JP2019020191A - Tube flow measuring device and tube downstream pressure prediction control device - Google Patents

Tube flow measuring device and tube downstream pressure prediction control device Download PDF

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Abstract

To provide a tube flow measurement device for measuring the flow rate of a tube when a liquid flows in a steady flow state, wherein a cross section of the tube is made uniform, and a downstream pressure prediction device for predicting a downstream pressure to a setting value under a setting flow rate by adjusting an upstream pressure.SOLUTION: A tube with a pressure gauge and a liquid temperature are measured at the upstream and downstream sides of a tube where the section is uniform, and the liquid thermometer is installed at the downstream and the pressure gauge and the liquid temperature are measured. A first tube friction coefficient and Reynolds number function based on the known Darcy Weissbach formula with the pressure difference, liquid density, liquid viscosity and tube size as a coefficient and a second tube friction coefficient and Reynolds number function dependent on the roughness of the inner wall of the tube and independent of the type of liquid are created; and the tube friction coefficient and the Reynolds number are obtained directly from the calculation by solving the functions as a simultaneous equation and the flow rate is measured. The flow rate of the curved tube and a large number of pipelines with a high height difference can easily be measured with high accuracy.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、管断面が一様な管を液体が定常流状態で流下する管の流量を計測する管流量計測装置および設定流量のもとで下流圧力を設定値に上流圧力を調整して予測制御する下流圧力予測制御装置に関する。
本発明では「定常流」とは、時間的に管全体の流れに変化がない流れと定義する。
「一様断面の管」とは、管路断面が同じ寸法であり、管壁面の粗さも同じ管と定義する。
「一様断面管の定常流」とは、一様断面管の流れが時間的に変化しない流れであり一様断面であるので連続の法則により流速、流量も空間的に同じである流れと定義する。
The present invention provides a pipe flow measuring device that measures the flow rate of a pipe in which a liquid flows down in a steady flow state through a pipe having a uniform pipe cross section, and predicts by adjusting the upstream pressure to a set value based on the downstream pressure. The present invention relates to a downstream pressure prediction control device to be controlled.
In the present invention, “steady flow” is defined as a flow in which there is no change in the flow of the entire pipe over time.
“Uniform cross-section pipe” is defined as a pipe having the same cross-sectional dimensions and the same wall roughness.
"Steady flow with uniform cross-section pipe" is defined as a flow in which the flow in the uniform cross-section pipe does not change in time and has a uniform cross section, and the flow velocity and flow rate are spatially the same by the law of continuity. To do.

本発明は、管断面が一様な管を液体が定常流状態で流下する管の流量を管の上流に設置した圧力計および下流に設置した圧力計の計測値を電気的な手段による信号伝送部と伝送回線により遠隔地に設置した流量演算装置により管流量を求める管流量計測装置、および設定流量のもとで下流圧力予測制御点の圧力を設定圧力に予測制御するために、上流に設置した圧力設定器の圧力を調整することにより圧力設定点圧力を演算により求め設定する管下流圧力予測制御装置である。
管下流圧力予測制御装置は上流圧力設定器の近傍または電気的な手段による信号伝送部と伝送回線により遠隔地に設置する。
In the present invention, the flow rate of a pipe where a liquid flows down in a steady flow state through a pipe having a uniform pipe cross section is measured by electrical transmission of the measured value of the pressure gauge installed upstream and the pressure gauge installed downstream. Installed in the upstream to predict and control the pressure at the downstream pressure predictive control point to the set pressure under the set flow rate, with the pipe flow measuring device that obtains the pipe flow rate by the flow rate calculation device installed in the remote place by the head and the transmission line This is a pipe downstream pressure prediction control device that obtains and sets the pressure set point pressure by calculation by adjusting the pressure of the pressure setter.
The pipe downstream pressure prediction control device is installed in the vicinity of the upstream pressure setter or in a remote place by a signal transmission unit and a transmission line by electrical means.

特許第4503830Patent No. 4503830 特開平6−94490JP-A-6-94490 特開昭50−36163JP 50-36163

はじめての流体力学 田村恵万著 科学図書出版 P115〜P156 2014年First fluid mechanics Emura Tamura Scientific book publication P115-P156 2014 機械工学便覧 基礎編 α4 流体工学 日本機械学会 P69〜P71 2006年Mechanical Engineering Handbook Fundamentals α4 Fluid Engineering The Japan Society of Mechanical Engineers P69-P71 2006 管路・ダクトの流体抵抗 日本機械学会編 P22〜P29 1979年Fluid resistance of pipelines and ducts Japan Society of Mechanical Engineers P22-P29 1979

管流量計測装置として、従来では、代表的な方式として電磁式流量計、超音波式流量計、オリフィス式流量計が用いられている。
電磁式流量計は導電性のない液体流量の計測が困難であること。また、流量計取り付けはフランジ型のために取付工事が高価となること。特に管口径が大きな場合に高価となる。
超音波式流量計は管内流速分布が層流と乱流などの流れの乱れによる誤差が発生し、電磁式より精度が落ちる。電磁式に比較して価格は大口径では安価となる。
オリフィス式は管に摩擦損失を作ることにより流量計測を行うために管の水頭損失が課題となる。
管流量計測方式として図3に示すムーディ線図と呼ばれるレイノルズ数と摩擦係数の関係を示す線図と公知のダルシー・ワイスバッハの式を用いて測定した上流と下流の圧力差に対応した予測流量を逐次的に変えて実流量を探索する方法が考えられるが、ムーディ線図の読取りの煩雑さ、読取精度の悪さ、演算過程の複雑化から流量の自動計測用として実用性がない。
また、流量計の設置により管の摩擦損失を伴わず、従来の電磁式および超音波式流量計に比較して安価な流量計の開発が課題である。
特に、多数の流量計の設置が必要となる農業用パイプライン、石油輸送用パイプライン、化学プラント用パイプライン、上水道幹線パイプライン等のネットワークに汎用的に使用できる管流量計測装置の開発と低価格化が課題である。
Conventionally, as a pipe flow measuring device, an electromagnetic flow meter, an ultrasonic flow meter, and an orifice flow meter are used as typical methods.
Electromagnetic flowmeters are difficult to measure non-conductive liquid flow rates. In addition, the flow meter installation is a flange type, so the installation work is expensive. This is particularly expensive when the pipe diameter is large.
The ultrasonic flowmeter has an error in the flow velocity distribution in the pipe due to flow disturbance such as laminar flow and turbulent flow, and the accuracy is lower than that of the electromagnetic flowmeter. Compared to the electromagnetic type, the price is low for large diameters.
Since the orifice type measures the flow rate by creating friction loss in the pipe, the head loss of the pipe becomes a problem.
As the pipe flow rate measurement method, the predicted flow rate corresponding to the pressure difference between the upstream and downstream measured using the diagram showing the relationship between the Reynolds number and the coefficient of friction called the Moody diagram shown in FIG. 3 and the well-known Darcy-Weissbach equation However, there is no practicality for automatic flow rate measurement due to the complexity of reading the Moody diagram, the poor reading accuracy, and the complexity of the calculation process.
Another problem is the development of a flow meter that is less expensive than conventional electromagnetic and ultrasonic flow meters without the friction loss of pipes due to the installation of the flow meter.
In particular, the development and low development of pipe flow measuring devices that can be used universally for networks such as agricultural pipelines, oil transportation pipelines, chemical plant pipelines, and water supply pipelines that require the installation of many flow meters. Pricing is an issue.

「請求項1」の発明は、上記の「発明が解決しようとする課題」を解決するためになされたものである。図1は「請求項1」の発明の基本構成図である。管断面が一様な同一水平面に直線配置された管を液体が定常流状態で流下する前記管の上流圧力を測定する上流圧力計1および下流圧力を測定する下流圧力計2を設置する。
液体の温度を測定する液体温度計3を管の液体温度を代表する位置に設置する。前記液体温度計3は温度変化に伴う液体粘度と密度を補正するものである。
図1に示す円管を水平に設置したとき、
上流圧力計の圧力 P1[Pa]
下流圧力計の圧力 P2[Pa]
圧力損失 ΔP=(P1−P2)[Pa]
上流圧力計と下流圧力計の距離 L[m]
管摩擦係数 λ[無次元数]
液体の密度 ρ[kg/m
平均流速 u[m/s]
管内径 d[m]

とすれば、公知のダルシー・ワイスバッハの式は数式1で示される。

Figure 2019020191
管内を流れる液体の粘度 μ[Pa・s]
動粘度 ν=μ/ρ[m/s]
とすれば、レイノルズ数Reは数式2で示される。
Figure 2019020191
数式1と数式2から平均速度uを消去し、摩擦係数λについて整理した式を数式3
に示す。
Figure 2019020191
数式3はダルシー・ワイスバッハの式をベースとした第一管摩擦係数、レイノルズ数関数と定義する。本関数の係数を演算する第一管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部4において、数式3の管摩擦係数λ、レイノルズ数Re以外の係数を決定する。
上流圧力計1、下流圧力計2で測定した上流圧力P1、下流圧力P2を電気信号により伝送する信号伝送部8および伝送路9により伝送して第一管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部4において、
ΔP=P1−P2の差圧演算をおこない係数を決定する。
液体温度計3で測定した液体温度Tを電気信号により伝送する信号伝送部8および伝送路9により伝送して第一管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部4において、液体密度、粘度を設定する液体パラメータ設定部7により設定されている基準温度における液体密度、粘度を測定した液体温度Tにおける液体密度、粘度に換算する。換算はあらかじめ設定されている換算テーブルを参照して換算値を求めるか、または粘度の場合は公知のアンドレード粘度換算数式により換算する。
本発明においては、上流圧力計1と下流圧力計2の距離Lは管内面は平滑の場合の流量測定も行うことになるために、この間の管摩擦損失を大きくして、測定精度を向上させるために距離Lは1km以上となることもあり、また、流量演算装置14は広域に設置された多数の流量計測に対応することを想定して、上流圧力計1または下流圧力計2と流量演算装置14との間は伝送回線で接続する。
この他に第一管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部4に管の水力直径として円形管の場合は管内径d、上流圧力計1と下流圧力計2間の距離Lを管寸法パラメータ設定部により設定する。
以上により、数式3の係数はすべて決定して、第一管摩擦係数、レイノルズ数関数の管摩擦係数λはレイノルズ数Reのみの関数となる。 The invention of "Claim 1" is made to solve the above-mentioned "problem to be solved by the invention". FIG. 1 is a basic configuration diagram of the invention of claim 1. An upstream pressure gauge 1 for measuring the upstream pressure of the pipe and a downstream pressure gauge 2 for measuring the downstream pressure are installed so that the liquid flows down in a steady flow state through the pipes arranged in the same horizontal plane with a uniform pipe cross section.
A liquid thermometer 3 for measuring the temperature of the liquid is installed at a position representing the liquid temperature of the pipe. The liquid thermometer 3 corrects the liquid viscosity and density accompanying the temperature change.
When the circular pipe shown in Fig. 1 is installed horizontally,
Pressure of upstream pressure gauge P1 [Pa]
Downstream pressure gauge pressure P2 [Pa]
Pressure loss ΔP = (P1−P2) [Pa]
Distance between upstream and downstream pressure gauges L [m]
Tube friction coefficient λ [Dimensionless number]
Liquid density ρ [kg / m 3 ]
Average flow velocity u [m / s]
Pipe inner diameter d [m]

Then, the well-known Darcy-Weissbach equation is expressed by Equation 1.
Figure 2019020191
Viscosity of the liquid flowing in the pipe μ [Pa · s]
Kinematic viscosity ν = μ / ρ [m 2 / s]
Then, the Reynolds number Re is expressed by Equation 2.
Figure 2019020191
The average speed u is eliminated from Equation 1 and Equation 2, and the equation obtained by arranging the friction coefficient λ is represented by Equation 3
Shown in
Figure 2019020191
Formula 3 is defined as the first pipe friction coefficient and the Reynolds number function based on the Darcy-Weissbach formula. In the first pipe friction coefficient / Reynolds number function coefficient calculation unit 4 for calculating the coefficient of this function, coefficients other than the pipe friction coefficient λ and Reynolds number Re in Expression 3 are determined.
The upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge P2 measured by the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2 are transmitted by the signal transmission section 8 and the transmission path 9 that transmit the electrical signals, and the first pipe friction coefficient and Reynolds number function coefficient calculation section 4 are transmitted. In
A coefficient is calculated by performing a differential pressure calculation of ΔP = P1−P2.
The liquid temperature T measured by the liquid thermometer 3 is transmitted by a signal transmission unit 8 and a transmission path 9 that transmit electric signals, and the first pipe friction coefficient and Reynolds number function coefficient calculation unit 4 set the liquid density and viscosity. The liquid density and viscosity at the reference temperature set by the liquid parameter setting unit 7 are converted into the liquid density and viscosity at the measured liquid temperature T. For conversion, a conversion value is obtained with reference to a conversion table set in advance, or in the case of viscosity, conversion is performed using a well-known Andrade viscosity conversion formula.
In the present invention, since the distance L between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2 also measures the flow rate when the pipe inner surface is smooth, the pipe friction loss between them is increased to improve the measurement accuracy. Therefore, the distance L may be 1 km or more, and the flow rate calculation device 14 is assumed to support a large number of flow rate measurements installed in a wide area, and the upstream pressure gauge 1 or the downstream pressure gauge 2 and the flow rate calculation. The device 14 is connected by a transmission line.
In addition, the first pipe friction coefficient and Reynolds number function coefficient calculation unit 4 sets the pipe inner diameter d and the distance L between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2 in the case of a circular pipe as the hydraulic diameter of the pipe. Set by.
Thus, all the coefficients of Equation 3 are determined, and the tube friction coefficient λ of the first tube friction coefficient and the Reynolds number function is a function of only the Reynolds number Re.

第一管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部4においては、液体の種類、管寸法、上流圧力計、下流圧力計間の距離L、測定した上流圧力P1、下流圧力P2の差圧
ΔPに依存する第一管摩擦係数、レイノルズ数関数の係数を求めている。
第二管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部5においては、層流、層流から乱流域に遷移する遷移流、乱流毎に数式が異なり、液体の種類、管寸法に依存せず、管内壁の粗さのみに依存する管摩擦係数、レイノルズ数関数を第二管摩擦係数、レイノルズ数関数と定義する。本関数の係数演算部の係数と数式を示す。
層流の場合の管摩擦係数、レイノルズ数の関数は公知の式として、数式4となる。

Figure 2019020191
乱流の場合の管摩擦係数、レイノルズ数の関数は公知の式として、複数の式があるが、レイノルズ数の適用範囲が広く、管内面の粗さにも対応できる式として、数式5に示す公知のコールブルックの式がある。従って、本発明ではコールブルックの式を例として説明する。
ここで、εは絶対粗さで、管内径との比ε/dは相対粗さと呼ばれている。
ε/dは管相対粗さ設定部10により設定する。
図4に管内壁の絶対粗さと相対粗さの関係を示す。
Figure 2019020191
数式5においてε/d=0とすれば、管内面の粗さが滑らかな管に相当し、数式6のように置き換えることができる。数式6は公知の式であり、プラントル・カルマンの式と呼ばれている。
Figure 2019020191
また、数式5においてε/dが大きくなり、管内面が粗く摩擦係数がレイノルズ数の影響を無視できる場合は、数式7のように置き換えることができる。数式7は公知の式であり、カルマン・ニクラーゼの式と呼ばれている。
Figure 2019020191
乱流の場合、ε/dの値により、数式6は滑らかな管の場合、数式7は粗い管の場合となるが、いずれもε/dの値を選べば数式5が適用可能なため、以下数式5により第二管摩擦係数、レイノルズ数関数係数を計算する。
第二管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部5に管相対粗さを管相対粗さ設定部10により設定し、臨界レイノルズ数を臨界レイノルズ数設定部11により設定する。
層流から乱流に変化する遷移流の管摩擦係数に対するレイノルズ数の関数として、下記によるものとする。
(1)臨界レイノルズ数は下限、上限がある。
(2)下限、上限間のレイノルズ数と摩擦係数の関係は層流と乱流曲線を結ぶ直線近似とする。
これは下限、上限間のレイノルズ数と摩擦係数の関係は図5に示す実験データから下限、上限間のレイノルズ数と摩擦係数の関係は直線的に近似可能となるためである。
(3)遷移流となる上、下限のレイノルズ数は管と流体依存性が大きく確定できないために設定値とする。
(4)層流と遷移流、遷移流と乱流への変化時に摩擦係数対レイノルズ数曲線は不連続とならない。

