容積式流量計
【課題】 本発明は、１サイクルごとに一定量の流体を流し出す計量子を繰り返し動作させて流量を計測する容積式流量計に関し、流量計測誤差を小さく抑える。
【解決手段】 流路内で動作を循環的に繰り返し流入してきた流体を１サイクルの動作ごとに一定量だけ流出させる計量子と、その計量子に流入する流体とその計量子から流出する流体との差圧を検出する差圧検出器と、計量子の動作に応じた信号を出力する動作検出器と、計量子の動作を補助するモータと、動作検出器の出力信号に基づいて、差圧検出器の応答周波数を越える周波数成分を含む波形を生成する波形生成部と、差圧検出器で検出された差圧と波形生成部で生成された波形との双方に基づいて、計量子に流入する流体と計量子から流出する流体との差圧がゼロになるようにモータの動作を制御する動作制御部とを有する。
【解決手段】 流路内で動作を循環的に繰り返し流入してきた流体を１サイクルの動作ごとに一定量だけ流出させる計量子と、その計量子に流入する流体とその計量子から流出する流体との差圧を検出する差圧検出器と、計量子の動作に応じた信号を出力する動作検出器と、計量子の動作を補助するモータと、動作検出器の出力信号に基づいて、差圧検出器の応答周波数を越える周波数成分を含む波形を生成する波形生成部と、差圧検出器で検出された差圧と波形生成部で生成された波形との双方に基づいて、計量子に流入する流体と計量子から流出する流体との差圧がゼロになるようにモータの動作を制御する動作制御部とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１サイクルごとに一定量の流体を流し出す、ピストンや回転子等の計量子を、循環的に繰り返し動作させて流量を計測する容積式流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、上記の容積式流量計が知られている（例えば特許文献１）。
【０００３】
容積式流量計では、計量子への流入側流体と計量子からの流出側流体との間の差圧を計測し、その差圧がゼロになるように計量子を駆動することが行なわれている。計量子をこのように駆動すると、流体の圧力損失なしに流量を計測することができる。特許文献１には、小流量域から大流量域までの広い流量域における器差特性改善の提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−５０１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
容積式流量計では、上述の通り、流入側と流出側との間の流体の差圧を計測し、その差圧がゼロとなるように計量子が駆動される。この容積式流量計では、その差圧を高精度にゼロに抑えることが流量計測精度の向上につながっている。しかしながら、差圧を計測するセンサの応答性能の限界や、差圧を計測してからその差圧をゼロにすべく計量子を駆動するまでの時間遅れに起因して、差圧の変動が幾分か残り、これが流量計測精度の限界を定める１つの要因となっている。差圧計測センサとして十分な高速応答性能を持ったセンサを使うと、その分コスト高となり、また、それでもなお、時間遅れに起因する流量計測誤差の低下は免れない。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、応答性能が必ずしも十分ではない差圧検出センサを使用した場合であっても、流量計測誤差を小さく抑えることのできる容積式流量計を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の容積式流量計は、
流路内で動作を循環的に繰り返し流入してきた流体を１サイクルの動作ごとに一定量だけ流出させる計量子と、
上記計量子に流入する流体とその計量子から流出する流体との差圧を検出する差圧検出器と、
上記計量子の動作に応じた信号を出力する動作検出器と、
上記計量子の動作を補助するモータと、
上記動作検出器の出力信号に基づいて、差圧検出器の応答周波数を越える周波数成分を含む第１の波形を生成する第１の波形生成部と、
上記差圧検出器で検出された差圧と上記第１の波形生成部で生成された第１の波形との双方に由来する信号に基づいて、計量子に流入する流体と計量子から流出する流体との差圧がゼロになるようにモータの動作を制御する動作制御部とを有することを特徴とする。
【０００８】
本発明の容積式流量計は、差圧検出器の応答周波数を越える周波数成分を含む波形を生成し、差圧検出器で検出された差圧のみに基づくのではなく、その差圧と、上記波形との双方に由来する信号に基づいて差圧がゼロになるようにモータの動作を制御するものである。これにより差圧検出器で検出しきれない差圧の高周波成分もキャンセルされ流量計測誤差の小さい容積式流量計を得ることができる。
【０００９】
ここで、本発明の容積式流量計において、上記差圧検出器が、計量子への流入前の流体と計量子からの流出後の流体を両端面それぞれに受け流入前の流体と流出後の流体との差圧に応じて移動するフリーピストンと、そのフリーピストンの位置を検出する位置センサとを有するものであってもよい。
【００１０】
フリーピストンは容積式流量計に従来より広く使われており、本発明の容積式流量計はこのフリーピストンをそのまま用いて高精度な流量計測を行なうことができる。
【００１１】
また、本発明の容積式流量計において、上記動作検出器が、計量子の動作量に応じた数のパルス信号を出力するエンコーダであってもよい。
【００１２】
容積式流量計には、エンコーダが装備されていてそのエンコーダの出力パルスを計数することにより流量を検出したり表示することが広く行われている。
【００１３】
本発明の容積式流量計によれば、そのエンコーダをそのままモータ制御用の波形生成のために採用することができる。
【００１４】
また、本発明の容積式流量計において、上記計量子が、１サイクルの動作で一定量の流体を流出させる、動作の位相が順次異なる複数の個別計量子を有し、上記第１の波形生成部が、それら複数の個別計量子全体としての動作の一周期に対応した周波数の波形を基本波としたときのその基本波に対する複数次数の高調波の混合からなる第１の波形を生成するものであることが好ましい。
【００１５】
容積式流量計における、計量子は、動作の位相が異なる、複数のピストンや複数の回転子などからなる、複数の個別計量子で構成されているものが多い。この場合、それら複数の個別計量子全体としての動作の一周期分の差圧波形を基本波としたとき、差圧波形には、それら複数の個別計量子の数と同じ次数、又はその数の整数分の１や整数倍の次数の高調波成分が含まれることが多い。例えば４個の個別流量子で構成されている場合、それら４個の個別流量子全体としての動作の一周期に対応した周波数の波形を基本波としたとき、差圧波形には、２次、４次、８次等の高調波が含まれることが多い。
【００１６】
そこでこれら複数の次数の高調波の混合からなる波形を生成してモータの制御に用いることにより、計量子の流入側と流出側との間の差圧の時間変動を一層高精度に抑えることができ、流量計測精度を一層向上させることができる。
【００１７】
さらに、本発明の容積式流量計において、上記動作制御部が、前記第１の波形生成部で生成された第１の波形のゲインを調整する第１の波形ゲイン調整部と、差圧検出器で検出された差圧に対し比例、積分、および微分それぞれの演算を行なうことにより第２の波形を生成する第２の波形生成部と、第２の波形生成部で生成された第２の波形のゲインを調整する波形ゲイン調整部と、第１の波形生成部で生成され、第１の波形ゲイン調整部によりゲイン調整された後の第１の波形と、第２の波形生成部で生成され、第２の波形ゲイン調整部でゲインが調整された後の第２の波形とを合成する波形合成部とを有し、その波形合成部で合成された第３の波形に基づいてモータを制御するものであって、
第１の波形ゲイン調整部が、動作検出器の出力信号に基づいて、計量子の動作速度が第１の動作速度を超える動作速度のときに動作速度の上昇に応じて第１の波形のゲインを単調に上昇させ、
