JP2013142676A - 気体用計量器の特性評価試験装置および特性評価試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の波形の脈動を小型の装置により再現して、各種の気体用流量計の特性評価試験を行うことが可能な気体用計量器の特性評価試験装置および特性評価試験方法の提供。
【解決手段】ガスメーターＧの下流側に一端が閉じられた管路３の他端を接続し、ガスメーターＧの上流側へ任意の圧力波形の気体を圧力制御装置２により供給する。これにより、ガスメーターＧの下流側に接続された管路３が閉じられているため、圧力制御装置２により供給した任意の圧力波形に対して管路３の容積および形状に応じた反射波が発生し、ガスメーターに対して任意の圧力波形を供給した際の反射波の影響を含めた特性評価試験を行うことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、都市ガスやプロパンガスの消費量を計るガスメーターや、プラントなどで使用される各種流量計などの気体用計量器の特性評価試験装置および特性評価試験方法に関する。

空気やガスといった気体は身近に数多く存在し、一般生活や産業分野において広く使用されている。一般生活においてはガス供給ライン、産業分野おいてはプラント等でガス配管が使用され、それらのガス配管内を流れるガスの流量を管理または制御するために、ガスメーターや各種流量計などの気体用計量器が使用されている。現在、流量計の特性は定常流に関しては十分に評価が行われており、国際規格やＪＩＳ規格が存在する（例えば、非特許文献１参照。）。

しかし、実際の流体の使用においては、ガスの流れは定常流とは限らず、脈動を持つ非定常な流れの中で計測が行われる。脈動場における流量計の特性は、定常場における流量計の特性とは異なる可能性がある。そのため、従来、脈動を計測するためには、脈動が発生している現場に出向くか、全く同じ管路を組んで再現する必要があり、脈動場における流量計の特性試験を実験室で行うためのコンパクトな脈動再現試験装置の開発が求められている（例えば、非特許文献２参照。）。また、脈動場における流量計に関する先行技術として、共鳴管方式（例えば、非特許文献３参照。）等がある。さらに、気体の圧力制御技術を用いた圧力脈動場における気体用流量計の動特性試験装置の開発が提案されている（例えば、非特許文献４参照。）。

"ＩＳＯによる流量特性表示法"，［online］，ＳＭＣ株式会社，［平成２３年１０月２０日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：http://www.smcworld.com/2002/md1/yougo4/yougo4.html＞ 舩木達也，"気体中流量と脈動計測について"，流量クラブ講演会，２００７年１２月１４日，［平成２３年１０月２０日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：http://www.nmij.jp/~nmijclub/flowm/docimgs/funaki_20071214.pdf＞ 畠沢政保，"熱音響音波発生機の振動流れ−共鳴管出口付近の流れ−，低温工学，Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．１２，ｐｐ．５２７−５３５（２００８） 尹鍾晧、秋久潤、加藤友規、川嶋健嗣、香川利春，"圧力脈動場における気体用流量計の動特性試験装置の開発"，計測自動制御学会産業論文集，第１０巻，第１号，ｐｐ．１−６（２０１１）

上記の共鳴管方式では、生成する脈動の周波数によって管路の長さを変える必要があるうえ、複数の周波数が重畳した脈動場を作り出すことが難しく、装置が大がかりになるという問題がある。また、圧力脈動場における気体用流量計の動特性試験装置は、差圧式の層流型流量計などの内部抵抗の大きい流量計にしか適用できないという問題があり、汎用性が低い。

そこで、本発明においては、任意の波形の脈動を小型の装置により再現して、各種の気体用流量計の特性評価試験を行うことが可能な気体用計量器の特性評価試験装置および特性評価試験方法を提供することを目的とする。

本発明の気体用計量器の特性評価試験装置は、気体用計量器の下流側に一端が接続され、他端が閉じられた管路と、気体用計量器の上流側へ任意の圧力波形の気体を供給する圧力制御装置とを含むものである。また、本発明の気体用計量器の特性評価試験方法は、気体用計量器の下流側に一端が閉じられた管路の他端を接続し、気体用計量器の上流側へ任意の圧力波形の気体を圧力制御装置により供給することを特徴とする。

