JP7636611B2 - 静電容量による非接触式高さ測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、静電容量による非接触式高さ測定方法に関し、詳しくは、壁体を隔てた反対側の誘電体物質の高さレベルを電極体間の静電容量の値に基づいて検出する非接触式高さ測定方法に関するものである。

従来から、空間を形成する非金属材料体の内部に存する誘電体物質、例えば、液体を収容する容器内の液面レベルを静電容量の変化に基づいて検出する静電容量による液面レベルセンサが知られている（ 例えば特許文献１、特許文献２を参照）。

上記特許文献１の提案は、液体又は粉体等の入ったタンク容器等の貯蔵レベルや貯蔵量をセンサ体を用いて計測するものであり、このセンサ体は、絶縁材料からなる２枚のフィルムの間に膜状の２枚の電極体を互いに間隔を置いて配置し、これら２枚の電極体の各々にリード線を接続するとともに、２枚のフィルムを互いに密着させてフレキシブルなセンサ体を形成している。そして、電極体に接続されたリード線を信号増幅器等の電気回路に接続している。また、リード線の途中に可撓性を有する信号処理電気回路部を介在させて接続してフレキシブルなセンサ体を形成し、このセンサ体において検出信号を信号処理してもよいことが記載されている。

このセンサ体は、変形容器やガラスビン等のサイズのものの液面レベルの計測に使用し、センサ本体によって検出された検出信号を信号増幅器等の電気回路に接続し信号処理しているが、センサ体への入力電圧、出力信号とその信号の処理については記載されていない。

特許文献２の提案においては、液面レベルセンサがセンサ本体及びセンサ回路を備えており、センサ本体は、可撓性材料からなる絶縁シー トと、絶縁シートの一方の面に形成された検出電極と、他方の面に、検出電極と対向し検出電極の領域を含むように広く形成されたガード電極と、絶縁シートのいずれかの面に、検出電極又はガード電極から所定距離離れた位置に、検出電極又はガード電極に対して対称的に形成された一対の接地電極を有し、検出電極と接地電極およびガード電極間の静電容量を検出するとしている。また、センサ回路はセンサ本体に接続され、センサ本体によって検出された静電容量を電気信号に変換し、電気信号を信号処理して液面レベルを検出している。

この液面レベルセンサは、液体を収容する容器内の液面レベルを静電容量の変化に基づいて検出電極として検出電極、ガード電極及び接地電極の３つの電極を必要とするとともに、センサ本体によって検出された静電容量を電気信号に変換して信号処理するセンサ回路を通じて液面レベルを検出しているため、構成が複雑であり高価なセンサとなる。

また、特許文献３は、ジャンカ等のコンクリート欠陥をコンクリート硬化前に検出する装置であり、コンクリート打設前と打設後に型枠の外面の一対の側点の間に高周波電流を印加してコンクリート型枠及びコンクリート外側部分の静電容量を測定し、その静電容量の差により型枠内部のコンクリート欠陥を検出するとしている。この検出方法は、測点に装置の両端子を当接させて測定するが、両端子の間のジャンカ等を検出するものであり、部分的な検出である。

また、非特許文献１に記載の製品は、静電容量型液面レベルセンサであり、樹脂製等のタンクの外側にフィルム状の電極を貼り付け、静電容量の変化によりタンク内部の液体の高さを検出するものである。この場合、検出高さが最大２５０ｍｍであり、比較的低い検出高さを対象としている。また、電源電圧はＤＣ１２Ｖ／ＤＣ２４５Ｖの直流電源を用いている。

さらに、非特許文献２には、金属テープを容器の外側に貼り付け、その金属テープの静電容量を静電容量センサで計測し、静電容量値を水位の変化（ｃｍ）に換算し、水位を算出するものが記載されている。この水位変化の検出原理は、容量値の変化を共振周波数でとらえている静電容量センサ（Texas Instruments社のFDC2214）を使用し、任意のコンデンサとコイルをＬＣ共振させ、センサ部（金属部）で生じた誘電率の変化に伴う容量値の変化を共振周波数の変化でとらえる仕組みである。

これは、水位が上昇するとセンサの容量値が増加し、共振周波数は下がるという検出原理を用いているが、文献中の水位と容量値の関係のグラフに示されるように水位２０ｃｍ程度までのレベルの計測に適用され、比較的計測高さが限られている。

また、特許文献４においては、測定対象物の界面の高さを測定するための界面計測センサであって、界面の高さを測定する測定範囲に応じた長さを有する、測定対象物が導入される構造物の垂直方向に取り付けられる第１と第２の電極とを有しており、これらの電極間の容量を算出し、算出された結果を無線によって外部に送信する無線タグを有する界面計測センサが記載されている。

この場合、界面計測センサは、型枠（杭や柱など、管状の構造物）の内側に垂直方向に延びる方向に設置され、測定対象物（例えばコンクリート）は直接レベルセンサに接触しての測定となる。

