JP4353682B2 - 流量計測方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、計測手段により計測可能な物理量計測方法及び装置に関し、特に省電力タイプの計測装置に適した計測手段により計測可能な物理量計測方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電源としてバッテリーを用いる都市ガスメータ等においては、流量が検知されないか微量な場合には、計測周期を長くして間欠的に計測し(間欠計測区間)、流量がある閾値を超えた場合には計測周期を短く(連続計測区間)することにより、流量変化への迅速な対応と省電力化を両立させる計測方法が提案されている(例えば特開2000−146648)。以降、便宜上「連続計測」と称するが、実際には上述の通り計測周期を短くしている間欠的な計測状態を表す。
【0003】
しかし、間欠計測区間中に閾値を超える大きな流量変化が生じた場合など、計測値を単純にデータとして採用したのでは誤差が無視できない場合が生じる。また、特に小型湯沸器のような短時間に使用−停止が繰り返される場合に、この傾向が顕著になる。このことを図3及び表1を用いて説明する。図3は、ガス流量の時間的変化を示したものであり、横軸は時刻t、縦軸は流量計測値V(t)である。また、表1は、図3のような流量変化に対する従来の計測方法を示したものである。同表において、計測周期を切り替える閾値Vth=5、間欠計測区間における計測周期C1=3秒、連続計測区間の計測周期C2=1秒とする。また、遅延周期値は0、すなわち閾値以上の値を検出した場合には、直ちに計測周期をC1からC2に切り替えるものとする。また、閾値未満の値を検出した場合は、遅延なく計測周期をC2からC1に戻すものとする。
【0004】
【表1】
【0005】
計測開始時期としては、同表に示す通り、確率的にケース1乃至ケース3の3通りとなる。まず、ケース1が発生した場合、t=0で最初の計測が行われ、このときの流量V(0)=0であるから間欠計測区間と判定され、計測周期はC1=3秒、重み係数は3となる。従って、この区間の流量は0×3=0となる。次の計測はt=3で行わる。このときの流量V(3)=0であるから間欠計測区間が継続し、区間流量は前の区間と同様に0×3=0となる。次の計測はt=6で行われ、このときの流量V(6)=10であり閾値を超えているため計測周期がC2=1秒に切り替えられ、連続計測区間となる。重み係数が1であるので、区間流量は計測値10がそのまま採用される。t=6からt=9までは連続計測区間が継続する。t=10において流量V(10)=0となるので間欠計測区間と判定され、計測周期がC1=3秒に戻される。なお、重み係数は3であるので区間流量は0である。以降、間欠計測区間が継続する。このようにして各区間の計測結果が累積され、全区間の累積流量値は49となる。
【0006】
ケース2が発生した場合はt=2で最初の計測が行われ、このときの流量V(0)=0であるから間欠計測区間と判定され、計測周期はC1=3秒、重み係数は3となる。従って、この区間の流量は0×3=0となる。次の計測はt=4で行わる。このときの流量V(4)=10と閾値を超えているため計測周期がC2=1秒に切り替えられ、連続計測区間となる。区間流量は、重み係数が1になるので、計測値10がそのまま採用される。以下、ケース1と同様にして計測が行われる。ケース2の場合の全区間の累積流量値は53となる。ケース3が発生した場合についても同様にして計測が行われ、全区間の累積流量値はそれぞれ48となる。
【0007】
ここに、ケース1乃至ケース3の発生確率は等しいから、累積流量の期待値はこれらの平均値である50となる。従って、真の累積流量56に対して誤差は−10.7%である。このような誤差は、間欠計測区間中の計測時以外のタイミングで閾値以上の流量変化があった場合に生じ、また、短時間の使用−停止回数が増加するほど、流量変化量が大きくなるほど誤差が大きくなる。従来、このような誤差の解消方法については開示されていない。
【0008】
本発明は上記課題を解決するためのものであって、省電力を維持しつつ測定誤差を極力小さくすることを可能にする計測手段により計測可能な物理量計測方法及び装置を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、
(1)所定の閾値を境にして計測周期を間欠計測から連続計測に切り替え、かつ、間欠計測区間と連続計測区間の計測値にそれぞれ所定の重み係数を乗じた数値を当該区間のデータとして採用する計測手段により計測可能な物理量計測方法であって、さらに、間欠計測区間から連続計測区間に切り替わった後の第一周期については、通常の連続計測区間の重み係数とは異なる特定重み係数を用いることを特徴とする計測手段により計測可能な物理量計測方法。
