JP2008026067A - 超音波音速測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波音速測定装置において、音速の高精度な測定と、音速測定の応答性を向上すること。
【解決手段】 超音波音速測定装置２０において、分気筒３０の概ね閉塞した壁状体３１により超音波伝播領域２４を囲み、分気筒３０の壁状体３１の前記流れ方向の上流側に臨む正面に、超音波伝播領域２４への被測定液Ｌの流入を許容し、被測定液Ｌ中に含まれる気泡の超音波伝播領域２４への侵入を抑制する、複数個の液流入口３３を開口し、分気筒３０の壁状体３１の前記流れ方向の下流側に臨む背面に、超音波伝播領域２４からの被測定液Ｌの流出を許容し、被測定液Ｌ中に含まれる気泡の超音波伝播領域２４への侵入を抑制する、複数個の液流出口３４を開口するもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は超音波濃度測定装置等に用いて好適な超音波音速測定装置に関する。

超音波音速測定装置として、特許文献１に記載の如く、所定の方向に流れる試料中を伝播する超音波の音速を求める超音波音速測定装置において、超音波伝播領域の流れの上流側に、超音波伝播領域に試料が直接流入するのを妨げる妨害手段を備え、妨害手段の上記流れの下流側に、試料中から気泡を分離する通水材を備えてなるものがある。超音波伝播領域への気泡の侵入を減少させ、試料中の音速を精度良く求めようとするものである。

超音波伝播領域にある試料中に気泡が含まれていると、伝播する超音波がこの気泡により反射されて伝播距離が短くなり、或いは気泡に吸収されて減衰する等により、音速を精度良く測定できない。
特開2004-317288

特許文献１に記載の超音波音速測定装置には以下の問題点がある。
(1)超音波伝播領域の上流側に配置された妨害手段が、超音波伝播領域における試料の連続的な流れを阻止し、試料は超音波伝播領域で滞留する。従って、例えば試料の濃度が流れと共に変化しても、この濃度変化に起因する音速の変化を速やかに測定できない等、音速測定の応答性が悪い。

(2)超音波伝播領域における試料の連続的な流れが阻止されるから、超音波伝播領域に一旦侵入した気泡が超音波伝播領域に旋回又は滞留して抜けがたく、音速の高精度な測定に困難がある。

(3)超音波伝播領域の流れの下流側に配置された通水材を通って超音波伝播領域に流入する試料の流れが、超音波伝播領域への気泡の巻き込みによる侵入を招き、音速の高精度な測定に困難がある。

本発明の課題を、超音波音速測定装置において、音速の高精度な測定と、音速測定の応答性を向上することにある。

本発明の他の課題は、超音波濃度測定装置において、濃度の高精度な測定と、濃度測定の応答性を向上することにある。

請求項１の発明は、所定の方向に流れる被測定液中に定めた超音波伝播領域を伝播する超音波の音速を測定する超音波音速測定装置において、分気筒の概ね閉塞した壁状体により超音波伝播領域を囲み、分気筒の壁状体の前記流れ方向の上流側に臨む正面に、超音波伝播領域への被測定液の流入を許容し、被測定液中に含まれる気泡の超音波伝播領域への侵入を抑制する、複数個の液流入口を開口し、分気筒の壁状体の前記流れ方向の下流側に臨む背面に、超音波伝播領域からの被測定液の流出を許容し、被測定液中に含まれる気泡の超音波伝播領域への侵入を抑制する、複数個の液流出口を開口するようにしたものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において更に、前記分気筒が円筒壁状体の筒軸を前記流れ方向に直交配置するとき、該壁状体に開口される液流入口の位置が分気筒の前記流れ方向の上流側に臨む真正面の位置を避けて配置されるようにしたものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の超音波音速測定装置を用いた超音波濃度測定装置である。

