(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体のプレッシャーヘッドに基づいて、液面レベルを検出する液面レベル検出装置において、液面検出用のガスを導く供給管と、この供給管に接続した２本の分岐管と、これら両分岐管にそれぞれ設けるとともに、開口面積を同じにしたオリフィスと、両分岐管のオリフィスの下流側部分に接続するとともに、その接続した部分の圧力を検出し、かつ、これら検出した圧力の差を測定する圧力計とを備え、この圧力計は、上記供給管内に設けるとともに、上記一方の分岐管の先端を、液体中に臨ませる一方、他方の分岐管の先端を、液体を蓄えた容器の雰囲気中に臨ませるとともに、各分岐管におけるオリフィスの下流側の圧力損失が互いに等しくなるように、各分岐管の長さおよび流路面積を設定したことを特徴とする液面レベル検出装置。
【請求項２】
分岐管の先端が液面に触れた時点から所定時間内の圧力を測定し、その平均値から気泡の表面張力による圧力を特定するとともに、この表面張力による圧力を、圧力計による検出値から差し引くことを特徴とする請求項１記載の液面レベル検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、薬液槽などの容器内に蓄えた液体の液面レベルを、液体のプレッシャーヘッドに基づいて算出する液面レベル検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に示す従来の装置は、窒素ガスやエアなどの液面検出用のガスを供給するガス供給機構１に、供給管２を接続している。供給管２には、固定オリフィス３を設け、この固定オリフィス３によって、そこを通過するガスの流量を一定に保つようにしている。そして、この一定流量が供給される供給管２の先端２ａを、薬液槽４内に臨ませている。
薬液槽４内には、半導体を洗浄するときに用いる硫酸やフッ酸などの液体６が蓄えられている。これらの液体は、図示していない供給パイプから薬液槽４内に供給するようにしている。
【０００３】
また、上記供給管２の固定オリフィス３の下流側であるａ点には、圧力計５を接続している。この圧力計５は、供給管２内を通過する検出用ガスの圧力を測定するものであって、供給管２のａ点におけるガスの圧力を、大気圧を基準に表示する。
上記圧力計５によって検出されるガスの圧力は、供給管２の先端２ａの位置に応じて変化する。例えば、供給管２の先端２ａが液面よりも上方にある場合には、薬液槽４の雰囲気の圧力が圧力計５によって表示される。また、供給管２の先端２ａが液体中にある場合には、その深さにおけるプレッシャーヘッドが検出される。ただし、供給管２の先端２ａが液面６ａ付近にある場合には、プレッシャーヘッドが小さいため、検出されるガスの圧力も低くなる。反対に、供給管２の先端２ａが液面６ａから深い位置に場合には、プレッシャーヘッドが大きくなるので、検出されるガスの圧力も高くなる。
【０００４】
この装置では、液面６ａからの深さに応じてプレッシャーヘッドが変化することを利用して、液面レベルを検出するようにしている。この液面レベルを検出する原理を、作用とともに以下に説明する。
まず、ガス供給機構１を作動させて、供給管２の先端２ａから一定流量のガスを噴出させる。このとき、供給管２の先端２ａが液体中に入っていなければ、検出ガスは薬液槽４の雰囲気中に放出される。そのため、圧力計５によって検出されるガスの圧力は、雰囲気の圧力であり、ほぼ大気圧となる。
一方、供給管２の先端２ａが液体中に入っていれば、供給管２の先端２ａから気泡となってガスが噴出する。そして、このとき供給管２の先端２ａから検出ガスを押し出す圧力が、この深さにおける液体のプレッシャーヘッドｐとして検出される。
【０００５】
上記のようにして検出したプレッシャーヘッドｐは、図示してないコントローラに送信されて、このコントローラが、プレッシャーヘッドｐに基づいて薬液槽４内の液面レベルｈを算出する。すなわち、薬液槽４内の液体６の密度をρ、重力の加速度をｇ、薬液槽４内の液面６ａに作用する圧力をｐ０、液面６ａから供給管２の先端２ａまでの深さをｈとすると、これらの値は、ｐ＝ｐ０＋ρｇｈの関係となる。
