超音波流量測定方法、超音波流量計、及び超音波流量測定プログラム
【課題】液体中に気泡などの異物が混入した場合でも、その液体の体積流量を正確に測定できる超音波流量計を提供すること。
【解決手段】液体Ｗ１を流す配管１１の上流側及び下流側において対向するよう一対の超音波振動子１２，１３が配置されている。一対の超音波振動子１２，１３の間で超音波の送受信が行われ、超音波の波形信号が取得される。複数の超音波の波形信号が比較されて、波形信号の相関関数が算出される。波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かが判定され、有効と判定された波形信号に基づいて、超音波の伝搬時間差が求められ、さらにその伝搬時間差により液体Ｗ１の体積流量が求められる。
【解決手段】液体Ｗ１を流す配管１１の上流側及び下流側において対向するよう一対の超音波振動子１２，１３が配置されている。一対の超音波振動子１２，１３の間で超音波の送受信が行われ、超音波の波形信号が取得される。複数の超音波の波形信号が比較されて、波形信号の相関関数が算出される。波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かが判定され、有効と判定された波形信号に基づいて、超音波の伝搬時間差が求められ、さらにその伝搬時間差により液体Ｗ１の体積流量が求められる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して液体の流量を測定する超音波流量測定方法、超音波流量計、及び超音波流量測定プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を利用して液体の体積流量を測定する超音波流量計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図５に示されるように、特許文献１の超音波流量計６０では、液体Ｗ１を流す配管６１の上流側及び下流側において対向するよう一対の超音波振動子６２，６３が配置される。そして、一方の超音波振動子から発せられた超音波が液体Ｗ１中を伝搬して他方の超音波振動子に至るまでの伝搬時間を測定する。具体的には、流体Ｗ１の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、その正方向の伝搬時間と逆方向の伝搬時間とを測定する。ここで、各超音波振動子６２，６３間の超音波の伝搬距離Ｌ、流体Ｗ１中の音速Ｃ、液体Ｗ１の流速Ｖとすると、正方向の伝搬時間Ｔｄと逆方向の伝搬時間Ｔｕとは、それぞれ以下の式（１），（２）で表される。
【数１】
【数２】
【０００３】
すなわち、液体Ｗ１の流速Ｖが速くなると、正方向に伝搬される超音波Ｓ０の伝搬時間Ｔｄは短くなり、逆方向に伝搬される超音波Ｓ０の伝搬時間Ｔｕは長くなる（図６参照）。そして、それら超音波Ｓ０の伝搬時間差ΔＴは、次式（３）のように表される。
【数３】
【０００４】
ここで、液体Ｗ１の流速Ｖは音速Ｃと比較すると無視できる程度の速さである。そのため、上記の式（３）は次式（４）のように表すことができる。
【数４】
【０００５】
従って、流速Ｖは、次式（５）により求めることができる。
【数５】
【０００６】
さらに、この流速Ｖに配管６１の断面積Ｓを乗算することで液体Ｗ１の体積流量Ｑ（＝ＳＶ）が求められる。
【０００７】
ところで、上述した伝搬時間Ｔｄ，Ｔｕを測定する場合、例えば、各超音波振動子６２，６３で受信した超音波Ｓ０の受信信号（超音波信号）を増幅回路で増幅し、その受信信号が所定のしきい値電圧を超えた時刻ｔ１，ｔ２を検出している（図６参照）。この場合、受信信号にノイズ等が含まれると、測定誤差が生じる。そのため、従来では、超音波Ｓ０の送受信を多数回（例えば１６回）行い、伝搬時間差ΔＴの平均値を算出し、その平均値を用いることで測定精度を向上させている。
【特許文献１】特開２００２−１６２２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、液体Ｗ１中に気泡などの異物が混入した場合、その異物で超音波Ｓ０が乱反射するため、超音波Ｓ０の伝搬時間Ｔｄ，Ｔｕ、ひいては体積流量Ｑに測定誤差が生じてしまったり、超音波Ｓ０が他方の超音波振動子に届かずに体積流量Ｑが測定不能となったりするといった問題が生じてしまう。この場合、超音波Ｓ０の送受信を多数回行い伝搬時間差ΔＴの平均値で算出する手法を採用したとしても、誤った測定値がその平均値に反映されてしまうため、測定精度が低下してしまうこととなる。
【０００９】
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、液体中に気泡などの異物が混入した場合でも、その液体の体積流量を正確に測定することができる超音波流量測定方法、超音波流量計、及び超音波流量測定プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、液体を流す流路の上流側及び下流側において対向するよう配置された一対の超音波振動子を用いて、前記液体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させてそ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の伝搬時間差に基づいて前記液体の体積流量を求める超音波流量測定方法において、前記一対の超音波振動子の間で超音波の送受信を行い、前記超音波の波形信号を取得するステップと、取得した複数の超音波の波形信号を比較して、前記波形信号の相関関数を算出するステップと、前記波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かを判定し、有効と判定した波形信号に基づいて、前記超音波の伝搬時間差を求めるとともに、その伝搬時間差により前記液体の体積流量を求めるステップとを含むことを特徴とする超音波流量測定方法をその要旨とする。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、流路の上流側及び下流側において対向するよう一対の超音波振動子が配置され、それら超音波振動子の間で超音波の送受信が行われることで超音波の波形信号が取得される。そして、複数の超音波の波形信号が比較されて、波形信号の相関関数が算出される。ここで、流路を流れる液体中に気泡などの異物が含まれる場合、各超音波の波形信号は異なるものとなる。一方、液体中に異物が含まれない場合には、各超音波の波形信号は類似したものとなる。相関関数は、各波形信号の類似性を示す関数であり、その相関関数の相関値に基づいて、液体中に異物が含まれない正常な状態で取得された有効な波形信号であるか否かを判定することができる。そして、有効と判定した波形信号に基づいて、超音波の伝搬時間差が求められ、その伝搬時間差により液体の体積流量が求められる。このようにすれば、信頼性の高い波形信号のみを使用して体積流量を算出することができるので、従来技術のように超音波の送受信を多数回したうえで平均化処理を行わなくても、測定精度を十分に高めることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記一対の超音波振動子の間にて所定パターンで超音波の送受信を行い、各超音波振動子で受信した各波形信号のデータを記憶するステップをさらに備え、異なるタイミングで受信した各波形信号について、各超音波の伝搬時間差を求め、それら伝搬時間差の平均値により、前記液体の体積流量を求めるようにしたことをその要旨とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、一対の超音波振動子の間にて所定パターンで超音波の送受信が行われ、各超音波振動子で受信された各波形信号のデータが記憶される。そして、この記憶された各波形信号のデータについて、複数の組み合わせで各波形信号の伝搬時間差を求めることができ、それら伝搬時間差の平均値により、液体の体積流量をより正確に求めることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記一対の超音波振動子の間で、超音波の伝搬方向が正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターン、または、逆方向、正方向、正方向及び逆方向の順序となる所定のパターンで超音波の送受信を行うことをその要旨とする。
【００１５】
