| 【発明の名称】 |
流量計出力信号補正装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】高本 正樹
【氏名】中尾 晨一
【氏名】小林 駿
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| 【要約】 |
【課題】ガス流量計より得られるパルス信号を補正して、１パルス当たりの計量体積を一定にすることを目的にする。
【解決手段】流量計出力信号補正装置は入力パルス信号のパルス周期を検出するパルス周期検出部と、該パルス周期検出部より出力されたパルス周期の変動率を演算する変動率演算部と、該変動率演算部より出力されたパルス周期の変動率の逆数を演算する逆数演算部と、該逆数演算部より出力された変動率の逆数に上記パルス周期の平均値を乗算する平均値乗算部と、該平均値乗算部の出力信号に所定の係数を乗算する係数乗算部とを有する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ガス流量計の回転ドラムの単位回転角度毎に１パルス発生するパルス発生器と、該パルス発生器からのパルス信号のパルス周期を演算するパルス周期演算部と、該パルス周期演算部より出力されたパルス周期の変動率を演算する変動率演算部と、該変動率演算部より出力されたパルス周期の変動率の逆数を演算する逆数演算部と、該逆数演算部より出力された変動率の逆数に上記パルス周期の平均値を乗算する平均値乗算部と、該平均値乗算部の出力信号に所定の係数を乗算する係数乗算部とを有し、上記ガス流量計の回転ドラムの１回転に対するパルス数が入力信号と出力信号では同一となるように構成されている流量計出力信号補正装置。
【請求項２】 請求項１記載の流量計出力信号補正装置において、上記パルス発生器と上記パルス周期演算部の間にパルス分周器を設け、上記係数乗算部の出力側にパルス逓倍器を設けたことを特徴とする流量計出力信号補正装置。
【請求項３】 請求項２記載の流量計出力信号補正装置において、上記ガス流量計の回転ドラムが１回転する間に、上記パルス逓倍器から出力されるパルス数は上記パルス分周器から出力されるパルス数に等しいことを特徴とする流量計出力信号補正装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、容積式ガス流量計に関し、特に、ガス流量計の出力パルス信号を修正するための流量計出力信号補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図４を参照して容積式ガス流量計の誤差を校正するための校正装置及び方法を説明する。この校正装置は、窒素ガスのような不活性ガスを収容するガスボンベ２１とガスの圧力を調整する圧力調整弁２３とガスの流量を一定に保持するためのソニックノズル２５と被検ガス流量計２７とを有し、更に、ガス流量計２７の回転角度を計測するエンコーダ２９とエンコーダ２９の出力を入力してパルス信号を発生するパルス発生器３１とを有する。パルス発生器３１は、所定の回転角毎に１パルス生成する。被検ガス流量計２７は湿式ガス流量計であってよい。
【０００３】図５を参照して湿式ガス流量計、特に一般的に実用化されている４室型の湿式ガス流量計の構造の概略を説明する。湿式ガス流量計はケーシング２００とその内部に回転可能に配置された回転ドラム２１０とを有する。ケーシング２００の内部には仕切板２０１が設けられ、この仕切板２０１によって前室２０２と後室２０３に分けられている。ケーシング２００の頂点には計量ガスのための入口２０４及び出口２０５が設けられ、それぞれ前室２０２と後室２０３に接続されている。
【０００４】回転ドラム２１０は軸２１１に装着され、軸２１１の先端には目盛針２１２が装着されている。回転ドラム２１０はドラム筒２１０Ａとドラムカバー２１０Ｂからなり、ドラム筒２１０Ａには４枚の羽根が装着され、それによって４つの計量室が形成される。計量室と回転ドラム２１０の前室２０２は吹き込み管２１５によって接続されている。ケーシング２００内には、液体２０９、通常、水が約３／５の高さに充填され、この液体に回転ドラム２１０が浸かっている。尚、図５Ａに示すように、ガス計量中のケーシング２００内の液面の高さは、前室２０２、回転ドラム２１０の計量室、後室２０３の順に高くなっている。即ち、大気圧に接する後室２０３の液面高さが最も高い。
