JP4696340B2 - 流量計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体の流量を計測する流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の流量計１は、図１５に示す断面図のように流体流入口２を有する流体流入部３と流体流出口４を有する流体流出部５と、流体の流量を計測する流量計測部６と、これらを含む流量計外装部７とから構成されている。このような流量計１において、流体流入部３、流量計測部６、流体流出部５など、内部に空間を有する構成であるため、流量計１の内部は約０．５〜２［Ｌ］程度の体積を有していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の流量計１には、流量計内部に使用に不適当な空気などの不要な流体を内包していたため、古くなった流量計に換えて、新しい流量計を取付ける場合、流量計１の内部に充満している空気などの流体を、流量計以降の配管系を通じて放出する必要があった。即ち、使用に不適当な空気などの流体をそのままにして、直ぐに使用を開始すると、最初燃焼していたガステーブル、あるいはガス給湯器などの燃焼器が、供給ガス中に混入している空気などのために、燃焼の途中で燃焼が停止し、その結果、未燃焼のガスが放出するなど危険な状態となることがあった。このため、流量計を交換した場合には、流量計以降の配管中に残っているガスを廃棄するなど無駄が生じたり、あるいは、ガスを完全に放出するのにかなりの時間が必要であったりなど手間のかかることがあった。このため、流量計交換作業の効率が悪いなどの課題があった。また、内部構造が複雑な流量計であれば、内包されている空気などの流体を完全に放出・置換するのに、長時間を要するなどの不具合もあった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の流量計は、気体を流す流路と、流路の入り口に設けられ流路を閉止する入口閉止部と、流路の出口に設けられ流路を閉止する出口閉止部と、流路に流された気体の流量を計測する流量計測部と、入口閉止部から出口閉止部までの流路に充填された特定気体の漏洩を検知する圧力センサと、圧力センサが特定気体の漏洩を検知した際に、気体の異常を報知する報知手段とを備えた構成とした。このため、使用済みの流量計を取り外し、新しい流量計取付け直後であっても、例えばガステーブル、あるいはガス給湯器などを使用することができ、燃焼の途中で燃焼が停止することがなく安全である。また、流量計に内包されている気体が使用予定の気体であるため、新しい流量計以降の配管中のガスを放出する必要がないため、無駄がなく流量計交換作業の効率が向上する。
【０００５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、図中に同一の番号を付けているものは、同一なものを示しているので、説明を省略する。
【０００６】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に基づく流量計１の断面図を示す。８は気体流入部３に設けた閉止栓、９は流出部５に設けた閉止栓を示す。これらの閉止栓８、９は、気体流入部３、気体流出部５および流量計測部６の内部空間に使用予定の気体、ＬＰガスあるいは都市ガスなどを予め決められた圧力で充填した後で、取り付けた。このため、流量計内部には、使用予定の気体が充填されていることになり、古い流量計に換えて新しい流量計を取付けた場合に、流量計内部の気体を置換することなく、そのまま使用することができる。従って、流量計およびそれ以降の気体を排気する必要がなく、無駄がなくなり、流量計交換作業の効率がよくなる。
【０００７】
（実施例２）
