JP2007322442A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省電力化を促進するとともに、計測精度の向上を図ることを目的とする。
【解決手段】流体管路４の上、下流側に対設された第１、第２超音波振動子５，６間の信号伝搬時間に基づいて流量を流量演算手段１１で求めるとともに、求めた流量の変化量を変化量演算手段１２で算出するようにし、また、前記超音波振動子への発信受信を開始するトリガ手段１４の動作周期は、流量演算手段１１と変化量演算手段１２の出力を受けて計測周期設定手段１３を介して設定するものにあって、この計測周期設定手段１３は、流量演算手段１１の出力が小さければ基準周期設定手段１６が基準周期を大とし、変化量演算手段１２の出力が小さければ基準周期設定手段１６で定めた基準周期に対する遅延時間を遅延時間設定手段１７で大とし、さらに、前記基準周期と遅延時間により補正周期設定手段１８が計測周期を設定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、超音波を利用してガスなどの流量を計測する流量計測装置に関するものである。

従来のこの種の流量計測装置は、図１１に示すように、流体管路１の一部に超音波振動子２と３を流れの方向に相対して設け、振動子１から流れ方向に超音波を発生しこの超音波を振動子２で検出すると再び振動子１から超音波を発生させ、この繰り返しを行ってその時間を計測し、逆に振動子２から流れに逆らって超音波を発生し同様の繰り返し時間を計測し、この時間の差から流体の速度を演算していた（例えば、特許文献１参照）。
特開平４−３２８４２４号公報

しかしながら、上記従来の流量計測装置では計測のスタート信号はある一定の周波数かまたランダム関数を含めてある関数に決められており、流体が流れていない場合にも決められたサンプリング周波数で計測が行われていた。

このため電力を使用する頻度が高く、電池駆動の場合短期間のうちに電池交換が必要になり消費電力の低減が課題となっていた。

本発明は上記課題を解決するもので、消費電力を低減することを目的としている。

本発明は上記課題を解決するために、流体管路に設けられた第１超音波振動子と、前記第１超音波振動子から発信された超音波信号を受信する第２超音波振動子と、前記第１、第２超音波振動子間の信号伝搬時間に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記流量演算手段で求めた流量の変化量を算出する変化量演算手段と、前記超音波振動子への発信受信を開始するトリガ手段と、前記流量演算手段と前記変化量演算手段の出力により前記トリガ手段の動作周期を設定する計測周期設定手段を備え、前記計測周期設定手段は前記流量演算手段の出力が小さければ基準周期を大とする基準周期設定手段と、前記変化量演算手段の出力が小さければ前記基準周期設定手段の定めた基準周期に対する遅延時間を大とする遅延時間設定手段と、前記基準周期設定手段の定めた基準周期と遅延時間設定手段の定めた遅延時間により計測周期を設定する補正周期設定手段とを備えた構成としたものである。

したがって、流量演算手段で求めた流量が小であるほど、更には、変化量演算手段で求めた流量変化量が小であるほど、計測周期設定手段がトリガ手段の動作周期を大きくして、超音波の送信頻度を小さくしているので、流体の使用状況に応じて、よりきめ細やかに計測周期の制御が可能となり、精度を維持しつつ省電力化を実現できる。

本発明によれば、流体の使用状況に応じて、よりきめ細やかに計測周期の制御が可能となり、精度を維持しつつ省電力化を図ることができるものである。

本発明の流量計測装置は、流体管路に設けられた第１超音波振動子と、前記第１超音波振動子から発信された超音波信号を受信する第２超音波振動子と、前記第１、第２超音波
振動子間の信号伝搬時間に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記流量演算手段で求めた流量の変化量を算出する変化量演算手段と、前記超音波振動子への発信受信を開始するトリガ手段と、前記流量演算手段と前記変化量演算手段の出力により前記トリガ手段の動作周期を設定する計測周期設定手段を備え、前記計測周期設定手段は前記流量演算手段の出力が小さければ基準周期を大とする基準周期設定手段と、前記変化量演算手段の出力が小さければ前記基準周期設定手段の定めた基準周期に対する遅延時間を大とする遅延時間設定手段と、前記基準周期設定手段の定めた基準周期と遅延時間設定手段の定めた遅延時間により計測周期を設定する補正周期設定手段とを備えたものである。

