JP2010261872A - Ultrasonic flowmeter - Google Patents

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Kenji Nagareda
賢治 流田
Kazuto Kobayashi
和人 小林
Naotaka Matsushita
尚孝 松下
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic flowmeter which accurately measures a flow rate of a fluid, irrespective of a flow velocity. <P>SOLUTION: The ultrasonic flowmeter propagates ultrasonic waves S<SB>1</SB>and S<SB>2</SB>in the right and reverse directions of the flow of the fluid W, in a first sensor part 11, and calculates a volume flow rate of the fluid W, based on a propagation time difference between the ultrasonic waves S<SB>1</SB>and S<SB>2</SB>. It propagates an ultrasonic wave S<SB>3</SB>in the direction parallel to the flow of the fluid W, in a second sensor part 12, and obtains signal strengths of reflected waves S<SB>31</SB>and S<SB>32</SB>reflected on inner wall surfaces 14b and 14c respectively. The acoustic impedance of the fluid W is determined, based on each signal strength and the acoustic impedance of the material composing a measuring tube 14, and further the density is determined, based on that acoustic impedance. A mass flow rate of the fluid W is determined by multiplication of the density and the volume flow rate. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to an ultrasonic flowmeter that measures a flow rate of a fluid based on a difference in propagation time of ultrasonic waves.

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。   Conventionally, an ultrasonic flowmeter that measures the volumetric flow rate of a fluid using ultrasonic waves has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this ultrasonic flow meter, ultrasonic transducers are provided on the upstream side and the downstream side of a pipe through which a measurement fluid flows, and ultrasonic waves are transmitted and received using the ultrasonic transducer. Then, the flow rate of the measurement fluid is obtained based on the time difference between the propagation time of the ultrasonic wave propagating from the upstream side to the downstream side and the propagation time of the ultrasonic wave propagating from the downstream side to the upstream side, and the cross-sectional area of the pipe is calculated as the flow rate. Is multiplied by the volume flow rate of the fluid.

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。   In addition, an ultrasonic flowmeter that measures the density of a fluid using ultrasonic waves and multiplies the density by the volume flow rate to obtain the mass flow rate of the fluid has been proposed (for example, see Patent Document 2). In the ultrasonic flowmeter disclosed in Patent Document 2, ultrasonic waves are propagated in the direction perpendicular to the flow of fluid in the pipe, and the signal intensity of the ultrasonic wave reflected by the inner wall surface of the pipe is received. Then, the acoustic impedance of the fluid is obtained based on the signal intensity of the reflected wave and the acoustic impedance of the material constituting the pipe, and the density of the fluid is obtained based on the acoustic impedance and the sound velocity of the fluid. ing.

特開２００２−１６２２６９号公報JP 2002-162269 A 特開２００８−３０４２８３号公報JP 2008-304283 A

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。   By the way, in the ultrasonic flowmeter of patent document 2, the ultrasonic wave is propagated in the direction orthogonal to the flow of the fluid in the pipe, and the signal intensity of the reflected wave is detected. In the ultrasonic flowmeter, when the flow velocity of the fluid flowing through the pipeline is sufficiently slower than the sound velocity, the mass flow rate can be measured with little measurement error. However, when the flow velocity of the fluid is increased, when the ultrasonic wave propagates in the fluid, the ultrasonic wave is caused to flow downstream by the flow of the fluid, and the ultrasonic wave propagation path is extended. Specifically, in the ultrasonic flowmeter of Patent Document 2, the ultrasonic transducer is arranged so that the central axis of acoustic radiation is orthogonal to the fluid flow. Here, when the sound velocity of the fluid is C and the flow velocity is V, the ultrasonic waves radiated at an angle inclined upstream from the ultrasonic transducer by an angle determined by atan (V / C) are opposed to each other. And reflected by the ultrasonic transducer. In this case, a measurement error of the sound velocity C occurs due to the extension of the propagation path of the ultrasonic wave. Furthermore, the received signal intensity changes due to the deviation of the acoustic radiation from the central axis of the ultrasonic transducer, and accordingly, an acoustic impedance measurement error occurs.

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。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic flowmeter capable of obtaining an accurate flow rate regardless of the flow velocity of the fluid.

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。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in the means 1 is provided in a pipe line constituting a flow path for flowing fluid, and propagates ultrasonic waves in the forward and reverse directions of the fluid flow in the pipe line. A first sensor unit for receiving the ultrasonic wave propagating in the forward direction and the ultrasonic wave propagating in the reverse direction and detecting a difference in propagation time between the ultrasonic wave and the ultrasonic wave propagated in the reverse direction; A second sensor for propagating ultrasonic waves in a direction parallel to the flow of the waves, receiving ultrasonic waves reflected by the inner wall surface of the pipe and detecting the signal intensity and propagation time; and the first sensor Speed calculating means for obtaining the sound speed of the fluid based on the propagation time of the ultrasonic wave detected by the sensor or the second sensor part and the propagation distance of the ultrasonic wave, and the propagation of the ultrasonic wave detected by the first sensor part Based on the time difference, the volume flow of the fluid flowing through the flow path A flow rate calculation means for calculating the flow rate, an acoustic parameter calculation means for obtaining an acoustic parameter of the fluid based on a signal intensity of a reflected wave received by the second sensor unit and an acoustic impedance of a material constituting the conduit; Based on the acoustic parameters of the fluid and the speed of sound, a calculation process for converting the volume flow rate of the fluid into a mass flow rate or a calculation process for specifying the type of the fluid and correcting the volume flow rate according to the type is performed. The gist of the ultrasonic flowmeter includes an arithmetic processing unit.

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。   Therefore, according to the invention described in the means 1, in the second sensor unit, the ultrasonic wave is propagated in the direction parallel to the fluid flow, and the signal intensity and the propagation time of the reflected wave are detected. In this case, since the ultrasonic wave is propagated in the direction parallel to the flow of the fluid, even if the flow velocity of the fluid flowing through the pipe line is increased, the propagation distance of the ultrasonic wave does not change as in the prior art. Measurement error will not occur. Therefore, the signal intensity of the reflected wave and the propagation time of the ultrasonic wave can be accurately measured regardless of the fluid flow velocity. For this reason, the acoustic parameter calculation means can accurately determine the acoustic parameter of the fluid based on the signal intensity of the reflected wave. Moreover, the speed of sound in the fluid can be accurately obtained based on the propagation time of the ultrasonic wave detected by the second sensor unit. The arithmetic processing means can more accurately determine the mass flow rate and volume flow rate of the fluid based on the acoustic parameters and the sound speed.

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。   The invention described in means 2 is that in the means 1, the first sensor unit is a pair of first ultrasonic transducers arranged to face each other on the upstream side and the downstream side of the first flow path having a predetermined length. And the second sensor unit includes a second ultrasonic transducer disposed on the upstream side or the downstream side of the second flow path having a length different from that of the first flow path. The sensor unit has a function of receiving the ultrasonic wave reflected by the inner wall surface of the pipe line by the first ultrasonic transducer and detecting the signal intensity thereof, and the acoustic parameter calculation means includes the second ultrasonic wave The gist is to obtain the acoustic parameter of the fluid based on the signal intensity of the reflected wave received by the first ultrasonic transducer in addition to the signal intensity of the reflected wave received by the transducer.

