JP2004340711A - 流量計の積算方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波を利用した流量計で、超音波振動子の出力から瞬時流量を求める場合、測定系のゼロ点のふらつきやドリフトなどによる誤積算のため、積算表示桁の最小値がふらつくことがある。本発明の目的は、これら積算の誤りや、積算値表示の誤りを無くした流量計の積算方法を提供することにある。
【解決手段】積算表示最小値ｑ_ｍ、時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃと、表示カウンタ、作業カウンタ、時間カウンタとを設け、時間カウンタ積算値ΣＴが時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃ以内で、作業カウンタ積算値Σｑが積算表示最小値ｑ_ｍ以上になった場合には、作業カウンタから表示カウンタに積算表示最小値ｑ_ｍずつ移動させて、表示カウンタ積算値ΣＱを表示する方法で解決できる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波の伝播時間から流量を計測する超音波流量計など、流体や気体の流量を計測する流量計において、積算値の誤積算を防止する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波を利用した流量計は、流体の流れる管路に１対の超音波振動子を対向配置し、流体の流れに対して順方向（上流振動子で送信、下流振動子で受信）、逆方向（下流振動子で送信、上流振動子で受信）に交互に超音波パルスを送受信してガスの流れ方向と逆方向に伝播される超音波の伝播時間に基づきガスの流速を求め、この流速から流量を求めている。
超音波振動子の出力である微少な電気信号の値から瞬時流量を求める場合、超音波の伝播距離が短く限定されて伝播時間が短いために、測定誤差を生じ易く、また、ゼロ点のふらつきや２つの振動子やその送受信回路のアンバランスによるドリフトなどにより、実際には流量がゼロの場合でも、ごくわずかな流量があるような電気出力が出てしまうことがある。さらに、積算表示の表示桁の最小値付近でゼロ点がプラス・マイナスにふらつくような場合には、積算表示の最小値もふらつくことがある。この対策として、従来は、低流量レベルのしきい値を設け、このしきい値以下の流量の場合には積算しないなどの処理方法が提案されている（特許文献１参照）。この処理方法では、積算バッファという積算値とは別のカウンタを準備し、積算バッファを経由して積算を行うなどの対策がとられてい
る。
【特許文献１】
公開特許公報 第２００２−１１６０７３号
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらの誤積算の問題点を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、流体や気体の流量を計測する流量計において、ゼロ点のふらつきやドリフトによる微少な流量の積算や、ノイズ等による一瞬の大流量の積算における誤りや、積算値表示の誤りを無くした流量計の積算方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、超音波の伝播時間から流体や気体の流量を計測する超音波流量計など、所定時間間隔で間欠的に瞬時流量を求めてこの瞬時流量から積算値を表示する流量計の積算方法において、積算表示最小値ｑ_ｍ と時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃとを用いて、積算表示用の積算値の誤積算を防止することとする（請求項１）。
具体的には、積算表示最小値ｑ_ｍと時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃとを用いる方法として、流量計の積算表示最小値ｑ_ｍとゼロ点のふらつきやドリフトで定まる低流量しきい値ｑ_ｆｓとから時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃを予め定め、また、流量計の表示値を積算する表示カウンタ（積算値ΣＱ）と、瞬時流量を積算する作業カウンタ（積算値Σｑ）と、時間カウンタ（積算値ΣＴ）とを設け、作業カウンタ積算値Σｑは、測定時間間隔ｔ_Ｔで測定する瞬時流速ｖ_ｆｉから計算されるｔ_Ｔ時間内の流量ｑ_ｔｉを、積算表