JP5195553B2 - 流量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスなどの流体の流量を測定する流量計測装置に関するものである。

気体や液体の如き流体の流量や流速を測定する装置には多くの方式が知られている。特にエレクトロニクス技術の進歩により信頼性の高い超音波を利用する流速・流量測定装置の開発が目覚しい。そして超音波を利用した流速・流量測定装置は燃料ガスのメータ（ガスメータ）、工業用計測器、医療用の血流計、海洋や大気中の流速の測定など多方面にわたる活用分野がある。この超音波を利用する流速・流量測定装置には直接超音波を利用する場合のみならず、他の測定原理に基づく測定装置の検出部として間接的に利用する場合がある。

また、超音波利用流速・流量測定装置に限らず流速・流量測定装置には流量センサ、抵抗値センサ、温度センサ、電圧センサなど多くのセンサが利用されている。そしてこれらの電気信号を発信するセンサは、外部の条件に影響されて感度が変化したりすることがある。そのため燃料ガスのメータ等に使用される流量測定装置は僅かな流量変化、例えば３リットル／時のような微小変化でもこれを測定することが要求されている。この様な微小変化を正確に把握することができる為には測定のゼロ値補正を行うことができる測定装置としなければならない。

以上の観点から、ゼロ値補正実行の是非を所定時間間隔で判断する技術、複数の流路毎に弁を設け、当該弁が閉止されている流路のゼロ値補正を行なう技術が提示されている（例えば、特許文献１，２参照）。

また、ゼロ値補正実行を流量開閉弁の閉止時に流量計測部のゼロ値を検出しゼロ値補正を行う技術が提示されている（例えば、特許文献３，４参照）。
特開平８−２７１３０７号公報 国際公開第００／７０３１２号パンフレット 特開２００２−２３６０４０号公報 特開２００８−８２７９９号公報

ゼロ値補正を行なうに際し、流量計測装置内の圧力を安定させて、正確な補正を行なうために、流量開閉弁の閉止時に行うことは重要である。しかしながら、使用中のコックが開いている時に、流量開閉弁の閉止が行われると、次の開放時に、開いているコックからガス漏れを生じてしまい大変危険であり、例えば、流量開閉弁の閉止を定期的に行うと、使用中に急に使用できなくなるトラブルに併せて、上述のガス漏れの危険性も生じる。

そのため、一般家庭で使用されるガスメータでは地震時など、緊急異常時のみに流量開閉弁の閉止を行うようになっていて、該ガスメータが設置されてから取り外されるまで、流量開閉弁の閉止が行われる回数が極めて少なく、一度ぐらいしか閉止されない場合もあり、ゼロ値補正実行が有効に行われない心配があった。

また、ゼロ値補正では、流量開閉弁の開閉と流量計測を伴うため、電力の消費が多く、電池で１０年間使用される日本の一般家庭用ガスメータでは、定期的に頻繁に行うことはできないと云う課題もあった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ゼロ値補正が必要なときに、ゼロ値補正を行うようにして、安全性を確保しつつ、精度維時を行うことのできる流量計測装置を提供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、本発明の流量計測装置は、流体が通過する流路と、前記流路内に配置され前記流路を通過する流体の流速を計測する流量計測部と、前記流路を開閉する開閉部と、前記流量計測部の計測を制御する計測制御部と、前記開閉部の動作を制御する開閉制御部と、前記計測制御部からの信号で使用者へシステム異常警告の告知を行う表示告知部を備え、前記計測制御部は前記流量計測部で計測して得られた流量がゼロ流量でない第１所定範囲のとき、前記開閉部で前記流路を閉止するとともに、前記開閉部で前記流路を閉止した後の前記流量計測部で計測して得られた流量が、ゼロ値とするようにゼロ値補正を行うようにし、前記ゼロ値補正を行う回数が所定回数を超えたときにシ
ステム異常と判定する機能と、ゼロ値補正しない場合とゼロ値補正した場合の変化量の累積が第２所定値を超えたときにシステム異常と判定する機能とを有し、システム異常と判定した場合に、前記開閉部で前記流路を閉止させたまま、前記表示告知部でシステム異常警告を行う構成としてある。

