JP3648724B2 - ガスメータおよび流量計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配管中を流れる燃料用ガスの流量を測定するガスメータおよび配管中を流れるガス等の流体の流量を測定する流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス等の流体に関する流量測定では、測定範囲が広範囲であることや測定精度が高いことが要求される。このような流量測定における要求を満足させるために、従来から種々の流量計が開発されている。
【０００３】
図８は、従来の流量計の一構成例を示す図である。同図に示した流量計８０は、配管９０内を流れる流体の流速を測定する流速センサ８１と、流速センサ８１により得られた流体の流速に基づいて、流量を算出する流量演算部８２とを備えている。流速センサ８１は、配管９０内の流体が流れる流路９１のほぼ中央部に配設されている。なお、流速センサ８１による流量測定の精度を高く維持するためには、流速センサ８１が流体の最も安定した流れの中に配置される必要がある。この流量計８０では、流速センサ８１から、配管９０を流れる流体の単位時間当たりの流速に応じた信号が出力される。流量演算部８２は、流速センサ８１から出力された流速を示す出力信号に基づいて、所定の演算式を用いて配管９０の断面積を乗算し、瞬時流量を演算すると共に、この瞬時流量を適宜積算して積算流量を算出する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の流量計は、以下で説明するような事態に対する対処が不充分であり、必ずしも充分な性能を持った流量測定を行うことができないという問題がある。例えば、一般に、配管９０内を流れる流体の流れには、図８に示すように、配管９０の断面位置に応じて不均一な流速分布９２が生じる。すなわち、配管９０内を流れる流体の流速は、配管９０の中心部で最も速く、配管９０の壁面方向に近くなるにつれて遅くなるような分布となる。このことから、配管９０内を流れる流体の流量測定を目的として、流体の流速を測定する際には、配管９０内を流れる流体の最も安定した流れ部分、すなわち流体の流速分布９２におけるピーク部分の流速を測定することが、流速分布９２による流速の変動誤差を回避するために最も望ましい。よって、図８に示した流量計８０のように、配管９０内の任意の１点においてのみ流体の流速を測定する方式の場合には、流速センサ８１の配設位置（流速測定位置）が重要となる。しかしながら、流速センサ８１の配設位置を、厳密に配管９０の断面位置における中央部に決定することは困難である。
【０００５】
また、一般に、配管９０内を流れる流体には、その流量によっては偏流が発生し、流体の流動状態に変化が生じることが知られている。すなわち、配管９０内を流れる流体には、その流量の大小によって、小流量域における層流状態と呼ばれる流れと、大流量域における乱流状態と呼ばれる流れとの異なる２つの状態が存在する。このことから、流体の流動状態の差異、すなわち、層流状態と乱流状態とによる差異を考慮して流体の流量を演算することが望ましく、例えば、単一の演算式に基づいて流量を演算することは、流体の流動状態の変化による測定誤差を多分に含んだものとなり好ましくない。
【０００６】
一方、測定対象の流体が燃料用ガスである場合には、一般にマイコンメータと呼ばれる多機能のガスメータが使用される。このようなガスメータでは、ガス使用にともなうガスの流量を測定する機能の他に、ガス使用にともなう安全性を確保するための安全機能が付加されている場合がある。安全機能としては、例えば、需要家のガス使用にともなう流量を算出し、その流量値と所定のガス流量の基準値とを比較することにより、前者の値が後者の値を上まわった場合に、ガスの遮断弁を駆動させて、需要家へのガスの供給を遮断するようなものがある。このような安全機能により、配管中におけるガスの漏洩や、不自然なガスの流出などが未然に防止されることとなる。しかしながら、この安全機能が正確に作動するためには、広い流量範囲において、正確にガスの流量測定が行われていることが必要である。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、広い流量範囲にわたって、配管中を流れる燃料用ガスの流量を測定することが可能となるガスメータおよび広い流量範囲にわたって、配管中を流れるガス等の流体の流量を測定することが可能となる流量計を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のガスメータは、燃料用ガスが流れる配管中に配置されるガスメータであって、配管中の動圧を検出する動圧検出手段と、この動圧検出手段によって検出された動圧の値が、層流量域および乱流量域のうちのいずれの流量域に対応するかを判断すると共に、その判断結果に基づいて、互いに異なる第１および第２の演算式のうち、配管中を流れる燃料用ガスの流量を演算するのに適したいずれか一方の演算式を選択する選択手段と、この選択手段によって選択された演算式に基づいて、配管中を流れる燃料用ガスの流量を演算する流量演算手段とを備えたものである。
【０００９】
このガスメータでは、動圧検出手段によって配管中の動圧が検出される。そして、選択手段によって、動圧検出手段によって検出された動圧の値が、層流量域および乱流量域のうちのいずれの流量域に対応するかが判断されると共に、その判断結果に基づいて、互いに異なる第１および第２の演算式のうち、配管中を流れる燃料用ガスの流量を演算するのに適したいずれか一方の演算式が選択される。そして、この選択された演算式に基づいて、流量演算手段によって、配管中を流れる燃料用ガスの流量が演算される。
【００１０】
請求項２記載の流量計は、配管中の動圧を検出する動圧検出手段と、この動圧検出手段によって検出された動圧の値が、層流量域および乱流量域のうちのいずれの流量域に対応するかを判断すると共に、その判断結果に基づいて、互いに異なる第１および第２の演算式のうち、配管中を流れる流体の流量を演算するのに適したいずれか一方の演算式を選択する選択手段と、この選択手段によって選択された演算式に基づいて、配管中を流れる流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたものである。
【００１１】
この流量計では、動圧検出手段によって配管中を流れる流体の動圧が検出される。そして、選択手段によって、動圧検出手段によって検出された動圧の値が、層流量域および乱流量域のうちのいずれの流量域に対応するかが判断されると共に、その判断結果に基づいて、互いに異なる第１および第２の演算式のうち、配管中を流れる流体の流量を演算するのに適したいずれか一方の演算式が選択される。そして、この選択された演算式に基づいて、流量演算手段によって、配管中を流れる流体の流量が演算される。
【００１４】
請求項３記載の流量計は、請求項２記載の流量計において、配管中を流れる流体の瞬時流量をＱ１、配管中の動圧をΔＰとすると、選択手段が、層流量域においては、以下の第１の演算式（１）を選択し、乱流量域においては、以下の第２の演算式（２）を選択するようにしたものである。
Ｑ１＝ｋ×ΔＰ…（１）（ただし、ｋは定数）
Ｑ１＝ｋ×ΔＰ1/2 …（２）
【００１５】
この流量計では、配管中を流れる流体の瞬時流量をＱ１、配管中の動圧をΔＰとすると、選択手段によって、層流量域においては、上述の第１の演算式（１）が選択され、乱流量域においては、上述の第２の演算式（２）が選択される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態に係る流量計としてのガスメータの概略構成を周辺部の構成要素と共に示すブロック図である。なお、本実施の形態では、流量を測定する対象となる流体が、例えば、家庭用燃料ガス（以下、単に「ガス」ともいう。）Ｇである場合について説明する。
【００１８】
本実施の形態に係るガスメータ３は、図１に示したように、配管１中を流れるガスＧの使用にともなう流量データの収集を目的として、配管１中の任意の位置においてガスＧの瞬時流量Ｑ１および積算流量Ｑ２（以下、これらの流量Ｑ１，Ｑ２を総称して、単に「流量Ｑ」ともいう。）を測定するものである。ここで、配管１は、図示しないガスＧの供給元に接続されている本管（図示せず）から分岐したものであり、本管に流れるガスＧを需要家宅のガス器具５にまで導くようになっている。配管１の経路中において、ガスメータ３の上流側には、ガスメータ３より下流側へのガスＧの供給状態を切り換えるためのメータ元栓２が設けられている。また、配管１の経路中において、ガスメータ３とガス器具５との間には、ガス器具５に対するガスＧの供給状態を切り換えるための器具栓４が設けられている。なお、ガスメータ３は、一般に、ガスＧを利用する需要家宅の外部、例えば、メータ元栓２と器具栓４との間の配管１中に設置される。
【００１９】
ガスメータ３は、ガスメータ３を設置した配管箇所において、配管１中を流れるガスＧの総圧Ｐ１０と静圧Ｐ１との差圧（以下、「動圧」ともいう。）ΔＰを検出する差圧検出部１０と、差圧検出部１０によって検出されたガスＧの動圧ΔＰに基づいて、配管１中を流れるガスＧの流量Ｑを算出する流量演算部４０と、ガスメータ３より下流側へのガスＧの供給状態を切り換えるための遮断弁６と、流量演算部４０によって演算された積算流量Ｑ２を表示する表示部７とを備えている。遮断弁６は、例えば、ガスＧの使用にともなう需要家の安全性を確保するために、流量演算部４０によって過大な流量値が算出された場合等の異常時に流路を遮断するようになっている。
【００２０】
ここで、差圧検出部１０が、本発明における「動圧検出手段」の一具体例に対応する。また、流量演算部４０が、本発明における「流量演算手段」の一具体例に対応する。
【００２１】
図２は、図１に示したガスメータ３の各部の詳細な構成例を示すブロック図である。
【００２２】
同図に示したように、差圧検出部１０は、差圧ΔＰを検出するためのガスＧP1およびガスＧP10 が導入される流量測定器２０と、流量測定器２０によって導かれたガスＧP1およびガスＧP10 に基づいて差圧ΔＰを検出する差圧センサ１１と、差圧センサ１１の検出信号ＳΔＰを増幅するアナログ増幅器１３と、アナログ増幅器１３によって増幅された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器１４とを有している。
【００２３】
