JP2021009090A - 流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の流体管に簡単に取り付けることができる安価な流量測定装置を提供する。【解決手段】流量測定装置１は、流体管２の周囲に取付可能なクランプ部材１１，１２と、クランプ部材１１に固定されるベース部材２０と、流体管２の軸と垂直な方向に延びる回転軸３０と、回転軸３０回りに回転可能に構成される開閉板４０とを備える。開閉板４０は、閉状態で流体管２の流出口２Ａを閉塞するように構成される。流量測定装置１は、開閉板４０とベース部材２０とを互いに回転可能に保持するヒンジ部材６０と、開閉板４０を付勢するねじりコイルバネ７０と、開閉板４０の回転角度を検出可能なポテンショメータ５２と、流体管２の流出口２Ａから流出する流体の流量を取得するための測定処理部５０とを備える。開閉板４０に作用する力Ｆと開閉板４０の回転角度θとの関係からポテンショメータ５２により検出される開閉板４０の回転角度θに基づいて流出口２Ａから流出する流体の流量が算出される。【選択図】図５

Description

本発明は、流量測定装置に係り、特に流体管の端部の流出口から流出する流体の流量を測定するための流量測定装置に関するものである。

例えば、ポンプを用いて井戸から水を汲み上げ、これを農業用灌漑水として用いる場合には、汲み上げている水の流量を把握する必要がある。このような水の流量を測定する装置としては、例えば、超音波を用いて管内の流量を検出するもの（例えば特許文献１参照）や、管内の水圧でピストンを移動させて逃げ溝の開口面積を変化させることで流量を検出するもの（例えば特許文献２参照）などが知られている。

しかしながら、これらの流量測定装置を用いる場合には、管の構造を流量測定用に変更しなければならないため、既存の管に簡単に取り付けることができず、また設置コストも増大してしまう。さらに、これらの流量測定装置の設置に当たっては技術的な専門知識も必要とされる。特に開発途上国などにおいては、低コストで技術的に簡易な灌漑設備が求められており、そのような要求を満たす流量測定装置が必要とされている。

特開２００４−２３３１２２号公報 特開昭６４−１３０８１８号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、既存の流体管に簡単に取り付けることができる安価な流量測定装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、既存の流体管に簡単に取り付けることができる安価な流量測定装置が提供される。この流量測定装置は、流体管の端部の流出口から流出する流体の流量を測定するために用いられる。上記流量測定装置は、上記流体管の周囲に取付可能なクランプ部材と、上記クランプ部材に固定されるベース部材と、上記流体管の軸と垂直な方向に延びる回転軸と、上記回転軸回りに回転可能に構成される開閉板とを備える。上記開閉板は、閉状態で上記流体管の上記流出口を閉塞するように構成される。上記流量測定装置は、上記開閉板と上記ベース部材とを上記回転軸回りに互いに回転可能に保持するヒンジ部材と、上記閉状態に向かって上記開閉板を付勢する付勢部材と、上記開閉板の上記回転軸回りの回転角度を検出可能な検出器と、上記流体管の上記流出口から流出する流体の流量を取得するための測定処理部とを備える。上記測定処理部は、上記開閉板に作用する力と上記開閉板の回転角度との関係を示す情報を格納した記憶部と、上記記憶部に格納された上記関係から上記検出器により検出される上記開閉板の回転角度に基づいて上記流出口から流出する流体の流量を算出する演算制御部とを含む。

このような構成の流量測定装置は、クランプ部材によって既存の流体管に簡単に取り付けることが可能である。また、開閉板に作用する力と開閉板の回転角度との関係を示す情報を測定処理部の記憶部に格納した後は、流量測定装置の取付のために技術的な専門知識が必要とされないため、専門知識を持たない者であっても簡単に流量測定装置を流体管に取り付けることができる。また、流体管の流出口から流体が流出していないときは、付勢部材により開閉板が閉状態に移動されて流体管の流出口が開閉板により閉塞されるので、埃や砂などが流体管の内部に入って流体が汚染されることを防ぐことができる。

上記付勢部材として、線形荷重特性を有するねじりコイルバネを用いることができる。また、上記検出器として、上記回転軸に連結されたポテンショメータを用いることができる。さらに、付勢部材の劣化に対するキャリブレーションを行うために、上記開閉板は、所定の重量の重りを接続可能なフックを有していてもよい。

本発明に係る流量測定装置は、専門知識を持たない者であってもクランプ部材によって既存の流体管に簡単に取り付けることが可能である。また、流体管の流出口から流体が流出していないときは、開閉板が閉状態に移動して流体管の流出口が開閉板により閉塞されるので、埃や砂などが流体管の内部に入って流体が汚染されることを防ぐことができる。

図１は、本発明の一実施形態における流量測定装置の右側面図である。 図２は、図１の流量測定装置の左側面図である。 図３は、図１の流量測定装置の正面図である。 図４は、図１の流量測定装置の平面図である。 図５は、図１の流量測定装置の使用状態を模式的に示す右側面図である。 図６は、図１の流量測定装置における測定処理部の構成を模式的に示すブロック図である。 図７は、図１の流量測定装置における回転角度特性を求める方法を説明するための右側面図である。 図８は、図７に示す方法により求められた回転角度特性の例を示すグラフである。

