JP7122510B2

JP7122510B2 - 無線器内蔵マイコン式ガスメーター

Info

Publication number: JP7122510B2
Application number: JP2018047423A
Authority: JP
Inventors: 孝治村瀬; 祥太寺本; 良平小西; 葵西畑
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2022-08-22
Anticipated expiration: 2038-03-15
Also published as: JP2019158694A

Description

本発明は無線器を内蔵したマイコン式ガスメーターに関するものであり、特に電池電源に関するものである。

近年、マイコン式ガスメーターで取得したガス使用量等の情報を、無線回線を介して広域の通信網を利用し遠隔の管理センターと送受信して、遠隔管理を行うシステムが普及しつつある。

ここで利用される無線器は、電池で長期間動作させることが可能な特定小電力無線器などの小電力な無線器が主流となっている。

従来、この種の無線器内蔵マイコン式ガスメーターは、メーターの外郭内に無線モジュールを内包し、メーター制御器に設けられた端子と無線モジュールの端子を電線により接続し、相互の信号伝達を行う形態のものがある。更に、メーター制御器と無線モジュールとが個別に電池電源を有し独立して動作するので、無線モジュールをメーターから取外して電波環境のより良い位置に設置することができるようにもしている（例えば、特許文献１参照）。

また、無線モジュールはコネクタによって着脱自在にメーター制御器に接続可能とし、無線モジュール装着時には無線モジュールの電流消費を補うために電池を追加して増設できる形態のものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１７－１１１０４９号公報特許第４５３５０５５号公報

しかしながら、前記特許文献１に示された従来の構成では、メーター制御器と無線モジュールとが個別に電池を有しているため、メーター制御器と無線モジュールが消費する電流容量の総和に対し電池容量（電池の本数）の総和を最適化することが難しく、余剰に電池を搭載している場合があるという課題を有していた。また、前記特許文献２に示された従来の構成では、無線モジュールの有無により電池容量（電池の本数）を増減させることは可能であるが、メーター制御器と無線モジュールの電源を共通化する上で全体の消費電流を鑑みて電池電源を最適化する手段の提供はなされていない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、使用する総消費電流容量に対し搭載する電池電源容量を最適化した無線器内蔵マイコン式ガスメーター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、本発明の無線器内蔵マイコン式ガスメーターは、ガス計量部と、ガス遮断弁と、メーター制御器と、無線器と、ガスメーターを構成する電気系統全体に共通な電源を供給する電池電源と、前記電気系統の想定し得る最大電流を流した時の電池電圧を判定する電池電圧検出部を備え、前記電池電圧検出部は、前記ガス遮断
弁の動作電圧の概下限値に達したことを判定して電池電圧低下信号を出力するものであり、前記電池電源は、前記電池電圧検出部が電池電圧低下信号を出力する時点の電池消費容量において、前記無線器の負荷電流を流した時の電池電圧が、無線通信動作が可能な電圧を有することを特徴とするものである。

これによって、電池電圧を判定する最大電流は、メーター制御器に流れるガス遮断弁電流と無線器に流れる無線通信時の電流の和となるが、ガス遮断弁の電流は無線通信時の電流より十分に大きく（１０倍程度）、ガス遮断弁の電流の値に支配される。一方、電池電源はメーター制御器の電池容量と無線器の電池容量が合算され、電池電源の内部抵抗も減少し電池の電圧降下が抑制される。よって、電源寿命としてガス遮断弁の概動作電圧にて電池電圧低下の判定を行う時、電池電源の放電深度はより深くなる。

また、電池電源は電池電圧低下を検出した時に小電力無線器の無線通信動作に必要な電圧を有している。

本発明の無線器内蔵マイコン式ガスメーターは、電池電源の寿命における使用可能な電池容量が増加し効率的に電池を利用することができる。また、電池寿命切れによりメーター交換が必要となったことを、無線通信動作により通報することができる。

本発明の実施の形態における無線器内蔵マイコン式ガスメーターの電気系統のブロック図本発明の実施の形態における無線器内蔵マイコン式ガスメーターの電池電源の電圧特性図従来のマイコン式ガスメーターの電池電源の電圧特性図従来の小電力無線器の電池電源の電圧特性図

第１の発明は、ガス計量部と、ガス遮断弁と、メーター制御器と、無線器と、ガスメーターを構成する電気系統全体に共通な電源を供給する電池電源と、前記電気系統の想定し得る最大電流を流した時の電池電圧を判定する電池電圧検出部を備え、前記電池電圧検出部は、前記ガス遮断弁の動作電圧の概下限値に達したことを判定して電池電圧低下信号を出力するものであり、前記電池電源は、前記電池電圧検出部が電池電圧低下信号を出力する時点の電池消費容量において、前記無線器の負荷電流を流した時の電池電圧が、無線通信動作が可能な電圧を有することを特徴とする。

