JP2003315115A

JP2003315115A - 流量計測装置

Info

Publication number: JP2003315115A
Application number: JP2002124004A
Authority: JP
Inventors: Koichi Takemura; 晃一竹村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-04-25
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2022-04-25
Also published as: JP3601523B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は計測周期を細かく変化させた場合で
あっても、消費電力を増やすことなく正確に総流量を求
めることを可能とするものである。【解決手段】流速検出手段８で求めた流速を基に単位
時間あたりの通過流量に換算する流量演算手段１１と、
次回の流量計測までの間、流量演算手段１１で求めた流
量を単位時間毎に積算する積算手段１３とを備えている
ので、単位時間の整数倍の間欠周期で流速を検出するこ
とにより処理手順の複雑な乗除算処理回数を低減して積
算流量値が求められる。よって、消費電力を増大させる
ことなく正確な使用量を求めることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流速を検出する方
法を用いて、流体の流量を間欠的にサンプリングして流
体の使用量を計測する流量計測装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の流量計としては、超音波流
量計、熱線式流量計等様々なものが提案されている。こ
のうち、超音波式流量計は例えば図３のような構成とな
っていた。図３において、流体流路１の途中に、超音波
を発信する第１振動子２と受信する第２振動子３が流れ
方向に配置されていて、制御手段１１は、これらふたつ
の送受信を制御している。超音波が流れの中を伝搬する
際、流体の流れの影響を受けて、流れの順方向、すなわ
ち、第１振動子２から第２振動子３へ向けて送信した場
合の伝搬時間と、流れの逆方向、すなわち、第２振動子
３から第１振動子２へ向けて送信した場合の伝搬時間は
異なった値となり、流量が大きくなるにつれて、その差
は大となる。この性質を利用して流体の流量を計測する
ことが可能である。流量演算手段１１では計測手段９で
求めた伝搬時間を基に単位時間当たりの通過流量Ｑｔを
求めている。そして、この値に間欠駆動周期、すなわち
前回の計測と今回の計測の時間間隔を乗じることにより
この間欠周期中に発生した通過流量を求めて、積算手段
１３に加算している。

【０００３】一方、この種の流量計は一般的に消費電力
が大きいため、省電力化の観点から比較的大きな時間間
隔（１〜１０秒程度）で計測が行われるが、その場合に
は、一回当たりの通過流量が大きくなることによる不都
合が生じる場合があった。例えば、１回の計測あたりの
通過流量が表示の最小分解能、すなわち、家庭用のガス
メータであれば１Ｌを超える場合があり、表示値が２Ｌ
毎に変化するなどの不連続な変化を示すこととなってい
た。そのため、積算値が一度に大きな変化を示させず
に、かつその変化を平準化させるために、求めた通過流
量を分割し、段階的に変化させる方法が例えば特許２９
３７３００号や、特開２００１−１５５０４６公報など
に示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
様な考え方は、計測周期が固定の場合は有効であるが、
計測周期が可変の場合の処理に関してはこれらの発明で
は詳細が開示されていない。計測周期が可変とは、例え
ば、脈動対策として、計測タイミングが変動波形の特定
周期に偏らないように、計測周期をランダムに変化させ
る場合が考えられる。この場合には、計測周期が頻繁に
変化することが前提である。よって、こういうケースに
上記の考え方を適用した場合に複雑な処理手順が必要な
ものと予測される。

【０００５】図４を用いてこの課題を説明する。図４に
おいてｔ₁、ｔ₂、ｔ₃、ｔ₄はそれぞれ流量計測のタイミ
ングでありその時間間隔は２秒、２．５秒、２秒と変化
するものとし、各時刻における瞬時流量（毎秒当たりの
流量）はＱａで等しいものとする。この場合、演算で求
められる通過流量は時刻ｔ₂で２Ｑ_a、ｔ₃で２．５Ｑ_a、
ｔ４で２Ｑａとなる。計測は間欠的に連続で行われるた
め、前回の計測結果を次の計測が始める前に完了する必
要がある。そこで、次のような方法が考えられる。

