JP2004264200A

JP2004264200A - 開水路用流量計

Info

Publication number: JP2004264200A
Application number: JP2003055616A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Nosaka; 佳孝野坂
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2004-09-24

Abstract

【課題】この発明は、気泡や濁水の影響を極力抑えることができ、常に安定した流量の計測が可能となる超音波式流量計を得る。
【解決手段】ガイド部材５が水路壁２で構成される開水路の両岸間に架設され、一対の支持パイプ９がそれぞれガイド部材５に案内されて水平移動可能に取り付けられて、鉛直状態に開水路内に延設されている。また、超音波式流速計１０が各支持パイプ９の下端側に取り付けられている。そして、制御装置１１が、超音波式流速計１０の受信強度が変動したときに、該受信強度が所定の範囲内に入るように、ウインチ７を駆動して各支持パイプ９をガイド部材５に沿って水平移動させ、超音波の伝播距離を調整する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、開水路を流れる上下水道の原水や処理水等の流量を測定する開水路用流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の開水路用流量計においては、超音波式レベル計発信器が開水路上面の上部に固定設置され、一対の超音波式流速計プローブが開水路の両側壁に相対するように、かつ、深さ方向に移動可能に設置されている。この超音波式レベル計発信器は、水面に向けて超音波を発射し、水面で反射して帰ってくるまでの時間を計測し、開水路を流れる流体の水深を測定する。一方、超音波式流速計プローブは、超音波式レベル計発信器で測定された水深に対して予め設定された比率の高さ位置に移動され、平均流速を測定する。そして、超音波式レベル計発信器で測定された水深と、超音波式流速計プローブで測定された平均流速とから、開水路を流れる流体の流量を算出している。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５５−７２８１９号公報（第３図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の開水路用流量計においては、超音波が発信側の超音波式流速計プローブから受信側の超音波式流速計プローブに安定して到達することが前提となる。そして、流体内を伝播する超音波が開水路の土木構造や流体の水質によって発生する気泡や濁度等の影響で大きく減衰する状況下では、受信側の超音波式流速計プローブでの満足な受信が得られなくなる。その結果、流速の測定が不可能となったり、測定精度が悪化することになり、開水路を流れる流体の流量を安定して、正確に測定できなくなるという不具合があった。
【０００５】
この発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、超音波式流速計を水平移動させて超音波式流速計の受信強度の変動を抑制するように超音波の伝播距離を調整し、開水路内を流れる流体の流量を安定して、正確に測定できる開水路用流量計を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る開水路用流量計は、開水路を流れる流体の水位を計測する超音波式水位計と、水平移動可能に設けられ、上記流体の流速を計測する超音波式流速計と、上記超音波式水位計からの水位信号と上記超音波式流速計からの流速信号とに基づいて上記流体の流量を算出するとともに、上記超音波式流速計を水平移動させて上記超音波式流速計の受信強度の変動を抑制するように超音波の伝播距離を調整する制御装置とを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る開水路用流量計の構成を説明する断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る開水路用流量計の構成を説明する上面図である。なお、図２では超音波式水位計および変換器が省略されている。
【０００８】
図１および図２において、流体としての水１は、水路壁２によって構成される開水路内を図１の紙面に垂直な方向に流れている。超音波式水位計３は、開水路上面の上部に固定設置され、水面１ａに向けて超音波を発射し、これが水面１ａで反射して帰ってくるまでの時間を変換器４で計測して、その時の水位を測定し、水位信号を出力する。
【０００９】
