JP6078779B2 - ガス遮断装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス遮断装置以後のガス使用時に、ガス使用上の安全を図る及びガス使用上の利便性を向上させる超音波計測等を用いた電子式のガス遮断装置に関するものである。

ガス器具の使用の際には、ガスの消し忘れやガス漏れなどによる事故を未然に防止するために、ガスのユーザ宅やガス供給路を管理しているガス事業者において、異常時に通報やガス供給路の遮断を行うガス保安装置が普及しつつある。

従来のガス保安装置としては、ガス流量などに基づき、大流量が流れたときにガスの供給を遮断したり、微小流量で長時間ガスが流れたときに遮断したり、流量区分別に所定流量で所定時間ガスが流れたときに遮断するものなどが用いられている。

ガスのユーザの家屋等では、ガス供給路の入口部分にガス流量を計測するガスメータが設置されている。この種のガスメータとして、従来は所定の流量ごとに流れたガスの量を積算する膜式のガスメータが一般的であったが、最近では、超音波信号を用いて瞬時流量を求め、この瞬時流量を積算することでガスの流量を計測する超音波式のガスメータも市場に設置され増加傾向にある。

特許第４７９２６５３号公報

超音波式のガス遮断装置では、流路壁の上流側と下流側に一対の超音波送受信器が配置された計測流路と、交互に超音波を送受信させることによって、気体流に対して順方向と逆方向に超音波の伝搬時間の計測を行っている。そして、超音波送受信器の固有バラツキによっては、交互に超音波を送受信させるため、超音波送受信器で超音波を送信した際のエネルギーが、超音波の受信時まで残ってしまい受信信号と残ったエネルギーによる残響信号が合成されてしまい正常に伝搬時間を計測できずに、精度の高いガス流量計測ができないことがあった。

また、超音波送受信器において、受信信号に対して残響信号の合成がされる場合、温度による影響があるため、温度を変えてバラツキを確認する必要がある。

しかしながら、通常のガス遮断装置の生産工程上では、ガス遮断装置は個々の持つ器差を補正する際に、一定に温度制御された場所での作業が必要であり、通常の生産工程でリニアに温度を変えて流量計測するには、検査設備の大型化や検査タクトが長くなるという問題があるため、生産工程で超音波送受信器の固有バラツキの大きなガス遮断装置を顕在化することは困難であるという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、超音波送受信器の固有バラツキによって発生する残響信号による計測の異常を検出する自己診断機能を設け、且つ、気体が空気の時のみ異常検出し実際の燃料ガスを使用している際は異常判定を行わないため、ガス需要者宅に設置された後の燃料ガス使用中にガスの供給圧変動等による誤判定を防止することができ、ガス使用量の計測精度及び信頼性を向上させることが可能なガス遮断装置を提供
することを目的とする。

本発明のガス遮断装置は、流路壁の上流側と下流側に一対の超音波送受信器が配置された計測流路と、交互に超音波を送受信させることによって、気体流に対して順方向と逆方向に超音波の伝搬時間の計測を行う流量計測部と、前記流量計測部で計測された伝搬時間と計測流路の断面積より気体の流量を算出する流量算出部と、前記流量算出部で算出された流量値を記憶する流量記憶部と、前記流量計測部で計測された伝搬時間から計測する気体の種類を推定する気体推定部と、前記気体推定部で燃料ガスでは無く空気と判定し、且つ前記流量記憶部で記憶された流量値が正方向及び逆方向の両方が所定範囲外で、且つ所定回数以上発生すれば異常と判断する異常検出部と、前記異常検出部の機能の有効か無効か選択する異常検出選択部と、異常と判断した際に表示等を行う警告部で構成されている。

