(57)【要約】【課題】本発明は、簡易な構成で配管に容易に設置できるパッシブ型流量推定の特徴はそのままに、設置条件や配管状態の影響で精度を落とすことなく流量を検出する技術を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る加圧配管システムは、圧力変動が大きい第１箇所と圧力変動がほぼない第２箇所にそれぞれ振動センサを設置し、各センサがそれぞれ異なる２つの時刻において振動を測定した結果にしたがって、流体流量を計測する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧器、
前記加圧器から送られた流体を流すための配管、
前記配管に設置され、前記配管の振動をセンシングするための２つ以上のセンサ、
前記センサからの信号を処理する処理装置、
を備え、
前記センサは、第１箇所と第２箇所に設置されており、
前記第１箇所は、第１圧損部品の出口または入口であり、
前記第２箇所は、第２圧損部品の出口または入口であり、
前記第１圧損部品の入口における前記流体の圧力変動は、前記第２圧損部品の入口における前記流体の圧力変動よりも大きく、
前記処理装置は、２つ以上の異なる時刻において前記センサの出力信号を計測し、前記出力信号に基づいて前記配管の内部における前記流体の流量を推定し、その流量値を出力する
ことを特徴とする加圧配管システム。
【請求項２】
前記加圧器は空気圧縮機であり、前記配管を流れる前記流体は圧縮空気である
ことを特徴とする請求項１記載の加圧配管システム。
【請求項３】
前記加圧器はポンプであり、前記配管を流れる前記流体は液体である
ことを特徴とする請求項１記載の加圧配管システム。
【請求項４】
前記処理装置は、前記時刻における、前記第１箇所に設置された前記センサの信号に基づく計測値を用いて、データベースに保存されたルックアップテーブルを参照することにより、前記配管の内部における前記流体の流量を推定する
ことを特徴とする請求項１記載の加圧配管システム。
【請求項５】
前記処理装置は、前記２つ以上の異なる時刻における、前記第１箇所に設置された前記センサの信号に基づく計測値の傾きに基づいて、前記配管の内部における前記流体の流量を推定する
ことを特徴とする請求項１記載の加圧配管システム。
【請求項６】
前記処理装置は、前記第２箇所に設置された前記センサの少なくとも２つの時刻における計測値が変化しない場合において、前記配管の内部における前記流体の流量を推定する
ことを特徴とする請求項１記載の加圧配管システム。
【請求項７】
前記センサは、電力、電流、または電圧を計測値として出力する
ことを特徴とする請求項１記載の加圧配管システム。
【請求項８】
前記処理装置はさらに、前記２つ以上の異なる時刻を設定するために用いる設定画面を表示する表示装置を備える
ことを特徴とする請求項１記載の加圧配管システム。
【請求項９】
前記処理装置はさらに、前記加圧器の運転状態を提示するインタフェイスを備え、
前記２つ以上の異なる時刻のうちの１つである第１時刻は、前記加圧器がＯＦＦからＯＮになる時刻よりも後の時刻であり、
前記２つ以上の異なる時刻のうち別の１つである第２時刻は、前記第１時刻よりも後の時刻である
ことを特徴とする請求項１記載の加圧配管システム。
【請求項１０】
加圧器、
前記加圧器から送られた流体を流すための配管、
前記配管に設置され、前記配管の振動をセンシングするための２以上のセンサ、
前記センサからの信号を処理する処理装置、
を備え、
前記加圧器は空気圧縮機であり、
前記流体は圧縮空気であり、
前記センサは、第１箇所と第２箇所に設置されており、
前記第１箇所は、第１圧損部品の出口または入口であり、
前記第２箇所は、第２圧損部品の出口または入口であり、
前記第１圧損部品の入口における前記流体の圧力変動は、前記第２圧損部品の入口における前記流体の圧力変動よりも大きく、
前記処理装置は、１以上の異なる時刻において前記センサの出力信号を計測し、前記出力信号に基づいて前記配管の内部における前記流体の流量を推定し、その流量値を出力する
ことを特徴とする加圧配管システム。
【請求項１１】
加圧器、
前記加圧器から送られた流体を流すための配管、
前記配管に設置され、前記配管の振動をセンシングするための２以上のセンサ、
前記センサからの信号を処理する処理装置、
を備え、
前記センサは、第１箇所と第２箇所に設置されており、
前記第１箇所は、第１圧損部品の出口または入口であり、
前記第２箇所は、第２圧損部品の出口または入口であり、
前記第１圧損部品の入口における前記流体の圧力変動は、前記第２圧損部品の入口における前記流体の圧力変動よりも大きく、
前記処理装置は、２つ以上の異なる時刻において前記センサの出力信号を計測し、
