JP2010159973A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体を使用する器具やその状態を、流量値の変化から判定するときに、回路の電力消費を抑制しつつ、サンプリング周波数（計測間隔）を短くして詳細な流量変化を把握できる技術を提供する。
【解決手段】超音波送受信部１、２を駆動する送信回路部５と、超音波送受信部１、２からの信号を受ける受信回路部６と、流量の算出を行なう演算部８と、超音波の伝播に要する時間情報を生成し、計測のサンプリング間隔と同等以上の間隔で、まとめて伝達前記演算部に伝達するデジタル信号回路部７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、瞬時に流量を計測する計測装置において、回路の消費電力を大きく増大させずに、より詳しい流量の変化の情報を処理する方法に関する技術を提供する。

従来、この種の流量計測装置は、瞬時に流量を計測する手段として超音波が用いられている。この計測原理は特開平８―１２２１１７号広報に述べられているが、かい摘んで超音波による計測原理について図５を用いて述べる。図５はガスが流れる流路２に超音波送受信部Ａ１と超音波送受信部Ｂ２とが配置された状態を示した構造図で、超音波送受信部は超音波センサ、振動子、圧電振動子、トランスジューサなどとも呼ばれる。

ガスの流れの方向が図の向きの場合、超音波送受信部Ａ１から発生された超音波は追い風となるので速く伝播して、超音波送受信部Ｂ２に時間ＴＡ１で受信される。また、超音波送受信部Ｂ２から発生された超音波は向かい風となるので遅く伝播して、超音波送受信部Ａ１に時間ＴＢ１で受信される。これらの伝播時間の逆数の差が流速に比例することから、演算で流速を求め、さらに流路断面積を掛算して流量を求めることができる。すなわち、対にした超音波送受信部で、それぞれ送信受信を交合に繰り返すことで、流量を演算することができる。特開平８―１２２１１７号広報ではサンプリング周波数（計測間隔）を工夫することで省電力化することが述べられている。

超音波による流量計測装置は一般に図６のようなシステム構成をしている。同図において、送信回路部５は超音波送受信部Ａ１と超音波送受信部Ｂ２を交互に駆動する信号を制御部９の指令に基づいて発生し、受信回路部６は伝播した超音波を受けた超音波送受信部Ａ１あるいは超音波送受信部Ｂ２から発生される信号を増幅などの処理を施す。デジタル信号回路部７は、一方の超音波送受信部の駆動から超音波が伝播して、他方の超音波送受信部で受信されるまでの時間情報を生成する。具体的にはデジタル信号回路部７がもつクロックのパルス数を超音波が伝播している間、カウントしている。一般に演算部９と制御部１０は一つのマイクロコンピュータで構成される。送信回路部５と受信回路部６とデジタル信号回路部７のように実際に計測に関わる回路部分についてはマイクロコンピュータと同一または独立して設けられる。但しマイクロコンピュータと同一に設けられる場合であっても、その動作は独立したものとして扱われる。

図７は超音波による流量計測装置の回路波形を示しており、横軸は時間で縦軸は電圧値であり、同図（Ａ１）、（Ａ２）、（Ａ３）は超音波送受信部Ａ１が送信側、超音波送受信部Ｂ２が受信側の設定の場合で、同図（Ａ１）は送信回路部５が超音波送受信部Ａ１に与える信号波形、同図（Ａ２）は超音波送受信部Ｂ２から受信回路部６が受ける受信信号波形、同図（Ａ３）はデジタル信号回路部７のクロックであり、同図（Ｂ１）、（Ｂ２）、（Ｂ３）は超音波送受信部Ｂ２が送信側、超音波送受信部Ａ１が受信側の設定の場合で、同図（Ｂ１）は送信回路部５が超音波送受信部Ａ１に与える信号波形、同図（Ｂ２）は超音波送受信部Ｂ２から受信回路部６が受ける受信信号波形、同図（Ｂ３）はデジタル信号回路部７のクロックである。クロックは例えば４ＭＨｚ（０．２５０マイクロ秒）の発振子が用いられ、デジタル信号回路部７は超音波の伝播中のクロック数をカウントするカウンタを有している。例えば、超音波の伝播に２００マイクロ秒を要すると、４ＭＨｚ（０．２５０マイクロ秒）の発振子のパルス数は、８００個になるので、カウンタ値は８００となる。

