渦街流量計自動化校正システムの全体設計案

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この投稿は、2018年9月9日12時06分に955559によって最終的に編集されました。渦街流量計の1.瞬間流量校正法としては、まず「頻繁にポンプを動作させ、電動バルブコントローラーを使って電動バルブ1および電動バルブ2を開きます。その後、手動バルブを調整しながら、ガラス式回転式流量計の表示値を観察し、流量が指定された値になるように手動バルブを調整します。」流量が安定した後、ガラスローター式流量計と校正対象の渦街流量計の示す数値を観察し、ガラスローター式流量計の標準表を基準にして両者の相対誤差を計算します。その後、その誤差をキーボードを通じて校正対象の渦街流量計の誤差表に入力します。 2. 累積流量校正法　累積流量の校正：まず、瞬間流量校正の手順に従って校正用の流量値を設定し、流量が安定したら、電動バルブコントローラーを使って電動バルブ1を閉じて電動バルブ2を開き、累積流量校正用の計量筒内の水をすべて排出する。その後、再び電動バルブコントローラーを使って電動バルブ1を開き、電動バルブ2を閉じて累積流量校正を開始する。この時点で、校正対象となる渦街流量計が表示する累積流量値を直ちに記録する。累積流量校正用の計量筒内の水の体積が一定値に達すると、目盛り棒上に水柱が現れる。この時、電動バルブコントローラーを使って電動バルブ1を閉じ、同時に計量筒の目盛り棒上の目盛り値（水の体積）と校正対象となる渦街流量計が表示する累積流量値を記録する。そして、2回の測定値の差分を計量筒の目盛り値と比較して得られた相対誤差をキーボードを通じて、校正対象となる渦街流量計の誤差表に入力する。累積流量校正には通常、数分かかる。 以上は、ある流量校正地点の校正を行っただけです。2.1.1節で述べた測定原理からわかるように、渦街流量計に非線形補正を行うには、7つの流量校正ポイントそれぞれで校正を行う必要がある。人工校正システムは、手動バルブによって流量を制御し、その後ガラス回転式流量計（標準計）の読み値を測定し、校正対象の計器の読み値と比較して相対誤差を算出します。キーボードを通じて適切な誤差パラメータを設定することで、非線形誤差の補正が行われます。ガラス製ローター式流量計の読み値には視差が生じ、それによって校正精度に影響を与えます。低流量での校正時には、このときガラス回転式流量計の読み取り誤差が大きくなるため、瞬間流量校正法を用いて校正することはできず、累積流量校正法を用いて校正する必要がある。累積流量校正法を用いて1つの流量ポイントを校正するのに数分かかり、しかも一度に1台の流量計の1つの流量ポイントしか校正できないため、校正効率は非常に低い。 以上のことから、人工校正システムには校正精度が低い、校正効率が低いといった問題がある。人工による校正システムに存在する問題を踏まえ、これらを解決するための自動化校正システムを開発する必要がある。2 自動化校正システムの要求分析と全体設計 1. システムの要求分析 自動化校正システムとは、既存の人工校正システムを自動化して改良するものであり、校正精度の低さや校正効率の悪さといった問題を解決するためのものである。自動化校正システムとは、流量を正確に校正するためのコンピュータ制御システムを構築し、複数の渦街流量計を同時に校正して校正効率を向上させるものである。手動校正システムの構成を参考に、標準表法によって校正を行う自動化校正システムには、以下のような要件がある。 (1)コンピュータ制御プラットフォーム コンピュータ制御プラットフォームは、流量調整の制御、高精度流量計の標準表および校正対象となる渦街流量計へのアクセス、人間とのインタラクション、そして校正手順のスケジューリングを実現するために使用される。 (2)流量調節装置 流量調節装置は流量を設定する装置として、計算制御プラットフォームと通信でき、コンピュータ制御プラットフォームからの流量調節制御命令を受信できる必要がある。 (3)高精度流量計標準表 高精度流量計は流量校正の標準表として、コンピュータ制御プラットフォームと通信でき、同プラットフォームからの流量アクセス命令を受信する必要がある。 (4) 複数の計測器の同時校正 自動校正システムは、校正が必要な複数の渦街流量計を同時に校正できる機能が求められる。
5) 通信プロトコル 流量設定装置および流量検出機器は外部から購入するため、通信プロトコルとしては産業分野で広く使用されているプロトコルを採用すべきである。
