JP4031130B2

JP4031130B2 - 流量計測装置

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Publication number: JP4031130B2
Application number: JP35910498A
Authority: JP
Inventors: 功増田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2018-12-17
Also published as: JP2000180221A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にガスなどの流量を計測する流量計測装置に係り、特に、流量をセンサなどの電気的手段により計測する流量計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
先ず、流量の計測方式に関して、従来より、ガスなどの流量を計測する方式として、例えば膜式が知られており、この方式の流量計測装置は、ガス流入口に流入しガス流出口から流出するガスを計量する膜式計量部と、該計量部が２枚の隔膜で区画された４つの部屋と、ガスがガス流入口から流入しガス流出口から流出することで行われる隔膜の往復運動を回転運動に変換するとともに隔膜の往復運動を継続するため上記４つの部屋にガスを順次供給するタイミングバルブを駆動する伝達機構部と、隔膜の往復運動に連動したカウンタ機構部とを備えることにより流量を計測するというものである。
【０００３】
しかし、上述したような機械動作を伴う膜式の流量計測装置では、構造が大きくなる他、機械動作部分の摩耗による耐久性といった観点から問題があった。そこで、現在では超音波方式によりガス流量を計測する流量計測装置が考案されている。超音波方式を採用することにより、上記膜式の流量計測装置で必要とされた機械動作を伴う伝達機構部及びカウンタ機構部が不要となるため、装置の小型化を図り耐久性の問題を解決することができるという利点がある。この方式の流量計測装置では、超音波を送受する１対の送受波器が、流れの上流と下流に、超音波が流れを横断するように流れ方向にある角度をなして配設されて、上流の送波器が順方向に超音波を発射した時に、下流の受波器に超音波が到達するに要する時間ｔ１と、下流の送波器が逆方向に超音波を発射した時に、上流の受波器に超音波が到達するに要する時間ｔ２との時間差から流体の速度を計測し流量を演算するというものである。この流量演算を式により以下で説明する。
【０００４】
１対の送受波器間の距離をＬ、静止流体中の音速をＣ、流体の流れの速度をＶ、超音波が伝搬する軸と流路の中心軸とがなす角度をφとすると、流れの順方向における超音波の伝搬速度は（Ｃ＋Ｖｃｏｓφ）、流れの逆方向における超音波の伝搬速度は（Ｃ−Ｖｃｏｓφ）となる。従って、順方向及び逆方向での超音波の到達時間ｔ１及びｔ２は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓφ）（１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓφ）（２）
となる。（１）式から（２）式を減算すると、
Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓφ）・（１／ｔ１−１／ｔ２）
＝（Ｌ／２ｃｏｓφ）・〔（ｔ２−ｔ１）／（ｔ２・ｔ１）〕（３）
となり、ｔ１及びｔ２を計測することによって流速Ｖを求めることができる。
【０００５】
なお、ｔ１・ｔ２＝Ｌ²／（Ｃ²−Ｖ²ｃｏｓ²φ）であり、流速Ｖは音速Ｃに比べて極めて小さな数値であるので、式中のＶ²ｃｏｓ²φはＣ２に比べて極めて小さく無視でき、（３）式は
Ｖ＝（Ｃ²／２Ｌｃｏｓφ）・（ｔ２−ｔ１）（４）
と書き直すことができる。ここで、時間差ｔｄ＝ｔ２−ｔ１、ｋ＝Ｃ²／２Ｌｃｏｓφとすると、
Ｖ＝ｋ・ｔｄ（５）
となる。流速Ｖが求められると、流量Ｑは、流路の断面積をＳ、構造その他により変化する補正係数をαとすると、
Ｑ＝（α・Ｓ）・Ｖ（６）
＝（α・Ｓ・ｋ）・ｔｄ（７）
となり、瞬時流量Ｑが求められる。この瞬時流量Ｑを積算することによりガス使用量Ｑ_Sが計量される。
【０００６】
次に、流量の計測範囲に関して、従来より、ガス流量を低流量から高流量まで広範囲にわたって精度良く計測したいという要望がある。ところが、流路の形状寸法により必然的に決まる流路定数によって、許容圧力損失以下になるように使用最大流量が抑えられ、広範囲にわたる流量計測を困難なものにしていた。そこで、特開昭６３−１４０９１６号公報や、実開昭５８−８１２２号公報、また実開昭６１−２０２０２３号公報に記載の装置では、装置内部に開口面積の大きな主流路と開口面積の小さな副流路を設け、低流量時には主流路を遮断し高流量時には主流路を開放して装置全体の圧力損失を低減して、低流量時には副流路に設けた計測部で流量計測を行い、高流量時には主流路に設けた計測部、又は両流路の計測部で流量計測を行なうことで、広範囲にわたる流量計測を行っていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各公報に記載の流量計測装置では、流量を計測するため主流路と副流路に２つの計測部が必要になり、装置が大型になりコストの増大を招くという問題があった。
【０００８】
