JPS5843592B2 - ポンプトシユツアツリヨクセイギヨソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 送水ポンプで遠隔地に送水する場合、その送水路末端（
以下需要末端と云う）ので水の需要量が変化すれば、そ
れに応じて送水量を増減する必要があり、また水量如何
によらず、需要末端における水圧を常に一定に保たしめ
る必要がある。

一般に、送水ポンプから需要末端にいたるまでの送水管
路においては、その中を流れる送水量の値に応じて、流
体摩擦、その他管路の曲りなどによる管路損失圧力が変
化する。

従って、需要末端における水圧を、送水量如何にかかわ
らず一定に保持するための方法として、需要末端におい
て必要とする圧力と実揚程および上記管路損失圧力との
和の圧力を、送水ポンプの目標吐出圧力設定値とし、こ
の値と送水ポンプの吐出圧力との差が常に零を保つよう
に送水ポンプの回転速度を制御する自動制御装置がある
。

ここに送水量Ｑ１需要末端において必要とする圧力と実
揚程との和をＨ８とおけば、目標吐出圧力Ｈは、次の（
１）式によって示すことができる。

Ｈ＝Ｈｏ十ＲＱｎ ・・・・・・・・・・・・
・・・（１）ただし、上記（１）式におけるＲおよびｎ
は送水ポンプ、需要末端およびそれらを結ぶ送水管路を
含めた送水系に与えられる定数である。

本発明は、上記送水ポンプの自動制御装置において、送
水ポンプの回転速度を制御し、その吐出圧力を自動制御
するため、（１）式の示す関係を保ち、目標吐出圧力Ｈ
に対応する出力電圧を得る目標吐出圧力設定装置をそな
えたポンプ吐出圧力制御装置に関する。

第１図は、この目標吐出圧力設定装置を含めた送水ポン
プ吐出圧力制御装置のブロックダイヤグラムであり、１
は送水ポンプ、２はその吐出側管路、３は送水量を検出
するための流量検出器、４は需量末端に連なる送水管路
であり、ブロック５は、３にて検出した流量Ｑに比例し
た電流ｉ９を入力とり、ｉ に比例した電圧ζを出力
する装置、ブロック６は入力を前記電圧ｅｑとし、送水
ポンプ１の吐出圧力の目標値となる電圧ｅｒを出力する
目標吐出圧力設定装置である。

この出力電圧ｅ、に対し、吐出側管路２にて検出される
吐出圧力に比例した電流ｉをブロック７の変換器を通し
て得られる吐出圧力に比例した電圧ｅ、を演算器８にて
差引演算し、演算された結果は、ｅ、と送水ポンプが実
際に示している吐出圧力に比例した電圧ｅ、との偏差電
圧ｅｒｅｐであり、これをブロック９の電圧増幅器を兼
ねた本図自動制御系を安定運転せしめるに必要な補償器
に加え、その出力電圧ｅｖを送水ポンプを直接駆動する
電動機ブロック１１の変速装置ブロック１０に加え、ｅ
ｖが正となれば送水ポンプ回転速度が増大し、逆にｅｖ
が負となればその回転速度が減少するよう方向付ければ
、結局、ブロック９の入力ｅ、−ｅ、、即ちｅ とｅ
との偏差電圧が零となるまで送水ポンプの回転速度が変
化し、その回転速度整定時においては送水ポンプの吐出
側管路２における圧力は、ブロック６の出力電圧である
ｅｒによって定まるところとなる。

従ってｅｒは、送水量Ｑに比例した電圧ｅｑを独立変数
とし、（１）式に対応付けた次の（２）式が示す従属関
数として在るべきことが考えられる。

ｅｒ＝ｅｏ＋ Ｋｅｑ ・・・・・・・・・・・
・・・・（２）ここに（２）式の（１）式に対する対応
関係は、（２）式右辺第１項ｅ。

は（１）式の同項曳を定める電圧、（２）式右辺第２項
の係数に１電圧ｅｑ及び指数ｎは（１）弐同項の流水抵
抗Ｒ１流量Ｑ及び指数ｎにそれぞれ対応している。

今、適当な送水系に（２）式が示す関係をそのまま第１
図ブロック６の内部機能として適用し、更にブロック６
内部において（２）式右辺のｅ。

、Ｋ及びｎをそれぞれ適用した送水系に適合した値に調
整し、第１図の自動制御系通りの運転を行った場合、（
１）式のｎ１従って（２）式のｎの値が一定不変の定数
として与えられるならば充分実用に供し得よう。