差圧センサ１１は、流量測定器２０に設けられた後述する静圧測定管２６（図３）から導かれたガスＧP1の圧力（静圧）Ｐ１と、流量測定器２０に設けられた後述する総圧測定管２５（図３）から導かれたガスＧP10 の圧力（総圧）Ｐ１０との差圧ΔＰ（＝Ｐ１０−Ｐ１）を検出するようになっている。この差圧センサ１１は、微少な差圧を測定可能で、且つ測定範囲が広いものであることが望ましく、例えば、ＩＣ（集積回路）化された静電容量型のセンサチップを用いて構成される。なお、差圧センサ１１として用いられる静電容量型センサチップ６０
（図５）の具体的な構成例については、後に図面を参照して詳述する。
【００２４】
流量演算部４０は、差圧検出部１０からの差圧ΔＰを示す検出信号を読み取ると共に、読み取った差圧ΔＰの値に応じて切換信号ＳS1または切換信号ＳS2（以下、２つの信号ＳS1，ＳS2を総称して、単に「切換信号ＳS 」ともいう。）を出力する判定部４１と、判定部４１からの切換信号ＳS に応じて、端子Ｓを端子Ｔ１または端子Ｔ２のいずれか一方に接続させる切換スイッチ４２と、端子Ｔ１および端子Ｔ２に接続され、瞬時流量Ｑ１を演算する際に用いられる演算式ＦS ，ＦR を記憶する関数記憶部５０と、切換スイッチ４２に接続され、関数記憶部５０に記憶されている演算式ＦS ，ＦR に基づいて、ガスＧの流量Ｑを演算するＣＰＵ（中央処理装置）４５とを備えている。流量演算部４０は、更に、ＣＰＵ４５において演算された流量Ｑを記憶するＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）４６と、ＣＰＵ４５に電力を供給するリチウムバッテリ４７と、流量Ｑの測定に関わる時間計測を行うクロック４８と、ガスＧの使用にともなう需要家の安全性を確保するための安全機能部４９とを備えている。ここで、判定部４１が、本発明における「選択手段」の一具体例に対応する。
【００２５】
関数記憶部５０は、切換スイッチ４２の一方の端子Ｔ１に接続された層流量域関数記憶部５１と、切換スイッチ４２の他方の端子Ｔ２に接続された乱流量域関数記憶部４４とを有している。層流量域関数記憶部５１は、層流量域における瞬時流量Ｑ１を演算するのに適した演算式ＦS を記憶しており、ガスＧの流動状態が層流状態である場合に判定部４１によって選択されるようになっている。層流量域関数記憶部５１は、乱流量域における瞬時流量Ｑ１を演算するのに適した演算式ＦR を記憶しており、ガスＧの流動状態が乱流状態である場合に判定部４１によって選択されるようになっている。なお、演算式ＦS および演算式ＦR の具体的内容については、後述する。
【００２６】
ここで、図３を参照して、配管１中を流れるガスＧの流動状態とガスＧの差圧ΔＰとの関係について説明する。図３は、配管１中を流れるガスＧの瞬時流量Ｑ１と、ガスＧの差圧ΔＰとの相関関係を表している。なお、同図において、縦軸は差圧ΔＰを示し、横軸は瞬時流量Ｑ１を示している。同図において符号Ｃを付して示したように、ガスＧの瞬時流量Ｑ１と差圧ΔＰとの相関関係は、所定の差圧ΔＰ０および所定の流量値ＱX によって決定される位置Ｘを境界として、差圧ΔＰおよび瞬時流量Ｑ１の値が小さい領域では、ほぼ直線的な比例関係となる。一方、位置Ｘを境界として、差圧ΔＰおよび瞬時流量Ｑ１の値が大きい領域では、差圧ΔＰが瞬時流量Ｑ１の２乗に比例した関係となる。
【００２７】
ところで、前述したように、配管１中を流れるガスＧの流動状態には、流量が小さい場合に生じる層流状態と、流量が大きい場合に生じる乱流状態とが存在する。前述の瞬時流量Ｑ１と差圧ΔＰとの相関関係の境界となる流量値ＱX は、ガスＧの瞬時流量Ｑ１が属する流量域が、層流量域から乱流量域へ、または乱流量域から層流量域へ変化する際の、ほぼ境界となる流量値に相当する。すなわち、図３に示したように、流量値ＱX を境界にして、瞬時流量Ｑ１と差圧ΔＰとの関係が直線的な比例関係となる流量域Ｓ（第１の流量域）は、層流量域となる。また、流量値ＱX を境界にして、瞬時流量Ｑ１と差圧ΔＰとの関係が２乗に比例した関係となる流量域Ｒ（第２の流量域）は、乱流量域となる。
【００２８】
従って、ガスＧの流量値がＱX である場合に対応するガスＧの差圧ΔＰ０もまた、ガスＧの流動状態が変化する際の境界に相当することとなる。このガスＧの流動状態が変化する際の境界に相当する差圧ΔＰ０を、以下では「基準動圧値」と呼ぶこととする。これらのことから、例えば、前述の差圧センサ１１によって、ガスＧの差圧ΔＰを検出し、その差圧ΔＰを基準動圧値ΔＰ０と比較することにより、ガスＧの属する流量域が、層流量域であるか乱流量域であるかを判断することができる。
【００２９】
なお、一般に、流体の流動状態が層流から乱流に変わる境界は、流量のみに関係するのではなく、流体の密度、粘度および流体が流れる管路の内径等にも関係する。これらの関係を考慮したものとして、レイノルズ（Reynolds）数ＲD と呼ばれるものが知られている。一般には、レイノルズ数ＲD ＝２３２０が、流体の流動状態が層流から乱流に変わる境界値とされている。上述の流量値ＱX は、このレイノルズ数ＲD ＝２３２０に相当する。
【００３０】
再び、図２を参照してガスメータ３の各部の詳細な構成について説明すると、判定部４１は、ガスＧの流動状態を判断する指標となる基準動圧値ΔＰ０をあらかじめ内部に記憶している。また、判定部４１は、差圧検出部１０からの差圧ΔＰを示す検出信号を読み取り、ガスＧの差圧ΔＰを示す信号をＣＰＵ４５へ出力すると共に、差圧ΔＰと基準動圧値ΔＰ０との値を比較するようになっている。このとき、判定部４１は、差圧ΔＰと基準動圧値ΔＰ０とを比較した結果、「ΔＰ＜ΔＰ０」である場合には、ガスＧの流動状態が層流状態であり、その流量域が層流量域に属していると判断する。一方、「ΔＰ≧ΔＰ０」である場合には、判定部４１は、ガスＧの流動状態が乱流状態であり、その流量域が乱流量域に属していると判断するようになっている。
【００３１】
更に、判定部４１は、上述の比較結果が、例えば「ΔＰ＜ΔＰ０」である場合には、ＣＰＵ４５に対して層流量域の流量Ｑを演算するのに適した演算式ＦS を選択させるために、切換スイッチ４２に対して切換信号ＳS1を出力し、切換スイッチ４２の端子Ｓと端子Ｔ１とを接続させて、ＣＰＵ４５と演算式ＦS を記憶した層流量域関数記憶部５１とを接続させるようになっている。一方、上述の比較結果が「ΔＰ≧ΔＰ０」である場合には、判定部４１は、ＣＰＵ４５に対して乱流量域の流量Ｑを演算するのに適した演算式ＦR を選択させるために、切換スイッチ４２に対して切換信号ＳS2を出力し、切換スイッチ４２の端子Ｓと端子Ｔ２とを接続させて、ＣＰＵ４５と演算式ＦR を記憶した乱流量域関数記憶部５２とを接続させるようになっている。
【００３２】
ＣＰＵ４５は、クロック４８から発生されるクロック信号に基づいて、所定の時間毎に、差圧検出部１０からの出力値（差圧データ）ΔＰと、判定部４１が選択した関数記憶部５０内の演算式（演算式ＦS ，ＦR のいずれか１つ）とを読み取ると共に、この読み取った差圧ΔＰおよび演算式に基づいて、配管１中を流れるガスＧの瞬時流量Ｑ１を演算するようになっている。また、ＣＰＵ４５は、瞬時流量Ｑ１を随時積算して、積算流量Ｑ２を求め、その積算流量Ｑ２の値を表示部７に出力するようになっている。なお、ＣＰＵ４５における具体的な瞬時流量Ｑ１の演算内容については、後に詳述する。
【００３３】
また、ＣＰＵ４５は、ガスＧの使用にともなう需要家の安全性を確保するために、危険をともなうガスＧの使用量（瞬時流量Ｑ１）を判断する際の指標となる瞬時流量値（＝基準流量値）ＱD をあらかじめ内部に記憶している。また、ＣＰＵ４５は、演算した瞬時流量Ｑ１とあらかじめ記憶している基準流量値ＱD とを比較し、「Ｑ１≧ＱD 」である場合には、需要家に対して危険をともなう過大な瞬時流量Ｑ１を算出したと判断し、需要家へのガスＧの供給を中断すべく、安全機能部４７に対して遮断弁６の遮断を指示する遮断信号ＳI を出力するようになっている。
【００３４】
安全機能部４９は、過大な流量値が算出された場合等の異常時に、ＣＰＵ４５からの遮断信号ＳI に応じて、遮断弁６を駆動して流路を遮断させ、安全性を確保するようになっている。
【００３５】
図４は、差圧検出部１０に備えられた流量測定器２０の具体的な構成例を示すものであり、流量測定器２０を配管１中に設置した状態を示している。同図において、（Ａ）は、流量測定器２０を配管１の長手方向から見た状態を示し、（Ｃ）は、流量測定器２０を配管１の長手方向に直交する方向から見た状態を示している。また、（Ｂ）は、（Ａ）に示した流量測定器２０におけるＡ−Ａ′線断面図を表す。
【００３６】
流体測定器２０は、例えば、いわゆるピトー管と呼ばれる管状構造物によって構成されている。ピトー管は、異なる２カ所におけるガスＧの静圧Ｐ１および総圧Ｐ１０を検出し、その差圧（＝動圧）ΔＰ（Ｐ１０−Ｐ１）から、例えば、ガスＧの流量を算出する際に用いられるものである。特に、図４に示した流量測定器２０は、一般に、平均化ピトー管と呼ばれる構成のものであり、総圧Ｐ１０を測定するための総圧検出孔２９ａが複数設けられた管状の総圧測定管２５と、静圧Ｐ１を測定するための静圧検出孔２９ｂが複数設けられた管状の静圧測定管２６とを備えている。
【００３７】
総圧測定管２５と静圧測定管２６とは、外管２７によって、一体化された構造となっている。なお、外管２７にも、総圧測定管２５および静圧測定管２６に設けられた総圧検出孔２９ａおよび静圧検出孔２９ｂ（以下、２つの検出孔２９ａ，２９ｂを総称する場合には、単に「圧力検出孔２９」ともいう。）に対応する位置に複数の検出孔が設けられている。外管２７の断面は、例えば、図４（Ｂ）に示したように、４つの角部がカーブ状を呈した菱形に類似の形状となっている。圧力検出孔２９は、外管２７における対向する２つの角部に設けられている。また、総圧測定管２５および静圧測定管２６の断面は、例えば、図４（Ｂ）に示したように、三角形状になっている。ただし、総圧測定管２５および静圧測定管２６の断面形状は、図示したものに限定されず、他の形状であっても良い。
【００３８】
総圧検出孔２９ａおよび静圧検出孔２９ｂは、それぞれ、図４（Ｃ）に示したように、例えば、一直線状に配設されている。圧力検出孔２９は、例えば、中心部にある２つの孔３０の中間点Ｏを通り、管の長手方向と垂直をなす中心線分３１に対して、両側（図中では線分３１に対して上下）に線対称に配置されていることが望ましい。なお、圧力検出孔２９の位置は、中心線分３１に対して上下に線対称に配置されているのであれば、上側および下側における複数の圧力検出孔２９の各孔間隔は任意の間隔で構わない。また、圧力検出孔２９の数は、設置される配管１の管径により異ならせることが望ましく、一般に２個から１０個である。このとき、圧力検出孔２９の数は、管径が大きいほど多く設けることが望ましい。図では、圧力検出孔２９が６個（総圧検出孔２９ａおよび静圧検出孔２９ｂが、それぞれ６個）である場合を示している。