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。   Therefore, according to the invention described in Means 2, in the first sensor unit, the pair of first ultrasonic transducers are arranged so as to face each other on the upstream side and the downstream side of the first flow path. By transmitting and receiving ultrasonic waves between the pair of first ultrasonic transducers, it is possible to propagate the ultrasonic waves in the forward and reverse directions of the fluid flow and detect the propagation time difference between the ultrasonic waves. In the second sensor unit, a second ultrasonic transducer is disposed on the upstream side or the downstream side of the second flow path. By this second ultrasonic transducer, the ultrasonic wave is propagated in a direction parallel to the fluid flow, and the signal intensity of the reflected wave reflected by the inner wall surface of the pipe is detected. Furthermore, the signal intensity of the reflected wave reflected by the inner wall surface of the pipe line is detected by the first ultrasonic transducer. Here, the first flow path of the first sensor unit and the second flow path of the second sensor unit have different lengths. For this reason, the signal intensity differs between the reflected wave detected by the first ultrasonic transducer and the reflected wave detected by the second ultrasonic transducer, and the acoustic parameter of the fluid is obtained based on the difference in signal strength. be able to. Further, in this configuration, the first ultrasonic transducer of the first sensor unit is used as an ultrasonic propagation time detecting transducer for calculating the volume flow rate, and in addition, a reflection for obtaining an acoustic parameter. It is also used as a wave signal intensity detecting vibrator. If it does in this way, the number of ultrasonic transducers which detect the signal intensity of a reflected wave in the 2nd sensor part can be reduced to one, and the manufacturing cost of an ultrasonic flowmeter can be held down.

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。   The invention described in means 3 is a pair of first ultrasonic transducers arranged in the means 1 such that the first sensor portion is arranged to face the upstream side and the downstream side of the first flow path having a predetermined length. And the second sensor unit includes a second ultrasonic transducer disposed on the upstream side or the downstream side of the second channel having a length different from that of the first channel, and the second sensor unit A third ultrasonic transducer disposed upstream or downstream of the third flow path having a length different from that of the flow path, wherein the acoustic parameter calculation means is configured to output the second supersonic wave in the second sensor unit. The gist is to obtain the acoustic parameter of the fluid based on the signal intensity of the reflected wave received by the ultrasonic transducer and the signal intensity of the reflected wave received by the third ultrasonic transducer.

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。   Therefore, according to the invention described in the means 3, in the first sensor unit, the pair of first ultrasonic transducers are arranged so as to face each other on the upstream side and the downstream side of the first flow path. By transmitting and receiving ultrasonic waves between the pair of first ultrasonic transducers, it is possible to propagate the ultrasonic waves in the forward and reverse directions of the fluid flow and detect the propagation time difference between the ultrasonic waves. Further, in the second sensor unit, the second ultrasonic transducer is disposed upstream or downstream of the second flow path, and the third ultrasonic transducer is disposed upstream or downstream of the third flow path. Has been. By this second ultrasonic transducer, the ultrasonic wave is propagated in a direction parallel to the fluid flow, and the signal intensity of the reflected wave reflected by the inner wall surface of the pipe is detected. Further, the third ultrasonic transducer propagates the ultrasonic wave in a direction parallel to the fluid flow, and detects the signal intensity of the reflected wave reflected by the inner wall surface of the pipe. Here, the second flow path and the third flow path in the second sensor unit have different lengths. For this reason, the signal intensity differs between the reflected wave detected by the second ultrasonic transducer and the reflected wave detected by the third ultrasonic transducer, and the acoustic parameter can be obtained based on the difference in signal strength. it can.

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。   The invention described in means 4 is the means 1, wherein the first sensor section is a pair of first ultrasonic transducers arranged to face each other on the upstream side and the downstream side of the first flow path having a predetermined length. And the second sensor unit includes a second ultrasonic transducer disposed on the upstream side or the downstream side of the second channel having a length different from that of the first channel, and the second sensor unit A third ultrasonic transducer disposed upstream or downstream of the third flow path having the same length as the flow path, the material of the ultrasonic reflection surface in the second flow path and the third flow The pipe is provided so that the material of the ultrasonic reflection surface in the road is different, and the acoustic parameter calculation means is configured to detect the signal intensity of the reflected wave received by the second ultrasonic transducer in the second sensor unit and the acoustic wave Based on the signal intensity of the reflected wave received by the third ultrasonic transducer. As its gist to seek acoustic parameters.

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。   Therefore, according to the invention described in the means 4, in the first sensor unit, the pair of first ultrasonic transducers are arranged so as to face each other on the upstream side and the downstream side of the first flow path. By transmitting and receiving ultrasonic waves between the pair of first ultrasonic transducers, it is possible to propagate the ultrasonic waves in the forward and reverse directions of the fluid flow and detect the propagation time difference between the ultrasonic waves. Further, in the second sensor unit, the second ultrasonic transducer is disposed upstream or downstream of the second flow path, and the third ultrasonic transducer is disposed upstream or downstream of the third flow path. Has been. By this second ultrasonic transducer, the ultrasonic wave is propagated in a direction parallel to the fluid flow, and the signal intensity of the reflected wave reflected by the inner wall surface of the pipe is detected. Further, the third ultrasonic transducer propagates the ultrasonic wave in a direction parallel to the fluid flow, and detects the signal intensity of the reflected wave reflected by the inner wall surface of the pipe. Here, the second channel and the third channel have the same length, but the material of the ultrasonic reflecting surface in the second channel is different from the material of the ultrasonic reflecting surface in the third channel. ing. For this reason, the signal intensity differs between the reflected wave detected by the second ultrasonic transducer and the reflected wave detected by the third ultrasonic transducer, and the acoustic parameter can be obtained based on the difference in signal strength. it can.

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。   In the inventions of the means 3 and 4, the first sensor unit has the same configuration as a general flow meter for obtaining a flow rate based on a propagation time difference of ultrasonic waves, and therefore the flow meter is used as the first sensor unit. This makes it possible to reduce component costs. Furthermore, by reducing the lengths of the second flow path and the third flow path as compared with the first flow path, attenuation of ultrasonic waves when propagating in the fluid can be suppressed. As a result, the signal intensity of the reflected wave can be reliably detected, and the measurement accuracy of the acoustic parameters can be sufficiently ensured.

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。   As described above in detail, according to the first to fourth aspects of the present invention, it is possible to provide an ultrasonic flowmeter capable of obtaining an accurate flow rate regardless of the fluid flow velocity.

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。The schematic block diagram which shows the fluid supply system of 1st Embodiment. 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。Sectional drawing which shows schematic structure of the ultrasonic flowmeter in 1st Embodiment. 超音波流量計の電気的構成を示すブロック図。The block diagram which shows the electrical constitution of an ultrasonic flowmeter. 各反射波の伝搬時間を示すタイミングチャート。The timing chart which shows the propagation time of each reflected wave. 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。The flowchart which shows the process example for calculating the flow volume of a fluid. 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。The schematic block diagram which shows the fluid supply system of 2nd Embodiment. 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。Sectional drawing which shows schematic structure of the ultrasonic flowmeter in 3rd Embodiment. 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。Sectional drawing which shows schematic structure of the ultrasonic flowmeter in 4th Embodiment. 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。Sectional drawing which shows schematic structure of the ultrasonic flowmeter in 5th Embodiment.

［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。 [First Embodiment]
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS A first embodiment embodying the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration showing a fluid supply system 1 of the present embodiment. The fluid supply system 1 is used, for example, in a semiconductor production line to supply a chemical solution for semiconductor cleaning.

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。   As shown in FIG. 1, the fluid supply system 1 includes an ultrasonic flow meter 2, a fluid supply pipe 3 provided with the ultrasonic flow meter 2, and a flow rate adjustment provided in the middle of the fluid supply pipe 3. A valve 5 and a controller 6 that controls the flow rate adjusting valve 5 are provided. In the fluid supply system 1, the measured value of the volume flow rate or the mass flow rate measured by the ultrasonic flow meter 2 is transmitted to the controller 6, and the controller 6 controls the opening degree of the flow rate adjustment valve 5, thereby supplying fluid. The flow rate of the fluid W flowing through the pipe line 3 is adjusted to be a predetermined flow rate set in advance.

