JP2006242658A - 電子式ガスメータ - Google Patents

Abstract

【課題】混合ガス状態を判定することができるガスメータを提供する。
【解決手段】ガス流路内に間欠的に超音波信号を送信する送信手段１２と、超音波信号を受信する受信手段１３とを備えた電子式ガスメータであって、今回計測時の超音波計測時の上流から下流への超音波信号の伝搬時間と下流から上流への超音波信号の伝搬時間の和（Ｔ_n ）と、前回計測時の伝搬時間の和（Ｔ_n-1 ）との差（Ｔ_n −Ｔ_n-1 ）が、予め設定された規定値以上か否かを判定する第１の判定手段１４ａと、第１の判定手段１４ａにより、差（Ｔ_n −Ｔ_n-1 ）が、予め設定された規定値以上であると判定された場合、計量中のガスは混合ガスであると判定する第２の判定手段１４ａとをさらに備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子式ガスメータに関する。

現在、超音波式流速センサを使用した超音波式ガスメータが提案されている（例えば、特許文献１）。上述した超音波式ガスメータは、ガス流路内に一定距離だけ離れて配置された超音波周波数で作動する例えば圧電式振動子からなる２つの音響トランスジューサによって超音波式流速センサを構成している。

そして、一方のトランスジューサの発生する超音波信号を他方のトランスジューサに受信させる動作を行って超音波信号がトランスジューサ間で伝播される伝播時間を計測し、この計測した伝播時間に基づいてガス流速を間欠的に求め、この流速にガス流路の断面積と間欠時間とを乗じて通過流量を求めている。さらに、この通過流量を積算して求めた積算流量を表示することによって、電子式ガスメータを構成することができる。
特公平７−１１９６３８号公報

基本的に、ガス種が１種類で温度も安定している状態であれば、ガスの流れの有無にかかわらず、上流からの伝搬時間と下流からの伝搬時間の和は、常に同一値となる。また、ガス種により音速に違いがあることから、これらの特性を利用したガス種判別手段は、既知の技術となっている。

しかしながら、温度によっても音速は変化し、伝搬時間が変化することになるため、ガスメータのように屋外（温度範囲；−３０〜６０℃）で使用される機器の場合は、該当する伝搬時間の幅が広がり、結果として計測対象外のガスであっても当該ガスとして誤判定してしまう可能性があり、伝搬時間の和のみでは判定精度は良いとは言えない。

また、ガスメータ交換時のガス置換の際には、空気と燃焼ガスの混合ガス状態が発生する。混合ガス状態では、ガス種間で比重に違いがあるため、超音波の伝搬が屈折により不安定となり、その結果、異常な計測をすることがある。基本計量が異常となることで、保安に対する誤判定で、ガス事業者のガスメータ設置時の作業性を著しく悪くしてしまう。

ここでの伝搬時間の和は、混合状態とはいえ、当該ガスと空気の混合であるため、不安定ではあるものの当該ガスの判定範囲内に該当し、結果的に誤判定する可能性がある。

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、混合ガス状態を判定することができるガスメータを提供することを課題とする。

請求項１記載の発明は、ガス流路内に間欠的に超音波信号を送信する送信手段と、前記超音波信号を受信する受信手段とを備えた電子式ガスメータであって、今回計測時の超音波計測時の上流から下流への超音波信号の伝搬時間と下流から上流への超音波信号の伝搬時間の和（Ｔ_n ）と、前回計測時の伝搬時間の和（Ｔ_n-1 ）との差（Ｔ_n −Ｔ_n-1 ）が、予め設定された規定値以上か否かを判定する第１の判定手段と、前記第１の判定手段により、前記差（Ｔ_n −Ｔ_n-1 ）が、予め設定された規定値以上であると判定された場合、計量中のガスは混合ガスであると判定する第２の判定手段とをさらに備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電子式ガスメータにおいて、前記第２の判定手段の判定結果に基づき、ガスの計量の停止および／または保安の停止を指示する指示手段をさらに備えたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の電子式ガスメータにおいて、予め設定された受信回数Ｎのうち、前記第２の判定手段により計量中のガスは混合ガスであると判定された回数ｎ（Ｎ＞ｎ）が予め設定された規定値以上か否かを判定する第３の判定手段と、前記第３の判定手段により、計量中のガスは混合ガスであると判定された回数ｎ（Ｎ＞ｎ）が予め設定された規定値以上であると判定された場合、計量中のガスは混合ガスであると最終判定する第４の判定手段とをさらに備えたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の電子式ガスメータにおいて、前記第４の判定手段の判定結果に基づき、ガスの計量の停止および／または保安の停止を指示する指示手段をさらに備えたことを特徴とする。

