JP2011257332A

JP2011257332A - 流量計測装置

Info

Publication number: JP2011257332A
Application number: JP2010133626A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Goto; 尋一後藤; Yuji Nakabayashi; 裕治中林; Yasushi Fujii; 裕史藤井; Aoi Watanabe; 葵渡辺
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2011-12-22
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: JP5454372B2

Abstract

【課題】計測された流量を、低消費電力で高精度に所望の温度における流量へ補正できる流量計測装置の提供することを目的とする。
【解決手段】流路１に設けられ第１超音波振動子２及び第２超音波振動子３と、流路１に流れる流体の温度を測定する温度測定手段８と、伝播時間を計時する伝播時間測定手段４と、伝播時間から流量を演算する流量演算手段５と、伝播時間から算出される流体の温度や温度測定手段８で測定された流体の温度から流量を所望の温度での流量に補正する流量補正手段６とを備え、流量補正手段６は、温度測定手段８で測定した流体の温度と伝播時間から算出した流体の温度の差を温度補正値として保持し、伝播時間から算出された流体の温度で流量を補正する場合、温度補正値で算出された温度を補正して流量の補正を行う構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波を利用してガス、水などの流体の流れを計測する流量計測装置に関するものである。

従来のこの種の流体の流量計測装置は、図５に示すようなものが一般的であった（例えば、特許文献１）。この装置は流体の流れる流路１１に設置した第１超音波振動子１２および第２超音波振動子１３と、流路１１に流れる流体の実温度を測定する温度測定手段１８と、第１超音波振動子１２、第２超音波振動子１３を駆動し超音波信号の送受信の伝播時間を計時する伝播時間測定手段１４と、伝播時間測定手段１４での測定タイミングを制御する制御手段１７と、伝播時間測定手段１４で測定された伝播時間から流量を演算する流量演算手段１５と、温度測定手段１８で測定された温度に従い算出された流量を補正する流量補正手段１６から構成されている。

この装置において制御手段１７は測定タイミングになれば伝播時間測定手段１４を動作させる。伝播時間測定手段１４は、制御手段１７の指示に基づき第１超音波振動子１２と第２超音波振動子１３を駆動して両超音波振動子間で送受信される超音波信号の伝播時間を測定する。流量演算手段１５は、伝播時間測定手段１４で測定された伝播時間から流路１１を流れる流体の流速及び流量を算出する。温度測定手段１８は流路１１を流れる流体の実温度を測定する。流量補正手段１６は、流量演算手段１５で算出された流量を温度測定手段１８で測定した温度から所望の温度での流量に補正していた。

また、特許文献１には、図６に示すような流量計測装置も開示されている。この装置は流体の流れる流路１１に設置した第１超音波振動子１２および第２超音波振動子１３と、第１超音波振動子１２、第２超音波振動子１３を駆動し超音波信号の送受信の伝播時間を計時する伝播時間測定手段１４と、伝播時間測定手段１４での測定タイミングを制御する制御手段１７と、伝播時間測定手段１４で測定された伝播時間から流量を演算する流量演算手段１５と、伝播時間測定手段１４で測定された伝播時間から算出した流体の温度に従い流量演算手段１５で算出された流量を補正する流量補正手段１６から構成されている。

この装置において制御手段１７は測定タイミングになれば伝播時間測定手段１４を動作させる。伝播時間測定手段１４は、制御手段１７の指示に基き第１超音波振動子１２と第２超音波振動子１３を駆動して両超音波振動子間で送受信される超音波信号の伝播時間を測定する。流量演算手段１５は、伝播時間測定手段１４で測定された伝播時間から流路１１を流れる流体の流速及び流量を算出する。流量補正手段１６は、流量演算手段１５で算出された流量を伝播時間測定手段１４で測定した伝播時間から算出できる流路を流れる流体の温度から所望の温度での流量に補正していた。