（請求項１）
(a)超音波伝播領域を囲む分気筒の上流側と下流側のそれぞれに、液流入口と液流出口を開口した。被測定液は、分気筒の上流側から分気筒の内部の超音波伝播領域を通って分気筒の下流側に貫通するように連続的に流れ、超音波伝播領域で滞留しない。従って、例えば被測定液の濃度が流れとともに変化するとき、この濃度変化に起因する音速の変化を速やかに測定できる等、音速測定の応答性が良い。

(b)分気筒の液流入口と液流出口が一定の壁厚を有する壁状体に開口されて一定の通路長（壁厚に等しい）を有し、超音波伝播領域に侵入しようとする気泡に一定の通路抵抗を容易に付与できる。従って、音速の必要測定精度に影響を及ぼす気泡の超音波伝播領域への侵入を妨げる通路抵抗を、それらの液流入口と液流出口に容易に付与し、超音波伝播領域への気泡の侵入を回避でき、音速の高精度な測定を可能にする。

(c)分気筒の超音波伝播領域を囲む壁状体のうち、上流側に臨む正面と下流側に臨む背面を除く両側面は閉塞されており、この壁状体の両側面は超音波伝播領域への気泡の侵入を完全に阻止し、音速の高精度な測定を可能にする。

(d)超音波伝播領域における被測定液の連続的な流れが生成されるから、超音波伝播領域に一旦侵入した微細な気泡も、被測定液の流れに乗って分気筒の液流出口から容易に排出され、超音波伝播領域に旋回又は滞留することがない。

(e)超音波伝播領域における被測定液の連続的な流れが生成されるから、分気筒の背面側で超音波伝播領域への気泡の巻き込みによる侵入を生ずることがない。

（請求項２）
(f)分気筒が円筒壁状体の筒軸を前記流れ方向に直交配置するとき、該壁状体に開口される液流入口の位置が分気筒の前記流れ方向の上流側に臨む真正面の位置を避けて配置される。分気筒において液流入口が開いている正面の外周面は、分気筒の真正面から周方向の外側へ下り勾配をなす円弧面をなし、分気筒の真正面に衝突した被測定液の流れはこの円弧面に沿って分気筒の側面の側へ移動し、液流入口の前面はこれを横切ろうとする被測定液の流れＡにより覆われる。この流れＡの一部Ｂだけがその液流入口から超音波伝播領域に流入するものになる。これにより、この流れＡの全てがその液流入口（分気筒の真正面に配置された液流入口）から超音波伝播領域に流入する場合に比して、流れＢに随伴して超音波伝播領域に侵入する気泡の量を低減できる。

（請求項３）
(g)超音波濃度測定装置に用いる音速の測定において上述(a)〜(f)を実現し、濃度の高精度な測定と、濃度測定の応答性を向上することができる。

図１は超音波濃度測定装置を示す模式図、図２は分気筒と被測定液の流れを示す模式図である。

超音波濃度測定装置１０は、図１に示す如く、被測定液Ｌを所定の方向に流す管路１１の内部に超音波濃度測定装置２０を設置する。

超音波濃度測定装置２０は、管路１１にねじ止めされ、超音波送受信部２１と反射板２２を管路１１の内部に挿入する。超音波送受信部２１と反射板２２は支柱２３により連結されかつ対向配置され、超音波送受信部２１と反射板２２の間の一定間隔（距離Ｌ0）の範囲を超音波伝播領域２４とする。超音波送受信部２１は、例えば圧電振動子（圧電セラミック、水晶等）、電歪振動子（チタン酸バリウム等）、磁歪振動子（ニッケル、フェライト等）等の振動子２１Ａを備える。超音波送受信部２１の振動子２１Ａが発生する超音波Ｕが反射板２２で反射され、超音波送受信部２１の振動子２１Ａに伝えられ、超音波伝播領域２４におけるこの間の超音波の伝播時間ｔが測定される。