その結果、流量演算手段で求めた流量が小であるほど、更には、変化量演算手段で求めた流量変化量が小であるほど、計測周期設定手段がトリガ手段の動作周期を大きくして、超音波の送信頻度を小さくしているので、流体の使用状況に応じて、よりきめ細やかに計測周期の制御が可能となるので、精度を維持しつつ、省電力化を実現できる。

先ず、本発明の実施例の前に参考実施例について図面を参照して説明する。

（参考実施例１）
図１において、流体管路４の途中に超音波を発信する第１振動子５と受信する第２振動子６を流れ方向に配置されている。

７は第１振動子５への発信回路、８は第２振動子６で受信した信号の増幅回路で、この増幅された信号は基準信号と比較回路９で比較され、発信から受信までの時間をタイマカウンタのような計時手段１０で求め、その超音波伝搬時間に応じて管路の大きさや流れの状態を考慮して流量演算手段１１で流量値を求める。

さらに、この流量演算手段１１の値を変化量演算手段１２で求め、この値によって計測周期設定手段１３でトリガ手段１４から発信回路７への信号送出のタイミングを調節するようにしてある。

次に動作、作用について説明する。

トリガ手段１４の信号を受けて発信回路７より送出されたバースト信号により第１振動子５から発信された超音波信号は、流れの中を伝搬し第２振動子６で受信され増幅回路８と比較回路９で信号処理され、発信から受信までの時間を計時手段１０で測定する。

静止流体中の音を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幡速度は（ｃ＋ｖ）となる。振動子５と６の間の距離をＬ、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をφとすると、超音波が到達する時間ｔは、
ｔ＝Ｌ／（ｃ＋ｖCOSθ） （１）
となり、（１）式より
ｖ＝（Ｌ／ｔ−ｃ）／COSθ （２）
となり、Ｌとθが既知ならｔを測定すれば流速ｖが求められる。

この流速より流量Ｑは、通過面積をＳ、補正計数をＫとすれば、
Ｑ＝Ｋ・Ｓ・ｖ （３）
となる。

例えば、ガスメータなどは求めた流量値から使用者に課金するため、計測精度が要求され、その結果計測は煩雑に行う必要がある。しかし、流量の変化が比較的小さい内は、計測周期を小さくしても誤差にはなりにくい。

そこで、図２に示す如く、変化量演算手段１２で求めた流量変化量が±ｘ％以内の時には、計測周期設定手段１３が計測周期を通常の周期より大きく設定している。なお、変化量の絶対値が小さくなるにしたがって、計測周期を段階的に大きく設定する方式であっても同等の効果が得られる。

この場合には、流量変化量が大きくなるにしたがって、周期を小さくしてきめ細やかに計測しているので、装置下流側の機器の使用状況をより的確に判断することが可能となる。

なお、変化量を割合でなく、絶対量で判断しても同等の効果が得られる。

（参考実施例２）
図３は参考実施例２を示し、図１と同作用を行う構成部分には同一符号を付し、具体的な説明は参考実施例１のものを援用する。

本参考実施例２において、参考実施例１と異なる点は、第２計時手段１５が変化量演算手段１２で求めた変化量が所定範囲内である時間を計時し、この時間により、計測周期設定手段１３でトリガ手段１４から発信回路７のへの信号送出のタイミングを調節しているという点である。