【０００６】（方法１）通過流量を均等分割して加算す
る。

【０００７】（方法２）分割周期を固定にする。

【０００８】（方法１）の場合、計測毎に加算タイミン
グを決定するための演算が必要となる。１０分割を例に
取ると、時刻ｔ₂からｔ₃の間は０．２５秒、時刻ｔ₃か
らｔ₄の間は０．２秒となり計測周期の応じて求め直す
必要がある。また、１回当たりの加算流量は時刻ｔ₂か
らｔ₃の間は０．２Ｑａ、時刻ｔ₃からｔ₄の間は０．２
５Ｑａとなり単位時間当たりの変化率が異なってしま
う。

【０００９】（方法２）の場合、分割周期毎の加算流量
値をその都度求める必要がある。分割周期０．１秒を例
に取ると、時刻ｔ₂からｔ₃の間は加算機会が２５回、時
刻ｔ ₃から時刻ｔ₄の間は加算機会が２０回発生する。よ
って、これも、また計測周期に応じて１回当たりの加算
流量を求め直す必要がある。更に１回当たりの加算流量
は時刻ｔ₂からｔ₃の間は０．０８Ｑａ、時刻ｔ₃からｔ₄
の間は１．２５Ｑａとなり単位時間当たりの変化率が異
なってしまう。このことは流量の変化を平準化するとう
い本来の目的から逸脱してしまう。よって、これを是正
するためには更に複雑な手順が必要であるものと予想さ
れる。

【００１０】このような処理手順の複雑化は流量計測装
置を制御する電子回路の消費電力の増大に繋がってい
た。それは次の様な理由による。つまり、一般に家庭用
ガスメータ等に使われるマイクロコンピュータでは、乗
除算を実行するとその処理手順が複雑なため、加減算に
比べて、処理時間は非常に長くなる。また、電池交換な
しで１０年間の寿命を保証するため、できるだけ消費電
力を抑える必要があり、そのためには、低速のクロック
を用いて、なおかつ、処理の必要ない時にはクロックを
各マイクロコンピュータ固有の省電力モードで動作させ
ている。そのため、処理手順の複雑な乗除算の回数が増
えるということは、処理時間の増加すなわち消費電力の
増加につながっていたのである。

【００１１】本発明は上記課題を解決するものであり、
複雑な処理手順を省略することにより、消費電力を増大
させることなく正確な使用量を求めることを可能とする
ものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の流量計測装置
は、流速検出手段で求めた流速を基に単位時間あたりの
通過流量に換算する流量演算手段と、次回の流量計測ま
での間、前記流量演算手段で求めた流量を前記単位時間
毎に積算する積算手段とを備えているので、単位時間の
整数倍の間欠周期で流速を検出することにより処理手順
の複雑な乗除算処理回数を低減して積算流量値が求めら
れるので、消費電力を増大させることなく正確な流量を
求めることができる。

【００１３】請求項２に記載の流量計測装置は、積算手
段で求めた流量を表示する表示手段を備え、想定される
単位時間当たりの最大流量が前記表示手段の最小分解能
より小さくなるように単位時間を定めているので、外観
上も違和感がなく自然な計数表示が可能となる。

【００１４】請求項３に記載の流量計測装置は、積算手
段が一定容量の補助積算手段と前記補助積算手段の容量
を満たす毎にその容量を加算する主積算手段とで構成さ
れ、前記補助積算手段の容量は想定される単位時間当た
りの最大流量よりも大きい値に定めているので、主積算
手段の使用頻度が低減できる。したがって、単位時間を
細かく設定することにより演算桁数の増大が発生して
も、消費電力の増大させることなく演算精度を確保でき
る。

