JP6791175B2

JP6791175B2 - 材質判別方法

Info

Publication number: JP6791175B2
Application number: JP2018003912A
Authority: JP
Inventors: 児玉　俊文; 俊文児玉; 飯塚　幸理; 幸理飯塚; 鈴木　英之; 英之鈴木
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2038-01-15
Also published as: JP2019124504A

Description

本発明は、対象物の材質を判別する材質判別方法及び材質判別装置に関する。

一般に、配電盤や計装盤内の開閉器や端子等の金属部には、作業者等が接触することを防止するために、透明樹脂製の保護カバーを設置する安全対策が施されている。また、古い年代に設置された盤に対しては、使用者側で自主的な安全対策として保護カバーが設置されてきた。その際、保護カバーの材質としては、一般的な透明樹脂である塩化ビニル樹脂やアクリル樹脂等が用いられてきた。中でもアクリル樹脂は、低コストでかつ透明度が高いことから広く用いられてきた。

しかしながら、近年、配電盤や計装盤内の電気機器や部品の短絡に伴う火花や過熱による火災の発生を受け、これら盤内で使用する部品の不燃化が推進されるようになり、易燃性樹脂であるアクリル樹脂製の保護カバーを難燃性樹脂製の保護カバーに代替する必要が生じている。ところが、既存の配電盤や計装盤の設置数は製鉄所内では膨大な数にのぼるが、設置年代が数十年を経過したもの等では保護カバーの材質に関する記録が無いものが多く、保護カバーの材質が易燃性か否かを判別する必要が生じている。

株式会社天源、"樹脂の見分け方燃焼判別・比重判別"、［online］、平成２９年１２月２１日検索、インターネット＜URL:http://www.tengen.jp/1586＞オリンパス株式会社、"材料音速一覧表"、［online］、平成２９年１２月２１日検索、インターネット＜URL:https://www.olympus-ims.com/ja/ndt-tutorials/thickness-gage/appendices-velocities/＞一般社団法人日本非破壊検査協会、「超音波パルス反射法による固体音速の測定及び表示方法」(NDIS2414-87)

従来、樹脂の材質の判別法としては、樹脂に点火して火の広がり方を観察する燃焼判別法や樹脂の比重を測定する比重判別法（非特許文献１参照）等が知られている。しかしながら、燃焼判別法は、破壊試験であるために保護カバーが難燃性であった場合であったとしても保護カバーの復旧は不可能である。また、比重判別法では、アルキメデス法等だと保護カバー全体を水没させる必要があるので、大型の水槽が必要になる等の問題点がある。また、どちらの方法も判別を行う手間や作業時間を要するという問題点がある。

なお、樹脂の材質を判別する他の方法として、樹脂の光学的な透過スペクトルを測定する方法もある。この方法は、樹脂の可視光〜赤外波長領域における固有の吸収量を特徴量として材質を判別する方法であり、既知の物質のスペクトルデータに対するマッチングによって高精度に材質を判別する装置が市販されている。しかしながら、この装置は一般に高価である上に、卓上型の装置であるために工場等の現場に持ち込むことは困難である。また、一部には可搬型の装置も市販されているが、やはりコスト面や取扱いの難しさといった課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、非破壊で容易、且つ、安価に対象物の材質を判別可能な材質判別方法及び材質判別装置を提供することにある。

本発明の第１の態様に係る材質判別方法は、機械的板厚測定手段を用いて対象物の厚さＡを測定するステップと、前記厚さＡの測定箇所近傍における前記対象物中の弾性波の伝播時間Ｂを測定するステップと、前記伝播時間Ｂに対する前記厚さＡの比Ｃを算出し、比Ｃの値が予め設定された範囲内にあるか否かを判別することにより、前記対象物の材質を判別するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る材質判別方法は、機械的板厚測定手段を用いて対象物の厚さＡを測定するステップと、前記厚さＡの測定箇所近傍における前記対象物中の弾性波の伝播時間Ｂを測定するステップと、前記機械的板厚測定手段を用いて基準となる材質を有する試験体の厚さＡ０を測定するステップと、前記厚さＡ０の測定箇所近傍における前記試験体中の弾性波の伝播時間Ｂ０を測定するステップと、前記伝播時間Ｂに対する前記厚さＡの比Ｃと前記伝播時間Ｂ０に対する前記厚さＡ０の比Ｃ０とを算出し、比Ｃ０に対する比Ｃの比の値が予め設定された範囲内にあるか否かを判別することにより、前記対象物の材質を判別するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の第３の態様に係る材質判別方法は、機械的板厚測定手段を用いて対象物の厚さＡを測定するステップと、基準となる材質を有する既知の厚さの試験体により音速を校正した超音波式厚さ計を用いて、前記厚さＡの測定箇所近傍における前記対象物の厚さＢ’を測定するステップと、前記厚さＡに対する前記厚さＢ’の比Ｄを算出し、比Ｄの値が予め設定された範囲内にあるか否かを判別することにより、前記対象物の材質を判別するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る材質判別方法は、本発明の第１〜第３の態様に係る材質判別方法において、判別すべき前記対象物の材質が、アクリル樹脂と塩化ビニル樹脂及びポリカーボネート樹脂との２分類であることを特徴とする。

