JP2014095575A - 超音波流量計製造方法、超音波流量計及び超音波流量計を備える流体制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波流量計の測定管の内周面への微細気泡の付着を抑制し、超音波流量計の測定精度を向上させる。
【解決手段】超音波流量計１０は、内部に流体を流通させる測定管１と、測定管１の外側部に軸線方向に離間して配置された二つの超音波送受信器３とを備える。プラズマ処理を施すことによって測定管１の内周面１ａを親水化し、測定管１の内周面１ａへの微細気泡の付着を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学工場、半導体製造分野、食品分野、バイオ分野などの各種産業における流体輸送において、流体中に超音波振動を伝搬させ、流れの上流側からの超音波伝搬時間と下流側からの超音波伝搬時間との差から流体の流速又は流量を計測する超音波流量計の製造方法、超音波流量計、及びこのような超音波流量計を備える流体制御装置に関し、特に微小流量の計測及びスラリ流体とりわけ半導体分野で使用されるＣＭＰスラリ流体の流量の計測に適した超音波流量計の製造方法、超音波流量計、及びこのような超音波流量計を備える流体制御装置に関する。

超音波伝搬時間の差によって測定管内を流れる流体の流速又は流量を計測する超音波流量計は２種類に大別することができる。

第１のタイプの超音波流量計では、直管状の測定管の両端部に測定管に対して略直角になるように流路が接続され、測定管を挟んで対面するように測定管の上流端部及び下流端部に超音波送受信器が配置される。かかる超音波流量計では、上流側の超音波送受信器から発せられた超音波が測定管内の流体中を伝搬して下流側の超音波送受信器により受信され、その後瞬時に、下流側の超音波送受信器から発せられた超音波が測定管内の流体へ伝搬して上流側の超音波送受信器により受信される（特許文献１、特許文献２、特許文献３等を参照）。その際、上流側の超音波送受信器から下流側の超音波送受信器への超音波伝搬時間と下流側の超音波送受信器から上流側の超音波送受信器への超音波伝搬時間とに差が生じることを利用して、測定管内の流体の流速を求め、流量を計測する。

第２のタイプの超音波流量計では、直管状の測定管の外周部に設けられた伝送体に二つの超音波送受信器が配置される。かかる超音波流量計では、一方の超音波送受信器から発せられた超音波が伝送体及び測定管壁を通して測定管内の流体に伝搬し、測定管の管壁で反射されながら測定管内の流体の流れの方向に対して斜めに伝搬して、他方の超音波送受信器により受信され、その後瞬時に、送信側と受信側が切り換えられ、同様に、一方の超音波送受信器から発せられた超音波が他方の超音波送受信器により受信される（特許文献４、特許文献５及び特許文献６等を参照）。その際、上流側の超音波送受信器から下流側の超音波送受信器への超音波伝搬時間と下流側の超音波送受信器から上流側の超音波送受信器への超音波伝搬時間とに差が生じることを利用して、直管部内の流体の流速を求め、流量を計測することは第１のタイプの超音波流量計と同様である。

第１のタイプの超音波流量計では、測定管の両端部に曲部が形成されるため、特に測定管内を流れる流体がスラリの場合、スラリが曲部に堆積、固着して超音波振動の伝搬が妨げられ、正確な流量の計測ができないという問題が生じる。これに対して、第２のタイプの超音波流量計では、測定管の両端部に曲部を形成する必要がないので、上記のような問題が生じにくいという利点がある。

特開２０００−１４６６４５号公報 特開２００６−３３７０５９号公報 特開２００７−５８３５２号公報 特開２００５−１８８９７４号公報 特開２００８−２７５６０７号公報 特開２０１１−１１２４９９号公報 特開２０１２−４２２４３号公報 特開２０１０−２４３２４５号公報

ところで、超音波流量計では、測定管の内周壁に微細気泡が付着することがある。この微細気泡は、その表面で超音波振動を反射させてしまうため、超音波振動の伝搬経路や伝搬時間に影響を与え、超音波流量計、特に超音波振動が測定管内で反射しながら伝搬する第２のタイプの超音波流量計では、出力信号強度を低下させる原因や測定精度を悪化させる原因となる。

