JP7209418B2

JP7209418B2 - 粉体流量計測装置及び粉体の積算流量計測方法

Info

Publication number: JP7209418B2
Application number: JP2018132951A
Authority: JP
Inventors: 弘之森野; 雅信阪口; 友哉矢代; 正剛岩下; 信宏藤岡
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2023-01-20
Anticipated expiration: 2038-07-13
Also published as: JP2020012643A

Description

本発明は、粉体流量計測装置及び粉体流量計測装置を用いた粉体の積算流量計測方法に関する。

従来より、ＮＡＴＭ工法によるトンネル工事では、掘削した地山に岩盤や土砂の剥離崩落が生じることを防止するべく、吹付装置を用いて吹付コンクリートを吹付ける工事が実施されている。一般に、吹付コンクリートには、凝結時間を短くして材齢数時間から１日程度までの早期強度を増進するため、急結剤を添加する場合が多い。

急結剤は、吹付装置のノズル手前で吹付コンクリートと混合されるもので、例えば、特許文献１には、急結剤供給ポンプの制御装置に急結剤の流量を検知する流量計を設置し、流量計の出力値を参照しつつ、コンクリートの圧送量に応じた量の急結剤を添加する構成が開示されている。

特開平１－２８５３１０号公報

上記の特許文献１では、急結剤の流量を検知する流量計として電磁流量計や容積式流量計等を採用しており、吹付コンクリートに液体状の急結剤を使用しているものと想定するが、一般には、急結剤に粉体状のものを使用する場合が多い。

このような粉体状の急結剤を使用する場合、その流量を電磁流量計や容積式流量計により計測することは困難である。粉体の流量を計測可能な流量計として、マイクロ波式粉体流量計が広く用いられているが、吹付装置のような建設作業用の機器等に取り付けると、粉体を精度よく検知できずに計測精度が大幅に低下することが知られており、実用化に課題が生じている。

そこで、粉体状の急結剤を添加した吹付コンクリートにより吹付工事を行う場合には、事前に、吹付試験を行って急結剤の添加量を決定する作業と併せて、急結剤吐出装置に装備されている吐出用電動モータの回転数と急結剤の吐出量との関係を把握しておく。そして、事前に決定した急結剤の添加量にて吹付け作業を実施し、作業途中における急結剤の添加量の調整は、吐出用電動モータの回転数を制御することにより行っている。

しかし、吐出用電動モータの回転数制御がオペレーターによる手作業で行われるため、急結剤の添加量にバラツキが生じやすい。また、回転数を制御しても、回転数に対応する急結剤の吐出量が、事前把握した量と実際の量とで一致しないといった事象も生じやすく、高い精度で添加量を定量的に把握することができない。このため、吹付作業時に作業員が、目視で地山等に吹付けられた吹付コンクリートの定着具合を確認して過不足具合を判断したり、作業終了後に急結剤の空袋を確認して実際の添加量を把握するなどしている。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、簡略な装備でありながら、精度よく粉体の積算流量を把握することの可能な、粉体流量計測装置及び粉体の積算流量計測方法を提供することにある。

かかる目的を達成するため本発明の粉体流量計測装置は、マイクロ波透過性の材料よりなり、中間部に流量検知部を備える粉体流動管と、前記粉体流動管の前記流量検知部における外周面側に設置され、マイクロ波ドップラーセンサを備える粉体流量計と、マイクロ波反射性の材料よりなり、前記粉体流動管の外周面を、前記流量検知部を挟んで上流側および下流側の所定範囲にわたって被覆する一般部被覆材と、マイクロ波吸収性の材料よりなり、前記一般部被覆材の上流側端部及び下流側端部各々と前記粉体流動管の外周面との境界部を被覆する端部被覆材と、を備えることを特徴とする。

上述する本発明の粉体流量計測装置によれば、粉体流動管にマイクロ波透過性の材料を採用し、粉体流量計を粉体流動管の外周面に配置したため、マイクロ波ドップラーセンサが粉体流動管の内方に突出することがなく、計測対象粉体は粉体流動管内をスムーズに流下することができる。

また、粉体流動管の外周面を、マイクロ波吸収性の材料よりなる一般部被覆材もしくはマイクロ波反射性の材料よりなる一般部被覆材とマイクロ波吸収性の材料よりなる端部被覆材にて被覆したため、粉体流動管の外方に位置するマイクロ波が反射するような外乱環境を排除することができる。したがって、いずれの環境にあっても粉体流量計測装置により、精度よく計測対象粉体の積算流量を計測することが可能となる。

