JP5239876B2 - 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としては、図５に示すようなものがあった。これは、発信から受信を繰り返し手段１６によって繰り返し、繰り返し設定手段１５で設定された回数だけ繰り返しを行う。さらに発振と受信の切換えを切換手段１７で行った後、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４から超音波が発生し、この超音波を第２振動子５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１６で再びトリガ手段１３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１５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１７により第１振動子４と第２振動子５の発信受信を逆に接続し、今度は第２振動子５から第１振動子４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で流量値を演算していた（例えば特許文献１参照）。

ここで、静止流体中の音速をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れに対して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。第１振動子４と第２振動子５の間の距離をＬ、超音波伝搬軸と管路の中心軸とがなす角度をφ、繰り返し回数をｎとすると、順方向の繰り返し時間Ｔ１と逆方向の繰り返し時間Ｔ２はそれぞれ、
Ｔ１＝ｎ×Ｌ／（ｃ＋ｖ×ｃｏｓφ）
Ｔ２＝ｎ×Ｌ／（ｃ−ｖ×ｃｏｓφ）
となり、これらより、流速ｖは、
ｖ＝ｎ×Ｌ／（２×ｃｏｓφ）×（１／Ｔ１−１／Ｔ２）
となり、Ｌとφが既知であればＴ１とＴ２を測定することにより流速ｖを求めることができる。

このような方法をシングアラウンド方式と呼ぶが、これを図６を用いて説明する。図６はシングアラウンド方式を説明する波形図で、同図（ａ）は従来の超音波流量計の第１振動子を駆動するための駆動パルスの波形図、同図（ｂ）は従来の超音波流量計の第２振動子の受信波形図、同図（ｃ）は従来の超音波流量計の伝搬時間を計測するためのクロックの波形図である。駆動パルスＰ１と同時にクロックは動作を始める。駆動パルスＰ１から超音波の伝搬時間ＴＴ１後に受信され、受信から時間ＴＤ後に再び、駆動パルスＰ２が出る。このような動作をｎ回繰り返し、駆動パルスＰ１からｎ回目の受信波形までのクロックの数ＮＣをカウントする。クロックの周期をＴＳとすると、Ｔ１は、
Ｔ１＝ＴＳ×ＮＣ＝（ＴＴ１＋ＴＴ２＋・・・ＴＴｎ）＋（ｎ−１）×ＴＤ
となり、平均の伝搬時間ＴＴは、
ＴＴ＝（ＴＴ１＋ＴＴ２＋・・・ＴＴｎ）／ｎ
＝ＮＣ×（ＴＳ／ｎ）−（ｎ−１）×（ＴＤ／ｎ）
となる。なおこれはＴＳをｎで割っているので、見かけの分解能（クロック周期）はＴＳのｎ分の１になり、シングアラウンド方式を用いれば分解能が向上することになる。

同様にして、反対方向の平均の伝搬時間ＴＲを、第２振動子５を駆動して第１振動子４で受信することで求める。このようにＴＴとＴＲを求めることで流量データが一つ求められるが、この一連の動作の単位をパケットと呼ぶことにする。

流量の無い場合、ＴＴ＝ＴＲ＝２００μｓｅｃ、ＴＤ＝２００μｓｅｃ、シングアラウンドの回数ｎ＝５回とすると、１パケット当たりの時間ＴＰは、およそ４ｍｓｅｃの時間を要する。

ここで、シングアラウンドを繰り返し、流量変動を相殺した上で流量計測値を求める（分散サンプリング）ことができ、実際の計測では、各パケット間にインターバル時間を設け、脈動下での計測精度を上げるような計測を行っていた（例えば特許文献２参照）。

例えば上記の例で１パケット当たりの時間ＴＰ＝５ｍｓｅｃ、インターバル時間Ｔｉ＝３ｍｓ、パケット数ｍ＝６４とすると、計測時間はおよそ４５０ｍｓとなる。

また、従来の流量計測装置、とりわけガスメータとして用いられる流量計測装置では、計測時間が短いことを利用し、ガス器具判定装置としたものがあった（例えば特許文献３参照）。

