超音波流量計
【課題】流速にかかわらず流体の流量を正確に測定することができる超音波流量計を提供すること。
【解決手段】超音波流量計は、第１センサ部１１において流体Ｗの流れの正逆方向に超音波Ｓ１，Ｓ２を伝搬させ、それら超音波Ｓ１，Ｓ２の伝搬時間差に基づいて、流体Ｗの体積流量を算出する。第２センサ部１２において流体Ｗの流れと平行な方向に超音波Ｓ３を伝搬させ、各内壁面１４ｂ，１４ｃで反射した反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度を取得する。各信号強度と計測管１４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の音響インピーダンスを求め、さらに音響インピーダンスに基づいて密度を求める。その密度と体積流量とを乗算することで、流体Ｗの質量流量を求める。
【解決手段】超音波流量計は、第１センサ部１１において流体Ｗの流れの正逆方向に超音波Ｓ１，Ｓ２を伝搬させ、それら超音波Ｓ１，Ｓ２の伝搬時間差に基づいて、流体Ｗの体積流量を算出する。第２センサ部１２において流体Ｗの流れと平行な方向に超音波Ｓ３を伝搬させ、各内壁面１４ｂ，１４ｃで反射した反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度を取得する。各信号強度と計測管１４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の音響インピーダンスを求め、さらに音響インピーダンスに基づいて密度を求める。その密度と体積流量とを乗算することで、流体Ｗの質量流量を求める。
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を利用して流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）。この超音波流量計では、測定用流体が流れる配管の上流側及び下流側に超音波振動子を設け、超音波振動子を用いて超音波を送受信する。そして、上流側から下流側に伝搬する超音波の伝搬時間と下流側から上流側に伝搬する超音波の伝搬時間との時間差に基づいて測定用流体の流速を求め、その流速に配管の断面積を乗算することで流体の体積流量を求めている。
【０００３】
また、超音波を利用して流体の密度を計測し、その密度と体積流量とを乗算することで流体の質量流量を求める超音波流量計が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２の超音波流量計では、管路内において流体の流れの直交する方向に超音波を伝搬させて、管路の内壁面で反射した超音波の信号強度を受信する。そして、その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を求め、さらに、その音響インピーダンスと流体の音速とに基づいて、流体の密度を求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１６２２６９号公報
【特許文献２】特開２００８−３０４２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献２の超音波流量計では、管路内において流体の流れの直交する方向に超音波を伝搬させて反射波の信号強度を検出している。その超音波流量計において管路を流れる流体の流速が音速と比較して十分に遅い場合には、測定誤差が少なく質量流量を計測することができる。しかしながら、流体の流速が速くなると、流体中を超音波が伝搬する際にその流体の流れによって超音波が下流側に流されてしまい、超音波の伝搬経路が延伸される。具体的には、特許文献２の超音波流量計において、音響放射の中心軸が流体の流れと直交するように超音波振動子を配置している。ここで、流体の音速をＣとし、流速をＶとする場合、ａｔａｎ（Ｖ／Ｃ）で求まる角度だけ、超音波振動子から上流方向に傾いた角度で放射された超音波が、対向する壁面で反射して超音波振動子で受信されることとなる。この場合、超音波の伝搬経路の延伸によって音速Ｃの計測誤差が生じる。さらに、超音波振動子における音響放射の中心軸からのズレによって、受信される信号強度が変化し、それに伴い音響インピーダンスの測定誤差が生じてしまう。
【０００６】
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、流体の流速にかかわらず正確な流量を求めることができる超音波流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、前記管路内において前記流体の流れと平行な方向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体積流量を算出する流量算出手段と、前記第２センサ部で受信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、前記流体の音響パラメータと前記音速とに基づいて、前記流体の体積流量を質量流量に変換する演算処理、または前記流体の種類を特定してその種類に応じて体積流量を補正する演算処理を行う演算処理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。
【０００８】
従って、手段１に記載の発明によると、第２センサ部において、流体の流れと平行な方向に超音波が伝搬されて、反射波の信号強度と伝搬時間とが検出される。この場合、超音波を流体の流れと平行な方向に伝搬させているので、管路を流れる流体の流速が速くなったとしても、従来技術のように超音波の伝搬距離が変化することはなく、測定誤差が生じることはない。従って、流体の流速にかかわらず、反射波の信号強度や超音波の伝搬時間を正確に測定することができる。このため、音響パラメータ算出手段により、反射波の信号強度に基づいて、流体の音響パラメータを正確に求めることができる。また、第２センサ部で検出した超音波の伝搬時間に基づいて、流体中の音速を正確に求めることができる。そして、演算処理手段により、その音響パラメータや音速に基づいて、流体の質量流量や体積流量をより正確に求めることが可能となる。
【０００９】
手段２に記載の発明は、手段１において、前記第１センサ部は、所定の長さを有する第１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第１超音波振動子を有し、前記第２センサ部は、前記第１流路とは異なる長さを有する第２流路の上流側または下流側に配置された第２超音波振動子を有し、前記第１センサ部は、前記管路の内壁面で反射した超音波を前記第１超音波振動子で受信してその信号強度を検出する機能を有し、前記音響パラメータ算出手段は、前記第２超音波振動子で受信した反射波の信号強度に加えて、前記第１超音波振動子で受信した反射波の信号強度に基づいて、前記流体の音響パラメータを求めることをその要旨とする。
【００１０】
従って、手段２に記載の発明によれば、第１センサ部において、第１の流路の上流側及び下流側において対向するように一対の第１超音波振動子が配置されている。これら一対の第１超音波振動子の間で超音波を送受信することにより、流体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、それら超音波の伝搬時間差を検出することができる。また、第２センサ部において、第２流路の上流側または下流側に第２超音波振動子が配置されている。この第２超音波振動子により、流体の流れと平行な方向に超音波を伝搬させ、管路の内壁面で反射した反射波の信号強度が検出される。さらに、第１超音波振動子により、管路の内壁面で反射した反射波の信号強度が検出される。ここで、第１センサ部の第１流路と第２センサ部の第２流路とは長さが異なる。このため、第１超音波振動子で検出される反射波と第２超音波振動子で検出される反射波とでは信号強度が異なり、その信号強度の差に基づいて、流体の音響パラメータを求めることができる。またこの構成では、第１センサ部の第１超音波振動子は、体積流量を算出するための超音波の伝搬時間検出用振動子として使用されるのに加えて、音響パラメータを求めるための反射波の信号強度検出用振動子としても使用される。このようにすると、第２センサ部において反射波の信号強度を検出する超音波振動子の数を１つに減らすことができ、超音波流量計の製造コストを抑えることができる。
【００１１】
手段３に記載の発明は、手段１において、前記第１センサ部は、所定の長さを有する第１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第１超音波振動子を有し、前記第２センサ部は、前記第１流路とは異なる長さを有する第２流路の上流側または下流側に配置された第２超音波振動子を有するとともに、前記第２流路とは異なる長さを有する第３流路の上流側または下流側に配置された第３超音波振動子を有し、前記音響パラメータ算出手段は、前記第２センサ部における前記第２超音波振動子で受信した反射波の信号強度と前記第３超音波振動子で受信した反射波の信号強度とに基づいて、前記流体の音響パラメータを求めることをその要旨とする。
【００１２】
従って、手段３に記載の発明によれば、第１センサ部において、第１流路の上流側及び下流側において対向するように一対の第１超音波振動子が配置されている。これら一対の第１超音波振動子の間で超音波を送受信することにより、流体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、それら超音波の伝搬時間差を検出することができる。また、第２センサ部において、第２流路の上流側または下流側に第２超音波振動子が配置されるとともに、第３流路の上流側または下流側に第３超音波振動子が配置されている。この第２超音波振動子により、流体の流れと平行な方向に超音波を伝搬させ、管路の内壁面で反射した反射波の信号強度が検出される。さらに、第３超音波振動子により、流体の流れと平行な方向に超音波を伝搬させ、管路の内壁面で反射した反射波の信号強度が検出される。ここで、第２センサ部における第２流路と第３流路とは長さが異なる。このため、第２超音波振動子で検出される反射波と第３超音波振動子で検出される反射波とでは信号強度が異なり、その信号強度の差に基づいて、音響パラメータを求めることができる。
【００１３】
手段４に記載の発明は、手段１において、前記第１センサ部は、所定の長さを有する第１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第１超音波振動子を有し、前記第２センサ部は、前記第１流路とは異なる長さを有する第２流路の上流側または下流側に配置された第２超音波振動子を有するとともに、前記第２流路と同じ長さを有する第３流路の上流側または下流側に配置された第３超音波振動子を有し、前記第２流路における超音波の反射面の材質と前記第３流路における超音波の反射面の材質とが異なるように前記管路を設け、前記音響パラメータ算出手段は、前記第２センサ部における前記第２超音波振動子で受信した反射波の信号強度と前記第３超音波振動子で受信した反射波の信号強度とに基づいて、前記流体の音響パラメータを求めることをその要旨とする。
【００１４】
従って、手段４に記載の発明によると、第１センサ部において、第１の流路の上流側及び下流側において対向するように一対の第１超音波振動子が配置されている。これら一対の第１超音波振動子の間で超音波を送受信することにより、流体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、それら超音波の伝搬時間差を検出することができる。また、第２センサ部において、第２流路の上流側または下流側に第２超音波振動子が配置されるとともに、第３流路の上流側または下流側に第３超音波振動子が配置されている。この第２超音波振動子により、流体の流れと平行な方向に超音波を伝搬させ、管路の内壁面で反射した反射波の信号強度が検出される。さらに、第３超音波振動子により、流体の流れと平行な方向に超音波を伝搬させ、管路の内壁面で反射した反射波の信号強度が検出される。ここで、第２流路と第３流路とは長さが同じであるが、第２流路における超音波の反射面の材質と第３流路における超音波の反射面の材質とが異なっている。このため、第２超音波振動子で検出される反射波と第３超音波振動子で検出される反射波とでは信号強度が異なり、その信号強度の差に基づいて、音響パラメータを求めることができる。
【００１５】
また、手段３及び手段４の発明では、第１センサ部は、超音波の伝搬時間差によって流量を求めるための一般的な流量計と同じ構成であるため、その流量計を第１センサ部として用いるとこにより、部品コストを抑えることができる。さらに、第１流路よりも第２流路及び第３流路の長さを短くすることにより、流体中を伝搬する際の超音波の減衰が抑えられる。これにより、反射波の信号強度を確実に検出することができ、音響パラメータの測定精度を十分に確保することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上詳述したように、請求項１〜４に記載の発明によると、流体の流速にかかわらず正確な流量を求めることができる超音波流量計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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超音波流量計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】各反射波の伝搬時間を示すタイミングチャート。
【図５】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６】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７】第３の実施の形態における超音波流量計の概略構成を示す断面図。
【図８】第４の実施の形態における超音波流量計の概略構成を示す断面図。
【図９】第５の実施の形態における超音波流量計の概略構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［第１の実施の形態］
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施の形態の流体供給システム１を示す概略構成である。流体供給システム１は、例えば、半導体製造ラインにおいて、半導体洗浄用の薬液を供給するために用いられる。
