【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波流量計に関し、詳細には、配管からの漏れによるリーク音から漏れを検出する機能を備える超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
漏れ検出機能付き超音波流量計として、漏れにより生じる僅かな流量の変化から漏れを検出するものが知られている（下記特許文献１）。そして、このものでは、精度確保のため、漏れ検出モードとして、通常の流量測定時よりも測定間隔を短縮したり、あるいはクロック周波数を高くしてトランスデューサ間の超音波伝搬時間の測定精度を向上させたりした、高精度流量測定モードを設定することとしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１３１１０８号公報（段落番号００１４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波流量計の分解能には限界があり、一般的に、０．２％ＦＳ程度（最大流量が５００Ｌ／ｍｉｎである場合の測定可能下限流量は、１Ｌ／ｍｉｎ）とされている。従って、漏れにより生じる僅かな流量の変化を検出するという上記の方法では、流量測定精度をいかに向上させようとも、信頼性におのずと限界がある。すなわち、ある程度多量の漏れが存在しており、流量の変化が比較的に大きい場合は、漏れを検出することが可能である。ところが、数十ｃｃ／ｍｉｎのピンホールほどの小さな隙間からの漏れは、そのときの流量の変化が極めて小さく、超音波流量計の分解能を超えてしまうため、検出することができないのである。
【０００５】
そこで、本発明は、漏れによるリーク音を検出することで、ピンホールほどの僅かな漏れをも検出することのできる、漏れ検出機能付き超音波流量計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】
このため、本発明では、超音波伝搬線上に備わる一対のトランスデューサのそれぞれから発射された超音波の、各受信側のトランスデューサまでの伝搬時間に基づいて流量を演算する一方、これらのトランスデューサのうち少なくとも一方の受信信号におけるリーク音を検出することで、漏れを検出することとする。すなわち、超音波流量計に備わるトランスデューサをリーク音検出用のセンサとして使用して、漏れを検出するのである。
【０００７】
このような構成によれば、リーク音から漏れが検出されるので、超音波流量計の流量測定分解能に拘わらず、僅かな漏れをも検出することが可能となる。また、超音波流量計に既存のトランスデューサを利用して漏れを検出する構成であるので、少ないコストで漏れ検出機能を付加することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る漏れ検出機能付き超音波流量計１の構成図である。
本実施形態において、超音波流量計１は、燃料電池システムのアノード側配管に設置されている。
流量測定用通路を形成する測定部パイプ１１は、軸方向各端に形成されたフランジ１１ａ，１１ｂを介して、隣接するアノード側配管のパイプ５１，５２と接続されている。この測定部パイプ１１は、管軸Ａｐとの間に角度θを形成する軸（超音波伝搬軸Ａｔに一致する。）を中心として、管軸方向にずれた２箇所で筒状に膨出している。このように形成される一対のトランスデューサケース１２，１３に、超音波流量計１の第１のトランスデューサとしての上流側トランスデューサ２１と、同第２のトランスデューサとしての下流側トランスデューサ２２とが収納されている。
【０００９】
これらのトランスデューサ２１，２２には、流量演算手段、漏れ検出手段及びモード設定手段としての機能を備える計測装置１０１が接続されている。この計測装置１０１は、各トランスデューサ２１，２２に対して、流量測定用超音波Ｓｔを発射させるための駆動信号を発生するとともに、発射された超音波Ｓｔを受けたトランスデューサから出力された受信信号Ｓｒを入力する。トランスデューサ２１，２２は、計測装置１０１からのトランスデューサ駆動信号により作動し、超音波伝搬線Ａｔに沿って超音波Ｓｔを発射する。計測装置１０１は、受信信号Ｓｒに基づいて、アノード側配管を流れる燃焼ガスとしての水素含有ガス又は純水素ガスの流量Ｑを測定する。一方、所定の流通状態のもとでは、リーク音によりこの配管における燃料ガスの漏れ５２ａを検出する。測定された流量Ｑ及び漏れの有無は、ディスプレイ２０１に出力され、表示される。漏れがあることは、アラームからの警告音として知らせてもよい。トランスデューサ２１，２２は、リーク音に相当する４０ｋＨｚの超音波を検出し得るように設定されている。
【００１０】
図２は、計測装置１０１の機能ブロック図である。
計測装置１０１は、大別して、モード切換部１１１、流量測定用駆動部（以下「駆動部」という。）１２１、流量演算部１３１、漏れ検出用受信部（以下「受信部」という。）１４１及び漏れ検出部１５１からなる。次に、各ブロックの機能を説明する。
【００１１】
モード切換部１１１は、第１のモードとしての流量測定モードと、第２のモードとしての漏れ検出モードとで作動モードを切り換え、設定された作動モードに応じて、受信信号Ｓｒを対応するブロックに出力する。このモード切換部１１１は、入出力部１１２、モード切換判定部１１３及びモードスイッチ１１４を含んで構成される。入出力部１１２は、駆動部１２１で発生されたトランスデューサ駆動信号を送信側のトランスデューサに出力する一方、受信信号Ｓｒをモードスイッチ１１４に出力する。モードスイッチ１１４は、モード切換判定部１１３からの指令信号により作動し、受信信号Ｓｒを駆動部１２１か、あるいは受信部１４１かに出力する。モード切換判定部１１３には、アノード側配管における流れの状態を示す流通状態判別信号ｘが入力され、同判定部１１３は、このｘに基づいて流れの有無を判定するとともに、流れがあるときには、流量測定モードとするべくモードスイッチ１１４を駆動部１２１側に設定するための指令信号を発生する。一方、流量Ｑが微少である場合を含め、流れが実質的に停止しているときには、漏れ検出モードとするべくモードスイッチ１１４を受信部１４１側に設定するための指令信号を発生する。モード切換判定部１１３とモードスイッチ１１４とは、モード設定手段を構成する。
【００１２】
駆動部１２１は、トランスデューサ駆動信号を所定の時間毎に、各トランスデューサ２１，２２に対して交互に発生させる一方、トランスデューサ２１，２２間における超音波Ｓｔの伝搬時間ｔｄを測定する。駆動信号発生部１２２は、上記の通りトランスデューサ駆動信号を発生させるとともに、この駆動信号を伝搬時間測定部１２４に出力する。一方、比較部１２３は、所定のレベルＶｒ１以上の受信信号Ｓｒが入力したタイミングを検出する。伝搬時間測定部１２４は、超音波Ｓｔが送信側のトランスデューサから発射された時点から、レベルＶｒ１以上の受信信号Ｓｒが検出されるまでの時間を測定し、これを伝搬時間ｔｄとして流量演算部１３１に出力する。
