JP2008185515A - Flow measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、管路内を流れる流体の速度や流量を計測する流量計測方法に関する。 The present invention relates to a flow rate measuring method for measuring the speed and flow rate of a fluid flowing in a pipeline.
従来、管路内に設置し流量を連続的に計測する手段として、ピトー管やオリフィスに代表される差圧方式や渦式、熱線式、羽根車式など様々な方式の流量計がある。しかしながら、これらの方式は次のような問題を抱えている。 Conventionally, there are various types of flowmeters such as a differential pressure method represented by a pitot tube and an orifice, a vortex method, a hot wire method, and an impeller method as means for continuously measuring the flow rate installed in a pipe line. However, these methods have the following problems.
第1に精密加工に伴う高額化という問題がある。第2に、流量計の実際の取り付けに際して所定性能を維持するための制約がある。例えば測定点の上下流域に充分長い直管部(以下、必要直管部という。)を設け、流体が整流された条件下で計測しなければならず、実用的ではない。このため、実際の使用現場では、流量計の所定性能を発揮するための必要直管部が得られていないケースが殆どであり、取り付け状態での初期性能や経年後の検証・校正ができないという問題がある。 First, there is a problem of high costs associated with precision machining. Secondly, there are constraints to maintain a predetermined performance when the flow meter is actually attached. For example, a sufficiently long straight pipe portion (hereinafter referred to as a necessary straight pipe portion) is provided in the upstream and downstream areas of the measurement point, and the measurement must be performed under a condition where the fluid is rectified, which is not practical. For this reason, most of the cases where the necessary straight pipe part for demonstrating the predetermined performance of the flowmeter is not obtained in actual use sites, the initial performance in the installed state and the verification and calibration after aging are not possible There's a problem.
また、近年、必要直管部を短縮化する目的でハニカム形状の整流器を内蔵した流量計もあるが、圧力損失による無効なエネルギーの消耗や目詰まり除去のための定期保全作業が必要となり、省エネや作業性の面で問題化している。また、流路への取り付けに際しては、一般的に流路に対する専用の管路を挟み込む、フランジ接続となるため、別途大規模工事費用が発生し高額になるという問題もある。 In recent years, some flowmeters have built-in honeycomb-shaped rectifiers for the purpose of shortening the required straight pipe section. However, periodic maintenance work is necessary to eliminate invalid energy consumption and clogging due to pressure loss. It has become a problem in terms of workability. In addition, the attachment to the flow path generally involves a flange connection that sandwiches a dedicated pipe line with respect to the flow path, so that there is another problem that a large-scale construction cost is separately generated and expensive.
一方、非特許文献1に開示されている別の手法として、流れの中に被測定流体と異なる物質を注入し、下流域にその異種物質を検出するセンサを配置することで、注入から検出までに要した時間と移動距離(異種物質注入部と異種物質検出部との距離)を基に、被測定流体の速度を算出するトレーサ法や、注入時の初期状態量(異種物質の濃度と注入量)と被測定流体とのミキシングにより希釈された下流域での異種物質濃度を基に被測定流体の速度を算出する混合希釈法がある。しかしながら、これらの手法は、速度の計測が異種物質を注入している期間のみであり、一時的な計測にしかならないという問題がある。
上記従来の流量計測方法の問題点から、機器そのものが安価で流路への設置費用が抑えられ、必要直管部が短縮化でき、初期性能や経年時の校正ができ、さらに圧力損失が低減できるとともに、保全作業が軽減できる連続的な流量計測方法が望まれている。 Due to the problems of the conventional flow rate measurement method described above, the equipment itself is inexpensive and installation costs in the flow path can be reduced, the required straight pipe section can be shortened, initial performance and aging can be calibrated, and pressure loss is reduced. There is a demand for a continuous flow rate measurement method that can reduce maintenance work.
