JP2017227486A - 管内粗さ非破壊測定方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、管の内壁表面の粗度の測定は、管を切断し露出した表面をＡＦＭで評価していたため、非破壊で測定することは困難であった。
【解決手段】流体供給装置から供給された流体を圧力調整器により所定の圧力に保持し、接続ポートを介して検査対象である管の入口から流入させ、出口から大気に流出させる。検査対象である管の入口の圧力と大気圧との差圧を差圧計により計測し、差圧と粗度との相関関係より、管の内壁表面の粗度を計測することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、管内の粗度を計測する測定方法およびその測定装置に関する。

バイオテクノロジー、精密装置の製造あるいは微量分析の分野において使用される管は、流体への汚染の防止等のため、管内壁の平坦度が要求される。そのため、製造された管の内壁表面の平坦度（粗度）を評価し、要求仕様を満足することを確認する必要がある。

しかし、内径が数ｍｍ程度以下の長尺な管の内壁表面の粗度を測定するために、外部から測定器を挿入することは不可能である。そのため、管を長手方向に切断し、内壁表面を露出させ、その表面の凹凸を段差測定器等の分析機器により計測し、表面の粗度をＲａ（算術平均粗さ）等により評価している。

特許文献１においては、精密装置である半導体製造工程において、高純度ガスや化学溶液の供給系に採用される配管を切断し、内壁表面を露出させ、ＡＦＭ (Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ) により表面の粗度を分析する方法が開示されている。

特開平９−１７８０４４

しかしながら、このような高品質な管の製造後の出荷検査において、管を切断し内壁表面の粗度を評価する方法では、破壊検査となるため、粗度評価のためのサンプルを必要数量別途準備する必要があること、内壁表面の評価用サンプル作成と分析のための工期と作業が必要となること、さらに高額な分析機器を必要とすることにより、出荷検査に要するコストが高くなり、その結果として製品コストが増大するという課題がある。

本発明は、上記課題を鑑み、非破壊で、低コストに管の内壁表面の粗度を計測する測定方法および粗度測定装置を提供する。

本発明に係る管内粗度測定装置は、
圧力調整器と差圧計と接続ポートとを備え、
前記圧力調整器は、第１の接続口および第２の接続口を有し、
前記差圧計は、第３の接続口および第４の接続口を有し、
前記接続ポートは、第５の接続口、第６の接続口および第７の接続口を有し
前記圧力調整器の第２の接続口と前記接続ポートの前記第５の接続口とが第２の配管で接続され、
前記接続ポートの前記第６の接続口と前記差圧計の前記第３の接続口とが第３の配管で接続され、
前記接続ポートの前記第５の接続口、前記第６の接続口および前記第７の接続口は互いに連通しており、
前記差圧計の前記第４の接続口は、大気に開放されている
ことを特徴とする。

このような構成とすることで、検査対象である管の内壁表面の粗度を、差圧計の差圧により計測が可能となり、非破壊で低コストに管内粗度を測定することができる。

また、本発明に係る管内粗度測定装置は、
前記圧力調整器の入力ポートおよび前記差圧計の出力ポートと接続された制御装置を備え、
前記制御装置は、
前記圧力調整器の入力ポートに設定圧力を出力し、前記差圧計の出力ポートから差圧の計測値を入力する演算処理装置と
前記設定圧力と前記差圧の計測値を記憶する記憶装置と
を備えたことを特徴とする。

このような構成とすることで、自動的に最適な条件で内壁表面の粗度を測定することができる。

本発明に係る管内粗度測定方法は、
流体供給装置から供給された流体を、
前記流体供給装置と配管により接続された圧力調整器により所定の圧力に調整する過程と、
前記圧力調整器により所定の圧力に調整された流体を、配管により接続された接続ポートを介して管状の検出対象の一端の入口から流入させるとともに、前記検出対象の他端の出口から大気に流出させる過程と、
前記接続ポートに接続された差圧計により、前記検出対象の前記入口と大気との差圧を計測する過程とを含む
ことを特徴とする。

