JP2010181401A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の流量計測装置では、流速を比較的長い時間平均化して求めて流量に換算しているため、瞬時的な流量の変化を検出することができなかった。
【解決手段】単位計測工程を少なくともＫ回行ったときの順方向の伝搬時間の総和と、逆方向の伝搬時間の総和に基づいて流体流路内の流体の通過流量を求め、また時間差記憶部に記憶されたＫ回の単位計測工程回毎の時間差に基づいて流体の瞬時流量の変化を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波信号の伝搬時間を計測することにより流速を検出し、検出した流速から流体の流量を計測する流量計測装置に関するものである。

従来、この種の流量計測装置においては、ふたつの振動子間の送受信を複数回繰り返すことにより、計測分解能を高めるシングアラウンド法という手法を用いたものが提案されている。この種の流量計測装置を家庭用のガスメータに適用した例を図７を用いて説明する。

図７は、シングアラウンド法を用いた流量計測装置のブロック図である。図７に示すように、流量計測装置は、流体管路３１の途中に、超音波を送信する第１振動子３２と、送信された超音波を受信する第２振動子３３とが流れ方向に対向して配置されている。さらに、流量計測装置は、ふたつの振動子３２、３３を用いて超音波の伝搬時間を計測する計測部３４と、計測部３４を制御する制御部３５と、計測部３４の計測結果を基に流体流量を求める演算部３６とで構成されている。

図７において、音速をＣ、流速をｖ、ふたつの振動子間の距離をＬ、超音波の伝搬方向と流れの方向とがなす角度をθとする。また、流体管路３１の上流側に配置された第１の振動子３２から超音波を送信し、下流側に配置された第２の振動子３３で超音波を受信した場合の伝搬時間をｔ１、逆方向の伝搬時間をｔ２とした場合、ｔ１およびｔ２は次式で求めることができる。

ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋ｖｃｏｓθ） （式１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−ｖｃｏｓθ） （式２）
（式１）および（式２）を変形し、（式３）で流速ｖが求まる。
ｖ＝Ｌ・（１／ｔ１ −１／ｔ２）／２ｃｏｓθ （式３）
（式３）で求めた値に流体管路３１の断面積Ｓを掛ければ流体の流量を求めることができる。

ところで、（式３）において、括弧内の項は（式４）のように変形できる。

（ｔ２−ｔ１）／ｔ１ｔ２ （式４）
ここで、一般に、この種の流量計測装置においては、流速ｖは音速Ｃよりはるかに小さい条件下にて、使用される。また、音速Ｃは近似的に温度の一次関数で求められることが知られている。しかし、短時間の間に急激な温度変化がないと仮定するならば、音速Ｃは一定と考えられるので、（式４）の分母の項は流速の変化に関わらずほぼ一定の値となる。よって、分子の項は流速とほぼ比例した値となる。したがって、流速ｖを精度よく求めるには、ふたつの伝搬時間の差を精度よく計測する必要がある。そのため、流速が遅くなるほど、微小な時間差を求める必要があり、単発現象として計測するには計測部３４は例えば、ｎｓオーダーの非常に小さな時間分解能を有する必要がある。これだけの時間分解能を実現するのは難しく、仮に実現できたとしても時間分解能を上げることによる消費電力の増大を招くこととなる。そのため、超音波の送信を何回も繰り返し実行し、その一連の繰り返し計測の所要時間を計測部３４で計測する。そして、その平均値を求めることにより必要な時間分解能を実現している。すなわち、計測部３４の時間分解能をＴＡ、繰り返し回数をＭとすれば、この繰り返し計測の間、計測部４４を連続して動作させることにより、伝搬時間の計測分解能はＴＡ／Ｍとすることができる。

この種の流量計測装置は、流体流路内の圧力が安定している時には精度の高い計測が実現できる。しかし、例えば、一般家庭にエネルギー源として供給されるガス流量を計測するガスメータに適用した場合には、脈動現象と呼ばれる固有の課題に直面する。これは、例えばＧＨＰと呼ばれるガスエンジンを利用した空調機のように、ガスエンジンの回転に同期して周辺のガス供給配管内の圧力に変動を及ぼす現象である。この脈動が発生した場合、ガス器具を使用していない場合であっても、圧力の変動に同期してガスが配管内を移動し、その動きに影響されて、あたかもガスが流れているかの如き計測値が検出されてしまう。

