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特開2022-114796特性評価試験装置、及び、特性評価試験方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022114796
(43)【公開日】2022-08-08
(54)【発明の名称】特性評価試験装置、及び、特性評価試験方法
(51)【国際特許分類】
   G01F 25/00 20220101AFI20220801BHJP
   G01F 3/22 20060101ALI20220801BHJP
【FI】
G01F25/00 C
G01F3/22 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021011229
(22)【出願日】2021-01-27
(71)【出願人】
【識別番号】000220262
【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】504258527
【氏名又は名称】国立大学法人 鹿児島大学
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】特許業務法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】大和久 崇
(72)【発明者】
【氏名】田中 恭太郎
(72)【発明者】
【氏名】中尾 光博
【テーマコード(参考)】
2F030
【Fターム(参考)】
2F030CA03
2F030CB09
2F030CC13
(57)【要約】
【課題】装置の小型化が可能で、且つ簡易に脈動の振幅を増幅させて、各種の流量計の特性評価試験を行うことが可能な特性評価試験装置および特性評価試験方法を提供する。
【解決手段】特性評価試験装置10Aは、試験対象のガスメータ12に一端側が接続された管体16と、ガスメータ12を介して管体16へ圧力波を出力するスピーカユニット14と、容器本体部及び開口部を有し、管体16を介してガスメータ12に開口部が接続され、ガスメータ12におけるガスGの脈動の振幅をヘルムホルツ共振により増幅させる中空容器と、を備えている。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
試験対象の流量計に一端側が接続された管体と、
前記流量計を介して前記管体へ圧力波を出力する圧力波出力部と、
容器本体部及び開口部を有し、前記管体を介して前記流量計に前記開口部が接続され、前記流量計における流体の脈動の振幅をヘルムホルツ共振により増幅させる中空容器と、
を備えた特性評価試験装置。
【請求項2】
各々容量の異なる複数の前記中空容器が前記管体を介して前記流量計と接続されている、請求項1に記載の特性評価試験装置。
【請求項3】
複数の前記中空容器の各々と前記管体との連通状態を切り換える開閉弁と、
前記圧力波出力部から出力される圧力波の周波数に応じて、前記流量計における流体の脈動の振幅が複数の前記中空容器の中で最大となる1の中空容器が前記管体と接続されるように前記開閉弁を制御する制御部と、
を備えた、
請求項2に記載の特性評価試験装置。
【請求項4】
前記管体へ定常流の流体を供給する流体供給部と、
前記管体の前記流量計と前記中空容器の間に形成され、前記管体から流体を流出させる枝管と、
を備えた、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の特性評価試験装置。
【請求項5】
圧力波出力部から、試験対象の流量計を介して管体へ圧力波を出力し、
前記管体を介して前記圧力波を前記流量計に開口部が接続された中空容器へ入力させ、前記流量計における流体の脈動の振幅をヘルムホルツ共振により増幅させる、
特性評価試験方法。
【請求項6】
各々容量の異なる複数の前記中空容器が前記管体を介して前記流量計と接続され、
前記圧力波出力部から出力される圧力波の周波数に応じて、前記流量計における流体の脈動の振幅が複数の前記中空容器の中で最大となる1の中空容器を前記管体と接続する、
請求項5に記載の特性評価試験方法。
【請求項7】
前記管体へ定常流の流体を供給しつつ前記流量計における流体の脈動の振幅をヘルムホルツ共振により増幅させる、
請求項5または請求項6に記載の特性評価試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、都市ガスやプロパンガスの消費量を計るガスメーターや、プラントなどで使用される各種の流体用計量器についての特性評価試験装置および特性評価試験方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ガスの使用に際して、ガス配管内を流れるガスの流量を管理または制御するために、ガスメーターや各種流量計などの気体用計量器が使用されている。当該気体用計量器については、定常流のみならず、脈動環境下においても正確な計測、保安機能が保たれる必要がある。そこで、脈動流を発生させた状態で気体用計量器の特性評価試験を行う必要があるが、実験室内での実施のためにコンパクトな構成が望まれる。脈動流の発生方法としては、共鳴管方式がある(非特許文献1参照)。
