンサは、流動しない前記固体中に配設され、
前記演算処理手段は、前記固体中に流動体が生成、衝突又は混在する状態変化を検知することを特徴とする請求項１に記載の固体の状態変化検知センサ。
【請求項３】
相互に間隔をあけて配設された複数の第１のワイヤ電極からなる励起電極と、相互に間隔をあけて配設され且つ前記複数の第１のワイヤ電極と交差して設けられた複数の第２のワイヤ電極からなる計測電極とを有するワイヤメッシュセンサを固体中に配設し、
前記第１のワイヤ電極に励起信号を入力し、
前記第２のワイヤ電極から出力されたキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号を検出し、
前記キャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した前記計測信号に基づいて、前記固体の状態変化を検知する
ことを特徴とする固体の状態変化検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体の状態変化検知センサ及び固体の状態変化検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
管路を流れる流体の断面内の多点における気液二相流中の液体と気体の存在量の時系列情報を得るためのセンサとして、非特許文献１に示すようなワイヤメッシュセンサ（Ｗｉｒｅ−Ｍｅｓｈ  Ｓｅｎｓｏｒ：ＷＭＳ）が知られている。かかるワイヤメッシュセンサは、流体が流れる管路の軸方向において所定の距離を隔てて交差させると共に、管路の断面内で正方格子状に配設された第１のワイヤ電極及び第２のワイヤ電極を有しており、第１のワイヤ電極を励起電極及び第２のワイヤ電極を計測電極とするインピーダンス計測センサである。ワイヤメッシュセンサにおいては、ワイヤ同士は近接しているが、接触はしていない。以下、このワイヤ同士が近接している部分を便宜的に交点という。
【０００３】
上記ワイヤメッシュセンサを有するインピーダンス計測センサでは、第１のワイヤ電極で形成する入力線に、各スイッチにより一列目から順に励起パルスが印加される。ここで、励起パルスは、電源から切替スイッチを介して供給される。かかる励起パルスの印加に伴い、第１のワイヤ電極及び第２のワイヤ電極の各交点におけるインピーダンスは、各交点を短絡する流体の状態に応じて変化する。その結果、インピーダンス計測センサでは、第２のワイヤ電極で形成する出力線に、各交点のインピーダンスを反映した計測信号が行毎に出力される。そして、出力された計測信号を演算処理部で処理することにより、各交点における、例えば気液二相流における気液の割合等、所望の物質の存在量を演算により計測することができる。
【０００４】
ところで、近年、上記ワイヤメッシュセンサを適用した計測センサや計測システムが開発されている。そのような適用例としては、例えば、気液二相流のボイド率の計測を目的として流れ媒体中の伝導率分布を測定する格子センサ（特許文献１参照）や、複数のロッド状部材の間及び周囲に存在する媒体（例えば流体）を測定対象とするインピーダンス計測センサ（特許文献２，３参照）、或いは、流路中の測定対象（例えば気泡）のインピーダンスに基づき三次元速度を計測する三次元速度の計測システム（特許文献４，５参照）等が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０９００７７号公報
【特許文献２】特許第５７２８７６４号公報
【特許文献３】特許第５６５６２１９号公報
【特許文献４】特開２０１３−３０５２号公報
【特許文献５】特開２０１３−２４６１２４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｈ．Ｐｉｅｔｒｕｓｋｅ．Ｈ．−Ｍ．Ｐｒａｓｓｅｒ／Ｆｌｏｗ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ  １８（２００７）  ８７−９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、近年、上述のワイヤメッシュセンサの更なる応用が期待されている。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、ワイヤメッシュセンサを適用した新規な固体の状態変化検知センサ及び固体の状態変化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】
上記目的を達成するための本発明の第１の態様に係る固体の状態変化検知センサは、固体中に配設される、相互に間隔をあけて配設された複数の第１のワイヤ電極からなる励起電極と、相互に間隔をあけて配設され且つ前記複数の第１のワイヤ電極と交差して設けられた複数の第２のワイヤ電極からなる計測電極とを有するワイヤメッシュセンサと、前記第１のワイヤ電極に励起信号を入力する入力手段と、前記第２のワイヤ電極から出力されたキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号を検出する検出手段と、前記キャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した前記計測信号を演算処理して前記固体の状態変化を検知する演算処理手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の第１の態様では、ワイヤメッシュセンサが固体中に配設されるという新規な着想に基づいた固体の状態変化検知センサを提供することができる。即ち、固体の状態変化を経時的に且つ容易に非破壊で観察することが可能な固体の状態変化検知センサを提供することができる。