層流と遷移流の境界の臨界レイノルズ数 Re
遷移流と乱流の境界の臨界レイノルズ数 Re
層流と遷移流の境界の摩擦係数 λ
遷移流と乱流の境界の摩擦係数 λ

とし、レイノルズ数Reを横軸、摩擦係数λを縦軸にとった時の遷移流の直線の方程式は数式8となる。
臨界レイノルズ数Re およびReは臨界レイノルズ数設定部11により設定する。
Figure 2019020191
ここで、λは数式4により、λ= 64/ Reにより計算する。また、λは乱流曲線の数式5において、レイノルズ数Reを代入した数式9により計算される。
流量計測対象管のε/dの値は管の粗さに対応して設定する。

Figure 2019020191
なお、実用管について直径dと相対粗さの例を図6に示す。
以上により数式9は乱流域と接続する摩擦係数λ以外の係数は与えられ、λ
について解くことが可能である。数式9は陰関数のためλの値はニュートン・
ラプソン法等を用いて数値的に解くか、Excel等の表計算ソフトであるゴールシーク、ソルバーなどを管流量計測装置14に組込むことにより演算で求める。
λが求められたことにより、遷移流のλ、Reの直線の方程式の係数が求められた。
以上、第二管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部5の係数と数式が求められた。図7に第二管摩擦係数、レイノルズ数関数の遷移域における直線近似の方法を示す。 In the first pipe friction coefficient and Reynolds number function coefficient calculation section 4, it depends on the type of liquid, pipe dimensions, distance L between the upstream pressure gauge and downstream pressure gauge, the measured upstream pressure P1, and the differential pressure ΔP between the downstream pressure P2. The first pipe friction coefficient and the Reynolds number function coefficient are obtained.
In the second pipe friction coefficient and Reynolds number function coefficient calculation unit 5, the mathematical formulas are different for each laminar flow, transitional flow from laminar flow to turbulent flow region, and turbulent flow. The pipe friction coefficient and Reynolds number function that depend only on the roughness of the wall are defined as the second pipe friction coefficient and Reynolds number function. The coefficient and mathematical expression of the coefficient calculation unit of this function are shown below.
The function of the tube friction coefficient and the Reynolds number in the case of a laminar flow is expressed by Equation 4 as a well-known equation.
Figure 2019020191
There are a plurality of well-known expressions for the coefficient of tube friction coefficient and Reynolds number in the case of turbulent flow, but the expression range 5 is shown as an expression that has a wide range of application of the Reynolds number and can cope with the roughness of the tube inner surface. There is a well-known Colebrook equation. Therefore, in the present invention, the Colebrook equation will be described as an example.
Here, ε is the absolute roughness, and the ratio ε / d to the tube inner diameter is called the relative roughness.
ε / d is set by the tube relative roughness setting unit 10.
FIG. 4 shows the relationship between the absolute roughness and the relative roughness of the pipe inner wall.
Figure 2019020191
If ε / d = 0 in Equation 5, it corresponds to a tube having a smooth inner surface, and can be replaced as Equation 6. Formula 6 is a known formula and is called the Prandtl Kalman formula.
Figure 2019020191
Further, when ε / d becomes large in Equation 5 and the inner surface of the tube is rough and the friction coefficient can ignore the influence of the Reynolds number, it can be replaced as Equation 7. Formula 7 is a well-known formula and is called the Kalman-Niclase formula.
Figure 2019020191
In the case of turbulent flow, depending on the value of ε / d, Equation 6 is a smooth tube, Equation 7 is a coarse tube, but in any case, Equation 5 can be applied if the value of ε / d is selected. Hereinafter, the second pipe friction coefficient and the Reynolds number function coefficient are calculated by Equation 5.
In the second pipe friction coefficient and Reynolds number function coefficient calculation unit 5, the pipe relative roughness is set by the pipe relative roughness setting unit 10, and the critical Reynolds number is set by the critical Reynolds number setting unit 11.
As a function of the Reynolds number for the tube friction coefficient of a transition flow changing from laminar to turbulent,
(1) The critical Reynolds number has a lower limit and an upper limit.
(2) The relationship between the Reynolds number and the friction coefficient between the lower limit and the upper limit is a linear approximation connecting the laminar flow and the turbulent flow curve.
This is because the relationship between the Reynolds number and the friction coefficient between the lower limit and the upper limit can be approximated linearly from the experimental data shown in FIG. 5.
(3) The upper limit of the Reynolds number for the transition flow is set to a set value because the dependence on the pipe and the fluid cannot be determined.
(4) The friction coefficient vs. Reynolds number curve does not become discontinuous when changing to laminar flow and transition flow, or transition flow and turbulence.

Critical Reynolds number at the boundary between laminar and transition flow Re L
Critical Reynolds number at the boundary between transition and turbulent flow Re H
Friction coefficient at the boundary between laminar flow and transition flow λ L
Friction coefficient at the boundary between transitional flow and turbulent flow λ H

The equation of the straight line of the transition flow when the Reynolds number Re is taken on the horizontal axis and the friction coefficient λ is taken on the vertical axis is given by Equation 8.
The critical Reynolds numbers Re L and Re H are set by the critical Reynolds number setting unit 11.
Figure 2019020191
Here, λ L is calculated by λ L = 64 / Re L according to Equation 4. Further, λ H is calculated by Expression 9 in which the Reynolds number Re H is substituted in Expression 5 of the turbulent flow curve.
The value of ε / d of the flow rate measurement target pipe is set corresponding to the roughness of the pipe.

Figure 2019020191
An example of the diameter d and the relative roughness of the practical pipe is shown in FIG.
Equation 9 coefficients other than friction coefficient lambda H connecting the turbulent is given the above, lambda H
It is possible to solve for. Since Equation 9 is an implicit function, the value of λ H is Newton ·
It is solved numerically using the Rapson method or the like, or is obtained by calculation by incorporating a goal seek, solver or the like, which is a spreadsheet software such as Excel, into the pipe flow measuring device 14.
By obtaining λ H , coefficients of linear equations of λ and Re of the transition flow were obtained.
The second pipe friction coefficient and the Reynolds number function coefficient calculation unit 5 coefficients and mathematical formulas have been obtained. FIG. 7 shows a method of linear approximation in the transition region of the second pipe friction coefficient and the Reynolds number function.

連立管摩擦係数、レイノルズ数演算部12においては第一および第二管摩擦係数、レイノルズ数関数を連立して管摩擦係数、レイノルズ数を演算する。
第一管摩擦係数、レイノルズ数関数は数式3である。
第二管摩擦係数、レイノルズ数関数は層流、遷移流、乱流に対して別々の数式による。
層流については数式4、
遷移流については数式8
乱流については数式5
である。
表1に、これらの数式を整理して示す。

Figure 2019020191

表1の第一および第二管摩擦係数、レイノルズ数関数の係数は第一および第二管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部で値が求められているために、いずれの数式も管摩擦係数λおよびレイノルズ数Reのみを変数とする関数である。 The simultaneous pipe friction coefficient / Reynolds number calculation unit 12 calculates the pipe friction coefficient and the Reynolds number by simultaneously using the first and second pipe friction coefficients and the Reynolds number function.
The first pipe friction coefficient and the Reynolds number function are expressed by Equation 3.
The second pipe friction coefficient and Reynolds number function are based on separate equations for laminar flow, transition flow, and turbulent flow.
For laminar flow, Equation 4,
For transition flow, Equation 8
For turbulence, Equation 5
It is.
Table 1 summarizes these mathematical expressions.
Figure 2019020191

Since the coefficients of the first and second pipe friction coefficients and the Reynolds number function in Table 1 are determined by the first and second pipe friction coefficients and the Reynolds number function coefficient calculation unit, both formulas are used for the pipe friction coefficient. It is a function having only λ and Reynolds number Re as variables.

連立管摩擦係数、レイノルズ数演算部12では、第一管摩擦係数、レイノルズ数関数および層流、遷移流、乱流毎に求めた第二管摩擦係数、レイノルズ数関数を連立方程式として、摩擦係数λ、レイノルズ数Reを求める。
演算の順は、図8に示す手順を自動的に選択して行う。
第一に乱流について摩擦係数λ、レイノルズ数Reを求める。
レイノルズ数Reが上限の臨界レイノルズ数Re以上の時は乱流と判定する。
臨界レイノルズ数Reより小さい時は遷移流と仮定してレイノルズ数Reを求める。遷移流と仮定して求めたレイノルズ数Reが上限の臨界レイノルズ数Reより小さく下限の臨界レイノルズ数Re以上の時は遷移流と判定する。
求めたレイノルズ数Reが下限の臨界レイノルズ数Reより小さい時は層流について摩擦係数λ、レイノルズ数Reを求める。レイノルズ数Reが下限の臨界レイノルズ数Re以下の時は層流と判定する。
乱流の場合において、第一管摩擦係数、レイノルズ数関数および第二管摩擦係数、レイノルズ数関数の連立方程式を解くにあたり数式が陰関数となる場合、ニュートン・ラプソン法等を用いて数値的に解くか、Excel等の表計算ソフトであるゴールシーク、ソルバーなどを管流量計測装置14に組込むことにより演算で求める。
In the simultaneous pipe friction coefficient and Reynolds number calculation unit 12, the first pipe friction coefficient, the Reynolds number function and the second pipe friction coefficient and the Reynolds number function obtained for each laminar flow, transition flow, and turbulent flow are used as simultaneous equations, and the friction coefficient λ and Reynolds number Re are obtained.
The order of calculation is performed by automatically selecting the procedure shown in FIG.
First, the friction coefficient λ and the Reynolds number Re are obtained for turbulent flow.
When the Reynolds number Re is less than the critical Reynolds number Re H upper determines that turbulence.
The critical Reynolds number Re H at less than seek Reynolds number Re assuming transitional flow. When the Reynolds number Re determined on the assumption of a transition flow is smaller than the upper limit critical Reynolds number Re H and equal to or higher than the lower limit critical Reynolds number Re L , it is determined as a transition flow.
When the obtained Reynolds number Re is smaller than the lower limit critical Reynolds number Re L , the friction coefficient λ and the Reynolds number Re are obtained for the laminar flow. When the Reynolds number Re is less than the critical Reynolds number Re L of lower limit is determined to laminar flow.
In the case of turbulent flow, when solving the simultaneous equations of the first pipe friction coefficient, the Reynolds number function, the second pipe friction coefficient, and the Reynolds number function, the numerical formula becomes an implicit function numerically using the Newton-Raphson method, etc. Solved or obtained by calculation by incorporating a goal seek, solver or the like, which is a spreadsheet software such as Excel, into the pipe flow measuring device 14.

管流量を演算して表示する流量演算表示部13においては、連立管摩擦係数、レイノルズ数演算部12で求められた摩擦係数λ、レイノルズ数Reを用いて演算する。λで表現した場合の管流量Qは数式1を用いて数式10により求められる。

Figure 2019020191
また、Reで表現した場合は管流量Qは数式2を用いて、数式11の計算により求められる。
Figure 2019020191
流量演算装置14の流量表示部13において、数式10または数式11により計算した流量Qを表示する。 In the flow rate calculation display unit 13 for calculating and displaying the pipe flow rate, calculation is performed using the simultaneous pipe friction coefficient, the friction coefficient λ obtained by the Reynolds number calculation unit 12, and the Reynolds number Re. The pipe flow rate Q when expressed by λ is obtained by Equation 10 using Equation 1.
Figure 2019020191
Further, when expressed in Re, the pipe flow rate Q is obtained by the calculation of Expression 11 using Expression 2.
Figure 2019020191
In the flow rate display unit 13 of the flow rate calculation device 14, the flow rate Q calculated by the formula 10 or the formula 11 is displayed.