請求項１および３記載の発明によれば、ガス置換時の誤判定を防止することができ、誤遮断がなくなるため、ガスメータ設置時の作業性が向上する。また、混合ガス時に発生する異常積算を防止することができる。さらに、計量すべきガス種が安定していることを判定することができる。

請求項２および４記載の発明によれば、ガス置換時の誤判定を防止することができ、誤遮断がなくなるため、ガスメータ設置時の作業性が向上する。また、混合ガス時に発生する異常積算を防止することができる。また、学習などのモードによる保安機能禁止期間の設定ではないので、混合ガス判定時のみの最短期間で保安機能無効を実行することができる。さらに、計量すべきガス種が安定していることを判定することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る電子式ガスメータを示している。図示の電子式ガスメータは超音波方式ガスメータとして構成されており、ガス流路内に距離Ｌだけ離され、かつ、ガス流方向Ｙに対して角度θをなすように、互いに対向して配置された２つの音響トランスジューサＴＤ１及びＴＤ２を有する。

２つの音響トランスジューサＴＤ１及びＴＤ２は、超音波周波数で作動する例えば圧電式振動子から構成されている。ガス流路には、両音響トランスジューサＴＤ１、ＴＤ２の上流側に弁閉によってガス流路を遮断するガス遮断弁１０が設けられている。

各トランスジューサＴＤ１及びＴＤ２はトランスジューサインタフェース（Ｉ／Ｆ）回
路１１ａ及び１１ｂをそれぞれ介して送信回路１２及び受信回路１３に接続されている。送信回路１２は、マイクロコンピュータ（μＣＯＭ）１４の制御の下で、トランスジューサＴＤ１、ＴＤ２の一方を駆動して超音波信号を発生させる信号をパルスバーストの形で送信し、このための発振回路（図示せず）を内蔵している。

受信回路１３は、ガス流路を通過した超音波信号を受信した他方のトランスジューサＴＤ１、ＴＤ２からの信号を入力して超音波信号を増幅する増幅器１３ａ（＝増幅手段）を内蔵している。この増幅器１３ａのゲインは、μＣＯＭ１４によって調整することができる。また、μＣＯＭ１４には、表示器１５が接続されている。

上述したμＣＯＭ１４は、図２に示すように、プログラムに従って各種の処理を行う中央処理ユニット（ＣＰＵ）１４ａ、ＣＰＵ１４ａが行う処理のプログラムなどを格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ１４ｂ、ＣＰＵ１４ａでの各種の処理過程で利用するワークエリア、各種データを格納するデータ格納エリアなどを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ１４ｃなどを内蔵し、これらがバスライン１４ｄによって互いに接続されている。ＣＰＵ１４ａは、請求項におけるゲイン調整手段、第１の判定手段、第２の判定手段、第３の判定手段、第４の判定手段、指示手段として働く。

次に、上述した構成の電子式ガスメータの動作について説明する。上述したＣＰＵ１４ａは、２つのトランスジューサＴＤ１及びＴＤ２を用いて、サンプリング時間毎にガス流速を計測し、計測したガス流速にガス流路の断面積を乗じて瞬時流量を計測する瞬時流量計測処理を行う。以下、瞬時流量計測処理の詳細について説明する。

