JP2006292380A - 超音波ガスメータ - Google Patents

Abstract

【課題】密度差のある混合ガスや結露水の生じ易いガスの流量を正確に計測できる超音波ガスメータを提供する。
【解決手段】測定対象となる流体が流れる測定配管１３と、測定配管の一端部に配置された第１超音波送受波器１４と、測定配管の他端部に第１超音波送受波器に対向するように配置された第２超音波送受波器１５と、第１超音波送受波器から第２超音波送受波器へ超音波を送信して計測した伝播時間と第２超音波送受波器から第１超音波送受波器へ超音波を送信して計測した伝播時間との差に基づき測定配管を流れる流体の流量を計測する制御回路１８、１９とを備えた超音波ガスメータにおいて、測定配管１３は、測定対象となる流体に含まれる水分を除去しつつ該流体を通過させる内管３０と該内管の外側に設けられた外管３１とからなる二重構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を用いてガスの流量を計測する超音波ガスメータに関し、特に水分を含んだ混合ガスの流量を正確に測定する技術に関する。

従来、ガスの流路の上流側と下流側に一定の距離をおいて一対の超音波送受波器を配置し、それらの間で相互に超音波を繰り返して送受信し、上流側から下流側への超音波の伝播時間の積算値と、下流側から上流側への超音波の伝播時間の積算値との差に基づいてガスの流量を測定する超音波ガスメータが知られている。

この種の超音波ガスメータとして、例えば燃料電池システムにおけるガスの流量計測など、測定対象流体が水素ガス等の低密度あるいは音速が速いガスを主成分とする場合、あるいは混合比が動的に変化する密度変化の大きい加湿ガスの場合における流量計測に好適な超音波流量計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この超音波流量計測装置は、超音波伝播時間測定方式を採用した反射型の超音波流量計測装置であって、ガス流体に含まれる水蒸気が飽和状態に達しているか否かを判定し、飽和水蒸気状態であると判定した時には、管内平均音速を飽和水蒸気状態における音速とみなして、流れの順方向と逆方向とでそれぞれ求めた超音波伝播時間から超音波伝播経路長またはその変化量を演算する。これらから管断面積またはその変化量を演算する。

この超音波流量計測装置は、可動部を持たず、メータ内のガス流の圧力損失が小さいため、低流量から高流量まで対応でき、管内に結露水が存在している場合に、気水分離器や水位計を用いなくともガス流体の流量を精度良く計測できる。

また、他の超音波ガスメータとして、特に燃料電池システムにおけるガス流量計測など、測定対象流体が水素ガスと水蒸気などの密度差が大きい成分からなる混合ガス、または、混合比が動的に変化あるいは凝縮しやすいガスの流量計測に好適な超音波式（超音波伝播時間式）流量計が知られている（例えば、特許文献２参照）。

この超音波式流量計は、測定対象流体の流れる測定配管に接続される一対のソケット部にそれぞれ超音波送受波器を収納し、これら一対の超音波送受波器を用いて流体中で超音波パルスを送受信し、流体の流れ順方向と逆方向とについて超音波伝播時間を検出して、流体の流量を演算する。一対の超音波送受波器の超音波伝播経路は水平に配置される。ソケット部の天井部を、測定配管の天井部の高さより低い構造として、ガス換気のために連通させる。また、ソケット部の底部を、測定配管の底部の高さより高い構造として、結露水の排出のため連通させる。この構造により、ソケット部内と測定配管とでガスの不均一により音速に差を生じたり、結露水により送受波に影響を受けたりして、計測誤差が発生するのを回避できる。

近年は、都市ガスの流量計測に用いられる家庭用の超音波ガスメータにおいても、例えばガス漏れ検知といった保安機能、通信機能、時間帯別料金等の様々な付加機能が付与された高機能のガスメータが提案されている。図４は、このような従来の超音波ガスメータの構造を概略的に示す断面図である。