ここで、一般的に気体の音速Ｃと温度Ｔは一次式で近似することができる。すなわち
Ｃ＝Ａ×Ｔ＋Ｃ０Ａ：温度係数Ｃ０：その気体の０℃での音速
と表すことができる。また超音波信号の伝播時間ｔは第１超音波振動子１２と第２超音波振動子１３の間の距離Ｌを流体の音速で割った値になるので、
ｔ＝Ｌ／Ｃ＝Ｌ／（Ａ×Ｔ＋Ｃ０）
と表すことができる。

従って、
Ｔ＝（Ｌ／ｔ−Ｃ０）／Ａ
となり、流路を流れる流体が予め判明している場合は音速の温度係数Ａと０℃での音速Ｃ０が定数になるので、流体の温度Ｔは伝播時間ｔから算出することができる。このようにして超音波の伝播時間から流体の温度を算出することで所望の温度での流量に補正していた。

特開２００１−２４１９８８号公報

しかしながら、前記従来の温度測定手段１８を用いた上記従来の流量計測装置では、一般的に温度測定手段１８にサーミスタを用いるがサーミスタに常時電源供給する必要があるため消費電力が大きくなる課題があった。

また、伝播時間から流体温度を算出する上記従来の流量計測装置では、温度測定手段を用いないため低消費電力化はできるが、伝播時間から流体温度を算出する時に、超音波振動子間の寸法バラツキや伝播時間の測定バラツキ、測定誤差などのため高精度に流体温度を算出できず、所望の温度へ流量補正も精度良くできないという課題があった。

すなわち、従来の流量計測装置では、低消費電力化と所望温度流量への補正の高精度化が両立できないという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、計測した流量を所望の温度での流量に低消費電力でかつ高精度に補正できる流量計測装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記流体管路に流れる流体の温度を測定する温度測定手段と、前記第１振動子と前記第２振動子間の超音波信号の伝播時間を計時する伝播時間測定手段と、前記伝播時間測定手段で測定された超音波信号の伝播時間から流量を演算する流量演算手段と、前記伝播時間測定手段で計時された伝播時間から算出される流体の温度や前記温度測定手段で測定された流体の温度から前記流量演算手段で算出された流量を所望の温度での流量に補正する流量補正手段とを備え、前記流量補正手段は、前記温度測定手段で測定した流体の温度と伝播時間から算出した流体の温度の差を温度補正値として保持し、伝播時間から算出された流体の温度で流量を補正する場合、前記温度補正値で算出された温度を補正して流量の補正を行うものである。

そして、通常は伝播時間から算出した温度に基いて流量を補正するが、定期的に前記温度測定手段で測定した温度と伝播時間から算出した温度の差を温度補正値として更新し、通常伝播時間から流体温度を算出するときの温度補正値として反映させるものである。

これによって、通常は伝播時間から算出される温度で流量を補正するので低消費電力化が実現できる。そして、必要に応じ、温度測定手段を用い、流体の温度を高精度で測定して伝播時間から算出した温度との差を温度補正値として更新し、その温度補正値を通常伝播時間から流体の温度を算出する時の温度補正値として反映させることで高精度に流体温度を算出することが可能になり、所望温度での流量への補正も高精度に実現できる。すなわち、低消費電力で高精度な流量補正が実現できる。

本発明の流量計測装置は、通常は伝播時間から算出される温度で流量補正するので低消費電力化が実現できる。そして、定期的に温度測定手段で温度を測定し伝播時間から算出した温度との差を温度補正値として更新し、その温度補正値を通常伝播時間から流体の温度を算出する時の温度補正値として反映させることで高精度に流体温度を算出することが可能になり、所望温度での流量への補正も高精度に実現できる。すなわち低消費電力で高精度な流量補正が実現できる。

本発明の実施の形態１、２、３における流量計測装置の構成図本発明の実施の形態１における流量計測装置の動作フロー図本発明の実施の形態２における流量計測装置の動作フロー図本発明の実施の形態３における流量計測装置の動作フロー図従来の超音波流量計の構成図従来の超音波流量計の構成図