第２の波形ゲイン調整部が、動作検出器の出力信号に基づいて、計量子の動作速度が第２の動作速度を超える動作速度のときに動作速度の上昇に応じて第２の波形のうちの差圧検出器で検出された差圧の微分演算により生成される微分波形のゲインを単調に減少させるものであることが好ましい。
【００１８】
容積式流量計の場合、流量計測誤差は、小流量側と大流量側で生じ易い。小流量側の計測誤差はＰ（比例）、Ｉ（積分）、Ｄ（微分）制御により計量子に流入する流体とその計量子から流出する流体との差圧をゼロにすることで改善されることが知られている。しかし、大流量側、すなわち計量子の動作速度が速い側ではＰＩＤ制御だけでは改善されない。本発明での第１の波形を生成する第１の波形生成部では、差圧検出器の応答周波数を越える周波数成分を含む波形が生成される。したがってこの第１の波形は、いわば、第２の波形生成部で生成される第２の波形のうちの、微分波形と競合する（微分波形に代えて採用される）波形と考えられる。
【００１９】
そこで、上記の第１の波形については、第１の動作速度を超える動作速度のときに動作速度の上昇に応じてゲインを単調に上昇させ、第２の波形生成部で生成される微分波形については第２の動作速度を超える動作速度のときに動作速度の上昇に応じて単調にゲインを減少させる。
【００２０】
このような制御を行なうことにより、特に大流量側について流量計測精度を一層向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上の通り、本発明によれば、従来と同程度の応答性の差圧検出器を用いた場合であっても、低流量から大流量まで高精度な流量計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ピストンタイプの容積式流量計を構成する流量検出器の模式図である。
【図２】図１に示す流量検出器を備えた容積式流量計のフリーピストンの説明図である。
【図３】図１に動作原理を示す容積式流量計の全体構成図である。
【図４】比較例としての制御方式を示すブロック図である。
【図５】差圧等の時間波形の一例を示す図である。
【図６】本実施形態の容積式流量計で実行されるモータ回転制御の制御方式を示すブロック図である。
【図７】フィードフォワード制御部における波形生成の説明図である。
【図８】ＦＦ（フィードフォワード）ゲインと流量誤差との関係を示すグラフである。
【図９】ＰＩＤ波形のうちの、微分波形のゲイン（Ａ）と、（１）〜（３）の式に従って生成されて合成された合成波形のＦＦゲイン（Ｂ）を示す図である。
【図１０】図４に示す比較例の制御方式を採用したときと、図６に示す本実施形態における制御方式を採用したときの各流量ごとの流量誤差を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態を説明する。ここでは、一例としてピストンタイプの容積式流量計を取り上げて説明する。
【００２４】
図１は、ピストンタイプの容積式流量計を構成する流量検出器の模式図である。
【００２５】
ここに示す流量検出器１０には、９０°ずつ順次異なる方向に向いた４つのシリンダ１１＿１〜１１＿４と、それらのシリンダ１１＿１〜１１＿４内で往復移動する４つのピストン１２＿１〜１２＿４が示されている。これらのピストン１２＿１〜１２＿４はそれぞれが本発明にいう個別計量子の一例に対応し、それらのピストン１２＿１〜１２＿４の集合体が本発明にいう計量子の一例に対応する。これらの４つのピストン１２＿１〜１２＿４は、図１（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、各シリンダ１１＿１〜１１＿４内で位相が順次９０°ずつずれた往復動作を行なう。４つのシリンダ１１＿１〜１１＿４の中央には、クランクシャフト１３が備えられており、各ピストン１２＿１〜１２＿４は、各コネクティングロッド１４＿１〜１４＿４により、クランクシャフト１３の、回転軸から偏心した位置に連結されている。クランクシャフト１３には、コネクティングロッド１４＿１〜１４＿４を介してピストン１２＿１〜１２＿４の動きが伝達され、クランクシャフト１３はそれらのピストン１２＿１〜１２＿４の動きにより矢印Ｘ方向に回転する。
【００２６】
この容積式流量計に流入してきた流体は、各シリンダ１１＿１〜１１＿４のクランクシャフト１３側の空間に流入する。各シリンダ１１＿１〜１１＿４の頭部側には、各流路の１５＿１〜１５＿４のポートＰ１〜Ｐ４が接続されている。また、それらの流路１５＿１〜１５＿４は隣接するシリンダ１１＿１〜１１＿４に接続されており、それら隣接するシリンダ１１＿１〜１１＿４の、流路１５＿１〜１５＿４の出口に隣接した位置には、この容積式流量計の流出口につながるポートＥ１〜Ｅ４が設けられている。この容積式流量計に流入してきた流体は、各ピストン１２＿１〜１２＿４の動きに伴って図１（Ａ）〜（Ｄ）に示す各矢印（クランクシャフト１３の回転を表わす矢印Ｘを除く）の方向に流れ、クランクシャフト１３の一回転あたり一定量の流体が出口側に流出する。
【００２７】
図２は、図１に示す流量検出器を備えた容積式流量計のフリーピストンの説明図である。
【００２８】
流入路２１を通ってこの容積式流量計に流入してきた流体は紙面に垂直な方向の穴Ｈ１を通って図１に示す流量検出器１０の中央側に流入し、図１の各ポートＥ１〜Ｅ４を通って流出してきた流体は穴Ｈ２を通り、さらに流出路２２を通ってこの容積式流量計の外部に流出する。ここで、流体の入口側と出口側とをバイパスする流路２３が設けられており、その流路２３内には、その流路２３内で自由に動くことのできるフリーピストン２４が配置されている。このフリーピストン２４は、その両端面にそれぞれ流入側の流体と流出側の流体の圧力を受け、それら流入側の流体と流出側の流体の差圧に応じて流路２３内を移動する。図２（Ａ）は、その差圧が小さく、フリーピストン２４が流路２３の中央に位置している状態が示されており、図２（Ｂ）は流入側の圧力の方が高くフリーピストン２４が流出側に寄った位置にある状態を示している。
【００２９】
またここには、流路２３内のフリーピストン２４を取り巻くように高周波コイル２５が配備されている。この高周波コイル２５には高周波電流が流されてフリーピストン２４により生じる過電流損失の変化が検出され、これによりフリーピストン２４の位置が検出される。すなわち、このフリーピストン２４と高周波コイル２５により差圧検出器２６が構成されている。
【００３０】
図３は、図１に流量検出器および図２に差圧検出器を示す容積式流量計の全体構成図である。
【００３１】
この図３に示す容積式流量計１００の上部には、図２を参照して説明した、フリーピストン２４と高周波コイル２５とからなる差圧検出器２６が配置されている。また、この差圧検出器２６の直ぐ下には、図１に示す全体、すなわちシリンダ１１＿１〜１１＿４やピストン１２＿１〜１２＿４等からなる流量検出器１０が配置されている。
【００３２】
その流量検出器１０からは、クランクシャフト１３（図１を合わせて参照）が延出し、モータ４１の出力軸に連結されている。クランクシャフト１３とモータ４１の出力軸との連結部分にはロータリエンコーダ４２が配備されている。このロータリエンコーダ４２からはクランクシャフト１３が一定の微小角度回転するごとにパルス信号が出力される。また、このロータリエンコーダ４２からは、そのロータリエンコーダ４２の一回転、すなわちクランクシャフト１３の一回転ごとに１つのパルス信号（Ｚ相パルスと称する）も出力される。このロータリエンコーダ４２からの出力パルス信号は表示装置５０に入力される。この表示装置５０では、ロータリエンコーダ４２からの出力パルスの数が計数されて流量が算出され、その算出された流量が表示される。
【００３３】
差圧検出器２６で検出された差圧は、制御装置６０に入力される。詳細は後述するが、この制御装置６０では、流入側の流体と流出側の流体との間の差圧がゼロになるように、具体的にはフリーピストン２４が図２（Ａ）に示すようにバイパスの流路２３の中央に位置するようにモータ４１の回転が制御される。こうすることにより流体の流量が圧力損失なしに測定される。
【００３４】
