熱線式流量計測装置及び熱線式流量計測方法
【課題】気液混合流体の流量を気体と液体に分けて計測できる熱線式流量計測装置を提供する。
【解決手段】熱線式流量計測装置は、第１の測定点１Ｐに配置された第１の温度センサ１Ｓと、第１の測定点１Ｐの下流の第２の測定点２Ｐに上下方向に並べて配置された複数の第２の温度センサ２Ｓと、これらのセンサ２Ｓのそれぞれに対応して設けられた複数のヒータＨとを備え、複数の第２の温度センサ２Ｓにより測定されたそれぞれの温度について、第１の温度センサ１Ｓにより測定された温度との差を所定値に保つために、複数のヒータＨをフィードバック制御し、この制御によって複数のヒータＨのそれぞれから出力されたエネルギーを比較して、気液混合流体Ｆの気体Ｇと液体Ｌの界面Ｓの位置を判定し、界面Ｓより下に位置する第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−３に対応するヒータＨ−１〜Ｈ−３から出力されたエネルギーを用いる液体Ｌの流量の演算を実行する。
【解決手段】熱線式流量計測装置は、第１の測定点１Ｐに配置された第１の温度センサ１Ｓと、第１の測定点１Ｐの下流の第２の測定点２Ｐに上下方向に並べて配置された複数の第２の温度センサ２Ｓと、これらのセンサ２Ｓのそれぞれに対応して設けられた複数のヒータＨとを備え、複数の第２の温度センサ２Ｓにより測定されたそれぞれの温度について、第１の温度センサ１Ｓにより測定された温度との差を所定値に保つために、複数のヒータＨをフィードバック制御し、この制御によって複数のヒータＨのそれぞれから出力されたエネルギーを比較して、気液混合流体Ｆの気体Ｇと液体Ｌの界面Ｓの位置を判定し、界面Ｓより下に位置する第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−３に対応するヒータＨ−１〜Ｈ−３から出力されたエネルギーを用いる液体Ｌの流量の演算を実行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば液体水素のような低温液化ガスの流量を計測する熱線式流量計測装置及び熱線式流量計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流量計の一つとして熱線式流量計が知られている。熱線式流量計としては、流路内に挿入された酸化物高温超伝導セラミックス材料からなる線材と、該線材中を流れる電流の値を測定する電流計と、を備えたものがある(例えば特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１０１０５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
低温液化ガスは容易に気化するので、上層が気体、下層が液体である気液混合流体の状態で流れていることがある。この状態で低温液化ガスの流量(液体の流量)を計測した場合、低温液化ガスの気体の流量が含まれて計測されるので、流量を正確に計測することができない。
【０００５】
本発明は、上層が気体、下層が液体である気液混合流体について、気体と液体に分けて流量を計測することができる熱線式流量計測装置及び熱線式流量計測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】
【０００６】
上記目的を達成する本発明の一の局面に係る熱線式流量計測装置は、水平方向に配置され、上層が気体、下層が液体である気液混合流体が流れることができる管路と、前記管路の第１の測定点に配置されており、前記気液混合流体の基準となる温度を測定する第１の温度センサと、前記気液混合流体が流れる方向において前記第１の測定点と異なる位置の第２の測定点で上下方向に並べて配置されており、前記気液混合流体の温度を測定する複数の第２の温度センサと、前記複数の第２の温度センサのそれぞれに対応して設けられており、対応する第２の温度センサを加温する複数のヒータと、前記複数の第２の温度センサにより測定されたそれぞれの温度について、前記第１の温度センサにより測定された温度との差を所定値に保つために、前記複数のヒータをフィードバック制御する制御部と、前記制御部によるフィードバック制御によって前記複数のヒータのそれぞれから出力されたエネルギーを比較して、前記気液混合流体の気体と液体の界面の位置を判定する判定部と、前記制御部によるフィードバック制御によって前記複数のヒータのそれぞれから出力されたエネルギーのうち、前記判定部で判定された界面より下に位置する第２の温度センサに対応するヒータから出力されたエネルギーを用いる前記気液混合流体の液体の流量の演算、及び前記判定部で判定された界面より上に位置する第２の温度センサに対応するヒータから出力されたエネルギーを用いる前記気液混合流体の気体の流量の演算の少なくとも一方を実行する演算部と、を備える。
【０００７】
この構成によれば、フィードバック制御によって複数のヒータのそれぞれから出力されたエネルギーを比較して気液混合流体の気体と液体の界面の位置を判定しているので、判定された界面の位置を基にして気液混合流体の流量を気体と液体に分けて演算することができる。ヒータから出力されたエネルギーを比較することによって界面の位置を判定できるのは、気体と液体では比熱が異なるので、出力されたエネルギーの値が異なるからである。
【０００８】
上記構成において、前記複数の第２の温度センサは前記管路の内周面に沿って上下方向に並べて配置されている構成にすることができる。
【０００９】
この構成によれば、気液混合流体の流れに対する複数の第２の温度センサの物理的抵抗を下げることができる。
【００１０】
上記構成において、前記第１の温度センサは複数あり、前記第１の測定点で上下方向に並べて配置されており、前記複数の第１の温度センサのそれぞれは、対応する第２の温度センサと同じ高さに位置しており、前記制御部は、同じ高さに位置する第１の温度センサと第２の温度センサにより測定された温度の差を所定値に保つフィードバック制御をする構成にすることができる。
【００１１】
この構成によれば、フィードバック制御において、気液混合流体の気体どうし及び液体どうしで温度の差を所定値に保つ制御をすることができるので、気液混合流体の流量の計測精度を向上させることができる。
【００１２】
本発明の他の局面に係る熱線式流量計測方法は、上層が気体、下層が液体である気液混合流体が水平方向に流れている管路の第１の測定点において、前記気液混合流体の基準となる温度を測定し、かつ前記気液混合流体が流れる方向における前記第１の測定点と異なる位置の第２の測定点において、上下方向の複数の箇所で前記気液混合流体の温度を測定する温度測定ステップと、前記温度測定ステップ中に前記第２の測定点の前記複数の箇所をそれぞれ個別に加温する加温ステップと、前記温度測定ステップ中に前記第２の測定点で測定された前記複数の箇所のそれぞれの温度について、前記第１の測定点で測定された温度との差を所定値に保つために、前記加温ステップにおいてフィードバック制御をする制御ステップと、前記制御ステップによるフィードバック制御によって前記第２の測定点の前記複数の箇所のそれぞれに与えられたエネルギーを比較して、前記気液混合流体の気体と液体の界面の位置を判定する判定ステップと、前記制御ステップによるフィードバック制御によって前記第２の測定点の前記複数の箇所のそれぞれに与えられたエネルギーのうち、前記判定ステップで判定された界面より下の箇所に与えられたエネルギーを用いる前記気液混合流体の液体の流量の演算及び前記判定ステップで判定された界面より上の箇所に与えられたエネルギーを用いる前記気液混合流体の気体の流量の演算の少なくとも一方を実行する演算ステップと、を備える。
【００１３】
この方法によれば、フィードバック制御によって第２の測定点の複数の箇所のそれぞれに与えられたエネルギーを比較して気液混合流体の気体と液体の界面の位置を判定しているので、判定された界面の位置を基にして気液混合流体の流量を気体と液体に分けて演算することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、上層が気体、下層が液体である気液混合流体について、気体と液体に分けて流量を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱線式流量計測装置の使用状態の一例を示す図である。