第１の発明は、流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記流体管路に流れる流体の温度を測定する温度測定手段と、前記第１振動子と前記第２振動子間の超音波信号の伝播時間を計時する伝播時間測定手段と、前記伝播時間測定手段で測定された超音波信号の伝播時間から流量を演算する流量演算手段と、前記伝播時間測定手段で計時された伝播時間から算出される流体の温度や前記温度測定手段で測定された流体の温度から前記流量演算手段で算出された流量を所望の温度での流量に補正する流量補正手段とを備え、前記流量補正手段は、前記温度測定手段で測定した流体の温度と伝播時間から算出した流体の温度の差を温度補正値として保持し、伝播時間から算出された流体の温度で流量を補正する場合、前記温度補正値で算出された温度を補正して流量の補正を行うものである。

そして、通常は伝播時間から算出される温度で流量補正するので低消費電力化が実現でき、必要に応じて、温度測定手段を用い、流体の温度を高精度で測定して伝播時間から算出した温度との差を温度補正値として更新し、その温度補正値を通常伝播時間から流体の温度を算出する時の温度補正値として反映させることで高精度に流体温度を算出することが可能になり、所望温度での流量への補正も高精度に実現できる。すなわち低消費電力で高精度な流量補正が実現できる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記流量補正手段は、前記温度測定手段で所定時間毎に流体の温度を測定して、保持している前記温度補正値を更新することを特徴とするものである。

そして、通常は伝播時間から算出した温度で流量の補正を行うが、定期的に前記温度測定手段で測定した流体の実際の温度と伝播時間から算出した流体温度の差を温度補正値として更新し、通常伝播時間から流体温度を算出するときの温度補正値として反映させるものである。そして、定期的に温度測定手段で温度を測定し伝播時間から算出した温度との差を温度補正値として更新し、その温度補正値を通常伝播時間から流体の温度を算出する時の温度補正値として反映させることで高精度に流体温度を算出することが可能になり、所望温度での流量への補正も高精度に実現できる。すなわち低消費電力で高精度な流量補正が実現できる。

第３の発明は、特に第１の発明において、前記流量補正手段は、前記流量演算手段で計測した流量が所定流量以上のときに前記温度測定手段で流体の温度を測定して、保持している前記温度補正値を更新することを特徴とするものである。

そして、実際に流量がある値以上流れている時は高精度に、それ以外は極力低消費電力に流量の補正ができるので、第２の発明より効率的に低消費電力化と流量の高精度な流量補正の両立が実現できる。

第４の発明は、特に第１の発明において、前記流量補正手段は、前記伝播時間測定手段で計時された伝播時間から算出した温度が前記温度測定手段で前回測定した流体の温度から所定値以上変化した場合に、前記温度測定手段で流体の温度を測定して、保持している前記温度補正値を更新することを特徴とするものである。

そして、温度変化があったと判定した場合は温度補正値を更新して高精度に流量の補正を行い、温度変化が少ないと判定した場合は温度補正値を更新せずに低消費電力に流量の補正ができるので、第２の発明より効率的に低消費電力化と流量の高精度な補正の両立が実現できる。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における流量計測装置の構成図を示すものである。図２は、本発明の第１の実施の形態における流量計測装置の動作フロー図である。

図１において、流路１の途中に超音波を送受信する第１超音波振動子２（第１振動子）と第２超音波振動子３（第２振動子）が配置されている。温度測定手段８は、制御手段７からの指示に従い、流路１を流れる流体の温度を直接測定する（以降、温度測定手段８で測定された流体の温度を実温度と称す）。伝播時間測定手段４は、制御手段７からの指示に従い、第１超音波振動子２と第２超音波振動子３を駆動して両超音波振動子間を送受信する超音波信号の伝播時間を計測する。流量演算手段５は、伝播時間測定手段４で測定された超音波信号の伝播時間から流路１に流れる流量を演算する。

流量補正手段６は、流量演算手段５で算出された流量を、温度測定手段８で測定された流体の実温度や、伝播時間測定手段４で計測された伝播時間から算出した流体の温度から、所望の温度での流量に補正する流量補正手段である。制御手段７は、伝播時間測定手段４へ流量計測の指示を出力すると共に、温度測定手段８に流体の実温度測定の指示を出力する。

