JP4272110B2 - 膜式ガスメータ - Google Patents

Description

本発明は、のう膜の動きに連動する運動体に付加した所定の濃度パターンの濃度を検出することでガス流量を計測する膜式ガスメータに関する。

ガス流量とともに動くのう膜に対し、のう膜の動きに連動して回転運動する回転板や、往復運動する並進板等の運動体を機構的に構成し、その運動体の動きを検出することでガス流量を計測する膜式ガスメータが一般に普及している。
膜式ガスメータにあっては、運動体の動きを非接触で検出することがのう膜に対し不要な負荷を与えず、かつ長寿命化等を図る上で好ましく、種々の方式が試みられている。

従来の膜式ガスメータには、のう膜の動きを非接触で検知するのに磁気センサを利用するという方法が用いられていた。
例えば、一つには、のう膜の周期運動と機械的に連動する回転板に複数個の磁石を設け、磁石の軌跡に近接させて磁気検出器を用いることで磁石の通過をカウントし、これによりのう膜に連動した回転板の回転角度を求めるとともにガス容量を検知するという膜式ガスメータの検出装置が知られている（例えば特許文献１参照。）。
また、のう膜に磁石を設け、のう膜の周期運動で磁石が接近したことを磁気検知器でカウントすることで、ガス容量を検知するという膜式ガスメータが知られている（例えば特許文献２参照。）。
また、のう膜の周期運動に連動した磁石の接近を磁気検知器で検知した回数でガス容量を検知するという流量測定装置が知られている（例えば特許文献３参照。）。

この他、超音波で流量を検出するという流量計測装置（例えば特許文献４参照。）や、熱の流れを検出することで流量を計測するというフルイデック型ガス流量計等（例えば特許文献５、特許文献６参照。）や、タービンを用いた流量センサーから得られた微小ガス流量を積算することで総流量を検知するというタービン式流量計（例えば特許文献７参照。）等も一般に知られている。

特許第２８４８０４６号公報 特許第３０６６１５３号公報 特許第３１５２８２４号公報 特開２０００−１３１１０９号公報 特開平１０−４８０１４号公報 特開２００１−２９６１５６号公報 特開平１１−２４８４９９号公報

上記特許文献１乃至６の従来例の場合、所謂被計測体数（回転板の磁石数等）を増やすことで分解能を高められるが、所謂計測器（磁気検知器等）の検知精度が高くないため、微小ガス流量の測定精度を上げることが難しい。
特に、特許文献２の従来例の場合、のう膜の往復運動１回につき１回のパルスが検知されるため、微小ガス流量の測定精度が低い問題があった。特許文献３の従来例の場合、磁気検知器にノイズがのり、正常なカウントができない問題があった。一方、特許文献７の従来例の場合、流量センサーから得られた流量を積算するが、ガスが脈動的に流れる時に積算誤差が生じる問題があった。

本発明は、上述の問題点を改善し、ガス流量が小さい場合でも高精度で、かつ信頼性が高くガス流量を計測することができる膜式ガスメータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、のう膜の運動に連動して回転運動、又は往復運動する運動板と、前記運動板の運動方向に沿って記録し、該運動板の運動方向に沿って濃度分布が変化する１種類以上の濃度パターンと、前記運動板の運動とともに運動する前記濃度パターンに光を照射する光源と、前記濃度パターンから反射する前記濃度パターンの濃度を計測する光学式濃度検出装置と、前記光学式濃度検出装置が計測した前記濃度パターンの濃度からガス容量を求める容量計算装置とを備えてなることを特徴とする。

かかる発明は、のう膜が周期運動を繰り返すことで、のう膜で区切られた単位容積分のガスを検知する。ガスの容量は、のう膜の周期運動の繰り返しの回数と現在ののう膜の位置から特定できる。通常はのう膜の周期運動の回数、あるいは周期の数分の一程度の精度でしかのう膜の位置検知を行っていないので、ガス容量の分解能が低い。そこで、こののう膜の周期運動に連動して運動する運動板を設け、この運動板に濃度分布が変化する１種類以上の濃度パターンを記録しておく。運動板の動きに連動して濃度パターンも回転もしくは往復運動するので、この濃度パターンを所定位置から光学的に観察すると、のう膜の運動にあわせて濃度が変化することを検出することができる。のう膜のすべての位置で濃度が変化するため、ガス容積の検知精度が向上する。

濃度パターンの濃度を光学的に観察するには、濃度パターンを照射する光源、及び濃度パターンでの光反射を観察する光学式濃度検出装置を用いる。光源では一定の光量を照射するので、濃度パターンの移動（運動）により反射光量が変化し、これを光学式濃度検出装置で読み取れば、読み取った光量が濃度の変化、つまりのう膜の位置を検知できる。あらかじめ本発明の膜式ガスメータの校正時に、のう膜の１周期分の位置（及びガス容量）と濃度の関係がわかる。容量計算装置では、これを利用してのう膜の１周期の間の詳細なガス流量を検知する。即ち、のう膜の運動（およびガス容量）と光学的に観察された濃度が対応しているため高精度にガス流量を検知することが可能である。

従来のガス容積の微分を測定する流量計と異なり、本発明ではガス容積を直接測定しているので、間欠的に計測しても積算誤差が生じず、脈動的なガスの流れがあっても、得られたガス容積の信頼性が高い。ガスメータでは間欠駆動により消費電力の低減や装置寿命を延ばすことが多いので、計測誤差がサンプリング時間によらない特性は望ましい。

本発明では、のう膜の１周期以下の容積を測るため、総ガス容積はのう膜が何周期分運動したかを同時に検知することが可能であるが、のう膜が何周期運動したかは、従来の検知方式で行ってもよいし、本発明ののう膜に連動した周期的に変化する濃度変化の周期を計数してもよい。

