特許 6299025 管流量計測装置および管下流圧力予測制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6299025

(24)【登録日】2018年3月9日

(45)【発行日】2018年3月28日

(54)【発明の名称】管流量計測装置および管下流圧力予測制御装置

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/34 20060101AFI20180319BHJP

【ＦＩ】

   G01F1/34 Z

【請求項の数】2

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2017-137074(P2017-137074)

(22)【出願日】2017年7月13日

【審査請求日】2017年7月18日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】512120317

【氏名又は名称】有限会社北沢技術事務所

(72)【発明者】

【氏名】北澤 哲

【審査官】 公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】 特許第４５０３８３０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開平０６−０９４４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１９１４８１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 実開昭６１−００４２０８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特表２０１１−５１９４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０８２９９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１０１７３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０５５７０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１８１８７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−２２５４１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Lewis A. Rossman，EPANET2 USER MANUAL，米国，Water Supply and Water Resources Division, National Risk Management Research Laboratory，２０００年 ９月１１日，p. 29-31, 189-190

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｆ １／００−１／３０，１／３４−１／５４，

Ｇ０１Ｆ ３／００−９／０２

Ｇ０５Ｄ ７／００−７／０６，１６／００−１６／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

管断面が一様な管を液体が定常流で流下する前記管の上流圧力を測定する上流圧力計および下流圧力を測定する下流圧力計と、
前記液体の温度を測定する液体温度計と、
公知のダルシー・ワイスバッハの式の管流速をレイノルズ数に変換した式において、前記上流圧力と前記下流圧力の差圧、液体密度、液体粘度、管の水力直径、上流圧力計と下流圧力計の距離、を求めることにより管摩擦係数とレイノルズ数のみを変数とした第一管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部と
前記上流圧力計、前記下流圧力計および前記液体温度計で測定した前記上流圧力、前記下流圧力および前記液体温度を前記第一管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部に電気信号により伝送する信号伝送部および伝送路と、
前記第一管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部に液体密度、粘度を設定する液体パラメータ設定部と、
前記第一管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部に前記管の水力直径、前記上流圧力計と前記下流圧力計間の距離を設定する管寸法パラメータ設定部と、
層流域においては公知の管摩擦係数＝６４／レイノルズ数の式、乱流域においては係数として管相対粗さを含む公知のコールブルックの式、層流域と乱流域を相互に遷移する遷移域においては遷移点の臨界レイノルズ数間を補間する直線補間式をもちいて、前記管相対粗さ、前記臨界レイノルズ数を設定することにより、管摩擦係数とレイノルズ数のみを変数とした第二管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部と
前記第二管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部に管相対粗さを設定する管相対粗さ設定部と、前記第二管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部に臨界レイノルズ数を設定する臨界レイノルズ数設定部と、
前記第一および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部で係数を演算により求めた前記第一および前記第二管摩擦係数・レイノルズ数関数を連立方程式として管摩擦係数およびレイノルズ数を直接演算する連立管摩擦係数・レイノルズ数演算部と、
前記連立管摩擦係数・レイノルズ数関数演算部で求めた管摩擦係数またはレイノルズ数を用いて管流量を演算して表示する流量演算表示部と、
を具備する管流量計測装置。

【請求項2】

管断面が一様な管を流体が定常流状態で流下する前記管の上流圧力設定点の圧力を調整して下流圧力予測制御点との差圧を制御する上流圧力設定点に設置した上流圧力設定器と、
液体の温度を測定する液体温度計と、
公知のダルシー・ワイスバッハの式の管流速を管流量に変換した式おいて、液体密度、管の水力直径、前記上流圧力設定点と前記下流圧力予測制御点との距離、設定管流量、を求めることにより管摩擦係数および前記差圧を変数とした管摩擦係数・差圧関数係数演算部および設定流量に対応したレイノルズ数を演算するレイノルズ数演算部と、
前記管摩擦係数・差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部に前記液体温度計で測定した前記液体温度を電気信号により伝送する信号伝送部および伝送路と、
前記管摩擦係数・差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部に液体密度および液体粘度を設定する液体パラメータ設定部と、
前記管摩擦係数・差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部に前記管の水力直径、前記上流圧力設定器と前記下流圧力予測制御点との距離、を設定する管寸法パラメータ設定部と、
前記管摩擦係数・差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部に下流圧力予測制御に対応した管流量を設定する管流量設定部と、
前記管摩擦係数・差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部で求めたレイノルズ数に対する管摩擦係数を求める管摩擦係数演算部として、層流域においては公知の管摩擦係数＝６４／レイノルズ数の式、乱流域においては係数として管相対粗さを含む公知のコールブルックの式、層流域と乱流域を相互に遷移する遷移域においては遷移点の臨界レイノルズ数間を補間する直線補間式、をもちいて前記管相対粗さ、前記臨界レイノルズ数を設定することにより、管摩擦係数およびレイノルズ数を変数とした管摩擦係数演算部と
前記管摩擦係数演算部に管相対粗さを設定する管相対粗さ設定部と、
前記管摩擦係数演算部に臨界レイノルズ数を設定する臨界レイノルズ数設定部と、
演算した前記管摩擦係数を前記管摩擦係数・差圧関数係数演算部で係数を求めた管摩擦係数・差圧関数に代入して差圧を求める管摩擦係数・差圧関数演算部と、
前記管摩擦係数・差圧関数演算部で求めた前記差圧に下流設定圧力を加算した圧力を上流設定圧力として前記上流圧力設定器に設定して表示する上流設定圧力演算表示部と、
前記上流設定圧力演算表示部に対して下流設定圧力を設定する下流設定圧力設定部と、
前記上流設定圧力を前記上流圧力設定器に対して電気信号により伝送する信号伝送部および伝送路と、
を具備する管下流圧力予測制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、管断面が一様な管を液体が定常流状態で流下する管の流量を計測する管流量計測装置および設定流量のもとで下流圧力を設定値に上流圧力を調整して予測制御する下流圧力予測制御装置に関する。
本発明では「定常流」とは、時間的に管全体の流れに変化がない流れと定義する。
「一様断面の管」とは、管路断面が同じ寸法であり、管壁面の粗さも同じ管と定義する。
「一様断面管の定常流」とは、一様断面管の流れが時間的に変化しない流れであり一様断面であるので連続の法則により流速、流量も空間的に同じである流れと定義する。