これらの発明によれば、気体用計量器の下流側に接続された管路が閉じられているため、圧力制御装置により供給した任意の圧力波形に対して管路の容積および形状に応じた反射波が発生する。これにより、気体用計量器に対して任意の圧力波形を供給した際の反射波の影響を含めた特性評価試験を行うことが可能となる。

ここで、管路が、気体用計量器が設置される管路の容積および形状を模倣したものであり、圧力制御装置が、気体用計量器が設置される管路の圧力波形を再現するものであるとすれば、気体用計量器が設置される実際の管路における反射波の影響を含めた特性評価試験を行うことが可能となる。

また、圧力制御装置は、気体供給源から供給される気体の一部を排気することにより任意の圧力波形の気体に制御するものであり、気体の一部を排気するための真空ポンプを備えたものであることが望ましい。これにより、圧力制御装置によって気体供給源から供給される気体の一部を排気することにより任意の圧力波形の気体に制御する際に、真空ポンプにより強制的に気体の一部を排気することで、気体の供給と排気とのバランスを取り、容易に任意の圧力波形の気体に制御することが可能となる。

（１）気体用計量器の下流側に一端が閉じられた管路の他端を接続し、気体用計量器の上流側へ任意の圧力波形の気体を圧力制御装置により供給する構成により、圧力制御装置により供給した任意の圧力波形に対して管路の容積および形状に応じた反射波を発生させ、気体用計量器に対して任意の圧力波形を供給した際の反射波の影響を含めた特性評価試験を行うことが可能となる。これにより、共鳴管方式のような大きな装置は不要となり、任意の波形の脈動を小型の装置により再現して、各種の気体用流量計の特性評価試験を行うことが可能となる。

（２）管路が、気体用計量器が設置される管路の容積および形状を模倣したものであり、圧力制御装置が、気体用計量器が設置される管路の圧力波形を再現するものであることにより、気体用計量器が設置される実際の管路における反射波の影響を含めた特性評価試験を行うことが可能となる。

（３）圧力制御装置が、気体供給源から供給される気体の一部を排気することにより任意の圧力波形の気体に制御するものであり、気体の一部を排気するための真空ポンプを備えたものであることにより、気体の供給と排気とのバランスを取り、容易に任意の圧力波形の気体に制御することが可能となるので、より再現性良く任意の波形の脈動を再現して、各種の気体用流量計の特性評価試験を行うことが可能となる。

本発明の実施の形態における特性評価試験装置の概要図である。 図１の特性評価試験装置の具体的構成を示す図である。 本実施形態における圧力制御装置の制御系を示すブロック図である。 実施例１の特性評価試験装置における等温化圧力容器の流出口の圧力の目標値Ｐ_refと圧力センサーの測定値Ｐとをグラフに示した図である。 実施例２の特性評価試験装置における等温化圧力容器の流出口の圧力の目標値Ｐ_refと圧力センサーの測定値Ｐとをグラフに示した図である。

図１は本発明の実施の形態における特性評価試験装置の概要図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態における特性評価試験装置１は、気体用計測器としてのガスメーターＧの特性を評価する試験装置であって、ガスメーターＧの上流側に圧力制御装置２が接続され、ガスメーターＧの下流側に管路３が接続される。圧力制御装置２には、気体供給源４から試験用の気体としての空気が供給される。

圧力制御装置２は、気体供給源４から供給された気体を、任意の振幅、圧力、周波数や重畳波などの圧力波形の気体として、ガスメーターＧへ供給するものである。管路３は、ガスメーターＧが設置される管路（例えば、一般家庭へのガス供給システムにおける家屋内の管路）の容積および形状を模倣したものであり、一端はガスメーターＧへ接続され、他端は閉じられている。

気体供給源４は、圧縮した空気を供給する供給源であり、供給する空気を高圧に充填したボンベを用いることができる。また、コンプレッサ等のポンプ類を用いて圧縮空気を供給するようにしても良い。

図２は図１の特性評価試験装置の具体的構成を示す図である。
図２に示すように、圧力制御装置２は、サーボ弁１０と、等温化圧力容器１１と、圧力センサー１２と、圧力制御手段としてのコンピュータ１３と、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換器１４と、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器１５と、真空ポンプ１６とを有する。