このような測定管内の微細気泡の問題を解消するために、特許文献７に記載の直管式超音波流量計では、図８に示されているように、筐体１０１の測定空間１０２内に設置された測定部１０３が、測定用流体を流す直管の測定用管体１０４と、測定用管体１０４の外周に軸線方向へ所定の間隔を設けて配設された一対の振動子１０５とを備え、測定用管体１０４の下流側に設けられた縮径部すなわち気泡圧潰部１０６により、小流量時に発生して内壁面近傍に集まる小さな気泡を圧潰させている。しかしながら、気泡圧潰部１０６として設けた縮径部により圧力損失が生じると共に、異物が付着及び堆積しやすくなる。また、縮径部により通常の大きさの気泡が通過しにくくなり、かえって測定精度を悪化させる原因となり得る。

また、特許文献８に開示されているように、超音波流量計の測定用管体の内表面に処理液を作用させて内表面の濡れ性を高めることにより、測定用管体の内表面への気泡の付着を防止する方法も提案されている。しかしながら、測定用管体の内表面の濡れ性を高めるために処理液や塗料などを用いると、不純物の残留物の流出や塗料からの化学成分の溶出が懸念されるという問題がある。

よって、本発明は、従来技術に存する問題を解消して、超音波流量計の測定管の内周面への微細気泡の付着を抑制し、超音波流量計の測定精度を向上させることにある。

上記目的に鑑み、本発明は、第１の態様として、内部に流体を流通させる測定管と、該測定管の外側部に軸線方向に離間して配置された二つの超音波送受信器とを備える超音波流量計を製造するための超音波流量計製造方法であって、プラズマ処理を施すことによって前記測定管の内周面を親水化するようにした超音波流量計製造方法を提供する。

上記超音波流量計製造方法では、超音波流量計の測定管の内周面がプラズマ処理を施されて親水化されているので、微細気泡が付着しにくくなる。これにより、微細気泡が超音波振動の伝搬に与える影響を抑制して、出力信号の信号強度を増加させると共に測定精度を向上させることができる。

上記超音波流量計製造方法の一つの実施形態として、前記測定管の外側表面に交流高電圧電源に接続された高圧電極を取り付け、前記測定管に電圧を印加した状態で前記測定管内にプラズマ源となるガスを供給して、前記測定管内でプラズマを生成させることにより、前記測定管の内周面にプラズマ処理を施すことができる。測定管の中でプラズマが生成され、生成されたプラズマで測定管の内周面にプラズマ処理が施されるので、内周面に均一にプラズマ処理を施すことができる。

上記実施形態では、前記測定管の前記一端部に近い側に配置する前記超音波送受信器の位置よりも該一端部側の前記測定管の外側表面に前記高圧電極を取り付け、前記測定管の他端部の側から前記測定管内に前記プラズマ源となるガスを供給することが好ましく、前記測定管の前記他端部に近い側に配置する前記超音波送受信器の位置よりも該他端部側の外側表面に、接地された接地電極が取り付けられるようにすることがさらに好ましい。
また、前記測定管の前記外側表面の予め定められた範囲にわたって前記高圧電極を取り付けると共に、少なくとも前記測定管の長さ方向に前記高圧電極が延びる範囲に前記測定管の内周面から離間して、接地された接地電極を配置するようにしてもよい。

さらに、上記超音波流量計製造方法の他の実施形態として、管状の誘電体の外側表面の上流側に接地電極を取り付けると共に、前記誘電体の外側表面の下流側に交流高電圧電源に接続された高圧電極を取り付け、前記誘電体に電圧を印加した状態で前記誘電体の上流側から前記誘電体内にプラズマ源となるガスを供給して、前記誘電体内でプラズマを生成させ、生成された前記プラズマを前記誘電体から前記測定管内に噴射することにより、前記測定管の内周面にプラズマ処理を施してもよい。このような方法によれば、管状の誘電体の外側表面の上流側と下流側にそれぞれ接地電極と高圧電極を取り付けることにより低温プラズマ生成装置を簡単に構成することができ、低温プラズマ生成装置によって生成されるプラズマを測定管内に噴射することにより、測定管の内周面の親水化処理を簡単に行うことができる。

上記超音波流量計製造方法では、前記測定管の材質がフッ素系樹脂であってもよい。

また、本発明は、第２の態様として、内部に流体を流通させる測定管と、該測定管の外側部に軸線方向に離間して設けられた二つの伝送体にそれぞれ取り付けられた二つの超音波送受信器とを備え、該二つの超音波送受信器の一方から発信した超音波振動を前記測定管内の流体を経て前記二つの超音波送受信器の他方で受信し、発信側と受信側の超音波送受信器を交互に切り換えて二つの超音波送受信器間の超音波伝搬時間を測定することにより前記流体の流速を測定する超音波流量計であって、少なくとも前記二つの伝送体の間に位置する前記測定管の内周面がプラズマ処理によって親水化を施されている超音波流量計を提供する。
さらに、本発明は、第３の態様として、上記超音波流量計製造方法により製造された超音波流量計と、該超音波流量計からの出力に応じて機器の制御を行う制御部とを備える流体制御装置を提供する。

