JP4808905B2 - ガスメータ - Google Patents

Description

【０００１】
技術的な領域
本発明は特許請求項１から９の上位概念に記載された、ガス混合気の消費量を求める方法およびガスメータに関する。この方法およびガスメータはとりわけ家庭領域および産業領域において使用するのに適しており、とりわけ天然ガスの使用量を求めるのに適している。
【０００２】
従来技術
今日、家庭領域および産業領域等におけるガスの請求は主に、使用されたガスの容積に基づいている。それ故、とりわけ流動したガスの容積測定に直接的に基づくガスメータが使用される。ここでこのガスメータは、温度変化によって生じる測定誤差を部分的に補償する。
【０００３】
最も頻繁に使用されるガスメータは、U. Wernekinck著「Gasmessung und Gasabrechnung（Vulkan-Verl. 1996年, 20〜31頁)」に記載されているようないわゆるベローガス量計（Balgengaszaehler)であろう。このベローガス量計は２つの測定室を使用する。これらの測定室は流動するガスによって順々に交互に充填され、再び空になる。１つの測定室が充填されているあいだ、別の測定室にガスが排出される。充填ないしは空にすることが数えられ、測定室の容積と乗算されて流動するガスの総容積になる。しかしガスの容積は周辺温度および圧力の変化によって変わるので、このような測定には誤差が生じる。夏期にガスが暖かく、容積がより大きい場合、消費者はガスの同じ熱量に対して冬期より多く支払う。それ故、今日のベローガス量計に対して、実際は使用されるのはまれである、温度補償を行う簡易な機械式の装置または電気的な装置が設けられる。しかし圧力の変動は考慮されない。
【０００４】
ＷＯ９９／０６８００から容積流量を求めるガスメータが公知である。このためにガス管で第１のサーミスタによって冷却特性が検出され、第２のサーミスタによってガスの目下の温度が検出される。これによってガスの分子の流量が求められる。さらにこの管には、静止したガスの冷却特性が検出される小室が配置される。これによってガス管の作動中にあらゆる任意の時点で較正値が得られる。ここでこの較正値を用いて第１のサーミスタの冷却特性から再び容積流量が求められる。
【０００５】
このようなあらゆる補償にもかかわらず、容積測定に基づくガスメータは常に誤差を有しており、これによって不正確なガス請求が行われてしまう。このため容積消費量に基づく精算の原則は消費者に対して公正ではない。すなわち消費者のガス消費量は容積にではなく、ガス量すなわち消費されたガスの量、並びにガスの質すなわちガスの発熱量に応じて決められるべきである。ガスが濃ければ濃いほど、質的に高ければ高い程、同じ効率を得るのに必要な容積はより少なくなる。これは暖房装置、湯沸かし器または台所においてである。
【０００６】
それ故、まだ公開されていないドイツ連邦共和国特許出願第１９９０８６６４. ８号には次のようなガスメータが記載されている。すなわちガス質量流量を求め、従ってガスの濃度を考慮するガスメータである。このために有利には、F.Mayer等著「Single-Chip CMOS Anemometer, Proc. IEEE, International Electron Devices Meeting (IEDM, 1997年) 895-898頁」から公知のアネモメータが使用される。これらの２つの文献の開示は、以降の明細書の一部である。
【０００７】
しかし上述のガスメータではガスの質における変動は考慮されない。このような変動はとりわけ天然ガスで顕著であり、主に、天然ガスが源に応じて異なる組成を有することによって生じる。しかしガス管において異なる源からのガスが混合されて供給される。ここで混合比は、各供給によって著しく異なり得る。
【０００８】