ガイド部材５は、開水路の両岸間に架設され、一対の滑車６がガイド部材５の長さ方向に離間してガイド部材５の中央部に配設されている。そして、ウインチ７がガイド部材５の両端にそれぞれ設置され、無端状のワイヤー８が滑車６とウインチ７の胴部とに緊張状態に掛け渡されている。さらに、支持パイプ９が一端を各ワイヤー８に固定されて、開水路内に鉛直に延設されている。さらにまた、超音波式流速計１０が各支持パイプ９の他端側に水平方向に相対するように配設されている。ここで、ガイド部材５、滑車６、ウインチ７、ワイヤー８および支持パイプ９から超音波式流速計１０の移動機構が構成されている。
そこで、ウインチ７が正転／逆転駆動されると、ワイヤー８が走行され、各支持パイプ９が鉛直状態を維持しつつガイド部材５の長さ方向に往復移動する。これにより、各超音波式流速計１０がガイド部材５の長さ方向に水平に往復移動し、一対の超音波式流速計１０間の水平距離が可変となる。この時、超音波式流量計１０の移動方向は、超音波の伝播方向に一致し、一対の超音波式流速計１０間の水平距離が超音波の伝播距離となる。
また、制御装置１１は、超音波式水位計３からの水位信号と、超音波式流速計１０からの流速信号とから開水路内を流れる水１の流量を算出するとともに、一対の超音波式流速計１０間の水平距離を調整するようにウインチ７を駆動制御する。
【００１０】
ついで、このように構成された開水路用流量計の動作について制御装置１１の動作に基づいて説明する。
まず、超音波式流速計１０は、制御装置１１により、その超音波の送信強度が設定強度となるように駆動される。そして、超音波が水１内を伝播する際に、気泡と接触する回数が多くなると、超音波の伝播強度が低下する。また、水１の濁度が大きくなると、超音波の伝播強度が低下する。その結果、超音波式流速計１０での超音波の受信強度が低下する。
そして、制御装置１１は、超音波の発射から受信までの時間から一対の超音波式流速計１０間の超音波の伝播距離を常時計測している。
【００１１】
制御装置１１は、超音波式流速計１０の超音波の受信強度をモニターしている。そして、その受信強度が第１設定強度と第２設定強度との間であれば、超音波式水位計３からの水位信号と超音波式流速計１０からの流速信号とに基づいて演算処理し、流量を計測している。なお、第１設定強度＜第２設定強度となっている。
【００１２】
また、制御装置１１は、受信強度が第１設定強度より低下したと判定すると、流速信号を一旦ホールドし、一対の超音波式流速計１０間の距離が短くなるようにウインチ７を駆動する。これにより、超音波の伝播距離が短くなり、例えば超音波の伝播過程での気泡との接触回数が減り、超音波の伝播強度の低減が抑えられ、受信強度が高められる。そして、制御装置１１は、受信強度が第１設定強度を超えたと判定すると、ウインチ７の駆動を停止し、瞬時に伝播距離等の流速演算のための内部パラメータを変更する。この内部パラメータの変更後、流速信号のホールドを解除し、変更された内部パラメータに基づいて流量を算出する。
【００１３】
さらに、制御装置１１は、受信強度が第２設定強度より大きくなったと判定すると、流速信号を一旦ホールドし、一対の超音波式流速計１０間の距離が長くなるようにウインチ７を駆動する。これにより、超音波の伝播距離が長くなり、超音波の伝播強度が低減され、受信強度が低下される。そして、制御装置１１は、受信強度が第２設定強度より低下したと判定すると、ウインチ７の駆動を停止し、瞬時に伝播距離等の流速演算のための内部パラメータを変更する。この内部パラメータの変更後、流速信号のホールドを解除し、変更された内部パラメータに基づいて流量を算出する。
なお、超音波式水位計３および変換器４は、上述の動作に関係なく動作されている。
【００１４】
このように、この実施の形態１では、一対の超音波式流速計１０が超音波の伝播方向に移動可能に構成され、制御装置１１が、超音波式流速計１０の受信強度をモニターし、受信強度が第１設定強度より低下すると、超音波式流速計１０間の超音波の伝播距離が短くなるように超音波式流速計１０の移動を制御している。そこで、気泡の発生が多くなることに起因する水１内を伝播する超音波と気泡との接触する回数の増大は、超音波式流速計１０間の超音波の伝播距離が短くなることで抑制され、受信強度の低下が抑えられる。同様に、水１の濁度が大きくなることに起因する超音波の伝播強度の低減は、超音波式流速計１０間の超音波の伝播距離が短くなることで抑制され、受信強度の低下が抑えられる。その結果、平均流速が安定して、精度よく計測される。
【００１５】
また、制御装置１１が、超音波式流速計１０の受信強度をモニターし、受信強度が第２設定強度より大きくなると、超音波式流速計１０間の超音波の伝播距離が長くなるように超音波式流速計１０の移動を制御している。そこで、気泡の発生がおさまったり、濁りが消えたりした場合には、超音波式流速計１０間の距離が通常状態に戻される。その結果、伝播距離が長くなり、安定した受信強度が得られるようになり、平均流速が安定して、精度よく計測される。
従って、超音波式流量計の計測における気泡や濁水の影響を極力抑えることができ、常に安定した流量の計測が可能となる。
【００１６】
また、対となる超音波式流速計１０がともに移動可能に構成されているので、超音波式流速計１０間の超音波の伝播領域の選択自由度が多くなり、気泡の発生場所や濁度の大きい場所を避けるように超音波の伝播領域を設定することができる。