本発明の超音波流量計製造方法及び超音波流量計によれば、プラズマ処理によって超音波流量計の測定管の内周面が親水化されている。これにより、微細気泡が付着しにくくなって、微細気泡が超音波振動の伝搬に与える影響を抑制し、出力信号の信号強度を増加させると共に測定精度を向上させることができる。したがって、測定精度の高い超音波流量計を実現することができる。

本発明による超音波流量計の全体構成を示す縦断面図である。 超音波流量計の測定管の内周面をプラズマ処理するための方法の第１の例を示す側面図である。 超音波流量計の測定管の内周面をプラズマ処理するための方法の第２の例を示す縦断面図である。 超音波流量計の測定管の内周面をプラズマ処理するための方法の第３の例を示す側面図である。 超音波流量計の測定管の内周面に付着した微細気泡の影響を説明するための説明図である。 超音波流量計の測定管の内周面のプラズマ処理の有無が測定精度及び信号強度に与える影響を調べるための実験設備の全体構成を示す概略図である。 本発明による超音波流量計を用いた流体制御装置の全体構成図である。 従来技術の超音波流量計の例を部分的に断面で示す側面図である。

以下、図面を参照して、本発明による超音波流量計製造方法及びこれにより製造された超音波流量計の実施の形態を説明する。
最初に、図１を参照して、本発明による超音波流量計１０の全体構成を説明する。

超音波流量計１０は、測定対象の流体が内部を満水状態で流れるようになっている測定管１と、第１の伝送体２ａと第２の伝送体２ｂとからなる一対の伝送体２と、一対の伝送体２のそれぞれに取り付けられる超音波送受信器としての超音波振動子３とを備える。

測定管１の材質は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などの合成樹脂から作成されることが好ましい。しかしながら、測定管１の材質は、超音波を伝搬することができ且つプラズマ処理を施すことができるものであれば特に限定されるものではなく、ガラス、石英などから作製してもよい。

測定管１の内周面１ａには、プラズマ処理により親水化処理が施されている。親水化処理が施されていることにより、測定管１の内周面１ａに微細気泡が付着しにくくなる。特に、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＰＶＤＦ、ＥＴＦＥのようなフッ素系樹脂により測定管１を作製する場合、フッ素系樹脂の表面張力が大きく、気泡が付着しやすいので、特にプラズマ処理を用いた測定管１の内周面１ａの親水化による微細気泡の付着抑制効果が高くなる。測定管１の内周面１ａの親水化は、プラズマ処理によってなされており、処理液や塗料を用いた化学的方法によってなされるのはないので、不純物の残留やその流出、塗料からの化学成分の溶出の恐れがない。しかしながら、プラズマ処理による親水化を行った後に、さらにアセトンやアルコールなどによる処理を行い、より親水性を高めるようにしてもよい。

測定管１の外径及び内径は特に限定されるものではないが、超音波振動の伝搬を容易にするために、測定管１の管壁の厚さは薄い方が好ましい。さらに、測定管１の内径Ｄは、０．５ｍｍ≦Ｄ≦１０ｍｍであることが好ましい。内径が０．５ｍｍ以上であれば、測定管１として使用可能な管を特別な製造方法によらずに製造可能で汎用性があり、測定管に対応できるプラズマ生成装置の入手も容易であるからである。また、内径が１０ｍｍ以下の測定管では、特に微細気泡の付着の影響が大きくなる上に、これに対応するプラズマの生成も容易であるからである。なお、測定管の作製方法は特に限定されるものではなく、例えば、切削加工、射出成形、押出成形などによって作製することができる。測定管１の内周面１ａは、微細気泡が付着しにくいように、平滑になっていることが好ましい。詳細には、測定管１の内周面１ａの算術平均粗さＲａは、０μｍ＜Ｒａ＜０．４μｍとなっていることが好ましく、０μｍ＜Ｒａ≦０．２μｍ、特に０μｍ＜Ｒａ≦０．０２μｍとなっていることがさらに好ましい。

