JP2022161051A - 異常検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水供給系統において、断水、異物混入等の異常状態を検知することが可能な異常検知装置を提供すること。【解決手段】液体が水平方向に流れるように配置された矩形断面の計測流路２の、短辺２ａ、２ｂに、計測流路２の流れを超音波がよぎるように一対の超音波送受波器４ａ、４ｂをそれぞれ配置し、超音波送受波器４ａ、４ｂの送受波面の高さＤを計測流路２の短辺２ａ、２ｂの長さｈとほぼ同等の大きさとして、流れの全域に超音波を伝搬させ受信波形の変化を検出することにより気液二層流れの状態を検知して、断水等の異常状態を検知することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、家庭用水道等の水供給系統に関し、超音波送受波器を用いた水流状態異常検知装置の構成に関するものである。

家庭用水道等の水供給系統に関し、断水や、異物混入等の異常を検知する機能を有した装置が要請されている。

従来、超音波を用いた計測装置として、流体の流量を計測する超音波流量計が知られており、矩形流路を用いて計測精度を高めるための種々の工夫が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１４は、特許文献１に記載された超音波流量計の断面図である。

図１４において、矩形流路１０１の短辺１０２の長さとほぼ等しい長さの超音波送受波器１０３、１０４を矩形流路１０１の上流側と下流側に流路を横断して配置し、これら超音波送受波器１０３、１０４間で超音波の送受信を行い、その伝搬時間を計測回路１０５により計測して、流量演算手段１０６により流量を算出するように構成されている。

この流量計では、超音波送受波器１０３、１０４の長さを、矩形流路１０１の短辺１０２の長さとほぼ等しい長さとしているため、流路の流速分布の影響を小さくして、測定精度を高くすることができる。

また、特許文献２に記載されているものでは、矩形流路の長辺面を水平状態に設置する構成により、気体による対流の影響を少なくすることが示されている。

特開平９－１８９５８９号公報 特開平１０－１９６１８号公報

しかしながら、特許文献１における従来の構成では、流体が水の場合で、流路内に空気が流入して、気液二層の状態となった時、その状態を検知する配置構成、検知方法は明示されておらず、例えば、水道供給系における断水時に発生するそのような異常状態を検知することはできないという課題を有するものであった。

また、特許文献２は、気体の対流の影響を少なくすることを目的とするものであり、水の流れに対して気液二層の状態を検出することは明示されておらず、そのような異常状態を検出することはできないという課題を有するものであった。

前記従来の課題を解決するために、本発明の異常検知装置は、液体が水平方向に流れるように配置された計測流路と、前記計測流路の側方に、前記計測流路の流れを超音波がよぎるように配置した一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器の計測動作を指示する計測部と、前記一対の超音波送受波器からの信号を受けて信号処理を行う処理部と
を備え、前記超音波送受波器は、前記超音波送受波器の送受波面の高さＤを前記計測流路の高さｈとほぼ同等の大きさとすると共に、前記処理部は、超音波受信信号の特性値の変化に基づき異常を検知する構成としたことにより、気液二層流れの状態を検知して、断水等の異常状態を検知することができる。

また、水流中に、異物や気泡が混入した場合に、その状態を検知して異常状態を検知することができる。

本発明の異常検出装置は、液体が水平方向に流れるように配置された計測流路の側方に、計測流路の流れを超音波がよぎるように一対の超音波送受波器を配置し、超音波送受波器の送受波面の高さＤを前記計測流路の高さｈとほぼ同等の大きさとし流れの全域に超音波を伝搬させ受信波形の変化を検出することにより、気液二層流れの状態を検知して、断水等の異常状態を検知することができるものである。

また、液流中の気泡や、異物等の混入を検知して、そのような異常状態を検知することができるものである。

本発明の実施の形態１における異常検知装置本体の斜視図 本発明の実施の形態１における図１のＡＡ’断面図 本発明の実施の形態１における図２のＢＢ’断面図 本発明の実施の形態１における気相発生時の動作説明図 本発明の実施の形態１における正常時と気相発生時の超音波伝搬波形図 本発明の実施の形態１における気層検知動作のフローチャート 本発明の実施の形態１における異物混入時の動作説明図 本発明の実施の形態１における正常時と異物混入時の超音波伝搬波形図 本発明の実施の形態１における異物検知動作のフローチャート 本発明の実施の形態２における異常検知装置本体の斜視図 本発明の実施の形態２における図１０のＣＣ’断面図 本発明の実施の形態２における図１１のＤＤ’断面図 本発明の実施の形態２における異常時の動作説明図 従来の計測装置における概略構成図