前記処理装置は、前記２つ以上の異なる時刻における前記第１圧損部品に設置された前記センサの出力信号に基づく計測値の傾きに基づいて、前記配管の内部における前記流体の流量を推定し、
前記処理装置は、前記第２圧損部品に設置された前記センサの前記２つ以上の異なる時刻における計測値が一定の場合のみ、前記配管の内部における前記流体の流量を推定する
ことを特徴とする加圧配管システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管の外側から流体の流量を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
工場内の装置制御の高度化（スマート化）の一環として、エネルギーセンシングの需要が近年高まっている。特に工場にはガス、蒸気など多種類の流体の配管が張り巡らされており、エネルギーの効率的利用や配管のメンテナンスコスト低減の観点から、これら配管の流体を高精度に計測する技術が必要とされている。
【０００３】
一般に配管内の流体流量を計測する際には、流量計を付加した配管部品を経路となる配管の一部に挿入する。この方法は流体とセンサが直接接触するので、確実な検量が可能である。しかし配管を新設する場合はともかく、既設配管網を切断して新規部品を挿入することが必要であり、さらに工事中は流体を送ることができない。この方法は工場設備によってはかならずしも最適な手段とはいえない。
【０００４】
そこで、配管を加工せずに配管の外から流量を検出する技術が開発された。ひとつはアクティブ型と呼ばれるものである。この技術は、２台の超音波トランスジューサ、超音波の送受信回路、信号処理回路、表示出力回路、などで構成される。２台の超音波トランスジューサは、ガス種類、配管外径、配管肉厚などから決まる一定の距離（数センチメートル）を離して配置し、配管外周部に接触させた状態となるように設置する。２台の超音波トランスジューサ間で５００ｋＨｚや１ＭＨｚといった周波数の超音波を送受信し、信号処理により超音波の伝搬時間の差を検出し、その時間差を流速または流量に変換する。
【０００５】
下記特許文献１は、配管と流体の相互作用で発生する振動を直接計測するいわゆるパッシブ型の流量計測方法について記載している。この方法は、流体の移動によって生じる配管の振動のエネルギーの大きさが流量と相関があることを利用して、流量を計測するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１８−１１５８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のアクティブ型流量計測は、配管と流体間における音響インピーダンス差の影響を受けやすいので、測定対象となる流体の種類が限られる。特に空気のような流体と、鋼鉄のような配管材料のように、配管と流体の音響インピーダンスが互いに大きく異なる組み合わせにおいては、超音波は配管と流体の間を伝達する際に大きく減衰する。したがって流量を精度よく計測するためには、高出力なトランスジューサや、センサと配管を厳密な条件で密着させるためのジグが必要である。結果として、装置が非常に高価になるもしくは気体を流体測定対象から外す必要がある。
【０００８】
従来のパッシブ型流量計測において、振動と流量の相関関係から得られる情報は、流量の相対量である。この手法においては、配管網に設置された最低限の流量計（たとえば圧縮機の出口）によって得た流量と、枝配管に配置された多数のセンサによって得た個々の振動との間の相関をあらかじめ計測しておき、動作中の各配管の計測値と事前測定した相関関係にしたがって流量を推定する。しかし、同手法においては、配管のどこにセンサを設置するかの基準がなく、漠然と“配管に設置した振動センサからの信号と流量に相関がある”といった見解にとどまっている。
【０００９】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で配管に容易に設置できるパッシブ型流量推定の特徴はそのままに、設置条件や配管状態の影響で精度を落とすことなく流量を検出する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る加圧配管システムは、圧力変動が大きい第１箇所と圧力変動がほぼない第２箇所にそれぞれ振動センサを設置し、各センサがそれぞれ異なる２つの時刻において振動を測定した結果にしたがって、流体流量を計測する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る加圧配管システムによれば、配管の外側に容易に設置できるセンサを用いて、流体の種別によらず、配管内部を流れる流体の流量を、精度よく計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態１に係る加圧配管システム１００の構成図である。
