JP2000507705A - 流体計測 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 例えば水のような流体の体積流量を計測するメータ(2)であって、流体の流れる経路を形成するパイプ(4)が低出力の電気ヒータ(12)を内蔵する。温度センサ(19)はヒータの上流端に近接した流体の温度Ｔ₁を計測し、温度センサ(20)はヒータの下流端に近接した流体の温度Ｔ₂を計測する。ヒータ(12)は値Ｐの熱出力を流体に加える。制御装置(18)はコンピュータ手段を備え式（ａ）を用いて流量Ｑを計算し、ここでＳＴ₁とＤＴ₁はそれぞれセンサ(19)により計測された温度Ｔ₁における流体の比熱容量と流体の密度である。

Description

【発明の詳細な説明】 流体計測 本発明は流体計測に関し、特に本発明は経路に沿って流れる流体の体積流量を 計測する方法に関し、また経路に沿って流れる流体の体積流量を計測する流体メ ータに関する。 流体は水でもよい。 在来型の水メータは様々な技術を用いている。それらはタービン又は他の回転 要素を用いていることがあり、水の流れの体積に応答し、流量とタービンの回転 速度との関係について既知の特性を有する。あるいは、それらは超音波速度計測 を用いていることもあり、超音波パルスの発信と受信との間の「飛行時間」が水 の流れの速度に関連付けられる。あるいは、それらは電磁速度計測を用いている ことがあり、水中を浮遊する磁性粒子又はイオンの平均通過速度が全体の流れ計 測に関連付けられる。 既存の低コストの流れメータ、特に家庭の水消費を計測するために取付けられ たものは、貧弱な信頼性及び貧弱な精度を含む数多くの欠点に悩まされている。 信頼性の問題は主に、長期間にわたる水供給により堆積する汚染物に対する既 存の技術の感受性による。タービンメータは特に、ベアリング／スピンドルの摩 擦に影響を及ぼすスケール付着に敏感であり、この問題は低い速度の較正に影響 を及ぼしそうである。 しかしながら、電磁メータもまた、計測原理が全く働かない非常に清浄なイオ ン除去された水の使用によって影響を受けることがある。 精度が貧弱であるのは、一部は汚染物から、一部は貧弱な据付けから、一部は 使用されている特定の技術から起因することがある。 スケール付着は、流路の寸法が変化するため、与えられた体積流量に対する流 体の速度に影響が及び、タービン、超音波、及び電磁メータの較正に影響を及ぼ すだろう。 タービンインペラの特性もまた、スケールの堆積によって変化するだろう。 据付けのエラーは速度を計測するあらゆる水メータの精度に影響を及ぼし得る 。 メータの上流及び下流の両方に十分な長さのまっすぐなパイプを据付けることを 確実にするように特別な注意が必要である。 多くの在来型の水メータにより提供される流れ計測の限られた動作範囲は、特 にメータが特定の据付けに対してオーバーサイズであるとき、又は実際の流量が 広い範囲にわたって変化するときに、大きなエラーの原因になり得る。 容認と信頼性のために高いコストを払わなければならない。＋又は−１％の精 度のユーティリティ水メータは、ガス又は電気メータにより提供される同様なも のと比べて、価格は５乃至１０倍になることが見積られた。そのような投資をし ても、長期間の信頼性はガス又は電気メータにより提供されるのほど良くはなさ そうである。貧弱なメータの信頼性の経験は、すべての水メータは課金目的に使 用する場合には再較正と点検のために５年毎にサービスから取り除かなければな らないというドイツの要求により示される。 本発明の１の目的は、流体が水の場合には上述の欠点を避けられる、流体の体 積流量を計測する方法を提供することである。他の目的は、水の体積流量を計測 するのに用いられる場合には上述の欠点を避けられる流体メータを提供すること である。 