本発明は、これらの点に鑑み、生産工程を簡素化することで廉価を実現し、しかも簡便に流路への設置ができ、機器設置制限を緩めるとともに、機器設置状態で性能検証や校正ができ、圧力損失によるエネルギーロスを低減し、目詰まり解消などの保全作業が軽減でき、連続的な測定が可能な新規の流量計測方法を提供することを課題とする。 In view of these points, the present invention realizes low cost by simplifying the production process, can be easily installed in the flow path, relaxes equipment installation restrictions, and performs performance verification and calibration in the equipment installation state. It is possible to reduce the energy loss due to pressure loss, reduce maintenance work such as clogging, and provide a new flow measurement method capable of continuous measurement.
請求項1の流量計測方法は、流体の速さによって検出圧力が変化する流体圧力検知装置を流路内に設置するとともに、別途、一時的流量測定手段にて流体の流量を求められるようにし、流路内の流量を段階的に変化させながら、前記流体圧力検知装置からの検出圧力と前記一時的流量測定手段で求めた流量の関係を各流量毎に調査し、その後、前記調査した検出圧力と流量との関係を基に、前記流体圧力検知装置の検出圧力から前記流路内の流用を求めることで、一時的流量測定手段を連続的に流量が測定できるようにしたことを特徴とする。なお、一時的流量測定手段は、例えば混合希釈法やトレーサ法或いは持ち運び可能な超音波流量計にて流量を求めるものである。 In the flow rate measuring method according to claim 1, a fluid pressure detection device whose detection pressure changes depending on the speed of the fluid is installed in the flow path, and the flow rate of the fluid can be separately obtained by a temporary flow rate measurement unit, While changing the flow rate in the channel stepwise, the relationship between the detected pressure from the fluid pressure detector and the flow rate obtained by the temporary flow rate measuring means is investigated for each flow rate, and then the detected detected pressure Based on the relationship between the flow rate and the flow rate, the temporary flow rate measuring means can continuously measure the flow rate by obtaining the diversion in the flow path from the detected pressure of the fluid pressure detection device. . The temporary flow rate measuring means obtains the flow rate by, for example, a mixed dilution method, a tracer method, or a portable ultrasonic flow meter.
請求項2の流量計測方法は、請求項1に記載の流量計測方法であって、前記流体圧力検知装置の一部又は全部が前記一時的流量測定手段における検出手段を兼ねることを特徴とする。この場合、流体圧力検知装置は、例えば流路内に注入されたCO2 ガス等の異種物質を検出する検出手段(サンプリング管)とすることができる。 A flow rate measurement method according to a second aspect is the flow rate measurement method according to the first aspect, wherein a part or all of the fluid pressure detection device also serves as a detection unit in the temporary flow rate measurement unit. In this case, the fluid pressure detection device can be, for example, a detection means (sampling tube) that detects a different substance such as CO 2 gas injected into the flow path.
例えば、流体の流量を決める、ファンやポンプのインバータ及びダンパやバルブの開度を固定して流体の流量を一定に保った条件下で、流路内に異種物質を注入し、その下流域で異種物質の到達時間や濃度を検出するトレーサー法や混合希釈法を用いて流量を計測する。一方で、流路内に設けた流体圧力検知装置(2種類の圧力検知体で構成)の圧力差を検出し、流量と圧力差の関係(相関)を調べる。この調査を流量を変化させて繰り返すことで、流量と圧力差の間に一義的関係が得られることを、本発明者は見出した。そこで、本発明は、この関係から流量と圧力差の回帰曲線を求めたり、グラフ化することで、異種物質を注入しない状態でも圧力差から流量が求められるようにする。これにより、混合希釈法などによる一時的な流量測方法を連続的な流量測定方法に変換できるようにした。 For example, under the condition that the flow rate of the fluid is fixed and the flow rate of the fluid is kept constant by fixing the opening of the inverters and dampers and valves of the fan and pump, different substances are injected into the flow path, The flow rate is measured using a tracer method or mixed dilution method that detects the arrival time and concentration of different substances. On the other hand, the pressure difference of the fluid pressure detector (configured with two types of pressure detectors) provided in the flow path is detected, and the relationship (correlation) between the flow rate and the pressure difference is examined. The present inventor has found that a unique relationship can be obtained between the flow rate and the pressure difference by repeating this investigation while changing the flow rate. Therefore, the present invention obtains a regression curve of the flow rate and the pressure difference from this relationship, or graphs it, so that the flow rate can be obtained from the pressure difference even when different substances are not injected. As a result, a temporary flow measurement method such as a mixed dilution method can be converted into a continuous flow measurement method.
