JP6507761B2 - 差圧測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定システムに関し、詳しくは、複数の測定系で構成される測定システムにおける測定の同時性の改善に関するものである。

図３は、特許文献１に記載されている複数の測定系で構成された従来の測定システムの一例を示す構成説明図であり、２つの圧力センサを有する差圧伝送器の例を示している。図４は、差圧測定装置１の機能構成を示したブロック図である。

図３において、差圧測定装置１は、配管１００に対して設置される２つのセンサユニット２、３を有している。配管１００の内部には流体が矢印方向に流れるとともに、途中部分にオリフィス板２００が設けられている。

一方のセンサユニット２はオリフィス板２００よりも上流側に上流側センサユニット２（第１センサユニット）として設置され、他方のセンサユニット３はオリフィス板２００よりも下流側に下流側センサユニット３（第２センサユニット）として設置されている。

センサユニット２は、図４に示すように、筐体２１と、振動式圧力センサ２２と、周波数カウンタ２３と、メモリ２４，２５と、ＣＰＵ２６と、変換部２７とを備えている。

筐体２１は、図３に示すようにほぼ円筒状に形成されていて、その内部には、振動式圧力センサ２２と、周波数カウンタ２３と、メモリ２４，２５と、ＣＰＵ２６と、変換部２７などが収納されている。

振動式圧力センサ２２は、配管１００と直接接続配置されていて、受ける圧力に応じた所定の周波数を有するパルス信号を出力する。この振動式圧力センサ２２としては、たとえばダイヤフラム上に形成されたシリコン振動子の固有振動数が、ダイヤフラムに加わる圧力に応じて変化することを利用したシリコン振動式圧力センサを用いる。

周波数カウンタ２３は、振動式圧力センサ２２と電気的に接続されていて、振動式圧力センサ２２の出力信号が入力される。この周波数カウンタ２３は、入力されるパルス信号、すなわち振動式圧力センサ２２の出力信号の周波数をカウントしてそのカウント値を出力する。

メモリ２４は、振動式圧力センサ２２の特性を記憶するＥＥＰ−ＲＯＭやフラッシュＲＯＭやＥＰ−ＲＯＭやＰ−ＲＯＭなどの不揮発性メモリであり、ＣＰＵ２６と電気的に接続されている。なお、メモリ２４が記憶する振動式圧力センサ２２の特性は、外部温度やダイヤフラムの特性に起因する振動式圧力センサ２２の出力周波数のぶれなどを含むものである。

メモリ２５は、ＣＰＵ２６が用いるソフトウェアを記憶するたとえばＥＥＰ−ＲＯＭよりなる不揮発性メモリであり、ＣＰＵ２６と電気的に接続されている。メモリ２５には、差圧を算出するための演算プログラムや後述する同期信号を出力するタイミングなどの設定値が記憶されるとともに、レンジ情報の設定値、フィルタ時定数の設定値なども格納されている。このメモリ２５は、ＣＰＵ２６内部のＲＯＭであってもよい。

ＣＰＵ２６は、周波数カウンタ２３から入力される上流側センサユニット２の振動式圧力センサ２２の検出結果に応じたカウント値と、後述する下流側センサユニット３のＣＰＵ３５を介して入力される下流側センサユニット３の振動式圧力センサ３２の検出結果に応じたカウント値に基づいて、オリフィス板２００の上流側領域（第１領域）の圧力とオリフィス板２００の下流側領域（第２領域）の圧力との差圧を算出して出力する。

また、ＣＰＵ２６は、下流側センサユニット３のＣＰＵ３５とローカルデータバス４を介して電気的に接続されていて、周波数カウンタ２３から入力されるカウント値とＣＰＵ３５から入力されるカウント値が同時刻に取得されたものとするための同期信号をＣＰＵ３５に入力する。
この他、ＣＰＵ２６は、差圧測定装置１の動作全体を制御する。

変換部２７は、ＣＰＵ２６と電気的に接続されるとともに、外部に延在して外部機器と接続される配線５の一端にも接続されている。そして、ＣＰＵ２６から入力される差圧を示す信号を、配線５に接続されている外部機器に応じた信号に変換して出力する。

下流側センサユニット３は、図４に示すように、筐体３１と、振動式圧力センサ３２と、周波数カウンタ３３と、メモリ３４と、ＣＰＵ３５とを備えている。

筐体３１は、図３に示すようにほぼ円筒形に形成されていて、その内部には振動式圧力センサ３２と、周波数カウンタ３３と、メモリ３４と、ＣＰＵ３５とが収納されている。

振動式圧力センサ３２も配管１００と直接接続配置されていて、受ける圧力に応じた所定の周波数を有するパルス信号を出力する。この振動式圧力センサ３２も、たとえば上述したシリコン振動式圧力センサを用いることができる。

