JP2019095340A - 流速推定装置及び流速推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡単な構成で、水道管内の水の流速を継続的に推定できる流速推定装置を提供する。【解決手段】下流部１ａに給水弁が設けられている水道管１に電磁弁２を配置し、電磁弁２の下流側に圧力センサ３を配置する。コントローラ４は、予め求められた電磁弁の損失係数ζvと、予め圧力センサ３により測定された流速ゼロの状態での水圧Ｐ０と、電磁弁２を所定の開度に絞った状態で圧力センサ３により測定された水圧Ｐ１の差とに基づいて流速ｖrを求める。【選択図】図２

Description

本発明は、水道管内の水の流速を推定する装置及び方法に関する。

従来より、水道管の漏水を検出する技術については様々なものが提案されている。近年は、全国的にインフラとしての水道設備の老朽化が進んでいる。したがって、漏水が微量なレベルで発生した段階で検出して早期に対策を行うことが、水の徒な浪費や家屋等への被害を防止する観点からも望ましい。

漏水を検出するには、例えば水道管に配置した電磁弁を閉じて一定時間が経過した際に、その下流側の水圧が低下したか否かを監視することが考えられる。しかしこの手法では、電磁弁により水道管を一定時間閉塞する必要があるため、検出を実行できる期間が限られてしまう。そこで、水道管を閉塞することなく、水の流速の変化を継続的に監視することで漏水を検出できれば望ましい。上記に関連した従来技術として、例えば特許文献１〜３に開示されているものがある。

特許第３７９３４７７号公報 特許第５１６３５７４号公報 特許第４８６４１３５号公報

しかしながら、上記の従来技術では、複数の圧力計を用いたり（特許文献１）、圧力センサと流量計とを用いたり（特許文献２）、ポンプのような加圧装置を用いている（特許文献３）。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より簡単な構成で、水道管内の水の流速を継続的に推定できる流速推定装置及び流速推定方法を提供することにある。

請求項１記載の流速推定装置によれば、下流部に給水弁が設けられている水道管に電磁弁を配置し、電磁弁の下流側に圧力センサを配置する。制御部は、予め求められた電磁弁の損失係数ζ_vと、予め圧力センサにより測定された流速ゼロの状態での水圧Ｐ０と、電磁弁を所定の開度に絞った状態で圧力センサにより測定された水圧Ｐ１の差とに基づいて流速ｖ_rを求める。

また制御部は、電磁弁の開度を絞った状態から開いた際に圧力センサにより測定された水圧Ｐ２と水圧Ｐ０との差ΔＰ_pを求めると、当該圧力差ΔＰ_pと前記流速ｖ_rとから電磁弁よりも上流側の水道管の損失係数ζ_pを求めておく。そして、制御部は、損失係数ζ_pと、前回測定された水圧と今回測定された水圧との差とに基づいて、その時点の水道管内の水の流速ｖを推定する。

水の流速ｖと圧力損失ΔＰとの関係は、損失係数ζ，水の密度ρを用いて以下の式で示される。
ΔＰ＝（ζρｖ²）／２ …（１）
電磁弁の損失係数ζ_vについては、弁を一定の開度にした状態で水の流速ｖと圧力損失ΔＰとを測定すれば、事前に求めることができる。

また、上流側水道管の損失係数ζ_pを求めるには、流速ｖ_rを求める必要がある。そこで、予め圧力センサにより測定された流速ゼロの状態での水圧Ｐ０と、電磁弁を所定の開度に絞った状態で圧力センサにより測定された水圧Ｐ１の差ΔＰ_vとに基づいて、次式により流速ｖ_rを求める。
ｖ_r＝√｛２ΔＰ_v／（ρζ_v）｝ …（２）

電磁弁の開度を前記の絞った状態から開いた際に圧力センサにより測定された水圧をＰ２として、水圧Ｐ０との差ΔＰ_pを求める。すると当該圧力差ΔＰ_pと前記流速ｖ_rとから電磁弁よりも上流側水道管の損失係数ζ_pが求められる。
ζ_p＝２ΔＰ_p／（ρｖ_r ²） …（３）

以上のように損失係数ζ_pを予め求めておくことで、制御部は、水道が実際に使用されている時間帯であっても、水道管内の圧力に有意な差が生じた際に得られる圧力差ΔＰから、その時点の流速ｖを次式で求めることができる。
ｖ＝√｛２ΔＰ／（ρζ_p）｝ …（４）
すなわち、水道管に電磁弁及び圧力センサを配置するだけで、実際の運用時においては、水道の使用中に電磁弁によって水道管を閉塞せずとも、流速ｖを随時求めることが可能になる。

請求項２記載の流速推定装置によれば、制御部は、圧力センサにより測定された水圧について分散を求め、その分散の値が規定値を超えると流速を推定する。これにより、水圧差が確実に有意となった際に、流速ｖを求めることができる。