示最小値ｑ_ｍの桁以下に数桁のデータを保持して、積算し、時間カウンタ積算値ΣＴが時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃ以内で、作業カウンタ積算値Σｑが積算表示最小値ｑ_ｍ以上になった場合には、作業カウンタから表示カウンタに積算表示最小値ｑ_ｍずつの移動（Σｑ−ｑ_ｍ、ΣＱ＋ｑ_ｍ）を作業カウンタの積算値Σｑが積算表示最小値ｑ_ｍ未満になるまで繰り返し行い、時間カウンタをクリアし、表示カウンタの積算値ΣＱを表示し、時間カウンタ積算値ΣＴが時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃに達した場合には、作業カウンタ積算値をクリアし、時間カウンタをクリアし、表示カウンタの積算値ΣＱを表示する、こととする（請求項２）。
【０００５】
以下に、この請求項２の流量計の積算方法の詳細を、図１の本発明の例としての超音波ガスメータのブロック構成図と、図２の本発明の例としての表示カウンタ、作業カウンタ、時間カウンタを含む全体の流量計の処理動作を示すフロー図と、を用いて説明する。
図２に示すように、測定の開始時には、まず、時間カウンタ積算値ΣＴ、作業カウンタ積算値Σｑ、表示カウンタ積算値ΣＱをクリアする。次に、ｔ_Ｔ時間間隔で測定媒体の瞬時流速ｖ_ｆｉを測定する。図１に示すように送受信超音波素子４ａ，４ｂを測定媒体の上下流に角度をつけて対抗して設置した場合、超音波の順方向伝播時間ｔ_１ｉ、逆方向伝播時間ｔ_２ｉ、測定媒体の瞬時流速ｖ_ｆｉは、次の（１）〜（３）式で表される。
【０００６】
順方向伝播時間：ｔ_１ｉ＝Ｌ／（ｖ_ｓ＋ｖ_ｆｉｃｏｓ θ） （１）
【０００７】
逆方向伝播時間：ｔ_２ｉ＝Ｌ／（ｖ_ｓ−ｖ_ｆｉｃｏｓ θ） （２）
【０００８】
媒体の瞬時流速：ｖ_ｆｉ＝（（Ｌ／ｔ_１ｉ）−（Ｌ／ｔ_２ｉ））／２ ｃｏｓθ （３）
ここで、ｔ_１ｉ：時間カウンタｉ番目の順方向伝播時間、ｔ_２ｉ：時間カウンタｉ番目の逆方向伝播時間、Ｌ：送受信超音波素子の距離 θ：上下振動子の対向方向と流れ方向との角度、ｖ_ｓ：超音波の伝播速度、ｖ_ｆｉ：時間カウンタｉ番目の媒体の瞬時流速、である。
次に、時間カウンタｉ番目の瞬時流量ｑ_ｆｉとｔ_Ｔ時間内の流量ｑ_ｔｉは、（４）〜（５）式で表される。
【０００９】
瞬時流量：ｑ_ｆｉ＝ｖ_ｆｉＳ （４）
【００１０】
ｔ_Ｔ時間内の流量：ｑ_ｔｉ＝ｑ_ｆｉｔ_Ｔ （５）
ここで、ｑ_ｆｉ：時間カウンタｉ番目の瞬時流量、Ｓ：測定管路の断面積、ｑ_ｔｉ：時間カウンタｉ番目のｔ_Ｔ時間内の流量、ｔ_Ｔ：測定間隔、である。
次に、時間カウンタ積算値ΣＴ、作業カウンタの積算値Σｑにそれぞれ、ｔ_Ｔ、ｑ_ｔｉを加算する。この際に、作業カウンタの積算値Σｑやｔ_Ｔ時間内の流量ｑ_ｔｉの桁数としては、積算表示最小値ｑ_ｍの２桁程度以下まで有効数字がとれるよう、測定時間間隔ｔ_Ｔと関連して、瞬時流速ｖ_ｆｉの測定精度を定めることが望ましい。
【００１１】
この時点で、ａ）時間カウンタ積算値ΣＴが時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃ以内で、作業カウンタ積算値Σｑが積算表示最小値ｑ_ｍ以上になった場合には、作業カウンタから表示カウンタに積算表示最小値ｑ_ｍずつの移動（Σｑ−ｑ_ｍ、ΣＱ＋ｑ_ｍ）を作業カウンタの積算値Σｑが積算表示最小値ｑ_ｍ未満になるまで繰り返し行い、時間カウンタをクリア（０）し、ｂ）時間カウンタの積算値ΣＴが積算カウンタ制限時間Ｔ_ｃ以内であり、作業カウンタの積算値Σｑが積算表示最小値ｑ_ｍ以下の場合には、ｔ_Ｔ時間後の次回の瞬時流速測定を待つ。また、ｃ）時間カウンタの積算値ΣＴが積算カウンタ制限時間Ｔ_ｃに達した場合には、作業カウンタの積算値をクリアし（０）、時間カウンタをクリアする（０）。
【００１２】
さらに、上記の流量計の積算方法において、予め定めた流量計の積算表示最小値ｑ_ｍと低流量しきい値ｑ_ｆｓとから時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃを求める方法として、低流量しきい値ｑ_ｆｓが連続して測定され場合でも積算表示最小値ｑ_ｍに到達しない最大の測定回数をｎとした場合に、時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃは最大の測定回数ｎと測定間隔ｔ_Ｔとの積であることとする（請求項３）。
