JP4906357B2 - 流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流体の通流方向への揺動に起因する計測流量の誤積算を防止した流量計に関する。

流体（ガス）の供給路に設けられて上記流体の供給量を計測する流量計は、専ら、流量センサを用いて瞬時流量を計測し、この計測流量を積算するように構成される。そして流量計にて計測された積算流量を流体の供給量として、いわゆる流体（ガス）の使用料としての課金が行われる。これ故、流量計においては流体の供給量を正確に計測することが極めて重要である。

ところで実際の流量計の設置現場においては、流体（ガス）を使用していないにも拘わらず、例えば通常流と同様に流体（ガス）が一方向に流れた後、逆方向に緩やかに押し戻されるという流体の揺動が生じることがある。このような流体の揺動は、他系統での流体（ガス）の使用状況によって流量計の前後における圧力バランスが崩れたり、或いは配管内温度分布の偏り等に起因して発生する。しかしながら流量計は、流量センサにて計測された瞬時流量を積算するように構成されているだけなので、揺動に伴って計測される流量が繰り返し積算されると言う不具合がある。

そこで従来においては、例えば流量計の前後に逆流防止弁を組み込む等の対策を講じているが、その構成が複雑化する上、製造コストが高くなると言う問題があった。また流体の揺動が生じる低流量域での計測流量の積算を禁止することも提唱されているが、逆に揺動がなく、その流量が微少な場合には流量計測を行わないので、却って計測誤差が増大すると言う問題がある。更には流体の通流の向きに応じて流量センサにて計測される瞬時流量を所定時間に亘って加算または減算し、その加算値が予め設定した閾値を超えるときにだけ上記加算値を全体の積算流量に加算し、また減算値が予め設定した閾値を超えるときにはその減算値をリセットすることも提唱されている（例えば特許文献１を参照）。
特開２００２−８１９７８号公報

しかしながら特許文献１に示される処理手法においては、所定の時間に亘って正逆に流れる微少な流量の変化を相殺するべく、流量センサにて計測される瞬時流量の累積加算値が予め設定した閾値を超えるまでその累積加算値を全体の積算流量に加算しないので、積算流量の最小計量単位（積算単位）が上記閾値によって規定されると言う問題がある。しかも前述した流体の揺動のように正逆の流量変動が大きく、しかもその変動の周期が長いような場合には、上述した閾値を或る程度大きく設定することが必要であり、益々その最小計量単位が大きくなる。しかも揺動の周期を見込んだ長い期間に亘って正逆の流量変動を相殺することが必要なので、流量の積算周期が長くなると言う不具合がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、流量計の前後における圧力バランスの崩れや、配管内温度分布の偏り等に起因して生じる流体の揺動の影響を受けることなく、簡易にして精度良く流量計測を行ってその積算流量を求めることのできる流量計を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る流量計は、
<ａ> 流体の通流路に設けられた流量センサであって、上記流体の正流および逆流の瞬時流量を計測可能な流量センサと、
<ｂ> この流量センサにて計測された瞬時流量を平滑化する平滑化手段と、
<ｃ> この平滑化手段にて求められた平滑化流量を積算して出力する積算カウンタと、
<ｄ> 前記平滑化流量を監視して前記流体の揺動の有無を判定する判定手段と、
<ｅ> この判定手段において揺動判定が行われている間、および揺動流であると判定されたとき前記積算カウンタに代わって前記平滑化流量を積算する補助カウンタと、
<ｆ> 前記判定手段において通常流であると判定されたとき、上記補助カウンタによる積算流量を前記積算カウンタに加算して該積算カウンタによる前記平滑化流量の積算を再開させる制御手段と
を備えたことを特徴としている。

好ましくは前記判定手段においては、前記平滑化流量から逆流が検出されたときに揺動ありと判定し、前記平滑化流量が予め定めた期間に亘って正流であることを示すとき、換言すれば所定期間に亘って逆流が検出されないとき、その状態を通常流であると判定するようにすれば良い。更には正流の前記平滑化流量が予め設定した閾値を超えたとき、直ちに通常流であると判定するようにすることも好ましい。

尚、前記補助カウンタについては、前記平滑化流量から逆流が検出される都度、その積算値がリセットするようにしておけば良い。また前記流量センサとしては、例えばヒータ素子を挟んで流体の通流方向に設けられた一対の感熱抵抗素子を備え、これらの感熱抵抗素子によりそれぞれ検出される温度の差から流体の質量流量とその通流方向とを求める熱式流量センサを用いるようにすれば良い。この場合、流量センサの機能としては、流体が逆流していることを検出し得るものであれば良く、必ずしも逆流の質量流量を精度良く求め得る機能（性能）を備える必要はない。

