(57)【要約】  超音波流量計は、導管と、第１の超音波トランスデューサと、第２の超音波トランスデューサと、コントローラとを含む。第１の超音波トランスデューサは、第１の超音波信号を伝送するためおよび第２の超音波信号を受取るために、導管の第１の部分の周りの第１の位置に配置される。第２の超音波トランスデューサは、第２の超音波信号を伝送するためおよび第１の超音波信号を受取るために、導管の長さに沿って第１の位置から離れて間隔をあけられた導管の第２の部分の周りの第２の位置に配置される。コントローラは、第１および第２の受取られる超音波信号を相互相関させ、結果として生じる時間領域信号を発生させるように、第１および第２の受取られる超音波信号間の通過時間差を求めるために結果として生じる時間領域信号を分析するように、および求められた差に基づいて導管の中の流体の流量を計算するように構成される。
2008504558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導管の中の流体の流量を求める方法であって、
前記導管の長さに沿って第１および第２の超音波信号を送る行為と、
前記第１および第２の超音波信号を受取る行為と、
結果として生じる時間領域信号を発生させるために、前記第１の受取られる超音波信号および前記第２の受取られる超音波信号を相互相関させる行為と、
前記第１の受取られる超音波信号と前記第２の受取られる超音波信号との間の通過時間差を求めるために、前記結果として生じる時間領域信号を分析する行為と、
前記求められた差に基づいて前記導管の中の前記流体の前記流量を計算する行為とを含む、方法。
【請求項２】
相互相関させる前記行為は、
第１の周波数領域表現および第２の周波数領域表現を発生させるために、前記第１の受取られる超音波信号および前記第２の受取られる超音波信号の各々に対してそれぞれにフーリエ変換を行なう行為と、
結果として生じる周波数領域表現を発生させるために、前記第１および第２の周波数領域表現をともに乗算する行為と、
前記結果として生じる時間領域信号を発生させるために、前記結果として生じる周波数領域表現に対して逆フーリエ変換を行なう行為とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
正の９０°の位相シフトおよび負の９０°の位相シフトのうちの一方を、前記第１の周波数領域表現および前記第２の周波数領域表現のうちの１つの各々の正の周波数構成要素に加える行為と、
正の９０°の位相シフトおよび負の９０°の位相シフトのうちの他方を、前記第１の周波数領域表現および前記第２の周波数領域表現のうちの前記１つの各々の負の周波数構成要素に加える行為とをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
相互相関させる前記行為は、
第１の周波数領域表現を発生させるために、前記第１の受取られる超音波信号に対してフーリエ変換を行なう行為と、
第２の周波数領域表現を発生させるために、前記第２の受取られる超音波信号に対してヒルベルト変換およびフーリエ変換を行なう行為と、
結果として生じる周波数領域表現を発生させるために、前記第１および第２の周波数領域表現をともに乗算する行為と、
前記結果として生じる時間領域信号を発生させるために、前記結果として生じる周波数領域表現に対して逆フーリエ変換を行なう行為とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記結果として生じる周波数領域表現に対して逆フーリエ変換を行なう前記行為の前に、前記結果として生じる周波数領域表現のＤＣおよびナイキスト速度項を０に設定する行為をさらに含む、請求項３〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記結果として生じる時間領域信号を分析する前記行為は、前記結果として生じる時間領域信号内でゼロ交差の位置を突き止めることを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記流体における前記第１および第２の超音波信号のうちの少なくとも１つの伝搬の速度を求める行為をさらに含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記求められた差に基づいて前記流体の前記流量を計算する前記行為は、伝搬の前記速
度を求める前記行為よりも頻繁に行なわれる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
伝搬の前記速度を求める前記行為は、
第１の位置と、前記導管の前記長さに沿って間隔をあけられた第２の位置との間の前記第１の超音波信号の第１の通過時間を求める行為と、
前記第２の位置と前記第１の位置との間の前記第２の超音波信号の第２の通過時間を求める行為と、
前記第１および第２の通過時間、ならびに前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離に基づいて、伝搬の前記速度を計算する行為とを含む、請求項７〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記第１および第２の通過時間を求める前記行為と伝搬の前記速度を計算する前記行為とを周期的に繰返すことによって、前記流体における少なくとも１つの超音波信号の伝搬の前記速度を周期的に更新する行為をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記流体の前記流量を計算する前記行為は、前記求められた差および伝搬の前記速度に基づいて前記流量を計算する行為を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１および第２の超音波信号を送る前記行為は、チャープ信号のデジタル表現から前記第１および第２の超音波信号をデジタル方式で合成する行為を含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
超音波流量計であって、
導管と、
第１の超音波信号を伝送するためおよび第２の超音波信号を受取るために、前記導管の長さに沿った第１の位置に配置される第１の超音波トランスデューサと、
前記第２の超音波信号を伝送するためおよび前記第１の超音波信号を受取るために、前記第１の位置から離れて間隔をあけられた、前記導管の前記長さに沿った第２の位置に配置される第２の超音波トランスデューサと、
前記第１の受取られる超音波信号および前記第２の受取られる超音波信号を相互相関させ、結果として生じる時間領域信号を発生させるように、前記第１の受取られる超音波信号と前記第２の受取られる超音波信号との間の通過時間差を求めるために前記結果として生じる時間領域信号を分析するように、および前記求められた差に基づいて前記導管の中の流体の流量を計算するように構成されるコントローラとを含む、超音波流量計。
【請求項１４】
前記コントローラはさらに、
第１の周波数領域表現を発生させるために、前記第１の受取られる超音波信号に対してフーリエ変換を行なうように構成され、
第２の周波数領域表現を発生させるために、前記第２の受取られる超音波信号に対してヒルベルト変換およびフーリエ変換を行なうように構成され、
結果として生じる周波数領域表現を発生させるために、前記第１および第２の周波数領域表現をともに乗算するように構成され、
前記結果として生じる時間領域信号を発生させるために、前記結果として生じる周波数領域表現に対して逆フーリエ変換を行なうように構成される、請求項１３に記載の超音波流量計。
【請求項１５】
前記コントローラは、前記結果として生じる周波数領域表現に対して前記逆フーリエ変換を行なう前に、前記結果として生じる周波数領域表現のＤＣおよびナイキスト速度項を０に設定するようにさらに構成される、請求項１４に記載の超音波流量計。
【請求項１６】
前記コントローラは、前記結果として生じる時間領域信号内でゼロ交差の位置を突き止めることによって、前記結果として生じる時間領域信号を分析するようにさらに構成される、請求項１３〜１５のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項１７】
前記コントローラは、第１の位置と第２の位置との間の前記第１の超音波信号の第１の通過時間を求めることと、前記第２の位置と前記第１の位置との間の前記第２の超音波信号の第２の通過時間を求めることと、前記第１および第２の通過時間ならびに前記導管の前記長さに沿った前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離に基づいて伝搬の速度を計算することとによって、前記流体における前記第１および第２の超音波信号の伝搬の前記速度を求めるようにさらに構成される、請求項１３〜１６のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項１８】
前記コントローラは、前記求められた差および伝搬の前記速度に基づいて前記流体の前記流量を計算するように構成される、請求項１７に記載の超音波流量計。
【請求項１９】
前記コントローラは、前記求められた差、伝搬の前記速度および前記導管の断面積に基づいて前記流体の前記流量を計算するように構成される、請求項１７に記載の超音波流量計。
【請求項２０】
前記コントローラは、前記求められた差、伝搬の前記速度、前記導管の断面積および前記導管の中の前記流体の固有密度に基づいて前記流体の前記流量を計算するように構成される、請求項１７に記載の超音波流量計。
【請求項２１】
基準事象に対して第１の定められた遅延後に前記第１および第２の超音波信号の伝送を起動するように前記第１および第２の超音波トランスデューサに作動的に結合されたタイミング回路をさらに含む、請求項１３〜２０のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項２２】
前記タイミング回路は、前記基準事象に対して第２の定められた遅延後に前記第１および第２の超音波信号の受取を起動する、請求項２１に記載の超音波流量計。
【請求項２３】
超音波流量計であって、
導管と、
第１の超音波信号を伝送するためおよび第２の超音波信号を受取るために、前記導管の長さに沿った第１の位置に配置される第１の超音波トランスデューサと、
前記第２の超音波信号を伝送するためおよび前記第１の超音波信号を受取るために、前記第１の位置から離れて間隔をあけられた、前記導管の前記長さに沿った第２の位置に配置される第２の超音波トランスデューサと、
基準事象に対して定められた遅延後に前記第１および第２の超音波信号の伝送を起動するように前記第１および第２の超音波トランスデューサに作動的に結合されたタイミング回路と、
前記第１および第２の受取られる超音波信号を処理し、前記基準事象に対して前記第１の受取られる超音波信号の受取と前記第２の受取られる超音波信号の受取との間の時間差を求めるためのコントローラとを含む、超音波流量計。
【請求項２４】
前記定められた遅延は、前記第１および第２の超音波信号についてのものと同一である、請求項２３に記載の超音波流量計。
【請求項２５】
前記第１および第２の受取られる超音波信号を受取ると、前記コントローラは、前記基準事象に対して前記第１の受取られる超音波信号の受取と前記第２の受取られる超音波信号の受取との間の前記時間差を求めるために、前記第１および第２の受取られる超音波信
号間の相互相関を行なう、請求項２３〜２４のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項２６】
前記第１および第２の超音波信号を受取るためおよび前記第１および第２の受取られる超音波信号を前記コントローラに与えるための受信器回路をさらに含む、請求項１３〜２５のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項２７】
前記第１および第２の超音波信号を発生させるため、および伝送のために前記第１および第２の超音波信号を前記第１および第２の超音波トランスデューサに与えるための送信機回路をさらに含む、請求項１３〜２６のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項２８】
前記第１および第２の超音波信号を受取るように、および前記第１および第２の受取られる超音波信号を前記コントローラに与えるように、前記第１および第２の超音波トランスデューサの各々に切換可能に接続された受信機回路をさらに含む、請求項１３〜２５のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項２９】
