(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス温度が−２０℃〜５０℃の範囲で、かつ静圧が１９〜２５ＭＰａの範囲の測定対象のガスが流れる配管の絞り機構前後の差圧を計測し、
前記配管の中を流れる前記ガスの静圧を計測し、
前記配管の中を流れる前記ガスの温度を計測し、
前記差圧，前記静圧，前記温度，前記絞り機構の構造と前記絞り機構を流れる前記ガスの流量とにより決定される流出係数Ｃ(n-1)，及び前記ガスの特性を用いた所定の流出計算式による流量算出計算を自然数で示されるｎ回繰り返すことで前記配管の中を流れる前記ガスの流量を算出する流量測定方法であって、
１回目の前記流量算出計算で用いる流出係数Ｃ(0)は、測定可能な流量範囲の最小流量におけるレイノルズ数から算出される流出係数とし、
ｎ回目の前記流量算出計算で用いる前記流出係数Ｃ(n-1)は、ｎ−１回目の前記流量算出計算結果ＱＶ(n-1)より求められるレイノルズ数から算出される値とし、
３回目の前記流量算出計算の流量算出計算結果を流量測定結果とする
ことを特徴とする差圧式流量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絞り機構の前後の差圧を利用して配管の中を流れるガスの流量を測定する差圧式流量測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流量測定は、工業プロセスの最も基本的な測定の１つであり、種々の測定法がある。この流量測定の中で管路中に設けた絞りの前後における圧力差を利用する差圧式の流量測定方法は、用いる流量計の構造が簡単で安価であることや、測定流体条件の制約が少ないなどのことにより、他の流量計に比べて多く用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、天然ガスや都市ガスなどの流量が変化するような流体の流量測定においては、差圧式の流量測定があまり用いられていない。これは、従来の差圧式流量計では、通常流れている流量がほぼ一定であるものを測定対象にしており、上記流量近辺でしか正確には測定できないからである。例えば、天然ガスの流量を測定する場合、「ＪＩＳ  Ｍ  ８０１０−１９９３  天然ガス計量方法」の規定により、流量を算出することが考えられる。
【０００４】
しかしながら、この方法では、ガスが流れる配管における静圧や配管の中を流れるガスの温度や静圧のみでなく、流量もほぼ一定であるとして流量を求めようとするため、温度や静圧による補正演算を行っていたとしても、流量が常に変化する工業プロセス中におけるガスの流量を正確に算出することができない。
一方、流量が常に変化する流体の流量測定には、通常コリオリ式流量計などが使用されているが、差圧式流量計の方が、構造が簡単であり、高い強度を持ち、安価で調整しやすく、かつ小さいなどの利点があり、流量が常に変化する場合にも差圧式流量計の導入が期待されている。
【０００５】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、差圧式の流量測定により、温度や静圧及び流量などが変化する環境におけるガスの流量をより正確に計測できるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る差圧流量測定方法は、測定対象のガスが流れる配管の絞り機構前後の差圧を計測し、配管の中を流れるガスの静圧を計測し、配管の中を流れるガスの温度を計測し、差圧，静圧，温度，絞り機構の構造と絞り機構を流れるガスの流量とにより決定される流出係数Ｃ(n-1)，及びガスの特性を用いた所定の流出計算式による流量算出計算を自然数で示されるｎ回繰り返すことで配管の中を流れるガスの流量を算出する流量測定方法であって、ｎ回目の流量算出計算で用いる流出係数Ｃ(n-1)は、ｎ−１回目の流量算出計算結果ＱＶ(n-1)より求められるレイノルズ数から算出される値とするようにしたものである。
この方法によれば、予め設定した既定値による誤差で流量が測定される。
【０００７】
