JP2006250955A - 非汚染性本体を有する腐食性流体内の流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】腐食性流体を輸送する流路へインライン結合された流量計を提供する。
【解決手段】絶縁部材を有する非汚染の流量計が開示されている。該流量計は、導管のくぼみ部分の反対側に位置されている２つの圧力センサ変換器を含む。各圧力変換器は、絶縁部材によって導管を通じて流体の流れにさらされることから隔離されている。流量計は、腐食性材料を運ぶ流体流路内にインラインで配置され、ここにおいて、２つの圧力センサ間の圧力差の平方根は、流体が流れる導管内の流量の割合を決定することによって演算される。流量計は、流体流路内の温度変化を補償い、更に、流体が流れる導管内の圧力又は流量の割合がしきい値を超え、あるいは下回ったとき警報を発する。また、本発明に係る流量計は、不純物、不要なイオン、又は蒸気の流路への導入を回避する。
【選択図】図４

Description

この発明は、一般に流量計に関し、より詳細には、液体状態あるいはガス状態のいずれかにおいて、化学的に腐食性を有する流体流路内でインライン接続された流量計に関する。ここで、前記流量計は２つの化学的に不活性な圧力センサを含み、該圧力センサは、非汚染性本体のくびれ部分の各反対側に設けられ、流体流路から分離されている。

通常、腐食性流体は、感応性材料の処理に使用されている。これら感応性材料の生産過程においては、汚染に対する感受性が、製造業者において直面する重要な問題である。例えば、製造業者は、腐食性流体を使用して半導体ウェハを処理する。いくつかの製造システムは、異物や発生した蒸気によって感応性材料への汚染を低減するように設計されている。

製造システムで使用される処理設備は、汚染によるダメージのすべての根源を除去するように試みる構造を含む。感応性材料の処理は、しばしば感応性材料が腐食性材料と直接接触することを伴う。従って、腐食性流体が非汚染状態の処理側に送られることは重要である。処理設備のいくつかの部品は、共に、発生した粒子の量を低減し、かつ、処理する化学物質を汚染の影響から隔絶するように設計されている。

液体輸送システムは、供給タンクからの腐食性化学物質をポンプステーションと調整ステーションを通して、並びに処理設備自体を通じて運ぶ。化学液体輸送システムは、パイプ、チューブ、モニタ装置、検知装置、バルブ、付属品及び関連する装置を含み、通常、有毒化学物質の悪影響に対して抵抗性のあるプラスチックスで作られている。慣例的に、前記モニタ装置に使用されている金属は、長い期間にわたって腐食性の環境に対して信頼性をもって耐えることができない。

従って、モニタ装置と検知装置は、代替物質を組み込むか、あるいは腐食性流体から隔絶させておく必要がある。

半導体製造において共通に使用されている処理設備は、圧力センサや流量計のようなモニタ装置や検知装置を有する。このようなモニタ装置や検知装置は、閉ループのフィードバック系に接続され、設備の監視や制御に使用されている。また、これらモニタ装置及び検知装置は、引き起こされる可能性のある如何なる汚染も除去するように設計されなければならない。例えば、既知のタービン流量計は移動部分を有し、その部分は摩耗したり、腐食性流体にさらされたとき劣化に至る。更に、これらタービン流量計は、次の処理流体を汚染する流体を捕捉する傾向がある。前記タービン流量計の使用を回避する場合、前記モニタ装置及び検知装置は、センサを組み込み得る。また、これらの装置は、不純物、不要なイオン、あるいは気化ガスが処理ステップに導入されるのを回避するように設計されなければならない。

流量計における圧力センサの一般的な使用は、従来技術において知られている。例えば、ベンチュリ、ノズル、オリフィスあるいは開水路を用いたメータは、流れの割合を計測したり制御するために使用される。差動センサあるいはセンサを具備したピトー管が使用されるが、これらの構造は、汚染物質が簡単に詰まってしまうあるいは汚染物質を捕捉してしまう細いポートあるいは毛細管を必要とする。従来技術は、腐食性物質を運ぶ流体流路内にインラインに配置され、処理流体を汚染しない流量計について開示していない。ゆえに、腐食性材料を運ぶ流体流路内にインラインに配置され、非汚染圧力センサを有する流量計の存在が必要である。更に、流体流路内の温度変化によっても精度が影響されない流量計の存在が必要である。

流体を取り扱う機械的な処理設備は、しばしば潜在的に漏洩を引き起こす。このような漏洩は、感応性材料あるいは他の製品の処理に対して、更には処理設備を手入れして維持しなければならない作業者の両方に対してきわめて危険な状態を作り得る。ゆえに、化学物質輸送システムは、漏洩が回避されるように設計されなければならない。

インラインの機械的な流体圧力に反応するゲージであって、保護膜によって流体の流れから分離されたゲージは、従来技術において知られている。前記ゲージは、検知流体で満たされたキャビティを有するハウジング内に設けられる。そのキャビティは、流体の流れに近接して形成され、保護用の可撓性のフレキシブルな膜によって分離されている。キャビティ内に含まれている前記検知流体は、典型的にはシリコンオイルである。流体内の圧力の変動は、キャビティ内のシリコンオイルの圧力に影響を及ぼす。そのオイル圧力は、機械的な圧力に反応するゲージによって検出される。

