JP5064710B2

JP5064710B2 - 水流量計測装置

Info

Publication number: JP5064710B2
Application number: JP2006103378A
Authority: JP
Inventors: 輝夫山田
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2026-04-04
Also published as: JP2007278762A

Description

本発明は、電子式水道メータ、電子式温水メータ、電子式積算熱量計などに使用される水流量計測装置に関する。なお、この明細書において水とは、水道水及び暖房用などの温水を含む概念である。

例えば、水道メータにおいては、近年、電子式水道メータの使用が普及しつつある。電子式水道メータとしては、例えば磁気センサを使用した水道メータが下記特許文献１などで知られている。この水道メータは、羽根車と共に回転する永久磁石に対向して磁気センサを配設し、磁気センサから出力される水流量に対応した検出信号を計数し、その計数値から水の流量を算出して表示器に表示し、さらに、その流量計測データを有線或は無線通信により外部に送信する構造となっている。
特開２００１−１４５７８号公報

上記のような電子式水道メータにおいては、磁気センサから出力される信号を増幅し、波形整形し、整形されたパルス信号をカウントし積算する電気回路、及び算出され、積算された水の流量データを、有線或は無線通信で外部に送信する通信回路などに、必然的に電源が必要となるが、水道メータが設置される場所では、商用電源の配線が難しい場合があり、そのために、電子式水道メータの電源として、通常、電池が使用されている。

しかしながら、この種の電子式水道メータの検定有効期間は８年であり、その検定有効期間内は電池交換なしに動作させる必要があるため、充分な電池容量を持った大形の電池が使用される。このために、電子式水道メータにおける電池の収容スペースが増大し、それによって、電子式水道メータの形状が大型化し、製造費もコスト高になるという課題があった。

一方、管理用に使用される検定有効期間のない電子式水道メータにおいては、数年ごとの電池交換を前提として、それほど大型の電池を使用せず、小型の電池を使用する場合もあるが、そのような小型の電池を使用した場合には、必然的に電池の交換作業が必要となる。

特に、近年開発されつつある無線通信により流量データを外部に送信する無線送信部を備えた電子式水道メータでは、消費電力が比較的多くなって、電池寿命を確保するためには電池を大型化する必要があり、電池収納スペースが特に増大し、水道メータの大型化により、製造費もコスト高となるという課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するものであり、装置の小型化と低コスト化を図ると共に、電池の交換作業が不要となり、電源線を配線することなく電気的に被計測水の流量を計測することができる水流量計測装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１の水流量計測装置は、流路内を流れる被計測水の流量を電気的に計測するための電気回路を有する水流量計測装置において、該電気回路の電源として水電池が配設され、該水電池は、被計測水の流路内に円筒状の正極を配設するとともに、該正極の内側に所定間隔をおいて円筒状の負極を同じ軸心位置上に配設して構成され、該水電池は、該電気回路を配した計測部より下流側の該流路内に配設され、該水電池は、該正極と負極を該被計測水に接触させ、該被計測水を該水電池の電解液として、該正極と該負極間で起電力を発生させることを特徴とする。

ここで、上記水流量計測装置は、磁気センサを使用した電子式水道メータとして構成することができ、この場合、該磁気センサから出力される信号を増幅し、波形整形し、整形されたパルス信号をカウントし、算出した流量データを積算する電気回路の電源として、上記水電池を使用することができる。

また、上記電子式水道メータは、積算された水の流量積算データを外部に無線により送信する無線通信部を備える場合、該無線通信部の電源に上記水電池を使用することができる。

また、上記水流量計測装置が、水の流路内に励磁コイルにより磁場を発生させ、流路の外周部の対向位置に配設した１対の電極から、水の流量に応じた起電力を発生させる電磁式水道メータから構成される場合、該励磁コイルの励磁用電源、及び流量に対応した起電力に基づき水の流量を算出する計測回路用の電源に、上記水電池を使用することができる。

また、上記水流量計測装置が、水の流路の上下流部に１対の超音波振動子を、位置をずらして配置し、両側の超音波振動子から相互に超音波を送受信して、その超音波の伝搬時間差から水の流量を算出する超音波式水道メータから構成される場合、該超音波振動子の駆動用電源、及び超音波の受信回路、演算回路の電源に上記水電池を使用することができる。

また、上記水電池においては、水の流路内に円筒状の負極を配設し、負極の内側に所定間隔をおいて円筒状の正極を同じ軸心位置上に配設することができる。

本発明の水流量計測装置によれば、電源として水電池が使用される。水電池は、正極と負極を、流路内を流れる被計測水に接触させ且つ間隔をおいて配置し、被計測水を電解液として使用する。そして、この水電池は、電解液である被計測水の中に解離している水素イオン（Ｈ⁺）と負極の反応により電子を放出し、正極と負極間に起電力が発生する。