これにより、超音波送受信器の固有バラツキによって発生する残響信号による計測の異常をガス遮断装置が生産終了後の保管期間中に検出する自己診断機能を設け、且つ、気体が空気の時のみ異常検出し実際の燃料ガスを使用している際は異常判定を行わないため、ガス需要者宅に設置された後の燃料ガス使用中にガスの供給圧変動等による誤判定を防止することができ、通常の保管状態にてガス遮断装置の出荷までに異常品を顕在化できるため、ガス使用上のガス使用量の計測精度及び信頼性を向上させることが可能となる。

本発明によれば、超音波送受信器の固有バラツキによって発生する残響信号による計測の異常を検出する自己診断機能を設け、且つ、気体が空気の時のみ異常検出し実際の燃料ガスを使用している際は異常判定を行わないため、ガス需要者宅に設置された後の燃料ガス使用中にガスの供給圧変動等による誤判定を防止することができ、通常の保管状態にてガス遮断装置の出荷までに異常品を顕在化できるため、ガス使用上のガス使用量の計測精度及び信頼性を向上させることが可能なガス遮断装置を提供することができる。

実施の形態１におけるガス遮断装置の構成を示すブロック図 同ガス遮断装置の流量計測部の構成図 同ガス遮断装置における超音波流量計測の送信波形と受信波形を示す図 （ａ）超音波送受信器の受信波と残響波を示す図、（ｂ）同受信波と残響波の合成波を示す図 （ａ）異常品の温度と気体の流量の関係を示すグラフ、（ｂ）正常品の温度と気体の流量の関係を示すグラフ 実施の形態１の動作を示すフローチャート 実施の形態２のガス遮断装置の構成を示すブロック図

第１の発明は、気体が流れる流路の上流側と下流側に一対の超音波送受信器を配置した計測流路と、前記一対の超音波送受信器により交互に超音波を送受信することによって、気体流に対して順方向と逆方向に超音波の伝搬時間の計測を受信波のゼロクロス点を受信点とすることで行う流量計測部と、前記流量計測部で計測された伝搬時間と前記計測流路
の断面積より前記気体の流量を算出する流量算出部と、前記流量算出部で算出された流量値を記憶する流量記憶部と、前記流量計測部で計測された伝搬時間から前記気体の種類を推定する気体推定部と、前記気体推定部で前記気体が空気と判定された場合において、前記流量算出部で演算された流量が所定値以下で、且つ前記流量記憶部で記憶された正方向の流量値と逆方向の流量値が所定範囲外である回数をそれぞれの方向でカウントし、このそれぞれの方向でカウントした回数が共に所定回数以上の場合に異常と判断する異常検出部と、前記異常検出部が異常と判断した際に報知を行う警告部と、を備えたものである。

これにより、超音波送受信器の固有バラツキによって発生する残響信号による計測の異常をガス遮断装置が生産終了後の保管期間中に検出する自己診断機能を設け、且つ、気体が空気の時のみ異常検出し実際の燃料ガスを使用している際は異常判定を行わないため、ガス需要者宅に設置された後の燃料ガス使用中にガスの供給圧変動等による誤判定を防止することができ、通常の保管状態にてガス遮断装置の出荷までに異常品を顕在化できるため、ガス使用上のガス使用量の計測精度及び信頼性を向上させることが可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記異常検出部の機能の有効か無効か選択する異常検出選択部と、前記異常検出選択部で前記異常検出部の機能を有効とした後、所定の時間が経過したら前記異常検出部の機能を無効とする無効タイマ部とを設けたこれにより、異常検出選択部を自動的に無効とすることで、有効のままでは現場設置時のエアバージ作業時に異常検出部で異常判定する危険性を防止することができる。

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、この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は本実施の形態に係るガス遮断装置の構成を示すブロック図である。

