JP2005099053A - ガスメータ - Google Patents

Abstract

【課題】精度の高いガス流量の測定ができるガスメータの提供。
【解決手段】ガス流路２１と、このガス流路中を流れるガスの流量を測定するように設けた超音波送受波器３４、３５と、超音波送受波器３４、３５からの出力に基づきガスの流量を測定する制御部とからなり、超音波送受波器３４、３５による超音波の送受波によってガス流量の測定を精度良く行うことができる。
【選択図】図４

Description

本発明はガスの流量を測定するガスメータに関するものである。

従来この種の流量計測装置として、計量膜を備えた膜式ガスメータがある（例えば、特許文献１参照）。

この種の膜式ガスメータは、図１８に示すように被測定流体であるガスが流入する入口１、ガスが流出する出口２、計量膜（図示せず）を備えた一対の計量室（図示せず）を収納する計量部３、および計量部３を通過したガス量を表示する表示部４を有している。

このような構成において、膜式ガスメータの計量動作は従来衆知のように、一定容積を持つ一対の計量室の中で計量膜をガス圧で往復動作させ、その動作回数で流量を計測するものである。
特開平８−２１０８９３号公報

しかしながら従来例では、ガスメータより下流側におけるガス管路あるいはガス器具からのガスの漏洩を検出し報知する保安機能に対して、漏洩の検出にはガスメータに設けた計量室の容積程度のガス量を通過させる必要があり、微少な漏洩（例えば毎時３リットル程度の流量）になるほど漏洩検出まで長時間を要する（例えば計量室の容積３リットルでは１時間）という課題がある。さらに、ガスメータの使用最大流量（ガスメータの号数）が大きくなるほど計量室の容積が大きくなるため、漏洩検出にはより一層長時間を要するという保安上の課題があった。

本発明は上記課題を解決するため、ガス流路中を流れるガスの流量を測定するように超音波送受波器を設け、この超音波送受波器からの出力に基づきガスの流量を測定する制御部を備えた構成としてある。

本発明は上記構成により超音波によりガス流量を測定でき、精度の高い流量測定が可能となる。

以上の説明から明らかなように本発明によれば、超音波を用いてガスの流量を測定するので、精度の良い流量測定ができると共に、超音波を用いているからコンパクトに構成することができる。

本発明の請求項１記載のガスメータは、ガス流路と、このガス流路中を流れるガスの流量を測定するように設けた超音波送受波器と、超音波送受波器からの出力に基づきガスの流量を測定する制御部とからなり、超音波送受波器による超音波の送受によってガス流量の測定を行う。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１および図２は本発明のガスメータを配管接続した設置状態を示す正面図および側面図である。図において、ガスメータ本体５の左上側に設けた入口側口金６および右上側に設けた出口側口金７を流入側配管８および流出側配管９に配管接続している。１０はガスメータ本体５の前面に設けた本体蓋、１１はガスメータ本体５の前面下方に設けた電池収納蓋であり、１２はガスメータ本体５の下方に設けた底蓋である。１３は瞬時流量値、積算流量値、異常報知などの表示を切替えて表示する表示窓であり、１４は異常時にガス流路を閉止した後に再度利用できる状態にリセットするための復帰ボタンであり、表示窓１３および復帰ボタン１４は本体蓋１０に配置している。

次に図３〜図５に本発明のガスメータ本体５の内部の構成を示す。図３は本体蓋１０および電池収納蓋１１を外した正面図であり、本体蓋１０を外した方に制御基板１５が収容されており、電池収納蓋１１を外した方に電池１６が収納されている。１７は制御基板１５に設けた表示部である。図４は図３に示した状態から制御基板１５を取り外したもので、入口側口金６に連通する弁ブロック１８（一部破断して示す）に双方向弁１９を配置するとともに、弁ブロック１８と出口側口金７に連通する出口ブロック２０とを連結するガス流路２１を備えた計測流路２２を設けている。

