JP2811403B2 - ドップラー式超音波流量/流速測定装置 - Google Patents

ドップラー式超音波流量/流速測定装置

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JP2811403B2 JP5106214A JP10621493A JP2811403B2 JP 2811403 B2 JP2811403 B2 JP 2811403B2 JP 5106214 A JP5106214 A JP 5106214A JP 10621493 A JP10621493 A JP 10621493A JP 2811403 B2 JP2811403 B2 JP 2811403B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造プロセス内
の純水供給システムなどに利用されるドップラー式超音
波流量/流速測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】超音波流量計は、上水・下水処理システ
ムや各種の製造プラントなど極めて広範囲に渡って利用
されている。この種の超音波流量計は、基本的には液体
の流速を測定し、これに既知の流路の断面積と必要な場
合の補正係数とを乗算することにより流量を測定するも
のである。超音波流量/流速計における上記流速の測定
手法としては、時間差法や、ドップラーシフト法などが
ある。
【0003】時間差法によるものは、任意の液体中を伝
播する超音波の伝播速度が、この液体が静止していると
した場合の既知の伝播速度と、この液体の実際の流速と
の和になるという原理を応用したものである。これに対
して、ドップラーシフト法によるものは、液体中に放射
され、液体中に混在する異物などによって反射された超
音波の周波数が流速に比例した大きさだけシフトすると
いう原理を応用したものである。このドップラーシフト
量は、通常、放射した超音波と受信した反射波とを混合
することにより差周波のビート信号を発生させ、このビ
ート周波数を計測することによって行われる。
【0004】時間差法によるものとドップラーシフト法
によるもとでは広い適用分野のそれぞれについて優劣つ
け難い面があるが、本発明者は、後者の方が構成部品が
少なく、また、簡易・小型・低廉な回路が実現できると
考えている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は、上記ドッ
プラー式の超音波流量計を、半導体製造プロセス内の純
水供給システムに適用することを検討してゆく過程で大
きな問題点に直面した。すなわち、ドップラー式の超音
波流量計では、計測対象の液体中に超音波を反射する異
物が混在していることが必須の条件になっているが、純
水中にはそのような異物が全く混入していないことであ
る。従って、本発明の目的は、超音波の反射波を生じさ
せる異物が全く存在しない純水や、殆ど存在しない高純
度の化学薬品などの液体中で反射波を生じさせることを
可能とした新規なドップラー式流量測定装置及び流速測
定装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明のドップラー式超
音波流量測定装置は、流体の流量/流速を測定するドッ
プラー式超音波流量/流速計と、このドップラー式超音
波流量/流速計の上流に設置され、測定対象の流体中に
熱を伝達して温度差に基づく密度の揺らぎを生じさせる
加熱器とを備えている。
【0007】
【作用】ドップラー式超音波流量計の上流に設置された
超音波放射器から異物を全く含まない純水やほとんど含
まない高純度の化学薬品などに熱を伝達すると、温度差
による密度の揺らぎが生じる。流体の音響インピーダン
スは密度によって変化するため、密度の異なる界面は流
体中を伝播する超音波にとっては異物として作用する。
この密度の揺らぎは、漸次消滅しながら流体の流速に等
しい速度でドップラー式流量計が設置されている下流に
移動する。ドップラー式超音波流量計の振動子から放射
され流体中を伝播してきた超音波がこの密度の異なる界
面に達すると、音響インピーダンスの変化に起因して一
部が反射される。この密度の揺らぎは、流体温度の均一
化の進行に伴って漸次消滅してゆき、純水などの液体の
組成には全く影響を及ぼさない。以下、本発明を実施例
と共に更に詳細に説明する。
【0008】
【実施例】図1は、本発明の一実施例のドップラー式超
音波流量測定装置の構成を示すブロック図であり、1は
測定対象の純水が流れるパイプ、10はドップラー式超
音波流量計、20はその上流に設置された加熱器であ
る。ドップラー式流量計10は、超音波を発生する発振
器11、増幅器12a,12b、送受切り替えスイッチ