上述したように構成された流量計によれば、流量センサにて計測された瞬時流量を平滑化した平滑化流量から逆流が検出されたとき、これを流体の揺動として判定し、揺動が検出されるまでの間は流体が正方向に流れている通常流であると判定して前記流量センサにて計測された瞬時流量の平滑化流量を積算カウンタにて積算するので、流量センサにおける流量検出精度でその積算流量を高精度に求めることができる。

そして流体の揺動が検出されたときには、積算カウンタに代えて補助カウンタにより上記平滑化流量を積算し、通常流に戻ったことが確認されたときに上記補助カウンタにより積算された流量を前記積算カウンタに加えるので、流体の揺動に伴って繰り返し検出される正流の流量を多重に積算することがなくなる。特に逆流が検出される都度、上記補助カウンタをリセットするので、最終的にはその正流の成分を１回だけ積算することになるので、この補助カウンタによる積算値を積算カウンタに加えることで、流体の揺動期間に流れた正方向の流量を正確に加えてその積算流量を求めることが可能となる。

特に揺動検出を行っている期間に所定時間に亘って逆流が検出されないとき、また正方向の流量が急激に多くなったような場合、これを通常流として判定して直ちに前記積算カウンタによる平滑化流量の積算処理を再開するので、その本来の流量計測機能が損なわれることがない。故に正逆の流量変動の周期が長く、その変化が緩やかで変動量の大きい揺動が生じる場合であっても、その揺動に拘わることなく高精度な流量計測が可能となる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

即ち、本発明に係る流量計によれば流体の逆流から揺動が検出されたとき、揺動に伴う正流流量を補助カウンタを用いて積算すると共に、その揺動期間に逆流が検出されたときにはその積算値をリセットするので、結局、揺動が繰り返されたとしても上記補助カウンタは最新の正流流量の積算値だけを求めることになる。そして揺動が収まり、通常流となったときには上記補助カウンタの積算値を積算カウンタに加算するので、その揺動期間における正流流量を加えた常に正しい積算流量を求めることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る流量計について、いわゆるガスメータを例に説明する。
図１および図２はこの実施形態に係る流量計（ガスメータ）の概略構成を示すもので、図１はその一部を断面化して表した正面図、図２はその一部を断面化して表した側面図である。この流量計は、流体（ガス）の配管（図示せず）に結合される一対のフランジ継ぎ手管１１,１２の間に、その壁面に複数の熱式流量センサ１３を装着した流路管１４を連結して上記流体（ガス）の通流路を形成した流路ユニット１５を主体として構成される。この流路ユニット１５には、上記流路管１４を覆ってカバー体１６が装着され、このカバー体１６に箱形の流量計本体１７が装着されている。

この箱形の流量計本体１７は、例えばマイクロコンピュータを主体として構成されて前述した複数の熱式流量センサ１３を用いて前記流路ユニット１５を通流する流体（ガス）の流量を、更にはその積算流量を求める電子回路ユニット（図示せず）を内蔵したものである。またこの流量計本体１７の前面には上記電子回路ユニットにて求められた積算流量値等を表示する表示器１７ａや、表示切り替えスイッチ１７ｂ等が設けられている。更に流量計本体１７の側部には、その駆動源である電池ユニット１７ｃ、および信号線が接続される端子ボックス１７ｄが設けられている。

尚、前記流路ユニット１５（フランジ継ぎ手管１１）には、流体の入り口部に位置してゴミの進入を防止するフィルタ１８が設けられている。また一対のフランジ継ぎ手管１１,１２間に挟まれて一体化される前記流路管１４には、その管路中央に組み込まれた前記熱式流量センサ１３の上流側に位置して複数枚の整流用の金網１９とハニカム構造体２０が設けられ、またその下流側に位置して保護用の金網２１が設けられている。更に前記流路管１４には、流路ユニット１５を通流する流体の圧力を検出する圧力センサ２２と、該流体の温度を検出するサーミスタ２３とが設けられている。

ところで複数の熱式流量センサ１３は、例えば図３(ａ)(ｂ)に示すように基体（シリコンチップ）１３ａに形成された肉薄のダイヤフラム１３ｂ上に形成された白金（Ｐt）等からなる発熱素子（ヒータ）１３ｈと、この発熱素子１３ｈを間にして流体の通流方向に並べて設けられた一対の感温抵抗素子（温度センサ）１３ｕ,１３ｄとを備えたものからなる。上記肉薄のダイヤフラム１３ｂは、基体（シリコンチップ）１３ａに形成された凹状のキャビティ１３ｃの上面を、流体の通流方向Ｆと直交する向きに橋架して設けられたものであり、上述した発熱素子（ヒータ）１３ｈ、および一対の感温抵抗素子（温度センサ）１３ｕ,１３ｄを流体（ガス）の流れの中に位置付ける役割を担う。