運動板は，のう膜の運動に連動して回転運動又は往復運動する。運動板がのう膜の運動に連動して回転運動する回転板である場合、のう膜の周期運動をカムなどで回転運動に変換する機構は一般的なものであり、回転板の上に濃度パターンを設けることで、光学式濃度検出装置による濃度測定が容易になる。また回転板の直径を大きくすれば、のう膜の微小な移動を検知しやすくなるので、精度の面でも望ましい。

運動板がのう膜の周期運動に連動して往復運動する場合、のう膜の周期運動をそのまま利用して、のう膜自身に運動板を設けると、運動板の回転運動への変換が不要になるので、部品点数の面で有利である。ただし精度の面では回転運動に劣るので、どちらの構成を取るべきかは、必要とする測定精度に依存する。

往復運動の場合、回転運動と異なり往路と復路の分離が必要である。これは往路と復路の折り返し点を濃度から検出することで可能である。例えば、折り返し点で濃度が最大になるなど、濃度パターンの設計で容易に設定できる。

また、上記課題を解決するためには、前記濃度パターンに、前記運動板の運動量に対して濃度が１対１に対応する濃度分布を有する１種類の濃度パターンを用い、前記容量計算装置が、光学式濃度検出装置で計測した前記濃度パターンの濃度とガス容量を１対１に対応させた表に基づいてガス容量を計算してもよい。

かかる発明では、濃度パターンは１種類であり、濃度分布は運動板の運動量に対して濃度が１対１に対応する。容量計算装置が、光学式濃度検出装置で読み取った濃度とガス容量を１対１に対応させる表（テーブル）を元にガス容量を計算する。

濃度パターンの濃度分布が、運動板の運動量に対して１対１に対応すれば、ガス容量とも１対１に対応する。校正時には、ガス容量と濃度パターンの濃度の関係を測り、表の形で保存しておく。測定時には、あらかじめ作成しておいた表を逆に引くことで、濃度からガス容量を決定する。

また、請求項１に記載の発明は、前記濃度パターンに、前記運動板の運動量に対して互いに濃度の比が１対１に対応する濃度分布を有する第１と第２の濃度パターンを用い、前記容量計算装置が、光学式濃度検出装置で計測した前記第１と第２の濃度パターンの濃度の比とガス容量を１対１に対応させた表に基づいてガス容量を計算することを特徴する。

かかる発明では、濃度パターンが２種類であり、運動板の運動量に対して第１と第２の濃度パターンの濃度の比が１対１に対応する濃度分布である。容量計算装置が、光学式濃度検出装置で読み取った第１と第２の濃度パターンの濃度の比とガス容量を１対１に対応させる表（テーブル）を元にガス容量を計算する。

本発明では、単一濃度パターンの濃度ではなく、２種類の濃度パターンの濃度の比（以下では濃度比と呼ぶ）を用いる。濃度パターンの濃度の比が運動板の運動量に対して１対１であれば、ガス容量とも１対１に対応する。校正時には、ガス容量と濃度パターンの濃度比の関係を測り、表の形で保存しておく。測定時には、あらかじめ作成しておいた表を逆に利用することで、濃度比からガス容量を決定する。

濃度比を用いる利点は、照明光源の光量が変化した場合に対応できることである。同じ光源からの反射光を光学式濃度検出装置で検知するので、光源が何らかの理由で光量に変動が生じても、比を取ることで光量変動がキャンセルされる。例えば、長期の使用で光源の光量が劣化した場合にも、この濃度比を用いることにより検知精度の劣化が生じない。

また、請求項２に記載の発明は、前記濃度パターンと前記光学式濃度検出装置との一組の系を複数系統設け、各々の系統から計算されたガス容量値に重みをつけて最終的なガス容量を計算することを特徴とする。

かかる発明では、濃度パターンの濃度分布の設計により、運動板の運動方向に対して得られるデータの信頼度が変わる場合がある。例えば、光学式濃度検出装置の空間分解能が高くない場合、光量が平均化されて観察されるので、急峻な光量変化を検知できずに、結果として得られた光量の信頼性が下がってしまう場合が考えられる。本発明では、運動量に対して信頼度の異なる複数系統の濃度パターンと光学式濃度検出装置の組を用意し、各々の信頼度に応じた重み付けをして得られたガス容量を用いるため、全体として信頼度があがる。尚、重みづけは信頼性だけに限らず、各系統の測定精度などで重みづけしてもよい。

また、請求項３に記載の発明は、前記複数系統の濃度パターンが、系統ごとに前記運動板の運動方向に対して濃度分布をずらしてある濃度パターンであることを特徴とする。

かかる発明では、運動板の運動量に対して得られるデータの信頼度が変わる場合、系統ごとに濃度パターンを用意し、信頼性の高い部分と低い部分を相補的に配置すれば、どれかの系統では信頼度の高いガス容量の測定結果が得られるので、全体として信頼度があがる。

また、請求項４に記載の発明は、前記複数系統の濃度パターンが系統によらず同じ濃度パターンであり、前記光学式濃度検出装置で濃度を検知する位置を系統ごとに前記運動板の運動方向に対してずらしてあることを特徴とする。

かかる発明では、運動板の運動量に対して得られるデータの信頼度が変わる場合、同じ濃度パターンを用いても、検知位置ごとに信頼性の高い部分と低い部分が混在する。系統ごとに光学式濃度検出装置を用意して異なる位置で濃度を検知し、各場所の信頼性に応じて重みをつけ、信頼度の高いガス容量の測定結果を得る。

