JP2011232201A - 渦流量計の異常判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】渦発生体の前面部に検出センサを配設するタイプの渦流量計に好適な計測異常判定技術を提供する。
【解決手段】前回（ｉ−１）と今回（ｉ）のパルス周期比Ｒ（ｉ）＝τ（ｉ）／τ（ｉ−１）が演算される（Ｓ１０６）。Ｒ（ｉ）が、許容範囲（上限閾値ｘ１、下限閾値ｘ２）内にあるか否かが判定され（Ｓ１０７）、許容範囲から外れている場合には計測異常と判定され、異常発生回数（Ｎex）が加算される（Ｓ１０８）。次いで、異常発生回数が閾値（Ｎth）を超えたか否かが判定され（Ｓ１０９）、超えている場合には警報発報部５により警報が発せられる（Ｓ１１０）。Ｎex≦Ｎthの場合には、次いで累積計測時間Ｔ（ｉ）が閾値（Ｔ０）を超えたか否かが判定され、超えている場合には累積計測時間がリセットされる（Ｓ１１２）。
【選択図】図２

Description

本発明は渦流量計の計量技術に係り、特に、渦発生体の前面部に検出センサを配設するタイプの渦流量計に好適な計測異常判定方法に関する。

渦流量計は、配管内に流れに直角方向に渦発生体（ブラッフボディ）」と、渦を検出するセンサと、センサで検出した信号を処理する変換器と、を主要構成としている。渦発生体の下流にはカルマン渦が発生し、その交番周波数は流体の流速に比例することが知られている。具体的には次式で示される。
ｆ＝Ｓｔ・Ｖ／ｄ ・・・・（１）
ｆ：渦周波数、Ｖ：流体の平均流速、ｄ：渦発生体の幅、Sｔ：ストローハル数（定数）。
ストローハル数は、広いレイノルズ数範囲においてほぼ一定であるから、結果的に渦周波数を検出することによって配管内の流速が分かり、流速に配管の断面積を乗じることによって、最終的に流量を求めることができる。
しかしながら、例えばガス導管網の場合、導管工事等による管内流速変化により、末端需要家に運ばれてくるダストの量が著しく増加し、需要家に取り付けた渦流量計の渦発生体やセンサ部にダストが付着して、無視できないレベルの計測誤差が生じることがあり得る。このように、流体の種類によっては、流れに随伴するゴミ等の付着による劣化、計測異常を考慮する必要がある。

従来、渦流量計の異常検知技術として、例えば以下の文献が開示されている。
文献１は、管路内に設けたノズル部に、隙間を保持して挿入した柱状受力体の一端側に挿入される圧電素子により、カルマン渦により受力体に発生する交番力を検出して流量を測定するものである。設置時（初期）と計測時の圧電素子の出力を比較してごみ等の詰まりを検出するものである。
しかしながらこの方式は、センサの感知部が流体に直接接触するタイプではないため、渦発生体にサーミスタ式、圧電式のセンサを配設するタイプの渦流量計には適用できないという問題がある。
一方、センサ感知部が流体に直接接触するタイプである文献２の渦流量計１００は、図９に示すように、渦発生体１０１の両側辺部１０１ｂに設けた開口部１０１ｃから圧力導入路１０３を介して流体を導き、上部に配設した圧電式センサ１０２により、両側面間に発生する差圧を検出するものであり、検出した波形信号の周波数ピーク値に基づいて異常判定を行うものである。

特開平６−２０７８４０号公報 特開２００９−２４３９４３号公報

しかしながら、センサを側面両側に設けるタイプは、前面にセンサを配置するタイプと比較して小流量時の測定精度がやや劣るため、センサ正面配設タイプの渦流量計にも適用可能な異常判定技術が要望されていた。
また、異常検出機能の構成要素である周波数と波形ピーク値の関係は、使用環境、流体の成分（密度）、口径、経年的なセンサ感度の変化、機器毎の個体差 等による影響が大きく、実用的な状態（誤判定をせず、且つ、信頼性の高い異常検出を行なえる状態）を維持するためには、流量計1台毎に複雑な校正を行なうか、又は、学習機能を持たせる等の対応が必要となるという問題がある。
さらに、一般的な渦流量計は、パルス整形前の渦信号（正弦波）を出力する機能を有していないため、既存・既設の汎用的な渦流量計に文献２の機能を追加することは困難であるという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためのものであって、渦流量計センサ部への異物付着等による誤積算を防止する計測技術を提供するものである。本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係る渦流量計における計測異常判定方法は、
（１）カルマン渦周波数に対応するパルス信号に基づいて流量を計測する渦流量計における計測異常判定方法であって、
当該回パルス周期（τ（ｉ））と前回パルス周期（τ（ｉ−１））との比（パルス周期比）
Ｒ（ｉ）＝τ（ｉ）／τ（ｉ−１）
が第一の許容範囲（ｘ１≧Ｒ（ｉ）≧ｘ２）から逸脱したときは、計測異常と判定することを特徴とする。

