JP4178907B2

JP4178907B2 - 流量計

Info

Publication number: JP4178907B2
Application number: JP2002309331A
Authority: JP
Inventors: 基之名和; 茂岩永
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: JP2004144592A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、開閉弁の開閉動作と連携して、開口部を通過する流速値を測定し、流量を計測する流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、駆動部分を利用した流量計として特許文献１に記載されている。以下、その構成について図１により説明する。図１において、１は流入口、２は流出口である。３は第１の開閉手段、４は第１の計測手段である。５は第２の開閉手段、６は第２の計測手段である。この様な構成において、例えば流量が少ないときには第２の開閉手段を閉じ、第１の開閉手段のみを開放し、第１の計測手段で流量を計測する。流量が多いときには第１、第２の両開閉手段を開放し、第１と第２の計測手段で流量を計測する。全体の流量はこれらの流量の和で計算される。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−３２０５４５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この様に上記従来のものでは、流量に応じて別の流路を用いて計測する必要があるため、複数の開閉手段が必要とされていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の流量計は、弁体と、前記弁体の駆動部と、前記駆動部の制御部と、前記弁体に対向して配置された弁座と、前記弁体と前記弁座間に設けられた複数の流速兼距離計測部と、前記流速兼距離計測部からの信号により前記弁体と前記弁座間の通過流量を算出する演算部とを有し、前記流速兼距離計測部は、前記弁体に設けられた第１の超音波振動子群と前記弁座に設けられた第２の超音波振動子群よりなるとともに、前記第１の超音波振動子群と前記第２の超音波振動子群の計測動作を制御する計測制御部とを備えたものである。
【０００６】
本発明によれば、複数の流速計測信号と距離計測信号とにより、ひとつの弁部のみで広い範囲の流量を計測することができる。また、流速計測と距離計測を同一のセンサーで行う構成とすることにより、シンプルな構成で精度の良い計測を行うことが出来る。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１にかかる流量計は、弁体と、前記弁体の駆動部と、前記駆動部の制御部と、前記弁体に対向して配置された弁座と、前記弁体と前記弁座間に設けられた複数の流速兼距離計測部と、前記流速兼距離計測部からの信号により前記弁体と前記弁座間の通過流量を算出する演算部とを有し、前記流速兼距離計測部は、前記弁体に設けられた第１の超音波振動子群と前記弁座に設けられた第２の超音波振動子群よりなるとともに、前記第１の超音波振動子群と前記第２の超音波振動子群の計測動作を制御する計測制御部とを備えたものである。そして、複数の流速計測信号と距離計測信号とにより、ひとつの弁部のみで広い範囲の流量を計測することができる。また、流速計測と距離計測を同一のセンサーで行う構成とすることにより、シンプルな構成で精度の良い計測を行うことができ、流速兼距離計測部を超音波振動子群で形成したため、形成したため、光学系で構成する場合と比較して信頼性の高い計測を行形成したため、光学系で構成する場合と比較して信頼性の高い計測を行うことができる。
【０００８】
本発明の請求項２にかかる流量計は、計測制御部が、第１の超音波振動子群と、第２の超音波振動子群とに連結された複数の処理部に対して同期して制御する構成を有する。そして、複数の流速計測部の計測を同時に行なうため、測定精度を向上することができる。
【０００９】
本発明の請求項３にかかる流量計は、計測制御部が、第１の超音波振動子群と、第２の超音波振動子群とに連結された複数の処理部に対してシーケンシャルに制御する構成を有する。そして、流速計測切換命令を用いる構成としたため、計測を行なうにあたり、発生するノイズが回路間で干渉するというような現象が生じにくい流量計を構成することができる。
