JP2007163203A - コリオリ質量流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 液の流れが生じていないことを簡単な構造で確実、かつ自動的に検出して零点を自動的に補正すること。
【解決手段】流れにより振動形態が変化するチューブの振動を検出する振動測定手段１と、環境の温度を検出する温度検出手段２からの信号とをデジタル信号を処理して瞬時流量を算出するコリオリ質量流量計において、振動測定手段１と温度検出手段２とにより検出された瞬時流量に基づいて平均流量値を求め、前記平均流量値が、予め設定された平均流量閾値の範囲内の場合には流れが存在しないと判断して前記平均流量値を零点のオフセット量として零点を補正し、平均流量の算出、及び流量ゼロの識別と零点オフセット値の更新を稼動時は常時自動で継続的に実行する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コリオリ質量流量計の零点補正技術に関する。

コリオリ質量流量計は、質量流量に比例して発生するコリオリ力によって生じる振動チューブの変化を少なくとも一対のピックアップ（振動検出器）により検出するように構成されている。

このように構成されたコリオリ質量流量計は、理想的には、流体が流れていない状態では測定値がゼロであるべきであるが、実際にはチューブ、ピックアップからの信号を処理する電子部品の特性のバラツキや、温度などの環境条件の変化や、チューブなどの構造物の経年変化により、わずかながら流量出力Ｑｚｅｒｏが生じ、その値が変動し、いわゆる零点変動が生じる。

このような問題を解消するために例えば特許文献１には、零点補正スイッチ・タイマーを有し、特定条件下で、２つのピックアップ信号の時間差を平均して零点補正の使い勝手を高めている。しかしながら零点スイッチの操作を行う必要はあり、フルオートとは言えない。また、零点の値、判断基準に時間差の単位を用いているが、温度等の各種の補正を施した流量信号〈kg/h〉を用いる方が精度を向上させやすい。さらにアナログ信号処理が前提であるため、平均化処理等の信号処理が複雑で自由度に欠け、そのほかにタイマーやラッチ手段等、様々な回路を必要とする。

また特許文献２には、弁などを操作手段の移動を検出するスイッチあるいはセンサ等からの信号に基づいて流れの発生しない状態を検出して、このときの流量をオフセット量として補正することが記載されているが、流量計への信号伝達手段などが必要となりコスト増を招くという問題がある。
特開平5-26708号公報 特開平8-100893号公報

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは流量がゼロであることを判別して流れが生じていない状態での流量成分をオフセット量として求め、以後の流量算出時には、このオフセット量を差し引いて質量流量を出力する動作を自動、かつ継続的に実行するコリオリ流量計を提供することである。

このような課題を達成するために、請求項１の発明は、流れにより振動形態が変化するチューブの振動を検出する振動測定手段と、環境の温度を検出する温度検出手段からの信号とをＡ−Ｄ変換器によりデジタル信号に変換後、前記デジタル信号を処理して瞬時流量を算出するコリオリ質量流量計において、前記振動測定手段と温度検出手段とにより検出された瞬時流量に基づいて平均流量値を求め、前記平均流量値が、予め設定された平均流量閾値の範囲内の場合には流れが存在しないと判断して前記平均流量値を零点のオフセット量として零点を補正し、平均流量の算出、及び流量ゼロの識別と零点オフセット値の更新を稼動時は常時自動で継続的に実行する。

請求項２の発明は、前記平均流量閾値範囲よりも広範囲の瞬時流量閾値範囲が予め設定されていて、前記平均流量値が前記平均流量閾値範囲内で、かつ平均流量値の演算期間、またはその前後の期間における瞬時流量が前記瞬時流量閾値の範囲内の場合には流れが存在しないと判断して前記平均流量値をオフセット量として零点を補正する。

請求項３の発明は、前記オフセット量を当該機器に固有に定まるデフォルトゼロ値と、周囲環境の変化、または経年変化で変化するゼロ変動値との２種類の成分に分離し、前記オフセット量と前記デフォルトゼロ値との差分を更新する。

