JP3945530B2 - 流量計測装置 - Google Patents

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、たとえば、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。

上記目的を達成するために本発明の流量計測装置は、流体管路に設けられた第１振動子と、前記第１振動子から発信された超音波信号を受信する第２振動子と、前記振動子間の信号伝幡時間を計測する計測回路と、前記計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記振動子による計測を開始する計測開始手段と、前記流量演算手段の値に基づいて前記計測開始手段の周期の平均値を変化させる平均周期可変手段と、ランダム値を発生する不規則値発生手段と、前記平均周期可変手段の信号に前記不規則値発生手段の信号を付加した周期可変手段とを備えたものである。

本発明の流量計測装置は、流量の変動があっても正確に計測することができる。

本発明の流量計測装置は、流体管路に設けられた第１振動子と、前記第１振動子から発信された超音波信号を受信する第２振動子と、前記振動子間の信号伝幡時間を計測する計測回路と、前記計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記振動子による計測を開始する計測開始手段と、前記流量演算手段の値に基づいて前記計測開始手段の周期の平均値を変化させる平均周期可変手段と、ランダム値を発生する不規則値発生手段と、前記平均周期可変手段の信号に前記不規則値発生手段の信号を付加した周期可変手段とを備えたものである。

以下本発明の実施例を説明する前に参考実施例について説明する。

（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への送信回路、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、前記送信回路７から前記計時手段１０まで計測回路１１を形成する。

前記計時手段１０による超音波伝幡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１２で流量値を求め、この流量演算手段１２の値によって周期可変手段１３で測定周期の変更を行ない、この周期可変手段１３の値に応じて計測開始手段１４により、送信回路７への信号送出のタイミングを調節する。また流量演算手段１２の演算終了を計測終了手段１５に送出し、この計測終了手段１５に同期して電圧制御手段１６で計測回路１１の電圧を低下させる。また計測開始手段１４による計測の開始と同期して計測回路１４の電圧を復帰させる。

次にその動作について述べる。計測開始手段１４から送信回路７よりバースト信号を送出され第１振動子５で発信された超音波信号は、流れの中を伝幡し第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搬速度は（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＋ｖＣＯＳφ） （１）
となり、（１）式より
ｖ＝（Ｌ／ｔ−ｃ）／ＣＯＳφ （２）
となり、Ｌとφ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＝ＫＳｖ （３）
となる。

例えばガスメータのように積算値を正確に求める場合には、計測は煩雑に行う必要がある。特に流量が大きいときには計測サンプリング時間を速くして誤差を小さくする必要があるが、流量が比較的小さいかあるいは０の場合には計測サンプリング時間を遅くしてもほとんど誤差にならない。

よって流量演算手段１２に応じて計測間隔を変更することができる。図２は流量が時間的に変化したときの計測の状態を示したもので、流量演算手段１２の値が小さいときには周期可変手段１３で計測時間の間隔を大きくし、流量演算手段１２の値が大きくなるにともなって計測時間の間隔を小さくする。

このように流量値によって計測の周期を変えるのであるが、計測と計測の間には計測回路１１の電圧を低減する。すなわち流量演算手段１２によって流量の計測を終了すると計測終了手段１５に信号を送出し、電圧制御手段１６で電圧を下げるかあるいは零にする。計測開始手段１４によって計測が始まる以前に電圧制御手段１６によって計測回路１１の電圧を元に復帰させる。

（参考実施例２）
図４は参考実施例２を示し、流量演算手段１２の値が零値のとき、零回数検出手段１９によって計測周期を周期可変手段１３で変更するもので、流量零の回数が連続して大きくなるに従い計測開始手段１４の測定周期を大きくするものである。

図５は流量の時間的な変化にともなって計測の時間間隔が変化している様子を示すものである。このとき流量零が長期に連続しても急に大きな流量が流れ出す場合もあるので、計測周期は極端に長くすることは避けるため上限を設定する。

（参考実施例３）
図６は参考実施例３を示し、流量演算手段１２の値を積算演算手段２０によって積算し１日や１ヶ月あるいは１年の積算値を求めるものであり、ガスメータなどに利用される。流量零が何回か続いて計測周期が大きくなった後、急に大きな流量が流れ始めたときの場合を図７に示す。

