JP5337917B1

JP5337917B1 - 超音波流量計

Info

Publication number: JP5337917B1
Application number: JP2013007298A
Authority: JP
Inventors: 貴史阿部; 俊朗小林; 祐二高橋; 正樹高本
Original assignee: Tokyo Keiso Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiso Co Ltd
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2033-01-18
Also published as: JP2014137332A

Abstract

【課題】管体に炭素樹脂を混入したフッ素樹脂を用いて、管体内を流れる流体の流量を精度良く検出する。
【解決手段】測定すべき流体Ｆが流れる管体１の上流側及び下流側の位置に、対となる超音波送受信器２ａ、２ｂが配置する。管体１には線膨張率を小さくするために炭素繊維を混入したＰＦＡが使用し、このような管体１の採用により、流体Ｆの温度が高温になっても管体１は変形し難く、測定精度の低下を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＦＡを管体に用いて、管体内を流れる流体の流量を測定する超音波流量計に関するものである。

流体Ｆが流れる管体外部の上流側と下流側に対となる超音波送受信器を配置し、管体の外側から管壁の一部を通過させて超音波パルス信号を流体の流れ内に送信する。超音波パルス信号が上流側から下流側に流体の流に順行して伝播する時間と、下流側から上流側に逆行して伝播する時間との関係から流体の流速を求め、この流速に管体の断面積を乗じて、管体内を流れる流体の流量を測定する時間差方式の超音波流量計が多く実用化されている。

半導体製造分野や薬品製造分野等で利用されているこのような超音波流量計においては、特許文献１に開示されているように、流体を流す金属製の管体の代りに、耐食性の強いフッ素系樹脂である例えばテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（以下ＰＦＡと云う）が採用されることがある。

しかし一般に、化学反応は環境や物質の温度が高いほど速く、半導体製造分野や薬品製造分野等では製造設備の効率を高めるために、近年ではできるだけ材料の反応温度を高める傾向にある。そして、これらの分野で使用される流量計についても、使用温度が次第に高くなってきており、最近では使用温度が２００℃を超えるような流量計の要望もある。

特開２０１２−２３００９５号公報

ＰＦＡは耐化学薬品性があり、射出成形による造形が可能である利点を持つ反面で、熱可塑性樹脂であるため、高温使用に適さず線膨張率もステンレスの６倍以上もあり、形状の安定性に欠ける短所がある。

ＰＦＡをそのまま管体に用いた超音波流量計においては、高温になると管体が柔らかくなって形状の安定性が保持できなくなる。超音波流量計の特性は、超音波送受信器間の距離つまり超音波パルス信号の伝播長や、管体の断面積に依存するため、高温になると管体の長さ径に変化が生じ測定誤差が発生する。また、ゼロ点のシフトも大きくなり、計測器として精度維持が困難になる。

半導体分野などで用いられる薬液用の超音波流量計の精度向上のためには、この温度問題の解決が課題となっている。また、通常のＰＦＡは体積抵抗率が高いことで静電気を蓄積して帯電する性質を持っている。この静電気の帯電は、計測器への影響、例えば回路素子の破壊が生じ易く、また可燃性ガスへの発火等の様々な問題を惹き起こす要因となっている。

また、近年の超音波流量計においては、電子回路技術の進歩に伴って高精度化が進んでいるが、更に高精度化を実現するには、超音波パルス信号の伝播時間をより正確に求める必要があり、伝播する超音波パルス信号を高いＳ／Ｎで検出することが重要となる。しかし、超音波パルス信号の一部は管体中を伝播し、不要な信号として他方の超音波送受信器で受信され、流体中を伝播してきた本来の超音波パルス信号と重畳して受信される。これらの信号は周波数が同じであるために、フィルタで分離することがなかなか困難であり、これも誤差要因となっている。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、管体の温度が高くなっても管体の変形が少なく良好な測定精度が得られ、管体中を直接伝播する超音波パルス信号を低減し、管体の帯電も少ない超音波流量計を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計は、管体内を流れる流体の上流側と下流側の管体の外側に対となる超音波送受信器を配置し、前記一方の超音波送受信器から流体中に超音波パルス信号を送信し、前記他方の超音波送受信器で受信することを交互に繰り返し、前記超音波パルス信号が前記流体の流れに順行して伝播する時間と流れに逆行して伝播する時間との関係から前記管体内の前記流体の流速を求め、該流速に対し前記管体の断面積を乗じて前記管体内を流れる流量を測定する時間差方式の超音波流量計において、前記管体は炭素繊維を混入することにより線膨張係数を小さくすると共に前記超音波パルス信号の伝播を低減したＰＦＡにより製作したことを特徴とする。