【００１７】
なお、上記実施の形態１では、超音波式流速計１０の移動機構がガイド部材５、滑車６、ウインチ７、ワイヤー８および支持パイプ９から構成されているものとしているが、超音波式流速計１０の移動機構はこの構成に限定されるものではなく、超音波式流速計１０を水平に移動できる機構であればよい。
【００１８】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る開水路用流量計の構成を説明する上面図、図４は図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。なお、図３および図４では超音波式水位計３、変換器４および制御装置１１が省略されている。
【００１９】
図３および図４において、ガイド部材１２は、螺旋棒（図示せず）が中空パイプ１２ａ内に回転自在に配設され、ガイド溝１２ｂが中空パイプ１２ａの長さ方向に延在するように形成され、さらに螺旋棒に螺合されたナット（図示せず）が中空パイプ１２ａ内に回転を規制されて摺動自在に配設されている。そして、ガイド部材１２が、中空パイプ１２ａを水平として、ガイド溝１２ｂを相対して、水路壁２の両側壁面に配設されている。また、螺旋棒を回転駆動するモータ１３がガイド部材１２の一端に配設されている。
支持パイプ１４は、例えば内パイプが外パイプに対して回動自在に構成された二重パイプ構造をとり、外パイプがガイド溝１２ｂを介してナットに固定されて、開水路内に鉛直に延設されている。そして、内パイプを回転駆動するモータ１５が外パイプの上端に取り付けられている。また、超音波式流速計１０が外パイプの下端側に形成された周方向の切り欠き（図示せず）を介して内パイプに固定されている。
【００２０】
ここで、ガイド部材１２、モータ１３および支持パイプ１４から超音波式流速計１０の移動機構が構成され、支持パイプ１４およびモータ１５から超音波式流速計１０の回動機構が構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２１】
この実施の形態２では、モータ１３が駆動されて、螺旋棒が回転する。そして、螺旋棒とナットとの螺合により、螺旋棒の回転力が直線移動力に変換され、ナットが螺旋棒、即ちガイド部材１２の長さ方向に往復移動する。これにより、超音波式流速計１０が開水路の水路方向に水平に往復移動する。
また、モータ１５が駆動され、支持パイプ１４の内パイプが回動される。これにより、超音波式流速計１０が、鉛直線周りに回動する。
【００２２】
ついで、この実施の形態２による開水路用流量計の動作の特徴部分について説明する。
まず、制御装置１１は、各モータ１３を駆動して、各超音波式流速計１０を設定位置に位置させ、各モータ１５を駆動して、超音波式流速計１０間で超音波の授受が確実に行われるように、各超音波式流速計１０の向きを調整する。そして、制御装置１１は、超音波式水位計３および超音波式流速計１０を動作させ、通常の流量計測を開始する。
【００２３】
そして、制御装置１１は、受信強度が第１設定強度より低下したと判定すると、流速信号を一旦ホールドし、各モータ１３を駆動する。これにより、各超音波式流速計１０は、図３中矢印で示されるように、ガイド部材１２に案内されて水平移動し、一対の超音波式流速計１０間の距離が短くなる。この超音波式流速計１０の移動中、制御装置１１は、超音波式流速計１０の移動距離に基づいて各モータ１５を駆動し、超音波式流速計１０間で超音波の授受が確実に行われるように、各超音波式流速計１０の向きを調整している。これにより、超音波の伝播距離が短くなり、例えば超音波の伝播過程での気泡との接触回数が減り、超音波の伝播強度の低減が抑えられ、受信強度が高められる。そして、制御装置１１は、受信強度が第１設定強度を超えたと判定すると、モータ１３、１５の駆動を停止し、瞬時に伝播距離等の流速演算のための内部パラメータを変更する。この内部パラメータの変更後、流速信号のホールドを解除し、変更された内部パラメータに基づいて流量を算出する。
【００２４】
また、制御装置１１は、受信強度が第２設定強度より大きくなったと判定すると、流速信号を一旦ホールドし、一対の超音波式流速計１０間の距離が長くなるように各モータ１３を駆動する。同様に、超音波式流速計１０の移動距離に基づいて各モータ１５が駆動され、超音波式流速計１０間で超音波の授受が確実に行われるように、各超音波式流速計１０の向きが調整される。これにより、超音波の伝播距離が長くなり、超音波の伝播強度が低減され、受信強度が低下される。そして、制御装置１１は、受信強度が第２設定強度より低下したと判定すると、モータ１３、１５駆動を停止し、瞬時に伝播距離等の流速演算のための内部パラメータを変更する。この内部パラメータの変更後、流速信号のホールドを解除し、変更された内部パラメータに基づいて流量を算出する。
【００２５】
従って、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００２６】