【００３９】
また、流量測定器２０の配管１中における設置位置は、上記の中間点Ｏが配管１の断面の中心位置と一致していることが望ましい。また、図４（Ａ）において、ガスＧの流れが左から右方向に向かうとすると、流量測定器２０は、総圧検出孔２９ａが、ガスＧの流れに対して対向するように設置されることが望ましい。このとき、静圧検出孔２９ｂは、ガスＧの流れの影響を最も受け難い裏側に位置することとなる。よって、ガスＧの流れに対向する側の圧力測定管は総圧測定管２５となり、他方の圧力測定管は静圧測定管２６となる。このような配置とすることにより、総圧測定管２５の総圧検出孔２９ａには、総圧Ｐ１０を及ぼすガスＧP10 が導入されると共に、静圧測定管２６の静圧検出孔２９ｂには、静圧Ｐ１を及ぼすガスＧP1が導入され、差圧センサ１１において、配管１中を流れるガスＧの２つの測定管２５，２６間における圧力差、すなわち「総圧Ｐ１０−静圧Ｐ１＝動圧ΔＰ」が検出されることになる。
【００４０】
ところで、前述したように、一般に、配管１中を流れるガスＧの流れには、図４（Ａ）に示すように、配管１の断面位置に応じて不均一な流速分布７０が生じる。すなわち、配管１中を流れるガスＧの流速分布７０は、流速が配管１の中心部で最も速く、配管１の壁面方向に近くなるにつれて遅くなるような分布となる。また、測定管の周囲に生じる圧力分布についても、一般に、図４（Ａ）に示すように配管１の断面位置に応じて不均一な分布となる。すなわち、総圧測定管２５側の総圧分布７２および静圧測定管２６側の静圧分布７３は、圧力が配管１の中心部で最も大きく、配管１の壁面方向に近くなるにつれて小さくなるような分布となる。従って、配管１中に流れるガスＧの圧力の検出は、ガスＧの流れ方向に垂直な面における任意の１点（配管１の任意の断面位置）における圧力に基づいて検出することは適当ではなく、圧力分布を考慮して複数の点における圧力に基づいて検出し、平均化を図ることが望ましい。そこで、本実施の形態に係るガスメータ３における流量測定器２０としては、例えば、図４に示した環状形の平均化ピトー管が好適である。なお、配管１中に設置される流量測定器２０は、全体として一体化された事実上１本の管状構造物のみなので、流量測定器２０による圧力損失は小さく、流量測定に対する影響は少ない。
【００４１】
ここで、配管１中を流れるガスＧの流量測定をする際に、流速分布７０が存在する場合において平均化ピトー管を採用する利点は、次のようなものが挙げられる。図４に示した平均化ピトー管からなる流量測定器２０をガスＧが流れる配管１中に設置した場合、２つの圧力測定管２５，２６における各圧力検出孔２９は、配管１内のガスＧの流速分布７０に対応した圧力を受けるため、ガスＧの各半径方向位置における圧力検出部として機能する。これにより、各圧力検出孔２９が受ける圧力は、配管１内の環状の面積に対応した圧力となり、２つの圧力検出管２５，２６において検出される圧力Ｐ１０，Ｐ１は、配管断面積全体の平均流速７１に対応した平均圧力となる。これにより、少数の測定点によって導かれる圧力に基づいて検出する場合に比べて、測定される圧力の平均化が図られ、正確な測定が可能とされる。
【００４２】
図５は、差圧検出部１０における差圧センサ１１内部の静電容量型センサチップ６０の構成例を示す断面図である。同図に示したように、静電容量型センサチップ６０は、導電性を有する薄膜状のダイヤフラム６１と、このダイヤフラム６１の周辺部を両側から挟持するように配置された一対の絶縁部材６２とを有している。一対の絶縁部材６２の表面には、ダイヤフラム６１と対向する部分に、それぞれ上部電極６５および下部電極６６が部分的に設けられている。絶縁部材６２は、ダイヤフラム６１の中央部分が変位可能となるような空洞（流体導入室６４ａ，６４ｂ）を形成するようにダイヤフラム６１の周辺部を両側から挟持している。絶縁部材６２の中央部分には、流体導入室６４ａ，６４ｂに連通する流体導入孔６７ａ，６７ｂが設けられている。なお、上部電極６５および下部電極６６と、ダイヤフラム６１とは、静電容量型センサチップ６０における静電容量変化を読みとるための図示しないキャパシタンス計測器に接続されている。また、キャパシタンス計測器は、アナログ増幅器１３（図２）に接続されるようになっている。
【００４３】
絶縁部材６２は、例えば、耐熱ガラス等のガラス部材によって形成されている。絶縁部材６２に設けられた流体導入孔６７ａは、例えば、図４に示した流量測定器２０における総圧測定管２５に接続され、総圧Ｐ１０を及ぼすガスＧP10 を流体導入室６４ａに導くようになっている。一方、流体導入孔６７ｂは、例えば、図４に示した流量測定器２０における静圧測定管２６に接続され、静圧Ｐ１を及ぼすガスＧP1を流体導入室６４ｂに導くようになっている。
【００４４】
ダイヤフラム６１は、例えば、シリコンを主材料として構成されている。また、ダイヤフラム６１は、主材料となるシリコン等に、例えば、燐（Ｐ）やボロン（Ｂ）等の不純物を、拡散法やイオン打ち込み法等により注入することで、導電性を有するように構成されている。ダイヤフラム６１の中央部分の両面６３ａ，６３ｂは、流体導入室６４ａ，６４ｂを形成するために、凹形状となっている。これらのダイヤフラム６１の中央部分における凹形状部分は、例えば、エッチング等により形成される。これらのダイヤフラム６１の中央部分における凹形状部分の表面は、電極を構成している。ダイヤフラム６１において、流体導入室６４ａ，６４ｂを形成するための凹形状部分は、例えば、直径３〜８ｍｍ、深さ５〜１５μｍ程度に形成される。また、凹形状部分を形成したダイヤフラム６１の中央部分の厚さは、例えば、３〜８μｍ程度に形成される。なお、ダイヤフラム６１は、例えば、数μm Ｈ2 Ｏ程度の極微圧でも変位するように極めて薄く形成され、高感度にされていることが望ましい。
【００４５】
静電容量型センサチップ６０は、ダイヤフラム６１の一方の面６３ａと、これに対向する上部電極６５とによって、静電容量が生じるようになっている。また、静電容量型センサチップ６０は、ダイヤフラム６１の他方の面６３ｂと、これに対向する下部電極６６とによって、静電容量が生じるようになっている。なお、静電容量型センサチップ６０における静電容量は、例えば、流体導入室６４ａ、６４ｂにガスＧが導入されていない場合に、ダイヤフラム６１と両電極６５，６６間における静電容量が、同一となるように設定される。
【００４６】
ここで、静電容量型センサチップ６０によるガスＧの動圧検出は、以下のように行われる。例えば、流体導入室６４ａには、図４に示した流量測定器２０における総圧測定管２５から総圧Ｐ１０を及ぼすガスＧP10 が流体導入孔６７ａを通じて導入される。一方、流体導入室６４ｂには、図４に示した流量測定器２０における静圧測定管２６から静圧Ｐ１を及ぼすガスＧP1が流体導入孔６７ｂを通じて導入される。ダイヤフラム６１は、流体導入孔６７ａから導入されたガスＧP10 の圧力（総圧Ｐ１０）と、流体導入孔６７ｂから導入されたガスＧP1の圧力（静圧Ｐ１）との差圧（動圧）に応じて変位する。ここで、ダイヤフラム６１の変位量は、ガスＧP10 によって生じた総圧Ｐ１０による変位量と、ガスＧP1によって生じた静圧Ｐ１による逆方向への変位量との総和、すなわちガスＧの「総圧Ｐ１０−静圧Ｐ１＝動圧ΔＰ」に対応したものとなる。これにより、ダイヤフラム６１と上部電極６５および下部電極６６との間に発生する２つの静電容量には、差異が生じる。この静電容量差を図示しないキャパシタンス計測部を介して計測することにより、配管１中を流れるガスＧの動圧ΔＰを検出することが可能となる。
【００４７】
このような構成の静電容量型センサチップ６０によれば、図３に示した乱流量域におけるガスＧの流れによって生ずる差圧を検出することができると共に、図３に示した層流量域におけるガスＧの微少な流れによって生ずる微少な差圧をも検出することが可能となる。このように、本実施の形態のガスメータ３では、微少な差圧を検出することが可能であるから、その差圧に基づいて、大流量から微少な流量まで広い測定範囲での測定が可能である。
【００４８】
次に、本実施の形態に係るガスメータ３の動作を、図６および図７に示す流れ図に沿って説明する。
【００４９】
まず、図６を参照して、ガスメータ３において、差圧ΔＰを検出し、その差圧ΔＰに基づいて、瞬時流量Ｑ１および積算流量Ｑ２を演算して表示するまでの動作について説明する。ガスメータ３は、例えば、配管１の経路中に設置されたメータ元栓２と器具栓４との間の配管箇所において流量測定を実施する。ガスメータ３は、まず、差圧検出部１０において、流量測定器２０を介して、配管１中を流れるガスＧの総圧Ｐ１０と静圧Ｐ１との差圧（動圧）ΔＰを差圧センサ１１によって検出する（ステップＳ１０１）。差圧センサ１１からの動圧ΔＰを示す検出信号ＳΔＰは、アナログ増幅器１３およびＡ／Ｄ変換器１４を介して、流量演算部４０内の判定部４１に出力される。流量演算部４０内の判定部４１は、差圧センサ１１によって検出された検出データ（動圧ΔＰ）を流量演算部４０内のＣＰＵ４５に送信する。
【００５０】
次に、流量演算部４０内の判定部４１は、差圧センサ１１によって検出された動圧ΔＰと、あらかじめ判定部４１の内部に記憶している基準動圧値ΔＰ０との比較を行い、検出された動圧ΔＰの値が属する領域が、層流量域（第１の流量域）および乱流量域（第２の流量域）のうちのいずれの流量域に対応するかを判断する（ステップＳ１０２）。ここで、判定部４１は、差圧ΔＰと基準動圧値ΔＰ０とを比較した結果、「ΔＰ＜ΔＰ０」である場合には、配管１中を流れるガスＧの流動状態が層流状態であり、その流量が層流量域に属すると判断する。一方、「ΔＰ≧ΔＰ０」である場合には、判定部４１は、ガスＧの流動状態が乱流状態であり、その流量域が乱流量域に属していると判断する。
【００５１】
まず、判定部４１の判定結果が「ΔＰ＜ΔＰ０」である場合、すなわちガスＧの動圧ΔＰが層流量域に属する場合について説明する。判定部４１は、ガスＧの動圧ΔＰが層流量域に属する場合には、ＣＰＵ４５に対して層流量域の流量Ｑを演算するのに適した演算式ＦS を選択させるために、切換スイッチ４２に対して切換信号ＳS1を出力し（ステップＳ１０３）、切換スイッチ４２の端子Ｓと端子Ｔ１とを接続させて、ＣＰＵ４５と演算式ＦS を記憶した層流量域関数記憶部５１とを接続させる（ステップＳ１０５）。次に、ＣＰＵ４５は、判定部４１から入力された動圧データ（ΔＰ）を読み取り、判定部４１が選択した層流量域関数記憶部５１内に記憶されている演算式ＦS に基づいて、瞬時流量Ｑ１を演算する（ステップＳ１０７）。ＣＰＵ４５によって演算された瞬時流量Ｑ１は、流量演算部４０内のＲＡＭ４６に格納される。
