独立行政法人産業技術総合研究所
気体流量標準の最近の動向
2013年3月1日 ⼤阪マーチャンダイズマートビル第8回
NMIJ流量計測クラブ
気体流量標準研究室 石橋雅裕－
水素・都市ガス、蒸気、大流速
－
独立行政法人産業技術総合研究所既存気体流量流速標準
流量
標準
流速
標準
小
流量
8 mm
3/h
～
5 m
3/h
（各種ガス）
中
流量
5 m
3/h
～
5000 m
3/h
（空気）
微
風速
5 cm/s ～ 1.5 m/s
中
流速
1.3 m/s ～ 40 m/s
（～ 10000 m3/h） 計量研～産総研第1期、第2期時代独立行政法人産業技術総合研究所
気体流量流速 既存標準設備
微風速
•地下トンネル走行台車中流速
•回転円盤LDV校正設備 •校正風洞気体小流量
•定積槽システム（微小流量） •秤量システム（小流量） •臨界ノズルによる校正設備気体中流量
•定積槽システム •閉ループ式校正設備流量
標準
流速
標準
小
流量
8 mm
3/h ～
5 m
3/h
（各種ガス）
中
流量
5 m
3/h
～ 5000 m
3/h
（空気）
微
風速
5 cm/s ～
1.5 m/s
中
流速
1.3 m/s ～ 40
m/s
気体流量流速標準［最近の展開］
水素標準（高圧）
蒸気（高温、気液混相流）
大流速（～100 m/s）
流速vs.流量
拡大 拡大 リーク標準 産総研第3期独立行政法人産業技術総合研究所
流量標準の範囲
大気圧空気換算流量 (10 mg/min - 180 g/min) 5000 (m3/h) 1000 9 5 4 8 max.1000 m3/h max.200 m3/h (cm3/min) (m3/h) (mm3/h) 小型定積槽 閉ループ式校正設備 小流量校正設備 マルチノズルチャンバMulti Nozzle Chamber
(m3/h)
小流量
中流量
秤量タンク 大型定積槽 5 mg/min 180 g/min 10g/min 5 m3/h flowmeters vs. CFVNs flowmeters vs. CVT flowmeters vs. CFVNs (5 m3/[email protected] MPa - 1000 m3/[email protected] MPa ) CFVNs vs. CVT CFVNs vs. Tank水素標準
蒸気標準
拡大 拡大 独立行政法人産業技術総合研究所気体流量標準の最近の展開
• 水素ガス・都市ガスの流量計量に関する標準を整備 • JCSSのもとで供給を開始定置用燃料電池
燃料電池自動車
水素
水素を取り出すための都市ガス
2014年までに高圧
70 MPa
vs.
0.７ MPa
標準設備
（ニーズ） （シーズ）水素流量
高圧へ！
独立行政法人産業技術総合研究所
小流量標準設備
(0.７ MPa)
(10 mg/min - 180 g/min, Air, N2, Ar, ...)
大気圧空気換算 4 cm3/min～5 m3/h 不確かさ 0.05 % ～ 0.25 % (k=2) 臨界ノズル 電子天秤 機械式天秤 臨界ノズル校正設備 分解能：0.01 mg 分解能：0.1 mg 流量計校正装置： 臨界ノズル基準 (5 mg/min - 180 g/min -...) 不確かさ 0.07 % - 0.26 % (k=2)
小流量標準設備
(0.７ MPa)
(10 mg/min - 180 g/min, Air, N2, Ar, ...)