13、送受波器14、混合器15、濾波器16、周波数
カウンタ17、比較器18a、分周器18b及び操作・
表示部19から構成されている。加熱器20は、ヒータ
ー21とヒーター電源22とから構成されている。
【0009】測定対象の純水が流れるPVC、PVD
F、PEEKあるいはステンレスなどを素材とする円形
パイプ1には枝状に円形パイプ2が形成されており、こ
のパイプ2内にプラスチックなどの樹脂を素材とする円
柱状の導波体3が圧入されている。この導波体3の外側
の端面に、ドップラー式超音波流量計の送受波器14が
接着固定されている。ドップラー式超音波流量計10の
上流において、パイプ1の底部の外周面上にヒーター2
1が接着固定されており、このヒーター21にヒーター
電源22から電力が供給される。
【0010】操作・表示部19は、操作者が発した起動
指令をキースイッチを介して受けると、まず、加熱器2
0のヒーター電源22を起動し、この後タイマーなどで
設定した所定の時間が経過すると、ドップラー式超音波
流量計10の発振器11を起動する。ヒーター21は、
ヒーター電源22から供給される50乃至60Hzの交
流電力を受けて発熱する。このヒーター21が発生した
熱は、接着材層とパイプ1内を伝達され、パイプ1の底
部の内周面の近傍を流れる純水に伝達される。伝達され
た熱によって温度が上昇した底部の純水は、密度が減少
して周囲の純水よりも軽くなってパイプ1内を上昇し、
この上昇によって生じようとする空隙を満たすようにパ
イプ1の上部から低温で密度の大きな純水が下降してく
る。このようにして、純水内に対流が発生し、これに伴
い密度の揺らぎが発生する。この密度の揺らぎは、純水
の流速に等しい速度で下流に移動してゆく。
【0011】一方、操作・表示部10により起動され、
発振動作を開始する発振器11は、水晶発振器などで構
成されており、2MHz 程度の安定した周波数の交流電
圧を発生する。発生された交流電圧は、増幅器12aで
増幅されて数W程度の交流電力となり、半導体スイッチ
などで構成される送受切り替えスイッチ13を通って送
受波器14に供給される。ここで、送受切替えスイッチ
13は、発振器11から出力される交流電圧を所定の閾
値Vthと比較することにより2値信号に変換する比較器
18aと、この比較器18aから出力される2値信号を
分周する分周器18bとによって構成される切り替え信
号発生部の出力のハイ/ローに応じて所定周期で送信側
と受信側とに交互に切り替えられる。この送受切り替え
の周期としては、反射された超音波の往復の伝播時間程
度の適宜な値に設定される。
【0012】送受波器14から放射される超音波は、導
波体3とパイプ1の管壁とを通して純水中に放射され、
上流の加熱器20によって発生され純水の流速に等しい
速度で移動してくる密度の揺らぎの界面においてその一
部が反射される。界面で反射された周波数シフトの生じ
た超音波は、上述した放射の経路と逆向きの経路を辿っ
て送受波器14に受信され、ここで電気信号に変換さ
れ、送受切り替えスイッチ13を通って増幅器12bで
増幅され、混合器15に供給される。
【0013】混合器15に供給された反射波の電気信号
は、発振器11から供給される電気信号と混合されて両
者の差周波数のビート信号に変換され、低域通過濾波回
路16を通して周波数カウンタ17に供給される。操作
・表示部19内のデータ処理部では、周波数カウンタ1
7から出力されるビート周波数のカウント値を流量や流
速に変換して表示部19に表示する。発振器11の発振
周波数、すなわち放射超音波の周波数がft、ビート周
波数がfb、静止状態にある純水中の超音波の伝播速度
がV、パイプ1の管軸と放射超音波のなす角度がθであ
れば、純水の流速vは、 v=(1/2cos θ)(fb/ft)・V と算定される。
【0014】更に、パイプ1の内径Dとすれば、流量Q
は、 Q=k(πD2 /4)v=k(πD2 /4)(1/2co
s θ)(fb/ft)・V と算定される。ただし、kは、流速が断面内で一様でな
いことに対する補正係数であり、パイプの内径や、流体
の粘度や流速に応じて1.0 の近傍の適宜な値に設定され
る。
【0015】ドップラー式超音波流量計の上流に設置す
る加熱器の他の例としては、図2に示すように、パイプ
1の底部に小径の分岐パイプ23を設け、その周りに電
気絶縁体24を介してニクロム線25を巻回した構成を
採用することもできる。この構成によれば、より小さな
消費電力のもとで大きな密度の揺らぎを純水中に発生さ
せることができる。
【0016】加熱器の更に他の例としては、図3の断面
図に示すように、数10ミリ秒乃至数秒の周期で超音波エ
ネルギーを供給して純水を断続的に加熱する形式を採用
することもできる。すなわち、パイプ1の上面にアダプ
