JP2002538451A - ガスメータ - Google Patents
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Abstract
Description
ものである。ガスメータは比較的広い測定範囲をカバーするとともに、圧力およ
び温度変動に対して可能な限り強いものでなければならない。
定に基づく装置が主として用いられている。この典型的な例としては、U. Werne
kinck著 "Gasmessung und Gasabrechnung" 、Vulkan出版、1996年、20〜30頁に
記載されているような、恐らく最も多用されているガスメータである、いわゆる
ベローズガスメータを含めた容積式ガスメータがある。ベローズガスメータは、
貫流するガスが順々に交互に満たされたり、再び空にされたりする2つの測定室
を使用する。一方の測定室にガスが満たされている間に、もう一方の測定室のガ
スは排出される。ガスが満たされた回数と空にされた回数とがそれぞれ数えられ
、測定室の容積と乗ずることにより、貫流したガスの総量が求められる。しかし
ながらガスの容積は周囲温度および圧力の変化とともに変動するので、これらの
測定には誤差が生じやすい。ガスの温度が高く、その容積が増大する夏には、消
費者は同じ熱量のガスに対して冬よりも多くの料金を支払うことになる。従って
、現在のベローズガスメータには温度補償用の簡単な機械式または電気式装置が
備えられているが、その効果は限定的である。
tic gas meter: Review of current developments"、Measurement 13(1994年)
、129〜145頁に記載されている。さらに、この文献には、フィードバック流量計
と熱動流量計との組合せからなる家庭用ガスメータが開示されている。フィード
バック流量計においては、ガス流の一部が本流に戻される。熱動または圧電セン
サが、容積ガス流量に比例しているこのフィードバックの周波数を検出する。こ
のフィードバック流量計は帯域幅が狭すぎ、ガス流が弱い場合には不十分なので
、熱動流量計と組合される。この熱動流量計はシリコン構造からなり、このシリ
コン構造上の電熱エレメントの両面に2つの温度センサ、一般的にはダイオード
が配置されている。シリコン構造をガスが貫流した場合、流動方向における上側
の温度センサの温度測定値の方が下側の温度センサの温度測定値よりも低くなる
。この温度差はガスの流動速度に比例している。熱動流量計は、上記文献に記載
されているように、フィードバック流量計とは違って測定すべきガスの物理およ
び熱特性の影響を受けるので、フィードバック流量計の自己校正のためだけに用
いられる。
を生じやすく、ガス料金請求が不正確なものになる。その理由は測定コンセプト
にある。というのは、ガス消費量は結局のところ貫流容積ではなく、供給ガス量
、厳密には、ガスの質量に相当するからである。
の測定のために、2つのサーミスタが加熱され、その冷却過程が観察される。
ロセスパラメータの調節、制御および最適化のためのガス流量計として用いられ
る測定装置も開示している。このガス流量計は一般的に流速または質量流量を測
定する。
である。例えば、S. A. Tison 著 "A critical evaluation of thermal mass f
low meters"、 J. Vac. Sci. Technol. A 14(4)、1996年7/8月、2582〜259
1頁は、加熱された管壁とガス流との間の熱伝導を測定する種々の熱動質量流量
計を比較している。これらの質量流量計は、同様に W. C. Baker著、"Mass Flow
meters"、Management & Control、1997年9月、221〜222頁に記載されている2つ
の基本的方法により作動する。第1のタイプの方法においては、管セクションが
一定の入力電力により加熱され、管セクションの両側の温度が測定される。管セ
クションをガスが貫流した場合、流動方向における管セクションの上端の方が下
端よりも低い温度を示し、しかも、温度差は質量流量に、従って、モル質量流量
に線比例している。第2のタイプの方法においては、管は一定の温度に加熱され
、そのために必要な入力電力が測定される。この入力電力は管の内部の質量流量
に比例している。
integrated gas flow sensors by CMOS IC Technology"、J. Mecromech. Micro
eng. 5(1995年)、243〜250頁、ならびに、F. Meyer 他著、"Scaling of ther
mal CMOS gas flow microsensors: experiment and simulation"、Proc. IEEE M
icro Electro Mechanical Systems、(IEEE、1996年)、116〜121頁により開示
されている。この測定装置は一体化CMOSセンサからなる流体速度計であり、この
CMOSセンサは基本的には2つの交差誘電マイクロブリッジと、2対の相互に直角
に配置されたサーモパイルと、サーモパイルの間の中間に流動方向に配置された
一体化ポリシリコン抵抗の形の加熱装置とからなる。測定すべきガスがセンサの
表面上を流動し、加熱装置により暖められる。加熱電力は典型的には1mW未満で
ある。2つのサーモパイルはセンサを溢流または還流するガスの温度または温度
差を測定し、温度差△Tに比例して挙動する電圧信号Uを提供する。速度が遅い場
合は、この電圧信号Uはガスの速度に比例する。さらに、このセンサにより流動
方向を確認することができる。 F. Meyer 他著、"Single-Chip CMOS Anemometer"、Proc. IEEE、Internationa
l Electron Devices Meeting、(IEDM、1997年)、895〜898頁においては、上記
CMOS流体速度計はフリップ・チップ技術により電力制御装置、信号調整装置およ
びA/Dコンバータとともに単一のチップに一体化され、風速の測定に利用可能で
あることが示されている。
いて測定精度が高いガスメータを提供することにある。
ることにより、消費者が使用したガス量を測定するためのガスメータとして用い
ることができるという認識に基づくものである。つまり、熱が加熱エレメントか
ら流れ過ぎるガス分子に伝わる速度はガスの密度に左右される。単位容積あたり
の分子の数が多ければ多いほど、それだけ多くの熱パケットを搬出することがで
き、その結果として温度差△Tが大きくなる。
測定される。
コストで、測定精度が高いにもかかわらずエネルギー消費量が少ない静的ガスメ
ータを提供することが可能となる。これにより、本線から独立した流体速度計へ
のエネルギー供給が可能になる。
に用いられ、上記各文献、すなわち、J. Robadey 他著 "Two dimensional integ
rated gas flow sensors by CMOS IC Technology"、J. Mecromech. Microeng.