請求項４の発明は、理論的に流れが存在しない状態での平均流量値を検出して前記デフォルトゼロ値として設定する。

請求項５の発明は、前記理論的に流れが存在しない状態を、流路に接続されている弁手段の弁駆動検出信号に基づいて検出する。

請求項１の発明によれば、零点の変化・ドリフトの影響を最小限として安定性と精度の向上を図ることができる。
すなわち、人間の手を介することなく流れが存在しない状態を検出して継続的に自動ゼロ調整を行うことができ、省力化だけでなく、判断ミス等の人為的な誤差やエラーの発生を防止できる。
また、永続的に常に最新の零点調整結果が測定値に反映され、高い精度でかつ安定に流量を測定することができる。
さらに、流れが存在しないことを流量計の測定結果に基づいて判断するため、外部のスイッチやセンサ等から、流量計への信号伝達手段や入力ポートが不要となり、簡単な構造で自動ゼロ調整機能が実現できる。また、外部のスイッチやセンサ等を利用できない既存ラインにも容易に適用することができる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明に加えて、短時間での流れの存在を見過ごすことなく、流れが存在しない状態を正確、確実に検出して高精度で安定な流量測定を実現できる。

請求項３の発明によれば、計測システムに固有のオフセット量（デフォルトゼロ値）と、環境変化や経年変化等により変動するオフセット量（ゼロ変動値）を分けて管理する変動幅の小さいゼロ変動値に的を絞った管理をすることにより流れの有無の判定の閾値を最適な狭い範囲とすることで、微小な流れをも確実に検出して零点補正のミスを防止できる。

請求項４の発明によれば、出荷前の校正時にデフォルトゼロを求めて設定する作業が不要となり、工数の削減が可能となる。また出荷検査工場等のラインで求めるよりも、現場に設置された状態でデフォルトゼロを求めたほうが、よりその後の使用状況に近いので、より正確で現実的なデフォルトゼロの値を採用することができる。

請求項５の発明によれば、流れが存在する可能性があることを示す弁駆動検出信号を取り込むことで、不要なときに誤って零点補正を実行することを防止できる。
もし、充填スイッチやノズルスイッチからの信号が流量停止を示している状態で或る程度大きな流量が一定時間以上検出された場合には、流量計の故障か、計量機側の不具合か、漏れの発生などと判断でき、故障診断、漏れ診断が可能になる。

図１は、本発明の第１の実施例を示すものであって、振動測定手段１は、周知のようにチューブの異なる２箇所の振動形態、つまり振動の周波数、及び２ヶ所の振動の位相差を検出するもので、チューブまたは環境の温度を検出する温度測定手段２とともにその検出信号を瞬時流量を算出する瞬時流量演算手段１１に出力するように構成されている。
この場合、振動測定手段１及び温度測定手段２の信号を図示しないＡ−Ｄ変換器によりデジタル信号に変換してデジタル処理を施してから瞬時流量を算出するようにするのが望ましい。

瞬時流量演算手段１１により算出された瞬時流量は、流量補正手段１２により零点補正を受けて流量信号として出力される。

判定手段１５は、平均流量演算手段１３により瞬時流量に基づいて算出された所定期間の平均流量値と、平均流量閾値記憶手段１４に予め格納されている平均流量閾値とを比較して補正の可否を出力するように構成されている。

流量補正手段１２は、判定手段１５から補正可の信号を受けた場合に、前記所定期間の平均流量値として検出された流れが存在しない状態での平均流量値を零点、オフセット量とし、瞬時流量演算手段１１の瞬時流量との差分を算出して流量信号として出力する。

このように構成した装置の動作を図２のフローチャートに基づいて説明する。
瞬時流量演算手段１１は、所定のタイミングで振動測定手段１により検出されたチューブの位相差、周波数、及び温度測定手段２により検出された温度を取り込み（ステップ１）、これらのデータに基づいて瞬時流量を算出する（ステップ２）。平均流量演算手段１３は、瞬時流量の演算が所定回数ｎ実行された時点で平均流量を演算して（ステップ３）、第１の流量判定手段１５に出力する。