図２は、本発明の実施例２に基づく流量計１の断面図を示す。１０は、気体流入部３に設けた開閉自在な気体閉止弁を示し、１１は気体流出部５に設けて開閉自在な気体閉止弁を示す。このような構成にすることにより、閉止栓８もしくは閉止栓９が何らかの理由で開栓しても、流量計１内部に充填されている気体が外部に容易に流出することが無くなる。従って、保管中あるいは輸送途中に流量計内部に充填された気体が無くなることがなくなる。
【０００８】
また、取り付け作業中にも流量計内部の充填された気体が外部に流出することも無くなる。さらに、古い流量計に換えて新しい流量計を取り付ける際にも、取り付け作業完了後に開閉自在な弁１０および１１を開放することにより、空気などの使用の不適当な気体が混入することも無くなり、気体を置換する必要がなく、効率よく流量計を交換しうることができる。
【０００９】
なお、本実施例において、開閉自在な弁を気体流入部３および気体流出部５の両方に取り付けたが、どちらか一方にさえあれば、流量計内部の気体が対流などで簡単に、流量計内部全体に移動することができないため、たとえ閉止栓８あるいは９が開放されても、流量計内部に充填された気体が、短時間の内に、簡単に外部に放出されることはない。従って、流量計交換作業を素早く実施しなければならないということもなくなり、熟練者でなくとも流量計の交換作業を実施することができるので、実用上の効果は非常に大きくなる。
【００１０】
（実施例３）
図３は、本発明の実施例３に基づく流量計１の断面図を示す。１２は、気体の状態を検知する状態検知センサを示す。このような構成にすることにより、流量計内部に充填された気体の状態が変化した場合に、その変化を検知することができるので、気体が変化したことを、外部に報知することが可能となる。例えば、気体状態検知センサを、気体の熱伝導を検知する熱伝導センサ、あるいは、気体の熱放散度合いを検知する熱放散センサ、あるいは、赤外線の透過度を検知する赤外線センサ、あるいは、気体の可燃性を検知する可燃ガスセンサなどで構成することができる。従って、使用予定の気体の性質および空気などの使用に不適切な気体の性質に応じて、最適な気体状態検知センサを選択することができる。
【００１１】
（実施例４）
図４は、本発明の実施例４に基づく流量計１の外観図を示す。１３は、流量計本体の外装部表面１４に設けた液晶表示板を示す。この構成により、流量計内部の気体の状態を検知する気体状態検知センサが検知した結果を表示することができる。従って、流量計内部に充填されている使用予定の気体の状態を表示することができるので、間違った流量計を取り付けることがなくなる。なお、表示部は、流量計が計測した流量、あるいは積算流量などを表示する表示部と兼用してもよい。
【００１２】
また、発光ダイオードあるいは圧電ブザーなどで構成してもよい。この場合、発光ダイオードの点滅状態、あるいは圧電ブザーの発音状態で流量計内部の気体の状態を報知することになる。従って、この場合も、流量計内部の気体の状態を知ることができるので、間違った流量計を取り付けることがなくなる。なお、外装部表面１４にスイッチを設け、このスイッチと連動して表示あるいは報知するようにすると、省電力とすることができる。
【００１３】
（実施例５）
図５は、本発明の実施例５に基づく流量計１の断面を示す。１５は、流量計内部に設けられた気体の圧力を検知する圧力センサを示す。１６は、圧力センサへの気体圧力導入部を示す。圧力センサ１５は大気圧との差圧を検知する差圧センサで構成した。この構成により、流量計内部に充填する気体の圧力をモニタすることができる。従って、使用予定の気体を充填する場合にも、また、流量計を交換する際にも、充填されている気体の圧力を監視することができる。即ち、気体の圧力が大気圧よりも大きい場合には、気体が十分に充填されていると判断できるので、流量計は正常であり、漏洩がないと判断することができる。このため異常な、あるいは不良な流量計を間違って取り付けることがなくなる。
