JP5231842B2 - 流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流路を流れる流体の流れに周期的な変動を発生させる発生体と、
センサ部と前記流路との間に設けられ、前記流路から流体を前記センサ部に導入して前記発生体により発生される前記周期的な変動を前記センサ部に伝播させる導入路と、
前記センサ部に導入された流体に接触して、前記周期的な変動を検出するセンサとを備え、前記センサにより経時的に検出される波形信号から前記流路を流れる流体の流量を求める流量計に関する。

このような流量計として所謂渦式流量計が知られている。
渦式流量計は、流路を横断する形態で渦発生体（本願の発生体に相当）を配設し、流路を流れる流体の流れにカルマン渦列を発生させて、その流れに周期的な変動を発生させる。この渦発生体の内部には、左右一対の圧力導入路（本願の導入路に相当）が備えられ、
発生体の両側を流れる流体を、サーミスタ式、或いは圧電式のセンサが備えられるセンサ部に導入する。これら一対の導入路には、上記のカルマン渦の発生により内部の流体の圧力の差圧が生じるため、前記センサで、この差圧を検出することができる。即ち、渦発生体により発生される周期的な流れの変動をセンサ部に伝播させて、その変動をセンサで検出することができる。ここで、周期的な流れの変動周期は良く知られているように、流路を流れる流量と一定の関係となるため、センサにより経時的に検出される波形信号から流路を流れる流体の流量を求めることができる。

このような流量計にあっては、流体が例えば都市ガス等である気体である場合、その流体にミスト（液体）やダスト（固体）が含まれている場合があり、これらミストやダストが流量計内に侵入する場合があり、流量計に異常が認められる場合は、従来、流量計の分解を行ったうえで、直接目視確認を行って、その異常個所を特定し、流量計の機能回復が図られていた。このような手法を採用すると、分解には当該メータの稼動停止を伴い、また、分解自体に際しても、ガス管の閉止や減圧、昇圧、パージ等の一連の作業が発生し、手間・時間を要していた。

流量計の異常を自動的に検知する技術として、特許文献１には、測定された流速の２乗と流速信号レベルとの比により、隙間の詰まりを判定する技術が示されている。この技術では、センサは流体に直接接触する露出部を備えていない。

特開平０６−２０７８４０号公報

この特許文献１に開示の技術は、管路に設けられたノズルと、該ノズルに隙間を保って挿入された剛性の高い柱状の受力体と、該受力体の一端側に軸方向に設けられた凹部と、該凹部に挿入固定された圧電素子とを具備し、カルマン渦により受力体に作用する交番力を検出して流量を測定する渦流量計に適用できる技術ではある。しかしながら、センサ部に使用されるセンサとして、センサの感応部が流体に直接接触するような、例えば、サーミスタ式、或いは圧電式のセンサを使用する場合の固有の異常に対して、適用できない。また、この文献に開示の技術は、流量計の正常・異常の判定は行えるものの、その要因まで特定できるものではない。

従って、本発明の目的は、センサ部においてセンサの一部が露出する構成の流量計にあって、正常・異常を判定できるとともに、さらには、その異常要因の推定を行うことができる流量計を得ることにある。

上記目的を達成するための本発明に係る、
流路を流れる流体の流れに周期的な変動を発生させる発生体と、
センサ部と前記流路との間に設けられ、前記流路から流体を前記センサ部に導入して前記発生体により発生される前記周期的な変動を前記センサ部に伝播させる導入路と、
前記センサ部に導入された流体に接触して、前記周期的な変動を検出するセンサとを備え、
前記センサにより経時的に検出される波形信号から前記流路を流れる流体の流量を求める流量計の特徴構成は、
前記波形信号の周波数を経時的に測定する周波数測定部と、
前記波形信号のピーク値を経時的に測定するピーク値測定部とを備え、
前記周波数測定部により経時的に測定される判定対象周波数、前記ピーク値測定部により経時的に測定される判定対象ピーク値、或いはそれら両方に基づいて、流量計の正常・異常を判定する判定部を備えたことにある。

