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【発明の名称】 樹脂材の厚み測定方法及びその装置
【発明者】 【氏名】飯塚 幸理

【氏名】上杉 満昭
【要約】 【課題】固相と液相とを含む樹脂材の厚みを高い精度で測定する。

【解決手段】本発明は、固相と液相とを含む樹脂材１０の厚みｄを超音波を用いて測定する樹脂材の厚み測定方法において、超音波が樹脂材の厚み方向を往復する伝搬時間Δｔを測定し、操業パラメータから樹脂材の厚み方向の温度分布Ｔ（ｘ）を算出し、この厚み方向の温度分布と樹脂材内における音速の温度特性Ｃ（Ｔ）とから樹脂材の厚み方向の音速分布Ｃ（ｘ）を算出し、この厚み方向の音速分布の平均音速（Ｃm）を算出し、この平均音速Ｃmと測定した伝搬時間Δｔとで樹脂材の厚みｄを算出する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 固相と液相とを含む樹脂材の厚みを超音波を用いて測定する樹脂材の厚み測定方法において、前記超音波が前記樹脂材の厚み方向を往復する伝搬時間を測定し、操業パラメータから前記樹脂材の厚み方向の温度分布を算出し、この厚み方向の温度分布と前記樹脂材内における音速の温度特性とから樹脂材の厚み方向の音速分布を算出し、この厚み方向の音速分布の平均音速を算出し、この平均音速と前記測定した伝搬時間とで前記樹脂材の厚みを算出することを特徴とする樹脂材の厚み測定方法。
【請求項２】 固相と液相とを含む樹脂材の厚みを超音波を用いて測定する樹脂材の厚み測定装置において、前記樹脂材に印加された超音波が前記樹脂材の厚み方向を往復する伝搬時間を測定する伝搬時間測定手段と、操業パラメータから前記樹脂材の厚み方向の温度分布を算出する温度分布算出手段と、前記樹脂材を伝搬する超音波の音速の温度特性を記憶する音速温度特性記憶部と、前記温度分布算出手段で算出された厚み方向の温度分布と前記音速温度特性記憶部から読出した音速の温度特性から前記樹脂材の厚み方向の音速分布を算出する音速分布算出手段と、この音速分布算出手段で算出された厚み方向の音速分布の平均音速を算出する平均音速算出手段と、この平均音速算出手段で算出された平均音速と前記伝搬時間測定手段で測定された伝搬時間とで前記樹脂材の厚みを算出する厚み算出手段とを備えたことを特徴とする樹脂材の厚み測定装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、樹脂材の製造工程において超音波を用いてこの樹脂材の厚みを測定する樹脂材の厚み測定方法及び樹脂材の厚み測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ポリエチレン管や被覆装鋼管の製造工程においては、樹脂材を押出しダイスから引き抜いて冷却することにより該当ポリエチレン管や被覆装鋼管を製造する。この製造工程において、製造された製品である樹脂材の厚み（管の肉厚）を目標値に制御することは重要な管理項目である。オンラインで連続して製造されている樹脂材（管）の厚み制御は、押出し機（押出しダイス）の下流において測定した厚みを基に、押出し温度・押出しダイスの間隔・押出し速度を適切な値に設定して行なわれる。
【０００３】一般的に管の厚み（肉厚）を外周面から測定する測定装置として超音波厚み測定法が用いられる。この超音波厚み測定法においては、測定対象の樹脂材の外側に超音波探触子を配置し、樹脂材に超音波を印加して、樹脂材の表面エコーと底面エコー、またはその多重反射エコーの往復の伝播時間Δｔを測定する。樹脂材内を伝搬する超音波の音速をＣとすると、樹脂材の厚みｄは、(1)式で求まる。
【０００４】
ｄ＝Ｃ・Δｔ／２ …(1)ここで、樹脂材内を伝搬する超音波の音速Ｃは樹脂材の種類や温度によって異なるので、一般に値を変更できるようになっており、樹脂材の種類やサイズに応じた値を設定して測定を開始する。