容器などに入れられた一定量の電解液の場合、電解液である水中の水素イオンが反応により消費されて減少すれば、起電力は低下するが、流入する被計測水を電解液として使用するこの水電池では、流入する水に新たな水素イオンが含まれているため、電極が使用可能な限りにおいて、永続的に起電力を発生することができる。

このため、従来、水の流量を電気的に計測するための電気回路を有する水流量計測装置が、電源として内蔵していた電池、或は外部から敷設される電源線は不要となり、電池の交換作業或は電源線の敷設作業をなくすことができる。また、電子式水道メータのように、検定有効期間内で電池交換を不要とするために、大型電池をケース内などに収容していた水道メータにおいては、大型電池と共に電池収容スペースが不要となり、水道メータを小型化することができる。
また、水電池が電気回路を配した計測部の下流側の流路内に配設されるので、電磁式水道メータの場合、導電率の変化による流量計測精度の悪化を防止することができ、羽根車式水道メータや超音波式水道メータの場合でも、水電池が計測部の下流側に配設されることにより、上流側の計測部に影響を与えることがなく、流量計測精度が悪化する不具合を防止することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の水流量計測装置を適用した電子式水道メータの概略正面図を示し、図２はその断面図を示し、図３はその電子式水道メータで使用される水電池１０の部分の拡大断面図を示している。

この電子式水道メータ１は、概略的には、ケース２内に水道水の流路２ａが形成され、流路２ａ内に羽根車４が軸５を介して回転自在に支持され、羽根車の軸５の先端に永久磁石６が軸心位置をずらして取り付けられ、ケース２の上部に取り付けられた上部ケース３内に、この永久磁石６の磁気を検出して信号を出力する磁気センサ７、及び磁気センサ７から出力される磁気検出信号に基づき、水の流量を計測する流量計測回路８が、配設されて構成される。ケース２の両端部に、円形に開口した接続部が形成され、その接続部の外周部には接続ねじ部２ｂ、２ｃが形成され、ケース２はその接続部を介して水道管に接続される。

上記構成の電子式水道メータ１は、流路２ａ内を流れる水の流量に応じて羽根車４が回転し、その軸５に取り付けた永久磁石６を回転する。この永久磁石６の回転に応じて変化する磁気が磁気センサ７によって検出され、流量計測回路８が磁気センサ７から出力される磁気検出信号を増幅及び波形整形し、水の流量に応じたパルス信号を生成する。そして、そのパルス信号がカウンタによりカウントされると共に、積算され、水流量の積算値が計測される。

さらに、上部ケース３内の流量計測回路８には、計測された水の流量を積算した積算値を記憶するメモリ、及びその積算値を表示するＬＣＤなどの表示器９が配設されている。また、図示は省略されているが、計測された流量の積算値データを有線で送信する出力送信回路、或は、算出され記憶された積算値データを無線で外部に送信する無線通信回路を設けることもできる。

図５は、上記流量計測回路８に電力を供給する電源装置の構成ブロック図を示している。図５に示すように、流量計測回路８の電源装置は、水電池１０を備え、水電池１０で発生した起電力を流量計測回路８に供給し二次電池１５に充電するように構成される。水電池１０は、流路２ａを流れる被計測水を電解液として使用する電池であり、図２に示すように、ケース２の流路２ａ内に、被計測水に接触するように正極１１と負極１２が、所定の間隔をおいて配置される。

水電池１０の正極１１と負極１２は、図３、図４に示すように、円筒状に形成され、ケース２の流路２ａ内に、円筒状の正極１１が流路２ａの軸方向に沿って、つまり流路２ａの中心軸と円筒型の正極１１の軸が同軸上に位置するように配置され、その円筒状の正極１１の内側に、電気絶縁体のスペーサ１９を介して、円筒状の負極１２が配設される。１対の円筒型の正極１１と負極１２は、同軸上に配置され、正極１１と負極１２の間隔は、例えば２ｍｍ〜１０ｍｍに設定される。正極１１と負極１２にはリード線１３が接続され、上部ケース３内に導出される。

なお、図示は省略されているが、金属製のケース２の内面には合成樹脂製の合成樹脂層（ライニング）が取着され、ケース２の内壁に近い正極１１は、ケース２に対し電気絶縁されている。また、リード線１３と正極１１または負極１２との接続部分は、電解液に接触しないよう、絶縁する必要がある。また、本実施形態では、図３、図４に示すように、外側に円筒状の正極１１を内側に円筒状の負極１２を配置したが、外側に円筒状の負極１２を配置し、その内側に同軸上に円筒状の正極１１を配置することもできる。