また、特許文献５においては、水平方向に一定の間隔をおいて互いに平行し、上下方向に延在する一対の電極線を絶縁材で被覆してなるレベルセンサを型枠の内側の空所内に設置し、空所内にコンクリートが打設されるのに伴い、コンクリートの比誘電率に応じて一対の電極線間に生じる静電容量の変化に基づいて空所に打設されたコンクリートの打ち上がり高さを算出している。

この場合、レベルセンサは、型枠の内側の空所内に上下方向に延在して設置されるため、コンクリートが直接レベルセンサに接触しての測定となる。

特許文献６においては、トンネル内に配設された型枠面に、コンクリートに接触する長さに応じて検出量が変化する、一対の電極線を絶縁材で被覆してなる細長形状のレベルセンサーを、その長手方向を型枠面の長さ方向あるいは幅方向に沿って延在するように取り付けている。そして、レベルセンサーがコンクリートに接触することにより、コンクリートの比誘電率に応じて一対の電極線間に生じる静電容量を検出し、この検出量から打設されたコンクリートの高さを把握するとしている。

このレベルセンサーは、型枠の外側に幅方向に沿って延在するように取り付けられているので、センサーが直接コンクリートに接触しての測定である。

特開２００７－ ３０３９８２ 号公報 特開２０１３－ １６７６５１ 号公報 特開２００５－ ３００４８２ 号公報 特開２０１１－ １７４７１８ 号公報 特開２０１２－ １７２３７５ 号公報 特開２０１９－ ７８０４７ 号公報

亀岡電子カタログ（静電容量型液面レベルセンサ CLA Series インターネット＜URL:https://www.ipros.jp/popup/download/catalog/?objectExpression=2-1447607&sourceObjectId=1447607&sourceObjectType=2&hub=45+bing＞） マクニカ（[IoT/M2M展 2017レポート]IoT PoV 検証モデル展示コーナー 水位計測事例 インターネット＜URL:https://www.macnica.co.jp/business/semiconductor/articles/texas_instruments/122549/＞）

本発明は、壁体を隔てた反対側の誘電体物質の高さレベルを電極体間の静電容量の値に基づいて検出する方法において、特に容器内の液体や粉体の高さレベルを複雑な電気信号を処する回路を必要とせず、高い高さレベルまで測定でき、低コストで製造可能で簡便に使用可能な静電容量による非接触式高さ測定方法を提供することを課題とする。

本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法は、上記の技術的課題を解決するためになされたものであって、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法は、導線が接続された一対の電極体を、空間を有する非金属材料体の外側部、上下方向に、間隔を置いて密着配置又は離隔して配設し、前記空間を有する非金属材料体の内部に導入する誘電体物質の高さを前記電極体間の静電容量の値に基づいて測定する方法であって、
前記一対の電極体に、任意の測定周波数の測定用交流信号を入力し、
前記電極体間のインピーダンスと位相角を測定して容量性リアクタンスを算出し、静電容量の値を計算して、その値により前記誘電体物質の高さを求めることを特徴とする。
第２に、上記第１の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記一対の電極体が帯状であることが好ましい。
第３に、上記第１又は第２の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記測定用交流信号が５ｍＶｒｍｓ～５Ｖｒｍｓ、前記測定周波数が１ＫＨｚ～２０ＭＨｚの範囲であることが好ましい。
第４に、上記第１から第３の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、測定時の静電容量の初期値をゼロ値として測定することが好ましい。
第５に、上記第１から第４の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記空間を有する非金属材料体が型枠であり、該型枠の内部に導入する前記誘電体物質がセメント系物質であることが好ましい。
第６に、上記第１から第５の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記空間を有する非金属材料体が型枠であり、該型枠が、前記電極体を非金属材料体に取り付けて一体化したセンサ付き高さ測定用型枠を、他の型枠に接続させた型枠であることが好ましい。
第７に、上記第１から第６の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記一対の電極体が、長尺の電極体であり、該長尺の電極体の長手方向の所定の一部が幅広に形成されていることが好ましい。
第８に、上記第１から第７の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、複数の前記一対の電極体が、導線で接続されていることが好ましい。
第９に、上記第５又は第６の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記型枠の接続部において、前記一対の電極体同士がコネクタで接続されていることが好ましい。
第１０に、上記第１から第９の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記一対の電極体が防水されていることが好ましい。
第１１に、上記第１から第１０の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、前記測定に係るデータを無線通信装置で表示装置に送信することが好ましい。
第１２に、上記第１から第１１の発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、高さの数値又は図表を表示装置により表示することが好ましい。

本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法によれば、空間を形成する非金属材料体の空間内の液体や粉体等の誘電体物質の高さレベルを、非金属材料体の外側に配置した簡便で製造コストが安価なセンサにより、複雑な電気信号を処する回路を必要とせず容易に検出でき、特に比較的高い高さレベルに対しても検出することができる。