流路内に設ける流体圧力検知体は、トレーサー法や混合希釈法で流量を求める際のサンプリング管や異種物質注入管を兼ねることもできる。流体圧力検知体は、汎用パイプ(丸、角、矩形など)を流用することもでき、流れを横断するように流路内に2種類の圧力(例えば全圧と静圧)が検出でるように設置する。流体圧力検知体は、一端を閉塞し、他端に圧力取り出し口を設けるとともに、適当な間隔で直線上(一定方向)に流体圧力検知孔(またはサンプリング孔を兼ねる)を開孔する。流体圧力検知装置は流体圧力検知孔の向きが異なる2種類の圧力検知体にて構成する。また、この2種類を一対とし、流路内に複数対並行して間隔配置することで流路内の平均圧力やサンプリングの均質化を図ることができる。 The fluid pressure detector provided in the flow path can also serve as a sampling tube or a different substance injection tube when the flow rate is obtained by a tracer method or a mixed dilution method. The fluid pressure detector can be diverted to general-purpose pipes (round, square, rectangular, etc.) so that two types of pressure (for example, total pressure and static pressure) can be detected in the flow path so as to cross the flow. Install. The fluid pressure detector closes one end, provides a pressure outlet at the other end, and opens a fluid pressure detection hole (or a sampling hole) in a straight line (constant direction) at an appropriate interval. The fluid pressure detection device is composed of two types of pressure detectors with different directions of fluid pressure detection holes. Moreover, the two types can be paired, and a plurality of pairs can be arranged in parallel in the flow path so that the average pressure in the flow path and the sampling can be homogenized.
好ましい流体圧力検知体の流体圧力検知孔の開孔向きとして、一方の種類を流体の流れに向かうように開孔し、他方の開孔の向きを下流に向けて配置するとよい。この配置により、流体の流れに向かうように開孔した流体圧力検知体は流体の全圧を検知する。一方、開孔の向きを下流に向けた流体圧力検知体は自身の作る渦の中での圧力を検知することなり、流路内平均静圧より低めの圧力を検出する。その結果、両者の圧力差(流体圧力検知装置からの検出差圧)はピトー管などで検出する動圧よりも大きくなり検出圧力の測定誤差を少なくすることができる。 As a preferable opening direction of the fluid pressure detecting hole of the fluid pressure detecting body, one type may be opened so as to be directed toward the fluid flow, and the other opening may be disposed downstream. With this arrangement, the fluid pressure detector that is opened toward the fluid flow detects the total pressure of the fluid. On the other hand, the fluid pressure detector with the opening directed downstream senses the pressure in the vortex created by itself, and detects a pressure lower than the average static pressure in the flow path. As a result, the pressure difference between them (the detected differential pressure from the fluid pressure sensing device) is greater than the dynamic pressure detected by a Pitot tube or the like, and the measurement error of the detected pressure can be reduced.
