(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体上の負荷を測定する測定センサ（５０）であって、測定される構造体に取り付けられ、かつ、測定される構造体に取り付けるための２個の剛性部（５０４，５０８）とそれら剛性部の間に弾性部（５０６）とを備えたセンサアセンブリを具備し、第１の歪み計（５３０）は、構造体及びセンサアセンブリの変形を、変形に比例する信号を生成するための歪み計に伝達するために、前記弾性部に取り付けられている測定センサにおいて、
前記センサアセンブリが、前記弾性部を形成すると共に前記第１の歪み計（５３０）のための測定点を提供する２個のＨ開口（５１０，５１２）を備え、前記第１の歪み計が２個のＨ開口の間に取り付けられ、温度較正のための前記第２の歪み計（５３２）が実質的に変形が生じないＨ開口の中央部材に取り付けられていることを特徴とする測定センサ。
【請求項２】
前記第１の歪み計と前記第２の歪み計とをホイーストンブリッジ（３０２）において集積されたことを特徴とする請求項１に記載の測定センサ。
【請求項３】
前記センサアセンブリ材料の弾性（σE）の弾性面積／範囲が、測定対象の構造体材料の弾性より高くなるように選択されたことを特徴とする請求項１に記載の測定センサ。
【請求項４】
測定される構造体材料に、あるいは、構造体材料に備えた固定部材に設けられた剛性面部（５４４，５４８）が、接合摩擦をエンハンスするために粗くされていることを特徴とする請求項１に記載の測定センサ。
【請求項５】
中央演算処理装置（２０）と測定ユニット（３０，３２，３４）とを備えた、構造体上の負荷を測定するシステムであって、
−構造体の変形を電気信号に変換する測定センサ（３０２，５０）と、
−前記信号をデジタル信号に変換する手段（３０８）と、
−デジタル信号を数学的に処理する手段（３１０）と、
−処理結果を中央演算処理装置に伝達する手段（３１６）とを備え、
前記中央演算処理装置は少なくとも一の測定ユニットから伝達される処理結果を受信しかつ収集する手段を備えたシステムにおいて、
システムの測定センサ（３０２，５０）は請求項１に記載の測定センサであることを特徴とするシステム。
【請求項６】
前記システムは、前記中央演算処理装置から少なくとも一の測定ユニットの機能を制御する手段を備えた請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記中央演算処理装置（２０）と前記測定ユニット（３０，３２，３４）との間のデータ通信は、少なくとも２個の測定ユニットが接続されたバス（２１）を介して行われかつ測定ユニットを論理的に特定する識別子が測定ユニットに接続され、識別子は、所定の測定ユニットにアドレス指定したデータと所定の測定ユニットから送られたデータとを特定するために、測定ユニットと中央演算処理装置との間でやり取りされることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記の少なくとも一の測定ユニットが測定される構造体材料に取り外し可能に取り付けられた請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
−構造体の変形を電気信号に変換する測定センサ（３０２）と、
−前記信号をデジタル信号に変換する手段（３０８）と、
−デジタル信号を数学的に処理する手段（３１０）と、
−処理結果を中央演算処理装置に伝達する手段（３１６）とを備えた、構造体上の負荷を測定する測定ユニット（３０）において、
前記測定センサの前記測定センサ（３０２）は請求項１に記載の測定センサであることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
構造体材料に取り外し可能に取り付けるための手段（５２０，５２２）を備えた請求項９に記載の測定ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造体で生ずる負荷、応力及び／又は材料疲労の測定システムに関するものである。本発明は、前記システムに関連した使用に適した測定ユニット及び測定センサに関するものでもある。本発明は、船体における応力及び負荷の測定に応用できる。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
船の船体にかかる負荷（荷重）は、構造体の破損の前に検出すべき材料疲労のような構造体において生ずる変化のために、連続して測定していなければならない。同様な測定は、他の車両、橋及びビルのような他の構造体に関しても実施される。
【０００３】
