JP5156918B2 - Ultrasonic density meter - Google Patents

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Description

本発明は、超音波を利用して流体の密度を測定する超音波密度計に関するものである。   The present invention relates to an ultrasonic density meter that measures the density of a fluid using ultrasonic waves.

従来、超音波を利用して液体の体積流量を測定する超音波流量計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、図１１に示されるように、特許文献１の超音波流量計６０では、液体Ｗ１を流す配管６１の上流側及び下流側において対向するよう一対の超音波振動子６２，６３が配置される。そして、一方の超音波振動子から発せられた超音波が液体Ｗ１中を伝搬して他方の超音波振動子に至るまでの伝搬時間を測定する。具体的には、流体Ｗ１の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、その正方向の伝搬時間と逆方向の伝搬時間とを測定する。ここで、各超音波振動子６２，６３間の超音波の伝搬距離Ｌ、流体Ｗ１中の音速Ｃ、液体Ｗ１の流速Ｖとすると、正方向の伝搬時間Ｔｄと逆方向の伝搬時間Ｔｕとは、それぞれ以下の式（１），（２）で表される。

Figure 0005156918
Figure 0005156918
 2. Description of the Related Art Conventionally, an ultrasonic flowmeter that measures the volume flow rate of a liquid using ultrasonic waves has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Specifically, as shown in FIG. 11, in the ultrasonic flowmeter 60 of Patent Document 1, a pair of ultrasonic transducers 62 and 63 are provided so as to face each other on the upstream side and the downstream side of the pipe 61 through which the liquid W1 flows. Be placed. And the propagation time until the ultrasonic wave emitted from one ultrasonic transducer propagates in the liquid W1 and reaches the other ultrasonic transducer is measured. Specifically, ultrasonic waves are propagated in the forward and reverse directions of the flow of the fluid W1, and the propagation time in the forward direction and the propagation time in the reverse direction are measured. Here, assuming that the ultrasonic wave propagation distance L between the ultrasonic vibrators 62 and 63, the sound velocity C in the fluid W1, and the flow velocity V of the liquid W1, the forward propagation time Td and the reverse propagation time Tu are: Are represented by the following equations (1) and (2), respectively.
Figure 0005156918
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すなわち、液体Ｗ１の流速Ｖが速くなると、正方向に伝搬される超音波Ｓ０の伝搬時間Ｔｄは短くなり、逆方向に伝搬される超音波Ｓ０の伝搬時間Ｔｕは長くなる（図１２参照）。そして、それら超音波Ｓ０の伝搬時間差ΔＴは、次式（３）のように表される。

Figure 0005156918
That is, when the flow velocity V of the liquid W1 is increased, the propagation time Td of the ultrasonic S 0 propagated in the forward direction is shortened, the propagation time Tu of ultrasonic S 0 propagated in the opposite direction becomes longer (see FIG. 12 ). And the propagation time difference ΔT of the ultrasonic waves S 0 is expressed as the following equation (3).
Figure 0005156918

ここで、液体Ｗ１の流速Ｖは音速Ｃと比較すると無視できる程度の速さである。そのため、上記の式（３）は次式（４）のように表すことができる。

Figure 0005156918
Here, the flow velocity V of the liquid W1 is negligible compared with the sound velocity C. Therefore, the above equation (3) can be expressed as the following equation (4).
Figure 0005156918

従って、流速Ｖは、次式（５）により求めることができる。

Figure 0005156918
Therefore, the flow velocity V can be obtained by the following equation (5).
Figure 0005156918

さらに、この流速Ｖに配管６１の断面積Ｓを乗算することで液体Ｗ１の体積流量Ｑ（＝ＳＶ）が求められる。   Further, the volume flow rate Q (= SV) of the liquid W1 is obtained by multiplying the flow velocity V by the cross-sectional area S of the pipe 61.

また、超音波を利用して流体の密度を計測し、その密度と体積流量とを乗算することで流体の質量流量を求める超音波質量流量計が提案されている（例えば、特許文献２参照）。   In addition, an ultrasonic mass flow meter that measures the density of a fluid using ultrasonic waves and obtains the mass flow rate of the fluid by multiplying the density and the volume flow rate has been proposed (for example, see Patent Document 2). .

特許文献２の超音波質量流量計では、流体を流す流管（流路）に体積流量を測るための超音波送受信器が設けられ、その流管から分岐したバイパスラインの直管部の両端に密度を測るための超音波送信器及び超音波受信器が対向するよう設けられている。また、バイパスラインの途中には流量調整弁が設けられている。その流量調整弁を閉じてバイパスラインに流れる流体が静止状態となるよう流体の流れを設定しておき、その状態で超音波送信器からバイパスラインの流体中に超音波を伝搬させ、その超音波を超音波受信器で受信する。そして、超音波受信器での受信信号に基づいて、流体中を伝搬する超音波の減衰量を測定し、その減衰量から流体の密度を求めている。
特開２００２−１６２２６９号公報 特開平１０−９００２８号公報 In the ultrasonic mass flow meter of Patent Document 2, an ultrasonic transmitter / receiver for measuring a volume flow rate is provided in a flow pipe (flow path) through which a fluid flows, and is connected to both ends of a straight pipe portion of a bypass line branched from the flow pipe. An ultrasonic transmitter and an ultrasonic receiver for measuring the density are provided to face each other. A flow rate adjusting valve is provided in the middle of the bypass line. The flow control valve is closed and the flow of the fluid is set so that the fluid flowing through the bypass line is stationary. In this state, ultrasonic waves are propagated from the ultrasonic transmitter into the bypass line fluid. Is received by an ultrasonic receiver. Then, the attenuation amount of the ultrasonic wave propagating in the fluid is measured based on the received signal at the ultrasonic receiver, and the density of the fluid is obtained from the attenuation amount.
JP 2002-162269 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-90028

ところで、例えば、化学工場などにおいて、二種類以上の液体を混合して生成した流体の流量を調整する場合、その混合が十分に行われずに液体の密度が不均一の状態となっても、体積流量ではその状態を確実に検出することはできない。この場合、液体の密度変化を検出する必要がある。   By the way, for example, in a chemical factory or the like, when adjusting the flow rate of a fluid generated by mixing two or more kinds of liquids, even if the density of the liquid is not uniform and the liquid density is not uniform, The state cannot be reliably detected by the flow rate. In this case, it is necessary to detect the density change of the liquid.

ところが、特許文献２に開示されている従来の超音波質量流量計では、バイパスラインで流体を静止状態にしないと正確な密度を求めることができず、流路を流れている流体の密度をリアルタイムで検出することは困難である。また、超音波を利用しない一般的な密度計を用いる場合でも、計測器本体側に流体を移し変えて密度を測定する必要があり、流路を流れる流体の密度をリアルタイムに検出することは困難である。   However, the conventional ultrasonic mass flow meter disclosed in Patent Document 2 cannot obtain an accurate density unless the fluid is made stationary by a bypass line, and the density of the fluid flowing through the flow path is determined in real time. It is difficult to detect with. In addition, even when using a general density meter that does not use ultrasonic waves, it is necessary to measure the density by moving the fluid to the measuring instrument body side, and it is difficult to detect the density of the fluid flowing through the flow path in real time. It is.

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、超音波を利用して流路を流れる流体の密度を迅速に測定することができる超音波密度計を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic density meter that can quickly measure the density of a fluid flowing through a flow path using ultrasonic waves. .

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、流路を流れる流体に超音波を照射しその反射波に基づいて流体の密度を求める超音波密度計であって、前記流路を構成する管本体の外壁面に配置され、前記流体中にその流れと直交する方向に超音波を伝搬させるとともに、前記管本体の内壁面で反射した超音波を受信する一対の超音波振動子と、前記流体中を伝搬する超音波の伝搬時間と伝搬距離とに基づいて前記流体の音速を求める音速算出手段と、前記各超音波振動子で受信した反射波の信号強度と、前記管本体の音響インピーダンスとに基づいて、前記流体の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス算出手段と、前記流体の音響インピーダンスを前記音速で除算することにより前記流体の密度を求める密度算出手段とを備えたことを特徴とする超音波密度計をその要旨とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in claim 1 is an ultrasonic density meter that irradiates a fluid flowing through a flow path with ultrasonic waves and obtains the density of the fluid based on the reflected wave. A pair of ultrasonic transducers that are disposed on the outer wall surface of the tube main body constituting the tube, propagate ultrasonic waves in the fluid in a direction orthogonal to the flow, and receive ultrasonic waves reflected by the inner wall surface of the tube main body A sound speed calculating means for obtaining a sound speed of the fluid based on a propagation time and a propagation distance of the ultrasonic wave propagating in the fluid, a signal intensity of the reflected wave received by each ultrasonic transducer, and the tube body Acoustic impedance calculating means for obtaining the acoustic impedance of the fluid based on the acoustic impedance of the fluid, and density calculating means for obtaining the density of the fluid by dividing the acoustic impedance of the fluid by the speed of sound. The ultrasonic densitometer, characterized in that had example as its gist.

請求項１に記載の発明によれば、流路を構成する管本体の外壁面に一対の超音波振動子が配置され、各超音波振動子により、流路を流れる流体中にその流れと直交する方向に超音波が伝搬されるとともに、管本体の内壁面で反射した超音波が受信される。そして、音速算出手段により、流体中を伝搬する超音波の伝搬時間と伝搬距離とに基づいて流体の音速が求められる。また、音響インピーダンス算出手段により、各超音波振動子で受信した反射波の信号強度と、管本体の音響インピーダンスとに基づいて、流体の音響インピーダンスが求められる。さらに、密度算出手段により、流体の音響インピーダンスを音速で除算することにより流体の密度が求められる。このように超音波密度計を構成することにより、管本体内の流路に流体を流した状態でその流体の密度をリアルタイムで測定することができるため、その流体の密度変化を迅速に検出することができる。   According to the first aspect of the present invention, a pair of ultrasonic vibrators are arranged on the outer wall surface of the tube body constituting the flow path, and each ultrasonic vibrator is orthogonal to the flow in the fluid flowing through the flow path. The ultrasonic wave is propagated in the direction to be transmitted, and the ultrasonic wave reflected by the inner wall surface of the tube main body is received. Then, the sound velocity calculation means obtains the sound velocity of the fluid based on the propagation time and propagation distance of the ultrasonic wave propagating in the fluid. Further, the acoustic impedance calculation means determines the acoustic impedance of the fluid based on the signal intensity of the reflected wave received by each ultrasonic transducer and the acoustic impedance of the tube body. Furthermore, the density of the fluid is obtained by dividing the acoustic impedance of the fluid by the speed of sound by the density calculating means. By configuring the ultrasonic density meter in this way, the density of the fluid can be measured in real time while the fluid is flowing through the flow path in the tube body, so that the density change of the fluid can be detected quickly. be able to.