【００１９】
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、超音波流量計２が設けられる流体供給用管路３と、流体供給用管路３の途中に設けられる流量調整バルブ５と、流量調整バルブ５を制御するコントローラ６とを備える。流体供給システム１において、超音波流量計２で計測された体積流量または質量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が流量調整バルブ５の開度を制御することにより、流体供給用管路３を流れる流体Ｗ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。
【００２０】
以下、超音波流量計２の具体的な構成について詳述する。
【００２１】
図１及び図２に示されるように、超音波流量計２は、クランク状に屈曲した形状を有する配管１０（管路）と、その配管１０に設けられる第１センサ部１１及び第２センサ部１２とを備える。超音波流量計２の配管１０は、直管状の第１流量計測管１３と、第１流量計測管１３の下流側にてその計測管１３と平行に配置される直管状の第２流量計測管１４と、各計測管１３，１４を連結する連結管１７とを有している。本実施の形態の配管１０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いる。配管１０において、第１流量計測管１３内に形成される第１流路１３ａの長さＬ１は、例えば１０ｃｍであり、第２流量計測管１４内に形成される第２流路１４ａの長さＬ２は、第１流路１３ａの長さＬ１よりも短く、例えば６ｃｍ程度である。また、各流路１３ａ，１４ａの断面形状は円形であり、その口径は１０ｍｍ程度である。
【００２２】
第１センサ部１１は、第１流量計測管１３と、その第１流量計測管１３における第１流路１３ａ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第１超音波振動子１５，１６とを有する。また、第２センサ部１２は、第２流量計測管１４と、その第２流量計測管１４における第２流路１４ａの上流側に配置される第２超音波振動子１８とを有する。各第１超音波振動子１５，１６は、第１流量計測管１３の各端部内に埋設されており、第２超音波振動子１８は、第２流量計測管１４における上流側の端部内に埋設されている。第１流量計測管１３及び第２流量計測管１４において、各第１超音波振動子１５，１６及び第２超音波振動子１８は、各流路１３ａ，１４ａまでの距離が等しくなる位置に固定されている。
【００２３】
第１センサ部１１において、上流側の第１超音波振動子１５は、第１流路１３ａを流れる流体Ｗの流れの正方向に超音波Ｓ１を伝搬させ、その正方向に伝搬した超音波Ｓ１を下流側の第１超音波振動子１６で受信する。また、下流側の第１超音波振動子１６は、第１流路１３ａを流れる流体Ｗの流れの逆方向に超音波Ｓ２を伝搬させ、その逆方向に伝搬した超音波Ｓ２を上流側の第１超音波振動子１５で受信する。さらに、上流側の第１超音波振動子１５は、超音波Ｓ１が第１流路１３ａに入射する際にその内壁面１３ｂで反射した反射波Ｓ１１を受信するとともに、超音波Ｓ１が第１流路１３ａの流体Ｗを伝搬して対向する内壁面１３ｃで反射した反射波Ｓ１２を受信する。なお、第１超音波振動子１５，１６の音響放射の中心軸が第１流路１３ａの中心軸と一致するよう第１超音波振動子１５，１６が配置されており、それら第１超音波振動子１５，１６から発せられた超音波Ｓ１，Ｓ２は、第１流路１３ａの端面となる各内壁面１３ｂ，１３ｃ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。
【００２４】
第２センサ部１２において、第２超音波振動子１８は、流体Ｗの流れと平行な方向に超音波Ｓ３を伝搬させる。また、第２超音波振動子１６は、超音波Ｓ３が第２流路１４ａに入射する際にその内壁面１４ｂで反射した反射波Ｓ３１を受信するとともに、第２流路１４ａ中の流体Ｗを伝搬して対向する内壁面１４ｃで反射した反射波Ｓ３２を受信する。なお、第２超音波振動子１８の音響放射の中心軸が第２流路１４ａの中心軸と一致するよう第２超音波振動子１８が配置されており、その第２超音波振動子１８から発せられた超音波Ｓ３は、第２流路１４ａの端面となる各内壁面１４ｂ，１４ｃ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。
【００２５】
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の第２超音波振動子１８には、制御装置２０が電気的に接続されている。
【００２６】
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。
【００２７】
第１信号処理回路２２は、パルス発生回路、受信回路、検波回路、Ａ／Ｄ変換回路、及びタイマ等を備え、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したり、超音波Ｓ１，Ｓ２の伝搬時間や反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度を検出したりする。
【００２８】
ここで、第１信号処理回路２２から上流側の第１超音波振動子１５に駆動パルスが供給されると、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Ｓ１が出力される。第１超音波振動子１５から出力された超音波Ｓ１は、第１流量計測管１３の内壁を介してその内側の第１流路１３ａを流れる流体Ｗに伝搬する。このとき、超音波Ｓ１の一部は、計測管１３と流体Ｗとの界面（第１流路１３ａの上流側端面となる内壁面１３ｂ）で反射するとともに、一部が第１流路１３ａ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。またこのとき、超音波Ｓ１が第１流路１３ａに入射する際に内壁面１３ｂで反射した反射波Ｓ１１が上流側の第１超音波振動子１５で受信されるとともに、第１流路１３ａ中の流体Ｗを伝搬して対向する内壁面１３ｃ（第１流路１３ａの下流側端面となる内壁面）で反射した反射波Ｓ１２が上流側の第１超音波振動子１５で受信され、電気信号に変換される。また、第１信号処理回路２２から下流側の第１超音波振動子１６に駆動パルスが供給されると、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Ｓ２が出力される。そして、その超音波Ｓ２は、第１流路１３ａ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、電気信号に変換される。
【００２９】
第１信号処理回路２２は、各第１超音波振動子１５，１６で受信された超音波Ｓ１，Ｓ２の信号や反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号を取り込み、信号増幅処理や検波処理等を行うことで、超音波Ｓ１，Ｓ２や反射波Ｓ１１，Ｓ１２に対応する１パルス分の超音波信号を抽出する。そして、第１信号処理回路２２は、これら超音波信号に基づいて、流体Ｗの流れの正方向に伝搬した超音波Ｓ１の伝搬時間や逆方向に伝搬した超音波Ｓ２の伝搬時間を計測するとともに、第１流路１３ａに入射する際にその内壁面１３ｂで反射した反射波Ｓ１１の伝搬時間を計測する。さらに、第１信号処理回路２２は、各反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度を検出する。そして、第１信号処理回路２２は、計測した伝搬時間のデータや信号強度のデータをＣＰＵ２１に出力し、ＣＰＵ２１は、それらデータを取り込んで、メモリ２４に一旦記憶する。
【００３０】
また、第２信号処理回路２３も同様に、パルス発生回路、受信回路、検波回路、Ａ／Ｄ変換回路等を備え、第２超音波振動子１８を駆動するための駆動信号を出力したり、反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度を検出したりする。
【００３１】
ここで、第２信号処理回路２３から第２超音波振動子１８に駆動パルスが供給されると、その第２超音波振動子１８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Ｓ３が出力される。第２超音波振動子１８から出力された超音波Ｓ３は、第２流量計測管１４の内壁を介してその内側の第２流路１４ａを流れる流体Ｗに伝搬する。このとき、超音波Ｓ３の一部は、計測管１４と流体Ｗとの界面（第２流路１４ａの上流側端面となる内壁面１４ｂ）で反射する。また、超音波Ｓ３の一部は、第２流路１４ａの流体Ｗ中を伝搬して、対向する内壁面１４ｃで反射する。そして、これらの反射波Ｓ３１，Ｓ３２が第２超音波振動子１８で受信され、電気信号に変換される。
【００３２】
第２信号処理回路２３は、第２超音波振動子１８で受信された反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号を取り込み、信号増幅処理や検波処理等を行うことで、反射波Ｓ３１，Ｓ３２に対応する１パルス分の超音波信号を抽出する。そして、第２信号処理回路２３は、その超音波信号に基づいて、各反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度を検出し、各反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度のデータをＣＰＵ２１に出力する。ＣＰＵ２１は、それらデータを取り込んで、メモリ２４に一旦記憶する。
【００３３】
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、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。
【００３４】
表示装置２６は、例えば液晶ディスプレイであり、音速、密度、体積流量、及び質量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、測定した流量に関するデータをコントローラ６に転送する。
【００３５】
次に、本実施の形態における流体Ｗ中の音速、流速、及び体積流量の具体的な算出方法について説明する。
【００３６】
まず、第１センサ部１１において、上流側の第１超音波振動子１５から超音波Ｓ１を送信する。この超音波Ｓ１の送信タイミング（図４ではｔ＝０）を基準として、内壁面１３ｂでの反射波Ｓ１１が第１超音波振動子１５で受信されるまでの時間ｔ０を計測するとともに、第１流路１３ａにおける流体Ｗの流れの正方向に伝搬した超音波Ｓ１が第１超音波振動子１６で受信されるまでの時間ｔ１を計測する（図４参照）。
【００３７】
その後、第１センサ部１１において、下流側の第１超音波振動子１６から超音波Ｓ２を送信する。この超音波Ｓ２の送信タイミング（ｔ＝０）を基準として、第１流路１３ａにおける流体Ｗ中の流れの逆方向に伝搬した超音波Ｓ２が第１超音波振動子１５で受信されるまでの時間ｔ２を計測する（図４参照）。
【００３８】
本実施の形態の超音波流量計２では、各第１超音波振動子１５，１６から第１流路までの距離が等しくなるよう各振動子１５，１６を固定している。このため、第１超音波振動子１６側での第１流路１３ａの内壁面１３ｃの反射波の伝搬時間は第１超音波振動子１５側と同様に時間ｔ０となる。
【００３９】
従って、第１センサ部１１の第１流路１３ａの流体Ｗ中を正方向へ伝搬する超音波Ｓ１の伝搬時間Ｔ１は、次式（１）で求められる。
【数１】
【００４０】
また、第１流路１３ａの流体Ｗ中を逆方向へ伝搬する超音波Ｓ２の伝搬時間Ｔ２は、次式（２）で求められる。
【数２】
【００４１】
従って、各時間ｔ０，ｔ１，ｔ２の計測値を式（１），（２）に代入することにより、第１流路１３ａにおける正方向への超音波Ｓ１の伝搬時間Ｔ１と逆方向への超音波Ｓ２の伝搬時間Ｔ２とを求めることができる。
【００４２】
ここで、第１センサ部１１の第１流路１３ａの長さをＬ１、流体Ｗ中の音速をＣ、流速をＶとすると、各伝搬時間Ｔ１，Ｔ２は、次式（３），（４）で表すことができる。
【数３】
【数４】
【００４３】
これら式（３），（４）により、音速Ｃ及び流速Ｖは次式（５），（６）のように表すことができる。
【数５】
【数６】
【００４４】
そして、これら式（５），（６）に、上式（１），（２）で算出した伝搬時間Ｔ１，Ｔ２を代入することにより、流体Ｗの音速Ｃと流速Ｖとを求めることができる。また、第１流路１３ａの断面積をＡとすると、次式（７）によって流体Ｗの体積流量Ｑが求められる。
【数７】
【００４５】
なお、実際の流量測定時には、第１流量計測管１３の両端のコーナー部において流体Ｗの流れが乱れる。また、第１流量計測管１３において中央部の方が側壁側よりも流体Ｗの流れが速くなる。従って、この流体Ｗ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。
【００４６】
次に、流体Ｗの音響インピーダンス、密度、及び質量流量の算出方法について説明する。
【００４７】
第１センサ部１１において、上流側の第１超音波振動子１５から発せられた超音波Ｓ１の一部は、第１流路１３ａに入射する際にその内壁面１３ｂで反射するとともに、一部が第１流路１３ａの流体Ｗ中を伝搬して下流側の内壁面１３ｃでも反射する。また、第２センサ部１２において、第２超音波振動子１８から発せられた超音波Ｓ２の一部は、第２流路１４ａに入射する際にその内壁面１４ｂで反射するとともに、一部が第２流路１４ａの流体Ｗ中を伝搬して下流側の内壁面１４ｃでも反射する。
【００４８】
これら内壁面１３ｂ，１３ｃ，１４ｂ，１４ｃでの各反射波Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度は、次式（８），（９）の関係が成り立つ。
【数８】
【数９】
【００４９】
ここで、αは、流体Ｗの減衰定数であり、Ｚ０は、配管１０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。
【００５０】
式（８）により、各反射波Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度から、次式（１０）のように流体Ｗの減衰定数αが求められる。
【数１０】
【００５１】
