JP3202992B2 - 自己較正する開水路流量計 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明の概念 本発明は、開水路流量計であって、この流量計には、
ある１つの流量または複数流量の水位において検知され
た流体速度を調べることによって、特定現場のための流
量係数を決定する決定手段を含む、自己較正する開水路
流量計に関する。この場合、流量係数は、その現場にお
ける広範囲な流体水位全体にわたって局所速度を平均速
度に変換するために用いられる。
ある１つの流量または複数流量の水位において検知され
た流体速度を調べることによって、特定現場のための流
量係数を決定する決定手段を含む、自己較正する開水路
流量計に関する。この場合、流量係数は、その現場にお
ける広範囲な流体水位全体にわたって局所速度を平均速
度に変換するために用いられる。
従来技術の簡単な説明 この20年、水および汚水を監視する必要は、環境保護
法のためと、そして適宜な水および汚水施設を維持する
費用のために、相当に増大している。しかし、特に汚水
および雨水の下水道における開水路内での測定は、非常
に困難である。
法のためと、そして適宜な水および汚水施設を維持する
費用のために、相当に増大している。しかし、特に汚水
および雨水の下水道における開水路内での測定は、非常
に困難である。
下水管の標準的な区画に配置されている電子流量計に
おいては、水位と速度という２つのパラメータは、この
ような開水路の流動条件下の配管システムでは、流量の
変化と共に変わるので、水位と速度の双方が正確に測定
されなければならない。管のこう配とあらさは速度と水
位の関係を制御する。特定現場のために選択された管の
こう配（すなわち傾斜度）は、土地のような因子によっ
て決定される土木光学的な検討の結果であるが、あらさ
因子は、管の表面とベンドやエルボのような障害との結
果である。
おいては、水位と速度という２つのパラメータは、この
ような開水路の流動条件下の配管システムでは、流量の
変化と共に変わるので、水位と速度の双方が正確に測定
されなければならない。管のこう配とあらさは速度と水
位の関係を制御する。特定現場のために選択された管の
こう配（すなわち傾斜度）は、土地のような因子によっ
て決定される土木光学的な検討の結果であるが、あらさ
因子は、管の表面とベンドやエルボのような障害との結
果である。
歴史的には、開水路配管における流量は、管内を流れ
る検知された水位と流量との関係を予測できる関係式を
得るために管のあらさと水面のこう配を利用するマンニ
ングの公式かまたはその他の経験的な関係式を使用する
ことによって測定されていた。あらさでも水のこう配で
も直接、正確に測定することは非常に難しいので、正確
な流量測定が求められている場合、こうした技術は用い
られていなかった。
る検知された水位と流量との関係を予測できる関係式を
得るために管のあらさと水面のこう配を利用するマンニ
ングの公式かまたはその他の経験的な関係式を使用する
ことによって測定されていた。あらさでも水のこう配で
も直接、正確に測定することは非常に難しいので、正確
な流量測定が求められている場合、こうした技術は用い
られていなかった。
近年においては、開水路内における好ましい測定法
は、速度／面積技術であった。流量Ｑは、共に共通な横
断面において測定される中間の（平均）速度Ｖと満たさ
れている管部分の断面積Ａとの積に等しいという連続方
程式を、上記技術は利用する。
は、速度／面積技術であった。流量Ｑは、共に共通な横
断面において測定される中間の（平均）速度Ｖと満たさ
れている管部分の断面積Ａとの積に等しいという連続方
程式を、上記技術は利用する。
速度／面積技術を利用する機器は一般的には、商業的
使用に十分な正確度で平均速度を直接測定することはで
きず、したがってこれらの機器には、平均速度により近
づくように、検知速度（局所速度）に作用する変更子が
含まれる。検知速度が導管の底部に局限される場合は真
実であり、中間の速度の直接的な測定ではない他の位置
では、検知速度はそれ自身表面におけるものである。
使用に十分な正確度で平均速度を直接測定することはで
きず、したがってこれらの機器には、平均速度により近
づくように、検知速度（局所速度）に作用する変更子が
含まれる。検知速度が導管の底部に局限される場合は真
実であり、中間の速度の直接的な測定ではない他の位置
では、検知速度はそれ自身表面におけるものである。
どのような寸法の特定の管であっても、管のこう配と
あらさによって、開水路の流動条件の下における速度と
水位との関係が定まる。管のこう配が増大するにしたが
って、所定の水位とあらさにおいて速度はより高くなる
傾向があり、そして管のあらさが増すと、速度は所定の
こう配と水位においてより低下する傾向がある。
あらさによって、開水路の流動条件の下における速度と
水位との関係が定まる。管のこう配が増大するにしたが
って、所定の水位とあらさにおいて速度はより高くなる
傾向があり、そして管のあらさが増すと、速度は所定の
こう配と水位においてより低下する傾向がある。
しかしながら、速度と水位との関係は一般的に、管の
こう配およびあらさと、そして管の直径によって制御さ
れる。直接に実際の平均速度を測定するのは非常に難し
いので、局所速度（すなわち、平均速度に関連している
がこれに等しくはない検知速度）が測定され、それから
この局所速度は平均速度の正確な予測値を得るために修
正される様々な技術が開発された。
こう配およびあらさと、そして管の直径によって制御さ
れる。直接に実際の平均速度を測定するのは非常に難し
いので、局所速度（すなわち、平均速度に関連している
がこれに等しくはない検知速度）が測定され、それから
この局所速度は平均速度の正確な予測値を得るために修
正される様々な技術が開発された。
従来のマーシュ特許第4,083,246号（本発明と同じ被
譲渡人に譲渡されている）では、直接に水位と局所速度
を測定することによって流量が定められる流体の流量測
定器が開示されている。検知された局所速度は、平均速
度に近づけるために修正され、そして流量は、以下の連
続方程式、すなわち Ａ＝VXA を用いて計算される。ただし、上記式において、Ｖは流
れている流体の平均速度の近似値であり、そしてＡは満
たされている管部分の断面積である。
譲渡人に譲渡されている）では、直接に水位と局所速度
を測定することによって流量が定められる流体の流量測
定器が開示されている。検知された局所速度は、平均速