キャビティ内の流体は、普通、大きな熱膨張係数を有し、これは、膜内に重大な歪みを発生させる要因となっている。保護膜内の大きな歪み変動は、キャビティ内の流体が流体流路に漏洩して流路を汚染させるという可能性を増加させる。

更に、圧力ゲージの精度は、検知流体の大きな熱膨張係数によって負方向に影響される。従って、汚染流体を流体流路に漏洩させないインライン圧力ゲージの存在が必要である。更に、精度が流体流路内の温度変化によっても影響されない圧力ゲージの存在が必要である。

特許文献１におけるコリンズらは、腐食性雰囲気の環境下における静電容量型近接センサの使用を記述している。特許文献１における１つの実施の形態において、静電容量型近接センサは、バルブや連結部材を有するパイプシステムのような機能的な装置内に組み込まれているものとして記述されている。前記静電容量型近接センサは、前記装置の機能的な一部分として動作し、所定の領域内に検知領域を作る。そして、種々の流体が所定の領域を通過する際、前記所定の領域内の電気的特性の変動を決定するために使用される。液体の対象物がある場合においては、前記検知領域に関連する電流のモニタリング変動、逆に液体の対象物がない場合においては、パイプ設備における空気あるいはガスによって、対象とする媒体の存否の表示を生ずる。入り組んだバルブ設備が、流体の流れを制御するために使用され、流体が漏洩して処理流体の流れを汚染するという可能性をはらんでいる。

上述で明らかにされた従来技術は、化学的処理設備における腐食性のある化学的な輸送システム内の流体の流量率を決定する装置について、何も開示していないか、あるいは考慮さえしていない。更に、上述で明らかにされた従来技術は、流体の流れ内で流体の流量率及び圧力のいずれかあるいは双方を測定する装置について何も開示していない。化学的輸送システム内の流体の流れを監視することは、様々な理由で有益である。第１に、前記システム内の流れの変動は、前記システム内の漏洩を示すことになる。第２に、前記輸送システム内の流れは、所定の安全基準を超過しないように調整される。第３に、流体の流れにおける変動は、汚染物質の流体流路への妨害あるいは侵入を示す。

従って、腐食性材料を運ぶ流体流路内においてインラインに配置された非汚染の流量計の存在が必要である。ここで、前記流量計は、流体流路において得られた圧力の差動測定値に基づいて流量率を測定する。また、この場合の流量率の決定は、逆に流体流路内の温度変化によって影響しない。更に、不純物、不要なイオン、あるいは蒸気の前記流路への導入を阻止する流量計の存在が必要である。

本発明は、これらの要求を扱うものである。

米国特許第５，３１６，０３５号明細書 米国特許第４，１７７，４９６号明細書 米国特許第４，５９８，３８１号明細書

本発明の目的は、腐食性流体を輸送する流路へインライン結合された流量計を提供することであり、ここで、流量の割合は、流路において与えられた差動圧力測定値に基づいて決定される。前記流量計は、非汚染性本体内に設けられた２つの圧力センサを含む。ここにおいて、これら圧力センサは、くびれた部材によって、流路内において互いに分離されている。

前記流量計は、流体流路内の温度変化を補償し、流体が静止しているときの２つの圧力センサ間の圧力差を補償して、ゼロ調整する特徴を提供する。好ましい実施の形態においては、流量計の構成部分は、ハウジング、カバー、電気的コネクター、圧力部品、隔離膜、シール用リング、２つの圧力センサ、回路基板及び電子回路、スペーサ用リング及び押さえ付け用リングを含む。

前記流量計用のハウジングは該ハウジングを貫通する穴を有し、該穴は、このハウジングが流体流路においてインライン接続されたときに、流体の流れを通すための通路あるいは導管を形成する。前記穴の各反対側の端には、圧力部品が整列され、シール可能に連結されている。前記圧力部品は、化学的に不活性な材料から構成されており、これらの部品はたやすく入手でき、当業者に知られている。

また、前記ハウジングは２つの圧力変換器を受け入れるキャビティを有し、該キャビティは、ハウジングの外部表面から延在している。ここで、各キャビティは前記穴にそれぞれ独立に連通している。好ましい実施の形態においては、前記穴は、前記２つのキャビティの間に位置されているくびれ部分に向かって先細りになっている。その狭い領域は、２つのキャビティに近接した穴横断点内で圧力低下をもたらす。この圧力変動は、２つのキャビティのそれぞれに配置された圧力センサ変換器によって検知される。流量率は、前記圧力変動に基づいて決定される。２つの圧力センサを使用した流量率の決定方法は後述する。

絶縁膜、圧力センサ、シール部材、スペーサ用リング及び押さえ付け用リングは、ハウジングの各キャビティ内に含まれている。これらの構成部品とそれらの変形例は、１９９５年１０月３日に出願され、本出願と同じ譲受人に譲渡された係属中の出願（出願番号０８／５３８，４７８）に述べられており、その完全な開示は、参考としてこの明細書中に組み込まれる。