オリフィス等の絞り機構によらず、管の上流、下流に設置した圧力計の差圧ΔPを用いて流量を計測する方法として、計測する流量値を仮定して、この仮定流量値Qに対するレイノルズ数Reを数式11により求め、公知のムーディ線図と呼ばれる図表から摩擦係数λを読取り、数式10に計測したΔP、読取った前記λを代入して、流量Qを計算する。次に、この計算した流量Qと前記仮定流量値を比較して一致するように、仮定流量値を変化させて、再度、ムーディ線図を用いて、Reおよびλを求め数式10により流量Qを求め、この手順を仮定流量値に数式10により計算した流量値が一致するまで繰り返し、一致した流量を流量計測値とする方法が考えられる。
このための繰り返しによる流量を探索する方法として、ムーディ線図のレイノルズ数Re、摩擦係数λをデータ処理装置のメモリーにテーブル化して記憶させ、データ処理により流量計測値を自動的に探索する方法が考えられる。
本発明は、ムーディ線図を用いず、従って、ムーディ線図のテーブル化も必要とせず、公知のダルシー・ワイスバッハの式から求めた第一のレイノルズ数Re、摩擦係数λの関数式、液体の種類に依存しない第二のレイノルズ数Re、摩擦係数λの関数式の二つの独立した関数式を連立してレイノルズ数Re、摩擦係数λを求めている。このため、乱流域での第二のレイノルズ数Re、摩擦係数λの関数式はムーディ線図で用いている公知のコールブルックの実験式以外のレイノルズ数Re、摩擦係数λの関数式としてブラジウスの式、ニクラーゼの式等の公知の式も用途により使用できる。
また、ムーディ線図においては層流から乱流に変化する遷移流域の線図が示されていないが本発明では遷移流域のレイノルズ数Reと摩擦係数λの関係式として数式8を新しく作成し、層流域、遷移流域、乱流域にわたりレイノルズ数Re、摩擦係数λが自動計算できるようにしている。
本発明ではレイノルズ数Re、摩擦係数λの関係は数式化により連続値となり、ムーディ線図のテーブル化によるレイノルズ数Re、摩擦係数λの離散値による誤差を生じない。
特許文献1特許第4503830との大きな相違点を以下に示す。
特許第4503830には、オリフィスの流量公式から誘導したと思われる質量流量Qmassが式(2)に示されており、Qmassは摩擦係数Cdに比例し、流体の比重ρの平方根に比例する式となっている。「Qmassが摩擦係数Cdに比例する式(2)を基本式として図6に示すフロー図とムーディ線図と推定される図5を用いてQ−Qi−1を収斂基準値以下に収斂した値を質量流量値Qiとして出力する。」としているがこの過程が理解できない。
本発明においてはダルシー・ワイスバッハの式から直接導いた流量Qは数式10に示されている。流量Qは摩擦係数λと液体の密度ρの平方根に反比例する式となっている。したがって、特許第4503830とは流量の求め方に基本的相違がある。
特許第4503830の請求項2において、「第1の位置と第2の位置の間のパイプの部分は、該パイプの部分は、該パイプ部分の摩擦係数がレイノルズ数のある範囲にわたって一定となるような、内径比に対する粗さを有することを特徴とする請求項1に記載されている送信器。」と記載されている。
この記載は第1の位置と第2の位置の間のパイプの部分の摩擦係数を第1の位置と第2の位置の間に接続するパイプの摩擦係数と違う値としていることを意味している。本発明では上流圧力計と下流圧力計間の摩擦係数は計測する管に圧力計を設置するために違う値の摩擦係数とする必要がない。特許第4503830の流量計ではオリィフィスを用いた流量計と同様に、測定部の摩擦係数を可変することにより管の摩擦損失が発生することになる。これに対して本発明の流量計測装置では測定管の摩擦係数を可変する必要がないため摩擦損失は発生しない。
特許第4503830の請求項1では「該第1と第2のポートは流体的に連結され」と記述されている。本発明では上流圧力計および下流圧力計と流量演算装置との接続は請求項1に「電気信号により伝送する信号伝送部および伝送路」と記述されている。本発明では管の摩擦損失を利用して、上流圧力計と下流圧力計の距離として1Km以上におよぶ場合を想定して、経済的な理由等を考えて、特許第4503830に示されている第1と第2のポートは流体的な連結ではなく、電気信号による伝送としている。
特許文献2特開平6−94490との大きな相違点を以下に示す。
特開平6−94490は管壁を断熱と考えられる場合で、流体による摩擦を考慮した気体を対象とした圧縮性流体の定常流をFannoの流れとして、公知のFannoの式をもとに管流量を求めている。
これに対して、本発明は非圧縮性の液体を対象としており、公知のダルシー・ワイスバッハの式をもとに流量を求めている。したがって、本発明は特開平6−94490とは流量計測方式に基本的な違いがある。
特許文献3特開昭50−36163との大きな相違点を以下に示す。
第1の相違点として特開昭50−36163は原子炉を冷却する液体ナトリウムを流すパイプの圧力を測定する方法として、パイプ内を流れる液体ナトリウムの圧力により共鳴周波数応答を示す極超短波空洞を用いて圧力を測定している。本発明として圧力を測定する方法は管に半導体方式または静電容量方式等のダイアフラム感圧センサーを挿入して測定するプロセス制御に使われている圧力計により測定することを想定している。特開昭50−36163では極超短波は導波管を通して処理電子器機部でパイプ圧力に相当した電気信号に戻され、パイプの第1と第2の位置に設置したセンサーのパイプ内圧力の差圧から流量を求めている。圧力の測定方式は本発明と違いがあるが電気信号による差圧から流量を換算している点は特開昭50−36163と本発明は変わりない。
第2の相違点として特開昭50−36163の特許請求範囲には「その外部の圧力変化に応答する第1の共鳴極超音波空洞を有し、その圧力変化を表示する電気的出力を供給する第1極超短波センサー;
その外部の圧力変化に応答する第2の共鳴極超音波空洞を有し、その圧力変化を表示する電気的出力を供給する第2極超短波センサー;および前記第1および第2センサーから供給された各出力を比較し各出力に応答する手段からなり、」と記述されている。この請求範囲には測定の都度、自動的に流速からレイノルズ数を求めたり、ムーディ線図から摩擦係数を読取ったり、明細書にΔpの式として記載されているダルシー・ワイスバッハの式の計算を行う処理は記述されていない。また、FIG.1にもこれらの処理を行う部分は記述されていない。
明細書に記述されているこれらの処理は流速の測定の都度おこなうのではなく、原子炉を冷却するために必要とする液体ナトリュウムの流速と第1および第2センサー間の差圧を求めておき、測定した差圧とあらかじめ求めておいた差圧と比較して冷却に必要な流量を推定していると解釈できる。本発明は流量測定の都度、管流量計測装置において、これらの処理を行っている。したがって、特開昭50−36163と本発明は流量計測装置として基本的に相違がある。
As a method of measuring the flow rate using the pressure difference ΔP of the pressure gauge installed upstream and downstream of the pipe, regardless of the restriction mechanism such as an orifice, the Reynolds number with respect to this assumed flow rate value Q is assumed assuming the flow rate value to be measured. Re is obtained from Equation 11, the friction coefficient λ is read from a known chart called Moody diagram, ΔP measured in Equation 10 and the read λ are substituted to calculate the flow rate Q. Next, the assumed flow rate value is changed so that the calculated flow rate Q and the assumed flow rate value coincide with each other, and Re and λ are obtained again using the Moody diagram, and the flow rate Q is calculated by Equation (10). A method is conceivable in which this procedure is repeated until the flow rate value calculated by Equation 10 matches the assumed flow rate value, and the matched flow rate is used as the flow rate measurement value.
As a method of searching for the flow rate by repetition for this purpose, there is a method in which the Reynolds number Re and the friction coefficient λ of the Moody diagram are stored as a table in the memory of the data processing device, and the flow rate measurement value is automatically searched by data processing. Conceivable.
The present invention does not use a Moody diagram, and therefore does not require a table of the Moody diagram. The first Reynolds number Re obtained from the well-known Darcy-Weissbach equation, the functional equation of the friction coefficient λ, the liquid The Reynolds number Re and the friction coefficient λ are obtained by simultaneously combining two independent functional expressions of the second Reynolds number Re and the friction coefficient λ. For this reason, the second Reynolds number Re and the coefficient of friction coefficient λ in the turbulent region are represented by the function of the Reynolds number Re and the friction coefficient λ other than the well-known Colebrook empirical formula used in the Moody diagram. Known formulas such as formulas and nickase formulas can also be used depending on the application.
Further, in the Moody diagram, the diagram of the transition basin that changes from laminar flow to turbulent flow is not shown, but in the present invention, Formula 8 is newly created as a relational expression between the Reynolds number Re and the friction coefficient λ of the transition basin, The Reynolds number Re and the friction coefficient λ can be automatically calculated over the laminar flow region, transition flow region, and turbulent flow region.
In the present invention, the relationship between the Reynolds number Re and the friction coefficient λ becomes a continuous value by formulating, and no error is caused by the discrete values of the Reynolds number Re and the friction coefficient λ due to the table formation of the Moody diagram.
Major differences from Patent Document 1 Patent No. 4503830 are shown below.
Patent No. 4503830 shows the mass flow rate Qmass that seems to be derived from the orifice flow rate formula in equation (2), where Qmass is proportional to the coefficient of friction Cd and proportional to the square root of the specific gravity ρ of the fluid. It has become. "Q i -Q i-1 is converged below the convergence reference value by using the flow diagram shown in FIG. 6 and the Moody diagram based on the equation (2) in which Q mass is proportional to the friction coefficient Cd. This value is output as the mass flow rate value Qi ”, but this process cannot be understood.
In the present invention, the flow rate Q directly derived from the Darcy-Weissbach equation is shown in Equation 10. The flow rate Q is an equation that is inversely proportional to the square root of the friction coefficient λ and the density ρ of the liquid. Therefore, there is a fundamental difference in the flow rate calculation method from Patent No. 4503830.
In claim 2 of Japanese Patent No. 4503830, “a portion of the pipe between the first position and the second position is such that the coefficient of friction of the pipe portion is constant over a range of Reynolds numbers. The transmitter according to claim 1, wherein the transmitter has a roughness with respect to the inner diameter ratio. ”
This description means that the friction coefficient of the portion of the pipe between the first position and the second position is different from the friction coefficient of the pipe connected between the first position and the second position. Yes. In the present invention, the friction coefficient between the upstream pressure gauge and the downstream pressure gauge does not need to have a different friction coefficient in order to install the pressure gauge in the pipe to be measured. In the flow meter of Japanese Patent No. 4503830, similarly to the flow meter using the orifice, the friction loss of the pipe is generated by changing the friction coefficient of the measurement unit. On the other hand, in the flow rate measuring device of the present invention, there is no need to vary the friction coefficient of the measuring tube, so no friction loss occurs.
Claim 1 of Japanese Patent No. 4503830 describes that “the first and second ports are fluidly connected”. In the present invention, the connection between the upstream pressure gauge, the downstream pressure gauge, and the flow rate calculation device is described in claim 1 as “a signal transmission section and a transmission path for transmitting by an electrical signal”. In the present invention, it is assumed that the distance between the upstream pressure gauge and the downstream pressure gauge is 1 km or more by utilizing the friction loss of the pipe. The first and second ports are not fluidly connected but are transmitted by electrical signals.
Major differences from Japanese Patent Laid-Open No. 6-94490 are disclosed below.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-94490 is a case where the pipe wall is considered to be heat insulation, and the steady flow of the compressible fluid intended for the gas considering the friction caused by the fluid is defined as the Fanno flow, and the pipe flow rate based on the well-known Fanno equation. Seeking.
In contrast, the present invention is intended for incompressible liquids, and the flow rate is obtained based on the well-known Darcy-Weissbach equation. Therefore, the present invention has a fundamental difference in the flow rate measurement method from JP-A-6-94490.
Major differences from Japanese Patent Laid-Open No. 50-36163 are described below.
As a first difference, Japanese Patent Laid-Open No. 50-36163 uses a very high frequency cavity as a method for measuring the pressure of a pipe through which liquid sodium for cooling a nuclear reactor flows, and which shows a resonance frequency response by the pressure of liquid sodium flowing through the pipe. To measure the pressure. In the present invention, it is assumed that the pressure is measured by a pressure gauge used for process control in which a diaphragm pressure sensor such as a semiconductor type or a capacitance type is inserted into a tube. In Japanese Patent Laid-Open No. 50-36163, the ultra high frequency wave is returned to the electrical signal corresponding to the pipe pressure in the processing electronics unit through the waveguide, and the differential pressure between the pressures in the pipes of the sensors installed at the first and second positions of the pipe. To obtain the flow rate. Although the pressure measurement method is different from that of the present invention, the present invention is the same as that disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 50-36163 in that the flow rate is converted from the differential pressure due to the electric signal.
The second difference is that Japanese Patent Application Laid-Open No. 50-36163 claims that “it has a first resonant hypersonic cavity that responds to a pressure change outside it and supplies an electrical output that indicates the pressure change. The first ultra-high frequency sensor to do;
A second ultra-high frequency sensor having a second resonant hypersonic cavity responsive to the external pressure change and providing an electrical output indicating the pressure change; and supplied from the first and second sensors It consists of a means for comparing each output and responding to each output. " This claim automatically calculates the Reynolds number from the flow velocity each time it is measured, reads the coefficient of friction from the Moody diagram, and calculates the Darcy-Weissbach formula described as the Δp formula in the specification. The processing to be performed is not described. In addition, FIG. No part 1 performs these processes.
These processes described in the specification are not performed every time the flow rate is measured, but the flow rate of liquid sodium necessary for cooling the reactor and the differential pressure between the first and second sensors are obtained. It can be interpreted that the flow rate required for cooling is estimated by comparing the measured differential pressure with the previously determined differential pressure. In the present invention, these processes are performed in the pipe flow rate measuring device every time the flow rate is measured. Therefore, Japanese Patent Laid-Open No. 50-36163 and the present invention are basically different as a flow rate measuring device.

図2は「請求項2」の基本構成図である。
管断面が一様な同一水平面に直線配置された管15を流体が定常流状態で流下する前記管15の上流圧力設定点22の圧力を調整して前記上流圧力と下流圧力予測制御点17との差圧を上流圧力設定点22に設置した上流圧力設定器16により、設定した一定の管流量Qのもとで制御する。
管摩擦係数、差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部17において、数式1のダルシー・ワイスバッハの式の係数を演算する。数式1の管内平均流速uは数式12のuと管内流量Qの関係を用いると数式1は数式13
で表すことができる。

Figure 2019020191
Figure 2019020191
また、数式2のレイノルズ数Reの管内平均流速uは数式12を用いて管内流量Qで置換えると数式2は数式14で表すことができる。
Figure 2019020191
液体の温度を測定する前記温度計3を管の液体温度を代表する位置に設置する。液体温度計3は温度変化に伴う液体粘度と密度を補正するものである。
数式13は、管摩擦係数λ、差圧ΔPの関数としてλ、ΔP以外の値は係数とし設定または演算により求める。
数式14のレイノルズ数は演算により求める。
液体温度計3で測定した液体温度Tを電気信号により伝送する信号伝送部8および伝送路9により伝送して管摩擦係数、差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部17において、液体密度、粘度を設定する液体パラメータ設定部7により設定されている基準温度における液体密度、粘度を測定した液体温度Tにおける液体密度、粘度に換算する。換算はあらかじめ設定されている換算テーブルを参照して換算値を求めるか、または粘度の場合は公知のアンドレード粘度換算数式により換算する。
管の水力直径として円形管の場合は管内径d、上流圧力設定点22と下流圧力予測制御点間の距離Lを管寸法パラメータ設定部6により設定する。
また、下流圧力予測制御点17の圧力予測は設定した管流量Qのもとで行うため管流量設定部18により管流量Qを設定する。以上により、数式13の係数はすべて決定して、管摩擦係数、差圧関数の変数はλとΔPのみの関数となっている。
数式14のレイノルズ数の値もQ、dは設定値で、ρ、μは設定値を液体温度計3で測定した液体温度に換算して求められるために値が決定している。管摩擦係数演算部19においては、レイノルズ数演算部で数式14により求めたレイノルズ数Reにより摩擦係数λを演算により求める。演算式はレイノルズ数Reの値により層流、層流から乱流域に遷移する遷移流、乱流毎に数式が異なる。
数式の選定はレイノルズ数の値により下記により選定する。
層流の場合(Re<Re)は数式4
遷移流の場合(Re>Re≧Re)は数式8
乱流の場合(Re≧Re)は数式5
により演算する。
摩擦係数λの演算において数式が陰関数の場合は、請求項1の場合と同様に、
ニュートン・ラプソン法等を用いて数値的に解くか、Excel等の表計算ソフトであるゴールシーク、ソルバーなどを下流圧力予測制御装置24に組込むことにより演算で求める。
管摩擦係数演算部19に管相対粗さを管相対粗さ設定部10により設定し、臨界レイノルズ数を臨界レイノルズ数設定部11により設定する。
管摩擦係数演算部19で求めた摩擦係数λは管摩擦係数、差圧関数演算部20
において、数式13に代入して差圧ΔPを求める。
上流設定圧力演算表示部21において、前記差圧ΔPに下流設定圧力設定部23で設定している下流設定圧力を加算する。この加算した圧力は上流圧力設定値であり、上流設定圧力演算表示部21で表示する。
同時に前記上流圧力設定値は前記上流圧力設定器16に対して電気信号により信号伝送部8および伝送路9により伝送して前記上流圧力設定器16で圧力設定を行う。 表2に、これらの数式を整理して示す。
Figure 2019020191
FIG. 2 is a basic configuration diagram of “claim 2”.
The upstream pressure and the downstream pressure prediction control point 17 are adjusted by adjusting the pressure of the upstream pressure set point 22 of the pipe 15 where the fluid flows down in a steady flow state through the pipe 15 arranged linearly on the same horizontal plane with a uniform pipe cross section. Is controlled by the upstream pressure setter 16 installed at the upstream pressure set point 22 under a set constant pipe flow rate Q.
In the pipe friction coefficient, the differential pressure function coefficient calculation unit, and the Reynolds number calculation unit 17, the coefficients of the Darcy-Weissbach equation of Equation 1 are calculated. If the relationship between the u in equation (12) and the in-pipe flow rate Q is used as the average flow velocity u in equation (1), equation (1) becomes equation (13).
Can be expressed as
Figure 2019020191
Figure 2019020191
Further, when the in-pipe average flow velocity u of the Reynolds number Re in Formula 2 is replaced with the pipe flow rate Q using Formula 12, Formula 2 can be expressed by Formula 14.
Figure 2019020191
The thermometer 3 for measuring the temperature of the liquid is installed at a position representing the liquid temperature of the pipe. The liquid thermometer 3 corrects the liquid viscosity and density accompanying the temperature change.
Equation 13 is obtained by setting or calculating the values other than λ and ΔP as functions of the pipe friction coefficient λ and the differential pressure ΔP.
The Reynolds number of Expression 14 is obtained by calculation.
The liquid temperature T measured by the liquid thermometer 3 is transmitted by a signal transmission unit 8 and a transmission path 9 that transmit electrical signals, and the pipe friction coefficient, the differential pressure function coefficient calculation unit, and the Reynolds number calculation unit 17 perform liquid density and viscosity. The liquid density and viscosity at the reference temperature set by the liquid parameter setting unit 7 are converted into the liquid density and viscosity at the measured liquid temperature T. For conversion, a conversion value is obtained with reference to a conversion table set in advance, or in the case of viscosity, conversion is performed using a well-known Andrade viscosity conversion formula.
In the case of a circular pipe, the pipe diameter parameter setting unit 6 sets the pipe inner diameter d and the distance L between the upstream pressure setting point 22 and the downstream pressure prediction control point as the hydraulic diameter of the pipe.
Further, since the pressure prediction at the downstream pressure prediction control point 17 is performed under the set pipe flow rate Q, the pipe flow rate setting unit 18 sets the pipe flow rate Q. As described above, all the coefficients of Expression 13 are determined, and the variables of the pipe friction coefficient and the differential pressure function are functions of only λ and ΔP.
The values of Reynolds number in Expression 14 are also determined because Q and d are set values, and ρ and μ are determined by converting the set values to the liquid temperature measured by the liquid thermometer 3. In the pipe friction coefficient calculation unit 19, the friction coefficient λ is obtained by calculation using the Reynolds number Re obtained by Equation 14 in the Reynolds number calculation unit. The calculation formula varies depending on the value of the Reynolds number Re for each laminar flow, transition flow from laminar flow to turbulent flow region, and turbulent flow.
The formula is selected according to the Reynolds number as follows.
In the case of laminar flow (Re <Re L ), Equation 4
In the case of a transition flow (Re H > Re ≧ Re L ), Equation 8
In the case of turbulent flow (Re ≧ Re H ), Equation 5
Calculate by
In the calculation of the friction coefficient λ, when the mathematical expression is an implicit function, as in the case of claim 1,
It can be solved numerically using the Newton-Raphson method or the like, or can be calculated by incorporating a goal seek, solver, etc., which is a spreadsheet software such as Excel, into the downstream pressure prediction control device 24.
In the pipe friction coefficient calculation unit 19, the pipe relative roughness is set by the pipe relative roughness setting unit 10, and the critical Reynolds number is set by the critical Reynolds number setting unit 11.
The friction coefficient λ obtained by the pipe friction coefficient calculator 19 is the pipe friction coefficient, differential pressure function calculator 20.
In this case, the differential pressure ΔP is obtained by substituting it into the equation 13.
In the upstream set pressure calculation display unit 21, the downstream set pressure set by the downstream set pressure setting unit 23 is added to the differential pressure ΔP. This added pressure is an upstream pressure set value and is displayed on the upstream set pressure calculation display unit 21.
At the same time, the upstream pressure set value is transmitted to the upstream pressure setter 16 by an electric signal through the signal transmission unit 8 and the transmission path 9 and the upstream pressure setter 16 sets the pressure. Table 2 summarizes these mathematical expressions.
Figure 2019020191

