(57)【要約】      （修正有）【課題】多種多様な被検査対象品の内部容量を正確かつ簡便に測定することが可能な容積測定方法を提供する。【解決手段】被検査対象品の内部を特定形状の通路（減圧電磁弁）を介して加圧又は減圧する加減圧工程と、加減圧工程の前後で、被検査対象品の内部圧力を測定する内部圧力測定工程と、加減圧工程における通路を挟む空間の差圧と通路を流体が通過することが可能な開放状態の経過時間を特定する通路開放状態特定工程と、通路を挟む空間の差圧と通路を通過する流量との関係（差圧−流量関係）を予め特定する差圧−流量関係特定工程と、内部圧力測定工程で得られた加減圧工程の前後の内部圧力測定値と、通路開放状態特定工程で得られた差圧と経過時間に基づき差圧−流量関係から算出される被検査対象品の内部に流入又は流出した総流量とを用いて、検査対象品の内部容積を算出する容積算出工程とを有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査対象品の内部容積を測定する容積測定方法において、
該被検査対象品の内部を特定形状の通路を介して加圧又は減圧する加減圧工程と、
該加減圧工程の前後で、該被検査対象品の内部圧力を測定する内部圧力測定工程と、
該加減圧工程における該通路を挟む空間の差圧と該通路を流体が通過することが可能な開放状態の経過時間を特定する通路開放状態特定工程と、
該通路を挟む空間の差圧と該通路を通過する流量との関係（差圧−流量関係）を予め特定する差圧−流量関係特定工程と、
該内部圧力測定工程で得られた該加減圧工程の前後の内部圧力測定値と、該通路開放状態特定工程で得られた差圧と経過時間に基づき該差圧−流量関係から算出される該被検査対象品の内部に流入又は流出した総流量とを用いて、該検査対象品の内部容積を算出する容積算出工程とを有することを特徴とする容積測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の容積測定方法において、該通路は、電磁弁オリフィス径又は固定オリフィス径のいずれかを備えることを特徴とする容積測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の容積測定方法において、該内部圧力測定工程では、該加減圧工程の後の内部圧力の測定は、整定した圧力状態で測定を行うことを特徴とする容積測定方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の容積測定方法において、該通路開放状態特定工程では、該差圧を、該内部圧力測定工程で測定された内部圧力の測定値に基づいて算出することを特徴とする容積測定方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の容積測定方法において、該容積算出工程では、該加減圧工程の前後における該被検査対象品の内部の温度を、直接測定又は該内部圧力測定工程で測定した内部圧力を用いて推定し、当該温度を用いて該内部容積を算出することを特徴とする容積測定方法。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の容積測定方法において、該容積算出工程では、該加減圧工程の前後における該被検査対象品の内部の温度について、当該温度が室温と同じになる状態に設定し、該室温には実測値を用いて該内部容積を算出することを特徴とする容積測定方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の容積測定方法において、該加減圧工程が大気圧から加圧され、該大気圧は、実測値を使用することを特徴とする容積測定方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の容積測定方法において、該容積測定方法は、該被検査対象品の漏洩検査と合わせて用いることを特徴とする容積測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検査対象品の内部容積を測定する容積測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リークテスタ（単圧式及び差圧式）を用いて漏洩検査を行う際に、経過時間とともに圧力（差圧）変化を計測し、被検査対象品（以下「ワーク」という。）の漏れ流量を最終結果に示す必要がある。この場合、漏れ流量は、計測時間、圧力（差圧）変化値、被検査対象品（ワーク）の容積を基に計算される。
