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掃流砂の粒径判別方法および装置、ならびに掃流砂の粒径分布計測システム NEW コモンズ

国内特許コード P180015722
整理番号 DP1791
掲載日 2018年11月29日
出願番号 特願2017-009201
公開番号 特開2018-119792
出願日 平成29年1月23日(2017.1.23)
公開日 平成30年8月2日(2018.8.2)
発明者
  • 小山 大介
  • 松川 真美
  • 林 正敏
  • 吉川 拓弥
出願人
  • 学校法人同志社
発明の名称 掃流砂の粒径判別方法および装置、ならびに掃流砂の粒径分布計測システム NEW コモンズ
発明の概要 【課題】簡単な構成の圧電センサと判別手段を用いて、掃流砂の粒径を判別する方法および装置を提供する。
【解決手段】圧電センサ1として、金属製の円板11の裏面に円環状の圧電素子12が取り付けられ、円板11の表面に掃流砂が衝突したときに圧電素子12から電気信号を出力するセンサを用いる。最初に、圧電センサ1の出力信号から円板11の2つの共振モードに対応した周波数成分を取り出し、当該取り出された2つの周波数成分の振幅比a/bを算出する。次に、算出された振幅比a/bを、予め求めておいた掃流砂の粒径と振幅比との関係を示すテーブルと照合して、掃流砂の粒径を判別する。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要 河川の構造物周辺における局所洗掘は、構造物の基礎を晒し、流れをその近傍に集中させるため、構造物の機能や安全性を低下させ被災を引き起こす要因となる。

河川構造物の維持管理において、構造物周辺での洪水流による河床形状の変化を調べ、局所洗掘の発達機構を把握することは,洪水時に構造物が被災する危険性を軽減し、また被災危険性の少ない構造物を検討する際の重要な基礎資料となる。

そのためには,構造物周りの河床近くを転動しながら移動する掃流砂の粒径集団について検討し,洗掘機構の把握に繋げることが必要である。

掃流砂の粒径を判別する方法として、河川流域内に、加速度計を一体的に取り付けた衝突弾性波測定対象体を設置し、掃流砂が測定対象体に衝突した際に発生する弾性波を計測する方法が提案されている(特許文献1参照)。
産業上の利用分野 本発明は、圧電センサを用いて河川を流れる掃流砂の粒径を判別する方法および装置に関し、更に、該当する河川における掃流砂の粒径分布をリアルタイムで計測するシステムに関する。
特許請求の範囲 【請求項1】
金属製の円板の裏面に円環状の圧電素子が取り付けられた圧電センサの前記円板の表面に掃流砂が衝突したときに前記圧電素子から出力される電気信号を検出する第1のステップと、
当該圧電センサの出力信号から前記円板の2つの共振モードのそれぞれに対応した周波数成分を取り出す第2のステップと、
当該取り出された2つの周波数成分の振幅比を算出する第3のステップと、
当該算出された振幅比を、予め求めておいた掃流砂の粒径と振幅比との関係を示すテーブルと照合して、前記掃流砂の粒径を判別する第4のステップと、を含むことを特徴とする掃流砂の粒径判別方法。

【請求項2】
前記2つの共振モードはB00モードとB10モードである、請求項1に記載の掃流砂の粒径判別方法。

【請求項3】
金属製の円板の裏面に円環状の圧電素子が取り付けられ、前記円板の表面に掃流砂が衝突したときに前記圧電素子から電気信号を出力する圧電センサと、
当該圧電センサの出力信号から前記円板の2つの共振モードのそれぞれに対応した2つの周波数成分を取り出すフィルタ手段と、
当該フィルタ手段によって取り出された2つの周波数成分の振幅比を算出する振幅比算出手段と、
当該振幅比算出手段で算出された振幅比を、予め求めておいた振幅比と粒径との関係を示すテーブルと照合して、前記掃流砂の粒径を判別する判別手段と、
当該判別手段によって判別した粒径比を表示する表示手段と、を備えたことを特徴とする掃流砂の粒径判別装置。