【0003】
共鳴管以外の脈動流の発生方法として、サーボ弁が接続された等温化圧力容器内の圧力制御を用いるものがある(非特許文献2参照)。拡張手法である特許文献3の特性評価試験では、一端が閉塞された管路の他端に圧力制御装置を接続し、当該管路に流量計を取り付け、圧力制御装置で圧力を調整することにより、脈動を発生させている。さらに特許文献4では、特許文献3の特性評価試験よりも高い周波数に対する試験を可能とするために、 流量器に一端が接続され、他端が開放または閉塞された管路と、流入流量を規制するサーボ弁と、サーボ弁と流量器の間に設けられた整流抵抗とを備えており、サーボ弁を流量の逆関数モデルに基づいて制御することで任意の圧力脈動を発生させている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】畠沢政保,“熱音響音波発生機の振動流れ-共鳴管出口付近の流れ-,低温工学,Vol.43,No.12,pp.527-535(2008)
【非特許文献2】舩木達也,川嶋健嗣,香川利春,“気体用連続非定常流量発生装置の開発,計測自動制御学会論文集,Vol.42,No.5,pp.461-466(2006)
【特許文献3】特開2013-142676号公報
【特許文献4】特開2015-81847号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
非特許文献1の脈動流発生方法では、共鳴管方式で脈動を生成しているため、長い管路が必要になると共に、生成する脈動の周波数によって管路の長さを変える必要がある。したがって、装置が大がかりになり、操作も煩雑になるという問題がある。
【0006】
一方、非特許文献2、特許文献3、特許文献4の特性評価試験の装置は、小型化が可能であるが、流量計への流入流量にバラツキが生じやすく、制御が難しいという問題があった。
【0007】
本発明は、上記事実を考慮し、装置の小型化が可能で、且つ簡易に脈動の振幅を増幅させて、各種の流量計の特性評価試験を行うことが可能な特性評価試験装置および特性評価試験方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
請求項1に係る特性評価試験装置は、試験対象の流量計に一端側が接続された管体と、前記流量計を介して前記管体へ圧力波を出力する圧力波出力部と、容器本体部及び開口部を有し、前記管体を介して前記流量計に前記開口部が接続され、前記流量計における流体の脈動の振幅をヘルムホルツ共振により増幅させる中空容器と、を備えている。
【0009】
請求項1に係る特性評価試験装置は、圧力波出力部、試験対象の流量計に一端側が接続された管体、及び、管体を介して流量計に開口部が接続された中空容器を備えている。圧力波出力部から出力された圧力波は、流量計を介して管体、中空容器へと伝搬される。そして、中空容器によるヘルムホルツ共振により、流量計における流体の脈動の振幅が増幅される。
【0010】
このように、中空容器によるヘルムホルツ共振により、流量計における流体の脈動の振幅を増幅させることにより、共鳴管を用いた場合と比較して、特性評価試験装置の、小型化を図ることができる。また、ヘルムホルツ共振により流体が一体となって振動するため、流量計への流入流量にバラツキが生じにくく、簡易に脈動の振幅を増幅させることができる。
【0011】
請求項2に係る特性評価試験装置は、各々容量の異なる複数の前記中空容器が前記管体を介して前記流量計と接続されている。
【0012】
請求項2に係る特性評価試験装置では、容量の異なる複数の前記中空容器を備えることにより、圧力波出力部から出力される圧力波の周波数に応じた中空容器を選択し、より適切に脈動の振幅を増幅させることができる。
【0013】
請求項3に係る特性評価試験装置は、複数の前記中空容器の各々と前記管体との連通状態を切り換える開閉弁と、前記圧力波出力部から出力される圧力波の周波数に応じて、前記流量計における流体の脈動の振幅が複数の前記中空容器の中で最大となる1の中空容器が前記管体と接続されるように前記開閉弁を制御する制御部と、を備えている。
【0014】
請求項3に係る特性評価試験装置によれば、制御部により自動的に脈動振幅の増大に適切な中空容器と管体とを接続することができる。
【0015】
請求項4に係る特性評価試験装置は、前記管体へ定常流の流体を供給する流体供給部と、前記管体の前記流量計と前記中空容器の間に形成され、前記管体から流体を流出させる枝管と、を備えている。
【0016】
請求項4に係る特性評価試験装置では、流体供給部から定常流を供給しつつ枝管から流出させることにより、定常流を流量計へ流しつつ、脈動の振幅を増幅させることができる。
【0017】