以下、超音波流量計２の具体的な構成について詳述する。   Hereinafter, a specific configuration of the ultrasonic flowmeter 2 will be described in detail.

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。 As shown in FIGS. 1 and 2, the ultrasonic flowmeter 2 includes a pipe 10 (pipe) having a bent shape in a crank shape, and a first sensor unit 11 and a second sensor unit provided in the pipe 10. 12. The piping 10 of the ultrasonic flowmeter 2 includes a straight tubular first flow measuring tube 13 and a straight tubular second flow measuring tube arranged in parallel with the measuring tube 13 on the downstream side of the first flow measuring tube 13. 14 and a connecting pipe 17 that connects the measuring pipes 13 and 14. The pipe 10 of the present embodiment is formed using a fluororesin (for example, Teflon (registered trademark)) having excellent chemical resistance. In the pipe 10, the length L 1 of the first flow path 13 a formed in the first flow rate measurement pipe 13 is, for example, 10 cm, and the length of the second flow path 14 a formed in the second flow rate measurement pipe 14. is L 2 is shorter than the length L 1 of the first flow path 13a, for example, about 6 cm. Moreover, the cross-sectional shape of each flow path 13a, 14a is circular, and the aperture is about 10 mm.

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。   The first sensor unit 11 includes a first flow rate measurement tube 13 and a pair of first ultrasonic transducers 15 disposed so as to face each other on the upstream side and the downstream side of the first flow path 13a in the first flow rate measurement tube 13. , 16. The second sensor unit 12 includes a second flow rate measurement tube 14 and a second ultrasonic transducer 18 disposed on the upstream side of the second flow path 14 a in the second flow rate measurement tube 14. Each first ultrasonic transducer 15, 16 is embedded in each end of the first flow rate measuring tube 13, and the second ultrasonic transducer 18 is located in the upstream end of the second flow rate measuring tube 14. Buried. In the first flow rate measurement tube 13 and the second flow rate measurement tube 14, the first ultrasonic transducers 15 and 16 and the second ultrasonic transducer 18 are fixed at positions where the distances to the flow paths 13a and 14a are equal. Has been.

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。 In the first sensor unit 11, the first ultrasonic vibrator 15 on the upstream side in the positive direction of the flow of the fluid W that flows through the first flow path 13a by propagating ultrasonic S 1, ultrasonic waves propagated in the forward direction S 1 is received by the first ultrasonic transducer 16 on the downstream side. The first ultrasonic transducer 16 of the downstream side, reverse direction by propagating an ultrasonic wave S 2, ultrasonic S 2 upstream propagated in the opposite direction of the flowing fluid W that flows through the first flow path 13a Is received by the first ultrasonic transducer 15. Furthermore, the first ultrasonic vibrator 15 on the upstream side, which receives the reflected wave S 11 reflected by the inner wall surface 13b in the ultrasonic S 1 is incident on the first flow path 13a, the ultrasonic S 1 is It propagates through the fluid W in the first passage 13a for receiving the reflected wave S 12 reflected by the wall surface 13c opposing inner. The first ultrasonic transducers 15 and 16 are arranged so that the central axis of the acoustic radiation of the first ultrasonic transducers 15 and 16 coincides with the central axis of the first flow path 13a. The ultrasonic waves S 1 and S 2 emitted from the vibrators 15 and 16 are incident on the inner wall surfaces 13b and 13c, which are the end surfaces of the first flow path 13a, at an angle that intersects perpendicularly.

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。 In the second sensor unit 12, the second ultrasonic transducer 18 propagates the ultrasonic wave S 3 in a direction parallel to the flow of the fluid W. The second ultrasonic transducer 16, which receives the reflected wave S 31 reflected by the inner wall surface 14b in the ultrasonic S 3 is incident on the second channel 14a, the fluid in the second flow path 14a propagating the W receives reflected waves S 32 reflected by the wall surface 14c opposing inner. The second ultrasonic transducer 18 is arranged so that the central axis of the acoustic radiation of the second ultrasonic transducer 18 coincides with the central axis of the second flow path 14a. ultrasonic S 3 emitted is made incident at an angle intersecting perpendicularly to the end face to become the inner wall surfaces 14b, 14c of the second flow path 14a.

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。   In the ultrasonic flowmeter 2, a control device 20 is electrically connected to the first ultrasonic transducers 15 and 16 of the first sensor unit 11 and the second ultrasonic transducer 18 of the second sensor unit 12. Yes.

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。   FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the ultrasonic flowmeter 2. As shown in FIG. 3, the control device 20 includes a CPU 21, a first signal processing circuit 22, a second signal processing circuit 23, a memory 24, an input device 25, a display device 26, and a data output circuit 27.

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。 The first signal processing circuit 22 includes a pulse generation circuit, a reception circuit, a detection circuit, an A / D conversion circuit, a timer, and the like, and outputs a driving pulse for driving the first ultrasonic transducers 15 and 16. The propagation times of the ultrasonic waves S 1 and S 2 and the signal strengths of the reflected waves S 11 and S 12 are detected.

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。 Here, when a driving pulse is supplied from the first signal processing circuit 22 to the first ultrasonic transducer 15 on the upstream side, the first ultrasonic transducer 15 vibrates, thereby causing a predetermined frequency (specifically, The ultrasonic wave S 1 having a frequency of 1 MHz is output. The ultrasonic wave S 1 output from the first ultrasonic transducer 15 propagates through the inner wall of the first flow rate measuring tube 13 to the fluid W flowing through the first flow path 13a. At this time, a portion of the ultrasound S 1, along with reflected at the interface (the inner wall surface 13b on the upstream side end face of the first flow path 13a) between the measurement pipe 13 and the fluid W, part of the first passage 13a Is propagated in the positive direction of the flow of the fluid W and received by the first ultrasonic transducer 16 on the downstream side. At this time, the ultrasonic S 1 is being received by the first ultrasonic vibrator 15 reflected waves S 11 reflected by the inner wall surface 13b of the upstream side when it enters the first flow path 13a, the first flow path propagates through the fluid W in 13a reflected wave S 12 reflected by the (inner wall surface on the downstream side end face of the first flow path 13a) among the wall surface 13c facing is received by the first ultrasonic vibrator 15 on the upstream side , Converted into an electrical signal. In addition, when a drive pulse is supplied from the first signal processing circuit 22 to the first ultrasonic transducer 16 on the downstream side, the first ultrasonic transducer 16 vibrates, so that a predetermined frequency (specifically, ultrasonic S 2 of 1MHz frequency) is output. Then, the ultrasonic S 2 is propagated through the fluid W in the first passage 13a in the direction opposite to the flow of the fluid W is received by the first ultrasonic vibrator 15 on the upstream side, it is converted into an electric signal The

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。 The first signal processing circuit 22 takes in the signals of the ultrasonic waves S 1 and S 2 and the signals of the reflected waves S 11 and S 12 received by the first ultrasonic transducers 15 and 16, and performs signal amplification processing and detection processing. Etc., the ultrasonic signals for one pulse corresponding to the ultrasonic waves S 1 and S 2 and the reflected waves S 11 and S 12 are extracted. Based on these ultrasonic signals, the first signal processing circuit 22 measures the propagation time of the ultrasonic wave S 1 propagated in the forward direction of the flow of the fluid W and the propagation time of the ultrasonic wave S 2 propagated in the reverse direction. as well as to measure the propagation time of the reflected wave S 11 reflected by the inner wall surface 13b when it enters the first flow path 13a. Further, the first signal processing circuit 22 detects the signal intensity of each of the reflected waves S 11 and S 12 . Then, the first signal processing circuit 22 outputs the measured propagation time data and signal strength data to the CPU 21, and the CPU 21 captures these data and temporarily stores them in the memory 24.