前記第１および第２の超音波信号を発生させるように、および伝送のために前記第１および第２の超音波信号を前記第１および第２の超音波トランスデューサに与えるように、前記タイミング回路に応答し、前記第１および第２の超音波トランスデューサの各々に切換可能に接続された送信機回路をさらに含む、請求項１３〜２５および２８のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項３０】
前記送信機回路は、
前記第１の超音波信号および前記第２の超音波信号のデジタル表現を格納するための記憶回路と、
前記第１の超音波信号および前記第２の超音波信号の前記デジタル表現をアナログ表現に変換するように前記記憶回路に電気的に結合されたデジタルアナログ変換器とを含む、請求項２７または２９に記載の超音波流量計。
【請求項３１】
前記第１の超音波信号の前記デジタル表現は、前記第２の超音波信号の前記デジタル表現と同一である、請求項３０に記載の超音波流量計。
【請求項３２】
前記送信機回路は、
前記アナログ表現をフィルタリングするように前記デジタルアナログ変換器に電気的に結合されたフィルタと、
前記フィルタリングされたアナログ表現を増幅するように、および伝送のために、前記フィルタリングされたアナログ表現を前記第１および第２の超音波トランスデューサに与えるように、前記フィルタに電気的に結合された増幅器とをさらに含む、請求項３０〜３１のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項３３】
前記第１および第２の超音波信号の各々は超音波チャープ信号を含む、請求項１３〜３２のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項３４】
前記超音波チャープ信号はデジタル方式で合成される、請求項３３に記載の超音波流量計。
【請求項３５】
前記第１の超音波信号および前記第２の超音波信号の前記デジタル表現は、チャープ信号に対応する、請求項３０〜３１のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項３６】
導管の中の流体の流量を求める方法であって、
（ａ）  前記導管の長さに沿って配置された第１の位置から第１の超音波信号を伝送す
る行為と、
（ｂ）  前記導管の前記長さに沿って配置された第２の位置から第２の超音波信号を伝送する行為とを含み、前記第２の位置は前記第１の位置から前記導管の前記長さに沿ってある距離だけ間隔をあけられ、前記方法はさらに、
（ｃ）  前記第２の位置において前記第１の超音波信号を受取る行為と、
（ｄ）  前記第１の位置において前記第２の超音波信号を受取る行為と、
（ｅ）  前記流体における前記第１および第２の超音波信号のうちの少なくとも１つの伝搬の速度を求める行為と、
（ｆ）  前記第１の超音波信号の受取と前記第２の超音波信号の受取との間の時間差を求めるために、前記受取られる第１および第２の超音波信号のみを処理する行為と、
（ｇ）  行為（ｅ）で求められた伝搬の前記速度および行為（ｆ）で求められた前記第１の超音波信号の前記受取と前記第２の超音波信号の前記受取との間の前記時間差に基づいて、前記流体の前記流量を計算する行為とを含む、方法。
【請求項３７】
前記行為（ｅ）は、
前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記第１の超音波信号の第１の通過時間を求める行為と、
前記第２の位置と前記第１の位置との間の前記第２の超音波信号の第２の通過時間を求める行為と、
前記第１および第２の通過時間、ならびに前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記距離に基づいて、前記流体における前記第１および第２の超音波信号のうちの少なくとも１つの伝搬の前記速度を計算する行為とを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記導管の中の前記流体の温度を測定する行為と、
前記導管の中の前記流体の前記温度に基づいて、前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記距離の値を調整する行為とをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
繰返しの第１の速度で前記行為（ｆ）および（ｇ）を繰返す行為と、
繰返しの前記第１の速度よりも遅い繰返しの第２の速度で、行為（ｅ）で求められた伝搬の前記速度を周期的に更新する行為とをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
繰返しの第１の速度で前記行為（ｆ）および（ｇ）を繰返す行為と、
前記導管の中の前記流体の温度が前記行為（ｅ）の後で変化したかどうかを判断する行為と、
前記導管の中の前記流体の前記温度が変化したという判断に応答して、行為（ｅ）で求められた伝搬の前記速度を更新する行為とをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
前記行為（ｇ）は、
行為（ｅ）で求められた伝搬の前記速度、行為（ｆ）で求められた前記第１の超音波信号の前記受取と前記第２の超音波信号の前記受取との間の前記時間差、および前記導管の断面積に基づいて、前記流体の前記流量を計算する行為を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４２】
前記導管の中の前記流体の温度を測定する行為と、
前記導管の中の前記流体の前記温度に基づいて、前記導管の前記断面積を調整する行為とをさらに含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記行為（ｇ）は、
行為（ｅ）で求められた伝搬の前記速度、行為（ｆ）で求められた前記第１の超音波信号の前記受取と前記第２の超音波信号の前記受取との間の前記時間差、前記導管の断面積
、および前記導管の中の前記流体の固有密度に基づいて、前記流体の前記流量を計算する行為を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４４】
前記導管の中の前記流体の温度を測定する行為と、
前記導管の中の前記流体の前記温度に基づいて、前記導管の前記断面積を調整する行為と、
前記導管の中の前記流体の前記温度に基づいて、前記流体の前記固有密度を調整する行為とをさらに含む、請求項４３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
発明の分野
本発明は液体流量コントローラに関し、より詳細には、液体流量コントローラにおいて用いられ得る超音波液体流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
熱流量計、コリオリ力流量計および差圧流量計を含む、導管、たとえばパイプまたは管に流入する液体またはガスなどの流体の流量を測定するためのさまざまな先行技術が公知である。システムの中の流体の流れを制御するためにフィードバック制御ループにこれらの流量計および他のタイプの流量計を組入れることも公知である。
【０００３】
半導体装置の製造中に、多くの異なる流体は、処理されるウェハ表面上で用いるために厳密におよび正確に供給されなければならない。たとえば、従来の機器では、処理されるべきウェハは典型的にはノズルの下に位置決めされ、このノズルは次いでウェハをコーティングまたは処理するために予め定められた量の流体（たとえば、水、スラリー、腐食液など）を供給する。
【０００４】
半導体ウェハ上での統合のレベルが増すにつれて、表面の凹凸が深刻な問題になってきた。たとえば、ウェハ上のさまざまな装置の間に相互接続部を形成するために用いられる金属化層は、後続のフォトリソグラフィステップと干渉し得る実質的な表面の凹凸に繋がる可能性がある。その結果、ウェハ上に形成される装置に損傷を与えることなく表面の凹凸を「均す」またはウェハから表面の凹凸を除去するためにいくつかのプロセスが開発されてきた。このようなプロセスの一例は化学的機械的平坦化（chemical-mechanical planarization）（ＣＭＰ）であり、この化学的機械的平坦化は、ウェハが研磨パッドに対して回転されるときに表面の凹凸を削って取除くために、通常は研削粒子および／または化学的腐食液を含む平坦化流体を用いる研磨方法である。
【０００５】
ＣＭＰにおいて用いられる平坦化流体は典型的には、商業的に予めパッケージ化された形態でウェハ製造業者にもたらされる可能性があり、ある生産工程のウェハを平坦化する前に混ぜられる２つ以上の流体構成要素を含んでもよい。一旦流体構成要素が混合されると、結果として生じる平坦化流体はウェハ平坦化機械に分配され、半導体ウェハを研磨するために用いられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の平坦化システムの重大な不利点は、平坦化流体が用いられることになる場所の近くで（および平坦化流体が用いられることになる寸前に）平坦化流体を混合できないことである。それどころか、流体構成要素は貯蔵タンクで混合および貯蔵され、この貯蔵タンクは通常、流体をかき混ぜ、構成要素の流体が分離することを防ぐために、特に、研削粒子が残りの流体から分離することを防ぐために、絶えず動作するモータ、ポンプまたはミキサを必要とする。代わりに、平坦化流体の構成要素の「使用時点での」混合を実現し、流体を貯蔵および絶えずかき混ぜる必要性およびその費用を回避することは有利であろう。さらに、平坦化流体を「必要に応じて」混合および使用することは有利であろう。なぜなら、平坦化流体の中に典型的に存在する化学的腐食液は化学分解を受けやすく、混合後すぐに使用されるべきであるためである。
【０００７】
ウェハに供給される平坦化流体の量および組成は、半導体装置の適正な製造に極めて重要である。平坦化流体の使用時点での混合を実現するのにしばしば必要とされる従来の流量計および流量コントローラは精度を欠く。したがって、とりわけこのような流体を使用時点で混合し、正確に供給できるようにするために半導体の製造において用いられる流体を制御するために用いられ得る正確な、小型の流体流量コントローラが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の概要
本発明の一局面によれば、導管と、第１の超音波トランスデューサと、第２の超音波トランスデューサと、コントローラとを含む超音波流量計が提供される。第１の超音波トランスデューサは、導管の長さに沿った第１の位置に配置され、第２の超音波トランスデューサは、第１の位置から離れて間隔をあけられた、導管の長さに沿った第２の位置に配置される。第１の超音波トランスデューサは、第１の超音波信号を伝送するように、および第２の超音波信号を受取るように構成され、第２の超音波トランスデューサは、第２の超音波信号を伝送するように、および第１の超音波信号を受取るように構成される。コントローラは、第１の受取られる超音波信号および第２の受取られる超音波信号を相互相関させ、結果として生じる時間領域信号を発生させるように、第１の受取られる超音波信号と第２の受取られる超音波信号との間の通過時間差を求めるために結果として生じる時間領域信号を分析するように、および求められた差に基づいて導管の中の流体の流量を計算するように構成される。有利に、第１および第２の超音波信号は、流体の流量を計算するために受取られる超音波信号のみが比較されるように、基準事象に対して定められた遅延後に伝送されることが可能である。
【０００９】
一実施例によれば、導管の中の流体の流量を求める方法が提供される。この方法は、導管の長さに沿って第１および第２の超音波信号を送る行為と、第１および第２の超音波信号を受取る行為と、結果として生じる時間領域信号を発生させるために第１の受取られる超音波信号および第２の受取られる超音波信号を相互相関させる行為と、第１の受取られる超音波信号と第２の受取られる超音波信号との間の通過時間差を求めるために結果として生じる時間領域信号を分析する行為と、求められた差に基づいて導管の中の流体の流量を計算する行為とを含む。
【００１０】
さらなる実施例によれば、相互相関させる行為は、第１の周波数領域表現を発生させるために第１の受取られる超音波信号に対してフーリエ変換を行なう行為と、第２の周波数領域表現を発生させるために第２の受取られる超音波信号に対してヒルベルト変換およびフーリエ変換を行なう行為と、結果として生じる周波数領域表現を発生させるために第１および第２の周波数領域表現をともに乗算する行為と、結果として生じる時間領域信号を発生させるために結果として生じる周波数領域表現に対して逆フーリエ変換を行なう行為とを含み得る。