構造の局所的な変形を測定するために、測定センサを船体に固定することを含む方法が従来存在する。図１は、船体の主甲板１０の平面図と船体の主甲板上の測定センサ１１，１２，１３及び１４の通常の位置とを示している。通常使用する測定センサは、例えば船体の主甲板に溶接することによってしっかりと取付けた約１-２ｍの長さのスチール棒であって、棒の一端は固定され、他の一端は軸方向に可動なものである。結合部では、例えば、動きセンサは相対運動を測定するために配備している。測定センサの棒は、十分大きくあるべき（通常、最大±5mm）棒の相対運動及び十分正確であるべき変形測定のために上述の長さに少なくとも等しい長さを有する。
【０００４】
従来の方法では、測定センサから得られた弱い信号は測定システムの中央ユニットに送られ、そこではセンサから受け取った信号は増幅され、デジタル形式に変換され、数学的な信号処理が実施される。測定結果によって、臨界変形の最適な信頼できる検出を可能とするための異なる標準信号処理モデルがある。このようなモデルは周波数域分析やいわゆるレインフロー分類（Rainflow classification）である。レインフロー分類はＡＳＴＭ標準E1049-85（再承認１９９０年）において定義されている。
【０００５】
上述の従来のシステムはいくつか欠点がある。まず第一に、システムは所定の数の標準測定センサに対して発明されたものであり、そのため、必要でもさらに測定センサを付加することはできない。これは、システムの中央演算処理装置の計算容量及びインターフェースは所定数の測定センサに対して決められているという事実によるものである。通常の数の測定センサでは、例えば双胴船においては十分でなく、というのは、双胴船では、通常例えば測定センサ４個である“従来”の船の船体と比較して、かなり多数の、例えば、６０個のユニットの測定センサが必要だからである。
【０００６】
第二には、従来のシステムは、測定センサと中央演算処理装置との間の長い測定ラインに接続されたインターフェースの問題を含んでいる。これは測定ケーブルの保護によって避けるのは難しい。というのは、測定センサから伝達される信号は低周波アナログ信号だからである。
【０００７】
また、従来の測定センサは面倒な計算の問題も含んでいる。この一つの理由は、船体から大きな測定センサを取り外すのが大変であることであり、他の理由としては、大きなサイズの測定センサは、船体に取り付けたときは較正条件下でとは異なる値を示すことにある。結果として、正確でかつ信頼性の高い較正を行うことは困難である。また、欠陥を有する測定センサを置換することも大変である。
【０００８】
本発明の目的は、新しい測定手法を用いて上述の問題を回避することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第一の発明思想は、測定センサユニット、すなわち、測定システムの測定ユニットは、数学的測定の全結果を測定ユニットから中央演算処理装置へ伝達できるように、センサから得られる信号を処理する手段を備えることである。この方法では、中央演算処理装置に大きな計算能力を要せず、また、この容量要求は使用される測定センサの数に実質的に依存する。従って、測定センサの数は容易に増加しうる。また、測定ユニットと中央演算処理装置との間のケーブルに接続されたインターフェースの負のインパクトは小さい。というのは、伝達される信号はデジタルであり、必要なら伝達を繰り返すことができるからである。
【００１０】
第二の発明思想は、測定センサが、測定される構造体に容易に接続でき、容易に取り外すことができる機械的較正を有するものである。この場合には、測定される構造体は測定センサの取付のためのベースを含むことが好ましい。測定センサは、測定される構造体から離れたところで較正することができ、測定センサの挙動について、測定される構造体と較正条件下とで全く同じである。
【００１１】
他の発明思想は、センサアセンブリと歪み計とから測定センサを作り、それによって、変形をセンサアセンブリの弾性領域に取り付けた歪み計に伝達するというものである。弾性領域はセンサアセンブリにおける２個のＨ開口と共に形成されるのが好ましい。また、センサは、温度較正のための第２の歪み計を変形のないセンサアセンブリの一部に備える。この方法では、例えば、較正中の扱いが容易な、サイズは小さいが精度の高い測定センサを備える。
【００１２】
中央演算処理装置と少なくとも一つの測定ユニットとを備えた、構造体上の負荷を測定するための本発明のシステムにおいて、測定ユニットが
−構造体の変形を電気信号に変換する測定センサと、
−前記信号をデジタル信号に変換する手段と、
−デジタル信号の数学的処理のための手段と、
−処理結果を中央演算処理装置に伝達する手段とを備え、
