JP2022114796A - 特性評価試験装置、及び、特性評価試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化が可能で、且つ簡易に脈動の振幅を増幅させて、各種の流量計の特性評価試験を行うことが可能な特性評価試験装置および特性評価試験方法を提供する。【解決手段】特性評価試験装置１０Ａは、試験対象のガスメータ１２に一端側が接続された管体１６と、ガスメータ１２を介して管体１６へ圧力波を出力するスピーカユニット１４と、容器本体部及び開口部を有し、管体１６を介してガスメータ１２に開口部が接続され、ガスメータ１２におけるガスＧの脈動の振幅をヘルムホルツ共振により増幅させる中空容器と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、都市ガスやプロパンガスの消費量を計るガスメーターや、プラントなどで使用される各種の流体用計量器についての特性評価試験装置および特性評価試験方法に関する。

ガスの使用に際して、ガス配管内を流れるガスの流量を管理または制御するために、ガスメーターや各種流量計などの気体用計量器が使用されている。当該気体用計量器については、定常流のみならず、脈動環境下においても正確な計測、保安機能が保たれる必要がある。そこで、脈動流を発生させた状態で気体用計量器の特性評価試験を行う必要があるが、実験室内での実施のためにコンパクトな構成が望まれる。脈動流の発生方法としては、共鳴管方式がある（非特許文献１参照）。

共鳴管以外の脈動流の発生方法として、サーボ弁が接続された等温化圧力容器内の圧力制御を用いるものがある（非特許文献２参照）。拡張手法である特許文献３の特性評価試験では、一端が閉塞された管路の他端に圧力制御装置を接続し、当該管路に流量計を取り付け、圧力制御装置で圧力を調整することにより、脈動を発生させている。さらに特許文献４では、特許文献３の特性評価試験よりも高い周波数に対する試験を可能とするために、 流量器に一端が接続され、他端が開放または閉塞された管路と、流入流量を規制するサーボ弁と、サーボ弁と流量器の間に設けられた整流抵抗とを備えており、サーボ弁を流量の逆関数モデルに基づいて制御することで任意の圧力脈動を発生させている。

畠沢政保，"熱音響音波発生機の振動流れ－共鳴管出口付近の流れ－，低温工学，Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．１２，ｐｐ．５２７－５３５（２００８） 舩木達也，川嶋健嗣，香川利春，"気体用連続非定常流量発生装置の開発，計測自動制御学会論文集，Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．５，ｐｐ．４６１－４６６（２００６） 特開２０１３－１４２６７６号公報 特開２０１５－８１８４７号公報

非特許文献１の脈動流発生方法では、共鳴管方式で脈動を生成しているため、長い管路が必要になると共に、生成する脈動の周波数によって管路の長さを変える必要がある。したがって、装置が大がかりになり、操作も煩雑になるという問題がある。

一方、非特許文献２、特許文献３、特許文献４の特性評価試験の装置は、小型化が可能であるが、流量計への流入流量にバラツキが生じやすく、制御が難しいという問題があった。

本発明は、上記事実を考慮し、装置の小型化が可能で、且つ簡易に脈動の振幅を増幅させて、各種の流量計の特性評価試験を行うことが可能な特性評価試験装置および特性評価試験方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る特性評価試験装置は、試験対象の流量計に一端側が接続された管体と、前記流量計を介して前記管体へ圧力波を出力する圧力波出力部と、容器本体部及び開口部を有し、前記管体を介して前記流量計に前記開口部が接続され、前記流量計における流体の脈動の振幅をヘルムホルツ共振により増幅させる中空容器と、を備えている。

請求項１に係る特性評価試験装置は、圧力波出力部、試験対象の流量計に一端側が接続された管体、及び、管体を介して流量計に開口部が接続された中空容器を備えている。圧力波出力部から出力された圧力波は、流量計を介して管体、中空容器へと伝搬される。そして、中空容器によるヘルムホルツ共振により、流量計における流体の脈動の振幅が増幅される。

このように、中空容器によるヘルムホルツ共振により、流量計における流体の脈動の振幅を増幅させることにより、共鳴管を用いた場合と比較して、特性評価試験装置の、小型化を図ることができる。また、ヘルムホルツ共振により流体が一体となって振動するため、流量計への流入流量にバラツキが生じにくく、簡易に脈動の振幅を増幅させることができる。

請求項２に係る特性評価試験装置は、各々容量の異なる複数の前記中空容器が前記管体を介して前記流量計と接続されている。

請求項２に係る特性評価試験装置では、容量の異なる複数の前記中空容器を備えることにより、圧力波出力部から出力される圧力波の周波数に応じた中空容器を選択し、より適切に脈動の振幅を増幅させることができる。