そして、上記液体の密度ρ、重力加速度ｇ、液面に作用する圧力ｐ０を、予めコントローラに入力しておく。また、上記液面に作用する圧力Ｐ０は、大気圧とほぼおなじなので、大気圧を入力しておく。
上記のようにして、予め数値を入力した状態において、圧力計５によって検出されたプレッシャーヘッドｐをコントローラに入力すると、このコントローラは、液面６ａから供給管２の先端２ａまでの深さｈを算出する。
【０００６】
また、コントローラには、薬液槽４に対する供給管２の先端２ａの位置、すなわち薬液槽４の底からの高さＨを予め入力おく。
したがって、液面６ａから供給管２の先端２ａまでの深さｈがわかれば、薬液槽４内における液面レベルがＨ＋ｈとなる。これによって薬液槽４内にどれくらいの液体が蓄えられているか特定することができる。
このようにして、薬液槽４内の液体の容量を管理するようにしている。
【０００７】
なお、上記薬液槽４に蓄える硫酸やフッ酸などは、有害ガスを発生するため、薬液槽４の上部には、図示していない配管を接続し、この配管を介して上記有害ガスを吸引するようにしている。このように有害ガスを積極的に吸引することによって、薬液槽４から有害ガスが漏れるのを防止している。
また、硫酸やフッ酸などから生じたガスは、腐食性を有するために、このガスに圧力計５などの機器類がそれに触れると、故障の原因になる。
そこで、この従来例では、薬液槽４から圧力計５をできるだけ離すために、供給管２の全長を長くしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例では、薬液槽４内の雰囲気の圧力ｐ０として、大気圧を用いているが、薬液槽４に発生する有害ガスを配管によって吸引しているために、この薬液槽４内の雰囲気の圧力が大気圧よりも低くなることがある。薬液槽４内の雰囲気の圧力ｐ０が大気圧よりも低くなっているにもかかわらず、液面６ａに作用する圧力ｐ０として大気圧を代入すると、算出した液面レベルｈに誤差が生じる。その結果、液面レベルの測定精度が低くなるという問題があった。
【０００９】
また、圧力計５の測定点ａの圧力というのは、厳密にいうと、配管抵抗によって生じる圧力損失も加算されている。この配管抵抗というのは、測定点ａと供給管先端２ａとの間の配管の長さに比例するが、腐食性ガスによる悪影響を回避する観点から、圧力計５は薬液槽４から十分離して設置している。そのため、配管抵抗も大きく、実際のプレッシャーヘッドよりも測定される圧力が大きくなっている。このような測定値に基づいて液面レベルを算出するために、そこに誤差が生し、これによっても測定精度の低下を招いていた。
【００１０】
さらに、液体中で供給管２の先端２ａから検出用ガスを噴出したときに気泡がでるが、この気泡の表面張力による圧力の分も、圧力計５の測定値に加算されている。
したがって、この表面張力の分だけ、検出値に誤差が生じ、これによっても液面レベルの測定精度が低下するという問題があった。
この発明の目的は、液面レベルを精度よく測定することのできる液面レベル検出装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、液体のプレッシャーヘッドに基づいて、液面レベルを検出する液面レベル検出装置において、液面検出用のガスを導く供給管と、この供給管に接続した２本の分岐管と、これら両分岐管にそれぞれ設けるとともに、開口面積を同じにしたオリフィスと、両分岐管のオリフィスの下流側部分に接続するとともに、その接続した部分の圧力を検出し、かつ、これら検出した圧力の差を測定する圧力計とを備え、この圧力計は、上記供給管内に設けるとともに、上記一方の分岐管の先端を、液体中に臨ませる一方、他方の分岐管の先端を、液体を蓄えた容器の雰囲気中に臨ませるとともに、各分岐管におけるオリフィスの下流側の圧力損失が互いに等しくなるように、各分岐管の長さおよび流路面積を設定したことを特徴とする。