周波数カウンタ３３は、振動式圧力センサ３２と電気的に接続されていて、振動式圧力センサ３２の出力信号が入力される。この周波数カウンタ３３は、入力されるパルス信号、すなわち振動式圧力センサ３２の出力信号の周波数をカウントしてそのカウント値を出力する。

メモリ３４は、振動式圧力センサ３２の特性を記憶するたとえばＥＥＰ−ＲＯＭよりなる不揮発性メモリであり、ＣＰＵ３５と電気的に接続されている。なお、メモリ３４が記憶する振動式圧力センサ３２の特性は、外部温度やダイヤフラムの特性に起因する振動式圧力センサ３２の出力周波数のぶれなどを含むものである。

ＣＰＵ３５は、上述のように、ローカルデータバス４を介して上流側センサユニット２のＣＰＵ２６と電気的に接続されている。このＣＰＵ３５は、ローカルデータバス４を介して入力される同期信号を受け取ると、周波数カウンタ３３から入力されるカウント値を取得する。そして取得したカウント値をローカルデータバス４を介して出力する。

このような構成において、配管１００内のオリフィス板２００の上流側領域の流体から振動式圧力センサ２２に圧力が加わると、振動式圧力センサ２２が受けた圧力に応じた所定の周波数のパルス信号が、振動式圧力センサ２２から出力される。そして、周波数カウンタ２３は、振動式圧力センサ２２から入力されるパルス信号の周波数をカウントしてカウント値として出力する。

また、配管１００内のオリフィス板２００の下流側領域の流体から振動式圧力センサ３２に圧力が加わると、振動式圧力センサ３２が受けた圧力に応じた所定の周波数のパルス信号が振動式圧力センサ３２から出力される。そして、周波数カウンタ３３は、入力されるパルス信号の周波数をカウントしてカウント値として出力する。

一方、ＣＰＵ２６は、メモリ２５に記憶された同期信号を出力するタイミングに応じて、ローカルデータバス４を介して同期信号を出力する。

ＣＰＵ３５は、ローカルデータバス４を介して入力される同期信号を受けると同時に周波数カウンタ３３から入力されるカウント値を取得し、取得したカウント値をローカルデータバス４を介して出力する。

また、ＣＰＵ２６は、自身が同期信号を出力したタイミングからＣＰＵ３５が同期信号を受け取ってカウント値の取得を開始するタイミングまでの時間を待機し、周波数カウンタ２３から入力されるカウント値を取得する。

このように、差圧測定装置１では、上流側センサユニット２のＣＰＵ２６によってカウント値が取得されるタイミングと、下流側センサユニット３のＣＰＵ３５によってカウント値が取得されるタイミングとの同期が図られている。

なお、ＣＰＵ２６が同期信号を出力したタイミングからＣＰＵ３５が同期信号を受け取ってカウント値の取得を開始するタイミングまでの時間は、メモリ２５に予め固定値として記憶されている。

この結果、ＣＰＵ２６には、同一時刻に取得されたカウント値が入力される。すなわち、所定の同一時刻における振動式圧力センサ２２の検出結果と振動式圧力センサ３２の検出結果とが上流側センサユニット２に入力される。

また、ＣＰＵ２６は、メモリ２４から振動式圧力センサ２２の特性を取得するとともに、ローカルデータバス４及びＣＰＵ３５を介してメモリ３４から振動式圧力センサ３２の特性を取得する。

そして、ＣＰＵ２６は、取得した２つのカウント値からオリフィス板２００の上流側の圧力とオリフィス板２００の下流側の圧力とを算出するとともに、取得した振動式圧力センサ２２，２３の特性に基づいて算出した圧力を補正する演算を行い、さらに得られた圧力の差を算出することにより、オリフィス板２００の上流側の圧力とオリフィス板２００の下流側の圧力との差圧を算出する。

続いて、ＣＰＵ２６は、算出した差圧を示す信号を変換部２７に入力する。変換部２７に入力された差圧を示す信号は、配線５を介して接続される外部機器に応じた信号に変換された後、外部機器に入力される。

外部機器には予め配管１００内を流れる流体の密度などの情報が記憶されていて、差圧測定装置１から入力される差圧を示す信号を用いて演算を行うことにより、配管１００内を流れる流体の流量を算出できる。

このように構成される差圧測定装置１によれば、オリフィス板２００の上流側（第１領域）の圧力が上流側センサユニット２の振動式圧力センサ２２により直接取得されて、オリフィス板２００の下流側（第２領域）の圧力が下流側センサユニット３の振動式圧力センサ３２により直接取得され、これらの振動式圧力センサ２２，３２により取得された検出結果に基づいて差圧が算出される。