請求項３に係る特性評価試験装置は、複数の前記中空容器の各々と前記管体との連通状態を切り換える開閉弁と、前記圧力波出力部から出力される圧力波の周波数に応じて、前記流量計における流体の脈動の振幅が複数の前記中空容器の中で最大となる１の中空容器が前記管体と接続されるように前記開閉弁を制御する制御部と、を備えている。

請求項３に係る特性評価試験装置によれば、制御部により自動的に脈動振幅の増大に適切な中空容器と管体とを接続することができる。

請求項４に係る特性評価試験装置は、前記管体へ定常流の流体を供給する流体供給部と、前記管体の前記流量計と前記中空容器の間に形成され、前記管体から流体を流出させる枝管と、を備えている。

請求項４に係る特性評価試験装置では、流体供給部から定常流を供給しつつ枝管から流出させることにより、定常流を流量計へ流しつつ、脈動の振幅を増幅させることができる。

請求項５に係る特性評価試験方法は、圧力波出力部から、試験対象の流量計を介して管体へ圧力波を出力し、前記管体を介して前記圧力波を前記流量計に開口部が接続された中空容器へ入力させ、前記流量計における流体の脈動の振幅をヘルムホルツ共振により増幅させる。

請求項５に係る特性評価試験方法によれば、中空容器を用いたヘルムホルツ共振により、小型化された装置により、簡易に、流量計における流体の脈動の振幅を増幅させることができる。

請求項６に係る特性評価試験方法は、各々容量の異なる複数の前記中空容器が前記管体を介して前記流量計と接続され、前記圧力波出力部から出力される圧力波の周波数に応じて、前記流量計における流体の脈動の振幅が複数の前記中空容器の中で最大となる１の中空容器を前記管体と接続する。

請求項６に係る特性評価試験方法によれば、容量の異なる複数の中空容器の中から、圧力波出力部から出力される圧力波の周波数に適した容量の中空容器を用いることにより、適切に脈動の振幅を増幅させることができる。

請求項７に係る特性評価試験方法は、前記管体へ定常流の流体を供給しつつ前記流量計における流体の脈動の振幅をヘルムホルツ共振により増幅させる。

請求項７に係る特性評価試験方法によれば、定常流を流量計へ流しつつ、脈動の振幅を増幅させることができる。

本発明に係る特性評価試験装置、及び特性評価試験方法によれば、小型化された装置により、簡易に、流量計における流体の脈動の振幅を増幅させることができる。

第１実施形態の特性評価試験装置の概略図である。 第１実施形態の特性評価試験装置の制御部のブロック図である。 ヘルムホルツ共振の原理を説明する図である。 第１実施形態の容器選択テーブルである。 容器切換え処理のフローチャートである。 第２実施形態の特性評価試験装置の概略図である。 第２実施形態の特性評価試験装置の制御部のブロック図である。 第１実施形態の変形例に係る特性評価試験装置の概略図である。 第２実施形態の変形例に係る特性評価試験装置の概略図である。

［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。

本実施形態では、特性評価試験装置１０Ａにおいて、流量計の一例としてのガスメータ１２の特性評価試験を行う。図１に示されるように、特性評価試験装置１０Ａは、圧力波出力部としてのスピーカユニット１４、制御部１８、管体１５、１６、及び中空容器としての大容器２０、中容器２２、小容器２４を備えている。

ガスメータ１２は、プラントや一般家庭で使用されるガスの流量を計測する際に使用されるものであり、例えば超音波式ガスメータ等である。ガスメータ１２のガス流入側（上流側）には、管体１５の一端が接続され、ガスメータ１２のガス流出側（下流側）には、管体１６の一端が接続されている。

管体１５の他端には、スピーカユニット１４が接続されている。スピーカユニット１４は、正弦波電気信号を加えることで、スピーカーコーンが振動して管体１５中のガスに正弦波状の圧力脈動を生じさせる機器である。スピーカユニット１４では、例えば、５．０Ｈｚ～６０Ｈｚの範囲で、任意に脈動周波数を発生させることができる。

管体１６の他端は、分岐部Ｂで、第１分岐路１６Ａ、第２分岐路１６Ｂ、第３分岐路１６Ｃに３分岐されている。第１分岐路１６Ａには第１バルブ３０が設けられている、第１分岐路１６Ａは、第１バルブ３０を介して大容器２０に接続されている。第２分岐路１６Ｂには第２バルブ３２が設けられている。第２分岐路１６Ｂは、第２バルブ３２を介して中容器２２に接続されている。第３分岐路１６Ｃには第３バルブ３４が設けられている。第３分岐路１６Ｃは、第３バルブ３４を介して小容器２４に接続されている。