【０００５】入口２０４から入った計量ガスは、前室２０２、吹き込み管２１５、回転ドラム２１０の計量室、後室２０３及び出口２０５を経由して流れる。それによって回転ドラム２１０が回転する。こうして回転ドラム２１０の各計量室２２０に捕獲されたガスが液体２０９によって置換され順次排出される。ガス流量計には、回転ドラムの１回転当たりの計量体積に応じて、１Ｌ型、１０Ｌ型等がある。
【０００６】図６を参照して１０Ｌ型のガス流量計の誤差を説明する。図６Ａはガス流量計の計量体積を示し、図６Ｂはパルス発生器３１より出力されたパルス信号の例である。本例では、回転ドラムが１回転する毎に、即ち、計量体積の１０Ｌ毎に、１０００パルスを発生する。即ち、回転ドラムが１回転すると、正確に１０００パルスが発生し、正確に１０Ｌが計量されると仮定する。
【０００７】従って、計量体積の１Ｌ毎に１００パルスを発生するはずである。しかしながら、実際には、図６Ｂに示すように、計量体積の１Ｌ毎に必ずしも１００パルスが生成されない。例えば、最初の１Ｌでは、９５パルス生成され、次の１Ｌでは９２パルス生成され、次の１Ｌでは９８パルス生成される。括弧内の数字は１００パルスに対する偏差を示す。図６Ｃは１パルス当たりの計量体積（単位はリットル）である。
【０００８】このような、１パルス当たりの計量体積の変動は、ガス流量計の出力に誤差が含まれるからであると考えられていた。例えば、回転ドラム等が正確に製造又は組立られていない場合である。製造精度が悪く、例えば、回転ドラムの形状に、対称性、真円度が欠如したり、回転ドラムとその軸が偏心している場合には、４室の計量体積が不均等となり、誤差が生ずる。
【０００９】従来、ガス流量計の誤差として、上述の製造誤差又は組立誤差のみが考慮されていた。本発明者は、通過ガスの流速の変化に起因する誤差を除去することを考えた。そのために、本発明者は、先ず、湿式ガス流量計の回転角度と計量体積等の性能を解析した。
【００１０】図７、図８及び図９を参照して４室型の湿式ガス流量計の解析結果を説明する。尚、以下の説明にて、製造誤差及び組立誤差は無視する。図７Ａはパルス発生器３１の出力信号であり、横軸は回転ドラムの回転角度θを示す。上述のように、エンコーダ２９は、回転ドラムの回転角度を検出し、パルス発生器３１は所定の回転角度毎に１パルスを生成する。例えば、１／１０回転（３６度）毎に１００パルス発生し、１回転（３６０度）で１０００パルス発生する。
【００１１】図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄ及び図７Ｅはそれぞれ、回転ドラムの回転角速度ω、回転ドラムの回転トルクτ、計量室の液面高さＨ、計量体積Ｖの各々の変動率である。これらの変動率は、平均値より大きいか又は小さいかを１００分率（％）で表したものであり、ゼロは平均値である。横軸は、いずれも回転ドラムの回転角度θである。
【００１２】図７Ｅの実線は、液面高さＨの変化を無視した計量体積Ｖ’であり、破線は、液面高さＨの変化を考慮した計量体積Ｖである。計量体積は回転ドラムの計量室に閉じ込められる計量ガスの体積によって決まる。回転ドラムの計量室の液面は、図５Ａを参照して説明したように、大気に接する後室の液面より低い。即ち、計量室内の気圧は大気圧より大きくなる。従って、液面高さＨの変化を考慮した計量体積Ｖは液面高さＨの変化を無視した計量体積Ｖ’より大きい。
【００１３】図示のように、これらの値は、回転ドラムが１回転する間に４つの正負のピーク値をとる。即ち、１周期が９０度の周期的な変動を示す。これは、回転ドラムが４枚の羽根を有し、これらの羽根によって４つの計量室が形成されるからである。