次に動作、作用を説明する。第２計時手段１５は、変化量演算手段１２で求めた流量が±ｘ％以内の時のみ計時され、±ｘ％以上の時には初期化される。

そして、第２計時手段１５がＴ秒を越えると、計測周期設定手段１３が、計測周期を大とする。

図４において時間tnは計測タイミングを示しており、t15で第２計時手段１５の計時値がT秒を越えたので、以降の計測周期を大としている。

したがって、判定値ｘ、Ｔを適正に定めれば、流量が安定であることの判定が可能となる。

この場合、特に、流量零の判別が確実に行えるため、ガスを使っていない時には確実に省電力が実現できる。

（参考実施例３）
図８は参考実施例３を示し、図１と同作用を行う構成部分には同一符号を付し、具体的な説明は参考実施例１のものを援用する。

図８において、第１振動子５からの発信と第２振動子６での受信を繰り返し手段２０によって繰り返し設定手段２１で設定された回数だけ繰り返し、さらに発振と受信の切り換えを切換手段１９で行なった後、同様に繰り返しを行う。

すなわち、発振回路７によって第１振動子５から超音波が発生し、この超音波を第２振動子６で受信し、増幅回路８を介し比較回路９に到達すると繰り返し手段２０で再びトリガ手段１４で発信回路７をトリガする。

この繰り返しは繰り返し設定手段２１で設定された回数だけ行われ、設定回数に達すると繰り返しに要した時間を計時手段１０で計測する。

しかる後、切換手段１９により第１振動子５と第２振動子６の発信受信を逆に接続し、今度は第２振動子６から第１振動子５に向かって超音波を発信し前述と同様に到達時間を求め、この差を流量演算手段１１で流量値を演算する。

以上の一連の動作により１時刻の流量の計測を行い、計測周期設定手段１３で定められた周期毎に計測動作を行う。

次に、計測原理について説明する。静止流体中の音を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）、逆方向の伝幡速度は（ｃ−ｖ）となる。振動子７と８の間の距離をＬ、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をθ、繰り返し回数をｎとすると、順方向と逆方向のそれぞれの繰り返し時間Ｔ１とＴ２は、
Ｔ１＝ｎ・Ｌ／（ｃ＋ｖ・COSθ） （４）
Ｔ２＝ｎ・Ｌ／（ｃ−ｖ・COSθ） （５）
となり、（４）、（５）式より
ｖ＝ｎ・Ｌ／２COSθ（１／Ｔ１−１／Ｔ２） （６）
となり、Ｌとφが既知ならＴ１とＴ２を測定すれば流速ｖが求められる。しかしながらＴ１とＴ２の差は流量が小さくかつ繰り返し回数が小さいときには極めて微小であり、正確に計ることが困難であるので測定回数を多く設定し誤差を比較的小さくしている。

また、計時手段１０で求めた繰り返し計測に要した伝搬時間のうち、第１振動子５を発信側、第２振動子６を受信側とした場合の値、すなわちＴ１を伝搬時間記憶手段２２にＴ１pとして記憶し、流量演算手段１１で求めた流量値Ｑは流量記憶手段２３にQpとして記憶される。

更に、切替手段１９では、次の計測時には伝搬時間記憶手段２２で記憶した時と同一方向、すなわち第１振動子５を発信側、第２振動子６を受信側として、計時手段１０で計測を行う。

この時求めた計測値が伝搬時間記憶手段２２で記憶した値Ｔ１pと比較する。この時、両者が等しければ、送受信を切り替えた時の計測値Ｔ２も等しいものと判断して、切替制御手段１９は、振動子の発信受信の切り替え、すなわち第２振動子６からの発信動作を停止し、流量記憶手段２３で記憶した流量値を瞬時流量として積算手段２５へ出力する。

一方、計時手段１０で求めた値と伝搬時間記憶手段２２で記憶した値が異なっていれば、通常通り第2振動子６からの発信動作と、計時手段１０での計測動作を行い（６）式にしたがって流量を求めている。

