(57)【要約】【課題】  温度や種類の異なる複数種類の被測定流体が流路管体内に切り換えられて流される場合において、データ取得用のメモリを増大させることなくそれぞれの被測定流体の流量を正確に測定できるようにする。【解決手段】  被測定流体の流路管体１に取り付けられた２個の超音波振動子２ａ、２ｂの送・受信機能を切り替えて上流方向および下流方向の超音波伝播時間の差から流量を算出するディジタル・データ処理装置６を備え、同ディジタル・データ処理装置は上記流体の流量計測に係る複数組のパラメータ・セットをメモリ内に記憶するとともに、外部からの被測定流体の種類に対応した論理入力を受けて上記複数組のパラメータ・セット中の該当するパラメータ・セットを上記メモリより呼び出し、このパラメータ・セットに基づいて所要のデータ処理を行って流量を算出するようにした。【選択図】  図１
2005201836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種の被測定流体が切り換えられて流される流路たる管体に、流れ方向に相隔てて取り付けた２個の超音波送・受信のための振動子と、この振動子の一方に励振電圧を与え、他方より受信電圧を得るとともに、送・受信機能を切り替えて上流方向および下流方向の超音波伝播時間の差から流量を算出するディジタル・データ処理装置とを備え、同ディジタル・データ処理装置は上記流体の流量計測に係る複数組のパラメータ・セットをメモリ内に記憶するとともに、外部からの被測定流体の種類に対応した論理入力を受けて上記複数組のパラメータ・セット中の該当するパラメータ・セットを上記メモリより呼び出し、このパラメータ・セットに基づいて所要のデータ処理を行って流量を算出するように構成してなる伝播時間差式超音波流量計。
【請求項２】
複数種の被測定流体が切り換えられて流される流路たる管体に、流れ方向に相隔てて取り付けた２個の超音波送・受信のための振動子と、この振動子の一方に励振電圧を与え、他方より受信電圧を得るとともに、送・受信機能を切り替えて上流方向および下流方向の超音波伝播時間の差から流量を算出するディジタル・データ処理装置とを備え、同ディジタル・データ処理装置は２種の被測定流体の流量計測に係る２組のパラメータ・セットをメモリ内に記憶するとともに、上記２種の被測定流体中のいずれかの流体が管体内を流れているかを受信電圧信号により推定してこの流体に該当するパラメータ・セットを上記メモリより呼び出し、このパラメータ・セットに基づいて所要のデータ処理を行って流量を算出するように構成してなる伝播時間差式超音波流量計。
【請求項３】
前記パラメータ・セットは、少なくとも超音波流量計として正常に動作するときのウィンドウ位置、流量計ゼロ点のデータを含む請求項1または２に記載の伝播時間差式超音波流量計。
【請求項４】
２種類の被測定流体が切り換わえられて流される流路たる管体に、流れ方向に相隔てて取り付けた２個の超音波送・受信のための振動子と、この振動子の一方に励振電圧を与え、他方より受信電圧を得るとともに、送・受信機能を切り替えて上流方向および下流方向の超音波伝播時間の差から流量を算出するディジタル・データ処理装置とを備え、同ディジタル・データ処理装置は２種の被測定流体の流量計測に係る２組のパラメータ・セットをメモリ内に記憶するとともに、一方の被測定流体の流量を計測中にこの流量の受信信号がウィンドウ中にないことをデータ処理装置が検知したときにはウィンドウ位置を逐次変更してウィンドウ内に他方の被測定流体の受信信号が存在するようになし、この流体に対応するパラメータ・セットを上記メモリより呼び出し、このパラメータ・セットに基づいて所要のデータ処理を行って流量を算出するように構成してなる伝播時間差式超音波流量計。
【請求項５】
前記パラメータ・セットは、少なくとも超音波流量計として正常に動作するときの流量計ゼロ点のデータを含む請求項４に記載の伝播時間差式超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝播時間差方式（以下、時間差方式と称する）による超音波流量計の改良に関し、特にひとつの流路に多種類の被測定流体が切り換えられて流される場合において、いずれの流体の流量をも安定して正確に計測できるディジタル・データ処理方式の超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
時間差方式の超音波流量計における超音波受信電圧は、被測定流体の物性や流体温度により、その伝播時間や振幅さらには受信波ピーク群の包絡線の形状（これは各ピークの比で代表される）などが変化する。
【０００３】