然るに、このｎは流量指数と呼ばれ、実際の送水系にあ
っては、一般に１．７５〜２．２の値が適合するといわ
れ、送水系における管路網の変更又は需要水量分布の変
動などの状態変化によって、前記範囲内、あるいはその
範囲を逸脱した値に設定変更せざるを得なくなるもので
ある。

因みに、ここで（２）式が示す関係をそのまま第１図ブ
ロック６の機能として適用し、ｎを設定変更した場合を
考察するに、ｋ、およびｋｑをそれぞれ適合した物理次
元をもつ定数とし、管路２における圧力をＰとすれば第
１図ブロック７の入出力関係から ｅｐ ＝ｋｐ ” Ｐ ・・・・・・・・・・・・
・・・・・・（３）となることは前記から明らかである
。

同様にして、ブロック５に関連しては ｅｑ−ｋｑ−Ｑ ・・・・・・・・・・・・・・・・
・・（４）となり、演算器８の出力ｅｒ ｅｐ＝ｏな
る平衡状態においては ｅｐ ＝ｅｒ ”’“−°−−−−−−−−−
−−−（５）であるから、上記（３）式および（４）式
を（２）式に代入して、次の（６）式の関係が得られる
。

ち・Ｐ＝ｃｏ十Ｋ・（ｋｑ−Ｑ）ｎ・・・・・・・・・
（６）ここでＱ＝０のときのＰ＝”ｅｏ＝Ｈｏとなるよ
う８ｏを設定す和１（６）式ｃｔ ｋｐ−ｋｎ Ｐ＝Ｈｏ十 、 Ｑｎ−＝（７） ｐ となり、（７）式右辺第２項におけるｑの係数１°明ｐ を に−ｋｎ Ｒ＝□ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（
８）ｐ とおくと（７）式は全＜（１）式と等しくなる。

このことは（２）式を第１図ブロック６に適用して、（
１）式が示す特性に則った制御を実現し得ることを示し
ていることに他ならないが、前記した如くｎの値を変更
せざるを得ない場合、 即ち、（７）式右辺第２項のＱの指数ｎを変更するとき
、Ｑｎの係数（８）式の値も、通常大幅な変化を来す結
果となる。

第２図はこの具体例について、ｎの変更による特性の変
化を図に示したものである。

第２図の横軸は流量Ｑおよびそれに対応した電圧ｅｑ、
たて軸は吐出圧力Ｐおよびそれに対応した電圧ｅ、であ
り、従って第２図、（３）式および（４）式の関係から
〜−２゜〜＝ ９１５０ 、曳＝２．２およびｎ ＝
１．８とし、従ってに＝７．８６ＸｌＯ−２とし、これ
らの数値を（７）式に適用したときの曲線が同図の曲線
１２である。

一方間図の曲線１３は、曲線１２に対する上記定数のう
ち、ｎを１．８から２．２に変更した場合の曲線である
。

今、この２つの曲線１２および１３を比較するに、流量
Ｑが増大するに従い、それぞれの曲線の開きが増大し、
又曲線１３が示す吐出圧力が曲線１２のそれに対し、極
端に大きな値となり、これは（８）式の値がｎの変更で
極端に変化することに他ならない。

よってｎの変更により、このような極端な吐出圧力変動
を生ぜしめないためには、例えば第２図の破線にて示し
た曲線１４の如く最大流量５０ｍ／ｍｍ時の吐出圧力は
曲線１２のそれに合せ、その流量に至るまでの特性をｎ
−２，２に相当する曲線が必要とするときは、ｎを１
．８から２．２に変更する過程で、Ｋの値をも同時に前
記７．８６ＸｌＯ−２から小なる値に変更しなければな
らない。

