(57)【要約】【課題】超音波を利用して流路を流れる流体の密度を迅速に測定することができる超音波密度計を提供すること。【解決手段】配管１５の外壁面に配置された超音波振動子１６，１７によって、液体Ｗ１中にその流れと直交する方向に超音波Ｓ０を伝搬させるとともに、配管１５の内壁面１５ａ，１５ｂでの反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２を受信する。流体Ｗ１中を伝搬する超音波Ｓ０の伝搬時間と伝搬距離とに基づいて液体Ｗ１の音速が求められる。各超音波振動子１６，１７で受信した反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と、配管１５の音響インピーダンスとに基づいて、液体Ｗ１の音響インピーダンスが求められる。液体Ｗ１の音響インピーダンスを音速で除算することにより液体Ｗ１の密度が求められる。【選択図】  図２
2008304282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を流れる流体に超音波を照射しその反射波に基づいて流体の密度を求める超音波密度計であって、
前記流路を構成する管本体の外壁面に配置され、前記流体中にその流れと直交する方向に超音波を伝搬させるとともに、前記管本体の内壁面で反射した超音波を受信する一対の超音波振動子と、
前記流体中を伝搬する超音波の伝搬時間と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、
前記各超音波振動子で受信した反射波の信号強度と、前記管本体の音響インピーダンスとに基づいて、前記流体の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス算出手段と、
前記流体の音響インピーダンスを前記音速で除算することにより前記流体の密度を求める密度算出手段と
を備えたことを特徴とする超音波密度計。
【請求項２】
前記管本体は、前記流体の流れる方向に平行な一対の内壁面を有し、前記超音波振動子は、一方の内壁面を介して流路内の流体中に超音波を伝搬させ、他方の内壁面で反射した超音波を受信することを特徴とする請求項１に記載の超音波密度計。
【請求項３】
前記一対の超音波振動子は、前記管本体における上流側及び下流側の外壁面にそれぞれ配置され、その上流側と下流側とで前記内壁面の間隔を異ならせたことを特徴とする請求項２に記載の超音波密度計。
【請求項４】
前記一対の超音波振動子は、前記管本体における上流側及び下流側の外壁面にそれぞれ配置され、その上流側と下流側とで前記管本体の音響インピーダンスを異ならせたことを特徴とする請求項２に記載の超音波密度計。
【請求項５】
前記管本体は長方形状に形成され、前記一対の超音波振動子のうちの一方の超音波振動子は、前記管本体における第１の外壁面に配置されるとともに、他方の超音波振動子はその第１の外壁面と直交する第２の外壁面に配置されることを特徴とする請求項２に記載の超音波密度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して流体の密度を測定する超音波密度計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を利用して液体の体積流量を測定する超音波流量計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、図１１に示されるように、特許文献１の超音波流量計６０では、液体Ｗ１を流す配管６１の上流側及び下流側において対向するよう一対の超音波振動子６２，６３が配置される。そして、一方の超音波振動子から発せられた超音波が液体Ｗ１中を伝搬して他方の超音波振動子に至るまでの伝搬時間を測定する。具体的には、流体Ｗ１の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、その正方向の伝搬時間と逆方向の伝搬時間とを測定する。ここで、各超音波振動子６２，６３間の超音波の伝搬距離Ｌ、流体Ｗ１中の音速Ｃ、液体Ｗ１の流速Ｖとすると、正方向の伝搬時間Ｔｄと逆方向の伝搬時間Ｔｕとは、それぞれ以下の式（１），（２）で表される。
【数１】
2008304282.tif 000003
【数２】
2008304282.tif 000004
【０００３】
すなわち、液体Ｗ１の流速Ｖが速くなると、正方向に伝搬される超音波Ｓ０の伝搬時間Ｔｄは短くなり、逆方向に伝搬される超音波Ｓ０の伝搬時間Ｔｕは長くなる（図１２参照）。そして、それら超音波Ｓ０の伝搬時間差ΔＴは、次式（３）のように表される。
【数３】
2008304282.tif 000005
【０００４】
ここで、液体Ｗ１の流速Ｖは音速Ｃと比較すると無視できる程度の速さである。そのため、上記の式（３）は次式（４）のように表すことができる。
【数４】
2008304282.tif 000006
【０００５】
従って、流速Ｖは、次式（５）により求めることができる。
【数５】
2008304282.tif 000007
【０００６】
さらに、この流速Ｖに配管６１の断面積Ｓを乗算することで液体Ｗ１の体積流量Ｑ（＝ＳＶ）が求められる。
【０００７】
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質量流量計が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
特許文献２の超音波質量流量計では、流体を流す流管（流路）に体積流量を測るための超音波送受信器が設けられ、その流管から分岐したバイパスラインの直管部の両端に密度を測るための超音波送信器及び超音波受信器が対向するよう設けられている。また、バイパスラインの途中には流量調整弁が設けられている。その流量調整弁を閉じてバイパスラインに流れる流体が静止状態となるよう流体の流れを設定しておき、その状態で超音波送信器からバイパスラインの流体中に超音波を伝搬させ、その超音波を超音波受信器で受信する。そして、超音波受信器での受信信号に基づいて、流体中を伝搬する超音波の減衰量を測定し、その減衰量から流体の密度を求めている。
【特許文献１】特開２００２−１６２２６９号公報
