JP4926519B2 - 超音波式ガスメーターのガス流量計測構造 - Google Patents

Description

本発明は、超音波送受信センサを用いてガスメーターのガス流量を計測する構造に関する。

超音波送受信センサを用いたガスメーターとして、ガスを上から下、水平方向、下から上の順に通過させるガス流路をガスメーター内に有し、ガス流路のうち上から下に向かう部分を入口側流路とし、水平方向に向かう部分をガスの流量を計測する計測流路とし、ガス流路のうち下から上に向かう部分を出口側流路とし、計測流路のうち入口側流路に通じる上向きの入口部分に入口側乱流抑制片を内向きに突出すると共に、計測流路のうち出口側流路に通じる上向きの出口部分に出口側乱流抑制片を内向きに突出し、計測流路中に、ガス進行方向に沿う水平な整流板を上下に間隔をあけて設け、整流板によって計測流路を上下に区画し、ガス流速を計測する超音波送受信センサを計測流路の側方に対向して配置したものが知られている（特許文献１、２）。
特開２００４−３３３２０２号公報 特開２００５−１０６７２６号公報

ガス流量の計測は、流路断面積に対して刻々と変化するガスの流速を積算した値によって算出される。また、超音波式ガスメーターは、計測流路中の流路断面積中の通過位置ごとにガス流速に差ができるものである。このように差ができるものであっても超音波送受信センサで流路断面積の全域を測定すれば、積算値が実際のガス使用量と一致する。

しかしながら、通常、コスト面やコンパクト化の要請等もあって超音波受信センサは流路断面積の中央部分の層（全６層の場合、３層と４層）のみのガスの流速を測定するものを用い、実際の積算値を流量係数で補正しているのが実情である。直線状の流路内を流体が流れる場合、通常、流路断面積の中央部分を中心にして流体の流速分布が得られることから、超音波送受信センサで流路断面積の中央部分を測定している。また、流量係数での補正の際に補正量があまりに大きいと、算出値の信頼性が失われるので、流路断面積中の通過位置におけるガス流速の差をできるだけ少なくするために、入口側・出口側乱流抑制片や整流板が設けられている。

流量係数は、計算値の通過流量を基準流量（実際のガス使用量）に一致させるために用いられる。そして、ガス使用量の変動に伴って各層のガス通過具合が変わるため、流量係数はガス使用量によって変動するものである。従って、流量係数は変動が少なく、理想的には一定であることが望ましい。

ところで、超音波式ガスメーターは使用流量に応じた流量係数を用いることによって、使用流量の幅を数１０〜１００００Ｌ／ｈ程度まで広げることができる。

ところが、計量法で決められた基準を高いレベルで満足するべく、圧力損失の低減を図ると（具体的には、入口側・出口側乱流抑制片の突出量を短くすると）、従来、ガス流路断面積の中央部分の層ではガス使用量に関係なく、ほぼ一定であった流量係数が、大きく変動することになった。

本発明は上記実情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、圧力損失の低減を図りながらも、流量係数の変動を小さくすることである。なお、ガスメーターは、ガスを上から下、水平方向、下から上の順に通過させるガス流路をガスメーター内に有するタイプ、即ち上口金タイプに限らず、ガスを「下から上」、水平方向、「上から下」の順に通過させるガス流路をガスメーター内に有するタイプ、即ち下口金タイプも存在するので、双方のタイプについて、上記目的が存在する。

前述したようにガスメーターの流路構造が上から下、水平方向、下から上へと向かう単純な構造であることから、入口側・出口側乱流抑制片の突出量を短くする以外に、効果的な方法を現時点では本発明者は思いつかなかった。そこで、超音波送受信センサの位置に本発明者は着目し、流路断面積の中央部分を測定するという固定観念を除去し、別の箇所を測定すれば良いかも知れないと考えた。そして、圧力損失を低減したことにより、ガス使用流量が増大すると、下側の層にガスが流れやすくなることに気づいた。また、最も下側の層は、微細な埃等が溜まりやすいことから、最も下側の層を測定することは避けるべきと考えた。上記思想に基づいて、中央の層から下側の層を超音波送受信センサで計測してみると、後述するが、中央の層と最下層の間の層で、流量係数の変動が少ない測定結果が得られた。なお、ガスメーターの流路構造が上から下、水平方向、下から上へと向かう構造の場合は、圧力損失を低減したことにより、ガス使用流量が増大すると、上側の層にガスが流れやすくなることに気づいた。また、最も上側の層は、結露等の影響も受けやすいことから、最も上側の層を測定することは避けるべきと考えた。