図７で流量零が何回か続いた後、実際にはａ〜ｂに示すような流量があったとしたとき、計測は時間Ｔ９のとき零を計測し、次の計測時間時間Ｔ１０の時には流量ｂを計測することになる。このとき積算演算手段２０に積算する方法として３種類がある。第１の方法として流量ｂの値に時間Ｔ１０−Ｔ９（以下△ｔ９という）の時間差を乗じた値を加算する方法であり、このとき実際の値より積算値は常に多く演算される。第２の方法として流量ａの値（零）に時間差△ｔ９を乗じた値を加算する、すなわち０を加算する方法であり、このとき実際の値より積算値は常に少なく演算される。第３の方法として流量ｂの値にある定数の値（０．１〜０．９）に時間差△ｔ９を乗じた値を加算する、定数が０．５のとき７図の流量ｂの半分の値に△ｔ９を乗じた値が加算される。すなわち流量ｃと流量ｂを結ぶ線が加算されることになる。

（参考実施例４）
図８は参考実施例４を示し、送信手段７から比較手段９までの超音波伝幡を繰り返し手段２１によって回数設定手段２２で設定された回数繰り返し、その累積時間を計時手段１０で計測する。そして流量演算手段１２の値が零値を連続して計測すると、その回数とともに周期可変手段１３で測定周期の値を変更するとともに、繰り返し回数を少なくして、すなわち振動子の送信の回数を少なくしたり計測時間を短くして低消費電力にした探索計測手段２３により流量値の概略を求める計測を行う。

このときの流量と計測時間の間隔を図９に示す。正確な流量を求めるＴ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の計測の間にＴ３’、Ｔ４’、Ｔ５’、Ｔ６’の時間に探索計測を行う。もし図８に示すように、Ｔ６’の探索計測で所定値以上の流量を検出すると次回の計測はＴ７、Ｔ８のように測定周期を小さくして計測を行う。

（参考実施例５）
図１０は参考実施例５を示し、流量演算手段１２の値によって周期可変手段１３で計測の周期を変えるとともに、流量演算手段１２の流量係数を係数設定手段２４で変更するものである。測定周期の変更によって電子回路や超音波振動子の動作する時間が変わり、それによって応答や感度が変わることを考慮して流量係数を補正するものである。

以上の参考実施例をふまえ以下本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

（実施例１）
図３において、流量演算手段１２の値によって計測周期の平均値を周期可変手段１７で変更し、さらにランダムな値を発生する信号を不規則値発生手段１８で発生させ、平均周期可変手段１７での値と周期可変手段１３で加算値し、計測開始手段１４への信号送出の周期を変化させる。このとき計測周期は流量値が一定であっても不規則値発生手段１８の信号により所定の範囲内で不規則に変化する。不規則値発生手段１８の値は平均すれば零になるように設定してある。

以上の参考実施例、および実施例の技術的意義を今一度総括すれば以下の通りである。

（１）流体管路に設けられた第１振動子と、第１振動子から送信された超音波信号を受信する第２振動子と、振動子間の信号伝幡時間を計測する計測回路と、計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、振動子による計測を開始する計測開始手段と、流量演算手段による流量計測の完了を報知する計測終了手段と、計測終了手段または計測開始手段によって計測回路の供給電圧を制御する電圧制御手段と、流量演算手段の値に基
づいて計測開始手段の周期を変化させる周期可変手段とを備えたので、流量値が大きいときには測定周期を短くして正確に測定でき、流量値が小さいときには測定周期を長くして消費電力を低減することができ、また間欠的な測定の間には回路の電圧を小さくまたは零にして消費電力の低減をはかることができ、電池寿命を長くすることができる。

（２）流体管路に設けられた第１振動子と、第１振動子から発信された超音波信号を受信する第２振動子と、振動子間の信号伝幡時間を計測する計測回路と、計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、振動子による計測を開始する計測開始手段と、流量演算手段の値に基づいて計測回路の周期の平均値を変化させる平均周期可変手段と、ランダム値を発生する不規則値発生手段と、前記平均周期可変手段の信号に前記不規則値発生手段の信号を付加した周期可変手段とを備えたので、流量値の周期的な変動に対しても測定周期が長くなっても高精度を保つことができる。

（３）流体管路に設けられた第１振動子と、第１振動子から発信された超音波信号を受信する第２振動子と、振動子間の信号伝幡時間を計測する計測回路と、計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、振動子による計測を開始する計測開始手段と、流量演算手段の零値の検出回数に応じて計測開始手段の周期を大きくする周期可変手段とを備えたので、流量値が零のときすなわち流体を使用していないときには測定周期を長くとれるので、家庭用ガスメータのように１日の使用時間が短いものでは消費電力を大幅に低減できる。