度に近づけるために修正され、そして流量は、以下の連
続方程式、すなわち Ａ＝VXA を用いて計算される。ただし、上記式において、Ｖは流
れている流体の平均速度の近似値であり、そしてＡは満
たされている管部分の断面積である。
上述のマーシュ特許では、局所速度は管の底部の近辺
で測定される。携帯用の流速計またはその他の手段によ
って現場の流速の分布を測定し、１つまたは複数の流量
における平均速度を決定することによって適宜な変更子
を定め、そして次ぎに検知速度は、コンピュータソフト
ウェアに含まれている経験的方程式によって、広範囲な
水位（すなわち、流量）における平均速度の正確な近似
値Ｖに変換される。
で測定される。携帯用の流速計またはその他の手段によ
って現場の流速の分布を測定し、１つまたは複数の流量
における平均速度を決定することによって適宜な変更子
を定め、そして次ぎに検知速度は、コンピュータソフト
ウェアに含まれている経験的方程式によって、広範囲な
水位（すなわち、流量）における平均速度の正確な近似
値Ｖに変換される。
その他に、真の平均速度の近似値として流動する流れ
の断面の大部分において速度を測定し、機器の精度を改
善するために変更子を利用することも、また提案されて
いる。例えば、ナビツィその他に与えられた米国特許第
5,371,686号を参照願いたい。ペトロフの特許第5,198,9
89号には、断面において観察された最大値である速度が
測定され、そしてベイリーの特許第5,315,880号には、
表面における速度が測定される。（アラン・ペトロブの
ADS技術論文も参照願いたい）。
の断面の大部分において速度を測定し、機器の精度を改
善するために変更子を利用することも、また提案されて
いる。例えば、ナビツィその他に与えられた米国特許第
5,371,686号を参照願いたい。ペトロフの特許第5,198,9
89号には、断面において観察された最大値である速度が
測定され、そしてベイリーの特許第5,315,880号には、
表面における速度が測定される。（アラン・ペトロブの
ADS技術論文も参照願いたい）。
ある特定の管の寸法および現場の位置における局所速
度（検知速度）と水位との関係を分析し、そしてこれら
の現場における関係を制御されている条件の下で得られ
た関係と比較すれば、検知速度または局所速度を平均速
度に変換するのに必要な変更子は、現場における実際の
流量または平均速度を個別的に、あるいは独立に決定し
なくても、予め決定しておくことができる。
度（検知速度）と水位との関係を分析し、そしてこれら
の現場における関係を制御されている条件の下で得られ
た関係と比較すれば、検知速度または局所速度を平均速
度に変換するのに必要な変更子は、現場における実際の
流量または平均速度を個別的に、あるいは独立に決定し
なくても、予め決定しておくことができる。
１つだけの流動条件の下で得られた速度と水位の単純
な関係は、合理的範囲で正確な較正係数を与えはする
が、特定の現場のこう配およびあらさに基づいて存在す
べき真の条件をよりよく確立するには、より広い範囲の
流量における速度と水位との関係を調査することによっ
て得られた関係ほどは優れていないことを留意すべきで
ある。例えば、１週間のようなある機関にわたって速度
／水位関係を観察すれば、流量係数はより狭い範囲の流
量における速度／水位関係に基づいて選択することがで
き、ほとんどのデータが特定の現場で発生している場合
では、より高い精度を得ることができる。
な関係は、合理的範囲で正確な較正係数を与えはする
が、特定の現場のこう配およびあらさに基づいて存在す
べき真の条件をよりよく確立するには、より広い範囲の
流量における速度と水位との関係を調査することによっ
て得られた関係ほどは優れていないことを留意すべきで
ある。例えば、１週間のようなある機関にわたって速度
／水位関係を観察すれば、流量係数はより狭い範囲の流
量における速度／水位関係に基づいて選択することがで
き、ほとんどのデータが特定の現場で発生している場合
では、より高い精度を得ることができる。
このような自己較正する装置または方法は、下流の封
鎖または潮の干満の効果により生じることがある様々な
状態に反応できることを留意することが重要である。こ
の様な状況は水位を上昇させ、そして速度を遅くさせ
て、異常な状況が存在している間は、様々な速度／水位
関係を作り出す。こうした変化する状況から得られた幾
組ものデータを分離することによって、様々な係数が様
々な水量の状況の組合せの各々に適用されることが可能
になる。
鎖または潮の干満の効果により生じることがある様々な
状態に反応できることを留意することが重要である。こ
の様な状況は水位を上昇させ、そして速度を遅くさせ
て、異常な状況が存在している間は、様々な速度／水位
関係を作り出す。こうした変化する状況から得られた幾
組ものデータを分離することによって、様々な係数が様
々な水量の状況の組合せの各々に適用されることが可能
になる。
本発明の概略 したがって、不都合な時に、具合の悪い水位または困
難な閉鎖空間状況でしばしば実施しなければならず、こ
のことによって測定がより不正確になる恐れがあり、そ
してほとんどの重要なデータが凝縮している流れの状況
を表しにくくしている、現場の流速分布状況の測定を独
立に実施する必要を取り除くことが、本発明の主な目的
である。
難な閉鎖空間状況でしばしば実施しなければならず、こ
のことによって測定がより不正確になる恐れがあり、そ
してほとんどの重要なデータが凝縮している流れの状況
を表しにくくしている、現場の流速分布状況の測定を独
立に実施する必要を取り除くことが、本発明の主な目的
である。
また、例えば電磁気、音響、超短波、光などによる局
所速度測定は、− 底部の近くにせよ、表面にせよ、あ
るいはその間のいずれの場所においても、そして様々な
速度検出手段を利用しても、− 局所速度を平均速度ま
たは中間の速度に接近させるように、修正される改良流
量計を供することも、本発明のより特殊な目的である。
修正手段は、制御された条件の下で集められた幾つかの
特定の速度測定技術のための速度／水位の関係を利用
し、そして修正手段は、局所現場の特性と比較して、検
知速度を平均速度に関連付ける乗数が特定の場所（サイ
ト）においてどのようなものであるべきかを決定するた
めの情報を提供する。この乗数（または流量係数）は一
定であるか、または深さのような他のパラメータに応じ
て変化する可能性がある。本発明のもう一つの目的は、
省略時の流量係数を有する自己較正する流量計を供する