また、主流路を開閉するための機構部、特に、開閉弁のリンク機構の往復動における遊び、前記リンク機構を作動させるスプリングの伸縮方向でのバネ力の違い等に起因して、低流量から高流量へと流量が増大する場合と、高流量から低流量へと流量が減少する場合とで、装置全体の圧力損失対流量特性が一致しないというヒステリシスが存在する可能性があり、そのことが、流量域を切り替えて流路定数を決定し流量の演算を行ううえで流量計測装置の精度を悪化させる要因となり得る。
【０００９】
さらに、流路の製造バラツキに起因して、流路の形状寸法を全く同一にはできず、製品間で圧力損失が同一になるように装置を製造できないため、低流路域と高流路域の流路の形状寸法に関する流路定数を固定しにくいという問題も想定される。
【００１０】
また、ガス流量計測装置の使用期間中に、水や付着物等の障害物が流路内に生じることにより、流路抵抗が変化し流路の圧力損失が変化するため、装置を使用しているうちに初期の状態に比べて主弁が開閉する際の流量が変化し、正確な流量計測を行うことが困難であった。
【００１１】
従って、本発明の目的は、１つの計測部を用いて、広範囲にわたる流量の計測を使用期間にわたり高精度に行うことができ、さらに製造コストが安価である流量計測装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に記載した発明の流量計測装置は、図１の基本構成図に示すように、主流路２４と副流路２３とが並列に設けられた流体流路Ｒと、前記主流路２４に設けられ前記流体流路Ｒにおける流体の流量の増減に応じて開閉される主弁２２とを具備した流量計測装置において、前記副流路２３に設けられ該副流路２３における流体の流速を計測するための計測手段２１と、前記計測手段２１により計測された流速から流量を算出するための、前記主弁２２の開放時の定数と該主弁２２の閉塞時の定数とを少なくとも前もって格納している記憶手段３ｃ−１と、前記主弁２２の開閉状態を検出する開閉センサ２５と、前記開閉センサ２５による前記主弁２２の開閉状態の検出結果に基づいて、前記記憶手段３ｃ−１に格納されている前記定数のうち前記主弁２２の開閉状態に対応する定数を選択する定数選択手段３Ｃと、前記開閉センサ２５により検出される前記主弁２２の開閉状態が変化したときに、前記計測手段２１により計測された流速が、増加変化の場合は流速増加率に基づいて、また、減少変化の場合は流速減少率に基づいて、低流量から高流量へと流量が増大する場合と、高流量から低流量へと流量が減少する場合とで、装置全体の圧力損失対流量特性が一致しないというヒステリシスが流量測定に与える影響を補正するために、前記定数選択手段３Ｃにより選択された前記定数を補正し補正後定数とする定数補正手段３Ｂと、前記定数補正手段３Ｂにより補正された前記補正後定数と前記計測手段２１により計測された流速とに基づいて、前記流体流路Ｒにおける流体の流量を演算する演算手段３Ａとを備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項１に記載した流量計測装置によれば、開閉センサ２５により主弁２２の開閉状態が検出されると、記憶手段３ｃ−１に前もって格納されている主弁２２の開放時の定数と閉塞時の定数とのうち、検出された開閉状態に対応する定数が定数選択手段３Ｃにより選択されるので、副流路２３における流体の流速を計測手段２１により計測するだけで、その結果と定数選択手段３Ｃにより選択された定数と基にして流体流路Ｒにおける流体の流量を算出し、装置の小型化と製造コストの低減化とを図ることが可能となる。
【００１４】
しかも、主弁２２の開閉状態が変化したときには、前記計測手段２１により計測された流速が、増加変化の場合は流速増加率に基づいて、また、減少変化の場合は流速減少率に基づいて、低流量から高流量へと流量が増大する場合と、高流量から低流量へと流量が減少する場合とで、装置全体の圧力損失対流量特性が一致しないというヒステリシスが流量測定に与える影響を補正するために、定数選択手段３Ｃにより選択された定数が定数補正手段３Ｂにより補正され、この補正後定数と計測手段２１により計測された流速とに基づいて、流体流路Ｒにおける流体の流量が演算手段３Ａにより演算されるので、流量の増加時と減少時とで圧力損失に依存する流量変化のヒステリシスが発生したり、主流路２４や副流路２３の流路抵抗の変化に起因した圧力損失の変動があったとしても、その影響を排除し流体流路Ｒにおける流体の流量を高精度に計測することが可能となる。
【００１５】
また、請求項２に記載した流量計測装置は、請求項１に記載した流量計測装置において、前記開閉センサ２５が前記主弁２２の開度をさらに検出するように構成されており、前記記憶手段３ｃ−１が、前記計測手段２１により計測された流速から流量を算出するための、前記主弁２２の開度に応じた定数を前もってさらに格納しており、前記定数選択手段３Ｃが、前記開閉センサ２５による前記主弁２２の開閉状態又は開度の検出結果に基づいて、前記記憶手段３ｃ−１に格納されている前記定数のうち前記主弁２２の開閉状態又は開度に対応する定数を選択する構成とした。
【００１６】
請求項２に記載した流量計測装置によれば、主弁２２の開閉状態が変化すると、これに起因して計測手段２１により計測される副流路２３における流体の流速が変化するので、計測手段２１により測定される流速が単に変化したからと言って、流体流路Ｓの流量自体が実際に変化したものとは一概に言えず、例えば、主弁２２の開度が大きくなるとそれにつれて計測手段２１により計測される流速が相対的に減少し、反対に、主弁２２の開度が小さくなるとそれにつれて計測手段２１により計測される流速が相対的に増加することになる。
【００１７】