【背景技術】

【0002】

本発明は、管断面が一様な管を液体が定常流状態で流下する管の流量を管の上流に設置した圧力計および下流に設置した圧力計の計測値を電気的な手段による信号伝送部と伝送回線により遠隔地に設置した流量演算装置により管流量を求める管流量計測装置、および設定流量のもとで下流圧力予測制御点の圧力を設定圧力に予測制御するために、上流に設置した圧力設定器の圧力を調整することにより圧力設定点圧力を演算により求め設定する管下流圧力予測制御装置である。
管下流圧力予測制御装置は上流圧力設定器の近傍または電気的な手段による信号伝送部と伝送回線により遠隔地に設置する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４５０３８３０

【特許文献2】特開平６−９４４９０

【特許文献3】特開昭５０−３６１６３

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】はじめての流体力学 田村恵万著 科学図書出版 Ｐ１１５〜Ｐ１５６ ２０１４年

【非特許文献2】機械工学便覧 基礎編 α４ 流体工学 日本機械学会 Ｐ６９〜Ｐ７１ ２００６年

【非特許文献3】管路・ダクトの流体抵抗 日本機械学会編 Ｐ２２〜Ｐ２９ １９７９年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

管流量計測装置として、従来では、代表的な方式として電磁式流量計、超音波式流量計、オリフィス式流量計が用いられている。
電磁式流量計は導電性のない液体流量の計測が困難であること。また、流量計取り付けはフランジ型のために取付工事が高価となること。特に管口径が大きな場合に高価となる。
超音波式流量計は管内流速分布が層流と乱流などの流れの乱れによる誤差が発生し、電磁式より精度が落ちる。電磁式に比較して価格は大口径では安価となる。
オリフィス式は管に摩擦損失を作ることにより流量計測を行うために管の水頭損失が課題となる。
管流量計測方式として図３に示すムーディ線図と呼ばれるレイノルズ数と摩擦係数の関係を示す線図と公知のダルシー・ワイスバッハの式を用いて測定した上流と下流の圧力差に対応した予測流量を逐次的に変えて実流量を探索する方法が考えられるが、ムーディ線図の読取りの煩雑さ、読取精度の悪さ、演算過程の複雑化から流量の自動計測用として実用性がない。
また、流量計の設置により管の摩擦損失を伴わず、従来の電磁式および超音波式流量計に比較して安価な流量計の開発が課題である。
特に、多数の流量計の設置が必要となる農業用パイプライン、石油輸送用パイプライン、化学プラント用パイプライン、上水道幹線パイプライン等のネットワークに汎用的に使用できる管流量計測装置の開発と低価格化が課題である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

「請求項１」の発明は、上記の「発明が解決しようとする課題」を解決するためになされたものである。図１は「請求項１」の発明の基本構成図である。
管断面が一様な同一水平面に直線配置された管を液体が定常流状態で流下する前記管の上流圧力を測定する上流圧力計１および下流圧力を測定する下流圧力計２を設置する。
液体の温度を測定する液体温度計３を管の液体温度を代表する位置に設置する。前記液体温度計３は温度変化に伴う液体粘度と密度を補正するものである。
図１に示す円管を水平に設置したとき、

上流圧力計の圧力 Ｐ１［Ｐａ］
下流圧力計の圧力 Ｐ２［Ｐａ］
圧力損失 ΔＰ＝（Ｐ１−Ｐ２）［Ｐａ］
上流圧力計と下流圧力計の距離 Ｌ［ｍ］
管摩擦係数 λ［無次元数］
液体の密度 ρ［ｋｇ／ｍ^３］
平均流速 ｕ［ｍ／ｓ］
管内径 ｄ［ｍ］

