JP2004144574A

JP2004144574A - 差圧式流量計

Info

Publication number: JP2004144574A
Application number: JP2002308761A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakamura; 中村　博司
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】小流量域でのノイズを確実に低減するとともに大流量域においても応答速度を低下させることなく、つまり、小流量域から大流量域にわたって所望の応答速度で精度よくガス流量を連続測定することのできる幅広い測定レンジを有する差圧式流量計を提供すること。
【解決手段】管３内を流れるガスＧにおける差圧を差圧計１５によって検出し、この差圧計１５から出力される差圧信号を演算処理することにより前記ガスＧの流量を得るように構成された差圧式流量計において、前記差圧信号を所定の時間ごとにサンプリングし、所定個数のデータを保存し、これらのサンプリングされた複数のデータを移動平均するに際して、移動平均に供するデータの個数を流量に応じて変化させるようにした。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ピトー管式流量計などの差圧式流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００１−４１７８７号公報
例えば管内を流れるガスの流量を測定する差圧式流量計の一つに、ピトー管式流量計がある。このピトー管式流量計においては、標準状態換算のガス流量Ｑ_ｇ（ｔ）〔ｍ^３／ｍｉｎ〕は、下記（１）式によって与えられる。
Ｑ_ｇ（ｔ）＝Ｋ×｛Ｐ_ｇ（ｔ）／１０１．３｝×｛２９３．１５／Ｔ_ｇ（ｔ）｝×√｛Δｈ（ｔ）／γ_ｇ｝　　　　　　　　　　　　　　……（１）
ここで、　　　　　Ｋ：比例係数
Ｐ_ｇ（ｔ）：ガス圧力〔κＰａ〕
Ｔ_ｇ（ｔ）：ガス温度〔Ｋ〕
Δｈ（ｔ）：ピトー管の差圧
γ_ｇ：標準状態におけるガス密度〔ｇ／ｍ^３〕
すなわち、比例係数Ｋを予め求めておけば、管内を流れるガスの温度、圧力、ピトー管の差圧の測定値から、前記ガスの流量を得ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ピトー管式流量計においては、上記（１）式から分かるように、流量と差圧の平方根とが比例関係にあることを利用しているために、ダイナミックに変化する流量を測定する際、差圧計のレンジとして幅広いものが必要である。例えば、１００倍の流量レンジに対して１００００倍のレンジが必要である。また、自動車エンジンからの排ガスのように、流量が瞬時にダイナミックに変化する場合においては、データを平均化することができず、さらに、エンジンがアイドルの状態では、低流量にもかかわらず、排ガスの脈動によって差圧計が影響を受けるため、計測が非常に困難になるといった問題がある。この場合、小流量域での測定精度を確保しようとすると、大流量域での応答速度が損なわれるといった問題もあった。
【０００４】
そのため、従来においては、ダイナミックレンジを測定する際には、例えば前記特許文献１に示されるように、レンジの異なる数種類の流量計を用いて測定することが多かった。しかしながら、このようにした場合、複数の流量計を設置するスペースが必要になるとともに、コストが嵩み、さらに、複数の流量計の相関などが問題になる場合が往々にしてあった。
【０００５】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、小流量域でのノイズを確実に低減するとともに大流量域においても応答速度を低下させることなく、つまり、小流量域から大流量域にわたって所望の応答速度で精度よくガス流量を連続測定することのできる幅広い測定レンジを有する差圧式流量計を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、管内を流れるガスにおける差圧を差圧計によって検出し、この差圧計から出力される差圧信号を演算処理することにより前記ガスの流量を得るように構成された差圧式流量計において、前記差圧信号を所定の時間ごとにサンプリングし、所定個数のデータを保存し、これらのサンプリングされた複数のデータを移動平均するに際して、移動平均に供するデータの個数を流量に応じて変化させるようにしたことを特徴としている。
【０００７】
上記差圧式流量計では、差圧計から出力される差圧信号を所定の時間ごとにサンプリングし、所定個数のデータを保存し、これらのサンプリングされた複数のデータを移動平均するに際して、移動平均に供するデータの個数を流量に応じて変化させるようにしているので、例えばエンジン排ガス分析などのように、排ガス流量から排ガス成分の排出量を演算する際に影響の大きい大流量域での応答速度を低下させることなく、幅広い流量レンジをとることができる。