【００５２】
ここで、図３を用いて説明したように、層流量域においては、瞬時流量Ｑ１と差圧ΔＰとの関係が直線的な比例関係となるので、層流量域関数記憶部５１内に記憶する演算式ＦS としては、以下の式（１）を用いることが適当である。なお、式（１）において、ｋはガスＧの密度から定まる定数である。
【００５３】
Ｑ１＝ｋ×ΔＰ………（１）
【００５４】
次に、判定部４１の判定結果が「ΔＰ≧ΔＰ０」の場合、すなわちガスＧの動朝ΔＰが乱流量域に属する場合について説明する。判定部４１は、ガスＧの動圧ΔＰが乱流量域に属する場合には、ＣＰＵ４５に対して乱流量域の流量Ｑを演算するのに適した演算式ＦR を選択させるために、切換スイッチ４２に対して切換信号ＳS2を出力し（ステップＳ１０４）、切換スイッチ４２の端子Ｓと端子Ｔ２とを接続させて、ＣＰＵ４５と演算式ＦR を記憶した乱流量域関数記憶部５２とを接続させる（ステップＳ１０６）。次に、ＣＰＵ４５は、判定部４１から入力された動圧データ（ΔＰ）を読み取り、判定部４１が選択した乱流量域関数記憶部５２内の演算式ＦR に基づいて、瞬時流量Ｑ１を演算する（ステップＳ１０８）。ＣＰＵ４５によって演算された瞬時流量Ｑ１は、流量演算部４０内のＲＡＭ４６に格納される。
【００５５】
ここで、図３を用いて説明したように、乱流量域においては、瞬時流量Ｑ１と差圧ΔＰとの関係が２乗に比例した関係となるので、乱流量域関数記憶部５２内に記憶する演算式ＦR としては、以下の式（２）を用いることが適当である。なお、式（２）において、ｋはガスＧの密度から定まる定数である。
【００５６】
Ｑ１＝ｋ×ΔＰ1/2 ………（２）
【００５７】
このように、本実施の形態に係るガスメータ３では、配管１中を流れるガスＧが層流量域および乱流量域のうちのいずれの場合であっても、各流量域に適した演算式を選択的に用いるので、正確な瞬時流量Ｑ１が演算されることになる。
【００５８】
次に、ＣＰＵ４５は、ＲＡＭ４６に格納した瞬時流量Ｑ１の値を、クロック４８からのクロック信号に基づいて所定時間毎に随時積算して、積算流量Ｑ２を演算する（ステップＳ１０９）。最後に、ＣＰＵ４５は、演算した積算流量Ｑ２の値を表示部７に出力する。表示部７は、ＣＰＵ４５によって演算した積算流量Ｑ２の値を表示する（ステップＳ１１０）。
【００５９】
次に、図７を参照して、ガスメータ３における安全機能に係る動作について説明する。まず、ＣＰＵ４５は、図６を参照して説明した演算工程により演算された瞬時流量Ｑ１と、あらかじめ内部に記憶している基準流量値ＱD とを比較し、「Ｑ１≧ＱD 」の条件を満足するか否かを判定する（ステップＳ２０１）。ここで、「Ｑ１≧ＱD 」でない場合（ステップＳ２０１；Ｎ）には、ＣＰＵ４５は、需要家に対するガスＧの供給は、安全な範囲であると判断し、このステップを繰り返す。一方、「Ｑ１≧ＱD 」である場合（ステップＳ２０１；Ｙ）には、ＣＰＵ４５は、需要家に対して危険をともなう過大な瞬時流量Ｑ１を検出したと判断し、需要家へのガスＧの供給を中断すべく、安全機能部４７に対して遮断弁６の遮断を指示する遮断信号ＳI を出力する（ステップＳ２０２）。安全機能部４９は、ＣＰＵ４５からの遮断信号ＳI に応じて、遮断弁６を駆動して流路を遮断させ、需要家に対するガスＧの供給を遮断する（ステップＳ２０３）。このようにして、需要家に対する安全性が確保される。
【００６０】
以上説明したように、本実施の形態に係るガスメータ３によれば、判定部４１が、差圧検出部１０によって検出された動圧ΔＰの値が属する領域に応じて、配管１中を流れるガスＧの流量Ｑの取得方法を選択し、この判定部４１によって選択された流量Ｑの取得方法に基づいて、ＣＰＵ４５がガスＧの流量を演算するようにしたので、動圧ΔＰの値が属する領域が層流状態であるか乱流状態であるかに応じて、異なる演算方法で流量Ｑの演算を行うことが可能となり、ガスＧの流動状態に関わらず単一の演算式を用いて瞬時流量Ｑ１の演算処理をする場合と比較して、流動状態の変化により生じる測定誤差を回避することが可能となる。これにより、広い流量範囲にわたって、配管１中を流れるガスＧの流量を精度良く測定することが可能となる。
【００６１】
また、本実施の形態に係るガスメータ３によれば、差圧センサ１１として、図５に示したような構成の静電容量型センサチップ６０を用いるようにしたので、乱流量域におけるガスＧの流れによって生ずる大きな動圧ΔＰを検出することができると共に、層流量域におけるガスＧの微少な流れによって生ずる微少な動圧ΔＰをも検出することが可能となり、大流量から微少な流量まで広い測定範囲での流量測定に対応できる。更に、本実施の形態に係るガスメータ３によれば、ガスＧの動圧ΔＰを検出する手段として、例えば、平均化ピトー管から構成される流量測定器２０を使用するようにしたので、配管１中を流れるガスＧの流速に不均一な流速分布７０（図４（Ａ））が生じる場合においても、流量測定器２０を介して差圧センサ１１により検出されるガスＧの動圧ΔＰを、平均化して測定精度の低下を防止することができる。これにより、本実施の形態に係るガスメータ３では、ガスＧの流速分布７０により生じる測定誤差を回避することが可能となり、より精度の高い流量測定を行うことが可能となる。
【００６２】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【００６３】
例えば、上記の実施の形態では、流量測定器２０の一例として、環状の平均化ピトー管と呼ばれる構造のものについて説明したが、流量測定器２０として用いるピトー管の構造は、環状の平均化ピトー管に限らず、砲弾形等の他の形状のものを使用しても良い。また、流量測定器２０として、平均化ピトー管ではない他の構造のピトー管、例えば、配管１中を流れるガスＧの任意の１点についてのみ測定可能であるものを使用することも可能である。この場合には、前述したガスＧの流速分布７０（図３）を改めて考慮しなければならず、例えば、整流格子等によりガスＧの流速分布７０を均一化することが望ましい。また、この際に生じる整流格子等の構造物による圧力損失は、別途設定し、総圧Ｐ０を算出するための演算式に対する補正を行うことが望ましい。
【００６４】
また、例えば、上記実施の形態では、家庭用燃料ガスＧの流量Ｑを測定する場合について説明したが、本発明は、家庭用燃料ガスＧ以外の他の気体の流量Ｑを測定する場合にも適用可能である。更に、本発明は、気体に限らず、家庭用水道水等の液体等、他の流体の流量Ｑを測定する場合にも適用可能である。
【００６５】
更に、例えば、上記実施の形態では、瞬時流量Ｑ１と共に積算流量Ｑ２を測定する場合について説明したが、本発明は、単に瞬時流量Ｑ１のみを測定するような場合にも適用可能である。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載のガスメータによれば、動圧検出手段によって検出された動圧の値が、層流量域および乱流量域のうちのいずれの流量域に対応するかを判断すると共に、その判断結果に基づいて、互いに異なる第１および第２の演算式のうち、配管中を流れる燃料用ガスの流量を演算するのに適したいずれか一方の演算式を選択し、その選択された演算式に基づいて、配管中を流れる燃料用ガスの流量を演算するようにしたので、検出された動圧の値が属する領域に応じて、配管中を流れる燃料用ガスの流量の取得方法を選択的に変化させて流量を演算することが可能となり、広い流量範囲にわたって、配管中を流れる燃料用ガスの流量を測定することが可能となるという効果を奏する。
【００６７】
また、請求項２または３に記載の流量計によれば、動圧検出手段によって検出された動圧の値が、層流量域および乱流量域のうちのいずれの流量域に対応するかを判断すると共に、その判断結果に基づいて、互いに異なる第１および第２の演算式のうち、配管中を流れる流体の流量を演算するのに適したいずれか一方の演算式を選択し、その選択された演算式に基づいて、配管中を流れる流体の流量を演算するようにしたので、動圧の値が属する領域に応じた流量の演算が可能となり、広い流量範囲にわたって、配管中を流れるガス等の流体の流量を測定することが可能となるという効果を奏する。
特に、配管中を流れる流体の流動状態が層流状態であるか乱流状態であるかに応じて、異なる流量の取得方法を選択し、流動状態の違いに応じた精度の良い流量測定を行うことが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る流量計としてのガスメータの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示したガスメータの各部の詳細な構成例を示すブロック図である。
【図３】ガスの流量と差圧との相関関係を表す説明図である。
【図４】図１に示したガスメータにおける流量測定器の構成例を表す構成図である。
【図５】図１に示したガスメータにおける差圧センサとして用いられる静電容量型センサチップの構成例を示す断面図である。
【図６】図１に示したガスメータにおいて、差圧を検出してから流量を演算して表示するまでの動作手順を表す流れ図である。
【図７】図１に示したガスメータにおける安全機能に係る動作について説明するための流れ図である。
【図８】従来の流量計の構成を表す断面図である。
【符号の説明】
１ 配管
２ メータ元栓
３ ガスメータ
４ 器具栓
５ ガス器具
６ 遮断弁
１０ 差圧検出部
１１ 差圧センサ
２０ 流量測定器
４０ 流量演算部
４１ 判定部
４２ 切換スイッチ
４６ ＣＰＵ
４９ 安全機能部
５０ 関数記憶部
５１ 層流量域関数記憶部
５２ 乱流量域関数記憶部
６０ 静電容量型センサチップ
【発明の属する技術分野】
本発明は、配管中を流れる燃料用ガスの流量を測定するガスメータおよび配管中を流れるガス等の流体の流量を測定する流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス等の流体に関する流量測定では、測定範囲が広範囲であることや測定精度が高いことが要求される。このような流量測定における要求を満足させるために、従来から種々の流量計が開発されている。
【０００３】