とすれば、公知のダルシー・ワイスバッハの式は数式１で示される。

【数1】

管内を流れる液体の粘度 μ［Ｐａ・ｓ］
動粘度 ν＝μ／ρ［ｍ^２／ｓ］


とすれば、レイノルズ数Ｒｅは数式２で示される。

【数2】

数式１と数式２から平均速度ｕを消去し、摩擦係数λについて整理した式を数式３に示す。

【数3】

数式３はダルシー・ワイスバッハの式をベースとした第一管摩擦係数・レイノルズ数関数と定義する。本関数の係数を演算する第一管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部４において、数式３の管摩擦係数λ、レイノルズ数Ｒｅ以外の係数を決定する。
上流圧力計１、下流圧力計２で測定した上流圧力Ｐ１、下流圧力Ｐ２を電気信号により伝送する信号伝送部８および伝送路９により伝送して第一管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部４において、
ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２の差圧演算をおこない係数を決定する。
液体温度計３で測定した液体温度Ｔを電気信号により伝送する信号伝送部８および伝送路９により伝送して第一管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部４において、液体密度、粘度を設定する液体パラメータ設定部７により設定されている基準温度における液体密度、粘度を測定した液体温度Ｔにおける液体密度、粘度に換算する。換算はあらかじめ設定されている換算テーブルを参照して換算値を求めるか、または粘度の場合は公知のアンドレード粘度換算数式により換算する。
本発明においては、上流圧力計１と下流圧力計２の距離Ｌは管内面は平滑の場合の流量測定も行うことになるために、この間の管摩擦損失を大きくして、測定精度を向上させるために距離Ｌは１ｋｍ以上となることもあり、また、流量演算装置１４は広域に設置された多数の流量計測に対応することを想定して、上流圧力計１または下流圧力計２と流量演算装置１４との間は伝送回線で接続する。
この他に第一管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部４に管の水力直径として円形管の場合は管内径ｄ、上流圧力計１と下流圧力計２間の距離Ｌを管寸法パラメータ設定部により設定する。
以上により、数式３の係数はすべて決定して、第一管摩擦係数・レイノルズ数関数の管摩擦係数λはレイノルズ数Ｒｅのみの関数となる。

【0007】

第一管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部４においては、液体の種類、管寸法、上流圧力計、下流圧力計間の距離Ｌ、測定した上流圧力Ｐ１、下流圧力Ｐ２の差圧ΔＰに依存する第一管摩擦係数・レイノルズ数関数の係数を求めている。
第二管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部５においては、層流、層流から乱流域に遷移する遷移流、乱流毎に数式が異なり、液体の種類、管寸法に依存せず、管内壁の粗さのみに依存する管摩擦係数・レイノルズ数関数を第二管摩擦係数・レイノルズ数関数と定義する。本関数の係数演算部の係数と数式を示す。
層流の場合の管摩擦係数・レイノルズ数の関数は公知の式として、数式４となる。

【数4】

乱流の場合の管摩擦係数・レイノルズ数の関数は公知の式として、レイノルズ数の適用範囲が広く、管内面の粗さにも対応できる式として、数式５に示すコールブルックの式によるものとする。ここで、εは絶対粗さで、管内径との比ε／ｄは相対粗さと呼ばれている。
ε／ｄは管相対粗さ設定部１０により設定する。
図４に管内壁の絶対粗さと相対粗さの関係を示す。

【数5】

数式５においてε／ｄ＝０とすれば、管内面の粗さが滑らかな管に相当し、数式６のように変形することができる。

【数6】

また、数式５においてε／ｄが大きくなり、管内面が粗く摩擦係数がレイノルズ数の影響を無視できる場合は、数式７のように変型することができる。

【数7】

乱流の場合、ε／ｄの値により、数式６は滑らかな管の場合、数式７は粗い管の場合となるが、いずれもε／ｄの値を選べば数式５が適用可能なため、以下数式５により第二管摩擦係数・レイノルズ数関数係数を計算する。
第二管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部５に管相対粗さを管相対粗さ設定部１０により設定し、臨界レイノルズ数を臨界レイノルズ数設定部１１により設定する。
層流から乱流に変化する遷移流の管摩擦係数に対するレイノルズ数の関数として、下記によるものとする。
（１）臨界レイノルズ数は下限、上限がある。
（２）下限、上限間のレイノルズ数と摩擦係数の関係は層流と乱流曲線を結ぶ直線近似とする。
これは下限、上限間のレイノルズ数と摩擦係数の関係は図５に示す実験データから下限、上限間のレイノルズ数と摩擦係数の関係は直線的に近似可能となるためである。
（３）遷移流となる上、下限のレイノルズ数は管と流体依存性が大きく確定できないために設定値とする。
（４）層流と遷移流、遷移流と乱流への変化時に摩擦係数対レイノルズ数曲線は不連続とならない。

層流と遷移流の境界の臨界レイノルズ数 Ｒｅ_Ｌ
遷移流と乱流の境界の臨界レイノルズ数 Ｒｅ_Ｈ
層流と遷移流の境界の摩擦係数 λ_Ｌ
遷移流と乱流の境界の摩擦係数 λ_Ｈ

とし、レイノルズ数Ｒｅを横軸、摩擦係数λを縦軸にとった時の遷移流の直線の方程式は数式８となる。
臨界レイノルズ数Ｒｅ_Ｌ およびＲｅ_Ｈは臨界レイノルズ数設定部１１により設定する。

【数8】

ここで、λ_Ｌは数式４により、λ_Ｌ＝ ６４／ Ｒｅ_Ｌにより計算する。また、λ_Ｈは乱流曲線の数式５において、レイノルズ数Ｒｅ_Ｈを代入した数式９により計算される。
流量計測対象管のε／ｄの値は管の粗さ対応して設定する。

