WO2011001536A1 - 液体圧送設備の異常検出装置及び方法、異常検出機能付きの超音波流量計 - Google Patents

液体圧送設備の異常検出装置及び方法、異常検出機能付きの超音波流量計 Download PDF

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WO2011001536A1
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流田賢治
鈴木康之
本多祐二
村松喜和
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本多電子株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an abnormality detection apparatus and method for liquid pumping equipment that detects an abnormality of a liquid pumping equipment including a reciprocating pump that periodically pumps using ultrasonic waves, and an ultrasonic flowmeter with an abnormality detection function. It is.
  • a bellows pump excellent in cleanliness and chemical resistance is used in a circulation system for cleaning chemicals and the like used in a semiconductor manufacturing process.
  • the bellows pump is a pump that performs suction and discharge of liquid by expanding and contracting the bellows.
  • this bellows pump there is a high probability of occurrence of a failure mode in which the bellows is worn and damaged by repeated expansion and contraction, and it is necessary to detect the failure mode at an early stage.
  • the bellows pump when the bellows is broken, bubbles are mixed into the liquid from the broken portion. Therefore, it is possible to determine the pump failure by detecting the increase in bubbles in the liquid.
  • Patent Literature 1 and the like disclose a bubble detection device that detects bubbles in a liquid using ultrasonic waves, and the bubble detection device can detect bubbles mixed in a liquid when a pump fails. it can.
  • the bubble detection device of Patent Literature 1 the fluctuation value of the reception level of the ultrasonic wave propagated in the liquid and the decrease time are integrated, and the bubble is detected based on the calculation result.
  • the bubble detection system disclosed in Patent Document 2 the number and volume of bubbles in the liquid passing through the conduit are detected over time using ultrasonic waves. Then, when the rotation cycle of the roller pump that pumps the liquid matches the expression cycle of the maximum value of the number of bubbles, it is determined that air is sucked into the conduit.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to accurately detect bubbles mixed in a liquid in a liquid pumping equipment configured to include a reciprocating pump that pumps liquid periodically.
  • An object of the present invention is to provide an abnormality detection device for liquid pumping equipment that can accurately determine an abnormality in the liquid pumping equipment.
  • Another object is to provide an ultrasonic flow meter with an abnormality detection function that can accurately detect air bubbles mixed in the liquid while measuring the flow rate of the liquid and accurately determine the abnormality of the liquid pumping equipment. It is to provide.
  • another object is to accurately detect bubbles in the liquid and accurately determine abnormality of the liquid pumping equipment in a liquid pumping equipment configured to include a reciprocating pump that periodically pumps liquid.
  • An object of the present invention is to provide an abnormality detection method for liquid pumping equipment.
  • the invention described in means 1 is an apparatus that detects an abnormality of a liquid pumping facility including a reciprocating pump that periodically pumps liquid by a reciprocating motion of a movable member using ultrasonic waves.
  • the pump drive cycle acquisition means for acquiring data relating to the drive cycle of the reciprocating pump, the liquid discharge side pipe in the reciprocating pump or the liquid pressure feed pipe connected thereto, and the pipe Based on a sensor unit that propagates ultrasonic waves into the liquid in the liquid and receives the ultrasonic waves and a received signal of the ultrasonic waves received by the sensor unit, data relating to increase / decrease of bubbles contained in the liquid is acquired.
  • a bubble detection processing means for obtaining an increase / decrease period of the bubbles by frequency analysis of data acquired by the bubble detection processing means, and driving of the reciprocating pump
  • the abnormality detection of the liquid pumping equipment comprising an abnormality determining means that compares the period and the increase / decrease period of the bubbles and determines that an abnormality has occurred in the liquid pumping equipment when the periods coincide with each other
  • the gist is the device.
  • data relating to the drive cycle of the reciprocating pump is obtained by the pump drive cycle obtaining means.
  • a sensor unit is provided in the liquid discharge side pipe in the reciprocating pump or the liquid pressure feeding pipe connected thereto, and the ultrasonic wave is propagated into the liquid in the pipe by the sensor unit. Ultrasound is received.
  • the bubble detection processing means obtains data related to the periodic increase / decrease of bubbles contained in the liquid, and the bubble increase / decrease period calculation means calculates the data.
  • the frequency increase / decrease period is obtained by frequency analysis.
  • the abnormality determination means compares the driving cycle of the reciprocating pump with the bubble increase / decrease cycle.
  • the invention described in the means 2 further comprises a measuring means for measuring the flow rate or flow velocity of the liquid in the pipe line in the means 1, and the pump driving cycle acquisition means is configured to measure the flow rate of the liquid measured by the measuring means.
  • the gist of the present invention is to obtain data related to the driving cycle by calculating the driving cycle of the reciprocating pump based on the fluctuation state of the flow velocity.
  • the reciprocating pump is a pump that periodically pumps liquid as the movable member reciprocates, the flow rate or flow velocity of the liquid flowing in the pipe varies depending on the driving cycle of the reciprocating pump.
  • the flow rate or flow velocity of the liquid flowing in the pipe line is measured by the measurement device, and the reciprocating pump is driven based on the fluctuation state of the flow rate or flow velocity by the pump drive cycle acquisition device.
  • the period can be determined.
  • the sensor unit propagates the ultrasonic wave in the forward direction and the reverse direction of the liquid flow in the pipe line, and reverses the ultrasonic wave propagated in the forward direction.
  • the measuring means determines the flow rate of the liquid or the difference between the propagation time of the ultrasonic wave propagated in the forward direction and the propagation time of the ultrasonic wave propagated in the reverse direction.
  • the gist is to measure the flow velocity.
  • the ultrasonic wave propagated in the reverse direction and the ultrasonic wave propagated in the reverse direction of the liquid flow are received by the sensor unit, and the propagation of the ultrasonic wave propagated in the forward direction by the measuring means.
  • the liquid flow rate or flow velocity is measured from the difference between the time and the propagation time of the ultrasonic wave propagated in the opposite direction.
  • the invention described in means 4 further comprises pressure measuring means for detecting the pressure of the liquid in the pipe line in the means 1, wherein the pump drive period acquisition means is the pressure of the liquid measured by the pressure measuring means.
  • the gist of the present invention is to obtain data related to the driving cycle by calculating the driving cycle of the reciprocating pump based on the fluctuation state of the reciprocating pump.
  • the pressure of the liquid flowing in the pipe varies depending on the driving cycle of the reciprocating pump. Therefore, as in the invention described in the means 4, the pressure of the liquid in the pipe line is detected by the pressure measuring means, and the driving period of the reciprocating pump is obtained based on the fluctuation state of the pressure of the liquid by the pump driving period acquiring means. be able to.
  • the invention according to means 5 further comprises a position sensor for detecting reciprocation of the movable member in means 1, wherein the pump drive period acquisition means is configured to reciprocate based on the reciprocation period detected by the position sensor.
  • the gist is to obtain data related to the driving cycle by calculating the driving cycle of the pump.
  • the movable member reciprocates. Therefore, as in the invention described in the means 5, the reciprocating movement of the movable member can be detected by the position sensor, and the driving period of the reciprocating pump can be obtained based on the reciprocating period of the movable member by the pump driving period obtaining means. .
  • the invention described in means 6 is that in any one of means 1 to 5, the bubble detection processing means acquires time series data of a bubble detection rate within a predetermined time, and the bubble increase / decrease period calculation means is the time series.
  • the gist is to obtain the increase / decrease period of the bubbles by Fourier transforming the data.
  • the time series data of the bubble detection rate within a predetermined time is acquired by the bubble detection processing means, and the bubble increase / decrease period is obtained by Fourier transforming the time series data by the bubble increase / decrease period calculation means. Is required accurately.
  • the invention described in the means 7 is the bellows pump according to any one of the means 1 to 6, wherein the reciprocating pump is a bellows pump that pumps the liquid by expanding and contracting the bellows as the movable member at a predetermined driving cycle.
  • the gist of the abnormality determination means is to determine the occurrence of an abnormality in the bellows based on a comparison result between the driving period of the bellows and the increase / decrease period of the bubbles.
  • a bellows pump that pumps liquid by expanding and contracting a bellows as a movable member at a predetermined driving cycle is used.
  • the bellows pump is a reciprocating pump excellent in cleanliness and chemical resistance. However, if it is used for a long period of time, the bellows repeatedly wears out and is damaged. Then, bubbles are mixed into the liquid from the location where the bellows is torn.
  • the abnormality determination means can accurately determine the occurrence of abnormality in the bellows based on the comparison result between the driving period of the bellows pump and the increase / decrease period of the bubbles.
  • the invention described in the means 8 is an ultrasonic flowmeter provided with a function of detecting an abnormality of a liquid pumping equipment including a reciprocating pump that periodically pumps a liquid by a reciprocating movement of a movable member using an ultrasonic wave.
  • a pump drive cycle acquisition means for acquiring data relating to a drive cycle of the reciprocating pump, a liquid discharge side pipe in the reciprocating pump or a liquid pressure feed pipe connected thereto, A sensor unit for propagating ultrasonic waves in the liquid and receiving the ultrasonic waves, and a bubble for acquiring data relating to increase / decrease of bubbles contained in the liquid based on an ultrasonic reception signal received by the sensor unit
  • a detection processing means a bubble increase / decrease period calculating means for obtaining an increase / decrease period of the bubbles by frequency analysis of data acquired by the bubble detection processing means, and a driving period of the reciprocating pump
  • An ultrasonic flow rate with an abnormality detection function comprising: an abnormality determination unit that compares the increase / decrease period of the bubbles and determines that an abnormality has occurred in the liquid pumping equipment when the periods coincide with each other
  • the summary is the gist.
  • data relating to the driving cycle of the reciprocating pump is acquired by the pump driving cycle acquiring means.
  • a sensor unit is provided in the liquid discharge side pipe in the reciprocating pump or the liquid pressure feeding pipe connected thereto, and the ultrasonic wave is propagated into the liquid in the pipe by the sensor unit. Ultrasound is received.
  • the bubble detection processing means obtains data related to the periodic increase / decrease of bubbles contained in the liquid, and the bubble increase / decrease period calculation means calculates the data.
  • the frequency increase / decrease period is obtained by frequency analysis.
  • the abnormality determination means compares the driving cycle of the reciprocating pump with the bubble increase / decrease cycle.
  • the ultrasonic flowmeter When the driving cycle of the reciprocating pump matches the bubble increase / decrease cycle, it is determined that an abnormality has occurred in the liquid pumping equipment due to a failure of the reciprocating pump or the like. If the ultrasonic flowmeter is configured in this way, even when bubbles are always mixed in the liquid flowing through the pipeline of the liquid pumping equipment, the increase / decrease cycle of the bubbles due to a pump failure or the like can be reliably obtained. Then, based on the comparison result between the bubble increase / decrease period and the pump driving period, it is possible to accurately determine the abnormality of the liquid pumping equipment. In addition, since this ultrasonic flow meter can monitor the abnormality of the liquid pumping equipment while measuring the flow rate of the liquid, the installation space can be reduced as compared with the case where an abnormality detecting device is separately provided.
  • the invention described in the means 9 further comprises a measuring means for measuring the flow rate or flow velocity of the liquid in the pipe line in the means 8, and the pump driving cycle acquisition means is configured to measure the flow rate of the liquid measured by the measuring means.
  • the gist of the present invention is to obtain data related to the driving cycle by calculating the driving cycle of the reciprocating pump based on the fluctuation state of the flow velocity.
  • the flow rate or flow velocity of the liquid flowing in the pipe line is measured by the measuring device, and the drive cycle of the reciprocating pump is obtained by the pump drive cycle acquisition device based on the fluctuation state of the flow rate or flow velocity. It is done.
  • the drive cycle of the reciprocating pump is obtained using the flow rate measurement function of the ultrasonic flowmeter, it is not necessary to provide a means for obtaining the drive cycle on the liquid pumping equipment side, which is practically preferable. It becomes.
  • the sensor section propagates ultrasonic waves in the forward and reverse directions of the flow of the liquid and reverses the ultrasonic waves propagated in the forward direction.
  • the measuring means determines the flow rate of the liquid or the difference between the propagation time of the ultrasonic wave propagated in the forward direction and the propagation time of the ultrasonic wave propagated in the reverse direction.