ハウジングに配置されたハイブリッドあるいは完全に集積された電子回路は、２つの圧力センサ変換器双方と、カバーに設けられた電気的コネクターに有効に結合されている。前記電子回路は、２つの圧力センサによって検知された情報から流路内の流量の割合の尺度である信号を生成する。更に、前記電子回路は、流体流路内の下流あるいは上流の一方あるいは他方の静的な圧力に相当する信号を生成する。その結果、流路内の流量計の方向付け（オリエンテーション）は互換性を有し、流れの方向は、各圧力センサにて検知された圧力を比較することによって表される。流路を流れるガスの静的な圧力を検知する際に、検知された圧力に対してガスの濃度差の結果として非線形に訂正することによって補正が行われる。

また、この電子回路は、温度に感応する構成部品を組み合わせて使用して、流路内の温度変化に基づく各キャビティに関連する圧力測定値を調整するようにしてもよい。更に、ユーザによる流量計のゼロ調整を許容する電子回路にスイッチを組み込むようにしてもよい。

前記電子回路は、電気的リードによって電気的コネクターに接続され、電力は、外部電源を伴う前記電気的コネクターに適合する電気的リードを通じて前記電子回路に伝達される。更に、計算された流量率に比例する標準４−２０ｍＡの信号のようなアナログ出力が、付加された電気的リードを通じて伝達される。

前記実施の形態の変形例において、ハウジングは、２つの対称的な半ハウジングを有する。各半ハウジングは、縦穴と、該縦穴内に規制部材を受け入れるための反対の穴を含む。他の実施の形態において、２つのキャビティ間に配列された縦穴の一部分は、移動可能な差込部材を受け入れる第３のキャビティを有する。

その差込部材は、これらを通じて延びる通路を有し、これは、１つの穴部から他の穴部への通路を形づくる。他の実施の形態の変形例において、ブッシュが、２つのキャビティ間の穴内にくびれ部分を作るために摩擦的に嵌合されている。更に他の実施の形態の変形例において、不活性なサファイア圧力変換器は、それぞれのキャビティ内に配置され、絶緑膜を除去することによって流体の流れに直接接触している。

このように、本発明の主たる目的は、流体流路にインライン接続されるように適合する非汚染性流量計を提供することにある。

本発明の他の目的は、流量計を提供することにある。ここにおいて、前記流量計の不活性な圧力センサの構成部品は、流体の流れに直接接触して位置する。

本発明の更に他の目的は、関連する圧力センサに直接接触している絶縁部材を有する流量計を提供することにある。絶縁部材は、センサとそれに関連する電子回路を潜在的に腐食性のある処理化学物質から隔絶するように作用し、輸送途上にある処理流体への汚染物質の導入を阻止する。

本発明の更に他の目的は、流量計を提供することにある。ここにおいて、流路内の流量率を決定するにあたって、流路の圧力は、流路内の２つの独立したポイントにじゃまされることなく測定される。

本発明の更に他の目的は、非汚染の流量計を提供することにある。この流量計は、流量がゼロのときに、２つの圧力センサ変換器間の初期の圧力差を補償する。

本発明の更に他の目的は、非汚染で、化学的に不活性な流量計を提供することにある。この流量計は、流体流路内の流量率又は圧力のいずれかを決定する。

本発明のこれらの目的及びその他の目的はもちろん、これらの特徴及び他の特徴並びに本発明の利点は、添付の図面に関連して以下に示す好ましい実施の形態の詳細なる記述と、請求の範囲を参照すれば当業者にとって容易に諒解されるであろう。なお、ある図面において同一の数字は対応する部分を示すものとする。

最初に図１及び図２に示すように、流量計は、全体として数字１０によって示されている。流量計１０は、一般に、ハウジング又は本体１２、締め金具で締結するためのスロット１４、圧力の入口部品及び出口部品１６及び１８とカバー２０を含む。既知の構成の電気的コネクター２２は、カバー２０に着脱可能に取り付けられている。前記ハウジング１２とカバー２０は、好ましくは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような化学的に不活性で非汚染性のポリマーで製造されている。カバー２０は、それを貫通して延在する穴２４を有し、この穴２４は、適当なねじ（図示せず）を使用してカバー２０をハウジング１２に固定するためのものである。カバー２０がハウジング１２にシールされることを許容するために、適当なガスケット（図示せず）が、好ましくはカバーとハウジングとの間に配置されている。いかなる限定も意図するものではないが、ダブリュー・エル・ゴアアンドアソシエイテッド・インコーポレーテッド（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ＆Ａｓｓｏｃ.，Ｉｎｃ.,）の登録商標であるＧＯＲ−ＴＥＸとして販売される多層構造で作られたガスケット又はシールは、ハウジング１２の内部領域への液体の流れを制限している間に、真の大気圧の基準とするために、ハウジング１２の内部領域への通気を許容する。

流量計の内部構造が図３〜図６に参考として示されている。縦穴２６は、導管を形成するようにハウジング１２を通して延びている。従って、流量計１０が圧力部品１６及び１８経由で流体流路（図示せず）にインライン接続されている場合、穴２６は、流体流路内を流体が流れる通路として作用する。流体流路内の流量計１０の方向付けは、その効果に影響を及ぼすことなく逆にすることもできる。

第１及び第２の横方向に延びるキャビティ２８及び３０は、ハウジング１２の外部表面３２から穴２６に向かってずっと延びている。当業者は、キャビティ２８及び３０がハウジングの異なる側壁からハウジングの内部にそれぞれ延在することができることが諒解されよう。２つのキャビティ２８及び３０は、隔壁３４によって所定の間隔で分離されている。また、穴２６は、２つのキャビティ２８及び３０間に位置されているくびれ部又は狭部３５を含む。ハウジング内の各キャビティ２８及び３０と穴２６とが交差する部位に近接する領域に、環状のリップ３６が形成されている。各リップ３６は、囲繞しており、前記穴２６から各キャビティ２８及び３０に対する開口部分を画成する。