請求項5に係る特性評価試験方法は、圧力波出力部から、試験対象の流量計を介して管体へ圧力波を出力し、前記管体を介して前記圧力波を前記流量計に開口部が接続された中空容器へ入力させ、前記流量計における流体の脈動の振幅をヘルムホルツ共振により増幅させる。
【0018】
請求項5に係る特性評価試験方法によれば、中空容器を用いたヘルムホルツ共振により、小型化された装置により、簡易に、流量計における流体の脈動の振幅を増幅させることができる。
【0019】
請求項6に係る特性評価試験方法は、各々容量の異なる複数の前記中空容器が前記管体を介して前記流量計と接続され、前記圧力波出力部から出力される圧力波の周波数に応じて、前記流量計における流体の脈動の振幅が複数の前記中空容器の中で最大となる1の中空容器を前記管体と接続する。
【0020】
請求項6に係る特性評価試験方法によれば、容量の異なる複数の中空容器の中から、圧力波出力部から出力される圧力波の周波数に適した容量の中空容器を用いることにより、適切に脈動の振幅を増幅させることができる。
【0021】
請求項7に係る特性評価試験方法は、前記管体へ定常流の流体を供給しつつ前記流量計における流体の脈動の振幅をヘルムホルツ共振により増幅させる。
【0022】
請求項7に係る特性評価試験方法によれば、定常流を流量計へ流しつつ、脈動の振幅を増幅させることができる。
【発明の効果】
【0023】
本発明に係る特性評価試験装置、及び特性評価試験方法によれば、小型化された装置により、簡易に、流量計における流体の脈動の振幅を増幅させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
図1】第1実施形態の特性評価試験装置の概略図である。
図2】第1実施形態の特性評価試験装置の制御部のブロック図である。
図3】ヘルムホルツ共振の原理を説明する図である。
図4】第1実施形態の容器選択テーブルである。
図5】容器切換え処理のフローチャートである。
図6】第2実施形態の特性評価試験装置の概略図である。
図7】第2実施形態の特性評価試験装置の制御部のブロック図である。
図8】第1実施形態の変形例に係る特性評価試験装置の概略図である。
図9】第2実施形態の変形例に係る特性評価試験装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
[第1実施形態]
以下、図面を参照して本発明の第1実施形態について詳細に説明する。
【0026】
本実施形態では、特性評価試験装置10Aにおいて、流量計の一例としてのガスメータ12の特性評価試験を行う。図1に示されるように、特性評価試験装置10Aは、圧力波出力部としてのスピーカユニット14、制御部18、管体15、16、及び中空容器としての大容器20、中容器22、小容器24を備えている。
【0027】
ガスメータ12は、プラントや一般家庭で使用されるガスの流量を計測する際に使用されるものであり、例えば超音波式ガスメータ等である。ガスメータ12のガス流入側(上流側)には、管体15の一端が接続され、ガスメータ12のガス流出側(下流側)には、管体16の一端が接続されている。
【0028】
管体15の他端には、スピーカユニット14が接続されている。スピーカユニット14は、正弦波電気信号を加えることで、スピーカーコーンが振動して管体15中のガスに正弦波状の圧力脈動を生じさせる機器である。スピーカユニット14では、例えば、5.0Hz~60Hzの範囲で、任意に脈動周波数を発生させることができる。
【0029】
管体16の他端は、分岐部Bで、第1分岐路16A、第2分岐路16B、第3分岐路16Cに3分岐されている。第1分岐路16Aには第1バルブ30が設けられている、第1分岐路16Aは、第1バルブ30を介して大容器20に接続されている。第2分岐路16Bには第2バルブ32が設けられている。第2分岐路16Bは、第2バルブ32を介して中容器22に接続されている。第3分岐路16Cには第3バルブ34が設けられている。第3分岐路16Cは、第3バルブ34を介して小容器24に接続されている。
【0030】
大容器20は、両端の開口が閉鎖された円筒状とされ、大容器本体20Aと開口部20Bを有している。大容器本体20Aは内部が中空とされ、内部にガスが充填され、開口部20Bに開口が形成されている。開口部20Bの開口断面は、管体は16の内径と略同一の円形とされている。大容器本体20Aの開口部20Bと対向する奥行方向の長さL1A、及び、奥行方向と直交する方向の長さL1Bは、開口部20Bの開口断面の直径よりも長く設定されている。大容器20の容量をV1とする。開口部20Bは、第1分岐路16Aと接続されている。
【0031】
中容器22は、両端の開口が閉鎖された円筒状とされ、中容器本体22Aと開口部22Bを有している。中容器本体22Aは内部が中空とされ、内部にガスが充填され、開口部22Bに開口が形成されている。開口部22Bの開口断面は、管体16の内径と略同一の円形とされている。中容器本体22Aの開口部22Bと対向する奥行方向の長さL2A、及び、奥行方向と直交する方向の長さL2Bは、開口部22Bの開口断面の直径よりも長く設定されている。中容器22の容量をV2とする。開口部22Bは、第2分岐路16Bと接続されている。
