超音波流量計、超音波計測器、及び流体供給システム
【課題】流体の種類を特定してその流体の種類に応じた流量の補正を的確に行うことができる超音波流量計を提供すること。
【解決手段】超音波流量計２は、第１センサ部１１で検出した超音波の伝搬時間差に基づいて、流体出力用管路７を流れる流体Ｗの流量を算出する。超音波流量計２は、第２センサ部１２で検出した反射波の信号強度と管路を構成する材質の音響インピーダンスとに基づいて、流体Ｗの密度を求める。この密度に基づいて、流体出力用管路７を流れる流体Ｗの種類が特定され、その種類に応じて流体Ｗの流量が補正される。
【解決手段】超音波流量計２は、第１センサ部１１で検出した超音波の伝搬時間差に基づいて、流体出力用管路７を流れる流体Ｗの流量を算出する。超音波流量計２は、第２センサ部１２で検出した反射波の信号強度と管路を構成する材質の音響インピーダンスとに基づいて、流体Ｗの密度を求める。この密度に基づいて、流体出力用管路７を流れる流体Ｗの種類が特定され、その種類に応じて流体Ｗの流量が補正される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の伝搬時間差により流体の流量を測定する超音波流量計、それを用いた流体供給システム、及び超音波計測器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１４に示されるように、特許文献１の超音波流量計６０では、流体Ｗ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流体Ｗ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Ｗ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Ｗ中の音速Ｃ、流体Ｗ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、流体Ｗ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１５参照）。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、流体Ｗ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Ａを乗算することで流体Ｗの体積流量Ｑ（＝Ｖ×Ａ）が求められる。
【０００７】
上記従来の超音波流量計において、測定用流体の温度や濃度が変化すると、その変化に伴って流体の動粘度が変化するため、流量Ｑの計測誤差が生じてしまう。この対策として、温度変化に対応した動粘度に基づいて流量の補正を行う技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
特許文献２に開示されている補正方法では、超音波流量計により流速及び音速を計測し、音速をパラメータとした温度テーブルを使用して流体の温度を求める。そして、温度をパラメータとした動粘度テーブルを使用して動粘度を求め、その動粘度に応じた比率で流量を補正している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１６２２６９号公報
【特許文献２】特開２００７−５１９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、上述した特許文献１の補正方法では、予め決められた測定用流体とは異なる種類の流体を測定する場合、使用されるテーブルデータがその測定用流体に対応していないため、誤った補正を行ってしまい計測誤差が大きくなってしまう。また、流体の種類によっては、音速と温度との関係に極大点Ｐ１を持つ場合がある（図１６参照）。この場合には、測定した音速から温度が一意に求まらないため、測定可能な温度範囲が制限されるといった問題も生じてしまう。
【００１１】
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、流体の種類を特定してその流体の種類に応じた的確な流量補正を行うことができる超音波流量計を提供することにある。また、別の目的は、流体の濃度または動粘度係数を正確に測定することができる超音波計測器を提供することにある。さらに、別の目的は、前記超音波流量計を用いることにより、複数種類の流体の流量を低コストで正確に測定することができる流体供給システムを提供することにある。また、別の目的は、前記超音波流量計を用いることにより、流体の濃度及び流量を低コストで正確に調整することができる流体供給システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、手段１に記載の発明は、流体を流す流路を構成する管路に設けられ、前記管路内において前記流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を受信してそれらの伝搬時間差を検出するための第１センサ部と、前記管路に設けられ、前記管路を流れる流体に超音波を伝搬させ、前記管路の内壁面で反射した超音波を受信してその信号強度と伝搬時間とを検出するための第２センサ部と、前記第１センサ部で検出した超音波の伝搬時間差に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出手段と、前記第２センサ部で検出した反射波の信号強度と前記管路を構成する材質の音響インピーダンスとに基づいて、前記流体の音響パラメータを求める音響パラメータ算出手段と、複数種類の流体の音響パラメータに関するデータを記憶する記憶手段と、前記データと前記音響パラメータ算出手段が算出した前記音響パラメータとに基づいて、前記管路を流れる流体の種類を特定する流体特定手段と、前記流体の種類に応じて前記流量算出手段が算出した前記流体の流量を補正する流量補正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。
【００１３】
従って、手段１に記載の発明によると、流量算出手段により、第１センサ部で検出した超音波の伝搬時間差に基づいて、流路を流れる流体の流量が算出される。ここで、流路に複数種類の流体が流れる場合、その流体の種類に応じて流れの特性が異なる。この場合、流量算出手段が算出した流体の流量は、流体の種類に応じた計測誤差を含む測定値となる。このため、本発明では、音響パラメータ算出手段により、第２センサ部で検出した反射波の信号強度と管路を構成する材質の音響インピーダンスとに基づいて、流体の音響パラメータが求められる。また、記憶手段には、複数種類の流体の音響パラメータに関するデータが記憶されている。そして、記憶手段のデータと音響パラメータ算出手段が算出した音響パラメータとに基づいて、流体特定手段により、管路を流れる流体の種類が特定される。さらに、流量補正手段により、その流体の種類に応じて流体の流量が補正される。このようにすると、管路を流れる流体の種類が変更された場合でも、その流体の種類に応じた的確な流量を求めることができる。
【００１４】
手段２に記載の発明は、手段１において、前記第１センサ部または前記第２センサ部で検出した超音波の伝搬時間とその超音波の伝搬距離とに基づいて、前記流体の音速を求める音速算出手段を備え、前記音響パラメータ算出手段は、前記流体の音響インピーダンスを算出する手段、またはその音響インピーダンスと前記音速とに基づいて前記流体の密度を算出する手段であることをその要旨とする。
【００１５】
従って、手段２に記載の発明によると、音響パラメータ算出手段により、流体の音響インピーダンスが算出される。流体の音響インピーダンスは流体の種類に応じて異なるため、その音響インピーダンスによって流体の種類を特定することができる。また、音速算出手段により、超音波の伝搬時間とその超音波の伝搬距離とに基づいて流体の音速が求められ、音響パラメータ算出手段により、流体の音速と音響インピーダンスとに基づいて流体の密度が算出される。この流体の密度を用いても流体の種類を特定することができる。
【００１６】
手段３に記載の発明は、流体を流す流路を構成する管路に設けられ、前記管路を流れる流体に超音波を伝搬させ、前記管路の内壁面で反射した超音波を受信してその信号強度と伝搬時間とを検出するためのセンサ部と、前記センサ部で検出した超音波の伝搬時間とその超音波の伝搬距離とに基づいて、前記流体の音速を求める音速算出手段と、前記センサ部で検出した反射波の信号強度と前記管路を構成する材質の音響インピーダンスとに基づいて、前記流体の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス算出手段とを備え、前記音速及び前記音響インピーダンスに基づいて、前記流体の濃度または動粘度係数を求めることを特徴とする超音波計測器をその要旨とする。
【００１７】
従って、手段３に記載の発明によると、音速算出手段により、超音波の伝搬時間とその超音波の伝搬距離とに基づいて流体の音速が求められ、音響インピーダンス算出手段により、反射波の信号強度と管路を構成する材質の音響インピーダンスとに基づいて流体の音響インピーダンスが求められる。そして、これら流速と音響インピーダンスとの２つのパラメータを使用して、流体の濃度または動粘度係数をより正確に求めることができる。
【００１８】
手段４に記載の発明は、手段１または２に記載の超音波流量計と、複数種類の流体がそれぞれ供給される複数本の流体供給用管路と、前記超音波流量計が設けられる流体出力用管路と、前記複数本の流体供給用管路と流体出力用管路とが接続され、前記各流体供給用管路から供給される複数種類の流体のうちのいずれか１つの流体を前記流体出力用管路に供給する切り替え手段とを備え、前記超音波流量計は、前記切り替え手段を介して前記流体出力用管路内に選択的に供給される流体の種類を特定し、特定した種類に応じて流体の流量を補正することを特徴とする流体供給システムをその要旨とする。
【００１９】
従って、手段４に記載の発明によると、切り替え手段には複数本の流体供給用管路と流体出力用管路とが接続されており、その切り替え手段により、各流体供給用管路から供給される複数種類の流体のうちのいずれか１つの流体が流体出力用管路に供給される。そして、流体出力用管路に設けられている超音波流量計によって、流体出力用管路内に供給される流体の種類が特定され、その種類に応じて流体の流量が補正される。このように構成すると、複数本の流体供給用管路毎に流量計を設けなくても、１つの超音波流量計によって複数種類の流体の流量を正確に測定することができ、システムの部品コストを低減することが可能となる。
【００２０】
手段５に記載の発明は、手段１または２に記載の超音波流量計と、前記超音波流量計が設けられる流体供給用管路と、前記管路に供給する流体の濃度を調整する濃度調整手段と、前記管路に供給する流体の流量を調整する流量調整手段と、前記濃度調整手段及び前記流量調整手段を制御する制御手段とを備え、前記超音波流量計は、前記管路を流れる流体の濃度を求めるとともに、その流体の流量を求め、その濃度及び流量を前記制御手段に出力することを特徴とする流体供給システムをその要旨とする。
【００２１】
従って、手段５に記載の発明によると、超音波流量計により、流体供給用管路を流れる流体の濃度が求められるとともに、流体の流量が求められ、その濃度及び流量が制御手段に出力される。そして、超音波流量計で計測された濃度及び流量に基づいて、制御手段により、濃度調整手段及び流量調整手段が制御される。このようにすると、流量計と濃度計とを別々に設けなくても、的確な濃度及び流量の流体を流体供給用管路に流すことができ、システムの部品コストを低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
以上詳述したように、請求項１または２に記載の発明によると、流体の種類を特定してその流体の種類に応じた的確な流量補正を行うことができる超音波流量計を提供することができる。また、請求項３に記載の発明によると、流体の濃度または動粘度係数を正確に測定することができる超音波計測器を提供することができる。さらに、請求項４に記載の発明によると、前記超音波流量計を用いることにより、複数種類の流体の流量を低コストで正確に測定することができる流体供給システムを提供することができる。また、請求項５に記載の発明によると、前記超音波流量計を用いることにより、流体の濃度及び流量を低コストで正確に調整することができる流体供給システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施の形態の流体供給システムを示す概略構成図。
【図２】第１の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。
【図３】超音波流量計の電気的構成を示すブロック図。
【図４】各反射波の受信時刻及び伝搬時間を示すタイミングチャート。
【図５】波形信号の相関関数を示す説明図。
【図６】流体の密度を算出するための処理例を示すフローチャート。
【図７】流体の流量を算出するための処理例を示すフローチャート。
【図８】第２の実施の形態の流体供給システムを示す概略構成図。
【図９】エタノール水溶液濃度と各パラメータとの関係を示すグラフ。
【図１０】第３の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。
【図１１】第４の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。
【図１２】別の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。
【図１３】別の実施の形態における第１センサ部の概略構成を示す断面図。
【図１４】従来の超音波流量計を示す概略構成図。
【図１５】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。
【図１６】音速と温度との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
［第１の実施の形態］
以下、本発明を流体供給システムに具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、本実施の形態の流体供給システムは、例えば、半導体製造ラインにおいて、シリコン基板（ウェハ）の各種表面処理を行うための複数種類の薬液（例えば、半導体洗浄用薬液）を供給するシステムとして用いられる。
【００２５】
図１に示されるように、流体供給システム１は、超音波流量計２と、複数種類の薬液Ｗ１〜Ｗ４（流体）がそれぞれ供給される複数本の流体供給用管路３〜６と、超音波流量計２が設けられる流体出力用管路７と、流体供給用管路３〜６と流体供給用管路７とが接続される流路切り替え装置８とを備える。
