JP2012220465A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流量計測装置が、配管系において逆に接続されていても、つなぎかえることなく使用開始を可能にして使い勝手を高めた流量計測装置を提供することを目的とする。
【解決手段】被計測流体が流れる計測流路１の流れに沿って距離をおいて配置された一対の超音波センサ２、３と、送信側に設定された超音波センサ２、３を駆動する送信手段４と、受信側に設定された超音波センサ２、３で受信された超音波信号を検知する受信手段５と、一方の超音波センサ２、３から送信された超音波信号を、他方の超音波センサ２、３が受信するまでの伝搬時間を計測する計時手段６と、伝搬時間より被計測流体の流量を演算する流量演算手段７と、流量を積算する積算手段８と、を備え、積算手段８は、流量演算手段７で演算された流量の絶対値を積算するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明はガスなどの流量を計測する超音波による流量計測装置に関する。

従来の超音波流量計測装置として、流れの両側に１対の超音波振動子を配置し、交互に超音波の送受信を行って、その伝搬時間の差から流量を検出するものが知られている。しかしながら、この流量計測装置においては、１対の超音波振動子と回路の接続を誤って逆に接続すると、伝播時間の差が逆に出るものであった。そこで、検査モードにおいて、伝播時間差の符号を調べて、逆接続されていると判断された場合には、演算結果の符号を入替えることにより、誤接続されても正しい流量を得ることができるような構成とされていた。

特許第４４００２６０号公報

ここで、この流量計測装置では、検査モードにおいて、２つの超音波振動子と回路との接続が逆接続であることを判断し、演算結果の符合を入れ替えるという補正を行うものであった。

しかしながら、この操作は超音波振動子の誤接続を判定するだけのものであり、流量計測装置自体が配管に対して逆接続された場合に対処するものではないため、配管系における誤接続への対処が課題となっていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、流量計測装置が、配管系において逆に接続されていても、つなぎかえることなく使用できる流量計測装置の提供を目的とする。

本発明に係る流量計測装置は、前記の課題を解決するために、被計測流体が流れる計測流路の流れに沿って距離をおいて配置された一対の超音波センサと、送信側に設定された前記超音波センサを駆動する駆動手段と、受信側に設定された前記超音波センサで受信された超音波信号を検知する受信手段と、一方の前記超音波センサから送信された超音波信号を、他方の前記超音波センサが受信するまでの伝搬時間を計測する計時手段と、前記伝搬時間より前記被計測流体の流量を演算する流量演算手段と、前記流量を積算する積算手段と、を備え、前記積算手段は、前記流量演算手段で演算された流量の絶対値を積算するようにした構成である。

また、本発明に係る流量計測装置は、前記積算手段として、符号を加味して積算した積算流量の絶対値を流量として出力するようにした構成であってもよい。

また， 前記伝搬時間の符号から被計測流体の流れ方向を判定する流れ方向判定手段を有し、前記流量演算手段は、流れ方向に応じて、演算時の補正係数を変更するようにした構成であってもよい。

以上のように、本発明では、流量演算手段で演算された流量の絶対値を積算することで、流量計測装置が、配管系において逆に接続されていても、つなぎかえることなく使用開始を可能にして使い勝手を高めた流量計測装置を提供することができる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る流量計測装置の一例を示すブロック図 図１に示す流量計測装置における積算手段の動作を示すフローチャート 図１に示す流量計測装置におけるＵ型配管接続の一例を示す接続図 図１に示す流量計測装置におけるＵ型配管接続の他の例を示す接続図 図１に示す流量計測装置における直線型配管接続の一例を示す接続図 図１に示す流量計測装置における直線型配管接続の他の例を示す接続図 本発明の実施の形態２に係る流量計測装置の積算手段の動作を示すフローチャート 本発明の実施の形態３に係る流量計測装置の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態３に係る流量計測装置における、演算時の補正係数の一例を示す特性図 図８に示す流量計測装置における積算手段の動作を示すフローチャート

第１の発明は、被計測流体が流れる計測流路の流れに沿って距離をおいて配置された一対の超音波センサと、送信側に設定された前記超音波センサを駆動する駆動手段と、受信側に設定された前記超音波センサで受信された超音波信号を検知する受信手段と、一方の前記超音波センサから送信された超音波信号を、他方の前記超音波センサが受信するまでの伝搬時間を計測する計時手段と、前記伝搬時間より前記被計測流体の流量を演算する流量演算手段と、前記流量を積算する積算手段と、を備え、前記積算手段は、前記流量演算手段で演算された流量の絶対値を積算するようにした構成の流量計測装置である。