【００１１】
本発明の別の局面によれば、導管と、第１の超音波信号を伝送するためおよび第２の超音波信号を受取るために導管の長さに沿った第１の位置に配置される第１の超音波トランスデューサと、第２の超音波信号を伝送するためおよび第１の超音波信号を受取るために、第１の位置から離れて間隔をあけられた、導管の長さに沿った第２の位置に配置される第２の超音波トランスデューサとを含む超音波流量計が提供される。流量計はさらに、基準事象に対して定められた遅延後に第１および第２の超音波信号の伝送を起動するように第１および第２の超音波トランスデューサに電気的に結合されたタイミング回路と、第１および第２の受取られる超音波信号を処理し、基準事象に対して第１の受取られる超音波信号の受取と第２の受取られる超音波信号の受取との間の時間差を求めるためのコントローラとを含む。
【００１２】
一実施例によれば、導管の中の流体の流量を求める方法が提供される。この方法は、導管の長さに沿って配置された第１の位置から第１の超音波信号を伝送する行為と、導管の長さに沿って配置された第２の位置から第２の超音波信号を伝送する行為とを含み、第２の位置は第１の位置から導管の長さに沿ってある距離だけ間隔をあけられている。この方法はさらに、第２の位置において第１の超音波信号を受取る行為と、第１の位置において第２の超音波信号を受取る行為と、流体における第１および第２の超音波信号のうちの少なくとも１つの伝搬の速度を求める行為と、第１の超音波信号の受取と第２の超音波信号の受取との間の時間差を求めるために受取られる第１および第２の超音波信号のみを処理する行為と、求められた伝搬の速度および第１の超音波信号の受取と第２の超音波信号の受取との間の求められた時間差に基づいて流体の流量を計算する行為とを含む。
【００１３】
添付の図面は一定の比例に応じて描かれるように意図されていない。図面中では、さまざまな図に示される各々の同一の構成要素またはほとんど同一の構成要素は同様の数字で表わされる。明確にする目的で、すべての構成要素がすべての図面に明示され得るわけではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
詳細な説明
さまざまな実施例およびその局面が添付の図面を参照しながら以下に詳細に説明される。本発明は本願において、構造物の詳細および以下の説明に述べられるまたは図面に示される構成要素の配置に限定されないことが認識されるべきである。本発明は、他の実施例が可能であり、さまざまな方法で実施または実行されることが可能である。具体的な実現例の例は例示の目的でのみ本明細書において提供される。特に、一実施例に関連して説明される行為、要素および特徴は、他の実施例における同様の役割から除外されるように意図されるものではない。さらに、本明細書において用いられる語法および述語は、説明の目的であり、限定的であるように見なされるべきではない。本明細書における「含む」「備える」または「有する」「収容する」「伴う」およびそれらの変形例の使用は、後に一覧にされる項目およびその等価物ならびに追加の項目を包含するように意図される。
【００１５】
本発明のさまざまな実施例は、システムの中の流体の流れを監視および閉ループ制御するための方法ならびに機器を含む。一例では、監視および制御される流体は、半導体ウェハ化学的機械的平坦化（ＣＭＰ）機械に流れてもよい。しかしながら、本発明は半導体製造の分野に限定されず、本明細書に記載される本発明の原理は、たとえば医薬品を製造するために用いられるシステムなどのいかなるシステムの中のいかなる流体も監視および制御するように適用され得る。いくつかの実施例によれば、流体の化学的濃度および／または流量をリアルタイムで測定するプロセスツールにおいて用いるための、プロセスが透過的な（すなわち、いかなるタイプのプロセスとも用いられ得る）技術が提供される。これらの技術は、半導体の製造を含むがそれに限定されないすべての液体ベースのプロセスの分野についての、使用時点での配合および送出を含む監視ならびに制御システムにおける重要な応用例を有する。
【００１６】
液体化学物質の特定の化学的および物理的特性の決定が半導体装置の製造業者にとってますます重要になってきている。これは、プロセスおよび設備の技術者が直面するいくつかの課題に迫られてのものである。その課題とは、１）液体化学物質がウェハ表面の欠陥、装置の性能および歩留まりに与える影響、２）銅−ＣＭＰのような液体ベースのプロセスにおいて用いられる流体構成要素のコストが高いこと、および３）液体化学廃棄物を運ぶ排水流の環境影響を含む。これらの要因はすべて、さまざまな化学的プロセスのための液体を使用時点で混合し、正確に供給することが望ましいということの一因となる。
【００１７】
流量コントローラおよび流量計を含む従来のシステムでは、濃度および流量を含むがそれらに限定されない液体化学物質の特定の特性についての情報を提供できる正確な使用時点（point-of-use）センサがプロセスツールの中に無い。（流量計などの）使用時点センサは、業界の課題に対処するのに必要なコア技術である。しかしながら、最大の利点を実現するためには、これらの使用時点センサは監視および制御システムに埋設されるべきである。正確な使用時点流量計の助けを借りて、プロセスおよび設備の技術者は、プロセス開発を加速させる能力、（大幅な直接的コスト削減に繋がる）化学的消費量およびウェハスクラップを低減する能力、および環境影響を最小限にする能力を有することができる。さらに、使用時点での化学的配合および送出システムは、濃度および流量を使用時点で同時に測定することによって、プロセスにおいて用いられる化学物質の量を正確に決定および制御できるであろう。
【００１８】
プロセスツールで特に用いるために開発された使用時点センサ技術は、その場での使用の必要性、すなわちリアルタイム測定、大きさが小型であること、非侵入的であること、可動部品がないこと、およびプロセスの透過性を満たす。これらのセンサが高い信頼性、精度および正確性を有し、特定の製造用途に適切な動的範囲も有することがしばしば望ましい。本発明のさまざまな実施例および局面は、たとえばＣＭＰスラリー流体などの液体化学物質の監視および制御のための使用時点センサ技術に関連する。
【００１９】
プロセスツールの所有者に所望の結果をもたらすために、使用時点化学的制御システムが液体の流れを正確に設定および決定する能力を有することがしばしば望ましい。図１を参照すると、本発明の局面による流体制御システムの一例のブロック図が示されている。示されるシステム１００は制御可能なバルブ１０２を含み、この制御可能なバルブ１０２を通って、線／矢印１０４で示されるように流体が流れる。以下の説明は主に、制御可能なバルブまたは可変バルブである要素１０２を参照するが、要素１０２はさらにたとえばポンプなどの別のタイプの流体アクチュエータであってもよいことが認識されるべきである。バルブ１０２はたとえば、システムを通る流体の流れを変化させるように調整され得る、電子的に制御される可変バルブであってもよい。バルブ１０２は、線１０８で示されるようにコントローラ１０６によって制御される。コントローラ１０６はたとえば、マイクロプロセッサベースのコントローラであってもよい。流体流量計１１０は、示されるように、バルブ１０２の下流に位置決めされてもよい。流量計１１０は代替的にはバルブ１０２の上流に置かれてもよいことを当業者は認識する。流体の流れは、線１１２で示されるように、コントローラ１０６と連通し得る流量計１１０によって測定され得る。図１に示されるように、一例では、流量計１１０は、流体線１０４に流入する流体が流量計１１０も通って流れるように流体線１０４に一体化していてもよい。流量計１１０は流体線１０４全体と一体化している場合もあれば、流量計１１０は流体流全体のうちの一部のみを測定するように分岐または迂回流体線に位置決めされる場合もあることが認識されるべきである。
【００２０】
少なくとも１つの実施例によれば、コントローラ１０６は流体の流れを監視するため、および所望の流量を達成するようにバルブ１０２を制御するために流量計１１０によって提供される、流体の流量などの情報を用いるように適合されてもよく、それによって、システム１００の中の流体の流れの閉ループ制御をもたらす。一実施例では、流体の流れの制御は制御システムによって達成され、この制御システムでは、図１に示されるように、流体流量計１１０は閉ループシステムにおけるフィードバック要素である。流量計１１０は、流体線１０４を通る流体の流量を示す電子信号を生成する。流量計信号１１２は、流体の流れのリアルタイムでのフィードバックをもたらすことができ、コントローラ１０６に入力され得る。コントローラ１０６によって生成された信号は、（線１０８で示されるように）バルブ１０２を駆動するアクチュエータに入力され、所望の流体流量を達成するために必要に応じて流量を変化させるようにバルブ１０２を制御するために用いられるこ
とができる。所望の流体流量はさらに、コントローラ１０６への入力パラメータであってもよい。たとえば、流体は供給源１１４からシステム１００の示された部分に入ってもよく、この供給源１１４はたとえばシステム１００における上流の要素、記憶要素などであってもよい。供給源１１４は、利用可能な流体の量、温度、圧力、濃度、密度などの設定点および限界、ならびにおそらく流体の初期流量などの情報を、線１１６で示されるようにコントローラ１０６にもたらし得るセンサを含んでもよい。コントローラ１０６は、流体線１０４での流体の流量を調整するためにこのような情報および他の入力を用いるように適合されてもよい。
【００２１】
さらに、図１に示されるように、コントローラ１０６は、たとえばグラフィックベースのユーザインターフェイスであり得るユーザインターフェイス１１８に結合されてもよい。ユーザインターフェイス１１８によって、ユーザはシステムを監視し、線１２０で示されるようにコントローラ１０６に入力を与えることができるであろう。ユーザは、ユーザインターフェイス１１８を介して、（コントローラ１０６によって与えられる）システムのパラメータを観測でき、たとえば流体の所望の流量、流体流量設定点ならびに流量上限および流量下限などの入力をコントローラ１０６に与えることができるであろう。コントローラ１０６は、たとえば実際の流量、限界外警告およびデータ管理を含むさまざまな情報ならびにデータ決定支援情報をユーザインターフェイス１１８に出力し得る。コントローラ１０６がユーザインターフェイス１１８に結合される代わりにまたはユーザインターフェイス１１８に結合されるとともに別のシステムに結合されてもよいことも認識されるべきである。
【００２２】
コントローラ１０６が、バルブ１０２を制御するためのさまざまなプログラムのうちの１つでプログラミングされてもよいことが認識されるべきである。一例では、コントローラは、バルブについてのモデルでプログラミングされてもよく、流体の流量を制御するためにバルブ１０２が開けられる程度を変化させるために、キャリブレーション中に求められるバルブおよび流体のパラメータを用いてもよい。このような方法は、「質量流量コントローラのシステムおよび方法（SYSTEM AND METHOD FOR A MASS FLOW CONTROLLER）」と題される、２００２年４月２４日に出願された、一般に所有される米国特許出願連続番号第１０／１３１，６０３号、および「質量流量コントローラにおける圧力補償のための方法および機器（METHODS AND APPARATUS FOR PRESSURE COMPENSATION IN A MASS FLOW CONTROLLER）」と題される、２００３年７月１７日に出願された米国特許出願連続番号第１０／６２２，０８０号に詳細に記載され、これらは引用によって全文が本明細書に援用される。別の例では、コントローラは、バルブ１０２を駆動するために「モデルのない」適応制御アルゴリズムを用いるように適合されてもよい。この方法は、システムに流入する特定の流体から独立しかつシステムの動力学の事前の知識を必要としないフィードバック「ニューロンベース」制御アルゴリズムを含む。この方法の少なくとも１つの実施例は、ジョージ・シュ‐シン・チェン（George Shu-Xing Cheng）への米国特許第６，６８４，１１２号に詳細に記載され、これは引用によって全文が本明細書に援用される。
【００２３】
一実施例によれば、流量計１１０は、流体の流量を求めるために、流体を介して伝搬される超音波の相対速度を用いるように適合される超音波流量計であってもよい。半導体以外の製造市場では流体の流量を測定するために超音波センサが用いられてきたが、これらの超音波センサは典型的には半導体の製造および使用時点での用途で用いるのに必要な精度または速度を持たない。