この現象による影響を抑える方法として、例えば特許文献１に示すような方法が提案されている。すなわち、繰り返し計測回数Ｍを計測精度が維持できる最低限の回数に抑える。このような条件で、計測間隔を短くした上で、小刻みに比較的長時間連続して計測を実行し、連続して計測した結果を用いて流量演算を行う。特に、計測間隔を圧力変動周期よりも充分短い間隔で行うことで、流速変動波形の位相状態を満遍なく捉えることができるようになる。その結果、それらを平均化することで、変動成分を取り除いた真の流速（流量）を検出することができる。

図８は、この方式を用いて繰り返し回数Ｍを４とした場合の例を示している。図８において、時間Ｔ１は上流側から下流側に向けての伝搬時間、時間Ｔ２は下流側から上流側に向けての伝搬時間である。以降、同様に送信方向を切り替えながらＴ４０までの計２０回ずつの伝搬時間計測を行う。最後に、おのおの伝搬時間の総和を求め、平均化して双方向の伝搬時間を求めて、そこから流量を算出する。この方式を用いれば、脈動の有無に関わらず流速の平均化を実現でき、正確な流量を求めることが可能となる。そのため、この種の方式に関する提案が近年増加している。

ところで、家庭用のガスメータには、計量器としての役割に加えて、保安機能をも備えている。近年は、その保安上の性能向上のため、ガス器具の流量変化を短い間隔（例えば０．２秒毎など１秒未満の値）で追尾したいという要求がある。しかしながら、上記の様な従来の流量計測装置では、流速を比較的長い時間（例えば２秒間）平均化して求めて流量に換算しているため、瞬時的な流量の変化を検出することができない。

特開２００２−３５０２０２号公報

家庭用のガスメータには、計量器としての役割に加えて、保安機能をも備えている。近年は、その保安上の性能向上のため、ガス器具の流量変化を短い間隔（例えば０．２秒毎など１秒未満の値）で追尾したいという要求がある。しかしながら、上記の様な方法では、流速を比較的長い時間（例えば２秒間）平均化して求めて流量に換算しているため、瞬時的な流量の変化を検出することができないという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、流速の平均化という本来の目的を損なわずに、瞬時的な流量変化をも検出可能な流量計測装置の提供を目的としている。

本発明は、流速の平均化という本来の目的を損なわずに、瞬時的な流量変化をも検出可能な流量計測装置を提供するものである。

本発明は、流体が通過する流体流路に設けられ、それぞれ超音波信号を発信および受信する第１振動子および第２振動子と、第１振動子と第２振動子との間における超音波信号の伝搬時間を計測する計時部とを有する。さらに、第１振動子で超音波信号を発信させ第２振動子で超音波信号を受信する順方向と、第２振動子で超音波信号を発信させ第１振動子で超音波信号を受信する逆方向の送受信方向を切り替えながら、計時部により超音波信号の順方向の伝搬時間と逆方向の伝搬時間を計測する単位計測工程を実行する計時制御部を有する。さらに、単位計測工程をＫ回行う毎に、単位計測工程で計測された超音波信号の順方向の伝搬時間と逆方向の伝搬時間との時間差を記憶する時間差記憶部を有する。さらに、単位計測工程を少なくともＫ回行ったときの順方向の伝搬時間の総和と、逆方向の伝搬時間の総和に基づいて流体流路内の流体の通過流量を求める流量演算部を有する。さらに、時間差記憶部に記憶されたＫ回の単位計測工程回ごとの時間差に基づいて流体の瞬時流量の変化を推定する推定部を有する。

これによって、流量演算部により比較的長時間に渡って平均化された正確な流量が求められる。その一方で、単位計測工程の計測結果を間引いて抽出した値を使って、推定部による瞬時的な流量の推定も可能となる。したがって、本発明は、流速を平均化して正確な通過流量を求めつつ、瞬時的な流量変化をも検出可能である。

本発明の流量計測装置は、流速を平均化して正確な通過流量を求めつつ、瞬時的な流量変化をも検出可能となっている。

本発明の実施の形態１における流量計測装置のブロック図 同実施の形態における流量計測装置の動作を示すフロー図 同装置の動作を説明するタイムチャート 同装置における記憶装置に記憶される流量変化パターンを示す図 同装置における記憶装置に記憶される他の流量変化パターンを示す図 同装置における判別部の動作を説明するタイムチャート 従来の流量計測装置のブロック図 従来の流量計測装置の動作を説明するタイムチャート

