JP3601523B2 - 流量計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流速を検出する方法を用いて、流体の流量を間欠的にサンプリングして流体の使用量を計測する流量計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の流量計としては、超音波流量計、熱線式流量計等様々なものが提案されている。このうち、超音波式流量計は例えば図３のような構成となっていた。図３において、流体流路１の途中に、超音波を発信する第１振動子２と受信する第２振動子３が流れ方向に配置されていて、制御手段１１は、これらふたつの送受信を制御している。超音波が流れの中を伝搬する際、流体の流れの影響を受けて、流れの順方向、すなわち、第１振動子２から第２振動子３へ向けて送信した場合の伝搬時間と、流れの逆方向、すなわち、第２振動子３から第１振動子２へ向けて送信した場合の伝搬時間は異なった値となり、流量が大きくなるにつれて、その差は大となる。この性質を利用して流体の流量を計測することが可能である。流量演算手段１１では計測手段９で求めた伝搬時間を基に単位時間当たりの通過流量Ｑｔを求めている。そして、この値に間欠駆動周期、すなわち前回の計測と今回の計測の時間間隔を乗じることによりこの間欠周期中に発生した通過流量を求めて、積算手段１３に加算している。
【０００３】
一方、この種の流量計は一般的に消費電力が大きいため、省電力化の観点から比較的大きな時間間隔（１〜１０秒程度）で計測が行われるが、その場合には、一回当たりの通過流量が大きくなることによる不都合が生じる場合があった。例えば、１回の計測あたりの通過流量が表示の最小分解能、すなわち、家庭用のガスメータであれば１Ｌを超える場合があり、表示値が２Ｌ毎に変化するなどの不連続な変化を示すこととなっていた。そのため、積算値が一度に大きな変化を示させずに、かつその変化を平準化させるために、求めた通過流量を分割し、段階的に変化させる方法が例えば特許第２９３７３００号公報や、特開２００１−１５５０４６号公報などに示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の様な考え方は、計測周期が固定の場合は有効であるが、計測周期が可変の場合の処理に関してはこれらの発明では詳細が開示されていない。計測周期が可変とは、例えば、脈動対策として、計測タイミングが変動波形の特定周期に偏らないように、計測周期をランダムに変化させる場合が考えられる。この場合には、計測周期が頻繁に変化することが前提である。よって、こういうケースに上記の考え方を適用した場合に複雑な処理手順が必要なものと予測される。
【０００５】
図４を用いてこの課題を説明する。図４においてｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４はそれぞれ流量計測のタイミングでありその時間間隔は２秒、２．５秒、２秒と変化するものとし、各時刻における瞬時流量（毎秒当たりの流量）はＱａで等しいものとする。この場合、演算で求められる通過流量は時刻ｔ２で２Ｑａ、ｔ３で２．５Ｑａ、ｔ４で２Ｑａとなる。計測は間欠的に連続で行われるため、前回の計測結果を次の計測が始める前に完了する必要がある。そこで、次のような方法が考えられる。
【０００６】
（方法１）通過流量を均等分割して加算する。
【０００７】
（方法２）分割周期を固定にする。
【０００８】
（方法１）の場合、計測毎に加算タイミングを決定するための演算が必要となる。１０分割を例に取ると、時刻ｔ２からｔ３の間は０．２５秒、時刻ｔ３からｔ４の間は０．２秒となり計測周期の応じて求め直す必要がある。また、１回当たりの加算流量は時刻ｔ２からｔ３の間は０．２Ｑａ、時刻ｔ３からｔ４の間は０．２５Ｑａとなり単位時間当たりの変化率が異なってしまう。
【０００９】