しかし、従来のディジタル・データ処理方式の超音波流量計においてはフルスケール流量やダンピング時定数等の流量計として動作するためのパラメータを設定し、この設定値に基づいて流量を算出している。このディジタル・データ処理方式の超音波流量計はアナログ方式のものに比べて計測精度が高いのが特徴であり、半導体製造装置における流体の流量管理のように高精度の測定が要求される機器の測定手段として賞揚されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来のディジタル方式の超音波流量計は同一の流体が一定温度下で流れる場合での流量測定を想定しており、別の種類の流体が流れると流体の物性や液温の違いにより測定が不能になる場合がある。
【０００５】
例えば半導体製造装置の化学的・機械的研磨（以下、ＣＭＰと称す）工程では、研磨剤を含むスラリで研磨した後のシリコン・ウエハを純水で洗浄するが、流量計がスラリの流量を正常に計測している状態で急に流体がスラリから純水に切り換わると、流体中の超音波伝播時間の違いにより、純水が流れている状態での超音波受信波形がスラリの流量測定時に設定されたアナログ・ディジタル変換用ウィンドウを外れ、超音波流量計のデータ処理装置は受信信号なしと判断する。
【０００６】
もちろん上記アナログ・ディジタル変換用ウィンドウの幅を十分広くして、スラリの流量測定時と純水の流量測定時における超音波受信波形データをともに変換できるようにすればこのような問題は解決できるが、そのためには被処理データ用のメモリ容量が大きくなり過ぎて、実用に供される流量計としては実際的ではない。
【０００７】
また、超音波伝播時間に差がない場合でも、受信波形が著しく異なっている場合には測定対象とするゼロクロス点が不明になることもある。
【０００８】
結果として、従来の流量計では純水の流量を測定できないままとしているのが通例であり、流量計ユーザーから改善が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明に係る伝播時間差式超音波流量計は、複数種の被測定流体が切り換えられて流される流路たる管体に、流れ方向に相隔てて取り付けた２個の超音波送・受信のための振動子と、この振動子の一方に励振電圧を与え、他方より受信電圧を得るとともに、送・受信機能を切り替えて上流方向および下流方向の超音波伝播時間の差から流量を算出するディジタル・データ処理装置とを備え、同ディジタル・データ処理装置は上記流体の流量計測に係る複数組のパラメータ・セットをメモリ内に記憶するとともに、外部からの被測定流体の種類に対応した論理入力を受けて上記複数組のパラメータ・セット中の該当するパラメータ・セットを上記メモリより呼び出し、このパラメータ・セットに基づいて所要のデータ処理を行って流量を算出するようにした構成のものとしてある。
【００１０】
また、複数種の被測定流体が切り換えられて流される流路たる管体に、流れ方向に相隔てて取り付けた２個の超音波送・受信のための振動子と、この振動子の一方に励振電圧を与え、他方より受信電圧を得るとともに、送・受信機能を切り替えて上流方向および下流方向の超音波伝播時間の差から流量を算出するディジタル・データ処理装置とを備え、同ディジタル・データ処理装置は２種の被測定流体の流量計測に係る２組のパラメータ・セットをメモリ内に記憶するとともに、上記２種の被測定流体中のいずれかの流体が管体内を流れているかを受信電圧信号により推定してこの流体に該当するパラメータ・セットを上記メモリより呼び出し、このパラメータ・セットに基づいて所要のデータ処理を行って流量を算出するようにした構成のものとしてある。
【００１１】
さらに、２種類の被測定流体が切り換わえられて流される流路たる管体に、流れ方向に相隔てて取り付けた２個の超音波送・受信のための振動子と、この振動子の一方に励振電圧を与え、他方より受信電圧を得るとともに、送・受信機能を切り替えて上流方向および下流方向の超音波伝播時間の差から流量を算出するディジタル・データ処理装置とを備え、同ディジタル・データ処理装置は２種の被測定流体の流量計測に係る２組のパラメータ・セットをメモリ内に記憶するとともに、一方の被測定流体の流量を計測中にこの流量の受信信号がウィンドウ中にないことをデータ処理装置が検知したときにはウィンドウ位置を逐次変更してウィンドウ内に他方の被測定流体の受信信号が存在するようになし、この流体に対応するパラメータ・セットを上記メモリより呼び出し、このパラメータ・セットに基づいて所要のデータ処理を行って流量を算出するようにした構成のものとしてある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、被測定流体の流路たる管体に複数種の流体が切り換えられて流れる場合であってもディジタル・データ処理装置においてウィンドウ用のメモリを増大させることなく正確に流量を測定することができるので、実用性が高くて産業上有効である。