【００１１】
また、本発明の第２の態様に係る固体の状態変化検知センサは、前記ワイヤメッシュセンサは、流動しない前記固体中に配設され、前記演算処理手段は、前記固体中に流動体が生成、衝突又は混在する状態変化を検知することを特徴とする。
【００１２】
本発明の第２の態様では、ワイヤメッシュセンサが流動しない固体中に配設されるという新規な着想に基づいた固体の状態変化検知センサを提供することができる。即ち、固体の状態変化を経時的に且つ容易に非破壊で観察することができると共に、固体の形態に応じて二次元の観察分布を適宜変更することができ、より自由度の高い観察を行うことが可能な固体の状態変化検知センサを提供することができる。
【００１３】
上記目的を達成するための本発明の第３の態様に係る固体の状態変化検知方法は、相互に間隔をあけて配設された複数の第１のワイヤ電極からなる励起電極と、相互に間隔をあけて配設され且つ前記複数の第１のワイヤ電極と交差して設けられた複数の第２のワイヤ電極からなる計測電極とを有するワイヤメッシュセンサを固体中に配設し、前記第１のワイヤ電極に励起信号を入力し、前記第２のワイヤ電極から出力されたキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号を検出し、前記キャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した前記計測信号に基づいて、前記固体の状態変化を検知することを特徴とする
【００１４】
本発明の第３の態様では、上述のワイヤメッシュセンサを流動しない固体中に配設して得られたキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号によって固体の状態変化を検知するという新規な着想に基づいた固体の状態変化検知方法を提供することができる。即ち、固体の状態変化を経時的に且つ容易に非破壊で観察することができると共に、固体の形態に応じて二次元の観察分布を適宜変更することができ、より自由度の高い観察を行うことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ワイヤメッシュセンサを適用した新規な固体の状態変化検知センサ及び固体の状態変化検知方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ワイヤメッシュセンサを有する計測装置を示す模式図である。
【図２】ワイヤメッシュセンサを有する計測装置の部分断面図であり、（ａ）は容器の軸方向の部分断面図であり、（ｂ）は容器の径方向の部分断面図である。
【図３】各実施例で用いたワイヤメッシュセンサの概略を示した斜視図である。
【図４】実施例１における固相／液相／気相識別試験の結果を示したグラフである。
【図５】実施例２における固相／気相識別試験の結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１の実施形態）
図１及び図２に基づいて本発明の一実施形態にかかるワイヤメッシュセンサ、及び、ワイヤメッシュセンサを有する計測装置の構成を説明する。
【００１８】
図１は、ワイヤメッシュセンサを有する計測装置を示す模式図である。また、図２は、かかる計測装置の部分断面図であり、（ａ）は計測装置においてワイヤメッシュセンサを配設した容器の軸方向の部分断面図であり、（ｂ）は容器の径方向の部分断面図である。
【００１９】
図示するように、ワイヤメッシュセンサを有する計測装置（以下、「計測装置１」と称する）は、測定対象である固体１１を収容して保持する管状容器１０と、管状容器１０内にそれぞれ配設された複数のワイヤメッシュセンサ２０と、ワイヤメッシュセンサ２０に励起信号ＰＩを入力する入力手段３０と、ワイヤメッシュセンサ２０から出力された計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４を検出する検出手段４０と、検出手段４０に検出された計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４を演算処理して固体１１の状態変化を検知する演算処理手段５０とを備えている。
【００２０】
計測装置１では、管状容器１０内に固体１１を収容する際に、固体１１中に複数のワイヤメッシュセンサ２０を配設し、その状態が保持される。即ち、計測装置１は、ワイヤメッシュセンサ２０が固体１１中に配設されるという新規な着想に基づいた固体１１の状態変化検知センサである。かかる構成により、計測装置１は、固体１１の状態変化を経時的に且つ容易に非破壊で観察することができる。