また、上式（９）により次式（１１）の２次方程式の関係が成り立つ。
【数１１】
【００５２】
そして、各反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度と音響インピーダンスＺ０と減衰定数αとに基づいて、上式(１１)の２次方程式の解を求めることにより、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求めることができる。
【００５３】
また、流体Ｗの密度ρは、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆと音速Ｃとに基づいて次式（１２）により求められる。
【数１２】
【００５４】
さらに、上式（７）で求めた体積流量Ｑと上式（１２）で求めた密度ρとを乗算することにより次式（１３）のように流体Ｗの質量流量Ｍが求められる。
【数１３】
【００５５】
次に、本実施の形態において、流体Ｗの各パラメータを測定するための処理例について図５のフローチャートを用いて説明する。なお、図５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。
【００５６】
まず、ＣＰＵ２１は、第１信号処理回路２２を動作させ、第１センサ部１１における上流側の第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１００）。これにより、第１センサ部１１の各第１超音波振動子１５，１６において、流体Ｗの流れの正方向及び逆方向に超音波Ｓ１，Ｓ２の送受信が行われる。このとき、第１信号処理回路２２において、各超音波振動子１５，１６による超音波Ｓ１，Ｓ２の送信タイミングを基準（図４ではｔ＝０）として、第１超音波振動子１５にて反射波Ｓ１１が受信されるまでの時間ｔ０、第１超音波振動子１６にて超音波Ｓ１が受信されるまでの時間ｔ１、及び第１超音波振動子１５にて超音波Ｓ２が受信されるまでの時間ｔ２が計測される（図４参照）。またこのとき、第１信号処理回路２２において、第１超音波振動子１５で受信した各反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度が検出される。そして、ＣＰＵ２１は、それら時間ｔ０，ｔ１，ｔ２及び各反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度のデータを第１信号処理回路２２から取り込み、メモリ２４に一旦記憶する。
【００５７】
また、ＣＰＵ２１は、第１信号処理回路２２の動作と並行して、第２信号処理回路２３を動作させ、第２センサ部１２における第２超音波振動子１８に対して駆動パルスを供給する。これにより、第２センサ部１２の第２超音波振動子１８において、第２流路１４ａの流体Ｗ中をその流れ方向と平行に超音波Ｓ３の送受信が行われる。このとき、第２信号処理回路２３において、第２超音波振動子１８で受信した各反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度が検出される。そして、ＣＰＵ２１は、それら反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度のデータを第１信号処理回路２３から取り込んでメモリ２４に一旦記憶する。
【００５８】
ＣＰＵ２１は、ステップ１００で取得した時間ｔ０，ｔ１，ｔ２のデータに基づいて、上記式（１），（２）に対応した演算を行うことにより、第１流路１３ａを正方向に伝搬した超音波Ｓ１の伝搬時間Ｔ１と逆方向に伝搬した超音波Ｓ２の伝搬時間Ｔ２とを算出する（ステップ１１０）。そして、音速算出手段としてのＣＰＵ２１は、それら伝搬時間Ｔ１，Ｔ２を用い、上式（５），（６）に対応した演算を行うことにより、流体Ｗ中の音速Ｃと流速Ｖとを算出する（ステップ１２０）。さらに、流量算出手段としてのＣＰＵ２１は、上式（７）に示されるように、流体Ｗの流速Ｖと第１流路１３ａ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を算出する（ステップ１３０）。
【００５９】
その後、ＣＰＵ２１は、第１センサ部１１の第１超音波振動子１５を用いて取得した反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度と、第２センサ部１２の第２超音波振動子１８を用いて取得した反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度とをメモリ２４から読み出す。そして、音響パラメータ算出手段としてのＣＰＵ２１は、それら反射波Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度と配管１０（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１４０）。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１５０）。また、演算処理手段としてのＣＰＵ２１は、体積流量Ｑと密度ρとを乗算することにより質量流量Ｍを求める（ステップ１６０）。
【００６０】
その後、ＣＰＵ２１は、質量流量Ｍの測定値を表示装置２６に表示させる（ステップ１７０）。なお、表示装置２６には、質量流量Ｍ以外に音速Ｃ、密度ρ、音響インピーダンスＺｆなどの測定値を表示させてもよい。そして、ＣＰＵ２１は、流量の測定処理を継続するか否かを判定する（ステップ１８０）。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１８０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５の処理を終了する。
【００６１】
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。
【００６２】
（１）本実施の形態の超音波流量計２では、第２センサ部１２において、流体Ｗの流れと平行な方向に超音波Ｓ３を伝搬させており、配管１０を流れる流体Ｗの流速が速くなったとしても超音波Ｓ３の伝搬距離が変化することはなく、従来技術のように測定誤差が生じることはない。従って、流体Ｗの流速Ｖにかかわらず、反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度を正確に検出することができるため、それら信号強度に基づいて、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを正確に求めることができる。そして、その音響インピーダンスＺｆに基づいて、流体Ｗの質量流量Ｍを正確に求めることができる。また、流体Ｗの質量流量Ｍに応じてコントローラ６が調整バルブ５の開度を制御することにより、流体供給用管路３を流れる流体Ｗの質量流量Ｍをより正確に調整することができる。
【００６３】
（２）本実施の形態の超音波流量計２において、第１センサ部１１の第１超音波振動子１５は、体積流量Ｑを算出するための超音波Ｓ１，Ｓ２の伝搬時間検出用振動子として使用されるのに加えて、音響インピーダンスＺｆを求めるための反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度検出用振動子としても使用される。このようにすると、第２センサ部１２における第２超音波振動子１８の数を１つに減らすことができ、超音波流量計２の製造コストを抑えることができる。
【００６４】
（３）本実施の形態の超音波流量計２では、流体Ｗの体積流量Ｑや質量流量Ｍ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、流体供給システム１の異常を速やかに検知することが可能となる。
［第２の実施の形態］
【００６５】
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、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。
【００６６】
図６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３１〜３４と、超音波流量計２が設けられる流体出力用管路３５と、流体供給用管路３１〜３４と流体出力用管路３５とが接続される流路切り替え装置３６とを備える。
【００６７】
流路切り替え装置３６は、切り替えバルブ３７と、その切り替えバルブ３７を駆動制御するコントローラ３８とを備え、コントローラ３８によって切り替えバルブ３７を動作させることで、各流体供給用管路３１〜３４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３５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。
【００６８】
超音波流量計２は、第１の実施の形態と同一構成（図２及び図３参照）であり、流量Ｑを算出するための処理プログラムが上記第１の実施の形態と異なる。この処理プログラムは、予めメモリ２４に記憶されている。
【００６９】
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、超音波流量計２では、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。
【００７０】
具体的には、超音波流量計２の第１流量計測管１３ａ内における流速分布（流体Ｗの流れの特性）は、次式（１４）で示されるレイノルズ数Ｒｅによって決定される。
【数１４】
【００７１】
ここで、Ｖは特性流速、Ｌは特性長さ、 は動粘度係数である。特性長さＬは、管の形状によって決まる長さである。所定形状の第１流量計測管１３で流体Ｗの流量Ｑ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 によって第１流量計測管１３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。
【００７２】
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】
【００７３】
表１に示されるように、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。
【００７４】
本実施の形態の超音波流量計２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。そして、ＣＰＵ２１は、第１の実施の形態と同様の演算処理を行うことで、流体Ｗの音速Ｃと密度ρとを算出し、それら流体Ｗの音速Ｃと密度ρとに基づいて、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、流体出力用管路３５に流れる流体Ｗの種類を特定する。その後、ＣＰＵ２１は、その特定した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。なおここでは、動粘度係数 と補正前の流量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。
【００７５】
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。
【００７６】
（１）本実施の形態の超音波流量計２では、流体Ｗの密度ρを正確に求めることができ、その密度ρに基づいて流体Ｗの種類を確実に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３１〜３４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るため、流体供給システム１の製造コストを低減することが可能となる。
［第３の実施の形態］
【００７７】
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における配管１０の形状及び第２センサ部１２の配置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１センサ部１１の構成や制御装置２０の電気的構成は第１の実施の形態と同様である。
【００７８】
具体的には、図７に示されるように、超音波流量計２の配管１０は、第１の実施の形態と同様に直管状の第１流量計測管１３を備え、その第１流量計測管１３の下流側端部において直交する方向に直管状の第２流量計測管１４が連結されている。この第２流量計測管１４内に形成される第２流路１４ａの長さＬ２は、第１流量計測管１３内に形成される第１流路１ａの長さＬ１よりも短く、第１流路１３ａの下流側端部が第２流路１４ａの上流側端部と直交するように配管１０が設けられている。そして、第２流量計測管１４における第２流路１４ａの上流側に第２センサ部１２の第２超音波振動子１８が配置されている。
【００７９】
このように超音波流量計２を構成した場合でも、第１センサ部１１の第１超音波振動子１５を用いて取得した反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度と、第２センサ部１２の第２超音波振動子１８を用いて取得した反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度とに基づいて、上記第１の実施の形態と同様の手法で流体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、他のパラメータ（音速Ｃ、流速Ｖ、密度ρ、体積流量Ｑ及び質量流量Ｍ）も第１の実施の形態と同様に求めることができる。また、超音波流量計２では、第１流路１３ａと第２流路１４ａとを交差させて一部流路を共通化した構成であるため、超音波流量計２の小型化が可能となる。ただし、本実施の形態では、第１流路１３ａと第２流路１４ａとが交差する部分で第１超音波振動子１５，１６が出力する超音波Ｓ１，Ｓ２と第２超音波振動子１８が出力する超音波Ｓ３とが混信しないようにタイミングをずらして各超音波Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の送受信を行うようにしている。
［第４の実施の形態］
【００８０】
次に、本発明を具体化した第４の実施の形態を説明する。本実施の形態では、超音波流量計２における配管１０の形状及び第２センサ部１２の構成を変更した点が上記第１の実施の形態と異なる。
【００８１】
