JP6379069B2 - 発熱量導出装置および発熱量導出方法 - Google Patents

発熱量導出装置および発熱量導出方法 Download PDF

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Description

本発明は、ガスの単位体積あたりの発熱量を導出する発熱量導出装置および発熱量導出方法に関する。
ガス事業者は、需要者が消費したガスの通過体積を把握するため、需要箇所にガスメーターを配置し、ガスメーターで計測されたガスの通過体積に基づいて、課金を行うようになっている。ここで、需要箇所に供給されるガスの単位体積あたりの発熱量が一定であれば、ガスの通過体積に基づいて、ガスメーターを通過したガスの通過発熱量、つまり、需要者が消費したガスの総発熱量を正確に導出することができる。そのため、課金も適切に行うことができる。
しかしながら、時間や場所によって発熱量の異なるガスが需要箇所に供給される場合もある。このような場合に、ガスの通過体積のみを計測する従来のガスメーターでは、ガスの通過体積に基づいて、通過発熱量を正しく導出することが困難であり、適切に課金を行うことができないおそれがある。
そこで、ガスの温度および音速を計測し、計測した温度および音速に基づいてガスの標準状態での発熱量を推定し、推定した標準状態での発熱量、ガスの通過体積、および、ガスの温度に基づいて、通過発熱量を導出するようになされたガスメーターが提案されている(例えば、特許文献1)。
特開2013−210344号公報
上述した特許文献1のガスメーターでは、ガスの音速に加えて温度を計測するために温度センサを設ける必要があり、ガスメーター自体のコストの増加を招くといった問題があった。
本発明は、このような課題に鑑み、低コスト化を図ることが可能な発熱量導出装置および発熱量導出方法を提供することを目的としている。
上記課題を解決するため、本発明の発熱量導出装置は、ガス流路内を流れるガスの音速を導出する音速導出部と、ガスの音速から単位体積あたりの発熱量を一義的に導き出せる対応関係情報を参照し、前記音速導出部により導出された音速に基づいて、該ガスの種別に拘わらない、該ガスの前記単位体積あたりの発熱量を導出する発熱量導出部と、を備える。
また、前記ガスは、炭化水素系のガスであるとよい。
また、前記ガス流路を通過したガスの流量を導出する流量導出部と、前記発熱量導出部により導出されたガスの発熱量と、前記流量導出部により導出されたガスの流量とに基づいて、前記ガス流路を通過したガスの通過発熱量を導出する通過発熱量導出部とを備えるとよい。
また、前記ガス流路に設けられ、該ガス流路に音波を送信させてから、該送信させた音波を受信するまでの伝播時間を計測する超音波流量計をさらに備え、前記音速導出部は、前記超音波流量計により計測された前記伝播時間から、所定の遅延到達時間を減算し、減算した時間に基づいて音速を導出するとよい。
また、本発明の発熱量導出方法は、ガス流路内を流れるガスの音速を導出し、ガスの音速から単位体積あたりの発熱量を一義的に導き出せる対応関係情報を参照し、導出された音速に基づいて、該ガスの種別に拘わらない、該ガスの前記単位体積あたりの発熱量を導出する。
また、本発明の発熱量導出方法は、ガス流路に設けられ、該ガス流路に音波を送信させてから、該送信させた音波を受信するまでの伝播時間を計測する超音波流量計により計測された前記伝播時間から、所定の遅延到達時間を減算し、減算した時間に基づいて音速を導出し、前記ガスの音速から単位体積あたりの発熱量を一義的に導き出せる対応関係情報を参照し、導出された音速に基づいて、該ガスの種別に拘わらない、該ガスの前記単位体積あたりの発熱量を導出する。
本発明によれば、低コスト化を図ることが可能な発熱量導出装置および発熱量導出方法を提供することが可能となる。
ガスメーターシステムの概略的な構成を示した説明図である。 ガスメーターの概略的な構成を示した機能ブロック図である。 超音波流量計の構成を示した図である。 超音波流量計の超音波送受信器で受信される超音波の波形を説明する図である。 温度、音速およびガスの発熱量の関係を示す図である。 音速および単位発熱量の関係を示す図である。 センター装置の概略的な構成を示した機能ブロック図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
(ガスメーターシステム100)
図1は、ガスメーターシステム100の概略的な構成を示した説明図である。図1に示すように、ガスメーターシステム100は、複数のガスメーター(発熱量導出装置)110と、複数のゲートウェイ機器112と、センター装置114とを含んで構成される。