以下に、この時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃの決定方法を数式で表して説明する。
ゼロ点のふらつきやドリフトによる微少な流量の最大値から決められた低流量しきい値ｑ_ｆｓと予め決められた積算表示最小値ｑ_ｍを利用して、時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃは（６）式で表される。
【００１３】
時間カウンタ制限時間：Ｔ_ｃ＝ｑ_ｍ／ｑ_ｆｓ （６）
ここで、ｑ_ｍ：積算表示最小値、ｑ_ｆｓ：低流量しきい値、である。
例えば、ｑ_ｍ＝１〔Ｌ〕、ｑ_ｔｓ＝１〔Ｌ／時間〕の場合は、Ｔ_ｃ＝６０〔分〕となり、ｑ_ｍ＝１〔Ｌ〕、ｑ_ｔｓ＝２〔Ｌ／時間〕の場合は、Ｔ_ｃ＝３０〔分〕となる。
上記の請求項２と３の方法により、時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃ内に流量変化が積算表示の最小値以内であると判断した場合、不必要な積算値をクリアすることにより誤積算を防止することができ、精度のよい流量計測・積算処理が実施できる。この際に、瞬時流量ｑ_ｆｉがマイナス側にドリフトすることもあるが、積算表示最小値ｑ_ｍは正の数値であるために、表示カウンタ積算値ΣＱの変化は無く、表示のふらつきを防止できる。
【００１４】
また、上記の何れかの流量計の積算方法において、通常は起こらないことであるが、流量計に何らかの異常で起こる逆流を考慮して逆流積算表示最小値ｑ_ｒ を定め、時間カウンタ積算値ΣＴが時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃ以内で、作業カウンタ積算値Σｑがマイナスの値でその絶対値が逆流積算表示最小値ｑ_ｒ以上になった場合には、作業カウンタから表示カウンタに積算表示最小値ｑ_ｒずつの移動（Σｑ＋ｑ_ｒ、ΣＱ−ｑ_ｒ）を作業カウンタの積算値Σｑがマイナスの値でその絶対値が逆流積算表示最小値ｑ_ｒ未満になるまで繰り返し行い、時間カウンタをクリアし、表示カウンタの積算値ΣＱを表示し、時間カウンタ積算値ΣＴが時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃに達した場合には、作業カウンタ積算値をクリアし、時間カウンタをクリアし、表示カウンタの積算値ΣＱを表示する、こととする（請求項４）。この場合、逆流積算表示最小値ｑ_ｒの値は、上記の積算表示最小値ｑ_ｍ の値と同じでも、異なっていても良く、任意の値の選択が可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の例としての超音波ガスメータのブロック構成図を示す。この図のように、超音波ガスメータはタイミング回路１、送信回路２、切替スイッチ３、上流側振動子４ａ、下流側振動子４ｂより成り超音波を送受信する超音波振動子４、増幅器を内蔵する受信回路５、時間カウンタ６ａ、作業カウンタ６ｂ、表示カウンタ６ｃなどを内蔵するマイクロコンピュータ（マイコン）６、２個の超音波振動子４を装着した流速測定管７などにより構成されている。
この図において、まずタイミング回路１より送信回路２を経て上流側振動子４ａが励振されると、流路長Ｌの流路を通して超音波が伝播され、下流側の振動子４ｂで受信されて受信回路５で増幅され、マイコン内で送信と受信との時間差から順方向伝播時間ｔ_１ｉが求められる。同様に、次の時点で、切替スイッチ３を切替えて、下流側の振動子４ｂで送信、上流側振動子４ａで受信して、逆方向伝播時間ｔ_２ｉが求められる。この２つの伝播時間ｔ_１ｉ、ｔ_２ｉから媒体の瞬時流速ｖ_ｆｉが求められ、上述の式によりｔ_Ｔ時間内の流量ｑ_ｔｉが得られる。
【００１６】
ここで、超音波の伝搬時間ｔ_１ｉ、ｔ_２ｉは、超音波の媒体内の伝播速度（ガス中の音速）ｖ_ｆｉと伝播距離Ｌにより決定されるが、一般にガスメータの場合、大きさの制限があり伝播距離Ｌが短く限定されるため、伝播時間ｔ_１ｉ、ｔ_２ｉは数百μｓとなる。この伝播時間が非常に短いため、流量の計算には誤差を生じやすく、完全なゼロ点を持たせるのには、非常に困難であり、積算処理の方法を工夫する必要がある。
以下、本発明の３つの実施例について、図に基づき説明する。
〔実施例１〕
