JP4623488B2 - 流体の流れ計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体や気体など流体の流速や流量を計測する流体の流れ計測装置に関するものである。

従来、この種の流体の流れ計測装置は、図１２に示すように、流量センサ１の信号をもとに流量を算出する流量演算部２と、この流量演算部の信号をフィルタ部３で平滑化し、バッファ部４を介して積算部５で積算し、その値を表示器６に流量積算値として表示していた（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１３２８２６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、微小流量を正確に計測しようとするとフィルタの平滑化の性能を高める必要があり、時定数が大きくなって応答性が遅れ、比較的大きな流量がパルス的に流れたときに流量を正確にできない。また時定数が大きくなることにより流量センサのゼロ点ずれなどの直流成分の誤差も一緒に加算され、流量がゼロのときにもこのゼロ点のずれが積算されて、積算値が増加することがある。流量ゼロ時において積算値が増加することは、この積算値を基に料金を決めている、水道やガスのメータにおいては極めて重大な問題であった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、計測区間における流量平均値と流量変動値に基づいて流量の積算方法を変更する、高精度な流量計測を行わせる流体の流れ計測装置および流体の流れ計測方法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、本発明の流体の流れ計測装置または流体の流れ計測方法は、流量を検出する流体検出手段と、流体検出手段の値を積算する積算カウンタと、定められた計測区間における流量平均値と変化度合いを示す流量変動値に基づいて積算方法を変更したものである。

これによって、変動が小さいときには小流量でも積算し、変動が大きいときは積算を保留することにより積算流量を計測する。

本発明の流体の流れ計測装置または流体の流れ計測方法は、流量変動の大きさに応じて流量を積算するので、変動が小さいときには微小流量でも積算し、変動が大きいときには積算を保留して流体が流れないときに積算値が増加することを防止する。

第１の発明は、流路の流速およびまたは流量を検出する流体検出手段と、前記流体検出手段の値を積算する積算カウンタと、計測時間または計測回数毎に定められた計測区間において前記流体検出手段で検出された値を平均して平均値を求める流量平均化手段と、流量の変化度合いを示す流量変動値を算出する流量変動算出手段と、を備え、前記流量平均化手段と流量変動算出手段の値に基づいて前記積算カウンタへの積算方法を変更する流体の流れ計測装置において、前記流量変動算出手段が算出する流量変動値は、前記計測区間のあらかじめ定められた変動基準設定値の範囲外の流量値の個数であり、前記計測区間の流量平均値が正のとき、前記変動基準設定値は前記流量平均値より所定値低く設定したもので、流体の変動に応じて適切な積算方法を選択でき、流れの不安定な状態でも高精度な積算値を得ることができる。また、流量変化が大きいときには比較的大きな流量のみを積算し、流量ゼロ時の積算値の増加を防止することができる。

第２の発明は、流路の流速およびまたは流量を検出する流体検出手段と、前記流体検出手段の値を積算する積算カウンタと、計測時間または計測回数毎に定められた計測区間において前記流体検出手段で検出された値を平均して平均値を求める流量平均化手段と、流量の変化度合いを示す流量変動値を算出する流量変動算出手段と、を備え、前記流量平均化手段と流量変動算出手段の値に基づいて前記積算カウンタへの積算方法を変更する流体の流れ計測装置において、前記流量変動算出手段が算出する流量変動値は、前記計測区間のあらかじめ定められた変動基準設定値の範囲外の流量値の個数であり、前記計測区間の流量平均値が負のとき、前記変動基準設定値は前記流量平均値より所定値高く設定したもので、流体の変動に応じて適切な積算方法を選択でき、流れの不安定な状態でも高精度な積算値を得ることができる。また、流量変化が大きいときには比較的大きな流量のみを積算し、流量ゼロ時の積算値の増加を防止することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施の形態１における流体の流れ計測装置の制御ブロック線図を示す。図１において７は流体を通過させる流路であり、その上流側と下流側に送受信器８Ａと８Ｂをそれぞれ配置し、９は送信手段で切換手段１０を介して、送受信器８Ａを駆動して音波信号を発生させ、上流から下流に向けて音波を送信し、この音波を送受信手段８Ｂで受信する。送受信手段８Ｂの信号は切換手段１０を介して増幅比較手段１１で信号を交流増幅してコンパレータで基準電圧と比較し、計時手段１２へ送信される。計時手段１２は送信手段９から送信されて増幅比較手段１１で検出されるまでの時間をタイマカウンタなどで計測する。次に切換手段１０で送受信器を切換えて、送受信器８Ｂから送受信器８Ａに向け、すなわち下流から上流に向けて音波を送信するようにする。前述と同様に送信手段９から増幅比較手段１１までの時間を計時手段１２で計測する。

次に切換手段１０で送受信器を切換えて、送受信器８Ｂから送受信器８Ａに向け、すなわち下流から上流に向けて音波を送信するようにする。前述と同様に送信手段９から増幅比較手段１１までの時間を計時手段１２そしてこの２つの時間差から、流量演算手段１３で流速を算出する。そして、流量を求める場合は、流量演算手段１３で流速に流路１の通過面積などを乗じて流量値を算出する。送受信器８Ａ・８Ｂ、送信手段９、切換手段１０、増幅比較手段１１、計時手段１２、流量演算手段１３で流体検出手段１４を形成する。