上記思想及び測定結果から本発明が創作された。即ち、請求項１〜３の発明は、ガスをガス入口からガス出口に向かって下向き、横向き、上向きの順に通過させるガス流路をガスメーター内に有し、ガス入口から下向きの部分を入口側流路とし、横向きの部分をガスの流量を計測する計測流路とし、上向きの部分を出口側流路とし、計測流路中に断面矩形の測定管を備え、測定管内に、ガス進行方向に沿う水平な整流板を上下に間隔をあけて設け、整流板によって計測流路を上下に区画された断面矩形の狭流路からなる複数層に分け、全層のうち設定層のみのガス流速を計測する一対の超音波送受信センサを測定管の側方に対向して配置すると共に、設定層を１層又は隣り合う複数層で構成し、全層の範囲のうち、基準流量の変動に対する流量係数の変動が最小となる範囲に設定層を設定し、設定層の高さ中心に超音波送受信センサの中心を一致させ、超音波送受信センサの計測結果から得られる設定層のガス通過流量を制御装置が算出し、設定層のガス通過流量に流量係数を用いて、計測流路全体のガス通過流量を制御装置が補正して算出する超音波式ガスメーターのガス流量計測構造を前提とする。
そして、請求項１の発明は、４枚以上の整流板によって測定管内を５層以上に区画し、ガス流路の構造によって全層のうち中央層よりも下側で且つ最下層よりも上側の層のみを設定層としてあることを特徴とする超音波式ガスメーターのガス流量計測構造である。
また、請求項２の発明は、請求項１記載の超音波式ガスメーターのガス流量計測構造において、５枚の整流板によって測定管内を６層に区画し、上から５番目の５層のみを設定層としてあることを特徴とする。
更に、請求項３の発明は、上記前提に記載の超音波式ガスメーターのガス流量計測構造において、５枚の整流板によって測定管内を６層に区画し、上から４番目と５番目の４層と５層のみを設定層としてあることを特徴とする。

計測流路の中央層とは、全層が奇数層の場合には問題なく、例えば全層が５層であれば中央層が上から数えて３番目の層、即ち３層となる。全層が偶数層の場合には厳密に言えば中央層はないが、この場合は緩やかに捉えて、全層の高さ中間を仕切る整流板の上下層を合わせて中央層と考え、例えば、例えば６層であれば、３層と４層が中央層となる。
計測流路を５層以上に区画したのは、全層のうち中央層よりも下側で且つ最下層よりも上側の範囲に層を１つ以上、確実に設けるためである。

また、請求項４〜６の発明は、請求項１〜３の発明を上下逆にした構造である。即ち、ガスをガス入口からガス出口に向かって「上向き」、横向き、「下向き」の順に通過させるガス流路をガスメーター内に有し、ガス入口から「上向き」の部分を入口側流路とし、横向きの部分をガスの流量を計測する計測流路とし、「下向き」の部分を出口側流路とし、計測流路中に断面矩形の測定管を備え、測定管内に、ガス進行方向に沿う水平な整流板を上下に間隔をあけて設け、整流板によって測定管内を上下に区画された断面矩形の狭流路からなる複数層に分け、全層のうち設定層のみのガス流速を計測する一対の超音波送受信センサを測定管の側方に対向して配置すると共に、設定層を１層又は隣り合う複数層で構成し、全層の範囲のうち、基準流量の変動に対する流量係数の変動が最小となる範囲に設定層を設定し、設定層の高さ中心に超音波送受信センサの中心を一致させ、超音波送受信センサの計測結果から得られる設定層のガス通過流量を制御装置が算出し、設定層のガス通過流量に流量係数を用いて、計測流路全体のガス通過流量を制御装置が補正して算出する超音波式ガスメーターのガス流量計測構造を前提とする。
そして、請求項４の発明は、４枚以上の整流板によって測定管内を５層以上に区画し、区画された全層のうち中央層よりも「上側」で且つ「最上層」よりも「下側」の層のみを設定層としてあることを特徴とする超音波式ガスメーターのガス流量計測構造である。
また、請求項５の発明は、請求項４記載の超音波式ガスメーターのガス流量計測構造において、５枚の整流板によって測定管内を６層に区画し、上から２番目の層のみを設定層としてあることを特徴とする。
更に、請求項６の発明は、上記前提に記載の超音波式ガスメーターのガス流量計測構造において、５枚の整流板によって測定管内を６層に区画し、上から２番目と３番目の２層と３層のみを設定層としてあることを特徴とする。

