TW201512632A

TW201512632A - 超音波流量計

Info

Publication number: TW201512632A
Application number: TW103120671A
Authority: TW
Inventors: Takamitsu Suzuki; Akinori Nagata
Original assignee: Smc Corp
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2015-04-01
Also published as: TWI498530B; JP2015064209A; KR20150033518A; US9182259B2; CN104457869B; US20150082912A1; DE102014107698A1; CN104457869A; KR101599050B1

Abstract

一種超音波流量計(10)，其係裝配有液體流經的外殼(12)，以及一對設置在該外殼(12)的相對端之偵測單元(16a、16b)，且該偵測單元(16a、16b)包括可傳送和接收聲波訊號的聲波傳送與接收單元(14)。在該外殼(12)的外周側上設置有振動產生機構(18a、18b)，該振動產生機構(18a、18b)具有與該偵測單元(16a、16b)呈垂直設置之振動產生體(52)。當量測流經該外殼(12)的該液體之流量時，該振動產生體(52)係被通電並產生振動，而經由振動移除附著於與該液體接觸並覆蓋該聲波傳送和接收單元(14)的覆件(36)之氣泡。

Description

超音波流量計

本發明提供一種超音波流量計，其用於當聲波經由液體傳遞時，根據傳遞速差偵測液體之流量。

迄今，在一般公知的超音波流量計中，例如，將成對之傳感器(transducer)分別設置在液體流經的導管之上游側和下游側。自該對傳感器中之一者傳送之超音波係經由該導管之內壁表面反射並由另一個傳感器所接收，且液體之流速與流量係根據超音波之傳遞速度差而量測。

在這樣的超音波流量計中，例如，日本專利No.2793133(專利文件1)所揭露者，係設置具有補充管以及排出管之量測導管，其可補充液體至補充管，並從排出管排出液體。另外，第一量測頭係設置於該量測導管的一端，且第二量測頭係設置於該量測導管的另一端。

該第一和第二量測頭係組構成作為聲波發射器或聲波接受器。舉例而言，自該第一量測頭傳送脈衝狀的聲波訊號，且該第二量測頭係作為聲波接收器而接收該聲波訊號。接著，該第一量測頭係被切換而作為接收器，而經由在其上接收自該第二量測頭所傳送之聲波訊號，液體流量係根據該聲波的傳遞速度差而量測。

然而，根據上述常規技術之超音波流量計，係設置有一種結構，在該結構中補充至補充管之液體係本質上垂直地改變方向，於是液體可接著流至該量測導管。因此，由於液體流向之突然的改變，壓力亦隨之改變而導致紊流，使得空氣因此被拖進液體中而使液體中產生氣泡，而這樣的氣泡係附著於該量測導管的內壁表面，其係與該第一和第二量測頭呈正對關係而設置。由於這些氣泡的附著，該氣泡係干擾該聲波訊號的傳遞，導致所量測之液體流量之精準度惡化。

因此，為了避免如上述之氣泡附著之目的，在日本特開申請號2010-243245(專利文件2)中所設置之超音波流量計中，表面處理係在液體流經之量測管內周表面上進行，使得潤濕性(wettability)在液體流動時增加，與此結合，可避免氣泡對內週表面之附著。

然而，根據專利文件2的超音波流量計，還有一個問題便是其用於進行表面處理之處理溶液可能在溶液中洗脫(eluted)。因此，舉例而言，在量測化學溶液或純水(其使用於半導體生產設備)的流量的情況下，恐怕會對所要量測的液體造成汙染。

本發明的整體目標為提供一種超音波流量計，其中經由可靠地預防氣泡的附著，聲波訊號可被可靠地傳遞，並可以高準確度量測液體流量，並同時避免該液體的汙染。

本發明為一種超音波流量計，其根據聲波訊號量測液體流量，該超音波流量計包括匣蓋、導管以及一對偵測單元，該匣蓋係由一對接口所組成，液體可經由該對接口補充及排出，而該導管係具有連接在接口之間的通道，其中液體係流進該通道之內部，且該對偵測單元可傳送和接收該聲波訊號。該偵測單元係於該匣蓋之對側端呈現彼此面對的關係而設置，並將該通道包夾於其間，其中，該偵測單元係設置在導管之軸線上，且在該偵測單元之外周側上係設置有振動產生機構而對該偵測單元發送振動。