【００２４】
図２を参照すると、本発明の局面による超音波流量計の一実施例が概略的に示されている。システム１００（図１参照）などのシステムでは、流体は矢印１３２で示されるように管または導管１３０を通って流れる。示される実施例では、第１の超音波トランスデューサ１３４は第１の地点において導管１３０に取付けられ、第２の超音波トランスデュー
サ１３６は、距離１３８だけ第１の超音波トランスデューサから離れて位置決めされる第２の地点において導管１３０に取付けられる。一例によれば、各超音波トランスデューサ１３４、１３６は、圧電セラミック素子（たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛）を含む圧電トランスデューサ（振動器）と、圧電セラミック素子に電気電圧を印加するための電極の対とを含んでもよい。超音波トランスデューサ１３４、１３６の各々は、電気電圧がそこに印加されたときに超音波を生成でき、超音波トランスデューサ１３４、１３６の各々が超音波を受取ったときに電気電圧を生成できる。したがって、超音波トランスデューサ１３４、１３６の各々は、超音波発生器および／または超音波受信機として機能し得る。一例では、超音波トランスデューサは、図２に示されるように、各々が導管１３０の外面に取付けられ得る環状の圧電発振器であってもよい。超音波トランスデューサ１３４、１３６が導管１３０内の流体の方に超音波エネルギを方向付け、超音波が導管１３０内で流体を介して縦に伝わるときにそのエネルギのうちの少なくともいくらかを伝搬させることが可能であるならば他の形状が代替的に用いられてもよいので、超音波トランスデューサ１３４、１３６は環状である必要はないことが認識されるべきである。たとえば、超音波トランスデューサ１３４、１３６は環の一部のみ（たとえば、２分の１）を形成する場合もあれば、さらに代替的には超音波トランスデューサ１３４、１３６は、引用によって全文が本明細書に援用される米国特許第６，０５５，８６８号の中の図７、図８ａ、図８ｂおよび図９に示されるように導管１３０の端部部分に配置される場合もある。
【００２５】
一実施例によれば、第１の超音波トランスデューサ１３４は第１のスイッチ１４０に接続されてもよく、第２の超音波トランスデューサ１３６は第２のスイッチ１４２に接続されてもよい。第１のスイッチ１４０および第２のスイッチ１４２の各々の第１の端子は線１４６で示されるように受信機回路１４４に接続されてもよく、第１のスイッチ１４０および第２のスイッチ１４２の各々の第２の端子は線１５０で示されるように送信機（または、波発生）回路１４８に接続されてもよい。スイッチは、たとえばクロック発振器または他のスイッチング機構を含み得るトリガ回路１５２によって駆動されてもよい（すなわち、１つの状態から別の状態に変更されてもよい）。スイッチ１４０、１４２は、トリガ回路１５２からの各トリガ信号でスイッチが状態を変更させるように構成されてもよく、それによって、伝送状態と受取状態との間で第１の超音波トランスデューサ１３４および第２の超音波トランスデューサ１３６を切換える。たとえば、第１の超音波トランスデューサ１３４が送信機回路１４８に接続される（すなわち、超音波発生器の役割を果たしている）とき、第２の超音波トランスデューサ１３６は、第１の超音波トランスデューサ１３４によって発生された超音波を受取るように受信機回路１４４に接続される。次いでトリガ回路１５２からの信号によって、スイッチは、第１の超音波トランスデューサ１３４が受信機回路１４４に接続されるように、および第２の超音波トランスデューサ１３６が送信機回路１４８に接続されるように状態を変更させることができる。この態様で、上流に向かう（すなわち、流体の流れに抗して移動する）超音波および下流に向かう（すなわち、流体の流れに沿って移動する）超音波の両方が発生され、受取られることができる。
【００２６】
導管１３０内を流れる流体の流量は、上流に向かう超音波および下流に向かう超音波の両方が２つの超音波トランスデューサ１３４、１３６間を伝わるのに要する時間を測定することによって求められ得る。上流に向かう超音波と下流に向かう超音波との間の通過時間差は、導管１３０に流入する流体の流量に比例する。導管１３０を通って流れる流体が存在しないときまたは導管１３０の中のいずれの流体も静止しているときには、上流および下流に向かう超音波が２つの超音波トランスデューサ１３４、１３６間を伝搬するのに要する時間は同じはずであり、したがって時間差は約０のはずである。いかなる流体の流れも、０ではない通過時間差で示されてもよい。流体の流量は流体の速度から求められてもよいことが認識されるべきであり、流体の速度は、流体を通る超音波の通過時間、および導管の断面積、流体の固有密度などのシステムのさまざまな物理的パラメータから計算され得る。
【００２７】
一実施例によれば、図２に示されるものなどの２つの超音波トランスデューサを含む液体流量計は、以下の方法を用いて導管の中の液体の流量を求めるように適合されてもよい。上流に向かう超音波および下流に向かう超音波の各々が２つの超音波トランスデューサ間を伝搬するのに要する時間は、たとえば送られる信号と受取られる信号との間の数学的相関を用いて測定されてもよい。次いで、上流に向かう波と下流に向かう波との間の通過時間差が計算されることができ、流体の速度はこの通過時間差から求められ得る。測定および計算の精度を向上させるために平均化技術が利用されてもよい。この方法およびその変形例は以下により詳細に記載される。液体流量計は必要な数学的計算を行なうための１つ以上の組の命令でプログラミングされ得るコントローラを含んでもよいことが認識されるべきである。
【００２８】
図３を参照すると、本発明の局面による超音波液体流量計１１０の一実施例が示されている。流量計は、図２を参照しながら説明されたように第１の超音波トランスデューサ１３４と第２の超音波トランスデューサ１３６とを含んでもよい。２つのセンサ間の流体の流れは矢印１３２で示される。上流および下流に向かう超音波の伝搬は矢印２００で示される。上述のように、流量計１１０は、２つの超音波トランスデューサ１３４、１３６が伝送モードと受取モードとの間で切換えられることができるようにするスイッチング回路２０２を含んでもよい。流量計１１０はさらに、たとえば流量計の電子回路を制御するようにおよび他のシステム構成要素と干渉するようにプログラミングされる、マイクロプロセッサベースのコントローラなどのコントローラ２０４を含んでもよい。一例では、コントローラ２０４は、たとえばテキサス・インストゥルメンツ・インコーポレイテッド（Texas Instruments, Inc.）から入手可能なＴＭＳ３２０Ｃ６４ｘｘＤＳＰなどのデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含んでもよい。流量計１１０はスタンドアローンのユニットとして設けられる場合もあれば、（図１に示される流量コントローラなどの）流量コントローラの一部を形成する場合もあることが認識されるべきであり、流量計１１０が流量コントローラの一部を形成する場合には、コントローラ２０４はコントローラ１０６（図１参照）と同一のユニットである場合もあれば、別個のコントローラである場合もある。流量計１１０のコントローラ２０４およびさまざまな電子構成要素は以下により詳細に記載される。
【００２９】
図４を参照すると、送られる（すなわち、伝送される）および受取られる、上流に向かう超音波信号および下流に向かう超音波信号についてのタイミング図の一例が示されている。たとえば、超音波トランスデューサ１３６は、伝送モードに切換えられてもよく、下流に向かう、送られる信号３０２を発生させるように（印加された電子電圧または電流を介して）制御されてもよい。超音波トランスデューサ１３４は、対応する下流に向かう、受取られる信号３０４を検出するように協働して受取モードに切換えられてもよい。時間差Δｔd（送られる信号３０２が伝送された後、受取られる信号３０４が検出されるのに要する時間）は、流体における信号の伝搬の速度および流体の流量の両方の影響を受ける。同様に、スイッチング回路２０２は、超音波トランスデューサ１３６を受取モードにし、超音波トランスデューサ１３４を伝送モードにするようにトリガされてもよい。超音波トランスデューサ１３４は、上流に向かう、送られる信号３０６を発生させてもよく、この上流に向かう、送られる信号３０６は、上流に向かう、受取られる信号３０８として超音波トランスデューサ１３６によって後に検出され得る。時間差Δｔu（送られる信号３０６が伝送された後、受取られる信号３０８が検出されるのに要する時間）も、流体における信号の伝搬の速度および流体の流量の両方の影響を受ける。したがって、本発明の局面によれば、媒体における信号の伝搬の速度は、上流および下流に向かう伝送の両方を用いて求められることができ、そのため、次いで流体の流量は、上述のように、ΔｔdおよびΔｔuのうちの１つまたは両方、ならびにシステムのさまざまな物理的パラメータから求められることができる。
【００３０】
一実施例によれば、送られる信号３０２、３０６は、たとえばダイレクトデジタル合成を用いてデジタル方式で作成されてもよい。図３を参照して、流量計回路の送信機回路２０５は、たとえばＦＩＦＯなどの記憶素子２０８およびＤ／Ａ２１０を含み得る送信機デジタルアナログ（Ｄ／Ａ）変換器回路２０６を含んでもよい。たとえば先入れ先出し不揮発性メモリ装置であり得る記憶素子２０８は、所望の送られる信号に対応し得る１つ以上のデジタルシーケンスを格納し得る。より具体的には、記憶素子２０８は、記憶素子２０８がコントローラ２０４によって活性化されたときにＤ／Ａ２１０に送られ、アナログ電子信号に変換されるデジタルシーケンスを含んでもよい。このアナログ電子信号は、たとえば帯域通過またはローパスフィルタであり得るフィルタ２１２によってフィルタリングされることができ、ドライバ増幅器２１４によって増幅されることができる。超音波トランスデューサおよび伝送チャネルが非常に広範な高周波数阻止を示すので、フィルタ２１２は特定の実施例では省略されてもよく、Ｄ／Ａ２１０の出力はドライバ増幅器２１４の入力に接続されてもよいことが認識されるべきである。増幅された電子信号は次いで、スイッチング回路２０２を介して、超音波トランスデューサ１３４、１３６のうちの適切な１つに印加され得る。印加されたアナログ電子信号によって励振されることに応答して、超音波トランスデューサ１３４または１３６は超音波を発生させることができ、それによって、下流に向かう、送られる信号３０２または上流に向かう、送られる信号３０６を生成する。送信機回路２０５は、追加の素子または当業者に公知の、示される素子の修正された代替品を含んでもよいことが認識されるべきである。所望の超音波を生成するように超音波トランスデューサを駆動するために用いられ得る電子信号を生成するように回路が機能するならば、送信機回路２０５の厳密な素子は本発明にとって重要ではない。図３に示される送信機回路２０５は、適切な装置の一例として設けられ、限定的であるように意図されるものではない。さらに、図３の示される実施例では、超音波トランスデューサ１３４、１３６の両方が同一の送信機回路２０５を共有するが、代替的には別個の送信機回路が各トランスデューサに設けられてもよいことが認識されるべきである。
【００３１】
同様に、受取られる信号３０４または３０８が超音波トランスデューサ１３４または１３６に到着したとき、受取られる信号は超音波トランスデューサによって検出されることができ、この超音波トランスデューサは応答して電子信号を生成する。この電子信号は、流量計回路の受信機回路２０７に印加されてもよい。たとえば、受取られる電子信号は、増幅器２１６によって増幅されることができ、たとえばローパスまたは帯域通過フィルタであり得るフィルタ２１８によってフィルタリングされることができる。送信機回路２０５と同様に、フィルタ２１８は特定の実施例では省略されてもよい。信号は次いで、（Ａ／Ｄ２２２を用いて）電子信号をデジタル信号に変換し得るアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器回路２２０に印加されることができ、たとえばＦＩＦＯであり得る記憶素子２２４に、結果として生じるデジタル信号を格納し得る。再び、受信機回路２０７は、追加の素子または当業者に公知の、示される素子の修正された代替品を含んでもよいことが認識されるべきである。超音波の受取りに応答して超音波トランスデューサによって生成される電子信号を受取るように、およびコントローラ２０４による処理のために回復された信号を与えるように回路が機能するならば、受信機回路２０７の厳密な素子は本発明にとって重要ではない。図３に示される受信機回路２０７は、適切な装置の一例として設けられ、限定的であるように意図されるものではない。さらに、送信機回路２０５と同様に、代替的には別個の受信機回路が各超音波トランスデューサ１３４、１３６に設けられてもよい。
