JP3164684B2 - 非満水用電磁流量計の演算方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は流路を非満水状態で流れ
る流体の流下流量・水位・動水勾配及び導電率を計測す
る電磁流量計の演算方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】出願人は、流路を非満水状態で流れる流
体の流量を電磁流量計の原理を用いて計測する非満水用
電磁流量計を提案した（特願平３−３３５０５０号）。

【０００３】この従来技術は、図３に示すような構成を
もっていた。１は断面が円形の流路、２，２は流路１の
中心を通る垂直線に対し左右対称の位置に設けた一対の
電極、ＵとＬは流路１の上側と下側にそれぞれ設けた励
磁コイルで、交互に励磁され、空間的に異なる不均一な
磁束密度分布を異なる期間の間に発生する。符号４はこ
のような構造の流量検出器を示す。

【０００４】５は励磁回路で、タイミング回路６の信号
に応じて上側と下側の励磁コイルＵとＬとを交互に励磁
する。７は電極２，２間に誘起した電圧を増幅して出力
するアンプ、Ｓ₁ は切替スイッチでタイミング回路６の
信号で切替作動し、前記２つの励磁コイルＵとＬの励磁
時期を切替える切替スイッチＳ₂ と同期し、上側の励磁
コイルＵが励磁されているときにａ側に、下側の励磁コ
イルＬが励磁されているときにｂ側に切替えられる。

【０００５】８Ａと８Ｂは切替スイッチＳ₁ のａ接点と
ｂ接点の出力電圧ε_U とε_L とを夫々入力してサンプル
ホールドするサンプル＆ホールド回路、９はサンプル＆
ホールド回路８Ａ，８Ｂからのアナログ信号をディジタ
ル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路、１０は補正演算を行
なうプログラムを備えた補正演算回路、１１は演算結果
としての流量信号を出力する出力端子である。

【０００６】アンプ７の出力電圧ε_U とε_L との比ε_L
／ε_U は、水位ｈと一定の関係にあり、図４のように水
位ｈを横軸に、比ε_L ／ε_U を縦軸にとると両者の関係
を示す１本の曲線イを得る。

【０００７】又、出力電圧ε_U と実流量Ｑとの比ε_U ／
Ｑは流量計の感度で、この感度をｋであらわすと、水位
ｈと感度ｋは図５のように曲線ロで示す関数関係にあ
る。なお、図４と図５は、横軸の水位ｈを流路１の直径
（内径）Ｄに対する比率で表している。そして、流路１
を図６に示すように適当な勾配ｔａｎθに固定して、た
だ管路に取付け、水位ｈを０から１．０Ｄまで変えて出
力比ε_L ／ε_U と感度ｋを測定して曲線イ、ロを予め求
めておく。

【０００８】次に流量検出器４を流量を計測すべき管路
に接続して計測したときの出力比がε_L0／ε_U0＝Ｐ₀ で
あったとすると、そのときの水位ｈ₀ は図４の曲線イか
ら知ることができる。更に図５の曲線ロから、水位ｈ₀
のときの感度ｋ₀ を知り、真の流量Ｑ₀ を Ｑ₀ ＝ε_U0／ｋ₀ …… として補正演算回路１０で求めるのが、先に出願した従
来技術の主旨である。

【０００９】ところが、一定範囲の管路勾配では水位ｈ
と流量Ｑの間に１対１の対応が付くから、図４の横軸
は、その測定したときの勾配における流量Ｑで置き換え
られると考えて、図４に代わる図７を前記従来技術では
作成した。

【００１０】そして、前記従来技術における具体例で
は、図４の曲線イの代りに、予め求めた出力比ε_L ／ε
_U のデータを、対応する図７の横軸の流量Ｑのデータと
共に補正演算回路１０のメモリーに記憶し、これらの記
憶データを用いて次のように真の流量Ｑ₀ を算出するよ
うにした。