ガス流速の計測において超音波送受信センサ及びその測定用の設定層は計測流路の高さ中心に合わせるという固定観念があったが、本発明はその固定観念を打破し、請求項１、２の発明のように、ガスをガス入口からガス出口に向かって下向き、横向き、上向きの順に通過させるガス流路を有するガスメーターのタイプに対しては、計測流路を区画する全層のうち中央層よりも下側で且つ最下層よりも上側の範囲に設定層が配置されるガス流路の構造の場合には、そのガス流路の構造に合わせて超音波送受信センサの中心を全体的に下側に配置するという斬新な構造を採用するものである。そして、この採用構造によって、圧力損失の低減を図りながらも、中央層よりも流量係数の変動を小さくすることができる。
また、請求項３の発明のように、請求項１、２と同様のガス流路を有するガスメーターのタイプに対して、測定管内を６層に区画した場合は、中央層（上から３番目と４番目層）や、最下層（上から６番目の６層）ではなく、上から４番目と５番目の４層と５層を設定層とすることによっても、同様の効果が発揮される。
請求項４、５の発明のように、ガスをガス入口からガス出口に向かって「上向き」、横向き、「下向き」の順に通過させるガス流路を有するガスメーターのタイプに対しては、計測流路を区画する全層のうち中央層よりも「上側」で且つ「最上層」よりも「下側」の範囲に設定層が配置されるガス流路の構造の場合には、同様の効果が発揮される。
更に、請求項６の発明のように、請求項４、５と同様のガス流路を有するガスメーターのタイプに対して、測定管内を６層に区画した場合は、中央層（上から３番目と４番目層）や、最上層（上から１番目の１層）ではなく、上から２番目と３番目の２層と３層を設定層とすることによっても、同様の効果が発揮される。

超音波式ガスメーターは図１に示すように、メーター本体１の上部の左右に、ガス入口２とガス出口３を間隔をあけて設け、ガス入口２とガス出口３をそれぞれ図示しないガス供給管、設備側配管に接続する。メーター本体１内のガス流路は、ガスをガス入口２から下向き、横向き（水平）、上向きの順に通過させるものである。そして、ガス入口２から下向きの部分を入口側流路４とし、横向きの部分をガスの流量を計測する計測流路５とし、上向きの部分を出口側流路６とする。入口側流路４には遮断弁７を設け、出口側流路６には圧力センサ８を設けてある。そして、圧力センサ８でガス圧力を検出し、検出値が設定圧力範囲を逸脱した場合に遮断弁７を駆動して、入口側流路４を閉鎖する。

計測流路５は図２、図３に示すように、外側のケース９と、ケース９内に収容された測定管１０との二重構造となっている。ケース９は例えばダイキャスト等の高い剛性を有する部材で形成されている。図４に示すようにケース９の側面には一対の抜穴Ｈを、ガスの流れる方向に対して所定角度θをもって対向してあけ、各抜穴Ｈ内に超音波送受信センサ１１を収容してある。なお、図２、図３では、超音波送受信センサを省いてある。

