JP4796283B2 - 流量計測方法及び温度センサを用いた流量計測装置 - Google Patents

Description

温度センサを用いて配管内の流量を計測する方法，及び温度センサを用いた流量計測装置に関するものである。

従来から配管内に設置する流量計を用いることなく，配管内の流量を計測する技術が提案されている。例えば配管の外側に設けた測定用のセンサーチューブにヒータと複数個の測温センサを取り付け、ヒータ近傍の液体の温度分布の変化を検出して，消費熱量を基にして流量を測定するものや，被測定液体に熱を伝導する伝熱素子の近傍に配管の温度を測定する測温センサを設け，配管に伝導する熱量を除去した形で被測定液体に伝導される熱量によって流量を算出するようにしたものが知られている（特許文献１）。またその他に，流体中を伝搬する超音波の伝播速度に基づいて流体の流量を測定する超音波式の流量計が提案されている（特許文献２）。このような流量計測方式は，配管外から計測するため，現場においても設置でき，また配管自体を壊したり改変する必要がないので，設備の運転に支障をきたさないという長所がある。

しかしながら，ヒータを取り付けて熱量を基にして流量を算出する方式では，流体を加熱するため，流体自身に温度変化を与えることになり好ましくない。また別途ヒータを必要とし，そのための電源も別途用意する必要がある。さらに一部の方式では，配管内の流体に接触するための液温センサを設けなければならず，結果的に配管の一部に孔を形成する必要がある。一方超音波式の流量計は，非常に高価であり，しかも配管内の偏流がある場合，例えばエルボの近傍では，精度が悪くなってしまう。

特開２００２−３３３３５７号公報 特開平０７−１３９９８２号公報

本発明は，かかる点に鑑みてなされたものであり，配管自体を全く壊すことなく，またヒータ等の機器を必要とせず，しかもエルボ近傍でも計測が可能な新しい方式の流量計測方法及び温度センサを用いた流量計測装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するため，本発明の流量計測方法は，空調機器の停止直後または起動直後の当該空調機器に接続された配管内の冷却水または冷水の流量を計測するにあたり、配管の表面において所定の距離をおいた上流側と下流側の２カ所の配管表面の温度を測定する工程と，予め設定した配管内の冷却水または冷水の温度と配管表面温度との関係を求めておき，前記配管表面の温度から配管内を流れる冷却水または冷水の温度を求める工程を有する。すなわち，配管表面の温度から配管内の冷却水または冷水の温度を求める工程を有する。この場合，配管表面の温度は，例えば公知の温度センサを用いることができる。例えば配管等の表面温度の変化をも起電力，抵抗値，電圧，電流等の物理量の変化として測定できる種々の素子，例えばサーミスタ素子，白金の測温体，熱電対等の素子をセンサ部として使用した温度センサを使用することができる。

ただし，正しく配管の表面温度だけを測定することが難しい場合には，適宜配管温度を測定する温度センサを設置した周囲の雰囲気の温度を測定する周囲温度計を併用し，例えば配管表面温度−（マイナス）周囲温度と，流体温度−（マイナス）表面温度との関係を予め求めておき，配管内流体温度と配管表面温度との差異の計算値から作成した換算式で，配管内流体温度を算出するようにするようにしてもよい。

配管内流体温度と配管表面温度との差異の計算値は，例えば定常一次元熱移動（円筒）による熱伝導計算によって行い，計算条件の熱伝達率は，例えば配管内側表面は，Ｄｉｔｔｕｓ−Ｂｏｅｌｔｅｒの乱流伝達率の式（空気調和衛生工学便覧第１３版１巻１４８頁）により，配管外側表面は例えば９Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）とする。

いずれにしろ配管温度の測定値から，その測定地点における配管内の流体の温度を求めるように予め換算式，相関関係等を求めておけばよい。

そして上流側の測定点における測定結果から求めた，ある時点の冷却水または冷水の温度を計測初期の温度として，当該計測初期の温度から上昇または下降する温度勾配の途中の温度差と同一の温度差を，下流側の測定点で求められた時の時間差，すなわち時間を測定する。
つまり計測初期からの上昇または下降した温度差が同じになった時刻の温度差を求めればよく，必ずしも絶対温度を必要とはしない。したがって，校正や換算の補正式がない場合でも，計測温度が上昇または下降していくときの計測初期からの温度差に着目すれば，流量計測は可能である。

