JP2002323362A

JP2002323362A - 流量計測装置

Info

Publication number: JP2002323362A
Application number: JP2001127426A
Authority: JP
Inventors: Koichi Takemura; 晃一竹村; Osamu Eguchi; 修江口; Yukio Nagaoka; 行夫長岡
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2002-11-08
Anticipated expiration: 2021-04-25
Also published as: JP4759835B2

Abstract

(57)【要約】【課題】圧力変動の影響を受けない高精度の流量計測
を実現すること。【解決手段】流体の圧力変動を検出する脈動検出手段
１１の出力と比較基準値とを比較手段１２で比較し、そ
の出力変化点の間隔を基に、周期検出手段１３で圧力変
動周期を求める。そして、ばらつき検出手段１６で周期
ばらつきを求めて、ばらつきが大ならば、判定手段１７
が周期の少なくとも２回分の加算値を補正周期と定め、
その補正周期に応じて計測制御手段１８が、流量検出手
段としての第１振動子２および第２振動子３の動作時間
を制御する。従って、検出結果のばらつきを基に周期を
補正し、正確な圧力変動周期を捉えることにより、流量
計測のタイミングを最適化できるので、圧力変動の影響
を受けない高精度の流量計測が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体や気体の流量
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】従来のこの種の流量計測装置では、圧力
変動が発生した場合であっても正確な流量を求めるため
に様々な提案がなされており、例えば特開平１１−４４
５６３号公報に記載されているようなものがあった。図
４を用いてこの種の流量計測装置の動作について説明す
る。

【０００３】図４において、流体流路１に、流量検出手
段としての第１振動子２と第２振動子３が、流れの方向
に対向して取り付けられていて、流量計測手段１９がこ
れらふたつの振動子間で超音波の送受信を行い、その時
超音波伝搬に要した時間を用いて流量値を求めている。
このような構成においては、流路１の内部で圧力変動が
発生した場合にはその影響を受けて、流速が変化するた
め正確な流量値を求められない。そのため、圧力検出手
段１０が取り付けられており、圧力検出手段１０の出力
信号の交流成分が脈動計測手段１１に入力されるととも
に、比較手段１２で信号レベルのゼロクロス通過点が検
出され、これに同期して、流量計測手段１９の発停が制
御されている。この構成により、圧力周期に合わせて計
測時間を制御し、脈動時の正確な平均流量を求めること
が可能となっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の流量計測装置では、次のような課題があった。すなわ
ち、圧力信号波形は必ずしも、正弦波の様に単純な波形
ではなく、多くの場合は複数の周波数成分が合成された
複雑な波形となっていて、中には、圧力変動１周期の間
にゼロクロスを何度も発生するケースもあった。このよ
うな場合、ゼロクロス１回分と同期して計測しても、必
ずしも、圧力変動周期の流量を平均化したことにならな
いため、正確な平均流量が求められず、計測精度の点で
課題を有していた。

【０００５】本発明は、前記従来の課題を解決するもの
で、圧力変動周期を正確に捉えることにより、流量計測
のタイミングを最適化し、高精度の計測が可能な流量計
測装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】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、流体の流量を検出
する流量検出手段と、流体の圧力変動を検出する脈動検
出手段と、前記脈動検出手段の出力より脈動周期を計測
する周期検出手段と、前記周期検出手段で求めた周期の
ばらつきが大ならば、前記周期を補正する周期補正手段
と、前記周期補正手段で定めた補正周期に応じて前記流
量検出手段の動作時間を制御する計測制御手段とを備え
たものである。これによって、検出結果のばらつきを基
に周期を補正し、正確な圧力変動周期を捉えることによ
り、流量計測のタイミングを最適化できるので、圧力変
動の影響を受けない高精度の流量計測を実現するもので
ある。

【０００７】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、流体の
流量を検出する流量検出手段と、流体の圧力変動を検出
する脈動検出手段と、前記脈動検出手段の出力より脈動
周期を計測する周期検出手段と、前記周期検出手段で求
めた周期のばらつきが大ならば、前記周期を補正する周
期補正手段と、前記周期補正手段で定めた補正周期に応
じて前記流量検出手段の動作時間を制御する計測制御手
段とを備えたことにより、検出結果のばらつきを基に周
期を補正し、正確な圧力変動周期を捉えることにより、
流量計測のタイミングを最適化できるので、圧力変動の
影響を受けない高精度の流量計測を実現するものであ
る。

