JP5934622B2 - 温度計測器、流量計及び温度計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、パイプ内を流れる流体の温度を計測する温度計測器、それを備えた流量計及び温度計測方法に関する。

従来の流量計として、パイプ内を流れる流体の実測流量を、所定温度、所定圧力における流量に換算するものが知られている（例えば、特許文献１）。このような流量計では、温度センサにてパイプ内の流体の温度を計測し、その計測結果に基づいて流量の換算を行っていた。

特開２００７−１８７５０６号公報（段落［０００３］）

ところで、外気に晒された配管が空調の利いた部屋に導入される等して、パイプ内を流れる流体とパイプの管壁との間に温度差が生じると、パイプの径方向で流体温度に分布が発生する。このような場合に上記した換算を行うには、流体の平均温度が必要となるが、パイプ内の複数箇所で温度を計測するべく温度センサを複数設けると、コスト高になるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、安価に流体の平均温度を計測することが可能な温度計測器、それを備えた流量計及び温度計測方法を目的とする。

本願発明者は、円筒形のパイプ内を流れる流体と、パイプの管壁との間に温度差がある場合に、そのパイプ内の流体の径方向の温度が、パイプの中心軸からの距離に対して２次曲線的に変化することに着目し、パイプの内径を２ｒとしたときに、パイプの中心軸からｒ／√２の位置にある流体の温度が、パイプ内の流体の径方向における平均温度、即ち、面平均温度によく一致するという知見を得た。そこで、本願発明者は、以下の発明をするに至った。

即ち、本願の請求項１の発明に係る温度計測器は、流体が内部を流れるパイプの途中に接続されて、内側断面形状が円形をなした計測管と、計測管の内径を２ｒとしたときに、計測管の中心軸からｒ／√２の位置にある流体の温度を流体の平均温度として計測する温度センサとを備えたところに特徴を有する。

請求項２の発明に係る流量計は、請求項１に記載の温度計測器を備えたところに特徴を有する。

請求項３の発明は、請求項２に記載の流量計において、計測管内の流体の圧力を計測する圧力センサと、温度センサの計測結果と圧力センサの計測結果とに基づいて、実測流量を、予め設定された基準温度、基準圧力における流体の流量に換算する換算処理部と、を備えたところに特徴を有する。

請求項４の発明は、請求項３に記載の流量計において、計測管を外側から囲んで、計測管との間に圧力計測室を形成する外側スリーブと、計測管の管壁に設けられて、計測管の内側の流体を圧力計測室へ導入するオリフィスと、を備え、圧力センサを、圧力計測室内の流体の圧力を計測するように配置したところに特徴を有する。

請求項５の発明は、請求項４に記載の流量計において、温度センサは、棒状をなして、計測管の管壁に貫通形成されたセンサ挿通孔を挿通し、温度センサとセンサ挿通孔の内側面との間の隙間をオリフィスとしたところに特徴を有する。

請求項６の発明は、請求項２乃至５のうち何れか１の請求項に記載の流量計において、計測管のうち温度センサよりも上流側の流量を計測するところに特徴を有する。

請求項７の発明に係る流量計は、請求項２乃至６のうち何れか１の請求項に記載の流量計において、超音波流量計であるところに特徴を有する。

請求項８の発明に係る温度計測方法は、内側断面形状が円形のパイプ内を流れる流体の温度を計測する温度計測方法であって、パイプの内径を２ｒとしたときに、パイプの中心軸からｒ／√２の位置にある流体の温度を流体の平均温度として計測するところに特徴を有する。

［請求項１，８の発明］
請求項１の温度計測器では、パイプに接続される計測管の内径を２ｒとしたときに、計測管の中心軸からｒ／√２の位置の温度を計測する。また、請求項８の温度計測方法では、パイプの内径を２ｒとしたときに、パイプの中心軸からｒ／√２の位置の温度を計測する。請求項１，７の発明によれば、１つの温度センサのみで、計測管内又はパイプ内の流体の平均温度を計測することができ、これにより、安価に流体の平均温度を計測することが可能になる。

