JPS607204B2 - 流体の平均流速または流量測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は自由表面をもつ水路の平均流速または流量の測
定方法にかかわり、特に２対の部分流速検出器を用いて
行う下水処理場などにおける階きよや開きよの水路の流
量計測に好適な測定方法に関する。

従来の２対の部分流速検出器を用いた水路の平均流速又
は流量測定方法では、水位が上位流速検出位置以上に達
し、上下位流速検出を行うことによって初めて低水位時
の計測が可能というものであり、測定開始時に水位が上
位流速検出位置以上にないと試運転さえ不可能という欠
点があった。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、測
定開始時の水位が上位あるいは下位の流速検出位置以下
でも測定可能で、かつ水位の上昇に伴いより高精度の測
定が行える流速または流量測定方法を提供するにある。
このため本発明は、水路を水路の底面から下位の流速計
を含む領域１と、この領域１の上方で上位の流速計を含
む領域０と、この上方の領域ｍとに分割し、前記流体の
水位が領域１のときはあらかじめ設定された式で前記流
体の平均流速を求め、前記流体の水位が領域ロのときは
前記下位の流速計の流速値を基に前記流体の平均流速を
求め、前記流体の水位が領域ｍのときは前記下位および
上位の流速計の流速値を基に前記流体の平均流速を求め
、前記流体の水位が領域ｍに至った後は領域ｍに至った
時に前記下位および上位の流速計で得られた流速値を基
に前記領域１あるいは領域Ｄの平均流速を求めるように
したものである。

あらかじめ設定された式とは、勤水勾配１を含む式であ
り、たとえばマニング公式があげられる。以下、本発明
の一実施例を図面に基づいて説明する。第１図において
、開水路１の側壁に底面からｙ，の位置にＡ，Ｂ間の流
速を測定する超音波流速検出器２が設けられ、さらにこ
れより上方のｙ２の位置にＣ，Ｄ間の流速を測定する超
音波流速検出器３が設けられ、水面の上方部には水位を
測定するための水位計４が設けられている。

一般に開水路の平均流速を表わす式は多数あるが、最近
では｛１｝式に示すマニングの式が広く利用されている
。

ＵａＶ＝１Ｒ％・％．．．ｍ ここに「Ｕａｖ；平均流速 ｎ；水路壁面の粗度係数 １；動水勾配（水面の流れ方向の 勾配）で、等流の場合、水路 底勾配と同じ Ｒ；径深で矩形水路では Ｗｈ／Ｗ＋ｈ この式でｎ，１は水路の定数であるが、数値的確度が低
いため、他の方法でこれらの定数を消去することが望ま
しい。

先ずプラントルとカルマンの流体の流れに関する理論を
もとに■式が導出される。

そして【１｝式と【２ー式から１に無関係な｛３ー式が
導びかれる。ＵａＶ＝Ｕ−秋１（Ａｎ十よｎ長）…■こ
こにＬＵ；Ａ，Ｂ又はＣ，Ｄ間の平均流速ｇ；重力の加
速度池：補正関数で流速検出器の取付位置 ｙ（ｙ，，＆）、水深ｈ、水路中Ｗ の関数で、モデル水路で実験的に 決定される。

ｋ；カルマン定数＝０．４ ｙ；流速検出器の取付位置ｙ，，地 馴式は、ｎが決れば平均流速が得られる式で、１対の流
速検出の場合、すなわち１位置測定の場合に有効であり
、ｍ式による水位計測のみの場合より確度、精度が高い
。

さらに、第１図のようにＡ，Ｂ間、Ｃ，０間の２位置で
流速検出を行うと、‘２｝式はそれぞれ‘４’，｛５）
式で表わされ、平均流速Ｕａｖは‘６｝式となる。

ＵａＶ＝Ｕ′岬１（Ａｎ．十事ｎ昔）…（４１ＵａＶ：
Ｕ２‐ノ蘭（Ａ山十卓識．・．‘５）ここに、Ｕ１，Ｕ
２；Ａ，Ｂ間又はＣ，Ｄ間の平均流速Ａｍ，，Ａｎ２：
ｙ，又はめでの補正係数この式はｎも１も含まないから
、最も確度の高い平均流速式といえる。