そして、ガスが使用されていないと判断でき、かつ、ゼロ値でない流量を計測した第１所定範囲のときに、ゼロ値補正を行うようにして、機器によっては殆どゼロ値補正が生じないものや、何度も繰り返し行うものなど、機器に応じたゼロ値補正を行うことができるようになると共に、経年的に劣化して破損した場合などのシステム異常として、流路を閉止し、システム異常警告を行うことより、最終的な流量計測部の安全性を確保することができる。

本発明の流量計測装置は、ゼロ値でない第１所定範囲の流量を計測したときに、使用者が流量計測装置のゼロ値補正を行うことができるので、ゼロ値補正が必要なときに、機器に応じたゼロ値補正を行うことができるようになる。

第１の発明は、流体が通過する流路と、前記流路内に配置され前記流路を通過する流体の流速を計測する流量計測部と、前記流路を開閉する開閉部と、前記流量計測部の計測を制御する計測制御部と、前記開閉部の動作を制御する開閉制御部と、前記計測制御部からの信号で使用者へシステム異常警告の告知を行う表示告知部を備え、前記計測制御部は前記流量計測部で計測して得られた流量がゼロ流量でない第１所定範囲のとき、前記開閉部で前記流路を閉止するとともに、前記開閉部で前記流路を閉止した後の前記流量計測部で計測して得られた流量をゼロ値とするようにゼロ値補正を行うようにし、前記計測制御部は、前記ゼロ値補正を行う回数が所定回数を超えたときにシステム異常と判定する機能と、ゼロ値補正しない場合とゼロ値補正した場合の変化量の累積が第２所定値を超えたときにシステム異常と判定する機能とを有し、システム異常と判定した場合に、前記開閉部で前記流路を閉止させたまま、前記表示告知部でシステム異常警告を行う構成としてある。

そして、ガスが使用されていないと判断でき、かつ、ゼロ値でない流量を計測した第１所定範囲のときに、ゼロ値補正を行うようにして、機器によっては殆どゼロ値補正が生じないものや、何度も繰り返し行うものなど、機器に応じたゼロ値補正を行うことができるようになると共に、経年的に劣化して破損した場合などのシステム異常として、流路を閉止し、システム異常警告を行うことより、最終的な流量計測部の安全性を確保することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の流量計測装置を用いるシステムの概略図、図２は同流量計測装置の要部断面図、図３は同上面配置図で、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は流量計測の説明図である。

図１において、使用者が使用するヒーターやオーブンなどの使用機器１ａ〜１ｄに供給されるガスは、ガス供給配管から、その流路を開閉する開閉部２と使用ガス流量を計測する流量計測装置としての流量計測部３を一体に形成した安全遮断装置付きガスメータ４を介して、供給される。

該安全遮断装置付きガスメータ４は、流量計測部３の計測を制御する計測制御部５と、開閉部２の動作を制御する開閉制御部６と、計測制御部５からの信号で使用者へ補正警告表示ランプ７等の告知手段を有する表示告知部８を有している。

上記流量計測を行う流量計測部３は、図２、図３に示すように、水平に配設した流量計測流路１１の両端に、下方へつながる流入側配管１２と、流出側配管１３が設けてあり、
被測定流体は、流入側配管１２から取り込まれ、流量計測流路１１を介して、流出側配管１３へ排出される。流量計測流路１１を挟むように上流側と下流側に一対の超音波振動子１４、１５が配置してあり、この間の流量計測流路１１に被測定流体の流れを整流する整流部材１６が配置してある。

上記整流部材１６は少なくとも流れに対し略並行でかつ超音波振動子１４、１５から発信される超音波を遮らないように配設した金属製の複数枚の整流板１７と、整流板１７を保持する樹脂性のケース１８と、整流板１７の側部の位置しケース１８に設けた超音波振動子１４、１５から発信される超音波を通過させる開口１９から構成されている。