ことである。自己較正する流量計は省略時の流量係数を
設置することができ、いったん流れに露出されると、現
場で得られた測定水位および速度のデータは、コンピュ
ータに貯蔵されているか、または表にして永久保存され
ているデータを使用する改良した流量係数になるよう
に、記憶装置に貯蔵されているデータのライブラリと比
較される。
所速度測定は、− 底部の近くにせよ、表面にせよ、あ
るいはその間のいずれの場所においても、そして様々な
速度検出手段を利用しても、− 局所速度を平均速度ま
たは中間の速度に接近させるように、修正される改良流
量計を供することも、本発明のより特殊な目的である。
修正手段は、制御された条件の下で集められた幾つかの
特定の速度測定技術のための速度／水位の関係を利用
し、そして修正手段は、局所現場の特性と比較して、検
知速度を平均速度に関連付ける乗数が特定の場所（サイ
ト）においてどのようなものであるべきかを決定するた
めの情報を提供する。この乗数（または流量係数）は一
定であるか、または深さのような他のパラメータに応じ
て変化する可能性がある。本発明のもう一つの目的は、
省略時の流量係数を有する自己較正する流量計を供する
ことである。自己較正する流量計は省略時の流量係数を
設置することができ、いったん流れに露出されると、現
場で得られた測定水位および速度のデータは、コンピュ
ータに貯蔵されているか、または表にして永久保存され
ているデータを使用する改良した流量係数になるよう
に、記憶装置に貯蔵されているデータのライブラリと比
較される。
自己較正を実施するのに必要な他の入力には、水路の
形状および水路の寸法も含まれる。導管のこう配または
あらさの直接的な知識は必要ではない。
形状および水路の寸法も含まれる。導管のこう配または
あらさの直接的な知識は必要ではない。
図面の簡単な説明 添付図面を参照しながら、以下の説明を研究すれば、
本発明の他の目的および利点は明白になるであろう。
本発明の他の目的および利点は明白になるであろう。
図１は、緩いこう配と高度な内側のあらさを有する導
管における流速に対応して表示される流体水位（すなわ
ち、深さ）のグラフである。そして、 図２は、上記グラフにおける数値を記した添付の表で
ある。
管における流速に対応して表示される流体水位（すなわ
ち、深さ）のグラフである。そして、 図２は、上記グラフにおける数値を記した添付の表で
ある。
図３は、中間のこう配と中間のあらさを有する導管に
おける流速に対応して表示されている流体水位のグラフ
であり、そして図４は、これらの数値を記入した添付の
表である。
おける流速に対応して表示されている流体水位のグラフ
であり、そして図４は、これらの数値を記入した添付の
表である。
図５は、高いこう配と低いあらさを有する導管内の流
速に対応して表示されている流体水位のグラフであり、
そして図６は、これらの数値を記した添付の表である。
速に対応して表示されている流体水位のグラフであり、
そして図６は、これらの数値を記した添付の表である。
図７は、図１、３および５の３つの流動条件下におけ
る水位に対応する検知速度の分布を表すグラフである。
る水位に対応する検知速度の分布を表すグラフである。
図８は、検知速度を平均速度に変換するのに必要な流
量係数を表す速度／水位曲線の分布を示すグラフであ
り、そして 図９は、本発明の流量計を組み込まれている下水道シ
ステムの略図である。
量係数を表す速度／水位曲線の分布を示すグラフであ
り、そして 図９は、本発明の流量計を組み込まれている下水道シ
ステムの略図である。
図10〜13は、本発明による様々な流量計センサの配置
の略図である。
の略図である。
図14は、本発明の流量計の好ましい１実施例のブロッ
ク線図である。
ク線図である。
図15は、図14の記憶手段において対照データを獲得し
そして記憶するための手段のブロック線図である。
そして記憶するための手段のブロック線図である。
図16は、図14における検知された信号を処理するため
の処理手段のブロック線図である。
の処理手段のブロック線図である。
図17は、図14の流量計システムの代替実施例のブロッ
ク線図である。
ク線図である。
図18は、本発明による水位のみ修正されるブロック線
図である。
図である。
詳細な説明 先ず、特に図１〜６を説明すると、開水路内の流れ
は、ほぼ対数関数のような形状の速度パターン（速度分
布）を示すであろう。流量が増大すると、分布図におけ
る各点の液体の深さと速度は増して、図１、３および５
に示されているような曲線「族」になる。所定のある管
特性（こう配、あらさなど）において、流量（そして深
さ）が増大すると、速度分布は指数関数的に増大し、そ
の流量の所定の位置における速度がより大きくなる。図
１では、各曲線は、液体の様々な深さに対する速度の分
布状態を表す。図１、３および５は、どのように分布曲
線族が管の特性に応じて、変化するかを示している。図
１は低いこう配／高いあらさの管を表し、図３は中間の
こう配／中間のあらさの管を、そして図５は高いこう配
／低いあらさの管を表している。
は、ほぼ対数関数のような形状の速度パターン（速度分
布）を示すであろう。流量が増大すると、分布図におけ
る各点の液体の深さと速度は増して、図１、３および５
に示されているような曲線「族」になる。所定のある管
特性（こう配、あらさなど）において、流量（そして深
さ）が増大すると、速度分布は指数関数的に増大し、そ
の流量の所定の位置における速度がより大きくなる。図
１では、各曲線は、液体の様々な深さに対する速度の分
布状態を表す。図１、３および５は、どのように分布曲
線族が管の特性に応じて、変化するかを示している。図
１は低いこう配／高いあらさの管を表し、図３は中間の
こう配／中間のあらさの管を、そして図５は高いこう配
／低いあらさの管を表している。
図１、３および５に示されているように、低いこう配
／高いあらさの管はどの分布図においても、流れの所定
の深さに対して高いこう配／低いあらさの管より低い速
度を示すであろう。たとえば、図１に示されている管特
性では、10インチの流れの深さで、速度は水路の底から
７インチの位置で2.5フィート／秒にしかならない。し
かし、図３に示されている管では、この管はよりこう配
が険しいか、またはよりなめらかであるか、またはその
双方であるので、同じ深さの条件で、水路の底から７イ
ンチの位置における速度は６フィート／秒である。ほと
んどの開水路配管システムでは、管のこう配とあらさと
の様々な組み合わせが見出される。