マルチノズルチャンバ ５個のノズルの並列接続 校正され た臨界 ノ ズ ル マルチノズル 天秤 マルチノズル チャンバ
独立行政法人産業技術総合研究所
水素：低圧から高圧へ
0.７ M
Pa →
70 M
Pa
高圧用 臨界ノズル国
家
標
準
設
備
圧力調整 8個 基準 臨界ノズルFCV
ディスペンサ
水素ステーション
校正70 M
Pa
0.7 M
Pa
臨界ノズル式
流量計
経済産業省HP 「燃料電池自動車1,100km長距離走行実証レポート」より マルチ ノズル 等エントロピー変化で 70 K程度 液化は20 K程度 コリオリ 校正 独立行政法人産業技術総合研究所水素：低圧から高圧へ
0.７MPa → 70 MPa
100 MPa 圧力計 自動圧力制御装置 H2 (0.7 MPa) H2 (70 MPa)臨界ノズル式流量計
マルチノズル式校正器 標準不確かさ：0.6 % 再現性：±0.3 % 標準不確かさ：0.2 %Max.700 g/[email protected] MPa
独立行政法人産業技術総合研究所
水素：
低圧標準 (0.７ MPa)
マルチノズル式校正器 （0.7 MPa)
臨界ノズル x 8 (φ2.4 mm)
標準不確かさ：0.2 % 0.7 MPa max.700 g/min
ガス種拡大
気体流量標準の最近の展開
定置用燃料電池
燃料電池自動車
水素
水素を取り出すための都市ガス
都市ガス流量
季節、産地によって成分が変わる独立行政法人産業技術総合研究所
都市ガス流量
ISO臨界ノズル（ISO 9300: 2005) d C 流出係数 は、全ガスで共通 臨界定数C* は、各ガス固有 AIR、N2、CH4、、、NGの係数有り 流量 * A スロート面積 0 p 圧力 0 T 温度 R 気体定数8.31451 M モル質量 ガス種拡大 独立行政法人産業技術総合研究所都市ガス流量
ISO臨界ノズル（ISO 9300: 2005) 流量 流出係数Cd は、全ガスで共通 臨界定数C* は、各ガス固有 （AIR、N2、CH4、、、NGの係数有り） AIR、N2、CH4などで臨界ノズルを校正 → 各臨界定数C*を用いて流出係数Cdを求める（SO理論式の検証） → 測定したい都市ガスの成分からC*を計算（不確かさ0.10 %～0.15 %） → 先に求めたCdを用いて流量を測定する （C*の不確かさは、0.1%～0.15%） ガス種拡大独立行政法人産業技術総合研究所
気体流量流速標準［最近の展開］
蒸気流量
• 高温（100～200 ℃） • 凝縮水の存在（→計測誤差の増大）小規模食品店舗～大型プラント～地域暖房
省エネの次期ターゲット （電力省エネから蒸気省エネへ） 現在の計測誤差は？？ 10%？ 20%？ 熱源不足を避けるための供給の安全率 省エネ2層流へ！
蒸気流量
工場、地域暖房、等における熱源用蒸気配管系の省エネ
供給先での熱的価値を持つ流体の流量（水成分を除いた
蒸気のみの流量）が必要
乾燥蒸気
ボイラー (飽和蒸気) 乾燥機供給元
パイプライ
ン
放熱
加熱器使用現場
湿り蒸気
水成分に
熱源的価値は
ほとんど無い
現場での熱量不足 を避けるため、 大きな安全率が必要10%？
20%？
独立行政法人産業技術総合研究所
蒸気流量
・・・混相流（気体が主）
気相成分のみ
の流量を測定する（ほとんどが気相成分）
→
気相成分の流量に
近い値
が示されるが・・・
←
通常、
気体用流量計
が用いられる。
Q
気相Q
液相OR
をどのように補正するか?
(
O
ver
R
eading)
測定値＝Q
気相＋誤差成分
気体用
流量計
10 ～ 20 %
を
1 ～ 2 %
へ
独立行政法人産業技術総合研究所湿り蒸気流量校正設備
コンセプト
ボイラー
飽和蒸気乾燥機
乾燥蒸気 湿り度が既知の 湿り蒸気冷却機
取り除いたエンタルピーを計算被校正流量計
水成分のみ ・・・T と Q の測定値からコリオリ流量計
冷却水
循環
T Q 総流量測定 20 ~ 30 °C蒸気流量
・・・混相流（気体が主）
熱交換機
水 湿り蒸気独立行政法人産業技術総合研究所 飽和蒸気、最大 800 kg/s 湿り度設定用冷却系 基準メータ 被校正流量計 Dry steam Wet steam
蒸気流量
・・・混相流（気体が主）
電力中央研究所蒸気流量
・・・混相流（気体が主）
max.Q 830 kg/h max.P 1.6 MPa max.T 500 K Wetness= Dry ~ 15 % WETNESS= total mass water mass WETNESS= total mass water mass total mass water mass共同研究
東京電力 電力中央研究所独立行政法人産業技術総合研究所
乾燥蒸気流量
単相気体
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 200 300 400 500 600 700 flow rate (m3 /h) difference (%)DRY STEAM vs. AIR
乾燥蒸気と室温空気による校正結果の比較
乾燥蒸気
(~150 °C)vs.