ター28を介して曲面状の超音波振動子26を接着固定
し、この超音波振動子26に超音波電源27から100
KHz程度の交流電力を断続的に供給し、超音波振動子
26から放射される超音波をパイプ1の底部を流れる純
水に集中させて局部的に加熱する。この場合のパワー密
度は、気泡の発生を伴うキャビテーションの閾値以下の
値、例えば103 W/m2 程度の値に設定される。
【0017】このように超音波による加熱を採用する
と、パイプ内の底部に限らず、中心部などの所望の箇所
を集中的に加熱できるという利点がある。また、パイプ
の周辺部から熱を伝える場合に比べて遙に小さな時定数
のもとで純水中の所望の箇所に熱を伝達できるので、超
音波エネルギーの供給を流速に見合った適宜な周期、例
えば、上述のように数10ミリ秒乃至数秒の周期ででオン
/オフすることにより、流路の断面内の密度の揺らぎに
加えて流路方向沿う密度の揺らぎも生じさせることがで
きる。この結果、極めて小さな消費電力のもとで大きな
密度の揺らぎを純水中に生じさせることができる。
【0018】以上、パイプ底部の純水を局所的に加熱す
る構成を例示した。しかしながら、加熱箇所としては、
底部に限らず、超音波などを利用することによりパイプ
の中心部の純水など他の適宜な箇所を加熱する構成とし
てもよい。このように、純水を局部的に加熱することに
より、少ない消費電力のもとで大きな密度の揺らぎを発
生できるが、流量が小さくいため消費電力が問題となら
ない場合などには、パイプの周辺を均一に加熱する構成
としてもよい。
【0019】また、周波数カウンタを用いてビート周波
数を検出する構成を例示したが、このビート周波数を高
速フーリエ変換器(FFT)を用いて検出する構成とす
ることもできる。
【0020】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のド
ップラー式超音波流量測定装置は、ドップラー式超音波
流量計の上流に温度差に基づく密度の揺らぎを生じさせ
る加熱器を設置する構成であるから、異物が全く混在し
ない純水などの液体や、異物が殆ど混在しない高純度の
化学薬品などの液体についても、簡易・安価・高精度の
ドップラー式流量計や流速計を使用できるという効果が
奏される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のドップラー式超音波流量測
定装置の構成を示すブロック図である。
【図2】ドップラー式超音波流量計の上流に設置される
加熱器の他の構成例を示す断面図である。
【図3】ドップラー式超音波流量計の上流に設置される
加熱器の更に他の構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 測定対象の純水が流れるパイプ 10 ドップラー式超音波流量計 20 加熱器 21 ヒーター 23 分岐パイプ 25 ニクロム線 26 超音波振動子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−121769(JP,A) 特開 昭50−51373(JP,A) 特開 平1−138417(JP,A) 実開 昭63−35920(JP,U) 実開 平5−55071(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01F 1/66 103 G01P 5/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】流体の流量を測定するドップラー式超音波
    流量計と、 このドップラー式超音波流量計の上流に設置され、前記
    流体中に熱を伝達して温度差に基づく密度の揺らぎを生
    じさせる加熱器とを備えたことを特徴とするドップラー
    式超音波流量測定装置。
  2. 【請求項2】流体の流速を測定するドップラー式超音波
    流速計と、 このドップラー式超音波流速計の上流に設置され、前記
    流体中に熱を伝達して温度差に基づく密度の揺らぎを生
    じさせる加熱器とを備えたことを特徴とするドップラー
    式超音波流速測定装置。
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JP2005351771A (ja) 2004-06-10 2005-12-22 Tokyo Electric Power Co Inc:The 超音波キャビテーション発生装置およびドップラー式超音波流量計
JP6582368B2 (ja) * 2014-07-23 2019-10-02 東京電力ホールディングス株式会社 流量計測装置および流量計測方法

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