第１の発明は、液体が水平方向に流れるように配置された計測流路と、前記計測流路の側方に、前記計測流路の流れを超音波がよぎるように配置した一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器の計測動作を指示する計測部と、前記一対の超音波送受波器からの信号を受けて信号処理を行う処理部と、を備え、前記超音波送受波器は、 前記超音波送受波器の送受波面の高さＤを前記計測流路の高さｈとほぼ同等の大きさとすると共に、前記処理部は、超音波受信信号の特性値の変化に基づき異常を検知する 構成としたことにより、気液二層の状態や、異物、気泡混入などの異常状態を検知することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の前記特性値を受信信号の波高値とすることにより、変化を容易に捉えることができる。

第３の発明は、特に第１の発明の前記特性値を受信信号のゲイン値とすることにより、
一般的に制御指標として用いられている値を流用することができる。

第４の発明は、特に第１の発明の計測流路断面を矩形とすることにより、流路高さ全域
に均一な超音波を伝搬させることができる。

第５の発明は、特に第１の発明の計測流路断面を円形とすることにより、計測流路前後の配管との親和性をよくすることができる。

以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
実施の形態１について、図１～図９を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における異常検知装置本体の斜視図である。図１において、異常検知装置本体１は矩形断面の計測流路２と計測流路２の側方の対向する面の上流と下流に設けた超音波送受波器保持部３ａ、３ｂより構成されている。計測流路２は、短辺２ａ、短辺２ｂ、および長辺２ｃ、長辺２ｄにより形成されている。短辺２ａ、および２ｂは、同じ長さｈとなっている。また、異常検知装置本体１は、長辺２ｃ、および２ｄが、水平となるよう配置されている。

図２は、図１のＡＡ’断面図である。図２において、超音波送受波器保持部３ａは、超音波送受波器４ａ、および、これに接している楔部材５ａを保持している。また、超音波送受波器保持部３ｂは、超音波送受波器４ｂ、および、これに接している楔部材５ｂを保持している。楔部材５ａ、５ｂは、超音波送受波器４ａ、４ｂから送信された超音波を計測流路２に伝搬させるための部材である。そして、超音波送受波器４ａ、４ｂは、これらの間で送受信される超音波が、楔部材５ａ、５ｂ、計測流路２、及び、計測流路２中の流体（本実施の形態では水）を介して、Ｐで示した伝搬経路にて送受信されるように配置されている。伝搬経路Ｐは、計測流路２を斜めによぎるような経路となっている。

計測部６は、超音波送受波器４ａ、および超音波送受波器４ｂの駆動制御や、超音波送受波器４ａ、および超音波送受波器４ｂとの信号の送受信を行う。処理部７は、計測部６で受信された信号に基づき、異常判定等の処理を行う。そして、一点鎖線で囲んだ部分全体で、異常検知装置８が構成される。

図３は、図２のＢＢ’断面図である。図３に示すように、超音波送受波器４ａの送受波面の高さＤは、計測流路２の短辺２ａ、２ｂの長さｈとほぼ同等の大きさに設定されている。

短辺２ｂに配置された超音波送受波器４ｂ（図示せず）の送受波面の高さＤも、計測流路２の短辺２ｂの長さｈとほぼ同等の大きさに設定されている。ここで、短辺２ｂは、鉛直方向を向いているため、その長さｈは、計測流路２の高さとも呼べる。

次に、本発明の異常検知装置の動作について説明する。

図２において、計測流路２の黒矢印Ｆの方向に液体（以下、本実施の形態では水として説明する）が流れているときに、超音波送受波器４ａから、超音波送受波器４ｂに向けて、超音波を発射すると、超音波はＰに示す経路をたどって伝搬する。このとき、超音波送
受波器４ａ、４ｂに対する計測指示は、計測部６にて行われる。

図３に示すように超音波送受波器４ａの送受波面の高さＤは、計測流路２の短辺２ａ、２ｂの長さｈと同じに設定されているため、計測流路２が水で満たされている場合、超音波は、矢印Ｐ１で示すように、計測流路２の高さ方向全域にわたって伝搬する。