また、請求項５に記載の発明は、前記濃度パターンが、前記運動板の運動量に対して濃度が１対１に対応し、かつ離散的に濃度変化するものであることを特徴する。

かかる発明は、濃度変化を離散化することで検知可能な運動板の運動量も離散化され、ガス容量も離散的に観測される。これはガス容量の検知分解能の点で損になるが、濃度の離散化により濃度検知の信頼度はあげられる。例えば、長期劣化のため濃度パターンの濃度や光源の光量、光学式濃度検出装置の感度が若干変動しても、変動の影響が検知濃度の離散化レベル以内であれば、容積の測定結果には影響しない。

また、請求項６に記載の発明は、前記光源が発光ダイオードであり、前記光学式濃度検出装置がフォトダイオードと結像レンズからなることを特徴とする。

かかる発明では、ガスメータには一般に長期的信頼性が重要であり、光源と光学式濃度検出装置が信頼性の高い素子であることが望ましく、この観点から発光ダイオード、フォトダイオードは一般に長寿命なのでこの条件を満たしている。またフォトダイオードに結像レンズを設けることで、濃度パターンが複数あっても正しく個別の濃度を検知できるので、測定データの信頼性が確保される。

また、請求項７に記載の発明は、前記光源が発光ダイオードであり、前記光学式濃度検出装置がアレー受光器と結像レンズアレーからなることを特徴とする。

かかる発明では、長寿命な発光ダイオードを用いるのはガスメータの長期信頼性を得るためであるのは上述と同じである。検知すべき濃度パターンが複数ある場合、濃度パターン数だけレンズが並んだ結像レンズアレーでアレー受光器の個別の受光器に個別の濃度パターン像を結像させれば、レンズと受光器を各々モノリシックで製造できるので、各素子の信頼性があがる。

また、請求項８に記載の発明は、前記光源と前記光学式濃度検出装置を間欠駆動させることを特徴とする。

かかる発明では、光源を間欠駆動させることで光源寿命が延び、光学式濃度検出装置を間欠駆動させることで消費電力を低減させるので、ガスメータの長期信頼性と寿命が延びる。

請求項１に記載の発明によれば、のう膜に連動する運動板の動きを濃度パターンを使用する測定精度の高い光学的手法を用いて行っているので、少ないガス流量でも高精度で検知することができ、かつ信頼性も向上する。

また、２つの濃度パターンの濃度の比率からガス容量を検知するので、光源の光量に多少の変動があってものう膜の周期運動量、つまりガス容量値の計測が高精度でありより信頼性を高めることができる。

請求項２に記載の発明によれば、複数系統のガス容量値を用いて最終的なガス容量を決定するので、少ないガス流量でも得られたガス容量値が高精度でありより信頼性を高めることができる。

請求項３に記載の発明によれば、複数系統のガス容量値を用いのに、系統ごとに別の濃度パターンと光量検知系（光学式濃度検出装置）を設けているので、濃度パターンの位置や光量検知系を小さくまとめることができる。

請求項４に記載の発明によれば、複数系統のガス容量値を用いて最終的なガス容量を決定するので、得られたガス容量値の信頼性を更に高めることができる。

請求項５に記載の発明によれば、濃度パターンの濃度を離散化しているので、検知されたガス容量の信頼性が高まる。

請求項６に記載の発明によれば、光源に安定な光源である発光ダイオードを用い、光量検知をフォトダイオードで行っているため、低コストではあっても測定されたガス容量の信頼性を高められる。長寿命化の観点からも有利である。

請求項７に記載の発明によれば、光量検知を信頼性の高いアレー受光器と結像レンズアレーの組で行うため、測定されたガス容量の計測に際して信頼性を高められる。

請求項８に記載の発明によれば、光源と光学式濃度検出装置を間欠駆動させるため、ガスメータの消費電力を抑え、長寿命化に伴う信頼性を向上させることができる。

以下、図１乃至図３を参照して、第１の実施の形態に係る膜式ガスメータについて説明する。図１は本実施の形態に係る膜式ガスメータの構成を説明する説明図である。

本実施の形態の膜式ガスメータ１１は、図１に示すように、のう膜（図示せず）の周期運動に連動する回転軸１３と、回転軸１３に固定された回転板１５と、回転板１５上の同心円上の所定位置にリング状に付設（記録）されて回転方向に対して単調に濃度が増加する濃度パターン１７と、濃度パターン１７を一定光量で照明する発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた照明光源１９と、結像レンズ（図示せず）を備えるフォトダイオード（ＰＤ）から構成された光学式濃度検知装置（以下、光量検知器という）２１と、容量計算装置２３とを備えて構成されている。

濃度パターン１７は、回転板１５上に対する所定の印刷技術や、塗装技術、あるいはリング状の濃度パターンシールの貼付技術等により付設（記録）されている。濃度パターン１７の濃度分布は、回転板１５に適用するため直線状である必要はなく、図２に示すように、濃度分布と回転板１５の回転角度が１対１に対応する条件を満たす。光量検知器２１が結像レンズでの濃度検知が確実になるよう濃度変化の空間周波数を小さくする場合、濃度分布は単調に増加する濃度分布を採用することが望ましい。

回転板１５を用いる場合、のう膜の周期運動を回転運動に変換する機構はカムやギヤ等を用いた一般的なものでよく、回転板１５の上に濃度パターン１７を設けることで、光量検知器２１による濃度測定が容易になる。また回転板１５の直径を大きくすれば、のう膜の微小な周期運動を検知しやすくなるので、精度の面でも望ましい。

光量検知器２１は、照明光源１９が濃度パターン１７の所定位置に光を照射して濃度パターン１７から反射する反射光、即ち濃度パターン上の光照射位置に対応する濃度を反映する反射光を受光し、その濃度を反映する反射光をその濃度に対応するアナログ電気信号（反射光量信号）に変換し容量計算装置２３に出力する。