そこで、定数選択手段３Ｃが、記憶手段３ｃ−１に前もって格納されている定数のうち、主弁２２の開度に対応する定数を選択して、この主弁２２の開度に対応する定数と計測手段２１により計測された流速とに基づいて、演算手段３Ａが流体流路Ｒにおける流体の流量を演算することで、主弁２２の開閉状態が変移する途中の、主流路２４と副流路２３との圧力損失に応じた流体の流量分布が過渡的に変化する状況を考慮に入れて、流体流路Ｒにおける流体の流量をより一層高精度に計測することが可能となる。
【００１８】
請求項３に記載した流量計測装置は、請求項１又は２に記載した流量計測装置において、前記主流路２４の流体圧を一方の面に受けると共に前記副流路２３の流体圧を他方の面に受け、これら両面に受ける流体の圧力差の変動により第１箇所と第２箇所との間で変位し、該第１箇所では前記主流路２４を閉塞する閉塞箇所に前記主弁２２を位置させると共に前記第２箇所では前記主流路２４を開放する開放箇所に前記主弁２２を位置させるダイヤフラム２７と、前記演算手段３Ａにより演算される前記流体流路Ｒにおける流体の流量の変化を基に、前記第１箇所と前記第２箇所とのうち一方から他方に向かう動力を前記ダイヤフラム２７に付与する駆動手段Ｍとをさらに備え、前記ダイヤフラム２７が、該ダイヤフラム２７の両面が受ける流体の圧力差と前記駆動手段Ｍから付与される動力との合力により、前記第１箇所と前記第２箇所との間で変位する構成とした。
【００１９】
請求項３に記載した流量計測装置によれば、駆動手段Ｍがダイヤフラム２７に付与する動力が、ダイヤフラム２７の両面が受ける流体の圧力差と同じ向きに作用すると、駆動手段Ｍから付与される動力は流体の圧力差によるダイヤフラム２７の変位を助長するように作用し、ダイヤフラム２７の両面が受ける流体の圧力差に対して逆の向きに作用すると、駆動手段Ｍから付与される動力は流体の圧力差によるダイヤフラム２７の変位を阻止するように作用することになる。
【００２０】
このため、演算手段３Ａにより演算される流体流路Ｒにおける流体の流量がある値である状態を基準とし、この値を跨いで流体の流量が変化した場合に駆動手段Ｍからダイヤフラム２７に付与される動力の向きを、例えば、それまでのダイヤフラム２７の両面が受ける流体の圧力差と同じ向きから逆の向きに逆転させると、両面が受ける流体の圧力差によりダイヤフラム２７が第１箇所と第２箇所との間の中途に位置して主弁２２が中途半端に開いた状態が長い間継続されず、第１箇所のダイヤフラム２７が第２箇所に、或は、その反対に迅速に変位するようになる。
【００２１】
したがって、開放箇所の主弁２２を閉塞箇所に、或は、その反対に迅速に移動させて、主弁２２の開度によって変動する主流路２４に流れる流体と副流路２３に流れる流体との割合を、主弁２２が閉塞箇所以外に位置している状態においてほぼ安定させることが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図２は、本発明の流量計測装置の一実施形態を示す概略図である。以下では、「流体」を「ガス」と、また「流体計測装置」を「ガスメータ」と呼ぶこともある。図２に示すように、本装置の主要部は、ガスメータ本体２と、マイクロコンピュータ（μＣＯＭ）３とで構成されている。ガスメータ本体２は、ガスが流入される入口と、ガスが流出される出口と、４つの圧力室Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとからなり、圧力室Ａと圧力室Ｃとを圧力室Ｄ経由で接続する流路が副流路２３を構成し、圧力室Ａと圧力室Ｃとを圧力室Ｂ経由で接続する流路が主流路２４を構成し、圧力室Ａ乃至圧力室Ｄが全体で流体流路Ｒを構成している。
【００２４】
副流路２３には、ガスの流速を計測するための計測手段２１が設けられ、本実施形態の場合、計測手段２１は従来技術で説明したように超音波振動子を備えた１対の送受波器を有する。計測手段２１によって計測された流速データは、μＣＯＭ３に送られ後述の処理に用いられる。
【００２５】
主流路２４には、主弁２２、リンク機構２６、ダイヤフラム２７、及びスプリング２８が設けられている。ガス流量が低いと、圧力室Ｄと圧力室Ｂの圧力差が小さく、スプリング２８がダイヤフラム２７を下方へと押圧し、リンク機構２６を介して主弁２２を右方へと押圧、すなわち主弁２２を閉状態にしている。
【００２６】
ガス流量が増大すると、計測手段２１における圧力損失が増加して圧力室Ｄと圧力室Ｂの圧力差が大きくなり、この圧力差が更に大きくなると、スプリング２８のばね荷重に打ち勝ってダイヤフラム２７が上方へと移動する。ダイヤフラム２７の上方への移動に連動してリンク機構２６が主弁２２を左方へと移動、すなわち主弁２２を開状態にして、主流路２４を介するガス流路が形成される。主弁２２が開いたことを、例えば、反射型光センサや超音波センサ、ホール素子とマグネットの組み合わせによる磁気センサといった検知手段２５（開閉センサに相当）が、ダイヤフラム２７の上下位置を検知して、主弁２２の開度を示す開度信号ＳとしてμＣＯＭ３に送る。この開度信号Ｓは後述の処理に用いられる。
【００２７】
μＣＯＭ３は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）３ａと、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３ｂと、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）３ｃとで構成されている。
【００２８】
