JP5984458B2

JP5984458B2 - ガスメーター

Info

Publication number: JP5984458B2
Application number: JP2012082087A
Authority: JP
Inventors: 藤井　泰宏; 泰宏藤井; 雄大増田; 諒山下
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2016-09-06
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013210345A

Description

本発明は、各住戸などに設置され、ガス料金の課金のために用いられるガスメーターに関する。

現在、各住戸に対するガス料金は、一定期間に各住戸で使用されたガス量（積算流量）に基づくものとされている。このようなシステムが採用されている理由は、国内においては、各住戸などに供給されるガスは、一定の熱量を備えるようにガスの供給側で厳密に調整されているため、使用されたガス量が分かれば使用されたガスの総熱量も明らかとなり、適切に課金を行うことができるためである。このような事情に基づき、現在普及している上述のガスメーターは、使用されるガス量のみを計測するように構成されている。

ところで、近年では、化石燃料に替わるエネルギー源として、バイオガスの活用が進められており、将来的には、各地に設立されたバイオガスプラントから各住戸などにガスの供給が行われることが予想される。一般的に、ガスの熱量の調整には多額のコストが必要となるため、従来行われてきたガスの熱量調整精度に対して、かなり弛めの熱量調整精度を採用し、各住戸に供給されるガスの熱量が、各地域で或は各日時で、変動する可能性がある。

すなわち、将来的には、熱量の異なるガスが各住戸などに供給される可能性がある。この場合、ガス量のみを計測する現在のガスメーターでは、使用されたガスの総熱量を正しく把握することができず、適切に課金を行うことができない。一方で、高圧ガスの熱量を計測する装置としては特許文献１に記載のものが知られている。

特願平８−３４３０１５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の熱量測定装置は、ガスの製造設備に備えることを考慮しており、一般の各住戸に設置するには大掛かりであり、熱量を計測できる課金用途のガスメーターとしてどのような構成のものが適しているかは、明らかでない。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱量を計測できるように構成された課金用途のガスメーターとして、コスト面で優れるとともに小型化に適したガスメーターを提供することにある。

本発明に係るガスメーターの特徴構成は、測定対象ガスが流れる流路と、
一対の超音波送受信器と、
一方の超音波送受信機から他方の超音波送受信器へ前記測定対象ガスの流れ内を超音波が伝播する伝播時間を単位時間ごとに双方向で捉える超音波センサと、
前記測定対象ガスの温度を計測する温度センサとを備え、
前記超音波センサにより得られる前記一対の伝播時間から、前記測定対象ガスの音速を求める音速導出手段と、前記測定対象ガスの流速を求める流速導出手段とを備え、
前記測定対象ガスの標準状態における音速と熱量との関係として求まる音速−熱量関係
指標、前記温度センサにて取得された温度及び前記音速導出手段により求められた音速に基づいて前記測定対象ガスの瞬時熱量を導出する瞬時熱量導出手段を備え、
前記流速導出手段により求められる流速と前記流路の断面積および前記単位時間から、当該単位時間あたりに前記流路を通過する前記測定対象ガスの単位時間通過体積を導出する単位時間通過体積導出手段と、
前記瞬時熱量と前記単位時間通過体積と前記温度センサにて取得された温度とに基づいて、前記単位時間あたりに前記流路を通過する前記測定対象ガスの単位時間通過熱量を導出する単位時間通過熱量導出手段を備え、
少なくとも、前記単位時間通過熱量を外部出力する外部出力手段を備えた点にある。

上記特徴構成によれば、超音波センサにより得られる前記一対の伝播時間から測定対象ガスの音速と流速とを求めることができ、この音速と流速とに基づいて測定対象ガスの熱量を求めることができる。よって、超音波センサと温度センサのみによって流路を流れる測定対象ガスの瞬時熱量の測定を行うことができる。すなわち、熱量を計測できるように構成された課金用途のガスメーターとして、コスト面で優れるとともに小型化に適したガスメーターを提供することができる。