【0010】
本発明において、「物理量」としては例えば流量、周波数、重量、長さ、成分比等、計測手段により計測可能なものを含む。
【0011】
本発明の作用を単純化して説明するため、閾値未満の計測値を0、閾値以上の計測値を1とする正規化を行う。今、閾値を超える計測値の連続が6秒間、間欠計測区間の周期2秒、連続計測区間の周期1秒、遅延周期0回の場合を考える(表2参照)。
【0012】
【表2】
【0013】
この場合の起こりうるケースとしては、ケースA(0001111110)か、ケースB(0011111100)の2通りである。両者の出現確率は等しくそれぞれ0.5である。また、いずれのケースとも積算値(真値)は6である。
【0014】
ケースAが発生した場合は、計測周期の変更は区間B3で行われる。このときのデータとして従来方式のようにB3の計測値1をそのまま採用すると、累積値は5となる(演算値1欄)。これに対して「重み係数」として変更前の計測周期値2を乗じるとB3のデータ値は2となり、累積値は6となる(演算値2欄)。
【0015】
次にケースBが発生した場合も同様に計算することができ、演算値1、演算値2の累積値はそれぞれ6、7となる。
【0016】
すなわち、計測周期変更後の第一計測時の「重み係数」として変更前の周期値を用いるか、変更後の周期値を用いるかによって、常に演算値2≧真値≧演算値1の関係が成立する。このことから、「重み係数」として変更前後の計測周期値の中間値を採用することにより、どちらかの周期値を用いるより誤差の絶対値を小さくすることができることが分かる。請求項1以下に示す「特定重み係数」とは、このような計測周期値の中間値を指している。
【0017】
(2)上記において、「特定重み係数」が、間欠計測の周期値と連続計測の周期値との平均値であることを特徴とする計測手段により計測可能な物理量計測方法。
【0018】
さらに、「特定重み係数」として変更前後の計測周期の平均値を採用すれば、確率的に誤差の期待値は最小となる。表2において演算値3は「特定重み係数」として変更前後の計測周期の平均値である1.5を用いている。
【0019】
(3)所定の閾値を境にして計測周期を間欠計測から連続計測に切り替え、かつ、間欠計測区間と連続計測区間の計測値にそれぞれ所定の重み係数を乗じた数値を当該区間のデータとして採用する物理量計測方法であって、間欠計測と連続計測とを含む計測区間の累積量の演算については、計測区間が全て間欠計測区間であるとしたときのデータを用いることを特徴とする計測手段により計測可能な物理量計測方法。
【0020】
本発明は、計量用のサンプリングと波形推定用サンプリングを分離して用いるものである。表2のケースBを例にして説明する。間欠計測区間はB1、B8に該当し、連続計測区間はB2乃至B7に該当する。本発明は、計量用データとしては、連続計測区間のうち間欠計測周期に該当するB2、B4、B6の計測値を用いるものであり、B3、B5、B7の計測値については計量用データとしては用いない。但し、物理量の波形推定には連続計測区間の計測値全てを用いる。このような計測方法を採用することにより、長時間に亘る計測については、間欠計測から連続計測に切り替えるときに生じる演算誤差の影響をなくすことが可能となる。同時に、瞬時値が必要な場合に連続計測区間の計測値を利用できるという特徴がある。
【0021】
なお、(3)の発明以外では、計測値が安定している状態でサンプリングレートを連続計測から間欠計測に戻す際に、元のサンプリングタイミングに一致しなくても構わない。(3)の発明に関しては、サンプリングレートを連続計測から間欠計測に戻す際に、元の間欠計測のサンプリングタイミングに一致させることが望ましい。
【0022】
(4)前記物理量が流速又は流量であることを特徴とする(1)乃至(3)に記載の計測手段により計測可能な物理量計測方法。
【0023】
(5)上記(1)乃至(4)において、計測周期の切り替えが所定の遅延周期を含んでなされることを特徴とする計測手段により計測可能な物理量計測方法。
【0024】
ここに「遅延周期」とは、閾値を超える計測値変化を検出したときに従前の計測周期を持続する周期数をいう。波形推定の精度を上げるためには遅延周期をできるだけ小さくすることが望ましく、一方で、累積値の精度を上げるためには、遅延周期が大きい方が望ましい。実際に装置に実装する場合等には、センサが検出した計測値を判定するためには一定の計算時間が必要となり、計算を終えた時点では既に連続計測周期の次回の計測タイミングが過ぎていることもありうる。間欠計測のときは計算速度を犠牲にして消費電力を下げているため、遅延周期が必要になるのである。
