JP5788699B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、ガスのような流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。

従来より、流体（特に、都市ガスのようなガス）の流量を計測するのに膜式ガス流量計と呼ばれる機械式のメーターが用いられてきたが、近年、超音波により計測する超音波流量計が開発されている。

超音波流量計は、流体の流路の上流側と下流側に一対の超音波センサが配置される。上流側から送信した超音波を下流側で受信するまでの時間と、下流側から送信した超音波を上流側で受信するまでの時間をそれぞれ計測し、この伝播時間の逆数差から流体の流量Q（Ｌ／ｈ）を求める。通常この流量計測は例えば２秒等、１〜３秒の所定時間毎に行われ、２秒の場合にはQ÷３６００×２（Ｌ）が積算値として加算されていく。

また、膜式ガス流量計にしても超音波流量計にしても、計量機能に加え、感震器、圧力センサ、遮断弁を内蔵し、異常時にガスを止める保安機能を備えるのが一般的である。

すなわち、一定以上の震度の地震を感震器で検知したときや、一定以下の圧力の低下を圧力センサで検知したとき、ガスの異常に大きな流れを検知したときに遮断弁を閉止する。

さらに、流量計は復帰機能を備えるのが一般的である。

メーター前面に配された復帰ボタンを押すことで、メーターは一連の復帰漏洩確認機能の動作を開始する。

これは、まず、遮断弁を例えば５秒等の所定時間開き、メーター上流側のガスを流入させた後、遮断弁を閉止し、例えば１０秒等の所定時間待つことで、圧力の安定を図る。

その後、遮断弁を閉止したまま、例えば３０秒等の所定時間の圧力が低下するか否かを判定する。

例えば３０秒等の前記所定時間に圧力が低下しなかった場合、超音波流量計の下流側に異常がないものと判断し、遮断弁を開き、通常通りガスが使えるようになる。

例えば３０秒等の前記所定時間に圧力が低下した場合は、下流側にガス配管の折損等の異常が懸念されると判断し、遮断弁を閉じたまま、復帰漏洩確認異常の表示を出力する。

この機能を備えることで、顧客が超音波流量計を安全に自ら復帰できる。

さて、超音波流量計においては、受信側で検知する超音波の大きさは、流体の種類（１３Ａガス、空気）や温度、流速により変化するため、受信回路の後段に検知電圧を所定の電圧範囲に収まるように自動で増幅する増幅手段を備える。

増幅の度合いは限られているため、なんらかの故障等の要因で極端に検知電圧が低下したときは限界まで増幅の度合いを上げるものの、所定の電圧範囲に収めることができず、計測が不正確な状態となる。不正確な計測値を元に計量機能、保安機能を動作させるのは好ましくないため、超音波流量計は、増幅手段での増幅率Ｇが所定の閾値Ｇ１以上となることが一定回数以上継続すると、遮断弁を閉じる異常検知手段を備えている。

しかしながら、超音波流量計において、故障等の要因がなくても、空気とガスが流路内に偏在し、一対の超音波センサ間の流体が均一な気体でないとき、一時的に検知電圧が低下することが知られている。

この状態は、空気とガスが混じりあい、およそ均一な状態になれば解消され、その時間は数分であることがわかっている。

超音波流量計が取り付けられるときは超音波流量計内は空気であり、取り付け後、ガスに置換される。このため、取り付け後の復帰漏洩確認機能を動作終了した後にこのような状況になることがある。

このことから、不正確な計測値を元に計量機能、保安機能を動作させるのを防ぐため、復帰漏洩確認機能の動作完了後、増幅率Ｇが一定の解除用閾値Ｇ２以下になるまでは、計量機能、保安機能を停止することが考えられる。

