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水分センサ

国内特許コード P130008700
整理番号 S2012-1055-N0
掲載日 2013年3月18日
出願番号 特願2012-183383
公開番号 特開2014-041054
登録番号 特許第6007454号
出願日 平成24年8月22日(2012.8.22)
公開日 平成26年3月6日(2014.3.6)
登録日 平成28年9月23日(2016.9.23)
発明者
  • 山本 陽一
  • 國丸 貴紀
  • 前川 恵輔
  • 西垣 誠
  • 小松 満
  • 瀬尾 昭治
  • 戸井田 克
  • 田岸 宏孝
  • 竹延 千良
出願人
  • 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
  • 国立大学法人 岡山大学
  • 鹿島建設株式会社
  • 株式会社アサノ大成基礎エンジニアリング
発明の名称 水分センサ
発明の概要 【課題】正確に水分量の測定が可能で実用的な水分センサを提供する。
【解決手段】膨潤材料保持部22が断面凹型の収納部23を有し、収納部23の底部または(ならびに)周壁に多数の透孔24が形成され、収納部23内に膨潤材料25が充填されて、収納部23の開口部がメンブレム26によって閉塞され、圧力センサ27を収納したケーシング21の開口部が、膨潤材料25ならびにメンブレム26付きの膨潤材料保持部22によって閉塞されていることを特徴とする。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要



放射性廃棄物の地層処分における安全評価や地下空洞の建設では、地下水流動場を把握することは非常に重要である。表層地盤の不飽和帯における土壌水分の観測を行うことで、直接的にその地点の地下水涵養量を求めることができる。また、廃棄体周辺の粘土(ベントナイト)で作られた緩衝材層への水分の侵入を検出・計測することも重要となる。





従来、土中の水分量などを検出・測定する方法として、ADRやFDRなどの誘電率を利用した電気式センサが用いられていたが、下記のような問題点を有している。





(a)電気的ノイズに弱いので、例えば変電所、送電線あるいは特殊な工場の付近などでは、ノイズ対策が必要であり、場合によればモニタリングができないことがある。

(b)微弱でも電流が流れるので、防爆が要求される場所や環境では使用できない。

(c)長期間使用して伝送ケーブルの絶縁性が低下してくると、データの信頼性が問題となる。

(d)伝送ケーブルが比較的太いので、多点計測の場合には膨大な伝送ケーブルの引き回しが必要となり、センサの配置などが煩雑で、場合によっては構造物本体に弱部を形成することになる。

(e)落雷でセンサならびに測定システムにダメージを受けやすく、最悪の場合は全壊することもある。





これに対して光ファイバーを用いた測定システムでは前述した電気的手法の欠点を解消して、下記のような特長があり、次世代のモニタリングシステムとして有望視されている。





(a)電気的ノイズの影響が一切ない。

(b)本質的に完全防爆であるから、使用環境に制限されることがない。

(c)電気的な絶縁不良は発生しない。

(d)光ファイバーは緩衝層を含めた外径が通常、0.25mmと電線に比べて細いので、ケーブルの引き回しが問題にはならない。

(e)本質的に絶縁体なので落雷による影響はない。





従来、土壌水分などの観測において光ファイバーを用いた方法としては、例えば下記のような非特許文献3,4などを挙げることができる。

非特許文献3:Alessi,R.S.,L.Prunty :Soil-water Determination Using Fiber Optics,Soil Sci,Soc.Am,Vol.50,pp.860-863,1986.

この非特許文献3に記載の研究では、光ファイバーセンサにより、ガラスビーズと砂質土に対して含水量を測定している。具体的には、容器内に試料を詰め、空気圧を増加させて水分量を調整した上で、得られた電圧と圧力及び体積含水率のそれぞれの関係から、線形関係で相関できる結果を得ている。





非特許文献4:Texier,S.,S.Pamukcu,J.Toulouse:Advances in subsurface water content measurement with a distributed Brillouin scattering fiber-optic sensor,Proceedings of SPIE,Vol.5855, pp.555-558,2005.

