JP2007303947A - 氷厚計測方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】氷板を破壊することなく、或いは砕氷片が堆積した状況を乱すことなく、氷厚を計測することのできる氷厚計測方法及びその装置を得る。
【解決手段】超音波距離センサ４０により、水槽の水面１１までの距離を求め、超音波距離センサ４０を略水平に移動させ、超音波距離センサ４０により、水槽の水面上に形成された氷板１２又はラブル氷１３の底面までの距離を求め、水面１１までの距離から、氷板１２又はラブル氷１３の底面までの距離を減算した値に基づき、氷板１２又はラブル氷１３の氷厚を求めるものである。
【選択図】図１

Description

水槽の水面上に製氷された氷の氷厚計測方法及びその装置に関し、特に、氷に触れることなく氷厚を計測する氷厚計測方法及びその装置に関する。

従来の氷厚計測方法は、例えば、「…氷が全て溶けた時の蓄氷槽の底面から水面までの製氷前距離を予め測定しておくとともに、製氷後における前記蓄氷槽の底面から氷境界面までの製氷後距離を測定し、前記製氷前距離から前記製氷後距離を減算し、蓄氷槽内の水減少量を算出し、この水減少量を蓄氷量とする…」ようなものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、例えば、氷海中を航行する船舶の性能を調べるため、水槽の水面上に製氷された氷を模型船や構造物模型等（以下、模型船等という）により砕氷させる氷海水槽試験（以下、試験ともいう）での氷厚計測においては、試験前に、水槽の水面上に製氷された氷板から切り出したサンプル氷をノギス等の尺によって直接氷厚を測定する方法、若しくは試験後に模型船等によって砕氷された氷片を、同様に直接氷厚を測定する方法が用いられている。また、砕氷片が積み重なった氷（以下、ラブル氷という）の測定においては、氷片の集積状態を崩さないように測定するため、ラブル氷を上面から下面まで貫通可能で、貫通後に可動するストッパーでラブル氷の底面を認知できる尺を使用し、ラブル氷の厚さを測定する方法が用いられている。

特開平８−５１０９公報（請求項１、図１）

水槽に製氷された氷板は、場所によって氷厚にはばらつきがあり、氷海水槽試験を行う氷板の範囲全体に亘って氷厚を計測することが望まれている。また、ラブル氷の場合には、氷板と比較し厚さにばらつきが大きく、多数の箇所でラブル氷の厚さを計測することが望まれている。

しかしながら、従来の氷厚計測方法は、氷が全て溶けた時の蓄氷槽の底面から水面までの製氷前距離を予め測定しておくとともに、製氷後における前記蓄氷槽の底面から氷境界面までの製氷後距離を測定するため、蓄氷槽の蓄氷量を測定することは可能であるが、氷海水槽試験を行う水槽に製氷された氷板又はラブル氷の氷厚測定に適用した場合、多数の箇所で氷厚を計測することができないという問題点があった。

また、氷厚をノギス等によって測定する氷厚計測方法は、多数のサンプル氷を切り取ると試験そのものに影響を及ぼすため、サンプルを取る場所は限られており、また、試験後に模型船等によって砕氷された砕氷片をノギス等によって測定する場合、模型船等が通過した領域全体に亘って、氷厚を計測するためには多大な時間と労力を要するため、多数の箇所で氷厚を計測することができないという問題点があった。

更に、模型船等がラブル氷を通過すると、模型船等の周囲の広い範囲に亘ってラブル氷を構成する氷片が動くため、試験前にラブル氷の氷片の堆積状態を乱すことなくラブル氷の厚さを測定する必要があるが、尺を通過させるとき、堆積状態を乱し、厚さを精度良く測定することができないという問題点があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、氷板を破壊することなく、或いは砕氷片が堆積した状況を乱すことなく、氷厚を計測することのできる氷厚計測方法及びその装置を得るものである。

本発明に係る氷厚計測方法は、水槽の水面上に形成された氷板又は砕氷の氷厚を測定する氷厚計測方法であって、距離計測手段により、水槽の水面までの距離を求め、距離計測手段により、水槽の水面上に形成された氷板又は砕氷の底面までの距離を求め、水面までの距離から、氷板又は砕氷の底面までの距離を減算した値に基づき、氷板又は砕氷の氷厚を求めるものである。

また、距離計測手段を略水平に移動させながら、氷板又は砕氷の底面までの距離を求めるものである。

本発明に係る氷厚計測装置は、水槽の水中を略水平に移動する水中台車と、水中台車に設置され、水槽の水面までの距離及び水槽の水面上に形成された氷板若しくは砕氷の底面までの距離を測定する距離計測手段とを備え、水面までの距離から、氷板又は砕氷の底面までの距離を減算した値に基づき、氷板又は砕氷の氷厚を求めるものである。

