JP4266489B2 - 超音波ガスメータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体が流通する流体流路の上流側と下流側に所定距離だけ離間させて配置した、超音波を発振する送波器と送波器からの超音波を受信する受波器からなる超音波検出器の一対を、前記流体の流れ方向に関して相対配置関係を逆にして近接配置すると共に、音響伝播検出手段を設けて、前記超音波検出器の一方で検出する、流れに沿った方向に超音波が伝播する順方向伝播時間と、前記超音波検出器の他方で検出する、流れに逆らった方向に超音波が伝播する逆方向伝播時間とを求めるように構成し、前記両伝播時間の関係に基づき前記流体の流速を演算導出する流速演算手段を設けて、前記音響伝播検出手段による前記両伝播時間の検出と、前記流速演算手段による流速の演算導出とによる瞬時流速測定を、離散的に所定時間内に所定回数行うように構成してある超音波ガスメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波ガスメータにおいては、流体が流通する流体流路の上流側と下流側に所定距離だけ離間させて配置した、超音波を発振する送波器と送波器からの超音波を受信する受波器からなる超音波検出器を、前記流体の流れ方向に関して相対配置関係を逆にして一対近接配置すると共に、音響伝播検出手段を設け、前記超音波検出器の一方で検出検出する流れに沿った方向に超音波が伝播する順方向伝播時間と、前記超音波検出器の他方で検出する超音波が流れに逆らう方向に伝播する逆方向伝播時間とを求めるように前記音響伝播検出手段を構成し、前記両伝播時間の関係に基づいて、前記流体の流速を演算導出する流速演算手段を設けて、前記音響伝播検出手段による前記両伝播時間の検出と、前記流速演算手段による流速の演算導出とによる瞬時流速測定を、離散的に所定時間内に所定回数行うように構成してある。
【０００３】
一方、法の規定もあり、ガスメータは、安全上の理由から、瞬間的な過大流量を検知してガスを遮断する過流量探知及び遮断機能や、一定期間（通常３０日間程度）のガスの連続的な漏洩の有無を検知して警報を発する漏洩監視機能など数種の安全機能を持つように構成されている。そして、このような安全機能を働かせるかどうかの判断対象流量として、従来、積算流量をそのまま採用している。
【０００４】
また、上記構成の超音波ガスメータにおいては、送波器から発信された超音波を受波器で受信した後、その発振した超音波の残響が減衰するまで、或いはその残響がガス流と共に下流側に送り出されるまでの間は、次に送波器から超音波を発振して受波器で受信すると、受波器では送波器から発振された超音波と共に残響も受信することになる。このために、音響伝播検出手段で順方向伝播時間及び逆方向伝播時間を求める間にもその残響の残存する時間（以下残響時間と称する。）以上の時間間隔を必要とする。これは、流速演算手段に両伝播時間を入力した後にもこの残響時間以上の時間間隔が必要であることを意味している。従って、サンプリング間隔は、少なくとも、順方向及び逆方向の超音波を検出するに要する両検出時間と、前記両残響時間以上の超音波検出を行わない両禁制時間との合計時間よりも大きくなければならない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の離散的に測定される瞬時流量から所定時間内に於ける積算流量を導出する超音波ガスメータにおいては、離散的な瞬時流量測定を、予め定めた一定のサンプリング間隔で行っているために、このようなガスメータにあっては、被測定流体であるガスの脈動等により瞬時流量にゆらぎが発生する。このゆらぎの原因となると考えられる脈動は、通常ほぼ定周期のものであることを発明者等は知見している。
【０００６】
上述のゆらぎは、前記サンプリング間隔が前記脈動の周期或いはその倍周期に一致しない場合に生ずるものと考えられる。ところで、サンプリング間隔が前記周期或いは倍周期に極めて近い場合には、サンプリング時の前記脈動における位相が僅かずつ変化することで、極めて長周期のゆらぎとして観測されるようになり、極端な場合で、サンプリング間隔が前記周期或いは倍周期に一致した場合には、測定する瞬時流量は、その測定時の脈動の位相に応じた音速の誤差を含んだものとして測定されることになる。従って、その離散的に測定した瞬時流量を積算した積算流量も、その音速の誤差に対応する流量誤差を同時に積算したものとなる。例えばサンプリング間隔が脈動の周期の倍数に一致した場合には、例えば図４に示すように、サンプリングの都度、ほぼ同一の誤差が実流量に重なって測定される結果、測定した積算流量Ｑsum が時間と共に実際の積算流量から離れていくことになる。このサンプリング間隔が脈動の周期の倍数とごく僅か異なる場合には、図示を省略するが、上述のゆらぎが観測されることになり、長時間に亘って誤差が正負の一方向に偏ることになり、測定した積算流量Ｑsum が含む誤差が積算時間内には相殺されなくなる。
【０００７】
そこで、本発明に係る超音波ガスメータの目的は、上記ガス流に重畳する脈動に起因する積算流量の誤差を極力小さくする手段を提供する点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
〔本発明の特徴構成〕
本発明に係る超音波ガスメータは、サンプリング間隔を順方向及び逆方向の超音波の両者を検出する都度異ならせて、ガスの脈動に起因する瞬時流量のゆらぎ、或いは脈動の位相に対応する瞬時流量の誤差を積算しないようにする点に特徴を有するものであり、夫々に以下のような特徴を備えるものである。
【００１０】
請求項１に記載の本発明に係る超音波ガスメータの第１特徴構成は、音響伝播検出手段で両伝播時間の検出に要する時間を含む禁制時間と、その禁制時間を経過した後から次に前記音響伝播検出手段で前記伝播時間を検出するまでの設定待ち時間とで定まる瞬時流量測定の時間間隔を、所定の条件で設定時間間隔として設定するサンプリング間隔設定手段を設けて、前記サンプリング間隔設定手段を、毎回の前記瞬時流量測定（以下、サンプリングと称する。）に対して、前記設定待ち時間を所定の時間幅の範囲内で異ならせて設定するように構成してある点にある。つまり、設定待ち時間を変化させ、同一周期でサンプリングすることを避けるのである。但し、連続する極少数の微少流量測定に関して、その設定待ち時間が一致し、或いは、長時間の間に、同一時間間隔の設定待ち時間が現れることは許容する。
【００１１】
なお、上記第１特徴構成における禁制時間は、音響伝播検出手段で伝播時間の検出に要する検出時間と、その検出時間の後の予め設定された非検出時間とを含むものである。
【００１２】
請求項２に記載の本発明に係る超音波ガスメータの第２特徴構成は、上記第１特徴構成におけるサンプリング間隔設定手段に有限長さの数列を乱数表として記憶する乱数表記憶部と、その乱数表から乱数を読み取る乱数読み取り部とを設けて、前記設定待ち時間を、前記乱数読み取り部で前記乱数表記憶部から読み取った乱数に基づき設定する点にある。
【００１３】
請求項３に記載の本発明に係る超音波ガスメータの第３特徴構成は、上記第２特徴構成における乱数表記憶部に記憶する乱数表を、前記所定時間内に読み取る乱数の合計がほぼ一定になるように構成してある点にある。つまり、特定に時間長さの中で、サンプリングの平均間隔がほぼ一定になるように構成してあるのである。
【００１４】
請求項４に記載の本発明に係る超音波ガスメータの第４特徴構成は、上記第２特徴構成又は第３特徴構成における乱数表記憶部を、記憶する乱数列の長さが乱数の和の整数比とは異なるように構成してある点にある。つまり、各サンプリング周期毎に、その乱数表から読み出される乱数列が同一にならないように構成してあるのである。
【００１５】
請求項５に記載の本発明に係る超音波ガスメータの第５特徴構成は、上記第２〜第４の何れかの特徴構成におけるサンプリング間隔設定手段を、所定回数の禁制時間を合計した合計禁制時間を求め、所定時間から前記合計禁制時間を減じた値を前記所定回数で除して平均待ち時間を求め、乱数表記憶部から読み取った一桁の乱数を４．５で除した値に前記平均待ち時間を乗じて設定待ち時間とするように構成してある点にある。つまり、読み取る一桁の乱数の前記所定時間内の平均値を１とするように、０〜９の平均値で除して、乱数を０〜２に標準化するのである。
