JP6719088B2 - 流量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスの流量の変化を検出することにより、ガス器具の動作を判定する技術に関する。

配管内を流れるガスの流量変化に基づいて、使用が開始されたガス器具の種類を特定するガスメータ装置が提案されている。例えば下記の特許文献１は、一定時間間隔でガス流量を計測し、得られた流量値の変化のパターンと、ガス器具ごとに予め求めておいた流量値の変化のパターンとを比較することにより、使用が開始されたガス器具を判定するガスメータ装置を開示している。参考のため、特開２０１１−０９５２００号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。

特許文献１は、さらに、ガス器具の特徴を示す流量をガス器具の判定に利用することによって、判定の精度を向上させることを提案している。ガス器具の１つとして、例えばファンヒータがある。特許文献１は、ファンヒータの特徴を示す流量の１つとして「中間安定流量」を例示している。中間安定流量は、一定時間間隔で取得される流量の変化のパターンにおいて、ガス器具の使用開始直後の流量の立ち上がりから流量がほぼ一定の値に安定するまでの間に現れる、流量の増加率が相対的に小さい領域に対応した流量を指す。換言すれば、中間安定流量は、流量の変化のパターンにおいて流量の増大の途中に現れる概ねフラットな部分に対応した流量である。

ファンヒータに代表される、緩点火動作を行うガス器具は、典型的には、使用開始時においてこのような流量変化のパターンを示す。したがって、一定時間間隔で計測される流量の変化のパターンからの中間安定流量の抽出は、使用が開始されたガス器具の判定の精度の向上に有用である。ここで、緩点火とは、点火時の炎を緩やかにするために、ガス圧力が抑制された状態で点火することである。

特開２０１１−０９５２００号公報

ファンヒータの着火後の流量の変化のパターンにおいては、流量が安定した安定流量領域が現れる。そして、流量パターンが安定流量になった後、温度の調整等の制御に応じて、流量が短時間で所定量変化するパターンが現れる。この流量の変化パターンは、流量変化を示すグラフにおいて段差として現れ、ステップ変化と呼ばれる。このようなステップ変化を捉えることにより、使用中のガス器具がファンヒータであると判定することができる。また、ガス器具の起動時にそのガス器具がファンヒータであると判定していた場合は、その後にステップ変化を捉えることにより、その判定の信頼性を高めることができる。

このようなステップ変化の検出においては、さらなる精度の向上が求められている。

本明細書にかかる例示的な流量計測装置は、流路内を流れるガスの流量を一定時間間隔で計測する流量計測手段と、連続する２つの計測タイミングの流量値の間の差分値を算出する演算手段と、所定個数の流量値の平均流量と差分値とに基づいてガス器具の特定の動作を判定する判定手段とを備え、判定手段は、差分値が所定回数連続して所定範囲内となった後に、基準流量に対する平均流量の変化量が所定流量範囲になり、且つ、平均流量の変化量が所定流量範囲になったときの平均流量の算出に用いられた所定の２つの流量値の間の差分値が第１所定値以下である判定条件が成立する場合に、ガス器具の特定の動作を判定する。

本発明の実施形態による流量計測装置によれば、配管内を流れるガスの流量変化に基づいて、ガス器具の特定の動作を精度良く判定することができる。

図１は、本発明の実施形態によるガスメータの例示的な構成を示すブロック図である。 図２は、ガス器具の使用開始時における流量変化の例を示すグラフである。 図３は、ガス流量の各計測タイミングにおける流量値Ｑ（ｎ）と、各流量値Ｑ（ｎ）に対応する差分値Ｄ（ｎ）とを示す図である。 図４は、ガス器具の流量変化の例を示すグラフである。 図５は、ガス流量の各計測タイミングにおける流量値Ｑ（ｎ）と、各流量値Ｑ（ｎ）に対応する差分値Ｄ（ｎ）とを示す図である。 図６は、差分値Ｄ（ｎ）を傾斜度に換算する傾斜度換算表を示す図である。 図７は、ガス流量の各計測タイミングにおける流量値Ｑ（ｎ）と、各流量値Ｑ（ｎ）に対応する差分値Ｄ（ｎ）と、各差分値Ｄ（ｎ）に対応する傾斜度とを示す図である。 図８は、ガスメータのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