【００１３】
流量演算部１３１は、入力した伝搬時間ｔｄに基づいて、流量Ｑを次のように算出する。トランスデューサ２１，２２間の距離をＬ、上流側から超音波Ｓｔを発射した場合の伝搬時間をｔｄ１、下流側から超音波Ｓｔを発射した場合の伝搬時間をｔｄ２、測定部パイプ１１の断面積をＡ、流速分布に関する流量補正係数をηとすると、（１）式により流速Ｖを、（２）式により流量Ｑを算出することができる（伝搬時間逆数差法）。トランスデューサ間の距離Ｌは、測定部パイプ１１の内径をＤとすると、Ｌ＝Ｄ／ｓｉｎθである。
【００１４】
Ｖ＝｛Ｌ／（２ｃｏｓθ）｝×（１／ｔｄ１−１／ｔｄ２） ・・・（１）
Ｑ＝Ｖ×Ａ×η ・・・（２）
なお、比較部１２３、伝搬時間測定部１２４及び流量演算部１３１は、流量演算手段を構成する。
一方、受信部１４１は、モード切換部１１１から入力した受信信号Ｓｒを増幅させ、そのレベル（以下「受信レベル」という。）Ｓｌｅａｋを検出する。検出されたＳｌｅａｋは、漏れ検出部１５１に出力される。漏れ検出部１５１は、入力した受信レベルＳｌｅａｋと所定のレベルＶｓｌとを比較して漏れの有無を判定し（比較部１５２）、その結果をディスプレイ２０１に出力する。受信部１４１及び比較部１５２は、漏れ検出手段を構成する。
【００１５】
次に、本実施形態に係る超音波流量計１の動作を、図４，５のフローチャートにより説明する。
ここでは、図３のように、流通状態判別信号ｘとして、アノード側配管に設置された弁６１の開角度φを採用している。
図４のフローチャートにおいて、Ｓ１０１では、モード判定フラグ＃Ｆｌｅａｋが０であるか否かを判定する。フラグ＃Ｆｌｅａｋが０である場合は、流量測定モードを実行し、Ｓ１０２〜１０７の処理により流量Ｑを測定する。一方、フラグ＃Ｆｌｅａｋが０以外（すなわち、１）である場合は、漏れ検出モードを実行し、図５のフローチャートに従って漏れを検出する。
【００１６】
流量測定モード（＃Ｆｌｅａｋ＝０）において、Ｓ１０２では、駆動部１２１が作動する。Ｓ１０３では、駆動信号発生部１２２がトランスデューサ駆動信号を発生させ、この駆動信号を送信側のトランスデューサに出力して、このトランスデューサから超音波Ｓｔを発射させる。Ｓ１０４では、超音波Ｓｔの発射と同時に伝搬時間測定部１２４のタイマーをスタートさせる。Ｓ１０５では、比較部１２３により受信側のトランスデューサが超音波Ｓｔを受信したか否かを判定し、受信した場合は、Ｓ１０６に進む。Ｓ１０６では、超音波Ｓｔの発射から受信までの時間をタイマーから読み取り、これを伝搬時間ｔｄに設定する。Ｓ１０７では、測定された伝搬時間ｔｄに基づいて、（１），（２）式により流速Ｖ及び流量Ｑを算出する。
【００１７】
図５のフローチャートにおいて、Ｓ１０８では、弁６１の開角度φが、流れが実質的に停止する所定値φ１以下であるか否かを判定する。φ１以下であるときは、Ｓ１０９に進み、作動モードを漏れ検出モードに切り換えるべく、フラグ＃Ｆｌｅａｌを１に変更する。一方、φ１を超えているときは、Ｓ１１６へ進み、作動モードを流量測定モードに切り換えるか、あるいは流量測定モードを継続させるべく、フラグ＃Ｆｌｅａｋを０に変更又は据え置き、本ルーチンをリターンする。
【００１８】
漏れ検出モード（＃Ｆｌｅａｋ＝１）では、少なくとも一方のトランスデューサ２１，２２を漏れ検出用の超音波センサとして利用し、漏れによるリーク音を検出して、漏れを検出する。すなわち、同モードにおいて、Ｓ１１０では、受信部１４１が作動する。Ｓ１１１では、トランスデューサ２１，２２から入力した受信信号Ｓｒを増幅させ、受信レベルＳｌｅａｋを検出する。Ｓ１１２では、比較部１５２により、検出されたＳｌｅａｋがリーク音のレベルに相当する所定のレベルＶｓｌ以上であるか否かを判定し、Ｖｓｌ以上である場合は、Ｓ１１３へ進み、漏れがあると判定する。一方、Ｖｓｌ未満である場合は、Ｓ１１４へ進み、受信部１４１が作動してからの経過時間が、漏れ検出のために予め設定された所定の時間Ｔｌｅａｋに達したか否かを判定する。Ｔｌｅａｋに達した場合は、Ｓ１１５を経てＳ１１６へ進む。Ｓ１１５では、漏れはないと判定し、続くＳ１１６では、作動モードを流量測定モードに切り換えるべく、フラグ＃Ｆｌｅａｋを０に変更する。一方、Ｔｌｅａｋに達しないうちは、本ルーチンをそのままリターンし、漏れ検出モードを継続させる。
【００１９】
本実施形態に係る漏れ検出機能付き超音波流量計１によれば、次の効果を得ることができる。
すなわち、第１に、リーク音の受信レベルＳｌｅａｋを検出し、このＳｌｅａｋにより漏れを検出するようにしたことで、ピンポールほどの穴からの僅かな漏れを発生後速やかに検出することができる。また、超音波流量計１に既存のトランスデューサ２１，２２を利用して漏れを検出する構成であるので、専用のセンサを追加する必要がなく、このような漏れ検出機能を少ないコストで付加することができる。
【００２０】
第２に、作動モードを流量Ｑに応じて切り換えることとし、流れが実質的に停止しているときに漏れを検出するようにしたので、流れの通過音等の暗騒音による影響を受けることなく、確実に漏れを検出することができる。また、流れのある状態から流れを停止させた直後の、内圧が依然として高いときに漏れを検出するようにしたことで、リーク音が比較的に高いレベルで発生するため、漏れを容易に検出することができる。
【００２１】
流通状態判別信号ｘとしては、弁６１の開角度φのほかに、図６に示す燃料電池システムの始動スイッチ７１など、システムに流体を流通させるための合図となるスイッチからのオン信号を採用することができる。また、図７のように、超音波流量計１により測定された流量Ｑを、流通状態判別信号ｘとして計測装置１０１のスイッチ切換判定部１１３に入力させ、このＱに基づいて流れの有無を判定するようにしてもよい。この場合は、作動モードを切り換えるためのセンサや配線が不要となる。
【００２２】
なお、漏れ検出モードは、以上のように流れが停止している場合に限らず、流れがある場合に、低流量かつ定常流状態のもとで設定するようにしてもよい。このような条件のもとでは、流れの通過音が小さいので、リーク音を検出することが可能であるうえ、定常流状態にあることから、流量測定に高い応答性が求められないためである。
【００２３】
以下に、本発明の他の実施形態について説明する。
第２の実施形態に係る漏れ検出機能付き超音波流量計は、図７のように構成されてよい。