【図２】減圧弁１０５の下流配管のすぐ横に設置した振動センサの出力信号を帯域（２０ＫＨｚ〜３０ｋＨｚ）で制限して得た出力信号の平均電力値を示す。
【図３Ａ】統計的な手法（移動平均）を使って、図２のバラツキを２％程度まで軽減したものである。
【図３Ｂ】図２と同様にバルブ１０７に設置したセンサ１０６の出力信号の平均電力値をバラツキ２％程度まで平滑化したものである。
【図４】空気圧縮機１０１の出力圧力を示す。
【図５Ａ】減圧弁１０５における振動を示す。
【図５Ｂ】減圧弁１０５における振動を示す。
【図６Ａ】バルブやフィルタにおける流量とセンサ出力信号の関係を示す模式図である。
【図６Ｂ】減圧弁における流量とセンサ出力信号の関係を示す模式図である。
【図７Ａ】センサ１０４の出力信号Ｐの経時変化を示す図である。
【図７Ｂ】センサ１０６の出力信号Ｑの経時変化を示す図である。
【図８Ａ】係数αと流量Ｆの関係を表すグラフである。
【図８Ｂ】係数αと流量Ｆの関係を表すグラフである。
【図９Ａ】流量が急変したときにおけるセンサ１０６の出力信号Ｑの経時変化を例示するグラフである。
【図９Ｂ】流量が急変したときにおけるセンサ１０４の出力信号Ｐの経時変化を例示するグラフである。
【図１０Ａ】加圧配管システム１００のキャリブレーション工程において流量推定装置１１０が実施する動作を説明するフローチャートである。
【図１０Ｂ】加圧配管システム１００が稼働開始した後において、流量推定装置１１０が流量を推定する手順を説明するフローチャートである。
【図１１】実施形態２に係る加圧配管システム１００の構成図である。
【図１２】実施形態３に係る加圧配管システム１００の構成図である。
【図１３Ａ】時刻ｔ１における出力信号Ｐと時刻ｔ２における出力信号Ｐによって流量Ｆを定義するルックアップテーブルの例である。
【図１３Ｂ】ルックアップテーブルの別例である。
【図１３Ｃ】ルックアップテーブルの別例である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜実施の形態１：システム構成＞
図１は、本発明の実施形態１に係る加圧配管システム１００の構成図である。加圧配管システム１００は、１つの空気圧縮機１０１から複数の配管に分岐してそれぞれ負荷に対して空気を供給する。以下では同じ構成部品が複数存在する場合、添え字１〜Ｎなどを付与して各部品を区別する。同じ構成部品を総称する場合は添え字を省略する。
【００１４】
空気圧縮機１０１の出力をレシーバタンク１０２に接続し、バルブ１０３を経由して複数の配管に分岐する。各分岐配管は、減圧弁１０５とバルブ１０７を経て負荷装置１０８に接続される。それぞれの配管には、センサ１０４と１０６を設置する。各センサは振動レベルを検出するセンサである。センサ１０４は、減圧弁１０５の入口（空気圧縮機１０１に近い側、すなわち空気流入口、以下同様）に接しかつ配管外周に接する位置に設置される。センサ１０６は、バルブ１０７の入口に接しかつ配管外周に接する位置に設置される。データコンバータ１０９は各センサの出力信号をデジタルデータに変換し、流量推定装置１１０（処理装置）はそのデジタルデータを流量に変換する。流量推定装置１１０は、センサ１０４の出力信号とセンサ１０６の出力信号をそれぞれ、少なくとも異なる２つの時刻において取得し、得られた少なくとも４つの出力信号を用いて流体流量を推定する。詳細手順は後述する。
【００１５】
＜実施の形態１：従来の流量推定＞
一般に気体の移動にともなう振動は、気体と配管内壁面との間の摩擦によって生じるエネルギーの損失（圧損）の一部がもととなる。滑らかな内面の配管よりも摩擦の大きい内面をもつ配管のほうが、同じ流量の気体を流したとしてもより多くの圧損を持つ。気体の向きを変えるエルボ配管や分岐配管、気体のゴミを取り除くフィルタ、流量を調整するバルブのほうが、単純配管よりも圧損が高い。減圧弁などの圧力を調節する部位は、圧損生成自体がその機能となっているので、同様に圧損が高いといえる。
【００１６】
配管に振動センサを設置してパッシブに流量を推定する試みは、全てこの圧損を計測することによるものである。振動センサを取り付けるのに適した部位は当然、圧損の大きい部分となる。ただの配管内壁であっても摩擦により若干振動は発生するが、配管は圧損が少ないことが望ましいので大きな信号を得ることが難しい。一方で減圧弁のような圧力を変える部品は、圧損生成が目的であり、その信号レベルも大きいので、振動検出にもっとも適していると考えられる。したがって、振動計測による流量センシングは、減圧弁における振動を用いることが望ましいといえる。あるいは、減圧弁よりも圧損が小さいが、フィルタや配管途中のバルブも、振動計測による流量センシングに適しているといえる。