【００３２】
図４を再び参照して、本発明の一局面は、線３１０で示される公知の「０」時間に回路の送信機部分および受信機部分を同期させることを含んでもよい。上流および下流に向かう、送られる信号の各々は次いで、０時間を基準とした、線３１２で示される公知の時間に送られてもよい。この公知の時間はＮというデジタルカウンタ値で表わされることがで
きる。したがって、各送られる信号３０２、３０６は、常に一定であり得る公知の相対的な瞬間Ｎにおいて伝送されてもよい。各送られる信号３０２、３０６を、（たとえば、同一の相対的な事象に応答する）同一の相対的な瞬間に伝送することが好ましいかもしれないが、２つの相対的な瞬間の間の差が公知であるかまたはそうでなければ求められ得る限り、送られる信号３０６は代替的には、送られる信号３０２とは異なる相対的な瞬間に送られてもよい。
【００３３】
図３を参照して、一実施例によれば、流量計回路は設定値Ｎを有するカウンタ２２６を含んでもよい。コントローラは、時間０において、初期値またはカウント、たとえば０からＮまでカウントし始めるようにカウンタ２２６を（線２３８に沿って）トリガし得る。カウンタ２２６がＮに到達すると、カウンタ２２６は線２２８に沿ってカウント終了信号を与え、このカウント終了信号は次に制御ゲート２３０に印加される。制御ゲート２３０は、カウント終了信号を受取ると、適切な超音波トランスデューサ１３４または１３６に超音波を発生させる電子信号を与えるためにＤ／Ａ２１０にデジタルシーケンスを送るように記憶素子２０８をトリガする。このように、超音波信号を伝送するためにどちらの超音波トランスデューサが用いられているかにかかわらず、コントローラ２０４は、０後の厳密な公知の時間、すなわち相対的な瞬間Ｎにおいて、超音波トランスデューサ１３４または１３６に、送られる超音波を発生させる。
【００３４】
制御ゲート２３０はたとえば、示されるように２つのＡＮＤゲート２３２、２３４を含んでもよい。しかしながら、制御ゲートは図３に示される具体的な実施例に限定されない。制御ゲート２３０は、送られる超音波および受取られる超音波を発生および受取るために予め定められた時間においてＤ／Ａ変換器回路２０６およびＡ／Ｄ変換器回路２２０をトリガするように作動する任意の適切な回路を含んでもよい。制御ゲート２３０は、スイッチング回路２０２（図３参照）を駆動するために用いられるクロック発振器と同一または異なる可能性のあるクロック発振器２３６によって駆動されてもよい。
【００３５】
一実施例によれば、流量計回路の受信機側は、初期値またはカウント、たとえば０から、値Ｎよりも概して大きい値Ｍまでカウントし始めるようにコントローラ２０４によって（線２３８で示されるように）さらにトリガされ得るカウンタ２４０も含んでもよい。値ＭはＮに等しいかまたはＮにほとんど等しい場合もあれば、Ｎよりもわずかに大きいかまたはＮよりも実質的に大きい場合もあることが認識されるべきである。カウンタ２４０がＭに到達すると、カウンタ２４０は制御ゲート２３０をトリガするように線２４２に沿ってカウント終了信号を与えることができ、この制御ゲート２３０は次にデータの受取／格納を始めるように受信機Ａ／Ｄ変換器回路２２０をトリガし得る。
【００３６】
カウンタ２４０に基づいて受信機側をトリガするのではなく、カウンタ２２６が用いられてもよく、または代替的には、受信機Ａ／Ｄ変換器回路２２０が連続的に動作する場合もあることが認識されるべきであり、（Ａ／Ｄ２２２を用いて）線２４４に沿って与えられた信号をデジタルシーケンスに変換し、デジタルシーケンスを記憶素子２２４に格納する。しかしながら、連続的な動作は非効率である可能性がある。なぜなら、超音波が検出されていない時間中は（たとえば、信号３０２が送られる前または信号３０２が送られた直後でさえ）、線２４４上の信号は有用なデータをほとんど含まず、したがって、結果として生じるデジタルシーケンスを格納することはほとんど役に立たない可能性があるためである。したがって、効率を最大にするために、カウンタ２４０は、線２４４に沿って与えられた信号が、受取られる超音波についての有用な情報を含む可能性があるときにのみデジタルデータを変換および格納するように受信機Ａ／Ｄ変換器回路２２０をトリガし得る。一実施例では、図４に示されるように、値Ｍは、受取られる超音波３０４または３０８の到着が予想される少し前の時間値に対応するように設定されてもよい。代替的には、値Ｍは、送られる超音波３０２または３０６が伝送された直後の時間、たとえばＮよりも
わずかに大きい時間に対応するように設定されてもよい。この態様で、受信機回路は、受取られる超音波３０４または３０８のうち失われる部分がないように十分にすばやくではあるが、ほとんど役に立たないデータを格納することに大量の時間を費やさないように十分に遅れて「オンになる」（すなわち、データの変換および格納を始める）ことができる。さらに代替的には、カウンタ２２６は送信回路および受信回路の両方をトリガするために用いられてもよい。
【００３７】
したがって、記憶素子２０８は送られる超音波３０２、３０６のデジタル表現を格納してもよく、記憶素子２２４は受取られる超音波３０４、３０８のデジタル表現を格納してもよい。上流に向かう超音波３０６の伝送と下流に向かう超音波３０２の伝送との間の時間遅延、またはその逆は、２つの超音波間の干渉を回避するのに十分に長いものであるべきだが、長すぎるものであってはならないことが当業者によって理解されるべきである。なぜなら、流体の流量はより長い時間間隔にわたって変化する可能性があるためである。コントローラ２０４は、流体における超音波の伝搬の速度および流体の流量などの情報を回復するために、処理のためのこれらのデジタル表現を検索するように従来の態様で記憶素子２０８、２２４にアクセスしてもよい。コントローラ２０４がこのような情報を回復するために実現し得るアルゴリズムの例は以下に記載される。
【００３８】
上述のように、上流および／または下流に向かう超音波の通過時間は、平均液体速度およびしたがって平均液体流量に比例する。一実施例によれば、液体流量は、上流に向かう超音波の通過時間（Δｔu）と下流に向かう超音波の通過時間（Δｔd）との間の差（Δｔ）から求められてもよい。送られる超音波の開始時間が（図３に示されるように）同期され得るので、時間差Δｔは直接に、すなわち総通過時間の測定からではなく受取られる信号３０４および３０８が受取られる相対的な時間を比較することによって求められることができる。したがって、一旦流体における超音波の伝搬の速度がわかると、次いで流体の速度ｖが計算されることが可能である。
【００３９】
ΔｔdおよびΔｔuの測定は、以下の関係に従って、２つの超音波トランスデューサ間の距離、流体における超音波の伝搬の速度および流体の速度に関連する。
【００４０】
【数１】
2008504558.tif 000003
【００４１】
ここで、ｃは流体における超音波の伝搬の速度であり、ｖは流体の速度であり、Ｌは２つの超音波トランスデューサ間の距離（たとえば、図２における距離１３８）である。音の伝搬および導管の中の流体の流れが平行である場合、ならびに上流および下流に向かう通過時間が比較的小さな時間間隔にわたって測定され、そのため、上流および下流に向かう流体の速度が、測定された時間間隔にわたって比較的一定であり、したがって基本的には打消し合う場合には、流体における超音波の伝搬の速度は、以下の方程式に従って、カバーされる距離（２Ｌ）にわたって下流に向かう（流れに沿った）通過時間および上流に向かう（流れに抗する）通過時間（ΔｔdおよびΔｔu）を平均することによって推定され得る。
【００４２】
【数２】
2008504558.tif 000004
【００４３】
測定される差Δｔは以下の式によっても与えられる。
【００４４】
【数３】
2008504558.tif 000005
【００４５】
したがって、方程式（４）の中のΔｔuおよびΔｔdを方程式（１）および（２）からの表現と置き換え、いくつかの数学的操作を行なうことによって、Δｔについての以下の式になる。
【００４６】
【数４】
2008504558.tif 000006
【００４７】
したがって、Δｔが公知であり（測定され）、Ｌが公知であり（または、公知の流体の流れを用いたキャリブレーションに基づいて予め定められることができ）、ｃが上で与えられた方程式（３）から求められ得るので、流体の速度は以下の式から計算されることが可能である。
【００４８】
【数５】
2008504558.tif 000007
【００４９】
代替的には、流体の速度が実質的には流体における超音波の伝搬の速度ｃ未満であることを認識すると、方程式（５）は以下のように簡約されることが可能である。
【００５０】
【数６】
2008504558.tif 000008
【００５１】
流体の速度は以下のように計算されることが可能である。
【００５２】
【数７】
2008504558.tif 000009
【００５３】
次いで流体の流量（たとえば、体積または質量）が、流体の速度、ならびに流体が流れている導管の断面積、流体の固有密度および流体の温度などのシステムのさまざまな物理
的パラメータから計算され得る。たとえば、上の方程式（７）における簡約化に基づいて、流体の体積流量Ｑは以下の式によって与えられ、ここで、Ａは導管の断面積を表わす。
【００５４】
【数８】
2008504558.tif 000010
【００５５】
次いで流体の質量流量が、方程式（９）および流体に固有の密度の情報に従って流体の体積流量に基づいて求められ得る。導管の断面積、（導管の断面積よりも程度は低いものの）導管の長さ、および流体の固有密度のようないくつかのシステムパラメータは温度依存性である可能性があることが認識されるべきである。したがって、一実施例では、流体の温度を測定し、これらの測定値をコントローラ２０４に与えるために、温度センサがシステムに含まれてもよい。コントローラ２０４は、流体の速度からの流体の流量の計算を公知の温度依存性補正係数に従って調整するように情報でプログラミングされてもよい。たとえば、導管の断面積および／または導管の長さの、温度による変動は公知である可能性があり、このような情報は、コントローラが体積流量の計算を調整してこのような温度依存性の変動を説明するように、たとえばルックアップテーブルの状態でコントローラ２０４に格納されてもよい。同様に、流体の固有密度の、温度による温度依存性の変動も、質量流量の計算を調整して流体の固有密度の温度依存性の変動を説明するように、たとえばルックアップテーブルの状態で格納されてもよい。
【００５６】
たとえば、方程式（３）および（９）を組合せることによって、以下のようになる。
【００５７】
【数９】
2008504558.tif 000011
【００５８】
方程式（１０）の中で、実効断面積項Ａおよびトランスデューサ分離項Ｌは、以下の方程式（１１）に示されるように、温度Ｔの関数である単一の機械的次元関数Ｋに組合せられることができる。
【００５９】
【数１０】
2008504558.tif 000012
【００６０】
音の伝搬の公知の速度（ｃ1）を有するキャリブレーション流体は次いで、通過時間ΔｔuおよびΔｔdならびにその差Δｔを測定することによって異なる温度について関数Ｋ（Ｔ）を求めるために、公知の体積流量（Ｑ1）で導管１３０を通って流されてもよい。キャリブレーション流体とは異なる音の伝搬の速度を有する特定の流体の場合には、温度依存性の補正は以下のように実現されてもよい。
【００６１】
【数１１】
2008504558.tif 000013
【００６２】
ここで、Ｆ（Ｔ）は測定される特定の流体の温度依存性関数である。この態様で、いくつかの異なる流体のいずれについても、導管の機械的寸法への温度の影響に起因する体積流量の変動を考慮に入れることが可能である。
【００６３】