次に、図８のタイムチャートを参照して、本実施形態に係る超音波流量計の動作を説明する。
【００２４】
超音波流量計の計測装置１０１は、所定の流通状態のもとで、流量測定モードと漏れ検出モードとを交互に、かつ連続して切り換える。このため、流量測定用超音波Ｓｔの残響音として受信側のトランスデューサから出力される受信信号が、リーク音受信成分に対して充分に小さなレベルに減衰するタイミングｔ１，ｔ３を判定し、そのタイミングで作動モードを漏れ検出モードに切り換える。漏れ検出モードでは、第１の実施形態と同様に受信信号Ｓｒを増幅させ、受信レベルＳｌｅａｋを検出する。そして、このＳｌｅａｋが所定のレベルＶｓｌ以上である場合に、漏れがあると判定する。漏れ検出を終えると、流量測定モードに戻り（時刻ｔ２，ｔ４）、送信側のトランスデューサに対して駆動信号を発生し、伝搬時間ｔｄに基づいて流量Ｑを測定する。次に、この動作を、図９〜１１フローチャートにより説明する。
【００２５】
計測装置１０１は、まず、図９のフローチャートに従い、所定の流通状態にあるか否かを判定する。すなわち、Ｓ２０１では、流量演算部１３１により算出された流量Ｑに基づいて、低流量かつ定常流状態にあるか否かを判定する。この状態にある場合は、Ｓ２０２へ進み、流通状態判別信号ｘとしてのフラグ＃Ｆｆｌｏｗを１に設定する。それ以外の場合は、Ｓ２０３へ進み、フラグ＃Ｆｆｌｏｗを０に設定する。
【００２６】
図１０，１１のフローチャートでは、上記のように設定されたフラグ＃Ｆｆｌｏｗを参照しつつ、流量測定モードと漏れ検出モードとで作動モードを交互に実行する。これらのフローチャートの各ステップのうち、図４，５のフローチャートと同じ処理を行うものは、同じ符号で示している。
図１０のフローチャートにおいて、Ｓ１０１では、モード判定フラグ＃Ｆｌｅａｋが０であるか否かを判定する。０である場合は、流量測定モードを実行し、Ｓ１０２〜１０７の処理により流量Ｑを測定する。
【００２７】
図１１のフローチャートに移り、Ｓ３０１では、フラグ＃Ｆｆｌｏｗが１であるか否かを判定する。１である場合は、Ｓ３０２ヘ進み、０である場合は、本ルーチンをリターンして、流量測定モードを継続させる。Ｓ３０２では、超音波Ｓｔの受信信号Ｓｒが充分に減衰したか否かを判定する。減衰した場合は、Ｓ３０３へ進み、減衰していない場合は、本ルーチンをそのままリターンする。Ｓ３０３では、フラグ＃Ｆｌｅａｋを１に変更する。そして、Ｓ３０４では、受信部１４１が作動する。これ以降のＳ１１１〜１１６では、第１の実施形態と同様に、受信レベルＳｌｅａｋを検出するとともに、所定のレベルＶｓｌとの比較により漏れを検出する。なお、Ｓ１０１でフラグ＃Ｆｌｅａｋが０でないと判定した場合は、漏れ検出モードを継続させるべく、Ｓ１１１へ進む。
【００２８】
本実施形態に係る漏れ検出機能付き超音波流量計によれば、特に、次の効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態では、低流量かつ定常流状態を検出し、この状態のもとで漏れ検出モードを実行することとした。低流量かつ定常流状態では、流れの通過音が小さいうえ、リーク音の検出が容易である。従って、流れが実質的に停止していないとき、例えば、燃料電池システムの運転中に漏れを検出することが可能となる。
【００２９】
なお、流量測定モードと漏れ検出モードとが交互に実行されることで、流量Ｑの測定間隔が延びることになるが、定常流状態にあるので、応答性の低下が問題となることはない。
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る漏れ検出機能付き超音波流量計の受信部１６１及び漏れ検出部１５１の機能ブロック図である。
【００３０】
本実施形態において、受信部１６１は、乗算部１６２、ローパスフィルタ１６３及び受信レベル検出部１６４を含んで構成され、この受信部１６１には、流量測定用超音波受信成分Ｓｒと、リーク音受信成分Ｓｌｅａｋとが重畳した受信信号Ｓｒ＋Ｓｌｅａｋが入力される。この受信信号は、波形で示すと図１３（ａ）のようになり、時間ｔに関する次式（３）により表すことができる。なお、流量測定用超音波受信成分Ｓｒの最大振幅及び周波数をＶｒ，ｆｒとし、リーク音受信成分Ｓｌｅａｋの最大振幅及び周波数をＶｌｅａｋ，ｆｌｅａｋとする。
【００３１】
Ｓｒ＋Ｓｌｅａｋ＝Ｖｒ×ｃｏｓ（２πｆｒ×ｔ）＋Ｖｌｅａｋ×｛ｃｏｓ（２π（ｆｒ−ｆｌｅａｋ）×ｔ）＋ｃｏｓ（２π（ｆｒ＋ｆｌｅａｋ）×ｔ）｝ ・・・（３）
受信部１６１において、乗算部１６２は、混合の受信信号Ｓｒ＋Ｓｌｅａｋを入力し、この受信信号に対して、超音波Ｓｔと同一周波数である既知の信号Ｓｔを乗じる。
【００３２】
（Ｓｒ＋Ｓｌｅａｋ）×Ｓｔ＝｛Ｖｒ×ｃｏｓ（２πｆｒ×ｔ）＋Ｖｌｅａｋ×｛ｃｏｓ（２π（ｆｒ−ｆｌｅａｋ）×ｔ）＋ｃｏｓ（２π（ｆｒ＋ｆｌｅａｋ）×ｔ）｝｝×ｃｏｓ（２πｆｔ×ｔ） ・・・（４）
ここで、ｆｒ＝ｆｔであるので、下式（５）が得られる。
（Ｓｒ＋Ｓｌｅａｋ）×Ｓｔ＝Ｖｒ／２＋（Ｖｒ／２）×ｃｏｓ（２π×２ｆｒ×ｔ）＋（Ｖｌｅａｋ／２）×｛ｃｏｓ（２π×（２ｆｒ−ｆｌｅａｋ）×ｔ）＋ｃｏｓ（２π×（２ｆｒ＋ｆｌｅａｋ）×ｔ）｝＋Ｖｌｅａｋ×ｃｏｓ（２πｆｌｅａｋ×ｔ） ・・・（５）
（５）式は、波形で示すと図１３（ｂ）のようであり、第４項が示す周波数ｆｌｅａｋの成分が低周波数側にシフトしたかたちとなる。ローパスフィルタ１６３は、入力した信号（Ｓｒ＋Ｓｌｅａｋ）×Ｓｔのうち周波数ｆｌｅａｋの成分を通過させ、受信レベル検出部１６４に出力する。受信レベル検出部１６４は、このフィルタ通過成分から受信レベルＳｌｅａｋを検出し、漏れ検出部１５１に出力する。漏れ検出部１５１は、検出されたＳｌｅａｋが所定のレベルＶｓｌ以上であるか否かを判定し（比較部１５２）、Ｖｓｌ以上である場合に、漏れがあると判定する。乗算部１６２及びローパスフィルタ１６３は、信号抽出手段を構成する。
【００３３】
本実施形態に係る漏れ検出機能付き超音波流量計によれば、特に、次の効果を得ることができる。
本実施形態では、流量測定用超音波受信成分Ｓｒとリーク音受信成分Ｓｌｅａｋとが重畳した受信信号Ｓｒ＋Ｓｌｅａｋから、後者の成分Ｓｌｅａｋのみを抽出し、この抽出成分に基づいて漏れを検出するようにした。このため、漏れを検出するための作動モードを明確に設定する必要がなくなる。すなわち、（５）式のうち抽出対象以外の第１〜３項の成分により流量Ｑを測定することも可能である。配管等における微量な漏れで生じるリーク音は、流量測定用超音波Ｓｔに対して非常に小さなレベルであるが、上記のようにリーク音周波数ｆｌｅａｋのビートダウンを図り、ＳＮ比を上げて漏れの有無を判定することができる。
【００３４】