このような素子構造を有する熱式流量センサ１３は、発熱素子（ヒータ）１３ｈの発熱に伴う周囲温度の分布がセンサ面に沿って流れる流体（ガス）によって変化し、上流側の温度に比較して下流側の温度が高くなること、そしてその温度分布が流体の流速（流量）によって変化することを利用して、上記一対の感温抵抗素子（温度センサ）１３ｕ,１３ｄのに抵抗値の変化としてそれぞれ計測される温度の差から上記流体の流速（流量）を求めるものである。尚、上記素子構造の流量センサ１３においては、感温抵抗素子（温度センサ）１３ｕにより検出される温度に比して感温抵抗素子１３ｄにより検出される温度が高い場合には、流体の流れが正流であると判定され、逆に感温抵抗素子１３ｕにより検出される温度の方が高い場合には、流体が逆流していると判断される。

この流量計においてはこのような熱式流量センサ１３として、高速流領域計測用の２つの流量センサ（高速流量センサ）１３ＨＡ,１３ＨＢ、および低速流領域計測用の２つの流量センサ（低速流量センサ）１３ＬＡ,１３ＬＢを備えている。そしてこれらの流量センサ１３ＨＡ,１３ＨＢ,１３ＬＡ,１３ＬＢは、計測流量域を同じくするもの同士を互いに向かい合わせて、図２に示すように流路管１４の壁面に対角配置されている。

ちなみに高速流量センサ１３ＨＡ,１３ＨＢは、低速流量センサ１３ＬＡ,１３ＬＢに比較して前述した発熱素子（ヒータ）１３ｈの発熱量を多くし、低速流量域での計測精度を多少犠牲にしてその計測流量域を高速流量域まで拡大したものであり、これに対して低速流量センサ１３ＬＡ,１３ＬＢは、高速流量センサ１３ＨＡ,１３ＨＢに比較して低速流量域での検出感度を高くしたものである。そしてこれらの２種類の流量センサ１３ＨＡ,１３ＨＢ,１３ＬＡ,１３ＬＢは、例えば図４に示すように予め設定された２つの流量閾値ＱＨ,ＱＬを切り替え点とし、流体の流量に応じてヒステリシス的に切り替え制御されてその流量計測に供せられる。

さて基本的には上述した如く構成された流量計において、この発明が特徴とするところは、基本的には図５に示すように流量センサ１３の出力からその瞬時流量を計測する瞬時流量計測部３１と、計測された瞬時流量を平滑化する瞬時流量平滑化部３２とを備える。この瞬時流量平滑化部３２は、図６に示すような計測周期に起因する短周期の脈動や、流体弁の全閉時における反動に起因する逆流等のような外乱成分を除去し、その長期的な変動成分だけを揺動成分として抽出する処理からなる。この平滑化処理は、例えば前記瞬時流量計測部３１にて所定の計測周期毎に求められる瞬時流量の移動平均を求めることによってなされる。

そして揺動判定部３３は、上述した如く求められた平滑化流量から、その逆流成分を検出することで揺動の発生を検出し、また揺動の検出後は予め設定した期間に亘って正流が継続するか否か、更には予め設定した閾値以上の正流の流量が検出されるか否かを監視することで、通常流への復帰を検出している。特に揺動判定部３３は、流量センサ１３を介して流体の流れが通常流であると判定している期間には、前述した平滑化流量をそのまま積算カウンタ部３４に出力することで、該積算カウンタ部３４にて平滑化流量の積算値（積算流量）を求めるように制御している。

また揺動判定部３３は揺動が検出されたとき、前記平滑化流量の積算カウンタ部３４への出力を停止すると共に、補助カウンタ３５を用いて上記平滑化流量を積算するように制御している。特に揺動判定部３３は逆流が検出される都度、補助カウンタ３５をリセット（クリア）すると共に、前述した如く通常流への復帰が検出されたとき、補助カウンタ３５にて積算された流量を前記積算カウンタ３４に加算した後、前述した平滑化流量の積算カウンタ３４による積算処理を再開させるものとなっている。