この超音波ガスメータの内部にはガスの流路１０が形成されている。外部から供給されたガスは、流入口１１から流路１０内に導入され、流路１０の一部を構成する測定配管１３ａを通過して流出口１２から排出される。測定配管１３ａの一端部（上流側）には第１超音波送受波器１４が配置されており、測定配管１３ａの他端部（下流側）には第２超音波送受波器１５が配置されている。第１超音波送受波器１４と第２超音波送受波器１５とは、所定距離をおいて対向するように配置されている。

第２超音波送受波器１５は、計測回路１８からの駆動パルス信号に応じて超音波を発生し、第１超音波送受波器１４に向けて送信する。また、第２超音波送受波器１５は、第１超音波送受波器１４からの超音波を受信して電気信号に変換し、計測回路１８に送る。

計測回路１８は、ＣＰＵ１９からの指示に応じて、第１超音波送受波器１４または第２超音波送受波器１５に駆動パルス信号を送って超音波を発生させるとともに、この超音波を受信した第１超音波送受波器１４または第２超音波送受波器１５から送られてくる受信信号に基づき、第１超音波送受波器１４から第２超音波送受波器１５への超音波の伝播時間（順方向伝播時間）と第２超音波送受波器１５から第１超音波送受波器１４へ超音波の伝播時間（逆方向伝播時間）とを算出する。この計測回路１８で算出された超音波の順方向伝播時間および逆方向伝播時間は、ＣＰＵ１９に送られる。

ＣＰＵ１９は、計測回路１８に対して超音波の発生を指示するとともに、計測回路１８から送られてくる超音波の順方向伝播時間と逆方向伝播時間との差に基づいてガスの流速を算出する。そして、算出した流速に流路１０の断面積を乗じて体積流量を求める。

なお、超音波ガスメータには、超音波送受波器の一方から発射された超音波が測定配管１３ａの底部で反射して他方の超音波送受波器に達するように伝播させる反射型と、超音波送受波器を測定配管１３ａを挟んで対向させて、超音波が管を斜めに横切るように伝播させるだけの透過型がある。
特開２００４―１２１６９号公報 特開２００４―１４４５６３号公報

しかしながら、上述した従来の超音波ガスメータを密度差の大きい成分からなる混合ガス、または混合比が動的に変化する混合ガスの流量計測に適用した場合、超音波送受波器と測定配管の部分で音速が同一にならない場合がある。これは超音波送受波器の部分にガスが滞留し、ガスの流速だけでは容易にガスが入れ替わらないことに起因する。

また、測定配管内を流れるガスが乾燥ガスである場合には、測定配管内を流れるガスの流路断面積を一定値と見なすことができるが、加湿ガスの場合は、ガス中の水蒸気が飽和状態に達して結露水が生じた場合は、測定配管内を流れるガスの流路断面積が縮小してしまう。このような場合に、流路断面積の値を補正しないで一定値として流量を演算すると、その演算値は結露水の量が増えるほど誤差を生じてしまうという問題があった。

また、反射型の超音波ガスメータの場合、超音波反射面に水滴が位置すると、反射ジオメトリが変化して、上述したガス密度差による誤差、検出不能と同様の不具合が生じる。また、透過型の超音波ガスメータの場合、ジオメトリ変化はないが結露水により超音波送受波器が水没して送受波不能となるといった不具合があった。

そこで、このような気液二相流の流量を測定する場合、従来は、気水分離器を用いて乾燥ガス流体と結露水に分離してから測定を行ったり、あるいは、別に設けた水位計などを用いて結露水の水位量を測るという方法がとられている。