【特許文献２】特開平１０−９００２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、例えば、化学工場などにおいて、二種類以上の液体を混合して生成した流体の流量を調整する場合、その混合が十分に行われずに液体の密度が不均一の状態となっても、体積流量ではその状態を確実に検出することはできない。この場合、液体の密度変化を検出する必要がある。
【００１０】
ところが、特許文献２に開示されている従来の超音波質量流量計では、バイパスラインで流体を静止状態にしないと正確な密度を求めることができず、流路を流れている流体の密度をリアルタイムで検出することは困難である。また、超音波を利用しない一般的な密度計を用いる場合でも、計測器本体側に流体を移し変えて密度を測定する必要があり、流路を流れる流体の密度をリアルタイムに検出することは困難である。
【００１１】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、超音波を利用して流路を流れる流体の密度を迅速に測定することができる超音波密度計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、流路を流れる流体に超音波を照射しその反射波に基づいて流体の密度を求める超音波密度計であって、前記流路を構成する管本体の外壁面に配置され、前記流体中にその流れと直交する方向に超音波を伝搬させるとともに、前記管本体の内壁面で反射した超音波を受信する一対の超音波振動子と、前記流体中を伝搬する超音波の伝搬時間と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、前記各超音波振動子で受信した反射波の信号強度と、前記管本体の音響インピーダンスとに基づいて、前記流体の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス算出手段と、前記流体の音響インピーダンスを前記音速で除算することにより前記流体の密度を求める密度算出手段とを備えたことを特徴とする超音波密度計をその要旨とする。
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、流路を構成する管本体の外壁面に一対の超音波振動子が配置され、各超音波振動子により、流路を流れる流体中にその流れと直交する方向に超音波が伝搬されるとともに、管本体の内壁面で反射した超音波が受信される。そして、音速算出手段により、流体中を伝搬する超音波の伝搬時間と伝搬距離とに基づいて流体の音速が求められる。また、音響インピーダンス算出手段により、各超音波振動子で受信した反射波の信号強度と、管本体の音響インピーダンスとに基づいて、流体の音響インピーダンスが求められる。さらに、密度算出手段により、流体の音響インピーダンスを音速で除算することにより流体の密度が求められる。このように超音波密度計を構成することにより、管本体内の流路に流体を流した状態でその流体の密度をリアルタイムで測定することができるため、その流体の密度変化を迅速に検出することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記管本体は、前記流体の流れる方向に平行な一対の内壁面を有し、前記超音波振動子は、一方の内壁面を介して流路内の流体中に超音波を伝搬させ、他方の内壁面で反射した超音波を受信することをその要旨とする。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、超音波振動子によって、流体の流れと直交する方向に超音波を確実に伝搬させることができ、流路の各内壁面で反射した反射波を正確に受信することができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記一対の超音波振動子は、前記管本体における上流側及び下流側の外壁面にそれぞれ配置され、その上流側と下流側とで前記内壁面の間隔を異ならせたことをその要旨とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、一対の超音波振動子を上流側及び下流側の外壁面にずらして配置しているので、各超音波振動子から発せられた超音波が干渉することがなく、反射波を確実に受信することができる。また、管本体における上流側と下流側とで超音波の伝搬距離が異なるため、その伝搬距離に応じて超音波が減衰することにより、信号強度が異なる反射波が各超音波振動子で受信される。そして、それら反射波の信号強度と管本体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ることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項２において、前記一対の超音波振動子は、前記管本体における上流側及び下流側の外壁面にそれぞれ配置され、その上流側と下流側とで前記管本体の音響インピーダンスを異ならせたことをその要旨とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、一対の超音波振動子を上流側及び下流側の外壁面にずらして配置しているので、各超音波振動子から発せられた超音波が干渉することがなく、反射波を確実に受信することができる。また、管本体における上流側と下流側とで音響インピーダンスが異なるため、その音響インピーダンスに応じて超音波の反射率が変化することにより、信号強度が異なる反射波が各超音波振動子で受信される。そして、それら反射波の信号強度と管本体の各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ることができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項２において、前記管本体は長方形状に形成され、前記一対の超音波振動子のうちの一方の超音波振動子は、前記管本体における第１の外壁面に配置されるとともに、他方の超音波振動子はその第１の外壁面と直交する第２の外壁面に配置されることをその要旨とする。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、一方の超音波振動子と他方の超音波振動子とにおいて、超音波の伝搬距離が異なるため、その伝搬距離に応じて超音波が減衰することにより、信号強度が異なる反射波が各超音波振動子で受信される。そして、それら反射波の信号強度と管本体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ることができる。またこの場合、流体の流通方向（上流側または下流側の方向）に各超音波振動子をずらして配置する必要がないため、超音波密度計をコンパクトに形成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上詳述したように、請求項１〜５に記載の発明によると、超音波を利用して流路を流れる流体の密度を迅速に測定することができる超音波密度計を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