  • the gist is to measure the flow velocity.
  • the ultrasonic wave propagated in the reverse direction and the ultrasonic wave propagated in the reverse direction of the liquid flow are received by the sensor unit, and the propagation of the ultrasonic wave propagated in the forward direction by the measuring means.
  • the liquid flow rate or flow velocity is measured from the difference between the time and the propagation time of the ultrasonic wave propagated in the opposite direction.
  • the invention described in the means 11 further comprises pressure measuring means for detecting the pressure of the liquid in the pipe line in the means 8, wherein the pump driving period acquisition means is the pressure of the liquid measured by the pressure measuring means.
  • the gist of the present invention is to obtain data related to the driving cycle by calculating the driving cycle of the reciprocating pump based on the fluctuation state of the reciprocating pump.
  • the pressure of the liquid in the pipe line is detected by the pressure measuring means, and the driving period of the reciprocating pump is obtained based on the fluctuation state of the pressure of the liquid by the pump driving period acquiring means.
  • the invention described in means 12 further comprises a position sensor for detecting reciprocation of the movable member in means 8, wherein the pump drive period acquisition means is configured to reciprocate based on the reciprocation period detected by the position sensor.
  • the gist is to obtain data related to the driving cycle by calculating the driving cycle of the pump.
  • the reciprocating movement of the movable member is detected by the position sensor, and the driving period of the reciprocating pump is obtained based on the reciprocating period of the movable member by the pump driving period obtaining means.
  • the invention described in means 13 is that, in any one of means 8 to 12, the bubble detection processing means acquires time series data of a bubble detection rate within a predetermined time, and the bubble increase / decrease period calculation means is the time series.
  • the gist is to obtain the increase / decrease period of the bubbles by Fourier transforming the data.
  • the time series data of the bubble detection rate within a predetermined time is acquired by the bubble detection processing means, and the bubble increase / decrease period is obtained by Fourier transforming the time series data by the bubble increase / decrease period calculation means. Is required accurately.
  • the invention described in the means 14 is the bellows pump according to any one of the means 8 to 13, wherein the reciprocating pump is a bellows pump that pumps the liquid by expanding and contracting the bellows as the movable member at a predetermined driving cycle.
  • the gist of the abnormality determination means is to determine the occurrence of an abnormality in the bellows based on a comparison result between the driving period of the bellows and the increase / decrease period of the bubbles.
  • a bellows pump is used that pumps liquid by expanding and contracting a bellows as a movable member at a predetermined driving cycle.
  • the abnormality determination means can accurately determine the occurrence of the abnormality in the bellows based on the comparison result of the bellows drive cycle and the bubble increase / decrease cycle.
  • the invention described in the means 15 is a method for detecting abnormality of a liquid pumping equipment including a reciprocating pump that pumps liquid periodically by reciprocating movement of a movable member using ultrasonic waves, and the reciprocating pump Acquiring data relating to the driving cycle of the liquid, and propagating the ultrasonic wave into the liquid flowing in the liquid discharge side pipe in the reciprocating pump or the liquid pumping pipe connected thereto, and receiving the ultrasonic wave
  • Anomaly detection method of a liquid pumping equipment which comprises a step of the as its gist.
  • data relating to the driving cycle of the reciprocating pump is acquired.
  • the ultrasonic wave is propagated and received in the liquid in the liquid discharge side pipe in the reciprocating pump or the liquid pumping pipe connected thereto, and based on the received signal of the ultrasonic wave, Data on periodic increase / decrease of bubbles contained in the liquid is acquired. And the increase / decrease period of a bubble is calculated
  • the abnormality detection device for the liquid pumping equipment which can accurately detect the bubbles mixed in the liquid and accurately determine the abnormality of the liquid pumping equipment. Can be provided.
  • an abnormality detection function capable of accurately detecting bubbles mixed in the liquid while accurately measuring the flow rate of the liquid and accurately determining abnormality of the liquid pumping equipment.
  • An ultrasonic flow meter can be provided.
  • an abnormality detection method for the liquid pumping equipment that can accurately detect the bubbles mixed in the liquid and accurately determine the abnormality of the liquid pumping equipment.
  • the liquid pumping equipment of this Embodiment is used in order to supply the liquid W1 (for example, cleaning chemical
  • the liquid pumping facility 1 includes a liquid pumping line 2 for supplying the liquid W1, a bellows pump 3 (reciprocating pump) connected to the liquid pumping line 2, A pump drive device 4 for driving the bellows pump 3 and an abnormality detection device 5 for detecting an abnormality of the bellows pump 3 are provided.
  • the bellows pump 3 includes a pump head 7 provided with a liquid suction side pipe line 6a and a liquid discharge side pipe line 6b, and a bellows 8 as a movable member.
  • the liquid suction side pipe 6 a of the pump head 7 is connected to a liquid supply source such as a liquid storage tank (not shown), and the liquid discharge side pipe 6 b is connected to the liquid pressure feed pipe 2. Yes.
  • the bellows pump 3 pumps the liquid W1 to the liquid pumping line 2 by expanding and contracting the bellows 8 with a predetermined driving cycle.
  • the pump drive device 4 includes a frequency control unit 9 that controls the drive cycle of the bellows pump 3 by inverter control, and a frequency output unit 10 that outputs a frequency signal corresponding to the drive cycle of the bellows pump 3.
  • the abnormality detection device 5 includes a pump drive cycle measurement unit 11, a bubble detection sensor unit 12, a bubble detection control unit 13, a bubble detection calculation unit 14, and an abnormality alarm output unit 15.
  • the pump drive cycle measuring unit 11 (pump drive cycle acquisition means) takes in the frequency signal output from the frequency output unit 10 and measures the drive cycle of the bellows pump 3. Then, the pump drive cycle measuring unit 11 outputs data related to the drive cycle to the bubble detection calculation unit 14.
  • the bubble detection sensor unit 12 includes an ultrasonic transmitter 17 and an ultrasonic receiver 18 for transmitting and receiving ultrasonic waves.
  • the ultrasonic transmitter 17 and the ultrasonic receiver 18 are connected via the liquid pressure-feeding conduit 2. It is fixed to the side wall of the liquid pressure feeding conduit 2 so as to face each other.
  • the ultrasonic transmitter 17 transmits an ultrasonic wave into the liquid W1 flowing in the liquid pressure-feeding conduit 2, and the ultrasonic receiver 18 transmits the ultrasonic wave propagated through the liquid W1.
  • the ultrasonic waves transmitted and received by the ultrasonic transmitter 17 and the ultrasonic receiver 18 have a frequency of 3 MHz, for example.
  • the bubble detection control unit 13 includes an ultrasonic transmission circuit 21, an ultrasonic reception circuit 22, and a timer 23, and controls the transmission / reception timing of the ultrasonic waves in the bubble detection sensor unit 12.
  • the ultrasonic transmission circuit 21 outputs a transmission signal to the ultrasonic transmitter 17 periodically (for example, every 100 ⁇ s) within a predetermined period (for example, 10 seconds) measured by the timer 23. Based on this transmission signal, the ultrasonic transmitter 17 is driven to output an ultrasonic wave. Then, ultrasonic waves are received by the ultrasonic receiver 18, and the received signal is output from the ultrasonic receiver 18 to the ultrasonic receiving circuit 22.
  • the ultrasonic reception circuit 22 includes a signal amplification circuit, amplifies the ultrasonic reception signal, and outputs the amplified signal to the bubble detection calculation unit 14.
  • the bubble detection calculation unit 14 includes a reception sensitivity measurement unit 24, a bubble presence / absence determination unit 25, a bubble detection rate counting unit 26, a bubble increase / decrease period calculation unit 27, a cycle comparison unit 28, and a pump abnormality determination unit 29.
  • the bubble detection calculation unit 14 is configured by a known computer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and each means 24 to 29 of the bubble detection calculation unit 14 is realized by using a calculation processing function of the CPU. .
  • the reception sensitivity measuring unit 24 measures the signal strength of the ultrasonic reception signal
  • the bubble presence / absence determination unit 25 determines the presence / absence of bubbles based on the signal strength. Specifically, when bubbles are present in the liquid W1 serving as an ultrasonic propagation path during transmission / reception of ultrasonic waves, the ultrasonic waves are attenuated by the bubbles. For this reason, as shown in FIG. 2, the amplitude of the signal waveform of the ultrasonic wave So received by the ultrasonic wave receiving circuit 22 via the ultrasonic wave receiver 18 (the waveform indicated by the one-dot chain line in FIG. 2) becomes small.
  • the ultrasonic wave efficiently propagates in the liquid W1, and therefore the signal waveform of the ultrasonic wave So received by the ultrasonic wave receiving circuit 22 (the waveform indicated by the solid line in FIG. 2). ) Becomes larger.
  • the reception sensitivity measuring unit 24 measures the peak value P1 of the signal waveform of the ultrasonic wave So as the signal strength of the reception signal.
  • the bubble presence / absence determining means 25 compares the signal strength of the received signal with a predetermined threshold value Pt, determines that there is a bubble if the signal strength is smaller than the threshold value Pt, and if the signal strength is larger than the threshold value Pt, the bubble is found. Judge that there is no.
  • the larger the bubble size, the smaller the received signal strength, and the smaller the bubble size the greater the signal strength. Therefore, the bubble size to be ignored at the time of bubble detection can be arbitrarily set by the threshold value Pt determined by the bubble presence / absence determination means 25.
  • the number of times the bubble detection rate counting means 26 (bubble detection processing means) has determined that there are no bubbles based on the determination result of a plurality of times (100 times) by the bubble presence / absence determination means 25 within a fixed time (10 msec).
  • Count The bubble detection rate counting means 25 generates time series data (data range is 0 to 100) for each 10 msec time interval as bubble detection rate data (data related to increase / decrease in bubbles) and generates a bubble increase / decrease period calculation means 27.
  • FIG. 3 shows an example of acquiring time-series data of the bubble detection rate.
  • the bubble detection rate was measured in a state where the bellows 8 was driven at a driving period of 2 seconds.
  • the bubble increase / decrease period calculation means 27 acquires the time series data of the bubble detection rate from the bubble detection rate counting means 26 within a predetermined period (10 seconds), and performs frequency analysis (specifically, Fourier transform) on the time series data. ) To determine the bubble increase / decrease period.
  • FIG. 4 shows an analysis result obtained by performing frequency analysis using the time series data of FIG. As shown in FIG. 4, since the first maximum point is 0.5 Hz and other maximum points exist at 1.0 Hz, 1.5 Hz, 2.0 Hz,. The frequency is 0.5 Hz, and the bubble increase / decrease period is 2 seconds.
  • the cycle comparison unit 28 acquires data related to the driving cycle of the bellows pump 3 from the pump driving cycle measuring unit 11 and also acquires data related to the increase / decrease cycle of the bubbles from the bubble increase / decrease cycle calculating unit 27, thereby driving the driving cycle of the bellows pump 3. And the bubble increase / decrease period.
  • the pump abnormality determination unit 29 determines that the operation of the bellows pump 3 is normal when the driving cycle of the bellows pump 3 and the bubble increase / decrease cycle do not match based on the comparison result of the cycle comparison unit 28.
  • the abnormality alarm output unit 15 drives an alarm device such as a warning lamp or a buzzer to notify the pump failure. Further, the abnormality alarm output unit 15 outputs a stop signal to the pump driving device 4 to stop the operation of the bellows pump 3.
  • FIG. 5 shows the time series data of the bubble detection rate measured by the bubble detection rate counting means 26, and
  • FIG. 6 shows the frequency analysis result by the bubble increase / decrease period calculating means 27.
  • FIG. 5 shows the time series data of the bubble detection rate measured by the bubble detection rate counting means 26, and
  • FIG. 6 shows the frequency analysis result by the bubble increase / decrease period calculating means 27.
  • FIG. 5 shows the time series data of the bubble detection rate measured by the bubble detection rate counting means 26, and
  • FIG. 6 shows the frequency analysis result by the bubble increase / decrease period calculating means 27.
  • the time series data of the bubble detection rate is acquired, and the increase / decrease period of the bubbles is obtained by frequency analysis (Fourier transform) of the time series data.
  • frequency analysis Frier transform
  • the increase / decrease cycle of the bubbles can be accurately obtained.