また、距離計測手段は、水面又は氷板若しくは砕氷の底面に向けて超音波を発信するとともにその反射波を受信して距離を計測する超音波距離センサである。

また、水中台車を所望の位置に移動させる水中台車移動手段を備えたものである。

また、水槽の底部に略水平に設置された水中レールを備え、水中台車は水中レール上を走行するものである。

また、距離計測手段を、水中台車の走行方向に対して直交する方向に複数個並設したものである。

また、距離計測手段は、鉛直方向に移動可能に設置されるものである。

本発明は、距離計測手段により、水槽の水面までの距離と、水槽の水面上に形成された氷板又は砕氷の底面までの距離とを求め、水面までの距離から、氷板又は砕氷の底面までの距離を減算した値に基づき、氷板又は砕氷の氷厚を求めることにより、氷板を破壊することなく、或いは砕氷片が堆積した状況を乱すことなく、氷厚を計測することができる。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る氷厚測定装置の構成を示す図、図２は実施の形態１に係る超音波センサの配置を示す図である。図において、氷海水槽１０は、例えば、模型船等を水槽の長さ方向に航行させ、水槽の水面１１上に製氷された氷板１２又はラブル氷１３を砕氷させることにより、氷海中を航行する船舶の性能を調べるための氷海水槽試験を行う水槽である。試験時には、氷海水槽１０内は所望の水位の水槽水１４で満たされ、水面１１上には、一部試験に供しない水面部１５を除き、ほぼ平坦な氷板１２又は砕氷片が積み重なったラブル氷１３が製氷される。

この氷板１２又はラブル氷１３の氷厚を測定する氷厚測定装置は、氷海水槽１０の底面に略水平に設置された水中レール２０と、その水中レール２０の上を氷海水槽１０の長さ方向に走行する水中台車３０と、水中台車３０上に、側距方向を鉛直上向きにして超音波を発信すると共にその反射波を受信して距離を計測する距離計測手段である超音波距離センサ４０と、水中台車３０に接続され、水中台車３０を所望の位置に移動させる水中台車移動手段であるワイヤー５０とによって構成される。また、超音波距離センサ４０は、水中台車３０の走行方向に対して直交する方向である氷海水槽１０の幅方向に複数個並設されている。

また、超音波距離センサ４０は、氷海水槽１０外に配置する表示部（図示せず）を有しており、計測した距離の情報を表示する。尚、複数の超音波距離センサ４０の表示部を共通とし、各超音波距離センサ４０と接続切換えにより計測情報を表示させても良い。

また、図２に示すように、超音波距離センサ４０の氷海水槽１０幅方向の設置範囲は、模型船等の幅より広くし、超音波距離センサ４０の個数は幅方向に１０個以上配列することが望ましい。また、水中台車３０の位置を目視により把握するため、水中台車３０に、上向きにビーム光など照射する光源（図示せず）を設置しても良い。
このような構成により氷厚を測定する動作の詳細について図３及び図４により説明する。

図３は実施の形態１に係る水面までの距離計測を示す図、図４は実施の形態１に係る氷板底面までの距離計測を示す図である。まず、図３に示すように、水中台車３０は、氷厚測定を行う者（以下、測定者という）のワイヤー５０を用いた手動操作により、水面上に氷板１２又はラブル氷１３のない位置に移動される。各超音波距離センサ４０は、当該超音波距離センサ４０から水面１１までの距離をそれぞれ計測し、表示部に測定した距離の情報を表示する。測定者は各超音波距離センサ４０の測定値をそれぞれ取得する。次に、図４に示すように、水中台車３０は、測定者の手動操作により、氷海水槽１０の長さ方向に設置された水中レール２０上を走行する。各超音波距離センサ４０は、当該超音波距離センサ４０から水面上に製氷された氷板１２又はラブル氷１３底面までの距離をそれぞれ計測し、表示部に測定した距離の情報を表示する。測定者は各超音波距離センサ４０の測定値をそれぞれ取得する。測定者は、氷厚測定を行う所望の位置に水中台車３０を移動させ、上記氷板１２又はラブル氷１３の底面までの距離を取得する。

氷厚測定を行う所望の位置での測定値を取得した後、測定者は、取得した水面までの距離から氷板１２又はラブル氷１３底面までの距離を減算した値に基づき各測定位置での氷厚を算出する。尚、氷厚の算出は、水面上の氷の厚さを考慮し、氷の比重に関する補正を行い氷厚を求めても良く、その他必要な補正をした算出を行っても良い。

