JP2007248350A

JP2007248350A - 管内流量測定方法及び装置

Info

Publication number: JP2007248350A
Application number: JP2006074257A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Nakajima; 健一中島; Takumi Sugiura; 匠杉浦
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】配管系の運転を停止する必要のない管内流量測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【解決手段】管内流量測定装置１０は、配管１２の上流側測定口１８と下流側測定口２０との差圧を求める差圧計１４と、予め求められた相当長と差圧計１４の測定値から流量を演算する演算装置１６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は管内流量測定方法及び装置に係り、特に半導体やフラットパネル等を製造する２４時間連続稼働の工場において配管内の流量を測定する管内流量測定方法及び装置に関する。

管内流量を測定する測定方法の一つとして、オリフィスを用いた差圧流量計が知られている（たとえば特許文献１参照）。この差圧流量計は、管内にオリフィス板（絞り板）を固定し、オリフィス板の上流と下流とで圧力を測定し、その測定値の差（すなわち差圧）から管内の流量を求めている。このような差圧流量計は、オリフィスの形状によって測定可能な流量範囲が限られており、測定する流量範囲を変更するには、管内に固定されたオリフィス板を交換しなければならないという問題がある。

このような問題を解消するため、特許文献２に記載の流量計は、オリフィスを固定せずに移動自在に支持してバネで付勢するとともに、オリフィスの位置を検出する流量計が記載されている。この流量計によれば、流量範囲を可変する際には、移動自在に支持されたオリフィス板を交換するだけでよく、設定変更が容易であるとされている。
特開２００４−２２６１４４号公報特開平６−２５８１０６号公報

しかしながら、特許文献１、２の流量計は、配管に取りつける際や、流量範囲を可変する際に、配管系の運転を停止しなければならないという問題があった。すなわち、特許文献１、２の流量計は、配管内を流れる流体の流れを止めて流体を配管内から抜いた後、取付位置の配管を切断して、その部分に流量計を溶接して取りつける必要があった。また、特許文献１、２の流量計は、流量範囲を可変する際に、配管内を流れる流体の流れを止めて流体を配管内から抜いた後、オリフィス板を取り出して交換しなければならないという問題があった。このため、従来は、流量計を取りつける際や流量範囲を可変する際に、配管内の流体の流れを停止して配管系の運転を停止しなければならず、たとえば２４時間連続して運転する工場内の配管への適用が困難であるという問題があった。

また、従来の流量計は、使用前に試験等を繰り返し行うことによって、オリフィス板ごとに異なる流体と圧力損失との関係を関数化する必要があり、準備作業に時間がかかるという問題もあった。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたもので、配管系の運転を停止する必要のない管内流量測定方法及び装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、配管内を流れる流体の流量を測定する管内流量測定方法において、前記配管の上流側測定口と下流側測定口との差圧を差圧計で求め、該求めた差圧と、前記配管内の流量と差圧との関係により予め求めた相当長とによって、前記配管内を流れる流体の流量を演算して求めることを特徴とする。

本発明によれば、予め求めた相当長と差圧計の測定値とから流量を求めるので、配管系の運転を停止することなく管内への取付を行うことができる。すなわち、本発明は、差圧計を配管に取りつけるだけなので、配管の切断や溶接を必要としない。したがって、本発明によれば、測定装置を配管に容易に取りつけて測定を行うことができ、たとえば連続稼働する工場内の配管に測定装置を後付けして流量測定を行うことも可能である。

また、本発明は、オリフィスを必要としない構成なので、オリフィスに特有の不具合が生じない。すなわち、オリフィスを用いた場合のように、流量と圧力損失との関係を関数化するために試験を繰り返して行ったり、流量の測定範囲を変えるたびにオリフィス板を交換したりする必要がない。よって、本発明は、流量測定の準備作業が容易であるとともに、広い流量範囲で測定を行うことができる。

請求項２に記載の発明は請求項１の発明において、前記上流側測定口と前記下流側測定口との間の配管における局所抵抗に基づいて前記相当長を補正して補正相当長を求め、該補正相当長と前記求めた差圧とを用いて流量を演算して求めることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、差圧測定範囲における配管内の局所抵抗（たとえば継手や弁類等）を考慮して補正するようにしたので、局所抵抗を含む配管であっても流量を正確に測定することができる。

請求項３に記載の発明は請求項２の発明において、前記補正相当長と前記流量の演算を、該流量の演算値が所定の収束条件を満たすまで繰り返すことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、流量の演算値が所定の収束条件を満たすまで、流量の演算を繰り返すので、局所抵抗を含む配管において流量をより正確に測定することができる。