中央演算処理装置は少なくとも一の測定ユニットから伝達される処理結果を受信しかつ収集する手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
構造体上の負荷を測定するための本発明の測定センサにおいて、測定される構造体に取付られかつ測定される構造体に取り付けられた２個の剛性部材とこれらの間に弾性部材とを含むセンサアセンブリを備え、第１の歪み計は、歪み計の変形に比例した信号を生成するために構造体及びセンサアセンブリの変形を歪み計に伝達する前記弾性部材に固定されていることを特徴とする。
【００１４】
構造体上の負荷を測定するための本発明の測定ユニットにおいて、
−構造体の変形を電気信号に変換する測定センサと、
−前記信号をデジタル信号に変換する手段と、
−デジタル信号の数学的処理のための手段と、
−処理結果を中央演算処理装置に伝達する手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明の好適な実施形態を従属項に記載する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。
【００１７】
図１については、従来技術の記載と関連づけて上述のように説明した。
【００１８】
図２は、本発明の測定システムのブロック図である。これは、デジタルデータ通信バス２１に接続された中央演算処理装置２０を含む。データ通信バス２１に接続されて、測定される構造体における適当な測定位置に配置された複数の測定ユニット３０，３２，３４がある。
【００１９】
中央演算処理装置、例えば、例えば、ＮＴオペレーティングシステムを有する例えば、ＰＣベースのコンピュータを備える。この場合、ウィンドウズ（登録商標）ＮＴオペレーティングシステムでは、分割されたメモリはオープンユーザーインターフェースとして機能してもよい。ここで、ユーザーは、インターフェースを介してシステムにある測定結果にアクセスし、システムを制御できる。データ通信バスは、ＡＲＣＮＥＴデータネットワーク（アタッチド・リソース・コンピュータ・ネットワーク）であるのが好ましい。ＡＲＣＮＥＴコンピュータネットワークは自動機器再構成（automatic reconfiguration）の特徴を有する。この特徴は、プログラムの変更、あるいは、システムの変更なしで測定センサ／ユニットの付加又は取り外しを行うことによって利用するのが好ましい。各測定センサ／ユニットは、システムの有する個々の識別子（例えば、シリアル番号）をもとに、システムにおいて特定され、そのため、データは、個々の識別子によってウィンドウズ（登録商標）ＮＴの分割されたメモリにおけるユーザーインターフェース（データ構造）にオーガナイズされる。ＡＲＣＮＥＴコンピュータネットワークは、各活性化に関連してデータ通信ノード識別子を自動的に扱う。ここで、中央演算処理装置のメッセージ解釈に組み込んだ交差接続は自動的にオーガナイズでき、データ通信ノード識別子を測定ユニットの個々の識別子に結合することができる。
【００２０】
図３は本発明の測定ユニット３０を示している。これは、変形を測定する第１の歪み計と温度較正のための第２の歪み計とがシリアルに結合したホイートストンブリッジを備える。固定抵抗がブリッジの第２の部分を形成する。
【００２１】
ホイートストンブリッジから得られた測定信号は、計装用増幅器３０４を用いて増幅される。この増幅器の信号はさらにローパスフィルタ３０６によってされにフィルタされる。測定周波数域は例えば0-150ヘルツであり、周波数域はプログラムによって選択できるのが好ましい。増幅されかつフィルタされたアナログ信号は、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３０８によってデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から得られたデジタル信号はマイクロプロセッサ３１０に送られる。Ａ／Ｄ）変換器３０８はプロセッサ３１０に含んでもよい。プロセッサ３１０は、測定ユニットのインターナルバス３１を介してストレージ３１４に測定結果を格納する。この繰り返しプログラム可能ストレージ３１４は例えば、4kB＋32kBの容量を有する。例えば、最後の10秒をカバーするリアルタイム測定信号はメモリに格納可能である。計算パラメータはメモリに格納することもできる。バス３１２に接続されたデータ通信インターフェース３１６は、中央演算処理装置と測定ユニットとの間でデータを伝達するシステムバス２１とも交信する。測定ユニットメモリ３１４から中央演算処理装置への測定データの伝達は、中央演算処理装置からのコマンドと測定ユニットに格納されたプログラムとをもとに行われる。中央演算処理装置の要求で、測定ユニットは例えば、10秒サンプルヒストリーを中央演算処理装置に伝達できる。