【００１７】
振動センサの出力信号の平均電力値は、流量の２乗に比例するとともに圧損自体にも比例する。このことを以下の式によって説明する。配管の摩擦と流量にともなう圧損（Δｐ）は下記式１が示すダルシーワイスバッハの関係式で表される。ρは気体の密度、λは部位の摩擦に起因する損失係数、Ｆは流量である。式２は、圧損と平均電力値の関係をしめす。Ｐはセンサの出力信号の電力である。体積、圧力は小文字ｖ、ｐで表現することとし、電圧Ｖ、出力信号の電力Ｐ、出力信号の電力Ｑと区別する。ｋはセンサとその設置状況を反映する比例定数である。
【００１８】
Δｐ（ρ、Ｆ）＝ρ×λ（Ｆ）×Ｆ２  （１）
Ａｖｅ｜Ｐ｜＝ｋ×Δｐ（ρ、Ｆ）＝Ｋ（ρ）×Ｆ  （２）
【００１９】
配管内面、フィルタ、バルブなどの損失係数は、その状態（壁面のさび、フィルタの詰まり、バルブのひねり角度、など）にしたがって変化するが、短期間で見ると同一であると考えられる。また配管内面やフィルタの場合、損失係数はレイノルド数の逆数であることが多い。レイノルド数は流量に比例するので、式１式全体として見ると、圧損Δｐは流量Ｆの１乗に対して比例する。エルボ管やバルブの損失係数はレイノルド数に依存しないので、圧損Δｐは流量Ｆの２乗に比例する。式２にしめすようにセンサの平均電力値は圧損に比例するので、気体密度ρに依存する比例係数Ｋと流量Ｆ（もしくはその２乗Ｆ２）の積の形に書くことができる。
【００２０】
＜実施の形態１：本発明における流量推定の原理＞
本願発明者は、以上説明した原則を前提としつつ、以下の知見を得るに至った。本発明に至る過程における模擬配管による実験評価において、流量配管の振動は、配管内を流れる流体の圧力が変化する部分で失ったエネルギ（圧損）の一部が元になっていることがあきらかになった。つまり、実際の配管でおきる振動は、バルブや減圧弁などの圧損部位における流量騒音を反映したものである。
【００２１】
この圧損は、一定流量であっても箇所によって時間方向に異なる傾向を持つことが想像される。例えば、減圧弁１０５（圧力に関するレギュレータ）のような圧力を一定に保つ機構が加圧配管システム２００内に存在する場合、減圧弁１０５を通る前は空気圧縮機１０１の動作によって流体圧力が変化するし、減圧弁１０５を通った後は流体圧力がほぼ一定となる。つまり圧損の大きさの時間的変化は、配管上の箇所に応じて異なる。したがって、単に振動の大きさ（もしくは振動センサの信号電力）と流量を対応付けて推定すると精度が著しく低下する恐れがある。また、減圧弁１０５以降の箇所などのように圧力が一定な箇所であっても、例えばフィルタを長時間にわたって使用していると、フィルタ通過時における圧損の度合いが経時的に変化する（経時劣化する）場合がある。この場合も同様の問題が生じる。
【００２２】
加圧配管システム１００は、空気圧縮機１０１の運転と非運転を繰り返す。空気圧縮機１０１はレシーバタンク１０２の入口の圧力を監視しておいて、所定の圧力になるまで圧縮動作を続け、この圧力に到達すると動作を停止する。負荷装置１０８における空気消費により圧力が低下し、所定の圧力を下回ると再度運転を開始する。すなわち、空気圧縮機１０１に近い配管内の圧力は、空気圧縮機１０１の動作に合わせて、さらには負荷消費にあわせて変化していることになる。一方、負荷装置１０８は所定（一定）圧力の空気を必要とするので、減圧弁１０５により圧力一定の空気を供給する。このことから、空気圧縮機１０１から減圧弁１０５にいたる配管においては、空気圧縮機１０１の動作に合わせて圧力が変化し、減圧弁１０５から負荷装置１０８にいたる配管においては、空気圧縮機１０１の動作に関わらず一定の圧力（もしくは負荷装置１０８の動作に支障がない程度に留まる変動範囲）となる。
【００２３】
減圧弁１０５の上記機能に鑑みると、減圧弁１０５における圧損Δｐは、流量Ｆには依存せずに入力圧力と設定圧力の差であるといえる。設定圧力は一定であるから、圧損Δｐは入力圧力ｐｉｎのみの関数といえる。すなわち減圧弁１０５における損失係数λは、入力圧力ｐｉｎの関数である。また圧損Δｐは流量Ｆに影響されないので、損失係数λはあとに続く流量Ｆの項をキャンセルする関数ともいえる。したがって減圧弁１０５における損失係数λは、入力圧力ｐｉｎと流量Ｆの関数であるといえる。すなわち下記式３が成立する。
【００２４】
Δｐ（ｐｉｎ）＝λ（ｐｉｎ，Ｆ）×Ｆ２  （３）
【００２５】
