JPS624664B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔分野〕 本発明は、液体の流速測定装置に係り、特に微
少な動きを示す地下水等の流速を測定するのに好
適な液体の流速測定装置に関する。

〔従来技術〕

従来、地下水に代表されるような微少な流速を
示す流体の流動（流速又は流れの方向をいう）の
状態を測定する装置として、プロペラ式流速計、
あるいはラジオアイソトープ等の放射性物質を用
いる流動測定装置等がある。これらのうち、プロ
ペラ式流速計においては、毎秒２〔cm〕以下の微
少な流動測定を行うことが極めて困難であり、ま
た放射性物質を用いる測定装置においては、その
取扱いに危険をともなうのみならず、装置が極わ
めて高価なものになるなどの欠点があつた。

これら従来技術の欠点を改善し、微少な流動を
良好に測定できる装置が、特開昭56―154670号公
報に開示される如く開発されている。この測定装
置の概略を第１図及び第２図に基づいて説明する
と、まず、第１図ａのように複数の電極１，３，
５が突出している容器９内に電解液１１を満た
し、この装置全体を流動測定を行う位置に配置す
る。次に、第１図ｂの如く、前記容器９の側壁を
構成するスリーブ６を引き上げると、図中の矢印
１０のように地下水が容器９内に地下水の流動に
比例した速さで流入することとなる。ここで前述
した電極１―３間及び電極３―５間における抵抗
値R₁₃及びR₃₅の変化に着目すると、第１図ａの状
態では前記R₁₃及びR₃₅の値は、電解液１１によつ
て定まる所定の値となつているが、第１図ｂの状
態では電極１―３間において、地下水１０による
電解液１１の置換稀釈が進行し、前記抵抗値R₁₃
は増大する。他方、抵抗値R₃₅は、第１図ｂの状
態では何の変化も生じない。従つて、抵抗値R₁₃
か又はR₃₅のいずれかが先に変化した場合、その
方向が地下水１０の流入方向となり、これによつ
て流向を測定することができる。なお、第１図ｃ
に示すように、地下水１０の流入によつて抵抗値
R₃₅もやがて増大することとなる。

実際には、第２図に示すように、円筒状のスリ
ーブ６内に、全方向にわたつて電極１Ａ，１Ｂ，
５Ａ，５Ｂが設けてあり、いずれの方向から地下
水の流入があつても流向を測定することができる
ようになつている。また、流速は、前述したスリ
ーブ６を引き上げた時刻と、地下水１０が流入し
て電極３に達して抵抗値R₁₃が最大となつた時刻
とを測定することによつて、まず地下水１０がス
リーブ６から電極３まで移動する時間を求め、次
に前記スリーブ６と電極３との距離を求め、これ
ら両方の値から算出することができる。

一方、地下水１０が電極１に到達し前記抵抗値
R₁₃が増大し始める時刻と、当該地下水１０が電
極５に到達し前記抵抗値R₃₅が最大となる時刻と
を測定し、これと前記電極１，５間の距離とから
算出してもよい。実際には、第２図に示すよう
に、前記電極１として複数の電極１Ａ，１Ｂ、前
記電極５として複数の電極５Ａ，５Ｂをそれぞれ
設け、これにより、測定精度を向上させるように
構成されている。

〔従来技術の問題点〕

しかしながら、上記従来例においては、一度測
定を行つてしまうと、容器９内の電解液が全部流
出してしまうため、再び測定を行うときは、例え
ば地下水の流速測定にあつては装置全体をボーリ
ング孔から引き上げて容器９内に電解液を満たす
必要があり、これがため、連続して測定を行うこ
とができないばかりでなく、スリーブの引き上げ
方によつては地下水等の流動を乱すおそれがある
などの不都合が生じていた。