／高いあらさの管はどの分布図においても、流れの所定
の深さに対して高いこう配／低いあらさの管より低い速
度を示すであろう。たとえば、図１に示されている管特
性では、10インチの流れの深さで、速度は水路の底から
７インチの位置で2.5フィート／秒にしかならない。し
かし、図３に示されている管では、この管はよりこう配
が険しいか、またはよりなめらかであるか、またはその
双方であるので、同じ深さの条件で、水路の底から７イ
ンチの位置における速度は６フィート／秒である。ほと
んどの開水路配管システムでは、管のこう配とあらさと
の様々な組み合わせが見出される。
ここで図７を説明すると、図１、３および５の導管の
条件における管の特性と分布図の特性との関係が、対応
する電磁式速度センサの位置に対して示されており、水
路の底から１インチ離れているこのセンサの位置は、ご
みを収集せずに下水内において検知局所速度を測定する
ために配置されている電磁センサの典型的な位置に相当
する。
条件における管の特性と分布図の特性との関係が、対応
する電磁式速度センサの位置に対して示されており、水
路の底から１インチ離れているこのセンサの位置は、ご
みを収集せずに下水内において検知局所速度を測定する
ために配置されている電磁センサの典型的な位置に相当
する。
図１、３および５に示されている分布曲線族について
の流れの深さに対する検知速度の図（分布図）が、図７
に示されており、深さに対する検知速度を表している。
の流れの深さに対する検知速度の図（分布図）が、図７
に示されており、深さに対する検知速度を表している。
図７によると、（こう配と偏りのような）分布図の特
性は、水位／速度センサが設置されている管の特性（管
のこう配、あらさ）に関連していることが判る。水位の
増分変化（ΔV/ΔＬ）に対する速度の変化については、
図１の分布図は、水位の同じ増分変化に対してより大き
な速度変化を有する図５の分布図よりも小さい変化を示
している。この挙動は分布曲線族の性質に直接、関係し
ており、一方この性質は管の特性（寸法／こう配／あら
さ）に直接、関係している。分布図の他の特徴は、現場
の特徴に更に追加の（しかし、より劇的ではない）洞察
を与えるが、分布図で最も適合している曲線の曲率は、
このような特性の１つである。
性は、水位／速度センサが設置されている管の特性（管
のこう配、あらさ）に関連していることが判る。水位の
増分変化（ΔV/ΔＬ）に対する速度の変化については、
図１の分布図は、水位の同じ増分変化に対してより大き
な速度変化を有する図５の分布図よりも小さい変化を示
している。この挙動は分布曲線族の性質に直接、関係し
ており、一方この性質は管の特性（寸法／こう配／あら
さ）に直接、関係している。分布図の他の特徴は、現場
の特徴に更に追加の（しかし、より劇的ではない）洞察
を与えるが、分布図で最も適合している曲線の曲率は、
このような特性の１つである。
ここで図８を説明すると、分布図の形態に影響を与え
る管の特性はまた、（水位／速度計器によって測定され
た）検知速度を平均速度に変換するのにどのような流量
係数が必要であるか、ということに影響を与える。より
特殊的には、図１、３および５に示されている分布曲線
のための速度乗数（平均速度を検知速度で除したもの）
が、流れの深さに対してグラフに表示されている。一般
には、流れの様々な深さに対して一連の特定の速度乗数
を定めるために、単一の「流量係数」が用いられる。
る管の特性はまた、（水位／速度計器によって測定され
た）検知速度を平均速度に変換するのにどのような流量
係数が必要であるか、ということに影響を与える。より
特殊的には、図１、３および５に示されている分布曲線
のための速度乗数（平均速度を検知速度で除したもの）
が、流れの深さに対してグラフに表示されている。一般
には、流れの様々な深さに対して一連の特定の速度乗数
を定めるために、単一の「流量係数」が用いられる。
所定の例によれば、図１で示されている管は1.5の流
量係数を要求するが、図３の分布は1.35の流量係数を、
図５の分布は1.2の流量係数を必要とする。流量係数に
相違がある理由は、管におけるこう配／あらさの相違が
速度分布の形態に影響を与えるからである。流量係数は
また直接、管のこう配／あらさに関連しているので、速
度／水位分布図を調べることによって、特定現場におけ
る流量係数を推測することができる。
量係数を要求するが、図３の分布は1.35の流量係数を、
図５の分布は1.2の流量係数を必要とする。流量係数に
相違がある理由は、管におけるこう配／あらさの相違が
速度分布の形態に影響を与えるからである。流量係数は
また直接、管のこう配／あらさに関連しているので、速
度／水位分布図を調べることによって、特定現場におけ
る流量係数を推測することができる。
したがって、特定の計器を設置している現場から生じ
た分布図の特性を調査し、そして正確にその計器の現場
較正を行うためにはどのような流量係数を用いるのがい
いか、決定することができる。
た分布図の特性を調査し、そして正確にその計器の現場
較正を行うためにはどのような流量係数を用いるのがい
いか、決定することができる。
ここで図９に示されている本発明の流量測定システム
を説明すると、携帯用流量計を用いる施設には、導管８
内の液体６の流速を測定するためにマンホール４内に設
置されている流量計２が含まれる。マンホールは通常、
方向、こう配、または管の寸法、またはその他の点で変
化があり、そして流れにアクセスする必要がある場合に
設置される。図10〜13は、導管の中にある液体の流れの
速度を測定するための様々なセンサの幾つかの異なる例
を示したものである。速度センサは一般的には、電磁、
音響ドップラー、超短波ドップラー、レーザドップラ
ー、相関またはシンチレーションタイプのものである。
水位変換気には一般的に、気泡タイプの圧力変換器、沈
降圧力変換器、沈降音響水位変換器と、そして下向きの
音響、レーザまたは超短波式の水位変換器がある。図10
には、導管８の底に取りつけられている電磁速度センサ
10が示されている。底に取り付けられているこのような
変換器はしばしば、取り付け帯（図示されていない）に
よって正しい位置に固定されている。この電磁速度セン
サにはまた、同じハウジング内に沈降圧力変換器12が含
まれている。速度変換器と水位変換器とのこうした組合
せは、ケーブル手段14を介して流量計２に含まれている
電磁処理ユニットに接続されている。
を説明すると、携帯用流量計を用いる施設には、導管８