［第１の実施の形態］
【００２４】
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は本実施の形態の超音波流量計１を示す概略構成図である。超音波流量計１は、超音波伝搬時間差方式で液体Ｗ１（例えば半導体洗浄用の薬液）の体積流量を測定するための第１センサ部２と、液体Ｗ１の音速や密度などを測定するための第２センサ部３とを備え、液体Ｗ１を供給するための供給配管４の途中に設けられている。
【００２５】
供給配管４の上流側には、液体Ｗ１の流量を調整するための調整バルブ５が設けられており、この調整バルブ５には、その開度を変更するためのコントローラ６が接続されている。本実施の形態において、超音波流量計１で計測された体積流量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が調整バルブ５の開度を制御することにより、供給配管４を流れる液体Ｗ１の流量が予め設定された所定の流量となるよう調整される。
【００２６】
以下、本実施の形態の超音波流量計１の具体的な構成について詳述する。
【００２７】
図１に示されるように、超音波流量計１の第１センサ部２は、略コ字状に屈曲形成された配管１１と、その配管１１の２つのコーナー部１１ａ，１１ｂにそれぞれ固定され配管１１の直管部１１ｃを介して対向するよう配置される一対の超音波振動子１２，１３とを備える。第１センサ部２の配管１１は、耐薬品性に優れるフッ素樹脂（例えばテフロン（登録商標））を用いて形成されており、直管部１１ｃの長さは１０ｃｍ程度である。また、この配管１１内に形成される流路の断面形状は円形であり、その口径は１０ｍｍ程度である。このように、流路の断面形状を円形とすることにより、その流路内において、液体Ｗ１の乱流が防止され、液体Ｗ１がスムーズに流れるようになっている。
【００２８】
また、図２に示されるように、第２センサ部３は、第１センサ部２の下流側に接続される配管１５（管本体）と、その配管１５における上流側及び下流側の外壁面に配置される一対の超音波振動子１６，１７とを備える。第２センサ部３の配管１５も、耐薬品性に優れるフッ素樹脂（例えばテフロン（商標名））を用いて形成されている。この配管１５内に形成される流路の断面形状は四角形であり、各超音波振動子１６，１７から発せられた超音波Ｓ０は、液体Ｗ１の流れる方向と平行な一対の内壁面１５ａ，１５ｂに対して垂直に交わる角度で入射するようになっている。この配管１５では、一対の超音波振動子１６，１７が設けられる上流側と下流側とで内壁面１５ａ，１５ｂの間隔を異ならせている。具体的には、上流側の内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ１は下流側の内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ２の２倍の間隔となっている。また、一対の超音波振動子１６，１７が設けられている配管１５の側壁の厚さは、上流側と下流側とで等しくなっている。
【００２９】
超音波流量計１において、第１センサ部２の各超音波振動子１２，１３及び第２センサ部３の各超音波振動子１６，１７には、制御装置２０が電気的に接続されている。本実施の形態では、第２センサ部３と制御装置２０とによって超音波密度計が構成される。
【００３０】
図３は、超音波流量計１の電気的構成を示すブロック図である。図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。
【００３１】
第１信号処理回路２２は、切り替え回路３１、パルス発生回路３２、受信回路３３、検波回路３４、及びＡ／Ｄ変換回路３５を備える。
【００３２】
切り替え回路３１は、一対の超音波振動子１２，１３のうちの上流側の超音波振動子１２をパルス発生回路３２に接続するとともに下流側の超音波振動子１３を受信回路３３に接続する第１の接続位置と、下流側の超音波振動子１３をパルス発生回路３２に接続するとともに上流側の超音波振動子１２を受信回路３３に接続する第２の接続位置とを切り替え可能に構成されている。この切り替え回路３１における接続位置は、ＣＰＵ２１から出力される切り替え信号によって制御される。
【００３３】
パルス発生回路３２は、ＣＰＵ３２からの制御信号に応答して動作し、超音波振動子１２，１３を駆動するための駆動パルスを出力する。この駆動パルスが切り替え回路３１を介して各超音波振動子１２，１３に供給される。ここで例えば、切り替え回路３１が第１の接続位置に切り替えられた場合、上流側の超音波振動子１２に駆動パルスが供給され、その超音波振動子１２が振動することにより、所定周波数（具体的には、１ＭＨｚの周波数）の超音波が出力される。そして、その超音波は、配管１１の液体Ｗ１中をその液体Ｗ１の流れの正方向に伝搬して下流側の超音波振動子１３で受信される。また逆に、切り替え回路３１が第２の接続位置に切り替えられた場合には、下流側の超音波振動子１３に駆動パルスが供給され、その超音波振動子１３が振動することにより、所定周波数（具体的には、１ＭＨｚの周波数）の超音波が出力される。そして、その超音波は、配管１１の液体Ｗ１中をその液体Ｗ１の流れの逆方向に伝搬して上流側の超音波振動子１２で受信される。
【００３４】
受信回路３３は、図示しない信号増幅回路を含み、各超音波振動子１２，１３で受信された超音波信号を増幅した後、検波回路３４に出力する。検波回路３４は、図示しないゲート回路を含み、受信信号の中から１パルス分の超音波信号を抽出してＡ／Ｄ変換回路３５に出力する。Ａ／Ｄ変換回路３５では、アナログ信号である超音波信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換する。ＣＰＵ２１は、このＡ／Ｄ変換後の超音波信号を取り込み、メモリ２４に一旦記憶する。
