JP2019113465A

JP2019113465A - Ｘ線式坪量測定装置

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Publication number: JP2019113465A
Application number: JP2017248666A
Authority: JP
Inventors: 浩平東; Kohei Azuma; 悠策古賀; Yusaku Koga; 健一郎和田; Kenichiro Wada; 大日方　祐彦; Yoshihiko Ohigata; 祐彦大日方
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2037-12-26
Also published as: JP7091654B2

Abstract

【課題】Ｘ線式坪量測定装置において、Ｘ線管の寿命に関する情報をオンラインで把握できるようにする。【解決手段】管電流制御用のグリッド電極を備えたＸ線管をＸ線源として利用するＸ線式坪量測定装置であって、グリッド電極の電圧を示すモニタ電圧を入力するモニタ電圧入力部と、入力したモニタ電圧を記録するモニタ電圧記録部と、記録したモニタ電圧の履歴に基づいて曲線近似を行ない、近似曲線に基づいてＸ線管の寿命予測を行なうとともに予測結果を出力するＸ線管診断部と、を備えたＸ線式坪量測定装置。【選択図】図２

Description

本発明は、Ｘ線管を用いたＸ線式坪量測定装置に関し、特に、Ｘ線管の寿命予測に関する。

樹脂フィルムや紙等のシート部材の厚さをオンラインで測定する場合に、例えば、Ｘ線式坪量測定装置が用いられる。Ｘ線式坪量測定装置は、放射線（β線）の透過吸収を利用した測定装置である。β線の質量吸収係数は、どのような物質に対してもほぼ一定の吸収係数を示すことから、β線の透過吸収を利用した測定手法は、プラスチックフィルム、シート等のシート部材一般の面積重量を測定するのに適している。

Ｘ線式坪量測定装置では、測定対象のシート部材の片面側より、Ｘ線管から放出される所定線量の放射線Ｘ１を照射し、シート部材を透過した放射線Ｘ２をＸ線検出器で測定する。Ｘ線検出器における測定値をＲ、測定対象物がないときの測定値をＲ０とすると、Ｒ＝Ｒ０・ｅｘｐ（−μρｔ）と表すことができる。ここで、ｔはシート部材の厚さ〔ｍ〕、ρは密度〔ｇ／ｍ^３〕、μは質量吸収係数（ｍ^２／ｇ）である。したがって、μが既知であれば、透過放射線量を測定することにより、坪量ｔρ（ｇ／ｍ^３）が求められ、これよりシート部材の厚さｔを測定することができる。

図９は、Ｘ線式坪量測定装置に用いられる従来のＸ線源５００の構成を示す図である。本図に示すように、Ｘ線源５００は、Ｘ線管５１０を備えている。Ｘ線管５１０は、一般的な３極管であり、カソード５１１、ヒータ５１２、第１グリッド５１３、第２グリッド５１４、ターゲット５１５を備えている。３極管等の多極管は、Ｘ線照射量を安定かつ高精度に制御できるため、連続で測定を行なう坪量測定に向いている。

カソード５１１をヒータ５１２で加熱することで、カソード５１１から熱電子が放出される。また、ターゲット５１５には、電圧源５２１により、カソード５１１に対して＋数Ｖ〜数十ｋＶオーダの高電圧が印加されている。このため、カソード５１１から放出された熱電子はターゲット５１５に向かって加速し、熱電子がターゲット５１５に衝突したときにＸ線が放射される。第２グリッド５１４は、ターゲット５１５に衝突する熱電子を収束させるために設けられている。

ターゲット５１５からカソード５１１に向けて流れる管電流Ｉｘは、可変電圧源５２２が第１グリッド５１３に印加する第１グリッド電圧Ｖｇ１により定電流制御されている。すなわち、管電流Ｉｘは、カソード５１１と所定電位Ｖとの間に接続された管電流検出抵抗５２３により検出電圧Ｖｘに変換される。検出電圧Ｖｘは、比較器５２４により目標電圧Ｖｒｅｆと比較され、その差分に基づいて、第１グリッド電圧Ｖｇ１がフィードバック制御される。