【図２】上記熱線式流量計測装置に備えられる管路、第１の温度センサ、第２の温度センサ及びヒータの配置関係を示す図である。
【図３】上記熱線式流量計測装置の構成を示すブロック図である。
【図４】上流側及び下流側の温度センサで測定された温度を示すグラフである。
【図５】流量とヒータから出力されたエネルギーの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係る熱線式流量計測方法を説明するフローチャートである。
【図７】ある時点で上記熱線式流量計測装置のヒータから出力されたエネルギーを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る熱線式流量計測装置２０の使用状態の一例を示す図である。熱線式流量計測装置２０は、流量計測の対象となる流体が流れることができる管路１０と、流量計測に必要な制御、演算等を実行するパソコンＰＣとを備える。熱線式流量計測装置２０は、タンク２とタンク４をつなぐ輸送管６を流れる流体(例えば液体水素)の流量を計測する。輸送管６は、水平方向に延びて上流側のタンク２につながる輸送管６Ａと、水平方向に延びて下流側のタンク４につながる輸送管６Ｂに分けられている。輸送管６Ａと輸送管６Ｂの間には、水平方向に管路１０が配置されている。上流側のタンク２に入っている液体水素は、輸送管６Ａ、管路１０、輸送管６Ｂを流れて、下流側のタンク４に入れられる。
【００１７】
図２は熱線式流量計測装置２０に備えられる管路１０、第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６、第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６及びヒータＨ−１〜Ｈ−６の配置関係を示す図である。符号のハイフン及びその次の数字は省略して記載することがある。例えば、第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６のそれぞれを区別する必要がなければ、第１の温度センサ１Ｓと記載することがある。
【００１８】
管路１０の両端にはフランジ１２が形成されており、管路１０はフランジ１２の箇所で輸送管６Ａと輸送管６Ｂにそれぞれ連結される。輸送管６を流れる流体は、上層が気体Ｇ、下層が液体Ｌの気液混合流体Ｆの状態であり、輸送管６Ａから流れてきた気液混合流体Ｆは矢印Ｄで示すように、管路１０を通り、輸送管６Ｂへ導かれる。管路１０の第１の測定点１Ｐには第１の温度センサ１Ｓが配置されており、第１の測定点１Ｐの下流にある第２の測定点２Ｐには第２の温度センサ２Ｓが配置されている。気液混合流体Ｆが流れる方向(矢印Ｄ)において第１の測定点１Ｐと異なる位置に第２の測定点２Ｐがあればよいので、第１の測定点１Ｐの上流側に第２の測定点２Ｐを設けてもよい。
【００１９】
第２の測定点２Ｐにおいて、１２個の第２の温度センサ２Ｓが管路１０の内周面１４に沿って環状に配置されている。左側の第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６と右側の第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６は左右対称にそれぞれ半円状に配置されている。第２の測定点２Ｐにおいて、管路１０の底部から上部に向けて第２の温度センサ２Ｓ−１，２Ｓ−２，２Ｓ−３，２Ｓ−４，２Ｓ−５，２Ｓ−６が並べられているので、複数の第２の温度センサ２Ｓが第２の測定点２Ｐで上下方向に並べて配置されていることになる。
【００２０】
第２の温度センサ２Ｓは液体水素、液体ヘリウム等の低温液化ガスの温度を測定できるものであり、材料がマンガニン、ルブレン等からなる熱電対が用いられる。
【００２１】
ヒータＨ−１〜Ｈ−６は、第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６のそれぞれに対応して設けられており、本実施形態ではヒータＨ−１〜Ｈ−６が管路１０の周壁に埋め込まれた状態で第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６のそれぞれに接触して配置されている。ヒータＨ−１〜Ｈ−６は第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６と同様に環状に配置されている。
【００２２】
ヒータＨ−１〜Ｈ−６は、対応する第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６を加温する。例えば、第２の温度センサ２Ｓ−３はヒータＨ−３で加温される。第２の温度センサ２Ｓは気液混合流体Ｆにより冷却されると同時に、ヒータＨにより加温される。
【００２３】
ヒータＨは低温液化ガスの温度領域で動作可能な電気抵抗素子であり、材料がステンレス、マンガニン等からなる。低温液化ガスの温度領域における電気抵抗変化の温度勾配が正である電気抵抗素子(例えばマンガニンを材料とする電気抵抗素子)は、第２の温度センサ２Ｓと兼用することができる。液体ヘリウムの温度領域でもヒータＨが動作できるように、ヒータＨに流される電流は直流である。
【００２４】
第１の測定点１Ｐにおいて、第１の温度センサ１Ｓは、第２の温度センサ２Ｓと同様の構造で管路１０の内周面１４に配置されている。すなわち、管路１０の内周面１４に沿って、１２個の第１の温度センサ１Ｓが環状に配置されている。左側の第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６と右側の第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６は左右対称にそれぞれ半円状に配置されている。管路１０の底部から上部に向けて第１の温度センサ１Ｓ−１，１Ｓ−２，１Ｓ−３，１Ｓ−４，１Ｓ−５，１Ｓ−６が並べられている。したがって、複数の第１の温度センサ１Ｓが第１の測定点１Ｐで上下方向に並べて配置されていることになる。
【００２５】
第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６のそれぞれは、対応する第２の温度センサ２Ｓと同じ高さに位置している。例えば、第１の温度センサ１Ｓ−３と第２の温度センサ２Ｓ−３が位置する高さは同じである。
【００２６】
第１の温度センサ１Ｓは、気液混合流体Ｆの基準となる温度を測定するものであり、第２の温度センサ２Ｓと同様の熱電対が用いられる。図示はしていないが、隣り合う第１の温度センサ１Ｓどうしの間及び隣り合う第２の温度センサ２Ｓどうしの間には、これらを電気的に絶縁する断熱性の部材が介在している。このような部材としては、ＦＲＰ(Fiber Reinforced Plastics)又はグラスファイバー系のテープ類を例示することができる。第１の温度センサ１Ｓ、第２の温度センサ２Ｓ及びヒータＨは集積回路の構造を有している。
【００２７】
本実施形態では管路１０の内周面１４に沿って１２個の第１の温度センサ１Ｓが環状に配置されているが、複数の第１の温度センサ１Ｓが第１の測定点１Ｐで上下方向に並べて配置されていればよいので、半円状の左側の第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６又は半円状の右側の第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６だけであってもよい。１２個の第２の温度センサ２Ｓについても同じことが言える。また、第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓの数は１２個に限定されない。
【００２８】