超音波音速測定装置２０は、管路１１の内部に挿入され、被測定液Ｌの温度を測定する温度センサ２５を備える。

超音波音速測定装置２０では、超音波送受信部２１と温度センサ２５の検出信号がマイクロプロセッサに転送される。つまりマイクロプロセッサは、超音波送受信部２１が検出した超音波伝播領域２４における超音波の伝播時間ｔから音速Ｖを算出し、この音速Ｖと、温度センサ２５が検出した超音波伝播領域２４の液温Ｔに基づき、音速Ｖと温度Ｔと濃度Ｄの相関データを用いて、超音波伝播領域２４に存在する被測定液の濃度Ｄを演算する。

しかるに、超音波音速測定装置２０は、管路１１の内部に分気筒３０を挿入する。分気筒３０は、管路１１にねじ止めされ、超音波音速測定装置２０の超音波伝播領域２４を囲む。

分気筒３０は、図１に示す如く、円筒壁状体３１の筒軸（中心軸）を被測定液の流れ方向に直交配置するように、管路１１の内部に挿入し、壁状体３１の一端開口から超音波音速測定装置２０の超音波送受信部２１、反射板２２、支柱２３、超音波伝播領域２４、温度センサ２５等を壁状体３１の内部に納め、他端フランジ３２を管路１１にねじ止めする。分気筒３０の概ね閉塞した壁状体３１により超音波伝播領域２４を囲む。

分気筒３０は、図１、図２に示す如く、壁状体３１における被測定液の流れ方向の上流側に臨む正面に、超音波伝播領域２４への被測定液の流入を許容し、被測定液中に含まれる気泡の超音波伝播領域２４への侵入を抑制する、複数個の孔（スリットでも可）状の液流入口３３を開口してある。壁状体３１の正面において、各液流入口３３を開口する範囲ａは、分気筒３０の前記流れ方向の上流側に臨む真正面の両側のそれぞれにおいて、壁状体３１の筒軸ｃまわりで片側ａ／2＝60度以内とする（図２（Ｂ））。また、各液流入口３３の孔の穿設方向は、被測定液の流れ方向に平行をなすように延在され、壁状体３１の筒軸ｃを指向する半径方向には延在されない（図２（Ｂ））。

本実施例では、分気筒３０の壁状体３１に開口される液流入口３３の位置を、分気筒３０の前記流れ方向の上流側に臨む真正面の位置を避けて、真正面の両側部に配置される。

分気筒３０は、図１、図２に示す如く、壁状体３１における被測定液の流れ方向の下流側に臨む背面に、超音波伝播領域２４からの被測定液の流出を許容し、被測定液中に含まれる気泡の超音波伝播領域２４への侵入を抑制する、複数個のスリット（孔でも可）状の液流出口３４を開口している。壁状体３１の背面において、各液流出口３４を開口する範囲ｂは、分気筒３０の前記流れ方向の下流側に臨む真背面の両側のそれぞれにおいて、壁状体３１の筒軸ｃまわりで片側ｂ／2＝60度以内とする(図２(Ｂ))。また、各液流出口３４のスリットの穿設方向は、被測定液の流れ方向に平行をなす方向に延在され、壁状体３１の筒軸ｃを指向する半径方向には延在されない（図２（Ｂ））。

超音波音速測定装置２０は、分気筒３０を設置したことにより、管路１１を流れてくる被測定液が液流入口３３から超音波伝播領域２４へ流入し、超音波伝播領域２４から液流出口３４を経て流出する。本実施例では、壁状体３１の真正面の円周方向両側部のそれぞれに各１列に各８個（全２列全16個）の液流入口３３を設け、各液流入口の口径をφ0.5mmとしたが、各液流入口３３の口径は超音波Ｕの音速の必要測定精度に影響を及ぼす気泡の超音波伝播領域２４への侵入を妨げる口径であれば良い。また、壁状体３１の真背面の円周方向両側部のそれぞれに各１列各１個（全２列全２個）の液流出口３４を設け、各流出口３４の口径を2mm×22mm（全角Ｒ）としたが、各液流出口３４の口径は超音波Ｕの音速の必要測定精度に影響を及ぼす気泡の超音波伝播領域２４への巻き込みによる侵入を妨げる口径であれば良い。また、壁状体３１の壁厚（液流入口３３、液流出口３４の通路長）を3mmとしたが、この壁厚は超音波Ｕの音速の必要測定精度に影響を及ぼす気泡の超音波伝播領域２４への侵入を妨げる壁厚であれば良い。