さらに、前記粉体流動管への振動伝達を抑止する防振設備を備えることにより、地山等に吹付コンクリートを吹付ける際に用いる吹付装置のような、振動が発生する機器に粉体流量計測装置を設置しても振動の影響を最小限に抑えて、より高い精度で粉体の積算流量を計測することが可能となる。

本発明の粉体の積算流量計測方法は、本発明の粉体流量計測装置を用いた粉体の積算流量計測方法であって、計測対象粉体の試料を前記粉体流動管に流下させ、一定時間ごとに、前記粉体流量計にて積算流量に係るセンサ出力値を計測する一方で、流下した前記試料の質量の積算値を計測し、該質量の積算値と前記積算流量に係るセンサ出力値を用いた回帰分析を行い、計測対象粉体が前記粉体流動管を流下した際に前記粉体流量計より得られるセンサ出力値を説明変数とし、前記計測対象粉体の積算流量を目的変数とする予測式を算出する予測式算出工程と、前記粉体流量計測装置を、前記計測対象粉体の輸送配管に設置する装置設置工程と、前記計測対象粉体の積算流量を、前記粉体流量計測装置から得たセンサ出力値と前記予測式に基づいて算定する積算流量算定工程と、を備えることを特徴とする。

上述する本発明の粉体の積算流量計測方法によれば、計測対象粉体が粉体流動管を流下した際の、粉体流量計のセンサ出力値を説明変数とし、計測対象粉体の積算流量を目的変数とする予測式をあらかじめ算定したうえで、計測対象粉体が流下する管路の途中に粉体流量計測装置を設置するのみで、計測対象粉体の積算流量（流下した計測対象粉体の全質量）を把握することが可能となる。

本発明の粉体の積算流量計測方法は、前記装置設置工程では、前記粉体流量計測装置を、吹付コンクリートを吹付ける際に用いる吹付装置に備えた急結剤の輸送配管に設置することを特徴とする。

上述する本発明の粉体の積算流量計測方法によれば、粉体流量計のセンサ出力値を一定時間ごとに出力させることにより、その時点で流下した急結剤の全質量、つまり添加量をリアルタイムで把握することができるため、吹付作業中であっても急結剤の添加量調整を定量的に行うことが可能となる。

これにより、吹付コンクリートの圧送量が吹付作業中に変化した場合にも、この変化に対応した適量の急結剤を添加することが可能になる。また、地山の状況等に応じて急結剤の添加量を調整したい場合にも容易に対応することができ、吹付コンクリートを吹付けた地山や法面等の吹付面を、高品質に仕上げることが可能となる。

本発明によれば、マイクロ波透過性の材料よりなる粉体流動管の外周面を、マイクロ波反射性の材料よりなる一般部被覆材と、マイクロ波吸収性の材料よりなる端部被覆材で被覆する簡略な構成で、粉体流量計が備えるマイクロ波ドップラーセンサに影響を与える外乱環境を排除し、精度よく粉体流動管を流動する計測対象粉体の積算流量を把握することが可能となる。

本発明の実施の形態における粉体流量計測装置の概略を示す図である。本発明の実施の形態における粉体流量計測装置の断面を示す図である。本発明の実施の形態における粉体流動管内におけるマイクロ波の動きを示す図である。本発明の実施の形態における粉体流量装置を備えた吹付装置の全体を示す図である。本発明の実施の形態における粉体流量計測装置の防振設備を示す図である。本発明の実施の形態における粉体流量計測装置に防振設備と防護ボックスを備えた状態を示す図である。本発明の実施の形態における粉体流動管を流下した試料の、質量の積算値と粉体流量計で取得した積算流量に係るセンサ出力値との関係を示す図である。

本発明の粉体流量計測装置は、計測対象粉体が流下する輸送配管に設置することで、流下する計測対象粉体の積算流量（流下した全質量）を把握するができるものである。本実施の形態では、粉体流量計測装置を、吹付コンクリートの吹付装置に備えられた急結剤圧送ホースに設置する場合を事例として、図１～図７を参照しつつ、以下にその詳細を説明する。

＜粉体流量計測装置＞
図１及び図２で示すように、粉体流量計測装置１は、粉体流量計２と、粉体流動管３と、一般部被覆材４と、端部被覆材５とを備え、粉体流量計２には、マイクロ波式粉体流量計として一般に知られ、管路を流下する計測対象粉体をマイクロ波ドップラーセンサ２１で検知し、その積算流量をセンサ出力値として出力することの可能な流量計を採用している。