これは、燃焼制御に伴って発生する一連のガス流量パターンを分割した部分流量パターンを制御ステップ毎に分類した流量パターンテーブルと、複数種類のガス器具とそれに対応する前記部分流量パターンの組合せとを対応付けた器具テーブルと、前記ガス流量パターンとマッチングする部分流量パターンテーブルから抽出し、当該抽出された部分流量パターンの組合せとマッチングするガス器具を、前記器具テーブルから抽出する器具判定手段を特徴としている。

また、ガスメータとして用いられる流量計測装置は、家庭用に用いられるものは電池で動作し、１０年間は電池交換不要という仕様のものが求められる。電池はリチウム電池を用い、サイズはおよそ単２サイズに近いもので、５本程度用いられる。このように電池駆動とするために、流量測定に要する電力は様々な工夫で省電力化が行われている。
特開平８−１２２１１７号公報 特開２００３−３４４１２４号公報 特開２００３−１４９０２７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、部分流量パターンの器具テーブルを持つ方法は、器具の流量パターンは非常に多様であるため、器具テーブルは膨大になる。また、膨大なパターンからマッチングしたパターンを選択することを迅速に行うためには、その手段が複雑かつ大規模な電子回路となる課題がある。

また、器具の使用開始時点で短時間で流量が変化するような特徴、例えばファンヒータの緩点火などは流量計測装置が計測するタイミングと、器具の使用開始タイミングのずれにより、特徴が捉えなれない可能性が大きい、といった課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、流量計測精度を落とすことなく、器具判別に必要な器具の特徴を捉えることができるように、計測間隔を短くする構成とするとともに、電力増を押さえる構成とした流量計測装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、流体管路の流れ方向に沿って離して設けられ超音波信号を発信受信する第１振動子及び第２振動子と、第１、第２
振動子の発信受信を切換えて超音波信号の伝搬方向を上流から下流（正方向）または下流から上流（逆方向）に設定する切換手段と、第１、第２振動子間相互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繰り返し設定手段と、前記繰り返し設定手段による複数回の繰り返しに要した超音波信号の伝搬時間を正方向と逆方向でそれぞれ求める計時手段と、計時手段からの伝搬時間を正方向と逆方向でそれぞれ加算する伝搬時間加算手段と、計時手段からの伝搬時間あるいは伝搬時間加算手段からの伝搬時間に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、流量演算手段は、所定時間毎に計時手段で求めた正方向と逆方向の伝搬時間に基づいて流量を算出し、算出した流量を第１流量格納手段に格納するとともに、所定時間が所定回数経過する毎に伝搬時間加算手段で求めた正方向と逆方向の伝搬時間に基づいて流量を算出し、算出した流量を第２流量格納手段に格納する構成としたものである。

本発明の流量計測装置によれば、従来と同等の計測回数を分割して計測することで、計測回数を増やすことなく従来と同等の計測精度を確保しつつ、計測間隔を短くできるとともに、電力増を押さえることができる。

第１の発明は、流体管路の流れ方向に沿って離して設けられ超音波信号を発信受信する第１振動子及び第２振動子と、第１、第２振動子の発信受信を切換えて超音波信号の伝搬方向を上流から下流（正方向）または下流から上流（逆方向）に設定する切換手段と、第１、第２振動子間相互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繰り返し設定手段と、前記繰り返し設定手段による複数回の繰り返しに要した超音波信号の伝搬時間を正方向と逆方向でそれぞれ求める計時手段と、計時手段からの伝搬時間を正方向と逆方向でそれぞれ加算する伝搬時間加算手段と、計時手段からの伝搬時間あるいは伝搬時間加算手段からの伝搬時間に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、流量演算手段は、所定時間毎に計時手段で求めた正方向と逆方向の伝搬時間に基づいて流量を算出し、算出した流量を第１流量格納手段に格納するとともに、所定時間が所定回数経過する毎に伝搬時間加算手段で求めた正方向と逆方向の伝搬時間に基づいて流量を算出し、算出した流量を第２流量格納手段に格納する構成としたものである。

これによって、従来と同等の計測回数を分割して計測することで、計測回数を増やすことなく計測間隔を短くできるため、第１流量格納手段に格納した流量を用いることで器具判別等の判定に使用でき、短時間で変化するような器具の特徴も的確に捉えることができ、また、第２流量格納手段に格納した流量を用いることで、保安等の精度の必要な計測は従来と同等の精度を確保することができる。

