JP5942085B2 - 流量補正係数設定方法とこれを用いた流量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、流速を計測して流量を算出するにあたり、補正のための流量補正係数を使用するものにあって、その流量補正係数の設定方法、およびこれを用いた流量計測装置に関するものである。

従来、この種の流量補正係数設定方法として、測定した数多くの流量値で流量補正係数を求め、これらを複数の近似直線で結ぶものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、特許文献１に記載された流速（Ｖ）と流量補正係数（ｋ）及びその近似直線を示すグラフである。

図８に示すように、この方法では、流量計測装置（図示せず）において計測した値をもとに流速と流量補正係数の関係を直線近似して結ぶものである。例えば、計測点１００〜１０４をもとに、最小二乗法等で最適化した近似直線１０５を求める。次にその近似直線を用いて求めた流量補正係数の値と、計測値から求めた流量補正係数の値とを比較して、予め決められた誤差内に入るかどうか判定する。以下、同様の手順で、順次、測定点を増加しては誤差を計算し、誤差が所定の値を超えかどうかの判定基準を用いて、近似直線として近似できる範囲を、次々と定めていくものである。

特許第３４８７５８９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、一般的に流量と流量補正係数の関係が直線でないため、多くの測定点をとる必要があった。また、これらを直線で近似するにあたり、直線近似できる範囲を試行錯誤的に求めていくため、演算負荷のかかる内容のものであった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、少ない測定点数で流量補正係数を求め得る流量補正係数設定方法の提供を目的とするものである。

また、そのような設定方法を用いた流量計測装置の提供をも目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流量補正係数設定方法は、測定流量を流量補正係数で補正する流量計測装置において、予め実測で得られた流量と前記流量に対して
非線形な関係にある流量補正係数から前記流量を変数として前記流量補正係数と比例関係となる関数を求め、個々の流量計測装置においては、複数の基準流量の内の特定の２つの流量で実測された流量補正係数と、前記関数で規定される流量と流量補正係数の比例関係から、前記特定の２つの流量以外の基準流量における流量補正係数を求めて数値テーブルとして保持し、前記基準流量で区画されるそれぞれの流量範囲において、流量と流量補正係数との関係を直線近似した場合に必要な計測精度が得られるように基準流量の数と流量値を設定しておき、測定流量における流量補正係数を、前記基準流量で区分された流量範囲の内、前記測定流量が属する流量範囲における比例関係から求めるようにしたことにより、２点の測定値と、流量と流量補正係数の関係を線形化する関数とを用いて全体の流量補正係数を定めるため、少ない測定点数で精度よく流量補正係数を定めることができる。

本発明の流量計測装置は、流量と流量補正係数の関係を線形化する関数とを用いて全体の流量補正係数を定めるため、少ない測定点数で精度よく流量補正係数を定めることができる。

本発明の実施の形態１における流量計測装置の概略断面図 （ａ）本発明の実施の形態１における流量と流量補正係数の関係を示す図、（ｂ）同実施の形態１における流量と流量補正係数のグラフ （ａ）本発明の実施の形態１における流量と流量の対数値及び流量補正係数の関係を示す図、（ｂ）同実施の形態１における流量の対数値と流量補正係数のグラフ 本発明の実施の形態１において、流量値とその対数値を示す数値テーブルを示す図 （ａ）本発明の実施の形態１において、基準流量と実測で求めた流量補正係数及び演算で求める流量補正係数の関係を示す数値テーブルを示す図、（ｂ）同本発明の実施の形態１において、流量補正係数の求め方を説明するグラフ 本発明の実施の形態１における補正手段の構成図 本発明の実施の形態１において、計測流量における流量補正係数の求め方を説明する図 従来の流量補正係数を求めるための方法を示す図

第１の発明は、測定流量を流量補正係数で補正する流量計測装置において、予め実測で得られた流量と前記流量に対して非線形な関係にある流量補正係数から前記流量を変数として前記流量補正係数と比例関係となる関数を求め、個々の流量計測装置においては、複数の基準流量の内の特定の２つの流量で実測された流量補正係数と、前記関数で規定される流量と流量補正係数の比例関係から、前記特定の２つの流量以外の基準流量における流量補正係数を求めて数値テーブルとして保持し、前記基準流量で区画されるそれぞれの流量範囲において、流量と流量補正係数との関係を直線近似した場合に必要な計測精度が得られるように基準流量の数と流量値を設定しておき、測定流量における流量補正係数を、前記基準流量で区分された流量範囲の内、前記測定流量が属する流量範囲における比例関係から求めて流量計測装置の流量補正係数を設定することにより、少ない測定点数で、全体の流量補正係数を精度よく定めることができる。

そして、前記基準流量を予め定めた複数の流量として、それぞれの基準流量に対応して前記関数で計算された値を数値テーブルで保持して流量計測装置の流量補正係数を設定することにより、基準流量における流量補正係数を都度複雑な関数演算をすることなく求めることができるため、かかる演算をマイコン等で行うときに演算負荷の軽減を図ることができるものである。