［請求項２，３，７の発明］
ここで、請求項２の発明のように温度計測器を流量計の一部に用いる場合には、温度センサによる計測結果を用いて、流量計測部の計測結果を補正したり、流量計測部の校正を行うようにしてもよいし、請求項３の発明のように、計測管内の前記流体の圧力を計測する圧力センサと、温度センサの計測結果と前記圧力センサの計測結果とに基づいて、流量計測部の計測結果を、予め設定された基準温度、基準圧力における流体の流量に換算する換算処理部と、を備えた構成としてもよい。前者の構成によれば、流量計の計測精度の向上が図られ、後者の構成（請求項３の発明）によれば、流量換算の精度向上が図られる。なお、流量計は、差圧式流量計、電磁流量計、渦流量計、容積式流量計に適用であってもよいし、請求項７の発明のように超音波流量計であってもよい。

［請求項４の発明］
請求項４の発明では、圧力センサが計測管の外側の圧力計測室に導入された流体の圧力を計測するので、圧力計測が動圧の影響を受けることが抑えられる。

［請求項５の発明］
請求項５の発明によれば、温度センサを計測管内に導入するセンサ挿通孔を利用して、計測管内の流体を圧力計測室に導入することができる。

［請求項６の発明］
請求項６の発明によれば、温度センサによって計測管内に乱流が引き起こされても、その乱流の影響が流量計測に及ぶことが防がれる。

本発明の第１実施形態に係る流量計の主要部の構成を示す断面図 流量計のブロック図 温度分布の確認実験を説明するための図 温度分布の確認実験の結果を示すテーブル 計測管内を流れる空気の温度を計測管の中心軸からの距離に対してプロットしたグラフ 実験結果から求めた平均温度測定ポイントを示すテーブル 変形例に係る温度計測器の主要部の構成を示す断面図

以下、本発明の一実施形態を図１〜図５を用いて説明する。図１には、本実施形態の流量計１０が示されている。流量計１０は、流体（例えば、空気や都市ガス）が流れるパイプ８０の途中に接続される計測管１１を備え、この計測管１１の内側が、計測対象の流体を流すための計測流路１２になっている。また、計測管１１は、円筒状をなし、その内径は、２ｒになっている。

計測管１１の中間部には、計測流路１２を流れる流体の流量を計測する流量計測部１４が設けられている。流量計測部１４は、計測流路１２を流れる流体の速度（流速）を計測するものであってもよいし、流量を直接計測するものであってもよい。なお、本実施形態では、流量計測部１４は、計測管１１の中心軸と傾斜する方向で対向して計測流路１２を挟む１対の超音波送受波器（図示せず）を備え、それら１対の超音波送受波器の間で超音波を送受信することで、流体の流速を計測する構成になっている。

流量計１０には、計測管１１を外側から囲む外側スリーブ３０が設けられ、計測管１１と外側スリーブ３０とで囲まれた環状の空間が、圧力計測室３１になっている。また、計測管１１の管壁１１Ｈには、図示しないオリフィスが設けられ、このオリフィスを介して計測流路１２内の流体が圧力計測室３１に導入されることで、計測流路１２の圧力と圧力計測室３１の圧力が同じになっている。そして、外側スリーブ３０には、圧力計測室３１内の流体の圧力を計測する圧力センサ３２が取り付けられている。

また、外側スリーブ３０の管壁３０Ｈには、本発明に係る温度センサ２０が取り付けられている。この温度センサ２０は、計測管１１側に向かって延びる棒状をなし、先端に温度検知部２０Ａを有した構造になっている。そして、温度センサ２０は、計測管１１の管壁１１Ｈに貫通形成されたセンサ挿通孔１３を通って、計測流路１２内に突入している。なお、計測流路１２内の流体は、センサ挿通孔１３を通じても、圧力計測室３１に導入されるようになっている。