前記構成によれば、流量演算手段で流量の絶対値を積算することで、流れ方向を設定することなく使用開始を可能にして使い勝手を高めることができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記積算手段は、積算した積算流量の絶対値を流量として出力するようにした構成の流量計測装置である。

前記構成によれば、流量演算手段で符号を加味して演算された流量の絶対値を積算することで、流れ方向を設定することなく使用開始を可能にして使い勝手を高めることができる。また、逆流が発生した場合でも符号を考慮して積算することにより、流量を精確に計測できる。

第３の発明は、特に第１または２の発明において、前記流量の符号から被計測流体の流れ方向を判定する流れ方向判定手段を有し、前記流量演算手段は、流れ方向に応じて、演算時の補正係数を変更するようにした構成の流量計測装置である。

前記構成によれば、流路が正逆の流れ方向に対して対称でない構成の場合でも精度の高い流量値を計測できるので、流路構成の自由度を高めることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、これら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）
本発明の実施の形態１に係る流量計測装置について、図１を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る流量計測装置のブロック図である。図２は積算値を計算するフローチャートである。

［流量計測装置の構成］
まず、本実施の形態に係る流量計測装置の構成について説明する。図１に示すように、本実施の形態に係る流量計測装置は、計測流路１に臨ませた超音波センサ２、３と、送信時に超音波センサ２あるいは超音波センサ３を駆動して超音波を発信する送信手段４と、超音波センサ２あるいは超音波センサ３で受信した超音波信号を検知する受信手段５と、一方の超音波センサ２あるいは超音波センサ３から送信された超音波信号を、他方の超音波センサ３あるいは超音波センサ２が受信するまでの伝搬時間を計測する計時手段６と、伝搬時間より被計測流体の流量を演算する流量演算手段７と、計測した流量を積算する積算手段８と、超音波センサ２、超音波センサ３の一方を受信側に設定し他方を送信側に設定する切替手段９と、超音波での計測を制御する計測制御手段１０から構成されている。

ここで、超音波センサ２、超音波センサ３は、被測定流体の流れる計測流路 １の流路軸に角度φで対向するように配置されている。

［流量計測装置の動作］
次に、前記構成の流量計測装置の動作について説明する。計測制御手段１０により切替手段９を制御して、まず超音波センサ２を送信側に、超音波センサ３を受信側に設定する。そして、送信手段４から出力される駆動信号が送信側に設定された超音波センサ２に入力され、超音波センサ２から超音波信号が発信される。発信された超音波の信号が受信側の超音波センサ３で受信されるまでの伝搬時間を計時手段６で計測する。

なお、この送受信動作を所定の回数（ｎ回）だけ繰り返されたときの時間を計時手段６で求めることにより、計測精度を高めることができる。

次に、切替手段９で超音波センサ２と超音波センサ３の送受信を切り替えて、超音波センサ３を送信側、超音波センサ２を受信側に設定して超音波信号を送信し、この送受信を前述のように行い、その超音波の伝搬に要した伝搬時間を計時する。

このようにして、切替手段９により、超音波センサ２、超音波センサ３の送信側と受信側との設定を切り替え、それぞれの伝搬時間を上述のように測定し、流量演算手段７において（式１）のようにして流量Ｑを求める。

Ｑ＝Ｓ・ｖ＝｛Ｓ・Ｌ／（２・ｃｏｓφ）｝｛（１／ｔ１）−（１／ｔ２）｝
・・・（式１）
但し、（式１）においては、Ｌが超音波センサ２と超音波センサ３間の超音波伝搬距離であり、ｔ１が上流側の超音波センサ２から下流側の超音波センサ３への伝搬時間であり、ｔ２が下流側の超音波センサ３から上流側の超音波センサ２への伝搬時間であり、ｖが被測定流体の流速であり、Ｓが計測流路 １の断面積であり、φは超音波センサ間の伝搬路が計測流路 １の軸となす角度であり、Ｑが流量である。

（式１）から分る様に、流れ方向が逆になった場合は、伝搬時間ｔ１とｔ２が逆になるため、流量Ｑの絶対値は変わらないが、符号が逆になる。

また、流れは流速分布を有しているため、上記で計測した流速（ｖ）が平均流速を捉えていない場合、（式１）で求めた流量は、真の流量とは異なるものとなる。このため、次
式（式２）に示すように、上記流量に補正係数（ｋ）を乗じて真の流量（Ｑｔ）を求めるのが一般的である。