図３は、本発明の一実施形態に係る熱線式流量計測装置２０の構成を示すブロック図である。熱線式流量計測装置２０は、第１の温度センサ１Ｓ、第２の温度センサ２Ｓ及びヒータＨ、並びにバス２２で相互に接続されたＣＰＵ(Central Processing Unit)２４、インターフェース２６、ＲＯＭ(Read Only Memory)２８、ＲＡＭ(Random Access Memory)３０、表示部３２及び操作部３４と、を備える。ＣＰＵ２４、インターフェース２６、ＲＯＭ２８、ＲＡＭ３０、表示部３２及び操作部３４は図１のパソコンＰＣに備えられている。
【００２９】
ＣＰＵ２４は気液混合流体Ｆの流量を計測するために必要な制御を、熱線式流量計測装置２０を構成する上記ハードウェアに対して実行する。
【００３０】
インターフェース２６には第１の温度センサ１Ｓ、第２の温度センサ２Ｓ及びヒータＨが接続される。第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓから出力された温度の測定信号がインターフェース２６に入力する。第２の温度センサ２Ｓで測定された気液混合流体Ｆの温度をフィードバック制御するために、ヒータＨへ送られる信号がインターフェース２６を経由して出力される。
【００３１】
ＲＯＭ２８はフラッシュメモリ等により実現されており、気液混合流体Ｆの流量の演算に必要なデータベース及び熱線式流量計測装置２０の動作に必要なソフトウェア等を記憶している。ＲＡＭ３０には上記ソフトウェアの実行時に発生するデータが一時的に記憶される。ＲＡＭ３０はＤＲＡＭ(Dynamic Random Access Memory)等により実現される。
【００３２】
表示部３２はＬＣＤ(Liquid Crystal Display)等により実現されており、熱線式流量計測装置２０を用いて計測された気液混合流体Ｆの流量等が表示される。操作部３４には熱線式流量計測装置２０の操作に必要となるキーが備えられている。
【００３３】
後で説明する制御ステップを実行する制御部は、第１の温度センサ１Ｓ、第２の温度センサ２Ｓ、ヒータＨ、ＣＰＵ２４、ＲＯＭ２８及びＲＡＭ３０により実現される。また、判定ステップを実行する判定部、演算ステップを実行する演算部は、いずれもＣＰＵ２４、ＲＯＭ２８及びＲＡＭ３０により実現される。
【００３４】
次に、熱線式流量計測装置２０を用いた気液混合流体Ｆの流量の計測方法を理解するために必要となる流量に関する原理を説明する。図４は上流側及び下流側の温度センサで測定された温度を示すグラフである。横軸は流体が流れる方向における第１の測定点１Ｐ及び第２の測定点２Ｐの位置を示している。第１の測定点１Ｐには上流側の温度センサ、第２の測定点２Ｐには下流側の温度センサが配置されている。縦軸は上流側及び下流側の温度センサで測定された温度を示している。
【００３５】
上流側の温度センサでの測定値が温度Ｔ１の場合、下流側の温度センサでの測定値が温度Ｔ２になるように、下流側の温度センサがヒータにより加温されている。Ｅａは下流側の温度センサで温度Ｔ２ａが測定された時にヒータから出力されたエネルギーを示し、Ｅｂは下流側の温度センサで温度Ｔ２ｂが測定された時にヒータから出力されたエネルギーを示している。
【００３６】
流速(流量)が大きければ下流側の温度センサの冷却量が大きくなるので、ヒータから出力されるエネルギー(ヒータの加温量)を大きくしなければならない。一方、流速(流量)が小さければ下流側の温度センサの冷却量が小さくなるので、ヒータから出力されるエネルギーを小さくしなければならない。
【００３７】
図４では、ヒータから出力されたエネルギーがＥａ＞Ｅｂなので、Ｅａが出力されたときに下流側の温度センサで測定された温度Ｔ２ａは、Ｅｂが出力されたときに測定された温度Ｔ２ｂよりも低いことなる。
【００３８】
流量とヒータから出力されたエネルギーは図５に示すように、相関関係にあることが知られている。よって、ヒータから出力されたエネルギーを基にして、流量を計測することができる。以上が流量に関する原理である。
【００３９】
熱線式流量計測装置２０を用いた気液混合流体Ｆの流量の計測方法、言い換えれば本発明の一実施形態に係る熱線式流量計測方法について図２及び図６を用いて説明する。図６はこの方法を説明するフローチャートである。
【００４０】
[温度測定ステップＳＴ１]
管路１０には上層が気体Ｇ、下層が液体Ｌである気液混合流体Ｆが流れている。第１の測定点１Ｐに配置された第１の温度センサ１Ｓによって、上下方向の複数の箇所で気液混合流体Ｆの基準となる温度を測定する。これと同時に、第２の測定点２Ｐに配置された第２の温度センサ２Ｓによって、上下方向の複数の箇所で気液混合流体Ｆの温度を測定する。
【００４１】
[加温ステップＳＴ２]
温度測定ステップＳＴ１中に第２の測定点２Ｐの複数の箇所をそれぞれ個別に加温する。すなわち、第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６が、対応するヒータＨ−１〜Ｈ−６により加温される。例えば、第２の温度センサ２Ｓ−３はヒータＨ−３により加温される。
【００４２】
[制御ステップＳＴ３]
このステップでは、温度測定ステップＳＴ１中に第２の測定点２Ｐで測定された複数の箇所のそれぞれの温度について、第１の測定点１Ｐで測定された複数の箇所のそれぞれの温度との差を所定値に保つために、加温ステップＳＴ２においてフィードバック制御を実行する。
【００４３】
詳しく説明すると、制御ステップＳＴ３では、同じ高さに位置する第１の温度センサ１Ｓと第２の温度センサ２Ｓにより測定された温度の差を所定値に保つために、ヒータＨ−１〜Ｈ−６から出力されるエネルギーを補正するフィードバック制御が実行される。つまり、第１の温度センサ１Ｓ−１と第２の温度センサ２Ｓ−１で測定された温度の差、第１の温度センサ１Ｓ−２と第２の温度センサ２Ｓ−２で測定された温度の差、・・・、第１の温度センサ１Ｓ−６と第２の温度センサ２Ｓ−６で測定された温度の差を所定値に保つために、ヒータＨ−１〜Ｈ−６を個別にフィードバック制御する。
【００４４】
[判定ステップＳＴ４]
フィードバック制御によってヒータＨ−１〜Ｈ−６のそれぞれから出力されたエネルギーを比較して、気液混合流体Ｆの気体Ｇと液体Ｌの界面Ｓの位置を判定する。言い換えれば、制御ステップＳＴ３によるフィードバック制御によって第２の測定点２Ｐの複数の箇所のそれぞれに与えられたエネルギーを比較して、気液混合流体Ｆの気体Ｇと液体Ｌの界面Ｓの位置を判定する。
【００４５】
図７を用いて判定ステップＳＴ４を詳細に説明する。図７は、ある時点で熱線式流量計測装置２０のヒータＨ−１〜Ｈ−６から出力されたエネルギーを示すグラフである。横軸はエネルギー、縦軸はヒータＨ−１〜Ｈ−６の上下方向の位置を示している。ヒータＨ−１〜Ｈ−６の上下方向の位置は第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６の上下方向の位置と対応している。
【００４６】
ヒータＨ−１(ヒータＨ−２、ヒータＨ−３)から出力されたエネルギーＥａ、ヒータＨ−４から出力されたエネルギーＥｂ、ヒータＨ−５(ヒータＨ−６)から出力されたエネルギーＥｃは、Ｅａ＞Ｅｂ＞Ｅｃの関係が成立している。これは、第１の温度センサ１Ｓ−４及び第２の温度センサ２Ｓ−４の箇所に界面Ｓが位置しており、第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−３及び第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−３の箇所に気液混合流体Ｆの液体Ｌが流れており、第１の温度センサ１Ｓ−５〜１Ｓ−６及び第２の温度センサ２Ｓ−５〜２Ｓ−６の箇所に気液混合流体Ｆの気体Ｇが流れているからである。つまり、同じ物質であっても、気体状態と液体状態では比熱が異なるからである。第２の温度センサ２Ｓ−４の箇所に界面Ｓがあるので、ヒータＨ−４から出力されるエネルギーＥｂはＥａとＥｃの間にある。
【００４７】