広域に設置されたパイプラインでは、高低差のない直線管によるパイプラインが流量計測のために確保できない場合がある。
曲がり管路の代表例として、曲率半径Rでθ度の角度で曲がる図9に示すベンドと曲線を描かないでθ度の角度で曲がる図10に示すエルボがある。
ベンドの損失ヘッドΔhおよびエルボの損失ヘッドΔhの公知の公式を、それぞれ数式15および数式17に示す。

Figure 2019020191
ただし、ζはベンドの損失係数であり、数式16による。
Figure 2019020191
Figure 2019020191
ただし、ζはエルボの損失係数であり、数式18による。
Figure 2019020191
となる。
図11は、上流圧力計1および下流圧力計2間の高さが基準点高さに対して、それぞれH1およびH2で上流圧力計1と下流圧力計2間に曲がりがある管を示している。
管は一様断面の管15に定常流状態で液体が流れている場合、流速uは管路内で
一定である。また、上流圧力計1と下流圧力計2間の総損失Hは摩擦損失と曲がり損失の合計であり数式19なる。
Figure 2019020191
ただし、ζは曲がり損失係数であり、曲がりが複数個所の場合は損失係数ζはこれらの合計である。gは重力の加速度である。
速度水頭は上下流で同じであることを考慮して、上流圧力計1と下流圧力計2間にベルヌーイの定理を適用すれば数式20が得られる。
Figure 2019020191
P1−P2=ΔP、H1−H2=ΔHとし、数式20をΔPについてまとめれば数式21となる。

Figure 2019020191
数式21は上流圧力計1と下流圧力計2間に高低差ΔHおよび曲り管がある場合の数式1に相当する式である。
数式2を用いて、数式21からuを消去してλについて整理すれば数式22となる。
Figure 2019020191
数式22は上流圧力計1と下流圧力計2間に高低差ΔHおよび曲り管がある場合の数式3に相当する式である。
上流圧力計1と下流圧力計2間に高低差ΔHおよび曲り管がある場合の流量計算式は、第一管摩擦係数、レイノルズ数関数として、同一水平面の直管路の式として数式3の代わりに、数式22を用いる。
すなわち、第一および第二管摩擦係数、レイノルズ数関数を連立方程式として管摩擦係数、レイノルズ数を演算する。
第一管摩擦係数、レイノルズ数関数は数式22である。
第二管摩擦係数、レイノルズ数関数は層流、遷移流、乱流に対して別々の数式による。
層流については数式4、
遷移流については数式8
乱流については数式5
である。
表3 に、層流、遷移流、乱流の場合について、連立方程式として、摩擦係数、
レイノルズ数を求める第一管摩擦係数、レイノルズ数関数および第二管摩擦係数、レイノルズ数関数の一覧を示す。
乱流の場合において、第一管摩擦係数、レイノルズ数関数および第二管摩擦係数、レイノルズ数関数の連立方程式を解くにあたり数式が陰関数となる場合、ニュートン・ラプソン法等を用いて数値的に解くか、Excel等の表計算ソフトであるゴールシーク、ソルバーなどを管流量計測装置に組込むことにより演算で求める。














Figure 2019020191

摩擦係数λを用いた流量計算式は数式21より、流速uを求めることにより、数式23により計算する。
Figure 2019020191
なお、レイノルズ数Reを用いた流量計算式は高低差ΔHおよび曲り管がある場合についても数式11で計算される。 In a pipeline installed in a wide area, there may be a case where a straight pipe without height difference cannot be secured for flow measurement.
As a typical example of the bent pipe, there is a bend shown in FIG. 9 which is bent at an angle of θ degrees with a radius of curvature R and an elbow shown in FIG. 10 which is bent at an angle of θ degrees without drawing a curve.
Bend loss head Delta] h b and known Head Loss Delta] h e elbow official, respectively shown in Equation 15 and Equation 17.
Figure 2019020191
Here, ζ b is a bend loss coefficient and is given by Equation 16.
Figure 2019020191
Figure 2019020191
Where ζ e is the loss factor of the elbow and is given by equation 18.
Figure 2019020191
It becomes.
FIG. 11 shows a pipe in which the height between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2 is bent at the height between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2 with respect to the reference point height at H1 and H2, respectively. .
When the liquid is flowing in a steady flow state in the tube 15 having a uniform cross section, the flow velocity u is constant in the pipe line. The total loss H L between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2 is the sum of the friction loss and the bending loss, and is given by Equation 19.
Figure 2019020191
However, ζ is a bending loss coefficient, and when there are a plurality of bendings, the loss coefficient ζ is the sum of these. g is the acceleration of gravity.
Considering that the velocity head is the same in the upstream and downstream, Equation 20 is obtained by applying Bernoulli's theorem between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2.
Figure 2019020191
When P1−P2 = ΔP and H1−H2 = ΔH, and formula 20 is summarized for ΔP, formula 21 is obtained.

Figure 2019020191
Formula 21 is a formula corresponding to Formula 1 when there is a height difference ΔH and a curved pipe between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2.
Using Equation 2, when u is deleted from Equation 21 and arranged for λ, Equation 22 is obtained.
Figure 2019020191
Formula 22 is a formula corresponding to Formula 3 when there is a height difference ΔH and a curved pipe between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2.
The flow rate calculation formula when there is a height difference ΔH and a curved pipe between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2 is expressed as a first pipe friction coefficient and a Reynolds number function, instead of formula 3 as a straight pipe expression on the same horizontal plane. For this, Equation 22 is used.
That is, the pipe friction coefficient and the Reynolds number are calculated using the first and second pipe friction coefficients and the Reynolds number function as simultaneous equations.
The first pipe friction coefficient and the Reynolds number function are represented by Formula 22.
The second pipe friction coefficient and Reynolds number function are based on separate equations for laminar flow, transition flow, and turbulent flow.
For laminar flow, Equation 4,
For transition flow, Equation 8
For turbulence, Equation 5
It is.
Table 3 shows the friction coefficient, the simultaneous equation for laminar flow, transition flow, and turbulent flow.
A list of the first pipe friction coefficient, the Reynolds number function, the second pipe friction coefficient, and the Reynolds number function for obtaining the Reynolds number is shown.
In the case of turbulent flow, when solving the simultaneous equations of the first pipe friction coefficient, the Reynolds number function, the second pipe friction coefficient, and the Reynolds number function, the numerical formula becomes an implicit function numerically using the Newton-Raphson method, etc. Solve or obtain by calculation by incorporating a goal seek, solver, etc., which is a spreadsheet software such as Excel, into the pipe flow measuring device.














Figure 2019020191

The flow rate calculation formula using the friction coefficient λ is calculated by Formula 23 by obtaining the flow velocity u from Formula 21.
Figure 2019020191
Note that the flow rate calculation formula using the Reynolds number Re is calculated by Formula 11 even when there is a height difference ΔH and a curved pipe.

請求項1および請求項2において管寸法パラレータ設定部6において、水力直径の設定が必要である。円形管の場合の水力直径は管内径dである。円形管以外の場合の水力直径は円径管の管内径dと等価なパラメータを選定する必要がある。
管の断面積をA、断面の周辺の長さ(ぬれ縁という)をSとし、m=A/S は断面積Aとぬれ縁Sの比であり、水力平均深さと呼ばれている。
任意断面の水力直径deは、de=4mとなる。
例として、
円形の場合 m=A/s={π(d/2)}/{2π(d/2)}=d/4であるから de=4m=d
正方形の場合 一辺をBとして m=A/s=B/4B=B/4であるから d=4m=B
となる。
In the first and second aspects, it is necessary to set the hydraulic diameter in the pipe dimension paralator setting section 6. The hydraulic diameter in the case of a circular tube is the tube inner diameter d. For the hydraulic diameter other than the circular pipe, it is necessary to select a parameter equivalent to the pipe inner diameter d of the circular pipe.
The cross-sectional area of the tube is A, and the length of the periphery of the cross-section (referred to as a wetting edge) is S. m = A / S is the ratio of the cross-sectional area A and the wetting edge S, and is called the hydraulic average depth.
The hydraulic diameter de of the arbitrary cross section is de = 4 m.
As an example,
In the case of a circle m = A / s = {π (d / 2) 2 } / {2π (d / 2)} = d / 4 de = 4 m = d
In the case of a square, since one side is B, and m = A / s = B 2 / 4B = B / 4, d = 4 m = B
It becomes.

本発明の請求項1に関する管流量計測装置は、多くの液体用パイプラインに見られる管断面が一様な管の上流および下流に圧力計を設置して、上下流圧力計の差圧、管および液体のデータから流量を計測するものである。管に設置する圧力計はオリフィスのような絞り機構がないため流体に対して摩擦損失がない。本発明により、ムーディ線図を用いることなく、液体に共通で管内壁の粗さのみに依存した摩擦係数、レイノルズ数関数とダルシー・ワイスバッハの式から誘導した摩擦係数、レイノルズ数関数の両関数を連立方程式して解き、摩擦係数とレイノルズ数を求めて管流量を直接求めることが可能となった。
液体に共通な摩擦係数、レイノルズ数関数として、ムーディ線図に用いられて
いる関数のほか、他の関数式も適用可能である。
本発明は層流、遷移流、乱流を自動的に判別して管流量の計測が可能であり、ムーディ線図の読取り誤差による流量測定誤差が防止でき、測定の高精度化と簡単化が可能となり、農業用水、石油、液化天然ガス、上水道、各種工業用プラント等のパイプラインの流量計測に利用可能である。
計測する管は曲り管、高低差のある管流量の計測にも適用できる。
本発明の請求項2に関する管下流圧力予測制御装置は設定流量に対応して管摩擦係数を計算して管下流圧力予測制御を行うために上流圧力設定の精度が向上し、過大な圧力設定が必要なくなるためにエネルギー損失低減が可能となる。
また、管の内壁面の粗さの経年劣化に伴う管下流圧力値変化を計測し、経年劣化前の管下流圧力予測値と比較することにより管内壁面絶対粗さの値変化を把握することにより管劣化診断が可能となる。
また、管流量計測装置の校正は、上流圧力計の位置で校正流量を流して、下流圧力計との差圧から流量を計測して校正流量と比較することにより容易に行うことが可能である。
また、管流量計測装置として、汎用品である上流、下流に設置する圧力計と代表地点に設置する液体温度計、簡易テレメータと流量演算装置により構成されており多数地点のデータを管理所に集めて共通の流量演算装置で流量計測を行う場合に特に経済的な流量計測が可能である。
In the pipe flow rate measuring apparatus according to claim 1 of the present invention, pressure gauges are installed upstream and downstream of a pipe having a uniform pipe cross section found in many liquid pipelines, and the differential pressure of the upstream and downstream pressure gauges, the pipe In addition, the flow rate is measured from the liquid data. Since the pressure gauge installed in the pipe does not have a throttling mechanism such as an orifice, there is no friction loss with respect to the fluid. According to the present invention, without using a Moody diagram, both the coefficient of friction, the Reynolds number function and the Reynolds number function derived from the Reynolds-Weissbach equation, which are common to liquids and depend only on the roughness of the inner wall of the pipe. It is now possible to directly calculate the pipe flow rate by solving the simultaneous equations and obtaining the friction coefficient and Reynolds number.
In addition to the functions used in the Moody diagram, other functional expressions can be applied as the friction coefficient and Reynolds number function common to liquids.
The present invention can automatically measure laminar flow, transition flow, and turbulent flow to measure the pipe flow rate, prevent flow measurement errors due to reading errors in the moody diagram, and improve the accuracy and simplification of the measurement. It is possible to measure the flow rate of pipelines for agricultural water, oil, liquefied natural gas, waterworks, various industrial plants, etc.
The pipe to be measured can be applied to a curved pipe and the measurement of pipe flow with different heights.
The pipe downstream pressure prediction control apparatus according to claim 2 of the present invention calculates the pipe friction coefficient corresponding to the set flow rate and performs pipe downstream pressure prediction control, so that the accuracy of the upstream pressure setting is improved, and an excessive pressure setting is achieved. Energy loss can be reduced because it is not necessary.
In addition, by measuring the change in pipe downstream pressure value due to the aging deterioration of the inner wall surface of the pipe and comparing it with the pipe downstream pressure prediction value before aging deterioration, by grasping the change in the absolute roughness value of the pipe inner wall surface Pipe deterioration diagnosis becomes possible.
In addition, the calibration of the pipe flow measuring device can be easily performed by flowing the calibration flow at the position of the upstream pressure gauge, measuring the flow from the differential pressure with the downstream pressure gauge, and comparing it with the calibration flow. .
In addition, the pipe flow rate measuring device is composed of a general-purpose pressure gauge installed upstream and downstream, a liquid thermometer installed at a representative point, a simple telemeter, and a flow rate calculation device. In particular, when the flow rate is measured by a common flow rate calculation device, the flow rate can be measured economically.

請求項1の管流量計測の例を示す。
下記の値を設定値とする。
(1)液体 水
(2)液体密度 0℃において 999.8Kg/m3
(3)液体粘度 0℃において 0.001782Pa・s
(4)管の種類 配管用炭素鋼管 20A 内径21.6mm
管壁絶対粗さ ε=0.045mm
(5)上流圧力計と下流圧力計間の距離 1,000m
(6)管の敷設 高低差のない直線敷設
(7)臨界レイノルズ数
下限臨界 2,000
上限臨界 4,000

測定値として、下記の値を得ている。
(1)上流圧力 200KPa 下流圧力 100KPa
(2)液体温度 20 ℃

以上の条件で管流量を求めた結果 0.000127m3/sである。
計測の結果を表4に示す。

























Figure 2019020191
An example of pipe flow measurement according to claim 1 is shown.
The following values are set values.
(1) Liquid Water (2) Liquid density at 0 ° C. 999.8 Kg / m 3
(3) Liquid viscosity at 0 ° C. 0.001782 Pa · s
(4) Pipe type Carbon steel pipe for piping 20A Inner diameter 21.6mm
Tube wall absolute roughness ε = 0.045mm
(5) Distance between upstream and downstream pressure gauges 1,000m
(6) Pipe laying straight line without height difference (7) Critical Reynolds number lower limit critical 2,000
Upper criticality 4,000

The following values are obtained as measured values.
(1) Upstream pressure 200 KPa Downstream pressure 100 KPa
(2) Liquid temperature 20 ° C

The tube flow rate obtained under the above conditions is 0.000127 m3 / s.
Table 4 shows the measurement results.

























Figure 2019020191

請求項2の管下流圧力予測制御
下記の値を設定値とする。
(1)液体 水
(2)液体密度 0℃において 999.8Kg/m3
(3)液体粘度 0℃において 0.001782Pa・s
(4)管の種類 配管用炭素鋼管 300A 内径304.7mm
管壁絶対粗さ ε=0.045mm
(5)上流圧力計と下流圧力計間の距離 10Km
(6)管の敷設 高低差のない直線敷設
(7)管設定流量 0.0150m3/s
(8)下流設定圧力 5,000 Pa
(9)臨界レイノルズ数
下限臨界 2,000
上限臨界 4,000

測定値として、下記の値を得ている。
(1)液体温度 20 ℃

演算値として、下記の値を得ている。
(1)上流圧力設定点と下流圧力予測制御点間の差圧 10,129 Pa

以上の条件で上流圧力設定点の設定圧力を求めた値は15,129Pa
である。
下流圧力予測制御の結果を表5に示す。
























Figure 2019020191
Pipe downstream pressure prediction control according to claim 2 The following values are set values.
(1) Liquid Water (2) Liquid density at 0 ° C. 999.8 Kg / m 3
(3) Liquid viscosity at 0 ° C. 0.001782 Pa · s
(4) Pipe type Carbon steel pipe for piping 300A Inner diameter 304.7mm
Tube wall absolute roughness ε = 0.045mm
(5) Distance between upstream and downstream pressure gauges 10km
(6) Pipe laying straight line without height difference (7) Pipe set flow rate 0.0150m3 / s
(8) Downstream set pressure 5,000 Pa
(9) Critical Reynolds number lower limit criticality 2,000
Upper criticality 4,000

The following values are obtained as measured values.
(1) Liquid temperature 20 ° C

The following values are obtained as operation values.
(1) Differential pressure between upstream pressure set point and downstream pressure prediction control point 10,129 Pa

The value obtained for the set pressure of the upstream pressure set point under the above conditions is 15,129 Pa.
It is.
Table 5 shows the results of the downstream pressure prediction control.
