大容器２０は、両端の開口が閉鎖された円筒状とされ、大容器本体２０Ａと開口部２０Ｂを有している。大容器本体２０Ａは内部が中空とされ、内部にガスが充填され、開口部２０Ｂに開口が形成されている。開口部２０Ｂの開口断面は、管体は１６の内径と略同一の円形とされている。大容器本体２０Ａの開口部２０Ｂと対向する奥行方向の長さＬ１Ａ、及び、奥行方向と直交する方向の長さＬ１Ｂは、開口部２０Ｂの開口断面の直径よりも長く設定されている。大容器２０の容量をＶ１とする。開口部２０Ｂは、第１分岐路１６Ａと接続されている。

中容器２２は、両端の開口が閉鎖された円筒状とされ、中容器本体２２Ａと開口部２２Ｂを有している。中容器本体２２Ａは内部が中空とされ、内部にガスが充填され、開口部２２Ｂに開口が形成されている。開口部２２Ｂの開口断面は、管体１６の内径と略同一の円形とされている。中容器本体２２Ａの開口部２２Ｂと対向する奥行方向の長さＬ２Ａ、及び、奥行方向と直交する方向の長さＬ２Ｂは、開口部２２Ｂの開口断面の直径よりも長く設定されている。中容器２２の容量をＶ２とする。開口部２２Ｂは、第２分岐路１６Ｂと接続されている。

小容器２４は、両端の開口が閉鎖された円筒状とされ、小容器本体２４Ａと開口部２４Ｂを有している。小容器本体２４Ａは内部が中空とされ、内部にガスが充填され、開口部２４Ｂに開口が形成されている。開口部２４Ｂの開口断面は、管体１６の内径と略同一の円形とされている。小容器本体２４Ａの開口部２４Ｂと対向する奥行方向の長さＬ３Ａ、及び、奥行方向と直交する方向の長さＬ３Ｂは、開口部２４Ｂの開口断面の直径よりも長く設定されている。小容器２４の容量をＶ３とする。開口部２４Ｂは、第３分岐路１６Ｃと接続されている。

なお、本実施形態では、大容器２０、中容器２２、小容器２４の形状を両端の開口が閉鎖された円筒状としたが、この形状に限定されるものではなく、直方体状、球状、その他の形状であってもよい。

一例として、大容器２０の容量Ｖ１を２０リットル～４０リットル程度、中容器２２の容量Ｖ２を２リットル～５リットル程度、小容器２４の容量Ｖ３を０．５リットル～２．０程度、に設定することができる。なお、大容器２０の容量Ｖ１は２５リットル～３５リットルの範囲、中容器２２の容量Ｖ２を２．５リットル～３．０リットルの範囲、小容器２４の容量Ｖ３を１．０リットル～１．５リットルの範囲に設定することが好ましい。各容器の容量Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３、の関係となっている。

スピーカユニット１４内の流路、管体１５、ガスメータ１２内の流路、管体１６、大容器２０、中容器２２、小容器２４により形成された閉止空間内には、ガスＧが充填されている。ガスＧは、空気であってもよいし、都市ガス等の実際にガスメータ１２を介して供給されるガスであってもよい。

図２に示されるように、制御部１８は、ＣＰＵ４２、ＲＡＭ４４、ＲＯＭ４０、ストレージ４６、Ｉ／Ｏ４８、及びこれらを接続するデータバスやコントロールバス等のバス５０を備える。ストレージ４６には、後述する容器切換え処理のプログラム、容器選択テーブルＴ、などのデータが格納されている。

Ｉ／Ｏ５６には、スピーカユニット１４、第１バルブ３０、第２バルブ３２、第３バルブ３４が接続されている。第１バルブ３０、第２バルブ３２、第３バルブ３４は、電磁弁を用いることができ、制御部１８からの信号により、開閉が制御される。

ここで、本実施形態における、ヘルムホルツ共振の利用について説明する。ヘルムホルツ共振は、容器内の気体がバネの役割を果たして共振する現象であり、共振周波数ｆは、ｃ：音速、Ｌ：管体長さ、Ｓ：管体の断面積、Ｖ：容器体積、として、式（１）で表すことができる。管体長さＬは、管体１５の長さ、ガスメータ１２内の流路長さ、管体１６の長さの合計である。

(1)