【００１５】請求項４にかかるプログラムは、請求項１
〜３のいずれか１項記載の流量計装置の手段の全てもし
くは一部としてコンピュータを機能させるためのプログ
ラム。そして、プログラムであるので汎用コンピュータ
やサーバーを用いて本発明の流量計測装置の一部あるい
は全てを容易に実現することができる。また記録媒体に
記録したり通信回線を用いてプログラムを配信したりす
ることでプログラムの配布やインストール作業が簡単に
できる。

【００１６】

【実施例】以下本発明の実施例について、図１〜４を参
照しながら説明する。

【００１７】（実施例１）図１は、本発明の第１の実施
例における流量計測装置のブロック図である。

【００１８】図１において、流体流路１の途中に、超音
波を発信する第１振動子２と受信する第２振動子３が流
れ方向に配置されている。４は第１振動子２への送信手
段、５は第２振動子３で受信した超音波を信号処理する
受信手段で、６は第１振動子２と第２振動子３の送受信
を切換える切換手段、７は受信回路５で超音波を検知し
た後、第１振動子２からの送信と第２振動子３での受信
を複数回繰り返す繰り返し手段、８は繰り返し手段７に
より行われる複数回の超音波伝搬の所要時間を計測する
計時手段である。９は送受信回路であり、第１振動子
２、第２振動子３、送信手段４、受信手段５、切換手段
６、繰り返し手段７、計時手段８の各要素により構成さ
れている。１０は制御手段であり、送受信回路の動作を
制御している。１１は流量演算手段であり、計時手段８
で求めた伝搬時間を基に単位時間当たりの通過流量を求
める。１２は主積算部１３および補助積算手段１４から
構成される積算手段であり、１５は主積算手段の保持す
る積算値を表示する表示手段である。

【００１９】図２を用いて、送受信回路９における計測
手順および、計測原理について説明する。制御手段１１
が、繰り返し手段７に対して、計測開始のトリガ信号を
出力すると、切換手段６は、トリガ信号を受けて、第１
振動子２を送信手段４に、第２振動子３を受信手段５に
接続して、超音波を流れの順方向に送信した伝搬時間を
計測する体制を取る。そして、送信手段４から送信信号
が出力されると同時に、計時手段８で、送受信に要した
時間の計測が開始される。受信手段５で受信１回目が終
了すると、再び送信手段４から送信信号が出力される。
以下、同様に送受信が繰り返されて、規定の回数の送受
信が終了すると、計時手段８は演算手段１１に対して、
順方向の伝搬時間の合計値を出力する。

【００２０】つづいて、切換手段６は、第１振動子２を
受信手段５に、第２振動子３を送信手段４に接続して、
超音波を流れの逆方向に送信した伝搬時間を計測する体
制を取る。その後、送信手段４から送信信号が出力され
ると同時に、計時手段８で、送受信に要した時間の計測
が開始される。受信手段５で受信１回が終了すると、再
び送信手段４から送信信号が出力される。以下、同様に
送受信が繰り返されて、規定の回数の送受信が終了する
と、計時手段８は演算手段１１に対して、逆方向の搬時
間の合計値を出力する。