【００１０】
本発明の請求項４にかかる流量計は、計測制御部が、第１の超音波振動子群と、第２の超音波振動子群とに連結された１個の処理部に対して制御する構成を有する。そして、ひとつの計測処理部を計測制御部にて切換える構成としたため、シンプルな流量計を構成することができる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１２】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における流量計の外装を含む外観図、図２は流量計の外装を含む断面図、図３は流量計における計測系の構成を示す図、図４は図３のＡ１−Ａ２断面図、図５は同流量計の動作図、図６は流量計測動作のフローチャート、図７は流量計測範囲を示すグラフである。
【００１３】
図１において、５はケーシング、５ａは流入部、５ｂは流出部である。図２において、６ａは計測構成部、６ｂは駆動構成部である。図３において、７は外形が軸対称に形成された弁体、８は外形が軸対称に形成された弁座である。９は弁体７を駆動するための駆動部である。１０ａは駆動部９の駆動軸であり、１０ｂは弁体７に設けられたスリーブである。スリーブ１０ｂは、駆動軸１０ａの回転に際し、弁体７が上下方向にスライドするような構成となっている。１１は制御部であり、駆動部９に対して信号線１２を介して駆動信号が送られる。
【００１４】
また、１３は弁体７と弁座８の間隙にて円環状に形成された流れの入口部であり、１３は弁体７と弁座８の間隙にて円環状に形成された流れの入口部であり、１４は円形状の出口部である。１５は弁体７に設けられた円環状の平坦部であり、１６は円環状の平坦部１５に続く円環状の傾斜部である。また、１７は弁座８に設けられた円環状の平坦部であり、１８は円環状の平坦部１７に続く円環状の傾斜部である。
【００１５】
また、１９ａは弁体７の円環状の傾斜部１６に設けられた第１の窪み部であり、２０ａは第１の窪み部１９に配置された第１の超音波振動子である。２１ａは弁座８の円環状の傾斜部１８に設けられた第２の窪み部であり、２２ａは第２の窪み部２１ａに配置された第２の超音波振動子である。２３ａは流速検出部である。第１の超音波振動子２０ａ、第２の超音波振動子２２ａ、および流速検出部２３ａにより流速計測部２４ａが形成されている。
【００１６】
そして、１９ｅは弁体７の円環状の傾斜部１６に設けられた第１の窪み部であり、２０ｅは第１の窪み部１９ｅに配置された第１の超音波振動子である。２１ｅは弁座８の円環状の傾斜部１８に設けられた第２の窪み部であり、２２ｅは第２の窪み部２１ｅに配置された第２の超音波振動子である。２３ｅは流速検出部である。第１の超音波振動子２０ｅ、第２の超音波振動子２２ｅ、および流速検出部２３ｅにより流速計測部２４ｅが形成されている。
【００１７】
図４は図３におけるA１−A２断面を示したものである。この場合、超音波振動子２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｅ、・・・、２０ｈにより第１の超音波振動子群２０が構成されている。また、図３に一部図示したように、これと対向するように配置された、超音波振動子２１ａ、２１ｂ、・・・、２１ｅ、・・・、２１ｈにより第２の超音波振動子群２１が形成されている。また、図４には図示していないが、第一の超音波振動子群２０と、第二の超音波振動子群２１との間には流速検出部２３ａ、２３ｂ、・・・、２３ｅ、・・・、２３ｈがあり、流速検出部群２３が形成されている。また、第一の超音波振動子群２０と第二の超音波振動子群２１、および流速検出部群２３により、流速計測部群２４（２４ａ、２４ｂ、・・・、２４ｅ、・・・、２４ｈ）が形成されている。
【００１８】
２５ａは信号処理部であり、信号線２６ａを介して第１の超音波振動子２０ａからの信号が入力され、信号線２７ａを介して第２の超音波振動子２２ａからの信号が入力される。２５ｅは信号処理部であり、信号線２６ｅを介して第１の超音波振動子２０ｅからの信号が入力され、信号線２７ｅを介して第２の超音波振動子２２ｅからの信号が入力される。
【００１９】
上述のように一部しか図示されていないが、信号処理部２５ａ、２５ｂ、・・・、２５ｅ、・・・、２５ｈは、信号処理部群２５を構成している。また、信号線２６ａ、２６ｂ、・・・、２６ｅ、・・・、２６ｈは、信号線群２６を構成し、信号線２７ａ、２７ｂ、・・・、２７ｅ、・・・、２７ｈは、信号線群２７を構成している。
【００２０】