図５は実施の形態１に係るラブル氷の氷厚計測例を示す図である。図５においては、超音波距離センサ４０を幅方向に１０個配列し、氷海水槽１０の長さ方向に２ｍ間隔で８箇所測定したラブル氷１３の水面下厚さの分布例であり、各測定点における氷厚を計測することができ、また、図に示すようにラブル氷１３の底面の形状を把握することができる。

以上のように、氷海水槽１０の底面を水槽の長さ方向に走行する水中台車３０上に配列された複数の超音波距離センサ４０によって、水面１１までの距離と氷板１２若しくはラブル氷１３の底面までの距離をこれらに触れることなく測定し、その差分によって氷厚を計測することにより、氷板１２を破壊することなく、或いは砕氷片が堆積した状況を乱すことなく氷厚を計測することのできる。また、サンプル採取に伴う時間や労力を軽減し、氷板１２若しくはラブル氷１３の状態に影響を及ぼさないことにより、氷厚を精度良く測定することができる。また、試験を行う氷板１２若しくはラブル氷１３の範囲全体に亘って氷厚を計測することができる。

尚、本実施形態においては、水中台車３０を、水中台車３０に接続されたワイヤー５０を用いて手動により移動させたが、本発明はこれに限らず、電動機などを用いて移動させても良い。

また、本実施形態においては、測定者の手動操作により所望の位置に水中台車３０を移動させ、逐次氷厚の測定を行ったが、本発明はこれに限らず、水中台車３０の移動距離又は位置を検出し、検出した位置の情報と測定した氷板１２又はラブル氷１３までの距離情報とに基づき、連続的に氷板１２又はラブル氷１３の氷厚を求めても良い。

実施の形態２．
本実施の形態２では、上記実施の形態１の構成に加え、超音波距離センサ４０に接続される演算処理部（図示せず）と、水中台車３０の移動距離を検出する距離計（図示せず）を備えた構成とする。

このような構成による本実施形態における動作を次に説明する。
上記実施の形態１と同様に、水中台車３０は、水面上に氷板１２又はラブル氷１３のない位置に移動される。各超音波距離センサ４０は、当該超音波距離センサ４０から水面１１までの距離をそれぞれ計測し、測定した距離の情報を演算処理部に入力する。演算処理部は入力された距離の情報をそれぞれ記憶する。

次に、水中台車３０は、測定者の手動操作又は電動機等により、氷海水槽１０の長さ方向に設置された水中レール２０上を走行する。各超音波距離センサ４０は、当該超音波距離センサ４０から水面上に製氷された氷板１２又はラブル氷１３底面までの距離をそれぞれ計測し、測定した距離の情報を演算処理部に入力する。演算処理部は入力された距離の情報をそれぞれ記憶する。このとき、距離計は、水中台車３０の移動距離を検出し、検出した移動距離の情報を演算処理部に入力する。尚、超音波距離センサ４０の距離計測は任意の走行距離毎に行っても良い。

演算処理部は、水中台車３０が所定の距離走行後、記憶した水面１１までの距離から氷板１２又はラブル氷１３底面までの距離を減算した値に基づき各測定位置での氷厚を算出する。尚、氷厚の算出は、水面上の氷の厚さを考慮し、氷の比重に関する補正を行い氷厚を求めても良く、その他必要な補正をした算出を行っても良い。

以上のように、水中台車３０の移動距離を検出する距離計と、超音波距離センサ４０の測定値の情報が入力され氷厚を算出する演算処理部とを設けることにより、試験を行う氷板１２若しくはラブル氷１３の範囲全体に亘って氷厚を計測する場合の、多大な時間と労力を削減することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、ラブル氷１３の氷厚測定において、ラブル氷１３の砕氷片の大きさに応じて超音波距離センサ４０を適切な位置に配置する。本実施形態において、超音波距離センサ４０は、水中台車３０に鉛直方向に移動可能に設置する。例えば、取付け高さを調整可能な取付け部材（図示せず）を用いる。尚、その他の構成は上記実施の形態１と同様である。次に、超音波距離センサ４０の測定範囲と距離との関係について説明する。

図６は実施の形態３に係るラブル氷による氷厚計測の検証例を示す図である。超音波距離センサ４０は、超音波を発信すると共にその反射波を受信して距離を計測する。超音波は、その発射部から水中を伝搬するにしたがって、その指向性が広がっていくため、反射面までの距離が離れるにつれて、測定解像度は広くなる。ラブル氷１３は砕氷片が堆積した氷群であり、その底面は、図６（ｂ）に示すように、砕氷片が集合して不規則かつ空隙のある底面を形成している。このような底面を指向性の狭い超音波により測定すると砕氷片が堆積した内部に超音波が浸入し乱反射により正確な距離が測定することができない。また、指向性の広い超音波を用いると、ラブル氷底面の形状の変化を測定することができない。