【0025】
なお、遅延周期値は、間欠計測周期と連続計測周期の比、想定される計測値の変化速度、制御部の計算速度等を総合的に判断して決定することができる。
【0026】
(6)所定の周期ごとに計測を行う物理量計測手段と、物理量計測手段に対して計測周期を指示する計測条件指示手段と、特定の計測周期に対して物理量計測手段から送られる計測値に「特定重み係数」を乗じる処理を行うデータ処理手段と、を備えたことを特徴とする計測手段により計測可能な物理量計測装置。
【0027】
「特定重み係数」とは、(1)乃至(3)に示す係数をいう。また、「計測条件指示手段」及び「データ処理手段」は、より具体的なハード構成としてマイクロ・プロセッサーのような汎用演算回路により好適に具現化できるが、ディスクリ−トな素子や回路を組み合わせたものであっても良い。
【0028】
(7)上記各発明において、物理量が「流速」又は「流量」であることを特徴とする計測手段により計測可能な物理量計測装置。
【0029】
(8)上記(6)、(7)において、「物理量計測手段」が超音波流量センサー又サーマルフローセンサであることを特徴とする計測手段により計測可能な物理量計測装置。
【0030】
(9) 上記(1)乃至(5)において、さらに、前記所定の閾値を超える連続回数の母集団分布が既知のときに、母集団分布の所定の信頼区間内に含まれる連続回数が出現したときに計測誤差を最小にするように、間欠計測周期と遅延周期の組み合わせを選択することを特徴とする計測手段により計測可能な物理量計測方法。
【0031】
本発明は、閾値を超える計測値の連続回数に応じて間欠計測周期と遅延周期を適当に選択することにより、計測誤差を最小にする物理量計測方法を提供するものである。
【0032】
図4乃至図6に基づいて本発明の作用を説明する。図4は、間欠計測周期n=2のときに、連続回数が1回から5回まで変化したときの計測誤差εがどのように変化したかを示したものである。ここに、同図(a)は遅延周期m=0、(b)はm=1、(c)はm=2のときの連続回数変化に伴う計測誤差εの変化を比較したものである。なお、単純化のため閾値以下の計測値を0、閾値を超える計測値を1とする正規化を行っている。同図(a)において起こりえるケースA、B、特定重み係数をw、積算値ΣA又はΣB、期待値(ΣA+ΣB)/2で示される。また計測誤差εは、ε=真値−期待値で計算される。同図(a)において、w=3/2(すなわち連続計測周期1と間欠計測周期2の平均値)にすれば、連続回数1回では誤差は−1/4となり、連続回数2回以上では誤差は生じないことがわかる。同様に(b)では、連続回数3回で誤差は−1/4、その他の回数では誤差は生じない。さらに(c)では、連続回数5回で誤差は−1/4、その他の回数では誤差は生じない。全く同様にして、図5、図6はそれぞれn=3、n=4について計測誤差εの変化を示したものである。
【0033】
これらを一般化すると、特定重み係数として連続計測周期と間欠計測周期の平均値を用いると、連続回数(m・n+1)回乃至(m・n+n−1)回については特定重み係数の値に依存する誤差が生じるが、その他の回数については誤差が0となる。この原理を利用することにより、閾値を超える連続回数の母集団分布が既知のとき、間欠計測周期と遅延周期を適当に選択することにより、計測誤差が最小になるようにすることが可能となる。
【0034】
図7は、このことをさらに具体的に示したものである。同図において、横軸は連続回数、縦軸は閾値超え頻度である。今、閾値超え連続回数の母集団分布をD1、分散σ1のときに、連続回数X1=(m・n+1)回乃至Xc=(m・n+n−1)回が±σ1から外れるように間欠計測周期nと遅延周期mの組み合わせを選択することにより、所定の信頼性を確保することができることになる。さらに、母集団分布D2、分散σ2のときに、X1乃至Xnが±3σ2から外れるように間欠計測周期nと遅延周期mを選択すれば、さらに計測信頼性が上昇することが分かる。
【0035】
なお、本発明において「所定の信頼区間」とは、ある計測値が含まれる確率が所定の信頼係数(%)にある範囲をいい、いわゆる3シグマ方式による管理を含む概念である。
【0036】
(10)上記(1)乃至(5)において、さらに、前記所定の閾値を超える連続回数の母集団分布が未知のときに、所定回数の事前事象にもとづいて母集団分布を推定し、推定母集団分布の所定の信頼区間内に含まれる連続回数が出現したときに計測誤差を最小にするように、間欠計測周期と遅延周期の組み合わせを選択することを特徴とする計測手段により計測可能な物理量計測方法。