以上では、本発明を燃料電池システムのアノード側配管に設置される超音波流量計に適用した場合を例に説明した。しかしながら、本発明の用途は、これに限定されるものではない。
また、漏れの有無は、受信レベルＳｌｅａｋの大きさによるほか、トランスデューサ２１，２２からの受信信号にリーク音に相当する周波数のものが含まれているか否かにより判定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波流量計の構成図
【図２】同上超音波流量計の計測装置の機能ブロック図
【図３】流通状態判別信号ｘの第１の例
【図４】第１の実施形態に係る計測装置の流量測定動作のフローチャート
【図５】同上計測装置の漏れ検出動作のフローチャート
【図６】流通状態判別信号ｘの第２の例
【図７】流通状態判別信号ｘの第３の例
【図８】本発明の第２の実施形態に係るトランスデューサ送受信信号、モード判別フラグ、リーク音受信信号のタイムチャート
【図９】同上実施形態に係る計測装置の流通状態判定動作のフローチャート
【図１０】同上計測装置の流量測定動作のフローチャート
【図１１】同上計測装置の漏れ検出動作のフローチャート
【図１２】同上計測装置の受信部及び漏れ検出部の機能ブロック図
【図１３】同上受信部による信号抽出処理前後の周波数スペクトル
【符号の説明】
１…超音波流量計、１１…測定部パイプ、２１…第１のトランスデューサとしてのトランスデューサ、２２…第２のトランスデューサとしてのトランスデューサ、６１…弁、７１…始動スイッチ、１０１…計測装置、１１１…モード切換部、１１２…入出力部、１１３…モード切換判定部、１１４…モードスイッチ、１２１…流量測定用駆動部（駆動部）、１２２…駆動信号発生部、１２３…比較部、１２４…伝搬時間測定部、１３１…流量演算部、１４１…漏れ検出用受信部（受信部）、１５１…漏れ検出部、１５２…比較部、１６１…受信部、１６２…乗算部、１６３…ローパスフィルタ、１６４…受信レベル検出部、２０１…ディスプレイ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic flowmeter, and more particularly, to an ultrasonic flowmeter having a function of detecting a leak from a leak sound caused by a leak from a pipe.
[0002]
[Prior art]
As an ultrasonic flowmeter with a leak detection function, there is known an ultrasonic flowmeter that detects a leak from a slight change in flow rate caused by a leak (Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-163873). In this device, in order to ensure accuracy, as a leak detection mode, the measurement interval is shortened compared to the normal flow rate measurement, or the clock frequency is increased to improve the measurement accuracy of the ultrasonic propagation time between the transducers. Or a high-precision flow measurement mode.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-131108 (paragraph number 0014)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the resolution of the ultrasonic flowmeter has a limit, and is generally set to about 0.2% FS (the lowest measurable flow rate when the maximum flow rate is 500 L / min is 1 L / min). Therefore, the above-described method of detecting a slight change in the flow rate caused by a leak has a limit in reliability, no matter how the flow rate measurement accuracy is improved. That is, when a large amount of leakage exists to some extent and the change in the flow rate is relatively large, it is possible to detect the leakage. However, a leak from a gap as small as a pinhole of several tens of cc / min cannot be detected because the change in the flow rate at that time is extremely small and exceeds the resolution of the ultrasonic flowmeter.
[0005]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultrasonic flowmeter with a leak detection function that can detect a leak as small as a pinhole by detecting a leak sound due to a leak.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, in the present invention, while calculating the flow rate based on the propagation time of the ultrasonic waves emitted from each of the pair of transducers provided on the ultrasonic wave propagation line to each receiving-side transducer, at least one of these transducers Leakage is detected by detecting a leak sound in one of the received signals. That is, the leak is detected by using the transducer provided in the ultrasonic flow meter as a sensor for detecting the leak sound.