ＲＡＭ３ｂには、計測手段２１により計測された流速データを格納するためのエリアが含まれるデータエリアがある。またＲＡＭ３ｂには、各種処理作業に用いるワークエリアがあり、このワークエリアには、各種フラグエリア、バッファエリア等が設けられている。
【００２９】
ＲＯＭ３ｃには、流速データから流量を算出するために、主弁２２の開度に応じた定数を前もって格納しているエリア（請求項中の記憶手段３ｃ−１に相当）が含まれるデータエリアがある。またＲＯＭ３ｃには、ＣＰＵ３ａに各種処理動作を行わせるための制御プログラムが格納されている。ＣＰＵ３ａの処理動作としては、流量増加時の流路定数を決定するルーチンと、流量減少時の流路定数を決定するルーチンとがあり、それぞれ図３及び図４のフローチャートを参照して以下で詳細に説明する。これら流量増加時及び流量減少時の流路定数を決定するルーチンは、まず流量計測装置の製造時に実行され、次いで、経時的又は市場要因による圧力損失の変化に対して流量計測の精度を維持するために実行される。
【００３０】
図３は、流量増加時の流路定数を決定するルーチンを示すフローチャートである。このルーチンをガス流量が０ｍ³／ｈで開始すると（ステップＳ１）、ＲＡＭ３ｂの第１開閉動作フラグＦ１が立っていない（「０」）かどうかを判断する（ステップＳ２）。ステップＳ２の判断がＮ、つまり、第１開閉動作フラグＦ１が立っている場合は、後述するステップＳ２に進み、ステップＳ２の判断がＹ、つまり、第１開閉動作フラグＦ１が立っていない場合は、計測手段２１が流速を計測するのが何番目のサンプリング時点であるのかを示す変数ｉが０に設定される（ステップＳ３）。ここで、計測手段２１による流速の計測が連続的に行われず、離散的に行われる理由は、流量計測装置に搭載されるバッテリの寿命を考慮して省電力化を図るためである。次に、ＲＯＭ３ｃに前もって格納してある低流量域定数Ｋ_Lを読み出し、流路定数をＫ_Lに設定する（ステップＳ４）。ここで、「低流量域」とは、図５に示すように本発明の実施形態の場合、流量が０から６ｍ³／ｈの範囲をいう。
【００３１】
ｉ＝０時点で、計測手段２１により流速Ｖが計測され（ステップＳ５）、計測された流速データＶ₀がＲＡＭ３ｂに格納される（ステップＳ６）。次に、主弁２２が開状態にあるか閉状態にあるかを示す開度信号Ｓが０に等しいか否かを判断する（ステップＳ７）。ここで、開度信号Ｓが１の場合とは主弁２２が開状態にあることを意味し、また、Ｓが０の場合とは主弁２２が閉状態にあることを意味し、Ｓが０より上で１より下の場合とは、Ｓが０に近いほど閉状態に近く１に近いほど開状態に近い半開状態に主弁２２があることを意味する。
【００３２】
ステップＳ７において、Ｓ＝０の場合、変数ｉを１だけインクリメントして（ステップＳ８）、ステップＳ５へと戻りステップＳ６、Ｓ７、Ｓ８の処理ステップを繰り返す。
【００３３】
上記のようにしてステップＳ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８を繰り返し、流速計測のＮ番目のサンプリング時点で、ステップＳ７における判断の結果Ｓ≠０となった場合、ＣＰＵ３ａは主弁２２が開き始めたと判断し、ＲＡＭ３ｂに格納されている主弁２２が開き始める前の流速データＶ_N-1、及びＶ_N-2をＲＡＭ３ｂから読み出す（ステップＳ９）。次に、流量増加時の流速増加率Ｋ_U＝（Ｖ_N-1−Ｖ_N-2）／Δｔを算出する（ステップＳ１０）。ここで、Δｔは流速計測のサンプリング時間間隔である。ステップＳ１０での結果に基づき、流量増加時の補正係数α（Ｋ_U）を決定する（ステップＳ１１）。次に、ＲＯＭ３ｃに前もって格納してある定数のうち、現時点の開度信号Ｓが示す主弁２２の開度に対応する高流量域定数Ｋ_HSを読み出す（ステップＳ１２）。ここで、「高流量域」とは、図５に示すように本発明の実施形態の場合、流量が５から１００ｍ³／ｈの範囲をいう。
【００３４】
次に、高流量域の補正定数をα（Ｋ_U）・Ｋ_HSとして設定し（ステップＳ１３）、続いて、開度信号Ｓが１に等しいか否かを判断する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４において、Ｓ≠１の場合、第１開閉動作フラグＦ１を立てた後（ステップＳ１５）、流量増加時の流路定数を決定するルーチンを終了して（ステップＳ１７）、このルーチンの結果得られた補正定数に基づき、流量情報を算出する。
【００３５】
ステップＳ１４において、Ｓ＝１の場合は、第１開閉動作フラグＦ１を降ろした後（ステップＳ１６）、流量増加時の流路定数を決定するルーチンを終了して（ステップＳ１７）、このルーチンの結果得られた補正定数に基づき、流量情報を算出する。
【００３６】
図４は、流量減少時の流路定数を決定するルーチンを示すフローチャートである。このルーチンをガス流量が７ｍ³／ｈ以上で開始すると（ステップＳ１８）、ＲＡＭ３ｂの第２開閉動作フラグＦ３が立っていない（「０」）かどうかを判断する（ステップＳ１９）。ステップＳ１９の判断がＮ、つまり、第２開閉動作フラグＦ３が立っている場合は、後述するステップＳ２９に進み、ステップＳ１９の判断がＹ、つまり、第２開閉動作フラグＦ３が立っていない場合は、計測手段２１が流速を計測するのが何番目のサンプリング時点であるのかを示す変数ｉが０に設定される（ステップＳ２０）。次に、ＲＯＭ３ｃに前もって格納してある高流量域定数Ｋ_Hを読み出し、流路定数をＫ_Hに設定する（ステップＳ２１）。
【００３７】
ｉ＝０時点で、計測手段２１により流速Ｖが計測され（ステップＳ２２）、計測された流速データＶ₀がＲＡＭ３ｂに格納される（ステップＳ２３）。次に、開度信号Ｓが１に等しいか否かを判断する（ステップＳ２４）。