一実施形態であり、流速推定装置の構成を示す機能ブロック図 流速推定装置を実際に運用するまでの行程を示すフロー 行程Ａ及びＢに対応する処理を示すフローチャート 行程Ｃに対応する処理を示すフローチャート

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、流速推定装置の構成を示す機能ブロック図である。水道管１は、例えば一般家庭に給水するために配管されているもので、その途中部位に電磁弁２及び圧力センサ３が配置されている。ここで、電磁弁２よりも上流側，つまり水源側の水道管を１ａ，電磁弁２と圧力センサ３との間の水道管を１ｂ，圧力センサ３よりも下流側，つまり家庭側の水道管を１ｃとする。水道管１ｃの先は、家庭内の例えば洗面所や台所，トイレ等の各部に給水を行うため複数の配管に分岐している。水道管１ｃの末端部分は、例えば図示しない蛇口のような給水弁等により、水道の非使用時には閉塞されている。

電磁弁２は、水道管１を全閉状態と全開状態とに切り替えるもので、その開閉制御はコントローラ４によって行われる。コントローラ４は、例えばマイクロコンピュータ等で構成されている。圧力センサ３が出力するセンサ信号は、コントローラ４に入力される。また、コントローラ４には表示器６が接続されている。表示器６は、例えば家屋内の壁面などに設置されており、コントローラ４が把握した水道管１の状態情報等が、シンボルや文字メッセージ等で表示される。

また、コントローラ４は、無線通信機能を備えており、例えばユーザが所持しているスマートホン等に、上述した表示器６に表示されるような情報を送信してユーザに通知を行う。表示器６，無線通信による情報通知機能は、何れか一方のみを備えていても良い。これらの各構成要素の駆動電源にはバッテリを用いても良いし、商用交流電源より接続される電源回路により生成されるものでも良い。以上の構成において、電磁弁２，圧力センサ３及びコントローラ４が流速推定装置に相当する。

次に、本実施形態の作用について説明する。図２は、流速推定装置を実際に運用するまでの行程を示すフローである。
＜行程Ａ＞
流速推定装置の出荷前の段階で、電磁弁２についての損失係数ζ_vを事前に求めておく。
＜行程Ｂ＞
水道管１に流速推定装置を取付施工する際に、水道管１の上流側１ａについて、損失係数ζ_pを求めておく。
＜行程Ｃ＞
流速推定装置を実際に運用し、水道管１内の水の流速ｖを推定する。
以下、各行程について順次説明する。

図３は、行程Ａ及びＢに相当するフローチャートであり、コントローラ４の処理を中心に示す。先ず、図中では「バルブ」と称す電磁弁２の損失係数ζ_vを出荷前に求めておく（Ｓ１，行程Ａ）。ここでは、電磁弁２を例えば全開の状態から一定の開度，例えば５０％に絞った際に発生する水圧の差，つまり圧力損失ΔＰ_v0と流速ｖ_vとから、前述した（１）式に基づいて損失係数ζ_vを求める。
ζ_v＝２ΔＰ_v0／（ρｖ_v ²） …（５）

以降のステップＳ２〜Ｓ９は行程Ｂに相当する。先ず、電磁弁２を全閉にする等して、流速がゼロの状態での水圧Ｐ０を取得する（Ｓ２）。次に、電磁弁２を全開１００％にし、蛇口を開いて水を流してから（Ｓ３）、電磁弁２をステップＳ１と同じ開度５０％にする（Ｓ４）。この時の水圧Ｐ１を測定し、圧力損失ΔＰ_v（＝Ｐ１−Ｐ０）を算出する（Ｓ５）。そして、この時点の流速ｖ_rを（２）式により算出する（Ｓ６）。
ｖ_r＝√｛２ΔＰ_v／（ρζ_v）｝ …（２）

次に、電磁弁２を再び全開にすると（Ｓ７）、この時の水圧Ｐ２を測定し、圧力損失ΔＰｐ（＝Ｐ２−Ｐ０）を算出する（Ｓ８）。そして、（３）式により上流側水道管１ａの損失係数ζ_pを求める（Ｓ９）。
ζ_p＝２ΔＰ_p／（ρｖ_r ²） …（３）
ここまでが行程Ｂである。

図４は行程Ｃに対応するフローチャートである。一定の周期，例えば１０ｍｓ程度で圧力ＰＡを測定し（Ｓ１１）、所定期間に得られた圧力ＰＡの測定値ついてばらつき，分散σを計算する（Ｓ１２）。そして、分散σの値が規定値を超えたか否かを判断する（Ｓ１３）。分散σの値が規定値以下であれば（ＮＯ）圧力ＰＡの値をＰＢとして記憶する（Ｓ１５）。それから、ステップＳ１１に戻る。分散σの値が規定値を超えると（Ｓ１３；ＹＥＳ）、流速ｖを算出する（Ｓ１４）。
ｖ＝√｛２（ＰＡ−ＰＢ）／（ρζ_p）｝ …（６）

