JP2012103088A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の漏れを判別しつつ、消費電力を低減した流量計測装置を提供すること。
【解決手段】流体管路１に設けられた超音波信号を送受信する第１の超音波振動子２と第２の超音波振動子３と、前記振動子間相互の超音波伝搬を複数回行なう繰り返し手段７と、前記繰り返し手段７の回数を設定する繰り返し設定手段１７と、超音波の伝搬時間から流量を算出する流量演算手段１０と、前記各要素を制御する計測制御手段１１とを備え、前記計測制御手段１１は、予め定められた値を前記繰り返し設定手段１７に設定し、所定の周期で計測流量を算出する通常計測手段１２と、前記通常計測手段１２よりも長い周期、且つ繰り返し回数を多く設定して推定流量を算出する流量推定手段と、前記通常計測手段１２と前記流量推定手段１３で算出された流量を判定する判定手段１４から構成されることで、流体の漏れを判別する高い計測精度を維持しつつ、消費電力を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を利用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、この種の流量計測装置は、図３に示すように流体管路１８に第１の超音波振動子１９と第２の超音波振動子２０が流体の流れ方向に相対して配置されている。そして、第１の超音波振動子１９への送信回路２１、第２の超音波振動子２０で受信した超音波を信号処理する受信回路２２、受信回路２２にて超音波を検知した後、第１の超音波振動子からの送信と第２の超音波振動子３での受信を複数回繰り返す繰り返し手段２３、繰り返し手段２３による繰り返し回数、すなわち計測分解能を設定する分解能設定手段２４、間欠計測の開始を指示するトリガ手段２５、トリガ手段２５の出力周期を設定する周期設定手段２６、繰り返し手段２３により行なわれる複数回の超音波伝搬の所要時間を計測する計測手段２７、計測手段２７の計測値から流量を求める流量演算手段２８と、上記各要素を制御する計測制御手段２９とを備え、計測制御手段２９は、予め定められた値を周期設定手段２６および分解能設定手段２４に設定し、その結果得られた値に基づいて、計測流量を求める通常計測手段３０と、通常計測手段３０よりも短い周期を周期設定手段２６に設定するとともに、粗い分解能を分解能設定手段２４に設定し、その結果得られた値に基づいて、流量を推定する探索計測手段３１と、計測流量と推定流量との差から計測周期または計測分解能を設定する判定手段３２、流量演算手段２８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る積算手段３３から構成される（例えば、特許文献１参照）。

特許第３４３２２１０号公報

しかしながら、前記従来の流量計測装置では、通常計測手段よりも短い周期で且つ粗い分解能により探索計測を行なうため、流量の計測精度が低くなる。そのため流体の流体管路からの漏れを判別する必要がある流量が小さい場合では探索計測による流体の漏れを判別することができない。且つ、計測流量が小さくなることで通常計測手段の分解能を細かくするため、流量が小さい場合では消費電力の低減ができない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、流体の漏れを判別可能とし、且つ消費電力を低減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、被測定流体が流れる流体管路に設けられた超音波信号を送受信する第１の振動子及び第２の振動子と、前記振動子間の超音波信号の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段による計測が終了する毎に前記第１の振動子および第２の振動子の送受信の送受信を切替える切替手段と、前記振動子間相互の超音波伝搬を複数回行なう繰り返し手段と、前記繰り返し手段の回数を設定する繰り返し設定手段と、前記計時手段と前記繰り返し手段の出力から伝搬時間の平均値を算出する時間演算手段と、前記時間演算手段で算出した伝搬時間から流量を算出する流量演算手段と、前記繰り返し設定手段に設定された繰り返し回数、且つ、所定の計測周期
で計測流量を算出する通常計測手段と、前記通常計測手段よりも多い繰り返し回数、且つ長い計測周期で、推定流量を算出する流量推定手段と、を備え、前記繰り返し設定手段は、前記計測流量と前記推定流量の差に応じて前記通常計測手段での繰り返し回数を設定するものである。

これによって、流量が小さい場合でも、高い計測精度で推定流量を算出し、推定流量が流体の漏れの可能性がある所定の値以下では通常計測手段の繰り返し回数を多くすることで流体の漏れを判別することができる。また、流体の漏れの可能性がある所定の値以上では通常計測手段の繰り返し回数を少なくすることで通常計測手段の頻度を減らすことができる。その結果、消費電力を低減することができる。