請求項1の流量計測方法によれば、連続的に測定が可能な新規の流量計測方法が得られるとともに、構成要素となる異種物質注入管やサンプリング管及び流体圧力検知装置の夫々が、精密な機械加工を伴わない一般部材(汎用パイプ等)にて達成できるため、廉価を実現できる。また、構成要素夫々の構造がシンプルであることから、新設、既設流路を問わず容易に流路内に設置でき、工事費用も低く抑えることができる。さらに、トレーサー法や混合希釈法を基に正確な流量が計測できることで、流体圧力検知装置の設置環境は、従来の流量計に比して大幅に緩めることができ、定期的な検証や校正も流路に取り付けた状態でできるようになる。また、圧力損失の要因となる流路内への流体圧力検知装置の取り付けは、それを構成する流体圧力検知体の設置本数を最小限に抑えることで軽減できる。 According to the flow rate measuring method of claim 1, a new flow rate measuring method capable of continuous measurement is obtained, and each of the different substance injection pipe, the sampling pipe, and the fluid pressure detection device, which are constituent elements, is precise. Since it can be achieved with general members (general-purpose pipes, etc.) that do not involve machining, low cost can be realized. Moreover, since the structure of each component is simple, it can be easily installed in the flow path regardless of whether it is a new or existing flow path, and construction costs can be kept low. In addition, since the accurate flow rate can be measured based on the tracer method and the mixed dilution method, the installation environment of the fluid pressure detector can be greatly relaxed compared to conventional flow meters, and regular verification and calibration can also be performed. It can be done in the state attached to the channel. Further, the installation of the fluid pressure detection device in the flow path that causes the pressure loss can be reduced by minimizing the number of the fluid pressure detection bodies that constitute the fluid pressure detection device.
請求項2の流量計測方法によれば、別途サンプリング管等を必要としないので、構成を簡単にすることができる。 According to the flow rate measuring method of the second aspect, since a separate sampling tube or the like is not required, the configuration can be simplified.
次に、本発明の流量計測方法の実施形態を図面を参照して説明する。図1は実施形態の流量計測方法を示す概念図であり、図1(B) は図1(A) のA−A断面を示している。この実施形態は、被測定流体を空気とし、注入する異種物質を二酸化炭素(CO2 )とした例であり、送風ダクト10はチャンバ10aを挟んで上流側のダクト110と下流側のダクトと120とを有している。上流側のダクト110内には異種物質としてのCO2 ガスを注入する注入管1が配設され、下流側のダクト120内には流体圧力検知装置2が配設されている。
Next, an embodiment of the flow rate measuring method of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram showing a flow rate measuring method according to an embodiment, and FIG. 1 (B) shows an AA cross section of FIG. 1 (A). This embodiment is an example in which the fluid to be measured is air and the dissimilar substance to be injected is carbon dioxide (CO 2 ). The
図2は実施形態における注入管1と異種物質CO2 ガスの注入方法を示す図である。CO2 ガスは液化したボンベ20から供給することで純度の高いCO2 ガスが得られる。ボンベ20から出たCO2 ガスは順に減圧弁30、電磁弁40、を経由して注入管1に達する。電磁弁40はタイマーにてオン・オフ制御され、減圧弁30の二次圧調整にて注入量がコントロールされる。注入管1にはその長手方向に所定間隔を隔てて多数の細い孔の注入孔11が開孔されている。これにより、図1に示す下流側のダクト110内に万遍なくCO2 ガスが散布されるようになる。なお、この注入孔11の代わりにスプレーノズル等を用いてもよい。
FIG. 2 is a view showing an injection tube 1 and a method of injecting a different substance CO 2 gas in the embodiment. By supplying CO 2 gas from the liquefied
図1の例では、注入管1によりCO2 ガスを下流側に向かって散布しているが、上流側に向かって散布してもよいし、注入管1は図2のような角パイプでなく丸パイプなど汎用性の高い形状のものを用いてもよい。 In the example of FIG. 1, CO 2 gas is sprayed toward the downstream side by the injection pipe 1, but it may be sprayed toward the upstream side, and the injection pipe 1 is not a square pipe as shown in FIG. 2. A highly versatile shape such as a round pipe may be used.