図５は側方から見た断面図であり、ガスメータ本体５に本体蓋１０、電池収納蓋１１および底蓋１２をパッキン１０ａ、１１ａおよび１２ａを介して取付けて形成した気密室２３内に制御基板１５、電池１６、双方向弁１９および計測流路２１を収納している。なお、２４は本体蓋１０の表示窓１３を形成するガラスなどの透明体であり、この透明体２４は本体蓋１０に接着剤などで気密に取付けられている。２５はガス流路２１の圧力を測定する圧力センサであり、出口ブロック２０を介してガス流路２１に連通（図示せず）している。この圧力センサ２５は、気密室２３とは隔壁２６により分離されるとともに開放穴２７によりガスメータ本体５の後面側で大気に連通する大気開放室２８に設けている。２９は大気開放室２８にゴミなどが進入しないように設けた後蓋である。

このように、ガスメータ本体５内は完全気密に形成できるとともに、電池交換時では配管に設置した状態のまま作業のし易い前方から電池収納蓋１１を外すことで電池の交換を容易にできる。

図６〜図８は制御基板１５を示したもので、図６の正面図では本体蓋１０の表示窓１３に対向する位置に表示部１７を配置すると共に、図７に示す裏面には地震を検知する感震器３０を設けている。この感震器３０には地震の強さを複数の強度で検出し検出した震度に応じた制御動作を行うため複数の感震部３０ａ、３０ｂを設けている。例えば、感震部３０ａは震度５を検出し、感震部３０ｂは震度６以上を検出する。ここではボール式の検出部としているので複数の震度を検出するためには複数の感震部３０ａ、３０ｂが必要であるが、圧電式加速度センサ（図示せず）を応用すれば単一の感震部とすることができるのは言うまでもない。３１は流量の演算、保安機能の制御、表示部１７への表示内容の制御などシステム全体を制御するマイクロコンピュータ（以下マイコンと称す）であり、３２は超音波の伝搬時間を計測する信号処理素子である。図８に示すように制御基板１５を側面から見ると、多数の部品を基板の両面に配置して実装密度を高め、制御基板１５の小型化を推進してガスメータの小型化に寄与させている。

図９は計測流路２２の横断面を示し、ガス流路２１は流路壁３３に囲まれるとともに、この流路壁３３に上流側および下流側の超音波送受波器３４および３５が互いに対向するように設置している。上流側の超音波送受波器３４と下流側の超音波送受波器３５はガス流路２１の幅Ｗ方向を横切るように距離Ｌを隔てるとともにガス流路２１の流体の流動方向に対して角度θ傾けて設置されている。

３６ａ、３６ｂは超音波送受波器３４、３５をガス流路２１に臨ませる上流側および下流側の開口穴である。３７はガス流路２１の上流側に設け被計測流体の入口となる導入部であり、３８はガス流路２１の下流側に設け被計測流体の出口となる導出部である。３９は開口穴３６ａ、３６ｂのガス流路２１の開口部に設けたメッシュなどで形成した流入抑制体ものである。

４０はガス流路２１の上流側に設けた流れ安定手段であり、ガス流路２１の断面を分割して流れ方向を整える格子状の方向規制部４０ａとメッシュなどの網状体で形成した変動抑制部４０ｂを備えている。４１は超音波送受波器３４、３５に接続され超音波の送受信をさせる計測制御部４２と、計測制御部４２での信号を基に流速を計算し流量を算出する演算部４３及び各種制御機能部を備えた制御部である。この制御部４１は信号処理素子３２に収納されている。

次に、この超音波流量計測装置の動作について説明する。導入部３７から流入した被計測流体はガス流路２１の入口側に設けられた流れ安定手段４０により流れ方向を整えられるとともに速度変動を安定化させるものである。

