KR20120030400A - 액체 압송설비의 이상 검출장치 및 방법, 이상 검출기능 부가의 초음파 유량계 - Google Patents

Abstract

액체중에 혼입된 기포를 정밀하게 검출하여 액체 압송설비의 이상을 정확하게 판정할 수 있는 이상 검출장치를 제공하는 것을 과제로 한다. 이상 검출장치(5)의 센서부(12)는, 액체 압송용 관로(2) 내의 액체(W1)중에 초음파를 전송시키는 동시에 그 초음파를 수신한다. 기포검출율 계수수단(26)은, 초음파의 수신 신호에 기초하여, 액체(W1)중에 포함되는 기포의 증감에 관한 데이터를 취득하고, 기포증감주기 연산수단(27)은, 그 데이터를 주파수 해석함으로써 기포의 증감주기를 구한다. 주기 비교수단(28)은, 벨로스 펌프(3)의 구동주기와 기포의 증감주기를 비교하고, 펌프 이상 판정수단(29)은, 그 비교 결과에 기초하여 액체 압송설비(1)의 이상을 판정한다.

Description

액체 압송설비의 이상 검출장치 및 방법, 이상 검출기능 부가의 초음파 유량계{DEVICE AND METHOD FOR DETECTING ABNORMALITY OF LIQUID PUMPING EQUIPMENT, AND ULTRASONIC FLOWMETER WITH ABNORMALITY DETECTING FUNCTION}

본 발명은, 주기적으로 압송하는 왕복동 펌프를 포함하는 액체 압송설비의 이상(異常)을, 초음파를 이용해서 검출하는 액체 압송설비의 이상 검출장치 및 방법, 이상 검출기능이 부가된 초음파 유량계에 관한 것이다.

종래, 반도체 제조공정에서 이용되는 세정약액 등의 순환 시스템에서는, 청정성이나 내약품성이 우수한 벨로스(bellows) 펌프가 사용되고 있다. 벨로스 펌프는, 벨로스를 신축시킴으로써 액체의 흡입과 토출을 행하는 펌프이다. 이 벨로스 펌프에서는, 벨로스가 신축을 반복함으로써 마모되어 파손된다고 하는 고장 모드의 발생 확률이 높고, 그 고장 모드를 조기에 검지할 필요가 있다. 벨로스 펌프에 있어서, 벨로스가 파손된 경우, 그 파손된 개소로부터 액체 중에 기포가 혼입되기 때문에, 액체중의 기포의 증가를 검지함으로써, 펌프 고장의 판정을 행함이 가능하다.

특허문헌 1 등에는, 초음파를 이용하여 액체중의 기포를 검출하는 기포 검출장치가 개시되어 있는데, 그 기포 검출장치를 이용하면, 펌프 고장시에 액체에 혼입된 기포를 검출할 수 있다. 구체적으로는, 특허문헌 1의 기포 검출장치에서는, 액체속을 전반(傳搬,이하, '전송'이라 함)된 초음파의 수신 레벨의 변동치와 저하 시간을 적산하고, 그 연산 결과에 기초하여 기포를 검출하고 있다. 또한, 특허문헌 2에 개시되어 있는 기포 검출시스템에서는, 초음파를 이용하여 도관 내를 통과하는 액체중의 기포의 수 및 체적을 경시(經時)적으로 검출한다. 그리고, 액체를 압송하는 롤러 펌프의 회전 주기와, 기포 개수의 최대치의 발현 주기가 일치한 경우에, 도관 내에 공기가 흡인되어 있는 것으로 판단한다.

일본특허 제4147583호 공보 일본공개특허 2005-46404호 공보

그런데, 액체중에 기체가 어느 정도 존재하는 상태에서 배관 내를 흐르고 있는 시스템에 있어서는, 벨로스의 파괴에 의하여 혼입된 기포와 종전부터 액체중에 존재하고 있던 기포의 판별이 어렵고, 종래의 기포 검출장치를 이용하여, 펌프 고장을 판정할 수 없다. 예를 들면, 특허문헌 2의 기포 검출시스템을 이용한 경우, 액체중에 대량의 기포가 혼입되면, 기포 개수의 최대치가 일정기간 계속해서 검출되어 버린다. 이 경우에는, 기포 개수의 최대치의 발현 주기를 정확하게 구할 수 없어, 펌프 고장을 정밀하게 검출할 수 없다.

본 발명은 상기의 과제를 감안하여 안출된 것이며, 그 목적은, 액체를 주기적으로 압송하는 왕복동 펌프를 포함해서 구성된 액체 압송설비에 있어서, 액체중에 혼입된 기포를 정밀하게 검출하여 액체 압송설비의 이상을 정확하게 판정할 수 있는 액체 압송설비의 이상 검출장치를 제공함에 있다. 또한, 다른 목적은, 액체의 유량을 계측하면서 그 액체중에 혼입된 기포를 정밀하게 검출하여 액체 압송설비의 이상을 정확하게 판정할 수 있는 이상 검출기능이 부가된 초음파 유량계를 제공함에 있다. 또한, 다른 목적은, 액체를 주기적으로 압송하는 왕복동 펌프를 포함하여 구성된 액체 압송설비에 있어서, 액체중에 혼입된 기포를 정밀하게 검출하여 액체 압송설비의 이상을 정확하게 판정할 수 있는 액체 압송설비의 이상 검출방법을 제공함에 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 수단 1에 기재된 발명은, 가동(可動) 부재의 왕복동에 의해 액체를 주기적으로 압송하는 왕복동 펌프를 포함하는 액체 압송설비의 이상을, 초음파를 이용해서 검출하는 장치로서, 상기 왕복동 펌프의 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 펌프 구동주기 취득수단과, 상기 왕복동 펌프에서의 액체 토출측 관로 또는 그에 접속된 액체 압송용 관로에 설치되고, 상기 관로 내의 액체중에 초음파를 전송시키는 동시에 그 초음파를 수신하는 센서부와, 상기 센서부가 수신한 초음파의 수신 신호에 기초하여, 상기 액체중에 포함되는 기포의 증감에 관한 데이터를 취득하는 기포검출 처리수단과, 상기 기포검출 처리수단이 취득한 데이터를 주파수 해석함으로써 상기 기포의 증감주기를 구하는 기포증감주기 연산수단과, 상기 왕복동 펌프의 구동주기와 상기 기포의 증감주기를 비교하고, 그들의 주기가 일치한 경우에 상기 액체 압송설비에 이상이 생긴 것으로 판정하는 이상 판정수단을 구비한 것을 특징으로 하는 액체 압송설비의 이상 검출장치를 그 요지로 한다.

수단 1에 기재된 발명에 의하면, 펌프 구동주기 취득수단에 의해, 왕복동 펌프의 구동주기에 관한 데이터가 취득된다. 또한, 왕복동 펌프에서의 액체 토출측 관로 또는 그에 접속된 액체 압송용 관로에 센서부가 설치되어 있으며, 그 센서부에 의해, 관로 내의 액체중에 초음파가 전송되는 동시에 그 초음파가 수신된다. 그리고, 센서부에서 수신된 초음파의 수신 신호에 기초하여, 기포검출 처리수단에 의해, 액체중에 포함되는 기포의 주기적인 증감에 관한 데이터가 취득되고, 기포증감주기 연산수단에 의해, 그 데이터를 주파수 해석함으로써 기포의 증감주기가 구해진다. 또한, 이상 판정수단에 의해, 왕복동 펌프의 구동주기와 기포의 증감주기가 비교된다. 여기서, 왕복동 펌프 등의 액체 압송설비가 고장나서 액체중에 기포가 혼입되는 경우, 펌프의 구동주기에 의해 기포의 혼입량이 증감한다. 따라서, 왕복동 펌프의 구동주기와 기포의 증감주기가 일치하는 경우에는, 왕복동 펌프 등의 고장에 의해 액체 압송설비에 이상이 발생된 것으로 판정할 수 있다. 이와 같이 이상 검출장치를 구성하면, 액체 압송설비의 관로를 흐르는 액체중에 상시 기포가 혼입되는 경우에서도, 펌프 고장 등에 의한 기포의 증감주기를 확실히 구할 수 있다. 그리고, 그 기포의 증감주기와 펌프의 구동주기의 비교 결과에 기초하여, 액체 압송설비의 이상을 정확하게 판정할 수 있다.

수단 2에 기재된 발명은, 수단 1에 있어서, 상기 관로 내에서의 상기 액체의 유량 또는 유속을 계측하는 계측수단을 더 구비하며, 상기 펌프 구동주기 취득수단은, 상기 계측수단이 계측한 상기 액체의 유량 또는 유속의 변동 상황에 기초하여 상기 왕복동 펌프의 상기 구동주기를 산출함으로써, 상기 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 것을 그 요지로 한다.