そして、このクロック数を演算部８に伝達することで演算部８は流量を算出する。同図
の点線枠１２で囲まれる部分の一連の動作で、超音波送受信部Ａ１から発生され、超音波送受信部Ｂ２で受信されるまでの超音波の伝播時間ＴＡ１と、超音波送受信部Ｂ１から発生され、超音波送受信部Ａ２で受信されるまでの超音波の伝播時間ＴＢ１とが求められるので流量を算出することができる。この一連の動作を１パケットと呼ぶことにする。

超音波による流量計測装置は計測精度の向上のため図８に示されるような計測方法を採用している。同図の横軸は時間を示しており、同図（Ａ１）の一つのパルスは１パケットを示しており、同図（Ａ２）の１つのパルスは、カウンタ値を演算部８に伝達して演算部８が流量算出を行なう動作を示している。同図（Ａ１）のパルスが５０個あるとすると、図７（Ａ３）に示した伝播時間が、ＴＡ１、ＴＡ２・・・ＴＡ５０の５０個とＴＢ１、ＴＢ２・・・ＴＢ５０の５０個とが含まれることになる。

これらをカウントするカウンタは２個用意されており、そのうち一つは、それぞれの伝播時間ＴＡ１、ＴＡ２・・・ＴＡ５０をカウントするが、それぞれに対応するカウント値ＣＡ１、ＣＡ２・・・ＣＡ５０を個別に保存しようとすると５０個のカウンタが必要になるので、カウンタ値は順次足し算していきＣＡ１＋ＣＡ２＋・・・ＣＡ５０が求まるようにすることでカウンタは一つで対応している。同様にもう一つのカウンタは伝播時間ＴＢ１、ＴＢ２・・・ＴＢ５０に相当するカウンタ値を足し算している。従って、得られたカウンタ値を５０で割って伝播時間を求めているので、平均化処理がなされている。これにより計測流量のバラツキが低減される。とくにゼロ流量に近い小流量での計測精度を得る場合に、この平均化によるバラツキ低減は有効である。反対に流量が大きい場合は、５０個の計測回数を低減しても精度への影響は少なくなる。

図７に戻り、同図（Ａ２）の受信信号波形の検知から、同図（Ｂ１）の送信までの時間ＴＰ１（パケット内の計測間隔）と、同図（Ｂ２）の受信信号波形の検知から、同図（Ａ１）の送信までの時間ＴＤ１（パケットから次のパケットまでの間隔（パケット間隔））があるが、例えばＴＰ１、ＴＤ１はそれぞれ５ミリ秒に設定される。従って、１パケットは超音波の伝播時間（ＴＡ１とＴＡ２）とＴＰ１を合わせて５．４ミリ秒を要する。また、パケットが５０個ある場合はすべての動作が完了するまでに、ＴＤ１のサンプリング間隔を考慮して５１５ミリ秒を要する。すなわち、図８において、時間ＴＭ１が５１５ミリ秒になる。計測間隔すなわちサンプリング間隔（サンプリング間隔（時間）の逆数がサンプリング周波数である）はＴＳ１で表され、２秒に設定されると、２秒毎に５０個の平均をとった流量値をえることができる。ただし、２秒のＴＳ１の間で計測が実施されているのは５１５ミリ秒で残りの１４８５ミリ秒は休止期間となる。

このように超音波を用いた流量計測は瞬時に計測ができるので、その特性を活かした発明が特開２００６―３１３１１４号広報で開示されている。

同広報では、瞬時に計測された流量をもとに流量解析を行い、ガス器具別料金等の使用器具やその使い方に合わせた新料金やサービスを提供するために使用中のガス器具を判別検知する技術に関するものが記載されている。