〔発明の目的〕

本発明は、上記従来技術の欠点を改善し、何ら
地下水の流動を乱すことなく、装置を一度設置す
れば繰り返し連続して液体の流速を高精度に測定
することができる耐久性のある液体の流速測定装
置を提供することを、その目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明は、支持部材に支持されたイオ
ン発生手段と、このイオン発生手段から所定距離
隔てて装備されたイオン検知用のセンサ電極とを
有する流体の流速測定装置において、前記イオン
発生手段を、環状に形成された一方のイオン発生
用電圧電極と、この一方のイオン発生用電圧電極
の内側に所定間隔を隔てて同心円状に配設された
通水性のある円筒状の他方のイオン発生用電圧電
極とにより形成し、この円筒状に形成された他方
のイオン発生用電圧電極の内側に、前記センサ電
極を配設し、前記支持部材の下端部周囲に逆円錐
状の傾斜面を設けるとともに、この傾斜面に前記
一方のイオン発生用電圧電極を装着する、という
構成を採り、これによつて前記目的を達成しよう
とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図ないし第８図
に基づいて説明する。

第３図は、本発明に係る液体の流速測定装置を
用いて、実際に測定を行つている場合の一例を示
す説明図である。この図において、まず測定を必
要とする地盤Ｅに、ボーリング孔３０を設け、こ
の中に支持材３１を介して測定用ヘツド（以下、
「ゾンデ」という）４０を降下させる。このと
き、前記ゾンデ４０に内蔵された図示しない方位
計によつて前記ゾンデ４０の方向が指定され、こ
れに基づいて前記ゾンデ４０がボーリング孔３０
内に配置され固定される。地盤Ｅには、図の矢印
Ｆで示す地下水の流れがあり、これがため、前記
ボーリング孔３０の下方（記号「▽」で示す）に
は地下水Ｗが湧出し、この地下水Ｗの中に前記ゾ
ンデ４０が浸されるようになつている。このゾン
デ４０には送受信用のケーブル４１が接続されて
おり、これによつて前記ゾンデ４０によつて検出
される地下水の流動に関する情報が外部へ伝送さ
れるようになつている。さらに、外部には、第６
図に示すような制御装置等が前記ケーブル４１に
接続されており、これによつて流体の流動測定あ
るいは記録が行えるようになつている。

第４図に、前述したゾンデ４０の構成を具体的
に示す。この第４図において、支持部材４２の先
端には、ヘツド４３が設けられている。このヘツ
ド４３は、当該支持部材４２の下端部周囲が逆円
錐体状に切除されてテーパー状に形成されたテー
パー部４４Ａと、円筒状に形成されたセンサ電極
支持部４４Ｂとによつて構成されている。また、
このヘツド４３は、絶縁体で構成されており、後
述する各電極間の電気的な絶縁が良好に行えるよ
うになつている。前記センサ電極支持部４４Ｂと
テーパー部４４Ａは、いわゆる同心状に設置され
ており、さらにテーパー部４４Ａ内は、後述する
電極等の配線が行えるよう中空状に構成されてい
る。

テーパー部４４Ａの外周上には、一方のイオン
発生用電圧電極４７が図の如く環帯状に装着され
ている。この一方のイオン発生用電圧電極４７の
側には、円筒状で通水性のある他方のイオン発生
用電圧電極４８が設けられている。この他方のイ
オン発生用電圧電極４８は、実際には第４図に示
す如く、センサ電極支持部４４Ｂを囲むようにし
て下方に延設されており、外部からの地下水の流
入を妨げないよう金網状となつている。

前記センサ電極支持部４４Ｂには、第５図に示
すようにその下端面に環帯状に露出した第一電極
５０及び第二電極５１からなる交流電界印加手段
が設けられている。

この内、第二電極５１がセンサ電極支持部４４
Ｂの中心部に少環状に形成されて装備され、また
第一電極５０が大環状に形成されて前記第二電極
５１と同心状に装備されている。そして、これら
第一電極５０と第二電極５１との間に、下方に向
かつて突設された一対の棒状電極部材４９Ａ，４
９Ｂからなるセンサ電極４９が複数装備されてい
る。

これを更に詳述すると、センサ電極４９は、前
述した第二電極５１を取り囲むようにして第５図
に示すように放射状で且つ等間隔に12箇所に設け
られている。そして、これら各センサ電極４９，
４９，……を構成する棒状電極部材４９Ａ，４９
Ｂは、それぞれ一方の棒状電極部材４９Ａ，４９
Ａ，……が外側に位置して同一円周上に装備さ
れ、また他方の棒状電極部材４９Ｂ，４９Ｂ，…
…が内側ち位置して同一円周上にそれぞれ装備さ
れている。そして、これら各センサ電極４９、第
一電極５０、及び第二電極５１の各々は、前述し
た支持部４２及びテーパー部４４Ａの中を通つて
後述する制御装置（第６図参照）に接続されてい
る。