容量計算装置２３は、光量検知器２１から出力された濃度に対応する光量信号をＡ／Ｄ変換するＡＤコンバータ２５と、ＡＤコンバータ２５が変換した濃度を反映するデジタル電気信号（濃度信号）を入力して濃度対ガス容量の対応表（テーブル）２７を検索し、濃濃度信号に対応するガス容量値を求め、ガス容量値の情報を詳しくは図示しないが所定のメモリもしくはデジタル表示器等に出力するＣＰＵ２９とを備えて構成されている。

ＣＰＵ２９は、のう膜の起動時もしくは回転板１５の回転起動時に電源３１を制御して照明光源１９及び光量検知器２１等の起動を制御する。ＣＰＵ２９は、照明光源１９を例えば間欠駆動させ、これに同期して光量検知器２１の動作を制御する。ＣＰＵ２９は、間欠駆動により濃度を反映した濃度信号を取り込むので、照明光源１９と光量検知器２１の消費電力を下げる上で有利である。ＣＰＵ２９は、ガス容積の微分値である流速検知でなくガス容量の積分値を直接計測（検索）するため、このような間欠駆動でも積算誤差が生じることはない。

ＣＰＵ２９は、例えば回転板１５の回転運動とともに濃度パターン１７の濃度の飛びがある場所、即ち図３に示すように、濃度パターン１７の１周期のうち最初の位置（例えば最小濃度）と最後の位置（例えば最大濃度）との境目で検知光量が急変するので、これをカウントすることで回転板１５が何回転したかを検知する。

ＣＰＵ２９は、濃度パターン１７の濃度分布が回転板１５の回転運動量（回転角度）に対して１対１に対応するパターンであり、この関係から光量検知器２１で読み取った濃度とガス容量値を１対１に対応させる表、即ち濃度対ガス容量の対応表（テーブル）２７を元にガス容量値を計算する。濃度パターン１７の濃度分布が、回転板１５の回転運動量に対して１対１に対応すれば、ガス容量とも１対１に対応する。校正時には、ガス容量値と濃度パターン１７の濃度の関係を測り、表（テーブル）の形で濃度対ガス容量の対応表２７に保存しておく。ＣＰＵ２９は、測定時には、あらかじめ作成しておいた濃度対ガス容量の対応表２７を逆に引用することで、濃度からガス容量値を決定する。

濃度と回転角度（およびガス容量値）が１対１である場合、回転板１５の回転角度（およびガス容量値）の変化が１周期内の変化であれば、ガス容量の測定精度は計測頻度によらない。

のう膜の周期運動とともに回転板１５が回転すると、照明光源１９の濃度パターン１７への光照射とともに光量検知器２１の検知位置の濃度が変化してゆく。続いてＣＰＵ２９は、照明光源１９の電源３１を制御し、照明光源１９と光量検知器２１を間欠駆動させ、光量検知器２１によりこの濃度に対応する入射光量として濃度パターン１７の現時点の検知位置の濃度を検知する。図２に示すように、濃度パターン１７の濃度分布は、回転板１５の１周期分の回転角度に対して濃度が単調増加し、任意の回転角度に対しては鋸歯状の濃度変化を生じる。

容量計算装置２３は、光量検知器２１で得られた反射光量（反射光量信号）をＡＤコンバータ２５を介して入力するとともに、ＣＰＵ２９により例えばメモリーなどに蓄えられた濃度対ガス容量の対応表２７をもとにガス容量値を求める。即ち、容量計算装置２３では、光量検知器２１から得られた濃度パターン１７の濃度を反映するアナログ電気信号（反射光量信号）をＡＤコンバータ２５で濃度に対応するデジタル電気信号（濃度信号）に変換する。照明光源１９の光量レベルはいつも一定なので、この反射光量がそのまま濃度パターンの濃度と読み替えられる。

校正する際は、ガス容量を測定しながらのう膜にガスを送り込むと、回転板１５の回転軸１３が回転し光量検知器２１で得られる光量が変動する。ＣＰＵ２１が濃度対ガス容量の対応表２７を検索することで回転板１５の１回転分に対応する受光量対ガス容量のデータを得たら、それを表の形でメモリーに書き込んでおく。測定時にはこの表を逆に引用して光量検知器２１で得られた光量からガス容量値を求める。即ちＣＰＵ２９は、回転板１５上の濃度パターン１７の濃度の飛びがある場所で検知光量が急変するので、これをカウントすることで回転板１５が何回転したかを検知し、これと受光量対ガス容量のデータに基づいて実使用のガス容量値を求める。

濃度パターン１７の濃度分布と回転板１５の回転角度との関係が１対１に対応しており、結像レンズでの濃度検知を確実にするため濃度変化の空間周波数を小さくする場合、濃度パターン１７の濃度分布は単調に増加する濃度分布でよく、即ち濃度と回転角度（およびガス容量値）が1対1なので、回転角度（およびガス容量値）の変化が１周期内の変化であれば、容量の精度は計測頻度によらず高精度である。

本実施の形態においては、照明光源１９は間欠駆動であり、これに同期して光量検知器２１からの濃度を反映する反射光量信号を取り込んでいるので、照明光源１９と光量検知器２１の消費電力を下げることができる。また、ガス容積の微分値である流速検知でなくガス容量の積分値を直接計測するため、このような間欠駆動でも積算誤差が生じることはなく、ガス流量が小さくともガス容量の計測に際して高い信頼性を得ることができる。

尚、濃度分布としては、図３に示すように、離散化した濃度分布を用いてもよい。この分布を用いると回転板１５の回転角度（およびガス容量値）の分解能が下がるが、光量のレベルが確実になるので、照明光源１９の光量が多少変動してもどの回転角度範囲（およびガス容量範囲）にあるかをより確実に検知することが可能になる。

次に、図４乃至図６を参照して、第２の実施の形態に係る膜式ガスメータについて説明する。図４は本実施の形態に係る膜式ガスメータの要部構成を説明する説明図である。尚、図１に示す部分と同一部分には同一符号を付して重複する説明は省略する。