従来技術から、ガスの発熱量を考慮してエネルギー消費量を求める装置が公知である。例えばＷＯ００／１１４６５は、一方では容積測定を行うベローガス量計を有し、他方でガスの熱量を求める装置を有するエネルギー測定装置を開示している。ここでこのような熱量測定装置は音響的な測定原則に基づく。ＵＳ−Ａ６０４７５８９号も、ガスの流量容積および熱量を求めるエネルギー測定装置を開示する。ここで２つの測定は音響的な作用に基づく。従って２つのエネルギー測定装置は容積測定に較正されている。ここでこれらはそれぞれ現場で測定された目下の発熱量を容積測定値を用いて計算し、所望のエネルギー値を得る。
【０００９】
従ってこのようなエネルギー測定装置は比較的複雑に構成されている。なぜならこれらのエネルギー測定装置は容積測定、発熱量算出およびこれに加えて２つの得られた測定値の結合も行うことができなければならないからである。それ故にこの種の装置は、通常のガスメータとして家庭領域および産業領域で用いるのには高価すぎる。
【００１０】
本発明の説明
それ故に本発明の課題は、発熱量に依存したガス使用量の測定を容易に行うことができ、従って家庭領域よび産業領域での使用に適しているように、上述の様式のガス混合気の消費量を求める方法およびガスメータを実現することである。
【００１１】
上述の課題は、特許請求項１から９の特徴部分の構成を有する方法およびガスメータによって解決される。
【００１２】
本発明の方法は、流量、とりわけ質量流量の測定時にセンサ信号がガスの熱量または発熱量に依存して変化するという認識に基づく。ここでこの依存性は１次で比例的な関係である固定した関係を有する。これによって本発明のガスメータを直接的にエネルギー測定装置として較正することができる。
【００１３】
ガス混合気の組成における変動を考慮するさらなる補正は、ガスメータの測定に依存しないで行われる。これに必要な、実際に使用ないしは供給された(bezogenen)ガス混合気の発熱量の算出は外部ユニット、およびガスメータと局所的に離れているユニットによって行われる。
【００１４】
これによって各ガスメータに、発熱量を求めるユニットを備える必要がないということは有利である。同じガス網(Gasnetz)に接続されている複数の消費者ひいてはガスメータに、使用されたガス混合気の発熱量に関する必要な情報を供給するのに、ただ１つの外部ユニットで充分である。
【００１５】
本発明による方法の有利な実施例では、この外部ユニットはガスメータに発熱量に関する情報を伝達し、ガスメータは自身で、測定されたエネルギー消費量の補正をこの情報に基づいて行う。
【００１６】
本発明による方法の他の有利な実施例では、ガスメータはエネルギー消費量または所定の時間期間にわたって積分(aufintegrierten)されたエネルギー消費量を中央部に伝達する。この中央部ではこの値は、使用されたガス混合気の、このような時間期間のあいだに存在する発熱量に関する情報によって修正される。
【００１７】
別の有利な実施例は、従属請求項に記載されている。
【００１８】
図面の簡単な説明
以下で本発明を有利な実施例に基づきより詳細に説明する。この有利な実施例は、添付の図面に示されている。
【００１９】
図１には本発明によるガスメータを有するガス管の一部が示されており、
図２には天然ガスの発熱量に対する月平均値の差の比較と、本発明によるガスメータの相応する測定値の変化が示されており、
図３のａには容積測定に対する、ガスの有効なエネルギー値に関する測定値誤差が示されており、
図３のｂには質量流量測定に対する、ガスの有効なエネルギー値に関する測定値誤差が示されており、
図３のｃには本発明によるエネルギー流測定に対する、ガスの有効エネルギー値に関する測定値誤差が示されている。
【００２０】
本発明の実施例