【００１６】
請求項６に記載の本発明に係る超音波ガスメータの第６特徴構成は、上記第２〜第５の何れかの特徴構成におけるサンプリング間隔設定手段において、サンプリング周期が、電源周波数の周期の整数倍とは異なるように構成してある点にある。
【００１７】
〔特徴構成の作用及び効果〕
上記本発明に係る超音波ガスメータによれば、サンプリング間隔がサンプリングの都度一定でないから、ガスの脈動に対しても傾向的な誤差を瞬時流量の測定値にもたらすことがなく、積算流量に対しては瞬時流量の誤差を平均化できて誤差をゼロに近付けることが可能であり、夫々に、以下のような独特の作用効果を奏する。
【００１８】
上記本発明に係る超音波ガスメータの第１特徴構成によれば、瞬時流量に周期的な誤差をもたらさないから、その瞬時流量を積算した積算流量の誤差を小さくできる。つまり、例えばガスの脈動があっても、サンプリングの都度その脈動の位相が不特定に異なる時点でサンプリングするようになり、その脈動に起因する誤差を瞬時流量が含んでいても、少なくともその脈動に起因する瞬時流量の正負の誤差の積算値は大きくならない。この点は、ほぼ周期的な他の原因による誤差を含んで瞬時流量を測定している場合にも同様である。また、サンプリング間隔の中で禁制時間を除く設定待ち時間を変化させるから、前回に微少流量測定の影響が次回の微少流量測定に及ぼされることがない。尚、連続する極少数の微少流量測定に関して、その設定待ち時間が一致し、或いは、長時間の間に、同一時間間隔の設定待ち時間が現れることを許容しても、上述の作用を阻害するものではない。これは、多数回の微少流量測定において、極一部のサンプリング間隔が一致したとしても、前記脈動に起因する誤差の正負量は積算により相殺されるからである。
【００１９】
また、上記第１特徴構成では、禁制時間を、音響伝播検出手段で両伝播時間の検出に要する検出時間と、その検出時間の後の予め設定された非検出時間とを含むようにしてあるから、前記禁制時間の経過直後から設定待ち時間の最大時間までの変化を与え、サンプリング間隔を大幅に変化させることができ、瞬時流量への正負の誤差をさらに不特定にし、瞬時流量の誤差を不規則化して積算誤差をさらにゼロに近付けるのである。尚、禁制時間に含まれる非検出時間は、超音波の送受信の後の残響を検出することを避けるための時間や、ＣＰＵの演算時間等を考慮して設定する。
【００２０】
上記本発明に係る超音波ガスメータの第２特徴構成によれば、上記第１特徴構成の作用効果を奏すると同時に、サンプリング間隔設定のための計算負荷を極力低減でき、従って、電力消費も節減できる。つまり、設定待ち時間を乱数化することで、瞬時流量の正負の誤差を無作為か出来るから、その積算値をさらにゼロに近付けることが出来るのである。さらに、有限長さの数列を乱数表として記憶する乱数表記憶部から乱数を読み取るだけの演算であるから、ガスメータに備えるＣＰＵの演算負荷は小さくなる。尚、ここでは、乱数読み取り部による一回の乱数読み出しの桁数は特に規定しない。毎回一定の桁数で読み出せばよいのである。
【００２１】
上記本発明に係る超音波ガスメータの第３特徴構成によれば、上記第２特徴構成の作用効果を奏する中で、サンプリングの平均間隔をほぼ一定にすることで、サンプリング間隔を大きく変化させてありながら、各積算時間毎にサンプリング回数を一定にできるのである。
【００２２】
上記本発明に係る超音波ガスメータの第４特徴構成によれば、上記第２特徴構成又は第３特徴構成の作用効果を一層向上させる。つまり、一度乱数表の全長に亘って読み出した後にも、各サンプリング周期毎に、読み出される乱数列が同一にならないように構成してあるから、短い乱数列であっても、十分の長さを有する乱数表から乱数を読み出すと同様の効果をもたらすのである。従って、ガスメータの限られた演算領域中に大きな領域を占めることを防止でき、しかも、演算負荷の大きい乱数発生関数を処理しないから、電力消費も節減できる。
【００２３】
上記本発明に係る超音波ガスメータの第５特徴構成によれば、上記第２〜第４の何れかの特徴構成の作用効果を一層向上させる。つまり、設定待ち時間を、０〜９の整数の比にランダムに分散させることで簡単な演算でＣＰＵに負担をかけることなく、効果的にサンプリング間隔を不規則化出来、さらに、前記設定待ち時間を含むサンプリング間隔の平均を所定時間内に所定回数行う瞬時流量測定の平均時間間隔に一致させることが出来る。
【００２４】
上記本発明に係る超音波ガスメータの第６特徴構成によれば、上記第２〜第５の何れかの特徴構成の作用効果を奏する中で、電源に起因する脈動ノイズとの共振を防止でき、電源ノイズを抑制できるのである。
【００２５】
その結果、瞬時流量に、周期的ノイズに基づく誤差が含まれも、積算流量にはその影響を極めて小さくすることができるようになる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
上記本発明の超音波ガスメータの実施の形態の一例について、以下に、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
図１に示すように、ガスメータ１は、流体が流通する流体流路の上流側と下流側に所定距離だけ離間させて配置した、超音波を発振する送波器５ａと送波器５ａからの超音波を受信する受波器５ｂからなる超音波検出器５を、前記流体の流れ方向に関して方向を逆にして一対を近接配置して構成した音響伝播検出手段８をデータ処理系６に設けてある。この音響伝播検出手段８は、一方の超音波検出器５で検出した、超音波が流れに沿った方向に伝播する順方向伝播時間と、他方の超音波検出器５で検出した、超音波が流れに逆らった方向に伝播する逆方向伝播時間とを求めるように構成してあり、前記両伝播時間の関係に基づいて、前記流体の流速を演算導出する流速演算手段９を前記データ処理系６に設けてある。そして、これら各手段を備える瞬時流量測定手段７では、前記音響伝播検出手段８による前記両伝播時間の検出結果と、前記流速演算手段９による流速の演算導出結果とに基づいて、所定時間内に所定回数の瞬時流量測定を離散的に行うように構成してある。即ち、ガスメータ１は、前述の測定管２と、この測定管２に配置された超音波検出器５が接続される前記データ処理系６とを備えており、コンピュータを用いて構成されるデータ処理系６には、この瞬時流量測定手段７の他、前述の超音波検出器５からの情報を処理する様々な手段が格納されている。
【００２８】
測定管２においては、測定対象のガスｆは、導入部３から測定管２内に流入し、導出部４より排出される。同図において、測定管２内でのガスｆの流れ方向は、大矢印で示すように、図上、左から右である。左側を流側、右側を下流側とする。この測定管２には、この測定管２に対して所定の方向に位置づけて設けられる一対の超音波検出器５が備えられている。これら前記超音波検出器５の離間距離Ｌは等しく一定とする。
【００２９】
前記超音波検出器５は、超音波の送波器５ａと受波器５ｂとを夫々に備えており、データ処理系６からの指令に従って、一方側の送波器５ａでは、超音波を一方側から他方側へ送信可能に構成されていると共に、他方側の受波器５ｂでは、一方側から送信された超音波を受信することにより、その超音波の伝播時間（一方側の送波器５ａにおける送信時刻と他方側の受波器５ｂにおける受信時刻の時間差）を音響伝播検出手段８で検出するように構成してある。この超音波検出器５の操作は、流れ方向に対して逆転した位置関係にある送波器５ａと受波器５ｂに関しても同様に実行され、流れ方向に沿った順方向と、逆方向との両方向で伝播された超音波の、順方向伝播時間ｔf と逆方向伝播時間ｔr とを音響伝播検出手段８で求め、前記両方向の音速から、流速演算手段９で測定対象のガスｆの流速を求めるように構成されている。前記両超音波検出器５の操作のタイミングは、サンプリング間隔設定手段１０により前記音響伝播検出手段８に伝達された設定時間間隔Ｔs と設定待ち時間ｔw とを基に、前記瞬時流量測定手段７により設定され、指令される。
【００３０】
前記両伝播時間を求める動作は、超音波を、音の伝播方向が流れに沿った方向である順方向に伝播させて、その順方向で超音波が送受波器間を伝播する順方向伝播時間を求める動作と、流れに逆らった方向である逆方向に伝播させ、その逆方向で超音波が送受波器間を伝播する逆方向伝播時間とを求める動作とを、図２に示す所定の非検出時間ｔu を時間間隔として挟んで、一対として瞬時流量測定手段７によって実行される。