図８は、従来の流量計の一構成例を示す図である。同図に示した流量計８０は、配管９０内を流れる流体の流速を測定する流速センサ８１と、流速センサ８１により得られた流体の流速に基づいて、流量を算出する流量演算部８２とを備えている。流速センサ８１は、配管９０内の流体が流れる流路９１のほぼ中央部に配設されている。なお、流速センサ８１による流量測定の精度を高く維持するためには、流速センサ８１が流体の最も安定した流れの中に配置される必要がある。この流量計８０では、流速センサ８１から、配管９０を流れる流体の単位時間当たりの流速に応じた信号が出力される。流量演算部８２は、流速センサ８１から出力された流速を示す出力信号に基づいて、所定の演算式を用いて配管９０の断面積を乗算し、瞬時流量を演算すると共に、この瞬時流量を適宜積算して積算流量を算出する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の流量計は、以下で説明するような事態に対する対処が不充分であり、必ずしも充分な性能を持った流量測定を行うことができないという問題がある。例えば、一般に、配管９０内を流れる流体の流れには、図８に示すように、配管９０の断面位置に応じて不均一な流速分布９２が生じる。すなわち、配管９０内を流れる流体の流速は、配管９０の中心部で最も速く、配管９０の壁面方向に近くなるにつれて遅くなるような分布となる。このことから、配管９０内を流れる流体の流量測定を目的として、流体の流速を測定する際には、配管９０内を流れる流体の最も安定した流れ部分、すなわち流体の流速分布９２におけるピーク部分の流速を測定することが、流速分布９２による流速の変動誤差を回避するために最も望ましい。よって、図８に示した流量計８０のように、配管９０内の任意の１点においてのみ流体の流速を測定する方式の場合には、流速センサ８１の配設位置（流速測定位置）が重要となる。しかしながら、流速センサ８１の配設位置を、厳密に配管９０の断面位置における中央部に決定することは困難である。
【０００５】
また、一般に、配管９０内を流れる流体には、その流量によっては偏流が発生し、流体の流動状態に変化が生じることが知られている。すなわち、配管９０内を流れる流体には、その流量の大小によって、小流量域における層流状態と呼ばれる流れと、大流量域における乱流状態と呼ばれる流れとの異なる２つの状態が存在する。このことから、流体の流動状態の差異、すなわち、層流状態と乱流状態とによる差異を考慮して流体の流量を演算することが望ましく、例えば、単一の演算式に基づいて流量を演算することは、流体の流動状態の変化による測定誤差を多分に含んだものとなり好ましくない。
【０００６】
一方、測定対象の流体が燃料用ガスである場合には、一般にマイコンメータと呼ばれる多機能のガスメータが使用される。このようなガスメータでは、ガス使用にともなうガスの流量を測定する機能の他に、ガス使用にともなう安全性を確保するための安全機能が付加されている場合がある。安全機能としては、例えば、需要家のガス使用にともなう流量を算出し、その流量値と所定のガス流量の基準値とを比較することにより、前者の値が後者の値を上まわった場合に、ガスの遮断弁を駆動させて、需要家へのガスの供給を遮断するようなものがある。このような安全機能により、配管中におけるガスの漏洩や、不自然なガスの流出などが未然に防止されることとなる。しかしながら、この安全機能が正確に作動するためには、広い流量範囲において、正確にガスの流量測定が行われていることが必要である。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、広い流量範囲にわたって、配管中を流れる燃料用ガスの流量を測定することが可能となるガスメータおよび広い流量範囲にわたって、配管中を流れるガス等の流体の流量を測定することが可能となる流量計を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のガスメータは、燃料用ガスが流れる配管中に配置されるガスメータであって、配管中の動圧を検出する動圧検出手段と、この動圧検出手段によって検出された動圧の値が、層流量域および乱流量域のうちのいずれの流量域に対応するかを判断すると共に、その判断結果に基づいて、互いに異なる第１および第２の演算式のうち、配管中を流れる燃料用ガスの流量を演算するのに適したいずれか一方の演算式を選択する選択手段と、この選択手段によって選択された演算式に基づいて、配管中を流れる燃料用ガスの流量を演算する流量演算手段とを備えたものである。
【０００９】
このガスメータでは、動圧検出手段によって配管中の動圧が検出される。そして、選択手段によって、動圧検出手段によって検出された動圧の値が、層流量域および乱流量域のうちのいずれの流量域に対応するかが判断されると共に、その判断結果に基づいて、互いに異なる第１および第２の演算式のうち、配管中を流れる燃料用ガスの流量を演算するのに適したいずれか一方の演算式が選択される。そして、この選択された演算式に基づいて、流量演算手段によって、配管中を流れる燃料用ガスの流量が演算される。
【００１０】
請求項２記載の流量計は、配管中の動圧を検出する動圧検出手段と、この動圧検出手段によって検出された動圧の値が、層流量域および乱流量域のうちのいずれの流量域に対応するかを判断すると共に、その判断結果に基づいて、互いに異なる第１および第２の演算式のうち、配管中を流れる流体の流量を演算するのに適したいずれか一方の演算式を選択する選択手段と、この選択手段によって選択された演算式に基づいて、配管中を流れる流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたものである。
【００１１】
この流量計では、動圧検出手段によって配管中を流れる流体の動圧が検出される。そして、選択手段によって、動圧検出手段によって検出された動圧の値が、層流量域および乱流量域のうちのいずれの流量域に対応するかが判断されると共に、その判断結果に基づいて、互いに異なる第１および第２の演算式のうち、配管中を流れる流体の流量を演算するのに適したいずれか一方の演算式が選択される。そして、この選択された演算式に基づいて、流量演算手段によって、配管中を流れる流体の流量が演算される。
【００１４】
請求項３記載の流量計は、請求項２記載の流量計において、配管中を流れる流体の瞬時流量をＱ１、配管中の動圧をΔＰとすると、選択手段が、層流量域においては、以下の第１の演算式（１）を選択し、乱流量域においては、以下の第２の演算式（２）を選択するようにしたものである。
Ｑ１＝ｋ×ΔＰ…（１）（ただし、ｋは定数）
Ｑ１＝ｋ×ΔＰ1/2 …（２）
【００１５】
この流量計では、配管中を流れる流体の瞬時流量をＱ１、配管中の動圧をΔＰとすると、選択手段によって、層流量域においては、上述の第１の演算式（１）が選択され、乱流量域においては、上述の第２の演算式（２）が選択される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態に係る流量計としてのガスメータの概略構成を周辺部の構成要素と共に示すブロック図である。なお、本実施の形態では、流量を測定する対象となる流体が、例えば、家庭用燃料ガス（以下、単に「ガス」ともいう。）Ｇである場合について説明する。
【００１８】
本実施の形態に係るガスメータ３は、図１に示したように、配管１中を流れるガスＧの使用にともなう流量データの収集を目的として、配管１中の任意の位置においてガスＧの瞬時流量Ｑ１および積算流量Ｑ２（以下、これらの流量Ｑ１，Ｑ２を総称して、単に「流量Ｑ」ともいう。）を測定するものである。ここで、配管１は、図示しないガスＧの供給元に接続されている本管（図示せず）から分岐したものであり、本管に流れるガスＧを需要家宅のガス器具５にまで導くようになっている。配管１の経路中において、ガスメータ３の上流側には、ガスメータ３より下流側へのガスＧの供給状態を切り換えるためのメータ元栓２が設けられている。また、配管１の経路中において、ガスメータ３とガス器具５との間には、ガス器具５に対するガスＧの供給状態を切り換えるための器具栓４が設けられている。なお、ガスメータ３は、一般に、ガスＧを利用する需要家宅の外部、例えば、メータ元栓２と器具栓４との間の配管１中に設置される。
【００１９】
ガスメータ３は、ガスメータ３を設置した配管箇所において、配管１中を流れるガスＧの総圧Ｐ１０と静圧Ｐ１との差圧（以下、「動圧」ともいう。）ΔＰを検出する差圧検出部１０と、差圧検出部１０によって検出されたガスＧの動圧ΔＰに基づいて、配管１中を流れるガスＧの流量Ｑを算出する流量演算部４０と、ガスメータ３より下流側へのガスＧの供給状態を切り換えるための遮断弁６と、流量演算部４０によって演算された積算流量Ｑ２を表示する表示部７とを備えている。遮断弁６は、例えば、ガスＧの使用にともなう需要家の安全性を確保するために、流量演算部４０によって過大な流量値が算出された場合等の異常時に流路を遮断するようになっている。
【００２０】
ここで、差圧検出部１０が、本発明における「動圧検出手段」の一具体例に対応する。また、流量演算部４０が、本発明における「流量演算手段」の一具体例に対応する。
【００２１】
図２は、図１に示したガスメータ３の各部の詳細な構成例を示すブロック図である。
【００２２】
同図に示したように、差圧検出部１０は、差圧ΔＰを検出するためのガスＧP1およびガスＧP10 が導入される流量測定器２０と、流量測定器２０によって導かれたガスＧP1およびガスＧP10 に基づいて差圧ΔＰを検出する差圧センサ１１と、差圧センサ１１の検出信号ＳΔＰを増幅するアナログ増幅器１３と、アナログ増幅器１３によって増幅された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器１４とを有している。
【００２３】
差圧センサ１１は、流量測定器２０に設けられた後述する静圧測定管２６（図３）から導かれたガスＧP1の圧力（静圧）Ｐ１と、流量測定器２０に設けられた後述する総圧測定管２５（図３）から導かれたガスＧP10 の圧力（総圧）Ｐ１０との差圧ΔＰ（＝Ｐ１０−Ｐ１）を検出するようになっている。この差圧センサ１１は、微少な差圧を測定可能で、且つ測定範囲が広いものであることが望ましく、例えば、ＩＣ（集積回路）化された静電容量型のセンサチップを用いて構成される。なお、差圧センサ１１として用いられる静電容量型センサチップ６０
（図５）の具体的な構成例については、後に図面を参照して詳述する。
【００２４】