まず、本願発明者らがなした発明は以下のとおりである。

本願の第１の発明にかかる流量計測装置は、流路内を流れるガスの流量を一定時間間隔で計測する流量計測手段と、連続する２つの計測タイミングの流量値の間の差分値を算出する演算手段と、所定個数の流量値の平均流量と差分値とに基づいてガス器具の特定の動作を判定する判定手段とを備え、判定手段は、差分値が所定回数連続して所定範囲内となった後に、基準流量に対する平均流量の変化量が所定流量範囲になり、且つ、平均流量の変化量が所定流量範囲になったときの平均流量の算出に用いられた所定の２つの流量値の間の差分値が第１所定値以下である判定条件が成立する場合に、ガス器具の特定の動作を判定する。

本願の第２の発明にかかる流量計測装置において、判定手段は、判定条件が所定時間成立しない場合における所定個数の流量値の平均流量を基準流量とする。

本願の第３の発明にかかる流量計測装置において、判定手段は、判定条件が所定時間成立しない場合における所定個数の流量値の最大値と最小値の差が第２所定値未満の場合に、基準流量を更新する。

本願の第４の発明にかかる流量計測装置において、判定手段は、特定のガス器具の最大流量に基づいて所定流量範囲を設定する。

本願の第５の発明にかかる流量計測装置において、判定手段は、判定条件が成立してガス器具の特定の動作を判定した場合は、基準流量を更新する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明にかかる流量計測装置の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態では、流量計測装置の例として、ガスメータを挙げ、その処理を説明する。図面において、同じ構成要素には同じ参照符号を付し、既に説明した構成要素については再度の説明を省略する。なお、本発明は、以下で説明する実施形態によって限定されることはない。

（流量計測装置の例示的な構成）
図１は、本発明の実施形態によるガスメータ１００の構成例を示す。ガスメータ１００は、その内部に流路１０２を有し、ガスを供給するガス管１０ａに接続された状態で使用される。ガスメータ１００は、ガス管１０ａと、１以上のガス器具（ガスコンロ、ガスファンヒータ、給湯器など）との間に配置される。図１は、ガスメータ１００の流路１０２の一端が上流側のガス管１０ａに接続され、流路１０２の他端が下流側のガス管１０ｂに接続された状態を示しており、ここでは、ガス管１０ｂにガス器具１３、１４および１５が接続されている。

図１に例示する構成において、ガスメータ１００は、概略的には、流路の途中に配置された流量計測手段１０４と、制御手段１０５と、遮断手段１２２とを有する。流量計測手段１０４は、流路１０２に流れるガスの流量を一定時間間隔で計測する。流量計測手段１０４としては、例えば超音波流量計を適用することができる。超音波流量計は、流路１０２に流れるガスに対して一定時間間隔で超音波を発射し、ガス流によって生じる伝搬時間差を求めることにより、ガスの瞬時流量を計測する。流量計測手段１０４によって検出される一定時間間隔の流量を示すデータを取得することにより、ガスの使用量の変動を検出することができる。

図１に例示する構成において、制御手段１０５は、保持手段１０６と、演算手段１０８と、器具判定手段（本明細書において「判定手段」と呼ぶこともある。）１１６とを有する。図示される例では、制御手段１０５は、さらに、変換表保持手段１１０と、差分値変換手段１１２とを有しているが、ガスメータ１００の形態に応じてこれらは省略されてもよい。ガスメータ１００の動作の詳細は後述する。

この例では、ガスメータ１００は、ガス管１０ａと流量計測手段１０４との間に配置された遮断手段１２２を有している。遮断手段１２２は、ガス流量の異常な増加が検出されたときなどに、制御手段１０５の制御に基づき、ガス管１０ｂに接続されたガス器具１３、１４および１５へのガスの供給を停止する。遮断手段１２２としては、例えば遮断弁を用いることができる。

演算手段１０８は、流量計測手段１０４によって取得される流量値に基づき、連続する２つの計測タイミングの流量値間の差分値を算出する。すなわち、ある計測タイミングにおける流量値をＱ（ｎ）、その１つ前の計測タイミングにおける流量値をＱ（ｎ−１）としたとき、演算手段１０８は、各計測タイミングに対応した差分値Ｄ（ｎ）＝Ｑ（ｎ）−Ｑ（ｎ−１）を算出する。