具体的には、請求項３に記載の発明のように、正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターン、または、逆方向、正方向、正方向及び逆方向となる所定パターンで超音波の送受信を行う場合、各波形信号について４通りの組み合わせで伝搬時間差を求めることができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３において、前記所定パターンで超音波の送受信を行うことで取得した複数の超音波の波形信号について有効な波形信号がないと判定された場合には、前記所定パターンで超音波の送受信を再度行うようにしたことをその要旨とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、測定に有効な波形信号がないと判定された場合には、所定パターンで超音波の送受信が再度行われるため、測定に有効な波形信号を確実に取得することができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記相関値が所定のしきい値未満の値である場合には、前記液体中に異物の混入ありと判断して、その旨を表示手段に表示させるステップを含むことをその要旨とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、相関値が所定のしきい値未満の値である場合には、液体中に異物の混入ありと判断されてその旨が表示手段に表示される。この場合、液体に異物が混入した異常な状態を迅速に警告することができ、液体の供給系のメンテナンスを行うことにより、液体中に異物を含まない正常な状態に迅速に復帰させることが可能となる。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、液体を流す流路の上流側及び下流側において対向するよう配置された一対の超音波振動子を備え、前記一対の超音波振動子により前記液体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、そ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の伝搬時間差に基づいて前記液体の体積流量を求める超音波流量計において、前記一対の超音波振動子の間で超音波の送受信を行い、前記超音波の波形信号を取得する波形信号取得手段と、前記波形信号取得手段で取得した複数の超音波の波形信号を比較して、前記波形信号の相関関数を算出する相関関数算出手段と、前記波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かを判定し、有効と判定した波形信号に基づいて、前記超音波の伝搬時間差を求めるとともに、その伝搬時間差により前記液体の体積流量を求める体積流量算出手段とを備えたことを特徴とする超音波流量計をその要旨とする。
【００２１】
請求項６に記載の発明によれば、流路の上流側及び下流側において対向するよう一対の超音波振動子が配置されている。それら超音波振動子の間で超音波の送受信が行われることで、波形信号取得手段により超音波の波形信号が取得される。そして、相関関数算出手段により、複数の超音波の波形信号が比較されて、波形信号の相関関数が算出される。その相関関数の相関値に基づいて、液体中に異物が含まれない正常な状態で取得された有効な波形信号であるか否かを判定することができる。そして、体積流量算出手段により、有効と判定した波形信号に基づいて、超音波の伝搬時間差が求められ、その伝搬時間差により液体の体積流量が求められる。このようにすれば、信頼性の高い波形信号のみを使用して体積流量を算出することができるので、従来技術のように超音波の送受信を多数回したうえで平均化処理を行わなくても、測定精度を十分に高めることができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波流量測定方法における各ステップをコンピュータにより実行させるための超音波流量測定プログラムをその要旨とする。
【００２３】
請求項７に記載のプログラムをコンピュータに実行させることにより、信頼性の高い波形信号のみを使用して体積流量を算出することができ、測定精度を十分に高めることができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上詳述したように、請求項１〜７に記載の発明によると、液体中に気泡などの異物が混入した場合でも、その液体の体積流量を正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態の超音波流量計１を示す概略構成図である。超音波流量計１は、超音波伝搬時間差方式で液体Ｗ１（例えば半導体洗浄用の薬液）の体積流量を測定する測定器であって、液体Ｗ１を供給するための供給配管４の途中に設けられている。
【００２６】
供給配管４の上流側には、液体Ｗ１の流量を調整するための調整バルブ５が設けられており、この調整バルブ５には、その開度を変更するためのコントローラ６が接続されている。本実施の形態において、超音波流量計１で計測された体積流量の測定値がコントローラ６に送信され、そのコントローラ６が調整バルブ５の開度を制御することにより、供給配管４を流れる液体Ｗ１の流量が予め設定された所定の流量となるよう調整される。
【００２７】
以下、本実施の形態の超音波流量計１の具体的な構成について詳述する。
【００２８】
図１に示されるように、超音波流量計１は、略コ字状に屈曲形成された配管１１と、その配管１１の２つのコーナー部１１ａ，１１ｂにそれぞれ固定され配管１１の直管部１１ｃを介して対向するよう配置される一対の超音波振動子１２，１３と、配管１１に固定され液体Ｗ１の音速を測定するための音速センサ１６と、各超音波振動子１２，１３や音速センサ１６に電気的に接続される制御装置２０とを備える。本実施の形態の配管１１は、耐薬品性に優れるフッ素樹脂（例えばテフロン（登録商標））を用いて形成されており、直管部１１ｃの長さは１０ｃｍ程度である。また、この配管１１内に形成される流路の断面形状は円形であり、その口径は１０ｍｍ程度である。このように、流路の断面形状を円形とすることにより、その流路内において、液体Ｗ１の乱流が防止され、液体Ｗ１がスムーズに流れるようになっている。
【００２９】
図２は、超音波流量計１の電気的構成を示すブロック図である。図２に示されるように、制御装置２０は、ＣＰＵ２１、第１信号処理回路２２、第２信号処理回路２３、メモリ２４、入力装置２５、表示装置２６、データ出力回路２７を備える。
【００３０】
第１信号処理回路２２は、切り替え回路３１、パルス発生回路３２、受信回路３３、検波回路３４、及びＡ／Ｄ変換回路３５を備える。
【００３１】
切り替え回路３１は、一対の超音波振動子１２，１３のうちの上流側の超音波振動子１２をパルス発生回路３２に接続するとともに下流側の超音波振動子１３を受信回路３３に接続する第１の接続位置と、下流側の超音波振動子１３をパルス発生回路３２に接続するとともに上流側の超音波振動子１２を受信回路３３に接続する第２の接続位置とを切り替え可能に構成されている。この切り替え回路３１における接続位置は、ＣＰＵ２１から出力される切り替え信号によって制御される。
【００３２】
パルス発生回路３２は、ＣＰＵ３２からの制御信号に応答して動作し、超音波振動子１２，１３を駆動するための駆動パルスを出力する。この駆動パルスが切り替え回路３１を介して各超音波振動子１２，１３に供給される。ここで例えば、切り替え回路３１が第１の接続位置に切り替えられた場合、上流側の超音波振動子１２に駆動パルスが供給され、その超音波振動子１２が振動することにより、所定周波数（具体的には、１ＭＨｚの周波数）の超音波が出力される。そして、その超音波は、配管１１の液体Ｗ１中をその液体Ｗ１の流れの正方向に伝搬して下流側の超音波振動子１３で受信される。また逆に、切り替え回路３１が第２の接続位置に切り替えられた場合には、下流側の超音波振動子１３に駆動パルスが供給され、その超音波振動子１３が振動することにより、所定周波数（具体的には、１ＭＨｚの周波数）の超音波が出力される。そして、その超音波は、配管１１の液体Ｗ１中をその液体Ｗ１の流れの逆方向に伝搬して上流側の超音波振動子１２で受信される。
【００３３】
受信回路３３は、図示しない信号増幅回路を含み、各超音波振動子１２，１３で受信された超音波信号を増幅した後、検波回路３４に出力する。検波回路３４は、図示しないゲート回路を含み、受信信号の中から１パルス分の超音波信号を抽出してＡ／Ｄ変換回路３５に出力する。Ａ／Ｄ変換回路３５では、アナログ信号である超音波信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換する。ＣＰＵ２１は、このＡ／Ｄ変換後の超音波信号を取り込み、メモリ２４に一旦記憶する。
【００３４】
本実施の形態の音速センサ１６は、例えば、超音波を利用して液体Ｗ１の音速を測定するセンサであり、超音波の送受信を行うための超音波振動子（図示略）を備える。第２信号処理回路２３は、その音速センサ１６の駆動信号を出力したり、音速センサ１６からのセンサ信号を受信したりする処理回路であり、第１信号処理回路２２と同様の回路（図示しない切り替え回路、パルス発生回路、受信回路、検波回路、及びＡ／Ｄ変換回路等）を備える。
【００３５】
ＣＰＵ２１は、メモリ２４を利用して制御プログラムを実行し、装置全体を統括的に制御する。制御プログラムとしては、体積流量を算出するためのプログラムや体積流量の測定値を表示するためのプログラムなどを含む。なお、ＣＰＵ２１が実行するプログラムとしては、メモリカードなどの記憶媒体に記憶されたプログラムや、通信媒体を介してダウンロードしたプログラムでもよく、その実行時には、メモリ２４に読み込んで使用する。