ここで、本実施形態では、温度センサ２０は、計測管１１のセンサ挿通孔１３を貫通し、温度センサ２０の先端部は、計測管１１の中心軸（図１の一点鎖線で示す軸）からｒ／√２だけ離れた位置に配置されている。即ち、温度センサ２０は、計測管１１の中心軸からｒ／√２だけ離れた位置の流体の温度を計測するようになっている。

なお、センサ挿通孔１３は、計測管１１のうち流量計測部１４より下流側の管壁１１Ｈに形成されていて、温度センサ２０は、流量計測部１４より下流側に配置されている。これにより、温度センサ２０によって乱流が生じた場合であっても、その乱流の影響を流量計測部１４が受けることが防がれる。

図２に示すように、流量計１０には、流量計測部１４により計測された流量（実測流量）を、予め設定された基準温度、基準圧力（例えば、０度、１気圧や２７度、１気圧）における流量に換算する流量換算部３３が設けられている。具体的には、換算処理部３３は、流量計測部１４、圧力センサ３２及び温度センサ２０の計測結果をもとに、ボイルシャルルの法則に基づいて換算を行う。換算処理部３３の換算結果は、表示モニタ３４にて表示される。なお、換算処理部３３は、外側スリーブ３０に一体に設けられていてもよいし、外側スリーブ３０とは別体に設けられていてもよい。

本実施形態の流量計１０の構成に関する説明は以上である。なお、上述のように、本実施形態の流量計１０は、温度センサ２０によって計測管１１内の流体の温度を計測する構成になっている。即ち、本実施形態では、温度センサ２０と計測管１１とにより本発明の「温度計測器」が構成され、流量計１０は、「温度計測器」を一部に備えた構成となっている。

次に、温度センサ２０及び流量計１０の作用効果について説明する。本実施形態の温度センサ２０及び流量計１０では、計測管１１の中心軸からｒ／√２の位置の流体の温度を計測する。ここで、下記［管内温度分布の確認実験］に示すように、計測管１１内の流体の温度が径方向に分布を持つ場合、温度センサ２０が配置された位置における流体の面平均温度は、計測管１１の中心軸からｒ／√２の位置の温度によく一致する。従って、温度センサ２０及び流量計１０によれば、１つの温度センサだけで、計測管１１内の流体の平均温度を計測することが可能になり、安価に流体の平均温度を計測することが可能になる。

［温度分布の確認実験］
図３に示すように、本実験では、流体としての空気を送給する送給管９０の下流側に、円筒状の試験用計測管７０が接続されている。試験用計測管７０は、気温が２５度に保たれた試験室内に配置されている。また、試験用計測管７０の上流側に、６０度雰囲気に固定されたに恒温槽９１が設けられ、この恒温槽９１内に送給管９０を通すことで、送給管９０内の空気の温度が６０度に調整されるようになっている。送給管９０が送給する空気の流量は、恒温槽９１より上流側に設けられたバルブ９２にて調整可能となっている。

試験用計測管７０の上流側、即ち、送給管９０との接続部分には、第１温度計９３が配置され、試験用計測管７０に入ってきた直後の空気の温度を計測するようになっている。なお、恒温槽９１と第１温度計９３の間に配置された送給管９０及び試験用計測管７０を、断熱材９５で覆うことで、第１温度計９３は、恒温槽９１を通る送給管９０内の流体の温度とほぼ同じ温度を計測可能となっている。

また、第１温度計９３から８００ｍｍだけ下流側に離れた位置には、第２温度計９４が配置され、第１温度計９３と第２温度計９４で計測した温度のデータは、ロガー９６に保存され、パソコン９７で処理されるようになっている。なお、試験用計測管７０の内径は、８０ｍｍになっていて、この内径を２ｒとすると、第１温度計９３から第２温度計９４までの距離は２０ｒとなっている。

本実験では、第２温度計９４にて、試験用計測管７０内の温度分布を測定するようになっている。具体的には、第２温度計９４の温度検知部の試験用計測管７０の中心軸からの距離を、０，５，１０，１５，２０，２５，３０，３５，４０ｍｍに固定し、各距離ごとに温度を測定することで、温度分布を測定した。