さらに本願発明者は、圧損が一定にもかかわらず、センサ１０４の出力信号の平均電力が流量Ｆの２乗に比例することを見出した。すなわち下記式４が成立する。つまり、入力圧力ｐｉｎに依存する比例係数Ｋと流量の２乗Ｆ２の積の形に書くことができる。
【００２６】
Ａｖｅ｜Ｐ｜＝ｋ×Δｐ（ｐｉｎ）×Ｆ２  ＝Ｋ（ｐｉｎ）×Ｆ２  （４）
【００２７】
図２は、減圧弁１０５の下流配管のすぐ横に設置した振動センサの出力信号を帯域（２０ＫＨｚ〜３０ｋＨｚ）で制限して得た出力信号の電力値を示す。各プロットは約６ｍｓの平均電力を求めたものであり、流量を５通り変えて計測した。各流量において、１σ＝１０％程度のバラツキがあるが、これは乱流による音源の振動によるものであり、幅広い周波数成分を持つ。
【００２８】
図３Ａは、統計的な手法（移動平均）を使って、図２のバラツキを２％程度まで軽減したものである。図３Ａは図２と同じ減圧弁１０５に設置したセンサ１０４の出力信号を示す。センサ１０４の出力信号は、時間とともに減少する傾向が見られる。これは後述する空気圧縮機１０１の出力に連動したものである。
【００２９】
図３Ｂは、図２と同様にバルブ１０７に設置したセンサ１０６の出力信号の平均電力値をバラツキ２％程度まで平滑化したものである。センサ１０６の出力信号の平均電力は、流量に応じて異なることが分かる。ただし減圧弁１０５を通過した後なので、経時変化はほぼないことも分かる。
【００３０】
図４は、空気圧縮機１０１の出力圧力を示す。空気圧縮機１０１は、稼働状態と停止状態を繰り返すので、出力圧力は増減する。図３Ａの経時変化は、空気圧縮機１０１の出力圧力の経時変化と同じ傾向を有することが分かる。
【００３１】
図５Ａは、減圧弁１０５における振動を示す。縦軸は空気圧縮機１０１の出力圧力である。横軸はセンサ１０４の出力信号の平均電力である。減圧弁１０５の設定圧力は０．３ＭＰａである。空気圧縮機１０１の出力圧力が設定圧力に近づくにつれて、振動レベルが０に近づく傾向が見て取れる。この傾向は流量によらず同様である。
【００３２】
図５Ｂは、減圧弁１０５における振動を示す。減圧弁１０５の設定圧力は０．４ＭＰａである。その他は図５Ａと同じである。図５Ｂにおいても、空気圧縮機１０１の出力圧力が設定圧力に近づくにつれて、振動レベルが０に近づく傾向が見て取れる。この傾向は流量によらず同様である。
【００３３】
図５Ａと図５Ｂに示す関係によれば、空気圧縮機１０１の出力圧力が経時変化している期間において、減圧弁１０５の入口に設置したセンサ１０４の出力信号（Ｐ）と、出力圧力との間の関係は、流量ごとに特定できるといえる。図５Ａと図５Ｂにおいては、流量ごとに明確に区分された関係が見られるからである。したがってこの関係を表す係数をあらかじめ（例えば動作開始前のキャリブレーション工程において）算出しておき、動作開始後はその係数とセンサ出力信号を用いて、流量を計算することができると考えられる。
【００３４】
図６Ａは、バルブやフィルタにおける流量とセンサ出力信号の関係の経時変化を示す模式図である。例えばセンサ１０６の出力信号が図６Ａに対応する。縦軸はセンサの出力信号の平均電力Ｐ、横軸は流量Ｆを示す。横軸については、式２において電力ＰがＦの２乗の関係がある場合はＦ２で置き換えても直線の関係となる。流量に対する出力信号の対応を示す直線の傾きが式２で示すところの比例係数Ｋを表す。気体密度が一定であれば、傾きは変化することはない。もっとも時間経過とともに、バルブの状態やフィルタのつまりによって、損失係数λが変化し、傾きもする可能性がある。この場合、バルブやフィルタにおけるセンサ出力と流量の関係も、経時変化することになる。ただしこの経時変化は比較的長い時間にわたって次第に生じるので、短期間においては傾きは一定であるとみなすことができる。
【００３５】
図６Ｂは、減圧弁における流量とセンサ出力信号の関係の経時変化を示す模式図である。例えばセンサ１０４の出力信号が図６Ｂに対応する。式４において電力ＰがＦの２乗の関係であるので、横軸を流量の２乗Ｆ２、縦軸を出力信号の平均電力Ｐに対応させると直線の関係になり、その直線の傾きが式４で示すところの比例係数Ｋを表す。減圧弁１０５近傍における圧損Δｐは、式３で説明したように入力圧力ｐｉｎと設定圧力に依拠する。同時に、式４で説明したようにセンサ１０４の出力信号Ｐは流量Ｆおよび圧損Δｐに比例する。入力圧力すなわち圧損が変化するとその比例係数である損失係数も変化して直線の傾きも変化することが分かる。この傾き変化は入力圧力の変化を反映するので、図６Ａよりも非常に短期間の経時変化である。このため本発明では、減圧弁における流量とセンサ出力信号の関係での直線傾きつまり平均電力の経時変化に注目した。
【００３６】