【００３６】
表示装置２６は、例えば液晶ディスプレイであり、体積流量の測定値を表示するために用いられる。入力装置２５は、各種の操作ボタンを含み、測定の開始・終了、表示モードの設定などを行うために用いられる。データ出力回路２７は、データ出力用のインターフェース（例えば、ＲＳ２３２などのポート）を含み、測定した体積流量に関するデータをコントローラ６に転送する。
【００３７】
次に、本実施の形態における体積流量の具体的な算出方法について説明する。
【００３８】
本実施の形態では、まず、上流側及び下流側に配置された一対の超音波振動子１２，１３において、例えば、２５０μｓ毎に、正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで一方の超音波振動子から超音波を送信するとともに、液体Ｗ１中を伝搬した各超音波を他方の超音波振動子で受信する。このとき、超音波振動子１２，１３で電気信号に変換された超音波信号は、さらに第１信号処理回路２２において切り替え回路３１、受信回路３３、検波回路３４、及びＡ／Ｄ変換回路３５を経てデジタル信号に変換された後、超音波の波形信号としてメモリ２４に記憶される。なお、本実施の形態では、上述した所定パターンの超音波の送受信にて取得された４パルス分の波形信号が、液体Ｗ１の体積流量を求めるためのデータの塊としてメモリ２４に記憶される。
【００３９】
そして、それら超音波の波形信号を比較することで、波形信号の相関関数を算出する。具体的には、例えば、最初に送受信した第１パルスの波形信号と次に送受信した第２パルスの波形信号とを比較して、第１パルスを基準とした相関関数を求める。また、第１パルスの波形信号と第３パルスの波形信号とを比較して、第１パルスを基準とした相関関数を求める。さらに、第１パルスの波形信号と第４パルスの波形信号とを比較して、第１パルスを基準とした相関関数を求める。同様に、第２パルスの波形信号と第３パルスの波形信号とを比較して第２パルスを基準とした相関関数を求め、第２パルスの波形信号と第４パルスの波形信号とを比較して第２パルスを基準とした相関関数を求める。さらに、第３パルスの波形信号と第４パルスの波形信号とを比較して第３パルスを基準とした相関関数を求める。
【００４０】
ここで、配管１１を流れる液体Ｗ１中に気泡などの異物が含まれる場合、その異物によって超音波が乱反射するため、受信された各超音波はその波形が異なるものとなる。この場合、各波形信号により求められた相関関数の相関値は、１よりも相当小さくなる。一方、液体中に気泡が含まれない場合には、各超音波の波形は類似したものとなるため、相関関数の相関値が１に近い値（例えば０．９７）となる。従って、本実施の形態では、相関関数の相関値が１に近い値（例えば、０．９以上）である場合に、測定に有効な波形信号であると判定する。そして、有効と判定した波形信号に基づいて、超音波の伝搬時間差を求める。
【００４１】
本実施の形態では、第１パルスの超音波及び第４パルスの超音波は、両方とも液体Ｗ１中を正方向に伝搬している。従って、図３に示されるように、これら超音波の波形信号を比較して求めた相関関数ｆ１は、その時間的なズレ量が０となる。これに対して、第１パルスの超音波及び第２パルスの超音波は、正方向及び逆方向に伝搬している。そのため、これら超音波の波形信号を比較して求めた相関関数ｆ２は、前記相関関数ｆ１と比較すると、超音波の伝搬時間差ΔＴのズレが生じる。よって、本実施の形態では、相関関数ｆ２の相関値が最大となる時刻に基づいて、超音波の伝搬時間差ΔＴが求められる。
【００４２】
そして、この伝搬時間差ΔＴを上記の式（５）に代入して流体Ｗ１の流速Ｖを求める。なお、音速Ｃは、音速センサ１６により例えば１秒毎に取得した測定値を用いる。さらに、この流速Ｖに配管１１の断面積Ｓを乗算することで液体Ｗ１の体積流量Ｑ（＝ＳＶ）を求める。
【００４３】
なお、実際の流量測定時には、配管１１の２つのコーナー部１１ａ，１１ｂにおいて液体Ｗ１の流れが乱れる。また、配管１１において中央部の方が側壁側よりも液体Ｗ１の流れが速くなる。従って、この液体Ｗ１の流速の分布を考慮して補正演算を行うことにより、より正確な体積流量Ｑが算出される。
【００４４】
次に、本実施の形態において、液体Ｗ１の体積流量Ｑを測定するための処理例について図４のフローチャートを用いて説明する。なお、図４の処理は、作業者が入力装置２５に設けられている開始ボタンを操作したときに開始される。
【００４５】
まず、波形信号取得手段としてのＣＰＵ２１は、第１信号処理回路２２のパルス発生回路３２を動作させ、２５０μｓ毎に駆動パルスを出力させるとともに、切り替え回路３１の接続位置を切り替えて、上流側の超音波振動子１２及び下流側の超音波振動子１３に対して駆動パルスを順次供給する（ステップ１００）。これにより、各超音波振動子１２，１３において、正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで超音波の送受信が行われる。そして、各超音波振動子１２，１３で受信された超音波信号は、第１信号処理回路２２において切り替え回路３１、受信回路３３、検波回路３４、及びＡ／Ｄ変換回路３５を経てデジタル信号に変換される。ＣＰＵ２１は、そのＡ／Ｄ変換後の超音波信号を順次取り込み、超音波の波形信号としてメモリ２４に記憶する。なおここでは、上述した所定パターンの４パルス分の波形信号がメモリ２４に記憶される。
【００４６】
その後、相関関数算出手段としてのＣＰＵ２１は、各超音波の波形信号を読み出し、それら波形信号を比較して相関関数を算出する（ステップ１１０）。そして、ＣＰＵ２１は、波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かを判定する（ステップ１２０）。具体的には、相関関数の相関値が所定のしきい値（例えば、０．９）以上である場合、ＣＰＵ２１は、測定に有効な波形信号であると判定し、その波形信号のデータをメモリ２４に残す。一方、所定のしきい値よりも小さい場合には、比較した波形信号の少なくとも一方が測定に無効な波形信号である。この場合、ＣＰＵ２１は、他の波形信号との比較で求めた相関関数により、測定に無効な波形信号を特定して、その波形信号のデータをメモリ２４から削除する。そして、４パルスの超音波において、正方向の第１パルス及び第４パルスの波形信号の両方、または逆方向の第２パルス及び第３パルスの波形信号の両方が無効な波形信号であると判定した場合、液体中に異物の混入ありと判断して、ＣＰＵ２１はその旨を表示装置２６に表示させる（ステップ１３０）。その後、ＣＰＵ２１は、ステップ１００の処理に戻り、所定パターンでの超音波の送受信を再度行う。
【００４７】
一方、正方向の第１パルス及び第４パルスの波形信号の少なくとも一方が有効であると判定し、かつ逆方向の第２パルス及び第３パルスの波形信号の少なくとも一方が有効であると判定した場合、体積流量算出手段としてのＣＰＵ２１は、有効と判定した波形信号の相関関数に基づいて、正方向に伝搬した超音波と逆方向に伝搬した超音波との伝搬時間差ΔＴを求める（ステップ１４０）。
【００４８】
さらに、ＣＰＵ２１は、音速センサ１６を用いて測定した音速Ｃとその伝搬時間差ΔＴとを用い、式（５）に対応した演算を行うことにより液体Ｗ１の流速Ｖを求め、さらにその流速Ｖと配管１１の断面積Ｓとを乗算することにより液体Ｗ１の体積流量Ｑを求める（ステップ１５０）。
【００４９】
上記ステップ１４０において、有効と判定した各波形信号について、複数の組み合わせで各波形信号の伝搬時間差ΔＴを求めることができる場合には、ステップ１５０において、それら伝搬時間差ΔＴの平均値によって、液体Ｗ１の体積流量を求めるようにする。
【００５０】
その後、ＣＰＵ２１は、体積流量Ｑの測定値を表示装置２６に表示させる（ステップ１６０）。そして、ＣＰＵ２１は、体積流量Ｑの測定処理を継続するか否かを判定する（ステップ１７０）。具体的には、ＣＰＵ２１は、入力装置２５の終了ボタンが操作されているか否かを判定し、終了ボタンが操作されていない場合には、ステップ１００の処理に戻り、ステップ１００〜ステップ１７０の処理を再度行う。そして、入力装置２５の終了ボタンが操作された場合、ＣＰＵ２１は図４の処理を終了する。
【００５１】
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。
【００５２】
（１）本実施の形態の超音波流量計１では、波形信号の相関関数が算出され、その相関関数の相関値に基づいて、液体Ｗ１中に異物が含まれない正常な状態で取得された有効な波形信号であるか否かを判定することができる。そして、有効と判定した波形信号に基づいて、超音波の伝搬時間差ΔＴが求められ、その伝搬時間差ΔＴにより液体Ｗ１の体積流量Ｑが求められる。このように、信頼性の高い波形信号のみを使用して体積流量Ｑを算出することができるので、測定精度を十分に高めることができる。具体的には、超音波流量計１では、従来技術において超音波の送受信を１６回行って得られた平均値と同程度の測定精度を確保することができた。よって、超音波の送受信回数を抑えつつ測定精度を高めることができるので、従来技術と比較して測定時間の短縮が可能となる。