一方、ボンベ20は重量計50上に載置されており、単位時間当たりのCO2 ガスの注入量や変動の確認は、この重量計50で行う。重量計50は出力機能を備えており、注入開始からの時間経過に伴うCO2 ボンベ20の重量の減少量をパーソナルコンピュータ等に逐次記憶することができ、後の解析に有用な情報となる。なお、実際の異種物質(CO2 )の注入に当たっては、その量は被測定流体(空気)の流量に比して無視し得る程度にコントロールするのが好ましい。
On the other hand, the
次に、注入ガス(CO2 )がミキシングされた下流域でのガスサンプリング形態を図3に示す。なお、この実施形態では流体圧力検知装置2をCO2 ガスのサンプリング用に流用している。図の流体圧力検知装置2は、上流側(H側)の2つの流体圧力検知体21,21と、下流側(L側)の2つの流体圧力検知体22,22とで構成されており、流れ方向に沿って流体圧力検知体21,22が1つの対をなし、いこれが2対設けられている。各流体圧力検知体21,21,22,22は、一端が閉塞された角パイプで構成され、他端に圧力取り出し口21a,21a,22a,22aが設けられている。
Next, FIG. 3 shows a gas sampling configuration in the downstream region where the injection gas (CO 2 ) is mixed. In this embodiment, the
また、上流側の流体圧力検知体21,21は、上流側の稜線上に所定間隔で流体圧力検知孔21b,21bが開孔されるとともに、両方の圧力取り出し口21a,21aは連結されている。また、図3には現れていないが、図1(B) に示すように、下流側の流体圧力検知体22,22は、下流側の稜線上に所定間隔で流体圧力検知孔22b,22bが開孔されるとともに、両方の圧力取り出し口22a,22aは連結されている。
Further, the upstream
図3の例では、H側の流体圧力検知体21,21をサンプリング管として流用してCO2 ガスのサンプリングを行う。そして、このサンプリングしたCO2 ガスの濃度から、1秒間にダクト120の断面を通過する空気量すなわち流量を求める。
In the example of FIG. 3, CO 2 gas sampling is performed using the H-side
なお、この流量は例えば以下のように求めることができる。注入管1よりも上流側にある空気で該注入管1を1秒間に通過する空気(注目空気)の体積をQi、注目空気の単位体積に含まれるCO2 分子数をNiとすると、注目空気中に存在するCO2 分子の総数はQi×Niとなる。なお、この分子数NiはCO2 ガスを注入する前にサンプリング管でサンプリングしたCO2 ガス濃度から求まる。注入管1から注入するCO2 ガスの体積をQp、CO2 分子数をNpとすると、CO2 ガスの注入後の空気の体積Qoは、Qo=Qi+Qpとなる。注入管1の位置におけるダクト110の断面の前後でのCO2 の総数は不変であるから、CO2 ガスを注入した後にサンプリング管でサンプリングしたCO2 ガス濃度から求まる分子数をNoとすると、次式が成り立つ。
In addition, this flow volume can be calculated | required as follows, for example. When the volume of air (attention air) passing through the infusion pipe 1 in one second with air upstream from the infusion pipe 1 is Qi and the number of CO 2 molecules contained in the unit volume of the attention air is Ni, the attention air The total number of CO 2 molecules present therein is Qi × Ni. Incidentally, the number of molecules Ni is determined from the CO 2 gas concentration sampled at a sampling tube before injecting the CO 2 gas. If the volume of the CO 2 gas injected from the injection tube 1 is Qp and the number of CO 2 molecules is Np, the volume Qo of the air after the CO 2 gas is injected is Qo = Qi + Qp. Since the total number of CO 2 before and after the cross-section of the
Qi×Ni+Qp×Np=Qo×No
故に、Qi×Ni+Qp×Np=(Qi+Qp)×No
故に、(Ni−No)×Qi=Qp×No−Qp×Np
Qi x Ni + Qp x Np = Qo x No
Therefore, Qi × Ni + Qp × Np = (Qi + Qp) × No
Therefore, (Ni-No) * Qi = Qp * No-Qp * Np
上式より、1秒間にダクト110の断面を通過する空気量Qiは、
Qi=(Qp×No−Qp×Np)/(Ni−No)
故に、Qi=Qp(Np−No)/(No−Ni)
となる。すなわち、注入管1から注入するCO2 の注入条件(Qp,Np)と、注入前後のサンプリングした単位体積当りのCO2 分子数(Ni,No)の計測値から流量を求めることができる。
From the above equation, the amount of air Qi passing through the cross section of the
Qi = (Qp * No-Qp * Np) / (Ni-No)
Therefore, Qi = Qp (Np-No) / (No-Ni)
It becomes. That is, the flow rate can be obtained from the injection conditions (Qp, Np) of CO 2 injected from the injection tube 1 and the measured values of the number of CO 2 molecules (Ni, No) sampled per unit volume before and after the injection.