次に超音波による流量計測動作を説明する。ガス流路２１では、安定化された流れに対して計測制御部４２の作用により超音波送受波器３４、３５間でガス流路２１の流路断面の幅Ｗを横切るようにして超音波の送受が行われる。すなわち、上流側の超音波送受波器３４から発せられた超音波が下流側の超音波送受波器３５で受信されるまでの伝搬時間Ｔ１を計測する。また一方、下流側の超音波送受波器３５から発せられた超音波が上流側の超音波送受波器３４で受信されるまでの伝搬時間Ｔ２を計測する。

このようにして測定された伝搬時間Ｔ１およびＴ２を基に、以下の演算式に示す時間差方式により演算部４３で流量が算出される。

いま、ガス流路２１の流動方向の被計測流体の流速Ｖと超音波伝搬路Ｐとのなす角度をθとし、超音波送受波器３４、３５間の距離をＬ、被測定流体の音速をＣとすると、流速Ｖは以下の式にて算出される。

Ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖcosθ）
Ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖcosθ）
Ｔ１の逆数からＴ２の逆数を引き算する式より音速Ｃを消去して
Ｖ＝（Ｌ／２cosθ）（（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２））
θおよびＬは既知なのでＴ１およびＴ２の値より流速Ｖが算出できる。この計測結果をもとにマイコン３１を介して表示部１７に流量値などを表示させる。

なお、シングアラウンド方式を用いればより高精度な計測ができる。また、超音波による流量計測は時間分解能が高いので微少な低流速域まで計測することができ、流量３Ｌ／ｈの漏洩検出ができる。このため、微少流量３Ｌ／ｈから従来のガスメータに要求される使用最大流量の約２倍の大流量まで計測でき、６号メータの計測範囲を満たすことができたので、６号メータと４号メータの号数共用化が可能となった。

ところで、上述のようにして求めた流速Ｖはガス流路２１を斜めに横切る超音波伝搬路で計測したものであり、超音波伝搬路で計測した平均流速は断面位置により流れの発達状態が違うため、補正係数を加えて流量を算出し、超音波送受波器３４、３５の流れ方向に直交する横断面積Ｓより、流量Ｑは
Ｑ＝ＫＶＳ
ここで、Ｋは横断面積Ｓにおける流速分布を考慮した流量係数である。

このようにして演算部４３で流量を求めることができる。

図１０は流量係数の流量変化特性を示したものであり、流量の少ない層流域、流量の多い乱流域、および層流域から乱流域に移行する遷移域においてガス流路２１内の流速分布が変化するため流量係数が変化する形状となる。超音波による計測ではこの流量係数曲線は温度変化、ガス種変化に因らず滑らかな曲線として得られる。この流量係数を導入することにより、図１１のように十分検定公差（Ｑmax〜０．１Ｑmaxは器差±１．５％、０．１Ｑmax〜Ｑminは器差±３％）を満たす器差特性を得ることができる。

図１２はガス流路２１を有する計測流路２２の上流側および下流側を示す断面図である。図において、双方向弁１９を設置した弁ブロック１８には弁体４４に対向する位置に弁座４５を設けるとともに、弁座４５の下流には導入部３７に連通する導入通路４６を設けている。４７は入口側口金６に連通する流入通路である。４８は弁体４４を弁座４５の方向に付勢するスプリングであり、４９は弁体４４を開成あるいは閉成させるべく駆動するソレノイドやモータなどの駆動部である。計測流路２２の下流側に配置した出口ブロック２０には、一端は導出部３８に連通し他端は出口側口金７に連通する導出通路５０を設けている。

