JP3193774B2 - 液体及び粒子の微小流速流を測定する装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高周波数超音波ドップ
ラー原理に基づいて、測定管中で液体と粒子の微小流速
流を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような超音波ドップラー流量測定器
は公知である（西独登録実用新案第8903288号；東独の
定期刊行物の「Messen, Steuern, Regeln」ベルリン、1
988年、５巻、232〜234頁；英国の定期刊行物「Medical
and Biological Engineering」1975年、59〜64頁参
照）。

【０００３】流れの中に、オリフィス板、タービンおよ
び類似の機械的手段を用いる他の測定法に比べて、超音
波ドップラー原理に基づいた流量測定法は介在物がない
ので、摩耗性のある（すなわち非常に硬質のとがった）
粒子、および接着剤のような高反応性の物質の流量測定
に特に適している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、超音波ドップ
ラー原理に基づいた流量測定法は、従来の方法、例えば
機械的測定器に比べて比較的不正確である。それ故に、
本発明の課題は超音波ドップラー原理に基づいた流量測
定法の正確度を向上させることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段、その作用、効果】この課
題は、特許請求の範囲第１項に記載の装置によって達成
される。その従属する特許請求の範囲には、本発明の有
利な実施態様が記載されている。

【０００６】液体などの流体のドップラー効果は、流体
内の粒子が、方向づけられた音線（sound ray）を反射
して周波数シフト、即ちドップラー周波数、を起こすこ
とに基づいており、これは、送信音波変換器と受信音波
変換器の間の粒子の相対運動に起因している。

【０００７】超音波ドップラー原理に基づいた流量測定
法の測定正確度が低くなる主な原因は、粒子による反射
によって干渉のためにパルスが消滅されることがあるか
らである。

【０００８】しかし、例えば２つの受信器を有する本発
明の装置は、たとえ第１と第２のミクサが干渉によって
出力信号を発することができなくなっても、第３のミク
サが信号を発する。干渉による信号の消滅が、両方の受
信器に同時に起こることは非常に少ないので、測定の正
確度が著しく高くなり、本発明の装置は従来、機械的装
置にしか見られなかったような測定精度に到達する。

【０００９】本発明の装置において、音波変換器は、測
定管の周囲の平面状外面に各々配置されている圧電発振
器ウェーハとして設計されたものが好ましい。

【００１０】圧電発振器ウェーハが位置している測定管
の平面状外面は、送信音波変換器からの主周波数の測定
管の縦軸に対する到達角（angle of arrival）で傾斜し
ている。測定管の内径によって到達角を変えることは有
利である。即ち、下記の条件式：

【数式１】 ５０ 到達角（度）＝―――――――±２０％（好ましくは１０％） １．０９^n-1 を設定することが有利であり、式中ｎはプリズム状測定
管の内壁の対向する２つの平面状表面間の距離（mm）、
および丸い管の内径（mm）を意味する。

【００１１】上記条件式は実験に基づいたものであり、
これにより、上記の２つの平面状表面の間の距離に対応
する最適到達角を求めると、例えば次の通りである。即
ち、１mmでは約50゜、３mmでは約40゜、６mmでは約30
゜、および８mmでは約25〜30゜である。

【００１２】この発明の装置は、粒子の微小流速流また
は低流量をmm/sの端数程度までまたは液体容量に基づけ
ばn1/s単位まで測定するのを目的とするものである。

【００１３】特に、本発明の装置は、低温にかわ、高温
にかわ、シアノアクリレート類、嫌気性接着剤類、ウレ
タンアクリレート接着剤類、ウレタンアクレート樹脂、
ポリウレタン類、エポキシ樹脂およびメタクリレート樹
脂のような接着剤の重量測定に使用することができる。
その他、ワックス、塗料およびラッカーの重量測定や油
類、グリース類および添加剤（例えば、腐蝕抑制剤）の
容量測定にも適している。