【０００５】さて、製造製品である樹脂材の厚みを制御し、製品の歩留りや材料原単位を低く抑えるためには、できる限り押出しダイスの近くで厚みを測定する必要がある。しかし、押出しダイスの近くでは測定対象である樹脂材の温度が高く、また引き抜き速度や冷却時間により温度が一定でない。
【０００６】一般的に、樹脂材内における超音波の音速Ｃは温度に大きく依存するため、温度が不安定であると厚みの測定精度が低くなる問題がある。
【０００７】このような不都合を解消するために、測定対象である樹脂材の表面温度を測定する手法が提唱されている（特開昭５８−１８６０１０号公報）。
【０００８】例えば、図７に示すように、ポリエチレン管からなる測定対象の樹脂材１の外周面に垂直型の超音波探触子２を取付け、この超音波探触子２に超音波送受信器３からパルス信号を超音波探触子２へ送出して、超音波送受信器３で超音波探触子２からのエコー信号ａを検出して、伝搬時間検出部４で、エコー信号ａにおける表面反射エコーｂ1と底面反射エコーｂ2との時間差で示される往復の伝搬時間Δｔが求まる。検出された伝搬時間Δｔは厚み算出部５へ入力される。
【０００９】一方、温度検出器６は、樹脂材１の表面温度ＴSを測定して、音速補正部７へ送出する。音速補正部７は、入力された表面温度ＴSで音速Ｃを補正して、補正後の音速Ｃを厚み算出部５へ送出する。厚み算出部５は補正後の音速Ｃを用いて、前述した(1)式を用いて、樹脂材１の厚みｄを算出する。
【００１０】しかしながら、図７に示す手法では、樹脂材１の厚みが厚い場合には樹脂材のの厚み方向に大きな温度分布があるため、表面温度ＴSで樹脂材全体の温度を代表させることは困難である。したがって、算出された樹脂材１の厚みｄの算出精度はあまり向上しない。
【００１１】さらに、このような不都合を解消するために、特開昭６１−２５１７０７号公報に、操業パラメータを用いて測定対象である樹脂材内の厚み方向の温度分布を求め、この温度分布から平均温度Ｔmを求めてその時の音速Ｃを用いて前述した(1)式で樹脂材の厚みｄを算出するようにしている。
【００１２】なお、操業パラメータとは、樹脂材における測定位置の表面温度、または材料の押出し温度、公称厚み、冷却時間、滞留時間等である。そして、これらを基に樹脂材内の厚み方向の温度分布を推定する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この操業パラメータを用いて温度分布を求めて、さらに平均温度Ｔmを求める手法においても未だ解消すべき次のような課題があつた。
【００１４】すなわち、測定対象の樹脂材が樹脂管のように測定すべき部分の肉厚が厚く、しかも押出しダイス直後の冷却間もない位置で厚みを測定する場合には、樹脂管内部における冷却している外周面近傍は固相となっていても内周面近傍はまだ液相である。
【００１５】樹脂材内を伝搬する超音波の音速は固相を伝搬する場合と液相を伝搬する場合とで大きく異なるため、平均温度Ｔmに相当する音速Ｃで厚みｄを測定したとしても、その測定精度をある程度上昇させることはできない。
【００１６】図８は樹脂材内を伝搬する超音波の音速の温度特性を示す図である。図示するように、温度Ｔが低下して、液相から固相を変化する融点近傍で音速Ｃが急激に変化していることが理解できる。温度Ｔが固相内のみで変化するならばほぼ音速Ｃは温度に対して直線となっており、樹脂材が固相の場合は平均温度Ｔmの時の音速Ｃを用いて厚みを求めても問題はない。
【００１７】しかしながら、樹脂材に液相も含まれている場合は、例えば平均温度が１００℃位とすると、上述した処方によると固相の音速を用いて厚みを求めることとなるが、液相の部分の音速が非常に遅いため、超音波の伝播時間には大きな影響があり、実際の平均音速は平均温度に相当する音速とはならない。この理由は、正確には、超音波の伝播時間Δｔは(2)式のように、音速Ｃ(ｘ)の逆数を積分した形で表されるためである。
【００１８】
【数１】

【００１９】以上のように、上述した各測定手法においては、樹脂材の厚み測定において、測定対象の樹脂材に液相が含まれていると測定精度が大幅に低下する問題があった。