図３は、図１の超音波ガスメータのブロック構成図で、図２の全体の流量計の処理動作を示すフロー図により、請求項２の方法で行った表示カウンタ積算値ΣＱ、作業カウンタ積算値Σｑ、時間カウンタ積算値ΣＴの時間的な推移を示す測定例の図である。ここでは積算表示最小値ｑ_ｍを１リットル、低流量しきい値ｑ_ｆｓを１〔Ｌ／時間〕とした場合、時間カウンタの制限時間Ｔ_ｃは６０分となり、この場合、時間カウンタ積算値ΣＴが６０分以下であれば、作業カウンタ積算値Σｑが１リットル以上の時に、１リットル分を作業カウンタ積算値Σｑから表示カウンタ積算値ΣＱに移して時間カウンタをクリアし（図３のＡ、Ｂ、Ｃ区間）、時間カウンタ積算値ΣＴが６０分を超えれば、作業カウンタと時間カウンタをクリアし（図３のＤ区間）ている。このＤ区間では、作業カウンタ積算値Σｑが６０分で１リットル未満の流量しか無かったので、ゼロ点のふらつきやドリフトによる微少な流量や、ノイズ等による一瞬の大流量と判定し、作業カウンタと時間カウンタの積算値をクリアすることで、誤積算の防止ができる。
〔実施例２〕
図４には、実施例１と同様な構成で、請求項２の方法で行った表示カウンタ積算値ΣＱ、作業カウンタ積算値Σｑ、時間カウンタ積算値ΣＴの時間的な推移を示す別の測定例の図である。ここでも積算表示最小値ｑ_ｍを１リットル、時間カウンタの制限時間Ｔ_ｃを６０分、測定時間間隔ｔ_Ｔを１分として、時間カウンタ積算値が６０分以下であれば、作業カウンタ積算値Σｑが１リットル以上の時に、１リットル分を作業カウンタ積算値Σｑから表示カウンタ積算値ΣＱに移して時間カウンタをクリアし（図４のＥ、Ｆ、Ｇ区間）ている。しかし、Ｆ区間では、作業カウンタ積算値Σｑは、ゼロ点のふらつきやドリフトによりマイナスの値になっている時間があるが、積算表示最小値の＋１リットルを超えていないので、表示カウンタの積算値即ち実際の積算表示の変動は無く、ゼロ点のふらつきやドリフトによる表示値の不安定を防止できる。
〔実施例３〕
図５には、実施例１と同様な構成で、請求項４の方法で行った表示カウンタ積算値ΣＱ、作業カウンタ積算値Σｑ、時間カウンタ積算値ΣＴの時間的な推移を示す測定例の図である。ここでは積算表示最小値ｑ_ｍを１リットル、逆流積算表示最小値ｑ_ｒを１リットル、時間カウンタの制限時間Ｔ_ｃを６０分、測定時間間隔ｔ_Ｔを１分としている。時間カウンタ積算値が６０分以下であれば、作業カウンタ積算値Σｑが１リットル以上の時に、１リットル分を作業カウンタ積算値Σｑから表示カウンタ積算値ΣＱに移して時間カウンタをクリアし（図４のＨ、Ｊ、Ｋ、Ｌ区間）ている。ただし、Ｉ区間では、作業カウンタ積算値Σｑは、マイナスの値になっている時間があり、何らかの異常状態により積算表示最小値がマイナスで１リットルを超えている区間があるので、その時点で表示カウンタ積算値ΣＱの表示は１リットル減らされることになる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明では、流量計の時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃを積算表示最小値ｑ_ｍと低流量しきい値ｑ_ｆｓとから予め定め、また、流量計の積算値を表示する表示カウンタと、作業カウンタと、時間カウンタとを設け、時間カウンタ積算値ΣＴが時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃ以内で、作業カウンタ積算値Σｑが積算表示最小値ｑ_ｍ以上になった場合には、作業カウンタから表示カウンタに積算表示最小値ｑ_ｍを移動させ、時間カウンタ積算値ΣＴがが時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃに達した場合には、作業カウンタと時間カウンタをクリアすることで、不必要な桁の積算値をクリアして誤積算による積算値の表示を防止できる。また、流量計に何らかの異常で起こる逆流に対しては逆流積算表示最小値ｑ_ｒを定めることで、表示積算値Σｑがマイナスの値でその絶対値が逆流積算表示最小値ｑ_ｒ以上になった場合に積算値の訂正ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の例としての超音波ガスメータのブロック構成図
【図２】本発明の例としての表示カウンタ、作業カウンタ、時間カウンタを含む全体の流量計の処理動作を示すフロー図
【図３】本発明の請求項２の方法で行った表示カウンタ積算値ΣＱ、作業カウンタ積算値Σｑ、時間カウンタ積算値ΣＴの時間的な推移を示す測定例の図