2. システム全体の設計 自動校正システムの要求事項をもとにシステム全体の設計を行い、システムのハードウェア構成図は図2-6に示す通りである。このシステムは、主にτ制御装置、0.1級の高精度渦街流量計、校正対象となる渦街流量計、インバータ、インバータ駆動ポンプ、RS-232からRS-485への変換器、貯水槽、および送水配管などで構成されている。その中で、高精度流量計、校正待ちの流量計、およびインバーターはすべてModbusプロトコル対応のRS-485通信インターフェースを備えており、コンピュータはRS-485バスを介して高精度流量計、校正待ちの流量計、インバーターと通信を行う。通信プロトコルには、産業分野で世界的に普及しているModbusプロトコルが採用されている。 (1)流量調節方式の選択 流量調節には一般的に2つの方法がある。一つ目は、電動調節弁と工頻ポンプを用いて流量調節ユニットを構成し、調節弁の開度を調整することで流量を制御する方法である。二つ目は、インバーターと変頻ポンプを用いて流量調節ユニットを構成し、インバーターの設定周波数を調整することで流量を制御する方法である。調整弁を用いて流量を制御する際、工頻ポンプは全速度で運転し、つまり水ポンプが汲み上げる水の流量が最大流量となり、調整弁はその開度を調節することによって流量を制御する。この調整方法には、与えられた流量がどれであっても工業用周波数のポンプが常に全速力で動作し続けるため消費電力が大きくなり、省エネルギーの原則に反するという問題がある。また、調整バルブで開度を変えると管内の水圧が変化し、その結果管内の流量が変動してしまうが、これは校正システムでは許されない状況である。したがって、このような調整方法は採用せず、インバータを利用して流量を調整することで、調節弁による流量調整に伴う問題を効果的に解決することができる。インバーターは、インバータ式ポンプの周波数を変えることで流量を調整できます。流量が少なくなるほど、インバーターが出力する周波数も低くなり、その結果、インバータ式ポンプの消費電力も減少します。また、この流量調整方法には調節弁が必要ないため、配管内の水圧が安定し、それによって水流の流量も安定します。このため、システム内の流量を校正するのに適しています。 以上のことから、インバーターとインバーターポンプを用いて流量調整コンポーネントを構成し流量を制御する方法は、省エネルギーかつ消費電力の削減、出力流量の安定化といった利点があるため、自動校正システムにおいても流量制御にこの方式が採用されている。コンピュータはRS-485バスを介してインバータにアクセスし、周波数パラメータを設定することでインバータの周波数を変更します。これによりインバータポンプの送水流量が変わり、流量調節を実現することができます。頻繁な通信や複雑なループ制御アルゴリズムによってシステムが不安定になるのを避けるため、インバータ、インバータ式ポンプ、および標準計はループ構成とせず、オープンループとしている。これには、事前にインバーターを使った実験を行い、変換周波数のパラメータとインバーターポンプの瞬間流量との対応関係を得る必要があります。コンピュータはこの対応関係に基づいて、流量の目標値をおおよそ制御することができます。校正地点の流量値は、特定の数値まで正確である必要はなく、上下に変動しても構いません。なぜなら、現在の瞬間流量値を測定するための標準表が存在し、他の測定対象となる計器は、その標準表で測定された流量値を自分自身の校正用流量値として使用するからです。 (2)校正方法と標準表の選定 液体流量の校正方法には、一般的に標準容積法や標準表法などがある。標準容積法は校正精度が高いが、校正にかかる時間が非常に長く、1つの流量ポイントの校正には通常数分かかる。また、標準計量容器は異なる流量範囲に応じて絶えず交換する必要があり、非常に不便であるため、この校正方法は採用されない。標準表法は、高精度の流量計を標準計器として使用し、校正が必要な他の計器を校正する方法である。この方法では校正が比較的簡単で便利、かつコストも節約できるため、本システムの校正方法として標準表法が採用されている。標準計器の選定原則は、標準計器の許容誤差が校正対象計器の許容誤差の1/3～1/5未満であることで、標準計器の誤差を無視できるようにすることです。校正用計器で求められる精度は0.5級なので、0.1級の高精度渦街流量計が標準計として選ばれました。この高精度渦街流量計が従来のガラスローター流量計に代わり、現在の瞬間流量をリアルタイムで測定します。校正システムにおいては、校正対象となる渦街流量計の基準として機能し、コンピュータはRS-485バスを介してこれにアクセスし、現在の瞬間流量を取得することで、標準計による流量測定を行います。 3) 複数の計器の同時校正　同時に校正する流量計の台数は暫定的に8台とし、これら8台の校正対象となる渦街流量計を標準計器と直列に接続する。配管の接続形状はS字型で、すべて地面に平行になっている。S字型に接続するのは、システム装置が占めるスペースを節約するためであり、もし直線で接続すると、渦街流量計の前後の直管部の長さに一定の要件があるため、短すぎてはならず、必要となる敷地の長さが非常に長くなってしまうからである。 (4)人間と機械のインタラクション 人間と機械のインタラクションインターフェースにより、流量校正パラメータの設定や校正作業の開始が行われる。 5) 标定によるスケジューリング　渦街流量計の非線形補正には合計7つの点での標定が必要であり、1つの標定流量点においては、一定の順序に従って標定対象となる8台の渦街流量計をそれぞれ標定する。