なお、この方法において、復帰漏洩確認機能の動作完了後、増幅率Ｇが解除用閾値Ｇ２以下であれば、計量機能、保安機能は停止することなく、即、動作開始する。

特開２００４−１４４６４２号公報

しかしながら、解除用閾値Ｇ２を所定の固定値としたとき、復帰漏洩確認動作前の増幅率Ｇがもともと大きかった場合には、正常時の増幅率Ｇがもともと小さい場合に比べて、増幅率Ｇが解除用閾値Ｇ２以下となるのに時間を要し、場合によっては解除用閾値Ｇ２以下にならず、計量機能、保安機能を停止した状態の継続時間が長くなってしまい、場合によっては保安機能の停止が解除されないこともあり、保安上好ましくないものであった。また、この点を解消するため解除用閾値Ｇ２に大きな値を設定すると、保安機能の回復は早くなるものの、増幅率Ｇが大きい状態での流量の計測は不安定で、誤計量・誤動作の発生の惧れが生じてしまうものであった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、復帰漏洩確認動作前の増幅率の大小にかかわらず早く適切に計量機能、保安機能の停止を解除し、保安機能の停止が継続されて誤計量・誤動作の発生の惧れが生じるのを防止することができる流量計を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る超音波流量計は、
流体の流路１の上流側と下流側とに配置されそれぞれ超音波の送受波を行う一対の超音波センサ３１ａ，３１ｂと、
前記流路１の途中に設けられる遮断弁２と、
前記一対の超音波センサ３１ａ，３１ｂで発生した検知電圧を所定の電圧範囲に収まるように自動で増幅する増幅手段と、
前記増幅手段で増幅された増幅電圧を受けて前記一対の超音波センサ３１ａ，３１ｂ間の超音波の伝播時間ｔ１，ｔ２を計測する伝播時間計測手段と、
前記伝播時間計測手段で計測した前記伝播時間ｔ１，ｔ２から前記流路１を流れる流体の流量を算出する流量算出手段と、
所定圧力低下判定時間Ｔ１内の圧力低下が一定値未満であれば復帰成功として遮断弁を開き、一定値以上であれば復帰失敗として遮断弁を閉じたまま復帰失敗の表示を出力する復帰漏洩確認動作を行う復帰漏洩確認手段と、
復帰成功として遮断弁を開いた後、前記増幅手段における増幅率Ｇが解除用閾値Ｇ２以下となるまで計量機能、保安機能を停止し前記解除用閾値Ｇ２以下となると計量機能、保安機能の停止を解除する計量保安停止手段と、
を備え、
所定時間Ｔ４毎に、その所定時間Ｔ４内の前記増幅率Ｇの情報から基準増幅率Ｇ３を算出する基準増幅率算出手段と、前記基準増幅率Ｇ３を直近の２つ以上記憶する記憶手段と、前記復帰漏洩確認動作前の前記基準増幅率Ｇ３をもとに前記解除用閾値Ｇ２を設定する解除値設定手段と、
を設け、
前記基準増幅率算出手段は、前記所定時間Ｔ４内の前記増幅率Ｇの最小値を基準増幅率Ｇ３として算出することを特徴とする。

これにより、復帰漏洩確認動作前の増幅率の大小にかかわらず早く適切に計量機能、保安機能の停止を解除することができるものであり、これにあたって、所定時間Ｔ４内に最も増幅率Ｇが低く安定であったときの値を基準として用いることができる。

また、請求項２に係る超音波流量計は、流体の流路１の上流側と下流側とに配置されそれぞれ超音波の送受波を行う一対の超音波センサ３１ａ，３１ｂと、
前記流路１の途中に設けられる遮断弁２と、
前記一対の超音波センサ３１ａ，３１ｂで発生した検知電圧を所定の電圧範囲に収まるように自動で増幅する増幅手段と、
前記増幅手段で増幅された増幅電圧を受けて前記一対の超音波センサ３１ａ，３１ｂ間の超音波の伝播時間ｔ１，ｔ２を計測する伝播時間計測手段と、
前記伝播時間計測手段で計測した前記伝播時間ｔ１，ｔ２から前記流路１を流れる流体の流量を算出する流量算出手段と、
所定圧力低下判定時間Ｔ１内の圧力低下が一定値未満であれば復帰成功として遮断弁を開き、一定値以上であれば復帰失敗として遮断弁を閉じたまま復帰失敗の表示を出力する復帰漏洩確認動作を行う復帰漏洩確認手段と、
復帰成功として遮断弁を開いた後、前記増幅手段における増幅率Ｇが解除用閾値Ｇ２以下となるまで計量機能、保安機能を停止し前記解除用閾値Ｇ２以下となると計量機能、保安機能の停止を解除する計量保安停止手段と、
を備え、
所定時間Ｔ４毎に、その所定時間Ｔ４内の前記増幅率Ｇの情報から基準増幅率Ｇ３を算出する基準増幅率算出手段と、前記基準増幅率Ｇ３を直近の２つ以上記憶する記憶手段と、前記復帰漏洩確認動作前の前記基準増幅率Ｇ３をもとに前記解除用閾値Ｇ２を設定する解除値設定手段と、
を設け、
前記解除用閾値Ｇ２は、２つ以上前の基準増幅率Ｇ３をもとに設定することを特徴とする。