【００１４】
さらに、計時部と記憶部とを付加することにより、充填時からの経過時間およびその時の圧力低下度とを記憶することができるようにすることも可能となる。この場合、例えば、１年後の漏洩結果を簡単に知ることも可能となる。従って、放置状態での流量計の漏洩状態を簡単に知ることが出来、流量計の良否を簡単に判別することができる。また、この結果、不良な流量計を誤って取り付けることがなり、安全性が向上する。
【００１５】
（実施例６）
図６は、本発明の実施例６に基づく流量計１の断面を示す。１７は、流量計内部に設けられた気体組成の分析する気体組成分析センサを示す。
この構成により、流量計内部の気体の組成を検知することができ、予め充填した気体が、即ちＬＰガスや都市ガスが、空気などの使用に不適切な気体に変化した場合には検知することができる。従って、使用に不適切な気体を充填された流量計を誤って取り付けることもなくなる。
【００１６】
（実施例７）
図７は、本発明の実施例７に基づく流量計１の外観面を示す。１８は、流量計本体の外装部表面１４に設けた、流量計内部に設けられた気体組成の分析する気体組成分析センサの検知結果を表示する気体種別表示部を示す。この構成により、流量計内あるいは部に充填されている気体の種類を表示することができるので、予め充填したＬＰガスあるいは都市ガスなどを表示することができる。従って、使用する気体と異なる気体が充填されている別種の流量計を誤って取り付けることがなくなる。なお、外装部表面１４にスイッチを設け、このスイッチと連動して表示するようにすると、省電力とすることができる。また、表示部１８は、流量計測部が計測した流量、あるいは積算流量などを表示する表示部と兼用してもよい。
【００１７】
（実施例８）
図８は、本発明の実施例８に基づく流量計１に設けられ気体組成分析センサを構成する熱式フローセンサ１９の外観面を示す。２０は数ｍｍ角の厚さ数十〜数百ミクロンのガラスなどの絶縁性基板、２１は発熱抵抗体、２２および２３は感温抵抗体を示す。この構成において、発熱抵抗体２１に一定電力を印加し、発熱させ基板２０を昇温させる。この温度変化を感温抵抗体２２あるいは２３で検知する。
【００１８】
例えば、使用予定の気体を充填した時の温度変化を記憶しておき、充填した気体が空気に変化した場合には、この温度変化と異なった温度変化を示すことになる。例えば、都市ガスから空気に変わった場合には、気体への放熱が小さくなるので、温度変化は大きくなる。また逆に、ＬＰガスから空気に変わった場合には、気体への放熱が大きくなるので、温度変化が小さくなる。このようにして、簡単な構成で、簡単に気体の組成変化を検知することができる。また、外部にスイッチを設け、このスイッチと連動して、気体の組成を知りたい時のみ、気体の組成を検知するようにすると、省電力構成とすることもできる。
【００１９】
（実施例９）
図９（ａ）は、本発明の実施例９に基づく流量計１内の流量計測部６の一部に設けられ気体組成分析センサ部２４を示す。気体組成分析センサ部２４の一方の境界部分２５に、充填されている気体が自由に出入りできる貫通孔を数個設け、内部に超音波センサ２６を設置した。図９（ｂ）に超音波センサ２６の断面図を示す。２７は音響整合層、２８は数ミリ〜十ミリ立法程度の大きさの圧電体、２９は缶パッケージ、３０は固定するためのフランジ部を示す。この超音波センサ２６の圧電体２８に高周波電力を印加すると、音響整合層２７の表面から超音波が放出される。この超音波は、気体の組成できまる音速で気体中を伝搬する。
【００２０】
従って、この超音波の音速を検知することにより、簡単な構成で、簡単に気体の組成を検知することができる。例えば、気体がＬＰガスから空気に変わった場合には、超音波の音速が、かなり遅くなるので、その変化から検知することができる。また、都市ガスから空気ない変わった場合には、超音波の音速が速くなるので、その変化から検知することができる。また、外部にスイッチを設け、このスイッチと連動して、気体の組成を知りたい時のみ、気体の組成を検知するようにすると、省電力構成とすることもできる。