保持手段１０６は、流量計測手段１０４が出力した流量の瞬時値のデータ（以下、「流量値のデータ」ということがある。）、上述の差分値Ｄ（ｎ）の計算結果を示すデータなどを一時的に記憶するメモリである。保持手段１０６は、差分値の計算において流量値を一時的に保持するほか、演算手段１０８からの演算結果、例えば、計算によって得られた差分値も一時的に保持し得る。差分値および流量値は、単一のメモリに保持されてもよいし、それぞれが別個のメモリに保持されてもよい。保持手段１０６は、単一のメモリだけでなく、複数のメモリを有する構成も包含する。保持手段１０６は、制御手段１０５内に配置されていてもよいし、制御手段１０５外に配置されていてもよい。

器具判定手段１１６は、保持手段１０６に保持された差分値に基づき、所定の判定条件が満たされるか否かを判定し、所定の判定条件が満たされる場合に、稼動開始したガス器具が特定のガス器具であると判定する。図１において模式的に示すように、流量計測手段１０４によって取得された流量値のデータが器具判定手段１１６に提供されてもよい。器具判定手段１１６は、所定の判定条件が満たされる場合、例えば、稼動開始したガス器具、すなわち、使用の開始されたガス器具が、特定のガス器具（例えばファンヒータ）であると判定する。 図２は、ガス器具の使用開始時における流量変化の例を示す図である。図３は、ガス流量の各計測タイミングにおける流量値Ｑ（ｎ）と、各流量値Ｑ（ｎ）に対応する差分値Ｄ（ｎ）とを示す図である。図２中、グラフの縦軸は、流量値（Ｌ／ｈ）を示し、横軸は、流量値の計測のタイミングを表している。ここでは、計測のタイミングは、一定時間間隔（以下、「サンプリング間隔」ということがある。）であり、その間隔（サンプリング間隔）は、例えば、０．５秒である。図２は、ガス器具の使用開始から８秒間のガス流量の変化を示す。特許文献１において説明されるような、一定時間間隔で取得される流量の変化のパターンに基づくガス器具の判定は、典型的には、８秒程度の期間に取得される複数の流量値に基づいて実行される。この例でも、使用が開始されたガス器具の判定には、ガス器具の稼動開始から８秒程度の期間に亘る流量値を取得する。

図２に示す例では、計測タイミング０および１の間において流量が比較的大きな増大を示している。これは、計測タイミング０においてガス器具の使用が開始されたことに対応している。流量は、計測タイミング０から増大を示した後、計測タイミング２〜４の間において比較的小さな増加率を示し、計測タイミング４および５の間において再び増加率が増大している。したがって、この例では、流量の変化のパターンにおいて、計測タイミング２〜４の間（破線Ｆ１により囲まれた部分）に中間安定流量領域が現れている。流量の変化のパターンにおけるこの中間安定流量領域は、緩点火動作が行われたことを反映している。なお、計測タイミング６以降は、流量はほぼ一定に推移しており、安定している。ガス器具の着火後の流量の変化のパターンには一般にこのような流量の安定した安定流量領域が現れる。

上述の特許文献１に記載の技術では、例として、隣接する２つの計測タイミング間における流量値の差の絶対値が２０Ｌ／ｈ以下となるような流量変化が２回連続した場合に、そのときの流量値の平均を中間安定流量として算出している。図２に例示する流量変化であれば、計測タイミング３および４における流量値の平均が中間安定流量として算出され、ガス器具の判定に利用される。

例えば、器具判定手段１１６は、特定のファンヒータとして、中間安定流量１４０〜１６０Ｌ／ｈ、安定流量１７５〜２５０Ｌ／ｈという情報が予め記憶されている場合、図２に示す流量変化パターンはこの情報の内容と一致するため、使用しているガス器具はその特定のファンヒータであることを判定することができる。

（ステップ変化の判定）
次に、ステップ変化の判定処理を説明する。

図４は、ファンヒータの流量変化の例を示す図である。図５は、ファンヒータの各計測タイミングにおける流量値Ｑ（ｎ）と、各流量値Ｑ（ｎ）に対応する差分値Ｄ（ｎ）とを示す図である。図４中、グラフの縦軸は、流量値（Ｌ／ｈ）を示し、横軸は、流量値の計測のタイミングを表している。