内の液体６の流速を測定するためにマンホール４内に設
置されている流量計２が含まれる。マンホールは通常、
方向、こう配、または管の寸法、またはその他の点で変
化があり、そして流れにアクセスする必要がある場合に
設置される。図10〜13は、導管の中にある液体の流れの
速度を測定するための様々なセンサの幾つかの異なる例
を示したものである。速度センサは一般的には、電磁、
音響ドップラー、超短波ドップラー、レーザドップラ
ー、相関またはシンチレーションタイプのものである。
水位変換気には一般的に、気泡タイプの圧力変換器、沈
降圧力変換器、沈降音響水位変換器と、そして下向きの
音響、レーザまたは超短波式の水位変換器がある。図10
には、導管８の底に取りつけられている電磁速度センサ
10が示されている。底に取り付けられているこのような
変換器はしばしば、取り付け帯（図示されていない）に
よって正しい位置に固定されている。この電磁速度セン
サにはまた、同じハウジング内に沈降圧力変換器12が含
まれている。速度変換器と水位変換器とのこうした組合
せは、ケーブル手段14を介して流量計２に含まれている
電磁処理ユニットに接続されている。
図11は、底に取り付けられているドップラー速度セン
サ16と沈降圧力変換器18とを示す。ケーブル20はまた、
センサを電磁処理ユニットに接続している。
サ16と沈降圧力変換器18とを示す。ケーブル20はまた、
センサを電磁処理ユニットに接続している。
図12は、底に取り付けられているドップラー表面速度
センサ22と沈降圧力変換器24とを示す。ケーブル26はま
た、センサを流量計電磁処理手段に接続している。
センサ22と沈降圧力変換器24とを示す。ケーブル26はま
た、センサを流量計電磁処理手段に接続している。
図13は、電磁処理モジュールにケーブル32によって接
続されている下向きの速度センサ28と下向きの深さ30を
示している。
続されている下向きの速度センサ28と下向きの深さ30を
示している。
図14のブロック線図をここで説明すると、深さおよび
速度の信号の信号処理には、本発明の改良処理手段が含
まれる。深さセンサ46および速度センサ48の出力は、信
号プロセッサ50および52によってそれぞれ現場の深さ信
号DSと現場の速度信号VSとに変換される。ランダムアク
セス記憶装置（RAM）を備えたマイクロプロセッサ54の
使用によって、対応する深さ信号と速度信号は幾つかの
対のデータとして記憶される。
速度の信号の信号処理には、本発明の改良処理手段が含
まれる。深さセンサ46および速度センサ48の出力は、信
号プロセッサ50および52によってそれぞれ現場の深さ信
号DSと現場の速度信号VSとに変換される。ランダムアク
セス記憶装置（RAM）を備えたマイクロプロセッサ54の
使用によって、対応する深さ信号と速度信号は幾つかの
対のデータとして記憶される。
以下に、より詳細に記されているように、より恒久的
な読取り専用記憶装置（ROM）の中には、流れの実験室
の中かまたは注意深く実施された現場試験において、制
御された条件の下で事前に収集された速度および水位の
対のデータが含まれる。様々なこう配とあらさの組合せ
の下で現場でのこの装置に設置される可能性のあるあら
ゆる管寸法に対して、データセットが備えられている。
また記憶装置56には、現場の流速係数が含まれ、この係
数は、水位に従属している乗数に対応し、そして現場に
おける特定の流れの条件が一旦認識されてから、検知速
度を中間の速度に変換するのに役立つ。
な読取り専用記憶装置（ROM）の中には、流れの実験室
の中かまたは注意深く実施された現場試験において、制
御された条件の下で事前に収集された速度および水位の
対のデータが含まれる。様々なこう配とあらさの組合せ
の下で現場でのこの装置に設置される可能性のあるあら
ゆる管寸法に対して、データセットが備えられている。
また記憶装置56には、現場の流速係数が含まれ、この係
数は、水位に従属している乗数に対応し、そして現場に
おける特定の流れの条件が一旦認識されてから、検知速
度を中間の速度に変換するのに役立つ。
現場における流れの条件は、RAM54に含まれているデ
ータ（特に、現場速度信号VSおよび深さ信号DS）を比較
するマイクロプロセッサを含む比較手段58によって認識
される。手動発信源53からの管寸法信号PSはエンコーダ
57を経由して比較手段58に供給される。特定の管寸法に
対する現場速度と現場深さとの間に存在する分布図を調
べることによって、特定の管寸法と上記の特定の速度測
定装置（すなわち、底に取り付けられている電磁セン
サ、底に付けられているドップラーセンサ、表面に取り
付けられている速度センサ、およびこれらと同様なも
の）に対応する速度／水位関係を見出すために、比較手
段58は記憶手段56内を検索する。各タイプの速度測定装
置に関しては、対照速度および水位と、そして対応する
現場較正係数CFが記憶されていなければならない。対応
する曲線が一旦適合すれば、次に、対応する現場較正係
数CF（一般的に深さに従属している）が、深さ信号DSと
共に現場速度修正手段62に供給される。
ータ（特に、現場速度信号VSおよび深さ信号DS）を比較
するマイクロプロセッサを含む比較手段58によって認識
される。手動発信源53からの管寸法信号PSはエンコーダ
57を経由して比較手段58に供給される。特定の管寸法に
対する現場速度と現場深さとの間に存在する分布図を調
べることによって、特定の管寸法と上記の特定の速度測
定装置（すなわち、底に取り付けられている電磁セン
サ、底に付けられているドップラーセンサ、表面に取り
付けられている速度センサ、およびこれらと同様なも
の）に対応する速度／水位関係を見出すために、比較手
段58は記憶手段56内を検索する。各タイプの速度測定装
置に関しては、対照速度および水位と、そして対応する
現場較正係数CFが記憶されていなければならない。対応
する曲線が一旦適合すれば、次に、対応する現場較正係
数CF（一般的に深さに従属している）が、深さ信号DSと
共に現場速度修正手段62に供給される。
現場較正係数CFおよび深さ信号DSは、現場速度修正手
段62に供給され、ここで深さを修正された係数CF′が検
知速度VSと共に第１の乗数手段64に供給され、こうして
平均速度信号Ｖを生成し、この信号Ｖは、１つの入力と
して第３の乗数手段66に供給される。第３の乗数手段66
の他の入力に、第２の乗数手段67によって生成された管
寸法信号PSの生成物である面積信号ASが、手動設定の管
寸法信号発生器53および管寸法エンコーダ57から供給さ
