JP2007147631A

JP2007147631A - 挿入形電磁流速計

Info

Publication number: JP2007147631A
Application number: JP2006340389A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Onose; 俊宏小野瀬; Tamio Ishihara; 民雄石原; Koji Saito; 功治斉藤; Koji Tamaoki; 康二玉置; Kunihiro Suzuki; 國宏鈴木
Original assignee: TOKYO SUIDO SERVICE KK; Hitachi Ltd
Current assignee: TOKYO SUIDO SERVICE KK; Hitachi Ltd
Priority date: 2001-02-19
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】上水道の配水管網の健全性評価の目的に適した高感度な流速計を提供する。
【解決手段】上水道の給水配管内の水道水の流速を測定するセンサ部１０と、センサ部１０によって得られた測定信号を外部へ伝達する伝送線２５を有する支持部１４と、伝送線からセンサ部１０の測定信号を得て演算する変換部を有し、給水配管１の途中に設けられた消火栓２や空気弁の開口から配管内に前記センサ部を挿入し、被測定流体の流速を測定する。センサ部１０は、センサ部筐体中に、水道水の流れる方向に平行して貫通する測定流路と、測定流路の上部に配置されたコイル及び磁極からなる磁界発生手段と、少なくとも磁界発生手段と前記測定流路の側面を覆う長さを有する一対の磁極板を有する。変換部は、外部の装置と通信する通信手段と、センサ部からの測定信号の演算結果と外部の装置から情報とを記憶する記憶手段を有し、所定期間のデータロギングを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定流体が流れる配管の外部から挿入し、配管内の流体流速を測定する挿入形電磁流速計に関する。

上水道の給水配管網の漏水や滞留水調査を行うための測定機器として、消火栓や空気弁を利用して測定を行う流速計または流量計がある。

これらの機器には、代表的なものとして超音波式と電磁式とが有り、超音波式としては、例えば特開平3−231155号公報や特開平6−81378号公報に開示された例がある。また、電磁式としては、例えば実開昭60−86922号公報や特開昭60−179613号公報に開示された例がある。

超音波式は、配管の外側にセンサを取付け測定できるため、水道管内に異物を入れること無く測定できる長所が有る反面、微小流速の測定が困難であるほか、配管内にスケールが付着している場合には検出困難な状態になってしまう場合がある。また消火栓を利用して測定を行う場合においても、水道管が土砂に埋まってしまい露出していない消火栓ピットも多い。これを解決するために、管内に挿入して測定する挿入形の超音波流量計も開発されているが、消火栓等のわずかな開口を利用して発信器の設置位置を考慮しなければならない必要上、構造が複雑になってしまう。

一方、電磁式は、配管を切断して電磁流量計を設置することはできないため、消火栓や空気弁部から配管内に流速センサを挿入して測定する挿入形の電磁式流速計が用いられてきた。

電磁式流速計は、配管内に挿入するため構造が複雑になりやすいことと、挿入したセンサ部にカルマン渦が発生しセンサ部がその反力で振動し、これにより電極近傍の電位分布や磁束分布が安定せず測定精度が低下していた。上水道の配管網の健全性評価用の流速計としては１０MM/S以下の検出感度が望まれるが、この様な要求に合う流速計は無く、より高感度の流速計が待望されている。

本発明の目的は上記した従来の課題を解決し、上水道の配水管網の健全性評価の目的に適した高感度な流速計を提供することにある。

本発明は、上水道の給水配管内の水道水の流速を測定するセンサ部と、当該センサ部によって得られた測定信号を外部へ伝達する伝送線を有する支持部と、前記伝送線から前記センサ部の測定信号を得て演算する変換部を有し、前記給水配管の途中に設けられた消火栓や空気弁の開口から配管内に前記センサ部を挿入し、前記被測定流体の流速を測定する挿入形電磁流速計であって、
前記センサ部は、当該センサ部筐体中に、前記水道水の流れる方向に平行して貫通する測定流路と、当該測定流路の上部に配置されたコイル及び磁極からなる磁界発生手段と、少なくとも前記磁界発生手段と前記測定流路の側面を覆う長さを有する一対の磁極板を有し、
前記変換部は、外部の装置と通信する通信手段と、前記センサ部からの測定信号の演算結果と外部の装置から情報とを記憶する記憶手段を有し、所定期間のデータロギングを行うことを特徴とする。