上記差圧式流量測定方法において、流出係数Ｃ(n-1)を絞り機構における限界レイノルズ数から算出される流出係数Ｃ0で除した値Ｆｒ(n-1)と、ｎ回目の流量算出計算結果ＱＶ(n)より求められるレイノルズ数により算出された流出係数Ｃ(n)を流出係数Ｃ0で除した値Ｆｒ(n)との差の絶対値が、予め設定された既定値未満となる流量算出計算結果ＱＶ(n)を流量測定結果とすればよい。
また、上記差圧式流量測定方法において、１回目の流量算出計算で用いる流出係数Ｃ(0)は、測定可能な流量範囲の最小流量におけるレイノルズ数から算出される流出係数とすることで、例えば繰り返し計算の数を減少させることができる。
【０００８】
また、上記差圧式流量測定方法において、１回目の流量算出計算で用いる流出係数Ｃ(0)は、測定可能な流量範囲の最小流量におけるレイノルズ数から算出される流出係数とし、３回目の流量算出計算の流量算出計算結果を流量測定結果としてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における差圧式流量計１０１の構成例を示す構成図である。差圧式流量計１０１は、配管１２０を流れるガスの温度を計測する温度計測部１０２と、絞り機構１２１の前後の差圧を計測する差圧計測部１０３と、絞り機構１２１の上流側の静圧を計測する静圧計測部１０４と、各計測部が計測した結果により流量を算出する流量算出部１０５とから構成されている。
【００１３】
流量算出部１０５では、温度計測部１０２が計測した温度と、差圧計測部１０３が計測した差圧と、静圧計測部１０４が計測した静圧と、絞り機構１２１の構造と絞り機構１２１を流れるガスの流量とにより決定される流出係数Ｃ(n-1)と、ガスの特性を用いた所定の流出計算式による流量算出計算を自然数で示されるｎ回繰り返す収束演算を行うことで配管１２０の中を流れるガスの流量（体積流量ＱＶ）を算出する。なお、Ｃ(n-1)は、収束演算ｎ回目の計算で用いる流出係数を示している。
【００１４】
流量算出部１０５では、例えば、以下の流量算出計算で収束演算を行う。なお、ＱＶ(n)は、収束演算ｎ回目の計算により算出された体積流量を示す。
ＱＶ(n)＝ＡQ・Ｃ0・Ｅ・ｄ2・ε・ＦＧ・ＦＺ・Ｆｔ・ＦＭ・Ｆｒ(n)・(ｐ・Δｐ)1/2
【００１５】
この式において、まず、ＡQは、定数であり、流量を標準状態で表す場合は、０．００５７７３である。また、Ｃ0は、絞り機構１２１の構造により決まる限界レイノルズ数から決定される流出係数である。流出係数Ｃ0は、例えば、Ｃ0＝０．９９００−０．２２６２β4.1−（０．００１７５β2−０．００３３β4.15）[１０6／限界レイノルズ数]1.15により算出する。これは、絞り機構１２１の形態に合わせ、「ＪＩＳ  Ｚ  ８７６２−１９９５  絞り機構による流量測定法」から得られるものである。なお、βは、絞り比である。
【００１６】
また、Ｅは、近寄り速度係数であり、Ｅ＝（１−β4）-1/2＝Ｄ2／（Ｄ4−ｄ4）1/2で示される定数である。なお、Ｄは、配管１２０の径であり、また、ｄは、差圧検出部１０３が差圧を検出する箇所の配管１２０に設けられた絞りの径（単位はｍｍ）を示す定数である。
また、εは、ガスの膨張補正係数であり、絞り機構１２１により決まる。例えば、ε＝［（κτ2/κ／（κ−１））・（（１−β4）（１−β4τ2/κ））・（（１−τκ-1/κ）／（１−τ））］1/2で示される。なお、κは、測定対象の気体に依存するアイゼントロピック指数と呼ばれる定数であり、τは、配管１２０の絞り機構１２１の上流側の圧力を絞り機構１２１における圧力で除した圧力比である。
【００１７】
また、ＦＧは、流量測定対象のガスの比重補正係数であり、ＦＧ＝（ガスの比重）-1/2で示される。また、ＦＺは、ガスの圧縮係数であり、ＦＺ＝（Ｚｂ／Ｚ）1/2で示される。なお、Ｚｂは、基準となるガスの圧縮係数であり、Ｚは測定対象のガスの圧縮係数である。
【００１８】
また、Ｆｔは、温度ｔのガスの温度補正係数であり、Ｆｔ＝１／（ｔ）1/2で示される。また、ｐは、静圧計測部１０４により計測される流動状態のガスの静圧であり、Δｐは、差圧検出部１０３が検出する絞り機構１２１前後の差圧である。またＦＭは、ガスの湿度補正係数であり、ＦＭ＝（ｐ−ψｐＤ）／ｐで示される。なお、ψは、ガスの相対湿度であり、ｐＤは流動状態のガスの飽和蒸気圧である。
【００１９】