ここで、本発明における『音速』とは、ガス中での音波の伝播速度を意味する。

また、予め熱量が判明し組成の異なる複数の標準ガス各々の標準状態における音速に基づいて作成された前記音速−熱量関係指標を記憶する記憶手段を備えた構成とすると好適である。ここで、本願における標準状態とは、後述するように０℃、１気圧での状態を言う。

上記特徴構成によれば、記憶手段に必要な容量を小さくできるとともに、音速−熱量関係指標を基づく瞬時熱量の導出を素早く行うことができる。すなわち、熱量を計測できるように構成された課金用途のガスメーターとして、コスト面で優れるとともに小型化に適したガスメーターを提供することができる。

ここで、複数の前記単位時間に渡って、前記単位時間通過熱量を積算した熱量積算値を求める熱量積算手段を備え、
前記熱量積算値が、前記外部出力手段により外部出力される構成とすると好適である。このような特徴構成によれば、ガスメーターの検針時に有用である。

また、前記単位時間通過体積が前記外部出力手段により外部出力される構成とすると好適である。このような特徴構成によれば、ガスメーターの点検時にガスメーター内の状況を把握することができる。

また、複数の前記単位時間に渡って、前記単位時間通過体積を積算した流量積算値を求める流量積算手段を備え、
前記流量積算値が、前記外部出力手段により外部出力される構成とすると好適である。このような特徴構成によれば、ガスメーターの検針時に有用である。

本発明の実施形態に係るガスメーターの概略構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係るガスメーターの詳細構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る基礎物理量検出手段の詳細構造を示す図である。音速及び流速の測定原理を示す図である。音速から熱量を導出する場合の音速−熱量関係指標を示す図である。

１．ガスメーターの概要
本発明の実施形態を、以下、図面に基づいて説明する。図１は、本願のガスメーター１の構成を模式的に描いたものである。このガスメーター１は、各住戸などに設置され、各住戸で使用されるガス２が流れる流路３を備えている。ここで、ガス２は、基礎物理量検出手段４の測定対象となるガスを意味し、ガス供給元（例えば都市ガス製造業者）から各住戸などに供給される。また、流路３はいわゆる低圧導管であり、その内部を流れるガス２の圧力は０．１ＭＰａ未満で、その太さはおおむね直径５ｃｍ〜３０ｃｍである。

また、ガスメーター１は、流路３を流れるガス２の流量及び熱量を測定するために必要なガス２に関する物理量を検出するための基礎物理量検出手段４を備えている。さらに、基礎物理量検出手段４で検出された物理量に基づき、単位時間あたりに流路３を通過するガス２の体積である単位時間通過体積ΔＶを導出する単位時間通過体積導出手段１３と、単位時間あたりに流路３を通過するガス２の熱量である単位時間通過熱量ΔＱを導出する単位時間通過熱量導出手段２３とを備えている。ここで、『単位時間』とは、ガス２の流量及び熱量の計測間隔を意味しており、予め定められた値である。単位時間としては、例えば、１〜５秒の間で設定すると良い。本実施形態においては、２秒と設定している。以下では、単位時間をΔｔと表す。また、ガスメーター１は、複数の単位時間Δｔに渡って、単位時間通過体積導出手段１３により導出されるガス２の単位時間通過体積ΔＶを積算する流量積算手段１４と、複数の単位時間Δｔに渡って、単位時間通過熱量導出手段２３により導出されるガス２の単位時間通過熱量ΔＱを積算する熱量積算手段２４とを備えている。これらの手段及び後述する各種手段は、マイクロプロセッサ及び半導体メモリを含むマイクロコンピュータ５を主要な機器として構築される。

加えて、検針や保守点検などの作業の際に、作業者が目視にてガスメーター１の状態を確認できるように、ガスメーター１は外部に数値などを出力可能な外部出力手段６を備えている。本実施形態においては、外部出力手段６は、単位時間通過熱量導出手段２３により導出される単位時間通過熱量ΔＱ、熱量積算手段２４により積算される熱量の積算値ΣΔＱ、単位時間通過体積導出手段１３により導出される単位時間通過体積ΔＶ、及び流量積算手段１４により積算される単位時間通過体積の積算値である流量積算値ΣΔＶを表示可能に構成されている。