請求項４に記載の発明は前記目的を達成するために、配管内を流れる流体の流量を測定する管内流量測定装置において、前記配管の上流側測定口と下流側測定口との差圧を求める差圧計と、前記差圧計の測定値と前記配管内の流量との関係から予め求められた相当長が記憶され、該相当長と前記差圧計の測定値から流量を演算する演算装置と、を備えたことを特徴とする。

請求項４の発明は請求項１の発明を達成する装置の発明であり、請求項１の発明と同様に、配管系の運転を停止することなく管内への取付を行うことができる。また、流量測定の準備作業が容易であるとともに、広い流量範囲で測定を行うことができる。

請求項５に記載の発明は請求項４の発明において、前記演算装置は、前記上流側測定口と前記下流側測定口との間の配管における局所抵抗に基づいて前記相当長を補正して補正相当長を求め、該補正相当長と前記差圧計の測定値とを用いて流量を演算することを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、差圧測定範囲における配管内の局所抵抗（たとえば継手や弁類等）を考慮して補正するようにしたので、局所抵抗を含む配管であっても流量を正確に測定することができる。

請求項６に記載の発明は請求項５の発明において、前記演算装置は、前記補正相当長と前記流量の演算を、該流量の演算値が所定の収束条件を満たすまで繰り返すことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、流量の演算値が所定の収束条件を満たすまで、流量の演算を繰り返すので、局所抵抗を含む配管において流量をより正確に測定することができる。

本発明によれば、予め求めた相当長と差圧の測定値とから流量を求めるので、配管系の運転を停止することなく配管への取付を行うことができる。また、本発明は、オリフィスを必要としない構成なので、流量測定の準備作業が容易であるとともに、広い流量範囲で測定を行うことができる。

以下、添付図面に従って本発明に係る管内流量測定方法及び装置の好ましい実施形態について説明する。

図１は、本発明に係る管内流量測定装置の構成を模式的に示す側面図である。同図に示す管内流量測定装置１０は、配管１２内を矢印方向に流れる流体の流量を測定する装置であり、主として差圧計１４と演算装置１６で構成される。

差圧計１４は、上流側測定口１８と下流側測定口２０とに接続されている。上流側測定口１８、下流側測定口２０は、配管１２内を流れる流体の流れ方向に所定の間隔をあけて設けられ、たとえば配管１２に常設されている圧力測定用タップやエア抜き配管が利用される。差圧計１４は、上流測測定口１８の圧力と、下流側測定口２０の圧力との差、すなわち差圧を求めるように構成される。

演算装置１６は、差圧計１４に電気的に接続されており、この差圧計１４の測定値に基づいて配管１２内を流れる流体の流量を演算する。流量の演算は、差圧計１４で測定した差圧（すなわち圧力損失Ｒ）と、予め求められた相当長Ｌを用いて行われる。以下に、演算装置１６内で行われる演算フローについて図２に基づいて説明する。

まず、図１の配管１２の上流側測定口１８の近傍に仮設した超音波流量計２２によって、流量Ｑ₀を測定するとともに（ステップＳ２）、その際の圧力損失Ｒを差圧計１４によって測定する（ステップＳ１）。なお、超音波流量計２２は、相当長Ｌを求めた後に撤去してもよい。

次に演算装置１６は、超音波流量計２２で測定した流量Ｑ₀と、差圧計１４で測定した圧力損失Ｒを、下記の式（１）に代入し（ステップＳ３）、相当長を求める。

Ｒ＝104.598 ×Ｃ^-1.85×ｄ^-4.87×Ｑ^1.85×Ｌ・・・式（１）
この式（１）は、ヘーゼン・ウィリアムスの流量関係式であり、この式（１）において、Ｒ：圧力損失（ｋＰａ）、Ｑ：管内流量（ｍ³／ｓ）、Ｃ：流速係数、Ｌ：相当長さ（ｍ）、ｄ：配管の内径（ｍ）である。式（１）によって予め求められた相当長（以下、Ｌ₁とする）は演算装置１６に記憶される（ステップＳ４）。

演算装置１６は、差圧計１４によって差圧すなわち圧力損失Ｒが測定されると（ステップＳ５）、この圧力損失Ｒと、予め求めた相当長Ｌ₁とを上記の式（１）に入力し（ステップＳ６）、流量Ｑ₁を算出する（ステップＳ７）。これにより、差圧計１４が差圧を測定した際の配管１２内の流量Ｑ₁を求めることができる。