薄い可撓性のあるポリマーディスクあるいは絶縁膜３８は、各キャビティ２８及び３０のリップ３６上に位置されている。限定するものではないが、前記膜は、好ましくは、０．００１インチと０．０４０インチ間の範囲の厚みを有するように構成されている。膜３８の上面は、グルーブ又は溝のパターンを作るようにすりむかれている。好ましくは、前記可撓性のある膜３８は、テトラフルオロエチレン・フルオロカーボン・ポリマーから製造される。このようなテトラフルオロエチレン・フルオロカーボン・ポリマーの１つは、イー・アイ・デュポン ネモアース社（Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ Ｎｅｍｏｕｒｓ）による登録商標であるテフロン（登録商標）として販売されている。

前記絶縁膜３８は、その表面上に形成された薄いフィルムを有し、この薄いフィルムは、圧力変換器用キャビティに腐食性化学物質が漏洩することに対するバッファとして作用する。更に、この薄いフィルムは、容量センサのための電気的シールドとして作用する。これにより、流量計を通じて流体が流れる際に、誘電特性の変動から導かれる不正確な問題を除去する。前記薄いフィルムは、例えば、絶縁膜３８上に塗布されたカーボン粉とエポキシインク、あるいは絶縁膜３８内に表面モールドされたカーボンの薄いフィルムである。コーティングされたディスク膜３８は、好ましくはモールドされる。これは、いくつかの他の処理による吹き付けあるいは製造は、膜中にピンホールの通路を残すからである。一方、絶縁膜３８はカーボン繊維で補強されてもよい。これにより、絶縁膜３８の弾性特性が増加し、ＰＴＦＥの絶縁膜における常温流れの傾向が低減する。

流量計１０が完全に組み立てられると、各可撓性のある膜３８と各キャビティのリップ３６との間の環状の表面接触は、これらの間に形成された気密封止の如くになる。各リップ３６と絶縁膜３８の種々の特徴は、限定するものではないが、前述の係属中の出願（出願番号０８／５３８，４７８）で述べたように変えることができる。

各圧力変換器４２及び４４は、スペーサ用リング４８と外部からねじ込まれた押さえ付けリング５０によって各キャビティ２８及び３０内の所定の位置に保持されている。前記絶縁膜３８と２つの変換器４２及び４４は、化学的に不活性なＯリングシール５２及び５４によってハウジング１２内にシールされている。余剰のシールが、位置決めされたＯリング５２及び５４によって作り出されている。これらのシール部材５２及び５４は、たやすく入手でき、当業者によく知られた構造のものである。付加的なスペーサ用リング５６（図４参照）は、圧力変換器の大きさによっては必要となる。

図５及び図６に示すように、排管あるいは導管４０は、ハウジングの壁３２を通じ、余剰シール部材５２及び５４間の各キャビティ２８及び３０に延びて形成され、これによって、余剰シール間の領域はドレインされる。この場合、排管は、排水路、通路又は出口として作用し、その結果、流体は、流体流路からシール部材５２を経て漏洩する。センサ４１は、排管４０内に位置され、電子回路４６に（図示しないリードによって）電気的に接続されている。当業者であるならば、導電センサ、容量センサ、電気を用いないファイバの光学センサが排管４０内での流体の存在を検知する場合に等しく使えることが諒解されるであろう。流体が第１のシール部材を通して漏洩した場合、その流体は前記センサ４１を付勢し、これによって、警報を次いで設定する電気回路４６に信号を送出する。

余剰シール部材の配置は、圧力変換器４２、４４及び電子回路４６が腐食性流体の影響によってダメージを受けるのを防止することを助ける。更に、前記余剰シールは流体の流れを隔離し、これにより、流体の潜在的な汚染を低減する。加えて、非汚染領域に対して腐食性流体を運び去るために、チューブ（図示せず）が排管４０に接続されてもよい。

再び図３及び図４に示すように、圧力センサ４２及び４４は、組み込まれた可撓性のある絶縁膜３８の上面に配置されている。各圧力センサは、当業者に知られている容量タイプあるいは圧電タイプのものである。各圧力センサの基体は膜３８に直接接触しており、これら基体は膜に対する押圧あるいは粘着、熱溶着、その他の既知の方法によって接着されている。前記基体は、該基体上に形成されたカーボンフィルムを有し、潜在的な漏洩に対する付加的なシールドとして作用し、更に電気的シールドとして作用する。

１つの実施の態様において、アルミナ・セラミックス圧力センサが使用される。ここにおいて、アルミナ・セラミックス圧力センサは、薄く一般に柔軟性のあるセラミックシートと、厚く剛性のあるセラミックシートと、これらセラミックシート間に挟まれた絶縁性のスペーサリングとを有する。最初の薄いセラミックシートあるいはダイアフラムは、典型的な厚み０．０２０インチに近似する０．００５から０．０５０インチの厚みを有する。厚いセラミックシートは、０．１００から０．２００インチの範囲の厚みを有する。前記スペーサリングは、ガラス、ポリマーあるいは選択的にセラミックシートのような適当な材料で構成され、これらセラミックシートは一緒にろう付けされる。セラミック基板の塞がれた表面は、金、ニッケルあるいはクロムのような金属によってメタライズされて、容量のある極板が形成されている。同様の容量型圧力変換器は、特許文献２においてべル等によって述べられている。特許文献２で述べられているものと類似するその他の容量型圧力変換器は、入手可能であり、当業者に知られている。