【００５３】
（２）本実施の形態の超音波流量計１では、超音波の伝搬方向が正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで超音波の送受信が行われ、４パルス分の波形信号が取得される。この場合、各波形信号について複数通りの組み合わせで伝搬時間差ΔＴを求めることができ、それら伝搬時間差ΔＴの平均値により、液体Ｗ１の体積流量Ｑをより正確に求めることができる。
【００５４】
（３）本実施の形態の超音波流量計１では、波形信号について測定に有効な波形信号がないと判定された場合には、所定パターンで超音波の送受信が再度行われるため、測定に有効な波形信号を確実に取得することができる。
【００５５】
（４）本実施の形態の超音波流量計１では、相関値が所定のしきい値（例えば。、０．９）未満の値である場合には、液体Ｗ１中に異物の混入ありと判断されてその旨が表示装置２６に表示される。この場合、液体Ｗ１に異物が混入した異常な状態を迅速に警告することができ、液体Ｗ１の供給系（調整バルブ５、図示しない供給タンクやそれに繋がる配管など）のメンテナンスを行うことにより、液体Ｗ１中に異物を含まない正常な状態に迅速に復帰させることが可能となる。
【００５６】
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００５７】
・上記実施の形態では、正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで超音波の送受信を行うようにしたが、これに限定されるものではなく、例えば、逆方向、正方向、正方向及び逆方向の順序となる所定パターンで超音波の送受信を行ってもよい。また、４パルス分の超音波の送受信に限定されるものではなく、少なくとも正方向及び逆方向の送受信を１回ずつ含む所定パターンで測定を行うものであればよい。さらに、上記実施の形態では、同じ方向に連続して２回以上超音波の送受信を行う態様を採用したが、同じ方向に連続して２回以上超音波の送受信を行わない態様（言い換えると、超音波の送受信の方向性が１回ごとに逆転する態様）を採用しても勿論よい。具体的には、正方向、逆方向、正方向及び逆方向の順序となる所定パターン、あるいは逆方向、正方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで、超音波の送受信を行うことも可能である。
【００５８】
・上記実施の形態では、相関関数の相関値が所定のしきい値（例えば、０．９）以上である場合に測定に有効な波形信号であると判定したが、このしきい値は適宜変更することができる。具体的には、測定開始前の初期設定時において、入力装置２５を操作することにより、液体Ｗ１の種類に応じた最適なしきい値に変更可能に構成してもよい。
【００５９】
・上記実施の形態において、前回の処理で有効と判定した波形信号のデータを基準波形信号としてメモリ２４に記憶しておき、次回の処理では、取得した波形信号とその基準波形信号とを比較して相関関数を求めるように構成してもよい。
【００６０】
・上記実施の形態では、配管１１をテフロンで構成したが、これに限定されるものではなく、液体Ｗ１の種類に応じて適宜変更することができる。ただし、上記実施の形態のように、薬液を流す場合には、耐薬品性に優れる樹脂材料を用いて配管１１を構成することが好ましい。
【００６１】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した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。
【００６２】
（１）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記相関値が所定のしきい値以上である場合に、測定に有効な波形信号であると判定することを特徴とする超音波流量測定方法。
【００６３】
（２）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記相関値が最大となる時刻のズレ量に基づいて各超音波の伝搬時間差を求めるようにしたことを特徴とする超音波流量測定方法。
【００６４】
（３）請求項１乃至５のいずれか１項において、同一方向に伝搬した２つの超音波の波形信号を比較して、各波形信号の相関関数を求めるようにしたことを特徴とする超音波流量測定方法。
【００６５】
（４）請求項１乃至５のいずれか１項において、異なる方向に伝搬した２つの超音波の波形信号を比較して、各波形信号の相関関数を求めるようにしたことを特徴とする超音波流量測定方法。
【００６６】
（５）請求項１乃至５のいずれか１項において、基準波形信号をメモリに予め設定しておき、前記波形信号とその基準波形信号とを比較して相関関数を求めるようにしたことを特徴とする超音波流量測定方法。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明を具体化した一実施の形態の超音波流量計を示す概略構成図。
【図２】超音波流量計の電気的構成を示すブロック図。
【図３】波形信号の相関関数を示す説明図。
【図４】液体の体積流量を算出するための処理例を示すフローチャート。
【図５】従来の超音波流量計を示す概略構成図。
【図６】超音波の伝搬時間及び伝搬時間差を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
【００６８】
１…超音波流量計
１１…流路を構成する配管
１２，１３…超音波振動子
２１…波形信号取得手段、相関関数算出手段、体積流量算出手段としてのＣＰＵ
２６…表示手段としての表示装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して液体の流量を測定する超音波流量測定方法、超音波流量計、及び超音波流量測定プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を利用して液体の体積流量を測定する超音波流量計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図５に示されるように、特許文献１の超音波流量計６０では、液体Ｗ１を流す配管６１の上流側及び下流側において対向するよう一対の超音波振動子６２，６３が配置される。そして、一方の超音波振動子から発せられた超音波が液体Ｗ１中を伝搬して他方の超音波振動子に至るまでの伝搬時間を測定する。具体的には、流体Ｗ１の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、その正方向の伝搬時間と逆方向の伝搬時間とを測定する。ここで、各超音波振動子６２，６３間の超音波の伝搬距離Ｌ、流体Ｗ１中の音速Ｃ、液体Ｗ１の流速Ｖとすると、正方向の伝搬時間Ｔｄと逆方向の伝搬時間Ｔｕとは、それぞれ以下の式（１），（２）で表される。
【数１】
【数２】
【０００３】
すなわち、液体Ｗ１の流速Ｖが速くなると、正方向に伝搬される超音波Ｓ０の伝搬時間Ｔｄは短くなり、逆方向に伝搬される超音波Ｓ０の伝搬時間Ｔｕは長くなる（図６参照）。そして、それら超音波Ｓ０の伝搬時間差ΔＴは、次式（３）のように表される。
【数３】
【０００４】
ここで、液体Ｗ１の流速Ｖは音速Ｃと比較すると無視できる程度の速さである。そのため、上記の式（３）は次式（４）のように表すことができる。
【数４】
【０００５】
従って、流速Ｖは、次式（５）により求めることができる。
【数５】
【０００６】
さらに、この流速Ｖに配管６１の断面積Ｓを乗算することで液体Ｗ１の体積流量Ｑ（＝ＳＶ）が求められる。
【０００７】
ところで、上述した伝搬時間Ｔｄ，Ｔｕを測定する場合、例えば、各超音波振動子６２，６３で受信した超音波Ｓ０の受信信号（超音波信号）を増幅回路で増幅し、その受信信号が所定のしきい値電圧を超えた時刻ｔ１，ｔ２を検出している（図６参照）。この場合、受信信号にノイズ等が含まれると、測定誤差が生じる。そのため、従来では、超音波Ｓ０の送受信を多数回（例えば１６回）行い、伝搬時間差ΔＴの平均値を算出し、その平均値を用いることで測定精度を向上させている。
【特許文献１】特開２００２−１６２２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、液体Ｗ１中に気泡などの異物が混入した場合、その異物で超音波Ｓ０が乱反射するため、超音波Ｓ０の伝搬時間Ｔｄ，Ｔｕ、ひいては体積流量Ｑに測定誤差が生じてしまったり、超音波Ｓ０が他方の超音波振動子に届かずに体積流量Ｑが測定不能となったりするといった問題が生じてしまう。この場合、超音波Ｓ０の送受信を多数回行い伝搬時間差ΔＴの平均値で算出する手法を採用したとしても、誤った測定値がその平均値に反映されてしまうため、測定精度が低下してしまうこととなる。
【０００９】