【０００３】
一般的にリークテスタによる漏れ検査では、圧力低下または測定基準となるマスターとワークとの差圧を結果として表示し、漏れの有無を選別するが、より感覚的に把握するために漏れ流量の表示が求められている。そのため、リークテスタの設定情報としてワークの容積を予め設定する機能があり、容積を、圧力値、又はマスターとワークの差圧値から漏れ流量を演算して表示している状況にある。
【０００４】
一方、ワークの容積は寸法上から容易に演算できないことが多い。例えば、複雑な構造である溶接構造体や容器内に触媒や配管等に一体化している容器などは、内部容量を特定することが困難となる。また、水道供給パイプラインやガス供給パイプラインには、縮小拡大部等が多く、曲り配管などで接続されていることがある場合、正確な容積を寸法から演算することが非常に困難である。
【０００５】
特許文献１は、被測定物内の容積を推定する方法として、加圧手段を用いて一定時間又は一定量の気体を被測定物内に供給して加圧を停止し、該加圧停止時に検出した圧力から該被測定物の容積を推定する技術を開示している。そして、特許文献１では、容積を算出する際に必要となる気体の供給量は、加圧手段であるポンプの送気量を予め特定することで設定することが開示されている。
【０００６】
しかしながら、加圧手段の送気量は、被検査対象物の内部の圧力によりその能力は変化し、測定条件により、供給した気体総量または被検査対象物へ気体を加圧する際に変化する供給圧力を特定していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−９１０４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、以上のような従来の問題に鑑み、多種多様な被検査対象品の内部容量を正確かつ簡便に測定することが可能な容積測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の容積測定方法は以下のような技術的特徴を備えている。
（１）  被検査対象品の内部容積を測定する容積測定方法において、該被検査対象品の内部を特定形状の通路を介して加圧又は減圧する加減圧工程と、該加減圧工程の前後で、該被検査対象品の内部圧力を測定する内部圧力測定工程と、該加減圧工程における該通路を挟む空間の差圧と該通路を流体が通過することが可能な開放状態の経過時間を特定する通路開放状態特定工程と、該通路を挟む空間の差圧と該通路を通過する流量との関係（差圧−流量関係）を予め特定する差圧−流量関係特定工程と、該内部圧力測定工程で得られた該加減圧工程の前後の内部圧力測定値と、該通路開放状態特定工程で得られた差圧と経過時間に基づき該差圧−流量関係から算出される該被検査対象品の内部に流入又は流出した総流量とを用いて、該検査対象品の内部容積を算出する容積算出工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
（２）  上記（１）に記載の容積測定方法において、該通路は、電磁弁オリフィス径又は固定オリフィス径のいずれかを備えることを特徴とする。
【００１１】
（３）  上記（１）又は（２）に記載の容積測定方法において、該内部圧力測定工程では、該加減圧工程の後の内部圧力の測定は、整定した圧力状態で測定を行うことを特徴とする。
【００１２】
（４）  上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の容積測定方法において、該通路開放状態特定工程では、該差圧を、該内部圧力測定工程で測定された内部圧力の測定値に基づいて算出することを特徴とする。
【００１３】
（５）  上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の容積測定方法において、該容積算出工程では、該加減圧工程の前後における該被検査対象品の内部の温度を、直接測定又は該内部圧力測定工程で測定した内部圧力を用いて推定し、当該温度を用いて該内部容積を算出することを特徴とする。
【００１４】