本発明の流量計測装置は、低流量時においても流体の漏れを判別しつつ、消費電力を低減することができる。

本発明の実施の形態１における流量計測装置のブロック図 同流量計測装置の繰り返し回数変更方法を示すフローチャート 従来の流量計測装置のブロック図

第１の発明は、被測定流体が流れる流体管路に設けられた超音波信号を送受信する第１の振動子及び第２の振動子と、前記振動子間の超音波信号の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段による計測が終了する毎に前記第１の振動子および第２の振動子の送受信の送受信を切替える切替手段と、前記振動子間相互の超音波伝搬を複数回行なう繰り返し手段と、前記繰り返し手段の回数を設定する繰り返し設定手段と、前記計時手段と前記繰り返し手段の出力から伝搬時間の平均値を算出する時間演算手段と、前記時間演算手段で算出した伝搬時間から流量を算出する流量演算手段と、前記繰り返し設定手段に設定された繰り返し回数、且つ、所定の計測周期で計測流量を算出する通常計測手段と、前記通常計測手段よりも多い繰り返し回数、且つ、長い計測周期で、推定流量を算出する流量推定手段と、を備え、前記繰り返し設定手段は、前記計測流量と前記推定流量の差に応じて前記通常計測手段での繰り返し回数を設定するものである。

これにより、高い計測精度で推定流量を算出することができる。その結果、流体の漏れを判別することができるとともに通常計測の頻度を低減できる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記計測流量が所定流量以上、且つ、前記計測流量と前記推定流量の差が所定値未満の場合、前記繰り返し設定手段に設定する繰り返し回数を少なくするものである。

これにより、通常計測手段の動作頻度を低減でき、消費電力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、前記計測流量が所定流量以上、且つ、前記計測流量と前記推定流量の差が所定値以上の場合、前記繰り返し設定手段に設定する繰り返し回数を多くするものである。

これにより、計測流量の変化が大きい場合には通常計測手段の繰り返し回数を多くすることで流量計測に対する計測精度が向上する。

第４の発明は、特に、第１の発明において、前記判定手段は、前記計測流量が所定流量
以下、且つ、前記計測流量と前記推定流量との差が所定値未満の場合、前記繰り返し設定手段に設定する繰り返し回数を少なくするものである。

これにより、計測流量が小さく、且つ、計測流量と推定流量の差が小さい、即ち計測精度の誤差が小さい場合は、流体の漏れの可能性が低いため、通常計測手段の動作頻度を低減でき、消費電力を低減することができる。

第５の発明は、特に、第１の発明において、前記判定手段は、前記計測流量が所定流量以下、且つ、前記計測流量と前記推定流量との差が所定値以上の場合、前記繰り返し設定手段に設定する繰り返し回数を多くするものである。

これにより、計測流量が小さく、且つ、計測流量と推定流量の差が大きい、即ち計測精度の誤差が大きい場合には流体の漏れの可能性が高いため、通常計測手段の繰り返し回数を多くすることで流量計測に対する計測精度を向上する。

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、図２は同装置の動作を示すフローチャートである。図１において、被測定流体が流れる流体管路１に第１の超音波振動子２と第２の超音波振動子３を流体が流れ方向に相対して配置され、第１の超音波振動子２または第２の超音波振動子３への送信手段４、第１の超音波振動子２または第２の超音波振動子３で受信した超音波を受信検知する受信手段５、第１の超音波振動子２および第２の超音波振動子３間での超音波の送受信までの時間を計測する計時手段６、受信手段５で受信した後に第１の超音波振動子２、第２の超音波振動子３間での超音波の送受信を複数回繰り返す繰り返し手段７、繰り返し手段７により超音波の送受信を繰り返す際に超音波の送信、受信を切り替える切替手段８、計時手段６と繰り返し手段７による複数回の超音波の送受信から伝搬時間の平均値を算出する時間演算手段９、時間演算手段９の計測値から流量を算出する流量演算手段１０と、各要素を制御する計測制御手段１１を備える。

計測制御手段１１は、通常計測手段１２と流量推定手段１３、及び、通常計測手段１２と流量推定手段１３の計測値とを判定する判定手段１４とを含む。

また、通常計測手段１２の計測値から流体の漏れを判別する漏れ判別手段１５、流体管路１内を通過した流体量を積算する積算手段１６を備える。通常計測手段１２と流量推定手段１３は、判定手段１４に従って、繰り返し設定手段１７に繰り返し手段７に設定する繰り返し回数を出力する。

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、作用を説明する。

まず、切替手段８で、第１の超音波振動子２を送信側、第２の超音波振動子３を受信側に設定する。そして、送信手段４により送出されたバースト信号により第１の超音波振動子２から送信された超音波は流体管路１の中の被測定流体を伝搬し、第２の超音波振動子３で受信され受信手段５で検知し、計時手段６で超音波の送受信までの伝搬時間（順方向の伝搬時間ｔ１）を計測する。