このような送水運転中、停止中を問わずｎ及びＫなる２
つの値を同時に、また確実に変更操作しなければならな
い装置は不便であることのみならず誤った設定変更操作
をまねく可能性があり、それにより送水系における種々
の禍いをまねくもととなり、必ずしも実用性のある装置
とは云えない。

従来、この種の吐出圧力設定装置としては、前記した如
く（２）式をそのまま第１図ブロック６の内部機能とし
て適用したものの他、例えば第３図が示す如く、送水ポ
ンプ１の吐出側管路２にベンチュリーあるいはオリフィ
スなどのしぼり機構１５を設け、送水が１，２，１５お
よび送水管路４へと流れる過程において、管径の異なる
点２点、例えば吐出側管路２内の点１６と、しぼり機構
１５内の点１Ｔとにおけるそれぞれの示す圧力の差が送
水管路４から送水する流量の２乗に比例することを利用
し、（１）式あるいは（２）式におけるｎの値を２に固
定し Ｈ−Ｈｏ十ＲＱ２ ・・・・・・・・・・・・・・
・・・・（９）即ち ｅ、 −ｅ。

＋Ｋｅヒ ・・・・・・・・・・・・・・・・（１
０）を第１図のブロック６の基本的な内部機能としたも
のがあり、また上記従来の例に準じ、ｎの値を１．８５
に固定したものもある。

いずれにしても、これら従来の装置はｎのとるべき値を
２あるいは１．８５以外の前記１．７５から２．２まで
の任意の値に変更しなければならない必要が生じた場合
には、最早やこれら装置では調整不可能であることのみ
ならず、ｎが２または１．８５あるいは他の数値に固定
された装置は、それら固定された数値以外のｎの値を必
要とする送水系には適用不可能となる。

このような従来の装置の欠点、および前記（２）式を第
１図ブロック６の内部機能とした場合において、ｎの値
の設定変更のとき係数にへの干渉などの不具合に鑑み、
本発明は送水系が要求する吐出圧力特性（１）式に則り
、満足する範囲の吐出圧力設定電圧を出力することがで
き、しかもｎの値の変更に際し、他の設定値ｅ。

およびＫに相互干渉せず設定調整可能とし、またｎ、ｅ
ｏおよびＫの設定すべき値が、需要末端圧力を一定に保
つために必要とするポンプ吐出圧力特性さえ明確であれ
ば、簡単に見出せる目標吐出圧力設定装置とし、これを
第１図ブロック６の装置として提供したところを特徴と
するポンプ吐出圧力制御装置であり、以下この詳細につ
いて説明する。

次の（ｔｉ）式は本発明に関する第１図ブロック６の基
本的な内部機能を式にて示したものである。

ｑ ｎ ｅｒ＝ｅｏ十Ｋ（−） ・・・・・・・・・・・・
・・・（１１）ｅｂ ここに（１１）式右辺第１項ｅ。

は、（１）式右辺第１項Ｈｏ、即ち送水系の実揚程と需
要末端圧力との和の圧力を定める要素であり、（１１）
式右辺第２項Ｋ（’）”は（１）式右辺第２項、即ち送
水管路失ｂ 圧力を示す要素である。

（１１）式におけるｅ。

３ ｅ ｑ及びｎは前記（２）式におけるそれらの値と
全く同一である。

（１１）式と（２）式とを比較する場合、その右辺第２
項を異にしく１１）式においてはｅｂなる電圧を新たに
導入したことが挙げられる。

今、（ｌｌ）式における電圧ｅｂを次のように定めるも
のとする。

即ち（ｎ）式が示す関係をそのまま第１図ブロック６の
内部機能として適用する場合、適用した送水系における
任意の流量Ｑｍの時、ブロック５の出力電圧ｅｑが示す
値と同一値の固定電圧値とする。

即ちｅｂはｅｂ＝に、・Ｑｍ ・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・（１３）にて示すことができる
。

ここで、上記（１３）式と（４式を（ｌｌ）式に適用す
れば ｑＱｎ ｅｒ ＝ｅｏ＋ Ｋ （） ｇ− ＝ｅｏ十Ｋ（’→０・・・・・・・・・・・・・・・（
１４）Ｑｍ なる関係となる。