第１の流量判定手段１５は、閾値記憶手段１４に格納されている平均流量閾値（なお、図２では「オートゼロ閾値１」と言う）と比較し（ステップ４）、平均流量が平均流量閾値の範囲内の場合には、チューブの流体に流れが存在していないと判断してこの平均流量値を零点オフセット量（図２では「オートゼロ値」と言う）として流量補正手段１２に出力する（ステップ５）。

流量補正手段１２は、瞬時流量演算手段１１から出力される瞬時流量と零点オフセット量との差分を算出し（ステップ６）、流量信号として出力する（ステップ７）。これにより、流れが存在しない状態での平均流量値をオフセット量として零点を自動的に補正することができ、測定環境の変化や経時変化にかかわりなく零点変動が補正された流量信号を得ることができる。

すなわち、瞬時流量（実施例では約0.1sec毎に算出されるデジタル値）は、図３に示したように流れが存在しない場合にでも微小変動をしているので、或る個数（所定期間内）の離散データ（瞬時流量値）の平均流量値を求め（図３における点線の平均流量値。例えば0.02％of Full Scale（以下％FSと記す））、その値が、平均流量閾値記憶手段１４に設定されている平均流量閾値の範囲（例えば±0.1％（％FS））内に収まれば、流体が流れていない状態であると判断する。

そしてこの平均流量値（上の例では±0.02％（％FS））を新零点とし、瞬時流量演算手段１１からの瞬時流量値と平均流量値との差分を流量補正手段１２が流量信号として出力する（例えば、瞬時流量演算手段１２により90.0％（％FS）の値が算出された場合には、流量補正手段１２が零点オフセット量0.02％FSを引いた89.98％FSを流量信号として出力する。）

反対に、平均流量値が平均流量閾値を超える場合には、チューブに流体が流れていると判断し、零点オフセット量の更新動作を行うことなく前回の零点オフセット量を維持し、この零点オフセット量で補正してから流量信号を出力する。

この実施例によれば、バッチ処理を行うようなシステムや、ガソリン計量機や各種燃料ガスの計量機に流量計測手段として搭載する場合には、流体が停止する時期が必ず存在するから、ゼロ調整機能を自動的に定期的に起動させることができ、非常に有効な手段となる。

図４は、本発明の第２の実施例を示すものであって、この実施例においては平均流量値が平均流量閾値よりも小さいことに加えて、個々の瞬時流量も常に瞬時流量閾値より小さい場合にのみ、自動零点調整機能を働かせるように構成されている。

第２の実施例の装置は、前述の第１の実施例の装置にさらに流れが存在しないと判断するための瞬時流量閾値のデータを格納した瞬時流量閾値記憶手段１６と、瞬時流量演算手段１１からの瞬時流量と瞬時流量閾値とを比較して流れの有無を判定する第２の流量判定手段１７とを付加して、第１の流量判定手段１５と第２の流量判定手段１７とが共に補正に適した状態（流れが存在しない状態）であると判定した場合にゲート１８を介して流量補正手段１２に補正実行させるように構成されている。

そして、瞬時流量閾値記憶手段１６に設定される瞬時流量閾値は、図６に示したように平均流量閾値記憶手段１４に設定されている平均流量閾値範囲よりも幅広い値に設定されている。

このように構成した装置の動作を図５のフローチャートに基づいて説明する。
前述の第１の実施例の装置のステップ（１）乃至ステップ（４）と、ステップ（５）乃至ステップ（７）との間にステップ（４’）の動作を実行する。

すなわち、ステップ（４’）の動作は、第１の流量判定手段１５により平均流量が平均閾値範囲内であると判定された以後に、第２の流量判定手段１７が実行する動作で、少なくとも平均流量値を算出するためのサンプリング期間中の個々の瞬時流量と瞬時流量閾値とを比較し、瞬時流量閾値範囲を超える流れが発生しない場合には流れが存在しないと判断して信号を出力する。これら２つの判定手段１５、１７からともに信号が出力された場合にはゲート１８から流量補正手段１２に補正指令が出力する。