【００２１】つづいて、演算手段１１の作用について計
測原理を交えて説明する。静止流体中の音速をｃ、流体
の流れの速さをｖとすると、流れの順方向の超音波の伝
搬速度は（ｃ＋ｖ）、逆方向の伝搬速度は（ｃ−ｖ）と
なる。振動子２と３の間の距離をＬ、超音波伝搬軸と流
路の中心軸とがなす角度をθ、流れの順方向に発信され
た超音波の伝搬する時間をｔ_f、流れの逆方向に発信さ
れた超音波の伝搬する時間をｔ_rとすると、ｔ_f＝Ｌ／（ｃ＋ｖｃｏｓθ）（１）ｔ_r＝Ｌ／（ｃ−ｖｃｏｓθ）（２）となる。上記（式１）または（式２）の一方から直接流
速ｖを求めることが可能であるが、そのためには音速ｃ
が既知である必要がある。しかし、一般に音速ｃは流体
温度に依存するため、流体温度が既知である必要があ
る。しかし、ここで、順方向、逆方向を計測した時点の
流体温度が等しいと仮定することにより、音速ｃが未知
であっても、（式１）、（式２）より流速ｖを求めるこ
とが可能である。すなわち、（式１）および（式２）を
変形してｖについて解くと、ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）・（１／ｔ_f−１／ｔ_r）（３）となり、Ｌとθが既知ならｔ_f、ｔ_rを計測して流速ｖが
求められる。ここで、微少な流速まで検知しようとした
場合、ｔ_f、ｔ_rの検出精度を高める必要があるが、単発
現象として計測した場合には精度を上げるのが難しいた
め、送受信を複数回繰り返してトータル時間を計測し
て、平均化することにより精度確保する方法が、超音波
計測では一般的に取り入れられており、シングアラウン
ド法と呼ばれている。シングアラウンド法において、設
定された繰り返し回数をＮ回、流れの順方向、逆方向の
伝搬時間の合計値をＴ_f、Ｔ_rとすれば、伝搬時間ｔ_f、
ｔ_rはＴ _f、Ｔ_rを回数平均すれば求めることができる。
よって、（式３）を変形して、式（式５）から流速ｖを
求めることができる。ｖ＝Ｎ（Ｌ／２ｃｏｓθ）・（１／Ｔ_f−１／Ｔ_r）（５）ここで、流路断面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量
ＱはＱ＝Ｋ・Ｓ・ｖ（６）となる。（式３）、（式４）から明らかなように、伝搬
時間を求めることにより流量Ｑが求められる。この時求
められる流量は単位時間あたりの流量である。よって、
補正係数ｋの値を適宜定めることによって、その意味合
いを如何様にも変更できる。例えば、１時間当たりの流
量と定めても良いし、１秒当たりの流量と定めても良
い。いずれの場合であっても、この時求められる流量は
単位時間当たりの通過流量と定義することができる。更
に、この単位時間を加算処理の実行周期と等しく設定
し、更に計測周期より短い固定の値と定めれば、計測周
期あたりの通過流量は、単位時間当たりの通過流量の積
分値として表現できるということは、明らかである。し
たがって、従来例で示したように、一旦計測周期毎の通
過流量を求めた後に、その値を分割して、１回当たりの
加算処理で加算すべき値を求める必要がない。すなわ
ち、（式６）の流量演算式が加算周期毎の流量を求める
演算式と全く同一のものとなる。本実施例では、この単
位時間を０．１秒と定める（理由は後述する）。よっ
て、この時検出した流速が０．１秒継続した場合に流路
内を通過する通過流量と定義できる。

【００２２】図２は、本実施例における流量計測装置の
加算処理を説明するタイミングチャートである。時刻ｔ
_nは流速検出手段のサンプリング時刻、Ｑ_nは同時刻にお
いて流量演算手段１１で求めた流量である。時刻ｔ₁に
おいて検出された流速ｖ₁に基づいて（式５）を使って
瞬時流量値Ｑ₁が求められる。ここで、求めた瞬時流量
Ｑ₁は単位時間Δｔ（＝０．１ｓ）毎に積算手段１２に
加算される。Ｑ１は時刻ｔ１から、次に流量を求める時
刻ｔ２の直前まで（図２ではｔ１＋７×Δｔ）まで継続
してΔｔ毎に加算されることになる。よって、図２では
時刻ｔ１からｔ２の間に加算された流量値は（式７）で
表せる。

【００２３】Ｑ_a＝Ｑ₁＋Ｑ₁＋Ｑ₁＋Ｑ₁＋Ｑ₁＋Ｑ₁＋Ｑ₁＋Ｑ₁＝８×Ｑ₁ （７）一方、流速ｖ₁を検出するに要する時間は、間欠動作の
時間間隔に比べて極めて小さな値であるため、時刻ｔ₁
で検出された流速は時刻ｔ₁から時刻ｔ₂の間の代表値と
考えて差し支えない。したがって、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂
に掛けて通過した流体流量Ｑ₁₂は（式８）で求められ
る。