図５を参照すると、流体の流量を計算するための方法の一実施例のフロー図が示されている。第１のステップ３２０では、下流に向かう超音波の通過時間Δｔdが測定／計算されることができ、第２のステップ３２２では、上流に向かう超音波の通過時間Δｔuが測定／計算されることができる。ステップ３２０および３２２は後の処理および計算のいずれにも影響を及ぼすことなく逆の順序でも実行されてもよいことが認識されるべきである。一旦２つの通過時間が求められると、ステップ３２４において、流体における超音波の伝搬の速度が（たとえば、上の方程式（３）を用いて）求められ得る。一実施例によれば、流体における超音波の伝搬の速度を直接に示し、上の方程式（１０）から（１２）においても直接に用いられるΔｔu＋Δｔdの記録を単に維持することは計算的に便利である。この手順は、システムの温度などのパラメータの影響を受ける可能性がある流体における超音波の伝搬の速度の正確な記録を維持するために、線３２６で示されるように周期的に繰返されてもよい。したがって、周期的に、または温度などのシステム環境のパラメータが変化する場合に、測定値を更新することが望ましいであろう。次のステップ３２８では、通過時間差Δｔが計算されることができ（以下に記載される方法）、次いでステップ３３０において、システムの中の流体の流量が上で与えられた方程式（９）または方程式（１２）に基づいて計算されることができる。流量の決定は、流体の速度をほとんど連続的に測定し、その中のいかなる変化も正確に検出するように、線３３２で示されるように周期的に繰返されてもよい。概して、流体の流量が流体における超音波の伝搬の速度よりも頻繁に時間とともに変化することが予想され得るので、ステップ３２８〜３３０はステップ３２０〜３２４よりも頻繁に繰返されてもよいが、本発明はそのように限定されるものではない。
【００６４】
一実施例によれば、流量はΔｔに比例する可能性があり、したがって、流量を求めなければならないたびごとにΔｔuおよびΔｔdを測定することは不必要であるかもしれない。換言すれば、上流および下流に向かう超音波の通過時間が常に公知であるようにシステムが同期されるので、Δｔは、通過時間ΔｔuおよびΔｔdの測定から導出されるのではなく、受取られる超音波３０４および３０８が受取られる時間を比較することによって直接に測定され得る。これは特に少なくとも２つの理由で有利であろう。第１に、図６に示されるように、Δｔを直接に測定することは、ΔｔuおよびΔｔdの測定からΔｔを計算するよりも正確である可能性がある。これは、Δｔを直接に測定する際に、関与する測定値が１つだけであり、したがって、その測定値に関連付けられる誤差の程度（Δｔe）または許容差が１つだけであるためである。対照的に、ΔｔuおよびΔｔdの各々の測定は誤差項ΔｔueおよびΔｔdeにそれぞれに関連付けられている。したがって、最低でも、ΔｔuおよびΔｔdの測定からΔｔを計算することは、それに関連付けられる誤差の程度を２つ有する。さらに、Δｔを直接に測定することに関わる測定値が２つではなく１つだけであるので、これは必要なプロセッサ時間がより少ない可能性があり、よりすばやく繰返されることができ、それによって、測定間の経過時間が低減され得るので流体の流量をより正確に連続的に求めることができる。
【００６５】
一実施例によれば、いくつかの数学的プロセスのうちの１つを用いて、ΔｔuおよびΔｔdの各々が求められてもよい。一例では、当該技術分野において公知であるように、受取られる信号３０４、３０８を検出するために包絡線検出回路／方法が用いられてもよい。たとえば、受取られる信号の特定のポイント、たとえば開始または終了ポイントが検出および記録されてもよく、カウンタは送られる信号３０２、３０６の公知の開始時間、すなわち相対的な瞬間Ｎと、受取られる信号３０４、３０８における対応するポイントの受取の時間との間で経過した時間をカウントするために用いられてもよい。一連のこのよう
な測定にわたって時間測定の精度を向上させるために、当該技術分野において公知の平均化技術が次いで用いられてもよい。この態様で、ΔｔuおよびΔｔdが測定され得る。しかしながら、満足のいく正確な測定値を得るためには多くの測定値の平均化が必要である場合があるので、この方法はいくつかの状況では望ましくない可能性がある。
【００６６】
したがって、別の例では、初めにまたは終わりになどの、受取られる信号内の単一のポイントを検出するのではなく、信号全体が検出され、（Ａ／Ｄ２２２を用いて）デジタル化され、記憶素子２２４に格納されてもよい。通過時間ΔｔuまたはΔｔdを求めるために、送られる信号と受取られる信号との間の相互相関が次いで行なわれ得る。以下に記載される相互相関および変換のさまざまなプロセスは、送られる信号および受取られる信号３０２、３０４、３０６および３０８の点で便宜上記載されるが、実際の数学的手順はこれらの信号のデジタル表現に対して実行され得ることが認識されるべきである。
【００６７】
相互相関は、２つの信号の位相を比較し、信号間の位相一致の程度に対応する大きさを有する出力信号を生成する公知の数学的プロセスである。たとえば、図７ａおよび図７ｂを参照して、相互相関が２つの完全な単一サイクルの正弦波の間で行なわれる、すなわち、一方の信号３４０を遅れずに他方の信号３４２と交差するように「移動させる」場合（図７ａ）、結果は、信号が完全に一致する時間の単一のポイントｔ3においてピーク３４４になるであろう（図７ｂ）。現在のシステムでは、送られる信号および受取られる信号が典型的には完全な単一サイクルの正弦波ではないであろうという理由のために、相関の結果はたとえば図８に示される信号であり、そのピーク３４６は、送られる信号および受取られる信号が最も密接に位相整合する時間ポイントｔ3に対応する。したがって、送られる超音波３０２と対応する受取られる超音波３０４との間の相互相関を行なうことによって、通過時間Δｔdが求められ得る。同様に、送られる超音波３０６と対応する受取られる超音波３０８との間の相互相関を行なうことによって、通過時間Δｔuが求められ得る。各々の送られる信号および受取られる信号が特定の帯域幅Ｂおよび特定の継続時間Ｔを有し得るので、２つの信号間の相関を行なうことは、以下の関係に従って、上述のように２ｎの数の単一ポイント測定を行なうことと等価である。
【００６８】
【数１２】
2008504558.tif 000014
【００６９】
ここで、ｎは通過時間の計算において同一程度の精度を達成するのに必要な等価の数の単一ポイント測定である。したがって、相関技術は、等価の数の単一ポイント方法の測定値を平均することよりも特定の測定継続時間内で大幅に高い精度を得、したがって、時間効率がよい。
【００７０】
一実施例によれば、コントローラ２０４は、送られる信号および受取られる信号の二対、すなわち上流および下流に向かう信号に対して相関動作を行なうためのアルゴリズムまたは一組の命令でプログラミングされてもよい。送られる信号３０２、３０４は、たとえばチャープ信号または公知のデータストリームもしくはエラー訂正符号で符号化された信号を含むさまざまな信号のうちのいずれかであってもよい。好ましい実施例では、チャープ信号が用いられてもよいが、多くの他の信号が用いられてもよく、さまざまな構成の考慮すべき事項に従って選択されてもよいことが認識されるべきである。特に、特定の種類のノイズに実質的に影響されない信号を選択することが好ましいであろう。本明細書において用いられるチャープ信号とは、その帯域幅にわたって定められた態様で周波数を変更する信号を指す。たとえば、チャープは１つの周波数ｆ1で開始してもよく、別のより高いまたはより低い周波数ｆ2で終了してもよい。本発明の一局面によれば、送られる信号は、その帯域幅が超音波トランスデューサの帯域幅に対応するように選択されてもよい。
たとえば、圧電超音波トランスデューサは、特定の帯域幅および動作周波数範囲を有し得る。効率を最大にするために超音波トランスデューサの帯域幅および周波数範囲をできるだけ多く用いることができる、送られる信号を選択することが好ましいであろう。一例では、送られる信号３０２、３０４は、４４０キロヘルツ（ｋＨｚ）から４９０ｋＨｚまでの周波数範囲にわたって５０ｋＨｚの帯域幅を有しかつ１５０マイクロセカンド（μｓ）の継続時間を有するチャープ信号であるように選択された。このようなチャープ信号は用いられ得る送られる信号の一例に過ぎず、当業者によって認識されるように他の適切な信号も用いられてもよいので、本発明はそのように限定されないことが認識されるべきである。優れた信号対雑音比または高いノイズ耐性などの特徴を有するいかなる信号も望ましいであろう。なぜなら、このような信号は（他の超音波トランスデューサおよび受信機回路によって）容易に検出されることができ、相互相関プロセスから正確な結果をもたらし得るためである。
【００７１】
当業者に公知であるように、時間領域における相互相関の数学的プロセスは、周波数領域における信号の乗算と等価である。したがって、一例によれば、コントローラは時間領域において送られる信号と受取られる信号との間の相互相関を行なうようにプログラミングされてもよい。別の実施例では、コントローラ２０４は、信号に対して変換を行なうように、およびその信号を周波数領域表現に変換し、周波数領域において周波数領域表現のうちの一方に他方の周波数領域表現の複素共役を周波数領域乗算し、乗算された結果を時間領域に再変換するようにプログラミングされてもよく、ここで再び、信号におけるピークは、信号が最も密接に位相整合する、したがって通過時間ΔｔuまたはΔｔdに対応する時間ポイントを示し得る。この目的で、コントローラ２０４はデジタル信号プロセッサである場合もあれば、デジタル信号プロセッサを含む場合もある。
【００７２】
図９を参照して、一実施例によれば、コントローラ２０４は送られる信号および受取られる信号を周波数領域表現に変換するために、送られる信号および受取られる信号の各々、たとえば送られる信号３０２および受取られる信号３０４に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行なうようにアルゴリズムでプログラミングされてもよい。次いで、各々の正の周波数構成要素に９０°の位相シフトを、および各々の負の周波数構成要素に９０°の位相シフトを加え、次いでステップ３５４において、以下に記載される２つの周波数領域表現を乗算することによって、周波数領域表現のうちの１つに対して効果的なヒルベルト変換が行なわれてもよい。別の例では、コントローラは、第１の信号（ステップ３５０）、たとえば送られる信号３０２に対してＦＦＴを行なうように、ならびに第２の信号（ステップ３５２）、たとえば受取られる信号３０４に対してヒルベルト変換およびＦＦＴを行なうようにプログラミングされてもよい。時間（ｔ）の関数である信号に対してヒルベルト変換を行なうことは、関数−１／ＴＴｔで信号のたたみ込みを行なうことを含む。次いで、たとえば信号のヒルベルト変換に対してＦＦＴを行なうことによって信号のヒルベルト変換が周波数領域において考察されるとき、元の信号に対する符号依存性の位相シフトが存在していることが明らかである。すなわち、すべてのコサイン構成要素は負のサイン構成要素に変換され、すべてのサイン構成要素はコサイン構成要素に変換される。これは実際の、想像上の面において信号を「回転させる」ことに対応する。したがって、送られる信号および受取られる信号の各々のＦＦＴを行ない、周波数領域表現のうちの１つに対して効果的なヒルベルト変換を行なうことは、送られる信号および受取られる信号のうちの一方のＦＦＴを行ない、送られる信号および受取られる信号の他方に対してヒルベルト変換およびＦＦＴを行なうことと数学的に等価である。
【００７３】
コントローラは次いで、一方の周波数領域表現に他方の周波数領域表現の複素共役を周波数領域乗算してもよく（すなわち、周波数領域において２つの周波数領域表現を乗算する（ステップ３５４））、乗算された結果を変換して時間領域に戻すために乗算された結果に対して逆ＦＦＴを行なってもよい（ステップ３５６）。処理された時間領域信号は、
明確にするために信号Ｔrと称される。送られる信号３０２および受取られる信号３０４が最も密接に位相整合している時間のポイントに対応する信号Ｔrにおけるピークの代わりに１つの信号に対してヒルベルト変換が行なわれた結果、この時間のポイントはここで、信号Ｔrにおけるゼロ交差で示される。一例では、ΔｔuまたはΔｔdに対応する時間ポイントは、信号Ｔrにおいて最大の正のピークおよび最大の負のピークが両側に位置する、信号Ｔrにおけるゼロ交差で示されてもよい。したがって、ステップ３５８において、コントローラは信号Ｔrにおいてゼロ交差の位置を突き止めるため、およびしたがって通過時間ΔｔuまたはΔｔdを求めるためにさまざまな公知の技術のいずれかを用いることができる。周波数領域表現のうちの１つに対して効果的なヒルベルト変換を行なうステップは、各々の正の周波数構成要素に９０°の位相シフトを、および各々の負の周波数構成要素に９０°の位相シフトを加えることとして説明されたが、同様の結果は、各々の正の周波数構成要素に９０°の位相シフトを、および各々の負の周波数構成要素に９０°の位相シフトを加え、次いで２つの周波数領域表現を乗算し、乗算された結果に対して逆ＦＦＴを行なうことによって代替的に得られ得ることが認識されるべきである。
【００７４】