以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用を図２を用いて説明する。

まず、Ｓ００１で流量計測が開始される。Ｓ００２で伝播時間から算出した流体の温度Ｔと実温度Ｔｒｅａｌの温度差を温度補正値△Ｔとして△Ｔ＝０と初期化する。Ｓ００３で流量を計測するタイミングになれば制御手段７は伝播時間測定手段４に流量計測の指示を出力する。伝播時間測定手段４は、Ｓ００４で制御手段７からの指示によりオンし、Ｓ００５で第１超音波振動子２と第２超音波振動子３を駆動し、Ｓ００６で両超音波振動子間を送受信する超音波信号の伝播時間を測定し出力する。Ｓ００７で流量演算手段５は伝播時間測定手段４から出力された伝播時間に基いて流路１を流れる流量を演算し出力する。流量補正手段６は、Ｓ００８で伝播時間測定手段４から出力された伝播時間から流体の温度を算出し、Ｓ００９で算出した流体の温度をＴ’として温度補正値△Ｔだけ更に補正し、Ｓ０１０で補正後の流体温度Ｔ’に基き計測流量を所望温度での流量に補正する。

制御手段７は、Ｓ０１１で流体の実温度を測定した履歴が無い場合か、Ｓ０１５で前回
流体の実温度を測定してから所定時間以上の時間が経過していれば温度測定手段８に流体の実温度を測定する指示を出力する。そうでない場合は流体の実温度を測定する指示を出力せずにＳ００３の流量計測のタイミング待ちに戻る。温度測定手段８は、Ｓ０１２で制御手段７から流体の温度測定の指示を受けてオンし、Ｓ０１３で流体の実温度Ｔｒｅａｌを測定し出力する。流量補正手段６は、Ｓ０１４で伝播時間から前回算出した流体温度Ｔと温度測定手段８から出力された流体の実温度Ｔｒｅａｌとの差分を新たな温度補正値△Ｔとして更新する。そしてＳ００３に戻り計測のタイミング待ちとなる。

以上のように、通常は流量演算手段５で算出した流量を、伝播時間と温度補正値△Ｔから算出した流体温度Ｔ’に基づき所望温度での流量を算出する。そして、流体の実温度が未測定の場合や前回実温度を測定してから所定時間以上の時間が経過していれば流体の実温度を測定し、伝播時間から算出した温度と実温度との差を新たな温度補正値△Ｔとして更新する。こうすることで、通常は温度測定手段８をオンすることなく伝播時間から算出される温度で流量補正するので低消費電力化が実現できる。そして、定期的に温度測定手段８で実温度を測定し伝播時間から算出した温度との差を温度補正値△Ｔとして更新し、その温度補正値△Ｔを通常伝播時間から流体の温度を算出する時の温度補正値として反映させることで高精度に流体温度を算出することが可能になり、所望温度での流量への補正も高精度に実現できる。すなわち低消費電力で高精度な流量補正が実現できる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における流量計測装置の動作フロー図を示すものである。本発明の第２の実施の形態における流量計測装置の構成図も図１になる。

図１において、第１の実施の形態とは制御手段７が温度測定手段８に流体の実温度を測定することを指示するタイミングが異なる。本発明の第１の実施の形態では、実温度を未測定かもしくは前回実温度を測定してから一定時間以上経過している場合に、実流量を測定する指示を出力していた。しかしながら本発明の第２の実施の形態においては流量がある値以上流れていると判定した場合に実流量を測定する指示を出力する。

以上のように構成された超音波流量計について以下その動作、作用を図３を用いて説明する。

まず、Ｓ１０１で流量計測が開始される。Ｓ１０２で伝播時間から算出した流体の温度Ｔと実温度Ｔｒｅａｌの温度差を温度補正値△Ｔとして△Ｔ＝０と初期化する。Ｓ１０３で流量を計測するタイミングになれば制御手段７は伝播時間測定手段４に流量計測の指示を出力する。伝播時間測定手段４はＳ１０４で制御手段７からの指示によりオンし、Ｓ１０５で第１超音波振動子２と第２超音波振動子３を駆動し、Ｓ１０６で両超音波振動子間を送受信する超音波信号の伝播時間を測定し出力する。Ｓ１０７で流量演算手段５は伝播時間測定手段４から出力された伝播時間に基いて流路１を流れる流量を演算し出力する。