【００２２】
測定ユニットは、サンプル周波数で測定サンプル信号を中央演算処理装置を伝達する。ここで、このサンプル周波数はＤ／Ａ変換器のサンプリング周波数より低い方が好ましい。測定ユニットはデータ通信バスを介してコンフィグレーションすることもできる。例えば、実施される測定ユニットにおいてプログラムされた分析方法を選択することも可能である。測定ユニットは、中央演算処理装置によってチェックされる所定の間隔で環境設定（configuration setting）を伝達してもよい。また、測定オフセットを較正でき、データサンプリング周波数は中央演算処理装置の制御下で設定できる。測定ユニットはその作動を監督するのも好ましい。例えば、信号分析プログラムのサイクルは、プロセッサの計算能力における過負荷を防止するために監督することができる。
【００２３】
プロセッサ３１０は、例えば128kBの容量を有する内部固定ＲＯＭメモリを備えるのが好ましい。測定ユニットファンクションに関連したプログラムと、中央演算処理装置と測定ユニットとの間のデータ通信に関連したプログラムとは、このＲＯＭに格納される。要求された、アルゴリズムを分析する信号もＲＯＭに格納され、アルゴリズムは例えば、：
−信号アベレージの計算
−有効信号値の計算
−ピーク値の表現：正のピーク値、負のピーク値、最大ピーク−ピーク値
−ゼロオーバーフロー及び平均ゼロオーバーフロー周波数の計算
−レインフロー分類
−高速フーリエ変換（ＦＦＴ）プロセスによる信号の周波数域スペクトルの計算である。
【００２４】
測定ユニットのプロセッサにおいてプログラムされたこれらの分析法は、リアルタイムで測定ユニットによって実施されるのが好ましい。
【００２５】
上述のブロックに加えて、測定ユニットは、バス（図３には図示せず）から得られた供給電圧から作動電圧を発生するための回路を備える。
【００２６】
図４は、測定ユニットと中央演算処理装置との間でのデータの伝達のために、本発明による段階４００のフロー図を示す。第一に、測定ユニットは中央演算処理装置からメッセージを受信したか否かをチェックする（段階４０２）。メッセージを受信すれば、それを解釈する（段階４０４）。次いで、、測定ユニットが新しいコンフィグレーションを受信したか否かのチェックに従う（段階４０６）。新しいコンフィグレーションを受信したら、測定ユニットのコンフィグレーションをこれらの新しいデータに従ってリセットする（段階４０８）。次に、測定ユニットが有効なコンフィグレーションデータを中央演算処理装置へ伝達するコマンドを受けたか否かのチェックに従う（段階４１０）。コマンドは、中央演算処理装置によって測定ユニットにアドレスを指定されたメッセージにおける例えば、ビット／ビットストリングであっってもよい。コマンドはセンサタイマーから導出してもよい。このようなコマンドを受けると、コンフィグレーションデータが中央演算処理装置に設定される（段階４１２）。
【００２７】
測定ユニットが数学的に計算された測定データを中央演算処理装置に送るコマンドを受けたか否かがチェックされる（段階４１４）。このようなコマンドを受けたら、測定データが中央演算処理装置に伝達される（段階４１６）。この後、測定ユニットが信号のヒストリを中央演算処理装置へ送るコマンドを受けたか否かのチェックに従う（段階４１８）。このようなコマンドを受けたら、信号のヒストリが中央演算処理装置へ送られる（段階４２０）。測定ユニットがレインフロー分類を中央演算処理装置へ送るコマンドを受けたか否かをチェックする（段階４２２）。このようなコマンドを受けたら、レインフロー分類が中央演算処理装置へ送られる（段階４２４）。測定ユニットがＦＦＴの結果を中央演算処理装置へ送るコマンドを受けたか否かをチェックする（段階４２６）。このようなコマンドを受けたら、ＦＦＴの結果が中央演算処理装置へ送られる（段階４２８）。最後に、測定ユニットの信号サンプルバッファがデータを含むか否かのチェックに従う（段階４３０）。データがバッファを含むと、データは中央演算処理装置へ送られる（段階４３２）。その場合、伝達はサンプリング周波数より低いサンプル周波数で生ずるのが好ましい。このような段階の終わりに、段階４０２を再度始め、上述の段階を繰り返し、各場合に、中央演算処理装置に対して必要な測定データが中央演算処理装置のコマンドに従って実際に中央演算処理装置に送られる。中央演算処理装置とは別に、結果として、上述のコマンドを測定ユニットタイマーから導いてもよい。
【００２８】