【００３１】
瞬時流量測定手段７は、ガスｆの流れの下流側に向かって発振されてくる順方向超音波Ｓf の順方向伝播時間と、上流側に向かって発振されてくる逆方向超音波Ｓr の逆方向伝播時間とに基づいて、超音波の伝播方向に沿ったガスの流速成分Ｖx を求め、測定部の断面積と、測定部の流量係数を考慮して、瞬時流量Ｑを求める。前記流速成分Ｖx 、瞬時流量Ｑは、
Ｖx ＝Ｌ×（１／ｔf −１／ｔr ）／２
Ｑ＝Ｖx ×Ｓ×β×ｃｏｓ( θ)
（但し、Ｌ：離間距離、ｔf ：順方向伝播時間、ｔr ：逆方向伝播時間、Ｓ：測定部の断面積、β：測定部の流量係数、θ：超音波の方向とガス流の方向との間のなす角度）
として求められる。
【００３２】
この瞬時流量Ｑは、一回の測定により得られる得る値であり、前記データ処理系６に備える前記サンプリング間隔設定手段１０により設定された前記設定時間間隔Ｔs 毎に、離散的に測定される。そして、所定時間（例えば積算時間Ｔ）内に測定された瞬時流量Ｑの積算値から積算流量演算手段１３により積算流量Ｑsum を求めるのである。このサンプリング間隔設定手段１０の働きを、図２、図３を参考にしながら説明する。図２は前記設定時間間隔Ｔs の時間割り振りを示すもので、ここでは、流れの下流側に向けて超音波を先に発振する例を示したが、順方向超音波Ｓf の一方の超音波検出器５を構成する送波器５ａによる発振時点から、これに対向する受波器５ｂによる受信時点までの時間を順方向伝播時間ｔf として音響伝播検出手段８で検出し、その順方向超音波Ｓf の残響の影響と、ＣＰＵの演算遅れがなくなるまでの非検出時間ｔu を経過した後に、前記流れの上流側に向けての逆方向超音波Ｓr の発信を他方の超音波検出器５を構成する送波器５ａに指令する。この逆方向超音波Ｓr の発信時点から、これに対向する受波器５ｂによる受信時点までの時間を逆方向伝播時間ｔr として前記音響伝播検出手段８で検出する。これら順方向伝播時間ｔf と、逆方向伝播時間ｔr との合計が前記音響伝播検出手段８の検出時間ｔd となる。そして、これらの検出時間ｔd に両超音波Ｓf ，Ｓr の検出の後の非検出時間ｔu を加えた時間が禁制時間ｔm となる。前記禁制時間ｔm を経過した後に設定待ち時間ｔw を設定する。つまり、前記禁制時間ｔm と設定待ち時間ｔw との和として設定時間間隔Ｔs （この例においては、これを積算時間Ｔに合わせる。）を設定するのである。前記設定待ち時間ｔw は、例えば以下のようにして設定する。
【００３３】
所定時間として予め設定された積算時間内にサンプリングが予定される所定回数のサンプリング数を設定する。そして、前記積算時間内の前記検出時間と前記非検出時間の総合計時間を合計禁制時間として算出し、これを前記積算時間から除いた時間を前記サンプリング数で除して平均待ち時間を求める。この平均待ち時間ｔwmは、
ｔwm＝（Ｔ−ｔm ×ｎ）／ｎ
（但し、Ｔ：積算時間、ｔm ：禁制時間）
として求められる。つまり、上式の（ｔm ×ｎ）が合計禁制時間である。
【００３４】
この禁制時間ｔm は、
ｔm ＝（ｔd ＋ｔu ）×２
（但し、ｔd ：検出時間、ｔu ：非検出時間）
として与えられる。
【００３５】
そして、乱数読み取り部１２により、乱数表記憶部１１の不特定の位置を読み取り開始点としてその乱数表から一桁の乱数Ｎを読み出し、読み出した乱数Ｎを４．５（多数回繰り返して読み出した乱数Ｎの期待平均値）で除した値を前記平均待ち時間ｔwmに乗じて前記設定待ち時間ｔw を設定するのである。この設定待ち時間ｔw は、前記平均待ち時間及び前記乱数に基づき、
ｔw ＝ｔwm×Ｎ／４．５
（但し、ｔwm：平均待ち時間、Ｎ：読み取った一桁の乱数の値）
として求められる。尚、前記乱数表記憶部１１の記憶する乱数表は、流量積算のための所定時間内に瞬時流量を離散的に測定するのに、ここから経時的に乱数を読み取った際に、前記所定時間内に読み取った乱数の合計値がほぼ一定になるように構成してあることが望ましい。つまり、その読み取った乱数の平均分布関数が時間当たりに一定であることが望ましいのである。このように比較的短く構成した乱数表の数列は、前記乱数読み取り部１２により読み取られる場合に、長大に形成された乱数表と同様な乱数を生成するのである。
【００３６】
この設定待ち時間ｔw は、一般的な表現をすれば、
ｔw ＝（Ｔ／ｎ−ｔm ）×Ｎ／（（Ｎmin ＋Ｎmax ）／２）
（但し、Ｔ：積算時間、ｎ：積算時間内にサンプリングを予定した所定回数、ｔm ：禁制時間、Ｎ：読み出された乱数の値、Ｎmin ：読み出される乱数の最小値、Ｎmax ：読み出される乱数の最大値）
として表すことが出来る。
【００３７】
ところで、上記設定時間間隔Ｔs は、上式を満足する以外に、経時的に複数設定される前記設定待ち時間ｔw の平均が、電源の周期（例えば、関西の商用電源においては、１／６０秒）の整数倍にならないようにすることが望ましい。これは、上式の中の最低時間単位である、（Ｔ／ｎ−ｔm ）／（Ｎmin ＋Ｎmax ）又は、（Ｔ／ｎ−ｔm ）／（（Ｎmin ＋Ｎmax ）／２）が、電源周期の整数倍にならないように設定することで実現できる。このようにすれば、例えば６０Hzのノイズの共鳴を原因とする誤差を防護できる。つまり、電源に由来する脈動に起因する測定誤差を抑制できるのである。
【００３８】
従って、前記設定時間間隔Ｔs は、一般的に表すと、
Ｔs ＝ｔm ＋（Ｔ／ｎ−ｔm ）×Ｎ／（（Ｎmin ＋Ｎmax ）／２）
（但し、ｔm ：禁制時間、Ｔ：積算時間、ｎ：予定サンプリング回数、Ｎ：乱数の値、Ｎmin ：乱数の最小値、Ｎmax ：乱数の最大値）
として示される（先に記した設定待ち時間ｔw を表す式は、乱数を一桁で読み出すため、最小値は０であり、最大値は９であるから、読み出される乱数の平均値が４．５となっている。）。
【００３９】
前記積算時間Ｔは、ガスメータ１の用途等を考慮して、数十分〜数時間等、適切な一定値として予め設定される。また、この積算時間Ｔ内におけるサンプリング数ｎも、使用目的等との関係から通常は、基準となるサンプリング間隔の平均を基に設定され、前記サンプリング間隔の平均は、１〜２分程度である。従って、前記検出時間ｔd と、前記非検出時間ｔu とからなる禁制時間ｔm を、０．５秒程度に設定すれば、実際のサンプリング間隔は、最短０．５秒から最長でも２〜４分以下となる。この測定開始時刻は、前記音響伝播検出手段８による順・逆両方向の両伝播時間の測定開始の都度、毎に毎回読み取られる乱数に基づいて設定される。前記乱数は、前記乱数表記憶部１１の乱数表における読み取り開始点から順次その配列に従って読み取られる。
【００４０】
前記乱数表記憶部１１に記憶する乱数表は、その乱数列の長さと、前記積算時間Ｔ内に予定されるサンプリング回数との間に、整数比の関係が無いようにすれば、読み出される乱数列に繰り返し同一パターンが生ずることを防止できる。また、乱数列の長さと乱数の和との間に整数比の関係がないようにしても同様の効果がある。これは、読み出される乱数列の和が積算時間に対応するからである。このようにすれば、乱数表の乱数列を短くしても、サンプリング間隔を不規則にするのに効果的である。従って、両者を併用して、前記乱数表記憶部１１に記憶する乱数表を、乱数列の長さが、乱数の合計値との間、及び、設定されたサンプリング回数との間の両者に整数比の関係が無いように構成することが、サンプリング間隔を十分に不規則化しながら、短い乱数表を用いてコンピュータの記憶領域の占有領域を小さくし、ＣＰＵの演算負荷を低下し、電力消費を節減する上で望ましい。これは、マイコン搭載のガスメータにあっては、そのマイコン駆動用の電源が電池であるから、電池の寿命を延ばすために電力消費を低減する必要があるからである。
【００４１】
このようにして、測定開始時刻を設定することで、積算時間Ｔ内でのサンプリング数を確保できると共に、サンプリング間隔をばらつかせることで、例えば測定対象とするガスの脈動のような周期的ノイズに対する、測定した瞬時流量の論理的共鳴を避けることができる。以上の構成により離散的に測定した瞬時流量の例を時系列的に図３に示すが、図示のように、瞬時流量Ｑには前記誤差が含まれて検出されていても、それを積算時間Ｔ内で積算すれば、実測した積算流量Ｑsum においては前記誤差が殆ど相殺され、実積算流量に近くなっている。