Figure 2019020191

は「請求項1」の発明の基本構成図である。FIG. 2 is a basic configuration diagram of the invention of claim 1. は「請求項2」の発明の基本構成図である。These are the basic block diagrams of invention of "Claim 2". は レイノルズ数と摩擦係数の関係を示すムーディ線図である。Is a Moody diagram showing the relationship between the Reynolds number and the friction coefficient. は 管内壁の絶対粗さεと相対粗さε/dの説明図である。These are explanatory drawings of the absolute roughness ε and the relative roughness ε / d of the pipe inner wall. は 層流域と乱流域の間を遷移する遷移域のレイノルズ数と摩擦係数の関係が直線近似可能なことを示す実験データである。Is experimental data showing that the relationship between the Reynolds number and the friction coefficient of the transition zone transitioning between the laminar and turbulent regions can be linearly approximated. は 実用管について直径dと相対粗さε/dの関係を示す線図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between diameter d and relative roughness ε / d for a practical pipe. は レイノルズ数、摩擦係数関数の遷移域における直線近似方法の説明図である。Is an explanatory diagram of a straight line approximation method in the transition region of the Reynolds number and the friction coefficient function. は 管流量計測において自動的に層流、遷移流、乱流を判定するためのフロー図である。Fig. 5 is a flowchart for automatically determining laminar flow, transition flow, and turbulent flow in pipe flow measurement. は曲率半径Rの円を描いて曲がるベンド管の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a bend pipe that bends in a circle having a radius of curvature R; は角度θで曲がるエルボ管の説明図である。These are explanatory drawings of an elbow pipe that bends at an angle θ. は勾配および曲りがある管にベルヌーイの定理を適用するための説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram for applying Bernoulli's theorem to a pipe having a gradient and a bend. は管流量計測装置を用いて管流量の設定値制御を行う方法を示している。Shows a method for controlling the set value of the pipe flow rate using the pipe flow rate measuring device. は複数の管流量計測を一括して管理所の流量演算装置でおこなうための実施形態の構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of an embodiment for collectively performing a plurality of pipe flow rate measurements with a flow rate calculation device of a management office. は複数の管下流配水池に設定流量、設定圧力のもとで配水するカスケード型の管下流圧力予測制御による加圧ポンプ場における設定圧力管理のための実施形態の構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of an embodiment for setting pressure management in a pressurized pump station by cascade-type pipe downstream pressure prediction control that distributes water to a plurality of pipe downstream reservoirs under a set flow rate and set pressure. は管の粗さの測定、または管流量計測装置の流量計測値の校正の原理を示したグラフである。FIG. 3 is a graph showing the principle of measuring the roughness of the pipe or calibrating the flow rate measurement value of the pipe flow rate measuring device.

本発明の請求項1の管流量計測装置は液体用パイプラインの多くに存在する一様断面を有し、定常流状態にある管路の流量測定に適用できる。このような管路は農業用の用水路、水道用幹線、石油または液化天然ガスパイプライン、化学プラントの配管など多数存在する。
本発明の管流量計測装置は上流と下流に設置した1区間の流量計測の他、特徴として広域に散在する多数の流量計測区間の流量を効率良く、計測して管理所で集中管理できることである。
本発明の請求項2の管下流圧力予測制御装置は設定した流量に対して、管摩擦
係数を演算して管下流圧力を予測制御することにより末端圧の適正化により
エネルギー損失を減らすことが可能となる。
The pipe flow rate measuring device according to claim 1 of the present invention has a uniform cross section existing in many liquid pipelines and can be applied to the flow rate measurement of a pipe line in a steady flow state. There are many such pipelines such as agricultural irrigation channels, water supply trunks, petroleum or liquefied natural gas pipelines, and chemical plant piping.
The pipe flow rate measuring device according to the present invention is capable of efficiently measuring the flow rate of a large number of flow rate measurement sections scattered in a wide area in addition to the flow rate measurement of one zone installed upstream and downstream, and centrally managing it at a management office. .
The pipe downstream pressure prediction control apparatus according to claim 2 of the present invention can reduce energy loss by optimizing the terminal pressure by calculating the pipe friction coefficient and predicting and controlling the pipe downstream pressure with respect to the set flow rate. It becomes.

図12は管流量計測装置の流量計測値を利用した管流量制御の例である。
管流量計測装置の流量演算装置より管流量をポンプ制御装置に対して出力する。
ポンプ制御装置では、管流量と設定流量Qsを比較して管流量が設定流量Qsになるようにポンプの加圧信号を自動的に増減する。
FIG. 12 shows an example of pipe flow rate control using the flow rate measurement value of the pipe flow rate measuring device.
The pipe flow rate is output to the pump control device from the flow rate calculation device of the pipe flow rate measuring device.
The pump control device compares the pipe flow rate with the set flow rate Qs and automatically increases or decreases the pump pressurization signal so that the pipe flow rate becomes the set flow rate Qs.

図13は広域に分散した農業用幹線管路の流量を把握して管理する農業用水管理システムの例を示している。
各流量計測区間の上流、下流圧力はテレメータによって管理所の流量演算装置に集められ、共通の流量演算装置により処理し流量計測を行うため経済的な流量計測が可能である。
図13では伝送路として、無線回線を示しているが、伝送路および信号伝送部は経済性、信頼性等を考慮して、有線、無線の選択、事業者用、自営用の伝送路を選択する。
FIG. 13 shows an example of an agricultural water management system that grasps and manages the flow rate of agricultural trunk lines dispersed in a wide area.
The upstream and downstream pressures in each flow rate measurement section are collected by a telemeter at a flow rate calculation device at a management office and processed by a common flow rate calculation device to perform flow rate measurement, so that economical flow rate measurement is possible.
In FIG. 13, a wireless line is shown as the transmission line, but the transmission line and the signal transmission unit are selected for wired or wireless, for business use, and for private use in consideration of economy and reliability. To do.

図14は1箇所の水源池で取水した農業用水を散在した配水地に規定の流量を配水する加圧ポンプによるパイプラインの下流圧力予測制御の例である。
例えば、加圧ポンプ場1は1号幹線管路により、Q1の設定流量を送水先の吸水槽のH1水位を予測圧力として制御する。すなわち末端水位H1に1号幹線管路の損失を加算した圧力を設定圧力として制御する。
加圧ポンプ場2は2号幹線管路により、Q2の設定流量を送水先の吐水槽のH2水位を予測圧力として制御する。すなわち末端水位H2に2号幹線管路の損失を加算した圧力を設定圧力として制御する。
FIG. 14 is an example of pipeline downstream pressure predictive control by a pressurizing pump that distributes a prescribed flow rate to a distribution area where agricultural water taken from one water source pond is scattered.
For example, the pressurizing pump station 1 controls the set flow rate of Q1 using the No. 1 main line as the predicted pressure of the H1 water level of the water absorption tank of the water supply destination. That is, the pressure obtained by adding the loss of the No. 1 main line to the terminal water level H1 is controlled as the set pressure.
The pressurizing pump station 2 controls the set flow rate of Q2 using the No. 2 main line as the predicted pressure based on the H2 water level of the water discharge tank. That is, the pressure obtained by adding the loss of the No. 2 main line to the terminal water level H2 is controlled as the set pressure.

図15は管の粗さの測定、または管流量計測装置の流量計測値の校正の原理を示したグラフである。
管には上流圧力計、下流圧力計、液体温度計を設置して、上流圧力計の位置において、校正値として校正流量と校正圧力を設定する。
例示のグラフでは、
下記の値を設定値とする。
(1)液体 水
液体密度 0℃において 999.8Kg/m3
(2)液体粘度 0℃において 0.001782Pa・s
(3)管の種類 配管用炭素鋼管 200A 内径204.7mm
(4)上流圧力計と下流圧力計間の距離 1,000m
(5)管の敷設 高低差のない直線敷設
(6)上流圧力計の設定流量 0.05m3/s
(7)上流圧力計の設定圧力 180Kps

上記の設定に対するレイノルズ数の演算値は3,098,310である。
図15においては、管の絶対粗さ0.45×10−3〜1×10−3mに対する下流圧力の演算値を示している。
絶対粗さに対する下流圧力の演算値は100〜10KPaである。
管新設時の絶対粗さは0.45×10−3mで、下流圧力の計測値は演算値と同じ100KPaとする。例えば、経年変化等で下流圧力計測値が40KPaまで低下した場合は、図15のグラフから絶対粗さは0.5×10−3mまで劣化していると判断する。
FIG. 15 is a graph showing the principle of measuring the roughness of the pipe or calibrating the flow rate measurement value of the pipe flow rate measuring device.
An upstream pressure gauge, a downstream pressure gauge, and a liquid thermometer are installed in the pipe, and a calibration flow rate and a calibration pressure are set as calibration values at the position of the upstream pressure gauge.
In the example graph,
The following values are set values.
(1) Liquid Water-liquid density 999.8Kg / m3 at 0 ° C
(2) Viscosity at 0 ° C. 0.001782 Pa · s
(3) Type of pipe Carbon steel pipe for piping 200A Inner diameter 204.7mm
(4) Distance between upstream and downstream pressure gauges 1,000m
(5) Pipe installation Straight installation without height difference (6) Set flow rate of upstream pressure gauge 0.05m3 / s
(7) Upstream pressure gauge set pressure 180Kps

The calculated value of the Reynolds number for the above setting is 3,098,310.
In FIG. 15, the calculated value of the downstream pressure with respect to the absolute roughness of the tube of 0.45 × 10 −3 to 1 × 10 −3 m is shown.
The calculated value of the downstream pressure with respect to the absolute roughness is 100 to 10 KPa.
The absolute roughness when the pipe is newly installed is 0.45 × 10 −3 m, and the measured value of the downstream pressure is 100 KPa, which is the same as the calculated value. For example, when the downstream pressure measurement value decreases to 40 KPa due to secular change or the like, it is determined from the graph of FIG. 15 that the absolute roughness has deteriorated to 0.5 × 10 −3 m.

「請求項1」の発明は、上記の「発明が解決しようとする課題」を解決するためになされたものである。図1は「請求項1」の発明の基本構成図である。
管断面が一様な同一水平面に直線配置された管を液体が定常流状態で流下する前記管の上流圧力を測定する上流圧力計1および下流圧力を測定する下流圧力計2を設置する。
液体の温度を測定する液体温度計3を管の液体温度を代表する位置に設置する。前記液体温度計3は温度変化に伴う液体粘度と密度を補正するものである。
図1に示す円管を水平に設置したとき、

上流圧力計の圧力 P1[Pa]
下流圧力計の圧力 P2[Pa]
圧力損失 ΔP=(P1−P2)[Pa]
上流圧力計と下流圧力計の距離 L[m]
管摩擦係数 λ[無次元数]
液体の密度 ρ[kg/m
平均流速 u[m/s]
管内径 d[m]

とすれば、公知のダルシー・ワイスバッハの式は数式1で示される。

Figure 2019020191

管内を流れる液体の粘度 μ[Pa・s]
動粘度 ν=μ/ρ[m/s]


とすれば、レイノルズ数Reは数式2で示される。
Figure 2019020191

数式1と数式2から平均速度uを消去し、摩擦係数λについて整理した式を数式3に示す。
Figure 2019020191

数式3はダルシー・ワイスバッハの式をベースとした第一管摩擦係数・レイノルズ数関数と定義する。本関数の係数を演算する第一管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部4において、数式3の管摩擦係数λ、レイノルズ数Re以外の係数を決定する。
上流圧力計1、下流圧力計2で測定した上流圧力P1、下流圧力P2を電気信号により伝送する信号伝送部8および伝送路9により伝送して第一管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部4において、
ΔP=P1−P2の差圧演算をおこない係数を決定する。
液体温度計3で測定した液体温度Tを電気信号により伝送する信号伝送部8および伝送路9により伝送して第一管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部4において、液体密度、粘度を設定する液体パラメータ設定部7により設定されている基準温度における液体密度、粘度を測定した液体温度Tにおける液体密度、粘度に換算する。換算はあらかじめ設定されている換算テーブルを参照して換算値を求めるか、または粘度の場合は公知のアンドレード粘度換算数式により換算する。
本発明においては、上流圧力計1と下流圧力計2の距離Lは管内面は平滑の場合の流量測定も行うことになるために、この間の管摩擦損失を大きくして、測定精度を向上させるために距離Lは1km以上となることもあり、また、流量演算装置14は広域に設置された多数の流量計測に対応することを想定して、上流圧力計1または下流圧力計2と流量演算装置14との間は伝送回線で接続する。
この他に第一管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部4に管の水力直径として円形管の場合は管内径d、上流圧力計1と下流圧力計2間の距離Lを管寸法パラメータ設定部により設定する。
以上により、数式3の係数はすべて決定して、第一管摩擦係数・レイノルズ数関数の管摩擦係数λはレイノルズ数Reのみの関数となる。 The invention of "Claim 1" is made to solve the above-mentioned "problem to be solved by the invention". FIG. 1 is a basic configuration diagram of the invention of claim 1.
An upstream pressure gauge 1 for measuring the upstream pressure of the pipe and a downstream pressure gauge 2 for measuring the downstream pressure are installed so that the liquid flows down in a steady flow state through the pipes arranged in the same horizontal plane with a uniform pipe cross section.
A liquid thermometer 3 for measuring the temperature of the liquid is installed at a position representing the liquid temperature of the pipe. The liquid thermometer 3 corrects the liquid viscosity and density accompanying the temperature change.
When the circular pipe shown in Fig. 1 is installed horizontally,

Pressure of upstream pressure gauge P1 [Pa]
Downstream pressure gauge pressure P2 [Pa]
Pressure loss ΔP = (P1−P2) [Pa]
Distance between upstream and downstream pressure gauges L [m]
Tube friction coefficient λ [Dimensionless number]
Liquid density ρ [kg / m 3 ]
Average flow velocity u [m / s]
Pipe inner diameter d [m]

Then, the well-known Darcy-Weissbach equation is expressed by Equation 1.
Figure 2019020191

Viscosity of the liquid flowing in the pipe μ [Pa · s]
Kinematic viscosity ν = μ / ρ [m 2 / s]


Then, the Reynolds number Re is expressed by Equation 2.
Figure 2019020191

Formula 3 is a formula obtained by eliminating the average speed u from Formulas 1 and 2 and arranging the friction coefficient λ.
Figure 2019020191

Formula 3 is defined as the first pipe friction coefficient / Reynolds number function based on the Darcy-Weissbach formula. In the first pipe friction coefficient / Reynolds number function coefficient calculation unit 4 for calculating the coefficient of this function, coefficients other than the pipe friction coefficient λ and the Reynolds number Re in Expression 3 are determined.
The upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge P2 measured by the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2 are transmitted by the signal transmission section 8 and the transmission path 9 that transmit the electrical signals, and the first pipe friction coefficient / Reynolds number function coefficient calculation section 4 In
A coefficient is calculated by performing a differential pressure calculation of ΔP = P1−P2.
The liquid temperature T measured by the liquid thermometer 3 is transmitted by the signal transmission unit 8 and the transmission path 9 that transmit the electric signal, and the first pipe friction coefficient / Reynolds number function coefficient calculation unit 4 sets the liquid density and viscosity. The liquid density and viscosity at the reference temperature set by the liquid parameter setting unit 7 are converted into the liquid density and viscosity at the measured liquid temperature T. For conversion, a conversion value is obtained with reference to a conversion table set in advance, or in the case of viscosity, conversion is performed using a well-known Andrade viscosity conversion formula.
In the present invention, since the distance L between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2 also measures the flow rate when the pipe inner surface is smooth, the pipe friction loss between them is increased to improve the measurement accuracy. Therefore, the distance L may be 1 km or more, and the flow rate calculation device 14 is assumed to support a large number of flow rate measurements installed in a wide area, and the upstream pressure gauge 1 or the downstream pressure gauge 2 and the flow rate calculation. The device 14 is connected by a transmission line.
In addition, in the first pipe friction coefficient / Reynolds number function coefficient calculation section 4, in the case of a circular pipe, the pipe inner diameter d and the distance L between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2 are set as a pipe diameter parameter setting section. Set by.
Thus, all the coefficients of Equation 3 are determined, and the tube friction coefficient λ of the first tube friction coefficient / Reynolds number function is a function of only the Reynolds number Re.