流量演算部４０は、差圧検出部１０からの差圧ΔＰを示す検出信号を読み取ると共に、読み取った差圧ΔＰの値に応じて切換信号ＳS1または切換信号ＳS2（以下、２つの信号ＳS1，ＳS2を総称して、単に「切換信号ＳS 」ともいう。）を出力する判定部４１と、判定部４１からの切換信号ＳS に応じて、端子Ｓを端子Ｔ１または端子Ｔ２のいずれか一方に接続させる切換スイッチ４２と、端子Ｔ１および端子Ｔ２に接続され、瞬時流量Ｑ１を演算する際に用いられる演算式ＦS ，ＦR を記憶する関数記憶部５０と、切換スイッチ４２に接続され、関数記憶部５０に記憶されている演算式ＦS ，ＦR に基づいて、ガスＧの流量Ｑを演算するＣＰＵ（中央処理装置）４５とを備えている。流量演算部４０は、更に、ＣＰＵ４５において演算された流量Ｑを記憶するＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）４６と、ＣＰＵ４５に電力を供給するリチウムバッテリ４７と、流量Ｑの測定に関わる時間計測を行うクロック４８と、ガスＧの使用にともなう需要家の安全性を確保するための安全機能部４９とを備えている。ここで、判定部４１が、本発明における「選択手段」の一具体例に対応する。
【００２５】
関数記憶部５０は、切換スイッチ４２の一方の端子Ｔ１に接続された層流量域関数記憶部５１と、切換スイッチ４２の他方の端子Ｔ２に接続された乱流量域関数記憶部４４とを有している。層流量域関数記憶部５１は、層流量域における瞬時流量Ｑ１を演算するのに適した演算式ＦS を記憶しており、ガスＧの流動状態が層流状態である場合に判定部４１によって選択されるようになっている。層流量域関数記憶部５１は、乱流量域における瞬時流量Ｑ１を演算するのに適した演算式ＦR を記憶しており、ガスＧの流動状態が乱流状態である場合に判定部４１によって選択されるようになっている。なお、演算式ＦS および演算式ＦR の具体的内容については、後述する。
【００２６】
ここで、図３を参照して、配管１中を流れるガスＧの流動状態とガスＧの差圧ΔＰとの関係について説明する。図３は、配管１中を流れるガスＧの瞬時流量Ｑ１と、ガスＧの差圧ΔＰとの相関関係を表している。なお、同図において、縦軸は差圧ΔＰを示し、横軸は瞬時流量Ｑ１を示している。同図において符号Ｃを付して示したように、ガスＧの瞬時流量Ｑ１と差圧ΔＰとの相関関係は、所定の差圧ΔＰ０および所定の流量値ＱX によって決定される位置Ｘを境界として、差圧ΔＰおよび瞬時流量Ｑ１の値が小さい領域では、ほぼ直線的な比例関係となる。一方、位置Ｘを境界として、差圧ΔＰおよび瞬時流量Ｑ１の値が大きい領域では、差圧ΔＰが瞬時流量Ｑ１の２乗に比例した関係となる。
【００２７】
ところで、前述したように、配管１中を流れるガスＧの流動状態には、流量が小さい場合に生じる層流状態と、流量が大きい場合に生じる乱流状態とが存在する。前述の瞬時流量Ｑ１と差圧ΔＰとの相関関係の境界となる流量値ＱX は、ガスＧの瞬時流量Ｑ１が属する流量域が、層流量域から乱流量域へ、または乱流量域から層流量域へ変化する際の、ほぼ境界となる流量値に相当する。すなわち、図３に示したように、流量値ＱX を境界にして、瞬時流量Ｑ１と差圧ΔＰとの関係が直線的な比例関係となる流量域Ｓ（第１の流量域）は、層流量域となる。また、流量値ＱX を境界にして、瞬時流量Ｑ１と差圧ΔＰとの関係が２乗に比例した関係となる流量域Ｒ（第２の流量域）は、乱流量域となる。
【００２８】
従って、ガスＧの流量値がＱX である場合に対応するガスＧの差圧ΔＰ０もまた、ガスＧの流動状態が変化する際の境界に相当することとなる。このガスＧの流動状態が変化する際の境界に相当する差圧ΔＰ０を、以下では「基準動圧値」と呼ぶこととする。これらのことから、例えば、前述の差圧センサ１１によって、ガスＧの差圧ΔＰを検出し、その差圧ΔＰを基準動圧値ΔＰ０と比較することにより、ガスＧの属する流量域が、層流量域であるか乱流量域であるかを判断することができる。
【００２９】
なお、一般に、流体の流動状態が層流から乱流に変わる境界は、流量のみに関係するのではなく、流体の密度、粘度および流体が流れる管路の内径等にも関係する。これらの関係を考慮したものとして、レイノルズ（Reynolds）数ＲD と呼ばれるものが知られている。一般には、レイノルズ数ＲD ＝２３２０が、流体の流動状態が層流から乱流に変わる境界値とされている。上述の流量値ＱX は、このレイノルズ数ＲD ＝２３２０に相当する。
【００３０】
再び、図２を参照してガスメータ３の各部の詳細な構成について説明すると、判定部４１は、ガスＧの流動状態を判断する指標となる基準動圧値ΔＰ０をあらかじめ内部に記憶している。また、判定部４１は、差圧検出部１０からの差圧ΔＰを示す検出信号を読み取り、ガスＧの差圧ΔＰを示す信号をＣＰＵ４５へ出力すると共に、差圧ΔＰと基準動圧値ΔＰ０との値を比較するようになっている。このとき、判定部４１は、差圧ΔＰと基準動圧値ΔＰ０とを比較した結果、「ΔＰ＜ΔＰ０」である場合には、ガスＧの流動状態が層流状態であり、その流量域が層流量域に属していると判断する。一方、「ΔＰ≧ΔＰ０」である場合には、判定部４１は、ガスＧの流動状態が乱流状態であり、その流量域が乱流量域に属していると判断するようになっている。
【００３１】
更に、判定部４１は、上述の比較結果が、例えば「ΔＰ＜ΔＰ０」である場合には、ＣＰＵ４５に対して層流量域の流量Ｑを演算するのに適した演算式ＦS を選択させるために、切換スイッチ４２に対して切換信号ＳS1を出力し、切換スイッチ４２の端子Ｓと端子Ｔ１とを接続させて、ＣＰＵ４５と演算式ＦS を記憶した層流量域関数記憶部５１とを接続させるようになっている。一方、上述の比較結果が「ΔＰ≧ΔＰ０」である場合には、判定部４１は、ＣＰＵ４５に対して乱流量域の流量Ｑを演算するのに適した演算式ＦR を選択させるために、切換スイッチ４２に対して切換信号ＳS2を出力し、切換スイッチ４２の端子Ｓと端子Ｔ２とを接続させて、ＣＰＵ４５と演算式ＦR を記憶した乱流量域関数記憶部５２とを接続させるようになっている。
【００３２】
ＣＰＵ４５は、クロック４８から発生されるクロック信号に基づいて、所定の時間毎に、差圧検出部１０からの出力値（差圧データ）ΔＰと、判定部４１が選択した関数記憶部５０内の演算式（演算式ＦS ，ＦR のいずれか１つ）とを読み取ると共に、この読み取った差圧ΔＰおよび演算式に基づいて、配管１中を流れるガスＧの瞬時流量Ｑ１を演算するようになっている。また、ＣＰＵ４５は、瞬時流量Ｑ１を随時積算して、積算流量Ｑ２を求め、その積算流量Ｑ２の値を表示部７に出力するようになっている。なお、ＣＰＵ４５における具体的な瞬時流量Ｑ１の演算内容については、後に詳述する。
【００３３】
また、ＣＰＵ４５は、ガスＧの使用にともなう需要家の安全性を確保するために、危険をともなうガスＧの使用量（瞬時流量Ｑ１）を判断する際の指標となる瞬時流量値（＝基準流量値）ＱD をあらかじめ内部に記憶している。また、ＣＰＵ４５は、演算した瞬時流量Ｑ１とあらかじめ記憶している基準流量値ＱD とを比較し、「Ｑ１≧ＱD 」である場合には、需要家に対して危険をともなう過大な瞬時流量Ｑ１を算出したと判断し、需要家へのガスＧの供給を中断すべく、安全機能部４７に対して遮断弁６の遮断を指示する遮断信号ＳI を出力するようになっている。
【００３４】
安全機能部４９は、過大な流量値が算出された場合等の異常時に、ＣＰＵ４５からの遮断信号ＳI に応じて、遮断弁６を駆動して流路を遮断させ、安全性を確保するようになっている。
【００３５】
図４は、差圧検出部１０に備えられた流量測定器２０の具体的な構成例を示すものであり、流量測定器２０を配管１中に設置した状態を示している。同図において、（Ａ）は、流量測定器２０を配管１の長手方向から見た状態を示し、（Ｃ）は、流量測定器２０を配管１の長手方向に直交する方向から見た状態を示している。また、（Ｂ）は、（Ａ）に示した流量測定器２０におけるＡ−Ａ′線断面図を表す。
【００３６】
流体測定器２０は、例えば、いわゆるピトー管と呼ばれる管状構造物によって構成されている。ピトー管は、異なる２カ所におけるガスＧの静圧Ｐ１および総圧Ｐ１０を検出し、その差圧（＝動圧）ΔＰ（Ｐ１０−Ｐ１）から、例えば、ガスＧの流量を算出する際に用いられるものである。特に、図４に示した流量測定器２０は、一般に、平均化ピトー管と呼ばれる構成のものであり、総圧Ｐ１０を測定するための総圧検出孔２９ａが複数設けられた管状の総圧測定管２５と、静圧Ｐ１を測定するための静圧検出孔２９ｂが複数設けられた管状の静圧測定管２６とを備えている。
【００３７】
総圧測定管２５と静圧測定管２６とは、外管２７によって、一体化された構造となっている。なお、外管２７にも、総圧測定管２５および静圧測定管２６に設けられた総圧検出孔２９ａおよび静圧検出孔２９ｂ（以下、２つの検出孔２９ａ，２９ｂを総称する場合には、単に「圧力検出孔２９」ともいう。）に対応する位置に複数の検出孔が設けられている。外管２７の断面は、例えば、図４（Ｂ）に示したように、４つの角部がカーブ状を呈した菱形に類似の形状となっている。圧力検出孔２９は、外管２７における対向する２つの角部に設けられている。また、総圧測定管２５および静圧測定管２６の断面は、例えば、図４（Ｂ）に示したように、三角形状になっている。ただし、総圧測定管２５および静圧測定管２６の断面形状は、図示したものに限定されず、他の形状であっても良い。
【００３８】
総圧検出孔２９ａおよび静圧検出孔２９ｂは、それぞれ、図４（Ｃ）に示したように、例えば、一直線状に配設されている。圧力検出孔２９は、例えば、中心部にある２つの孔３０の中間点Ｏを通り、管の長手方向と垂直をなす中心線分３１に対して、両側（図中では線分３１に対して上下）に線対称に配置されていることが望ましい。なお、圧力検出孔２９の位置は、中心線分３１に対して上下に線対称に配置されているのであれば、上側および下側における複数の圧力検出孔２９の各孔間隔は任意の間隔で構わない。また、圧力検出孔２９の数は、設置される配管１の管径により異ならせることが望ましく、一般に２個から１０個である。このとき、圧力検出孔２９の数は、管径が大きいほど多く設けることが望ましい。図では、圧力検出孔２９が６個（総圧検出孔２９ａおよび静圧検出孔２９ｂが、それぞれ６個）である場合を示している。
【００３９】
また、流量測定器２０の配管１中における設置位置は、上記の中間点Ｏが配管１の断面の中心位置と一致していることが望ましい。また、図４（Ａ）において、ガスＧの流れが左から右方向に向かうとすると、流量測定器２０は、総圧検出孔２９ａが、ガスＧの流れに対して対向するように設置されることが望ましい。このとき、静圧検出孔２９ｂは、ガスＧの流れの影響を最も受け難い裏側に位置することとなる。よって、ガスＧの流れに対向する側の圧力測定管は総圧測定管２５となり、他方の圧力測定管は静圧測定管２６となる。このような配置とすることにより、総圧測定管２５の総圧検出孔２９ａには、総圧Ｐ１０を及ぼすガスＧP10 が導入されると共に、静圧測定管２６の静圧検出孔２９ｂには、静圧Ｐ１を及ぼすガスＧP1が導入され、差圧センサ１１において、配管１中を流れるガスＧの２つの測定管２５，２６間における圧力差、すなわち「総圧Ｐ１０−静圧Ｐ１＝動圧ΔＰ」が検出されることになる。