【0037】
本発明は、閾値超え連続回数の母集団分布が未知のときに、事前の連続回数の発生頻度により母集団分布を推定し、これに基づいて間欠計測周期と遅延周期を選択するものである。この方法にさらに学習効果を応用することができる。
【0038】
(11)母集団分布が規則的又は不規則的に変化するときに、変化に追随して間欠計測周期と遅延周期を選択することを特徴とする(9)乃至(10)に記載の計測手段により計測可能な物理量計測方法。
【0039】
(12)上記(1)、(3)乃至(5)において、さらに、閾値を超える連続回数の母集団分布が既知のときに、母平均に等しい連続回数が発生したときに計測誤差を最小とするように、特定重み係数を選択することを特徴とする計測手段により計測可能な物理量計測方法。
【0040】
本発明は、間欠計測周期と遅延周期が固定されている場合等に有効な計測方法である。
【0041】
例えば、間欠計測周期n=2、遅延周期m=1に固定されており、かつ、閾値超え連続回数の母集団分布の母平均が3である場合、図4(b)において特定重み係数wとして2を選択することにより、母平均値のときに誤差ε=0とすることができる。この場合、分散を考慮してさらに最適な特定重み係数wを選択できることはいうまでもない。
【0042】
(13)上記(1)、(3)乃至(5)において、さらに、前記所定の閾値を超える連続回数の母集団分布が未知のときに、所定の事前事象にもとづいて母集団分布を推定し、母平均推定値に等しい連続回数が発生したときに計測誤差を最小とするように、特定重み係数を選択することを特徴とする計測手段により計測可能な物理量計測方法。
【0043】
(14)母集団分布が規則的又は不規則的に変化するときに、変化に追随して特定重み係数を選択することを特徴とする(12)又は(13)に記載の計測手段により計測可能な物理量計測方法。
【0044】
(15)上記(1)乃至(5)において、さらに、前記所定の閾値を超える連続回数の母集団分布が未知のときに、計測誤差を所定の許容範囲内にするように間欠計測周期と遅延周期を選択することを特徴とする計測手段により計測可能な物理量計測方法。
【0045】
実際の計測においては、連続回数の母集団分布は未知であり、一方、計測誤差の許容範囲は規定されている場合が多いので、このような場合に本発明が効果的である。
【0046】
本発明の作用は以下の通りである。図4乃至6において、m=0のときのn=2,3,4について、連続回数j(但し、j≦nの整数)と期待値Pの関係をまとめると図8となる(図8にはn=5の場合も記載した)。これらの関係を一般化すると式1のように表される。さらに、特定重み係数wとして、間欠計測の周期値と連続計測の周期値との平均値、すなわち、w=(n+1)/2を用いると式1は式2のように表される。
これより計測誤差εは、ε=P−jを用いて式3のように表される。式3と図4乃至6におけるεm(w=(n+1)/2としたときεの値)から明らかなように、計測誤差を生じるのはj<nの範囲である。
【0047】
さらに、m=1,2,・・・の場合の計測誤差が発生する連続回数の範囲は、図8をm・nだけシフトさせたもの、すなわち、(m・n+j)に等しい。これを用いると誤差率Eの一般式は式4のように表されることになる。
【0048】
【式1】
【0049】
【式2】
【0050】
【式3】
【0051】
【式4】
【0052】
これらの関係から、本発明によれば遭遇する連続回数が未知である場合であって許容される誤差率Etが設定されたとき、Et>Eを満たすように式3のm、nを選択すればよいことが分かる。この場合、式3より一般に遅延回数mが大きいほうが許容誤差を小さく設定できることが明らかである。なお、m、nの設定に際しては、1<j<(n−1)である各jについてEt>Eであることが条件となる。また、図4乃至図6のεmの欄から明らかなように、間欠周期nが大きくなるほど誤差を生じる確率が大きくなることが分かる。但し、特定の物理量の連続回数が継続することが既知である場合には、nを大きくすることによりEtを小さく設定できる場合がある。
【0053】
(16)上記(6)乃至(8)において、さらに間欠計測周期と遅延周期を選択する組み合わせ選択手段を備えたことを特徴とする計測手段により計測可能な物理量計測装置。
【0054】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図1乃至3及び表3、4を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態は例示であって、本発明の技術的範囲が実施形態に限定されるものでないことはいうまでもない。