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、液体中に気泡などの異物が混入した場合でも、その液体の体積流量を正確に測定することができる超音波流量測定方法、超音波流量計、及び超音波流量測定プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、液体を流す流路の上流側及び下流側において対向するよう配置された一対の超音波振動子を用いて、前記液体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させてそ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の伝搬時間差に基づいて前記液体の体積流量を求める超音波流量測定方法において、前記一対の超音波振動子の間で超音波の送受信を行い、前記超音波の波形信号を取得するステップと、取得した複数の超音波の波形信号を比較して、前記波形信号の相関関数を算出するステップと、前記波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かを判定し、有効と判定した波形信号に基づいて、前記超音波の伝搬時間差を求めるとともに、その伝搬時間差により前記液体の体積流量を求めるステップとを含むことを特徴とする超音波流量測定方法をその要旨とする。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、流路の上流側及び下流側において対向するよう一対の超音波振動子が配置され、それら超音波振動子の間で超音波の送受信が行われることで超音波の波形信号が取得される。そして、複数の超音波の波形信号が比較されて、波形信号の相関関数が算出される。ここで、流路を流れる液体中に気泡などの異物が含まれる場合、各超音波の波形信号は異なるものとなる。一方、液体中に異物が含まれない場合には、各超音波の波形信号は類似したものとなる。相関関数は、各波形信号の類似性を示す関数であり、その相関関数の相関値に基づいて、液体中に異物が含まれない正常な状態で取得された有効な波形信号であるか否かを判定することができる。そして、有効と判定した波形信号に基づいて、超音波の伝搬時間差が求められ、その伝搬時間差により液体の体積流量が求められる。このようにすれば、信頼性の高い波形信号のみを使用して体積流量を算出することができるので、従来技術のように超音波の送受信を多数回したうえで平均化処理を行わなくても、測定精度を十分に高めることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記一対の超音波振動子の間にて所定パターンで超音波の送受信を行い、各超音波振動子で受信した各波形信号のデータを記憶するステップをさらに備え、異なるタイミングで受信した各波形信号について、各超音波の伝搬時間差を求め、それら伝搬時間差の平均値により、前記液体の体積流量を求めるようにしたことをその要旨とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、一対の超音波振動子の間にて所定パターンで超音波の送受信が行われ、各超音波振動子で受信された各波形信号のデータが記憶される。そして、この記憶された各波形信号のデータについて、複数の組み合わせで各波形信号の伝搬時間差を求めることができ、それら伝搬時間差の平均値により、液体の体積流量をより正確に求めることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記一対の超音波振動子の間で、超音波の伝搬方向が正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターン、または、逆方向、正方向、正方向及び逆方向の順序となる所定のパターンで超音波の送受信を行うことをその要旨とする。
【００１５】
具体的には、請求項３に記載の発明のように、正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターン、または、逆方向、正方向、正方向及び逆方向となる所定パターンで超音波の送受信を行う場合、各波形信号について４通りの組み合わせで伝搬時間差を求めることができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３において、前記所定パターンで超音波の送受信を行うことで取得した複数の超音波の波形信号について有効な波形信号がないと判定された場合には、前記所定パターンで超音波の送受信を再度行うようにしたことをその要旨とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、測定に有効な波形信号がないと判定された場合には、所定パターンで超音波の送受信が再度行われるため、測定に有効な波形信号を確実に取得することができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記相関値が所定のしきい値未満の値である場合には、前記液体中に異物の混入ありと判断して、その旨を表示手段に表示させるステップを含むことをその要旨とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、相関値が所定のしきい値未満の値である場合には、液体中に異物の混入ありと判断されてその旨が表示手段に表示される。この場合、液体に異物が混入した異常な状態を迅速に警告することができ、液体の供給系のメンテナンスを行うことにより、液体中に異物を含まない正常な状態に迅速に復帰させることが可能となる。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、液体を流す流路の上流側及び下流側において対向するよう配置された一対の超音波振動子を備え、前記一対の超音波振動子により前記液体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、そ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の伝搬時間差に基づいて前記液体の体積流量を求める超音波流量計において、前記一対の超音波振動子の間で超音波の送受信を行い、前記超音波の波形信号を取得する波形信号取得手段と、前記波形信号取得手段で取得した複数の超音波の波形信号を比較して、前記波形信号の相関関数を算出する相関関数算出手段と、前記波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かを判定し、有効と判定した波形信号に基づいて、前記超音波の伝搬時間差を求めるとともに、その伝搬時間差により前記液体の体積流量を求める体積流量算出手段とを備えたことを特徴とする超音波流量計をその要旨とする。
【００２１】
請求項６に記載の発明によれば、流路の上流側及び下流側において対向するよう一対の超音波振動子が配置されている。それら超音波振動子の間で超音波の送受信が行われることで、波形信号取得手段により超音波の波形信号が取得される。そして、相関関数算出手段により、複数の超音波の波形信号が比較されて、波形信号の相関関数が算出される。その相関関数の相関値に基づいて、液体中に異物が含まれない正常な状態で取得された有効な波形信号であるか否かを判定することができる。そして、体積流量算出手段により、有効と判定した波形信号に基づいて、超音波の伝搬時間差が求められ、その伝搬時間差により液体の体積流量が求められる。このようにすれば、信頼性の高い波形信号のみを使用して体積流量を算出することができるので、従来技術のように超音波の送受信を多数回したうえで平均化処理を行わなくても、測定精度を十分に高めることができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波流量測定方法における各ステップをコンピュータにより実行させるための超音波流量測定プログラムをその要旨とする。
【００２３】
請求項７に記載のプログラムをコンピュータに実行させることにより、信頼性の高い波形信号のみを使用して体積流量を算出することができ、測定精度を十分に高めることができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上詳述したように、請求項１〜７に記載の発明によると、液体中に気泡などの異物が混入した場合でも、その液体の体積流量を正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態の超音波流量計１を示す概略構成図である。超音波流量計１は、超音波伝搬時間差方式で液体Ｗ１（例えば半導体洗浄用の薬液）の体積流量を測定する測定器であって、液体Ｗ１を供給するための供給配管４の途中に設けられている。
【００２６】
供給配管４の上流側には、液体Ｗ１の流量を調整するための調整バルブ５が設けられており、この調整バルブ５には、その開度を変更するためのコントローラ６が接続されている。本実施の形態において、超音波流量計１で計測された体積流量の測定値がコントローラ６に送信され、そのコントローラ６が調整バルブ５の開度を制御することにより、供給配管４を流れる液体Ｗ１の流量が予め設定された所定の流量となるよう調整される。
【００２７】
以下、本実施の形態の超音波流量計１の具体的な構成について詳述する。
【００２８】