第１の発明は、流体が通過する流体流路に設けられ、それぞれ超音波信号を発信および受信する第１振動子および第２振動子と、前記第１振動子と前記第２振動子との間における超音波信号の伝搬時間を計測する計時部と、前記第１振動子で前記超音波信号を発信させ前記第２振動子で前記超音波信号を受信する順方向と、前記第２振動子で前記超音波信号を発信させ前記第１振動子で前記超音波信号を受信する逆方向の送受信方向を切り替えながら、前記計時部により前記超音波信号の前記順方向の伝搬時間と前記逆方向の伝搬時間を計測する単位計測工程を実行する計時制御部と、前記単位計測工程をＫ回行う毎に、前記単位計測工程で計測された前記超音波信号の前記順方向の伝搬時間と前記逆方向の伝搬時間との時間差を記憶する時間差記憶部と、前記単位計測工程を少なくともＫ回行ったときの前記順方向の伝搬時間の総和と、前記逆方向の伝搬時間の総和に基づいて前記流体流路内の前記流体の通過流量を求める流量演算部と、前記時間差記憶部に記憶された前記Ｋ回の前記単位計測工程回毎の前記時間差に基づいて前記流体の瞬時流量の変化を推定する推定部と、を備えた流量計測装置である。

第２の発明は、特に、第１の発明における流量演算部は、単位計測工程をＫ×Ａ回（Ａは自然数）行ったときの順方向の伝搬時間の総和と、逆方向の伝搬時間の総和に基づいて
流体流路内の流体の通過流量を求めるものである。

第３の発明は、特に、第１の発明において、瞬時流量の時系列変化の代表的パターンを少なくともひとつ記憶した記憶部と、記憶部に記憶された代表的パターンと、推定部が推定する時間差の推移とを比較して、時間差の推移が代表的パターンと一致するかを判断する判別部とをさらに備えたものである。

第４の発明は、特に、第３の発明において、ガス供給源とガス器具とを結ぶガス供給ラインに配置され、記憶部は、特定の前記ガス器具の使用時の流量変化パターンを少なくともひとつ記憶し、判別部は、推定部が推定する時間差の推移が、記憶部に記憶された特定のガス器具の流量変化パターンと一致するとき、判別部が供給ラインの下流側で特定のガス器具が使用されていると判断することを特徴とするものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における流量計測装置のブロック図である。図１において、流体流路１の途中に、超音波信号を発信および受信する第１振動子２と超音波信号を受信および発信する第２振動子３が流れ方向Ｆに対向して配置されている。送信部４は第１振動子２へ駆動信号を出力する。駆動信号により第１振動子２から超音波信号が出力されたときは第２振動子３でその超音波を受信する。第２振動子３で受信した受信信号が受信部５で信号処理される。切換部６は第１振動子２と第２振動子３の送受信の機能を切り換える。

計測制御部７は、ふたつの振動子２、３間で実行される送受信の動作全般を制御し、トリガ部８、繰り返し部９、遅延部１０、計測工程制御部１１とで構成されている。

まず、トリガ部８により計測開始のトリガ出力がなされると、切換部６が第１振動子２と送信部４、ならびに第２振動子３と受信部５を接続する。これにより、第１振動子２を送信側、第２振動子３を受信側とする計測が開始される。以降の説明のため、これを流れの順方向の計測と称する。送信部４から駆動信号が出力されると、第１振動子２から超音波信号が出力され、これが第２振動子３に到達すると受信部５で受信処理を行う。一旦、受信処理が行われると、繰り返し部９の作用により、所定のシングアラウンド回数だけ、流れの順方向の計測が繰り返し実行される。本実施の形態ではシングアラウンド回数を４回とするが、これに限られるものではない。例えば、敢えて複数回の繰り返しをおこなわず、１回で止める構成でも構わない。４回の繰り返しが完了すると、遅延部１０から所定の遅延時間が発生された後、トリガ部８が切換部６に対して送受信の切換信号を出力する。これにより、今度は、第２振動子３と送信部４、ならびに第１振動子２と受信部５が各々接続され、第２振動子３を送信側、第１振動子２を受信側とする計測が開始される。以降の説明のため、これを流れの逆方向の計測と称する。また、この時、トリガ部８から計測開始のトリガ信号が出力される。これにより、送受信の機能が切り換った、逆方向の計測においても、４回の繰り返し計測が実行される。

