JP6586351B2

JP6586351B2 - 発熱量導出装置

Info

Publication number: JP6586351B2
Application number: JP2015221405A
Authority: JP
Inventors: 恭太郎田中; 小牧　充典; 充典小牧; 鈴木　守; 守鈴木; 勲瀧本
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2035-11-11
Also published as: JP2017090279A

Description

本発明は、ガスの発熱量を導出する発熱量導出装置に関する。

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、課金を行うようにしている。日本では通常、ガス事業者は需要箇所に供給されるガスの発熱量が一定になるよう制御しているため、ガスの通過体積と送出ガス発熱量に基づいて、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、ガスメーターによって需要者の仕様ガス体積を計量することで、課金も適切に行うことができる。

しかしながら、仮に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には、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

ところで、上述した特許文献１のガスメーターでは、供給されるガスが炭化水素系のガスのみであることを前提としているため、炭化水素系のガスに、窒素等が混入した場合には、温度や音速が変動して、ガスの発熱量を精度よく導出することができないといった問題があった。

本発明は、このような課題に鑑み、窒素等の炭化水素系以外のガス成分が含まれるガスにおいても、精度よくガスの発熱量を導出することが可能な発熱量導出装置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、異なる複数の周波数について、混合ガスが流れるガス流路内における超音波の減衰率を導出する超音波減衰率導出部と、前記混合ガスを構成する各成分の構成比率、および、複数の周波数がそれぞれ異なる場合における超音波の減衰率が示される超音波減衰率テーブルが記憶された記憶部と、前記超音波減衰率導出部により導出された超音波の減衰率に基づいて、前記超音波減衰率テーブルを参照して、前記混合ガスを構成する各成分の構成比率を導出する構成比率導出部と、前記構成比率導出部により導出された前記混合ガスを構成する各成分の構成比率、および、該混合ガスを構成する各成分の発熱量に基づいて、前記ガス流路を流れる該混合ガスの発熱量を導出する発熱量導出部と、を備え、前記構成比率導出部は、前記超音波減衰率テーブルにおいて、前記複数の周波数での各成分の構成比率が一致する組み合わせを得ることにより、前記混合ガスの各成分の構成比率を導出する。

また、前記混合ガスの温度を計測する温度センサをさらに備え、前記超音波減衰率テーブルは、異なる複数の温度ごとに設けられ、前記構成比率導出部は、前記温度センサにより計測された温度に対応する前記超音波減衰率テーブルを参照して、前記混合ガスを構成する各成分の構成比率を導出するとよい。

また、前記混合ガスは、炭化水素系のガスに窒素が含まれていてもよい。

本発明によれば、精度よくガスの発熱量を導出することが可能な発熱量導出装置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。超音波センサの構成を示した説明図である。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。変形例の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。超音波減衰率テーブルを説明する図である。

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−ＢｕｓＡｉｒ）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、超音波センサ部１５０と、圧力センサ１５２と、遮断弁１５４と、通信回路１５６と、表示部１５８と、ガスメーター記憶部１６０と、ガスメーター制御部１６２とを含んで構成される。超音波センサ部１５０は、超音波センサ１７０と温度センサ１７２とを含んで構成される。

図３は、超音波センサ１７０の構成を示した説明図である。超音波センサ１７０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１７０ａ、１７０ｂを含んで構成され、一方の超音波送受信器１７０ａ、１７０ｂから他方の超音波送受信器１７０ｂ、１７０ａへガス内を超音波が伝播する伝播時間、および、超音波の振幅を所定時間ごとに双方向に計測できるようになされている。また、超音波送受信器１７０ａ、１７０ｂは、それぞれ異なる複数の周波数の超音波を送受信可能になされている。