【００１４】図８及び図９を参照して説明する。図８は上述の解析に使用した３次元の模式図であり、回転ドラムに装着された４枚の羽根Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄによって４つの計量室が形成されることを示す。ドラム筒２１０Ａ及びドラムカバー２１０Ｂは省略されて描かれている。回転ドラム２１０は図示のように、液体２０９に浸かっており、ガスは図の後方から入り回転ドラム２１０を経由して図の前方に排出される。
【００１５】図８Ａは回転ドラムの回転角度がゼロの状態を示し、図８Ｂは回転ドラムの回転角度が４２．１３度の状態を示す。回転角度が４２．１３度になると、主計量室は密閉室となり、主計量室に流入するガス及びそれより流出するガスはゼロとなる。このような状態は死点と称され、回転角度が４５度を少し過ぎるまで続く。回転角度が４５度のとき、回転ドラムに作用するトルクは最小となる。死点は回転ドラムが１回転する間に４回、即ち、回転角度の９０度毎に起きる。図９は、回転ドラムの回転角度が４２．１３度のとき、即ち、死点の開始時点の計量室の状態を示す。
【００１６】図１０を参照して説明する。図１０は、回転ドラムが１／４回転（回転角度が９０度）する間の回転ドラムの回転角速度ωの変動率、パルス信号、パルス周期Ｔ及び１パルス当たりの計量体積Ｖ／Ｔの変動率を示し、図７と同様に単位は１００分率（％）である。横軸は時間である。
【００１７】図１０Ａは図７Ｂの曲線の一部を拡大したものである。図示のように、回転ドラムの回転角速度ωは一定ではなく周期的に変化するから、図１０Ｂに示すようにパルス周期Ｔは一定ではない。一方、図７Ａに示したように、単位回転角当たりのパルス数は一定である。従って、図１０Ｃに示すようにパルス周期Ｔは回転角速度ωに反比例する。
【００１８】図１０Ｄに示すように、１パルス当たりの計量体積Ｖ／Ｔは一定ではなく周期的に変化する。これは図７Ｅにも示したが、回転ドラムが１回転する間に単位回転角度当たりの計量体積Ｖが変化するからである。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】通常、回転ドラムの１回転当たりの計量体積は正確に校正されている。しかしながら、上述のように、回転ドラムの１回転当たりの計量体積が正確であっても、所定の単位回転角当たりの計量体積は正確でない。従って、回転ドラムの回転数が丁度整数となる場合には、正確な計測値が得られるが、整数でない場合には正確な計測値は得られない。
【００２０】図１１を参照してこれを説明する。図１１Ａは図７Ｅと同様に、回転ドラムが１回転する毎に計量体積が周期的に変化することを示す。図示のように、計測の開始時点から終了時点までの回転ドラムの回転数が丁度整数の場合、例えば、１回転する場合には、その間に１パルス当たりの計量体積が変化しても、正確な計測値が得られる。
【００２１】しかしながら、図１１Ｂに示すように、計測の開始時点から終了時点までの回転ドラムの回転数が整数ではない場合、例えば、１回転より１／１６回転だけ大きい場合には、正確な計測値は得られない。図示の斜線の部分に相当する積分量が誤差となる。
【００２２】図４を参照して説明した容積式ガス流量計の校正方法では、パルス発生器及びエンコーダを使用したが、標準器であるガス流量計と被検ガス流量計を直列に接続して検定を行う校正方法が一般的に用いられている。この方法の場合、被検ガス流量計を整数回転させて標準器のガス流量計の出力パルス数を計数する。従って、標準器のガス流量計は非整数回転するため、測定値には標準器のガス流量計の誤差が含まれる。
【００２３】従って、例えば、１０Ｌ型湿式流量計では、計量体積が１０リットルの整数倍の場合には正確な計測が可能であるが、計量体積を１リットルの分解能にて正確に計測することはできなかった。
【００２４】従来、図６を参照した例のように、１パルス当たりの計量体積にバラツキが生ずるのは流量計の製造誤差又は組立誤差に起因すると考えられていた。
【００２５】これは次のことを前提としている。回転ドラムが１回転する間に、単位回転角度当たりの計量体積は一定であり、従って、単位回転角度当たりに１パルス発生する場合、１パルス当たりの計量体積は一定となる。