れ、そして現場深さ信号DSも供給される。所望の流速信
号QSは、第３の乗数手段66の出力において生成される。
段62に供給され、ここで深さを修正された係数CF′が検
知速度VSと共に第１の乗数手段64に供給され、こうして
平均速度信号Ｖを生成し、この信号Ｖは、１つの入力と
して第３の乗数手段66に供給される。第３の乗数手段66
の他の入力に、第２の乗数手段67によって生成された管
寸法信号PSの生成物である面積信号ASが、手動設定の管
寸法信号発生器53および管寸法エンコーダ57から供給さ
れ、そして現場深さ信号DSも供給される。所望の流速信
号QSは、第３の乗数手段66の出力において生成される。
図15をここで説明すると、ROMデータ記憶手段56に記
憶される対照データを得るために、速度センサおよび水
位センサの数学的模型化と実際の試験とによって、様々
な流れの条件の下でこれらの様々な関係を収集する手段
が作られる。特に、データ収集記憶装置への入力は５つ
の異なる入力（すなわち、対照標準から得られた平均速
度、センサタイプ、検知速度、検知深さ、そして上記入
力の各々に対応する管寸法）から成る。各入力ごとにデ
ータは、各管寸法またはある範囲内の管寸法に基づき処
理され、そしてROMに記憶される。対照深さと対照速
度、そして各深さにおける対照速度に対する平均速度の
比Ｒは、測定値を得るために用いられた対応する管寸法
およびセンサタイプと共に、ROM内に記録される。もち
ろん、１つのセンサタイプしか用いられていなければ、
センサタイプの因子は削除することができる。典型的に
は、あらゆる条件が試験されるわけではなく、数学的模
型化と内挿によって、中間の寸法のための良好な推測を
達成することができ、そしてそのデータはROMに直接に
記憶されるか、またはその代わりに速度と深さの関係を
表す方程式が記憶される。
憶される対照データを得るために、速度センサおよび水
位センサの数学的模型化と実際の試験とによって、様々
な流れの条件の下でこれらの様々な関係を収集する手段
が作られる。特に、データ収集記憶装置への入力は５つ
の異なる入力（すなわち、対照標準から得られた平均速
度、センサタイプ、検知速度、検知深さ、そして上記入
力の各々に対応する管寸法）から成る。各入力ごとにデ
ータは、各管寸法またはある範囲内の管寸法に基づき処
理され、そしてROMに記憶される。対照深さと対照速
度、そして各深さにおける対照速度に対する平均速度の
比Ｒは、測定値を得るために用いられた対応する管寸法
およびセンサタイプと共に、ROM内に記録される。もち
ろん、１つのセンサタイプしか用いられていなければ、
センサタイプの因子は削除することができる。典型的に
は、あらゆる条件が試験されるわけではなく、数学的模
型化と内挿によって、中間の寸法のための良好な推測を
達成することができ、そしてそのデータはROMに直接に
記憶されるか、またはその代わりに速度と深さの関係を
表す方程式が記憶される。
図16をここで説明すると、現場深さ信号DSおよび現場
速度信号VSの処理は、管寸法信号PSと共に行われ、セン
サタイプ信号は手動設定のセンサタイプ信号発生器手段
59とセンサタイプのエンコーダ61によって生成される。
これらの信号はマイクロプロセッサ54と、対応するラン
ダムアクセス記憶装置（RAM）および読取り専用記憶装
置（ROM）によって処理される。検知された局所の速度
信号および深さ信号は、当該の特定現場のための管寸法
とセンサタイプに関する情報と共に、デジタル化され、
そしてRAM54に記憶される。比較手段58には、検知速
度、検知深さ、管寸法、導管寸法そしてセンサタイプの
情報が入力される。その比較手段は、このセンサタイプ
に関連する記憶データを見出すために、ROM56を検索す
る。次の段階は、このセンサタイプのための記憶データ
から、現場導管寸法に対応する記憶データの選定を行
う。管寸法とセンサタイプの双方に関連する記憶データ
から、データの対である検知速度VSおよび検知深さDSに
最も適合する対照速度VRおよび対照深さDRを見出すため
に、現場のVSおよびDSは適宜な記憶部位においてVRおよ
びDRに比較される。適合している対のデータ点の各々に
対して、対応する流量係数CFが選択され、そして次ぎに
検知された局所速度VSに乗算されるために現場速度修正
手段に送られる。
速度信号VSの処理は、管寸法信号PSと共に行われ、セン
サタイプ信号は手動設定のセンサタイプ信号発生器手段
59とセンサタイプのエンコーダ61によって生成される。
これらの信号はマイクロプロセッサ54と、対応するラン
ダムアクセス記憶装置（RAM）および読取り専用記憶装
置（ROM）によって処理される。検知された局所の速度
信号および深さ信号は、当該の特定現場のための管寸法
とセンサタイプに関する情報と共に、デジタル化され、
そしてRAM54に記憶される。比較手段58には、検知速
度、検知深さ、管寸法、導管寸法そしてセンサタイプの
情報が入力される。その比較手段は、このセンサタイプ
に関連する記憶データを見出すために、ROM56を検索す
る。次の段階は、このセンサタイプのための記憶データ
から、現場導管寸法に対応する記憶データの選定を行
う。管寸法とセンサタイプの双方に関連する記憶データ
から、データの対である検知速度VSおよび検知深さDSに
最も適合する対照速度VRおよび対照深さDRを見出すため
に、現場のVSおよびDSは適宜な記憶部位においてVRおよ
びDRに比較される。適合している対のデータ点の各々に
対して、対応する流量係数CFが選択され、そして次ぎに
検知された局所速度VSに乗算されるために現場速度修正
手段に送られる。
平均速度、水位、そしてこれらから得られた流量は、
後に利用するために記憶されるか、または一時的な読出
しのためにインディケータに向けて送られる。記憶装置
56、156に記憶された一連の関係は、ある期間中は記録
される速度／水位のデータを比較するコンピュータプロ
グラムでもあり得るし、もしくは補正率を提供するため
の１つの速度／水位の関係自体でもあり得ることに留意
することは重要である。いずれにしても、理論的にまた
は経験的に導き出され、記憶装置56、156に記憶された
一般的関係は、当該の現場に適合した補正率を決定し、
そして検知速度を修正しその現場条件下における平均速
度の近似値を得るために、特定現場における局所の速度
および深さ関係と比較される。
後に利用するために記憶されるか、または一時的な読出
しのためにインディケータに向けて送られる。記憶装置