この特徴構成を有する流量計は、周波数測定部及びピーク値測定部を備え、これら測定部により発生体により流れに形成される周期的変動の周波数及びピーク値を経時的に測定する。ここで、ピーク値は周期的変動を経時的な波形信号として得た場合の極値を意味し、ピーク値としては、極値の絶対値、極大値のみに注目する場合の正のピーク値、極小値のみに注目する場合の負のピーク値を、ピーク値とすることができる。

本願のようなセンサ部にセンサの一部が露出される、あるいは導入路を介して流路からセンサ部に流路を流れる流体が導入される構成の流量計にあっては、下記するように、その異常要因によって、周波数及びピーク値が独特のパターンを示すことを、発明者らは、鋭意確認した。従って、周波数とピーク値の確認で、容易に流量計の正常・異常の判定が可能となるとともに、その原因まで特定することができるようになった。

結果、流量計を分解することなく、清掃が必要な箇所が特定できるようになった。このように分解が不要なため、例えばガスの供給中にも、流量計が稼動されている状態で、正常・異常の判定が行えるようになった。従って、流量計をその使用状態で点検できるため、例えば、流量計のメンテナンスの時期を調整する等のスケジュール調整が不要となった。また、分解せずとも、清浄が必要な箇所を有る程度特定できるため、メンテナンスに要する時間を大幅に短縮できる。

さて、判定部における判定において、ピーク値に経時的な変動がない場合に、センサが流体と接触する露出部に異物が付着している可能性があると判定することができる。
一般に流体が正常な状態で流れている場合は、ある程度のゆらぎが観測されるが、ピーク値に経時的な変動がない場合は、センサが何らかの要因で異常振動を起こしているものと見ることができる。さらに、発明者らの検討では、センサの露出部に異物が付着している場合に、このような現象が見られることが確認できた。そこで、以上のように判定することができる。

さて、判定部が、
判定対象周波数の値と正常状態で観測される周波数である正常周波数の値との関係、及び、判定対象ピーク値の経時的変動状態と正常状態で観測されるピーク値である正常ピーク値の経時的変動状態との関係に基づいて、流量計の正常・異常を判定することが好ましい。

周波数とピーク値とに関して、正常状態での正常周波数の値、ピーク値の経時的変動状態を予め得ておいて、これら情報と判定対象の波形信号との周波数、ピーク値を比較することで、正常・異常を判定することができる。
発明者らの検討によれば、周波数に関しては、正常な状態では、大きな変動は発生しない。これに対して、導入路に液体が侵入した場合は、流量検出において基礎となる周波数に対して、遥かに長い周期の周期的ではあるものの規則性の低い乱れが現れる。一方、ピーク値に関しては、正常な状態ではゆらぎ程度の変動を有し、少なくとも流量パルス信号を導出できる程度のピーク値が得られる。これに対して、異常が発生している場合、上述のようにゆらぎ程度の変動すら認められなかったり、規則性の低い状態で、ピーク値の低下域が発生したり、完全に流量パルス信号を得ることができない状態が発生する。結果、これらの状況を把握することで、異常を判定することができる。

さて、流体が気体であり、判定対象周波数が正常な範囲にあり、ピーク値に周期的な低下がある場合に、判定部が、導入路に液体が侵入している可能性があると判定することができる。
導入路に液体が侵入することで、このような現象が発生するためである。

また、流体が気体であり、判定対象周波数が正常な範囲にあり、ピーク値に定常的な低下がある場合に、判定部が、導入路に固体が侵入している可能性があると判定することができる。
導入路に固体が侵入することで、このような現象が発生するためである。

さて、これまで説明してきた判定部の構成として、前記周波数測定部により経時的に測定される判定対象周波数と正常状態で経時的に測定される正常周波数との関係、及び、前記ピーク値測定部により経時的に測定される判定対象ピーク値と正常状態で経時的に測定される正常ピーク値との関係に基づいて、流量計の正常・異常を判定する構成を採用する場合に、正常状態の正常周波数或いは正常ピーク値を、学習する学習機能を備えることが、好ましい。