【数9】

なお、実用管について直径ｄと相対粗さの例を図６に示す。
以上により数式９は乱流域と接続する摩擦係数λ_Ｈ以外の係数は与えられ、λ_Ｈについて解くことが可能である。数式９は陰関数のためλ_Ｈの値はニュートン・ラプソン法等を用いて数値的に解くか、Ｅｘｃｅｌ等の表計算ソフトであるゴールシーク、ソルバーなどを管流量計測装置１４に組込むことにより演算で求める。
λ_Ｈが求められたことにより、遷移流のλ、Ｒｅの直線の方程式の係数が求められた。
以上、第二管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部５の係数と数式が求められた。図７に第二管摩擦係数・レイノルズ数関数の遷移域における直線近似の方法を示す。

【0008】

連立管摩擦係数・レイノルズ数演算部１２においては第一および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数を連立して管摩擦係数・レイノルズ数を演算する。
第一管摩擦係数・レイノルズ数関数は数式３である。
第二管摩擦係数・レイノルズ数関数は層流、遷移流、乱流に対して別々の数式による。
層流については数式４、
遷移流については数式８
乱流については数式５
である。
表１に、これらの数式を整理して示す。

【表1】

表１の第一および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数の係数は第一および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数係数演算部で値が求められているために、いずれの数式も管摩擦係数λおよびレイノルズ数Ｒｅのみを変数とする関数である。

【0009】

連立管摩擦係数・レイノルズ数演算部１２では、第一管摩擦係数・レイノルズ数関数および層流、遷移流、乱流毎に求めた第二管摩擦係数・レイノルズ数関数を連立方程式として、摩擦係数λ、レイノルズ数Ｒｅを求める。
演算の順は、図８に示す手順を自動的に選択して行う。
第一に乱流について摩擦係数λ、レイノルズ数Ｒｅを求める。
レイノルズ数Ｒｅが上限の臨界レイノルズ数Ｒｅ_Ｈ以上の時は乱流と判定する。
臨界レイノルズ数Ｒｅ_Ｈより小さい時は遷移流と仮定してレイノルズ数Ｒｅを求める。遷移流と仮定して求めたレイノルズ数Ｒｅが上限の臨界レイノルズ数Ｒｅ_Ｈより小さく下限の臨界レイノルズ数Ｒｅ_Ｌ以上の時は遷移流と判定する。
求めたレイノルズ数Ｒｅが下限の臨界レイノルズ数Ｒｅ_Ｌより小さい時は層流について摩擦係数λ、レイノルズ数Ｒｅを求める。レイノルズ数Ｒｅが下限の臨界レイノルズ数Ｒｅ_Ｌ以下の時は層流と判定する。
乱流の場合において、第一管摩擦係数・レイノルズ数関数および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数の連立方程式を解くにあたり数式が陰関数となる場合、ニュートン・ラプソン法等を用いて数値的に解くか、Ｅｘｃｅｌ等の表計算ソフトであるゴールシーク、ソルバーなどを管流量計測装置１４に組込むことにより演算で求める。

【0010】

管流量を演算して表示する流量演算表示部１３においては、連立管摩擦係数・レイノルズ数演算部１２で求められた摩擦係数λ、レイノルズ数Ｒｅを用いて演算する。λで表現した場合は管流量Ｑは数式１を用いて数式１０により求められる。