ここで、図３に示す容積式流量計１００の、後述する比較例と本発明の一実施形態との相違点は、比較例ではロータリエンコーダ４２から出力されるパルス信号は表示装置５０には伝達されるものの制御装置６０での制御には用いられていないのに対し、本発明の実施形態では、ロータリエンコーダ４２から出力されるパルス信号は、図３に破線の矢印で示すように制御装置６０にも入力されてモータ４１の制御にも利用されることと、それに伴って制御装置６０における制御方式が比較例とは異なっていることである。
【００３５】
以下では、図１〜図３を参照して説明してきた容積式流量計１００におけるモータ４１の制御方式について説明する。ここでは先ず、比較例の制御方式について説明する。
【００３６】
図４は、比較例としての制御方式を示すブロック図である。
【００３７】
ここでは、図３の差圧検出器２６からフリーピストン２４の位置を表わす信号を得て基準位置と比較され、基準位置との差分がＰＩＤ制御部１０１に入力される。ＰＩＤ制御部１０１は、その差分に相当する信号に比例する信号（Ｐ）、その差分に相当する信号の積分信号（Ｉ）、および、その差分に相当する信号の微分信号（Ｄ）を生成して、それらの信号からなるＰＩＤ信号を生成する。そのＰＩＤ信号はモータドライバ１０２に送られ、モータドライバ１０２はそのＰＩＤ信号に応じてモータ４１の回転を制御する。これによりフリーピストン２４の両端面にかかる圧力の差分（流体の流入側と流出側の差圧）がゼロとなるようにモータ４１の回転が制御される。
【００３８】
図５は、差圧等の時間波形の一例を示す図である。
【００３９】
この図５中、（Ａ）は、ロータリエンコーダ４２（図３参照）から出力されるＺ相のパルス（ロータリエンコーダ４２やクランクシャフト１３の一回転ごとに１パルスだけ出力されるパルス信号）を示している。また、（Ｂ）は、高周波コイル２５で計測したフリーピストン２４の動きを示すグラフである。また、（Ｃ）は、フリーピストン２４とは別に、この容積式流量計１００への流入側の流路２１（図２参照）、およびこの容積式流量計１００からの流出側の流路２２（図２参照）に応答速度の速い圧力計を実験的に配置して、それらの圧力計による差圧を計測したグラフである。さらに、（Ｄ）は、モータ４１の駆動電流（図４におけるモータドライバ１０２からモータ４１に向けて出力される電流）の波形を示している。
【００４０】
この図５の（Ｂ）と（Ｃ）を比較すると分かるように、フリーピストン２４はその質量等により差圧の高周波変動分には追随せず、ある程度ゆっくりとした差圧変動にのみ反応している。これに対し、実際の差圧は、（Ｃ）に示すように、より高い周波変動分を含んで変動している。
【００４１】
ここで、図４に示す比較例としての制御方式の場合、差圧検出器２６からのフリーピストン２４の位置信号のみに基づくＰＩＤフィードバック制御によりモータ４１を回転させている。この場合、流入側と流出側との平均的な差圧をゼロに近づけることはできるが、フリーピストン２４が追随できない程度に瞬時的な差圧変動に応答することはできない。図８を参照しながら後述するが、図５（Ｂ）の波形、すなわち高周波成分を含んだ差圧変動波形の変動幅（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ）を抑えると流量計測精度が向上することが確かめられている。しかしながら、図４に示す制御方式の場合、この変動幅を抑えるには限界がある。仮に、フリーピストン２４と高周波コイル２５とからなる差圧検出器２６に代えて、図５（Ｃ）に示す差圧を検出することのできる圧力計を組み込むことを考えると、差圧を検出する圧力計のゼロ点ドリフトによる流量計測誤差の問題があり、またフリーピストン２４が組み込まれた従来型の流量計をそのまま採用することはできず、設計変更や部品追加等を伴うことになりコストアップとなる。
【００４２】
また、コストアップにとどまらず、図５（Ｃ）に示す差圧波形に基づいてフィードバック制御を行なったとしてもフィードバック系の時間遅れ等に起因してその差圧波形の変動幅を十分に抑えきることができないおそれが強い。
【００４３】
以上で比較例の制御方式の説明を終了し、次に本実施形態における制御方式について説明する。
【００４４】
図６は、本実施形態の容積式流量計の制御装置６０（図３参照）で実行されるモータ回転制御の制御方式を示すブロック図である。
【００４５】
ここでは、差圧検出器２６から出力されるフリーピストン位置信号に加え、ロータリエンコーダ４２（図３参照）からのパルス信号（エンコーダ信号）も利用される。
【００４６】
フリーピストン位置信号は基準位置と比較され、基準位置との差分を表わす信号をＰＩＤ制御部１０１に入力されて、比較信号（Ｐ）、積分信号（Ｉ）、および微分信号（Ｄ）が生成される。これらの信号（ＰＩＤ信号）は、ＰＩＤゲイン調整部１０３に入力される。このＰＩＤゲイン調整部１０３では、ＰＩＤ信号のうちの微分信号（Ｄ）のゲインが調整される。より詳細には、このＰＩＤゲイン調整部１０３では、ある閾値以上の流量（具体的には例えば図９に示す１００Ｌ／ｈ（リットル／時）以上の流量）のときに流量が増大するほど微分信号（Ｄ）のゲインを減少させ、図９に示す例では１４０Ｌ／ｈでゲインゼロとする。
【００４７】
ここで、ＰＩＤ制御部１０１は、本発明における第２の波形生成部の一例に相当し、ＰＩＤ信号が、本発明における第２の波形の一例に相当する。また、ＰＩＤゲイン調整部１０３は、本発明における第２の波形ゲイン調整部の一例に相当する。
【００４８】
ロータリエンコーダ４２から出力されたエンコーダ信号からは、パルスの繰返し周波数ｆ［Ｈｚ］の算出と、Ｚ相パルスを基準とした位相の検出が行なわれる。パルスの繰返し周波数ｆ［Ｈｚ］からは、さらに流体の流量Ｑ［Ｌ／ｈ］が算出される。この算出された流量Ｑ［Ｌ／ｈ］は、ＰＩＤゲイン調整部１０３と、フィードフォワードゲイン調整部１０５に入力される。フィードフォワードゲイン調整部１０５については後述する。ＰＩＤゲイン調整部１０３では、微分信号のゲインが上述の通りに調整される。
【００４９】
エンコーダ信号から算出又は検出された繰り返し周波数ｆ［Ｈｚ］と位相は、フィードフォワード制御部１０４に入力される。このフィードフォワード制御部１０４では、以下に説明するようにして、ロータリエンコーダ４２の隣接する２つのＺ相パルスの時間間隔で表わされるクランクシャフト１３（図３参照）の一回転に対応した周波数の波形を基本波としたときの、その基本波に対する複数次数（ここの例では、２次と４次と８次）の高調波の混合からなる、流体の差圧の時間変動を模擬した波形が生成される。
【００５０】
図７は、フィードフォワード制御部における波形生成の説明図である。
【００５１】
隣接するＺ相パルスの時間間隔をＴとしたとき、図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）には、それぞれ、
【００５２】
【数１】
【００５３】
【数２】
【００５４】
【数３】
【００５５】
で表わされる２次高調波、４次高調波、および８次高調波に相当する各サイン波形が示されている。
【００５６】
後述する図１０に示すように、図４に示すＰＩＤのフィードバック制御のみを行なった場合（図１０（Ａ）参照）、ここに示す例では１４０［Ｌ／ｈ］のときの流量誤差が最大となっている。そこでここでは、実験的に、１４０［Ｌ／ｈ］の流量の流体を流してＰＩＤのフィードバック制御を行なったときの、高周波成分まで含む差圧波形（図５の波形（Ｃ）参照）を分析して、２次、４次、８次高調波のＺ相パルスを基準とした各位相φ１，φ２，φ３と、各振幅Ａ１，Ａ２，Ａ３を求めてフィードフォワード制御部１０６（図６参照）に記憶しておく。実際の流量計測時には、流量が時々刻々変化することによりエンコーダ信号に基づいて算出される周波数ｆ［Ｈｚ］が時々刻々と変化し、これにより（１）〜（３）式中のＴが変化する。そこで、フィードフォワード制御部１０４では、現時点のＴを使って（１）〜（３）の波形が生成されて合成され、エンコーダ信号から検出された位相に応じた位相を持った合成波形が出力される。その合成波形は、フィードフォワードゲイン調整部１０５に入力される。このフィードフォワードゲイン調整部１０５では、その入力されてきた合成波形に、エンコーダ信号に基づいて算出された周波数ｆ［Ｈｚ］からさらに算出された流量Ｑ［Ｌ／ｈ］に基づいて算出されたゲイン（ここではＦＦ（フィードフォワード）ゲインと称する）が乗算される。そのＦＦゲインは、具体的には、ある閾値以上の流量、例えば図９に示すように１０［Ｌ／ｈ］以上の流量のときに、流量が増大するほどＦＦゲインが単調増加し、１００［Ｌ／ｈ］でＦＦゲインが６０％にクリップされる。
