(57)【要約】【課題】  従来の超音波流量計測装置では、流体が連続的に流れている状態では校正することはできず、又、超音波振動子の特性変動に起因する０点誤差を補正することができないという問題がある。  【解決手段】  流量計測筐体１の両端に２つの超音波振動子２，３が装着され、超音波振動子２，３の間に直線状に形成された計測用伝搬路４は超音波振動子２の前面でほぼ直角に曲げられて流量計筐体１の上部に流入口４ａ形成され、又超音波振動子３の前面で直角に上方に曲げられて、流量計筐体１の上部に流出口４ｂが形成され、計測用伝搬路４に平行に周囲に防音層６が設けられ、超音波伝搬材質からなる０点補正用伝搬路５が装着され、この０点補正用伝搬路５の両端はそれぞれ超音波振動子２，３に対向するように構成されている。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配置された少なくとも１対の超音波振動子と、該１対の超音波振動子の間に計測流体が流れるように配置された計測用伝搬路と、前記１対の超音波振動子により相互に超音波を送受して、その伝搬時間から流量を計測する超音波流量計測装置において、該計測伝搬路の近傍であって、前記１対の超音波振動子の間に、超音波伝搬材質からなる０点補正用伝搬路が配置されたことを特徴とする超音波流量計測装置。
【請求項２】
前記１対の超音波振動子により受信した超音波のうち、前記計測用伝搬路を伝搬した成分と、０点補正用伝搬路を伝搬した成分とを区別して、それぞれ経路を通過するのに要した伝搬時間を導出するステップを有し、前記０点補正用伝搬路を順逆に伝搬した超音波の伝搬時間差をシステムの持つ計測誤差と認識して、計測用伝搬路を伝搬した超音波の伝搬時間の演算を行う際に補正することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計測装置。
【請求項３】
前記計測用伝搬路を順逆に伝搬した超音波の伝搬時間差と、前記０点補正用伝搬路を順逆に伝搬した超音波の伝搬時間差の差分をとることにより、システムの持つ計測誤差を補正することを特徴とする請求項１及び２に記載の超音波流量計測装置。
【請求項４】
前記０点補正用伝搬路の材質は、流量計筐体の材質よりも超音波の減衰率が低く、計測用伝搬路を流れる流体よりも音速が速い材料であることを特徴とする請求項１乃至３記載の超音波流量計測装置。
【請求項５】
前記０点補正用伝搬路と前記計測用伝搬路との間に防音層を形成することを特徴とする請求項１乃至４記載の超音波流量計測装置。
【請求項６】
適宜間隔を開けて対向して配置された２つの超音波振動子と、該２つの超音波振動子の間に計測流体が流れるように配置された計測用伝搬路と、該計測用伝搬路の近傍に配置され、前記２つの超音波振動子の間に配置された超音波伝搬材質からなる０点補正用伝搬路とを設けた流量計筐体と、前記２つの超音波振動子に切り換え回路を介して接続された発振回路と、前記２つの超音波振動子に切り換え回路を介して接続された受信回路と、前記０点補正用伝搬路を介して前記発振回路の出力と前記受信回路の出力をＡ／Ｄ変換部でＡ／Ｄ変換して入力するＣＰＵと、該ＣＰＵからの流量出力を表示する表示部とからなり、前記２つの超音波振動子の一方の超音波振動子から超音波を照射し、他方の超音波振動子で受信する動作を前記計測用伝搬路の計測流体の流れる方向及び逆方向で行って得られた計測時間に、前記０点補正用回路からの出力で０点補正をして出力することを特徴とする超音波流量計測装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子の間に計測用伝搬路と０点補正用伝搬路を配置して、０点補正をするようにした超音波流量計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波流量計測装置では、２つの超音波振動子が流量を計測する液体が流れる流路に対して、平行に配置されるか、又は、流路を横切るように対向して配置され、一方の超音波振動子より流れに沿った方向に超音波を照射し、又、流れに対して逆の方向の超音波を照射して、これらの超音波が到達する伝搬時間差を計測し、この伝搬時間差より（１）式により演算を行って検出する。                          