【００２１】
管状容器１０は、複数のワイヤメッシュセンサ２０が配設された固体１１を内部に収容し、その状態を保持する。管状容器１０は、固体１１中に配設された複数のワイヤメッシュセンサ２０を破損させることなく収容状態を保持することができればよく、材質、形状、サイズ等は特に制限されず、固体１１や計測装置１に応じて適宜変更され得る。本実施形態では、図示されていないが、軸方向上面に固体１１を注入するための開口部が設けられ、軸方向下面が閉塞された筒状の管状容器１０を用いた。ただし、構造物等の内部に存在する固体１１の状態変化を経時的に観察する場合には、予めワイヤメッシュセンサ２０を固体１１中に配設し、そのような状態で固体１１が構造物等に供されるので、管状容器１０を用いなくてもよい。
【００２２】
ここで、本実施形態における固体１１とは、流動しないもの、即ち非流動体である。計測装置１の測定対象となり得る固体１１は、例えば、コンクリート、カーボンファイバー、メタンハイドレード、ベントナイト、寒天等が挙げられる。本実施形態では、内部にワイヤメッシュセンサ２０を配設することができる固体１１であれば、その状態変化を観察することができる。また、固体１１は、内部にワイヤメッシュセンサ２０を配設する際に流動体であっても、状態変化の観察開始時に非流動体であればよく、先に例示したコンクリート等がこれに該当する。なお、計測装置１の具体的な適用例（アプリケーション）については後述する。
【００２３】
また、計測装置１において演算処理手段５０により検知される固体１１の状態変化とは、固体１１中に流動体が生成、衝突又は混在する状態変化である。流動体は、気体、液体又はプラズマであり、これらの混合物も本実施形態の流動体の概念に含まれる。
【００２４】
ワイヤメッシュセンサ２０は、４本の第１のワイヤ電極（トランスミッタワイヤ）２１ａ〜２１ｄからなる励起電極２２と、計測電極として機能する４本の第２のワイヤ電極（レシーバーワイヤ）２３ａ〜２３ｄからなる計測電極２４とから構成されている。本実施形態では、各ワイヤ電極の本数はこれに限定されず、ワイヤメッシュセンサ２０の測定精度や、測定対象である固体１１の形態に応じて適宜変更され得る。
【００２５】
励起電極２２は、第１のワイヤ電極２１ａ〜２１ｄが相互に間隔をあけて平行に同一平面上に配設されている。また、計測電極２４は、第２のワイヤ電極２３ａ〜２３ｄが相互に間隔をあけて平行に同一平面上に配設され、且つ第１のワイヤ電極２１ａ〜２１ｄと交差して設けられている。励起電極２２が配設された平面と計測電極２４が配設された平面とは、管状容器１０内に存在する互いに異なるが一定の間隔を置いて平行に配設された平面である。即ち、励起電極２２と計測電極２４とが、相互が離隔距離を有して矩形格子状に配設されてワイヤメッシュセンサ２０となる。ただし、ワイヤメッシュセンサ２０は、励起電極２２と計測電極２４とが互いに干渉せずに、固体１１の状態変化の観察に支障が無ければ、上記構造に限定されない。例えば、各ワイヤ間及び各電極が相互に平行に配設されなくてもよいし、メッシュ形状が矩形状でなくてもよい。
【００２６】
また、本実施形態では、上記複数のワイヤメッシュセンサ２０が、管状容器１０の深さ方向に対して互いに一定の間隔を置いて平行に管状容器１０内に配設されている。ワイヤメッシュセンサ２０の配設数は、測定対象である固体１１に応じて適宜変更され得るが、計測精度の観点から複数のワイヤメッシュセンサ２０を配設することが好ましい。
【００２７】
上述した通り、ワイヤメッシュセンサ２０において、励起電極２２と計測電極２４とは、近接しているが接触はしていない。以下、各電極のワイヤ電極同士が近接している部分を便宜的に交点という。本実施形態では、この交点が固体１１の状態変化の計測点となる。ここで、計測点とは各電極のワイヤ電極間の空間に存在し、具体的には、図２（ａ）に示すように、例えば計測点［１，１］は、第１のワイヤ電極２１ａと第２のワイヤ電極２３ａとの間に存在する。即ち、ワイヤメッシュセンサ２０では、第１のワイヤ電極２１ａと第２のワイヤ電極２３ａとの間に存在する固体１１の状態変化を二次元の計測分布により検知する。
【００２８】
また、図１及び図２に示すように、ワイヤメッシュセンサ２０における計測点（［１，１］，［２，１］，［３，１］，［４，１］・・・［１，４］，［２，４］，［３，４］，［４，４］）は、１組の励起電極２２と計測電極２４とが存在する面内に分散されて、複数のワイヤメッシュセンサ２０を組み合わせて多数形成されている。即ち、ワイヤメッシュセンサ２０は、多点電極センサであるので、各計測点における固体１１の状態変化を三次元の観察分布により検知することができる。例えば、二次元の観察分布によりワイヤメッシュセンサ２０毎に固体１１の状態変化を比較して、固体１１の部分的な状態変化の有無を検知することができる。従って、計測装置１では、より精度の高い固体の状態変化の観察を行うことができる。
【００２９】