図５ａ及び図５ｂは、本発明の測定ユニットでの使用において適切な本発明の測定センサ５０を示している。図５ａは測定センサの平面図であり、図５ｂは測定センサの側面図である。測定センサは、剛性部材５０４と５０８とを端部に、また、弾性部材５０６を中央に有するセンサアセンブリ５０２を備える。剛性部材及び弾性部材は図においては破線で分けている。センサアセンブリの剛性部材は、測定される構造体材料にセンサを取り付けるため、あるいは、構造体材料に備えた部材を取り付けるための穴５２０と５２２とを有する。
【００２９】
センサアセンブリの弾性部材５０６は、Ｈ形状の２個の開口５１０と５１２、すなわち、いわゆるダブルＨ開口を有する。この開口によって、弾性部材は剛性部材より高い弾性を付与する。２個のＨ形状開口の間には第１の歪み計センサ５３０が取り付けられ、例えば、ホイーストンブリッジに接続されて、弾性部材の変形に比例する信号を提供する。また、第２のＨ開口内には第２の歪み計センサが取り付けられ、その取付ベースでは変形は生じない。この第２の歪み計センサの目的は、ホイーストンブリッジの参照抵抗として機能すること、及び、第１の歪み計センサにおいてセンサの温度変動によって生じた抵抗変化を補償することである。
【００３０】
センサアセンブリ材料（例えば、弾性範囲σE）の弾性面積は、測定される構造体材料の変形がセンサアセンブリの弾性面積において永久変化を生じないものであるように、構造体材料のそれより大きくなるように選択されることが好ましい。センサアセンブリの２個のＨ形の脚は矩形断面であり、その長さは、圧縮負荷が全弾性面積（σE）を超えた構造体材料の変形に対応するとき、圧力負荷のもとでの湾曲長さを超えない。
【００３１】
センサは構造体材料に溶接された取付部材にボルトによって固定され、それによって、測定センサが置換され較正されることができるのが好ましい。実際、測定センサは通常の精密さの作業で取り付けることができる。構造体材料からのパワーの伝達は摩擦接合によって生じ、センサアセンブリの接着面はコバルト炭化物コーティング５４４、５４８によって粗くしている。コーティングの炭化物結晶は、構造体材料に溶接された固定要素の係合面を貫通し、滑りが防止されている。
【００３２】
測定ユニットが本発明のセンサと本発明の信号処理エレクトロニクスとを備えるとき、ユニットは、測定センサを備えるケーシングの底部と信号処理エレクトロニクスを備えるケーシングのカバー部とによって包まれていることができるのが好ましい。また、底部とカバー部とが防水性ユニットを保証するように結合されているのが好ましい。適当な接合ボックスにおいて拡張可能な固定ケーブルが測定ユニットに使用されるのが好ましい。
【００３３】
第２のオプションは、別々のケーシングにおいて測定センサと信号処理エレクトロニクスとを包んでいる。このような方法では、爆発的な状態のもとで、センサ部の取付を実施することが必要なときには有利である。このような位置は例えば、様々な容器の内面である。次いで、測定エレクトロニクスは例えば、容器の外側に配置されるのが好ましい。
【００３４】
本発明の多くの好適な実施形態は上述の通りである。本発明の原理は、詳細及び応用の分野についてクレームによって画定された保護の範囲内で変形できるものである。
【００３５】
船体での負荷の測定の他に、本発明が多くの変形に適用できることは特に留意されたい。本発明の測定センサ、測定ユニット及び／又はシステムは互いに独立に実施することもできることにも留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】   船体の主甲板上の測定センサの従来の配置を示す図である。
【図２】   本発明の測定システムのブロック図である。
【図３】   本発明の測定ユニットのブロック図である。
【図４】   測定データを伝達する本発明の手順のフロー図である。
【図５ａ】  本発明の測定センサの平面図である。
【図５ａ】  本発明の測定センサの側面図である。
【符号の説明】
２０  中央演算処理装置
２１，３１６  処理結果伝達手段
３０，３２，３４  測定ユニット
５０，３０２  測定センサ
３０２  ホイーストンブリッジ
３０８  変換手段
３１０  信号処理手段
５０２  センサアセンブリ
５０４，５０８  剛性部
５０６  弾性部
５１０，５１２  Ｈ開口
５２０，５２２  取付手段
５３０  第１の歪み計
５３２  第２の歪み計
【図１】
0004156833.tif 000002
【図２】
0004156833.tif 000003
【図３】
0004156833.tif 000004
【図４】
0004156833.tif 000005
【図５ａ】
0004156833.tif 000006
【図５ｂ】
0004156833.tif 000007