上のアルゴリズムは送られる信号３０２および受取られる信号３０４の点で記載されたが、このアルゴリズムは送られる信号３０６および受取られる信号３０８に対しても用いられてもよいことが認識されるべきである。さらに、ヒルベルト変換は送られる信号もしくは受取られる信号に対して、または送られる信号および受取られる信号の相互相関に対して行なわれてもよい。一旦通過時間ΔｔuおよびΔｔdの両方が求められると、流体における超音波の伝搬の速度は上の方程式（３）に従って求められることができる。ステップ３５８においてゼロ交差の位置を突き止めるために、ステップ３５４で得られた乗算された結果のＤＣおよびナイキスト速度項は、ステップ３５６において逆ＦＦＴを行なう前にはほとんど０のはずであることも認識されるべきである。これは、乗算された結果が基本的には相当のＤＣオフセットもサンプリングレートの２分の１に近い周波数も確実に持たないようにすることによって行なわれる場合もあれば、代替的には、乗算された周波数領域表現のそれらのＤＣおよびナイキスト速度項は、ステップ３５６において逆ＦＦＴを行なう前に０に設定される場合もある。
【００７５】
再び図５を参照して、一旦流体における超音波の伝搬の速度が求められると、コントローラは、ΔｔuおよびΔｔdのいずれかを最初に求めるかまたは再測定することなくΔｔ、すなわち上流に向かう超音波と下流に向かう超音波との間の通過時間差を求めるようにアルゴリズムまたは一組の命令を実現してもよい。したがって、図５に示されるように、Δｔは、周期的に計算されることができ、流体の流量を求めるためにｃ、すなわち流体における波の伝搬の速度とともに用いられることができる。ステップ３２８および３３０のこのシーケンスは、流体の流量を正確に監視することが望まれるたびに、線３３２によって示されるように繰返されてもよい。流体における超音波の伝搬の速度の測定値を更新するために、しばしば、たとえばステップ３２８および３３０が実行される頻度よりも少なく、線３２６で示されるようにステップ３２０、３２２および３２４が繰返されてもよい。流体における超音波の伝搬の速度は、Δｔを測定し、流体の流量を求めるのに必要な時間間隔などの短い時間間隔にわたって変動する可能性はないであろうが、流体における超音波の伝搬の速度はより長い期間にわたって、たとえばシステムにおける温度の変動とともに変動する可能性がある。したがって、伝搬の速度の長期間の変動を説明し、流体の流量の計算の精度を維持するために、周期的にまたは検出されたシステム環境の変化に応答して、流体における超音波の速度の測定値を更新することが望ましいであろう。
【００７６】
一実施例によれば、コントローラはΔｔを求めるために、ΔｔuおよびΔｔdを求めることを参照しながら説明されたアルゴリズムと同様のアルゴリズムを実現してもよい。たとえば、コントローラは受取られる信号３０４と受取られる信号３０８との間の相互相関を行なうためにアルゴリズムでプログラミングされてもよい。相互相関の結果は、２つの受
取られる信号が最も密接に位相整合する時間ポイントに対応するピーク、およびしたがって時間差Δｔに対応するピークを有する信号であり得る。換言すれば、２つの受取られる信号の相互相関は時間値を生み出すことができ、この時間値は、どのくらいの量の下流に向かう（より速い）受取られる信号が、上流に向かう受取られる信号と同時に到着したと思われるように遅れずにシフトされる必要があるかを示す。したがって、この「時間シフト」は、ΔｔuおよびΔｔdのうちのいずれかを再計算する必要なく、２つの超音波トランスデューサ間の上流および下流に向かう超音波の通過時間の間の時間差Δｔを示す。
【００７７】
上述のように、一例では、コントローラ２０４は２つの受取られる信号間の時間領域相互相関を実現してもよい。別の例では、コントローラは、同一のまたは同様の結果を達成するために、周波数領域表現が相関されるのではなく（たとえば、一方の周波数領域表現に他方の周波数領域表現の複素共役を乗算することによって）乗算され得る周波数領域表現に２つの信号を変換するようにＦＦＴなどの変換を実現してもよい。図１０を参照すると、流体の流量を求めるための方法の一例のフロー図が示されている。ステップ３６０では、受取られる信号３０４および３０８を周波数領域表現に変換するために、受取られる信号３０４および３０８の各々に対してＦＦＴが行なわれてもよい。次のステップ３６２では、正の９０°の位相シフトが各々の正の周波数構成要素に加えられてもよく、９０°の位相シフトが周波数領域表現のうちの１つの各々の負の周波数構成要素に加えられてもよく、そのため、ＦＦＴと位相シフトとを組合せることによって効果的なヒルベルト変換およびＦＦＴが１つの信号に対して行なわれることになる。位相シフトはいずれかの周波数領域表現に対して行なわれる場合もあれば、代替的には、ステップ３６０において各々の受取られる信号３０４、３０８に対してＦＦＴが行なわれるのではなく、受取られる信号のうちの一方に対してＦＦＴが行なわれてもよく、他方の受取られる信号に対してヒルベルト変換およびＦＦＴが行なわれてもよい。次に、２つの周波数領域表現は周波数領域において（たとえば、一方の周波数領域表現に他方の周波数領域表現の複素共役を乗算することによって）ともに乗算されてもよく（ステップ３６４）、乗算された結果はたとえば逆ＦＦＴを用いて変換して時間領域に戻されてもよい（ステップ３６６）。Δｔを求めるために（ステップ３６８）、コントローラは、上述のように、（明確にするためにＴrrと称される）結果として生じる時間領域信号においてゼロ交差の位置を突き止めるために任意の公知の技術を実現してもよい。流体の流量は次いで、上で与えられた方程式（９）または方程式（１２）に基づいて求められることができる（ステップ３７０）。
【００７８】
上のアルゴリズムおよび数学的演算は、明確にするために、送られる超音波および受取られる超音波の点で記載されたが、この演算は実際にはこれらの信号のデジタル表現に対して行なわれることが認識されるべきである。したがって、別々のＦＦＴおよびヒルベルト変換が用いられてもよく、一方の周波数領域表現を他方の複素共役と乗算することは、デジタル値のポイントごとの乗算として行なわれてもよい。上述の方法はシステムに流入する流体から独立していてもよく、流体のいかなる事前の知識もなくおよび流体に固有のシステムキャリブレーションなく、水、スラリー、化学的混合物などを含むがそれらに限定されないさまざまな異なる流体についての流体速度を計算するために用いられてもよいことがさらに認識されるべきである。実際、流体（その流体がいかなる流体であったとしても）における波の伝搬の速度などの超音波の特性の事前の知識は流体の速度を計算するのに必要ではない。なぜなら、流体における超音波の伝搬の速度は使用時に周期的に測定され得るためである。流体の流量は次いで、流体の速度ならびにシステムおよび／または流体の公知の物理的パラメータを用いて、上で与えられた方程式（９）または方程式（１２）に基づいて計算されることができる。
【００７９】
代替的には、流体の超音波の伝搬の速度が、たとえば特定の流体で測定された検査データに基づいて予めわかっている場合、流体の流量は、ΔｔuまたはΔｔdを求めることもなく、上で与えられた方程式（９）に基づいて計算されてもよい。たとえば、流体における
超音波の伝搬の速度（ｃ）は単に、コントローラにアクセス可能なルックアップテーブルから得られてもよい。ルックアップテーブルは、さまざまな流体についての音の伝搬の速度およびさまざまな流体の各々についての伝搬の速度が温度とともにいかに変動するかを示すデータを含み得る。
【００８０】
一実施例によれば、測定の精度を向上させるために、カルマンフィルタリングなどの平均化技術またはフィルタリングが用いられてもよい。いくつかの例では、流体における超音波の伝搬の速度は、流体の温度とともに変動する可能性がある。したがって、別の実施例では、流体温度を測定するために、たとえば導管１３０（図２参照）に位置する温度センサがシステムに組入れられてもよい。コントローラ２０４は、流体における超音波の伝搬の速度の測定および決定を周期的に調整するため、ならびに／または任意の公知の温度依存性変動について求められた流量を補正するために、温度センサによって与えられる情報を利用してもよい。たとえば、図１１を参照して、導管１３０などの導管の中の流体の流量は導管の断面にわたって一定でないかもしれないことが公知である。むしろ、図１１に示されるように、流体は、矢印３８０で示されるように導管の中心では速く流れ、導管の端縁近くではゆっくり流れる（矢印３８２で示される）可能性がある。これは、導管の端縁近くの流体の流れを減速させ得る、流体と導管との間の摩擦に起因する。したがって、上流および下流に向かう超音波面は対称形ではない可能性がある。さらに、上流に向かう超音波面と下流に向かう超音波面との間の形状の差は温度とともに変動する可能性がある。なぜなら、温度は導管の中の流体の流れに影響を及ぼし得るためである。したがって、コントローラは温度依存性補正係数を測定に適用し得る。この補正係数は流体に固有のものである可能性もあり、したがって、コントローラはさまざまな流体についての適切な温度依存性補正係数を含み得るデータベースを含んでもよい。
【００８１】
このように本発明の少なくとも１つの実施例のいくつかの局面を記載してきたが、さまざまな変更、修正および改良が当業者に容易に想起されることが認識されるべきである。このような変更、修正および改良は、この開示の一部であるように意図され、本発明の範囲内であるように意図される。したがって、上述の説明および図面は一例としてのものに過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の局面による、液体の流れについての閉ループ監視および制御システムの一実施例の概略的なブロック図である。
【図２】本発明の局面による超音波流量計の一実施例の概略図である。
【図３】本発明の局面による超音波液体流量コントローラの一実施例のブロック図である。
【図４】本発明の局面による超音波信号の一例を示すタイミング図である。
【図５】本発明の局面による、流体の流量を求めるための方法の一例を示すフロー図である。
【図６】相対的な測定誤差を示す図である。
【図７ａ】相互相関を示すタイミング図である。
【図７ｂ】２つの完全な正弦波の相互相関プロセスの結果を示すタイミング図である。
【図８】任意の信号に対して行なわれる相互相関プロセスの結果の一例の図である。
【図９】上流に向かう超音波および下流に向かう超音波の通過時間を求めるための方法の一例のフロー図である。
【図１０】導管の中の流体の流量を求めるための方法の一例のフロー図である。
【図１１】導管の中の流体の可変流量を示す図である。
【図１】
2008504558.tif 000015
【図２】
2008504558.tif 000016
【図３】
2008504558.tif 000017
【図４】
2008504558.tif 000018
【図５】
2008504558.tif 000019
【図６】
2008504558.tif 000020
【図７Ａ】
2008504558.tif 000021
【図７Ｂ】
2008504558.tif 000022
【図８】
2008504558.tif 000023
【図９】
2008504558.tif 000024
【図１０】
2008504558.tif 000025
【図１１】
2008504558.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成19年6月18日(2007.6.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導管の中の流体の流量を求める方法であって、
前記導管の長さに沿って間隔をあけて第１の位置および第２の位置に配置される環状のトランスデューサの対を使用して、前記導管の前記長さに沿って第１および第２の超音波信号を送る行為と、
前記第１および第２の超音波信号を受取る行為と、
結果として生じる時間領域信号を発生させるために、前記第１の受取られる超音波信号および前記第２の受取られる超音波信号を相互相関させる行為と、
前記第１の受取られる超音波信号と前記第２の受取られる超音波信号との間の通過時間差を求めるために、前記結果として生じる時間領域信号を分析する行為と、
前記求められた差に基づいて前記導管の中の前記流体の前記流量を計算する行為とを含み、相互相関させる前記行為は、
第１の周波数領域表現を発生させるために、前記第１の受取られる超音波信号に対してフーリエ変換を行なう行為と、
第２の周波数領域表現を発生させるために、前記第２の受取られる超音波信号に対してヒルベルト変換およびフーリエ変換を行なう行為と、