根據本發明，在一對偵測單元設置於匣蓋之內部的超音波流量計中，該偵測單元係設置在匣蓋內導管之軸線上，且在該偵測單元之外周側上係設置有振動產生機構，其對該偵測單元發送振動。此外，當液體流經該接口和該通道之內側時，即使是在氣泡由接口進入或者是在液體中產生而附著於偵測單元的情況下，在藉由使振動產生機構產生振動並將此振動發送至該偵測單元，該些氣泡係從該偵測單元彈開而可被移除。如此一來，聲波訊號之傳遞將不會被氣泡的附著所干擾，且因為聲波訊號的傳送和接收可經由該偵測單元而確實地施行，液體之流量可根據該聲波訊號而高準確性地量測。此外，由於氣泡係被確實地移除而不需要使用常規技術之超音波流量計中所進行之會造成影響的表面處理，於液體流經之匣蓋或其他類似物上，可避免用於施行此表面處理的處理溶液被洗脫至液體中的情況，且即使在純水或化學溶液作為被量測之液體的情況下，也不會發生液體汙染。

本發明之上述和其他的物件、特徵、和優點將在結合本發明中較佳的實施例之附圖和下方之描述而更加明顯，其中本發明之較佳實施例係由圖解示例之方式呈現。

10‧‧‧超音波流量計

12‧‧‧外殼

14‧‧‧聲波傳送與接收單元

16a、16b‧‧‧偵測單元

18a、18b‧‧‧振動產生機構

20‧‧‧導管

22‧‧‧補充部件

24‧‧‧排出部件

26‧‧‧連接輪緣

28‧‧‧通道

30a、30b‧‧‧擴徑部件

32‧‧‧補充通道

34‧‧‧排出通道

36‧‧‧覆件

38‧‧‧連接帽蓋

40‧‧‧底壁部件

42‧‧‧導線

44‧‧‧密封栓

46‧‧‧裝配部件

48‧‧‧密封件

50‧‧‧匣蓋

52‧‧‧振動產生體

54‧‧‧支架

56‧‧‧收容室

58‧‧‧基底部件

60‧‧‧輪緣

62‧‧‧擋牆

64‧‧‧纜線

65‧‧‧密封柱塞

66‧‧‧插入孔

68‧‧‧螺栓

70‧‧‧環形部件

第1圖為根據本發明實施例之超音波流量計的整體剖面圖；第2A圖為呈現振動產生機構之鄰近區域於第1圖所示之該超音波流量計之補充側上的放大剖面圖，而第2B圖為呈現振動產生機構之鄰近區域於第1圖所示之該超音波流量計之排出側上的放大剖面圖；以及第3圖為沿著第1圖的線段III-III所取的剖面圖。

如第1圖所示，根據本發明之一個實施例的超音波流量計10包括具有通道28之外殼(匣蓋)12，其中例如水、化學溶液、或其類似物之流體可被補充至該通道28中、一對偵測單元16a、16b，其設置在該外殼的相對端，且其中係併有用以傳送和接收聲波的聲波傳送和接收單元14、以及一對振動產生機構18a、18b，其係被設置於該偵測單元16a、16b之外周側上的位置。

外殼12包括導管20，其係被形成於直線上，例如，金屬材料(如不繡鋼等)、補充部件(接口)22，其本質上垂直地連接至該導管20的一端、以及排出部件(接口)24，其本質上垂直地連接至該導管20的另一端。該補充部件22和該排出部件24係本質上平行地設置。此外，外殼12並非受限於由金屬材料所製成的情況，且可由樹脂材料所形成。

由該偵測單元16a、16b所連結之連接輪緣26係形成以向外且徑向地擴大該導管20之相對兩端部的直徑，且該液體流經的通道28係軸向(箭頭A和箭頭B之方向)形成於該導管20之內部。在該通道28的相對兩端上，係分別形成一對開放至外部且直徑逐漸地朝著該相對端的鄰近區域擴大之擴徑部件30a、30b。