【００１１】すなわち、図５の曲線ロに代えて、図８の
ように、横軸に流量Ｑ、縦軸に出力

【外１】

【００１２】そのために、補正演算回路１０のメモリー
には出力電圧ε_U と、対応する流量Ｑとが前記出力比ε
_L ／ε_U とともに数値テーブルとして記憶してある。こ
のように、前記従来技術では、水位ｈの数値を具体的に
用いないで真の流量Ｑ₀ を求めていた。図４と図５にお
ける水位ｈは単に従来技術の主旨を概念的に説明するた
めに、出力比ε_L ／ε_U から感度ｋを求める為の介在項
としての役割を示しただけで、具体的には前記従来技術
は図７と図８で説明したように水位ｈを用いることなく
真の流量Ｑ₀ を算出している。

【００１３】このことは、図４の曲線イや図７の曲線が
管路勾配ｔａｎθに無関係であると考えられていたため
であった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】流量計では流路に障害
物を生じないで測定できることが望まれる。前記従来の
技術では堰のような障害物を生じないで非満水状態の流
体の流量が計測でき、更に電磁流量計の原理を用いてい
るので、正流・逆流とも測定可能という利点がある。

【００１５】ところが、本発明者らは前記従来技術を改
良し、より流量計測の精度を上げるべく鋭意検討を重ね
た結果、以下に気が付いた。即ち、実際に管路勾配が変
ると、同一水位であっても平均流速が変化するため流速
分布が微妙に変化する。従って、図４、図５及び図７の
曲線は各管路勾配が変化するに従って変化する。

【００１６】この変化が流量計測誤差の原因となってい
た。又、前記従来技術では、用いる流量検出器４の電極
とアース間の位置関係、電極形状と励磁磁束密度分布の
関係が、両者ともにその対称性が失われ易いので、流体
の導電率の変化による流量計測誤差が生じるという問題
点があった。

【００１７】そして、前記従来技術による非満水用電磁
流量計は下水道などにおける流量計測に好適であるが、
これらの用途では、水位や、水質の一つの指標となる流
体の導電率や、管路の状態を表す指標となる水面の勾
配、すなわち動水勾配などが測定できることが望まれて
いる。

【００１８】そこで、本発明は、流量計測精度が良く、
しかも水位・流体の導電率又は動水勾配までも計測可能
な非満水用電磁流量計を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の非満水用電磁流量計は次のように構成し
た。

【００２０】すなわち、第１の発明では、流路（１）の
上側に設けた励磁コイル（Ｕ）と下側に設けた励磁コイ
ル（Ｌ）と、流路（１）の左右に設けた一対の電極
（２），（２）と、電極（２），（２）間に発生した電
圧を増幅するとともにその入力インピーダンス（Ｚ）の
値を変化させて２種類以上の異なった値をとることがで
きるアンプ（７）とを具備した電磁流量計において、流
路（１）を流れ下る流体の流下流量をＱ、水位をｈ、流
体の液面の勾配を動水勾配ｇ、流体の導電率をＣとあら
わしたとき、次のイ〜ハで示す流量信号Ｅ_f〜Ｅ_h をア
ンプ７の出力電圧として求める。

【００２１】イ．両励磁コイル（Ｕ）（Ｌ）を励磁し、
入力インピーダンス（Ｚ）を一方の値とした第１の測定
条件におけるアンプ（７）の出力電圧Ｅ_f を求める。こ
のとき、出力電圧Ｅ_f は流下流量Ｑ、水位ｈ、動水勾配
ｇ及び流体の導電率Ｃの関数Ｆとして次の第１式であら
わされる。

【００２２】Ｅ_f ＝Ｆ（Ｑ，ｈ，ｇ，Ｃ）……（１） ロ．前記イに示す第１の測定条件に対し、入力インピー
ダンス（Ｚ）の値を他方の値に変化させた第２の測定条
件におけるアンプ（７）の出力電圧Ｅ_g を求める。この
とき出力電圧Ｅ_g は流下流量Ｑ、水位ｈ、動水勾配ｇ及
び流体の導電率Ｃの関数Ｇとして、（１）式と独立な下
記（２）式であらわされる。