【００２６】
流路切り替え装置８は、切り替えバルブ９（切り替え手段）と、その切り替えバルブ９を駆動制御するコントローラ１０とを備え、コントローラ１０によって切り替えバルブ９を動作させることで、各流体供給用管路３〜６から供給される複数種類の流体Ｗ１〜Ｗ４のうちのいずれか１つの流体Ｗを流体出力用管路７に供給するよう構成されている。なお、本実施の形態の流体供給システム１では、各流体Ｗ１〜Ｗ４は、一定の温度（例えば、２０℃）となるよう温度調節された状態で供給される。
【００２７】
超音波流量計２は、超音波伝搬時間差方式で流体Ｗ（Ｗ１〜Ｗ４）の体積流量を測定するための第１センサ部１１と、流体Ｗの音響インイーダンスや密度などを測定するための第２センサ部１２とを備え、流体出力用管路７の途中に設けられている。
【００２８】
以下、超音波流量計２の具体的な構成について詳述する。
図１に示されるように、超音波流量計２の第１センサ部１１は、略コ字状に屈曲形成された配管１４と、その配管１４の２つのコーナー部１４ａ，１４ｂにそれぞれ固定され配管１４の直管部１４ｃを介して対向するよう配置される一対の第１超音波振動子１５，１６とを備える。第１センサ部１１の配管１４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１４ｃの長さは１０ｃｍ程度である。また、この配管１４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、流体Ｗの乱流が防止され、流体Ｗがスムーズに流れるようになっている。
【００２９】
また、図２に示されるように、第２センサ部１２は、第１センサ部１１の下流側に接続される配管１７と、その配管１７における上流側及び下流側の外壁面に配置される一対の第２超音波振動子１８，１９とを備える。第２センサ部１２の配管１７も、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いる。この配管１７内に形成される流路の断面形状は四角形であり、各第２超音波振動子１８，１９から発せられた超音波Ｓ０は、流体Ｗの流れる方向と平行な一対の内壁面１７ａ，１７ｂに対して垂直に交わる角度で入射するようになっている。この配管１７では、一対の第２超音波振動子１８，１９が設けられる上流側と下流側とで内壁面１７ａ，１７ｂの間隔を異ならせている。具体的には、上流側の内壁面１７ａ，１７ｂの間隔ｄ１は下流側の内壁面１７ａ，１７ｂの間隔ｄ２の２倍の間隔となっている。また、一対の第２超音波振動子１８，１９が設けられている配管１７の側壁の厚さは、上流側と下流側とで等しくなっている。
【００３０】
超音波流量計２において、第１センサ部１１の各第１超音波振動子１５，１６及び第２センサ部１２の各第２超音波振動子１８，１９には、制御装置２０が電気的に接続されている。
【００３１】
図３は、超音波流量計２の電気的構成を示すブロック図である。図３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。
【００３２】
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。
【００３３】
切り替え回路３１は、一対の第１超音波振動子１５，１６のうちの上流側の第１超音波振動子１５をパルス発生回路３２に接続するとともに下流側の第１超音波振動子１６を受信回路３３に接続する第１の接続位置と、下流側の第１超音波振動子１６をパルス発生回路３２に接続するとともに上流側の第１超音波振動子１５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。
【００３４】
パルス発生回路３２は、ＣＰＵ２１からの制御信号に応答して動作し、第１超音波振動子１５，１６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を介して各第１超音波振動子１５，１６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、上流側の第１超音波振動子１５に駆動パルスが供給され、その第１超音波振動子１５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１４の流体Ｗ中をその流体Ｗの流れの正方向に伝搬して下流側の第１超音波振動子１６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、下流側の第１超音波振動子１６に駆動パルスが供給され、その第１超音波振動子１６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１４の流体Ｗ中をその流体Ｗの流れの逆方向に伝搬して上流側の第１超音波振動子１５で受信される。
【００３５】
受信回路３３は、図示しない信号増幅回路を含み、各第１超音波振動子１５，１６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。
【００３６】
第２信号処理回路２３は、切り替え回路４１、パルス発生回路４２、受信回路４３、検波回路４４、Ａ／Ｄ変換回路４５、及びタイマ４６を備える。
【００３７】
切り替え回路４１は、第１スイッチ部４１ａと第２スイッチ部４１ｂとを備え、第１スイッチ部４１ａでは、上流側の第２超音波振動子１８と下流側の第２超音波振動子１９とのいずれか一方に接続位置を切り替え、第２スイッチ部４１ｂでは、パルス発生回路４２と受信回路４３とのいずれか一方に接続位置を切り替える。この切り替え回路４１における接続位置も、ＣＰＵ２１から出力される切り替え信号によって制御される。
【００３８】
パルス発生回路４２は、ＣＰＵ２１からの制御信号に応答して動作し、第２超音波振動子１８，１９を駆動するための駆動パルスを出力する。駆動パルスは、例えば５００ｍｓ毎に出力され、切り替え回路４１を介して上流側の第２超音波振動子１８と下流側の第２超音波振動子１９とに交互に供給される。そして、駆動パルスによって第２超音波振動子１８，１９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。
【００３９】
図２に示されるように、各第２超音波振動子１８，１９から出力された超音波Ｓ０は、配管１７の側壁を介してその内側を流れる流体Ｗに伝搬する。このとき、超音波Ｓ０の一部は、配管１７と流体Ｗとの境界面（流路の一方の内壁面１７ａ）で反射するとともに、一部が通過して流体Ｗ中に伝搬する。さらに、流体Ｗを伝搬した超音波Ｓ０の一部は、流体Ｗと配管１７との境界面（流路の他方の内壁面１７ｂ）で反射する。ここで、上流側において、一方の内壁面１７ａで反射した反射波Ｓ０１と他方の内壁面１７ｂで反射した反射波Ｓ１１とが第２超音波振動子１８で受信され、電子信号に変換される。また、下流側において、一方の内壁面１７ａで反射した反射波Ｓ０２と他方の内壁面１７ｂで反射した反射波Ｓ１２とが第２超音波振動子１９で受信され、電子信号に変換される。それら反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号は、切り替え回路４１を介して受信回路４３に供給される。
【００４０】
受信回路４３は、図示しない信号増幅回路を含み、第２超音波振動子１８，１９で受信された反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号を増幅した後、検波回路４４に出力する。検波回路４４は、配管１７内の各内壁面１７ａ，１７ｂで反射した超音波の反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２を検出するための回路であり、図示しないゲート回路や比較回路などを含む。具体的には、検波回路４４は、ゲート回路により各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２を抽出し、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度に対応した電圧信号をＡ／Ｄ変換回路４５に出力する。Ａ／Ｄ変換回路４５では、アナログ信号である電圧信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換し、ＣＰＵ２１は、このＡ／Ｄ変換後の電圧信号を取り込み、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度としてメモリ２４に記憶する。また、検波回路４４は、比較回路により反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号が所定のしきい値電圧を超えたタイミングを検出し、その検出信号をタイマ４６に通知する。
【００４１】
タイマ４６は、検波回路４４から出力される検出信号に基づいて、超音波Ｓ０の伝搬時間を計測し、その時間に対応したデータを出力する。この伝搬時間のデータは、ＣＰＵ２１によってメモリ２４に記憶される。
【００４２】
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、音速、密度、及び流量等を算出するためのプログラム、流体Ｗの種類を特定するためのプログラム、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。
【００４３】
表示装置２６は、例えば液晶ディスプレイであり、音速、密度、及び体積流量など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、測定した流量や流体の種類に関するデータを図示しない外部装置（例えば、半導体製造ラインにおいて各種制御を管理するコンピュータ）に出力する。
【００４４】
次に、本実施の形態における流体Ｗ中の音速Ｃの具体的な算出方法について説明する。
【００４５】
まず、第２センサ部１２において、上流側の第２超音波振動子１８から超音波Ｓ０を出力する。配管１７はフッ素樹脂からなり流体Ｗと音響インピーダンスが異なるため、一対の内壁面１７ａ，１７ｂ（流体Ｗとの境界面）で超音波Ｓ０がそれぞれ反射する。そして、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１の受信時刻ｔ１，ｔ２から超音波の伝搬時間Ｔ１（＝ｔ２−ｔ１）を取得する（図４参照）。具体的には、図４に示されるように、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１の受信時刻ｔ１，ｔ２（波形信号が所定のしきい値電圧を超えたタイミング）において検波回路４４から検出信号が出力される。タイマ４６では、その検出信号に基づいて反射波Ｓ０１が受信されてから反射波Ｓ１１が受信されるまでの時間が計測され、その計測値が伝搬時間Ｔ１として取得される。ここで、超音波Ｓ０の伝搬距離は、各内壁面１７ａ，１７ｂの間隔ｄ１（流路の幅）の２倍であるため、次式（６）のように、伝搬距離２ｄ１を伝搬時間Ｔ１で除算することで流体Ｗ中の音速Ｃが求められる。
【数６】
【００４６】
また、流体Ｗ中の音速Ｃは、下流側の第２超音波振動子１９を用いても同様に求めることができる。なおこの場合、超音波の伝搬距離は２ｄ２となる。
【００４７】
次に、超音波Ｓ０の伝搬時間差から流体Ｗの流量を算出する方法について説明する。
【００４８】
本実施の形態では、まず、第１センサ部１１の一対の第１超音波振動子１５，１６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第１超音波振動子から超音波を送信するとともに、流体Ｗ中を伝搬した各超音波を他方の第１超音波振動子で受信する。このとき、第１超音波振動子１５，１６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、流体Ｗの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。
【００４９】
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。
【００５０】
ここで、配管１４を流れる流体Ｗ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、流体Ｗ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。
【００５１】
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、両方とも流体Ｗ中を正方向に伝搬している。従って、図５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。
【００５２】
そして、式（６）により求めた流体Ｗ中の音速Ｃとこの伝搬時間差ΔＴとを上記の式（５）に代入して流体Ｗの流速Ｖを求める。さらに、この流速Ｖに配管１４の断面積Ａを乗算することで流体Ｗの体積流量Ｑ（＝Ｖ×Ａ）を求める。
【００５３】
なお、第１センサ部１１で測定される流速Ｖは、配管１４における略中央部分での測定値となっている。配管１４において、流体Ｗの流れが乱れることにより、その中央部分よりも側壁側の流速Ｖが遅くなる。このため、流体Ｗの流速分布を考慮して体積流量Ｑを補正する必要がある。
【００５４】
また、本実施の形態の流体供給システム１では、複数種類の流体Ｗ１〜Ｗ４のうちのいずれかの流体Ｗを供給する構成であり、各流体Ｗ１〜Ｗ４の種類に応じて流れの特性が異なる。このため、流速Ｖに基づいて算出した体積流量Ｑに対して流体Ｗ１〜Ｗ４の種類に応じた流量補正を行うように構成している。
【００５５】
配管１４内における流速分布（流体Ｗの流れの特性）は、次式（７）で示されるレイノルズ数Ｒｅによって決定される。
【数７】
【００５６】
ここで、Ｖは特性流速、Ｌ１は特性長さ、 は動粘度係数である。特性長さＬ１は、配管１４の形状によって決まる長さである。所定形状の配管１４で流体Ｗの流量を測定する場合、レイノルズ数Ｒｅは、流体Ｗの流速Ｖに比例し、動粘度係数 に反比例して変化する。従って、流体Ｗの動粘度係数 によって配管１４内での流速分布に違いが生じ、それに応じて誤差が生じて計測値が変化する。
【００５７】
表１には、複数種類の薬液の音速Ｃ、密度ρ、動粘度係数 に関するデータを示している。なおここでは、２０℃における純水、フッ酸、塩酸、アンモニア水溶液、過酸化水素水を薬液の具体例として示している。
【表１】
【００５８】