これにより、復帰漏洩確認動作前の増幅率の大小にかかわらず早く適切に計量機能、保安機能の停止を解除することができるものであり、これにあたって、１つ前の基準増幅率Ｇ３は超音波流量計が取り付けられる直前であるがゆえに基準増幅率Ｇ３が参照する値として適切でない可能性があるため、この場合に適切でない値が参照されることを排除できる。

また、請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記解除用閾値Ｇ２は、前記基準増幅率Ｇ３に所定の値を加算することで設定することを特徴とする。

一般的に内部の気体が空気の場合に比してガスの場合の方が、増幅率は高い。そして、超音波流量計が取り付けられるときは超音波流量計内は空気であり、取り付け後、ガスに置換される。このため、この差に応じた所定の値を加算することで、妥当な閾値が得られる。

本発明にあっては、計量・保安機能の停止が継続されて誤計量・誤動作の発生の惧れが生じるのを防止することができる。

本発明の流量計の一実施形態の概略構成図である。 増幅率のタイムチャートである。

以下、本発明の一実施形態について説明する。流体は、本実施形態は都市ガスのようなガスであるが、他の流体であってもよく特に限定されない。

超音波流量計は、図１に示すように、流体（ガス）の流路１の適宜箇所に配置され、遮断弁２と流量計測部３とを備えている。流量計測部３は、流路１の上流側と下流側とにそれぞれ超音波の送受波を行う一対の超音波センサ３１ａ，３１ｂを配置した構成を有する。一対の超音波センサ３１ａ，３１ｂは、互いに対向するとともに、超音波センサ３１ａ，３１ｂの間で送受される超音波の進行方向と流体が流路１を通過する方向とが角度θをなして交差するように配置される。両超音波センサ３１ａ，３１ｂは、超音波センサ駆動回路３０に接続される。超音波センサ駆動回路３０は、超音波センサ３１ａ，３１ｂの各一方を駆動して超音波パルスを送波させるとともに他方で受波した超音波パルスの波形整形を行う。

制御部４は、マイクロコンピュータを主構成要素とし、レジスタやタイマー機能をはじめとする後述する各種機能を備え、流量計測部３の動作の制御、流量計測部３の出力によるガスの流量の計測、流量計測部３の出力に基づく遮断弁２の制御などを行う。ガスの使用量は流量計測部３でのガスの流量の計測結果に基づいて制御部４で求められ制御部４に接続した液晶表示器からなる表示部５に表示される。制御部４にはＥＥＰＲＯＭのような書換可能な不揮発性のメモリ６が接続される。また、制御部４には制御信号によって遮断弁２を駆動する遮断弁駆動回路７も接続される。

制御部４では超音波センサ駆動回路３０を介して超音波センサ３１ａ，３１ｂの送波タイミングを制御している。そして、超音波流量計は、超音波センサ３１ａ，３１ｂで発生した検知電圧を所定の電圧範囲に収まるように自動で増幅する増幅手段を備えるもので、本実施形態の増幅手段は、増幅器３２と、制御部４が一機能として備える増幅率設定部４６とで構成される。なお、このような増幅手段は公知のものが適宜使用可能であり、詳細な説明は省略する。

また超音波流量計は、増幅器３２からの増幅電圧を受けて超音波センサ３１ａ，３１ｂ間の超音波の伝播時間を計測する伝播時間計測手段と、伝播時間計測手段で計測した伝播時間から流路１を流れる流体の流量を算出する流量算出手段と、を備えている。本実施形態の伝播時間計測手段と流量算出手段は、制御部４が一機能として備える伝播時間計測部４１と流量算出部４２とで構成される。