本発明に係る材質判別装置は、本発明の第３の態様に係る材質判別方法により対象物の材質を判別する材質判別装置であって、前記機械的板厚測定手段は、一対の接触部によって前記対象物を挟持することにより該対象物の厚さを測定する装置であり、前記超音波式厚さ計は、前記一対の接触部の少なくとも一方に設けられた弾性波送受信素子から弾性波を送受信することにより前記対象物の厚さを測定する装置であることを特徴とする。

本発明に係る材質判別装置は、上記発明において、判別すべき前記対象物の材質が、アクリル樹脂と塩化ビニル樹脂及びポリカーボネート樹脂との２分類であることを特徴とする。

本発明に係る材質判別方法及び材質判別装置によれば、非破壊で容易、且つ、安価に対象物の材質を判別することができる。

図１は、易燃性透明樹脂及び難燃性透明樹脂における板厚と弾性波音速との関係の一例を示す図である。図２は、易燃性透明樹脂及び難燃性透明樹脂における板厚と測定値比との関係の一例を示す図である。図３は、易燃性透明樹脂及び難燃性透明樹脂における温度と測定値比との関係の一例を示す図である。図４は、本発明の一実施形態である材質判別装置の構成を示す模式図である。図５は、図４に示す材質判別装置の変形例の構成を示す模式図である。

以下、本発明に係る材質判別方法及び材質判別装置について説明する。

透明樹脂製の保護カバーに用いられる易燃性透明樹脂の代表例としてはアクリル樹脂、難燃性透明樹脂の代表例としては塩化ビニル樹脂があるが、アクリル樹脂中の弾性波音速（縦波音速）は２７３０ｍ／ｓであるのに対して、塩化ビニル樹脂中の弾性波音速は２４９５ｍ／ｓである（非特許文献２参照）。また、同じく透明樹脂製の保護カバーに用いられる難燃性透明樹脂であるポリカーボネート樹脂中の弾性波音速は、本発明の発明者らによる試験室内での測定によれば２４００ｍ／ｓであった。このように易燃性透明樹脂と難燃性透明樹脂とでは弾性波音速に１５％程度の差異がある。そこで、本発明の発明者らは、弾性波音速を透明樹脂の材質を判別するための指標として用いることを着想した。

非特許文献３に記載されている通り、弾性波音速は、対象物の内部に弾性波を送信し、反射波が返ってくるまでの伝搬時間Ｔと弾性波の伝搬距離Ｌを測定してその比Ｌ／Ｔを計算することにより測定できる。ここで、材質を判別する対象物が平板である場合には、弾性波の周波数を適切に選択すれば弾性波が１往復するエコー（第１反射波）の伝搬時間を測定できるので、伝搬距離Ｌは対象物の板厚Ｄをマイクロメータ等で測定してその２倍（往復距離）とすればよい。つまり、弾性波音速Ｖは以下に示す数式（１）により算出できるが、判別指標として用いるのであれば、板厚測定値をそのまま用いた以下に示す数式（２）により求められる値Ｖ’を用いてもよい。また、基準となる材質を有する試験体の板厚Ｄ０と試験体中の弾性波の伝播時間Ｔ０とから試験体中の弾性波音速Ｖ０を算出し、対象物中の弾性波音速Ｖ０に対する試験体中の弾性波音速Ｖの比Ｖ／Ｖ０を判別指標として用いてもよい。

Ｖ＝Ｌ／Ｔ＝２Ｄ／Ｔ …（１）
Ｖ’＝Ｄ／Ｔ …（２）

本発明の発明者らは、上述した材質判別方法を検証するために試験室内でテストを行った。複数の易燃性及び難燃性の透明樹脂板の複数の板厚のものを用意し、板厚はマイクロメータで測定した。また、超音波探傷器を用いて５ＭＨｚの超音波探触子から送受信した超音波波形をデジタルオシロスコープで採取して伝搬時間を測定し、上述した計算式により弾性波音速を算出した。その結果、図１に示すように、易燃性透明樹脂であるアクリル樹脂（アクリルＡ，Ｂ）中の弾性波音速はいずれも２６００ｍ／ｓ以上であったのに対して、難燃性透明樹脂である塩化ビニル樹脂（ポリ塩化ビニルＡ，Ｂ）及びポリカーボネート樹脂（ポリカーボネート）中の弾性波音速は２３５０ｍ／ｓ以下であった。また、透明樹脂板の板厚に対する弾性波音速の依存性はなかった。このことから、易燃性透明樹脂と難燃性透明樹脂とは、その板厚によらずに弾性波音速によって明確に識別可能であることが確認された。

なお、弾性波の伝搬時間を測定するためには、オシロスコープや周波数カウンタ等の計測機器群が必要であり、測定手順も煩雑であるが、超音波を利用して対象物の厚さを測定する装置が超音波式厚さ計として市販されている。超音波式厚さ計は、対象物の内部を往復する超音波の伝搬時間ｔと予め設定された音速ｖとを用いて以下に示す数式（３）により対象物の厚さｄを算出するコンパクト、且つ、可搬性に優れた装置である。