これにより、電池電圧を判定する最大電流は、メーター制御器に流れるガス遮断弁電流と無線器に流れる無線通信時の電流の和となるが、ガス遮断弁の電流は無線通信時の電流より十分に大きくガス遮断弁の電流に値に支配される。一方、電池電源はメーター制御器の電池容量と無線器の電池容量が合算され、電池電源の内部抵抗も減少し電池の電圧降下が抑制される。よって、電源寿命としてガス遮断弁の概動作電圧にて電池電圧低下の判定を行う時、電池電源の放電深度はより深くなる。また、電池電源は電池電圧低下を検出した時に無線器の無線通信動作に必要な電圧を有している。

そのため、電池電源の寿命における使用可能な電池容量が増加し効率的に電池を利用することができる。また、電池寿命切れによりメーター交換が必要となったことを、無線通信動作により管理センターに通報することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記ガス遮断弁の動作と前記無線器の無線通信動
作は非同期であり、前記メーター制御器と前記無線器とが相互に動作状態を確認し、電池電圧検出動作と無線通信動作との時期が重複しないことを特徴とすることにより、最大電流を流して電池電圧検出を行う時、更に無線通信による電流が流れることがなく、電池電圧低下の検出精度の劣化を防ぐことができる。

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）
図１は本発明の実施の形態における無線器内蔵マイコン式ガスメーターの電気系統のブロック図、図２は無線器内蔵マイコン式ガスメーターの電池電源の電圧特性図、図３は、従来のマイコン式ガスメーターの電池電源の電圧特性図、図４は従来の小電力無線器の電池電源の電圧特性図である。

図１において、無線内蔵マイコン式ガスメーターは、計量部として通過ガス中の超音波の伝搬速度により通過ガスの流速を測定しガス流量を計測する超音波式計量部１と、ガスを遮断また供給するガス遮断弁２と、ガスメーター機能の制御を担うメーター制御器３とガスメーターが取得した諸情報を回線網（図示せず）を介して管理センター（図示せず）と送受信をする特定小電力無線器４と、メーター制御器３と特定小電力無線器４（無線器）に接続され電気系統全体に給電する電池電源５と、ガス供給経路の圧力を監視する圧力センサ７を有する。

電池電源５は、リチウム一次電池を複数本並列接続して構成し、電気系統が検定満了期間（例えば１０年間）に消費する電流容量に見合った分の電池容量を保有する。また一般的には円筒型のものが使用されている。

ガス計量部は、超音波式の他にサーマルフローセンサー方式のものや所定容積の計量膜の動きに連動して磁石を回転させて磁界の変化を磁気スイッチで検出する方式（膜式）のものでもよい。また、ガス遮断弁２は、ステッピングモータで駆動するものやソレノイドの磁力の反発力を利用して駆動するものがある。また、特定小電力無線器４は、法規で定められる特定小電力無線器に限らず、動作電流が概ね相当の小電力な無線器としてもよい。また、圧力センサ７は、ガスメーターのガス流入側の圧力を監視するもの、およびガス流出側の圧力を監視するものがある。

メーター制御器３はメーターマイコン３０を有し、メーターマイコン３０には、超音波式計量部１の信号を取込む計測回路３３、ガス遮断弁２を駆動する遮断弁駆動回路３４、圧力センサ７の信号を取込む圧力検知回路３５、電池電圧の低下を検出する電圧検出回路３１、電圧検出の時に電気系統の想定最大電流を流す電圧検出負荷回路３２、ガス漏れ警報器の信号を取込む警報器回路３６、定められた信号体系の有線通信電文をバス方式でやり取りする通信回路３７、計量したガス使用量の積算値などを表示する表示部４１、各種操作を受付ける接点スイッチや磁気スイッチからなる操作部３９が接続されている。

警報器回路３６と通信回路３７は外部端子３８に接続され、警報器などの外部機器が接続可能な構成としてある。

特定小電力無線器４は無線マイコン４０を有し、無線マイコン４０には、無線の送受信を実現する無線ＩＣ（ＲＦＩＣ）４２、通信回路３７と同一構成の通信回路４４が接続されている。また無線ＩＣ４２には、無線信号を送受するアンテナ４３が接続されている。