図１に示されるように、超音波流量計１は、略コ字状に屈曲形成された配管１１と、その配管１１の２つのコーナー部１１ａ，１１ｂにそれぞれ固定され配管１１の直管部１１ｃを介して対向するよう配置される一対の超音波振動子１２，１３と、配管１１に固定され液体Ｗ１の音速を測定するための音速センサ１６と、各超音波振動子１２，１３や音速センサ１６に電気的に接続される制御装置２０とを備える。本実施の形態の配管１１は、耐薬品性に優れるフッ素樹脂（例えばテフロン（登録商標））を用いて形成されており、直管部１１ｃの長さは１０ｃｍ程度である。また、この配管１１内に形成される流路の断面形状は円形であり、その口径は１０ｍｍ程度である。このように、流路の断面形状を円形とすることにより、その流路内において、液体Ｗ１の乱流が防止され、液体Ｗ１がスムーズに流れるようになっている。
【００２９】
図２は、超音波流量計１の電気的構成を示すブロック図である。図２に示されるように、制御装置２０は、ＣＰＵ２１、第１信号処理回路２２、第２信号処理回路２３、メモリ２４、入力装置２５、表示装置２６、データ出力回路２７を備える。
【００３０】
第１信号処理回路２２は、切り替え回路３１、パルス発生回路３２、受信回路３３、検波回路３４、及びＡ／Ｄ変換回路３５を備える。
【００３１】
切り替え回路３１は、一対の超音波振動子１２，１３のうちの上流側の超音波振動子１２をパルス発生回路３２に接続するとともに下流側の超音波振動子１３を受信回路３３に接続する第１の接続位置と、下流側の超音波振動子１３をパルス発生回路３２に接続するとともに上流側の超音波振動子１２を受信回路３３に接続する第２の接続位置とを切り替え可能に構成されている。この切り替え回路３１における接続位置は、ＣＰＵ２１から出力される切り替え信号によって制御される。
【００３２】
パルス発生回路３２は、ＣＰＵ３２からの制御信号に応答して動作し、超音波振動子１２，１３を駆動するための駆動パルスを出力する。この駆動パルスが切り替え回路３１を介して各超音波振動子１２，１３に供給される。ここで例えば、切り替え回路３１が第１の接続位置に切り替えられた場合、上流側の超音波振動子１２に駆動パルスが供給され、その超音波振動子１２が振動することにより、所定周波数（具体的には、１ＭＨｚの周波数）の超音波が出力される。そして、その超音波は、配管１１の液体Ｗ１中をその液体Ｗ１の流れの正方向に伝搬して下流側の超音波振動子１３で受信される。また逆に、切り替え回路３１が第２の接続位置に切り替えられた場合には、下流側の超音波振動子１３に駆動パルスが供給され、その超音波振動子１３が振動することにより、所定周波数（具体的には、１ＭＨｚの周波数）の超音波が出力される。そして、その超音波は、配管１１の液体Ｗ１中をその液体Ｗ１の流れの逆方向に伝搬して上流側の超音波振動子１２で受信される。
【００３３】
受信回路３３は、図示しない信号増幅回路を含み、各超音波振動子１２，１３で受信された超音波信号を増幅した後、検波回路３４に出力する。検波回路３４は、図示しないゲート回路を含み、受信信号の中から１パルス分の超音波信号を抽出してＡ／Ｄ変換回路３５に出力する。Ａ／Ｄ変換回路３５では、アナログ信号である超音波信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換する。ＣＰＵ２１は、このＡ／Ｄ変換後の超音波信号を取り込み、メモリ２４に一旦記憶する。
【００３４】
本実施の形態の音速センサ１６は、例えば、超音波を利用して液体Ｗ１の音速を測定するセンサであり、超音波の送受信を行うための超音波振動子（図示略）を備える。第２信号処理回路２３は、その音速センサ１６の駆動信号を出力したり、音速センサ１６からのセンサ信号を受信したりする処理回路であり、第１信号処理回路２２と同様の回路（図示しない切り替え回路、パルス発生回路、受信回路、検波回路、及びＡ／Ｄ変換回路等）を備える。
【００３５】
ＣＰＵ２１は、メモリ２４を利用して制御プログラムを実行し、装置全体を統括的に制御する。制御プログラムとしては、体積流量を算出するためのプログラムや体積流量の測定値を表示するためのプログラムなどを含む。なお、ＣＰＵ２１が実行するプログラムとしては、メモリカードなどの記憶媒体に記憶されたプログラムや、通信媒体を介してダウンロードしたプログラムでもよく、その実行時には、メモリ２４に読み込んで使用する。
【００３６】
表示装置２６は、例えば液晶ディスプレイであり、体積流量の測定値を表示するために用いられる。入力装置２５は、各種の操作ボタンを含み、測定の開始・終了、表示モードの設定などを行うために用いられる。データ出力回路２７は、データ出力用のインターフェース（例えば、ＲＳ２３２などのポート）を含み、測定した体積流量に関するデータをコントローラ６に転送する。
【００３７】
次に、本実施の形態における体積流量の具体的な算出方法について説明する。
【００３８】
本実施の形態では、まず、上流側及び下流側に配置された一対の超音波振動子１２，１３において、例えば、２５０μｓ毎に、正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで一方の超音波振動子から超音波を送信するとともに、液体Ｗ１中を伝搬した各超音波を他方の超音波振動子で受信する。このとき、超音波振動子１２，１３で電気信号に変換された超音波信号は、さらに第１信号処理回路２２において切り替え回路３１、受信回路３３、検波回路３４、及びＡ／Ｄ変換回路３５を経てデジタル信号に変換された後、超音波の波形信号としてメモリ２４に記憶される。なお、本実施の形態では、上述した所定パターンの超音波の送受信にて取得された４パルス分の波形信号が、液体Ｗ１の体積流量を求めるためのデータの塊としてメモリ２４に記憶される。
【００３９】
そして、それら超音波の波形信号を比較することで、波形信号の相関関数を算出する。具体的には、例えば、最初に送受信した第１パルスの波形信号と次に送受信した第２パルスの波形信号とを比較して、第１パルスを基準とした相関関数を求める。また、第１パルスの波形信号と第３パルスの波形信号とを比較して、第１パルスを基準とした相関関数を求める。さらに、第１パルスの波形信号と第４パルスの波形信号とを比較して、第１パルスを基準とした相関関数を求める。同様に、第２パルスの波形信号と第３パルスの波形信号とを比較して第２パルスを基準とした相関関数を求め、第２パルスの波形信号と第４パルスの波形信号とを比較して第２パルスを基準とした相関関数を求める。さらに、第３パルスの波形信号と第４パルスの波形信号とを比較して第３パルスを基準とした相関関数を求める。
【００４０】
ここで、配管１１を流れる液体Ｗ１中に気泡などの異物が含まれる場合、その異物によって超音波が乱反射するため、受信された各超音波はその波形が異なるものとなる。この場合、各波形信号により求められた相関関数の相関値は、１よりも相当小さくなる。一方、液体中に気泡が含まれない場合には、各超音波の波形は類似したものとなるため、相関関数の相関値が１に近い値（例えば０．９７）となる。従って、本実施の形態では、相関関数の相関値が１に近い値（例えば、０．９以上）である場合に、測定に有効な波形信号であると判定する。そして、有効と判定した波形信号に基づいて、超音波の伝搬時間差を求める。
【００４１】
本実施の形態では、第１パルスの超音波及び第４パルスの超音波は、両方とも液体Ｗ１中を正方向に伝搬している。従って、図３に示されるように、これら超音波の波形信号を比較して求めた相関関数ｆ１は、その時間的なズレ量が０となる。これに対して、第１パルスの超音波及び第２パルスの超音波は、正方向及び逆方向に伝搬している。そのため、これら超音波の波形信号を比較して求めた相関関数ｆ２は、前記相関関数ｆ１と比較すると、超音波の伝搬時間差ΔＴのズレが生じる。よって、本実施の形態では、相関関数ｆ２の相関値が最大となる時刻に基づいて、超音波の伝搬時間差ΔＴが求められる。
【００４２】
そして、この伝搬時間差ΔＴを上記の式（５）に代入して流体Ｗ１の流速Ｖを求める。なお、音速Ｃは、音速センサ１６により例えば１秒毎に取得した測定値を用いる。さらに、この流速Ｖに配管１１の断面積Ｓを乗算することで液体Ｗ１の体積流量Ｑ（＝ＳＶ）を求める。
【００４３】
なお、実際の流量測定時には、配管１１の２つのコーナー部１１ａ，１１ｂにおいて液体Ｗ１の流れが乱れる。また、配管１１において中央部の方が側壁側よりも液体Ｗ１の流れが速くなる。従って、この液体Ｗ１の流速の分布を考慮して補正演算を行うことにより、より正確な体積流量Ｑが算出される。
【００４４】
次に、本実施の形態において、液体Ｗ１の体積流量Ｑを測定するための処理例について図４のフローチャートを用いて説明する。なお、図４の処理は、作業者が入力装置２５に設けられている開始ボタンを操作したときに開始される。
【００４５】