図５は、上流側センサユニット２のＣＰＵ２６によってカウント値が取得されるタイミングと、下流側センサユニット３のＣＰＵ３５によってカウント値が取得されるタイミングとの同期が図られていない場合の動作説明図である。図６は、上流側センサユニット２のＣＰＵ２６によってカウント値が取得されるタイミングと、下流側センサユニット３のＣＰＵ３５によってカウント値が取得されるタイミングとの同期が図られている場合の動作説明図である。

なお、図５および図６において、符号Ａで示すグラフは配管１００内にて働く実際の静圧を示し、符号Ｂで示すグラフはオリフィス板２００の上流側と下流側との実際の差圧を示し、符号Ｃで示すグラフは上流側センサユニット２の振動式圧力センサ２２の検出結果から算出したオリフィス板２００の上流側の算出圧力を示し、符号Ｄで示すグラフは下流側センサユニット３の振動式圧力センサ３２の検出結果から算出したオリフィス板２００の下流側の算出圧力を示し、符号Ｅで示すグラフは算出した差圧を示している。

図中ａは上流側センサユニット２のＣＰＵ２６により周波数カウンタ２３からのカウント値が取得されるタイミングを示し、ｂは下流側センサユニット３のＣＰＵ３５により周波数カウンタ３３からのカウント値が取得されるタイミングを示している。

図５に示すように、差圧Ｂが一定な状態で静圧Ａが変動する場合において、上流側センサユニット２のＣＰＵ２６によりカウント値が取得されるタイミングと、下流側センサユニット３のＣＰＵ３５によってりカウント値が取得されるタイミングとがずれている場合には、オリフィス板２００の上流側の算出圧力Ｃの更新タイミングと、オリフィス板２００の下流側の算出圧力Ｄの更新タイミングとがずれる。この結果、実際の差圧Ｂが一定であるにも拘わらず、算出差圧Ｅが変動する。

そこで、第２センサユニット３から第１センサユニット２へ同期信号を送信するとともに、第1センサユニット２と第２センサユニット３にそれぞれ同期するためのタイマを設け、差圧Ｂが一定な状態で静圧Ａが変動する場合において、上流側センサユニット２のＣＰＵ２６によりカウント値が取得されるタイミングと、下流側センサユニット３のＣＰＵ３５によりカウント値が取得されるタイミングとを同期させて、オリフィス板２００の上流側の算出圧力Ｃの更新タイミングと、オリフィス板２００の下流側の算出圧力Ｄの更新タイミングを合わせる。この結果、算出差圧Ｅも常に一定となる。

このように、上流側センサユニット２のＣＰＵ２６によりカウント値が取得されるタイミングと、下流側センサユニット３のＣＰＵ３５によりカウント値が取得されるタイミングとの同期が図られることで、より正確に差圧を測定することが可能となる。

特開 ２００７−２４０４９８号公報

しかし、上述した従来の構成によれば、周波数カウント値の取得タイミングを合わせる同期処理中には、差圧の計算ができないという問題がある。

本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、同期処理を行わずにそれぞれのセンサユニットからできるだけサンプリングタイミングの近い測定データを抽出することにより、高い精度で測定試料の物理量の演算が行える測定システムを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
オリフィス板が設けられ、流体が流れる配管に用いられる差圧測定装置であって、
前記オリフィス板よりも上流側または下流側の領域に設置され、第１サンプリング周期で前記流体の圧力を測定する第１圧力センサと、
前記第１圧力センサとは逆側の領域に設置され、第２サンプリング周期で前記流体の圧力を測定する第２圧力センサと、
前記第１圧力センサの測定データと前記第２圧力センサの測定データとを取得し、前記オリフィス板の上流側領域の圧力と下流側領域の圧力との差圧を演算する演算部とを備え、
前記第１サンプリング周期は、前記第２サンプリング周期よりも１５倍以上長時間に設定されており、
前記演算部は、前回演算後の前記第１圧力センサのサンプリングタイミングに最も近い前記第２圧力センサのサンプリングタイミングの測定データを用いて演算を行なうことを特徴とする。

このような構成によれば、第１の測定系と第２の測定系の同期処理を行うことなく、高い精度で差圧測定が行える測定システムを実現できる。

本発明に基づく測定システムの具体例を示す構成説明図である。 図１の動作を説明する動作説明図である。 従来の測定システムの一例を示す構成説明図である。 図３の差圧測定装置１の機能構成を示したブロック図である。 図３の動作を説明する動作説明図である。 図３の動作を説明する動作説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づく測定システムの具体例を示す構成説明図であり、図３と共通する部分には同一の符号を付けている。図１において、上流側センサユニット２のＣＰＵ２６には、図３の構成に加えてデータ選択部２８が接続されている。