図８に示されるように、本実施の形態の超音波流量計２の配管１０は、第１の実施の形態と同様に、第１流量計測管１３と、その第１流量計測管１３の下流側に接続される第２流量計測管１４とを備える。さらに、配管１０は、第２流量計測管１４の下流側に接続される第３流量計測管４２を備える。この第３流量計測管４２内に形成される第３流路４２ａの長さＬ３は、第２流量計測管１４内に形成される第２流路１４ａの長さＬ２よりも短く、かつ第３流路４２ａが第２流路１４ａと平行となるように配管１０が設けられている。そして、第３流量計測管４２の第３流路４２ａの下流側に第３超音波振動子４３が配置されている。本実施の形態の第２センサ部１２は、第２流量計測管１４及び第２超音波振動子１８に加えて第３流量計測管４２及び第３超音波振動子４３により構成されている。
【００８２】
第３超音波振動子４３は、流体Ｗの流れと平行な方向に超音波Ｓ４を伝搬させる。このとき、第３超音波振動子４３は、超音波Ｓ４が第３流路４２ａに入射する際にその内壁面４２ｂで反射した反射波Ｓ４１を受信するとともに、第３流路４２ａ中の流体Ｗを伝搬して対向する内壁面４２ｃで反射した反射波Ｓ４２を受信する。
【００８３】
第３超音波振動子４３は、第２超音波振動子１８と同様に制御装置２０の第２信号処理回路２３に接続される。また、第２信号処理回路２３は、第３超音波振動子４３を駆動するための駆動信号を出力したり、各反射波Ｓ４１，Ｓ４２の信号強度を検出したりする。
【００８４】
そして、上記第１の実施の形態において第１センサ部１１の第１超音波振動子１５が検出した各反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度の代わりに、本実施の形態では第２センサ部１２の第３超音波振動子４３が検出した各反射波Ｓ４１，Ｓ４２の信号強度を使用して、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求める。つまり、第３超音波振動子４３が検出した各反射波Ｓ４１，Ｓ４２の信号強度と第２超音波振動子１８が検出した各反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度とに基づいて、第１の実施の形態と同様の演算処理を行うことにより、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求める。さらに、他のパラメータ（音速Ｃ、流速Ｖ、密度ρ、体積流量Ｑ及び質量流量Ｍ）も第１の実施の形態と同様に求めることができる。
【００８５】
上記第１及び第２の実施の形態では、第１センサ部１１において、音速Ｃ及び流量Ｖを求めるために超音波Ｓ１，Ｓ２の伝搬時間Ｔ１，Ｔ２を計測するとともに、反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度を測定している。これに対して、本実施の形態では、第２センサ部１２において新たに設けた第３流量計測管４２及び第３超音波振動子４３によって反射波Ｓ４１，Ｓ４２の信号強度を計測するように構成している。このため、本実施の形態では、第１センサ部１１において反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度を取得する必要はない。従って、第１信号処理回路２２においては、各反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度を検出するための機能が省略されている。
【００８６】
また、第１センサ部１１において、第１流量計測管１３に形成される第１流路１３ａの長さＬ１は長いほうが、超音波Ｓ１，Ｓ２の伝搬時間差が大きくなるため、音速Ｃや流速Ｖの測定精度を高めることができる。ここで、第１流路の長さＬ１を長くすると、流体Ｗ中を伝搬する際に減衰が大きくなり、各第１超音波振動子１５，１６で受信される反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度が小さくなる。このため、第１実施の形態のように、第１センサ部１１において反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度を測定する場合には、信号のＳ／Ｎ比が低下することとなり、減衰定数α、音響インピーダンスＺｆ及び密度ρなどの測定誤差が大きくなってしまう。これに対して、本実施の形態では、第１センサ部１１の第１流量計測管１３とは別に第３流量計測管４２を設け、第３流量計測管４２内に形成される第３流路４２ａの長さを短くしているので、反射波Ｓ４１,Ｓ４２の信号を確実に検出することができ、減衰定数α、音響インピーダンスＺｆ及び密度ρを正確に測定することができる。また、本実施の形態では、第１センサ部１１としては、信号強度の検出機能が不要であり、伝播時間差により体積流量Ｑを測定する一般的な構成の流量計を用いることができるため、実用上好ましいものとなる。
［第５の実施の形態］
【００８７】
次に、本発明を具体化した第５の実施の形態を説明する。本実施の形態では、超音波流量計２の第２センサ部１２の構成を変更した点が上記第４の実施の形態と異なる。
【００８８】
図９に示されるように、本実施の形態の超音波流量計２では、第３流量計測管４２内に形成される第３流路４２ａが第２流量計測管１４内に形成される第２流路１４ａと同じ長さＬ２となるように配管１０が設けられている。そして、第３流路４２ａにおける超音波Ｓ４の反射面４２ｃ（上流側端面）に、配管１０（各流量計測管１３，１４，４２）を構成する材質とは異なる音響インピーダンスを有する反射板４５が設けられている。
【００８９】
このように構成すると、第２流路１４ａと第３流路４２ａとは長さＬ２が同じであるが、第２流路１４ａにおける超音波Ｓ３の反射面１４ｃの材質と第３流路４２ａにおける超音波Ｓ４の反射面４２ｃの材質とが異なるため、第２超音波振動子１８で検出される反射波Ｓ３２と第３超音波振動子４３で検出される反射波Ｓ４２とでは信号強度が異なり、それらの信号強度の差に基づいて、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、他のパラメータ（音速Ｃ、流速Ｖ、密度ρ、体積流量Ｑ及び質量流量Ｍ）も上記各実施の形態と同様に求めることができる。
【００９０】
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。
【００９１】
・上記第５の実施の形態において、第３流路４２ａの反射面４２ｃ（上流側端面）に反射板４５を設けたが、これとは逆に、第２流路１４ａの反射面１４ｃ（下流側端面）に反射板４５を設けるように構成してもよい。また、第２流量計測管１４と第３流量計測管４２とについて、音響インピーダンスが異なる材質を用いて各計測管１４，４２をそれぞれ形成してもよい。このように形成した場合でも、第２流路１４ａの反射面１４ｃと第３流路４２ａの反射面４２ｃとで各反射波Ｓ３２，Ｓ４２の信号強度を異ならせることができ、それら信号強度に基づいて、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求めることができる。
【００９２】
・上記各実施の形態では、超音波流量計２の第１センサ部１１における第１超音波振動子１５，１６を用いて超音波Ｓ１，Ｓ２の伝搬時間Ｔ１，Ｔ２を取得し、それら伝搬時間Ｔ１，Ｔ２から流体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２センサ部１２の第２超音波振動子１８を用いて超音波Ｓ３の伝搬時間から流体Ｗの音速Ｃを求めてもよい。
【００９３】
・上記第２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。
【００９４】
・上記第２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、超音波流量計２の配管１０の途中にサーミスタなどの温度センサを設け、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。
【００９５】
・上記各実施の形態において、超音波流量計２で測定した音響インピーダンスＺｆや密度ρに基づいて流体Ｗの濃度を求め、その濃度に応じて体積流量Ｑの補正を行うように構成してもよい。具体的には、例えば、燃料電池に流体Ｗを供給するシステムに適用する場合、超音波流量計２を用いて、流体Ｗのメタノール濃度と流量とを同時に測定することができるため、濃度計と流量計とを別々に設ける場合と比較して、部品コストを低減することができる。
【００９６】
・上記第４及び第５の実施の第１センサ部１１は、反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度を検出する機能が不要であり、超音波Ｓ１，Ｓ２の伝搬時間差によって流量Ｖを求める構成を備えるものであればよい。この第１センサ部１１としては、各実施の形態のように流体Ｗの流れと平行な方向に超音波を送受信するものに限定されるものではなく、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Ｓ１，Ｓ２が伝搬するように各超音波振動子１５，１６を設けてもよい。
【００９７】
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。
【００９８】
（１）手段１において、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求める手段であり、前記演算処理手段は、前記流体の音響インピーダンスと前記音速とに基づいて、前記流体の密度を求める密度算出手段と、前記流体の体積流量と前記密度とに基づいて、前記流体の質量流量を求める質量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。
【００９９】
（２）手段１において、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り、前記演算処理手段は、複数種類の流体の音響インピーダンスまたは密度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流体の音響インピーダンスまたは密度とに基づいて、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。
【０１００】
（３）手段４において、前記第２流路及び前記第３流路における超音波の反射面の一方に、前記管路を構成する材質とは異なる音響インピーダンスを有する反射板を設けたことを特徴とする超音波流量計。
【０１０１】
（４）手段２において、前記第１流路の端部と前記第２流路の端部とが直交するよう前記管路を設けたことを特徴とする超音波流量計。
【０１０２】
（５）技術的思想（４）において、前記第１超音波振動子における超音波の送受信タイミングと異なるタイミングで前記第２超音波振動子における超音波の送受信を行うようにしたことを特徴とする超音波流量計。
【０１０３】
（６）手段２乃至４のいずれかにおいて、前記第１流路と前記第２流路とが平行となるよう前記管路を設けたことを特徴とする超音波流量計。
【符号の説明】
【０１０４】
２…超音波流量計
３…管路を構成する流体供給用管路
１０…管路を構成する配管
１１…第１センサ部
１２…第２センサ部
１３…管路を構成する第１流量計測管
１３ａ…第１流路
１３ｂ，１３ｃ…反射面としての内壁面
１４…管路を構成する第２流量計測管
１４ａ…第２流路
１４ｂ，１４ｃ…反射面としての内壁面
１５，１６…第１超音波振動子
１８…第２超音波振動子
２１…音速算出手段、流量算出手段、音響パラメータ算出手段、演算処理手段としてのＣＰＵ
３５…管路を構成する流体出力用管路
４２…管路を構成する第３流量計測管
４２ａ…第３流路
４２ｂ，４２ｃ…反射面としての内壁面
４３…第３超音波振動子
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を利用して流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）。この超音波流量計では、測定用流体が流れる配管の上流側及び下流側に超音波振動子を設け、超音波振動子を用いて超音波を送受信する。そして、上流側から下流側に伝搬する超音波の伝搬時間と下流側から上流側に伝搬する超音波の伝搬時間との時間差に基づいて測定用流体の流速を求め、その流速に配管の断面積を乗算することで流体の体積流量を求めている。
【０００３】
また、超音波を利用して流体の密度を計測し、その密度と体積流量とを乗算することで流体の質量流量を求める超音波流量計が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２の超音波流量計では、管路内において流体の流れの直交する方向に超音波を伝搬させて、管路の内壁面で反射した超音波の信号強度を受信する。そして、その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を求め、さらに、その音響インピーダンスと流体の音速とに基づいて、流体の密度を求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１６２２６９号公報
【特許文献２】特開２００８−３０４２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献２の超音波流量計では、管路内において流体の流れの直交する方向に超音波を伝搬させて反射波の信号強度を検出している。その超音波流量計において管路を流れる流体の流速が音速と比較して十分に遅い場合には、測定誤差が少なく質量流量を計測することができる。しかしながら、流体の流速が速くなると、流体中を超音波が伝搬する際にその流体の流れによって超音波が下流側に流されてしまい、超音波の伝搬経路が延伸される。具体的には、特許文献２の超音波流量計において、音響放射の中心軸が流体の流れと直交するように超音波振動子を配置している。ここで、流体の音速をＣとし、流速をＶとする場合、ａｔａｎ（Ｖ／Ｃ）で求まる角度だけ、超音波振動子から上流方向に傾いた角度で放射された超音波が、対向する壁面で反射して超音波振動子で受信されることとなる。この場合、超音波の伝搬経路の延伸によって音速Ｃの計測誤差が生じる。さらに、超音波振動子における音響放射の中心軸からのズレによって、受信される信号強度が変化し、それに伴い音響インピーダンスの測定誤差が生じてしまう。