【請求項4】
前記フィルタ手段、振幅比算出手段および判別手段のそれぞれの機能は、パーソナルコンピュータにおいてCPUでプログラムを実行することにより実現される、請求項3に記載の掃流砂の粒径判別装置。

【請求項5】
前記圧電センサから出力されたアナログの信号をデジタル信号に変換した後、前記パーソナルコンピュータに入力するA/D変換器を備えた、請求項4に記載の掃流砂の粒径判別装置。

【請求項6】
前記振幅比算出手段は、前記フィルタ手段で取り出された2つの周波数成分の
ピーク値を検出するピーク検出回路と、当該ピーク検出回路で検出された2つのピーク値の比を算出する除算回路とで構成された、請求項3に記載の掃流砂の粒径判別装置。

【請求項7】
前記圧電センサの円板の裏側には金属製の円筒が接着され、かつ当該円筒の端は密閉されている、請求項3ないし6のいずれかに記載の掃流砂の粒径判別装置。

【請求項8】
金属製の円板の裏面に円環状の圧電素子が取り付けられ、前記円板の表面に掃流砂が衝突したときに前記圧電素子から電気信号を出力する圧電センサ、当該圧電センサの出力信号をデジタル信号に変換するA/D変換器、および当該A/D変換器から出力されたデジタル信号を無線信号に変換して送信する通信モジュールで構成されたセンサユニットと、
前記圧電センサの出力信号から前記円板の2つの共振モードのそれぞれに対応した2つの周波数成分を取り出すフィルタ手段、当該フィルタ手段によって取り出された2つの周波数成分の振幅比を求め、当該振幅比を予め求めておいた振幅比と粒径との関係を示すテーブルと照合して、前記掃流砂の粒径を判別する判別手段、および当該判別手段で判別された掃流砂の粒径から、前記センサユニットが設置された河川における掃流砂の粒径分布を計測する計測手段で構成された粒径分布計測装置と、
前記通信モジュールから送信された無線信号を前記粒径分布計測装置に送信する無線の通信網と、を備えたことを特徴とする掃流砂の粒径分布計測システム。

【請求項9】
金属製の円板の裏面に円環状の圧電素子が取り付けられ、前記円板の表面に掃流砂が衝突したときに前記圧電素子から電気信号を出力する圧電センサ、当該圧電センサの出力信号から前記円板の2つの共振モードのそれぞれに対応した2つの周波数成分を取り出すフィルタ手段、当該フィルタ手段によって取り出された2つの周波数成分の振幅比を算出する振幅比算出手段、当該振幅比算出手段で算出された振幅比をデジタル信号に変換するA/D変換器、および当該A/D変換器から出力されたデジタル信号を無線信号に変換して送信する通信モジュールで構成されたセンサユニットと、
前記振幅比算出手段で算出された振幅比を、予め求めておいた振幅比と粒径との関係を示すテーブルと照合して、前記掃流砂の粒径を判別する判別手段、および当該判別手段で判別された掃流砂の粒径から、前記センサユニットが設置された河川における掃流砂の粒径分布を計測する計測手段で構成された粒径分布計測装置と、
前記通信モジュールから送信された無線信号を前記粒径分布計測装置に送信する無線の通信網と、を備えたことを特徴とする掃流砂の粒径分布計測システム。

【請求項10】
前記通信網は、携帯電話の基地局、電話回線、ゲートウェイおよびインターネットで構成されている、請求項8または9に記載の掃流砂の粒径分布計測システム。

【請求項11】
前記センサユニットのうち少なくとも圧電センサは、河川に架けられた橋の橋脚の根元に取り付けられ、かつ前記圧電センサの円板が河川の流れに対して対向する状態で設置される、請求項8または9に記載の掃流砂の粒径分布計測システム。

【請求項12】
前記円板の直径が異なり、これに伴って判別可能な掃流砂の粒径が異なる複数の圧電センサを用意し、当該圧電センサを備えた複数のセンサユニットを用いて掃流砂の粒径分布を計測する、請求項8ないし11のいずれかに記載の掃流砂の粒径分布計測システム。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2017009201thum.jpg
出願権利状態 公開
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