【００３５】
第２信号処理回路２３は、切り替え回路４１、パルス発生回路４２、受信回路４３、検波回路４４、Ａ／Ｄ変換回路４５、及びタイマ４６を備える。
【００３６】
切り替え回路４１は、第１スイッチ部４１ａと第２スイッチ部４１ｂとを備え、第１スイッチ部４１ａでは、上流側の超音波振動子１６と下流側の超音波振動子１７とのいずれか一方に接続位置を切り替え、第２スイッチ部４１ｂでは、パルス発生回路４２と受信回路４３とのいずれか一方に接続位置を切り替える。この切り替え回路４１における接続位置も、ＣＰＵ２１から出力される切り替え信号によって制御される。
【００３７】
パルス発生回路４２は、ＣＰＵ２１からの制御信号に応答して動作し、超音波振動子１６，１７を駆動するための駆動パルスを出力する。駆動パルスは、例えば５００ｍｓ毎に出力され、切り替え回路４１を介して上流側の超音波振動子１６と下流側の超音波振動子１７とに交互に供給される。そして、駆動パルスによって超音波振動子１６，１７が振動することにより、所定周波数（具体的には、１ＭＨｚの周波数）の超音波が出力される。
【００３８】
図２に示されるように、各超音波振動子１６，１７から出力された超音波Ｓ０は、配管１５の側壁を介してその内側を流れる液体Ｗ１に伝搬する。このとき、超音波Ｓ０の一部は、配管１５と液体Ｗ１との境界面（流路の一方の内壁面１５ａ）で反射するとともに、一部が通過して液体Ｗ１中に伝搬する。さらに、液体Ｗ１を伝搬した超音波Ｓ０の一部は、液体Ｗ１と配管１５との境界面（流路の他方の内壁面１５ｂ）で反射する。ここで、上流側において、一方の内壁面１５ａで反射した反射波Ｓ０１と他方の内壁面１５ｂで反射した反射波Ｓ１１とが超音波振動子１６で受信され、電子信号に変換される。また、下流側において、一方の内壁面１５ａで反射した反射波Ｓ０２と他方の内壁面１５ｂで反射した反射波Ｓ１２とが超音波振動子１７で受信され、電子信号に変換される。それら反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号は、切り替え回路４１を介して受信回路４３に供給される。
【００３９】
受信回路４３は、図示しない信号増幅回路を含み、超音波振動子１６，１７で受信された反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号を増幅した後、検波回路４４に出力する。検波回路４４は、配管１５内の各内壁面１５ａ，１５ｂで反射した超音波の反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２を検出するための回路であり、図示しないゲート回路や比較回路などを含む。具体的には、検波回路４４は、ゲート回路により各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２を抽出し、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度に対応した電圧信号をＡ／Ｄ変換回路４５に出力する。Ａ／Ｄ変換回路４５では、アナログ信号である電圧信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換し、ＣＰＵ２１は、このＡ／Ｄ変換後の電圧信号を取り込み、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度としてメモリ２４に記憶する。また、検波回路４４は、比較回路により反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号が所定のしきい値電圧を超えたタイミングを検出し、その検出信号をタイマ４６に通知する。
【００４０】
タイマ４６は、検波回路４４から出力される検出信号に基づいて、超音波Ｓ０の伝搬時間を計測し、その時間に対応したデータを出力する。この伝搬時間のデータは、ＣＰＵ２１によってメモリ２４に記憶される。
【００４１】
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、体積流量、及び質量流量を算出するためのプログラムやそれらの測定値を表示するためのプログラムなどを含む。なお、ＣＰＵ２１が実行するプログラムとしては、メモリカードなどの記憶媒体に記憶されたプログラムや、通信媒体を介してダウンロードしたプログラムでもよく、その実行時には、メモリ２４に読み込んで使用する。
【００４２】
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、測定した体積流量または質量流量に関するデータをコントローラ６に転送する。
【００４３】
次に、本実施の形態における液体Ｗ１中の音速Ｃの具体的な算出方法について説明する。
【００４４】
まず、第２センサ部３において、上流側の超音波振動子１６から超音波Ｓ０を出力する。配管１５はフッ素樹脂からなり液体Ｗ１と音響インピーダンスが異なるため、一対の内壁面１５ａ，１５ｂ（液体Ｗ１との境界面）で超音波Ｓ０がそれぞれ反射する。そして、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１の受信時刻ｔ１，ｔ２から超音波の伝搬時間Ｔ１（＝ｔ２−ｔ１）を取得する（図４参照）。具体的には、図４に示されるように、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１の受信時刻ｔ１，ｔ２（波形信号が所定のしきい値電圧を超えたタイミング）において検波回路４４から検出信号が出力される。タイマ４６では、その検出信号に基づいて反射波Ｓ０１が受信されてから反射波Ｓ１１が受信されるまでの時間が計測され、その計測値が伝搬時間Ｔ１として取得される。ここで、超音波Ｓ０の伝搬距離は、各内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ１（流路の幅）の２倍であるため、次式（６）のように、伝搬距離２ｄ１を伝搬時間Ｔ１で除算することで液体Ｗ１中の音速Ｃが求められる。
【数６】
2008304282.tif 000008
【００４５】