ガスメーター110は、その需要箇所120に供給された炭化水素系(メタン、プロパン等)のガスの通過発熱量を導出し、また、センター装置114からの指令に応じて需要箇所120に設置された機器122を制御する。ゲートウェイ機器112は、1または複数のガスメーター110のデータを収集し、また、1または複数のガスメーター110に対してデータを配信する。
センター装置114は、コンピュータ等で構成され、ガス事業者等、ガスメーターシステム100の管理者側に属する。センター装置114は、1または複数のゲートウェイ機器112のデータを収集し、また、1または複数のゲートウェイ機器112に対してデータを配信する。したがって、あらゆる需要箇所120に配置されるガスメーター110が有する情報を、センター装置114で一括管理することができる。
ここで、ゲートウェイ機器112とセンター装置114との間は、例えば、基地局116を含む携帯電話網やPHS(Personal Handyphone System)網等の既存の通信網を通じた無線通信が実行される。また、ガスメーター110同士およびガスメーター110とゲートウェイ機器112との間は、例えば、920MHz帯を利用するスマートメータ用無線システム(U−Bus Air)を通じた無線通信が実行される。以下、ガスメーター110とセンター装置114の構成を詳述する。
(ガスメーター110)
図2は、ガスメーター110の概略的な構成を示した機能ブロック図である。ガスメーター110は、超音波流量計150と、遮断弁152と、通信回路154と、ガスメーター記憶部156と、ガスメーター制御部158とを含んで構成される。
図3は、超音波流量計150の構成を示した図である。超音波流量計150は、到達時間差式の流量計であり、図3に示すように、ガス流路140の流れ(図3中、白抜き矢印で示す)に沿って上流と下流との二箇所に配置された一対の超音波送受信器150a、150bを含んで構成され、一方の超音波送受信器150a、150bから他方の超音波送受信器150b、150aへガス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に計測できるようになされている。かかる伝播時間t1、t2は後述する音速導出部160で用いられる。
ここで、一対の超音波送受信器150a、150bは、ガス流路140のそれぞれ上流側と下流側に配設されるため、両者間を伝播する超音波はガスの流速の影響を受け、上流側から下流側に伝播される超音波は加速され、下流側から上流側に伝播される超音波は減速される。ここでは、上流側の超音波送受信器150aから下流側の超音波送受信器150bに伝播される超音波の伝播時間をt1とし、下流側の超音波送受信器150bから上流側の超音波送受信器150aに伝播される超音波の伝播時間をt2とする。
図2に戻り、遮断弁152は、例えばソレノイドやステッピングモータを用いた電磁弁等で構成され、ガス流路140を遮断または開放する。通信回路154は、ゲートウェイ機器112や他のガスメーター110と無線通信を確立する。ガスメーター記憶部156は、ROM、RAM、フラッシュメモリ、HDD等で構成され、ガスメーター110に用いられるプログラムや各種データを記憶する。
ガスメーター制御部158は、CPUやDSPで構成され、ガスメーター記憶部156に格納されたプログラムを用い、ガスメーター110全体を制御する。また、ガスメーター制御部158は、発熱量導出処理(発熱量導出方法)を実行する際、音速導出部160、流量導出部162、発熱量導出部164、通過発熱量導出部166、遮断部168、メーター通信部170として機能する。
音速導出部160は、超音波流量計150で計測された伝播時間t1、t2に基づいて音速を導出する。流量導出部162は、超音波流量計150で計測された伝播時間t1、t2に基づいてガスの流量を導出する。発熱量導出部164は、音速導出部160で導出された音速に基づいて、ガスの単位体積あたりの発熱量(MJ/m)を導出する。一般に、ガスは温度が高いと膨張し低いと収縮するが、本発明では測定時の温度での単位体積当たりの発熱量を導出する。なお、以下では、測定時の温度での単位体積あたりの発熱量を単位発熱量とも呼ぶ。
通過発熱量導出部166は、発熱量導出部164で導出されたガスの単位発熱量と、流量導出部162で検出された流量とに基づいて、ガスメーター110を通過したガスの通過発熱量、つまり、ガスメーター110が設けられた需要箇所で消費されたガスの総発熱量を導出する。遮断部168は、遮断弁152を制御してガスの需給を制御する。メーター通信部170は、通信回路154を通じてセンター装置114と情報交換し、例えば、通過発熱量導出部166で導出された通過発熱量を1時間毎にセンター装置114に送信する。ただし、遮断部168や遮断弁152を備えない構成でも本実施形態は成り立つ。
以下に、音速導出部160、流量導出部162、発熱量導出部164、通過発熱量導出部166の詳細な処理について説明する。