また、第１図自動制御系でのポンプ回転速度整定時にお
いては（５）式が成立するから、（５）式および（１４
）式を適用してＫＱｎ ｐ＝！十−（−） ・・・・・・・・・・・・（１
５）ｋｐ ｋｐ Ｑｍ となり、Ｑｍ０のときＰ＝ｅｏ／ｋｐ＝Ｈｏとなるよう
ｅ。

を設定すれば（１５）式はＰ＝Ｈｏ＋ｕ（Ｑ）” 、
・・・・・・・・・・・・・・（１６）ｋｐ Ｑｍ となる。

上記（１６）弐Ｐは、（１１）式を第１図ブロック６の
内部機能として適用した場合の吐出側管路２における吐
出圧力を示すものであるが、Ｐは流量Ｑの従属関数であ
り、更に、Ｑ／Ｑｒｒ１の従属関数でもある。

本発明においては後者の関係、即ちＰをｑべ一の従属関
数として取扱う。

従って、ここに Ｑｒ−澹 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・
（１７）Ｑｍ とおけば、（１６）式は Ｐ −Ｈ十−Ｑ？ ・・・・・・・・・・・・・・・
（１８）ｋｐ となり、これが吐出側管路２における吐出圧力を示して
いることになる。

ここで（１８）式と（１）式とを対比して考察するに、
（１８）式右辺第２項において、Ｋ／ｋ を（１）式
のＲに、Ｑｒを（１）式のＱに対応させてみる場合、０
８式は（１）式と全く同種同形の゛関数であることが云
え、このことは（１１）式を第１ブロツク６の内部機能
として適用すれば、（１）式に則ったポンプ吐出側管路
２における吐出圧力の制御が実現し得ることを示す。

第４図は第２図の例が（２）式を適用したのに対し、（
１１）式を適用した場合の具体例である。

第４図の具体例では、送水系の送水能力最大のときの流
量５０ｍ”／ｒｎｍをＱｍとおき、第２図同様に、、＝
２ 、Ｈ８＝２．２とした。

同図曲線１２ａはｎ＝１．８、曲線１４ａはｎ＝２．２
の場合の（１８）式の関係が示す目標吐出圧力特性曲線
である。

今、ｎの値を変更して第４図における曲線１２ａを曲線
１４ａに変更しようとする場合、ｎのみを１．８から２
．２へ変更すれば目的が達し得られ、伺等他の操作は必
要ないことは（１８）式におけるＱｒの係数に／ｋ 、
が、ｎに無関係であることからも明らかであり、（２）
式を適用した従来の装置の吐出圧力特性変更時のｎおよ
びＫの２つを同時に操作しなければならないものと比較
し、目標吐出圧力特性変更操作が極めて容易であり、こ
れが本発明の特徴の一つである。

一方、また（１１）式を適用した目標吐出圧力設定装置
においては、その送水系における吐出圧力特性が（１８
）式となることから、需要末端の圧力を、一定にするた
めに必要な目標吐出圧力特性曲線さえ明らかとなってい
れば、本設定装置の操作要素である（ｎ）式におけるｅ
。

、におよびｎの各位を複雑な思考を必要とせずに容易に
見出すことができる。

例えば第４図の曲線１２ａが任意の送水系における需要
末端圧力を一定にするための目標吐出圧力特性曲線であ
る場合、同図における横軸即ち流量Ｑを例えば送水系の
送水能力最大のときの流量をＱ ｍ −５０ｍ”／ｍｉ
ｎとし、０７）式の関係を適用しＱｒにて置換する。

今、曲線１２ａにおいて、Ｑｍ０即ちＱｒ＝０において
はＰ＝２．２を示しているから、（１８）式から容易に
Ｈ８＝２．２を得る。

従って０５）式第１項即ち ０ 一＝Ｈ８ ｋｐ であるからｅ。

＝に、、 ・Ｈｏ ＝ ２ Ｘ ２．２ ＝ ４．４（
Ｖ）が得られ、またＫは（Ｉ８）式にＱｒ−１を代入し
てＫについて解けばに＝ｋ （Ｐｌ−Ｈｏ）ここにＰｌ
はＱｒ−１のときの圧力であり、それぞれの値に＝２
、 Ｐ１＝４．２５ 、Ｈｏ＝２．２を適用すればに＝
４．１が得られ、一方ｎは任意のＱｒの値Ｑｒ ｎに対
応する曲線１２ａ上の点が示す圧力をＰｎとすれば、 を用い算出でき、本例では当然ｎ −１，８と算出され
る。