なお、測定管１は、直管形態であることが好ましいが、直管形態に限定されるものではなく、湾曲管など他の形態をとることも可能である。

一対の伝送体２の第１の伝送体２ａと第２の伝送体２ｂは、測定管１の外側部に測定管１の軸線方向に離間して設けられている。測定管１と一対の伝送体２とは、図１に示されている実施形態のように一体的に形成されていてもよく、別個に形成された後に接着剤や溶着などにより接合されていてもよい。第１の伝送体２ａ及び第２の伝送体２ｂの各々は、好ましくは、図１に示されている実施形態のように、頂点側から底面側に向かうにつれて拡径していく略円錐状をなしており、測定管１の周囲を取り囲む第１の伝送体２ａ及び第２の伝送体２ｂの貫通口の内周面と測定管１の外周面とが全体にわたって一体となるように結合されている。また、第１の伝送体２ａ及び第２の伝送体２ｂは、その頂点側が互いに近い側を向き且つ底面側が互いから遠い側を向くように、対向して配置されており、測定管１の軸線方向に対して垂直方向に延びる端面を底面側に有している。

しかしながら、伝送体１の形状は、図１に示されている実施形態のものに限定されるものではない。例えば、図１に示されている実施形態では、伝送体２（第１の伝送体２ａ及び第２の伝送体２ｂ）の各々が略円錐状となっており、測定管１の周囲を取り囲む貫通口の内周面と測定管１の外周面とが全体にわたって一体となるように結合されているが、貫通口の底面側が頂点側よりも拡径されており、貫通口の内周面の頂点側の一部のみが測定管１の外周面と一体となるように結合され、貫通口の内周面の残余の部分が測定管１の外周面から離間した状態となるようにしてもよい。この場合、各伝送体２から測定管１に超音波が伝搬しやすいように、各伝送体２の貫通口の内周面の少なくとも３分の１が一体となるように融着されていることが好ましい。また、各伝送体２は、平面部分が測定管１の軸線に対して垂直となるように配置された半球形状、測定管１の軸線に対して斜めに延びる円柱形状など、非円錐形状とすることもできる。さらに、各伝送体２は、測定管１の全周を取り囲んでいる必要はなく、測定管１の全周の一部のみに設けられていてもよい。

伝送体２の材質は、特に限定されるものではない。例えば、伝送体２は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などの合成樹脂から作成してもよく、ジュラルミン、アルミニウム、アルミ合金、チタン、ハステロイ、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの金属、ガラス、石英などから作製してもよい。しかしながら、伝送体２は、超音波振動の伝搬性を良好にするために、測定管１と同じ材質から作製されることが好ましい。

超音波送受信器として使用される超音波振動子３は、超音波を発生できるものであれば、特に限定されるものではなく、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料を用いて作製され、電圧を印加したときに軸線方向に伸縮することにより超音波を発生する超音波振動子を超音波振動子３として使用することができる。各超音波振動子３は、一方の超音波振動子３で発生された超音波が測定管１内の流体を介して他方の超音波振動子３に伝搬されるように、各伝送体２に取り付けられる。図１に示されている実施形態では、超音波振動子３は、ドーナツ形状すなわち穴あき円板形状を有しており、超音波振動子３の軸線方向端面が各伝送体２の底面側端面に接着剤等により取り付けられている。超音波振動子３の内径は各伝送体２の底面側貫通口と略同径であり、その内周面は測定管２の外周面から離間した状態となるようにする。しかしながら、超音波振動子３の形状は、穴あき円板形状に限定されるものではなく、例えば、半円状や扇状とすることも可能である。

超音波流量計１０の測定管１の内周面１ａのプラズマ処理は様々な方法によって行うことができる。その一つに低温プラズマジェットを使用する方法がある。低温プラズマジェットは、低周波交流高電圧電源に接続された高圧電極を管状の誘電体に取り付け、低周波高電圧を印加された管状の誘電体内にプラズマ源となるガスを供給することによって生成することができる。