前記他方のイオン発生用電圧電極４８の第４図
における下端は、底板４６によつて支持されてい
る。この底板４６は、複数の支柱４５によつて支
持部４２に支承されている。なお、第４図は、説
明上、構成の一部分を省略してある。

次に、前述したゾンデ４０を電気的に駆動制御
し、測定及びその結果の記録を行う制御装置の一
構成例を第６図に基づいて説明する。

この制御装置は、前述したセンサ電極４９から
の信号を増幅する増幅部６１と、この出力からピ
ークを検出するピーク検出部６２と、検出された
ピークに従つて表示装置６５を駆動する制御部６
３とを、各々直列に接続した構成となつており、
他に、前記増幅部６１の出力を記録するレコーダ
部６４と、前述した一方と他方の各イオン発生用
電圧電極４７，４８にイオン発生用のパルスを送
るパルス発生部６６とタイマー６７とが設けられ
ている。

これらのうち、制御部６３は、前記パルス発生
部６６によつて出力されるパルスを受けてリセツ
トされるとともに、このパルス信号の出力以後に
もつとも早くピークが検出されたセンサ電極４９
からの信号を受けて、これに対応する表示装置６
５上の複数の表示灯６５Ｐの一つを点灯する機能
を有している。また前記タイマー６７は、同様に
パルス発生部６６によつて出力されるパルスを受
けてリセツトされるとともに動作を開始し、前述
した制御部６３の出力によつて動作を停止する機
能を有している。ここで、増幅部６１は、前述し
た支持部４２内（第４図参照）に内蔵されてい
る。

次に、具体的な測定方法及び全体的動作につい
て、第７図を中心に説明する。

第７図は、実際に測定が行われた状態を順次経
時的に示したもので、前述した第一電極５０及び
第二電極５１の間には電源６０によつて交流電圧
が印加されている。

このため、各センサ電極４９部分の導電率が一
定の場合は、交流電界印加手段から出力される交
番電界の雰囲気内にあつて、前記各センサ電極４
９である各棒状電極部材４９Ａ，４９Ｂは、両者
間に生じる一定レベルの交番電圧信号を常時検出
して出力するようになつている。

一方、後述するイオン流の影響で、棒状電極部
材４９Ａ，４９Ｂ部分には分極が生じ、これに起
因したインピーダンス変化等によつて棒状電極相
互間には例えば直流電流の通電が阻害されるとい
う事態が生じる。しかしながら、この場合であつ
ても、交番電界の作用により、かかる事態の発生
に何ら影響を受けることなく、センサ電極４９
は、イオン流を導電率の変化として有効にとらえ
ることができるようになつている。

まず、第７図Ａに示すようにパルス発生部６６
によつて一方の他方の各イオン発生用電圧電極４
７，４８間にパルスが印加されると、マイナス側
である他方のイオン発生用電圧電極４８にはプラ
スのイオン（H⁺等）Ｐが、またプラス側である
一方のイオン発生用電圧電極４７にはマイナスの
イオン（OH^-等）Ｑ等がそれぞれ発生する。こ
のとき、前記パルスの電圧によつては、電気分解
等も行われ、気泡Ｒも発生する。また、前述した
制御装置のうち、制御部６３は、ピーク出力待ち
の状態となり、タイマー６７はリセツトされると
ともに、動作を開始する。

次に第７図Ｂの状態では、前述したマイナスイ
オンＱは気泡Ｒとともにテーパー部４４Ａによつ
てセンサ電極支持部４４Ｂから遠ざかつて行き、
プラスイオンＰの層は、図中の矢印Ｆで示す地下
水の流れによつてヘツド部４４Ｂの中心部方向へ
移動し、センサ電極を構成する一方の棒状電極部
材４９Ａに到達し始める。。このため、一方の棒
状電極部材４９Ａと他方の棒状電極部材４９Ｂと
の間の導電率が増大し始める。このため、交流電
界内におけるセンサ電極としての棒状電極部材４
９Ａ，４９Ｂ相互間の導電率が上昇して電位降下
をきたす。この電圧変化を示したものが第８図
で、第７図Ｂの状態は、時刻T₁に対応する。