【００２１】
図１０に超音波センサを用いて計測したガス種と音速との関係を示す。横軸は温度を示し、流量計が通常動作する、−１５℃〜＋５０℃の範囲を示す。縦軸は音速を示す。３１は空気中を伝搬する超音波の音速を、３２はＬＰガス中を伝搬する超音波の音速を、３３は都市ガス中を伝搬する音速をそれぞれ示す。この結果より、流量計が通常用いられる温度範囲（−１５℃〜＋５０℃）においては、それぞれのガス種での音速が重複することがないので、音速を検知することにより、簡単にガス種を検知・判別することができる。
【００２２】
（実施例１０）
図１１は、本発明の実施例１０に基づく、流量計測部６の内部の気体組成分析センサ部２４内に設けた超音波センサ２６による音速測定の原理を示す図。２６は超音波センサを示し、３４は超音波の方向を変えるための４５度反射板、３５は距離測定用の反射板を示す。図中の矢印は、超音波の伝搬経路を示している。即ち、超音波センサ２６から放出された超音波は、超音波センサの表面から垂直方向に放出され、４５度反射板３４の方向に伝搬する。４５度反射板３４に衝突した超音波は方向を９０度曲げられ、距離測定用の反射板３５の方向に伝搬する。距離測定用の反射板３５に衝突した超音波は、反射し、もと来た経路を通って超音波センサ２６に到達する。
【００２３】
従って、予め超音波の通る経路の長さがわかっていると、超音波が送信された時間と受信された時間とを計測することにより、その伝搬速度を計測することができる。このような簡単構成で、かつ単一の超音波センサでガス中を伝搬する超音波の音速を計測することができる。なお、この場合、４５度反射板なしでも構成することができるが、４５度反射板を用いたのは、よりコンパクトに構成することができ、流量計に内蔵可能とするためである。超音波の往復伝搬距離として、約１００ｍｍ程度あれば十分である。
【００２４】
（実施例１１）
図１２は、本発明の実施例１１に基づく、流量計内部において超音波センサによる音速測定の原理を示す図。実施例１１と異なり、一対の超音波センサを用いて構成した。一対の超音波センサ３６、３７を一定の距離（Ｌ）をおいて対向して構成した。気体中の音速をＶｓ、気体の流速をＶｆ、超音波センサ３４から３５への伝搬時間をＴａ、逆に超音波センサ３５から３４への伝搬時間をＴｂとすると、超音波の伝搬時間と音速との関係は以下のようになる。
【００２５】
Ｔａ＝Ｌ／（Ｖｓ＋Ｖｆ）、（３６→３７）
Ｔｂ＝Ｌ／（Ｖｓ−Ｖｆ）、（３７→３６）
ここで、気体の流速Ｖｆは、超音波センサ３６から超音波センサ３７への方向を正（＋）と定義した。なお、通常の場合は、ｓ＞＞Ｖｆである。
【００２６】
これより、
Ｖｓ＋Ｖｆ＝Ｔａ／Ｌ、
Ｖｓ−Ｖｆ＝Ｔｂ／Ｌ、
従って、２×Ｖｓ＝（Ｔａ／Ｌ）＋（Ｔｂ／Ｌ）
Ｖｓ＝［（Ｔａ／Ｌ）＋（Ｔｂ／Ｌ）］／２
このようにして、気体中の音速、Ｖｓ、が得られることがわかる。
【００２７】
ここで、気体の流速Ｖｆは、音速を計測する上式に入ってこないので、気体が流れていても、超音波の気体中を伝搬する音速を計測することができる。一対の超音波センサを用いることにより、流量計内部において、気体が流れていても、超音波が伝搬する音速を計測することができ、従って、その音速からガス種を判別することができる。この場合には、気体が流れていてもガス種を判別できるので、気体を使用中であっても、気体の種類を判別することができる。
【００２８】
（実施例１２）