本発明に係る超音波流量計によれば、炭素繊維を混入したＰＦＡを管体に適用することにより、高温においても管体が変形し難いので測定精度の低下を防止でき、また管体を伝播する超音波パルス信号を低減でき、更には管体の帯電性も少ないので電気的な障害もなくなる。

実施例の超音波流量計の構成図である。変形例の超音波流量計の構成図である。管体中の炭素繊維の配向方向の説明図である。管体を複数枚のＰＦＡシートにより製造した場合の説明図である。

以下に、本発明を図示の実施例を基に詳細に説明する。
図１は実施例の超音波流量計の構成図である。測定すべき流体Ｆが流れる管体１の外側の長手方向の上流側及び下流側の対向位置には、一対の超音波送受信器２ａ、２ｂが配置されている。これらの超音波送受信器２ａ、２ｂは超音波パルス信号を伝播する測定管路長Ｌを隔てて配設されている。管体１には細かな炭素繊維を例えば約１０％混入したフッ素樹脂であるＰＦＡが使用されている。

近年では、炭素繊維を混入したＰＦＡが一般機械に使用され、十分な高温強度と寸法安定性が確保されるようになり、この炭素繊維入りのＰＦＡとしては、デュポン社ＶｅｓｐｅｌＣＲ−６１００が知られている。

例えば、遠心ポンプなどの技術分野では、ポンプ効率を高めるために高速で回転する羽根車や回転軸などの金属部品とケーシングとの隙間を、できるだけ小さくして、流体の漏れを少なくすることが求められ、ライナリング、シール、ブシュなどに用いられている。これらは過負荷などで一時的に過大変位した回転部品に触れても、かじり、焼き付きが生じないようにするために、自己潤滑性、耐摩耗性を有する炭素繊維を混入したＰＦＡが用いることがある。

このようなＰＦＡは、通常のＰＦＡが約１２０℃で軟化が始まるのに対して、２６０℃程度まで強度を保持できる特性を持っている。更に、線膨張率に異方性、つまり炭素繊維の配向によって特定方向にのみ線膨張率を変化させることが可能であり、線膨張率を特定方向に対して、通常のＰＦＡの例えば１／６程度とすることができる。

超音波流量計では、管体１中を流体Ｆが流れている状態で、超音波送受信器２ａ、２ｂから交互に一点鎖線で示す方向に超音波パルス信号が送信され、管体１内の流体Ｆを通過して管体１の反対側の他方の超音波送受信器２ｂ、２ａで受信される。そして、流体Ｆの流れに順行した場合と逆行した場合との超音波パルス信号の伝播時間を計測する。この伝播時間は測定管路長Ｌ間を流れる流体Ｆの流速Ｖに関係するので、管体１の断面積Ｓを乗ずる演算により、時間差方式で流量を求めることができる。

なお、図２に示すように、超音波送受信器２ａ、２ｂの配置を管体１の外側の径方向の対向位置とし、超音波パルス信号が管体１を斜めに横切るようにしてもよい。なお、このＺ字状の配置以外にも超音波パルス信号を、良く知られているようにＶ字状に管体１内の流体Ｆに伝播させることもできる。

ディメンションを考慮すると、超音波パルス信号の伝播距離は「長さ」の１乗であり、断面積は「長さ」の２乗であって、誤差論から云えば断面積の変化は伝播距離の変化の２倍であり、長さよりも径方向の変化の影響のほうが大きいので、径方向の変化を小さくするほうが誤差の減少には効果的である。

