JP4285056B2 - 流体の流れ計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波流量計や熱線式流量計等のように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体の流れ計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の流体の流れ計測装置としては、様々なものが提案されているが、流体の流れ計測装置の一種である超音波流量計の計測原理としては逆数差法と呼ばれているものが広く知られている。この逆数差法に基づく流体の流れ計測装置は、例えば、図５のような構成となっていた。
【０００３】
図５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１１Ａ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量演算手段１６Ａにより、流体の流量を計測することが可能である。
【０００４】
静止流体中の音速をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れに対して順方向の超音波の伝搬速度は（ｃ＋ｖ）、そして流れに対して逆方向の伝搬速度は（ｃ−ｖ）となる。
【０００５】
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、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 （４）
となる。（式３）、（式４）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Ｍ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。
【０００６】
ｖ＝Ｍ（Ｌ／２ｃｏｓθ）・（１／Ｔｆ−１／Ｔｒ） （５）
この種の流量計測装置では、ガスの総使用量を正確に求めることが要求される一方で、ガス器具の使用状況を監視する保安機能でも高い性能を有することが求められる。保安機能付きのメーターは一般にマイコンメータと呼ばれており、ガス使用量の推移からガス器具の使用状態を類推し、異常な使用状態を検出した場合にガスを供給を遮断するものである。マイコンメータは、例えば、１００００倍にも及ぶ非常に広い使用範囲において、正確な瞬時流量を求める必要がある。
【０００７】
超音波式流量計をマイコンメータに適用した場合、最小流量に計測精度を合わせてシングアラウンド回数を多くすると、装置全体の消費電力を増加させてしまうことになる。これを解決する手法として、計測流量に応じてシングアラウンド回数と計測周期を可変にする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、総使用量として誤差になりにくい小流量においては、シングアラウンド回数を多くして分解能を高める一方で、計測周期を長くして、トータルの電力消費量を増大させないようにしようというものである。
【０００８】
【特許文献１】
再公表特許ＷＯ９６／１２９３３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
マイコンメータが実現すべき機能として、配管に生じた亀裂などが原因で発生する微小な漏れの検出機能がある。この微少漏れを意識して、計測分解能を高めた場合、配管内で生じる自然対流をも検出して、実際にはガス器具の使用を停止しているにも関わらず、一時的にはガス流れているかの如く、流量値を検出してしまうことがある。これを防ぐには、流速検出手段９により求めた計測値を平均化することにより比較的容易に実現可能である。
【００１０】
しかしながら、近年、ガス熱源を用いた冷暖房機（床暖房、ガスエアコン）が普及しているが、これらの器具は一日中、断続的に動作しており、使用を停止している短時間の間で、漏れ判断を正しく行なうためには、十分な平均化効果を得ることが必要であり、それを意識した場合には、間欠駆動周期を思ったように長く定めることができず、結果として小流量計測時の消費電流の削減が困難であるという課題があった。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するものであり、消費電力の増大を招くことなく、短時間で効率的に微小漏れの検出を可能とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の流体の流れ計測装置は、流体の流速及び／または流量を計測する流れ演算手段と、前記流れ演算手段で計測された流速及び／または流量値のばらつきを判定する切替判定手段と、計測周期を切り替える計測周期設定手段と、流体の漏洩を判定する漏洩判定手段とを備え、前記流れ演算手段は第１周期または前記第１周期より短い第３周期ごとにそれぞれ複数回流速及び／または流量を計測するものであり、前記切替判定手段は、前記第１周期よりも長い周期である第２周期ごとに前記流れ演算手段で計測された流速及び／または流量値のばらつきを判定し、前記計測周期設定手段は、前記切替判定手段により判定されたばらつきが小さくなるにしたがって前記第３周期を長くして漏洩判定を行うものである。