なお、本実施形態では、第１のワイヤ電極２１ａ〜２１ｄからなる励起電極２２と、第２のワイヤ電極２３ａ〜２３ｄからなる計測電極２４を用いる形態を採用したが、必要に応じて第２のワイヤ電極２３ａ〜２３ｄからなる励起電極と、第１のワイヤ電極２１ａ〜２１ｄからなる計測電極を用いる形態を採用してもよい。
【００３０】
また、本実施形態では、第１のワイヤ電極２１ａ〜２１ｄ及び第２のワイヤ電極２３ａ〜２３ｄの素材として、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を用いたが、所定の電極としてそれぞれ機能し、固体１１との接触や測定形態に応じた変形等により劣化が生じない素材であれば特に限定されない。また、各ワイヤ電極は、計測装置１のノイズの低減や干渉防止効果により計測感度を向上させる観点から、互いに交差する領域を除いて絶縁材料からなる被覆材でコーティングされてもよい。ここで、各ワイヤ電極における互いに交差する領域を除く領域とは、後述する各パラメータを反映した計測信号の検出に関与せず、測定点として機能しない領域である。被覆材となり得る絶縁材料としては、フッ素樹脂、パラキシリレン樹脂、エナメル等が挙げられ、必要に応じて材料を適宜選択することができる。
【００３１】
入力手段３０は、電源３１と切替スイッチＳＰとスイッチＳ１〜Ｓ４とから構成され、スイッチＳ１〜Ｓ４にそれぞれ接続された第１のワイヤ電極２１ａ〜２１ｄが入力線となる。入力手段３０では、電源３１から切替スイッチＳＰを介して励起信号ＰＩが供給され、スイッチＳ１〜Ｓ４により一列目の第１のワイヤ電極２１ａから順に励起信号ＰＩがそれぞれ印加される。なお、入力手段３０の構成は、第１のワイヤ電極２１ａ〜２１ｄに励起信号ＰＩを供給することができれば上記に限定されず、必要に応じて適宜変更され得る。
【００３２】
検出手段４０は、Ａ／Ｄ変換器４１ａ〜４１ｄと検出部４２とから構成され、Ａ／Ｄ変換器４１ａ〜４１ｄにそれぞれ接続された第２のワイヤ電極２３ａ〜２３ｄが出力線となる。検出手段４０では、入力手段３０により第１のワイヤ電極２１ａ〜２１ｄにそれぞれ印加された励起信号ＰＩが、第１のワイヤ電極２１ａ〜２１ｄと第２のワイヤ電極２３ａ〜２３ｄとの交点、即ち計測点（［１，１］，［２，１］，［３，１］，［４，１］・・・［１，４］，［２，４］，［３，４］，［４，４］）において、固体１１の状態変化を反映した計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４に変換され、Ａ／Ｄ変換器４１ａ〜４１ｄを介してそれぞれ出力され、この計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４が検出部４２で検出される。
【００３３】
図１では、図面の煩雑さを回避する観点から、計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４のみを記載しているが、実際には、励起信号ＰＩが一つの交点において一つの計測信号に変換され、この信号が検出部４２で検出される。各計測信号は、検出のタイミングによって判別される。例えば、スイッチＳ１から一列目の第１のワイヤ電極２１ａ印加された励起信号ＰＩは、各交点、即ち各計測点（［４，１］，［３，１］，［２，１］，［１，１］）の順に印加されることになる。従って、最初に検出部４２で検出される計測信号は、計測点［４，１］において変換されたものである。ただし、各計測信号の検出のタイミングは、スイッチＳ１〜Ｓ４の開閉によって適宜変更することができる。
【００３４】
ここで、固体１１の状態変化を反映した計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４とは、例えば、固体１１の状態変化に基づく各パラメータ、即ちキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスの変化を反映したものである。これらのパラメータは、各物質によって固有値が存在し、物質の状態変化に応じて固有値が変化する。本実施形態では、このような物質の特性を利用して、固体１１の状態変化を検知する。詳細は後述するが、これらのパラメータの変化を検出して、演算処理手段５０で演算処理を行うことにより、固体１１の状態変化を検知することができる。なお、検出手段４０の構成は、第２のワイヤ電極２３ａ〜２３ｄから検出部４２に計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４を出力することができれば上記に限定されず、必要に応じて適宜変更され得る。
【００３５】
演算処理手段５０は、演算処理部５１と記憶部５２とから構成されている。演算処理手段５０では、検出手段４０から出力された計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４を、記憶部５２に記憶された各種データに基づき演算処理部５１において演算処理が行われ、この結果に基づき固体１１の状態変化の有無が判断される。
【００３６】
