JP2015190879A - 重量測定方法および重量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体が含む所定物の重量を効率良く高精度で測定可能とする。
【解決手段】重量測定方法において、水槽３内に配置された上下動が可能な横行管１０に対し、基準流体を流した状態での重量測定を行い、当該重量測定で得た管重量に釣り合う浮力を横行管１０に作用させる工程（ｓ１００〜ｓ１０２）と、横行管１０に対し、測定対象流体である所定物混じりの基準流体を流した状態での重量測定を行って、所定物の重量を測定する工程（ｓ１０３〜ｓ１０４）とを実行する。
【選択図】図３

Description

本発明は、重量測定方法および重量測定装置に関するものであり、具体的には、流体が含む所定物の重量を効率良く高精度で測定可能とする技術に関する。

泥水搬送等を伴う各種掘削工やダム浚渫工事、或いは処理流体を配管設備で圧送するプラント施設など、配管内における流体の性状把握が必要となる環境において、流体が含む固形分など所定物の重量に関する測定が従来から実施されてきた。例えば、水と測定対象流体の各搬送時の配管重量（搬送中の流体分含む）を測定してその差分重量から流体が含む所定物の重量を算定する手法などが存在する。こうした従来技術の具体例としては、両端に可撓管を接続した上下動可能な水平管を吊り下げ配置し、この水平管内のスラリー重量を測定する装置（特許文献１参照）などが提案されている。

特開昭５８−１１８３３号公報

ところが、上述した従来手法において、配管重量を測定範囲に含む重量計を用いることになるが、この配管重量と比較して、本来の測定対象である流体中の固形分重量はかなり小さいため、この固形分重量の測定値が重量計における測定誤差範囲に含まれる結果となりやすい。従って当該手法を採用しても、精度良好な測定結果を得ることは実質的に困難な状況となっていた。こうした問題点について以下で具体的に示す。

例えば、鋼管である中央部配管の両端に可撓管たるホースを接続し、こうした配管構造において水および泥水をそれぞれ流した際の配管全体の重量を測定するケースを想定する。図９、１０に示すように、所定径の中央部配管の自重が５３１ｋｇ、各ホースのうち中央部配管寄りの半分についての自重合計が６７４ｋｇで、配管全体で１２０５ｋｇ（小計）であったとする。また、この配管構造に水を満たした際の中央部配管内の水重量が８２５ｋｇ、各ホースのうち中央部配管寄りの半分についてのホース内の水重量が４６７ｋｇで、配管全体で水重量が１２９２ｋｇ（小計）であったとする。この場合、各小計を合算し、流している水を含んだ配管重量は２４９７ｋｇとなる。また同様に、配管構造に泥水を満たした際の中央部配管内の泥水重量が９３７ｋｇ、各ホースのうち中央部配管寄りの半分についてのホース内の泥水重量が５３１ｋｇで、配管全体で泥水重量が１４６８ｋｇ（小計）であったとする。この場合、各小計を合算し、流している泥水を含んだ配管重量は２６７３ｋｇとなり、測定値の変動幅などを踏まえると測定重量の最大値は約２８００ｋｇ程度となる。

よって、こうした大きさの重量について測定を行うためには、例えば４点で配管構造を吊り下げて計測する場合、測定範囲として２８００／４＝７００ｋｇを包含する重量計を各点に配置する必要がある。ここで、例えば定格容量が１０００ｋｇの重量計を使用したとする。一方、図１０にも示すように、計測対象の泥水（比重１．１３６、濃度８．０ｖｏｌ％）が含む土砂分重量は本例の場合は１７６ｋｇであり、上述の４点の各重量計では、（１７６／４）／１０００＝０．４４、すなわち４．４％程度しか重量計の測定範囲を使わない測定となり、流体搬送に伴う配管振動等を考慮すると、こうした状況下で得た計測値は重量計の測定誤差に包含されてしまうこととなる。

従って従来手法によれば、相応の機器導入の手間やコストが必要となるにも関わらず、得られる測定値の精度が低くなりがちで、実用上の問題が多く残されるものであった。

そこで本発明は、流体が含む所定物の重量を効率良く高精度で測定可能とする技術の提供を目的とする。

上記課題を解決する重量測定方法は、水槽内に配置された上下動が可能な横行管に対し、基準流体を流した状態での重量測定を行い、当該重量測定で得た管重量に釣り合う浮力を前記横行管に作用させる工程と、前記横行管に対し、測定対象流体である所定物混じりの前記基準流体を流した状態での重量測定を行って、前記所定物の重量を測定する工程と、を含むことを特徴とする。