本発明の第１の観点によれば、経路に沿って流れる流体の体積流量計測する方 法であって、前記経路内のある位置で流体に熱出力値Ｐの熱を加え、前記位置の 上流端に隣接した第１の位置での前記経路内の流体の温度Ｔ₁と前記位置の下流 端に隣接した第２の位置での前記経路内の流体の温度Ｔ₂との間の温度差値（Ｔ₂ −Ｔ₁）を計測し、上流及び下流は前記位置を通過する流体の流れの方向に対す るものであり、流体の体積流量Ｑを以下の式に従って計算し、 ここで、ＳＴ₁は前記第１の位置での流体の比熱容量であり、ＤＴ₁は前記第１の 位置での前記流体温度での流体の密度であることを特徴とする方法が提供される 。 本発明の第２の観点によれば、流体の体積流量を計測する流体メータであって 、流体が沿って流れるための経路と、メータの使用中に前記経路内のある位置で 前記流体に熱出力値Ｐの熱を加えるための熱印加手段と、メータの使用中に前記 位置の上流端に隣接した第１の位置での前記経路内の流体の温度Ｔ₁と前記位置 の下流端に隣接した第２の位置での前記経路内の流体の温度Ｔ₂との間の温度差 値（Ｔ₂−Ｔ₁）を計測するための温度差計測手段とを備え、上流及び下流はメー タの使用中の前記位置を通過する流体の流れの方向に対するものであり、流体の 体積流量Ｑを以下の式に従って計算するための手段を備え、 ここで、ＳＴ₁は前記第１の位置での流体の比熱容量であり、ＤＴ₁は前記第１の 位置での前記流体温度での流体の密度であることを特徴とする流体メータが提供 される。 本発明のそれぞれの観点は以下に添付図面を参照してさらに説明される。 図１は、本発明の第２の観点による流体の体積流量を計測する流体メータの実 施形態であって、第１の観点による方法を実行できるものの概略を一部破断して 示す図である。 図２は、水温の摂氏℃に対する水の密度ＤＴ₁（kg/m³）の変化と、水温℃に対 する水の比熱ＳＴ₁ (Joule/kg/℃）の変化を示すグラフである。 図３は、水温℃に対するファクターＫ（J/m³/℃）の変化を示すグラフであり 、ここで、 Ｋ＝ＳＴ₁×ＤＴ₁ である。 添付図面を参照すると、体積流体流量メータ２は、良好な断熱材６により囲ま れた経路又はパイプ４を備え、両端は例えばスクリューネジ８及び１０によって 流体が供給される供給ラインに適当に結合される。 流体は水であることがあり、前記供給ラインは水道本管であることがあり、従 って、メータ２は水メータとなる。水道本管は家庭の構内のような構内に導かれ ており、この場合にはメータ１は家庭用の水メータである。 計測される流体は矢印Ａの方向にパイプ４に入り、矢印Ｂの方向に出る。 パイプ４内には電気ヒータ１２が設けられ、好ましくは例えば５ワットのオー ダーの定格の低出力ヒータである。ヒータ１２には適当な電力源１４から電力が 供給され、電力源１４は制御装置１８からの信号経路１６の信号に応じて動作し 、制御装置１８は計算手段として働くコンピュータ手段を備えた電気又は電子機 器である。パイプ４内のヒータ１２の上流側には温度センサ１９が取付けられ、 パイプ内のヒータの下流側には他の温度センサ２０が取付けられる。従って、ヒ ータ１２はパイプ４内において２つの温度センサ１９及び２０の間の位置に取付 けられ、ヒータが液体に熱を加える位置の相対する端に隣接して２つの温度セン サ１９及び２０が配置されている。 温度センサ１９及び２０は、パイプ４内で測定した流体の温度を表す信号を信 号経路２２及び２４にそれぞれ出力する電気又は電子デバイスである。温度セン サ１９及び２０は好ましくは精密でまた好ましくは高い分解能を有し、例えば、 ０．００１℃の小さな増加を精密に計測する能力を有する。 センサ１９により測定された流体の温度は摂氏Ｔ₁（℃）で、センサ２０によ り測定された温度はＴ₂℃である。ヒータ１２により流体に入力された熱はＰワ ットである。