【0055】
図1は、本発明の一実施形態であるガス流量計測装置1の全体構成図である。本発明に係る流量計測装置1は、制御部2、流量センサー7、ガス流路9、表示部10を備えている。制御部2は、流量計測装置1の計測制御全般(閾値の判定、計測周期等の決定、流量センサー7への計測指示、流量センサー7の計測データの取り込み、必要な演算の実施、RAM4への格納指示等を含む)を司るCPU3(中央演算処理装置)、CPU3の指示により各部から取り込まれる情報を格納するためのRAM4、計測制御プログラム等を格納したROM5、CPU3の時間制御を司るクロックパルス発生回路6を備えている。なお、CPU3は請求項4における「計測条件指示手段」及び「データ処理手段」に、流量センサー7は「物理量計測手段」に該当する。
【0056】
ガス流路9はガス配管又はガスメータ等を代表的に示したものである。流量センサー7はガス流路9の途中に設けられており、瞬時流量を計測できるタイプの流量センサー、例えば超音波流量計、フルイディック流量計、質量流量計等を好適に用いることができる。
【0057】
表示部10は、CPU3の命令によりRAM4に蓄積されている流量データを常時又は必要に応じて随時表示できるように構成されている。表示流量は、瞬時流量及び累積流量のいずれか又は両者であり、同時又は切替操作により表示できるように構成されている。
【0058】
次に、ガス流量計測装置1の動作について、図2をも参照して説明する。図2は本実施形態の計測フローを示す図である。測定に先立って初期条件の設定が行われる(ステップS100)。ROM5には計測条件として間欠計測区間の計測周期C1、連続計測区間の計測周期C2、遅延周期値0が設定されている。また、周期切替直後の計測の重み係数として、間欠・連続計測区間の周期平均値Cm=(C1+C2)/2が設定されている。なお、RAM4には計測区間ごとの計測周期値、単位時間流量データ、演算結果等を記憶する領域が設けられているものとする。
【0059】
CPU3からの計測開始指示に基づいて(ステップS101)、流量センサー7は区間n=0における流量V(0)の計測を行い、その結果をCPU3に送信する(ステップS102、S103)。なお、以下の説明では、図2のフローが既に繰り返し実行された状態(区間n)を想定する。
【0060】
CPU3によりV(n)と閾値Vthとが比較され(ステップS104)、その結果に基づいて区間nにおける計測周期C(n)と重み係数W(n)が以下のようにして決定される。
【0061】
まず、V(n)がVth未満のとき、区間nは間欠計測区間と認定され、計測周期は前の周期に拘わらずC(n)=C1に設定される。また、重み係数はW(n)=C1に設定される(ステップS111)。
【0062】
V(n)≧Vthのときは連続計測区間と認定され、次に直前の計測区間が間欠計測区間であるか否か(すなわち周期C(n-1)=C1か否か)の判定が行われる(ステップS105)。直前の周期C(n-1)が間欠計測区間であるときは(同図においてYES)、計測周期はC(n)=C2に切り替えられ、重み係数はW(n)=Cmに設定される(ステップS106)。直前の周期C(n-1)が連続計測区間であれば(同図においてNO)、本区間の計測周期は前周期と同一のC(n)=C2に設定され、また、重み係数もW(n)=C2に設定される(ステップS113)。
【0063】
次にこの区間の流量Qn=V(n)*Wnが演算される(ステップS107)。演算結果、計測周期等はRAM4に記憶される(ステップS108)。
【0064】
次に、計測終了の指示の有無を判定し(ステップS109)、指示がない場合は次の計測タイミングまで待機する(ステップS110)。計測タイミングが到来したときはn=n+1とし、上述の演算が繰り返される(ステップS110)。終了の指示があった場合は計測を終了する(ステップS112)。
【0065】
(図3の流量変化に対する計測:遅延周期0の場合)
次に、表3を参照して、図3の如き流量変化があった場合の本発明による実施形態について、従来例と比較して説明する。本実施形態の計測条件については、従来例と同じく閾値Vth=5m3/秒、間欠計測区間の計測周期C1=3秒、連続計測区間の計測周期C2=1秒、遅延周期数0回が設定されている。但し、従来例と異なり、周期切替後の第1計測周期の「重み係数」として、(C1+C2)/2=2を用いている。
【0066】
【表3】
【0067】