図１には、本発明によるガスメータが備えられたガス管（Gasleitung)が示されている。このガス管は主管１から成る。この主管は構造外の、ここには示されていないガス網路と接続される。このような主管１は、定められた横断面を有する管しぼり機構１０または明確に定められた圧力降下を目的とする、主管１にもたらされた他の手段（pressure dropper）を有する。ガス管を通ってガスは流れる。これは一般的に、目下の組成が変化するガス混合気のことである。例えば天然ガスの場合、天然ガスの３つの主成分メタン、プロパン、エタンは、ガスの源に応じて異なる重みを有する。しかしこのような３つの可燃性の主成分は異なった発熱量も有するので、結果として生じるガス混合気の発熱量は相応に変動する。
【００２１】
ガス質量流量を求める測定手段２とここには図示されていない評価用電子回路とを有するガスメータが設けられる。この測定手段２は、簡単な実施例では直接的に主管１に配置される。しかしここに図示された有利な実施例では主管１からバイパス管１１が分岐する。このバイパス管は管しぼり機構１０に対するバイパスを構成する。このバイパス管には測定手段２が配置される。有利には測定手段２はアネモメータ、有利にはサンドイッチ構造でポリシリコン構造を有するＣＭＯＳ−アネモメータである。これは刊行物 J. Robadey等著 Two dimensional integrated gas flow sensors by CMOS IC technology, J. Mecromech. Microeng. 5 (1995年) 243-250頁および F. Mayer等著 Scaling of thermal CMOS gas flow microsensors: experiment and simulation, Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems, (IEEE,1996年) 116-121頁並びにF. Mayer等著 Single-Chip CMOS Anemometer, Proc. IEEE, International Electron Devices Meeting (IEDM,1997年) 895-898頁で公開され、冒頭に記載した公開されていないドイツ連邦共和国特許出願第１９９０８６６４．８号においてガスメータとして使用することが提案されている。
【００２２】
測定手段２は加熱素子と、流れる方向において加熱素子の前と後に同じ間隔ずつ配置された温度センサとを有する。測定されるべきガスは測定手段２の表面を介して流れ、加熱素子によって温められる。温度センサによって、流れる方向において加熱素子の前と後でガスの温度ないし温度差が測定される。ここでセンサ信号Ｓは電圧信号Ｕの形で得られる。この電圧信号は、温度差ΔＴに依存した特性を有する。熱伝達率は、容積単位あたりの分子数、従ってガスの質量に依存する。しかしこれに加えて熱伝達率はガス混合気の発熱量、すなわちガス混合気の種類ないしは組成にも依存する。
【００２３】
ここで本発明では、センサ信号がガス混合気の熱量に依存して変化するという認識が使用される。これはこの装置を容積測定装置として較正する場合、またこの装置を質量流量測定器としての較正する場合にさらに明らかに生じる。図２にはこのような依存性が示されている。ここでＣＷは天然ガスの発熱量に対する月平均値と年平均値とのパーセントによる差を示す。明らであるように発熱量は約２％変動する。同じようにΔＳによって、センサ信号Ｓの変化が示されている。このセンサ信号は上述の測定手段２によって一定のガス流に対して得られたものである。このセンサ信号は発熱量と同じ方向に、むしろ発熱量にほぼ比例して変化することが明らかである。このような関係は月平均値だけに当てはまるのではなく、当然瞬間的な値、すなわち任意の小さい時間の尺度にも当てはまる。
【００２４】
それ故に本発明ではガスメータないし質量流量を求める手段は、エネルギー測定装置として較正または標準化される。このために以下のように行われる。
【００２５】
【外７】