以上のように、流れの順方向の計測（４回のシングアラウンド計測）と、逆方向の計測（４回のシングアラウンド）を交互に１回行う一連の動作を単位計測工程と称する。最初に実行される単位計測工程を第１計測工程とすると、これが完了すると、遅延部１０から遅延信号が出力されて、第１計測工程同様の動作が繰り返される。これを第２計測工程とする。計測工程制御部１１によって、規定の回数の単位計測工程が実行された後、流量演算が実行される。

計時部１２は、トリガ部８のトリガ信号出力タイミングからシングアラウンド終了までの時間を計測する。第１加算部１３は、各単位計測工程の順方向の計測における計時部１２の計測値を積算する。第２加算部１４は、各計測工程の逆方向の計測における計時部１２の計測値を積算する。そして、定められたＮ回（本実施の形態では１００回とするが、これに限られるものではない。）の単位計測工程の動作が完了すると、流量演算部１５が第１加算部１３および第２加算部１４の出力値を用いて流量値を算出する第１。加算部１３および第２加算部１４には、Ｎ回の単位計測工程を実行に要した時間における順逆両方向の伝搬時間の総和が記憶されている。したがって、これらの値を（４×Ｎ）で除することにより順逆両方の１回当たりの伝搬時間の平均値を求めることができる。この値を順逆方向それぞれ、ｔ１、ｔ２として、（式３）を用いることにより平均流速が求まる。次に、ここで求めた平均流速に流体流路１の断面積Ｓを乗ずることで、平均流量が求まる。さらに、前回流量を求めた後の経過時間を乗ずることで、通過流量を求めることができる。さらに、ここで求めた通過流量を積算部１６で加算することで、積算流量を求めることができる。

一方、時間差検出部１７ａは、Ｎ回の単位計測工程の計測結果のうち、適当な間隔で間引いて抽出した計測結果を用いて時間差の演算を実行する。例えば５回毎の間引き演算を行うとすれば、まず第１計測工程において、順方向４回のシングアラウンド計測の所要時間と逆方向４回のシングアラウンド計測の所要時間の時間差を伝搬時間差と定義してこの値を求める。時間差検出部１７ａで求めた伝搬時間差を時間差記憶部１７ｂに記憶する。そして、次は、第６計測工程において、順逆両方向の伝搬時間差を求める。時間差記憶部１７ｂは、間引き演算毎に演算された伝搬時間差を、演算された時刻と対応させて記憶し続ける。

推定部１８は、後述するように、時間差検出部１７ａで求めた伝搬時間差そのものの値、もしくは、伝搬時間差を定数倍した値を流体の瞬時流量の推定値として出力する。

記憶部１９には、推定部１８の出力の時系列変化の特徴を何パターンか記憶している。そして、判別部２０では、推定部１８から出力される推定流量のデータの時系列変化が、記憶部２０に記憶されたパターンに一致するか否かを判別する。

次に、図２及び図３を用いて先に説明した各部の動作の流れを説明する。図２は、本実施の形態における流量計測装置が行う動作のフロー図である。図３は同装置の動作を説明するタイムチャートである。図３では、第１計測工程で流れの順方向の計測開始を示すトリガ部８の出力タイミングを原点として、横軸が原点からの経過時間を示し、縦軸が各部の動作を示している。

まず、トリガ部８により計測開始のトリガ信号ＴＳが出力されると、切換部６は第１振動子２と送信部４とを接続し、また第２振動子３と受信部５とを接続する。すなわち、順方向計測の接続を行なう（ステップＳ１）。次に、第１振動子２を送信側、第２振動子３を受信側として計時部１２により計測動作Ｍを開始する（ステップＳ２）。ここで、計時部１２は、トリガ部８から出力されるトリガ信号ＴＳを受信したタイミングを計測の基点として計測を行う。また、本実施の形態では、上述したように、第１振動子２を送信側、第２振動子３を受信側とした場合を順方向と称し、第１振動子２を受信側、第２振動子３を送信側とした場合を逆方向と称する。

ステップＳ２が行われると、送信側の振動子２が超音波を発信し（ステップＳ３）、受信側の振動子３がその超音波が受信できるか否かを検知する（ステップＳ４）。ステップＳ４は、送信側の振動子２が送信した超音波を、受信側の振動子３が受信できるまで行わ
れる（ステップ４のＮＯ）。

ステップＳ４において、受信側の振動子３が超音波を受信できたと検知すれば（ステップ４のＹＥＳ）、繰り返し部９は送信側の振動子２が超音波を発信してから受信側の振動子３がその超音波を受信できた繰り返し回数をカウントする（ステップＳ５）。繰り返し部９は、そのカウント値が所定回数（本実施の形態では所定回数を４として説明するがこの回数に限るものではない）に達したか否かを検知する（ステップＳ６）。繰り返し部９は、カウント値が所定回数に達すると検知するまでは、ステップＳ３からステップＳ６の処理を繰り返し行う（ステップＳ６のＮＯ）。