図１３（ａ）は、本発明の実施例１２に基づく、流量計測部６に熱式フローセンサ３８を設けた流量計の断面図。熱式フローセンサ（図８参照）の詳細は、上記実施例８に示したものと同じなので説明は省略する。３９は、熱式フローセンサ３８で計測した気体の流速を流量として演算する演算部を示す。図１３（ｂ）に、熱式フローセンサ３８の流速に依存するＳ字状特性４０を示す。横軸に流量計測部を流れる気体の流速を、縦軸にそのときの感熱抵抗体２２と２３との抵抗値の差、ｄＲを示す。同図１３（ｂ）に示すように気体の正負の流速に応じて、感熱抵抗体２２と２３と抵抗値の差は、Ｓ字状に変化する。
【００２９】
例えば、気体が、図８の感熱抵抗体２２から２３の方向に向かって流れている時、発熱抵抗体２１で発生した熱は、気体により感熱抵抗体２３の方へ移動するので、感熱抵抗体２３の方が感熱抵抗体２２に比べ、温度がより上昇する。この場合には、図１３（ｂ）に示すように、感熱抵抗体２３の抵抗値が、感熱抵抗体２２の抵抗値に比べ大きくなることを示している。また逆に、気体が、図８の感熱抵抗２３から２２に向かって流れている時、発熱抵抗体２１で発生した熱は、気体により感熱抵抗体２２の方へ移動するので、感熱抵抗体２２の方が感熱抵抗体２３に比べ、温度がより上昇する。
【００３０】
その結果、感熱抵抗体２２の方が感熱抵抗体２３に比べ、温度が上昇するので、感熱抵抗体２２の抵抗値が、感熱抵抗体２３の抵抗に比べ、大きくなることを示している。さらにこの結果、Ｓ字状の特性が得られる。このように熱式フローセンサを流量計測部に設置することにより、気体の流速をも求めることができる。従って、気体の組成を検知できるとともに、気体の流速をも計測することができ、兼用可能となるので、コンパクトに構成することができる。
【００３１】
（実施例１３）
図１４（ａ）は、本発明の実施例１３に基づく、流量計測部６に一対の超音波センサ４１、４２を設けた流量計の断面図。一対の超音波センサを気体の流れる方向（矢印４３）に対して、交叉角約３０度で、距離Ｌだけ離して対向して設置した。超音波の音速をＶｓ、気体の流速をＶｆ、交叉角をθとすると、上記実施例１１で説明したように、超音波センサ４１から４２への超音波の伝搬時間Ｔａおよび超音波センサ４２から４１への超音波の伝搬時間Ｔｂは、それぞれ以下のようになる。
【００３２】
Ｔａ＝Ｌ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ＣＯＳ（θ）］、（４１→４２）
Ｔｂ＝Ｌ／［ＶｓーＶｆ×ＣＯＳ（θ）］、（４２→４１）
これより、
Ｖｓ＋Ｖｆ×ＣＯＳ（θ）＝Ｌ／Ｔａ、
Ｖｓ−Ｖｆ×ＣＯＳ（θ）＝Ｌ／Ｔｂ、
よって、
Ｖｓ＝［（Ｌ／Ｔａ）＋（Ｌ／Ｔｂ）］／２、
Ｖｆ＝［（Ｌ／Ｔａ）−（Ｌ／Ｔｂ）］／［２×ＣＯＳ（θ）］、
となる。
【００３３】
これより、超音波が気体中を伝搬する伝搬速度、Ｖｓと、気体の流速、Ｖｆとの両方を計測することができることがわかる。従って、気体の流れるところに一対の超音波センサを、ある交叉角（θ）で、対向して設置することにより、気体が流れていても、超音波が気体中を伝搬する超音波の伝搬速度を計測することができ、気体の種類を判別することができるとともに、気体の流速、Ｖｆをも計測することができる。図１４（ｂ）に、このようにして計測した気体の流速、Ｖｆと超音波の伝搬時間差との関係を示す。特性直線４４に示すように、広範囲の流速変化に対応し、超音波の伝搬時間がよく追従していることがわかる。
【００３４】
従って、一つの超音波センサを設置し、その伝搬助時間差を計測することにより、広範囲の流速変化が計測でき、流量計測ができることがわかる。このように、一つの超音波センサをで、気体組成分析センサを構成すると、気体の流速も計測できるので、コンパクトに構成することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の超音波流量計によれば次の効果が得られる。
【００３６】
（１）使用予定の気体がすでに充填されているので、流量計の交換を効率よく、無駄なく実施することができる。