表１にて示されるように、純水とフッ酸とは密度ρが１．００ｇ／ｃｍ３であるため、密度ρだけでは、流体Ｗが純水であるかフッ酸であるかの特定は困難であるが、音速Ｃを同時に測定することにより、流体Ｗの特定が可能となる。また、計測した流体Ｗの音速Ｃが１４９３ｍ／ｓであったとしても、計測誤差によって流体Ｗが純水かアンモニア水溶液かの判断が困難となることがあるが、密度ρを同時に測定することによって、流体Ｗの特定を確実に行うことができる。
【００５９】
従って、本実施の形態の超音波流量計２では、流体Ｗの音速Ｃに加えて密度ρを求め、それら音速Ｃと密度ρとに基づいて流体出力用管路７に流れる流体Ｗの種類を特定し、その特定した種類に応じて流量補正を行うようにしている。なお、本実施の形態では、表１に示されるような複数種類の薬液に関するデータが流量補正を行うためのデータとしてメモリ２４に予め記憶されている。
【００６０】
以下、流体Ｗの密度ρの算出方法について説明する。
【００６１】
第２センサ部１２において、各第２超音波振動子１８，１９から発せられた超音波Ｓ０は、その一部が配管１７と流体Ｗとの境界面（各内壁面１７ａ，１７ｂ）で反射する（図２参照）。これら内壁面１７ａ，１７ｂでの反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度は、次式（８），（９）の関係が成り立つ。
【数８】
【数９】
【００６２】
ここで、αは、流体Ｗの減衰定数であり、Ｚ０は、配管１７を構成するフッ素樹脂の音響インピーダンスであり、Ｚｆは、流体Ｗの音響インピーダンスである。
【００６３】
これら式（８）及び式（９）により、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と音響インピーダンスＺ０とに基づいて流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求めることができる。
【００６４】
そして、流体Ｗの密度ρは、その音響インピーダンスＺｆと音速Ｃとに基づいて次式（１０）により求められる。
【数１０】
【００６５】
また、本実施の形態の超音波流量計２では、配管１４内を流れる流体Ｗの流量Ｑや動粘度係数 によって、第１センサ部１１で計測される流量Ｑの計測誤差がどのような関係になるか予め調べ、その関係に応じて作成された補正式や補正テーブルのデータをメモリ２４に記憶している。そして、流体Ｗの音速Ｃや密度ρを用いて特定した流体Ｗの動粘度係数 を使用して、流量Ｑの計測誤差を補正することにより、流体Ｗの種類に応じた流量Ｑを正確に計測するようにしている。
【００６６】
次に、本実施の形態において、流体Ｗの音速Ｃや密度ρを測定するための処理例について図６のフローチャートを用いて説明する。なお、図６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。
【００６７】
まず、ＣＰＵ２１は、第２信号処理回路２３のパルス発生回路４２を動作させ、例えば５００ｍｓ毎に駆動パルスを出力させるとともに、切り替え回路４１の接続位置を切り替えて、第２センサ部１２における上流側の第２超音波振動子１８及び下流側の第２超音波振動子１９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、各第２超音波振動子１８，１９から超音波Ｓ０が照射され、流路の各内壁面１７ａ，１７ｂで反射された各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の電気信号が検波回路４４で抽出される。そして、ＣＰＵ２１は、Ａ／Ｄ変換回路４５で変換されたデータを取り込み、反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度のデータとしてメモリ２４に記憶する。またこのとき、タイマ４６により、反射波Ｓ０１，Ｓ１１の受信タイミングに基づいて超音波の伝搬時間Ｔ１が計測され、その伝搬時間Ｔ１のデータがメモリ２４に記憶される。
【００６８】
そして、音速算出手段としてのＣＰＵ２１は、超音波の伝搬時間Ｔ１と伝搬距離２ｄ１とに基づいて、流体Ｗの音速Ｃを求める（ステップ１１０）。また、音響パラメータ算出手段としてのＣＰＵ２１は、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と配管１７（フッ素樹脂）の音響インピーダンスＺ０とに基づいて、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求める（ステップ１２０）。さらに、ＣＰＵ２１は、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを音速Ｃで除算することにより流体Ｗの密度ρを求める（ステップ１３０）。
【００６９】
その後、ＣＰＵ２１は、密度ρの測定処理を継続するか否かを判定する（ステップ１４０）。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１４０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６の処理を終了する。
【００７０】
次に、本実施の形態において、流体Ｗの流量を測定するための処理例について図７のフローチャートを用いて説明する。図７の処理は、図６の処理によって流体Ｗの音速Ｃや密度ρが測定された後に実行される。
【００７１】
先ず、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、上流側の第１超音波振動子１５及び下流側の第１超音波振動子１６に対して駆動パルスを順次供給する（ステップ２００）。これにより、各第１超音波振動子１５，１６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、各第１超音波振動子１５，１６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。
【００７２】
その後、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２１０）。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２２０）。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２３０）。その後、ＣＰＵ２１は、ステップ２００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。
【００７３】
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、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２４０）。
【００７４】
さらに、ＣＰＵ２１は、図６の処理で求めた流体Ｗの音速Ｃとステップ２４０で求めた伝搬時間差ΔＴとを用い、式（５）に対応した演算を行うことにより流体Ｗの流速Ｖを求め、さらにその流速Ｖと配管１４の断面積Ａとを乗算することにより流体Ｗの体積流量Ｑを求める（ステップ２５０）。
【００７５】
また、流体特定手段としてのＣＰＵ２１は、図６の処理で求めた流体Ｗの音速Ｃと密度ρに基づいて、メモリ２４に記憶されているデータを参照することにより、流体Ｗの種類を特定する（ステップ２６０）。
【００７６】
その後、流量補正手段としてのＣＰＵ２１は、特定した流体Ｗの種類に応じた動粘度係数 のデータをメモリ２４から読み出し、そのデータを使用して流量Ｑの補正を行う（ステップ２７０）。なおここでは、動粘度係数 とステップ２５０で算出した補正前の流量Ｑとに応じた補正率の関係を示す補正曲線のデータを用いて補正率を求め、その補正率によって補正前の流量Ｑを補正することで補正後の流量Ｑを求める。
【００７７】
その後、ＣＰＵ２１は、補正後の流量Ｑを表示装置２６に表示させる（ステップ２８０）。なおこのとき、流量Ｑに加えて、特定した流体Ｗの種類に関する情報を表示装置２６に表示させてもよい。また、外部装置からの要求時には、補正後の流量Ｑや特定した流体Ｗの種類に関する情報をデータ出力回路２７から外部装置に転送する。
【００７８】
そして、ＣＰＵ２１は、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２９０）。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２００の処理に戻り、ステップ２００〜ステップ２９０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７の処理を終了する。
【００７９】
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。
【００８０】
（１）本実施の形態の流体供給システム１では、超音波流量計２により、流体出力用管路７を流れる流体Ｗの音速Ｃと密度ρとが求められ、それら音速Ｃと密度ρとに基づいて流体Ｗの種類を特定することができる。そして、その特定した流体Ｗの種類に応じた流量補正を的確に行うことができる。このようにすると、複数本の流体供給用管路３〜６毎に流量計を設けなくても、複数種類の流体Ｗ１〜Ｗ４の流量Ｑを正確に測定することができ、システム１の部品コストを低減することが可能となる。
【００８１】
（２）本実施の形態の超音波流量計２では、補正後の流量Ｑと特定された流体Ｗの種類とが表示装置２６に表示されるので、液体供給システム１の作動状態を的確に把握することができる。
【００８２】
（３）本実施の形態の超音波流量計２では、流体Ｗの流量Ｑだけではなく、流体Ｗの音速Ｃや密度ρを計測できることから、これらの計測情報に基づいて、製造ラインの異常を速やかに検知することが可能となる。
【００８３】
（４）本実施の形態の超音波流量計２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、流体Ｗ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により流体Ｗの流量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。
［第２の実施の形態］
【００８４】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図面に基づき説明する。本実施の形態の流体供給システム１は、濃度及び流量を調整した流体Ｗ（例えば、エタノール水溶液）を供給するシステムであり、例えば、燃料電池の発電効率を制御するために用いられる。
【００８５】
図８に示されるように、流体供給システム１は、超音波流量計２と、その超音波流量計２が設けられる流体供給用管路５１と、濃度調整器５２（濃度調整手段）を有し、所定濃度の流体Ｗを流体供給用管路５１に供給する供給タンク５３と、流体供給用管路５１の途中に設けられる流量調整バルブ５４（流量調整手段）と、濃度調整器５２及び流量調整バルブ５４を制御するコントローラ５５（制御手段）とを備えている。なお、本実施の形態の流体供給システム１でも、流体Ｗは一定の温度（例えば２０℃）に温度調節された状態で供給される。
【００８６】
流体供給システム１において、コントローラ５５が濃度調整器５２を制御することにより、供給タンク５３の流体Ｗの濃度が予め設定された濃度となるよう調整される。そして、濃度の調整後の流体Ｗが供給タンク５３から流体供給用管路５１に供給される。また、コントローラ５５が流量調整バルブ５４の開度を制御することにより、流体供給用管路５１に流れる流体Ｗの流量が予め設定された流量となるよう調整される。
【００８７】
本実施の形態の超音波流量計２は、第１の実施の形態と同じ構成であり、第１センサ部１１と第２センサ部１２とを備える。この超音波流量計２において、流体供給用管路５１を流れる流体Ｗの密度ρが求められ、その密度ρに基づいて流体Ｗの濃度が求められる。
【００８８】
表２には、エタノール水溶液の濃度Ｘ、音速Ｃ、密度ρ、動粘度係数 に関するデータを示している。また、図９には、２０℃におけるエタノール水溶液の濃度Ｘと、音速Ｃ、密度ρ、粘度η、動粘度係数 との関係を示している。
【表２】
【００８９】
本実施の形態の超音波流量計２では、エタノール水溶液の濃度Ｘに対応した音速Ｃ、密度ρ、動粘度係数 に関するデータがメモリ２４に記憶されている。そして、第２センサ部１２で求めた流体Ｗの密度ρに基づいて、流体Ｗの濃度Ｘが特定される。そして、その流体Ｗの濃度Ｘに基づいて動粘度係数 が算出される。さらに、超音波流量計２では、その流体Ｗの動粘度係数 を使用して、第１センサ部１１で計測した流量の計測誤差を補正する。これにより、流体Ｗの濃度Ｘに応じた流量を正確に計測することができる。
【００９０】
ここで、従来技術のように音速Ｃだけでエタノール水溶液の動粘度係数 を求めて流量補正を行う場合、図９に示されるように、測定された流体Ｗの音速Ｃが、例えば１５００ｍ／ｓであると、エタノール水溶液の濃度Ｘは、５％であるのか５０％であるのか判断することができない。ここで、５０％の濃度のエタノール水溶液を５％の濃度と誤って判断すると、実際の流体Ｗの流動粘度係数 が２．２８ｃＳｔ程度であるにもかかわらず、１．１ｃＳｔの数値を使用して流量補正を行うこととなり、計測誤差が大きくなってしまう。これに対して、本実施の形態のように、密度ρを算出してその密度ρを用いれば、エタノール水溶液の濃度Ｘとその動粘度係数 が一意に求まるため、従来技術のような計測誤差を解消することができる。
【００９１】
また、超音波流量計２は、計測した流体Ｗの濃度Ｘと流量Ｑとをコントローラ５５に出力する。そして、コントローラ５５は、その濃度Ｘと流量Ｑとに基づいて、濃度調整器５２及び流量調整バルブ５４を制御する。このように流体供給システム１を構成すると、流量計と濃度計とを別々に設けなくても、流体供給用管路５１に流れる流体Ｗの濃度Ｘ及び流量Ｑを的確に制御することができ、システム１の部品コストを低減することが可能となる。
［第３の実施の形態］
【００９２】
次に、本発明を具体化した第３の実施の形態を図面に基づき説明する。本実施の形態では、超音波流量計２における第２センサ部１２の配管１７の構成を変更した点が上記第１の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態の超音波流量計２において、第２センサ部１２以外の他の構成（第１センサ部１１や制御装置２０の電気的構成など）は第１の実施の形態と同様である。
【００９３】