なお、このCO2 ガスのサンプリングのみを目的としたサンプリング管を別途用いるようにしてもよい、下流側(L側)に位置する流体圧力検知体22,22でCO2 ガスをサンプリングしてもよい。また、流体圧力検知体21,22や別途設けるサンプリング管は前記注入管1と同様に、角パイプ、丸パイプなど汎用性の高い安価な形状のものを採用することでコスト低減を図ることができる。さらに、その取り付け位置に関しても注入ガス(異種物質)の混合ができていれば整流される必要性がないため、何処に設置してもよく、取り付け場所の制限を大幅に緩めることができる。
Note that a sampling pipe intended only for sampling of the CO 2 gas may be used separately, or the CO 2 gas may be sampled by the
図3では、上流側に位置する流体圧力検知体21,21同士を連結している。これにより、流路上での混合が不十分であったとしても、流路断面から均等にサンプリングすることで混合状態を高める効果があり注入管1からサンプリング(当該流体圧力検知体21,21)までの距離を短縮することができる。すなわち、測定部分のサイズ(距離)を小さくできる。また、サンプリングのための孔(この例では流体圧力検知孔21b)位置に関し、図3では上流に向かって開孔しているが、流れに直交するように上下に開孔しても、下流に向かって開孔してもよい。
In FIG. 3, the
次に、流体圧力検知装置2にて流体の圧力を検出している実施形態を図4に示す。上流側の流体圧力検知体21,21の連結された圧力取り出し口21a,21aと、下流側の流体圧力検知体22,22の連結された圧力取り出し口22a,22aとは、それぞれ差圧指示計3に接続されており、この差圧指示計3により、流体圧力検知装置2の上流側の全圧と、下流側のダクト内平均静圧より低めの圧力との差圧を検出する。なお、前記のように、この流体圧力検知装置2はシンプルなパイプ構造であることから、新設、既設流路を問わず流路の側面を利用する簡易工事で安価に設置することができる。
Next, an embodiment in which the fluid
本実施形態では、流体圧力検知装置2の一部を用いて混合希釈法などのガスサンプリングを行っているため、同時並行して流体圧力検知装置2からの検出圧力を読み取ることはできない。そのため、ガストレーサー法や混合希釈法などにより一時的に流量を求めた後で流体圧力検知装置2からの検出差圧を指示計などで読み取ることになる。すなわち、図3に示したCO2 濃度検出による手法(混合希釈法)で計測したサンプリング流量値と、図4に示した手法により計測したサンプリング差圧値とを取得し、これを多数回交互に繰り返す。そして、このデータを例えばパーソナルコンピュータ等に蓄積しておき、これらのデータの回帰分析等を行う。
In the present embodiment, since gas sampling such as a mixed dilution method is performed using a part of the fluid
このように、流量と検出差圧の関係を流量を変えながら段階的に調べることで図5のグラフに示すような相関を求めることができる。一旦、この相関が得られれば、グラフや回帰曲線の近似式などを利用することで流体圧力検知装置2からの圧力(差圧)を基に流量を逆算することができる。
Thus, the correlation as shown in the graph of FIG. 5 can be obtained by examining the relationship between the flow rate and the detected differential pressure step by step while changing the flow rate. Once this correlation is obtained, the flow rate can be calculated backward based on the pressure (differential pressure) from the fluid
1 注入管
2 流体圧力検知装置
21,22 流体圧力検知体
21b,22b 流体圧力検知孔
3 差圧指示計
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