水電池１０の正極１１には、電気伝導性の良好な金属、例えば塩化銀、ステンレス、銅合金などが使用される。また、負極１２には、マグネシウム、亜鉛、アルミニウムなどのイオン化傾向の高い金属が使用される。

実験によれば、マグネシウムからなる負極１２の正極との対向面積を例えば約２５ｃｍ²とし、塩化銀からなる正極１１の負極１２との対向面積を約２５ｃｍ²とし、正極１１と負極１２の間隔を約５ｍｍに設定し、電気伝導率を１０７μＳ（ジーメンス）／ｃｍとする水道水を電解液として使用した水電池１０の場合、電圧１．３２Ｖ、電流１３．３ｍＡの起電力を、水電池１０は出力することができた。水道水の電気伝導率は、通常、約６０μＳ／ｃｍ〜４００μＳ／ｃｍ程度であり、電気伝導率が高い水を使用する場合ほど、水電池１０の起電力は高くなる傾向にあるが、上記構成の正極１１と負極１２の電極を使用して、６０μＳ／ｃｍの電気伝導率の水道水を電解液として使用した水電池１０の場合、電圧１．０９Ｖ、電流１０．９ｍＡの起電力を得ることができた。

水電池１０の正極１１と負極１２の出力側、つまり両電極に接続されたリード線１３は、図５に示すように、電源装置の昇圧回路１４に接続される。昇圧回路１４はＤＣ−ＤＣコンバータから構成され、水電池１０から出力された起電力の直流入力電圧を、例えば２倍〜３倍の直流出力電圧に昇圧し、充電回路１７を介して二次電池１５に電力を供給する。二次電池１５は、二次リチウム電池、ニッケル・カドニウム電池、ニッケル・水素電池などの充電可能な電池から構成される。

二次電池１５には、定電圧回路１６が接続され、定電圧回路１６を通して流量計測回路８に電力を供給するように動作するが、二次電池１５の出力電圧が低下した場合、充電回路１７の動作により、水電池１０からの起電力を、昇圧回路１４を介して入力し、充電を行なうと共に、その起電力を流量計測回路８に供給する。

上記構成の電子式水道メータ１は、水道管に接続されて使用され、表示器９を含む流量計測回路８は、水電池１０及び二次電池である二次電池１５を電源として使用される。このため、商用電源の電源線を配線する必要が無く、電池の交換も行なわずに使用することができる。

そして、水道メータの流路２ａ内に配設された水電池１０は、その流路２ａを流通する水を電解液として起電力を発生する。水道水には、通常、消毒用に注入される塩素を含め、微量の不純物が混入しており、これによって、上記の如く、水道水は一般に、約６０μＳ／ｃｍ〜４００μＳ／ｃｍ程度の電気伝導率を有し、且つ水が解離して水素イオン（Ｈ⁺）が発生しやすい状態となっている。

このような水道水が、ケース２内の水電池１０内に流入し、正極１１と負極１２間に達すると、水の分子が水素イオン（Ｈ⁺）と水酸基（ＯＨー）に解離し、水素イオン（Ｈ⁺）が負極１２と反応して電子（ｅー）が生成され、正極１１と負極１２間に、例えば電圧１．３２Ｖ、電流１３．３ｍＡの起電力が発生する。

水を電解液とする水電池は、通常、起電力の放電によって、水中の水素イオンが消費されて減少し、起電力は低下するが、本水電池１０では、流路２ａ内を流通する水が電解液となるため、水電池１０内の水の水素イオンが放電により減少したとしても、その水は流下し、新たに流入する水に含まれ水素イオン（Ｈ⁺）が負極１２と反応して電子（ｅー）が生成される。このため、水素イオンの減少による起電力の低下は、この水電池１０においては生じず、上記のような起電力をコンスタントに永続的に発生することができる。

このように水電池１０で、発生した起電力は、図５に示すように、昇圧回路１４に送られて例えば２〜３倍に昇圧され、二次電池１５の出力電圧が低下した場合、充電回路１７を通して、二次電池１５に供給され、充電が行なわれる。また、二次電池１５の出力電圧が所定レベル以下に低下した場合、充電回路１７は充電電流を二次電池１５に供給しながら、定電圧回路１６に直接電力を供給するように動作する。