本発明は、連続的に測定するパルス周期比の値が一定範囲内（ｘ１≧Ｒ（ｉ）≧ｘ２）にあるかどうかを常に監視し、逸脱する場合にはダスト詰まり等による劣化が始まったと判定するものである。
以下、本発明のロジックを具体的に説明する。パルス入力の都度、前回入力からの時間を計測し、パルス周期を求めた結果をプロットしたとき、図５（ａ）のように表されたとする。この場合、計測回数ごとにパルス周期比Ｒ（ｉ）（＝τ（ｉ）／τ（ｉ−１））を求めることにより、図５（ｂ）の如きパルス周期比推移を得ることができる。
一般に、正常状態において流量変化があった場合、パルス周期比も変化するが、急に２倍になるような流量変化は極めて稀と考えられる（後述の実施例、図６乃至８参照）。本発明は、この経験則に基づいて、Ｒ（ｉ）の値が上限閾値（ｘ１）、下限閾値（ｘ２）以内の許容範囲内にあれば正常と判定し、許容範囲から逸脱したときは劣化等による異常と判定するものである。なお、許容範囲を定める閾値は、口径、圧力、使用状況等に対応して、適宜、設定することができる。

（２）上記発明において、前記第一の許容範囲からの逸脱が、所定時間（Ｔ０）内に第一の許容回数（Ｎth）以上発生したときに限り、計測異常と判定することを特徴とする。
本発明は、誤判定を回避するための手段である。（１）の発明により、パルス周期比が許容範囲内にあるかどうかを常に監視しつつ第一の許容範囲からの逸脱回数を積算し、所定時間内に一定回数以上カウントした場合に限り、劣化と判断するものである。

（３）上記各発明において、前記第一の許容範囲からの逸脱が、前記所定時間（Ｔ０）内に前記第一の許容回数（Ｎth）未満のときは、逸脱回数の積算をリセットすることを特徴とする。
本発明は、上記（２）の発明において、逸脱回数が閾値回数（Ｎth）以下の状態が一定時間（Ｔ２０）以上経過した場合には、積算回数をリセットするものである。これにより、無視できるレベルの低頻度の許容範囲逸脱が累積され、警報発報に至るという弊害を回避することができる。例えば、１分間に１度程度、流量０→流量ＭＡＸへの流量変動があると想定し、２４時間以内に合計回数１４４０回に到達しない場合には、リセットするように設定することもできる。

（４）上記各発明において、パルス周期比が前記第一の許容範囲を逸脱したときに、直ちに計測異常と判定することなく、注意喚起レベルと判定し、さらに、第二の許容範囲（ｘ１’≧Ｒ（ｉ）≧ｘ２’）（但し、ｘ１’＞ｘ１、ｘ２’＜ｘ２）を逸脱している場合には、計測異常と判定することを特徴とする。
本発明によれば、異常程度（≒劣化度）に応じて警報のレベルを変えることができるため、メンテナンス作業の効率化が可能となる。

（５）上記（２）又は（３）において、前記第一の許容範囲からの逸脱が、前記所定時間（Ｔ０）内に前記第一の許容回数（Ｎth）発生したときに、直ちに計測異常と判定することなく、注意喚起レベルと判定し、さらに、第二の許容回数（Ｎth’）（但し、Ｎth’＞Ｎth）を超えた場合には、計測異常と判定することを特徴とする。
（６）当該回パルス周期（τ（ｉ））が、所定の最小流量以上に相当するパルス周期である場合に限り、上記計測異常判定を行なうことを特徴とする。
流量が極端に小さい場合には計測誤差が生じやすい。予め、所定の最小流量以下に相当するパルス計測データを異常判定の対象から除外することにより、さらなる計測精度の向上を図ることができる。