なお、上記実施の形態２では、超音波式流速計１０の移動機構がガイド部材１２、モータ１３および支持パイプ１４から構成され、回動機構が支持パイプ１４およびモータ１５から構成されているものとしているが、超音波式流速計１０の移動機構および回動機構はこれらの構成に限定されるものではなく、超音波式流速計１０を水平に移動あるいは鉛直軸周りに回動できる機構であればよい。
【００２７】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３に係る開水路用流量計の構成を説明する断面図、図６はこの発明の実施の形態３に係る開水路用流量計の構成を説明する上面図である。なお、図５および図６では超音波式水位計３、変換器４および制御装置１１が省略されている。
【００２８】
図５および図６において、昇降機構部１６が支持パイプ９の上端に取り付けられている。そして、超音波式流速計１０は支持パイプ９に昇降可能に取り付けられ、ワイヤー１７を介して昇降機後部１６に連結されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２９】
この実施の形態３では、制御装置１１は、超音波式流速計１０からの超音波の受信強度に加えて、超音波式水位計３からの水位信号をもモニターしている。
そして、上記実施の形態１と同様に、制御装置１１は、受信強度が第１設定強度と第２設定強度との間に入るように超音波式流速計１０間の距離を調整し、流量を計測している。
さらに、制御装置１１は、超音波式水位計３からの水位信号に基づいて昇降機後部１６を駆動し、超音波式流速計１０の深さ位置を調整している。これにより、超音波式流速計１０の深さ位置が、水面１ａのレベルの変動に追従して調整される。一般に、自由表面をもち、水路勾配のみによって流れている長方形断面或いはそれに近い断面形状の水路においては、その断面上での平均流速のレベル位置は、その時の水深Ｈに対して０．３Ｈ〜０．５Ｈの点にあることが知られている。そこで、制御装置１１が、超音波式流速計１０を、水２の水深Ｈに対して０．３Ｈ〜０．５Ｈの範囲に位置させるように、水面１ａのレベルの変動に追従して調整することが望ましい。これにより、水１の平均流速を正確に計測することができる。
【００３０】
このように、この実施の形態３によれば、気泡や濁度の影響に加えて、水１の水位の変動の影響をも抑えて平均流速を計測できるので、常に安定した、精度の高い流量の計測を行うことができる。
【００３１】
なお、この実施の形態３では、超音波式流速計１０の移動機構がガイド部材５、モータ７および支持パイプ９から構成され、昇降機構が支持パイプ９、昇降機構部１６およびワイヤー１７から構成されているものとしているが、超音波式流速計１０の移動機構および昇降機構はこれらの構成に限定されるものではなく、超音波式流速計１０を水平に移動および鉛直に移動できる機構であればよい。
【００３２】
実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態３に係る開水路用流量計の構成を説明する断面図、図８は図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢視断面図である。なお、図７および図８では超音波式水位計３、変換器４および制御装置１１が省略されている。
【００３３】
図７および図８において、支持パイプ１８は、例えば長尺の内パイプ２０が短尺の外パイプ１９に回転自在に装着された二重パイプ構造をとり、外パイプ１９がガイド溝１２ｂを介してナットに固定され、外パイプ１９から延出する内パイプ２０が開水路内に鉛直に延設されている。そして、内パイプ２０を回転駆動するモータ１５が外パイプ１９の上端に取り付けられている。また、超音波式流速計１０が内パイプ２０に形成された長さ方向のガイド溝２０ａに案内されて昇降可能に内パイプ２０に取り付けられている。そして、昇降機構部１６が内パイプ２０と同期して回動できるように外パイプ１９に取り付けられ、超音波式流速計１０がワイヤー１７を介して昇降機構部１６に連結されている。
なお、他の構成は上記実施の形態２と同様に構成されている。
【００３４】
この実施の形態４では、モータ１５が駆動され、支持パイプ１８の内パイプ２０が外パイプ１９に対して回動される。これにより、超音波式流速計１０が、鉛直線周りに回動する。この時、昇降機後部１６は内パイプ２０と同期して回動し、超音波式流速計１０と昇降機後部１６とは鉛直方向に並んでいる。
また、昇降機構部１６が駆動され、超音波式流速計１０がガイド溝２０ａに案内されて昇降する。
【００３５】
この実施の形態４では、制御装置１１は、超音波式流速計１０からの超音波の受信強度に加えて、超音波式水位計３からの水位信号をもモニターしている。
そして、上記実施の形態２と同様に、制御装置１１は、受信強度が第１設定強度と第２設定強度との間に入るように超音波式流速計１０間の距離を調整し、かつ、超音波式流速計１０の移動距離に基づいて各モータ１５が駆動され、超音波式流速計１０間で超音波の授受が確実に行われるように、各超音波式流速計１０の向きを調整して、流量を計測している。