次に、さらに時間が経過した第７図Ｃの状態で
は、棒状電極部材４９Ａ，４９Ｂの相互間の導電
率が増大し、電圧は低下して第８図の時刻T₂の
ようになる。この時刻T₂における電圧は、ちよ
うどピークに当たるので、ピーク検出部６２（第
６図参照）は、これを検出し、制御部６３に対し
て信号を送出する。制御部６３は、この信号を受
けて表示装置６５に設けてある複数の表示灯６５
Ｐのうち前記ピークが検出された位置の検出電極
４９に対応するものを点灯する。詳述すると、前
述したように、センサ電極４９は、前記方向に渡
つて複数個設けられているが、各々の棒状電極部
材４９Ａ，４９Ｂの対に対して、上述した動作が
行われ、各々について第８図に示すような電圧の
変化が検出されることとなる。しかしながら、こ
れら電圧の変化は、地下水の流れによつて起こる
もので、各々時間的なずれをもつて検出される。
前述した検出部６２は、センサ電極４９の各々に
ついてピークを検出し、信号を制御部６３に送出
するが、前述したように、これらのうち最初のも
の、換言すれば、地下水の流入する方向に位置す
るセンサ電極４９によつて検出された電圧変化の
ピークに対応する前記ピーク検出部６２からの信
号の入力があつた場合に、前記制御部６３は前記
ピークが検出されたセンサ電極４９に対応する表
示灯６５Ｐを点灯し、その後は前記ピーク検出部
６２から信号の送出があつても何ら点灯動作を行
わず、そのままの状態が保持される。以上の動作
によつて、流向が測定されることとなる。

次に、この時刻T₂においては、プラスイオン
Ｐの層は、前記一方と他方の各棒状電極部材４９
Ａ，４９Ｂの相互間に位置しているので、前記イ
オン発生用パルス印加終了時から時刻T₂までの
時間と、前記他方のイオン発生用電圧電極４８
と、前記センサ電極４９の中間点との距離から流
速を求めることができる。詳述すると、時刻T₂
において前述したように制御部６３から信号が発
せられるが、これによつてイオン発生用パルス印
加終了時から動作しているタイマー６７が停止
し、パルス印加終了時から時刻T₂までの時間が
測定され、タイマー６７によつて表示されること
となる。またイオン発生用電圧電極４８からセン
サ電極４９の中間点までの距離は、あらかじめ定
められているので、前記タイマー６７の表示から
容易に地下水の流速を算定することができる。

さらに時間に経過すると、第７図Ｄの如くプラ
スイオンＰの層はさらに右方へ移動し、これがた
めセンサ電極４９部分の導電率が低下することか
ら、当該センサ電極４９を構成する棒状電極部材
４９Ａ，４９Ｂの相互間の検出電位は第８図の
T₃に示す如く再び上昇する。

ここで、以上の動作中に地下水の流動によつて
不純物等が流されてくることがあるが、第７図Ｄ
に示すように比較的大きな粒状物Ｓについては、
他方のイオン発生用電圧電極４８によつてセンサ
電極４９方向への移動が阻止され、良好に測定を
行うことが可能となる。また、前記他方のイオン
発生用電圧電極４８によるシールド効果があり、
これによつて地電流等による外来雑音に影響され
ることなく測定を行うことができる。