このように本実施の形態によれば、差圧計１４の測定値と、予め求めた相当長Ｌ₁とに基づいて配管１２内の流量を求めるようにしたので、配管１２に差圧計１４を取りつけるだけで流量を測定することができる。すなわち、従来のように配管１２の内部にオリフィスを固定する必要がないので、オリフィスの設置や交換のために配管１２を切断する必要がない。したがって、本実施の形態によれば、管内流量測定装置１０を配管１２に簡単に取りつけることができる。特に本実施の形態は、配管１２に常設された圧力測定用タップやエア抜き配管を上流側測定口１８や下流側測定口２０として利用して差圧計１４を接続したので、連続稼働する工場の配管等に後付けすることが可能である。

また、本実施の形態によれば、従来のオリフィスが不要になるので、オリフィス特有の不具合、すなわち、流体と圧力損失との関係を関数化するために試験を繰り返し行ったり、流量の測定範囲を変えるたびにオリフィス板を交換したりする必要がない。よって、本発明の管内流量測定装置１０によれば、準備作業が容易になるとともに、広い流量範囲を測定することができる。

次に第２の実施形態の管内流量測定装置について説明する。第２の実施形態の管内流量測定装置は、図１に示した第１の実施形態の管内流量測定装置１０と比較して、演算装置１６で行われる演算フロー以外は、図１の管内流量測定装置１０と同様に構成される。第２の実施形態の演算装置１６で行われる演算フローを図３に示す。

第２の実施形態の管内流量装置は、上述した上流側測定口１８と下流側測定口２０との間の配管１２内に継手や弁類などの局所抵抗があった場合に、この局所抵抗の補正を行う。これは、第１の実施形態で求めた相当長Ｌ₁は、ある流量Ｑ₀であるときの値であり、流量Ｑ₁のとき、厳密には相当長が異なると考えられるためである。そこで、流体の速度関数である継手や弁類などの局所抵抗の相当長（表１に一例を示す）を、流量に応じた値に補正する。その際の演算フローを図３に基づいて説明する。

まず、第１の実施形態の演算フロー（図２参照）と同様に、差圧計１４で圧力損失Ｒを測定するとともに（ステップＳ１１）、超音波流量計２２で流量Ｑ₀を測定する（ステップＳ１２）。そして、それらの測定値Ｒ、Ｑ₀を式（１）に代入して相当長Ｌ₁を求める（ステップＳ１３）。

次に、相当長Ｌ₁から、測定口１８、２０間の配管１２の直管長さＬ′を引くことにより、局所相当長Ｌ₁′を求める（ステップＳ１４）。その一方で、差圧計１４で圧力損失Ｒを測定する（ステップＳ１５）。

次に相当長Ｌ₁と圧力損失Ｒとを式（１）に代入することによって（ステップＳ１６）、流量Ｑ₁を求める（ステップＳ１７）。次いで、上記の局所相当長（局所抵抗）Ｌ₁′を、流量Ｑ₁のときの値に補正し（ステップＳ１８）、局所相当長（局所抵抗）Ｌ₂′を求める（ステップＳ１９）。これにより、直管長さＬ′と局所相当長さＬ₂′を足して、補正後の相当長Ｌ₂を求めることができる（ステップＳ２０）。したがって、補正後の相当長Ｌ₂と前述した圧力損失Ｒを式（１）に代入することによって（ステップＳ２１）、流量Ｑ₂を演算することができる（ステップＳ２２）。

次に、演算した流量Ｑ₂と流量Ｑ₁との差を求め、この差が所定の収束条件を満たすかどうかを判断する（ステップＳ２３）。そして、所定の収束条件を満たす場合には、流量をＱ₂として決定する（ステップＳ２４）。

所定の収束条件を満たさない場合には、同様のフローを繰り返し行うことによって、流量Ｑ₃（すなわち求めた流量Ｑ_nに対して流量Ｑ_n+1）を求める。具体的には、局所相当長（局所抵抗）Ｌ₂′（すなわちＬ_n′）を、流量Ｑ₂（すなわちＱ_n）のときの値に補正し（ステップＳ２５）、局所相当長（局所抵抗）Ｌ₃′（すなわちＬ_n+1′）を求める（ステップＳ２６）。そして、直管長さＬ′と局所相当長Ｌ₃′（すなわちＬ_n+1′）を足して補正後の相当長Ｌ₃（すなわちＬ_n+1）を求める（ステップＳ２７）。次に、求めた相当長Ｌ₃（すなわちＬ_n+1）と、ステップＳ１５で差圧計１２が測定した圧力損失Ｒとを式（１）に代入し（ステップＳ２８）、流量Ｑ₃（すなわちＱ_n+1）を求める（ステップＳ２９）。