センサ１９の箇所で流体の密度はＤＴ₁kg/m³で、比熱容量はＳＴ₁J /kg/℃である。制御装置１８は流体の毎秒の立方メートル（m³）の体積流量Ｑを 以下の式により計算する。 制御装置１８は計測された温度Ｔ₁の変化に対する変数ＳＴ₁×ＤＴ₁を計算で きる式とともにプログラムされているか、又は、制御装置は異なるＴ、の測定値 に対するＳＴ₁×ＤＴ₁のそれぞれの値を与える索引テーブルを備えていてもよい 。どのようにして制御装置１８に与えるためのそのような情報が得られるかは、 計測する流体としての水に関する図２及び図３から理解できるだろう。図２には 、温度Ｔ₁に対する水の密度ＤＴ₁の変化と、温度Ｔ₁に対する比熱容量ＳＴ₁の変 化とが示されている。Ｋ＝ＳＴ₁×ＤＴ₁とすると、図２からそれぞれ のＴ₁の値に対するＫの値は計算でき、図３のグラフに示されている。例えば、 水温Ｔ₁が１０℃のとき、Ｋは約４２００×１０³J/m³/℃の値を有する。 制御装置１８はその瞬間の流体の流量を記録し又は表示するレコーダ及び／又 は表示手段２８への経路２６に信号を送り、制御装置は時間に対する体積流量の 連続した計算値Ｐを積分して、時間期間の間に供給された流体の量の記録又は表 示のために経路２６に信号を送る。また、制御装置１８はコストデータを入力さ れて有しており、期間の間に供給された流体の金銭コスト、及び／又は、流体が 供給される金銭レートを計算し、そしてこのコスト及び／又は金銭レートはレコ ーダ及び／又は表示手段２８により記録及び／又は表示される。ヒータ１２によ り供給される電力出力Ｐは実質的に一定であると仮定され、又は、制御装置１８ は、ヒータに印加される電圧をｖ、ヒータを通って流れる電流をｉとして、Ｐ＝ ｉ×ｖの式からＰの値を計算してもよい。例えば、ｖ及びｉの瞬間値を表す信号 は経路３０により電力供給源１４から制御装置に供給される。 オプション的な特徴として、メータの電気的要素は充電可能なバッテリー３２ により電力を供給されてもよく、流体の流れで駆動されるタービン３３がパイプ ４内に設けられて、発電機３４を駆動して、バッテリーを充電するバッテリーチ ャージャ３６に電気出力を供給する。 計測精度が長期間にわたって維持され、低い加熱電力を使用できることを確実 にするために、ヒータ１２への電気供給は制御装置１８により繰返し且つ規則的 にある期間シャットオフされ、その後ある期間回復する。例えば、ヒータオンの 期間とヒータオフの期間は実質的に同じでよく、例えば、それぞれ５秒の持続時 間である。ヒータ１８をオンとオフとにスイッチングすることで温度センサ１９ 及び２０を較正できる。ヒータ１２がスイッチオフのとき、センサ１９及び２０ の温度読み値は同一、すなわちＴ₁であるべきで、従って、式Ｔ₂−Ｔ₁はゼロで あるべきである。しかし、センサ１８と２０とは全く同じ出力は与えないので、 値Ｔ₁と値Ｔ₂との間には差異又はエラーｅがあり得て、Ｔ₂＝Ｔ₁±ｅである。制 御装置１８はＴ₂からＴ₁を減算してエラーｅを与え、エラーはＴ₂の値がＴ₁より も小さいときには＋ｅとなり（センサ２０はセンサ１９に比べて低い読み取り） 、Ｔ₂の値がＴ₁よりも大きいときには−ｅとなる（センサ２０はセンサ １９に比べて高い読み取り）。 ヒータ１２がスイッチオンされた次の時点で、センサ１９及び２０の温度読み 値がそれぞれＴ₁及びＴ₂とすると、制御装置１８は２つのセンサの間のヒータの 前後にわたる温度を、センサ２０の読取りが低いときにはＴ₂−Ｔ₁＋ｅと、セン サ２０の読取りが高いときにはＴ₂−Ｔ₁−ｅと計算する。 各センサ１９及び２０からの出力信号は制御装置１８により記録され、センサ 間の温度差は、ヒータ１２がオンのときに、所定の時間期間にわたって計算され 、ヒータオン期間中の連続的に記録された温度差はすべて所定の公差内におさま る。これらの連続的に記録された温度差は平均化され、平均値が上記式（１）の 差（Ｔ₂−Ｔ₁）として用いられる。 