粉体流動管３は、図１で示すように、粉体流量計２にて流量を計測しようとする計測対象粉体を流下させるためのストレート管であり、一端に粉体流入部３１、他端に粉体流出部３２を備える。材質は、マイクロ波透過性の材料であればいずれを採用してもよく、本実施の形態では、塩化ビニルパイプを採用している。粉体流入部３１および粉体流出部３２には、それぞれ継手部材６が備えられており、計測対象粉体が流下する輸送配管に接続することが可能な構成となっている。

また、粉体流動管３の中間部には流量検知部３３が設定され、この流量検知部３３に粉体流量計２が設置されている。図２で示すように、粉体流量計２は流量計設置治具７を介して設置されており、流量計設置治具７は、底部で粉体流動管３を保持するＵ字部７１と、Ｕ字部７１の開放部に設置され、粉体流量計２を保持する筒部７２とを有する。

筒部７２にマイクロ波ドップラーセンサ２１が挿入される状態で、粉体流量計２が流量計設置治具７に保持されることにより、マイクロ波ドップラーセンサ２１が流量検知部３３における粉体流動管３の外周面と対向する態様となる。なお、マイクロ波ドップラーセンサ２１は、粉体流動管３と当接していても間隔を有して配置されていてもよい。また、粉体流量計２は、流量計設置治具７の筒部７２に対していずれの手段で保持されてもよい。

さらに、粉体流動管３の外周面であって、流量検知部３３を挟んで上流側および下流側の所定範囲は、一般部被覆材４により被覆されている。一般部被覆材４は、マイクロ波反射性の材料よりなり、マイクロ波ドップラーセンサ２１から発信されたマイクロ波が、粉体流動管３を透過して粉体流動管３の外方に位置するいずれかの物体に反射し、その反射波がマイクロ波ドップラーセンサ２１で受信されることのないよう用いられるものである。

本実施の形態では、一般部被覆材４にスチールテープを採用し、流量計設置治具７を含み、粉体流動管３における粉体流量計２のマイクロ波ドップラーセンサ２１と対向している部分を除いて、上記所定範囲を被覆している。なお、流量計設置治具７が、マイクロ波反射性の材料で製作されている場合には、必ずしも一般部被覆材４で被覆しなくてもよい。

このような構成により、粉体流量計２のマイクロ波ドップラーセンサ２１からマイクロ波を発信した状態で、粉体流動管３の内方に計測対象粉体を流下させると、計測対象粉体に反射したマイクロ波は、マイクロ波ドップラーセンサ２１で受信される。受信された信号は、ドップラー効果により周波数が変化することから、粉体流量計２は、この発信波と受信波の変化に基づいて流量を算定したうえで、積算流量に係るセンサ出力値を出力する。

その一方で、図３（ａ）で示すように、計測対象粉体に反射せずに粉体流動管３の内方において一般部被覆材４により反射を繰り返すマイクロ波は、一般部被覆材４の端部近傍で粉体流動管３の外側に放出され、この外側に位置するいずれかの物体に反射する。この反射波が粉体流動管３の内方に戻ってマイクロ波ドップラーセンサ２１に受信されると、計測精度が大幅に低下する。このため、粉体流動管３の外方に位置する、マイクロ波が反射するような外乱環境を排除するべく、一般部被覆材４の端部には端部被覆材５を設置している。

端部被覆材５は、図１及び図３（ｂ）で示すように、マイクロ波吸収性を有し、粉体流動管３を被覆することのできる材料により構成されている。本実施の形態では、導電性シリコンゴムを採用し、一般部被覆材４における、上流側端部と粉体流動管３の外周面との境界部付近、及び下流側端部と粉体流動管３の外周面との境界部付近をそれぞれ被覆している。これにより、粉体流動管３の内部で一般部被覆材４により反射したマイクロ波は、端部被覆材５により吸収されて粉体流動管３から外方に放出されることがない。

上述する構成の粉体流量計測装置１は、例えば図４で示すような、ＮＡＴＭ工法によるトンネル工事において掘削した地山に吹付コンクリートを吹付ける場合や、斜面安定工として法面に吹付コンクリートを吹付ける場合等に用いられる吹付装置１０に装備することができる。

吹付装置１０は、コンクリートポンプ１１より吐出され、コンプレッサ１６から供給された圧縮空気により圧送される吹付コンクリートが流下するマテリアルホース１３と、同じくコンプレッサ１６から供給された圧縮空気にて急結剤添加装置１２より圧送された粉体状の急結剤が流下する急結剤圧送ホース１４とを備え、急結剤圧送ホース１４を流下した粉体状の急結剤は、吹付ノズル１５手前のマテリアルホース１３内で吹付コンクリートと合流・混合される。こうして急結剤が混合された吹付コンクリートは、吹付ノズル１５を介して噴射される。