【０００６】
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、流体の流速にかかわらず正確な流量を求めることができる超音波流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、前記管路内において前記流体の流れと平行な方向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体積流量を算出する流量算出手段と、前記第２センサ部で受信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、前記流体の音響パラメータと前記音速とに基づいて、前記流体の体積流量を質量流量に変換する演算処理、または前記流体の種類を特定してその種類に応じて体積流量を補正する演算処理を行う演算処理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。
【０００８】
従って、手段１に記載の発明によると、第２センサ部において、流体の流れと平行な方向に超音波が伝搬されて、反射波の信号強度と伝搬時間とが検出される。この場合、超音波を流体の流れと平行な方向に伝搬させているので、管路を流れる流体の流速が速くなったとしても、従来技術のように超音波の伝搬距離が変化することはなく、測定誤差が生じることはない。従って、流体の流速にかかわらず、反射波の信号強度や超音波の伝搬時間を正確に測定することができる。このため、音響パラメータ算出手段により、反射波の信号強度に基づいて、流体の音響パラメータを正確に求めることができる。また、第２センサ部で検出した超音波の伝搬時間に基づいて、流体中の音速を正確に求めることができる。そして、演算処理手段により、その音響パラメータや音速に基づいて、流体の質量流量や体積流量をより正確に求めることが可能となる。
【０００９】
手段２に記載の発明は、手段１において、前記第１センサ部は、所定の長さを有する第１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第１超音波振動子を有し、前記第２センサ部は、前記第１流路とは異なる長さを有する第２流路の上流側または下流側に配置された第２超音波振動子を有し、前記第１センサ部は、前記管路の内壁面で反射した超音波を前記第１超音波振動子で受信してその信号強度を検出する機能を有し、前記音響パラメータ算出手段は、前記第２超音波振動子で受信した反射波の信号強度に加えて、前記第１超音波振動子で受信した反射波の信号強度に基づいて、前記流体の音響パラメータを求めることをその要旨とする。
【００１０】
従って、手段２に記載の発明によれば、第１センサ部において、第１の流路の上流側及び下流側において対向するように一対の第１超音波振動子が配置されている。これら一対の第１超音波振動子の間で超音波を送受信することにより、流体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、それら超音波の伝搬時間差を検出することができる。また、第２センサ部において、第２流路の上流側または下流側に第２超音波振動子が配置されている。この第２超音波振動子により、流体の流れと平行な方向に超音波を伝搬させ、管路の内壁面で反射した反射波の信号強度が検出される。さらに、第１超音波振動子により、管路の内壁面で反射した反射波の信号強度が検出される。ここで、第１センサ部の第１流路と第２センサ部の第２流路とは長さが異なる。このため、第１超音波振動子で検出される反射波と第２超音波振動子で検出される反射波とでは信号強度が異なり、その信号強度の差に基づいて、流体の音響パラメータを求めることができる。またこの構成では、第１センサ部の第１超音波振動子は、体積流量を算出するための超音波の伝搬時間検出用振動子として使用されるのに加えて、音響パラメータを求めるための反射波の信号強度検出用振動子としても使用される。このようにすると、第２センサ部において反射波の信号強度を検出する超音波振動子の数を１つに減らすことができ、超音波流量計の製造コストを抑えることができる。
【００１１】
手段３に記載の発明は、手段１において、前記第１センサ部は、所定の長さを有する第１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第１超音波振動子を有し、前記第２センサ部は、前記第１流路とは異なる長さを有する第２流路の上流側または下流側に配置された第２超音波振動子を有するとともに、前記第２流路とは異なる長さを有する第３流路の上流側または下流側に配置された第３超音波振動子を有し、前記音響パラメータ算出手段は、前記第２センサ部における前記第２超音波振動子で受信した反射波の信号強度と前記第３超音波振動子で受信した反射波の信号強度とに基づいて、前記流体の音響パラメータを求めることをその要旨とする。
【００１２】
従って、手段３に記載の発明によれば、第１センサ部において、第１流路の上流側及び下流側において対向するように一対の第１超音波振動子が配置されている。これら一対の第１超音波振動子の間で超音波を送受信することにより、流体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、それら超音波の伝搬時間差を検出することができる。また、第２センサ部において、第２流路の上流側または下流側に第２超音波振動子が配置されるとともに、第３流路の上流側または下流側に第３超音波振動子が配置されている。この第２超音波振動子により、流体の流れと平行な方向に超音波を伝搬させ、管路の内壁面で反射した反射波の信号強度が検出される。さらに、第３超音波振動子により、流体の流れと平行な方向に超音波を伝搬させ、管路の内壁面で反射した反射波の信号強度が検出される。ここで、第２センサ部における第２流路と第３流路とは長さが異なる。このため、第２超音波振動子で検出される反射波と第３超音波振動子で検出される反射波とでは信号強度が異なり、その信号強度の差に基づいて、音響パラメータを求めることができる。
【００１３】
手段４に記載の発明は、手段１において、前記第１センサ部は、所定の長さを有する第１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第１超音波振動子を有し、前記第２センサ部は、前記第１流路とは異なる長さを有する第２流路の上流側または下流側に配置された第２超音波振動子を有するとともに、前記第２流路と同じ長さを有する第３流路の上流側または下流側に配置された第３超音波振動子を有し、前記第２流路における超音波の反射面の材質と前記第３流路における超音波の反射面の材質とが異なるように前記管路を設け、前記音響パラメータ算出手段は、前記第２センサ部における前記第２超音波振動子で受信した反射波の信号強度と前記第３超音波振動子で受信した反射波の信号強度とに基づいて、前記流体の音響パラメータを求めることをその要旨とする。
【００１４】
従って、手段４に記載の発明によると、第１センサ部において、第１の流路の上流側及び下流側において対向するように一対の第１超音波振動子が配置されている。これら一対の第１超音波振動子の間で超音波を送受信することにより、流体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、それら超音波の伝搬時間差を検出することができる。また、第２センサ部において、第２流路の上流側または下流側に第２超音波振動子が配置されるとともに、第３流路の上流側または下流側に第３超音波振動子が配置されている。この第２超音波振動子により、流体の流れと平行な方向に超音波を伝搬させ、管路の内壁面で反射した反射波の信号強度が検出される。さらに、第３超音波振動子により、流体の流れと平行な方向に超音波を伝搬させ、管路の内壁面で反射した反射波の信号強度が検出される。ここで、第２流路と第３流路とは長さが同じであるが、第２流路における超音波の反射面の材質と第３流路における超音波の反射面の材質とが異なっている。このため、第２超音波振動子で検出される反射波と第３超音波振動子で検出される反射波とでは信号強度が異なり、その信号強度の差に基づいて、音響パラメータを求めることができる。
【００１５】
また、手段３及び手段４の発明では、第１センサ部は、超音波の伝搬時間差によって流量を求めるための一般的な流量計と同じ構成であるため、その流量計を第１センサ部として用いるとこにより、部品コストを抑えることができる。さらに、第１流路よりも第２流路及び第３流路の長さを短くすることにより、流体中を伝搬する際の超音波の減衰が抑えられる。これにより、反射波の信号強度を確実に検出することができ、音響パラメータの測定精度を十分に確保することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上詳述したように、請求項１〜４に記載の発明によると、流体の流速にかかわらず正確な流量を求めることができる超音波流量計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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超音波流量計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】各反射波の伝搬時間を示すタイミングチャート。
【図５】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６】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７】第３の実施の形態における超音波流量計の概略構成を示す断面図。
【図８】第４の実施の形態における超音波流量計の概略構成を示す断面図。
【図９】第５の実施の形態における超音波流量計の概略構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［第１の実施の形態］
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施の形態の流体供給システム１を示す概略構成である。流体供給システム１は、例えば、半導体製造ラインにおいて、半導体洗浄用の薬液を供給するために用いられる。
【００１９】
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、超音波流量計２が設けられる流体供給用管路３と、流体供給用管路３の途中に設けられる流量調整バルブ５と、流量調整バルブ５を制御するコントローラ６とを備える。流体供給システム１において、超音波流量計２で計測された体積流量または質量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が流量調整バルブ５の開度を制御することにより、流体供給用管路３を流れる流体Ｗ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。
【００２０】
以下、超音波流量計２の具体的な構成について詳述する。
【００２１】
図１及び図２に示されるように、超音波流量計２は、クランク状に屈曲した形状を有する配管１０（管路）と、その配管１０に設けられる第１センサ部１１及び第２センサ部１２とを備える。超音波流量計２の配管１０は、直管状の第１流量計測管１３と、第１流量計測管１３の下流側にてその計測管１３と平行に配置される直管状の第２流量計測管１４と、各計測管１３，１４を連結する連結管１７とを有している。本実施の形態の配管１０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いる。配管１０において、第１流量計測管１３内に形成される第１流路１３ａの長さＬ１は、例えば１０ｃｍであり、第２流量計測管１４内に形成される第２流路１４ａの長さＬ２は、第１流路１３ａの長さＬ１よりも短く、例えば６ｃｍ程度である。また、各流路１３ａ，１４ａの断面形状は円形であり、その口径は１０ｍｍ程度である。
【００２２】
第１センサ部１１は、第１流量計測管１３と、その第１流量計測管１３における第１流路１３ａ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第１超音波振動子１５，１６とを有する。また、第２センサ部１２は、第２流量計測管１４と、その第２流量計測管１４における第２流路１４ａの上流側に配置される第２超音波振動子１８とを有する。各第１超音波振動子１５，１６は、第１流量計測管１３の各端部内に埋設されており、第２超音波振動子１８は、第２流量計測管１４における上流側の端部内に埋設されている。第１流量計測管１３及び第２流量計測管１４において、各第１超音波振動子１５，１６及び第２超音波振動子１８は、各流路１３ａ，１４ａまでの距離が等しくなる位置に固定されている。
【００２３】
第１センサ部１１において、上流側の第１超音波振動子１５は、第１流路１３ａを流れる流体Ｗの流れの正方向に超音波Ｓ１を伝搬させ、その正方向に伝搬した超音波Ｓ１を下流側の第１超音波振動子１６で受信する。また、下流側の第１超音波振動子１６は、第１流路１３ａを流れる流体Ｗの流れの逆方向に超音波Ｓ２を伝搬させ、その逆方向に伝搬した超音波Ｓ２を上流側の第１超音波振動子１５で受信する。さらに、上流側の第１超音波振動子１５は、超音波Ｓ１が第１流路１３ａに入射する際にその内壁面１３ｂで反射した反射波Ｓ１１を受信するとともに、超音波Ｓ１が第１流路１３ａの流体Ｗを伝搬して対向する内壁面１３ｃで反射した反射波Ｓ１２を受信する。なお、第１超音波振動子１５，１６の音響放射の中心軸が第１流路１３ａの中心軸と一致するよう第１超音波振動子１５，１６が配置されており、それら第１超音波振動子１５，１６から発せられた超音波Ｓ１，Ｓ２は、第１流路１３ａの端面となる各内壁面１３ｂ，１３ｃ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。
【００２４】
第２センサ部１２において、第２超音波振動子１８は、流体Ｗの流れと平行な方向に超音波Ｓ３を伝搬させる。また、第２超音波振動子１６は、超音波Ｓ３が第２流路１４ａに入射する際にその内壁面１４ｂで反射した反射波Ｓ３１を受信するとともに、第２流路１４ａ中の流体Ｗを伝搬して対向する内壁面１４ｃで反射した反射波Ｓ３２を受信する。なお、第２超音波振動子１８の音響放射の中心軸が第２流路１４ａの中心軸と一致するよう第２超音波振動子１８が配置されており、その第２超音波振動子１８から発せられた超音波Ｓ３は、第２流路１４ａの端面となる各内壁面１４ｂ，１４ｃ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。