このように瞬時に計測された流量をもとに流量解析を行い、器具の判別や、ガスの使用状況を判断する場合は、サンプリング周波数（計測間隔）を短くするほど、流量変化を詳しく把握することができ、より正確な判断ができるようになる。
特開平８−１２２１１７号公報 特開２００６−３１３１１４号公報

しかしながら、上記の構成においては、サンプリング周波数を高く（サンプリング間隔を短く）するほど、消費電力の増大や得られる計測データ数が膨大になり処理に要する電力消費が増大するという問題がある。

また、器具使用時の流量は、起動時の流量変化に特徴があるので起動直後の流量変化を捉えたいという要望がある。従って、流量が無い場合はサンプリング周波数を低く（サンプリング間隔を長く）して消費電力を低減しようとしても、流量ありを検知してからサンプリング周波数を高く（サンプリング間隔を短く）しても間に合わないという課題がある。

本発明は、前述した課題を解決するためになされたもので、その目的は、計測のサンプリング周波数を高く（サンプリング間隔を短く）して、流体の流量の変化を詳細に把握することを、できるだけ低消費電力で実現する技術を提供することである。

本発明の流量計測装置は、超音波送受信部を駆動する送信回路部と、超音波送受信部からの信号を受ける受信回路部と、超音波の伝播に要する時間情報を生成するデジタル信号回路部と、流量の算出を行なう演算部とから構成し、前記デジタル信号回路部から前記演算部への時間情報は計測のサンプリング間隔と同等以上の間隔で、まとめて伝達させるようにする。

本発明によれば、前記デジタル信号回路部から前記演算部への時間情報の伝達に要する電力の消費を低減することができる。

さらに本発明の流量計測装置において、デジタル信号回路部は瞬時に計測された流量をもとに流量解析を行い、器具の判別や、ガスの使用状況を判断する場合に必要な情報と、あるいは時間情報を、発生した時点もしくは、計測のサンプリング間隔と同等以上の間隔で、まとめて演算部へ伝達させるようにする。

上記構成によれば、前記デジタル信号回路部から前記演算部への時間情報の伝達に要する電力消費の低減と、演算部へ伝達する情報量の低減を実現することができる。

本発明によれば、計測のサンプリング周波数（計測間隔）を高く（計測間隔を短く）して、流体の流量の変化を詳細に把握し、器具の判別やガスの使用状況の判断を正確に、かつ、低消費電力で実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態における超音波による流量計測装置の回路ブロック図を示すものである。

図１において従来例と共通する要素については同じ符号を用いている。従来例とは、デジタル信号回路部７に複数カウンタ部１３があることが異なる。また、図２は従来例の図７と同様であるが従来例の時間ＴＰ１が本発明ではＴＰＮ１に、また従来例の時間ＴＰＤ１が本発明ではＴＤＮ１になっていることが異なる。従来例では例えばＴＰ１、ＴＤ１はそれぞれ５ミリ秒に設定される。従って、１パケットは超音波の伝播時間（ＴＡ１とＴＡ２）とＴＰ１を合わせて５．４ミリ秒を要する。また、パケットが５０個ある場合はすべての動作が完了するまでに、ＴＤ１のサンプリング間隔を考慮して５１５ミリ秒を要して
いるが、本発明はＴＰＮ１を５ミリ秒、ＴＤＮ１を３５ミリ秒に設定する。従って、１パケットは超音波の伝播時間（ＴＡ１とＴＡ２）とＴＰＮ１を合わせて５．４ミリ秒を要する。また、パケットが５０個ある場合はすべての動作が完了するまでに、ＴＤＮ１のサンプリング間隔を考慮して１９８５ミリ秒（≒２秒）を要している。我々は、サンプリング間隔ＴＤＮ１を３５ミリ秒まで長くしても流量精度を悪くすることがないことを明らかにできたので、このような設定が可能になった。