本実施の形態の膜式ガスメータ４１は、図４に示すように、回転板１５上の濃度パターン１７の同心円上の例えば内側に濃度パターン４７が付設（記録）されている。図５に示すように、濃度パターン１７は回転板１５の１周期の回転角度に対して濃度が単調増加する濃度分布であり、濃度パターン４７は回転板１５の１周期の回転角度に対して濃度が単調減少する濃度分布となっている。

また、図４に示すように、濃度パターン４７にも一対に対応して光量検知器２１と同様の構成の光量検知器４３が設けられている。光量検知器４３は、濃度パターン４７の反射光、即ち照明光源１９の発光による濃度パターン４７上の光照射位置に対応する濃度を反映する反射光を受光し、その濃度を反映する反射光をその濃度に対応するアナログ電気信号（反射光量信号）に変換して容量計算装置２３のＡＤコンバータ（図示せず：ＡＤコンバータ２５とは別体）を介しＣＰＵ２９に出力する。

回転板１５の回転角度に対して外側の濃度パターン１７の濃度（反射光量）を内側の濃度パターン４７の濃度（反射光量）で割った濃度の比をプロットすると、図６に示すように回転板１５の１周期内で回転角度（およびガス容量値）と濃度比が１対１に対応する単調な関係が得られる。

ＣＰＵ２９は、濃度パターン１７，４７の濃度比が回転板１５の回転運動量（回転角度）に対して１対１に対応するパターンであり、この関係から光量検知器２１，４３で読み取った濃度パターン１７，４７の濃度比とガス容量値を１対１に対応させる表、即ち濃度対ガス容量の対応表（テーブル）２７を元にガス容量値を計算する。濃度パターン１７，４７の濃度比が、回転板１５の回転運動量に対して１対１に対応すれば、ガス容量とも１対１に対応する。校正時には、ガス容量値と濃度パターン１７，４７の濃度比の関係を測り、表（テーブル）の形で濃度対ガス容量の対応表２７に保存しておく。ＣＰＵ２９は、測定時には、あらかじめ作成しておいた濃度対ガス容量の対応表２７を逆に引用することで、濃度比からガス容量値を決定する。

濃度比と回転角度（およびガス容量値）が１対１である場合、回転板１５の回転角度（およびガス容量値）の変化が１周期内の変化であれば、ガス容量の測定精度は計測頻度によらない。

のう膜の周期運動とともに回転板１５が回転すると、照明光源１９の濃度パターン１７，４７への光照射とともに光量検知器２１，４３の検知位置の濃度が変化してゆく。ＣＰＵ２９は、照明光源１９の電源３１を制御し、照明光源１９と光量検知器２１を間欠駆動させ、光量検知器２１，４３によりこの濃度に対応する入射光量として濃度パターン１７，４７の現時点の検知位置の濃度を検知する。

容量計算装置２３は、光量検知器２１で得られた濃度パターン１７からの反射光量（反射光量信号）をＡＤコンバータ２５を介して入力するとともに、光量検知器４３で得られた濃度パターン４７からの反射光量（反射光量信号）を例えば他のＡＤコンバータを介して入力する。続いてＣＰＵ２９により双方の反射光量の比、即ち濃度比を求め、かつ例えばメモリーなどに蓄えられた濃度対ガス容量の対応表２７をもとにガス容量値を求める。

即ち、容量計算装置２３では、ＣＰＵ２９が、光量検知器２１，４３から得られた濃度パターン１７，４７の濃度を反映するアナログ電気信号（反射光量信号）をＡＤコンバータ２５等を介し変換された各濃度に対応する濃度信号を受信するとともに、双方の濃度比を求める。照明光源１９の光量レベルはいつも一定なので、この反射光量の比、即ち濃度比がそのまま濃度パターン１７，４７の濃度比と読み替えられる。

校正する際は、ガス容量を測定しながらのう膜にガスを送り込む。のう膜の周期運動とともに回転板１５が回転し光量検知器２１，４３で得られる光量が変動する。ＣＰＵ２１が回転板１５の１回転分に対応する受光量対ガス容量のデータを得たら、それを表の形、即ち濃度対ガス容量の対応表２７の形でメモリーに書き込んでおく。測定時にはこの表を逆に引用して光量検知器２１，４３で得られた反射光量の比、即ち濃度比からガス容量値を求める。

濃度パターン１７，４７の濃度比と回転板１５の回転角度との関係が１対１に対応しており、結像レンズでの濃度検知を確実にするため濃度変化の空間周波数を小さくする場合、濃度パターン１７，４７の濃度分布は一方が単調増加、他方が短調減少する濃度分布でよく、即ち双方の濃度比と回転角度（およびガス容量値）が1対1なので、回転角度（およびガス容量値）の変化が１周期内の変化であれば、容量の精度は計測頻度によらず高精度である。

本実施の形態においては、第１の実施の形態で得られる効果に加えて、長期の使用に際して照明光源１９の光量が多少劣化した場合でも、濃度比を用いることで光量変動の影響をキャンセルすることができるので、回転角度の検知精度の劣化が生じることはなく、この観点からも信頼性が向上する利点がある。

次に、図７乃至図１０を参照して、第３の実施の形態に係る膜式ガスメータについて説明する。図７は本実施の形態に係る膜式ガスメータの構成を説明する説明図である。尚、図５に示す部分と同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。

本実施の形態の膜式ガスメータ５１は、図７に示すように、第２の実施の形態で示す如くリング状の二つの濃度パターン１７，５７を用いるとともに、濃度パターン５７にも一対に対応する光量検知器４３を設け、所謂２系統（系統１、系統２）の検知系を構成するものである。そして、双方の濃度パターン１７，５７は、図８に示すように、例えば回転板１５の１周期の回転角度に対して濃度が単調増加する濃度分布であるが、濃度分布が急峻に変化する位置、即ち１周期のうち最初の位置（例えば最小濃度）と最後の位置（例えば最大濃度）との境目の位置が互いに半周期ずれるように回転板１５上に付設（記録）している点に特徴がある。

