JP2020008510A - 流量計、流量計測方法、流量演算装置、および超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】計測流量に含まれる脈動の影響を十分に低減する。【解決手段】フィルタ処理部１４が、記憶部１２に保存されている過去の計測流量ＸをＦＩＲフィルタでデジタルフィルタ処理することにより、計測流量Ｘに含まれる脈動の影響を低減した処理流量Ｙを計算する。【選択図】 図１

Description

本発明は、測定管内を流れる流体の流量を計測し、得られた流量をデジタルフィルタ処理するための流量計測技術に関する。

流体の供給に用いられる配管には、様々な装置が繋がっているため、設備によっては配管の圧力が変動することがある。このような場合、配管の圧力変動により流量に脈動が生じ、実際には流体が流れていないにもかかわらず、流体が流れているかのように流量計が誤計測する場合がある（例えば、特許文献１など参照）。

従来、測定管内を流れる流体の流量を計測する技術として、デジタルフィルタを使って計測流量の脈動による影響を低減する手法が提案されている（例えば、特許文献２−３など参照）。例えば、これにより、簡単な算術計算でフィルタ特性を実現することができ、計測流量に含まれる脈動を低減した脈動低減流量を算出することができる。

特開２０１６−０１７９５２号公報 特許第３５６２３７９号公報 特許第５１３００８５号公報

しかしながら、このような従来技術では、デジタルフィルタとしてＩＩＲ（Infinite impulse response：無限インパルス応答）フィルタを用いているため、目的とする脈動の影響を十分に低減することができないという問題点があった。

具体的には、例えば特許文献２に記載されているように、ＩＩＲフィルタの場合、ｉ（ｉは０以上の整数）番目の計測流量をＸ（ｉ）、ｉ−１番目の処理流量をＹ（ｉ−１）、フィルタ係数をαとしたとき、ｉ番目の処理流量をＹ（ｉ）は、次の式（１）によって、処理流量Ｙ（ｉ）を計算する。

これにより、直近の計測流量とそれまでに計算した処理流量とだけを使用するＩＩＲフィルタが構成されるため、少ないメモリ容量で安定した処理流量を計算できる。しかしながら、このようなＩＩＲフィルタでは、過去の処理流量を使用して新たな処理流量を計算しているため、過去の処理流量に影響されやすく、安定するまでにある程度の時間が必要となる。安定するまでの時間を短くしようとすると、脈動の影響を十分に低減することができなくなる。安定するまでの時間低減と脈動の影響低減とは二律背反であり、ＩＩＲフィルタではその両方を追い求めることはできない。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、計測流量に含まれる脈動の影響を十分に低減できる流量計測技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる流量計は、入力された検出信号に基づいて測定管内を流れる流体の流量を計測し、測定管内を流れる流体の流量を計測して得られた計測流量を記憶部に保存する流量計測部と、前記記憶部に保存されている過去の計測流量をＦＩＲフィルタでデジタルフィルタ処理することにより、前記計測流量に含まれる脈動の影響を低減した処理流量を計算するフィルタ処理部とを備えている。

また、本発明にかかる流量計測方法は、流量計測部が、測定管内を流れる流体の流量を計測して得られた計測流量を記憶部に保存する流量計測ステップと、フィルタ処理部が、前記記憶部に保存されている過去の計測流量をＦＩＲフィルタでデジタルフィルタ処理することにより、前記計測流量に含まれる脈動の影響を低減した処理流量を計算するフィルタ処理ステップとを備えている。

また、本発明にかかる流量演算装置は、流量計で用いられる流量演算装置であって、入力された検出信号に基づいて測定管内を流れる流体の流量を計測し、得られた計測流量を記憶部に保存する流量計測部と、前記記憶部に保存されている過去の計測流量をＦＩＲフィルタでデジタルフィルタ処理することにより、前記計測流量に含まれる脈動の影響を低減した処理流量を計算するフィルタ処理部とを備えている。

また、本発明にかかる超音波流量計は、測定管内を流れる気体内で超音波信号を送受信することにより気体流量を計測する超音波流量計であって、入力された検出信号に基づいて測定管内を流れる流体の流量を計測し、得られた計測流量を記憶部に保存する流量計測部と、前記記憶部に保存されている過去の計測流量をＦＩＲフィルタでデジタルフィルタ処理することにより、前記計測流量に含まれる脈動の影響を低減した処理流量を計算するフィルタ処理部とを備えている。