상기 왕복동 펌프는, 가동 부재가 왕복동함으로써 액체를 주기적으로 압송하는 펌프이기 때문에, 관로 내를 흐르는 액체의 유량 또는 유속은, 왕복동 펌프의 구동주기에 따라 변동한다.

따라서, 수단 2에 기재된 발명과 같이, 계측수단에 의해 관로 내를 흐르는 액체의 유량 또는 유속을 계측하고, 펌프 구동주기 취득수단에 의해 그 유량 또는 유속의 변동 상황에 기초하여 왕복동 펌프의 구동주기를 구할 수 있다.

수단 3에 기재된 발명은, 수단 2에 있어서, 상기 센서부는, 상기 관로 내에 있어서, 상기 액체의 흐름의 정방향 및 역방향으로 초음파를 전송시키는 동시에, 정방향으로 전송된 초음파와 역방향으로 전송된 초음파를 각각 수신하고, 상기 계측수단은, 상기 정방향으로 전송된 초음파의 전송시간과 상기 역방향으로 전송된 초음파의 전송시간의 차(差)로부터, 상기 액체의 유량 또는 유속을 계측하는 것을 그 요지로 한다.

수단 3에 기재된 발명에 의하면, 센서부에 의해, 액체의 흐름의 정방향으로 전송된 초음파와 역방향으로 전송된 초음파가 수신되며, 계측수단에 의해, 정방향으로 전송된 초음파의 전송시간과 역방향으로 전송된 초음파의 전송시간의 차로부터, 액체의 유량 또는 유속이 계측된다. 이와 같이, 기포 검출용의 센서부를 사용하여 유체의 유량을 계측함으로써, 기포 검출용의 센서부와, 유량계측용의 센서부를 따로따로 설치하는 경우와 비교하여, 부품 비용을 억제할 수 있다. 또한, 장치의 소형화를 도모할 수 있다.

수단 4에 기재된 발명은, 수단 1에 있어서, 상기 관로 내에서의 상기 액체의 압력을 검출하는 압력 계측수단을 더 구비하며, 상기 펌프 구동주기 취득수단은, 상기 압력 계측수단이 계측한 상기 액체의 압력의 변동 상황에 기초하여 상기 왕복동 펌프의 상기 구동주기를 산출함으로써, 상기 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 것을 그 요지로 한다.

상기 액체 압송설비에서는, 왕복동 펌프에 의해 액체가 압송되기 때문에, 관로 내를 흐르는 액체의 압력은 왕복동 펌프의 구동주기에 따라 변동한다. 따라서, 수단 4에 기재된 발명과 같이, 압력 계측수단에 의해 관로 내에서의 액체의 압력을 검출하여, 펌프 구동주기 취득수단에 의해 액체의 압력의 변동상황에 기초하여 왕복동 펌프의 구동주기를 구할 수 있다.

수단 5에 기재된 발명은, 수단 1에 있어서, 상기 가동 부재의 왕복동을 검출하는 위치 센서를 더 구비하며, 상기 펌프 구동주기 취득수단은, 상기 위치 센서가 검출한 왕복동 주기에 기초하여 상기 왕복동 펌프의 상기 구동주기를 산출함으로써, 상기 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 것을 그 요지로 한다.

상기 왕복동 펌프의 구동시에는, 가동 부재가 왕복동한다. 따라서, 수단 5에 기재된 발명과 같이, 위치 센서에 의해 가동 부재의 왕복동을 검출하여, 펌프 구동주기 취득수단에 의해 가동 부재의 왕복동 주기에 기초하여 왕복동 펌프의 구동주기를 구할 수 있다.

수단 6에 기재된 발명은, 수단 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서, 상기 기포검출 처리수단은, 소정 시간 내에서의 기포 검출율의 시계열 데이터를 취득하고, 상기 기포증감주기 연산수단은, 상기 시계열 데이터를 푸리에 변환(Fourier transform)함으로써 상기 기포의 증감주기를 구하는 것을 그 요지로 한다.

수단 6에 기재된 발명에 의하면, 기포검출 처리수단에 의해, 소정 시간 내에서의 기포 검출율의 시계열 데이터가 취득되고, 기포증감주기 연산수단에 의해, 그 시계열 데이터를 푸리에 변환함으로써 기포의 증감주기가 정확하게 구해진다.

수단 7에 기재된 발명은, 수단 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 상기 왕복동 펌프는, 상기 가동 부재로서의 벨로스를 소정의 구동주기로 신축시킴으로써 상기 액체를 압송하는 벨로스 펌프이며, 상기 이상 판정수단은, 상기 벨로스의 구동주기와 상기 기포의 증감주기의 비교 결과에 기초하여, 상기 벨로스에서의 이상 발생을 판정하는 것을 그 요지로 한다.

수단 7에 기재된 발명에 의하면, 가동 부재로서의 벨로스를 소정의 구동주기로 신축시킴으로써, 액체를 압송하는 벨로스 펌프가 이용된다. 벨로스 펌프는, 청정성이나 내약품성이 우수한 왕복동 펌프이지만, 장기간 사용하면 벨로스가 신축을 반복함으로써 마모되어 파손된다. 그리고, 벨로스가 파손된 개소로부터 액체중에 기포가 혼입된다. 이 경우, 이상 판정수단에 의해, 벨로스 펌프의 구동주기와 기포의 증감주기의 비교 결과에 기초하여, 벨로스에서의 이상 발생을 정확하게 판정할 수 있다.

수단 8에 기재된 발명은, 가동 부재의 왕복동에 의해 액체를 주기적으로 압송하는 왕복동 펌프를 포함하는 액체 압송설비의 이상을, 초음파를 이용하여 검출하는 기능을 부여한 초음파 유량계로서, 상기 왕복동 펌프의 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 펌프 구동주기 취득수단과, 상기 왕복동 펌프에서의 액체 토출측 관로 또는 그에 접속된 액체 압송용 관로에 설치되며, 상기 관로 내의 액체중에 초음파를 전송시키는 동시에 그 초음파를 수신하는 센서부와, 상기 센서부가 수신한 초음파의 수신 신호에 기초하여, 상기 액체중에 포함되는 기포의 증감에 관한 데이터를 취득하는 기포검출 처리수단과, 상기 기포검출 처리수단이 취득한 데이터를 주파수 해석함으로써 상기 기포의 증감주기를 구하는 기포증감주기 연산수단과, 상기 왕복동 펌프의 구동주기와 상기 기포의 증감주기를 비교하여, 그들 주기가 일치한 경우에 상기 액체 압송설비에 이상이 발생된 것으로 판정하는 이상 판정수단을 구비한 것을 특징으로 하는 이상 검출기능이 부가된 초음파 유량계를 그 요지로 한다.

수단 8에 기재된 발명에 의하면, 펌프 구동주기 취득수단에 의해, 왕복동 펌프의 구동주기에 관한 데이터가 취득된다. 또한, 왕복동 펌프에서의 액체 토출측 관로 또는 그에 접속된 액체 압송용 관로에 센서부가 설치되어 있으며, 그 센서부에 의해, 관로 내의 액체중에 초음파가 전송되는 동시에 그 초음파가 수신된다. 그리고, 센서부에서 수신된 초음파의 수신 신호에 기초하여, 기포검출 처리수단에 의해, 액체중에 포함되는 기포의 주기적인 증감에 관한 데이터가 취득되며, 기포증감주기 연산수단에 의해, 그 데이터를 주파수 해석함으로써 기포의 증감주기가 구해진다. 또한, 이상 판정수단에 의해, 왕복동 펌프의 구동주기와 기포의 증감주기가 비교된다. 그리고, 왕복동 펌프의 구동주기와 기포의 증감주기가 일치하는 경우, 왕복동 펌프 등의 고장에 의해 액체 압송설비에 이상이 발생된 것으로 판정된다. 이와 같이 초음파 유량계를 구성하면, 액체 압송설비의 관로를 흐르는 액체중에 상시 기포가 혼입되어 있는 경우에도, 펌프 고장 등에 의한 기포의 증감주기를 확실히 구할 수 있다. 그리고, 기포의 증감주기와 펌프의 구동주기의 비교결과에 기초하여, 액체 압송설비의 이상을 정확하게 판정할 수 있다. 또한, 이 초음파 유량계에서는, 액체의 유량을 측정하면서 액체 압송설비의 이상을 감시할 수 있기 때문에, 이상 검출장치를 별도로 설치하는 경우와 비교해서, 설치 공간을 삭감함이 가능하게 된다.