このような配置において、超音波振動子１４、１５間の距離をＬ、流入側の超音波振動子１４から超音波を送信し、流出側の超音波振動子１５で受信する時の伝播時間をＴｕｄ、その逆に、流出側の超音波振動子１５から超音波を送信し、流入側の超音波振動子１４で受信する時の伝播時間をＴｄｕとすると、音速をＣ、流体の流速をＶｆとすると、次式が成り立つ。

Ｔｕｄ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｆ）、Ｔｄｕ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｆ）
これより、Ｃ＋Ｖｆ＝Ｌ／Ｔｕｄ、Ｃ−Ｖｆ＝Ｌ／Ｔｄｕが成り立ち、その結果、
２・Ｖｆ＝（Ｌ／Ｔｕｄ）＋（Ｌ／Ｔｄｕ）となる。
よって、 Ｖｆ＝（Ｌ／２）［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］
このように、超音波伝播時間ＴｕｄおよびＴｄｕ、を計測することにより、流体の流速Ｖｆを計測することができる。なお、この流体の流速Ｖｆは、音速Ｃに依存しないで求めることができ、流体の温度、すなわち、流体中の音速が変化しても、計測結果に影響しないことがわかる。この流体の流速Ｖｆに、あらかじめ決められている流量計測流路１１の断面積Ｓを乗ずることにより流体の流量Ｑｆを、Ｑｆ＝Ｓ・Ｖｆとして求められる。

ここで、超音波振動子１４、１５は、複合の構成材料で構成され（図示せず）、この構成材料の材質や形状に依存する個々の共振周波数や、構成材料の接合部分の状態で、超音波振動子１４、１５の送信および受信する振動すなわち波形が歪みを生じるため、同一の構成材料、同一の接合で、超音波振動子１４、１５を構成したとしても、どうしても、構成材料や接合等のばらつきで、微小な振動のずれを生じ、結果的に、超音波振動子１４、１５の特性がずれてしまう場合がある。

このような場合について詳述すると、図４（ａ）に示すように、送信側の超音波振動子１４ｏｒ１５に矩形電圧Ａを印加して送信すると、受信側の超音波振動子１５ｏｒ１４に波形信号Ｂを受信し、例えば、計測手段（計測ＩＣ）がこの信号の３波目を比較して、送信側超音波振動子１４ｏｒ１５から送信したときから、受信側の超音波振動子１５ｏｒ１４に波形信号Ｂを受信までの時間を測定するようになっている。

このときの、受信側の超音波振動子１５ｏｒ１４の振動は、図４（ｂ）に示すように、歪みのない理想的な振動波形Ｃに、超音波振動子１４、１５の構成材料や接合等による波形の歪みが複合されたものとなり、その波形の包絡線を、例えば、超音波振動子１４を包絡線Ｄとし、超音波振動子１５を包絡線Ｅとして表される。この信号の３波目の比較部分Ｇを拡大した図４（ｃ）に示すように、ゼロクロス部分では近接する傾向は有しても、微小なズレは生じたままであり、歪みのない理想的な振動波形Ｃとゼロクロスまでの時間Ｔに対して、超音波振動子１４の包絡線ＤとのズレＤ１と、超音波振動子１５の包絡線ＥとのズレＥ１とが、測定誤差として生じてしまうことになる。

このズレＤ１とズレＥ１の合計すなわちズレ量合計（Ｄ１＋Ｅ１）が、流量計測部３としての誤差となるので、初期に、流量計測流路１１に被測定流体を流さない状態で、流量
計測を行い、ゼロ値ズレ量を求め、この値を補正量として、流量計測部３の測定値から予め差し引くことすなわちゼロ値補正を行うことで、精度を向上させることができるようになる。