これによれば、水槽中に沈んだ横行管の液中重量を、横行管に取り付けた浮体等にて浮力を発生させることでキャンセルし、上述の液中重量をなす横行管重量およびこの横行管内の基準流体（例：水）重量のそれぞれに関するキャリブレーションを予め行うことが出来る。そのため、その後に行う、測定対象流体である所定物混じりの基準流体（例：土砂混じりの水）を流した状態での横行管の重量測定では、横行管重量と横行管内の測定対象流体中の基準流体分の重量とについては測定されず、測定対象流体中における上述の所定物の重量を直接測定出来る。

また、重量測定に用いる計器は、上述の所定物の液中重量に応じた測定範囲のもの（例えば、所定物の液中重量値が測定範囲の８割程度となるもの）を採用すればよいため、計器の測定範囲を有効に使った精度良好な測定が可能となる。そのため重量測定の計器を上述のように適宜に選択すれば、所定物の濃度が低い流体から高い流体まで広範囲な濃度の流体の重量（比重）を精度よく測定することが可能となる。なお、横行管は水槽中に配置されて周囲を液体で包まれているため、横行管内を流体が流れることで生じる横行管の振動も抑制される。このことは、上述の重量測定による測定値を安定化させ、測定精度の向上にもつながる。

なお、上述の重量測定方法において、前記横行管を前記水槽の所定箇所に係留し、前記横行管の浮上動作を所定範囲に制限するとしてもよい。

これによれば、流体を流していない状態の横行管が、その内空の空気に由来する浮力で水槽中を浮上しようとして、過度に変形し破損するなどといった事態を回避出来る。

また、上述の重量測定方法で得られた前記所定物の重量に基づいて、前記測定対象流体の比重を算定する比重測定方法を採用するとしてもよい。

これによれば、上述のキャリブレーションによって高精度に直接測定出来た、前記測定対象流体中における所定物の重量に基づいて、測定対象流体の比重を効率良く高精度に測定可能となる。

また、本発明の重量測定装置は、水槽内に配置された上下動が可能な横行管と、流体を流した状態での前記横行管の重量測定を行う重量計と、前記重量測定で得られた横行管重量に釣り合う浮力を前記横行管に作用させる浮体と、を備えることを特徴とする。

また、上述の重量測定装置において、前記横行管を前記水槽の所定箇所に係留し、前記横行管の浮上動作を所定範囲に制限する係留構造を備えるとしてもよい。

また、上述の重量測定装置における前記重量計が、前記横行管に対し、基準流体を流した状態での重量測定を行い、当該重量測定で得た管重量に釣り合う前記浮体による浮力が作用した前記横行管に対し、測定対象流体である所定物混じりの前記基準流体を流した状態での重量測定を行って、前記測定対象流体の比重算定に用いる前記所定物の重量を測定するものであるとしてもよい。

これによれば、水槽中に沈んだ横行管の液中重量を、横行管に取り付けた浮体等にて浮力を発生させることでキャンセルするキャリブレーションにより、前記測定対象流体中における所定物の重量を高精度に直接測定可能であり、こうして高精度に測定した前記測定対象流体中における所定物の重量に基づいて、測定対象流体の比重を効率良く高精度に測定可能となる。

本発明によれば、流体が含む所定物の重量を効率良く高精度に測定可能となる。

本実施形態における重量測定装置の構成例を示す正面図である。 本実施形態における重量測定装置の構成例を示す断面図である。 本実施形態における重量測定方法の手順例を示すフロー図である。 本実施形態における中央部配管の仕様例を示す図である。 本実施形態における端部ホースの仕様例を示す図である。 本実施形態における中央部配管用浮きの仕様例を示す図である。 本実施形態における端部ホース用浮きの仕様例を示す図である。 本実施形態における測定結果例を示す図である。 従来技術の管重量測定手法における測定値例（流体：水）を示す図である。 従来技術の管重量測定手法における測定値例（流体：泥水）を示す図である。