【００１３】
これによって、過度に消費電力を増大させることなく効率的に短時間で、漏洩判定を行なうことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
第１の発明は、流体の流速及び／または流量を計測する流れ演算手段と、前記流れ演算手段で計測された流速及び／または流量値のばらつきを判定する切替判定手段と、計測周期を切り替える計測周期設定手段と、流体の漏洩を判定する漏洩判定手段とを備え、前記流れ演算手段は第１周期または前記第１周期より短い第３周期ごとにそれぞれ複数回流速及び／または流量を計測するものであり、前記切替判定手段は、前記第１周期よりも長い周期である第２周期ごとに前記流れ演算手段で計測された流速及び／または流量値のばらつきを判定し、前記計測周期設定手段は、前記切替判定手段により判定されたばらつきが小さくなるにしたがって前記第３周期を長くして漏洩判定を行うものである。これによれば、過度に消費電力を増大させることなく効率的に短時間で、漏洩判定を行なうことができる。また、ばらつきに応じて適切な計測条件を設定することが可能となる。
【００１５】
第２の発明は、特に第１の発明において、切替判定手段によりばらつきが小さいと判定された時のみ計測周期設定手段が計測周期を第３周期に切り替え、漏洩判定手段が漏洩を判定することにより、タイミングを見計らって漏洩判定ができるようになるため誤判定の確率を小さくすることができる。
【００１７】
第３の発明は、特に第２の発明において、漏洩判定手段の漏洩していないという判定結果が所定回数に達すると、前記漏洩判定手段は所定期間動作しないことにより、消費電力の低減が可能となる。
【００１８】
第４の発明は、特に第３の発明において、さらに所定期間経過後に、漏洩判定手段の漏洩していないという判定結果を初期化することにより、定期的に微少漏洩の確認ができるようになり安全性の確保が実現できる。
【００１９】
【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。
【００２０】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における流体の流れ計測装置のブロック図、図２は、同装置の計測ばらつきと漏洩判定の関係を説明する特性図、図３は同装置の動作を説明するフローチャート、図４は、同装置の計測ばらつきと計測周期の関係を説明する特性図である。
【００２１】
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は流速検出手段であり、電池、商用電源等の電源１０を動力源とし、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。
【００２２】
１１は制御手段であり、計時手段８で求めた超音波の伝搬時間を基に流速検出手段９で検出した流速に基づき流量を求める流量演算手段１２、流量演算手段１２で求めた流量の平均値を求める平均値演算手段１３、流量演算手段１２で求めた流量のばらつきを求めるばらつき演算手段１４、平均値演算手段１３、ばらつき演算手段１４の出力から、流速検出手段９が実行する一連の計測手順の間欠駆動周期の切替の判断を行なう切替判定手段１５、切替判定手段１５の判断に従い間欠周期を設定し、設定された計測周期に応じて、電源１０を動作させる計測周期設定手段１６、平均値演算手段１３の出力から漏洩の有無を判定する漏洩判定手段１７で構成されている。なお、特許請求の範囲の流れ演算手段は、本実施例の流速検出手段９及び流量演算手段１２に相当する。
【００２３】
続いて、流速検出手段９における計測手順について説明する。制御手段１１では、電源１０のスイッチ回路が閉じて流速検出手段９に電力供給を開始されると、繰り返し手段７に対して、計測開始のトリガ信号が出力される。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、超音波を流体の流れの順方向に送信した伝搬時間を計測する回路を構成する。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、予め定められた繰り返し回数だけ、流れの順方向の送受信が行なわれ、所定の回数が終了すると計時手段８は伝搬時間の計時を停止し、その計測結果Ｔｆを流量演算手段１２に出力する。