流量演算手段１３で求められた流量値は積算カウンタ１５に送られて、時間ごとの流量値を積分し、その積算流量を算出する。またこの流量値は、計測区間内の流量値を算術平均する流量平均化手段１６と、計測区間内の流量の変化度合いを算出する流量変動算出手段１７によってさらに演算される。計測区間は所定の時間や所定の計測回数によって定められる。

次に動作ついて説明する。流路７内の流体が流れると上流から下流への音波の伝搬時間と、下流から上流への伝搬時間とに差が生じ、この伝搬時間の差を計時手段１２で求め流路の断面積などから流量値を流量算出手段１３で算出する。

図２は時間に対する流量の関係を表した図で、線Ａは流量値が流量有設定値を越えてほぼ一定である場合であり、線Ｂは流量値がほぼゼロの場合を示している。線ＡとＢは流量を想定したもので実際の計測値はそれぞれのポイントである。流量有設定値は流体が流れていると識別できる流量の設定値であり、たとえばガスメータでは１時間に３リットルから５リットルに設定されており、これ以下の流量はガス器具では使用されることがないので積算カウンタ１５では積算から除外してもよい。すなわち線Ａでは計測区間Ｋでの流量積算値はそれぞれの流量値を時間積分した値であり、線Ｂは流量をゼロとして処理し積算はしない。

図３と図４は流れが一定でない場合を示しており、図３線Ｃは流量の平均値が流量有設定値を越え変動値が小さい場合を示し、図４線Ｄは平均流量が流量有設定値を越え変動値が大きい場合を示す。図３線Ｃおよび図４線Ｄにおいて、それぞれの流量の前回の値との差分値を流量変動算出手段１７で算出する、図３線Ｃのように、この差分値の平均値や最大値の値が小さいときには、これらの流量値を積算カウンタ１５で積算し、図４線Ｄのように差分値の値が大きいときには積算カウンタ１５での積算を保留する。図４線Ｄはガスメータにおいて器具を使用していないとき、すなわち長時間計測すれば平均値がゼロの場合であるが、供給圧力が変動して短時間では流れが発生したような流量値になることがある。とくに近隣でガスエンジンを運転した場合交番的な圧力変動が発生し、間欠的なサンプリングを行なう計測方法では短時間では平均値が大きくなることがある。

この場合器具の使用がなされていないのに積算カウンタ１５が増加することになり、料金を徴収するガスメータでは大きな問題である。図４線Ｄでは、流体が流れているのかあるいは脈動によるものかが判定しにくい。このため積算値を増加させるのを一時保留する。積算を実施するかあるいは保留するかは流量平均値に対する流量変動値の大きさによるが、計測区間の長さを参考にして経験的に決めればよい。

なお、本実施の形態では、流体検出手段１４により、流体の流速を求めこの流速から流量を求める場合について説明したが、流量演算手段１３を流速演算手段として、流体の流速からでも流体の圧力変動や流体の急激な漏洩を検出することができる。

（実施の形態２）
図５は本発明の他の実施の形態を示すもので、流量変動値の判断を変動基準設定値の範囲外の流量値の個数で判定する。線Ｅは計測区間おける流量平均値が正の値であるとき、その平均値より小さな値を変動基準値として設定し、その変動基準設定値より小さな流量値の個数をカウントし、この個数の大きさでこの区間の流量値を積算カウンタ１５に繰り入れるか、あるいは保留にするかを決定する。大きな圧力変動に伴う流量変動は、平均流量値が小さいかあるいはゼロの場合には、瞬時の流量値は負の値になる頻度が高いので、変動基準設定値を負の値に設定すると適切な判断ができる。

図６は線Ｆに示すように流量平均値が負の値すなわち逆流している場合の状態を示したもので、この場合には変動基準設定値を流量平均値より高く設定し、さらに正の値に設定すると適切な判定ができる。

図７および図８は前述の判定に使用する個数を流量平均化手段１６の値すなわち流量平均値によって変更するものである。図７線Ｇは流量平均値が比較的大きい場合で、図８線Ｈは流量値が比較的小さい場合であり、流量平均値によって変動基準設定値を下回る判定個数を変更する。この例では流量平均値が大きい場合の判定個数を４個、流量平均値が少ない場合の判定個数を２個とすると、いずれも個数が少ないので積算カウンタ１５に積算が可能である。

流量変動値の判定として、統計処理の手法を使用することができる。その一例として流量平均値と各流量との偏差を２乗して総和を算出して計測個数で除した分散値や、分散値を基に算出する標準偏差を用いるとより正確な判定が可能である。またファジィやニューロなどの推論を使用することができる。

（実施の形態３）
図９は、本発明の他の実施の形態を示すもので、流路７の一部に流体の圧力を検出する圧力検出手段１８を有し、この圧力値の変化によって流量変動値の判定を行なうものである。流量変動は供給圧力の変化が原因によって発生するのがほとんどであり、この圧力を監視することによって流量変動値を判定すれば、早く正確に判定ができる。判定手段として圧力変動の値に応じて、直接に積算カウンタ１５に積算するかどうかを判定するものや、あるいは前述の変動基準設定値を変更したり、判定個数を変更することなどができる。