【００３８】
ステップＳ２４において、Ｓ≠１である即ち主弁２２がまだ開状態にある場合、変数ｉを１だけインクリメントして（ステップＳ２５）、ステップＳ２２へと戻りステップＳ２３、Ｓ２４、Ｓ２５の処理ステップを繰り返す。
【００３９】
上記のようにしてステップＳ２２、Ｓ２３、Ｓ２４、Ｓ２５を繰り返し、流速計測のＮ番目のサンプリング時点で、ステップＳ２４における判断の結果Ｓ＝０となった場合、ＣＰＵ３ａは主弁２２が閉じ始めたと判断し、ＲＡＭ３ｂに格納されている主弁２２が閉じ始める前の流速データＶ_N-1、及びＶ_N-2をＲＡＭ３ｂから読み出す（ステップＳ２６）。次に、流量減少時の流速減少率Ｋ_D＝（Ｖ_N-1−Ｖ_N-2）／Δｔを算出し（ステップＳ２７）、ステップＳ２７での結果に基づき、流量減少時の補正係数α（Ｋ_D）を決定する（ステップＳ２８）。次に、ＲＯＭ３ｃに前もって格納してある定数のうち、現時点の開度信号Ｓが示す主弁２２の開度に対応する低流量域定数Ｋ_LSを読み出す（ステップＳ２９）。
【００４０】
次に、低流量域の補正定数をα（Ｋ_D）・Ｋ_LSとして設定し（ステップＳ３０）、続いて、開度信号Ｓが０に等しいか否かを判断する（ステップＳ３１）。ステップＳ３１において、Ｓ≠０の場合、第２開閉動作フラグＦ３を立てた後（ステップＳ３２）、流量減少時の流路定数を決定するルーチンを終了して（ステップＳ３４）、このルーチンの結果得られた補正定数に基づき、流量情報を算出する。
【００４１】
ステップＳ３１において、Ｓ＝１の場合は、第２開閉動作フラグＦ３を降ろした後（ステップＳ３３）、流量減少時の流路定数を決定するルーチンを終了して（ステップＳ３４）、このルーチンの結果得られた補正定数に基づき、流量情報を算出する。
【００４２】
図５に示すように、本発明の実施形態の場合、演算処理を行って低流路域定数と高流路域定数を切り換える流量の範囲は、４から７ｍ³／ｈに設定している。
【００４３】
なお、図３のフローチャートにおけるステップＳ１２の処理内容と、図４のフローチャートにおけるステップＳ２９の処理内容とが、特許請求の範囲の定数補正手段３Ｂ及び定数選択手段３Ｃに対応し、図３及び図４のフローチャートに示すルーチンにより得られた補正定数に基づき流量情報を算出する処理が、特許請求の範囲の演算手段３Ａに対応している。
【００４４】
図２に示す本発明の実施形態によれば、流量の増加時と減少時における前記ヒステリシス及び流路の製造バラツキの影響を排除して最適な流路定数を決定することが可能になる。
【００４５】
なお、開閉センサ２５が主弁２２の開状態時のダイヤフラム２７の位置と主弁２２の閉状態時のダイヤフラム２７の位置との２つの位置だけを検出するものとし、その検出位置に応じて主弁２２の開閉状態のみをμＣＯＭ３が判断し、その判断結果に応じて、計測手段２１からの流速データＶのみによる全ガス流量の計測を、主弁２２の閉状態時に用いる低流量域係数Ｋ_Lと主弁２２の開状態時に用いる高流量域定数Ｋ_Hとの２つの係数だけで行うようにしてもよい。
【００４６】
しかし、本実施形態のように、開閉センサ２５からの主弁２２の開度を示す開度信号Ｓにより、主弁２２の開度に対応する高流量域定数Ｋ_HSや低流量域定数Ｋ_LSをＲＯＭ３ｃから読み出し、これらを用いて計測手段２１からの流速データＶのみによる全ガス流量の計測を行うようにすれば、主弁２２の開閉状態が変移する途中の、圧力室Ｂと圧力室Ｄとの圧力損失に応じたガスの流量分布が過渡的に変化する状況を考慮に入れて、ガスの全流量をより一層高精度に計測することができるので、有利である。
【００４７】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。図６は、本発明の流量計測装置の他の実施形態を示す概略図であり、図６中図２に示す部材、部分と同一のものには、図２において付したものと同一の引用符号を付して、重複する説明を省略する。
【００４８】
そして、本実施形態の流量計測装置では、μＣＯＭ３の制御により駆動される電磁ソレノイド２９が圧力室Ｄに設けられていて、この電磁ソレノイド２９のロッド２９ａにダイヤフラム２７が連結されている点において、図２に示す流量計測装置とは構成が異なっている。また、本実施形態の流量計測装置では、μＣＯＭ３のＲＯＭ３ｃに格納された制御プログラムが、図２に示す流量計測装置のμＣＯＭ３のＲＯＭ３ｃに格納された制御プログラムとは若干異なっており、その他の点は、図２に示す流量計測装置と同様に構成されている。
【００４９】
そして、本実施形態の流量計測装置におけるＣＰＵ３ａの処理動作としては、流量増加時の流路定数を決定するルーチンと、流量減少時の流路定数を決定するルーチンとがあり、それぞれ図７及び図８のフローチャートを参照して以下で詳細に説明する。これら流量増加時及び流量減少時の流路定数を決定するルーチンは、まず流量計測装置の製造時に実行され、次いで、経時的又は市場要因による圧力損失の変化に対して流量計測の精度を維持するために実行される。
【００５０】
図７は、流量増加時の流路定数を決定するルーチンを示すフローチャートである。このルーチンをガス流量が０ｍ³／ｈで開始すると（ステップＳ４１）、計測手段２１が流速を計測するのが何番目のサンプリング時点であるのかを示す変数ｉが０に設定される（ステップＳ４２）。ここで、計測手段２１による流速の計測が連続的に行われず、離散的に行われる理由は、流量計測装置に搭載されるバッテリの寿命を考慮して省電力化を図るためである。次に、ＲＯＭ３ｃに前もって格納してある低流量域定数Ｋ_Lを読み出し、流路定数をＫ_Lに設定する（ステップＳ４３）。ここで、「低流量域」とは、図５に示すように本発明の実施形態の場合、流量が０から６ｍ³／ｈの範囲をいう。