【０００８】請求項２に記載の発明は、特に、請求項１
に記載の周期補正手段を、周期検出手段の出力および複
数回の加算値のばらつきを検出するばらつき検出手段
と、前記ばらつき検出手段の出力が小となる条件を補正
周期と定める判定手段とを備えた構成とすることによ
り、周期判別の最適条件が選択できるので、脈動周期計
測の最適化が実現できる。

【０００９】請求項３に記載の発明は、特に、請求項２
に記載の判定手段を、ばらつき検出手段の出力が大なら
ば、周期検出手段の補正周期を逐次増加させる構成とす
ることにより、補正周期をできるだけ短く設定すること
が可能となり、省電力化を図ることができる。

【００１０】請求項４に記載の発明は、特に、請求項１
から３のいずれか１項記載の計測制御手段の開始停止信
号を比較手段の出力変化点と同期して出力される構成と
することにより、圧力変動に対する時間遅れの小さい計
測ができるため、圧力変動に対する追従性を高めること
ができる。

【００１１】請求項５に記載の発明は、特に、請求項１
から５のいずれか１項記載の計測制御手段を周期検出手
段の出力変化点とは非同期で出力される構成とすること
により、流量計測中の不要信号の影響を回避できるた
め、ノイズの影響を受け難い信頼性の高い計測が可能と
なる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００１３】（実施例１）図１は本発明の実施例１の流
量計測装置を示すブロック図である。

【００１４】図１において、流体流路１の途中に流量検
出手段として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への送信回路、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回路で、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、９は計時測手段８の計測値か
ら流量を求める流量演算手段である。

【００１５】また、１０は流路１内の圧力を検出する圧
力検出手段、１１は圧力検出手段１１の信号出力の交流
成分をコンデンサを介して取り出す脈動検出手段、１２
は脈動検出手段により取り出された交流信号と設定電圧
とを比較し、その大小関係を二値信号に変換して出力す
る比較手段、１３は比較手段１２の二値信号の小から大
への出力変化点の間隔を計測し脈動周期を検出する周期
検出手段、１４は周波数検出手段１３の出力を補正する
周期補正手段であり、周期検出手段１３の出力履歴を記
憶する記憶手段１５、記憶手段１５に記憶された値から
脈動周期のばらつきを検出するばらつき検出手段１６、
ばらつき検出手段１６で求めたばらつきが大の時、補正
周期を求める判定手段１７とで構成される。また、１８
は、周期補正手段１４で求めた周期に応じて流量計測時
間を制御する計測制御手段である。

【００１６】次に、動作作用について説明する。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ｔ₁、
流れの逆方向に発信された超音波の伝搬する時間をｔ₂
とすると、ｔ₁＝Ｌ／（ｃ＋ｖｃｏｓθ）（１）ｔ₂＝Ｌ／（ｃ−ｖｃｏｓθ）（２）となる。（１）式、（２）式より流速ｖを求めると、ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）・（１／ｔ₁−１／ｔ₂）（３）となり、Ｌとθが既知ならｔ₁、ｔ₂を計測して流速ｖが
求められる。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（４）となる。式（３）、（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。一方、流路
１内部に圧力変動が発生している場合には流速ｖは一定
しないが、周期的な変動が発生している場合には、圧力
変動ｎ周期の間の伝搬時間を計測し、その平均値を求め
れば、変動の影響はキャンセルされて、正確な値を求め
ることができる。

【００１７】次に図２、３を用いて、計測制御手順につ
いて説明する。脈動検出手段１１の出力信号と比較基準
値０Ｖとの比較処理が比較手段１２で行われる。比較手
段１２は脈動検出手段１１の交流信号が比較基準値より
高ければＨ、低ければＬの二値信号を出力する。周期検
出手段１３は、比較手段１２の出力がＬからＨに変化す
る点の時間間隔を計測し、記憶手段１５は所定時間内に
計測された脈動周期の履歴を記憶する。ばらつき判定手
段１６は、記憶手段１５で記憶した値から周期検出手段
１３の出力ばらつきを求める。図２の場合、周期はＴ_s
で一定であるため、ばらつきは０となり、判定手段１５
では、周期補正は行わない。