  • the increase / decrease period of the bubbles and the driving period of the bellows pump 3 are compared, and if the periods coincide, it can be determined that the bellows 8 is broken and an abnormality has occurred in the bellows pump 3. .
  • the conventional bubble detection system disclosed in Patent Document 2 is used, if a large amount of bubbles are mixed in the liquid W1 as shown in FIG.
  • the maximum number of bubbles (the count number without bubbles is 0) is as follows. This state continues. For this reason, the expression cycle of the maximum value of the number of bubbles cannot be obtained accurately, and a pump failure cannot be detected with high accuracy. On the other hand, if the abnormality detection device 5 according to the present embodiment is used, the bubble increase / decrease period corresponding to the pump failure can be accurately obtained regardless of the amount of bubbles mixed in, and the pump failure can be detected accurately. be able to.
  • the abnormality of the bellows pump 3 can be detected and the driving of the bellows pump 3 can be stopped quickly. It can be avoided reliably.
  • the abnormality detection device 5A of the present embodiment is also used in the liquid pumping equipment 1 configured to include the liquid pumping conduit 2 and the bellows pump 3.
  • the abnormality detection device 5A is different from the first embodiment in that the abnormality detection device 5A has a function of measuring the flow rate of the liquid W1 flowing in the liquid pressure-feeding pipeline 2.
  • the malfunction of the bellows pump 3 is determined using the pulsation cycle of the flow rate that varies corresponding to the drive cycle of the bellows pump 3.
  • the abnormality detection device 5A includes a bubble detection sensor unit 12, a bubble detection control unit 13, a bubble detection calculation unit 14A, an abnormality alarm output unit 15, a flow rate measurement sensor unit 31, and a flow rate.
  • a measurement control unit 32, a flow rate measurement calculation unit 33, and a flow rate output unit 34 are provided.
  • the bubble detection sensor unit 12 includes an ultrasonic transmitter 17 and an ultrasonic receiver 18, and the bubble detection control unit 13 includes an ultrasonic transmission circuit 21, an ultrasonic reception circuit 22, and a timer 23.
  • the bubble detection calculation unit 14A includes a reception sensitivity measurement unit 24, a bubble presence / absence determination unit 25, a bubble detection rate counting unit 26, a bubble increase / decrease cycle calculation unit 27, a cycle comparison unit 28, a pump abnormality determination unit 29, and a flow rate pulsation cycle.
  • Calculation means 35 is provided. That is, in the abnormality detection device 5A of the present embodiment, the bubble detection sensor unit 12 and the bubble detection control unit 13 have the same configuration as in the first embodiment, and the bubble detection calculation unit 14A includes a flow rate pulsation cycle calculation unit. The difference from the first embodiment is that 35 is added.
  • the flow measurement sensor unit 31, the flow measurement control unit 32, and the flow measurement calculation unit 33 in the abnormality detection device 5A have the same configuration as a general ultrasonic flow meter.
  • the flow measurement sensor unit 31 includes a pair of ultrasonic transceivers 37 and 38 for transmitting and receiving ultrasonic waves.
  • one ultrasonic transmitter / receiver 37 is connected to the liquid pressure-feeding conduit 2 so that the ultrasonic wave propagates at a predetermined angle (for example, an angle of 45 °) with respect to the flow direction of the liquid W ⁇ b> 1.
  • the other ultrasonic transmitter / receiver 38 is fixed to the upstream side wall, and is fixed to the downstream side wall of the liquid pressure feed conduit 2.
  • the ultrasonic waves transmitted and received by the ultrasonic transceivers 37 and 38 have a frequency of 3 MHz, for example.
  • the flow measurement control unit 32 includes an ultrasonic transmission / reception switching circuit 40, an ultrasonic transmission circuit 41, an ultrasonic reception circuit 42, and a timer 43, and controls ultrasonic transmission / reception timing and transmission / reception direction in the flow measurement sensor unit 31. Specifically, based on the timing signal output from the timer 23, the ultrasonic transmission circuit 41 outputs a transmission signal to the ultrasonic transmission / reception switching circuit 40 periodically (every 1 msec), and the ultrasonic transmission / reception switching circuit 40. Outputs the transmission signal to the upstream ultrasonic transmitter / receiver 37 and the downstream ultrasonic transmitter / receiver 38 alternately.
  • the ultrasonic wave when an ultrasonic wave is output from the upstream ultrasonic transceiver 37 based on the transmission signal, the ultrasonic wave propagates in the positive direction of the flow of the liquid W1 and transmits and receives the ultrasonic wave on the downstream side. Is received by the device 38. Then, the received signal is taken into the ultrasonic receiving circuit 42 from the ultrasonic transmitter / receiver 38 via the ultrasonic transmission / reception switching circuit 40, and the amplified signal is output from the ultrasonic receiving circuit 42 to the flow measurement calculation unit 33. Is done.
  • the ultrasonic wave when an ultrasonic wave is output from the downstream ultrasonic transceiver 38 based on the transmission signal, the ultrasonic wave propagates in the reverse direction of the flow of the liquid W1 and is received by the upstream ultrasonic transceiver 37. Then, the received signal is taken into the ultrasonic receiving circuit 42 from the ultrasonic transmitter / receiver 37 via the ultrasonic transmission / reception switching circuit 40, and the amplified signal is output from the ultrasonic receiving circuit 42 to the flow measurement calculation unit 33. Is done.
  • the flow rate measurement calculation unit 33 (measurement unit) includes a propagation time calculation unit 44 and an instantaneous flow rate calculation unit 45.
  • the flow rate measurement calculation unit 33 is configured by a known computer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and the propagation time calculation unit 44 and the instantaneous flow rate calculation unit 45 are realized by using calculation processing functions of the CPU. .
  • the propagation time calculation unit 44 Based on the transmission / reception timing of the ultrasonic wave measured by the timer 43, the propagation time calculation unit 44 obtains the propagation time of the ultrasonic wave propagated in the forward direction of the flow of the liquid W1 and the propagation time of the ultrasonic wave propagated in the reverse direction. .
  • the instantaneous flow rate calculating means 45 obtains the flow rate of the liquid W1 and the flow rate of the liquid W1 based on the difference in propagation time of the ultrasonic waves.
  • the flow rate of the liquid W1 is calculated every time ultrasonic waves are transmitted and received in the flow rate measurement sensor unit 31, and is obtained as an instantaneous flow rate at that time.
  • the flow rate of the liquid W1 obtained by the instantaneous flow rate calculation means 45 is transferred to the flow rate output unit 34 and displayed on a display device such as a display.
  • the flow rate of the liquid W1 is output from the flow rate output unit 34 to the flow rate pulsation cycle calculation unit 35 of the bubble detection calculation unit 14A.
  • the liquid W1 is periodically pumped to the liquid pumping pipe 2 by the bellows pump 3, so the flow rate of the liquid W1 varies according to the driving cycle of the bellows pump 3. (See FIG. 8).
  • the flow rate pulsation cycle calculation unit 35 (pump drive cycle acquisition unit) of the bubble detection calculation unit 14A obtains the drive cycle of the bellows pump 3 based on the fluctuation state of the flow rate of the liquid W1.
  • the flow rate pulsation cycle calculating means 35 obtains the flow rate pulsation cycle by performing frequency analysis (specifically, Fourier transform) on the time series data of the flow rate of the liquid W1, and obtains the data from the bellows pump 3 Is obtained as data relating to the driving cycle (see FIG. 9).
  • the pulsation cycle of the flow rate (drive cycle of the pump 3) is 2 seconds.
  • the flow rate of the liquid W1 is obtained by multiplying the flow path cross-sectional area by the flow velocity. Therefore, the driving cycle of the bellows pump 3 may be obtained based on the fluctuation state of the flow velocity of the liquid W1.
  • the reception sensitivity measuring unit 24, the bubble presence / absence determining unit 25, the bubble detection rate counting unit 26, and the bubble increase / decrease period calculating unit 27 in the bubble detection calculation unit 14A perform the same processing as in the first embodiment. Obtain the increase / decrease period of bubbles.
  • the cycle comparison means 28 compares the pulsation cycle of the flow rate with the increase / decrease cycle of the bubbles. Further, the pump abnormality determination unit 29 determines that the operation of the bellows pump 3 is normal when the pulsation cycle of the flow rate and the bubble increase / decrease cycle do not match based on the comparison result of the cycle comparison unit 28. On the other hand, when the pulsation cycle of the flow rate coincides with the increase / decrease cycle of the bubbles, it is determined that the bellows pump 3 has failed and bubbles are mixed in the liquid W1, and a failure signal for notifying the pump failure Is output to the abnormality alarm output unit 15. Then, the abnormality alarm output unit 15 drives an alarm device such as a warning lamp or a buzzer to notify the pump failure.
  • an alarm device such as a warning lamp or a buzzer to notify the pump failure.
  • the abnormality detection device 5A obtains the time series data of the bubble detection rate, and accurately calculates the increase / decrease period of the bubbles by performing frequency analysis (Fourier transform) on the time series data. it can. Further, the abnormality detection device 5A can measure the flow rate of the liquid W1 flowing in the pipe line 2, and can determine the driving cycle of the bellows pump 3 based on the fluctuation state of the flow rate. Then, the increase / decrease period of the bubbles and the driving period of the bellows pump 3 are compared, and if the periods coincide, it can be determined that the bellows 8 is broken and an abnormality has occurred in the bellows pump 3. .
  • frequency analysis Frier transform
  • the ultrasonic wave is propagated in the forward direction and the reverse direction of the flow of the liquid W1 by the flow measurement sensor unit 31, and the propagation time of the ultrasonic wave propagated in the forward direction is the reverse direction.
  • the flow rate of the liquid W ⁇ b> 1 is measured from the difference from the propagation time of the ultrasonic wave propagated to.
  • the ultrasonic wave used in the flow measurement sensor unit 31 is 3 MHz, and has the same frequency as the ultrasonic wave of the bubble detection sensor unit 12.
  • the ultrasonic transmitter 17 and the ultrasonic receiver 18 of the bubble detection sensor unit 12 and the ultrasonic transmitters and receivers 37 and 38 of the flow rate sensor unit 31 can be configured using the same ultrasonic transducer.
  • the component cost of the abnormality detection device 5A can be reduced. [Third Embodiment]
  • the ultrasonic flow meter 50 with a pump abnormality detection function is embodied.
  • the ultrasonic flowmeter 50 is configured by integrating the bubble detection sensor unit and the flow rate measurement sensor unit.
  • the ultrasonic flowmeter 50 includes a sensor unit 51, a control unit 52, a calculation unit 53, an abnormality alarm output unit 54, and a flow rate output unit 55.
  • the ultrasonic flowmeter 50 of the present embodiment is also used in the liquid pumping equipment 1 including the liquid pumping line 2 and the bellows pump 3.
  • the sensor unit 51 includes a pair of ultrasonic transmitters / receivers 37, 38 for transmitting / receiving ultrasonic waves, and each ultrasonic transmitter / receiver 37, 38 has each end of the straight pipe unit 2 a constituting the liquid pressure-feeding pipe line 2. Provided in each part. That is, one ultrasonic transmitter / receiver 37 is provided at the upstream end 2b of the straight pipe portion 2a so that the ultrasonic transmitter / receivers 37 and 38 face each other across the flow path in the straight pipe portion 2a. A sound wave transmitter / receiver 38 is provided at the downstream end 2c of the straight pipe portion 2a.
  • the control unit 52 includes an ultrasonic transmission / reception switching circuit 40, an ultrasonic transmission circuit 41, an ultrasonic reception circuit 42, and a timer 43, and controls ultrasonic transmission / reception timing and transmission / reception direction in the sensor unit 51.
  • the control unit 52 has the same configuration as the flow rate measurement control unit 32 in the second embodiment.
  • the calculation unit 53 includes a reception sensitivity measurement unit 24, a bubble presence / absence determination unit 25, a bubble detection rate counting unit 26, a bubble increase / decrease period calculation unit 27, a cycle comparison unit 28, a pump abnormality determination unit 29, a propagation time calculation unit 44, Instantaneous flow rate calculating means 45 and flow rate pulsation period calculating means 35 are provided.