本発明によれば、渦発生体の正面にセンサを配設するタイプの渦流量計にも適用できるため、比較的小流量の測定精度を維持しつつ、ダスト等の付着による計測異常を容易に判定することができる。
また、パルス周期変動比を検出する方式であるため、センサ感度等の経年的な性能変化（極めて緩やかな変化）を見逃さないという長所がある。
また、変動比を検出する方式であるため、口径の違いに対しても異常判定用のパラメータ値を相似形とすることで、容易に応用できる。
上記特性を有することから、従来の渦流量計と比較して機器毎の校正が容易、且つ、信頼性に足る異常検出ができるという特徴がある。
また、パルス信号を計測して、パルス周期の変動比を検出する方式であるため、本発明方式の機能をユニット化することにより、既設の流量計出力（パルス出力信号）を監視するシステムへの適用が可能となる。
また、パルス周期比の範囲により、２段階の警報を発報する発明にあっては、渦発生体に設置してある渦検出センサ表面に堆積して感度が低下していく状況が進行するのを常時監視し、計量に大きな影響を及ぼす以前の早期の段階で警報を発し、清掃・交換時期を把握することも可能になる。

本発明の第一の実施形態に係る渦流量計１の構成を示す図である。 渦流量計１の計測異常判定フローを示す図である。 本発明の第二の実施形態における計測異常判定フローを示す図である。 本発明の第二の実施形態における計測異常判定フローを示す図である。 本発明のロジック概念を示す図である。 パルス周期比推移と許容範囲の関係を示す図である。 正常時における定流量時のパルス周期変化割合の時間的推移の測定結果を示す図である。 正常時における流量変動発生時のパルス周期変化割合の時間的推移の測定結果を示す図である。 ダスト付着時における定流量時のパルス周期変化割合の時間的推移の測定結果を示す図である。 従来の渦流量計１００のセンサ部構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至４を参照してさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
＜第一の実施形態＞
図１を参照して、本実施形態に係る渦流量計１は、流体Ｇ（例えば都市ガス）が流れる配管６内に配設される渦発生体２と、渦発生体２の前面部２ａの両端部に配設される一対の渦検知センサ（サーミスタ）３（３ａ、３ｂ）と、検知センサ３からの信号をパルス信号に変換して計測異常を判定する判定部４と、判定部４からの発報指示に基づいて警報発報部５と、を主要構成として備えている。渦発生体２は、二等辺三角形形状に形成され、渦検知センサ３を配設した前面部２ａ（底辺部分）を流れに対向させ、二等辺部分を下流側に向けて渦発生させるように構成されている。前面部２ａの前面にはダスト防護用のフィルター２ｃが配設されている。

判定部４は、検知センサ３からの信号をパルス信号に変換する信号変換部４ａと、演算処理を行う演算処理部４ｃと、データ格納部４ｂと、制御プログラム及び後述の各閾値を格納するメモリ部４ｅと、データ処理及び判定処理を指示する指示部４ｄと、を備えている。なお、判定部４は、ＣＰＵ、クロック、ＲＡＭ、ＲＯＭ、バス、Ｉ／Ｏインターフェース等を備えたマイコンにより実装できる。警報発報部５としては、例えばランプ表示、液晶表示、ブザー、通信端末を使用した遠隔監視等を用いることができる。
渦流量計１における流量計測は以下の通り行われる。検知センサ３ａ、３ｂにより、渦発生体２下流側におけるカルマン渦発生頻度数が検出され、その出力が信号変換部４ａにおいてパルス変換され、データ格納部４ｂに格納される。なお、渦発生体と一体の信号変換器から、パルス信号が判定部４に入力される方式であってもよい。さらに演算処理部４ｃにおいて、パルス周波数、パルス周期が演算される。この値に基づいて、上述（１）式により流速が求まり、最終的に瞬時流量が得られる。

次に図２を参照して、判定部４において行われる異常判定方法について説明する。初期設定条件として、Ｓ１０１のように設定されているものとする。なお、判定はパルス入力の都度行われる。
測定回数 ｉ＝０
累積計測時間 Ｔ（０）＝０
サンプリング単位時間 ｔ（例えば３０μsec）

