JPH06294670A - 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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JPH06294670A
JPH06294670A JP5106213A JP10621393A JPH06294670A JP H06294670 A JPH06294670 A JP H06294670A JP 5106213 A JP5106213 A JP 5106213A JP 10621393 A JP10621393 A JP 10621393A JP H06294670 A JPH06294670 A JP H06294670A
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JP
Japan
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ultrasonic
flow rate
liquid
doppler
current speed
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Application number
JP5106213A
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English (en)
Inventor
Kunio Murakami
邦雄 村上
Hajime Nishii
肇 西井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kaijo Corp
Original Assignee
Kaijo Corp
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Abstract

(57)【要約】 〔目的〕 純水や高純度の化学薬品など異物を全くある
いはほとんど含まない液体中で反射波を生じさせること
を可能にしたドップラー式超音波流量/ 流速測定装置を
提供する。 〔構成〕 液体の流量/ 流速を測定するドップラー式超
音波流量/流速計(10)と、この流量/流量測定計(10)の
上流に設置され、測定対象の液体中にキャビテーション
による気泡を発生させる超音波放射器(20)とを備える。

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わたって利
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
のベクトル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・低廉な回路構成のもとで高
精度の計測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、液体の流量/流速を測定するドッ
プラー式超音波流量/流速計と、このドップラー超音波
流量/流速計の上流に設置され、測定対象の液体中にキ
ャビテーションによる気泡を生じさせる超音波放射器と
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大きなエネルギー密度の
超音波を放射すると、キャビテーションによって気泡が
発生する。この気泡は液体の蒸気から成り、その音響イ
ンピーダンスが液体とは顕著に異なるため、液体中を伝
播する超音波にとっては顕著な異物として作用する。こ
の気泡は、漸次消滅しながら液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液体中
を伝播してきた超音波がこの気泡に衝突すると、気泡内
の音響インピーダンスが液体中とは顕著に異なるため
に、両者の界面においてほぼ完全に反射される。この気
泡は、ドップラー超音波流量計の下流において、液体へ
の伝熱の進行に伴う蒸気温度の低下につれて漸次消滅し
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超音波放射器
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。超音波放射器20
は、発振器21、大電力増幅器22及び超音波振動子2
3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の外周面上にプラスチックなど
の樹脂を素材とする導波体4が接着固定されており、こ
の導波体4の外周面に、超音波放射器20を構成する円
環状の超音波振動子23が接着固定されている。
【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、発振器11と2
1とを起動する。この発振器21は、LC発振器などで
構成されており、50KHz近傍の周波数の交流電圧を
発生する。この交流電圧は、大電力増幅器22で増幅さ
れ、数百W程度の大電力の交流電力として超音波振動子
23に供給される。超音波振動子23が発生した超音波
は、導波体4とパイプ1とを通って純水中に放射され
る。超音波振動子23は円環形状を呈していることか
ら、その円周方向の各部から放射された超音波は、この
円環の中心に向けて伝播する。
【0011】さらに、図示のように、超音波振動子23
は流路方向に湾曲しているため、この湾曲した各部から
放射された超音波も円環の中心に向けて伝播する。この
結果、放射された超音波が円環の中心に収束され、そこ
に強い振動エネルギー供給される。この供給パワー密度
が周波数に依存して定まる所定の閾値を越えると、キャ
ビテーションが発生し、これに伴い気泡が発生する。こ
のキャビテーション発生のパワー密度は、周波数50K
Hの近傍では103 W/m2 程度であることが知られて
いる。
【0012】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。
【0013】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、
上流の超音波放射器20によって発生され純水の流速に
等しい速度で移動する気泡によって反射される。気泡で
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。
【0014】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。
【0015】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。
【0016】以上、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。
【0017】
【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
流量計の上流にキャビテーションによる気泡を生じさせ
る超音波放射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。
【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 超音波放射器 23 超音波振動子

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】液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
    液体中にキャビテーションによる気泡を生じさせる超音
    波放射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】液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
    液体中にキャビテーションによる気泡を生じさせる超音
    波放射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。
JP5106213A 1993-04-08 1993-04-08 ドップラー式超音波流量/流速測定装置 Pending JPH06294670A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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