수단 9에 기재된 발명은, 수단 8에 있어서, 상기 관로 내에서의 상기 액체의 유량 또는 유속을 계측하는 계측수단을 더 구비하며, 상기 펌프 구동주기 취득수단은, 상기 계측수단이 계측한 상기 액체의 유량 또는 유속의 변동 상황에 기초하여 상기 왕복동 펌프의 상기 구동주기를 산출함으로써, 상기 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 것을 그 요지로 한다.

수단 9에 기재된 발명에 의하면, 계측수단에 의해 관로 내를 흐르는 액체의 유량 또는 유속이 계측되며, 펌프 구동주기 취득수단에 의해 그 유량 또는 유속의 변동 상황에 기초하여 왕복동 펌프의 구동주기가 구해진다. 이와 같이, 초음파 유량계의 유량계측기능을 사용하여 왕복동 펌프의 구동주기를 구하는 경우, 그 구동주기를 취득하기 위한 수단을 액체 압송설비측에 마련할 필요가 없어, 실용상 바람직하게 된다.

수단 10에 기재된 발명은, 수단 9에 있어서, 상기 센서부는, 상기 관로 내에서, 상기 액체의 흐름의 정방향 및 역방향으로 초음파를 전송시키는 동시에, 정방향으로 전송된 초음파와 역방향으로 전송된 초음파를 각각 수신하고, 상기 계측수단은, 상기 정방향으로 전송된 초음파의 전송시간과 상기 역방향으로 전송된 초음파의 전송시간의 차로부터, 상기 액체의 유량 또는 유속을 계측하는 것을 그 요지로 한다.

수단 10에 기재된 발명에 의하면, 센서부에 의해, 액체의 흐름의 정방향으로 전송된 초음파와 역방향으로 전송된 초음파가 수신되며, 계측수단에 의해, 정방향으로 전송된 초음파의 전송시간과 역방향으로 전송된 초음파의 전송시간의 차로부터, 액체의 유량 또는 유속이 계측된다. 이와 같이, 공통의 센서부를 사용하여 기포검출과 유량계측을 행함으로써, 기포검출용 센서부와 유량계측용 센서부를 따로따로 설치하는 경우와 비교해서, 부품 비용을 억제할 수 있다. 또한, 초음파 유량계의 소형화를 도모할 수 있다.

수단 11에 기재된 발명은, 수단 8에 있어서, 상기 관로 내에서의 상기 액체의 압력을 검출하는 압력 계측수단을 더 구비하며, 상기 펌프 구동주기 취득수단은, 상기 압력 계측수단이 계측한 상기 액체의 압력의 변동 상황에 기초하여 상기 왕복동 펌프의 상기 구동주기를 산출함으로써, 상기 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 것을 그 요지로 한다.

수단 11에 기재된 발명에 의하면, 압력 계측수단에 의해 관로 내에서의 액체의 압력이 검출되며, 펌프 구동주기 취득수단에 의해 액체의 압력의 변동 상황에 기초하여 왕복동 펌프의 구동주기가 구해진다.

수단 12에 기재된 발명은, 수단 8에 있어서, 상기 가동 부재의 왕복동을 검출하는 위치 센서를 더 구비하며, 상기 펌프 구동주기 취득수단은, 상기 위치 센서가 검출한 왕복동 주기에 기초하여 상기 왕복동 펌프의 상기 구동주기를 산출함으로써, 상기 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 것을 그 요지로 한다.

수단 12에 기재된 발명에 의하면, 위치 센서에 의해 가동 부재의 왕복동이 검출되며, 펌프 구동주기 취득수단에 의해 가동 부재의 왕복동 주기에 기초하여 왕복동 펌프의 구동주기가 구해진다.

수단 13에 기재된 발명은, 수단 8 내지 12 중 어느 하나에 있어서, 상기 기포검출 처리수단은, 소정 시간 내에서의 기포 검출율의 시계열 데이터를 취득하고, 상기 기포증감주기 연산수단은, 상기 시계열 데이터를 푸리에 변환함으로써 상기 기포의 증감주기를 구하는 것을 그 요지로 한다.

수단 13에 기재된 발명에 의하면, 기포검출 처리수단에 의해, 소정 시간 내에서의 기포 검출율의 시계열 데이터가 취득되며, 기포증감주기 연산수단에 의해, 그 시계열 데이터를 푸리에 변환함으로써 기포의 증감주기가 정확하게 구해진다.

수단 14에 기재된 발명은, 수단 8 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 상기 왕복동 펌프는, 상기 가동 부재로서의 벨로스를 소정의 구동주기로 신축시킴으로써, 상기 액체를 압송하는 벨로스 펌프이며, 상기 이상 판정수단은, 상기 벨로스의 구동주기와 상기 기포의 증감주기의 비교 결과에 기초하여, 상기 벨로스에서의 이상 발생을 판정하는 것을 그 요지로 한다.

수단 14에 기재된 발명에 의하면, 가동 부재로서의 벨로스를 소정의 구동주기로 신축시킴으로써, 액체를 압송하는 벨로스 펌프가 이용된다. 벨로스 펌프에 있어서, 벨로스가 마모되어 파손된 경우, 이상 판정수단에 의해, 벨로스의 구동주기와 기포의 증감주기의 비교 결과에 기초하여, 벨로스에서의 이상 발생을 정확하게 판정할 수 있다.

수단 15에 기재된 발명은, 가동 부재의 왕복동에 의해 액체를 주기적으로 압송하는 왕복동 펌프를 포함하는 액체 압송설비의 이상을, 초음파를 이용해서 검출하는 방법으로서, 상기 왕복동 펌프의 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 스텝과, 상기 왕복동 펌프에서의 액체 토출측 관로 또는 그에 접속된 액체 압송용 관로의 내부를 흐르는 액체중에 초음파를 전송시키는 동시에 그 초음파를 수신하는 스텝과, 수신한 초음파의 수신 신호에 기초하여, 상기 액체중에 포함되는 기포의 증감에 관한 데이터를 취득하는 스텝과, 취득한 상기 데이터를 주파수 해석함으로써 상기 기포의 증감주기를 구하는 스텝과, 상기 왕복동 펌프의 구동주기와 상기 기포의 증감주기를 비교하여, 그들 주기가 일치한 경우에 상기 액체 압송설비에 이상이 발생된 것으로 판정하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 압송설비의 이상 검출방법을 그 요지로 한다.

수단 15에 기재된 발명에 의하면, 왕복동 펌프의 구동주기에 관한 데이터가 취득된다. 또한, 왕복동 펌프에서의 액체 토출측 관로 또는 그에 접속된 액체 압송용 관로 내의 액체중에 초음파가 전송되는 동시에 그 초음파가 수신되며, 그 초음파의 수신 신호에 기초하여, 액체중에 포함되는 기포의 주기적인 증감에 관한 데이터가 취득된다. 그리고, 그 데이터를 주파수 해석함으로써 기포의 증감주기가 구해진다. 이와 같이 하면, 액체 압송설비의 관로를 흐르는 액체중에 상시 기포가 혼입되어 있는 경우에도, 펌프 고장 등에 의한 기포의 증감주기를 확실히 구할 수 있다. 그리고, 그 기포의 증감주기와 펌프의 구동주기의 비교 결과에 기초하여, 액체 압송설비의 이상을 정확하게 판정할 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 수단 1 내지 7에 기재된 발명에 의하면, 액체중에 혼입된 기포를 정밀하게 검출하고 액체 압송설비의 이상을 정확하게 판정할 수 있는 액체 압송설비의 이상 검출장치를 제공할 수 있다.

또한, 수단 8 내지 14에 기재된 발명에 의하면, 액체의 유량을 계측하면서 그 액체중에 혼입된 기포를 정밀하게 검출하여 액체 압송설비의 이상을 정확하게 판정할 수 있는 이상 검출기능이 부가된 초음파 유량계를 제공할 수 있다.

또한, 수단 15에 기재된 발명에 의하면, 액체중에 혼입된 기포를 정밀하게 검출하여 액체 압송설비의 이상을 정확하게 판정할 수 있는 액체 압송설비의 이상 검출방법을 제공할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태의 액체 압송설비를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 기포의 유무에 따른 초음파의 신호 파형을 나타내는 설명도이다.
도 3은 기포 검출율의 시계열 데이터를 나타내는 타임 차트이다.
도 4는 주파수 해석 결과를 나타내는 설명도이다.
도 5는 기포 검출율의 시계열 데이터를 나타내는 타임 차트이다.
도 6은 주파수 해석 결과를 나타내는 설명도이다.
도 7은 제2 실시 형태의 액체 압송설비를 나타내는 개략 구성도이다.
도 8은 유량의 맥동주기를 나타내는 타임 차트이다.
도 9는 주파수 해석 결과를 나타내는 설명도이다.
도 10은 제3 실시 형태의 액체 압송설비를 나타내는 개략 구성도이다.
도 11은 다른 실시 형태의 기포 검지 센서부를 나타내는 단면도이다.
도 12는 다른 실시 형태의 액체 압송설비를 나타내는 개략 구성도이다.
도 13은 다른 실시 형태의 액체 압송설비를 나타내는 개략 구성도이다.