使用される圧力センサが、サファイア容量型圧力変換器のタイプのものであれば、可撓性のある膜３８が除去され得ると考えられる。サファイア変換器は不活性であり、腐食性流体にさらされたときの摩耗に対する耐性がある。流体の流れに直接連通するサファイアセンサを持つことで、更に、各変換器の圧力測定が向上する。

流量計のハウジング１２の変形例が次の図７から図９に示されている。該ハウジング１２は、２つのセクション、即ちハーフ５８及び６０に分かれており、ここにおいて、下流側のセクション５８は、該セクシヨンに形成されたキャビティ６２と縦穴６６を有し、上流側のセクション６０は、該セクションに形成されたキャビティ６４と縦穴６８を有する。各セクション５８及び６０における縦穴６６及び６８は、それぞれ対向する穴７０及び７２を有する。前記２つのセクション５８及び６０は、対向する穴７０及び７２が整列されて係合しており、これによって、規制部材７４が挿入される中空のキャビティが形成される（図８及び図９参照）。前記規制部材７４は、該規制部材７４を貫通して延在する中央開口７６を有し、この中央開口は、縦穴６６及び６８に整列されている（図１０参照）。

前記規制部材の中央開口７６は、その直径が、縦穴６６及び６８の各断面における直径よりも小さい。前記規制部材７４は、化学的に不活性なシール用の既知のＯリングによって、各ハウジングセクションの縦穴６６及び６８に密着されて係合されている。限定されるわけではないが、前記規制部材７４と組み込まれたシール用リングは、好ましくは、ポリテトラフルオロエチレンで構成される。

ハウジング１２の更に他の実施の形態は、更に、図１１に示されている。この実施の形態において、第３のキャビティ７８は、ハウジング１２の底部の外部表面から延び、穴２６に連通する。第３のキャビティ７８は、第１及び第２のキャビティ２８及び３０間の中央に形成されている。置換可能な挿入部材、即ち差込部材８０が前記第３のキャビティ７８内に挿入され、シールされている。前記差込部材８０は、この差込部材８０を貫通して延びる開口あるいはチャンネル８２（図示せず）を有し、ここにおいて、前記チャンネル８２は縦穴２６に整列されている。これにより、１つの穴部から他の穴部に通じる通路が形成される。第３のキャビティ７８は、ハウジング１２の外部表面の頂部から延びることも考えられる。このような構成配置において、一旦、カバー２０がハウジング１２にシールされると、第３のキャビティ７８に対する外部からのアクセスが制限されよう。

チャンネル８２の直径は、穴部２６のいずれの直径よりも小さい。これにより、くびれた部分、即ち、絞られた部分が形成されることになる。差込部材８０は、既知の化学的に不活性なＯリング８４によって第３のキャビティ７８に係合されている。いかなる制限も意図するものではないが、差込部材７４とシール用リング８４は、ポリテトラフルオロエチレンで構成される。ここにおいて、シール用リング８４は、差込部材７４を第３のキャビティ７８内にシールする。差込部材は、代替的には、サファイアで構成される。この材料は、流体の流れに伴う摩耗に対して耐性を有する。

他の変形例において、くぼみ部分３５は、キャビティ２８及び３０間に摩擦を伴って嵌合されたブッシュ部材によって構成されている。もちろん、前記ブッシュ部材は、残りの穴部を連通する縦穴２６の断面形状よりも小さな穴を有する。

当業者であれば、前記くぼみ部分３５が、上述したような、様々な形態によって作られることが諒解されよう。前記くぼみ部分は、サファイアで構成することもできる。これによって、流量計の寿命を延ばすことができる。当業者であれば、サファイアが不活性物質であって、腐食性流体の流れによる摩耗に対して高い耐性を有することが諒解されよう。

当業者であれば、各実施の形態におけるキャビティ及びハウジングは、一般的に、同じく圧力部品１６及び１８、カバー２０、絶縁膜３８、圧力センサ４２及び４４、電子回路４６、スペーサリング４８、及び押さえ付け用リング５０を受容する寸法とされていることが容易に諒解されよう。また、各実施の形態は、センサを受け入れるためのキャビティ間に、様々な形態を有するくぼみ部分を具備し、流体が前記くぼみ部分を横断して流れる際に圧力低下が生成されることになる。

再び図３を参照すると、電子回路モジュール４６は、セラミック圧力変換器４２及び４４の上方に位置されており、セラミック圧力変換器４２及び４４の導電性表面に電気的に接続されている。前記電子回路モジュール４６は、更に、適当なリード（図示せず）によってコネクタ２２（図１参照）の内部接続部に接続されている。好ましい実施の形態において、前記電気的コネクタ２２は、化学的不活性な材料で作られ、好ましくはニューマティコ（Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｏ）から入手可能なタイプであり、部品番号はｐｏ３ｒｓｄ−００００４−２４である。