図２は、測定管１の内周面１ａのプラズマ処理方法の第１の例を示している。第１の例では、低温プラズマジェットを用いており、測定管１をＰＦＡなどの誘電性を有する物質によって形成し、誘電体である測定管１自体を放電管とし、測定管１の一端の外周面に、接地された接地電極１１を取り付けると共に、測定管１の他端の外周面に、低周波交流高電圧電源１３に接続された高圧電極１２を取り付ける。低周波交流高電圧電源１３によって高圧電極１２を介して低周波高電圧を印加された測定管１の一端側（接地電極１１に近い側）から測定管１内にプラズマ源となるガス１４を供給することにより、測定管１内に低温プラズマジェットを生成させ、生成された低温プラズマジェットによって測定管１の内周面１ａをプラズマ処理により親水化する。信号強度や測定精度に悪影響を与えるのは送信側超音波振動体３と受信側超音波振動体３との間に位置する領域の測定管１の内周面１ａに付着する微細気泡であることから、接地電極１１と高圧電極１２が一対の伝送体２よりも外側に位置するように、すなわち接地電極１１と高圧電極１２との間に一対の伝送体２が位置するように取り付けられることが好ましい。プラズマ源となるガス１４としては、例えばヘリウム、アルゴンなどの希ガスを用いることができる。放電管となる測定管１の下流側に一つ又は複数の他の測定管を接続して、測定管１内で生成された低温プラズマジェットにより他の測定管をプラズマ処理することが可能である。

なお、低温プラズマジェットは、少なくとも管状の誘電体の下流側に高圧電極を取り付けて誘電体に低周波高電圧を印加すれば生成することができる。上記第１の例では、測定管１の外周面に高圧電極１２と共に接地電極１１を取り付けて、いわゆる２電極方式で低温プラズマジェットを生成させているが、測定管１の下流側の外周面に高圧電極１２のみを取り付けて上流側からプラズマ源となるガス１４を供給する、いわゆる単電極方式でも低温プラズマジェットを生成させることも可能である。

図３は、測定管１の内周面１ａのプラズマ処理方法の第２の例を示し、大気圧放電を用いたプラズマ処理方法である。ここでは、測定管１をＰＦＡなどの誘電性を有する物質によって形成し、誘電体である測定管１自体を放電管とし、測定管１の外周面の予め定められた範囲に、低周波交流高電圧電源１３に接続された高圧電極１２を取り付けると共に、少なくとも測定管の長さ方向に高圧電極１２が延びる範囲に、測定管１の内周面から離間した状態を保つように、接地された棒状の接地電極１１を配置する。低周波交流高電圧電源１３によって高圧電極１２を介して低周波高電圧を印加された測定管１の一端から測定管１内にプラズマ源となるガス１４を供給することにより、測定管１内で大気圧プラズマを生成させ、生成された大気圧プラズマによって測定管１の内周面１ａをプラズマ処理により親水化する。

第１の方法と比較して、測定管１の長さによらずにプラズマ処理を行うことが可能である点が利点となる。また、接地電極１１と高圧電極１２との間でプラズマが生成されるので、測定管１の長さ方向に均一に内周面１ａのプラズマ処理を行うことができる点が利点となる。なお、接地電極１１と高圧電極１２との距離がプラズマ生成効率に影響を与えるので、測定管１の内径が大きい場合には、接地電極１１の外径を大きくすることが好ましい。プラズマ源となるガス１４としては、例えばヘリウム、アルゴンなどの希ガスの他、空気、酸素、窒素を用いることができる。第２の方法では、空気などを用いてプラズマを生成することがき、幅広い種類の燃焼ガス１４を利用できる点も利点となる。

図４は、測定管１の内周面１ａのプラズマ処理方法の第３の例を示しており、低温プラズマジェットを用いている。第３の例では、測定管１の一端に接続されるように、ガラスなどの誘電体から形成された放電管１５を設置し、放電管１５の一端の外周面に、接地された接地電極１１を取り付けると共に、放電管１５の他端の外周面に、低周波交流高電圧電源１３に接続された高圧電極１２を取り付ける。低周波交流高電圧電源１３によって高圧電極１２を介して低周波高電圧を印加された放電管１５の一端から放電管１５内にプラズマ源となるガス１４を供給することにより、放電管１５内で低温プラズマジェットを生成させる。そして、生成された低温プラズマジェットを放電管１５の他端から測定管１内に噴射して、測定管１の内周面１ａをプラズマ処理により親水化する。第３の方法は、低温プラズマジェットを生成させるための構造が簡単である点で有利である。放電管１５の下流側に複数の測定管を接続して、放電管１５内で生成された低温プラズマジェットにより複数の測定管を同時にプラズマ処理することも可能である。