上記のように流量計測回路８に電源供給が行なわれる状態において、電子式水道メータ１の流路２ａ内を水が流下すると、羽根車４がその流量に応じて回転し、そのとき、軸５の先端に取り付けられた永久磁石６が回転し、その永久磁石６の回転速度（回転数）に応じて磁気センサ７から信号が出力される。磁気センサ７の出力信号は流量計測回路８にて増幅され波形整形され、水の流量に応じたパルス数を持つパルス信号が生成される。この水の流量に応じたパルス信号はカウンタによりカウントされ、そのカウント値が積算され、積算値はメモリに記憶される。また、同時に、その積算値データは表示器９の表示コントローラに送られ、表示器９に水流量の積算値が表示される。

このように、表示器９の表示動作を含む流量計測回路８の動作は、水電池１０によって発生し二次電池１５に蓄電された電力の放電により賄われることになり、水電池１０の電解液には常に流路に流入する水道水が使用され、永続的に起電力を発生することができるから、従来のように、電池交換を行なう必要が無く、また、電源線を敷設する必要がなく、大型電池を搭載する必要もなく、保守点検を容易にした電子式水道メータとすることができる。

なお、上記実施形態では、１対の電極つまり正極１１と負極１２を有した１個の水電池１０をケース２内に配設したが、ケース２内に複数対の電極を設けた複数の水電池を配設してもよい。

また、上記実施形態では、流量計測回路８の電源回路に、二次電池１５を使用し、水電池１０の起電力を、一旦二次電池１５に充電し、二次電池１５の出力として、流量計測回路８に電力を供給したが、水電池の起電力が充分に得られ、安定して電力を供給できる場合、二次電池１５を使用せずに、水電池１０と昇圧回路１４或いは水電池のみにより電源回路を構成することもできる。

図６は他の実施形態の電子式水道メータの例を示している。この例の電子式水道メータでは、そのケース２の外側に水電池２０が配置される。すなわち、この例では、水電池２０専用のケース２３が使用され、ケース２３内に水の流路２３ａが形成され、その流路２３ａ内に、上記と同様の円筒状の正極２１が取り付けられ、その正極２１の内側にスペーサを介して円筒状の負極２２が同心上に配設される。ケース２３の端部に設けた接続部には、めねじ状の接続ねじ部２３ｂが設けられ、この接続ねじ部２３ｂが電子式水道メータのケース２の接続ねじ部２ｃに螺合され、水電池用のケース２３は、水道メータのケース２に接続される。水電池２０の正極２１と負極２２にはリード線２４が接続され、リード線２４は上述の電子式水道メータのケース２側に導出され、その電源回路の昇圧回路１４に接続されることになる。

水電池２０の正極２１としては、上記と同様に、例えば塩化銀、塩化銅、ステンレス、銅合金などが使用され、負極２２には、マグネシウム、亜鉛、アルミニウムなどのイオン化傾向の高い金属が使用される。また、この水電池２０によれば、専用のケース２３内に水の流路２３ａを形成し、その流路２３ａ内に正極２１と負極２２の電極を配置するため、正極２１と負極２２の形状を大きくして、電解液と接触する表面積を増大させ、或は複数対の電極を設けることにより、起電力を増大させることができる。

この水電池２０は、上記と同様に、水道水がケース２３の流路２３ａ内に流入し、正極２１と負極２２の間に達すると、水が水素イオン（Ｈ⁺）と水酸基（ＯＨー）に解離し、水素イオン（Ｈ⁺）が負極１２と反応して電子（ｅー）が生成され、正極１１と負極１２間に起電力が発生する。水を電解液とする水電池は、通常、起電力の放電によって、水中の水素イオンが消費されて減少し、起電力は低下するが、本水電池２０では、流路２３ａ内に流通する水が電解液となるため、水電池２０内の水の水素イオンが放電により減少したとしてもその水は流下し、新たに流入する水に含まれ水素イオン（Ｈ⁺）が負極２２と反応して電子（ｅー）が生成される。このため、水素イオンの減少による起電力の低下は、この水電池２０においては生じず、上記のような起電力をコンスタントに永続的に発生することができる。

水電池２０で、発生した起電力は、上記と同様に、図５における流量計測回路８の昇圧回路１４に送られて例えば２〜３倍に昇圧され、二次電池１５の出力電圧が低下した場合、充電回路１７を通して、二次電池１５に供給され、充電が行なわれ、二次電池１５から定電圧回路１６を通して流量計測回路８に電力が供給される。したがって、流量計測回路８には、商用電源の電源線を配線する必要が無く、また電池の交換も行なわずに使用することができる。