最初に、判定単位ｉ＝１に設定される（Ｓ１０２）。以下、測定が進行し、判定回数ｉ＝ｉに至った時点を想定して説明する。検知センサ３により渦流周波数が計測され（Ｓ１０３）、パルス変換されたデータに基づいて今回のパルス周期τ（ｉ）が演算される（Ｓ１０４）。さらに、今回計測までの累積計測時間Ｔ（ｉ）（＝Ｔ(i-1)＋ｎ・ｔ）が求められる（Ｓ１０５）。（ｎ：パルス間隔に相当する単位時間の倍数）なお、計測データ及び演算結果は、その都度、データ格納部４ｂに格納される。
次いで、前回（ｉ−１）と今回（ｉ）のパルス周期比Ｒ（ｉ）＝τ（ｉ）／τ（ｉ−１）が演算される（Ｓ１０６）。さらに、Ｒ（ｉ）が、許容範囲（上限閾値ｘ１、下限閾値ｘ２）内にあるか否かが判定される（Ｓ１０７）。許容範囲内の場合は（Ｓ１０７においてＹＥＳ）、Ｓ１１１の累積計測時間判定ステップに移行する。

許容範囲から外れている場合には（Ｓ１０７においてＮＯ）、計測異常と判定され、異常発生回数（Ｎex）が加算される（Ｓ１０８）。次いで、異常発生回数が閾値（Ｎth）を超えたか否かが判定される（Ｓ１０９）。超えている場合には（Ｓ１０９においてＹＥＳ）、警報発報部５により警報が発せられる（Ｓ１１０）。
Ｓ１０７においてＹＥＳ（ｘ１≧Ｒ（ｉ）≧ｘ２）、又はＳ１０９においてＮＯ（Ｎex≦Ｎth）の場合には、次いで累積計測時間Ｔ（ｉ）が閾値（Ｔ０）を超えたか否かが判定される（Ｓ１１１）。超えている場合には（Ｓ１１１においてＹＥＳ）、累積計測時間及び異常発生回数がリセットされ（Ｓ１１２）、Ｓ１０２に戻って次回（ｉ＝ｉ＋１）測定が行われる（Ｓ１１３）。Ｓ１１２においてＮＯ、すなわち、Ｔ（ｉ）≦Ｔ０の場合には、累積計測時間及び異常発生回数をリセットすることなく、次回（ｉ＝ｉ＋１）測定に進行する（Ｓ１１３）。

なお、本実施形態ではパルス周期比の推移に基づき判定する形態としたが、単位時間ごとのパルス数比（ｎ（ｉ）／ｎ（ｉ−１））の推移に基づいて判定する形態とすることもできる。

＜第二の実施形態＞
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態の構成及び流量計測方法は、第一の実施形態に係る渦流量計１と同様であるので重複説明を省略する。
本実施形態が上述の実施形態と異なる点は、警報の発報方法である。図３を参照して、Ｓ２０１〜Ｓ２１０までは第一の実施形態（図１）と同様である。次に、Ｒ（ｉ）が、第二の許容範囲（上限閾値ｘ１’、下限閾値ｘ２’）内にあるか否かが判定される（Ｓ２０７）。当該閾値は、緊急に清掃等の対策が必要な危険域レベルである。当該閾値を逸脱しているときは（Ｓ２０７においてＮＯ）、直ちに警報が発報され（Ｓ２１４）、さらに誤積算回避のため流量計測を停止する（Ｓ２１５）。
範囲内にあるときは（Ｓ２０７においてＹＥＳ）、次にＲ（ｉ）が注意喚起レベルとして定めた第一の許容範囲（上限閾値ｘ１、下限閾値ｘ２）内にあるか否かが判定される（Ｓ２０８）。範囲内にあるときは（Ｓ２０８においてＹＥＳ）、Ｓ２１２の累積計測時間判定に移行する。

許容範囲から外れる場合は（Ｓ２０８においてＮＯ）、計測異常と判定され異常発生回数（Ｎex）が加算される（Ｓ２０９）。次いで、異常発生回数が閾値（Ｎth）を超えたか否かが判定される（Ｓ２１０）。超えている場合には（Ｓ２１０においてＹＥＳ）、警報発報部５により注意喚起が発せられる（Ｓ２１１）。
Ｓ２０８においてＹＥＳ（ｘ１≧Ｒ（ｉ）≧ｘ２）、Ｓ２１０においてＮＯ（Ｎex≦Ｎth）、又はＳ２１１における注意喚起発報処理後の何れの場合も、次いで累積計測時間Ｔ（ｉ）が閾値（Ｔth）を超えたか否かが判定される（Ｓ２１２）。超えている場合には（Ｓ２１２においてＹＥＳ）、累積計測時間及び異常発生回数がリセットされたのち（Ｓ２１３）、次回（ｉ＝ｉ＋１）測定が行われる（Ｓ２１６）。超えていない場合には（Ｓ２１２においてＮＯ）、累積計測時間及び異常発生回数をリセットすることなく次回測定に進行する（Ｓ２１６）。