更に、前記基準流量で区画されるそれぞれの流量範囲において、流量と流量補正係数との関係を直線近似として許容可能とするように基準流量の数と流量値を設定して、流量計測装置の流量補正係数を設定することにより、近似の精度を向上することができるものである。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記関数として対数を用いて、流量計測装置の流量補正係数を設定することにより、より曲線の分解能を要求される小流量域を大流量域に比して精度よく定めることができるため、流量補正係数の設定精度の向上を図ることができるものである。

第３の発明は、計測流路と、前記計測流路を流れる流体の流量を計測する計測手段と、前記計測手段で計測された流量を補正する補正手段とを備え、前記補正手段は第１または２の発明の流量補正係数設定方法を用いた構成とすることにより、流量計測装置として少ない測定点数で、全体の流量補正係数を精度よく定めることができる。

以下、本発明の実施の形態ついて、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）
実施の形態１について、図１〜図６を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における流量計測装置１の概略断面図である。図に示すように、流量計測装置１は、流路本体２と、その上部に配置された超音波送受波器保持部３、および処理部４とより構成されている。

超音波送受波器保持部３には上流側に配置された第１の超音波送受波器５、および下流側に配置された第２の超音波送受波器６の一対の超音波送受波器が、それぞれ、第１の保持部７、第２の保持部８にて保持されている。

流路本体２は、その内部が矩形断面の計測流路９を形成しており、計測流路９は上面１０、および下面１１を有している。上面１０は第１の超音波透過窓１２、および第２の超音波透過窓１３を有している。

Ｐ１，およびＰ２で示した矢印は超音波の伝搬経路であり、超音波は計測流路９を横切るように伝搬する。このとき、下面１１は超音波の反射面として作用するように構成されている。

処理部４は、計測手段１４、演算手段１５、補正手段１６より構成されており、計測手段１４と演算手段１５により、流量演算部１７が形成されている。

図４は、基準流量とその対数値を参照できるようにした数値表である。

図６は補正手段１６の構成を示す図である。図６において、補正手段１６は流量補正係数設定部１９を有しており、基準データ記憶部２０と数値テーブル記憶部２１を参照できる構成となっている。また、補間直線を作成する補間直線設定部２２を有している。

以上のように構成された流量計測装置１について、以下、その動作、作用を説明する。

まず、超音波による流量計測に関して図１を用いて説明する。

図１において、計測流路９を流れる流体の流速をＶ、流体中の音速をＣ、流体の流れる方向と超音波が下面１１で反射するまでの超音波伝搬方向とのなす角度をθとする。また、第１の超音波送受波器５と第２の超音波送受波器６との間で伝搬する超音波の伝搬経路の有効長さをＬとする。

このとき、第１の超音波送受波器５から出た超音波が、もう一方の第２の超音波送受波器６に到達するまでの伝搬時間ｔ１は、下式にて示される。

ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
次に第２の超音波送受波器６から出た超音波が、もう一方の第１の超音波送受波器５に
到達するまでの伝搬時間ｔ２は、下式にて示される。

ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） （２）
式（１）と式（２）から流体の音速Ｃを消去すると、下式が得られる。

Ｖ＝Ｌ／（２ｃｏｓθ（（１／ｔ１）−（１／ｔ２））） （３）
式（３）にて分るように、Ｌとθが既知なら、計測手段１４にて計測された伝搬時間ｔ１、およびｔ２を用いて、流速Ｖが求められる。

次に、下式に示すようにこの流速Ｖに計測流路９の断面積Ｓを乗じて、計測流路９全体の流量Ｑを算出する。

Ｑ＝ＶｘＳ （４）
しかし、一般的には、計測流路９の流速Ｖは分布を持っており、計測された流速は平均流速Ｖａｖｅとは異なるため、実際の流量Ｑｔは下式に示すように、（４）式で求めた流量Ｑに流量補正係数ｋを乗じて求める。

Ｑｔ＝ｋｘＱ （５）
図２（ａ）は、そのような方法で、定められた基準流量（Ｑ）に対応して求めた流量補正係数（ｋ）の値の一例であり、また、同図（ｂ）は、この値をグラフに示したものである。

このグラフに示されるように、一般的にはこの流量補正係数は曲線であり、流量を変数とした非線形な関数である。

図３は図２における基準流量値（Ｑ）の対数をとった場合の説明図で、図３（ａ）は、基準流量とその対数値を併記した表であり、同図（ｂ）は、横軸を対数表記してグラフに示したものである。

図３（ｂ）を見て判るように、図２（ｂ）で曲線であったものが、直線に変換されている。これにより、流量補正係数は流量の対数値と比例の関係になり、その取り扱いが非常にやりやすくなるものである。