（ａ）は、本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、空間を形成する非金属材料体の形状が四角の容器で、一対の帯状の電極体を、容器の同一側面に配設した実施形態を示す概略斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）における上面視図である。 （ａ）は、本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、空間を形成する非金属材料体の形状が四角の容器で、一対の帯状の電極体を、容器の隣り合う側面に配設した実施形態を示す概略斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）における上面視図である。 （ａ）は、空間を形成する非金属材料体が上面視円形のアクリルパイプで、誘電体物質が水である場合の高さ測定状況を示す概略斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）を用いて測定した静電容量と高さの関係の測定結果を示すグラフである。 （ａ）は、空間を形成する非金属材料体がＦＲＰ型枠で、誘電体物質がフレッシュコンクリートである場合の高さ測定状況を示す概略斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）を用いて測定した高さと静電容量の関係の測定結果を示すグラフである。 （ａ）は、空間を形成する非金属材料体が木製型枠で、誘電体物質がフレッシュコンクリートである場合の高さ測定状況を示す概略斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）における高さと静電容量の関係の測定結果を示すグラフである。 （ａ）は、センサ付き高さ測定用型枠として、電極体を取り付けたＦＲＰ型枠を用いた実施形態の概略正面図であり、（ｂ）は、センサ付き高さ測定用型枠としての電極体を取り付けたＦＲＰ型枠を他の型枠としての木製型枠に接続させた実施形態を示す概略斜視図である。 （ａ）は、空間を形成する非金属材料体がトンネルの二次覆工に用いるＦＲＰ型枠で、誘電体物質としてフレッシュコンクリートを打設する場合の高さ測定状況を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）における横断面図である。 （ａ）は、一対の電極体を、長尺の電極体と、所定の位置の電極の幅を大きくした電極体からなる電極体を配置して高さを測定する実施形態の正面図であり、（ｂ）は、（ａ）における高さと静電容量の関係の測定結果を示すグラフである。 （ａ）は、一対の電極体と測定装置を導線で接続した実施形態を示す概略正面図であり、（ｂ）は（ａ）における高さと静電容量の関係の測定結果を示すグラフである。 （ａ）は、上下の型枠の縦方向の接続部において、上下一対の電極体をコネクタで縦方向に接続した実施形態を示す概略正面図であり、（ｂ）は、（ａ）における電極体の接続部の横断面拡大図である。 一対の電極体を防水した実施形態を示す上面視図である。 計測装置で測定したデータを無線通信装置で表示装置に送信する実施形態を示す概略斜視図である。 トンネルの二次覆工におけるコンクリートの打設高さをモニタ表示する実施形態の説明図である。 電極体をＦＲＰ型枠の各側面の外側、上下方向に取り付けた複数のセンサ付き高さ測定用型枠を木製型枠の間に接続した実施形態を示す概略斜視図である。 図１４におけるコンクリートの打設高さをモニタで画面表示した実施形態の説明図である。

本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法は、導線が接続された一対の電極体を、空間を有する非金属材料体の外側部、上下方向に、間隔を置いて密着配置又は離隔して配設し、前記空間を有する非金属材料体の内部に導入する誘電体物質の高さを前記電極体間の静電容量の値に基づいて測定する方法である。

以下に、本発明に係る静電容量による非接触式高さ測定方法の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、空間を形成する非金属材料体の形状が四角の容器において、一対の電極体が帯状で、容器の同じ側面に配設されている場合の概略斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）における上面視図である。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法の動作原理は、距離をおいて空気で絶縁させた一対の電極体１１間に交流電流を印加することにより、電極体１１間に電界を生じさせてコンデンサのように静電容量を生じさせ、この電界内に空気より比誘電率の高い誘電体物質２０を導入すると静電容量が増加するという原理を用いている。

誘電体物質２０としては、比誘電率が高く測定可能なものであれば特に限定されるものではなく、液体、流動体、粉体等のいずれでもよく、具体的には、例えばフレッシュコンクリート、フレッシュモルタル等のセメント系物質２２や水等を例示することができる。空間を有する非金属材料体２の材質は絶縁体であり、有機材料としては、プラスチック、ゴム、木材、皮革等を例示することができ、無機材料としては、ファインセラミックス、ガラス、陶磁器、耐火物、セメント系物質やＦＲＰ等、また、これらの複合材料を例示することができる。

一対の電極体１１への入力信号は、所定の周波数の測定用交流信号であり、電極体１１間のインピーダンスと位相角を測定して容量性リアクタンスを算出し、次式を用いて静電容量の値を計算して、その値により誘電体物質２０の高さレベルを求める。
Ｘ_Ｃ＝１/（２πｆＣ）
（Ｘ_Ｃ：容量リアクタンス ｆ：交流電圧の周波数 Ｃ：静電容量）
測定用交流信号は５ｍｖＶ～５ｖＶｒｍｓ、測定周波数は１ＫＨｚ～２０ＭＨｚの範囲が好ましい。測定周波数を高い周波数範囲に設定することにより、電界の変動に対する検出感度が向上し、微細な静電容量の変化が検出できるとともに、ノイズに対して比較的耐性を有し、外部からの干渉や電磁ノイズの影響を抑えることができる。