しかしながら、これらの方法では新たに気水分離器や水位計が必要になる。また、水位計を用いる方法では、水位計と流量計との測定位置が異なることに起因する動的な測定タイミングのずれを流量の状況に合わせて補償するための正確な調整が必要であるという問題がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、密度差のある混合ガスや結露水の生じ易いガスの流量を正確に計測できる超音波ガスメータを提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明に係る超音波ガスメータは、測定対象となる流体が流れる測定配管と、測定配管の一端部に配置された第１超音波送受波器と、測定配管の他端部に第１超音波送受波器に対向するように配置された第２超音波送受波器と、第１超音波送受波器から第２超音波送受波器へ超音波を送信して計測した伝播時間と第２超音波送受波器から第１超音波送受波器へ超音波を送信して計測した伝播時間との差に基づき測定配管を流れる流体の流量を計測する制御回路とを備えた超音波ガスメータにおいて、測定配管は、測定対象となる流体に含まれる水分を除去しつつ該流体を通過させる内管と該内管の外側に設けられた外管とからなる二重構造を有することを特徴とする。

本発明に係る超音波ガスメータによれば、測定配管の構造を、測定対象となる流体に含まれる水分を除去しつつ該流体を通過させる内管と該内管の外側に設けられた外管とからなる二重構造としたので、ガスの密度差の主要因が水分に起因する場合であっても、密度差のある混合ガスや結露水の生じ易いガスの流量を正確に計測できる。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下においては、背景技術の欄で説明した超音波ガスメータの構成部分と同一または相当部分には、背景技術の欄で使用した符号と同じ符号を付して説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る超音波ガスメータの構造を示す断面図である。この超音波ガスメータの内部にはガスの流路１０が形成されている。外部から供給されたガスは流入口１１から流路１０内に導入され、流路１０の一部を構成する測定配管１３を通過して流出口１２から排出される。

測定配管１３は、図１の断面図および図２の外観斜視図に示すように、内管３０と外管３１とを備えた二重構造を有する。内管３０は、外管３１の中空部に収容されるように配置されており、内管３０の中空部はガスの流路１０を形成する。そして、内管３０の外側壁と外管３１の内側壁とによって形成される空間には、親水性の材料３２が充填されている。親水性の材料３２としては、セルロース、酸化チタン／酸化タングステンといった金属複合酸化物微粉末等を用いることができる。

内管３０の側壁には、図３（ａ）に示すように、ガスが流れる方向に沿って直線状の切り込み４０が穿設されており、または、図３（ｂ）に示すように、複数の微細孔４１が該側壁を貫通するように設けられている。

また、内管３０の内側壁および切り込み４０または微細孔４１の表面には、水酸基やカルボキシル基といった親水基を有する材料、例えばポリビニルアルコール等の親水性の界面活性剤が塗布されている。これにより、内管３０の内側壁および切り込み４０または微細孔４１の表面に付着した水分は直ちに親水性の材料３２に吸収されて排水管１６に導かれる。

外管３１の下側の所定部位には、内管３０の外側壁と外管３１の内側壁とによって形成される空間に連通するように排水管１６が取り付けられており、親水性の材料３２に貯留された結露水を外部に導くことができるようになっている。また、排水管１６の中途にはバルブ１７が設けられており、このバルブ１７を適当なタイミングで開栓することにより、親水性の材料３２に貯留された結露水を排出できるようになっている。

測定配管１３の一端部（上流側）には第１超音波送受波器１４が配置されており、測定配管１３の他端部（下流側）には第２超音波送受波器１５が配置されている。第１超音波送受波器１４と第２超音波送受波器１５とは、所定距離をおいて対向するように配置されている。

第１超音波送受波器１４は、計測回路１８から送られてくる駆動パルス信号に応じて超音波を発生し、第２超音波送受波器１５に向けて送信する。また、第１超音波送受波器１４は、第２超音波送受波器１５からの超音波を受信して電気信号に変換し、計測回路１８に送る。

第２超音波送受波器１５は、計測回路１８からの駆動パルス信号に応じて超音波を発生し、第１超音波送受波器１４に向けて送信する。また、第２超音波送受波器１５は、第１超音波送受波器１４からの超音波を受信して電気信号に変換し、計測回路１８に送る。