容器内圧が上昇すると、図３（Ａ）に示されるように、容器から管体１６内の気体へ圧力が加わり、容器内圧が下降すると、図３（Ｂ）に示されるように管体１６内の気体から容器内へ圧力が加わる。式（１）で示されるように、共振周波数ｆが低いほど、大容量の容器が必要となる。

容器選択テーブルＴは、脈動周波数と大容器２０、中容器２２、小容器２４の対応関係を規定したものであり、図４に示されるように、脈動周波数が１０．５Ｈｚ未満の場合には大容器２０が対応づけられ、脈動周波数が１０．５Ｈｚ以上、１６．０Ｈｚ未満の場合には中容器２２が対応づけられ、脈動周波数が１６．０Ｈｚ以上、５０．０Ｈｚ未満の場合には、小容器２４が対応づけられている。なお、脈動周波数が５０．０Ｈｚ以上の場合には、容器なし、すなわち、容器を使用しない対応とされている。

次に、本実施形態の特性評価試験装置１０Ａの動作について説明する。

脈動周波数の指定された脈動の発生指示を、不図示の入力部から制御部１８へ入力すると、制御部１８では、図５に示される、容器切換え処理が実行される。

ステップＳ１２で、容器選択テーブルＴを読出し、ステップＳ１４で、容器選択テーブルＴから、入力された脈動周波数に対応する容器を選択する。ステップＳ１６で、選択した容器に対応するバルブを開放し、ステップＳ１８で、スピーカユニット１４へ、入力された脈動周波数に対応する正弦波電気信号を送信する。これにより、スピーカユニット１４から管体１５中のガスに正弦波状の圧力脈動が出力される。圧力脈動は、管体１５、ガスメータ１２、管体１６を経て、容器（大容器２０、中容器２２、小容器２４のいずれか）へ伝搬される。そして、容器によるヘルムホルツ共振により、管体１５、１６内のガスの脈動振幅は増幅される。

これにより、特性評価試験装置１０Ａでは、ガスメータ１２に対して、任意の周波数の脈動が入力されている状態での影響を含めて、特性評価試験を行うことができる。

本実施形態の特性評価試験装置１０Ａによれば、中空容器によるヘルムホルツ共振により、ガスメータ１２内の脈動の振幅を増幅させるので、共鳴管を用いた場合と比較して、装置の小型化を図ることができる。また、ヘルムホルツ共振により流体が一体となって振動するため、ガスメータ１２へのガス流入流量にバラツキが生じにくく、複雑な圧力調整を行うことなく、簡易に脈動の振幅を増幅させることができる。

なお、本実施形態では、３個の容器（大容器２０、中容器２２、小容器２４）を管体１６に接続したが、必ずしも３個の必要はなく、１個でも２個でも、４個以上でもよい。容量の異なる複数の中空容器を接続することにより、スピーカユニット１４から出力される圧力波の周波数に応じた中空容器を選択し、より適切に脈動の振幅を増幅させることができる。

また、本実施形態の特性評価試験装置１０Ａでは、容器切換え処理により、選択された容器と管体１６とを自動的に接続することができる。

なお、本実施形態の特性評価試験装置１０Ａに、ガスメータ１２と直列に基準流量計４０を接続してもよい。図８には、基準流量計４０がガスメータ１２の上流側に接続された例が示されている。基準流量計４０は、ガスメータ１２の下流側で分岐部Ｂの上流側に接続してもよい。基準流量計４０としては、通常の流量計や、数値計算や数値モデルによる流量推定器を用いることができる。基準流量計４０を接続することにより、ガスメータ１２の設置部分以外の部分におけるガスの流量を確認することができる。基準流量計４０での計測値とガスメータ１２での計測値が実質上一致することにより、ガスメータ１２に流入するガス流量が一定であることを確認することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して図示し、その詳細な説明は省略する。

本実施形態の特性評価試験装置１０Ｂは、図６に示される様に、第１実施形態の特性評価試験装置１０Ａの各部の構成に加えて、気体供給源２５、タンク２６、サーボバルブ２８、及び、枝管１７を備えている。

上流側から順に、気体供給源２５、タンク２６、サーボバルブ２８、スピーカユニット１４は、管体１５を介して、直列的に接続されている。気体供給源２５は、タンク２６へガスＧを供給する。タンク２６には、ガスＧが一時貯留される。気体供給源２５は、コンプレッサ等により構成することができる。