【００２６】
【外８】

【００２７】
この信号換算ファクタは、ここで次のような換算ファクタである。すなわち較正ガス（ここでは窒素）の代わりにベースガス混合気を使用した場合の測定手段２の感度の違いを考慮する換算ファクタである。発熱量ファクタＨ_ＣＨはこのようなベースガス混合気の発熱量、すなわちベースガス混合気の熱量または流量パラメータの単位あたり、すなわち標準容積またはｋｇあたりの発熱量を考慮する。ベースガス混合気としては有利には、ガスメータの使用領域に対する典型的な平均的なガス混合気が使用される。
【００２８】
得られた積はセンサ信号Ｓに依存するパワー（Leistung)Ｐである。
【００２９】
【数１】

【００３０】
これは瞬間のガス消費量を時間単位あたりのエネルギーとして示す。所定の時間期間にわたって積分することによってエネルギー消費量Ｅが求められる。
【００３１】
【数２】

【００３２】
これによってガスメータは、ベースガス混合気に基づいてパワー測定装置またはエネルギー測定装置として較正される。すなわちこの動作中、消費されたガス混合気の組成の時間的な変動、すなわちベースガス混合気の組成の差はセンサ信号Ｓの相応する変動によって自動的に少なくとも部分的に考慮される。このために、時間的に変動する有効な発熱量Ｈ、ないしはベースガス混合気の発熱量Ｈ_ＣＨとのその差は継続的に更新される必要はない。
【００３３】
【外９】

【００３４】
【外１０】

【００３５】
【外１１】

【００３６】
【数３】

【００３７】
付加的に信号換算ファクタが求められる場合は、
【００３８】
【数４】

【００３９】
である。
【００４０】
本発明の方法の他の実施例では、ガスメータは測定されたエネルギー消費量を中央部に伝達する。この中央部は測定されたエネルギー消費量を修正ファクタと乗算する。外部ユニットが中央部内に組み込まれていない場合、これも使用されたガス混合気の発熱量に対する情報を中央部に伝達する。有利にはガスメータおよび／または外部ユニットは所定の時間期間にわたる自身の測定値を加算ないしは積分し、積分された値を中央に伝達する。
【００４１】
全ての実施例において、測定されたエネルギー消費量の修正は任意の時点で、すなわちメータの読み取り時になってでも行うことができる。
【００４２】
本発明の方法および本発明のガスメータは、エネルギー装置として直接的に較正されることよって、安価かつ公正なガス使用量の精算(Abrechnung)を可能にする。より詳細な測定方法であることは図３のａ〜図３のｃから明らかである。これらの図は、ガス混合気の測定されたエネルギー量と有効なエネルギー量との差がどの程度かを示す。ここで図３のａは、ガスメータがガス容積流量測定に対して較正されている場合の状況をあらわす。
【００４３】
【外１２】

【００４４】
このような装置によって容積流量から相応のガスエネルギーが求められる場合、誤差は±１８％に達する。この誤差に対する主な原因は、温度変動と圧力変動である。温度変動は通常最大約±１０％であり、圧力変動は最大約±５％である。図３のｂは例えば上述の測定手段２を用いた、質量流量に基づく較正によって生じる測定誤差が示されている。
【００４５】
【外１３】

【００４６】
質量流量
最大誤差は近似的に±４％であり、ここで約２％は測定装置によって、そしてさらなる約２％はガス混合気の組成ないしは発熱量の時間的な変動によって生じる。図３のｃは、本発明によるエネルギー流への較正を有する上述の測定手段２を用いた場合の測定誤差を示す。
【００４７】
【外１４】

【００４８】
図から明らかなように、直接的ににエネルギー流測定に較正された装置は最もよく実際の姿をあらわしている。なぜならこの測定手段はこの場合、ガス混合気の組成の時間的な変動を自動的にエネルギー流量の正しい方向に修正するからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるガスメータを有するガス管の一部をあらわす概略図である。
【図２】 天然ガスの発熱量に対する月平均値の差の比較と、本発明によるガスメータの相応する測定値の変化をあらわす図である。
【図３】 図３のａは容積測定に対する、ガスの有効なエネルギー値に関する測定値誤差をあらわす図であり、
図３のｂは質量流量測定に対する、ガスの有効なエネルギー値に関する測定値誤差をあらわす図であり、
図３のｃは本発明によるエネルギー流測定に対する、ガスの有効エネルギー値に関する測定値誤差をあらわす図である。
【符号の説明】
１ 主管
１０ 管しぼり機構
１１ バイパス管
２ 測定手段
ＣＷ 月平均値の差
Ｓ センサ信号値
ΔＳ センサ信号値Ｓの変化