まず、ＣＰＵ１４ａは、送信回路１２にトリガ信号を出力してパルスバースト信号を発生させ、これを一方のトランスジューサＴＤ１、ＴＤ２に供給させ、この一方のトランスジューサに超音波信号を発生させる。また、一方のトランスジューサから送信された超音波信号を受信する他方のトランスジューサからの信号を受信回路１３に受信させ、これに応じて受信回路１３が発生する信号を取り込む。以上のことから明らかなように、送信回路１２が請求項中の送信手段に相当し、受信回路１３が請求項中の受信手段に相当する。

その後、ＣＰＵ１４ａは、超音波信号を発生するトランスジューサと超音波信号を受信するトランスジューサを逆にして同じ動作をもう一度折り返す制御を行う。そして、ＣＰＵ１４ａは、ＲＡＭ１４ｃ内に形成した伝播時間タイマを用いて、送信回路１２にトリガ信号を出力して一方のトランスジューサの超音波信号を発生させてから、この超音波信号を受信する他方のトランスジューサが発生する信号を受信回路１３を介して取り込むまでの伝播時間Ｔ１、Ｔ２を計測する。

今、音速をｃ、ガス流の流速をｖとすると、トランスジューサＴＤ１からトランスジューサＴＤ２への超音波信号の伝播速度は（ｃ＋ｖｃｏｓθ）、トランスジューサＴＤ２からトランスジューサＴＤ１への超音波信号の伝播速度は（ｃ−ｖｃｏｓθ）となる。従って、トランスジューサＴＤ１及びＴＤ２間の距離をＬとすると、トランスジューサＴＤ１からの超音波信号がガス流と同じ方向Ｙに進んでトランスジューサＴＤ２に到達する時間Ｔ１と、トランスジューサＴＤ２からの超音波信号がガス流と逆方向に進んでトランスジューサＴＤ２に到達する時間Ｔ２とは、
Ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋ｖｃｏｓθ）…（１）
Ｔ２＝Ｌ／（ｃ−ｖｃｏｓθ）…（２）
となる。

式（１）、（２）より
ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）・（１／Ｔ１−１／Ｔ２）
＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）・｛（Ｔ２−Ｔ１）／（Ｔ２・Ｔ１）｝…（３）
となり、Ｌが既知であるときには、Ｔ１及びＴ２を計測することにより流速ｖを求めることができる。

ところで、
Ｔ２・Ｔ１＝Ｌ² ／｛（ｃ＋ｖｃｏｓθ）・（ｃ−ｖｃｏｓθ）｝
＝Ｌ² ／（ｃ² −ｖ² ｃｏｓ² θ）
であり、流速ｖは、音速ｃに比べて極めて小さな数値であるので、上記式中ｖ² は、ｃ² ｃｏｓ² θに比べて極めて小さく無視でき、Ｔ２・Ｔ１＝Ｌ² ／ｃ² とすることができる。そして、上記式（３）は最終的には、
ｖ＝｛（Ｔ２−Ｔ１）・ｃ² ｝／２Ｌｃｏｓθ
＝（Ｔ２−Ｔ１）・（ｃ² ）・（１／２Ｌｃｏｓθ）
と書き直すことができる。ここで、Ｔｄ＝（Ｔ２−Ｔ１）とし、ｋ＝ｃ² ／２Ｌｃｏｓθとすると、
ｖ＝Ｔｄ・ｋ…（４）
となる。

すなわち、超音波信号の伝播時間の差Ｔｄに定数ｋを乗じてガス流速ｖが求められる。そして、このガス流速ｖにガス流路の断面積を乗じることにより瞬時流量を求めることができる。ＣＰＵ１４ａは、さらに、求めた瞬時流量にサンプリング時間を乗じて、ガスの通過流量を求める流量計測処理と、求めた通過流量を積算して積算値を求める積算処理と、積算値をＲＡＭ１４ｃに記憶させる記憶処理と、積算値を表示器１５に表示させる表示処理とを行う。