図７Ａは、センサ１０４の出力信号の平均電力Ｐの経時変化を示す図である。ここでは空気圧縮機１０１の運転が停止してかつ負荷装置１０８が一定流量の空気を消費している期間における経時変化を示す。空気圧縮機１０１は、流体圧力が設定値未満となる前に停止状態から稼働状態に移行し、流体圧力が十分上昇すると停止状態に移行する。空気圧縮機１０１はこれを繰り返す。したがって流量Ａが一定であるとしても、減圧弁１０５に対する入力圧力は経時変化するので、圧損Δｐも経時変化することになる。センサ１０４は式４に従い圧損Δｐによって生じる振動を検出するので、出力信号Ｐも経時変化する。図７Ａの流量Ｆ１が示す直線は、空気圧縮機１０１が停止しているときにおけるこの関係を示している。
【００３７】
図７Ａの流量Ｆ１の直線上において、異なる２つの時刻ｔ１とｔ２それぞれにおける出力信号ＰＦ１１とＰＦ１２をそれぞれ取得する。これにより下記式５で表す係数αを求めることができる。この係数αは、図７Ａにおける流量Ｆ１の直線の傾きを表している。さらに、このときの流量Ｆ１を計測器によって別途測定する。流量Ｆ２についても同様に式５にしたがって係数αを求めることができる。これについては図８Ｂで説明する。
【００３８】
α＝ΔＰ／ΔＴ１２  （５）
【００３９】
式５の係数αは、図７Ａ上の直線の傾きであるから、流量が変化しなければ一定であることになる。換言すると、係数αと流量の関係をあらかじめ求めておくことにより、加圧配管システム１００の稼働開始後における係数αを実測してその関係にしたがって流量を算出することができる。以上の手順を加圧配管システム１００の稼働開始前（例えばキャリブレーション工程）において実施し、係数αと流量の関係を流量推定装置１１０に保持させておく。流量推定装置１１０はこの関係を用いて流量を推定する。
【００４０】
図７Ｂは、センサ１０６の出力信号の平均電力Ｑの経時変化を示す図である。センサ１０６は流体圧力が一定である箇所に配置されているので、センサ１０６の出力信号Ｑは経時変化せず一定である。ただし流量が変化すると、出力信号Ｑもその流量に対応した値を有することになる。図７Ｂに示す関係をどのように用いるかについては後述の図９Ａと図９Ｂを用いて説明する。
【００４１】
図８Ａは、係数αと流量Ｆの関係を表すグラフである。係数αと流量Ｆは、比例関係を有している。したがって例えば図７Ａの流量Ｆ１における係数αＦ１を求めることにより、係数αと流量Ｆの関係を得ることができる。流量推定装置１１０は、例えば加圧配管システム１００のキャリブレーション工程において、流量Ｆと係数αを実測することにより、図８Ａに示す関係をあらかじめ取得することができる。
【００４２】
図８Ｂは、係数αと流量Ｆの関係を表すグラフである。キャリブレーション工程などにおいて、流量Ｆと係数αの関係を２回以上実測する場合は、各実測結果に対して最小２乗法などの適当な手法により、図８Ｂに示す点線を算出する。これにより係数αと流量Ｆの関係をより正確に求めることができる。このとき求めた直線が原点を通らない場合は、背景ノイズなどを拾っている可能性がある。
【００４３】
図９Ａは、流量が急変したときにおけるセンサ１０６の出力信号Ｑの経時変化を例示するグラフである。ここでは流量がＦ１からＦ２に急変したものとする。図７Ｂに示すように、センサ１０６は圧力が一定である箇所に配置されているので、出力信号Ｑは本来であれば一定である。したがって図９Ａのような変動が生じた場合は、流量Ｆとセンサ１０４の出力信号Ｐとの間の関係も図６Ｂのように変化したと考えられる。
【００４４】
図９Ｂは、流量が急変したときにおけるセンサ１０４の出力信号Ｐの経時変化を例示するグラフである。流量が急変した場合、本来であれば互いに異なる流量Ｆ１とＦ２に対応している２つの出力信号ＰＦ１とＰＦ２を用いて係数αを求めることになるので、流量Ｆと係数αの対応関係を誤って算出してしまう。したがって流量が急変した場合、流量が安定するまでは図７Ａ〜図８Ｂで説明した手法を用いるべきではないということになる。
【００４５】
以上説明した理由により、流量推定装置１１０は、センサ１０６の出力信号Ｑが一定ではない場合（すなわち図７ＢにおけるＱＦ１１！＝ＱＦ１２またはＱＦ２１！＝ＱＦ２２）、センサ１０４の出力信号Ｐと流量Ｆの関係を無効とみなす。ただし測定結果のばらつきを考慮して、移動平均回数と連動させてある程度の幅を見込み、下記式６が成立した場合は信号Ｐと流量Ｆの関係を無効とみなしてもよい。
【００４６】
｜ΔＱ１２｜＞ε  （６）
【００４７】
図１０Ａは、加圧配管システム１００のキャリブレーション工程において流量推定装置１１０が実施する動作を説明するフローチャートである。流量推定装置１１０は、例えば定期的に本フローチャートを実施することにより、できる限り最新のキャリブレーション結果を保持する。以下図１０の各ステップについて説明する。