分気筒３０は、被測定液に適合する各種材質からなるものとすることができるが、本実施例ではフッ素樹脂からなるものにした。

分気筒３０の筒断面径状は、円形に限らず、被測定液の流れ方向の上流側に臨む真正面に焦点をおく三角筒、ひし形筒等をなすものでも良い。このとき、分気筒３０において液流入口３３が開いている正面の外周面は、分気筒３０の真正面から周方向の外側へ下り勾配をなすことが好ましく、分気筒３０の真正面に衝突した被測定液の流れは、図２に示したと同様に、この外周面に沿って分気筒３０の側面の側へ移動し、液流入口３３の前面はこれを横切ろうとする被測定液の流れＡにより覆われ、この流れＡの一部Ｂだけがその液流入口３３から超音波伝播領域２４に流入するものとすることが好ましい。

超音波濃度測定装置１０を用いて、半導体研磨液中の砥流粉末の濃度を測定した実施結果について説明する。

管路１１内を流れる被測定液Ｌに対し、超音波送受信部２１から超音波Ｕを送信させ、反射板２２で反射した超音波Ｕを超音波送受信部２１で受信する。超音波送受信部２１による送信から受信までに要した被測定液Ｌの伝播時間ｔを計測するとともに、温度センサ２５で半導体研磨液の温度Ｔを測定し、以下によりその濃度Ｄを測定する。

溶液中を伝わる超音波の音速（伝播速度）は、溶液の成分、濃度及び温度等により複雑に変化するが、以下の関係式から、溶液の濃度計測が可能となる。

溶液中の超音波伝播速度Ｖ、溶液の密度ρ、及び溶液の体積弾性率Ｅの基本的関係は、式(1)の通りである。
Ｖ²＝Ｅ／ρ …(1)

体積弾性率Ｅと密度ρは、溶液の濃度Ｄ及び温度Ｔにより変化するから、式(1)から超音波伝播速度Ｖも溶液の濃度Ｄ及び温度Ｔにより変化する。ここで超音波伝播速度Ｖは、(2)式の通りである。
Ｖ＝2Ｌ0／ｔi …(2)

ただし、Ｌ0：超音波送受信部２１から反射板２２までの距離、ｔi：2Ｌ0間の超音波伝播時間である。即ち、超音波伝播時間を測定することにより超音波伝播速度が定まり、更に温度測定することによって溶液濃度が定まる。この関係は、(3)式の通りである。
Ｄ＝Ｆ（Ｔc，Ｖ） …(3)

但し、Ｄ：溶液濃度、Ｆ（Ｔc，Ｖ）：温度・超音波伝播速度の２変数関数、Ｔc：溶液温度、となり、濃度計測が可能になる。ここで、上記２変数関数は溶液毎に定められる。

本実施例によれば以下の作用効果を奏する。
(a)超音波伝播領域２４を囲む分気筒３０の上流側と下流側のそれぞれに、液流入口３３と液流出口３４を開口した。被測定液Ｌは、分気筒３０の上流側から分気筒３０の内部の超音波伝播領域２４を通って分気筒３０の下流側に貫通するように連続的に流れ、超音波伝播領域２４で滞留しない。従って、例えば被測定液Ｌの濃度が流れとともに変化するとき、この濃度変化に起因する音速の変化を速やかに測定できる等、音速測定の応答性が良い。