図１２及び図１３参照すると、電子回路モジュール４６の電子回路の概略図が示されている。この電子回路は、２つの圧力センサ４２及び４４から読み出された圧力、あるいは選択的に下流側の圧力変換器４４で読み出された圧力を、４−２０ｍＡのアナログ電流量の表示に変換するために使用される。上流側の変換器４２からの生のアナログ信号は、端子１０２に入力されるように供給され、同様に、下流側の変換器４４からのアナログ変換器の生の出力信号は、端子１０４に入力されるように供給される。端子１０６及び１０８は、電源入力端子であり、端子１１０及び１１２は、接地バス１１４（図１２参照）に接続されている。

＋５Ｖの電源バス１１６と接地バス１１４との間にアナログ式の温度補償チップ１１８が接続されており、これは、好ましくは、ナショナル・セミコンダクタ・インコーポレーテッド(Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｃ.,)から入手できる型式ＬＭ４５素子からなる。この温度補償チップ１１８は、＋５Ｖの電源バス１１６につながる配線１２０によって接続されたＶ⁺端子と、接地バス１１４につながる半導体ダイオード１２２を通じて接続されたＶ^-入力を有する。前記ダイオード１２２はオフセットを与える。その結果、温度補償チップ１１８の出力端子１２４で生成された温度に比例する信号は、０℃以下、即ち、見かけ上、負の値にすることができる。

入力端子１０２及び１０４で生成された生の信号は、端子１２４で生成された温度補償信号と共に、デジタル（Ａ／Ｄ）変換器チップ１２６への４チャンネルのΣ−Δ変調タイプのアナログラインにそれぞれ個別に供給される。前記チップ１２６は、好ましくは、アナログ・デバイセス・コーポレーション（Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって供給されているＡＤ７７１４集積回路チップで構成される。前記集積回路の動作モードの詳細を希望する場合には、前記アナログ・デバイセス・コーポレーションから入手可能なデータシートを参考とされたい。

前記Σ−Δ変調Ａ／Ｄ変換器は、アナログ圧力入力をデジタルフィルタリングする機能を有する。ここで、ローパスフィルタのカットオフ周波数は、マイクロプロセッサチップ１２８内で実行されるソフトウェアによって設定されたプログラム可能な量である。限定するものではないが、マイクロプロセッサ１２８は、マイクロチップ・テクノロジー・コーポレーション（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）で入手可能な型式ＰＩＣ１６Ｃ７３集積回路で構成される。抵抗分圧回路はレジスタ１３０及び１３２を有し、正電圧側のバス１１６と接地バス１１４間に接続されており、圧力データが線形とされている際に電圧補償を与える。

前記Ａ／Ｄチップ１２６は、その直列出力データストリームをライン１３４を通じてマイクロプロセッサ１２８上のデータ入力端子１３６に与える。Ａ／Ｄ変換器チップ１２６からの前記シリアルデータは、一般的に数字１３８で示される水晶制御クロック回路から与えられるタイミング信号の制御下に出力タイミングが制御される。このクロック回路１３８は、更に、マイクロプロセッサ１２８のタイミングを制御するために、タイミングパルスをライン１４０を通して前記マイクロプロセッサチップ１２８のクロック入力端子１４２に供給する。

マイクロプロセッサ１２８は、上流側及び下流側の変換器４２及び４４によって取り出された瞬時圧力差を演算するように、また、いくつかの必要なゼロ調整とスケーリングが機能するように、プログラムされている。スイッチ１３４は、マイクロプロセッサ１２８に接続されている。前記スイッチ１３４が、ＯＮに切り替わったとき、２つの圧力センサ４２及び４４間の圧力における差が演算される。典型的には、ユーザは、流体の流れがない場合のテストモードに対してスイッチ１３４を付勢する。流体の流れがない間の圧力における差は、マイクロプロセッサに格納される。そして、ユーザは、スイッチ１３４を滅勢する。流体が流れている間、前記格納された値は、圧力差から減算される。これにより、ゼロ調整が行われていることとなる。更に、テストにおいては、前述のように計測された圧力差が、予め設定された上限値以上か、下限値以下であるかどうか決定が行われる。前記圧力差が予め設定された上限値以上、下限値以下であった場合、警報が発せられる。前記圧力差が予め設定された制限内にあるときは流量の割合が計算される。

安定した状態の流れにおいては、流量の割合はすべてのポイントにおいて同じであることが知られている。流量（Ｉ）は、Ｉｍ＝ρｖＡとして表される。ここで、ρは流体の密度、ｖは流体の速度、Ａは流体が通る面積を示す。連続の式Ａ₁Ｖ₁＝Ａ₂Ｖ₂から、流量計１０内の流量の割合は、ある定数に√（Ｐ１−Ｐ２）を乗算した値に等しいことが見出される。このことから、マイクロプロセッサ１２８は、流量の割合を２つの圧力センサから受け取ったデータに基づいて演算する。当業者であれば、層流を伴うと、流量の割合は、ある定数にＰ１−Ｐ２を乗算した値により近づくことが諒解されるであろう。従って、流量下限値はシステム内に設定し得る。その結果、"レイノルズ数"が所定のしきい値以下である場合、流量計は、流量を０として特定する。