まず、波形信号取得手段としてのＣＰＵ２１は、第１信号処理回路２２のパルス発生回路３２を動作させ、２５０μｓ毎に駆動パルスを出力させるとともに、切り替え回路３１の接続位置を切り替えて、上流側の超音波振動子１２及び下流側の超音波振動子１３に対して駆動パルスを順次供給する（ステップ１００）。これにより、各超音波振動子１２，１３において、正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで超音波の送受信が行われる。そして、各超音波振動子１２，１３で受信された超音波信号は、第１信号処理回路２２において切り替え回路３１、受信回路３３、検波回路３４、及びＡ／Ｄ変換回路３５を経てデジタル信号に変換される。ＣＰＵ２１は、そのＡ／Ｄ変換後の超音波信号を順次取り込み、超音波の波形信号としてメモリ２４に記憶する。なおここでは、上述した所定パターンの４パルス分の波形信号がメモリ２４に記憶される。
【００４６】
その後、相関関数算出手段としてのＣＰＵ２１は、各超音波の波形信号を読み出し、それら波形信号を比較して相関関数を算出する（ステップ１１０）。そして、ＣＰＵ２１は、波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かを判定する（ステップ１２０）。具体的には、相関関数の相関値が所定のしきい値（例えば、０．９）以上である場合、ＣＰＵ２１は、測定に有効な波形信号であると判定し、その波形信号のデータをメモリ２４に残す。一方、所定のしきい値よりも小さい場合には、比較した波形信号の少なくとも一方が測定に無効な波形信号である。この場合、ＣＰＵ２１は、他の波形信号との比較で求めた相関関数により、測定に無効な波形信号を特定して、その波形信号のデータをメモリ２４から削除する。そして、４パルスの超音波において、正方向の第１パルス及び第４パルスの波形信号の両方、または逆方向の第２パルス及び第３パルスの波形信号の両方が無効な波形信号であると判定した場合、液体中に異物の混入ありと判断して、ＣＰＵ２１はその旨を表示装置２６に表示させる（ステップ１３０）。その後、ＣＰＵ２１は、ステップ１００の処理に戻り、所定パターンでの超音波の送受信を再度行う。
【００４７】
一方、正方向の第１パルス及び第４パルスの波形信号の少なくとも一方が有効であると判定し、かつ逆方向の第２パルス及び第３パルスの波形信号の少なくとも一方が有効であると判定した場合、体積流量算出手段としてのＣＰＵ２１は、有効と判定した波形信号の相関関数に基づいて、正方向に伝搬した超音波と逆方向に伝搬した超音波との伝搬時間差ΔＴを求める（ステップ１４０）。
【００４８】
さらに、ＣＰＵ２１は、音速センサ１６を用いて測定した音速Ｃとその伝搬時間差ΔＴとを用い、式（５）に対応した演算を行うことにより液体Ｗ１の流速Ｖを求め、さらにその流速Ｖと配管１１の断面積Ｓとを乗算することにより液体Ｗ１の体積流量Ｑを求める（ステップ１５０）。
【００４９】
上記ステップ１４０において、有効と判定した各波形信号について、複数の組み合わせで各波形信号の伝搬時間差ΔＴを求めることができる場合には、ステップ１５０において、それら伝搬時間差ΔＴの平均値によって、液体Ｗ１の体積流量を求めるようにする。
【００５０】
その後、ＣＰＵ２１は、体積流量Ｑの測定値を表示装置２６に表示させる（ステップ１６０）。そして、ＣＰＵ２１は、体積流量Ｑの測定処理を継続するか否かを判定する（ステップ１７０）。具体的には、ＣＰＵ２１は、入力装置２５の終了ボタンが操作されているか否かを判定し、終了ボタンが操作されていない場合には、ステップ１００の処理に戻り、ステップ１００〜ステップ１７０の処理を再度行う。そして、入力装置２５の終了ボタンが操作された場合、ＣＰＵ２１は図４の処理を終了する。
【００５１】
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。
【００５２】
（１）本実施の形態の超音波流量計１では、波形信号の相関関数が算出され、その相関関数の相関値に基づいて、液体Ｗ１中に異物が含まれない正常な状態で取得された有効な波形信号であるか否かを判定することができる。そして、有効と判定した波形信号に基づいて、超音波の伝搬時間差ΔＴが求められ、その伝搬時間差ΔＴにより液体Ｗ１の体積流量Ｑが求められる。このように、信頼性の高い波形信号のみを使用して体積流量Ｑを算出することができるので、測定精度を十分に高めることができる。具体的には、超音波流量計１では、従来技術において超音波の送受信を１６回行って得られた平均値と同程度の測定精度を確保することができた。よって、超音波の送受信回数を抑えつつ測定精度を高めることができるので、従来技術と比較して測定時間の短縮が可能となる。
【００５３】
（２）本実施の形態の超音波流量計１では、超音波の伝搬方向が正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで超音波の送受信が行われ、４パルス分の波形信号が取得される。この場合、各波形信号について複数通りの組み合わせで伝搬時間差ΔＴを求めることができ、それら伝搬時間差ΔＴの平均値により、液体Ｗ１の体積流量Ｑをより正確に求めることができる。
【００５４】
（３）本実施の形態の超音波流量計１では、波形信号について測定に有効な波形信号がないと判定された場合には、所定パターンで超音波の送受信が再度行われるため、測定に有効な波形信号を確実に取得することができる。
【００５５】
（４）本実施の形態の超音波流量計１では、相関値が所定のしきい値（例えば。、０．９）未満の値である場合には、液体Ｗ１中に異物の混入ありと判断されてその旨が表示装置２６に表示される。この場合、液体Ｗ１に異物が混入した異常な状態を迅速に警告することができ、液体Ｗ１の供給系（調整バルブ５、図示しない供給タンクやそれに繋がる配管など）のメンテナンスを行うことにより、液体Ｗ１中に異物を含まない正常な状態に迅速に復帰させることが可能となる。
【００５６】
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００５７】
・上記実施の形態では、正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで超音波の送受信を行うようにしたが、これに限定されるものではなく、例えば、逆方向、正方向、正方向及び逆方向の順序となる所定パターンで超音波の送受信を行ってもよい。また、４パルス分の超音波の送受信に限定されるものではなく、少なくとも正方向及び逆方向の送受信を１回ずつ含む所定パターンで測定を行うものであればよい。さらに、上記実施の形態では、同じ方向に連続して２回以上超音波の送受信を行う態様を採用したが、同じ方向に連続して２回以上超音波の送受信を行わない態様（言い換えると、超音波の送受信の方向性が１回ごとに逆転する態様）を採用しても勿論よい。具体的には、正方向、逆方向、正方向及び逆方向の順序となる所定パターン、あるいは逆方向、正方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで、超音波の送受信を行うことも可能である。
【００５８】
・上記実施の形態では、相関関数の相関値が所定のしきい値（例えば、０．９）以上である場合に測定に有効な波形信号であると判定したが、このしきい値は適宜変更することができる。具体的には、測定開始前の初期設定時において、入力装置２５を操作することにより、液体Ｗ１の種類に応じた最適なしきい値に変更可能に構成してもよい。
【００５９】
・上記実施の形態において、前回の処理で有効と判定した波形信号のデータを基準波形信号としてメモリ２４に記憶しておき、次回の処理では、取得した波形信号とその基準波形信号とを比較して相関関数を求めるように構成してもよい。
【００６０】
・上記実施の形態では、配管１１をテフロンで構成したが、これに限定されるものではなく、液体Ｗ１の種類に応じて適宜変更することができる。ただし、上記実施の形態のように、薬液を流す場合には、耐薬品性に優れる樹脂材料を用いて配管１１を構成することが好ましい。
【００６１】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した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。
【００６２】
（１）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記相関値が所定のしきい値以上である場合に、測定に有効な波形信号であると判定することを特徴とする超音波流量測定方法。
【００６３】
（２）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記相関値が最大となる時刻のズレ量に基づいて各超音波の伝搬時間差を求めるようにしたことを特徴とする超音波流量測定方法。
【００６４】
（３）請求項１乃至５のいずれか１項において、同一方向に伝搬した２つの超音波の波形信号を比較して、各波形信号の相関関数を求めるようにしたことを特徴とする超音波流量測定方法。
【００６５】
（４）請求項１乃至５のいずれか１項において、異なる方向に伝搬した２つの超音波の波形信号を比較して、各波形信号の相関関数を求めるようにしたことを特徴とする超音波流量測定方法。
【００６６】
（５）請求項１乃至５のいずれか１項において、基準波形信号をメモリに予め設定しておき、前記波形信号とその基準波形信号とを比較して相関関数を求めるようにしたことを特徴とする超音波流量測定方法。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明を具体化した一実施の形態の超音波流量計を示す概略構成図。