以上のように、第１振動子を発信側とした場合の計時値を前回の値と比較し、変化がない場合、すなわち、流量が一定で安定している場合には、第２振動子を発信側とした計測動作を省略して流量値を求めている。

したがって、精度を維持しつつ、省電力を実現できる。

なお、本参考実施例では、第１振動子５から信号発信した場合の値を比較する構成としているが、第２振動子６から発振した場合の値を比較する構成としても同等の効果が得られる。

また、繰り返し手段２０、繰り返し設定手段２１を用いて、一方向からの超音波送信を複数回繰り返す構成としているが、１回のみの場合でも同等の効果が得られる。

（参考実施例４）
図９は参考実施例４を示し、図１、図８と同作用を行う構成部分には同一符号を付し、具体的な説明は参考実施例１、３のものを援用する。

本参考実施例４において、参考実施例３と異なる点は、計時手段１０の求めた値Ｔ１と伝搬時間記憶手段２２の記憶している値Ｔ１pの差ΔＴを求める時間差演算手段２６を備えている点、時間差演算手段２６の出力ΔＴが所定値以内であれば、判定手段２７が第２振動子６からの発信動作を省略するとともに、第２流量演算手段２８が計時手段１０の計測値T１と伝搬時間記憶手段２２で記憶した値Ｔ１pおよび、流量記憶手段２３に記憶された流量Ｑpとにより流量を求めている点である。

次に動作、作用を説明する。（４）式を変形して
ｖ＝ｎ・L／ＣＯＳθ・（１／Ｔ１−ｃ） （７）
ここで、繰り返し回数ｎが一定であれば、ｎ・Ｌ／ＣＯＳθは定数となる。これをＭとおいて（７）式を変形すると、
ｖ＝Ｍ・（１／Ｔ１−ｃ） （８）
ｃは温度の影響を受けるが、計測インターバルが短かければ不変と考えられるので、１／Ｔ１の変化量Δ（１／Ｔ１）が求まれば、流速ｖの変化量Δｖは
Δｖ＝Ｍ・Δ（１／Ｔ１） （９）
（９）式で求められる。この時、流量をＱ、前回求めた流量をＱp、流速をvpとすると
Q＝K・S・ｖ＝K・S・（ｖp＋Δｖ） （１０）
ここで、補正係数Kは温度、流量などに依存する関数となるが、計測インターバルが短い、T１の変化量が小さい、すなわち流速、流量の変化も小さいと仮定すれば、vpおよび、vp＋Δｖの範囲では一定と考えられるので、
Q＝Qp＋K・S・Δｖ＝Qｐ＋K・S・M・Δ（１／Ｔ１） （１１）
となる。

（１１）式でＳとＭは既知、また、補正係数KもQｐを求めた時と同様の値を用いれば良い。

更に、Qpは流量記憶手段２３に記憶されており、ΔＴ１も計時手段１０の計時値と、伝搬時間記憶手段２２で記憶した値Ｔ１pを用いて容易に導き出せる。判定手段２７は、Ｔ１とＴ１pとの時間差が所定範囲内かいなかを判定し、時間差が小さければ、第２振動子６からの発信動作を省略し、式（１１）を用いて流量を求めている。

一方、Ｔ１とＴ１pとの差が所定値を越えていれば、通常通り、第２振動子６からの発信動作を行った後に流量演算手段１１を用いて流量を求めている。

以上のように、第１振動子を発信側とした場合の計時値を前回の値と比較し、変化が小さい場合、すなわち、流量比較的安定している場合には、第２振動子を発信側とした計測動作を省略して流量値を求めている。

したがって、精度を維持しつつ、省電力を実現できる。

なお、本参考実施例では、第１振動子５から信号発信した場合の値を比較する構成としているが、第２振動子６から発振した場合の値を比較する構成としても同等の効果が得られる。また、繰り返し手段２０、繰り返し設定手段２１を用いて、一方向からの超音波送信を複数回繰り返す構成としているが、１回のみの場合でも同等の効果が得られる。