[0007]
According to such a configuration, since the leak is detected from the leak sound, it is possible to detect even a slight leak regardless of the flow measurement resolution of the ultrasonic flowmeter. Further, since the ultrasonic flowmeter is configured to detect a leak using an existing transducer, a leak detecting function can be added at a small cost.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of an ultrasonic flowmeter 1 with a leak detection function according to a first embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the ultrasonic flowmeter 1 is installed on the anode side pipe of the fuel cell system.
The measurement part pipe 11 forming the flow rate measurement passage is connected to adjacent anode side pipe pipes 51 and 52 via flanges 11a and 11b formed at each end in the axial direction. The measuring section pipe 11 bulges in a cylindrical shape at two positions shifted in the tube axis direction about an axis (corresponding to the ultrasonic wave propagation axis At) forming an angle θ with the tube axis Ap. I have. In the pair of transducer cases 12 and 13 formed in this way, the upstream transducer 21 as the first transducer of the ultrasonic flowmeter 1 and the downstream transducer 22 as the second transducer are housed. .
[0009]
A measuring device 101 having functions as a flow rate calculating means, a leak detecting means and a mode setting means is connected to these transducers 21 and 22. The measuring device 101 generates a drive signal for emitting the ultrasonic wave St for flow rate measurement to each of the transducers 21 and 22, and receives the received signal Sr output from the transducer that has received the emitted ultrasonic wave St. Enter The transducers 21 and 22 operate according to a transducer drive signal from the measuring device 101, and emit ultrasonic waves St along the ultrasonic wave propagation line At. The measuring device 101 measures the flow rate Q of the hydrogen-containing gas or the pure hydrogen gas as the combustion gas flowing through the anode-side pipe based on the reception signal Sr. On the other hand, under a predetermined distribution state, a leak 52a of the fuel gas in the pipe is detected by the leak sound. The measured flow rate Q and the presence or absence of the leak are output to the display 201 and displayed. Leakage may be signaled as an alarm from an alarm. The transducers 21 and 22 are set so as to be able to detect an ultrasonic wave of 40 kHz corresponding to a leak sound.
[0010]
FIG. 2 is a functional block diagram of the measuring device 101.