  • the calculation unit 53 is configured by a known computer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and each unit of the calculation unit 53 is realized by using a calculation processing function of the CPU.
  • the reception sensitivity measurement unit 24 the bubble presence / absence determination unit 25, the bubble detection rate counting unit 26, the bubble increase / decrease period calculation unit 27, the cycle comparison unit 28, the pump abnormality determination unit 29, and the flow rate pulsation cycle calculation unit 35.
  • Each means is the same means as the bubble detection calculation unit 14A in the second embodiment, and each means of the propagation time calculation means 44 and the instantaneous flow rate calculation means 45 is the flow measurement calculation in the second embodiment. The same means as the unit 33.
  • the detection of bubbles and the flow measurement of the liquid W1 can be performed simultaneously by transmitting and receiving ultrasonic waves in the common sensor unit 51. Further, when the bubble increase / decrease period and the flow rate pulsation period coincide with each other, it is possible to detect that bubbles are mixed in the liquid W1 due to the tearing of the bellows 8, and the abnormality alarm output unit 54 alerts the pump failure. Can be output. If the ultrasonic flow meter 50 is configured in this way, the component cost can be reduced and the ultrasonic flow meter 50 can be downsized as compared with the case where the bubble detecting sensor unit and the flow measuring sensor unit are provided separately. Can be achieved.
  • the bubble detection sensor unit 12 is composed of the ultrasonic transmitter 17 and the ultrasonic receiver 18, but the bubble detection sensor unit shown in FIG. As shown in FIG. 60, the ultrasonic transmitter / receiver 61 and the reflection plate 62 may be used.
  • the ultrasonic transmitter / receiver 61 is fixed to the outer wall surface of the liquid pumping conduit 2, and is reflected on the inner wall surface facing the ultrasonic transmitter / receiver 61 in the flow path in the liquid pumping conduit 2.
  • the plate 62 is fixed. Even when the bubble detection sensor unit 60 is configured as described above, it is possible to detect the presence or absence of bubbles mixed in the liquid W1 by utilizing the reflection of ultrasonic waves by the reflection plate 62.
  • the driving cycle of the bellows pump 3 is obtained based on the frequency signal output from the pump driving device 4, and in the second and third embodiments, the flow rate of the liquid W1 varies.
  • the driving cycle of the bellows pump 3 is obtained based on the situation, another method may be adopted as a method for calculating the driving cycle of the bellows pump 3.
  • a pressure sensor 64 pressure measuring means that detects the pressure of the liquid W ⁇ b> 1 in the liquid pressure-feeding pipeline 2 is provided, and the pressure variation measured by the pressure sensor 64 is provided. You may obtain
  • the bellows pump 3 is provided with a position sensor 65 that detects the reciprocating motion of the bellows 8, and the driving cycle of the bellows pump 3 is obtained based on the reciprocating motion cycle detected by the position sensor 65. May be. Furthermore, you may comprise so that the data of the driving period of the bellows pump 3 may be acquired using communication means, such as RS-232C, RS-485, a mod bus, and a field bus.
  • communication means such as RS-232C, RS-485, a mod bus, and a field bus.
  • the bubble detection sensor unit 12 of the abnormality detection device 5 is provided in the liquid pressure feed line 2, but the bubble detection sensor unit is provided in the liquid discharge side line 6 b of the bellows pump 3. 12 may be provided. That is, the abnormality detection device 5 is provided integrally with the bellows pump 3. Even if comprised in this way, the bubble in the liquid W1 can be detected and the abnormality of the bellows pump 3 can be determined accurately by comparing the increase / decrease period of the bubble and the pump drive period.
  • one abnormality detection device 5 is provided on the downstream side of the bellows pump 3 in the liquid pumping equipment 1 to detect a pump failure.
  • the present invention is not limited to this. is not.
  • the liquid pumping equipment 1 is configured using a plurality of pipes, flow rate adjusting valves, and the like, a plurality of abnormality detection devices 5 may be provided.
  • the abnormality detection device 5 is provided before and after the connection part such as a pipe or a flow rate adjusting valve. If comprised in this way, even if it is a case where a bubble mixes by the fastening defect of piping or a valve
  • the bubble detection process and the flow rate measurement process are performed simultaneously, but each process may be performed at different timings. For example, when the bubble detection process and the flow rate measurement process are alternately performed and it is determined that the bellows pump 3 is operating normally in the bubble detection process, the measured flow rate of the liquid W1 is changed from the flow rate output units 34 and 55. You may comprise so that it may output.
  • the ultrasonic flow meter 50 with the pump abnormality detection function is embodied, but the embodiment is not limited to this, and the flow rate output unit 55 in the ultrasonic flow meter 50 is omitted. You may actualize as an abnormality detection apparatus.
  • the ultrasonic waves transmitted and received by the bubble detection sensor unit 12 and the flow rate measurement sensor unit 31 are set to the same frequency (3 MHz), but the present invention is not limited to this.
  • the frequency of the ultrasonic wave may be changed as appropriate according to the size of the bubble detected by the bubble detection sensor unit 12.
  • the flow rate of the liquid W1 is measured using ultrasonic waves, but is not limited to this, and a flow meter other than the ultrasonic type is used.
  • the flow rate of the liquid W1 may be measured.
  • ultrasonic waves are transmitted and received at a measurement period of 100 ⁇ s, and time-series data of the bubble detection rate is acquired based on the determination result of 100 times by the bubble presence / absence determination unit 25.
  • the present invention is not limited to this, and the measurement cycle and the number of determinations may be changed as appropriate. Further, it is possible to obtain time-series data on the presence / absence of bubbles for each time instead of a plurality of times, and obtain the increase / decrease period of the bubbles by frequency analysis of the time-series data.