【００５７】
ここで、フィードフォワード制御部１０４は、本発明における第１の波形生成部の一例に相当し、このフィードフォワード制御部１０４で生成された合成波形が、本発明における第１の波形の一例に相当する。また、フィードフォワードゲイン調整部１０５が、本発明にいう第１の波形ゲイン調整部の一例に相当する。
【００５８】
ＰＩＤゲイン調整部１０３で得られた、微分波形のゲインが調整された後のＰＩＤ波形とフィードフォワードゲイン調整部１０５でゲインが調整された後の合成波形は、互いに加算されてモータドライバ１０２に入力される。モータドライバ１０２はその加算された信号に基づいてモータの回転を制御する。
【００５９】
図８は、ＦＦゲインと流量誤差との関係を示すグラフである。
【００６０】
ここで、ＦＦゲインは、フィードフォワードゲイン調整部１０５での合成波形のゲイン調整に用いられるゲインである。
【００６１】
横軸はＦＦゲイン［％］を表わし、縦軸は、流量誤差［％］を表わしている。流量誤差は容積式流量計から実際に流出した流体の質量を計測してその質量から換算した真の流量と、その容積式流量計で計測された流量とから算出されたものである。この図８には、比較例の制御方式において誤差の大きい（図１０の（Ａ）のグラフを参照）、１４０［Ｌ／ｈ］付近の流量誤差が示されている。
【００６２】
ここでは、０．２％以下の誤差に抑えることを目標としており、余裕を見て０．１５％で区切ると、ＦＦゲインは４８％〜７３％の範囲内にあることが望ましいことが分かる。ここでは、流量誤差が最小となるＦＦゲイン６０％を選択することとする。
【００６３】
この図８は、ＦＦゲインに対する流量誤差［％］を示すグラフであるが、高周波成分を含む差圧波形（図５（Ｃ）参照）の振幅幅（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ）を測定すると、この振幅幅（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ）も、図８に示す流量誤差と強い相関を持って変化する。すなわち、本実施形態では、フィードフォワード制御部１０４で流体の差圧の高周波成分を模擬した波形を生成してその差圧の高周波成分もキャンセルするようにモータを制御することで流量誤差を低下させている。
【００６４】
図９は、ＰＩＤ波形のうちの微分波形のゲイン（Ａ）と、（１）〜（３）の式に従って生成されて合成された合成波形のＦＦゲイン（Ｂ）を示す図である。
【００６５】
前述の通り、微分波形のゲインは１００［Ｌ／ｈ］以下の流量では１００％であり、１００［Ｌ／ｈ］を越えると直線的にゲインが減少し１４０［Ｌ／ｈ］でゲイン０％となる。一方、合成波形のゲイン（ＦＦゲイン）（Ｂ）は、１０［Ｌ／ｈ］以下の流量では０％、１０［Ｌ／ｈ］を越えると徐々に増加して１００［Ｌ／ｈ］で６０％に達し、それ以上の流量では６０％に固定される。すなわち、ここでは、１０［Ｌ／ｈ］以下の流量のときはモータ４１（図３参照）の回転は、差圧検出器２６からのフリーピストン位置信号に基づくＰＩＤフィードバック制御のみで制御され、流量が１０［Ｌ／ｈ］を越えるとフィードフォワード制御部１０４で生成された合成波形が徐々に加わり、１００［Ｌ／ｈ］を越えると、ＰＩＤ波形のうちの微分波形が急激に減少するとともに合成波形は６０％のＦＦゲインに固定される。
【００６６】
図１０は、図４に示す比較例の制御方式を採用したときと、図６に示す本実施形態における制御方式を採用したときの、各流量［Ｌ／ｈ］に対する流量誤差を示す図である。
【００６７】
図４に示す比較例の制御方式を採用したときのグラフ（Ａ）では、流量１００［Ｌ／ｈ］〜２００［Ｌ／ｈ］の大流量域で大きな誤差を有するのに対し、図６に示す本実施形態の制御方式を採用したときのグラフ（Ｂ）によれば、大きな誤差を示す流量域は存在せず、計測範囲内の全流域域にわたって低い誤差に抑えられていることが分かる。
【００６８】
尚、上記実施形態では、２次、４次、および８次の高調波成分を合成した波形をモータ制御に用いているが、本発明は、２次、４次、８次の組合せに限定されるものではなく、差圧検出器の応答周波数を越える、実現すべき精度に応じた周波数成分を含む波形を生成してモータ制御に用いればよい。
【符号の説明】
【００６９】
１０ 流量検出器
１１＿１〜１１＿４ シリンダ
１２＿１〜１２＿４ ピストン
１３ クランクシャフト
１４＿１〜１４＿４ コネクティングロッド
１５＿１〜１５＿４，２１，２２，２３ 流路
２４ フリーピストン
２５ 高周波コイル
２６ 差圧検出器
４１ モータ
４２ ロータリエンコーダ
５０ 表示装置
６０ 制御装置
１０１ ＰＩＤ制御部
１０２ モータドライバ
１０３ ＰＩＤゲイン調整部
１０４ フィードフォワード制御部
１０５ フィードフォワードゲイン調整部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１サイクルごとに一定量の流体を流し出す、ピストンや回転子等の計量子を、循環的に繰り返し動作させて流量を計測する容積式流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、上記の容積式流量計が知られている（例えば特許文献１）。
【０００３】
容積式流量計では、計量子への流入側流体と計量子からの流出側流体との間の差圧を計測し、その差圧がゼロになるように計量子を駆動することが行なわれている。計量子をこのように駆動すると、流体の圧力損失なしに流量を計測することができる。特許文献１には、小流量域から大流量域までの広い流量域における器差特性改善の提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−５０１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
容積式流量計では、上述の通り、流入側と流出側との間の流体の差圧を計測し、その差圧がゼロとなるように計量子が駆動される。この容積式流量計では、その差圧を高精度にゼロに抑えることが流量計測精度の向上につながっている。しかしながら、差圧を計測するセンサの応答性能の限界や、差圧を計測してからその差圧をゼロにすべく計量子を駆動するまでの時間遅れに起因して、差圧の変動が幾分か残り、これが流量計測精度の限界を定める１つの要因となっている。差圧計測センサとして十分な高速応答性能を持ったセンサを使うと、その分コスト高となり、また、それでもなお、時間遅れに起因する流量計測誤差の低下は免れない。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、応答性能が必ずしも十分ではない差圧検出センサを使用した場合であっても、流量計測誤差を小さく抑えることのできる容積式流量計を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の容積式流量計は、
流路内で動作を循環的に繰り返し流入してきた流体を１サイクルの動作ごとに一定量だけ流出させる計量子と、
上記計量子に流入する流体とその計量子から流出する流体との差圧を検出する差圧検出器と、
上記計量子の動作に応じた信号を出力する動作検出器と、
上記計量子の動作を補助するモータと、
上記動作検出器の出力信号に基づいて、差圧検出器の応答周波数を越える周波数成分を含む第１の波形を生成する第１の波形生成部と、
上記差圧検出器で検出された差圧と上記第１の波形生成部で生成された第１の波形との双方に由来する信号に基づいて、計量子に流入する流体と計量子から流出する流体との差圧がゼロになるようにモータの動作を制御する動作制御部とを有することを特徴とする。