【数10】

また、Ｒｅで表現した場合は管流量Ｑは数式２を用いて、数式１１の計算により求められる。

【数11】

流量演算装置１４の流量表示部１３において、数式１０または数式１１により計算した流量Ｑを表示する。

【0011】

オリフィス等の絞り機構によらず、管の上流、下流に設置した圧力計の差圧ΔＰを用いて流量を計測する方法として、計測する流量値を仮定して、この仮定流量値Ｑに対するレイノルズ数Ｒｅを数式１１により求め、公知のムーディ線図と呼ばれる図表から摩擦係数λを読取り、数式１０に計測したΔＰ、読取った前記λを代入して、流量Ｑを計算する。次に、この計算した流量Ｑと仮定流量値を比較して一致するように、仮定流量値を変化させて、再度、ムーディ線図を用いて、Ｒｅおよびλを求め数式１０により流量Ｑを求め、この手順を仮定流量値に数式１０により計算した流量値が一致するまで繰り返し、一致した流量を流量計測値とする方法が考えられる。
このための繰り返しによる流量を探索する方法として、ムーディ線図のレイノルズ数Ｒｅ、摩擦係数λをデータ処理装置のメモリーにテーブル化して記憶させ、データ処理により流量計測値を自動的に探索する方法が考えられる。
特許文献１特許第４５０３８３０は前記のムーディ線図のレイノルズ数Ｒｅ、摩擦係数λをデータ処理装置のメモリーにテーブル化して記憶させ、データ処理により流量計測値を自動的に探索する方法を採用している。
本発明は、ムーディ線図を用いず、従って、ムーディ線図のテーブル化も必要とせず、公知のダルシー・ワイスバッハの式から求めた第一のレイノルズ数Ｒｅ、摩擦係数λの関数式、液体の種類に依存しない第二のレイノルズ数Ｒｅ、摩擦係数λの関数式の二つの独立した関数式を連立してレイノルズ数Ｒｅ、摩擦係数λを求めている。したがって、本発明と特許文献１特許第４５０３８３０とは流量を求める処理変換方式に違いがある。
特許文献２特開平６−９４４９０との大きな相違点を以下に示す。
特開平６−９４４９０は管壁を断熱と考えられる場合で、流体による摩擦を考慮した気体を対象とした圧縮性流体の定常流をＦａｎｎｏの流れとして、公知のＦａｎｎｏの式をもとに管流量を求めている。
これに対して、本発明は非圧縮性の液体を対象としており、公知のダルシー・ワイスバッハの式をもとに流量を求めている。したがって、本発明は特開平６−９４４９０とは流量計測方式に基本的な違いがある。
特許文献３特開昭５０−３６１６３との大きな相違点を以下に示す。
第１の相違点として特開昭５０−３６１６３は原子炉を冷却する液体ナトリウムを流すパイプの圧力を測定する方法として、パイプ内を流れる液体ナトリウムの圧力により共鳴周波数応答を示す極超短波空洞を用いて圧力を測定している。本発明として圧力を測定する方法は管に半導体方式または静電容量方式等のダイアフラム感圧センサーを挿入して測定するプロセス制御に使われている圧力計により測定することを想定している。特開昭５０−３６１６３では極超短波は導波管を通して処理電子器機部でパイプ圧力に相当した電気信号に戻され、パイプの第１と第２の位置に設置したセンサーのパイプ内圧力の差圧から流量を求めている。圧力の測定方式は本発明と違いがあるが電気信号による差圧から流量を換算している点は特開昭５０−３６１６３と本発明は変わりない。
第２の相違点として特開昭５０−３６１６３の特許請求範囲には「その外部の圧力変化に応答する第１の共鳴極超音波空洞を有し、その圧力変化を表示する電気的出力を供給する第１極超短波センサー；その外部の圧力変化に応答する第２の共鳴極超音波空洞を有し、その圧力変化を表示する電気的出力を供給する第２極超短波センサー；および前記第１および第２センサーから供給された各出力を比較し各出力に応答する手段からなり、」と記述されている。この請求範囲には測定の都度、自動的に流速からレイノルズ数を求めたり、ムーディ線図から摩擦係数を読取ったり、明細書にΔｐの式として記載されているダルシー・ワイスバッハの式の計算を行う処理は記述されていない。また、ＦＩＧ．１にもこれらの処理を行う部分は記述されていない。
明細書に記述されているこれらの処理は流速の測定の都度おこなうのではなく、原子炉を冷却するために必要とする液体ナトリュウムの流速と第１および第２センサー間の差圧を求めておき、測定した差圧とあらかじめ求めておいた差圧と比較して冷却に必要な流量を推定していると解釈できる。本発明は流量測定の都度、管流量計測装置において、これらの処理を行っている。したがって、特開昭５０−３６１６３と本発明は流量計測装置として基本的に相違がある。

【0012】

図２は「請求項２」の基本構成図である。
管断面が一様な同一水平面に直線配置された管１５を流体が定常流状態で流下する前記管１５の上流圧力設定点２２の圧力を調整して前記上流圧力と下流圧力予測制御点１７との差圧を上流圧力設定点２２に設置した上流圧力設定器１６により、設定した一定の管流量Ｑのもとで制御する。
管摩擦係数・差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部１７において、数式１のダルシー・ワイスバッハの式の係数を演算する。数式１の管内平均流速ｕは数式１２のｕと管内流量Ｑの関係を用いると数式１は数式１３
で表すことができる。

【数12】

【数13】

また、数式２のレイノルズ数Ｒｅの管内平均流速ｕを数式１２を用いて管内流量Ｑで置換えると数式２は数式１４で表すことができる。

【数14】

液体の温度を測定する前記温度計３を管の液体温度を代表する位置に設置する。液体温度計３は温度変化に伴う液体粘度と密度を補正するものである。
数式１３は、管摩擦係数λ、差圧ΔＰの関数としてλ、ΔＰ以外の値は係数とし設定または演算により求める。
数式１４のレイノルズ数は演算により求める。
液体温度計３で測定した液体温度Ｔを電気信号により伝送する信号伝送部８および伝送路９により伝送して管摩擦係数・差圧関数係数演算部およびレイノルズ数演算部１７において、液体密度、粘度を設定する液体パラメータ設定部７により設定されている基準温度における液体密度、粘度を測定した液体温度Ｔにおける液体密度、粘度に換算する。換算はあらかじめ設定されている換算テーブルを参照して換算値を求めるか、または粘度の場合は公知のアンドレード粘度換算数式により換算する。
管の水力直径として円形管の場合は管内径ｄ、上流圧力設定点２２と下流圧力予測制御点間の距離Ｌを管寸法パラメータ設定部６により設定する。
また、下流圧力予測制御点１７の圧力予測は設定した管流量Ｑのもとで行うため管流量設定部１８により管流量Ｑを設定する。以上により、数式１３の係数はすべて決定して、管摩擦係数・差圧関数の変数はλとΔＰのみの関数となっている。
数式１４のレイノルズ数の値もＱ、ｄは設定値で、ρ、μは設定値を液体温度計３で測定した液体温度に換算して求められるために値が決定している。
管摩擦係数演算部１９においては、レイノルズ数演算部で数式１４により求めたレイノルズ数Ｒｅにより摩擦係数λを演算により求める。演算式はレイノルズ数Ｒｅの値により層流、層流から乱流域に遷移する遷移流、乱流毎に数式が異なる。
数式の選定はレイノルズ数の値により下記により選定する。
層流の場合（Ｒｅ＜Ｒｅ_Ｌ）は数式４
遷移流の場合（Ｒｅ_Ｈ＞Ｒｅ≧Ｒｅ_Ｌ）は数式８
乱流の場合（Ｒｅ≧Ｒｅ_Ｈ）は数式５
により演算する。
摩擦係数λの演算において数式が陰関数の場合は、請求項１の場合と同様に、
ニュートン・ラプソン法等を用いて数値的に解くか、Ｅｘｃｅｌ等の表計算ソフトであるゴールシーク、ソルバーなどを下流圧力予測制御装置２４に組込むことにより演算で求める。
管摩擦係数演算部１９に管相対粗さを管相対粗さ設定部１０により設定し、臨界レイノルズ数を臨界レイノルズ数設定部１１により設定する。
管摩擦係数演算部１９で求めた摩擦係数λは管摩擦係数・差圧関数演算部２０において、数式１３に代入して差圧ΔＰを求める。
上流設定圧力演算表示部２１において、前記差圧ΔＰに下流設定圧力設定部２３で設定している下流設定圧力を加算する。この加算した圧力は上流圧力設定値であり、上流設定圧力演算表示部２１で表示する。
同時に前記上流圧力設定値は前記上流圧力設定器１６に対して電気信号により信号伝送部８および伝送路９により伝送して前記上流圧力設定器１６で圧力設定を行う。
表２に、これらの数式を整理して示す。