なお、上記実施形態では、羽根車の軸に永久磁石を取り付け、永久磁石に対向した固定部に磁気センサを配置し、永久磁石の回転を磁気センサにより検出することにより、水の流量に応じた信号を磁気センサから出力させる構造の電子式水道メータについて説明したが、電磁式水道メータに本発明を適用することもできる。電磁式水道メータは、水の流路内に励磁コイルにより磁場を発生させ、流路の外周部の対向位置に配設した１対の電極から、水の流量に応じた起電力を発生させるように構成され、励磁コイルの励磁用電源、及び流量に対応した起電力に基づき水の流量を算出する計測回路用の電源に、上記水電池を使用することができる。

また、超音波式水道メータに本発明を適用することもできる。超音波式水道メータは、水の流路の上下流部に１対の超音波振動子を、位置をずらして配置し、両側の超音波振動子から相互に超音波を送受信して、その超音波の伝搬時間差から水の流量を算出するように構成され、超音波振動子の駆動用電源、及び超音波の受信回路、演算回路の電源に上記水電池を使用することができる。

さらに、上記電子式水道メータに、水道水中の残留塩素量、濁度、導電率等を検出して水質を計測する水質センサが設けられる場合、その水質センサを用いて水質計測部に電力を供給する電源として上記水電池を使用することができる。

さらに、上記実施形態では、円筒状の正極１１と負極１２を使用したが、棒状の正極と棒状の負極を、流路内に所定間隔をおいて配置し、水電池を構成することもできる。また、板状の正極と板状の負極を、流路内に所定間隔をおいて配置し、水電池を構成することもできる。また、流路を形成するケース自体を正極として、その内壁面を水に接触させ、ケース内に負極を正極に対し所定間隔をおいて配置して、水電池を構成することもできる。

本発明の一実施形態を示す電子式水道メータの概略構成図である。同電子式水道メータの断面図である。同電子式水道メータの水電池部分の拡大断面図である。図３のIV-IV断面図である。流量計測回路８に電源を供給する電源部の構成ブロック図である。他の実施形態の電子式水道メータの概略構成図である。

符号の説明

１電子式水道メータ
２ケース
２ａ流路
３上部ケース
４羽根車
５軸
６永久磁石
７磁気センサ
８流量計測回路
９表示器
１０水電池
１１正極
１２負極

Claims

流路内を流れる被計測水の流量を電気的に計測するための電気回路を有する水流量計測装置において、
該電気回路の電源として水電池が配設され、
該水電池は、被計測水の流路内に円筒状の正極を配設するとともに、該正極の内側に所定間隔をおいて円筒状の負極を同じ軸心位置上に配設して構成され、
該水電池は、該電気回路を配した計測部より下流側の該流路内に配設され、
該水電池は、該正極と負極を該被計測水に接触させ、該被計測水を該水電池の電解液として、該正極と該負極間で起電力を発生させることを特徴とする水流量計測装置。
流路内を流れる被計測水の流量を電気的に計測するための電気回路を有する水流量計測装置において、
該電気回路の電源として水電池が配設され、
該水電池は、被計測水の流路内に円筒状の負極を配設するとともに、該負極の内側に所定間隔をおいて円筒状の正極を同じ軸心位置上に配設して構成され、
該水電池は、該電気回路を配した計測部より下流側の該流路内に配設され、
該水電池は、該正極と負極を該被計測水に接触させ、該被計測水を該水電池の電解液として、該正極と該負極間で起電力を発生させることを特徴とする水流量計測装置。
前記水流量計測装置が、磁気センサを使用した電子式水道メータとして構成され、該磁気センサから出力される信号を増幅し、波形整形し、整形されたパルス信号をカウントし、算出した流量データを積算する電気回路の電源として、前記水電池が使用されることを特徴とする請求項１記載の水流量計測装置。
前記電子式水道メータが、積算された水の流量積算データを外部に無線により送信する無線通信部を備え、該無線通信部の電源に前記水電池が使用されることを特徴とする請求項３記載の水流量計測装置。
前記水流量計測装置が、水の流路内に励磁コイルにより磁場を発生させ、流路の外周部の対向位置に配設した１対の電極から、水の流量に応じた起電力を発生させる電磁式水道メータから構成され、該励磁コイルの励磁用電源、及び流量に対応した起電力に基づき水の流量を算出する計測回路用の電源に、前記水電池が使用されることを特徴とする請求項１記載の水流量計測装置。
前記水流量計測装置が、水の流路の上下流部に１対の超音波振動子を、位置をずらして配置し、両側の超音波振動子から相互に超音波を送受信して、その超音波の伝搬時間差から水の流量を算出する超音波式水道メータから構成され、該超音波振動子の駆動用電源、及び超音波の受信回路、演算回路の電源に前記水電池が使用されることを特徴とする請求項１記載の水流量計測装置。