（方法２）の場合、分割周期毎の加算流量値をその都度求める必要がある。分割周期０．１秒を例に取ると、時刻ｔ２からｔ３の間は加算機会が２５回、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間は加算機会が２０回発生する。よって、これも、また計測周期に応じて１回当たりの加算流量を求め直す必要がある。更に１回当たりの加算流量は時刻ｔ２からｔ３の間は０．０８Ｑａ、時刻ｔ３からｔ４の間は１．２５Ｑａとなり単位時間当たりの変化率が異なってしまう。このことは流量の変化を平準化するとうい本来の目的から逸脱してしまう。よって、これを是正するためには更に複雑な手順が必要であるものと予想される。
【００１０】
このような処理手順の複雑化は流量計測装置を制御する電子回路の消費電力の増大に繋がっていた。それは次の様な理由による。つまり、一般に家庭用ガスメータ等に使われるマイクロコンピュータでは、乗除算を実行するとその処理手順が複雑なため、加減算に比べて、処理時間は非常に長くなる。また、電池交換なしで１０年間の寿命を保証するため、できるだけ消費電力を抑える必要があり、そのためには、低速のクロックを用いて、なおかつ、処理の必要ない時にはクロックを各マイクロコンピュータ固有の省電力モードで動作させている。そのため、処理手順の複雑な乗除算の回数が増えるということは、処理時間の増加すなわち消費電力の増加につながっていたのである。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するものであり、複雑な処理手順を省略することにより、消費電力を増大させることなく正確な使用量を求めることを可能とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の流量計測装置は、流速検出手段で求めた流速を基に単位時間あたりの瞬時流量に換算する流量演算手段と、次回の流量計測までの間、前記流量演算手段で求めた瞬時流量を前記単位時間毎に積算する積算手段とを備えているので、処理手順の複雑な乗除算処理回数を低減して積算流量値が求められるので、消費電力を増大させることなく正確な流量を求めることができる。
【００１３】
請求項２に記載の流量計測装置は、積算手段で求めた流量を表示する表示手段を備え、想定される単位時間当たりの最大流量が前記表示手段の最小分解能より小さくなるように単位時間を定めているので、外観上も違和感がなく自然な計数表示が可能となる。
【００１４】
請求項３に記載の流量計測装置は、積算手段が一定容量の補助積算手段と前記補助積算手段の容量を満たす毎にその容量を加算する主積算手段とで構成され、前記補助積算手段の容量は想定される単位時間当たりの最大流量よりも大きい値に定めているので、主積算手段の使用頻度が低減できる。したがって、単位時間を細かく設定することにより演算桁数の増大が発生しても、消費電力の増大させることなく演算精度を確保できる。
【００１５】
請求項４にかかる発明は、単位時間が、流速検出手段の間欠周期の整数分の１である請求項１から３のいずれか１項記載の流量計測装置である。
【００１６】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図１〜４を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における流量計測装置のブロック図である。
【００１８】
図１において、流体流路１の途中に、超音波を発信する第１振動子２と受信する第２振動子３が流れ方向に配置されている。４は第１振動子２への送信手段、５は第２振動子３で受信した超音波を信号処理する受信手段で、６は第１振動子２と第２振動子３の送受信を切換える切換手段、７は受信回路５で超音波を検知した後、第１振動子２からの送信と第２振動子３での受信を複数回繰り返す繰り返し手段、８は繰り返し手段７により行われる複数回の超音波伝搬の所要時間を計測する計時手段である。９は送受信回路であり、第１振動子２、第２振動子３、送信手段４、受信手段５、切換手段６、繰り返し手段７、計時手段８の各要素により構成されている。１０は制御手段であり、送受信回路の動作を制御している。１１は流量演算手段であり、計時手段８で求めた伝搬時間を基に単位時間当たりの瞬時流量を求める。１２は主積算部１３および補助積算手段１４から構成される積算手段であり、１５は主積算手段の保持する積算値を表示する表示手段である。
【００１９】
