JP3632396B2 - 流量計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を熱線あるいは超音波などを用いて計測する外部同期型の流量計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の外部同期型流体計測装置は、図８に示すような熱線式流体流量計がよく知られている。半導体などの基台１の表面上に、エッチングなどの微細加工技術で凹部２を設け、その上に電気絶縁性薄膜３をブリッジ状に形成し、さらにその上に、複数個の温度特性の優れた測温抵抗体４，５を、それぞれが熱的に絶縁されるよう電気絶縁性薄膜３にスリット６を構成し、さらに測温抵抗体４，５の近傍の電気絶縁性薄膜３上に流体の温度を検知する測温抵抗体からなる流体温度検出素子７を設け、熱線式流体流量計としていた。矢印８の方向から流体を流し、測温抵抗体４，５に定電流源からの一定電流を、一定時間流し、加熱昇温するとともに、測温抵抗体４，５を、流体の上流，下流になるように配置し、流体の流速に依存した冷却効果によるそれぞれの測温抵抗体４，５の抵抗値からそれぞれの温度を計測し、その温度差から、流体の流速を計測しようとするものであった（特公平６−２５６８４号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の外部同期型の流量計測装置では、消費電力を抑えるため、間欠サンプリングを実施しており、正確な流量計測をする場合には、サンプリング回数を増やし計測するため、消費電力が大きくなるという課題があった。例えば、発熱部を有する熱線式流体流量計の場合には、計測時間１０［ｍｓｅｃ］、計測電流１０［ｍＡ］、計測回数を１［回／ｓｅｃ］と仮定して計算すると、約９０００［ｍＡ・Ｈｒ］となり、通常よく用いられるリチウム電池などであれば、約５０００［ｍＡ・Ｈｒ］の容量であるため、約１０年間の動作が保証できなくなる。
【０００４】
また、間欠サンプリングの間に、流体が流れ始めると、流量を正確に計測できないという課題もあった。このため、ガスメータのような異常使用時の流路遮断などの保安機能を兼ねた流量計測装置では、低消費電力の電池駆動で、かつ、安全性確保のため正確な流量計測を短時間で実現することが課題となっていた。また、使用開始直後の流量パターンが機器固有のパターンを示す大型給湯機などの場合、外部同期型の流量計では、前記流量パターンを正確に計測することが困難であった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の流量計測装置は上記課題を解決するため、流路に設けられ流体流量を計測する流量計測手段と、流体状態の変化を検出する圧力センサと、前記圧力センサの出力に応じ、前記流量計測手段を駆動する駆動条件を設定する条件設定手段とを備え、前記条件設定手段は、前記圧力センサにより流量状態の変化を検知した時に前記流量計測手段のサンプリング周期を変えたものである。この構成により、通常計測時は、一定間隔、例えば、数秒から十数秒のサンプリング間隔で流量を計測しているが、圧力変化などが発生した時は、それと同期し、数秒あるいはそれ以下のサンプリング間隔で流量を計測するように設定して計測することができる。このため、流量計測精度を落とすことなく、かつ低消費電力を実現することができる。また、流量の立上がりと同期して流量計測を開始することができるため、流量も正確に計測することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は、流路に設けられ流体流量を計測する流量計測手段と、流路に設けられ流体状態の変化を検出する圧力センサと、前記圧力センサの出力に応じ、前記流量計測手段を駆動する駆動条件を設定する条件設定手段を備え、前記条件設定手段は、前記圧力センサにより流量状態の変化を検知した時に前記流量計測手段のサンプリング周期を変える構成とした。この構成により、通常計測時は、一定間隔、例えば、数秒から１０秒のサンプリング間隔で流量を計測しているが、圧力変化などが発生した時は、それと同期し、数秒あるいはそれ以下のサンプリング間隔で流量を計測するように設定して計測することができる。このため、流量計測精度を落とすことなく、低消費電力を実現することができる。また、同期して流量計測を開始することができるため、流量も正確に計測することができる。
【０００７】