(音速導出部160)
図4は、超音波流量計150の超音波送受信器150a、150bで受信される超音波の波形を説明する図である。図4に示すように、超音波流量計150の超音波送受信器150aまたは150bで受信される超音波は、受信され始めた直後では振幅が小さく、徐々に振幅が大きくなり、数周波長後に振幅のピークを迎え、その後、再び振幅が小さくなる。そして、超音波送受信器150a、150bでは、対をなす超音波送受信器150b、150aから発信された超音波を受信する際、感度やS/N比の問題から振幅が小さい最初の数周波長分の到達時間を高精度に規定することが困難であり、振幅がある程度大きくなった数周波長後の超音波がゼロクロスしたときに(図4中、黒点で示す)、超音波を受信したと判定する。
したがって、超音波流量計150では、超音波を発信してから受信するまでの伝播時間t1、t2が、本来の到達時間に相当する到達時間よりも約2波長分に相当する遅延到達時間だけ長い時間となってしまう。つまり、伝播時間t1、t2には、遅延到達時間分の誤差が生じていることになる。
ここで、詳しくは後述するように、流量導出部162で導出されるガスの流量については、伝播時間t1と伝播時間t2との差分に基づいて導出される。そのため、伝播時間t1、t2が共に本来の到達時間に相当する到達時間に対して遅延到達時間分の誤差を有したとしても、伝播時間t1および伝播時間t2の差分を取ることにより遅延到達時間が相殺されるため、流量を導出する際にこの誤差の影響が小さくなる。
一方で、音速導出部160では、超音波流量計150で計測された伝播時間t1、t2に基づいて音速を導出するため、伝播時間t1、t2に遅延到達時間分の誤差があると、音速を導出する際にこの誤差の影響を受ける。
そこで、音速導出部160では、超音波流量計150で計測された伝播時間t1、t2から、誤差である遅延到達時間を減算し、本来の到達時間に相当する到達時間ta1、ta2を導出し誤差の影響をできるだけ小さくする。
そして、音速導出部160は、本来の到達時間に相当する到達時間ta1、ta2に基づいて、下記の式(1)を用いて、音速Cを導出する。
Figure 0006379069
なお、Lは一対の超音波送受信器150a、150b間の距離を示し、Vはガスの流速を示す。
このように、音速導出部160は、超音波流量計150で計測された伝播時間t1、t2から、振幅が小さく検出することができない超音波の遅延到達時間を減算し、本来の到達時間に相当する到達時間ta1、ta2に基づいて、上記の式(1)を連立させた下記の式(2)を用いて、音速Cを導出することで、精度よく音速Cを導出することができる。なお、遅延到達時間は、実験により予め音速導出部160の1台1台に対して測定しておいてもよく、同一設計の音速導出部160では標準の遅延到達時間を計測して1台1台の測定を省略してもよい。
Figure 0006379069
(流量導出部162)
流量導出部162は、超音波流量計150で計測された伝播時間t1、t2に基づいて、下記の式(3)を用いてガスの流速Vを導出する。
Figure 0006379069
そして、流量導出部162は、導出したガスの流速Vに、ガス流路140の断面積を乗算することにより、ガスの流量を導出する。
(発熱量導出部164)
図5は、温度、音速およびガスの種別(標準状態での発熱量)の関係を示す図である。図6は、音速および単位発熱量の関係を示す図である。以下では、標準状態での発熱量を標準発熱量とも呼ぶ。
図5に示すように、ガスの種別(標準発熱量)に拘わらず、ガスの温度が低いとガスの音速が遅くなり、ガスの温度が高くなるに連れてガスの音速が速くなる。一方で、ガスの種別(標準発熱量)が異なると、ガスの温度が同一であってもガスの音速が異なり、また、ガスの音速が同一であってもガスの温度が異なる。より詳細には、ガスの標準発熱量が高くなるに連れて、ガスの温度が同一であってもガスの音速が遅くなり、また、ガスの音速が同一であってもガスの温度が高くなる。
このような特性により、ガスの温度および音速を特定することができれば、ガスの種別(標準発熱量)を推定することが可能となる。例えば、ガスの温度が20℃で、ガスの音速が415m/sであった場合には、ガスの種別(標準発熱量)は、44.4MJ/Nmと推定することが可能である。
そこで、従来のガスメーターでは、ガスの温度および音速を計測し、計測したガスの温度および音速に基づいて標準発熱量を推定していた。しかしながら、従来のガスメーターでは、ガスの音速に加えてガスの温度を計測するために温度センサを設ける必要があるため、高コストになるだけでなく、複雑な構成になってしまうといった問題があった。
ここで、図5に示した温度、音速およびガスの種別(標準発熱量)の関係に基づいて、音速を405m/sと同一にした場合の、異なるガスの種別(標準発熱量)での温度および単位発熱量を表1に示す。