光量検知器２１，４３により濃度パターン１７，４７の濃度を検知する場合、濃度分布が急峻に変化する位置（例えば最小濃度と最後の最大濃度との境目）では、光量検知器２１，４３の光学的ぼけの影響で濃度検知の信頼性が劣化する場合が考えられる。

本実施の形態においては、２系統（系統１、系統２）の検知系から得られた濃度（濃度信号、即ちガス流量）に対し、図９に示すように、検知濃度に応じた信頼度の重み、即ち‘１’か‘０’の何れかの値を例えば乗算して和を取り最終的なガス流量とする。総ガス容量に対する濃度の重みは、具体的には、図１０に示すように、計測するガス容量の増加とともに各系統（系統１、系統２）で交互の検知濃度の値が有効になる。この場合、得られる回転角度の信頼性が低い検知濃度で不連続に変化する付近で重みがゼロ‘０’になり、代わりに別系統の重みが‘１’になるので、常に最終的に得られたガス容量の信頼性が向上する。

のう膜の周期運動とともに回転板１５が回転すると、照明光源１９の濃度パターン１７，４７への光照射とともに光量検知器２１，４３の検知位置の濃度が変化してゆく。ＣＰＵ２９は、照明光源１９の電源３１を制御し、照明光源１９と光量検知器２１を間欠駆動させ、光量検知器２１，４３によりこの濃度に対応する入射光量として濃度パターン１７，４７の現時点の検知位置の濃度を検知する。

容量計算装置２３は、光量検知器２１で得られた濃度パターン１７からの反射光量（反射光量信号）をＡＤコンバータ２５を介して入力するとともに、光量検知器４３で得られた濃度パターン４７からの反射光量（反射光量信号）を例えば他のＡＤコンバータを介して入力する。続いてＣＰＵ２９により双方の反射光量の急峻な変化を監視し、急峻な変化でない場合は重み‘１’を乗算し双方の和を取り、急峻な変化がある場合は重み‘０’を乗算し和を取る。この結果、ＣＰＵ２９は、一方の系統（系統１もしくは系統２）の検知濃度が信頼性が低いものとして否定されたとしても、他方の系統（系統２もしくは系統１）の検知濃度を有効なものとして認識する。即ち得られる回転角度の信頼性が低い検知濃度で不連続に変化する付近で重みがゼロ‘０’になり、代わりに別系統の重みが‘１’になり、有効な検知濃度の認識とともに例えばメモリーなどに蓄えられた濃度対ガス容量の対応表２７に基づいて実使用のガス容量値を求める。

以上の処理の他、校正する際、及び校正後に計測する際の具体的な処理は上記実施の形態の場合と同様の考え方でよく、詳しい説明は省略する。

濃度パターン１７，４７の濃度と回転板１５の回転角度との関係が１対１に対応しており、結像レンズでの濃度検知を確実にするため濃度変化の空間周波数を小さくする場合、濃度パターン１７，４７の濃度分布は半周期ずれて双方ともに例えば単調増加する濃度分布でよく、即ち双方の濃度と回転角度（およびガス容量値）が1対1なので、回転角度（およびガス容量値）の変化が１周期内の変化であれば、容量の精度は計測頻度によらず高精度である。

本実施の形態においては、第１の実施の形態で得られる効果に加えて、照明光源１９の光量が多少劣化したり光学的なぼけが生じたりした場合でも、得られる回転角度の信頼性が低い検知濃度で不連続に変化する付近で重みがゼロ‘０’になり、代わりに別系統の重みが‘１’になるので、回転角度の検知精度の劣化が生じることはなく、この観点からも信頼性が向上する利点がある。

次に、図１１乃至図１５を参照して、第４の実施の形態に係る膜式ガスメータについて説明する。図１１は本実施の形態に係る膜式ガスメータの構成を説明する説明図である。尚、図５に示す部分と同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。

本実施の形態の膜式ガスメータ６１は、図１１に示すように、回転板１５上の濃度パターン１７の同心円上の例えば内側に濃度パターン６７，６９が付設（記録）されている。図１２に示すように、濃度パターン１７は回転板１５の１周期の回転角度に対して濃度が単調増加する濃度分布であり、濃度パターン６７は回転板１５の１周期の回転角度に対して濃度が一定（濃度パターン１７の最大濃度の例えば１／２濃度）であり、濃度パターン６９は回転板１５の１周期の回転角度に対して濃度が濃度パターン１７と半周期ずれて単調増加する濃度分布となっている。

また、図１１に示すように、濃度パターン６７，６９にも一対に対応して光量検知器２１と同様の構成の光量検知器４３，４５が設けられている。光量検知器４３は、濃度パターン６７の反射光、即ち照明光源１９の発光による濃度パターン６７上の光照射位置に対応する濃度を反映する反射光を受光し、光量検知器４５は、濃度パターン６９の反射光、即ち照明光源１９の発光による濃度パターン６９上の光照射位置に対応する濃度を反映する反射光を受光する。そして、双方の光量検知器４３，４５ともに、その濃度を反映する反射光をその濃度に対応するアナログ電気信号（反射光量信号）に変換して容量計算装置２３のＡＤコンバータ２５等を介しＣＰＵ２９に出力する。