この場合の計測開始時期としては、確率的にケース1乃至ケース3の3通りとなる。まず、ケース1が発生した場合、t=0で最初の計測が行われ、このときの流量V(0)=0であるから間欠計測区間と判定され、計測周期はC1=3秒、重み係数は3となる。従って、この区間の流量は0×3=0となる。次の計測はt=3で行わる。このときの流量V(3)=3(閾値未満)であるから間欠計測区間が継続し、区間流量は3×3=9となる。次の計測はt=6で行われ、このときの流量V(6)=10であり閾値を超えているため計測周期がC2=1秒に切り替えられ、連続計測区間となる。このときの重み係数は2であるので、区間流量は10×2=20と演算される。t=6からt=9までは連続計測区間が継続する。t=10において流量V(10)=0となるので間欠計測区間と判定され、計測周期がC1=3秒に戻される。なお、重み係数は3になるが区間流量は0×3=0である。以降、間欠計測区間が継続する。このようにして各区間の計測結果が累積され、全区間の累積流量値は59となる。
【0068】
ケース2が発生した場合はt=1で最初の計測が行われ、このときの流量V(0)=0であるから間欠計測区間と判定され、計測周期はC1=3秒、重み係数は3となる。従って、この区間の流量は0×3=0となる。次の計測はt=4で行わる。このときの区間流量はV(4)=5であり閾値を超えているため、計測周期がC2=1秒に切り替えられ、連続計測区間となる。区間流量は、重み係数が2になるので、区間流量は5×2=10と演算される。以下、ケース1と同様にして計測が行われる。従って、ケース2における全区間の累積流量値は58となる。ケース3が発生した場合についても同様にして計測が行われ、全区間の累積流量値はそれぞれ56となる。
【0069】
ここに、ケース1乃至ケース3の発生確率は1/3で等しいから、累積流量の期待値はこれらの平均値である57.7となる。一方、単位時間ごとの流量積算値(真の流量)は56m3であるので、誤差は約3.0%となる。一方、表1の従来方式では上述のように誤差は約−10.7%であるから、本発明によれば誤差の絶対値が約8ポイント改良されていることが分かる。
【0070】
(図3の流量変化に対する計測:遅延周期1の場合)
以上、遅延がない場合について説明したが、次に、遅延周期1回の場合の実施形態について、表4を参照して説明する。本実施形態は特に請求項6に相当するものである。本実施形態では、遅延周期を除く他の計測条件は、上述の遅延周期0回のものと同一であり、閾値Vth=5m3/秒、間欠計測区間の計測周期C1=3秒、連続計測区間の計測周期C2=1秒、周期変更後の第1計測の重み係数W=2である。
【0071】
【表4】
【0072】
この場合についても計測開始時期としては確率的にケース1乃至ケース3の3通りとなる。ケース1が発生した場合、t=0で最初の計測が行われ、このときの流量V(0)=0であるから間欠計測区間と判定され、計測周期はC1=3秒、重み係数は3となる。従って、この区間の流量は0×3=0となる。
【0073】
次の計測はt=3で行われ、このときの流量V(3)=3(閾値未満)であるから間欠計測区間が継続し、区間流量は3×3=9となる。次の計測はt=6で行われる。このときの流量V(6)=10であり閾値を超えているが、判定が遅れるため計測周期はC1=3秒、重み係数は3のまま維持される。従って、この区間の流量は、10×3=30と演算される。
【0074】
さらに、次の計測はt=9で行われる。このときの流量V(9)=10(閾値以上)であり、この時点で計測周期がC2=1秒に切り替えられ、連続計測区間となる。重み係数は2となるので、区間流量は10×2=20と演算される。さらに次の計測がt=10で行われる。流量V(10)=0であるため間欠計測区間と判定され、計測周期がC1=3秒に戻される。なお、重み係数は3になるが区間流量は0×3=0である。以降、間欠計測区間が継続する。このようにして各区間の計測結果が累積され、全区間の累積流量値は59となる。
【0075】
ケース2、ケース3の場合についても同様にして計測が行われ、全区間の累積流量値はそれぞれ55、54となる。従って、累積流量の期待値はこれらの平均値である56.0となり、真の流量と同一であるから、この場合は誤差が生じないことになる。
【0076】
一方、従来方式では表5の通りとなり、累積流量の期待値は46m3であるから、誤差は約−18%となる。この場合も、本発明による測定方法が優れていることが明らかである。
【0077】
【表5】
【0078】
なお、上述の各実施形態では物理量として流量をとり、計測周期として時間軸に関するものを示したが、本発明は、これに限らず、例えば地図データ等に用いる空間軸、音量等に用いる周波数軸に関するもの等であってもよい。
【0079】