5(1995年)、243〜250頁、F. Meyer 他著、"Scaling of thermal CMOS gas fl
ow microsensors: experiment and simulation"、Proc. IEEE Micro Electro Me
chanical Systems、(IEEE、1996年)、116〜121頁、ならびに、 F. Meyer 他著
、"Single-Chip CMOS Anemometer"、Proc. IEEE、International Electron Devi
ces Meeting、(IEDM、1997年)、895〜898頁に開示されている公知のガスセン
サを含んでいる。
測定するためには、1つの流体速度計だけが用いられ、流体速度計はガス管の主
管またはバイパス管の中に配置されている。別の実施の形態は複数の流体速度計
を有しており、その測定値が平均される。
計の測定値の補正を行う少なくとも1つの密度センサを含んでいる。密度センサ
は第1の実施の形態では主管の中に配置されており、別の実施例では、流体速度
計と同一のチップに一体化されている。 その他の有利な実施の形態は従属請求項から明らかになる。
している。図1は本発明によるガスメータを備えたガス管を示している。ガス管
は、ここには図示していない建物外部のガス本管と連結された主管1からなる。
この主管1は、定義された横断面を有するくびれ10を備えている。この種のく
びれの例が図2および3に示してあり、以下でさらに詳細に説明する。
る。上記各文献、すなわち、J. Robadey 他著 "Two dimensional integrated ga
s flow sensors by CMOS IC Technology"、J. Mecromech. Microeng. 5(1995
年)、243〜250頁、F. Meyer 他著、"Scaling of thermal CMOS gas flow micro
sensors: experiment and simulation"、Proc. IEEE Micro Electro Mechanical
Systems、(IEEE、1996年)、116〜121頁、ならびに、 F. Meyer 他著、"Singl
e-Chip CMOS Anemometer"、Proc. IEEE、International Electron Devices Meet
ing、(IEDM、1997年)、895〜898頁に記載されているように、このバイパス管
11の中には、サンドイッチ構造のポリシリコン・アルミニウム構造を有するCM
OS流体速度計2が配置されている。
る。流動方向における加熱エレメントの上流および下流に等間隔の地点で、セン
サ2を溢流または貫流するガスの温度および/または温度差が測定される。この
測定は少なくとも2つの温度測定手段、特に熱伝対により行なわれる。この場合
、第1の手段は流動方向において加熱エレメントの上流に、第2の手段は加熱エレ
メントの下流に配置されている。温度差△Tに比例して挙動する電圧信号Uが得ら
れる。熱伝導率は単位容積あたりの分子の数に、従って、ガス質量に左右される
ことになるので、得られた電圧信号Uはバイパス11のガス質量流量dMBypass/
dtに比例して挙動する。
ているので、バイパス11に関する圧力低下も同様に定義されていることになり
、その結果、総ガス質量流量を計算することが可能になる。したがって、 dM/dt=f(U)=S1・α・dN/dt≡S(dM/dt)・U(△T) となり、ここで Sは比例係数、α=κ/(ρ・cp)であり、ガス値は以下のとおり。 κ: 熱伝導率 ρ: 密度 cp: 熱容量 N: 分子の数 ここで、S(dM/dt)はこの場合経験的に算出可能な校正値である。本発
明によるガスメータにより測定されたガス消費量の値は、公知の容積測定法の場
合よりも高い精度を示している。最も簡単な実施の形態では、流体速度計はガス
消費量を測定するための測定エレメントとして十分な機能を有している。
も1つのガス密度測定用の密度センサ3が備えられている。この密度測定の結果
は、本発明によるガスメータにおいては、質量を測定する流体速度計2の測定値
補正に利用される。総ガス質量流量の算出の際には、密度に左右され、同様に経
験的に決定されるもう1つの要素S′が導入される。これにより dM/dt=S′(ρ)・S(dM/dt)・U(△T) となる。
部またはバイパス11との再合流部の下流において、主管1の中に配置すること
ができる。好ましくは、2つの密度センサ3があり、1つはバイパス11の上流
に、1つはバイパス11の下流に配置されている。この配置は、残りのガス管か
ら影響を受けることのない密度差値が得られ、この値を流体速度計の測定値補正