また、本発明は、流路に設けられ流体流量を計測する流量計測手段と、流体状態を変化させる変化発生手段と、前記変化発生手段の動作に応じ、前記流量計測手段を駆動する駆動条件を設定する条件設定手段とを備え、前記条件設定手段は、流体状態の変化直後は前記流量検出手段のサンプリング周期を短くし、時間とともにサンプリング周期を長くする駆動条件を設定する構成とした。この構成により、大型給湯機などの弁の開閉動作あるいは、点火動作などと同期して、流量を最適なサンプリング間隔で計測することができる。従って、使用開始直後から数十秒間の流量変化および圧力変化などを、詳細に計測することができるので、使用器具を特定することが可能となり、保安機能を高めることができる。また、ガス充填時など、コックの開放（充填開始）と同時に計測開始することができるので、充填量などを正確に計測することもできる。
【０００８】
また本発明は、流体の流れる流路内に、加熱素子と、前記加熱素子による温度変化を検知する温度センサとを備えた計測手段としたので、数十ミリ秒という短いサンプリング間隔を実現することができ、高精度に流量を計測することができる。また、外部信号と同期して、容易に計測することができる。
【０００９】
また、本発明は、流体の流れる流路の上流側と下流側とに超音波を送受信する一対の超音波送受信器を設け、上流側から下流側および下流側から上流側への超音波伝搬時間を計測し、前記時間差から流体の流速を演算し、流量を計測する超音波流量計測手段で構成したので、広範囲の流量を、外部信号と同期して計測することができ、低消費電力で、かつ、高精度なガスメータを実現することができる。
【００１０】
また、本発明は、流体状態変化直後、あるいは、弁開動作直後は、サンプリング周期を短く、時間とともに、あるいは流量変化が小さくなるにつれて、サンプリング周期を長くする駆動条件を設定することができる構成とした。このため、必要なときだけ、サンプリング時間を短くし、流量を計測することができるので、過渡状態の流量変化をも、低消費電力で精度よく計測することができる。
【００１１】
また、本発明は、流体状態変化検出手段の出力と、流量計測手段の流量計測結果とから、下流側の流路状態を判別する判別手段とを備えた構成とした。この構成により、流体状態が変化した直後から、圧力の時間変化と流量の時間変化とを正確に計測でき、下流側の流路状態を確実に判別することができ、流路の安全を確保することができる。
【００１２】
また、本発明は、圧力値が大きく、流量が大きい場合には、下流側には機器が取り付けられており、ガスを使用中と判別することができ、下流側の安全を確保することができる。
【００１３】
また、本発明は、圧力値が小さく、流量が大きい場合には、下流側では、負荷なしでガスが放出中と判別する構成としたため、遮断弁などに遮断命令を送信することが可能となり、下流側の危険を未然に防止することが可能となる。
【００１４】
また、本発明は、圧力値が大きく、流量が小さい場合、機器を介してガスを極く微量の使用中あるいは漏洩と判別する構成としたため、長時間にわたってこの状態が維持されれば、種火程度の極く微量のガス使用中、あるいは漏洩の可能性ありと表示あるいは報知することが可能なため、下流側の危険性を未然防止することができる。
【００１５】
また、本発明は、圧力値が大きく、流量がゼロの場合、下流側が完全閉止状態と判別する構成としたため、下流側の安全を短時間で確保することができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。
【００１７】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１における流量計９のブロック図を示す。１０は流路１１内に設けられた流量計測手段としての熱線型流量計測部を示す。熱線型流量計測部１０は、流量計測開始手段１２の信号により、流路１１内の発熱体を発熱させ、その温度変化を計測し、その計測結果を信号処理手段１３に出力する。流路内の流速が大きいほど、発熱体で発生した熱はより強く冷却されるため、温度変化が小さくなるという特性から流体の流速を求め、さらに流路１１の断面積、あるいはサンプリング周期などを用い、流量演算手段１４において、流路１１を流れる流体の流量を演算する。通常の場合、低消費電力の観点から、サンプリング周期は数秒から十数秒に設定される。また、１５は流体状態の変化を検出する変化検出手段としての圧力センサを示す。圧力センサ１５の出力信号により、流量計測部を駆動する駆動条件が、条件設定手段１６において設定される。
【００１８】