センサ２０による高い温度測定値の結果により過剰に高い電気信号を生じるこ となしに流体の流量の広いターンダウンに適応できるようにするため、ヒータの 出力Ｐは高い信号が生じるのを防ぐように制御装置１８によりコントロールして もよい。ヒータの出力強度Ｐとオン／オフの持続時間との両方を、ヒータ１２の 両側のセンサ１９及び２０の間での安定した液温差の達成に従って、ヒータ動作 の各オン／オフサイクルで変更することができる。ヒータ出力Ｐの強度は、比較 的高い所定の流量における比較的高い（それでもわずか数ワットの）所定の値か ら、比較的低い所定の流量における比較的低い所定の値へと小さく変化して、温 度差（Ｔ₂−Ｔ₁）が流れの両極端において実質的に同じになるようにする。下流 のセンサ２０により測定される温度Ｔ₂は、流量が高いときに比べて短い時間で 高い値に到達するので、ヒータオンの持続時間は低い流量において減少させてよ い。 上述した体積流れメータ２は数多くの利点を有する。それらは、 Ａ．流れの広いターンダウンを精密に計測できる。在来のメータ技術と比較して 、メータ２の精度は低い流れで向上する。この精度が向上する理由は、流れが減 少すると与えられた一定のヒータ出力Ｐの値に対して温度差（Ｔ₂−Ｔ₁）は大き くなるためである。 Ｂ．長期間にわたるメータ２の内部への流体汚染物の堆積は計測の精度に影響し ない。この理由は内面が汚染されたときでも、放出された熱は、熱伝達に要する 時間は増加するものの、依然として流体に達し、従って下流のセンサ２０に達す るからである。加えて、関係式、 は流量及びパイプ４の断面積とは独立で、これゆえスケールの付着はＱの決定に 影響を持たない。 Ｃ．メータ２は温度変化による水の比熱容量及び密度の変化を修正することがで きる。 Ｄ．メータ２の製造の最終コストは既存の技術と競争でき、可動部品なしに（タ ービン３２及び発電機３４は無視、これらを用いることは必ずしも必要ではない 。）、簡単な電子回路、センサ及び機械要素を用いることができる。 Ｅ．可動部品を用いる必要がないので信頼性を高めることができる。 Ｆ．＋又は−１％の要求精度に対して特別な較正を行う必要がない。予め決定さ れたセンサ較正、ヒータ出力の計測、及び予めプログラムされた係数（ＳＴ₁× ＤＴ₁）の値は既に提供され、著しくコストを削減する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 プライス バリー レナード イギリス レスターシャー エルイー12 ８アールジェイ クウォーン スウィンフ ィールド ロード ４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 経路に沿って流れる流体の体積流量を計測する方法であって、前記経路内の ある位置で流体に熱出力値Ｐの熱を加え、前記位置の上流端に隣接した第１の 位置での前記経路内の流体の温度Ｔ₁と前記位置の下流端に隣接した第２の位 置での前記経路内の流体の温度Ｔ₂との間の温度差値（Ｔ₂−Ｔ₁）を計測し、 上流及び下流は前記位置を通過する流体の流れの方向に対するものであり、流 体の体積流量Ｑを以下の式に従って計算し、 ここで、ＳＴ₁は前記第１の位置での流体の比熱容量であり、ＤＴ₁は前記第１ の位置での前記流体温度での流体の密度であることを特徴とする方法。 2. 温度Ｔ₁は前記位置の上流の第１の温度検出手段を用いて計測され、温度Ｔ₂ は前記位置の下流の第２の温度検出手段を用いて計測され、熱は間欠的に加え られ、熱の印加の中断中に第１及び第２の温度検出手段の温度計測が較正され ることを特徴とする請求項１に記載の方法。 3. 前記式に用いられた項（Ｔ₂−Ｔ₁）は、所定の公差内であると見いだされた 、第１及び第２の位置の間の（前記位置に熱が加えられている間の）温度差の 複数の連続する計測の平均値であることを特徴とする請求項１又は２いずれか １項に記載の方法。 