次に、このようにして製造された超音波流量計１０の動作を説明する。
超音波流量計１０では、流体の流れに対して上流側に位置する超音波振動子３に変換器（図示せず）から電圧パルス又は周波数成分を持たない電圧が印加されると、超音波振動子３には、その厚さ方向（すなわち、電圧を印加する方向）及び径方向（すなわち、電圧印加方向と垂直な方向）に振動が発生する。伝送体２の底面側端面すなわち軸線方向端面と超音波振動子３の軸線方向端面とを固着させた上で超音波振動子３の両軸線方向端面の間に電圧を印加することにより、超音波として振動エネルギの大きい厚さ方向の超音波振動を伝送体２の底面側端面に伝搬させている。こうして、伝送体２に伝搬された超音波振動はさらに伝送体２及び測定管１の管壁を介して測定管２内の流体中へ伝わり、測定管１の外周面で反射されることを繰り返しながら測定管２内の流体中を伝搬した後、超音波振動が下流側に対向して位置する伝送体２を通してこれに固着される超音波振動子３へ伝搬され、電気信号に変換されて、この電気信号が変換器へ出力される。

超音波振動が上流側の超音波振動子３から下流側の超音波振動子３へ伝わり受信されると、瞬時に変換器内で送受信が切り換えられて、下流側に位置する超音波振動子３に電圧パルス又は周波数成分を持たない電圧が変換器から印加される。すると、上流側の超音波振動子３と同様に超音波振動が発生し、この超音波振動が伝送体２を通って測定管２内の流体に伝搬され、再び上流側に対向して位置する伝送体に固着される超音波振動子３に受信されると、電気信号に変換されて、この電気信号が変換器へ出力される。このとき、超音波振動は測定管２内の流体の流れに逆らって伝搬していくので、上流側の超音波振動子３から発信された超音波振動を下流側の超音波振動子３で受信したときに比べて流体中での超音波振動の伝搬速度が遅れ、伝搬時間が長くなる。

変換器内では、上流側超音波振動子３から下流側超音波振動子３への超音波振動の伝搬時間と下流側超音波振動子３から上流側超音波振動子３への超音波振動の伝搬時間が各々計測され、その差に基づいて流速及び流量が演算され、高精度な流量の計測を行うことができる。

超音波流量計１０の測定管１の内周面１ａに微細気泡が付着していると、微細気泡の表面で超音波を反射させてしまう。微細気泡の影響を受けていない超音波振動は、図５（ａ）において矢印Ａで示されているように、測定管１の外周面で反射されることを繰り返しながら測定管１内を伝搬していく。しかしながら、測定管１の内周面１ａに微細気泡が付着していると、図５（ａ）において矢印Ｂで示されているように、発信側の超音波振動子３から伝送体２及び測定管１に伝搬された超音波振動が測定管１と微細気泡との境界すなわち測定管１の内周面１ａ付近で反射されて測定管１内の流体に伝搬されなかったり、測定管１内の流体内を伝搬される超音波振動が測定管１内の流体と気泡との境界で反射されて受信側の超音波振動子３に入射されなかったりして、受信側の超音波振動子３に到達する超音波量が減少するため、信号強度の低下を招く。また、図５（ｂ）に示されているように、微細気泡の影響を受けていない超音波振動は、矢印Ａで示されているように、測定管１の外周面で反射されることを繰り返しながら測定管１内を伝搬していくのに対して、測定管１の内周面１ａに微細気泡が付着していると、矢印Ｂで示されているように、微細気泡と周囲との境界面で超音波振動が反射されてしまい、超音波振動の伝搬経路に差が生じて、伝搬時間にも影響を及ぼし、測定精度を悪化させる。

本発明によるプラズマ処理超音波流量計１０では、超音波流量計１０の測定管１の内周面１ａにプラズマ処理が施されて親水化されているので、微細気泡が測定管１の内周面１ａに付着することが抑制され、微細気泡による信号強度の低下や測定精度の悪化を防止することが可能となる。

図６は、プラズマ処理による微細気泡の付着の防止が測定精度や信号強度に与える影響を確認するための実験装置２０を示している。実験では、脱気装置２３により脱気された純水２１をためたタンク２７内に空気２２を供給し、３０分間のバブリングを行うことにより、微細気泡を含む純水を準備し、バルブ２５で流量を調整しながら、微細気泡を含む純水をポンプ２４でタンク２７から超音波流量計１０へ供給し、超音波流量計１０（詳細には、その受信側超音波振動子３）からの出力信号をオシロスコープ２６で観察した。また、実験では、周波数６００ｋＨｚ、振幅±５Ｖの矩形波の電圧パルスを超音波流量計１０の送信側超音波振動子３に印加した。