ステップＳ６においてカウント値が所定回数に達したことを繰り返し部９が検知すると（ステップＳ６のＹＥＳ）、カウント値を初期化（ゼロ）するとともに、例えば、図３の時刻ｔ１で、計時部１２による計測動作Ｍを止める（ステップＳ７）。

次に、繰り返し部９は、ステップＳ３からステップＳ６の処理による計測が順方向によるものであるか否かを判断する（ステップＳ８）、順方向によるものであれば（ステップＳ８のＹＥＳ）、計時部１２による計測値Ｔｄを時間差検出部１７ａに出力すると同時に、計測値Ｔｄを第１加算部１３に累積的に加算する（ステップＳ９）。

ステップＳ９が行われた後、計測工程制御部１１はステップＳ３からステップＳ６の処理による計測が順方向と逆方向とで行われたか否かを判断する（ステップＳ１１）。順方向と逆方向の両方向で行われていなければ（ステップＳ１１のＮＯ）、遅延部１０から所定の遅延時間Ｔｉｎｔを発生する。その後、切換部６は第１振動子２を受信側、第２振動子３を送信側として接続し（ステップＳ１８）、あわせて、例えば、図３の時刻ｔ２で、トリガ部８は計時部１２へトリガ信号ＴＳを出力する。その後は、ステップ２に戻る。

ステップＳ８において、ステップＳ３からステップＳ６の処理による計測が逆方向によるものと判断されれば（ステップＳ８のＮＯ）、計時部１２による計測値Ｔｕを時間差検出部１７ａに出力すると同時に、計測値Ｔｕを第２加算部１４に累積的に加算する（ステップＳ１０）。

ステップＳ１１において、ステップＳ３からステップＳ６の処理による計測が順方向と逆方向とで行われたことが判断されれば（ステップＳ１１のＹＥＳ）、計測工程の工程回数をカウントする（ステップＳ１２）。なお、計測工程とは、図３に記載されている「第１計測工程Ｐ１」や「第２計測工程Ｐ２」を指している。

また、計測工程制御部１１は、計測工程の工程回数が所定回数（たとえば、５ｎ（ｎは正の整数）＋１）に達したかどうか判断する（ステップＳ１３）。計測工程制御部１１は、計測工程の工程回数が所定回数に達したと判断すると（ステップＳ１３のＹＥＳ）、例えば、図３の時刻ｔ３で、時間差検出部１７ａは時間差検出部１７ａに記憶されている計測値Ｔｄと計測値Ｔｕの差である時間差Ｔｄｉｆを（式５）を使って求め、時間差Ｔｄｉｆを時間差記憶部１７ｂに記憶する（ステップＳ１４）。

Ｔｄｉｆ＝Ｔｕ−Ｔｄ （式５）
一方、計測工程の工程回数が所定値に達しない場合には（ステップＳ１３のＮｏ）時間差を求める必要がないので、時間差検出部１７ａに記憶されている計測値Ｔｄ及びＴｕは初期化される。このようにすることで、時間差記憶部１７ｂは、５ｎ（ｎは正の整数）計測工程ごとに求められる時間差Ｔｄｉｆの時系列変化が分かるように記憶する。また、ステップＳ１４の処理による演算が行われた後は、時間差検出部１７ａに記憶されている計測値Ｔｄ及び計測値Ｔｕは初期化する。

ステップＳ１４の後、計測工程制御部１１は、計測工程の工程回数が全計測工程回数（本実施の形態では、１００工程であるが、特にこれに限定されない。）に達するか否かを判定する（ステップＳ１５）。判定結果が全計測工程回数に達していなければ（ステップＳ１５のＮＯ）、ステップＳ１８以降を行う。また、ステップＳ１５において全判定結果が計測工程回数に達していると判定されれば（ステップＳ１５のＹＥＳ）、流量演算部１５は第１加算部１３に記憶された値と、第２加算部１４に加算された値とを用いて、通過流量を演算する（ステップＳ１６）。流量演算部１５で演算された通過流量は積算部１６に加算される（ステップＳ１７）。

ところで、本実施の形態では、ステップＳ１４にて説明した通り、順逆両方向の伝搬時間差Ｔｄｉｆが５計測工程ごとに求められる。推定部１８は伝搬時間差Ｔｄｉｆを用いて瞬時流量の推定を行う。