ここで、記憶部５２に記憶された各種データとは、測定対象である固体１１のキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンス（以下、これらを「固体パラメータ」と呼称する）と、固体１１中に流動体が生成、衝突又は混在することにより状態変化した場合のキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンス（以下、これらを「流動体パラメータ」と呼称する）である。即ち、流動体パラメータは、固体１１が状態変化する際の閾値となる。
【００３７】
演算処理手段５０では、記憶部５２に記憶された各パラメータにおける閾値により、異相の存在を検知（判断）する。即ち、固体パラメータから電位変動が確認されたときには、固体１１中に液体又はプラズマが生成、衝突又は混在することにより、固体１１が液体又はプラズマに状態変化したと判断する。また、流動体パラメータがゼロとなった場合には、固体１１中に気体が生成、衝突又は混在することにより、固体１１が気体に状態変化したと判断する。
【００３８】
また、本実施形態では、固体１１の計測パラメータであるキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを直接計測せずに、電圧（電位）及び電流を計測することにより、間接的に計測パラメータを計測することもできる。即ち、固体１１のキャパシタンス、インダクタンス及びコンダクタンスは、電圧（電位）及び電流を計測し、その計測値からそれぞれ算出することができる。そして、上述の固体パラメータ及び流動体パラメータを用いて固体１１の相変化を検知することができる。
【００３９】
固体１１のキャパシタンスＣｐは、下記式（１）に示すように誘電率εより算出することができ、誘電率εは、電圧の計測値Ｖ、電流の測定値Ｉ、及び下記式（２）〜（４）により算出することができる。ただし、下記式（１）〜（４）中において、Ｃｐは固体１１のキャパシタンス、Ｖは固体１１の計測電圧値、Ｑは電荷、ｄは第１及び第２のワイヤ電極の間隔、εは固体１１の誘電率、Ｓは第１及び第２のワイヤ電極の間の面積、Ｉは固体１１の計測電流値、ｔは時間を表す。
Ｃｐ＝εＳ／ｄ  ・・・（１）
Ｖ＝Ｑｄ／εＳ  ・・・（２）
Ｉ＝Ｑ／ｔ  ・・・（３）
ε＝Ｉｄｔ／ＶＳ  ・・・（４）
【００４０】
インダクタンスＬは、電圧の計測値Ｖ、電流の測定値Ｉ、及び下記式（５）及び（６）により算出することができる。ただし、下記式（５）及び（６）中において、Ｖは固体１１の計測電圧値、Ｌは固体１１のインダクタンス、Ｉは固体１１の計測電流値、ｔは時間を表す。
Ｖ＝Ｌ（ｄＩ／ｄｔ）  ・・・（５）
Ｌ＝Ｖ（ｄｔ／ｄＩ）  ・・・（６）
【００４１】
コンダクタンスＧは、電圧の計測値Ｖ、電流の測定値Ｉ、及び下記式（７）及び（８）により算出することができる。ただし、下記式（７）及び（８）中において、Ｒは固体１１の抵抗値、Ｖは固体１１の計測電圧値、Ｉは固体１１の計測電流値、Ｇはコンダクタンスを示す。
Ｒ＝Ｖ／Ｉ  ・・・（７）
Ｇ＝１／Ｒ＝Ｉ／Ｖ  ・・・（８）
【００４２】
また、固体１１の計測パラメータとして電圧（電位）や電流を用い、これらの変動に基づき固体１１の相変化を検知することもできる。本実施形態では、計測パラメータとして、電圧（電位）を適用し、固体１１の温度変化を検知できるようにした。
【００４３】
なお、演算処理手段５０の構成は、検出手段４０から出力された計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４に基づき、固体１１の状態変化を検知することができれば上記に限定されず、必要に応じて適宜変更され得る。例えば、公知のキャパシタンス（誘電率）、インダクタンス又はコンダクタンスの計測器を適用し、固体１１の状態変化を検知してもよい。
【００４４】
次に、計測装置１を用いた固体１１の状態変化検知方法について詳細に説明する。
【００４５】
まず、計測装置１では、ワイヤメッシュセンサ２０を配設した固体１１を管状容器１０の内部に収容して保持し、励起電極２２側に入力手段３０を接続し、計測電極２４側に検出手段４０を介して演算処理手段５０を接続する。
【００４６】
次に、入力手段３０の電源３１から切替スイッチＳＰを介して励起信号ＰＩを供給し、スイッチＳ１〜Ｓ４により一列目の第１のワイヤ電極２１ａから順に励起信号ＰＩをそれぞれ印加する。これにより、第１のワイヤ電極２１ａ〜２１ｄにそれぞれ印加された励起信号ＰＩが、第１のワイヤ電極２１ａ〜２１ｄと第２のワイヤ電極２３ａ〜２３ｄとの交点（計測点（［１，１］，［２，１］，［３，１］，［４，１］・・・［１，４］，［２，４］，［３，４］，［４，４］）において、固体１１の状態変化を反映した計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４に変換される。そして、これらの信号が第２のワイヤ電極２３ａ〜２３ｄからＡ／Ｄ変換器４１ａ〜４１ｄへ出力される。
【００４７】
次に、この計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４を、Ａ／Ｄ変換器４１ａ〜４１ｄでＡ／Ｄ変換した後に検出部４２へ出力する。そして、これらの信号を検出部４２で検出し、演算処理部５１へ出力する。