【００２４】Ｑ₁₂＝Ｑ₁×（ｔ₂−ｔ₁）／Δｔ（８）ここで、ｔ₂−ｔ₁の時間は図では８×ΔｔであるからＱ₁₂＝Ｑ₁×８（９）として求められる。この値は（式７）で求めた値と等し
い。次に時刻ｔ₂ではＱ₂が求められる、この時点で積算
手段１２に対する加算値は更新される。ここでも先と同
様に、時刻ｔ₂から次のサンプリング時刻ｔ₃からΔｔ前
の時刻（ｔ＋５×Δｔ）までの６回にわたってＱ₂が加
算手段に加算される。同様に、積算処理は、時刻ｔ_nと
時刻ｔ_n+1の時間間隔を予めΔｔの整数倍に設定してお
けば、時刻ｔ ₁から時刻ｔ₂の間施したのと同じ処理、す
なわち時刻Δｔ毎に加算処理を行うことで実現可能であ
る。したがって、流速のサンプリング時刻の間隔をどの
ように設定しても、また、頻繁に変更したとしても、時
間の重み付けの乗算処理やそれを単位時間毎に分割する
除算処理等は一切不要である。

【００２５】続いて、Δｔの設定方法について説明す
る。Δｔを小さくすれば、サンプリング時間をより細か
く制御することが可能であるが、加算処理の回数が増大
するので、いたずらに小さく定めるのは消費電力の観点
から望ましくない。家庭用のガスメータについて考える
と、法規上、表示値の最小分解能は１Ｌ、また、補助表
示部の分解能が０．２Ｌ以下に定められている。である
から、Δｔ当たりの通過量が０．２Ｌ未満となる様に定
めれば、積算手段１２で求めた値をそのまま表示手段に
反映させれば良いことになる。例えば６メータの場合、
法規上、精度を要求される最大流量が６０００Ｌ／ｈで
あるが、６０００Ｌ／ｈ相当の流量が０．２Ｌ通過する
に要する時間をｔとすると（式１０）の関係が成り立
つ。よって、（式１０）を解いて０．１２秒と計算でき
る。

【００２６】６０００／３６００＝０．２／ｔ（１０）よって、Δｔをこの時間より小さく定めれば良いと言え
る。前記理由により本実施例では、Δｔ、すなわち加算
処理の単位時間を０．１秒と定めている。なお、Δｔの
値は０．１２より小さければ良いので、電子回路で設定
容易な値（例えばクロック周期の整数倍の値）を自由に
選択すれば良く、０．１秒に拘るものではない。

【００２７】次に、積算手段の作用について説明する。
流量値の精度を高めるには、Ｑ_nの分解能を高くする必
要がある。一例として、小流量で１Ｌの精度が必要であ
ると仮定する。Δｔを０．１秒と定めた時、１Ｌ／ｈ相
当の流量が発生した場合のＱｎの値は（式１１）を解く
ことによって求められる。

【００２８】１／３６００＝Ｑｎ／０．１（１１）（式１０）よりこの時の値は２．７８×１０^-5Ｌと求ま
る。１Ｌ／ｈと０Ｌ／ｈの区別を明確にする必要がある
とすれば、少なくとも１０^-6Ｌの精度までが必要と考え
られる。一方、積算流量値として、１０⁶［ｍ³］＝１０
⁹［Ｌ］までを保有する必要がある、したがって、積算
手段が保有すべき桁数は１６桁となり、加算処理の度に
１６桁の加算を繰り返すのは消費電力の観点から好まし
くない。そのため、積算手段１２は主積算手段１３と補
助積算手段１４とに分割し、通常は補助積算手段１４
（たとえばバッファ機能に該当する）のみを動作させる
ように構成されている。前述の様に、Ｑ_nの最大値は
０．２Ｌ未満であるため、補助積算手段１４は最上位桁
として１０^-1Ｌを保有しておれば良い。また、前述の様
に、０．２Ｌ毎に補助表示を反応させる必要があるの
で、主積算手段１３は１０^-1Ｌから１０⁹Ｌまでの桁を
保有していれば良い。Ｑ_nは先ず、補助積算手段１４に
加算される。補助積算手段１４の容量は０．２Ｌとして
あり、０．２Ｌを超えると、その超過分のみ主積算手段
１部に繰り上げ処理を行う。例えば、加算の結果、補助
積算手段１４の積算値が０．２３Ｌに達した場合は０．
２Ｌを主積算手段１３へ送出し０．２３Ｌから容量分
０．２Ｌを差し引いた値０．０３Ｌのみを補助積算手段
１４に送出する。次回の加算処理からは、０．０３Ｌに
対して加算処理が行われる。