【００４２】
ところで、前記データ処理系６には、図１に示したように、先に説明した瞬時流量Ｑから安全機能用流量Ｑsaを求めるために、積算時間Ｔ内に測定される複数の瞬時流量Ｑに統計処理を施して誤差関数を求める誤差関数導出手段１６を備えている。さらに、誤差関数導出手段１６によって求められる誤差関数と、前記積算流量演算手段１３によって求められた積算流量Ｑsum とに基づいて、安全機能用の安全機能用流量Ｑsaを求める安全機能用流量導出手段１７を備えている。
【００４３】
この安全機能用流量導出手段１７により得られた安全機能用流量Ｑsaは、安全動作手段１８に送られ、ガスメータ１が備えられている管路（図外）の遮断等の判断用に使用され、必要な場合は、管路の遮断が行われる。
【００４４】
前記積算流量演算手段１３で演算導出された積算流量Ｑsum は、安全機能用流量導出手段１７にも送られる。こうして求められた積算流量Ｑsum に対して、誤差関数導出手段１６において、前記瞬時流量測定手段７から積算時間Ｔ内に入力されてくる瞬時流量Ｑの標準偏差σを導出し、さらに、前記瞬時流量測定手段７から積算時間Ｔ内に入力されてくる連続する瞬時流量Ｑの差分の絶対値の平均ｄm を導出する。そして、この標準偏差σと、前記平均ｄm に重み付けして得られる誤差関数を利用し、これを受けて、加減算を行って、安全機能用流量Ｑsaを求める安全機能用流量導出手段１７を備えている。この安全機能用流量導出手段１７では、安全機能用流量Ｑsaを、
Ｑsa＝Ｑsum ＋ａ1 ×σ＋ａ2 ×ｄm
（但し、Ｑsum ：積算流量、ａ1 ，ａ2 ：積算時間Ｔ等とバラツキ指標の種類に基づいて予め設定している定数、σ：第一統計関数としての標準偏差、ｄm ：第二統計関数としての差分の平均）
として求める。この式において、例えば、（ａ1 ，ａ2 ）として（−２，０）を採用すれば、実際に測定した瞬時流量Ｑにおける低位側の安全機能用流量Ｑsaを与え、（２，０）とすれば、高位側の安全機能用流量Ｑsaを与える。ここで、低位側の安全機能用流量を採用すると、上述の構成により瞬時流量の誤差を不規則化して傾向的誤差を排除してある中で、脈動による誤作動の約９０％を防止することができる。
【００４５】
また、前記データ処理系６には、安全動作手段１８を備えており、この安全動作手段１８は、安全機能用流量導出手段１７によって導出された流量に基づいて、流路の遮断、警報の発生等の動作を行う。つまり、ガス栓の誤開放、ゴム管外れ等、メーター下流側に異常大流量が流れた場合に、最大、６０秒後に遮断するほか、メーター号毎に設定された流量が流れた場合に、約６０秒後に遮断する。
【００４６】
さらに、前記データ処理系６には使用流量導出手段１４を備えており、前述の積算時間内において求められる積算流量Ｑsum から、所定の期間内の使用流量を求て使用流量出力手段１５から出力するのである。
【００４７】
以上の構成から、前記使用流量出力手段１５から出力される使用流量の誤差を低減し、また、上述の安全動作手段１８における誤動作を防止できるのである。
【００４８】
〔別実施形態〕
上記実施の形態において説明しなかった本発明に係る超音波ガスメータの他の実施の形態について以下に説明する。
【００４９】
〈１〉上記実施の形態に於いては、音響伝播検出手段８を、一方の超音波検出器５で検出した、超音波が流れに沿った方向に伝播する順方向伝播時間と、他方の超音波検出器５で検出した、超音波が流れに逆らった方向に伝播する逆方向伝播時間とを求めるように構成した例について説明したが、前記順方向伝播時間と前記逆方向伝播時間とを求める順序は任意であって、何れが先であってもよい。また、順序を交互に変更してもよく、サンプリングの都度その検出の前後を選択するようにしてもよい。
【００５０】
〈２〉上記実施の形態に於いては、測定管２をガス流路に斜めに交叉させて配置した例を図１に示して説明したが、前記測定管２の両側端部に上流側の導入部３と下流側の導出部４を接続し、ガス流の方向が超音波の送出受信方向と一定するように構成してあってもよい。
【００５１】
〈３〉上記実施の形態に於いては、サンプリング間隔設定手段１０に乱数表記憶部１１と乱数読み取り部１２とを備える例について説明したが、これら乱数表記憶部１１と乱数読み取り部１２とに代えて、乱数演算手段を設けて、乱数を発生するように構成してあってもよい。
【００５２】
〈４〉上記実施の形態に於いては、乱数読み取り部１２により、乱数表記憶部１１の不特定の位置を読み取り開始点としてその乱数表から一桁の乱数Ｎを読み出す例について説明したが、乱数の読み出し桁数は任意であって、二桁であってもよく、三桁以上であってもよい。所定の時間内のサンプリング数が多ければ、桁数を二以上としても、サンプリング間隔の平均をほぼ一定に保ち得るからである。
【００５３】
〈５〉上記実施の形態に於いては、ガスメータ１に安全機能用流量導出手段１７等と共に、安全動作手段１８を備えさせた例について説明したが、この安全機能は、本発明の構成に必須のものではない。
【００５４】
〈６〉上記実施の形態に於いて、乱数表記憶部１１の記憶する乱数表は、前記所定時間内に読み取った乱数の合計値が、ほぼ一定になるように構成してあることが望ましいとして説明したが、このような特性を有する数列であれば、規則的に多様なパターンで変化する数列であってもよく、本発明に於いては、上記乱数表記憶部１１に記憶して、前記乱数読み取り部１２により読み取られる場合に、乱数と同様の挙動を示す規則的に構成された数列も乱数の概念に含む。
【００５５】
〈７〉上記実施の形態に於いては、設定時間間隔Ｔs が、複数設定される設定待ち時間ｔw の平均が、電源の周期の整数倍にならないようにすることが望ましいとして説明したが、前記設定待ち時間ｔw の平均を電源の周期に一致させた上で、禁制時間ｔm を電源の周期に対して素な関係に設定してあってもよい。このように設定しても、サンプリング間隔が電源の周期の整数倍になることを回避できるのである。従って、電源に由来する脈動に起因する測定誤差を抑制できる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によって、ガスメータにおける積算流量の誤差を低減できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願のガスメータのシステム構成の一例を示す説明図
【図２】本発明におけるサンプリング間隔の説明図
【図３】本発明による流量測定データの一例を説明する線図
【図４】従来の構成における流量測定データの一例を説明する線図
【符号の説明】
５ 超音波検出手段
５ａ 送波器
５ｂ 受波器
８ 音響伝播検出手段
９ 流速演算手段
１０ サンプリング間隔設定手段
１１ 乱数表記憶部
１２ 乱数読み取り部
Ｔs 設定時間間隔
ｔd 検出時間
ｔf 順方向伝播時間
ｔr 逆方向伝播時間
ｔu 非検出時間
ｔm 禁制時間
ｔw 設定待ち時間
ｔwm 平均待ち時間
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体が流通する流体流路の上流側と下流側に所定距離だけ離間させて配置した、超音波を発振する送波器と送波器からの超音波を受信する受波器からなる超音波検出器の一対を、前記流体の流れ方向に関して相対配置関係を逆にして近接配置すると共に、音響伝播検出手段を設けて、前記超音波検出器の一方で検出する、流れに沿った方向に超音波が伝播する順方向伝播時間と、前記超音波検出器の他方で検出する、流れに逆らった方向に超音波が伝播する逆方向伝播時間とを求めるように構成し、前記両伝播時間の関係に基づき前記流体の流速を演算導出する流速演算手段を設けて、前記音響伝播検出手段による前記両伝播時間の検出と、前記流速演算手段による流速の演算導出とによる瞬時流速測定を、離散的に所定時間内に所定回数行うように構成してある超音波ガスメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波ガスメータにおいては、流体が流通する流体流路の上流側と下流側に所定距離だけ離間させて配置した、超音波を発振する送波器と送波器からの超音波を受信する受波器からなる超音波検出器を、前記流体の流れ方向に関して相対配置関係を逆にして一対近接配置すると共に、音響伝播検出手段を設け、前記超音波検出器の一方で検出検出する流れに沿った方向に超音波が伝播する順方向伝播時間と、前記超音波検出器の他方で検出する超音波が流れに逆らう方向に伝播する逆方向伝播時間とを求めるように前記音響伝播検出手段を構成し、前記両伝播時間の関係に基づいて、前記流体の流速を演算導出する流速演算手段を設けて、前記音響伝播検出手段による前記両伝播時間の検出と、前記流速演算手段による流速の演算導出とによる瞬時流速測定を、離散的に所定時間内に所定回数行うように構成してある。