【００２３】Ｅ_g ＝Ｇ（Ｑ，ｈ，ｇ，Ｃ）……（２） ハ．前記イに示す第１の測定条件に対し、下側の励磁コ
イル（Ｌ）の励磁を止めた第３の測定条件とすること
で、Ｆの関数形を変えて下記（３）式を得る。Ｅ _h はこ
のときの出力電圧である。

【００２４】Ｅ_h ＝Ｈ（Ｑ，ｈ，ｇ，Ｃ）……（３） ニ．自然流下の管路では水理学的要請により、流下流量
Ｑ、水位ｈ、及び動水勾配ｇの間には一定の関係があ
り、流下流量Ｑは水位ｈと動水勾配ｇの関数ｑとして次
の（４）式であらわされる。

【００２５】Ｑ＝ｑ（ｈ，ｇ）……（４） ホ．上述の関数Ｆ、Ｇ、Ｈ及びｑは、既知の流下流量Ｑ
・水位ｈ・動水勾配ｇ及び流体の導電率Ｃに基いて予め
実測により数値関数として求めて記憶しておく。

【００２６】ヘ．未知の四つの量、流下流量Ｑ・水位ｈ
・動水勾配ｇ・導電率Ｃを求めるには、測定条件を第
１，第２，第３の測定条件と変化させ、流量に応じた出
力信号Ｅ_f ・Ｅ_g ・Ｅ_h を求め、上記（１）〜（４）の
四つの連立方程式を解くことで未知の四つの量を得るよ
うにした。

【００２７】第１，第２，第３の測定条件を決める励磁
態様と、入力インピーダンス（Ｚ）の値の決め方の組み
合わせを変えることで、前記第１の発明の他に第２〜第
７の発明が考えられ、これらの発明も第１の発明と同様
に四つの連立方程式を解くことで、未知の四つの量、流
下流量Ｑ・水位ｈ・動水勾配ｇ・流体の導電率Ｃを求め
ることができる。

【００２８】これらの第２〜第６の発明は、第１の発明
が請求項１に対応しているのと同様に、それぞれ請求項
２〜６に対応していて、測定条件を決める励磁態様と、
入力インピーダンス（Ｚ）の選定で特定される。

【００２９】そこで、これらの発明を第１の発明と共に
表形式で表１に示す。

【００３０】

【表１】 上記表１で、請求項１〜６に対応する第１〜第６の発明
が特定されるので、これらの発明を文章で長々と記述す
ることは避ける。

【００３１】要するに、第１〜第６の発明が、ずばり請
求項１〜６に該当する。そして、第７の発明では、前記
第１〜第６の発明のうち何れか一つの発明の（１）〜
（４）の四つの連立方程式を解くことで、未知の四つの
量の代りに、流下流量Ｑと、水位ｈ・動水勾配ｇ・流体
の流量Ｃのうちの少なくとも一つの量とを得るようにし
た。

【００３２】

【実施例】図１の第１実施例で、１は断面が円形の流
路、２，２は流路１の左右に対象に設けた１対の電極
で、少なくともその流路の底部に近い方の端は、測定し
ようとする最低水位においても流下する流体に接触する
ようにしておく。

【００３３】また電極の円周方向の大きさは関数形Ｆ・
Ｇ・Ｈの形に影響を与える。関数形によって連立方程式
の解き易さに差が生じる。

【００３４】Ｕは上側の励磁コイル、Ｌは下側の励磁コ
イル、５は励磁回路で、タイミング回路６の信号に応じ
て作動し、第１と第２の測定条件のときは両励磁コイル
ＵとＬを励磁する。そして第３の測定条件のときは下側
の励磁コイルＬの励磁を止めて上側の励磁コイルＵだけ
を励磁する。