【実施例】
【００１３】
以下本発明に係る超音波流量計の第１実施例を添付図１に基づいて説明する。
同図１において符号１は複数種の被測定流体が切り換えられて流される流路たる管体、２ａ、２ｂは超音波振動子、３は送・受信切替器、4は励振電圧源、５は増幅器、６はディジタル・データ処理装置、７はアナログ・ディジタル変換器、８は高速ディジタル信号処理装置９ａ、９ｂ等（図１では２本で代表する）は流体の種類を選択するための論理入力端子、１０は流量出力端子である。
【００１４】
本発明に係る流量計において、伝播時間差が発生するまでの作用については従来から公知の時間差方式による超音波流量計と同じなので説明は省略する。
前記アナログ・ディジタル変換器７は数１０ｐｓほどの必要分解能を得るために、例えば数１０Ｍｓ／ｓ程度の高速変換を行うので、通常許容されるメモリ容量から制限されて変換対象時間幅（ウィンドウ幅）はせいぜい１０μｓ程度に設定される。
【００１５】
一方、超音波の伝播時間は１０乃至数１００μｓに達するので、結局データ処理の対象は伝播時間ごく一部に限られる。この関係を図２により説明すれば、同図２において横軸は時間、縦軸は電圧を表し、時間原点において振動子の励振が行われ、被測定流体中における音速により定まる伝播時間の経過後に増幅器５内にて受信波形が得られる。
【００１６】
ところでアナログ・ディジタル変換器７が波形データを取り込むためのウィンドウは、同図２に示されるように受信波形の少なくとも前半部分を若干の時間的余裕を持ってカバーできるように設定されている。伝播時間の計測はデータの取り込み開始までの時間であるウィンドウの開始時間Ｔｗを基準とし、特定位置にあるゼロクロス点（図２中では簡略して黒丸印１個で表す）の時刻を高い時間分解能で測定して行われる。
【００１７】
受信波形中のゼロクロス点は多数存在するので、どのゼロクロス点をとるかが重要になり、このゼロクロス点決定のための波形認識方式として相関方式などによる一般的な方法があるが、簡潔な方法として最大ピーク（図にP0で表す）位置を基準としてその前側ゼロクロス個数により決定され、図２に示される例では２個目のゼロクロス点になる。
【００１８】
このゼロクロス点の時刻（ゼロクロス時刻）はアナログ・ディジタル変換器が与える前後の複数個の波形データから例えば最小自乗法により算出する。伝播時間はゼロクロス時刻から波形の立ち上がりまでの時間τを補正して求められる。また受信波形は流体によって振幅が異なるので、増幅器５のゲインを自動的に調整する自動ゲイン調整を具備するのが普通であり、その制御対象として例えば最大ピーク電圧値をとり、この値が指定値になるよう増幅器５の増幅度を調整する場合が多い。
【００１９】
ここで、流量計のゼロ点について補足説明すれば、一般に特性の類似した１組の振動子による上流向け及び下流向け超音波伝播時間は概ね等しいが、ＣＭＰにおける流量測定のように流速フルスケール数が１０ｃｍ／ｓ以下の低速測定では両時間の差が精度上重要であり、その補正が必須である。この補正量は流体の流れを止めて各流体につき実測する必要があるのでＣＭＰなどの操業中は測り難く、予め測定を行って得ておいた補正量を登録しておくことになる。
【００２０】
以上説明したような状況下で正常に流量の計測が行われていても、急に被測定流体の種類が変わって伝播時間が変化し、受信波形がウィンドウから外れ得ることはすでに述べた通りである。被測定流体の種類の切り換えに対し、ウィンドウの時間的位置を高速で移動させるのは耐気泡特性上からその実施は適当でない。すなわち流体中に気泡が含まれると受信信号がしばしば消失するが、ウィンドウの移動は動作不安定の原因になるので、この場合はウィンドウを固定しておいて信号の再現を待つのがよい。
【００２１】
上述した第１実施例の超音波流量計においてはディジタル・データ信号処理装置８に流体の種類を選択するための理論入力端子９ａ、９ｂ等を設け、この端子の入力電圧を管体１に流す流体の種類に応じて制御し、この状態で流量計として動作させるときの各種パラメータを計測してメモリ内に記憶させる。
【００２２】
上記パラメータとしては、流量計として正常に動作するときの励振からウィンドウ開始までの最適時間、自動ゲイン調整を行うためのゲイン制御値、波形確認のための各ピーク比、流量計ゼロ点等の測定データと、必要であれば被測定流体ごとのフルスケール流量、ダンピング時定数、出力リニアライザのための動粘度等の設定データがある。パラメータの詳細内容はそれぞれの流量計のデータ処理方式により異なり得るが、特にウィンドウ位置および流量計ゼロ点のデータは流体の切り換えを円滑に行うために重要である。その他の測定値や設定値は必要に応じて取捨選択して記憶し、呼び出せるようにしておけばよい。