The measuring device 101 is roughly divided into a mode switching unit 111, a flow measurement driving unit (hereinafter, referred to as a “driving unit”) 121, a flow calculation unit 131, a leak detection receiving unit (hereinafter, referred to as a “receiving unit”) 141, and It consists of a leak detector 151. Next, the function of each block will be described.
[0011]
The mode switching unit 111 switches an operation mode between a flow rate measurement mode as a first mode and a leak detection mode as a second mode, and converts the reception signal Sr into a corresponding block according to the set operation mode. Output. The mode switching unit 111 includes an input / output unit 112, a mode switching determination unit 113, and a mode switch 114. The input / output unit 112 outputs the transducer drive signal generated by the drive unit 121 to the transducer on the transmitting side, and outputs the received signal Sr to the mode switch 114. The mode switch 114 is activated by a command signal from the mode switching determination unit 113, and outputs a reception signal Sr to the driving unit 121 or the reception unit 141. A flow state determination signal x indicating a flow state in the anode-side pipe is input to the mode switching determination unit 113. The determination unit 113 determines presence / absence of a flow based on the x, and when there is a flow, A command signal for setting the mode switch 114 to the drive unit 121 to generate the flow measurement mode is generated. On the other hand, when the flow is substantially stopped including the case where the flow rate Q is very small, a command signal for setting the mode switch 114 to the receiving unit 141 side to generate the leak detection mode is generated. The mode switching determination unit 113 and the mode switch 114 constitute a mode setting unit.
[0012]
The drive unit 121 alternately generates a transducer drive signal for each of the transducers 21 and 22 at predetermined time intervals, and measures the propagation time td of the ultrasonic wave St between the transducers 21 and 22. The drive signal generation unit 122 generates a transducer drive signal as described above, and outputs the drive signal to the propagation time measurement unit 124. On the other hand, comparison section 123 detects the timing at which received signal Sr having a level equal to or higher than predetermined level Vr1 is input. The propagation time measuring unit 124 measures the time from when the ultrasonic wave St is emitted from the transmitting-side transducer to when the received signal Sr having the level Vr1 or more is detected, and uses the measured time as the propagation time td. Output to
[0013]
The flow rate calculator 131 calculates the flow rate Q based on the input propagation time td as follows. The distance between the transducers 21 and 22 is L, the propagation time when the ultrasonic wave St is emitted from the upstream side is td1, the propagation time when the ultrasonic wave St is emitted from the downstream side is td2, and the sectional area of the measuring unit pipe 11 is A, assuming that the flow rate correction coefficient relating to the flow velocity distribution is η, the flow velocity V can be calculated by the equation (1), and the flow rate Q can be calculated by the equation (2) (the inverse propagation time method). The distance L between the transducers is L = D / sin θ, where D is the inner diameter of the measuring section pipe 11.
[0014]
V = {L / (2 cos θ)} × (1 / td1-1 / td2) (1)
Q = V × A × η (2)
The comparing unit 123, the propagation time measuring unit 124, and the flow rate calculating unit 131 constitute a flow rate calculating unit.
On the other hand, receiving section 141 amplifies received signal Sr input from mode switching section 111 and detects its level (hereinafter referred to as “reception level”) Slak. The detected Slak is output to the leak detection unit 151. The leak detection unit 151 determines whether or not there is a leak by comparing the input reception level Slak with a predetermined level Vsl (comparing unit 152), and outputs the result to the display 201. The receiving unit 141 and the comparing unit 152 constitute a leak detecting unit.
[0015]
Next, the operation of the ultrasonic flowmeter 1 according to the present embodiment will be described with reference to the flowcharts of FIGS.
Here, as shown in FIG. 3, the open angle φ of the valve 61 installed on the anode side pipe is adopted as the flow state determination signal x.
In the flowchart of FIG. 4, in S101, it is determined whether or not the mode determination flag #Fleak is 0. When the flag #Fleak is 0, the flow rate measurement mode is executed, and the flow rate Q is measured by the processing of S102 to S107. On the other hand, when the flag #Fleak is other than 0 (that is, 1), the leak detection mode is executed, and the leak is detected according to the flowchart of FIG.
[0016]
In the flow rate measurement mode (# Freak = 0), the drive unit 121 operates in S102. In S103, the drive signal generation unit 122 generates a transducer drive signal, outputs the drive signal to the transducer on the transmitting side, and causes the transducer to emit ultrasonic waves St. In S104, the timer of the propagation time measuring unit 124 is started simultaneously with the emission of the ultrasonic wave St. In S105, the comparing unit 123 determines whether the receiving-side transducer has received the ultrasonic wave St. If the ultrasonic wave St has been received, the process proceeds to S106. In S106, the time from the emission of the ultrasonic wave St to the reception thereof is read from the timer, and this is set as the propagation time td. In S107, the flow velocity V and the flow rate Q are calculated by the equations (1) and (2) based on the measured propagation time td.
[0017]
In the flowchart of FIG. 5, in S108, it is determined whether or not the opening angle φ of the valve 61 is equal to or less than a predetermined value φ1 at which the flow substantially stops. If it is smaller than φ1, the process proceeds to S109, and the flag #Freal is changed to 1 in order to switch the operation mode to the leak detection mode. On the other hand, if it exceeds φ1, the process proceeds to S116, in which the operation mode is switched to the flow rate measurement mode, or the flag #Fleak is changed to 0 or kept unchanged to continue the flow rate measurement mode, and this routine is returned.