【００４０】
ところで、前述したように、一般に、配管１中を流れるガスＧの流れには、図４（Ａ）に示すように、配管１の断面位置に応じて不均一な流速分布７０が生じる。すなわち、配管１中を流れるガスＧの流速分布７０は、流速が配管１の中心部で最も速く、配管１の壁面方向に近くなるにつれて遅くなるような分布となる。また、測定管の周囲に生じる圧力分布についても、一般に、図４（Ａ）に示すように配管１の断面位置に応じて不均一な分布となる。すなわち、総圧測定管２５側の総圧分布７２および静圧測定管２６側の静圧分布７３は、圧力が配管１の中心部で最も大きく、配管１の壁面方向に近くなるにつれて小さくなるような分布となる。従って、配管１中に流れるガスＧの圧力の検出は、ガスＧの流れ方向に垂直な面における任意の１点（配管１の任意の断面位置）における圧力に基づいて検出することは適当ではなく、圧力分布を考慮して複数の点における圧力に基づいて検出し、平均化を図ることが望ましい。そこで、本実施の形態に係るガスメータ３における流量測定器２０としては、例えば、図４に示した環状形の平均化ピトー管が好適である。なお、配管１中に設置される流量測定器２０は、全体として一体化された事実上１本の管状構造物のみなので、流量測定器２０による圧力損失は小さく、流量測定に対する影響は少ない。
【００４１】
ここで、配管１中を流れるガスＧの流量測定をする際に、流速分布７０が存在する場合において平均化ピトー管を採用する利点は、次のようなものが挙げられる。図４に示した平均化ピトー管からなる流量測定器２０をガスＧが流れる配管１中に設置した場合、２つの圧力測定管２５，２６における各圧力検出孔２９は、配管１内のガスＧの流速分布７０に対応した圧力を受けるため、ガスＧの各半径方向位置における圧力検出部として機能する。これにより、各圧力検出孔２９が受ける圧力は、配管１内の環状の面積に対応した圧力となり、２つの圧力検出管２５，２６において検出される圧力Ｐ１０，Ｐ１は、配管断面積全体の平均流速７１に対応した平均圧力となる。これにより、少数の測定点によって導かれる圧力に基づいて検出する場合に比べて、測定される圧力の平均化が図られ、正確な測定が可能とされる。
【００４２】
図５は、差圧検出部１０における差圧センサ１１内部の静電容量型センサチップ６０の構成例を示す断面図である。同図に示したように、静電容量型センサチップ６０は、導電性を有する薄膜状のダイヤフラム６１と、このダイヤフラム６１の周辺部を両側から挟持するように配置された一対の絶縁部材６２とを有している。一対の絶縁部材６２の表面には、ダイヤフラム６１と対向する部分に、それぞれ上部電極６５および下部電極６６が部分的に設けられている。絶縁部材６２は、ダイヤフラム６１の中央部分が変位可能となるような空洞（流体導入室６４ａ，６４ｂ）を形成するようにダイヤフラム６１の周辺部を両側から挟持している。絶縁部材６２の中央部分には、流体導入室６４ａ，６４ｂに連通する流体導入孔６７ａ，６７ｂが設けられている。なお、上部電極６５および下部電極６６と、ダイヤフラム６１とは、静電容量型センサチップ６０における静電容量変化を読みとるための図示しないキャパシタンス計測器に接続されている。また、キャパシタンス計測器は、アナログ増幅器１３（図２）に接続されるようになっている。
【００４３】
絶縁部材６２は、例えば、耐熱ガラス等のガラス部材によって形成されている。絶縁部材６２に設けられた流体導入孔６７ａは、例えば、図４に示した流量測定器２０における総圧測定管２５に接続され、総圧Ｐ１０を及ぼすガスＧP10 を流体導入室６４ａに導くようになっている。一方、流体導入孔６７ｂは、例えば、図４に示した流量測定器２０における静圧測定管２６に接続され、静圧Ｐ１を及ぼすガスＧP1を流体導入室６４ｂに導くようになっている。
【００４４】
ダイヤフラム６１は、例えば、シリコンを主材料として構成されている。また、ダイヤフラム６１は、主材料となるシリコン等に、例えば、燐（Ｐ）やボロン（Ｂ）等の不純物を、拡散法やイオン打ち込み法等により注入することで、導電性を有するように構成されている。ダイヤフラム６１の中央部分の両面６３ａ，６３ｂは、流体導入室６４ａ，６４ｂを形成するために、凹形状となっている。これらのダイヤフラム６１の中央部分における凹形状部分は、例えば、エッチング等により形成される。これらのダイヤフラム６１の中央部分における凹形状部分の表面は、電極を構成している。ダイヤフラム６１において、流体導入室６４ａ，６４ｂを形成するための凹形状部分は、例えば、直径３〜８ｍｍ、深さ５〜１５μｍ程度に形成される。また、凹形状部分を形成したダイヤフラム６１の中央部分の厚さは、例えば、３〜８μｍ程度に形成される。なお、ダイヤフラム６１は、例えば、数μm Ｈ2 Ｏ程度の極微圧でも変位するように極めて薄く形成され、高感度にされていることが望ましい。
【００４５】
静電容量型センサチップ６０は、ダイヤフラム６１の一方の面６３ａと、これに対向する上部電極６５とによって、静電容量が生じるようになっている。また、静電容量型センサチップ６０は、ダイヤフラム６１の他方の面６３ｂと、これに対向する下部電極６６とによって、静電容量が生じるようになっている。なお、静電容量型センサチップ６０における静電容量は、例えば、流体導入室６４ａ、６４ｂにガスＧが導入されていない場合に、ダイヤフラム６１と両電極６５，６６間における静電容量が、同一となるように設定される。
【００４６】
ここで、静電容量型センサチップ６０によるガスＧの動圧検出は、以下のように行われる。例えば、流体導入室６４ａには、図４に示した流量測定器２０における総圧測定管２５から総圧Ｐ１０を及ぼすガスＧP10 が流体導入孔６７ａを通じて導入される。一方、流体導入室６４ｂには、図４に示した流量測定器２０における静圧測定管２６から静圧Ｐ１を及ぼすガスＧP1が流体導入孔６７ｂを通じて導入される。ダイヤフラム６１は、流体導入孔６７ａから導入されたガスＧP10 の圧力（総圧Ｐ１０）と、流体導入孔６７ｂから導入されたガスＧP1の圧力（静圧Ｐ１）との差圧（動圧）に応じて変位する。ここで、ダイヤフラム６１の変位量は、ガスＧP10 によって生じた総圧Ｐ１０による変位量と、ガスＧP1によって生じた静圧Ｐ１による逆方向への変位量との総和、すなわちガスＧの「総圧Ｐ１０−静圧Ｐ１＝動圧ΔＰ」に対応したものとなる。これにより、ダイヤフラム６１と上部電極６５および下部電極６６との間に発生する２つの静電容量には、差異が生じる。この静電容量差を図示しないキャパシタンス計測部を介して計測することにより、配管１中を流れるガスＧの動圧ΔＰを検出することが可能となる。
【００４７】
このような構成の静電容量型センサチップ６０によれば、図３に示した乱流量域におけるガスＧの流れによって生ずる差圧を検出することができると共に、図３に示した層流量域におけるガスＧの微少な流れによって生ずる微少な差圧をも検出することが可能となる。このように、本実施の形態のガスメータ３では、微少な差圧を検出することが可能であるから、その差圧に基づいて、大流量から微少な流量まで広い測定範囲での測定が可能である。
【００４８】
次に、本実施の形態に係るガスメータ３の動作を、図６および図７に示す流れ図に沿って説明する。
【００４９】
まず、図６を参照して、ガスメータ３において、差圧ΔＰを検出し、その差圧ΔＰに基づいて、瞬時流量Ｑ１および積算流量Ｑ２を演算して表示するまでの動作について説明する。ガスメータ３は、例えば、配管１の経路中に設置されたメータ元栓２と器具栓４との間の配管箇所において流量測定を実施する。ガスメータ３は、まず、差圧検出部１０において、流量測定器２０を介して、配管１中を流れるガスＧの総圧Ｐ１０と静圧Ｐ１との差圧（動圧）ΔＰを差圧センサ１１によって検出する（ステップＳ１０１）。差圧センサ１１からの動圧ΔＰを示す検出信号ＳΔＰは、アナログ増幅器１３およびＡ／Ｄ変換器１４を介して、流量演算部４０内の判定部４１に出力される。流量演算部４０内の判定部４１は、差圧センサ１１によって検出された検出データ（動圧ΔＰ）を流量演算部４０内のＣＰＵ４５に送信する。
【００５０】
次に、流量演算部４０内の判定部４１は、差圧センサ１１によって検出された動圧ΔＰと、あらかじめ判定部４１の内部に記憶している基準動圧値ΔＰ０との比較を行い、検出された動圧ΔＰの値が属する領域が、層流量域（第１の流量域）および乱流量域（第２の流量域）のうちのいずれの流量域に対応するかを判断する（ステップＳ１０２）。ここで、判定部４１は、差圧ΔＰと基準動圧値ΔＰ０とを比較した結果、「ΔＰ＜ΔＰ０」である場合には、配管１中を流れるガスＧの流動状態が層流状態であり、その流量が層流量域に属すると判断する。一方、「ΔＰ≧ΔＰ０」である場合には、判定部４１は、ガスＧの流動状態が乱流状態であり、その流量域が乱流量域に属していると判断する。
【００５１】
まず、判定部４１の判定結果が「ΔＰ＜ΔＰ０」である場合、すなわちガスＧの動圧ΔＰが層流量域に属する場合について説明する。判定部４１は、ガスＧの動圧ΔＰが層流量域に属する場合には、ＣＰＵ４５に対して層流量域の流量Ｑを演算するのに適した演算式ＦS を選択させるために、切換スイッチ４２に対して切換信号ＳS1を出力し（ステップＳ１０３）、切換スイッチ４２の端子Ｓと端子Ｔ１とを接続させて、ＣＰＵ４５と演算式ＦS を記憶した層流量域関数記憶部５１とを接続させる（ステップＳ１０５）。次に、ＣＰＵ４５は、判定部４１から入力された動圧データ（ΔＰ）を読み取り、判定部４１が選択した層流量域関数記憶部５１内に記憶されている演算式ＦS に基づいて、瞬時流量Ｑ１を演算する（ステップＳ１０７）。ＣＰＵ４５によって演算された瞬時流量Ｑ１は、流量演算部４０内のＲＡＭ４６に格納される。
【００５２】
ここで、図３を用いて説明したように、層流量域においては、瞬時流量Ｑ１と差圧ΔＰとの関係が直線的な比例関係となるので、層流量域関数記憶部５１内に記憶する演算式ＦS としては、以下の式（１）を用いることが適当である。なお、式（１）において、ｋはガスＧの密度から定まる定数である。
【００５３】
Ｑ１＝ｋ×ΔＰ………（１）
【００５４】