(b)分気筒３０の液流入口３３と液流出口３４が一定の壁厚を有する壁状体３１に開口されて一定の通路長（壁厚に等しい）を有し、超音波伝播領域２４に侵入しようとする気泡に一定の通路抵抗を容易に付与できる。従って、音速の必要測定精度に影響を及ぼす気泡の超音波伝播領域２４への侵入を妨げる通路抵抗を、それらの液流入口３３と液流出口３４に容易に付与し、超音波伝播領域２４への気泡の侵入を回避でき、音速の高精度な測定を可能にする。

(c)分気筒３０の超音波伝播領域２４を囲む壁状体３１のうち、上流側に臨む正面と下流側に臨む背面を除く両側面は閉塞されており、この壁状体３１の両側面は超音波伝播領域２４への気泡の侵入を完全に阻止し、音速の高精度な測定を可能にする。

(d)超音波伝播領域２４における被測定液Ｌの連続的な流れが生成されるから、超音波伝播領域２４に一旦侵入した微細な気泡も、被測定液Ｌの流れに乗って分気筒３０の液流出口３４から容易に排出され、超音波伝播領域２４に旋回又は滞留することがない。

(e)超音波伝播領域２４における被測定液Ｌの連続的な流れが生成されるから、分気筒３０の背面側で超音波伝播領域２４への気泡の巻き込みによる侵入を生ずることがない。

(f)分気筒３０が円筒壁状体３１の筒軸を前記流れ方向に直交配置するとき、該壁状体３１に開口される液流入口３３の位置が分気筒３０の前記流れ方向の上流側に臨む真正面の位置を避けて配置される。分気筒３０において液流入口３３が開いている正面の外周面は、分気筒３０の真正面から周方向の外側へ下り勾配をなす円弧面をなし、分気筒３０の真正面に衝突した被測定液Ｌの流れはこの円弧面に沿って分気筒３０の側面の側へ移動し、液流入口３３の前面はこれを横切ろうとする被測定液Ｌの流れＡにより覆われる。この流れＡの一部Ｂだけがその液流入口３３から超音波伝播領域２４に流入するものになる。これにより、この流れＡの全てがその液流入口３３（分気筒３０の真正面に配置された液流入口３３）から超音波伝播領域２４に流入する場合に比して、流れＢに随伴して超音波伝播領域２４に侵入する気泡の量を低減できる。

(g)超音波濃度測定装置１０に用いる音速の測定において上述(a)〜(f)を実現し、濃度の高精度な測定と、濃度測定の応答性を向上することができる。

以上、本発明の実施例を図面により詳述したが、本発明の具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

図１は超音波濃度測定装置を示す模式図である。 図２は分気筒と被測定液の流れを示す模式図である。

符号の説明

１０ 超音波濃度測定装置
２０ 超音波音速測定装置
２１ 超音波送受信部
２２ 反射板
２４ 超音波伝播領域
２５ 温度センサ
３０ 分気筒
３１ 壁状体
３３ 液流入口
３４ 液流出口
Ｌ 被測定液

Claims (3)

1. 所定の方向に流れる被測定液中に定めた超音波伝播領域を伝播する超音波の音速を測定する超音波音速測定装置において、
   分気筒の概ね閉塞した壁状体により超音波伝播領域を囲み、
   分気筒の壁状体の前記流れ方向の上流側に臨む正面に、超音波伝播領域への被測定液の流入を許容し、被測定液中に含まれる気泡の超音波伝播領域への侵入を抑制する、複数個の液流入口を開口し、
   分気筒の壁状体の前記流れ方向の下流側に臨む背面に、超音波伝播領域からの被測定液の流出を許容し、被測定液中に含まれる気泡の超音波伝播領域への侵入を抑制する、複数個の液流出口を開口することを特徴とする超音波音速測定装置。
2. 前記分気筒が円筒壁状体の筒軸を前記流れ方向に直交配置するとき、該壁状体に開口される液流入口の位置が分気筒の前記流れ方向の上流側に臨む真正面の位置を避けて配置される請求項１に記載の超音波音速測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の超音波音速測定装置を用いた超音波濃度測定装置。

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