流量補正手段１２は、前述の第１の実施例におけるステップ（５）と同様に、瞬時流量演算手段１１により算出された瞬時流量から平均流量演算手段１３により算出された平均流量（零点オフセット量）を引き算して流量信号として出力する。

第１の実施例のおいては、平均化操作により個々の瞬時値のウエイトが小さくなり、流れが生じていないと判定される可能性が残っているが、第２の実施例においては平均流量閾値よりも大きな値、例えば±0.2％FS程度に設定された瞬時流量閾値と比較する動作を行うため、瞬時流量演算手段１１の瞬時値が0.2％FSを超えた場合（図６において矢印で示した３点）には、たとえ平均流量値そのものが平均流量閾値よりも小さくても、この状態を流れが生じていないと誤って判断することはない。

すなわち、図６に示したように平均流量算出区間の終了間際から終了後にかけて流体が流れ出し始めている状態を、流れが存在しないと判断するミスを防止でき、流れが生じていない状態をより確実に検出して零点オフセット量を高い精度で補正することができる。

なお、上述の実施例では瞬間値観測範囲で瞬時流量値が１回でも瞬時流量閾値を超えた場合には、流れが存在すると判定しているが、複数回連続、または複数回、瞬時流量閾値を超えた場合に流れが存在すると判断するようにしてもよい。これによれば、流れの存在を確実に検出して、無用に長期間にわたって零点補正動作を休止させてしまうことを防止できる。

ところで、零点のオフセット量は、流量計の検出器と変換器との組み合わせによりその値が決まる場合が多く、一般的には環境変化等による変動分は小さい。前者のオフセット量は基準温度、例えば２０℃での零点をデフォルトゼロ値と呼び、機器ごとの個体差が大きくおよそ±２％FSの範囲で異なる値を示す。また後者の変動分は、ゼロ変動値と呼び、およそ±0.2％FS以内で変動する。

そこで、オートゼロ値を、デフォルトゼロ値とゼロ変動値との２種類の要素に分け、ゼロ流量判定のための閾値の値（平均流量閾値）を、ゼロ変動値よりも若干大きな目の値に設定しておくことにより流れが存在しない状態をより正確に行えるようになる。

例えばフルフケールが1500kg/hのCNGガス用コリオリ流量計に例を採ると、20℃での零点の値の代表値、すなわちデフォルトゼロ値は、＋16.5 kg/h (＝1. 1 %FS)であり、また環境温度が0℃乃至40℃の範囲で変化した場合、ゼロ変動値は、±1.5 kg/h （＝0.1%FS）程度の値となる。すなわち、トータルの零点オフセット量としては、＋16.5±1.5 kg/h (15.0〜18.0 kg/h)の範囲で変動することが実験で確かめられている。

デフォルトゼロ値として16.5 kg/h なる値を設定しておけば、残り変動分であるゼロ変動値の変動幅は±1.5 kg/h （＝0.1%FS）という非常に狭い範囲での変化に抑えられることを意味する。

このような設定値の下で、自動零点補正の動作により流れが存在しない状態での平均流量値が17 kg/h として測定された場合、上述のように当該流量計のデフォルトゼロ値は16.5 kg/h に設定されているため、もう一方の変動分であるゼロ変動値は、0.5 kg/h （17 -16.5=0.5 kg/h）となる。
そして、測定モードで瞬時流量が17.1 kg/h として演算された場合には、オートゼロ分｛17.1 -（16.5+0.5 ）=0.1kg/h｝との差分である0.1 kg/h が正確な瞬時流量として出力される。

ところで、このようなデフォルトゼロ値は、機器ごとに略決まるものであるため、出荷時等に予め測定して設定してもよいし、後述するように電源起動時などのように流れが存在せず、理論的流量値がゼロを保証されている状態で測定動作を実行してその平均流量値をデフォルトゼロ値とするようにしてもよい。