しかしながら、上述の超音波振動子１４、１５の特性がずれてしまう場合は、初期のみでなく、経年変化で構成材料や接合の劣化のばらつき等によって、同様な現象を生じる場合があり、流量計測部３の流量計測のゼロ値がズレた状態で、その誤差分が徐々に拡大することがある。このような場合でも、ゼロ値補正を行うことで、精度を向上させることができるようになるが、一般に使用されているときには、開閉部２が開かれているので、精度良く行うことができない。また、精度良く行うために、開閉部２を閉じてゼロ値補正を行うと、次の開放時に、開いているコックからガス漏れを生じてしまい大変危険であり、例えば、流量開閉部２の閉止を定期的に行うと、使用中に急に使用できなくなるトラブルに併せて、ガス漏れの危険性も生じる。

そこで、流量計測部３で計測して得られた計測制御部５の流量が、ゼロ流量でなく最低使用状態流量より少なく、ゼロ流量測定の誤差範囲以上とした第１所定範囲にあるとき、例えばゼロ値には近いがゼロ流量でないゼロ値から若干シフトした流量例えば０．４〜０．８Ｌ／ｈ程度の流量値で、一般の使用されている機器１ａ〜１ｄの使用量からするとありえない数値のときに、何らかの理由で超音波振動子１４、１５の特性がずれて流体の流速を計測する流量計測部３がゼロ値シフトして、計測精度誤差分が生じたものと考えられる。

この場合に、表示告知部８で補正警告表示ランプ７ａの点灯を行うことで、使用者にゼロ値補正中であることを告知して、使用者が機器の使用しないように促すようになっている。

そして、開閉部２で流路を閉止し、その後の流量計測部３によって計測された流体の流速の出力を、計測制御部５の流量がゼロ値とするように補正を行い、補正が終了すると再度開閉部２で流路を開放し通常に使用できるようにしてある。

このように、計測制御部５の演算した流量がゼロ流量でない第１所定範囲例えば０．４〜０．８Ｌ／ｈのとき表示告知部８で補正警告表示ランプ７ａの点灯を行うことで、使用者にゼロ値補正中であることを告知して、使用者が機器の使用しないように促すことで、安全に、ゼロ値補正を開始することができるようになる。そして、、開閉部２で流路を閉止した後の流量計測部３によって計測された流体の流速の出力を、計測制御部５の流量がゼロ値とするように補正を行うようにしてあり、圧力の影響を受けずに、正確にゼロ値補正を行うことができるようになる。

したがって、ガスが使用されていないと判断でき、かつ、ゼロ値でない流量を計測した第１所定範囲例えば０．４〜０．８Ｌ／ｈのときに、ゼロ値補正を行うようにしているので、機器によっては殆どゼロ値補正が生じないものや、何度も繰り返し行うものなど、機器に応じたゼロ値補正を行うことができるようになる。

さらに、ゼロ値補正を開始させて、開閉部２で流路を閉止した後の流量計測部３によって計測された流体の流速の出力を、計測制御部５の流量がゼロ値とするように補正を行った後に、開閉部２で流路を開放して通常使用状態に復帰させたときに、所定時間内に例えば１分間以内の短時間に、計測制御部５の流量が第２所定値に達した場合、再度開閉部２で流路を閉止した後、表示告知部８でシステム異常警告ランプ７ｂの点灯を行う構成としてある。

そして、ゼロ値補正を行った後に、開閉部２で流路を開放して通常使用状態に復帰させたときに、所定時間内例えば１分間以内の短時間に、計測制御部５の流量が第２所定値例えばガス使用機器１台分以上の使用流量に達した場合、ゼロ値補正中に使用者がコックを開いて放置したと判断して、ガス漏れの危険性を回避するように、再度開閉部２で流路を閉止した後、表示告知部８でシステム異常警告ランプ７ｂの点灯を行うようにしてあり、ゼロ値補正後の復帰の安全性を高めることができるようになる。

さらに、上記のようなゼロ値補正を行う回数が、所定回数を超えたときに、システム異常として、開閉部２で流路を閉止させたまま、システム異常警告告ランプ７ｂの点灯を行うようにしてある。