（６）  上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の容積測定方法において、該容積算出工程では、該加減圧工程の前後における該被検査対象品の内部の温度について、当該温度が室温と同じになる状態に設定し、該室温には実測値を用いて該内部容積を算出することを特徴とする。
【００１５】
（７）  上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の容積測定方法において、該加減圧工程が大気圧から加圧され、該大気圧は、実測値を使用することを特徴とする。
【００１６】
（８）  上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の容積測定方法において、該容積測定方法は、該被検査対象品の漏洩検査と合わせて用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、被検査対象品の内部容積を測定する容積測定方法において、該被検査対象品の内部を特定形状の通路を介して加圧又は減圧する加減圧工程と、該加減圧工程の前後で、該被検査対象品の内部圧力を測定する内部圧力測定工程と、該加減圧工程における該通路を挟む空間の差圧と該通路を流体が通過することが可能な開放状態の経過時間を特定する通路開放状態特定工程と、該通路を挟む空間の差圧と該通路を通過する流量との関係（差圧−流量関係）を予め特定する差圧−流量関係特定工程と、該内部圧力測定工程で得られた該加減圧工程の前後の内部圧力測定値と、該通路開放状態特定工程で得られた差圧と経過時間に基づき該差圧−流量関係から算出される該被検査対象品の内部に流入又は流出した総流量とを用いて、該検査対象品の内部容積を算出する容積算出工程とを有するため、被検査対象品の内部容積を正確かつ簡便に測定することが可能となる。
【００１８】
特に、本発明では、被検査対象品を加減圧する弁に着目し、該弁に掛る差圧を特定することで、該弁を通過した流量を算出したものである。しかも、弁に関する差圧−流量関係を予め特定することにより、弁に掛る差圧を特定するだけで、流量は容易に特定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に使用される電磁弁（オリフィス径を有する弁）の差圧−流量との関係を測定するための実験回路を示す図である。
【図２】図１の実験回路で測定された電磁弁（オリフィス径を有する弁）の流量特性と示すグラフである。
【図３】図１で測定した電磁弁（オリフィス径を有する弁）を減圧用として用いて、被検査対象品（ワーク）内の内部容積を測定するための実験回路を示す図である。
【図４】図３の実験回路における、内部圧力の変化を示すグラフである。
【図５】ストップ法により算出した容器内の平均温度変化を示すグラフである。
【図６】図２及び図４の関係を説明するグラフである。
【図７】図３の実験回路における、供給圧力の変化及び内部圧力の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明について好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、被検査対象品の内部容積を測定する容積測定方法を次の工程を備えることで構成している。
（１）被検査対象品の内部を特定形状の通路を介して加圧又は減圧する加減圧工程
（２）加減圧工程の前後で、被検査対象品の内部圧力を測定する内部圧力測定工程
（３）加減圧工程における上記通路を挟む空間の差圧と該通路を流体が通過することが可能な開放状態の経過時間を特定する通路開放状態特定工程
（４）上記通路を挟む空間の差圧と該通路を通過する流量との関係（差圧−流量関係）を予め特定する差圧−流量関係特定工程
（５）内部圧力測定工程で得られた該加減圧工程の前後の内部圧力測定値と、通路開放状態特定工程で得られた差圧と経過時間に基づき差圧−流量関係から算出される被検査対象品の内部に流入又は流出した総流量とを用いて、該検査対象品の内部容積を算出する容積算出工程
【００２１】
本発明の特徴は、加減圧工程に伴う流量を、流量特性（差圧−流量関係）が予め特定されている弁を用いて計測することである。このため、使用する弁は、電磁弁オリフィス径又は固定オリフィス径のいずれかを備えることが好ましい。これは、オリフィス径が、流量特性が音速流れ（チョーク流れ）の場合、線形特性を示す部分が多く、動作も極めて安定しているため、多様な環境でより正確な流量を特定するために好ましいからである。特に、線形特性を示す、音速流れ（チョーク流れ）を示す範囲内で差圧を調整することが好ましい。
