JP2012007974A

JP2012007974A - 流量計測装置

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Publication number: JP2012007974A
Application number: JP2010143473A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Koba; 康雄木場; Koichi Takemura; 晃一竹村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-06-24
Also published as: JP5548951B2

Abstract

【課題】計測精度自体を保ちながら消費電力を低減することが可能な流量計測装置を提供することを目的とする。
【解決手段】流体流路１に設けられた第１振動子２と第２振動子３と、第１振動子２と第２振動子３の出力を計測する計測手段１１と、計測手段１１の計測分解能を設定する分解能設定手段８と、計測手段１１の出力に基づいて測定結果を判定する流量判定手段１３と、計測手段１１の出力に基づいて流量を演算する流量演算手段１２と、各要素を制御する計測制御手段１４とを備え、計測制御手段１４は、予め定められた値を分解能設定手段８に設定し計測流量を求める通常計測手段１５と、通常計測手段１５よりも粗い分解能を分解能設定手段８に設定して流量判定手段１３で流量の有無を判定する探索計測手段１６を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動子や熱式フローセンサを間欠的に駆動して、ガスなどの流量を計測する流量計測装置に関するものである。

従来のこの種の流量計測装置で、超音波方式のものとしては、流体管路の一部に超音波振動子を流れの方向に相対して設け、振動子から流れ方向に超音波を発生しこの超音波を振動子で検出すると再び振動子から超音波を発生させ、この繰り返しを行ってその時間を計測し、逆に振動子から流れに逆らって超音波を発生し同様の繰り返し時間を計測し、この時間の差から流体の速度を演算していた（例えば、特許文献１参照）。

これらの装置は、特に電池駆動の場合には、超音波送受信時の消費電力が大きいと電池の消耗が激しいので、消費電力低減のため、計測はある一定周期または計測流量に応じた可変周期に基づく間欠動作を行う必要があった。特に、計測周期の長い零流量時に、不意に大流量が発生する場合が考えられるため、計測の合間に繰り返し回数を減らした探索計測を行って、不意に大きな流量が発生した場合を検知しようというものであった。

また、この種の他の流量計測装置として、通常計測手段よりも粗い分解能と短い周期で推定流量を求める探索手段を有しており、探索計測の実行により流量変化を検出できるので、通常計測の頻度を低減できるものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−２１６６７号公報特許第３４３２２１０号公報

しかしながら、前記従来の特許文献２に開示された構成では、粗い分解能で計測された流量、即ち、通常計測に比べて低い計測精度で計測された流量も含めた推定流量も積算の対象としており、推定流量の精度と通常計測の精度の差により計測精度自体の精度を悪くする可能性があった。また、精度の差を縮めるためには分解能を細かくするか、通常計測の周期を短くする必要があった。さらに、電池など駆動する場合には、粗い分解能でも変化を見るのに流量演算処理を行うため消費電流が大きくなるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、流量を検知できる時は高精度で計測し、かつ、流量が検知できない時は粗い分解能で流量の有り無しのみ判定して計測精度自体を保ちながら消費電力を低減することが可能な流量計測装置を提供することを目的とするものである。

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、流体が流れる流体流路と、前記流体流路に設けられた流量検出手段と、計測分解能が設定可能に構成され前記流量検出手段の出力から前記流体の流速を計測する計測手段と前記計測手段で求めた流速に基づいて流量の有無を判定する流量判定手段と、前記計測手段で求めた流速に基づいて流量を演算する流量演算手段と、前記各手段を制御する計測制御手段と、を備え、前記計測制御手段は、前記計測手段の分解能を予め定められた第１の分解能に設定して、前記流量演算手段で演算された流量を積算する通常計測モードと、前記計測手段の分解能を前記第１の分解能よりも粗い分解能に設定して前記流量判定手段で流量の有無を判定する探索モードと、を含むものである。

これによって、粗い分解能では流量の有無のみを判定し、通常計測での積算精度を保ちながら省電力化を行うことができる。

本発明の流量計測装置は、流量無し時の計測を粗い分解能で行い流量有無の判定のみに用いることで計測精度自体の計測精度を保ちながら消費電流を少なくすることができる。

本発明の実施の形態１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構成図本発明の実施の形態１における計測制御手段１４のフローチャート本発明の実施の形態２における流量計測装置の構成図熱式フローセンサの構成図