この揺動判定部３３による揺動判定処理と、揺動期間における補助カウンタ２５を用いた流量検出処理について今少し詳しく説明すると、例えば図７に示す概略的な処理手順に従ってその処理が実行される。即ち、瞬時流量計測部３１にて流量センサ１３の出力から瞬時流量Ｑｘが検出されると［ステップＳ１］、瞬時流量平滑化部３２にてその平滑化処理が行われて短期の変動成分が除去され、流量の長い周期に亘る変動成分が求められる［ステップＳ２］。すると揺動判定部３３では、先ず平滑化された流量Ｑｘが零（０）または正であるかを判定することで、逆流が生じているかを判定する［ステップＳ３］。そして逆流が発生していない場合には、流体の流れが通常流であることを示す通常流フラグＦがオンであるか否かを判定し［ステップＳ４］、通常流であることを確認して前述した積算カウンタ３４にて上記流量Ｑｘを積算する［ステップＳ５］。

これに対して流体（ガス）の供給が停止され、図８(ａ)にタイミングｔ１として示すように平滑化された流量Ｑｘが負となった場合、流体（ガス）が逆流していることが示されるので、これを揺動が生じたと判定する［ステップＳ４］。この場合には、揺動時における正流の継続時間を監視するためのタイマｔを零（０）にクリアすると共に［ステップＳ６］、前述した補助カウンタ３５を零（０）にクリアする［ステップＳ７］。更に前記フラグＦをオフにして［ステップＳ８］、次の計測タイミングでの瞬時流量の入力に備える。そして瞬時流量Ｑｘが零（０）または正となるまで上述した処理を繰り返す。

しかる後、瞬時流量Ｑｘが零（０）または正となり、正方向に流れる流量（正流）が検出された場合には、前述したフラグＦがオンであるか否かを判定する［ステップＳ４］。そしてフラグＦがオフであり、後述するように通常流への復帰が検出されない場合には、通常流への復帰判定中であり、未だに揺動中であると判定してそのときに検出される流量Ｑｘを補助カウンタ３５にて積算する［ステップＳ９］。その後、前述したタイマｔにより計時された時間が予め設定した時間ΔＴを超えたか否かを、つまり流体（ガス）が正方向に流れている継続時間が、上記設定時間ΔＴを超えたか否かを判定する［ステップＳ１０］。また流体が正方向に流れている継続時間が設定時間ΔＴに満たない場合には、前記流量Ｑｘが予め設定した閾値ＴＨを超えて急激に増大しているか否かを判定する［ステップＳ１１］。これらの２種類の判定により、上述した揺動状態から通常流への復帰が判定される。

そして流体の揺動状態が継続している場合には、正方向の微少な流量Ｑｘが検出される都度、その流量Ｑｘを補助カウンタ３５により積算する［ステップＳ９］。またこのような通常流への復帰判定期間において逆流が検出された場合には、図７(ｂ)に示すように上記補助カウンタ３５による積算値をリセット（クリア）し、同時にタイマｔもクリアする［ステップＳ６,Ｓ７］。従ってフラグＦもオフの状態に維持され、このフラグＦがオフに維持されている限り上述した処理が繰り返し実行されて、正流が継続している期間における流量Ｑｘが補助カウンタ３５により積算される。

ところで上述した通常流の判定期間において流体が正方向に流れている継続時間が設定時間ΔＴを超えたとき［ステップＳ１０］、或いは流量Ｑｘが予め設定した閾値ＴＨを超えて場合［ステップＳ１１］、流体の揺動がなくなって通常流に復帰したと判定され、前述したフラグＦがオンに設定される［ステップＳ１２］。そしてこの場合には、先ず、前記補助カウンタ３５により積算されている正方向に流れた流体の流量Ｑｘの積算値Ｍｘを前記積算カウンタ３４に加算し［ステップＳ１３］、これによって通常流の判定期間（揺動期間）に流れた流量をその積算流量値に加える。しかる後、現時点で計測されている流量Ｑｘの前記積算カウンタ３４による積算を再開し［ステップＳ５］、以降、前述した処理手順を繰り返し実行する。

かくして上述した如くして揺動時における流量を補助カウンタ３５を用いて積算し、通常流に戻ったときに上記補助カウンタ３５による積算流量を積算カウンタ３４に加算して該積算カウンタ３４による流量Ｑｘの積算を再開する機能を備えた流量計によれば、基本的に揺動が検出されたときにだけ補助カウンタ３５を用いてその揺動期間に正方向に流れる流体の流量を計測し、通常流の場合には流量センサ１３にて求められた流量（平滑化した流量）Ｑｘをそのまま積算するので、流量センサ１３の計測精度に応じた精度でその積算流量を求めることができる。