このような構成の吹付装置１０に対して粉体流量計測装置１は、粉体状の急結剤が流下する急結剤圧送ホース１４に設置すると、吹付コンクリートへの急結剤の添加量を計測することができる。なお、粉体流量計測装置１の設置位置は、粉体流動管３が、急結剤圧送ホース１４の途中に位置するように設けてもよいし、急結剤添加装置１２の吐出口と急結剤圧送ホース１４の流入口との間に位置するように設けてもよい。

ところで、急結剤圧送ホース１４には、急結剤を圧縮空気により圧送することに伴う振動が生じやすい。このような環境に粉体流量計測装置１を設置すると、粉体流量計測装置１にも振動が伝達されるため、急結剤圧送ホース１４から粉体流動管３に流入した急結剤にマイクロ波が精度よく反射できず、粉体流量計２の出力値にに計測誤差が生じやすい。そこで、粉体流量計測装置１には、振動の入力を抑制するための防振設備８を、少なくとも粉体流動管３に備える構成にするとよい。

防振設備８は、図５で示すように、横臥した状態の粉体流動管３を下方より支持する架台８１と、架台８１に粉体流動管３を固定するＵ字状の固定部材８２と、架台８１を地盤やコンクリート基礎等の不動部に据え付け固定するアンカーボルト８３を備える。

なお、防振設備８は、必ずしも上記の構造に限定されるものではなく、粉体流動管３を介して粉体流量計測装置１に入力する振動を抑制できる構造であれば、いずれを採用してもよい。また、不測の事象により防振設備８を採用しても粉体流量計２に振動が伝達される場合には、粉体流量計２への振動の伝達を抑制する防振設備をさらに設ける。

上述する構成の粉体流量計測装置１は、あらかじめ工場等において図６で示すように、少なくとも粉体流量計２を防護する防護ボックス９と防振設備８とを備えた状態に製作しておくとよい。こうすると、粉体流量計測装置１を施工現場等へ安全に搬送でき、また、吹付装置１０への設置作業も容易に行うことができる。

上記のとおり粉体流量計測装置１は、粉体流動管３にマイクロ波透過性の材料を採用し、粉体流量計２を粉体流動管３の外周面に配置しため、マイクロ波ドップラーセンサ２１が粉体流動管３の内方に突出することがなく、計測対象粉体は粉体流動管３内をスムーズに流下することができる。

また、粉体流動管３の外周面をマイクロ波反射性の材料よりなる一般部被覆材４及びマイクロ波吸収性の材料よりなる端部被覆材５にて被覆したため、粉体流動管３の外方に位置するマイクロ波が反射するような外乱環境を排除することができる。したがって、いずれの環境にあっても粉体流量計測装置１により、精度よく計測対象粉体の積算流量を計測することが可能となる。

また、防振設備８を備える構成とすれば、振動が発生する機器に粉体流量計測装置１を設置しても振動の影響を最小限に抑えて、より高い精度で計測対象粉体の積算流量を計測することが可能となる。

＜粉体流量計測装置１を用いた粉体の積算流量測定方法＞
次に、粉体流量計測装置１を用いた粉体の積算流量測定方法を、吹付装置１０に備えた急結剤圧送ホース１４を流下する急結剤の積算流量を計測する場合を事例に挙げ、以下に説明する。

＜予測式算出工程＞
まず、計測対象粉体である急結剤の試料を用意し、この試料をロードセル等の質量計測部を備えた貯留タンクに貯留しておく。次に、貯留した試料を貯留タンクから粉体流動管３に流下させ、一定時間ごとに、粉体流量計２にて積算流量に係るセンサ出力値を計測する。その一方で、センサ出力値の計測と同じ時間間隔で、貯留タンクから流下した試料の質量の積算値を、貯留タンクに備えた質量計測部にて計測する。

所定時間経過後、粉体流動管３を流下した試料の、粉体流量計２にて計測した積算流量に係るセンサ出力値と、質量計測部にて計測した質量の積算値との相関関係を確認する。図７に示す計測結果の散布図は、横軸に質量の積算値、縦軸にセンサ出力値を取ってプロットしたものであり、これを見ると、両者の間には高い相関関係（Ｒ²=０．９８）があることが見て取れる。相関関係を確認したうえで回帰分析を行い、吹付装置１０の急結剤圧送ホース１４から吐出された計測対象粉体である急結剤が、粉体流動管３を流下した際の粉体流量計２のセンサ出力値を説明変数とし、急結剤の積算流量を目的変数とする予測式を算出する。