また、計測回数を分割して計測することで、従来よりも流動変動の相殺効果が向上できるとともに、計測回数は従来と変わらないことから、電力増を押さえることができる。

第２の発明は、第１の発明に記載の流量計測装置の全てもしくは一部として、コンピュータを機能させるプログラムである。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プログラムの少なくとも一部を容易に実現できる。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。

本発明は、第１の発明の要部を実施の形態とすることにより本発明の目的を達成できるので、請求項に対応する実施の形態の詳細を、以下に図面を参照しながら説明し、本発明を実施するための最良の形態の説明とする。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、実施の形態の説明において、同一構成並びに同一作用効果を奏するところには、同一符号を付して重複した説明を行わないものとする。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における流量計測装置のブロック図である。

図１において、流体管路の途中に超音波を発信する第１振動子４と受信する第２振動子５を流れ方向に配置されている。発信回路７は第１振動子４への発信を、増幅回路８は第
２振動子５で受信した信号の増幅を行うもので、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で求める。繰り返し設定手段１５により発信から受信を繰り返す回数を設定し、発信から受信を繰り返し手段１６によって繰り返し設定手段１５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１７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４から超音波が発生し、この超音波を第２振動子５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１６で再びトリガ手段１３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１５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１７により第１振動子４と第２振動子５の発信受信を逆に接続し、今度は第２振動子から第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る。１８は計時手段１０で求められた超音波伝搬時間を加算する伝搬時間加算手段で、計時手段１０で求められた超音波伝搬時間あるいは伝搬時間加算手段１８で加算された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、計時手段１０で求められた超音波伝搬時間から算出された流量値は第１流量格納手段１９に格納され、伝搬時間加算手段１８で加算された超音波伝搬時間から算出された流量値は第２流量格納手段２０に格納される。

以上のように構成された流量計測装置について、以下流量計測時の処理に関して、その動作について説明する。

図２は本発明の実施の形態１における流量計測装置の流量計測時の処理を示すフローチャートである。図２において、ステップ（以下、Ｓと表示する）１で、計測タイミングであるかどうか判定し、計測タイミングであった場合は、Ｓ２で第１振動子４より発信し、正方向の伝搬時間をカウントする（Ｓ３）。Ｓ４では、所定の繰り返し回数が終了したかどうか判定し、終了した場合はＳ５へ進み、終了していない場合はＳ２へ進み、終了するまでＳ２からＳ３を繰り返す。Ｓ５では、第２振動子５より発信し、逆方向の伝搬時間をカウントする（Ｓ６）。Ｓ７では、所定の繰り返し回数が終了したかどうか判定し、終了した場合はＳ８へ進み、終了していない場合はＳ５へ進み、終了するまでＳ５からＳ６を繰り返す。Ｓ８ではインターバル時間をカウントし、インターバル時間経過後にＳ９でパケット回数が終了したかどうか判定し、パケット回数が終了した場合はＳ１０へ進み、終了していない場合はＳ２へ進み、パケット回数が終了するまでＳ２からＳ８を繰り返す。Ｓ１０では、Ｓ３でカウントした正方向伝搬時間およびＳ６でカウントした逆方向伝搬時間を伝搬時間加算手段１８へそれぞれ加算し、Ｓ１１では流量演算手段１１でＳ３でカウントした正方向伝搬時間およびＳ６でカウントした逆方向伝搬時間に基づき流量を算出し、算出した流量を第１流量格納手段１９へ格納する（Ｓ１２）。Ｓ１３では第２流量算出タイミングであるかどうか判定し、第２流量算出タイミングであった場合は、伝搬時間格納手段１８で加算された正方向伝搬時間および逆方向伝搬時間に基づき流量を算出し（Ｓ１４）、算出した流量を第２流量格納手段２０へ格納する（Ｓ１５）。Ｓ１６では次の計測に備えて伝搬時間加算手段１８をクリアする。

以上の処理をおこなうことにより、例えば、従来方式で計測間隔２秒、計測時のパケット回数を６４回とした場合、本発明では第１流量算出４回毎に第２流量算出タイミングとすると、計測間隔は０．５秒、計測時のパケット回数を１６回とすることができ、計測間隔を短くすることができ、また、第２流量算出では４回分を加算して算出することにより、パケット回数６４回での算出と同等となる。