本発明によれば、計測流量に含まれる脈動の影響を十分に低減することが可能となり、短期間で定常した処理流量を得ることが可能となる。また、処理流量が定常状態となるまでの期間において、従来のＩＩＲフィルタを用いた場合と比較した場合、より少ないデータ数および計算量で、より効果的に脈動の影響を低減することが可能となる。

流量計の構成を示すブロック図である。 流量計測処理を示すフローチャートである。 超音波信号の伝搬時間に対する脈動の影響を示すグラフである。 図３の要部拡大グラフである。 伝搬時間の変動幅と定常到達必要データ数との関係を示す説明図である。 定常到達必要データ数と定常到達必要計算量との関係を示す説明図である。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
［流量計］
まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる流量計１について説明する。図１は、流量計の構成を示すブロック図である。

この流量計１は、測定管内を流れる流体の流量を計測し、得られた流量をデジタルフィルタ処理する装置である。以下では、本発明を、気体流量を計測する超音波流量計に適用した場合を例として説明するが、これに限定されるものではない。例えば、本発明を、測定管内を流れる液状の流体に磁束を印加して流量を計測する電磁流量計に適用してもよく、同様の作用効果が得られる。

［本発明の原理］
計算した流量をデジタルフィルタ処理する場合、処理に用いるデジタルフィルタとして、従来のＩＩＲのほかにＦＩＲ（finite impulse response：有限インパルス応答）フィルタがある。
この際、ＩＩＲフィルタの場合、前述した式（１）を用いて、ｉ番目の計測流量Ｘ（ｉ）、ｉ−１番目の処理流量Ｙ（ｉ−１）、およびフィルタ係数αだけで、ｉ番目の処理流量をＹ（ｉ）を計算できる。
しかしながら、ＩＩＲフィルタでは、過去に計算した処理流量Ｙ（ｉ−１）を用いているため、過去の処理流量に影響されやすく、安定するまでにある程度の時間が必要となる。安定するまでの時間を短くしようとすると、脈動の影響を十分に低減することができない。安定するまでの時間低減と脈動の影響低減とは二律背反であり、IIRフィルタではその両方を追い求めることはできない。

これに対して、ＦＩＲフィルタを用いた場合、次数をＮ（Ｎは２以上の整数）とすると、Ｎ＋１個の計測流量Ｘ（ｉ−Ｎ）〜Ｘ（ｉ）と、これら計測流量Ｘと同じＮ＋１個の係数ｋ（０）〜ｋ（Ｎ）とを積和演算して、ｉ番目の処理流量をＹ（ｉ）を計算する必要がある。
しかしながら、ＦＩＲフィルタでは、過去に計算した処理流量Ｙ（ｉ−１）を用いず、新たな処理流量Ｙ（ｉ）ごとに、過去に得られた計測流量Ｘ（ｉ−Ｎ）〜Ｘ（ｉ）から計算し直している。

本発明は、このようなＦＩＲフィルタの特徴に着目し、過去に得られた計測流量Ｘ（ｉ−Ｎ）〜Ｘ（ｉ）から新たな処理流量Ｙ（ｉ）を計算するようにしたものである。
これにより、新たな処理流量に対する過去の処理流量の影響がなくなり、安定するまでに必要な時間を短縮できる。また、係数を調整することで脈動の影響を十分に低減することができる。

［流量計の構成］
次に、本実施の形態にかかる流量計１の構成について詳細に説明する。
図１に示すように、流量計１は、計測対象気体が流れる円筒形状の測定管Ｐと、測定管Ｐの外周面のうち計測対象気体が流れる方向に対して上流側と下流側にそれぞれ取り付けられた一対のトランスデューサＴＤ１，ＴＤ２と、これらＴＤ１，ＴＤ２で検出された検出信号を信号処理して流量を計算出力する流量演算装置１０とから構成されている。

ＴＤ１（ＴＤ２）は、配線Ｗを介して接続された流量演算装置１０からの送信指示信号に応じて、配管３０内に向けて超音波信号Ｕ１を送信する。ＴＤ２（ＴＤ１）は、配管３０内を流れる計測対象気体を通過した、ＴＤ１（ＴＤ２）からの超音波信号Ｕ１（Ｕ２）を受信し、その受信結果を示す検出信号を、配線Ｗを介して流量演算装置１０へ出力する。この際、Ｕ１，Ｕ２の伝搬時間ｔ１，ｔ２は、計測対象気体の流れから受ける影響が異なるため、気体流量に応じた分だけ伝搬時間差Δｔが生じる。超音波流量計は、このΔｔに基づいて気体流量を導出するようにしたものである。