このように本実施例では、管体１に耐化学薬品性のあるフッ素樹脂のＰＦＡに炭素繊維を混入した繊維強化ＰＦＡを用いている。このことから、ＰＦＡの耐久温度は１２０℃から２６０℃程度までに改善され、かつ特性が所望な方向の線膨張率は１／６程度に低減され、ステンレスの線膨張率とほぼ同程度にまで改善できる。また、管体１中を伝播する不要な超音波パルス信号を炭素繊維によって減衰することができる。

また、炭素繊維は良好な熱伝導性を持つため、高温の流体Ｆによる測定回路素子への熱負荷の低減や、管体１の不均質な歪みを軽減する効果がある。

更に、管体１に導電性を有する炭素繊維を混入することにより、管体１の電気抵抗率を低減することができるため、静電気の帯電を減少することが可能となり、帯電による測定回路への影響、回路素子の破壊、また可燃性ガスへの発火等の対策が容易となる。

従って、高温での管体１の形状が安定し、超音波伝播経路、断面積の寸法変化も小さくなり、また、管体１中を伝播する超音波パルス信号のレベルが、流体Ｆを伝播する超音波パルス信号に対して十分に小さくなるので、Ｓ／Ｎを向上することができるため、測定精度は大幅に改善できる。

前述したように、管体１の変形が測定精度に影響を及ぼすのは、流量算出過程を考慮すれば、超音波送受信器２ａ、２ｂ間の超音波伝播距離と管体１の断面積Ｓであり、断面積Ｓの影響のほうが大きい。

従って、管体１が径方向に変化し難くすることが有効なので、混入する炭素繊維の配向は図３の点線で示すように、管体１の円周方向とすることが好適である。また、このように配向することにより、ノイズとなる超音波パルス信号が管体１中を管体１の長手方向に沿って進行することを阻止する意味においても望ましい。しかし、炭素繊維を管体１にランダムに配向しても管体１の変形が防止可能であることは勿論である。

また、図４に示すように炭素繊維の配向を特定方向とした複数枚のＰＦＡシート１ａ、１ｂ、１ｃを積層して、炭素繊維の配向が特定方向となる管体１を製造することができる。また、このようにして、炭素繊維の配向を円周方向に大きくした管体１を製造することが可能であり、管体１の温度上昇に対し特に径方向の変化が少ない管体１を得ることもできる。

管体１に炭素繊維を混入したＰＦＡを用いることにより、上述したように管体１は導電性を有することになり、静電対策が容易となる。更に、管体１及び超音波送受信器２ａ、２ｂを金属体により覆えば、防爆安全構造の実現も可能で、石油類を流体Ｆとする測定も容易となる。

なお、流体Ｆの性質によってはＰＦＡを侵食する場合もあるので、管体１の内側を防食性材料でコーティングしたり、肉薄の金属管を配することも有効である。

１管体
１ａ、1ｂ、１ｃＰＦＡシート
２ａ、２ｂ超音波送受信器
Ｆ流体

Claims

管体内を流れる流体の上流側と下流側の管体の外側に対となる超音波送受信器を配置し、前記一方の超音波送受信器から流体中に超音波パルス信号を送信し、前記他方の超音波送受信器で受信することを交互に繰り返し、前記超音波パルス信号が前記流体の流れに順行して伝播する時間と流れに逆行して伝播する時間との関係から前記管体内の前記流体の流速を求め、該流速に対し前記管体の断面積を乗じて前記管体内を流れる流量を測定する時間差方式の超音波流量計において、前記管体は炭素繊維を混入することにより線膨張係数を小さくすると共に前記超音波パルス信号の伝播を低減したＰＦＡにより製作したことを特徴とする超音波流量計。
前記炭素繊維の配向を特定方向として、前記フッ素樹脂の前記特定方向の線膨張率を小さくして前記管体の前記特定方向の変形を防止することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
前記炭素繊維は前記管体の円周方向に向けて配向し、前記管体の径方向の線膨張率を小さくしたことを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。
前記炭素繊維の配向が異なる複数枚の前記ＰＦＡのシートを積層して前記管体を製作し前記管体の特定方向の線膨張率を変化させたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の超音波流量計。
前記管体及び前記超音波送受信器を金属体により覆い防爆安全構造にしたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の超音波流量計。
前記管体の内面に防食性材料によりコーティングを施したことを特徴とする請求項１〜５の何れか１つの請求項に記載の超音波流量計。