【００２９】以上説明したように、本実施例によれば、
流速検出手段で求めた流速を基に単位時間あたりの通過
流量に換算する流量演算手段と、次回の流量計測までの
間、前記流量演算手段で求めた流量を前記単位時間毎に
積算する積算手段とを備えているので、単位時間の整数
倍の間欠周期で流速を検出することにより処理手順の複
雑な乗除算処理回数を低減して積算流量値が求められ
る。よって、消費電力を増大させることなく正確な流量
を求めることができる。

【００３０】また、積算手段で求めた流量を表示する表
示手段を備え、想定される単位時間当たりの最大流量が
前記表示手段の最小分解能より小さくなるように単位時
間を定めているので、外観上も違和感がなく自然な計数
表示が可能となる。

【００３１】また、積算手段は一定容量の補助積算手段
と前記補助積算手段の容量を満たす毎にその容量を加算
する主積算手段とで構成され、前記補助積算手段の容量
は想定される単位時間当たりの最大流量よりも大きい値
に定めているので、主積算手段の使用頻度が低減でき
る。したがって、単位時間を細かく設定することにより
演算桁数の増大が発生しても、消費電力の増大させるこ
となく演算精度を確保できる。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、流速検
出手段で求めた流速を基に単位時間あたりの通過流量に
換算する流量演算手段と、次回の流量計測までの間、前
記流量演算手段で求めた流量を前記単位時間毎に積算す
る積算手段とを備えているので、単位時間の整数倍の間
欠周期で流速を検出することにより処理手順の複雑な乗
除算処理回数を低減して積算流量値が求められる。よっ
て、消費電力を増大させることなく正確な使用量を求め
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における流量計測装置のブロ
ック図

【図２】同装置の動作を説明するタイミングチャート

【図３】従来の流量計測装置のブロック図

【図４】従来の流量計測装置の動作を説明するタイミン
グチャート

【符号の説明】

８流速検出手段１１流量演算手段１２積算手段１３主積算手段１４補助積算手段１５表示手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】間欠的に流速を検出する流速検出手段
と、前記流速検出手段で求めた値を基に単位時間あたり
の通過流量に換算する流量演算手段と、次回の流量計測
までの間、前記流量演算手段で求めた流量を前記単位時
間毎に積算する積算手段とを備え、前記流速検出手段で
間欠的に流速を検出する間欠周期は可変であり、前記単
位時間は前期間欠周期の整数分の１の値であり、かつ前
記間欠周期にかかわらず固定の値であることを特徴とす
る流量計測装置。
【請求項２】積算手段で求めた流量を表示する表示手
段を備え、単位時間当たりの最大流量が前記表示手段の
最小分解能より小さくなるように単位時間を定めた請求
項１に記載の流量計測装置。
【請求項３】積算手段は一定容量が備蓄可能な補助積
算手段と前記補助積算手段の容量を満たす毎にその容量
を加算する主積算手段とで構成され、前記補助積算手段
の容量は単位時間当たりの最大流量よりも大きい値に定
めた請求項１に記載の流量計測装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項記載の流量
計測装置の手段の全てもしくは一部としてコンピュータ
を機能させるためのプログラム。