ケース９は図２に示すようにその内部に、入口側流路４に通じる短い上向きの流入部１２と、出口側流路６に通じる短い上向きの流出部１３と、流入部１２と流出部１３の下部を連通する水平方向の導通部１４を形成してある。また、ケース９は、上側を形作る上体１５と、底側を形作る下体１６とをビス等で止めて一体化したものである。

ガスがケース９の流入部１２に入った後、導通部１４内の測定管１０に入る際、及び測定管１０を出て流出部１３に入る際の乱流を防止すべく、上体１５は図１、図２に示すように流入部１２の左内側面と流出部１３の右内側面に乱流抑制片１７，１８をそれぞれ内向きに突出してある。また、測定管１０は導通部１４よりも水平方向全長を長く形成し、その両端部を流入部１２と流出部１３に突出してある。

測定管１０は図５に示すように断面矩形の管であって、その内部には上下に均等な間隔をあけて水平な整流板１９を、水平方向全長の中間部に沿って５枚収容している。そして、測定管１０内に６層の断面矩形の狭流路を区画して形成してある。測定管１０は図３に示すように断面Ｌ字状の２つの半割体２０を突き合わせ、突合せ面の小さな凹凸（図示省略）を嵌め合わせて仮止めし、図２に示すように突き合わせた状態のまま外周を局部的に環状の弾性ゴム２１で締め付けて固定する。図示しないが、各半割体２０の内側面の水平方向中間部には、高さ方向に等間隔あけて溝が刻まれており、溝に整流板１９の一側端部を嵌め込んで固定する。また図３、図４に示すように測定管１０には超音波送受信センサ１１の対向する向きに合わせて開口部２２を形成して超音波を通過させる。

超音波送受信センサ１１は図６の側面図に示すように、圧電素子２３が円盤状となっており、その中心を４，５層の高さ中間点（４，５層を仕切る整流板１９）に合わせてある。符号２４は圧電素子２３を覆うカバーで、カバー２４の上には圧電素子２３より大径の音響整合板２５を同心円状に止めてある。そして、図１に示すように設定層である４、５層の範囲から得られるガス流速を検出するために、超音波送受信センサ１１（圧電素子２３）の中心を、４層と５層の間の整流板１９に合わせてある。超音波送受信センサ１１の検出信号をマイコン制御された制御装置に送る。制御装置内では、４，５層の二層分の実測流量を算出し、二層分の実測流量から残りの四層分のガス通過流量も算出して全体のガス通過流量を正確に算出する。ガス通過流量は、層ごとに差があるのが一般的なので、差をなくして平均化するために、実測流量に流量係数をかけて補正し、補正値を３倍することによって最終的な値を算出し、現実のガス使用流量、即ち基準流量に一致させる。流量係数とは、現実のガス使用流量÷実測流量の数式で算出される値をいう。

図７のグラフは、計測流路５を六層に区画した場合の二層分ごとの比較結果を、基準流量を横軸に、流量係数を縦軸にとって示したものである。上述した乱流防止構造も含めたガス流路の構造によって、測定管１０内の３〜６層においては１０００Ｌ／ｈ以下までは、３，４層に最も多量のガスが流れ、５、６層に最も少量のガスが流れる傾向となり、数１０００Ｌ／ｈ〜１００００Ｌ／ｈの範囲では傾向が逆転し、３，４層に最も少量のガスが流れ、５、６層に最も多量のガスが流れる傾向となる。そして、計測結果から、４、５層のカーブが最もフラットとなり、流量係数の変動が最も小さいと言える。

また、下記の表１は、測定する層以外の層をマスキングした条件で、基準流量の変動に対する実測流量の計測結果を示すもので、この表に基づいて基準流量を横軸に、流量係数を縦軸にとった一層ごとの比較結果を示す図８のグラフが描かれる。このグラフによると、５層が最も流量係数の変動の少ない層であることが分かる。図７と図８のグラフから、４層と５層を設定層とすることの裏づけがなされたと言える。