流量演算装置１０は、主な機能部として、入出力Ｉ／Ｆ部１１、記憶部１２、流量計測部１３、フィルタ処理部１４、および流量出力部１５を備えており、これら機能部は、内部バスＢを介してデータやり取り可能に接続されている。これら機能部のうち、流量計測部１３、フィルタ処理部１４、および流量出力部１５は、ＣＰＵとプログラムとが協働することにより構成されている。

入出力Ｉ／Ｆ部１１は、配線Ｗを介してＴＤ１，ＴＤ２と接続されて、ＴＤ１，ＴＤ２との間で計測に用いる各種信号をやり取りする機能を有している。
記憶部１２は、半導体メモリやハードディスクなどの記憶装置からなり、流量演算装置１０での流量計測動作に用いる各種処理データやプログラムを記憶する機能を有している。

流量計測部１３は、入出力Ｉ／Ｆ部１１からＴＤ１，ＴＤ２に対してＵ１，Ｕ２の送信指示信号を出力する機能と、ＴＤ１，ＴＤ２から入力された検出信号を入出力Ｉ／Ｆ部１１から受信する機能と、送信指示信号と検出信号との時間差に基づいて、配管３０内を流れる計測対象気体に関する計測流量Ｘを計算して記憶部１２に保存する機能とを有している。

フィルタ処理部１４は、記憶部１２に保存されている直近の計測流量Ｘと予め記憶部１２に設定されている係数ｋとに基づいてＦＩＲフィルタ演算を行うことにより、計測流量Ｘに含まれる脈流の影響を低減した処理流量Ｙを計算して記憶部１２に保存する機能を有している。

流量出力部１５は、通信ネットワークＮＷを介して上位装置（図示せず）と接続し、定期的あるいは上位装置からの出力指示に応じて、記憶部１２から処理流量Ｙを取得して上位装置へ出力する機能とを有している。

［本実施の形態の動作］
次に、本実施の形態にかかる流量計１の動作について説明する。流量計１の主な動作として、流量計測部１３における流量計測動作と、フィルタ処理部１４におけるフィルタ処理動作がある。ここでは、新たなｉ（ｉは０以上の整数）番目の計測流量Ｘ［ｉ］を計算するごとに、同じくｉ番目の処理流量Ｙ［ｉ］を計算する場合について説明する。

［流量計測動作］
まず、図２を参照して、流量計１の流量計測部１３における流量計測動作について説明する。図２は、流量計測処理を示すフローチャートである。
流量計測部１３は、一定の周期で図２の流量計測処理を実行することにより、計測流量Ｘと処理流量Ｙとを計算する。

流量計測部１３は、まず、超音波信号Ｕ１，Ｕ２の送受信を行い、それぞれの送受信時刻を検出する（ステップＳ１００）。この際、ＴＤ１からＵ１を送信してＴＤ２で受信する処理と、ＴＤ２からＵ２を送信してＴＤ１で受信する処理とが、順に切り替えられて実施される。
続いて、流量計測部１３は、検出したＵ１，Ｕ２の送受信時刻の時刻差からＵ１，Ｕ２の伝搬時間ｔ１，ｔ２を計算し（ステップＳ１０１）、Ｕ１，Ｕ２の伝搬距離Ｌとｔ１，ｔ２とに基づいて、Ｕ１，Ｕ２の音速ｃを計算する（ステップＳ１０２）。

次に、流量計測部１３は、ｔ１，ｔ２の差分、すなわち伝搬時間差Δｔを計算し（ステップＳ１０３）、音速ｃ、伝搬時間差Δｔ、伝搬距離Ｌ、および測定管Ｐの管軸Ｏに対するＵ１，Ｕ２の傾きθに基づいて、平均流速Ｖを計算する（ステップＳ１０４）。
この後、流量計測部１３は、平均流速Ｖと測定管Ｐの面積Ｓとに基づいて、計測流量Ｘ［ｉ］を計算し、記憶部１２に保存する（ステップＳ１０５）。

なお、ステップＳ１０１〜Ｓ１０５で用いる各計算式は、一般的な超音波流量計で用いられている公知の計算式を用いればよく、ここでの詳細な説明は省略する。また、計測流量Ｘ［ｉ］については、計測対象気体の温度、測定管Ｐの内面表面に関する粗さ、レイノルズ関数に基づいて補正してもよい。