【0032】
小容器24は、両端の開口が閉鎖された円筒状とされ、小容器本体24Aと開口部24Bを有している。小容器本体24Aは内部が中空とされ、内部にガスが充填され、開口部24Bに開口が形成されている。開口部24Bの開口断面は、管体16の内径と略同一の円形とされている。小容器本体24Aの開口部24Bと対向する奥行方向の長さL3A、及び、奥行方向と直交する方向の長さL3Bは、開口部24Bの開口断面の直径よりも長く設定されている。小容器24の容量をV3とする。開口部24Bは、第3分岐路16Cと接続されている。
【0033】
なお、本実施形態では、大容器20、中容器22、小容器24の形状を両端の開口が閉鎖された円筒状としたが、この形状に限定されるものではなく、直方体状、球状、その他の形状であってもよい。
【0034】
一例として、大容器20の容量V1を20リットル~40リットル程度、中容器22の容量V2を2リットル~5リットル程度、小容器24の容量V3を0.5リットル~2.0程度、に設定することができる。なお、大容器20の容量V1は25リットル~35リットルの範囲、中容器22の容量V2を2.5リットル~3.0リットルの範囲、小容器24の容量V3を1.0リットル~1.5リットルの範囲に設定することが好ましい。各容器の容量V1、V2、V3は、V1>V2>V3、の関係となっている。
【0035】
スピーカユニット14内の流路、管体15、ガスメータ12内の流路、管体16、大容器20、中容器22、小容器24により形成された閉止空間内には、ガスGが充填されている。ガスGは、空気であってもよいし、都市ガス等の実際にガスメータ12を介して供給されるガスであってもよい。
【0036】
図2に示されるように、制御部18は、CPU42、RAM44、ROM40、ストレージ46、I/O48、及びこれらを接続するデータバスやコントロールバス等のバス50を備える。ストレージ46には、後述する容器切換え処理のプログラム、容器選択テーブルT、などのデータが格納されている。
【0037】
I/O56には、スピーカユニット14、第1バルブ30、第2バルブ32、第3バルブ34が接続されている。第1バルブ30、第2バルブ32、第3バルブ34は、電磁弁を用いることができ、制御部18からの信号により、開閉が制御される。
【0038】
ここで、本実施形態における、ヘルムホルツ共振の利用について説明する。ヘルムホルツ共振は、容器内の気体がバネの役割を果たして共振する現象であり、共振周波数fは、c:音速、L:管体長さ、S:管体の断面積、V:容器体積、として、式(1)で表すことができる。管体長さLは、管体15の長さ、ガスメータ12内の流路長さ、管体16の長さの合計である。
【0039】
【数1】
(1)
【0040】
容器内圧が上昇すると、図3(A)に示されるように、容器から管体16内の気体へ圧力が加わり、容器内圧が下降すると、図3(B)に示されるように管体16内の気体から容器内へ圧力が加わる。式(1)で示されるように、共振周波数fが低いほど、大容量の容器が必要となる。
【0041】
容器選択テーブルTは、脈動周波数と大容器20、中容器22、小容器24の対応関係を規定したものであり、図4に示されるように、脈動周波数が10.5Hz未満の場合には大容器20が対応づけられ、脈動周波数が10.5Hz以上、16.0Hz未満の場合には中容器22が対応づけられ、脈動周波数が16.0Hz以上、50.0Hz未満の場合には、小容器24が対応づけられている。なお、脈動周波数が50.0Hz以上の場合には、容器なし、すなわち、容器を使用しない対応とされている。
【0042】
次に、本実施形態の特性評価試験装置10Aの動作について説明する。
【0043】
脈動周波数の指定された脈動の発生指示を、不図示の入力部から制御部18へ入力すると、制御部18では、図5に示される、容器切換え処理が実行される。
【0044】
ステップS12で、容器選択テーブルTを読出し、ステップS14で、容器選択テーブルTから、入力された脈動周波数に対応する容器を選択する。ステップS16で、選択した容器に対応するバルブを開放し、ステップS18で、スピーカユニット14へ、入力された脈動周波数に対応する正弦波電気信号を送信する。これにより、スピーカユニット14から管体15中のガスに正弦波状の圧力脈動が出力される。圧力脈動は、管体15、ガスメータ12、管体16を経て、容器(大容器20、中容器22、小容器24のいずれか)へ伝搬される。そして、容器によるヘルムホルツ共振により、管体15、16内のガスの脈動振幅は増幅される。
【0045】
これにより、特性評価試験装置10Aでは、ガスメータ12に対して、任意の周波数の脈動が入力されている状態での影響を含めて、特性評価試験を行うことができる。
【0046】