Ｘ線管５１０の初期状態においては、第１グリッド電圧Ｖｇ１は、カソード５１１に対して、例えば、−数十Ｖの電位差が設定されることで管電流Ｉｘが定電流制御される。ところが、Ｘ線管５１０の長期使用に伴い、Ｘ線管５１０の真空度低下や、カソード５１１の劣化等により、熱電子の放出率が低下すると、定電流制御のために第１グリッド電圧Ｖｇ１が徐々に０Ｖに近づいていく。そして、概ね０Ｖに達すると定電流制御が不能となり、Ｘ線管５１０の寿命となる。

特開２０１０−４３９９１号公報

Ｘ線管５１０が搭載されるＸ線式坪量測定装置を含んだプラントは、一般に、２４時間連続稼働である。このため、稼働中にＸ線管５１０が寿命となり、坪量測定が不能となると、Ｘ線管５１０交換のための稼働停止によるプラントへの波及が大きい。逆に、予防保全的に寿命前のＸ線管５１０を定期修理時において頻繁に交換すると、保守コストが増大する。

このため、Ｘ線管５１０の寿命予測や状態変化をオンラインで把握することができれば、Ｘ線式坪量測定装置の定期修理時に必要に応じて交換作業を行なうことができ、プラント操業への悪影響を避けるとともに保守コストの増大を防ぐことができる。

しかしながら、第１グリッド電圧Ｖｇ１が０Ｖに近づく過程は、Ｘ線管５１０の個体差によるばらつきが大きく、オンラインでＸ線管５１０の寿命を予測したり、Ｘ線管５１０の状態変化を把握する手法は確立していない。

そこで、本発明は、Ｘ線式坪量測定装置において、Ｘ線管の寿命に関する情報をオンラインで把握できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様であるＸ線式坪量測定装置は、管電流制御用のグリッド電極を備えたＸ線管をＸ線源として利用するＸ線式坪量測定装置であって、前記グリッド電極の電圧を示すモニタ電圧を入力するモニタ電圧入力部と、入力した前記モニタ電圧を記録するモニタ電圧記録部と、記録した前記モニタ電圧の履歴に基づいて曲線近似を行ない、近似曲線に基づいて前記Ｘ線管の寿命予測を行なうとともに予測結果を出力するＸ線管診断部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記Ｘ線管診断部は、入力した前記モニタ電圧を所定の閾値と比較し、比較結果に応じて、警報を出力することができる。
このとき、前記所定の閾値は、前記Ｘ線管の交換を促す警報のための第１閾値と、前記Ｘ線管が寿命を迎えたことを知らせる警報のための第２閾値と、を含むことができる。
さらに、前記Ｘ線管診断部は、前記Ｘ線管の交換を促す警報を出力した場合、前記Ｘ線管の交換が行なわれるまで、前記Ｘ線管の交換を促す警報を継続的に出力することができる。
また、前記Ｘ線管診断部は、前記近似曲線が所定の基準を上回る変化率を有する場合に、警報を出力することができる。
また、前記Ｘ線管診断部は、前記近似曲線から所定の基準よりも乖離している前記モニタ電圧を無効として再度曲線近似を行なうことができる。
また、前記Ｘ線管を搭載するヘッドと、前記ヘッドが移動するとともに、前記ヘッドの待避位置が定められたフレームと、をさらに備え、前記モニタ電圧入力部は、前記ヘッドが前記待避位置にあるとき、前記モニタ電圧を入力するようにしてもよい。