図２に戻り、温度センサ１７２は、ガス流路１４０を流れるガスの温度を所定時間ごとに計測する。圧力センサ１５２は、ガス流路１４０を流れるガスの圧力を所定時間ごとに計測する。遮断弁１５４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１５６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。表示部１５８は、ガスメーター１１０を通過したガスの体積や通過発熱量、つまり、ガスメーター１１０が設けられた需要箇所１２０で消費されたガスの総発熱量等を表示する。ガスメーター記憶部１６０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１６２は、ＣＰＵやＤＳＰで構成され、ガスメーター記憶部１６０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１６２は、流速・音速導出部１８０、超音波減衰率導出部１８２、モル分率導出部（構成比率導出部）１８４、発熱量導出部１８６、流量導出部１８８、通過発熱量導出部１９０、遮断部１９２、メーター通信部１９４として機能する。

ここで、ガス流路１４０を流れるガスの成分（種類）が炭化水素系のガスのみであり、かつ、ガスを構成する各成分のモル分率（構成比率）が予め既知であれば、ガス流路１４０を流れるガスの発熱量は正確に導出することが可能である。しかしながら、特許文献１に記載されている手法では、熱量を有していない窒素分のモル分率が時間により変動した場合、ガスの発熱量を精度よく導出することができなくなってしまう。

そこで、本実施形態では、ガス流路１４０内を伝搬した超音波の減衰率の違いに基づいて、ガス流路１４０内を流れるガス（混合ガス）の各成分のモル分率を導出し、導出したモル分率に基づいて、ガス流路１４０内を流れるガスの発熱量を導出する。以下では、具体的な方法について説明する。

流速・音速導出部１８０は、図３に示した、超音波送受信器１７０ａから超音波送受信器１７０ｂへ伝播する超音波の伝播時間ｔ１、および、超音波送受信器１７０ｂから超音波送受信器１７０ａへ伝播する超音波の伝播時間ｔ２を取得する。そして、流速・音速導出部１８０は、（１）式を用いて、ガス流路１４０内のガスの流速νおよび音速Ｖを導出する。

なお、Ｌは一対の超音波送受信器１７０ａ、１７０ｂ間の距離を示す。

超音波減衰率導出部１８２は、超音波送受信器１７０ａ、１７０ｂから送信可能な周波数のうち、１の周波数を決定し、一方の超音波送受信器１７０ａ、１７０ｂから、決定した１の周波数であって、所定の振幅の超音波を送信させる。そして、超音波減衰率導出部１８２は、他方の超音波送受信器１７０ｂ、１７０ａで受信した超音波の振幅を取得し、送信した超音波の振幅と、受信した超音波の振幅とに基づいて、決定した１の周波数における超音波の減衰率を導出する。

また、超音波減衰率導出部１８２は、一方の超音波送受信器１７０ａ、１７０ｂから送信可能な周波数のうち、他の周波数についても同様にして超音波の減衰率を導出する。なお、超音波減衰率導出部１８２は、詳しくは後述するように、少なくともガス流路１４０を流れる混合ガスを構成する気体の成分数から２を減算した数の周波数について、超音波の減衰率を導出する。

モル分率導出部１８４は、流速・音速導出部１８０により導出されたガスの音速Ｖ、超音波減衰率導出部１８２により導出された複数の周波数における超音波の減衰率に基づいて、ガス流路１４０を流れる混合ガスの各成分のモル分率を導出する。以下では、具体的な方法について説明する。

複数の成分の気体が混合した混合ガスのモル分率の合計値は１となるので、（２）式が導き出せる。

なお、Ｃ_Ｍｉは、混合ガス中のｉ番目の成分のモル分率である。

そして、流速・音速導出部１８０により導出されたガスの音速Ｖと、混合ガスの平均分子量Ｍ_ｍｉｘとは、（３）式のように表すことができる。

なお、γは比熱比であり、Ｒは気体定数であり、Ｔは混合ガスの温度である。

一方、平均分子量Ｍ_ｍｉｘは、混合ガスの各成分の気体分子量に、その成分のモル分率を乗算した値の合計であり、（４）式のように表すことができる。

なお、Ｍ_ｉはｉ番目の成分の分子量である。

そして、（３）式および（４）式を連立させることにより（５）式が導き出せる。

また、超音波の周波数がｆのときに、混合ガス中の超音波の減衰率Ａ_ｍｉｘ（ｆ）は、（６）式で表すことができる。

なお、Ａ_ｉ（ｆ）は、周波数がｆのときのｉ番目の成分中における超音波の減衰率であり、予め実験により求めておくことができる。

したがって、混合ガスの成分数ｎが既知であれば、（２）式、（５）式および、成分数ｎ−２の周波数における（６）式を連立させることにより、混合ガスを構成する各成分のモル分率Ｃ_Ｍｉを導出することが可能となる。