【０００３】
一方、法の規定もあり、ガスメータは、安全上の理由から、瞬間的な過大流量を検知してガスを遮断する過流量探知及び遮断機能や、一定期間（通常３０日間程度）のガスの連続的な漏洩の有無を検知して警報を発する漏洩監視機能など数種の安全機能を持つように構成されている。そして、このような安全機能を働かせるかどうかの判断対象流量として、従来、積算流量をそのまま採用している。
【０００４】
また、上記構成の超音波ガスメータにおいては、送波器から発信された超音波を受波器で受信した後、その発振した超音波の残響が減衰するまで、或いはその残響がガス流と共に下流側に送り出されるまでの間は、次に送波器から超音波を発振して受波器で受信すると、受波器では送波器から発振された超音波と共に残響も受信することになる。このために、音響伝播検出手段で順方向伝播時間及び逆方向伝播時間を求める間にもその残響の残存する時間（以下残響時間と称する。）以上の時間間隔を必要とする。これは、流速演算手段に両伝播時間を入力した後にもこの残響時間以上の時間間隔が必要であることを意味している。従って、サンプリング間隔は、少なくとも、順方向及び逆方向の超音波を検出するに要する両検出時間と、前記両残響時間以上の超音波検出を行わない両禁制時間との合計時間よりも大きくなければならない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の離散的に測定される瞬時流量から所定時間内に於ける積算流量を導出する超音波ガスメータにおいては、離散的な瞬時流量測定を、予め定めた一定のサンプリング間隔で行っているために、このようなガスメータにあっては、被測定流体であるガスの脈動等により瞬時流量にゆらぎが発生する。このゆらぎの原因となると考えられる脈動は、通常ほぼ定周期のものであることを発明者等は知見している。
【０００６】
上述のゆらぎは、前記サンプリング間隔が前記脈動の周期或いはその倍周期に一致しない場合に生ずるものと考えられる。ところで、サンプリング間隔が前記周期或いは倍周期に極めて近い場合には、サンプリング時の前記脈動における位相が僅かずつ変化することで、極めて長周期のゆらぎとして観測されるようになり、極端な場合で、サンプリング間隔が前記周期或いは倍周期に一致した場合には、測定する瞬時流量は、その測定時の脈動の位相に応じた音速の誤差を含んだものとして測定されることになる。従って、その離散的に測定した瞬時流量を積算した積算流量も、その音速の誤差に対応する流量誤差を同時に積算したものとなる。例えばサンプリング間隔が脈動の周期の倍数に一致した場合には、例えば図４に示すように、サンプリングの都度、ほぼ同一の誤差が実流量に重なって測定される結果、測定した積算流量Ｑsum が時間と共に実際の積算流量から離れていくことになる。このサンプリング間隔が脈動の周期の倍数とごく僅か異なる場合には、図示を省略するが、上述のゆらぎが観測されることになり、長時間に亘って誤差が正負の一方向に偏ることになり、測定した積算流量Ｑsum が含む誤差が積算時間内には相殺されなくなる。
【０００７】
そこで、本発明に係る超音波ガスメータの目的は、上記ガス流に重畳する脈動に起因する積算流量の誤差を極力小さくする手段を提供する点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
〔本発明の特徴構成〕
本発明に係る超音波ガスメータは、サンプリング間隔を順方向及び逆方向の超音波の両者を検出する都度異ならせて、ガスの脈動に起因する瞬時流量のゆらぎ、或いは脈動の位相に対応する瞬時流量の誤差を積算しないようにする点に特徴を有するものであり、夫々に以下のような特徴を備えるものである。
【００１０】
請求項１に記載の本発明に係る超音波ガスメータの第１特徴構成は、音響伝播検出手段で両伝播時間の検出に要する時間を含む禁制時間と、その禁制時間を経過した後から次に前記音響伝播検出手段で前記伝播時間を検出するまでの設定待ち時間とで定まる瞬時流量測定の時間間隔を、所定の条件で設定時間間隔として設定するサンプリング間隔設定手段を設けて、前記サンプリング間隔設定手段を、毎回の前記瞬時流量測定（以下、サンプリングと称する。）に対して、前記設定待ち時間を所定の時間幅の範囲内で異ならせて設定するように構成してある点にある。つまり、設定待ち時間を変化させ、同一周期でサンプリングすることを避けるのである。但し、連続する極少数の微少流量測定に関して、その設定待ち時間が一致し、或いは、長時間の間に、同一時間間隔の設定待ち時間が現れることは許容する。
【００１１】
なお、上記第１特徴構成における禁制時間は、音響伝播検出手段で伝播時間の検出に要する検出時間と、その検出時間の後の予め設定された非検出時間とを含むものである。
【００１２】
請求項２に記載の本発明に係る超音波ガスメータの第２特徴構成は、上記第１特徴構成におけるサンプリング間隔設定手段に有限長さの数列を乱数表として記憶する乱数表記憶部と、その乱数表から乱数を読み取る乱数読み取り部とを設けて、前記設定待ち時間を、前記乱数読み取り部で前記乱数表記憶部から読み取った乱数に基づき設定する点にある。
【００１３】
請求項３に記載の本発明に係る超音波ガスメータの第３特徴構成は、上記第２特徴構成における乱数表記憶部に記憶する乱数表を、前記所定時間内に読み取る乱数の合計がほぼ一定になるように構成してある点にある。つまり、特定に時間長さの中で、サンプリングの平均間隔がほぼ一定になるように構成してあるのである。
【００１４】
請求項４に記載の本発明に係る超音波ガスメータの第４特徴構成は、上記第２特徴構成又は第３特徴構成における乱数表記憶部を、記憶する乱数列の長さが乱数の和の整数比とは異なるように構成してある点にある。つまり、各サンプリング周期毎に、その乱数表から読み出される乱数列が同一にならないように構成してあるのである。
【００１５】
請求項５に記載の本発明に係る超音波ガスメータの第５特徴構成は、上記第２〜第４の何れかの特徴構成におけるサンプリング間隔設定手段を、所定回数の禁制時間を合計した合計禁制時間を求め、所定時間から前記合計禁制時間を減じた値を前記所定回数で除して平均待ち時間を求め、乱数表記憶部から読み取った一桁の乱数を４．５で除した値に前記平均待ち時間を乗じて設定待ち時間とするように構成してある点にある。つまり、読み取る一桁の乱数の前記所定時間内の平均値を１とするように、０〜９の平均値で除して、乱数を０〜２に標準化するのである。
【００１６】
請求項６に記載の本発明に係る超音波ガスメータの第６特徴構成は、上記第２〜第５の何れかの特徴構成におけるサンプリング間隔設定手段において、サンプリング周期が、電源周波数の周期の整数倍とは異なるように構成してある点にある。
【００１７】
〔特徴構成の作用及び効果〕
上記本発明に係る超音波ガスメータによれば、サンプリング間隔がサンプリングの都度一定でないから、ガスの脈動に対しても傾向的な誤差を瞬時流量の測定値にもたらすことがなく、積算流量に対しては瞬時流量の誤差を平均化できて誤差をゼロに近付けることが可能であり、夫々に、以下のような独特の作用効果を奏する。
【００１８】
上記本発明に係る超音波ガスメータの第１特徴構成によれば、瞬時流量に周期的な誤差をもたらさないから、その瞬時流量を積算した積算流量の誤差を小さくできる。つまり、例えばガスの脈動があっても、サンプリングの都度その脈動の位相が不特定に異なる時点でサンプリングするようになり、その脈動に起因する誤差を瞬時流量が含んでいても、少なくともその脈動に起因する瞬時流量の正負の誤差の積算値は大きくならない。この点は、ほぼ周期的な他の原因による誤差を含んで瞬時流量を測定している場合にも同様である。また、サンプリング間隔の中で禁制時間を除く設定待ち時間を変化させるから、前回に微少流量測定の影響が次回の微少流量測定に及ぼされることがない。尚、連続する極少数の微少流量測定に関して、その設定待ち時間が一致し、或いは、長時間の間に、同一時間間隔の設定待ち時間が現れることを許容しても、上述の作用を阻害するものではない。これは、多数回の微少流量測定において、極一部のサンプリング間隔が一致したとしても、前記脈動に起因する誤差の正負量は積算により相殺されるからである。