次に、図４は、図３と同じ断面で、流れが異常なときの状態を示す説明図である。

計測流路２は、長辺２ｃ、２ｄが水平となるよう設置されているので、断水等で空気層が発生した場合、図４に示すように、重力方向下側のＡ部が水層となり、上側のＢ部が気層となる。

この時、超音波は、計測流路２の高さ方向全域に発せられるが、気層Ｂは水層Ａに比べて、音響インピーダンスが大きく、通り難いため、矢印Ｐ２で示すように、もっぱら水層の部分のみで伝搬される。

図５（ａ）は、図３に示す流れが正常な状態の超音波伝搬における送受信波形、図５（ｂ）は、図４に示す断水等による異常な状態の超音波伝搬における送受信波形を模擬的に示したものである。なお、送信波形と受信波形のゼロレベルは、異なる位置として表示している。

図５（ａ）に示した流れが正常な状態の受信波のピーク値Ｐｍに対して、図５（ｂ）に示した流れが異常な状態、即ち、断水等で空気層が発生した場合には、もっぱら水層部分のみで超音波の伝搬が行われる為に受信波のピーク値Ｐｎは水層部分の割合に応じて低くなる。これにより、計測流路２内に気層が存在するような異常の発生を知ることができる。

図６は、この異常検知装置８の気層検知動作のフローチャートである。

図６において、ステップＳ９は、計測の開始命令、ステップＳ１０は、一方の超音波送受波器４ａからの送信命令、ステップＳ１１は、他方の超音波送受波器４ｂの受信命令である。ステップＳ１２は、受信した信号のピーク値を抽出して加工する信号処理命令である。ステップＳ１３は、信号処理命令（ステップＳ１２）で処理された値を予め定めた閾値と比較する判断命令である。

ステップＳ１４は、異常警報命令（ステップＳ１５）の終了命令である。ステップＳ１６は、インターバル設定命令である。

まず、開始命令（ステップＳ９）で計測動作が開始する。次に送信命令（ステップＳ１０）で超音波送受波器４ａからの送信が行われ、受信命令（ステップＳ１１）で超音波送受波器４ｂでの受信波形が記録される。信号処理命令（ステップＳ１２）では、その時の受信波形のピーク値（Ｐｔ）が抽出され、その後、予め計測された正常状態における受信波形のピーク値（Ｐｍ）との差ΔＰ（＝Ｐｍ―Ｐｔ）が算出される。

判断命令（ステップＳ１３）では、ΔＰが、予め定めた閾値ΔＰｃ以上かどうかが判定される。

ΔＰの値が閾値ΔＰ以上の場合は、異常状態として、Ｙｅｓの側が選択され、異常警報命令Ｓ１４を発した後、終了命令Ｓ１５により処理が終了する。

ΔＰの値が閾値ΔＰｃより小さい場合は、正常状態ゆえ、判断命令（ステップＳ１３）でＮｏの側が選択され、インターバル設定命令（ステップＳ１６）で定められた所定のインターバルの後、再び送信命令（ステップＳ１０）に戻って、以下、上記と同様の監視動作が繰返される。

このようにして、長辺２ｃ、２ｄの面が水平に配置された矩形断面の計測流路２において、断水等の場合に生じる気層の存在を超音波受信信号の特性値であるピーク値の変化として検知することができ異常検知を行うことができるものである。

図７は、計測流路２に異物が混入した場合の動作説明図である。図７において、超音波は超音波送受波器４ａより発せられ、矢印Ｐ３の経路を経て計測流路２の高さ方向全域にわたって伝搬し、超音波送受波器４ｂ（図示せず）にて受信される。

この時、計測流路２内に異物１７が存在すると、異物１７に衝突した超音波は散乱されるため、異物のない場合と比較して受信波形に変化が生じる。

計測流路２を通過する異物には様々な大きさのものがあり、またそれらの動きは、基本的に不規則であるため、受信波形はそれらの影響を受けた変動幅を有して不規則的に変動することになる。

図８（ａ）は、図３に示す流れが正常な状態の超音波伝搬における送受信波形、図８（ｂ）は、図７に示す異物の混入による異常な状態の超音波伝搬における送受信波形を模擬的に示したものである。なお、送信波形と受信波形のゼロレベルは、異なる位置として表示している。