更具體地，該擴徑部件30a、30b係設置於各個連接輪緣26之內部中，且該偵測單元16a、16b與該擴徑部件30a、30b呈正對關係而分別地設置。此外，該補充部件22和排出部件24係分別連結至該擴徑部件30a、30b之外周側。

補充通道32係以一軸向貫穿，並形成在該補充部件22之內側。該補充通道32的一個端部打開，而其另一端部係與擴徑部件30a相連通，該擴徑部件30a係形成在該導管20之一端側(箭頭A之方向)。另一方面，排出通道34係以軸向貫穿，並形成於該排出部件24之內側。該排出通道34之一端部打開，而另一端部係與該擴徑部件30d相連通，該擴徑部件30d係形成於該導管20之另一端側(箭頭B之方向)。再更具體地，由於該補充通道32和該排出通道34係經由包括該對擴徑部件30a、30b之通道28互相連通，從未圖示之液體補充源補充至補充通道32的液體係流經該通道28，並接著自該排出通道34排出至外部。

此外，諸如未圖示之通管的管路等，舉例來說，係分別連結至該補充部件22和排出部件24之端部。

如第1和2B圖所示，該偵測單元16a、16b係分別設置在該外殼12的擴徑部件30a、30b中。該偵測單元16a、16b包括覆件(液體接觸部份)36，其係與該外殼12的通道28呈相對關係而安裝、聲波傳送和接收單元14，其係設置在該覆件36的內部、以及連接帽蓋38，其係與該導管20的連接輪緣26連結且密封該打開之擴徑部件30a、30b。

該各覆件36，舉例而言，係由具有底圓柱狀以及U型截面的樹脂材料所形成。該覆件36之開口端係佈置在該連接帽蓋38之側邊，而該覆件36之其他端係以呈現面對該通道28之方式而設置，並形成為底部之形狀。該附件36的其他端包括底壁部件40，其係以基本上為扁平之形狀朝該通道28凸出以呈垂直，而該聲波發射和接收單元14係分別設置在該底壁部件40之內壁表面(如第2A和2B圖所示)。

更詳而言之，該覆件36係設置成與在面向該通道28的該底壁部件40之端部表面上的液體接觸，使得藉由覆蓋容納於該覆件36之內部中的聲波傳送和接收單元14，該覆件36可用於將該聲波傳送和接收單元14與液體隔離。

此外，如第1圖所示，覆件36之其中一者的該底壁部件40與該覆件36之另一者的底壁部件40係以彼此正對之形式包夾該通道28而設置。

該聲波傳送和接收單元14係由壓電元件組成，其舉例而言可形成為板狀，且分別安裝在該扁平的覆件36之底壁部件40上。導線42，在其被導引至該連接帽蓋38的內部後，係經由螺紋接合至該連接帽蓋38的密封栓44而導向外側。

該連接帽蓋38係經由多個螺栓(未圖示)對該外殼12的連接輪緣26進行連接，而裝配部件46係經形成以於該連接帽蓋38的側部上凸出。該裝配部件46係藉由插入該外殼12之擴徑部件30a、30b而裝配。此外，連結至該聲波傳送和接收單元14之導線42係插入穿透並進入至該裝配部件46之內側。如此一來，該聲波傳送和接收單元14係經由與該外殼12的連接輪緣26相連之連接帽蓋38而密封於該擴徑部件30a、30b的內側中。該聲波傳送和接收單元14可經由該連接帽蓋38的脫離而從該外殼12移除。

此外，密封件48係安裝在該裝配部件46的外周表面，並且被放置於緊靠該擴徑部件30a、30b之內表面處，以維持在該連接帽蓋38和該外殼12之間的氣密條件。

另外，密封栓44係固持有導線42於其中，該密封栓44係被螺紋接合至連接帽蓋38的上端部之中，從而密封該連接帽蓋38的內側。此外，該導線42係經由該密封栓44而被導引至外部，並可分別連結至未圖示之控制器。經由該聲波傳送和接收單元14所接收之接收訊號係透過該導線42對該控制器輸出。