流量計は様々な環境で使用される。そこで、流量計を有る期間働かせて、正常に流量を計測している状況において、周波数の値の分布、その変動形態、ピーク値の分布、その変動形態を学習しておく。そして、学習を終えた以降、学習された正常な周波数の状態、或いは、ピーク値の状態から外れる場合に、異常と判定することで、容易に流量計の正常・異常を判定することができる。さらに、このような判定に加えて、これまで説明してきた異常要因を特定できるようにしておけば、より使用勝手のよい流量計となる。

さて、これまで説明してきた流量計に、判定部の判定結果を、外部に出力する出力部を備えることが好ましい。現場表示・通信出力等の外部出力可能とすることで、判定結果を得た作業者・部署は、流量計の状態を逐次知ることが可能となり、定期的な分解点検を省略し、判定部が異常と判定した異常発生時のみ、必要な作業を行うようにできる。

以下に、本願に係る流量計の構成に関して説明する。
この流量計１は、図１に示すように、測定対象の流体Ｇ（例えば都市ガス）が流れる流路２に挿入されて、その部位から波形信号を得るための測定機構部３と、この測定機構部３で得られた波形信号を処理して、流量情報、その他、流量計の正常・異常の判定結果である判定情報を得るための信号処理部４とを備えて構成されている。この信号処理部４は、得られた波形信号を所定の演算処理手順に従って処理するものであり、演算処理ソフトウェアが格納されたコンピュータから構成されている。以下、順に説明する。

測定機構部
測定機構部３は、従来型のものと変わりはなく、流路を横断する形態で配置される渦発生体５と、流路２から当該流路２を流れる流体Ｇを波形信号検出部６に導く圧力導入路７とを備えて構成されている。同図に示す例では、渦発生体５は、その断面形状が概略二等辺三角形の三角柱形状が採用されている。そして、二等辺三角形の底辺５ａが流れの上流側に、頂点５ｂが流れの下流側に位置するように配設される。

圧力導入路７は、流れ方向に沿って設けられる第一圧力導入路７ａと、渦発生体５内に、その一部が形成される左右一対の第二圧力導入路７ｂから構成されている。第二圧力導入路７ｂは、渦発生体５の左右一対の側辺部５ｃ（底辺と頂点を接続する辺となる面）に左右対称に開口して形成されており、渦発生体５の上部側に位置される波形信号検出部６で、一対の第二圧力導入路７ｂが対向して連通接続する構成とされている。結果、この第二圧力導入路７ｂを介して、波形信号検出部６に、渦発生体５の左右側面間で発生する流体の差圧が、伝播する。

波形信号検出部６には、圧電式の圧力センサ１０が、その感圧面１０ａが波形信号検出部６に導かれた流体Ｇに接触するように配設されている。このようなセンサとしては、サーミスタ式のセンサを採用してもよい。要するに、この部位に配設されるセンサとしては、流体Ｇと接触する部位を有し、渦発生体５の存在に起因して発生する流れの周期的な変動を、波形信号検出部６で検出できるものであればよい。

信号処理部
この信号処理部４における処理は、２系統に分かれる。一の系統は、流量計自体が本来有する機能である流量を演算導出する系統であり、他の系統は、先に説明した測定機構部３内に発生している可能性がある異常の判定を行う系統である。

流量演算処理系統
この系統は、図１にも示すように波形信号処理部１１、流量演算処理部１２から構成されている。波形信号処理部１１では、図２（ａ）或いは図４（ａ）の上側に示される波形信号（渦周波数信号とも呼ばれる）を、同図下側に示される流量パルス信号に変換処理する。この流量パルス信号において、所定時間内のパルス数を計数することで、この渦発生体５により発生される渦列の発生周波数を検知することができる。この周波数信号は、他の系統側へも送られて、測定に利用される。ただし、圧電式の圧力センサ１０にバイアスが印加されている場合には、その基準電圧に対する電圧変動の波形信号となる。