【０００８】
そして、請求項２に記載の差圧式流量計は、請求項１に記載の差圧式流量計において、移動平均に供するデータの個数を多段階に変化させるようにしている。すなわち、請求項１に記載の差圧式流量計において、差圧計の指示値を圧力単位に変換したデータをｘとし、任意の数をＹとするとき、Ｙ／（Σｘ＋１）なる演算における整数分に相当する個数のデータを移動平均するようにしている。
【０００９】
この差圧式流量計では、低流領域では移動平均に用いるデータの個数が多くなり、大流量域では移動平均に用いるデータの個数が少なくなるので、ガスの流れに脈動が生じ、これによって差圧が変動しても、その変動の周期よりも長くデータをとることによって、前記差圧変動に起因する影響を除去することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１は、この発明に係る差圧式流量計を、排ガス濃度測定装置とともに自動車に搭載して、車載型エンジン排ガス分析装置を構成した実施の形態を示すものであり、図２は、前記差圧式流量計の要部の構成を概略的に示すものである。まず、図１において、１は測定に供される自動車で、２は自動車１のエンジン、３はエンジン２に連なり排ガスＧが流れる排気管、４は排気管３に設けられる触媒装置である。そして、５ａ，５ｂは前輪、後輪であり、６は路面である。
【００１１】
そして、図１において、７は自動車１内に設けられる排ガス濃度測定装置としてのＮＤＩＲ（非分散型赤外線）ガス分析装置で、ガス分析部７Ａと演算制御部７Ｂとからなる。ガス分析部７Ａは、一端がガス分岐部８ａを介して排気管３に接続され、他端がガス合流部８ｂを介して排気管３に接続されたガス流路９に介装されており、その詳細な構成の図示は省略するが、排ガスＧの一部がサンプルガスとして連続的に供給されるセルの一端に赤外光源を設け、他端に光チョッパを介して複数の測定対象成分、例えばＨＣ、ＣＯや干渉成分としてのＨ_２Ｏの濃度をそれぞれ検出するための検出部を備えてなるものである。また、演算制御部７Ｂは、自動車１内の演算処理装置１９（後述する）からの指令によりガス分析部７Ａの各部を制御したり、前記検出部の出力信号に基づいて濃度演算を行うように構成されている。
【００１２】
また、図１において、１０は排気管３の最下流端に着脱自在に設けられ、排気管３を流れる排ガスＧの流量を測定する差圧式流量計で、この実施の形態においては、ピトー管式流量計よりなり、例えば以下のように構成されている。すなわち、１１は排気管３の下流端においてこれと分離自在に接続されるアダプタ管で、排気管３と等しい内径を有し、その上流側に排気管３の下流端との接続部１２を備え、その下流側は開放されている。このアダプタ管１１には、図２に示すように、ピトー管式流量計１０の静圧検出用ピトー管１３および動圧検出用ピトー管１４が設けられており、これらのピトー管１３，１４は、差圧計１５に接続されている。また、１６，１７は動圧検出用ピトー管１４の下流側のアダプタ管１１の管内に挿入されるようにして設けられる温度センサ、圧力センサで、それぞれ排ガスＧの温度および圧力を測定するものである。そして、前記差圧計１５、温度センサ１６および圧力センサ１７の出力信号は、演算処理装置１９に入力される。なお、１８は前記各部材１３〜１７を収納するケースで、アダプタ管１１に適宜の手段で着脱自在に取り付けられている。
【００１３】
さらに、図１および図２において、１９は自動車１内に搭載される演算処理装置（例えばパソコンなど）で、前記演算制御部７Ｂとの間で信号を授受してＮＤＩＲ型ガス分析装置７全体を制御したり、演算制御部７Ｂおよびピトー管式流量計１０からの信号に基づいて演算を行って、エンジン２から排出されるＨＣ、ＣＯ等の特定の測定対象成分の重量を算出したり、各種の測定結果などを表示したり、測定結果などをデータとして格納する。なお、演算処理装置１９には、自動車１における車速やエンジン回転数などの車両データも送られるように構成されている。
【００１４】
上述のように構成された車載型エンジン排ガス分析装置においては、エンジン２からの排ガスＧの一部が排気管３のガス分岐部８ａにおいてサンプリングされてＮＤＩＲ型ガス分析装置７のガス分析部７Ａに連続的に供給されることにより、排ガスＧ中に含まれるＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２Ｏの濃度が測定される。前記ガス分析部７Ａに供給された排ガスＧの一部は、前記ガス分岐部８ａにおいてサンプリングされなかった大部分の排ガスＧと排気管３のガス合流部８ｂにおいて合流し、この合流後の排ガスＧは、排気管３の下流端に接続されたアダプタ管１１に設けられたピトー管式流量計１０に向かって流れる。