【００４８】
次に、検出部４２から出力された固体１１の状態変化を反映した計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４を演算処理部５１で受信する。そして、演算処理部５１では、記憶部５２に記憶された固体パラメータ及び流動体パラメータ（閾値）に基づき、固体１１の状態変化を反映した計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４を演算処理する。即ち、計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４に基づく固体１１のパラメータが閾値以上又はゼロ（略ゼロとみなせる場合も含む）であった場合には、演算処理部５１は、固体１１に状態変化があると判断する。一方、計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４に基づく固体１１のパラメータが閾値未満であり且つゼロでない場合には、演算処理部５１は、固体１１に状態変化がないと判断する。その結果、計測装置１では、各交点（計測点（［１，１］，［２，１］，［３，１］，［４，１］・・・［１，４］，［２，４］，［３，４］，［４，４］）における固体１１の状態変化の有無を検知することができる。
【００４９】
以上説明した通り、ワイヤメッシュセンサ２０を有する計測装置１を用いることで、固体１１のキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号ＰＯ１〜ＰＯ４を演算処理し、固体１１の状態変化を非破壊で経時的に且つ容易に観察することができる。また、ワイヤメッシュセンサ２０を流動しない固体１１中に配設することで、固体の形態に応じて二次元の観察分布を適宜変更することができ、より自由度の高い観察を行うことができる。また、複数のワイヤメッシュセンサ２０を用いることで、三次元の観察分布によって、高い精度でもって固体１１の状態変化を検知することができる。
【００５０】
次に、計測装置１の具体的な適用例（アプリケーション）について詳細に説明する。
【００５１】
本発明は、ワイヤメッシュセンサを固体中に配設しておくことで、固体中に気体、液体又はプラズマが生成、衝突又は混在することにより状態変化が生じたときに、ワイヤメッシュセンサを用いて非破壊状態で状態変化を検出することができるという新たな知見に基づき完成されたものである。
【００５２】
例えば、構造物の施工時に打設されたコンクリート中に、予めワイヤメッシュセンサを配設しておくことで、非破壊でコンクリートの状態変化を検知することができる。具体的には、コンクリートの経年劣化により生じた亀裂等に空気や水分が入り込むと、空気や水分のキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号が検出されるので、コンクリートのキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号と区別することができ、コンクリートに生じた状態変化を検知することができる。同様にして、鉄筋コンクリートの鉄筋に錆が生じると、錆のキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号が検出され、鉄筋に生じた状態変化を検知することができる。これにより、ワイヤメッシュセンサを用いてコンクリートの劣化診断を行うことができる。
【００５３】
また、本発明のワイヤメッシュセンサは、航空機分野においても適用することができる。近年では、機体の軽量化、耐疲労、耐熱性の観点から、カーボンファイバー（炭素繊維）が、民間航空機をはじめ、軍用機、ヘリコプター等に利用されている。航空機では、主翼、垂直、水平尾翼等の一次構造材、補助翼、方向舵、昇降舵等の二次構造材、座席、テーブル等の内装材、油圧シリンダー、Ｃ/Ｃブレーキ等、幅広くカーボンファイバーが利用されているが、各部材の劣化は重大な事故に繋がるため、事前に把握して交換する必要がある。しかしながら、非破壊でこれらの部材の劣化診断を行うことは困難であるため、本発明のワイヤメッシュセンサは、航空機分野におけるカーボンファイバーの劣化診断には有用である。
【００５４】
一般的に、航空機に適用されるカーボンファイバーは、カーボンファイバーを強化材、エポキシ樹脂を母材とした複合材料である。カーボンファイバーは、高温酸化雰囲気下で酸化劣化しやすく、エポキシ樹脂は、高温湿潤雰囲気下で劣化しやすいことが知られている。即ち、コンクリートの劣化診断と同様にして、カーボンファイバーの酸化劣化により生じた物質のキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号、及び／又は、エポキシ樹脂の湿熱劣化により生じた物質のキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号を検出し、カーボンファイバー及び／又はエポキシ樹脂に生じた状態変化を検知することができる。これにより、ワイヤメッシュセンサを用いて航空機部材、特にカーボンファイバーの劣化診断を行うことができる。