【００２０】本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、厚み方向の音速分布を求めることにより、たとえ測定対象の樹脂材に液相が含まれるとしても、樹脂材の厚みを高い精度で測定できる樹脂材の厚み測定方法及び樹脂材の厚み測定装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、固相と液相とを含む樹脂材の厚みを超音波を用いて測定する樹脂材の厚み測定方法に適用される。そして、上記課題を解消するために、本発明の樹脂材の厚み測定方法においては、超音波が樹脂材の厚み方向を往復する伝搬時間を測定し、操業パラメータから樹脂材の厚み方向の温度分布を算出し、この厚み方向の温度分布と樹脂材内における音速の温度特性とから樹脂材の厚み方向の音速分布を算出し、この厚み方向の音速分布の平均音速を算出し、この平均音速と測定した伝搬時間とで樹脂材の厚みを算出するようにしている。
【００２２】また、別の発明は、固相と液相とを含む樹脂材の厚みを超音波を用いて測定する樹脂材の厚み測定装置に適用される。
【００２３】そして、上記課題を解消するために、本発明の樹脂材の厚み測定装置においては、樹脂材に印加された超音波が樹脂材の厚み方向を往復する伝搬時間を測定する伝搬時間測定手段と、操業パラメータから樹脂材の厚み方向の温度分布を算出する温度分布算出手段と、樹脂材を伝搬する超音波の音速の温度特性を記憶する音速温度特性記憶部と、温度分布算出手段で算出された厚み方向の温度分布と音速温度特性記憶部から読出した音速の温度特性から樹脂材の厚み方向の音速分布を算出する音速分布算出手段と、この音速分布算出手段で算出された厚み方向の音速分布の平均音速を算出する平均音速算出手段と、この平均音速算出手段で算出された平均音速と伝搬時間測定手段で測定された伝搬時間とで樹脂材の厚みを算出する厚み算出手段とを備えている。
【００２４】このように構成された樹脂材の厚み測定方法及び樹脂材の厚み測定装置においては、操業パラメータから樹脂材の厚み方向の温度分布が算出される。なお、操業パラメータとは、前述したように、樹脂材における測定位置の表面温度、または材料の押出し温度、公称厚み、冷却時間、滞留時間等である。さらに、この温度分布と音速の温度特性とから樹脂材の厚み方向の各位置における音速が正確に得られる。
【００２５】したがって、各厚み方向位置の各音速を累積して、この累積値を公称厚みで除算することによって、樹脂材の厚み方向全体の平均音速が求まる。この平均音速と測定した伝搬時間とで樹脂材の厚みが算出される。
【００２６】このように、樹脂材の厚み方向全体の平均音速が高い精度で求まるので、最終の樹脂材の厚みが高い精度で算出される。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は実施形態に係る樹脂材の厚み測定方法が適用された樹脂材の厚み測定装置の概略構成を示すブロック図である。この実施形態の樹脂材の厚み測定装置は、例えば、ポリエチレン管の製造ラインの押出しダイスの近傍位置に設置されている。
【００２８】ポリエチレン管等の測定対象の樹脂材１０の外周面１０ａに微小間隔を開けて配設された垂直型の超音波探触子１２は超音波送受信器１３からパルス信号が印加されると、樹脂材１０に対して超音波１１を送出すると共に、表面（外周面１０ａ）及び底面（内周面１０ｂ）で反射された各反射波をエコー信号ａとして、超音波送受信器１３へ送信する。
【００２９】超音波送受信器１３は、この超音波探触子１２へパルス信号を送出して、この超音波探触子１２からエコー信号ａを受信して、伝搬時間算出部１４へ送出する。伝搬時間算出部１４は、入力されたエコー信号ａにおける表面（外周面１０ａ）反射エコーｂ1と底面（内周面１０ｂ）反射エコーｂ2との時間差で示される往復の伝搬時間Δｔを算出して次の厚み算出部１５へ送出する。