したがって、ヒータＨ−１〜Ｈ−６から出力されたエネルギーを比較することにより、気液混合流体Ｆの気体Ｇと液体Ｌの界面Ｓの位置を判定することができる。
【００４８】
[演算ステップＳＴ５]
本実施形態では気液混合流体Ｆの液体Ｌ、気体Ｇのそれぞれについて流量を演算する。液体Ｌの流量の演算には、フィードバック制御によってヒータＨのそれぞれから出力されたエネルギーのうち、判定ステップＳＴ４で判定された界面Ｓより下に位置する第２の温度センサ(本実施形態では第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−３)に対応するヒータ(本実施形態ではヒータＨ−１〜Ｈ−３)から出力されたエネルギーが用いられる。
【００４９】
一方、気体Ｇの流量の演算には、フィードバック制御によってヒータＨのそれぞれから出力されたエネルギーのうち、判定ステップＳＴ４で判定された界面Ｓより上に位置する第２の温度センサ(本実施形態では第２の温度センサ２Ｓ−５〜２Ｓ−６)に対応するヒータ(本実施形態ではヒータＨ−５〜Ｈ−６)から出力されたエネルギーが用いられる。演算により計測された流量の値が図３の表示部３２に表示される。なお、目的に応じて液体Ｌの流量だけ演算してもよいし、気体Ｇの流量だけ演算してもよい。
【００５０】
以上説明したように本実施形態は、気体Ｇと液体Ｌでは比熱が異なるので、ヒータＨから出力されたエネルギーの値が異なる点に着目したものである。
【００５１】
本実施形態によれば、フィードバック制御によってヒータＨ−１〜Ｈ−６のそれぞれから出力されたエネルギーを比較して気液混合流体Ｆの気体Ｇと液体Ｌの界面Ｓの位置を判定しているので、判定された界面Ｓの位置を基にして気液混合流体Ｆの流量を気体Ｇと液体Ｌに分けて演算することができる。このため、低温液化ガスが気液混合流体Ｆの状態で管路１０に流れていても、気体Ｇを除いた気液混合流体Ｆの流量(液体Ｌの流量)を計測することができるので、低温液化ガスの流量(液体の流量)の計測精度を向上させることができる。
【００５２】
また、気体Ｇ、液体Ｌに応じてヒータＨ−１〜Ｈ−６から出力されるエネルギーを補正するので、一律に補正する場合に比べてヒータＨから出力されるエネルギーを小さくすることができる。したがって、ヒータＨから出力されるエネルギーにより低温液化ガスが気化する量を少なくすることができる。
【００５３】
また、制御ステップにおいて、同じ高さに位置する第１の温度センサ１Ｓと第２の温度センサ２Ｓにより測定された温度の差を所定値に保つために、ヒータＨから出力されるエネルギーを補正するフィードバック制御が実行される。これにより、気液混合流体Ｆの気体Ｇどうし及び液体Ｌどうしで温度の差を所定値に保つ制御をすることができるので、気液混合流体Ｆの流量の計測精度を向上させることができる。
【００５４】
本実施形態では、第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６に対応させて、第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６を設けているが、第１の温度センサ１Ｓは気液混合流体Ｆの基準温度を測定するものなので、一つでも可能である。
【００５５】
また、本実施形態によれば、第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓが管路１０の内周面１４に沿って上下方向に並べて配置しているので、気液混合流体Ｆの流れに対する第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓの物理的抵抗を下げることができる。第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓをそれらの表面が管路１０の内周面１４と同一の高さで管路１０の側壁に埋め込んだ構造にすれば、管路１０を流れる気液混合流体Ｆに対して、第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓが物理的抵抗にならないようにすることができる。
【００５６】
なお、気液混合流体Ｆの流れに対する第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓの物理的抵抗が問題とならなければ、第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓを管路１０の断面の径方向に配置することも可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１Ｓ−１〜１Ｓ−６ 第１の温度センサ
２Ｓ−１〜２Ｓ−６ 第２の温度センサ
Ｈ−１〜Ｈ−６ ヒータ
Ｆ 気液混合流体
Ｇ 気体
Ｌ 液体
Ｓ 界面
Ｄ 矢印(気液混合流体の流れの方向)
１Ｐ 第１の測定点
２Ｐ 第２の測定点
ＰＣ パソコン
２、４ タンク
６、６Ａ、６Ｂ 輸送管
１０ 管路
１２ フランジ
１４ 内周面
２０ 熱線式流量計測装置
２２ バス
２４ ＣＰＵ
２６ インターフェース
２８ ＲＯＭ
３０ ＲＡＭ
３２ 表示部
３４ 操作部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば液体水素のような低温液化ガスの流量を計測する熱線式流量計測装置及び熱線式流量計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流量計の一つとして熱線式流量計が知られている。熱線式流量計としては、流路内に挿入された酸化物高温超伝導セラミックス材料からなる線材と、該線材中を流れる電流の値を測定する電流計と、を備えたものがある(例えば特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１０１０５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
低温液化ガスは容易に気化するので、上層が気体、下層が液体である気液混合流体の状態で流れていることがある。この状態で低温液化ガスの流量(液体の流量)を計測した場合、低温液化ガスの気体の流量が含まれて計測されるので、流量を正確に計測することができない。
【０００５】
本発明は、上層が気体、下層が液体である気液混合流体について、気体と液体に分けて流量を計測することができる熱線式流量計測装置及び熱線式流量計測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】
【０００６】
上記目的を達成する本発明の一の局面に係る熱線式流量計測装置は、水平方向に配置され、上層が気体、下層が液体である気液混合流体が流れることができる管路と、前記管路の第１の測定点に配置されており、前記気液混合流体の基準となる温度を測定する第１の温度センサと、前記気液混合流体が流れる方向において前記第１の測定点と異なる位置の第２の測定点で上下方向に並べて配置されており、前記気液混合流体の温度を測定する複数の第２の温度センサと、前記複数の第２の温度センサのそれぞれに対応して設けられており、対応する第２の温度センサを加温する複数のヒータと、前記複数の第２の温度センサにより測定されたそれぞれの温度について、前記第１の温度センサにより測定された温度との差を所定値に保つために、前記複数のヒータをフィードバック制御する制御部と、前記制御部によるフィードバック制御によって前記複数のヒータのそれぞれから出力されたエネルギーを比較して、前記気液混合流体の気体と液体の界面の位置を判定する判定部と、前記制御部によるフィードバック制御によって前記複数のヒータのそれぞれから出力されたエネルギーのうち、前記判定部で判定された界面より下に位置する第２の温度センサに対応するヒータから出力されたエネルギーを用いる前記気液混合流体の液体の流量の演算、及び前記判定部で判定された界面より上に位置する第２の温度センサに対応するヒータから出力されたエネルギーを用いる前記気液混合流体の気体の流量の演算の少なくとも一方を実行する演算部と、を備える。