【表2】

【0013】

広域に設置されたパイプラインでは、高低差のない直線管によるパイプラインが流量計測のために確保できない場合がある。
曲がり管路の代表例として、曲率半径Ｒでθ度の角度で曲がる図９に示すベンドと曲線を描かないでθ度の角度で曲がる図１０に示すエルボがある。
ベンドの損失ヘッドΔｈ_ｂおよびエルボの損失ヘッドΔｈ_ｅの公知の公式を、それぞれ数式１５および数式１７に示す。

【数15】

ただし、ζ_ｂはベンドの損失係数であり、数式１６による。

【数16】

となる。

【数17】

ただし、ζ_ｅはエルボの損失係数であり、数式１８による。

【数18】

となる。
図１１の同一水平面に設置された曲線管に対して、上流圧力計１および下流圧力計２間の高さが基準点高さに対して、それぞれＨ１およびＨ２で上流圧力計１と下流圧力計２間に曲がりがある管の流量計測を考える。
管は一様断面の管１５に定常流状態で液体が流れている場合、流速ｕは管路内で一定である。また、上流圧力計１と下流圧力計２間の総損失Ｈ_Ｌは摩擦損失と曲がり損失の合計であり数式１９なる。

【数19】

ただし、ζは曲がり損失係数であり、曲がりが複数個所の場合は損失係数ζはこれらの合計である。ｇは重力の加速度である。
速度水頭は上下流で同じであることを考慮して、上流圧力計１と下流圧力計２間にベルヌーイの定理を適用すれば数式２０が得られる。

【数20】

Ｐ１−Ｐ２＝ΔＰ、Ｈ１−Ｈ２＝ΔＨとし、数式２０をΔＰについてまとめれば数式２１となる。

【数21】

数式２１は上流圧力計１と下流圧力計２間に高低差ΔＨおよび曲り管がある場合の数式１に相当する式である。
数式２を用いて、数式２１からｕを消去してλについて整理すれば数式２２と
なる。

【数22】

数式２２は上流圧力計１と下流圧力計２間に高低差ΔＨおよび曲り管がある場合の数式３に相当する式である。
上流圧力計１と下流圧力計２間に高低差ΔＨおよび曲り管がある場合の流量計算式は、第一管摩擦係数・レイノルズ数関数として、同一平面の直管路の式として数式３の代わりに、数式２２を用いる。
すなわち、第一および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数を連立方程式として管摩擦係数・レイノルズ数を演算する。
第一管摩擦係数・レイノルズ数関数は数式２２である。
第二管摩擦係数・レイノルズ数関数は層流、遷移流、乱流に対して別々の数式による。
層流については数式４、
遷移流については数式８
乱流については数式５
である。
表３ に、層流、遷移流、乱流の場合について、連立方程式として、摩擦係数、レイノルズ数を求める第一管摩擦係数・レイノルズ数関数および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数の一覧を示す。
乱流の場合において、第一管摩擦係数・レイノルズ数関数および第二管摩擦係数・レイノルズ数関数の連立方程式を解くにあたり数式が陰関数となる場合、ニュートン・ラプソン法等を用いて数値的に解くか、Ｅｘｃｅｌ等の表計算ソフトであるゴールシーク、ソルバーなどを管流量計測装置に組込むことにより演算で求める。

【表3】

摩擦係数λを用いた流量計算式は数式２１より、流速uを求めることにより、数式２３
により計算する。

【数23】

なお、レイノルズ数Ｒｅを用いた流量計算式は高低差ΔＨおよび曲り管がある場合についても数式１１で計算される。

【0014】

請求項１および請求項２において管寸法パラレータ設定部６において、水力直径の設定が必要である。円形管の場合の水力直径は管内径ｄである。円形管以外の場合の水力直径は円径管の管内径ｄと等価なパラメータを選定する必要がある。
管の断面積をＡ、断面の周辺の長さ（ぬれ縁という）をＳとし、ｍ＝Ａ／Ｓ は断面積Ａとぬれ縁Ｓの比であり、水力平均深さと呼ばれている。
任意断面の水力直径ｄｅは、ｄｅ＝４ｍとなる。
例として、
円形の場合 ｍ＝Ａ／ｓ＝｛π（ｄ／２）^２｝／｛２π（ｄ／２）｝＝ｄ／４であるから ｄｅ＝４ｍ＝ｄ
正方形の場合 一辺をＢとして ｍ＝Ａ／ｓ＝Ｂ^２／４Ｂ＝Ｂ／４であるから ｄ＝４ｍ＝Ｂ
となる。