（４）流体管路に設けられた第１振動子と、第１振動子から発信された超音波信号を受信する第２振動子と、振動子間の信号伝幡時間を計測する計測回路と、計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、振動子による計測を開始する計測開始手段と、流量演算手段の零値の検出時に計測開始手段の周期を大きくする周期可変手段と、流量演算手段の流量値を積算するとともに、零値検出後に所定値以上の流量を検出したとき流量値に前回計測からの経過時間を乗じた値を加算する積算演算手段とを備えたので、計測周期が長くなったときに不意に流れ始めた流量値を多めに測定することになり、危険な流体の漏洩量を積算値を求める場合に安全側に作用する。

（５）流体管路に設けられた第１振動子と、第１振動子から発信された超音波信号を受信する第２振動子と、振動子間の信号伝幡時間を計測する計測回路と、前記計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、振動子による計測を開始する計測開始手段と、流量演算手段の零値を検出したとき計測開始手段の周期を大きくする周期可変手段と、流量演算手段の流量値を積算するとともに、連続の零値検出後に所定値以上の流量を検出したときこの流量値を加算しない積算演算手段とを備えたので、計測周期が長くなったときに不意に流れ始めた流量値を少なくに測定することになり、流量積算値を必要量以上必ず供給するような場合に安全側に作用する。

（６）流体管路に設けられた第１振動子と、第１振動子から発信された超音波信号を受信する第２振動子と、振動子間の信号伝幡時間を計測する計測回路と、計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、振動子による計測を開始する計測開始手段と、流量演算手段の零値を検出したとき計測開始手段の周期を大きくする周期可変手段と、流量演算手段の流量値を積算するとともに、連続の零値検出後に所定値以上の流量を検出したときこの流量値に所定係数を乗じて加算する積算演算手段とを備えたので、計測周期が長くなったときに不意に流れ始めた流量値を状況に応じて多くあるいは少なく積算することができ、また平均値をとれば長期的にはほぼ正確な積算値を得ることもできる。

（７）流体管路に設けられた第１振動子と、第１振動子から発信された超音波信号を受信する第２振動子と、振動子間の超音波伝達を複数回行う繰り返し手段と、繰り返し手段
の回数を設定する回数設定手段と、信号伝幡時間の累積時間を計測する計測回路と、計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、振動子による計測を開始する計測開始手段と、流量演算手段の零値の検出以降に計測開始手段の周期を大きくする周期可変手段と、計測周期の間に回数設定手段の値を小さくした探索計測手段を備えたので、計測周期が長い時に不意に大きな流量が流れても流体が流れ始めたことをわずかな電力消費で行うことができる。

（８）流体管路に設けられた第１振動子と、第１振動子から送信された超音波信号を受信する第２振動子と、振動子間の信号伝幡時間を計測する計測回路と、計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、振動子による計測を開始する計測開始手段と、流量演算手段の値に基づいて計測開始手段の周期を変化させる周期可変手段と、周期可変手段の値に応じて流量演算手段の係数を変える係数設定手段とを備えたので、測定周期が長くなって連続的に測定しているときよりも超音波振動子や回路の状態が変わることによる誤差に対して流量係数により補正することができる。

本発明の参考実施例１の流量計測装置の制御ブロック図 同装置の流量の時間的変化を示す特性図 本発明の実施例１の流量計測装置の制御ブロック図 本発明の参考実施例２の流量計測装置の制御ブロック図 同装置の流量の時間的変化を示す特性図 本発明の参考実施例３の流量計測装置の制御ブロック図 同装置の流量の時間的変化を示す特性図 本発明の参考実施例４の流量計測装置の制御ブロック図 同装置の流量の時間的変化を示す特性図 本発明の参考実施例５の流量計測装置の制御ブロック図 従来の流量計測装置の制御ブロック図

符号の説明

４ 流体管路
５ 第１振動子
６ 第２振動子
１０ 計時手段
１１ 計測回路
１２ 流量演算手段
１３ 周期可変手段
１４ 計測開始手段
１５ 計測終了手段
１６ 電圧制御手段
１７ 平均周期可変手段
１８ 不規則値発生手段
１９ 零回数検出手段
２０ 積算演算手段
２１ 繰り返し手段
２２ 回数設定手段
２３ 探索計測手段
２４ 係数設定手段

Claims (1)

1. 流体管路に設けられた第１振動子と、前記第１振動子から発信された超音波信号を受信する第２振動子と、前記振動子間の信号伝幡時間を計測する計測回路と、前記計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記振動子による計測を開始する計測開始手段と、前記流量演算手段の値に基づいて前記計測開始手段の周期の平均値を変化させる平均周期可変手段と、ランダム値を発生する不規則値発生手段と、前記平均周期可変手段の信号に前記不規則値発生手段の信号を付加した周期可変手段とを備えた流量計測装置。

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