【００３５】７は、変更可能の入力インピーダンスＺを
備えたアンプで、入力インピーダンスＺは２種類以上の
異った値をとることができる。９はＡ／Ｄ変換回路、１
０は演算回路、１０Ａはメモリー、１０Ｂは出力回路、
１１は出力端子、６はタイミング回路で、励磁回路５、
アンプ７、Ａ／Ｄ変換回路９及び演算回路１０に同期信
号を送出する。

【００３６】図２は図１の第１実施例に対し、入力イン
ピーダンスＺの代りに、各電極２，２からアンプ７にい
たる２本の導線とアースとの間に短絡抵抗Ｒと、スイッ
チＳを設け、タイミング回路６からの信号にしたがって
スイッチＳを開閉することで、アンプ７の入力インピー
ダンスが変ったのと同じ働きをさせるようになっている
点だけが異なる。

【００３７】そこで、以下で図２の第２実施例につい
て、その作用を説明する。励磁回路５はタイミング回路
６からの信号にしたがって、上下の励磁コイルＵとＬを
励磁する。ある期間下側励磁コイルの励磁を止める。

【００３８】タイミング回路６は、アンプ７の入力イン
ピーダンスの変更と励磁に必要なタイミングのほか、Ａ
／Ｄ変換や演算回路の信号処理に必要なタイミングを発
生する。

【００３９】流量信号（アンプ７の出力電圧）はＡ／Ｄ
変換されて演算回路１０へ取り込まれる。メモリー１０
Ａには、関数Ｆ・Ｇ・Ｈ・ｑが数値テーブルとして格納
されている。また、（１）〜（４）の連立方程式を解く
ためのプログラムが格納されている。

【００４０】演算回路１０は上記プログラムに従って
（１）〜（４）の連立方程式を解く。出力回路１０Ｂは
上記演算結果を適当な形で外部に出力する。（１）〜
（４）の連立方程式を解くには、流下流量Ｑ・水位ｈ・
動水勾配ｇ・流体の導電率Ｃが一定と見なせるような短
い時間の間に、測定条件を第１，第２，第３と変化させ
る必要があり、タイミング回路６はそのように働らく。

【００４１】演算回路１０は第１，第２，第３の測定条
件に従って発生する流量信号（出力電圧）Ｅ_f ・Ｅ_g ・
Ｅ_h を区別して取り込む。メモリー１０Ａには、流下流
量Ｑ・水位ｈ・動水勾配ｇ・流体の導電率Ｃに適当な値
を設定しつつ、その設定値をいろいろ変えながら実測に
よって求めた数値関数Ｆ・Ｇ・Ｈの値が、その設定値Ｑ
・ｈ・ｇ・Ｃを与えることによって引き出せるように格
納記憶されている。

【００４２】連立方程式の解法は、種々考えられるが次
に一例を挙げる。 １）．先ず、（１）式において、ｈ・ｇ・Ｃに適当な値
を仮定する。 Ｅ_f ＝Ｆ（Ｑ，ｈ，ｇ，Ｃ）……（１） ここで、Ｅ_f との比較において（１）式を満すＱをメモ
リー１０Ａ上の数値関数Ｆより求める。

【００４３】すなわち、ｈ，ｇ，Ｃを仮定したことによ
り数値関数下の自由度は流下流量Ｑ一次元だけになる。
この関数の値がＥ_f と一致するようなＱを求める。この
ことは適当な補間操作などを使って容易にできる。（以
下２）〜４）の手順においても同じことが言える。）そ
こで求まった値をＱ₀ と書く。 ２）．今求めたＱ₀ と最初に仮定したｈ，ｇ，Ｃのう
ち、ｇ，Ｃを（２）式へ代入してやる。