しかしながら、この場合には流量値を対数値に変換する必要が生じる。すべての流量値にわたり、その都度対数値を計算するのは、演算負荷が大きくなるため実用的ではない。

そこで、基準流量（Ｑ）に対する対数値を予め計算して、数値テーブルとして記憶することを考える。そうすれば、都度、対数値を計算する必要がなくなり、単に数値テーブルを参照するだけでよいことになる。本実施例における数値テーブルとして、図４に基準流量（Ｑ）に対する対数値の数値テーブルを示す。

ここで、流量値に対する流量補正係数が、流量値を対数にとれば、比例関係になることが予め判っているので、図５（ａ）に示すように、例えば、基準流量の両端点の４０リッタ／ｈと６０００リッタ／ｈにおける流量補正係数（Ｋａ，Ｋｂ）を実測しておけば、中間の値は線形補間で簡単に求めることができる。これをグラフで示したのが、図５（ｂ）である。すなわち、Ｐａ、Ｐｂ点におけるを実験で求めれば、基準流量におけるＰ１〜Ｐ４点の流量補正係数（Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４）は、この２点間を線形補間することにより求めることができる。

この仕組みをもう少し具体的に説明すると以下のようになる。

図６において、流量演算部１７により２点の値が測定されると、これらの値を基に、流量補正係数設定部１９において、この２点に対する流量補正係数が順次算出され、これらの値は基準データ記憶部２０に格納される。また、一方、数値テーブル記憶部２１には、予め計算により求められた基準流量の対数値と基準流量を記載した数値テーブル（図４に示す）が格納されている。

基準データ記憶部２０に格納されている実測した２点の流量補正係数と数値テーブル記憶部２１に格納されている、図４に示す数値テーブルの値より、測定点以外の基準流量における流量補正係数が算出される。

これら基準流量での流量補正係数が求められれば、図７に示すように、基準流量間は直線として表されるので、基準流量の間の値は補間直線設定部２２において、これらの値を結ぶ直線が規定され、この直線を用いて、流量補正係数が得られるものである。即ち、計測流量の実測値として、２０００リッタ／ｈ（Ｐｃ）が計測された場合、この流量は基準流量１０００リッタ／ｈ（Ｐ３）と３０００リッタ／ｈ（Ｐ４）の範囲に属するので、Ｐ３，Ｐｃ，Ｐ４が直線であると見做し、Ｐｃにおける流量補正係数Ｋｃは、Ｋ３とＫ４の直線近似で求めることができる。

以上に述べたように、本発明の流量計測装置は、２点の測定値と予め計算された数値テーブル表とを用いて基準流量における流量補正係数を定めるため、複雑な演算処理をすることなく、少ない測定点数で精度よく流量補正係数を定めることができる。

なお、本実施例では流量と流量補正係数の関係を線形化する関数として対数を用いたが、これに限定されるものではなく、複雑な関数であっても良いものである。

また、流量を求めてから補正を行う、流量補正係数を例にとって説明したが、原理的には流速で補正を行う流速補正係数であっても差し支えないものである。

さらに、基準流量は、その数、流量値を適宜設定することで、流量と流量補正係数との関係を直線近似した場合でも必要とされる計測精度を得ることができるようにすることは言うまでもない。

以上のように、本発明に係る流量計測装置は、流量と流量補正係数の関係が比例関係になるような関数の数値テーブルを記憶して用いることにより、少ない実測値で流量補正係数を求めることができる。これにより多くの台数の流量補正係数測定が必要となる各種ガスメータ等、計測分野における幅広い用途に適用できる。

１ 流量計測装置
１６ 補正手段

Claims (3)

1. 測定流量を流量補正係数で補正する流量計測装置において、
   予め実測で得られた流量と前記流量に対して非線形な関係にある流量補正係数から前記流量を変数として前記流量補正係数と比例関係となる関数を求め、
   個々の流量計測装置においては、
   複数の基準流量の内の特定の２つの流量で実測された流量補正係数と、前記関数で規定される流量と流量補正係数の比例関係から、前記特定の２つの流量以外の基準流量における流量補正係数を求めて数値テーブルとして保持し、
   前記基準流量で区画されるそれぞれの流量範囲において、流量と流量補正係数との関係を直線近似した場合に必要な計測精度が得られるように基準流量の数と流量値を設定しておき、
   測定流量における流量補正係数を、前記基準流量で区分された流量範囲の内、前記測定流量が属する流量範囲における比例関係から求めることを特徴とする流量計測装置の流量補正係数設定方法。
2. 前記関数として対数を用いたことを特徴とする請求項１記載の流量計測装置の流量補正係数設定方法。
3. 計測流路と、前記計測流路を流れる流体の流量を計測する計測手段と、前記計測手段で計測された流量を補正する補正手段とを備え、前記補正手段は、請求項１または２記載の流量補正係数設定方法を用いたことを特徴とする流量計測装置。