このように上記の如き簡単な作図計算にて所要の操作要
素ｅ。

、におよびｎを明らかにできるのも（１１）式を基礎と
する装置であるが故である。

次に（ｉｉ）式を第１図ブロック６の内部機能として適
用した目標吐出圧力設定装置の一実施例について説明す
る。

目標吐出圧力設定装置の入力電圧としては第１図ブロッ
ク５の圧力電圧である吐出流量Ｑに比例した（４）式の
関係をもつへとし、目標吐出圧力特性を定めるパラメー
タを（１１）式のｅ。

。Ｋおよびｎの三者とし、この三者の各位を独立して設
定可能なものとし、また所要の目標吐出圧力設定電圧を
前記（１７）式の関係をもつＱｒの従属変数として出力
するものとした。

第５図は実施例のブロックダイヤグラムであり、この図
で装置の動作を示せば次の通りとなる。

ブロック１８は割算器であり、その第１人力線１９には
、前記ｅｐを加え、またその第２人力線２０には前記（
１３）式の関係を持つｅｂなる電圧を印加すれば、ブロ
ック１８の出力線である２１にはｅｑのｅｂに対する比
ｅ ｑ／ｅ １）即ち（４）式、（１３）式および（１
７）式の関係より の値を得る。

ブロック２２はその入力線２１から入力する値の対数を
その出力線２３に出力する対数演算器であり、図示の如
く前記Ｑｒをブロック２２の入力とすれば、その出力線
２３には定数ａを底とする対数１１ｏ＆ａ Ｑ ｒなる
値を得る。

ブロック２４はｎなる利得を有する増幅器であり、その
入力をブロック２２からの出力１！ｏ９ａＱ、を印加す
ることにより、その出力線２５にはｎｌｏｇａＱｒを得
る。

ブロック２６は指数演算器であり、任意の値Ｘをその入
力線２５に加えれば、出力線２Ｔには前記対数の底なる
定数ａのＸ乗、即ちａＸなる値を出力するものであり、
図示の如くその入力にｎ１０．！９ａＱｒを印加すれば
、出力線２７にはＱ？を出力する。

ブロック２８はブロック２４と同様になる利得を有する
増幅器であり、その入力をブロック２６からの出力Ｑ？
を入力すれば、その出力線２９にはＫＱ９が出力される
。

ブロック３０はブロック２８の出力と、今一つの入力線
３１に与えられる値との加算器であり、ブロック２８か
らの出力を’ｙ’Ｑ？ １人力線３１からの入力をｅ。

とすればその出力線３２にはｅ。

十ＫＱＶを得ることになり、この値は結局、（１０式の
ｅｒに他ならず、これを目標吐出圧力設定装置の出力と
すればよいことが解る。

第６図は上記第５図のブロックダイヤグラムに従い一般
市販の演算増幅集積回路、関数発生集積回路、抵抗器な
ど同図に示す部品を用いて実施した回路の一例を示した
ものであるが、上記演算増幅集積回路、関数発生集積回
路の代りに一般市販の単機能部品を用いて同じ機能を持
つ回路を実現し得ることは云うまでもない。

ここでは前述第５図の１８，２２，２４および２６のそ
れぞれのブロックが持つ機能を第６図が示す１つの集積
回路Ｆ１を適用した第６図の詳細について説明する。

第６図において端子３３は本装置の入力端子であり、（
４）式が示す電圧へが印加され、集積回路Ｆ１の端子Ｅ
ｑに導かれる。

Ｆｌの端子Ｅｂには、一定電圧Ｅ０およびポテンショメ
ータなどの可変電圧源Ｐ。

（以下ポテンショメータという）よりなる装置において
、Ｐｏを操作することにより得る（１８）式が示す電圧
へを印加する。

このことによりＦ１内においてはｅｑ／ｅ５なる演算が
行われ、一方Ｆ１の端子Ｍ１２Ｍ２およびＭ３の端子に
連なる分圧器Ｐ２を操作することにより定まる分圧比ｎ
によって前記演算結果ｅｑ／ｅｂのｎ乗演算がＦ１内に
て行われ、その結果Ｆ１の出力端子Ｅ。