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記管本体は、前記流体の流れる方向に平行な一対の内壁面を有し、前記超音波振動子は、一方の内壁面を介して流路内の流体中に超音波を伝搬させ、他方の内壁面で反射した超音波を受信することをその要旨とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the tube main body has a pair of inner wall surfaces parallel to the direction in which the fluid flows, and the ultrasonic transducer flows through one inner wall surface. The gist is to propagate ultrasonic waves into the fluid in the passage and receive the ultrasonic waves reflected by the other inner wall surface.

請求項２に記載の発明によれば、超音波振動子によって、流体の流れと直交する方向に超音波を確実に伝搬させることができ、流路の各内壁面で反射した反射波を正確に受信することができる。   According to the second aspect of the present invention, the ultrasonic transducer can reliably propagate the ultrasonic wave in the direction orthogonal to the fluid flow, and the reflected wave reflected by each inner wall surface of the flow path can be accurately detected. Can be received.

請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記一対の超音波振動子は、前記管本体における上流側及び下流側の外壁面にそれぞれ配置され、その上流側と下流側とで前記内壁面の間隔を異ならせたことをその要旨とする。   According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the pair of ultrasonic transducers are respectively disposed on an outer wall surface on the upstream side and the downstream side of the pipe body, and the inner side is formed between the upstream side and the downstream side. The gist is that the interval between the walls is different.

請求項３に記載の発明によれば、一対の超音波振動子を上流側及び下流側の外壁面にずらして配置しているので、各超音波振動子から発せられた超音波が干渉することがなく、反射波を確実に受信することができる。また、管本体における上流側と下流側とで超音波の伝搬距離が異なるため、その伝搬距離に応じて超音波が減衰することにより、信号強度が異なる反射波が各超音波振動子で受信される。そして、それら反射波の信号強度と管本体の音響インピーダンスとに基づいて、流体の音響インピーダンスを求めることができる。   According to the invention described in claim 3, since the pair of ultrasonic transducers are arranged so as to be shifted on the upstream and downstream outer wall surfaces, the ultrasonic waves emitted from the ultrasonic transducers interfere with each other. The reflected wave can be reliably received. Also, since the ultrasonic propagation distance is different between the upstream side and the downstream side in the tube body, reflected waves with different signal intensities are received by each ultrasonic transducer when the ultrasonic wave attenuates according to the propagation distance. The And based on the signal intensity of these reflected waves and the acoustic impedance of the tube body, the acoustic impedance of the fluid can be obtained.

請求項４に記載の発明は、請求項２において、前記一対の超音波振動子は、前記管本体における上流側及び下流側の外壁面にそれぞれ配置され、その上流側と下流側とで前記管本体の音響インピーダンスを異ならせたことをその要旨とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect, the pair of ultrasonic transducers are respectively disposed on an outer wall surface on the upstream side and the downstream side of the pipe main body, and the pipe is formed on the upstream side and the downstream side. The main point is that the acoustic impedance of the main body is varied.

請求項４に記載の発明によれば、一対の超音波振動子を上流側及び下流側の外壁面にずらして配置しているので、各超音波振動子から発せられた超音波が干渉することがなく、反射波を確実に受信することができる。また、管本体における上流側と下流側とで音響インピーダンスが異なるため、その音響インピーダンスに応じて超音波の反射率が変化することにより、信号強度が異なる反射波が各超音波振動子で受信される。そして、それら反射波の信号強度と管本体の各音響インピーダンスとに基づいて、流体の音響インピーダンスを求めることができる。   According to the invention described in claim 4, since the pair of ultrasonic transducers are arranged so as to be shifted on the upstream and downstream outer wall surfaces, the ultrasonic waves emitted from the ultrasonic transducers interfere with each other. The reflected wave can be reliably received. In addition, since the acoustic impedance differs between the upstream side and the downstream side of the tube body, the reflected wave with different signal intensity is received by each ultrasonic transducer when the reflectance of the ultrasonic wave changes according to the acoustic impedance. The Then, the acoustic impedance of the fluid can be obtained based on the signal intensity of the reflected wave and each acoustic impedance of the tube body.

請求項５に記載の発明は、請求項２において、前記管本体は長方形状に形成され、前記一対の超音波振動子のうちの一方の超音波振動子は、前記管本体における第１の外壁面に配置されるとともに、他方の超音波振動子はその第１の外壁面と直交する第２の外壁面に配置されることをその要旨とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the second aspect, the tube main body is formed in a rectangular shape, and one ultrasonic transducer of the pair of ultrasonic transducers is a first outer portion of the tube main body. The gist is that the other ultrasonic transducer is disposed on the wall surface and disposed on the second outer wall surface orthogonal to the first outer wall surface.

請求項５に記載の発明によれば、一方の超音波振動子と他方の超音波振動子とにおいて、超音波の伝搬距離が異なるため、その伝搬距離に応じて超音波が減衰することにより、信号強度が異なる反射波が各超音波振動子で受信される。そして、それら反射波の信号強度と管本体の音響インピーダンスとに基づいて、流体の音響インピーダンスを求めることができる。またこの場合、流体の流通方向（上流側または下流側の方向）に各超音波振動子をずらして配置する必要がないため、超音波密度計をコンパクトに形成することができる。   According to the invention described in claim 5, since the ultrasonic propagation distance is different between one ultrasonic transducer and the other ultrasonic transducer, the ultrasonic wave is attenuated according to the propagation distance, Reflected waves having different signal intensities are received by each ultrasonic transducer. And based on the signal intensity of these reflected waves and the acoustic impedance of the tube body, the acoustic impedance of the fluid can be obtained. In this case, since it is not necessary to dispose each ultrasonic transducer in the fluid flow direction (upstream or downstream direction), the ultrasonic density meter can be formed compactly.

以上詳述したように、請求項１〜５に記載の発明によると、超音波を利用して流路を流れる流体の密度を迅速に測定することができる超音波密度計を提供することができる。   As described above in detail, according to the first to fifth aspects of the present invention, an ultrasonic density meter capable of quickly measuring the density of the fluid flowing through the flow path using ultrasonic waves can be provided. .

［第１の実施の形態］ [First Embodiment]

以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態の超音波流量計１を示す概略構成図である。超音波流量計１は、超音波伝搬時間差方式で液体Ｗ１（例えば半導体洗浄用の薬液）の体積流量を測定するための第１センサ部２と、液体Ｗ１の音速や密度などを測定するための第２センサ部３とを備え、液体Ｗ１を供給するための供給配管４の途中に設けられている。   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 diagram showing an ultrasonic flow meter 1 of the present embodiment. The ultrasonic flowmeter 1 includes a first sensor unit 2 for measuring the volume flow rate of the liquid W1 (for example, a chemical solution for semiconductor cleaning) by an ultrasonic propagation time difference method, and a sound speed and density of the liquid W1. The second sensor unit 3 is provided in the middle of a supply pipe 4 for supplying the liquid W1.

供給配管４の上流側には、液体Ｗ１の流量を調整するための調整バルブ５が設けられており、この調整バルブ５には、その開度を変更するためのコントローラ６が接続されている。本実施の形態において、超音波流量計１で計測された体積流量または質量流量の測定値がコントローラ６に送信され、そのコントローラ６が調整バルブ５の開度を制御することにより、供給配管４を流れる液体Ｗ１の流量が予め設定された所定の流量となるよう調整される。   An adjustment valve 5 for adjusting the flow rate of the liquid W1 is provided on the upstream side of the supply pipe 4, and a controller 6 for changing the opening degree is connected to the adjustment valve 5. In the present embodiment, the measurement value of the volume flow rate or the mass flow rate measured by the ultrasonic flow meter 1 is transmitted to the controller 6, and the controller 6 controls the opening degree of the adjustment valve 5, thereby supplying the supply pipe 4. The flow rate of the flowing liquid W1 is adjusted to be a predetermined flow rate set in advance.

以下、本実施の形態の超音波流量計１の具体的な構成について詳述する。   Hereinafter, a specific configuration of the ultrasonic flowmeter 1 of the present embodiment will be described in detail.

図１に示されるように、超音波流量計１の第１センサ部２は、略コ字状に屈曲形成された配管１１と、その配管１１の２つのコーナー部１１ａ，１１ｂにそれぞれ固定され配管１１の直管部１１ｃを介して対向するよう配置される一対の超音波振動子１２，１３とを備える。第１センサ部２の配管１１は、耐薬品性に優れるフッ素樹脂（例えばテフロン（登録商標））を用いて形成されており、直管部１１ｃの長さは１０ｃｍ程度である。また、この配管１１内に形成される流路の断面形状は円形であり、その口径は１０ｍｍ程度である。このように、流路の断面形状を円形とすることにより、その流路内において、液体Ｗ１の乱流が防止され、液体Ｗ１がスムーズに流れるようになっている。   As shown in FIG. 1, the first sensor unit 2 of the ultrasonic flowmeter 1 is fixed to a pipe 11 bent in a substantially U shape and two corners 11 a and 11 b of the pipe 11. And a pair of ultrasonic transducers 12 and 13 arranged to face each other via 11 straight pipe portions 11c. The pipe 11 of the first sensor unit 2 is formed using a fluororesin (for example, Teflon (registered trademark)) having excellent chemical resistance, and the length of the straight pipe portion 11c is about 10 cm. Moreover, the cross-sectional shape of the flow path formed in this piping 11 is circular, and the aperture is about 10 mm. Thus, by making the cross-sectional shape of a flow path circular, the turbulent flow of the liquid W1 is prevented in the flow path, and the liquid W1 flows smoothly.