【００１５】
前記ピトー管式流量計１０においては、静圧検出用ピトー管１３によって、排気管３を経てアダプタ管１１内を流れる排ガスＧの静圧が得られ、動圧検出用ピトー管１４によって、前記排ガスＧの動圧と静圧の和が得られる。そして、差圧計１５において、前記静圧検出用ピトー管１３による検出圧力と、動圧検出用ピトー管１４による検出圧力との差、つまり、排ガスＧの動圧を表す差圧信号が得られる。そして、この発明においては、前記差圧信号は、演算処理装置１９において以下のように処理され、排ガスＧの流量が得られる。以下、前記差圧信号の処理方法について、図３および図４を参照しながら、詳細に説明する。
【００１６】
図３は、演算処理装置１９において行われる処理手順の一例を示すフローチャートである。
前記差圧計１５から演算処理装置１９に入力される差圧信号（指示値）は、アナログ値であるので、これがＡＤ変換される（ステップＳ１）。
【００１７】
そして、前記ＡＤ変換後のデータが０．１秒ごとにサンプリングされる（ステップＳ２）。
【００１８】
また、アナログ値が差圧計１５の単位（例えばｋＰａ）で表される量に変換され、このときのデータの大きさをｘとする（ステップＳ３）。
【００１９】
前記単位変換されたデータを３０個（この例では３秒分）が演算処理装置１９のＣＰＵのデータバッファに保存される（ステップＳ４）。
【００２０】
前記単位で表されるデータの３０個分の和、すなわち、Σｘを計算し、これに１を加えたものを求め、この（Σｘ＋１）で、任意の数Ｙ（例えば１００）を割り算して、その整数部分Ｚが求められる（ステップＳ５）。そのときの演算式は下記（２）式で表される。
Ｚ＝１００／（Σｘ＋１）　　　　　　　　　　　　　　　　……（２）
【００２１】
そして、前記データバッファに保存されているデータのうち、最新のものから前記Ｚ前までのデータが、下記（３）式に示すようにして移動平均され（ステップＳ６）、移動平均後の圧力ΔＨが求められる。
【００２２】
【数１】

【００２３】
前記（３）式によって得られた圧力が前記（１）式を用いて流量に換算され（ステップＳ７）、その結果が演算処理装置１９の表示部に表示される（ステップＳ８）。
【００２４】
上述したように、この発明の差圧式流量計においては、差圧計１５において得られる差圧信号を、例えば０．１秒ごとといった所定の時間ごとにサンプリングして、常に最新の所定個数のデータを保存し、これらのサンプリングされた複数のデータを移動平均するに際して、その移動平均に用いるデータの個数Ｚを、前記（２）式を用いて求めるようにしている。したがって、大流量域における場合に比べて低流量域における方がｘの値が小さく、したがって、この和、すなわち、Σｘは低流量域における方が大流量域における場合に比べて小さくなり、その結果、前記（２）式におけるＺは、低流量域における方が大流量域における場合に比べて大きくなり、前記Ｚは、例えば図４に示すような曲線で表されるようになる。
【００２５】
つまり、この発明の差圧式流量計においては、サンプリングされた複数のデータを移動平均するに際して、小流量域と大流量域とで移動平均に供するデータの個数を流量に応じてリアルタイムに変化させることができ、より具体的には、前記移動平均に用いられるデータの個数は、小流量域の方が大流量域よりも多くなる。その結果、例えばエンジン排ガス分析などのように、排ガス流量から排ガス成分の排出量を演算する際に影響の大きい大流量域での応答速度を低下させることなく、幅広い流量レンジをとることができる。また、低流領域では移動平均に用いるデータの個数が多くなり、大流量域では移動平均に用いるデータの個数が少なくなることから、ガスの流れに脈動が生じ、これによって差圧が変動しても、その変動の周期よりも長くデータをとることによって、前記差圧変動に起因する影響を除去することができる。
【００２６】
図５は、上記構成の差圧式流量計の特性を説明するための図で、同図（Ａ）は前記（２），（３）式に基づいてリアルタイムに変動する移動平均をかけて計算を行ったときの排ガス流量の経時変化を示すものであり、同図（Ｂ）は移動平均をかけずに計算を行ったときの排ガス流量の経時変化を示すものである。そして、両図（Ａ），（Ｂ）いずれにおいても、符号Ａで示す曲線は、ピトー管式流量計を用いた排ガス流量の測定結果であり、符号Ｂで示す曲線は、ＳＡＯ（Ｓｍｏｏｔｈ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　Ｏｒｉｆｉｃｅ）を用いた排ガス流量の測定結果である。
【００２７】