流量演算処理部１２には、渦列の発生周波数と、その発生周波数で流体の流れが変動している状態において流路を流れている流体の流量との関係を記憶した関係指標が記憶されており、波形信号処理部１１で検知された発生周波数から瞬時流量を演算する。さらに、この瞬時流量に流路断面積を乗算することで、その時点で流路を流れる流量を演算する。このようにして得られる流量を、流体使用量の積算基準となる使用量測定開始時から積算することにより、流体の総使用量を得るように構成されている。このようにして得られる総使用量は、適宜、出力部１３からセンター１６に出力される。

異常判定系統
この系統は、図１にも示すように、波形信号からその波形信号の周波数及びピーク電圧を測定する測定部１４、測定部１４で得られた周波数及びピーク電圧から、流量計の正常・異常を判定する判定部１５から構成されている。
測定部１４には、周波数測定部１４ａとピーク電圧測定部１４ｂ（ピーク値測定部に相当）とを備えて構成されている。周波数測定部１４ａは、得られる波形信号の経時的な周波数を測定する。この周波数の測定単位時間は、数十秒程度であり、周波数の値自体とその変動状態が測定の対象となる。ピーク電圧測定部１４ｂは、得られる波形信号の経時的なピーク電圧を測定する。このピーク電圧は、例えば、波形信号の振幅最大値を順次取り込むことで測定することができる。ピーク電圧としては、その値自体及びその変動状態が測定の対象となる。

判定部１５は、周波数測定部１４ａにより経時的に測定される判定対象周波数、ピーク電圧測定部１４ｂにより経時的に測定される判定対象ピーク電圧（判定対象ピーク値に相当）値に基づいて、流量計１の正常・異常を判定する。以下、具体的な異常の状況と、その判定手法を図面に基づいて説明する。

１ センサへの異物付着異常
本願に係る流量計１では、これまでも説明したようにセンサ１０の感圧部１０ａに流体Ｇが接触する構造が採用されている。結果、このセンサ１０の露出部である感圧部１０ａに異物（ミスト・ダスト等）が付着する場合がある。このような場合の例として、センサの感圧部１０ａに水が付着した場合に得られる波形信号を示したのが、図３である。図３において、（ａ）は水が付着していない正常な状況の信号を、（ｂ）は水が付着した場合の信号を示している。
両者の比較から判明するように、正常な場合は、周波数及びピーク電圧にともに変動（ゆらぎ）が認められる。ここで、ピーク電圧の変動は明確に認められる。これに対して、水が付着した場合は、一定周波数、一定ピーク電圧の波形信号となっている。
そこで、判定部１５の第１判定部１５ａでは、ピーク電圧に経時的な変動がない場合に、センサ１０が流体Ｇと接触する露出部１０ａに異物が付着している可能性があると判定する。

２ 導入路への異物混入異常
この状態の異常は、本願の場合、導入路７への液体の混入異常と導入路７への固体の混入異常に分けて判定することができる。以下の説明では、正常状態で得られる波形信号の他、対応する流量パルス信号をも示して説明する。

２−１ 導入路への液体混入
このような場合の例として、導入路７に油が侵入した場合に得られる波形信号及び流量パルス信号を示したのが、図２である。図２において、（ａ）は油が侵入していない正常な状況の信号を、（ｂ）は油が侵入した場合の信号を示している。（ａ）（ｂ）とも、上側に波形信号を、下側に流量パルス信号を示している。
両者の比較から判明するように、正常な場合は、周波数及びピーク電圧にともに変動が認められるものの、小さな変動状態に収まっている。ここで、ピーク電圧の大きな変動は認められない。これに対して、侵入した場合は、ピーク電圧の大きな低下が認められる時期が周期的に発生している。従って、一定期間の流量パルス信号の飛びが発生している。
そこで、判定部１５の第２判定部１５ｂは、判定対象周波数が正常な範囲にあり、ピーク電圧に周期的な低下がある場合に、導入路に液体が侵入している可能性があると判定する。

