JP4821240B2 - 流体の流れ計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体や気体などの流量および／または流速を計測する流体の流れ計測装置に関するものである。

従来、この種の流れ計測装置は、図１０に示すように、流路１０１の上下流で、しかも斜めに対向するように一対の超音波送受信器１０２，１０３を配置し、これら超音波送受信器１０２，１０３間で流れに順方向の超音波伝播と逆方向の超音波伝播を繰返手段１０４を介して複数回繰り返し、伝播時間差を計時手段１０５で計時してそれにもとづき流速とか流量を演算するようにしていた。

繰返手段１０４の回数は繰返回数変更手段１０６で変更できるように構成され、繰返回数の多い高精度流れ計測手段と繰返回数が少ない低消費電力流れ計測手段を計測切替手段１０７で切替るようにしていた。

一般的には、流れ変動が大きいときに高精度計測手段で計測するように設定してあり、具体的には、低消費電力流れ計測手段で計測を開始し、脈動などによって流れが変動したときに高精度流れ計測手段で計測し、この高精度流れ計測手段での流れ値が安定したときには脈動が小さくなったと判断して低消費電力流れ計測手段で計測するものであった（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２７１４９０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、脈動が発生して高精度流れ計測手段での計測に移行したとき脈動の周期によっては脈動が継続しているにもかかわらず、高精度流れ計測手段の計測値が極めて安定するものとなるために、再び低消費電力流れ計測手段に復帰することがあった。

ここでの計測値の安定化は極短時間であるところから、直ぐに計測値が大きく変動し、再度高精度流れ計測手段に移行することを繰返す現象（ハンチング）を生起するもので、したがって、低消費電力流れ計測手段での計測値が不正確になり流量誤差を悪化させていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、脈動の周期にかかわらず低消費電力流れ計測手段と高精度流れ計測手段とのハンチングを防止して、脈動下における流れ計測精度を保証することを目的とする。

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、流速および／または流量を検出する流体検出手段の計測時間を小さく設定した省電力計測手段と、流体検出手段の計測時間を大きく設定した高精度計測手段と、省電力計測手段での計測値が所定値以上変動したときに高精度計測手段に移行する変動判定手段と、高精度計測手段の計測値が所定値以内に安定したときに省電力計測手段に移行する安定判定手段と、高精度計測手段での計測時間を少なくとも２種類以上変更して計測する可変計測手段とを備えたものである。

これによって、発生している脈動周期によって計測値の安定度が大きく異なることがなく、省電力計測手段と高精度計測手段との２つの計測手段の間でハンチングを起こすことがない。

本発明の流体の流れ測装置は、流速および／または流量変動の大きさに応じて計測方法を変更し、低消費電力で、かつ高精度な流れ計測が行なうとともに、脈動が発生している場合にも脈動周期にかかわらず高精度計測手段で計測を行うので、計測精度を保証できる。

本発明は、流体通路内の流体の流速および／または流量を検出する流体検出手段と、前記流体検出手段の計測時間を小さく設定した省電力計測手段と、前記流体検出手段の計測時間を大きく設定した高精度計測手段と、前記省電力計測手段での計測値が所定値以上変動したときに前記高精度計測手段に移行する変動判定手段と、前記高精度計測手段の計測値が所定値以内に安定したときに省電力計測手段に移行する安定判定手段と、前記高精度計測手段での計測時間を少なくとも２種類以上変更して計測する可変計測手段とを備えたもので、発生している脈動周期によって計測値の安定度が大きく異なることがなく、省電力計測手段と高精度計測手段との２つの計測手段の間でハンチングを起こすことがない。

前記可変計測手段は、計測回数の変更や、計測間隔時間の変更で対応でき、また、安定判定手段は、計測値の複数の移動平均値で判別するようにすることが考えられる。

一方、高精度計測手段は、移動平均値の個数以上続けて計測するようにした。さらに、前記可変計測手段は、省電力計測手段での計測時間を少なくとも２種類以上変更して計測するようにした。