この時間差は，配管内を流れる流体が上流，下流の各測定点間を移動するのに要した時間と擬制できるから，後は当該時間差と前記所定距離，すなわち上流側と下流側の各測定点間の距離を当該時間差で除して流速を求める。そして，この流速と配管断面積を乗じれば，配管内を流れる流量を求めることができる。

なお原理的には，次の（１）〜（３）の条件を満たす場合には，流体の温度まで求めなくとも，温度センサの指示値同士の時間差（温度上昇が同じときの時間差）で代用することは可能である。すなわち，二つの温度センサの（１）周囲温度が同じ，（２）タイプ（時定数，分解能）が同じ，（３）取付け誤差が無視できる場合で，かつ，計測温度に依らず本体誤差が一定の場合には，換算して流体の温度まで算出しなくとも，温度センサの指示値（温度センサの直接の測定結果）による時間差によって，流速を求めることができる。したがって，本発明は，そのような条件を満たさない環境，例えば各温度センサの周囲温度が一様とはいえない状況で，流体の流量を計測できることにも意義がある。

本発明の流量計側装置は，このような方法を実施するための装置，機器を有するものであって，前記配管の表面の温度を測定する第１の温度センサと，前記第１の温度センサから下流側に所定距離をおいた配管の表面の温度を測定する第２の温度センサと，第１の温度センサが測定した計測初期の温度から上昇また下降する温度勾配の途中の温度差と同一の温度差を，第２の温度センサで測定したときの時間差を測定する計測装置とを有する。

なお温度を測定する第１，第２の温度センサは，各々同じタイプのものを用い，同じように取り付けることが好ましい。センサの時定数や分解能を揃えるためである。
そして取付の再現性があって，校正や換算の補正式を予め準備できるセンサであれば，管内水温を絶対温度として高精度に計測でき，流体の温度と流量を同時に計測することが可能である。したがって従来のような熱量計等を使用する必要がない。

温度センサのセンサ部は，配管表面との間での密着性を高めまた熱伝導性を高めるために，第１の温度センサと第２の温度センサにおける配管表面と接触するセンサ部と，配管表面との間には，熱伝導シリコンが設けられていることが好ましい。また外乱となる周囲温度の影響を抑えるために，第１の温度センサと第２の温度センサの外側は保温材で覆われていることが好ましい。

本発明によれば，配管自体を全く壊すことなく，またヒータ等の機器を必要とせず，しかもエルボ近傍のような配管箇所でも流体の温度から流体の流量を求めることが可能である。もちろん配管内の流体の流れを乱すこともない。

以下，本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は，実験を兼ねたモデルケースの被測定対象の配管１の系統の概略を示しており，この例では，タンク２に貯留した暖かい水（３０℃：例えば実設備においては，冷凍機の冷水入口温度（負荷側からの還り温度に相当する温度）を配管内１内を通流させるようにしている。すなわち，タンク２内の取水口３から取水した水は，ポンプ４によって，配管１内を通流し，タンク２内に位置する吐出口５からタンク２内に戻される。またこの配管１の取水口３と吐出口５近傍間には，バイパス管６が設けられている。また配管１における吐出口５の近傍には，バルブ７が設けられ，バイパス管６には，バルブ８が設けられている。

またポンプ４の出口側には，本発明の効果を調べるため，配管内の流量の実際のデータ（基準流量）を採取するための電磁流量計９が設けられている。

本実施の形態では，温度センサとして２種類の公知の温度センサを使用した。そのひとつは，図２に示したいわゆるデジタル温度計型の温度センサ１１である。この温度センサ１１は，図３に示したように，先端部にセンサ部１２を有しており，配管１の周面に対して直角に取り付けられている。

既設の配管１に対する取り付けにあたっては，まず配管１の外周を覆っている断熱材１３の一部を除去する。本実施の形態における配管１は，ＳＧＰ−５０Ａを用い，保温材１３は，グラスウール２４Ｋで４０ｍｍの厚さで配管１の外周を覆っている。

そして配管１の表面をサンドペーパー等で滑らかにし，温度センサ１１の先端面の凹部１４内に設けた，配管への取付のときの差異をなくすための磁石１５や，固定座金(図示せず)によって，配管１の表面に固定する。そして温度センサ１１全体をグラスウールなどの保温材１６で覆う。このときセンサ部１２と配管１表面との間に熱伝導シリコン１７を介在させることが好ましい。熱伝導シリコン１７は，例えば配管１の表面に塗布しておくとよい。センサ部１２が検出した温度センサ１１からの信号は，リード線１８によってロガーなどのデジタル表示の記録計１９へと出力される。この記録計１９には，例えば測定温度，測定温度の測定時刻等を刻々と記録できる機能を有している。