また、図２に示されるように、第２センサ部３は、第１センサ部２の下流側に接続される配管１５（管本体）と、その配管１５における上流側及び下流側の外壁面に配置される一対の超音波振動子１６，１７とを備える。第２センサ部３の配管１５も、耐薬品性に優れるフッ素樹脂（例えばテフロン（商標名））を用いて形成されている。この配管１５内に形成される流路の断面形状は四角形であり、各超音波振動子１６，１７から発せられた超音波Ｓ０は、液体Ｗ１の流れる方向と平行な一対の内壁面１５ａ，１５ｂに対して垂直に交わる角度で入射するようになっている。この配管１５では、一対の超音波振動子１６，１７が設けられる上流側と下流側とで内壁面１５ａ，１５ｂの間隔を異ならせている。具体的には、上流側の内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ１は下流側の内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ２の２倍の間隔となっている。また、一対の超音波振動子１６，１７が設けられている配管１５の側壁の厚さは、上流側と下流側とで等しくなっている。 As shown in FIG. 2, the second sensor unit 3 is connected to the pipe 15 (pipe body) connected to the downstream side of the first sensor unit 2, and the upstream and downstream outer wall surfaces of the pipe 15. A pair of ultrasonic transducers 16 and 17 are provided. The pipe 15 of the second sensor unit 3 is also formed using a fluororesin (for example, Teflon (trade name)) having excellent chemical resistance. The pipe 15 the cross-sectional shape of the formed are flow paths within denote squares, ultrasonic S 0 emitted from each of the ultrasonic transducers 16 and 17, a direction parallel to a pair of inner wall surfaces 15a of the flow of liquid W1, It is incident at an angle that intersects perpendicularly to 15b. In the pipe 15, the interval between the inner wall surfaces 15 a and 15 b is different between the upstream side and the downstream side where the pair of ultrasonic transducers 16 and 17 are provided. Specifically, the upstream side of the inner wall surface 15a, distance d 1 and 15b has a inner wall surface 15a, 15b 2 times the distance of the spacing d 2 of the downstream side. Further, the thickness of the side wall of the pipe 15 provided with the pair of ultrasonic transducers 16 and 17 is equal on the upstream side and the downstream side.

超音波流量計１において、第１センサ部２の各超音波振動子１２，１３及び第２センサ部３の各超音波振動子１６，１７には、制御装置２０が電気的に接続されている。本実施の形態では、第２センサ部３と制御装置２０とによって超音波密度計が構成される。   In the ultrasonic flow meter 1, a control device 20 is electrically connected to the ultrasonic transducers 12 and 13 of the first sensor unit 2 and the ultrasonic transducers 16 and 17 of the second sensor unit 3. . In the present embodiment, an ultrasonic density meter is configured by the second sensor unit 3 and the control device 20.

図３は、超音波流量計１の電気的構成を示すブロック図である。図３に示されるように、制御装置２０は、ＣＰＵ２１、第１信号処理回路２２、第２信号処理回路２３、メモリ２４、入力装置２５、表示装置２６、データ出力回路２７を備える。   FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the ultrasonic flowmeter 1. 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、切り替え回路３１、パルス発生回路３２、受信回路３３、検波回路３４、及びＡ／Ｄ変換回路３５を備える。   The first signal processing circuit 22 includes a switching circuit 31, a pulse generation circuit 32, a reception circuit 33, a detection circuit 34, and an A / D conversion circuit 35.

切り替え回路３１は、一対の超音波振動子１２，１３のうちの上流側の超音波振動子１２をパルス発生回路３２に接続するとともに下流側の超音波振動子１３を受信回路３３に接続する第１の接続位置と、下流側の超音波振動子１３をパルス発生回路３２に接続するとともに上流側の超音波振動子１２を受信回路３３に接続する第２の接続位置とを切り替え可能に構成されている。この切り替え回路３１における接続位置は、ＣＰＵ２１から出力される切り替え信号によって制御される。   The switching circuit 31 connects the upstream ultrasonic transducer 12 of the pair of ultrasonic transducers 12 and 13 to the pulse generation circuit 32 and connects the downstream ultrasonic transducer 13 to the reception circuit 33. 1 and a second connection position for connecting the ultrasonic transducer 13 on the downstream side to the pulse generation circuit 32 and the second connection position for connecting the ultrasonic transducer 12 on the upstream side to the reception circuit 33. ing. The connection position in the switching circuit 31 is controlled by a switching signal output from the CPU 21.

パルス発生回路３２は、ＣＰＵ３２からの制御信号に応答して動作し、超音波振動子１２，１３を駆動するための駆動パルスを出力する。この駆動パルスが切り替え回路３１を介して各超音波振動子１２，１３に供給される。ここで例えば、切り替え回路３１が第１の接続位置に切り替えられた場合、上流側の超音波振動子１２に駆動パルスが供給され、その超音波振動子１２が振動することにより、所定周波数（具体的には、１ＭＨｚの周波数）の超音波が出力される。そして、その超音波は、配管１１の液体Ｗ１中をその液体Ｗ１の流れの正方向に伝搬して下流側の超音波振動子１３で受信される。また逆に、切り替え回路３１が第２の接続位置に切り替えられた場合には、下流側の超音波振動子１３に駆動パルスが供給され、その超音波振動子１３が振動することにより、所定周波数（具体的には、１ＭＨｚの周波数）の超音波が出力される。そして、その超音波は、配管１１の液体Ｗ１中をその液体Ｗ１の流れの逆方向に伝搬して上流側の超音波振動子１２で受信される。   The pulse generation circuit 32 operates in response to a control signal from the CPU 32 and outputs drive pulses for driving the ultrasonic transducers 12 and 13. This drive pulse is supplied to the ultrasonic transducers 12 and 13 via the switching circuit 31. Here, for example, when the switching circuit 31 is switched to the first connection position, a drive pulse is supplied to the ultrasonic transducer 12 on the upstream side, and the ultrasonic transducer 12 vibrates, so that a predetermined frequency (specifically, Specifically, an ultrasonic wave having a frequency of 1 MHz is output. The ultrasonic wave propagates in the liquid W1 of the pipe 11 in the positive direction of the flow of the liquid W1 and is received by the ultrasonic transducer 13 on the downstream side. Conversely, when the switching circuit 31 is switched to the second connection position, a drive pulse is supplied to the ultrasonic transducer 13 on the downstream side, and the ultrasonic transducer 13 vibrates, thereby causing a predetermined frequency. An ultrasonic wave (specifically, a frequency of 1 MHz) is output. Then, the ultrasonic wave propagates in the liquid W1 of the pipe 11 in the direction opposite to the flow of the liquid W1, and is received by the ultrasonic transducer 12 on the upstream side.

受信回路３３は、図示しない信号増幅回路を含み、各超音波振動子１２，１３で受信された超音波信号を増幅した後、検波回路３４に出力する。検波回路３４は、図示しないゲート回路を含み、受信信号の中から１パルス分の超音波信号を抽出してＡ／Ｄ変換回路３５に出力する。Ａ／Ｄ変換回路３５では、アナログ信号である超音波信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換する。ＣＰＵ２１は、このＡ／Ｄ変換後の超音波信号を取り込み、メモリ２４に一旦記憶する。   The reception circuit 33 includes a signal amplification circuit (not shown), amplifies the ultrasonic signals received by the ultrasonic transducers 12 and 13, and then outputs them to the detection circuit 34. The detection circuit 34 includes a gate circuit (not shown), extracts an ultrasonic signal for one pulse from the received signal, and outputs it to the A / D conversion circuit 35. The A / D conversion circuit 35 A / D converts an ultrasonic signal that is an analog signal into a digital signal. The CPU 21 takes in the ultrasonic signal after this A / D conversion and temporarily stores it in the memory 24.

第２信号処理回路２３は、切り替え回路４１、パルス発生回路４２、受信回路４３、検波回路４４、Ａ／Ｄ変換回路４５、及びタイマ４６を備える。   The second signal processing circuit 23 includes a switching circuit 41, a pulse generation circuit 42, a reception circuit 43, a detection circuit 44, an A / D conversion circuit 45, and a timer 46.

切り替え回路４１は、第１スイッチ部４１ａと第２スイッチ部４１ｂとを備え、第１スイッチ部４１ａでは、上流側の超音波振動子１６と下流側の超音波振動子１７とのいずれか一方に接続位置を切り替え、第２スイッチ部４１ｂでは、パルス発生回路４２と受信回路４３とのいずれか一方に接続位置を切り替える。この切り替え回路４１における接続位置も、ＣＰＵ２１から出力される切り替え信号によって制御される。   The switching circuit 41 includes a first switch unit 41a and a second switch unit 41b. In the first switch unit 41a, either the upstream ultrasonic transducer 16 or the downstream ultrasonic transducer 17 is connected. The connection position is switched, and the second switch unit 41 b switches the connection position to either the pulse generation circuit 42 or the reception circuit 43. The connection position in the switching circuit 41 is also controlled by a switching signal output from the CPU 21.

パルス発生回路４２は、ＣＰＵ２１からの制御信号に応答して動作し、超音波振動子１６，１７を駆動するための駆動パルスを出力する。駆動パルスは、例えば５００ｍｓ毎に出力され、切り替え回路４１を介して上流側の超音波振動子１６と下流側の超音波振動子１７とに交互に供給される。そして、駆動パルスによって超音波振動子１６，１７が振動することにより、所定周波数（具体的には、１ＭＨｚの周波数）の超音波が出力される。   The pulse generation circuit 42 operates in response to a control signal from the CPU 21 and outputs drive pulses for driving the ultrasonic transducers 16 and 17. The drive pulse is output, for example, every 500 ms, and is alternately supplied to the upstream ultrasonic transducer 16 and the downstream ultrasonic transducer 17 via the switching circuit 41. Then, the ultrasonic transducers 16 and 17 are vibrated by the drive pulse, whereby ultrasonic waves having a predetermined frequency (specifically, a frequency of 1 MHz) are output.