【００２４】
続いて、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回路を構成する。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、予め定められた繰り返し回数だけ、流れの逆方向の送受信が行なわれ、所定の回数が終了すると計時手段８は伝搬時間の計時を停止し、その計測結果Ｔｒを流量演算手段１２に出力する。
【００２５】
以上のように、流体の流れに対して順方向・逆方向それぞれ定められた回数のシングアラウンドをもって一連の計測手順が終了し、制御手段１１は電源１０の回路を開いて、流速検出手段９への電源供給を停止する。計測手順において定められた繰り返し回数をＭ回とするならば、（式４）、（式５）に基づいて流量を求めることができる。以上、一連の計測手順は、計測周期設定手段１６で定められた計測周期が経過する毎に実行される。
【００２６】
次に、図２を用いて、流量演算手段１２で求めた計測ばらつきと計測周期との関係について説明する。配管内に一定流量（ゼロも含む）が発生していると仮定した場合であっても、外乱や検出精度により若干の計測ばらつきを生じる。したがって、真値を求めるには、流量値を平均化して求める必要がある。流量演算手段１２で求めた流量値の標準偏差をσとするならば、流量値のＮ個平均値の標準偏差σｎは（式６）で求めることができる。
【００２７】
【数１】

図２において、分布Ａはガス器具の使用を停止している状態、すなわち流量がゼロの状態（以降ゼロ点と称する）の流量値のＮ個平均値の発生確率の密度分布であり、分布Ｂは微少流量値Ｑｓ［Ｌ／ｈ］が発生している条件下での流量値のＮ個平均値の発生確率の密度分布である。なお、ここでは流量＝０、および流量＝Ｑｓの計測値の標準偏差σは等しいと仮定している。Ｑｓが実際に発生しうる、微少漏れの下限値であるとすると、分布Ａ、Ｂが重ならなければ、流量平均値をもって、漏れとゼロ点の識別が可能となる。ここで、識別を容易にするためには平均値の標準偏差を小さくするように平均回数Ｎを増やせば良い。
【００２８】
一方で、単純に平均化回数Ｎを増やしても、検出期間中にガス器具の使用が再開される確率が高くなる。特に、ガス器具がほぼ一日中、間欠的に運転されるケースが増えているため、できるだけ短時間で検出を終える必要がある。そのため、流速検出手段９の間欠動作周期を短く設定することにより短時間で平均化回数Ｎを増やすことが考えられるが、間欠周期を単純に短くするのは、消費電力の増加を招くため、実用的とは言えない。そこで、漏れの検出を一定期間、例えば１時間（第２周期）毎に一度だけ行なうように定めれば、漏れ検出期間中の計測周期（第３周期）を短く設定しても消費電力が著しく増加することはない。
【００２９】
以上を鑑みて、制御手段１１は次の通り作用する。図３を用いて制御手段１１の動作を説明する。通常は計測周期（第１周期）は２秒に設定されており（ＳＴＥＰ１）、１分経過毎に、平均値演算手段１３で求める流量平均値、ばらつき演算手段１４で流量値の標準偏差σが算出される（ＳＴＥＰ３）。ここで、求めた平均値が基準値Ｑ１より小さく（ＳＴＥＰ４）、かつ標準偏差σが閾値Ｑ２より小さければ（ＳＴＥＰ５）、切替判定手段１５が、流速検出手段９の動作を漏洩判定動作に切り替える。これを受けて、計測周期設定手段１６が、流速検出手段９の計測周期０．２５秒（第３周期）に切り替える（ＳＴＥＰ６）。計測周期設定手段１６では、少なくとも２種類の周期を設定することが可能である。ここで、設定された０．２５秒の計測周期により、定められた短い時間、例えば１分で、集中的にサンプリングを行い（ＳＴＥＰ７）、その期間の流量平均値を求める（ＳＴＥＰ８）。このとき求めた流量平均値と洩れ判定の閾値Ｑｓとの大小比較を漏洩判定手段１７で行い（ＳＴＥＰ９）、閾値より小さければゼロ点、すなわち漏洩なしと判断し（ＳＴＥＰ１０）、閾値より大きければ漏洩と判断する（ＳＴＥＰ１１）。漏洩判定を一度行った後は、切替判定手段１５が、漏洩判定の終了を決定し、計測周期設定手段６で定める計測周期を２秒に戻す（ＳＴＥＰ１２）。そして、１時間経過し次の漏洩判定の周期（第２周期）が来るまでは、流量の大小にかかわらず漏洩判定は行なわない（ＳＴＥＰ１３）。
【００３０】