本発明の制御回路は、計測回路１８とＣＰＵ１９とから構成されている。計測回路１８は、ＣＰＵ１９からの指示に応じて、第１超音波送受波器１４または第２超音波送受波器１５に駆動パルス信号を送って超音波を発生させるとともに、この超音波を受信した第１超音波送受波器１４または第２超音波送受波器１５から送られてくる受信信号に基づき、第１超音波送受波器１４から第２超音波送受波器１５への超音波の伝播時間（順方向伝播時間）と第２超音波送受波器１５から第１超音波送受波器１４へ超音波の伝播時間（逆方向伝播時間）とを算出する。この計測回路１８で算出された超音波の順方向伝播時間および逆方向伝播時間は、ＣＰＵ１９に送られる。

ＣＰＵ１９は、計測回路１８に対して超音波の発生を指示するとともに、計測回路１８から送られてくる超音波の順方向伝播時間と逆方向伝播時間との差に基づいてガスの流速を算出する。そして、算出した流速に流路１０の断面積を乗じて体積流量を求める。この求められた体積流量が、ガスの使用量として外部に出力される。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る超音波ガスメータによれば、被測定ガスが過剰な水分を含んだ場合であっても、内管３０に設けられた切り込み４０や微細孔４１により水が直ちにトラップされ、さらに内管３０の外側壁と外管３１の内側壁とによって形成される空間に充填された親水性の材料３２に吸収され、バルブ１７が適宜のタイミングで開栓されることにより排水管１６を経由して排出される。

その結果、測定配管１３の内管３０の内壁面に結露水が溜まることがないので、超音波の流れが結露水により乱されることがなく、ガスの密度差の主要因が水分に起因する場合であっても、密度差のある混合ガスや結露水の生じ易いガスの流量を正確に計測することができる。

さらに、測定配管１３を内管３０と外管３１とによる二重構造としたことにより、外乱音波によるノイズを遮断することができるとともに、測定配管１３内の温度を一定に保つことができる。その結果、流路１０内における超音波は一定の音速を得ることができ、精度の高い流量の計測が可能になる。

本発明は、各種のガスメータに適用可能である。

本発明の実施例１に係る超音波ガスメータの構造を示す断面図である。 本発明の実施例１に係る超音波ガスメータで使用される測定配管の外観斜視図である。 本発明の実施例１に係る超音波ガスメータで使用される内管の外観斜視図である。 従来の超音波ガスメータの構造を示す断面図である。

符号の説明

１０ 流路
１１ 流入口
１２ 流出口
１３，１３ａ 測定配管
１４ 第１超音波送受波器
１５ 第２超音波送受波器
１６ 排水管
１７ バルブ
１８ 計測回路
１９ ＣＰＵ
３０ 内管
３１ 外管
３２ 親水性の材料
４０ 切り込み
４１ 微細孔

Claims (5)

1. 測定対象となる流体が流れる測定配管と、
   前記測定配管の一端部に配置された第１超音波送受波器と、
   前記測定配管の他端部に前記第１超音波送受波器に対向するように配置された第２超音波送受波器と、
   前記第１超音波送受波器から前記第２超音波送受波器へ超音波を送信して計測した伝播時間と前記第２超音波送受波器から前記第１超音波送受波器へ超音波を送信して計測した伝播時間との差に基づき前記測定配管を流れる流体の流量を計測する制御回路とを備えた超音波ガスメータにおいて、
   前記測定配管は、測定対象となる流体に含まれる水分を除去しつつ該流体を通過させる内管と該内管の外側に設けられた外管とからなる二重構造を有することを特徴とする超音波ガスメータ。
2. 前記内管の側壁は、流路を流体が流れる方向に穿設された直線状の切り込み、または該側壁を貫通する孔を有することを特徴とする請求項１記載の超音波ガスメータ。
3. 前記内管の外側壁と前記外管の内側壁とで形成される空間には、親水性の材料が充填されていることを特徴とする請求項１記載の超音波ガスメータ。
4. 前記内管の内側壁および前記切り込みまたは孔の表面には、親水性の界面活性剤が塗布されていることを特徴とする請求項２記載の超音波ガスメータ。
5. 前記外管には、前記内管の外側壁と前記外管の内側壁とで形成される空間に連通する排水管が設けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波ガスメータ。

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