図３は、従来の計測による流量変動を示す流量波形図、図４は本発明の実施の形態１における計測による流量変動を示す流量波形図である。

図３において、三角で示した箇所は計測タイミングで、点で示した箇所は計測値を表す。計測タイミングで連続的に計測した場合の平均流量は、図で示したような波形の場合、流量の変動を相殺しきれないため、算出流量は本来の平均流量よりも大きくなる。本発明では計測回数を分割して計測間隔を短くすることにより、図４に示すように、流量変動を相殺し、算出流量はほぼ平均流量に等しくなることがわかる。

以上のように、本実施の形態においては、従来と同等の計測回数を分割して計測することで、計測回数を増やすことなく計測間隔を短くできるため、第１流量格納手段に格納した流量を用いることで器具判別等の判定に使用でき、短時間で変化するような器具の特徴も的確に捉えることができ、また、第２流量格納手段に格納した流量を用いることで、保安等の精度の必要な計測は従来と同等の精度を確保することができる。

また、計測回数を分割して計測することで、従来よりも流動変動の相殺効果が向上できるとともに、計測回数は従来と変わらないことから、電力増を押さえることができる。

なお、上記実施の形態においてはプログラムでマイクロコンピュータを機能させて制御フローを実行しているが、プログラムに代えハードを以って実行することも可能である。

以上のように、本発明にかかる流量計測装置は、従来と同等の計測回数を分割して計測することにより、計測回数を増やすことなく計測間隔を短くできることにより短時間で変化するような特徴も的確に捉えることができ、また、流動変動の相殺効果の向上、電力増を押さえることができることから、気体の流量計として家庭用・工業用ガスメータや、液体の流量計として水道メータ等の用途に対しても適用できる。

本発明の実施の形態１における流量計測装置のブロック図 本発明の実施の形態１における流量計測装置の流量計測時の処理を示すフローチャート 従来の計測による流量変動を示す流量波形図 本発明の実施の形態１における計測による流量変動を示す流量波形図 従来の流量計測装置を示すブロック図 （ａ）従来の超音波流量計の第１振動子を駆動するための駆動パルスの波形図、（ｂ）従来の超音波流量計の第２振動子の受信波形図、（ｃ）従来の超音波流量計の伝搬時間を計測するためのクロックの波形図

４ 第１振動子
５ 第２振動子
７ 発信回路
８ 増幅回路
９ 比較回路
１０ 計時手段
１１ 流量演算手段
１３ トリガ手段
１５ 繰り返し設定手段
１６ 繰り返し手段
１７ 切替手段
１８ 伝搬時間加算手段
１９ 第１流量格納手段
２０ 第２流量格納手段

Claims (2)

1. 流体管路の流れ方向に沿って離して設けられ超音波信号を発信受信する第１振動子及び第２振動子と、
   前記第１、第２振動子の発信受信を切換えて超音波信号の伝搬方向を上流から下流（正方向）または下流から上流（逆方向）に設定する切換手段と、
   前記第１、第２振動子間相互の超音波伝達を複数回行う繰り返し手段と、
   前記繰り返し手段の回数を設定する繰り返し設定手段と、
   前記繰り返し設定手段による複数回の繰り返しに要した超音波信号の伝搬時間を正方向と逆方向でそれぞれ求める計時手段と、
   前記計時手段からの伝搬時間を正方向と逆方向でそれぞれ加算する伝搬時間加算手段と、前記計時手段からの伝搬時間あるいは前記伝搬時間加算手段からの伝搬時間に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、
   前記流量演算手段は、
   所定時間毎に前記計時手段で求めた正方向と逆方向の伝搬時間に基づいて流量を算出し、算出した流量を第１流量格納手段に格納するとともに、
   前記所定時間が所定回数経過する毎に前記伝搬時間加算手段で求めた正方向と逆方向の伝搬時間に基づいて流量を算出し、算出した流量を第２流量格納手段に格納することを特徴とする流量計測装置。
2. 請求項１に記載の流量計測装置の全てもしくは一部として、コンピュータを機能させるプログラム。
   

Images