なお、前記ＳＡＯは、例えば図６に示すように、エンジン２に連なる排気管３に希釈空気３１を導入する希釈空気導入管３２を接続し、その上流側からＳＡＯ３３、エアフィルタ３４を接続し、前記排気管３の希釈空気導入管３２の接続点より下流側に、ＣＦＶ（クリティカルフローベンチュリ）３５およびブロア３６を備えたＣＶＳ装置（定容量サンプリング装置）３７を設けて、前記希釈空気量を測定し、ＣＦＶ３５のトータル流量との差に基づいて排ガス流量を求めるようにしたものである。
【００２８】
前記図５（Ａ），（Ｂ）から、以下のことが分かる。すなわち、移動平均をかけずに計算を行ったときの排ガス流量は、同図（Ｂ）に示すように、例えば２５０Ｌ／ｍｉｎ以下の低流量域において大きく変動し、特に、エンジン２の脈動および圧力計１０のノイズに起因して流量０付近においてノイズが大きく表れている。また、本来、マイナスの流量値はあり得ないのであるが、符号５１〜５４に示すように、マイナスの流量値が表れている。これに対して、リアルタイムに変動する移動平均をかけて計算を行ったときの排ガス流量は、同図（Ａ）に示すように、立ち上がりの速度を落とすことなく、流量０付近における前記ノイズによる影響が殆ど除去されている。また、流量値がマイナスの値になることも解消されている。
【００２９】
以上のように、この発明の差圧式流量計においては、差圧計１５から出力される差圧信号を所定の時間ごとにサンプリングし、常に最新の所定個数のデータを保存し、これらのサンプリングされた複数のデータを移動平均するに際して、小流量域と大流量域とで移動平均に供するデータの個数を流量に応じてリアルタイムに変化させるようにしているので、エンジン排ガス分析などのように、排ガス流量から排ガス成分の排出量を演算する際に影響の大きい大流量域での応答速度を低下させることなく、幅広い流量レンジをとることができる。
【００３０】
そして、前記サンプリングされた複数のデータを移動平均するに際して、前記（２），（３）式で示すようにして、演算を行うようにした場合には、低流領域では移動平均に用いるデータの個数が多くなり、大流量域では移動平均に用いるデータの個数が少なくなり、ガスの流れに脈動が生じ、これによって差圧が変動しても、その変動の周期よりも長くデータをとることによって、前記差圧変動に起因する影響を除去することができる。つまり、アイドル状態など低流量で脈動によって圧力が大きく変動するガスの連続測定に大いに有効である。
【００３１】
上述した実施の形態においては、管内を流れるガスにおける差圧をピトー管式流量計１０を用いて検出するようにしているが、前記差圧検出手段として、ベンチュリ式や層流式の流量計を用いるようにしてもよい。
【００３２】
また、この発明は、上述したように、自動車エンジンの排ガスなどのように、流量の測定レンジ幅が広く、流量変化（変動）が大きいガスの流量を連続測定するのに好適であるが、これ以外の排ガス、例えばボイラーなどの燃焼装置からの排ガスの流量の連続測定にも適用できることは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の差圧式流量計によれば、小流量域でのノイズを確実に低減するとともに大流量域においても応答速度を低下させることなく、つまり、小流量域から大流量域にわたって幅広い測定レンジにおいて所望の応答速度で精度よくガス流量を連続測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の差圧式流量計を、排ガス濃度測定装置とともに自動車に搭載して、車載型エンジン排ガス分析装置を構成した実施の形態を示す図である。
【図２】前記差圧式流量計の要部の構成を概略的に示す図である。
【図３】前記差圧式流量計において行われる処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図４】前記差圧式流量計において行われる移動平均を説明するための図である。
【図５】前記差圧式流量計の特性を説明するための図である。
【図６】ＳＡＯを用いて流量測定する場合の構成の一例を概略的に示す図である。
【符号の説明】
３…管、１０…差圧式流量計、１５…差圧計、Ｇ…ガス。

Claims

管内を流れるガスにおける差圧を差圧計によって検出し、この差圧計から出力される差圧信号を演算処理することにより前記ガスの流量を得るように構成された差圧式流量計において、前記差圧信号を所定の時間ごとにサンプリングし、所定個数のデータを保存し、これらのサンプリングされた複数のデータを移動平均するに際して、移動平均に供するデータの個数を流量に応じて変化させるようにしたことを特徴とする差圧式流量計。
差圧計の指示値を圧力単位に変換したデータをｘとし、任意の数をＹとするとき、Ｙ／（Σｘ＋１）なる演算における整数分に相当する個数のデータを移動平均するようにしてなる請求項１に記載の差圧式流量計。