  • the frequency analysis is performed by Fourier transform (FFT) and the bubble increase / decrease period is calculated.
  • FFT Fourier transform
  • the bubble increase / decrease period may be calculated by a frequency analysis technique such as maximum entropy method (MEM) or autoregression (AR).
  • MEM maximum entropy method
  • AR autoregression
  • liquid pumping facility 1 including the bellows pump 3 is embodied, but the liquid pumping facility including another reciprocating pump such as a piston pump having a piston as a movable member may be embodied.
  • An abnormality detection device for liquid pumping equipment wherein any one of means 1 to 7 further comprises an abnormality alarm means for notifying an abnormality of the liquid pumping equipment.
  • An abnormality detection device for liquid pumping equipment which stops driving of the reciprocating pump when an abnormality of the liquid pumping equipment is determined in any one of means 1 to 7.
  • the pump driving cycle acquisition unit acquires data related to the driving cycle based on a driving signal of the reciprocating pump, and detects abnormality of the liquid pumping equipment, apparatus.
  • Explanatory drawing which shows the signal waveform of the ultrasonic wave according to the presence or absence of a bubble.
  • the time chart which shows the time series data of a bubble detection rate.
  • Explanatory drawing which shows a frequency analysis result.
  • the time chart which shows the time series data of a bubble detection rate.
  • Explanatory drawing which shows a frequency analysis result.
  • Explanatory drawing which shows a frequency analysis result.
  • the schematic block diagram which shows the liquid pumping equipment of 3rd Embodiment. Sectional drawing which shows the bubble detection sensor part of another embodiment.
  • the schematic block diagram which shows the liquid pumping equipment of another embodiment.

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Abstract

液体中に混入した気泡を精度良く検出して液体圧送設備の異常を的確に判定することができる異常検出 装置を提供することを課題とする。異常検出装置５のセンサ部１２は、液体圧送用管路２内の液体Ｗ１ 中に超音波を伝搬させるとともにその超音波を受信する。気泡検出率計数手段２６は、超音波の受信信 号に基づいて、液体Ｗ１中に含まれる気泡の増減に関するデータを取得し、気泡増減周期演算手段２７ は、そのデータを周波数解析することで気泡の増減周期を求める。周期比較手段２８は、ベローズポン プ３の駆動周期と気泡の増減周期とを比較し、ポンプ異常判定手段２９は、その比較結果に基づいて液 体圧送設備１の異常を判定する。

Description

液体圧送設備の異常検出装置及び方法、異常検出機能付きの超音波流量計
　本発明は、周期的に圧送する往復動ポンプを含む液体圧送設備の異常を、超音波を利用して検出する液体圧送設備の異常検出装置及び方法、異常検出機能付きの超音波流量計に関するものである。
　従来、半導体製造工程で用いられる洗浄薬液等の循環システムでは、清浄性や耐薬品性に優れたベローズポンプが使用されている。ベローズポンプは、ベローズを伸縮させることで液体の吸込と吐出とを行うポンプである。このベローズポンプでは、ベローズが伸縮を繰り返すことで磨耗して破損するといった故障モードの発生確率が高く、その故障モードを早期に検知する必要がある。ベローズポンプにおいて、ベローズが破れた場合、その破れた箇所から液体中に気泡が混入するため、液体中の気泡の増加を検知することにより、ポンプ故障の判定を行うことが可能である。
　特許文献１等には、超音波を利用して液体中の気泡を検出する気泡検出装置が開示されており、その気泡検出装置を用いれば、ポンプ故障時に液体に混入した気泡を検出することができる。具体的には、特許文献１の気泡検出装置では、液体中を伝搬した超音波の受信レベルの変動値と低下時間とを積算し、その演算結果に基づいて気泡を検出している。また、特許文献２に開示されている気泡検出システムでは、超音波を利用して導管内を通過する液体中の気泡の数及び体積を経時的に検出している。そして、液体を圧送するローラポンプの回転周期と、気泡個数の最大値の発現周期が一致した場合に、導管内に空気が吸引されていると判断している。
特許第４１４７５８３号公報 特開２００５−４６４０４号公報
　ところが、液体中に気体がある程度存在した状態で配管内を流れているシステムにおいては、ベローズの破れによって混入した気泡と従前から液体中に存在していた気泡との判別が難しく、従来の気泡検出装置を用いて、ポンプ故障を判定することができない。例えば、特許文献２の気泡検出システムを用いた場合、液体中に大量の気泡が混入されると、気泡個数の最大値が一定期間継続して検出されてしまう。この場合には、気泡個数の最大値の発現周期を正確に求めることができず、ポンプ故障を精度良く検出することができない。
　本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体を周期的に圧送する往復動ポンプを含んで構成された液体圧送設備において、液体中に混入した気泡を精度良く検出して液体圧送設備の異常を的確に判定することができる液体圧送設備の異常検出装置を提供することにある。また、別の目的は、液体の流量を計測しつつその液体中に混入した気泡を精度良く検出して液体圧送設備の異常を的確に判定することができる異常検出機能付きの超音波流量計を提供することにある。さらに、別の目的は、液体を周期的に圧送する往復動ポンプを含んで構成された液体圧送設備において、液体中に混入した気泡を精度良く検出して液体圧送設備の異常を的確に判定することができる液体圧送設備の異常検出方法を提供することにある。
　上記課題を解決するために、手段１に記載の発明は、可動部材の往復動により液体を周期的に圧送する往復動ポンプを含む液体圧送設備の異常を、超音波を利用して検出する装置であって、前記往復動ポンプの駆動周期に関するデータを取得するポンプ駆動周期取得手段と、前記往復動ポンプにおける液体吐出側管路またはそれに接続された液体圧送用管路に設けられ、前記管路内の液体中に超音波を伝搬させるとともにその超音波を受信するセンサ部と、前記センサ部が受信した超音波の受信信号に基づいて、前記液体中に含まれる気泡の増減に関するデータを取得する気泡検出処理手段と、前記気泡検出処理手段が取得したデータを周波数解析することで前記気泡の増減周期を求める気泡増減周期演算手段と、前記往復動ポンプの駆動周期と前記気泡の増減周期とを比較し、それら周期が一致した場合に前記液体圧送設備に異常が生じていると判定する異常判定手段とを備えたことを特徴とする液体圧送設備の異常検出装置をその要旨とする。
　手段１に記載の発明によると、ポンプ駆動周期取得手段によって、往復動ポンプの駆動周期に関するデータが取得される。また、往復動ポンプにおける液体吐出側管路またはそれに接続された液体圧送用管路にセンサ部が設けられており、そのセンサ部によって、管路内の液体中に超音波が伝搬されるとともにその超音波が受信される。そして、センサ部で受信された超音波の受信信号に基づいて、気泡検出処理手段により、液体中に含まれる気泡の周期的な増減に関するデータが取得され、気泡増減周期演算手段により、そのデータを周波数解析することで気泡の増減周期が求められる。さらに、異常判定手段によって、往復動ポンプの駆動周期と気泡の増減周期とが比較される。ここで、往復動ポンプなどの液体圧送設備が故障して液体中に気泡が混入する場合、ポンプの駆動周期によって気泡の混入量が増減する。従って、往復動ポンプの駆動周期と気泡の増減周期とが一致する場合には、往復動ポンプなどの故障により液体圧送設備に異常が生じていると判定することができる。このように異常検出装置を構成すれば、液体圧送設備の管路を流れる液体中に常時気泡が混入している場合においても、ポンプ故障等による気泡の増減周期を確実に求めることができる。そして、その気泡の増減周期とポンプの駆動周期との比較結果に基づいて、液体圧送設備の異常を的確に判定することができる。
　手段２に記載の発明は、手段１において、前記管路内における前記液体の流量または流速を計測する計測手段をさらに備え、前記ポンプ駆動周期取得手段は、前記計測手段が計測した前記液体の流量または流速の変動状況に基づいて前記往復動ポンプの前記駆動周期を算出することにより、前記駆動周期に関するデータを取得することをその要旨とする。
　前記往復動ポンプは、可動部材が往復動することで液体を周期的に圧送するポンプであるため、管路内を流れる液体の流量または流速は、往復動ポンプの駆動周期に応じて変動する。
　従って、手段２に記載の発明のように、計測手段により管路内を流れる液体の流量または流速を計測し、ポンプ駆動周期取得手段によりその流量または流速の変動状況に基づいて往復動ポンプの駆動周期を求めることができる。
　手段３に記載の発明は、手段２において、前記センサ部は、前記管路内において、前記液体の流れの正方向及び逆方向に超音波を伝搬させるとともに、正方向に伝搬した超音波と逆方向に伝搬した超音波とをそれぞれ受信し、前記計測手段は、前記正方向に伝搬した超音波の伝搬時間と前記逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間との差から、前記液体の流量または流速を計測することをその要旨とする。
　手段３に記載の発明によると、センサ部により、液体の流れの正方向に伝搬した超音波と逆方向に伝搬した超音波とが受信され、計測手段により、正方向に伝搬した超音波の伝搬時間と逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間との差から、液体の流量または流速が計測される。このように、気泡検出用のセンサ部を使用して流体の流量を計測することにより、気泡検出用のセンサ部と、流量計測用のセンサ部とを別々に設ける場合と比較して、部品コストを抑えることができる。さらに、装置の小型化を図ることができる。
　手段４に記載の発明は、手段１において、前記管路内における前記液体の圧力を検出する圧力計測手段をさらに備え、前記ポンプ駆動周期取得手段は、前記圧力計測手段が計測した前記液体の圧力の変動状況に基づいて前記往復動ポンプの前記駆動周期を算出することにより、前記駆動周期に関するデータを取得することをその要旨とする。
　前記液体圧送設備では、往復動ポンプによって液体が圧送されるため、管路内を流れる液体の圧力は往復動ポンプの駆動周期に応じて変動する。従って、手段４に記載の発明のように、圧力計測手段により管路内における液体の圧力を検出し、ポンプ駆動周期取得手段により液体の圧力の変動状況に基づいて往復動ポンプの駆動周期を求めることができる。
　手段５に記載の発明は、手段１において、前記可動部材の往復動を検出する位置センサをさらに備え、前記ポンプ駆動周期取得手段は、前記位置センサが検出した往復動周期に基づいて前記往復動ポンプの前記駆動周期を算出することにより、前記駆動周期に関するデータを取得することをその要旨とする。
　前記往復動ポンプの駆動時には、可動部材が往復動する。従って、手段５に記載の発明のように、位置センサにより可動部材の往復動を検出し、ポンプ駆動周期取得手段により可動部材の往復動周期に基づいて往復動ポンプの駆動周期を求めることができる。
　手段６に記載の発明は、手段１乃至５のいずれかにおいて、前記気泡検出処理手段は、所定時間内における気泡検出率の時系列データを取得し、前記気泡増減周期演算手段は、前記時系列データをフーリエ変換することにより前記気泡の増減周期を求めることをその要旨とする。
　手段６に記載の発明によると、気泡検出処理手段により、所定時間内における気泡検出率の時系列データが取得され、気泡増減周期演算手段により、その時系列データをフーリエ変換することで気泡の増減周期が正確に求められる。
　手段７に記載の発明は、手段１乃至６のいずれかにおいて、前記往復動ポンプは、前記可動部材としてのベローズを所定の駆動周期で伸縮させることにより前記液体を圧送するベローズポンプであり、前記異常判定手段は、前記ベローズの駆動周期と前記気泡の増減周期との比較結果に基づいて、前記ベローズにおける異常の発生を判定することをその要旨とする。