図２に示されるように、各超音波振動子１６，１７から出力された超音波Ｓ０は、配管１５の側壁を介してその内側を流れる液体Ｗ１に伝搬する。このとき、超音波Ｓ０の一部は、配管１５と液体Ｗ１との境界面（流路の一方の内壁面１５ａ）で反射するとともに、一部が通過して液体Ｗ１中に伝搬する。さらに、液体Ｗ１を伝搬した超音波Ｓ０の一部は、液体Ｗ１と配管１５との境界面（流路の他方の内壁面１５ｂ）で反射する。ここで、上流側において、一方の内壁面１５ａで反射した反射波Ｓ０１と他方の内壁面１５ｂで反射した反射波Ｓ１１とが超音波振動子１６で受信され、電子信号に変換される。また、下流側において、一方の内壁面１５ａで反射した反射波Ｓ０２と他方の内壁面１５ｂで反射した反射波Ｓ１２とが超音波振動子１７で受信され、電子信号に変換される。それら反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号は、切り替え回路４１を介して受信回路４３に供給される。 As shown in FIG. 2, the ultrasonic wave S 0 output from each of the ultrasonic transducers 16 and 17 propagates through the side wall of the pipe 15 to the liquid W1 that flows inside the pipe 15. At this time, a portion of the ultrasonic S 0, together with reflected at the boundary surface between the pipe 15 and the liquid W1 (one inner wall surface 15a of the flow path), propagates partially through the liquid W1. In addition, some of the ultrasonic S 0 propagating liquid W1 is reflected by the boundary surface between the liquid W1 and pipe 15 (the other of the inner wall surface 15b of the flow path). Here, on the upstream side, the reflected wave S 01 reflected by one inner wall surface 15 a and the reflected wave S 11 reflected by the other inner wall surface 15 b are received by the ultrasonic transducer 16 and converted into an electronic signal. Further, on the downstream side, and one reflected wave S 12 reflected by the reflection wave S 02 and the other inner wall surface 15b that is reflected by the inner wall surface 15a of are received by the ultrasonic transducer 17 and converted into an electronic signal. The signals of these reflected waves S 01 , S 11 , S 02 , S 12 are supplied to the receiving circuit 43 via the switching circuit 41.

受信回路４３は、図示しない信号増幅回路を含み、超音波振動子１６，１７で受信された反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号を増幅した後、検波回路４４に出力する。検波回路４４は、配管１５内の各内壁面１５ａ，１５ｂで反射した超音波の反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２を検出するための回路であり、図示しないゲート回路や比較回路などを含む。具体的には、検波回路４４は、ゲート回路により各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２を抽出し、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度に対応した電圧信号をＡ／Ｄ変換回路４５に出力する。Ａ／Ｄ変換回路４５では、アナログ信号である電圧信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換し、ＣＰＵ２１は、このＡ／Ｄ変換後の電圧信号を取り込み、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度としてメモリ２４に記憶する。また、検波回路４４は、比較回路により反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号が所定のしきい値電圧を超えたタイミングを検出し、その検出信号をタイマ４６に通知する。 The reception circuit 43 includes a signal amplification circuit (not shown), amplifies the reflected waves S 01 , S 11 , S 02 , and S 12 received by the ultrasonic transducers 16 and 17, and then outputs the amplified signals to the detection circuit 44. . The detection circuit 44 is a circuit for detecting the reflected waves S 01 , S 11 , S 02 , S 12 of the ultrasonic waves reflected by the inner wall surfaces 15a, 15b in the pipe 15, and is not shown in the figure. Etc. Specifically, the detection circuit 44 extracts the reflected waves S 01, S 11, S 02 , S 12 by the gate circuit corresponding to the signal intensity of each reflected wave S 01, S 11, S 02 , S 12 The voltage signal is output to the A / D conversion circuit 45. The A / D conversion circuit 45 A / D converts a voltage signal, which is an analog signal, into a digital signal, and the CPU 21 takes in the voltage signal after the A / D conversion, and each reflected wave S 01 , S 11 , S 02. , S 12 , and stored in the memory 24. Further, the detection circuit 44 detects the timing at which the signals of the reflected waves S 01 , S 11 , S 02 and S 12 exceed a predetermined threshold voltage by the comparison circuit, and notifies the timer 46 of the detection signal.

タイマ４６は、検波回路４４から出力される検出信号に基づいて、超音波Ｓ０の伝搬時間を計測し、その時間に対応したデータを出力する。この伝搬時間のデータは、ＣＰＵ２１によってメモリ２４に記憶される。 The timer 46 measures the propagation time of the ultrasonic wave S 0 based on the detection signal output from the detection circuit 44 and outputs data corresponding to the time. The propagation time data is stored in the memory 24 by the CPU 21.

ＣＰＵ２１は、メモリ２４を利用して制御プログラムを実行し、装置全体を統括的に制御する。制御プログラムとしては、音速、密度、体積流量、及び質量流量を算出するためのプログラムやそれらの測定値を表示するためのプログラムなどを含む。なお、ＣＰＵ２１が実行するプログラムとしては、メモリカードなどの記憶媒体に記憶されたプログラムや、通信媒体を介してダウンロードしたプログラムでもよく、その実行時には、メモリ２４に読み込んで使用する。   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, volume flow rate, and mass flow rate, a program for displaying the measured 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、測定した体積流量または質量流量に関するデータをコントローラ６に転送する。   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 volume flow rate or mass flow rate to the controller 6.

次に、本実施の形態における液体Ｗ１中の音速Ｃの具体的な算出方法について説明する。   Next, a specific method for calculating the speed of sound C in the liquid W1 in the present embodiment will be described.

まず、第２センサ部３において、上流側の超音波振動子１６から超音波Ｓ０を出力する。配管１５はフッ素樹脂からなり液体Ｗ１と音響インピーダンスが異なるため、一対の内壁面１５ａ，１５ｂ（液体Ｗ１との境界面）で超音波Ｓ０がそれぞれ反射する。そして、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１の受信時刻ｔ１，ｔ２から超音波の伝搬時間Ｔ１（＝ｔ２−ｔ１）を取得する（図４参照）。具体的には、図４に示されるように、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１の受信時刻ｔ１，ｔ２（波形信号が所定のしきい値電圧を超えたタイミング）において検波回路４４から検出信号が出力される。タイマ４６では、その検出信号に基づいて反射波Ｓ０１が受信されてから反射波Ｓ１１が受信されるまでの時間が計測され、その計測値が伝搬時間Ｔ１として取得される。ここで、超音波Ｓ０の伝搬距離は、各内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ１（流路の幅）の２倍であるため、次式（６）のように、伝搬距離２ｄ１を伝搬時間Ｔ１で除算することで液体Ｗ１中の音速Ｃが求められる。

Figure 0005156918
First, in the second sensor unit 3, the ultrasonic wave S 0 is output from the ultrasonic transducer 16 on the upstream side. Pipe 15 for liquid W1 and acoustic impedance made of a fluororesin is different, the pair of inner wall surfaces 15a, 15b ultrasound S 0 in (the boundary surface between the liquid W1) is reflected respectively. Then, the ultrasonic wave propagation time T1 (= t2−t1) is acquired from the reception times t1 and t2 of the reflected waves S 01 and S 11 (see FIG. 4). Specifically, as shown in FIG. 4, the detection signal from the detection circuit 44 is received at the reception times t1 and t2 of the reflected waves S 01 and S 11 (timing when the waveform signal exceeds a predetermined threshold voltage). Is output. In the timer 46, the time from the received reflected waves S 01 based on the detection signal to the reflected wave S 11 is received is measured, the measured value is acquired as the propagation time T1. Here, since the propagation distance of the ultrasonic wave S 0 is twice the distance d 1 (width of the flow path) between the inner wall surfaces 15a and 15b, the propagation distance 2d 1 is propagated as shown in the following equation (6). By dividing by time T1, the speed of sound C in the liquid W1 is obtained.
Figure 0005156918

また、液体Ｗ１中の音速Ｃは、下流側の超音波振動子１７を用いても同様に求めることができる。なおこの場合、超音波の伝搬距離は２ｄ２となる。 Also, the sound velocity C in the liquid W1 can be obtained in the same manner by using the ultrasonic transducer 17 on the downstream side. It should be noted that in this case, the propagation distance of the ultrasonic wave becomes 2d 2.

次に、液体Ｗ１の音響インピーダンス及び密度の算出方法について説明する。   Next, a method for calculating the acoustic impedance and density of the liquid W1 will be described.

第２センサ部３において、各超音波振動子１６，１７から発せられた超音波Ｓ０は、その一部が配管１５と液体Ｗ１との境界面（各内壁面１５ａ，１５ｂ）で反射する（図２参照）。 In the second sensor unit 3, an ultrasound S 0 emitted from each of the ultrasonic transducers 16, 17 is partially reflected at the boundary surface between the pipe 15 and the liquid W1 (the inner wall surface 15a, 15b) ( (See FIG. 2).

これら内壁面１５ａ，１５ｂでの反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度は、次式（７），（８）の関係が成り立つ。

Figure 0005156918
Figure 0005156918
 The signal intensities of the reflected waves S 01 , S 11 , S 02 , and S 12 on the inner wall surfaces 15a and 15b have the following relationships (7) and (8).
Figure 0005156918
Figure 0005156918

ここで、αは、液体Ｗ１の減衰定数であり、Ｚ０は、配管１５を構成するフッ素樹脂の音響インピーダンスであり、Ｚｆは、液体Ｗ１の音響インピーダンスである。 Here, α is the attenuation constant of the liquid W1, Z 0 is the acoustic impedance of the fluororesin constituting the pipe 15, and Z f is the acoustic impedance of the liquid W1.

これら式（７）及び式（８）により、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と音響インピーダンスＺ０とに基づいて液体Ｗ１の音響インピーダンスＺｆを求めることができる。 These formula (7) and (8), it is possible to obtain the reflected waves S 01, S 11, S 02 , the acoustic impedance Z f of the liquid W1 based on the signal strength and the acoustic impedance Z 0 of the S 12 .

そして、液体Ｗ１の密度ρは、その音響インピーダンスＺｆと音速Ｃとに基づいて次式（９）により求められる。

Figure 0005156918
Then, the density ρ of the liquid W1 is obtained by the following equation (9) based on the acoustic impedance Zf and the sound velocity C.
Figure 0005156918

次に、本実施の形態における体積流量及び質量流量の具体的な算出方法について説明する。   Next, a specific method for calculating the volume flow rate and the mass flow rate in the present embodiment will be described.

本実施の形態では、まず、第１センサ部２の一対の超音波振動子１２，１３において、例えば、２５０μｓ毎に、正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで一方の超音波振動子から超音波を送信するとともに、液体Ｗ１中を伝搬した各超音波を他方の超音波振動子で受信する。このとき、超音波振動子１２，１３で電気信号に変換された超音波信号は、さらに第１信号処理回路２２において切り替え回路３１、受信回路３３、検波回路３４、及びＡ／Ｄ変換回路３５を経てデジタル信号に変換された後、超音波の波形信号としてメモリ２４に記憶される。なお、本実施の形態では、上述した所定パターンの超音波の送受信にて取得された４パルス分の波形信号が、液体Ｗ１の流量を求めるためのデータの塊としてメモリ２４に記憶される。   In the present embodiment, first, in the pair of ultrasonic transducers 12 and 13 of the first sensor unit 2, for example, every 250 μs, with one predetermined pattern in the order of forward direction, reverse direction, reverse direction, and forward direction. The ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic vibrator and the ultrasonic waves propagated in the liquid W1 are received by the other ultrasonic vibrator. At this time, the ultrasonic signals converted into electric signals by the ultrasonic transducers 12 and 13 are further passed through the switching circuit 31, the receiving circuit 33, the detection circuit 34, and the A / D conversion circuit 35 in the first signal processing circuit 22. Then, after being converted into a digital signal, it is stored in the memory 24 as an ultrasonic waveform signal. In the present embodiment, the waveform signals for four pulses acquired by transmitting and receiving the predetermined pattern of ultrasonic waves described above are stored in the memory 24 as a data lump for obtaining the flow rate of the liquid W1.