また、液体Ｗ１中の音速Ｃは、下流側の超音波振動子１７を用いても同様に求めることができる。なおこの場合、超音波の伝搬距離は２ｄ２となる。
【００４６】
次に、液体Ｗ１の音響インピーダンス及び密度の算出方法について説明する。
【００４７】
第２センサ部３において、各超音波振動子１６，１７から発せられた超音波Ｓ０は、その一部が配管１５と液体Ｗ１との境界面（各内壁面１５ａ，１５ｂ）で反射する（図２参照）。
【００４８】
これら内壁面１５ａ，１５ｂでの反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度は、次式（７），（８）の関係が成り立つ。
【数７】
2008304282.tif 000009
【数８】
2008304282.tif 000010
【００４９】
ここで、αは、液体Ｗ１の減衰定数であり、Ｚ０は、配管１５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、液体Ｗ１の音響インピーダンスである。
【００５０】
これら式（７）及び式（８）により、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と音響インピーダンスＺ０とに基づいて液体Ｗ１の音響インピーダンスＺｆを求めることができる。
【００５１】
そして、液体Ｗ１の密度ρは、その音響インピーダンスＺｆと音速Ｃとに基づいて次式（９）により求められる。
【数９】
2008304282.tif 000011
【００５２】
次に、本実施の形態における体積流量及び質量流量の具体的な算出方法について説明する。
【００５３】
本実施の形態では、まず、第１センサ部２の一対の超音波振動子１２，１３において、例えば、２５０μｓ毎に、正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで一方の超音波振動子から超音波を送信するとともに、液体Ｗ１中を伝搬した各超音波を他方の超音波振動子で受信する。このとき、超音波振動子１２，１３で電気信号に変換された超音波信号は、さらに第１信号処理回路２２において切り替え回路３１、受信回路３３、検波回路３４、及びＡ／Ｄ変換回路３５を経てデジタル信号に変換された後、超音波の波形信号としてメモリ２４に記憶される。なお、本実施の形態では、上述した所定パターンの超音波の送受信にて取得された４パルス分の波形信号が、液体Ｗ１の流量を求めるためのデータの塊としてメモリ２４に記憶される。
【００５４】
そして、それら超音波の波形信号を比較することで、波形信号の相関関数を算出する。具体的には、例えば、最初に送受信した第１パルスの波形信号と次に送受信した第２パルスの波形信号とを比較して、第１パルスを基準とした相関関数を求める。また、第１パルスの波形信号と第３パルスの波形信号とを比較して、第１パルスを基準とした相関関数を求める。さらに、第１パルスの波形信号と第４パルスの波形信号とを比較して、第１パルスを基準とした相関関数を求める。同様に、第２パルスの波形信号と第３パルスの波形信号とを比較して第２パルスを基準とした相関関数を求め、第２パルスの波形信号と第４パルスの波形信号とを比較して第２パルスを基準とした相関関数を求める。さらに、第３パルスの波形信号と第４パルスの波形信号とを比較して第３パルスを基準とした相関関数を求める。
【００５５】
ここで、配管１１を流れる液体Ｗ１中に気泡などの異物が含まれる場合、その異物によって超音波が乱反射するため、受信された各超音波はその波形が異なるものとなる。この場合、各波形信号により求められた相関関数の相関値は、１よりも相当小さくなる。一方、液体Ｗ１中に気泡が含まれない場合には、各超音波の波形は類似したものとなるため、相関関数の相関値が１に近い値（例えば０．９７）となる。従って、本実施の形態では、相関関数の相関値が１に近い値（例えば、０．９以上）である場合に、測定に有効な波形信号であると判定する。そして、有効と判定した波形信号に基づいて、超音波の伝搬時間差を求める。
【００５６】
本実施の形態では、第１パルスの超音波及び第４パルスの超音波は、両方とも液体Ｗ１中を正方向に伝搬している。従って、図５に示されるように、これら超音波の波形信号を比較して求めた相関関数ｆ１は、その時間的なズレ量が０となる。これに対して、第１パルスの超音波及び第２パルスの超音波は、正方向及び逆方向に伝搬している。そのため、これら超音波の波形信号を比較して求めた相関関数ｆ２は、前記相関関数ｆ１と比較すると、超音波の伝搬時間差ΔＴのズレが生じる。よって、本実施の形態では、相関関数ｆ２の相関値が最大となる時刻に基づいて、超音波の伝搬時間差ΔＴが求められる。
【００５７】
そして、式（６）により求めた液体Ｗ１中の音速Ｃとこの伝搬時間差ΔＴとを上記の式（５）に代入して流体Ｗ１の流速Ｖを求める。さらに、この流速Ｖに配管１１の断面積Ｓを乗算することで液体Ｗ１の体積流量Ｑ（＝ＳＶ）を求める。
【００５８】
なお、実際の流量測定時には、配管１１の２つのコーナー部１１ａ，１１ｂにおいて液体Ｗ１の流れが乱れる。また、配管１１において中央部の方が側壁側よりも液体Ｗ１の流れが速くなる。従って、この液体Ｗ１の流速の分布を考慮して補正演算を行うことにより、より正確な体積流量Ｑが算出される。さらに、上記の式（９）により求めた密度ρと体積流量Ｑとを乗算することにより質量流量Ｍ（＝ρＱ）が求められる。
【００５９】
次に、本実施の形態において、液体Ｗ１の密度ρを測定するための処理例について図６のフローチャートを用いて説明する。なお、図６の処理は、作業者が入力装置２５に設けられている開始ボタンを操作したときに開始される。
【００６０】
まず、ＣＰＵ２１は、第２信号処理回路２３のパルス発生回路４２を動作させ、例えば５００ｍｓ毎に駆動パルスを出力させるとともに、切り替え回路４１の接続位置を切り替えて、第２センサ部３における上流側の超音波振動子１６及び下流側の超音波振動子１７に対して駆動パルスを順次供給する（ステップ１００）。これにより、各超音波振動子１６，１７から超音波Ｓ０が照射され、流路の各内壁面１５ａ，１５ｂで反射された各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の電気信号が検波回路４４で抽出される。そして、ＣＰＵ２１は、Ａ／Ｄ変換回路４５で変換されたデータを取り込み、反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度のデータとしてメモリ２４に記憶する。またこのとき、タイマ４６により、反射波Ｓ０１，Ｓ１１の受信タイミングに基づいて超音波の伝搬時間Ｔ１が計測され、その伝搬時間Ｔ１のデータがメモリ２４に記憶される。