［제1 실시 형태］

이하, 본 발명을 액체 압송설비로 구체화한 제1 실시 형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 아울러, 본 실시 형태의 액체 압송설비는, 반도체 제조라인에 있어서 액체(W1)(예를 들면, 세정 약액)를 공급하기 위해 사용된다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 액체 압송설비(1)는, 액체(W1)를 공급하기 위한 액체 압송용 관로(2)와, 그 액체 압송용 관로(2)에 접속되는 벨로스 펌프(3)(왕복동 펌프)와, 벨로스 펌프(3)를 구동하는 펌프 구동장치(4)와, 벨로스 펌프(3)의 이상을 검출하기 위한 이상 검출장치(5)를 구비하고 있다.

벨로스 펌프(3)는, 액체 흡입측 관로(6a) 및 액체 토출측 관로(6b)가 설치된 펌프 헤드(7)와, 가동 부재로서의 벨로스(8)를 구비한다. 벨로스 펌프(3)에 있어서, 펌프 헤드(7)의 액체 흡입측 관로(6a)는, 도시하지 않은 액체 저장탱크 등의 액체 공급원에 접속되어 있으며, 액체 토출측 관로(6b)가 액체 압송용 관로(2)에 접속되어 있다. 벨로스 펌프(3)는, 벨로스(8)를 소정의 구동주기로 신축시킴으로써 액체(W1)를 액체 압송용 관로(2)에 압송한다.

펌프 구동장치(4)는, 인버터 제어에 의해서 벨로스 펌프(3)의 구동주기를 제어하는 주파수 제어부(9)와, 벨로스 펌프(3)의 구동주기에 따른 주파수 신호를 출력하는 주파수 출력부(10)를 포함한다.

이상 검출장치(5)는, 펌프 구동주기 계측부(11)와, 기포 검지 센서부(12)와, 기포 검지 제어부(13)와, 기포 검지 연산부(14)와, 이상 경보 출력부(15)를 구비한다.

펌프 구동주기 계측부(11)(펌프 구동주기 취득수단)는, 주파수 출력부(10)로부터 출력된 주파수 신호를 취하여, 벨로스 펌프(3)의 구동주기를 계측한다. 그리고, 펌프 구동주기 계측부(11)는, 그 구동주기에 관한 데이터를 기포 검지 연산부(14)에 출력한다.

기포 검지 센서부(12)는, 초음파를 송수신하기 위한 초음파 송신기(17) 및 초음파 수신기(18)를 구비하며, 초음파 송신기(17) 및 초음파 수신기(18)는, 액체 압송용 관로(2)를 사이에 두고 대향하도록 그 액체 압송용 관로(2)의 측벽에 고정되어 있다. 기포 검지 센서부(12)에 있어서, 초음파 송신기(17)는, 액체 압송용 관로(2) 내를 흐르는 액체(W1)중에 초음파를 송신하고, 초음파 수신기(18)는, 그 액체(W1)중으로 전송된 초음파를 수신한다. 아울러, 본 실시 형태에 있어서, 초음파 송신기(17) 및 초음파 수신기(18)가 송수신하는 초음파는, 예를 들면 3MHz의 주파수이다.

기포 검지 제어부(13)는, 초음파 송신회로(21), 초음파 수신회로(22), 및 타이머(23)를 구비하고, 기포 검지 센서부(12)에서의 초음파의 송수신 타이밍을 제어한다. 구체적으로는, 초음파 송신회로(21)는, 타이머(23)에서 계측되는 소정 기간(예를 들면, 10초) 내에서, 정기적(예를 들면, 100μs마다)으로 송신 신호를 초음파 송신기(17)에 출력한다. 이 송신 신호에 기초하여 초음파 송신기(17)가 구동되고 초음파가 출력된다. 그리고, 초음파 수신기(18)에서 초음파가 수신되며, 그 수신 신호가 초음파 수신기(18)로부터 초음파 수신회로(22)에 출력된다. 초음파 수신회로(22)는, 신호 증폭회로를 포함하여, 초음파의 수신 신호를 증폭해서 기포 검지 연산부(14)에 출력한다.

기포 검지 연산부(14)는, 수신감도 계측수단(24), 기포유무 판정수단(25), 기포검출율 계수수단(26), 기포증감주기 연산수단(27), 주기 비교수단(28), 및 펌프 이상 판정수단(29)을 구비하고 있다. 기포 검지 연산부(14)는, CPU, ROM, RAM 등으로 이루어지는 주지의 컴퓨터에 의해 구성되어 있으며, 기포 검지 연산부(14)의 각 수단(24 내지 29)은, CPU가 갖는 연산 처리 기능을 이용하여 실현된다.

이하, 기포 검지 연산부(14)의 각 수단(24 내지 29)이 실행하는 처리에 대하여 상세히 설명한다. 먼저, 수신감도 계측수단(24)은, 초음파의 수신 신호의 신호 강도를 계측하고, 기포유무 판정수단(25)은, 그 신호 강도에 기초하여 기포의 유무를 판정한다. 구체적으로는, 초음파의 송수신시에 있어서, 초음파의 전송 경로로 되는 액체(W1)중에 기포가 존재하는 경우, 그 기포에서 초음파가 감쇠한다. 이 때문에, 도 2에 나타내는 바와 같이, 초음파 수신기(18)를 통해 초음파 수신회로(22)에서 수신되는 초음파(So)의 신호 파형(도 2에서는 일점쇄선으로 나타내는 파형)의 진폭은 작아진다. 한편, 액체(W1)중에 기포가 존재하지 않는 경우에는, 액체(W1)중으로 초음파가 효율적으로 전송되기 때문에, 초음파 수신회로(22)에서 수신되는 초음파(So)의 신호 파형(도 2에서는 실선으로 나타내는 파형)의 진폭이 커진다.

수신감도 계측수단(24)은, 초음파(So)의 신호 파형의 피크치(P1)를 수신 신호의 신호 강도로서 계측한다. 그리고, 기포유무 판정수단(25)은, 수신 신호의 신호 강도를 소정의 문턱치(Pt)와 비교하여, 신호 강도가 문턱치(Pt)보다 작으면 기포가 있다고 판정하고, 신호 강도가 문턱치(Pt)보다 크면 기포가 없다고 판정한다. 아울러, 여기서, 기포의 사이즈가 클수록, 수신되는 신호 강도는 작아지며, 기포의 사이즈가 작을수록, 신호 강도는 커진다. 따라서, 기포유무 판정수단(25)이 판정하는 문턱치(Pt)에 의해, 기포 검출시에 무시하는 기포의 사이즈를 임의로 설정할 수 있다.

기포검출율 계수(計數)수단(26)(기포검출 처리수단)은, 일정시간(10msec 동안)내에서, 기포유무 판정수단(25)에 의한 복수 회(100회)의 판정 결과에 기초하여, 기포가 없다고 판정된 횟수를 카운트한다. 그리고, 기포검출율 계수수단(25)은, 10msec의 시간간격마다의 시계열 데이터(데이터 범위는 0~100)를 기포 검출율의 데이터(기포의 증감에 관한 데이터)로서 생성하여 기포증감주기 연산수단(27)에 출력한다. 아울러, 도 3에는, 기포 검출율의 시계열 데이터의 취득예를 나타내고 있다. 여기서는, 벨로스(8)가 파손된 벨로스 펌프(3)를 이용하여, 2초의 구동주기로 벨로스(8)를 구동시킨 상태에서 기포 검출율을 측정하였다.

기포증감주기 연산수단(27)은, 소정 기간(10초간) 내에서, 기포 검출율의 시계열 데이터를 기포검출율 계수수단(26)으로부터 취득하여, 그들의 시계열 데이터를 주파수 해석(구체적으로는, 푸리에 변환)함으로써, 기포의 증감주기를 구한다. 도 4에는, 도 3의 시계열 데이터를 이용하여 주파수 해석을 행한 해석결과를 나타내고 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 최초의 극대점은 0.5Hz이며, 다른 극대점이 1.0Hz, 1.5Hz, 2.0Hz,…에 존재하므로, 기포증감의 주파수는 0.5Hz이며, 기포의 증감주기는 2초로 된다.