【００２５】
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の第２超音波振動子１８には、制御装置２０が電気的に接続されている。
【００２６】
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。
【００２７】
第１信号処理回路２２は、パルス発生回路、受信回路、検波回路、Ａ／Ｄ変換回路、及びタイマ等を備え、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したり、超音波Ｓ１，Ｓ２の伝搬時間や反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度を検出したりする。
【００２８】
ここで、第１信号処理回路２２から上流側の第１超音波振動子１５に駆動パルスが供給されると、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Ｓ１が出力される。第１超音波振動子１５から出力された超音波Ｓ１は、第１流量計測管１３の内壁を介してその内側の第１流路１３ａを流れる流体Ｗに伝搬する。このとき、超音波Ｓ１の一部は、計測管１３と流体Ｗとの界面（第１流路１３ａの上流側端面となる内壁面１３ｂ）で反射するとともに、一部が第１流路１３ａ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。またこのとき、超音波Ｓ１が第１流路１３ａに入射する際に内壁面１３ｂで反射した反射波Ｓ１１が上流側の第１超音波振動子１５で受信されるとともに、第１流路１３ａ中の流体Ｗを伝搬して対向する内壁面１３ｃ（第１流路１３ａの下流側端面となる内壁面）で反射した反射波Ｓ１２が上流側の第１超音波振動子１５で受信され、電気信号に変換される。また、第１信号処理回路２２から下流側の第１超音波振動子１６に駆動パルスが供給されると、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Ｓ２が出力される。そして、その超音波Ｓ２は、第１流路１３ａ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、電気信号に変換される。
【００２９】
第１信号処理回路２２は、各第１超音波振動子１５，１６で受信された超音波Ｓ１，Ｓ２の信号や反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号を取り込み、信号増幅処理や検波処理等を行うことで、超音波Ｓ１，Ｓ２や反射波Ｓ１１，Ｓ１２に対応する１パルス分の超音波信号を抽出する。そして、第１信号処理回路２２は、これら超音波信号に基づいて、流体Ｗの流れの正方向に伝搬した超音波Ｓ１の伝搬時間や逆方向に伝搬した超音波Ｓ２の伝搬時間を計測するとともに、第１流路１３ａに入射する際にその内壁面１３ｂで反射した反射波Ｓ１１の伝搬時間を計測する。さらに、第１信号処理回路２２は、各反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度を検出する。そして、第１信号処理回路２２は、計測した伝搬時間のデータや信号強度のデータをＣＰＵ２１に出力し、ＣＰＵ２１は、それらデータを取り込んで、メモリ２４に一旦記憶する。
【００３０】
また、第２信号処理回路２３も同様に、パルス発生回路、受信回路、検波回路、Ａ／Ｄ変換回路等を備え、第２超音波振動子１８を駆動するための駆動信号を出力したり、反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度を検出したりする。
【００３１】
ここで、第２信号処理回路２３から第２超音波振動子１８に駆動パルスが供給されると、その第２超音波振動子１８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Ｓ３が出力される。第２超音波振動子１８から出力された超音波Ｓ３は、第２流量計測管１４の内壁を介してその内側の第２流路１４ａを流れる流体Ｗに伝搬する。このとき、超音波Ｓ３の一部は、計測管１４と流体Ｗとの界面（第２流路１４ａの上流側端面となる内壁面１４ｂ）で反射する。また、超音波Ｓ３の一部は、第２流路１４ａの流体Ｗ中を伝搬して、対向する内壁面１４ｃで反射する。そして、これらの反射波Ｓ３１，Ｓ３２が第２超音波振動子１８で受信され、電気信号に変換される。
【００３２】
第２信号処理回路２３は、第２超音波振動子１８で受信された反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号を取り込み、信号増幅処理や検波処理等を行うことで、反射波Ｓ３１，Ｓ３２に対応する１パルス分の超音波信号を抽出する。そして、第２信号処理回路２３は、その超音波信号に基づいて、各反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度を検出し、各反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度のデータをＣＰＵ２１に出力する。ＣＰＵ２１は、それらデータを取り込んで、メモリ２４に一旦記憶する。
【００３３】
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、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。
【００３４】
表示装置２６は、例えば液晶ディスプレイであり、音速、密度、体積流量、及び質量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、測定した流量に関するデータをコントローラ６に転送する。
【００３５】
次に、本実施の形態における流体Ｗ中の音速、流速、及び体積流量の具体的な算出方法について説明する。
【００３６】
まず、第１センサ部１１において、上流側の第１超音波振動子１５から超音波Ｓ１を送信する。この超音波Ｓ１の送信タイミング（図４ではｔ＝０）を基準として、内壁面１３ｂでの反射波Ｓ１１が第１超音波振動子１５で受信されるまでの時間ｔ０を計測するとともに、第１流路１３ａにおける流体Ｗの流れの正方向に伝搬した超音波Ｓ１が第１超音波振動子１６で受信されるまでの時間ｔ１を計測する（図４参照）。
【００３７】
その後、第１センサ部１１において、下流側の第１超音波振動子１６から超音波Ｓ２を送信する。この超音波Ｓ２の送信タイミング（ｔ＝０）を基準として、第１流路１３ａにおける流体Ｗ中の流れの逆方向に伝搬した超音波Ｓ２が第１超音波振動子１５で受信されるまでの時間ｔ２を計測する（図４参照）。
【００３８】
本実施の形態の超音波流量計２では、各第１超音波振動子１５，１６から第１流路までの距離が等しくなるよう各振動子１５，１６を固定している。このため、第１超音波振動子１６側での第１流路１３ａの内壁面１３ｃの反射波の伝搬時間は第１超音波振動子１５側と同様に時間ｔ０となる。
【００３９】
従って、第１センサ部１１の第１流路１３ａの流体Ｗ中を正方向へ伝搬する超音波Ｓ１の伝搬時間Ｔ１は、次式（１）で求められる。
【数１】
【００４０】
また、第１流路１３ａの流体Ｗ中を逆方向へ伝搬する超音波Ｓ２の伝搬時間Ｔ２は、次式（２）で求められる。
【数２】
【００４１】
従って、各時間ｔ０，ｔ１，ｔ２の計測値を式（１），（２）に代入することにより、第１流路１３ａにおける正方向への超音波Ｓ１の伝搬時間Ｔ１と逆方向への超音波Ｓ２の伝搬時間Ｔ２とを求めることができる。
【００４２】
ここで、第１センサ部１１の第１流路１３ａの長さをＬ１、流体Ｗ中の音速をＣ、流速をＶとすると、各伝搬時間Ｔ１，Ｔ２は、次式（３），（４）で表すことができる。
【数３】
【数４】
【００４３】
これら式（３），（４）により、音速Ｃ及び流速Ｖは次式（５），（６）のように表すことができる。
【数５】
【数６】
【００４４】
そして、これら式（５），（６）に、上式（１），（２）で算出した伝搬時間Ｔ１，Ｔ２を代入することにより、流体Ｗの音速Ｃと流速Ｖとを求めることができる。また、第１流路１３ａの断面積をＡとすると、次式（７）によって流体Ｗの体積流量Ｑが求められる。
【数７】
【００４５】
なお、実際の流量測定時には、第１流量計測管１３の両端のコーナー部において流体Ｗの流れが乱れる。また、第１流量計測管１３において中央部の方が側壁側よりも流体Ｗの流れが速くなる。従って、この流体Ｗ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。
【００４６】
次に、流体Ｗの音響インピーダンス、密度、及び質量流量の算出方法について説明する。
【００４７】
第１センサ部１１において、上流側の第１超音波振動子１５から発せられた超音波Ｓ１の一部は、第１流路１３ａに入射する際にその内壁面１３ｂで反射するとともに、一部が第１流路１３ａの流体Ｗ中を伝搬して下流側の内壁面１３ｃでも反射する。また、第２センサ部１２において、第２超音波振動子１８から発せられた超音波Ｓ２の一部は、第２流路１４ａに入射する際にその内壁面１４ｂで反射するとともに、一部が第２流路１４ａの流体Ｗ中を伝搬して下流側の内壁面１４ｃでも反射する。
【００４８】
これら内壁面１３ｂ，１３ｃ，１４ｂ，１４ｃでの各反射波Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度は、次式（８），（９）の関係が成り立つ。
【数８】
【数９】
【００４９】
ここで、αは、流体Ｗの減衰定数であり、Ｚ０は、配管１０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。
【００５０】
式（８）により、各反射波Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度から、次式（１０）のように流体Ｗの減衰定数αが求められる。
【数１０】
【００５１】
また、上式（９）により次式（１１）の２次方程式の関係が成り立つ。
【数１１】
【００５２】
そして、各反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度と音響インピーダンスＺ０と減衰定数αとに基づいて、上式(１１)の２次方程式の解を求めることにより、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求めることができる。
【００５３】
また、流体Ｗの密度ρは、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆと音速Ｃとに基づいて次式（１２）により求められる。
【数１２】
【００５４】
さらに、上式（７）で求めた体積流量Ｑと上式（１２）で求めた密度ρとを乗算することにより次式（１３）のように流体Ｗの質量流量Ｍが求められる。
【数１３】
【００５５】
次に、本実施の形態において、流体Ｗの各パラメータを測定するための処理例について図５のフローチャートを用いて説明する。なお、図５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。
【００５６】
まず、ＣＰＵ２１は、第１信号処理回路２２を動作させ、第１センサ部１１における上流側の第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１００）。これにより、第１センサ部１１の各第１超音波振動子１５，１６において、流体Ｗの流れの正方向及び逆方向に超音波Ｓ１，Ｓ２の送受信が行われる。このとき、第１信号処理回路２２において、各超音波振動子１５，１６による超音波Ｓ１，Ｓ２の送信タイミングを基準（図４ではｔ＝０）として、第１超音波振動子１５にて反射波Ｓ１１が受信されるまでの時間ｔ０、第１超音波振動子１６にて超音波Ｓ１が受信されるまでの時間ｔ１、及び第１超音波振動子１５にて超音波Ｓ２が受信されるまでの時間ｔ２が計測される（図４参照）。またこのとき、第１信号処理回路２２において、第１超音波振動子１５で受信した各反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度が検出される。そして、ＣＰＵ２１は、それら時間ｔ０，ｔ１，ｔ２及び各反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度のデータを第１信号処理回路２２から取り込み、メモリ２４に一旦記憶する。
【００５７】
また、ＣＰＵ２１は、第１信号処理回路２２の動作と並行して、第２信号処理回路２３を動作させ、第２センサ部１２における第２超音波振動子１８に対して駆動パルスを供給する。これにより、第２センサ部１２の第２超音波振動子１８において、第２流路１４ａの流体Ｗ中をその流れ方向と平行に超音波Ｓ３の送受信が行われる。このとき、第２信号処理回路２３において、第２超音波振動子１８で受信した各反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度が検出される。そして、ＣＰＵ２１は、それら反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度のデータを第１信号処理回路２３から取り込んでメモリ２４に一旦記憶する。
【００５８】
ＣＰＵ２１は、ステップ１００で取得した時間ｔ０，ｔ１，ｔ２のデータに基づいて、上記式（１），（２）に対応した演算を行うことにより、第１流路１３ａを正方向に伝搬した超音波Ｓ１の伝搬時間Ｔ１と逆方向に伝搬した超音波Ｓ２の伝搬時間Ｔ２とを算出する（ステップ１１０）。そして、音速算出手段としてのＣＰＵ２１は、それら伝搬時間Ｔ１，Ｔ２を用い、上式（５），（６）に対応した演算を行うことにより、流体Ｗ中の音速Ｃと流速Ｖとを算出する（ステップ１２０）。さらに、流量算出手段としてのＣＰＵ２１は、上式（７）に示されるように、流体Ｗの流速Ｖと第１流路１３ａ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を算出する（ステップ１３０）。
【００５９】