具体的には、図１０に示されるように、本実施の形態における第２センサ部１２の配管１７は、上流側と下流側とで音響インピーダンスが異なる配管部材５７，５８で形成されている。また、この配管１７における内壁面１７ａ，１７ｂの間隔ｄ１（流路の幅）は、上流側と下流側とで等しく形成されている。
【００９４】
この場合、上流側の配管部材５７の音響インピーダンスをＺ０１、下流側の配管部材５８の音響インピーダンスをＺ０２とすると、各内壁面１５ａ，１５ｂでの反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２は、次式（１１），（１２）の関係が成り立つ。
【数１１】
【数１２】
【００９５】
そして、これら式（１１）及び式（１２）により、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と音響インピーダンスＺ０１，Ｚ０２とに基づいて、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求めることができる。さらに、流体Ｗの音速Ｃは上記第１の実施の形態と同様の手法で求めることができ、その音速Ｃと音響インピーダンスＺｆとにより流体Ｗの密度ρを求めることができる。
［第４の実施の形態］
【００９６】
次に、本発明を具体化した第４の実施の形態を説明する。本実施の形態でも、第２センサ部１２における配管１７の構成を変更した点が上記第１の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態の超音波流量計２において、他の構成（第１センサ部１１や制御装置２０の電気的構成など）は第１の実施の形態と同様である。
【００９７】
具体的には、図１１に示されるように、本実施の形態における第２センサ部１２の配管１７は、長方形状に形成されており、一方の第２超音波振動子１８は第１の外壁面１７ｅ（図１１では短辺側の外壁面）に配置されるとともに、他方の第２超音波振動子１９は第１の外壁面１７ｅと直交する第２の外壁面１７ｆ（図１１では長辺側の外壁面）に配置されている。また、配管１７において一対の第２超音波振動子１８，１９が配置される側壁の厚さは等しく、その配管１７内に形成される流路は、水平方向の幅ｄ１（内壁面１７ａ，１７ｂの間隔）が垂直方向の幅ｄ２（内壁面１７ｃ，１７ｄの間隔）の２倍となっている。なお、図１１の配管１７では、紙面の手前側から奥行き方向に流体Ｗが流れる。
【００９８】
このように第２センサ部１２を構成した場合、各内壁面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄで反射する反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２は、上式（８），（９）の関係が成り立つ。従って、本実施の形態でも、上記第１の実施の形態と同様に、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求めることができ、さらには、流体Ｗの密度ρを求めることができる。また、上記第１の実施の形態のように、各超音波振動子１８，１９を流体Ｗの流通方向（上流側または下流側の方向）にずらして配置する必要がないため、超音波流量計２をコンパクトに形成することが可能となる。
【００９９】
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。
【０１００】
・上記第３の実施の形態において、第２センサ部１２における配管１７の上流側と下流側とは、音響インピーダンスＺ０１，Ｚ０２が異なる配管部材５７，５８で形成するものであったが、図１２に示されるように、超音波の反射面となる内壁面１７ｂの一部を配管１７とは音響インピーダンスが異なる材質からなる反射板５９で形成してもよい。このように第２センサ部１２を形成した場合でも、各内壁面１７ａ，１７ｂにおける反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度に基づいて、配管１７を流れる流体Ｗの音響インピーダンスＺｆや密度ρを求めることができる。
【０１０１】
・上記各実施の形態では、超音波流量計２の第２センサ部１２における第２超音波振動子１８，１９を用いて流体Ｗの音速Ｃを求めるものであったが、これに限定されるものではない。例えば、第１センサ部１１の第１超音波振動子１５，１６を用いて超音波の伝搬時間差から流体Ｗの音速Ｃを求めてもよい。その具体的な算出方法について説明する。超音波流量計２において、第１センサ部１１の流路長をＬ、流体Ｗの音速Ｃ、流速Ｖとした場合、流体Ｗの流れの正方向に伝搬した超音波の伝搬時間Ｔｄと逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間Ｔｕは、上記式（１），（２）で表すことができる。そのため、それら式（１），式（２）により、音速Ｃは次式（１３）のように表すことができる。
【数１３】
【０１０２】
従って、第１センサ部１１において正逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間Ｔｄ，Ｔｕを計測し、各伝搬時間Ｔｄ，Ｔｕを上記式（１３）に代入して演算することにより、流体Ｗの音速Ｃを求めることができる。そして、この音速Ｃを用いて上記各実施の形態と同様に流体Ｗの音響インピーダンスＺｆや密度ρを求めることができる。
【０１０３】
・上記第１の実施の形態では、密度ρ及び音速Ｃにより流体Ｗの種類を特定するものであったが、これに限定されるものではない。密度ρに代えて音響インピーダンスＺｆを用いて流体Ｗの種類を特定するように構成してもよい。ただし、この場合には、複数種類の流体Ｗの音速Ｃ、音響インピーダンスＺｆ、動粘度係数 に関するデータをメモリ２４に記憶しておき、そのデータを使用して流体Ｗの種類を特定する。また、使用する流体Ｗの種類によっては、密度ρや音響インピーダンスＺｆのみで特定が可能な場合もあるので、その場合には、音速Ｃを使用しないで、算出した密度ρや音響インピーダンスＺｆにより流体Ｗの特定を行うようにしてもよい。また、第２の実施の形態においても、密度ρに代えて音響インピーダンスＺｆを用いて流体Ｗの濃度Ｘを求めるように構成してもよし、密度ρや音響インピーダンスＺｆに加えて音速Ｃを用いて流体Ｗの濃度Ｘを求めるように構成してもよい。
【０１０４】
・上記各実施の形態では、温度が一定（例えば、２０℃）に保たれる流体供給システム１，１Ａに具体化していたが、これに限定されるものではない。流体Ｗの温度が変化する場合には、第１センサ部１１の配管１４や第２センサ部１２の配管１７の途中にサーミスタなどの温度センサ５６（温度検出手段）を設け（図１３参照）、流体Ｗの温度を流体Ｗの密度ρと同時に測定する。また、温度に応じた密度ρや動粘度係数 などのデータをメモリ２４に記憶しておく。そして、温度センサ５６で検出した温度に応じたデータを参照し、必要時には補間や直線近似などの演算を行うことにより、密度ρや動粘度係数 を求める。このようにすれば、流体Ｗの温度が変化した場合でも、流体Ｗの種類の特定を確実に行うことができ、温度に応じた流量補正を行うことができる。
【０１０５】
上記各実施の形態では、第１センサ部１１において、流体Ｗの流れと平行な方向に超音波が伝搬するよう一対の超音波振動子１５，１６を配置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、流体Ｗ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各超音波振動子１５，１６を設けてもよい。
【０１０６】
・上記各実施の形態では、波形信号の相関関数を求め、相関値によって測定に有効な波形信号を判定するように構成していたが、これに限定されるものではない。例えば、気泡などを含まない流体Ｗを測定する場合には、信頼性の高い波形信号を確実に取得できるので、相関関数を算出する必要はなく、取得した波形信号をそのまま利用して伝搬時間差を算出してもよい。
【０１０７】
・上記各実施の形態において、第１センサ部１１を省略し、第２センサ部１２と制御装置２０とにより、流体Ｗの濃度Ｘまたは動粘度係数 を測定する超音波計測器として具体化してもよい。この超音波計測器では、第２センサ部１２で求めた流体Ｗの音速Ｃと音響インピーダンスＺｆとの２つのパラメータを使用して濃度Ｘまたは動粘度係数 を正確に求めることができる。
【０１０８】
・上記各実施の形態では、半導体製造ラインの液体供給システム１や燃料電池の液体供給システム１に超音波流量計２を用いるものであったが、これに限定されるものではない。例えば、所定の化学反応を進行させる装置などに超音波流量計２を用いることにより、流体Ｗにおいて反応に寄与している成分の濃度Ｘや流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求め、反応の進行度合や反応効率を把握するようにしてもよい。
【０１０９】
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。
【０１１０】
（１）手段１において、前記管路に設けられ、前記管路を流れる流体の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記記憶手段には、前記流体の温度に応じた前記音響パラメータのデータが記憶され、前記流体特定手段は、前記温度検出手段が検出した温度に応じたデータを参照することにより、前記流体の種類を特定することを特徴とする超音波流量計。
【０１１１】
（２）技術的思想（１）において、前記流量補正手段は、前記流体の種類及び流体の温度に基づいて、前記流体の流量を補正することを特徴とする超音波流量計。
【０１１２】
（３）手段１において、前記記憶手段には、複数種類の流体について前記音響パラメータに対応した流体の粘度または動粘度係数のデータが記憶され、前記流量補正手段は、前記流体特定手段が特定した流体の種類に応じた前記データに基づいて、前記流体の粘度または動粘度係数を算出し、その算出結果に基づいて前記流量を補正することを特徴とする超音波流量計。
【０１１３】
（４）手段２において、前記流体特定手段は、前記音響インピーダンス及び前記密度のいずれかの音響パラメータ、またはその音響パラメータと前記音速とに基づいて、前記流体の種類を特定することを特徴とする超音波流量計。
【０１１４】
（５）手段１または２において、前記補正した流量と、前記特定した流体の種類の情報とを表示する表示手段をさらに備えたことを特徴とする超音波流量計。
【符号の説明】
【０１１５】
１…流体供給システム
２…超音波流量計
３〜６，５１…流体供給用管路
７…流体出力用管路
９…切り替え手段としての切り替えバルブ
１１…第１センサ部
１２…第２センサ部
１４…管路を構成する配管
１７…管路を構成する配管
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ…内壁面
２０…制御手段としての制御装置
２１…音速算出手段、流量算出手段、音響パラメータ算出手段、流体特定手段、流量補正手段としてのＣＰＵ
２４…記憶手段としてのメモリ
５２…濃度調整手段としての濃度調整器
５４…流量調整手段としての流量調整バルブ
５５…制御手段としてのコントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の伝搬時間差により流体の流量を測定する超音波流量計、それを用いた流体供給システム、及び超音波計測器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１４に示されるように、特許文献１の超音波流量計６０では、流体Ｗ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流体Ｗ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Ｗ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Ｗ中の音速Ｃ、流体Ｗ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、流体Ｗ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１５参照）。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、流体Ｗ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Ａを乗算することで流体Ｗの体積流量Ｑ（＝Ｖ×Ａ）が求められる。
【０００７】
上記従来の超音波流量計において、測定用流体の温度や濃度が変化すると、その変化に伴って流体の動粘度が変化するため、流量Ｑの計測誤差が生じてしまう。この対策として、温度変化に対応した動粘度に基づいて流量の補正を行う技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
特許文献２に開示されている補正方法では、超音波流量計により流速及び音速を計測し、音速をパラメータとした温度テーブルを使用して流体の温度を求める。そして、温度をパラメータとした動粘度テーブルを使用して動粘度を求め、その動粘度に応じた比率で流量を補正している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１６２２６９号公報
【特許文献２】特開２００７−５１９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、上述した特許文献１の補正方法では、予め決められた測定用流体とは異なる種類の流体を測定する場合、使用されるテーブルデータがその測定用流体に対応していないため、誤った補正を行ってしまい計測誤差が大きくなってしまう。また、流体の種類によっては、音速と温度との関係に極大点Ｐ１を持つ場合がある（図１６参照）。この場合には、測定した音速から温度が一意に求まらないため、測定可能な温度範囲が制限されるといった問題も生じてしまう。
【００１１】