【００１２】
第２の発明は、分岐管の先端が液面に触れた時点から所定時間内の圧力を測定し、その平均値から気泡の表面張力による圧力を特定するとともに、この表面張力による圧力を、圧力計による検出値から差し引くことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に示す第１実施例は、窒素ガスやエアなどの、液面検出用のガスを供給するガス供給機構１０に、供給管１１を接続している。この供給管１１には、分岐管１２，１３を接続するとともに、これら２つの分岐管１２，１３に、それぞれ固定オリフィス１４，１５を設けている。これら固定オリフィス１４，１５は、その開口面積を等しくして、そこを通過するガスの流量を一定に保つようにしている。
また、両分岐管１２，１３の先端１２ａ，１３ａを、それぞれ薬液槽１６内に臨ませている。ただし、一方の分岐管１２の先端１２ａを薬液槽１６の底の方に設置し、それを液体６中に臨ませるようにしている。また、他方の分岐管１３の先端１３ａを、薬液槽１６の上方に設置して、薬液槽１６内の雰囲気中にこの先端１３ａを臨ませるようにしている。
なお、上記薬液槽１６内には、前記従来例と同様に、半導体を洗浄するときに用いる硫酸やフッ酸などの液体６を蓄えている。そして、これら液体６は、図示していない供給パイプから薬液槽１６内に供給するようにしている。
【００１４】
上記分岐管１２の固定オリフィス１４の下流側であるＡ点と、分岐管１３の固定オリフィス１５の下流側であるＢ点とには、圧力計１７を接続している。この圧力計１７は、Ａ点を通過するガスの圧力と、Ｂ点を通過するガスの圧力とを測定し、両圧力の差を表示する。
また、上記Ａ点の圧力は、分岐管１２の先端１２ａのプレッシャーヘッドに応じて変化するものであり、このＡ点の圧力からプレッシャーヘッドを測定するようにしている。一方、Ｂ点の圧力は、薬液槽１６内の雰囲気の圧力に応じて変化するものであり、このＢ点の圧力に基づいて、雰囲気の圧力を測定するようにしている。
【００１５】
上記のようにすれば、Ａ点とＢ点とで測定された両圧力の差が、薬液槽１６内の雰囲気の圧力を基準としたプレッシャーヘッドとなる。
また、各分岐管の長さおよび流路面積を調節することにより、分岐管１２のＡ点、すなわち、固定オリフィス１４の下流側の部分で生じる圧力損失と、分岐管１３のＢ点、すなわち、固定オリフィス１５の下流側の部分で生じる圧力損失とが等しくなるようにしている。
なお、図中一点鎖線で囲んだ範囲Ｘは、装置本体を示している。
【００１６】
次に、この第１実施例の作用を説明する。
まず、ガス供給機構１０を作動させて、供給管１１から両分岐管１２，１３に液面検出用のガスを供給する。このとき、両分岐管１２，１３に設けた固定オリフィス１４，１５の流路断面積を同じにしているので、これら両分岐管１２，１３には同じ流量が供給される。そして、両分岐管１２，１３に供給されたガスは、その先端１２ａ，１３ａからそれぞれ噴出される。
なお、上記液面レベル検出用のガスとしては、窒素やエアなどを用いるようにしている。
【００１７】
上記のようにして分岐管１２，１３の先端１２ａ，１３ａからガスを噴出させた場合に、分岐管１２の先端１２ａが、液面６ａよりも上方にあれば、両分岐管１２，１３から噴出されるガスはともに薬液槽１６内の雰囲気中に放出される。
したがって、このとき、圧力計１７を接続したＡ点の圧力は、薬液槽１６内の雰囲気の圧力Ｐ０と、Ａ点よりも下流側に生じる分岐管１２の圧力損失相当分の圧力Ｐ１との合計分となる。
また、Ｂ点で測定される圧力も、薬液槽１６内の雰囲気の圧力Ｐ０と、Ｂ点よりも下流側に生じる分岐管１３の圧力損失相当分の圧力Ｐ２との合計分となる。
ここで、上記圧力損失Ｐ１と圧力損失Ｐ２とを等しく設定しているので、上記Ａ点で測定される圧力ＰａとＢ点で測定される圧力Ｐｂとが等しくなる。