【０００８】
本発明の容積式流量計は、差圧検出器の応答周波数を越える周波数成分を含む波形を生成し、差圧検出器で検出された差圧のみに基づくのではなく、その差圧と、上記波形との双方に由来する信号に基づいて差圧がゼロになるようにモータの動作を制御するものである。これにより差圧検出器で検出しきれない差圧の高周波成分もキャンセルされ流量計測誤差の小さい容積式流量計を得ることができる。
【０００９】
ここで、本発明の容積式流量計において、上記差圧検出器が、計量子への流入前の流体と計量子からの流出後の流体を両端面それぞれに受け流入前の流体と流出後の流体との差圧に応じて移動するフリーピストンと、そのフリーピストンの位置を検出する位置センサとを有するものであってもよい。
【００１０】
フリーピストンは容積式流量計に従来より広く使われており、本発明の容積式流量計はこのフリーピストンをそのまま用いて高精度な流量計測を行なうことができる。
【００１１】
また、本発明の容積式流量計において、上記動作検出器が、計量子の動作量に応じた数のパルス信号を出力するエンコーダであってもよい。
【００１２】
容積式流量計には、エンコーダが装備されていてそのエンコーダの出力パルスを計数することにより流量を検出したり表示することが広く行われている。
【００１３】
本発明の容積式流量計によれば、そのエンコーダをそのままモータ制御用の波形生成のために採用することができる。
【００１４】
また、本発明の容積式流量計において、上記計量子が、１サイクルの動作で一定量の流体を流出させる、動作の位相が順次異なる複数の個別計量子を有し、上記第１の波形生成部が、それら複数の個別計量子全体としての動作の一周期に対応した周波数の波形を基本波としたときのその基本波に対する複数次数の高調波の混合からなる第１の波形を生成するものであることが好ましい。
【００１５】
容積式流量計における、計量子は、動作の位相が異なる、複数のピストンや複数の回転子などからなる、複数の個別計量子で構成されているものが多い。この場合、それら複数の個別計量子全体としての動作の一周期分の差圧波形を基本波としたとき、差圧波形には、それら複数の個別計量子の数と同じ次数、又はその数の整数分の１や整数倍の次数の高調波成分が含まれることが多い。例えば４個の個別流量子で構成されている場合、それら４個の個別流量子全体としての動作の一周期に対応した周波数の波形を基本波としたとき、差圧波形には、２次、４次、８次等の高調波が含まれることが多い。
【００１６】
そこでこれら複数の次数の高調波の混合からなる波形を生成してモータの制御に用いることにより、計量子の流入側と流出側との間の差圧の時間変動を一層高精度に抑えることができ、流量計測精度を一層向上させることができる。
【００１７】
さらに、本発明の容積式流量計において、上記動作制御部が、前記第１の波形生成部で生成された第１の波形のゲインを調整する第１の波形ゲイン調整部と、差圧検出器で検出された差圧に対し比例、積分、および微分それぞれの演算を行なうことにより第２の波形を生成する第２の波形生成部と、第２の波形生成部で生成された第２の波形のゲインを調整する波形ゲイン調整部と、第１の波形生成部で生成され、第１の波形ゲイン調整部によりゲイン調整された後の第１の波形と、第２の波形生成部で生成され、第２の波形ゲイン調整部でゲインが調整された後の第２の波形とを合成する波形合成部とを有し、その波形合成部で合成された第３の波形に基づいてモータを制御するものであって、
第１の波形ゲイン調整部が、動作検出器の出力信号に基づいて、計量子の動作速度が第１の動作速度を超える動作速度のときに動作速度の上昇に応じて第１の波形のゲインを単調に上昇させ、
第２の波形ゲイン調整部が、動作検出器の出力信号に基づいて、計量子の動作速度が第２の動作速度を超える動作速度のときに動作速度の上昇に応じて第２の波形のうちの差圧検出器で検出された差圧の微分演算により生成される微分波形のゲインを単調に減少させるものであることが好ましい。
【００１８】
容積式流量計の場合、流量計測誤差は、小流量側と大流量側で生じ易い。小流量側の計測誤差はＰ（比例）、Ｉ（積分）、Ｄ（微分）制御により計量子に流入する流体とその計量子から流出する流体との差圧をゼロにすることで改善されることが知られている。しかし、大流量側、すなわち計量子の動作速度が速い側ではＰＩＤ制御だけでは改善されない。本発明での第１の波形を生成する第１の波形生成部では、差圧検出器の応答周波数を越える周波数成分を含む波形が生成される。したがってこの第１の波形は、いわば、第２の波形生成部で生成される第２の波形のうちの、微分波形と競合する（微分波形に代えて採用される）波形と考えられる。
【００１９】
そこで、上記の第１の波形については、第１の動作速度を超える動作速度のときに動作速度の上昇に応じてゲインを単調に上昇させ、第２の波形生成部で生成される微分波形については第２の動作速度を超える動作速度のときに動作速度の上昇に応じて単調にゲインを減少させる。
【００２０】
このような制御を行なうことにより、特に大流量側について流量計測精度を一層向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上の通り、本発明によれば、従来と同程度の応答性の差圧検出器を用いた場合であっても、低流量から大流量まで高精度な流量計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ピストンタイプの容積式流量計を構成する流量検出器の模式図である。
【図２】図１に示す流量検出器を備えた容積式流量計のフリーピストンの説明図である。
【図３】図１に動作原理を示す容積式流量計の全体構成図である。
【図４】比較例としての制御方式を示すブロック図である。
【図５】差圧等の時間波形の一例を示す図である。
【図６】本実施形態の容積式流量計で実行されるモータ回転制御の制御方式を示すブロック図である。
【図７】フィードフォワード制御部における波形生成の説明図である。
【図８】ＦＦ（フィードフォワード）ゲインと流量誤差との関係を示すグラフである。
【図９】ＰＩＤ波形のうちの、微分波形のゲイン（Ａ）と、（１）〜（３）の式に従って生成されて合成された合成波形のＦＦゲイン（Ｂ）を示す図である。
【図１０】図４に示す比較例の制御方式を採用したときと、図６に示す本実施形態における制御方式を採用したときの各流量ごとの流量誤差を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態を説明する。ここでは、一例としてピストンタイプの容積式流量計を取り上げて説明する。
【００２４】
図１は、ピストンタイプの容積式流量計を構成する流量検出器の模式図である。
【００２５】
ここに示す流量検出器１０には、９０°ずつ順次異なる方向に向いた４つのシリンダ１１＿１〜１１＿４と、それらのシリンダ１１＿１〜１１＿４内で往復移動する４つのピストン１２＿１〜１２＿４が示されている。これらのピストン１２＿１〜１２＿４はそれぞれが本発明にいう個別計量子の一例に対応し、それらのピストン１２＿１〜１２＿４の集合体が本発明にいう計量子の一例に対応する。これらの４つのピストン１２＿１〜１２＿４は、図１（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、各シリンダ１１＿１〜１１＿４内で位相が順次９０°ずつずれた往復動作を行なう。４つのシリンダ１１＿１〜１１＿４の中央には、クランクシャフト１３が備えられており、各ピストン１２＿１〜１２＿４は、各コネクティングロッド１４＿１〜１４＿４により、クランクシャフト１３の、回転軸から偏心した位置に連結されている。クランクシャフト１３には、コネクティングロッド１４＿１〜１４＿４を介してピストン１２＿１〜１２＿４の動きが伝達され、クランクシャフト１３はそれらのピストン１２＿１〜１２＿４の動きにより矢印Ｘ方向に回転する。
【００２６】