【００１４】本発明の装置のその他の主要な利用分野
は、特にセラミックおよびダイヤモンドの粒子のはんだ
ペーストおよびスラリーの容量測定である。

【００１５】例えば、シリコンウェーハの製造におい
て、後続操作段階（例えばチップ製造）が正確に実施で
きるように、最適の幾何学的寸法（表面研磨）が保持さ
れなければならない。従って、ウェーハはラッピング
（研磨）によって表面処理を受ける。ラップ盤には、硬
質粒子（通常ダイヤモンドまたはコランダム（鋼玉）の
微粒子）の水性スラリーで構成されたラッピング研磨材
が供給される。流量測定用の従来の機械的装置は、著し
く摩耗するため使用できないので、ラッピング研磨材の
供給量を正確に監視もしくは調節することは不可能であ
る。同様のことがホーニング、研削もしくはポリッシン
グのような他の精密表面加工法にも当てはまる。

【００１６】上記のように、ドップラー効果は、流体中
の粒子が音線を反射して送信音波変換器と受信音変波換
器との間の粒子の相対運動のために、方向づけられた音
線に周波数シフトを起こすことに基づいている。

【００１７】しかし、内径が小さい通常の管内では、反
射粒子は、管内中央部を流れるかまたは管の内壁に沿っ
て流れるかによって決定されるところの異なる速度で液
体流中を移動する。迷走粒子の流量が異なる主な理由
は、管の内壁と粒子保持液体の摩擦である。それ故に、
ドップラー効果で測定される信号スペクトルは、各種の
異なる周波数で構成され、測定される信号は比較的ブロ
ードで低くなり、従ってその信号対雑音比が低い。

【００１８】反射粒子に、管の断面について均一な速度
を与えることができれば、シャープな測定信号すなわち
線スペクトルが得られ、その結果小直径の管内の液体の
微小流速流を正確かつ高感度で測定できるであろう。

【００１９】超音波ドップラー原理に基づいて流量を測
定する場合、層流は速度が管内の中心で最大で管壁では
ゼロという放物線断面形状となる公知の速度分布形を形
成するので、ドップラー測定信号の鮮鋭度を損なう。従
って、測定管内の流量は、乱流を生じるように、すなわ
ちレイノルズ数が2300より大きく、特に4000より大きく
なるように調節しなければならない。測定領域内すなわ
ち超音波センサのサウンドローブ(sound lobe)の領域で
管内に均一な乱流を生成させるには、測定領域の前にこ
の領域と同じ内径を有する十分に長い先行経路を設置し
なければならない。従来、わかっていることであるが、
この先行経路の長さは管の直径の少なくとも10倍でなけ
ればならない。

【００２０】上記のように、本発明の装置の測定管の内
径は、比較的小さく、少なくとも超音波送信器のサウン
ドローブの領域で３mm以下が好ましい。

【００２１】測定管の内径が小さければ小さいほど、測
定チャネル定数すなわち分解能が大きくなる。例えば、
送信周波数が10 MHzの場合、測定ヘッドのチャネル定数
は５Hz/mm/sである。この定数は直径とは無関係であ
る。

【数式２】 測定管の内径が３mmの場合、ドップラー周波数は５ Hz/
mmであるが、内径が１mmの場合は50 Hz/mmである。ドッ
プラー周波数fDは、下記の式から得られる。

【数式３】 fD ＝ ２ｖfo ・ cos α ・ /CM 式中、 foは送信周波数。 αは到達角。 ｖは超音波ローブの領域における迷走粒子の流量。 CMは測定ヘッドにおける音速。 しかし、流速ｖは測定管の直径の２乗に反比例する。

【００２２】測定管の内壁が、弾性率が2500 MPaより大
で、表面エネルギーが200 mN/m（ミリニュートン/メー
トル）より小さいプラスチック製の場合に、シャープな
ドップラー測定信号が得られる。このような材料として
は、例えばポリオキシメチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ
メチルメタクリレート、アロイル−メチルメタクリレー
ト、ポリスルホン、ポリアセタール樹脂、ポリエチレン
テレフタレート、ポリカーボネート、エポキシ樹脂、ポ
リエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ
アミドイミド、ポリイミドまたはポリブチレンブチレン
テレフタレートがある。シャープなドップラー測定信号
を生成する測定管に用いるのに適切な材料は、ポリオキ
シメチレン（ＰＯＭ）であることが証明された。このＰ
ＯＭは弾性率が2500 MPa以上であり、表面エネルギーが
33 mN/mである。同時にＰＯＭは比較的耐摩耗性のプラ
スチック材料である。