【発明の効果】

【0015】

本発明の請求項１に関する管流量計測装置は、多くの液体用パイプラインに見られる管断面が一様な管の上流および下流に圧力計を設置して、上下流圧力計の差圧、管および液体のデータから流量を計測するものである。管に設置する圧力計はオリフィスのような絞り機構がないため流体に対して摩擦損失がない。本発明により、ムーディ線図を用いることなく、乱流域においては、液体に共通で管内壁の粗さのみに依存したコールブルックの式による管摩擦係数・レイノルズ数関数とダルシー・ワイスバッハの式から誘導した管摩擦係数・レイノルズ数関数の両関数を連立方程式して解き、摩擦係数とレイノルズ数を求めて管流量を直接求めることが可能となった。
本発明は層流、遷移流、乱流を自動的に判別して管流量の計測が可能であり、ムーディ線図の読取り誤差による流量測定誤差が防止でき、測定の高精度化と簡単化が可能となり、農業用水、石油、液化天然ガス、上水道、各種工業用プラント等のパイプラインの流量計測に利用可能である。
計測する管は曲り管、高低差のある管流量の計測にも適用できる。
本発明の請求項２に関する管下流圧力予測制御装置は設定流量に対応して管摩擦係数を計算して管下流圧力予測制御を行うために上流圧力設定の精度が向上し、過大な圧力設定が必要なくなるためにエネルギー損失低減が可能となる。
また、管の内壁面の粗さの経年劣化に伴う管下流圧力値変化を計測し、経年劣化前の管下流圧力予測値と比較することにより管内壁面絶対粗さの値変化を把握することにより管劣化診断が可能となる。
また、管流量計測装置の校正は、上流圧力計の位置で校正流量を流して、下流圧力計との差圧から流量を計測して校正流量と比較することにより容易に行うことが可能である。
また、管流量計測装置として、汎用品である上流、下流に設置する圧力計と代表地点に設置する液体温度計、簡易テレメータと流量演算装置により構成されており多数地点のデータを管理所に集めて共通の流量演算装置で流量計測を行う場合に特に経済的な流量計測が可能である。

【実施例】

【0016】

請求項１の管流量計測の例を示す。
下記の値を設定値とする。
（１）液体 水
（２）液体密度 ０℃において ９９９．８Ｋｇ／ｍ３
（３）液体粘度 ０℃において ０．００１７８２Ｐａ・ｓ
（４）管の種類 配管用炭素鋼管 ２０Ａ 内径２１．６ｍｍ
管壁絶対粗さ ε＝０．０４５ｍｍ
（５）上流圧力計と下流圧力計間の距離 １，０００ｍ
（６）管の敷設 高低差のない直線敷設
（７）臨界レイノルズ数
下限臨界 ２，０００
上限臨界 ４，０００

測定値として、下記の値を得ている。
（１）上流圧力 ２００ＫＰａ 下流圧力 １００ＫＰａ
（２）液体温度 ２０ ℃

以上の条件で管流量を求めた結果 ０．０００１２７ｍ３／ｓである。
計測の結果を表４に示す。

【表4】

【0017】

請求項２の管下流圧力予測制御
下記の値を設定値とする。
（１）液体 水
（２）液体密度 ０℃において ９９９．８Ｋｇ／ｍ３
（３）液体粘度 ０℃において ０．００１７８２Ｐａ・ｓ
（４）管の種類 配管用炭素鋼管 ３００Ａ 内径３０４．７ｍｍ
管壁絶対粗さ ε＝０．０４５ｍｍ
（５）上流圧力計と下流圧力計間の距離 １０Ｋｍ
（６）管の敷設 高低差のない直線敷設
（７）管設定流量 ０．０１５０ｍ３／ｓ
（８）下流設定圧力 ５，０００ Ｐａ
（９）臨界レイノルズ数
下限臨界 ２，０００
上限臨界 ４，０００

測定値として、下記の値を得ている。
（１）液体温度 ２０ ℃

演算値として、下記の値を得ている。
（１）上流圧力設定点と下流圧力予測制御点間の差圧 １０，１２９ Ｐａ

以上の条件で上流圧力設定点の設定圧力を求めた値は１５，１２９Ｐａ
である。
下流圧力予測制御の結果を表５に示す。

【表5】

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】は「請求項１」の発明の基本構成図である。

【図2】は「請求項２」の発明の基本構成図である。

【図3】は レイノルズ数と摩擦係数の関係を示すムーディ線図である。

【図4】は 管内壁の絶対粗さεと相対粗さε／ｄの説明図である。

【図5】は 層流域と乱流域の間を遷移する遷移域のレイノルズ数と摩擦係数の関係が直線近似可能なことを示す実験データである。

【図6】は 実用管について直径ｄと相対粗さε／ｄの関係を示す線図である。

【図7】は レイノルズ数、摩擦係数関数の遷移域における直線近似方法の説明図である。

【図8】は 管流量計測において自動的に層流、遷移流、乱流を判定するためのフロー図である。

【図9】は曲率半径Ｒの円を描いて曲がるベンド管の説明図である。

【図10】は角度θで曲がるエルボ管の説明図である。

【図11】は勾配および曲りがある管にベルヌーイの定理を適用するための説明図である。

【図12】は管流量計測装置を用いて管流量の設定値制御を行う方法を示している。

【図13】は複数の管流量計測を一括して管理所の流量演算装置でおこなうための実施形態の構成図である。

【図14】は複数の管下流配水池に設定流量、設定圧力のもとで配水するカスケード型の管下流圧力予測制御による加圧ポンプ場における設定圧力管理のための実施形態の構成図である。