第１の発明は、流体が流れる流体流路と、前記流体流路に設けられた流量検出手段と、計測分解能が設定可能に構成され前記流量検出手段の出力から前記流体の流速を計測する計測手段と、前記計測手段で求めた流速に基づいて流量の有無を判定する流量判定手段と、前記計測手段で求めた流速に基づいて流量を演算する流量演算手段と、前記各手段を制御する計測制御手段と、を備え、前記計測制御手段は、前記計測手段の分解能を予め定められた第１の分解能に設定して、前記流量演算手段で演算された流量を積算する通常計測モードと、前記計測手段の分解能を前記第１の分解能よりも粗い第２の分解能に設定して前記流量判定手段で流量の有無を判定する探索計測モードと、を含むものであり、計測の誤差範囲以上の流量を検知することで流量の有無を判定して推定流量を計算する処理を省くことで省電力化を行い、かつ、高精度で流量を計測することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記流量検出手段は、超音波信号を送受信する一対の振動子で構成され、前記計測手段は、前記一対の振動子間の超音波伝達を繰り返し行い、それぞれの超音波信号の伝搬時間を累積した累積時間を基に流体の流速を計測するもので、前記分解能は、前記超音波伝達の繰り返し回数として設定されること、を特徴とするものであり、探索計測モードでは超音波伝達の繰り返し回数を低減することができ、間欠的に駆動する処理の電流を低減することができる。

第３の発明は、特に第１の発明において、前記流量検出手段は、熱式フローセンサで構成され、前記計測手段は、前記熱式フローセンサの熱出力を計測するもので、前記分解能は、前記熱式フローセンサへの入力熱量として設定されること、を特徴とするものであり、熱式フローセンサを用いた計測装置に用いることで間欠的に駆動する処理の電流を低減し、探索計測モードでの消費熱量が通常計測に比べて小さいため、ヒータの耐久性、信頼性の向上が実現できる。

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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１を示す流量計測装置のブロック図である。

図１において、流体が流れる流体流路１の途中に超音波を送受信する第１振動子２と第２振動子３が流れ方向に配置されている。送信手段４は、第１振動子２あるいは第２振動子３へ超音波信号を出力する。受信手段６は、第１振動子２あるいは第２振動子３で受信した信号を検知する。切替手段５は、第１振動子２あるいは第２振動子３と送信手段４あるいは受信手段６の接続を切り替えることで、第１振動子２と第２振動子３の送受信の切換を行う。そして、一方の振動子から送信される超音波信号を他方の振動子で受信する動作を繰り返し手段７により繰り返し行う。

分解能設定手段８は、繰り返し手段７による送受信繰り返し回数、すなわち計測分解能の設定をおこなう。トリガ手段９は、間欠計測の開始を指示するもので、周期設定手段１０により、トリガ手段９の出力周期を設定する。

計測手段１１は、繰り返し手段７により行われる複数回の超音波伝達の所要時間を計測し、後述の方法で流速を計測するもので、流量演算手段１２は、計測手段１１で計測された流速から流量を求める。流量判定手段１３は、計測手段１１で計測された流速から流量有無を判定するのもので、流速が予め定めた所定値以下の場合に流量が０であると判定する。

また、計測制御手段１４は、前述の各手段を制御するもので、通常計測手段１５による通常計測モード、及び、探索計測手段１６による探索計測モードを有する。

通常計測手段１５と探索計測手段１６は、後述する通常計測モードおよび探索計測モードにしたがって、分解能設定手段８に数値を設定し、計測手段１１の計測動作を制御している。また、積算手段１７は、流量演算手段１２により求められた流量値を積分することにより積算流量を求めている。

次に、動作、作用について説明する。

周期設定手段１０で設定された時間が経過する毎に、トリガ手段９は計測開始トリガを繰返し手段７を介して送信手段４に出力する。送信手段４より送出されたバースト信号により切替手段５と通して第１振動子２あるいは第２振動子３から発信された超音波信号は、流れの中を伝搬し、第２振動子３あるいは第１振動子２で受信され切替手段５を通して受信手段６で検知される。

その後、再び送信手段４よりバースト信号が送出される。繰返し手段７により送信手段４からのバースト信号は、分解能設定手段８で予め定められた回数だけ繰り返され、切替手段５による方向毎に繰り返しに要した時間を計測手段１１で計測する。