本実施の形態で採用した他の温度センサは，図２に示したようなプレート型センサ２１である。プレート型センサ２１配管接触面がステンレス鋼の薄いプレート状であり，このプレートにシリコン樹脂が設けられ，そのシリコン樹脂内にサーミスタが内蔵されている構造を有している。プレート型センサ２１からの信号は，リード線２２を経由して，記録計(図示せず)へと出力される。

本実施の形態においては，図１に示したように，円筒型の温度センサ１１をＴ１，Ｔ２，Ｔ３の３ヶ所に設置し，プレート型の温度センサ２１をＰ１，Ｐ２の２箇所に設置した。所定距離については，Ｔ１〜Ｔ２の間が３ｍ，Ｔ１〜Ｔ３の間を４ｍに設定した。またＰ１〜Ｐ２の間は４ｍに設定した。

次に図１に示した構成によって実験した結果について説明する。実験手順としては，まずバルブ７を閉鎖し，バルブ８を開放した状態でポンプ４を作動させ，タンク２を経由しないで水を配管１内に循環させる。そして実験初期の配管系と流体の温度を一様に安定させるため，所定時間，例えば３０〜４０分経過後，今度は，バルブ７を開放し，バルブ８を閉鎖して，タンク２内の温水を，配管１内に通流させ，流水温度を上昇させるという手順を採った。ポンプ４による配管１内の基準流量は，１４０ｌ／ｍｉｎ，管内面速１．０７ｍ／ｓ（電磁流量計９を基準流量計として，実験での毎秒の瞬時流量の平均値と，配管内径寸法（ＪＩＳ規格ＳＧＰ５０Ａから求めた断面積を用いて算出した面速。なお，本実験装置は脈動が無く，安定した運転ができることを予め確認している。），温度勾配０．２℃／秒である（タンク２内の温水を供給しだした後に，温度センサ１１，すなわちデジタル型温度計で計測した温度が直線的に上昇するときの温度勾配。この直線的に上昇するときの時間差から流速を求めることになる。温度勾配の大きさは，実設備においては，空調負荷の大きさ（季節別）と管内流速により変わるが，今回の実験での０．２℃／秒は，負荷が大きい夏期ピークで，流量が少ない（流速が遅い）場合に相当すると言える）。そしてタンク２を経由しないで水を配管１内に循環させて，前記所定時間経過した時点の温度を初期温度Ｔ０（１０℃：例えば冷凍機での停止直前の冷水温度に相当する温度）とし，図４に示したように，例えばＰ１とＰ２において，温度が上昇した時間の時間差Ｄを計測した。この場合の初期温度Ｔ０，並びに温度センサ１１，２１によって計測された温度は，温度センサの指示値に対して，校正，並びに換算式を用いた換算した後の値を使用する。

校正，換算については，図５，図６に示したとおりである。図５の校正については，恒温水槽にセンサ（ビニール袋に封入）と基準温度センサを浸け，定常状態になった後，基準温度に対するセンサ本体の誤差を求めた，一般的なものである。また図５の校正曲線は，ＪＱＡ（日本品質保証機構）および発明者側で検定して求めたものである。
また図６の換算式については，図５の校正曲線により，周囲温度と配管表面の温度計の本体誤差を校正する。次に，図６示す換算式（デジタル型の温度計用の式）を用いて，配管内の水温を推定します。図６は，配管サイズが２５０Ａの場合の換算式であり，熱抵抗（センサ部と配管表面との間の熱抵抗）を空気の熱伝導率としたときの相当厚さとして表し，保温ありのときは１．１ｍｍ，保温がないときは０．０５ｍｍとしている。なおこの換算式の係数は，配管サイズと保温厚さで変わる。配管とセンサ部との密着度による熱抵抗の変化と，保温厚さによる配管表面から周囲にかけての温度勾配の変化があるからである。配管サイズが大きくなると，配管表面との密着が良くなって熱抵抗が小さく（換算係数が小さく）なる。また，保温無しの方が，配管のごく近傍までが周囲温度と同じになり，センサ先端部の温度勾配が小さくなって，換算係数が小さくなると考えられる。

そして測定した時間差から，次のようにして流速を算出した。すなわち，
流速（ｍ／ｓ）＝距離（ｍ）／時間差Ｄ（秒）
流量Ｑ（ｍ^３／ｓ）＝流速（ｍ／ｓ）×配管断面積（ｍ^２）
単位流量（ｌ／ｍｉｎ）＝Ｑ（ｍ^３／ｓ）×１０００（ｌ／ｍ^３）×６０（ｓ／ｍｉｎ）