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、流体の種類を特定してその流体の種類に応じた的確な流量補正を行うことができる超音波流量計を提供することにある。また、別の目的は、流体の濃度または動粘度係数を正確に測定することができる超音波計測器を提供することにある。さらに、別の目的は、前記超音波流量計を用いることにより、複数種類の流体の流量を低コストで正確に測定することができる流体供給システムを提供することにある。また、別の目的は、前記超音波流量計を用いることにより、流体の濃度及び流量を低コストで正確に調整することができる流体供給システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、手段１に記載の発明は、流体を流す流路を構成する管路に設けられ、前記管路内において前記流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を受信してそれらの伝搬時間差を検出するための第１センサ部と、前記管路に設けられ、前記管路を流れる流体に超音波を伝搬させ、前記管路の内壁面で反射した超音波を受信してその信号強度と伝搬時間とを検出するための第２センサ部と、前記第１センサ部で検出した超音波の伝搬時間差に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出手段と、前記第２センサ部で検出した反射波の信号強度と前記管路を構成する材質の音響インピーダンスとに基づいて、前記流体の音響パラメータを求める音響パラメータ算出手段と、複数種類の流体の音響パラメータに関するデータを記憶する記憶手段と、前記データと前記音響パラメータ算出手段が算出した前記音響パラメータとに基づいて、前記管路を流れる流体の種類を特定する流体特定手段と、前記流体の種類に応じて前記流量算出手段が算出した前記流体の流量を補正する流量補正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。
【００１３】
従って、手段１に記載の発明によると、流量算出手段により、第１センサ部で検出した超音波の伝搬時間差に基づいて、流路を流れる流体の流量が算出される。ここで、流路に複数種類の流体が流れる場合、その流体の種類に応じて流れの特性が異なる。この場合、流量算出手段が算出した流体の流量は、流体の種類に応じた計測誤差を含む測定値となる。このため、本発明では、音響パラメータ算出手段により、第２センサ部で検出した反射波の信号強度と管路を構成する材質の音響インピーダンスとに基づいて、流体の音響パラメータが求められる。また、記憶手段には、複数種類の流体の音響パラメータに関するデータが記憶されている。そして、記憶手段のデータと音響パラメータ算出手段が算出した音響パラメータとに基づいて、流体特定手段により、管路を流れる流体の種類が特定される。さらに、流量補正手段により、その流体の種類に応じて流体の流量が補正される。このようにすると、管路を流れる流体の種類が変更された場合でも、その流体の種類に応じた的確な流量を求めることができる。
【００１４】
手段２に記載の発明は、手段１において、前記第１センサ部または前記第２センサ部で検出した超音波の伝搬時間とその超音波の伝搬距離とに基づいて、前記流体の音速を求める音速算出手段を備え、前記音響パラメータ算出手段は、前記流体の音響インピーダンスを算出する手段、またはその音響インピーダンスと前記音速とに基づいて前記流体の密度を算出する手段であることをその要旨とする。
【００１５】
従って、手段２に記載の発明によると、音響パラメータ算出手段により、流体の音響インピーダンスが算出される。流体の音響インピーダンスは流体の種類に応じて異なるため、その音響インピーダンスによって流体の種類を特定することができる。また、音速算出手段により、超音波の伝搬時間とその超音波の伝搬距離とに基づいて流体の音速が求められ、音響パラメータ算出手段により、流体の音速と音響インピーダンスとに基づいて流体の密度が算出される。この流体の密度を用いても流体の種類を特定することができる。
【００１６】
手段３に記載の発明は、流体を流す流路を構成する管路に設けられ、前記管路を流れる流体に超音波を伝搬させ、前記管路の内壁面で反射した超音波を受信してその信号強度と伝搬時間とを検出するためのセンサ部と、前記センサ部で検出した超音波の伝搬時間とその超音波の伝搬距離とに基づいて、前記流体の音速を求める音速算出手段と、前記センサ部で検出した反射波の信号強度と前記管路を構成する材質の音響インピーダンスとに基づいて、前記流体の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス算出手段とを備え、前記音速及び前記音響インピーダンスに基づいて、前記流体の濃度または動粘度係数を求めることを特徴とする超音波計測器をその要旨とする。
【００１７】
従って、手段３に記載の発明によると、音速算出手段により、超音波の伝搬時間とその超音波の伝搬距離とに基づいて流体の音速が求められ、音響インピーダンス算出手段により、反射波の信号強度と管路を構成する材質の音響インピーダンスとに基づいて流体の音響インピーダンスが求められる。そして、これら流速と音響インピーダンスとの２つのパラメータを使用して、流体の濃度または動粘度係数をより正確に求めることができる。
【００１８】
手段４に記載の発明は、手段１または２に記載の超音波流量計と、複数種類の流体がそれぞれ供給される複数本の流体供給用管路と、前記超音波流量計が設けられる流体出力用管路と、前記複数本の流体供給用管路と流体出力用管路とが接続され、前記各流体供給用管路から供給される複数種類の流体のうちのいずれか１つの流体を前記流体出力用管路に供給する切り替え手段とを備え、前記超音波流量計は、前記切り替え手段を介して前記流体出力用管路内に選択的に供給される流体の種類を特定し、特定した種類に応じて流体の流量を補正することを特徴とする流体供給システムをその要旨とする。
【００１９】
従って、手段４に記載の発明によると、切り替え手段には複数本の流体供給用管路と流体出力用管路とが接続されており、その切り替え手段により、各流体供給用管路から供給される複数種類の流体のうちのいずれか１つの流体が流体出力用管路に供給される。そして、流体出力用管路に設けられている超音波流量計によって、流体出力用管路内に供給される流体の種類が特定され、その種類に応じて流体の流量が補正される。このように構成すると、複数本の流体供給用管路毎に流量計を設けなくても、１つの超音波流量計によって複数種類の流体の流量を正確に測定することができ、システムの部品コストを低減することが可能となる。
【００２０】
手段５に記載の発明は、手段１または２に記載の超音波流量計と、前記超音波流量計が設けられる流体供給用管路と、前記管路に供給する流体の濃度を調整する濃度調整手段と、前記管路に供給する流体の流量を調整する流量調整手段と、前記濃度調整手段及び前記流量調整手段を制御する制御手段とを備え、前記超音波流量計は、前記管路を流れる流体の濃度を求めるとともに、その流体の流量を求め、その濃度及び流量を前記制御手段に出力することを特徴とする流体供給システムをその要旨とする。
【００２１】
従って、手段５に記載の発明によると、超音波流量計により、流体供給用管路を流れる流体の濃度が求められるとともに、流体の流量が求められ、その濃度及び流量が制御手段に出力される。そして、超音波流量計で計測された濃度及び流量に基づいて、制御手段により、濃度調整手段及び流量調整手段が制御される。このようにすると、流量計と濃度計とを別々に設けなくても、的確な濃度及び流量の流体を流体供給用管路に流すことができ、システムの部品コストを低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
以上詳述したように、請求項１または２に記載の発明によると、流体の種類を特定してその流体の種類に応じた的確な流量補正を行うことができる超音波流量計を提供することができる。また、請求項３に記載の発明によると、流体の濃度または動粘度係数を正確に測定することができる超音波計測器を提供することができる。さらに、請求項４に記載の発明によると、前記超音波流量計を用いることにより、複数種類の流体の流量を低コストで正確に測定することができる流体供給システムを提供することができる。また、請求項５に記載の発明によると、前記超音波流量計を用いることにより、流体の濃度及び流量を低コストで正確に調整することができる流体供給システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施の形態の流体供給システムを示す概略構成図。
【図２】第１の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。
【図３】超音波流量計の電気的構成を示すブロック図。
【図４】各反射波の受信時刻及び伝搬時間を示すタイミングチャート。
【図５】波形信号の相関関数を示す説明図。
【図６】流体の密度を算出するための処理例を示すフローチャート。
【図７】流体の流量を算出するための処理例を示すフローチャート。
【図８】第２の実施の形態の流体供給システムを示す概略構成図。
【図９】エタノール水溶液濃度と各パラメータとの関係を示すグラフ。
【図１０】第３の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。
【図１１】第４の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。
【図１２】別の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。
【図１３】別の実施の形態における第１センサ部の概略構成を示す断面図。
【図１４】従来の超音波流量計を示す概略構成図。
【図１５】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。
【図１６】音速と温度との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
［第１の実施の形態］
以下、本発明を流体供給システムに具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、本実施の形態の流体供給システムは、例えば、半導体製造ラインにおいて、シリコン基板（ウェハ）の各種表面処理を行うための複数種類の薬液（例えば、半導体洗浄用薬液）を供給するシステムとして用いられる。
【００２５】
図１に示されるように、流体供給システム１は、超音波流量計２と、複数種類の薬液Ｗ１〜Ｗ４（流体）がそれぞれ供給される複数本の流体供給用管路３〜６と、超音波流量計２が設けられる流体出力用管路７と、流体供給用管路３〜６と流体供給用管路７とが接続される流路切り替え装置８とを備える。
【００２６】
流路切り替え装置８は、切り替えバルブ９（切り替え手段）と、その切り替えバルブ９を駆動制御するコントローラ１０とを備え、コントローラ１０によって切り替えバルブ９を動作させることで、各流体供給用管路３〜６から供給される複数種類の流体Ｗ１〜Ｗ４のうちのいずれか１つの流体Ｗを流体出力用管路７に供給するよう構成されている。なお、本実施の形態の流体供給システム１では、各流体Ｗ１〜Ｗ４は、一定の温度（例えば、２０℃）となるよう温度調節された状態で供給される。
【００２７】
超音波流量計２は、超音波伝搬時間差方式で流体Ｗ（Ｗ１〜Ｗ４）の体積流量を測定するための第１センサ部１１と、流体Ｗの音響インイーダンスや密度などを測定するための第２センサ部１２とを備え、流体出力用管路７の途中に設けられている。
【００２８】
以下、超音波流量計２の具体的な構成について詳述する。
図１に示されるように、超音波流量計２の第１センサ部１１は、略コ字状に屈曲形成された配管１４と、その配管１４の２つのコーナー部１４ａ，１４ｂにそれぞれ固定され配管１４の直管部１４ｃを介して対向するよう配置される一対の第１超音波振動子１５，１６とを備える。第１センサ部１１の配管１４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１４ｃの長さは１０ｃｍ程度である。また、この配管１４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、流体Ｗの乱流が防止され、流体Ｗがスムーズに流れるようになっている。
【００２９】
また、図２に示されるように、第２センサ部１２は、第１センサ部１１の下流側に接続される配管１７と、その配管１７における上流側及び下流側の外壁面に配置される一対の第２超音波振動子１８，１９とを備える。第２センサ部１２の配管１７も、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いる。この配管１７内に形成される流路の断面形状は四角形であり、各第２超音波振動子１８，１９から発せられた超音波Ｓ０は、流体Ｗの流れる方向と平行な一対の内壁面１７ａ，１７ｂに対して垂直に交わる角度で入射するようになっている。この配管１７では、一対の第２超音波振動子１８，１９が設けられる上流側と下流側とで内壁面１７ａ，１７ｂの間隔を異ならせている。具体的には、上流側の内壁面１７ａ，１７ｂの間隔ｄ１は下流側の内壁面１７ａ，１７ｂの間隔ｄ２の２倍の間隔となっている。また、一対の第２超音波振動子１８，１９が設けられている配管１７の側壁の厚さは、上流側と下流側とで等しくなっている。
【００３０】
超音波流量計２において、第１センサ部１１の各第１超音波振動子１５，１６及び第２センサ部１２の各第２超音波振動子１８，１９には、制御装置２０が電気的に接続されている。
【００３１】
図３は、超音波流量計２の電気的構成を示すブロック図である。図３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。
【００３２】
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。
【００３３】
切り替え回路３１は、一対の第１超音波振動子１５，１６のうちの上流側の第１超音波振動子１５をパルス発生回路３２に接続するとともに下流側の第１超音波振動子１６を受信回路３３に接続する第１の接続位置と、下流側の第１超音波振動子１６をパルス発生回路３２に接続するとともに上流側の第１超音波振動子１５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。
【００３４】
パルス発生回路３２は、ＣＰＵ２１からの制御信号に応答して動作し、第１超音波振動子１５，１６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を介して各第１超音波振動子１５，１６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、上流側の第１超音波振動子１５に駆動パルスが供給され、その第１超音波振動子１５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１４の流体Ｗ中をその流体Ｗの流れの正方向に伝搬して下流側の第１超音波振動子１６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、下流側の第１超音波振動子１６に駆動パルスが供給され、その第１超音波振動子１６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１４の流体Ｗ中をその流体Ｗの流れの逆方向に伝搬して上流側の第１超音波振動子１５で受信される。