　手段７に記載の発明によると、可動部材としてのベローズを所定の駆動周期で伸縮させることにより液体を圧送するベローズポンプが用いられる。ベローズポンプは、清浄性や耐薬品性に優れた往復動ポンプであるが、長期間使用するとベローズが伸縮を繰り返すことで磨耗して破損する。そして、ベローズの破れた箇所から液体中に気泡が混入する。この場合、異常判定手段により、ベローズポンプの駆動周期と気泡の増減周期との比較結果に基づいて、ベローズにおける異常の発生を的確に判定することができる。
　手段８に記載の発明は、可動部材の往復動により液体を周期的に圧送する往復動ポンプを含む液体圧送設備の異常を、超音波を利用して検出する機能を付与した超音波流量計であって、前記往復動ポンプの駆動周期に関するデータを取得するポンプ駆動周期取得手段と、前記往復動ポンプにおける液体吐出側管路またはそれに接続された液体圧送用管路に設けられ、前記管路内の液体中に超音波を伝搬させるとともにその超音波を受信するセンサ部と、前記センサ部が受信した超音波の受信信号に基づいて、前記液体中に含まれる気泡の増減に関するデータを取得する気泡検出処理手段と、前記気泡検出処理手段が取得したデータを周波数解析することで前記気泡の増減周期を求める気泡増減周期演算手段と、前記往復動ポンプの駆動周期と前記気泡の増減周期とを比較し、それら周期が一致した場合に前記液体圧送設備に異常が生じていると判定する異常判定手段とを備えたことを特徴とする異常検出機能付きの超音波流量計をその要旨とする。
　手段８に記載の発明によると、ポンプ駆動周期取得手段によって、往復動ポンプの駆動周期に関するデータが取得される。また、往復動ポンプにおける液体吐出側管路またはそれに接続された液体圧送用管路にセンサ部が設けられており、そのセンサ部によって、管路内の液体中に超音波が伝搬されるとともにその超音波が受信される。そして、センサ部で受信された超音波の受信信号に基づいて、気泡検出処理手段により、液体中に含まれる気泡の周期的な増減に関するデータが取得され、気泡増減周期演算手段により、そのデータを周波数解析することで気泡の増減周期が求められる。さらに、異常判定手段によって、往復動ポンプの駆動周期と気泡の増減周期とが比較される。そして、往復動ポンプの駆動周期と気泡の増減周期とが一致する場合、往復動ポンプなどの故障により液体圧送設備に異常が生じていると判定される。このように超音波流量計を構成すれば、液体圧送設備の管路を流れる液体中に常時気泡が混入している場合においても、ポンプ故障等による気泡の増減周期を確実に求めることができる。そして、気泡の増減周期とポンプの駆動周期との比較結果に基づいて、液体圧送設備の異常を的確に判定することができる。またこの超音波流量計では、液体の流量を測定しつつ液体圧送設備の異常を監視できるため、異常検出装置を別途設ける場合と比較して、設置スペースを削減することが可能となる。
　手段９に記載の発明は、手段８において、前記管路内における前記液体の流量または流速を計測する計測手段をさらに備え、前記ポンプ駆動周期取得手段は、前記計測手段が計測した前記液体の流量または流速の変動状況に基づいて前記往復動ポンプの前記駆動周期を算出することにより、前記駆動周期に関するデータを取得することをその要旨とする。
　手段９に記載の発明によると、計測手段により管路内を流れる液体の流量または流速が計測され、ポンプ駆動周期取得手段によりその流量または流速の変動状況に基づいて往復動ポンプの駆動周期が求められる。このように、超音波流量計の流量計測機能を使用して往復動ポンプの駆動周期を求める場合、その駆動周期を取得するための手段を液体圧送設備側に設ける必要がなく、実用上好ましいものとなる。
　手段１０に記載の発明は、手段９において、前記センサ部は、前記管路内において、前記液体の流れの正方向及び逆方向に超音波を伝搬させるとともに、正方向に伝搬した超音波と逆方向に伝搬した超音波とをそれぞれ受信し、前記計測手段は、前記正方向に伝搬した超音波の伝搬時間と前記逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間との差から、前記液体の流量または流速を計測することをその要旨とする。
　手段１０に記載の発明によると、センサ部により、液体の流れの正方向に伝搬した超音波と逆方向に伝搬した超音波とが受信され、計測手段により、正方向に伝搬した超音波の伝搬時間と逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間との差から、液体の流量または流速が計測される。このように、共通のセンサ部を使用して気泡検出と流量計測とを行うことにより、気泡検出用センサ部と流量計測用センサ部とを別々に設ける場合と比較して、部品コストを抑えることができる。さらに、超音波流量計の小型化を図ることができる。
　手段１１に記載の発明は、手段８において、前記管路内における前記液体の圧力を検出する圧力計測手段をさらに備え、前記ポンプ駆動周期取得手段は、前記圧力計測手段が計測した前記液体の圧力の変動状況に基づいて前記往復動ポンプの前記駆動周期を算出することにより、前記駆動周期に関するデータを取得することをその要旨とする。
　手段１１に記載の発明によると、圧力計測手段により管路内における液体の圧力が検出され、ポンプ駆動周期取得手段により液体の圧力の変動状況に基づいて往復動ポンプの駆動周期が求められる。
　手段１２に記載の発明は、手段８において、前記可動部材の往復動を検出する位置センサをさらに備え、前記ポンプ駆動周期取得手段は、前記位置センサが検出した往復動周期に基づいて前記往復動ポンプの前記駆動周期を算出することにより、前記駆動周期に関するデータを取得することをその要旨とする。
　手段１２に記載の発明によると、位置センサにより可動部材の往復動が検出され、ポンプ駆動周期取得手段により可動部材の往復動周期に基づいて往復動ポンプの駆動周期が求められる。
　手段１３に記載の発明は、手段８乃至１２のいずれかにおいて、前記気泡検出処理手段は、所定時間内における気泡検出率の時系列データを取得し、前記気泡増減周期演算手段は、前記時系列データをフーリエ変換することにより前記気泡の増減周期を求めることをその要旨とする。
　手段１３に記載の発明によると、気泡検出処理手段により、所定時間内における気泡検出率の時系列データが取得され、気泡増減周期演算手段により、その時系列データをフーリエ変換することで気泡の増減周期が正確に求められる。
　手段１４に記載の発明は、手段８乃至１３のいずれかにおいて、前記往復動ポンプは、前記可動部材としてのベローズを所定の駆動周期で伸縮させることにより前記液体を圧送するベローズポンプであり、前記異常判定手段は、前記ベローズの駆動周期と前記気泡の増減周期との比較結果に基づいて、前記ベローズにおける異常の発生を判定することをその要旨とする。
　手段１４に記載の発明によると、可動部材としてのベローズを所定の駆動周期で伸縮させることにより液体を圧送するベローズポンプが用いられる。ベローズポンプにおいて、ベローズが磨耗して破損した場合、異常判定手段によって、ベローズの駆動周期と気泡の増減周期との比較結果に基づいて、ベローズにおける異常の発生を的確に判定することができる。
　手段１５に記載の発明は、可動部材の往復動により液体を周期的に圧送する往復動ポンプを含む液体圧送設備の異常を、超音波を利用して検出する方法であって、前記往復動ポンプの駆動周期に関するデータを取得するステップと、前記往復動ポンプにおける液体吐出側管路またはそれに接続された液体圧送用管路の内部を流れる液体中に超音波を伝搬させるとともにその超音波を受信するステップと、受信した超音波の受信信号に基づいて、前記液体中に含まれる気泡の増減に関するデータを取得するステップと、取得した前記データを周波数解析することで前記気泡の増減周期を求めるステップと、前記往復動ポンプの駆動周期と前記気泡の増減周期とを比較し、それら周期が一致した場合に前記液体圧送設備に異常が生じていると判定するステップとを含むことを特徴とする液体圧送設備の異常検出方法をその要旨とする。
　手段１５に記載の発明によると、往復動ポンプの駆動周期に関するデータが取得される。また、往復動ポンプにおける液体吐出側管路またはそれに接続された液体圧送用管路内の液体中に超音波が伝搬されるとともにその超音波が受信され、その超音波の受信信号に基づいて、液体中に含まれる気泡の周期的な増減に関するデータが取得される。そして、そのデータを周波数解析することで気泡の増減周期が求められる。このようにすると、液体圧送設備の管路を流れる液体中に常時気泡が混入している場合においても、ポンプ故障等による気泡の増減周期を確実に求めることができる。そして、その気泡の増減周期とポンプの駆動周期との比較結果に基づいて、液体圧送設備の異常を的確に判定することができる。
　以上詳述したように、手段１~７に記載の発明によると、液体中に混入した気泡を精度良く検出して液体圧送設備の異常を的確に判定することができる液体圧送設備の異常検出装置を提供することができる。
　また、手段８~１４に記載の発明によると、液体の流量を計測しつつその液体中に混入した気泡を精度良く検出して液体圧送設備の異常を的確に判定することができる異常検出機能付きの超音波流量計を提供することができる。
　さらに、手段１５に記載の発明によると、液体中に混入した気泡を精度良く検出して液体圧送設備の異常を的確に判定することができる液体圧送設備の異常検出方法を提供することができる。
［第１の実施の形態］
　以下、本発明を液体圧送設備に具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、本実施の形態の液体圧送設備は、半導体製造ラインにおいて液体Ｗ１（例えば、洗浄薬液）を供給するために用いられる。
　図１に示されるように、液体圧送設備１は、液体Ｗ１を供給するための液体圧送用管路２と、その液体圧送用管路２に接続されるベローズポンプ３（往復動ポンプ）と、ベローズポンプ３を駆動するポンプ駆動装置４と、ベローズポンプ３の異常を検出するための異常検出装置５とを備えている。
　ベローズポンプ３は、液体吸込側管路６ａ及び液体吐出側管路６ｂが設けられたポンプヘッド７と、可動部材としてのベローズ８とを備える。ベローズポンプ３において、ポンプヘッド７の液体吸込側管路６ａは、図示しない液体貯蔵タンク等の液体供給源に接続されており、液体吐出側管路６ｂが液体圧送用管路２に接続されている。ベローズポンプ３は、ベローズ８を所定の駆動周期で伸縮させることによって液体Ｗ１を液体圧送用管路２に圧送する。
　ポンプ駆動装置４は、インバータ制御によってベローズポンプ３の駆動周期を制御する周波数制御部９と、ベローズポンプ３の駆動周期に応じた周波数信号を出力する周波数出力部１０とを含む。
　異常検出装置５は、ポンプ駆動周期計測部１１と、気泡検知センサ部１２と、気泡検知制御部１３と、気泡検知演算部１４と、異常警報出力部１５とを備える。
　ポンプ駆動周期計測部１１（ポンプ駆動周期取得手段）は、周波数出力部１０から出力された周波数信号を取り込み、ベローズポンプ３の駆動周期を計測する。そして、ポンプ駆動周期計測部１１は、その駆動周期に関するデータを気泡検知演算部１４に出力する。
　気泡検知センサ部１２は、超音波を送受信するための超音波送信器１７及び超音波受信器１８を備え、超音波送信器１７及び超音波受信器１８は、液体圧送用管路２を介して対向するようにその液体圧送用管路２の側壁に固定されている。気泡検知センサ部１２において、超音波送信器１７は、液体圧送用管路２内を流れる液体Ｗ１中に超音波を送信し、超音波受信器１８は、その液体Ｗ１中を伝搬した超音波を受信する。なお、本実施の形態において、超音波送信器１７及び超音波受信器１８が送受信する超音波は、例えば３ＭＨｚの周波数である。
　気泡検知制御部１３は、超音波送信回路２１、超音波受信回路２２、及びタイマ２３を備え、気泡検知センサ部１２における超音波の送受信タイミングを制御する。具体的には、超音波送信回路２１は、タイマ２３で計測される所定期間（例えば、１０秒）内において、定期的（例えば、１００μｓ毎）に送信信号を超音波送信器１７に出力する。この送信信号に基づいて超音波送信器１７が駆動されて超音波が出力される。そして、超音波受信器１８で超音波が受信され、その受信信号が超音波受信器１８から超音波受信回路２２に出力される。超音波受信回路２２は、信号増幅回路を含み、超音波の受信信号を増幅して気泡検知演算部１４に出力する。
　気泡検知演算部１４は、受信感度計測手段２４、気泡有無判定手段２５、気泡検出率計数手段２６、気泡増減周期演算手段２７、周期比較手段２８、及びポンプ異常判定手段２９を備えている。気泡検知演算部１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のコンピュータにより構成されており、気泡検知演算部１４の各手段２４~２９は、ＣＰＵが有する演算処理機能を用いて実現されている。
　以下、気泡検知演算部１４の各手段２４~２９が実行する処理について詳述する。先ず、受信感度計測手段２４は、超音波の受信信号の信号強度を計測し、気泡有無判定手段２５は、その信号強度に基づいて気泡の有無を判定する。具体的には、超音波の送受信時において、超音波の伝搬経路となる液体Ｗ１中に気泡が存在する場合、その気泡で超音波が減衰する。このため、図２に示されるように、超音波受信器１８を介して超音波受信回路２２で受信される超音波Ｓｏの信号波形（図２では一点鎖線で示す波形）の振幅は小さくなる。一方、液体Ｗ１中に気泡が存在しない場合には、液体Ｗ１中を超音波が効率よく伝搬するため、超音波受信回路２２で受信される超音波Ｓｏの信号波形（図２では実線で示す波形）の振幅が大きくなる。
　受信感度計測手段２４は、超音波Ｓｏの信号波形のピーク値Ｐ１を受信信号の信号強度として計測する。そして、気泡有無判定手段２５は、受信信号の信号強度を所定の閾値Ｐｔと比較し、信号強度が閾値Ｐｔよりも小さければ気泡が有ると判定し、信号強度が閾値Ｐｔよりも大きければ気泡が無いと判定する。なおここで、気泡のサイズが大きいほど、受信される信号強度は小さくなり、気泡のサイズが小さいほど、信号強度は大きくなる。従って、気泡有無判定手段２５が判定する閾値Ｐｔによって、気泡検出の際に無視する気泡のサイズを任意に設定することができる。
　気泡検出率計数手段２６（気泡検出処理手段）は、一定時間（１０ｍｓｅｃ間）内において、気泡有無判定手段２５による複数回（１００回）の判定結果に基づいて、気泡が無いと判定された回数をカウントする。そして、気泡検出率計数手段２５は、１０ｍｓｅｃの時間間隔毎の時系列データ（データレンジは０~１００）を気泡検出率のデータ（気泡の増減に関するデータ）として生成して気泡増減周期演算手段２７に出力する。なお、図３には、気泡検出率の時系列データの取得例を示している。ここでは、ベローズ８が破れたベローズポンプ３を用い、２秒の駆動周期でベローズ８を駆動させた状態で気泡検出率を測定した。