図１３は、前記マイクロプロセッサ１２８によって演算された流量の割合を、現存するアナログ制御システムで取り扱うことができる４ｍＡから２０ｍＡの範囲に絞られたアナログ信号に変換するために使用される回路を示す。換言すれば、マイクロプロセッサ１２８によって演算された流量のデジタル値は、電流の振幅が前記演算された流量の値に直接比例するものであって、かつ、４ｍＡから２０ｍＡの範囲内にあるアナログ信号に変換される。

流量を示す４ｍＡから２０ｍＡの範囲のアナログ電流を供給することに加えて、前記システムは、更に、下流側の変換器４４又は上流側の変換器４２によって検知された圧力に比例する４ｍＡ〜２OｍＡの電流信号を供給するために使用される。より詳細には、図１３に示されるように、前記電子回路は、実質的に同一な上側の部分と下側の部分、即ち、流量に比例した４ｍＡ〜２０ｍＡの電流信号が出力端子１４４及び１４６を介して取り出されることになる部分と、圧力に比例した４ｍＡ〜２０ｍＡの電流信号が出力端子１４８及び１５０を介して取り出されることになる部分に分離されている。

図１２に戻って参照すると、前記マイクロプロセッサ１２８は、クロック信号をライン１５２上に供給する。このライン１５２は図１３の対応するライン１５２に接続されている。同様に、第１及び第２のデータ出力ライン１５４及び１５６は、マイクロプロセッサ１２８から、図１３上、左側にある対応するライン１５４及び１５６に接続されている。図１３における２つのチャンネルのいずれが作動するかを決定するための信号は、マイクロプロセッサ１２８からライン１５８を通って発せられるデジタル−アナログ変換器チップの選択信号の方法によって供給される。この信号は、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器チップ１６４あるいはデジタル−アナログチップ１６６のいずれかの"チップセレクト"端子に出力を供給する光学分離回路１６０及び１６２に供給される。それぞれの場合、Ｄ／Ａ変換器１６４及び１６６は、マキシム・コーポレーション(Ｍａｘｉｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ)から入手可能な型式ＭＡＸ５３８Ｄ／Ａ変換器チップのような１２ビットデバイスから構成してもよい。

図１３から諒解されるように、更に、ライン１５２上のクロック信号は、ライン１５４及び１５６上のデータ信号と同様に、光学カプラ１６８、１７０、１７２及び１７４を経由して光学的に分離され、その結果として生じる各信号は、それぞれＤ／Ａ変換器に供給される。

垂直ライン１７６の右側に位置する電子回路は、前記デジタル−アナログ変換器１６４又は前記デジタル−アナログ変換器１６６からのアナログ信号出力を、前記Ｄ／Ａ変換器１６４及び１６６の電圧出力に対応する４ｍＡ〜２０ｍＡの範囲の電流信号に変換するように機能する。図１３から諒解されるように、前記Ｄ／Ａ変換器１６４からの出力は、レジスタ１７８を通じてオペアンプ１８０の非反転入力に供給されている。前記オペアンプの反転端子は、グランド１９４に接続されている。オペアンプ１８０の出力は、レジスタ１８４及び１８６でバイアスされながらＦＥＴデバイス１８２のゲート電極に接続されている。

ＦＥＴデバイス１８２用及びＤ／Ａ変換器１６４用の参照電圧は、＋側電圧バス１９２と接地バス１９４間において直列に接続された直列接続ダイオード１８８及び１９０によって得られる。垂直ライン１７６の右側に図示されたＤ／Ａ変換器１６６に関連した電流変換回路への電圧については、すでに述べたＤ／Ａ変換器１６４に関連するものと実質的に同じであり、その説明を繰り返すことは必要ないものと考える。

図１２においてマイクロプロセッサ１２８から来るように示されている出力ライン１９６及び１９８は、図１３において対応する番号が付されたラインを介して光学カプラ２００に供給されている。光学カプラ２００からの出力は、電力がライン１４４と１４６、更にライン１４８と１５０に供給されていることを示す。

図１２に戻って参照すると、前記マイクロプロセッサチップ１２８は、全体的に数字２０２で示されているＲＳ２３２シリアルポートと組み合わさっている。

このように、本発明に係る流量計デバイスは、更に別の中央処理装置（図示せず）含む様々な周辺装置との連絡が可能となる。前記電子回路４６は、また、サーミスタ又はこれに類する部品をそれらの中に含むことによって流路内の温度が変化するときに圧力及び流量の出力を調整することもできる。各圧力変換器はそれぞれ個別に温度で補正される。温度補償手段の一つは、特許文献３によって開示されている。

使用に際し、ユーザは、流量計１０を流体流路に圧力部品１６及び１８を介して結合する。流路を通じて流体が流れるとき、２つのキャビティのそれぞれに隣接する圧力は、電子回路４６によって検知され、これにより、流量の割合は、２つの検知された圧力に基づいて演算される。ゲージ圧力と絶対圧力が、同じように取り扱われる。流量の割合の決定から、流量の割合又は下流側の圧力が、所定の制限以上あるいは以下に増加あるいは減少したとき、又は処理装置が停止したときに、警報が発せられる。