【００１９】
また、上記第１特徴構成では、禁制時間を、音響伝播検出手段で両伝播時間の検出に要する検出時間と、その検出時間の後の予め設定された非検出時間とを含むようにしてあるから、前記禁制時間の経過直後から設定待ち時間の最大時間までの変化を与え、サンプリング間隔を大幅に変化させることができ、瞬時流量への正負の誤差をさらに不特定にし、瞬時流量の誤差を不規則化して積算誤差をさらにゼロに近付けるのである。尚、禁制時間に含まれる非検出時間は、超音波の送受信の後の残響を検出することを避けるための時間や、ＣＰＵの演算時間等を考慮して設定する。
【００２０】
上記本発明に係る超音波ガスメータの第２特徴構成によれば、上記第１特徴構成の作用効果を奏すると同時に、サンプリング間隔設定のための計算負荷を極力低減でき、従って、電力消費も節減できる。つまり、設定待ち時間を乱数化することで、瞬時流量の正負の誤差を無作為か出来るから、その積算値をさらにゼロに近付けることが出来るのである。さらに、有限長さの数列を乱数表として記憶する乱数表記憶部から乱数を読み取るだけの演算であるから、ガスメータに備えるＣＰＵの演算負荷は小さくなる。尚、ここでは、乱数読み取り部による一回の乱数読み出しの桁数は特に規定しない。毎回一定の桁数で読み出せばよいのである。
【００２１】
上記本発明に係る超音波ガスメータの第３特徴構成によれば、上記第２特徴構成の作用効果を奏する中で、サンプリングの平均間隔をほぼ一定にすることで、サンプリング間隔を大きく変化させてありながら、各積算時間毎にサンプリング回数を一定にできるのである。
【００２２】
上記本発明に係る超音波ガスメータの第４特徴構成によれば、上記第２特徴構成又は第３特徴構成の作用効果を一層向上させる。つまり、一度乱数表の全長に亘って読み出した後にも、各サンプリング周期毎に、読み出される乱数列が同一にならないように構成してあるから、短い乱数列であっても、十分の長さを有する乱数表から乱数を読み出すと同様の効果をもたらすのである。従って、ガスメータの限られた演算領域中に大きな領域を占めることを防止でき、しかも、演算負荷の大きい乱数発生関数を処理しないから、電力消費も節減できる。
【００２３】
上記本発明に係る超音波ガスメータの第５特徴構成によれば、上記第２〜第４の何れかの特徴構成の作用効果を一層向上させる。つまり、設定待ち時間を、０〜９の整数の比にランダムに分散させることで簡単な演算でＣＰＵに負担をかけることなく、効果的にサンプリング間隔を不規則化出来、さらに、前記設定待ち時間を含むサンプリング間隔の平均を所定時間内に所定回数行う瞬時流量測定の平均時間間隔に一致させることが出来る。
【００２４】
上記本発明に係る超音波ガスメータの第６特徴構成によれば、上記第２〜第５の何れかの特徴構成の作用効果を奏する中で、電源に起因する脈動ノイズとの共振を防止でき、電源ノイズを抑制できるのである。
【００２５】
その結果、瞬時流量に、周期的ノイズに基づく誤差が含まれも、積算流量にはその影響を極めて小さくすることができるようになる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
上記本発明の超音波ガスメータの実施の形態の一例について、以下に、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
図１に示すように、ガスメータ１は、流体が流通する流体流路の上流側と下流側に所定距離だけ離間させて配置した、超音波を発振する送波器５ａと送波器５ａからの超音波を受信する受波器５ｂからなる超音波検出器５を、前記流体の流れ方向に関して方向を逆にして一対を近接配置して構成した音響伝播検出手段８をデータ処理系６に設けてある。この音響伝播検出手段８は、一方の超音波検出器５で検出した、超音波が流れに沿った方向に伝播する順方向伝播時間と、他方の超音波検出器５で検出した、超音波が流れに逆らった方向に伝播する逆方向伝播時間とを求めるように構成してあり、前記両伝播時間の関係に基づいて、前記流体の流速を演算導出する流速演算手段９を前記データ処理系６に設けてある。そして、これら各手段を備える瞬時流量測定手段７では、前記音響伝播検出手段８による前記両伝播時間の検出結果と、前記流速演算手段９による流速の演算導出結果とに基づいて、所定時間内に所定回数の瞬時流量測定を離散的に行うように構成してある。即ち、ガスメータ１は、前述の測定管２と、この測定管２に配置された超音波検出器５が接続される前記データ処理系６とを備えており、コンピュータを用いて構成されるデータ処理系６には、この瞬時流量測定手段７の他、前述の超音波検出器５からの情報を処理する様々な手段が格納されている。
【００２８】
測定管２においては、測定対象のガスｆは、導入部３から測定管２内に流入し、導出部４より排出される。同図において、測定管２内でのガスｆの流れ方向は、大矢印で示すように、図上、左から右である。左側を流側、右側を下流側とする。この測定管２には、この測定管２に対して所定の方向に位置づけて設けられる一対の超音波検出器５が備えられている。これら前記超音波検出器５の離間距離Ｌは等しく一定とする。
【００２９】
前記超音波検出器５は、超音波の送波器５ａと受波器５ｂとを夫々に備えており、データ処理系６からの指令に従って、一方側の送波器５ａでは、超音波を一方側から他方側へ送信可能に構成されていると共に、他方側の受波器５ｂでは、一方側から送信された超音波を受信することにより、その超音波の伝播時間（一方側の送波器５ａにおける送信時刻と他方側の受波器５ｂにおける受信時刻の時間差）を音響伝播検出手段８で検出するように構成してある。この超音波検出器５の操作は、流れ方向に対して逆転した位置関係にある送波器５ａと受波器５ｂに関しても同様に実行され、流れ方向に沿った順方向と、逆方向との両方向で伝播された超音波の、順方向伝播時間ｔf と逆方向伝播時間ｔr とを音響伝播検出手段８で求め、前記両方向の音速から、流速演算手段９で測定対象のガスｆの流速を求めるように構成されている。前記両超音波検出器５の操作のタイミングは、サンプリング間隔設定手段１０により前記音響伝播検出手段８に伝達された設定時間間隔Ｔs と設定待ち時間ｔw とを基に、前記瞬時流量測定手段７により設定され、指令される。
【００３０】
前記両伝播時間を求める動作は、超音波を、音の伝播方向が流れに沿った方向である順方向に伝播させて、その順方向で超音波が送受波器間を伝播する順方向伝播時間を求める動作と、流れに逆らった方向である逆方向に伝播させ、その逆方向で超音波が送受波器間を伝播する逆方向伝播時間とを求める動作とを、図２に示す所定の非検出時間ｔu を時間間隔として挟んで、一対として瞬時流量測定手段７によって実行される。
【００３１】
瞬時流量測定手段７は、ガスｆの流れの下流側に向かって発振されてくる順方向超音波Ｓf の順方向伝播時間と、上流側に向かって発振されてくる逆方向超音波Ｓr の逆方向伝播時間とに基づいて、超音波の伝播方向に沿ったガスの流速成分Ｖx を求め、測定部の断面積と、測定部の流量係数を考慮して、瞬時流量Ｑを求める。前記流速成分Ｖx 、瞬時流量Ｑは、
Ｖx ＝Ｌ×（１／ｔf −１／ｔr ）／２
Ｑ＝Ｖx ×Ｓ×β×ｃｏｓ( θ)
（但し、Ｌ：離間距離、ｔf ：順方向伝播時間、ｔr ：逆方向伝播時間、Ｓ：測定部の断面積、β：測定部の流量係数、θ：超音波の方向とガス流の方向との間のなす角度）
として求められる。
【００３２】