上述したように、ファンヒータの着火後の流量の変化のパターンにおいては、流量が安定した安定流量領域が現れる。そして、流量パターンが安定流量になった後、温度の調整等の制御に応じて、流量が短時間で所定量変化するパターンが現れる。この流量の変化パターンは、流量変化を示すグラフにおいて段差として現れ、ステップ変化と呼ばれる。このようなステップ変化を捉えることにより、使用中のガス器具はファンヒータであるとの判定を行うことができる。また、ガス器具の起動時にそのガス器具がファンヒータであると判定していた場合は、その後にステップ変化を検出することにより、その判定の信頼性を高めることができる。

図４および図５を参照して、この例では、計測タイミング２９と計測タイミング３０との間で、流量が所定量（例えば１０Ｌ／ｈより大きく且つ１９Ｌ／ｈ以下の値）変化するステップ変化が現れている。また、計測タイミング４０と計測タイミング４１との間で、流量が所定量変化するステップ変化が現れている。

このようなステップ変化を精度良く判定するために、本実施形態の器具判定手段１１６は、所定の判定条件が成立する場合にステップ変化を判定する。その所定の判定条件は、例えば、
・流量の差分値Ｄ（ｎ）が所定回数（例えば６回以上）連続して所定範囲内（例えば、−１０≦Ｄ（ｎ）≦１０Ｌ／ｈ）となった後に、基準流量に対する平均流量の変化量が所定流量範囲（例えば、１０Ｌ／ｈより大きく且つ２５．２Ｌ／ｈ以下の範囲）になり、且つ、
・平均流量の変化量が所定流量範囲（例えば、１０Ｌ／ｈより大きく且つ２５．２Ｌ／ｈ以下の範囲）になったときの平均流量の算出に用いられた所定の２つの流量値の間の差分値Ｄ（ｎ）が第１所定値（例えば１０Ｌ／ｈ）以下となる、
判定条件である。

器具判定手段１１６は、特定したファンヒータの最大流量に基づいて所定流量範囲を設定する。例えば、特定したファンヒータの最大流量が２５０Ｌ／ｈである場合、その概ね１０％になる値を所定流量範囲の上限に設定する。

基準流量は、ステップ変化の判定において用いる基準となる流量である。器具判定手段１１６は、複数種類のファンヒータごとの基準流量を予め保持している。また、後述するように、流量変化に基づいて基準流量を取得したり更新したりすることができる。

ここでは基準流量を２０３．７Ｌ／ｈとする。ステップ変化の判定において、器具判定手段１１６は、連続する３つの計測タイミングで得られた３つの流量値の平均流量を順次計算する。そして、基準流量に対する平均流量の変化量が１０Ｌ／ｈより大きく且つ２５．２Ｌ／ｈ以下の値になった場合、その直前の流量の差分値Ｄ（ｎ）が６回以上連続して−１０≦Ｄ（ｎ）≦１０Ｌ／ｈとなるか判定する。

図４および図５に示す例では、連続する３つの計測タイミング３０、３１、３２の流量１８９Ｌ／ｈ、１９２Ｌ／ｈ、１９１Ｌ／ｈの平均流量は１９０．７Ｌ／ｈとなる。基準流量２０３．７Ｌ／ｈと平均流量１９０．７Ｌ／ｈとの差は、１３Ｌ／ｈとなる。そして、その直前の流量の複数の差分値Ｄ（ｎ）、例えば計測タイミング２４から２９の間の差分値Ｄ（ｎ）は全て−１０≦Ｄ（ｎ）≦１０Ｌ／ｈとなる。そして、３つの計測タイミング３０、３１、３２の流量１８９Ｌ／ｈ、１９２Ｌ／ｈ、１９１Ｌ／ｈの間の２つの流量の差分値Ｄ（ｎ）は１０Ｌ／ｈ以下となる。これにより、器具判定手段１１６は、計測タイミング２９と計測タイミング３０との間の流量変化はステップ変化であると判定する。