＜装置設置工程＞
次に、粉体流量計測装置１を粉体流動管３が、吹付装置１０における急結剤圧送ホース１４の途中もしくは急結剤添加装置１２の吐出口と急結剤圧送ホース１４の流入口との間に位置するようにして、継手部材６を介して連結する。併せて、防振設備８にて粉体流量計測装置１を地盤もしくはコンクリート基礎等の不動部に据え付け固定し、粉体流動管３への振動伝達の防止対策を講じる。

＜積算流量算定工程＞
このような事前準備が完了した後、粉体流量計２のマイクロ波ドップラーセンサ２１からマイクロ波を発信させた状態で吹付装置１０を作動させることにより急結剤の圧送を開始し、急結剤を急結剤圧送ホース１４及び粉体流動管３を経由させてマテリアルホース１３に流下させる。すると、マイクロ波ドップラーセンサ２１から粉体流動管３内に向けて発信されたマイクロ波が、粉体流動管３を流下する急結剤に反射してマイクロ波ドップラーセンサ２１に受信される。

粉体流量計２は、これらマイクロ波の発信波と受信波の変化に基づいて、積算流量に係るセンサ出力値を出力する。こうして出力されたセンサ出力値を、予測式算出工程で算出した予測式に入力することにより、マテリアルホース１３に流下した急結剤の積算流量、つまり、センサ出力値を計測した時点における、粉体流動管３の流量検知部３３を流下した急結剤の全質量（急結剤の添加量）を把握することが可能となる。

したがって、粉体流量計２のセンサ出力値を一定時間ごとに出力させることにより、急結剤の添加量をリアルタイムで把握することができるため、吹付作業中であっても急結剤の添加量調整を定量的に行うことが可能となる。

本発明の粉体流量計測装置１および粉体の積算流量計測方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、本実施の形態では、図１で示すように、粉体流動管３の外周面を被覆する一般部被覆材４としてマイクロ波反射性の材料を採用した。しかし、必ずしもこれに限定されるものではなく、マイクロ波吸収性の材料を採用してもよい。この場合には、端部被覆材５を省略することができる。

１粉体流量計測装置
２粉体流量計
２１マイクロ波ドップラーセンサ
３粉体流動管
３１粉体流入部
３２粉体流出部
３３流量検知部
４一般部被覆材
５端部被覆材
６継手部材
７流量計設置治具
７１Ｕ字部
７２筒部
８防振設備

１０吹付装置
１１コンクリートポンプ
１２急結剤添加装置
１３マテリアルホース
１４急結剤圧送ホース（急結剤の輸送配管）
１５吹付ノズル
１６コンプレッサ

Claims

マイクロ波透過性の材料よりなり、中間部に流量検知部を備える粉体流動管と、
前記粉体流動管の前記流量検知部における外周面側に設置され、マイクロ波ドップラーセンサを備える粉体流量計と、
マイクロ波反射性の材料よりなり、前記粉体流動管の外周面を、前記流量検知部を挟んで上流側および下流側の所定範囲にわたって被覆する一般部被覆材と、
マイクロ波吸収性の材料よりなり、前記一般部被覆材の上流側端部及び下流側端部各々と前記粉体流動管の外周面との境界部を被覆する端部被覆材と、
を備えることを特徴とする粉体流量計測装置。
請求項１に記載の粉体流量計測装置において、
前記粉体流動管への振動伝達を抑止する防振設備を備えることを特徴とする粉体流量計
測装置。
請求項１または２に記載の粉体流量計測装置を用いた粉体の積算流量計測方法であって、
計測対象粉体の試料を前記粉体流動管に流下させ、一定時間ごとに、前記粉体流量計にて積算流量に係るセンサ出力値を計測する一方で、流下した前記試料の質量の積算値を計測し、該質量の積算値と前記積算流量に係るセンサ出力値を用いた回帰分析を行い、計測対象粉体が前記粉体流動管を流下した際に前記粉体流量計より得られるセンサ出力値を説明変数とし、前記計測対象粉体の積算流量を目的変数とする予測式を算出する予測式算出工程と、
前記粉体流量計測装置を、前記計測対象粉体の輸送配管に設置する装置設置工程と、
前記計測対象粉体の積算流量を、前記粉体流量計測装置から得たセンサ出力値と前記予測式に基づいて算定する積算流量算定工程と、
を備えることを特徴とする粉体の積算流量計測方法。
請求項３に記載の粉体の積算流量計測方法において、
前記装置設置工程では、前記粉体流量計測装置を、吹付コンクリートを吹付ける際に用いる吹付装置に備えた急結剤の輸送配管に設置することを特徴とする粉体の積算流量計測方法。