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。 Similarly, the second signal processing circuit 23 includes a pulse generation circuit, a reception circuit, a detection circuit, an A / D conversion circuit, etc., and outputs a drive signal for driving the second ultrasonic transducer 18, The signal intensity of the reflected waves S 31 and S 32 is detected.

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。 Here, when a drive pulse is supplied from the second signal processing circuit 23 to the second ultrasonic transducer 18, the second ultrasonic transducer 18 vibrates, thereby causing a predetermined frequency (specifically, 1 MHz). ultrasonic S 3 of frequency) is output. Second ultrasonic S 3 output from the ultrasonic transducer 18 propagates in the fluid W that flows through the second flow passage 14a of the inner through an inner wall of the second flow rate measuring tube 14. At this time, a portion of the ultrasonic S 3 is reflected at the interface (the inner wall surface 14b on the upstream side end surface of the second flow path 14a) between the measurement pipe 14 and the fluid W. A part of the ultrasonic S 3 is propagated through the fluid W of the second flow path 14a, it is reflected by the inner wall surface 14c facing. These reflected waves S 31 and S 32 are received by the second ultrasonic transducer 18 and converted into electrical signals.

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。 The second signal processing circuit 23 takes in the signals of the reflected waves S 31 and S 32 received by the second ultrasonic transducer 18 and performs signal amplification processing, detection processing, and the like, so that the reflected waves S 31 and S 32 are processed. An ultrasonic signal corresponding to 1 pulse is extracted. Then, the second signal processing circuit 23 detects the signal intensity of each reflected wave S 31 , S 32 based on the ultrasonic signal, and outputs the signal intensity data of each reflected wave S 31 , S 32 to the CPU 21. To do. The CPU 21 takes in the data and temporarily stores it in the memory 24.

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。   The CPU 21 executes a control program using the memory 24 and controls the entire apparatus in an integrated manner. The control program includes a program for calculating sound speed, density, flow rate, and the like, a program for displaying measurement values, and the like. The program executed by the CPU 21 may be a program stored in a storage medium such as a memory card or a program downloaded via a communication medium, and is read into the memory 24 and used at the time of execution.

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。   The display device 26 is, for example, a liquid crystal display, and is used for displaying measured values of sound speed, density, volume flow rate, and mass flow rate. The input device 25 includes various operation buttons and is used for starting / ending measurement, setting a display mode, and the like. The data output circuit 27 includes an interface for data output (for example, a port such as RS232), and transfers data relating to the measured flow rate to the controller 6.

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。   Next, a specific calculation method of the sound velocity, the flow velocity, and the volume flow rate in the fluid W in the present embodiment will be described.

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）。 First, in the first sensor unit 11 transmits the ultrasonic wave S 1 from the first ultrasonic vibrator 15 on the upstream side. With reference to the transmission timing of the ultrasonic wave S 1 (t = 0 in FIG. 4), the time t 0 until the reflected wave S 11 on the inner wall surface 13b is received by the first ultrasonic transducer 15 is measured. The time t 1 until the ultrasonic wave S 1 propagated in the positive direction of the flow of the fluid W in the first flow path 13 a is received by the first ultrasonic transducer 16 is measured (see FIG. 4).

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）。 Thereafter, the first sensor unit 11 transmits the ultrasonic wave S 2 from the first ultrasonic transducer 16 on the downstream side. Based on the transmission timing of the ultrasonic S 2 (t = 0), ultrasonic S 2 propagating in the opposite direction of flow in the fluid W in the first passage 13a is received by the first ultrasonic vibrator 15 measuring the time t 2 to (see FIG. 4).

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。 In the ultrasonic flowmeter 2 of the present embodiment, the vibrators 15 and 16 are fixed so that the distances from the first ultrasonic vibrators 15 and 16 to the first flow path are equal. Therefore, the propagation time of the reflected wave of the inner wall surface 13c of the first flow path 13a of the first ultrasonic transducer 16 side is the first ultrasonic vibrator 15 side as well as the time t 0.

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。

Figure 2010261872
Therefore, the propagation time T 1 of the ultrasonic wave S 1 propagating in the positive direction through the fluid W in the first flow path 13a of the first sensor unit 11 is obtained by the following equation (1).
Figure 2010261872

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。

Figure 2010261872
Moreover, the propagation time T 2 of the ultrasonic S 2 propagating in fluid W of the first flow path 13a in the opposite direction is obtained by the following equation (2).
Figure 2010261872

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。 Therefore, by substituting the measured values of the times t 0 , t 1 , and t 2 into the equations (1) and (2), the propagation time T 1 of the ultrasonic wave S 1 in the positive direction in the first flow path 13a and it can be obtained and propagation time T 2 of the ultrasonic S 2 in the opposite direction.

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。

Figure 2010261872
Figure 2010261872
 Here, when the length of the first flow path 13a of the first sensor unit 11 is L 1 , the speed of sound in the fluid W is C, and the flow velocity is V, the propagation times T 1 and T 2 are expressed by the following equation (3). , (4).
Figure 2010261872
Figure 2010261872

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。

Figure 2010261872
Figure 2010261872
 From these equations (3) and (4), the sound velocity C and the flow velocity V can be expressed as the following equations (5) and (6).
Figure 2010261872
Figure 2010261872

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。

Figure 2010261872
Then, the sound speed C and the flow velocity V of the fluid W are obtained by substituting the propagation times T 1 and T 2 calculated by the above expressions (1) and (2) into these expressions (5) and (6). Can do. Further, when the cross-sectional area of the first flow path 13a is A, the volume flow rate Q of the fluid W is obtained by the following equation (7).
Figure 2010261872

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。   In the actual flow measurement, the flow of the fluid W is disturbed at the corners at both ends of the first flow measurement tube 13. Further, in the first flow rate measuring tube 13, the flow of the fluid W is faster at the center portion than at the side wall side. Accordingly, a more accurate volume flow rate Q is calculated by performing a correction calculation in consideration of the flow velocity distribution of the fluid W.

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。   Next, a method for calculating the acoustic impedance, density, and mass flow rate of the fluid W will be described.

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。 In the first sensor unit 11, a part of the ultrasonic wave S 1 emitted from the upstream first ultrasonic transducer 15 is reflected by the inner wall surface 13 b when entering the first flow path 13 a, and The portion propagates through the fluid W of the first flow path 13a and is reflected by the inner wall surface 13c on the downstream side. In the second sensor unit 12, the emitted portion of the ultrasonic S 2 from the second ultrasonic transducer 18, as well as reflected by the inner wall surface 14b when it enters the second flow path 14a, part Propagates in the fluid W of the second flow path 14a and is reflected by the inner wall surface 14c on the downstream side.

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。

Figure 2010261872
Figure 2010261872
 The signal intensities of the reflected waves S 11 , S 12 , S 31 , and S 32 at these inner wall surfaces 13b, 13c, 14b, and 14c have the following relationships (8) and (9).
Figure 2010261872
Figure 2010261872

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。 Here, α is the attenuation constant of the fluid W, Z 0 is the acoustic impedance of the fluororesin constituting the pipe 10, and Z f is the acoustic impedance of the fluid W.