計測時間は流体の脈動周期の整数倍にならないような時間を少なくとも１種類は含んでいることが望ましく、また、高精度計測手段による計測値の変動値が大きいとき、さらに計測時間が大きい超高精度計測手段に移行することも考えられる。

（実施の形態１）
図１において、流体通路１の上流側と下流側に少なくとも一対の超音波送受信器２，３を流れに対して斜めに対向するように配置してある。

送信手段４から切換手段５を介して上流側の超音波送受信器２を駆動することで、下流に向けて超音波を送信し、この超音波を下流側の超音波送受信器３で受信する。そして、この超音波送受信器３の信号は切換手段５を介して増幅比較手段６へ至り、ここで交流増幅してコンパレータで基準電圧と比較し、計時・流量演算手段７へ送信される。計時・流量演算手段７は送信手段４から送信されて増幅比較手段６で検出されるまでの時間をタイマカウンタなどで計測する。

次に、切換手段５で超音波送受信器２，３の送受信を切換えて、下流側の超音波送受信器３から上流側の超音波送受信器２に向け、超音波を送信するようにする。前述と同様に送信手段４から増幅比較手段６までの時間を計測し、この２つの時間差から流体通路１を流れる流体の流速、また必要に応じて流体通路１の断面積などを乗じて計時・流量演算手段７で流速または流量を算出する。

超音波送受信器２，３、送信手段４、切換手段５、増幅比較手段６、計時・流量演算手段７で流体検出手段８を構成する。

流体検出手段８の流速または流量値は変動判定手段９と安定判定手段１０に送られて、流速または流量の変動や安定の度合いを判定する。

以下、流量を例にとって説明を進める。

変動判定手段９で流量が変動していると判定された場合には、計測時間の比較的長い高精度計測手段１１で計測が行なわれ、逆に、安定判定手段１０で流量が安定していると判定された場合には、計測時間の短い省電力計測手段１２で計測が行なわれる。

高精度検出手段１１には計測時間を可変にする可変計測手段１３があって、比較的計測時間の短い第１高精度計測手段１４と中間の計測時間の第２高精度計測手段１５と比較的計測時間の長い第３高精度計測手段１６とを選択的に切り換えるようにしている。

次に動作について述べる。高精度計測手段１１は計測時間を比較的長くして平均化を行って精度を向上させ計測するもので、一方の省電力計測手段１２は計測時間を短くして消費電力を低減して計測するものである。

図２は脈動がある場合について省電力計測手段１２で計測した状態を示したもので、流量値は脈動波形上の計測開始位置と計測時間で決まり、時間ｔ１で計測した流量値は平均値よりも大きくなり、時間ｔ２で計測した流量は平均流量より小さくなる。計測時間が長くなるほど平均化されるので流量計測値の変化の程度は小さくなる。

図３は高精度計測手段１１で計測した状態を示したもので、例えば時間ｔ３やｔ４のように計測時間を前記の時間ｔ１やｔ２より長く設定することにより脈動による流量計測値は平均化され、その変動は小さくなる。

したがって省電力計測手段１２で計測中に脈動が発生して計測値が変動した場合には、変動判定手段９で脈動の発生レベルが大きいと判断して高精度計測手段１１へ移行する。

変動判定手段９のフローチャートを図４に示す。ステップ１７で増減回数と計測回数を０にリセットし、ステップ１８で省電力計測手段１２が流量計測を行い、ステップ１９でこの流量値と前回流量値との差を演算して、この差が変化設定値より大きければ、ステップ２０でこの変化分が増加か減少かを判定する。

そして、増加であれば、ステップ２１で増加回数を＋１し、減少であればステップ２２で減少回数を＋１する。ステップ２３で増減回数が設定値以上であれば、高精度計測手段１１での計測に移行し、設定値未満であればステップ２４で計測回数を＋１して、ステップ２５で計測回数が設定回数以下であればステップ１９の省電力計測手段１８での流量計測を繰り返し、計測回数が設定回数に達すればステップ１７で増減回数と計測回数を０にリセットする。