図１３は双方向弁１９の構成を示した断面図であり、駆動部４９をステッピングモータとするもので、外周部に永久磁石による磁極５１を有するロータ５２と励磁コイル５３を囲み磁性材料で形成したステータ５４を備えている。５５はロータ５２に設けたロータ回転軸であり、ロータ回転軸５５の外周部には送り手段５６が設けられ、この実施例では螺旋状の溝（あるいは突起）による雄ねじを送り手段５６として用いている。５７は送り手段５６に螺合する雌ねじを設けた移動体であり、５８は移動体５７がロータ回転軸５５に対して回転しないようにする回動防止体である。５９は移動体５７と弁体４４の間に介在させ軸方向に互いに離れようとする付勢力を加えるスプリングであり、弁閉時には弁体４４を弁座４５に押え付ける力を発生する。６０は流体側にあるロータ５２およびそれに連なる弁体４４側とステータ５４側とを気密に分離する隔壁である。６１はロータ５２の回転を支持する支持軸である。６２は弁体４４の移動位置を検出する位置検知センサであり、弁体４４が弁座４５に当接して弁閉状態位置にあることを検出する弁閉位置検知部６２ａと、弁体４４が駆動部４９側に完全に移動して弁全開状態位置にあることを検出する弁全開位置検知部６２ｂを備えている。６３は弁体に設けた位置発信部であり、弁閉位置検知部６２ａあるいは弁全開位置検知部６２ｂと位置発信部６３が接近して相互の位置が合致することにより位置を検出する。従って、弁体４４位置の確定とフィードバック制御を行うことで確実な弁閉止および弁開放ができる。

図１４は制御部４１で行なう双方向弁動作のフローチャートである。図１４において、６４は異常検知命令、６５は弁駆動命令、６６は弁閉止検知命令である。

次に動作、作用について説明する。いま、流量計測値が異常な値になったとする。図１４において、異常検知命令６４により、弁駆動命令６５が指示され、弁が閉止方向に移動する。移動が終了すると、弁閉止検知命令が実行される。

図１５は制御部４１で行なう感震器動作のフローチャートである。図１５において、６７は感震器信号入力命令、６８は震度判定命令である。６９は双方向弁の遮断未実施命令、７０、７１は即遮断命令である。７２は双方向弁の復帰判断命令、７３は復帰命令、７４は遮断継続命令である。

次に動作、作用について説明する。いま、地震により感震器が作動したとする。このとき、感震器信号入力命令６７により、信号が入力され、震度判定命令６８により、震度判定が行われる。

判定の結果、震度が５より小さいときは遮断未実施命令６９により、双方向弁の遮断は行われない。また、震度が５の時は即遮断命令７０により、遮断される。その後、復帰判断命令７２により復帰可の場合は復帰命令７３により双方向弁が再び開放され、自動復帰が行われる。また、復帰不可の場合は遮断継続命令７４により、遮断状態が継続される。

また、震度判定の結果、震度が６以上の場合には、即遮断命令７１が実行され、その場合は自動復帰不可としてその状態が維持される。

図１６は制御部４１で行なう個別最大流量判定動作のフローチャートである。図１６において、７５は流量計測命令、７６は個別最大流量判定命令、７７は遮断命令である。７８はインターバル設定命令である。

次に動作、作用について説明する。いま、流量計測命令７５により計測された値がそのメータ号数にて定められた個別最大流量値以上であったとする。このときは、個別最大流量判定命令７６による判定はＹｅｓの側になり、双方向弁の遮断命令７７によりガスが停止される。また、流量計測命令７５により計測された値が個別最大流量値より小さかったとすると、このときは、個別最大流量判定命令７６による判定はＮｏの側になり、インターバル設定命令７８を経たのち、再度、流量計測が実施される。

図１７は制御部４１で行なう器具判別動作のフローチャートである。図１７において、７９は流量パターン計測命令、８０は器具判別命令、８１は器具特定命令、８２は器具条件の選択命令である。８３はインターバル設定命令である。

次に動作、作用について説明する。いま、あるガス器具が使われているとする。このとき、流量パターン計測命令７９により、その器具の流量パターンが計測される。次に、器具判別命令８０により、使われている器具が既に登録されたパターンと比較され、該当のものがあれば、器具特定命令８１にて特定がなされる。その後、器具条件の選択命令８２により、その器具に対応した条件が設定される。