静電容量の計測装置３としては、ＬＣＲメータ、マルチメータあるいはインピーダンスアナライザ等交流入力信号の静電容量を測定できる機器を好適に用いることができる。なお、非金属材料体２の厚みについては、厚さが増加するにつれて静電容量が検出しづらくなるため、検出可能な範囲の厚みとすることが考慮される。また、計測装置３で測定した計測データは、表示装置５により表示することができる。

導線１０が接続された一対の電極体１１は、図１（ｂ）に示すように、非金属材料体２としての上面視矩形容器の外側部に間隔を空けて密着して配設されている。そして、矩形容器の内側に誘電体物質２０が充填されると、充填高さの増加に伴い電極体１１間の静電容量の値も増加する。これにより、静電容量の値に基づいて誘電体物質２０の高さを測定することができる。なお、図１（ａ）では、２本の導線１０はそれぞれ一対の電極体１１の上端部に接続されているが、電極体１１への接続部は電極のどの高さ位置でもよく、例えば電極の下端部でもよい。

電極体１１は、導電性を有する金属板状のものであればよく、特に、銅、アルミ等の材質で、薄板状、膜状のものが軽量で好適である。電極体１１の容器への取り付けは、例えば、容器側面の密着面に両面テープ又は絶縁性を有する接着剤により取り付けたり、電極体１１の片面に接着剤が塗布された導電性銅箔粘着テープや導電性アルミ箔粘着テープ等を使用することもできる。電極体１１の外側面は、絶縁性を有する片面粘着のテープで覆う等の保護をすることが望ましい。

また、予め一組の電極体１１を絶縁体上に形成しておくこともできる。具体的には、例えば、絶縁材料からなる１枚のフィルムの片面に、板状又は膜状の２枚の電極体１１を互いに間隔を置いて配設したり、絶縁材料からなる２枚のフィルムの間に、膜状の２枚の電極体１１を互いに間隔を置いて配設する等して一対の電極体１１を一体に形成することができる。また、容器は、電極体１１との密着面が非金属材料体２であればよく複合材料であってもよい。また、膜状の電極体１１は、フィルムに印刷又は蒸着又はめっきにより形成されていてもよい。

導線１０は、リード線でも同軸ケーブルでもよく、リード線は単線でも撚線でもよい。ただし、リード線の場合は、高周波になるほど外部から到来する電磁波の影響を受けやすいため、伝送長さが長い場合は電磁波の影響を受けにくい、高周波信号伝送用のケーブルとして用いる同軸ケーブルを用いるのが好ましい。

図２（ａ）は、本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法において、空間を形成する非金属材料体の形状が四角の容器で、一対の帯状の電極体を、容器の隣り合う側面に配設した実施形態の概略斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）における上面視図である。本発明においては、このように一対の帯状の電極体１１を同じ側面ではなく、隣り合う側面に一列ずつ配設することもできる。この場合も、距離をおいて空気で絶縁された一対の電極体１１間に交流電流を印加することにより、電極体１１間に電界を生じさせてコンデンサのように静電容量を生じさせることができる。また、一対の帯状の電極体各々の距離が遠くなく電界が届く範囲であれば、一対の帯状の電極体１１を向かい合う面に配設することもできる。

以下に、上記本発明の静電容量による非接触式高さ測定方法による効果を確認した実験（実験１～３）を示す。
＜実験１＞
図３（ａ）は、空間を形成する非金属材料体２が上面視円形のアクリルパイプで、誘電体物質２０が水である場合の高さ測定状況の概略斜視図である。このアクリルパイプは、円筒形の形状であるが、一対の電極体１１が可撓性を有する帯状の電極体１１であれば、曲線を伴う各種形状のタンクや容器、あるいは型枠形状のもの等空間を形成するものにフレキシブルに対応でき、容器内にある物質の高さレベルを検出することができる。

図３（ｂ）は、図３（ａ）における誘電体物質２０が水である場合の水位と静電容量との関係を示すグラフである。なお、静電容量の測定は、測定用交流信号を０．６３Ｖｒｍｓ、測定周波数を１００ｋＨｚの条件で測定した。また、測定開始時の静電容量は、電極体１１設置時の周囲の環境による静電容量の値があるので、その値をゼロ値として初期値とした。なお、以下の実験においても同様の計測装置を使用し、初期値をゼロとして測定した。