【００３５】
受信回路３３は、図示しない信号増幅回路を含み、各第１超音波振動子１５，１６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。
【００３６】
第２信号処理回路２３は、切り替え回路４１、パルス発生回路４２、受信回路４３、検波回路４４、Ａ／Ｄ変換回路４５、及びタイマ４６を備える。
【００３７】
切り替え回路４１は、第１スイッチ部４１ａと第２スイッチ部４１ｂとを備え、第１スイッチ部４１ａでは、上流側の第２超音波振動子１８と下流側の第２超音波振動子１９とのいずれか一方に接続位置を切り替え、第２スイッチ部４１ｂでは、パルス発生回路４２と受信回路４３とのいずれか一方に接続位置を切り替える。この切り替え回路４１における接続位置も、ＣＰＵ２１から出力される切り替え信号によって制御される。
【００３８】
パルス発生回路４２は、ＣＰＵ２１からの制御信号に応答して動作し、第２超音波振動子１８，１９を駆動するための駆動パルスを出力する。駆動パルスは、例えば５００ｍｓ毎に出力され、切り替え回路４１を介して上流側の第２超音波振動子１８と下流側の第２超音波振動子１９とに交互に供給される。そして、駆動パルスによって第２超音波振動子１８，１９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。
【００３９】
図２に示されるように、各第２超音波振動子１８，１９から出力された超音波Ｓ０は、配管１７の側壁を介してその内側を流れる流体Ｗに伝搬する。このとき、超音波Ｓ０の一部は、配管１７と流体Ｗとの境界面（流路の一方の内壁面１７ａ）で反射するとともに、一部が通過して流体Ｗ中に伝搬する。さらに、流体Ｗを伝搬した超音波Ｓ０の一部は、流体Ｗと配管１７との境界面（流路の他方の内壁面１７ｂ）で反射する。ここで、上流側において、一方の内壁面１７ａで反射した反射波Ｓ０１と他方の内壁面１７ｂで反射した反射波Ｓ１１とが第２超音波振動子１８で受信され、電子信号に変換される。また、下流側において、一方の内壁面１７ａで反射した反射波Ｓ０２と他方の内壁面１７ｂで反射した反射波Ｓ１２とが第２超音波振動子１９で受信され、電子信号に変換される。それら反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号は、切り替え回路４１を介して受信回路４３に供給される。
【００４０】
受信回路４３は、図示しない信号増幅回路を含み、第２超音波振動子１８，１９で受信された反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号を増幅した後、検波回路４４に出力する。検波回路４４は、配管１７内の各内壁面１７ａ，１７ｂで反射した超音波の反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２を検出するための回路であり、図示しないゲート回路や比較回路などを含む。具体的には、検波回路４４は、ゲート回路により各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２を抽出し、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度に対応した電圧信号をＡ／Ｄ変換回路４５に出力する。Ａ／Ｄ変換回路４５では、アナログ信号である電圧信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換し、ＣＰＵ２１は、このＡ／Ｄ変換後の電圧信号を取り込み、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度としてメモリ２４に記憶する。また、検波回路４４は、比較回路により反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号が所定のしきい値電圧を超えたタイミングを検出し、その検出信号をタイマ４６に通知する。
【００４１】
タイマ４６は、検波回路４４から出力される検出信号に基づいて、超音波Ｓ０の伝搬時間を計測し、その時間に対応したデータを出力する。この伝搬時間のデータは、ＣＰＵ２１によってメモリ２４に記憶される。
【００４２】
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、音速、密度、及び流量等を算出するためのプログラム、流体Ｗの種類を特定するためのプログラム、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。
【００４３】
表示装置２６は、例えば液晶ディスプレイであり、音速、密度、及び体積流量など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、測定した流量や流体の種類に関するデータを図示しない外部装置（例えば、半導体製造ラインにおいて各種制御を管理するコンピュータ）に出力する。
【００４４】
次に、本実施の形態における流体Ｗ中の音速Ｃの具体的な算出方法について説明する。
【００４５】
まず、第２センサ部１２において、上流側の第２超音波振動子１８から超音波Ｓ０を出力する。配管１７はフッ素樹脂からなり流体Ｗと音響インピーダンスが異なるため、一対の内壁面１７ａ，１７ｂ（流体Ｗとの境界面）で超音波Ｓ０がそれぞれ反射する。そして、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１の受信時刻ｔ１，ｔ２から超音波の伝搬時間Ｔ１（＝ｔ２−ｔ１）を取得する（図４参照）。具体的には、図４に示されるように、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１の受信時刻ｔ１，ｔ２（波形信号が所定のしきい値電圧を超えたタイミング）において検波回路４４から検出信号が出力される。タイマ４６では、その検出信号に基づいて反射波Ｓ０１が受信されてから反射波Ｓ１１が受信されるまでの時間が計測され、その計測値が伝搬時間Ｔ１として取得される。ここで、超音波Ｓ０の伝搬距離は、各内壁面１７ａ，１７ｂの間隔ｄ１（流路の幅）の２倍であるため、次式（６）のように、伝搬距離２ｄ１を伝搬時間Ｔ１で除算することで流体Ｗ中の音速Ｃが求められる。
【数６】
【００４６】
また、流体Ｗ中の音速Ｃは、下流側の第２超音波振動子１９を用いても同様に求めることができる。なおこの場合、超音波の伝搬距離は２ｄ２となる。
【００４７】
次に、超音波Ｓ０の伝搬時間差から流体Ｗの流量を算出する方法について説明する。
【００４８】
本実施の形態では、まず、第１センサ部１１の一対の第１超音波振動子１５，１６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第１超音波振動子から超音波を送信するとともに、流体Ｗ中を伝搬した各超音波を他方の第１超音波振動子で受信する。このとき、第１超音波振動子１５，１６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、流体Ｗの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。
【００４９】
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。
【００５０】
ここで、配管１４を流れる流体Ｗ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、流体Ｗ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。
【００５１】
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、両方とも流体Ｗ中を正方向に伝搬している。従って、図５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。
【００５２】
そして、式（６）により求めた流体Ｗ中の音速Ｃとこの伝搬時間差ΔＴとを上記の式（５）に代入して流体Ｗの流速Ｖを求める。さらに、この流速Ｖに配管１４の断面積Ａを乗算することで流体Ｗの体積流量Ｑ（＝Ｖ×Ａ）を求める。
【００５３】
なお、第１センサ部１１で測定される流速Ｖは、配管１４における略中央部分での測定値となっている。配管１４において、流体Ｗの流れが乱れることにより、その中央部分よりも側壁側の流速Ｖが遅くなる。このため、流体Ｗの流速分布を考慮して体積流量Ｑを補正する必要がある。
【００５４】
また、本実施の形態の流体供給システム１では、複数種類の流体Ｗ１〜Ｗ４のうちのいずれかの流体Ｗを供給する構成であり、各流体Ｗ１〜Ｗ４の種類に応じて流れの特性が異なる。このため、流速Ｖに基づいて算出した体積流量Ｑに対して流体Ｗ１〜Ｗ４の種類に応じた流量補正を行うように構成している。
【００５５】
配管１４内における流速分布（流体Ｗの流れの特性）は、次式（７）で示されるレイノルズ数Ｒｅによって決定される。
【数７】
【００５６】
ここで、Ｖは特性流速、Ｌ１は特性長さ、 は動粘度係数である。特性長さＬ１は、配管１４の形状によって決まる長さである。所定形状の配管１４で流体Ｗの流量を測定する場合、レイノルズ数Ｒｅは、流体Ｗの流速Ｖに比例し、動粘度係数 に反比例して変化する。従って、流体Ｗの動粘度係数 によって配管１４内での流速分布に違いが生じ、それに応じて誤差が生じて計測値が変化する。
【００５７】
表１には、複数種類の薬液の音速Ｃ、密度ρ、動粘度係数 に関するデータを示している。なおここでは、２０℃における純水、フッ酸、塩酸、アンモニア水溶液、過酸化水素水を薬液の具体例として示している。
【表１】
【００５８】
表１にて示されるように、純水とフッ酸とは密度ρが１．００ｇ／ｃｍ３であるため、密度ρだけでは、流体Ｗが純水であるかフッ酸であるかの特定は困難であるが、音速Ｃを同時に測定することにより、流体Ｗの特定が可能となる。また、計測した流体Ｗの音速Ｃが１４９３ｍ／ｓであったとしても、計測誤差によって流体Ｗが純水かアンモニア水溶液かの判断が困難となることがあるが、密度ρを同時に測定することによって、流体Ｗの特定を確実に行うことができる。
【００５９】
従って、本実施の形態の超音波流量計２では、流体Ｗの音速Ｃに加えて密度ρを求め、それら音速Ｃと密度ρとに基づいて流体出力用管路７に流れる流体Ｗの種類を特定し、その特定した種類に応じて流量補正を行うようにしている。なお、本実施の形態では、表１に示されるような複数種類の薬液に関するデータが流量補正を行うためのデータとしてメモリ２４に予め記憶されている。
【００６０】
以下、流体Ｗの密度ρの算出方法について説明する。
【００６１】
第２センサ部１２において、各第２超音波振動子１８，１９から発せられた超音波Ｓ０は、その一部が配管１７と流体Ｗとの境界面（各内壁面１７ａ，１７ｂ）で反射する（図２参照）。これら内壁面１７ａ，１７ｂでの反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度は、次式（８），（９）の関係が成り立つ。
【数８】
【数９】
【００６２】
ここで、αは、流体Ｗの減衰定数であり、Ｚ０は、配管１７を構成するフッ素樹脂の音響インピーダンスであり、Ｚｆは、流体Ｗの音響インピーダンスである。
【００６３】
これら式（８）及び式（９）により、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と音響インピーダンスＺ０とに基づいて流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求めることができる。
【００６４】
そして、流体Ｗの密度ρは、その音響インピーダンスＺｆと音速Ｃとに基づいて次式（１０）により求められる。
【数１０】
【００６５】
また、本実施の形態の超音波流量計２では、配管１４内を流れる流体Ｗの流量Ｑや動粘度係数 によって、第１センサ部１１で計測される流量Ｑの計測誤差がどのような関係になるか予め調べ、その関係に応じて作成された補正式や補正テーブルのデータをメモリ２４に記憶している。そして、流体Ｗの音速Ｃや密度ρを用いて特定した流体Ｗの動粘度係数 を使用して、流量Ｑの計測誤差を補正することにより、流体Ｗの種類に応じた流量Ｑを正確に計測するようにしている。
【００６６】
次に、本実施の形態において、流体Ｗの音速Ｃや密度ρを測定するための処理例について図６のフローチャートを用いて説明する。なお、図６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。
【００６７】
まず、ＣＰＵ２１は、第２信号処理回路２３のパルス発生回路４２を動作させ、例えば５００ｍｓ毎に駆動パルスを出力させるとともに、切り替え回路４１の接続位置を切り替えて、第２センサ部１２における上流側の第２超音波振動子１８及び下流側の第２超音波振動子１９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、各第２超音波振動子１８，１９から超音波Ｓ０が照射され、流路の各内壁面１７ａ，１７ｂで反射された各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の電気信号が検波回路４４で抽出される。そして、ＣＰＵ２１は、Ａ／Ｄ変換回路４５で変換されたデータを取り込み、反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度のデータとしてメモリ２４に記憶する。またこのとき、タイマ４６により、反射波Ｓ０１，Ｓ１１の受信タイミングに基づいて超音波の伝搬時間Ｔ１が計測され、その伝搬時間Ｔ１のデータがメモリ２４に記憶される。
【００６８】
そして、音速算出手段としてのＣＰＵ２１は、超音波の伝搬時間Ｔ１と伝搬距離２ｄ１とに基づいて、流体Ｗの音速Ｃを求める（ステップ１１０）。また、音響パラメータ算出手段としてのＣＰＵ２１は、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と配管１７（フッ素樹脂）の音響インピーダンスＺ０とに基づいて、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求める（ステップ１２０）。さらに、ＣＰＵ２１は、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを音速Ｃで除算することにより流体Ｗの密度ρを求める（ステップ１３０）。