また、閾値についても1段階のものを示したが、2段階以上の閾値を設定することも可能である。
【0080】
以下、本発明の他の実施形態について図9を参照して説明する。本実施形態は、通常電力且つ高精度で物理量を計測する通常電力モードと、省電力且つ低精度で物理量の大きな変化の検出を行う省電力モードの2つのモードを持つ計測方式に本発明(請求項3)を応用するものである。すなわち、累積値の計量については通常電力モードにより行い、一方、波形推定には通常電力モードと省電力モードを組み合わせて計測する。このようにすれば、精度良く平均値を計測しつつ流れの変化パターンをより高分解能で計測できる。
【0081】
超音波流量センサー、サーマルフローセンサを例にとると、高精度計測の場合、例えば1秒間に50回サンプリングしてその平均値を出力できるのに対して、低精度計測の場合にはサンプリング回数を1/10程度に抑えることが求められる。一般に測定の精度はサンプリング数の平方根に比例するため、電力を10倍使うことにより凡そ3.2倍の精度向上が期待できる。逆にいえば、3.2倍の精度低下を容認すれば1/10に省電力できることになる。
【0082】
図9はこのような計測方法の具体例であり、n=3、m=1、連続回数5回の場合である。ケースA乃至Cは、発生しうる3ケースを示し、これらの発生確率は等しい。精度欄の「精」は通常電力モードによる高精度計測であることを、「粗」は省電力モードによる低精度計測であることを表している。また、計測値欄の「0?」は、低精度計測において変化量(率)が基準値未満であることを、「1?」は、変化量が基準値以上であることを表している。「1?」を検出すると省電力モードから通常電力モードに切り替えるように構成されている。
ケースAにおいて、累積値の計量については時刻t0、t3、t6、t9、t12に通常電力モードで間欠的に高精度計測が行われる。この間、t6において閾値を超えた値を計測するが、この場合の重みは3であるので、t0−t12間の累積値は3となる。
【0083】
次に、波形推定の計測について説明する。累積値計量の各時刻における計測値は波形推定にも用いられる。これ以外の時刻における波形推定計測は次のように行われる。t1、t2において省電力モードで変化量(率)監視が行われ、変化量が基準値未満であることを検出する。t4において基準値以上の値を検出するため、次の計測タイミングt5では通常電力モードによる高精度計測連続計測区間に切り替えられる。さらにこれ以降t9までの間、通常電力モードが連続する。さらに、t9において計測値0であるため、t10では省電力モードに戻される。
【0084】
ケースB、Cについても全く同様にして計測、演算が行われ、累積値は共に6となる。従って、累計値の期待値は(3+6+6)/3=5となり、真値5に等しく誤差が生じていないことが分かる。なお、この関係は、計測周期n、遅延周期m、連続回数にかかわらず常に成立することが分かっている。
【0085】
波形推定についても、間欠区間において省電力モードによる低精度計測が連続的に行われているため、真の波形に近い推定が可能であることが波形推定1、2欄を見ると分かる。なお、波形推定1は、変化量が所定値以上であると直ちに波形推定に反映するものであり、波形推定2は、次回の計測タイミングから波形推定に反映するものである。
【0086】
なお、本実施形態では、省電力モードで変化量が基準値以上であることを検出したときは、直ちに通常電力モードによる高精度連続計測に切り替えたが、これに限らず間欠計測の次のタイミングから切り替えてもよい。
【0087】
さらに、本実施形態では、省電力モードから通常電力モードに切り替える際の重み係数として計測周期n(この場合は3)を用いたが、これに限らず「特定重み係数」(請求項1又は2に相当)を用いてもよい。
【0088】
【発明の効果】
本発明によれば、間欠計測により省電力性を維持しつつ、測定誤差を小さくすることが可能となる。特に、従来の測定方法又は装置では誤差が大きくなっていた短時間に使用−停止が繰り返されるような物理量の測定について、本発明ではこのような弊害をなくすことができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る物理量計測装置の一実施形態を示す図である。
【図2】本発明の一実施形態における計測フローを示す図である。
【図3】流量の時間的変化を示す図である。
【図4】連続回数変化に伴う計測誤差の変化を示す図である(間欠計測周期n=2)。
【図5】連続回数変化に伴う計測誤差の変化を示す図である(間欠計測周期n=3)。
【図6】連続回数変化に伴う計測誤差の変化を示す図である(間欠計測周期n=4)。