Figure 0006379069
表1からも明らかなように、音速を405m/sと同一にした場合には、ガスの種別(標準発熱量)および温度に拘わらず、単位発熱量は約43.5±0.5MJ/mに収まる一定の値となる。
また、図6に示すように、ガスの種別(標準発熱量)に拘わらず、音速と単位発熱量とは、ほぼ同一線の関係で表すことができる。したがって、ガスの種別(標準発熱量)に拘わらず、音速のみに基づいて単位発熱量を導出することが可能であることが理解できる。なお、表1および図6においては、ガスの種別(標準発熱量)によって、音速と単位発熱量との関係に若干の誤差が生じているものの、その誤差は約±2.5%以下であり、音速のみを用いて、ガスの種別に拘わらず、精度よく単位発熱量を導出することが可能である。
以下には、音速のみで単位発熱量を導出することが可能であることを理論的に説明する。
音速Cは、下記の式(4)で表すことができる。
Figure 0006379069
ここで、γは混合気体の比熱比を示し、Rは気体定数(J/mol/K)を示し、Mは混合気体の平均分子量(kg/mol)を示す。
また、ガス密度(平均分子量)と標準発熱量との関係は、下記の式(5)で表すことができる。
Figure 0006379069
ここで、CVは標準発熱量(kJ/Nm)を示し、a、bは定数(飽和炭化水素の理想気体の場合、a=2.1×10、b=7.4×10、飽和炭化水素の実在気体の場合、a=2.4×10、b=5.7×10)を示す。
また、温度Tにおけるガスの単位発熱量は、下記の式(6)で表すことができる。
Figure 0006379069
ここで、CVは温度Tにおける単位発熱量(kJ/m)を示し、pは温度Tにおける圧力(供給圧力、Pa)を示し、pは標準圧力(101325Pa)を示し、Tは標準温度(273.15K)を示す。
これら式(4)〜式(6)により、下記の式(7)が導き出せる。
Figure 0006379069
ここで、Mは都市ガスであれば16〜20程度であり、a>>b/Mの関係が成り立つため、式(7)は式(8)と表すことができる。
Figure 0006379069
このように、式(8)では、測定時の温度Tの影響を受けないことから、供給圧力pが既知であれば、温度Tを計測せずに音速Cのみから単位発熱量を導出することが可能であることが判る。なお、温度Tを計測せずに音速Cのみから単位発熱量を導出する場合には、特に直鎖飽和炭化水素のガスが望ましい。また、音速は圧力の影響をほとんど受けないことが知られているので、圧力pについては、必要に応じて、圧力を計測することで通常のボイルの法則に従って補正すればよい。
そこで、発熱量導出部164は、音速導出部160で導出された音速に基づいて、予めガスの音速から単位発熱量を一義的に導き出せる対応関係情報を参照して、ガスの単位発熱量(MJ/m)を導出する。なお、対応関係情報は、ガスの音速から単位発熱量を一義的に導き出せるものであれば、音速から単位発熱量を導き出せる式でもよく、また、音速から単位発熱量を導き出せるテーブル等であってもよい。
(通過発熱量導出部166)
通過発熱量導出部166は、発熱量導出部164により導出されたガスの単位発熱量と、流量導出部162により導出された流量との積を時間軸に対して積分していくことにより、ガスの通過発熱量を導出する。
(センター装置114)
図7は、センター装置114の概略的な構成を示した機能ブロック図である。図7に示すように、センター装置114は、通信回路180と、使用量記憶部182と、機器記憶部184と、センター制御部186とを含んで構成される。通信回路180は、基地局116を解してゲートウェイ機器112と無線通信を確立する。使用量記憶部182は、ROM、RAM、フラッシュメモリ、HDD等で構成され、各ガスメーター110から受信した通過発熱量を、そのガスメーター110に関連付けて蓄積する。したがって、使用量記憶部182には、ガスメーター110毎の過去の通過発熱量の推移が保持されている。機器記憶部184は、使用量記憶部182同様、ROM、RAM、フラッシュメモリ、HDD等で構成され、口火機器等、ガスメーター110を経由して使用する機器122を、そのガスメーター110に関連付けて記憶する。
センター制御部186は、CPUやDSPで構成され、使用量記憶部182や機器記憶部184に記憶された情報に基づいてセンター装置114全体を制御する。また、センター制御部186は、異常診断部190、センター通信部192として機能する。異常診断部190は、使用量記憶部182に記憶された過去の通過発熱量の推移に基づいて現在の通過発熱量が異常であるか否か診断する。また、異常診断部190は、機器記憶部184に記憶された機器122におけるガスの定格通過発熱量に基づいても異常を診断することができる。センター通信部192は、通信回路180を通じて各ガスメーター110と情報交換し、例えば、ガスメーター110から通過発熱量を受信する。