56、156に記憶された一連の関係は、ある期間中は記録
される速度／水位のデータを比較するコンピュータプロ
グラムでもあり得るし、もしくは補正率を提供するため
の１つの速度／水位の関係自体でもあり得ることに留意
することは重要である。いずれにしても、理論的にまた
は経験的に導き出され、記憶装置56、156に記憶された
一般的関係は、当該の現場に適合した補正率を決定し、
そして検知速度を修正しその現場条件下における平均速
度の近似値を得るために、特定現場における局所の速度
および深さ関係と比較される。
速度／水位の関係を利用する検知速度を修正する代替
の手段が図17に示されている。この代替の実施例におい
ては、深さ信号DSは除算モジュール153によって現場速
度信号VSで除され、このモジュールはその出力において
比DS/VSを生成する。比較手段158は、対照比DR/VRに相
当する対を検索するために、この速度に対する深さの比
DS/VSと、深さDSおよび管寸法PSを組み合わせるマイク
ロプロセッサである。１組の対照比が記憶装置156内で
いったん見出されれば、この特定現場条件に対する較正
係数CFが図14の場合と同様に処理される。
の手段が図17に示されている。この代替の実施例におい
ては、深さ信号DSは除算モジュール153によって現場速
度信号VSで除され、このモジュールはその出力において
比DS/VSを生成する。比較手段158は、対照比DR/VRに相
当する対を検索するために、この速度に対する深さの比
DS/VSと、深さDSおよび管寸法PSを組み合わせるマイク
ロプロセッサである。１組の対照比が記憶装置156内で
いったん見出されれば、この特定現場条件に対する較正
係数CFが図14の場合と同様に処理される。
費用がかかるので、ユーザは全ての現場に速度／面積
流量計を設置することを望まないことがよくある。特
に、「水位専用」タイプの流量計は、速度および水位の
関係が特定の現場において安定しておりかつ繰返し可能
である限り、作動するであろう。このような場合、ユー
ザは、予測可能な水位と流量の比の関係を有するダムま
たは用水路を使用することもでき、あるいはその代わり
に、様々な流動条件の下で標準的な導管区画の水位対流
量比の関係を定めるために、現場の分布図を作製するこ
とにより、そしてもしこの様な条件が安定的であれば、
水位を読み取ること自体から流量を知るためにこの情報
を利用することができる。しかし、様々な水位（流量）
におけるこのような現場分布図の作製は、時間がかかる
上に、閉鎖空間に入るという条件のために危険性が高
い。本発明は、標準導管における水位と流量の比の関係
を確立するためのより簡単でかつ正確な手段を供するこ
とを目的としている。
流量計を設置することを望まないことがよくある。特
に、「水位専用」タイプの流量計は、速度および水位の
関係が特定の現場において安定しておりかつ繰返し可能
である限り、作動するであろう。このような場合、ユー
ザは、予測可能な水位と流量の比の関係を有するダムま
たは用水路を使用することもでき、あるいはその代わり
に、様々な流動条件の下で標準的な導管区画の水位対流
量比の関係を定めるために、現場の分布図を作製するこ
とにより、そしてもしこの様な条件が安定的であれば、
水位を読み取ること自体から流量を知るためにこの情報
を利用することができる。しかし、様々な水位（流量）
におけるこのような現場分布図の作製は、時間がかかる
上に、閉鎖空間に入るという条件のために危険性が高
い。本発明は、標準導管における水位と流量の比の関係
を確立するためのより簡単でかつ正確な手段を供するこ
とを目的としている。
ここで図18を説明すると、本発明によって特定の現場
における流量QS1が得られ、そしてそれぞれの流量ごと
にその現場の深さDS1と共に、記憶される。
における流量QS1が得られ、そしてそれぞれの流量ごと
にその現場の深さDS1と共に、記憶される。
言い換えれば、本発明によって測定されたデータ点Q
S1およびDS1の対は、電気的に消去可能なプログラマブ
ル読出し専用メモリ（EE PROM）260に記憶される。この
EE PROM内の情報は、電気的に複写することも可能であ
るし、もしくは物理的に除去して第２の流量計にインス
トールすることもできる。この第２の流量計は速度セン
サを持たず、水位または深さセンサのみを備えている。
深さセンサは必ずしも、当初の深さおよび流量データを
収集するために用いられたものと同じタイプである必要
はない。この深さ信号DS2はこの水位専用流量計内のマ
イクロプロセッサによって分析される。各深さDS2ごと
に、記憶手段260は等価の深さ信号DS1を求めて検索さ
れ、そして一旦それが見出されると、DS1に相当する流
量が記憶装置260から読み出され、そしてQS2として出力
される。
S1およびDS1の対は、電気的に消去可能なプログラマブ
ル読出し専用メモリ（EE PROM）260に記憶される。この
EE PROM内の情報は、電気的に複写することも可能であ
るし、もしくは物理的に除去して第２の流量計にインス
トールすることもできる。この第２の流量計は速度セン
サを持たず、水位または深さセンサのみを備えている。
深さセンサは必ずしも、当初の深さおよび流量データを
収集するために用いられたものと同じタイプである必要
はない。この深さ信号DS2はこの水位専用流量計内のマ
イクロプロセッサによって分析される。各深さDS2ごと
に、記憶手段260は等価の深さ信号DS1を求めて検索さ
れ、そして一旦それが見出されると、DS1に相当する流
量が記憶装置260から読み出され、そしてQS2として出力
される。
フロントページの続き (72)発明者 ライト、ジョン ディー. アメリカ合衆国 20877 メリーランド 州 ゲイザーズバーグ ウォーター ス トリート 124 (56)参考文献 特開 昭58−218616（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−210884（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−120752（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−120279（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−83416（ＪＰ，Ａ) 特公 平８−20291（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭57−25134（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平１−26007（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭56−18979（ＪＰ，Ｙ２) 実用新案登録2519437（ＪＰ，Ｙ２) 米国特許5467650（ＵＳ，Ａ) 米国特許4083246（ＵＳ，Ａ) 米国特許5198989（ＵＳ，Ａ) 米国特許5315880（ＵＳ，Ａ) 米国特許5371686（ＵＳ，Ａ) 独国特許発明4016529（ＤＥ，Ｃ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01F 1/00 G01F 25/00 G01P 5/00