サーボ弁１０は、気体供給源４から供給される空気の等温化圧力容器１１への流入流量を規制する流量制御型サーボ弁である。また、サーボ弁１０は、等温化圧力容器１１から逆流する空気の流出流量（負の流入流量）を規制する。サーボ弁１０としては、圧力損失が少ないスプール型サーボ弁を用いることが好ましい。

サーボ弁１０は、少なくとも吸気ポート１０ａと排気ポート１０ｂと制御ポート１０ｃとが設けられた３方弁である。吸気ポート１０ａは、導管２０ａを介して気体供給源４に接続されている。排気ポート１０ｂは、導管２０ｂを介して真空ポンプ１６に接続されている。制御ポート１０ｃは、導管２０ｃを介して等温化圧力容器１１に接続されている。サーボ弁１０は、コンピュータ１３からＤ／Ａ変換器１４を介して出力される制御信号によって、制御ポート１０ｃと、吸気ポート１０ａまたは排気ポート１０ｂとの接続および開度が操作される。

等温化圧力容器１１は、導管２０ｃを通って流入口１１ａから流入する空気を等温状態に保持し、流出口１１ｂから空気を流出させ、ガスメーターＧへ供給する。等温化圧力容器１１の流出口１１ｂとガスメーターＧの流入口Ｇａとは、導管２０ｄにより接続されている。また、ガスメーターＧの流出口Ｇｂと管路３とは、導管２０ｅにより接続されている。なお、導管２０ａ〜２０ｅの断面積は、サーボ弁１０の有効断面積の４倍以上とすることが好ましい。導管２０ａ〜２０ｅの断面積が、この範囲にあると、導管２０ａ〜２０ｅによる圧力降下をほとんど無視することができるからである。

等温化圧力容器１１の形状は、円筒状、多角柱体、球体や楕円体など種々の形状を採用することができる。例えば、円筒状の形状の場合は、いずれか一方の底面側に設けた流入口１１ａから空気を流入させ、他方の底面に設けた流出口１１ｂから空気を流出させる。ガスメーターＧは、この等温化圧力容器１１の流出口１１ｂに導管２０ｄを介して接続されている。このとき、空気の流入方向の奥行き（円筒の高さ）は、断面の最大幅（底面の直径）の２倍以下とすることが好ましい。円筒の高さ（奥行き）がこの範囲にあると空気の流入時における圧力勾配の発生を抑えることができる。また、多角柱体の形状の場合、断面中の最大幅、楕円体であれば奥行き方向の中心の断面における直径である。

等温化圧力容器１１は、バッファタンクの役割を有するため、その内容積Ｖは、空気の体積流出流量Ｑ_out［ＮＬ／ｍｉｎ］に対して、５．０×１０^-6Ｑ_out〜７．０×１０^-5Ｑ_out［ｍ³］の範囲にあることが好ましいが、圧力制御装置２の応答性の仕様に応じて適宜決めることができる。

等温化圧力容器１１は、通常、金属で形成される。等温化圧力容器１１の内部には、金属細線の集束体または多孔質金属体からなる表面積の大きな熱伝導性材料が充填されている。この熱伝導性材料を等温化圧力容器１１の内部に充填することによって、内部における伝熱面積を増大させることができる。そして、この熱伝導性材料によって、等温化圧力容器１１への空気の流入および等温化圧力容器１１からの空気の流出に際して、等温化圧力容器１１内の空気の温度変化が抑制される。そして、この熱伝導性材料による温度変化の抑制は、等温化圧力容器１１も熱伝導性の高いものにすればさらに有効である。

