(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流量を検出する流量検出手段と、
流体の圧力変動を検出する脈動検出手段と、
前記脈動検出手段の出力と設定可能な比較基準値とを比較する比較手段と、
前記比較手段の出力より脈動周期を計測する周期検出手段と、
前記周期検出手段で計測された脈動周期が所定値よりも小さければ、前記比較手段の比較基準値を大とする設定変更手段と、
前記周期検出手段で求めた周期で前記流量検出手段を動作させる計測制御手段と、を備えた流量計測装置。
【請求項２】
前記設定変更手段は、比較手段の出力変化が所定時間以上なければ前記比較手段の比較基準値を小とする請求項１に記載の流量計測装置。
【請求項３】
前記計測制御手段の開始停止信号は、前記比較手段の出力変化点と同期して出力される請求項１または２に記載の流量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体や気体の流量を計測する流量計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の流量計測装置では、圧力変動が発生した場合であっても正確な流量を求めるために様々な提案がなされており、例えば特開平１１−４４５６３号公報に記載されているようなものがあった。図４を用いてこの種の流量計測装置の動作について説明する。
【０００３】
図４において、流体流路１に、流量検出手段としての第１振動子２と第２振動子３が、流れの方向に対向して取り付けられていて、流量計測手段１６がこれらふたつの振動子間で超音波の送受信を行い、その時超音波伝搬に要した時間を用いて流量値を求めている。このような構成においては、流路１の内部で圧力変動が発生した場合にはその影響を受けて、流速が変化するため正確な流量値を求められない。そのため、圧力検出手段１０が取
り付けられており、圧力検出手段１０の出力信号の交流成分が脈動計測手段１１に入力されるとともに、比較手段１２で信号レベルのゼロクロス通過点が検出され、これに同期して、流量計測手段の発停が制御されている。この構成により、圧力周期に合わせて計測時間を制御し、脈動時の正確な平均流量を求めることが可能となっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の流量計測装置では、次のような課題があった。すなわち、圧力信号波形は必ずしも、正弦波の様に単純な波形ではなく、多くの場合は複数の周波数成分が合成された複雑な波形となっている。また、比較的正弦波に近い波形であっても、１周期毎の波形を取ると周期やレベルに多少のばらつきを含んでいる場合もある。そのため、ゼロクロスと同期して計測しても、必ずしも、圧力変動周期の流量を平均化したことにならないため、正確な平均流量が求められず、計測精度の点で課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧力変動周期を正確に捉えることにより、流量計測のタイミングを最適化し、高精度の計測が可能な流量計測装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、流体の流量を検出する流量検出手段と、流体の圧力変動を検出する脈動検出手段と、前記脈動検出手段の出力と設定可能な比較基準値とを比較する比較手段と、前記比較手段の出力より脈動周期を計測する周期検出手段と、前記比較手段の比較基準値を変更する設定変更手段と、前記周期計測手段で求めた周期に応じて前記流量検出手段の動作時間を制御する計測制御手段とを備えたものである。
【０００７】
これによって、比較基準値を適切に定めることにより、正確な圧力変動周期を捉えて、流量計測のタイミングを最適化できるので、圧力変動の影響を受けない高精度の流量計測を実現するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、流体の流量を検出する流量検出手段と、流体の圧力変動を検出する脈動検出手段と、前記脈動検出手段の出力と設定可能な比較基準値とを比較する比較手段と、前記比較手段の出力より脈動周期を計測する周期検出手段と、前記周期検出手段で計測された脈動周期が所定値よりも小さければ、前記比較手段の比較基準値を大とする設定変更手段と、前記周期検出手段で求めた周期で前記流量検出手段を動作させる計測制御手段と、を備えた流量計測装置である。これにより、比較基準値を適切に定めることにより、正確な圧力変動周期を捉えて、流量計測のタイミングを最適化できるので、圧力変動の影響を受けない高精度の流量計測を実現できる。