本実施の形態では、ガスのユーザの家屋等に設置されるガスメータを利用するガス遮断装置の構成例を示す。

屋外または屋内の所定位置に設置されたガス遮断装置３０は、ガス供給管１に設けられたガス通路２を遮断する遮断弁３と、ガス供給管１に接続された流量計測部４と、ガスの遮断、ガス指針値の表示等を行う制御部５と、流量計測部４を制御して超音波の伝搬時間の計測を行う計測制御部６と、流量計測部４で計測された伝搬時間と計測流路３５の断面積より気体の流量を算出する流量算出部７と、流量算出部７で算出された流量値を記憶する流量記憶部８と、流量計測部４で計測された伝搬時間から計測する気体の種類を推定する気体推定部９と、気体推定部９で流量記憶部８で記憶された流量値から異常の有無を検出する異常検出部１０と、異常検出部１０の機能が有効か無効か選択する異常検出選択部１１と、異常と判断した際に表示等を行う警告部１２で構成されている。

ここで、異常検出部１０は、気体推定部９で気体が燃料ガスで無く空気と判定され、且つ流量記憶部８で記憶された流量値が正方向及び逆方向の両方が所定範囲外で、且つ所定回数以上発生すれば異常と判断する。

次に、流量計測部４を図２、図３を用いて説明する。

図２は本実施の形態における超音波流量計の概略構成を示す構成図、図３は本実施の形態における超音波流量計の計測方法を示す構成図である。

図２に示すように、流量計測部４は、ガス供給管１に連通する計測流路３５を有し、この計測流路３５の相対向する流路壁の上流側と下流側には、一対の超音波送受信器３６、３７が配置されている。これらの超音波送受信器３６、３７は、超音波伝搬経路が計測流路３５を流動するガス流を斜めに横切るように設定され、計測制御部６の制御により交互に超音波を送受信させることによって、ガス流に対して順方向と逆方向に超音波の伝搬を行う。

そして、伝搬時間の計測は、図２に示すように、一方の超音波送受信器から送信された超音波が他方の超音波送受信器に達するまでの超音波伝搬時間を計測する際、後述するように、受信信号が所定の大きさの受信波が所定の閾値を通過するまでの時間にて行う。このとき、超音波送受信器３６、３７間の距離、すなわち測定距離をＬ、ガス流に対する超音波伝搬経路の角度をφ、超音波送受信器３６、３７の上流から下流への超音波伝搬時間をｔ１、下流から上流への超音波伝搬時間をｔ２、音速をＣとすると、流速Ｖは以下の式により求められる。

Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓφ（（１／ｔ１）−（１／ｔ２）） ・・・（１）
次に、超音波送受信器の固有バラツキによって発生する残響信号による計測の異常品を顕在化する動作を図４、図５を用いて説明する。

図４は、伝搬時間が正常に計測できないメカニズムを説明する図である。

図４（ａ）は、受信信号の波形（受信波）と残響信号の波形（残響波）を個別に示し、図４（ｂ）は、この２つの波形が合成された波形（合成波）、つまり、超音波送受信器の出力波形、及び、その一部Ａ部を拡大した図を示している。

図４（ｂ）に示すように、超音波送受信器３６、３７にて、送信した際に発生する送信エネルギーが継続し、次に受信する時まで送信エネルギーが残響信号として残ってしまうと、その際に受信信号と残響信号が合成波形となり実際の受信信号と異なってしまう。

伝搬時間（ｔ１、ｔ２）は、受信波が所定電圧Ｖａを超えた後、最初に電圧０で交わる点（ゼロクロス点）を受信点として計測するため、本来の受信信号の受信点（ゼロクロス点ａ）と合成波の受信点（ゼロクロス点ｂ）で伝搬時間差（Δｔ）が生じてしまい、最終的に超音波伝搬時間の計測に誤差が生じてしまう。

図５は、温度と計測された気体の流量の関係を示すのもで、図５（ａ）は、超音波送受信器が異常な場合、図５（ｂ）は正常な場合を示すものである。

計測される伝搬時間は温度により音速が変わるため、温度により残響信号と受信信号の合成波形が変わってしまい、ゼロ点が温度変化に伴い周期的に変動する。そして、残響信号の大きい製品は、流量値が正方向及び逆方向の両方が所定範囲外となってしまう。ここで、高温の方がふらつきが大きくなるのは、伝搬時間が短いため、より計測精度に影響が出るためである。