静止流体中の音速をｃ、流体の流れの速さ、即ち、流速をｖとすると、流れの順方向の超音波の伝搬速度は（ｃ＋ｖ）となる。第１振動子２と第２振動子３の間の距離をＬ、超音波伝搬軸と管路の中心軸とがなす角度をθとすると、超音波が到達する時間ｔは、
ｔ＝Ｌ／（ｃ＋ｖＣＯＳθ）（１）
となる。

ここで、時間ｔは比較的小さな値となり、単発現象として計測すると十分な分解能を得ることは困難である。したがって、複数回の送受信繰り返しを実行し、その平均値を求める方法を取る。計測手段１１の計測分解能に応じて、適宜送受信の繰り返し回数ｎを求めると、計測値Ｔは読み取り可能な値となり、次式で表わせる。

Ｔ＝ｎ×Ｌ／（ｃ＋ｖＣＯＳθ）（２）
（２）式を変形すると、流速ｖは、
ｖ＝（ｎ×Ｌ／Ｔ−ｃ）／ＣＯＳθ （３）
となり、Ｌとφが既知ならＴを測定すれば流速ｖが求められる。この流速より流量Ｑは、通過面積をＳ、補正計数をＫとすれば、
Ｑ＝ＫＳｖ（４）
となる。

（３）、（４）式から明らかな様に繰り返し回数ｎを増やせば、流量Ｑの分解能を高められる。以上の方法で、流量演算手段１２は、計測手段１１の計測値Ｔを用いて（３）および（４）の演算処理を実行してサンプリング時点での流量を求めている。

また、切替手段５により、上流から下流の伝搬時間をｔ１、下流から上流の伝搬時間ｔ２を求めることで音速ｃを差し引いた式で求めることができる。

Ｑ＝Ｋ・Ｓ・ｖ＝Ｋ・Ｓ・Ｌ／２・ＣＯＳθ（（ｎ／ｔ１）−（ｎ／ｔ２））（４）
通常計測手段１５の指示により、上記したトリガ手段９からのトリガ出力から流量演算手段１２での演算処理までの一連の動作は、周期設定手段１０に設定し記憶された時間ｔ_aが経過する毎に分解能設定手段８に設定し記憶されたｎ_a回だけ繰り返される。この時求められる流量を計測流量と呼ぶ。

次に、計測制御手段１４における探索計測手段１６の動きを説明する。探索計測時、探索計測手段は分解能設定手段８に粗い分解能を設定し計測の繰り返し回数を低くして計測を行う。計測手段１１で求められた繰り返しに要した時間から伝幡速度は（ｃ＋ｖ）×ｎとなる。流量判定手段１３では、この流速ｖがある所定の範囲内（例えば−ｖ１≦ｖ×ｎ≦ｖ２）であれば、流量なしと判断し、探索計測手段１６に通知する。探索計測手段１６は、そのときの流量を０として積算手段１７に出力する。

なお、所定の範囲を流速で規定したが、繰り返しに要した時間や、計測手段１１の計測分解能の単位でもかまわない。

所定の範囲以上であれば、流量判定手段１３は流量ありと判断し、探索計測手段１６は通常計測手段１５に信号を送り通常計測手段１５として分解能設定手段８に分解能を設定し、トリガ手段９に信号を送りトリガを出力させて再度計測を行い、計測流量を求める。

探索計測手段１６による探索計測モード時、繰り返し回数ｎを少なくすれば、計測時の消費電流は下がるが計測手段１１の計測分解能単位あたりの誤差が大きくなる。流量判定手段１３にてその誤差を含めた範囲で流量有無の範囲を決定する。例えば、流量０の状態で、探索計測手段１６の分解能を分解能設定手段８に設定して計測しばらつきを得たとすると、計測回路の計測の誤差を考慮して流量無しとみなしていい十分な範囲を決定できる。このときに、計測回路によっては｜ｖ１｜＝｜ｖ２｜とならないこともある。

このように、探索計測モードの実行により流量がある場合のみ通常計測手段による通常計測モードでの計測を行う。その結果、流量が無いと判断されれば、通常計測モードでの計測の頻度を低減でき、さらに計測した流量を基にした流量演算も行わないので、消費電力を低減でき、流量がある場合は即時、通常計測モードに移行するので高精度の計測を実現することができる。