そして、それら超音波の波形信号を比較することで、波形信号の相関関数を算出する。具体的には、例えば、最初に送受信した第１パルスの波形信号と次に送受信した第２パルスの波形信号とを比較して、第１パルスを基準とした相関関数を求める。また、第１パルスの波形信号と第３パルスの波形信号とを比較して、第１パルスを基準とした相関関数を求める。さらに、第１パルスの波形信号と第４パルスの波形信号とを比較して、第１パルスを基準とした相関関数を求める。同様に、第２パルスの波形信号と第３パルスの波形信号とを比較して第２パルスを基準とした相関関数を求め、第２パルスの波形信号と第４パルスの波形信号とを比較して第２パルスを基準とした相関関数を求める。さらに、第３パルスの波形信号と第４パルスの波形信号とを比較して第３パルスを基準とした相関関数を求める。   Then, the correlation function of the waveform signal is calculated by comparing the waveform signals of the ultrasonic waves. Specifically, for example, the waveform signal of the first pulse transmitted / received first is compared with the waveform signal of the second pulse transmitted / received next, and a correlation function based on the first pulse is obtained. In addition, the waveform signal of the first pulse and the waveform signal of the third pulse are compared to obtain a correlation function based on the first pulse. Further, the waveform signal of the first pulse and the waveform signal of the fourth pulse are compared to obtain a correlation function based on the first pulse. Similarly, the second pulse waveform signal and the third pulse waveform signal are compared to obtain a correlation function based on the second pulse, and the second pulse waveform signal and the fourth pulse waveform signal are compared. To obtain a correlation function based on the second pulse. Further, the third pulse waveform signal and the fourth pulse waveform signal are compared to obtain a correlation function based on the third pulse.

ここで、配管１１を流れる液体Ｗ１中に気泡などの異物が含まれる場合、その異物によって超音波が乱反射するため、受信された各超音波はその波形が異なるものとなる。この場合、各波形信号により求められた相関関数の相関値は、１よりも相当小さくなる。一方、液体Ｗ１中に気泡が含まれない場合には、各超音波の波形は類似したものとなるため、相関関数の相関値が１に近い値（例えば０．９７）となる。従って、本実施の形態では、相関関数の相関値が１に近い値（例えば、０．９以上）である場合に、測定に有効な波形信号であると判定する。そして、有効と判定した波形信号に基づいて、超音波の伝搬時間差を求める。   Here, when a foreign substance such as a bubble is included in the liquid W1 flowing through the pipe 11, since the ultrasonic wave is irregularly reflected by the foreign substance, each received ultrasonic wave has a different waveform. In this case, the correlation value of the correlation function obtained from each waveform signal is considerably smaller than 1. On the other hand, when bubbles are not included in the liquid W1, the waveforms of the ultrasonic waves are similar, and the correlation value of the correlation function is a value close to 1 (for example, 0.97). Therefore, in this embodiment, when the correlation value of the correlation function is a value close to 1 (for example, 0.9 or more), it is determined that the waveform signal is effective for measurement. Then, an ultrasonic propagation time difference is obtained based on the waveform signal determined to be valid.

本実施の形態では、第１パルスの超音波及び第４パルスの超音波は、両方とも液体Ｗ１中を正方向に伝搬している。従って、図５に示されるように、これら超音波の波形信号を比較して求めた相関関数ｆ１は、その時間的なズレ量が０となる。これに対して、第１パルスの超音波及び第２パルスの超音波は、正方向及び逆方向に伝搬している。そのため、これら超音波の波形信号を比較して求めた相関関数ｆ２は、前記相関関数ｆ１と比較すると、超音波の伝搬時間差ΔＴのズレが生じる。よって、本実施の形態では、相関関数ｆ２の相関値が最大となる時刻に基づいて、超音波の伝搬時間差ΔＴが求められる。   In the present embodiment, both the first pulse ultrasonic wave and the fourth pulse ultrasonic wave propagate in the liquid W1 in the positive direction. Therefore, as shown in FIG. 5, the correlation function f1 obtained by comparing the waveform signals of these ultrasonic waves has a temporal deviation of zero. In contrast, the ultrasonic waves of the first pulse and the ultrasonic waves of the second pulse propagate in the forward direction and the reverse direction. For this reason, the correlation function f2 obtained by comparing these ultrasonic waveform signals causes a deviation of the ultrasonic propagation time difference ΔT when compared with the correlation function f1. Therefore, in the present embodiment, the ultrasonic propagation time difference ΔT is obtained based on the time when the correlation value of the correlation function f2 becomes maximum.

そして、式（６）により求めた液体Ｗ１中の音速Ｃとこの伝搬時間差ΔＴとを上記の式（５）に代入して流体Ｗ１の流速Ｖを求める。さらに、この流速Ｖに配管１１の断面積Ｓを乗算することで液体Ｗ１の体積流量Ｑ（＝ＳＶ）を求める。   Then, the flow velocity V of the fluid W1 is obtained by substituting the sound velocity C in the liquid W1 obtained by the equation (6) and the propagation time difference ΔT into the equation (5). Further, the volume flow rate Q (= SV) of the liquid W1 is obtained by multiplying the flow velocity V by the cross-sectional area S of the pipe 11.

なお、実際の流量測定時には、配管１１の２つのコーナー部１１ａ，１１ｂにおいて液体Ｗ１の流れが乱れる。また、配管１１において中央部の方が側壁側よりも液体Ｗ１の流れが速くなる。従って、この液体Ｗ１の流速の分布を考慮して補正演算を行うことにより、より正確な体積流量Ｑが算出される。さらに、上記の式（９）により求めた密度ρと体積流量Ｑとを乗算することにより質量流量Ｍ（＝ρＱ）が求められる。   In the actual flow rate measurement, the flow of the liquid W1 is disturbed in the two corner portions 11a and 11b of the pipe 11. Further, in the pipe 11, the flow of the liquid W <b> 1 is faster at the center portion than at the side wall side. Therefore, a more accurate volume flow rate Q is calculated by performing a correction calculation in consideration of the flow velocity distribution of the liquid W1. Furthermore, the mass flow rate M (= ρQ) is obtained by multiplying the density ρ obtained by the above equation (9) and the volume flow rate Q.

次に、本実施の形態において、液体Ｗ１の密度ρを測定するための処理例について図６のフローチャートを用いて説明する。なお、図６の処理は、作業者が入力装置２５に設けられている開始ボタンを操作したときに開始される。   Next, in the present embodiment, a processing example for measuring the density ρ of the liquid W1 will be described with reference to the flowchart of FIG. 6 is started when an operator operates a start button provided on the input device 25.

まず、ＣＰＵ２１は、第２信号処理回路２３のパルス発生回路４２を動作させ、例えば５００ｍｓ毎に駆動パルスを出力させるとともに、切り替え回路４１の接続位置を切り替えて、第２センサ部３における上流側の超音波振動子１６及び下流側の超音波振動子１７に対して駆動パルスを順次供給する（ステップ１００）。これにより、各超音波振動子１６，１７から超音波Ｓ０が照射され、流路の各内壁面１５ａ，１５ｂで反射された各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の電気信号が検波回路４４で抽出される。そして、ＣＰＵ２１は、Ａ／Ｄ変換回路４５で変換されたデータを取り込み、反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度のデータとしてメモリ２４に記憶する。またこのとき、タイマ４６により、反射波Ｓ０１，Ｓ１１の受信タイミングに基づいて超音波の伝搬時間Ｔ１が計測され、その伝搬時間Ｔ１のデータがメモリ２４に記憶される。 First, the CPU 21 operates the pulse generation circuit 42 of the second signal processing circuit 23 to output a drive pulse every 500 ms, for example, and switches the connection position of the switching circuit 41 so that the upstream side in the second sensor unit 3 is switched. Drive pulses are sequentially supplied to the ultrasonic transducer 16 and the downstream ultrasonic transducer 17 (step 100). Thereby, the ultrasonic S 0 from the ultrasonic transducer 16, 17 is illuminated, the inner wall surface 15a of the flow path, the reflected wave S 01 reflected by 15b, S 11, S 02, S 12 electric signals Is extracted by the detection circuit 44. Then, the CPU 21 takes in the data converted by the A / D conversion circuit 45 and stores it in the memory 24 as data of the signal intensity of the reflected waves S 01 , S 11 , S 02 , S 12 . At this time, the ultrasonic wave propagation time T1 is measured by the timer 46 based on the reception timing of the reflected waves S 01 and S 11 , and the data of the propagation time T 1 is stored in the memory 24.

そして、音速算出手段としてのＣＰＵ２１は、超音波の伝搬時間Ｔ１と伝搬距離２ｄ１とに基づいて、液体Ｗ１の音速Ｃを求める（ステップ１１０）。また、音響インピーダンス算出手段としてのＣＰＵ２１は、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と配管１５（フッ素樹脂）の音響インピーダンスＺ０とに基づいて、液体Ｗ１の音響インピーダンスＺｆを求める（ステップ１２０）。さらに、密度算出手段としてのＣＰＵ２１は、液体Ｗ１の音響インピーダンスＺｆを音速Ｃで除算することにより液体Ｗ１の密度ρを求める（ステップ１３０）。 Then, CPU 21 of the sound velocity calculation means, based on the propagation distance 2d 1 and the propagation time T1 of the ultrasonic wave, it obtains the sound velocity C of the liquid W1 (step 110). Further, the CPU 21 as the acoustic impedance calculating means, based on the signal intensity of each reflected wave S 01 , S 11 , S 02 , S 12 and the acoustic impedance Z 0 of the pipe 15 (fluororesin), the acoustic impedance of the liquid W1. Zf is obtained (step 120). Furthermore, CPU 21 of the density calculating means calculates the density of the liquid W1 [rho by dividing the acoustic impedance Z f of the liquid W1 at the speed of sound C (step 130).