メーター制御器３と特定小電力無線器４は通信回路３７と通信回路４４とがバス接続さ
れ、ガスメーターが取得した検針値や遮断原因などのデーター電文をメーター制御器３から特定小電力無線器４に伝え、無線通信にて管理センター（図示せず）に伝えることができる。また管理センターからの要求電文を特定小電力無線器４で受信しメーター制御器３に伝え、ガスメーターの動き（ガス遮断等）を制御することができる。

また、メーターマイコン３０と無線マイコン４０が信号ライン６ａ,６ｂで接続され互いの動作を確認できるようにしてある。通信回路３７、４４を介しての情報伝達では即応性の確保が困難であるため、電圧レベルの信号のやり取りができるよう２本の信号ラインを設けてある。一つはメーター制御器３の動きを特定小電力無線器４に伝える信号ライン６ａ、もう一つは特定小電力無線器４の動きをメーター制御器３に伝える信号ライン６ｂである。

メーター制御器３は、電圧検出回路３１が電池電圧の低下を検出している間は信号ライン６ａをＨｉ電圧とし、特定小電力無線器４は、無線通信を行い電波を送受信している間は信号ライン６ｂをＨｉ電圧とし、メーターマイコン３０と無線マイコン４０はその状態を相互に確認し合いながら、電圧検出動作と無線通信動作が同じタイミングに重複して発生しないよう制御している。

電圧検出回路３１は、所定の検知電圧閾値を持つ電圧検出ＩＣ（リセットＩＣ）を用いる。電圧検出負荷回路３２は、ガス遮断弁２のコイル抵抗相当の擬似抵抗（５Ω）と特定小電力無線器４の無線通信動作（送信）電流相当の擬似抵抗（７５Ω）とに電流を流すようにしてある。

メーター制御器３と特定小電力無線器４の電気回路は同一のプリント配線基板上に構成する。その際、メーターマイコン３０の機能と無線マイコン４０の機能とを一つのマイコンとしてもよい。この場合、一つのマイコン内でデーターのやり取りで実現できるので通信回路４４と信号ライン６ａ，６ｂは省略できる。また、ガスメーター内の空間の制約などがある場合は、特定小電力無線器４の電気回路を別のプリント基板上に構成してモジュール化してもよい。

また、アンテナ４３はプリント配線基板にオンボードして実装する。但し、同様にガスメーター内の空間の制約などがある場合は、ガスメーターの筐体の樹脂部にインサート成形や金属蒸着する形態とし回路部に配線接続してもよい。

通信網の端末子機となる特定小電力無線器４の通信方式は、広域通信回線に信号を引き渡す親機と直接通信するものや、端末子機間でネットワークを組み信号を中継しながら親機に伝達するものなどがある。

電池電源５を構成するリチウム一次電池は低温で大電流を流した際に出力電圧が低下するという特徴を持つ。

無線器内蔵マイコン式ガスメーターの電池電源５の寿命は、主機能であり且つ電気系統内では大きな電流を要するガス遮断弁２の駆動と無線通信の送受信とができる電圧を維持しているかで判断する。具体的には定期的（約１日毎）に電圧検出負荷回路３２に最大負荷電流を流した状態において電圧検出回路３１で電池電圧を確認し、所定電圧以下であれば電圧低下信号をメーターマイコン３０に出力する。

メーターマイコン３０は、電池電圧低下を検出すると通信回路３７を介して、特定小電力無線器４に警報データーを送信し、特定小電力無線器４は無線通信により管理センターに向けデーター送信する。その後、メーターマイコン３０はメーター交換などのメンテナ
ンス期間の猶予を経た後にガス遮断弁２を遮断し、ガス供給のための復帰操作を受け付けなくする。

図２は、電池電源５の－３０℃における電池容量（放電深度）と負荷電流を流した時の電池電圧の関係を示す電圧特性図である。横軸の電池容量（放電深度）は使用年数が経過し消費された容量の度合いを表す。本特性は電池の公称容量を基準値として例えば５０％、６０％、７０％、８０％などの水準で容量を消費させた電池を作製し、１０年間の環境ストレス（温度や湿度による加速ストレス）を加えた後、－３０℃雰囲気において負荷電流を流し電池電圧を測定することで、実験的に得ることができる。

最大負荷特性５１は、無線器内蔵マイコン式ガスメーターの最大負荷電流を流した時の電圧値を示す特性である。最大負荷電流は、非同期で動作するガス遮断弁２の駆動と特定小電力無線器４の無線通信が同時に発生した時を鑑み負荷を設定したものであり、ガス遮断弁２のコイル抵抗相当の抵抗５Ωと無線送信電流４０ｍＡを負荷抵抗に置換えた抵抗７５Ω（＝３Ｖ／４０ｍＡ）の並列合成抵抗値４．７Ωにガス遮断弁２の駆動時間の１秒間電流を流したパルス電流で放電した時の電池電源５の電圧を示す。