【００６９】
その後、ＣＰＵ２１は、密度ρの測定処理を継続するか否かを判定する（ステップ１４０）。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１４０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６の処理を終了する。
【００７０】
次に、本実施の形態において、流体Ｗの流量を測定するための処理例について図７のフローチャートを用いて説明する。図７の処理は、図６の処理によって流体Ｗの音速Ｃや密度ρが測定された後に実行される。
【００７１】
先ず、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、上流側の第１超音波振動子１５及び下流側の第１超音波振動子１６に対して駆動パルスを順次供給する（ステップ２００）。これにより、各第１超音波振動子１５，１６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、各第１超音波振動子１５，１６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。
【００７２】
その後、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２１０）。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２２０）。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２３０）。その後、ＣＰＵ２１は、ステップ２００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。
【００７３】
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、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２４０）。
【００７４】
さらに、ＣＰＵ２１は、図６の処理で求めた流体Ｗの音速Ｃとステップ２４０で求めた伝搬時間差ΔＴとを用い、式（５）に対応した演算を行うことにより流体Ｗの流速Ｖを求め、さらにその流速Ｖと配管１４の断面積Ａとを乗算することにより流体Ｗの体積流量Ｑを求める（ステップ２５０）。
【００７５】
また、流体特定手段としてのＣＰＵ２１は、図６の処理で求めた流体Ｗの音速Ｃと密度ρに基づいて、メモリ２４に記憶されているデータを参照することにより、流体Ｗの種類を特定する（ステップ２６０）。
【００７６】
その後、流量補正手段としてのＣＰＵ２１は、特定した流体Ｗの種類に応じた動粘度係数 のデータをメモリ２４から読み出し、そのデータを使用して流量Ｑの補正を行う（ステップ２７０）。なおここでは、動粘度係数 とステップ２５０で算出した補正前の流量Ｑとに応じた補正率の関係を示す補正曲線のデータを用いて補正率を求め、その補正率によって補正前の流量Ｑを補正することで補正後の流量Ｑを求める。
【００７７】
その後、ＣＰＵ２１は、補正後の流量Ｑを表示装置２６に表示させる（ステップ２８０）。なおこのとき、流量Ｑに加えて、特定した流体Ｗの種類に関する情報を表示装置２６に表示させてもよい。また、外部装置からの要求時には、補正後の流量Ｑや特定した流体Ｗの種類に関する情報をデータ出力回路２７から外部装置に転送する。
【００７８】
そして、ＣＰＵ２１は、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２９０）。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２００の処理に戻り、ステップ２００〜ステップ２９０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７の処理を終了する。
【００７９】
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。
【００８０】
（１）本実施の形態の流体供給システム１では、超音波流量計２により、流体出力用管路７を流れる流体Ｗの音速Ｃと密度ρとが求められ、それら音速Ｃと密度ρとに基づいて流体Ｗの種類を特定することができる。そして、その特定した流体Ｗの種類に応じた流量補正を的確に行うことができる。このようにすると、複数本の流体供給用管路３〜６毎に流量計を設けなくても、複数種類の流体Ｗ１〜Ｗ４の流量Ｑを正確に測定することができ、システム１の部品コストを低減することが可能となる。
【００８１】
（２）本実施の形態の超音波流量計２では、補正後の流量Ｑと特定された流体Ｗの種類とが表示装置２６に表示されるので、液体供給システム１の作動状態を的確に把握することができる。
【００８２】
（３）本実施の形態の超音波流量計２では、流体Ｗの流量Ｑだけではなく、流体Ｗの音速Ｃや密度ρを計測できることから、これらの計測情報に基づいて、製造ラインの異常を速やかに検知することが可能となる。
【００８３】
（４）本実施の形態の超音波流量計２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、流体Ｗ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により流体Ｗの流量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。
［第２の実施の形態］
【００８４】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図面に基づき説明する。本実施の形態の流体供給システム１は、濃度及び流量を調整した流体Ｗ（例えば、エタノール水溶液）を供給するシステムであり、例えば、燃料電池の発電効率を制御するために用いられる。
【００８５】
図８に示されるように、流体供給システム１は、超音波流量計２と、その超音波流量計２が設けられる流体供給用管路５１と、濃度調整器５２（濃度調整手段）を有し、所定濃度の流体Ｗを流体供給用管路５１に供給する供給タンク５３と、流体供給用管路５１の途中に設けられる流量調整バルブ５４（流量調整手段）と、濃度調整器５２及び流量調整バルブ５４を制御するコントローラ５５（制御手段）とを備えている。なお、本実施の形態の流体供給システム１でも、流体Ｗは一定の温度（例えば２０℃）に温度調節された状態で供給される。
【００８６】
流体供給システム１において、コントローラ５５が濃度調整器５２を制御することにより、供給タンク５３の流体Ｗの濃度が予め設定された濃度となるよう調整される。そして、濃度の調整後の流体Ｗが供給タンク５３から流体供給用管路５１に供給される。また、コントローラ５５が流量調整バルブ５４の開度を制御することにより、流体供給用管路５１に流れる流体Ｗの流量が予め設定された流量となるよう調整される。
【００８７】
本実施の形態の超音波流量計２は、第１の実施の形態と同じ構成であり、第１センサ部１１と第２センサ部１２とを備える。この超音波流量計２において、流体供給用管路５１を流れる流体Ｗの密度ρが求められ、その密度ρに基づいて流体Ｗの濃度が求められる。
【００８８】
表２には、エタノール水溶液の濃度Ｘ、音速Ｃ、密度ρ、動粘度係数 に関するデータを示している。また、図９には、２０℃におけるエタノール水溶液の濃度Ｘと、音速Ｃ、密度ρ、粘度η、動粘度係数 との関係を示している。
【表２】
【００８９】
本実施の形態の超音波流量計２では、エタノール水溶液の濃度Ｘに対応した音速Ｃ、密度ρ、動粘度係数 に関するデータがメモリ２４に記憶されている。そして、第２センサ部１２で求めた流体Ｗの密度ρに基づいて、流体Ｗの濃度Ｘが特定される。そして、その流体Ｗの濃度Ｘに基づいて動粘度係数 が算出される。さらに、超音波流量計２では、その流体Ｗの動粘度係数 を使用して、第１センサ部１１で計測した流量の計測誤差を補正する。これにより、流体Ｗの濃度Ｘに応じた流量を正確に計測することができる。
【００９０】
ここで、従来技術のように音速Ｃだけでエタノール水溶液の動粘度係数 を求めて流量補正を行う場合、図９に示されるように、測定された流体Ｗの音速Ｃが、例えば１５００ｍ／ｓであると、エタノール水溶液の濃度Ｘは、５％であるのか５０％であるのか判断することができない。ここで、５０％の濃度のエタノール水溶液を５％の濃度と誤って判断すると、実際の流体Ｗの流動粘度係数 が２．２８ｃＳｔ程度であるにもかかわらず、１．１ｃＳｔの数値を使用して流量補正を行うこととなり、計測誤差が大きくなってしまう。これに対して、本実施の形態のように、密度ρを算出してその密度ρを用いれば、エタノール水溶液の濃度Ｘとその動粘度係数 が一意に求まるため、従来技術のような計測誤差を解消することができる。
【００９１】
また、超音波流量計２は、計測した流体Ｗの濃度Ｘと流量Ｑとをコントローラ５５に出力する。そして、コントローラ５５は、その濃度Ｘと流量Ｑとに基づいて、濃度調整器５２及び流量調整バルブ５４を制御する。このように流体供給システム１を構成すると、流量計と濃度計とを別々に設けなくても、流体供給用管路５１に流れる流体Ｗの濃度Ｘ及び流量Ｑを的確に制御することができ、システム１の部品コストを低減することが可能となる。
［第３の実施の形態］
【００９２】
次に、本発明を具体化した第３の実施の形態を図面に基づき説明する。本実施の形態では、超音波流量計２における第２センサ部１２の配管１７の構成を変更した点が上記第１の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態の超音波流量計２において、第２センサ部１２以外の他の構成（第１センサ部１１や制御装置２０の電気的構成など）は第１の実施の形態と同様である。
【００９３】
具体的には、図１０に示されるように、本実施の形態における第２センサ部１２の配管１７は、上流側と下流側とで音響インピーダンスが異なる配管部材５７，５８で形成されている。また、この配管１７における内壁面１７ａ，１７ｂの間隔ｄ１（流路の幅）は、上流側と下流側とで等しく形成されている。
【００９４】
この場合、上流側の配管部材５７の音響インピーダンスをＺ０１、下流側の配管部材５８の音響インピーダンスをＺ０２とすると、各内壁面１５ａ，１５ｂでの反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２は、次式（１１），（１２）の関係が成り立つ。
【数１１】
【数１２】
【００９５】
そして、これら式（１１）及び式（１２）により、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と音響インピーダンスＺ０１，Ｚ０２とに基づいて、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求めることができる。さらに、流体Ｗの音速Ｃは上記第１の実施の形態と同様の手法で求めることができ、その音速Ｃと音響インピーダンスＺｆとにより流体Ｗの密度ρを求めることができる。
［第４の実施の形態］
【００９６】
次に、本発明を具体化した第４の実施の形態を説明する。本実施の形態でも、第２センサ部１２における配管１７の構成を変更した点が上記第１の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態の超音波流量計２において、他の構成（第１センサ部１１や制御装置２０の電気的構成など）は第１の実施の形態と同様である。
【００９７】
具体的には、図１１に示されるように、本実施の形態における第２センサ部１２の配管１７は、長方形状に形成されており、一方の第２超音波振動子１８は第１の外壁面１７ｅ（図１１では短辺側の外壁面）に配置されるとともに、他方の第２超音波振動子１９は第１の外壁面１７ｅと直交する第２の外壁面１７ｆ（図１１では長辺側の外壁面）に配置されている。また、配管１７において一対の第２超音波振動子１８，１９が配置される側壁の厚さは等しく、その配管１７内に形成される流路は、水平方向の幅ｄ１（内壁面１７ａ，１７ｂの間隔）が垂直方向の幅ｄ２（内壁面１７ｃ，１７ｄの間隔）の２倍となっている。なお、図１１の配管１７では、紙面の手前側から奥行き方向に流体Ｗが流れる。
【００９８】
このように第２センサ部１２を構成した場合、各内壁面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄで反射する反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２は、上式（８），（９）の関係が成り立つ。従って、本実施の形態でも、上記第１の実施の形態と同様に、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求めることができ、さらには、流体Ｗの密度ρを求めることができる。また、上記第１の実施の形態のように、各超音波振動子１８，１９を流体Ｗの流通方向（上流側または下流側の方向）にずらして配置する必要がないため、超音波流量計２をコンパクトに形成することが可能となる。
【００９９】
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。
【０１００】
・上記第３の実施の形態において、第２センサ部１２における配管１７の上流側と下流側とは、音響インピーダンスＺ０１，Ｚ０２が異なる配管部材５７，５８で形成するものであったが、図１２に示されるように、超音波の反射面となる内壁面１７ｂの一部を配管１７とは音響インピーダンスが異なる材質からなる反射板５９で形成してもよい。このように第２センサ部１２を形成した場合でも、各内壁面１７ａ，１７ｂにおける反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度に基づいて、配管１７を流れる流体Ｗの音響インピーダンスＺｆや密度ρを求めることができる。
【０１０１】
・上記各実施の形態では、超音波流量計２の第２センサ部１２における第２超音波振動子１８，１９を用いて流体Ｗの音速Ｃを求めるものであったが、これに限定されるものではない。例えば、第１センサ部１１の第１超音波振動子１５，１６を用いて超音波の伝搬時間差から流体Ｗの音速Ｃを求めてもよい。その具体的な算出方法について説明する。超音波流量計２において、第１センサ部１１の流路長をＬ、流体Ｗの音速Ｃ、流速Ｖとした場合、流体Ｗの流れの正方向に伝搬した超音波の伝搬時間Ｔｄと逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間Ｔｕは、上記式（１），（２）で表すことができる。そのため、それら式（１），式（２）により、音速Ｃは次式（１３）のように表すことができる。