【０００７】
この構成によれば、フィードバック制御によって複数のヒータのそれぞれから出力されたエネルギーを比較して気液混合流体の気体と液体の界面の位置を判定しているので、判定された界面の位置を基にして気液混合流体の流量を気体と液体に分けて演算することができる。ヒータから出力されたエネルギーを比較することによって界面の位置を判定できるのは、気体と液体では比熱が異なるので、出力されたエネルギーの値が異なるからである。
【０００８】
上記構成において、前記複数の第２の温度センサは前記管路の内周面に沿って上下方向に並べて配置されている構成にすることができる。
【０００９】
この構成によれば、気液混合流体の流れに対する複数の第２の温度センサの物理的抵抗を下げることができる。
【００１０】
上記構成において、前記第１の温度センサは複数あり、前記第１の測定点で上下方向に並べて配置されており、前記複数の第１の温度センサのそれぞれは、対応する第２の温度センサと同じ高さに位置しており、前記制御部は、同じ高さに位置する第１の温度センサと第２の温度センサにより測定された温度の差を所定値に保つフィードバック制御をする構成にすることができる。
【００１１】
この構成によれば、フィードバック制御において、気液混合流体の気体どうし及び液体どうしで温度の差を所定値に保つ制御をすることができるので、気液混合流体の流量の計測精度を向上させることができる。
【００１２】
本発明の他の局面に係る熱線式流量計測方法は、上層が気体、下層が液体である気液混合流体が水平方向に流れている管路の第１の測定点において、前記気液混合流体の基準となる温度を測定し、かつ前記気液混合流体が流れる方向における前記第１の測定点と異なる位置の第２の測定点において、上下方向の複数の箇所で前記気液混合流体の温度を測定する温度測定ステップと、前記温度測定ステップ中に前記第２の測定点の前記複数の箇所をそれぞれ個別に加温する加温ステップと、前記温度測定ステップ中に前記第２の測定点で測定された前記複数の箇所のそれぞれの温度について、前記第１の測定点で測定された温度との差を所定値に保つために、前記加温ステップにおいてフィードバック制御をする制御ステップと、前記制御ステップによるフィードバック制御によって前記第２の測定点の前記複数の箇所のそれぞれに与えられたエネルギーを比較して、前記気液混合流体の気体と液体の界面の位置を判定する判定ステップと、前記制御ステップによるフィードバック制御によって前記第２の測定点の前記複数の箇所のそれぞれに与えられたエネルギーのうち、前記判定ステップで判定された界面より下の箇所に与えられたエネルギーを用いる前記気液混合流体の液体の流量の演算及び前記判定ステップで判定された界面より上の箇所に与えられたエネルギーを用いる前記気液混合流体の気体の流量の演算の少なくとも一方を実行する演算ステップと、を備える。
【００１３】
この方法によれば、フィードバック制御によって第２の測定点の複数の箇所のそれぞれに与えられたエネルギーを比較して気液混合流体の気体と液体の界面の位置を判定しているので、判定された界面の位置を基にして気液混合流体の流量を気体と液体に分けて演算することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、上層が気体、下層が液体である気液混合流体について、気体と液体に分けて流量を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱線式流量計測装置の使用状態の一例を示す図である。
【図２】上記熱線式流量計測装置に備えられる管路、第１の温度センサ、第２の温度センサ及びヒータの配置関係を示す図である。
【図３】上記熱線式流量計測装置の構成を示すブロック図である。
【図４】上流側及び下流側の温度センサで測定された温度を示すグラフである。
【図５】流量とヒータから出力されたエネルギーの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係る熱線式流量計測方法を説明するフローチャートである。
【図７】ある時点で上記熱線式流量計測装置のヒータから出力されたエネルギーを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る熱線式流量計測装置２０の使用状態の一例を示す図である。熱線式流量計測装置２０は、流量計測の対象となる流体が流れることができる管路１０と、流量計測に必要な制御、演算等を実行するパソコンＰＣとを備える。熱線式流量計測装置２０は、タンク２とタンク４をつなぐ輸送管６を流れる流体(例えば液体水素)の流量を計測する。輸送管６は、水平方向に延びて上流側のタンク２につながる輸送管６Ａと、水平方向に延びて下流側のタンク４につながる輸送管６Ｂに分けられている。輸送管６Ａと輸送管６Ｂの間には、水平方向に管路１０が配置されている。上流側のタンク２に入っている液体水素は、輸送管６Ａ、管路１０、輸送管６Ｂを流れて、下流側のタンク４に入れられる。
【００１７】
図２は熱線式流量計測装置２０に備えられる管路１０、第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６、第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６及びヒータＨ−１〜Ｈ−６の配置関係を示す図である。符号のハイフン及びその次の数字は省略して記載することがある。例えば、第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６のそれぞれを区別する必要がなければ、第１の温度センサ１Ｓと記載することがある。
【００１８】
管路１０の両端にはフランジ１２が形成されており、管路１０はフランジ１２の箇所で輸送管６Ａと輸送管６Ｂにそれぞれ連結される。輸送管６を流れる流体は、上層が気体Ｇ、下層が液体Ｌの気液混合流体Ｆの状態であり、輸送管６Ａから流れてきた気液混合流体Ｆは矢印Ｄで示すように、管路１０を通り、輸送管６Ｂへ導かれる。管路１０の第１の測定点１Ｐには第１の温度センサ１Ｓが配置されており、第１の測定点１Ｐの下流にある第２の測定点２Ｐには第２の温度センサ２Ｓが配置されている。気液混合流体Ｆが流れる方向(矢印Ｄ)において第１の測定点１Ｐと異なる位置に第２の測定点２Ｐがあればよいので、第１の測定点１Ｐの上流側に第２の測定点２Ｐを設けてもよい。
【００１９】
第２の測定点２Ｐにおいて、１２個の第２の温度センサ２Ｓが管路１０の内周面１４に沿って環状に配置されている。左側の第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６と右側の第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６は左右対称にそれぞれ半円状に配置されている。第２の測定点２Ｐにおいて、管路１０の底部から上部に向けて第２の温度センサ２Ｓ−１，２Ｓ−２，２Ｓ−３，２Ｓ−４，２Ｓ−５，２Ｓ−６が並べられているので、複数の第２の温度センサ２Ｓが第２の測定点２Ｐで上下方向に並べて配置されていることになる。
【００２０】
第２の温度センサ２Ｓは液体水素、液体ヘリウム等の低温液化ガスの温度を測定できるものであり、材料がマンガニン、ルブレン等からなる熱電対が用いられる。
【００２１】
ヒータＨ−１〜Ｈ−６は、第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６のそれぞれに対応して設けられており、本実施形態ではヒータＨ−１〜Ｈ−６が管路１０の周壁に埋め込まれた状態で第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６のそれぞれに接触して配置されている。ヒータＨ−１〜Ｈ−６は第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６と同様に環状に配置されている。
【００２２】
