JP2015064209A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波流量計において、気泡の付着を確実に防止することで、音波信号を確実に伝搬させ液体の流量を高精度に測定すると共に、前記液体の汚染を防止することができる。【解決手段】超音波流量計１０において、液体の流通するハウジング１２と、前記ハウジング１２の両端部に設けられ音波信号を発信・受信可能な音波送受信部１４を含む一組の検出部１６ａ、１６ｂとを備え、前記ハウジング１２の外周側には、前記検出部１６ａ、１６ｂと直交するように配置された振動発生体５２を有した振動発生機構１８ａ、１８ｂがそれぞれ設けられる。そして、ハウジング１２を流通する液体の流量を測定する際、振動発生体５２に通電することで振動させ、音波送受信部１４を覆い液体に接するカバー部材３６に付着した気泡を前記振動によって好適に除去する。【選択図】図１

Description

本発明は、液体に対して音波を伝搬させた際の伝搬速度差に基づいて該液体の流量を検出する超音波流量計に関する。

従来から、例えば、液体が流通する導管の上流側と下流側に一対の送受波器を配置し、一方の送受波器から送波された超音波を前記導管の内壁面で反射させて他方の送受波器に受波させ、この超音波の伝搬速度差に基づいて液体の流速又は流量を測定する超音波流量計が知られている。

このような超音波流量計は、特許文献１に開示されるように、液体が供給される供給導管と前記液体が排出される排出導管とを有した測定導管を備え、前記測定導管の一端部には第１測定ヘッドが設けられ、前記測定導管の他端部には第２測定ヘッドが設けられている。この第１及び第２測定ヘッドは、音波発信器また音波受信器として機構し、例えば、第１測定ヘッドからパルス状の音波信号が発信され、第２測定ヘッドにおいて音波発信器として前記音波信号を受信する。続いて、第１測定ヘッドが受信器に切り換えられ、第２測定ヘッドから発信された音波信号を受信することで、該音波信号の伝搬速度の差に基づいて液体の流量を測定している。

しかしながら、特許文献１に開示された超音波流量計では、供給導管に供給された液体が略直角に方向を変えて測定導管へと流通する構成としているため、前記液体の急激な方向変換によって圧力変化が生じて乱流となり、液体中に含有されている空気が気泡となり、第１及び第２測定ヘッドに対向した測定導管の内壁面に付着してしまう。この気泡の付着によって該気泡が音波信号の伝搬の妨げとなり、液体の流量の測定精度の低下を招くこととなる。

そこで、上述したような気泡の付着を防止する目的で、例えば、特許文献２に開示された超音波流量計では、液体の流通する測定用管体の内周面を表面処理することで、前記液体が流通する際の濡れ性を高め、それに伴って、前記内周面に対する気泡の付着を防止している。

特許第２７９３１３３号公報 特開２０１０−２４３２４５号公報

しかしながら、特許文献２に係る超音波流量計では、表面処理を行うための処理液が液体中に溶出することが懸念され、例えば、半導体製造装置に用いられる純水や薬液等の流量測定に用いた場合、前記液体に対する汚染が問題となる。

本発明は、前記の課題を考慮してなされたものであり、気泡の付着を確実に防止することで、音波信号を確実に伝搬させ液体の流量を高精度に測定すると共に、前記液体の汚染を防止可能な超音波流量計を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、液体の供給・排出される一組のポートと、ポート間に接続され内部に液体が流通する通路を有した導管部とからなる筐体と、筐体の両端部に通路を挟んで対向配置され音波信号を発信・受信可能な一組の検出部とを備え、音波信号に基づいて液体の流量を測定する超音波流量計において、
検出部は導管部の軸線上に配置され、検出部の外周側には、検出部に対して振動を与える振動発生手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、一組の検出部が筐体の内部に設けられた超音波流量計において、検出部が筐体における導管部の軸線上に設けられ、検出部の外周側に、該検出部に対して振動を与える振動発生手段が設けられる。そして、ポートを通じて通路内に液体が流通する際に、ポートから進入した気泡や液体中で発生した気泡が検出部に対して付着した場合においても、振動発生手段によって振動を発生させ検出部へと付与することで、気泡を検出部から弾き飛ばして除去することができる。その結果、気泡の付着によって音波信号の伝搬が妨げられることがなく、検出部によって音波信号の発信・受信を確実に行うことができるため、音波信号に基づいて液体の流量を高精度に測定することができる。また、従来技術に係る超音波流量計のように、液体の流通する筐体等に表面処理を施すことなく気泡を確実に除去できるため、表面処理を行うための処理液が液体へと流出することが防止され、純水や薬液等を使用した場合にも汚染が生じることがなく好適である。