したがって、圧力計１７は、Ｐａ−Ｐｂ＝０を示す。
【００１８】
一方、分岐管１２の先端１２ａが液体中に入っている場合、分岐管１２の先端１２ａからガスが気泡となって噴出する。そして、このとき分岐管１２のＡ点で測定される圧力Ｐａは、上記の圧力Ｐ０＋Ｐ１に、プレッシャーヘッドＰ３と、気泡の表面張力によって生じる圧力Ｐ４とを加算した圧力Ｐａ＝Ｐ０＋Ｐ１＋Ｐ３＋Ｐ４となる。
したがって、圧力計１７は、Ａ点の測定値ＰａからＢ点の測定値Ｐｂを引いた値、すなわちＰａ−Ｐｂ＝（Ｐ０＋Ｐ１＋Ｐ３＋Ｐ４）−（Ｐ０＋Ｐ２）＝Ｐ３＋Ｐ４を検出することになる。
つまり、圧力計１７には、プレッシャーヘッドＰ３に表面張力による圧力Ｐ４を加えた圧力が表示される。そして、この検出値Ｐ３＋Ｐ４が、図示していないコントローラに送信される。
【００１９】
一方、図２は、分岐管１２の先端１２ａが液面に触れる前の状態から、薬液槽１６に液体を注入していったときのＡ点における測定値と時間との関係を示したグラフである。
このグラフに示すように、分岐管１２の先端１２ａが液面に触れるまでは、圧力は一定に保たれている。そして、分岐管１２の先端１２ａが液面６ａに触れた瞬間に、圧力が急激に増加する。その後、細かく圧力が増減しながら、液面レベルの上昇にともなって、全体的に圧力は増加していく。
上記のように圧力が細かく増減するのは、分岐管１２の先端１２ａから出る気泡が原因である。すなわち、分岐管１２の先端１２ａから出る気泡が成長したり離脱したりすると、気泡表面と分岐管１２の先端１２ａとの接触角が変化する。このように気泡表面と先端１２ａとの接触角が変化すると、それに応じて表面張力が変化して圧力変動が生じる。つまり、分岐管１２の先端１２ａの気泡が膨らんだり、それが先端１２ａから離れたりすることによって、小刻みな圧力変動が生じている。
【００２０】
この第１実施例では、上記小刻みに変動する圧力を所定の時間測定し、その平均値をコントローラによって算出する。そして、この平均値から、気泡の表面張力によって生じる圧力Ｐ４を特定する。
また、コントローラは、上記のようにして算出した表面張力による圧力Ｐ４を、圧力計１７によって測定した値Ｐ３＋Ｐ４から差し引くことによって、プレッシャーヘッドＰ３のみを正確に特定する。
なお、図２に示すように、測定する圧力変動の範囲は、圧力が急激に増加した点ＣからＤの範囲である。
圧力が急激に変化する点から測定を始めるのは、測定開始時期を確実に特定することができるからである。
また、上記測定時間Ｄは、液面の上昇によって生じるプレッシャーヘッドの影響を受けない範囲がよい。そのため、この実施例では、測定時間Ｄを０．１秒〜１．０秒程度にしている。
【００２１】
上記のようにして、プレッシャーヘッドＰ３を正確に特定した後、液面６ａから分岐管１２の先端１２ａまでの深さｈを算出する。すなわち、薬液槽１６内の液体６の密度をρ、重力の加速度をｇ、薬液槽１６内の液面６ａに作用する圧力Ｐ０、液面６ａから分岐管１２の先端１２ａまでの深さをｈとすると、これらの値は、Ｐ３＝Ｐ０＋ρｇｈの関係になっている。
したがって、コントローラに、上記液体の密度ρ、重力加速度ｇ、液面に作用する圧力Ｐ０を予め入力しておいて、上記圧力計１７によって検出されたプレッシャーヘッドＰ３を入力すれば、液面６ａから分岐管１２の先端１２ａまでの深さｈを求めることができる。
【００２２】
また、コントローラには、分岐管１２の先端１２ａが、薬液槽１６の底からどれくらいの高さＨにあるか予め入力しておく。
このようにすれば、薬液槽１６内の液面レベルはＨ＋ｈとなり、これによって薬液槽１６にどれくらいの液体が蓄えられているか正確に特定することができる。つまり、薬液槽１６内の液体の容量を正確に管理することができる。
薬液槽１６内の液体の容量を正確に管理することができるので、液体を余分に供給したり、液体が不足したりすることを防止できる。
【００２３】
図３に示した第２実施例は、供給管１１の一部を拡径して、その拡径部１１ａに圧力計１７を組み込んだものである。その他の構成については上記第１実施例とまったく同じである。