そして、第１の測定系として機能する上流側センサユニット２に設けられている振動式圧力センサ２２のサンプリング周期ａ’は、第２の測定系として機能する下流側センサユニット３に設けられている振動式圧力センサ３２のサンプリング周期ｂ’に比べて極めて長時間（ａ’＞＞＞ｂ’）に設定されている。

図２は、図１の動作を説明する動作説明図である。上流側センサユニット２は、下流側センサユニット３からの以下に示すような測定データを、ローカルデータバス４を介して取り込む。
Ｔ₃：下流側センサユニット３が上流側センサユニット２の通信を受信したタイミングから下流側センサユニット３の最新データをサンプリングしたタイミングまでの差分時間
Ｎ：測定データ個数
１０２、Ｄ_X：下流側センサユニット３のサンプリングデータ（ｘ＝１〜Ｎ）
ｂ’：下流側センサユニット３のデータサンプリング周期

上流側センサユニット２のデータ取得タイミングに一番近い下流側センサユニット３のデータ取得タイミングの境目Ｄ_N-Xは、次式に基づき、上記データおよびＴ₁とＴ₂から、Ｔ_minが最小となる_Xを計算することにより求められる。これは上流側センサユニット２によって計算される。

Ｔ_min＝｜Ｔ₁＋Ｔ₂−（Ｔ₃＋ｂ’ｘ）｜

Ｔ₁：上流側センサユニット２の最新データをサンプリングしたタイミングから上流側センサユニット２が下流側センサユニット３へ送信要求を行うまでの時間
Ｔ₂：上流側センサユニット２が送信したタイミングから下流側センサユニット３が受信するまでのデータ送信時間で通信距離、通信速度、データ長から算出

１０１：前回の差圧演算に使用されなかった下流側センサユニット３のサンプリングデータで前回の境目の次のサンプリングデータＤ’_M-y+1
Ｍ：前回のデータ個数
Ｄ’_y：下流側センサユニット３の前回のサンプリングデータ（ｙ＝１〜Ｍ）

よって、上流側センサユニット２のサンプリングデータＤ_Aと同等であるのは、
１０３、Ｄ’_M-y+1〜Ｄ_N-X：下流側センサユニット３のサンプリングデータ
となり、これらから配管１００内を流れる流体の流量を算出できる。

本発明に基づく構成は、下流側センサユニット３が測定データを一方的に上流側センサユニット２に送信するバースト通信の場合にも用いることができる。

また、上記実施例では差圧測定装置について説明したが、本発明は差圧測定装置に限るものではなく、２つ以上のセンサユニットの測定データから何等かの物理量を計算するのにあたり、センシングした測定データの同時性が求められるその他の測定システムにも適用できるものである。

以上説明したように、本発明によれば、同期処理を行わずにそれぞれのセンサユニットからできるだけサンプリングタイミングの近い測定データを抽出することにより、高い精度で測定試料の物理量の演算が行える測定システムを実現できる。

１ 差圧測定装置
２ 上流側センサユニット（第１センサユニット）
２１ 筐体
２２ 振動式圧力センサ
２３ 周波数カウンタ
２４、２５ メモリ
２６ ＣＰＵ
２７ 変換部
２８ データ選択部
３ 下流側センサユニット（第２センサユニット）
３１ 筐体
３２ 振動式圧力センサ
３３ 周波数カウンタ
３４ メモリ
３５ ＣＰＵ
４ ローカルデータバス
５ 配線

Claims (1)

1. オリフィス板が設けられ、流体が流れる配管に用いられる差圧測定装置であって、
   前記オリフィス板よりも上流側または下流側の領域に設置され、第１サンプリング周期で前記流体の圧力を測定する第１圧力センサと、
   前記第１圧力センサとは逆側の領域に設置され、第２サンプリング周期で前記流体の圧力を測定する第２圧力センサと、
   前記第１圧力センサの測定データと前記第２圧力センサの測定データとを取得し、前記オリフィス板の上流側領域の圧力と下流側領域の圧力との差圧を演算する演算部とを備え、
   前記第１サンプリング周期は、前記第２サンプリング周期よりも１５倍以上長時間に設定されており、
   前記演算部は、前回演算後の前記第１圧力センサのサンプリングタイミングに最も近い前記第２圧力センサのサンプリングタイミングの測定データを用いて演算を行なうことを特徴とする差圧測定装置。

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