そして、本実施の形態では、図５に示すように、超音波送受信器が異常な場合は、計測される流量が温度によって大きく変動することを利用し、この大きく変動することを、所定の流量範囲を超えた回数で判断しようとするものである。

例えば、図５において、２０℃〜３０℃にかけてのΔＴ（約９℃）の間に、３つの波があることから約３℃の範囲で、正方向と逆方向のピークが存在していることが分る。従って、３℃程度の温度変化がある環境において、異常品を検出することが可能となるのである。

次に、図６に示すフローチャートを用いて本実施の形態の異常判定の動作を詳細に説明する。

まず、異常検出選択部１１で、異常検出部１０による異常検出が有効かどうかを検出する（Ｓ１０１）。

異常検出選択部１１は、ガス遮断装置の制御基板上に設置したリードスイッチを用いたテスト遮断スイッチや外部からの設定通信を用いて異常検出部１０の機能を有効か無効か選択するものである。

そして、異常検出が有効でなければ以下の処理を行わず、有効であれば、次に気体推定部９により気体が空気であるかどうかを判定する（Ｓ１０２）。

気体推定部９は、気体の種類による伝搬時間より気体を推定するものである。日本国内で使用している燃料ガスと空気の伝搬時間の関係は、天然ガス＜空気＜液化石油ガスの通りとなり、気体毎に所定の伝搬時間範囲内かどうか判定することにより気体を推定するものである。尚、日本国内で使用している燃料ガスと空気の受信信号の関係は、天然ガス＜空気＜液化石油ガスの通りとなり、伝搬時間でなく受信信号の大きさで気体を推定することも可能である。

そして、気体が空気でなければ、以下の処理を行わず、空気であれば、流量算出部７において、伝搬時間から算出されるガスの流速と計測流路３５の断面積から、気体の流量を演算する（Ｓ１０３）。

次に、流量算出部７で計測された流量が所定流量範囲かどうか、即ち、ガスが流れていないと見做せる流量であるかを判断し（Ｓ１０４）、この所定流量範囲を超えていれば以下の処理を行わず、所定流量範囲内である場合、まず、正方向流量所定値を超えているかどうかを判断し（Ｓ１０５）、超えていれば正方向での所定流量超えの回数をカウントする（Ｓ１０６）。

そして、逆方向流量所定値を超えているかどうかを判断し（Ｓ１０７）、超えていれば逆方向での所定流量超えの回数をカウントする（Ｓ１０８）。

流量記憶部８は、空気を流していない状態における流量計測のバラツキとしてとなる正方向及び逆方向の流量で所定値範囲外となったときの流量と回数を記憶するものである。なお、正方向及び逆方向の流量で所定値範囲は個々のガス遮断装置毎に設けることも有用と考える。

そして、流量記憶部８に記憶された所定値範囲外となった流量の正方向と逆方向の回数が所定回数以上かどうか判断（Ｓ１０９）を行い、回数が所定回数以上であった場合に異常と判定する（Ｓ１１０）。

異常検出部１０は、気体推定部９で計測流路３５内の気体が燃料ガスでは無く空気の場合に、意図して空気を流していない状態における流量計測のバラツキとして流量記憶部８で記憶された流量値が正方向及び逆方向の両方が所定範囲外で、且つ所定回数以上発生すれば異常と判断するものである。

警告部１２は、液晶やＬＥＤを用いて表示を行ったり、通信回線を用いてガス事業者へ通報するもので、異常検出部１０で異常と判定されると報知を行う。

ここで、制御部５、計測制御部６、流量算出部７、流量記憶部８、気体推定部９、異常検出部１０、異常検出選択部１１は、マイクロコンピュータ（マイコン）等を構成するプロセッサ及び動作プログラムにより構成され、プロセッサにおいて所定の動作プログラムを実行して対応する処理を行うことにより、各機能が実現される。