また、Ｆｒ(n)は、ｎ回目の収束計算で得られた体積流量より算出されるレイノルズ数Ｒｅ(n)を用いて算出される流出係数Ｃ(n)をＣ0で除した値（Ｃ(n)／Ｃ0）である。Ｃ(n)は、例えば、Ｃ(n)＝０．９９００−０．２２６２β4.1−（０．００１７５β2−０．００３３β4.15）[１０6／Ｒｅ(n)]1.15により算出する。なお、算出される体積流量ＱＶに、測定対象のガスの密度ρを乗ずれば、質量流量ＱＭとなる。
【００２０】
つぎに、流量算出部１０５における流量算出動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。
まず、流量測定動作をはじめた流量算出部１０５は、前述したＣ0を流出係数Ｃ(0)としてＦｒ(0)を決定（算出）する（ステップＳ２０１）。次いで、流量算出部１０５は、温度計測部１０２，差圧計測部１０３，静圧計測部１０４を制御して、温度ｔ，差圧Δｐ，静圧ｐを計測（検出）する（ステップＳ２０２）。
【００２１】
つぎに、流量算出部１０５は、検出された温度ｔ，差圧Δｐ，静圧ｐと決定されたＦｒ(0)を用い、前述した式により収束演算１回目の体積流量ＱＶ(1)を算出する（ステップＳ２０３）。つぎに、ｎ＝１とし（ステップＳ２０４）、ＱＶ(n)から例えば「Ｒｅ(n)＝（４５７．３・Ｇ・ＱＶ(n)）／（Ｄ・μ）」により、ｎ回目の収束演算におけるレイノルズ数Ｒｅ(n)を算出する（ステップＳ２０５）。なお、μは、ガスの粘度（ｍＰａ・ｓ）である。
【００２２】
レイノルズ数Ｒｅ(n)を算出したら、これを用いて前述した式「Ｃ(n)＝０．９９００−０．２２６２β4.1−（０．００１７５β2−０．００３３β4.15）[１０6／Ｒｅ(n)]1.15」により流出係数Ｃ(n)を算出し（ステップＳ２０６）、算出した流出係数Ｃ(n)により、前述した式「Ｆｒ(n)＝（Ｃ(n)／Ｃ0）」によりＦｒ(n)を算出する（ステップＳ２０７）。この後、算出したＦｒ(n)と前回の収束計算におけるＦｒ(n-1)との差の絶対値が、予め設定されている既定値より小さくなっていることを確認する（ステップＳ２０８）。ここでは、ｎ＝１であるので、Ｆｒ(1)とＦｒ(0)との差の絶対値が既定値より小さいかどうかを確認することになる。
【００２３】
ステップＳ２０８の確認（判断）で、Ｆｒ(n)とＦｒ(n-1)との差の絶対値が既定値より大きいと判断された場合、ステップＳ２０９に進み、Ｆｒ(n)を用いてＱＶ(n+1)を算出し、ｎ＝ｎ＋１とする（ステップＳ２１０）。ここの場合、ｎ＝１なので、Ｆｒ(1)を用いてＱＶ(2)を算出する。この後、ステップＳ２０８の確認でＦｒ(n)とＦｒ(n-1)との差の絶対値が既定値より小さくなるまで（収束するまで）、ステップＳ２０５〜ステップＳ２１０を繰り返す。
【００２４】
上述した収束演算の繰り返しの結果、ステップＳ２０８の確認でＦｒ(n)とＦｒ(n-1)との差の絶対値が既定値より小さくなれば、ステップＳ２１１に進み、流量算出部１０５は、算出したＱＶ(n)を、流量測定結果として出力する。以上のことにより算出して得られた流量測定結果は、ガスが流れる配管における静圧や配管の中を流れるガスの温度が常に変化している環境においても、高い精度を持った値となっている。従って、上述した本実施の形態によれば、差圧式の流量測定により、温度や静圧などが変化する環境におけるガスの流量を、上記既定値の範囲の高い精度で計測できるようになる。なお、ここでは、限界レイノルズ数から算出される流出係数Ｃ0をＣ(0)として演算を行うようにしたが、例えば、流量レンジ（測定可能な流量範囲）の８０％の流量のときなど、ある流量値におけるレイノルズ数から算出した流出係数をＣ(0)として用いるようにしてもよい。
【００２５】
ところで、上述した収束計算では、収束演算の回数が７回以上となる。この場合、流量算出部１０５として高性能な計算機を用いても、収束するまでに数分必要とする。より小型な流量計を必要とする場合、流量算出部１０５として用いることが可能な計算機の性能には限度があり、上述した演算を行う場合は、流量算出計算結果が得られるまでに、より多くの時間を必要とする。これでは、何分も前の流量を測定していることになり、流量測定に即時性を得ることができない。また、流量によっては、収束演算が３回ほどで終了できることもあるため、流量測定時の流量次第で収束時間（回数）が一定せず、流量計の応答時間が一定とならない場合がある。