この非特許文献4に記載の研究では、分布型ブルリアン散乱光ファイバーセンサを用いて低透水性物質の水分を吸収し、ポリマーが膨潤することによる光ファイバーの引っ張り歪,ポリマーが乾燥することによる光ファイバーの圧縮歪をブルリアン散乱シフトとして、そのシフト量を計測している。

またその他に土中の水分センサに関しては、例えば下記特許文献1,2ならびに非特許文献1,2などを挙げることができる。

産業上の利用分野



本発明は、例えば土中の水分量などを検出・測定する水分センサに係り、特に受感部に水分量に応じて膨潤・収縮する膨潤材料(以下、膨潤材料と略記する)を用いた水分センサに関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
吸水あるいは乾燥の状態によって膨潤・収縮する膨潤材料と、
その膨潤材料を充填・保持する膨潤材料保持部と、
その膨潤材料保持部に充填された前記膨潤材料の吸水による膨潤圧で弾性変形するメンブレムと、
そのメンブレムの歪量を検出する圧力センサを備え
前記圧力センサは、前記メンブレムの歪量を検出するセンサ部を設けた光ファイバーを有し、前記メンブレムの弾性変形によって生じる歪が前記光ファイバーの光軸方向に作用するように構成され、
前記膨潤材料保持部は、両端に開口部を有する筒形をしており、
その膨潤材料保持部の一方の開口部が前記メンブレムによって閉塞され、
前記圧力センサを収納したケーシングの開口部が、前記膨潤材料ならびに前記メンブレム付きの前記膨潤材料保持部によって閉塞され、
前記膨潤材料保持部の周壁と前記メンブレムによって形成される断面形状が凹状の空間部内に前記膨潤材料が充填されて、
水分が含有される被測定物の面に前記膨潤材料保持部の他方の開口部を当接して、前記膨潤材料の一部を前記被測定物の面に直接接触させることを特徴とする水分センサ。

【請求項2】
請求項1に記載の水分センサにおいて、
前記ケーシングがコップ形をしており、そのケーシングの開口部が、前記膨潤材料ならびに前記メンブレム付きの前記膨潤材料保持部によって閉塞され、
前記圧力センサが、
側面形状が略コ字状をした変位-歪変換部材を有し、その変位-歪変換部材の一端が前記メンブレムに取り付けられ、変位-歪変換部材の他端が前記ケーシングの底部に取り付けられて、
前記変位-歪変換部材の中間部で一方側に突出した橋状部の側面に、前記光ファイバーのセンサ部が貼り付けられていることを特徴とする水分センサ。

【請求項3】
請求項に記載の水分センサにおいて、
前記ケーシングがコップ形をしており、そのケーシングの開口部が、前記膨潤材料ならびに前記メンブレム付きの前記膨潤材料保持部によって閉塞され、
前記圧力センサが、
前記メンブレムから前記ケーシングの底部に向けて取り付けられた変位伝達部材と、
前記ケーシングの底部から前記変位伝達部材に向けて取り付けられたファイバー支持部材と、
前記変位伝達部材と前記ファイバー支持部材の間に形成された隙間部に前記センサ部が配置されるように、前記変位伝達部材から前記ファイバー支持部材に掛けて固定された光ファイバーから構成されていることを特徴とする水分センサ。

【請求項4】
請求項1ないし3のいずれか1項に記載の水分センサにおいて、
前記センサ部が、当該光ファイバーのコア部の光軸線上に屈折率の異なる回折格子を一定の間隔で並設した構成になっていることを特徴とする水分センサ。

【請求項5】
前記請求項4に記載のセンサ部が1本の光ファイバーに対して任意の間隔をおいて複数個取り付けることができることを特徴とする水分センサ。

【請求項6】
請求項ないしのいずれか1項に記載の水分センサにおいて、
前記センサ部が、当該光ファイバーのコア部の光軸線上に第1の半透過ミラーと第2の半透過ミラーを空隙を介して対向・配置して、前記第1の半透過ミラーで反射した第1の反射光と、前記第2の半透過ミラーで反射した第2の反射光を、波長毎に分離して干渉させる構成になっていることを特徴とする水分センサ。

【請求項7】
請求項ないしのいずれか1に記載の水分センサにおいて、
前記膨潤材料が、ウレタン系の膨潤性ゴム材料であることを特徴とする水分センサ。
国際特許分類(IPC)
画像

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JP2012183383thum.jpg
出願権利状態 登録
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