に利用可能であるという効果を有する。
これには、流体速度計とともに、密度センサを同じチップに一体化することがで
きるという効果がある。
つの水晶振動子を備えたセンサである。振動子の1つはガス流の中に浸漬され、
その共振周波数が通過するガスの影響を受ける。水晶の温度従属性を補償するた
めに、この共振周波数は真空中に配置されている基準オシレータの周波数に重畳
される。得られる周波数差はガス密度に比例して挙動し、その結果、ガス密度を
直接測定することができる。
びれと呼ばれるものであり、管の比較的短い部分が局部的に管の直径よりも狭め
られている。圧力低下は p=Afc -2・(ζ・ρ/2)・Φv 2 であり、ここで Afcは自由流動可能な断面積、 ξは無次元波形率、 ρはガスの密度、 Φvは容積流量である。 図3はくびれ10の第2の実施例、すなわち、公知のような毛管狭小部を示し
ている。 この場合、残りの自由通路は残りの管直径との比較においては比較的狭いが、
狭小部は無視できない長さにわたってのびている。この場合、圧力低下は p=〔L/(Afc・Dh 2)〕・(μ・Cf/2)・Φv であり、ここで Lは狭小部の長さ、 Dhは残りの開口部の直径、 Cfは摩擦係数、 μはガスの粘度である。
るシケインのような、その他のタイプの狭小部も可能である。
ここに示した実施例では、CMOS流体速度計は管壁と一体化され、管壁と角度を形
成している。別の実施例では、流体速度計は管の内側の好ましくは中心軸上に配
置されている。バイパスのない実施の形態では、混入した固形物から流体速度計
を保護するための手段を管の中に備えるものとする。このタイプの手段は、例え
ば、流動方向において相互にオフセット状態で配置された集塵格子または部分格
子または部分障壁である。バイパスなし実施例では、好ましくは、層流を形成す
る手段、すなわち、公知のような成層流装置が備えられている。この例としては
、内部ハニカム管エレメントまたは細長い管テーパがある。
ための精密測定装置となる。
る。従って、添付請求項の範囲内において、本発明はここに明記した以外の形態
で実施することもできると解釈するものとする。
詳細図。
Claims (10)
- 【請求項1】 ガスの消費量を測定する手段を有するガスメータにおいて、
前記ガスの量を測定する手段が少なくとも1つの流体速度計(2)であり、前記
流体速度計(2)が前記流体速度計(2)を貫流または溢流するガスの温度変化
の測定によりガス質量流量を測定することを特徴とするガスメータ。 - 【請求項2】 前記流体速度計(2)が1つの加熱エレメントと少なくとも
2つの温度測定手段とを有し、第1の温度測定手段が流動方向において前記加熱
エレメントの上流に、第2の温度測定手段が流動方向において前記加熱エレメン
トの下流に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のガスメータ。 - 【請求項3】 前記少なくとも1つの流体速度計(2)がCMOS流体速度
計であることを特徴とする請求項1に記載のガスメータ。 - 【請求項4】 前記流体速度計(2)がガス管の主管(1)へのバイパス管
(11)の中に配置されており、前記バイパス管(11)が主管(1)のくびれ
(10)を囲んでおり、前記くびれ定義された横断面を備えていることを特徴と
する請求項1に記載のガスメータ。 - 【請求項5】 前記流体速度計(2)が主管(1)の中に配置されており、
混入した固形物から前記流体速度計(2)を保護する手段が前記主管(1)の中
に備えられていることを特徴とする請求項1に記載のガスメータ。 - 【請求項6】 流動するガスの密度を測定する少なくとも1つの密度センサ
(3)を有しており、前記密度センサ(3)が前記流体速度計(2)用の測定値
補正手段であることを特徴とする請求項1に記載のガスメータ。 - 【請求項7】 前記密度センサ(3)が主管(1)の中に配置されているこ
とを特徴とする請求項5に記載のガスメータ。 - 【請求項8】 前記少なくとも1つの密度センサ(3)が前記主管(1)か
らの前記バイパス管(11)の分岐部の上流または前記バイパス管(11)と前
記主管(1)との合流部の下流に配置されていることを特徴とする請求項3およ
び6に記載のガスメータ。 - 【請求項9】 2つの密度センサがあり、1つが前記バイパス管(11)の
分岐部の上流に、1つが合流部の下流に配置されていることを特徴とする請求項
7に記載のガスメータ。 - 【請求項10】 前記密度センサ(3)が共通のチップの形で前記流体速度
計(2)と一体化されていることを特徴とする請求項5に記載のガスメータ。
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