以下、本発明に係る流量測定装置の実施形態について図１から図８を参照して詳細に説明する。なお、図１から図８において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図８においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。

図１は本発明の一実施形態における流量測定装置１の右側面図、図２は左側面図、図３は正面図、図４は平面図である。図１から図４に示されるように、本実施形態における流量測定装置１は、例えば井戸から水を汲み上げるポンプ（図示せず）から延びる流体管２の端部に取り付けられ、この流体管２から流出する流体（水）の量を測定するものである。なお、本実施形態では、便宜的に、図１における＋Ｘ方向を「前」又は「前方」といい、−Ｘ方向を「後」又は「後方」ということとする。

図１から図４に示されるように、流量測定装置１は、流体管２の周囲に取り付けられる１対のクランプ部材１１，１２と、固定ピン１４によりクランプ部材１１に固定される板状のベース部材２０と、流体管２の軸とは垂直な方向に延びる回転軸３０と、回転軸３０を中心として回転可能に構成される開閉板４０とを含んでいる。図１から図４に示す状態では、開閉板４０が流体管２の流出口２Ａを閉塞しており、この状態を開閉板４０の「閉状態」ということとする。なお、クランプ部材１１及びクランプ部材１２は、それぞれのフランジ部１１Ａ，１２Ａを図示しないボルト及びナットにより締結することにより互いに固定されている。

ベース部材２０上には、流体管２の流出口から流出する流体（水）の流量を取得する測定処理部５０が設置されている。また、ベース部材２０には、開閉板４０の回転軸３０回りの回転角度を検出する検出器としてのポテンショメータ５２がメータ固定部２１を介して取り付けられている。このポテンショメータ５２は、回転軸３０の端部に連結されている。ポテンショメータ５２と測定処理部５０とは図示しない信号線により互いに接続されており、ポテンショメータ５２からの検出信号が測定処理部５０に送られるようになっている。

回転軸３０の中央近傍には、ベース部材２０に対して開閉板４０を回転可能に保持するヒンジ部材６０が取り付けられている。このヒンジ部材６０は、開閉板４０に取り付けられるヒンジ部６１と、ベース部材２０に支持部２２を介して取り付けられるヒンジ部６２とから構成されている。

開閉板４０の前面には、後述するキャリブレーション作業で用いるフック４２が設けられている。また、開閉板４０には、Ｙ方向外側に延びる係合片４４が取り付けられている。回転軸３０には、開閉板４０を閉状態に向かって付勢する付勢部材としてのねじりコイルバネ７０が取り付けられている。このねじりコイルバネ７０の一方の腕部７１は、開閉板４０の係合片４４に係合しており、他方の腕部７２は、ベース部材２０の上面に係合している。このねじりコイルバネ７０としては線形の荷重特性を有するものを用いることが好ましい。

このような流量測定装置１によれば、図５に示すように、例えば井戸から汲み上げた水が流体管２の流出口２Ａから流出すると、流出する水の力によって開閉板４０が押されて開閉板４０が回転軸３０を中心として回転する。このときの開閉板４０の回転角度θをポテンショメータ５２によって検出することによって、後述するように、流体管２の流出口２Ａから流出する水の流量を測定することができる。

図６は、測定処理部５０の構成を模式的に示すブロック図である。図６に示すように、測定処理部５０は、例えば液晶ディスプレイなどからなる表示部５３と、ポテンショメータ５２からの出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部５４と、プログラムやその他の様々なデータが格納される記憶部５５と、表示部５３、Ａ／Ｄ変換部５４、及び記憶部５５に対する入出力の制御と所定の演算を行う演算制御部５６とを含んでいる。

本実施形態において記憶部５５に格納されるデータには、開閉板４０に作用する力と開閉板４０の回転角度との関係（以下、「回転角度特性」という）を示す情報が含まれる。この回転角度特性は、以下に述べるキャリブレーション作業により取得される。すなわち、図７に示すように、開閉板４０のフック４２に既知の重量Ｎの重りを接続して、開閉板４０に対して軸方向に力を作用させると、開閉板４０は回転軸３０を中心として回転する。このときの開閉板４０の回転角度θは、ポテンショメータ５２の出力信号から検出することができる。例えば、線形の荷重特性を有するねじりコイルバネ７０を用いる場合には、力Ｎ_１を作用させたときの回転角度θ₁と力Ｎ₂を作用させたときの回転角度θ₂とを検出することで、図８に示すような流量測定装置１の回転角度特性を得ることができる。このようにして得られた回転角度特性を示す情報（例えば図８の直線の傾きなど）が測定処理部５０の記憶部５５に格納される。なお、ねじりコイルバネ７０が非線形の荷重特性を有する場合には、多数の荷重値に対応する回転角度を取得しておくことにより回転角度特性が得られる。