例えば、ガス工場で生成されるガスの成分がメタン、エタン、プロパンおよび窒素の４種類であれば、ガス流路１４０を流れる混合ガスの成分数ｎは４となる。このような場合には、超音波減衰率導出部１８２は、混合ガスの成分数４から２を減算した数である２つの異なる周波数における超音波の減衰率を導出する。

そして、モル分率導出部１８４は、流速・音速導出部１８０により導出されたガスの音速Ｖ、超音波減衰率導出部１８２により導出された異なる２つの周波数における超音波減衰率、および、温度センサ１７２により計測された温度Ｔを用いて、（２）式、（５）式、および、異なる２つの周波数における（６）式、つまり合計４式を連立させることにより、混合ガスを構成するメタン、エタン、プロパンおよび窒素のモル分率Ｃ_Ｍｉを導出する。

発熱量導出部１８６は、モル分率導出部１８４により導出された、混合ガスの各成分のモル分率Ｃ_Ｍｉを用いて、（７）式によりガス流路１４０を流れるガス（混合ガス）の発熱量Ｈ_ｍｉｘを導出する。

なお、Ｚ_ｍｉｘは混合ガスの圧縮係数であり、例えばＪＩＳ(Japanese Industrial Standards)に規定された方法で求めることができる。

流量導出部１８８は、流速・音速導出部１８０により導出されたガスの流速ν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。また、通過発熱量導出部１９０は、流量導出部１８８により導出されたガスの流量に、発熱量導出部１８６で導出された混合ガスの発熱量を乗算することにより、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１２０で消費されたガスの総発熱量を導出する。

遮断部１９２は、遮断弁１５４を制御してガスの需給を制御する。メーター通信部１９４は、通信回路１５６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１９０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１９２や遮断弁１５４を備えない構成でも本実施形態は成り立つ。

（センター装置１１４）
図４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４に示すように、センター装置１１４は、通信回路２００と、使用量記憶部２０２と、機器記憶部２０４と、センター制御部２０６とを含んで構成される。通信回路２００は、基地局１１６を介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２０２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２０２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２０４は、使用量記憶部２０２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２０６は、ＣＰＵやＤＳＰで構成され、使用量記憶部２０２や機器記憶部２０４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２０６は、異常診断部２１０、センター通信部２１２として機能する。異常診断部２１０は、使用量記憶部２０２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２１０は、機器記憶部２０４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２１２は、通信回路２００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は、複数の周波数における超音波の減衰率を導出し、導出した減衰率、および、音速に基づいて、ガス流路１４０を流れる混合ガスを構成する各成分のモル分率を導出する。そして、導出した混合ガスを構成する各成分のモル分率に基づいて、混合ガスの発熱量を導出するようにした。これにより、ガスメーター１１０、需要箇所１２０に供給されるガスの成分の分率（モル分率）が変化してしまうような場合であっても、ガスの発熱量を精度よく導出することができる。

（変形例）
図５は、変形例のガスメーター３００の概略的な構成を示した機能ブロック図である。図５に示すように、ガスメーター３００は、モル分率導出部１８４に代えてモル分率導出部３０２が設けられている点で異なる。

図６は、超音波減衰率テーブルを説明する図である。ガスメーター３００では、混合ガスを構成する各成分のモル分率、および、周波数を変更した場合の超音波の減衰率が、図６に示すような超音波減衰率テーブルとして、ガスの温度毎に、ガスメーター記憶部１６０に記憶されている。これらの超音波減衰率テーブルの各値（図中、「・・・」で示す）は、予め混合ガスを構成する各成分のモル分率、および、周波数を変更した場合における超音波の減衰率を示し、予め実験により測定されている。なお、図６においては、モル分率を％で表している。