ヒータＨ−１〜Ｈ−６は、対応する第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６を加温する。例えば、第２の温度センサ２Ｓ−３はヒータＨ−３で加温される。第２の温度センサ２Ｓは気液混合流体Ｆにより冷却されると同時に、ヒータＨにより加温される。
【００２３】
ヒータＨは低温液化ガスの温度領域で動作可能な電気抵抗素子であり、材料がステンレス、マンガニン等からなる。低温液化ガスの温度領域における電気抵抗変化の温度勾配が正である電気抵抗素子(例えばマンガニンを材料とする電気抵抗素子)は、第２の温度センサ２Ｓと兼用することができる。液体ヘリウムの温度領域でもヒータＨが動作できるように、ヒータＨに流される電流は直流である。
【００２４】
第１の測定点１Ｐにおいて、第１の温度センサ１Ｓは、第２の温度センサ２Ｓと同様の構造で管路１０の内周面１４に配置されている。すなわち、管路１０の内周面１４に沿って、１２個の第１の温度センサ１Ｓが環状に配置されている。左側の第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６と右側の第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６は左右対称にそれぞれ半円状に配置されている。管路１０の底部から上部に向けて第１の温度センサ１Ｓ−１，１Ｓ−２，１Ｓ−３，１Ｓ−４，１Ｓ−５，１Ｓ−６が並べられている。したがって、複数の第１の温度センサ１Ｓが第１の測定点１Ｐで上下方向に並べて配置されていることになる。
【００２５】
第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６のそれぞれは、対応する第２の温度センサ２Ｓと同じ高さに位置している。例えば、第１の温度センサ１Ｓ−３と第２の温度センサ２Ｓ−３が位置する高さは同じである。
【００２６】
第１の温度センサ１Ｓは、気液混合流体Ｆの基準となる温度を測定するものであり、第２の温度センサ２Ｓと同様の熱電対が用いられる。図示はしていないが、隣り合う第１の温度センサ１Ｓどうしの間及び隣り合う第２の温度センサ２Ｓどうしの間には、これらを電気的に絶縁する断熱性の部材が介在している。このような部材としては、ＦＲＰ(Fiber Reinforced Plastics)又はグラスファイバー系のテープ類を例示することができる。第１の温度センサ１Ｓ、第２の温度センサ２Ｓ及びヒータＨは集積回路の構造を有している。
【００２７】
本実施形態では管路１０の内周面１４に沿って１２個の第１の温度センサ１Ｓが環状に配置されているが、複数の第１の温度センサ１Ｓが第１の測定点１Ｐで上下方向に並べて配置されていればよいので、半円状の左側の第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６又は半円状の右側の第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６だけであってもよい。１２個の第２の温度センサ２Ｓについても同じことが言える。また、第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓの数は１２個に限定されない。
【００２８】
図３は、本発明の一実施形態に係る熱線式流量計測装置２０の構成を示すブロック図である。熱線式流量計測装置２０は、第１の温度センサ１Ｓ、第２の温度センサ２Ｓ及びヒータＨ、並びにバス２２で相互に接続されたＣＰＵ(Central Processing Unit)２４、インターフェース２６、ＲＯＭ(Read Only Memory)２８、ＲＡＭ(Random Access Memory)３０、表示部３２及び操作部３４と、を備える。ＣＰＵ２４、インターフェース２６、ＲＯＭ２８、ＲＡＭ３０、表示部３２及び操作部３４は図１のパソコンＰＣに備えられている。
【００２９】
ＣＰＵ２４は気液混合流体Ｆの流量を計測するために必要な制御を、熱線式流量計測装置２０を構成する上記ハードウェアに対して実行する。
【００３０】
インターフェース２６には第１の温度センサ１Ｓ、第２の温度センサ２Ｓ及びヒータＨが接続される。第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓから出力された温度の測定信号がインターフェース２６に入力する。第２の温度センサ２Ｓで測定された気液混合流体Ｆの温度をフィードバック制御するために、ヒータＨへ送られる信号がインターフェース２６を経由して出力される。
【００３１】
ＲＯＭ２８はフラッシュメモリ等により実現されており、気液混合流体Ｆの流量の演算に必要なデータベース及び熱線式流量計測装置２０の動作に必要なソフトウェア等を記憶している。ＲＡＭ３０には上記ソフトウェアの実行時に発生するデータが一時的に記憶される。ＲＡＭ３０はＤＲＡＭ(Dynamic Random Access Memory)等により実現される。
【００３２】
表示部３２はＬＣＤ(Liquid Crystal Display)等により実現されており、熱線式流量計測装置２０を用いて計測された気液混合流体Ｆの流量等が表示される。操作部３４には熱線式流量計測装置２０の操作に必要となるキーが備えられている。
【００３３】
後で説明する制御ステップを実行する制御部は、第１の温度センサ１Ｓ、第２の温度センサ２Ｓ、ヒータＨ、ＣＰＵ２４、ＲＯＭ２８及びＲＡＭ３０により実現される。また、判定ステップを実行する判定部、演算ステップを実行する演算部は、いずれもＣＰＵ２４、ＲＯＭ２８及びＲＡＭ３０により実現される。
【００３４】
次に、熱線式流量計測装置２０を用いた気液混合流体Ｆの流量の計測方法を理解するために必要となる流量に関する原理を説明する。図４は上流側及び下流側の温度センサで測定された温度を示すグラフである。横軸は流体が流れる方向における第１の測定点１Ｐ及び第２の測定点２Ｐの位置を示している。第１の測定点１Ｐには上流側の温度センサ、第２の測定点２Ｐには下流側の温度センサが配置されている。縦軸は上流側及び下流側の温度センサで測定された温度を示している。
【００３５】
上流側の温度センサでの測定値が温度Ｔ１の場合、下流側の温度センサでの測定値が温度Ｔ２になるように、下流側の温度センサがヒータにより加温されている。Ｅａは下流側の温度センサで温度Ｔ２ａが測定された時にヒータから出力されたエネルギーを示し、Ｅｂは下流側の温度センサで温度Ｔ２ｂが測定された時にヒータから出力されたエネルギーを示している。
【００３６】
流速(流量)が大きければ下流側の温度センサの冷却量が大きくなるので、ヒータから出力されるエネルギー(ヒータの加温量)を大きくしなければならない。一方、流速(流量)が小さければ下流側の温度センサの冷却量が小さくなるので、ヒータから出力されるエネルギーを小さくしなければならない。
【００３７】
図４では、ヒータから出力されたエネルギーがＥａ＞Ｅｂなので、Ｅａが出力されたときに下流側の温度センサで測定された温度Ｔ２ａは、Ｅｂが出力されたときに測定された温度Ｔ２ｂよりも低いことなる。
【００３８】
流量とヒータから出力されたエネルギーは図５に示すように、相関関係にあることが知られている。よって、ヒータから出力されたエネルギーを基にして、流量を計測することができる。以上が流量に関する原理である。
【００３９】
熱線式流量計測装置２０を用いた気液混合流体Ｆの流量の計測方法、言い換えれば本発明の一実施形態に係る熱線式流量計測方法について図２及び図６を用いて説明する。図６はこの方法を説明するフローチャートである。
【００４０】
[温度測定ステップＳＴ１]
管路１０には上層が気体Ｇ、下層が液体Ｌである気液混合流体Ｆが流れている。第１の測定点１Ｐに配置された第１の温度センサ１Ｓによって、上下方向の複数の箇所で気液混合流体Ｆの基準となる温度を測定する。これと同時に、第２の測定点２Ｐに配置された第２の温度センサ２Ｓによって、上下方向の複数の箇所で気液混合流体Ｆの温度を測定する。
【００４１】
[加温ステップＳＴ２]