図１に示す構成の超音波流量計を用いて流量を計測するには、上流側の超音波センサ３１ａから下流側の超音波センサ３１ｂに向かって超音波を送波したときの超音波の伝播時間ｔ１と、下流側の超音波センサ３１ｂから上流側の超音波センサ３１ａに向かって超音波を送波したときの超音波の伝播時間ｔ２とを用いる。いま、両超音波センサ３１ａ，３１ｂの間の距離をｄ、流体の流速をｖ、音速をｃとすると、以下の関係が得られる。
（ｃ＋ｖ・ｃｏｓθ）ｔ１＝ｄ
（ｃ−ｖ・ｃｏｓθ）ｔ２＝ｄ
従って、流速ｖは、
ｖ＝（ｄ／２ｃｏｓθ）｛（１／ｔ１）−（１／ｔ２）｝
のように表すことができる。このように流速ｖを求める方法を伝播時間逆数差法という。ここで、一般に超音波センサ３１ａ，３１ｂの間の距離ｄは８〜１０ｃｍ程度に設定され、流路内での音速ｃは約４００ｍ／ｓｅｃであるから、伝播時間ｔ１，ｔ２は２００〜２５０μｓｅｃ程度になる。

このように求めた流速ｖに流路１の断面積Ｓを乗じた値が瞬時流量ｑになる。つまり、瞬時流量ｑは次式で表される。
ｑ＝ｖ・Ｓ
超音波流量計では各超音波センサ３１ａ，３１ｂをそれぞれ送波側として超音波パルスを１回ずつ送受波する動作が１組の動作になり、少なくとも１組の動作を行えば瞬時流量ｑを求めることができる。また、瞬時流量ｑは間欠的に計測され、瞬時流量ｑを求めた時間間隔（例えば２〜３ｓｅｃ）を瞬時流量ｑに乗じることによって積算流量Ｑが求められる。このようにして求めた各時間間隔毎の積算流量Ｑを積算した値は流路１を通過した流体の総量（ガスの使用量）に相当する。

ここで、上記のように１個の超音波パルスのみで流速ｖを決定すると十分な計測精度が得られないため、計測精度を高めるためにシングアラウンド法と称される方法により計測処理を行う。すなわち、シングアラウンド法においては、両超音波センサ３１ａ，３１ｂのうちの一方から複数個の超音波パルスを繰り返して発生させた後、遅延時間をおいて他方から複数個の超音波パルスを繰り返して発生させ、複数個の平均をとるものである。例えば、一方の超音波センサ３１ａから１００個の超音波パルスを繰り返して発生させて計測した合計伝播時間を個数の１００で除した値が、平均された伝播時間ｔ１となり、その後に他方の超音波センサ３１ｂから１００個の超音波パルスを繰り返して発生させて計測した合計伝播時間を個数の１００で除した値が、平均された伝播時間ｔ２となる。各合計伝播時間は２００〜２５０μｓｅｃ×１００＝２０〜２５ｍｓｅｃ程度であり、両合計伝播時間を合わせても４０〜５０ｍｓｅｃ程度であり、瞬時流量ｑを求めるための上記時間間隔（例えば２〜３ｓｅｃ）内に充分に収まるものである。

また超音波流量計は、上述した計量機能に加え、感震器２１と圧力センサ２２を内蔵し、一定以上の震度の地震を感震器２１で検知した時や、一定以下の圧力の低下を圧力センサ２２で検知した時や、上記計量機能にてガスの異常に大きな流れを検知した時に、遮断弁２を閉止してガスを止める保安機能を備えるもので、本実施形態では、遮断弁２と、制御部４が一機能として備え感震器２１や圧力センサ２２の検知値を処理する保安制御部４３と、遮断弁駆動回路７とで構成される。また超音波流量計は、復帰機能を備えている。超音波流量計には、前面等に復帰ボタン（図示せず）が設けられており、この復帰ボタンを押すことで、復帰漏洩確認手段により、一連の復帰漏洩確認機能の動作が開始される。