この表面積の大きな熱伝導性材料として、例えば、スチールウール等の金属細線の集束体、銅線等の多孔質金属体、あるいは木綿やプラスチック製の綿状体などを採用することができる。すなわち、金属細線の集束体または木綿やプラスチック製の綿などの繊維状の形態である場合は、その繊維径が１０〜５０［μｍ］の範囲にあるものが、伝熱面積を大きくとれることから好ましい。また、この熱伝導性材料は、熱伝導度が０．０５［Ｗ／ｍＫ］以上であることが好ましい。この熱伝導性材料は、等温化圧力容器１１に保持される空気の温度変化を３［Ｋ］程度に抑制できるように、その材質および等温化圧力容器１１への充填量等が調整される。このように、等温化圧力容器１１にスチールウール等の熱伝導性材料を充填することで、等温化圧力容器１１の伝熱面積を増大させることができる。また、熱伝導性材料の充填密度は２００〜４００［ｋｇ／ｍ³］の範囲にあることが好ましい。充填密度がこの範囲にあると、等温化圧力容器１１内の空気の温度変化を十分に抑制することができる。

圧力センサー１２は、等温化圧力容器１１の流出口１１ｂに接続されている。圧力センサー１２は、等温化圧力容器１１内の空気の圧力Ｐを計測し、その計測結果（圧力値）に関する検出信号を、Ａ／Ｄ変換器１５を介してコンピュータ１３に送信するものである。この圧力センサー１２は、空気の圧力値を電気信号として出力できるものであれば、特に制限されない。例えば、半導体式圧力センサー等を用いることができる。そして、圧力センサー１２の測定可能範囲は、大気圧〜気体供給源４から供給される空気の供給圧力Ｐｓの範囲をカバーすることが好ましい。

コンピュータ１３は、ガスメーターＧによって計測された等温化圧力容器１１の流出口１１ｂからの空気の流出流量Ｇ_outに関する検出信号と、圧力センサー１２によって計測された等温化圧力容器１１内の空気の圧力Ｐに関する検出信号とを、Ａ／Ｄ変換器１５を介してデジタル信号として受信し、それらの検出信号に基づいて、サーボ弁１０を介して等温化圧力容器１１に流入する空気の流入流量Ｇ_in（サーボ弁１０の排気ポート１０ｃから空気を流出する“負の流入流量”の場合も含む）を制御する制御電圧Ｅ_iを、Ｄ／Ａ変換器１４を介して、サーボ弁１０に送信するものである。このコンピュータ１３において、ガスメーターＧによって計測された等温化圧力容器１１の流出口１１ｂからの空気の流出流量Ｇ_outと、圧力センサー１２によって計測された等温化圧力容器１１内の空気の圧力Ｐとを適宜用いて、サーボ弁１０の開閉または開度を制御するための演算が行われる。

Ｄ／Ａ変換器１４は、コンピュータ１３からのサーボ弁１０の開閉または開度に関するデジタル信号をアナログ信号に変換し、サーボ弁１０に出力するものである。Ａ／Ｄ変換器１５は、圧力センサー１２およびガスメーターＧからのアナログ信号をデジタル信号に変換し、コンピュータ１３に出力するものである。

次に、図３を参照して、本実施形態における圧力制御装置２による圧力の制御について説明する。図３は本実施形態における圧力制御装置２の制御系を示すブロック図である。

なお、本実施形態の説明において用いる主な記号は、次に示す通りである。
Ｐ_ref：圧力目標値［Ｐａ］
Ｋ_p：比例ゲイン［（ｋｇ／ｓ）／Ｐａ］
Ｋ_GI：積分ゲイン［Ｖ／ｋｇ］
Ｋ_v：サーボ弁１０の流量ゲイン［（ｋｇ／ｓ）／Ｖ］
Ｇ_in：流入流量［ｋｇ／ｓ］
Ｇ_out：流出流量［ｋｇ／ｓ］
Ｒ：ガス定数［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］
θ：気体の温度［Ｋ］
Ｖ：等温化圧力容器１１の容積［ｍ³］
Ｐ：等温化圧力容器１１内の圧力［Ｐａ］

図３に示すように、本実施形態の圧力制御装置２の制御系は、圧力目標値Ｐ_refに対して等温化圧力容器１１内の空気の圧力ＰをフィードバックしてＰ（比例）動作およびＩ（積分）動作によりＰＩ制御する圧力制御系３０をメインループとして構成されている。また、このメインループの内側に、等温化圧力容器１１内の空気の圧力微分値
をフィードバックしてＩ（積分）動作によりＩ制御するモデル追従制御系３１を１つのマイナーループとして構成している。