【００４８】
（図１０Ａ：ステップＳ１００１〜Ｓ１００４）
空気圧縮機１０１が動作開始すると（Ｓ１００１）、流量推定装置１１０は流量計から配管内部の流量値Ｆを取得する（Ｓ１００２）。流量推定装置１１０は、センサ１０４の出力信号の電圧値を計算する（Ｓ１００３）。流量推定装置１１０は、センサ１０６の出力信号の電圧値を同様に計算する（Ｓ１００４）。
【００４９】
（図１０Ａ：ステップＳ１００３〜Ｓ１００４：補足）
流量推定装置１１０は、例えば以下の手順により各センサの電圧値を計算することができる。流量推定装置１１０は、まずセンサの出力信号の電圧信号を取得し、フーリエ変換によりその電圧信号を各周波数成分に変換する。流量推定装置１１０は、周波数帯域ごとに電力レベルを積算（平均）し、電力の平方根を求めることにより電圧値を求める。
【００５０】
（図１０Ａ：ステップＳ１００５〜Ｓ１００７）
流量推定装置１１０は、図７Ａ〜図７Ｂで説明したΔＴ１２に相当する時間だけ待機する（Ｓ１００５）。流量推定装置１１０は、Ｓ１００３〜Ｓ１００４と同様に各センサの電圧値を求める（Ｓ１００６〜Ｓ１００７）。
【００５１】
（図１０Ａ：ステップＳ１００８〜Ｓ１００９）
流量推定装置１１０は、センサ１０６の出力信号Ｑの電圧レベルの経時変化｜ΔＱ１２｜（図９ＡにおけるＱＦ１−ＱＦ２）と閾値ε（式６）を比較する（Ｓ１００８）。｜ΔＱ１２｜のほうが大きければ、流量が大きく変化しているとみなし、空気圧縮機１０１が停止するまで待機する（Ｓ１００９）。｜ΔＱ１２｜≦εであればＳ１０１０へ進む。
【００５２】
（図１０Ａ：ステップＳ１０１０〜Ｓ１０１２）
流量推定装置１１０は、式５にしたがって係数αを算出する（Ｓ１０１０）。流量推定装置１１０は、流量Ｆと係数αの関係を算出して記憶装置に格納する（Ｓ１０１１）。空気圧縮機１０１を停止してキャリブレーション工程を終了する（Ｓ１０１２）。
【００５３】
図１０Ｂは、加圧配管システム１００が稼働開始した後において、流量推定装置１１０が流量を推定する手順を説明するフローチャートである。図１０Ａと同様のステップについては同じステップ番号を付与した。流量推定装置１１０は、図１０Ａと同様の手順により、各センサの実測値にしたがって係数αを算出する。流量推定装置１１０は、図１０Ａにおいてあらかじめ求めておいた流量Ｆと係数αの関係にしたがって、実測した係数αから流量Ｆを算出する（Ｓ１１０１）。｜ΔＱ１２｜がεより大きければ、Ｓ１００３へ戻って同様の処理を繰り返す（Ｓ１１０２）。
【００５４】
＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る加圧配管システム１００において、流量推定装置１１０は、センサ１０４の出力信号Ｐ（すなわち減圧弁１０５の入口であって流体圧力が変動する箇所の振動）を用いて流量を算出するとともに、センサ１０６の出力信号Ｑ（すなわちバルブ１０７（またはフィルタ）の入口であって流体圧力がほぼ変動しない箇所の振動）が急変した場合は流体圧力が安定するまで流量推定を保留する。この方法をとることにより、流体圧力の変化を利用して流量を算出することができるとともに、圧損部品の状態変化による影響を抑制して精度よく流量を推定することができる。
【００５５】
＜実施の形態２＞
図１１は、本発明の実施形態２に係る加圧配管システム１００の構成図である。図１１に示す加圧配管システム１００は、空気圧縮機１０１に代えてポンプ１１０１を備え、レシーバタンク１０２に代えて貯水タンク１１０２を備える。その他は実施形態１と同様の構成を有する。ポンプ１１０１が出力する水を貯水タンク１１０２に貯め、バルブ１０３を経由して複数の配管へ水流を分岐する。
【００５６】
貯水タンク１１０２に上げられた液体は、圧損部品との間の落差に依存した圧力を持つ。負荷装置１０８は所定（一定）の圧力の液体を必要とするので、減圧弁１０５を介して圧力を一定にする。したがって流体圧力は、貯水タンク１１０２から減圧弁１０５にいたる配管においては貯水タンク１１０２の位置と配管位置の落差に応じた値となり、減圧弁１０５から負荷装置１０８にいたる配管においては減圧弁１０５の設定圧力となる。
【００５７】
貯水タンク１１０２が出力する液体の圧力は、液面の高さと圧損部品との間の落差できまる。貯水タンク１１０２の底面方向寸法が高さ方向寸法に比べて十分に長いか、もしくは貯水タンク１１０２の高さ方向寸法が落差と比べて十分大きい場合は、圧損部品における流体圧力は“ほぼ”一定と言える。ポンプ１１０１の連続運転によって常に貯水タンク１１０２に対して液体が供給され液面の高さが変化しない場合も同様である。この場合は必ずしも本発明を用いる必要はない。これに対して時間とともに水面が減少してゆき圧力が変化する場合は、本発明に係る手法が有用である。ただし流体が液体の場合は気体と異なり、密度は一定と仮定できる点に留意する必要がある。