２．ガスメーターの詳細構成
２−１．基礎物理量検出手段
図２は、本願のガスメーター１の詳細構成を示す。本実施形態においては、ガスメーター１は、基礎物理量検出手段４として、超音波センサ４１と、ガス２の温度Ｔを計測する温度センサ４２と、を備えている。超音波センサ４１は、一対の超音波送受信器５１（図３）を備え、一方の超音波送受信器５１から他方の超音波送受信器５１へガス２の流れ内を超音波が伝播する伝播時間を単位時間Δｔごとに双方向で捉えるように構成されている。

超音波センサ４１は、一対の伝播時間ｔ１、ｔ２が得られるように構成されている。超音波センサ４１の詳細構成について、図３、図４に基づいて説明する。超音波センサ４１は、一対の超音波送受信器５１を、流路３の流れに沿って上流と下流との二箇所に配置した構成で備えている。ここで、一対の超音波送受信器５１は、流路３の軸Ｚ方向で異なった位置に配設されるため、両者間を渡る超音波はガス２の流速ｖの影響を受け、上流側から下流側に伝播される超音波の伝播時間は加速され、逆の場合は減速される。

本実施形態における超音波センサ４１においては、一方の超音波送受信器５１から他方の超音波送受信器５１へ超音波が前記製品ガスの流れ内を伝播する伝播時間を双方向で捕らえることができる。（ここでは、上流側にあるものから下流側にあるものへの超音波の伝播時間（順方向伝播時間）をｔ１と、逆方向で伝播する超音波の伝播時間（逆方向伝播時間）をｔ２とする。）

２−２．単位時間通過体積ΔＶの導出
単位時間通過体積ΔＶを導出するために、ガスメーター１は、超音波センサ４１により得られる一対の伝播時間ｔ１、ｔ２から、ガス２の流速ｖを求める流速導出手段１１を備えている。前述の単位時間通過体積導出手段１３は、流速導出手段１１により求められる流速ｖと流路３の断面積Ｓおよび単位時間Δｔから単位時間通過体積ΔＶを求めるように構成されている。

より具体的には、ガスメーター１は、流速導出手段１１により求められる流速ｖと流路３の断面積Ｓとの積である瞬時流量ｖＳ（超音波センサ４１による計測タイミングにおける流量の瞬時値）を求める瞬時流量導出手段１２を備えている。単位時間通過体積導出手段１３は、単位時間通過体積ΔＶとして、瞬時流量導出手段１２により求められた瞬時流量ｖＳと単位時間Δｔとの積であるｖＳΔｔを求めるように構成されている。

ここで、流速導出手段１１が、一対の伝播時間ｔ１、ｔ２からガス２の流速ｖを導出する過程は次のようになる。図４に示すように、前述の超音波センサ４１に備えられる一対の超音波送受信器５１は、位置関係が固定されているため、相互に超音波送受信器５１間を伝播する伝播時間ｔ１、ｔ２は、図４中に示す式１、式２で表される。ここで、Ｌは図４に示す伝播経路の距離であり、Ｚは管状の流路３の軸方向であり、Ｃはガス２の流速を、ｖはガス２中での音速を示している。

式１、式２は、２元連立方程式であるため、式３、式４に示すように、音速Ｃ及び流速ｖを、一対の伝播時間ｔ１、ｔ２から求めることができる。即ち、前述の流速導出手段１１は、式３の処理を行うことにより、一対の伝播時間ｔ１、ｔ２から流速ｖを求める。