流量補正手段６はＳ１０８で伝播時間測定手段４から出力された伝播時間から流体の温度を算出し、Ｓ１０９で算出した流体の温度をＴ’として温度補正値△Ｔだけ更に補正し、Ｓ１１０で補正後の流体温度Ｔ’に基き計測流量を所望温度での流量に補正する。Ｓ１１６で制御手段７は流量がある値以上流れていると判定した場合は温度測定手段８に流体の実温度を測定する指示を出力する。そうでない場合は流体の実温度を測定する指示を出力せずにＳ１０３の流量計測のタイミング待ちに戻る。温度測定手段８はＳ１１２で制御手段７から流体の温度測定の指示を受けてオンし、Ｓ１１３で流体の実温度Ｔｒｅａｌを測定し出力する。Ｓ１１４で流量補正手段６は伝播時間から前回算出した流体温度Ｔと温度測定手段８から出力された流体の実温度Ｔｒｅａｌとの差分を新たな温度補正値△Ｔとして更新する。そしてＳ１０３に戻り計測のタイミング待ちとなる。

以上のように、通常は流量演算手段５で算出した流量を、伝播時間と温度補正値△Ｔから算出した流体温度Ｔ’に基づき所望温度での流量を算出する。そして流量がある値以上流れていると判定した場合は流体の実温度を測定し、伝播時間から算出した温度と実温度との差を新たな温度補正値△Ｔとして更新する。こうすることで、通常は温度測定手段８をオンすることなく伝播時間から算出した温度で流量補正するので低消費電力化が実現できる。そして実際に流量がある値以上流れた場合に温度測定手段８で実温度を測定し伝播時間から算出した温度との差を温度補正値△Ｔとして更新し、その温度補正値△Ｔを通常伝播時間から流体の温度を算出する時の温度補正値として反映させることで高精度に流体温度を算出することが可能になり、所望温度での流量への補正も高精度に実現できる。すなわち本発明の第１の実施の形態より低消費電力で高精度な流量補正を効率良く実現できる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態における流量計測装置の動作フロー図を示すものである。本発明の第３の実施の形態における流量計測装置の構成図も図１になる。

図１において、第１の実施の形態とは制御手段７が温度測定手段８に流体の実温度を測定することを指示するタイミングが異なる。本発明の第１の実施の形態では、実温度を未測定かもしくは前回実温度を測定してから一定時間以上経過している場合に実流量を測定する指示を出力していた。しかしながら本発明の第３の実施の形態においては、流体の実温度が未測定か、もしくは前回流体の実温度を測定してからある値以上温度変化があったと判定した場合に実流量を測定する指示を出力する。

以上のように構成された超音波流量計について以下その動作、作用を図４を用いて説明する。

まず、Ｓ２０１で流量計測が開始される。Ｓ２０２で伝播時間から算出した流体の温度Ｔと実温度Ｔｒｅａｌの温度差を温度補正値△Ｔとして△Ｔ＝０と初期化する。Ｓ２０３で流量を計測するタイミングになれば制御手段７は伝播時間測定手段４に流量計測の指示を出力する。伝播時間測定手段４はＳ２０４で制御手段７からの指示によりオンし、Ｓ２０５で第１超音波振動子２と第２超音波振動子３を駆動し、Ｓ２０６で両超音波振動子間を送受信する超音波信号の伝播時間を測定し出力する。Ｓ２０７で流量演算手段５は伝播時間測定手段４から出力された伝播時間に基いて流路１を流れる流量を演算し出力する。