さらに、振動発生手段は、通電作用下に振動波を発生する振動発生体を有し、振動波を検出部における液体接触部の外周面に対して印加させるとよい。

さらにまた、振動波を、導管部の軸線と直交するポートの軸線方向に沿って発生させるとよい。またさらに、振動発生体を圧電素子から構成するとよい。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、一組の検出部が筐体の内部に設けられた超音波流量計において、検出部が筐体における導管部の軸線上に設けられ、検出部の外周側に振動発生手段が設けられ、ポートを通じて通路内に液体が流通する際に、検出部に対して気泡が付着した場合でも、振動発生手段によって振動を発生させ検出部へ付与することで、振動によって気泡を検出部から除去することができる。その結果、気泡の付着によって音波信号の伝搬が妨げられることがなく、検出部によって音波信号の発信・受信を確実に行うことができるため、音波信号に基づいて液体の流量を高精度に測定することができる。また、従来技術に係る超音波流量計のように、液体の流通する筐体等に表面処理を施すことなく気泡を確実に除去できるため、表面処理を行うための処理液が液体へと流出して汚染されてしまうことが防止される。

本発明の実施の形態に係る超音波流量計の全体断面図である。 図２Ａは、図１の超音波流量計における供給部側の振動発生機構近傍を示す拡大断面図であり、図２Ｂは、図１の超音波流量計における排出部側の振動発生機構近傍を示す拡大断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

本発明に係る超音波流量計について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る超音波流量計を示す。

この超音波流量計１０は、図１に示されるように、例えば、水、薬液等の液体が供給される通路２８を有するハウジング（筐体）１２と、前記ハウジング１２の両端部に設けられ、音波信号を発信・受信可能な音波送受信部１４が内蔵された一組の検出部１６ａ、１６ｂと、前記検出部１６ａ、１６ｂの外周側となる位置に設けられる一組の振動発生機構１８ａ、１８ｂとを含む。

ハウジング１２は、例えば、ステンレス鋼等の金属製材料から形成され、直線状に形成される導管部２０と、該導管部２０の一端部に対して略直角に接続される供給部（ポート）２２と、前記導管部２０の他端部に対して略直角に接続される排出部（ポート）２４とを備える。なお、供給部２２と排出部２４とは略平行に設けられている。また、ハウジング１２は、金属製材料から形成される場合に限定されるものではなく、樹脂製材料から形成してもよい。

導管部２０の両端部には、検出部１６ａ、１６ｂの連結される連結フランジ２６が半径外方向に拡径して形成されると共に、前記導管部２０の内部には、液体が流通する通路２８が軸線方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って形成されている。この通路２８の両端部には、外部に向かって開口し該両端部近傍に向かって徐々に拡径した一対の拡径部３０ａ、３０ｂがそれぞれ形成される。

すなわち、連結フランジ２６の内部に拡径部３０ａ、３０ｂが設けられ、前記拡径部３０ａ、３０ｂに臨むように検出部１６ａ、１６ｂがそれぞれ配置される。また、供給部２２及び排出部２４は、拡径部３０ａ、３０ｂの外周側に接続されている。

供給部２２は、その内部に軸線方向に沿って貫通した供給通路３２が形成され、その一端部が開口し、他端部が導管部２０の一端部側（矢印Ａ方向）に形成された拡径部３０ａと連通している。一方、排出部２４は、その内部に軸線方向に沿って貫通した排出通路３４が形成され、その一端部が開口し、他端部が導管部２０の他端部側（矢印Ｂ方向）に形成された他方の拡径部３０ｂと連通している。すなわち、供給通路３２と排出通路３４は、一組の拡径部３０ａ、３０ｂを含む通路２８を通じて互いに連通しているため、図示しない液体供給源から前記供給通路３２に供給された液体が、通路２８を介して排出通路３４から外部へと排出される。