【００２６】しかしながら、図７、図１０及び図１１を参照して説明したように、製造誤差又は組立誤差がゼロであっても、１パルス当たりの計量体積は、回転ドラムが１回転する間に変動し、しかも、周期的に変化することが明らかとなった。
【００２７】上述の解析は、回転ドラムによって計量されるガスの計量体積と出力パルスの関係である。回転ドラムによって計量されるガスの計量体積は、ガス流量計によって計量される計量体積とは異なる。ガス流量計の計量体積は、入口及び出口を流れるガスの流量であり、回転ドラムの計量体積に比べると、変動が極めて少ない。以下に、“回転ドラムの計量体積”と“ガス流量計の計量体積”をこのように異なるものとして区別して使用する。
【００２８】ガス流量計の出力信号は回転ドラムの回転角度に基づいている。従って、ガス流量計の出力信号は、“回転ドラムの計量体積”を表し、“ガス流量計の計量体積”を正確に表していない。このように、“回転ドラムの計量体積”と“ガス流量計の計量体積”の間の偏差に起因して図１１を参照して説明したような誤差が生ずる。
【００２９】流量計の出力信号より“ガス流量計の計量体積”を正確に得るためには、次の２つの方法が考えられる。
（１）回転ドラムが１回転する間に１パルス当たりのガス流量計の計量体積の正確な値を実測し、回転ドラムの回転角度（位相）に対する１パルス当たりのガス流量計の計量体積の換算表を作成する。
（２）回転ドラムが１回転する間に１パルス当たりのガス流量計の計量体積が一定となるように、ガス流量計の出力パルスを補正する。
【００３０】第１の方法は、流量計毎に１パルス当たりのガス流量計の計量体積を実測しなければならず時間と費用がかかる。実測値を得るには、例えば、ソニックノズル等の標準器を使用して所定の流速又は流量にて校正する必要がある。また、ガス流量計毎に回転ドラムの原点を設定する必要があり、原点検出用パルスを用いなければならない。原点検出用パルスとして、例えば、Ｚ相付きエンコーダを設け、そのＺ相を使用する。
【００３１】一般的には、第１の方法によって回転ドラムの回転角度（位相）に対する１パルス当たりのガス流量計の計量体積の換算表を作成した場合、パルス数の増減によって出力信号を補正する。従って、測定精度を上げるには分解能が高いエンコーダを用いる。このようなエンコーダの価格は高く、改造する場合には改造費がかかる。
【００３２】湿式ガス流量計の出力信号において誤差の原因となるものに、出力信号のノイズがある。このノイズは回転ドラム内の液面のバタツキ又は変動等に起因し、一般に、回転ドラムを通過する計量ガスの流量が大きくなると増加する。従って、パルス信号より計量体積等のデジタル値を求めるとノイズに起因して誤差が生ずる。
【００３３】例えば、回転ドラムが整数回転した場合でも、液面のバタツキ又は変動等に起因したノイズが存在すると、計量体積に誤差が生ずる。このノイズの大きさは、ノイズを除去したパルスの変動率の２〜５倍に達することもある。
【００３４】本発明は、上述の第２の方法を使用し、回転ドラムが１回転する間に、パルス数を変化させることなく、１パルス当たりの計量体積が一定となるように、流量計の出力信号を補正する流量計出力補正装置を提供することを目的とする。
【００３５】本発明は、１パルス当たりの計量体積にバラツキがある場合に、パルス信号を修正して、１パルス当たりの計量体積のバラツキが小さいパルス信号を得る装置を提供することを目的とする。
【００３６】本発明は、湿式ガス流量計の出力パルス信号より計量体積等のデジタル値を求める場合に、回転ドラム内の液面の変動等に起因するノイズによって誤差が生ずることがない装置を提供することを目的とする。
【００３７】
【課題を解決するための手段】本発明によると、流量計出力信号補正装置は、ガス流量計の回転ドラムの単位回転角度毎に１パルス発生するパルス発生器と、該パルス発生器からのパルス信号のパルス周期を演算するパルス周期演算部と、該パルス周期演算部より出力されたパルス周期の変動率を演算する変動率演算部と、該変動率演算部より出力されたパルス周期の変動率の逆数を演算する逆数演算部と、該逆数演算部より出力された変動率の逆数に上記パルス周期の平均値を乗算する平均値乗算部と、該平均値乗算部の出力信号に所定の係数を乗算する係数乗算部とを有し、上記ガス流量計の回転ドラムの１回転に対するパルス数が入力信号と出力信号では同一となるように構成されている。