【００６１】
そして、音速算出手段としてのＣＰＵ２１は、超音波の伝搬時間Ｔ１と伝搬距離２ｄ１とに基づいて、液体Ｗ１の音速Ｃを求める（ステップ１１０）。また、音響インピーダンス算出手段としてのＣＰＵ２１は、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と配管１５（フッ素樹脂）の音響インピーダンスＺ０とに基づいて、液体Ｗ１の音響インピーダンスＺｆを求める（ステップ１２０）。さらに、密度算出手段としてのＣＰＵ２１は、液体Ｗ１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液体Ｗ１の密度ρを求める（ステップ１３０）。
【００６２】
その後、ＣＰＵ２１は、密度ρの測定処理を継続するか否かを判定する（ステップ１４０）。具体的には、ＣＰＵ２１は、入力装置２５の終了ボタンが操作されているか否かを判定し、終了ボタンが操作されていない場合には、ステップ１００の処理に戻り、ステップ１００〜ステップ１４０の処理を再度行う。そして、入力装置２５の終了ボタンが操作された場合、ＣＰＵ２１は図６の処理を終了する。
【００６３】
次に、本実施の形態において、液体Ｗ１の質量流量Ｍを測定するための処理例について図７のフローチャートを用いて説明する。図７の処理は、図６の処理によって液体Ｗ１の音速Ｃや密度ρが測定された後に実行される。
【００６４】
先ず、ＣＰＵ２１は、第１信号処理回路２２のパルス発生回路３２を動作させ、２５０μｓ毎に駆動パルスを出力させるとともに、切り替え回路３１の接続位置を切り替えて、上流側の超音波振動子１２及び下流側の超音波振動子１３に対して駆動パルスを順次供給する（ステップ２００）。これにより、各超音波振動子１２，１３において、正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで超音波の送受信が行われる。そして、各超音波振動子１２，１３で受信された超音波信号は、第１信号処理回路２２において切り替え回路３１、受信回路３３、検波回路３４、及びＡ／Ｄ変換回路３５を経てデジタル信号に変換される。ＣＰＵ２１は、そのＡ／Ｄ変換後の超音波信号を順次取り込み、超音波の波形信号としてメモリ２４に記憶する。なおここでは、上述した所定パターンの４パルス分の波形信号がメモリ２４に記憶される。
【００６５】
その後、ＣＰＵ２１は、各超音波の波形信号を読み出し、それら波形信号を比較して相関関数を算出する（ステップ２１０）。そして、ＣＰＵ２１は、波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かを判定する（ステップ２２０）。具体的には、相関関数の相関値が所定のしきい値（例えば、０．９）以上である場合、ＣＰＵ２１は、測定に有効な波形信号であると判定し、その波形信号のデータをメモリ２４に残す。一方、所定のしきい値よりも小さい場合には、比較した波形信号の少なくとも一方が測定に無効な波形信号である。この場合、ＣＰＵ２１は、他の波形信号との比較で求めた相関関数により、測定に無効な波形信号を特定して、その波形信号のデータをメモリ２４から削除する。そして、４パルスの超音波において、正方向の第１パルス及び第４パルスの波形信号の両方、または逆方向の第２パルス及び第３パルスの波形信号の両方が無効な波形信号であると判定した場合、液体中に異物の混入ありと判断して、ＣＰＵ２１はその旨を表示装置２６に表示させる（ステップ２３０）。その後、ＣＰＵ２１は、ステップ２００の処理に戻り、所定パターンでの超音波の送受信を再度行う。
【００６６】
一方、正方向の第１パルス及び第４パルスの波形信号の少なくとも一方が有効であると判定し、かつ逆方向の第２パルス及び第３パルスの波形信号の少なくとも一方が有効であると判定した場合、ＣＰＵ２１は、有効と判定した波形信号の相関関数に基づいて、正方向に伝搬した超音波と逆方向に伝搬した超音波との伝搬時間差ΔＴを求める（ステップ２４０）。
【００６７】
さらに、ＣＰＵ２１は、図６の処理で求めた音速Ｃとその伝搬時間差ΔＴとを用い、式（５）に対応した演算を行うことにより液体Ｗ１の流速Ｖを求め、さらにその流速Ｖと配管１１の断面積Ｓとを乗算することにより液体Ｗ１の体積流量Ｑを求める（ステップ２５０）。また、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２６０）。
【００６８】
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２７０）。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２８０）。具体的には、ＣＰＵ２１は、入力装置２５の終了ボタンが操作されているか否かを判定し、終了ボタンが操作されていない場合には、ステップ２００の処理に戻り、ステップ２００〜ステップ２８０の処理を再度行う。そして、入力装置２５の終了ボタンが操作された場合、ＣＰＵ２１は図７の処理を終了する。
【００６９】
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。
【００７０】
（１）本実施の形態の場合、第２センサ部３において、配管１５の流路に液体Ｗ１を流した状態でその液体Ｗ１の密度ρをリアルタイムで測定することができるため、その液体Ｗ１の密度変化を迅速に検出することができる。また、その密度ρに基づいて質量流量Ｍを算出することができ、その算出値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、供給配管４を流れる液体Ｗ１の流量をより正確に調整することができる。
【００７１】