【００２３】測定管は同心層構造のものでもよく、その
場合、外層は例えば鋼鉄製か、または弾性率が2000 MPa
より大きい他の材料製で、一方内層は表面エネルギーが
200mN/mより小さい材料で製造される。例えば、内部ラ
イニングはＰＶＦＤもしくはＰＴＦＥのようなフルオロ
カーボンポリマーまたはフルオロ炭化水素ポリマーであ
ってもよく、一方、外層は鋼鉄のような金属もしくはア
ルミナのようなセラミックまたはグラシーカーボン（gl
assy carbon）で製造される。フルオロカーボンポリマ
ーもしくはフルオロ炭化水素ポリマーもしくはポリエチ
レンの内部ライニングは、シアノアクリレート接着剤を
測定するのに用いられる測定管用として特に適切であ
る。

【００２４】測定管の内部断面積が小さいほど、表面エ
ネルギーの低いことが一層重要である。表面エネルギー
の作用は、実質的に１ミリメートルの10分のいくつかに
しか達しない。このことは、測定管の断面が10 mmより
大きい場合、表面エネルギーの重要性が減少するという
ことを意味する。同様のことが管壁の粗さにも当てはま
る。

【００２５】測定管は、内壁の表面エネルギーが低いこ
とと共に、弾性率（引っ張り弾性率）が少なくとも2500
MPa（2500 N/mm²）の材料製のものが決定的である。例
えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）は弾性率が
約3300 MPaで、鉄は約22000MPaである。

【００２６】内部ライニングは、層厚が0.5 mmを超えな
い場合、弾性率が2500 MPaより小さい材料、例えばポリ
エチレン、ポリプロピレンまたはパリレン（parylene）
製であってもよい。ポリテトラフルオロエチレンまたは
他のフルオロカーボンポリマーもしくはフルオロ炭化水
素ポリマー製の適切に薄い管を外層管内に挿入してもよ
い。

【００２７】プラスチック管およびプラスチックの内側
ライニングを有するプラスチック管は、摩耗性粒子の流
量測定には不適である。一方、金属管、例えば鉄管はシ
ャープなピークを有するスペクトルを得ることについて
言えば、同じ直径を有するプラスチック管よりは好まし
くない速度分布を有する。実験が示しているように、鉄
製測定管の内面をかなり努力して滑らかに磨いても、上
記のスペクトルは実質的に改善されることはない。市販
の熱間加工された鋼鉄管では、一層劣った結果が得られ
た。

【００２８】全く驚くべきことには、熱間加工ではなく
て冷間加工された鋼鉄製の測定管を使用すると、内径が
３mmより小さいか、または２mmより小さくてさえも、シ
ャープなピークを持ったスペクトルが得られることが分
かったのである。

【００２９】これは、おそらく冷間加工された鋼鉄は、
最初から熱間加工された鋼鉄よりも表面の粗さが低く、
鋼鉄内の結晶化構造が冷間加工、例えば冷間引抜加工に
よって熱間加工された鋼管の場合より、一層高度に破壊
されるからである。鋼鉄中の結晶は、方向づけられた高
周波超音波線の消滅を起こし、そのため高い「雑音」も
しくは干渉を起こして、利用性が劣るピークが生じる。
クロム−ニッケル鋼、特にＤＩＮ規格−材料第1.4301
号、第1.4305号および1.4571号に従った鋼鉄特性を有す
る鋼鉄製の冷間引抜管で、特に優れた結果が観察され
た。

【００３０】また測定管用の優れた材料としては、例え
ばZ.Werkstofftech.、15巻、331〜338頁、1984年に記載
されているグラシーカーボンがある。