実験の結果は，図７，図８の表に示した通りであり，また対基準流量と比較した結果については，図９の表に示したとおりである。これによれば，本発明によって，配管内の流量が測定できることがわかる。
なお電磁流量計９による基準流量に対して，約１０％〜２０％程度の誤差が生ずることもあるが，これは例えば上流側，下流側の温度センサの設置位置間の所定距離を長くとれば，誤差を少なくすることができる。

また実施の形態のように，温度センサ１１のセンサ部１２と配管１の表面との間に熱伝導シリコン１７を介在させた場合，温度センサ１１の外側を保温材１６で覆った場合の効果については，図１０に示したグラフのようになった。これからもわかるように，センサ部１２と配管１の表面との間に熱伝導シリコン１７を介在させたり，温度センサ１１，２１の外側を保温材１６で覆えば，周囲温度（外乱）の影響を抑えて，温度センサの指示値と流体温度（基準温度）との差異を小さくすることができる。

以上のように本実施の形態によれば，配管１内の流量を，現場にて流体とは非接触で計測することができる。しかも超音波方式と異なり，温度センサ間の距離を一定長（例えば１〜５ｍ程度）確保できれば，エルボ近傍での流量も計測することができる。もちろん従来の熱量に基づいた方式のような，専用の加熱ヒータも不要である。

なお前記実施の形態では，図７，図８のグラフで示したように，温度データのサンプリング時間を２秒とし，温度分解能を０．１℃で温度データを採取したが。サンプリング周期をより短く，例えば０．１秒程度とし，温度分解能もより向上させて，例えば０．０５℃程度にすれば，さらに精度を向上させることができる。

また本発明は，特に冷凍機等の空調機器の停止直後や起動直後の温度変化の際に，配管内の冷却水，冷水の流量を計測するのに特に有効である。

また本発明は，もちろん温度が下降する場合，例えばバルブを開けて冷水供給が開始するような，空調機や冷水ヘッダの配管においても計測が可能である。なお実設備の冷凍機の場合，冷凍能力と冷水の利用側の熱容量にもよるが、温度が下降するときの勾配は比較的緩やか（０．０１℃／秒程度）なので，サンプリング周期を細かくして，温度分解能を向上させることが好ましい。

本実施の形態にかかる流量計測方法を実施した際の配管の系統図である。 配管への温度センサの取付状況を示す配管の断面図である。 温度センサの配管への固定状況を示す配管の一部拡大断面図である。 測定地点での時間差を測定する際の説明図である。 センサ指示値に対する本体誤差の校正を示すグラフである。 管内流体温度の換算を示すグラフである。 温度センサにおける温度上昇結果を示すグラフである。 プレート型の温度センサにおける温度上昇結果を示すグラフである。 実験結果のまとめを示す表である。 熱伝導シリコンと保温材の被覆による指示値と流体温度との差異を示すグラフである。

符号の説明

１ 配管
２ タンク
４ ポンプ
９ 電磁流量計
１１，２１ 温度センサ
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ 円筒型の温度センサの測定点
Ｐ１，Ｐ２ プレート型の温度センサの測定点

Claims (2)

1. 空調機器の停止直後または起動直後の当該空調機器に接続された配管内の冷却水または冷水の流量を計測するにあたり、
   配管の表面において所定の距離をおいた上流側と下流側の２カ所の配管表面の温度を測定する工程と，
   予め設定した配管内の冷却水または冷水の温度と配管表面温度との関係を求めておき，前記配管表面の温度から配管内を流れる冷却水または冷水の温度を求める工程と，
   上流側の測定点における測定結果から求めた，ある時点の冷却水または冷水の温度を計測初期の温度として，当該計測初期の温度から上昇または下降する温度勾配の途中の温度差と同一の温度差を，下流側の測定点で求められた時の時間差を測定する工程と，
   当該時間差と前記所定距離から流速を求める工程と，
   前記流速と配管断面積から，流量を求める工程とを有することを特徴とする，流量計測方法。
2. 請求項１に記載の流量計測方法を実施するための装置であって、
   前記配管の表面の温度を測定する第１の温度センサと，
   前記第１の温度センサから下流側に所定距離をおいた配管の表面の温度を測定する第２の温度センサと，
   第１の温度センサが測定した計測初期の温度から上昇また下降する温度勾配の途中の温度差と同一の温度差を，第２の温度センサで測定したときの時間差を測定する計測装置と、を有することを特徴とする，流量計測装置。

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