このような構成とすることで、流体と管の内壁表面との摩擦により、管内を流れる流体の差圧として粗度の計測をすることが可能となる。

また、本発明に係る管内粗度測定方法は、
前記圧力調整器による調整する圧力値を変化させ、それぞれ変化させた圧力に対して、前記差圧計により差圧を計測し、
前記圧力調整器による圧力値と前記差圧計により計測された差圧との相関データを記憶装置に記憶することを特徴とする。

このような構成とすることで、製造された管の検査工程での作業者の負担を軽減しつつ、最適な条件で、管の内壁表面の粗度の計測が可能となる。

本発明にかかる管内の粗度測定装置の構成図。 差圧と粗度（Ｒａ）との相関図。 本発明の第２実施例における粗度測定装置の構成図。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。但し、各実施形態及び各実施例は、いずれも本発明の要旨の認定において限定的な解釈を与えるものではない。また、同一又は同種の部材については同じ参照符号を付し、説明を省略することがある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明にかかる非破壊の管内の粗度測定装置１の構成図である。粗度測定装置１は、例えばガスボンベやポンプ等の流体供給装置２に、第１の配管３ａが接続されており、第１の配管３ａには、流体の圧力を制御する圧力調整器４の第１の接続口４１が接続されている。さらに、圧力調整器４の第２の接続口４２には第２の配管３ｂが接続されている。
第２の配管３ｂと連通する第３の配管３ｃの端部には差圧計５の第３の接続口５１が接続されており、差圧計５の第４の接続口５２は、大気に開放されている。このような差圧計５の配置により、第３の配管３ｃ内部の流体の圧力と大気圧との差圧を計測することができる。

第２の配管３ｂと第３の配管３ｃとの間には、接続ポート６を備えている。接続ポート６は、たとえばＴ字状の継手を用いることができ、互いに連通した第５、第６および第７接続口６１、６２、６３を備え、第５の接続口６１は、第２の配管３ｂを介して圧力調整器４に、第６の接続口６２は、第３の配管３ｃを介して差圧計５に、それぞれ接続されている。

なお、上記第１、２、３の配管３ａ、３ｂ、３ｃはいずれも気密性を有して、流体供給装置２、圧力調整器４、差圧計５、接続ポート６と接続されている。

接続ポート６の第７の接続口６３には、管状の検査対象７を接続することが可能である。
第２、３の配管３ｂ、３ｃおよび検査対象７と上記第５、６および７の接続口６１、６２、６３とは、気密性を有して接続されており、第７の接続口６３と検査対象７とは着脱可能なように、例えばシール部材とネジ等の固定部材を用いて接続されている。

検査対象７である管は、ステンレス製の、外径（直径）１．６ｍｍ、内径（直径）０．２８ｍｍ、長さ５０ｍｍの配管が例示されるが、これに限らず、また内径（および外径）が途中で変化してもよく、屈曲していてもよい。

流体供給装置２からは、例えば乾燥空気、窒素等の流体が第１の配管３ａ内部に供給される。流体は、圧力調整器４の入口である第１の接続口４１に流入し、そして出口である第２の接続口４２から第２の配管３ｂへと流出する。

第２の接続口４２側の流体の圧力は、圧力調整器４により、一定の圧力値、例えば０．８ＭＰａに調整され、保持されている。なお、圧力値はこの値に限るものではない。

圧力調整器４の第２の接続口４２から流出した流体は、第２の配管３ｂおよび第３の配管３ｃを介して差圧計５に流入するとともに、接続ポート６の第７の接続口６３を介して検査対象７の入口７１から流入し、検査対象７の長手方向に沿って流れ、したがって検査対象７の内壁表面に沿って（内壁表面に平行な方向に）流れ、出口７２から大気に流出する。

流体は、圧力調整器４により圧力が調整され、第２の配管３ｂへと供給されるが、接続ポート６および検査対象７を介して大気に流れるため、圧力損失が発生する。

差圧計５の第３の接続口５１は、第３の配管３ｃに接続されており、第４の接続口５２は大気に開放（接続）されている。従って、差圧計５は、第３の配管３ｃ、すなわち検査対象７の入口７１と出口７２（大気）との差圧を測定することができる。