なお、上述した超音波送受信センサ１１は設定層を４，５層の二層分に設定したが、高精度のものならば設定層を５層の一層分に設定するものであっても良い。

図１０のグラフは、計測流路５を十層に区画した場合の二層分ごとの比較結果を、基準流量を横軸に、流量係数を縦軸にとって示したものである。上述した乱流防止構造も含めたガス流路の構造によって、測定管１０内の５、６層よりも、８，９層のカーブがフラットとなり、流量係数の変動が小さいと言える。

ガスメーターは上述した上口金タイプ以外に、図示しないが上下を逆転した下口金タイプも存在する。下口金タイプで計測流路５を六層に区画した場合について、基準流量を横軸に、流量係数を縦軸にとった二層分ごとの比較結果を図９のグラフは示している。測定管１０内の２，３層のカーブが３，４層のカーブよりもフラットとなり、流量係数の変動が最も小さいと言える。

超音波式ガスメーターのガス流量計測構造を示す一部拡大断面図である。 （イ）〜（ハ）図は超音波送受信センサを除いた計測流路の底面図、Ａ−Ａ線断面図、左側面図である。 計測流路の分解図である。 計測流路の横断面図である。 超音波送受信センサと測定管の関係を示す説明図である。 超音波送受信センサの側面図である。 計測流路が６層の上口金タイプの基準流量と流量係数の関係を二層ごとに比較したグラフである。 基準流量と流量係数の関係を一層ごとに比較したグラフである。 計測流路が６層の下口金タイプの基準流量と流量係数の関係を二層ごとに比較したグラフである。 計測流路が１０層の上口金タイプの基準流量と流量係数の関係を二層ごとに比較したグラフである。

符号の説明

１メーター本体，２ガス入口，３ガス出口，４入口側流路，５計測流路，６出口側流路，７遮断弁，８圧力センサ，９ケース，１０測定管，１１超音波送受信センサ，Ｈ抜穴，１２流入部，１３流出部，１４導通部，１５上体，１６下体，１７乱流抑制片，１８乱流抑制片，１９整流板，２０半割体，２１弾性ゴム，２２開口部，２３圧電素子，２４カバー，２５音響整合板

Claims (6)