【数１３】
【０１０２】
従って、第１センサ部１１において正逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間Ｔｄ，Ｔｕを計測し、各伝搬時間Ｔｄ，Ｔｕを上記式（１３）に代入して演算することにより、流体Ｗの音速Ｃを求めることができる。そして、この音速Ｃを用いて上記各実施の形態と同様に流体Ｗの音響インピーダンスＺｆや密度ρを求めることができる。
【０１０３】
・上記第１の実施の形態では、密度ρ及び音速Ｃにより流体Ｗの種類を特定するものであったが、これに限定されるものではない。密度ρに代えて音響インピーダンスＺｆを用いて流体Ｗの種類を特定するように構成してもよい。ただし、この場合には、複数種類の流体Ｗの音速Ｃ、音響インピーダンスＺｆ、動粘度係数 に関するデータをメモリ２４に記憶しておき、そのデータを使用して流体Ｗの種類を特定する。また、使用する流体Ｗの種類によっては、密度ρや音響インピーダンスＺｆのみで特定が可能な場合もあるので、その場合には、音速Ｃを使用しないで、算出した密度ρや音響インピーダンスＺｆにより流体Ｗの特定を行うようにしてもよい。また、第２の実施の形態においても、密度ρに代えて音響インピーダンスＺｆを用いて流体Ｗの濃度Ｘを求めるように構成してもよし、密度ρや音響インピーダンスＺｆに加えて音速Ｃを用いて流体Ｗの濃度Ｘを求めるように構成してもよい。
【０１０４】
・上記各実施の形態では、温度が一定（例えば、２０℃）に保たれる流体供給システム１，１Ａに具体化していたが、これに限定されるものではない。流体Ｗの温度が変化する場合には、第１センサ部１１の配管１４や第２センサ部１２の配管１７の途中にサーミスタなどの温度センサ５６（温度検出手段）を設け（図１３参照）、流体Ｗの温度を流体Ｗの密度ρと同時に測定する。また、温度に応じた密度ρや動粘度係数 などのデータをメモリ２４に記憶しておく。そして、温度センサ５６で検出した温度に応じたデータを参照し、必要時には補間や直線近似などの演算を行うことにより、密度ρや動粘度係数 を求める。このようにすれば、流体Ｗの温度が変化した場合でも、流体Ｗの種類の特定を確実に行うことができ、温度に応じた流量補正を行うことができる。
【０１０５】
上記各実施の形態では、第１センサ部１１において、流体Ｗの流れと平行な方向に超音波が伝搬するよう一対の超音波振動子１５，１６を配置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、流体Ｗ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各超音波振動子１５，１６を設けてもよい。
【０１０６】
・上記各実施の形態では、波形信号の相関関数を求め、相関値によって測定に有効な波形信号を判定するように構成していたが、これに限定されるものではない。例えば、気泡などを含まない流体Ｗを測定する場合には、信頼性の高い波形信号を確実に取得できるので、相関関数を算出する必要はなく、取得した波形信号をそのまま利用して伝搬時間差を算出してもよい。
【０１０７】
・上記各実施の形態において、第１センサ部１１を省略し、第２センサ部１２と制御装置２０とにより、流体Ｗの濃度Ｘまたは動粘度係数 を測定する超音波計測器として具体化してもよい。この超音波計測器では、第２センサ部１２で求めた流体Ｗの音速Ｃと音響インピーダンスＺｆとの２つのパラメータを使用して濃度Ｘまたは動粘度係数 を正確に求めることができる。
【０１０８】
・上記各実施の形態では、半導体製造ラインの液体供給システム１や燃料電池の液体供給システム１に超音波流量計２を用いるものであったが、これに限定されるものではない。例えば、所定の化学反応を進行させる装置などに超音波流量計２を用いることにより、流体Ｗにおいて反応に寄与している成分の濃度Ｘや流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求め、反応の進行度合や反応効率を把握するようにしてもよい。
【０１０９】
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。
【０１１０】
（１）手段１において、前記管路に設けられ、前記管路を流れる流体の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記記憶手段には、前記流体の温度に応じた前記音響パラメータのデータが記憶され、前記流体特定手段は、前記温度検出手段が検出した温度に応じたデータを参照することにより、前記流体の種類を特定することを特徴とする超音波流量計。
【０１１１】
（２）技術的思想（１）において、前記流量補正手段は、前記流体の種類及び流体の温度に基づいて、前記流体の流量を補正することを特徴とする超音波流量計。
【０１１２】
（３）手段１において、前記記憶手段には、複数種類の流体について前記音響パラメータに対応した流体の粘度または動粘度係数のデータが記憶され、前記流量補正手段は、前記流体特定手段が特定した流体の種類に応じた前記データに基づいて、前記流体の粘度または動粘度係数を算出し、その算出結果に基づいて前記流量を補正することを特徴とする超音波流量計。
【０１１３】
（４）手段２において、前記流体特定手段は、前記音響インピーダンス及び前記密度のいずれかの音響パラメータ、またはその音響パラメータと前記音速とに基づいて、前記流体の種類を特定することを特徴とする超音波流量計。
【０１１４】
（５）手段１または２において、前記補正した流量と、前記特定した流体の種類の情報とを表示する表示手段をさらに備えたことを特徴とする超音波流量計。
【符号の説明】
【０１１５】
１…流体供給システム
２…超音波流量計
３〜６，５１…流体供給用管路
７…流体出力用管路
９…切り替え手段としての切り替えバルブ
１１…第１センサ部
１２…第２センサ部
１４…管路を構成する配管
１７…管路を構成する配管
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ…内壁面
２０…制御手段としての制御装置
２１…音速算出手段、流量算出手段、音響パラメータ算出手段、流体特定手段、流量補正手段としてのＣＰＵ
２４…記憶手段としてのメモリ
５２…濃度調整手段としての濃度調整器
５４…流量調整手段としての流量調整バルブ
５５…制御手段としてのコントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を流す流路を構成する管路に設けられ、前記管路内において前記流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を受信してそれらの伝搬時間差を検出するための第１センサ部と、
前記管路に設けられ、前記管路を流れる流体に超音波を伝搬させ、前記管路の内壁面で反射した超音波を受信してその信号強度と伝搬時間とを検出するための第２センサ部と、
前記第１センサ部で検出した超音波の伝搬時間差に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出手段と、
前記第２センサ部で検出した反射波の信号強度と前記管路を構成する材質の音響インピーダンスとに基づいて、前記流体の音響パラメータを求める音響パラメータ算出手段と、
複数種類の流体の音響パラメータに関するデータを記憶する記憶手段と、
前記データと前記音響パラメータ算出手段が算出した前記音響パラメータとに基づいて、前記管路を流れる流体の種類を特定する流体特定手段と、
前記流体の種類に応じて前記流量算出手段が算出した前記流体の流量を補正する流量補正手段と
を備えたことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記第１センサ部または前記第２センサ部で検出した超音波の伝搬時間とその超音波の伝搬距離とに基づいて、前記流体の音速を求める音速算出手段を備え、
前記音響パラメータ算出手段は、前記流体の音響インピーダンスを算出する手段、またはその音響インピーダンスと前記音速とに基づいて前記流体の密度を算出する手段である
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
流体を流す流路を構成する管路に設けられ、前記管路を流れる流体に超音波を伝搬させ、前記管路の内壁面で反射した超音波を受信してその信号強度と伝搬時間とを検出するためのセンサ部と、
前記センサ部で検出した超音波の伝搬時間とその超音波の伝搬距離とに基づいて、前記流体の音速を求める音速算出手段と、
前記センサ部で検出した反射波の信号強度と前記管路を構成する材質の音響インピーダンスとに基づいて、前記流体の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス算出手段と
を備え、前記音速及び前記音響インピーダンスに基づいて、前記流体の濃度または動粘度係数を求めることを特徴とする超音波計測器。
【請求項４】
請求項１または２に記載の超音波流量計と、
複数種類の流体がそれぞれ供給される複数本の流体供給用管路と、
前記超音波流量計が設けられる流体出力用管路と、
前記複数本の流体供給用管路と流体出力用管路とが接続され、前記各流体供給用管路から供給される複数種類の流体のうちのいずれか１つの流体を前記流体出力用管路に供給する切り替え手段と
を備え、
前記超音波流量計は、前記切り替え手段を介して前記流体出力用管路内に選択的に供給される流体の種類を特定し、特定した種類に応じて流体の流量を補正する
ことを特徴とする流体供給システム。
【請求項５】
請求項１または２に記載の超音波流量計と、
前記超音波流量計が設けられる流体供給用管路と、
前記管路に供給する流体の濃度を調整する濃度調整手段と、
前記管路に供給する流体の流量を調整する流量調整手段と、
前記濃度調整手段及び前記流量調整手段を制御する制御手段と
を備え、
前記超音波流量計は、前記管路を流れる流体の濃度を求めるとともに、その流体の流量を求め、その濃度及び流量を前記制御手段に出力する
ことを特徴とする流体供給システム。
【請求項１】
流体を流す流路を構成する管路に設けられ、前記管路内において前記流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を受信してそれらの伝搬時間差を検出するための第１センサ部と、
前記管路に設けられ、前記管路を流れる流体に超音波を伝搬させ、前記管路の内壁面で反射した超音波を受信してその信号強度と伝搬時間とを検出するための第２センサ部と、
前記第１センサ部で検出した超音波の伝搬時間差に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出手段と、
前記第２センサ部で検出した反射波の信号強度と前記管路を構成する材質の音響インピーダンスとに基づいて、前記流体の音響パラメータを求める音響パラメータ算出手段と、
複数種類の流体の音響パラメータに関するデータを記憶する記憶手段と、
前記データと前記音響パラメータ算出手段が算出した前記音響パラメータとに基づいて、前記管路を流れる流体の種類を特定する流体特定手段と、
前記流体の種類に応じて前記流量算出手段が算出した前記流体の流量を補正する流量補正手段と
を備えたことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記第１センサ部または前記第２センサ部で検出した超音波の伝搬時間とその超音波の伝搬距離とに基づいて、前記流体の音速を求める音速算出手段を備え、
前記音響パラメータ算出手段は、前記流体の音響インピーダンスを算出する手段、またはその音響インピーダンスと前記音速とに基づいて前記流体の密度を算出する手段である
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
流体を流す流路を構成する管路に設けられ、前記管路を流れる流体に超音波を伝搬させ、前記管路の内壁面で反射した超音波を受信してその信号強度と伝搬時間とを検出するためのセンサ部と、
前記センサ部で検出した超音波の伝搬時間とその超音波の伝搬距離とに基づいて、前記流体の音速を求める音速算出手段と、
前記センサ部で検出した反射波の信号強度と前記管路を構成する材質の音響インピーダンスとに基づいて、前記流体の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス算出手段と
を備え、前記音速及び前記音響インピーダンスに基づいて、前記流体の濃度または動粘度係数を求めることを特徴とする超音波計測器。
【請求項４】
請求項１または２に記載の超音波流量計と、
複数種類の流体がそれぞれ供給される複数本の流体供給用管路と、
前記超音波流量計が設けられる流体出力用管路と、
前記複数本の流体供給用管路と流体出力用管路とが接続され、前記各流体供給用管路から供給される複数種類の流体のうちのいずれか１つの流体を前記流体出力用管路に供給する切り替え手段と
を備え、
前記超音波流量計は、前記切り替え手段を介して前記流体出力用管路内に選択的に供給される流体の種類を特定し、特定した種類に応じて流体の流量を補正する
ことを特徴とする流体供給システム。
【請求項５】
請求項１または２に記載の超音波流量計と、
前記超音波流量計が設けられる流体供給用管路と、
前記管路に供給する流体の濃度を調整する濃度調整手段と、
前記管路に供給する流体の流量を調整する流量調整手段と、
前記濃度調整手段及び前記流量調整手段を制御する制御手段と
を備え、
前記超音波流量計は、前記管路を流れる流体の濃度を求めるとともに、その流体の流量を求め、その濃度及び流量を前記制御手段に出力する
ことを特徴とする流体供給システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−２６１８７３（Ｐ２０１０−２６１８７３Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１４０４９（Ｐ２００９−１１４０４９）
【出願日】平成２１年５月９日（２００９．５．９）
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月９日（２００９．５．９）
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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