これにより、超音波送受信器の固有バラツキによって発生する残響信号による計測の異常を検出する自己診断機能を設けることができ、且つ、気体が空気の時のみ異常検出し実際の燃料ガスを使用している際は異常判定を行わないため、ガス需要者宅に設置された後の燃料ガス使用中にガスの供給圧変動等による誤判定を防止することができる。

また、通常の保管状態においては、保管環境の温度変化は数℃程度はある為、図５に示すように異常品における変動幅のピークをとらえることができるので、ガス遮断装置の出荷までに異常品を顕在化できる。従って、ガス使用上のガス使用量の計測精度及び信頼性を向上させることが可能となる。

（実施の形態２）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

図７は本実施の形態におけるガス遮断装置の構成を示すブロック図である。

また、本発明は、第１の実施の形態において、異常検出部を有効とするか無効とするかを選択する異常検出選択部１１を設けると共に、異常検出選択部１１で機能を有効とした後、所定の時間が経過したら自動的に異常検出選択部１１で異常検出部１０の機能を無効とする無効タイマ部４０を有したものである。

これにより、異常検出選択部１１を自動的に無効とすることで、有効のままでは現場設置時のエアバージ作業時に、流量算出部７で計測された流量により異常検出部で異常判定する危険性を防止することができる。

即ち、エアバージの際は、空気と燃料ガスが混在した所謂混ガス状態となり、計測流量がふらつく可能性があるが、本構成によるとこのような不具合を回避することができる。

ここで、無効タイマ部４０は、マイクロコンピュータ（マイコン）等を構成するプロセッサ及び動作プログラムにより構成され、プロセッサにおいて所定の動作プログラムを実行して対応する処理を行うことにより機能が実現される。

本発明は、超音波送受信器の固有バラツキによって発生する残響信号による計測の異常を検出する自己診断機能を設け、且つ、気体が空気の時のみ異常検出し実際の燃料ガスを使用している際は異常判定を行わないため、ガス需要者宅に設置された後の燃料ガス使用中にガスの供給圧変動等による誤判定を防止することができることで、ガス使用上の安全性を向上させることが可能なガス遮断装置に有用である。

１ ガス供給管
２ ガス通路
３ 遮断弁
４ 流量計測部
５ 制御部
６ 計測制御部
７ 流量算出部
８ 流量記憶部
９ 気体推定部
１０ 異常検出部
１１ 異常検出選択部
１２ 警告部
３０ ガス遮断装置
３５ 計測流路
３６、３７ 超音波送受信器
４０ 無効タイマ部

Claims (2)

1. 気体が流れる流路の上流側と下流側に一対の超音波送受信器を配置した計測流路と、
   前記一対の超音波送受信器により交互に超音波を送受信することによって、気体流に対して順方向と逆方向に超音波の伝搬時間の計測を受信波のゼロクロス点を受信点とすることで行う流量計測部と、
   前記流量計測部で計測された伝搬時間と前記計測流路の断面積より前記気体の流量を算出する流量算出部と、
   前記流量算出部で算出された流量値を記憶する流量記憶部と、
   前記流量計測部で計測された伝搬時間から前記気体の種類を推定する気体推定部と、
   前記気体推定部で前記気体が空気と判定された場合において、前記流量算出部で演算された流量が所定値以下で、且つ前記流量記憶部で記憶された正方向の流量値と逆方向の流量値が所定範囲外である回数をそれぞれの方向でカウントし、このそれぞれの方向でカウントした回数が共に所定回数以上の場合に異常と判断する異常検出部と、
   前記異常検出部が異常と判断した際に報知を行う警告部と、を備えたガス遮断装置。
2. 前記異常検出部の機能の有効か無効か選択する異常検出選択部と、
   前記異常検出選択部で前記異常検出部の機能を有効とした後、所定の時間が経過したら前記異常検出部の機能を無効とする無効タイマ部と、を設けた請求項１記載のガス遮断装置。