［実験結果］
図４には、空気の流量を５〜９０ｍ^３／ｈの範囲で変化させたときの、第１温度計９３の測定結果（同図のＴ１）と第２温度計９４の測定結果（同図のＴ２）が、表にして示されている。また、図５には、各流量ごとの試験用計測管７０内の温度分布が示されている。図５から、試験用計測管７０内の流体の温度分布は、何れの流量であっても、２次曲線的に変化することが分かる。

ここで、試験用計測管７０の中心軸からの距離をｘ、係数をＡ，Ｂとして、試験用計測管７０内の流体の温度Ｔを、下記式（１）で近似すると、試験用計測管７０の中心軸回りの温度の積算値Ｔｖは、下記式（２）で表される。

ここで、式（２）は、係数Ａと係数Ｂが未知であるので、試験用計測管７０の中心軸からの距離が異なる２点で温度を計測しなければ、式（２）を特定することはできない。しかし、以下に示すように、式（２）を特定しなくとも、温度を１点のみ測定するだけで、平均温度を求めることは可能である。

即ち、試験用計測管７０内の平均温度と温度が一致する位置（以下、「平均温度測定ポイント」という。）における試験用計測管７０の中心軸からの距離を、ｔとすると、下記式（３）が成立する。

そして、式（２）及び式（３）を解くと、ｔ＝ｒ／√２となる。ここで上述のように、試験用計測管７０の内径２ｒ＝８０ｍｍであるから、平均温度測定ポイントは、試験用計測管７０の中心軸から、約２８．３ｍｍの位置となる。

このように、試験用計測管７０内の流体の温度を、式（１）で近似できれば、平均温度ポイントで、温度を測定するだけで、流体の平均温度を求めることができる。そこで、式（１）の近似に基づいて算出された平均温度測定ポイントについて、上記実験結果から求めた平均温度測定ポイントとの比較を行った。

図６には、図４に示した実験結果をもとに、各流量ごとに平均温度測定ポイントを求めた結果が示されている。この平均温度測定ポイントは、以下の手順により求めた。即ち、まず、各流量ごとに、第２温度計の測定結果（Ｔ２）の平均値を求め、その平均値が含まれる領域（試験用計測管７０の中心軸からの距離が一定の範囲である領域）を抽出する。例えば、流量５ｍ^３／ｈの場合であれば、平均値が４１．７度となり、管中心からの距離が２５ｍｍのときの温度４２．７度と、距離が３０ｍｍのときの温度３９．８度の間に中間の値となるので、領域は、２５〜３０ｍｍとなる。

次に、抽出した領域において、測定温度を、試験用計測管７０の中心軸からの距離に対して１次近似し、その近似式の測定温度に、上述の第２温度計の測定結果（Ｔ２）の平均値を代入して、平均温度測定ポイントを求める。

図６に示すように、何れの流量においても、平均温度測定ポイントが存在する領域は、試験用計測管７０の中心軸から２５〜３０ｍｍとなった。また、１次近似から求めた平均温度測定ポイントは、試験用計測管７０の中心軸から２６．１〜２７．８ｍｍの範囲となり、試験用計測管７０内の温度を２次式で近似した場合の理論値ｒ／√２とよく一致することが確認できた。

なお、この確認実験では、試験用計測管７０に導入される空気の温度（６０度）と、試験用計測管７０が設置される試験室の温度（２５度）との温度差が、比較的大きかったが、温度差が小さい場合であっても、温度分布は、２次式で近似可能であると推測される。また、試験用計測管７０の内径２ｒは、８０ｍｍであったが、内径が８０ｍｍより小さい場合であっても、温度分布は、２次式で近似可能であると推測される。