（２）本実施の形態の場合、一対の超音波振動子１６，１７を上流側及び下流側にずらして配置しているので、各超音波振動子１６，１７から発せられた超音波が干渉することがなく、反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２を確実に受信することができる。また、配管１５の上流側と下流側とで超音波の伝搬距離を異ならせているので、その伝搬距離に応じて超音波が減衰することにより、信号強度が異なる反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２が各超音波振動子１６，１７で受信される。従って、上式（７），（８）を用いることにより、それら反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と配管１５の音響インピーダンスＺ０とに基づいて、液体Ｗ１の音響インピーダンスＺｆを求めることができる。
【００７２】
（３）本実施の形態の場合、第２センサ部３における上流側の超音波振動子１６と下流側の超音波振動子１７とで共通の第２信号処理回路２３を設け、超音波振動子１６で受信された反射波Ｓ０１，Ｓ１１と超音波振動子１７で受信された反射波Ｓ０２，Ｓ１２とが同じ第２信号処理回路２３を用いて取得される。この場合、各超音波振動子１６，１７で別々の信号処理回路を設けた場合と比較して、回路素子に起因する誤差を抑えることができる。その結果、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度をより正確に得ることができ、液体Ｗ１の密度ρや質量流量Ｍの測定精度を向上させることができる。
［第２の実施の形態］
【００７３】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を説明する。本実施の形態では、第２センサ部３における配管１５の構成を変更した点が上記第１の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態の超音波流量計１において、第２センサ部３以外の他の構成（第１センサ部２や制御装置２０の電気的構成など）は第１の実施の形態と同様である。
【００７４】
具体的には、図８に示されるように、本実施の形態における第２センサ部３の配管１５（管本体）は、上流側と下流側とで音響インピーダンスが異なる配管部材５１，５２で形成されている。また、この配管１５における内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ１（流路の幅）は、上流側と下流側とで等しく形成されている。
【００７５】
この場合、上流側の配管部材５１の音響インピーダンスをＺ０１、下流側の配管部材５２の音響インピーダンスをＺ０２とすると、各内壁面１５ａ，１５ｂでの反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２は、次式（１０），（１１）の関係が成り立つ。
【数１０】
2008304282.tif 000012
【数１１】
2008304282.tif 000013
【００７６】
そして、これら式（１０）及び式（１１）により、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と音響インピーダンスＺ０１，Ｚ０２とに基づいて、液体Ｗ１の音響インピーダンスＺｆを求めることができる。さらに、液体Ｗ１の音速Ｃは上記第１の実施の形態と同様の手法で求めることができ、その音速Ｃと音響インピーダンスＺｆとにより液体Ｗ１の密度ρを求めることができる。
［第３の実施の形態］
【００７７】
次に、本発明を具体化した第３の実施の形態を説明する。本実施の形態でも、第２センサ部３における配管１５の構成を変更した点が上記第１の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態の超音波流量計１において、他の構成（第１センサ部２や制御装置２０の電気的構成など）は第１の実施の形態と同様である。
【００７８】
具体的には、図９に示されるように、本実施の形態における第２センサ部３の配管１５（管本体）は、長方形状に形成されており、一方の超音波振動子１６は第１の外壁面１５ｅに配置されるとともに、他方の超音波振動子１７は第１の外壁面１５ｅと直交する第２の外壁面１５ｆに配置されている。また、配管１５において一対の超音波振動子１６，１７が配置される側壁の厚さは等しく、その配管１５内に形成される流路は、水平方向の幅ｄ１（内壁面１５ａ，１５ｂの間隔）が垂直方向の幅ｄ２（内壁面１５ｃ，１５ｄの間隔）の２倍となっている。なお、図９の配管１５では、紙面の手前側から奥行き方向に液体Ｗ１が流れる。
【００７９】
このように第２センサ部３を構成した場合、各内壁面１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄで反射する反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２は、上式（７），（８）の関係が成り立つ。従って、本実施の形態でも、上記第１の実施の形態と同様に、液体Ｗ１の音響インピーダンスＺｆを求めることができ、さらには、液体Ｗ１の密度ρや質量流量Ｍを求めることができる。また、上記第１の実施の形態のように、各超音波振動子１６，１７を液体Ｗ１の流通方向（上流側または下流側の方向）にずらして配置する必要がないため、超音波流量計１をコンパクトに形成することが可能となる。
【００８０】
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。
【００８１】
・上記第２の実施の形態において、第２センサ部３における配管１５の上流側と下流側とは、音響インピーダンスＺ０１，Ｚ０２が異なる配管部材５１，５２で形成するものであったが、図１０に示されるように、超音波の反射面となる内壁面１５ｂの一部を配管１５とは音響インピーダンスが異なる板部材５５で形成してもよい。このように第２センサ部３を形成した場合でも、各内壁面１５ａ，１５ｂにおける反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度に基づいて、配管１５を流れる液体Ｗ１の音響インピーダンスＺｆを求めることができる。
【００８２】
・上記各実施の形態では、波形信号の相関関数を求め、相関値によって測定に有効な波形信号を判定するように構成していたが、これに限定されるものではない。例えば、気泡などを含まない液体を測定する場合には、信頼性の高い波形信号を確実に取得できるので、相関関数を算出する必要はなく、取得した波形信号をそのまま利用して伝搬時間差を算出してもよい。