【００２２】
Ａ．特定形状の通路の流量特性の測定（差圧−流量関係特定工程）
本発明の容積測定方法では、最初に、特定形状の通路、例えば、電磁弁オリフィス径や固定オリフィス径など（以下では、電磁弁オリフィス径を中心に説明する。）の流量特性を予め特定しておくことが必要である。
【００２３】
図１は、電磁弁の流量特性を求めるための実験回路を示す図である。電磁弁の上流側及び下流側に圧力センサを設定し、レギュレータを操作して上流圧力を変化させる。さらに、電磁弁の下流側に流量計を設置し、流量計の下流を大気開放とする。これにより、電磁弁に加わる上流圧力（上流圧力と下流圧力との圧力差）が変化し、その際の弁を通過した流量を流量計で測定している。実験に際しては、上流圧力を中高圧に設定し少しずつ低下させていき、上流圧力変化に伴う流量を計測し、記録する。また、下流圧力は、大気圧と同じとみなせる場合には、設置する必要はない。
【００２４】
図１の実験回路に以下の製品を組み込んで電磁弁の流量特性を測定した。
圧力センサ：キーエンス社製  ＡＰ１３ｓ
電磁弁：ＣＫＤ社製  ＡＢ４１−０２−１、オリフィス径１．５ｍｍ
双方向高速応答流量計：東京メーター社製  ＡＰＭ−Ｌ−４００Ｄ
【００２５】
図１に示すとおり実験回路を準備し、最初にレギュレータの圧力を約５００ｋＰａ（Ｇ）に設定し、電磁弁を開いた状態にし、その時の流量を記録する。次に、上流圧力を少しずつ低下方向へ可変しておく。変化した圧力値に伴う発生した流量を記録しておく。流量計から読み取り値（流量Ｌ／ｍｉｎ（ＡＮＲ））を質量流量に換算する。それを繰り返す事により上流圧力ごとにおける流量が求められる。なお、「Ｌ／ｍｉｎ（ＡＮＲ）」は、空気が温度２０℃、気圧絶対圧力１００ｋＰａ、湿度６５％の時の流量を意味する。図２に測定した結果を示す。ただし、縦軸は、下流圧力を気圧絶対圧力に設定した場合の上流圧力を示し、横軸には、質量流量を示している。
【００２６】
図２のグラフから、当該通路（弁）の流量特性が容易に測定できることが理解される。しかも、電磁弁オリフィス径または固定オリフィス径などのオリフィス径を用いることで、流量特性に線形部分が多くなることも理解される。
【００２７】
Ｂ．容積測定方法
図３に、電磁弁（オリフィス径を用いた弁）を利用した容積測定方法の一例を示す。
被検査対象品（ワーク）に圧力源、レギュレータ、圧力センサ２つ及び加減圧電磁弁がワークに接続されている。また、ワークを加圧または減圧するため、加減圧電磁弁を介して被検査対象品（ワーク）内へ加圧または大気中に解放されている。加減圧電磁弁には、図１及び図２で流量特性を予め測定した弁が使用されている。
【００２８】
減圧電磁弁の上流側の圧力は、ワーク内の圧力として圧力センサを用いて測定される。一方、減圧電磁弁の下流側の圧力は、他の圧力センサで測定されるが、下流側の圧力が大気圧と同じ場合には、下流側の圧力を所定の大気圧に設定し、当該圧力センサは省略することも可能である。
【００２９】
図３では、被検査対象品（ワーク）を加圧し、その後、減圧する工程で電磁弁を通過する流量を特定するよう構成している。本発明は、この方法に限らず、被検査対象品を加圧する工程で電磁弁を通過する流量を特定することも可能であり、その際には、図３の加圧電磁弁にオリフィス径を用いた電磁弁が配置される。また、圧力センサも電磁弁とレギュレータとの間と、電磁弁とワークとの間の２カ所に配置し、電磁弁に加わる差圧を特定する必要がある。
【００３０】
図３の実験回路に以下の製品を組み込んで、被検査対象品（ワーク）の容積を推定した。
圧力センサ：キーエンス社製  ＡＰ１３ｓ
熱電対＆アンプ：Ｋタイプ
減圧電磁弁：ＣＫＤ社製  ＡＢ４１−０２−１、オリフィス径１．５  ｍｍ
加圧電磁弁：ＣＫＤ社製  ＨＶＢ３１２−８Ｎ−２−２ＣＳＢ、オリフィス径２ｍｍ
ワーク：ＳＵＳ３０４材質、φ９６．９ｍｍ、長さＬ＝２６５ｍｍ（水にて容積確認の結果、実容積Ｖ＝２．０１３×１０−３ｍ３）
【００３１】
図４に、減圧工程における被検査対象品（ワーク）内の圧力変化を示す。まず、ワーク内へ中高圧力の空気を加圧し、その後一定圧力になるまで待つ。ワーク内の圧力が一定圧力になった時点（圧力P1、温度θ1）に減圧を開始する。図４に示す実験では、減圧時間を５００ｍｓ、１０００ｍｓと１５００ｍｓとで電磁弁を閉じることにより減圧を止め、その直後の容器内の圧力Ｐを測定する。