アクリルパイプの厚さは３ｍｍ、導電性銅箔テープの幅は、より広くすることにより比例定数が高くなるので、適宜、測定精度や取り付けスペースの制限等の条件に応じて適宜決定することができ、本実験１では２０ｍｍのものを使用した。なお、以下の実験においても本実験１で使用した導電性銅箔テープを用いた。測定結果より、静電容量は水位にほぼ比例して増加したため水位８ｍまで測定した。比例定数としては、約０．５３ｐＦ／ｃｍであった。

＜実験２＞
図４（ａ）は、空間を形成する非金属材料体２がＦＲＰ型枠４６４で、誘電体物質２０がフレッシュコンクリート２２である場合の高さ測定状況の概略斜視図である。土木、建築工事等で構築する構造物は、型枠４６を設置し、その型枠４６内へフレッシュコンクリート２２を打設して築造する。その際、電極体１１を型枠４６の外側に上下に取り付け、コンクリート２２の打設高さを測定する。ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）型枠４６４は、鋼製の型枠と比較して優れた保温性を有し、剥離性に優れるのでケレン作業の軽減ができ、面板４８が錆びることがない等の特長がある。本実験２では厚さ６ｍｍの型枠で４側面を形成し、型枠４６内部にフレッシュコンクリート２２を打設して、フレッシュコンクリート２２の打設高さと静電容量の関係を調べた。

図４（ｂ）は、図４（ａ）における打設高さと静電容量の関係の測定結果を示すグラフである。この測定結果より、静電容量は、水位の場合と同様にフレッシュコンクリート２２の打設高さにほぼ比例して高さ１．７ｍまで増加している。比例定数としては、約０．３２ｐＦ／ｃｍであった。なお、本実験２で用いたＦＲＰ型枠４６４の厚さは６ｍｍである。
＜実験３＞

図５（ａ）は、空間を形成する非金属材料体２として木製型枠４６６を用い、誘電体物質２０がフレッシュコンクリート２２である場合の高さ測定状況の概略斜視図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）を用いてフレッシュコンクリートを打設した場合の静電容量と高さの関係の測定結果を示すグラフである。測定結果によれば、静電容量はフレッシュコンクリート２２の打設高さにほぼ比例して高さ１．７ｍまで増加している。比例定数としては、約０．２７ｐＦ／ｃｍであった。なお、本実験３で用いた木製型枠４６６の厚さは１２ｍｍである。

以上、実験１（図３（ｂ））、実験２（図４（ｂ））、実験３（図５（ｂ））の結果より、アクリルパイプ、ＦＲＰ型枠４６４、木製型枠４６６の非金属材料体２の外側に、１対の電極体１１を互いに間隔を存して密着配置し、導線１０を接続して所定の交流電圧を印加し、静電容量を該電極体１１間に生じるインピーダンスと位相角を測定し、容量リアクタンスを算出して、静電容量の値を算出することにより、非金属材料体２からなる容器内の誘電体物質２０である水、フレッシュコンクリート２２の高さレベルを非接触で測定できることが確認できた。

また、実験２では、型枠４６としてＦＲＰ型枠４６４、実験３では、木製型枠４６６を使用したが、型枠４６は非金属材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、透明型枠、プラスチック型枠等を用いることもできる。なお、木製型枠４６６は、加工が容易で仕上がりが美しく、一般的に安価であるため特に好適に用いることができる。

図６（ａ）は、センサ付き高さ測定用型枠４６３の実施形態を示す概略正面図である。本実施形態では、センサ付き高さ測定用型枠４６３として、電極体１１を取り付けたＦＲＰ型枠４６４を用いている。本実施形態のセンサ付き高さ測定用型枠４６３では、高さ検知部である電極体１１を非金属材料体であるＦＲＰ型枠４６４に取り付け一体化して、センサ付き高さ測定用型枠４６３として専用に用い、他の型枠４６５とを接続させる構成としている。より具体的には、電極体１１をアクリル板等の保護材４６７で覆ったり、密着させ保護している。フレーム４６８には締結用穴４６９を設け、他の型枠４６５にボルトで固定できるようにしている。他の型枠４６５にセットして繰り返し測定することにより、多数箇所でのコンクリート打設や高架橋のような柱状構造物で下層から上層に順次コンクリートを打設する場合に、機能的にコンクリートの打設高さを測定することができる。なお、センサ付き高さ測定用型枠４６３に用いる非金属材料体は、ＦＲＰ型枠４６４以外の非金属材料体でもよく、木製型枠、透明型枠、プラスチック型枠等を例示することができ、これらを適宜組み合わせで使用することもできる。