4. 流体の流量がより速いときに熱が加えられる時間期間の長さに比べて、流体 の流量が低いときにはより短い時間期間だけ熱が加えられることを特徴とする 請求項１乃至３いずれか１項に記載の方法。 5. 流体の流量Ｑは時間に対して積分されて、時間期間内に経路に沿って通過し た流体の体積を与えることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の 方法。 6. 前記時間期間内に経路に沿って通過した流体の金額値を計算するのに流量Ｑ のデータと金額コストデータとが用いられることを特徴とする請求項５に記載 の方法。 7. 流体は水であることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項に記載の方法 。 8. 流体の体積流量を計測する流体メータであって、流体が沿って流れるための 経路と、メータの使用中に前記経路内のある位置で前記流体に熱出力値Ｐの熱 を加えるための熱印加手段と、メータの使用中に前記位置の上流端に隣接した 第１の位置での前記経路内の流体の温度Ｔ₁と前記位置の下流端に隣接した第 ２の位置での前記経路内の流体の温度Ｔ₂との間の温度差値（Ｔ₂−Ｔ₁）を計 測するための温度差計測手段とを備え、上流及び下流はメータの使用中の前記 位置を通過する流体の流れの方向に対するものであり、流体の体積流量Ｑを以 下の式に従って計算するための計算手段を備え、 ここで、ＳＴ₁は前記第１の位置での流体の比熱容量であり、ＤＴ₁は前記第１ の位置での前記流体温度での流体の密度であることを特徴とする流体メータ。 9. 制御手段は前記計算手段を備え、温度差計測手段は前記第１の位置の第１の 温度検知手段と前記第２の位置の第２の温度検知手段とを備え、制御手段は熱 印加手段に熱を加えさせるように且つ前記熱印加手段による熱の印加を中断さ せるように設けられ、制御手段は熱印加手段が中断している間に第１及び第２ の温度検知手段の温度読み値を較正するように設けられていることを特徴とす る請求項８に記載の流体メータ。 10．熱印加手段は前記経路内の電気ヒータを備えていることを特徴とする請求項 ９に記載の流体メータ。 11．制御手段は、前記制御手段により所定の公差内であると見いだされた、第１ 及び第２の位置の間の（熱印加手段が熱を加えている間の）温度差の複数の連 続する計測の平均値を導くことにより、前記式に用いられた項（Ｔ₂−Ｔ₁）を 導くように設けられていることを特徴とする請求項９又は10に記載の流体メー タ。 12．流体の流量がより速いときに熱が加えられる時間期間の長さに比べて、流体 の流量が低いときにはより短い時間期間だけ熱が加えられるように熱印加手段 の動作を制御すべく制御手段は設けられていることを特徴とする請求項９乃至 11いずれか１項に記載の流体メータ。 13．制御手段は流体の流量Ｑを時間に対して積分するように設けられており、時 間期間内に経路に沿って通過した流体の体積を与えることを特徴とする請求項 ９乃至12いずれか１項に記載の流体メータ。 14．前記時間期間内に経路に沿って通過した流体の金額値を計算するのに流量Ｑ のデータと金額コストデータとを用いるように制御手段が設けられていること を特徴とする請求項13に記載の流体メータ。 15．経路は外部の断熱材を有することを特徴とする請求項８乃至14いずれか１項 に記載の流体メータ。 16．メータは電力を提供するために再充電可能なバッテリーを用いており、経路 に沿った流体の流れに応じて駆動されるように設けられた発電手段から電力を 供給されるバッテリー充電手段によってバッテリーを再充電できることを特徴 とする請求項８乃至15いずれか１項に記載の流体メータ。 17．請求項８乃至16のいずれか１項に記載した水メータ。