即ち、本実施の形態では、図１１に示すように、濃度パターン１７，６７，６９が同心円状に３本設けてある。これに照明光源１９から光を照射し、その反射光を３個のレンズ付きフォトダイオード（ＰＤ）からなる光量検知器２１，４３，４５で独立に検知する。回転板１５の回転角度に対する三つの濃度パターン１７，６７，６９の濃度分布を図１２に示す。濃度パターン１７，６７から求めた濃度比を系統１、濃度パターン６７，６９から求めた濃度比を系統２とすると、図１３に示すように、濃度比の飛びが半周期ずれた２系統の濃度比分布が得られる。ＣＰＵ２９は、これら二つの系統（系統１、系統２）に対し、ガス容量を求める時に図１４に示すような濃度比に対する重み付け（即ち‘１’か‘０’の何れか）をして、信頼性の低い濃度比を無効とし最終的なガス容量を得る。

ガス容量に対する２系統の濃度の重みの変化は図９に示す場合と同じであり、２系統のガス容量の測定結果に対し、信頼性の低い部分を互いに補いながらガス容量を計測する。本実施の形態の場合、光量検知器が三つに増えるが、濃度の代わりに２系統の濃度比を用いることで照明光源１９の光量変化の影響をより有効にキャンセルすることができる利点がある。

一方、各系統（系統１、系統２）の検知系は、図１５に示すように、３個の光量検知器２１，４３，４５をＰＤアレイ７１とレンズアレイ７３の組み合わせで構成しても良い。モノリシック化したＰＤアレイ７１とレンズアレイ７３を用いることで、複数の個別素子を組み合わせるよりも信頼性があがるばかりでなく、光量検知器のサイズの小型化や低コスト化をも可能にする。

本実施の形態においては、第３の実施の形態の効果に加えて、各系統（系統１、系統２）から得られる濃度比に重み付けを行って各系統（系統１、系統２）の濃度パターン１７，６７の濃度比検知、及び濃度パターン６７，６９の濃度比検知に演算処理を施し、最終的にガス容量計測を行うので、より信頼性を高めることができる利点がある。

次に、図１６乃至図１９を参照して、第５の実施の形態に係る膜式ガスメータについて説明する。図１６は本実施の形態に係る膜式ガスメータの構成を説明する説明図である。尚、図１に示す部分と同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。

本実施の形態の膜式ガスメータ８１は、図１６に示すように、照明光源１９からの照明光を一つの濃度パターン１７に照射し、その濃度を反映する反射光を計測位置をずらしたレンズ付きフォトダイオード（ＰＤ）からなる二つの光学式濃度検出装置、即ち光量検知器２１，７５で検知する。各光量検知器２１，７５によって検知された濃度は、図１７に示すように、所謂移相が数％ずれた形態を以って容量計算装置２３のＡＤコンバータ２５等を介しＣＰＵ２９に取り込まれる。

ＣＰＵ２９は、図１８に示すように、一方の例えば照明光源１９から遠い側の光量検知器２１で得られた濃度に対して重み（Ｗ：例えば‘１’）を付与し、他方の例えば照明光源１９に近い側の光量検知器７５で得られた濃度に対して重み（１−Ｗ：例えば‘０’）を付与し、これらの関係からガス容量を求める。この結果、図１９に示すように、例えば光量検知器２１が検知した濃度に対し重み（Ｗ）を付与せず、回転板１５の１周期の間で信頼性が低く否定された濃度領域には、代って光量検知器７５が検知した信頼性のある濃度に対し重み（１−Ｗ）を付与することとなり、全体としてガス容量の計測に信頼性が増すことになる。即ち同じ濃度パターン１７の２ヶ所で計測された２系統の濃度分布から、信頼性の低い部分を互いに補いながら精度良くガス容量を計測することになり、結果として信頼性が増す。

本実施の形態においては、一つの濃度パターン１７を用いても２系統の光量検知器２１，７５からの信頼性のある濃度検知に対し重み付けをして信頼性の低い部分を互いに補いながら精度良くガス容量を計測することができるので、比較的簡易な構成でガス容量の測定精度の信頼性を高めることができる。

次に、図２０乃至図２２を参照して、第６の実施の形態に係る膜式ガスメータについて説明する。図２０は本実施の形態に係る膜式ガスメータの要部構成を説明する説明図である。尚、詳しく図示しないが第１の実施の形態で説明した構成要素と同一部分の重複する説明は省略する。

本実施の形態の膜式ガスメータ９１は、図２０に示すように、のう膜（図示せず）の周期運動に連動して例えば前後に往復運動する並進板９３と、並進板９３の一側面、即ち往復の移動方向の前面側に付設（記録）した離散的な濃度分布を持つ濃度パターン９５と、並進板９３の往復の移動方向の前方側に濃度パターン９５を照明する発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる一定光量の照明光源９７と、結像レンズつきのフォトダイオード（ＰＤ）から構成された光量検知器９９と、図示しないが第１の実施の形態で説明した容量計算装置２３とを備えて構成されている。

照明光源９７はビーム状に光を放射するので、のう膜の周期運動に合わせて並進板９３が前後の方向に往復移動すると、図２１に示すように、並進板９３が照明光源９７から離れてゆく往路ではビーム光の反射する位置が右方向へ移動する。この結果、光量検知器９９には濃度パターン９５の図示左から右へ向う濃度を反映する反射光量が検知される。また、並進板９３が照明光源９７へ近づく復路ではビーム光の反射する位置が左方向へ移動するため、光量検知器９９には濃度パターン９５の図示右から左へ向う濃度を反映する反射光量が検知される。

並進板９３が、図２１に示すように、位置１から位置３へ移動すると、照明光源９７から発したビーム光の反射位置が変わるのと、光量検知器９９に入射する反射光の伝播距離が変化するため、並進板９３が位置１にあるときは受光光量が大きく、位置３にあるときは受光光量が小さい。並進板９３の位置はのう膜の位置に対応するため、反射光量（つまり濃度）からガス容量が１対１に対応する。この関係に基づいて容量計算装置２３は光量検知器９９で測定された検知光量からガス容量を求めることができる。