また、探索計測モード時において、計測手段１１から流量演算手段１２で流量演算をしてから流量判定手段１３で流量判定をしてもかまわない（図２）。この場合でも繰り返し数が少ないため、通常計測モード時に比べ比較的短い時間で処理を終えることができ、かつ、流量として誤差範囲を指定することができるので、流量判定の範囲を変更せずに繰り返し回数を可変することが容易となる。

また、計測制御手段１４によって、通常計測手段１５での計測流量が範囲以内（例えばＱ１≦Ｑ≦Ｑ２以内がｎ周期続いたとき）だった場合のみに次回周期での探索計測モードを実行することで、通常計測モード時の電流を削減することもできる。

図３は計測制御手段１４のフローチャートである。周期が来るとトリガ手段９よりトリガが入る（Ｓ１）。このとき、探索計測モード中か判定し（Ｓ２）、探索計測モード中であると、粗い分解能にて計測を行う（Ｓ３）。その後、計測手段１１の値によって流量有無の判定を行う（Ｓ４）。流量が無しだった場合は、流量無し（例えば流量０Ｌ／ｈ）として（Ｓ５）、次回トリガ時も探索計測モードとする（Ｓ６）。積算手段１７で積算する（Ｓ７）。流量が有りだった場合は、通常計測モードの分解能を分解能設定手段８に設定し、トリガ手段９に信号を送り、計測を行う（Ｓ８）。その後、計測手段１１の値を流量判定手段１３が演算し（Ｓ９）、流量無しかを判定する（Ｓ１０）。その計測流量が流量有りだった場合は次回トリガ時も通常計測モードとする（Ｓ１１）。積算処理を行う（Ｓ７）。流量を判定して（Ｓ１０）その流量が無しとなった場合（例えば、通常計測モード時に３周期連続で２Ｌ／ｈ以内だった場合）は探索計測モードとして分解能設定手段８に探索計測モードの分解能を設定する（Ｓ６）。その後、積算処理を行う（Ｓ７）。

（実施の形態２）
図４は実施の形態２における流量計測装置のブロック図、図５は同装置のフローセンサのブロック図である。図４において、給電制御手段２２は、フローセンサ２１への電源供給を制御し、分解能設定手段８は、フローセンサ２１への入力熱量、すなわち入力電流を設定する。トリガ手段９は、間欠計測の開始を指示するもので、周期設定手段１０によりトリガ手段９の出力周期が設定される。計測手段１１は、フローセンサ２１の出力を計測し、流量演算手段１２は、計測手段１１の計測値から流量を求める。流量判定手段１３は、計測手段１１の計測値から流量の有無を判定するもので、流速が予め定めた所定値以下の場合に流量が０であると判定する。

次に、図５を用いてフローセンサ２１の構成を説明する。

流体流路に設けられたヒータ２３に対して、流れの上流側に第１温度センサ２４、下流側に第２温度センサ２５を配した構成となっている。流れによって生じる第１温度センサ２４と第２温度センサ２５の温度差を計測手段１１で計測する。

次に、動作、作用について説明する。

熱式流量計では、ヒータの消費電力が大きいので、間欠駆動が一般的である。周期設定手段１０で設定された時間が経過する毎に、トリガ手段９は計測開始トリガを給電制御手段２２に出力する。更に、この時、同時に、分解能設定手段８で、ヒータ２３への入力熱量を設定する。給電制御手段２２は、分解能設定手段８で設定された熱量が、ヒータ２３へ供給される様に、通電電圧または通電電流を制御する。ヒータ２３へ供給された熱量が一定であるならば、流量が小さい範囲では温度差Ｔは質量流量に比例する。

また、ヒータ２３へ供給する熱量を増やせば、同一の流量が発生している場合であっても、温度差が大きく取れるので、結果として流量計測分解能は向上する。流量演算手段１２は、計測手段１１を用いて計測した温度差Ｔに、入力熱量に対する係数と比例定数を掛けて瞬時流量値を求めている。通常計測手段１５により、上記したトリガ手段９からのトリガ出力から流量演算手段１２での演算処理までの一連の動作は、周期設定手段１０に設定し記憶された時間ｔ_aが経過する毎に分解能設定手段８に設定し記憶された熱量Ｐ_aをヒータ２３に入力することによって実行される。この時求められる流量を計測流量と呼ぶ。