検査対象７中を流れる流体は、内壁表面と流体との境界近傍の領域においては、内壁表面との摩擦により流れが遮られ、内壁表面に近づくに従い流速が減少する。内壁表面と流体との摩擦は、内壁表面の凹凸の大きさ、すなわち粗度に依存する。

流出する流体の流量は、検査対象７である管の断面の各点の流速を積分したものであり、流量は管の内壁表面の粗度の影響を受ける。
そのため、流体が検査対象７を経由して大気に流出することにより圧力損失が発生する。すなわち、差圧計５により計測される差圧は、流出する流量に依存する。その結果、差圧計５により計測された差圧は、検査対象７の内壁表面の粗度を反映する。
例えば、検査対象７の粗度が大きい場合には、上記境界近傍の領域の摩擦が増大し、流体の流出量が減少し、差圧が大きくなる。

図２は、本発明にかかる粗度測定装置１を用いて測定した差圧と、管の内壁表面の粗度（Ｒａ）との相関関係を示す。ＲａはＡＦＭにより測定した。
図２に示す結果より、粗度が大きくなるほど、差圧が大きくなっており、差圧により粗度を計測できることが検証された。

従って、図２のような粗度と差圧との相関データを、予め取得しておくことにより、差圧から粗度を求めることができる。

流体が検査対象７の内壁表面との摩擦の影響を強く受ける上記領域の厚さは、流体の主流の流速（管の中心での流速）に依存し、主流の流速は、流体に印加される圧力に依存する。

従って、計測される差圧の値は検査対象７である管の内径に依存し、さらに圧力調整器４により印加される圧力に依存する。

そのため、形状の異なる検査対象７の粗度を測定する場合、予めそれぞれの形状の検査対象７の相関データを取得しておき、データベース化することで、差圧を粗度に変換することができる。

このように、粗度測定装置１によれば、圧力調整器４により設定される圧力（以下単純に印加圧と称す）と差圧計５により計測された差圧との関係を、形状の異なる各種の検査対象７に対して測定することが容易となり、各種の検査対象７に対して、高い感度もしくは安定した感度で差圧を測定する条件を確定することも可能である。

例えば、印加圧と差圧との相関データを取得し、印加圧依存性を求め、印加圧に対して極大となる条件または、印加圧に依存せず安定した条件を計測条件として採用することもできる。

なお、上述のとおり検査対象７は、接続ポート６にシール部材およびネジ等の固定治具を用いて一箇所で固定される構成であるため、接続および取り外しは容易である。出荷検査等で検査対象７を順次交換し、各検査対象７の内壁表面の粗度の評価を行うことができる。

以上のように、本実施形態によれば、このようにして得られた粗度の検査結果を基に、検査対象７の良品と不良品との判別や、品質の等級分けを非破壊で直接的に行うことが可能となり、製品の品質の維持および管理を行うことができる。また、管の納入者は、納入品の検査を行うこともできる。

（第２の実施形態）
図３は、印加圧と差圧の相関関係を、自動で取得することができる粗度測定装置１の構成を示す。本装置は、演算処理装置８と記憶装置９とを備えた制御装置１０により、圧力調整器４による印加圧の設定と、差圧計５による差圧の計測結果の読み込みを行うことができる。この場合、圧力調整器４および差圧計５は、電気信号により制御する必要があるが、市販の電子式の圧力調整器４および差圧計５を採用すれば良い。

圧力調整器４は外部からの圧力設定値を入力する入力ポートを備えており、差圧計５は、測定した差圧の値をデジタル変換し、出力ポートから出力する。制御装置１０は、少なくとも圧力調整器４の入力ポートと差圧計５の出力ポートと、電気信号の送受信を行うため、電気的に接続されている。なお、接続は有線であっても無線であっても良いが、粗度測定装置１として一体の筐体内で構成する場合、有線の接続により小型化が可能である。