ラブル氷１３底面の形状の変化を測定するには、ラブル氷１３の底面をほぼ包絡線状に測定することが必要となり、このような測定を行うためには、測定範囲がラブル氷１３の大きさと同じか若干大きくする必要がある。この測定範囲は、超音波距離センサ４０の固有の超音波波長と、超音波距離センサ４０から反射面、即ち、ラブル氷１３底面までの距離との関係に依存する。従って、水中台車３０に設けた取付け高さを調整可能な取付け部材（図示せず）を用いて超音波距離センサ４０を鉛直方向に移動させ測定範囲を適切な大きさとなるように調節する。例えば、ラブル氷を構成する個々の氷片の大きさが４ｃｍである場合に対し、測定面直径が５ｃｍとなるように、超音波距離センサ４０を鉛直方向に移動させる。

図７は実施の形態３に係るラブル氷による氷厚計測の検証結果例を示す図である。図７は、砕氷片が集合して不規則かつ空隙のある底面を有するラブル氷１３においても、測定が可能であることを確認するために実施した要素試験の結果である。尚、図７において、横軸はラブル氷１３の氷厚を尺などにより実測した値であり、縦軸は超音波距離センサ４０を用いて算出したラブル氷１３の氷厚の値である。上述したように、超音波距離センサ４０による対象物の測定範囲は、距離と共に広がる性質があり、この距離を調整して対象物の測定範囲を砕氷片の大きさ程度に調整することにより、局所的な凹凸の影響を除くことができる。実測の氷厚と超音波距離センサ４０によって測定した氷厚は、ラブル氷１３において良く一致していることがわかる。

以上のように、水中台車３０に超音波距離センサ４０を鉛直方向に移動可能に設置し、超音波距離センサ４０とラブル氷底面との距離を調整して測定範囲を砕氷片の大きさ程度に調整することにより、ラブル氷１３の氷厚を精度良く測定することができる。

実施の形態１に係る氷厚測定装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る超音波センサの配置を示す図である。 実施の形態１に係る水面までの距離計測を示す図である。 実施の形態１に係る氷板底面までの距離計測を示す図である。 実施の形態１に係るラブル氷の氷厚計測例を示す図である。 実施の形態３に係るラブル氷による氷厚計測の検証例を示す図である。 実施の形態３に係るラブル氷による氷厚計測の検証結果例を示す図である。

符号の説明

１０ 氷海水槽、１１ 水面、１２ 氷板、１３ ラブル氷、１４ 水槽水、１５ 水面部、２０ 水中レール、３０ 水中台車、４０ 超音波距離センサ、５０ ワイヤー。

Claims (8)

1. 水槽の水面上に形成された氷板又は砕氷の氷厚を測定する氷厚計測方法であって、
   距離計測手段により、前記水槽の水面までの距離を求め、
   前記距離計測手段により、前記水槽の水面上に形成された氷板又は砕氷の底面までの距離を求め、
   前記水面までの距離から、前記氷板又は砕氷の底面までの距離を減算した値に基づき、前記氷板又は砕氷の氷厚を求めることを特徴とする氷厚計測方法。
2. 前記距離計測手段を略水平に移動させながら、前記氷板又は砕氷の底面までの距離を求めることを特徴とする請求項１記載の氷厚計測方法。
3. 水槽の水中を略水平に移動する水中台車と、
   前記水中台車に設置され、前記水槽の水面までの距離及び前記水槽の水面上に形成された氷板若しくは砕氷の底面までの距離を測定する距離計測手段とを備え、
   前記水面までの距離から、前記氷板又は砕氷の底面までの距離を減算した値に基づき、前記氷板又は砕氷の氷厚を求めることを特徴とする氷厚計測装置。
4. 前記距離計測手段は、前記水面又は前記氷板若しくは砕氷の底面に向けて超音波を発信するとともにその反射波を受信して距離を計測する超音波距離センサであることを特徴とする請求項３記載の氷厚計測装置。
5. 前記水中台車を所望の位置に移動させる水中台車移動手段を備えたことを特徴とする請求項３又は４記載の氷厚計測装置。
6. 前記水槽の底部に略水平に設置された水中レールを備え、
   前記水中台車は前記水中レール上を走行することを特徴とする請求項３〜５の何れかに記載の氷厚計測装置。
7. 前記距離計測手段を、前記水中台車の走行方向に対して直交する方向に複数個並設したことを特徴とする請求項３〜６の何れかに記載の氷厚計測装置。
8. 前記距離計測手段は、鉛直方向に移動可能に設置されることを特徴とする請求項３〜７の何れかに記載の氷厚計測装置。
   

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