管体１６には、ガスメータ１２の下流側、分岐部Ｂよりも上流側に、枝管１７が設けられている。枝管１７は、管体１６と連結され、管体１６からガスＧを流出させる。

サーボバルブ２８は、図７に示されるように、制御部１８内のＩ／Ｏ４８と接続されている。サーボバルブ２８により、タンク２６から管体１５へ所定の定常量のガスＧが流れるように制御される。これにより、管体１６から枝管１７へ定常量のガスＧが流出する。

次に、本実施形態の特性評価試験装置１０Ｂの動作について説明する。

脈動周波数の指定された脈動の発生指示を、不図示の入力部から制御部１８へ入力すると、制御部１８では、第１実施形態と同様に、容器切換え処理（図５）が実行される。これにより、特性評価試験装置１０Ｂでは、ガスメータ１２を定常量のガスＧが流れた状態で、且つ、任意の周波数の脈動が入力されている状態での影響を含めて、特性評価試験を行うことができる。

本実施形態の特性評価試験装置１０Ｂによれば、ガスメータ１２を定常量のガスＧが流れる状態において、第１実施形態の特性評価試験装置１０Ａと同様の効果を得ることができる。

なお、本実施形態の特性評価試験装置１０Ｂにも、ガスメータ１２と直列に基準流量計４０を接続してもよい。図９には、基準流量計４０がガスメータ１２の下流側に接続された例が示されている。基準流量計４０は、ガスメータ１２の下流側で枝管１７との分岐の上流側に接続されている。基準流量計４０は、ガスメータ１２の上流側でスピーカユニット１４の下流側に接続してもよい。基準流量計４０を接続することにより、ガスメータ１２の設置部分以外の部分におけるガスの流量を確認することができる。基準流量計４０での計測値とガスメータ１２での計測値が実質上一致することにより、ガスメータ１２に流入するガス流量が一定であることを確認することができる。

１０Ａ、１０Ｂ 特性評価試験装置
１２ ガスメータ（流量計）
１４ スピーカユニット（圧力波出力部）
１６ 管体
１７ 枝管
１８ 制御部
２０ 大容器（中空容器）
２０Ａ 大容器本体（容器本体部）
２０Ｂ 開口部
２２ 中容器（中空容器）
２２Ａ 中容器本体（容器本体部）
２２Ｂ 開口部
２４ 小容器（中空容器）
２４Ａ 小容器本体（容器本体部）
２４Ｂ 開口部
２５ 気体供給源（流体供給部）
２６ タンク（流体供給部）
２８ サーボバルブ（流体供給部）
３０ 第１バルブ（開閉弁）
３２ 第２バルブ（開閉弁）
３４ 第３バルブ（開閉弁）

Claims (7)

1. 試験対象の流量計に一端側が接続された管体と、
   前記流量計を介して前記管体へ圧力波を出力する圧力波出力部と、
   容器本体部及び開口部を有し、前記管体を介して前記流量計に前記開口部が接続され、前記流量計における流体の脈動の振幅をヘルムホルツ共振により増幅させる中空容器と、
   を備えた特性評価試験装置。
2. 各々容量の異なる複数の前記中空容器が前記管体を介して前記流量計と接続されている、請求項１に記載の特性評価試験装置。
3. 複数の前記中空容器の各々と前記管体との連通状態を切り換える開閉弁と、
   前記圧力波出力部から出力される圧力波の周波数に応じて、前記流量計における流体の脈動の振幅が複数の前記中空容器の中で最大となる１の中空容器が前記管体と接続されるように前記開閉弁を制御する制御部と、
   を備えた、
   請求項２に記載の特性評価試験装置。
4. 前記管体へ定常流の流体を供給する流体供給部と、
   前記管体の前記流量計と前記中空容器の間に形成され、前記管体から流体を流出させる枝管と、
   を備えた、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の特性評価試験装置。
5. 圧力波出力部から、試験対象の流量計を介して管体へ圧力波を出力し、
   前記管体を介して前記圧力波を前記流量計に開口部が接続された中空容器へ入力させ、前記流量計における流体の脈動の振幅をヘルムホルツ共振により増幅させる、
   特性評価試験方法。
6. 各々容量の異なる複数の前記中空容器が前記管体を介して前記流量計と接続され、
   前記圧力波出力部から出力される圧力波の周波数に応じて、前記流量計における流体の脈動の振幅が複数の前記中空容器の中で最大となる１の中空容器を前記管体と接続する、
   請求項５に記載の特性評価試験方法。
7. 前記管体へ定常流の流体を供給しつつ前記流量計における流体の脈動の振幅をヘルムホルツ共振により増幅させる、
   請求項５または請求項６に記載の特性評価試験方法。

Images