上水道の配水管網の健全性評価の目的に適した高感度な流速計を提供することができる。

本発明の実施例を図面を用いて説明する。図１は、上水道の配水管路網の健全性を監視するために、管路網の途中に設けられた消火栓に地下ピット内に設置する、水理及び水質の監視システムの基本的な構成を示す図である。

地下に埋設された、上水道用の配水管１の途中に設けられた消火栓２は、管路網中の所定の間隔で配置されており、水道水３の流速、流向、水質、温度、圧力などの諸情報を監視するのに適している。特に地下式の消火栓ピット４は、所定期間測定器を設置し連続監視するのに適している。

消火栓２には火災などの非常時に消火ホースが接続できるアダプタがついているが、本発明では、このアダプタを改造して種々のセンサを取付け、前記諸情報を所定期間連続監視する監視システムを提供する。

アダプタ５には、ホース接続口６の他にセンサ挿入口７が設けてあり、該センサ挿入口７の上端開口部８から流速計検出部９が挿入され、その先端に保持された流速計センサ１０は、前記配水管１内に達しており、前記水道水３の流速をセンシングする。また、ケーブル１１は、流速計検出部９及び支持棒１４内を通って流速計センサ１０に接続されており、ケーブル１１を介して流速計センサ１０の測定信号が流速計変換部１２に伝達され演算され流速に対応した測定値を得る。

該流速計変換部１２の内部には、流速測定データを所定期間格納するデータロガー１３が内蔵されている。更にデータロガー１３には、外部の諸情報(電気信号)を格納する機能を有している。

一方、流速計センサ１０を保持している支持棒１４には、配水管１内の水道水３を管外に導くサンプリング口１６が形成され、また当該サンプリング口１６には流速計検出部９及び支持棒１４内を通る流路１５が接続されており、サンプリング口１６から導入された水道水を流量計検出部９の外に導く。この時流量計検出部９には、水圧センサ１７とサンプリングチューブ１８が取付けられている。水圧センサ１７の測定信号は、ケーブル１９を介して前記流速計変換部１２に内蔵されたデータロガー１３に伝達され格納される。また、前記サンプリングチューブ１８内を流れる水道水３は多項目水質計２０に導かれる。

該多項目水質計２０の内部には、残留塩素センサ２１、導電率センサ２２などが配置され、またサンプリングチューブ１８には、水温センサ２３が配置され、前記水道水３の水質を連続または間欠的に監視する。これら各センサの出力は演算部２４に導かれ各測定値として演算出力される。

出力された測定信号は、ケーブル２５を介して前記流速計変換部１２に内蔵されたデータロガー１３に伝達され格納される。

一方、前記サンプリングチューブ１８の途中には減圧弁２６が接続され、水質計に導かれる水道水３の圧力を一定にし、サンプリング流量を一定に保っている。

多項目水質計２０を通過した水道水３は配水口２７から消火栓ピット４内に排水される。排水は地下浸透式であるため使用水量が制限されている（20cm³／分以下）ので、使用する水質計はシリコンウエハをマイクロ加工したマイクロセルを使用した小形の多項目水質計が適している。（例えば、特開2000−88841号公報にその例を示す。）
また、バッテリユニット２８は、ケーブル２９，３０を介して、流速計変換部１２及び多項目水質計２０に電力を供給する。

この様な連続監視装置において、所定期間流速、流向、水質、水温、水圧を連続監視し、その測定値をデータロガー１３内に格納する。この時格納されたデータは測定終了後携帯パソコン３１に吸い上げられ、通信回線やフロッピディスクなどの媒体３２を介して、上位の管理用コンピュータ３３にデータを送り一元管理する。また、データロガー１３内のデータは無線や公衆回線電話網を介して管理用コンピュータ３３で連続監視することもできる。この場合にはデータロガー１３に特定小電力無線や携帯電話の送信機能を内蔵させ、アンテナ３４を介して電波信号３５としてピット外部に送信する。この際アンテナは、消火栓ピットの蓋の鍵穴（図示せず）の近傍に配置し電波を地上に送信する。

前記消火栓ピット４での計測を同時に多数個所で行うことにより、水道水３の配水管路網内の挙動を監視することができ、漏水や停滞水や水質悪化などを生じないよう管路網の適正な配置と維持管理を行う上でのデータベースとすることができる。