また揺動時には、逆流が検出される都度、補助カウンタ３５をクリアしながら該補助カウンタ３５にてその継続的な正流の流量を積算するので、揺動が繰り返される場合であっても最新の正流の積算流量だけを求めることができる。即ち、流体の揺動に伴う逆流が生じたとき、それまでに積算した流量をクリアするので、その逆流分を確実に打ち消して実質的に正方向に流れた流体の流量だけを計測することができる。そしてこの補助カウンタ３５による積算流量を積算カウンタ３５に加えるので、図８(ｃ)に示すように積算カウンタ３５による流量積算を休止している期間に流れた流量をその積算流量に確実に足し込むことができる。

しかも揺動判定部３３においては、微少ながらも正方向に流体が継続してながれている場合には、これを通常流として判定して積算カウンタ３４による流量積算を再開させ、また正方向の流量が急激に大きくなったような場合には、これを流体（ガス）の供給開始に伴う通常流の開始と判定して前記積算カウンタ３４による流量積算を再開させるので、速やかに通常の流量積算動作に戻すことができる。従って流量計が持つ本来の機能を損なうことなしに、バルブを閉めたときに生じる揺動の影響を回避することが可能となる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば前述したように２つの高速用流量センサ１３ＨＡ,ＨＢと、２つの低速用流量センサ１３ＬＡ,ＬＢとを備える場合には、これら高速用各流量センサ１３ＨＡ,ＨＢ、低速用流量センサ１３ＬＡ,ＬＢの出力の平均値を瞬時流量Ｑｘとして検出し、その流量差が大きい場合には、適宜劣化判定を行って信頼性の高い流量値を瞬時流量Ｑｘとして採用するようにすれば良い。また高速用各流量センサ１３ＨＡ,ＨＢにて流量計測を行っている場合は通常流として判定し、低速用流量センサ１３ＬＡ,ＬＢを用いて流量計測を行っている場合にのみ、上述した揺動検出を行うように制御することも可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る流量計の概略構成を、その一部を断面図として表した正面図。 図１に示す流量計の一部を断面図として表した側面図。 流量計に組み込まれる流量センサの概略構造を示す図。 高速流量センサと低速流量センサの動作特性と、その計測流量域の切り替え制御例を示す図。 本発明の一実施形態に係る流量計が備える流量積算機能の概略構成を示す図。 揺動時に流量センサにより検出される脈流を含む流量の変化とその平滑化流量との関係を示す図。 図５に示す流量計における流量積算処理手順の一例を示す図。 図５に示す流量計の動作を示す図で、流量の変化に対する補助カウンタおよび積算カウンタの積算動作状態を示す図。

符号の説明

１３ 流量センサ
１５ 流路ユニット
１７ 流量計本体
３１ 瞬時流量計測部
３２ 瞬時流量平滑化部
３３ 揺動判定部
３４ 積算カウンタ部
３５ 補助カウンタ部

Claims (5)

1. 流体の通流路に設けられた流量センサであって、上記流体の正流および逆流の瞬時流量を計測可能な流量センサと、
   この流量センサにて計測された瞬時流量を平滑化する平滑化手段と、
   この平滑化手段にて求められた平滑化流量を積算して出力する積算カウンタと、
   前記平滑化流量を監視して前記流体の揺動の有無を判定する判定手段と、
   この判定手段において揺動判定が行われている間、および揺動流であると判定されたとき前記積算カウンタに代わって前記平滑化流量を積算する補助カウンタと、
   前記判定手段において通常流であると判定されたとき、上記補助カウンタによる積算流量を前記積算カウンタに加算して該積算カウンタによる前記平滑化流量の積算を再開させる制御手段と
   を具備したことを特徴とする流量計。
2. 前記判定手段は、前記平滑化流量から逆流が検出されたときに揺動ありと判定し、前記平滑化流量が予め定めた期間に亘って正流であることを示すときに通常流であると判定するものである請求項１に記載の流量計。
3. 前記判定手段は、前記平滑化流量から逆流が検出されたときに揺動ありと判定し、正流の前記平滑化流量が予め設定した閾値を超えたときには、直ちに通常流であると判定するものである請求項１に記載の流量計。
4. 前記補助カウンタは、前記平滑化流量から逆流が検出される都度、その積算値がリセットされるものである請求項１に記載の流量計。
5. 前記流量センサは、ヒータ素子を挟んで流体の通流方向に設けられた一対の感熱抵抗素子を備え、これらの感熱抵抗素子によりそれぞれ検出される温度の差から流体の質量流量とその通流方向とを求める熱式流量センサである請求項１に記載の流量計。

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