もし、器具判別命令８０において、該当器具がなければ、Ｎｏの側に分岐され、インターバル設定命令８３を経たのち、再びもとのルーチンに戻る。

なお、上記の実施例において、超音波計測の構成としていわゆるＺパスのものを示したがこれに限るものではない。Ｉパス、Ｗパスなど伝搬時間差を用いて計測する方式も可能である。

また、ガスメータの設置形態として、口金が上部にあるものを示したが、口金が下部に有る構成、側方にある場合も可能である。

以上説明したように本実施例のガスメータは、超音波を用いて流量を測定するので、以下次のような効果を奏する。

例えば、屋内屋外いずれでも使用でき、使用される環境が−３０℃〜＋７０℃の保存温度範囲であって、動作温度を−２５℃〜＋５５℃内とし、かつ９５％以下の湿度の条件下（結露ありなし両条件下）で以下のような効果を奏する。なお、ガスメータとしては２０年以上使用可（但し電源となる電池は１０年ごとに交換）という条件を満足するという前提である。

（１）３リッタ／ｈという微小漏洩検知が可能となるうえに、０リッタ／ｈと３リッタ／ｈの識別も可能となる。したがって、下記に示す最小流量として、４号メータの場合は２５リッタ／ｈ、６号メータの場合は４０リッタ／ｈの範囲に対して余裕を持って行え、かつハード構成を変更することなく兼用して対応することができる。

（２）ガスメータとして器差範囲内の精度が確保できる。すなわち、
（ａ）０〜最小流量はもちろん最大流量の２倍の流量まで単調増加出力が得られ、最小流量〜最大流量の２倍の流量までの単調増加出力は流量の読み値に対して、±３％の誤差範囲（最大流量の４／３倍の流量、最大流量の５／３倍の流量、最大流量の２倍の流量で測定した場合）にあり、最小流量〜最大流量の０．１倍の流量までの誤差は±３％（最小流量と最小流量の３倍の流量で測定した場合）、かつ最大流量の０．１倍の流量〜最大流量までの誤差は±１．５％（最大流量の０．１倍、同０．２倍、同０．４倍、同０．７倍、最大流量で測定した場合）で、器差曲線は最大流量の０．１倍〜最大流量の最大と最小が２％、実力的には１％を越えず、かつ測定を上方、下降方向に各３回行っても最小流量〜最大流量の０．１倍の流量で誤差が１％範囲、最大流量の０．１倍の流量〜最大流量の誤差が０．６％の範囲に収まる。そして上記の精度はガスメータが±５°の傾斜範囲で設置されても得られる。またガスメータ個々の個体差は１％を越えないようになる。

（ｂ）最大流量における空気での圧力損失が遮断弁込みでも１８０Ｐａ以下と少なくできる。

（ｃ）−２５℃〜＋５５℃と広い温度範囲でも最小流量〜最大流量の０．１倍の流量までの誤差は±３％で、最大流量の０．１倍の流量〜最大流量までは±１．５％の範囲に収まる。

（ｄ）ガスの組成が例えば１３Ａの範囲内で変動しても最小流量〜最大流量の０．１倍の流量までの誤差は±３％で、最大流量の０．１倍の流量〜最大流量までは±１．５％の範囲に収まる。

（ｅ）ダストに強い構成となる。すなわち、ダスト試験後、最小流量〜最大流量の０．０５倍の流量の範囲では−７％〜＋４％、最大流量の０．０５倍の流量〜最大流量の範囲では±４％の範囲に収まり、実力的には最小流量〜最大流量の０．１倍の流量の範囲では±３％、最大流量の０．１倍の流量〜最大流量の範囲では±１．５％の範囲に収まり、そのときの最大流量での圧力損失は遮断弁込みで１８０Ｐａ以下、かつ０リッタ／ｈの時は指針が動かず、かつ１時間では±１リッタ未満となる。