なお、供給部２２及び排出部２４の一端部には、例えば、図示しないチューブ等の配管がそれぞれ接続される。

検出部１６ａ、１６ｂは、図１及び図２Ｂに示されるように、ハウジング１２の拡径部３０ａ、３０ｂにそれぞれ設けられ、該ハウジング１２の通路２８に臨むように装着されるカバー部材（液体接触部）３６と、前記カバー部材３６の内部に配設される音波送受信部１４と、前記導管部２０の連結フランジ２６に連結され、開口した拡径部３０ａ、３０ｂを閉塞する接続キャップ３８とを含む。

カバー部材３６は、例えば、樹脂製材料から断面略Ｕ字状の有底筒状に形成され、開口した一端部が接続キャップ３８側となるように配置されると共に、通路２８に臨むように配置された他端部が有底状に形成される。カバー部材３６の他端部には、通路２８側に向かって略平面状に突出して直交した底壁部４０を有し、その内壁面に音波送受信部１４がそれぞれ設けられる（図２Ａ及び図２Ｂ参照）。

すなわち、カバー部材３６は、通路２８に臨む底壁部４０の端面に液体が接触するように配置され、その内部に収納された音波送受信部１４を覆うことで前記液体から分離するように設けられている。

なお、図１に示されるように、一方のカバー部材３６の底壁部４０と、他方のカバー部材３６の底壁部４０とが通路２８を挟んで互いに対向するように設けられている。

音波送受信部１４は、例えば、プレート状に形成された圧電素子（ピエゾ素子）からなり、平面状に形成されたカバー部材３６の底壁部４０に装着されている。この音波送受信部１４には、それぞれ一組の導線４２が接続され、前記導線４２は接続キャップ３８の内部に導かれた後に該接続キャップ３８に螺合された封止ボルト４４を介して外部に導出されている。

接続キャップ３８は、ハウジング１２の連結フランジ２６に対して複数のボルト（図示せず）を介して連結され、その側部には嵌合部４６が突出して形成され、前記嵌合部４６がハウジング１２の拡径部３０ａ、３０ｂに挿入されて嵌合されると共に、前記嵌合部４６の内部には音波送受信部１４に接続された導線４２が挿通される。これにより、音波送受信部１４は、ハウジング１２の連結フランジ２６に対して連結される接続キャップ３８によって拡径部３０ａ、３０ｂの内部に密封されると共に、前記接続キャップ３８を離脱させることにより、該ハウジング１２から取り外すことができる。

また、嵌合部４６の外周面に装着されたシール部材４８が、拡径部３０ａ、３０ｂの内周面に当接することにより、前記ハウジング１２と接続キャップ３８との間の気密が保持される。

さらに、接続キャップ３８の上端部には、導線４２が保持される封止ボルト４４が螺合され、前記接続キャップ３８の内部が封止される。そして、封止ボルト４４を介して外部に導出された導線４２は、図示しない制御部にそれぞれ接続され、前記導線４２を介して音波送受信部１４で受信された受信信号が前記制御部に対して出力される。

振動発生機構１８ａ、１８ｂは、図１〜図３に示されるように、ハウジング１２における一組の拡径部３０ａ、３０ｂの外周側にそれぞれ設けられ、ハウジング１２の外周側に設けられるケース５０と、該ケース５０の内部に収納される振動発生体５２と、前記ケース５０を前記ハウジング１２に対して固定するためのブラケット５４とを含む。なお、一組の振動発生機構１８ａ、１８ｂは、それぞれ同一の構成からなる。

ケース５０は、例えば、内部に収納室５６を有したベース部５８と、前記ベース部５８の側部から突出した鍔部６０とを備え、前記鍔部６０が前記収納室５６の軸線と略直交する方向に延在している。ベース部５８は、その一端部にハウジング１２における拡径部３０ａ、３０ｂの外周面に当接する保持壁６２を有し、図３に示されるように、該保持壁６２は断面円弧状に形成され、前記外周面と略同一断面形状で形成されると共に、ハウジング１２の拡径部３０ａ、３０ｂを挟んで供給部２２及び排出部２４と略一直線状となるように配置されている。すなわち、ハウジング１２の導管部２０と振動発生機構１８ａ、１８ｂの収納室５６とが略直交するように配置される。