【００３０】表面温度計１６は測定対象の樹脂材１０の厚み測定位置での表面温度を測定して操業パラメータ入力部１８へ送出する。また、冷却時間カウンタ１７ａは押出しダイスから樹脂材１０が押し出されて厚み測定位置に達するまでの時間で示される冷却時間を計測して操業パラメータ入力部１８へ送出する。具体的には、冷却時間は樹脂材１０の搬送速度で定まる。
【００３１】さらに、滞留時間カウンタ１７ｂは樹脂材１０の押出しダイス内の滞留時間を測定して操業パラメータ入力部１８へ送出する。また操業パラメータ入力部１８には操作者が設定する公称厚み（目標厚み）ｄSが入力される。操業パラメータ入力部１８は、入力された表面温度、冷却時間、滞留時間、公称厚みｄSを操業パラメータとして、例えば１秒周期で、温度分布算出部１９へ送出する。
【００３２】温度分布算出部１９は１秒周期で入力される操業パラメータを用いて、図２に示す測定対象の樹脂材１０の厚み方向の温度分布Ｔ（ｘ）を算出する。但し、変数ｘは樹脂材１０の表面からの厚み方向の距離である。具体的には、温度分布Ｔ（ｘ）は熱伝導計算により容易に計算できる。例えば、樹脂料１０の熱伝導率、比熱、密度、押出し温度、冷却時の熱伝達係数を初期値として、冷却時間が経過していく時の温度分布は、熱伝導方程式を差分法などで解けば良い。温度分布算出部１９は１秒周期で算出した図２に示す樹脂材１０の厚み方向の温度分布Ｔ（ｘ）を音速分布算出部２０へ送出する。
【００３３】音速温度特性記憶部２１内には、前述した図８に示す測定対象の樹脂材１０内を伝搬される超音波の音速の温度特性Ｃ（Ｔ）が記憶されている。具体的には、図８に示すように、融点近傍で特性が大きく変化するＳ字波形を示すので、この温度特性Ｃ（Ｔ）を、例えば(3)式で示すような、５次の多項式などで表す。
【００３４】
Ｃ（Ｔ）＝ａ1Ｔ＋ａ2Ｔ2＋ａ3Ｔ3＋ａ4Ｔ4＋ａ5Ｔ5 …(3)ａ1，ａ2，ａ3，ａ4，ａ5…係数なお、融点の値に応じて各係数ａ1〜ａ5は大きく変化するので、測定対象の樹脂材１０毎にこの音速の温度特性Ｃ（Ｔ）が記憶保持されている。
【００３５】音速分布算出部２０は、１秒周期で、温度分布算出部１９から出力された図２に示す樹脂材１０の厚み方向の温度分布Ｔ（ｘ）と音速温度特性記憶部２１内に記憶された図８に示す温度特性Ｃ（Ｔ）とから、図３に示すような、樹脂材１０の厚み方向の各位置ｘにおける音速の分布を示す音速分布Ｃ（ｘ）を算出する。音速分布算出部２０は、１秒周期で、算出した音速分布Ｃ（ｘ）を平均音速算出部２２へ送出する。
【００３６】平均音速算出部２２は、１秒周期で、(4)式を用いて、公称厚みｄSを有する樹脂材１０の厚み方向の平均音速Ｃmを算出する。
【００３７】
【数２】

【００３８】平均音速算出部２２は、１秒周期で、算出した厚み方向の平均音速Ｃmを厚み算出部１５へ送出する。
【００３９】厚み算出部１５は、１秒周期で、伝搬時間算出部１４から入力された伝搬時間Δｔと平均音速算出部２２から入力された平均音速Ｃmとから(5)式を用いて測定対象の樹脂材１０の厚みｄを算出して出力部２３へ送出する。
【００４０】ｄ＝Ｃm・Δｔ／２ …(5)出力部２３は、１秒周期で、算出された厚みｄを測定結果として、例えば製造ラインの制御コンピユータへ送出する。
【００４１】このように構成された樹脂材の厚み測定装置においては、操業パラメータから樹脂材の厚み方向の温度分布Ｔ（ｘ）が算出され、この温度分布Ｔ（ｘ）と音速の温度特性Ｃ（Ｔ）とから樹脂材１０の厚み方向の各位置ｘにおける音速Ｃ（ｘ）が正確に得られる。したがって、(4)式に示すように、各厚み方向位置ｘの各音速Ｃ（ｘ）を累積して、この累積値を公称厚みｄSで除算することによって、厚み方向全体の平均音速Ｃmが求まり、この平均音速Ｃmと伝搬時間Δｔとで樹脂材１０の厚みｄが算出される。
【００４２】このように、たとえ樹脂材１０内に固相と液相とが存在したとしても、樹脂材１１の厚み方向全体の平均音速Ｃmが高い精度で求まるので、最終の樹脂材１０の厚みｄが高い精度で算出される。
【００４３】なお、温度分布Ｔ（ｘ）の算出に公称厚みｄSを用いているが、この公称厚みｄSは製造ラインおける制御目標厚みであるので、最終的には測定された樹脂材１０の厚みｄがこの公称厚みｄSにほぼ等しくなる筈である。よって、この公称厚みｄSを温度分布Ｔ（ｘ）の算出に用いることによって、測定誤差が増大することはない。