このような構成において、例えば、図２に示すような流体状態および流量変化が生じた場合、すなわち、図２において、横軸は経過時間を示し、縦軸は圧力１７および流量１８などの特性値の時間変化を示す。なお、図中のＴO は圧力変化が発生した時点を示す。１９は通常時の、数秒から数十秒間隔の計測開始の同期信号を示す。この場合、流量が立上がった時点を検知できないため、大流量のガスが使用開始されても、その時点での流量値を計測できないので、計測値に大きな誤差が発生することになる。また流量を正確に計測できないため、保安上の点からも好ましい状態から逸脱してしまう場合も有り得る。例えば、本発明の場合には、流量（１８）の増大を、圧力センサの出力（１７）を、例えば０．２秒間隔で監視することにすると、流体の状態の変化（圧力）から流量の変化を検出することができるので、その信号に基づき、例えば、流量計計測を、２０で示すように、通常数秒から数十秒間隔で計測を開始していたのを、例えば、１秒間間隔で開始するよう変更することも可能となり、流量計測の精度が向上する。またこの場合には、流量の増加開始時点を、０．２秒の誤差で確実に検出することができるため、例えば、配管の折損などで大流量のガスが放出されても、即座に検出することができるので、保安性能も向上する。
【００１９】
この場合、より消費電力の少ない、圧力センサなどを頻繁に動作させ、より消費電力の大きい熱線型流量計測部を最適回数動作させることにより、低消費電力を実現しつつ、計測精度および保安性能の確保を達成できることになる。例えば、歪みゲージなどで構成される圧力センサであれば、計測に必要な時間を２［ｍｓｅｃ］、計測に必要な電流を１０［μＡ］、計測回数を５［回／ｓｅｃ］と仮定すると、１０年間の動作に必要な電流容量は、約９［ｍＡ・Ｈｒ］となり、通常よく用いられるリチウム電池などであれば、約５０００［ｍＡ・Ｈｒ］の容量があり、充分実現できる容量となる。
【００２０】
（実施例２）
図３は、本発明の実施例２における流量計２１のブロック図を示す。実施例１と異なるところは、圧力センサなどの流体状態変化検出手段の代わりに、流体状態変化発生手段として、給湯機などのガス器具のコック２２を設けた点にある。さらに、駆動条件を設定する条件設定手段１７を、前記コック２２と連動させた点にある。このため、コック２２の開閉と同期して、駆動条件を設定することが可能となる。すなわち、通常の場合、低消費電力の観点から、サンプリング周期は数秒から十数秒に設定し、コック２２が開放された時から、例えば、０．５秒間隔で計測を開始すれば、充分な計量精度が実現できる。また、コック２２の閉止と同期して、通常のサンプリング周期にもどせば、低消費電力を実現しつつ、高精度な流量計測が実現できる。また、コック２２の開閉と同期して流量計測を開始することが可能であるため、例えば、着火時の流量パターンも詳細に計測することが可能となる。このため、大型の給湯機においては、それぞれ固有の着火時の流量パターンを確認することができ、どのような種類の大型給湯機が着火したかを確定することも可能となる。また、このような構成であるため、例えば、ガスボンベなどにガスを充填する場合にも、コックの開放と同期して、短い時間で流量計測を繰返すことが可能となるので、充填量を正確に計測することができる。
【００２１】
（実施例３）
図４は、本発明の実施例３における流量計２３のブロック図を示す。実施例１と異なるところは、熱線型流量計測部１０の代わりに、超音波流量計測部を、上流側の超音波送受信器２４と、下流側の超音波送受信器２５とを設け、送受信を切換える切換手段２６を設けたところにある。この構成において、例えば、計測開始信号が１２から切換手段２６に与えられると、切換手段２６は、上流側の超音波送受信器２４を送信器として動作させ、下流側の送受信器２５に向けて超音波を流路内に送信させる。下流側の送受信器２５は、受信器として動作し、送信された超音波を受信し、上流側から下流側にむけて送信された超音波の伝搬時間を計時する。次に、切換手段２６は、下流側の送受信器２５を送信器として動作させるとともに、上流側の送受信器２を受信器として動作させる。
【００２２】
このようにして、下流側から上流側に向けて送信された超音波の伝搬時間を計時する。これらの計時された超音波の伝搬時間は、信号処理手段１３にあたえられる。また、流量演算手段１４では、それらの時間差から平均流速を、また、サンプリング周期，流路の有効断面積などから流体の流量を演算する。一般に、超音波流量計測は、計量範囲が広く、計測精度が高いが、消費電力が若干高いといわれる。従って、実施例１と同様に、より消費電力の少ない、圧力センサなどを頻繁に動作させ、流体の状態を頻繁に監視し、より消費電力の大きい精度の高い超音波流量計測部を最適回数動作させることにより、低消費電力を実現しつつ、広い計量範囲にわたって、計測精度および保安性能の確保を達成できることになる。
【００２３】
（実施例４）