また、ベース部５８の内部には、保持壁６２を有する一端部から他端部まで延在するように収納室５６が形成される。この収納室５６の一端部が保持壁６２によって閉塞され、開口した他端部には、内部に振動発生体５２が収納された状態で封止プラグ６５が装着されることで閉塞される。

振動発生体５２は、例えば、プレート状に形成された圧電素子（ピエゾ素子）からなり、ケース５０の収納室５６に収納され保持壁６２の内壁面に装着される。すなわち、振動発生体５２は、断面円弧状に形成された保持壁６２に対応して断面円弧状に湾曲して装着されている。これにより、振動発生体５２は、図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、ハウジング１２の内部に設けられた音波送受信部１４に対して略直交し、且つ、該音波送受信部１４の外周側となる位置に配置されることとなる。

また、振動発生体５２にはそれぞれケーブル６４が接続され、収納室５６を閉塞している封止プラグ６５の挿通孔６６を通じて挿通されて外部へと導出された後、図示しない制御部に対して電気的に接続される。そして、振動発生体５２は、図示しない制御部からケーブル６４を通じて信号電圧が加えられることで歪みが生じ、それに伴って、振動を発生させる。

ブラケット５４は、ケース５０の鍔部６０にボルト６８を介して接続され、ハウジング１２の導管部２０を保持する円環部７０を有している。そして、ブラケット５４の円環部７０にハウジング１２の導管部２０が挿通された状態で、該ブラケット５４をケース５０の鍔部６０に締結することで、ベース部５８が拡径部３０ａ、３０ｂの外周面に当接し、且つ、振動発生体５２が音波送受信部１４にそれぞれ臨んだ所定位置で振動発生機構１８ａ、１８ｂがハウジング１２に対して固定される。

これにより、振動発生機構１８ａ、１８ｂは、ブラケット５４を介してハウジング１２に対して着脱自在に設けられ、例えば、前記振動発生機構１８ａ、１８ｂに不具合が生じた場合には新たな別の振動発生機構へと容易に交換することが可能である。

そして、図示しない制御部から振動発生機構１８ａ、１８ｂの振動発生体５２へ電圧を加えることで、該振動発生体５２が歪み、それに伴って、高速で振動して振動波がケース５０を介してハウジング１２、カバー部材３６へと伝達される。

本発明の実施の形態に係る超音波流量計１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。なお、図示しない液体供給源から配管を通じて供給通路３２へと液体が供給され、前記液体が前記供給通路３２から通路２８を通じて排出通路３４へと流通している。

この超音波流量計１０において、例えば、ハウジング１２の一端部に連結された検出部１６ａの音波送受信部１４から音波信号を発信し、前記音波信号が通路２８の内壁面で反射されながら液体中を伝搬され、前記ハウジング１２の他端部に連結された検出部１６ｂの音波送受信部１４で受信される。この場合、音波信号が液体の流通方向（図１中、矢印Ｂ方向）に沿って伝搬される。

また、反対に、ハウジング１２の他端部に連結された検出部１６ｂの音波送受信部１４から音波信号を発信し、前記音波信号を前記ハウジング１２の一端部に連結された検出部１６ａの音波送受信部１４で受信する。この場合、音波信号が液体の流通方向に対して反対方向（図１中、矢印Ａ方向）に伝搬される。

そして、音波送受信部１４で受信された音波信号に基づいた受信信号が、導線４２を介して図示しない制御部へと出力され、検出信号から液体の流通方向（矢印Ｂ方向）に沿って音波信号を伝搬させた場合の伝搬時間Ｔ１と、液体の流通方向と反対方向（矢印Ａ方向）に前記音波信号を伝搬させた場合の伝搬時間Ｔ２に基づいて伝搬時間差ΔＴを制御部（図示せず）において算出する。この伝搬時間差ΔＴから液体の流速Ｖが算出される。

この場合、検出部１６ａ、１６ｂを構成するカバー部材３６には、供給通路３２から液体と共に進入した気泡や液体内に含有された気泡が付着することがあるが、振動発生機構１８ａ、１８ｂの振動発生体５２に対して図示しない制御部から信号電圧を加えることで、圧電素子からなる振動発生体５２が歪んで振動が生じ、その振動波がケース５０、ハウジング１２を介して前記カバー部材３６へと伝達されることで、前記気泡が前記振動波によって弾き飛ばされ前記カバー部材３６から離脱する。そして、気泡は液体と共に下流側へと移動して排出通路３４から外部へと排出される。