例えば、混合ガスを構成する成分が、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）および窒素（Ｎ_２）とし、周波数が５００ｋＨｚおよび２００ｋＨｚについて、ガスの温度毎に、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）および窒素（Ｎ_２）のモル分率を変えた場合における超音波の減衰率が予め実験により測定され、図６に示すような超音波減衰率テーブルとしてガスメーター記憶部１６０に記憶されている。なお、図６では、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）および窒素（Ｎ_２）のモル分率が記載されているが、これらのモル分率の合計値を１（１００％）から減算した値がプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）のモル分率となる。なお、周波数は一例であり、減衰率に差があらわれる周波数であれば、他の周波数でもよい。

モル分率導出部３０２は、温度センサ１７２により計測された温度に対応する超音波減衰率テーブルをガスメーター記憶部１６０から読み出し、超音波減衰率導出部１８２により導出された複数の周波数（混合ガスの成分数ｎ−２）における超音波の減衰率を用いて、複数の周波数が異なる超音波減衰率テーブルにおいて、モル分率が一致するような組み合わせを得ることにより、混合ガスの各成分のモル分率を導出する。

このように、ガスメーター３００では、混合ガスを構成する各成分のモル分率、および、周波数を変更した場合の超音波の減衰率を超音波減衰率テーブルとして予め記憶しておけば、超音波減衰率導出部１８２により導出された複数の周波数における超音波の減衰率を導出することで、容易に混合ガスを構成する各成分の気体のモル分率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１６２に、流速・音速導出部１８０、超音波減衰率導出部１８２、モル分率導出部１８４、発熱量導出部１８６および通過発熱量導出部１９０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２０６に、流速・音速導出部１８０、超音波減衰率導出部１８２、モル分率導出部１８４、発熱量導出部１８６および通過発熱量導出部１９０が設けられ、センター装置１１４が、ガスメーター１１０のモル分率や通過発熱量等を導出するようにしてもよい。

また、上記の実施形態では、流速・音速導出部１８０で流速ν、音速Ｖを導出するために、超音波式の流量計である超音波センサ部１５０を設けるようにしたが、流速ν、音速Ｖを導出することができれば、どのような流速センサや音速センサが設けられていてもよい。

本発明は、単位発熱量を導出する発熱量導出装置に利用することができる。

１１０ガスメーター（発熱量導出装置）
１４０ガス流路
１５０超音波センサ部
１７２温度センサ
１８０流速・音速導出部（音速導出部）
１８２超音波減衰率導出部
１８４モル分率導出部（構成比率導出部）
１８６発熱量導出部

Claims

異なる複数の周波数について、混合ガスが流れるガス流路内における超音波の減衰率を導出する超音波減衰率導出部と、
前記混合ガスを構成する各成分の構成比率、および、複数の周波数がそれぞれ異なる場合における超音波の減衰率が示される超音波減衰率テーブルが記憶された記憶部と、
前記超音波減衰率導出部により導出された超音波の減衰率に基づいて、前記超音波減衰率テーブルを参照して、前記混合ガスを構成する各成分の構成比率を導出する構成比率導出部と、
前記構成比率導出部により導出された前記混合ガスを構成する各成分の構成比率、および、該混合ガスを構成する各成分の発熱量に基づいて、前記ガス流路を流れる該混合ガスの発熱量を導出する発熱量導出部と、
を備え、
前記構成比率導出部は、
前記超音波減衰率テーブルにおいて、前記複数の周波数での各成分の構成比率が一致する組み合わせを得ることにより、前記混合ガスの各成分の構成比率を導出することを特徴とする発熱量導出装置。
前記混合ガスの温度を計測する温度センサをさらに備え、
前記超音波減衰率テーブルは、異なる複数の温度ごとに設けられ、
前記構成比率導出部は、
前記温度センサにより計測された温度に対応する前記超音波減衰率テーブルを参照して、前記混合ガスを構成する各成分の構成比率を導出することを特徴とする請求項１に記載の発熱量導出装置。
前記混合ガスは、炭化水素系のガスに窒素が含まれてい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。