주기 비교수단(28)은, 펌프 구동주기 계측부(11)로부터 벨로스 펌프(3)의 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 동시에, 기포증감주기 연산수단(27)으로부터 기포의 증감주기에 관한 데이터를 취득하여, 벨로스 펌프(3)의 구동주기와 기포의 증감주기를 비교한다. 펌프 이상 판정수단(29)은, 주기 비교수단(28)의 비교 결과에 기초하여, 벨로스 펌프(3)의 구동주기와 기포의 증감주기가 일치하지 않는 경우, 벨로스 펌프(3)의 동작이 정상이라고 판정한다. 한편, 벨로스 펌프(3)의 구동주기와 기포의 증감주기가 일치하는 경우에는, 벨로스 펌프(3)가 고장나서 벨로스(8)로부터 기포가 혼입되어 있는 것으로 판정하고, 펌프 고장을 통지하기 위한 고장 신호를 이상 경보 출력부(15)에 출력한다. 그리고, 이상 경보 출력부(15)는, 경고 램프나 부저 등의 경보 장치를 구동하여 펌프 고장을 통지한다. 또한, 이상 경보 출력부(15)는, 펌프 구동장치(4)에 대해 정지 신호를 출력하여, 벨로스 펌프(3)의 동작을 정지시킨다.

또한, 본 발명자는, 벨로스 펌프(3)의 구동주기를 짧게 하고 기포의 혼입량을 많이 한 상태에서, 이상 검출장치(5)의 동작을 확인하였다. 아울러, 도 5에는, 기포검출율 계수수단(26)에서 계측된 기포 검출율의 시계열 데이터를 나타내고, 도 6에는, 기포증감주기 연산수단(27)에 의한 주파수 해석 결과를 나타내고 있다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 벨로스 펌프(3)의 구동주기를 짧게 함으로써, 액체(W1)중에 기포가 혼입되는 빈도가 높아지기 때문에, 기포가 없다고 판정되는 카운트 수는 작게 된다. 이 시계열 데이터로부터 기포의 증감주기를 판별하는 것은 어렵지만, 그 시계열 데이터를 주파수 해석함으로써, 도 6에 나타내는 바와 같이, 데이터의 극대점의 주파수(약 1.3Hz)에 기초하여, 기포의 증감주기(약 0.8초)를 용이하게 판정함이 가능하게 된다.

따라서, 본 실시 형태에 의하면 이하의 효과를 얻을 수 있다.

(1) 본 실시 형태의 이상 검출장치(5)에서는, 기포 검출율의 시계열 데이터가 취득되며, 시계열 데이터를 주파수 해석(푸리에 변환)함으로써, 기포의 증감주기가 구해진다. 이와 같이 하면, 액체(W1)중에 대량의 기포가 혼입된 경우라도, 기포의 증감주기를 정확하게 구할 수 있다. 그리고, 그 기포의 증감주기와 벨로스 펌프(3)의 구동주기가 비교되어, 그들 주기가 일치하는 경우에는, 벨로스(8)가 파손되어 벨로스 펌프(3)에 이상이 발생됨을 판정할 수 있다. 이와 관련하여, 특허문헌 2에 개시되어 있는 종래의 기포 검출시스템을 이용하는 경우, 도 5와 같이 대량의 기포가 액체(W1)중에 혼입되면, 기포 개수의 최대치(기포 없음의 카운트 수가 0)로 되는 상태가 계속된다. 이 때문에, 기포 개수의 최대치의 발현주기를 정확하게 구할 수 없고, 펌프 고장을 정밀하게 검출할 수 없다. 이에 대해, 본 실시 형태의 이상 검출장치(5)를 이용하면, 기포의 혼입량에 관계없이, 펌프 고장에 따른 기포의 증감주기를 정확하게 구할 수 있어, 펌프 고장을 정밀하게 검출할 수 있다.

(2) 본 실시 형태의 이상 검출장치(5)에서는, 벨로스 펌프(3)의 이상을 검출하여 그 벨로스 펌프(3)의 구동을 신속히 정지할 수 있기 때문에, 펌프 고장에 의한 액체 압송설비(1)로의 악영향을 확실히 회피할 수 있다.

［제2 실시 형태］

다음으로, 본 발명을 구체화한 제2 실시 형태를 도 7에 의거하여 설명한다. 본 실시 형태의 이상 검출장치(5A)도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 액체 압송용 관로(2)와 벨로스 펌프(3)를 포함하여 구성된 액체 압송설비(1)에 이용된다. 이상 검출장치(5A)는, 액체 압송용 관로(2) 내를 흐르는 액체(W1)의 유량을 계측하는 기능을 갖는 점이 상기 제1 실시 형태와 다르다. 그리고, 본 실시 형태의 이상 검출장치(5A)에서는, 벨로스 펌프(3)의 구동주기에 대응해서 변동하는 유량의 맥동주기를 이용하여, 벨로스 펌프(3)의 고장을 판정하도록 구성되어 있다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 이상 검출장치(5A)는, 기포 검지 센서부(12)와, 기포 검지 제어부(13)와, 기포 검지 연산부(14A)와, 이상 경보 출력부(15)와, 유량계측 센서부(31)와, 유량계측 제어부(32)와, 유량계측 연산부(33)와, 유량 출력부 (34)를 구비한다.

기포 검지 센서부(12)는, 초음파 송신기(17) 및 초음파 수신기(18)를 구비하며, 기포 검지 제어부(13)는, 초음파 송신회로(21), 초음파 수신회로(22), 및 타이머(23)를 구비하고 있다. 또한, 기포 검지 연산부(14A)는, 수신감도 계측수단(24), 기포유무 판정수단(25), 기포검출율 계수수단(26), 기포증감주기 연산수단(27), 주기 비교수단(28), 펌프 이상 판정수단(29), 및 유량 맥동주기 연산수단(35)을 구비하고 있다. 즉, 본 실시 형태의 이상 검출장치(5A)에 있어서, 기포 검지 센서부 (12) 및 기포 검지 제어부(13)는, 제1 실시 형태와 동일한 구성이며, 기포 검지 연산부(14A)는, 유량 맥동주기 연산수단(35)을 추가한 점이 제1 실시 형태와 다르다.

또한, 이상 검출장치(5A)에 있어서의 유량계측 센서부(31), 유량계측 제어부 (32), 및 유량계측 연산부(33)는, 일반적인 초음파 유량계와 같은 구성이다. 구체적으로는, 유량계측 센서부(31)는, 초음파를 송수신하기 위한 한 쌍의 초음파 송수신기(37,38)를 구비한다. 유량계측 센서부(31)에서는, 액체(W1)의 흐름 방향에 대해 소정의 각도(예를 들면, 45°의 각도)로 초음파가 전송되도록, 한쪽의 초음파 송수신기(37)가 액체 압송용 관로(2)의 상류측의 측벽에 고정되고, 다른 쪽의 초음파 송수신기(38)가 액체 압송용 관로(2)의 하류측의 측벽에 고정되어 있다. 아울러, 본 실시 형태에 있어서, 각 초음파 송수신기(37,38)가 송수신하는 초음파는, 예를 들면 3MHz의 주파수이다.

유량계측 제어부(32)는, 초음파 송수신 전환회로(40), 초음파 송신회로(41), 초음파 수신회로(42), 및 타이머(43)를 구비하며, 유량계측 센서부(31)에서의 초음파의 송수신 타이밍이나 송수신 방향을 제어한다. 구체적으로는, 타이머(23)로부터 출력되는 타이밍 신호에 기초하여, 초음파 송신회로(41)는, 정기적(1msec마다)으로 송신 신호를 초음파 송수신 전환회로(40)에 출력하고, 초음파 송수신 전환회로(40)는, 그 송신 신호를 상류측의 초음파 송수신기(37) 및 하류측의 초음파 송수신기 (38)에 대해 교대로 출력한다.

유량계측 센서부(31)에 있어서, 송신 신호에 기초하여 상류측의 초음파 송수신기(37)로부터 초음파가 출력되면, 그 초음파는 액체(W1)의 흐름의 정방향으로 전송되어 하류측의 초음파 송수신기(38)에서 수신된다. 그리고, 그 수신 신호가 초음파 송수신기(38)로부터 초음파 송수신 전환회로(40)을 통해 초음파 수신회로(42)에 받아들여지고, 신호 증폭된 수신 신호가 초음파 수신회로(42)로부터 유량계측 연산부(33)에 출력된다. 또한, 송신 신호에 기초하여 하류측의 초음파 송수신기(38)로부터 초음파가 출력되면, 그 초음파는 액체(W1)의 흐름의 역방향으로 전송되어 상류측의 초음파 송수신기(37)에서 수신된다. 그리고, 그 수신 신호가 초음파 송수신기(37)로부터 초음파 송수신 전환회로(40)를 통해 초음파 수신회로(42)에 받아들여지고, 신호 증폭된 수신 신호가 초음파 수신회로(42)로부터 유량계측 연산부(33)로 출력된다.