次に、安定判定手段１０のフローチャートを図５示す。ステップ２６で安定回数を０にリセットして、次のステップ２７において、高精度計測手段１１が流量計測を行い、ステップ２８でこの流量計測値の移動平均を計算する。

そして、ステップ２９で前回移動平均流量値との差が変化設定値以下であればステップ３０で安定回数を＋１し、ステップ３１で安定回数が設定値以上であれば、流量値の安定が連続設定回数続いたことになり、省電力計測手段１２への計測へ移行し、安定回数が設定値未満であればスッテップ２７の高精度計測手段１１での流量計測を再度行う。何個の移動平均を演算するかはあらかじめ設定してあるが、状況に応じて変えることができ、また移動平均を行わないことも可能である。

ステップ２７の流量計測は、計測時間が比較的短い第１高精度流量計測２７ａ、計測時間が中間の第２高精度流量計測２７ｂ、計測時間が比較的長い第３高精度流量計測２７ｃの３つの計測時間の異なる高精度計測手段１７を順次切り換えて計測を行う。

すなわち、１回目は第１高精度流量計測２７ａ２回目は第２高精度流量計測２７ｂ、３回目は第３高精度流量計測２７ｃというふうに計測時間を変えながら流量計測を行う。

図６は流量が脈動状態にあるときに、計測時間を変えて流量計測を行なった場合の流量計測の状態を示す。実線は脈動周期が比較的小さいときの流量波形を示し、１点鎖線は脈動周期が比較的大きいときの流量波形を示す。

ｔ５は省電力計測手段１２で計測したときの計測値を示したもので、計測時間が短いため計測期間中の平均流量計測値は変動し、省電力計測手段１２から高精度計測手段１１へ移行する。ｔ６、ｔ７、ｔ８は高精度計測手段１１で計測したときの状態を示し、ｔ６は計測時間が比較的短いときの状態、ｔ７は計測時間が比較的中くらいのときの状態、ｔ８は計測時間が比較的長いときの状態を示す。

脈動周期小の流量波形において、ｔ６、ｔ７、ｔ８の計測期間ではそれぞれの流量平均値はわずかに変動するので高精度計測手段１１での安定判定手段１６で安定と判別されず、高精度計測手段１１での計測を継続する。

したがって、例えば、ｔ７のみの計測時間で流量計測を実施した場合、脈動周期の約２周期を計測するため大きな脈動が発生しているにもかかわらず計測値が極めて安定するため、安定判定手段１２で安定と判定されて省電力計測手段１２の計測に移行し、その結果時間ｔ５で計測されるため計測誤差の大きい流量計測が行われことが発生しない。

脈動周期は一定ではなくさまざまに変化する。脈動周期大のように周期が変化してもｔ６、ｔ７、ｔ８のように計測時間が変わると、大きな脈動が発生していれば流量値が変動するので省電力計測手段１２に移行しない。

計測時間を変更する数は、２つ以上であれば効果を発揮するがより幅広い周期に対応するためには３種類から５種類が適当である。また計測時間の変更は計測ごとに行うが、安定判定に流量値の移動平均値を使用するのであれば、移動平均の個数だけ同一計測時間の計測を連続して行う。

可変計測手段１３の具体的な実施例を図７に示す。超音波を受信しその信号を増幅比較手段６で検波した後、繰返手段３２で遅延手段３３を介して送信手段４により再度音波を送信する。

このようにして送信と受信を繰返して繰返回数設定手段３４で設定された回数の送受信を行ったときの積算の時間をもとに伝搬時間を計測する。したがって繰返回数設定手段３４の設定する回数よって計測時間を変更することができる。

また、遅延手段３３によって繰返しの度に遅延時間を設け、この遅延時間を遅延設定手段３５で変えることにより計測時間を変更する。

なお、上流から下流への送信と下流からの送信は同一の繰返し回数、同一の遅延時間の設定にしたほうが流量計測の精度の点から望ましい。

（実施の形態２）
図８は他の実施の形態における省電力計測手段１２の構成を示したものである。省電力計測手段１２には、計測時間の異なる第１省電力計測手段３６，第２省電力計測手段３７，第３省電力計測手段３８があって、その計測手段を選択的に切り換えて計測時間を変更する第２可変計測手段３９がある。