図５は、本発明の実施例４における計測開始信号の時間変化を示す。実施例１の流量計測開始信号、図２の２０と異なる点は、図５の２６で示すように、圧力センサからの圧力特性値の変化１７と同期し、変化直後は、計測開始信号を密に、時間とともに計測開始信号を疎に出力するように設定するところにある。この構成により、変化直後は、より蜜に流量計測を繰返し、時間とともに疎に流量計測を繰返すことになり、より高精度な流量計測が、より低消費電力で実現することができる。なお、上記説明において計測の時間間隔を時間とともに変化させたが、例えば、圧力センサの特性値１７の変化幅と連動させても良い。また、流量値１８の変化幅と連動させても良い。この場合には、流量計測の頻度は、変化の大きい時には高く、変化の小さい時には小さくなり、非常に合理的になる。したがって、低消費電力で、高精度な流量計測が実現できる。
【００２４】
（実施例５）
図６は、本発明の実施例５における流量計測装置２７を示す。実施例２と異なるところはガス器具などのコック２２に代えて、遮断弁などの弁２８を設け、かつ、下流側の保安を判別する判別手段２９を設けたところにある。なお、弁２８は流量計測部の上流側、あるいは下流側のどちらにあっても良いものである。この構成において、例えば、流量計測部の下流側に設けられた遮断弁などの弁２８が何らかの原因で動作し、遮断したとすると、流量計測部まではガスが供給されているので、圧力センサ１５にはガスの圧力が印加された状態である。この場合、弁２８の下流側の配管端末が閉止状態でないと、弁２８を開放することができない。もし、配管端末が開放状態で弁２８を開けると、ガスが配管端末から自由に放出され非常に危険な状態となる。従って、配管端末がどのような状態にあるかを判別することが、非常に重要になる。この場合、本発明では、弁２８の開放と同時に、圧力センサ１５の出力値および流量演算部１４の出力値を、それぞれ判別手段２９へ与える。判別手段２９では、次のように判別する。
【００２５】
例えば、（１）圧力変化あるいは圧力低下が小さく、圧力値が予め設定された値よりも大きく、かつ、流れる流量値が比較的大きい場合には、配管端末にガス消費量の大きいガス機器、例えば、大型ガス給湯機などの機器が接続され、その機器を介してガスが放出されていると判断できる。従って、この場合には、例えば、大型機器のコックを閉止するよう報知することも可能となる。また、（２）圧力変化あるいは圧力低下が大きく、圧力値が予め設定された値よりも小さく、かつ、流れる流量値が比較的大きい場合には、配管端末が開放状態、例えば、折損などが考えられる。この場合には、大流量のガスが放出危険と報知するか、あるいは、弁２８を急いで閉止するようにすることも可能となる。また、（３）圧力変化あるいは圧力低下が小さく、圧力値が予め設定された値よりも大きく、かつ、流れる流量値が比較的小さい場合には、配管端末にガス消費量の小さいガス機器、例えば、小型ガス給湯機などの機器が接続され、その機器を介してガスが微量、例えば、種火に使用される程度のガスが放出されていると判断できる。
【００２６】
従って、この場合には、ガスが微量放出されていると報知したり、あるいは、漏洩していると報知することも可能となる。また、（４）圧力変化あるいは圧力低下が小さく、圧力値が予め設定された値よりも大きく、かつ、流れる流量値がゼロの場合には、配管端末が閉止状態であると判別することができる。従って、この場合には、弁２８を開放しても、下流側の安全性を確保できたと判断することができる。以上説明した（１），（２），（３）および（４）の場合を図示すると、図７となる。すなわち、同図において、横軸にガス流量を、縦軸にガス圧を示す。図中に記号、（１），（２），（３）および（４）は、それぞれ上記で説明した場合の領域を示す。また、図中の破線は、それぞれの領域の境界を示す。このように、流量と圧力とをモニタすることにより、配管端末の安全を確認することができる。
【００２７】
以上の説明から明らかなように本発明の実施の形態によれば次の効果が得られる。
【００２８】
（１）検出手段の出力に応じ、駆動条件を設定することができるので、例えば、通常計測時は、５秒程度の一定間隔で計測するが、圧力変化などが発生した時は、それと同期し、例えば、１秒あるいはそれ以下の測定間隔で計測することができる。このため、計測精度を劣化させないで、消費電力を低減することができる。
【００２９】
（２）変化発生手段の動作に応じ、計測条件を設定することができるので、例えば、大型給湯機など使用直後の流量を正確に計測することができ、器具の特定が容易となる。また、ガス充填時など、コックの開放と同時に計測開始することができるので、充填量などを正確に計測できる。
【００３０】
（３）流量計測を熱線型流量計で行うので、外部信号と同期して、短時間で流量を、低消費電力で計測することができる。
【００３１】
（４）流量計測を超音波流量計で行うので、外部信号と同期して、短時間で広範囲な流量を、低消費電力で計測することができる。
【００３２】