次に、図２〜図４において本発明の挿入形の電磁式流速計センサ部の詳細について説明する。図２は流速計センサ１０の外観図、図３は流速計センサ１０の断面図、図４は図３の断面図において磁界発生時の状態を示す図である。

まず図２において、矢印１０１方向は被測定流体である水道水３の流れを示すが、流線形をした流速計センサ１０の近傍に達すると矢印１０２のように分岐する。

その一部は、流速センサ１０の中心軸上にあいた長円形断面をした貫通穴１０３の内側を流れ、他は流線形をした流速計センサ１０の外側面に沿って流れ、下流側で再び合流する。

前記貫通穴１０３は、水道水３の流れ方向及びその直交方向に於いても流速計センサ１０の挿入方向の中心軸に対し対称形に配置してあり、挿入方向が長軸となるよう形成してある。また、前記流速計センサ１０の外周部は金属又は合成樹脂などで成形されているが、貫通穴１０３の内面は合成樹脂などの絶縁物で覆われている。

また、貫通穴１０３の断面積は、流速センサ１０の断面積の１０％以上を占め、流速計センサ１０の下流側に発生するカルマン渦を低減するに十分な断面積を有していることが望ましい。

次に、図３において説明する。図３の各図は、図２の直交する3軸の各断面を示す。図３（1）は、図２の流速計センサ１０の挿入方向に沿った中心断面で、且つ水道水３の流れ方向１０１に直交する断面を示している。流速計センサ１０は、その外周部を金属又は合成樹脂からなる筐体２０１で覆われている。前記流速計センサ１０の中央下部には、前述の貫通穴１０３が合成樹脂などの絶縁材料により形成され、その内側を水道水３が流れている。

貫通穴１０３の両側面には、磁性体からなる一対の磁極板２０６，２０７が配置される。また、磁極板２０６，２０７の上部には磁界を発生させるためのコイル２０８と磁極２０９が保持されている。コイル２０８に方形波の励磁電流を流して励起することにより、両磁極板の間には図４（1）、（3）に示すように、ほぼ均一な磁束密度を有する交番磁界２１０が形成される。図４のセンサ形状は図３と同一である。

貫通穴１０３の長軸側側面の一方または両側には、複数個の電極２０２，２０３，２０４が、各々絶縁されて貫通穴内面２０５に露出し、接液するよう配備されている。また、この電極２０２，２０３，２０４は、磁極板２０７には接触しないように配置されている。つまり、磁極板２０７には、電極を通すための逃げ穴が設けられている。

この結果、導電性の流体である水道水が磁界と直交して移動するために、ファラディの電磁誘導の法則に従い、起電力が発生する。この起電力を前記電極２０２，２０４で検出し、流速に比例した電圧信号を得る原理である。一方電極２０３は接地電極であり、前記電圧信号を増幅する場合の基準電位としている。

次に図３（2）に、図２の流速計センサ１０の挿入方向に沿った中心断面で、且つ水道水３の流れ方向１０１に平行な断面を示す。（図３（1）と直交断面）筐体２０１の形状は、その中心軸に対して線対称となるように形成されている。また、図３（1）で説明した筐体２０１内の２０２〜２０９までの各部品も、図３（2）に示すように筐体２０１の中心軸上に配置してある。各部品の形状は、筐体２０１の中心軸に対して線対称であることが望ましい。流路１０３の高さｈは、図３（1）に示す幅ｗの２倍以上大きくし、管路面積に対して大きな起電力が得られるようにしてあり、またその長さＬは高さｈの１／２倍より長く形成して流れと電位分布の安定化に適した形状としてある。

図３(3)は、図３（2）を流路１０３の中心軸に沿った断面を下から見た図である。（図３（1）(2)と直交断面）
筐体２０１の断面外形は流線型をしており、中央に被測定流体の流れに沿って貫通穴１０３が設けられている。形状は筐体２０１の両中心軸に対し、線対称になるよう形成してあり、流体の流れ方向に対して同一の特性となるような構造を採っている。

次に、図５において説明する。図５は配水管１の消火栓取り付け部の流れ方向と直交する断面である。上方より支持棒１４の先端についた流速計センサ１０を配水管１内に挿入し、前記流速計センサ１０の側面に設けられた複数個のガイド部５０１、５０２内に保持されたストッパ５０３を前記配水管１の内面に押し当てる。このとき、ストッパ５０３の長さを所定寸法に選んでおけば、前記流速センサ１０の貫通穴１０３を配水管１の中心と合致させることが可能である。