【００８３】
・上記各実施の形態では、表示装置２６に質量流量Ｍの計測値を表示するように構成したが、密度ρなどの他の計測値を表示するよう構成してもよい。具体的には、例えば、入力装置２５のボタン操作によって表示モードを予め設定しておき、ＣＰＵ２１がその表示モードを判定して、表示装置２６に表示する計測値を、体積流量Ｑ、質量流量Ｍ、密度ρ、音響インピーダンスＺｆのうちのいずれかに切り替えるよう構成してもよい。このように構成すれば、液体Ｗ１の状態をより厳密に確認することが可能となる。
【００８４】
・上記各実施の形態では、第１センサ部２と第２センサ部３とで共通の制御装置２０を用いたが、それらセンサ部２，３において別々に制御装置を設けてもよい。またこの場合、第２センサ部３で検出した液体Ｗ１の密度ρを、第１センサ部２で検出した液体Ｗ１の質量流量Ｍとは別の表示装置に表示させてもよい。
【００８５】
・上記各実施の形態では、第２センサ部３の各超音波振動子１６，１７において共通の第２信号処理回路２３を設けたが、各超音波振動子１６，１７において別々の信号処理回路を設けてもよい。このようにすると、各信号処理回路により各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２を迅速に取得することができる。
【００８６】
・上記各実施の形態では、供給配管４において第１センサ部２の下流側に第２センサ部３を設けたが、第１センサ部２の上流側に第２センサ部３を設けてもよい。
【００８７】
・上記第１の実施の形態において、第２センサ部３の配管１５は、上流側における内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ１が下流側の内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ２よりも広くなるよう形成されているが、これとは逆に上流側の内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ１が下流側の内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ２よりも狭くなるよう形成されていてもよい。
【００８８】
・上記各実施の形態では、液体Ｗ１の密度ρを測定するものであったが、液体Ｗ１以外に、例えば、高圧気体などの流体の密度ρを測定してもよい。
【００８９】
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。
【００９０】
（１）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記一対の超音波振動子が配置される前記管本体の側壁の厚さは等しいことを特徴とする超音波密度計。
【００９１】
（２）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記管本体は、耐薬品性に優れる樹脂材料で形成されることを特徴とする超音波密度計。
【００９２】
（３）請求項４において、前記管本体の上流側と下流側とは、音響インピーダンスが異なる配管部材で形成したことを特徴とする超音波密度計。
【００９３】
（４）請求項４において、前記管本体において前記超音波の反射面となる内壁面の一部を、前記管本体とは音響インピーダンスが異なる板部材で形成したことを特徴とする超音波密度計。
【００９４】
（５）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記内壁面で反射した超音波の波形信号を抽出するための検波回路を備えたことを特徴とする超音波密度計。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明を具体化した第１の実施の形態の超音波流量計を示す概略構成図。
【図２】第１の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。
【図３】超音波流量計の電気的構成を示すブロック図。
【図４】各反射波の受信時刻及び伝搬時間を示すタイミングチャート。
【図５】波形信号の相関関数を示す説明図。
【図６】液体の密度を算出するための処理例を示すフローチャート。
【図７】液体の質量流量を算出するための処理例を示すフローチャート。
【図８】第２の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。
【図９】第３の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。
【図１０】別例の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。
【図１１】従来の超音波流量計を示す概略構成図。
【図１２】超音波の伝搬時間及び伝搬時間差を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
【００９６】
２…超音波密度計を構成する第２センサ部
１５…管本体としての配管
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ…内壁面
１５ｅ…第１の外壁面
１５ｆ…第２の外壁面
１６，１７…超音波振動子
２０…超音波密度計を構成する制御装置
２１…音速算出手段波、音響インピーダンス算出手段、密度算出手段としてのＣＰＵ
【図１】
2008304282.tif 000014
【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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【図８】
2008304282.tif 000021
【図９】
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【図１０】
2008304282.tif 000023
【図１１】
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【図１２】
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