そのため、カバー部材３６に付着した気泡を振動発生機構１８ａ、１８ｂの作動作用下に除去することによって音波信号の伝搬が妨げられることがなく、超音波流量計１０における音波信号の発信・受信を好適に行うことができる。その結果、この音波信号に基づいて液体の流量を高精度に測定することができる。

また、カバー部材３６に付着した気泡を振動発生機構１８ａ、１８ｂで発生させた振動波によって除去することで、従来技術に係る超音波流量計のように、処理液によって測定用管体の内表面を処理する必要がなく、例えば、半導体装置に用いられる純水や薬液等の液体に前記処理液が溶出して汚染されてしまうことが確実に防止される。

さらに、振動発生機構１８ａ、１８ｂは、ブラケット５４を介してハウジング１２の拡径部３０ａ、３０ｂにそれぞれ着脱自在に装着されており、前記ブラケット５４を前記拡径部３０ａ、３０ｂから取り外すことで容易に前記振動発生機構１８ａ、１８ｂの交換作業を行うことができる。そのため、例えば、振動発生機構１８ａ、１８ｂに不具合が生じた場合でも迅速且つ容易に新たな振動発生機構へと交換することができる。

さらにまた、振動発生体５２を、カバー部材３６の外周側に設け、振動発生体５２を検出部１６ａ、１６ｂに対して略直交するように配置することで、該振動発生体５２で発生した振動波を効果的に前記カバー部材３６へと伝達させ、付着した気泡を除去することが可能となる。

またさらに、振動発生体５２を圧電素子から構成することで、容易且つ安価に振動を発生させ気泡の除去を行うことが可能となる。

また、導管部２０に対して供給部２２及び排出部２４が略直角に形成され、液体が流通する際の流通方向が急激に変わり気泡の発生しやすい構造であっても、振動発生機構１８ａ、１８ｂを設けることで、確実に検出部１６ａ、１６ｂのカバー部材３６に付着した気泡を除去することができる。

なお、本発明に係る超音波流量計は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…超音波流量計 １２…ハウジング
１４…音波送受信部 １６ａ、１６ｂ…検出部
１８ａ、１８ｂ…振動発生機構 ２０…導管部
２２…供給部 ２４…排出部
２８…通路 ３０ａ、３０ｂ…拡径部
３６…カバー部材 ４０…底壁部
５０…ケース ５２…振動発生体
５４…ブラケット ５６…収納室
５８…ベース部 ６０…鍔部
６２…保持壁

前記の目的を達成するために、本発明は、液体の供給・排出される一組のポートと、ポート間に接続され内部に液体が流通する通路を有した導管部とからなる筐体と、筐体の両端部に通路を挟んで対向配置され音波信号を発信・受信可能な一組の検出部とを備え、音波信号に基づいて液体の流量を測定する超音波流量計において、
検出部は導管部の軸線上に配置され、検出部の外周側には、検出部に対して振動を与える振動発生手段を備え、振動発生手段は、通電作用下に振動波を発生する振動発生体を有し、振動発生体が断面円弧状に形成され通路の外周側に沿って設けられ、振動波を検出部における液体接触部の外周面に対して印加することを特徴とする。

Claims (4)

1. 液体の供給・排出される一組のポートと、ポート間に接続され内部に前記液体が流通する通路を有した導管部とからなる筐体と、前記筐体の両端部に前記通路を挟んで対向配置され音波信号を発信・受信可能な一組の検出部とを備え、前記音波信号に基づいて前記液体の流量を測定する超音波流量計において、
   前記検出部は前記導管部の軸線上に配置され、前記検出部の外周側には、該検出部に対して振動を与える振動発生手段を備えることを特徴とする超音波流量計。
2. 請求項１記載の超音波流量計において、
   前記振動発生手段は、通電作用下に振動波を発生する振動発生体を有し、前記振動波を前記検出部における液体接触部の外周面に対して印加することを特徴とする超音波流量計。
3. 請求項２記載の超音波流量計において、
   前記振動波は、前記導管部の軸線と直交する前記ポートの軸線方向に沿って発生することを特徴とする超音波流量計。
4. 請求項２記載の超音波流量計において、
   前記振動発生体は圧電素子からなることを特徴とする超音波流量計。

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