1. ガスをガス入口（２）からガス出口（３）に向かって下向き、横向き、上向きの順に通過させるガス流路をガスメーター内に有し、ガス入口から下向きの部分を入口側流路（４）とし、横向きの部分をガスの流量を計測する計測流路（５）とし、上向きの部分を出口側流路（６）とし、計測流路（５）中に断面矩形の測定管（１０）を備え、測定管内に、ガス進行方向に沿う水平な整流板（１９）を上下に間隔をあけて設け、整流板によって測定管内を上下に区画された断面矩形の狭流路からなる複数層に分け、全層のうち設定層のみのガス流速を計測する一対の超音波送受信センサ（１１）を測定管の側方に対向して配置すると共に、設定層を１層又は隣り合う複数層で構成し、全層の範囲のうち、基準流量の変動に対する流量係数の変動が最小となる範囲に設定層を設定し、設定層の高さ中心に超音波送受信センサ（１１）の中心を一致させ、超音波送受信センサの計測結果から得られる設定層のガス通過流量を制御装置が算出し、設定層のガス通過流量に流量係数を用いて、計測流路全体のガス通過流量を制御装置が補正して算出する超音波式ガスメーターのガス流量計測構造において、
   ４枚以上の整流板（１９）によって測定管内を５層以上に区画し、区画された全層のうち中央層よりも下側で且つ最下層よりも上側の層のみを設定層としてあることを特徴とする超音波式ガスメーターのガス流量計測構造。
2. ５枚の整流板（１９）によって測定管内を６層に区画し、上から５番目の５層のみを設定層としてあることを特徴とする請求項１記載の超音波式ガスメーターのガス流量計測構造。
3. ガスをガス入口（２）からガス出口（３）に向かって下向き、横向き、上向きの順に通過させるガス流路をガスメーター内に有し、ガス入口から下向きの部分を入口側流路（４）とし、横向きの部分をガスの流量を計測する計測流路（５）とし、上向きの部分を出口側流路（６）とし、計測流路（５）中に断面矩形の測定管（１０）を備え、測定管内に、ガス進行方向に沿う水平な整流板（１９）を上下に間隔をあけて設け、整流板によって測定管内を上下に区画された断面矩形の狭流路からなる複数層に分け、全層のうち設定層のみのガス流速を計測する一対の超音波送受信センサ（１１）を測定管の側方に対向して配置すると共に、設定層を１層又は隣り合う複数層で構成し、全層の範囲のうち、基準流量の変動に対する流量係数の変動が最小となる範囲に設定層を設定し、設定層の高さ中心に超音波送受信センサ（１１）の中心を一致させ、超音波送受信センサの計測結果から得られる設定層のガス通過流量を制御装置が算出し、設定層のガス通過流量に流量係数を用いて、計測流路全体のガス通過流量を制御装置が補正して算出する超音波式ガスメーターのガス流量計測構造において、
   ５枚の整流板（１９）によって測定管内を６層に区画し、上から４番目と５番目の４層と５層のみを設定層としてあることを特徴とする超音波式ガスメーターのガス流量計測構造。
4. ガスをガス入口（２）からガス出口（３）に向かって上向き、横向き、下向きの順に通過させるガス流路をガスメーター内に有し、ガス入口から上向きの部分を入口側流路（４）とし、横向きの部分をガスの流量を計測する計測流路（５）とし、下向きの部分を出口側流路（６）とし、計測流路（５）中に断面矩形の測定管（１０）を備え、測定管内に、ガス進行方向に沿う水平な整流板（１９）を上下に間隔をあけて設け、整流板によって測定管内を上下に区画された断面矩形の狭流路からなる複数層に分け、全層のうち設定層のみのガス流速を計測する一対の超音波送受信センサ（１１）を測定管の側方に対向して配置すると共に、設定層を１層又は隣り合う複数層で構成し、全層の範囲のうち、基準流量の変動に対する流量係数の変動が最小となる範囲に設定層を設定し、設定層の高さ中心に超音波送受信センサ（１１）の中心を一致させ、超音波送受信センサの計測結果から得られる設定層のガス通過流量を制御装置が算出し、設定層のガス通過流量に流量係数を用いて、計測流路全体のガス通過流量を制御装置が補正して算出する超音波式ガスメーターのガス流量計測構造において、
   ４枚以上の整流板（１９）によって測定管内を５層以上に区画し、区画された全層のうち中央層よりも上側で且つ最上層よりも下側の層のみを設定層としてあることを特徴とする超音波式ガスメーターのガス流量計測構造。
5. ５枚の整流板（１９）によって測定管内を６層に区画し、上から２番目の層のみを設定層としてあることを特徴とする請求項４記載の超音波式ガスメーターのガス流量計測構造。
6. ガスをガス入口（２）からガス出口（３）に向かって上向き、横向き、下向きの順に通過させるガス流路をガスメーター内に有し、ガス入口から上向きの部分を入口側流路（４）とし、横向きの部分をガスの流量を計測する計測流路（５）とし、下向きの部分を出口側流路（６）とし、計測流路（５）中に断面矩形の測定管（１０）を備え、測定管内に、ガス進行方向に沿う水平な整流板（１９）を上下に間隔をあけて設け、整流板によって測定管内を上下に区画された断面矩形の狭流路からなる複数層に分け、全層のうち設定層のみのガス流速を計測する一対の超音波送受信センサ（１１）を測定管の側方に対向して配置すると共に、設定層を１層又は隣り合う複数層で構成し、全層の範囲のうち、基準流量の変動に対する流量係数の変動が最小となる範囲に設定層を設定し、設定層の高さ中心に超音波送受信センサ（１１）の中心を一致させ、超音波送受信センサの計測結果から得られる設定層のガス通過流量を制御装置が算出し、設定層のガス通過流量に流量係数を用いて、計測流路全体のガス通過流量を制御装置が補正して算出する超音波式ガスメーターのガス流量計測構造において、
   ５枚の整流板（１９）によって測定管内を６層に区画し、上から２番目と３番目の２層と３層のみを設定層としてあることを特徴とする超音波式ガスメーターのガス流量計測構造。

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