また、平均周期が短くて変化勾配の急な波形であっても、圧力変動の緩やかな点を捉えて周期を検出できるので、検出周期のばらつきを低減できる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の設定変更手段を、比較手段の出力変化が所定時間以上なければ比較手段の比較基準値を小とする構成とすることにより、比較基準値を過大に上昇させることがなくなるため、比較基準値の最適化を図ることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１または２に記載の計測制御手段の開始停止信号を比較手段の出力変化点と同期して出力される構成とすることにより、圧力変動に対する時間遅れの小さい計測ができるため、圧力変動に対する追従性を高めることができる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１２】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の流量計測装置を示すブロック図である。図１において、流体流路１の途中に流量検出手段として超音波を発信する第１振動子２と受信する第２振動子３が流れ方向に配置されている。４は第１振動子２への送信回路、５は第２振動子３で受信した超音波を信号処理する受信回路で、６は第１振動子２と第２振動子３の送受信を切換える切換手段、７は受信回路５で超音波を検知した後第１振動子２からの送信と第２振動子３での受信を複数回繰り返す繰り返し手段、８は繰り返し手段７により行われる複数回の超音波伝搬の所要時間を計測する計時手段、９は計時測手段８の計測値から流量を求める流量演算手段である。また、１０は流路１内の圧力を検出する圧力検出手段、１１は圧力検出手段１１の信号出力の交流成分をコンデンサを介して取り出す脈動検出手段、１２は脈動検出手段により取り出された交流信号と設定電圧とを比較し、その大小関係を二値信号に変換して出力する比較手段、１３は比較手段１２の二値信号の小から大への出力変化点の間隔を計測し脈動周期を検出する周期検出手段、１４は周波数検出手段１３の出力結果に応じて流量計測時間を制御する計測制御手段、１５は比較手段１２の比較基準値を変更する設定変更手段である。
【００１３】
次に、動作作用について説明する。静止流体中の音速をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れの順方向の超音波の伝搬速度は（ｃ＋ｖ）、逆方向の伝搬速度は（ｃ−ｖ）となる。振動子２と３の間の距離をＬ、超音波伝搬軸と流路の中心軸とがなす角度をθ、流れの順方向に発信された超音波の伝搬する時間をｔ１、流れの逆方向に発信された超音波の伝搬する時間をｔ２とすると、
ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋ｖｃｏｓθ）  （１）
ｔ２＝Ｌ／（ｃ−ｖｃｏｓθ）  （２）
となる。（１）式、（２）式より流速ｖを求めると、
ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）・（１／ｔ１−１／ｔ２）  （３）
となり、Ｌとθが既知ならｔ１、ｔ２を計測して流速ｖが求められる。ここで、流路断面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量Ｑは
Ｑ＝Ｋ・Ｓ・ｖ  （４）
となる。式（３）、（４）から明らかなように、伝搬時間を求めることにより流量Ｑが求められる。一方、流路１内部に圧力変動が発生している場合には流速ｖは一定しないが、周期的な変動が発生している場合には、圧力変動ｎ周期の間の伝搬時間を計測し、その平均値を求めれば、変動の影響はキャンセルされて、正確な値を求めることができる。
【００１４】
次に図２を用いて、計測制御手順について説明する。脈動検出手段１１の出力信号と比較基準値０Ｖとの比較処理が比較手段１２で行われる。比較手段１２は脈動検出手段１１の交流信号が比較基準値より高ければＨ、低ければＬの二値信号を出力する。計測制御手段１４は、比較手段１２の立ち上がり波形、すなわち、出力信号がＬからＨに変化する変化点ｔ１ａと同期して、繰り返し手段７に対して、繰り返し計測の開始信号を出力する。この時、切換手段６は、予め第１振動子２を送信回路４に、第２振動子３を受信回路５に接続して超音波を流れの順方向に送信した伝搬時間を計測する体制が取られている。計測制御手段１４の開始信号出力を受けて送受信が開始され、送受信１回が終了する毎に、繰り返し手段７は送受信の回数をカウントすると共に、送信回路４に超音波の送信を指示する。繰り返し手段７での繰り返し計測と平行して、計時手段８では送受信に要した時間が計測される。そして、計測制御手段１４は、再び比較手段１２の出力がＬからＨに変化する点ｔ１ｂで、計測の停止信号を出力する。計測制御手段１４からの停止信号を受けると、繰り返し手段７は、新たな送受信を中止する。ここで、計時手段８で計測した伝搬時間と繰り返し手段７行った送受信の繰り返し回数を元に、流量演算手段９で流れの順方向の
伝搬時間ｔ１を求める。この後、切換手段６は第１振動子２に、受信回路５を第２振動子３に繋ぎ換えることにより流れの逆方向に超音波を送信した伝搬時間を計測する体制を取る。比較手段１２の信号がＬからＨに切換わる点ｔ２ａおよびｔ２ｂで、計測制御手段１４がそれぞれ開始信号、停止信号を出力し、順方向と同様の手順で、逆方向の計測が行われる。以上のように求めた順方向、逆方向の伝搬時間を基に、流量演算手段９では（３）、（４）式を用いて流量Ｑを求める。
【００１５】