【００４４】Ｅ_g ＝Ｇ（Ｑ₀ ，ｈ，ｇ，Ｃ）……（２） ここで、Ｅ_g との比較において（２）式を満すｈをメモ
リー１０Ａ上の数値関数Ｇによって求める。求まった値
をｈ₀ と書く。 ３）．こうして、求めたＱ₀ ・ｈ₀ と、最初に仮定した
ｈ，ｇ，Ｃのうちのｇを（２）式へ代入してやる。

【００４５】 Ｅ_h ＝Ｈ（Ｑ₀ ，ｈ₀ ，ｇ，Ｃ）……（３） ここで、Ｅ_h との比較において（３）式を満すＣをメモ
リー１０Ａ上の数値関数Ｈによって求める。求まった値
をＣ₀ と書く。 ４）．（４）式へ、求めたＱ₀ ，ｈ₀ を代入してやる。

【００４６】Ｑ₀ ＝ｑ（ｈ₀ ，ｇ）……（４） ここで、メモリー１０Ａ上の数値関数ｑにより、（４）
式を満すｇを求める。求まった値をｇ₀ と書く。 ５）．これで、全ての値Ｑ₀ ・ｈ₀ ・ｇ₀ ・Ｃ₀ が求め
られた。

【００４７】１）〜４）の手順をひとつのループとす
る。今求めたＱ₀ ・ｈ₀ ・ｇ₀ ・Ｃ₀のうち、ｈ₀ ・ｇ
₀ ・Ｃ₀ を仮定する値として、再びこのループを回すこ
とにより、手順４）が終了したときに獲られるＱ₀ ・ｈ
₀ ・ｇ₀ ・Ｃ₀ は連立方程式の真の解に近づく。このよ
うな収束演算を繰り返すことで、必要な精度で流下流量
Ｑ₀ ・水位ｈ₀ ・動水勾配ｇ₀ ・流体の導電率Ｃ₀ を得
る。

【００４８】第２〜第６の発明で、四つの連立方程式よ
り四つの未知の量Ｑ₀ ・ｈ₀ ・ｇ ₀ ・Ｃ₀ を求めるに
は、上述の第１の発明の実施例における解法と類似の手
法で解くことが可能なことは明らかであるので、説明を
省略する。

【００４９】

【発明の効果】本発明の非満水用電磁流量計の演算方法
は上述のように構成されているので、非満水で流れる管
路の流下流量をより正確に計量することができる。又、
水位の計測や、水質の一つの指標となる流体の導電率
や、管路の状態を表わす指標となる動水勾配を流下流量
とあわせて測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の図。