図６（ｂ）は、図６（ａ）のセンサ付き高さ測定用型枠４６３としての電極体１１を取り付けたＦＲＰ型枠４６４と他の型枠４６５を互いに側部で接続させた実施形態を示す概略斜視図である。本実施形態では、センサ付き高さ測定用型枠４６３としての電極体１１を取り付けたＦＲＰ型枠４６４と、他の型枠４６５としての木製型枠４６６を互いに側部に接続し、電極体１１をＦＲＰ型枠４６４の外側に上下に取り付けている。本実施形態においては、ＦＲＰ型枠４６４と木製型枠４６６の間は継目がずれないようにすることが好ましく、具体的には、例えば単管をホームタイで締め付けたり、より確実に締め付けるために、ＦＲＰ型枠４６４と木製型枠４６６の接続部４７１に締結用穴４６９を設けてボルトで固定したり、クランプで挟んで固定することができる。また、継目の止水をより強力にする場合は、ＦＲＰ型枠４６４と木製型枠４６６の継目に防水テープを張ったり、継目の間にシールを挟むことで対応することもできる。なお、この場合、予めＦＲＰ型枠４６４のフレーム４６８に止水用のシール材を貼付しておくことが好ましい。

以下に、本発明の上記静電容量による非接触式高さ測定方法をトンネルの施工に適用した実施形態について詳述する。

図７（ａ）は、空間を形成する非金属材料体２がトンネル４の二次覆工に用いるＦＲＰ型枠４６４で、誘電体物質２０としてフレッシュコンクリート２２を打設する場合の高さ測定状況を示す斜視図である。トンネル４の二次覆工の実施形態では、電極体１１をＦＲＰ製のセントル４４の内側にトンネル天端部４１に向けて円周方向に取り付け、セントル４４の天井部付近からは電極体１１に接続した導線１０をトンネル４の長手方向に沿わせ、妻型枠側４３の外部の計測装置３と表示装置５に繋げて測定、表示するようにしている。電極体１１のセントル４４への取り付けは、セントル４４の内面に密着して取り付ける。セントル４４のリブ等の部材に対しては穴開けするなど加工をしてセントル４４に密着させるようにしてもよい。

防水シート４２とセントル４４との間のコンクリート打設空間２１にフレッシュコンクリート２２を打設する。打設するフレッシュコンクリート２２の流動性の状況により打設高さの高低差の大小が生じるため、フレッシュコンクリート２２の流動性に応じて検出導線１０の本数を定めるが、通常、片側２～４本程度をトンネル４の両側に配設する。

図７（ｂ）は、図７（ａ）における横断面図である。電極体１１は、セントル４４の内面を下から上側に向けて内面に密着して沿わせて設置している。なお、図７（ａ）では、セントル４４の天井部から妻型枠側４３に延伸した導線１０を計測装置３に繋げているが図７（ｂ）では省略している。防水シート４２とセントル４４との間のコンクリート打設空間２１にフレッシュコンクリート２２を打設し、上方側に順次打設が進むのに伴い、コンクリート２２の充填に応じて静電容量が増加し、その値に伴い円周方向での打設コンクリート２２の充填高さを測定する。

この際、フレッシュコンクリート２２の比誘電率は温度に依存し、フレッシュコンクリート２２の温度が高い程比誘電率が低くなり、比例定数が多少変動することが考慮される。また、フレッシュコンクリート２２の打設に際し、打設条件により長時間かけて打設するような場合、既に下方部に打設されているフレッシュコンクリート２２が時間の経過により硬化が進行することで含水比が低下し、高さと静電容量との比例定数が多少変動することも考慮される。そのため、実際の施工に際しては、事前に使用するフレッシュコンクリート２２における、発熱温度と硬化時間等の特性を考慮した高さと静電容量の比例定数を調べておき、実際の高さ測定の算定に反映させることもできる。

図８（ａ）は、他の実施形態の正面図であり、一対の電極体１１を長尺の電極体１１と、所定の位置の電極体１１の幅を大きくした電極体１２からなる電極体１１を配置して高さを測定する場合を示している。本実施形態では、一対の電極体１１において、中央部の一定高さ区間を幅広に形成した電極体１２をＦＲＰ型枠４６４の側部の定点高さに位置するように配置することで、フレッシュコンクリート２２が幅広の電極体１２の位置まで充填されていることが確認でき、より精度よく測定することができる。長尺の電極体１１の横幅は２０ｍｍ、途中の短尺で幅広の電極体１２の横幅は８０ｍｍ、長さは２０ｍｍであり、高さ５０ｃｍから５２ｃｍの箇所に取り付けている。打設時間が長時間に及ぶ場合の打設済みのコンクリート２２の硬化に伴う比例定数の変化等が生じる場合の打設にも適用できる。幅広の電極体１２は、必要に応じて複数個所設置することもできる。

図８（ｂ）は、図８（ａ）におけるコンクリート高さと静電容量との関係を示すグラフである。この測定結果では、高さが０～５０ｃｍ程度まで一定の増加率で５０～５２ｃｍ程度で増加率が高くなり、また５２ｃｍ程度を過ぎると前の増加率に戻っている。この結果、５０～５２ｃｍの箇所の増加率の変化から、この高さまで打設が行われたことが確認できる。それ以降、引き続き比例定数を基に高さを測定することができる。