【００３８】上記パルス発生器と上記パルス周期演算部の間にパルス分周器を設け、上記係数乗算部の出力側にパルス逓倍器を設けた。従って、簡単な装置によって流量計出力信号のパルス信号を補正することができる。また、１パルス当たりの計量体積にバラツキがある場合に、パルス信号を修正して、１パルス当たりの計量体積のバラツキが小さいパルス信号を得ることができる。
【００３９】本発明によると、回転ドラムの１回転当たりのパルス数は変化しないから、本発明の流量計出力信号補正装置を設けることによってガス流量計を標準器として使用することができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】図１を参照して本発明の流量計出力信号補正装置の例を説明する。本発明の流量計出力信号補正装置は、入力パルス信号よりパルスを適当に割合で分周する分周器１０と、入力パルス信号のパルス周期Ｔを検出しその平均値を演算するパルス周期演算部１１と、パルス周期の変動率（％）を演算する変動率演算部１３と、パルス周期の変動率の逆数を演算する逆数演算部１５と、該逆数演算部１５の出力にパルス周期Ｔの平均値ＴM を乗算する平均値乗算部１７と、該平均値乗算部１７の出力に所定の係数を乗算する係数乗算部１９と、係数乗算部１９からのパルス出力を逓倍する逓倍器２０とを有する。
【００４１】本発明の流量計出力信号補正装置は図４を参照して説明した従来のガス流量計の校正装置のパルス発生器３１の出力側に取り付けられてよい。パルス発生器３１からのパルス信号は分周器１０を経由してパルス周期演算部１１に供給される。尚、分周器１０及び逓倍器２０の動作は後に図３を参照して詳説する。
【００４２】パルス周期演算部１１はパルス周期を計測する。ここでパルス周期は、パルスの立ち上がり時から次のパルスの立ち上がり時までの時間間隔の意味である。パルス周期は適当な基準クロックを使用してデジタル値として表される。パルス周期演算部１１は更にパルス周期の平均値Ｔ0 を演算する。
【００４３】変動率演算部１３は、分周されたパルス周期演算部１１の出力より次の式によってパルス周期の変動率（％）を演算する。
【００４４】
【数１】Ｔ0 ＝｛（Ｔ−ＴM ）／ＴM ｝×１００【００４５】Ｔ0 はパルス周期の変動率（％）、Ｔはパルス周期、ＴM はパルス周期Ｔの平均値である。逆数演算部１５は、パルス周期の変動率Ｔ0 （％）の逆数を演算する。平均値乗算部１７は、パルス周期の変動率の逆数１／Ｔ0 に平均値ＴM を乗算する。係数乗算部１９は平均値乗算部１７の出力に係数Ｋを乗算する。係数乗算部１９の出力は次の式によって表される。
【００４６】
【数２】ＴC ＝（ＴM ／Ｔ0 ）×Ｋ【００４７】本例によると、係数乗算部１９の出力に基づいてパルス信号を生成する。係数Ｋを適当な値に設定することによって、所望のパルス信号が得られる。こうして得られたパルス信号は、逓倍器２０を経由して出力される。
【００４８】逓倍器２０の出力、即ち、数２の式によって得られるパラメータＴC は、本例の流量計出力信号補正装置によって得られる出力パルスの周期を表す。
【００４９】図２を参照して説明する。図２の曲線は、回転ドラムが１／４回転（回転角度が９０度）する間の各演算部の出力値を示し、横軸は時間である。図２Ａは変動率演算部１３の出力であり、図１０Ｃの曲線と同一である。図示のように、入力パルス信号のパルス周期Ｔは、周期的に変化する。
【００５０】図２Ｂは実際のパルス信号を表し、図１０Ｂと同様である。図２Ｃは逆数演算部１５の出力であり、変動率演算部１３の出力と逆の変化をする。図２Ｄは、平均値乗算部１７の出力であり、逆数演算部１５の出力より変動が小さい。係数乗算部１９の出力は図２Ｄと同様になる。図２Ｅは、こうして補正されたパルス信号を示す。図２Ｂと比較すると、図２Ｅのパルスの周期は均一化されている。図２Ｆは、補正されたパルス信号の周期を表す。これは図２Ａの入力パルス信号の周期より変動が小さい。