図８（ａ）に示した流れが正常な状態の受信波のピーク値Ｐｍは常に一定ではなく変動幅ΔＰｓの微小変動を生じている。一方、図８（ｂ）に示した流れが異常な状態、即ち、異物が混入した場合には、前述のように受信波は不規則に変動する為に、異物の種類、量に応じて受信波のピーク値Ｐｎは若干低くなると共に、変動幅ΔＰｔが大きくなる。

このように、本実施の形態では、このピーク値の変動幅が、異物の有無により異なることを利用しており、この変動をとらえるための動作を図９のフローチャートで説明する。

図９に示すフローチャートは基本的に図６と同じであり、信号処理命令Ｓ１８と、判断命令Ｓ１９の内容が異なるのみであるため、この部分の動作のみを説明する。

すなわち、信号処理命令（ステップＳ１８）では、受信信号のピーク値の変動幅ΔＰｔが算出され、その後、変動幅ΔＰｔの値と、予め定められた異物がない場合の正常時の変動幅ΔＰｓとの差ｄＰｔ（＝ΔＰｔ―ΔＰｓ）が、算出される。

判断命令（ステップＳ１９）では、この差ｄＰｔが、予め定めた閾値ｄＰｃ以上かどうかが判定される。差ｄＰｔの値が閾値ｄＰｃ以上の場合は、異常状態として、Ｙｅｓの側が選択され、異常警報命令（ステップＳ１４）を発した後、終了命令（ステップＳ１５）により処理が終了する。

差ｄＰｔの値が閾値ｄＰｃより小さい場合は、正常状態ゆえ、判断命令（ステップＳ１３）でＮｏの側が選択され、インターバル設定命令（ステップＳ１６）で定められた所定のインターバルの後、再び送信命令（ステップＳ１０）に戻って、以下、上記と同様の監視動作が繰返される。

このように、計測流路２内に異物１７が混入した場合、超音波受信信号の特性値であるピーク値の変動幅により、異物の混入による異常状態を検知することができる。

とりわけ、超音波が計測流路２の全域に伝搬していることにより、計測流路２内の異物をとりこぼすことなく、全域にわたり検知できるため、その検知精度が高くなるものである。

なお、ここでは混入物として異物を対象として説明したが、気泡でも同様の効果が生じ得るため、異常状態としての気泡混入も検知することができるものである。

（実施の形態２）
実施の形態２について、図１０～図１３を用いて説明する。

図１０は、本発明の実施の形態２における異常検知装置本体の斜視図である。図１０において、異常検知装置本体２１は円形断面の計測流路２２と超音波送受波器保持部２３ａ、２３ｂより構成されている。

計測流路２２は、直径がｄである。また、異常検知装置本体２１は、計測流路２２の断面の中心軸Ｌが、水平となるよう配置されている。したがって、直径ｄは、計測流路２２の高さとも呼べる。

図１１は、図１０のＣＣ’断面図である。図１１において、超音波送受波器保持部２３ａは、超音波送受波器２４ａ、および、これに接している楔部材２５ａを保持している。また、超音波送受波器保持部２３ｂは、超音波送受波器２４ｂ、および、これに接している楔部材２５ｂを保持している。超音波送受波器２４ａ、２４ｂは、これらの間で送受信される超音波が、楔部材５ａ、５ｂを介して、Ｑで示した伝搬経路にて送受信されるように配置されている。伝搬経路Ｑは、計測流路２２を斜めによぎるような経路となっている。

計測部２６は、超音波送受波器２４ａ、および超音波送受波器２４ｂの駆動制御や、超音波送受波器２４ａ、および超音波送受波器２４ｂとの信号の送受を行う。処理部２７は、この信号の処理を行う。そして、一点鎖線で囲んだ部分全体で、異常検知装置２８が構成される。

図１２は、図１１のＤＤ’断面図である。図１２に示すように、超音波送受波器２４ａの送受波面の高さＤは、計測流路２２の直径ｄと同等の大きさに設定されている。超音波送受波器２４ｂ（図示せず）の送受波面の高さＤも、計測流路２２の直径ｄとほぼ同等の大きさに設定されている。