無線通信負荷特性５２は、無線通信（送信）を想定し負荷を設定したものであり、７５Ωの抵抗に無線通信時間の１秒間電流を流したパルス電流で放電した時の電池電源５の電圧を示す。

ベース負荷特性５３は、各マイコンや回路で消費する電流を想定し負荷を設定したものであり、１００ｋΩ（＝３Ｖ／３０μＡ）の抵抗に定常電流を流した時の電池電源５の電圧を示す。最大負荷特性５１、無線通信負荷特性５２は、ベース負荷特性５３からの負荷電流による電圧降下を示すものとなっている。

電圧１は、ガス遮断弁２の動作限界電圧より少し高めに設定した値であり、電圧検出回路３１の判定閾値電圧である。電圧１は１．８５Ｖに設定してある。最大負荷特性５１が電圧１まで下がってくる時の電池容量（容量Ａ）が、電池電源５において使用可能な電池容量となる。例えば、電池の内部抵抗が小さくベース負荷特性５３からの電圧降下が小さい場合は、電圧１となる電池容量は大きく（放電深度は深く）なり使用可能な電池容量は増加する。

無線通信負荷特性５２において容量Ａとなった時の電圧（Ｐ点）は、電圧２の水準となるようリチウム電池を選択し電池電源５を構成してある。電圧２は、後述する図４の従来の小電力無線器の電池電源の電圧特性図に示す電圧２と同じ電圧を示し、従来の特定小電力無線器の電圧検出回路の判定閾値電圧であり、無線通信動作が可能な電圧であることを意味する。

また、容量Ｘは無線器内蔵マイコン式ガスメーターの電気系統全体が検定満了迄に電流消費する消費容量であり、容量Ａが容量Ｘに対し余裕が得られるようリチウム電池を選択し電池電源５の構成を決める。

図３は、従来のマイコン式ガスメーターの電池電源の－３０℃における電池容量（放電深度）と負荷電流を流した時の電池電圧の関係を示す電圧特性図である。

遮断弁負荷特性１０１は、遮断弁の負荷電流を流した時の電圧値を示す特性である。ガス遮断弁２のコイル抵抗相当の抵抗５Ωにガス遮断弁の駆動時間の１秒間電流を流したパルス電流で放電した時の電池電源の電圧を示す。

電圧１は、図２の電圧１と同じ電圧である。遮断弁負荷特性１０１が電圧１まで下がってくる時の電池容量（容量Ｂ）が、電池電源において使用可能な電池容量となる。

また、容量Ｘ１はマイコン式ガスメーターの検定満了迄に電流消費する消費容量であり、容量Ｂが容量Ｘ１に対し余裕が得られるようリチウム電池を選択してある。

図４は、従来の特定小電力無線器４の電池電源の－３０℃における電池容量（放電深度）と負荷電流を流した時の電池電圧の関係を示す電圧特性図である。

無線通信負荷特性１０３は、無線通信（送信）を想定し負荷を設定したものであり、７５Ωの抵抗に無線通信時間の１秒間電流を流したパルス電流で放電した時の電池電源の電圧を示す。

電圧２は、従来の特定小電力無線器４の電圧検出回路の判定閾値電圧であり、無線通信動作が可能な電圧としてある。無線通信負荷特性１０３が電圧２まで下がってくる時の電池容量（容量Ｃ）が、電池電源において使用可能な電池容量となる。

また、容量Ｘ２は特定小電力無線器４の使用終了迄に電流消費する消費容量であり、容量Ｃが容量Ｘ２に対し余裕が得られるようリチウム電池を選択してある。

電池電源を構成するリチウム電池は、対向する電極を渦巻状に巻いたスパイラル電極を有し、ガスメーターで代表的に使われている電池αとする。消費容量と電池容量を適正化した場合、図２の電圧１、容量Ｘ、容量Ａ、それを実現する電池本数、図３の電圧１、容量Ｘ１、容量Ｂ、それを実現する電池本数、図４の電圧２、容量Ｘ２、容量Ｃ、それを実現する電池本数は、下表（表１）に示すものになる。なお、ガスメーターや無線器の仕様や１０年間の動作条件などは同じにして算出し比較したものである。