プラズマ処理の効果を確認するために、ＰＦＡから形成した、全長５０ｍｍ、内径２ｍｍ、外径４ｍｍの測定管１を用い、図２に示されているプラズマ処理方法の第１の例に従って、低周波交流高電圧電源１３から６．７ｋＨｚ、１３ｋＶで電圧を印加した測定管１内に燃焼ガス１４として毎分１０Ｌの流量でヘリウムガスを供給することによって測定管１内に低温プラズマジェットを生成し、３分間、生成した低温プラズマジェットを測定管１の内周面１ａに照射することによって親水化処理を行い、図６に示されている実験装置２０を用いて超音波流量計１０からの出力信号をオシロスコープ２６で計測した。親水化処理前には、超音波流量計１０の受信側超音波振動子３からの出力信号のピーク間電圧（ピークトゥピーク電圧）Ｖｐ−ｐが４７ｍＶであったのに対して、親水化処理後には、超音波流量計１０の受信側超音波振動子３からの出力信号のピーク間電圧（ピークトゥピーク電圧）Ｖｐ−ｐが２３０ｍＶとなり、受信信号強度が増加し、微細気泡の影響が減少したことが確認された。したがって、測定精度の向上の効果も得られる。

同様に、ＰＦＡから形成した、全長５０ｍｍ、内径２ｍｍ、外径４ｍｍの測定管１を用い、図３に示されているプラズマ処理方法の第２の例に従って、低周波交流高電圧電源１３から７．６ｋＨｚ、１５ｋＶで電圧を印加した測定管１内にプラズマ源となるガス１４として毎分３Ｌの流量で酸素（Ｏ_２）ガスを供給することによって測定管１内に大気圧プラズマを生成し、３分間、生成した大気圧プラズマを測定管１の内周面１ａに照射することによって親水化処理を行い、図６に示されている実験装置２０を用いて超音波流量計１０からの出力信号をオシロスコープ２６で計測した。親水化処理前には、超音波流量計１０の受信側超音波振動子３からの出力信号のピーク間電圧（ピークトゥピーク電圧）Ｖｐ−ｐが３２ｍＶであったのに対して、親水化処理後には、超音波流量計１０の受信側超音波振動子３からの出力信号のピーク間電圧（ピークトゥピーク電圧）Ｖｐ−ｐが３０７ｍＶとなり、受信信号強度が増加し、微細気泡の影響が減少したことが確認された。したがって、測定精度の向上の効果も得られる。

また、ガラスから形成した、全長５０ｍｍ、内径２ｍｍ、外径４ｍｍの放電管１５と、ＰＦＡから形成した、全長５０ｍｍ、内径２ｍｍ、外径３ｍｍの測定管１を用い、図４に示されているプラズマ処理方法の第３の例に従って、低周波交流高電圧電源１３から７．６ｋＨｚ、１５ｋＶで電圧を印加した放電管１５内にプラズマ源となるガス１４として毎分１５Ｌの流量でヘリウムガスを供給することによって放電管１５内に低温プラズマジェットを生成し、３分間、生成した低温プラズマジェットを測定管１の内周面１ａに照射することによって親水化処理を行い、図６に示されている実験装置２０を用いて超音波流量計１０からの出力信号をオシロスコープ２６で計測した。親水化処理前には、超音波流量計１０の受信側超音波振動子３からの出力信号のピーク間電圧（ピークトゥピーク電圧）Ｖｐ−ｐが４１ｍＶであったのに対して、親水化処理後には、超音波流量計１０の受信側超音波振動子３からの出力信号のピーク間電圧（ピークトゥピーク電圧）Ｖｐ−ｐが２２６ｍＶとなり、受信信号強度が増加し、微細気泡の影響が減少したことが確認された。したがって、測定精度の向上の効果も得られる。

以上、図１に示されている超音波流量計１０を例にして、本発明による超音波流量計１０及びその製造方法を説明したが、本発明の適用は図１に示されている超音波流量計１０の構成に限定されるものではない。図１に示されている超音波流量計１０では、測定管１の外周面と伝送体２の貫通口の内周面とが一体となるように結合されているが、伝送体２は、測定管１の外周面に測定管１と接触するように設けられていればよく、測定管１の外周面に接着剤や溶着などで接合されていてもよい。また、伝送体２を設けずに直接的に測定管１の外周面に超音波振動子３を取り付けるようにすることも可能である。