本実施形態では、基準流量に対する平均流量の変化量が１０Ｌ／ｈより大きく且つ２５．２Ｌ／ｈ以下の値になった場合、その直前の流量の差分値Ｄ（ｎ）が６回以上連続して−１０≦Ｄ（ｎ）≦１０Ｌ／ｈとなるかを判定している。また、３つの計測タイミング３０、３１、３２の流量１８９Ｌ／ｈ、１９２Ｌ／ｈ、１９１Ｌ／ｈの間の２つの流量の差分値Ｄ（ｎ）が１０Ｌ／ｈ以下となるかを判定している。これらの判定をステップ変化の判定において行うことにより、流量が大きく乱れているときの流量変化を誤ってステップ変化と判定することを抑制することができる。

次に、基準流量の取得方法の例を説明する。器具判定手段１１６は、例えば、上記のステップ変化の判定条件が所定時間（例えば１０秒以上）成立しない場合において、その所定時間の末尾の所定個数（例えば３個）の流量値の平均流量を基準流量として取得する。また、上記のステップ変化の判定条件が所定時間（例えば１０秒以上）成立しない場合において、その所定時間の末尾の所定個数（例えば３個）の流量値の最大値と最小値の差が第２所定値（例えば４Ｌ／ｈ）未満の場合に、基準流量を更新する。図４および図５に示す例では、計測タイミング６から２５の間（１０秒間）において、この条件が満たされる。そのため、器具判定手段１１６は、計測タイミング２３から２５の３個の流量値の平均流量２０３．７Ｌ／ｈを基準流量として取得する。この基準流量は、ステップ変化の判定に用いられる。

器具判定手段１１６は、ステップ変化の判定条件が成立してステップ変化を判定した場合は、基準流量を更新する。例えば、計測タイミング２９と計測タイミング３０との間の流量変化をステップ変化であると判定した場合、計測タイミング３０、３１、３２の流量平均１９０．７Ｌ／ｈの値に基準流量を更新する。器具判定手段１１６は、この更新した基準流量を用いて、ステップ変化の判定処理を継続する。そして、計測タイミング４０と計測タイミング４１との間の流量変化をステップ変化であるとさらに判定することができる。判定処理の手順は上記と同じであるため、ここではその詳細な説明は省略する。

本実施形態では、ステップ変化ではない別の要因による流量変化を、誤ってステップ変化と判定してしまうことを抑制することができ、ステップ変化の判定精度を高くすることができる。

上述の例では、流量値から算出される差分値を用いて、ステップ変化の判定を行っている。ステップ変化の判定は、差分値を直接用いて行ってもよいし、差分値を傾斜度に換算して行ってもよい。傾斜度は、流量値から算出される差分値の絶対値に応じて定められる。

再び図１を参照する。図１に例示するガスメータ１００は、変換表保持手段１１０および差分値変換手段１１２を有している。変換表保持手段１１０は、上述の差分値Ｄ（ｎ）の大きさに応じた複数の区分と各区分に応じて決められた傾斜度とが対応付けられた変換表１１０ａを保持している。図６は、変換表１１０ａの一例を示す図である。

差分値変換手段１１２は、演算手段１０８から差分値Ｄ（ｎ）を取得し、変換表保持手段１１０に保持されている変換表１１０ａを参照することにより、差分値Ｄ（ｎ）を、対応する傾斜度Ｃ（ｎ）に変換する。各計測タイミングに対応する傾斜度Ｃ（ｎ）に関するデータは、差分値変換手段１１２から器具判定手段１１６に出力される。

図７は、ファンヒータの各計測タイミングにおける流量値Ｑ（ｎ）と、各流量値Ｑ（ｎ）に対応する差分値Ｄ（ｎ）と、各差分値Ｄ（ｎ）に対応する傾斜度とを示す図である。このような傾斜度を用いてステップ変化を判定する場合、判定条件は、例えば、
・傾斜度１および２の少なくとも一方が所定回数（例えば６回以上）連続した後に、基準流量に対する平均流量の変化量が傾斜度３および４の流量範囲（１０Ｌ／ｈより大きく且つ２５．２Ｌ／ｈ以下の範囲）になり、且つ、
・平均流量の変化量が傾斜度３および４の流量範囲になったときの平均流量の算出に用いられた所定の２つの流量値の間の差分値Ｄ（ｎ）の傾斜度が１または２となる、
判定条件である。このような判定条件においても、上記と同様の判定処理の手順を実行することにより、ステップ変化を判定することができる。