以上の動作中における複数のセンサ電極４９の
各々に生じる例えば前述した第８図に示すような
電圧変化は、レコーダ部６４によつて記録され
る。

また、上述した実施例においては、いわゆる４
電極法を用いた測定装置について説明したが、本
発明は、何らこれに限定されるものではなく、２
電極法あるいは３電極法を用いるような構成とし
てもよい。例えば、第９図に示すように、前述し
たイオン層の流体の流れにともなう動きを検知す
る手段として、センサ電極４９のみを用い、この
うちいずれか一つ、例えば他方の棒状電極部材４
９Ｂを底板４６上に配置するようにしてもよい。
また、第１０図に示すように、ゾンデ４０の中央
部分に他方のイオン発生用電圧電極４８を配置す
るようにしてもよい。さらに、前記センサ電極４
９を１つの電極のみで構成し、これによつて電位
分布の変化を測定するようにしてもよい。また、
イオン層の動きを検知する手段として、上述した
電極を用いて電気的に検知するのみならず、いわ
ゆるPH値を検知する手段を設け、これによつてイ
オン層の動き、即ち流体の流動を測定するように
してもよい。また、流向があらかじめ定まつてお
り、流速のみを測定するような場合は、１組のイ
オン発生用電圧電極及び検知手段によつて容易に
目的を達成することができる。

他方、上記実施例においては、プラスイオンを
用いた場合について説明したが、マイナスイオン
を用いても同様に目的を達成することができる。
また、このイオン層形成のためのパルスは、被測
定流体の状態等により、その電圧の大きさ、幅等
を変化させてもよい。さらに、上記実施例におけ
る流速の測定においては、パルス印加終了時から
時間を測定することとしたが、流体の動きが非常
に遅いような場合等においては、パルス印加開始
時から前記時間を測定するようにしてもよい。

また、前述したイオン層形成の手段としては、
前述した電気的手段とは別に、例えばレーザー、
紫外線等を用いてもよい。

〔発明の効果〕

本発明は以上のように構成され機能するので、
これによると、放射線を使用することなく測定領
域内で安全にイオン流を発生させることができ、
また、測定領域に乱流を引き起こすことなく何度
でも繰返して流速測定を行うことが可能となり、
更に、一方と他方の各イオン発生用電圧電極の作
用によりセンサ電極の周囲に円筒状のイオン層が
形成されることから、例えば流向が不明であつて
も高精度に流速を測定することが可能となり、測
定感度の低下をきたす不要なイオンは支持部材の
傾斜面の作用によつて気泡とともに上方へ離散せ
しめることができるという従来にない優れた液体
の流速測定装置を提供することができる。

なお、本発明は、地下水等の微少な流動測定に
おいて特に効果を発揮するものであるが、一般の
流体等の測定に用いても有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は電解液を用いた地下水等の流動測定装
置の動作原理を示す説明図、第２図は第１図の測
定装置の断面形状を示す部分断面図、第３図は本
発明にかかる液体の流速測定装置を用いて測定を
行つている状態を示す説明図、第４図は第３図の
流速測定装置を拡大して示した正面図、第５図は
第４図の―線に沿つた断面形状を示す断面
図、第６図は測定に用いる制御装置の構成例を示
すブロツク図、第７図は本発明に係る液体の流速
測定装置の動作原理を示す説明図、第８図は測定
結果の一例を示す線図、第９図及び第１０図は
各々他の構成例を示す説明図である。 ４２……支持部材、４４Ａ……逆円錐状の傾斜
面としてのテーパー部、４７……一方のイオン発
生用電圧電極、４８……他方のイオン発生用電圧
電極、４９……センサ電極、Ｆ……被測定流体と
しての地下水の流れ、Ｐ……イオン層としてのプ
ラスイオン、Ｑ……イオン層としてのマイナスイ
オン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 支持部材に支持されたイオン発生手段と、こ
   のイオン発生手段から所定距離隔てて装備された
   イオン検知用のセンサ電極とを有する液体の流速
   測定装置において、 前記イオン発生手段を、環状に形成された一方
   のイオン発生用電圧電極と、この一方のイオン発
   生用電圧電極の内側に所定間隔を隔てて同心円状
   に配設された通水性のある円筒状の他方のイオン
   発生用電圧電極とにより形成し、 この円筒状に形成された他方のイオン発生用電
   圧電極の内側に、前記センサ電極を配設し、 前記支持部材の下端部周囲に逆円錐状の傾斜面
   を設けるとともに、この傾斜面に前記一方のイオ
   ン発生用電圧電極を装着したことを特徴とする液
   体の流速測定装置。