この計測時間の変更は前述と同様に繰返し回数や遅延時間を変更することで行われ、脈動が発生しているにもかかわらず、計測のタイミングで誤った安定した流量値を計測することを防止する。

なお、前述の高精度計測手段１１および省電力計測手段１２のそれぞれの計測時間の変更は、いずれかの計測時間が脈動周期の整数倍と不一致に設定することが好ましい。脈動の周期が既知である場合には、あらかじめ整数倍にならないように設定することができ、また周期が既知でない場合にもガスエンジンから発生する脈動周期のように想定されるものは、事前に好ましい設定値を選択することができる。またスイッチや通信によって計測時間の可変度合いを変更することも可能である。

（実施の形態３）
図９は他の実施の形態における計測手段の移行を示す。省電力計測手段１２での計測の結果、脈動が激しく、しかも流量の変動が大きく高精度計測手段１１へ移行して計測しても、この高精度検出手段１１での計測値に大きな変動があった場合には、変動判定手段９で判定して計測時間がさらに長い超高精度計測手段４０に移行して流量計測精度を高めるようにしたものである。

なお、前記各実施の形態では流量を例にとったが、勿論、流速を対象としても同様なことがいえる。

本発明の流体の流れ計測装置は、圧力変動が発生しても適切な計測手段を選択して流速や流量を低消費電力で正確に計測できるので、ガスや水道などの計量メータや、産業用プラントや実験設備における流量計などの計測器にも適用できる。

本発明の実施の形態１における流れ計測装置のブロック図 脈動時での省電力計測手段での流れ計測状態を示す特性図 脈動時での高精度計測手段での流れ計測状態を示す特性図 本発明の実施の形態１における変動判定手段の動作を示すフローチャート 本発明の実施の形態１における安定判定手段の動作を示すフローチャート 同装置の脈動時での流量特性図 同装置の可変計測手段のブロック図 本発明の実施の形態２における流量計測装置のブロック図 本発明の実施の形態３における流量計測装置のブロック図 従来の流量計測装置のブロック図

符号の説明

８ 流体検出手段
１０ 安定判定手段
１１ 高精度計測手段
１２ 省電力計測手段
１３ 可変計測手段
４０ 超高精度計測手段

Claims (5)

1. 流体通路内の流体の流速および／または流量を検出する流体検出手段と、
   前記流体検出手段の計測時間を小さく設定した省電力計測手段と、
   前記流体検出手段の計測時間を大きく設定した高精度計測手段と、
   前記省電力計測手段での計測値が所定値以上変動したときに前記高精度計測手段に移行する変動判定手段と、
   前記高精度計測手段の計測値が所定値以内に安定したときに省電力計測手段に移行する安定判定手段と、を備え、
   前記高精度計測手段は、計測の繰り返し回数や計測間隔時間を変更することで計測時間を変更する可変計測手段を有し、前記可変計測手段により、計測時間を少なくとも２種類変更して計測する流体の流れ計測装置。
2. 前記安定判定手段は、計測値の複数の移動平均値で判別する請求項１記載の流体の流れ計測装置。
3. 前記高精度計測手段は、同一計測時間の計測を移動平均の個数以上続けて行う請求項１または２記載の流体の流れ計測装置。
4. 前記省電力計測手段は、計測の繰り返し回数や計測間隔時間を変更することで計測時間を変更する第２可変計測手段を有し、前記第２可変計測手段により、計測時間を少なくとも２種類以上変更して計測する請求項１〜３のいずれか１項記載の流体の流れ計測装置。
5. 流体の脈動周期の整数倍にならないような計測時間を少なくとも１種類は含んでいる請求項１〜４のいずれか１項記載の流体の流れ計測装置。

Images