次に、本発明の異常検知装置の動作について説明する。

図１１において、計測流路２２の黒矢印の方向に水が流れているときに、超音波送受波器２４ａから、超音波送受波器２４ｂに向けて、超音波を発射すると、超音波はＱに示す経路をたどって伝搬する。このとき、超音波送受波器２４ａ、２４ｂに対する計測指示は、計測部２６にて行われる。

図１２に示すように超音波送受波器２４ａの送受波面の高さＤは、計測流路２２の長さｄと同じに設定されているため、超音波は、矢印Ｑ１で示すように、計測流路２２の高さ方向全域にわたって伝搬する。

次に、図１３は、図１２と同じ断面で、流れが異常なときの状態を示す説明図である。

この計測流路２２は、中心軸が水平となるよう設置されているので、断水等で空気層が発生した場合、図１３に示すように、重力方向下側のＣ部が水層となり、上側のＤ部が気層となる。

この時、超音波は、計測流路２の高さ方向全域に発せられるが、気層Ｄは水層Ｃに比べて、音響インピーダンスが大きく通り難いため、矢印Ｑ２で示すように、もっぱら水層の部分のみで伝搬される。

この状況は、実施の形態１と同じであり、超音波送受波器２４ａから発せられ、超音波送受波器２４ｂで受信される受信波形は、正常時より異常時の方が小さくなる。また、このような状態変化を検知する動作のフローも実施の形態１と同様である。

すなわち、計測流路が円形断面であっても、その計測流路の中心軸が水平に配置された計測流路２２において、計測流路の直径と同じ長さの超音波送受波器２４ａ、２４ｂを、それぞれ計測流路の側面に配置することにより、断水等の場合に生じる気層の存在を検知することができ異常検知を行うことができるものである。

また、異物の検知においても、実施の形態１と同様、受信波形の変動幅により異常検知を行うことができるものである。

なお、本実施例では、超音波が流路を斜めに伝搬する構成としたが、流れに直角方向であってもよい。また、一対の超音波送受波器を流路の両側に配置したが、一方側に配置して、流路の対向面で反射させるような構成、すなわち超音波伝搬路がＶ字を形成するような構成や、流路の両側で次々と反射してＷ字を形成するような構成であっても良い。

また、異常検知の物理量として、受信波のピーク値を例示したが、適当な位置、例えば、３波目や、４波目等の波高値や、その変動値であってもよい。

また、波高値でなくとも、波高値を一定の高さに維持するために利用される増幅値（ゲイン値）など、水面の変化に応じて変化する物理量や、その物理量の変動値であってもよい。

以上のように、本発明の異常検知装置は、液体用の計測流路を水平方向に配置し、計測流路の高さ方向全域に超音波を伝搬させることにより、気液二層の状態や、異物、気泡混入などの異常状態を検知することができるため、家庭用水道メータや、温冷水利用の暖冷房水用メータなどにおいて、断水や、異物混入の異常検知を必要とする検知手段としての応用が可能となる。

２ 計測流路
２ａ 短辺
２ｂ 短辺
４ａ 超音波送受波器
４ｂ 超音波送受波器
６ 計測部
７ 処理部
８ 異常検知装置
２２ 計測流路
２４ａ 超音波送受波器
２４ｂ 超音波送受波器
２６ 計測部
２７ 処理部
２８ 異常検知装置

Claims (5)

1. 液体が水平方向に流れるように配置された計測流路と、
   前記計測流路の側方に、前記計測流路の流れを超音波がよぎるように配置した一対の超音波送受波器と、
   前記一対の超音波送受波器の計測動作を指示する計測部と、
   前記一対の超音波送受波器からの信号を受けて信号処理を行う処理部と、
   を備え、
   前記超音波送受波器は、
   前記超音波送受波器の送受波面の高さＤを前記計測流路の高さｈとほぼ同等の大きさとすると共に、
   前記処理部は、超音波受信信号の特性値の変化に基づき異常を検知する構成とした異常検知装置。
2. 前記超音波受信信号の特性値が受信信号の波高値である請求項１記載の異常検知装置。
3. 前記超音波受信信号の特性値が受信信号のゲイン値である請求項１記載の異常検知装置。
4. 前記計測流路の断面が矩形である請求項１記載の異常検知装置。
5. 前記計測流路の断面が円形である請求項１記載の異常検知装置。

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