この容積式流量計に流入してきた流体は、各シリンダ１１＿１〜１１＿４のクランクシャフト１３側の空間に流入する。各シリンダ１１＿１〜１１＿４の頭部側には、各流路の１５＿１〜１５＿４のポートＰ１〜Ｐ４が接続されている。また、それらの流路１５＿１〜１５＿４は隣接するシリンダ１１＿１〜１１＿４に接続されており、それら隣接するシリンダ１１＿１〜１１＿４の、流路１５＿１〜１５＿４の出口に隣接した位置には、この容積式流量計の流出口につながるポートＥ１〜Ｅ４が設けられている。この容積式流量計に流入してきた流体は、各ピストン１２＿１〜１２＿４の動きに伴って図１（Ａ）〜（Ｄ）に示す各矢印（クランクシャフト１３の回転を表わす矢印Ｘを除く）の方向に流れ、クランクシャフト１３の一回転あたり一定量の流体が出口側に流出する。
【００２７】
図２は、図１に示す流量検出器を備えた容積式流量計のフリーピストンの説明図である。
【００２８】
流入路２１を通ってこの容積式流量計に流入してきた流体は紙面に垂直な方向の穴Ｈ１を通って図１に示す流量検出器１０の中央側に流入し、図１の各ポートＥ１〜Ｅ４を通って流出してきた流体は穴Ｈ２を通り、さらに流出路２２を通ってこの容積式流量計の外部に流出する。ここで、流体の入口側と出口側とをバイパスする流路２３が設けられており、その流路２３内には、その流路２３内で自由に動くことのできるフリーピストン２４が配置されている。このフリーピストン２４は、その両端面にそれぞれ流入側の流体と流出側の流体の圧力を受け、それら流入側の流体と流出側の流体の差圧に応じて流路２３内を移動する。図２（Ａ）は、その差圧が小さく、フリーピストン２４が流路２３の中央に位置している状態が示されており、図２（Ｂ）は流入側の圧力の方が高くフリーピストン２４が流出側に寄った位置にある状態を示している。
【００２９】
またここには、流路２３内のフリーピストン２４を取り巻くように高周波コイル２５が配備されている。この高周波コイル２５には高周波電流が流されてフリーピストン２４により生じる過電流損失の変化が検出され、これによりフリーピストン２４の位置が検出される。すなわち、このフリーピストン２４と高周波コイル２５により差圧検出器２６が構成されている。
【００３０】
図３は、図１に流量検出器および図２に差圧検出器を示す容積式流量計の全体構成図である。
【００３１】
この図３に示す容積式流量計１００の上部には、図２を参照して説明した、フリーピストン２４と高周波コイル２５とからなる差圧検出器２６が配置されている。また、この差圧検出器２６の直ぐ下には、図１に示す全体、すなわちシリンダ１１＿１〜１１＿４やピストン１２＿１〜１２＿４等からなる流量検出器１０が配置されている。
【００３２】
その流量検出器１０からは、クランクシャフト１３（図１を合わせて参照）が延出し、モータ４１の出力軸に連結されている。クランクシャフト１３とモータ４１の出力軸との連結部分にはロータリエンコーダ４２が配備されている。このロータリエンコーダ４２からはクランクシャフト１３が一定の微小角度回転するごとにパルス信号が出力される。また、このロータリエンコーダ４２からは、そのロータリエンコーダ４２の一回転、すなわちクランクシャフト１３の一回転ごとに１つのパルス信号（Ｚ相パルスと称する）も出力される。このロータリエンコーダ４２からの出力パルス信号は表示装置５０に入力される。この表示装置５０では、ロータリエンコーダ４２からの出力パルスの数が計数されて流量が算出され、その算出された流量が表示される。
【００３３】
差圧検出器２６で検出された差圧は、制御装置６０に入力される。詳細は後述するが、この制御装置６０では、流入側の流体と流出側の流体との間の差圧がゼロになるように、具体的にはフリーピストン２４が図２（Ａ）に示すようにバイパスの流路２３の中央に位置するようにモータ４１の回転が制御される。こうすることにより流体の流量が圧力損失なしに測定される。
【００３４】
ここで、図３に示す容積式流量計１００の、後述する比較例と本発明の一実施形態との相違点は、比較例ではロータリエンコーダ４２から出力されるパルス信号は表示装置５０には伝達されるものの制御装置６０での制御には用いられていないのに対し、本発明の実施形態では、ロータリエンコーダ４２から出力されるパルス信号は、図３に破線の矢印で示すように制御装置６０にも入力されてモータ４１の制御にも利用されることと、それに伴って制御装置６０における制御方式が比較例とは異なっていることである。
【００３５】
以下では、図１〜図３を参照して説明してきた容積式流量計１００におけるモータ４１の制御方式について説明する。ここでは先ず、比較例の制御方式について説明する。
【００３６】
図４は、比較例としての制御方式を示すブロック図である。
【００３７】
ここでは、図３の差圧検出器２６からフリーピストン２４の位置を表わす信号を得て基準位置と比較され、基準位置との差分がＰＩＤ制御部１０１に入力される。ＰＩＤ制御部１０１は、その差分に相当する信号に比例する信号（Ｐ）、その差分に相当する信号の積分信号（Ｉ）、および、その差分に相当する信号の微分信号（Ｄ）を生成して、それらの信号からなるＰＩＤ信号を生成する。そのＰＩＤ信号はモータドライバ１０２に送られ、モータドライバ１０２はそのＰＩＤ信号に応じてモータ４１の回転を制御する。これによりフリーピストン２４の両端面にかかる圧力の差分（流体の流入側と流出側の差圧）がゼロとなるようにモータ４１の回転が制御される。
【００３８】
図５は、差圧等の時間波形の一例を示す図である。
【００３９】
この図５中、（Ａ）は、ロータリエンコーダ４２（図３参照）から出力されるＺ相のパルス（ロータリエンコーダ４２やクランクシャフト１３の一回転ごとに１パルスだけ出力されるパルス信号）を示している。また、（Ｂ）は、高周波コイル２５で計測したフリーピストン２４の動きを示すグラフである。また、（Ｃ）は、フリーピストン２４とは別に、この容積式流量計１００への流入側の流路２１（図２参照）、およびこの容積式流量計１００からの流出側の流路２２（図２参照）に応答速度の速い圧力計を実験的に配置して、それらの圧力計による差圧を計測したグラフである。さらに、（Ｄ）は、モータ４１の駆動電流（図４におけるモータドライバ１０２からモータ４１に向けて出力される電流）の波形を示している。
【００４０】
この図５の（Ｂ）と（Ｃ）を比較すると分かるように、フリーピストン２４はその質量等により差圧の高周波変動分には追随せず、ある程度ゆっくりとした差圧変動にのみ反応している。これに対し、実際の差圧は、（Ｃ）に示すように、より高い周波変動分を含んで変動している。
【００４１】
ここで、図４に示す比較例としての制御方式の場合、差圧検出器２６からのフリーピストン２４の位置信号のみに基づくＰＩＤフィードバック制御によりモータ４１を回転させている。この場合、流入側と流出側との平均的な差圧をゼロに近づけることはできるが、フリーピストン２４が追随できない程度に瞬時的な差圧変動に応答することはできない。図８を参照しながら後述するが、図５（Ｂ）の波形、すなわち高周波成分を含んだ差圧変動波形の変動幅（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ）を抑えると流量計測精度が向上することが確かめられている。しかしながら、図４に示す制御方式の場合、この変動幅を抑えるには限界がある。仮に、フリーピストン２４と高周波コイル２５とからなる差圧検出器２６に代えて、図５（Ｃ）に示す差圧を検出することのできる圧力計を組み込むことを考えると、差圧を検出する圧力計のゼロ点ドリフトによる流量計測誤差の問題があり、またフリーピストン２４が組み込まれた従来型の流量計をそのまま採用することはできず、設計変更や部品追加等を伴うことになりコストアップとなる。
【００４２】
また、コストアップにとどまらず、図５（Ｃ）に示す差圧波形に基づいてフィードバック制御を行なったとしてもフィードバック系の時間遅れ等に起因してその差圧波形の変動幅を十分に抑えきることができないおそれが強い。
【００４３】
以上で比較例の制御方式の説明を終了し、次に本実施形態における制御方式について説明する。
【００４４】
図６は、本実施形態の容積式流量計の制御装置６０（図３参照）で実行されるモータ回転制御の制御方式を示すブロック図である。