また、ＣＰＵ１４ａは、上述した流量計測処理が行われる毎に、ゲイン調整手段として働き、超音波信号の受信時に増幅器１３ａのゲイン調整を行い、調整後のゲインの値を記憶手段としてのＲＡＭ１４ｃに記憶させている。ゲイン調整とは、上述した超音波信号の伝播時間を正確に計測するため、受信した超音波信号を増幅する増幅器１３ａのゲインを、増幅後の受信超音波信号のレベルが一定になるように調整することである。

このゲイン調整について、図３を参照して以下に説明する。同図に示すように、送信側からパルス状の超音波信号を出力すると、受信側ではピークが徐々に大きくなって受信される。このとき、例えば３パルス目の超音波信号の送信から、超音波センサの受信レベルが閾値Ａを越えた直後に０となるまでを、超音波信号の伝播時間Ｔ１、Ｔ２として計測する。

従って、正確に流速を計測するためには、３パルス目に送信した超音波信号を受信したとき始めて、受信レベル（すなわち、増幅後の超音波信号のレベル）が閾値Ａを越えるように、受信超音波信号の振幅調整を行う必要がある。具体的には、受信レベルが閾値Ａを越えた直後に受信レベルが０となった後のピークＰが所定範囲Ｂ内に収まるように増幅器１３ａのゲイン調整を行っている。

このように調整される増幅器１３ａのゲインは、流路構成、ガス種、温度、流速等によって変化するものであるが、使用される条件は明確であることから、実験的にどの範囲になるか把握することができる。

通常状態と違って、ガス置換時の発生する混合ガス状態では、超音波の伝搬が不安定となり、本来一定であるはずの伝搬時間の和についてもバラツキが発生する。ガスメータはサイズが小さく、センサ間の距離の確保に制限があることから、流量変化があっても、そこで得られる時間差は非常に小さい。小さな時間差を精度良く検出するシステムであるため、混合ガスによる伝搬時間の変化は、ガスメータにとっては致命的となる。

混合ガスの不安定状態では、伝搬時間の和も計測サンプリングの都度変化する。状態が不安定であるほど、前回計測時と今回計測時の伝搬時間の和の差は大きくなる。裏を返せば、あるレベルまでの差であれば、正常な計測を実施することができる。計測に対する許容レベルは、実験データから決めることができ、この規定値を超えた状態が継続している間については、計測が不安定であることに間違いなく、計量・保安の際に誤判定や誤動作を招くことになるおそれがある。

前回計測時と今回計測時の伝搬時間の和の差のみを連続的に監視する場合は、ガス種を問わず、安定状態であるか否かの判断をすることが可能であるし、判定条件に伝搬時間和の値を加えれば、より精度の高いガス種判定も行うことができる。

また、ガス置換は、ガスメータ設置時のように初期的に実施するものであり、ガスメータは学習機能を搭載していることから、その段階による保安機能の停止を実施することも可能である。しかしながら、その手段では強制的な機能の停止となるため、本来必要な機会に判定できなくなる可能性がある。

そこで、本発明では、ガス置換時のように計量すべきガス種と空気の混合ガスの存在を判定することができる処理を行う。以下、ＣＰＵ１４ａが実行する混合ガス判定処理について、図４のフローチャートを参照して説明する。

まず、超音波信号による計測を開始し（ステップＳ１）、次いで、超音波計測を完了し（ステップＳ２）、次いで、超音波計測時の上流から下流への超音波信号の伝搬時間（Ｔ１）と下流から上流への超音波信号の伝搬時間（Ｔ２）の和（Ｔ_n ）を算出し（ステップＳ３）、記憶手段としてのＲＡＭ１４ｃに記憶させる。