【００５１】本例によると、係数乗算部１９の出力によってパルス信号が生成される。従って、生成されたパルス信号の周期の変動は小さい。従って、本例によると、１パルス当たりの計量体積Ｖ／Ｔの変動は小さい。
【００５２】こうして本例によると、入力パルス信号に比べて、１パルス当たりの計量体積Ｖ／Ｔの変動がより小さい出力パルス信号を得ることができる。即ち、ガス流量計の計量体積に対応したパルス信号が得られる。
【００５３】図３を参照して、分周器１０及び逓倍器２０の動作を説明する。パルス発生器３１の出力は図３Ａに示すように、計量室の液面のバタツキ等に起因するノイズ等を含む。本例では、パルス発生器３１からのパルス信号は先ず、分周器１０によって分周される。それによって単位時間当たりのパルス数が、例えば、１／５、１／２０等に減少する。こうしてパルス数を分周することによって図３Ｂに示すように、パルス信号に含まれるノイズ等が除去される。
【００５４】上述のように、分周器１０の出力は、パルス周期演算部１１、変動率演算部１３、逆数演算部１５、平均値乗算部１７及び係数乗算部１９を経由して逓倍器２０に供給される。逓倍器２０によってパルス信号は適当な倍数、例えば、５倍、２０倍等にに逓倍される。
【００５５】好ましくは分周器１０の分周率と逓倍器２０の逓倍率は対応するように設定される。それによって、本例の流量計出力信号補正装置の出力の単位時間当たりのパルス数がパルス発生器３１の出力信号と同一になる。
【００５６】
【発明の効果】本発明によると、入力パルス信号において１パルス当たりの計量体積にバラツキがあっても、出力パルス信号では、１パルス当たりの計量体積のバラツキが小さくなる利点がある。
【００５７】本発明によると、回転ドラムを整数回転させた場合でも非整数回転させた場合でも、正確な且つ再現性ある計量体積の値を得ることができる利点がある。
【００５８】本発明によると、湿式ガス流量計を用いた校正装置において、計測時間の短縮及び計測精度の向上を達成することができる利点がある。
【００５９】本発明によると、従来のパルス発生器を改造することなく、本発明の装置を設けることによって、回転ドラムの一回転中の精度を向上させることができる利点がある。
【００６０】本発明によると、リアルタイムにて計量体積のパルス信号が得られるからガス流量計を積算式ガス流量計又は瞬間ガス流量計として使用することができる利点がある。
【００６１】本発明によると、回転ドラムの１回転当たりのパルス数は変化しないから、本発明の流量計出力信号補正装置を設けることによって、ガス流量計を標準器として使用することができる利点がある。
【００６２】本発明によると、回転ドラムの１回転当たりのパルス数は変化しないから、既に校正されたガス流量計であっても、本発明の流量計出力信号補正装置を設けることによって、ガス流量計の値付けをそのまま使用することができる利点がある。
【００６３】本発明によると、簡単な流量計出力信号補正装置を設けるだけで、入力パルス信号を補正することができる利点がある。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１１４４
【氏名又は名称】工業技術院長
【識別番号】５９８１５７８１２
【氏名又は名称】高本 正樹
【識別番号】５９９０５８３３８
【氏名又は名称】中尾 晨一
【識別番号】５９４１１４８０２
【氏名又は名称】株式会社シナガワ
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| 【出願日】 |
平成１１年４月２６日（１９９９．４．２６） |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３０４５８７（Ｐ２０００−３０４５８７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１１月２日（２０００．１１．２） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１１８３１３ |
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