【００３２】
時間が十分経過した後に、ワーク内の平均温度は室温に回復し、これに伴い圧力も変化し、その後整定する。それぞれの減圧時間における実験を繰り返すことで、減圧途中でのワーク内の平均温度の応答が得られる。減圧を止めた後のワーク内空気は密封されるため、質量も体積もかわらないため、次の式が成立する。
【００３３】
【数１】
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【００３４】
数１で示した式から、ワークへの加圧または減圧を止めた時とワークからの減圧を止めた後、回復した時の圧力及び温度関係から、容器内における平均温度変化を数２に示しされる式（１）にて示すことができる。なお、被検査対象品の内部温度を直接測定することも可能である。
【００３５】
【数２】
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【００３６】
図５に、減圧電磁弁に開放時間に対するワーク内の弁の平均温度変化を示す。線形の近似直線はストップ法で算出した。図５の結果から、直線近似により、減圧する前の容器内の温度が算出される。ストップ法とは、断熱過程で加減圧を行い、その後、定積過程で容器内の気体を室温状態へ変化させる一連の工程で、加減圧直後の温度を推定し、加減圧条件を変えた複数の推定結果から、加減圧前の温度を推定する手法である。加減圧直後の温度は、上記式（１）を用いて算出される。
【００３７】
ワーク内の温度変化を図５では断熱変化を前提に推定しているが、ワーク内の温度が外気温と同じであり、さらに、測定期間中の短時間では、外気温の温度変化が無視できる場合には、等温変化として設定することが可能である。
【００３８】
次に、容積を測定する。
図６では、図２の予め測定した流量特性を図面の左側に、図４で示した内部圧力の変化を図面の右側に配置している。本発明では、図６に示すように、右の実験結果から得られた圧力計測値に一致した流量を算出し、圧力や流量値を用いて容積を求める。
【００３９】
被検査対象品を減圧する前の状態（１）と、減圧する時刻時の状態（２）は、数３に示す次式で表せる。
【００４０】
【数３】
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【００４１】
以下の数４に下記質量流量と体積流量の関係です。体積流量は図１の双方向高速応答流量計にて計測する。ここで、高速応答流量計とは、流体が狭い隙間や細い管内を流れている時流量は層流になり、その体積流量と圧力降下の間に下記の式のように比例関係があるため、その圧力差を測定することにより、流量を求めることができる。それを層流型流量計と呼び、差圧式流量計の一種である。
【００４２】
【数４】
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【００４３】
上述したように、層流型流量計を用いて体積流量を計測し、その後、質量流量に換算することが可能である。質量流量については、図６の右側の圧力が変化する範囲で、図６の左側の流量特性から特定することが可能である。質量流量の上限値又は下限値あるいは平均値などを使用することができる。ここでは範囲内の平均値を使用した。△tは電磁弁の開放時間（通路を流体が通過することが可能な開放状態の経過時間）である。
さらに、数５に示した式により、ワーク内の体積Vを算出することができる。
【００４４】
【数５】
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【００４５】
式（４）は、加減圧直前の温度θ１をストップ法で推定する必要があるが、仮に、加減圧直前の温度θ１が室温である場合には、θ１＝θ３＝θａの関係が成立し、かつ上記式（１）を用いることで、式（５）のように、容積を求める式を簡素化することが可能となる。
【００４６】
【数６】
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【００４７】
実験で実測した数値と、その数値を数５に示した式（４）に当てはめて算出した結果を、以下に示す。
【００４８】
【数７】