＜第三の実施形態＞
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態の構成及び流量計測方法についても、第一の実施形態に係る渦流量計１と同様である。本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、異常判定に際して一定以上の流量であることを前提とすることである。
図４を参照して、Ｓ３０１〜Ｓ３０５までのフローは、第一の実施形態（図１）と同様である。次いで、τ（ｉ）が所定の最大パルス周期（判定対象とすべき最小流量に相当）（τmax）以下か否かが判定される（Ｓ３０５１）。τmax以下の場合はＳ３０６（パルス周期比演算）に移行する。以降の異常判定フローについては、図１のＳ１０６〜Ｓ１１２と同一である。Ｓ３０５２においてＮＯ、τmaxを超える場合（すなわち、所定の最小流量未満の場合）には異常判定を行うことなく、Ｓ３１１の累積計測時間判定ステップにスキップする。
以上のフローにより、計測誤差が生じやすい極小流量については異常判定の対象から除外されることとなり、計測精度の一層の向上が可能となる。

本発明の効果を確認するため、実際の渦流量計を用いて、センサ部を正常時、劣化時を想定して設定し、その状態でパルス周期比の推移を測定した表１に試験条件を示す。

（※）センサへのグリス塗布、配線接触不良等により操作。

図６−８は、それぞれ、正常時における定流量時（図６）、正常時における流量変動発生時（図７）、ダスト付着時における定流量時（図８）のパルス周期比の時間的推移をプロットしたものである。また、表２は各試験におけるパルス周期比の最大値、最小値、平均、標準偏差を比較したものである。センサ部が正常状態の場合（試験Ａ、Ｂ）、流量変動の有無に関わらずパルス周期比変化は小さいことが分かる。これに対して、センサ部にダストが付着状態の場合（試験Ｃ）、最大値が極端に大きく、また、偏差も大きいことが分かる。これらより、判定指標としてのパルス周期比の妥当性が証明された。

本発明による判定ロジックは、渦流量計のみならず、パルス検出により流量を計測するタイプの瞬時流量計に広く適用可能である。

１・・・・渦流量計
２・・・・渦発生体
３・・・・渦検知センサ
４・・・・判定部
５・・・・警報発報部

Claims (6)

1. カルマン渦周波数に対応するパルス信号に基づいて流量を計測する渦流量計における計測異常判定方法であって、
   当該回パルス周期（τ（ｉ））と前回パルス周期（τ（ｉ−１））との比（パルス周期比）
   Ｒ（ｉ）＝τ（ｉ）／τ（ｉ−１）
   が第一の許容範囲（ｘ１≧Ｒ（ｉ）≧ｘ２）から逸脱したときは、計測異常と判定することを特徴とする渦流量計における計測異常判定方法。
2. 前記第一の許容範囲からの逸脱が、所定時間（Ｔ０）内に第一の許容回数（Ｎth）以上発生したときに限り、計測異常と判定することを特徴とする請求項１に記載の渦流量計の異常判定方法。
3. 前記第一の許容範囲からの逸脱が、前記所定時間（Ｔ０）内に前記第一の許容回数（Ｎth）未満のときは、逸脱回数の積算をリセットすることを特徴とする請求項２に記載の渦流量計の異常判定方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、パルス周期比が前記第一の許容範囲を逸脱したときに、直ちに計測異常と判定することなく、注意喚起レベルと判定し、さらに、
   第二の許容範囲（ｘ１’≧Ｒ（ｉ）≧ｘ２’）（但し、ｘ１’＞ｘ１、ｘ２’＜ｘ２）を逸脱している場合には、計測異常と判定することを特徴とする渦流量計における計測異常判定方法。
5. 請求項２又は３において、前記第一の許容範囲からの逸脱が、前記所定時間（Ｔ０）内に前記第一の許容回数（Ｎth）発生したときに、直ちに計測異常と判定することなく、注意喚起レベルと判定し、さらに、
   第二の許容回数（Ｎth’）（但し、Ｎth’＞Ｎth）を超えた場合には、計測異常と判定することを特徴とする渦流量計における計測異常判定方法。
6. 当該回パルス周期（τ（ｉ））が、所定の最小流量以上に相当するパルス周期である場合に限り、請求項１乃至５のいずれかに記載の計測異常判定を行なうことを特徴とする渦流量計における計測異常判定方法。

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