図２を用いて、送受信回路９における計測手順および、計測原理について説明する。制御手段１１が、繰り返し手段７に対して、計測開始のトリガ信号を出力すると、切換手段６は、トリガ信号を受けて、第１振動子２を送信手段４に、第２振動子３を受信手段５に接続して、超音波を流れの順方向に送信した伝搬時間を計測する体制を取る。そして、送信手段４から送信信号が出力されると同時に、計時手段８で、送受信に要した時間の計測が開始される。受信手段５で受信１回目が終了すると、再び送信手段４から送信信号が出力される。以下、同様に送受信が繰り返されて、規定の回数の送受信が終了すると、計時手段８は演算手段１１に対して、順方向の伝搬時間の合計値を出力する。
【００２０】
つづいて、切換手段６は、第１振動子２を受信手段５に、第２振動子３を送信手段４に接続して、超音波を流れの逆方向に送信した伝搬時間を計測する体制を取る。その後、送信手段４から送信信号が出力されると同時に、計時手段８で、送受信に要した時間の計測が開始される。受信手段５で受信１回が終了すると、再び送信手段４から送信信号が出力される。以下、同様に送受信が繰り返されて、規定の回数の送受信が終了すると、計時手段８は演算手段１１に対して、逆方向の搬時間の合計値を出力する。
【００２１】
つづいて、演算手段１１の作用について計測原理を交えて説明する。静止流体中の音速をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、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。振動子２と３の間の距離をＬ、超音波伝搬軸と流路の中心軸とがなす角度をθ、流れの順方向に発信された超音波の伝搬する時間をｔｆ、流れの逆方向に発信された超音波の伝搬する時間をｔｒとすると、
ｔｆ＝Ｌ／（ｃ＋ｖｃｏｓθ） （１）
ｔｒ＝Ｌ／（ｃ−ｖｃｏｓθ） （２）
となる。上記（式１）または（式２）の一方から直接流速ｖを求めることが可能であるが、そのためには音速ｃが既知である必要がある。しかし、一般に音速ｃは流体温度に依存するため、流体温度が既知である必要がある。しかし、ここで、順方向、逆方向を計測した時点の流体温度が等しいと仮定することにより、音速ｃが未知であっても、（式１）、（式２）より流速ｖを求めることが可能である。すなわち、（式１）および（式２）を変形してｖについて解くと、
ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）・（１／ｔｆ−１／ｔｒ） （３）
となり、Ｌとθが既知ならｔｆ、ｔｒを計測して流速ｖが求められる。ここで、微少な流速まで検知しようとした場合、ｔｆ、ｔｒの検出精度を高める必要があるが、単発現象として計測した場合には精度を上げるのが難しいため、送受信を複数回繰り返してトータル時間を計測して、平均化することにより精度確保する方法が、超音波計測では一般的に取り入れられており、シングアラウンド法と呼ばれている。シングアラウンド法において、設定された繰り返し回数をＮ回、流れの順方向、逆方向の伝搬時間の合計値をＴｆ、Ｔｒとすれば、伝搬時間ｔｆ、ｔｒはＴｆ、Ｔｒを回数平均すれば求めることができる。よって、（式３）を変形して、式（式５）から流速ｖを求めることができる。
ｖ＝Ｎ（Ｌ／２ｃｏｓθ）・（１／Ｔｆ−１／Ｔｒ） （５）
ここで、流路断面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量Ｑは
Ｑ＝Ｋ・Ｓ・ｖ （６）
となる。（式５）、（式６）から明らかなように、伝搬時間を求めることにより流量Ｑが求められる。この時求められる流量は単位時間あたりの流量である。よって、補正係数ｋの値を適宜定めることによって、その意味合いを如何様にも変更できる。例えば、１時間当たりの流量と定めても良いし、１秒当たりの流量と定めても良い。いずれの場合であっても、この時求められる流量は単位時間当たりの瞬時流量と定義することができる。更に、この単位時間を加算処理の実行周期と等しく設定し、更に計測周期より短い固定の値と定めれば、計測周期あたりの通過流量は、単位時間当たりの瞬時流量の積分値として表現できるということは、明らかである。したがって、従来例で示したように、一旦計測周期毎の通過流量を求めた後に、その値を分割して、１回当たりの加算処理で加算すべき値を求める必要がない。すなわち、（式６）の流量演算式が加算周期毎の流量を求める演算式と全く同一のものとなる。本実施例では、この単位時間を０．１秒と定める（理由は後述する）。よって、この時検出した流速が０．１秒継続した場合に流路内を通過する瞬時流量と定義できる。