これら第一の超音波振動子群２０と第二の超音波振動子群２１とは、同時に距離計測部群としても機能する。その機能を発現させる処理は信号処理部群２５に備えられており、信号処理部群２５に、流速計測機能を発現させるか、距離計測機能を発現させるかは、計測制御部３３により信号線３４を介して行われる。また、３６は演算部であり、計測制御部３３に上記の指令を発する。この指令は信号線３７を介して行われる。また、３９は演算部３６と制御部１１とを接続する信号線である。
【００２１】
図６において、４０は開始命令、４１は距離計測命令、４２は流速計測命令、４３は流速算出命令、４４は流量算出命令である。４５は切換流量域の判断命令、４６は弁体移動命令、４７はインターバル設定命令である。流量算出命令４４における算出流量が切換流量域内であればＹＥＳの側に分岐され、切換流量域外であればＮｏの側に分岐される。
【００２２】
次に動作、作用について説明する。図１において、流入部５ａより流入した流れは、流出部５ｂより流出する。内部構造は図２に示されており、流入部５ａより流入した流れは計測構成部６ａを通過して、流出部５ｂより流出する。図３には、計測構成部６ａについての詳細が示されており、入口部１３より流入した流れは流速検知部２３を通過して出口部１４より流出する。
【００２３】
弁体７と弁座８の間を流れる流体の流速計測は、第１の超音波振動子群２０と第２の超音波振動子群２２間の伝達時間差を利用した公知の方法で行われる。第１の超音波振動子群２０と第２の超音波振動子群２２に対する送受信指示は処理部群２５とこれら振動子間において、信号線群２６、および信号線群２７を介して行われる。
【００２４】
弁体７と弁座８の距離計測は、第１の超音波振動子群２０から発した超音波が第２の超音波振動子群で反射して帰ってくるまでの時間計測により行われる。第１の超音波振動子群２０に対する送受信指示は演算部３６の指示に基づき、計測制御部３３を介して、処理部群２５により行われる。この場合、第１の窪み部１９ａ、１９ｂ、・・・、１９ｅ、・・・、１９ｈ、第２の窪み部２１ａ、２１ｂ、・・・、２１ｅ、・・・、２１ｈの無効距離は演算部３６で差引かれ、有効距離ｄｉｉが算出される様になっている。なお、超音波の伝播による時間計測は流速の影響を受けるが、反射により順逆両方の影響を受けるため、結果的には相殺される。従って、流速の影響は考慮する必要がない。
【００２５】
このようにして得られた流速に関する処理結果と、距離に関する処理結果はいずれも信号線３７を介して、演算部３６に送られる。演算部３６ではこれらの信号を基に、下記の演算式に基づき流量を算出する。
【００２６】
ｎ
Ｑ＝ΣQｉ（１）
ｉ＝１
ここで、Ｑは全流量、Qｉは図４に例示したように、全円環状領域に対して、流速計測部がそれぞれの領域に含まれる様に分割した場合の各分割領域における部分流量である。また、ｎはその分割数である。
【００２７】
全円環状領域がｎ等分されている場合、部分流量Qｉは下式により算出される。
【００２８】
Ｑｉ＝（２πｒ）ｘ（１／ｎ）ｘ（ｄｉ）ｘ（Ｖｉ）（２）
ここで、ｒは図３に示すように、流速検出部群２３中心部の弁体７の中心軸ｍからの距離、Ｖｉは分割領域ｉにおける流速、ｄｉは同領域における弁体７と弁座８間の距離である。
【００２９】
なお、この距離ｄｉは、先に求めた距離ｄｉｉを用いて下記の式にて換算される。
【００３０】
ｄｉ＝（ｄｉｉ）ｃｏｓθ （３）
ここで、θは円環状の平坦部１５と円環状の傾斜部１６のなす角である。
【００３１】
次に図６により演算部３６の内容を説明する。いま、弁体７が所定位置のときに、流体が入口部１３より流入したとすると、演算部３６では図６のフローチャートに従って、プログラムが始動する。図６において開始命令４０によりプログラムが開始する。距離計測命令４１に基づいて、弁体７と弁座８間の距離ｄｉｉが同時に計測される。この実施例の場合、分割数ｎは８であり、ｄｉｉとして、ｄ１１、ｄ２２、・・・、ｄ８８が求められる。
【００３２】
次に流速計測命令４２により、流速計測が行なわれる。その後、流速算出命令４３に基づいて、流速検出部２３ａ、２３ｂ・・・２３ｈでの流速Ｖｉが同時に計測される。これらの流速をV１、V２・・・V８とする。この様にして求めた距離ｄｉｉと流速Vｉを用いて、式（１）〜（３）に基づき、流量算出命令４４により流量が算出される。
【００３３】