２−２ 導入路への固体混入
このような場合の例として、導入路７に固体が侵入した場合に得られる波形信号及び流量パルス信号を示したのが、図４である。図４において、（ａ）はダスト（固体）が侵入していない正常な状況の信号を、（ｂ）はダストが侵入した場合の信号を示している。（ａ）（ｂ）とも、上側に波形信号を、下側に流量パルス信号を示している。
両者の比較から判明するように、正常な場合は、周波数及びピーク電圧にともに変動が認められるものの、小さな変動状態に収まっている。ここで、ピーク電圧の大きな変動は認められない。これに対して、侵入した場合は、定常的なピーク電圧の大きな低下が認められる。即ち、全く流量パルス信号は得られない。
そこで、判定部１５の第３判定部１５ｃは、判定対象周波数が正常な範囲にあり、ピーク電圧に定常的な低下がある場合に、導入路に固体が侵入している可能性があると判定する。
このようにして得られる判定結果は、適宜、出力部から出力される。

出力部
出力部１３は、総使用量及び判定結果を受け取ると、判定結果を現場表示したり、適宜、流量計１の管理者であるセンター１６側へ総使用量及び判定結果を通信回線を通じて出力する。ここで、総使用量は、例えば、月末毎に、センター１６側へ出力される。一方、判定結果に関しては、異常と判定された時点で、その情報がセンター側に出力される。

〔別実施の形態〕
（１） 本願にあっては、得られる波形信号から、その周波数情報、ピーク値情報に基づいて流量計の正常・異常を判定するが、その判定において、判定対象周波数の値と正常状態で観測される周波数である正常周波数の値との関係、及び、判定対象ピーク値の経時的変動状態と正常状態で観測されるピーク値である正常ピーク値の経時的変動状態との関係に基づいて、流量計の正常・異常を判定するようにしてもよい。
（２） 本願にあっては、判定部における判定において、所定の閾値処理を適用することとなるが、周波数測定部により経時的に測定される判定対象周波数と正常状態で経時的に測定される正常周波数との関係、及び、前記ピーク値測定部により経時的に測定される判定対象ピーク値と正常状態で経時的に測定される正常ピーク値との関係に基づいて、流量計の正常・異常を判定する場合に、この場合に使用する正常状態の正常周波数或いは正常ピーク値を、予め正常な状態で作動している状態で学習するように、流量計に学習機能を備えておいてもよい。

センサ部にセンサの一部が露出する構成の流量計にあって、正常・異常を判定できるとともに、さらには、その異常要因の推定を行うことができる流量計を得ることができた。

流量計の構成を示す説明図 導入路に液体が侵入していない正常状態と、液体が侵入した異常状態の信号形態の説明図 センサに液体が付着した異常状態の信号形態の説明図 導入路に固体が侵入していない正常状態と、液体が侵入した異常状態の信号形態の説明図

符号の説明

１：流量計
２：流路
３：測定機構部
４：信号処理部
５：渦発生体（発生体）
６：波形信号検出部（センサ部）
７：導入路
１０：感圧センサ（センサ）
１１：波形信号処理部
１２：流量演算処理部
１３：出力部
１４：測定部
１４ａ：周波数測定部
１４ｂ：ピーク電圧測定部（ピーク値測定手段）
１５：判定部
１６：センター

Claims (6)