濃度パターン９５の濃度検知に際して回転運動ではなく並進運動を用いているので、図２２に示すように、のう膜の１周期に対して、ガス容量と濃度の関係は階段状になる。また、のう膜の１周期内であっても、１つの濃度に対して二つのガス容量が対応することになるが、ガス流量が増加する一方なのが普通なので、ＣＰＵ２９は、濃度が最大になった点を検知した後は、図２３に示すように、濃度が増加する側なのか減少する側なのかを判断することが容易であり、濃度対ガス容量の対応表２７に基づいてガス容量の総量を求めることができる。

本実施の形態においては、上述した実施の形態と同様の作用、効果を得ることが可能である他、並進板９３はのう膜に貼り付けるだけでも良いため、のう膜の前後運動を回転運動に変換する機構は不用であり、製作上においても有利である利点がある。

第１の実施の形態に係る膜式ガスメータの構成を説明する説明図である。 第１の実施の形態において濃度パターンの濃度分布と回転板の回転角度との関係を説明するグラフである。 第１の実施の形態において濃度パターンの離散的な濃度分布と回転板の回転角度との関係を説明するグラフである。 第２の実施の形態に係る膜式ガスメータの要部構成を説明する説明図である。 第２の実施の形態において二つの濃度パターンの濃度分布と回転板の回転角度との関係を説明するグラフである。 第２の実施の形態において二つの濃度パターンの濃度比と回転板の回転角度との関係を説明するグラフである。 第３の実施の形態に係る膜式ガスメータの要部構成を説明する説明図である。 第３の実施の形態において二つの濃度パターンの濃度分布と回転板の回転角度との関係を説明するグラフである。 第３の実施の形態において濃度の変化範囲と重みとの関係を説明するグラフである。 第３の実施の形態において系統１、系統２の重みとガス容量との関係を説明するグラフである。 第４の実施の形態に係る膜式ガスメータの要部構成を説明する説明図である。 第４の実施の形態において三つの濃度パターンの濃度分布と回転板の回転角度との関係を説明するグラフである。 第４の実施の形態において系統１、系統２の濃度比と回転板の回転角度との関係を説明するグラフである。 第４の実施の形態において濃度の変化範囲と重みとの関係を説明するグラフである。 第４の実施の形態において濃度パターンの濃度を検知する他の構成を説明する説明図である。 第５の実施の形態に係る膜式ガスメータの要部構成を説明する説明図である。 第５の実施の形態において濃度パターンの濃度検知と回転板の回転角度との関係を説明するグラフである。 第５の実施の形態において濃度の変化範囲と重みとの関係を説明するグラフである。 第５の実施の形態において各系統の重みとガス容量との関係を説明するグラフである。 第６の実施の形態に係る膜式ガスメータの要部構成を説明する説明図である。 第６の実施の形態において並進板の往復移動と濃度検知との関係を説明する説明図である。 第６の実施の形態において濃度検知とガス容量との関係を説明するグラフである。

符号の説明

１１，４１，５１，６１，８１，９１ 膜式ガスメータ
１３ 回転軸
１５ 回転板（運動板）
１７，４７，５７，６７，６９，９５ 濃度パターン
１９，９７ 照明光源
２１，４３，４５，７５，９９ 光量検知器（光学式濃度検知装置）
２３ 容量計算装置
２５ ＡＤコンバータ
２７ 濃度対ガス容量の対応表
２９ ＣＰＵ
７１ ＰＤアレイ
７３ レンズアレイ
９３ 並進板（運動板）

Claims (8)

1. のう膜の周期運動に連動して回転運動、又は往復運動する運動板と、
   前記運動板の運動方向に沿って記録し、該運動板の運動方向に沿って濃度分布が変化する１種類以上の濃度パターンと、
   前記運動板の運動とともに運動する前記濃度パターンに光を照射する光源と、
   前記濃度パターンから反射する前記濃度パターンの濃度を計測する光学式濃度検出装置と、
   前記光学式濃度検出装置が計測した前記濃度パターンの濃度からガス容量を求める容量計算装置と、を備え、
   前記濃度パターンに、前記運動板の運動量に対して互いに濃度の比が１対１に対応する濃度分布を有する第１と第２の濃度パターンを用い、
   前記容量計算装置が、前記光学式濃度検出装置で計測した前記第１と第２の濃度パターンの濃度の比とガス容量を１対１に対応させた表に基づいてガス容量を計算することを特徴する膜式ガスメータ。
2. 前記濃度パターンと前記光学式濃度検出装置との一組の系を複数系統設け、各々の系統から計算されたガス容量値に重みをつけて最終的なガス容量を計算することを特徴とする請求項１に記載の膜式ガスメータ。
3. 前記複数系統の濃度パターンが、系統ごとに前記運動板の運動方向に対して濃度分布をずらしてある濃度パターンであることを特徴とする請求項１または２の何れか一つに記載の膜式ガスメータ。
4. 前記複数系統の濃度パターンが系統によらず同じ濃度パターンであり、前記光学式濃度検出装置で濃度を検知する位置を系統ごとに前記運動板の運動方向に対してずらしてあることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の膜式ガスメータ。
5. 前記濃度パターンが、前記運動板の運動量に対して濃度が１対１に対応し、かつ離散的に濃度変化するものであることを特徴する請求項１乃至４の何れか一つに記載の膜式ガスメータ。
6. 前記光源が発光ダイオードであり、前記光学式濃度検出装置がフォトダイオードと結像レンズからなることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一つに記載の膜式ガスメータ。
7. 前記光源が発光ダイオードであり、前記光学式濃度検出装置がアレー受光器と結像レンズアレーからなることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一つに記載の膜式ガスメータ。
8. 前記光源と前記光学式濃度検出装置を間欠駆動させることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一つに記載の膜式ガスメータ。

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