本発明によれば、Ｘ線式坪量測定装置において、Ｘ線管の寿命に関する情報をオンラインで把握できるようになる。

本実施形態のＸ線式坪量測定装置に用いられるＸ線源の構成を示す図である。Ｘ線源を搭載したＸ線式坪量測定装置の構成を模式的に示した図である。処理装置の特徴的な機能構成を示すブロック図である。Ｘ線式坪量測定装置の処理装置における特徴的な動作について説明するフローチャートである。近似曲線から乖離したデータを無効とする例を示す図である。モニタ電圧値による警報判定について説明する図である。モニタ電圧の変化率による警報判定について説明する図である。寿命予測について説明する図である。Ｘ線式坪量測定装置に用いられる従来のＸ線源の構成を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態のＸ線式坪量測定装置に用いられるＸ線源１００の構成を示す図である。本図に示すように、Ｘ線源１００は、Ｘ線管１１０を備えている。Ｘ線管１１０は、カソード１１１、ヒータ１１２、第１グリッド１１３、第２グリッド１１４、ターゲット１１５を備えている。本実施形態では、Ｘ線管１１０として一般的な３極管を用いているが、他の多極管を用いてもよい。

カソード１１１をヒータ１１２で加熱することで、カソード１１１から熱電子が放出される。また、ターゲット１１５には、電圧源１２１により、カソード１１１に対して＋数Ｖ〜数十ｋＶオーダの高電圧が印加されている。このため、カソード１１１から放出された熱電子はターゲット１１５に向かって加速し、熱電子がターゲット１１５に衝突したときにＸ線が放射される。第２グリッド１１４は、ターゲット１１５に衝突する熱電子を収束させるために設けられている。

ターゲット１１５からカソード１１１に向けて流れる管電流Ｉｘは、可変電圧源１２２が第１グリッド１１３に印加する第１グリッド電圧Ｖｇ１により定電流制御されている。すなわち、管電流Ｉｘは、カソード１１１と所定電位Ｖとの間に接続された管電流検出抵抗１２３により検出電圧Ｖｘに変換される。検出電圧Ｖｘは、比較器１２４により目標電圧Ｖｒｅｆと比較され、その差分に基づいて、第１グリッド電圧Ｖｇ１がフィードバック制御される。

Ｘ線源１００は、第１グリッド１１３の基準電位に対する電圧である第１グリッド電圧Ｖｇ１を検出するための計測回路１３０を備えている。計測回路１３０は検出結果をモニタ電圧Ｖｍとして出力する。本実施形態では、計測回路１３０は、第１グリッド電位を分圧した値と基準電位を分圧した値との差分を第１グリッド電圧Ｖｇ１としているが、計測回路１３０は本図の例に限られない。

図２は、Ｘ線源１００を搭載したＸ線式坪量測定装置２００の構成を模式的に示した図である。本図に示すように、Ｘ線式坪量測定装置２００は、測定ヘッド２１０とフレーム２２０と処理装置２４０を備えている。

測定ヘッド２１０は、上部ヘッド２１１と下部ヘッド２１２とを備えており、一方のヘッド、例えば、下部ヘッド２１２にＸ線源１００が搭載され、他方のヘッド、例えば、上部ヘッド２１１にＸ線検出器が搭載される。測定ヘッド２１０には、水分計、色センサ等の他のセンサを搭載してもよい。

上部ヘッド２１１と下部ヘッド２１２とは、フレーム２２０に移動可能に取り付けられており、両ヘッドが同期してシート部材３００の移動方向Ａに直交する方向を往復移動しながら測定を行なう。このため、測定領域は図中のラインに示すようにジグザグの軌跡を描くことになる。また、フレーム２２０の端部には、センサの校正等を行なう際に測定ヘッド２１０の停止場所となる待避位置２２１が定められている。

処理装置２４０は、Ｘ線式坪量測定装置２００のオペレータが使用する装置である。処理装置２４０は、ＰＣ等の情報処理装置を用いて構成することができる。図３は、本実施形態における処理装置２４０の特徴的な機能構成を示すブロック図である。

本図に示すように、処理装置２４０は、モニタ電圧入力部２４１、モニタ電圧記録部２４２、Ｘ線管診断部２４３を備えている。モニタ電圧入力部２４１は、Ｘ線源１００の計測回路１３０からモニタ電圧Ｖｍを入力する。モニタ電圧記録部２４２は、入力したモニタ電圧Ｖｍを時系列の履歴として記録する。