すなわち、電源が投入されてから一定時間は、流体が流れることを禁止し、この期間に流量成分の平均流量値を算出する。そしてこの流量ゼロ状態が保証されている状態での流量成分の平均流量値をデフォルトゼロ値とし、次の電源オフ動作、電源オフと同一状態であるリセット動作、さらには初期起動モードの動作が行われるまで記憶手段に格納するようにしてもよい。

なお、上述の実施例においては、流量計により算出された平均流量単独、または平均流量と瞬時流量との組み合わせにより流れが存在しない状態を検出するように構成しているが、例えば燃料充填用の計量機の流量測定手段として使用されている場合には、計量機側に、流体供給装置の充填ON/OFFスイッチ、あるいはノズルスイッチが存在するので、これらのスイッチからの信号、供給側接続部が掛止部から外されて充填準備中であることが検出する手段（例えばノズルスイッチ）からの信号、さらには流路に接続されている弁手段の操作信号、もしくは弁手段の駆動を検出するための手段からの信号（以下、これらを纏めて弁駆動検出信号と定義する）を流量計に取り込み、液体が供給されている可能性がある場合には、零点補正を実行せず、誤動作を防止することができる。

したがって、図７に示したように、たとえば図１に示した実施例において第１の流量判定手段１５と流量補正手段１２との間に、上述の弁駆動検出信号で作動するゲートを接続し、液体が供給されていない場合にのみゲートを開かせて第１の流量判定手段からの信号を流量補正手段１２に取り込むことにより、確実に流れが存在しない状態を検出し、このときに測定された平均流量値に基づいて自動ゼロ調整の動作を実行させることができる。

この実施例によれば、流れが存在する可能性が少しでもある場合には零点を更新せず、誤動作による流量測定誤差の発生を未然に防止できる。
なお、弁駆動検出信号が液供給停止を示しているにもかかわらず、或る程度大きな流量が一定時間以上検出された場合には、流量計が異常状態あるいは故障状態にあるか、計量機側の不具合か、流体の漏れが生じていると判断できる。

本発明の第１の実施例を示すブロック図である。 第１の実施例の動作を示すフローチャートである。 流れが存在しない状態における瞬時流量の時間的変化を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施例を示すブロック図である。 第２の実施例の動作を示すフローチャートである。 流れが存在しない状態における瞬時流量の時間的変化を模式的に示す図である。 本発明の他の実施例を示すブロック図である。

Claims (5)

1. 流れにより振動形態が変化するチューブの振動を検出する振動測定手段と、環境の温度を検出する温度検出手段からの信号とをＡ−Ｄ変換器によりデジタル信号に変換後、前記デジタル信号を処理して瞬時流量を算出するコリオリ質量流量計において、
   前記振動測定手段と温度検出手段とにより検出された瞬時流量に基づいて平均流量値を求め、前記平均流量値が、予め設定された平均流量閾値の範囲内の場合には流れが存在しないと判断して前記平均流量値を零点のオフセット量として零点を補正し、平均流量の算出、及び流量ゼロの識別と零点オフセット値の更新を稼動時は常時自動で継続的に実行するコリオリ質量流量計。
2. 前記平均流量閾値範囲よりも広範囲の瞬時流量閾値範囲が予め設定されていて、前記平均流量値が前記平均流量閾値範囲内で、かつ平均流量値の演算期間、またはその前後の期間における瞬時流量が前記瞬時流量閾値の範囲内の場合には流れが存在しないと判断して前記平均流量値をオフセット量として零点を補正する請求項１に記載のコリオリ質量流量計。
3. 前記オフセット量を当該機器に固有に定まるデフォルトゼロ値と、周囲環境の変化、または経年変化で変化するゼロ変動値との２種類の成分に分離し、前記オフセット量と前記デフォルトゼロ値との差分を更新することを特徴とする請求項１、または請求項２に記載のコリオリ質量流量計。
4. 理論的に流れが存在しない状態での平均流量値を検出して前記デフォルトゼロ値として設定する請求項３に記載のコリオリ質量流量計。
5. 前記理論的に流れが存在しない状態を、流路に接続されている弁手段の弁駆動検出信号に基づいて検出する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のコリオリ質量流量計。

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