【００２６】
以上のことに対し、つぎに示すように、収束演算を開始するときに、限界レイノルズ数により算出される流出係数Ｃ0や、適当な流量におけるレイノルズ数による流出係数を流出係数Ｃ(0)としてＦｒ(0)を算出するのではなく、流量レンジの最小流量程度におけるレイノルズ数と絞り機構１２１の種類により決まる流出係数Ｃminを流出係数Ｃ(0)としてＦｒ(0)を算出して収束演算を開始し、演算回数を３回としてもよい。例えば、ガスの温度が−２０℃〜５０℃の範囲で、かつ静圧が１９〜２５ＭＰａの範囲内であれば、上述のようにした収束演算でも高い精度を持った流量計算結果が得られる。
【００２７】
より詳細に説明すると、図３のフローチャートに示すように、まず、流量測定動作をはじめた流量算出部１０５は、前述したように最小流量時のレイノルズ数による流出係数Ｃminを流出係数Ｃ(0)としてＦｒ(0)を決定（算出）する（ステップＳ３０１）。次いで、流量算出部１０５は、温度計測部１０２，差圧計測部１０３，静圧計測部１０４を制御して、温度ｔ，差圧Δｐ，静圧ｐを計測（検出）する（ステップＳ３０２）。
【００２８】
つぎに、流量算出部１０５は、検出された温度ｔ，差圧Δｐ，静圧ｐと決定されたＦｒ(0)を用い、前述した式により収束演算１回目の体積流量ＱＶ(1)を算出し（ステップＳ３０３）、ｎ＝１とする（ステップＳ３０４）。次いで、ＱＶ(n)から例えば「Ｒｅ(n)＝（４５７．３・Ｇ・ＱＶ(n)）／（Ｄ・μ）」により、ｎ回目の収束演算におけるレイノルズ数Ｒｅ(n)を算出する（ステップＳ３０５）。なお、μは、ガスの粘度（ｍＰａ・ｓ）である。
【００２９】
レイノルズ数Ｒｅ(n)を算出したら、これを用いて前述した式により流出係数Ｃ(n)を算出し（ステップＳ３０６）、算出した流出係数Ｃ(n)により、前述した式によりＦｒ(n)を算出する（ステップＳ３０７）。次いで、ステップＳ３０９に進み、Ｆｒ(n)を用いてＱＶ(n+1)を算出し、ｎ＝ｎ＋１とする（ステップＳ３１０）。ここの場合、ｎ＝１なので、Ｆｒ(1)を用いてＱＶ(2)を算出する。この後、ステップＳ３０５〜ステップＳ３１０を２回繰り返し（ステップＳ３０８）、流量算出部１０５は、算出したＱＶ(n)を、流量測定結果として出力する。
【００３０】
以上のことにより算出して得られた流量測定結果は、ガスが流れる配管における静圧や配管の中を流れるガスの温度さらにはガスの流量が常に変化している環境においても、高い精度を持った値となっている。従って、上述した本実施の形態によれば、差圧式の流量測定により、温度や静圧及び流量などが変化する環境におけるガスの流量を、上記既定値の範囲の高い精度で計測できるようになる。また、上述したことにより、測定毎の応答時間が一定になるという効果も得られる。
【００３１】
ところで、流量ＱＶ＝定数×Ｆｒとなるので、上述した収束計算におけるＱＶの収束はＦｒの収束と考えることができる。ここで、図４に示すように、レイノルズ数Ｒｅが小さい領域では、補正係数Ｆｒが大きく変化する。従って、上述した収束演算が収束するまでの収束計算回数が多くなる。これに対し、レイノルズ数Ｒｅが大きい領域では、補正係数Ｆｒの変化が小さく、少ない計算回数で収束するようになるものと考えられる。
【００３２】
なお、上述では、測定対象のガスの粘度μ（ｍＰａ・ｓ）は、測定された静圧と温度とをもとに算出しているが、μ＝０．０１１（ｍＰａ・ｓ）と一定値として用いても、ガスの温度が−２０℃〜５０℃の範囲で、かつ静圧が１９〜２５ＭＰａの範囲内であれば、高い精度が維持できる。
【００３３】
また、上述では、「ＱＶ(n)＝ＡQ・Ｃ0・Ｅ・ｄ2・ε・ＦＧ・ＦＺ・Ｆｔ・ＦＭ・Ｆｒ(n)・(ｐ・Δｐ)1/2」を、収束演算における流量算出計算に用いるようにしたが、これに限るものではない。
例えば、上記式においてＦＭ＝定数とした式を、収束演算における流量算出計算に用いるようにしてもよい。この式は、湿度一定とした場合のガスの流量を示すものとなっている。
【００３４】
