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【発明の名称】 超音波流量計
【発明者】 【氏名】中野 健治

【氏名】鮫田 芳富

【氏名】鷹箸 幸夫

【氏名】長谷部 臣哉

【氏名】藤本 龍雄

【氏名】鈴木 守

【氏名】甲野 祥子

【氏名】長井 望

【氏名】湯浅 健一郎

【氏名】廣山 徹

【氏名】石田 宏

【氏名】田中 豊

【氏名】堀 逸郎

【氏名】服部 浩

【要約】 【課題】正確に流量を計測できる超音波流量計。

【構成】被計測流体が流れる流路の上流側と下流側に一定の距離離れて設置された一対の超音波振動子12a,12bの間で送受される超音波信号の伝播時間に基づいて流路に流れる被計測流体の流量を計測する計量部11と、マスターメータ3で計測した被計測流体の流量の真値と計量器1で計測した被計測流体の流量の計測値との差分を離散的な代表点毎に求めて補正値として記憶する記憶部13と、記憶部に記憶された離散的な代表点毎の補正値を補間することにより連続的な補正値を求め、計測値の誤差を示した器差曲線を近似する補間手段23と、補間手段で近似された器差曲線を用いて計量部で計測された被計測流体の流量の計測値を補正することにより被計測流体の流量の真値を求める補正手段23とを備える。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被計測流体が流れる流路の上流側と下流側に一定の距離離れて設置された一対の超音波振動子と、
前記一対の超音波振動子の間で送受される超音波信号の伝播時間に基づいて前記流路に流れる被計測流体の流量を計測する流量計測部と、
標準流量計で計測した前記被計測流体の流量の真値と当該超音波流量計で計測した前記被計測流体の流量の計測値との差分を離散的な代表点毎に求めて補正値として記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された離散的な代表点毎の補正値を補間することにより連続的な補正値を求め、前記計測値の誤差を示した器差曲線を近似する補間手段と、
前記補間手段で近似された器差曲線を用いて前記流量計測部で計測された前記被計測流体の流量の計測値を補正することにより前記被計測流体の流量の真値を求める補正手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。
【請求項2】
前記補間手段は、前記代表点を一定間隔毎に設けて前記器差曲線を近似することを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。
【請求項3】
前記補間手段は、小流量から大流量までの範囲に亙って前記代表点を指数の間隔で設けて前記器差曲線を近似することを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。
【請求項4】
前記補間手段は、スプライン曲線を用いて前記器差曲線を近似することを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。
【請求項5】
前記補間手段は、ベジェ曲線を用いて前記器差曲線を近似することを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。
【請求項6】
前記補間手段は、小流量では前記代表点の間隔を狭めて設定し、大流量では前記代表点の間隔を広めて設定することにより、前記器差曲線を近似することを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。
【請求項7】
圧力を検出する圧力検出部を備え、
前記補正手段は、前記圧力検出部で検出された圧力データに基づき前記流量の計測値を補正することを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。
【請求項8】
温度を検出する温度検出部を備え、
前記補正手段は、前記温度検出部で検出された温度データに基づき前記流量の計測値を補正することを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波を用いて流量を計測する超音波流量計に関し、特に流路を流れる流体の流量の計測値の補正を行うことにより、高精度な流量計測を図る技術に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、流体の流路の上流側と下流側に一定の距離をおいて一対の超音波振動子を設け、その間で相互に超音波信号の送信および受信を繰り返して行ない、上流側から下流側への超音波信号の伝播積算時間と、下流側から上流側への伝播積算時間との差に基づいて流量を求める超音波流量計が知られている。
【0003】