本構造では、貫通穴１０３内が外側の流れと遮断されているため、外側の流れの乱れを受けにくい他、磁極板２０6，２０7で電気的、磁気的シールドされていることにより起電力の電位分布が安定しているという長所が有る。また、筐体２０１を金属などの導体で形成すれば、電気的シールドがより完全になり、特性の安定性向上が期待できる。また筐体２０１を導体で形成した場合は接地用電極２０３を省略して筐体２０１を接地電極の代用として使用することも出来る。

また、カルマン渦の発生が少なく流速計センサ１０が振動しにくいこと、貫通穴１０を長円形に形成したことにより磁束密度を大きく、且つ電極間起電力を大きく採ることができＳ／Ｎ比の高い信号が得られるなどの長所がある。

本実施例によれば、以下の効果が期待できる。
１．流速計センサの内側も被測定流体が流れるため、カルマン渦の発生が少なく流速計センサが振動しない。
２．流速計センサの内側に被測定流体が流れるため、電極近傍の被測定流体の流れに乱れが発生しにくい。
３．被測定流体が流れる貫通穴内部は、近接対向した２枚の磁極板によって均一で安定した磁界分布が期待できる。
４．貫通穴の形状が磁界と直交した方向を、長軸としているため、電極間起電力が大きく、Ｓ／Ｎ比の大きな流速信号が期待できる。
５．流速計センサが小形で、流線形をしていることと、内部に貫通穴を有していることで、流体抵抗が少なく配水管内でセンサ位置が安定している。
６．筐体や流路が中心軸に対して、線対称に構成してあるため、正逆両方向の流れに対し同一特性の流速測定が期待できる。
７．上記により、感度が高く測定信号の安定した電磁式流速計が実現できる。
８．調整可能なストッパにより、流速センサの挿入位置の調整が容易である。
９．流速と水質および水温水圧などの測定が同時に行うことができ、充実した水理水質データが得られる。
10．水理、水質測定の作業性が向上する。

本発明の一実施例に係る全体を示すシステムの構成図。上記実施例に用いる流速センサの外観図。流速センサの直交する３方向の断面図。図３の磁束分布説明図。水道管の短軸断面図。

符号の説明

１…配水管、３…流体、７…センサ挿入口、９…流速計検出部、１０…流速センサ、２０２，２０３，２０４…電極、２０６，２０７…磁極板。

Claims

上水道の給水配管内の水道水の流速を測定するセンサ部と、当該センサ部によって得られた測定信号を外部へ伝達する伝送線を有する支持部と、前記伝送線から前記センサ部の測定信号を得て演算する変換部を有し、前記給水配管の途中に設けられた消火栓や空気弁の開口から配管内に前記センサ部を挿入し、前記被測定流体の流速を測定する挿入形電磁流速計であって、
前記センサ部は、当該センサ部筐体中に、前記水道水の流れる方向に平行して貫通する測定流路と、当該測定流路の上部に配置されたコイル及び磁極からなる磁界発生手段と、少なくとも前記磁界発生手段と前記測定流路の側面を覆う長さを有する一対の磁極板を有し、
前記変換部は、外部の装置と通信する通信手段と、前記センサ部からの測定信号の演算結果と外部の装置から情報とを記憶する記憶手段を有し、所定期間のデータロギングを行うことを特徴とする挿入形電磁流速計。
請求項１において、
前記センサ部と前記変換部を駆動するためのバッテリーを備えたことを特徴とする挿入形電磁流速計。
請求項１において、
前記支持部は、棒状の形態を有し、前記センサ部近傍に水道水を導入するサンプリング口を備え、且つ当該支持部内部に前記サンプリング口から導入された水道水を管外へ導くためのサンプリング流路を備えたことを特徴とする挿入形電磁流速計。
請求項３において、
前記サンプリング流路の延長線上には、圧力センサ及び水質センサが接続され、当該各センサの測定信号は、前記変換部へ出力されることを特徴とした挿入形電磁流速計。
請求項４において、
前記水質センサは、少なくとも残留塩素、あるいは導電率を測定することを特徴とした挿入形電磁流速計。
請求項４において、
前記水質センサは、シリコンウエハのマイクロ加工技術を用いて製作したマイクロセルを有することを特徴とした挿入形電磁流速計。