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。

Figure 2010261872
From the signal intensity of each reflected wave S 11 , S 12 , S 31 , S 32 , the attenuation constant α of the fluid W is obtained as in the following expression (10) by Expression (8).
Figure 2010261872

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。

Figure 2010261872
Further, the relationship of the quadratic equation of the following equation (11) is established by the above equation (9).
Figure 2010261872

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。 Then, based on the signal intensity of each of the reflected waves S 11 and S 12 , the acoustic impedance Z 0, and the attenuation constant α, the solution of the quadratic equation of the above equation (11) is obtained, thereby obtaining the acoustic impedance Z f of the fluid W. Can be requested.

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。

Figure 2010261872
Further, the density ρ of the fluid W, is determined by the following equation (12) based on the acoustic impedance Z f and the sound velocity C of the fluid W.
Figure 2010261872

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。

Figure 2010261872
Furthermore, the mass flow rate M of the fluid W is obtained by the following equation (13) by multiplying the volume flow rate Q obtained by the above equation (7) and the density ρ obtained by the above equation (12).
Figure 2010261872

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。   Next, in the present embodiment, a processing example for measuring each parameter of the fluid W will be described with reference to the flowchart of FIG. 5 is started when the operator operates a start button provided on the input device 25.

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。 First, the CPU 21 operates the first signal processing circuit 22 to sequentially supply drive pulses to the upstream first ultrasonic transducer 15 and the downstream first ultrasonic transducer 16 in the first sensor unit 11. (Step 100). Thus, in the first ultrasonic transducer 15, 16 each of the first sensor unit 11, transmission and reception of ultrasonic waves S 1, S 2 is performed in the forward and reverse flow of fluid W. At this time, in the first signal processing circuit 22, the transmission timing of the ultrasonic waves S 1 and S 2 by the respective ultrasonic vibrators 15 and 16 is used as a reference (t = 0 in FIG. 4). The time t 0 until the reflected wave S 11 is received, the time t 1 until the ultrasonic wave S 1 is received by the first ultrasonic transducer 16, and the ultrasonic wave by the first ultrasonic transducer 15. Time t 2 until S 2 is received is measured (see FIG. 4). At this time, the first signal processing circuit 22 detects the signal intensity of each of the reflected waves S 11 and S 12 received by the first ultrasonic transducer 15. Then, the CPU 21 captures the time t 0 , t 1 , t 2 and the signal intensity data of the reflected waves S 11 , S 12 from the first signal processing circuit 22 and temporarily stores them in the memory 24.

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。 In parallel with the operation of the first signal processing circuit 22, the CPU 21 operates the second signal processing circuit 23 and supplies a driving pulse to the second ultrasonic transducer 18 in the second sensor unit 12. Thus, in the second ultrasonic transducer 18 of the second sensor unit 12, in parallel with transmission and reception of ultrasonic waves S 3 through the fluid W and the flow direction of the second flow path 14a is carried out. At this time, the second signal processing circuit 23 detects the signal intensity of each of the reflected waves S 31 and S 32 received by the second ultrasonic transducer 18. Then, the CPU 21 takes in the data of the signal intensity of these reflected waves S 31 and S 32 from the first signal processing circuit 23 and temporarily stores it in the memory 24.

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）。 The CPU 21 performs the calculation corresponding to the above formulas (1) and (2) based on the data of the times t 0 , t 1 , and t 2 acquired in step 100, thereby moving the first flow path 13a in the forward direction. propagation time of the propagation was the propagation time T 1 of the ultrasonic S 1 and a counter-propagating ultrasonic S 2 is calculated and T 2 (step 110). Then, the CPU 21 as the sound speed calculating means calculates the sound speed C and the flow velocity V in the fluid W by performing calculations corresponding to the above equations (5) and (6) using the propagation times T 1 and T 2. Calculate (step 120). Further, the CPU 21 as the flow rate calculation unit multiplies the flow rate V of the fluid W by the cross-sectional area A of the first flow path 13a as shown in the above equation (7), thereby obtaining the volume flow rate Q of the fluid W. Calculate (step 130).

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）。 Thereafter, the CPU 21 uses the signal intensity of the reflected waves S 11 and S 12 acquired using the first ultrasonic transducer 15 of the first sensor unit 11 and the second ultrasonic transducer 18 of the second sensor unit 12. The signal strengths of the reflected waves S 31 and S 32 acquired in this way are read from the memory 24. Then, the CPU21 as the sound parameter calculation unit, based on the acoustic impedance Z 0 thereof reflected wave S 11, S 12, S 31 , and the signal intensity of S 32 pipe 10 (fluororesin), the acoustic impedance of the fluid W Zf is obtained (step 140). Further, CPU 21 calculates the density ρ of the fluid W by dividing the acoustic impedance Z f of the fluid W at the speed of sound C (step 150). Further, the CPU 21 as the arithmetic processing means obtains the mass flow rate M by multiplying the volume flow rate Q and the density ρ (step 160).

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。 Thereafter, the CPU 21 displays the measured value of the mass flow rate M on the display device 26 (step 170). Incidentally, the display device 26, the sound velocity C in addition to the mass flow rate M, the density [rho, may display the measured values, such as the acoustic impedance Z f. Then, the CPU 21 determines whether or not to continue the flow rate measurement process (step 180). Specifically, the CPU 21 determines whether or not the end button of the input device 25 is operated. If the end button is not operated, the CPU 21 returns to the process of step 100, and processes of steps 100 to 180. Again. And when the end button of the input device 25 is operated, CPU21 complete | finishes the process of FIG.

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。   Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.

（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。 (1) In the ultrasonic flowmeter 2 of the present embodiment, the second sensor unit 12, and by propagating ultrasonic waves S 3 in a direction parallel to the flow of fluid W, the flow rate of the fluid W that flows through a pipe 10 never ultrasonic wave propagation distance S 3 are changed even faster, never measurement error as in the prior art results. Therefore, since the signal intensity of the reflected waves S 31 and S 32 can be accurately detected regardless of the flow velocity V of the fluid W, the acoustic impedance Z f of the fluid W is accurately obtained based on the signal intensity. Can do. And the mass flow rate M of the fluid W can be calculated | required correctly based on the acoustic impedance Zf. Further, the controller 6 controls the opening degree of the adjustment valve 5 in accordance with the mass flow rate M of the fluid W, whereby the mass flow rate M of the fluid W flowing through the fluid supply conduit 3 can be adjusted more accurately.

（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。 (2) In the ultrasonic flowmeter 2 of the present embodiment, the first ultrasonic transducer 15 of the first sensor unit 11 is used for detecting the propagation times of the ultrasonic waves S 1 and S 2 for calculating the volume flow rate Q. In addition to being used as a vibrator, it is also used as a signal intensity detecting vibrator for the reflected waves S 11 and S 12 for obtaining the acoustic impedance Z f . If it does in this way, the number of the 2nd ultrasonic transducer | vibrators 18 in the 2nd sensor part 12 can be reduced to one, and the manufacturing cost of the ultrasonic flowmeter 2 can be held down.

（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］ (3) Since the ultrasonic flowmeter 2 of the present embodiment can measure not only the volume flow rate Q and mass flow rate M of the fluid W but also the sound velocity C and density ρ of the fluid W, based on these measurement information, It is possible to quickly detect an abnormality in the fluid supply system 1.
[Second Embodiment]

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。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The fluid supply system 1 of the present embodiment is used as a system for supplying a plurality of types of chemical solutions (for example, semiconductor cleaning chemical solutions) for performing various surface treatments of a silicon substrate (wafer) in a semiconductor manufacturing line.

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。   As shown in FIG. 6, the fluid supply system 1 includes an ultrasonic flowmeter 2, a plurality of fluid supply pipes 31 to 34 to which a plurality of types of chemical liquids W1 to W4 (fluids) are respectively supplied, A fluid output line 35 provided with the sonic flow meter 2, and a flow path switching device 36 to which the fluid supply lines 31 to 34 and the fluid output line 35 are connected.