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【００４９】
式（４）を用いて容積の計算を行うと、推定容積V＝２．０５０×１０−３  ［ｍ３］であった。また、対象容器の実容積V＝２．０１３×１０−３  ［ｍ３］であった。その結果４％以下の精度で容積推定ができる。
この結果からも、本発明の容積測定方法が極めて高い精度を示していることが容易に理解される。
【００５０】
次は、図３に示した実験装置で、加圧法を用いた実験を行った。特定形状通路（加圧電磁弁）の供給圧力を測定する圧力センサ１と、ワーク内圧力を測定する圧力センサ２を用いて、被検査対象品（容器）内へ空気を加圧する際に変化した供給圧力を測定している。各圧力センサの測定値を図７に示す。特定形状通路（加圧電磁弁）の流量特性との関係性を基に、被検査対象品内へ加圧された空気の質量を算出している。
【００５１】
以下の数に示すように、被検査対象品内の温度は室温を利用し、当該室温には実測値を入れて計測精度を高めている。
【００５２】
また、被検査対象品を加圧する前は、当該対象品の容器内の圧力を大気圧に設定することが可能である。この場合には、当該大気圧は、天候、土地の高度等により変動する。したがって、大気圧変動による誤差を発生しないように気圧計を設け、実測値を入力することによる計測精度を高めることが可能である。
【００５３】
以下の数８では、被検査対象品を大気圧Ｐ１から加圧後の圧力Ｐ２まで加圧することにより、容積推定を行っている。
【００５４】
【数８】
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【００５５】
式（８）を用いて容積の計算を行うと、推定容積V＝２．０１×１０−３  ［ｍ３］であった。また、被検査対象品（容器）の実容積V＝２．０１５×１０−３  ［ｍ３］であった。その結果０．５％以下の精度で容積推定ができる。
この結果からも、本発明の容積測定方法が極めて高い精度を示していることが容易に理解される。
【００５６】
被検査対象品（容器）内へ加圧又は減圧の際に、容器の大きさによる加減圧をする時間が異なる。本発明の加圧法を用いて加圧時間が短い場合には、データの数を増やすためにデータサンプリングタイムを１ｍｓにしてデータを採取することも可能である。その結果、容積の小さい容器でも実容積から誤差２％以下で計測できることがわかった。
【００５７】
さらに、容器内へ加圧される空気の質量流量から質量を算出する際に、統計学によりシンプソン法で積分処理を行うことで、数値計算による誤差を、さらに少なくすることが可能である。
【００５８】
本発明の容積測定方法では、ワーク内の内部圧力の測定に際しては、図４のＰ１やＰ３のように、加減圧を行った後の内部圧力の変化が安定した、所謂、「整定した圧力状態」で測定を行うことが望ましい。これにより正確な容積測定を行うことが可能となる。当然、整定した圧力となった際の温度を室温と同じと判断して、計算を簡略化することも可能である。
【００５９】
また、弁の流量を特定するためには、弁を挟む上流側と下流側との差圧を測定する必要があるが、弁の前後に圧力センサを複数配置するのは、測定装置を複雑化させるため、図３に示すように、ワーク内の内部圧力を測定する圧力センサ２を、例えば、減圧電磁弁の上流側の圧力センサの代わりに使用することも可能である。なお、加圧工程を使用して容積を測定する場合には、ワーク内の内部圧力を測定する圧力センサ２は、加圧電磁弁の下流側の圧力センサの役割を果たす。
【００６０】
以上説明した、容積測定方法は、被検査対象品の漏洩検査と合わせて用いることで、漏洩量を簡便に算出することにも寄与し、より効果的に利用することが可能となる。また、上述の説明では、電磁弁を中心に説明したが、オリフィス径を用いた固定弁であっても同様に適用することができることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上説明したように、本発明によれば、多種多様な被検査対象品の内部容量を正確かつ簡便に測定することが可能な容積測定方法を提供することが可能になる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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