演算処理装置８と記憶装置９とを備えた制御装置１０としては、周辺機器との入出力が可能なＰＣ（パーソナルコンピュータ）を例示することができる。なお、図３において、粗度測定装置１を操作する作業者と制御装置１０との、インターフェースは省略しているが、制御装置１０が、通常のＰＣのように、作業者とのインターフェースを備えていることは言うまでもない。

制御装置１０においては、印加圧の設定値の範囲が予め記憶装置９に保存されており、その設定範囲内の圧力設定値を、演算処理装置８が読み込み、その設定値を圧力調整器４の入力ポートに送信する。設定値を受信した圧力調整器４は、その設定値になるよう流体の圧力を制御する。ただし、印加圧が確定している場合は、圧力設定値の範囲ではなく、設定値そのものを記憶装置９に保存しておき、演算処理装置８が読み込みその設定値を圧力調整器４の入力ポートに送信すればよい。

なお、形状の異なる各種の管を製造し出荷検査を行う場合、各種の検査対象７に対応して印加圧を変えることも可能である。そのためには、記憶装置９には各種の検査対象７の構造に応じた設定範囲もしくは設定値を記憶しておき、演算処理装置８が、検査対象７の構造に応じた印加圧の設定範囲もしくは設定値を読み込めば良い。

この場合、検査対象７の構造に対応したＩＤ番号を設定しておき、ＩＤ番号で設定範囲もしくは設定値を識別しておけば良い。なお、作業者により、直接設定範囲もしくは設定値を演算処理装置８や記憶装置９に対して入力しても良い。

差圧計５は、計測された差圧のデータを出力ポートから電気信号として出力する。

演算処理装置８は、差圧計５の出力ポートから出力された電気信号を受信し、計測された差圧を印加圧の設定値に対応させて記憶装置９に保存する。なお、差圧計５の出力がデジタル値の場合は、そのデジタル値を記憶し、アナログ値、例えば電圧の場合は、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバーター）によりデジタル値に変換し記憶する。

差圧計５による差圧の測定のために、演算処理装置８は、流体の流量が安定するまで、所定の時間、例えば数秒程度待機した後に、差圧計５の出力信号を受信しても良い。

制御装置１０が、印加圧と差圧との相関データを取得する場合、演算処理装置８は圧力調整器４の印加圧を順次変更し、各印加圧に対する差圧計５による差圧の測定結果をそれぞれ入力し、各印加圧と、それに対する差圧の各測定値を対応させて、記憶装置９に保存する。

印加圧を順次変更するために、記憶装置９には、各種の検査対象７に対応した印加圧設定範囲と、その設定範囲での圧力変更値（変分量）または分割数が記憶されている。演算処理装置８は、例えば、印加圧設定範囲の最低圧力を圧力調整器４の圧力として設定し、計測された差圧を記憶装置９に記憶した後に、圧力変更値を加えた圧力を圧力調整器４の圧力として設定し、差圧計５によって計測された差圧を記憶装置９に記憶する。
このようにして、印加圧設定範囲の最高圧力になるまで順次圧力変更値を加えて、圧力調整器４の圧力設定値を変えれば良い。

なお、分割数が設定されている場合、印加圧設定範囲の幅（レンジ）を分割数で除した値を圧力変更値とすれば良い。

以上のように、制御装置１０により圧力調整器４の印加圧の設定値を自動で変化させ、差圧計５の測定結果である差圧を取得し、その結果を制御装置１０の記憶装置９に保存することで、印加圧と差圧との相関データを取得することができる。

このようにして得られた印加圧と差圧との相関関係においては、通常、印加圧力の増大により差圧が増大する。

例えば、印加圧力と差圧との関係が、比例関係に有る場合は、印加圧力に対する差圧の比（［差圧］／［印加圧力］）は、印加圧力に対して一定になる。
この場合、いずれの印加圧力を圧力調整器４の設定値として採用しても良いが、例えばボンベからガスを供給する場合、印加圧は設定範囲の最低圧または最低圧に圧力変更値の１倍もしくは２倍を加えた値を採用することで、ガスの使用量を低減し、コストを低減することができる。