以上説明した参考実施例をふまえ以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

（実施例１）
図５は本発明の実施例１を示し、図１と同作用を行う構成部分には同一符号を付し、具体的な説明は参考実施例１のものを援用する。

実施例１において、参考実施例１と異なる点は、計測周期設定手段１３が流量演算手段１１と変化量演算手段１２の出力によりトリガ手段１４の動作周期を設定している点であり、更に、流量演算手段１１の出力が小さければ基準周期を大と定める基準周期周期設定手段１６と、変化量演算手段１２の出力が小さければ基準周期設定手段１６の定めた基準周期に対する遅延時間を大とする遅延時間設定手段１７と、基準周期設定手段１６の定めた基準周期と遅延時間設定手段１７の定めた遅延時間の和を計測周期として設定する補正周期設定手段１８とを備えている点である。

次に動作、作用を説明する。

積算流量を求める際には、大流量時の検出誤差がトータルの誤差に及ぼす影響が大きいので、流量が大きくなるにしたがって計測頻度を高める必要があるため、基準周期設定１６では図６に示す如く、流量に対する計測の基準周期を設定する。

一方、流量が比較的安定している場合には、計測周期を基準周期に対して間引いても、全体としての計測精度に対する影響は小さい。

逆に、流量が変動している時にはきめ細かく計測する必要がある。そこで、図７に示す如く、遅延時間設定手段１７では、流量変化量の絶対値が大きくなるにしたがって、基準周期に対する遅延時間を小としている。

その結果、大型給湯器の様にガス消費量が大きく、燃焼量制御を細かく行う様な機器を使用している場合には、計測周期は小さくなり、ガスの使用を停止している時や種火を使っている場合には計測周期を大きくなる。

以上のように、下流側の機器の使用状況に応じて、よりきめ細やかに計測周期を制御できる。

なお、本実施例では、遅延時間は絶対時間としているが、基準流量に対する割合で規定しても同様の効果が得られる。

以上のように、本発明にかかる流量計測装置は、精度を維持しつつ、省電力化を実現できるものであり、ガスなどの気体流体用から、水などの液体流体用まで広く利用できるものである。

本発明の参考実施例１における流量計測装置のブロック図 同装置の特性図 本発明の参考実施例２における流量計測装置のブロック図 同装置の特性図 本発明の実施例１における流量計測装置のブロック図 同装置における基準周期設定手段の特性図 同装置における遅延時間設定手段の特性図 本発明の参考実施例３における流量計測装置のブロック図 本発明の参考実施例４における流量計測装置のブロック図 従来の流量計測装置のブロック図

符号の説明

４ 流体管路
５ 第１超音波振動子
６ 第超音波２振動子
７ 流量演算手段
１０ 計時手段
１１ 流量演算手段
１２ 変化量演算手段
１３ 計測周期設定手段
１４ トリガ手段
１６ 基準周期設定手段
１７ 遅延時間設定手段
１８ 補正周期設定手段

Claims (1)

1. 流体管路に設けられた第１超音波振動子と、前記第１超音波振動子から発信された超音波信号を受信する第２超音波振動子と、前記第１、第２超音波振動子間の信号伝搬時間に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記流量演算手段で求めた流量の変化量を算出する変化量演算手段と、前記超音波振動子への発信受信を開始するトリガ手段と、前記流量演算手段と前記変化量演算手段の出力により前記トリガ手段の動作周期を設定する計測周期設定手段を備え、前記計測周期設定手段は前記流量演算手段の出力が小さければ基準周期を大とする基準周期設定手段と、前記変化量演算手段の出力が小さければ前記基準周期設定手段の定めた基準周期に対する遅延時間を大とする遅延時間設定手段と、前記基準周期設定手段の定めた基準周期と遅延時間設定手段の定めた遅延時間により計測周期を設定する補正周期設定手段とを備えた流量計測装置。

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