第一管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部4においては、液体の種類、管寸法、上流圧力計、下流圧力計間の距離L、測定した上流圧力P1、下流圧力P2の差圧ΔPに依存する第一管摩擦係数・レイノルズ数関数の係数を求めている。
第二管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部5においては、層流、層流から乱流域に遷移する遷移流、乱流毎に数式が異なり、液体の種類、管寸法に依存せず、管内壁の粗さのみに依存する管摩擦係数・レイノルズ数関数を第二管摩擦係数・レイノルズ数関数と定義する。本関数の係数演算部の係数と数式を示す。
層流の場合の管摩擦係数・レイノルズ数の関数は公知の式として、数式4となる。

Figure 2019020191

乱流の場合の管摩擦係数・レイノルズ数の関数は公知の式として、レイノルズ数の適用範囲が広く、管内面の粗さにも対応できる式として、数式5に示すコールブルックの式によるものとする。ここで、εは絶対粗さで、管内径との比ε/dは相対粗さと呼ばれている。
ε/dは管相対粗さ設定部10により設定する。
図4に管内壁の絶対粗さと相対粗さの関係を示す。
Figure 2019020191

数式5においてε/d=0とすれば、管内面の粗さが滑らかな管に相当し、数式6のように変形することができる。
Figure 2019020191

また、数式5においてε/dが大きくなり、管内面が粗く摩擦係数がレイノルズ数の影響を無視できる場合は、数式7のように変型することができる。
Figure 2019020191

乱流の場合、ε/dの値により、数式6は滑らかな管の場合、数式7は粗い管の場合となるが、いずれもε/dの値を選べば数式5が適用可能なため、以下数式5により第二管摩擦係数・レイノルズ数関数係数を計算する。
第二管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部5に管相対粗さを管相対粗さ設定部10により設定し、臨界レイノルズ数を臨界レイノルズ数設定部11により設定する。
層流から乱流に変化する遷移流の管摩擦係数に対するレイノルズ数の関数として、下記によるものとする。
(1)臨界レイノルズ数は下限、上限がある。
(2)下限、上限間のレイノルズ数と摩擦係数の関係は層流と乱流曲線を結ぶ直線近似とする。
これは下限、上限間のレイノルズ数と摩擦係数の関係は図5に示す実験データから下限、上限間のレイノルズ数と摩擦係数の関係は直線的に近似可能となるためである。
(3)遷移流となる上、下限のレイノルズ数は管と流体依存性が大きく確定できないために設定値とする。
(4)層流と遷移流、遷移流と乱流への変化時に摩擦係数対レイノルズ数曲線は不連続とならない。

層流と遷移流の境界の臨界レイノルズ数 Re
遷移流と乱流の境界の臨界レイノルズ数 Re
層流と遷移流の境界の摩擦係数 λ
遷移流と乱流の境界の摩擦係数 λ

とし、レイノルズ数Reを横軸、摩擦係数λを縦軸にとった時の遷移流の直線の方程式は数式8となる。
臨界レイノルズ数Re およびReは臨界レイノルズ数設定部11により設定する。
Figure 2019020191

ここで、λは数式4により、λ= 64/ Reにより計算する。また、λは乱流曲線の数式5において、レイノルズ数Reを代入した数式9により計算される。
流量計測対象管のε/dの値は管の粗さ対応して設定する。
Figure 2019020191

なお、実用管について直径dと相対粗さの例を図6に示す。
以上により数式9は乱流域と接続する摩擦係数λ以外の係数は与えられ、λについて解くことが可能である。数式9は陰関数のためλの値はニュートン・ラプソン法等を用いて数値的に解くか、Excel等の表計算ソフトであるゴールシーク、ソルバーなどを管流量計測装置14に組込むことにより演算で求める。
λが求められたことにより、遷移流のλ、Reの直線の方程式の係数が求められた。
以上、第二管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部5の係数と数式が求められた。図7に第二管摩擦係数・レイノルズ数関数の遷移域における直線近似の方法を示す。 The first pipe friction coefficient / Reynolds number function coefficient calculation unit 4 depends on the type of liquid, the pipe size, the distance L between the upstream pressure gauge and the downstream pressure gauge, the differential pressure ΔP between the measured upstream pressure P1 and downstream pressure P2. The coefficient of the first pipe friction coefficient and the Reynolds number function is calculated.
In the second pipe friction coefficient / Reynolds number function coefficient calculation unit 5, the mathematical formulas are different for each laminar flow, transition flow from laminar flow to turbulent flow region, and turbulent flow. The pipe friction coefficient / Reynolds number function, which depends only on the wall roughness, is defined as the second pipe friction coefficient / Reynolds number function. The coefficient and mathematical expression of the coefficient calculation unit of this function are shown below.
The function of the coefficient of tube friction and the Reynolds number in the case of laminar flow is expressed as Equation 4 as a well-known equation.
Figure 2019020191

The function of the pipe friction coefficient and Reynolds number in the case of turbulent flow is a well-known formula, which is based on the Colebrook formula shown in Formula 5, as a formula that has a wide range of applicable Reynolds numbers and can cope with the roughness of the pipe inner surface. To do. Here, ε is the absolute roughness, and the ratio ε / d to the tube inner diameter is called the relative roughness.
ε / d is set by the tube relative roughness setting unit 10.
FIG. 4 shows the relationship between the absolute roughness and the relative roughness of the pipe inner wall.
Figure 2019020191

If ε / d = 0 in Equation 5, it corresponds to a tube having a smooth inner surface, and can be transformed as Equation 6.
Figure 2019020191

Further, when ε / d becomes large in Equation 5 and the inner surface of the tube is rough and the friction coefficient can ignore the influence of the Reynolds number, it can be modified as shown in Equation 7.
Figure 2019020191

In the case of turbulent flow, depending on the value of ε / d, Equation 6 is a smooth tube, Equation 7 is a coarse tube, but in any case, Equation 5 can be applied if the value of ε / d is selected. Hereinafter, the second pipe friction coefficient and the Reynolds number function coefficient are calculated by Equation 5.
In the second pipe friction coefficient / Reynolds number function coefficient calculation unit 5, the pipe relative roughness is set by the pipe relative roughness setting unit 10, and the critical Reynolds number is set by the critical Reynolds number setting unit 11.
As a function of the Reynolds number for the tube friction coefficient of a transition flow changing from laminar to turbulent,
(1) The critical Reynolds number has a lower limit and an upper limit.
(2) The relationship between the Reynolds number and the friction coefficient between the lower limit and the upper limit is a linear approximation connecting the laminar flow and the turbulent flow curve.
This is because the relationship between the Reynolds number and the friction coefficient between the lower limit and the upper limit can be approximated linearly from the experimental data shown in FIG. 5.
(3) The upper limit of the Reynolds number for the transition flow is set to a set value because the dependence on the pipe and the fluid cannot be determined.
(4) The friction coefficient vs. Reynolds number curve does not become discontinuous when changing to laminar flow and transition flow, or transition flow and turbulence.

Critical Reynolds number at the boundary between laminar and transition flow Re L
Critical Reynolds number at the boundary between transition and turbulent flow Re H
Friction coefficient at the boundary between laminar flow and transition flow λ L
Friction coefficient at the boundary between transitional flow and turbulent flow λ H

The equation of the straight line of the transition flow when the Reynolds number Re is taken on the horizontal axis and the friction coefficient λ is taken on the vertical axis is given by Equation 8.
The critical Reynolds numbers Re L and Re H are set by the critical Reynolds number setting unit 11.
Figure 2019020191

Here, λ L is calculated by λ L = 64 / Re L according to Equation 4. Further, λ H is calculated by Expression 9 in which the Reynolds number Re H is substituted in Expression 5 of the turbulent flow curve.
The value of ε / d of the flow rate measurement target pipe is set corresponding to the roughness of the pipe.
Figure 2019020191

An example of the diameter d and the relative roughness of the practical pipe is shown in FIG.
As described above, Equation 9 is given a coefficient other than the friction coefficient λ H connected to the turbulent region, and can be solved for λ H. Since Equation 9 is an implicit function, the value of λ H can be calculated numerically by using the Newton-Raphson method, or can be calculated by incorporating into the tube flow measurement device 14 a goal seek, solver, etc., which is a spreadsheet software such as Excel. Ask for.
By obtaining λ H , coefficients of linear equations of λ and Re of the transition flow were obtained.
The coefficients and mathematical formulas of the second pipe friction coefficient / Reynolds number function coefficient calculation unit 5 have been obtained. FIG. 7 shows a method of linear approximation in the transition region of the second pipe friction coefficient / Reynolds number function.

連立管摩擦係数・レイノルズ数演算部12においては第一および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数を連立して管摩擦係数・レイノルズ数を演算する。
第一管摩擦係数・レイノルズ数関数は数式3である。
第二管摩擦係数・レイノルズ数関数は層流、遷移流、乱流に対して別々の数式による。
層流については数式4、
遷移流については数式8
乱流については数式5
である。
表1に、これらの数式を整理して示す。

Figure 2019020191

表1の第一および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数の係数は第一および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部で値が求められているために、いずれの数式も管摩擦係数λおよびレイノルズ数Reのみを変数とする関数である。 In simultaneous pipe friction factor Reynolds number calculation unit 12 calculates the pipe friction coefficient and the Reynolds number and simultaneous first and second pipe friction factor Reynolds number function.
The first pipe friction coefficient / Reynolds number function is Equation 3.
The second pipe friction coefficient and Reynolds number function are based on separate equations for laminar flow, transition flow, and turbulent flow.
For laminar flow, Equation 4,
For transition flow, Equation 8
For turbulence, Equation 5
It is.
Table 1 summarizes these mathematical expressions.
Figure 2019020191

For the first and coefficient of the second pipe friction factor Reynolds number functions in Table 1 are the values in the first and second pipe friction factor Reynolds number function coefficient calculation unit is demanded, also pipe friction coefficient either formula It is a function having only λ and Reynolds number Re as variables.

連立管摩擦係数・レイノルズ数演算部12では、第一管摩擦係数・レイノルズ数関数および層流、遷移流、乱流毎に求めた第二管摩擦係数・レイノルズ数関数を連立方程式として、摩擦係数λ、レイノルズ数Reを求める。
演算の順は、図8に示す手順を自動的に選択して行う。
第一に乱流について摩擦係数λ、レイノルズ数Reを求める。
レイノルズ数Reが上限の臨界レイノルズ数Re以上の時は乱流と判定する。
臨界レイノルズ数Reより小さい時は遷移流と仮定してレイノルズ数Reを求める。遷移流と仮定して求めたレイノルズ数Reが上限の臨界レイノルズ数Reより小さく下限の臨界レイノルズ数Re以上の時は遷移流と判定する。
求めたレイノルズ数Reが下限の臨界レイノルズ数Reより小さい時は層流について摩擦係数λ、レイノルズ数Reを求める。レイノルズ数Reが下限の臨界レイノルズ数Re以下の時は層流と判定する。
乱流の場合において、第一管摩擦係数・レイノルズ数関数および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数の連立方程式を解くにあたり数式が陰関数となる場合、ニュートン・ラプソン法等を用いて数値的に解くか、Excel等の表計算ソフトであるゴールシーク、ソルバーなどを管流量計測装置14に組込むことにより演算で求める。
In the simultaneous pipe friction coefficient / Reynolds number calculation unit 12, the first pipe friction coefficient / Reynolds number function and the second pipe friction coefficient / Reynolds number function obtained for each laminar flow, transition flow, and turbulent flow are used as simultaneous equations, and the friction coefficient λ and Reynolds number Re are obtained.
The order of calculation is performed by automatically selecting the procedure shown in FIG.
First, the friction coefficient λ and the Reynolds number Re are obtained for turbulent flow.
When the Reynolds number Re is less than the critical Reynolds number Re H upper determines that turbulence.
The critical Reynolds number Re H at less than seek Reynolds number Re assuming transitional flow. When the Reynolds number Re determined on the assumption of a transition flow is smaller than the upper limit critical Reynolds number Re H and equal to or higher than the lower limit critical Reynolds number Re L , it is determined as a transition flow.
When the obtained Reynolds number Re is smaller than the lower limit critical Reynolds number Re L , the friction coefficient λ and the Reynolds number Re are obtained for the laminar flow. When the Reynolds number Re is less than the critical Reynolds number Re L of lower limit is determined to laminar flow.
In the case of turbulent flow, when solving the simultaneous equations of the first pipe friction coefficient / Reynolds number function and the second pipe friction coefficient / Reynolds number function, if the formula becomes an implicit function, numerically using the Newton-Raphson method etc. Solved or obtained by calculation by incorporating a goal seek, solver or the like, which is a spreadsheet software such as Excel, into the pipe flow measuring device 14.

管流量を演算して表示する流量演算表示部13においては、連立管摩擦係数・レイノルズ数演算部12で求められた摩擦係数λ、レイノルズ数Reを用いて演算する。λで表現した場合は管流量Qは数式1を用いて数式10により求められる。

Figure 2019020191

また、Reで表現した場合は管流量Qは数式2を用いて、数式11の計算により求められる。
Figure 2019020191

流量演算装置14の流量表示部13において、数式10または数式11により計算した流量Qを表示する。 In the flow rate calculation display unit 13 for calculating and displaying the pipe flow rate, calculation is performed using the friction coefficient λ and the Reynolds number Re obtained by the simultaneous pipe friction coefficient / Reynolds number calculation unit 12. When expressed by λ, the pipe flow rate Q is obtained by Equation 10 using Equation 1.
Figure 2019020191

Further, when expressed in Re, the pipe flow rate Q is obtained by the calculation of Expression 11 using Expression 2.
Figure 2019020191

In the flow rate display unit 13 of the flow rate calculation device 14, the flow rate Q calculated by the formula 10 or the formula 11 is displayed.