ここでは、比較手段１２における比較基準値は０Ｖとしたが、この値は固定されるものではない。設定変更手段１５により脈動波形の発生原因、周期、絶対レベルに応じて適正な値に設定することにより、周期検出の精度が向上し、結果として流量計測の精度が向上する。
【００１６】
以上のように、本実施例において、設定変更手段が比較基準値を適切に定めることにより、正確な圧力変動周期を捉えて、流量計測のタイミングを最適化できるので、圧力変動の影響を受けない高精度の流量計測を実現できる。
【００１７】
特に、周期検出手段１３の平均周期が小となるに従って、比較手段１２の比較基準値を大とすることにより、平均周期が短くて変化勾配の急な波形であっても、圧力変動の緩やかな点を捉えて周期を検出できるので、検出周期のばらつきを低減できる。
【００１８】
（実施例２）
図３は、本発明の実施例２の動作を説明するタイミングチャートである。脈動波形が図２で示したような正弦波であれば、１周期でゼロクロスを２回生じるが、図３で示すような波形であったとすると、１周期の間に４回ゼロクロスを生じる。以後、このような現象を中割れ現象と称する。比較手段１２の比較基準値の初期値を０とすると、比較手段１２の出力は図の如く変化し、周期検出手段１３の検出値がＴａ、Ｔｂと交互に変化する。この場合、Ｔａの期間では、圧力平均値はプラス側、Ｔｂの期間ではマイナス側に振れるため、いずれの期間で平均化したとしても流量平均値の真値を得ることはできない。設定変更手段１５は、周期検出手段１５で周期を求める毎に予め定めた所定値Ｔｓ（Ｔｂ＞Ｔｓ＞Ｔａ）と比較処理を行い、Ｔｓより小さな値を検出すると、中割れ波形と判断して比較手段１２の比較基準値をＶ１に変更する。これにより、比較手段１２の出力は図３後半のように変化し、常に一定周期Ｔｃが得られるになる。その結果、脈動の影響がキャンセルされて正確な流量値を求めることができるようになる。
【００１９】
以上のように、本実施例においては、周期検出手段の計測周期が所定値より小さければ比較手段の比較基準値を大とすることで、短時間で発生した変動を受け付けないので、ノイズや圧力波計の中割れの影響を回避して正確な変動周期を求めることができる。
【００２０】
また、別の方法として、判定手段１６で、周期のばらつきを基に比較手段１２の比較基準値を変更しても良い。この場合には、圧力周期はほぼ一定であっても、波形周期のばらつきが大きくなるような場合にも対応して、比較基準値を最適化できるので、正確な圧力周期を求めることができる。ばらつきを求める方法は一定期間内の標準偏差を求める方法であっても、最大値と最小値の差を求める方法であっても良い。
【００２１】
更に、本実施例においては、比較基準値の変更度合いが大きすぎると、比較手段１２の出力がＬのまま変化しなくなる場合も考えられる。この場合、判定手段１６が所定時間以上、比較手段１２の立ち上がり信号を検出できない場合に、比較基準値を小さく変化させれば良い。これによって、比較基準値を過大に上昇させることがなくなるため、比較基準値の最適化を図ることができる。
【００２２】
なお、各実施例において、比較手段１２の出力の立ち上がりと同期する構成で説明したが、立ち下がり信号であっても同様の効果が得られる。立ち上がり立ち下がりいずれの場合であっても、比較手段１２の出力変化と同期して流量計測を行うことにより、圧力変動に対する時間遅れの小さい計測ができるため、圧力変動に対する追従性を高めることができる。
【００２３】
また、別の方法として、周期検出手段１３で求めた時間を繰り返し手段１３の繰り返し回数に変換する演算処理を施して、比較信号と非同期で計測する方法もある。この場合には流量計測手段の動作が、脈動検出手段や比較手段のノイズで妨げられる危険性がないので、流量計測中の不要信号の影響を回避できるため、ノイズの影響を受け難い信頼性の高い計測が可能となる。
【００２４】
更に、各実施例は超音波振動子を用いたものについて説明したが、それ以外の例えば熱線式のフローセンサであっても同等の効果が得られる。また、気体流量の計測装置に限らず、液体流量の計測装置であっても同等の効果が得られることは言うまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項１〜３に記載の発明によれば、比較基準値を適切に定めることにより正確な変動周期を捉えることが可能となり、圧力変動の影響を受けない高精度の流量計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１における流量計測装置のブロック図
【図２】  同装置の動作を説明するタイミングチャート
【図３】  本発明の実施例２における流量計測装置の動作を説明するタイミングチャート
【図４】  従来の流量計測装置のブロック図
【符号の説明】
２  第１振動子（流量検出手段）
３  第２振動子（流量検出手段）
１１  脈動検出手段
１２  比較手段
１３  周期検出手段
１４  計測制御手段
１５  設定変更手段
【図１】
0004759829.tif 000002
【図２】
0004759829.tif 000003
【図３】
0004759829.tif 000004
【図４】
0004759829.tif 000005