1. 流路を流れる流体の流れに周期的な変動を発生させる発生体と、
   センサ部と前記流路との間に設けられ、前記流路から流体を前記センサ部に導入して前記発生体により発生される前記周期的な変動を前記センサ部に伝播させる導入路と、
   前記センサ部に導入された流体に接触して、前記周期的な変動を検出するセンサとを備え、
   前記センサにより経時的に検出される波形信号から前記流路を流れる流体の流量を求める流量計であって、
   前記波形信号の周波数を経時的に測定する周波数測定部と、
   前記波形信号のピーク値を経時的に測定するピーク値測定部とを備え、
   前記周波数測定部により経時的に測定される判定対象周波数、前記ピーク値測定部により経時的に測定される判定対象ピーク値、或いはそれら両方に基づいて、流量計の正常・異常を判定する判定部を備え、
   前記ピーク値に経時的な変動がない場合に、前記判定部が、前記センサが流体と接触する露出部に異物が付着している可能性があると判定する流量計。
2. 流路を流れる流体の流れに周期的な変動を発生させる発生体と、
   センサ部と前記流路との間に設けられ、前記流路から流体を前記センサ部に導入して前記発生体により発生される前記周期的な変動を前記センサ部に伝播させる導入路と、
   前記センサ部に導入された流体に接触して、前記周期的な変動を検出するセンサとを備え、
   前記センサにより経時的に検出される波形信号から前記流路を流れる流体の流量を求める流量計であって、
   前記波形信号の周波数を経時的に測定する周波数測定部と、
   前記波形信号のピーク値を経時的に測定するピーク値測定部とを備え、
   前記周波数測定部により経時的に測定される判定対象周波数、前記ピーク値測定部により経時的に測定される判定対象ピーク値、或いはそれら両方に基づいて、流量計の正常・異常を判定する判定部を備え、
   前記判定部が、
   前記判定対象周波数の値と正常状態で観測される周波数である正常周波数の値との関係、及び、前記判定対象ピーク値の経時的変動状態と正常状態で観測されるピーク値である正常ピーク値の経時的変動状態との関係に基づいて、流量計の正常・異常を判定する流量計。
3. 流路を流れる流体の流れに周期的な変動を発生させる発生体と、
   センサ部と前記流路との間に設けられ、前記流路から流体を前記センサ部に導入して前記発生体により発生される前記周期的な変動を前記センサ部に伝播させる導入路と、
   前記センサ部に導入された流体に接触して、前記周期的な変動を検出するセンサとを備え、
   前記センサにより経時的に検出される波形信号から前記流路を流れる流体の流量を求める流量計であって、
   前記波形信号の周波数を経時的に測定する周波数測定部と、
   前記波形信号のピーク値を経時的に測定するピーク値測定部とを備え、
   前記周波数測定部により経時的に測定される判定対象周波数、前記ピーク値測定部により経時的に測定される判定対象ピーク値、或いはそれら両方に基づいて、流量計の正常・異常を判定する判定部を備え、
   前記流体が気体であり、
   前記判定対象周波数が正常な範囲にあり、前記ピーク値に周期的な低下がある場合に前記判定部が、前記導入路に液体が侵入している可能性があると判定する流量計。
4. 流路を流れる流体の流れに周期的な変動を発生させる発生体と、
   センサ部と前記流路との間に設けられ、前記流路から流体を前記センサ部に導入して前記発生体により発生される前記周期的な変動を前記センサ部に伝播させる導入路と、
   前記センサ部に導入された流体に接触して、前記周期的な変動を検出するセンサとを備え、
   前記センサにより経時的に検出される波形信号から前記流路を流れる流体の流量を求める流量計であって、
   前記波形信号の周波数を経時的に測定する周波数測定部と、
   前記波形信号のピーク値を経時的に測定するピーク値測定部とを備え、
   前記周波数測定部により経時的に測定される判定対象周波数、前記ピーク値測定部により経時的に測定される判定対象ピーク値、或いはそれら両方に基づいて、流量計の正常・異常を判定する判定部を備え、
   前記流体が気体であり、
   前記判定対象周波数が正常な範囲にあり、前記ピーク値に定常的な低下がある場合に前記判定部が、前記導入路に固体が侵入している可能性があると判定する流量計。
5. 前記判定部が、
   前記周波数測定部により経時的に測定される判定対象周波数と正常状態で経時的に測定される正常周波数との関係、及び、前記ピーク値測定部により経時的に測定される判定対象ピーク値と正常状態で経時的に測定される正常ピーク値との関係に基づいて、流量計の正常・異常を判定する構成で、
   前記正常状態の正常周波数或いは正常ピーク値を、学習する学習機能を備えた請求項２〜４の何れか一項記載の流量計。
6. 前記判定部の判定結果を、外部に出力する出力部を備えた請求項１〜５の何れか一項記載の流量計。

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