流量補正手段６はＳ２０８で伝播時間測定手段４から出力された伝播時間から流体の温度を算出し、Ｓ２０９で算出した流体の温度をＴ’として温度補正値△Ｔだけ更に補正し、Ｓ２１０で補正後の流体温度Ｔ’に基き計測流量を所望温度での流量に補正する。制御手段７はＳ２１１で流体の実温度を測定した履歴が無い場合か、Ｓ２１７で前回流体の実温度を測定してから一定以上の温度変化があったと判定した場合は温度測定手段８に流体の実温度を測定する指示を出力する。そうでない場合は流体の実温度を測定する指示を出力せずにＳ２０３の流量計測のタイミング待ちに戻る。温度測定手段８はＳ２１２で制御手段７から流体の温度測定の指示を受けてオンし、Ｓ２１３で流体の実温度Ｔｒｅａｌを測定し出力する。Ｓ２１４で流量補正手段６は伝播時間から前回算出した流体温度Ｔと温度測定手段８から出力された流体の実温度Ｔｒｅａｌとの差分を新たな温度補正値△Ｔとして更新する。そしてＳ２０３に戻り計測のタイミング待ちとなる。

以上のように、通常は流量演算手段５で算出した流量を、伝播時間と温度補正値△Ｔから算出した流体温度Ｔ’に基づき所望温度での流量を算出する。そして流体の実温度を未測定の場合や前回実温度を測定してから一定以上の温度変化があると判定した場合は流体
の実温度を測定し、伝播時間から算出した温度と実温度との差を新たな温度補正値△Ｔとして更新する。こうすることで、通常は温度測定手段８をオンすることなく伝播時間から算出される温度で流量補正するので低消費電力化が実現できる。そして前回実温度を測定してから一定以上の温度変化があったと判断した場合に温度測定手段８で実温度を測定し伝播時間から算出した温度との差を温度補正値△Ｔとして更新し、その温度補正値△Ｔを通常伝播時間から流体の温度を算出する時の温度補正値として反映させることで高精度に流体温度を算出することが可能になり、所望温度での流量への補正も高精度に実現できる。すなわち本発明の第１の実施の形態より低消費電力で高精度な流量補正を効率良く実現できる。

以上のように、本発明にかかる流量計測装置は、通常は温度測定手段をオンせず、伝播時間から算出される温度で流量補正するので低消費電力化ができる。そして定期的に温度測定手段で流体の実温度を測定し、伝播時間から算出される温度との誤差を補正することで高精度に流量補正することができ、低消費電力で高精度な流量補正が可能となる。従って、非常に低消費電力で高精度の流量計測装置を実現することが可能となるので、流量測定基準器及びガスメーターや水道メーター等の用途にも適用できる。

１流路（流体管路）
２第１超音波振動子（第１振動子）
３第２超音波振動子（第２振動子）
４伝播時間測定手段
５流量演算手段
６流量補正手段
７制御手段
８温度測定手段

Claims

流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、
前記流体管路に流れる流体の温度を測定する温度測定手段と、
前記第１振動子と前記第２振動子間の超音波信号の伝播時間を計時する伝播時間測定手段と、
前記伝播時間測定手段で測定された超音波信号の伝播時間から流量を演算する流量演算手段と、
前記伝播時間測定手段で計時された伝播時間から算出される流体の温度や前記温度測定手段で測定された流体の温度から前記流量演算手段で算出された流量を所望の温度での流量に補正する流量補正手段と、
を備え、
前記流量補正手段は、前記温度測定手段で測定した流体の温度と伝播時間から算出した流体の温度の差を温度補正値として保持し、伝播時間から算出された流体の温度で流量を補正する場合、前記温度補正値で算出された温度を補正して流量の補正を行う構成とされていること、
を特徴とする流量計測装置。
前記流量補正手段は、前記温度測定手段で所定時間毎に流体の温度を測定して、保持している前記温度補正値を更新することを特徴とする請求項１記載の流量計測装置。
前記流量補正手段は、前記流量演算手段で計測した流量が所定流量以上のときに前記温度測定手段で流体の温度を測定して、保持している前記温度補正値を更新することを特徴とする請求項１記載の流量計測装置。
前記流量補正手段は、前記伝播時間測定手段で計時された伝播時間から算出した温度が前記温度測定手段で前回測定した流体の温度から所定値以上変化した場合に、前記温度測定手段で流体の温度を測定して、保持している前記温度補正値を更新することを特徴とする請求項１記載の流量計測装置。