[0018]
In the leak detection mode (# Fleak = 1), at least one of the transducers 21 and 22 is used as an ultrasonic sensor for leak detection, and a leak sound due to the leak is detected to detect the leak. That is, in the same mode, the receiving unit 141 operates in S110. In S111, the reception signal Sr input from the transducers 21 and 22 is amplified, and the reception level Sleak is detected. In S112, the comparing unit 152 determines whether or not the detected Slak is equal to or higher than a predetermined level Vsl corresponding to the level of the leak sound. If the detected Slak is equal to or higher than Vsl, the process proceeds to S113 and determines that there is a leak. I do. On the other hand, if it is less than Vsl, the process proceeds to S114, and it is determined whether or not the elapsed time since the operation of the receiving unit 141 has reached a predetermined time Tleak set in advance for leak detection. If it reaches Tleak, the process proceeds to S116 via S115. In S115, it is determined that there is no leakage, and in S116, the flag #Fleak is changed to 0 in order to switch the operation mode to the flow measurement mode. On the other hand, before reaching Tleak, this routine is returned as it is, and the leak detection mode is continued.
[0019]
According to the ultrasonic flowmeter 1 with a leak detection function according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
That is, first, the reception level Sleak of the leak sound is detected, and the leak is detected by the Sleak, so that a slight leak from a hole as small as a pin pole can be detected immediately after occurrence. In addition, since the ultrasonic flowmeter 1 uses the existing transducers 21 and 22 to detect leakage, it is not necessary to add a dedicated sensor, and such a leakage detection function can be added at a low cost. Can be.
[0020]
Secondly, the operation mode is switched in accordance with the flow rate Q, and a leak is detected when the flow is substantially stopped, so that it is not affected by background noise such as a passing sound of the flow. Thus, the leak can be reliably detected. In addition, since the leak is detected when the internal pressure is still high immediately after the flow is stopped from the state where the flow is present, the leak sound is generated at a relatively high level, so that the leak is easily detected. be able to.
[0021]
As the flow state determination signal x, in addition to the opening angle φ of the valve 61, an ON signal from a switch, such as a start switch 71 of the fuel cell system shown in FIG. be able to. Also, as shown in FIG. 7, the flow rate Q measured by the ultrasonic flow meter 1 is input to the switch switching determination unit 113 of the measuring device 101 as the distribution state determination signal x, and the presence or absence of flow is determined based on the Q. You may make it. In this case, no sensor or wiring for switching the operation mode is required.
[0022]
The leak detection mode is not limited to the case where the flow is stopped as described above, and may be set under a low flow rate and a steady flow state when there is a flow. Under these conditions, the sound passing through the flow is small, so that it is possible to detect a leak sound, and since the flow is in a steady flow state, high responsiveness is not required for flow measurement. .
[0023]
Hereinafter, another embodiment of the present invention will be described.
An ultrasonic flowmeter with a leak detection function according to the second embodiment may be configured as shown in FIG.
Next, the operation of the ultrasonic flowmeter according to the present embodiment will be described with reference to the time chart of FIG.
[0024]
The measuring device 101 of the ultrasonic flowmeter switches between the flow measurement mode and the leak detection mode alternately and continuously under a predetermined distribution state. For this reason, the timings t1 and t3 at which the reception signal output from the transducer on the receiving side as the reverberant sound of the flow measurement ultrasonic wave St attenuates to a sufficiently small level with respect to the leak sound reception component are determined. Switch the operation mode to the leak detection mode. In the leak detection mode, as in the first embodiment, the reception signal Sr is amplified to detect the reception level Sleak. Then, when this Slak is equal to or higher than the predetermined level Vsl, it is determined that there is a leak. Upon completion of the leak detection, the flow returns to the flow measurement mode (time t2, t4), generates a drive signal for the transducer on the transmitting side, and measures the flow Q based on the propagation time td. Next, this operation will be described with reference to the flowcharts in FIGS.
[0025]
The measuring device 101 first determines whether or not it is in a predetermined distribution state according to the flowchart of FIG. That is, in S201, based on the flow rate Q calculated by the flow rate calculation unit 131, it is determined whether or not the flow rate is low and in a steady flow state. In this state, the process proceeds to S202, and the flag #Fflow as the distribution state determination signal x is set to 1. Otherwise, the process proceeds to S203, and the flag #Fflow is set to 0.
[0026]
In the flowcharts of FIGS. 10 and 11, the operation mode is alternately executed in the flow rate measurement mode and the leak detection mode while referring to the flag #Fflow set as described above. Among the steps in these flowcharts, those that perform the same processing as the flowcharts in FIGS. 4 and 5 are denoted by the same reference numerals.
In the flowchart of FIG. 10, in S101, it is determined whether or not the mode determination flag #Fleak is 0. When it is 0, the flow rate measurement mode is executed, and the flow rate Q is measured by the processing of S102 to S107.
[0027]
Returning to the flowchart of FIG. 11, in S301, it is determined whether the flag #Fflow is “1”. If it is 1, the process proceeds to S302, and if it is 0, this routine returns and the flow measurement mode is continued. In S302, it is determined whether or not the received signal Sr of the ultrasonic wave St has sufficiently attenuated. If it has attenuated, the process proceeds to S303. If it has not been attenuated, the routine returns as it is. In S303, the flag #Fleak is changed to 1. Then, in S304, the receiving unit 141 operates. In subsequent steps S111 to S116, similarly to the first embodiment, the reception level Slak is detected, and leakage is detected by comparing the reception level Slak with a predetermined level Vsl. If it is determined in step S101 that the flag #Fleak is not 0, the process proceeds to step S111 to continue the leak detection mode.
[0028]
According to the ultrasonic flowmeter with a leak detection function according to the present embodiment, the following effects can be particularly obtained.