　気泡増減周期演算手段２７は、所定期間（１０秒間）内において、気泡検出率の時系列データを気泡検出率計数手段２６から取得し、それら時系列データを周波数解析（具体的には、フーリエ変換）することにより、気泡の増減周期を求める。図４には、図３の時系列データを用いて周波数解析を行った解析結果を示している。図４に示されるように、最初の極大点は０．５Ｈｚであり、他の極大点が１．０Ｈｚ、１．５Ｈｚ、２．０Ｈｚ、・・・に存在していることから、気泡増減の周波数は０．５Ｈｚであり、気泡の増減周期は２秒となる。
　周期比較手段２８は、ポンプ駆動周期計測部１１からベローズポンプ３の駆動周期に関するデータを取得するとともに、気泡増減周期演算手段２７から気泡の増減周期に関するデータを取得して、ベローズポンプ３の駆動周期と気泡の増減周期とを比較する。ポンプ異常判定手段２９は、周期比較手段２８の比較結果に基づいて、ベローズポンプ３の駆動周期と気泡の増減周期とが一致しない場合、ベローズポンプ３の動作が正常であると判定する。一方、ベローズポンプ３の駆動周期と気泡の増減周期とが一致する場合には、ベローズポンプ３が故障してベローズ８から気泡が混入していると判定し、ポンプ故障を通知するための故障信号を異常警報出力部１５に出力する。そして、異常警報出力部１５は、警告ランプやブザーなどの警報装置を駆動してポンプ故障を通知する。さらに、異常警報出力部１５は、ポンプ駆動装置４に対して停止信号を出力し、ベローズポンプ３の動作を停止させる。
　また、本発明者は、ベローズポンプ３の駆動周期を短くし気泡の混入量を多くした状態で、異常検出装置５の動作を確認した。なお、図５には、気泡検出率計数手段２６で計測した気泡検出率の時系列データを示し、図６には、気泡増減周期演算手段２７による周波数解析結果を示している。図５に示されるように、ベローズポンプ３の駆動周期を短くすることにより、液体Ｗ１中に気泡が混入する頻度が高くなるため、気泡が無いと判定されるカウント数は小さくなる。この時系列データから気泡の増減周期を判別することは難しいが、その時系列データを周波数解析することにより、図６に示されるように、データの極大点の周波数（約１．３Ｈｚ）に基づいて、気泡の増減周期（約０．８秒）を容易に判定することが可能となる。
　従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
　（１）本実施の形態の異常検出装置５では、気泡検出率の時系列データが取得され、時系列データを周波数解析（フーリエ変換）することにより、気泡の増減周期が求められている。このようにすれば、液体Ｗ１中に大量の気泡が混入した場合でも、気泡の増減周期を正確に求めることができる。そして、その気泡の増減周期とベローズポンプ３の駆動周期とが比較され、それら周期が一致する場合には、ベローズ８が破れてベローズポンプ３に異常が発生していることを判定することができる。因みに、特許文献２に開示されている従来の気泡検出システムを用いる場合、図５のように大量の気泡が液体Ｗ１中に混入すると、気泡個数の最大値（気泡無しのカウント数が０）となる状態が継続する。このため、気泡個数の最大値の発現周期を正確に求めることができず、ポンプ故障を精度良く検出することができない。これに対して、本実施の形態の異常検出装置５を用いれば、気泡の混入量にかかわらず、ポンプ故障に応じた気泡の増減周期を正確に求めることができ、ポンプ故障を精度良く検出することができる。
　（２）本実施の形態の異常検出装置５では、ベローズポンプ３の異常を検出してそのベローズポンプ３の駆動を迅速に停止することができるので、ポンプ故障による液体圧送設備１への悪影響を確実に回避することができる。
［第２の実施の形態］
　次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図７に基づき説明する。本実施の形態の異常検出装置５Ａも、第１の実施の形態と同様に、液体圧送用管路２とベローズポンプ３とを含んで構成された液体圧送設備１に用いられている。異常検出装置５Ａは、液体圧送用管路２内を流れる液体Ｗ１の流量を計測する機能を有する点が上記第１の実施の形態と異なる。そして、本実施の形態の異常検出装置５Ａでは、ベローズポンプ３の駆動周期に対応して変動する流量の脈動周期を用いて、ベローズポンプ３の故障を判定するように構成している。
　図７に示されるように、異常検出装置５Ａは、気泡検知センサ部１２と、気泡検知制御部１３と、気泡検知演算部１４Ａと、異常警報出力部１５と、流量計測センサ部３１と、流量計測制御部３２と、流量計測演算部３３と、流量出力部３４とを備える。
　気泡検知センサ部１２は、超音波送信器１７及び超音波受信器１８を備え、気泡検知制御部１３は、超音波送信回路２１、超音波受信回路２２、及びタイマ２３を備えている。また、気泡検知演算部１４Ａは、受信感度計測手段２４、気泡有無判定手段２５、気泡検出率計数手段２６、気泡増減周期演算手段２７、周期比較手段２８、ポンプ異常判定手段２９、及び流量脈動周期演算手段３５を備えている。つまり、本実施の形態の異常検出装置５Ａにおいて、気泡検知センサ部１２及び気泡検知制御部１３は、第１の実施の形態と同じ構成であり、気泡検知演算部１４Ａは、流量脈動周期演算手段３５を追加した点が第１の実施の形態と異なる。
　また、異常検出装置５Ａにおける流量計測センサ部３１、流量計測制御部３２、及び流量計測演算部３３は、一般的な超音波流量計と同じ構成である。具体的には、流量計測センサ部３１は、超音波を送受信するための一対の超音波送受信器３７，３８を備える。流量計測センサ部３１では、液体Ｗ１の流れ方向に対して所定の角度（例えば、４５°の角度）で超音波が伝搬するように、一方の超音波送受信器３７が液体圧送用管路２の上流側の側壁に固定され、他方の超音波送受信器３８が液体圧送用管路２の下流側の側壁に固定されている。なお、本実施の形態において、各超音波送受信器３７，３８が送受信する超音波は、例えば３ＭＨｚの周波数である。
　流量計測制御部３２は、超音波送受切替回路４０、超音波送信回路４１、超音波受信回路４２、及びタイマ４３を備え、流量計測センサ部３１における超音波の送受信タイミングや送受信方向を制御する。具体的には、タイマ２３から出力されるタイミング信号に基づいて、超音波送信回路４１は、定期的（１ｍｓｅｃ毎）に送信信号を超音波送受切替回路４０に出力し、超音波送受切替回路４０は、その送信信号を上流側の超音波送受信器３７及び下流側の超音波送受信器３８に対して交互に出力する。
　流量計測センサ部３１において、送信信号に基づいて上流側の超音波送受信器３７から超音波が出力されると、その超音波は液体Ｗ１の流れの正方向に伝搬して下流側の超音波送受信器３８で受信される。そして、その受信信号が超音波送受信器３８から超音波送受切替回路４０を介して超音波受信回路４２に取り込まれ、信号増幅された受信信号が超音波受信回路４２から流量計測演算部３３に出力される。また、送信信号に基づいて下流側の超音波送受信器３８から超音波が出力されると、その超音波は液体Ｗ１の流れの逆方向に伝搬して上流側の超音波送受信器３７で受信される。そして、その受信信号が超音波送受信器３７から超音波送受切替回路４０を介して超音波受信回路４２に取り込まれ、信号増幅された受信信号が超音波受信回路４２から流量計測演算部３３に出力される。
　流量計測演算部３３（計測手段）は、伝搬時間演算手段４４及び瞬時流量演算手段４５を備える。流量計測演算部３３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のコンピュータにより構成されており、伝搬時間演算手段４４及び瞬時流量演算手段４５は、ＣＰＵが有する演算処理機能を用いて実現されている。
　伝搬時間演算手段４４は、タイマ４３が計測した超音波の送受信タイミングに基づいて、液体Ｗ１の流れの正方向に伝搬した超音波の伝搬時間と逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間とを求める。そして、瞬時流量演算手段４５は、それら超音波の伝搬時間の差に基づいて、液体Ｗ１の流速を求めるとともに液体Ｗ１の流量を求める。なお、液体Ｗ１の流量は、流量計測センサ部３１において超音波の送受信を行う度に演算され、その時々の瞬時流量として求められる。
　そして、瞬時流量演算手段４５で求められた液体Ｗ１の流量は、流量出力部３４に転送され、ディスプレイ等の表示装置に表示される。また、液体Ｗ１の流量は、流量出力部３４から気泡検知演算部１４Ａの流量脈動周期演算手段３５に出力される。
　本実施の形態の液体圧送設備１では、ベローズポンプ３によって液体Ｗ１が液体圧送用管路２に周期的に圧送されているため、液体Ｗ１の流量は、ベローズポンプ３の駆動周期に応じて変動する（図８参照）。
　気泡検知演算部１４Ａの流量脈動周期演算手段３５（ポンプ駆動周期取得手段）では、液体Ｗ１の流量の変動状況に基づいてベローズポンプ３の駆動周期を求める。具体的には、流量脈動周期演算手段３５は、液体Ｗ１の流量の時系列データを周波数解析（具体的には、フーリエ変換）することにより、流量の脈動周期を求め、そのデータをベローズポンプ３の駆動周期に関するデータとして取得する（図９参照）。なお、図９に示される解析結果では、最初の極大点は０．５Ｈｚであることから、流量の脈動周期（ポンプ３の駆動周期）は２秒となる。因みに、液体Ｗ１の流量は、流路断面積に流速を乗算することで求められている。従って、液体Ｗ１の流速の変動状況に基づいてベローズポンプ３の駆動周期を求めるようにしてもよい。
　また、気泡検知演算部１４Ａにおける受信感度計測手段２４、気泡有無判定手段２５、気泡検出率計数手段２６及び気泡増減周期演算手段２７では、上記第１の実施の形態と同様の処理を行うことにより、気泡の増減周期を求める。
　そして、周期比較手段２８は、流量の脈動周期と気泡の増減周期とを比較する。さらに、ポンプ異常判定手段２９は、周期比較手段２８の比較結果に基づいて、流量の脈動周期と気泡の増減周期とが一致しない場合、ベローズポンプ３の動作が正常であると判定する。一方、流量の脈動周期と気泡の増減周期とが一致する場合には、ベローズポンプ３が故障して液体Ｗ１中に気泡が混入していることを判定し、ポンプ故障を通知するための故障信号を異常警報出力部１５に出力する。そして、異常警報出力部１５は、警告ランプやブザーなどの警報装置を駆動してポンプ故障を通知する。
　従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
　（１）本実施の形態の異常検出装置５Ａは、気泡検出率の時系列データを取得して、その時系列データを周波数解析（フーリエ変換）することにより、気泡の増減周期を正確に求めることができる。また、異常検出装置５Ａは、管路２内を流れる液体Ｗ１の流量を計測し、その流量の変動状況に基づいてベローズポンプ３の駆動周期を求めることができる。そして、その気泡の増減周期とベローズポンプ３の駆動周期とが比較され、それら周期が一致する場合には、ベローズ８が破れてベローズポンプ３に異常が発生していることを判定することができる。
　（２）本実施の形態の異常検出装置５Ａにおいて、流量計測センサ部３１により液体Ｗ１の流れの正方向及び逆方向に超音波を伝搬させ、正方向に伝搬した超音波の伝搬時間と逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間との差から、液体Ｗ１の流量が計測されている。この流量計測センサ部３１で使用される超音波は３ＭＨｚであり、気泡検知センサ部１２の超音波と同じ周波数である。この場合、気泡検知センサ部１２の超音波送信器１７及び超音波受信器１８と流量計測センサ部３１の超音波送受信器３７，３８とは同じ超音波振動子を用いて構成することができるため、異常検出装置５Ａの部品コストを低減することができる。
［第３の実施の形態］
　次に、本発明を具体化した第３の実施の形態を図１０に基づき説明する。本実施の形態では、ポンプ異常検知機能付きの超音波流量計５０として具体化している。本実施の形態では、気泡検知用のセンサ部と流量計測用のセンサ部とを一体にして超音波流量計５０を構成している。
　図１０に示されるように、超音波流量計５０は、センサ部５１と、制御部５２と、演算部５３と、異常警報出力部５４と、流量出力部５５とを備える。本実施の形態の超音波流量計５０も、液体圧送用管路２とベローズポンプ３とからなる液体圧送設備１に用いられている。
　センサ部５１は、超音波を送受信するための一対の超音波送受信器３７，３８を備え、各超音波送受信器３７，３８は、液体圧送用管路２を構成する直管部２ａの各端部にそれぞれ設けられている。つまり、直管部２ａ内の流路を挟んで各超音波送受信器３７，３８が対向するように、一方の超音波送受信器３７が直管部２ａの上流端２ｂに設けられ、他方の超音波送受信器３８が直管部２ａの下流端２ｃに設けられている。
　制御部５２は、超音波送受切替回路４０、超音波送信回路４１、超音波受信回路４２、及びタイマ４３を備え、センサ部５１における超音波の送受信タイミングや送受信方向を制御する。この制御部５２は、上記第２の実施の形態における流量計測制御部３２と同じ構成である。
　また、演算部５３は、受信感度計測手段２４、気泡有無判定手段２５、気泡検出率計数手段２６、気泡増減周期演算手段２７、周期比較手段２８、ポンプ異常判定手段２９、伝搬時間演算手段４４、瞬時流量演算手段４５、及び流量脈動周期演算手段３５を備えている。この演算部５３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のコンピュータにより構成されており、演算部５３の各手段は、ＣＰＵが有する演算処理機能を用いて実現されている。
　演算部５３において、受信感度計測手段２４、気泡有無判定手段２５、気泡検出率計数手段２６、気泡増減周期演算手段２７、周期比較手段２８、ポンプ異常判定手段２９、及び流量脈動周期演算手段３５の各手段は、上記第２の実施の形態における気泡検知演算部１４Ａと同じ手段であり、伝搬時間演算手段４４及び瞬時流量演算手段４５の各手段は、上記第２の実施の形態における流量計測演算部３３と同じ手段である。
　本実施の形態の超音波流量計５０では、共通のセンサ部５１において超音波を送受信することにより、気泡の検出と液体Ｗ１の流量計測とを同時に行うことができる。また、気泡の増減周期と流量の脈動周期とが一致した場合、ベローズ８の破れによって液体Ｗ１中に気泡が混入していることを検知することができ、異常警報出力部５４によりポンプ故障の警報を出力することができる。このように超音波流量計５０を構成すると、気泡検出用センサ部と流量計測用センサ部とを別々に設ける場合と比較して、部品コストを抑えることができ、超音波流量計５０の小型化を図ることができる。
　なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。