유량계측 연산부(33)(계측수단)는, 전송시간 연산수단(44) 및 순간유량 연산수단(45)을 구비한다. 유량계측 연산부(33)는, CPU, ROM, RAM 등으로 이루어지는 주지의 컴퓨터에 의해 구성되어 있으며, 전송시간 연산수단(44) 및 순간유량 연산수단(45)은, CPU가 갖는 연산 처리 기능을 이용하여 실현된다.

전송시간 연산수단(44)은, 타이머(43)가 계측한 초음파의 송수신 타이밍에 기초하여, 액체(W1)의 흐름의 정방향으로 전송된 초음파의 전송시간과 역방향으로 전송된 초음파의 전송시간을 구한다. 그리고, 순간유량 연산수단(45)은, 그들 초음파의 전송시간의 차(差)에 기초하여, 액체(W1)의 유속을 구하는 동시에 액체(W1)의 유량을 구한다. 아울러, 액체(W1)의 유량은, 유량계측 센서부(31)에 있어서 초음파의 송수신을 행할 때마다 연산되며, 그때그때의 순간 유량으로서 구할 수 있다.

그리고, 순간유량 연산수단(45)에서 구해진 액체(W1)의 유량은, 유량 출력부 (34)에 전송되어, 디스플레이 등의 표시장치에 표시된다. 또한, 액체(W1)의 유량은, 유량 출력부(34)로부터 기포 검지 연산부(14A)의 유량 맥동주기 연산수단(35)에 출력된다.

본 실시 형태의 액체 압송설비(1)에서는, 벨로스 펌프(3)에 의해 액체(W1)가 액체 압송용 관로(2)로 주기적으로 압송되기 때문에, 액체(W1)의 유량은, 벨로스 펌프(3)의 구동주기에 따라 변동한다(도 8 참조).

기포 검지 연산부(14A)의 유량 맥동주기 연산수단(35)(펌프 구동주기 취득수단)에서는, 액체(W1)의 유량의 변동 상황에 기초하여 벨로스 펌프(3)의 구동주기를 구한다. 구체적으로는, 유량 맥동주기 연산수단(35)은, 액체(W1)의 유량의 시계열 데이터를 주파수 해석(구체적으로는, 푸리에 변환)함으로써, 유량의 맥동주기를 구하여, 그 데이터를 벨로스 펌프(3)의 구동주기에 관한 데이터로서 취득한다(도 9 참조). 아울러, 도 9에 나타내는 해석 결과에서는, 최초의 극대점은 0.5Hz이므로, 유량의 맥동주기(펌프(3)의 구동주기)는 2초로 된다. 이와 관련하여, 액체(W1)의 유량은, 유로 단면적에 유속을 곱함으로써 구해진다. 따라서, 액체(W1)의 유속의 변동 상황에 기초하여 벨로스 펌프(3)의 구동주기를 구하도록 해도 좋다.

또한, 기포 검지 연산부(14A)에서의 수신감도 계측수단(24), 기포유무 판정수단(25), 기포검출율 계수수단(26) 및 기포증감주기 연산수단(27)에서는, 상기 제1 실시 형태와 동일한 처리를 행함으로써, 기포의 증감주기를 구한다.

그리고, 주기 비교수단(28)은, 유량의 맥동주기와 기포의 증감주기를 비교한다. 또한, 펌프 이상 판정수단(29)은, 주기 비교수단(28)의 비교 결과에 기초하여, 유량의 맥동주기와 기포의 증감주기가 일치하지 않는 경우, 벨로스 펌프(3)의 동작이 정상인 것으로 판정한다. 한편, 유량의 맥동주기와 기포의 증감주기가 일치하는 경우에는, 벨로스 펌프(3)가 고장나서 액체(W1)중에 기포가 혼입되고 있는 것으로 판정하고, 펌프 고장을 통지하기 위한 고장 신호를 이상 경보 출력부(15)에 출력한다. 그리고, 이상 경보 출력부(15)는, 경고 램프나 부저 등의 경보 장치를 구동하여 펌프 고장을 통지한다.

따라서, 본 실시 형태에 의하면 이하의 효과를 얻을 수 있다.

(1) 본 실시 형태의 이상 검출장치(5A)는, 기포 검출율의 시계열 데이터를 취득하고, 그 시계열 데이터를 주파수 해석(푸리에 변환)함으로써, 기포의 증감주기를 정확하게 구할 수 있다. 또한, 이상 검출장치(5A)는, 관로(2) 내를 흐르는 액체(W1)의 유량을 계측하고, 그 유량의 변동 상황에 기초하여 벨로스 펌프(3)의 구동주기를 구할 수 있다. 그리고, 그 기포의 증감주기와 벨로스 펌프(3)의 구동주기가 비교되어, 그들 주기가 일치하는 경우에는, 벨로스(8)가 파손되어 벨로스 펌프 (3)에 이상이 발생된 것으로 판정할 수 있다.

(2) 본 실시 형태의 이상 검출장치(5A)에 있어서, 유량계측 센서부(31)에 의해 액체(W1)의 흐름의 정방향 및 역방향으로 초음파를 전송시켜, 정방향으로 전송된 초음파의 전송시간과 역방향으로 전송된 초음파의 전송시간의 차로부터, 액체 (W1)의 유량이 계측된다. 이 유량계측 센서부(31)에서 사용되는 초음파는 3MHz인데, 기포 검지 센서부(12)의 초음파와 동일한 주파수이다. 이 경우, 기포 검지 센서부(12)의 초음파 송신기(17) 및 초음파 수신기(18)와 유량계측 센서부(31)의 초음파 송수신기(37,38)는 동일한 초음파 진동자를 사용하여 구성할 수 있기 때문에, 이상 검출장치(5A)의 부품 비용을 저감할 수 있다.

［제3 실시 형태］

다음으로, 본 발명을 구체화한 제3 실시 형태를 도 10에 의거해서 설명한다. 본 실시 형태에서는, 펌프 이상 검지 기능이 부가된 초음파 유량계(50)로서 구체화된다. 본 실시 형태에서는, 기포 검지용의 센서부와 유량계측용의 센서부를 일체로 하여 초음파 유량계(50)를 구성하고 있다.

도 10에 나타내는 바와 같이, 초음파 유량계(50)는, 센서부(51)와, 제어부 (52)와, 연산부(53)와, 이상 경보 출력부(54)와, 유량 출력부(55)를 구비한다. 본 실시 형태의 초음파 유량계(50)도, 액체 압송용 관로(2)와, 벨로스 펌프(3)로 이루어지는 액체 압송설비(1)에 이용된다.

센서부(51)는, 초음파를 송수신하기 위한 한 쌍의 초음파 송수신기(37,38)를 구비하며, 각 초음파 송수신기(37,38)는, 액체 압송용 관로(2)를 구성하는 직관부(直管部,2a)의 각 단부(端部)에 각각 설치된다. 즉, 직관부(2a) 내의 유로를 사이에 두고 각 초음파 송수신기(37,38)가 대향하도록, 한쪽의 초음파 송수신기(37)가 직관부(2a)의 상류단(上流端,2b)에 설치되며, 다른 쪽의 초음파 송수신기(38)가 직관부(2a)의 하류단(2c)에 설치된다.

제어부(52)는, 초음파 송수신 전환회로(40), 초음파 송신회로(41), 초음파 수신회로(42), 및 타이머(43)를 구비하여, 센서부(51)에서의 초음파의 송수신 타이밍이나 송수신 방향을 제어한다. 이 제어부(52)는, 상기 제2 실시 형태에 있어서의 유량계측 제어부(32)와 같은 구성이다.

또한, 연산부(53)는, 수신감도 계측수단(24), 기포유무 판정수단(25), 기포검출율 계수수단(26), 기포증감주기 연산수단(27), 주기 비교수단(28), 펌프 이상 판정수단(29), 전송시간 연산수단(44), 순간유량 연산수단(45), 및 유량 맥동주기 연산수단(35)을 구비하고 있다. 이 연산부(53)는, CPU, ROM, RAM 등으로 이루어지는 주지의 컴퓨터에 의해 구성되어 있으며, 연산부(53)의 각 수단은, CPU가 갖는 연산 처리 기능을 이용하여 실현된다.

연산부(53)에 있어서, 수신감도 계측수단(24), 기포유무 판정수단(25), 기포검출율 계수수단(26), 기포증감주기 연산수단(27), 주기 비교수단(28), 펌프 이상 판정수단(29), 및 유량 맥동주기 연산수단(35)의 각 수단은, 상기 제2 실시 형태에 있어서의 기포 검지 연산부(14A)와 동일한 수단이며, 전송시간 연산수단(44) 및 순간유량 연산수단(45)의 각 수단은, 상기 제2 실시 형태에 있어서의 유량계측 연산부(33)와 동일한 수단이다.