如第1圖至第3圖所示，振動產生機構18a、18b係包括匣殼50、振動產生體52、以及支架54，其中，該匣殼50係分別設置在該外殼12上之一對擴徑部件30a、30b的外周側上，並設置在該外殼12的外周側上；該振動產生體52係容納於該匣殼50中和；以及該支架54係用於將該匣殼50穩固至該外殼12。該振動產生機構18a、18b係分別由相同的方式所組成，而做為一對振動產生機構18a、18b。

該匣殼50包括，舉例而言，基底部件58，其具有定義於其內部的收容室56、以及輪緣60，其係自該基底部件58的側邊凸出，以使該輪緣60延伸之方向基本上與該收容室56之軸線呈垂直。該基底部件58的端部包括個別的擋牆62，其係緊靠該外殼12之擴徑部件30a、30b的外周表面。如第3圖所示，該擋牆62之截面係形成為圓弧狀，使得該截面本質上與該擴徑部件30a、30b之外周表面的截面相同。該擋牆62和該補充部件22的其中之一者係沿著本質上筆直的線而設置，並有擴徑部件30a插入於其間，而其他擋牆62以及排出部件24係沿著本質上筆直的線而設置，並有擴徑部件30b插入於其間。

更具體地，該外殼12的導管20和容納該振動產生機構18a、18b的收容室56係設置為本質上彼此垂直。

此外，在每個基底部件58的內部中，該收容室56係經形成以自具有該擋牆62的一個端部延伸至其他端部。收容室56的端部係經由擋牆62而被密封，而其他的開口端係經由密封柱塞65密封，其係經安裝以使該振動產生體52被收容於該收容室56內部。

振動產生體52係由平板狀的壓電元件所製，舉例而言，該振動產生體52係容置於該匣殼50的收容室56中，以及安裝在該擋牆62的內壁表面上。更具體而言，該振動產生體52係在被彎曲成具有與該擋牆62相對應的圓弧狀之截面時而安裝，該擋牆62係相似地形成具有圓弧狀之截面。如此一來，如第2A和2B圖所示，該振動產生體52係設置為本質上垂直於設置在該外殼12內部中的聲波傳送和接收單元14，並且被設置在該聲波傳送和接收單元14的外周側上的位置。

此外，纜線64係分別連結至振動產生體52。在該纜線64插入穿過密封該收容室56之密封柱塞65的插入孔66中並導引至外部後，該纜線64係電性連結至未圖示之控制器。此外，藉由將訊號電壓自該未圖示之控制器經由該纜線64施加至該振動產生體52，應變係在該振動產生體52中產生，因此而於該振動產生體52中產生振動。

該支架54係經由螺栓68連結至該匣殼50的輪緣60，且該支架54包括用以維持該外殼12的導管20之環形部件70。此外，在該外殼12的導管20插入穿透該支架54之環型部件70的情況中，該支架54係被扣至該匣殼50的輪緣60上，藉此，該基底部件58係置於緊靠該擴徑部件30a、30b的外周表面處，且該振動產生機構18a、18b係固定於該外殼12之預定位置，在該預定位置中該振動產生體52係分別正對於該聲波傳送和接收單元14。

因此，該振動產生機構18a、18b係透過該支架54而對於該外殼12可拆卸地設置。因此，舉例而言，在該振動產生機構18a、18b發生故障時，該振動產生機構18a、18b可輕易地被替換為其他新的振動產生機構18a、18b。

另外，經由將電壓從未圖示之控制器施加至振動產生機構18a、18b的振動產生體52，該振動產生體52係受到應變，並所伴隨而來的是該振動產生體52劇烈的振動，而如此之振動波係透過該匣殼50傳送至該外殼12以及該覆件36。

根據本發明之實施例的超音波流量計10基本上為如上所述般建構。接著，將陳述該超音波流量計10的操作和效果。液體係透過未圖示之液體補充源而補充至該補充通道32，且該液體係自該補充通道32，經由該通道28，而流通至該排出通道34。