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。   The flow path switching device 36 includes a switching valve 37 and a controller 38 that drives and controls the switching valve 37, and the switching valve 37 is operated by the controller 38 to be supplied from the fluid supply pipe lines 31 to 34. The fluid output pipe 35 is configured to supply any one of the plurality of types of fluids W1 to W4. In the fluid supply system 1 of the present embodiment, each of the fluids W1 to W4 is supplied in a state where the temperature is adjusted to be a constant temperature (for example, 20 ° C.).

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。   The ultrasonic flowmeter 2 has the same configuration as that of the first embodiment (see FIGS. 2 and 3), and the processing program for calculating the flow rate Q is different from that of the first embodiment. This processing program is stored in the memory 24 in advance.

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。   The fluid supply system 1 according to the present embodiment is configured to supply any one of a plurality of types of fluids W1 to W4, and the flow characteristics differ depending on the types of the fluids W1 to W4. For this reason, the ultrasonic flowmeter 2 is configured to perform flow rate correction corresponding to the types of the fluids W1 to W4 on the volume flow rate Q calculated based on the flow velocity V.

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。

Figure 2010261872
Specifically, the flow velocity distribution (the characteristics of the flow of the fluid W) in the first flow measurement tube 13a of the ultrasonic flow meter 2 is determined by the Reynolds number Re represented by the following equation (14).
Figure 2010261872

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。   Here, V is a characteristic flow velocity, L is a characteristic length, and is a kinematic viscosity coefficient. The characteristic length L is a length determined by the shape of the tube. When the flow rate Q of the fluid W is measured by the first flow measuring tube 13 having a predetermined shape, the Reynolds number Re is proportional to the flow velocity V of the fluid W and varies inversely proportional to the kinematic viscosity coefficient. Therefore, a difference occurs in the flow velocity distribution in the first flow rate measuring tube 13 depending on the kinematic viscosity coefficient of the fluid W, and an error is generated accordingly and the measured value changes.

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。

Figure 2010261872
Table 1 shows data relating to the sound speed C, density ρ, and kinematic viscosity coefficient of a plurality of types of chemical solutions. Here, pure water, hydrofluoric acid, hydrochloric acid, aqueous ammonia solution, and hydrogen peroxide solution at 20 ° C. are shown as specific examples of the chemical solution.
Figure 2010261872

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。 As shown in Table 1, since the density ρ of pure water and hydrofluoric acid is 1.00 g / cm 3, it is difficult to specify whether the fluid W is pure water or hydrofluoric acid only by the density ρ. However, the fluid W can be specified by measuring the sound velocity C at the same time. Even if the measured sound velocity C of the fluid W is 1493 m / s, it may be difficult to determine whether the fluid W is pure water or an aqueous ammonia solution due to a measurement error, but by simultaneously measuring the density ρ, The fluid W can be reliably identified.

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。   In the ultrasonic flowmeter 2 of the present embodiment, data relating to a plurality of types of chemical solutions as shown in Table 1 is stored in advance in the memory 24 as data for performing flow rate correction. Then, the CPU 21 calculates the sound speed C and the density ρ of the fluid W by performing the same arithmetic processing as in the first embodiment, and the memory 24 based on the sound speed C and the density ρ of the fluid W. The type of the fluid W flowing in the fluid output conduit 35 is specified by referring to the data stored in the. Thereafter, the CPU 21 reads kinematic viscosity coefficient data corresponding to the specified type from the memory 24 and corrects the flow rate Q using the data. Here, the correction rate is obtained by using the correction curve data indicating the relationship between the correction coefficient according to the kinematic viscosity coefficient and the flow rate Q before correction, and the correction is performed by correcting the flow rate Q before correction by the correction rate. The subsequent flow rate Q is obtained.

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。   Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.

（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］ (1) In the ultrasonic flowmeter 2 of the present embodiment, the density ρ of the fluid W can be accurately obtained, and the type of the fluid W can be reliably identified based on the density ρ. And the flow volume correction | amendment according to the kind of the specified fluid W can be performed. In this way, the flow rate Q of the plurality of types of fluids W1 to W4 can be accurately measured without providing a flow meter for each of the plurality of fluid supply pipes 31 to 34. Therefore, the fluid supply system 1 The manufacturing cost can be reduced.
[Third Embodiment]

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。   Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The present embodiment is different from the first embodiment in that the shape of the pipe 10 and the arrangement of the second sensor unit 12 in the ultrasonic flowmeter 2 are changed. In the ultrasonic flowmeter 2 of the present embodiment, the configuration of the first sensor unit 11 and the electrical configuration of the control device 20 are the same as those in the first embodiment.

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。 Specifically, as shown in FIG. 7, the pipe 10 of the ultrasonic flowmeter 2 includes a straight first flow rate measuring pipe 13 as in the first embodiment, and the first flow rate measuring pipe A straight tubular second flow rate measuring pipe 14 is connected in a direction orthogonal to the downstream end of 13. The length L 2 of the second flow path 14a formed in the second flow rate measuring pipe 14 is shorter than the length L 1 of the first flow path 1a formed in the first flow measuring tube 13, the The pipe 10 is provided so that the downstream end of the first flow path 13a is orthogonal to the upstream end of the second flow path 14a. And the 2nd ultrasonic transducer | vibrator 18 of the 2nd sensor part 12 is arrange | positioned upstream of the 2nd flow path 14a in the 2nd flow measurement pipe | tube 14. As shown in FIG.

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］ Even when the ultrasonic flowmeter 2 is configured as described above, the signal intensity of the reflected waves S 11 and S 12 acquired using the first ultrasonic transducer 15 of the first sensor unit 11 and the second sensor unit 12 Based on the signal strengths of the reflected waves S 31 and S 32 acquired using the second ultrasonic transducer 18, the acoustic impedance Z f of the fluid W can be obtained by the same method as in the first embodiment. it can. Further, other parameters (sound velocity C, flow velocity V, density ρ, volume flow rate Q, and mass flow rate M) can be obtained in the same manner as in the first embodiment. Further, since the ultrasonic flowmeter 2 has a configuration in which the first flow path 13a and the second flow path 14a are crossed to share a part of the flow path, the ultrasonic flowmeter 2 can be downsized. . However, in the present embodiment, the ultrasonic waves S 1 and S 2 output from the first ultrasonic transducers 15 and 16 and the second ultrasonic vibration at the portion where the first flow path 13a and the second flow path 14a intersect. The ultrasonic waves S 1 , S 2 , and S 3 are transmitted and received at different timings so as not to interfere with the ultrasonic wave S 3 output from the child 18.
[Fourth Embodiment]

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。   Next, a fourth embodiment embodying the present invention will be described. The present embodiment is different from the first embodiment in that the shape of the pipe 10 and the configuration of the second sensor unit 12 in the ultrasonic flow meter 2 are changed.

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。 As shown in FIG. 8, the pipe 10 of the ultrasonic flowmeter 2 of the present embodiment is similar to the first embodiment in that the first flow rate measurement tube 13 and the downstream of the first flow rate measurement tube 13. And a second flow rate measuring tube 14 connected to the side. Further, the pipe 10 includes a third flow rate measurement pipe 42 connected to the downstream side of the second flow rate measurement pipe 14. The length L 3 of the third flow path 42a formed in the third flow rate measurement tube 42 is shorter than the length L 2 of the second flow path 14a formed in the second flow rate measuring pipe 14, and The pipe 10 is provided so that the third flow path 42a is parallel to the second flow path 14a. A third ultrasonic transducer 43 is disposed on the downstream side of the third flow path 42 a of the third flow rate measuring tube 42. The second sensor unit 12 of the present embodiment includes a third flow rate measuring tube 42 and a third ultrasonic transducer 43 in addition to the second flow rate measuring tube 14 and the second ultrasonic transducer 18.