【００１８】そのため、計測制御手段１７は、周期検出
手段１３で求めた周期Ｔ_s毎に繰り返し手段７に対し
て、流量計測の開始と停止の指示を与える。すなわち、
計測制御手段１７は、比較手段１２の立ち上がり波形、
すなわち、出力信号がＬからＨに変化する変化点ｔ_1aと
同期して、繰り返し手段７に対して、繰り返し計測の開
始信号を出力する。この時、切換手段６は、予め第１振
動子２を送信回路４に、第２振動子３を受信回路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
する体制が取られている。計測制御手段１８の開始信号
出力を受けて送受信が開始され、送受信１回が終了する
毎に、繰り返し手段７は送受信の回数をカウントすると
共に、送信回路４に超音波の送信を指示する。繰り返し
手段７での繰り返し計測と平行して、計時手段８では送
受信に要した時間が計測される。

【００１９】そして、計測制御手段１８は、再び比較手
段１２の出力がＬからＨに変化する点ｔ_1bで、計測の停
止信号を出力する。計測制御手段１８からの停止信号を
受けると、繰り返し手段７は、新たな送受信を中止す
る。

【００２０】ここで、計時手段８で計測した伝搬時間と
繰り返し手段７行った送受信の繰り返し回数を元に、流
量演算手段９で流れの順方向の伝搬時間ｔ₁を求める。
この後、切換手段６は第１振動子２を受信回路５を第２
振動子３に繋ぎ換えることにより流れの逆方向に超音波
を送信した伝搬時間を計測する体制を取る。比較手段１
２の信号がＬからＨに切換わる点ｔ_2aおよびｔ_2bで、計
測制御手段１８がそれぞれ開始信号、停止信号を出力
し、順方向と同様の手順で、逆方向の計測が行われる。
以上のように求めた順方向、逆方向の伝搬時間を基に、
流量演算手段９では（３）、（４）式を用いて流量Ｑを
求める。脈動波形が図２で示したような正弦波であれ
ば、１周期でゼロクロスを２回生じるが、図３で示すよ
うな波形であったとすると、１周期の間に４回ゼロクロ
スを生じる。以後、このような現象を中割れ現象と称す
る。比較手段１２の比較基準値を０とすると、比較手段
１２の出力は図の如く変化し、周期検出手段１３の検出
値がＴ_a、Ｔ_bと交互に変化する。

【００２１】この場合、Ｔ_aの期間では、圧力平均値は
プラス側、Ｔ_bの期間ではマイナス側に振れるため、い
ずれの期間で平均化したとしても流量平均値の真値を得
ることはできない。ばらつき検出手段１５は、記憶手段
１４に記憶された値を使って脈動周期の標準偏差を求め
る。判定手段１６は、この時求めた標準偏差が所定値を
越えているため、周期検出手段１３の連続した２回分の
加算値を補正周期として定める。計測制御手段１８は、
判定手段１７の判定結果を受けて、比較手段１２の出力
の立ち上がり点を２回観測する毎に繰り返し手段７に対
して、流量計測の開始と停止の指示を与える。そのため
図３のような中割れ波形においては、常に一定期間Ｔ_a
＋Ｔ_bで流量計測が行われることになり、その結果、脈
動の影響がキャンセルされて正確な流量値を求めること
ができるようになる。

【００２２】以上、説明したように、検出結果のばらつ
きを基に周期を補正し、正確な圧力変動周期を捉えるこ
とにより、流量計測のタイミングを最適化できるので、
圧力変動の影響を受けない高精度の流量計測を実現でき
る。

【００２３】図２においては、周期検出手段１３の出力
２回分の加算値を補正周期として定める例について説明
したが、必ずしも２回分の値が適正な周期とは限らな
い。そのため、判定手段１７は、記憶手段１５で記憶し
た値を使って、周期検出手段１３の出力１回分の標準偏
差、連続した２回分の加算値の標準偏差、連続した３回
分の標準偏差、以下同様にｍ回までの標準偏差を一度に
算出し、最も標準偏差の小さくなる条件を周期補正の条
件と定める。判定手段１７の判定結果は計測手段１８に
伝達され、その結果を基に、比較手段１２の出力の立ち
上がり点をここで求めた判定手段で求めたｍ回観測され
る毎に繰り返し手段７に対して、流量計測の開始と停止
の指示を与える。この場合、周期判別の最適条件が選択
できるので、脈動周期計測の最適化が実現できる。