【００５１】
ｉ＝０時点で、計測手段２１により流速Ｖが計測され（ステップＳ４４）、計測された流速データＶ₀がＲＡＭ３ｂに格納される（ステップＳ４５）。次に、ＲＡＭ３ｂに格納されている最新の流速データＶ_iが所定の基準流速Ｖｔｈを超えているか否かを判断する（ステップＳ４６）。ステップＳ４６において、最新の流速データＶ_iが基準流速Ｖｔｈを超えていない場合、変数ｉを１だけインクリメントして（ステップＳ４７）、ステップＳ４４へと戻りステップＳ４５、Ｓ４６、Ｓ４７の処理ステップを繰り返す。
【００５２】
上記のようにしてステップＳ４４、Ｓ４５、Ｓ４６、Ｓ４７を繰り返し、流速計測のＮ番目のサンプリング時点で、ステップＳ４６における判断の結果、最新の流速データＶ_iが基準流速Ｖｔｈを超えた場合、閉状態の主弁２２を開状態に変移させるべく、ロッド２９ａが図６中上方向に移動するように電磁ソレノイド２９を開方向へ駆動させる（ステップＳ４８）。
【００５３】
次に、ＲＡＭ３ｂに格納されている主弁２２が開き始める前の流速データＶ_N-1、及びＶ_N-2をＲＡＭ３ｂから読み出す（ステップＳ４９）。次に、流量増加時の流速増加率Ｋ_U＝（Ｖ_N-1−Ｖ_N-2）／Δｔを算出する（ステップＳ５０）。ここで、Δｔは流速計測のサンプリング時間間隔である。ステップＳ５０での結果に基づき、流量増加時の補正係数α（Ｋ_U）を決定する（ステップＳ５１）。次に、ＲＯＭ３ｃに前もって格納してある高流量域定数Ｋ_Hを読み出す（ステップＳ５２）。ここで、「高流量域」とは、図５に示すように本発明の実施形態の場合、流量が５から１００ｍ³／ｈの範囲をいう。
【００５４】
次に、高流量域の補正定数をα（Ｋ_U）・Ｋ_Hとして設定し（ステップＳ５３）、流量増加時の流路定数を決定するルーチンを終了して（ステップＳ５４）、このルーチンの結果得られた補正定数に基づき、流量情報を算出する。
【００５５】
図８は、流量減少時の流路定数を決定するルーチンを示すフローチャートである。このルーチンをガス流量が７ｍ³／ｈ以上で開始すると（ステップＳ５５）、計測手段２１が流速を計測するのが何番目のサンプリング時点であるのかを示す変数ｉが０に設定される（ステップＳ５６）。次に、ＲＯＭ３ｃに前もって格納してある高流量域定数Ｋ_Hを読み出し、流路定数をＫ_Hに設定する（ステップＳ５７）。
【００５６】
ｉ＝０時点で、計測手段２１により流速Ｖが計測され（ステップＳ５８）、計測された流速データＶ₀がＲＡＭ３ｂに格納される（ステップＳ５９）。次に、ＲＡＭ３ｂに格納されている最新の流速データＶ_iが基準流速Ｖｔｈを下回っているか否かを判断する（ステップＳ６０）。ステップＳ２４において、最新の流速データＶ_iが基準流速Ｖｔｈを下回っていない場合、変数ｉを１だけインクリメントして（ステップＳ６１）、ステップＳ２２へと戻りステップＳ５８、Ｓ５９、Ｓ６０の処理ステップを繰り返す。
【００５７】
上記のようにしてステップＳ５８、Ｓ５９、Ｓ６０、Ｓ６１を繰り返し、流速計測のＮ番目のサンプリング時点で、ステップＳ６０における判断の結果、最新の流速データＶ_iが基準流速Ｖｔｈを下回った場合、開状態の主弁２２を閉状態に変移させるべく、ロッド２９ａが図６中下方向に移動するように電磁ソレノイド２９を閉方向へ駆動させる（ステップＳ６２）。
【００５８】
次に、ＲＡＭ３ｂに格納されている主弁２２が閉じ始める前の流速データＶ_N-1、及びＶ_N-2をＲＡＭ３ｂから読み出す（ステップＳ６３）。次に、流量減少時の流速減少率Ｋ_D＝（Ｖ_N-1−Ｖ_N-2）／Δｔを算出し（ステップＳ６４）、ステップＳ６４での結果に基づき、流量減少時の補正係数α（Ｋ_D）を決定する（ステップＳ６５）。次に、ＲＯＭ３ｃに前もって格納してある低流量域定数Ｋ_Lを読み出す（ステップＳ６６）。
【００５９】
次に、低流量域の補正定数をα（Ｋ_D）・Ｋ_Lとして設定し（ステップＳ６７）、流量減少時の流路定数を決定するルーチンを終了して（ステップＳ６８）、このルーチンの結果得られた補正定数に基づき、流量情報を算出する。
【００６０】
なお、図７のフローチャートにおけるステップＳ５３の処理内容と、図８のフローチャートにおけるステップＳ６７の処理内容とが、特許請求の範囲の定数補正手段３Ｂ及び定数選択手段３Ｃに対応し、図７及び図８のフローチャートに示すルーチンにより得られた補正定数に基づき流量情報を算出する処理が、特許請求の範囲の演算手段３Ａに対応している。
【００６１】
また、図７のフローチャートにおけるステップＳ４８及び図８のフローチャートにおけるステップＳ６２の処理内容が、特許請求の範囲の駆動手段Ｍに対応し、これらと電磁ソレノイド２９とで、駆動手段Ｍが構成されている。
【００６２】
本実施形態の流量計測装置によれば、ダイヤフラム２７の両面が受ける圧力室Ｂのガスと圧力室Ｄのガスとの差圧の変化によりダイヤフラム２７が変位しかかっても、電磁ソレノイド２９が駆動されなければダイヤフラム２７の変位は実際には起こらず、反対に、ダイヤフラム２７を反転させきれる（反転完了させることのできる）だけの力が圧力室Ｂのガスと圧力室Ｄのガスとの差圧にはないとしても、電磁ソレノイド２９が駆動されることで、この電磁ソレノイド２９のロッド２９ａから伝わる動力が圧力室Ｂのガスと圧力室Ｄのガスとの差圧に足し合わされて、ダイヤフラム２７が確実かつ迅速に反転されるようになる。
【００６３】