その後、ＣＰＵ２１は、密度ρの測定処理を継続するか否かを判定する（ステップ１４０）。具体的には、ＣＰＵ２１は、入力装置２５の終了ボタンが操作されているか否かを判定し、終了ボタンが操作されていない場合には、ステップ１００の処理に戻り、ステップ１００〜ステップ１４０の処理を再度行う。そして、入力装置２５の終了ボタンが操作された場合、ＣＰＵ２１は図６の処理を終了する。   Thereafter, the CPU 21 determines whether or not to continue the density ρ measurement process (step 140). Specifically, the CPU 21 determines whether or not the end button of the input device 25 is operated. When the end button is not operated, the CPU 21 returns to the process of step 100 and performs the processes of steps 100 to 140. Again. And when the end button of the input device 25 is operated, CPU21 complete | finishes the process of FIG.

次に、本実施の形態において、液体Ｗ１の質量流量Ｍを測定するための処理例について図７のフローチャートを用いて説明する。図７の処理は、図６の処理によって液体Ｗ１の音速Ｃや密度ρが測定された後に実行される。   Next, in the present embodiment, a processing example for measuring the mass flow rate M of the liquid W1 will be described with reference to the flowchart of FIG. The process of FIG. 7 is executed after the sound speed C and the density ρ of the liquid W1 are measured by the process of FIG.

先ず、ＣＰＵ２１は、第１信号処理回路２２のパルス発生回路３２を動作させ、２５０μｓ毎に駆動パルスを出力させるとともに、切り替え回路３１の接続位置を切り替えて、上流側の超音波振動子１２及び下流側の超音波振動子１３に対して駆動パルスを順次供給する（ステップ２００）。これにより、各超音波振動子１２，１３において、正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで超音波の送受信が行われる。そして、各超音波振動子１２，１３で受信された超音波信号は、第１信号処理回路２２において切り替え回路３１、受信回路３３、検波回路３４、及びＡ／Ｄ変換回路３５を経てデジタル信号に変換される。ＣＰＵ２１は、そのＡ／Ｄ変換後の超音波信号を順次取り込み、超音波の波形信号としてメモリ２４に記憶する。なおここでは、上述した所定パターンの４パルス分の波形信号がメモリ２４に記憶される。   First, the CPU 21 operates the pulse generation circuit 32 of the first signal processing circuit 22 to output a drive pulse every 250 μs, and switches the connection position of the switching circuit 31, and the ultrasonic transducer 12 on the upstream side and the downstream side. Drive pulses are sequentially supplied to the ultrasonic transducer 13 on the side (step 200). Thereby, in each ultrasonic transducer | vibrator 12, 13, an ultrasonic wave is transmitted / received by the predetermined pattern which becomes a forward direction, a reverse direction, a reverse direction, and the order of a forward direction. The ultrasonic signals received by the ultrasonic transducers 12 and 13 are converted into digital signals through the switching circuit 31, the reception circuit 33, the detection circuit 34, and the A / D conversion circuit 35 in the first signal processing circuit 22. Converted. The CPU 21 sequentially takes in the ultrasonic signals after the A / D conversion and stores them in the memory 24 as ultrasonic waveform signals. Here, the waveform signals for the four pulses of the predetermined pattern described above are stored in the memory 24.

その後、ＣＰＵ２１は、各超音波の波形信号を読み出し、それら波形信号を比較して相関関数を算出する（ステップ２１０）。そして、ＣＰＵ２１は、波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かを判定する（ステップ２２０）。具体的には、相関関数の相関値が所定のしきい値（例えば、０．９）以上である場合、ＣＰＵ２１は、測定に有効な波形信号であると判定し、その波形信号のデータをメモリ２４に残す。一方、所定のしきい値よりも小さい場合には、比較した波形信号の少なくとも一方が測定に無効な波形信号である。この場合、ＣＰＵ２１は、他の波形信号との比較で求めた相関関数により、測定に無効な波形信号を特定して、その波形信号のデータをメモリ２４から削除する。そして、４パルスの超音波において、正方向の第１パルス及び第４パルスの波形信号の両方、または逆方向の第２パルス及び第３パルスの波形信号の両方が無効な波形信号であると判定した場合、液体中に異物の混入ありと判断して、ＣＰＵ２１はその旨を表示装置２６に表示させる（ステップ２３０）。その後、ＣＰＵ２１は、ステップ２００の処理に戻り、所定パターンでの超音波の送受信を再度行う。   Thereafter, the CPU 21 reads the waveform signals of the respective ultrasonic waves, compares the waveform signals, and calculates a correlation function (step 210). Then, the CPU 21 determines whether or not the waveform signal is effective for measurement based on the correlation value of the correlation function of the waveform signal (step 220). Specifically, when the correlation value of the correlation function is a predetermined threshold value (for example, 0.9) or more, the CPU 21 determines that the waveform signal is effective for measurement, and stores the waveform signal data in the memory. Leave to 24. On the other hand, when it is smaller than the predetermined threshold, at least one of the compared waveform signals is a waveform signal that is invalid for measurement. In this case, the CPU 21 specifies a waveform signal that is invalid for measurement by using a correlation function obtained by comparison with another waveform signal, and deletes the waveform signal data from the memory 24. Then, in the four-pulse ultrasonic wave, it is determined that both the waveform signals of the first pulse and the fourth pulse in the forward direction or the waveform signals of the second pulse and the third pulse in the reverse direction are invalid waveform signals. In such a case, it is determined that there is foreign matter in the liquid, and the CPU 21 displays that fact on the display device 26 (step 230). Thereafter, the CPU 21 returns to the process of step 200 and performs transmission / reception of ultrasonic waves in a predetermined pattern again.

一方、正方向の第１パルス及び第４パルスの波形信号の少なくとも一方が有効であると判定し、かつ逆方向の第２パルス及び第３パルスの波形信号の少なくとも一方が有効であると判定した場合、ＣＰＵ２１は、有効と判定した波形信号の相関関数に基づいて、正方向に伝搬した超音波と逆方向に伝搬した超音波との伝搬時間差ΔＴを求める（ステップ２４０）。   On the other hand, it is determined that at least one of the waveform signals of the first pulse and the fourth pulse in the forward direction is valid, and at least one of the waveform signals of the second pulse and the third pulse in the reverse direction is determined to be valid. In this case, the CPU 21 obtains a propagation time difference ΔT between the ultrasonic wave propagated in the forward direction and the ultrasonic wave propagated in the reverse direction based on the correlation function of the waveform signal determined to be valid (step 240).

さらに、ＣＰＵ２１は、図６の処理で求めた音速Ｃとその伝搬時間差ΔＴとを用い、式（５）に対応した演算を行うことにより液体Ｗ１の流速Ｖを求め、さらにその流速Ｖと配管１１の断面積Ｓとを乗算することにより液体Ｗ１の体積流量Ｑを求める（ステップ２５０）。また、ＣＰＵ２１は、体積流量Ｑと密度ρとを乗算することにより質量流量Ｍを求める（ステップ２６０）。   Further, the CPU 21 obtains the flow velocity V of the liquid W1 by performing a calculation corresponding to the equation (5) using the sound velocity C obtained in the process of FIG. The volume flow rate Q of the liquid W1 is obtained by multiplying by the cross-sectional area S (step 250). Further, the CPU 21 obtains the mass flow rate M by multiplying the volume flow rate Q and the density ρ (step 260).

その後、ＣＰＵ２１は、質量流量Ｍの測定値を表示装置２６に表示させる（ステップ２７０）。そして、ＣＰＵ２１は、流量の測定処理を継続するか否かを判定する（ステップ２８０）。具体的には、ＣＰＵ２１は、入力装置２５の終了ボタンが操作されているか否かを判定し、終了ボタンが操作されていない場合には、ステップ２００の処理に戻り、ステップ２００〜ステップ２８０の処理を再度行う。そして、入力装置２５の終了ボタンが操作された場合、ＣＰＵ２１は図７の処理を終了する。   Thereafter, the CPU 21 displays the measured value of the mass flow rate M on the display device 26 (step 270). Then, the CPU 21 determines whether or not to continue the flow rate measurement process (step 280). 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 200 and performs the processes of step 200 to step 280. Again. Then, when the end button of the input device 25 is operated, the CPU 21 ends 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）本実施の形態の場合、第２センサ部３において、配管１５の流路に液体Ｗ１を流した状態でその液体Ｗ１の密度ρをリアルタイムで測定することができるため、その液体Ｗ１の密度変化を迅速に検出することができる。また、その密度ρに基づいて質量流量Ｍを算出することができ、その算出値に応じてコントローラ６が調整バルブ５の開度を制御することにより、供給配管４を流れる液体Ｗ１の流量をより正確に調整することができる。   (1) In the case of the present embodiment, in the second sensor unit 3, the density ρ of the liquid W1 can be measured in real time in a state where the liquid W1 is flowed through the flow path of the pipe 15. A density change can be detected quickly. Further, the mass flow rate M can be calculated based on the density ρ, and the controller 6 controls the opening degree of the adjustment valve 5 according to the calculated value, whereby the flow rate of the liquid W1 flowing through the supply pipe 4 is further increased. It can be adjusted accurately.

（２）本実施の形態の場合、一対の超音波振動子１６，１７を上流側及び下流側にずらして配置しているので、各超音波振動子１６，１７から発せられた超音波が干渉することがなく、反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２を確実に受信することができる。また、配管１５の上流側と下流側とで超音波の伝搬距離を異ならせているので、その伝搬距離に応じて超音波が減衰することにより、信号強度が異なる反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２が各超音波振動子１６，１７で受信される。従って、上式（７），（８）を用いることにより、それら反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と配管１５の音響インピーダンスＺ０とに基づいて、液体Ｗ１の音響インピーダンスＺｆを求めることができる。 (2) In the case of the present embodiment, since the pair of ultrasonic transducers 16 and 17 are arranged to be shifted upstream and downstream, the ultrasonic waves emitted from the ultrasonic transducers 16 and 17 interfere with each other. Therefore, the reflected waves S 01 , S 11 , S 02 and S 12 can be reliably received. Moreover, since the propagation distance of the ultrasonic waves is different between the upstream side and the downstream side of the pipe 15, the reflected waves S 01 , S 11 , S 02 and S 12 are received by the ultrasonic transducers 16 and 17. Therefore, by using the above equations (7) and (8), based on the signal intensity of these reflected waves S 01 , S 11 , S 02 and S 12 and the acoustic impedance Z 0 of the pipe 15, the acoustic of the liquid W 1 is obtained. it can be determined impedance Z f.