【００３１】測定管は、リング形の支持体を貫通して伸
展することができる。その支持体上に圧電発振器ウェー
ハとして設計されている音波変換器を保持する平面状外
面が設けられている。支持体は同様に、少なくとも2500
MPaの弾性率を有する材料、例えばＰＭＭＡ、特にキャ
スト成型ＰＭＭＡで製造されたものが好ましい。さら
に、ＰＭＭＡは透明であるという利点があるので、リン
グ形支持体が測定管にしっかりと（例えば接着剤によっ
て）音響学的にカップリングされた形態で接続されてい
るか否かをチェックすることができる。

【００３２】測定管は断面が円形であってもよい。しか
し、円形断面は方向づけられた超音波線をいくらか分散
させるので、ドップラー信号のピークがブロードにな
り、すなわち信号対雑音が低くなる。このことは、単一
もしくは複数の層状送波信音変換器が管壁を通じて配置
されている平面状表面からの音線の経路の長さが、管壁
の曲面のために変化することが原因である。同じこと
が、管壁を通過して層状受信音波変換器が配置されてい
る単一もしくは複数の平面状表面に至る音線の経路にも
当てはまる。

【００３３】それ故に、プリズム形状断面すなわち長方
形もしくは六角形の断面を有する測定管の方が、円形断
面を有する測定管より好ましい。しかし、プリズム形状
断面を有する管の方が一般に高価である。

【００３４】長方形、特に正方形の断面の測定管内で
は、送信音波変換器は、一つの表面上に配置し、送信音
波変換器と並列する２つの受信音波変換器は、送信音波
変換器から90゜変位したプリズムの他の何れかの表面上
に配置すればよい。

【００３５】測定管の断面が六角形の場合は、送信音変
換器は、プリズムの１つの表面上に配置し、２つの受信
音波変換器は、送信音波変換器から120#変位した２つの
面上に配置ずればよい。

【００３６】流量は、120#以上の角度の隅よりも直角の
隅の方が大きく低下するので、六角形もしくは正八角形
の断面形状の測定管の方が長方形断面のものより好まし
い。

【００３７】本願において「送信音波変換器および受信
音波変換器」という用語が用いられる場合、両変換器は
同じ構造を有し、送信音波変換器もしくは受信音波変換
器として単に切り換えられるにすぎないということに留
意すべきである。従って、送信音波変換器は切り換えて
受信音波変換器にすることができ、またその逆も可能で
ある。

【００３８】流れの方向に沿ってまたは流れに対向して
これら音波変換器を共に心合わせ配置させることができ
るように、測定管は外側にくさび形の溝を設けてもよ
く、圧電発振器ウェーハがこれらの溝の対応する面の上
に配置される。プリズム形状断面を有する測定管内に
は、例えば圧電発振器ウェーハを管の対応する平面状外
表面上に配置するために、くさび形の部分を上記平面状
外表面に固定することが可能である。これらのくさび形
の部分は、同様に少なくとも2500 MPaの弾性率を有する
材料、すなわち、例えばＰＭＭＡ、特にキャスト成型Ｐ
ＭＭＡで製造されなければならない。

【００３９】

【実施例】本発明を下記の図面を参照して、より詳細に
説明する。図１によれば、液体流は矢印２の方向に測定
管１を通過流動する。測定管１には、リング形支持体４
で構成された測定点３が設けられ、この支持体４は測定
管１と同軸に配置され、図２に示すように、この支持体
４には圧電発振器ウェーハとして設計されている３つの
音波変換器５、６および７が配置されている。

【００４０】支持体４は円錐形であり、音波変換器５、
６および７は表面を円錐面に研磨した外表面８、９、10
の上に設置され120#ずつ変位している。送信音波変換器
として切り換えられた音波変換器５が外表面８の上に配
置され、受信音波変換器として切り換えられた音波変換
器６と７は外表面９と10の上に配置されている。この３
つの音波変換器５、６および７は、測定管１の１つの断
面内に位置している。

【００４１】例えば１〜20 MHzの送信周波数を有する高
周波数発振器１１は、増幅器１２で増幅され、送信音波
変換器５に送られる超音波送信周波数を与える。送信音
波変換器５から、超音波１３（主周波数）が、測定管の
縦軸14に対して到達角αで、流体内に流れの方向２に斜
めに放射される。測定管の内径ｄが６mmの場合、到達角
αとしては約30゜が好ましい。