次に、今回計測時の伝搬時間の和（Ｔ_n ）と、前回計測時にＲＡＭ１４ｃに記憶されている伝搬時間の和（Ｔ_n-1 ）との差（Ｔ_n −Ｔ_n-1 ）が、予め設定された規定値以上か否かを判定する（ステップＳ４；第１の判定手段）。規定値以上になっていなければ（ステップＳ４のＮｏ）、計測中のガスは安定していると判定する（ステップＳ５）。したがって、この場合には、ガスの計量および保安動作は、通常通り実行される。ステップＳ５の作業後、ステップＳ８に進む。

一方、規定値以上になっていれば（ステップＳ４のＹｅｓ）、次いで、計測中のガスは混合ガスであると判定し（ステップＳ６；第２の判定手段）、この判定結果を示すフラグをＲＡＭ１４ｃに記憶させる。次いで、ガスの計量および保安動作の停止を指示する（ステップＳ７；指示手段）。したがって、この場合には、上記フラグが立っている間、ガスの計量および保安動作が停止し、ガスメータは停止状態となる。ステップＳ７の作業後、ステップＳ８に進む。ステップ８では、伝搬時間和移行（Ｔ_n →Ｔ_n-1 ）を行い、次いで処理を終了する。

このように、本発明によれば、ガス置換時の誤判定を防止することができ、誤遮断がなくなるため、ガスメータ設置時の作業性が向上する。また、混合ガス時に発生する異常積算を防止することができる。また、学習などのモードによる保安機能禁止期間の設定ではないので、混合ガス判定時のみの最短期間で保安機能無効を実行することができる。さらに、計量すべきガス種が安定していることを判定することができる。

以上の通り、本発明の最良の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

たとえば、上述の最良の形態では、今回計測時の伝搬時間の和（Ｔ_n ）と、前回計測時にＲＡＭ１４ｃに記憶されている伝搬時間の和（Ｔ_n-1 ）との差（Ｔ_n −Ｔ_n-1 ）が、予め設定された規定値を一度でも上回れば、混合ガスであると判定していたが、これに代えて、以下に説明するように、複数回規定値を上回れば、混合ガスであると判定するようにしても良い。

図５のフローチャートは、ＣＰＵ１４ａが時実行する混合ガス判定処理の他の例を示し、以下に説明する。まず、超音波信号による計測を開始し（ステップＳ１１）、次いで、超音波計測を完了し（ステップＳ１２）、次いで、超音波計測時の上流から下流への超音波信号の伝搬時間と下流から上流への超音波信号の伝搬時間の和（Ｔ_n ）を算出し（ステップＳ１３）、記憶手段としてのＲＡＭ１４ｃに記憶させる。

次に、今回計測時の伝搬時間の和（Ｔ_n ）と、前回計測時にＲＡＭ１４ｃに記憶されている伝搬時間の和（Ｔ_n-1 ）との差（Ｔ_n −Ｔ_n-1 ）が、予め設定された規定値以上か否かを判定する（ステップＳ１４；第１の判定手段）。規定値以上になっていなければ（ステップＳ１４のＮｏ）、計測中のガスは安定している、すなわち、ＯＫであると１回目の判定をし（ステップＳ１５）、次いでステップＳ１７に進む。一方、規定値以上になっていれば（ステップＳ１４のＹｅｓ）、次いで、計測中のガスは混合ガスである、すなわちＮＧであると１回目の判定をし（ステップＳ１６；第２の判定手段）、次いで、ステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７では、予め設定された連続する受信回数（Ｎ回）（たとえば、Ｎ＝５）中のＮＧの回数をＣＰＵ１４ａ内蔵のＮＧ回数カウンタ（カウント手段）でカウントする。ここでは、１回目のＮＧなので、１をカウントする。