Ｑｔ＝ｋ・Ｑ ・・・（式２）
［積算手段の動作］
ここで、本実施の形態に係る流量計測装置では、流量演算手段７で演算された流量の絶対値を積算するようにしている。これを図２を用いて説明する。
積算手段８において、まず計測開始ステップ（Ｓ１０１）が実行されると流量演算手段７の動作が開始される。次の流量計測ステップ（Ｓ１０２）で流量値（ｑｉ）が取り込まれ、積算ステップ（Ｓ１０３）にてその流量値ｑｉの絶対値｜ｑｉ｜が積算される。その後、積算値表示ステップ（Ｓ１０４）で、その積算値が表示される。

次の終了判断ステップ（Ｓ１０５）で終了するかどうかの判断がなされる。終了しない場合はＮｏの側が選択され、再度、流量計測ステップ（Ｓ１０２）に戻り、以下、上記と同様の処理が繰り返される。終了する場合には、Ｙｅｓの側が選択され、停止ステップ（Ｓ１０６）が実行され、計測動作は終了する。

通常、ガスメータの流量は負になることが無いので、計測した流量は正の値である。この場合は絶対値をとっても正の値であり、その値が積算される。また逆接続されているときは、計測した流量が負の値になっているが、絶対値をとっているため、正の値として積算される。このように、流れ方向がいずれであっても、正しい積算流量の値が得られる。

図３および図４は、流量計測装置の配管接続口がＵ型に形成された一例を示したものである。前述したようにこの流量計では、いずれの方向に流れても、絶対値で流量が計測されるため、流れが図３のように接続口Ａを入口側、接続口Ｂを出口側としても、その逆に図４のように接続口Ａを出口側、接続口Ｂを入口側としても、流れ方向に関わらず流量計測装置を通過する流量を正しく計測することができる。

図５および図６は、流量計測装置の配管接続口が直線状に配置された一例を示したものである。この場合も図５のように接続口Ｃを入口側、接続口Ｄを出口側としても、その逆に図６のように接続口Ｃを出口側、接続口Ｄを入口側としても、流れ方向に関わらず流量計測装置を通過する流量を正しく計測できる。

すなわち、計測流路１を流れる被計測流体の流れ方向を判定する必要がなく、配管の入口側がどちらにあっても、その方向を気にすることなく、同じように接続するだけで計測流路１を通過した流量を計測することができるものである。

このように、本実施の形態に係る流量計測装置は、流量演算手段７で演算された流量の絶対値を積算することで、流れ方向を設定することなく正しい計測を可能にして使い勝手を高めることができる。

（実施の形態２）
［流量計測装置の構成］
本発明の実施の形態２に係る流量計測装置について説明する。流量計測装置の構成は第一の実施例における図１と同様ゆえ、説明を省略する。実施の形態１とは、積算手段の動作が異なるのみゆえ、図７を参照して、積算手段の動作を具体的に説明する。

［積算手段の動作］
ここで、本実施の形態に係る流量計測装置では、積算手段８は、流量演算手段７で演算された流量の正あるいは負の符号を加味して積算流量を算出し、その後、積算流量の絶対
値を流量として出力するように構成している。

積算手段８において、まず計測開始ステップ（Ｓ２０１）が実行されると流量演算手段７の動作が開始される。次の流量計測ステップ（Ｓ２０２）で流量値（ｑｉ）が取り込まれ、積算ステップ（Ｓ２０３）にてその流量値ｑｉの符号を考慮した値（ｑｉ）で積算が行われ、Σｑｉの値が計算される。その後、絶対値演算ステップ（Ｓ２０４）にて、前記積算値（Σｑｉ）の絶対値（｜Σｑｉ｜）が出力される。その後、積算値表示ステップ（Ｓ２０５）で、その積算値が表示される。

次の終了判断ステップ（Ｓ２０６）で終了するかどうかの判断がなされる。終了しない場合はＮｏの側が選択され、再度、流量計測ステップ（Ｓ２０２）に戻り、以下、上記と同様の処理が繰り返される。終了する場合には、Ｙｅｓの側が選択され、停止ステップ（Ｓ２０７）が実行され、計測動作は終了する。

具体例で説明すると、例えば、流量値（ｑｉ）が“２００リッタ／ｈ”から“−１０リッタ／ｈ”という経過の場合、符号を加味した積算流量は“１９０リッタ／ｈ”となり、この絶対値を取ったものは“１９０リッタ／ｈ”となる。また、流量計測装置が逆に接続されている場合は、流量値（ｑｉ）が“−２００リッタ／ｈ”から“１０リッタ／ｈ”という経過になるが、符号を加味した積算流量は“−１９０リッタ／ｈ”となり、この絶対値を取ったものは“１９０リッタ／ｈ”となる。