電池電源５のリチウム電池を電池αとした場合、電池は５本必要となり、従来のガスメーターと無線器の電池本数の和と同じとなる。電圧検出負荷回路３２の負荷は従来のガスメーターとほぼ同等であるが、その電流をまかなう電池本数を３本から５本に増やすことができるので、電池電源５の内部抵抗が減少し電圧降下が抑制され、電池がより深い放電深度まで使えるようになった。同じ電池本数でも、容量Ａ＞容量Ｂ＋容量Ｃとなり電池容量は消費容量に対して余裕を得る結果となった。

従って、電池本数は、従来のガスメーター単独で必要とされる３本と無線器が単独で必要とされる２本の合計５本となり変わらないが、使用可能な電池容量（容量Ａ）が従来の個々の合計容量（容量Ｂ＋容量Ｃ）より増える為、電池容量で制限により付加できなかった機能を追加することも可能となる。

また、リチウム電池はスパイラル電極の対向面積を増やし内部抵抗を小さくするよう改善した電池βとし、消費容量と電池容量を適正化した場合、それぞれは、下表（表２）に示すものになる。

電池電源５のリチウム電池を電池βとした場合、電池は４本必要となり、従来のガスメーターと無線器の電池本数の和より１本減らすことができる。電池そのものの特性改善によって、従来のガスメーターや無線器においても電池容量は消費容量に対して余裕を得ることになるが、余剰な余裕が生じているとも言える。無線器内蔵ガスメーターでは、ガスメーターと無線器とに共通に電源供給できるので、この余剰な余裕を融通して搭載する電池本数を最適化し電池を４本とすることができる。

また、電池電源５を構成するリチウム電池が、電池α、電池βのいずれにおいても図２のＰ点の電圧は２．５Ｖ付近であり、無線通信動作が可能な範囲の電圧となっている。

以上のように、本実施の形態においては、電池電源５がメーター制御器３および特定小電力無線器４を含む全ての電気系統に共通に電源供給し、電気系統の想定しうる最大負荷電流において電池電圧低下の検出をすることで、電池電源５の内部抵抗が抑制され電圧降下を防ぎ、電池を深い放電深度で効率的に使うことができ、電池単位本数あたりの使用できる電池容量が増えることになる。よって、同じ電池本数で得られた電池容量余裕を使って新しい機能を搭載することや新しいサービスを提供することができる。また電池本数を減らして合理的に同じ機能を実現することができる。

また、電池電源５が電池電圧低下を検出する容量Ａにおける無線通信負荷特性５２の電圧（Ｐ点）が２．４Ｖ以上あることにより、電池電圧低下検出時にでも無線通信動作ができるので、無線通信により電池切れ時の警報データーを管理センターに伝えメーター交換を促すことができる。

また、メーター制御器３と特定小電力無線器４とが相互確認しながら電圧検出動作と無線通信動作とが同時に行われないので、電圧検出時に流す電圧検出電流は想定する最大値を超えることがなく、電池電圧低下の検出精度の劣化を防ぐことができる。

また、電池電圧低下の検出はガス遮断弁２の電流と無線通信動作の電流を合せた負荷電流の最大負荷特性５１で行うので電圧検出回路３１が一回路あれば良く、簡素な構成にできる。

以上のように、本発明にかかる無線器内蔵マイコン式ガスメーターは、効率的に電池を利用することが可能となるので、水道メーターなど無線通信を利用してシステム管理する社会インフラ機器などの用途にも適用できる。

１超音波式計量部（ガス計量部）
２ガス遮断弁
３メーター制御器
４特定小電力無線器（無線器）
５電池電源
３０メーターマイコン
３１電圧検出回路（電池電圧検出部）
３２電圧検出負荷回路（電池電圧検出部）
４０無線マイコン

Claims

ガス計量部と、ガス遮断弁と、メーター制御器と、電波により通信を行う無線器と、ガスメーターを構成する電気系統全体に共通な電源を供給する電池電源と、前記電気系統の想定し得る最大電流を流した時の電池電圧を判定する電池電圧検出部を備え、
前記電池電圧検出部は、前記ガス遮断弁の動作電圧の概下限値に達したことを判定して電池電圧低下信号を出力するものであり、
前記電池電源は、前記電池電圧検出部が電池電圧低下信号を出力する時点の電池消費容量において、前記無線器の負荷電流を流した時の電池電圧が、無線通信動作が可能な電圧を有し、
前記ガス遮断弁の動作と前記無線器の無線通信動作は非同期であり、前記メーター制御器と前記無線器とが相互に動作状態を確認し、電池電圧検出動作と無線通信動作との時期が重複しないことを特徴とする無線器内蔵マイコン式ガスメーター。