この瞬時流量Ｑは、一回の測定により得られる得る値であり、前記データ処理系６に備える前記サンプリング間隔設定手段１０により設定された前記設定時間間隔Ｔs 毎に、離散的に測定される。そして、所定時間（例えば積算時間Ｔ）内に測定された瞬時流量Ｑの積算値から積算流量演算手段１３により積算流量Ｑsum を求めるのである。このサンプリング間隔設定手段１０の働きを、図２、図３を参考にしながら説明する。図２は前記設定時間間隔Ｔs の時間割り振りを示すもので、ここでは、流れの下流側に向けて超音波を先に発振する例を示したが、順方向超音波Ｓf の一方の超音波検出器５を構成する送波器５ａによる発振時点から、これに対向する受波器５ｂによる受信時点までの時間を順方向伝播時間ｔf として音響伝播検出手段８で検出し、その順方向超音波Ｓf の残響の影響と、ＣＰＵの演算遅れがなくなるまでの非検出時間ｔu を経過した後に、前記流れの上流側に向けての逆方向超音波Ｓr の発信を他方の超音波検出器５を構成する送波器５ａに指令する。この逆方向超音波Ｓr の発信時点から、これに対向する受波器５ｂによる受信時点までの時間を逆方向伝播時間ｔr として前記音響伝播検出手段８で検出する。これら順方向伝播時間ｔf と、逆方向伝播時間ｔr との合計が前記音響伝播検出手段８の検出時間ｔd となる。そして、これらの検出時間ｔd に両超音波Ｓf ，Ｓr の検出の後の非検出時間ｔu を加えた時間が禁制時間ｔm となる。前記禁制時間ｔm を経過した後に設定待ち時間ｔw を設定する。つまり、前記禁制時間ｔm と設定待ち時間ｔw との和として設定時間間隔Ｔs （この例においては、これを積算時間Ｔに合わせる。）を設定するのである。前記設定待ち時間ｔw は、例えば以下のようにして設定する。
【００３３】
所定時間として予め設定された積算時間内にサンプリングが予定される所定回数のサンプリング数を設定する。そして、前記積算時間内の前記検出時間と前記非検出時間の総合計時間を合計禁制時間として算出し、これを前記積算時間から除いた時間を前記サンプリング数で除して平均待ち時間を求める。この平均待ち時間ｔwmは、
ｔwm＝（Ｔ−ｔm ×ｎ）／ｎ
（但し、Ｔ：積算時間、ｔm ：禁制時間）
として求められる。つまり、上式の（ｔm ×ｎ）が合計禁制時間である。
【００３４】
この禁制時間ｔm は、
ｔm ＝（ｔd ＋ｔu ）×２
（但し、ｔd ：検出時間、ｔu ：非検出時間）
として与えられる。
【００３５】
そして、乱数読み取り部１２により、乱数表記憶部１１の不特定の位置を読み取り開始点としてその乱数表から一桁の乱数Ｎを読み出し、読み出した乱数Ｎを４．５（多数回繰り返して読み出した乱数Ｎの期待平均値）で除した値を前記平均待ち時間ｔwmに乗じて前記設定待ち時間ｔw を設定するのである。この設定待ち時間ｔw は、前記平均待ち時間及び前記乱数に基づき、
ｔw ＝ｔwm×Ｎ／４．５
（但し、ｔwm：平均待ち時間、Ｎ：読み取った一桁の乱数の値）
として求められる。尚、前記乱数表記憶部１１の記憶する乱数表は、流量積算のための所定時間内に瞬時流量を離散的に測定するのに、ここから経時的に乱数を読み取った際に、前記所定時間内に読み取った乱数の合計値がほぼ一定になるように構成してあることが望ましい。つまり、その読み取った乱数の平均分布関数が時間当たりに一定であることが望ましいのである。このように比較的短く構成した乱数表の数列は、前記乱数読み取り部１２により読み取られる場合に、長大に形成された乱数表と同様な乱数を生成するのである。
【００３６】
この設定待ち時間ｔw は、一般的な表現をすれば、
ｔw ＝（Ｔ／ｎ−ｔm ）×Ｎ／（（Ｎmin ＋Ｎmax ）／２）
（但し、Ｔ：積算時間、ｎ：積算時間内にサンプリングを予定した所定回数、ｔm ：禁制時間、Ｎ：読み出された乱数の値、Ｎmin ：読み出される乱数の最小値、Ｎmax ：読み出される乱数の最大値）
として表すことが出来る。
【００３７】
ところで、上記設定時間間隔Ｔs は、上式を満足する以外に、経時的に複数設定される前記設定待ち時間ｔw の平均が、電源の周期（例えば、関西の商用電源においては、１／６０秒）の整数倍にならないようにすることが望ましい。これは、上式の中の最低時間単位である、（Ｔ／ｎ−ｔm ）／（Ｎmin ＋Ｎmax ）又は、（Ｔ／ｎ−ｔm ）／（（Ｎmin ＋Ｎmax ）／２）が、電源周期の整数倍にならないように設定することで実現できる。このようにすれば、例えば６０Hzのノイズの共鳴を原因とする誤差を防護できる。つまり、電源に由来する脈動に起因する測定誤差を抑制できるのである。
【００３８】
従って、前記設定時間間隔Ｔs は、一般的に表すと、
Ｔs ＝ｔm ＋（Ｔ／ｎ−ｔm ）×Ｎ／（（Ｎmin ＋Ｎmax ）／２）
（但し、ｔm ：禁制時間、Ｔ：積算時間、ｎ：予定サンプリング回数、Ｎ：乱数の値、Ｎmin ：乱数の最小値、Ｎmax ：乱数の最大値）
として示される（先に記した設定待ち時間ｔw を表す式は、乱数を一桁で読み出すため、最小値は０であり、最大値は９であるから、読み出される乱数の平均値が４．５となっている。）。
【００３９】
前記積算時間Ｔは、ガスメータ１の用途等を考慮して、数十分〜数時間等、適切な一定値として予め設定される。また、この積算時間Ｔ内におけるサンプリング数ｎも、使用目的等との関係から通常は、基準となるサンプリング間隔の平均を基に設定され、前記サンプリング間隔の平均は、１〜２分程度である。従って、前記検出時間ｔd と、前記非検出時間ｔu とからなる禁制時間ｔm を、０．５秒程度に設定すれば、実際のサンプリング間隔は、最短０．５秒から最長でも２〜４分以下となる。この測定開始時刻は、前記音響伝播検出手段８による順・逆両方向の両伝播時間の測定開始の都度、毎に毎回読み取られる乱数に基づいて設定される。前記乱数は、前記乱数表記憶部１１の乱数表における読み取り開始点から順次その配列に従って読み取られる。
【００４０】
前記乱数表記憶部１１に記憶する乱数表は、その乱数列の長さと、前記積算時間Ｔ内に予定されるサンプリング回数との間に、整数比の関係が無いようにすれば、読み出される乱数列に繰り返し同一パターンが生ずることを防止できる。また、乱数列の長さと乱数の和との間に整数比の関係がないようにしても同様の効果がある。これは、読み出される乱数列の和が積算時間に対応するからである。このようにすれば、乱数表の乱数列を短くしても、サンプリング間隔を不規則にするのに効果的である。従って、両者を併用して、前記乱数表記憶部１１に記憶する乱数表を、乱数列の長さが、乱数の合計値との間、及び、設定されたサンプリング回数との間の両者に整数比の関係が無いように構成することが、サンプリング間隔を十分に不規則化しながら、短い乱数表を用いてコンピュータの記憶領域の占有領域を小さくし、ＣＰＵの演算負荷を低下し、電力消費を節減する上で望ましい。これは、マイコン搭載のガスメータにあっては、そのマイコン駆動用の電源が電池であるから、電池の寿命を延ばすために電力消費を低減する必要があるからである。
【００４１】
このようにして、測定開始時刻を設定することで、積算時間Ｔ内でのサンプリング数を確保できると共に、サンプリング間隔をばらつかせることで、例えば測定対象とするガスの脈動のような周期的ノイズに対する、測定した瞬時流量の論理的共鳴を避けることができる。以上の構成により離散的に測定した瞬時流量の例を時系列的に図３に示すが、図示のように、瞬時流量Ｑには前記誤差が含まれて検出されていても、それを積算時間Ｔ内で積算すれば、実測した積算流量Ｑsum においては前記誤差が殆ど相殺され、実積算流量に近くなっている。
【００４２】
ところで、前記データ処理系６には、図１に示したように、先に説明した瞬時流量Ｑから安全機能用流量Ｑsaを求めるために、積算時間Ｔ内に測定される複数の瞬時流量Ｑに統計処理を施して誤差関数を求める誤差関数導出手段１６を備えている。さらに、誤差関数導出手段１６によって求められる誤差関数と、前記積算流量演算手段１３によって求められた積算流量Ｑsum とに基づいて、安全機能用の安全機能用流量Ｑsaを求める安全機能用流量導出手段１７を備えている。
【００４３】
この安全機能用流量導出手段１７により得られた安全機能用流量Ｑsaは、安全動作手段１８に送られ、ガスメータ１が備えられている管路（図外）の遮断等の判断用に使用され、必要な場合は、管路の遮断が行われる。
【００４４】
前記積算流量演算手段１３で演算導出された積算流量Ｑsum は、安全機能用流量導出手段１７にも送られる。こうして求められた積算流量Ｑsum に対して、誤差関数導出手段１６において、前記瞬時流量測定手段７から積算時間Ｔ内に入力されてくる瞬時流量Ｑの標準偏差σを導出し、さらに、前記瞬時流量測定手段７から積算時間Ｔ内に入力されてくる連続する瞬時流量Ｑの差分の絶対値の平均ｄm を導出する。そして、この標準偏差σと、前記平均ｄm に重み付けして得られる誤差関数を利用し、これを受けて、加減算を行って、安全機能用流量Ｑsaを求める安全機能用流量導出手段１７を備えている。この安全機能用流量導出手段１７では、安全機能用流量Ｑsaを、