２−３．単位時間通過熱量ΔＱの導出
ガスメーター１は、単位時間通過熱量ΔＱを導出するために、超音波センサ４１により得られる一対の伝播時間ｔ１、ｔ２から、ガス２中での音速Ｃを求める音速導出手段２１、及び流路３を通過するガス２の温度Ｔを計測する温度センサ４２を備えている。さらに、ガスメーター１は、ガス２の標準状態における音速Ｃ₀と熱量との関係として求まる音速−熱量関係指標ｆ（Ｃ₀）、及び音速導出手段２１により求められた音速Ｃに基づいてガス２の瞬時熱量Ｑを導出する瞬時熱量導出手段２２を備えている。
より詳しくは、音速導出手段２１により求められた音速Ｃは、標準音速導出手段２１ｘにより温度センサ４２により取得されたガス２の温度Ｔを用いて標準状態における音速Ｃ₀に換算され、瞬時熱量導出手段２２は、音速Ｃ₀に基づいて音速−熱量関係指標ｆ（Ｃ₀）から瞬時熱量Ｑを導出する。

さらに、単位時間通過熱量導出手段２３が、瞬時熱量導出手段２２により導出された瞬時熱量Ｑと、単位時間通過体積導出手段１３により導出された単位時間通過体積ΔＶとに基づいて、単位時間通過熱量ΔＱを求めるように構成されている。
より詳しくは、単位時間通過体積導出手段１３により導出された単位時間通過体積ΔＶは、単位時間通過標準体積導出手段１３ｘにより温度センサ４２により取得されたガス２の温度Ｔを用いて標準状態における単位時間通過体積ΔＶ₀に換算され、単位時間通過熱量導出手段２３は、単位時間通過体積ΔＶ₀と瞬時熱量Ｑとから単位時間通過熱量ΔＱを導出する。

以下では、本実施形態における単位時間通過熱量導出手段２３による単位時間通過熱量ΔＱの導出について、より詳しく説明する。まず、単位時間通過熱量ΔＱの導出について説明する前に、瞬時熱量Ｑの導出について説明する。

ガスメーター１は、複数の予め熱量が判明し組成の異なるガス各々の標準状態における音速と熱量との関係として求まる音速−熱量関係指標ｆ（Ｃ₀）を記憶する記憶手段２５を備えている。ここで、「複数の予め熱量が判明し組成の異なるガス」としては、流路３を通過するガス２となり得るものを選択すると良い。本実施形態においては、熱量が４０〜４６ＭＪ／Ｎｍ³のガスを選択している。これらのガスの標準状態における音速Ｃ₀は以下の通りである。

図５に、縦軸に標準状態における熱量を、横軸に標準状態（０℃、１気圧）における音速をとったグラフに、表１の値をプロットしたときの各点と、記憶手段２５が記憶する音速−熱量関係指標ｆ（Ｃ₀）の一例を示す。同図において、実線で示されている相関線が、関係指標ｆ（Ｃ₀）に相当する。本実施形態においては、図５に示す相関線は、１次相関式で表されている。ここでは、この１次相関式を、表１の値から最小二乗法によって求めている。

また、ガスメーター１が備える標準音速導出手段２１ｘは、音速導出手段２１が求めた音速Ｃを、数１を用いて標準状態（０℃、１気圧）での音速Ｃ₀に換算する。

ここで、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度［Ｋ］、Ｍは気体の分子量、γは比熱比である。ある瞬間におけるガス２は、Ｒ、Ｍ、γは一定の値をとるので、ある瞬間においては、ガス２の音速ＣはＴ^1/2に比例すると考えられる。以上より、標準音速導出手段２１ｘは、数１よりある瞬間における音速Ｃとそのときの温度Ｔから、標準状態（０℃）での音速Ｃ₀を導出することができる。

以上の構成により、図２に示すように、瞬時熱量導出手段２２が、記憶手段２５が記憶する音速−熱量関係指標ｆ（Ｃ₀）と標準音速導出手段２１ｘが導出した音速Ｃ₀から、瞬時熱量Ｑを求めている。

次に、単位時間通過熱量ΔＱの導出について説明する。単位時間通過熱量ΔＱの導出にあたり、単位時間通過標準体積導出手段１３ｘが、単位時間通過体積導出手段１３により導出された単位時間通過体積ΔＶを、数２（理想気体の状態方程式）を用いて標準状態（０℃、１気圧）における単位時間通過体積ΔＶ₀に換算する。