このような従来の超音波流量計においては、流路の形状等により乱流、偏流が発生し、この乱流、偏流の発生に起因して流量の計測値に誤差が生じるという問題があった。
【0004】
そこで、流路に流れ規制板を設置して乱流を起こさせ、これにより、超音波が通る計測流路内のガスの流速を均一にして計測精度を向上する流量計測装置が開発されている(例えば、特許文献1参照)。この流量計測装置では、被測定流体が流れる計測流路の上流側および下流側に位置する超音波送受信器を開口穴に配置し、さらに、これら上、下流側の超音波送受信器間の超音波伝搬路に沿うとともに、流れの中に露出する規制部を有する伝搬路流れ規制体が設けられている。この構成により、伝搬路流れ規制体の規制部により流れの乱流促進が行われて、超音波伝搬路の幅方向全域にわたり流れ状態が均等に乱流化される。
【特許文献1】特開2004−101543号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上述した特許文献1に開示された技術では、流れ規制体により流速の均一化を狙っているものの、流体が完全に均一の速度で流れることはない。したがって、超音波が伝播する部分の流速の平均値を計測することになり、計測値に誤差が生じる。
【0006】
そこで、本発明は、流量の計測値の補正を行うことにより、高精度な流量計測を図ることができる超音波流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上述した課題を解決するために、本発明は、被計測流体が流れる流路の上流側と下流側に一定の距離離れて設置された一対の超音波振動子と、前記一対の超音波振動子の間で送受される超音波信号の伝播時間に基づいて前記流路に流れる被計測流体の流量を計測する流量計測部と、標準流量計で計測した前記被計測流体の流量の真値と当該超音波流量計で計測した前記被計測流体の流量の計測値との差分を離散的な代表点毎に求めて補正値として記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された離散的な代表点毎の補正値を補間することにより連続的な補正値を求め、前記計測値の誤差を示した器差曲線を近似する補間手段と、前記補間手段で近似された器差曲線を用いて前記流量計測部で計測された前記被計測流体の流量の計測値を補正することにより前記被計測流体の流量の真値を求める補正手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、標準流量計で計測した被計測流体の流量の真値と当該超音波流量計で計測した被計測流体の流量の計測値との差分を離散的な代表点毎に求めて補正値として記憶し、記憶された離散的な代表点毎の補正値を補間することにより連続的な補正値を求め、計測値の誤差を示した器差曲線を近似し、近似された器差曲線を用いて被計測流体の流量の計測値を補正することにより被計測流体の流量の真値を求めるので、高精度な流量計測を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例1】
【0010】
図1は、本発明の実施例1に係る超音波流量計を含む超音波流量計システムの構成を示すブロック図である。この超音波流量計システムは、計量器1、流体発生器2、マスターメータ3、パーソナルコンピュータ4から構成されている。
【0011】
流体発生器2は、被計測流体(例えばガス)を発生し、発生した被計測流体を計量器1とマスターメータ3とに同一流量ずつ出力する。マスターメータ3は、本発明の標準流量計に対応し、流体発生器2から入力された被計測流体の流量を計測し、計測した流量を真値としてパーソナルコンピュータ4に出力する。この場合、小流量から大流量までの範囲内において離散的な複数の代表点を選択し、選択された離散的な複数の代表点における流量の真値を求める。
【0012】
計量器1は、超音波流量計に対応し、流体発生器2から入力された被計測流体の流量を計測し、計測した流量を計測値としてパーソナルコンピュータ4に出力する。この場合、前記選択された離散的な複数の代表点における流量の計測値を求める。
【0013】
パーソナルコンピュータ4は、マスターメータ3で計測した被計測流体の同一流量の真値と計量器1で計測した被計測流体の同一流量の計測値との差分を離散的な代表点毎に補正値として求めて、この代表点毎の補正値を計量器1の通信部17に送る。
【0014】
図2は、本発明の実施例1に係る超音波流量計の構成を示す図である。この超音波流量計は、ガス流入口10a、ガス流路10c、ガス流出口10bを有して構成されている。ガス流入口10aの内部には、超音波振動子12aが設けられており、ガス流出口10bの内部には、超音波振動子12bが設けられている。超音波振動子12aと超音波振動子12bとは、ガス流路12cの中心軸上に対向して配置されている。
【0015】