Ｘ線管診断部２４３は、記録したモニタ電圧の履歴に基づいて曲線近似を行ない、近似曲線に基づいてＸ線管１１０の寿命予測や状態変化検出等を行なう。この際に、時系列のモニタ電圧に対して正規化を行なうようにしてもよい。予測した寿命は、例えば、表示装置に表示することができる。また、Ｘ線管１１０の状態変化を検出すると、例えば、警報として画面や音声等で出力することができる。

次に、上記構成のＸ線式坪量測定装置２００の処理装置２４０における特徴的な動作について図４のフローチャートを参照して説明する。

Ｘ線式坪量測定装置２００の稼働時において、モニタ電圧入力部２４１が、Ｘ線源１００の計測回路１３０からモニタ電圧Ｖｍを周期的に入力する（Ｓ１０１）。モニタ電圧Ｖｍを入力するタイミングは任意であるが、例えば、数秒毎としてもよいし、１〜２時間毎とすることもできる。また、Ｘ線式坪量測定装置２００の稼働中に、測定ヘッド２１０が定期的な校正等のためにフレーム２２０の待避位置２２１に移動した際にモニタ電圧Ｖｍを入力するようにしてもよい。

モニタ電圧Ｖｍの状態に応じてモニタ電圧Ｖｍを入力する周期を変更してもよい。この場合、例えば、モニタ電圧Ｖｍが０に近づくほど入力周期を短くすることができる。

入力したモニタ電圧Ｖｍは、モニタ電圧記録部２４２が時系列の履歴として記録する（Ｓ１０２）。

モニタ電圧Ｖｍの履歴がある程度蓄積されると、Ｘ線管診断部２４３がモニタ電圧の履歴に基づいて曲線近似を行なう（Ｓ１０３）。曲線近似は、モニタ電圧履歴の直線や多項式曲線等への当てはめであり、回帰分析等の既存の手法を用いることができる。

このとき、当てはめた曲線に対して、所定の基準以上乖離しているモニタ電圧Ｖｍを無効として、再度曲線近似を行なうようにしてもよい。例えば、図５（ａ）に示すように、当てはめで得られた近似曲線Ｃ１に対して、データＶ１、データＶ２が所定の基準、例えば、閾値ｔｄ以上乖離している場合に、データＶ１とデータＶ２を無効として、再度曲線近似を行なう。これにより、図５（ｂ）に示すように、信頼性が低いデータの影響を受けない近似曲線Ｃ２を得ることができる。

Ｘ線管診断部２４３は、曲線近似の際に、あらかじめ定めた警報条件を満たす場合には（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、警報を出力する（Ｓ１０５）。警報は、例えば、処理装置２４０に接続された表示装置に表示したり、音声等で出力することができる。保守担当者へのメール送付等であってもよい。なお、警報条件の判定は、装置の起動後の安定待ちの期間には行なわないようにしてもよい。

例えば、警報条件として、比較的０Ｖに近い値を第１閾値として定めておき、図６（ａ）に示すように、モニタ電圧Ｖｍがこの第１閾値に達した場合に、Ｘ線管１１０の寿命が近いため交換を推奨するという警報を出力することができる。なお、本実施形態では、モニタ電圧Ｖｍは、初期電圧等で正規化するとともに、絶対値で評価を行なっている。

Ｘ線管１１０の交換を推奨する警報は、その後Ｘ線管１１０の交換が行なわれるまで継続的に出力するようにしてもよい。例えば、１日１回出力したり、装置起動毎に出力することができる。

また、警報条件として、概ね０Ｖを第２閾値として定めておき、図６（ｂ）に示すように、モニタ電圧Ｖｍがこの第２閾値に達した場合に、Ｘ線管１１０が寿命を迎えたという警報を出力することができる。

また、警報条件として、変化率（単位時間あたりの電圧変化量）に関する第３閾値を定めておき、例えば、図７に示すように変化率（ｙ１／ｘ１）が第３閾値を超える場合に、Ｘ線管１１０の状態が変化したという警報を出力することができる。