ここで、図５に示すように、流体管２の内半径をｄとすると、開閉板４０の回転角度がθであるときの流体管２の流出口の中心から開閉板４０までの距離Ｌは、以下の式（１）で表される。
Ｌ＝ｄ×tanθ ・・・（１）
また、流体管２の流出口２Ａから流出する流体（水）の速度ｖは、サンプリング時間をＴ、実証実験により得られる補正定数をＫとして以下の式（２）で表すことができる。
ｖ＝Ｋ×Ｌ／Ｔ ・・・（２）
上記式（１）及び式（２）から以下の式（３）が導かれる。
ｖ＝Ｋ×ｄ×tanθ／Ｔ ・・・（３）

ところで、流体が検査面に及ぼす力をＦ、流体の密度をρ、流体の流量をＱ、流体の速度をｖとすると、流体の運動量の法則は以下の式（４）で表される。
Ｆ＝ρＱｖ ・・・（４）

したがって、図５に示す状態において、流体管２の流出口２Ａから流出している水の流量Ｑは、サンプリング時間Ｔを１秒とすれば、以下の式（５）で得られる。
Ｑ＝Ｆ／ρｖ
＝Ｆ／ρＫｄtanθ ・・・（５）

上記式（５）において、水の密度ρ、補正定数Ｋ、流体管２の内半径ｄは既知であり、ポテンショメータ５２の出力信号からθを得ることができ、さらに上述した記憶部５５に格納された情報から得られる回転角度特性からθに基づいて開閉板４０に作用する力Ｆを得ることができるので、これらの値を式（５）に代入することにより水の流量Ｑを算出することができる。本実施形態における測定処理部５０の演算制御部５６は、ポテンショメータ５２の出力信号を受けてθ及びＦを算出し、上記式（５）に基づいて流体管２の流出口から流出する水の流量Ｑを算出する。算出された流量Ｑは例えば表示部５３に表示される。

なお、測定処理部５０は、上記式（５）における水の密度ρ、補正定数Ｋ、流体管２の内半径ｄなどのパラメータを入力する入力部を備えていてもよい。この場合には、入力部で入力されたパラメータが、記憶部５５に保存され、演算制御部５６による流量Ｑの算出の際に記憶部５５から読み出される。

このように、本実施形態の流量測定装置１は、クランプ部材１１，１２によって既存の流体管２に簡単に取り付けることが可能である。また、開閉板４０の回転角度特性を示す情報を測定処理部５０の記憶部５５に格納した後は、流量測定装置１の取付のために技術的な専門知識が必要とされないため、専門知識を持たない者であっても簡単に流量測定装置１を流体管２に取り付けることができる。また、流体管２の流出口２Ａから流体が流出していないときは、ねじりコイルバネ７０により開閉板４０が閉状態に移動されて流体管２の流出口２Ａが開閉板４０により閉塞されるので、埃や砂などが流体管２の内部に入って流体（水）が汚染されることを防ぐことができる。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１ 流量測定装置
２ 流体管
２Ａ 流出口
１１，１２ クランプ部材
１１Ａ，１２Ａ フランジ部
１４ 固定ピン
２０ ベース部材
２１ メータ固定部
２２ 支持部
３０ 回転軸
４０ 開閉板
４２ フック
４４ 係合片
５０ 測定処理部
５２ ポテンショメータ（検出器）
５３ 表示部
５４ Ａ／Ｄ変換部
５５ 記憶部
５６ 演算制御部
６０ ヒンジ部材
６１，６２ ヒンジ部
７０ ねじりコイルバネ（付勢部材）
７１，７２ 腕部

Claims (4)

1. 流体管の端部の流出口から流出する流体の流量を測定するための流量測定装置であって、
   前記流体管の周囲に取付可能なクランプ部材と、
   前記クランプ部材に固定されるベース部材と、
   前記流体管の軸と垂直な方向に延びる回転軸と、
   前記回転軸回りに回転可能に構成される開閉板であって、閉状態で前記流体管の前記流出口を閉塞可能な開閉板と、
   前記開閉板と前記ベース部材とを前記回転軸回りに互いに回転可能に保持するヒンジ部材と、
   前記閉状態に向かって前記開閉板を付勢する付勢部材と、
   前記開閉板の前記回転軸回りの回転角度を検出可能な検出器と、
   前記流体管の前記流出口から流出する流体の流量を取得するための測定処理部であって、
   前記開閉板に作用する力と前記開閉板の回転角度との関係を示す情報を格納した記憶部と、
   前記記憶部に格納された前記関係から前記検出器により検出される前記開閉板の回転角度に基づいて前記流出口から流出する流体の流量を算出する演算制御部と
   を含む測定処理部と
   を備える、流量測定装置。
2. 前記付勢部材は、線形荷重特性を有するねじりコイルバネである、請求項１に記載の流量測定装置。
3. 前記検出器は、前記回転軸に連結されたポテンショメータである、請求項１又は２のいずれか一項に記載の流量測定装置。
4. 前記開閉板は、所定の重量の重りを接続可能なフックを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の流量測定装置。

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