さらにまた、ゼロ値補正を行うときに、初期の補正しない場合と補正した場合の累積変化量が、第２所定値を超えたときに、システム異常として、開閉部２で流路を閉止させたまま、システム異常警告を行うようにしてある。

上記の補正を行う回数が、所定回数を超えたとき、或いは、補正した場合の累積変化量が、第２所定値を超えたときに、何らかの理由で異常が生じてしまい、例えば超音波振動子１５、１６が経年的に劣化して破損した場合などが想定されるので、システム異常として、開閉部２で流路を閉止させたまま、システム異常警告ランプ７ｂの点灯を行うことより、最終的な流量計測部３の安全性を確保することができるようになる。

そして、表示告知部８でシステム異常警告ランプ７ｂを点灯して警告を行われた場合、流体供給元に通信手段（図示せず）で信号を送り、流体供給元が流体供給を停止させるようになっている。これにより、使用者が不在であっても、最終的な安全を流体供給元が確保できるようになる。

なお、実施の形態では、流量計測部３の流量計測値の取扱について言及していないが、これは、流量計測値の瞬時値、所定時間内の平均値、移動平均値、継続して同じ値が測定されたときの流量値等、どのような決め方でもよく、実使用状態に即していれば良く、また、その流路を開閉する開閉部２と使用ガス流量を計測する流量計測部３を一体に形成した安全遮断装置付きガスメータで説明したが、これは開閉部２と流量計測部３を別設に設けてもよい。そして、表示告知部８で補正警告表示ランプ７ａの点灯を行うことで、使用者にゼロ値補正中であることを告知するように説明したが、これは、音声や文字表示等のよりいっそう判りやすいものであればよりよい。

さらに、第１所定範囲は、流量計測部３で計測して得られた流量が最低使用状態流量より少なく、ゼロ流量測定の誤差範囲以上として説明したが、これはガス漏れの判定レベルより少なく、且つ、最低使用状態流量より少なく、ゼロ流量測定の誤差範囲以上としてその他各部の構成も本発明の目的を達成する範囲であればその構成はどのようなものであってもよい。

以上のように、本発明にかかる流量計測装置は、ゼロ値補正が必要なときに、安全性を確保しつつゼロ値補正し、精度維時を行うことのできるようになるので、ガスメータ等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１の流量計測装置を用いるシステムの概略図 同流量計測装置の要部断面図 同流量計測装置の上面配置図 （ａ）同流量計測装置の流量計測の概念図、（ｂ）受信側の超音波振動子の振動波形図、（ｃ）（ｂ）のＧの拡大図

２ 開閉部
３ 流量計測部
５ 計測制御部
６ 開閉制御部
７ａ 補正警告表示ランプ（告知手段）
７ｂ システム異常警告ランプ（告知手段）
８ 表示告知部

Claims (1)

1. 流体が通過する流路と、
   前記流路内に配置され前記流路を通過する流体の流速を計測する流量計測部と、
   前記流路を開閉する開閉部と、
   前記流量計測部の計測を制御する計測制御部と、
   前記開閉部の動作を制御する開閉制御部と、
   前記計測制御部からの信号で使用者へシステム異常警告の告知を行う表示告知部を備え、前記計測制御部は、前記流量計測部で計測して得られた流量がゼロ流量でない第１所定範囲のとき、前記開閉部で前記流路を閉止するとともに、前記開閉部で前記流路を閉止した後の前記流量計測部で計測して得られた流量をゼロ値とするようにゼロ値補正を行うようにし、
   前記ゼロ値補正を行う回数が所定回数を超えたときにシステム異常と判定する機能と、ゼロ値補正しない場合とゼロ値補正した場合の変化量の累積が第２所定値を超えたときにシステム異常と判定する機能とを有し、システム異常と判定した場合に、前記開閉部で前記流路を閉止させたまま、前記表示告知部でシステム異常警告を行う流量計測装置。