次に、Ｎ回（たとえば、Ｎ＝５）中のＮＧ回数が予め設定された規定値（回数）（たとえば、３回）以上になったか否かを判定する（ステップＳ１８；第３の判定手段）。

規定値以上になっていなければ（ステップＳ１８のＮｏ）、次いで、計測中のガスは安定していると判定し（ステップＳ１９）、次いでステップＳ２２に進む。一方、規定値以上になっていれば（ステップＳ１８のＹｅｓ）、次いでステップＳ２０に進む。現在、１回目のＮＧなので、ステップＳ１８およびステップＳ１９からステップＳ２２に進む。ステップ２２では、伝搬時間和移行（Ｔ_n →Ｔ_n-1 ）を行い、次いで、混合ガス判定結果移行を行い（ステップＳ２３）、次いで処理を終了する。

次に、２回目以降の超音波計測により、ステップＳ１１〜Ｓ２３の作業が繰り返し実行され、Ｎ回中のＮＧ回数が４回目になると、ステップＳ１８の答がＹｅｓになり、次いで、計測中のガスは混合ガスであると判定し（ステップＳ２０；第４の判定手段）、この判定結果を示すフラグをＲＡＭ１４ｃに記憶させる。次いで、ガスの計量および保安動作の停止を指示し（ステップＳ２１；指示手段）、次いで処理を終了する。したがって、この場合には、上記フラグが立っている間、ガスの計量および保安動作が停止し、ガスメータは停止状態となる。

このように、図５の混合ガス判定処理によれば、混合ガスの判定を複数回判定で確定するようにしているため、さらに判定精度が向上する。

本発明の実施の形態に係る電子式ガスメータを示す構成図である。 図１の電子式ガスメータを構成するμＣＯＭ１４の詳細を示すブロック図である。 図２のＣＰＵ１４ａが行うゲイン調整処理を説明するためのタイムチャートである。 図１の電子式ガスメータを構成するＣＰＵ１４ａの混合ガス判定処理における処理手順を示すフローチャートである。 図１の電子式ガスメータを構成するＣＰＵ１４ａの混合ガス判定処理における他の処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１２ 送信回路（送信手段）
１３ 受信回路（受信手段）
１４ａ ＣＰＵ（第１の判定手段、第２の判定手段、第３の判定手段、第４の判定手段、指示手段）

Claims (4)

1. ガス流路内に間欠的に超音波信号を送信する送信手段と、前記超音波信号を受信する受信手段とを備えた電子式ガスメータであって、
   今回計測時の超音波計測時の上流から下流への超音波信号の伝搬時間と下流から上流への超音波信号の伝搬時間の和（Ｔ_n ）と、前回計測時の伝搬時間の和（Ｔ_n-1 ）との差（Ｔ_n −Ｔ_n-1 ）が、予め設定された規定値以上か否かを判定する第１の判定手段と、
   前記第１の判定手段により、前記差（Ｔ_n −Ｔ_n-1 ）が、予め設定された規定値以上であると判定された場合、計量中のガスは混合ガスであると判定する第２の判定手段と
   をさらに備えたことを特徴とする電子式ガスメータ。
2. 請求項１記載の電子式ガスメータにおいて、
   前記第２の判定手段の判定結果に基づき、ガスの計量の停止および／または保安の停止を指示する指示手段をさらに備えたことを特徴とする電子式ガスメータ。
3. 請求項１記載の電子式ガスメータにおいて、
   予め設定された受信回数Ｎのうち、前記第２の判定手段により計量中のガスは混合ガスであると判定された回数ｎ（Ｎ＞ｎ）が予め設定された規定値以上か否かを判定する第３の判定手段と、
   前記第３の判定手段により、計量中のガスは混合ガスであると判定された回数ｎ（Ｎ＞ｎ）が予め設定された規定値以上であると判定された場合、計量中のガスは混合ガスであると最終判定する第４の判定手段と
   をさらに備えたことを特徴とする電子式ガスメータ。
4. 請求項３記載の電子式ガスメータにおいて、
   前記第４の判定手段の判定結果に基づき、ガスの計量の停止および／または保安の停止を指示する指示手段をさらに備えたことを特徴とする電子式ガスメータ。

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