このようにして、流量の符号を考慮することにより、流量に負の値が生じても、符号を加味して積算したのち、絶対値をとることにより、計測流路１を流れる被計測流体の流れ方向を判定することなく、すなわち、配管の入口側がどちらにあっても、その方向を気にすることなく接続するだけで計測流路１を通過した積算流量を計測することができるものである。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る流量計測装置について、図８を参照して具体的に説明する。図８は、本発明の実施の形態３に係る流量計測装置の一例を示すブロック図である。

［流量計測装置の構成および動作］
まず、本実施の形態に係る流量計測装置の構成について説明する。図８に示すように、本実施の形態に係る流量計測装置は、前記実施の形態１に係る流量計測装置と基本的に同様の構成であるが、流れ方向判定手段１１を備えている。前記実施の形態１に係る流量計測装置と同じ構成要素については、その説明は省略する。

流れ方向判定手段１１は、流量演算手段７で演算された流量の正あるいは負の流量を考慮して被計測流体の流れ方向を判定するもので、判定された流れ方向に応じて流量演算手段７では演算時の補正係数を変更する。

補正係数は流路形状が流れ方向に関して非対称である場合は、流れ方向により異なるものである。図９に順流時の補正係数と逆流時の補正係数の例を示す。

次に、前記構成の流量計測装置の動作について説明する。

ここで、本実施の形態に係る流量計測装置では、流量演算手段７で演算された流量の正負により被計測流体の流れ方向を判定するが、その判定された流れ方向に応じて流量演算手段７で演算時の補正係数を変更している。これを図１０を用いて説明する。

積算手段８において、まず計測開始ステップ（Ｓ３０１）が実行されると流量演算手段７の動作が開始される。次の流量計測ステップ（Ｓ３０２）で流量値（ｑｉ）が取り込まれる。

次の流量値符号判断ステップ（Ｓ３０３）では、流量値（ｑｉ）の符号が正か負かが判断される。正の場合は補正係数採用ステップ（Ｓ３０４）で、順方向補正係数が採用される。負の場合は負の補正係数採用ステップ（Ｓ３０５）で、逆方向補正係数が採用される。

次の積算ステップ（Ｓ３０６）ではその流量値ｑｉの符号を考慮した値（ｑｉ）にて積算が行われ、Σｑｉの値が計算される。その後、絶対値演算ステップ（Ｓ３０７）にて、前記積算値（Σｑｉ）の絶対値（｜Σｑｉ｜）が出力される。その後、積算値表示ステップ（Ｓ３０８）で、その積算値が表示される。

次の終了判断ステップ（Ｓ３０９）で終了するかどうかの判断がなされる。終了しない場合はＮｏの側が選択され、再度、流量計測ステップ（Ｓ３０２）に戻り、以下、上記と同様の処理が繰り返される。終了する場合には、Ｙｅｓの側が選択され、停止ステップ（Ｓ３１０）が実行され、計測動作は終了する。

このように、流れ方向により補正係数を変える場合は、計測流路１の上流・下流の流れ方向の対称性を確保する必要がなくなり、どちらの方向の流れでも精度を高めた計測ができる。

なお、上記説明では流れ方向の判定を流量値にて行ったが、伝播時間により行ってもよい。

なお、本発明は前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態や複数の変形例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

以上のように、本発明に係る流量計測装置は、流体の流れ方向に関わらず精度を高めた流量を計測することが可能なため、流体を計測する分野であれば、被測定流体がどのようなものであっても好適に用いることができる。

１ 計測流路
２、３ 超音波センサ
４ 送信手段
５ 受信手段
６ 計時手段
７ 流量演算手段
８ 積算手段
９ 切替手段
１０ 計測制御手段
１１ 流れ方向判定手段

Claims (3)

1. 被計測流体が流れる計測流路の流れに沿って距離をおいて配置された一対の超音波センサと、
   送信側に設定された前記超音波センサを駆動する駆動手段と、
   受信側に設定された前記超音波センサで受信された超音波信号を検知する受信手段と、
   一方の前記超音波センサから送信された超音波信号を、他方の前記超音波センサが受信するまでの伝搬時間を計測する計時手段と、
   前記伝搬時間より前記被計測流体の流量を演算する流量演算手段と、
   前記流量演算手段で演算された流量を積算する積算手段と、を備え、
   前記積算手段は、前記流量演算手段で演算された流量の絶対値を積算することを特徴とする流量計測装置。
2. 前記積算手段は、積算した積算流量の絶対値を流量として出力することを特徴とする請求項１記載の流量計測装置。
3. 前記伝搬時間から被計測流体の流れ方向を判定する流れ方向判定手段を有し、前記流量演算手段は、流れ方向に応じて、演算時の補正係数を変更することを特徴とした請求項１または２記載の流量計測装置。

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