結果として生じる周波数領域表現を発生させるために、前記第１および第２の周波数領域表現をともに乗算する行為と、
前記結果として生じる時間領域信号を発生させるために、前記結果として生じる周波数領域表現に対して逆フーリエ変換を行なう行為とを含む、方法。
【請求項２】
前記第２の受取られる超音波信号に対してヒルベルト変換およびフーリエ変換を行なう前記行為は、
前記第２の受取られる超音波信号の周波数領域表現を発生させるために、前記第２の受取られる超音波信号に対してフーリエ変換を行なう行為と、
前記第２の周波数領域表現を発生させるために、正の９０°の位相シフトおよび負の９０°の位相シフトのうちの一方を、前記第２の受取られる超音波信号の前記周波数領域表現の各々の正の周波数構成要素に加える行為と、正の９０°の位相シフトおよび負の９０°の位相シフトのうちの他方を、前記第２の受取られる超音波信号の前記周波数領域表現の各々の負の周波数構成要素に加える行為とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記結果として生じる周波数領域表現に対して逆フーリエ変換を行なう前記行為の前に、前記結果として生じる周波数領域表現のＤＣおよびナイキスト速度項を０に設定する行為をさらに含む、請求項１〜２のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
前記結果として生じる時間領域信号を分析する前記行為は、前記結果として生じる時間領域信号内でゼロ交差の位置を突き止めることを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記流体における前記第１および第２の超音波信号のうちの少なくとも１つの伝搬の速度を求める行為をさらに含む、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記求められた差に基づいて前記流体の前記流量を計算する前記行為は、伝搬の前記速度を求める前記行為よりも頻繁に行なわれる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
伝搬の前記速度を求める前記行為は、
前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記第１の超音波信号の第１の通過時間を求める行為と、
前記第２の位置と前記第１の位置との間の前記第２の超音波信号の第２の通過時間を求める行為と、
前記第１および第２の通過時間、ならびに前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離に基づいて、伝搬の前記速度を計算する行為とを含む、請求項５〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記第１および第２の通過時間を求める前記行為と伝搬の前記速度を計算する前記行為とを周期的に繰返すことによって、前記流体における前記第１および第２の超音波信号のうちの前記少なくとも１つの伝搬の前記速度を周期的に更新する行為をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記流体の前記流量を計算する前記行為は、前記求められた差および伝搬の前記速度に基づいて前記流量を計算する行為を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１および第２の超音波信号を送る前記行為は、チャープ信号のデジタル表現から前記第１および第２の超音波信号をデジタル方式で合成する行為を含む、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記導管の中の前記流体の温度を測定する行為と、
前記導管の中の前記流体の前記温度に基づいて、前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記距離の値を調整する行為とをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記流体の前記流量を計算する前記行為は、前記求められた差、伝搬の前記速度、および前記導管の断面積に基づいて、前記流体の前記流量を計算する行為を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記導管の中の前記流体の温度を測定する行為と、
前記導管の中の前記流体の前記温度に基づいて、前記導管の前記断面積を調整する行為とをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記流体の前記流量を計算する前記行為は、前記求められた差、伝搬の前記速度、前記導管の断面積、および前記導管の中の前記流体の固有密度に基づいて、前記流体の前記流
量を計算する行為を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
前記導管の中の前記流体の温度を測定する行為と、
前記導管の中の前記流体の前記温度に基づいて、前記導管の前記断面積を調整する行為と、
前記導管の中の前記流体の前記温度に基づいて、前記流体の前記固有密度を調整する行為とをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
超音波流量計であって、
導管と、
第１の超音波信号を伝送するためおよび第２の超音波信号を受取るために、前記導管の長さに沿った第１の位置に配置される第１の環状の超音波トランスデューサと、
前記第２の超音波信号を伝送するためおよび前記第１の超音波信号を受取るために、前記第１の位置から離れて間隔をあけられた、前記導管の前記長さに沿った第２の位置に配置される第２の環状の超音波トランスデューサと、
前記第１の受取られる超音波信号および前記第２の受取られる超音波信号を相互相関させ、結果として生じる時間領域信号を発生させるように、前記第１の受取られる超音波信号と前記第２の受取られる超音波信号との間の通過時間差を求めるために前記結果として生じる時間領域信号を分析するように、および前記求められた差に基づいて前記導管の中の流体の流量を計算するように構成されるコントローラとを含み、
前記コントローラはさらに、
第１の周波数領域表現を発生させるために、前記第１の受取られる超音波信号に対してフーリエ変換を行なうように構成され、
第２の周波数領域表現を発生させるために、前記第２の受取られる超音波信号に対してヒルベルト変換およびフーリエ変換を行なうように構成され、
結果として生じる周波数領域表現を発生させるために、前記第１および第２の周波数領域表現をともに乗算するように構成され、
前記結果として生じる時間領域信号を発生させるために、前記結果として生じる周波数領域表現に対して逆フーリエ変換を行なうように構成される、超音波流量計。
【請求項１７】
前記コントローラは、前記結果として生じる周波数領域表現に対して前記逆フーリエ変換を行なう前に、前記結果として生じる周波数領域表現のＤＣおよびナイキスト速度項を０に設定するようにさらに構成される、請求項１６に記載の超音波流量計。
【請求項１８】
前記コントローラは、前記結果として生じる時間領域信号内でゼロ交差の位置を突き止めることによって、前記結果として生じる時間領域信号を分析するようにさらに構成される、請求項１６〜１７のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項１９】
前記コントローラは、第１の位置と第２の位置との間の前記第１の超音波信号の第１の通過時間を求めることと、前記第２の位置と前記第１の位置との間の前記第２の超音波信号の第２の通過時間を求めることと、前記第１および第２の通過時間ならびに前記導管の前記長さに沿った前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離に基づいて伝搬の速度を計算することとによって、前記流体における前記第１および第２の超音波信号の伝搬の前記速度を求めるようにさらに構成される、請求項１６〜１８のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項２０】
前記コントローラは、前記求められた差および伝搬の前記速度に基づいて前記流体の前記流量を計算するように構成される、請求項１９に記載の超音波流量計。
【請求項２１】
前記コントローラは、前記求められた差、伝搬の前記速度および前記導管の断面積に基
づいて前記流体の前記流量を計算するように構成される、請求項１９に記載の超音波流量計。
【請求項２２】
前記コントローラは、前記求められた差、伝搬の前記速度、前記導管の断面積および前記導管の中の前記流体の固有密度に基づいて前記流体の前記流量を計算するように構成される、請求項１９に記載の超音波流量計。
【請求項２３】
基準事象に対して第１の定められた遅延後に前記第１および第２の超音波信号の伝送を起動するように、前記第１および第２の超音波トランスデューサに作動的に結合されたタイミング回路をさらに含む、請求項１６〜２２のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項２４】
前記タイミング回路は、前記基準事象に対して第２の定められた遅延後に前記第１および第２の超音波信号の受取を起動する、請求項２３に記載の超音波流量計。
【請求項２５】
前記第１および第２の超音波信号を受取るためおよび前記第１および第２の受取られる超音波信号を前記コントローラに与えるための受信機回路をさらに含む、請求項１６〜２４のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項２６】
前記第１および第２の超音波信号を発生させるため、および伝送のために前記第１および第２の超音波信号を前記第１および第２の超音波トランスデューサに与えるための送信機回路をさらに含む、請求項１６〜２５のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項２７】
前記第１および第２の超音波信号を受取るように、および前記第１および第２の受取られる超音波信号を前記コントローラに与えるように、前記第１および第２の超音波トランスデューサの各々に切換可能に接続された受信機回路をさらに含む、請求項１６〜２４のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項２８】
前記第１および第２の超音波信号を発生させるように、および伝送のために前記第１および第２の超音波信号を前記第１および第２の超音波トランスデューサに与えるように、前記タイミング回路に応答し、前記第１および第２の超音波トランスデューサの各々に切換可能に接続された送信機回路をさらに含む、請求項１６〜２４および２７のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項２９】
前記送信機回路は、
前記第１の超音波信号および前記第２の超音波信号のデジタル表現を格納するための記憶回路と、
前記第１の超音波信号および前記第２の超音波信号の前記デジタル表現をアナログ表現に変換するように、前記記憶回路に電気的に結合されたデジタルアナログ変換器とを含む、請求項２６または２８に記載の超音波流量計。
【請求項３０】
前記第１の超音波信号の前記デジタル表現は、前記第２の超音波信号の前記デジタル表現と同一である、請求項２９に記載の超音波流量計。
【請求項３１】
前記送信機回路は、
前記アナログ表現をフィルタリングするように、前記デジタルアナログ変換器に電気的に結合されたフィルタと、
前記フィルタリングされたアナログ表現を増幅するように、および伝送のために、前記フィルタリングされたアナログ表現を前記第１および第２の超音波トランスデューサに与えるように、前記フィルタに電気的に結合された増幅器とをさらに含む、請求項２９〜３０のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項３２】
前記第１および第２の超音波信号の各々は超音波チャープ信号を含む、請求項１６〜３１のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項３３】
前記超音波チャープ信号はデジタル方式で合成される、請求項３２に記載の超音波流量計。
【請求項３４】
前記第１の超音波信号および前記第２の超音波信号の前記デジタル表現は、チャープ信号に対応する、請求項２９〜３０のいずれかに記載の超音波流量計。
【国際調査報告】
2008504558.tif 000027
2008504558.tif 000028
2008504558.tif 000029