その後、ＣＰＵ２１は、第１センサ部１１の第１超音波振動子１５を用いて取得した反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度と、第２センサ部１２の第２超音波振動子１８を用いて取得した反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度とをメモリ２４から読み出す。そして、音響パラメータ算出手段としてのＣＰＵ２１は、それら反射波Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度と配管１０（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１４０）。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１５０）。また、演算処理手段としてのＣＰＵ２１は、体積流量Ｑと密度ρとを乗算することにより質量流量Ｍを求める（ステップ１６０）。
【００６０】
その後、ＣＰＵ２１は、質量流量Ｍの測定値を表示装置２６に表示させる（ステップ１７０）。なお、表示装置２６には、質量流量Ｍ以外に音速Ｃ、密度ρ、音響インピーダンスＺｆなどの測定値を表示させてもよい。そして、ＣＰＵ２１は、流量の測定処理を継続するか否かを判定する（ステップ１８０）。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１８０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５の処理を終了する。
【００６１】
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。
【００６２】
（１）本実施の形態の超音波流量計２では、第２センサ部１２において、流体Ｗの流れと平行な方向に超音波Ｓ３を伝搬させており、配管１０を流れる流体Ｗの流速が速くなったとしても超音波Ｓ３の伝搬距離が変化することはなく、従来技術のように測定誤差が生じることはない。従って、流体Ｗの流速Ｖにかかわらず、反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度を正確に検出することができるため、それら信号強度に基づいて、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを正確に求めることができる。そして、その音響インピーダンスＺｆに基づいて、流体Ｗの質量流量Ｍを正確に求めることができる。また、流体Ｗの質量流量Ｍに応じてコントローラ６が調整バルブ５の開度を制御することにより、流体供給用管路３を流れる流体Ｗの質量流量Ｍをより正確に調整することができる。
【００６３】
（２）本実施の形態の超音波流量計２において、第１センサ部１１の第１超音波振動子１５は、体積流量Ｑを算出するための超音波Ｓ１，Ｓ２の伝搬時間検出用振動子として使用されるのに加えて、音響インピーダンスＺｆを求めるための反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度検出用振動子としても使用される。このようにすると、第２センサ部１２における第２超音波振動子１８の数を１つに減らすことができ、超音波流量計２の製造コストを抑えることができる。
【００６４】
（３）本実施の形態の超音波流量計２では、流体Ｗの体積流量Ｑや質量流量Ｍ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、流体供給システム１の異常を速やかに検知することが可能となる。
［第２の実施の形態］
【００６５】
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、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。
【００６６】
図６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３１〜３４と、超音波流量計２が設けられる流体出力用管路３５と、流体供給用管路３１〜３４と流体出力用管路３５とが接続される流路切り替え装置３６とを備える。
【００６７】
流路切り替え装置３６は、切り替えバルブ３７と、その切り替えバルブ３７を駆動制御するコントローラ３８とを備え、コントローラ３８によって切り替えバルブ３７を動作させることで、各流体供給用管路３１〜３４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３５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。
【００６８】
超音波流量計２は、第１の実施の形態と同一構成（図２及び図３参照）であり、流量Ｑを算出するための処理プログラムが上記第１の実施の形態と異なる。この処理プログラムは、予めメモリ２４に記憶されている。
【００６９】
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、超音波流量計２では、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。
【００７０】
具体的には、超音波流量計２の第１流量計測管１３ａ内における流速分布（流体Ｗの流れの特性）は、次式（１４）で示されるレイノルズ数Ｒｅによって決定される。
【数１４】
【００７１】
ここで、Ｖは特性流速、Ｌは特性長さ、 は動粘度係数である。特性長さＬは、管の形状によって決まる長さである。所定形状の第１流量計測管１３で流体Ｗの流量Ｑ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 によって第１流量計測管１３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。
【００７２】
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】
【００７３】
表１に示されるように、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。
【００７４】
本実施の形態の超音波流量計２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。そして、ＣＰＵ２１は、第１の実施の形態と同様の演算処理を行うことで、流体Ｗの音速Ｃと密度ρとを算出し、それら流体Ｗの音速Ｃと密度ρとに基づいて、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、流体出力用管路３５に流れる流体Ｗの種類を特定する。その後、ＣＰＵ２１は、その特定した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。なおここでは、動粘度係数 と補正前の流量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。
【００７５】
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。
【００７６】
（１）本実施の形態の超音波流量計２では、流体Ｗの密度ρを正確に求めることができ、その密度ρに基づいて流体Ｗの種類を確実に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３１〜３４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るため、流体供給システム１の製造コストを低減することが可能となる。
［第３の実施の形態］
【００７７】
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における配管１０の形状及び第２センサ部１２の配置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１センサ部１１の構成や制御装置２０の電気的構成は第１の実施の形態と同様である。
【００７８】
具体的には、図７に示されるように、超音波流量計２の配管１０は、第１の実施の形態と同様に直管状の第１流量計測管１３を備え、その第１流量計測管１３の下流側端部において直交する方向に直管状の第２流量計測管１４が連結されている。この第２流量計測管１４内に形成される第２流路１４ａの長さＬ２は、第１流量計測管１３内に形成される第１流路１ａの長さＬ１よりも短く、第１流路１３ａの下流側端部が第２流路１４ａの上流側端部と直交するように配管１０が設けられている。そして、第２流量計測管１４における第２流路１４ａの上流側に第２センサ部１２の第２超音波振動子１８が配置されている。
【００７９】
このように超音波流量計２を構成した場合でも、第１センサ部１１の第１超音波振動子１５を用いて取得した反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度と、第２センサ部１２の第２超音波振動子１８を用いて取得した反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度とに基づいて、上記第１の実施の形態と同様の手法で流体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、他のパラメータ（音速Ｃ、流速Ｖ、密度ρ、体積流量Ｑ及び質量流量Ｍ）も第１の実施の形態と同様に求めることができる。また、超音波流量計２では、第１流路１３ａと第２流路１４ａとを交差させて一部流路を共通化した構成であるため、超音波流量計２の小型化が可能となる。ただし、本実施の形態では、第１流路１３ａと第２流路１４ａとが交差する部分で第１超音波振動子１５，１６が出力する超音波Ｓ１，Ｓ２と第２超音波振動子１８が出力する超音波Ｓ３とが混信しないようにタイミングをずらして各超音波Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の送受信を行うようにしている。
［第４の実施の形態］
【００８０】
次に、本発明を具体化した第４の実施の形態を説明する。本実施の形態では、超音波流量計２における配管１０の形状及び第２センサ部１２の構成を変更した点が上記第１の実施の形態と異なる。
【００８１】
図８に示されるように、本実施の形態の超音波流量計２の配管１０は、第１の実施の形態と同様に、第１流量計測管１３と、その第１流量計測管１３の下流側に接続される第２流量計測管１４とを備える。さらに、配管１０は、第２流量計測管１４の下流側に接続される第３流量計測管４２を備える。この第３流量計測管４２内に形成される第３流路４２ａの長さＬ３は、第２流量計測管１４内に形成される第２流路１４ａの長さＬ２よりも短く、かつ第３流路４２ａが第２流路１４ａと平行となるように配管１０が設けられている。そして、第３流量計測管４２の第３流路４２ａの下流側に第３超音波振動子４３が配置されている。本実施の形態の第２センサ部１２は、第２流量計測管１４及び第２超音波振動子１８に加えて第３流量計測管４２及び第３超音波振動子４３により構成されている。
【００８２】
第３超音波振動子４３は、流体Ｗの流れと平行な方向に超音波Ｓ４を伝搬させる。このとき、第３超音波振動子４３は、超音波Ｓ４が第３流路４２ａに入射する際にその内壁面４２ｂで反射した反射波Ｓ４１を受信するとともに、第３流路４２ａ中の流体Ｗを伝搬して対向する内壁面４２ｃで反射した反射波Ｓ４２を受信する。
【００８３】
第３超音波振動子４３は、第２超音波振動子１８と同様に制御装置２０の第２信号処理回路２３に接続される。また、第２信号処理回路２３は、第３超音波振動子４３を駆動するための駆動信号を出力したり、各反射波Ｓ４１，Ｓ４２の信号強度を検出したりする。
【００８４】
そして、上記第１の実施の形態において第１センサ部１１の第１超音波振動子１５が検出した各反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度の代わりに、本実施の形態では第２センサ部１２の第３超音波振動子４３が検出した各反射波Ｓ４１，Ｓ４２の信号強度を使用して、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求める。つまり、第３超音波振動子４３が検出した各反射波Ｓ４１，Ｓ４２の信号強度と第２超音波振動子１８が検出した各反射波Ｓ３１，Ｓ３２の信号強度とに基づいて、第１の実施の形態と同様の演算処理を行うことにより、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求める。さらに、他のパラメータ（音速Ｃ、流速Ｖ、密度ρ、体積流量Ｑ及び質量流量Ｍ）も第１の実施の形態と同様に求めることができる。
【００８５】
上記第１及び第２の実施の形態では、第１センサ部１１において、音速Ｃ及び流量Ｖを求めるために超音波Ｓ１，Ｓ２の伝搬時間Ｔ１，Ｔ２を計測するとともに、反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度を測定している。これに対して、本実施の形態では、第２センサ部１２において新たに設けた第３流量計測管４２及び第３超音波振動子４３によって反射波Ｓ４１，Ｓ４２の信号強度を計測するように構成している。このため、本実施の形態では、第１センサ部１１において反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度を取得する必要はない。従って、第１信号処理回路２２においては、各反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度を検出するための機能が省略されている。
【００８６】
また、第１センサ部１１において、第１流量計測管１３に形成される第１流路１３ａの長さＬ１は長いほうが、超音波Ｓ１，Ｓ２の伝搬時間差が大きくなるため、音速Ｃや流速Ｖの測定精度を高めることができる。ここで、第１流路の長さＬ１を長くすると、流体Ｗ中を伝搬する際に減衰が大きくなり、各第１超音波振動子１５，１６で受信される反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度が小さくなる。このため、第１実施の形態のように、第１センサ部１１において反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度を測定する場合には、信号のＳ／Ｎ比が低下することとなり、減衰定数α、音響インピーダンスＺｆ及び密度ρなどの測定誤差が大きくなってしまう。これに対して、本実施の形態では、第１センサ部１１の第１流量計測管１３とは別に第３流量計測管４２を設け、第３流量計測管４２内に形成される第３流路４２ａの長さを短くしているので、反射波Ｓ４１,Ｓ４２の信号を確実に検出することができ、減衰定数α、音響インピーダンスＺｆ及び密度ρを正確に測定することができる。また、本実施の形態では、第１センサ部１１としては、信号強度の検出機能が不要であり、伝播時間差により体積流量Ｑを測定する一般的な構成の流量計を用いることができるため、実用上好ましいものとなる。