図９（ａ）は、他の実施形態の正面図であり、一対の電極体１１を、導線１０で複数接続した電極体１１を配置して高さを測定する場合を示している。本実施形態では、複数接続した一対の短尺の電極体１１をＦＲＰ型枠４６４の側部の定点高さに位置するように配置し、間欠的に物質の高さレベルを測定している。このように、定められた高さに短尺の電極体１１を配置することにより、間欠的に高さを測定することもできる。電極体１１の横幅は８０ｍｍ、長さは２０ｍｍで、高さ１０～６０ｃｍまで１０ｃｍ間隔で取り付けている。打設時間が長時間に及ぶ場合の打設済みのコンクリート２２の硬化に伴う比例定数の９化等が生じる場合の打設にも適用できる。

図９（ｂ）は、図９（ａ）における高さと静電容量の関係の測定結果を示すグラフである。この測定結果では、高さが０～１０ｃｍのところで静電容量は増加せず、１０～１２ｃｍのところで増加し、１２～２０ｃｍのところでほとんど増加せず、それ以降高さ７０ｃｍまで同じ状況を繰り返している。この結果、１０ｃｍ毎に静電容量が増加することにより、間欠的ではあるが打設高さを測定することができる。

図１０（ａ）は、上型枠４６１と下型枠４６２の縦方向の接続部において上下の一対の電極体１１をコネクタ１３で縦方向に接続した実施形態の正面図である。型枠４６の高さを１．８ｍとした場合、その高さより高く打設する場合は、上型枠４６１と下型枠４６２を接続して型枠を高くして打設する。このとき、打設高さを測定するためには、型枠の接続部４７で上下の電極体１１を接続すればよい。その接続方法は、上型枠４６１と下型枠４６２の面板４８（裏側）の上下に沿って取り付けている電極体１１を上型枠４６１と下型枠４６２が接続される横フレーム４８２の箇所で、コネクタ１３を用いて接続する。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の電極体接続部の横断面の拡大図である。電極体１１の接続部では、縦フレーム４８１に対して横フレーム４８２の位置で上型枠４６１と下型枠４６２に跨って面板４８（裏側）に沿って取り付けられている導線１０を通じてコネクタ１３で繋ぎ接続する。このようにして、型枠の接続部４７でも連続的に打設高さを測定するが、上型枠４６１と下型枠４６２の接続部４７は、電極体１１が横フレーム４８２の厚さ分ないので、電極体接続部の高さを増加調整するため、下型枠４６２から上型枠４６１に打設部分が移ったとき、電極体１１が接続されていない導線１０の部分においては横フレーム４８２の厚みを高さの数値にプラスする。

図１１は、一対の電極体１１を防水した実施形態を示す平面図である。一対の電極体１１による静電容量は、空間２１を形成する非金属材料体２の外側の電界内に誘電体物質である水等が付いた場合、静電容量が増加し、高さの値に誤差が生じると考えられる。そこで、電極体１１の周囲を防水囲い４９で覆うことが好ましい。防水囲い４９は、電極体１１に対してある程度距離を置き、間に絶縁体である空気層を設けるようにする。防水囲い４９は他の誘電体物質の接触の防御にもなる。また、防水囲い４９の代わりに、アクリル板等の板を直接銅シートに張り付けることも考えられる。この場合の張り付け方法は、両面テープか接着剤を使用する。

図１２は、計測装置３で測定したデータを無線通信装置６で表示装置５に送信する実施形態の斜視図である。本実施形態は、トンネル４の二次覆工において、打設高さの測定とトンネル天端部４１の充填を検知している場合である。導線１０を接続した計測装置３を妻型枠側４３の外側に設置し、測定データを無線通信装置６でパソコン等の表示装置５に無線でデータ送信することができる。このように無線通信装置６を使用することにより、狭い場所での通信を有線から無線にすることができ、導線１０の切断の危険性を解消するとともに作業性も向上させることができる。

図１３は、トンネル４の二次覆工におけるコンクリート２２の打設高さをモニタ５で画面表示した説明図である。ここでは、一対の電極体１１をセントル４４の内側に、既設側、中央、妻側の３ヶ所で上下に左右取り付けて測定している。図１３の上部映像はトンネル４を側面から見た図で、下部映像はトンネル４を横断から見た図である。打設コンクリート２２の高さをこのように表示、図化することにより、打設状況をリアルタイムに視覚的に把握することができる。この場合、トンネル４の断面形状はアーチ型になるので、事前にアーチ形状に合わせて電極体１１がコンクリート２２に浸かる長さと、そのときの打設高さとの関係を算定しておき、打設高さを算出することができる。