【図４】本発明の請求項２の方法で行った表示カウンタ積算値ΣＱ、作業カウンタ積算値Σｑ、時間カウンタ積算値ΣＴの時間的な推移を示す別の測定例の図
【図５】本発明の請求項４の方法で行った表示カウンタ積算値ΣＱ、作業カウンタ積算値Σｑ、時間カウンタ積算値ΣＴの時間的な推移を示す別の測定例の図
【符号の説明】
１ ： タイミング回路
２ ： 送信回路
３ ： 切替スイッチ
４ ： 超音波振動子
４ａ： 上流側振動子
４ｂ： 下流側振動子
５ ： 受信回路
６ ： マイコン
６ａ： 時間カウンタ
６ｂ： 作業カウンタ
６ｃ： 表示カウンタ
７ ： 流速測定管

Claims (4)

1. 超音波の伝播時間から流体や気体の流量を計測する超音波流量計など、所定時間間隔で間欠的に瞬時流量を求めてこの瞬時流量から積算値を表する流量計の積算方法において、積算表示最小値ｑ_ｍと時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃとを用いて、積算表示用の積算値の誤積算を防止することを特徴とする流量計の積算方法。
2. 請求項１に記載の流量計の積算方法において、積算表示最小値ｑ_ｍと時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃとを用いる方法として、
   流量計の積算表示最小値ｑ_ｍと計測において無視可能な低流量しきい値ｑ_ｆｓとから時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃを予め定め、また、流量計の表示値を積算する表示カウンタ（積算値ΣＱ）と、瞬時流量を積算する作業カウンタ（積算値Σｑ）と、時間カウンタ（積算値ΣＴ）とを設け、
   作業カウンタ積算値Σｑは、測定時間間隔ｔ_Ｔで測定する瞬時流速ｖ_ｆｉから計算されるｔ_Ｔ時間内の流量ｑ_ｔｉを、積算表示最小値ｑ_ｍの桁以下に数桁のデータを保持して、積算し、
   時間カウンタ積算値ΣＴが時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃ以内で、作業カウンタ積算値Σｑが積算表示最小値ｑ_ｍ以上になった場合には、作業カウンタから表示カウンタに積算表示最小値ｑ_ｍずつの移動（Σｑ−ｑ_ｍ、ΣＱ＋ｑ_ｍ）を作業カウンタの積算値Σｑが積算表示最小値ｑ_ｍ未満になるまで繰り返し行い、時間カウンタをクリアし、表示カウンタの積算値ΣＱを表示し、
   時間カウンタ積算値ΣＴが時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃに達した場合には、作業カウンタ積算値をクリアし、時間カウンタをクリアし、表示カウンタの積算値ΣＱを表示する、ことを特徴とする流量計の積算方法。
3. 請求項２に記載の流量計の積算方法において、
   予め定めた流量計の積算表示最小値ｑ_ｍと低流量しきい値ｑ_ｆｓとから時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃを求る方法として、低流量しきい値ｑ_ｆｓが連続して測定され場合でも積算表示最小値ｑ_ｍに到達しない最大の測定回数をｎとした場合に、時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃは最大の測定回数ｎと測定間隔ｔ_Ｔとの積であることを特徴とする流量計の積算方法。
4. 請求項１から３の何れかに記載の流量計の積算方法において、流量計に何らかの異常で起こる逆流を考慮して逆流積算表示最小値ｑ_ｒを定め、
   時間カウンタ積算値ΣＴが時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃ以内で、作業カウンタ積算値Σｑがマイナスの値でその絶対値が逆流積算表示最小値ｑ_ｒ以上になった場合には、作業カウンタから表示カウンタに積算表示最小値ｑ_ｒずつの移動（Σｑ＋ｑ_ｒ、ΣＱ−ｑ_ｒ）を作業カウンタの積算値Σｑがマイナスの値でその絶対値が逆流積算表示最小値ｑ_ｒ未満になるまで繰り返し行い、時間カウンタをクリアし、表示カウンタの積算値ΣＱを表示し、
   時間カウンタ積算値ΣＴが時間カウンタ制限時間Ｔ_ｃに達した場合には、作業カウンタ積算値をクリアし、時間カウンタをクリアし、表示カウンタの積算値ΣＱを表示する、ことを特徴とする流量計の積算方法。

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