この第２実施例によれば、窒素ガスが充満している供給管１１の拡径部１１ａに圧力計１７を組み込んでいるので、薬液槽１６内に腐食性のあるガスが発生したとしても、そのガスに圧力計１７が触れたりしない。また、供給管１１内が高圧になっているので、たとえ拡径部１１ａに隙間などができたとしても、外部から拡径部１１ａに腐食性ガスが流れ込むこともない。
【００２４】
以上のように、この第２実施例によれば、圧力計１７が腐食ガスに触れることを防止したので、圧力計１７を薬液槽１６付近に設置しても問題ない。
したがって、供給管１１の全長を短くすることができ、その分、装置全体を小型化することができる。また、配管を短くした分、部品コストも安くすることができる。
なお、上記拡径部１１ａには、圧力計１７以外の機器類も組み込んでもよい。
【００２５】
上記第１，２実施例によれば、薬液槽１６内の雰囲気の圧力を検出しているので、この雰囲気の圧力が原因で生じていた誤差を解消することができる。
また、２つの分岐管１２，１３に圧力計１７を接続し、この圧力計１７を接続した検出点Ａ，Ｂの下流側における配管の圧力損失を等しくしたので、配管の圧力損失によって生じていた誤差も解消することができる。
なお、上記１，２実施例では、検出点Ａ，Ｂの下流側における両分岐管１２，１３の圧力損失を完全に等しくしているが、両分岐管１２，１３の圧力損失の差によって生じる誤差というものは非常に小さい。
したがって、プレッシャーヘッドの検出精度を維持できるのであれば、検出点Ａ，Ｂの下流側における分岐管１２，１３の圧力損失は、ほぼ同じぐらいでもよい。
【００２６】
さらに、気泡の表面張力によって生じる圧力を特定し、それを検出値から差し引くようにしているので、気泡の表面張力によって生じる誤差も解消することができる。
つまり、従来の問題だった３つの誤差を解消することができる。
したがって、薬液槽１６内のプレッシャーヘッドを正確に特定することができ、正確な液面を測定することができる。
【００２７】
【発明の効果】
第１の発明によれば、２本の分岐管のうち、一方を液体中に臨ませ、他方を液体を蓄えた容器の雰囲気中に臨ませて、これら両圧力の差を求めるようにしたので、液体を蓄えた容器内の雰囲気の圧力によって生じる誤差を解消することができる。
したがって、その分、液面レベルの測定精度を高くすることができる。
【００２８】
また、各分岐管におけるオリフィスの下流側の圧力損失が互いに等しくなるように、各分岐管の長さおよび流路面積を設定したので、各分岐管の圧力損失によって生じる誤差を完全に解消することができる。したがって、その分、液面レベルの測定精度を高めることができる。
さらに、圧力計を供給管内に設けたので、この圧力計が腐食性ガスに触れるのを防止できる。
【００２９】
第２の発明によれば、分岐管の先端が液面に触れた時点から所定時間内の圧力を測定し、その平均値から気泡の表面張力による圧力を特定するとともに、この表面張力による圧力を、圧力計による検出値から差し引くようにしたので、気泡の表面張力によって生じる圧力分の誤差も解消することができる。
したがって、さらに液面の測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の全体図である。
【図２】圧力と時間との関係を示したグラフである。
【図３】第２実施例の全体図である。
【図４】従来例の全体図である。
【符号の説明】
Ｐ３  プレッシャーヘッド
１０  ガス供給機構
１１  供給管
１２，１３  分岐管
１２ａ，１３ａ  分岐管の先端
１４，１５  固定オリフィス
１６  この発明の容器に相当する薬液槽
１７  圧力計
【図１】
0003609722.tif 000002
【図２】
0003609722.tif 000003
【図３】
0003609722.tif 000004
【図４】
0003609722.tif 000005