Claims (15)
- 【請求項１】（ａ）所定の開水路現場における現場深さ
（DS）および現場速度（VS）信号を生成するセンサー手
段と、 （ｂ）それぞれ平均速度と検知速度の比を表している複
数の流量係数（CF）に対応する、基準深さ（DR）と基準
速度（VR）信号を記憶する記憶手段（56）と、 （ｃ）前記現場深さおよび現場速度の信号と前記基準深
さおよび基準速度の信号に応答し、それぞれ対応する流
量係数（CF）を選択する比較手段（58）と、 （ｄ）前記現場速度信号と前記流量係数とを乗じて、こ
れによって平均速度信号（Ｖ）を生成する第１の乗算器
手段（64）とを有する、開水路における流体の平均流速
を示す流体速度測定装置。 - 【請求項２】前記流量係数は異なる導管の寸法および横
断面形状にそれぞれ対応している、請求項１に記載の流
体速度測定装置。 - 【請求項３】前記流量係数は異なる速度センサタイプに
対応している、請求項１に記載の流体速度測定装置。 - 【請求項４】前記流量係数は深さに依存しており、前記
現場深さ（DS）に応答して、前記第１の乗算器手段に与
えられる対応する特有な流量係数（CF′）を生成する修
正手段（62）をさらに有する、請求項１に記載の流体速
度測定装置。 - 【請求項５】前記比較手段は前記導管の寸法および横断
面形状に応答し、そして導管の寸法および形状の関数で
ある導管信号（PS）を前記比較手段に与える手段（53、
57）に応答する、請求項４に記載の流体速度測定装置。 - 【請求項６】前記現場深さ信号および前記導管信号に応
答し、面積信号（AS）を生成する第２の乗算器手段（6
7）と、前記面積信号および前記平均速度信号に応答
し、出力流量信号（QS）を生成する第３の乗算器手段
（66）とをさらに有する、請求項５に記載の流体速度測
定装置。 - 【請求項７】前記比較手段（158）は前記現場深さ信号
と前記現場速度信号との比に応答し、 （ｅ）前記現場深さ信号および前記現場速度信号に応答
し、前記現場深さ信号と前記現場速度信号の比である信
号（DS/VS）を生成する除算器手段（153）をさらに備
え、前記比較手段は前記現場深さ信号と前記現場速度信
号の比に応答し、特有な流量係数を生成する、請求項１
に記載の流体速度測定装置。 - 【請求項８】前記センサー手段は電磁センサーを含み、
前記記憶手段は、制御された状態下で前記電磁センサー
手段によって生成された信号を表す、深さおよび速度の
基準信号の組をさらに含む、請求項１に記載の流体速度
測定装置。 - 【請求項９】前記センサー手段は水中ドップラー信号発
生器を含み、前記記憶手段は、制御された状態下で前記
水中ドップラー信号発生器手段によって生成された信号
を表す、深さおよび速度の基準信号の組をさらに含む、
請求項１に記載の流体速度測定装置。 - 【請求項１０】前記センサー手段は、水中音響移動時間
速度検知手段、下向き音響速度検知手段、下向き超短波
速度検知手段、下向き光検知手段の中から選択され、前
記記憶手段は、制御された状態下で速度信号発生源によ
ってそれぞれ生成された信号を表す、深さおよび速度の
基準信号の組をさらに含む、請求項１に記載の流体速度
測定装置。 - 【請求項１１】（ａ）各々が平均速度と検知速度の比を
表している複数の流量係数（CF）に対応する、基準深さ
（DR）および基準速度（VR）の信号の複数組を生成する
段階と、 （ｂ）前記流量係数を信号比較手段に記憶する段階と、 （ｃ）検知された深さ（DS）および速度（VS）の信号を
前記信号比較手段に与え、対応する流量係数（CF）を前
記信号比較手段から生成する段階と、 （ｄ）前記対応する流量係数に前記検知された速度信号
を乗じて、これによって平均速度信号（Ｖ）を生成する
段階とを含む、開水路内を流れる流体の流速を測定する
ための流体速度測定方法。 - 【請求項１２】（ｅ）前記導管の寸法の関数である関寸
法信号（PS）を生成する段階と、 （ｆ）前記検知された深さ信号（DS）に前記管寸法信号
（PS）を乗じて、これによって面積信号（AS）を生成す
る段階と、 （ｇ）前記面積信号に前記平均速度信号を乗じて、流量
信号（QS）を生成する段階とをさらに含む、請求項11に
記載の流体速度測定方法。 - 【請求項１３】（ｈ）基準速度（VR）、基準深さ
（DR）、管寸法（PS）、センサタイプ（ST）、およびそ
れぞれ異なる現場条件に対応する基準速度に対する平均
速度の比を含む複数のデータの組を記憶する段階をさら
に有する、請求項12に記載の流体速度測定方法。 - 【請求項１４】（ｉ）異なる現場条件に対応する基準速
度と基準深さの複数の比を記憶する段階と、 （ｊ）現場深さ信号を現場速度信号で除し、現場比率信
号を生成する段階と、 （ｋ）前記現場比率信号を、記憶された基準比率信号と
比較する段階と、 （ｌ）前記現場比率に最も近く対応している基準比率の
ための速度係数（CF）を生成する段階と、 （ｍ）測定された速度信号に前記生成された速度係数
（CF）を乗する段階とをさらに含む、請求項13に記載の
流体速度測定方法。 - 【請求項１５】（ｈ）各々が特定の現場における様々な
流量の流れを表す複数の流量信号（QS）に対応する複数
組の基準深さ（DR）の信号を生成する段階と、 （ｉ）前記複数組の対照深さおよび流量信号を信号比較
手段に記憶する段階と、 （ｊ）前記特定の現場位置における現場深さ（DS）を測
定する段階と、 （ｋ）前記現場深さを前記記憶された深さと比較し、対
応する流量信号を生成する段階とをさらに含む、請求項
12に記載の流体速度測定方法。
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