【０００３】
ここで、液体が流れる流路の上流から下流に照射した超音波の伝搬時間をｔＦ、下流から上流へ照射した超音波の伝搬時間をｔＲ、伝搬路長をＬ、液体中の音速をＣ、流路と超音波伝搬路の成す角をθ、流量をＱ、配管径をＤとした場合、
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となり、流量Ｑが求められるが、２つの超音波振動子の特性のずれや、送信回路及び受信回路の応答性あるいは位相のずれにより、流量計測誤差を生じる。
【０００４】
この誤差を解消するため、従来技術では、流体が流れていない状態を作り、流量が０となるように、計測開始時又は定期的に補正を行うことが一般的である。しかし、この方法で０点補正を実施も、超音波振動子や回路部の周囲温度の変化等による流量誤差が生じ、又、この０点補正は液体が流れていない状態で行う必要があり、流体が連続的に流れている状態では校正することはできない。
【０００５】
又、２つの超音波振動子が流量を計測する液体が流れる流路に対して、平行に配置されるか、又は、流路を横切るように対向して配置され、一方の超音波振動子と他方の超音波振動子の間にバイパスを設け、流路を超音波が通過する時間を、バイパスを通る時間で補正するようにした従来例も知られているが、超音波振動子の特性変動に起因する０点誤差を補正することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３４６６８６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、従来の超音波流量計測装置では、流体が連続的に流れている状態では校正することはできず、又、超音波振動子の特性変動に起因する０点誤差を補正することができないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、対向して配置された少なくとも１対の超音波振動子と、該１対の超音波振動子の間に計測流体が流れるように配置された計測用伝搬路と、前記１対の超音波振動子により相互に超音波を送受して、その伝搬時間から流量を計測する超音波流量計測装置において、該計測伝搬路の近傍であって、前記１対の超音波振動子の間に、超音波伝搬材質からなる０点補正用伝搬路が配置されるものであり、又、前記１対の超音波振動子により受信した超音波のうち、前記計測用伝搬路を伝搬した成分と、０点補正用伝搬路を伝搬した成分とを区別して、それぞれ経路を通過するのに要した伝搬時間を導出するステップを有し、前記０点補正用伝搬路を順逆に伝搬した超音波の伝搬時間差をシステムの持つ計測誤差と認識して、計測用伝搬路を伝搬した超音波の伝搬時間の演算を行う際に補正するものであり、さらに、前記計測用伝搬路を順逆に伝搬した超音波の伝搬時間差と、前記０点補正用伝搬路を順逆に伝搬した超音波の伝搬時間差の差分をとることにより、システムの持つ計測誤差を補正するものであり、又、前記０点補正用伝搬路の材質は、流量計筐体の材質よりも超音波の減衰率が低く、計測用伝搬路を流れる流体よりも音速が速い材料であり、又、前記０点補正用伝搬路と前記計測用伝搬路との間に防音層を形成するものであり、さらに、適宜間隔を開けて対向して配置された２つの超音波振動子と、該２つの超音波振動子の間に計測流体が流れるように配置された計測用伝搬路と、該計測用伝搬路の近傍に配置され、前記２つの超音波振動子の間に配置された超音波伝搬材質からなる０点補正用伝搬路とを設けた流量計筐体と、前記２つの超音波振動子に切り換え回路を介して接続された発振回路と、前記２つの超音波振動子に切り換え回路を介して接続された受信回路と、前記０点補正用伝搬路を介して前記発振回路の出力と前記受信回路の出力をＡ／Ｄ変換部でＡ／Ｄ変換して入力するＣＰＵと、該ＣＰＵからの流量出力を表示する表示部とからなり、前記２つの超音波振動子の一方の超音波振動子から超音波を照射し、他方の超音波振動子で受信する動作を前記計測用伝搬路の計測流体の流れる方向及び逆方向で行って得られた計測時間に、前記０点補正用回路からの出力で０点補正をして出力するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の超音波流量計測装置では、計測流体が計測用伝搬路に流れている状態であっても、流量測定誤差の補正を行うことができる。