超音波振動子12aと超音波振動子12bとの間で、流体の流れの順方向および逆方向に相互に超音波を送受信する動作が繰り返し行われ、各方向における超音波の伝播積算時間の差に基づき流量が算出される。
【0016】
また、超音波流量計は、超音波振動子12a,12bを有する計量部11、記憶部13、遮断弁14、表示部15、通信部17、温度センサ19、圧力センサ21、及び制御部23を有している。
【0017】
計量部11は、ガス流路を流れるガスの流量を検出し、流量データとして制御部23に送る。温度センサ19は、ガス流路内のガスの温度を検出し、温度データとして制御部23に送る。圧力センサ21は、ガス流路内のガスの圧力を検出し、圧力データとして制御部23に送る。
【0018】
制御部23は、計量器1の全体を制御する。制御部23は、計量部11からの流量データを監視し、このデータに基づいて異常が発生したことを判断した場合は、遮断弁14に制御信号を送ってガス流路を遮断する。
【0019】
表示部15は、LED、LCD等であり、制御部23からの制御信号に応じて、通常は、ガス使用量を表示し、ガス漏れ等の異常が生じた場合に、その旨を表すメッセージを表示する。
【0020】
通信部17は、パーソナルコンピュータ4に接続され、計量部11で計量された被計測流体の流量の計測値を離散的な代表点毎にパーソナルコンピュータ4に出力し、パーソナルコンピュータ4からの離散的な代表点毎の補正値(前述した流量の真値と計測値との差分)を制御部23に送る。
【0021】
記憶部13は、パーソナルコンピュータ4からの流量の真値と計測値との差分を示す離散的な代表点毎の補正値を記憶する。
【0022】
制御部23は、本発明の補間手段に対応し、記憶部13に記憶された離散的な代表点毎の補正値を補間して、連続的な補正値を求め、計測値の誤差を示した器差曲線を近似する。また、制御部23は、本発明の補正手段に対応し、近似された器差曲線を用いて計量部11で計測された被計測流体の流量の計測値を補正することにより被計測流体の流量の真値を求める。
【0023】
また、制御部23は、温度センサ19で検出された温度データと圧力センサ21で検出された圧力データとに基づき流量の計測値を補正する。
【0024】
(計測値の補正方法)
次に、図面を参照しながらテーブル化された補正値を用いて計測値を補正する具体的な補正方法について説明する。
【0025】
図3は実際に流れる流量の真値と超音波振動子で受信した信号から得られる流量の計測値の関係を示す図である。図3において、横軸は流量の真値を示し、縦軸は流量の計測値を示す。計測値誤差のない関係式、すなわち、真値=計測値となる関係式を理想曲線101とする。また、乱流、偏流などの原因により生じる計測値の誤差(器差)を示した関係式を器差曲線102とする。ここで、器差は式(1)で定義される。
【0026】
器差=(計測値−真値)/真値 …(1)
図4は予め定められた各々の代表点における理想曲線と器差曲線との差分を補正値とする様子を示す図である。図4に示すように、予め離散的な複数の代表点103a,103b等を選択し、離散的な複数の代表点103a,103b等における理想曲線101上の真値と器差曲線102上の計測値との差分を矢印で示す補正値104a,104b等を得る。
【0027】
この補正値を得るためには、図1に示す超音波流量計システムにおいて、流体発生器2で発生した被計測流体を計量器1とマスターメータ3とに同一流量を出力する。そして、マスターメータ3で計測した被計測流体の流量を真値とし、計量器1で計測した被計測流体の流量を計測値とし、両者の差分を補正値とする。この補正値は、パーソナルコンピュータ4によって求められる。
【0028】
離散的な代表点毎の補正値は、制御部23の制御により、計量器1の記憶部13にデータテーブル化されて記憶される。
【0029】
次に、制御部23は、計測時又は計測前に、記憶部13に記憶された離散的な代表点毎の補正値を補間して、連続的な補正値を求め、計測値の誤差を示した器差曲線を近似する。離散的な代表点間の補間方法としては、例えば、図5に示すように、代表点間(例えば、103a〜103b)を直線で結んだ直線補間を用いて得られた器差曲線102b、代表点間(例えば、105a〜105b)を曲線で結んだ曲線補間を用いて得られた器差曲線102cがある。なお、直線補間の具体例及び曲線補間の具体例については、後で詳細に説明する。
【0030】
次に、制御部23は、図6に示すように、近似された器差曲線102aを用いて計量部11で計測された被計測流体の流量の計測値を補正することにより被計測流体の流量の真値を求める。例えば、流量Bが流された場合に、前述した乱流、偏流などの原因により計測値はAとなる。この場合、近似した器差曲線102aを用いて計測値Aを補正して真値Bを得る。従って、高精度の計測が可能となる。
【0031】
(代表点のとり方及び補間方法の具体例)