本実施形態の特性評価試験装置10Aによれば、中空容器によるヘルムホルツ共振により、ガスメータ12内の脈動の振幅を増幅させるので、共鳴管を用いた場合と比較して、装置の小型化を図ることができる。また、ヘルムホルツ共振により流体が一体となって振動するため、ガスメータ12へのガス流入流量にバラツキが生じにくく、複雑な圧力調整を行うことなく、簡易に脈動の振幅を増幅させることができる。
【0047】
なお、本実施形態では、3個の容器(大容器20、中容器22、小容器24)を管体16に接続したが、必ずしも3個の必要はなく、1個でも2個でも、4個以上でもよい。容量の異なる複数の中空容器を接続することにより、スピーカユニット14から出力される圧力波の周波数に応じた中空容器を選択し、より適切に脈動の振幅を増幅させることができる。
【0048】
また、本実施形態の特性評価試験装置10Aでは、容器切換え処理により、選択された容器と管体16とを自動的に接続することができる。
【0049】
なお、本実施形態の特性評価試験装置10Aに、ガスメータ12と直列に基準流量計40を接続してもよい。図8には、基準流量計40がガスメータ12の上流側に接続された例が示されている。基準流量計40は、ガスメータ12の下流側で分岐部Bの上流側に接続してもよい。基準流量計40としては、通常の流量計や、数値計算や数値モデルによる流量推定器を用いることができる。基準流量計40を接続することにより、ガスメータ12の設置部分以外の部分におけるガスの流量を確認することができる。基準流量計40での計測値とガスメータ12での計測値が実質上一致することにより、ガスメータ12に流入するガス流量が一定であることを確認することができる。
【0050】
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態と同様の部分については同一の符号を付して図示し、その詳細な説明は省略する。
【0051】
本実施形態の特性評価試験装置10Bは、図6に示される様に、第1実施形態の特性評価試験装置10Aの各部の構成に加えて、気体供給源25、タンク26、サーボバルブ28、及び、枝管17を備えている。
【0052】
上流側から順に、気体供給源25、タンク26、サーボバルブ28、スピーカユニット14は、管体15を介して、直列的に接続されている。気体供給源25は、タンク26へガスGを供給する。タンク26には、ガスGが一時貯留される。気体供給源25は、コンプレッサ等により構成することができる。
【0053】
管体16には、ガスメータ12の下流側、分岐部Bよりも上流側に、枝管17が設けられている。枝管17は、管体16と連結され、管体16からガスGを流出させる。
【0054】
サーボバルブ28は、図7に示されるように、制御部18内のI/O48と接続されている。サーボバルブ28により、タンク26から管体15へ所定の定常量のガスGが流れるように制御される。これにより、管体16から枝管17へ定常量のガスGが流出する。
【0055】
次に、本実施形態の特性評価試験装置10Bの動作について説明する。
【0056】
脈動周波数の指定された脈動の発生指示を、不図示の入力部から制御部18へ入力すると、制御部18では、第1実施形態と同様に、容器切換え処理(図5)が実行される。これにより、特性評価試験装置10Bでは、ガスメータ12を定常量のガスGが流れた状態で、且つ、任意の周波数の脈動が入力されている状態での影響を含めて、特性評価試験を行うことができる。
【0057】
本実施形態の特性評価試験装置10Bによれば、ガスメータ12を定常量のガスGが流れる状態において、第1実施形態の特性評価試験装置10Aと同様の効果を得ることができる。
【0058】
なお、本実施形態の特性評価試験装置10Bにも、ガスメータ12と直列に基準流量計40を接続してもよい。図9には、基準流量計40がガスメータ12の下流側に接続された例が示されている。基準流量計40は、ガスメータ12の下流側で枝管17との分岐の上流側に接続されている。基準流量計40は、ガスメータ12の上流側でスピーカユニット14の下流側に接続してもよい。基準流量計40を接続することにより、ガスメータ12の設置部分以外の部分におけるガスの流量を確認することができる。基準流量計40での計測値とガスメータ12での計測値が実質上一致することにより、ガスメータ12に流入するガス流量が一定であることを確認することができる。
【符号の説明】
【0059】
10A、10B 特性評価試験装置
12 ガスメータ(流量計)
14 スピーカユニット(圧力波出力部)
16 管体
17 枝管
18 制御部
20 大容器(中空容器)
20A 大容器本体(容器本体部)
20B 開口部
22 中容器(中空容器)
22A 中容器本体(容器本体部)
22B 開口部
24 小容器(中空容器)
24A 小容器本体(容器本体部)
24B 開口部
25 気体供給源(流体供給部)
26 タンク(流体供給部)
28 サーボバルブ(流体供給部)
30 第1バルブ(開閉弁)
32 第2バルブ(開閉弁)
34 第3バルブ(開閉弁)
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9