又、周囲環境の変化により、対となる超音波振動子の特性差がしょうじた場合であっても、リアルタイムに流量測定誤差の補正を行えることから、安定して高精度の流量計測を行うことができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例の超音波流量計測装置の側面断面図である。
【図２】図１の装置で超音波振動子の一方から他方に伝搬する信号の時間経過を示した図である。
【図３】図１の装置で超音波振動子の他方から一方に伝搬する信号の時間経過を示した図である。
【図４】本発明の他の実施例の超音波流量計測装置の側面断面図である。
【図５】本発明のさらに他の実施例の超音波流量計測装置の断面図である。
【図６】本発明の又他の実施例の超音波流量計測装置の側面断面図である。
【図７】図６の実施例の超音波流量計測装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明では、計測流体が流れる計測用伝搬路の近傍に計測流体が封入された０点補正用伝搬路を設けることにより、流量測定誤差の補正をおこなうことができ、周囲環境の変化があっても、安定して高精度の流量計測を行うことができた。
【実施例】
【００１２】
図１は本発明の実施例の超音波流量計測装置の断面図で、流量計測筐体１の両端に２つの超音波振動子２，３が装着され、この超音波振動子２，３の間に直線状に形成された計測用伝搬路４は超音波振動子２の前面でほぼ直角に曲げられて流量計筐体１の上部に流入口４ａ形成され、又超音波振動子３の前面で直角に上方に曲げられて、流量計筐体１の上部に流出口４ｂが形成され、計測用伝搬路４に平行に周囲に防音層６が設けられ、この防音層６の内部に、流体より速い超音波伝搬材質からなる０点補正用伝搬路５が装着され、この０点補正用伝搬路５の両端はそれぞれ超音波振動子２，３に対向するように構成されている。
【００１３】
そして、超音波振動子２，３は切替回路８に接続され、切替回路８に発振回路９が接続され、又、切替回路８に受信回路１０が接続され、受信回路１０の出力はＡ／Ｄ変換部１１に接続され、Ａ／Ｄ変換部１１の出力はＣＰＵ７の０点補正用到達時間演算部１２及び計測用伝搬路到達時間演算部１３に接続され、さらに、ＣＰＵ７にメモリ１４が接続され、０点補正用到達時間演算部１２及び計測用伝搬路到達時間演算部１３の出力はメモリ１４に入力され、又、０点補正用到達時間演算部１２は０点誤差計測部１５に入力され、計測用伝搬路到達時間演算部１３は到達時間差補正部１６に入力され、又、メモリ１４に記憶されている０点補正用到達時間演算部１２の出力は０点誤差計測部１５に入力され、さらに、メモリ１４に記憶されている計測用伝搬路到達時間演算部１３の出力は到達時間差補正部１６に入力され、到達時間差補正部１６の出力は流量演算部１７に入力され、流量演算部１７の出力は表示部１８で表示される。
【００１４】
このように構成した本発明では、制御装置１９からの駆動信号で発振回路９から発振出力が超音波振動子２に入力されると、図２に示すように、超音波振動子２から送信波形Ａの超音波が計測用伝搬路４及び０点補正用伝搬路５を伝搬して対向位置にある超音波振動子３に到達するが、計測用伝搬路４を満たす流体と、０点補正用伝搬路５の材質が異なる場合には、それぞれの経路を伝搬した超音波の到達時間に差を生じ、０点補正用伝搬路５を伝搬した超音波Ｂが時間ｔＦ０後に、計測用伝搬路４を通過した超音波ＣはｔＦ後に超音波振動子３に到達し、又、超音波振動子３から出力された超音波ＤはｔＲ０後に受信される。超音波振動子３で受信された超音波Ｂ及び超音波Ｃは、受信回路１０において、増幅やノイズ除去が為された後、Ａ／Ｄ変換器１１でデジタル信号に変換されて、ＣＰＵ７において演算処理に用いられる。ＣＰＵ７の０点補正用到達時間演算部１２及び計測用伝搬路到達時間演算部１３では、受信波形から超音波Ｂ、超音波Ｃの到達タイミングがそれぞれ演算され、超音波Ａの送信タイミングとの比較から超音波Ｂ、超音波Ｃの伝搬時間ｔＦ０、ｔＦが演算され、この演算結果をメモリ１４に記憶する処理が行われる。