【図２】超音波流量計の電気的構成を示すブロック図。
【図３】波形信号の相関関数を示す説明図。
【図４】液体の体積流量を算出するための処理例を示すフローチャート。
【図５】従来の超音波流量計を示す概略構成図。
【図６】超音波の伝搬時間及び伝搬時間差を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
【００６８】
１…超音波流量計
１１…流路を構成する配管
１２，１３…超音波振動子
２１…波形信号取得手段、相関関数算出手段、体積流量算出手段としてのＣＰＵ
２６…表示手段としての表示装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を流す流路の上流側及び下流側において対向するよう配置された一対の超音波振動子を用いて、前記液体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させてそ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の伝搬時間差に基づいて前記液体の体積流量を求める超音波流量測定方法において、
前記一対の超音波振動子の間で超音波の送受信を行い、前記超音波の波形信号を取得するステップと、
取得した複数の超音波の波形信号を比較して、前記波形信号の相関関数を算出するステップと、
前記波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かを判定し、有効と判定した波形信号に基づいて、前記超音波の伝搬時間差を求めるとともに、その伝搬時間差により前記液体の体積流量を求めるステップと
を含むことを特徴とする超音波流量測定方法。
【請求項２】
前記一対の超音波振動子の間にて所定パターンで超音波の送受信を行い、各超音波振動子で受信した各波形信号のデータを記憶するステップをさらに備え、
異なるタイミングで受信した各波形信号について、各超音波の伝搬時間差を求め、それら伝搬時間差の平均値により、前記液体の体積流量を求めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量測定方法。
【請求項３】
前記一対の超音波振動子の間で、超音波の伝搬方向が正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターン、または、逆方向、正方向、正方向及び逆方向の順序となる所定のパターンで超音波の送受信を行うことを特徴とする請求項２に記載の超音波流量測定方法。
【請求項４】
前記所定パターンで超音波の送受信を行うことで取得した複数の超音波の波形信号について有効な波形信号がないと判定された場合には、前記所定パターンで超音波の送受信を再度行うようにしたことを特徴とする請求項２または３に記載の超音波流量測定方法。
【請求項５】
前記相関値が所定のしきい値未満の値である場合には、前記液体中に異物の混入ありと判断して、その旨を表示手段に表示させるステップを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波流量測定方法。
【請求項６】
液体を流す流路の上流側及び下流側において対向するよう配置された一対の超音波振動子を備え、前記一対の超音波振動子により前記液体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、そ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の伝搬時間差に基づいて前記液体の体積流量を求める超音波流量計において、
前記一対の超音波振動子の間で超音波の送受信を行い、前記超音波の波形信号を取得する波形信号取得手段と、
前記波形信号取得手段で取得した複数の超音波の波形信号を比較して、前記波形信号の相関関数を算出する相関関数算出手段と、
前記波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かを判定し、有効と判定した波形信号に基づいて、前記超音波の伝搬時間差を求めるとともに、その伝搬時間差により前記液体の体積流量を求める体積流量算出手段と
を備えたことを特徴とする超音波流量計。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波流量測定方法における各ステップをコンピュータにより実行させるための超音波流量測定プログラム。
【請求項１】
液体を流す流路の上流側及び下流側において対向するよう配置された一対の超音波振動子を用いて、前記液体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させてそ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の伝搬時間差に基づいて前記液体の体積流量を求める超音波流量測定方法において、
前記一対の超音波振動子の間で超音波の送受信を行い、前記超音波の波形信号を取得するステップと、
取得した複数の超音波の波形信号を比較して、前記波形信号の相関関数を算出するステップと、
前記波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かを判定し、有効と判定した波形信号に基づいて、前記超音波の伝搬時間差を求めるとともに、その伝搬時間差により前記液体の体積流量を求めるステップと
を含むことを特徴とする超音波流量測定方法。
【請求項２】
前記一対の超音波振動子の間にて所定パターンで超音波の送受信を行い、各超音波振動子で受信した各波形信号のデータを記憶するステップをさらに備え、
異なるタイミングで受信した各波形信号について、各超音波の伝搬時間差を求め、それら伝搬時間差の平均値により、前記液体の体積流量を求めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量測定方法。
【請求項３】
前記一対の超音波振動子の間で、超音波の伝搬方向が正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターン、または、逆方向、正方向、正方向及び逆方向の順序となる所定のパターンで超音波の送受信を行うことを特徴とする請求項２に記載の超音波流量測定方法。
【請求項４】
前記所定パターンで超音波の送受信を行うことで取得した複数の超音波の波形信号について有効な波形信号がないと判定された場合には、前記所定パターンで超音波の送受信を再度行うようにしたことを特徴とする請求項２または３に記載の超音波流量測定方法。
【請求項５】
前記相関値が所定のしきい値未満の値である場合には、前記液体中に異物の混入ありと判断して、その旨を表示手段に表示させるステップを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波流量測定方法。
【請求項６】
液体を流す流路の上流側及び下流側において対向するよう配置された一対の超音波振動子を備え、前記一対の超音波振動子により前記液体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、そ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の伝搬時間差に基づいて前記液体の体積流量を求める超音波流量計において、
前記一対の超音波振動子の間で超音波の送受信を行い、前記超音波の波形信号を取得する波形信号取得手段と、
前記波形信号取得手段で取得した複数の超音波の波形信号を比較して、前記波形信号の相関関数を算出する相関関数算出手段と、
前記波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かを判定し、有効と判定した波形信号に基づいて、前記超音波の伝搬時間差を求めるとともに、その伝搬時間差により前記液体の体積流量を求める体積流量算出手段と
を備えたことを特徴とする超音波流量計。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波流量測定方法における各ステップをコンピュータにより実行させるための超音波流量測定プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−３０４２８１（Ｐ２００８−３０４２８１Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５１０２８（Ｐ２００７−１５１０２８）
【出願日】平成１９年６月６日（２００７．６．６）
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月６日（２００７．６．６）
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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