【００４２】超音波13によって生成されたサウンドロー
ブ内の液体中に粒子が存在していると、超音波がその粒
子で反射され、反射された放射線15（受信周波数）は、
ドップラー効果のために周波数シフトを行っているが、
２つの受信音波変換器６、７によって電気信号に変換さ
れる。

【００４３】受信音波変換器６で生成された電気信号
は、主周波数と受信周波数の減算を行う第１ミクサ16に
送られ、第１差分信号すなわち第１ドップラー信号を提
供する。

【００４４】上記粒子によって反射され周波数シフトが
なされた放射線15は、第２受信音波変換器７で同時に検
出され、その音波変換器７は対応する電気信号を発して
第２ミクサ17に送り、このミクサ17では同様に主周波数
と受信周波数の減算が行われて第２ドップラー信号が生
成する。

【００４５】第１ミクサ16で生成された第１ドップラー
信号と第２ミクサ17で生成された第２ドップラー信号
は、第３ミクサ18に送られ、第３ミクサ18内では図３を
参照して以下に詳細に説明するように、第１ミクサ16と
第２ミクサ17からのドップラー信号がミキシングされ
る。

【００４６】図３において、ａは第１ミクサ16で生成さ
れたパルス列であり、ｂは第２ミクサ17で生成されたパ
ルス列である。パルス列ａとｂは、図３にa'およびb'と
して概略示すデジタル化した形態に変換されて第３ミク
サ18に送られる。振幅が干渉効果、例えば他の粒子で反
射される放射線によって、パルス列ｂから抹消されてい
る。

【００４７】第３ミクサ18は、デジタル化されたパルス
a'とb'が送られるパルス記憶装置19を備えている。次い
で、パルスa'とb'はミクサ20内でミキシングされる。１
つの振幅がパルス列b'の場合のように１つのパルス列か
ら消失しているか、または両方のパルス列から同時に消
失していることがパルス記憶装置19で確認された場合、
ミックスされた信号はパルスフィラ21に充填され、c'と
いう記号をつけて図３に示すパルス列を形成する。

【００４８】別の装置22は、少なくとも２つの振幅が、
両方のパルス列a'とb'内から同時に続けて消失するか否
かを確認する。これは流れがもはや動いておらず、すな
わち停止したことを意味する。

【００４９】このことは、以下の実施例が示すように、
ごく少量の液体を正確に測定するのに利用できる。波列
ａとｂによるドップラー信号の周波数は、例えば２つの
振幅の距離が１msの周波数である。すなわち、ドップラ
ー周波数を参照して流量がどのくらいの大きさかを確認
することができ、かつ２つの振幅が消失している場合、
流れが停止したことを２msの精度で述べることができ
る。従って、例えば持続時間が100 msより小さい流れパ
ルスを正確に検出することができる。それ故、例えば媒
体を小滴で放出し、電磁気で運転される計量ポンプを用
いる場合、本発明の装置でごく少量の液体を正確に測定
することができる。ミクサ18で形成された信号は、次い
で表示手段23に送られる。

【００５０】第１および／または第２のミクサ16、17で
与えられる信号は、同時に制御器24に送られ、この制御
器24はミクサ18からのパルス列c'の振幅に反比例するよ
うに増幅器12の出力強度を増幅する。このような制御器
24は、測定管１の直径が大きい場合、特に有利である。

【００５１】測定される液体中の気体の泡は、例えば接
着剤またははんだペーストがビーズとして加工物に塗布
され、このビーズが気体の泡で遮断される場合、著しい
障害になる。

【００５２】これを防止するために、第１ミクサ16と第
２ミクサ17をドップラー信号の周波数と振幅を検出する
アナライザー25と接続してもよい。このような気体の泡
からのドップラー信号は、特に高い振幅をもっている。
それ故に、高い振幅の場合、アナライザー25は、例えば
測定管１内の測定点３と排出末端との間に位置する液体
を、例えば廃棄物容器に送るアクチュエータを作動させ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様の超音波ドップラー測定装
置の測定管をブロック図で示す。