当業者であれば、流量の割合が、最小の所望の出力値が最小圧力に関連し、最大の所望の出力値が最大圧力に関連するものであることが諒解されよう。例えば、圧力センサは、測定目盛の０から１００ｐｓｉｇ（ポンド／ｉｎｃｈ²規格）が、０ｐｓｉｇで４ｍＡ(ミリアンペア)、１００ｐｓｉｇで２０ｍＡとなるように設定されている。

圧力センサと密着する不活性なテフロン（登録商標）絶縁膜を提供することによって、動作している流体は汚染を引き起こすセンサの表面に接触しなくなる。開示されたシール構造は、動作している流体がハウジング１２のキャビティに入らず、電子回路４６に不利な影響を与えないことを確実にする。

この発明は、特許法に従うため、並びに新規な原理を適用する上で必要な情報及びこのような特殊な部品を組み立る場合及び使用する場合に必要な情報を当業者に提供するために、本明細書において、かなり詳細に説明している。しかしながら、本発明は、本質的に異なる装置によっても実施されることが理解されよう。いくつかの変形例における装置の詳細及び処理手順の操作の双方については、発明の目的から逸脱しない範囲で達成し得ることが諒解されよう。

図１は、本発明に従って作られた流量計の側面図である。 図２は、図１に示されるタイプの流量計の上面図である。 図３は、図１に示されるタイプの流量計を側面からみた部分断面図である。 図４は、流量計の変形例をカバーと電子回路を取り去って側面からみた拡大部分断面図である。 図５は、流量計の変形例を背面からみた拡大部分断面図である。 図６は、図５に示す流量計の分解図である。 図７は、本発明に従う流量計の変形例の側面図である。 図８は、図７に示されるタイプの流量計を、明瞭のために、圧力変換器、電子回路、絶縁膜、押さえ付けリング、スペーサ用リング及びシール部材を取り去って、側面からみて示す部分断面図である。 図９は、図８に示されるタイプの流量計を、カバーと電子回路を取り去って示す上面図である。 図１０は、図８の実施例において使用される規制部材の拡大断面図である。 図１１は、本発明に従う流量計ハウジングの他の実施例を側面からみて示す部分断面図である。 図１２は、本発明に従う流量計で使用される電子回路の概略図である。 図１３は、本発明に従う流量計で使用される電子回路の概略図である。

符号の説明

１０…流量計 １２…ハウジング
２６…縦穴 ２８…第１のキャビティ
３０…第２のキャビティ ３４…隔壁
３５…狭部 ３６…リップ
３８…絶縁膜 ４０…排管あるいは導管
４１…センサ ４２、４４…圧力変換器
４６…電子回路 ４８…スペーサ用リング
５０…押さえ付けリング ５２、５４…Ｏリングシール
５８、６０…ハーフ ６２、６４…キャビティ

Claims (7)

1. 流体流路にインライン接続されるように適合した化学的に不活性な流量計において、
   （ａ）化学的に不活性なハウジングを有し、該ハウジングは、流体の流れ用通路を形成するように前記ハウジングを介して延びる第１の所定の横断面積の縦穴を有し、該通路の入口端と出口端は、流体流路にインライン接続するために適合するものであり、更に、前記ハウジングは、それぞれ前記ハウジングの外部表面から前記ハウジングの縦穴に交差してそれぞれ延びる第１及び第２の離間した個々のキャビティを有し、前記縦穴は、前記第１及び第２のキャビティ間に配置された着脱自在な挿入部材を有し、前記着脱自在な挿入部材は、前記第１の所定の横断面積よりも小さい第２の横断面積を有する第２の穴を有し、
   （ｂ）前記第１のキャビティ内に設けられ、流路内の第１の圧力を検知するための第１の検知手段を有し、
   （ｃ）前記第２のキャビティ内に設けられ、流路内の第２の圧力を検知するための第２の検知手段を有し、
   （ｄ）ハウジングのキャビティ内の位置で前記第１及び第２の検知手段を固定させるための押さえ付け手段を有し、
   （ｅ）前記ハウジング内に含まれ、かつ、第１及び第２の検知手段に接続される電子回路を有し、前記電子回路は、穴内の検知された第１及び第２の圧力に比例する信号を受け取る
   ことを特徴とする流量計。
2. 請求項１記載の流量計において、
   更に、それぞれ前記第１及び第２のキャビティ内に含まれる化学的に不活性な可撓性のある膜を前記ハウジングの縦穴に近接して有し、各膜は、第１及び第２の対向する主面を有し、前記第１の主面は、流体流路を流れる流体にさらされていることを特徴とする流量計。
3. 請求項１記載の流量計において、
   前記着脱自在な挿入部材は、サファイアから製造されることを特徴とする流量計。
4. 請求項１記載の流量計において、
   前記第１及び第２の検知手段は、それぞれサファイアセンサからなることを特徴とする流量計。
5. 請求項１記載の流量計において、
   前記ハウジングは、それぞれ縦穴とこれと反対の穴を含む第１及び第２の半ハウジングを有し、前記縦穴とこれと反対の穴は、各半ハウジングの縦穴が整列されて第１及び第２の半ハウジングが並置されたときに、前記着脱自在な挿入部材を受け入れることを特徴とする流量計。
6. 請求項１記載の流量計において、
   前記ハウジングは、化学的に不活性なポリマーで製造されていることを特徴とする流量計。
7. 請求項６記載の流量計において、
   前記化学的に不活性なポリマーは、ポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする流量計。

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