復帰漏洩確認手段は、制御部４が一部として備える復帰漏洩確認部４４で構成されるもので、復帰漏洩確認機能は、例えば３０秒等の所定圧力低下判定時間Ｔ１内の圧力低下が一定値未満であれば復帰成功として遮断弁２を開き、前記一定値以上であれば復帰失敗として遮断弁２を閉じたまま復帰失敗の表示を出力するもので、以下に詳述する。

まず、遮断弁２を例えば５秒等の所定時間Ｔ２開き、超音波流量計の上流側のガスを流入させた後、遮断弁２を閉止し、例えば１０秒等の所定時間Ｔ３待つことで、圧力の安定を図る。その後、遮断弁２を閉止したまま、例えば３０秒等の所定圧力低下判定時間Ｔ１の圧力が低下するか否かを判定する。

所定圧力低下判定時間Ｔ１内に圧力が低下しなかった場合、下流側に異常がないものと判断して遮断弁２を開き、通常通りガスが使えるようにする。

所定圧力低下判定時間Ｔ１に圧力が低下した場合は、下流側にガス配管の折損等の異常が懸念されると判断して遮断弁２を閉じた状態を維持し、復帰漏洩確認異常の表示を出力する。

また超音波流量計は、復帰成功として遮断弁２を開いた後、増幅率Ｇが解除用閾値Ｇ２以下に減少するまで計量機能、保安機能を停止し、増幅率Ｇが解除用閾値Ｇ２以下に減少すると計量機能、保安機能の停止を解除する計量保安停止手段を備えるもので、本実施形態では制御部４が一機能として備える計量保安停止部４５で構成される。

本発明においては、解除用閾値Ｇ２として、所定の固定値ではなく、復帰漏洩確認動作前の増幅率Ｇに応じた値を用いるべく、例えば１時間等の所定時間Ｔ４毎に、その所定時間Ｔ４内の増幅率Ｇの情報から基準増幅率Ｇ３を算出する基準増幅率算出手段と、基準増幅率Ｇ３を直近の２つ以上記憶する記憶手段と、復帰漏洩確認動作前の基準増幅率Ｇ３をもとに解除用閾値Ｇ２を設定する解除値設定手段と、を備えるもので、本実施形態では、記憶手段はメモリ６で構成されると共に、基準増幅率算出手段と解除値設定手段は、制御部４が一機能として備える基準増幅率算出部４７と、解除値設定部４８で構成される。

基準増幅率算出手段は、所定時間Ｔ４毎に、その所定時間Ｔ４内の増幅率Ｇの情報から基準増幅率Ｇ３を算出するもので、本実施形態では前記所定時間Ｔ４内の増幅率Ｇの最小値を基準増幅率Ｇ３として算出するものである。

記憶手段は、基準増幅率Ｇ３を直近の２つ以上記憶するもので、例えば、図２に示すように、現時点より前のある時点からその１時間前までの所定時間Ｔ４内の増幅率Ｇから算出された基準増幅率Ｇ３（１）と、ある時点より１時間前からある時点より２時間前までの所定時間Ｔ４内の増幅率Ｇから算出された基準増幅率Ｇ３（２）と、を少なくとも記憶するもので、同様にして更に以前の所定時間Ｔ４内の増幅率Ｇから算出された基準増幅率基準増幅率Ｇ３（３）、Ｇ（４）等を記憶してもよい。本実施形態では、２つ以上前の所定時間Ｔ４内の基準増幅率Ｇ３、すなわちｎ≧２なるＧ３（ｎ）を用いて、解除値設定部４８で解除用閾値Ｇ２を設定する。

解除値設定部４８は、復帰漏洩確認動作前の基準増幅率Ｇ３をもとに解除用閾値Ｇ２を設定するのであるが、本実施形態では前記基準増幅率Ｇ３に所定の値を加算することで設定するものである。

以上のように、復帰漏洩確認動作前の前記基準増幅率Ｇ３をもとに前記解除用閾値Ｇ２を設定することで、復帰漏洩確認動作前の増幅率Ｇの大小にかかわらず早く適切に計量機能、保安機能の停止を解除することができる。