【図２】前記測定管の測定点の平面図を示す。

【図３】第３ミクサにおける信号のミキシングを示す。

【符号の説明】

１ 測定管 ２ 流れの方向 ５，６，７ 音波変換器 １６，１７，１８ ミクサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−114862（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−113974（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−49662（ＪＰ，Ａ) 米国特許4413531（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/66

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定管（１）内において液体及び粒子の
   微小流速流を高周波数超音波のドップラー原理に基づい
   て測定する装置であって、 少なくとも三器の音波変換器（５、６、７）を測定管
   （１）の周囲に分配させ、何れも一緒に流れの方向
   （２）に沿うか又は流れに対向した形で配向させ、且つ
   一器の音波発信器と二器の音波受信器として又は二器の
   音波発信器と一器の音波受信器として切り換えるよう適
   合せしめ、また二器のミクサ（16、17）を一器の音波発
   信器と二器の音波受信器の間又は二器の音波発信器と一
   器の音波受信器の間に接続して主周波数と受信周波数と
   の差分信号を生成せしめ、且つ第三ミクサ（18）を配設
   して、該第一ミクサ（16）の差分信号と第二ミクサ（1
   7）の差分信号から一つの出力信号を該第三ミクサに生
   成せしめるものである該装置において、該第三ミクサ(1
   8)が、該第一ミクサ(16)と該第二ミクサ(17)からのパル
   ス列a'とb'をその内部で相互に比較し、該パルスが前記
   した二器のミクサ(16、17)の内の少なくとも一器におい
   て消失した場合、該パルスを出力側で予め定めた最大値
   にまでパルス列(c')に充填することを特徴とする、前記
   装置。
2. 【請求項２】 測定管（１）が、圧電音波発振器ウェー
   ハとして設計された音波変換器（５、６、７）を配置す
   る平面状外表面（８、９、10）を有することを特徴とす
   る、請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 測定管（１）が、平面状外表面（８、
   ９、10）が設けられたリング形状支持体（４）を貫通し
   て伸展することを特徴とする、請求項２記載の装置。
4. 【請求項４】 測定管（１）が、プリズム状断面を有
   し、音波変換器（５、６、７）が、プリズムの各々異な
   る面の上に配置されることを特徴とする、請求項１また
   は２に記載の装置。
5. 【請求項５】 発信音波変換器（５）からの主周波数
   が、下記条件式： 【数式１】 到達角（α） ＝ ５０/(１．０９^n-1) ± ２０％ ｛式中、ｎは、測定管（１）の内径（mm）｝ に従って、測定管の縦軸（14）に対して一定の到達角
   （α）で液体内に放射されることを特徴とする、請求項
   １乃至４の内のいずれか一項に記載の装置。
6. 【請求項６】 測定管（１）の内径が、0.2 mm〜15mmで
   あることを特徴とする、請求項１乃至５の内のいずれか
   一項に記載の装置。
7. 【請求項７】 測定管（１）が、冷間加工された鋼鉄で
   製造されることを特徴とする、請求項１乃至６の内のい
   ずれか一項に記載の装置。
8. 【請求項８】 測定管（１）が、少なくとも内壁が200
   mN/m(ミリニュートン/メートル)より小さい表面エネル
   ギーを有する材料で製造されることを特徴とする、請求
   項１乃至７の内のいずれか一項に記載の装置。
9. 【請求項９】 第一ミクサ（16）と第二ミクサ（17）か
   らの消失パルスが予め決定された数を超えた場合、第三
   ミクサ（18）が、流れの停止を示すことを特徴とする、
   請求項１記載の装置。
10. 【請求項１０】 パルスの振幅を検出するためのアナラ
    イザー（25）が、設けられることを特徴とする、上記請
    求項１乃至９の内のいずれか一項に記載の装置。
11. 【請求項１１】 第一ミクサ（16）及び／又は第二ミク
    サ（17）からのパルスの振幅に従って単一もしくは複数
    の発信音波変換器（５）の出力強度を増幅するための制
    御器（24）が設けられることを特徴とする、上記請求項
    １乃至１０の内のいずれか一項に記載の装置。