次に、代表点のとり方及び補間方法の具体例について説明する。
【0032】
(例1)
図7は直線における代表点のとり方の一例を示す図である。図7では、代表点103a,103b等を一定間隔で設けて離散的な複数の補正値104a,104b等をテーブル化し、代表点106a,106b等(代表点103a,103b等に対応)を直線で結ぶことにより、制御部23は、器差曲線102bを近似して連続的な補正値を求める。
【0033】
(例2)
例2では、制御部23が、代表点を一定間隔ではなく、例えば、小流量から大流量までの範囲に亙って代表点を指数の間隔で設けて補正値をテーブル化して器差曲線を近似する。これによれば、記憶部13のメモリ容量が少なくて済むとともに、小流量時に補正値データが多いため、より高精度の補正が行える。
【0034】
(例3)
図8は曲線における代表点の取り方の一例を示す図である。図8に示す例3では、制御部23が、スプライン曲線を用いて代表点間を補間して、器差曲線を近似したものである。補間する領域をデータ間隔(xj,xj+1)に区切り、低次の多項式で近似する3次スプライン補間を用いる。補間するデータは、(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),…,(xN,yN)とする。そして、区間(xj,xj+1)で補間する関数をsj(x)とする。
【0035】
3次のスプライン曲線補間を考えると、
sj(x)=aj(x−xj)+bj(x−xj)+cj(x−xj)+dj
ここで、(j=0,1,2,3…,N−1)である。この係数aj,bj,cj,djを求める。これらの未知数は4N個であるので、4N個の方程式が必要となる。このため、3次のスプライン補間に例えば、以下の条件を課す。
【0036】
全てのデータ点を通る。各々のsj(x)に対して両端での値が決まるため、2N個の方程式ができる。各々の区分補間式は、境界点の1次導関数は連続とする。これにより、N−1個の方程式ができる。各々の区分補間式は、境界点の2次導関数は連続とする。これにより、N−1個の方程式ができる。
【0037】
以上の条件を課すと、方程式は4N−2個の方程式で表現できる。未知数は4N個であるので、2個だけ方程式が不足する。この不足を補うために、いろいろな条件が考えられるが、通常は両端x0とxNでの2次導関数の値を0とする。すなわち、
s0(x0)=sN−1(xN)=0
である。これを自然スプラインと呼ぶ。自然スプライン以外には、両端の1次導関数の値を指定するものもある。
【0038】
以上の条件を満たす連立方程式を求めて、係数aj,bj,cj,djを求める。
【0039】
このように、図8に示すようなスプライン曲線を用いることで、代表点間の曲線補間を滑らかにすることができる。そして、出荷時にスプライン曲線を用いて補正値を記憶部13に記憶させておく。これにより、実際の器差曲線に近似できるため、高精度の補間を実現することができ、高精度の計測を実現できる。
【0040】
(例4)
図9はベジェ曲線を用いて器差曲線を近似する様子を示す図である。図9に示す例4では、制御部23が、ベジェ曲線を用いて代表点間を補間して、器差曲線を近似したものであり、3次のベジェ曲線(4個の制御点で示される曲線)を用いる。
【0041】
図9のP0,P1,P2,P3が与えられた制御点である。今、ベジェ曲線のP0からt(0<t<1)の比率の位置の点の座標を求めるためには、以下の手順で計算する。
【0042】
まず、制御点を順に結んで得られる3つの線分P0−P1,P1−P2,P2−P3をそれぞれt:t−1の比率で分割する点、P4,P5,P6を求める。
【0043】
次に、これらの点を順に結んで得られる2つの線分P4−P5,P5−P6を再びそれぞれt:1−tの比率で分割する点、P7、P8を求める。
【0044】
最後に、この2点を結ぶ線分、P7−P8をさらにt:1−tの比率で分割する点、P9を求めると、この点がベジェ曲線上の点となる。この作業を、0<t<1の範囲で繰り返し行なうことにより、P0,P1,P2,P3を制御点とする3次ベジェ曲線が得られる。なお、図9に示すP0とP3とが実施例の代表点に対応する。
【0045】
このように、図9に示すようなベジェ曲線を用いることで、代表点間の曲線補間を滑らかにすることができる。これにより、実際の器差曲線に近似できるため、高精度の補間を実現することができ、高精度の計測を実現できる。
【0046】
(例5)
例5では、制御部23が、小流量では代表点の間隔を狭めて設定し、大流量では代表点の間隔を広めて設定することにより、器差曲線を近似する。図10(a)に示すように、一定間隔毎に代表点を設けた場合には、小流量では、補正誤差(器差)が大きく、大流量では、補正誤差が小さくなっている。このため、図10(b)に示すように、小流量では代表点を多く設定し、大流量では代表点を少なく設定することにより、器差曲線を近似するので、高精度の計測を実現できるとともに、記憶部13のメモリ容量が少なくて済む。