【００５５】
また、本発明のワイヤメッシュセンサは、メタンハイドレートからのガス生産においても適用することができる。一般に、地層内に固体として存在するメタンハイドレートをエネルギーとして利用するには、メタンハイドレートを分解させ、メタンガスと水に分けて、メタンガスだけを回収する必要がある。ただし、深海の地層中にあるメタンハイドレートをそのまま掘り出すのは効率的ではないため、メタンハイドレートを地層中でメタンガスと水に分解させ、メタンガスだけを、例えば天然ガス開発と略同じ原理、手法、機器、及び設備で回収する。
【００５６】
しかしながら、上記生産方法では、メタンハイドレートを地層中で分解させるため、メタンハイドレートの固液相変化を可視化することは困難である。そこで、コンクリートの劣化診断と同様にして、メタンハイドレートの固液相変化により生じたメタンガスのキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号を検出し、メタンハイドレートに生じた状態変化を検知することができる。これにより、ワイヤメッシュセンサを用いてメタンハイドレートにおけるメタンガスの発生を検知することができる。
【００５７】
また、本発明のワイヤメッシュセンサは、ベントナイトの変質検知による噴火予知や地殻変動の推定に適用することができる。ここで、ベントナイトとは、海底や湖底に堆積した火山灰や溶岩に、ある程度の温度や圧力が数千万年という長期に亘って加えられたことで、分子レベルでの構造変化が生じて変質することにより得られた鉱物集合体（粘土鉱物の一種）である。かかるベントナイトを経時的に観察し、構造変化による変質を検知することで、火山の噴火予知や地殻変動の推定が可能になると考えられる。
【００５８】
しかしながら、既存のセンサを用いてベントナイトの相変化を可視化することは困難である。そこで、例えば、火山近傍の任意地点に本発明のワイヤメッシュセンサを配置して、その地点でのベントナイトの変質から噴火予知を行うことができる可能性がある。その他、ベントナイトが生成される地層中、或いは海底や湖底に、本発明のワイヤメッシュセンサを設置することで、地殻変動の推定に寄与することができる。
【００５９】
即ち、コンクリートの劣化診断と同様にして、ベントナイトの相変化により生じた変質ベントナイトのキャパシタンス、インダクタンス又はコンダクタンスを反映した計測信号を検出し、ベントナイトに生じた状態変化を検知することができる。これにより、ワイヤメッシュセンサを用いてベントナイトにおける変質を検知することができる。
【実施例】
【００６０】
次に、以下の実施例を参照して、本発明を更に詳細に説明する。
【００６１】
（ワイヤメッシュセンサ）
図３は、後述する実施例１及び実施例２で用いたワイヤメッシュセンサの概略を示した斜視図である。図３に示した通り、ワイヤメッシュセンサ１００は、本実施形態にかかるワイヤメッシュセンサ２０を実験用に簡略化したものであり、４本のワイヤ電極（トランスミッタワイヤ１２１ａ，１２１ｂ及びレシーバーワイヤ１２２ａ，１２２ｂ）が交互に平行に配設され略正方格子状（メッシュ状）に形成されたものを、測定対象を保持する容器１１０の内部に配設したこと以外は計測装置１と同様にして作製した。ワイヤメッシュセンサ１００では、トランスミッタワイヤ１２１ａ，１２１ｂは、それぞれ励起信号を入力する入力線となり、レシーバーワイヤ１２２ａ，１２２ｂは、それぞれ計測信号（ここでは電圧の変化に基づく信号）を出力する出力線となる。各実施例では、トランスミッタワイヤ１２１ａ，１２１ｂ及びレシーバーワイヤ１２２ａ，１２２ｂの素材として、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を用いた。また、ワイヤメッシュセンサ１００では、ワイヤ同士が近接しているが接触していない部分を交点（［１ａ，１ｂ］，［１ａ，２ｂ］，［２ａ，１ｂ］，［２ａ，２ｂ］）とし、これらを計測点とした。各実施例では、図示しない入力手段により、励起信号がトランスミッタワイヤ１２１ａ，１２１ｂにそれぞれ入力され、これらの信号が計測信号となってレシーバーワイヤ１２２ａ，１２２ｂからそれぞれ出力され、図示しない検出手段及び演算処理手段で計測され、測定時間に対する電圧の変化を計測した。
【００６２】
（実施例１）
実施例１では、上述のワイヤメッシュセンサ１００について、下記表１に示した条件（試験パラメータ）に基づき固相／液相／気相識別試験を行った。具体的には、ワイヤメッシュセンサ１００の容器１１０内を予め寒天水溶液で満たし、容器１１０内を寒天１３０（固相）で満たした。次に、得られた寒天１３０の上部を水道水で満たし、トランスミッタワイヤ１２１ａ，１２１ｂ及びレシーバーワイヤ１２２ａ，１２２ｂ間の寒天１３０に、一定時間間隔でカッターナイフを用いて亀裂を入れ、強制的に寒天１３０（固相）と水道水（液相）と空気（気相）を混在させた。具体的には、各測定点（［１ａ，１ｂ］，［１ａ，２ｂ］，［２ａ，１ｂ］，［２ａ，２ｂ］）の近傍である４つの測定点の中心点に亀裂を入れた。そして、固相と液相／気相を混在させることに基づくワイヤメッシュセンサ１００における電圧の変化を計測し、その結果を図４に示した。なお、図４の矢印は、その時間において寒天１３０に強制亀裂を入れたことを示している。また、計測した電圧値は、上述した４つの計測点から選択された任意の計測点における計測値である。