Ｑsa＝Ｑsum ＋ａ1 ×σ＋ａ2 ×ｄm
（但し、Ｑsum ：積算流量、ａ1 ，ａ2 ：積算時間Ｔ等とバラツキ指標の種類に基づいて予め設定している定数、σ：第一統計関数としての標準偏差、ｄm ：第二統計関数としての差分の平均）
として求める。この式において、例えば、（ａ1 ，ａ2 ）として（−２，０）を採用すれば、実際に測定した瞬時流量Ｑにおける低位側の安全機能用流量Ｑsaを与え、（２，０）とすれば、高位側の安全機能用流量Ｑsaを与える。ここで、低位側の安全機能用流量を採用すると、上述の構成により瞬時流量の誤差を不規則化して傾向的誤差を排除してある中で、脈動による誤作動の約９０％を防止することができる。
【００４５】
また、前記データ処理系６には、安全動作手段１８を備えており、この安全動作手段１８は、安全機能用流量導出手段１７によって導出された流量に基づいて、流路の遮断、警報の発生等の動作を行う。つまり、ガス栓の誤開放、ゴム管外れ等、メーター下流側に異常大流量が流れた場合に、最大、６０秒後に遮断するほか、メーター号毎に設定された流量が流れた場合に、約６０秒後に遮断する。
【００４６】
さらに、前記データ処理系６には使用流量導出手段１４を備えており、前述の積算時間内において求められる積算流量Ｑsum から、所定の期間内の使用流量を求て使用流量出力手段１５から出力するのである。
【００４７】
以上の構成から、前記使用流量出力手段１５から出力される使用流量の誤差を低減し、また、上述の安全動作手段１８における誤動作を防止できるのである。
【００４８】
〔別実施形態〕
上記実施の形態において説明しなかった本発明に係る超音波ガスメータの他の実施の形態について以下に説明する。
【００４９】
〈１〉上記実施の形態に於いては、音響伝播検出手段８を、一方の超音波検出器５で検出した、超音波が流れに沿った方向に伝播する順方向伝播時間と、他方の超音波検出器５で検出した、超音波が流れに逆らった方向に伝播する逆方向伝播時間とを求めるように構成した例について説明したが、前記順方向伝播時間と前記逆方向伝播時間とを求める順序は任意であって、何れが先であってもよい。また、順序を交互に変更してもよく、サンプリングの都度その検出の前後を選択するようにしてもよい。
【００５０】
〈２〉上記実施の形態に於いては、測定管２をガス流路に斜めに交叉させて配置した例を図１に示して説明したが、前記測定管２の両側端部に上流側の導入部３と下流側の導出部４を接続し、ガス流の方向が超音波の送出受信方向と一定するように構成してあってもよい。
【００５１】
〈３〉上記実施の形態に於いては、サンプリング間隔設定手段１０に乱数表記憶部１１と乱数読み取り部１２とを備える例について説明したが、これら乱数表記憶部１１と乱数読み取り部１２とに代えて、乱数演算手段を設けて、乱数を発生するように構成してあってもよい。
【００５２】
〈４〉上記実施の形態に於いては、乱数読み取り部１２により、乱数表記憶部１１の不特定の位置を読み取り開始点としてその乱数表から一桁の乱数Ｎを読み出す例について説明したが、乱数の読み出し桁数は任意であって、二桁であってもよく、三桁以上であってもよい。所定の時間内のサンプリング数が多ければ、桁数を二以上としても、サンプリング間隔の平均をほぼ一定に保ち得るからである。
【００５３】
〈５〉上記実施の形態に於いては、ガスメータ１に安全機能用流量導出手段１７等と共に、安全動作手段１８を備えさせた例について説明したが、この安全機能は、本発明の構成に必須のものではない。
【００５４】
〈６〉上記実施の形態に於いて、乱数表記憶部１１の記憶する乱数表は、前記所定時間内に読み取った乱数の合計値が、ほぼ一定になるように構成してあることが望ましいとして説明したが、このような特性を有する数列であれば、規則的に多様なパターンで変化する数列であってもよく、本発明に於いては、上記乱数表記憶部１１に記憶して、前記乱数読み取り部１２により読み取られる場合に、乱数と同様の挙動を示す規則的に構成された数列も乱数の概念に含む。
【００５５】
〈７〉上記実施の形態に於いては、設定時間間隔Ｔs が、複数設定される設定待ち時間ｔw の平均が、電源の周期の整数倍にならないようにすることが望ましいとして説明したが、前記設定待ち時間ｔw の平均を電源の周期に一致させた上で、禁制時間ｔm を電源の周期に対して素な関係に設定してあってもよい。このように設定しても、サンプリング間隔が電源の周期の整数倍になることを回避できるのである。従って、電源に由来する脈動に起因する測定誤差を抑制できる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によって、ガスメータにおける積算流量の誤差を低減できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願のガスメータのシステム構成の一例を示す説明図
【図２】本発明におけるサンプリング間隔の説明図
【図３】本発明による流量測定データの一例を説明する線図
【図４】従来の構成における流量測定データの一例を説明する線図
【符号の説明】
５ 超音波検出手段
５ａ 送波器
５ｂ 受波器
８ 音響伝播検出手段
９ 流速演算手段
１０ サンプリング間隔設定手段
１１ 乱数表記憶部
１２ 乱数読み取り部
Ｔs 設定時間間隔
ｔd 検出時間
ｔf 順方向伝播時間
ｔr 逆方向伝播時間
ｔu 非検出時間
ｔm 禁制時間
ｔw 設定待ち時間
ｔwm 平均待ち時間
Claims (6)
- 流体が流通する流体流路の上流側と下流側に所定距離だけ離間させて配置した、超音波を発振する送波器と送波器からの超音波を受信する受波器からなる超音波検出器の一対を、前記流体の流れ方向に関して相対配置関係を逆にして近接配置すると共に、音響伝播検出手段を設けて、前記超音波検出器の一方で検出する、流れに沿った方向に超音波が伝播する順方向伝播時間と、前記超音波検出器の他方で検出する、流れに逆らう方向に超音波が伝播する逆方向伝播時間とを求めるように構成し、前記両伝播時間の関係に基づき前記流体の流速を演算導出する流速演算手段を設けて、前記音響伝播検出手段による前記両伝播時間の検出と、前記流速演算手段による流速の演算導出とによる瞬時流速測定を、離散的に所定時間内に所定回数行うように構成してある超音波ガスメータであって、
前記音響伝播検出手段で前記両伝播時間の検出に要する時間を含む禁制時間と、その禁制時間を経過した後から次に前記音響伝播検出手段で前記伝播時間を検出するまでの設定待ち時間とで定まる前記瞬時流量測定の時間間隔を、所定の条件で設定時間間隔として設定するサンプリング間隔設定手段を設けて、前記サンプリング間隔設定手段を、毎回の前記瞬時流量測定に対して、前記設定待ち時間を異ならせて設定するように構成され、
前記禁制時間は、前記音響伝播検出手段で前記伝播時間の検出に要する検出時間と、その検出時間の後の予め設定された非検出時間とを含む超音波ガスメータ。 - 前記サンプリング間隔設定手段に有限長さの数列を乱数表として記憶する乱数表記憶部と、その乱数表から乱数を読み取る乱数読み取り部とを設けて、前記設定待ち時間を、前記乱数読み取り部で前記乱数表記憶部から読み取った乱数に基づき設定する請求項１記載の超音波ガスメータ。
- 前記乱数表記憶部に記憶する乱数表を、前記所定時間内に読み取る乱数の合計がほぼ一定になるように構成してある請求項２記載の超音波ガスメータ。
- 前記乱数表記憶部を、記憶する乱数列の長さが乱数の和の整数比とは異なるように構成してある請求項２ないし３に記載の超音波ガスメータ。
- 前記サンプリング間隔設定手段を、前記所定回数の前記禁制時間を合計した合計禁制時間を求め、前記所定時間から前記合計禁制時間を減じた値を前記所定回数で除して平均待ち時間を求め、前記乱数表記憶部から読み取った一桁の乱数を４．５で除した値に前記平均待ち時間を乗じて前記設定待ち時間とするように構成してある請求項２ないし４の何れか１項に記載の超音波ガスメータ。
- 前記サンプリング間隔設定手段において、サンプリング周期が、電源周波数の周期の整数倍とは異なるように構成してある請求項２ないし５の何れか１項に記載の超音波ガスメータ。
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