以上で、本実施の形態の動作が終了する。なお、図２に示す処理は、定期的に繰り返し実行されるものである。

ここで、シングアラウンド１回当たりの所要時間を約２５０μｓとすると、図３の計測値Ｔｕ（個々の計測値Ｔｕ１、Ｔｕ２、Ｔｕ３・・・を総称してＴｕと記す）、計測値Ｔｄ（個々の計測値Ｔｄ１、Ｔｄ２、Ｔｄ３・・・を総称してＴｄと記す）はそれぞれ約１ｍｓとなる。また、計測方向切り替えの遅延時間Ｔｉｎｔを４ｍｓとする。この場合、１計測工程当たりの所要時間は６ｍｓとなる。したがって、５計測工程毎に時間差検出部１７ａを動作させるとすると、各計測工程間に遅延時間Ｔｉｎｔが設けられ単位計測工程の実行時間間隔は１０ｍｓとなるので、５０ｍｓ毎に伝搬時間差Ｔｄｉｆが検出されることになる。

また、計測工程は合計１００回（所用時間約１秒）実行する毎に、通過流量および、積算流量を求めるものとする。

次に、伝搬時間差Ｔｄｉｆを用いて瞬時流量の推定を実行する方法について説明する。

第ｎ計測工程における伝搬時間差を伝搬時間差Ｔｄｉｆｎとすると、（式１）および（式２）を用いて、伝搬時間差Ｔｄｉｆｎは（式７）のように求められる。

Ｔｄｉｆｎ＝４（ｔ^２−ｔ１）＝４Ｌ／（Ｃ＋ｖｃｏｓθ）−４Ｌ／（Ｃ−ｖｃｏｓθ）
＝８Ｌｖｃｏｓθ／（Ｃ^２−ｖ^２ｃｏｓ^２θ） （式７）
ここで、一般に超音波式流量計においてはＣ＞＞ｖなる条件で使用するため、（式７）は更に（式８）のように変形できる。

Ｔｄｉｆｎ＝８Ｌｖｃｏｓθ／Ｃ^２ （式８）
音速Ｃは温度によって変化することが知られているが、特に、１秒にも満たないわずかな時間の間においては、流体の温度変化は非常に小さいと考えられるので、（式８）の分母は定数と考えることができる。よって、伝搬時間差Ｔｄｉｆｎは流速、すなわち流量に比例した値と考えることができる。したがって、伝搬時間差Ｔｄｉｆｎの変化を求めることは、流量の変化を求めることと同等であると考えることができる。すなわち、伝搬時間差Ｔｄｉｆｎの値そのもの、またはその定数倍した値は、流体の瞬時流量の推定値として扱うことができる。精密な流量変化を求めるのであれば、（式３）を用いて流量を求めた上でその変化量を求める必要が生じる。しかし、流量の相対変化を知る上では、順逆両方向の伝搬時間差を求めるだけであっても、大きな齟齬は生じないと考えられる。

時間差の変化で流量変動を推定することで、（式３）を用いて精密な流量変化量を求める場合に比べて、演算量が遥かに少なくて済む。特に、電池電源によって長い年月（例えば１０年）連続動作を要求される家庭用のガスメータや水道メータにおいては、演算量（特に、乗除算回数）の削減は、消費電力の削減に対して大きな効果をもたらす。同時に、短時間での流量変化の判定が要求される場合においても同様に大きな効果をもたらす。

次に、図４、図５、図６を用いて、記憶部１９と判別部２０の動作について説明しながら、推定部１８が伝搬時間差Ｔｄｉｆｎを用いて瞬時流量の推定を行う方法を述べる。図４および図５は、記憶部１９に記憶された流量変化パターンの例である。図４は、パターン１と名付けられた流量変化である。パターン１は、ほぼ一定の流量が所定時間τａだけ継続した後、流量が急激に上昇（上昇幅がＱａｌ／ｈ）した後、再び、所定時間τｂの間、一定流量Ｑａｌ／ｈを継続するパターンである。ここで、記憶部１９には、流量の継続時間τａ、τｂの範囲、変化流量Ｑａの値をある範囲を持った数値として記憶している。ある範囲とは、継続時間τａ、τｂの範囲、変化流量Ｑａの値の判定に余裕を持たせるために設定している。