（３）本実施の形態の場合、第２センサ部３における上流側の超音波振動子１６と下流側の超音波振動子１７とで共通の第２信号処理回路２３を設け、超音波振動子１６で受信された反射波Ｓ０１，Ｓ１１と超音波振動子１７で受信された反射波Ｓ０２，Ｓ１２とが同じ第２信号処理回路２３を用いて取得される。この場合、各超音波振動子１６，１７で別々の信号処理回路を設けた場合と比較して、回路素子に起因する誤差を抑えることができる。その結果、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度をより正確に得ることができ、液体Ｗ１の密度ρや質量流量Ｍの測定精度を向上させることができる。
［第２の実施の形態］ (3) In the case of the present embodiment, the second signal processing circuit 23 common to the upstream ultrasonic transducer 16 and the downstream ultrasonic transducer 17 in the second sensor unit 3 is provided, and the ultrasonic transducer The reflected waves S 01 and S 11 received at 16 and the reflected waves S 02 and S 12 received at the ultrasonic transducer 17 are acquired using the same second signal processing circuit 23. In this case, errors caused by circuit elements can be suppressed as compared with the case where separate signal processing circuits are provided for the ultrasonic transducers 16 and 17. As a result, the signal intensities of the reflected waves S 01 , S 11 , S 02 and S 12 can be obtained more accurately, and the measurement accuracy of the density ρ and the mass flow rate M of the liquid W1 can be improved.
[Second Embodiment]

次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を説明する。本実施の形態では、第２センサ部３における配管１５の構成を変更した点が上記第１の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態の超音波流量計１において、第２センサ部３以外の他の構成（第１センサ部２や制御装置２０の電気的構成など）は第１の実施の形態と同様である。   Next, a second embodiment embodying the present invention will be described. The present embodiment is different from the first embodiment in that the configuration of the pipe 15 in the second sensor unit 3 is changed. In the ultrasonic flowmeter 1 of the present embodiment, the configuration other than the second sensor unit 3 (such as the electrical configuration of the first sensor unit 2 and the control device 20) is the same as that of the first embodiment. is there.

具体的には、図８に示されるように、本実施の形態における第２センサ部３の配管１５（管本体）は、上流側と下流側とで音響インピーダンスが異なる配管部材５１，５２で形成されている。また、この配管１５における内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ１（流路の幅）は、上流側と下流側とで等しく形成されている。 Specifically, as shown in FIG. 8, the pipe 15 (pipe body) of the second sensor unit 3 in the present embodiment is formed of pipe members 51 and 52 having different acoustic impedances on the upstream side and the downstream side. Has been. Further, the interval d 1 (width of the flow path) between the inner wall surfaces 15a and 15b in the pipe 15 is formed equal on the upstream side and the downstream side.

この場合、上流側の配管部材５１の音響インピーダンスをＺ０１、下流側の配管部材５２の音響インピーダンスをＺ０２とすると、各内壁面１５ａ，１５ｂでの反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２は、次式（１０），（１１）の関係が成り立つ。

Figure 0005156918
Figure 0005156918
 In this case, if the acoustic impedance of the upstream piping member 51 is Z 01 and the acoustic impedance of the downstream piping member 52 is Z 02 , the reflected waves S 01 , S 11 , S 02 , S 12, the following equation (10), holds the relationship (11).
Figure 0005156918
Figure 0005156918

そして、これら式（１０）及び式（１１）により、各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度と音響インピーダンスＺ０１，Ｚ０２とに基づいて、液体Ｗ１の音響インピーダンスＺｆを求めることができる。さらに、液体Ｗ１の音速Ｃは上記第１の実施の形態と同様の手法で求めることができ、その音速Ｃと音響インピーダンスＺｆとにより液体Ｗ１の密度ρを求めることができる。
［第３の実施の形態］ Then, these equations (10) and (11), reflected waves S 01, S 11, S 02, based on the signal strength of the S 12 and the acoustic impedance Z 01, Z 02, the acoustic impedance Z of a liquid W1 f can be obtained. Furthermore, the sound velocity C of the liquid W1 can be determined in the same manner as the first embodiment, it is possible to determine the density of the liquid W1 [rho by its sound velocity C and the acoustic impedance Z f.
[Third Embodiment]

次に、本発明を具体化した第３の実施の形態を説明する。本実施の形態でも、第２センサ部３における配管１５の構成を変更した点が上記第１の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態の超音波流量計１において、他の構成（第１センサ部２や制御装置２０の電気的構成など）は第１の実施の形態と同様である。   Next, a third embodiment embodying the present invention will be described. This embodiment is also different from the first embodiment in that the configuration of the pipe 15 in the second sensor unit 3 is changed. In the ultrasonic flowmeter 1 of the present embodiment, other configurations (such as the first sensor unit 2 and the electrical configuration of the control device 20) are the same as those of the first embodiment.

具体的には、図９に示されるように、本実施の形態における第２センサ部３の配管１５（管本体）は、長方形状に形成されており、一方の超音波振動子１６は第１の外壁面１５ｅに配置されるとともに、他方の超音波振動子１７は第１の外壁面１５ｅと直交する第２の外壁面１５ｆに配置されている。また、配管１５において一対の超音波振動子１６，１７が配置される側壁の厚さは等しく、その配管１５内に形成される流路は、水平方向の幅ｄ１（内壁面１５ａ，１５ｂの間隔）が垂直方向の幅ｄ２（内壁面１５ｃ，１５ｄの間隔）の２倍となっている。なお、図９の配管１５では、紙面の手前側から奥行き方向に液体Ｗ１が流れる。 Specifically, as shown in FIG. 9, the pipe 15 (pipe body) of the second sensor unit 3 in the present embodiment is formed in a rectangular shape, and one ultrasonic transducer 16 is the first one. The other ultrasonic transducer 17 is disposed on a second outer wall surface 15f orthogonal to the first outer wall surface 15e. Further, the side wall where the pair of ultrasonic transducers 16 and 17 are arranged in the pipe 15 is equal, and the flow path formed in the pipe 15 has a horizontal width d 1 (of the inner wall surfaces 15a and 15b). The distance) is twice the vertical width d 2 (the distance between the inner wall surfaces 15c and 15d). In addition, in the piping 15 of FIG. 9, the liquid W1 flows in the depth direction from the near side of the page.

このように第２センサ部３を構成した場合、各内壁面１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄで反射する反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２は、上式（７），（８）の関係が成り立つ。従って、本実施の形態でも、上記第１の実施の形態と同様に、液体Ｗ１の音響インピーダンスＺｆを求めることができ、さらには、液体Ｗ１の密度ρや質量流量Ｍを求めることができる。また、上記第１の実施の形態のように、各超音波振動子１６，１７を液体Ｗ１の流通方向（上流側または下流側の方向）にずらして配置する必要がないため、超音波流量計１をコンパクトに形成することが可能となる。 Thus case where the second sensor unit 3, a reflected wave S 01 reflected by the inner wall surfaces 15a, 15b, 15c, 15d, S 11, S 02, S 12 is the above equation (7), (8) The relationship holds. Therefore, also in this embodiment, as in the first embodiment, it is possible to obtain the acoustic impedance Z f of the liquid W1, furthermore, it is possible to obtain the density ρ and mass flow rate M of the liquid W1. Further, unlike the first embodiment, the ultrasonic transducers 16 and 17 do not need to be shifted in the flow direction (upstream side or downstream side) of the liquid W1, so the ultrasonic flowmeter 1 can be formed compactly.

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２の実施の形態において、第２センサ部３における配管１５の上流側と下流側とは、音響インピーダンスＺ０１，Ｚ０２が異なる配管部材５１，５２で形成するものであったが、図１０に示されるように、超音波の反射面となる内壁面１５ｂの一部を配管１５とは音響インピーダンスが異なる板部材５５で形成してもよい。このように第２センサ部３を形成した場合でも、各内壁面１５ａ，１５ｂにおける反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２の信号強度に基づいて、配管１５を流れる液体Ｗ１の音響インピーダンスＺｆを求めることができる。 In the second embodiment, the upstream side and the downstream side of the pipe 15 in the second sensor unit 3 are formed by the pipe members 51 and 52 having different acoustic impedances Z 01 and Z 02 . As shown in FIG. 10, a part of the inner wall surface 15 b serving as an ultrasonic reflection surface may be formed by a plate member 55 having a different acoustic impedance from the pipe 15. Even when the second sensor unit 3 is formed in this way, the acoustic impedance of the liquid W1 flowing through the pipe 15 is based on the signal strength of the reflected waves S 01 , S 11 , S 02 , S 12 on the inner wall surfaces 15a, 15b. it is possible to obtain the Z f.

・上記各実施の形態では、波形信号の相関関数を求め、相関値によって測定に有効な波形信号を判定するように構成していたが、これに限定されるものではない。例えば、気泡などを含まない液体を測定する場合には、信頼性の高い波形信号を確実に取得できるので、相関関数を算出する必要はなく、取得した波形信号をそのまま利用して伝搬時間差を算出してもよい。   In each of the above embodiments, the correlation function of the waveform signal is obtained and the waveform signal effective for measurement is determined based on the correlation value. However, the present invention is not limited to this. For example, when measuring a liquid that does not contain bubbles, a highly reliable waveform signal can be reliably acquired, so there is no need to calculate a correlation function, and the propagation time difference is calculated using the acquired waveform signal as it is. May be.

・上記各実施の形態では、表示装置２６に質量流量Ｍの計測値を表示するように構成したが、密度ρなどの他の計測値を表示するよう構成してもよい。具体的には、例えば、入力装置２５のボタン操作によって表示モードを予め設定しておき、ＣＰＵ２１がその表示モードを判定して、表示装置２６に表示する計測値を、体積流量Ｑ、質量流量Ｍ、密度ρ、音響インピーダンスＺｆのうちのいずれかに切り替えるよう構成してもよい。このように構成すれば、液体Ｗ１の状態をより厳密に確認することが可能となる。 In each of the above embodiments, the measurement value of the mass flow rate M is displayed on the display device 26. However, other measurement values such as the density ρ may be displayed. Specifically, for example, a display mode is set in advance by a button operation of the input device 25, the CPU 21 determines the display mode, and the measurement values displayed on the display device 26 are the volume flow rate Q and the mass flow rate M. , the density [rho, may be configured to switch to one of the acoustic impedance Z f. If comprised in this way, it will become possible to confirm the state of the liquid W1 more strictly.