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。 The third ultrasonic transducer 43 propagates an ultrasonic wave S 4 in a direction parallel to the flow of the fluid W. At this time, the third ultrasonic transducer 43, which receives the reflected wave S 41 reflected by the inner wall surface 42b in the ultrasonic S 4 enters the third flow path 42a, in the third flow path 42a receiving a reflected wave S 42 reflected by the wall surface 42c opposing inner propagates through the fluid W.

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。 The third ultrasonic transducer 43 is connected to the second signal processing circuit 23 of the control device 20 in the same manner as the second ultrasonic transducer 18. The second signal processing circuit 23 outputs a drive signal for driving the third ultrasonic transducer 43 and detects the signal intensity of each of the reflected waves S 41 and S 42 .

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。 Then, in the present embodiment, instead of the signal intensity of each of the reflected waves S 11 and S 12 detected by the first ultrasonic transducer 15 of the first sensor unit 11 in the first embodiment, the second sensor unit. The acoustic impedance Z f of the fluid W is obtained using the signal intensities of the reflected waves S 41 and S 42 detected by the twelve third ultrasonic transducers 43. That is, based on the signal intensity of each of the reflected waves S 41 and S 42 detected by the third ultrasonic transducer 43 and the signal intensity of each of the reflected waves S 31 and S 32 detected by the second ultrasonic transducer 18, by performing the same processing as in the first embodiment, determining the acoustic impedance Z f of the fluid W. Further, other parameters (sound velocity C, flow velocity V, density ρ, volume flow rate Q, and mass flow rate M) can be obtained in the same manner as in the first embodiment.

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。 In the first and second embodiments, the first sensor unit 11 measures the propagation times T 1 and T 2 of the ultrasonic waves S 1 and S 2 in order to obtain the sound velocity C and the flow rate V, and also reflects the reflected waves. The signal intensities of S 11 and S 12 are measured. In contrast, in the present embodiment, the signal intensity of the reflected waves S 41 and S 42 is measured by the third flow rate measuring tube 42 and the third ultrasonic transducer 43 newly provided in the second sensor unit 12. It is configured. For this reason, in this Embodiment, it is not necessary to acquire the signal strength of the reflected waves S 11 and S 12 in the first sensor unit 11. Therefore, in the first signal processing circuit 22, a function for detecting the signal intensity of each of the reflected waves S 11 and S 12 is omitted.

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］ In the first sensor unit 11, the longer the length L 1 of the first flow path 13 a formed in the first flow rate measuring tube 13, the larger the propagation time difference between the ultrasonic waves S 1 and S 2. And the measurement accuracy of the flow velocity V can be increased. Here, when the length L 1 of the first flow path is increased, attenuation increases when propagating through the fluid W, and the reflected waves S 11 and S 12 received by the first ultrasonic transducers 15 and 16. The signal strength of becomes smaller. For this reason, when the signal intensity of the reflected waves S 11 and S 12 is measured in the first sensor unit 11 as in the first embodiment, the S / N ratio of the signal decreases, and the attenuation constant α Measurement errors such as acoustic impedance Zf and density ρ are increased. In contrast, in the present embodiment, a third flow rate measurement pipe 42 is provided separately from the first flow rate measurement pipe 13 of the first sensor unit 11, and a third flow path formed in the third flow rate measurement pipe 42. Since the length of 42a is shortened, the signals of the reflected waves S 41 and S 42 can be reliably detected, and the attenuation constant α, the acoustic impedance Z f and the density ρ can be accurately measured. In the present embodiment, the first sensor unit 11 does not require a signal intensity detection function, and can use a flow meter having a general configuration that measures the volume flow rate Q based on a propagation time difference. This is preferable.
[Fifth Embodiment]

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。   Next, a fifth embodiment embodying the present invention will be described. The present embodiment is different from the fourth embodiment in that the configuration of the second sensor unit 12 of the ultrasonic flowmeter 2 is changed.

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。 As shown in FIG. 9, in the ultrasonic flowmeter 2 of the present embodiment, the second flow path 42 a formed in the third flow rate measuring tube 42 is formed in the second flow rate measuring tube 14. pipe 10 is provided so as to have the same length L 2 and the flow path 14a. The reflector 45 having the reflecting surface 42c of the ultrasound S 4 in the third flow path 42a (upstream end surface), a different acoustic impedance than the material constituting the pipe 10 (the flow rate measurement tubes 13,14,42) Is provided.

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。 According to this structure, although the second channel 14a and the third passage 42a has a length L 2 are the same, the material and a third flow path of the reflection surface 14c of the ultrasound S 3 in the second flow path 14a since the material of the reflecting surface 42c of the ultrasound S 4 are different in 42a, and the reflected wave S 32 detected by the second ultrasonic transducer 18 third by the reflected wave S 42 detected by the ultrasonic oscillator 43 different signal strength, based on the difference in their signal strength, it is possible to obtain an acoustic impedance Z f of the fluid W. Furthermore, other parameters (sound speed C, flow velocity V, density ρ, volume flow rate Q, and mass flow rate M) can be obtained in the same manner as in the above embodiments.

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。   In addition, you may change each embodiment of this invention as follows.

・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。 In the fifth embodiment, the reflective plate 45 is provided on the reflective surface 42c (upstream end surface) of the third flow path 42a. On the contrary, the reflective surface 14c (downstream) of the second flow path 14a is provided. You may comprise so that the reflecting plate 45 may be provided in a side end surface. Moreover, you may form each measurement pipe | tube 14 and 42 about the 2nd flow measurement pipe | tube 14 and the 3rd flow measurement pipe | tube 42 using the material from which acoustic impedance differs, respectively. Even when formed in this way, the signal intensity of each of the reflected waves S 32 and S 42 can be made different between the reflecting surface 14c of the second channel 14a and the reflecting surface 42c of the third channel 42a. , The acoustic impedance Z f of the fluid W can be obtained.

・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。 In each embodiment, by using the first ultrasonic transducer 15, 16 in the first sensor part 11 of the ultrasonic flowmeter 2 acquires the ultrasonic S 1, the propagation time T 1 of the S 2, T 2 The sound velocity C of the fluid W is obtained from the propagation times T 1 and T 2 , but is not limited to this. For example, the sound velocity C of the fluid W may be obtained from the propagation time of the ultrasonic wave S 3 using the second ultrasonic transducer 18 of the second sensor unit 12.

・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。 In the second embodiment, the type of the fluid W is specified by the density ρ and the sound speed C, but the present invention is not limited to this. It may be configured to identify the type of fluid W by using the acoustic impedance Z f in place of the density [rho. However, in this case, data on the sound speed C, acoustic impedance Z f , and kinematic viscosity coefficient of a plurality of types of fluid W is stored in the memory 24, and the type of the fluid W is specified using the data. Further, depending on the type of fluid W to be used, the identification may be possible only with the density ρ and the acoustic impedance Z f , and in this case, the calculated density ρ and the acoustic impedance Z f without using the sound velocity C. The fluid W may be specified by the above.

・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。   -In the said 2nd Embodiment, although it embodied in the fluid supply system 1 with which temperature is maintained constant (for example, 20 degreeC), it is not limited to this. When the temperature of the fluid W changes, a temperature sensor such as a thermistor is provided in the middle of the pipe 10 of the ultrasonic flowmeter 2, and the temperature of the fluid W is measured simultaneously with the density ρ of the fluid W. Further, data such as density ρ and kinematic viscosity coefficient according to temperature are stored in the memory 24. Then, by referring to data corresponding to the temperature detected by the temperature sensor and performing calculations such as interpolation and linear approximation when necessary, the density ρ and the kinematic viscosity coefficient are obtained. In this way, even when the temperature of the fluid W changes, the type of the fluid W can be reliably identified, and the flow rate correction according to the temperature can be performed.