【００２２】
図２は、本実施例における流量計測装置の加算処理を説明するタイミングチャートである。時刻ｔｎは流速検出手段のサンプリング時刻、Ｑｎは同時刻において流量演算手段１１で求めた流量である。時刻ｔ１において検出された流速ｖ１に基づいて（式５）を使って瞬時流量値Ｑ１が求められる。ここで、求めた瞬時流量Ｑ１は単位時間Δｔ（＝０．１ｓ）毎に積算手段１２に加算される。Ｑ１は時刻ｔ１から、次に流量を求める時刻ｔ２の直前まで（図２ではｔ１＋７×Δｔ）まで継続してΔｔ毎に加算されることになる。よって、図２では時刻ｔ１からｔ２の間に加算された流量値は（式７）で表せる。
【００２３】
Ｑａ＝Ｑ１＋Ｑ１＋Ｑ１＋Ｑ１＋Ｑ１＋Ｑ１＋Ｑ１＋Ｑ１＝８×Ｑ１ （７）
一方、流速ｖ１を検出するに要する時間は、間欠動作の時間間隔に比べて極めて小さな値であるため、時刻ｔ１で検出された流速は時刻ｔ１から時刻ｔ２の間の代表値と考えて差し支えない。したがって、時刻ｔ１から時刻ｔ２に掛けて通過した流体流量Ｑ１２は（式８）で求められる。
【００２４】
Ｑ１２＝Ｑ１×（ｔ２−ｔ１）／Δｔ （８）
ここで、ｔ２−ｔ１の時間は図では８×Δｔであるから
Ｑ１２＝Ｑ１×８ （９）
として求められる。この値は（式７）で求めた値と等しい。次に時刻ｔ２ではＱ２が求められる、この時点で積算手段１２に対する加算値は更新される。ここでも先と同様に、時刻ｔ２から次のサンプリング時刻ｔ３からΔｔ前の時刻（ｔ＋５×Δｔ）までの６回にわたってＱ２が加算手段に加算される。同様に、積算処理は、時刻ｔｎと時刻ｔｎ＋１の時間間隔を予めΔｔの整数倍に設定しておけば、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間施したのと同じ処理、すなわち時刻Δｔ毎に加算処理を行うことで実現可能である。したがって、流速のサンプリング時刻の間隔をどのように設定しても、また、頻繁に変更したとしても、時間の重み付けの乗算処理やそれを単位時間毎に分割する除算処理等は一切不要である。
【００２５】
続いて、Δｔの設定方法について説明する。Δｔを小さくすれば、サンプリング時間をより細かく制御することが可能であるが、加算処理の回数が増大するので、いたずらに小さく定めるのは消費電力の観点から望ましくない。家庭用のガスメータについて考えると、法規上、表示値の最小分解能は１Ｌ、また、補助表示部の分解能が０．２Ｌ以下に定められている。であるから、Δｔ当たりの通過量が０．２Ｌ未満となる様に定めれば、積算手段１２で求めた値をそのまま表示手段に反映させれば良いことになる。例えば６メータの場合、法規上、精度を要求される最大流量が６０００Ｌ／ｈであるが、６０００Ｌ／ｈ相当の流量が０．２Ｌ通過するに要する時間をｔとすると（式１０）の関係が成り立つ。よって、（式１０）を解いて０．１２秒と計算できる。
【００２６】
６０００／３６００＝０．２／ｔ （１０）
よって、Δｔをこの時間より小さく定めれば良いと言える。前記理由により本実施例では、Δｔ、すなわち加算処理の単位時間を０．１秒と定めている。なお、Δｔの値は０．１２より小さければ良いので、電子回路で設定容易な値（例えばクロック周期の整数倍の値）を自由に選択すれば良く、０．１秒に拘るものではない。
【００２７】
次に、積算手段の作用について説明する。流量値の精度を高めるには、Ｑｎの分解能を高くする必要がある。一例として、小流量で１Ｌの精度が必要であると仮定する。Δｔを０．１秒と定めた時、１Ｌ／ｈ相当の流量が発生した場合のＱｎの値は（式１１）を解くことによって求められる。
【００２８】
１／３６００＝Ｑｎ／０．１ （１１）