以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は本実施形態における重量測定装置１の構成例を示す正面図であり、図２は同断面図である。本実施形態の重量測定装置１は、流体が含む所定物の重量を効率良く高精度で測定可能とする装置である。この重量測定装置１は、水などの貯留液２で満たされた水槽３内に配置され、上下動が可能な横行管たる配管構造１０と、流体を流した状態での配管構造１０の重量測定を行うロードセル１６（重量計）と、このロードセル１６による重量測定で得られた配管構造１０の重量に釣り合う浮力を配管構造１０に作用させる浮体７、８とを含んでいる。なお、この重量測定装置１は、効率良く高精度で測定した、流体中の所定物の重量に基づいて該当流体の比重を算定する比重測定装置の概念も含むものとする。また同様に、本実施形態の重量測定方法は比重測定方法の概念も含むものとする。

上述の重量測定装置１のうち配管構造１０は、鋼管など適宜な剛性を備える中央部配管４と、この中央部配管４の両端にフランジ継手５で接続された端部ホース６とから構成される。また、端部ホース６は、例えばダム浚渫工で生じた泥水など各種流体２０の搬送用配管１１とフランジ継手９を介してつながっており、含有物重量（例：土砂重量）や比重の測定対象となる泥水など流体２０を配管構造１０に導いて通過させる構造となっている。また、端部ホース６は、例えば可撓性と共に所定の剛性も有した合成樹脂製の管体であり、上述のフランジ継手９を支点にした片持ち梁の如く所定範囲で上下に傾動する。従って、こうした構成の端部ホース６を両端に接続した中央部配管４は、水槽３の貯留液２中で上下動可能である。

なお、中央部配管４と端部ホース６との間を接続するフランジ継手５の下端５Ａは、索状体１２（係留構造）によって水槽３の底面３Ａに係留されている。上述した通り、端部ホース６の機能によって中央部配管４を含む配管構造１０は貯留液２中で上下動出来るため、配管構造１０に流体２０が流れていない場合、その内空の空気に由来する浮力で水槽３の貯留液２中を浮上しようとする。この動きを拘束しないとすれば、大きく曲がることになる端部ホース６やフランジ継手５などに過度の力が働き、変形や破損が生じる事態も懸念される。しかしながら本実施形態においては、上述の索状体１２が、フランジ継手５を介して配管構造１０を水槽底面３Ａに係留し、索状体１２の余裕長さ（たるみ）を限度として浮上動作を制限している。そのため本実施形態において、流体２０が流れていない場合の配管構造１０の浮上動作は適宜制限され、端部ホース６やフランジ継手５などの変形や破損も抑止された構成となっている。

また、上述の配管構造１０に浮力を作用させる浮体は、中央部配管４の外周を覆った浮体７と、端部ホース６の外周を覆った浮体８とを含んでいる。各浮体７、８としては、適宜な浮力を発揮できるものであればいずれのものでもよいが、例えば、管への脱着や追加、削除が容易な発泡スチロールや、ポンプからの空気供給を受けて自在な浮力調整が可能な浮き袋などを採用できる。

また、配管構造１０の重量測定を行うロードセル１６は、吊り下げ部材１５を介し、配管構造１０の中央部配管４を吊り下げつつ、その重量測定を行う重量計である。本実施形態では２つのロードセル１６を、それぞれワイヤ等の吊り下げ部材１５で中央部配管４に接続した例を示している。それぞれのロードセル１６は、測定対象の流体が含む固形分など所定物の液中重量のうち、各ロードセル１６での負担分（２つのロードセル１６が配置された図１の例では、所定物の液中重量の半分）が、測定範囲（仕様で定められた測定可能な最大荷重。以下、測定範囲）の８割程度となる仕様を備えたものである。

なお、図１にて例示する配管構造１０において、中央部配管４および端部ホース６は、水平管となっているが、例えばロードセル１６による重量測定時の不具合や誤差等が許容出来る範囲で傾斜した管であってもよい。

続いて、以上のような重量測定装置１を用いた重量測定方法について説明する。図３は本実施形態における重量測定方法の手順例を示すフロー図である。ここで用いる配管構造１０の実際の仕様を図４、５にて示す。配管構造１０のうち中央部配管４は、外径６０９．６ｍｍ、管肉厚９ｍｍ、内径５９１．６ｍｍ、断面積０．２７５ｍ²、長さ３．０ｍ、管重量５３１ｋｇ、体積０．８２５ｍ³の仕様である。また、端部ホース６は、外径７３０ｍｍ、内径５７５ｍｍ、断面積０．２６０ｍ²、長さ１．８ｍ、管重量６７３．５６ｋｇ、体積０．４６７ｍ³の仕様である。