본 실시 형태의 초음파 유량계(50)에서는, 공통의 센서부(51)에서 초음파를 송수신함으로써, 기포의 검출과 액체(W1)의 유량계측을 동시에 행할 수 있다. 또한, 기포의 증감주기와 유량의 맥동주기가 일치한 경우, 벨로스(8)의 파괴에 의해 액체(W1)중에 기포가 혼입되고 있음을 검지할 수 있으며, 이상 경보 출력부(54)에 의하여 펌프 고장의 경보를 출력할 수 있다. 이와 같이 초음파 유량계(50)를 구성하면, 기포 검출용 센서부와 유량계측용 센서부를 따로따로 설치하는 경우와 비교하여, 부품 비용을 억제할 수 있어, 초음파 유량계(50)의 소형화를 도모할 수 있다.

아울러, 본 발명의 각 실시 형태는 이하와 같이 변경해도 좋다.

상기 제 1 및 제2 실시 형태에 있어서, 기포 검지 센서부(12)는, 초음파 송신기(17) 및 초음파 수신기(18)로 구성되는 것이었으나, 도 11에 나타내는 기포 검지 센서부(60)와 같이, 초음파 송수신기(61)와 반사판(62)으로 구성되는 것이어도 좋다. 이 기포 검지 센서부(60)에서는, 초음파 송수신기(61)가 액체 압송용 관로(2)의 외벽면에 고정되고, 액체 압송용 관로(2) 내의 유로에 있어서 초음파 송수신기(61)와 대향하는 내벽면에 반사판(62)이 고정된다. 이와 같이 기포 검지 센서부(60)를 구성한 경우에서도, 반사판(62)에서의 초음파의 반사를 이용하여, 액체 (W1)에 혼입된 기포의 유무를 검지할 수 있다.

상기 제1 실시 형태에서는, 펌프 구동장치(4)로부터 출력되는 주파수 신호에 기초하여 벨로스 펌프(3)의 구동주기를 구하며, 상기 제2 및 제3 실시 형태에서는, 액체(W1)의 유량의 변동 상황에 기초하여 벨로스 펌프(3)의 구동주기를 구하였지만, 벨로스 펌프(3)의 구동주기의 산출 방법으로서는, 다른 방법을 채용해도 좋다. 구체적으로는, 예를 들면, 도 12에 나타내는 바와 같이, 액체 압송용 관로(2) 내에서의 액체(W1)의 압력을 검출하는 압력 센서(64)(압력 계측수단)를 설치하여, 압력 센서(64)가 계측한 압력의 변동 상황에 기초하여 벨로스 펌프(3)의 구동주기를 구해도 좋다. 또한, 도 13에 나타내는 바와 같이, 벨로스 펌프(3)에 있어서, 벨로스 (8)의 왕복동을 검출하는 위치 센서(65)를 설치하고, 그 위치 센서(65)가 검출한 왕복동 주기에 기초하여 벨로스 펌프(3)의 구동주기를 구해도 좋다. 또한, RS-232C, RS-485, 모드버스(modbus), 필드버스(fieldbus) 등의 통신 수단을 이용하여 벨로스 펌프(3)의 구동주기의 데이터를 취득하도록 구성해도 좋다.

상기 제1 실시 형태에서는, 이상 검출장치(5)의 기포 검지 센서부(12)를 액체 압송용 관로(2)에 설치하는 구성이었지만, 벨로스 펌프(3)의 액체 토출측 관로 (6b)에 기포 검지 센서부(12)를 설치하여도 좋다. 즉, 벨로스 펌프(3)에 이상 검출장치(5)를 일체적으로 마련하도록 한다. 이와 같이 구성하여도, 액체(W1)중의 기포를 검출할 수 있으며, 그 기포의 증감주기와 펌프 구동주기를 비교함으로써, 벨로스 펌프(3)의 이상을 정확하게 판정할 수 있다.

상기 제1 및 제2 실시 형태에서는, 액체 압송설비(1)에 있어서 벨로스 펌프 (3)의 하류 측에 1개의 이상 검출장치(5)를 설치하여, 펌프 고장을 검출하는 것이었지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 복수의 배관이나 유량 조정 밸브 등을 이용하여 액체 압송설비(1)를 구성하는 경우, 복수의 이상 검출장치(5)를 설치하여도 좋다. 구체적으로는, 배관이나 유량 조정 밸브 등의 접속 개소의 전후에 이상 검출장치(5)를 설치한다. 이와 같이 구성하면, 펌프 고장의 경우 이외에, 배관이나 밸브의 접속 개소의 조임 불량에 의해 기포가 혼입되는 경우이어도, 액체 압송설비(1)에 있어서의 이상 개소를 판정할 수 있다.

상기 제2 및 제3 실시 형태에서는, 기포 검지 처리와 유량 계측 처리를 동시에 행하도록 구성했으나, 별개의 타이밍으로 각 처리를 행하도록 구성하여도 좋다. 예를 들면, 기포 검지 처리와 유량 계측 처리를 교대로 행하고, 기포 검지 처리에 있어서 벨로스 펌프(3)가 정상적으로 동작되는 것으로 판정한 경우에, 계측한 액체(W1)의 유량을 유량 출력부(34,55)로부터 출력하도록 구성하여도 좋다.

상기 제3 실시 형태에 있어서, 펌프 이상 검지 기능이 부가된 초음파 유량계(50)로서 구체화하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 초음파 유량계(50)에서의 유량 출력부(55)를 생략하여 이상 검출장치로서 구체화하여도 좋다.

상기 제2 실시 형태에 있어서, 기포 검지 센서부(12)와 유량계측 센서부(31)에서 송수신하는 초음파를 동일한 주파수(3MHz)로 하고 있었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 기포 검지 센서부(12)에서 검출되는 기포의 사이즈에 따라서 초음파의 주파수를 적절히 변경해도 좋다.

상기 제2 실시 형태의 이상 검출장치(5A)에서는, 초음파를 이용하여 액체(W1)의 유량을 계측하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 초음파식 이외의 유량계를 이용하여 액체(W1)의 유량을 계측하도록 구성하여도 좋다.

상기 각 실시 형태에 있어서, 100μs의 측정 주기로 초음파의 송수신을 행하여, 기포유무 판정수단(25)에 의한 100회의 판정 결과에 기초하여, 기포 검출율의 시계열 데이터를 취득하는 것이었지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 측정 주기나 판정 횟수는 적절히 변경하여도 좋다. 또한, 복수 회가 아닌, 1회별 기포 유무의 시계열 데이터를 취득하여, 그 시계열 데이터를 주파수 해석함으로써 기포의 증감주기를 구하도록 구성하여도 좋다.

상기 각 실시 형태에서는, 푸리에 변환(FFT)에 의하여 주파수 해석을 실시하여, 기포의 증감주기를 연산하는 것이었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 최대 엔트로피법(MEM)이나 자기 회귀(AR) 등의 주파수 해석의 방법에 의해, 기포의 증감주기를 연산하도록 구성하여도 좋다.

상기 각 실시 형태에 있어서, 벨로스 펌프(3)를 구비하는 액체 압송설비(1)로 구체화했으나, 가동 부재로서 피스톤을 갖는 피스톤 펌프 등의 다른 왕복동 펌프를 구비하는 액체 압송설비로 구체화하여도 좋다.

다음으로, 청구범위에 기재된 기술적 사상 외에, 상술한 각 실시 형태에 의해 파악되는 기술적 사상을 이하에 열거한다.

(1) 수단 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 상기 액체 압송설비의 이상을 통지하는 이상 경보 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 압송설비의 이상 검출장치.

(2) 수단 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 상기 액체 압송설비의 이상을 판정했을 때, 상기 왕복동 펌프의 구동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 액체 압송설비의 이상 검출장치.

(3) 수단 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 상기 펌프 구동주기 취득수단은, 상기 왕복동 펌프의 구동 신호에 기초하여, 상기 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 것을 특징으로 하는 액체 압송설비의 이상 검출장치.