Claims (10)

1. ガス質量流量を求める測定手段（２）と評価用電子回路とを有するガスメータを用いてガス混合気の消費量を求める方法において、
   前記ガスメータをパワー測定装置またはエネルギー測定装置として直接的に較正するために、センサ信号値（Ｓ_ｎ）を較正ガス（Ｎ_２、空気)の流量に依存して求めて、センサ較正曲線（Ｆ_ｎ（Ｓ_ｎ））の形で前記ガスメータ内に記憶し、
   当該センサ較正曲線（Ｆ_ｎ（Ｓ_ｎ））を信号換算ファクタ（ｆ_{Ｎ２−ＣＨ}）およびベースガス混合気（ＣＨ）に対する発熱量ファクタ（Ｈ_ＣＨ）と乗算し、
   得られた積はパワー（Ｐ）またはエネルギー消費量（Ｅ）を示し、
   前記信号換算ファクタ（ｆ_{Ｎ２−ＣＨ}）は、較正ガス（Ｎ_２、空気)の代わりにベースガス混合気を使用した場合の測定手段（２）の感度の違いを考慮する、
   ことを特徴とする、ガス混合気の消費量を求める方法。
2. 前記エネルギー消費量（Ｅ）を、修正ファクタ
   

   

   と乗算し、
   当該修正ファクタは少なくとも近似的に、使用されたガス混合気の発熱量
   

   

   を考慮する、請求項１記載の方法。
3. 使用されたガス混合気の発熱量
   

   

   を外部ユニットによって求める、請求項２記載の方法。
4. 前記外部ユニットは、使用されたガス混合気の発熱量
   

   

   に関する情報をガスメータに伝達する、請求項３記載の方法。
5. 前記ガスメータは測定されたエネルギー消費量を中央部に伝達し、前記外部ユニットは使用されたガス混合気の発熱量
   

   

   に関する情報を中央部に伝達する、請求項３記載の方法。
6. 前記外部ユニットは中央部である、請求項３記載の方法。
7. 前記修正ファクタ
   

   

   は、所定の時間期間にわたって求められた、使用されたガス混合気の発熱量
   

   

   を考慮する、請求項２記載の方法。
8. ガス質量流量を求める測定手段（２）と評価用電子回路とを有する、ガス混合気の消費量を求めるガスメータにおいて
   前記ガスメータをエネルギー測定装置として較正し、
   前記ガスメータをパワー測定装置またはエネルギー測定装置として直接的に較正するために、センサ信号値（Ｓ_ｎ）を較正ガス（Ｎ_２、空気)の流量に依存して求めて、センサ較正曲線（Ｆ_ｎ（Ｓ_ｎ））の形で前記ガスメータ内に記憶し、
   当該センサ較正曲線（Ｆ_ｎ（Ｓ_ｎ））を信号換算ファクタ（ｆ_{Ｎ２−ＣＨ}）およびベースガス混合気（ＣＨ）に対する発熱量ファクタ（Ｈ_ＣＨ）と乗算し、
   得られた積はパワー（Ｐ）またはエネルギー消費量（Ｅ）を示し、
   前記信号換算ファクタ（ｆ_{Ｎ２−ＣＨ}）は、較正ガス（Ｎ_２、空気)の代わりにベースガス混合気を使用した場合の測定手段（２）の感度の違いを考慮する、
   ことを特徴とする、ガスメータ。
9. 前記ガスメータは、測定されたエネルギー消費量を修正ファクタ
   

   

   と乗算するために修正手段を有しており、
   該修正ファクタは少なくとも近似的に、使用されたガス混合気の発熱量
   

   

   を考慮する、請求項８記載のガスメータ
10. 前記測定手段（２）はＣＭＯＳ−アネモメータである、請求項８記載のガスメータ。

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