次に、判定部４１の判定結果が「ΔＰ≧ΔＰ０」の場合、すなわちガスＧの動朝ΔＰが乱流量域に属する場合について説明する。判定部４１は、ガスＧの動圧ΔＰが乱流量域に属する場合には、ＣＰＵ４５に対して乱流量域の流量Ｑを演算するのに適した演算式ＦR を選択させるために、切換スイッチ４２に対して切換信号ＳS2を出力し（ステップＳ１０４）、切換スイッチ４２の端子Ｓと端子Ｔ２とを接続させて、ＣＰＵ４５と演算式ＦR を記憶した乱流量域関数記憶部５２とを接続させる（ステップＳ１０６）。次に、ＣＰＵ４５は、判定部４１から入力された動圧データ（ΔＰ）を読み取り、判定部４１が選択した乱流量域関数記憶部５２内の演算式ＦR に基づいて、瞬時流量Ｑ１を演算する（ステップＳ１０８）。ＣＰＵ４５によって演算された瞬時流量Ｑ１は、流量演算部４０内のＲＡＭ４６に格納される。
【００５５】
ここで、図３を用いて説明したように、乱流量域においては、瞬時流量Ｑ１と差圧ΔＰとの関係が２乗に比例した関係となるので、乱流量域関数記憶部５２内に記憶する演算式ＦR としては、以下の式（２）を用いることが適当である。なお、式（２）において、ｋはガスＧの密度から定まる定数である。
【００５６】
Ｑ１＝ｋ×ΔＰ1/2 ………（２）
【００５７】
このように、本実施の形態に係るガスメータ３では、配管１中を流れるガスＧが層流量域および乱流量域のうちのいずれの場合であっても、各流量域に適した演算式を選択的に用いるので、正確な瞬時流量Ｑ１が演算されることになる。
【００５８】
次に、ＣＰＵ４５は、ＲＡＭ４６に格納した瞬時流量Ｑ１の値を、クロック４８からのクロック信号に基づいて所定時間毎に随時積算して、積算流量Ｑ２を演算する（ステップＳ１０９）。最後に、ＣＰＵ４５は、演算した積算流量Ｑ２の値を表示部７に出力する。表示部７は、ＣＰＵ４５によって演算した積算流量Ｑ２の値を表示する（ステップＳ１１０）。
【００５９】
次に、図７を参照して、ガスメータ３における安全機能に係る動作について説明する。まず、ＣＰＵ４５は、図６を参照して説明した演算工程により演算された瞬時流量Ｑ１と、あらかじめ内部に記憶している基準流量値ＱD とを比較し、「Ｑ１≧ＱD 」の条件を満足するか否かを判定する（ステップＳ２０１）。ここで、「Ｑ１≧ＱD 」でない場合（ステップＳ２０１；Ｎ）には、ＣＰＵ４５は、需要家に対するガスＧの供給は、安全な範囲であると判断し、このステップを繰り返す。一方、「Ｑ１≧ＱD 」である場合（ステップＳ２０１；Ｙ）には、ＣＰＵ４５は、需要家に対して危険をともなう過大な瞬時流量Ｑ１を検出したと判断し、需要家へのガスＧの供給を中断すべく、安全機能部４７に対して遮断弁６の遮断を指示する遮断信号ＳI を出力する（ステップＳ２０２）。安全機能部４９は、ＣＰＵ４５からの遮断信号ＳI に応じて、遮断弁６を駆動して流路を遮断させ、需要家に対するガスＧの供給を遮断する（ステップＳ２０３）。このようにして、需要家に対する安全性が確保される。
【００６０】
以上説明したように、本実施の形態に係るガスメータ３によれば、判定部４１が、差圧検出部１０によって検出された動圧ΔＰの値が属する領域に応じて、配管１中を流れるガスＧの流量Ｑの取得方法を選択し、この判定部４１によって選択された流量Ｑの取得方法に基づいて、ＣＰＵ４５がガスＧの流量を演算するようにしたので、動圧ΔＰの値が属する領域が層流状態であるか乱流状態であるかに応じて、異なる演算方法で流量Ｑの演算を行うことが可能となり、ガスＧの流動状態に関わらず単一の演算式を用いて瞬時流量Ｑ１の演算処理をする場合と比較して、流動状態の変化により生じる測定誤差を回避することが可能となる。これにより、広い流量範囲にわたって、配管１中を流れるガスＧの流量を精度良く測定することが可能となる。
【００６１】
また、本実施の形態に係るガスメータ３によれば、差圧センサ１１として、図５に示したような構成の静電容量型センサチップ６０を用いるようにしたので、乱流量域におけるガスＧの流れによって生ずる大きな動圧ΔＰを検出することができると共に、層流量域におけるガスＧの微少な流れによって生ずる微少な動圧ΔＰをも検出することが可能となり、大流量から微少な流量まで広い測定範囲での流量測定に対応できる。更に、本実施の形態に係るガスメータ３によれば、ガスＧの動圧ΔＰを検出する手段として、例えば、平均化ピトー管から構成される流量測定器２０を使用するようにしたので、配管１中を流れるガスＧの流速に不均一な流速分布７０（図４（Ａ））が生じる場合においても、流量測定器２０を介して差圧センサ１１により検出されるガスＧの動圧ΔＰを、平均化して測定精度の低下を防止することができる。これにより、本実施の形態に係るガスメータ３では、ガスＧの流速分布７０により生じる測定誤差を回避することが可能となり、より精度の高い流量測定を行うことが可能となる。
【００６２】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【００６３】
例えば、上記の実施の形態では、流量測定器２０の一例として、環状の平均化ピトー管と呼ばれる構造のものについて説明したが、流量測定器２０として用いるピトー管の構造は、環状の平均化ピトー管に限らず、砲弾形等の他の形状のものを使用しても良い。また、流量測定器２０として、平均化ピトー管ではない他の構造のピトー管、例えば、配管１中を流れるガスＧの任意の１点についてのみ測定可能であるものを使用することも可能である。この場合には、前述したガスＧの流速分布７０（図３）を改めて考慮しなければならず、例えば、整流格子等によりガスＧの流速分布７０を均一化することが望ましい。また、この際に生じる整流格子等の構造物による圧力損失は、別途設定し、総圧Ｐ０を算出するための演算式に対する補正を行うことが望ましい。
【００６４】
また、例えば、上記実施の形態では、家庭用燃料ガスＧの流量Ｑを測定する場合について説明したが、本発明は、家庭用燃料ガスＧ以外の他の気体の流量Ｑを測定する場合にも適用可能である。更に、本発明は、気体に限らず、家庭用水道水等の液体等、他の流体の流量Ｑを測定する場合にも適用可能である。
【００６５】
更に、例えば、上記実施の形態では、瞬時流量Ｑ１と共に積算流量Ｑ２を測定する場合について説明したが、本発明は、単に瞬時流量Ｑ１のみを測定するような場合にも適用可能である。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載のガスメータによれば、動圧検出手段によって検出された動圧の値が、層流量域および乱流量域のうちのいずれの流量域に対応するかを判断すると共に、その判断結果に基づいて、互いに異なる第１および第２の演算式のうち、配管中を流れる燃料用ガスの流量を演算するのに適したいずれか一方の演算式を選択し、その選択された演算式に基づいて、配管中を流れる燃料用ガスの流量を演算するようにしたので、検出された動圧の値が属する領域に応じて、配管中を流れる燃料用ガスの流量の取得方法を選択的に変化させて流量を演算することが可能となり、広い流量範囲にわたって、配管中を流れる燃料用ガスの流量を測定することが可能となるという効果を奏する。
【００６７】
また、請求項２または３に記載の流量計によれば、動圧検出手段によって検出された動圧の値が、層流量域および乱流量域のうちのいずれの流量域に対応するかを判断すると共に、その判断結果に基づいて、互いに異なる第１および第２の演算式のうち、配管中を流れる流体の流量を演算するのに適したいずれか一方の演算式を選択し、その選択された演算式に基づいて、配管中を流れる流体の流量を演算するようにしたので、動圧の値が属する領域に応じた流量の演算が可能となり、広い流量範囲にわたって、配管中を流れるガス等の流体の流量を測定することが可能となるという効果を奏する。
特に、配管中を流れる流体の流動状態が層流状態であるか乱流状態であるかに応じて、異なる流量の取得方法を選択し、流動状態の違いに応じた精度の良い流量測定を行うことが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る流量計としてのガスメータの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示したガスメータの各部の詳細な構成例を示すブロック図である。
【図３】ガスの流量と差圧との相関関係を表す説明図である。
【図４】図１に示したガスメータにおける流量測定器の構成例を表す構成図である。
【図５】図１に示したガスメータにおける差圧センサとして用いられる静電容量型センサチップの構成例を示す断面図である。
【図６】図１に示したガスメータにおいて、差圧を検出してから流量を演算して表示するまでの動作手順を表す流れ図である。
【図７】図１に示したガスメータにおける安全機能に係る動作について説明するための流れ図である。
【図８】従来の流量計の構成を表す断面図である。
【符号の説明】
１ 配管
２ メータ元栓
３ ガスメータ
４ 器具栓
５ ガス器具
６ 遮断弁
１０ 差圧検出部
１１ 差圧センサ
２０ 流量測定器
４０ 流量演算部
４１ 判定部
４２ 切換スイッチ
４６ ＣＰＵ
４９ 安全機能部
５０ 関数記憶部
５１ 層流量域関数記憶部
５２ 乱流量域関数記憶部
６０ 静電容量型センサチップ
Claims (3)
- 燃料用ガスが流れる配管中に配置されるガスメータであって、
前記配管中の動圧を検出する動圧検出手段と、
この動圧検出手段によって検出された動圧の値が、層流量域および乱流量域のうちのいずれの流量域に対応するかを判断すると共に、その判断結果に基づいて、互いに異なる第１および第２の演算式のうち、前記配管中を流れる燃料用ガスの流量を演算するのに適したいずれか一方の演算式を選択する選択手段と、
この選択手段によって選択された演算式に基づいて、前記配管中を流れる燃料用ガスの流量を演算する流量演算手段と
を備えたことを特徴とするガスメータ。 - 配管中の動圧を検出する動圧検出手段と、
この動圧検出手段によって検出された動圧の値が、層流量域および乱流量域のうちのいずれの流量域に対応するかを判断すると共に、その判断結果に基づいて、互いに異なる第１および第２の演算式のうち、前記配管中を流れる流体の流量を演算するのに適したいずれか一方の演算式を選択する選択手段と、
この選択手段によって選択された演算式に基づいて、前記配管中を流れる流体の流量を演算する流量演算手段と
を備えたことを特徴とする流量計。 - 前記配管中を流れる流体の瞬時流量をＱ１、前記配管中の動圧をΔＰとすると、前記選択手段は、層流量域においては、以下の第１の演算式（１）を選択し、乱流量域においては、以下の第２の演算式（２）を選択する
Ｑ１＝ｋ×ΔＰ…（１）（ただし、ｋは定数）
Ｑ１＝ｋ×ΔＰ1/2 …（２）
ことを特徴とする請求項２記載の流量計。
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