【００２４】また、別の方法として、補正周期を逐次増
加させる方法を取っても良い。この場合、判定手段１７
は、まず、記憶手段１５に記憶された値を基に、連続し
た２回分の出力加算値の標準偏差を求める。この時求め
た標準偏差が所定の値より大きければ、今度は連続した
３回分の出力加算値のばらつきを求める。以下同様に、
出力加算回数を逐次増加して、その加算値の標準偏差が
所定値以内となるまで繰り返す。そして、標準偏差が初
めて所定値以内に収まった加算回数ｎ回が周期補正の条
件と定められる。この場合、補正周期をできるだけ短く
設定することが可能となり、省電力化を図ることができ
る。

【００２５】以上、述べてきた方法においては、ばらつ
きの判断は標準偏差によるものとしているが、例えば、
最大値と最小値の差をもって判断するような方法でも良
い。

【００２６】なお、各実施例において、比較手段１２の
出力の立ち上がりと同期する構成で説明したが、立ち下
がり信号であっても同様の効果が得られる。立ち上がり
立ち下がりいずれの場合であっても、比較手段１２の出
力変化と同期して流量計測を行うことにより、圧力変動
に対する時間遅れの小さい計測ができるため、圧力変動
に対する追従性を高めることができる。

【００２７】また、別の方法として、周期検出手段１３
で求めた時間を繰り返し手段１３の繰り返し回数に変換
する演算処理を施して、比較信号と非同期で計測する方
法もある。この場合には流量計測手段の動作が、脈動検
出手段や比較手段のノイズで妨げられる危険性がないの
で、流量計測中の不要信号の影響を回避できるため、ノ
イズの影響を受け難い信頼性の高い計測が可能となる。

【００２８】更に、各実施例は超音波振動子を用いたも
のについて説明したが、それ以外の例えば熱線式のフロ
ーセンサであっても同等の効果が得られる。また、気体
流量の計測装置に限らず、液体流量の計測装置であって
も同等の効果が得られることは言うまでもない。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１〜
５に記載の発明によれば、検出結果のばらつきを基に周
期を補正し、正確な圧力変動周期を捉えることにより、
流量計測のタイミングを最適化できるので、圧力変動の
影響を受けない高精度の流量計測を実現するものであ
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】同装置の動作を説明するタイミングチャート

【図４】従来の流量計測装置のブロック図

【符号の説明】

２第１振動子（流量検出手段）３第２振動子（流量検出手段）１１脈動検出手段１３周期検出手段１４周期補正手段１６ばらつき検出手段１７判定手段１８計測制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者長岡行夫大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 2F035 DA16 GA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流量を検出する流量検出手段と、
流体の圧力変動を検出する脈動検出手段と、前記脈動検
出手段の出力より脈動周期を計測する周期検出手段と、
前記周期検出手段で求めた周期のばらつきが大ならば、
前記周期を補正する周期補正手段と、前記周期補正手段
で定めた補正周期に応じて前記流量検出手段の動作時間
を制御する計測制御手段とを備えた流量計測装置。
【請求項２】周期補正手段は、周期検出手段の出力お
よび複数回の加算値のばらつきを検出するばらつき検出
手段と、前記ばらつき検出手段の出力が小となる条件を
補正周期と定める判定手段とを備えた請求項１に記載の
流量計測装置。
【請求項３】判定手段は、ばらつき検出手段の出力が
大ならば、周期検出手段の補正周期を逐次増加させる請
求項２に記載の流量計測装置。
【請求項４】計測制御手段の開始停止信号は比較手段
の出力変化点と同期して出力される請求項１〜３のいず
れか１項に記載の流量計測装置。
【請求項５】計測制御手段は周期検出手段の出力変化
点とは非同期で出力される請求項１〜３のいずれか１項
に記載の流量計測装置。