That is, in the present embodiment, a low flow rate and steady flow state is detected, and the leak detection mode is executed under this state. In a low flow rate and steady flow state, the sound passing through the flow is small, and the leak sound can be easily detected. Therefore, it is possible to detect a leak when the flow is not substantially stopped, for example, during operation of the fuel cell system.
[0029]
The flow rate measurement mode and the leak detection mode are alternately executed to extend the measurement interval of the flow rate Q. However, since the flow rate is in a steady flow state, a decrease in responsiveness does not pose a problem.
FIG. 12 is a functional block diagram of the receiving unit 161 and the leak detecting unit 151 of the ultrasonic flowmeter with a leak detecting function according to the third embodiment of the present invention.
[0030]
In the present embodiment, the receiving unit 161 includes a multiplying unit 162, a low-pass filter 163, and a reception level detecting unit 164. The receiving unit 161 includes a flow rate measuring ultrasonic receiving component Sr and a leak sound receiving component. A received signal Sr + Sleak superimposed on Slak is input. This received signal is represented by a waveform as shown in FIG. 13A, and can be expressed by the following equation (3) relating to time t. The maximum amplitude and frequency of the flow rate measuring ultrasonic reception component Sr are Vr and fr, and the maximum amplitude and frequency of the leak sound reception component Sleak are Vleak and flake.
[0031]
Sr + Sleak = Vr × cos (2πfr × t) + Vleak × {cos (2π (fr−fleak) × t) + cos (2π (fr + fleak) × t)} (3)
In the receiving unit 161, the multiplying unit 162 receives the mixed received signal Sr + Sleak and multiplies the received signal by a known signal St having the same frequency as the ultrasonic wave St.
[0032]
(Sr + Sleak) × St = {Vr × cos (2πfr × t) + Vleak × {cos (2π (fr−fleak) × t) + cos (2π (fr + fleak) × t)} × cos (2πft × t) (4)
Here, since fr = ft, the following equation (5) is obtained.
(Sr + Sleak) × St = Vr / 2 + (Vr / 2) × cos (2π × 2fr × t) + (Vleak / 2) × ｛cos (2π × (2fr-fleak) × t) + cos (2π × (2fr + fleak) × t)｝ + Vleak × cos (2πfleak × t) (5)
Equation (5) is as shown in FIG. 13 (b) when represented by a waveform, which is a form in which the component of the frequency fleak indicated by the fourth term is shifted to the lower frequency side. The low-pass filter 163 allows the component of the frequency flak of the input signal (Sr + Sleak) × St to pass, and outputs the signal to the reception level detection unit 164. The reception level detection section 164 detects the reception level Slak from the filter passing component, and outputs it to the leak detection section 151. The leak detection unit 151 determines whether the detected Slak is equal to or higher than a predetermined level Vsl (comparing unit 152). If the detected Slak is equal to or higher than Vsl, it determines that there is a leak. The multiplying unit 162 and the low-pass filter 163 constitute a signal extracting unit.
[0033]
According to the ultrasonic flowmeter with a leak detection function according to the present embodiment, the following effects can be particularly obtained.
In the present embodiment, only the latter component Sleak is extracted from the reception signal Sr + Sleak in which the flow rate measurement ultrasonic reception component Sr and the leak sound reception component Sleak are superimposed, and leakage is detected based on the extracted component. . Therefore, it is not necessary to clearly set the operation mode for detecting the leak. That is, the flow rate Q can be measured by the components of the first to third terms other than the extraction target in the equation (5). The leak sound generated by a small amount of leakage in a pipe or the like is at a very small level with respect to the flow measurement ultrasonic wave St, but as described above, the leak noise frequency flake is beat-down, and the S / N ratio is increased to reduce the leakage noise. The presence or absence can be determined.
[0034]
In the above, the case where the present invention is applied to the ultrasonic flowmeter installed on the anode side pipe of the fuel cell system has been described as an example. However, the application of the present invention is not limited to this.
The presence or absence of the leakage can be determined not only by the magnitude of the reception level Slak but also by whether or not the reception signals from the transducers 21 and 22 include a signal having a frequency corresponding to the leakage sound.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an ultrasonic flow meter according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a functional block diagram of a measuring device of the ultrasonic flow meter. FIG. Example FIG. 4 is a flowchart of a flow rate measuring operation of the measuring device according to the first embodiment. FIG. 5 is a flowchart of a leak detecting operation of the measuring device. FIG. 6 is a second example of a flow state determination signal x. FIG. 8 is a time chart of a transducer transmission / reception signal, a mode determination flag, and a leak sound reception signal according to the second embodiment of the present invention. Flow chart of the flow state determination operation of the device [FIG. 10] Flow chart of the flow measurement operation of the same measurement device [FIG. 11] Flow chart of the leak detection operation of the same measurement device [FIG. 12] Functions of the receiving unit and the leak detection unit of the same measurement device Lock Figure 13 shows the frequency spectrum before and after the signal extraction process by ibid receiver EXPLANATION OF REFERENCE NUMERALS
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ultrasonic flow meter, 11 ... Measurement part pipe, 21 ... Transducer as a first transducer, 22 ... Transducer as a second transducer, 61 ... Valve, 71 ... Start switch, 101 ... Measuring device, 111 ... Mode Switching section, 112 input / output section, 113 mode switching determination section, 114 mode switch, 121 flow rate measurement drive section (drive section), 122 drive signal generation section, 123 comparison section, 124 propagation time measurement 131, a flow rate calculation unit, 141, a leak detection receiving unit (receiving unit), 151, a leak detecting unit, 152, a comparing unit, 161, a receiving unit, 162, a multiplying unit, 163, a low-pass filter, 164, a receiving level. Detector, 201 ... Display.