室温空気
(~25°C) 気体中流量校正設備±1%で一致
（温度が違うだけで普通の気体である） 独立行政法人産業技術総合研究所 -15 -10 -5 0 5 0 5 10 15 wetness (%) (Q or if ic e -Q Cori ol is )/ QCori o lis (% ) Hussein 0.6 MPa Hussein 0.4 MPa 0.3 MPa 0.35 MPa 0.4 MPa 0.5 MPa 0.6 MPa super-heatedvs. 総流量
誤差は湿り度に比例するはず ・・・（水成分が計測されないため）vs. 気相成分
OR（オーバーリーディング)が検出Over-Reading
蒸気流量
・・・混相流（気体が主）
0 0 水に変わった分独立行政法人産業技術総合研究所
流速標準 既存設備
5 cm/s - 1.5 m/s 1.3 m/s - 40 m/s 走行台車 風洞＋LDV微風速
中流速
5 cm/s 1.5 1.3 m/s 40 m/s m/s 無人地下における安定した温度、無風状態 不確かさ 7 mm/s - 9 mm/s (k=2) 14 % - 0.6 %微風速
標準設備
走行台車
(5 cm/s - 1.5 m/s) レーザー干渉計による速度測定 走行台車 全長45 m 二重壁構造独立行政法人産業技術総合研究所 7500 33 00 Corner vanes Fan DC Motor Honeycomb Test section
Screens 12 00 40 0 40 0 Ultrasonic reference anemometer 不確かさ 0.1 % - 0.5 % (k=2) 不確かさ 0.3 % - 0.7 % (k=2)
中流速
標準設備
LDV校正用回転円盤
(1.3 m/s - 40 m/s) 回転円盤 回転円盤 LDV 超音波流速計（基準） 独立行政法人産業技術総合研究所流速標準［最近の展開］
大流速へ！
猛烈な台風・竜巻
強風による脱線転覆
1966第2宮古島台風 85.3 m/s 2006日豊本線脱線転覆、F2～F3ランク（59～92 m/s） 2005カトリーナ78 m/s、2005リタ80 m/s、2005ウィルマ82m/s異常気象
地球温暖化
気象観測のグローバル化
大流速
省エネ、環境、新エネ
（流速分布の測定）
エンジン開発
煙突流量
ダクト流速
独立行政法人産業技術総合研究所
流速標準の拡大
5 cm/s - 1.5 m/s 1.3 m/s - 40 m/s 走行台車 風洞＋LDV微風速
中流速
5 cm/s 1.5 1.3 m/s 40 m/s m/s90
m/s大流速
～ 90、100 m/s 流量→流速（風洞＋ピトー管）大流速風洞
～ 40 m/s ～ 100 m/s
コンセプト
100 mmφ自由空間噴流、エッフェル型
要素分割型、様々な実験に応用
ピトー管で気体中流量から標準供給
様々な大きさの風洞で閉塞による流速変化補正方法の確立
60 mmφ 100 mmφ 400 mm□（～ 40m/s） 1400 mm□（～ 45m/s） 等加速 変換胴独立行政法人産業技術総合研究所
大流速標準用風洞
噴流径100 mm ～ 100 m/s 全長8.4 m 独立行政法人産業技術総合研究所大流速標準用風洞
計測ノズル 面積比１：１６ 整流胴（ハニカム＋メッシュ） 分割式 出口径 100 mmφ独立行政法人産業技術総合研究所
大流速標準用風洞
計測ノズル 100 mmφ 120 m/s 予備測定結果： 流速分布 ±0.06%以下 乱れ強さ 0.24%以下 極座標トラバース 管内流速分布測定例 ～40 m/s流量から流速へ
気体流量国家標準
（中流量） ピトー管 流量－流速 変換ノズル ピトー管 熱線流速計 分布測定 →流量から流速に分解独立行政法人産業技術総合研究所
流量から流速へ、流速と流量へ
流量標準設備
60 mmφ 流速発生ノズル 流量 流速 ピトー管測定流速分布測定
正確な流量
熱線流速計 ピトー管 LDV 独立行政法人産業技術総合研究所流量から流速へ、流速と流量へ
流速分布
＆
正確な流量
＝
正確な流速
独立行政法人産業技術総合研究所 ガス種拡大