【００１５】
次の超音波送信タイミングでは、切替回路８によって超音波振動子２，３の送受を入れ替えて、発振回路９から発振出力が超音波振動子３に入力され、図３に示すように、超音波振動子３から送信された送信波形Ｄの超音波が計測用伝搬路４及び０点補正用伝搬路５を伝搬して対向位置にある超音波振動子２に到達し、０点補正用伝搬路５を伝搬した超音波Ｅが時間ｔＲ０後に受信される。超音波振動子２で受信された超音波Ｅ及び超音波Ｆは、受信回路１０において増幅やノイズ除去がなされた後、Ａ／Ｄ変換器１１でデジタル信号に変換されて、ＣＰＵにおいて演算処理に用いられる。ＣＰＵ７の０点補正用到達時間演算部１２及び計測用伝搬路到達時間演算部１３では、受信波形から超音波Ｅ、超音波Ｆの到達タイミングがそれぞれそれぞれ演算され、超音波Ｄの送信タイミングとの比較から、超音波Ｅ、超音波Ｆの伝搬時間ｔＲ０、ｔＲが演算され、この演算結果をメモリ１４にに記憶する処理が行われる。この動作の繰り返しにより逐次記憶されるされる超音波Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆの伝搬時間ｔＦ０、ｔＦ、ｔＲ０、ｔＲを用いてシステムの持つ計測誤差を補正した流量がＣＰＵで演算される。具体的には、超音波Ｂ、超音波Ｅの伝搬経路である０点補正用伝搬路５には流れがないため、ｔＦ０とｔＲとは等しくなるべきであるが、切替回路８から超音波振動子２，３に至る配線の電気的特性や、超音波振動子２，３の特性に違いがあれば、ｔＦ０とｔＲ０が等しくならず、計測誤差になるので、０点計測部１５らおいて、次式（２）により計測誤差Δｔ０が演算される。
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【００１６】
次に、計測用伝搬路４を伝搬した超音波Ｃ、Ｆの伝搬時間ｔＦ、ｔＲ及び（２）式で演算したΔｔ０を用いて、伝搬時間補正部１６において次式（３）により超音波Ｃ、Ｆの伝搬時間Δｔが演算される。
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次に、流量演算部１７において、次式（４）により瞬時流量Ｑが演算され、表示部１３で表示される。
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ここで、Ｌは伝搬路長、Ｃは液体中の音速、θは流路と超音波伝搬路のなす角、Ｄは配管径である。
【００１７】
本発明は、このように、超音波振動子２，３の特性の相違や環境変化に伴う特性のずれ、又は送受信回路の切替による応答性の相違というようなシステムの有する時間計測誤差を、０点補正用伝搬路を順逆に伝搬した超音波の伝搬時間差の計測結果に基づいて補正することができるので、より高精度に流量計測を行うことができる。
【００１８】
図４は本発明の他の実施例の超音波流量計測装置の断面図で、１は流量計測筐体、２，３は超音波振動子、４は計側用伝搬路、５は０点補正用伝搬路で、これらの構成は上記実施例と同じであるので説明は省略するが、本実施例では、防音層６は設けられていない。
【００１９】
本発明をこのように構成しても０点補正用伝搬路５の材質と計測流量筐体１の組み合わせによっては、計測用伝搬路４と０点補正用伝搬路５との間の超音波の漏れの影響が小さいので、防音層を設ける必要が無い場合があり、その場合は製造コストを低減することができる。
【００２０】
図５は本発明の他の実施例の超音波流量計測装置の断面図で、１は流量計測筐体、２，３は超音波振動子、４は計側用伝搬路、５は０点補正用伝搬路で、これらの構成は上記実施例と同じであるので説明は省略するが、本実施例では、計測用伝搬路４と０点補正用伝搬路５の間に防音層６が設けられている。
【００２１】
本発明をこのように構成しても、防音層６によって、０点補正用伝搬路５を通過する０点計測用超音波が計測用伝搬路４を通過する計測用超音波と混合することはない。
【００２２】