　・上記第１及び第２の実施の形態において、気泡検知センサ部１２は、超音波送信器１７及び超音波受信器１８にて構成されるものであったが、図１１に示す気泡検知センサ部６０のように、超音波送受信器６１と反射板６２とで構成されるものでもよい。この気泡検知センサ部６０では、超音波送受信器６１が液体圧送用管路２の外壁面に固定され、液体圧送用管路２内の流路において超音波送受信器６１と対向する内壁面に反射板６２が固定されている。このように気泡検知センサ部６０を構成した場合でも、反射板６２での超音波の反射を利用して、液体Ｗ１に混入した気泡の有無を検知することができる。
　・上記第１の実施の形態では、ポンプ駆動装置４から出力される周波数信号に基づいてベローズポンプ３の駆動周期を求め、上記第２及び第３の実施の形態では、液体Ｗ１の流量の変動状況に基づいてベローズポンプ３の駆動周期を求めていたが、ベローズポンプ３の駆動周期の算出手法としては、別の手法を採用してもよい。具体的には、例えば、図１２に示されるように、液体圧送用管路２内における液体Ｗ１の圧力を検出する圧力センサ６４（圧力計測手段）を設け、圧力センサ６４が計測した圧力の変動状況に基づいてベローズポンプ３の駆動周期を求めてもよい。また、図１３に示されるように、ベローズポンプ３において、ベローズ８の往復動を検出する位置センサ６５を設け、その位置センサ６５が検出した往復動周期に基づいてベローズポンプ３の駆動周期を求めてもよい。さらには、ＲＳ−２３２Ｃ、ＲＳ−４８５、モドバス、フィールドバスなどの通信手段を用いてベローズポンプ３の駆動周期のデータを取得するよう構成してもよい。
　・上記第１の実施の形態では、異常検出装置５の気泡検知センサ部１２を液体圧送用管路２に設ける構成であったが、ベローズポンプ３の液体吐出側管路６ｂに気泡検知センサ部１２を設けてもよい。つまり、ベローズポンプ３に異常検出装置５を一体的に設けるようにする。このように構成しても、液体Ｗ１中の気泡を検出することができ、その気泡の増減周期とポンプ駆動周期とを比較することにより、ベローズポンプ３の異常を的確に判定することができる。
　・上記１及び第２の実施の形態では、液体圧送設備１においてベローズポンプ３の下流側に１つの異常検出装置５を設け、ポンプ故障を検出するものであったが、これに限定されるものではない。例えば、複数の配管や流量調整バルブなどを用いて液体圧送設備１を構成する場合、複数の異常検出装置５を設けてもよい。具体的には、配管や流量調整バルブなどの接続箇所の前後に異常検出装置５を設ける。このように構成すると、ポンプ故障の場合以外に、配管やバルブの接続箇所の締め付け不良によって気泡が混入する場合であっても、液体圧送設備１における異常個所を判定することができる。
　・上記第２及び第３の実施の形態では、気泡検知処理と流量計測処理を同時に行うように構成したが、別々のタイミングで各処理を行うように構成してもよい。例えば、気泡検知処理と流量計測処理とを交互に行い、気泡検知処理においてベローズポンプ３が正常に動作していることを判定した場合に、計測した液体Ｗ１の流量を流量出力部３４，５５から出力するよう構成してもよい。
　・上記第３の実施の形態において、ポンプ異常検知機能付きの超音波流量計５０として具体化したが、これに限定されるものではなく、超音波流量計５０における流量出力部５５を省略して異常検出装置として具体化してもよい。
　・上記第２の実施の形態において、気泡検知センサ部１２と流量計測センサ部３１とで送受信する超音波を同じ周波数（３ＭＨｚ）としていたが、これに限定されるものではない。例えば、気泡検知センサ部１２で検出する気泡のサイズに応じて超音波の周波数を適宜変更してもよい。
　・上記第２の実施の形態の異常検出装置５Ａでは、超音波を利用して液体Ｗ１の流量を計測していたが、これに限定されるものではなく、超音波式以外の流量計を用いて液体Ｗ１の流量を計測するよう構成してもよい。
　・上記各実施の形態において、１００μｓの測定周期で超音波の送受信を行い、気泡有無判定手段２５による１００回の判定結果に基づいて、気泡検出率の時系列データの取得するものであったが、これに限定されるものではなく、測定周期や判定回数は適宜変更してもよい。また、複数回ではなく、１回毎の気泡有無の時系列データを取得し、その時系列データを周波数解析することで気泡の増減周期を求めるように構成してもよい。
　・前記各実施の形態では、フーリエ変換（ＦＦＴ）によって周波数解析を行い、気泡の増減周期を演算するものであったが、これに限定されるものではない。例えば、最大エントロピー法（ＭＥＭ）や自己回帰（ＡＲ）等の周波数解析の手法によって、気泡の増減周期を演算するように構成してもよい。
　・上記各実施の形態において、ベローズポンプ３を備える液体圧送設備１に具体化したが、可動部材としてピストンを有するピストンポンプなどの他の往復動ポンプを備える液体圧送設備に具体化してもよい。
　次に、請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した各実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
　（１）手段１乃至７のいずれかにおいて、前記液体圧送設備の異常を通知する異常警報手段をさらに備えたことを特徴とする液体圧送設備の異常検出装置。
　（２）手段１乃至７のいずれかにおいて、前記液体圧送設備の異常を判定したとき、前記往復動ポンプの駆動を停止させることを特徴とする液体圧送設備の異常検出装置。
　（３）手段１乃至７のいずれかにおいて、前記ポンプ駆動周期取得手段は、前記往復動ポンプの駆動信号に基づいて、前記駆動周期に関するデータを取得することを特徴とする液体圧送設備の異常検出装置。
第１の実施の形態の液体圧送設備を示す概略構成図。 気泡の有無に応じた超音波の信号波形を示す説明図。 気泡検出率の時系列データを示すタイムチャート。 周波数解析結果を示す説明図。 気泡検出率の時系列データを示すタイムチャート。 周波数解析結果を示す説明図。 第２の実施の形態の液体圧送設備を示す概略構成図。 流量の脈動周期を示すタイムチャート。 周波数解析結果を示す説明図。 第３の実施の形態の液体圧送設備を示す概略構成図。 別の実施の形態の気泡検知センサ部を示す断面図。 別の実施の形態の液体圧送設備を示す概略構成図。 別の実施の形態の液体圧送設備を示す概略構成図。
　１…液体圧送設備
　２…液体圧送用管路
　３…往復動ポンプとしてのベローズポンプ
　５，５Ａ…異常検出装置
　６ｂ…液体吐出側管路
　８…可動部材としてのベローズ
　１１…ポンプ駆動周期取得手段としての駆動周期計測部
　１２，５１…センサ部
　２６…気泡検出処理手段としての気泡検出率検出手段
　２７…気泡増減周期演算手段
　３３…計測手段としての流量計測演算部
　３５…ポンプ駆動周期取得手段としての脈動周期演算手段
　５０…超音波流量計
　６４…圧力計測手段としての圧力センサ
　６５…位置センサ

Claims (15)

  1. 　可動部材の往復動により液体を周期的に圧送する往復動ポンプを含む液体圧送設備の異常を、超音波を利用して検出する装置であって、
    　前記往復動ポンプの駆動周期に関するデータを取得するポンプ駆動周期取得手段と、
    　前記往復動ポンプにおける液体吐出側管路またはそれに接続された液体圧送用管路に設けられ、前記管路内の液体中に超音波を伝搬させるとともにその超音波を受信するセンサ部と、
    　前記センサ部が受信した超音波の受信信号に基づいて、前記液体中に含まれる気泡の増減に関するデータを取得する気泡検出処理手段と、
    　前記気泡検出処理手段が取得したデータを周波数解析することで前記気泡の増減周期を求める気泡増減周期演算手段と、
    　前記往復動ポンプの駆動周期と前記気泡の増減周期とを比較し、それら周期が一致した場合に前記液体圧送設備に異常が生じていると判定する異常判定手段と
    を備えたことを特徴とする液体圧送設備の異常検出装置。
  2. 　前記管路内における前記液体の流量または流速を計測する計測手段をさらに備え、
    　前記ポンプ駆動周期取得手段は、前記計測手段が計測した前記液体の流量または流速の変動状況に基づいて前記往復動ポンプの前記駆動周期を算出することにより、前記駆動周期に関するデータを取得する
    ことを特徴とする請求項１に記載の液体圧送設備の異常検出装置。
  3. 　前記センサ部は、前記管路内において、前記液体の流れの正方向及び逆方向に超音波を伝搬させるとともに、正方向に伝搬した超音波と逆方向に伝搬した超音波とをそれぞれ受信し、
    　前記計測手段は、前記正方向に伝搬した超音波の伝搬時間と前記逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間との差から、前記液体の流量または流速を計測する
    ことを特徴とする請求項２に記載の液体圧送設備の異常検出装置。
  4. 　前記管路内における前記液体の圧力を検出する圧力計測手段をさらに備え、
    　前記ポンプ駆動周期取得手段は、前記圧力計測手段が計測した前記液体の圧力の変動状況に基づいて前記往復動ポンプの前記駆動周期を算出することにより、前記駆動周期に関するデータを取得する
    ことを特徴とする請求項１に記載の液体圧送設備の異常検出装置。
  5. 　前記可動部材の往復動を検出する位置センサをさらに備え、
    　前記ポンプ駆動周期取得手段は、前記位置センサが検出した往復動周期に基づいて前記往復動ポンプの前記駆動周期を算出することにより、前記駆動周期に関するデータを取得する
    ことを特徴とする請求項１に記載の液体圧送設備の異常検出装置。
  6. 　前記気泡検出処理手段は、所定時間内における気泡検出率の時系列データを取得し、
    　前記気泡増減周期演算手段は、前記時系列データをフーリエ変換することにより前記気泡の増減周期を求める
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液体圧送設備の異常検出装置。
  7. 　前記往復動ポンプは、前記可動部材としてのベローズを所定の駆動周期で伸縮させることにより前記液体を圧送するベローズポンプであり、
    　前記異常判定手段は、前記ベローズの駆動周期と前記気泡の増減周期との比較結果に基づいて、前記ベローズにおける異常の発生を判定する
    ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液体圧送設備の異常検出装置。
  8. 　可動部材の往復動により液体を周期的に圧送する往復動ポンプを含む液体圧送設備の異常を、超音波を利用して検出する機能を付与した超音波流量計であって、
    　前記往復動ポンプの駆動周期に関するデータを取得するポンプ駆動周期取得手段と、
    　前記往復動ポンプにおける液体吐出側管路またはそれに接続された液体圧送用管路に設けられ、前記管路内の液体中に超音波を伝搬させるとともにその超音波を受信するセンサ部と、
    　前記センサ部が受信した超音波の受信信号に基づいて、前記液体中に含まれる気泡の増減に関するデータを取得する気泡検出処理手段と、
    　前記気泡検出処理手段が取得したデータを周波数解析することで前記気泡の増減周期を求める気泡増減周期演算手段と、
    　前記往復動ポンプの駆動周期と前記気泡の増減周期とを比較し、それら周期が一致した場合に前記液体圧送設備に異常が生じていると判定する異常判定手段と
    を備えたことを特徴とする異常検出機能付きの超音波流量計。
  9. 　前記管路内における前記液体の流量または流速を計測する計測手段をさらに備え、
    　前記ポンプ駆動周期取得手段は、前記計測手段が計測した前記液体の流量または流速の変動状況に基づいて前記往復動ポンプの前記駆動周期を算出することにより、前記駆動周期に関するデータを取得する
    ことを特徴とする請求項８に記載の異常検出機能付きの超音波流量計。
  10. 　前記センサ部は、前記管路内において、前記液体の流れの正方向及び逆方向に超音波を伝搬させるとともに、正方向に伝搬した超音波と逆方向に伝搬した超音波とをそれぞれ受信し、
    　前記計測手段は、前記正方向に伝搬した超音波の伝搬時間と前記逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間との差から、前記液体の流量または流速を計測する
    ことを特徴とする請求項９に記載の異常検出機能付きの超音波流量計。
  11. 　前記管路内における前記液体の圧力を検出する圧力計測手段をさらに備え、
    　前記ポンプ駆動周期取得手段は、前記圧力計測手段が計測した前記液体の圧力の変動状況に基づいて前記往復動ポンプの前記駆動周期を算出することにより、前記駆動周期に関するデータを取得する
    ことを特徴とする請求項８に記載の異常検出機能付きの超音波流量計。
  12. 　前記可動部材の往復動を検出する位置センサをさらに備え、
    　前記ポンプ駆動周期取得手段は、前記位置センサが検出した往復動周期に基づいて前記往復動ポンプの前記駆動周期を算出することにより、前記駆動周期に関するデータを取得する
    ことを特徴とする請求項８に記載の異常検出機能付きの超音波流量計。
  13. 　前記気泡検出処理手段は、所定時間内における気泡検出率の時系列データを取得し、
    　前記気泡増減周期演算手段は、前記時系列データをフーリエ変換することにより前記気泡の増減周期を求める
    ことを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の異常検出機能付きの超音波流量計。
  14. 　前記往復動ポンプは、前記可動部材としてのベローズを所定の駆動周期で伸縮させることにより前記液体を圧送するベローズポンプであり、
    　前記異常判定手段は、前記ベローズの駆動周期と前記気泡の増減周期との比較結果に基づいて、前記ベローズにおける異常の発生を判定する
    ことを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の異常検出機能付きの超音波流量計。
  15. 　可動部材の往復動により液体を周期的に圧送する往復動ポンプを含む液体圧送設備の異常を、超音波を利用して検出する方法であって、
    　前記往復動ポンプの駆動周期に関するデータを取得するステップと、
    　前記往復動ポンプにおける液体吐出側管路またはそれに接続された液体圧送用管路の内部を流れる液体中に超音波を伝搬させるとともにその超音波を受信するステップと、
    　受信した超音波の受信信号に基づいて、前記液体中に含まれる気泡の増減に関するデータを取得するステップと、
    　取得した前記データを周波数解析することで前記気泡の増減周期を求めるステップと、
    　前記往復動ポンプの駆動周期と前記気泡の増減周期とを比較し、それら周期が一致した場合に前記液体圧送設備に異常が生じていると判定するステップと
    を含むことを特徴とする液体圧送設備の異常検出方法。
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