このようにして、流量計測部１３によりｉ番目の計測流量Ｘ［ｉ］が計算された後、フィルタ処理部１４は、Ｎ次のＦＩＲフィルタを用いてデジタルフィルタ処理を実行し、ｉ番目の処理流量Ｙ［ｉ］を計算する。

まず、フィルタ処理部１４は、記憶部１２から、Ｎ＋１個の係数ｋ［ｊ］（ｊは０〜Ｎの整数）を取得するとともに（ステップＳ１１０）、Ｎ＋１個の直近の計測流量Ｘ［ｉ−ｊ］を取得する（ステップＳ１１１）。

続いて、フィルタ処理部１４は、次の式（２）に基づいて、これらＮ＋１個の係数ｋ［ｊ］と計測流量Ｘ［ｉ−ｊ］とを積和演算することにより、ｉ番目の処理流量Ｙ［ｉ］を計算する（ステップＳ１１２）。

この後、フィルタ処理部１４は、計算して得られた処理流量Ｙ［ｉ］を記憶部１２に保存し（ステップＳ１１３）、一連の流量計測処理を終了する。
図２では、新たな計測流量Ｘ［ｉ］が計測されるごとに、これに対応する処理流量Ｙ［ｉ］を計算する場合を例として説明したが、これに限定されるものではない。例えば、複数個の処理流量Ｙ［ｉ］をまとめて計算してもよい。

［脈動影響のシミュレーション結果］
次に、図３および図４を参照して、脈動影響のシミュレーション結果について説明する。図３は、超音波信号の伝搬時間に対する脈動の影響を示すグラフである。図４は、図３の要部拡大グラフである。

計測対象気体の流量が１０Ｈｚの脈動の影響を受けている場合、トランスデューサＴＤ１，ＴＤ２から送信される超音波信号Ｕ１，Ｕ２の伝搬時間ｔ（ｔ１，ｔ２）は、図３および図４に示すように、脈動周期に応じて変動する。ここでは、ＩＩＲフィルタとＦＩＲフィルタの性能を純粋に比較するため、計測流量Ｘに代えて、脈動周期に応じて変動する伝搬時間ｔ１（ｔ２）を、シミュレーションにより、ＩＩＲフィルタとＦＩＲフィルタでデジタルフィルタ処理して得られた結果について説明する。

図３および図４において、Ｐ０は、伝搬時間ｔの変動を示すプロットである。また、Ｐ１は２Ｈｚのカットオフ周波数を持つ１次ＬＰＦであるＩＩＲフィルタとを適用した場合における伝搬時間ｔの変動を示すプロットである。また、Ｐ２は１Ｈｚのカットオフ周波数を持つ１次ＬＰＦであるＩＩＲフィルタを適用した場合における伝搬時間ｔの変動を示すプロットである。また、Ｐ３は、２Ｈｚのカットオフ周波数を持つ３０次ＬＰＦであるＦＩＲフィルタを適用した場合における伝搬時間ｔの変動を示すプロットである。

図３および図４に示されているように、Ｐ０と比べてＰ１，Ｐ２に含まれる脈動の影響は大幅に抑えられているものの、Ｐ１，Ｐ２に比べてＰ３のほうが、さらに脈動の影響が低減していることがわかる。また、Ｐ１，Ｐ２に比べてＰ３のほうが、短期間で定常状態に到達しており、短期間で安定した処理流量が得られることがわかる。

図５は、伝搬時間の変動幅と定常到達必要データ数との関係を示す説明図である。ここでは、各プロットＰ０〜Ｐ３に関する伝搬時間の変動幅と、定常状態に到達するまでに必要となるデータ数とが、表形式で示されている。

図５によれば、ＦＩＲフィルタを適用したＰ３の伝搬時間変動幅は「０．００２０μｓ」であり、ＩＩＲフィルタを適用したＰ１，Ｐ２と比較すると、Ｐ１の「０．０２７μｓ」の７％程度のまでが抑えられており、Ｐ２の「０．００７４μｓ」の２７％程度まで抑えられていることがわかる。また、Ｐ３の定常到達必要データ数は「３１個」であり、Ｐ１の「６０個」の５０％程度に削減されており、Ｐ２の「１２０個」の２６％程度と大幅に削減されていることがわかる。したがって、ＦＩＲフィルタによれば、処理流量Ｙが定常状態となるまでの期間において、ＩＩＲフィルタより少ないデータ数で、より効果的に脈動の影響を低減できることがわかる。