図１における複数カウンタ部１３は、各パケット毎の伝播時間ＴＡ１、ＴＡ２・・・ＴＡ５０とＴＢ１、ＴＢ２・・・・ＴＢ５０に相当するカウンタ値を保存するため、合計１００個のカウンタを有するカウンタ群で構成される。

図３は図８と同じであるが、同図（Ａ１）パケットを示すパルスにおいて、１パケット毎の計測間隔が３５ミリ秒に設定されているため、５０パケットを繰り返すと１９８５ミリ秒かかるのでＴＭＮ１＝１９８５ミリ秒である。サンプリング間隔ＴＳ１を２秒とすると、１つのサンプリング間隔の期間において計測が休止期間なく全体にわたって行われていることになる。従来例と比べてパケット数は５０個で同じで、従来例はこのパケットの平均をとることで計測ばらつきを低減している。しかしながら計測バラツキはガス器具が使用される場合に発生する流量の大きさのときは問題とならず小さなガス漏れを検出する場合のように、微小な流量を計測する場合に問題となる。従って微小流量の場合は５０個のパケット数で得られる流量を平均化すれば従来例と同等なばらつき精度が得られるようになる。カウンタ部を１００個用いるのは図３（Ａ２）で示されるように、カウンタ値を演算部８へ伝達するのをサンプリング間隔毎に１度だけ、まとめて伝達するためで、このようにすることにより１パケット毎にカウンタ値を演算部８へ伝達するよりも回路の消費電力の増大を抑制することができる効果がある。

本発明の他の実施例について図１を参照して説明する。同図のデジタル信号回路７には必要データ抽出部１４を設けている。これはカウンタ値から器具の判別やガスの使用状況を判断するのに必要な情報を生成する回路部である。ガス器具には図４のガスファンヒータの流量特性に示されるように、点火するときの器具固有流量が存在する。同図において実線はサンプリング間隔３５ミリ秒のときで、時間ＴＫ１からＴＫ２の安定した流量部分があるが、この部分が器具特有の点火時流量である。ちなみにサンプリング間隔が２秒の場合は点線のような特性になり器具の点火時流量の検出は困難である。器具を判別する上で必要な情報は器具の立ち上がりの急な流量変化から点火時の安定した流量変化を経て、再び急な変化をすることの有無であるので、カウンタ値の前後比較からこのような変化の存在を判断することができる。そしてこのような変化が存在した場合はフラグを立てて、そのときの安定点でのカウンタ値とフラグを演算部８に伝達する。このようにすることによりサンプリングしたすべてのカウンタ値を演算部８に伝達することが必要なくなるので、伝達に要する時間が短縮され電力消費を抑制することができる効果が得られる。

以上のように、本発明によれば流体を使用する器具や使用状態を、流量値の変化の観点から判別する場合に、より正確な判断を行うための流量計測手段が提供される。

本発明の実施形態における流量計測装置のブロック図 本発明の実施形態における流量計測方法での計測タイミング図 本発明の実施形態における流量計測方法での計測タイミング図 ガス器具の流量特性を示す図 超音波を用いた流量計測装置の構造図 従来の流量計測装置のブロック図 従来の流量計測方法での計測タイミング図 従来の流量計測方法での計測タイミング図

１、２ 超音波送受信部
５ 送信回路部
６ 受信回路部
７ デジタル信号回路部
８ 演算部

Claims (2)

1. 超音波送受信部を駆動する送信回路部と、
   超音波送受信部からの信号を受ける受信回路部と、
   流量の算出を行なう演算部と、
   超音波の伝播に要する時間情報を生成し、計測のサンプリング間隔と同等以上の間隔で、まとめて伝達前記演算部に伝達するデジタル信号回路部とを備える流量計測装置。
2. デジタル信号回路部は瞬時に計測された流量をもとに流量解析を行い、器具の判別や、ガスの使用状況を判断する場合に必要な情報と、あるいは超音波の伝播に要する時間情報を、発生した時点もしくは、計測のサンプリング間隔と同等以上の間隔で、まとめて演算部へ伝達させるようにした請求項１記載の流量計測装置。