本実施形態の重量測定方法において、上述の仕様を備え、水槽３の貯留液２たる水中に配置されている配管構造１０に、基準流体としての水を通水する（ｓ１００）。この場合、配管構造１０の中央部配管４および端部ホース６の各管内を流れる流体２０と、配管構造１０外の貯留液２とが共に水であり、比重差は無い。よってこの条件下では、配管構造１０を流れる流体の重量は浮力によりキャンセルされており、ロードセル１６による測定値に含まれないことになる。

次に、配管構造１０に通水した状態にて、ロードセル１６による重量測定を開始する（ｓ１０１）。上述した通り、配管構造１０の内外の流体間で比重差が無いため、配管構造１０内の水の重量はキャンセルされており、この手順においてロードセル１６が測定するのは、水中における配管構造１０の自重のみとなる。

続いて、上述の重量測定で得た配管構造１０の管重量（この場合、水中における自重）に釣り合うよう、浮体７、８の浮力調整を行う（ｓ１０２）。この浮力調整は、浮体７、８が中央部配管４および端部ホース６の各外周に取り付けた発泡スチロールである場合、発泡スチロール量を加減する作業となり、或いは浮体７、８が浮き袋である場合、当該浮き袋に注入する空気量を増減する作業となる。いずれにしても、ロードセル１６の指示値すなわち、水中における配管構造１０の管重量が０になるよう、この浮力調整を行う。

こうした浮力調整の結果、中央部配管４および端部ホース６のそれぞれにおける浮体７、８の仕様は図６、７に示す通りとなった。図６は本実施形態における中央部配管用の浮体７の仕様例を示す図であり、図７は本実施形態における端部ホース用の浮体８の仕様例を示す図である。中央部配管用の浮体７は、長さ２５５０ｍｍ、幅７１０ｍｍ、厚み７１０ｍｍ、個数１個、浮力５２８ｋｇとなった。また、端部ホース用の浮体８は、長さ１３００ｍｍ、幅８２０ｍｍ、厚み８２０ｍｍ、個数２個、浮力７４８ｋｇとなった。

浮体７、８の浮力調整により、水中における配管構造１０の管重量が０となったならば、続いてこの配管構造１０に対し、測定対象流体である異物混じりの水を流し（ｓ１０３）、その状態でのロードセル１６による重量測定を行う（ｓ１０４）。本実施形態では測定対象流体として土砂混じりの水、すなわち泥水を配管構造１０に流して重量測定を行うこととした。この重量測定における２つのロードセル１６各々の指示値が、例えば８８ｋｇであったとすれば、配管構造１０の全体に関しては、測定対象流体が含む土砂の水中重量として、８８×２＝１７６ｋｇを測定したことになる。また、各ロードセル１６の測定範囲が０〜１００ｋｇであるならば、上述の重量測定は、ロードセル１６の仕様が定める測定範囲のうち９割近くを使った測定となり、測定誤差を無視できる程度に精度良好な測定が行われたものと言える。

続いて、上述の工程ｓ１０４の重量測定で得た、土砂の水中重量に基づいて、測定対象流体たる泥水の比重を算定する（ｓ１０５）。ここで、上述の泥水が含む土砂の真比重Ｇが２．７であったとすれば、工程ｓ１０４の重量測定で水中重量を測定した土砂の乾燥体積は、土砂水中重量１７６÷（土真比重２．７−水比重１）＝０．１０３５ｍ³と算定できる。また乾燥体積０．１０３５ｍ³に、土真比重２．７を乗算し、該当土砂の乾燥重量を０．１０３５×２．７＝０．２７９ｔと、算定できる。一方、配管構造１０をなす中央部配管４および端部ホース６の容積は、図４、５の仕様から算定すると、合わせて１．２９２ｍ³となる。