印加圧力と差圧との関係が比例関係になく、印加圧力に対して差圧が極大になる条件が有る場合、感度を高めるため、極大になる条件を粗度測定条件として選択しても良く、また安定した差圧を計測できる条件を粗度測定条件として選択しても良い。

上記粗度測定条件の設定も演算処理装置８で実行することが可能であり、制御装置１０を備えた粗度測定器１は、自動で最適な測定条件で、検査対象７の粗度を評価し、作業者の負担を低減することにより、コストの低減も可能となる。

また、制御装置１０が、差圧を計測する場合、一定の時間間隔、例えば２０秒間、測定された差圧の値を入力し、演算処理装置８において時間平均を算出し、記憶装置９に記憶しても良い。

さらに、差圧計５の出力値の差圧が安定しているか否かを判定するため、一定の時間間隔における差圧の時間平均と標準偏差（または分散）を算出し、標準偏差と平均値との比（［標準偏差］／［平均値］）が所定の閾値以下になるまで、所定の時間継続して計測しても良い。

また、さらに所定の時間継続して計測した結果、標準偏差と平均値との比が所定の閾値以下の値が得られない場合、何らかの問題が生じたと判断し、エラーとして警告し、記憶装置９に警告を示す変数を、印加圧とともに記憶しても良い。

以上のように、本実施形態によれば、差圧を計測して粗度を求めるまでの一連の測定を自動的にかつ精度良く求めることが可能となる。

１ 粗度測定装置
２ 流体供給装置
３ａ、３ｂ、３ｃ 第１、第２、第３の配管
４ 圧力調整器
５ 差圧計
６ 接続ポート
７ 検査対象
８ 演算処理装置
９ 記憶装置
１０ 制御装置
４１ 第１の接続口
４２ 第２の接続口
５１ 第３の接続口
５２ 第４の接続口
６１ 第５の接続口
６２ 第６の接続口
６３ 第７の接続口
７１ 入口
７２ 出口

Claims (4)

1. 圧力調整器と差圧計と接続ポートとを備え、
   前記圧力調整器は、第１の接続口および第２の接続口を有し、
   前記差圧計は、第３の接続口および第４の接続口を有し、
   前記接続ポートは、第５の接続口、第６の接続口および第７の接続口を有し
   前記圧力調整器の第２の接続口と前記接続ポートの前記第５の接続口とが第２の配管で接続され、
   前記接続ポートの前記第６の接続口と前記差圧計の前記第３の接続口とが第３の配管で接続され、
   前記接続ポートの前記第５の接続口、前記第６の接続口および前記第７の接続口は互いに連通しており、
   前記差圧計の前記第４の接続口は、大気に開放されている
   ことを特徴とする管内粗度測定装置。
2. 前記圧力調整器の入力ポートおよび前記差圧計の出力ポートと接続された制御装置を備え、
   前記制御装置は、
   前記圧力調整器の入力ポートに設定圧力を出力し、前記差圧計の出力ポートから差圧の計測値を入力する演算処理装置と
   前記設定圧力と前記差圧の計測値を記憶する記憶装置とを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の管内粗度測定装置。
3. 流体供給装置から供給された流体を、
   前記流体供給装置と配管により接続された圧力調整器により所定の圧力に調整する過程と、
   前記圧力調整器により所定の圧力に調整された流体を、配管により接続された接続ポートを介して管状の検出対象の一端の入口から流入させるとともに、前記検出対象の他端の出口から大気に流出させる過程と、
   前記接続ポートに接続された差圧計により、前記検出対象の前記入口と大気との差圧を計測する過程とを含む
   ことを特徴とする管内粗度測定方法。
4. 前記圧力調整器による調整する圧力値を変化させ、それぞれ変化させた圧力に対して、前記差圧計により差圧を計測し、
   前記圧力調整器による圧力値と前記差圧計により計測された差圧との相関データを記憶装置に記憶することを特徴とする請求項３記載の管内粗度測定方法。

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