また、増幅率Ｇの最小値を基準増幅率Ｇ３とすることで、所定時間内に最も増幅率Ｇが低く安定であったときの値を基準として用いることができる。

また、解除用閾値Ｇ２を２つ以上前の基準増幅率Ｇ３をもとに設定するで、１つ前の基準増幅率Ｇ３が、超音波流量計が取り付けられる直前であって適切でない場合でも、この１つ前の適切でない値が参照されるのを排除できる。

また、解除用閾値Ｇ２を基準増幅率Ｇ３に所定の値を加算して設定することで、空気とガスの置換による増幅率Ｇの変化に応じた所定の値を加算することで、妥当な閾値が得られる。

１ 流路
２ 遮断弁
３ 流量計測部
３０ 超音波センサ駆動回路
３１ａ 超音波センサ
３１ｂ 超音波センサ
３２ 増幅器
４ 制御部
４１ 伝播時間計測部
４２ 流量算出部
４３ 保安制御部
４４ 復帰漏洩確認部
４５ 計量保安停止部
４６ 増幅率設定部
４７ 基準増幅率算出部
４８ 解除値設定部
５ 表示部
６ メモリ
７ 遮断弁駆動回路

Claims (3)

1. 流体の流路の上流側と下流側とに配置されそれぞれ超音波の送受波を行う一対の超音波センサと、
   前記流路の途中に設けられる遮断弁と、
   前記一対の超音波センサで発生した検知電圧を所定の電圧範囲に収まるように自動で増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段で増幅された増幅電圧を受けて前記一対の超音波センサ間の超音波の伝播時間を計測する伝播時間計測手段と、
   前記伝播時間計測手段で計測した前記伝播時間から前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出手段と、
   所定圧力低下判定時間内の圧力低下が一定値未満であれば復帰成功として遮断弁を開き、一定値以上であれば復帰失敗として遮断弁を閉じたまま復帰失敗の表示を出力する復帰漏洩確認動作を行う復帰漏洩確認手段と、
   復帰成功として遮断弁を開いた後、前記増幅手段における増幅率が解除用閾値以下となるまで計量機能、保安機能を停止し前記解除用閾値以下となると計量機能、保安機能の停止を解除する計量保安停止手段と、
   を備えた超音波流量計であって、
   所定時間毎に、その所定時間内の前記増幅率の情報から基準増幅率を算出する基準増幅率算出手段と、前記基準増幅率を直近の２つ以上記憶する記憶手段と、前記復帰漏洩確認動作前の前記基準増幅率をもとに前記解除用閾値を設定する解除値設定手段と、
   を設け、
   前記基準増幅率算出手段は、前記所定時間内の前記増幅率の最小値を基準増幅率として算出することを特徴とする超音波流量計。
2. 流体の流路の上流側と下流側とに配置されそれぞれ超音波の送受波を行う一対の超音波センサと、
   前記流路の途中に設けられる遮断弁と、
   前記一対の超音波センサで発生した検知電圧を所定の電圧範囲に収まるように自動で増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段で増幅された増幅電圧を受けて前記一対の超音波センサ間の超音波の伝播時間を計測する伝播時間計測手段と、
   前記伝播時間計測手段で計測した前記伝播時間から前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出手段と、
   所定圧力低下判定時間内の圧力低下が一定値未満であれば復帰成功として遮断弁を開き、一定値以上であれば復帰失敗として遮断弁を閉じたまま復帰失敗の表示を出力する復帰漏洩確認動作を行う復帰漏洩確認手段と、
   復帰成功として遮断弁を開いた後、前記増幅手段における増幅率が解除用閾値以下となるまで計量機能、保安機能を停止し前記解除用閾値以下となると計量機能、保安機能の停止を解除する計量保安停止手段と、
   を備えた超音波流量計であって、
   所定時間毎に、その所定時間内の前記増幅率の情報から基準増幅率を算出する基準増幅率算出手段と、前記基準増幅率を直近の２つ以上記憶する記憶手段と、前記復帰漏洩確認動作前の前記基準増幅率をもとに前記解除用閾値を設定する解除値設定手段と、
   を設け、
   前記解除用閾値は、２つ以上前の基準増幅率をもとに設定することを特徴とする超音波流量計。
3. 前記解除用閾値は、前記基準増幅率に所定の値を加算することで設定することを特徴とする請求項１または２記載の超音波流量計。

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