【0047】
なお、小流量は例えば最大計測可能流量の1/10未満であり、大流量は例えば最大計測可能流量の1/10以上である。
【0048】
(圧力及び温度データを考慮した補正値)
実施例1では、補正値を流量データの代表点のみに対応させて記憶部13に記憶させていたが、補正値は圧力や温度の影響を受けて変動する。このため、補正値を流量データだけでなく圧力データと温度データとに対応付けて記憶部13に記憶させるようにする。図11は流量データと圧力データと温度データとに対応付けた補正値を記憶する補正値テーブルを示す図である。
【0049】
図11に示すように、補正値C(x1,y1,z1)は、記憶領域において、温度データがx1、圧力データがy1、流量データがz1におけるある代表点における補正値である。
【0050】
このような代表点毎の補正値Cを補間し、連続的な補正値を求め、器差曲線を近似する。
【0051】
そして、制御部23は、図11に示す補正テーブルを用いて、温度センサ19で検出された温度データと圧力センサ21で検出された圧力データとに対応する補正値を読み出すことにより、流量の計測値を補正することができる。このため、高精度の計測を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【0052】
本発明に係る超音波流量計は、ガスメータや水道メータといった流体の流量を測定する流量計に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0053】
【図1】本発明の実施例1に係る超音波流量計を含む超音波流量計システムの構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の実施例1に係る超音波流量計の構成を示す図である。
【図3】実際に流れる流量の真値と超音波振動子で受信した信号から得られる流量の計測値の関係を示す図である。
【図4】予め定められた各々の代表点における理想曲線と器差曲線との差分を補正値とする様子を示す図である。
【図5】代表点間の補間方法の一例を示す図である。
【図6】補正方法の一例を示す図である。
【図7】直線における代表点のとり方の一例を示す図である。
【図8】曲線における代表点の取り方の一例を示す図である。
【図9】ベジェ曲線を用いて器差曲線を近似する様子を示す図である。
【図10】小流量と大流量での代表点の取り方による補正誤差を示す図である。
【図11】流量データと圧力データと温度データとに対応付けた補正値を記憶する補正値テーブルを示す図である。
【符号の説明】
【0054】
1 計量器
2 流体発生器
3 マスターメータ
4 パーソナルコンピュータ
10a ガス流入口
10b ガス流出口
10c ガス流路
11 計量部
12a,12b 超音波振動子
13 記憶部
14 遮断弁
15 表示部
17 通信部
19 温度センサ
21 圧力センサ
23 制御部
101 理想曲線
102 器差曲線
103a 代表点
104a 補正値
【出願人】 【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
【識別番号】000220262
【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社
【識別番号】000221834
【氏名又は名称】東邦瓦斯株式会社
【識別番号】000116633
【氏名又は名称】愛知時計電機株式会社
【出願日】 平成18年7月6日(2006.7.6)
【代理人】 【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和

【識別番号】100100712
【弁理士】
【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦

【識別番号】100100929
【弁理士】
【氏名又は名称】川又 澄雄

【識別番号】100108707
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 友之

【識別番号】100095500
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 正和

【識別番号】100101247
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 俊一

【識別番号】100098327
【弁理士】
【氏名又は名称】高松 俊雄


【公開番号】 特開2008−14834(P2008−14834A)
【公開日】 平成20年1月24日(2008.1.24)
【出願番号】 特願2006−187131(P2006−187131)