次に、切替手段８で、第１の超音波振動子２を受信側、第２の超音波振動子３を送信側に設定する。そして、繰り返し手段７を介し、再び送信手段４からバースト信号が送出さ
れ第２の超音波振動子３から超音波を発信し、流体管路１の中の被測定流体を伝搬し、第１の超音波振動子２で受信され受信手段５で検知し計時手段６にて伝搬時間（逆方向の伝搬時間ｔ２）を計測し、計測された２つの伝搬時間（ｔ１、ｔ２）の差を算出する。この時、繰り返し手段７で予め定められた回数だけ繰り返され、伝搬時間の差の平均値を時間演算手段９にて算出する。

ここで、被測定流体の音速をＣ、流体の流れの速度をＶとおくと、流れの順方向の超音波の伝搬速度は（Ｃ＋Ｖ）、逆方向の伝搬速度は（Ｃ−Ｖ）となる。第１の超音波振動子２と第２の超音波振動子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とおくと、順方向の伝搬時間ｔ１、逆方向の伝搬時間ｔ２は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） 式（１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） 式（２）
となる。ここで、ｔ１とｔ２の差は小さな値となり、単発現象として計測するには十分な分解能を得るのは困難である。したがって、複数回の超音波の送受信繰り返しを実行し、その平均値を求める方式を取る。繰り返し手段７による繰り返し回数をｎとおくと、伝搬時間Ｔ１とＴ２は、
Ｔ１＝ｎ×Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） 式（３）
Ｔ２＝ｎ×Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） 式（４）
となり式（３）、（４）より、
Ｖ＝ｎ×Ｌ／２ｃｏｓθ（１／Ｔ１−１／Ｔ２） 式（５）
となり、Ｌとθが既知ならばＴ１とＴ２を測定すれば流速Ｖが求められる。この流速Ｖより流量Ｑは、通過面積をＳ、補正係数をＫとすれば、
Ｑ＝Ｋ×Ｓ×Ｖ 式（６）
となる。

そして、式（３）、（４）から明らかな様に繰り返し回数ｎを増やせば、流量Ｑの分解能を高めることができる。流量演算手段１０は、時間演算手段９における（Ｔ１−Ｔ２）および式（５）、式（６）の演算処理を実行して流量を算出している。

通常計測手段１２の指示により、上記した流量演算により所定の周期ｔｉ、繰り返し回数ｎｉごとに算出される流量を計測流量と呼ぶ。通常計測手段１２における繰り返し回数は、ｍ回を初期値とし、繰り返し設定手段１７により、繰り返し回数を設定でき、状況に応じて変更が可能である。更に、流量推定手段１３により通常計測手段１２の周期ｔｉより長い間隔２ｔｉ、多い繰り返し回数ｎｉ＋ａごとに算出される流量を推定流量と呼ぶ。流量推定手段１３における繰り返し回数の初期値はｍ＋ａ回、周期はｔｉ＋ｂと定める。即ち、流量推定手段１３で設定された繰り返し回数よりも多く、且つ、周期は長く設定している。

流量推定手段１３で推定流量を算出する手順は通常計測手段１２による方法と基本的に同じである。流量推定手段１３は、計測流量が小さく、通常計測手段１２における繰り返し回数ｎｉを少なくした場合に、計測精度が落ち、流体の漏れを漏れ判別手段１５にて判別できないことを防ぐために高い計測精度で流量を推定することが目的であるため、通常計測手段１２よりも多い繰り返し回数で実行し、消費電力低減のため通常計測手段１２より長い周期で実行するのである。

判定手段１４は、通常計測手段１２で算出されて計測流量と流量推定手段１３で算出された推定流量から所定の流量に応じた繰り返し回数で通常計測が実行されているか判定し、繰り返し設定手段１７に繰り返し回数を出力する。積算手段１６は、流体管路１内を流れる流体量が所定流量以上の場合に流れた流体量を積算し積算値として記憶する。

ここで、計測流量の所定流量とは、流体管路１内を通過する流体量の積算の有無を判断する閾値であり、流体の流量域を、計測流量が所定流量以下であり流量０として流体量の積算を行なわない第１の流量域と、計測流量が所定流量以上であり流体量の積算を行う第２の流量域に区分している。

流量が小さい場合は伝搬時間ｔ１と伝搬時間ｔ２との差が小さく計測誤差が大きくなる要因となるため、第１の流量域では、高い計測精度による計測が必要となる。

そこで、通常計測手段１２による計測流量と流量推定手段１３による推定流量との差と、計測流量から、判定手段１４は、下記の方法で繰り返し設定手段１７に繰り返し回数を出力する。