図６は本発明の他の実施例の超音波流量計測装置の断面図、図５は図４の超音波流量計測装置の側面断面図で、１は流量計測筐体、２，３は超音波振動子、４は計側用伝搬路、５は０点補正用伝搬路で、これらの構成は上記実施例と同じであるので説明は省略するが、本実施例では、直線状の計測用伝搬路４に超音波振動子２，３は斜めに対向して装着され、０点補正用伝搬路５は計測用伝搬路４の周囲の流量計測筐体１の側壁に、超音波振動子２，３の間に湾曲して装着されている。
【００２３】
このように構成された本実施例の超音波流量計測装置でも、前記実施例と同様に動作し、効果を得ることができる。
【００２４】
なお、上記本発明の超音波流量計測装置では、０点補正用伝搬路５は流量計測筐体１の材質よりも超音波の伝搬特性に優れた材質とし、超音波振動子から照射された超音波が０点補正用伝搬路と計測用伝搬路とに分かれて伝搬し、それぞれを経由して他方の超音波振動子に到達する超音波の感度が同等レベルとなる材質、断面積比であることがこのましい。例えば、流量計測筐体１の材質をＰＦＡやＰＴＦＥ、ＡＢＳ、ＰＦＦＫなどの樹脂とし、０点補正用伝搬路の材質として、金属や水などの超音波の伝搬特性に優れた材料とすると良い。又、０点補正用伝搬路を伝搬した超音波と計測用伝搬路を伝搬した超音波とを時間的に分離できるように、０点補正用伝搬路の材質は、流体と音速が異なるものを用いることが好ましい。たとえば、０点補正用伝搬路５としてアルミニウムの棒を用いて、計測用伝搬路に流れる純粋の計測を行う場合では、純粋の音速１４８３ｍ／ｓに対して、アルミニウムの音速が６４２０ｍ／ｓと速いため、０点補正用伝搬路を伝搬した超音波と、計測用伝搬路を伝搬した超音波の到達時間に差があるので、波形分離の処理が容易である。又、逆に、計測流体の音速が速い材料に対して、０点補正用伝搬路の材質に音速が遅い材料を選択しても良い。さらに、防音層の材質については、超音波の伝搬減衰が大きい材質であればよいが、空気層とした場合、材料費や加工方法の複雑さが無い。
【００２５】
又、上記実施例では、Ａ／Ｄ変換部により受信波形をデジタル信号に変換する方法について記載したが、Ａ／Ｄ変換を行わず、アナログ信号の振幅の立ち上がりのタイミングを閾値電圧との比較回路等により計測する方法であつても構わないさらに、受信波形のＡ／Ｄ変換を行う方法においては、前回までの０点補正用伝搬路と計測伝搬路を伝搬した超音波の到達時間のデータから、Ａ／Ｄ変換のデータの取り込みを行う窓の幅と、開始タイミングとを制御することができるが、その方法によれば、不要データの取り込みを行わないので、演算時間の短縮が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明では、半導体製造装置の薬液供給など、高精度の流量計測が求められる分野において利用される。特に、高温薬液を使用するなど、液温や室温の変動が大きい環境下であつては、送受の超音波振動子の特性のずれによる計測誤差が大きくなる傾向があり、随時リアルタイムに計測誤差の補正が行える本発明は、そのような場合に有用である。
【符号の説明】
【００２７】
１                流量計測筐体
２、３            超音波振動子
４                計側用伝搬路
５                ０点補正用伝搬路
６                防音層
７                ＣＰＵ
８                切り換え回路
９                発振回路
１０              受信回路
１１              Ａ／Ｄ変換部
１２              ０点補正用到達時間演算部
１３              計測用伝搬路到達時間演算部
１４              メモリ
１５              ０点誤差計測部
１６              到達時間差補正部
１６              流量演算部
１８              表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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