【００５８】
本実施形態２のような液体を供給する加圧配管システム１００においても、実施形態１と同様の手法により、流体圧力の変化を利用して流量を算出することができるとともに、圧損部品の状態変化による影響を抑制して精度よく流量を推定することができる。
【００５９】
＜実施の形態３＞
図１２は、本発明の実施形態３に係る加圧配管システム１００の構成図である。実施形態１〜２で説明した構成において、流量推定装置１１０は、空気圧縮機１０１（またはポンプ１１０１、以下同様）が動作しているタイミングに合わせて、各センサから出力信号を取得してもよい。この場合、流量推定装置１１０は空気圧縮機１０１の稼働状況を記述した稼働状況データを空気圧縮機１０１から取得し、これにしたがってセンサ出力信号を取得する。その他構成は実施形態１〜２と同様である。
【００６０】
流量推定装置１１０がセンサ出力信号を取得するタイミングは、例えばオペレータがマニュアル操作により指定することもできる。例えば空気圧縮機１０１が稼働している期間と停止している期間をまたいでセンサ出力信号を取得しないように、適当なタイミングを定めることが考えられる。図１２に示すように、稼働状況データにしたがってセンサ出力信号を取得するタイミングを定めることにより、マニュアル操作の手間を抑制できることに加えて、適切なタイミングでセンサ出力信号を得ることができる。したがって流量の推定精度を向上させることができる。
【００６１】
＜実施の形態４＞
実施形態１〜３においては、センサ１０４の出力信号Ｐに基づき流量を推定する手順を説明した。係数αと流量Ｆの関係は、図８Ａ〜図８Ｂのようなグラフ形式で保持することもできるし、ルックアップテーブル形式で保持することもできる。本発明の実施形態４ではルックアップテーブル形式でこれを保持する例について説明する。加圧配管システム１００の構成は実施形態１〜３と同様である。
【００６２】
図１３Ａは、時刻ｔ１における出力信号Ｐと時刻ｔ２における出力信号Ｐによって流量Ｆを定義するルックアップテーブルの例である。時刻ｔ１とｔ２は図７Ａにおける横軸時刻に対応するものである。流量推定装置１１０は、時刻ｔ１とｔ２それぞれにおける出力信号Ｐの値の交点を、流量Ｆとして取得する。
【００６３】
図１３Ｂは、ルックアップテーブルの別例である。出力信号Ｐは乱流に起因するある程度のバラツキを持つので、ルックアップテーブルの各軸は、ある程度の範囲を有する信号値レンジとして定義するほうが実用的である。そこで図１３Ｂに示すルックアップテーブルは、時刻ｔ１で得られた出力信号力レンジを縦軸、時刻ｔ２で得られる出力信号レンジを横軸として定義している。１つのレンジを表すバラツキの大きさは、移動平均の回数にもよるが、例えば１σ相当の数％を見込んでおくとよいと考えられる。図１３Ｂにおいては１つのレンジを１０％としたが、これより狭いレンジを用いてもよいし広いレンジでもよい。
【００６４】
図１３Ｃは、ルックアップテーブルの別例である。センサ出力信号を取得する時間間隔は一定であったとしても、時刻によっては、実際に取得したセンサ出力信号がキャリブレーション時のものからずれることも想定される。そこで図１３Ｃにおいては、時刻ｔ２における出力信号レンジとして、時刻ｔ１における出力信号レンジからに対する相対値として定義した。この場合は、時刻ｔ１の出力信号値に対して時刻ｔ２の出力信号値が相対化されるので、ΔＴ１２さえ一定であれば、推定結果には影響しない。相対値は比率によって定義してもよいし差分によって定義してもよい。図１３Ｃは比率によって定義した例を示した。
【００６５】
＜本発明の変形例について＞
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００６６】
流量推定装置１１０は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアによって構成することもできるし、その機能を実装したソフトウェアを演算装置が実行することによって構成することもできる。
【符号の説明】
【００６７】
１０１：空気圧縮機
１０２：レシーバタンク
１０３：バルブ
１０４：センサ
１０５：減圧弁
１０６：センサ
１０７：バルブ
１０８：負荷装置
１０９：データコンバータ
１１０：流量推定装置
１１０１：ポンプ
１１０２：貯水タンク
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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