図８は、本発明による超音波流量計を用いた流体制御装置３０を示している。
流体制御装置３０は、超音波流量計１０と、流体の流量、流速、圧力などを調整するための流体要素３１と、超音波流量計１０からの出力信号を処理して制御を行う電装部３４とを備える。

流体要素３１としては、例えば電気駆動式又は空気駆動式のピンチバルブを使用することができる。しかしながら、流体要素３１は、流体の流量、流速、圧力などを調整するための機器であれば、電気駆動式又は空気駆動式のピンチバルブに限定されるものではない。

電装部３４は、超音波流量計１０の超音波振動子２からの出力信号を増幅するアンプ部３２と、アンプ部３２によって増幅された信号に基づいて制御を行う制御部３３とを含み、制御部３３からの制御信号に基づいて、流体要素３１の動作を制御し、流体制御を行う。

流体制御装置３０によれば、本発明による超音波流量計１０を用いているので、流体の流量を高精度で測定することが可能であり、精密な流体制御が可能になる。

１ 測定管
２ 伝送体
２ａ 第１の伝送体
２ｂ 第２の伝送体
３ 超音波振動子
１０ 超音波流量計
３０ 流体制御装置
３１ 流体要素
３３ 制御部

Claims (9)

1. 内部に流体を流通させる測定管と、該測定管の外側部に軸線方向に離間して配置された二つの超音波送受信器とを備える超音波流量計を製造するための超音波流量計製造方法であって、
   プラズマ処理を施すことによって前記測定管の内周面を親水化することを特徴とする超音波流量計製造方法。
2. 前記測定管の外側表面に交流高電圧電源に接続された高圧電極を取り付け、前記測定管に電圧を印加した状態で前記測定管内にプラズマ源となるガスを供給して、前記測定管内でプラズマを生成させることにより、前記測定管の内周面にプラズマ処理を施す、請求項１に記載の超音波流量計製造方法。
3. 前記測定管の一端部に近い側に配置する前記超音波送送受信器の位置よりも該一端部側の前記測定管の外側表面に前記高圧電極を取り付け、前記測定管の他端部の側から前記測定管内に前記プラズマ源となるガスを供給する、請求項２に記載の超音波流量計製造方法。
4. 前記測定管の前記他端部に近い側に配置する前記超音波送受信器の位置よりも該他端部側の外側表面に、接地された接地電極が取り付けられる、請求項３に記載の超音波流量計製造方法。
5. 前記測定管の前記外側表面の予め定められた範囲にわたって前記高圧電極を取り付けると共に、少なくとも前記測定管の長さ方向に前記高圧電極が延びる範囲に前記測定管の内周面から離間して、接地された接地電極を配置する、請求項２に記載の超音波流量計製造方法。
6. 管状の誘電体の外側表面の上流側に接地電極を取り付けると共に、前記誘電体の外側表面の下流側に交流高電圧電源に接続された高圧電極を取り付け、前記誘電体に電圧を印加した状態で前記誘電体の上流側から前記誘電体内にプラズマ源となるガスを供給して、前記誘電体内でプラズマを生成させ、生成された前記プラズマを前記誘電体から前記測定管内に噴射することにより、前記測定管の内周面にプラズマ処理を施す、請求項１に記載の超音波流量計製造方法。
7. 前記測定管の材質がフッ素系樹脂である、請求項１から請求項６に記載の超音波流量計製造方法。
8. 内部に流体を流通させる測定管と、該測定管の外側部に軸線方向に離間して設けられた二つの伝送体にそれぞれ取り付けられた二つの超音波送受信器とを備え、該二つの超音波送受信器の一方から発信した超音波振動を前記測定管内の流体を経て前記二つの超音波送受信器の他方で受信し、発信側と受信側の超音波送受信器を交互に切り換えて二つの超音波送受信器間の超音波伝搬時間を測定することにより前記流体の流速を測定する超音波流量計であって、
   少なくとも前記二つの伝送体の間に位置する前記測定管の内周面がプラズマ処理によって親水化を施されていることを特徴とする超音波流量計。
9. 請求項１から請求項７の何れか一項に記載の超音波流量計製造方法によって製造された超音波流量計と、該超音波流量計からの出力に応じて機器の制御を行う制御部とを備えることを特徴とする流体制御装置。

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