ここで、流路３内の圧力Ｐは通常１気圧とみなせ、Ｖが単位時間通過体積ΔＶに相当し、Ｔは絶対温度である。また、ｎはガス２のモル数、Ｒは気体定数を表す。よって、温度センサ４２が計測したガス２の温度Ｔを用いることで、単位時間通過標準体積導出手段１３ｘは、標準状態における単位時間通過体積ΔＶ₀を導出することができる。

単位時間通過熱量導出手段２３は、単位時間通過標準体積導出手段１３ｘが求めた標準状態における単位時間通過体積ΔＶ₀に、瞬時熱量導出手段２２が導出した瞬時熱量Ｑを乗じることにより、単位時間通過熱量ΔＱを導出する。

以上の構成により、本願発明に係るガスメーター１は、流路３内を通過するガス２の熱量を計測することができる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態においては、単位時間通過体積導出手段１３が、流路３の流れに沿って上流と下流との二箇所に超音波送受信器５１を配置した構成の超音波センサ４１により流速ｖを求めるように構成されている場合の例を説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、超音波センサ４１の配置構成としては、一対の超音波送受信器５１を流路を斜めに横断するように配置した構成などその他公知の配置構成も使用できる。

本発明は、各住戸などに設置され、ガス料金の課金のために用いられるガスメーターとして利用可能である。

１：ガスメーター
２：ガス
３：流路
６：外部出力手段
７：切替手段
１１：流速導出手段
１３：単位時間通過体積導出手段
１４：流量積算手段
２１：音速導出手段
２２：瞬時熱量導出手段
２３：単位時間通過熱量導出手段
２４：熱量積算手段
２５：記憶手段
４１：超音波センサ
４２：温度センサ
５１：超音波送受信器

Claims

測定対象ガスが流れる流路と、
一対の超音波送受信器と、
一方の超音波送受信機から他方の超音波送受信器へ前記測定対象ガスの流れ内を超音波が伝播する伝播時間を単位時間ごとに双方向で捉える超音波センサと、
前記測定対象ガスの温度を計測する温度センサとを備え、
前記超音波センサにより得られる一対の前記伝播時間から、前記測定対象ガスの音速を求める音速導出手段と、前記測定対象ガスの流速を求める流速導出手段とを備え、
前記測定対象ガスの標準状態における音速と熱量との関係として求まる音速−熱量関係指標、前記温度センサにて取得された温度及び前記音速導出手段により求められた音速に基づいて前記測定対象ガスの瞬時熱量を導出する瞬時熱量導出手段を備え、
前記流速導出手段により求められる流速と前記流路の断面積および前記単位時間から、当該単位時間あたりに前記流路を通過する前記測定対象ガスの単位時間通過体積を導出する単位時間通過体積導出手段と、
前記瞬時熱量と前記単位時間通過体積と前記温度センサにて取得された温度とに基づいて、前記単位時間あたりに前記流路を通過する前記測定対象ガスの単位時間通過熱量を導出する単位時間通過熱量導出手段を備え、
少なくとも、前記単位時間通過熱量を外部出力する外部出力手段を備えたガスメーター。
予め熱量が判明し組成の異なる複数の標準ガス各々の標準状態における音速に基づいて作成された前記音速−熱量関係指標を記憶する記憶手段を備えた請求項１記載のガスメーター。
複数の前記単位時間に渡って、前記単位時間通過熱量を積算した熱量積算値を求める熱量積算手段を備え、
前記熱量積算値が、前記外部出力手段により外部出力される請求項１又は２記載のガスメーター。
前記単位時間通過体積が前記外部出力手段により外部出力される請求項１〜３の何れか一項記載のガスメーター。
複数の前記単位時間に渡って、前記単位時間通過体積を積算した流量積算値を求める流量積算手段を備え、
前記流量積算値が、前記外部出力手段により外部出力される請求項１〜４の何れか一項記載のガスメーター。