には（ζ）ｎ＝Ｑｐなる電圧が出力されｅｂ る。

この電圧を抵抗Ｒ１を介して演算増幅集積回路Ａ１の反
転入力端子３４に印加し、Ａ、の帰還抵抗Ｒ２をに＝Ｒ
２／Ｒ１になるよう設定すれば、Ａ１の出力としてＫＱ
ｐなる電圧を得ることになる。

更に、このＫＱ？なる電圧を抵抗Ｒ４を介して演算集積
回路Ａ２の反転入力端子３５に印加し、また一定電圧Ｅ
２およびポテンショメータＰ３よりなる装置において、
Ｐ３を操作することにより得る電圧ｅ。

を抵抗Ｒ３を介してＡ２の反転入力端子３５に印加する
ことにより、抵抗Ｒ３，Ｒ４およびＡ２（７）Ｊ！還低
抵抗Ｒ６それぞれの値の関係をＲ３−Ｒ，−Ｒ，とすれ
ば、Ａ２の出力としてｅ。

十ＫＱＰなる電圧を得ることになる。

この電圧を目標吐出圧力装置の出力端子３６に出力する
。

この電圧は第５図にて述べた出力線３２にて得た値と同
じであり、また（１１）式が示すｅｒに等しい電圧であ
り、第１図ブロック６の出力電圧ｅｒとし、目標吐出圧
力設定電圧とする。

以上説明したように比較的簡単に目標吐出圧力設定電圧
を得る装置が実現でき、その出力電圧を設定電圧とした
第１図ブロックダイヤグラムに示した送水ポンプ吐出圧
力制御装置とすれば、需要末端における圧力は流量如何
を問わず一定となることはもとより、送水系の管路網変
更、需要水量分布の変動等々さまざまな状態変化に対処
することが可能となり、常に良品質の水を需要家に供給
し得ることとなりその効果は犬である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すポンプ吐出圧力制御
装置のブロックダイヤグラム、第２図は従来の装置を用
い目標吐出圧力特性を設定変更した場合の特性変化の一
例を示す図、第３図は流量の２乗に比例した信号を検出
するためのポンプおよびその吐出部の構成を示す図、第
４図は本発明の実施例において目標吐出圧力特性を設定
変更した場合の特性変化の一例を示す図、第５図は実施
例の目標吐出圧力設定装置の内部動作を示すブロックダ
イヤグラム、第６図は目標吐出圧力設定装置の内部回路
図である。 １・・・・・・送水ポンプ、２・・・・・・吐出側管路
、３・・・・・・流量検出器、４・・・・・・送水管路
、５・・・・・・電流電圧変換回路、６・・・・・・目
標吐出圧力設定装置、Ｔ・・・・・・変換器、８・・・
・・・演算器、９・・・・・・補償器、１０・・・・・
・変速装置、１１・・・・・・電動機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 遠隔地に送水する管路を備えたポンプの吐出圧力を
   制御する装置において、 前記ポンプの吐出流量値に第１の定数を乗じた信号と該
   ポンプに定められる最大吐出流量値に第１の定数を乗じ
   た信号との比率を算出する割算器と、 第２の定数を底とする前記割算器の出力信号の対数値に
   第３の定数を乗じた信号を得る対数演算器と、 前記第２の定数を基数とし前記対数演算器の出力信号を
   指数にもつ値の信号を生ずる指数演算器と、 該指数演算器の出力信号に第４の定数を乗じた信号と第
   ５の定数に比例した信号とを加算する加算器とを具備し
   、 前記第３の定数と第４の定数と第５の定数を流量指数と
   流水抵抗と需要末端にて必要とする圧力にそれぞれ対応
   した値に設定して得られる目標吐出圧力設定装置を備え
   たことを特徴とするポンプ吐出圧力制御装置。