【００４５】
ここでは、差圧検出器２６から出力されるフリーピストン位置信号に加え、ロータリエンコーダ４２（図３参照）からのパルス信号（エンコーダ信号）も利用される。
【００４６】
フリーピストン位置信号は基準位置と比較され、基準位置との差分を表わす信号をＰＩＤ制御部１０１に入力されて、比較信号（Ｐ）、積分信号（Ｉ）、および微分信号（Ｄ）が生成される。これらの信号（ＰＩＤ信号）は、ＰＩＤゲイン調整部１０３に入力される。このＰＩＤゲイン調整部１０３では、ＰＩＤ信号のうちの微分信号（Ｄ）のゲインが調整される。より詳細には、このＰＩＤゲイン調整部１０３では、ある閾値以上の流量（具体的には例えば図９に示す１００Ｌ／ｈ（リットル／時）以上の流量）のときに流量が増大するほど微分信号（Ｄ）のゲインを減少させ、図９に示す例では１４０Ｌ／ｈでゲインゼロとする。
【００４７】
ここで、ＰＩＤ制御部１０１は、本発明における第２の波形生成部の一例に相当し、ＰＩＤ信号が、本発明における第２の波形の一例に相当する。また、ＰＩＤゲイン調整部１０３は、本発明における第２の波形ゲイン調整部の一例に相当する。
【００４８】
ロータリエンコーダ４２から出力されたエンコーダ信号からは、パルスの繰返し周波数ｆ［Ｈｚ］の算出と、Ｚ相パルスを基準とした位相の検出が行なわれる。パルスの繰返し周波数ｆ［Ｈｚ］からは、さらに流体の流量Ｑ［Ｌ／ｈ］が算出される。この算出された流量Ｑ［Ｌ／ｈ］は、ＰＩＤゲイン調整部１０３と、フィードフォワードゲイン調整部１０５に入力される。フィードフォワードゲイン調整部１０５については後述する。ＰＩＤゲイン調整部１０３では、微分信号のゲインが上述の通りに調整される。
【００４９】
エンコーダ信号から算出又は検出された繰り返し周波数ｆ［Ｈｚ］と位相は、フィードフォワード制御部１０４に入力される。このフィードフォワード制御部１０４では、以下に説明するようにして、ロータリエンコーダ４２の隣接する２つのＺ相パルスの時間間隔で表わされるクランクシャフト１３（図３参照）の一回転に対応した周波数の波形を基本波としたときの、その基本波に対する複数次数（ここの例では、２次と４次と８次）の高調波の混合からなる、流体の差圧の時間変動を模擬した波形が生成される。
【００５０】
図７は、フィードフォワード制御部における波形生成の説明図である。
【００５１】
隣接するＺ相パルスの時間間隔をＴとしたとき、図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）には、それぞれ、
【００５２】
【数１】
【００５３】
【数２】
【００５４】
【数３】
【００５５】
で表わされる２次高調波、４次高調波、および８次高調波に相当する各サイン波形が示されている。
【００５６】
後述する図１０に示すように、図４に示すＰＩＤのフィードバック制御のみを行なった場合（図１０（Ａ）参照）、ここに示す例では１４０［Ｌ／ｈ］のときの流量誤差が最大となっている。そこでここでは、実験的に、１４０［Ｌ／ｈ］の流量の流体を流してＰＩＤのフィードバック制御を行なったときの、高周波成分まで含む差圧波形（図５の波形（Ｃ）参照）を分析して、２次、４次、８次高調波のＺ相パルスを基準とした各位相φ１，φ２，φ３と、各振幅Ａ１，Ａ２，Ａ３を求めてフィードフォワード制御部１０６（図６参照）に記憶しておく。実際の流量計測時には、流量が時々刻々変化することによりエンコーダ信号に基づいて算出される周波数ｆ［Ｈｚ］が時々刻々と変化し、これにより（１）〜（３）式中のＴが変化する。そこで、フィードフォワード制御部１０４では、現時点のＴを使って（１）〜（３）の波形が生成されて合成され、エンコーダ信号から検出された位相に応じた位相を持った合成波形が出力される。その合成波形は、フィードフォワードゲイン調整部１０５に入力される。このフィードフォワードゲイン調整部１０５では、その入力されてきた合成波形に、エンコーダ信号に基づいて算出された周波数ｆ［Ｈｚ］からさらに算出された流量Ｑ［Ｌ／ｈ］に基づいて算出されたゲイン（ここではＦＦ（フィードフォワード）ゲインと称する）が乗算される。そのＦＦゲインは、具体的には、ある閾値以上の流量、例えば図９に示すように１０［Ｌ／ｈ］以上の流量のときに、流量が増大するほどＦＦゲインが単調増加し、１００［Ｌ／ｈ］でＦＦゲインが６０％にクリップされる。
【００５７】
ここで、フィードフォワード制御部１０４は、本発明における第１の波形生成部の一例に相当し、このフィードフォワード制御部１０４で生成された合成波形が、本発明における第１の波形の一例に相当する。また、フィードフォワードゲイン調整部１０５が、本発明にいう第１の波形ゲイン調整部の一例に相当する。
【００５８】
ＰＩＤゲイン調整部１０３で得られた、微分波形のゲインが調整された後のＰＩＤ波形とフィードフォワードゲイン調整部１０５でゲインが調整された後の合成波形は、互いに加算されてモータドライバ１０２に入力される。モータドライバ１０２はその加算された信号に基づいてモータの回転を制御する。
【００５９】
図８は、ＦＦゲインと流量誤差との関係を示すグラフである。
【００６０】
ここで、ＦＦゲインは、フィードフォワードゲイン調整部１０５での合成波形のゲイン調整に用いられるゲインである。
【００６１】
横軸はＦＦゲイン［％］を表わし、縦軸は、流量誤差［％］を表わしている。流量誤差は容積式流量計から実際に流出した流体の質量を計測してその質量から換算した真の流量と、その容積式流量計で計測された流量とから算出されたものである。この図８には、比較例の制御方式において誤差の大きい（図１０の（Ａ）のグラフを参照）、１４０［Ｌ／ｈ］付近の流量誤差が示されている。
【００６２】
ここでは、０．２％以下の誤差に抑えることを目標としており、余裕を見て０．１５％で区切ると、ＦＦゲインは４８％〜７３％の範囲内にあることが望ましいことが分かる。ここでは、流量誤差が最小となるＦＦゲイン６０％を選択することとする。
【００６３】
この図８は、ＦＦゲインに対する流量誤差［％］を示すグラフであるが、高周波成分を含む差圧波形（図５（Ｃ）参照）の振幅幅（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ）を測定すると、この振幅幅（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ）も、図８に示す流量誤差と強い相関を持って変化する。すなわち、本実施形態では、フィードフォワード制御部１０４で流体の差圧の高周波成分を模擬した波形を生成してその差圧の高周波成分もキャンセルするようにモータを制御することで流量誤差を低下させている。
【００６４】
図９は、ＰＩＤ波形のうちの微分波形のゲイン（Ａ）と、（１）〜（３）の式に従って生成されて合成された合成波形のＦＦゲイン（Ｂ）を示す図である。
【００６５】
前述の通り、微分波形のゲインは１００［Ｌ／ｈ］以下の流量では１００％であり、１００［Ｌ／ｈ］を越えると直線的にゲインが減少し１４０［Ｌ／ｈ］でゲイン０％となる。一方、合成波形のゲイン（ＦＦゲイン）（Ｂ）は、１０［Ｌ／ｈ］以下の流量では０％、１０［Ｌ／ｈ］を越えると徐々に増加して１００［Ｌ／ｈ］で６０％に達し、それ以上の流量では６０％に固定される。すなわち、ここでは、１０［Ｌ／ｈ］以下の流量のときはモータ４１（図３参照）の回転は、差圧検出器２６からのフリーピストン位置信号に基づくＰＩＤフィードバック制御のみで制御され、流量が１０［Ｌ／ｈ］を越えるとフィードフォワード制御部１０４で生成された合成波形が徐々に加わり、１００［Ｌ／ｈ］を越えると、ＰＩＤ波形のうちの微分波形が急激に減少するとともに合成波形は６０％のＦＦゲインに固定される。
【００６６】
図１０は、図４に示す比較例の制御方式を採用したときと、図６に示す本実施形態における制御方式を採用したときの、各流量［Ｌ／ｈ］に対する流量誤差を示す図である。
【００６７】
図４に示す比較例の制御方式を採用したときのグラフ（Ａ）では、流量１００［Ｌ／ｈ］〜２００［Ｌ／ｈ］の大流量域で大きな誤差を有するのに対し、図６に示す本実施形態の制御方式を採用したときのグラフ（Ｂ）によれば、大きな誤差を示す流量域は存在せず、計測範囲内の全流域域にわたって低い誤差に抑えられていることが分かる。