【００３７】
（２）気体遮蔽部を備えているので、簡単に充填されている気体が抜けることがないので、交換作業が効率よくできる。
【００３８】
（３）気体状態を検知するセンサを備えているので、流量計交換作業時に充填されている気体の状態を確認することができる。
【００３９】
（４）充填されている気体に異常が発生したときに、外部より知ることができるので、安全性が向上する。
【００４０】
（５）圧力センサを備えているので、充填されている気体が漏洩した時に検知でき、流量計を誤って取り付けることがない。
【００４１】
（６）充填されている気体の種別を判別する判別センサを備えているので、充填されている留気体の種別が変化した時に検知することができるので、安全である。
【００４２】
（７）気体の種別表示部を備えているので、誤って異なる流量計を取り付けることがなくなり、安全である。
【００４３】
（８）気体分析センサを熱式フローセンサで構成したので、簡単な構成で、気体の放熱特性から気体の種別を簡単に判別することができる。
【００４４】
（９）気体分析センサを超音波センサで構成したので、気体中を伝搬する超音波の伝搬速度から、気体の種別を判別ですることができる。
【００４５】
（１０）一個の超音波センサで構成したので、構成が簡単になる。
【００４６】
（１１）一つの超音波センサで構成したので、気体に流れがあっての、超音波の伝播速度を計測することができる。
【００４７】
（１２）流量計測部を熱式フローセンサで構成したので、気体の種別判別と流量計測とを兼用でき、構成がコンパクトになる。
【００４８】
（１３）流量計測部を一対の超音波センサで構成したので、気体の種別判別と流量計測とを兼用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における流量計の断面図
【図２】 本発明の実施例２における流量計の断面図
【図３】 本発明の実施例３における流量計の断面図
【図４】 本発明の実施例４における流量計の外観図
【図５】 本発明の実施例５における流量計の断面図
【図６】 本発明の実施例６における流量計の断面図
【図７】 本発明の実施例７における流量計の外観図
【図８】 本発明の実施例８における熱式フローセンサ外観図
【図９】 （ａ）本発明の実施例９における流量計の断面図
（ｂ）本発明の実施例９における超音波センサの断面図
【図１０】 本発明の実施例９における超音波センサの特性図
【図１１】 本発明の実施例１０における音速測定の原理を説明する図
【図１２】 本発明の実施例１１における音速測定の原理を説明する図
【図１３】 （ａ）本発明の実施例１２における流量計の断面図
（ｂ）本発明の実施例１２における熱式フローセンサの特性図
【図１４】 （ａ）本発明の実施例１３における流量計の断面図
（ｂ）本発明の実施例１３における超音波センサの特性図
【図１５】 従来の流量計の断面図
【符号の説明】
１ 流量計
２ 気体流入口
３ 気体流入部
４ 気体流出口
５ 気体流出部
６ 流量計測部
８、９ 閉止栓
１０、１１ 閉止弁
１２ 状態検知センサ
１３ 液晶表示板
１５ 圧力センサ
１６ 圧力導入部
１７ 組成分析センサ
１９ 熱式フローセンサ
２１ 発熱抵抗体
２４ 気体組成分析センサ部
２６、４１、４２ 超音波センサ
２８ 圧電体

Claims (1)

1. 気体を流す流路と、
   前記流路の入り口に設けられ前記流路を閉止する入口閉止部と、
   前記流路の出口に設けられ前記流路を閉止する出口閉止部と、
   前記流路に流された気体の流量を計測する流量計測部と、
   前記入口閉止部から前記出口閉止部までの流路に充填された使用予定の特定気体の漏洩を検知する圧力センサと、
   前記圧力センサが前記特定気体の漏洩を検知した際に、気体の異常を報知する報知手段と、
   を備えた流量計。

Images