（ハードウェア構成）
図８は、ガスメータ１００のハードウェア構成の一例を示す。図８に例示する構成において、ガスメータ１００は、中央演算回路（ＣＰＵ）２１０と、メモリ２２０と、流量計２０４と、遮断装置２２２とを有している。流量計２０４は、図１に示す流量計測手段１０４の一例であり、公知の流量計、例えば、超音波流量計であり得る。遮断装置２２２は、図１に示す遮断手段１２２の一例であり、公知の遮断装置、例えば、遮断弁を用い得る。

ＣＰＵ２１０は、メモリ２２０に格納されたコンピュータプログラム２２１を実行する。コンピュータプログラム２２１には、上述した各種の処理が記述されている。ＣＰＵ２１０は、例えば、図１に示す演算手段１０８、差分値変換手段１１２および器具判定手段１１６の各種処理を実行する。メモリ２２０は、典型的には、ＲＡＭおよびＲＯＭを含み、例えば、図１に示す保持手段１０６および変換表保持手段１１０に対応する。差分値変換手段１１２および／または器具判定手段１１６が、メモリ２２０をその一部に含んでいても構わない。なお、ガスの遮断の判断の基準値は、メモリ２２０に格納され得る。

演算手段１０８、差分値変換手段１１２および器具判定手段１１６の各々は、単一のプロセッサ（ＣＰＵ２１０）の一部であってもよい。制御手段１０５が、複数のプロセッサの集合によって実現されてもよい。制御手段１０５は、１以上のメモリ、周辺回路などを含んでいてもよい。制御手段１０５の外部に、１以上のメモリが配置されてもよい。例えば、保持手段１０６が、制御手段１０５の外部に配置されていてもよい。ＣＰＵ２１０とメモリ２２０を用いて上述した各種処理を実行することにより、精度良く器具の動作を判定することができる。

以上、本発明の実施形態を説明した。上述の実施形態の説明は、本発明の例示であり、本発明を限定するものではない。また、上述の実施形態で説明した各構成要素を適宜組み合わせた実施形態も可能である。本発明は、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、改変、置き換え、付加および省略などが可能である。

本発明の実施形態は、ガスの流量の変化を検出することにより、ガス器具の動作を判定する技術分野において特に有用である。

１３〜１５ ガス器具
１００ ガスメータ
１０２ 流路
１０４ 流量計測手段
１０５ 制御手段
１０６ 保持手段
１０８ 演算手段
１１６ 器具判定手段
１２２ 遮断手段

Claims (5)

1. 流路内を流れるガスの流量を一定時間間隔で計測する流量計測手段と、
   連続する２つの計測タイミングの流量値の間の差分値を算出する演算手段と、
   所定個数の流量値の平均流量と前記差分値とに基づいてガス器具の特定の動作を判定する判定手段と、
   を備え、
   前記判定手段は、前記差分値が所定回数連続して所定範囲内となった後に、基準流量に対する前記平均流量の変化量が所定流量範囲になり、且つ、前記平均流量の変化量が前記所定流量範囲になったときの平均流量の算出に用いられた所定の２つの流量値の間の差分値が第１所定値以下である判定条件が成立する場合に、前記ガス器具の特定の動作を判定する流量計測装置。
2. 前記判定手段は、前記判定条件が所定時間成立しない場合における前記所定個数の流量値の平均流量を前記基準流量とする、請求項１に記載の流量計測装置。
3. 前記判定手段は、前記判定条件が前記所定時間成立しない場合における前記所定個数の流量値の最大値と最小値の差が第２所定値未満の場合に、前記基準流量を更新する、請求項２に記載の流量計測装置。
4. 前記判定手段は、前記特定のガス器具の最大流量に基づいて前記所定流量範囲を設定する、請求項１から３のいずれかに記載の流量計測装置。
5. 前記判定手段は、前記判定条件が成立して前記ガス器具の前記特定の動作を判定した場合は、前記基準流量を更新する、請求項１から４のいずれかに記載の流量計測装置。

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