在該超音波流量計10中，聲波訊號舉例而言係由連結至該外殼12之一端部的偵測單元16a之聲波傳送和接收單元14所傳送，當該聲波訊號經由該通道28之內壁表面反射時係可在液體中傳遞，並經由連接至該外殼12之其他端部的偵測單元16b之聲波傳送和接收單元14而接收。在這樣的狀況下，該聲波訊號係沿著該液體之流向(第1圖之箭頭B方向)傳遞。

此外，相反地，聲波訊號係由連接至該外殼另一端的偵測單元16b之聲波傳送和接收單元14所傳送，且該聲波訊號係由連接至該外殼12之該一端的偵測單元16a之聲波傳送和接收單元14所接收。在此情況下，該聲波訊號沿著相反於該液體之流向(第1圖之箭頭A方向)傳遞。

此外，基於聲波訊號的接收訊號係經由該聲波傳送和接收單元14所接收，並經由該導線42而輸出至該未圖示之控制器。基於該聲波訊號以該液體之流向(第1圖之箭頭B之方向)傳遞之狀況下的傳遞時間T1，和對於該聲波訊號以相反於該液體之流向(第1圖之箭頭A之方向)傳遞之狀況下的傳遞時間T2，傳遞時間差△T可由該偵測訊號經由該未圖示之控制器所計算出。液體之流速V可由該傳遞時間差△T計算得出。

在此情況下，雖然和該液體一起自該補充通道32被引入的氣泡、或被拖進該液體之氣泡係傾向附著於構成該偵測單元16a、16b的覆件36，藉由將訊號電壓自該未圖示之控制器施加至該振動產生機構18a、18b的振動產生體52，該由壓電元件所構成之振動產生體52係發生應變並產生振動，且該振動波係經由該匣蓋50和該外殼12而傳送至該覆件36。因此，該氣泡將係由該振動波而被彈開且自該覆件36分離，並且該氣泡係與液體一起移動至下游再經由該排出通道34而排出至外部。

由上可知，經由在該振動產生機構18a、18b的操作下使附著於該覆件36的氣泡移除，該聲波訊號的傳遞將不再有阻礙，且在該超音波流量計10中可恰當地進行聲波訊號的傳送和接收。因此，基於該聲波訊號，可高準確度地量測該液體流量。

此外，因附著於該覆件36之氣泡係經由該振動產生機構18a、18b所生成的振動波而移除，故不需要使用處理溶液在該超音波流量計中的量測導管之內壁表面上，根據常規技術進行表面處理。因此，舉例而言，於半導體生產設備所使用的化學溶液或純水中，係能可靠地避免因該處理溶液洗脫進入化學溶液或純水中造成的汙染。

此外，該振動產生機構18a、18b係經由該支架54而可拆卸地分別安裝至外殼12的該擴徑部件30a、30b，其中該振動產生機構18a、18b的更換操作可輕易地執行，其僅需自該擴徑部件30a、30b移除該支架54。因此，舉例而言，在該振動產生機構18a、18b發生故障時，該振動產生機構18a、18b係可輕易且快速地更換為其他新的振動產生機構。

再進一步，藉由將該振動產生體52設置於該覆件36的外周側上，並經由將該振動產生體52設置為與該偵測單元16a、16b本質上垂直，由該振動產生體52所產生的振動波係可有效率地傳送至該覆件36，從而使該附著的氣泡被移除。

再更進一步，藉由從壓電元件建構該振動產生體52，係可簡單且低成本地進行振動的產生和氣泡的移除。

此外，經由設置該振動產生機構18a、18b，即使是在其中該補充部件22和該排出部件24係呈本質上垂直於該導管20之方式而形成，且當液體流經該導管20時由於流向突然之改變而容易產生氣泡的結構，附著於該偵測單元16a、16b之覆件36的該氣泡係被可靠地移除。

基於本發明之超音波流量計係不受限於以上之實施例。在不背離如在所附之申請專利範圍所陳述之發明範圍下係可對實施例進行各種變化和修改。