【００６８】
尚、上記実施形態では、２次、４次、および８次の高調波成分を合成した波形をモータ制御に用いているが、本発明は、２次、４次、８次の組合せに限定されるものではなく、差圧検出器の応答周波数を越える、実現すべき精度に応じた周波数成分を含む波形を生成してモータ制御に用いればよい。
【符号の説明】
【００６９】
１０ 流量検出器
１１＿１〜１１＿４ シリンダ
１２＿１〜１２＿４ ピストン
１３ クランクシャフト
１４＿１〜１４＿４ コネクティングロッド
１５＿１〜１５＿４，２１，２２，２３ 流路
２４ フリーピストン
２５ 高周波コイル
２６ 差圧検出器
４１ モータ
４２ ロータリエンコーダ
５０ 表示装置
６０ 制御装置
１０１ ＰＩＤ制御部
１０２ モータドライバ
１０３ ＰＩＤゲイン調整部
１０４ フィードフォワード制御部
１０５ フィードフォワードゲイン調整部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内で動作を循環的に繰り返し流入してきた流体を１サイクルの動作ごとに一定量だけ流出させる計量子と、
前記計量子に流入する流体と該計量子から流出する流体との差圧を検出する差圧検出器と、
前記計量子の動作に応じた信号を出力する動作検出器と、
前記計量子の動作を補助するモータと、
前記動作検出器の出力信号に基づいて、前記差圧検出器の応答周波数を越える周波数成分を含む第１の波形を生成する第１の波形生成部と、
前記差圧検出器で検出された差圧と前記第１の波形生成部で生成された第１の波形との双方に由来する信号に基づいて、前記計量子に流入する流体と該計量子から流出する流体との差圧がゼロになるように前記モータの動作を制御する動作制御部とを有することを特徴とする容積式流量計。
【請求項２】
前記差圧検出器が、前記計量子への流入前の流体と該計量子からの流出後の流体を両端面それぞれに受け該流入前の流体と該流出後の流体との差圧に応じて移動するフリーピストンと、該フリーピストンの位置を検出する位置センサとを有することを特徴とする請求項１記載の容積式流量計。
【請求項３】
前記動作検出器が、前記計量子の動作量に応じた数のパルス信号を出力するエンコーダであることを特徴とする請求項１又は２記載の容積式流量計。
【請求項４】
前記計量子が、１サイクルの動作で一定量の流体を流出させる、動作の位相が順次異なる複数の個別計量子を有し、
前記第１の波形生成部が、前記複数の個別計量子全体としての動作の一周期に対応した周波数の波形を基本波としたときの該基本波に対する複数次数の高調波の混合からなる第１の波形を生成するものであることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の容積式流量計。
【請求項５】
前記動作制御部が、前記第１の波形生成部で生成された第１の波形のゲインを調整する第１の波形ゲイン調整部と、前記差圧検出器で検出された差圧に対し比例、積分、および微分それぞれの演算を行なうことにより第２の波形を生成する第２の波形生成部と、前記第２の波形生成部で生成された第２の波形のゲインを調整する第２の波形ゲイン調整部と、前記第１の波形ゲイン調整部でゲインが調整された後の第１の波形と前記第２の波形ゲイン調整部でゲインが調整された後の第２の波形とを合成する波形合成部とを有し、該波形合成部で合成された第３の波形に基づいて前記モータを制御するものであって、
前記第１の波形ゲイン調整部が、前記動作検出器の出力信号に基づいて、前記計量子の動作速度が第１の動作速度を超える動作速度のときに動作速度の上昇に応じて前記第１の波形のゲインを単調に上昇させ、
前記第２の波形ゲイン調整部が、前記動作検出器の出力信号に基づいて、前記計量子の動作速度が第２の動作速度を超える動作速度のときに動作速度の上昇に応じて、前記第２の波形のうちの前記差分の微分演算により生成される微分波形のゲインを単調に減少させるものであることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項記載の容積式流量計。
【請求項１】
流路内で動作を循環的に繰り返し流入してきた流体を１サイクルの動作ごとに一定量だけ流出させる計量子と、
前記計量子に流入する流体と該計量子から流出する流体との差圧を検出する差圧検出器と、
前記計量子の動作に応じた信号を出力する動作検出器と、
前記計量子の動作を補助するモータと、
前記動作検出器の出力信号に基づいて、前記差圧検出器の応答周波数を越える周波数成分を含む第１の波形を生成する第１の波形生成部と、
前記差圧検出器で検出された差圧と前記第１の波形生成部で生成された第１の波形との双方に由来する信号に基づいて、前記計量子に流入する流体と該計量子から流出する流体との差圧がゼロになるように前記モータの動作を制御する動作制御部とを有することを特徴とする容積式流量計。
【請求項２】
前記差圧検出器が、前記計量子への流入前の流体と該計量子からの流出後の流体を両端面それぞれに受け該流入前の流体と該流出後の流体との差圧に応じて移動するフリーピストンと、該フリーピストンの位置を検出する位置センサとを有することを特徴とする請求項１記載の容積式流量計。
【請求項３】
前記動作検出器が、前記計量子の動作量に応じた数のパルス信号を出力するエンコーダであることを特徴とする請求項１又は２記載の容積式流量計。
【請求項４】
前記計量子が、１サイクルの動作で一定量の流体を流出させる、動作の位相が順次異なる複数の個別計量子を有し、
前記第１の波形生成部が、前記複数の個別計量子全体としての動作の一周期に対応した周波数の波形を基本波としたときの該基本波に対する複数次数の高調波の混合からなる第１の波形を生成するものであることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の容積式流量計。
【請求項５】
前記動作制御部が、前記第１の波形生成部で生成された第１の波形のゲインを調整する第１の波形ゲイン調整部と、前記差圧検出器で検出された差圧に対し比例、積分、および微分それぞれの演算を行なうことにより第２の波形を生成する第２の波形生成部と、前記第２の波形生成部で生成された第２の波形のゲインを調整する第２の波形ゲイン調整部と、前記第１の波形ゲイン調整部でゲインが調整された後の第１の波形と前記第２の波形ゲイン調整部でゲインが調整された後の第２の波形とを合成する波形合成部とを有し、該波形合成部で合成された第３の波形に基づいて前記モータを制御するものであって、
前記第１の波形ゲイン調整部が、前記動作検出器の出力信号に基づいて、前記計量子の動作速度が第１の動作速度を超える動作速度のときに動作速度の上昇に応じて前記第１の波形のゲインを単調に上昇させ、
前記第２の波形ゲイン調整部が、前記動作検出器の出力信号に基づいて、前記計量子の動作速度が第２の動作速度を超える動作速度のときに動作速度の上昇に応じて、前記第２の波形のうちの前記差分の微分演算により生成される微分波形のゲインを単調に減少させるものであることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項記載の容積式流量計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１８１０８３（Ｐ２０１２−１８１０８３Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４３６８８（Ｐ２０１１−４３６８８）
【出願日】平成２３年３月１日（２０１１．３．１）
【出願人】（０００１４５８０６）株式会社小野測器 (230)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１日（２０１１．３．１）
【出願人】（０００１４５８０６）株式会社小野測器 (230)
【Ｆターム（参考）】
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