次に、計測制御手段１４における探索計測手段１６による探索計測モード時の動きを説明する。探索計測モード時は、探索計測手段は分解能設定手段８にヒータ２３への入力熱量を小さく設定する。計測手段１１で求められた温度差Ｔとなる。このＴがある所定の範囲内（例えば−Ｔ１≦Ｔ≦Ｔ２）であれば、流量判定手段１３が流量なしと判断し、計測を終了させ、次の周期まで計測を終了する。そのときの流量を０として積算手段１７に通知する。

所定の範囲以上であれば、通常計測手段による通常計測モードとして再度計測を行い、計測流量を求める。入力熱量を小さくすれば、計測時の消費電流は下がるが単位あたりの誤差が大きくなる。その誤差を含めた範囲で流量有無の範囲を決定する。例えば、流量０の状態で、探索計測手段の分解能設定手段にて計測しばらつきを得たとすると、計測回路の計測の誤差を考慮して流量無しとみなしていい十分な範囲を決定する。このときに、計測回路によっては｜Ｔ１｜＝｜Ｔ２｜とならないこともある。

このように、探索計測モードの実行により流量がある場合のみ通常計測モードによる計測を行う。その結果、流量が無いと判断されれば、通常計測モードの頻度を低減でき、さらに計測した流量演算も行わないので、消費電力を低減でき、流量がある場合は即時通常計測モードに移行するので高精度の計測を実現することができる。

また、探索計測モード時でも計測手段１１から流量演算手段で流量演算をした場合でも、温度差Ｔが小さいため、通常計測モード時に比べ比較的短い時間で処理を終えることができる。この場合は、流量として誤差範囲を指定することができるので、流量有無の誤差範囲を変更せずに入力熱量を可変することが容易となる。

また、計測制御手段１４によって、周期毎に探索計測モードによる計測を行わず、通常計測手段１５での計測流量が範囲以内（例えばＱ１≦Ｑ≦Ｑ２以内がｎ回続いたとき）だった場合のみに次回周期での探索計測モードを実行することで、流量有りの場合の探索計測モードの電流を削減することもできる。

また、ヒータへの入力熱量を低減することにより探索計測モードを実現しているので、探索計測モード時の消費熱量が通常計測に比べて小さいため、ヒータの耐久性、信頼性の向上が実現できる。

以上の説明から明らかなように、本発明の流量計側装置によれば、通常計測手段よりも粗い分解能で流量の有無を判定する探索計測モードを有しているので、探索計測モードの実行により流量有無を検出できるので、通常計測モードの頻度を低減でき、消費電力を低減できる。

また、流量検出手段として熱式フローセンサを使用する場合には、探索計測の消費熱量が通常計測に比べて小さくてすむ。その結果、熱式フローセンサ熱線の耐久性が向上し、信頼性が向上する。

１流体流路
２第１振動子（振動子）
３第２振動子（振動子）
１１計測手段
１２流量演算手段
１３流量判定手段
１４計測制御手段
２１フローセンサ（熱式フローセンサ）

Claims

流体が流れる流体流路と、
前記流体流路に設けられた流量検出手段と、
計測分解能が設定可能に構成され前記流量検出手段の出力から前記流体の流速を計測する計測手段と、
前記計測手段で求めた流速に基づいて流量の有無を判定する流量判定手段と、
前記計測手段で求めた流速に基づいて流量を演算する流量演算手段と、
前記各手段を制御する計測制御手段と、
を備え、
前記計測制御手段は、
前記計測手段の分解能を予め定められた第１の分解能に設定して、前記流量演算手段で演算された流量を積算する通常計測モードと、
前記計測手段の分解能を前記第１の分解能よりも粗い第２の分解能に設定して前記流量判定手段で流量の有無を判定する探索計測モードと、
を含む流量計測装置。
前記流量検出手段は、超音波信号を送受信する一対の振動子で構成され、
前記計測手段は、前記一対の振動子間の超音波伝達を繰り返し行い、それぞれの超音波信号の伝搬時間を累積した累積時間を基に流体の流速を計測するもので、前記分解能は、前記超音波伝達の繰り返し回数として設定されること、
を特徴とする請求項１に記載の流量計測装置。
前記流量検出手段は、熱式フローセンサで構成され、
前記計測手段は、前記熱式フローセンサの熱出力を計測するもので、前記分解能は、前記熱式フローセンサへの入力熱量として設定されること、
を特徴とする請求項１に記載の流量計測装置。