また、Ｘ線管診断部２４３は、近似曲線に基づいて、Ｘ線管１１０の寿命予測を行なう（Ｓ１０６）。なお、警報判断処理（Ｓ１０４）と寿命予測処理（Ｓ１０６）の前後は問わない。

寿命予測は、例えば、図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、近似曲線Ｃを外挿し、概ね０Ｖと交わる時点を予測寿命時とすることができる。寿命予測時や現在から寿命予測時までの期間は、例えば、表示装置に出力して表示させることができる。本実施形態では、近似曲線Ｃを外挿することで寿命予測を行なうことから、Ｘ線管１１０の個体差を吸収することができる。

これにより、Ｘ線式坪量測定装置２００において、Ｘ線管１１０の寿命に関する情報をオンラインで把握できるようになり、Ｘ線管１１０交換のための稼働停止によるプラントへの波及を防ぐことができる。また、予防保全的に寿命前のＸ線管１１０を定期修理時において頻繁に交換することによる保守コストの増大を防ぐことができる。もちろんオフラインでＸ線管１１０の寿命に関する情報を取得することもできる。

なお、上述の例ではＸ線管１１０として３極管を用いたため、管電流制御用のグリッドである第１グリッド電圧Ｖｇ１をモニタ電圧Ｖｍとしている。他の多極管を用いる場合にも、管電流制御用のグリッド電圧をモニタ電圧Ｖｍとすればよい。

１００…Ｘ線源、１１０…Ｘ線管、１１１…カソード、１１２…ヒータ、１１３…第１グリッド、１１４…第２グリッド、１１５…ターゲット、１２１…電圧源、１２２…可変電圧源、１２３…管電流検出抵抗、１２４…比較器、１３０…計測回路、２００…Ｘ線式坪量測定装置、２１０…測定ヘッド、２１１…上部ヘッド、２１２…下部ヘッド、２２０…フレーム、２２１…待避位置、２４０…処理装置、２４１…モニタ電圧入力部、２４２…モニタ電圧記録部、２４３…Ｘ線管診断部、３００…シート部材

Claims

管電流制御用のグリッド電極を備えたＸ線管をＸ線源として利用するＸ線式坪量測定装置であって、
前記グリッド電極の電圧を示すモニタ電圧を入力するモニタ電圧入力部と、
入力した前記モニタ電圧を記録するモニタ電圧記録部と、
記録した前記モニタ電圧の履歴に基づいて曲線近似を行ない、近似曲線に基づいて前記Ｘ線管の寿命予測を行なうとともに予測結果を出力するＸ線管診断部と、
を備えたことを特徴とするＸ線式坪量測定装置。
前記Ｘ線管診断部は、入力した前記モニタ電圧を所定の閾値と比較し、比較結果に応じて、警報を出力することを特徴とする請求項１に記載のＸ線式坪量測定装置。
前記所定の閾値は、前記Ｘ線管の交換を促す警報のための第１閾値と、前記Ｘ線管が寿命を迎えたことを知らせる警報のための第２閾値と、を含むことを特徴とする請求項２に記載のＸ線式坪量測定装置。
前記Ｘ線管診断部は、前記Ｘ線管の交換を促す警報を出力した場合、前記Ｘ線管の交換が行なわれるまで、前記Ｘ線管の交換を促す警報を継続的に出力することを特徴とする請求項３に記載のＸ線式坪量測定装置。
前記Ｘ線管診断部は、前記近似曲線が所定の基準を上回る変化率を有する場合に、警報を出力することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＸ線式坪量測定装置。
前記Ｘ線管診断部は、前記近似曲線から所定の基準よりも乖離している前記モニタ電圧を無効として再度曲線近似を行なうことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＸ線式坪量測定装置。
前記Ｘ線管を搭載するヘッドと、
前記ヘッドが移動するとともに、前記ヘッドの待避位置が定められたフレームと、をさらに備え、
前記モニタ電圧入力部は、前記ヘッドが前記待避位置にあるとき、前記モニタ電圧を入力することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のＸ線式坪量測定装置。