さらに、制御装置１１は、超音波式水位計３からの水位信号に基づいて昇降機後部１６を駆動し、超音波式流速計１０の深さ位置を調整している。これにより、超音波式流速計１０の深さが、例えば水２の水深Ｈに対して０．３Ｈ〜０．５Ｈの範囲に位置するように、水面１ａのレベルの変動に追従して調整される。
【００３６】
このように、この実施の形態４によれば、気泡や濁度の影響に加えて、水１の水位の変動の影響をも抑えて平均流速を計測できるので、常に安定した、精度の高い流量の計測を行うことができる。
【００３７】
なお、この実施の形態４では、超音波式流速計１０の移動機構がガイド部材１２、モータ１３および支持パイプ１８から構成され、回動機構がモータ１５および支持パイプ１８から構成され、昇降機構が昇降機構部１６、ワイヤー１７および支持パイプ１８から構成されているものとしているが、超音波式流速計１０の移動機構、回動機構および昇降機構はこれらの構成に限定されるものではなく、超音波式流速計１０を水平に移動、鉛直に移動および鉛直軸周りに回動できる機構であればよい。
【００３８】
なお、上記各実施の形態では、対となる超音波式流速計１０がともに移動可能に構成されているものとしているが、超音波式流速計において、変動した超音波の受信強度を超音波の伝播距離を変えて所定の強度に調整できればよく、少なくとも一方の超音波式流速計１０が移動可能に構成されていればよい。
また、上記各実施の形態では、超音波式流速計１０の水平移動中、超音波の送信強度を一定として説明しているが、超音波式流速計１０の移動中に超音波の送信強度を調整するように制御してもよい。また、制御装置１１の動作は、制御装置１１の内部プログラムにより容易に変更可能である。
【００３９】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、開水路を流れる流体の水位を計測する超音波式水位計と、水平移動可能に設けられ、上記流体の流速を計測する超音波式流速計と、上記超音波式水位計からの水位信号と上記超音波式流速計からの流速信号とに基づいて上記流体の流量を算出するとともに、上記超音波式流速計を水平移動させて上記超音波式流速計の受信強度の変動を抑制するように超音波の伝播距離を調整する制御装置とを備えているので、気泡や濁水の影響を極力抑えることができ、常に安定した流量の計測が可能となる超音波式流量計が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る開水路用流量計の構成を説明する断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る開水路用流量計の構成を説明する上面図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る開水路用流量計の構成を説明する上面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係る開水路用流量計の構成を説明する断面図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係る開水路用流量計の構成を説明する上面図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係る開水路用流量計の構成を説明する断面図である。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢視断面図である。
【符号の説明】
１水（流体）、２水路壁（開水路）、３超音波式水位計、１０超音波式流速計、１１制御装置。

Claims

開水路を流れる流体の水位を計測する超音波式水位計と、
水平移動可能に設けられ、上記流体の流速を計測する超音波式流速計と、
上記超音波式水位計からの水位信号と上記超音波式流速計からの流速信号とに基づいて上記流体の流量を算出するとともに、上記超音波式流速計を水平移動させて上記超音波式流速計の受信強度の変動を抑制するように超音波の伝播距離を調整する制御装置
とを備えたことを特徴とする開水路用流量計。
上記超音波式流速計は、上記開水路の水路方向に水平移動可能に、かつ、鉛直軸周りに回動可能に構成され、
上記制御装置は、上記超音波式流速計を水平移動させた際に、上記超音波式流速計を鉛直軸周りに回動させて超音波の受信を確保するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の開水路用流量計。
上記超音波式流速計は、鉛直方向に移動可能に構成され、
上記制御装置は、上記超音波式流速計の深さ位置と上記流体の水位とが所定の位置関係となるように、上記流体の水位の変動に追従して上記超音波式流速計を鉛直方向に移動させるように構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の開水路用流量計。