そのため、主弁２２の開閉動作を早め、その中途における主流路２４と副流路２３とのガス流分布が変動する過渡的期間を短くして、計測手段２１からの流速データＶのみによる全ガス流量の計測を、主弁２２の閉状態時に用いる低流量域係数Ｋ_Lと主弁２２の開状態時に用いる高流量域定数Ｋ_Hとの２つの係数だけで、高精度に行うことができる。
【００６４】
なお、図７及び図８のフローチャートに示すプログラムのように、本実施形態では開閉センサ２５の開度信号Ｓを確認するステップを設けていないが、図７のステップＳ４８の後や図８のステップＳ６２の後に、開閉センサ２５の開度信号Ｓが０であるか１であるかを確認し、主弁２２の開閉が確実に完了しているかを確認するようにしてもよい。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明の流量計測装置は、主流路と副流路とが並列に設けられた流体流路と、前記主流路に設けられ前記流体流路における流体の流量の増減に応じて開閉される主弁とを具備した流量計測装置において、前記副流路に設けられ該副流路における流体の流速を計測するための計測手段と、前記計測手段により計測された流速から流量を算出するための、前記主弁の開放時の定数と該主弁の閉塞時の定数とを少なくとも前もって格納している記憶手段と、前記主弁の開閉状態を検出する開閉センサと、前記開閉センサによる前記主弁の開閉状態の検出結果に基づいて、前記記憶手段に格納されている前記定数のうち前記主弁の開閉状態に対応する定数を選択する定数選択手段と、前記開閉センサにより検出される前記主弁の開閉状態が変化したときに、前記計測手段により計測された流速が、増加変化の場合は流速増加率に基づいて、また、減少変化の場合は流速減少率に基づいて、低流量から高流量へと流量が増大する場合と、高流量から低流量へと流量が減少する場合とで、装置全体の圧力損失対流量特性が一致しないというヒステリシスが流量測定に与える影響を補正するために、前記定数選択手段により選択された前記定数を補正し補正後定数とする定数補正手段と、前記定数補正手段により補正された前記補正後定数と前記計測手段により計測された流速とに基づいて、前記流体流路における流体の流量を演算する演算手段とを備えることを特徴とする。
【００６６】
請求項１に記載の流量計測装置によれば、開閉センサにより主弁の開閉状態が検出されると、記憶手段に前もって格納されている主弁の開放時の定数と閉塞時の定数とのうち、検出された開閉状態に対応する定数が定数選択手段により選択されるので、副流路における流体の流速を計測手段により計測するだけで、その結果と定数選択手段により選択された定数と基にして流体流路における流体の流量を算出し、装置の小型化と製造コストの低減化とを図ることができる。
【００６７】
しかも、主弁の開閉状態が変化したときには、前記計測手段により計測された流速が、増加変化の場合は流速増加率に基づいて、また、減少変化の場合は流速減少率に基づいて、低流量から高流量へと流量が増大する場合と、高流量から低流量へと流量が減少する場合とで、装置全体の圧力損失対流量特性が一致しないというヒステリシスが流量測定に与える影響を補正するために、定数選択手段により選択された定数が定数補正手段により補正され、この補正後定数と計測手段により計測された流速とに基づいて、流体流路における流体の流量が演算手段により演算されるので、流量の増加時と減少時とで圧力損失に依存する流量変化のヒステリシスが発生したり、主流路や副流路の流路抵抗の変化に起因した圧力損失の変動があったとしても、その影響を排除し流体流路における流体の流量を高精度に計測することができる。
【００６８】
また、請求項２に記載した流量計測装置は、請求項１に記載した流量計測装置において、前記開閉センサが前記主弁の開度をさらに検出するように構成されており、前記記憶手段が、前記計測手段により計測された流速から流量を算出するための、前記主弁の開度に応じた定数を前もってさらに格納しており、前記定数選択手段が、前記開閉センサによる前記主弁の開閉状態又は開度の検出結果に基づいて、前記記憶手段に格納されている前記定数のうち前記主弁の開閉状態又は開度に対応する定数を選択する構成とした。
【００６９】
請求項２に記載した流量計測装置によれば、主弁の開閉状態が変化すると、これに起因して計測手段により計測される副流路における流体の流速が変化するので、計測手段により測定される流速が単に変化したからと言って、流体流路の流量自体が実際に変化したものとは一概に言えず、例えば、主弁の開度が大きくなるとそれにつれて計測手段により計測される流速が相対的に減少し、反対に、主弁の開度が小さくなるとそれにつれて計測手段により計測される流速が相対的に増加することになる。
【００７０】
そこで、定数選択手段が、記憶手段に前もって格納されている定数のうち、主弁の開度に対応する定数を選択して、この主弁の開度に対応する定数と計測手段により計測された流速とに基づいて、演算手段が流体流路における流体の流量を演算することで、主弁の開閉状態が変移する途中の、主流路と副流路との圧力損失に応じた流体の流量分布が過渡的に変化する状況を考慮に入れて、流体流路における流体の流量をより一層高精度に計測することができる。
【００７１】