（実施の形態４）
図１０は本発明の他の実施の形態を示すもので、積算カウンタ１５とは別の補助カウンタ１９を有するものである。流量変動値の値が大きくて流量有の判定ができず、積算カウンタ１５に積算できなかった流量値は、補助カウンタ１９に加算される。この補助カウンタ１９の積算値は、実際の流量がゼロで流量変動のばらつきによって流量値がある場合には、計測区間の長い第２計測区間を取れば、プラスとマイナスが収束して、平均値が流量ゼロ付近に収束するので補助カウンタ１９の積算値はゼロに近づく。また流量が発生していて流量変動が重畳して流量有が判定できなかった流量は、計測区間の長い第２計測区間を取ることによって流量変動分が収束してゼロになり、発生した流量分の積算値が補助カウンタ１９に残るので、補助カウンタ１９の値が、第２計測区間内で所定値以上であれば積算カウンタ１５へ編入させ、所定値以上の値に達しなかった流量値は流量ゼロとして扱う。

（実施の形態５）
図１１は本発明の他の実施の形態を示すもので、計測区間または第２計測区間を変更するものである。より精密な積算値を得るには、計測区間を長くして平均化を十分に行うことで達成できる。計測範囲が広くなると微小流量を積算することが要求される場合に有効である。このことはガスメータにおいては発熱量の異なるＬＰガスにおいて顕著である。すなわちＬＰガスは天然ガスに比べ発熱量が高いため、より微小流量まで正確に積算する必要があり、計測区間を延長することで対応が可能である。

また流量変動値が大きければ計測区間を延長して、多くの流量値から移動平均、加重平均といった手法を用いて平均化を行うことができ、不要な変動を除去して正確な積算流量値を求めることができる。

本発明の流速または流体の流れ計測装置は、圧力変動が発生しても広範囲の流量を正確に積算できるので、ガスや水道などの計量メータや、産業用プラントや実験設備における流量計などの計測器にも適用できる。

本発明の実施の形態１における流体の流れ計測装置のブロック図 本発明の実施の形態１における流体の流れ計測装置の流量特性図 本発明の実施の形態１における流体の流れ計測装置の流量特性図 本発明の実施の形態１における流体の流れ計測装置の流量特性図 本発明の実施の形態２における流体の流れ計測装置の流量特性図 本発明の実施の形態２における流体の流れ計測装置の流量特性図 本発明の実施の形態２における流体の流れ計測装置の流量特性図 本発明の実施の形態２における流体の流れ計測装置の流量特性図 本発明の実施の形態３における流体の流れ計測装置のブロック図 本発明の実施の形態４における流体の流れ計測装置のブロック図 本発明の実施の形態５における流体の流れ計測装置の流量特性図 従来の流体の流れ計測装置のブロック図

符号の説明

７ 流路
８ａ、８ｂ 送受信器
１４ 流体検出手段
１５ 積算カウンタ
１６ 流量平均化手段
１７ 流量変動算出手段
１８ 圧力検出手段
１９ 補助カウンタ

Claims (5)

1. 流路の流速およびまたは流量を検出する流体検出手段と、前記流体検出手段の値を積算する積算カウンタと、計測時間または計測回数毎に定められた計測区間において前記流体検出手段で検出された値を平均して平均値を求める流量平均化手段と、流量の変化度合いを示す流量変動値を算出する流量変動算出手段と、を備え、前記流量平均化手段と流量変動算出手段の値に基づいて前記積算カウンタへの積算方法を変更する流体の流れ計測装置において、
   前記流量変動算出手段が算出する流量変動値は、前記計測区間のあらかじめ定められた変動基準設定値の範囲外の流量値の個数であり、前記計測区間の流量平均値が正のとき、前記変動基準設定値は前記流量平均値より所定値低く設定した流体の流れ計測装置。
2. 前記変動基準設定値が負の値である請求項１記載の流体の流れ計測装置。
3. 流路の流速およびまたは流量を検出する流体検出手段と、前記流体検出手段の値を積算する積算カウンタと、計測時間または計測回数毎に定められた計測区間において前記流体検出手段で検出された値を平均して平均値を求める流量平均化手段と、流量の変化度合いを示す流量変動値を算出する流量変動算出手段と、を備え、前記流量平均化手段と流量変動算出手段の値に基づいて前記積算カウンタへの積算方法を変更する流体の流れ計測装置において、
   前記流量変動算出手段が算出する流量変動値は、前記計測区間のあらかじめ定められた変動基準設定値の範囲外の流量値の個数であり、前記計測区間の流量平均値が負のとき、前記変動基準設定値は前記流量平均値より所定値高く設定した流体の流れ計測装置。
4. 前記変動基準設定値が正の値である請求項３記載の流体の流れ計測装置。
5. 前記流量平均化手段の値によって流量値の判定個数を変更する請求項１〜４いずれか１項記載の流体の流れ計測装置。

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