圧力制御系３０においては、制御量である圧力Ｐをフィードバックし、加算接合点３２において、目標値Ｐ_refとの偏差を算出する。ここで、圧力Ｐは圧力センサー１２によって計測される。算出された圧力の偏差は比例要素３３に伝達され、比例ゲインをＫ_pとするＰ動作が行われるとともに、積分器３４によってＩ動作が行われる。なお、圧力制御系３０において、ＰＩ制御の代わりにＰＩＤ（比例動作、積分動作、微分動作）制御を行うようにしてもよい。

モデル追従制御系３１では、等温化圧力容器１１内の空気の圧力微分値
に制御要素３１１によってＶ／（Ｒθ）を乗じることで流量変化の推定値とし、加算接合点３１２にフィードバックする。また、加算接合点３１２で算出された偏差は、積分器３１３によって積分ゲインをＫ_GIとするＩ動作が行われ、サーボ弁１０の流量ゲインＫ_vが掛けられて、等温化圧力容器１１の流入口１１ａから流入する流入流量Ｇ_inが算出される。

また、この流入口１１ａから流入する流入流量Ｇ_inに対し、ガスメーターＧが接続された導管２０ｄを介して、流出口１１ｂから流出する流出流量Ｇ_outが加算接合点３１５によって外乱として加算され、制御要素３１６によって（Ｒθ）／Ｖが乗じられる。

以上、説明した圧力制御装置２の圧力制御系３０の演算は、コンピュータ１３によって行われ、コンピュータ１３によって算出される制御電圧Ｅ_iを、Ｄ／Ａ変換器１４を介してサーボ弁１０に送信することにより、等温化圧力容器１１内の空気を、任意の振幅、圧力、周波数や重畳波などの圧力波形に制御することができる。なお、圧力制御系３０の演算は、例えば、ＰＣ（Personal Computer）のような汎用コンピュータを用いて行ってもよいし、専用の演算回路を構成して演算するようにしてもよい。

この圧力制御装置２では、圧力制御系３０（メインループ）で比例フィードバック制御を行い、モデル追従制御系３１（マイナーループ）で微分値を用いた積分フィードバック制御を行っており、モデル追従制御系３１（マイナーループ）内では圧力の微分値を流量変化の推定値としてフィードバックすることで、外乱によって流出した流量を即座に補償している。モデル追従制御系３１（マイナーループ）は、圧力制御系３０（メインループ）に対して十分に速いため、モデル追従制御系３１内に含まれる外乱に対し、非常に速い補償を行うことができる。なお、圧力微分値については、圧力センサー１２の分解能が十分に高い場合、圧力微分計は用いずに、圧力センサー１２により測定した圧力値を一次微分することで、圧力微分値として用いることが可能であるが、圧力微分計を用いて測定した圧力微分値を用いることも可能である。

そして、本実施形態における特性評価試験装置１では、ガスメーターＧの下流側に一端が閉じられた管路３の他端を接続し、ガスメーターＧの上流側に圧力制御装置２を接続し、この圧力制御装置２により等温化圧力容器１１内の空気を任意の振幅、圧力、周波数や重畳波などの圧力波形に制御し、ガスメーターＧへ供給する。このとき、ガスメーターＧの下流側に接続された管路３は閉じられているため、圧力制御装置２により供給した任意の圧力波形に対して管路３の容積および形状に応じた反射波が発生する。

これにより、本実施形態における特性評価試験装置１では、ガスメーターＧに対して任意の圧力波形を供給した際の反射波の影響を含めた特性評価試験を行うことができる。したがって、本実施形態における特性評価試験装置１では、共鳴管方式のような大きな装置は不要であり、任意の波形の脈動を小型の圧力制御装置２により再現して、各種の気体用流量計の特性評価試験を行うことが可能である。

また、本実施形態における特性評価試験装置１において、管路３をガスメーターＧが設置される管路の容積および形状を模倣したものとし、圧力制御装置２をガスメーターＧが設置される管路の圧力波形を再現するものとすることにより、ガスメーターＧが設置される実際の管路における反射波の影響を含めた特性評価試験を行うことができる。