【図7】間欠計測周期と遅延周期を適当に選択することにより、計測誤差を最小にすることができることを示す図である。
【図8】連続回数jと期待値Pの関係を示す図である。
【図9】通常電力モードと省電力モードを持つ計測方式に本発明を応用した実施形態を示す図である。
【符号の説明】
1……流量計測装置、2……制御部、3……CPU、4……RAM、5……ROM、6……クロックパルス発生回路、7……流量センサー、9……ガス流路、10……表示部
Claims (13)
- 所定の閾値を境にして計測周期を間欠計測から連続計測に切り替え、かつ、間欠計測区間と連続計測区間の流速又は流量計測値に所定の重み係数として、それぞれの周期値を乗じた数値を当該区間のデータとして採用する流量計測方法であって、
さらに、間欠計測区間から連続計測区間に切り替わった後の第一周期については、前記所定の重み係数とは異なる特定重み係数として、間欠計測の周期値と連続計測の周期値との中間値を用いることを特徴とする流量計測方法。 - 前記特定重み係数が、間欠計測の周期値と連続計測の周期値との平均値であることを特徴とする請求項1に記載の流量計測方法。
- 所定の閾値を境にして計測周期を間欠計測から連続計測に切り替え、かつ、間欠計測区間と連続計測区間の計測値にそれぞれ所定の重み係数を乗じた数値を当該区間のデータとして採用する流量計測方法であって、間欠計測と連続計測とを含む計測区間の累積量の演算については、前記計測区間が全て間欠計測区間であるとしたときのデータを用いることを特徴とする請求項1又は2に記載の流量計測方法。
- 前記計測周期の切り替えが所定の遅延周期を含んでなされることを特徴とする請求項1乃至3に記載の流量計測方法。
- 所定の周期ごとに計測を行う流速又は流量計測手段と、
前記流速又は流量計測手段に対して、所定の閾値を境にして計測周期を間欠計測から連続計測に切り替え指示する計測条件指示手段と、
前記流速又は流量計測手段から送られる計測値に、前記計測条件指示手段により切り替え指示された間欠計測区間と連続計測区間の計測値に、それぞれ所定の重み係数として、それぞれの周期値を、さらに、間欠計測区間から連続計測区間に切り替わった後の第一周期については、前記所定の重み係数とは異なる特定重み係数として、間欠計測の周期値と連続計測の周期値との中間値を乗じる処理を行うデータ処理手段と、
を備えたことを特徴とする流量計測装置。 - 前記流速又は流量計測手段が超音波流量センサー又はサーマルフローセンサであることを特徴とする請求項5に記載の流量計測装置。
- 請求項1乃至4において、さらに、前記閾値を超える連続回数の母集団分布が既知のときに、連続回数(m・n+1)回乃至(m・n+n−1)回が所定の信頼区間から外れるように、間欠計測周期(n)と遅延周期(m)の組み合わせを選択して、計測誤差を最小にすることを特徴とする流量計測方法。
- 請求項1乃至4において、さらに、前記閾値を超える連続回数の母集団分布が未知のときに、所定回数の事前事象にもとづいて母集団分布を推定し、連続回数(m・n+1)回乃至(m・n+n−1)回が所定の信頼区間から外れるように、間欠計測周期(n)と遅延周期(m)の組み合わせを選択して、計測誤差を最小にすることを特徴とする流量計測方法。
- 前記母集団分布が規則的又は不規則的に変化するときに、変化に追随して間欠計測周期と遅延周期を選択することを特徴とする請求項7又は8に記載の流量計測方法。
- 請求項1又は4において、さらに、前記閾値を超える連続回数の母集団分布が既知のときに、母平均に等しい連続回数が発生したときに計測誤差を最小とするように、前記特定重み係数を選択することを特徴とする流量計測方法。
- 請求項1又は4において、さらに、前記閾値を超える連続回数の母集団分布が未知のときに、所定の事前事象にもとづいて母集団分布を推定し、母平均推定値に等しい連続回数が発生したときに計測誤差を最小とするように、前記特定重み係数を選択することを特徴とする流量計測方法。
- 前記母集団分布が時間的に変化するときに、変化に追随して前記特定重み係数を選択することを特徴とする請求項10又は11に記載の流量測方法。
- 請求項1乃至4において、さらに、前記閾値を超える連続回数(j)の母集団分布が未知のときに、1<j<(n−1)である各jについて、(1)式で示される計測誤差(E)が所定の許容範囲(Et)内となるように、間欠計測周期(n)と遅延周期(m)を選択することを特徴とする流量計測方法。
E=j(j−1)/{2n(m*n+j)} ・・・・・(1)
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