図２は、繰り返し回数の増減の方法を示すフローチャートで、まず、繰り返し回数として、初期値を繰り返し回数として設定する（Ｓ１）。

次に、計測流量が所定流量以上かどうかを判定し（Ｓ２）、計測流量が所定流量以上の場合、計測流量と推定流量との差を所定値と比較し（Ｓ３）、この差が所定値未満の場合、通常計測手段１２による計測精度は多少落としても構わないため判定手段１４は繰り返し設定手段１７に出力する繰り返し回数を少なくする（Ｓ４）。逆に、計測流量と推定流量との差が所定値以上の場合、計測流量の計測精度が低くなっている可能性があるため判定手段１４は繰り返し設定手段１７に出力する繰り返し回数を多くする（Ｓ５）。

また、計測流量が所定流量未満の場合、計測流量と推定流量との差を所定値と比較（Ｓ６）し、この差が所定値未満の場合、流量推定手段１３による推定流量は高い計測精度で計測を実施しているため、判定手段１４は流体の漏れの可能性が低いと判定することで、繰り返し設定手段１７に出力する繰り返し回数を少なくする（Ｓ７）。逆に、計測流量と推定流量との差が所定値以上の場合、判定手段１４は流体の漏れの可能性が高いと判定することで、繰り返し設定手段１７に出力する繰り返し回数を多くする（Ｓ８）。

なお、推定流量を計測する流量推定手段１３における計測精度は、通常計測手段１２の計測精度よりも高ければよいので、流量推定手段１３における繰り返し回数は、通常計測手段１２に設定された繰り返し回数より多く設定すればよく、通常計測手段１２に設定された繰り返し回数に応じて、変更してもよい。

また、繰り返し回数の上限を定め、通常計測手段１２に設定された繰り返し回数が上限を超える場合は、通常計測手段１２と流量推定手段１３の繰り返し回数を上限回数に設定するようにすると、必要以上の繰り返しを防止でき、省電力化が可能となる。なお、流量が大きい場合は、繰り返し回数が少なくても精度が高いので、この繰り返し回数の上限を、計測流量が多いほど少なく設定することで、更に省電力化が図れる。

その結果、上記に示すように所定の流量に応じて、通常計測手段１２の動作頻度を変更することで、消費電力を低減することができる。

以上のように、本発明にかかる流量計測装置は、流量に応じて繰り返し回数を設定することで、流体の漏れを判別しつつ消費電力を低減することができるので、超音波式ガスメータ全般に適用できるものである。

１ 流体管路
２ 第１の超音波振動子（第１の振動子）
３ 第２の超音波振動子（第２の振動子）
４ 送信手段
５ 受信手段
６ 計時手段
７ 繰り返し手段
８ 切替手段
９ 時間演算手段
１０ 流量演算手段
１２ 通常計測手段
１３ 流量推定手段
１７ 繰り返し設定手段

Claims (5)

1. 被測定流体が流れる流体管路に設けられた超音波信号を送受信する第１の振動子及び第２の振動子と、
   前記振動子間の超音波信号の伝搬時間を計測する計時手段と、
   前記計時手段による計測が終了する毎に前記第１の振動子および第２の振動子の送受信の送受信を切替える切替手段と、
   前記振動子間相互の超音波伝搬を複数回行なう繰り返し手段と、
   前記繰り返し手段の回数を設定する繰り返し設定手段と、
   前記計時手段と前記繰り返し手段の出力から伝搬時間の平均値を算出する時間演算手段と、
   前記時間演算手段で算出した伝搬時間から流量を算出する流量演算手段と、
   前記繰り返し設定手段に設定された繰り返し回数、且つ、所定の計測周期で計測流量を算出する通常計測手段と、
   前記通常計測手段よりも多い繰り返し回数、且つ、長い計測周期で、推定流量を算出する流量推定手段と、を備え、
   前記繰り返し設定手段は、前記計測流量と前記推定流量の差に応じて前記通常計測手段での繰り返し回数を設定する流量計測装置。
2. 前記計測流量が所定流量以上、且つ、前記計測流量と前記推定流量の差が所定値未満の場合、前記繰り返し設定手段に設定する繰り返し回数を少なくする請求項１に記載の流量計測装置。
3. 前記計測流量が所定流量以上、且つ、前記計測流量と前記推定流量の差が所定値以上の場合、前記繰り返し設定手段に設定する繰り返し回数を多くする請求項１に記載の流量計測装置。
4. 前記計測流量が所定流量以下、且つ、前記計測流量と前記推定流量との差が所定値未満の場合、前記繰り返し設定手段に設定する繰り返し回数を少なくする請求項１に記載の流量計測装置。
5. 前記計測流量が所定流量以下、且つ、前記計測流量と前記推定流量との差が所定値以上の場合、前記繰り返し設定手段に設定する繰り返し回数を多くする請求項１に記載の流量計測装置。

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