［第５の実施の形態］
【００８７】
次に、本発明を具体化した第５の実施の形態を説明する。本実施の形態では、超音波流量計２の第２センサ部１２の構成を変更した点が上記第４の実施の形態と異なる。
【００８８】
図９に示されるように、本実施の形態の超音波流量計２では、第３流量計測管４２内に形成される第３流路４２ａが第２流量計測管１４内に形成される第２流路１４ａと同じ長さＬ２となるように配管１０が設けられている。そして、第３流路４２ａにおける超音波Ｓ４の反射面４２ｃ（上流側端面）に、配管１０（各流量計測管１３，１４，４２）を構成する材質とは異なる音響インピーダンスを有する反射板４５が設けられている。
【００８９】
このように構成すると、第２流路１４ａと第３流路４２ａとは長さＬ２が同じであるが、第２流路１４ａにおける超音波Ｓ３の反射面１４ｃの材質と第３流路４２ａにおける超音波Ｓ４の反射面４２ｃの材質とが異なるため、第２超音波振動子１８で検出される反射波Ｓ３２と第３超音波振動子４３で検出される反射波Ｓ４２とでは信号強度が異なり、それらの信号強度の差に基づいて、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、他のパラメータ（音速Ｃ、流速Ｖ、密度ρ、体積流量Ｑ及び質量流量Ｍ）も上記各実施の形態と同様に求めることができる。
【００９０】
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。
【００９１】
・上記第５の実施の形態において、第３流路４２ａの反射面４２ｃ（上流側端面）に反射板４５を設けたが、これとは逆に、第２流路１４ａの反射面１４ｃ（下流側端面）に反射板４５を設けるように構成してもよい。また、第２流量計測管１４と第３流量計測管４２とについて、音響インピーダンスが異なる材質を用いて各計測管１４，４２をそれぞれ形成してもよい。このように形成した場合でも、第２流路１４ａの反射面１４ｃと第３流路４２ａの反射面４２ｃとで各反射波Ｓ３２，Ｓ４２の信号強度を異ならせることができ、それら信号強度に基づいて、流体Ｗの音響インピーダンスＺｆを求めることができる。
【００９２】
・上記各実施の形態では、超音波流量計２の第１センサ部１１における第１超音波振動子１５，１６を用いて超音波Ｓ１，Ｓ２の伝搬時間Ｔ１，Ｔ２を取得し、それら伝搬時間Ｔ１，Ｔ２から流体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２センサ部１２の第２超音波振動子１８を用いて超音波Ｓ３の伝搬時間から流体Ｗの音速Ｃを求めてもよい。
【００９３】
・上記第２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。
【００９４】
・上記第２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、超音波流量計２の配管１０の途中にサーミスタなどの温度センサを設け、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。
【００９５】
・上記各実施の形態において、超音波流量計２で測定した音響インピーダンスＺｆや密度ρに基づいて流体Ｗの濃度を求め、その濃度に応じて体積流量Ｑの補正を行うように構成してもよい。具体的には、例えば、燃料電池に流体Ｗを供給するシステムに適用する場合、超音波流量計２を用いて、流体Ｗのメタノール濃度と流量とを同時に測定することができるため、濃度計と流量計とを別々に設ける場合と比較して、部品コストを低減することができる。
【００９６】
・上記第４及び第５の実施の第１センサ部１１は、反射波Ｓ１１，Ｓ１２の信号強度を検出する機能が不要であり、超音波Ｓ１，Ｓ２の伝搬時間差によって流量Ｖを求める構成を備えるものであればよい。この第１センサ部１１としては、各実施の形態のように流体Ｗの流れと平行な方向に超音波を送受信するものに限定されるものではなく、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Ｓ１，Ｓ２が伝搬するように各超音波振動子１５，１６を設けてもよい。
【００９７】
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。
【００９８】
（１）手段１において、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求める手段であり、前記演算処理手段は、前記流体の音響インピーダンスと前記音速とに基づいて、前記流体の密度を求める密度算出手段と、前記流体の体積流量と前記密度とに基づいて、前記流体の質量流量を求める質量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。
【００９９】
（２）手段１において、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り、前記演算処理手段は、複数種類の流体の音響インピーダンスまたは密度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流体の音響インピーダンスまたは密度とに基づいて、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。
【０１００】
（３）手段４において、前記第２流路及び前記第３流路における超音波の反射面の一方に、前記管路を構成する材質とは異なる音響インピーダンスを有する反射板を設けたことを特徴とする超音波流量計。
【０１０１】
（４）手段２において、前記第１流路の端部と前記第２流路の端部とが直交するよう前記管路を設けたことを特徴とする超音波流量計。
【０１０２】
（５）技術的思想（４）において、前記第１超音波振動子における超音波の送受信タイミングと異なるタイミングで前記第２超音波振動子における超音波の送受信を行うようにしたことを特徴とする超音波流量計。
【０１０３】
（６）手段２乃至４のいずれかにおいて、前記第１流路と前記第２流路とが平行となるよう前記管路を設けたことを特徴とする超音波流量計。
【符号の説明】
【０１０４】
２…超音波流量計
３…管路を構成する流体供給用管路
１０…管路を構成する配管
１１…第１センサ部
１２…第２センサ部
１３…管路を構成する第１流量計測管
１３ａ…第１流路
１３ｂ，１３ｃ…反射面としての内壁面
１４…管路を構成する第２流量計測管
１４ａ…第２流路
１４ｂ，１４ｃ…反射面としての内壁面
１５，１６…第１超音波振動子
１８…第２超音波振動子
２１…音速算出手段、流量算出手段、音響パラメータ算出手段、演算処理手段としてのＣＰＵ
３５…管路を構成する流体出力用管路
４２…管路を構成する第３流量計測管
４２ａ…第３流路
４２ｂ，４２ｃ…反射面としての内壁面
４３…第３超音波振動子
【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、前記管路内において前記流体の流れと平行な方向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体積流量を算出する流量算出手段と、
前記第２センサ部で受信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、
前記流体の音響パラメータと前記音速とに基づいて、前記流体の体積流量を質量流量に変換する演算処理、または前記流体の種類を特定してその種類に応じて体積流量を補正する演算処理を行う演算処理手段と
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センサ部は、所定の長さを有する第１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第１超音波振動子を有し、
前記第２センサ部は、前記第１流路とは異なる長さを有する第２流路の上流側または下流側に配置された第２超音波振動子を有し、
前記第１センサ部は、前記管路の内壁面で反射した超音波を前記第１超音波振動子で受信してその信号強度を検出する機能を有し、
前記音響パラメータ算出手段は、前記第２超音波振動子で受信した反射波の信号強度に加えて、前記第１超音波振動子で受信した反射波の信号強度に基づいて、前記流体の音響パラメータを求める
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】
前記第１センサ部は、所定の長さを有する第１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第１超音波振動子を有し、
前記第２センサ部は、前記第１流路とは異なる長さを有する第２流路の上流側または下流側に配置された第２超音波振動子を有するとともに、前記第２流路とは異なる長さを有する第３流路の上流側または下流側に配置された第３超音波振動子を有し、
前記音響パラメータ算出手段は、前記第２センサ部における前記第２超音波振動子で受信した反射波の信号強度と前記第３超音波振動子で受信した反射波の信号強度とに基づいて、前記流体の音響パラメータを求める
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４】
前記第１センサ部は、所定の長さを有する第１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第１超音波振動子を有し、
前記第２センサ部は、前記第１流路とは異なる長さを有する第２流路の上流側または下流側に配置された第２超音波振動子を有するとともに、前記第２流路と同じ長さを有する第３流路の上流側または下流側に配置された第３超音波振動子を有し、前記第２流路における超音波の反射面の材質と前記第３流路における超音波の反射面の材質とが異なるように前記管路を設け、
前記音響パラメータ算出手段は、前記第２センサ部における前記第２超音波振動子で受信した反射波の信号強度と前記第３超音波振動子で受信した反射波の信号強度とに基づいて、前記流体の音響パラメータを求める
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、前記管路内において前記流体の流れと平行な方向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体積流量を算出する流量算出手段と、
前記第２センサ部で受信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、
前記流体の音響パラメータと前記音速とに基づいて、前記流体の体積流量を質量流量に変換する演算処理、または前記流体の種類を特定してその種類に応じて体積流量を補正する演算処理を行う演算処理手段と
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センサ部は、所定の長さを有する第１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第１超音波振動子を有し、
前記第２センサ部は、前記第１流路とは異なる長さを有する第２流路の上流側または下流側に配置された第２超音波振動子を有し、
前記第１センサ部は、前記管路の内壁面で反射した超音波を前記第１超音波振動子で受信してその信号強度を検出する機能を有し、
前記音響パラメータ算出手段は、前記第２超音波振動子で受信した反射波の信号強度に加えて、前記第１超音波振動子で受信した反射波の信号強度に基づいて、前記流体の音響パラメータを求める
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】
前記第１センサ部は、所定の長さを有する第１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第１超音波振動子を有し、
前記第２センサ部は、前記第１流路とは異なる長さを有する第２流路の上流側または下流側に配置された第２超音波振動子を有するとともに、前記第２流路とは異なる長さを有する第３流路の上流側または下流側に配置された第３超音波振動子を有し、
前記音響パラメータ算出手段は、前記第２センサ部における前記第２超音波振動子で受信した反射波の信号強度と前記第３超音波振動子で受信した反射波の信号強度とに基づいて、前記流体の音響パラメータを求める
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４】
前記第１センサ部は、所定の長さを有する第１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第１超音波振動子を有し、
前記第２センサ部は、前記第１流路とは異なる長さを有する第２流路の上流側または下流側に配置された第２超音波振動子を有するとともに、前記第２流路と同じ長さを有する第３流路の上流側または下流側に配置された第３超音波振動子を有し、前記第２流路における超音波の反射面の材質と前記第３流路における超音波の反射面の材質とが異なるように前記管路を設け、
前記音響パラメータ算出手段は、前記第２センサ部における前記第２超音波振動子で受信した反射波の信号強度と前記第３超音波振動子で受信した反射波の信号強度とに基づいて、前記流体の音響パラメータを求める
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２６１８７２（Ｐ２０１０−２６１８７２Ａ）
【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２００９−１１４０４８（Ｐ２００９−１１４０４８）
【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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