【図15】は管の粗さの測定、または管流量計測装置の流量計測値の校正の原理を示したグラフである。

【産業上の利用可能性】

【0019】

本発明の請求項１の管流量計測装置は液体用パイプラインの多くに存在する一様断面を有し、定常流状態にある管路の流量測定に適用できる。このような管路は農業用の用水路、水道用幹線、石油または液化天然ガスパイプライン、化学プラントの配管など多数存在する。
本発明の管流量計測装置は上流と下流に設置した１区間の流量計測の他、特徴として広域に散在する多数の流量計測区間の流量を効率良く、計測して管理所で集中管理できることである。
本発明の請求項２の管下流圧力予測制御装置は設定した流量に対して、管摩擦
係数を演算して管下流圧力を予測制御することにより末端圧の適正化により
エネルギー損失を減らすことが可能となる。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図１２は管流量計測装置の流量計測値を利用した管流量制御の例である。
管流量計測装置の流量演算装置より管流量をポンプ制御装置に対して出力する。
ポンプ制御装置では、管流量と設定流量Ｑｓを比較して管流量が設定流量Ｑｓになるようにポンプの加圧信号を自動的に増減する。

【0021】

図１３は広域に分散した農業用幹線管路の流量を把握して管理する農業用水管理システムの例を示している。
各流量計測区間の上流、下流圧力はテレメータによって管理所の流量演算装置に集められ、共通の流量演算装置により処理し流量計測を行うため経済的な流量計測が可能である。
図１３では伝送路として、無線回線を示しているが、伝送路および信号伝送部は経済性、信頼性等を考慮して、有線、無線の選択、事業者用、自営用の伝送路を選択する。

【0022】

図１４は１箇所の水源池で取水した農業用水を散在した配水地に規定の流量を配水する加圧ポンプによるパイプラインの下流圧力予測制御の例である。
例えば、加圧ポンプ場１は１号幹線管路により、Ｑ１の設定流量を送水先の吸水槽のＨ１水位を予測圧力として制御する。すなわち末端水位Ｈ１に１号幹線管路の損失を加算した圧力を設定圧力として制御する。
加圧ポンプ場２は２号幹線管路により、Ｑ２の設定流量を送水先の吐水槽のＨ２水位を予測圧力として制御する。すなわち末端水位Ｈ２に２号幹線管路の損失を加算した圧力を設定圧力として制御する。

【0023】

図１５は管の粗さの測定、または管流量計測装置の流量計測値の校正の原理を示したグラフである。
管には上流圧力計、下流圧力計、液体温度計を設置して、上流圧力計の位置において、校正値として校正流量と校正圧力を設定する。
例示のグラフでは、
下記の値を設定値とする。
(１）液体 水
液体密度 ０℃において ９９９．８Ｋｇ／ｍ３
（２）液体粘度 ０℃において ０．００１７８２Ｐａ・ｓ
（３）管の種類 配管用炭素鋼管 ２００Ａ 内径２０４．７ｍｍ
（４）上流圧力計と下流圧力計間の距離 １，０００ｍ
（５）管の敷設 高低差のない直線敷設
（６）上流圧力計の設定流量 ０．０５ｍ３／ｓ
(７）上流圧力計の設定圧力 １８０Ｋｐｓ

上記の設定に対するレイノルズ数の演算値は３，０９８，３１０である。
図１５においては、管の絶対粗さ０．４５×１０^−３〜１×１０^−３ｍに対する下流圧力の演算値を示している。
絶対粗さに対する下流圧力の演算値は１００〜１０ＫＰａである。
管新設時の絶対粗さは０．４５×１０^−３ｍで、下流圧力の計測値は演算値と同じ１００ＫＰａとする。例えば、経年変化等で下流圧力計測値が４０ＫＰａまで低下した場合は、図１５のグラフから絶対粗さは０．５×１０^−３ｍまで劣化していると判断する。

【要約】      （修正有）

【課題】管断面が一様な管を液体が定常流状態で流下する際の管の流量を計測する管流量計測装置および設定流量のもとで下流圧力を設定値に上流圧力を調整して予測制御する管下流圧力予測制御装置を提供する。
【解決手段】断面が一様な管を定常流状態で液体が流下する管の上流、下流に圧力計、代表地点に液体温度計を設置し、上下流の圧力差、液体温度を計測する。前記圧力差、液体密度、液体粘度および管寸法を係数とする公知のダルシー・ワイスバッハの式をベースとする第一管摩擦係数・レイノルズ数関数と、管内壁面の粗さに依存し、液体の種類に依存しない第二管摩擦係数・レイノルズ数関数を作成し、前記両関数を連立方程式として解くことにより管摩擦係数およびレイノルズ数を直接演算により求め、管流量を計測する。曲り管、高低差のある多くのパイプラインの流量を容易に、高精度で計測可能である。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】