・上記各実施の形態では、第１センサ部２と第２センサ部３とで共通の制御装置２０を用いたが、それらセンサ部２，３において別々に制御装置を設けてもよい。またこの場合、第２センサ部３で検出した液体Ｗ１の密度ρを、第１センサ部２で検出した液体Ｗ１の質量流量Ｍとは別の表示装置に表示させてもよい。   In each of the above embodiments, the common control device 20 is used for the first sensor unit 2 and the second sensor unit 3. However, the control units may be provided separately in the sensor units 2 and 3. In this case, the density ρ of the liquid W1 detected by the second sensor unit 3 may be displayed on a display device different from the mass flow rate M of the liquid W1 detected by the first sensor unit 2.

・上記各実施の形態では、第２センサ部３の各超音波振動子１６，１７において共通の第２信号処理回路２３を設けたが、各超音波振動子１６，１７において別々の信号処理回路を設けてもよい。このようにすると、各信号処理回路により各反射波Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ０２，Ｓ１２を迅速に取得することができる。 In each of the embodiments described above, the common second signal processing circuit 23 is provided in each of the ultrasonic transducers 16 and 17 of the second sensor unit 3, but a separate signal processing circuit is provided in each of the ultrasonic transducers 16 and 17. May be provided. In this way, the reflected wave S 01 by the signal processing circuit, S 11, S 02, the S 12 can be quickly acquired.

・上記各実施の形態では、供給配管４において第１センサ部２の下流側に第２センサ部３を設けたが、第１センサ部２の上流側に第２センサ部３を設けてもよい。   In each of the above embodiments, the second sensor unit 3 is provided on the supply pipe 4 on the downstream side of the first sensor unit 2, but the second sensor unit 3 may be provided on the upstream side of the first sensor unit 2. .

・上記第１の実施の形態において、第２センサ部３の配管１５は、上流側における内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ１が下流側の内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ２よりも広くなるよう形成されているが、これとは逆に上流側の内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ１が下流側の内壁面１５ａ，１５ｂの間隔ｄ２よりも狭くなるよう形成されていてもよい。 In the above first embodiment, the second sensor part 3 of the pipe 15, the inner wall surface 15a on the upstream side, the inner wall surface 15a distance d 1 is the downstream side of 15b, so that wider than the spacing d 2 of 15b are formed, the upstream side of the inner wall surface 15a on the contrary, the inner wall surface 15a distance d 1 is the downstream side of 15b, may be formed to be narrower than the spacing d 2 of 15b.

・上記各実施の形態では、液体Ｗ１の密度ρを測定するものであったが、液体Ｗ１以外に、例えば、高圧気体などの流体の密度ρを測定してもよい。   In each of the above embodiments, the density ρ of the liquid W1 is measured. However, in addition to the liquid W1, for example, the density ρ of a fluid such as high-pressure gas may be measured.

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）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記一対の超音波振動子が配置される前記管本体の側壁の厚さは等しいことを特徴とする超音波密度計。   (1) The ultrasonic density meter according to any one of claims 1 to 5, wherein the side walls of the tube main body on which the pair of ultrasonic transducers are arranged have the same thickness.

（２）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記管本体は、耐薬品性に優れる樹脂材料で形成されることを特徴とする超音波密度計。   (2) The ultrasonic density meter according to any one of claims 1 to 5, wherein the tube body is formed of a resin material having excellent chemical resistance.

（３）請求項４において、前記管本体の上流側と下流側とは、音響インピーダンスが異なる配管部材で形成したことを特徴とする超音波密度計。   (3) The ultrasonic density meter according to claim 4, wherein the upstream side and the downstream side of the tube main body are formed of piping members having different acoustic impedances.

（４）請求項４において、前記管本体において前記超音波の反射面となる内壁面の一部を、前記管本体とは音響インピーダンスが異なる板部材で形成したことを特徴とする超音波密度計。   (4) The ultrasonic density meter according to claim 4, wherein a part of an inner wall surface which is a reflection surface of the ultrasonic wave in the tube main body is formed of a plate member having an acoustic impedance different from that of the tube main body. .

（５）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記内壁面で反射した超音波の波形信号を抽出するための検波回路を備えたことを特徴とする超音波密度計。   (5) The ultrasonic density meter according to any one of claims 1 to 5, further comprising a detection circuit for extracting a waveform signal of the ultrasonic wave reflected by the inner wall surface.

本発明を具体化した第１の実施の形態の超音波流量計を示す概略構成図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The schematic block diagram which shows the ultrasonic flowmeter of 1st Embodiment which actualized this invention. 第１の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。Sectional drawing which shows schematic structure of the 2nd sensor part 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. 各反射波の受信時刻及び伝搬時間を示すタイミングチャート。The timing chart which shows the reception time and propagation time of each reflected wave. 波形信号の相関関数を示す説明図。Explanatory drawing which shows the correlation function of a waveform signal. 液体の密度を算出するための処理例を示すフローチャート。The flowchart which shows the process example for calculating the density of a liquid. 液体の質量流量を算出するための処理例を示すフローチャート。The flowchart which shows the process example for calculating the mass flow rate of a liquid. 第２の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。Sectional drawing which shows schematic structure of the 2nd sensor part in 2nd Embodiment. 第３の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。Sectional drawing which shows schematic structure of the 2nd sensor part in 3rd Embodiment. 別例の実施の形態における第２センサ部の概略構成を示す断面図。Sectional drawing which shows schematic structure of the 2nd sensor part in embodiment of another example. 従来の超音波流量計を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the conventional ultrasonic flowmeter. 超音波の伝搬時間及び伝搬時間差を示すタイミングチャート。The timing chart which shows the propagation time and propagation time difference of an ultrasonic wave.

符号の説明Explanation of symbols

２…超音波密度計を構成する第２センサ部
１５…管本体としての配管
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ…内壁面
１５ｅ…第１の外壁面
１５ｆ…第２の外壁面
１６，１７…超音波振動子
２０…超音波密度計を構成する制御装置
２１…音速算出手段波、音響インピーダンス算出手段、密度算出手段としてのＣＰＵ 2 ... 2nd sensor part which comprises an ultrasonic density meter 15 ... Piping 15a, 15b, 15c, 15d ... Inner wall surface 15e ... 1st outer wall surface 15f ... 2nd outer wall surface 16, 17 ... Ultrasonic Vibrator 20 ... Control device constituting ultrasonic density meter 21 ... Sound velocity calculation means wave, acoustic impedance calculation means, CPU as density calculation means

Claims (5)

流路を流れる流体に超音波を照射しその反射波に基づいて流体の密度を求める超音波密度計であって、
前記流路を構成する管本体の外壁面に配置され、前記流体中にその流れと直交する方向に超音波を伝搬させるとともに、前記管本体の内壁面で反射した超音波を受信する一対の超音波振動子と、
前記流体中を伝搬する超音波の伝搬時間と伝搬距離とに基づいて前記流体の音速を求める音速算出手段と、
前記各超音波振動子で受信した反射波の信号強度と、前記管本体の音響インピーダンスとに基づいて、前記流体の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス算出手段と、
前記流体の音響インピーダンスを前記音速で除算することにより前記流体の密度を求める密度算出手段と
を備えたことを特徴とする超音波密度計。 An ultrasonic density meter that irradiates a fluid flowing through a flow path with ultrasonic waves and obtains the density of the fluid based on the reflected waves,
A pair of ultrasonic waves that are disposed on the outer wall surface of the tube main body constituting the flow path, propagate ultrasonic waves in the fluid in a direction orthogonal to the flow, and receive ultrasonic waves reflected by the inner wall surface of the tube main body. A sound wave oscillator,
A sound velocity calculating means for obtaining a sound velocity of the fluid based on a propagation time and a propagation distance of the ultrasonic wave propagating in the fluid;
Based on the signal intensity of the reflected wave received by each of the ultrasonic transducers and the acoustic impedance of the tube body, acoustic impedance calculation means for obtaining the acoustic impedance of the fluid;
An ultrasonic density meter comprising: density calculating means for determining the density of the fluid by dividing the acoustic impedance of the fluid by the speed of sound. 前記管本体は、前記流体の流れる方向に平行な一対の内壁面を有し、前記超音波振動子は、一方の内壁面を介して流路内の流体中に超音波を伝搬させ、他方の内壁面で反射した超音波を受信することを特徴とする請求項１に記載の超音波密度計。   The tube main body has a pair of inner wall surfaces parallel to the fluid flow direction, and the ultrasonic transducer propagates ultrasonic waves into the fluid in the flow path through one inner wall surface, and the other The ultrasonic density meter according to claim 1, wherein the ultrasonic density meter receives the ultrasonic wave reflected by the inner wall surface. 前記一対の超音波振動子は、前記管本体における上流側及び下流側の外壁面にそれぞれ配置され、その上流側と下流側とで前記内壁面の間隔を異ならせたことを特徴とする請求項２に記載の超音波密度計。   The pair of ultrasonic transducers are respectively disposed on an outer wall surface on an upstream side and a downstream side in the pipe body, and the interval between the inner wall surfaces is different between the upstream side and the downstream side. 2. The ultrasonic density meter according to 2. 前記一対の超音波振動子は、前記管本体における上流側及び下流側の外壁面にそれぞれ配置され、その上流側と下流側とで前記管本体の音響インピーダンスを異ならせたことを特徴とする請求項２に記載の超音波密度計。   The pair of ultrasonic transducers are respectively disposed on an outer wall surface on an upstream side and a downstream side in the tube body, and the acoustic impedance of the tube body is made different between the upstream side and the downstream side. Item 3. The ultrasonic density meter according to Item 2. 前記管本体は長方形状に形成され、前記一対の超音波振動子のうちの一方の超音波振動子は、前記管本体における第１の外壁面に配置されるとともに、他方の超音波振動子はその第１の外壁面と直交する第２の外壁面に配置されることを特徴とする請求項２に記載の超音波密度計。   The tube main body is formed in a rectangular shape, and one ultrasonic transducer of the pair of ultrasonic transducers is disposed on a first outer wall surface of the tube main body, and the other ultrasonic transducer is The ultrasonic density meter according to claim 2, wherein the ultrasonic density meter is disposed on a second outer wall surface orthogonal to the first outer wall surface.
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