温度測定ステップＳＴ１中に第２の測定点２Ｐの複数の箇所をそれぞれ個別に加温する。すなわち、第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６が、対応するヒータＨ−１〜Ｈ−６により加温される。例えば、第２の温度センサ２Ｓ−３はヒータＨ−３により加温される。
【００４２】
[制御ステップＳＴ３]
このステップでは、温度測定ステップＳＴ１中に第２の測定点２Ｐで測定された複数の箇所のそれぞれの温度について、第１の測定点１Ｐで測定された複数の箇所のそれぞれの温度との差を所定値に保つために、加温ステップＳＴ２においてフィードバック制御を実行する。
【００４３】
詳しく説明すると、制御ステップＳＴ３では、同じ高さに位置する第１の温度センサ１Ｓと第２の温度センサ２Ｓにより測定された温度の差を所定値に保つために、ヒータＨ−１〜Ｈ−６から出力されるエネルギーを補正するフィードバック制御が実行される。つまり、第１の温度センサ１Ｓ−１と第２の温度センサ２Ｓ−１で測定された温度の差、第１の温度センサ１Ｓ−２と第２の温度センサ２Ｓ−２で測定された温度の差、・・・、第１の温度センサ１Ｓ−６と第２の温度センサ２Ｓ−６で測定された温度の差を所定値に保つために、ヒータＨ−１〜Ｈ−６を個別にフィードバック制御する。
【００４４】
[判定ステップＳＴ４]
フィードバック制御によってヒータＨ−１〜Ｈ−６のそれぞれから出力されたエネルギーを比較して、気液混合流体Ｆの気体Ｇと液体Ｌの界面Ｓの位置を判定する。言い換えれば、制御ステップＳＴ３によるフィードバック制御によって第２の測定点２Ｐの複数の箇所のそれぞれに与えられたエネルギーを比較して、気液混合流体Ｆの気体Ｇと液体Ｌの界面Ｓの位置を判定する。
【００４５】
図７を用いて判定ステップＳＴ４を詳細に説明する。図７は、ある時点で熱線式流量計測装置２０のヒータＨ−１〜Ｈ−６から出力されたエネルギーを示すグラフである。横軸はエネルギー、縦軸はヒータＨ−１〜Ｈ−６の上下方向の位置を示している。ヒータＨ−１〜Ｈ−６の上下方向の位置は第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６の上下方向の位置と対応している。
【００４６】
ヒータＨ−１(ヒータＨ−２、ヒータＨ−３)から出力されたエネルギーＥａ、ヒータＨ−４から出力されたエネルギーＥｂ、ヒータＨ−５(ヒータＨ−６)から出力されたエネルギーＥｃは、Ｅａ＞Ｅｂ＞Ｅｃの関係が成立している。これは、第１の温度センサ１Ｓ−４及び第２の温度センサ２Ｓ−４の箇所に界面Ｓが位置しており、第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−３及び第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−３の箇所に気液混合流体Ｆの液体Ｌが流れており、第１の温度センサ１Ｓ−５〜１Ｓ−６及び第２の温度センサ２Ｓ−５〜２Ｓ−６の箇所に気液混合流体Ｆの気体Ｇが流れているからである。つまり、同じ物質であっても、気体状態と液体状態では比熱が異なるからである。第２の温度センサ２Ｓ−４の箇所に界面Ｓがあるので、ヒータＨ−４から出力されるエネルギーＥｂはＥａとＥｃの間にある。
【００４７】
したがって、ヒータＨ−１〜Ｈ−６から出力されたエネルギーを比較することにより、気液混合流体Ｆの気体Ｇと液体Ｌの界面Ｓの位置を判定することができる。
【００４８】
[演算ステップＳＴ５]
本実施形態では気液混合流体Ｆの液体Ｌ、気体Ｇのそれぞれについて流量を演算する。液体Ｌの流量の演算には、フィードバック制御によってヒータＨのそれぞれから出力されたエネルギーのうち、判定ステップＳＴ４で判定された界面Ｓより下に位置する第２の温度センサ(本実施形態では第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−３)に対応するヒータ(本実施形態ではヒータＨ−１〜Ｈ−３)から出力されたエネルギーが用いられる。
【００４９】
一方、気体Ｇの流量の演算には、フィードバック制御によってヒータＨのそれぞれから出力されたエネルギーのうち、判定ステップＳＴ４で判定された界面Ｓより上に位置する第２の温度センサ(本実施形態では第２の温度センサ２Ｓ−５〜２Ｓ−６)に対応するヒータ(本実施形態ではヒータＨ−５〜Ｈ−６)から出力されたエネルギーが用いられる。演算により計測された流量の値が図３の表示部３２に表示される。なお、目的に応じて液体Ｌの流量だけ演算してもよいし、気体Ｇの流量だけ演算してもよい。
【００５０】
以上説明したように本実施形態は、気体Ｇと液体Ｌでは比熱が異なるので、ヒータＨから出力されたエネルギーの値が異なる点に着目したものである。
【００５１】
本実施形態によれば、フィードバック制御によってヒータＨ−１〜Ｈ−６のそれぞれから出力されたエネルギーを比較して気液混合流体Ｆの気体Ｇと液体Ｌの界面Ｓの位置を判定しているので、判定された界面Ｓの位置を基にして気液混合流体Ｆの流量を気体Ｇと液体Ｌに分けて演算することができる。このため、低温液化ガスが気液混合流体Ｆの状態で管路１０に流れていても、気体Ｇを除いた気液混合流体Ｆの流量(液体Ｌの流量)を計測することができるので、低温液化ガスの流量(液体の流量)の計測精度を向上させることができる。
【００５２】
また、気体Ｇ、液体Ｌに応じてヒータＨ−１〜Ｈ−６から出力されるエネルギーを補正するので、一律に補正する場合に比べてヒータＨから出力されるエネルギーを小さくすることができる。したがって、ヒータＨから出力されるエネルギーにより低温液化ガスが気化する量を少なくすることができる。
【００５３】
また、制御ステップにおいて、同じ高さに位置する第１の温度センサ１Ｓと第２の温度センサ２Ｓにより測定された温度の差を所定値に保つために、ヒータＨから出力されるエネルギーを補正するフィードバック制御が実行される。これにより、気液混合流体Ｆの気体Ｇどうし及び液体Ｌどうしで温度の差を所定値に保つ制御をすることができるので、気液混合流体Ｆの流量の計測精度を向上させることができる。
【００５４】
本実施形態では、第２の温度センサ２Ｓ−１〜２Ｓ−６に対応させて、第１の温度センサ１Ｓ−１〜１Ｓ−６を設けているが、第１の温度センサ１Ｓは気液混合流体Ｆの基準温度を測定するものなので、一つでも可能である。
【００５５】
また、本実施形態によれば、第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓが管路１０の内周面１４に沿って上下方向に並べて配置しているので、気液混合流体Ｆの流れに対する第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓの物理的抵抗を下げることができる。第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓをそれらの表面が管路１０の内周面１４と同一の高さで管路１０の側壁に埋め込んだ構造にすれば、管路１０を流れる気液混合流体Ｆに対して、第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓが物理的抵抗にならないようにすることができる。
【００５６】
なお、気液混合流体Ｆの流れに対する第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓの物理的抵抗が問題とならなければ、第１の温度センサ１Ｓ及び第２の温度センサ２Ｓを管路１０の断面の径方向に配置することも可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１Ｓ−１〜１Ｓ−６ 第１の温度センサ
２Ｓ−１〜２Ｓ−６ 第２の温度センサ
Ｈ−１〜Ｈ−６ ヒータ
Ｆ 気液混合流体
Ｇ 気体
Ｌ 液体
Ｓ 界面
Ｄ 矢印(気液混合流体の流れの方向)
１Ｐ 第１の測定点
２Ｐ 第２の測定点
ＰＣ パソコン
２、４ タンク
６、６Ａ、６Ｂ 輸送管
１０ 管路
１２ フランジ
１４ 内周面
２０ 熱線式流量計測装置
２２ バス
２４ ＣＰＵ
２６ インターフェース
２８ ＲＯＭ