したがって、水位が常に流速検出器２及び３の位置以上
にあってＡ，Ｂ間及びＣ，Ｄ間の流速が検出しうる場合
には、これら流速値とその時の水位値を用い、｛６｝式
にしたがった演算器を構成すれば、より高精度の平均流
速又は流量を計測できることになる。しかし、水位は必
ずしもそのような場合のみとは限らず、また始動時の水
位は流速検出器以下の場合もあり、さらにはそれらの中
間である場合もある。

そこで、水路を水深方向に次の３領域に区分する。

領柳；ａ・領域１；水路底面から流速検
出器２がＡ，Ｂ間の平均流速を十分安定に検出できる位
置まで（０〜Ｌ，）。

領域ロ；領域１の上限から流速検出器３がＣ，○間の平
均流速を十分安定に検出できる位置まで（〜，〜〜２）
。

領域ｍ；領域０、上限以上（〜２〜） そして、各流速検出器の出力信号Ｖｕ，，Ｖり及び水位
計の出力信号Ｖｈを使って第２図の演算を行わせる。

この演算は、各水位領域に対し次の演算機能をもってい
る。領域１；ａ‐Ｕ柵＝去Ｒ％・柊‐‐‐（，′）ｂ‐
ＵａＶ＝（蔓）％Ｕ柵・（７）ここで、領域１，０の式
ｂの‘７｝式は、領域ｍのある径深Ｒｏ２で（６′）式
により計測演算された平均流速Ｕａｖｏを【１１又は（
１′）式に適用して得られる。

すなわち、Ｒｏ２での平均流速は、マニング式に直すと
、ＵａＶ。

：よの％〆‐‐側であり、Ｒでのマニング式は【１｝式
であるから、‘８｝式と【１｝式から‘７）式が得られ
る。

前記でａは水位が領域ｍに未到達時点の領域１，０の演
算形態であり、ｂは水位が少なくとも一度は領域３に到
達した後の領域１，０の演算形態である。

これを以下に詳記する。第２図のマイクロコンピュータ
を用いた一実施例で、第１回の各検出器の出力Ｖｕ，，
Ｖ舷，ＶｈはそれぞれＵ，，Ｕ２ ，ｈ又はＲの形で各
演算部１２〜１６に入力されている。

一方、水位入力部５に入力された水位信号ｈにより水位
の各領域１〜ｍの判定を行い、各領域に応じた演算形態
を経て平均流速及び流量として出力する。

すなわちト水位判定部６，７にてｈＺ〜２と判定される
と、演算部１２の演算が行われ、平均流速Ｕａｖが出力
される。

そしてｈ＝Ｌ２の時点でその時の水位〜２又は径深Ｒの
、及び平均流速Ｕａｖｏを、それぞれ径深ホールド回路
８及び平均流速ホールド回路９にホールドさせる。そし
て、水位判定部６でｈ＜ｈｏ，と判定されると、Ｕａｖ
ｏ判定部１０でＵａｖｏ＝０又は羊０の判定が行われ、
Ｕａｖｏ＝０の場合には演算部１５の演算により平均流
速Ｕａｖを出力する。

これは未だ一度も水位がｈｏ２に達していないことを示
し、前記領域１のａの測定を意味する。またＵａｖｏキ
０の場合には、すでに水位が少くとも一度はＬ２に達し
ており、ＵａｖｏとＲｏ２が回路内にホールドされてい
ることを意味するから、演算部１３の演算結果が出力さ
れる。これは前記領域１のｂの測定を意味し、自動的に
領域１の測定が高精度化されたことになる。また、水位
判定部６でｈＺｈｏ，と判定されると、さらに水位判定
部７に移り、ｈｏ，ミｈ＜ｈｏ２と判定されると、Ｕａ
ｖｏの判定部１１に移る。

ここで、Ｕａｖｏ＝０と判定されると、演算部１４の演
算により平均流速Ｕａｖを出力する。これは、水位がＬ
，を越えているが、未だ一度もｈｏ２に達していないこ
とを示し、前記領域ロのａの測定である。またＵａｖｏ
キ０の場合には、すでに水位が少くとも一度はｈ蛇に達
しており、その時の０でないＵａｖｏとＲｏ２で回路内
にホールドされていることを示すから、演算部１３の演
算結果による平均流速Ｕａｖが出力される。これは領域
０のｂの測定結果であり、自動的に領域０の測定結果が
高精度化されたことになる。次に水位判定部７でｈＺｈ
雌と判定されると、前記したように演算部１２の演算が
行われ、その結果の平均流速Ｕａｖが出力され、同時に
ｈ＝〜２にてその時の径深尽２と平均流速Ｕａｖｏを、
それぞれ径深ホールド回路８及び平均流速ホールド回路
９にホールドする。