図５は、パターン２と名付けられた流量変化である。パターン２は、一定時間τｃ毎に流量がほぼ一定の変化幅Ｑｂｌ／ｈずつ階段状に変化するパターンである。ここで、記憶部１９には、一定時間τｃ、変化流量Ｑｂの範囲と階段状の変化の継続時間幅τｄの値をある範囲を持った数値として記憶している。この場合の、ある範囲も上記と同じように、一定時間τｃ、変化流量Ｑｂ、継続時間幅τｄの値の判定に余裕を持たせるために設定している。

図６は、推定部１８から出力される瞬時流量の推定値の時系列データの一例である。図６においては、黒点で示すように、０．１ｓ毎の階段状の伝搬時間差の変化が見られる。判別部２０では、図６の黒点に示すデータと、記憶部１９に記憶された２つのパターン１、２とを比較してどちらのパターンに適合するかを判別する。本実施の形態の場合は、図６に示すデータの階段１段毎の時間幅０．１ｓ、および伝搬時間差変化量である階段１段毎の値が、記憶部１９に記憶されているパターン２に近い。したがって、図６のデータの時間幅０．１ｓ、および階段１段毎の値が、パターン２の一定時間τｃ、流量Ｑｂの範囲に適合するかどうかの判断と、階段状の変化の継続時間０．５ｓが、パターン２の継続時間幅τｄに適合されるかどうかの判断を行う。判別部２で両方が適合さると判断された場合には、パターン２の変化、すなわち図６に点線で示すパターンが出現したものと判断する。なお、ここで、流量Ｑａ、Ｑｂなど、流量値に関する記憶データは、式（８）に基づき、伝搬時間差の値として記憶されているものとする。

図６のように時間差検出部１７ａによる伝搬時間差演算を５０ｍｓ毎とした場合には、継続時間τｄが０．５ｓ（５００ｍｓ）であるので、時間差検出部１７ａによる演算周期（５０ｍｓ）が継続時間τｄ（５００ｍｓ）に対して十分短く、容易に検出が可能となる。一方で、流量演算部１５による精密な流量演算のタイミングを時間ＴｘおよびＴｙとして１秒毎に流量演算したとすると、時間Ｔｙで得られる流量の値はＴｘからＴｙの期間の瞬時流量が単に平均化された値となってしまうため、１秒以下の階段状の変化を認識することは不可能である。

なお、判別部２０における、適合性の判断は必ずしも、５０ｍｓ毎（本実施の形態では５計測工程毎）に実行する方法に限られるものではない。例えば、適当な時間毎（例えば１０秒毎）に区切ってメモリ（図示せず）にひと括りのデータとして記憶した後、記憶されたデータの毎回の変化量を後追いでまとめて求めながら判定していく方法であっても構わない。

記憶部１９に記憶しておく流量変化パターンとして、例えば第１振動子２および第２振動子３の故障時に推定される出力変化であれば、故障解析に利用することが可能である。

また、記憶部１９の別の利用方法として、記憶部１９に記憶しておく流量変化パターンを、特定のガス器具の立ち上がりの流量変化パターンとしても良い。この場合、家庭用のガスメータとして、本発明の流量計測装置を利用すれば、流量計の下流側に当該ガス器具が接続されている場合には、当該ガス器具の使用開始を検知することが可能になる。これを利用して特定のガス器具の運転開始を認識して、当該ガス器具の運転状況を把握して保安情報として利用することが可能である。

以上説明してきたように、本発明は、流体が通過する流体流路に設けられ、それぞれ超音波信号を発信および受信する第１振動子および第２振動子と、第１振動子と第２振動子との間における超音波信号の伝搬時間を計測する計時部とを有する。さらに、第１振動子で超音波信号を発信させ第２振動子で超音波信号を受信する順方向と、第２振動子で超音波信号を発信させ第１振動子で超音波信号を受信する逆方向の送受信方向を切り替えながら、計時部により超音波信号の順方向の伝搬時間と逆方向の伝搬時間を計測する単位計測工程を実行する計時制御部を有する。さらに、単位計測工程をＫ回行う毎に、単位計測工程で計測された超音波信号の順方向の伝搬時間と逆方向の伝搬時間との時間差を記憶する時間差記憶部を有する。さらに、単位計測工程を少なくともＫ回行ったときの順方向の伝搬時間の総和と、逆方向の伝搬時間の総和に基づいて流体流路内の流体の通過流量を求める流量演算部を有する。さらに、時間差記憶部に記憶されたＫ回の単位計測工程回ごとの時間差に基づいて流体の瞬時流量の変化を推定する推定部を有する。