【００４４】次に、このように構成された樹脂材の厚み測定装置の具体的特徴を実測図を用いて説明する。
【００４５】図４は確認に用いた種々の実験条件における樹脂料の厚み方向の温度分布Ｔ（ｘ）である。ここでは、公称厚みｄS＝１０ｍｍ、初期温度が２００℃のポリエチレン管を外側から冷却したときの温度分布であり、ここでは厚みの変化がないものとしている。
【００４６】まず、冷却時間が４００秒の樹脂材が全て固相である場合について検証する。
【００４７】従来の厚み測定手順においては、図４の温度分布Ｔ（ｘ）により平均温度は６５．８℃である。この時の音速Ｃは図８の温度特性Ｃ（Ｔ）より２２６５．３ｍ／ｓとなる。伝播時間をΔｔ＝８．８４９μｓとすると、厚みはｄ＝１０．０２ｍｍと求められる。これに対して、本発明の実施形態手法では、図５に示すように樹脂料の厚み方向の音速分布Ｃ（ｘ）を求める。この図５の音速分布Ｃ（ｘ）より、樹脂材が全ての固相である冷却時間４００秒のときの平均音速Ｃm は２２６５．３ｍ／ｓであり、上述した従来手法の結果と等しい。
【００４８】次に、樹脂材に液相が含まれる領域である冷却時間が１５０秒の場合について検証する。
【００４９】従来の厚み測定手順においては、図４の温度分布Ｔ（ｘ）により平均温度は１１６．３℃であり、この時の音速は図８の温度特性Ｃ（Ｔ）により１８５６ｍ／ｓとなる。この場合の伝播時間をΔｔ＝１３．１０４μｓとすると、厚みはｄ＝１２．１６ｍｍとなり、固相の場合の厚みｄ＝１０．０２ｍｍに比較して非常に誤差が多い。
【００５０】これに対して、本発明の実施形態手法では、図５の音速分布Ｃ（ｘ）より冷却時間１５０秒である樹脂材に液相が含まれるときの平均音速Ｃmは１６４９ｍ／ｓであり、厚みはｄ＝１０．８０ｍｍと求められ、固相の場合の厚みｄ＝１０．０２ｍｍに比較して誤差が少なく、高い精度が得られた。
【００５１】図６は、様々の冷却時間で厚みｄを従来手法と本発明の実施形態手法とで測定して、その各手法における測定誤差を示す図である。この図６においては、冷却時間が短くなり液相が含まれ始める領域において、従来手法では大きな誤差が生ずるが、本発明の実施形態手法によれば少ない誤差で測定可能である。
【００５２】なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、樹脂材１０の厚みｄを(1)式の代りに(2)式を用いることも可能である。この場合、(2)式を解くためには数値積分を行なえばよく、いくつかの厚みに対して伝播時間を計算し、その値が伝播時間の測定値と等しくなる厚みを探索するようにすればよい。
【００５３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の樹脂材の厚み測定方法及び樹脂材の厚み測定装置においては、厚み方向の温度分布と音速の温度特性とから厚み方向の音速分布を求め、この音速分布から樹脂材内を伝搬する超音波の平均音速を算出している。
【００５４】したがって、たとえ測定対象の樹脂材に液相が含まれるとしても、樹脂材の厚みを高い精度で測定できる。その結果、この厚み測定装置が組込まれた製造ラインで均一な厚みを有した樹脂材を製造できる。また、測定位置を押出しダイスの近くに設置できるため、製造される樹脂材の歩留りを向上できる。
【出願人】 【識別番号】０００００４１２３
【氏名又は名称】日本鋼管株式会社
【出願日】 平成１２年１月１１日（２０００．１．１１）
【代理人】 【識別番号】１０００５８４７９
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦 （外４名）
【公開番号】 特開２００１−１９４１３４（Ｐ２００１−１９４１３４Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】 特願２０００−２６１９（Ｐ２０００−２６１９）