また、演算器１６により平均流速Ｕａｖと水深で決る水
路断面積Ｓとの演算を行い、流量Ｑを出力する。

本発明の一実施例によれば、測定開始時に水位が流速検
出器に達していなくとも測定が可能であり、しかも測定
中に水位が上昇し、流速検出器を越えることにより全水
位に対し自動的に動水、勾配１と粗度係数ｎの影響を受
けない測定精度と確度を保つことが可能である。

また、領域瓜ま、水位が流速検出器３以上のへ２に達し
なくとも、（３）式の測定値、すなわち不確定値である
勤水勾配１の影響を受けない高い測定精度を得ることが
できる。さらに、領域１，ロ，ｍの判定を水位で行って
いるので、水面の波立ちや瞬間的、過渡的水位変化に対
してＵａｖｏ，Ｒｏ２を安定にホールドできる適正な位
置に〜，，〜２を設定できる効果がある。

一方、水位の変化がゆるやかで、しかも水面の波立ちが
少し、水路においては、領域１，０，血の判定を各流速
検出器の出力信号を用いて行うことも可能であることは
容易に想像できる。以上、矩形断面水路を１例として詳
記したが、各関係式は、径深Ｒ、断面積Ｓ及び補正項Ａ
ｎ，，Ａｈ２を除き、水路断面の形状に依存しない一般
式であるから、各断面形状に対してＡｎ，，Ａ−を実験
的に求め、それぞれの径深Ｒと断面蹟Ｓを用いれば、円
形、台形など各水路にもそのま）適用可能である。

また、実施例では部分流速としてＡＢ間の平均流速とし
たが、ＡＢ間の点の流速であっても補正項Ａｎの薄止化
を行えばよい。本発明によれば、水路を流速検出器の位
置によって決る３つの領域に区分し、それぞれの水位に
おける平均流速を得るのに各領域に対して適切な平均流
速式を導入し、かつ水位の上位領域未到達時と到達後で
の適正化を計り、各領域の境界において演算形態を自動
的に切替え、一旦領域ｍに到達すると、領域１，ロ共動
水勾配１にも粗度係数ｎ‘こも無関係な測定状態に定位
させるようにしているので、下記の如く実用上の効果が
ある。

１ 測定開始時の水位が不足していて〜，以下でも測定
が可能。

２ 測定開始時の水位が〜，〜ｈ雌の間でも測定可能で
、しかも動水勾配１に依存しない高い精度が得られる。

３ 水位がｈｏ２以上になると、領域１，ロ共動水勾配
１にも粗度係数ｎにも依存しない高精度測定が可能とな
り、以後水位のいかなる変化に対してもこの精度を保持
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る各検出器と水路との関
係を示した図、第２図は第１図の動作を示すフローチャ
ートである。 １…・・・水路「 ２，３…・・・流速検出器、４・・
・・・・水位計、５・・…・水位入力部、６，７…・・
・水位判定部、８・・・・・・径深ホールド回路、９・
・・・・・平均流速ホールド回路、１０，１１…・・・
Ｕａｖｏ判定部、１２〜１６…・・・演算部、１７・・
・・・・リセット回路。 多／図多２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水路内の異なった水深に設けられた下位および上位
   の流速計により水路内の流体の部分流速を測定し、かつ
   水位計により流体の水位を測定し、前記流体の部分流速
   と水位から前記水路内の流体の平均流速または流量を測
   定する方法において、前記水路を水路の底面から前記下
   位の流速計を含む領域Iと、この領域Iの上方が前記上位
   の流速計を含む領域IIと、この領域IIの上方の領域III
   とに分割し、前記流体の水位が領域Iのときはあらかじ
   め設定された式で前記流体の平均流速を求め、前記流体
   の水位が領域IIのときは前記下位の流速計の流速値を基
   に前記流体の平均流速を求め、前記流体の水位が領域I
   IIのときは前記下位および上位の流速計の流速値を基に
   前記流体の平均流速を求め、前記流体の水位が領域III
   に至った後は領域IIIに至った時に前記下位および上位
   の流速計で得られた流速値を基に前記領域Iあるいは領
   域IIの平均流速を求めるようにしたことを特徴とする流
   体の平均流速または流量測定方法。