したがって、過度に消費電力を増大させることなく効率的に短時間で、洩れ判定を行なうことができる。また、図４に示すように、漏洩判定時の計測周期（第３周期）を、標準偏差σが小さくなるにしたがって、長くなるように定めておけば、必要以上に無駄な電力消費を抑えることが可能である。また、定常的な漏れが発生しているとするならば、ゼロ点を検出することはないはずであるから、一旦、所定回数（例えば５回）以上、ゼロ点、すなわち「漏洩なし」が確認できたら、それ以降の漏洩判定を行なわない構成としても良い。この場合、例えば、一定期間（例えば１か月）以上経過した後、ゼロ点の検出履歴をすべてクリアして、再度、漏洩判定を行なう様に定めておけば、消費電力を更に節約しながらも、定常的な洩れの検出が可能であるため、安全性が損なわれることはない。
【００３１】
以上のように、本実施例によれば、計測周期の短い漏洩判定手段１７を少なくとも定められた時間以上経過する毎に実行しているので、過度に消費電力を増大させることなく効率的に短時間で洩れ判定を行なうことができる。
【００３２】
また、流量値とばらつきが小さいときのみ、漏洩判定を行なっているので、適切なタイミングで漏洩判定ができるので、誤判定の確率を小さくすることができる。
【００３３】
また、流量値のばらつきが小さくなるにしたがって、計測周期を短くなるように設定しているので、状況に応じて適切な計測条件を設定することができる。
【００３４】
そして、「漏洩なし」の検出回数が所定回数に達すると、漏洩判定手段１７の動作を禁止しているので、消費電力の低減が可能となる。
【００３５】
更に、定められ期間が経過する毎に、漏洩判定手段１７の動作を再開するようにしているので、定期的な漏れ点検が可能となり、安全性の確保が可能である。
【００３６】
なお、本実施例では、計時手段８で求めた超音波の伝搬時間を基に流速検出手段９で検出した流速に基づき流量演算手段１２により流量を求めたが、流量を求めないで平均値演算手段１３で流速の平均値を求め、ばらつき演算手段１４で流速のばらつきを求めて、平均値演算手段１３、ばらつき演算手段１４の出力から、流速検出手段９が実行する一連の計測手順の間欠駆動周期の切替の判断を行なってもよく、これによっても過度に消費電力を増大させることなく効率的に短時間で洩れ判定を行なうことができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、流れ演算手段は第１周期または第１周期より短い第３周期ごとにそれぞれ複数回流速及び／または流量を計測するものであり、切替判定手段は第１周期よりも長い周期である第２周期ごとに流れ演算手段で計測された流速及び／または流量値のばらつきを判定し、計測周期設定手段は切替判定手段により判定されたばらつきが小さくなるにしたがって第３周期を長くして漏洩判定を行うので、過度に消費電力を増大させることなく効率的に短時間で洩れ判定を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における流体の流れ計測装置のブロック図
【図２】同装置の計測ばらつきと漏洩判定の関係を示す特性図
【図３】同装置の動作を示すフローチャート
【図４】同装置の計測値の標準偏差と計測周期の関係を示す特性図
【図５】従来の流体の流れ計測装置のブロック図
【符号の説明】
９ 流速検出手段（流れ演算手段）
１２ 流量演算手段（流れ演算手段）
１４ ばらつき演算手段
１６ 計測周期設定手段
１７ 漏洩判定手段

Claims (4)

1. 流体の流速及び／または流量を計測する流れ演算手段と、前記流れ演算手段で計測された流速及び／または流量値のばらつきを判定する切替判定手段と、計測周期を切り替える計測周期設定手段と、流体の漏洩を判定する漏洩判定手段とを備え、
   前記流れ演算手段は第１周期または前記第１周期より短い第３周期ごとにそれぞれ複数回流速及び／または流量を計測するものであり、
   前記切替判定手段は、前記第１周期よりも長い周期である第２周期ごとに前記流れ演算手段で計測された流速及び／または流量値のばらつきを判定し、
   前記計測周期設定手段は、前記切替判定手段により判定されたばらつきが小さくなるにしたがって前記第３周期を長くして漏洩判定を行う流体の流れ計測装置。
2. 切替判定手段によりばらつきが小さいと判定された時のみ、計測周期設定手段が計測周期を第３周期に切り替え、漏洩判定手段が漏洩を判定する請求項１に記載の流体の流れ計測装置。
3. 漏洩判定手段の漏洩していないという判定結果が所定回数に達すると、前記漏洩判定手段は所定期間動作しない請求項２記載の流体の流れ計測装置。
4. 所定期間経過後に、漏洩判定手段の漏洩していないという判定結果を初期化する請求項３記載の流体の流れ計測装置。

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