また、上記の測定データは液温の変動により刻々変化するので、記憶データは適切な周期で更新するのが望ましい。
【００２３】
管体を流れる流体が、ある流体から別の流体に切り換えられた際にディジタル・データ処理装置６が正常に測定を行うためには、受信波形がウィンドウ内にあり、その振幅が適切であり、測定対象のゼロクロス点が正しく選ばれ、流量計ゼロ点が正しく補正されていることが条件になるが、本発明によればこれら条件が保証されることになり、したがって被測定流体の切り換えの影響を受けずに安定して正確な流量測定を行うことができる。
【００２４】
なお、理論入力端子９ａ、９ｂの端指数が２のときは４種類の流体に対応でき、一般のＣＭＰ行程の場合にはスラリおよび洗浄用純水の２種流体を対象とするので端子は１個で済む。
【００２５】
次に、本発明に係る第２実施例の超音波流量計を添付図３に基づいて説明する。
なお、図３に示した第２実施例のものと図１に示した第１実施例のものとの違いは、管体および振動子の構成が異なり公知のクランプオン形であるのと、ディジタル・データ処理装置において端子９ａ、９ｂがない点であり、その他は同一につき説明を省略する。
【００２６】
本実施例のものにおいては被測定流体の種類を２種に限定し、パラメータ・セットも２組にする。ディジタル・データ処理装置は一方のパラメータ・セットが決めるウィンドウ中に受信波形があればこのパラメータ・セットに対応する流体が管路を流れているものと判断し、このウィンドウ内にない場合は他方の流体が流れているものとしてこの流体に対応したパラメータ・セットを呼び出して流量出力を算出する。データ処理が装置が判断した結果が正しければ流量計のゼロ点補正、信号の振幅その他の設定値も適切に選択されることになる。
【００２７】
また、受信波形から流体の種類がいずれかを判断する別の方法として受信波形中の主要ピークの比に着目し、比率の違いがある限度を超えると被測定流体が切り替わったと判断することも可能である。これらの方法を併用すれば被測定流体の切り換えをより確実に補捉することができることはいうまでもない。
【００２８】
第２実施例のものの特長は特に配線工事の追加を要しないので既設のＣＭＰ行程への適用が容易な点にある。
【００２９】
なお、上述した第１実施例および第２実施例のものにおいては、複数種の流体の流量測定に係るパラメータ・セットは少なくとも超音波流量計として正常に動作するときのウィンドウ時刻、流量計ゼロ点のデータを含むようにするのが好適である。上述の説明で明らかなようにウィンドウが流体の種類に応じて正しく設定されればデータ処理は正しく行われ、ゼロ点も適切に補正されるので流量も正しくなる。このほかの諸量も利用すればデータ処理装置における測定対象の切り換えがより高速かつ簡便になる。
【００３０】
さらに本発明に係る第３実施例の超音波流量計について説明する。
この第３実施例のものは第２実施例のものと同様に被測定流体の種類を２種とし、パラメータ・セットも２組に限定する構成としてあって、その具体例は第２実施例を示す図３のものと同一であり、また受信とともに該当するパラメータを呼び出して流量出力を算出する点も同じである。
【００３１】
しかし第３実施例のものにおいては、一方の流体の流量を計測中に、その受信信号がウィンドウ中にないことをデータ処理装置が検知すると、ウィンドウ内に受信信号が存在するようウィンドウ位置すなわち開始時刻を逐次変更する。ただし、ウィンドウの移動速度は前述のように耐気泡特性を損なわない速度にとどめるべきである。
【００３２】
上述した第３実施例のものにおいては、複数種の被測定流体の流量測定に係るパラメータ・セットは超音波流量計として正常に動作するときの流量計ゼロ点のデータを含むようにするのが好適であり、かくするとウィンドウ位置についてのデータは不要になる。データ処理が正しく行われることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る超音波流量計の第１実施例を示す構成図。
【図２】受信波形とウィンドウの関係を示すグラフ。
【図３】本発明に係る超音波流量計の第２実施例を示す構成図。
【符号の説明】
【００３４】
１  被測定流体の流路たる管体
２ａ、２ｂ  超音波振動子
３  送・受信切り換え器
４  励振電圧源
５  増幅器
６  ディジタル・データ処理装置
７  アナログ・ディジタル変換機
８  高速ディジタル信号処理装置
９ａ、９ｂ  理論入力端子
１０  出力端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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