次に、求めたＱ₃とＱ₂との差（すなわちＱ_n+1−Ｑ_n）を求め、この差が所定の収束条件を満たすかどうかを判断する（ステップＳ３０）。そして、所定の収束条件を満たさない場合には、ステップＳ２５に戻り、同様のフローを繰り返して流量を再度求める。また、収束条件を満たす場合には、Ｑ_n+1を流量として決定する（ステップＳ３１）。

以上のようにして流量を演算した場合は、局所抵抗の相当長が補正されているので、測定口１８、２０間の配管１２に継手や弁類などの局所抵抗がある場合であっても、流量の測定を正確に行うことができる。したがって、第２の実施形態によれば、継手や弁類などの局所抵抗を含む配管１２であっても、管内流量測定装置を取りつけて流量を正確に測定することができる。

なお、第２の実施の形態は、局所抵抗を含む配管１２内の流量を測定できるので、たとえば空調機や冷凍機などのコイル、または熱交換器、あるいはダクトに取りつけて流量を測定することができる。たとえば、図４に示す管内流量測定装置は、熱交換器２４内を流れる流体の流量を測定する装置である。熱交換器２４には、配管１２、１２が接続されており、この配管１２、１２内を熱媒体が流れるようになっている。配管１２、１２にはそれぞれ、上流側測定口１８と下流側測定口２０が設けられ、この上流側測定口１８と下流側測定口２０に差圧計１４が接続される。なお、測定口１８、２０として、配管１２に常設された圧力測定用タップやエア抜き配管を利用することが好ましい。

差圧計１４には演算装置１６が接続されており、この演算装置１６は図３の演算フローに基づいて流量を演算するようになっている。したがって、熱交換器２４の内部に継手や弁類があっても、熱交換器２４内を流れる熱媒体の流量を正確に求めることができる。

なお、上述した第１、第２の実施形態は、ヘーゼン・ウィリアムスの式（１）を用いて演算を行うようにしたが、他の流量関係式、たとえば下記に示す式（２）を用いて演算を行うようにしても良い。

Ｒ＝λ×（Ｌ／ｄ）×（ｖ²／２）×ρ・・・式（２）
この式は、ダルシー・ワイスバッハの流量関係式であり、Ｒ：圧力損失（ｋＰａ）、ｄ：管の内径（ｍ）、λ：摩擦係数、ｖ：流体の速度（ｍ／ｓ）、Ｌ：相当長（ｍ）、ρ：流体の密度（ｋｇ／ｍ³）である。

本発明の管内流量測定装置の第１の実施形態の構成を示す模式図第１の実施形態における演算フローを示す図第２の実施形態における演算フローを示す図第２の実施形態の管内流量測定装置の変形例を示す斜視図

符号の説明

１０…管内流量測定装置、１２…配管、１４…差圧計、１６…演算装置、１８…上流側測定口、２０…下流側測定口、２２…超音波流量計、２４…熱交換器

Claims

配管内を流れる流体の流量を測定する管内流量測定方法において、
前記配管の上流側測定口と下流側測定口との差圧を差圧計で求め、
該求めた差圧と、前記配管内の流量と差圧との関係により予め求めた相当長とによって、前記配管内を流れる流体の流量を演算して求めることを特徴とする管内流量測定方法。
前記上流側測定口と前記下流側測定口との間の配管における局所抵抗に基づいて前記相当長を補正して補正相当長を求め、該補正相当長と前記求めた差圧とを用いて流量を演算して求めることを特徴とする請求項１に記載の管内流量測定方法。
前記補正相当長と前記流量の演算を、該流量の演算値が所定の収束条件を満たすまで繰り返すことを特徴とする請求項２に記載の管内流量測定方法。
配管内を流れる流体の流量を測定する管内流量測定装置において、
前記配管の上流側測定口と下流側測定口との差圧を求める差圧計と、
前記差圧計の測定値と前記配管内の流量との関係から予め求められた相当長が記憶され、該相当長と前記差圧計の測定値から流量を演算する演算装置と、
を備えたことを特徴とする管内流量測定装置。
前記演算装置は、前記上流側測定口と前記下流側測定口との間の配管における局所抵抗に基づいて前記相当長を補正して補正相当長を求め、該補正相当長と前記差圧計の測定値とを用いて流量を演算することを特徴とする請求項４に記載の管内流量測定装置。
前記演算装置は、前記補正相当長と前記流量の演算を、該流量の演算値が所定の収束条件を満たすまで繰り返すことを特徴とする請求項５に記載の管内流量測定装置。