図１４は、電極体１１をＦＲＰ型枠４６４の各側面の外側、上下方向に取り付けた複数のセンサ付き高さ測定用型枠４６３を木製型枠４６６の間に接続した実施形態の概略斜視図である。本実施形態では、打設面積が広く複数の位置の打設高さを知りたいときに、型枠に近い部分について同時に把握することができる。また、生コンポンプ車のブームの移動による打設ではなく、配管を用いたバルブの切り替えで打設をする場合、打設箇所のコンクリートの打設高さを知ることができるため、各バルブ切り替えのタイミングを適時把握することができる。ここでは、一対の電極体１１をＦＲＰ型枠４６４の４面に計８箇所取り付けて測定している。また、データは無線通信装置６で伝送し、パソコン等の表示装置５で画面表示することができる。伝送先は、打設をしている作業所内のほか、遠く離れた事務所等に伝送してもよい。

図１５は、図１４におけるコンクリートの打設高さをモニタで画面表示した実施形態の説明図である。本実施形態では、８箇所の各位置の打設高さを表示している。この表示を作業所内の大型画面で表示することにより、作業関係者が打設の進捗状況を逐次把握することができ、次作業の準備などへの助けとすることができる。

１０ 導線
１１ 電極体
１２ 幅広の電極体
１３ コネクタ
２ 空間を有する非金属材料体
２０ 誘電体物質
２１ コンクリート打設空間
２２ セメント系物質（フレッシュコンクリート）
３ 計測装置
４ トンネル
４１ トンネル天端部
４２ 防水シート
４３ 妻型枠側
４４ セントル
４５ 地山
４６ 型枠
４６１ 上型枠
４６２ 下型枠
４６３ センサ付き高さ測定用型枠
４６４ ＦＲＰ型枠
４６５ 他の型枠
４６６ 木製型枠
４６７ 保護材
４６８ フレーム
４６９ 締結用穴
４７ 上下型枠の接続部
４７１ センサ付き高さ測定用型枠（ＦＲＰ型枠）と他の型枠（木製型枠）の接続部
４８ 面板
４８１ 縦フレーム
４８２ 横フレーム
４９ 防水囲い
５ 表示装置（モニタ）
６ 無線通信装置

Claims (9)

1. 導線が接続された一対の電極体を、空間を有する非金属材料体の外側部、上下方向に、間隔を置いて密着配置又は離隔して配設し、前記空間を有する非金属材料体の内部に導入する誘電体物質の高さを前記電極体間の静電容量の値に基づいて測定する方法であって、
   前記一対の電極体が帯状であり、
   前記空間を有する非金属材料体が型枠であり、
   該型枠の内部に導入する前記誘電体物質がセメント系物質であり、
   静電容量の計測装置を用いて、前記一対の電極体に、測定周波数が１ＫＨｚ～２０ＭＨｚ、５ｍＶｒｍｓ～５Ｖｒｍｓの範囲の測定用交流信号を前記計測装置から導線を通して直接入力し、
   前記電極体間のインピーダンスと位相角を測定して容量性リアクタンスを算出し、静電容量の値を計算して、その値と前記誘電体物質の高さが比例することを利用して、前記誘電体物質の高さを求めることを特徴とする静電容量による非接触式高さ測定方法。
2. 導線が接続された一対の電極体を、空間を有する非金属材料体の外側部、上下方向に、間隔を置いて密着配置又は離隔して配設し、前記空間を有する非金属材料体の内部に導入する誘電体物質の高さを前記電極体間の静電容量の値に基づいて測定する方法であって、
   前記一対の電極体が帯状であり、
   前記空間を有する非金属材料体が型枠であり、該型枠が、前記電極体を非金属材料体に取り付けて一体化したセンサ付き高さ測定用型枠を、他の型枠に接続させた型枠であり、
   静電容量の計測装置を用いて、前記一対の電極体に、測定周波数が１ＫＨｚ～２０ＭＨｚ、５ｍＶｒｍｓ～５Ｖｒｍｓの範囲の測定用交流信号を前記計測装置から導線を通して直接入力し、
   前記電極体間のインピーダンスと位相角を測定して容量性リアクタンスを算出し、静電容量の値を計算して、その値と前記誘電体物質の高さが比例することを利用して、前記誘電体物質の高さを求めることを特徴とする静電容量による非接触式高さ測定方法。
3. 測定時の静電容量の初期値をゼロ値として測定することを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量による非接触式高さ測定方法。
4. 前記一対の電極体が、長尺の電極体であり、該長尺の電極体の長手方向の所定の一部が幅広に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量による非接触式高さ測定方法。
5. 複数の前記一対の電極体が、導線で接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量による非接触式高さ測定方法。
6. 前記型枠が、縦方向に接続された上型枠と下型枠とからなり、該上型枠と下型枠の接続部において、前記一対の電極体同士がコネクタで接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量による非接触式高さ測定方法。
7. 前記一対の電極体が防水されていることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量による非接触式高さ測定方法。
8. 前記測定に係るデータを無線通信装置で表示装置に送信することを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量による非接触式高さ測定方法。
9. 高さの数値又は図表を表示装置により表示することを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量による非接触式高さ測定方法。