このように、コントローラ４は、水道が使用中の時間帯であっても、電磁弁２により水道管１を閉塞することなく随時流速ｖを推定できる。これにより、流速ｖを監視することで、例えば流速ｖが閾値以上となる状態が所定時間継続した際には、漏水が発生したものと推測できる。その場合、例えば表示器６にその旨の警告メッセージを表示させたり、ユーザが所持しているスマートホン等に、同様のメッセージを送信して報知する。

以上のように本実施形態によれば、下流部１ａに給水弁が設けられている水道管１に電磁弁２を配置し、電磁弁２の下流側に圧力センサ３を配置する。コントローラ４は、予め求められた電磁弁の損失係数ζ_vと、予め圧力センサ３により測定された流速ゼロの状態での水圧Ｐ０と、電磁弁２を所定の開度に絞った状態で圧力センサ３により測定された水圧Ｐ１の差とに基づいて流速ｖ_rを求める。

またコントローラ４は、電磁弁２の開度を絞った状態から開いた際に圧力センサ３により測定された水圧Ｐ２と水圧Ｐ０との差ΔＰ_pを求めると、当該圧力差ΔＰ_pと前記流速ｖ_rとから電磁弁２よりも上流側の水道管１ａの損失係数ζ_pを求めておく。そして、損失係数ζ_pと、前回測定された水圧ＰＢと今回測定された水圧ＰＡとの差とに基づいて、その時点の水道管内の水の流速ｖを推定する。すなわち、水道管１に電磁弁２及び圧力センサ３を配置するだけで、実際の運用時においては、水道の使用中に電磁弁２によって水道管１を閉塞せずとも、流速ｖを随時求めることが可能になる。

また、コントローラ３は、圧力センサ３により測定された水圧ＰＡについて分散σを求め、その分散σの値が規定値を超えると流速ｖを推定する。これにより、水圧差が確実に有意となった際に、流速ｖを求めることができる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
電磁弁２の開度については、適宜設定すれば良い。但し、ステップＳ１，Ｓ４の開度は等しく設定する必要がある。
圧力値ＰＡについて分散σを求めることに替えて、例えば毎回１周期前の測定値をＰＢとしてＰＡとＰＢとの差を求め、その際が一定値以上となった場合に流速ｖを算出しても良い。

図面中、１は水道管、２は電磁弁、３は流量計、４はコントローラ、６は表示器を示す。

Claims (4)

1. 下流部に給水弁が設けられている水道管に配置される電磁弁と、
   この電磁弁の下流側に配置される圧力センサと、
   前記電磁弁の開閉状態を制御すると共に、前記圧力センサにより出力されるセンサ信号が入力される制御部とを備え、
   前記制御部は、予め求められた前記電磁弁の損失係数ζ_vと、予め前記圧力センサにより測定された流速ゼロの状態での水圧Ｐ０と、前記電磁弁を所定の開度に絞った状態で前記圧力センサにより測定された水圧Ｐ１の差とに基づいて流速ｖ_rを求め、
   前記電磁弁の開度を前記絞った状態から開いた際に前記圧力センサにより測定された水圧Ｐ２と、前記水圧Ｐ０との差ΔＰ_pを求めると、
   当該圧力差ΔＰ_pと前記流速ｖ_rとから前記電磁弁よりも上流側の水道管の損失係数ζ_pを求め、
   前記損失係数ζ_pと、前回測定された水圧と今回測定された水圧との差とに基づいて、その時点の水道管内の水の流速ｖを推定する流速推定装置。
2. 前記制御部は、前記圧力センサにより測定された水圧について分散を求め、前記分散の値が規定値を超えた際に、前記流速を推定する請求項１記載の流速推定装置。
3. 下流部に給水弁が設けられている水道管に配置される電磁弁の損失係数ζ_vと、予め前記電磁弁の下流側に配置される圧力センサにより測定された流速ゼロの状態での水圧Ｐ０と、前記電磁弁を所定の開度に絞った状態で前記圧力センサにより測定された水圧Ｐ１の差とに基づいて流速ｖ_rを求め、
   前記電磁弁の開度を前記絞った状態から開いた際に前記圧力センサにより測定された水圧Ｐ２と、前記水圧Ｐ０との差ΔＰ_pを求めると、
   当該圧力差ΔＰ_pと前記流速ｖ_rとから前記電磁弁よりも上流側の水道管の損失係数ζ_pを求め、
   前記損失係数ζ_pと、前回測定された水圧と今回測定された水圧との差とに基づいて、その時点の水道管内の水の流速ｖを推定する流速推定方法。
4. 前記圧力センサにより測定された水圧について分散を求め、前記分散の値が規定値を超えた際に、前記流速を推定する請求項３記載の流速推定方法。

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