３０ ＲＡＭ
３２ 表示部
３４ 操作部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平方向に配置され、上層が気体、下層が液体である気液混合流体が流れることができる管路と、
前記管路の第１の測定点に配置されており、前記気液混合流体の基準となる温度を測定する第１の温度センサと、
前記気液混合流体が流れる方向において前記第１の測定点と異なる位置の第２の測定点で上下方向に並べて配置されており、前記気液混合流体の温度を測定する複数の第２の温度センサと、
前記複数の第２の温度センサのそれぞれに対応して設けられており、対応する第２の温度センサを加温する複数のヒータと、
前記複数の第２の温度センサにより測定されたそれぞれの温度について、前記第１の温度センサにより測定された温度との差を所定値に保つために、前記複数のヒータをフィードバック制御する制御部と、
前記制御部によるフィードバック制御によって前記複数のヒータのそれぞれから出力されたエネルギーを比較して、前記気液混合流体の気体と液体の界面の位置を判定する判定部と、
前記制御部によるフィードバック制御によって前記複数のヒータのそれぞれから出力されたエネルギーのうち、前記判定部で判定された界面より下に位置する第２の温度センサに対応するヒータから出力されたエネルギーを用いる前記気液混合流体の液体の流量の演算、及び前記判定部で判定された界面より上に位置する第２の温度センサに対応するヒータから出力されたエネルギーを用いる前記気液混合流体の気体の流量の演算の少なくとも一方を実行する演算部と、を備えることを特徴とする熱線式流量計測装置。
【請求項２】
前記複数の第２の温度センサは前記管路の内周面に沿って上下方向に並べて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱線式流量計測装置。
【請求項３】
前記第１の温度センサは複数あり、前記第１の測定点で上下方向に並べて配置されており、
前記複数の第１の温度センサのそれぞれは、対応する第２の温度センサと同じ高さに位置しており、
前記制御部は、同じ高さに位置する第１の温度センサと第２の温度センサにより測定された温度の差を所定値に保つフィードバック制御をすることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱線式流量計測装置。
【請求項４】
上層が気体、下層が液体である気液混合流体が水平方向に流れている管路の第１の測定点において、前記気液混合流体の基準となる温度を測定し、かつ前記気液混合流体が流れる方向における前記第１の測定点と異なる位置の第２の測定点において、上下方向の複数の箇所で前記気液混合流体の温度を測定する温度測定ステップと、
前記温度測定ステップ中に前記第２の測定点の前記複数の箇所をそれぞれ個別に加温する加温ステップと、
前記温度測定ステップ中に前記第２の測定点で測定された前記複数の箇所のそれぞれの温度について、前記第１の測定点で測定された温度との差を所定値に保つために、前記加温ステップにおいてフィードバック制御をする制御ステップと、
前記制御ステップによるフィードバック制御によって前記第２の測定点の前記複数の箇所のそれぞれに与えられたエネルギーを比較して、前記気液混合流体の気体と液体の界面の位置を判定する判定ステップと、
前記制御ステップによるフィードバック制御によって前記第２の測定点の前記複数の箇所のそれぞれに与えられたエネルギーのうち、前記判定ステップで判定された界面より下の箇所に与えられたエネルギーを用いる前記気液混合流体の液体の流量の演算及び前記判定ステップで判定された界面より上の箇所に与えられたエネルギーを用いる前記気液混合流体の気体の流量の演算の少なくとも一方を実行する演算ステップと、を備えることを特徴とする熱線式流量計測方法。
【請求項１】
水平方向に配置され、上層が気体、下層が液体である気液混合流体が流れることができる管路と、
前記管路の第１の測定点に配置されており、前記気液混合流体の基準となる温度を測定する第１の温度センサと、
前記気液混合流体が流れる方向において前記第１の測定点と異なる位置の第２の測定点で上下方向に並べて配置されており、前記気液混合流体の温度を測定する複数の第２の温度センサと、
前記複数の第２の温度センサのそれぞれに対応して設けられており、対応する第２の温度センサを加温する複数のヒータと、
前記複数の第２の温度センサにより測定されたそれぞれの温度について、前記第１の温度センサにより測定された温度との差を所定値に保つために、前記複数のヒータをフィードバック制御する制御部と、
前記制御部によるフィードバック制御によって前記複数のヒータのそれぞれから出力されたエネルギーを比較して、前記気液混合流体の気体と液体の界面の位置を判定する判定部と、
前記制御部によるフィードバック制御によって前記複数のヒータのそれぞれから出力されたエネルギーのうち、前記判定部で判定された界面より下に位置する第２の温度センサに対応するヒータから出力されたエネルギーを用いる前記気液混合流体の液体の流量の演算、及び前記判定部で判定された界面より上に位置する第２の温度センサに対応するヒータから出力されたエネルギーを用いる前記気液混合流体の気体の流量の演算の少なくとも一方を実行する演算部と、を備えることを特徴とする熱線式流量計測装置。
【請求項２】
前記複数の第２の温度センサは前記管路の内周面に沿って上下方向に並べて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱線式流量計測装置。
【請求項３】
前記第１の温度センサは複数あり、前記第１の測定点で上下方向に並べて配置されており、
前記複数の第１の温度センサのそれぞれは、対応する第２の温度センサと同じ高さに位置しており、
前記制御部は、同じ高さに位置する第１の温度センサと第２の温度センサにより測定された温度の差を所定値に保つフィードバック制御をすることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱線式流量計測装置。
【請求項４】
上層が気体、下層が液体である気液混合流体が水平方向に流れている管路の第１の測定点において、前記気液混合流体の基準となる温度を測定し、かつ前記気液混合流体が流れる方向における前記第１の測定点と異なる位置の第２の測定点において、上下方向の複数の箇所で前記気液混合流体の温度を測定する温度測定ステップと、
前記温度測定ステップ中に前記第２の測定点の前記複数の箇所をそれぞれ個別に加温する加温ステップと、
前記温度測定ステップ中に前記第２の測定点で測定された前記複数の箇所のそれぞれの温度について、前記第１の測定点で測定された温度との差を所定値に保つために、前記加温ステップにおいてフィードバック制御をする制御ステップと、
前記制御ステップによるフィードバック制御によって前記第２の測定点の前記複数の箇所のそれぞれに与えられたエネルギーを比較して、前記気液混合流体の気体と液体の界面の位置を判定する判定ステップと、
前記制御ステップによるフィードバック制御によって前記第２の測定点の前記複数の箇所のそれぞれに与えられたエネルギーのうち、前記判定ステップで判定された界面より下の箇所に与えられたエネルギーを用いる前記気液混合流体の液体の流量の演算及び前記判定ステップで判定された界面より上の箇所に与えられたエネルギーを用いる前記気液混合流体の気体の流量の演算の少なくとも一方を実行する演算ステップと、を備えることを特徴とする熱線式流量計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１９６８０４（Ｐ２０１１−１９６８０４Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６３４２２（Ｐ２０１０−６３４２２）
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
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