【図２】本発明の第２実施例の図。

【図３】従来技術の図。

【図４】水位対出力比線図。

【図５】水位対感度線図。

【図６】管路勾配を説明する略図。

【図７】流量対出力比線図。

【図８】流量対出力線図。

【符号の説明】

１ 流路 ２ 電極 ７ アンプ １０ 演算回路 １０Ａ メモリー Ｕ，Ｌ 励磁コイル Ｚ 入力インピーダンス

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流路（１）の上側に設けた励磁コイル
   （Ｕ）と下側に設けた励磁コイル（Ｌ）と、流路（１）
   の左右に設けた一対の電極（２），（２）と、電極
   （２），（２）間に発生した電圧を増幅するとともにそ
   の入力インピーダンス（Ｚ）の値を変化させて２種類以
   上の異なった値をとることができるアンプ（７）とを具
   備した電磁流量計において、 流路（１）を流れ下る流体の流下流量をＱ、水位をｈ、
   流体の液面の勾配を動水勾配ｇ、流体の導電率をＣとあ
   らわしたとき、次のイ〜ハで示す流量信号Ｅ_f〜Ｅ_h を
   アンプ７の出力電圧として求める。 イ．両励磁コイル（Ｕ）（Ｌ）を励磁し、入力インピー
   ダンス（Ｚ）を一方の値とした第１の測定条件における
   アンプ（７）の出力電圧Ｅ_f を求める。このとき、出力
   電圧Ｅ_f は流下流量Ｑ、水位ｈ、動水勾配ｇ及び流体の
   導電率Ｃの関数Ｆとして次の第１式であらわされる。 Ｅ_f ＝Ｆ（Ｑ，ｈ，ｇ，Ｃ）……（１） ロ．前記イに示す第１の測定条件に対し、入力インピー
   ダンス（Ｚ）の値を他方の値に変化させた第２の測定条
   件におけるアンプ（７）の出力電圧Ｅ_g を求める。この
   とき出力電圧Ｅ_g は流下流量Ｑ、水位ｈ、動水勾配ｇ及
   び流体の導電率Ｃの関数Ｇとして、（１）式と独立な下
   記（２）式であらわされる。 Ｅ_g ＝Ｇ（Ｑ，ｈ，ｇ，Ｃ）……（２） ハ．前記イに示す第１の測定条件に対し、下側の励磁コ
   イル（Ｌ）の励磁を止めた第３の測定条件とすること
   で、Ｆの関数形を変えて下記（３）式を得る。Ｅ_h はこ
   のときの出力電圧である。 Ｅ_h ＝Ｈ（Ｑ，ｈ，ｇ，Ｃ）……（３） ニ．自然流下の管路では水理学的要請により、流下流量
   Ｑ、水位ｈ、及び動水勾配ｇの間には一定の関係があ
   り、流下流量Ｑは水位ｈと動水勾配ｇの関数ｑとして次
   の（４）式であらわされる。 Ｑ＝ｑ（ｈ，ｇ）……（４） ホ．上述の関数Ｆ、Ｇ、Ｈ及びｑは、既知の流下流量Ｑ
   ・水位ｈ・動水勾配ｇ及び流体の導電率Ｃに基いて予め
   実測により数値関数として求めて記憶しておく。 ヘ．未知の四つの量、流下流量Ｑ・水位ｈ・動水勾配ｇ
   ・流体の導電率Ｃを求めるには、測定条件を第１，第
   ２，第３の測定条件と変化させ、流量に応じた出力信号
   Ｅ_f ・Ｅ_g ・Ｅ_h を求め、上記（１）〜（４）の四つの
   連立方程式を解くことで未知の四つの量を得るようにし
   た非満水用電磁流量計の演算方法。
2. 【請求項２】 請求項１のロに示す第２の測定条件のう
   ち、励磁を上側の励磁コイル（Ｕ）だけとした非満水用
   電磁流量計の演算方法。
3. 【請求項３】 請求項１のハに示す第３の測定条件のう
   ち、励磁を下側の励磁コイル（Ｌ）だけとした非満水用
   電磁流量計の演算方法。
4. 【請求項４】 請求項１のロに示す第２の測定条件と、
   同ハに示す第３の測定条件のうち、励磁を下側の励磁コ
   イル（Ｌ）だけとした非満水用電磁流量計の演算方法。
5. 【請求項５】 請求項１のイに示す第１の測定条件のう
   ち、励磁を上側の励磁コイル（Ｕ）だけとし、同請求項
   のロに示す第２の測定条件のうち、励磁を上側の励磁コ
   イル（Ｕ）だけとし、更に同請求項のハに示す第３の測
   定条件のうち、励磁を下側の励磁コイル（Ｌ）だけとし
   た非満水用電磁流量計の演算方法。
6. 【請求項６】 請求項１のイに示す第１の測定条件のう
   ち、励磁を上側の励磁コイル（Ｕ）だけとし、更に同請
   求項ロに示す第２の測定条件とハに示す第３の測定条件
   のうち、励磁を下側の励磁コイル（Ｌ）だけとした非満
   水用電磁流量計の演算方法。
7. 【請求項７】 （１）〜（４）の四つの連立方程式を解
   くことで、未知の四つの量の代りに、流下流量Ｑと、水
   位ｈ・動水勾配ｇ・流体の導電率Ｃのうちの少なくとも
   一つの量とを得るようにした請求項１〜６のうち、何れ
   か一つの非満水用電磁流量計の演算方法。