これによれば、流速を平均化して正確な通過流量を求めつつ、瞬時的な流量変化をも検出可能である。

また、本発明は、流量演算部は、単位計測工程をＫ×Ａ回（Ａは自然数）行ったときの順方向の伝搬時間の総和と、逆方向の伝搬時間の総和に基づいて流体流路内の流体の通過流量を求める構成を有する。そのため、Ｋ×Ａ回の単位計測工程毎に通過流量を求めることができる。

また、本発明は、瞬時流量の時系列変化の代表的パターンを少なくともひとつ記憶した記憶部と、記憶部に記憶された代表的パターンと、推定部が推定する時間差の推移とを比較して、時間差の推移が代表的パターンと一致するかを判断する判別部とをさらに備えた構成を有する。

これにより、特徴的な流量変化パターンの認識が可能となり、流体の使用状況の判別に利用することができる。

また、本発明は、ガス供給源とガス器具とを結ぶガス供給ラインに配置され、記憶部は、特定のガス器具の使用時の流量変化パターンを少なくともひとつ記憶し、判別部は、推定部が推定する時間差の推移が、記憶部に記憶された特定のガス器具の流量変化パターンと一致するとき、判別部が供給ラインの下流側で特定のガス器具が使用されていると判断する構成を有する。これにより、より的確なガス器具の判別が可能となる。

本発明の流量計測装置は、正確な通過流量を求めつつ、短い間隔で瞬時流量の推定が可能であるため、器具判別機能を備えたガスメータなどとして適用可能である。

１ 流体流路
２ 第１振動子
３ 第２振動子
４ 送信部
５ 受信部
６ 切換部
７ 計時制御部
８ トリガ部
９ 繰り返し部
１０ 遅延部
１１ 計測工程制御部
１２ 計時部
１３ 第１加算部
１４ 第２加算部
１５ 流量演算部
１６ 積算部
１７ａ 時間差検出部
１７ｂ 時間差記憶部
１８ 推定部
１９ 記憶部
２０ 判別部

Claims (4)

1. 流体が通過する流体流路に設けられ、それぞれ超音波信号を発信および受信する第１振動子および第２振動子と、
   前記第１振動子と前記第２振動子との間における超音波信号の伝搬時間を計測する計時部と、
   前記第１振動子で前記超音波信号を発信させ前記第２振動子で前記超音波信号を受信する順方向と、前記第２振動子で前記超音波信号を発信させ前記第１振動子で前記超音波信号を受信する逆方向の送受信方向を切り替えながら、前記計時部により前記超音波信号の前記順方向の伝搬時間と前記逆方向の伝搬時間を計測する単位計測工程を実行する計時制御部と、
   前記単位計測工程をＫ回行う毎に、前記単位計測工程で計測された前記超音波信号の前記順方向の伝搬時間と前記逆方向の伝搬時間との時間差を記憶する時間差記憶部と、
   前記単位計測工程を少なくともＫ回行ったときの前記順方向の伝搬時間の総和と、前記逆方向の伝搬時間の総和に基づいて前記流体流路内の前記流体の通過流量を求める流量演算部と、
   前記時間差記憶部に記憶された前記Ｋ回の前記単位計測工程回毎の前記時間差に基づいて前記流体の瞬時流量の変化を推定する推定部と、
   を備えた流量計測装置。
2. 前記流量演算部は、前記単位計測工程をＫ×Ａ回（Ａは自然数）行ったときの前記順方向の伝搬時間の総和と、前記逆方向の伝搬時間の総和に基づいて前記流体流路内の前記流体の通過流量を求める請求項１に記載の流量計測装置。
3. 瞬時流量の時系列変化の代表的パターンを少なくともひとつ記憶した記憶部と、
   前記記憶部に記憶された代表的パターンと、前記推定部が推定する前記時間差の推移とを比較して、前記時間差の推移が前記代表的パターンと一致するかを判断する判別部と、
   をさらに備えた請求項１に記載の流量計測装置。
4. ガス供給源とガス器具とを結ぶガス供給ラインに配置され、
   前記記憶部は、特定の前記ガス器具の使用時の流量変化パターンを少なくともひとつ記憶し、
   前記判別部は、前記推定部が推定する前記時間差の推移が、前記記憶部に記憶された前記特定のガス器具の流量変化パターンと一致するとき、前記判別部が前記供給ラインの下流側で前記特定のガス器具が使用されていると判断することを特徴とする請求項３に記載の流量計測装置。

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