・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。 In each of the above embodiments, the concentration of the fluid W is obtained based on the acoustic impedance Zf and density ρ measured by the ultrasonic flowmeter 2, and the volume flow rate Q is corrected according to the concentration. Also good. Specifically, for example, when applied to a system that supplies a fluid W to a fuel cell, the ultrasonic flow meter 2 can be used to simultaneously measure the methanol concentration and the flow rate of the fluid W. Compared with the case where the flow meter is provided separately, the component cost can be reduced.

・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。 The first sensor unit 11 of the fourth and fifth embodiments does not need a function of detecting the signal intensity of the reflected waves S 11 and S 12 , and the flow rate V is determined by the propagation time difference between the ultrasonic waves S 1 and S 2. What is necessary is just to provide the structure to require. The first sensor unit 11 is not limited to the one that transmits and receives ultrasonic waves in a direction parallel to the flow of the fluid W as in each embodiment. The ultrasonic transducers 15 and 16 may be provided so that the ultrasonic waves S 1 and S 2 propagate at an angle (for example, an angle of 45 °).

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。   Next, in addition to the technical ideas described in the claims, the technical ideas grasped by the respective embodiments described above are listed below.

（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。   (1) In the means 1, the acoustic parameter calculation means is means for obtaining an acoustic impedance of the fluid, and the arithmetic processing means obtains the density of the fluid based on the acoustic impedance of the fluid and the speed of sound. An ultrasonic flowmeter comprising: density calculating means; and mass flow calculating means for determining a mass flow rate of the fluid based on the volume flow rate and the density of the fluid.

（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。   (2) In the means 1, the acoustic parameter calculation means is a means for calculating an acoustic impedance of the fluid, or a means for calculating the density of the fluid based on the acoustic impedance and the speed of sound. Is based on the storage means for storing data on the acoustic impedance or density of a plurality of types of fluids and the acoustic impedance or density of the fluid calculated by the data and the acoustic parameter calculation means. An ultrasonic flowmeter comprising: a fluid identification unit that identifies a type; and a flow rate correction unit that corrects the flow rate of the fluid calculated by the flow rate calculation unit according to the type of the fluid.

（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。   (3) The means 4 is characterized in that a reflecting plate having an acoustic impedance different from the material constituting the pipe is provided on one of the ultrasonic reflecting surfaces in the second flow path and the third flow path. Ultrasonic flow meter.

（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。   (4) The ultrasonic flowmeter according to claim 2, wherein the pipe is provided so that the end of the first flow path and the end of the second flow path are orthogonal to each other.

（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。   (5) In the technical idea (4), the transmission / reception of ultrasonic waves in the second ultrasonic transducer is performed at a timing different from the transmission / reception timing of ultrasonic waves in the first ultrasonic transducer. Ultrasonic flow meter.

（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。   (6) The ultrasonic flowmeter according to any one of the means 2 to 4, wherein the pipe is provided so that the first flow path and the second flow path are parallel to each other.

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Ultrasonic flow meter 3 ... Pipe for fluid supply which comprises a pipe line 10 ... Pipe which comprises a pipe line 11 ... 1st sensor part 12 ... 2nd sensor part 13 ... 1st flow measurement pipe which comprises a pipe line 13a ... 1st flow path 13b, 13c ... Inner wall surface as reflection surface 14 ... Second flow rate measuring pipe constituting pipe line 14a ... Second flow path 14b, 14c ... Inner wall surface as reflection surface 15, 16 ... First Ultrasonic vibrator 18 ... 2nd ultrasonic vibrator 21 ... Sound velocity calculation means, flow rate calculation means, acoustic parameter calculation means, CPU as arithmetic processing means
35 ... Fluid output conduit constituting the conduit 42 ... Third flow rate measuring tube 42a constituting the conduit 42a ... Third flow passage 42b, 42c ... Inner wall surface as a reflecting surface 43 ... Third ultrasonic transducer

Claims (4)

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。 An ultrasonic wave that is provided in a pipe that forms a flow path for flowing a fluid, propagates in the forward and reverse directions of the fluid flow in the pipe, and propagates in the opposite direction to the ultrasonic wave that propagates in the forward direction. And a first sensor unit for detecting the propagation time difference between them,
An ultrasonic wave is provided in the pipe, propagates in a direction parallel to the fluid flow in the pipe, receives the ultrasonic wave reflected by the inner wall surface of the pipe, and determines its signal intensity and propagation time. A second sensor unit for detecting;
A sound velocity calculating means for obtaining a sound velocity of the fluid based on a propagation time of the ultrasonic wave detected by the first sensor unit or the second sensor unit and a propagation distance of the ultrasonic wave;
A flow rate calculation means for calculating a volume flow rate of the fluid flowing through the flow path based on the propagation time difference of the ultrasonic wave detected by the first sensor unit;
An acoustic parameter calculation means for obtaining an acoustic parameter of the fluid based on a signal intensity of a reflected wave received by the second sensor unit and an acoustic impedance of a material constituting the pipe;
Based on the acoustic parameters of the fluid and the speed of sound, a calculation process for converting the volume flow rate of the fluid into a mass flow rate or a calculation process for specifying the type of the fluid and correcting the volume flow rate according to the type is performed. An ultrasonic flowmeter comprising an arithmetic processing means. 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。 The first sensor unit has a pair of first ultrasonic transducers arranged to face each other on the upstream side and the downstream side of the first flow path having a predetermined length,
The second sensor unit includes a second ultrasonic transducer disposed on the upstream side or the downstream side of the second channel having a length different from that of the first channel,
The first sensor unit has a function of receiving the ultrasonic wave reflected by the inner wall surface of the conduit by the first ultrasonic transducer and detecting the signal intensity thereof,
The acoustic parameter calculation means is configured to determine the acoustic parameter of the fluid based on the signal intensity of the reflected wave received by the first ultrasonic transducer in addition to the signal intensity of the reflected wave received by the second ultrasonic transducer. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein: 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。 The first sensor unit has a pair of first ultrasonic transducers arranged to face each other on the upstream side and the downstream side of the first flow path having a predetermined length,
The second sensor unit includes a second ultrasonic transducer disposed on the upstream side or the downstream side of the second channel having a length different from that of the first channel, and the second channel Having a third ultrasonic transducer disposed upstream or downstream of the third flow path having a different length;
The acoustic parameter calculation means is based on the signal intensity of the reflected wave received by the second ultrasonic transducer and the signal intensity of the reflected wave received by the third ultrasonic transducer in the second sensor unit. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein an acoustic parameter of the fluid is obtained. 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。 The first sensor unit has a pair of first ultrasonic transducers arranged to face each other on the upstream side and the downstream side of the first flow path having a predetermined length,
The second sensor unit includes a second ultrasonic transducer disposed on the upstream side or the downstream side of the second channel having a length different from that of the first channel, and is the same as the second channel. A third ultrasonic transducer disposed upstream or downstream of the third flow path having a length, and a material of an ultrasonic reflection surface in the second flow path and an ultrasonic wave in the third flow path The pipe is provided so that the material of the reflective surface is different,
The acoustic parameter calculation means is based on the signal intensity of the reflected wave received by the second ultrasonic transducer and the signal intensity of the reflected wave received by the third ultrasonic transducer in the second sensor unit. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein an acoustic parameter of the fluid is obtained.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023028615A1 (en) * 2021-08-27 2023-03-02 Woodward, Inc. Ultrasonic mass fuel flow meter
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