（式１０）よりこの時の値は２．７８×１０−５Ｌと求まる。１Ｌ／ｈと０Ｌ／ｈの区別を明確にする必要があるとすれば、少なくとも１０−６Ｌの精度までが必要と考えられる。一方、積算流量値として、１０６［ｍ３］＝１０９［Ｌ］までを保有する必要がある、したがって、積算手段が保有すべき桁数は１６桁となり、加算処理の度に１６桁の加算を繰り返すのは消費電力の観点から好ましくない。そのため、積算手段１２は主積算手段１３と補助積算手段１４とに分割し、通常は補助積算手段１４（たとえばバッファ機能に該当する）のみを動作させるように構成されている。前述の様に、Ｑｎの最大値は０．２Ｌ未満であるため、補助積算手段１４は最上位桁として１０−１Ｌを保有しておれば良い。また、前述の様に、０．２Ｌ毎に補助表示を反応させる必要があるので、主積算手段１３は１０−１Ｌから１０９Ｌまでの桁を保有していれば良い。Ｑｎは先ず、補助積算手段１４に加算される。補助積算手段１４の容量は０．２Ｌとしてあり、０．２Ｌを超えると、その超過分のみ主積算手段１部に繰り上げ処理を行う。例えば、加算の結果、補助積算手段１４の積算値が０．２３Ｌに達した場合は０．２Ｌを主積算手段１３へ送出し０．２３Ｌから容量分０．２Ｌを差し引いた値０．０３Ｌのみを補助積算手段１４に送出する。次回の加算処理からは、０．０３Ｌに対して加算処理が行われる。
【００２９】
以上説明したように、本実施例によれば、流速検出手段で求めた流速を基に単位時間あたりの瞬時流量に換算する流量演算手段と、次回の流量計測までの間、前記流量演算手段で求めた瞬時流量を前記単位時間毎に積算する積算手段とを備えているので、処理手順の複雑な乗除算処理回数を低減して積算流量値が求められる。よって、消費電力を増大させることなく正確な流量を求めることができる。
【００３０】
また、積算手段で求めた流量を表示する表示手段を備え、想定される単位時間当たりの最大流量が前記表示手段の最小分解能より小さくなるように単位時間を定めているので、外観上も違和感がなく自然な計数表示が可能となる。
【００３１】
また、積算手段は一定容量の補助積算手段と前記補助積算手段の容量を満たす毎にその容量を加算する主積算手段とで構成され、前記補助積算手段の容量は想定される単位時間当たりの最大流量よりも大きい値に定めているので、主積算手段の使用頻度が低減できる。したがって、単位時間を細かく設定することにより演算桁数の増大が発生しても、消費電力の増大させることなく演算精度を確保できる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、流速検出手段で求めた流速を基に単位時間あたりの瞬時流量に換算する流量演算手段と、次回の流量計測までの間、前記流量演算手段で求めた瞬時流量を前記単位時間毎に積算する積算手段とを備えているので、処理手順の複雑な乗除算処理回数を低減して積算流量値が求められる。よって、消費電力を増大させることなく正確な使用量を求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における流量計測装置のブロック図
【図２】同装置の動作を説明するタイミングチャート
【図３】従来の流量計測装置のブロック図
【図４】従来の流量計測装置の動作を説明するタイミングチャート
【符号の説明】
８ 流速検出手段
１１ 流量演算手段
１２ 積算手段
１３ 主積算手段
１４ 補助積算手段
１５ 表示手段

Claims (4)

1. 間欠的に流速を検出する流速検出手段と、前記流速検出手段で求めた値を基に単位時間あたりの瞬時流量に換算する流量演算手段と、次回の流量計測までの間、前記流量演算手段で求めた瞬時流量を前記単位時間毎に積算する積算手段とを備え、前記単位時間は前記流量検出手段の間欠周期にかかわらず固定値である流量計測装置。
2. 積算手段で求めた流量を表示する表示手段を備え、単位時間当たりの最大流量が前記表示手段の最小分解能より小さくなるように単位時間を定めた請求項１に記載の流量計測装置。
3. 積算手段は一定容量が備蓄可能な補助積算手段と前記補助積算手段の容量を満たす毎にその容量を加算する主積算手段とで構成され、前記補助積算手段の容量は単位時間当たりの最大流量よりも大きい値に定めた請求項１に記載の流量計測装置。
4. 単位時間は、流速検出手段の間欠周期の整数分の１である請求項１から３のいずれか１項記載の流量計測装置。

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