オリフィス等の絞り機構によらず、管の上流、下流に設置した圧力計の差圧ΔPを用いて流量を計測する方法として、計測する流量値を仮定して、この仮定流量値Qに対するレイノルズ数Reを数式11により求め、公知のムーディ線図と呼ばれる図表から摩擦係数λを読取り、数式10に計測したΔP、読取った前記λを代入して、流量Qを計算する。次に、この計算した流量Qと仮定流量値を比較して一致するように、仮定流量値を変化させて、再度、ムーディ線図を用いて、Reおよびλを求め数式10により流量Qを求め、この手順を仮定流量値に数式10により計算した流量値が一致するまで繰り返し、一致した流量を流量計測値とする方法が考えられる。
このための繰り返しによる流量を探索する方法として、ムーディ線図のレイノルズ数Re、摩擦係数λをデータ処理装置のメモリーにテーブル化して記憶させ、データ処理により流量計測値を自動的に探索する方法が考えられる。
特許文献1特許第4503830は前記のムーディ線図のレイノルズ数Re、摩擦係数λをデータ処理装置のメモリーにテーブル化して記憶させ、データ処理により流量計測値を自動的に探索する方法を採用している。
本発明は、ムーディ線図を用いず、従って、ムーディ線図のテーブル化も必要とせず、公知のダルシー・ワイスバッハの式から求めた第一のレイノルズ数Re、摩擦係数λの関数式、液体の種類に依存しない第二のレイノルズ数Re、摩擦係数λの関数式の二つの独立した関数式を連立してレイノルズ数Re、摩擦係数λを求めている。したがって、本発明と特許文献1特許第4503830とは流量を求める処理変換方式に違いがある。
特許文献2特開平6−94490との大きな相違点を以下に示す。
特開平6−94490は管壁を断熱と考えられる場合で、流体による摩擦を考慮した気体を対象とした圧縮性流体の定常流をFannoの流れとして、公知のFannoの式をもとに管流量を求めている。
これに対して、本発明は非圧縮性の液体を対象としており、公知のダルシー・ワイスバッハの式をもとに流量を求めている。したがって、本発明は特開平6−94490とは流量計測方式に基本的な違いがある。
特許文献3特開昭50−36163との大きな相違点を以下に示す。
第1の相違点として特開昭50−36163は原子炉を冷却する液体ナトリウムを流すパイプの圧力を測定する方法として、パイプ内を流れる液体ナトリウムの圧力により共鳴周波数応答を示す極超短波空洞を用いて圧力を測定している。本発明として圧力を測定する方法は管に半導体方式または静電容量方式等のダイアフラム感圧センサーを挿入して測定するプロセス制御に使われている圧力計により測定することを想定している。特開昭50−36163では極超短波は導波管を通して処理電子器機部でパイプ圧力に相当した電気信号に戻され、パイプの第1と第2の位置に設置したセンサーのパイプ内圧力の差圧から流量を求めている。圧力の測定方式は本発明と違いがあるが電気信号による差圧から流量を換算している点は特開昭50−36163と本発明は変わりない。
第2の相違点として特開昭50−36163の特許請求範囲には「その外部の圧力変化に応答する第1の共鳴極超音波空洞を有し、その圧力変化を表示する電気的出力を供給する第1極超短波センサー;その外部の圧力変化に応答する第2の共鳴極超音波空洞を有し、その圧力変化を表示する電気的出力を供給する第2極超短波センサー;および前記第1および第2センサーから供給された各出力を比較し各出力に応答する手段からなり、」と記述されている。この請求範囲には測定の都度、自動的に流速からレイノルズ数を求めたり、ムーディ線図から摩擦係数を読取ったり、明細書にΔpの式として記載されているダルシー・ワイスバッハの式の計算を行う処理は記述されていない。また、FIG.1にもこれらの処理を行う部分は記述されていない。
明細書に記述されているこれらの処理は流速の測定の都度おこなうのではなく、原子炉を冷却するために必要とする液体ナトリュウムの流速と第1および第2センサー間の差圧を求めておき、測定した差圧とあらかじめ求めておいた差圧と比較して冷却に必要な流量を推定していると解釈できる。本発明は流量測定の都度、管流量計測装置において、これらの処理を行っている。したがって、特開昭50−36163と本発明は流量計測装置として基本的に相違がある。
As a method of measuring the flow rate using the pressure difference ΔP of the pressure gauge installed upstream and downstream of the pipe, regardless of the restriction mechanism such as an orifice, the Reynolds number with respect to this assumed flow rate value Q is assumed assuming the flow rate value to be measured. Re is obtained from Equation 11, the friction coefficient λ is read from a known chart called Moody diagram, ΔP measured in Equation 10 and the read λ are substituted to calculate the flow rate Q. Next, the assumed flow rate value is changed so that the calculated flow rate Q and the assumed flow rate coincide with each other, the Re and λ are obtained again using the Moody diagram, and the flow rate Q is obtained using Equation 10. A method may be considered in which this procedure is repeated until the flow rate value calculated by Equation 10 matches the assumed flow rate value and the matched flow rate is used as the flow rate measurement value.
As a method of searching for the flow rate by repetition for this purpose, there is a method in which the Reynolds number Re and the friction coefficient λ of the Moody diagram are stored as a table in the memory of the data processing device, and the flow rate measurement value is automatically searched by data processing. Conceivable.
Patent Document 1 Patent No. 4503830 adopts a method in which the Reynolds number Re and the friction coefficient λ of the above-mentioned Moody diagram are stored in a memory of a data processing device as a table, and a flow rate measurement value is automatically searched by data processing. Yes.
The present invention does not use a Moody diagram, and therefore does not require a table of the Moody diagram. The first Reynolds number Re obtained from the well-known Darcy-Weissbach equation, the functional equation of the friction coefficient λ, the liquid The Reynolds number Re and the friction coefficient λ are obtained by simultaneously combining two independent functional expressions of the second Reynolds number Re and the friction coefficient λ. Therefore, the present invention and Patent Document 1 Patent No. 4503830 are different in the processing conversion method for obtaining the flow rate.
Major differences from Japanese Patent Laid-Open No. 6-94490 are disclosed below.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-94490 is a case where the pipe wall is considered to be heat insulation, and the steady flow of the compressible fluid intended for the gas considering the friction caused by the fluid is defined as the Fanno flow, and the pipe flow rate based on the well-known Fanno equation. Seeking.
In contrast, the present invention is intended for incompressible liquids, and the flow rate is obtained based on the well-known Darcy-Weissbach equation. Therefore, the present invention has a fundamental difference in the flow rate measurement method from JP-A-6-94490.
Major differences from Japanese Patent Laid-Open No. 50-36163 are described below.
As a first difference, Japanese Patent Laid-Open No. 50-36163 uses a very high frequency cavity as a method for measuring the pressure of a pipe through which liquid sodium for cooling a nuclear reactor flows, and which shows a resonance frequency response by the pressure of liquid sodium flowing through the pipe. To measure the pressure. In the present invention, it is assumed that the pressure is measured by a pressure gauge used for process control in which a diaphragm pressure sensor such as a semiconductor type or a capacitance type is inserted into a tube. In Japanese Patent Laid-Open No. 50-36163, the ultra high frequency wave is returned to the electrical signal corresponding to the pipe pressure in the processing electronics unit through the waveguide, and the differential pressure between the pressures in the pipes of the sensors installed at the first and second positions of the pipe. To obtain the flow rate. Although the pressure measurement method is different from that of the present invention, the present invention is the same as that disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 50-36163 in that the flow rate is converted from the differential pressure due to the electric signal.
The second difference is that Japanese Patent Application Laid-Open No. 50-36163 claims that “it has a first resonant hypersonic cavity that responds to a pressure change outside it and supplies an electrical output that indicates the pressure change. A first ultra-high frequency sensor that has a second resonant hyper-sonic cavity that is responsive to pressure changes external thereto and that provides an electrical output indicative of the pressure change; and the first and It comprises means for comparing each output supplied from the second sensor and responding to each output. " This claim automatically calculates the Reynolds number from the flow velocity each time it is measured, reads the coefficient of friction from the Moody diagram, and calculates the Darcy-Weissbach formula described as the Δp formula in the specification. The processing to be performed is not described. In addition, FIG. No part 1 performs these processes.
These processes described in the specification are not performed every time the flow rate is measured, but the flow rate of liquid sodium necessary for cooling the reactor and the differential pressure between the first and second sensors are obtained. It can be interpreted that the flow rate required for cooling is estimated by comparing the measured differential pressure with the previously determined differential pressure. In the present invention, these processes are performed in the pipe flow rate measuring device every time the flow rate is measured. Therefore, Japanese Patent Laid-Open No. 50-36163 and the present invention are basically different as a flow rate measuring device.

図2は「請求項2」の基本構成図である。
管断面が一様な同一水平面に直線配置された管15を流体が定常流状態で流下する前記管15の上流圧力設定点22の圧力を調整して前記上流圧力と下流圧力予測制御点17との差圧を上流圧力設定点22に設置した上流圧力設定器16により、設定した一定の管流量Qのもとで制御する。
管摩擦係数・差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部17において、数式1のダルシー・ワイスバッハの式の係数を演算する。数式1の管内平均流速uは数式12のuと管内流量Qの関係を用いると数式1は数式13
で表すことができる。

Figure 2019020191

Figure 2019020191

また、数式2のレイノルズ数Reの管内平均流速uを数式12を用いて管内流量Qで置換えると数式2は数式14で表すことができる。
Figure 2019020191

液体の温度を測定する前記温度計3を管の液体温度を代表する位置に設置する。液体温度計3は温度変化に伴う液体粘度と密度を補正するものである。
数式13は、管摩擦係数λ、差圧ΔPの関数としてλ、ΔP以外の値は係数とし設定または演算により求める。
数式14のレイノルズ数は演算により求める。
液体温度計3で測定した液体温度Tを電気信号により伝送する信号伝送部8および伝送路9により伝送して管摩擦係数・差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部17において、液体密度、粘度を設定する液体パラメータ設定部7により設定されている基準温度における液体密度、粘度を測定した液体温度Tにおける液体密度、粘度に換算する。換算はあらかじめ設定されている換算テーブルを参照して換算値を求めるか、または粘度の場合は公知のアンドレード粘度換算数式により換算する。
管の水力直径として円形管の場合は管内径d、上流圧力設定点22と下流圧力予測制御点間の距離Lを管寸法パラメータ設定部6により設定する。
また、下流圧力予測制御点17の圧力予測は設定した管流量Qのもとで行うため管流量設定部18により管流量Qを設定する。以上により、数式13の係数はすべて決定して、管摩擦係数・差圧関数の変数はλとΔPのみの関数となっている。
数式14のレイノルズ数の値もQ、dは設定値で、ρ、μは設定値を液体温度計3で測定した液体温度に換算して求められるために値が決定している。
管摩擦係数演算部19においては、レイノルズ数演算部で数式14により求めたレイノルズ数Reにより摩擦係数λを演算により求める。演算式はレイノルズ数Reの値により層流、層流から乱流域に遷移する遷移流、乱流毎に数式が異なる。
数式の選定はレイノルズ数の値により下記により選定する。
層流の場合(Re<Re)は数式4
遷移流の場合(Re>Re≧Re)は数式8
乱流の場合(Re≧Re)は数式5
により演算する。
摩擦係数λの演算において数式が陰関数の場合は、請求項1の場合と同様に、
ニュートン・ラプソン法等を用いて数値的に解くか、Excel等の表計算ソフトであるゴールシーク、ソルバーなどを下流圧力予測制御装置24に組込むことにより演算で求める。
管摩擦係数演算部19に管相対粗さを管相対粗さ設定部10により設定し、臨界レイノルズ数を臨界レイノルズ数設定部11により設定する。
管摩擦係数演算部19で求めた摩擦係数λは管摩擦係数・差圧関数演算部20において、数式13に代入して差圧ΔPを求める。
上流設定圧力演算表示部21において、前記差圧ΔPに下流設定圧力設定部23で設定している下流設定圧力を加算する。この加算した圧力は上流圧力設定値であり、上流設定圧力演算表示部21で表示する。
同時に前記上流圧力設定値は前記上流圧力設定器16に対して電気信号により信号伝送部8および伝送路9により伝送して前記上流圧力設定器16で圧力設定を行う。
表2に、これらの数式を整理して示す。
Figure 2019020191
FIG. 2 is a basic configuration diagram of “claim 2”.
The upstream pressure and the downstream pressure prediction control point 17 are adjusted by adjusting the pressure of the upstream pressure set point 22 of the pipe 15 where the fluid flows down in a steady flow state through the pipe 15 arranged linearly on the same horizontal plane with a uniform pipe cross section. Is controlled by the upstream pressure setter 16 installed at the upstream pressure set point 22 under a set constant pipe flow rate Q.
In the pipe friction coefficient / differential pressure function coefficient calculation unit and the Reynolds number calculation unit 17, the coefficient of the Darcy-Weissbach equation of Equation 1 is calculated. If the relationship between the u in equation (12) and the in-pipe flow rate Q is used as the average flow velocity u in equation (1), equation (1) becomes equation (13).
Can be expressed as
Figure 2019020191

Figure 2019020191

Further, when the in-pipe average flow velocity u of the Reynolds number Re in Formula 2 is replaced with the pipe flow rate Q using Formula 12, Formula 2 can be expressed by Formula 14.
Figure 2019020191

The thermometer 3 for measuring the temperature of the liquid is installed at a position representing the liquid temperature of the pipe. The liquid thermometer 3 corrects the liquid viscosity and density accompanying the temperature change.
Equation 13 is obtained by setting or calculating the values other than λ and ΔP as functions of the pipe friction coefficient λ and the differential pressure ΔP.
The Reynolds number of Expression 14 is obtained by calculation.
The liquid temperature T measured by the liquid thermometer 3 is transmitted by a signal transmission unit 8 and a transmission path 9 that transmit electrical signals, and the pipe friction coefficient / differential pressure function coefficient calculation unit and Reynolds number calculation unit 17 perform liquid density and viscosity. The liquid density and viscosity at the reference temperature set by the liquid parameter setting unit 7 are converted into the liquid density and viscosity at the measured liquid temperature T. For conversion, a conversion value is obtained with reference to a conversion table set in advance, or in the case of viscosity, conversion is performed using a well-known Andrade viscosity conversion formula.
In the case of a circular pipe, the pipe diameter parameter setting unit 6 sets the pipe inner diameter d and the distance L between the upstream pressure setting point 22 and the downstream pressure prediction control point as the hydraulic diameter of the pipe.
Further, since the pressure prediction at the downstream pressure prediction control point 17 is performed under the set pipe flow rate Q, the pipe flow rate setting unit 18 sets the pipe flow rate Q. As described above, all the coefficients of Expression 13 are determined, and the variables of the pipe friction coefficient / differential pressure function are functions of only λ and ΔP.
The values of Reynolds number in Expression 14 are also determined because Q and d are set values, and ρ and μ are determined by converting the set values to the liquid temperature measured by the liquid thermometer 3.
In the pipe friction coefficient calculation unit 19, the friction coefficient λ is obtained by calculation using the Reynolds number Re obtained by Equation 14 in the Reynolds number calculation unit. The calculation formula varies depending on the value of the Reynolds number Re for each laminar flow, transition flow from laminar flow to turbulent flow region, and turbulent flow.
The formula is selected according to the Reynolds number as follows.
In the case of laminar flow (Re <Re L ), Equation 4
In the case of a transition flow (Re H > Re ≧ Re L ), Equation 8
In the case of turbulent flow (Re ≧ Re H ), Equation 5
Calculate by
In the calculation of the friction coefficient λ, when the mathematical expression is an implicit function, as in the case of claim 1,
It can be solved numerically using the Newton-Raphson method or the like, or can be calculated by incorporating a goal seek, solver, etc., which is a spreadsheet software such as Excel, into the downstream pressure prediction control device 24.
In the pipe friction coefficient calculation unit 19, the pipe relative roughness is set by the pipe relative roughness setting unit 10, and the critical Reynolds number is set by the critical Reynolds number setting unit 11.
The pipe friction coefficient / differential pressure function calculation unit 20 substitutes the coefficient of friction λ obtained by the pipe friction coefficient calculation unit 19 into Equation 13 to obtain the differential pressure ΔP.
In the upstream set pressure calculation display unit 21, the downstream set pressure set by the downstream set pressure setting unit 23 is added to the differential pressure ΔP. This added pressure is an upstream pressure set value and is displayed on the upstream set pressure calculation display unit 21.
At the same time, the upstream pressure set value is transmitted to the upstream pressure setter 16 by an electric signal through the signal transmission unit 8 and the transmission path 9 and the upstream pressure setter 16 sets the pressure.
Table 2 summarizes these mathematical expressions.
Figure 2019020191

広域に設置されたパイプラインでは、高低差のない直線管によるパイプラインが流量計測のために確保できない場合がある。
曲がり管路の代表例として、曲率半径Rでθ度の角度で曲がる図9に示すベンドと曲線を描かないでθ度の角度で曲がる図10に示すエルボがある。
ベンドの損失ヘッドΔhおよびエルボの損失ヘッドΔhの公知の公式を、それぞれ数式15および数式17に示す。

Figure 2019020191

ただし、ζはベンドの損失係数であり、数式16による。
Figure 2019020191

となる。
Figure 2019020191

ただし、ζはエルボの損失係数であり、数式18による。
Figure 2019020191

となる。
図11の同一水平面に設置された曲線管に対して、上流圧力計1および下流圧力計2間の高さが基準点高さに対して、それぞれH1およびH2で上流圧力計1と下流圧力計2間に曲がりがある管の流量計測を考える。
管は一様断面の管15に定常流状態で液体が流れている場合、流速uは管路内で一定である。また、上流圧力計1と下流圧力計2間の総損失Hは摩擦損失と曲がり損失の合計であり数式19なる。
Figure 2019020191

ただし、ζは曲がり損失係数であり、曲がりが複数個所の場合は損失係数ζはこれらの合計である。gは重力の加速度である。
速度水頭は上下流で同じであることを考慮して、上流圧力計1と下流圧力計2間にベルヌーイの定理を適用すれば数式20が得られる。
Figure 2019020191

P1−P2=ΔP、H1−H2=ΔHとし、数式20をΔPについてまとめれば数式21となる。
Figure 2019020191

数式21は上流圧力計1と下流圧力計2間に高低差ΔHおよび曲り管がある場合の数式1に相当する式である。
数式2を用いて、数式21からuを消去してλについて整理すれば数式22と
なる。
Figure 2019020191

数式22は上流圧力計1と下流圧力計2間に高低差ΔHおよび曲り管がある場合の数式3に相当する式である。
上流圧力計1と下流圧力計2間に高低差ΔHおよび曲り管がある場合の流量計算式は、第一管摩擦係数・レイノルズ数関数として、同一平面の直管路の式として数式3の代わりに、数式22を用いる。
すなわち、第一および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数を連立方程式として管摩擦係数・レイノルズ数を演算する。
第一管摩擦係数・レイノルズ数関数は数式22である。
第二管摩擦係数・レイノルズ数関数は層流、遷移流、乱流に対して別々の数式による。
層流については数式4、
遷移流については数式8
乱流については数式5
である。
表3 に、層流、遷移流、乱流の場合について、連立方程式として、摩擦係数、レイノルズ数を求める第一管摩擦係数・レイノルズ数関数および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数の一覧を示す。
乱流の場合において、第一管摩擦係数・レイノルズ数関数および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数の連立方程式を解くにあたり数式が陰関数となる場合、ニュートン・ラプソン法等を用いて数値的に解くか、Excel等の表計算ソフトであるゴールシーク、ソルバーなどを管流量計測装置に組込むことにより演算で求める。
Figure 2019020191