以上、説明したように、本実施形態のガスメーター110では、音速のみを計測することで、炭化水素系のガスの種別(標準発熱量)によらず、単位発熱量を導出することができる。このとき、ガスメーター110では、温度の計測を行うことなく、ガスの温度によるガスの膨張収縮の補正を対応関係情報により行っていることになる。これにより、従来のガスメーターと比較して、低コストで、かつ、簡易な構成でガスの通過発熱量を導出することができる。また、ガス事業者は、通過発熱量に基づいて課金を適切に行うことができる。
また、ガスメーター110の発熱量導出処理(発熱量導出方法)では、超音波流量計150により計測された伝播時間t1、t2から遅延到達時間を減算し、減算した時間に基づいて音速を導出し、ガスの音速から単位体積あたりの発熱量を一義的に導き出せる対応関係情報を参照し、導出された音速に基づいて、ガスの種別に拘わらない、ガスの単位体積あたりの発熱量を導出するようにした。これにより、低コストで、かつ、簡易な構成でガスの通過発熱量を導出することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
なお、上記の実施形態では、ガスメーター110のガスメーター制御部158に通過発熱量導出部166が設けられるようにしたが、センター装置114のセンター制御部186に通過発熱量導出部166が設けられていてもよい。この場合、ガスメーター制御部158は、流量導出部162により導出された流量と、発熱量導出部164により導出された単位発熱量とをセンター装置114に送信し、センター装置114において、受信した流量と単位発熱量とに基づいて通過発熱量を導出するようにすればよい。
また、上記の実施形態では、流量導出部162で流量を導出するために、超音波式の流量計である超音波流量計150を設けるようにしたが、流量導出部162が、超音波式でない流量計に基づいて流量を導出してもよい。
また、上記の実施形態では、音速導出部160で音速を導出するために、超音波式の流量計である超音波流量計150を設けるようにしたが、ガスの音速を導出できるのであれば、どのような音速測定計であってもよい。
本発明は、単位発熱量を導出する発熱量導出装置および発熱量導出方法に利用することができる。
100 ガスメーターシステム
110 ガスメーター(発熱量導出装置)
150 超音波流量計
160 音速導出部
164 発熱量導出部
166 通過発熱量導出部

Claims (6)

  1. ガス流路内を流れるガスの音速を導出する音速導出部と、
    ガスの音速から単位体積あたりの発熱量を一義的に導き出せる対応関係情報を参照し、前記音速導出部により導出された音速に基づいて、該ガスの種別に拘わらない、該ガスの前記単位体積あたりの発熱量を導出する発熱量導出部と、
    を備えることを特徴とする発熱量導出装置。
  2. 前記ガスは、炭化水素系のガスであることを特徴とする請求項1に記載の発熱量導出装置。
  3. 前記ガス流路を通過したガスの流量を導出する流量導出部と、
    前記発熱量導出部により導出されたガスの発熱量と、前記流量導出部により導出されたガスの流量とに基づいて、前記ガス流路を通過したガスの通過発熱量を導出する通過発熱量導出部とを備えることを特徴とする請求項1または2に記載の発熱量導出装置。
  4. 前記ガス流路に設けられ、該ガス流路に音波を送信させてから、該送信させた音波を受信するまでの伝播時間を計測する超音波流量計をさらに備え、
    前記音速導出部は、
    前記超音波流量計により計測された前記伝播時間から、所定の遅延到達時間を減算し、減算した時間に基づいて音速を導出する
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の発熱量導出装置。
  5. ガス流路内を流れるガスの音速を導出し、
    ガスの音速から単位体積あたりの発熱量を一義的に導き出せる対応関係情報を参照し、導出された音速に基づいて、該ガスの種別に拘わらない、該ガスの前記単位体積あたりの発熱量を導出することを特徴とする発熱量導出方法。
  6. ガス流路に設けられ、該ガス流路に音波を送信させてから、該送信させた音波を受信するまでの伝播時間を計測する超音波流量計により計測された前記伝播時間から、所定の遅延到達時間を減算し、減算した時間に基づいて音速を導出し、
    前記ガスの音速から単位体積あたりの発熱量を一義的に導き出せる対応関係情報を参照し、導出された音速に基づいて、該ガスの種別に拘わらない、該ガスの前記単位体積あたりの発熱量を導出することを特徴とする発熱量導出方法。
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