流量計測精度をより良くする場合には、最小二乗法等の近似手段を用いて、V１、V２・・・V８の値から全周にわたる流速近似曲線を求め、この曲線より，あらためて各分割領域における流速Vｉを求める。また、距離計測精度をより良くする場合には、最小二乗法等の近似手段を用いて、ｄ１１、ｄ２２・・・ｄ８８の値から全周にわたる距離近似曲線を求め、この曲線より，あらためて各分割領域における距離ｄｉを求める。また、流量計測精度が比較的粗くても良い場合は下記の式にて平均流速Ｖａｖｅ，平均距離ｄａｖｅを求めて流量を算出すると良い。
【００３４】
Vａｖｅ＝（１／８）ｘ（V１＋V２＋・・・＋V８）（４）
ｄａｖｅ＝（１／８）ｘ（ｄ１１＋ｄ２２＋・・・＋ｄ８８）（５）
もちろん、流速を最小二乗法で定め、距離としてｄａｖｅを用いても良いし、
逆に距離を最小二乗法で定め、流速としてVａｖｅを用いても良い。
【００３５】
また、距離計測命令４１の実施により、弁体７と弁座８間の距離が特定されるが、これにより現在設定されている弁体７の位置が図７における抵抗曲線（ａ）もしくは（ｂ）（設定が２種類の場合）のいずれであるかが判定される。いま、設定が（ａ）（ｄ＝ｄα）にされているとする。また、これらの抵抗曲線（ａ）における計測流領域をＱ＞ｑa、抵抗曲線（ｂ）における計測流領域をＱ＜ｑｂとする。計測流量域判断命令４５では、この流量が、その抵抗曲線における計測流量域内かどうかが判定される。
【００３６】
いま、算出された流量が計測流量域内（この場合にはＱ＞ｑa）であれば、計測流量域判断命令４５はＹｅｓの側に分岐され、インターバル設定命令４７により指定された経過時間の後、再度距離計測命令４１以下のフローを継続する。算出された流量が計測流量域外（この場合にはＱ＜ｑａ）であれば、計測流量域判断命令４５はＮｏの側に分岐され、弁体移動命令４６により、予め設定された量だけ、弁体７を下方に移動する。
【００３７】
図５はこの様にして弁体７が図３の状態から移動し、弁体７と弁座８間の距離ｄが小さくなった（ｄ＝ｄβ＜ｄα）状態を示している。この場合、図７における抵抗曲線は（ｂ）の側に移行する。その後、図６に示したフローに基づき、上に示したのと同様の流量計測動作が実施される。このとき計測流量域かどうかはＱ＝ｑｂを基準にして判定され、Ｑ＞ｑｂのとき計測流量域外、Ｑ＜ｑｂのとき計測流量域内と判定される。
【００３８】
次に、流量計測範囲と計測精度について説明する。いま、弁体７と弁座８間の距離が比較的小さい値で一定（例えばｄ＝ｄβ）であるとする。流量計に対して圧力損失が例えばＰｍａｘにて規制されているとき、最大計測流量はＱ２である。しかしながら、弁体７と弁座８間の距離を変化（例えばｄ＝ｄα）することにより、最大計測流量はＱ１（Ｑ２＜Ｑ１）に拡大することができる。
【００３９】
また、弁体７と弁座８間の距離が比較的大きい値で一定（例えばｄ＝ｄα）であるとすると、流量が小さくなった場合に計測部の流速が小さいため、流速計測の精度が悪くなる。しかしながら、弁体７と弁座８間の距離を変化（例えばｄ＝ｄβ）することにより、計測部の流速を大きくして計測精度を向上させることができる。
【００４０】
以上説明した様に、本発明によれば、弁体と、前記弁体の駆動部と、前記駆動部の制御部と、前記弁体に対向して配置された弁座と、前記弁体と前記弁座間に設けられた複数の流速兼距離計測部と、前記流速兼距離計測部からの信号により前記弁体と前記弁座間の通過流量を算出する演算部とを有する構成としたため、ひとつの弁部のみで広い範囲の流量を計測することができる。特に、流速兼距離計測部群と弁体、弁座とを一体構成とすることにより、コンパクトでシンプルな流量計を構成することができる。また、流量計測にあたり、複数の領域を同時に計測する構成とすることにより、精度の良い計測を行うことが出来る。
【００４１】
（実施例２）
図８は本発明の実施例２における流量計演算部のフローチャートである。４８ａは距離計測切換え命令、４８ｂは距離算出命令である。また、４８ｃは流速計測切換え命令である。本実施例２において、上記以外の構成は実施例１と同様であるため、番号は実施例１と同じものを用い、説明は省略する。
【００４２】
次に動作、作用を説明する。図８において開始命令４０によりプログラムが開始する。距離計測切換命令４８ａに基づいて、処理部群２５の切換えを計測制御部３３で行うことにより、弁体７と弁座８間の距離ｄ１、ｄ２・・・ｄ８が順次計測される。これらの値を用いて、距離算出命令４８ｂにより、距離ｄｉが求められる。
【００４３】
次に流速計測切換命令４８ｃに基づいて、処理部群２５の切換えを計測制御部３３で行うことにより、弁体７と弁座８間の流速V１、V２・・・V８が順次計測される。これらの値を用いて、流速算出命令４３により、流速Vｉが求められる。その後、式（１）〜（３）に基づき、流量算出命令４４により流量が算出される。流量計測動作は実施例１で示したものと同様のプロセスにて実施される。