同様に、「ＱＶ(n)＝ＡQ・Ｃ0・Ｅ・ｄ2・ε・ＦＧ・ＦＺ・Ｆｔ・ＦＭ・Ｆｒ(n)・(ｐ・Δｐ)1/2」において、Ｆｔ＝定数とした式を収束演算における流量算出計算に用いるようにしてもよい。この式は、温度一定とした場合のガスの流量を示している。また、「ＱＶ(n)＝ＡQ・Ｃ0・Ｅ・ｄ2・ε・ＦＧ・ＦＺ・Ｆｔ・ＦＭ・Ｆｒ(n)・(ｐ・Δｐ)1/2」において、Ｆｒ＝定数とした式を収束演算における流量算出計算に用いるようにしてもよい。この式は、流量変化のほとんど無いガスの流量を表している。
【００３５】
また、前述では、ＱＶ(n)から「Ｒｅ(n)＝（４５７．３・Ｇ・ＱＶ(n)）／（Ｄ・μ）」により、ｎ回目の収束演算におけるレイノルズ数Ｒｅ(n)を算出するようにしたが、これに限るものではない。ＱＶ(n)から「Ｒｅ(n)＝（３５４・ＱＶ(n)・ρ）／（Ｄ・μ）」あるいは「Ｒｅ(n)＝（３５４・ＱＶ(n)）／（Ｄ・μ）」によりｎ回目の収束演算におけるレイノルズ数Ｒｅ(n)を算出してもよい。なお、ＱＭ(n)＝ＱＶ(n)・ρであり、体積流量に密度を乗じたものが質量流量である。
【００３６】
また、前述では、流出係数Ｃ(n)を「Ｃ(n)＝０．９９００−０．２２６２β4.1−（０．００１７５β2−０．００３３β4.15）[１０6／Ｒｅ(n)]1.15」により算出するようにしたが、これに限るものではない。この式は、絞り機構１２１にＩＳＡ１９３２ノズルを用いた場合に適用するものであり、流出係数Ｃ(n)は、絞り機構の形態により適宜算出するようにすればよい。
【００３７】
例えば、絞り機構にオリフィスを用いる場合、流出係数Ｃ(n)を「Ｃ(n)＝０．５９５９−０．０３１２β2.1−０．１８４０β8−０．００２９β2.5[１０6／Ｒｅ(n)]0.75＋０．０９００Ｌ1β4（１−β4）-1−０．０３３７Ｌ2β3（Ｌ1：オリフィス板の上流面から上流側圧力取り出し口までの距離を管路の直径で除した係数、ただしＬ1≧０．４３３３のときβ4（１−β4）-1の係数は０．０３９０とする。Ｌ2：オリフィス板の下流面から下流側圧力取り出し口までの距離を管路の直径で除した係数）」により算出するようにしてもよい。
【００３８】
また、絞り機構に長円ノズルを用いる場合、流出係数Ｃ(n)は、「Ｃ(n)＝０．９９６５−０．００６５３β0.5[１０6／Ｒｅ(n)]0.5」により算出するようにしてもよく、「Ｃ(n)＝０．９９６５−０．００６５３[１０6／Ｒｅ(n)]0.5」により算出するようにしてもよい。
また、絞り機構にオリフィスを使用する場合、膨張補正係数εを「ε＝１−（０．４１＋０．３５β4）（Δｐ／κｐ」により算出すればよい。絞り機構にＩＳＡ１９３２ノズルや長円ノズルを使用する場合、膨張係数εは、ε＝［｛（κτ２／κ）÷（κ−１）｝×｛（１−β4）÷（１−β4τ２／κ）｝×｛（１−τ）（κ−１）／κ÷（１−τ）｝］1/2」により算出すればよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、差圧，静圧，温度，絞り機構の構造と絞り機構を流れるガスの流量とにより決定される流出係数Ｃ(n-1)，及びガスの特性を用いた所定の流出計算式による流量算出計算を、算出された流量値におけるレイノルズ数より流出係数を算出してつぎの流量算出計算に用いるという収束演算を、自然数で示されるｎ回繰り返すことで配管の中を流れるガスの流量を算出するようにした。この結果、本発明によれば、差圧式の流量測定により、温度や静圧及び流量などが変化する環境におけるガスの流量をより正確に計測できるようになるというすぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態における差圧式流量計の構成例を示す構成図である。
【図２】  図１の流量算出部の動作を示すフローチャートである。
【図３】  図１の流量算出部の動作を示すフローチャートである。
【図４】  レイノルズ数と補正係数との関係を示す相関図である。
【符号の説明】
１０１…差圧式流量計、１０２…温度計測部、１０３…差圧計測部、１０４…静圧計測部、１０５…流量算出部、１２０…配管、１２１…絞り機構。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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