（５）流体の状態変化直後は、サンプリング周期を短く、時間とともにサンプリング周期を長くして計測するので、過渡状態の流量変化をも、低消費電力で精度よく計測することができる。
【００３３】
（６）圧力センサの出力と、流量計測結果とから、下流側の流路状態を判別することができるので、下流側の流路の安全を確保することができる。
【００３４】
（７）圧力値が大きく、流量が大きい場合、機器を介してガスを使用中と判別することができるので、機器で使用中あるいは、機器バルブ開放などと報知することができ、安全性が向上する。
【００３５】
（８）圧力値が小さく、流量が大きい場合、端末の負荷なしでガス放出中と判別することができるので、下流側のガス配管が折損と判別することができるので、弁を閉止し、安全性を向上することも可能となる。
【００３６】
（９）圧力値が大きく、流量が小さい場合、機器を介してガスを極微量の使用中あるいは漏洩と判別する事ができるので、機器で種火程度の微量ガスを使用中あるいは漏洩と報知することができ安全性が向上する。
【００３７】
（１０）圧力値が大きく、流量がゼロの場合、下流側が完全閉止状態と判別することができ、下流側の安全性を確保，確認することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、計測精度を劣化させないで、消費電力を低減することができる。
【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構成図
【図２】同装置における圧力変化，流量変化を示す特性図
【図３】本発明の実施例２における流量計測装置のブロック構成図
【図４】本発明の実施例３における流量計測装置のブロック構成図
【図５】本発明の実施例４における圧力変化，流量変化を示す特性図
【図６】本発明の実施例５における流量計測装置のブロック構成図
【図７】同装置におけるガス圧とガス流量の関係を説明する特性図
【図８】従来の流量計測装置を示す図
【符号の説明】
１０ 流量計測手段
１５ 変化検出手段
１６ 条件設定手段
１７ 圧力変化
１８ 流量変化
２２ コック
２４、２５ 超音波送受信器
２６ 切換手段
２８ 弁
２９ 判別手段

Claims (10)

1. 流路に設けられ流体流量を計測する流量計測手段と、流路に設けられ流体状態の変化を検出する圧力センサと、前記圧力センサの出力に応じ、前記流量計測手段を駆動する駆動条件を設定する条件設定手段を備え、前記条件設定手段は、前記圧力センサにより流量状態の変化を検知した時に前記流量計測手段のサンプリング周期を変える流量計測装置。
2. 流路に設けられ流体流量を計測する流量計測手段と、流体状態の変化を検出する圧力センサと、前記圧力センサの出力に応じ、前記流量計測手段を駆動する駆動条件を設定する条件設定手段を備え、前記圧力センサのサンプリング周期は通常時の前記流量計測手段のサンプリング周期より短くし、前記条件設定手段は、前記圧力センサにより流量状態の変化を検知した時に前記流量計測装置のサンプリング周期を短い周期に変更する流量計測装置。
3. 条件設定手段は、流体状態の変化直後は前記流量検出手段のサンプリング周期を短くし、時間とともにサンプリング周期を長くする駆動条件を設定する請求項１又は２記載の流量計測装置。
4. 流路に設けられ流体流量を計測する流量計測手段と、流体状態を変化させる変化発生手段と、前記変化発生手段の動作に応じ、前記流量計測手段を駆動する駆動条件を設定する条件設定手段を備え、前記条件設定手段は、流体状態の変化直後は前記流量検出手段のサンプリング周期を短くし、時間とともにサンプリング周期を長くする駆動条件を設定する流量計測装置。
5. 流量計測手段は、流体の流れる流路の上流側と下流側とに超音波を送受信する一対の超音波送受信器を設け、上流側から下流側および下流側から上流側への超音波伝搬時間を計測し、前記時間差から流体の流速を演算し流量を計測する超音波流量計測手段である請求項１から４のいずれか１項に記載の流量計測装置。
6. 流体状態の圧力センサの出力と、流量計測手段の流量計測結果とから、下流側の流路状態を判別する判別手段とからなる請求項１から３のいずれか１項に記載の流量計測装置。
7. 圧力値が大きく、流量が大きい場合、機器を介してガスを使用中と判別する請求項６記載の流量計測装置。
8. 圧力値が小さく、流量が大きい場合、端末の負荷なしでガス放出中と判別する請求項６記載の流量計測装置。
9. 圧力値が大きく、流量が小さい場合、機器を介してガスを極微量の使用中あるいは漏洩と判別する請求項６記載の流量計測装置。
10. 圧力値が大きく、流量がゼロの場合、下流側が完全閉止状態と判別する請求項６記載の流量計測装置。

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