ｄ＝ｔ×ｖ／２ …（３）

ここで、通常の超音波式厚さ計の使い方の場合、対象物の材質と同一の材質で厚さが既知の値ｄ０の試料（標準試験片）を用いて、超音波式厚さ計の測定値が値ｄ０に一致するように超音波式厚さ計内の音速ｖを設定する。この音速設定が実際の試料の音速と異なっている場合、超音波式厚さ計が正しい厚さ指示を出力していないわけであるが、本発明の発明者らはこの現象をむしろ積極的に活用することを着想した。つまり、マイクロメータ等の機械的手段で材質未知の対象物の厚さを測定する一方で、基準となる材質の音速に設定した超音波式厚さ計でその対象物を測定し、両者の厚さ測定値を比較すれば、その測定対象物の材質を判別できる。そこで、本発明の発明者らは、この着想を検証するために材質及び厚みが既知のサンプルを多数用意してテストを行った。

サンプルの材質は、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、リサイクル塩化ビニル樹脂、ポリカーボネート樹脂とし、それぞれ複数の厚みのものを用意した。厚さの機械的測定はマイクロメータを用い、超音波式厚み計の音速はサンプルのうち、塩化ビニル樹脂Ｃ（ポリ塩化ビニルＣ）の３ｍｍ厚さの試験体を用いて調整した。その結果、図２に示すように、易燃性透明樹脂（アクリルＡ，Ｂ）と不燃性透明樹脂（ポリ塩化ビニルＡ，Ｃ、ポリ塩化ビニルＢ（リサイクル）及びポリカーボネート）とでは、両者の板厚測定値の比（超音波式厚み計の測定値／マイクロメータの測定値）が、１５％程度異なっており、また板厚に対する依存性もなかった。このことから、この測定方法により透明樹脂の材質（易燃性又は難燃性）を明瞭に判別可能であることが確認できた。

なお、一般に弾性波音速は対象物の温度によって変化し、また透明樹脂自体も温度による体積膨張が生じるので、上記の判別方法に対する温度の影響も調査した。評価範囲は、配電盤や計装盤の設置環境である温度（２０〜３５℃）より広めの１０〜４０℃とした。その結果、図３に示すように、温度上昇によって板厚測定値の比は微増するものの易燃性及び難燃性の板厚測定値の比の分布が混在することはなかった。このことから、板厚のみでなく温度にもよらず、この測定方法により透明樹脂板の材質（易燃性又は難燃性）が明瞭に判別可能であることが確認できた。

図４に示すように、機械的板厚測定手段としてマイクロメータ、弾性波板厚測定手段として超音波式厚み計を用いて、製造現場の配電盤に設置されている透明樹脂製の保護カバー（サンプルＮｏ．１〜８）の材質を判別した。図４において、Ｓは対象物、Ｂは超音波、１はマイクロメータ、１ａ，１ｂはマイクロメータ１の接触部、２は超音波式厚さ計、２ａは超音波式厚さ計２の探触子を示す。実施例１の測定時には、材質情報は未知とし、板厚測定値の比が０．９より大なら難燃性樹脂、小なら易燃性樹脂として材質を判別し、事後に配電盤の製造記録等より判定結果を検証した。その結果を以下の表１に示す。表１に示すように、測定の結果、難燃性と判定したものは塩化ビニル樹脂（塩ビ）製又はポリカーボネート樹脂製であり、易燃性と判定したものは３例ともアクリル樹脂製であった。このことから、本発明に係る材質判別方法の有効性が確認された。

図５は、図４に示す材質判別装置の変形例の構成を示す模式図である。図５に示すように、本実施例は、上記までの説明でマイクロメータ１による機械的板厚測定と超音波式厚さ計２を用いた弾性波板厚測定という２つの機器での別個の測定動作を要していたものを１回の測定動作で行えるように、マイクロメータ１の接触部１ａに超音波式厚さ計２の探触子２ａを固定したものである。本実施例での測定結果は実施例１と同様であるので割愛するが、測定に要する時間は平均して約半分となった。また、本実施例において、マイクロメータ１の接触部１ａ，１ｂの双方に対向する探触子を２個設置し、透過弾性波により測定するようにしてもよい。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１マイクロメータ
１ａ，１ｂ接触部
２超音波式厚さ計
２ａ探触子
Ｄ超音波
Ｓ対象物

Claims

機械的板厚測定手段を用いて透明樹脂の厚さＡを測定するステップと、
前記厚さＡの測定箇所近傍における前記透明樹脂中の弾性波の伝播時間Ｂを測定するステップと、
前記伝播時間Ｂに対する前記厚さＡの比Ｃを算出し、比Ｃの値が予め設定された範囲内にあるか否かを判別することにより、前記透明樹脂がアクリル樹脂と塩化ビニル樹脂又はポリカーボネート樹脂とのどちらであるかを判別するステップと、
を含むことを特徴とする材質判別方法。