また、本実施形態における圧力制御装置２では、気体供給源４から供給される気体の一部を排気することにより任意の圧力波形の気体に制御する際、排気ポート１０ｂに接続された真空ポンプ１６により気体の一部を排気するため、気体の供給と排気とのバランスが取れており、容易に任意の圧力波形の気体に制御することが可能となっている。そのため、より再現性良く任意の波形の脈動を再現して、ガスメーターＧの特性評価試験を行うことが可能となっている。

本実施例１では、一般家庭へガスを供給するための埋設ガス配管系で発生したガス脈動を計測し、その圧力変動を上記特性評価試験装置１により再現した。なお、気体供給源４からは５０［ｋＰａ］の圧縮空気を供給し、真空ポンプ１６からは−５０［ｋＰａ］で吸引した。また、各パラメータの値は、Ｋ_p＝３．０９×１０⁶［（ｋｇ／ｓ）／Ｐａ］、Ｋ_GI＝３．６×１０⁵［Ｖ／ｋｇ］、Ｒ＝２８７．０３［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］、θ＝２９３［Ｋ］、Ｖ＝０．０２６［ｍ³］である。

図４は特性評価試験装置１における等温化圧力容器１１の流出口１１ｂの圧力の目標値Ｐ_refと圧力センサー１２の測定値Ｐとをグラフに示した図である。図４から分かるように、この特性評価試験装置１では応答性良く圧力変動を再現できており、この特性評価試験装置１によりガスメーターの特性評価試験を高精度に行うことが可能である。

本実施例２では、分岐を有する配管系で脈動を発生させ、その圧力変動を上記特性評価試験装置１により再現した。なお、各パラメータの値等は、上記実施例１と同一である。図５は特性評価試験装置１における等温化圧力容器１１の流出口１１ｂの圧力の目標値Ｐ_refと圧力センサー１２の測定値Ｐとをグラフに示した図である。図５から分かるように、この特性評価試験装置１では応答性良く圧力変動を再現できており、この特性評価試験装置１によりガスメーターの特性評価試験を高精度に行うことが可能である。

本発明の気体用計量器の特性評価試験装置および特性評価試験方法は、都市ガスやプロパンガスの消費量を計るガスメーターや、プラントなどで使用される各種流量計などの気体用計量器の特性評価試験を行うための装置および方法として有用である。

Ｇ ガスメーター
１ 特性評価試験装置
２ 圧力制御装置
３ 管路
４ 気体供給源
１０ サーボ弁
１１ 等温化圧力容器
１２ 圧力センサー
１３ コンピュータ
１４ Ｄ／Ａ変換器
１５ Ａ／Ｄ変換器
１６ 真空ポンプ

Claims (5)

1. 気体用計量器の下流側に一端が接続され、他端が閉じられた管路と、
   前記気体用計量器の上流側へ任意の圧力波形の気体を供給する圧力制御装置と
   を含む気体用計量器の特性評価試験装置。
2. 前記管路は、前記気体用計量器が設置される管路の容積および形状を模倣したものであり、前記圧力制御装置は、前記気体用計量器が設置される配管路の圧力波形を再現するものである請求項１記載の気体用計量器の特性評価試験装置。
3. 前記圧力制御装置は、気体供給源から供給される気体の一部を排気することにより任意の圧力波形の気体に制御するものであり、前記気体の一部を排気するための真空ポンプを備えたものである請求項１または２に記載の気体用計量器の特性評価試験装置。
4. 前記圧力制御装置は、
   気体供給源から供給される気体の流入流量を規制するサーボ弁と、
   前記サーボ弁を介して流入する気体を等温状態に保持する等温化圧力容器と、
   前記等温化圧力容器内の気体の圧力を検出する圧力センサーと、
   前記サーボ弁を操作して前記等温化圧力容器内の気体を所定の圧力に制御する圧力制御手段とを有し、
   前記サーボ弁の排気ポートに前記真空ポンプが接続されたものである
   請求項３記載の気体用計量器の特性評価試験装置。
5. 気体用計量器の下流側に一端が閉じられた管路の他端を接続し、
   前記気体用計量器の上流側へ任意の圧力波形の気体を圧力制御装置により供給することを特徴とする気体用計量器の特性評価試験方法。