請求項３に記載した流量計測装置は、請求項１又は２に記載した流量計測装置において、前記主流路の流体圧を一方の面に受けると共に前記副流路の流体圧を他方の面に受け、これら両面に受ける流体の圧力差の変動により第１箇所と第２箇所との間で変位し、該第１箇所では前記主流路を閉塞する閉塞箇所に前記主弁を位置させると共に前記第２箇所では前記主流路を開放する開放箇所に前記主弁を位置させるダイヤフラムと、前記演算手段により演算される前記流体流路における流体の流量の変化を基に、前記第１箇所と前記第２箇所とのうち一方から他方に向かう動力を前記ダイヤフラムに付与する駆動手段とをさらに備え、前記ダイヤフラムが、該ダイヤフラムの両面が受ける流体の圧力差と前記駆動手段から付与される動力との合力により、前記第１箇所と前記第２箇所との間で変位する構成とした。
【００７２】
請求項３に記載した流量計測装置によれば、駆動手段がダイヤフラムに付与する動力が、ダイヤフラムの両面が受ける流体の圧力差と同じ向きに作用すると、駆動手段から付与される動力は流体の圧力差によるダイヤフラムの変位を助長するように作用し、ダイヤフラムの両面が受ける流体の圧力差に対して逆の向きに作用すると、駆動手段から付与される動力は流体の圧力差によるダイヤフラムの変位を阻止するように作用することになる。
【００７３】
このため、演算手段により演算される流体流路における流体の流量がある値である状態を基準とし、この値を跨いで流体の流量が変化した場合に駆動手段からダイヤフラムに付与される動力の向きを、例えば、それまでのダイヤフラムの両面が受ける流体の圧力差と同じ向きから逆の向きに逆転させると、両面が受ける流体の圧力差によりダイヤフラムが第１箇所と第２箇所との間の中途に位置して主弁が中途半端に開いた状態が長い間継続されず、第１箇所のダイヤフラムが第２箇所に、或は、その反対に迅速に変位するようになる。
【００７４】
したがって、開放箇所の主弁を閉塞箇所に、或は、その反対に迅速に移動させて、主弁の開度によって変動する主流路に流れる流体と副流路に流れる流体との割合を、主弁が閉塞箇所以外に位置している状態においてほぼ安定させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流量計測装置の基本構成図である。
【図２】本発明の流量計測装置の一実施形態を示す概略図である。
【図３】流量増加時の流路定数を決定するルーチンを示すフローチャートである。
【図４】流量減少時の流路定数を決定するルーチンを示すフローチャートである。
【図５】低流量域、高流量域、及び流路定数の切替範囲を示す図である。
【図６】本発明の流量計測装置の他の実施形態を示す概略図である。
【図７】流量増加時の流路定数を決定するルーチンを示すフローチャートである。
【図８】流量減少時の流路定数を決定するルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
２ガスメータ本体
２１計測手段
２２主弁
２３副流路
２４主流路
２５開閉センサ
２６リンク機構
２７ダイヤフラム
２８ダイヤフラムスプリング
３マイクロコンピュータ（μＣＯＭ）
３ａＣＰＵ
３ｂＲＡＭ
３ｃＲＯＭ
３ｂ−１第１の記憶手段
３ｃ−１第２の記憶手段
３Ａ演算手段

Claims

主流路と副流路とが並列に設けられた流体流路と、前記主流路に設けられ前記流体流路における流体の流量の増減に応じて開閉される主弁とを具備した流量計測装置において、
前記副流路に設けられ該副流路における流体の流速を計測するための計測手段と、
前記計測手段により計測された流速から流量を算出するための、前記主弁の開放時の定数と該主弁の閉塞時の定数とを少なくとも前もって格納している記憶手段と、
前記主弁の開閉状態を検出する開閉センサと、
前記開閉センサによる前記主弁の開閉状態の検出結果に基づいて、前記記憶手段に格納されている前記定数のうち前記主弁の開閉状態に対応する定数を選択する定数選択手段と、
前記開閉センサにより検出される前記主弁の開閉状態が変化したときに、前記計測手段により計測された流速が、増加変化の場合は流速増加率に基づいて、また、減少変化の場合は流速減少率に基づいて、低流量から高流量へと流量が増大する場合と、高流量から低流量へと流量が減少する場合とで、装置全体の圧力損失対流量特性が一致しないというヒステリシスが流量測定に与える影響を補正するために、前記定数選択手段により選択された前記定数を補正し補正後定数とする定数補正手段と、
前記定数補正手段により補正された前記補正後定数と前記計測手段により計測された流速とに基づいて、前記流体流路における流体の流量を演算する演算手段と、
を備えることを特徴とする流量計測装置。
前記開閉センサは前記主弁の開度をさらに検出するように構成されており、前記記憶手段は、前記計測手段により計測された流速から流量を算出するための、前記主弁の開度に応じた定数を前もってさらに格納しており、前記定数選択手段は、前記開閉センサによる前記主弁の開閉状態又は開度の検出結果に基づいて、前記記憶手段に格納されている前記定数のうち前記主弁の開閉状態又は開度に対応する定数を選択する請求項１記載の流量計測装置。
前記主流路の流体圧を一方の面に受けると共に前記副流路の流体圧を他方の面に受け、これら両面に受ける流体の圧力差の変動により第１箇所と第２箇所との間で変位し、該第１箇所では前記主流路を閉塞する閉塞箇所に前記主弁を位置させると共に前記第２箇所では前記主流路を開放する開放箇所に前記主弁を位置させるダイヤフラムと、前記演算手段により演算される前記流体流路における流体の流量の変化を基に、前記第１箇所と前記第２箇所とのうち一方から他方に向かう動力を前記ダイヤフラムに付与する駆動手段とをさらに備え、前記ダイヤフラムが、該ダイヤフラムの両面が受ける流体の圧力差と前記駆動手段から付与される動力との合力により、前記第１箇所と前記第２箇所との間で変位する請求項１又は２記載の流量計測装置。