【００４４】
以上に示したように、計測制御部が、第１の超音波振動子群と、第２の超音波振動子群とに連結された複数の処理部に対してシーケンシャルに制御する構成を有し、流速計測切換命令を用いる構成としたため、計測を行なうにあたり、発生するノイズが回路間で干渉するというような現象が生じにくい流量計を構成することができる。
【００４５】
（実施例３）
図９は本発明の実施例３における流量計の構成図である。４９は信号処理部であり、信号線２６ａ・・・２６ｅを介して第１の超音波振動子群２０からの信号が入力され、信号線２７ａ・・・２７ｅを介して第２の超音波振動子群２１からの信号が入力される。この場合、第一、および第二の超音波振動子群２０，２１からの信号は、ひとつの信号処理部４９にて処理される。また、５０は計測制御部であり、信号線５１を介して、信号処理部４９に接続されている。また、信号線５２を介して、演算部３６に接続されている。
【００４６】
図１０は本発明の実施例３における流量計演算部のフローチャートである。５３ａは距離計測切換え命令、５３ｂは距離算出命令である。また、５３ｃは流速計測切換え命令である。本実施例３において、上記以外の構成は実施例１と同様であるため、番号は実施例１と同じものを用い、説明は省略する。
【００４７】
次に動作、作用を説明する。図１０において開始命令４０によりプログラムが開始する。距離計測切換命令５３ａに基づいて、第一および第二の超音波振動子群２０、２１の切換えを計測制御部４９で行うことにより、弁体７と弁座８間の距離ｄ１、ｄ２・・・ｄ８が順次計測される。これらの値を用いて、距離算出命令５３ｂにより、距離ｄｉが求められる。
【００４８】
次に流速計測切換命令５３ｃに基づいて、再び、第一および第二の超音波振動子群２０、２１の切換えを計測制御部４９で行うことにより、弁体７と弁座８間の流速V１、V２・・・V８が順次計測される。これらの値を用いて、流速算出命令４３により、流速Vｉが求められる。その後、式（１）〜（３）に基づき、流量算出命令４４により流量が算出される。流量算出動作以降は実施例１で示したものと同様のプロセスにて実施される。以上に示したように、複数の超音波振動子群に対して、ひとつの計測処理部を計測制御部にて切換える構成としたため、シンプルな流量計を構成することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、流速兼距離計測部群と弁体、弁座とを一体構成とすることにより、コンパクトかつシンプルな構成で、広範囲の計測が可能な流量計を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における流量計の外装を含む外観斜視図
【図２】同流量計の外装を含む断面図
【図３】同流量計の計測系を示す構成図
【図４】図３におけるＡ１−Ａ２線断面図
【図５】同流量計の動作を説明する断面図
【図６】同流量計の演算部のフローチャート
【図７】流量計の圧力と流量の関係を示す特性図
【図８】本発明の実施例２における流量計の演算部のフローチャート
【図９】本発明の実施例３における流量計の構成図
【図１０】同流量計の演算部のフローチャート
【図１１】従来の流量計を示す構成図
【符号の説明】
７弁体
８弁座
９駆動部
１１制御部
２４流速兼距離計測部
３６演算部

Claims

弁体と、前記弁体の駆動部と、前記駆動部の制御部と、前記弁体に対向して配置された弁座と、前記弁体と前記弁座間に設けられた複数の流速兼距離計測部と、前記流速兼距離計測部からの信号により前記弁体と前記弁座間の通過流量を算出する演算部とを備えた流量計において、
前記流速兼距離計測部は、前記弁体に設けられた第１の超音波振動子群と前記弁座に設けられた第２の超音波振動子群よりなるとともに、前記第１の超音波振動子群と前記第２の超音波振動子群の計測動作を制御する計測制御部とを備えた流量計。
計測制御部が、第１の超音波振動子群と、第２の超音波振動子群とに連結された複数の処理部に対して同期して制御する請求項１記載の流量計。
計測制御部が、第１の超音波振動子群と、第２の超音波振動子群とに連結された複数の処理部に対してシーケンシャルに制御する請求項１記載の流量計。
計測制御部が、第１の超音波振動子群と、第２の超音波振動子群とに連結された１個の処理部に対して制御する請求項１記載の流量計。