［他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）上記実施形態では、流量計１０の一部によって本発明の「温度計測器」が構成されていたが、図７に示すように、温度計測器２１を流量計１０Ｖと別体に備えて、それら温度計測器２１と流量計１０Ｖをパイプ８０に接続して、それぞれの計測結果をもとに、換算処理部３３（図２参照）が流量を換算する構成であってもよい。具体的には、図７に示すように、流量計１０Ｖ及び温度計測器２１は、パイプ８０に接続される計測管１１Ｖと計測管２２を有し、それら計測管１１Ｖ及び計測管２２が直列に接続される。流量計１０Ｖは、計測管１１Ｖの内側に形成された計測流路１２を流れる流体の流量を流量計測１４によって計測する。温度計測器２０は、計測管２２の内径を２ｒとしたときに、計測管２２の中心軸からｒ／√２だけ離れた位置の温度を温度センサ２０によって計測する。

（２）上記実施形態では、本発明の温度センサ２０を流量計１０に用いた例を示したが、例えば、配管内の流体の温度をモニタリングする監視装置に用いられてもよい。

（３）上記実施形態では、流量計１０が、温度センサ２０の測定結果を用いて実測流量を、所定圧力、所定温度における流量に換算する構成であったが、例えば、流量計１０が差圧式流量計の場合には、温度センサ２０の測定結果を用いて、流量計測部１４の実測流量を補正する構成としてもよい。

（４）本発明に係る流体は、気体であってもよいし、液体（例えば、水）であってもよい。

（５）上記実施形態及び変形例（２）では、パイプ８０に接続された計測管１１，２２内の流体の温度を計測していたが、パイプ８０内の流体の温度を計測してもよい。具体的には、パイプ８０の管壁に孔を貫通形成し、その孔に温度センサ２０を差し込んで、パイプ８０の中心軸からｒ／√２だけ離れた位置の温度を計測してもよい。

１０ 流量計
１１ 計測管
１３ センサ挿通孔
１４ 流量計測部
２０ 温度センサ
２１ 温度計測器
３０ 外側スリーブ
３２ 圧力センサ
３３ 換算処理部
８０ パイプ

Claims (8)

1. 流体が内部を流れるパイプの途中に接続されて、内側断面形状が円形をなした計測管と、
   前記計測管の内径を２ｒとしたときに、前記計測管の中心軸からｒ／√２の位置にある前記流体の温度を前記流体の平均温度として計測する温度センサとを備えたことを特徴とする温度計測器。
2. 請求項１に記載の前記温度計測器を備えたことを特徴とする流量計。
3. 前記計測管内の前記流体の圧力を計測する圧力センサと、
   前記温度センサの計測結果と前記圧力センサの計測結果とに基づいて、実測流量を、予め設定された基準温度、基準圧力における前記流体の流量に換算する換算処理部と、を備えたことを特徴とする請求項２に記載の流量計。
4. 前記計測管を外側から囲んで、前記計測管との間に圧力計測室を形成する外側スリーブと、
   前記計測管の管壁に設けられて、前記計測管の内側の前記流体を前記圧力計測室へ導入するオリフィスと、を備え
   前記圧力センサを、前記圧力計測室内の前記流体の圧力を計測するように配置したことを特徴とする請求項３に記載の流量計。
5. 前記温度センサは、棒状をなして、前記計測管の管壁に貫通形成されたセンサ挿通孔を挿通し、
   前記温度センサと前記センサ挿通孔の内側面との間の隙間を前記オリフィスとしたことを特徴とする請求項４に記載の流量計。
6. 前記計測管のうち前記温度センサより上流側の流量を計測することを特徴とする請求項２乃至５のうち何れか１の請求項に記載の流量計。
7. 超音波流量計であることを特徴とする請求項２乃至６のうち何れか１の請求項に記載の流量計。
8. 内側断面形状が円形のパイプ内を流れる流体の温度を計測する温度計測方法であって、
   前記パイプの内径を２ｒとしたときに、前記パイプの中心軸からｒ／√２の位置にある前記流体の温度を前記流体の平均温度として計測することを特徴とする温度計測方法。

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