なお、端部ホース６の容積については、各端部ホース６の中央部配管４寄りの半分について合算した。これは、既に述べたように端部ホース６が、フランジ継手９を支点にした片持ち梁の如き性状を有しており、流す流体の重量に応じておよそ半分の長さ付近から下方に向けて曲がり、この時の端部ホース６内の流体分もロードセル１６での重量測定結果に含まれるようになるためである。従って、上述の曲り位置に影響を及ぼす端部ホース６の曲げ剛性に応じて、上述の算定範囲は端部ホース６の各半分ではなく、その他の範囲とすればよい。こうした端部ホース６のうち重量測定に影響を及ぼす範囲の特定に際しては、例えば、水より比重が大きく、予めその比重の判明している流体を配管構造１０に流した場合の重量測定を行い、比重の違いに応じて水を流した場合よりも増加するはずの重量すなわち理論値と、実際に測定で得られた測定値との差を算定し、その差の大きさが端部ホース６内の流体重量に占める割合を、上述の算定範囲とすればよい。

ここで比重算定の説明に戻る。次に、配管構造１０の容積１．２９２ｍ³すなわち配管構造１０内の泥水体積から、土砂の乾燥体積０．１０３５を減算し、泥水中の水体積を１．１８９７ｍ³と算定する。ここまでの算定で、土砂の乾燥体積０．１０３５ｍ³、乾燥重量０．２７９ｔ、泥水中の水体積１．１８９７ｍ³、泥水中の水重量１．１８９７ｔ、との値を得た。

そこで、泥水重量Ｗ１を、泥水中の水重量１．１８９＋泥水が含む土砂の乾燥重量０．２７９＝１．４６８ｔ、また泥水体積Ｖ１を、泥水中の水体積１．１８９７＋泥水が含む土砂の乾燥体積０．１０３＝１．２９１ｍ³と算定出来る。従って、泥水比重γ＝Ｗ１／Ｖ１＝１．１３６と算定出来る。図８の表６００において、これら算定で得た各値を示す。

このように本実施形態の重量測定方法によれば、流体が含む所定物の重量を効率良く高精度に測定可能であり、送泥時の配管詰まりが大きな問題となるダム浚渫工におけるサイフォン式の排砂手段や、トンネル工事における掘削泥水の搬送手段などに適用すれば、効率よくかつ高精度に土砂重量を測定し、更には、この土砂重量に基づいて泥水比重を算定し、送泥比重の変化に基づく配管詰まりの回避作業や、排泥量に基づく掘削土量の算定といった作業も精度良く行えることとなる。また、横行管は水槽中に配置されて周囲を液体で包まれているため、横行管内を流体が流れることで生じる横行管の振動も抑制される。このことは、上述の重量測定による測定値を安定化させ、測定精度の向上にもつながる。

以上、本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１ 重量測定装置
２ 貯留液
３ 水槽
４ 中央部配管
５、９ フランジ継手
６ 端部ホース
７、８ 浮体
１０ 配管構造（横行管）
１１ 搬送用配管
１２ 索状体（係留構造）
１５ 吊り下げ部材
１６ ロードセル（重量計）
２０ 搬送流体

Claims (6)

1. 水槽内に配置された上下動が可能な横行管に対し、基準流体を流した状態での重量測定を行い、当該重量測定で得た管重量に釣り合う浮力を前記横行管に作用させる工程と、
   前記横行管に対し、測定対象流体である所定物混じりの前記基準流体を流した状態での重量測定を行って、前記所定物の重量を測定する工程と、
   を含むことを特徴とする重量測定方法。
2. 前記横行管を前記水槽の所定箇所に係留し、前記横行管の浮上動作を所定範囲に制限することを特徴とする請求項１に記載の重量測定方法。
3. 請求項１に記載の重量測定方法で得られた前記所定物の重量に基づいて、前記測定対象流体の比重を算定することを特徴とする比重測定方法。
4. 水槽内に配置された上下動が可能な横行管と、
   流体を流した状態での前記横行管の重量測定を行う重量計と、
   前記重量測定で得られた横行管重量に釣り合う浮力を前記横行管に作用させる浮体と、
   を備えることを特徴とする重量測定装置
5. 前記横行管を前記水槽の所定箇所に係留し、前記横行管の浮上動作を所定範囲に制限する係留構造を備えることを特徴とする請求項４に記載の重量測定装置。
6. 請求項４に記載の重量測定装置における前記重量計が、前記横行管に対し、基準流体を流した状態での重量測定を行い、当該重量測定で得た管重量に釣り合う前記浮体による浮力が作用した前記横行管に対し、測定対象流体である所定物混じりの前記基準流体を流した状態での重量測定を行って、前記測定対象流体の比重算定に用いる前記所定物の重量を測定するものであることを特徴とする比重測定装置。