（ｆ）ミストに強い構成となる。すなわち、最小流量〜最大流量の０．０５倍の流量の範囲ではでは−７％〜＋４％、最大流量の０．０５倍の流量〜最大流量の範囲では±４％の範囲に収まり、実力的には最小流量〜最大流量の０．１倍の流量の範囲では±３％、最大流量の０．１倍の流量〜最大流量の範囲では±１．５％の範囲に収まる。

（ｇ）圧力変動に強い構成となる。すなわち、上流側の隣家でガスヒートポンプが動作し、あるいは自家でガスヒートポンプが作動している場合でも、最小流量〜最大流量の０．０５倍の流量の範囲では−７〜＋４％、最大流量の０．０５倍の流量〜最大流量の範囲では±４％の範囲に収まり、実力的には最小流量〜最大流量の０．１倍の流量の範囲では±３％、最大流量の０．１倍の流量〜最大流量の範囲では±１．５％の範囲に収まる。そのときの０リッタ／ｈの時は指針が動かず、かつ１時間では±１リッタ未満となる。また、３リッタ／ｈの時指針がすすみ、流量計測が行われる。この場合、ガス内管漏洩警報をリセットすることのないようにしてある。

（３）コンパクトな構成が可能となった。例えば、縦１３０mm以下（口金部を含まず）、横１８０mm以下、奥行き９０mm以下の外形寸法が実現できる。

（４）積算流量表示と瞬時流量表示の切り替え表示が可能となる。

（５）検定時のパルス表示精度が向上する。例えば検定時は０．１リッタ／パルス、通常時は１リッタ／パルスとする事ができる。

（６）双方向遮断弁を用いて双方向遮断する事ができ、フィードバック制御機能を持たせることにより開閉状態を確実に検知することもできる。

（７）制御基板、電池、センサ取付けを気密構造とし、且つ電池は現場で交換する構成とすることができる。

（８）入口、出口とも垂直方向とし、左上側を入口、右上側を出口としたことにより現行ガスメータとの交換が容易になる。

（９）ガスメータとしての保安機能が向上する。すなわち、
（ａ）判定時間の短縮が可能となり、例えば個別最大流量判定時間を１０秒以下に短縮でき、安全性が向上する。

（ｂ）精度が良く、かつ短時間で器具判別が可能となる。

（ｃ）使用器具の判別により、継続時間遮断の時間の変更、遮断の有無などを実施することができる。

（ｄ）多段感震機能の採用等により震度別の対応が可能となる。例えば震度５と震度６以上の判別を行い、震度５検出時には即遮断、自動復帰とし、震度６検出時には即遮断、自動復帰なしとする事ができる。

本発明のガスメータ設置状態を示す正面図 本発明のガスメータの設置状態を示す側面図 本発明のガスメータの内部構成を示す正面図 本発明のガスメータの内部構成を示す正面部分断面図 本発明のガスメータの内部構成を示す側面部分断面図 本発明のガスメータの制御基板の正面図 本発明のガスメータの制御基板の裏面図 本発明のガスメータの制御基板の側面図 本発明のガスメータの計測流路の横断面図 本発明のガスメータの流量係数の流量変化特性図 本発明のガスメータの器差特性図 本発明のガスメータの流体通路の断面図 双方向弁の構成断面図 双方向弁動作のフローチャート 感震器動作のフローチャート 個別最大流量判定動作のフローチャート 器具判別動作のフローチャート 従来の膜式ガスメータの構成図

符号の説明

１８ 弁ブロック
１９ 双方向弁
２０ 出口ブロック
２１ ガス流路
２２ 計測流路
３０ 感震器
３４、３５ 超音波送受波器

Claims (2)

1. ガス流路と、このガス流路中を流れるガスの流量を測定するように設けた超音波送受波器と、超音波送受波器からの出力に基づきガスの流量を測定する制御部とからなるガスメータ。
2. 制御部は、測定された流量値がメータ号数にて定められた個別最大流量値以上かどうか判定し、流量値が前記個別最大流量値以上の場合、ガス流路中のガスの流れを停止する命令を出力する請求項１記載のガスメータ。

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