摩擦係数λを用いた流量計算式は数式21より、流速uを求めることにより、数式23
により計算する。
Figure 2019020191

なお、レイノルズ数Reを用いた流量計算式は高低差ΔHおよび曲り管がある場合についても数式11で計算される。 In a pipeline installed in a wide area, there may be a case where a straight pipe without height difference cannot be secured for flow measurement.
As a typical example of the bent pipe, there is a bend shown in FIG. 9 which is bent at an angle of θ degrees with a radius of curvature R and an elbow shown in FIG. 10 which is bent at an angle of θ degrees without drawing a curve.
Bend loss head Delta] h b and known Head Loss Delta] h e elbow official, respectively shown in Equation 15 and Equation 17.
Figure 2019020191

Here, ζ b is a bend loss coefficient and is given by Equation 16.
Figure 2019020191

It becomes.
Figure 2019020191

Where ζ e is the loss factor of the elbow and is given by equation 18.
Figure 2019020191

It becomes.
For the curved pipes installed on the same horizontal plane in FIG. 11, the height between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2 is H1 and H2 with respect to the reference point height, respectively. Consider the flow measurement of a pipe with a bend between the two.
When the liquid is flowing in a steady flow state in the tube 15 having a uniform cross section, the flow velocity u is constant in the pipe line. The total loss H L between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2 is the sum of the friction loss and the bending loss, and is given by Equation 19.
Figure 2019020191

However, ζ is a bending loss coefficient, and when there are a plurality of bendings, the loss coefficient ζ is the sum of these. g is the acceleration of gravity.
Considering that the velocity head is the same in the upstream and downstream, Equation 20 is obtained by applying Bernoulli's theorem between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2.
Figure 2019020191

When P1−P2 = ΔP and H1−H2 = ΔH, and formula 20 is summarized for ΔP, formula 21 is obtained.
Figure 2019020191

Formula 21 is a formula corresponding to Formula 1 when there is a height difference ΔH and a curved pipe between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2.
Using Equation 2, when u is deleted from Equation 21 and arranged for λ, Equation 22 is obtained.
Figure 2019020191

Formula 22 is a formula corresponding to Formula 3 when there is a height difference ΔH and a curved pipe between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2.
The flow rate calculation formula when there is a height difference ΔH and a curved pipe between the upstream pressure gauge 1 and the downstream pressure gauge 2 is expressed as a first pipe friction coefficient / Reynolds number function, instead of Formula 3 as a straight pipe equation in the same plane. For this, Equation 22 is used.
That is, the pipe friction coefficient / Reynolds number is calculated using the first and second pipe friction coefficient / Reynolds number functions as simultaneous equations.
The first pipe friction coefficient / Reynolds number function is Equation 22.
The second pipe friction coefficient and Reynolds number function are based on separate equations for laminar flow, transition flow, and turbulent flow.
For laminar flow, Equation 4,
For transition flow, Equation 8
For turbulence, Equation 5
It is.
Table 3 shows a list of the first pipe friction coefficient / Reynolds number function and the second pipe friction coefficient / Reynolds number function for obtaining the friction coefficient and Reynolds number as simultaneous equations for laminar flow, transition flow, and turbulent flow. .
In the case of turbulent flow, when solving the simultaneous equations of the first pipe friction coefficient / Reynolds number function and the second pipe friction coefficient / Reynolds number function, if the formula becomes an implicit function, numerically using the Newton-Raphson method etc. Solve or obtain by calculation by incorporating a goal seek, solver, etc., which is a spreadsheet software such as Excel, into the pipe flow measuring device.
Figure 2019020191

The flow rate calculation formula using the friction coefficient λ is expressed by Formula 23 by calculating the flow velocity u from Formula 21.
Calculate with
Figure 2019020191

Note that the flow rate calculation formula using the Reynolds number Re is calculated by Formula 11 even when there is a height difference ΔH and a curved pipe.

本発明の請求項1に関する管流量計測装置は、多くの液体用パイプラインに見られる管断面が一様な管の上流および下流に圧力計を設置して、上下流圧力計の差圧、管および液体のデータから流量を計測するものである。管に設置する圧力計はオリフィスのような絞り機構がないため流体に対して摩擦損失がない。本発明により、ムーディ線図を用いることなく、乱流域においては、液体に共通で管内壁の粗さのみに依存したコールブルックの式による管摩擦係数・レイノルズ数関数とダルシー・ワイスバッハの式から誘導した管摩擦係数・レイノルズ数関数の両関数を連立方程式して解き、摩擦係数とレイノルズ数を求めて管流量を直接求めることが可能となった。
本発明は層流、遷移流、乱流を自動的に判別して管流量の計測が可能であり、ムーディ線図の読取り誤差による流量測定誤差が防止でき、測定の高精度化と簡単化が可能となり、農業用水、石油、液化天然ガス、上水道、各種工業用プラント等のパイプラインの流量計測に利用可能である。
計測する管は曲り管、高低差のある管流量の計測にも適用できる。
本発明の請求項2に関する管下流圧力予測制御装置は設定流量に対応して管摩擦係数を計算して管下流圧力予測制御を行うために上流圧力設定の精度が向上し、過大な圧力設定が必要なくなるためにエネルギー損失低減が可能となる。
また、管の内壁面の粗さの経年劣化に伴う管下流圧力値変化を計測し、経年劣化前の管下流圧力予測値と比較することにより管内壁面絶対粗さの値変化を把握することにより管劣化診断が可能となる。
また、管流量計測装置の校正は、上流圧力計の位置で校正流量を流して、下流圧力計との差圧から流量を計測して校正流量と比較することにより容易に行うことが可能である。
また、管流量計測装置として、汎用品である上流、下流に設置する圧力計と代表地点に設置する液体温度計、簡易テレメータと流量演算装置により構成されており多数地点のデータを管理所に集めて共通の流量演算装置で流量計測を行う場合に特に経済的な流量計測が可能である。










In the pipe flow rate measuring apparatus according to claim 1 of the present invention, pressure gauges are installed upstream and downstream of a pipe having a uniform pipe cross section found in many liquid pipelines, and the differential pressure of the upstream and downstream pressure gauges, the pipe In addition, the flow rate is measured from the liquid data. Since the pressure gauge installed in the pipe does not have a throttling mechanism such as an orifice, there is no friction loss against the fluid. According to the present invention, without using a Moody diagram, in the turbulent flow region, it is common to liquids, and the tube friction coefficient, Reynolds number function according to the Colebrook equation and the Darcy-Weissbach equation, which depends only on the roughness of the inner wall of the tube. It is now possible to obtain the pipe flow rate directly by solving both the induced pipe friction coefficient and the Reynolds number function using simultaneous equations and obtaining the friction coefficient and the Reynolds number.
The present invention can automatically measure laminar flow, transition flow, and turbulent flow to measure the pipe flow rate, prevent flow measurement errors due to reading errors in the moody diagram, and improve the accuracy and simplification of the measurement. It is possible to measure the flow rate of pipelines for agricultural water, oil, liquefied natural gas, waterworks, various industrial plants, etc.
The pipe to be measured can be applied to a curved pipe and the measurement of pipe flow with different heights.
The pipe downstream pressure prediction control apparatus according to claim 2 of the present invention calculates the pipe friction coefficient corresponding to the set flow rate and performs pipe downstream pressure prediction control, so that the accuracy of the upstream pressure setting is improved, and an excessive pressure setting is achieved. Energy loss can be reduced because it is not necessary.
In addition, by measuring the change in pipe downstream pressure value due to the aging deterioration of the inner wall surface of the pipe and comparing it with the pipe downstream pressure prediction value before aging deterioration, by grasping the change in the absolute roughness value of the pipe inner wall surface Pipe deterioration diagnosis becomes possible.
In addition, the calibration of the pipe flow measuring device can be easily performed by flowing the calibration flow at the position of the upstream pressure gauge, measuring the flow from the differential pressure with the downstream pressure gauge, and comparing it with the calibration flow. .
In addition, the pipe flow rate measuring device is composed of a general-purpose pressure gauge installed upstream and downstream, a liquid thermometer installed at a representative point, a simple telemeter, and a flow rate calculation device. In particular, when the flow rate is measured by a common flow rate calculation device, the flow rate can be measured economically.










Claims (2)

管断面が一様な管を液体が定常流で流下する前記管の上流圧力を測定する上流圧力計および下流圧力を測定する下流圧力計と、
前記液体の温度を測定する液体温度計と、
ダルシー・ワイスバッハの式をベースとした第一管摩擦係数、レイノルズ数関数の係数を演算する第一管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部と
前記上流圧力計、前記下流圧力計および前記液体温度計で測定した前記上流圧力、前記下流圧力および前記液体温度を前記第一管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部に電気信号により伝送する信号伝送部および伝送路と、
前記第一管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部に液体密度、粘度を設定する液体パラメータ設定部と、
前記第一管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部に前記管の水力直径および前記上流圧力計と前記下流圧力計間の距離を設定する管寸法パラメータ設定部と、
層流、層流から乱流域に遷移する遷移流、乱流毎に数式が異なり、液体の種類に依存しない第二管摩擦係数、レイノルズ数関数の係数を演算する第二管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部と、
前記第二管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部に管相対粗さを設定する管相対粗さ設定部と、
前記第二管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部に臨界レイノルズ数を設定する臨界レイノルズ数設定部と、
前記第一および前記第二管摩擦係数、レイノルズ数関数係数演算部で係数を演算により求めた前記第一および前記第二管摩擦係数、レイノルズ数関数を連立方程式として管摩擦係数、レイノルズ数を演算する連立管摩擦係数、レイノルズ数演算部と、
前記連立管摩擦係数、レイノルズ数関数演算部で求めた管摩擦係数またはレイノルズ数を用いて管流量を演算して表示する流量演算表示部と、
を具備する管流量計測装置。
An upstream pressure gauge for measuring the upstream pressure of the pipe, and a downstream pressure gauge for measuring the downstream pressure, in which the liquid flows down in a steady flow through the pipe having a uniform pipe cross section;
A liquid thermometer for measuring the temperature of the liquid;
First pipe friction coefficient based on Darcy-Weissbach equation, first pipe friction coefficient for calculating the coefficient of the Reynolds number function, Reynolds number function coefficient calculation unit, the upstream pressure gauge, the downstream pressure gauge, and the liquid temperature A signal transmission unit and a transmission path for transmitting the upstream pressure, the downstream pressure and the liquid temperature measured by a meter to the first pipe friction coefficient, Reynolds number function coefficient calculation unit by an electrical signal;
Liquid parameter setting unit for setting the liquid density and viscosity in the first pipe friction coefficient, Reynolds number function coefficient calculation unit,
A pipe dimension parameter setting unit for setting a hydraulic diameter of the pipe and a distance between the upstream pressure gauge and the downstream pressure gauge in the first pipe friction coefficient, Reynolds number function coefficient calculation unit,
Laminar flow, transition flow from laminar flow to turbulent flow region, mathematical formulas differ for each turbulent flow, second pipe friction coefficient independent of liquid type, second pipe friction coefficient and Reynolds number for calculating coefficients of Reynolds number function A function coefficient calculation unit;
A pipe relative roughness setting unit for setting pipe relative roughness in the second pipe friction coefficient, Reynolds number function coefficient calculation unit;
A critical Reynolds number setting unit for setting a critical Reynolds number in the second pipe friction coefficient, Reynolds number function coefficient calculation unit;
Calculate the pipe friction coefficient and Reynolds number using the first and second pipe friction coefficients and the Reynolds number function obtained by calculation in the first and second pipe friction coefficients and the Reynolds number function coefficient calculation unit as simultaneous equations. Simultaneous pipe friction coefficient, Reynolds number calculation unit,
A flow rate calculation display unit that calculates and displays the pipe flow rate using the pipe friction coefficient or the Reynolds number determined by the simultaneous pipe friction coefficient, Reynolds number function calculation unit,
A pipe flow rate measuring device comprising:
管断面が一様な管を流体が定常流状態で流下する前記管の上流圧力設定点の圧力を調整して下流圧力予測制御点との差圧を制御する上流圧力設定点に設置した上流圧力設定器と、
液体の温度を測定する液体温度計と、
ダルシー・ワイスバッハの式をベースとした管摩擦係数、差圧関数の係数を演算する管摩擦係数、差圧関数係数演算部および設定流量に対応したレイノルズ数を演算するレイノルズ数演算部からなる管摩擦係数、差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部と、
前記管摩擦係数、差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部に前記液体温度計で測定した前記液体温度を電気信号により伝送する信号伝送部および伝送路と、
前記管摩擦係数、差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部に液体密度および液体粘度を設定する液体パラメータ設定部と、
前記管摩擦係数、差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部に前記管の水力直径および前記上流圧力設定器と前記下流圧力予測制御点との距離を設定する管寸法パラメータ設定部と、
前記管摩擦係数、差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部に下流圧力予測制御に対応した管流量を設定する管流量設定部と、
前記管摩擦係数、差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部で求めたレイノルズ数に対する管摩擦係数を求める層流、層流から乱流域に遷移する遷移流、乱流毎に数式が異なり、液体の種類に依存しない管摩擦係数演算部と、
前記管摩擦係数演算部に管相対粗さを設定する管相対粗さ設定部と、
前記管摩擦係数演算部に臨界レイノルズ数を設定する臨界レイノルズ数設定部と、
演算した前記管摩擦係数を前記管摩擦係数、差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部で係数を求めた管摩擦係数、差圧関数に代入して差圧を求める管摩擦係数、差圧関数演算部と、
前記管摩擦係数、差圧関数演算部で求めた前記差圧に下流設定圧力を加算した圧力を上流設定圧力として前記上流圧力設定器に設定して表示する上流設定圧力演算表示部と、
前記上流設定圧力演算表示部に対して下流設定圧力を設定する下流設定圧力設定部と、
前記上流設定圧力を前記上流圧力設定器に対して電気信号により伝送する信号伝送部および伝送路と、
を具備する管下流圧力予測制御装置。
Upstream pressure installed at the upstream pressure set point that controls the differential pressure with the downstream pressure prediction control point by adjusting the pressure at the upstream pressure set point of the pipe where the fluid flows down in a steady flow state through the pipe with a uniform pipe cross section A setting device;
A liquid thermometer for measuring the temperature of the liquid;
A pipe consisting of a pipe friction coefficient based on the Darcy-Weissbach equation, a pipe friction coefficient for calculating the coefficient of the differential pressure function, a differential pressure function coefficient calculation section, and a Reynolds number calculation section for calculating the Reynolds number corresponding to the set flow rate. Friction coefficient, differential pressure function coefficient calculator and Reynolds number calculator,
A signal transmission section and a transmission path for transmitting the liquid temperature measured by the liquid thermometer to the pipe friction coefficient, differential pressure function coefficient calculation section and Reynolds number calculation section by an electric signal;
A liquid parameter setting unit for setting a liquid density and a liquid viscosity in the pipe friction coefficient, differential pressure function coefficient calculation unit, and Reynolds number calculation unit;
A pipe dimension parameter setting unit for setting the pipe hydraulic coefficient and the distance between the upstream pressure setter and the downstream pressure prediction control point in the pipe friction coefficient, differential pressure function coefficient calculation unit and Reynolds number calculation unit;
A pipe flow rate setting unit that sets a pipe flow rate corresponding to downstream pressure prediction control in the pipe friction coefficient, differential pressure function coefficient calculation unit, and Reynolds number calculation unit;
The pipe friction coefficient, the differential pressure function coefficient calculation unit and the Reynolds number calculation unit find the pipe friction coefficient with respect to the Reynolds number, the laminar flow, the transition flow from laminar flow to the turbulent flow region, the mathematical formula is different for each turbulent flow, the liquid Tube friction coefficient calculation unit independent of the type of
A pipe relative roughness setting unit for setting pipe relative roughness in the pipe friction coefficient calculation unit;
A critical Reynolds number setting unit for setting a critical Reynolds number in the pipe friction coefficient calculation unit;
The calculated pipe friction coefficient, the pipe friction coefficient, the differential pressure function coefficient calculation section, the pipe friction coefficient obtained by the Reynolds number calculation section, the pipe friction coefficient, the differential pressure function to obtain the differential pressure, and the differential pressure function. An arithmetic unit;
An upstream set pressure calculation display unit configured to display the pressure obtained by adding a downstream set pressure to the differential pressure obtained by the pipe friction coefficient and the differential pressure function calculation unit as an upstream set pressure;
A downstream set pressure setting section for setting a downstream set pressure with respect to the upstream set pressure calculation display section;
A signal transmission section and a transmission path for transmitting the upstream set pressure to the upstream pressure setter by an electrical signal;
A pipe downstream pressure prediction control apparatus comprising:
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