図６は、定常到達必要データ数と定常到達必要計算量との関係を示す説明図である。ここでは、各プロットＰ０〜Ｐ３に関する伝搬時間の変動幅と、定常状態に到達するまでに必要となる計算量とが、表形式で示されている。

図６によれば、前述した式（１）および式（２）を用いた場合、Ｐ３の乗算回数は「３１回」であり、Ｐ１の「５９回」の５２％程度に削減されており、Ｐ２の「１１９回」の２６％程度に削減されていることがわかる。また、Ｐ３の加算回数は「３０回」であり、Ｐ１の「１１８回」の２５％程度に削減されており、Ｐ２の「２３８回」の１２％程度に削減されていることがわかる。したがって、ＦＩＲフィルタによれば、処理流量Ｙが定常状態となるまでの期間において、ＩＩＲフィルタより少ない計算量で、より効果的に脈動の影響を低減できることがわかる。

［本実施の形態の動作］
このように、本実施の形態は、フィルタ処理部１４が、記憶部１２に保存されている過去の計測流量ＸをＦＩＲフィルタでデジタルフィルタ処理することにより、計測流量Ｘに含まれる脈動の影響を低減した処理流量Ｙを計算するようにしたものである。

これにより、計測流量Ｘに含まれる脈動の影響を十分に低減することが可能となり、短期間で定常した処理流量Ｙを得ることが可能となる。また、処理流量Ｙが定常状態となるまでの期間において、従来のＩＩＲフィルタを用いた場合と比較した場合、より少ないデータ数および計算量で、より効果的に脈動の影響を低減することが可能となる。

また、より少ないデータ数ということは必要な計測回数が少ないことを示しており、より少ない計算量と合わせて、より少ない消費電流で計測および計算を済ませることができる。このため、より少ない電池で動作させることが可能となる。もしくは、同じ電池であればより長く動作させることが可能となる。また、少ないデータ数ということは計測に要する時間が短くて済むということであり、計算量が少ないということは計算に要する時間が短くて済むということであり、これらを兼ね合わせてより高い頻度で処理流量Ｙを算出することが可能となる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１…流量計、１０…流量演算装置、１１…入出力Ｉ／Ｆ部、１２…記憶部、１３…流量計測部、１４…フィルタ処理部、１５…流量出力部、Ｂ…内部バス、Ｐ…測定管、ＴＤ１，ＴＤ２…トランスデューサ、Ｗ…配線、ＮＷ…通信ネットワーク。

Claims (4)

1. 入力された検出信号に基づいて測定管内を流れる流体の流量を計測し、測定管内を流れる流体の流量を計測して得られた計測流量を記憶部に保存する流量計測部と、
   前記記憶部に保存されている過去の計測流量をＦＩＲフィルタでデジタルフィルタ処理することにより、前記計測流量に含まれる脈動の影響を低減した処理流量を計算するフィルタ処理部と
   を備えることを特徴とする流量計。
2. 流量計で用いられる流量計測方法であって、
   流量計測部が、測定管内を流れる流体の流量を計測して得られた計測流量を記憶部に保存する流量計測ステップと、
   フィルタ処理部が、前記記憶部に保存されている過去の計測流量をＦＩＲフィルタでデジタルフィルタ処理することにより、前記計測流量に含まれる脈動の影響を低減した処理流量を計算するフィルタ処理ステップと
   を備えることを特徴とする流量計測方法。
3. 流量計で用いられる流量演算装置であって、
   入力された検出信号に基づいて測定管内を流れる流体の流量を計測し、得られた計測流量を記憶部に保存する流量計測部と、
   前記記憶部に保存されている過去の計測流量をＦＩＲフィルタでデジタルフィルタ処理することにより、前記計測流量に含まれる脈動の影響を低減した処理流量を計算するフィルタ処理部と
   を備えることを特徴とする流量演算装置。
4. 測定管内を流れる気体内で超音波信号を送受信することにより気体流量を計測する超音波流量計であって、
   入力された検出信号に基づいて測定管内を流れる流体の流量を計測し、得られた計測流量を記憶部に保存する流量計測部と、
   前記記憶部に保存されている過去の計測流量をＦＩＲフィルタでデジタルフィルタ処理することにより、前記計測流量に含まれる脈動の影響を低減した処理流量を計算するフィルタ処理部と
   を備えることを特徴とする超音波流量計。

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