【００６３】
【表１】
2017150996.tif 000003
【００６４】
図４に示した通り、寒天１３０（固相）に強制亀裂を入れる概ね２６秒〜２７秒手前まで寒天１３０での電圧値の大きさを確認すると、ここでは電圧値に大きな変化は無く、強制亀裂を入れた時間において電圧値が増加した。また、実施例１では、一定時間間隔で寒天１３０に亀裂を入れたが、はじめは亀裂が塞がるものの、繰り返し亀裂を与えることで寒天１３０の亀裂が塞がり難くなり、内部に水道水（液相）及び空気（気相）が混入した。そのため、徐々に電圧値の最小値が上昇する傾向を示した。
【００６５】
実施例１では、ワイヤメッシュセンサ１００を配設した固相（寒天１３０）に、強制的に亀裂を入れて液相（水道水）及び気相（空気）が混入したことにより、固相の電圧値の最小値が変化した。即ち、固相にワイヤメッシュセンサ１００を配設して、その電圧値の変化を観察することにより、固相内に異相である液相及び気相が混入したことを検知できることが確認できた。
【００６６】
（実施例２）
実施例２では、上述のワイヤメッシュセンサ１００について、表１に示した条件（試験パラメータ）に基づき固相／気相識別試験を行った。具体的には、実施例１と同様にして、ワイヤメッシュセンサ１００の容器１１０内を寒天１３０（固相）で満たした。次に、容器１１０内の寒天１３０に配設したトランスミッタワイヤ１２１ａ，１２１ｂ及びレシーバーワイヤ１２２ａ，１２２ｂを、容器１１０から取り出して外部、即ち気相中に移動した。そして、各ワイヤを容器１１０内の寒天１３０に再度配設し、各ワイヤを寒天１３０から外部（気相）に、或いは外部から寒天１３０に入れ替える作業を繰り返した。そして、各ワイヤを二相間で移動させることに基づくワイヤメッシュセンサ１００における電圧の変化を計測し、その結果を図５に示した。なお、図５の矢印は、その時間において各ワイヤを寒天１３０から外部へ強制移動させたことを示している。また、計測した電圧値は、上述した４つの計測点から選択された任意の計測点における計測値である。
【００６７】
図５に示した通り、容器１１０内の寒天１３０（固相）に配設した各ワイヤを取り出す概ね１０秒前まで寒天１３０での電圧値の大きさを確認すると、ここでは電圧値に大きな変化は無く、各ワイヤを寒天１３０から気相（外部）に強制移動させて外部に存在している場合には、電圧値が略ゼロに近い値となった。ただし、各ワイヤが寒天１３０中に存在している場合に、電圧値が時系列で下降する理由は、各ワイヤ間の距離が次第に広がったことに起因するものであり、ワイヤメッシュセンサ１００における寒天１３０と外部の識別能とは関係がない。
【００６８】
実施例２では、ワイヤメッシュセンサ１００を配設した固相（寒天１３０）を、強制的に外部（気相）へ移動したことにより、電圧値の最小値が変化した。即ち、実施例１と同様にして、固相にワイヤメッシュセンサ１００を配設して、その電圧値の変化を観察することにより、固相から異相である気相に相変化したことを検知できることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、特に各部材の劣化診断や物質の状態変化の可視化が困難である分野に適用することができる。例えば、コンクリートの劣化診断（錆の検知）、航空機分野におけるカーボンファイバーの劣化診断、メタンハイドレートやベントナイト等の固相／液相／気相変化の検知等の産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１  計測装置
１０  管状容器
１１  固体
２０，１００  ワイヤメッシュセンサ
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ  第１のワイヤ電極
２２  励起電極
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ  第２のワイヤ電極
２４  計測電極
３０  入力手段
３１  電源
４０  検出手段
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ  Ａ／Ｄ変換器
４２  検出部
５０  演算処理手段
５１  演算処理部
５２  記憶部
１１０  容器
１２１ａ，１２１ｂ  トランスミッタワイヤ
１２２ａ，１２２ｂ  レシーバーワイヤ
１３０  寒天
ＳＰ  切替スイッチ
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４  スイッチ
【図１】
2017150996.tif 000004
【図２】
2017150996.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
2017150996.tif 000008