1 : 액체 압송설비
2 : 액체 압송용 관로
3 : 왕복동 펌프로서의 벨로스 펌프
5, 5A : 이상 검출장치
6b : 액체 토출측 관로
8 : 가동 부재로서의 벨로스
11 : 펌프 구동주기 취득수단으로서의 구동주기 계측부
12, 51 : 센서부
26 : 기포 검출 처리수단으로서의 기포 검출율 검출수단
27 : 기포증감주기 연산수단
33 : 계측수단으로서의 유량계측 연산부
35 : 펌프구동주기 취득수단으로서의 맥동주기 연산수단
50 : 초음파 유량계
64 : 압력 계측수단으로서의 압력센서
65 : 위치센서

Claims (15)

1. 가동(可動) 부재의 왕복동에 의해 액체를 주기적으로 압송하는 왕복동 펌프를 포함하는 액체 압송설비의 이상(異常)을, 초음파를 이용해서 검출하는 장치로서,
   상기 왕복동 펌프의 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 펌프 구동주기 취득수단과,
   상기 왕복동 펌프에서의 액체 토출측 관로 또는 그에 접속된 액체 압송용 관로에 설치되어, 상기 관로 내의 액체중에 초음파를 전송시키는 동시에 그 초음파를 수신하는 센서부와,
   상기 센서부가 수신한 초음파의 수신 신호에 기초하여, 상기 액체중에 포함되는 기포의 증감에 관한 데이터를 취득하는 기포검출 처리수단과,
   상기 기포검출 처리수단이 취득한 데이터를 주파수 해석함으로써 상기 기포의 증감주기를 구하는 기포증감주기 연산수단과,
   상기 왕복동 펌프의 구동주기와 상기 기포의 증감주기를 비교하여, 그들 주기가 일치한 경우에 상기 액체 압송설비에 이상이 발생된 것으로 판정하는 이상 판정수단을 구비한 것을 특징으로 하는 액체 압송설비의 이상 검출장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 관로 내에서의 상기 액체의 유량 또는 유속을 계측하는 계측수단을 더 구비하며,
   상기 펌프 구동주기 취득수단은, 상기 계측수단이 계측한 상기 액체의 유량 또는 유속의 변동 상황에 기초하여 상기 왕복동 펌프의 상기 구동주기를 산출함으로써, 상기 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 것을 특징으로 하는 액체 압송설비의 이상 검출장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 센서부는, 상기 관로 내에서, 상기 액체의 흐름의 정방향 및 역방향으로 초음파를 전송시키는 동시에, 정방향으로 전송된 초음파와 역방향으로 전송된 초음파를 각각 수신하고,
   상기 계측수단은, 상기 정방향으로 전송된 초음파의 전송시간과 상기 역방향으로 전송된 초음파의 전송시간의 차(差)로부터, 상기 액체의 유량 또는 유속을 계측하는 것을 특징으로 하는 액체 압송설비의 이상 검출장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 관로 내에서의 상기 액체의 압력을 검출하는 압력 계측수단을 더 구비하며,
   상기 펌프 구동주기 취득수단은, 상기 압력 계측수단이 계측한 상기 액체의 압력의 변동 상황에 기초하여 상기 왕복동 펌프의 상기 구동주기를 산출함으로써, 상기 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 것을 특징으로 하는 액체 압송설비의 이상 검출장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 가동 부재의 왕복동을 검출하는 위치 센서를 더 구비하며,
   상기 펌프 구동주기 취득수단은, 상기 위치 센서가 검출한 왕복동 주기에 기초하여 상기 왕복동 펌프의 상기 구동주기를 산출함으로써, 상기 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 것을 특징으로 하는 액체 압송설비의 이상 검출장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기포검출 처리수단은, 소정 시간내에서의 기포 검출율의 시계열 데이터를 취득하고,
   상기 기포증감주기 연산수단은, 상기 시계열 데이터를 푸리에 변환(Fourier transform)함으로써 상기 기포의 증감주기를 구하는 것을 특징으로 하는 액체 압송설비의 이상 검출장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 왕복동 펌프는, 상기 가동 부재로서의 벨로스(bellows)를 소정의 구동주기로 신축시킴으로써 상기 액체를 압송하는 벨로스 펌프이고,
   상기 이상 판정수단은, 상기 벨로스의 구동주기와 상기 기포의 증감주기의 비교 결과에 기초하여, 상기 벨로스에서의 이상 발생을 판정하는 것을 특징으로 하는 액체 압송설비의 이상 검출장치.
8. 가동 부재의 왕복동에 의해 액체를 주기적으로 압송하는 왕복동 펌프를 포함하는 액체 압송설비의 이상을, 초음파를 이용하여 검출하는 기능을 부여한 초음파 유량계로서,
   상기 왕복동 펌프의 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 펌프 구동주기 취득수단과,
   상기 왕복동 펌프에서의 액체 토출측 관로 또는 그에 접속된 액체 압송용 관로에 설치되어, 상기 관로 내의 액체중에 초음파를 전송시키는 동시에 그 초음파를 수신하는 센서부와,
   상기 센서부가 수신한 초음파의 수신 신호에 기초하여, 상기 액체중에 포함되는 기포의 증감에 관한 데이터를 취득하는 기포검출 처리수단과,
   상기 기포검출 처리수단이 취득한 데이터를 주파수 해석함으로써 상기 기포의 증감주기를 구하는 기포증감주기 연산수단과,
   상기 왕복동 펌프의 구동주기와 상기 기포의 증감주기를 비교하여, 그들 주기가 일치한 경우에 상기 액체 압송설비에 이상이 발생된 것으로 판정하는 이상 판정수단을 구비한 것을 특징으로 하는 이상 검출기능 부가의 초음파 유량계.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 관로 내에서의 상기 액체의 유량 또는 유속을 계측하는 계측수단을 더 구비하고,
   상기 펌프 구동주기 취득수단은, 상기 계측수단이 계측한 상기 액체의 유량 또는 유속의 변동 상황에 기초하여 상기 왕복동 펌프의 상기 구동주기를 산출함으로써, 상기 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 것을 특징으로 하는 이상 검출기능 부가의 초음파 유량계.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 센서부는, 상기 관로 내에서, 상기 액체의 흐름의 정방향 및 역방향으로 초음파를 전송시키는 동시에, 정방향으로 전송된 초음파와 역방향으로 전송된 초음파를 각각 수신하고,
    상기 계측수단은, 상기 정방향으로 전송된 초음파의 전송시간과 상기 역방향으로 전송된 초음파의 전송시간의 차로부터, 상기 액체의 유량 또는 유속을 계측하는 것을 특징으로 하는 이상 검출기능 부가의 초음파 유량계.
11. 제 8 항에 있어서, 상기 관로 내에서의 상기 액체의 압력을 검출하는 압력 계측수단을 더 구비하고,
    상기 펌프 구동주기 취득수단은, 상기 압력 계측수단이 계측한 상기 액체의 압력의 변동 상황에 기초하여 상기 왕복동 펌프의 상기 구동주기를 산출함으로써, 상기 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 것을 특징으로 하는 이상 검출기능 부가의 초음파 유량계.
12. 제 8 항에 있어서, 상기 가동 부재의 왕복동을 검출하는 위치 센서를 더 구비하고,
    상기 펌프 구동주기 취득수단은, 상기 위치 센서가 검출한 왕복동 주기에 기초하여 상기 왕복동 펌프의 상기 구동주기를 산출함으로써, 상기 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 것을 특징으로 하는 이상 검출기능 부가의 초음파 유량계.
13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기포검출 처리수단은, 소정 시간 내에서의 기포 검출율의 시계열 데이터를 취득하고,
    상기 기포증감주기 연산수단은, 상기 시계열 데이터를 푸리에 변환함으로써 상기 기포의 증감주기를 구하는 것을 특징으로 하는 이상 검출기능 부가의 초음파 유량계.
14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 왕복동 펌프는, 상기 가동 부재로서의 벨로스를 소정의 구동주기로 신축시킴으로써 상기 액체를 압송하는 벨로스 펌프이고,
    상기 이상 판정수단은, 상기 벨로스의 구동주기와 상기 기포의 증감주기의 비교 결과에 기초하여, 상기 벨로스에서의 이상 발생을 판정하는 것을 특징으로 하는 이상 검출기능 부가의 초음파 유량계.
15. 가동 부재의 왕복동에 의해 액체를 주기적으로 압송하는 왕복동 펌프를 포함하는 액체 압송설비의 이상을, 초음파를 이용하여 검출하는 방법으로서,
    상기 왕복동 펌프의 구동주기에 관한 데이터를 취득하는 스텝과,
    상기 왕복동 펌프에서의 액체 토출측 관로 또는 그에 접속된 액체 압송용 관로의 내부를 흐르는 액체중에 초음파를 전송시키는 동시에 그 초음파를 수신하는 스텝과,
    수신한 초음파의 수신 신호에 기초하여, 상기 액체중에 포함되는 기포의 증감에 관한 데이터를 취득하는 스텝과,
    취득한 상기 데이터를 주파수 해석함으로써 상기 기포의 증감주기를 구하는 스텝과,
    상기 왕복동 펌프의 구동주기와 상기 기포의 증감주기를 비교하여, 그들 주기가 일치한 경우에 상기 액체 압송설비에 이상이 발생된 것으로 판정하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 압송설비의 이상 검출방법.

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