JPH03108613A - 管渠内の平均流速測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えば下水道管渠内に流れる流体の平均流
速測定方法、特に測定精度の向上に関する。

［従来の技術］ 例えば時間的な変動が大きい下水管渠内の滝川を高精度
に測定することは、下水の総組規制や処理場におけるプ
ロセスの状況監視と制御卸等のために必要である。

従来、下水管渠内の流量を測定する方法としては、フリ
ュームを用いて限界流を発生させ、その上流水深を超音
波等を使用した水位計で検出して流量を測定する方法や
、ベンチュリー管内の差圧により流速を検出したり、超
音波や電磁式の流速計で流速を検出して流量を算出する
方法等が用いられている。

しかしながら、管内の流速は第５図（ａ）（ｂ）の流速
分布図に示すように同一直径りの断面を有する管１１で
あっても、管１１の管底から水面１２までの水深Ｈが異
なると流速分布１３も異なる。したがって、管１１内の
流量を正確に測定するためには、管ｌｌ内の流水断面各
部の流速を測定して平均流速を算出する必要がある。し
かしながら、この方法で平均流速を求めるためには多く
の測定位置で流速を繰返し測定しなければならず、その
測定がわずられしくて実用的ではなかった。そこで、例
えば米国特許４．０８３．２４６号に示すように、管１
１の底部で測定した流速Ｖに補正係数ｆ（Ｈ）を乗算し
て平均流速ＶＡＶを算出する方法が採られている。

米国特許４．０８３．２４６号に開示された平均流速の
測定方法は、第６図に示すように管径りに対する水深Ｈ
の割合Ｈ／Ｄで変化する補正係数ｆ　（Ｈ）をあらかじ
め求めておき、流体内に先端を挿入した空気配管に送ら
れる空気のあわが生じる圧力を検出して水深Ｈを求め、
測定した水深Ｈと管径りの割合すなわち相対水深Ｈ／　
Ｄから補正係数「（Ｈ）を読み出し測定流速■に乗算し
て平均流速ＶＡｖを算出している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、管ｌｌ内の流速分布は管径りと水ＧＨの
みならず管１１の種類、すなわち管内面のあらさ等によ
っても異なる。したがって、上記のように管径りに対す
る水深Ｈの割合Ｈ／Ｄで得られる補正係数「（Ｈ）によ
り測定流速Ｖを修正して平均流速ＶＡＶを算出する方法
においては、管の種類に応じて補正係数「（Ｈ）を求め
ておかないと正確な平均流速ＶＡｖを得ることができな
いという短所があった。

また、管の種類に応じて補正係数ｆ　（Ｈ）を求めるこ
とは容易でなく、かつ求めた各補正係数ｆ（Ｈ）を記憶
させるためには大容量の記憶手段が必要であるという短
所もあった。

この発明はかかる短所を解決するためになされたもので
あり、高精度な平均流速を簡単に求めることができる管
渠内の平均流速測定方法を提案することを目的とするも
のである。

［課題を解決するための手段〕 この発明に係る管渠内の平均流速測定方法は、管内底面
に水位計と流速計とからなるセンサを設置して管内の水
ｉ　ｆ（と流速を同時に検出し、上記水位計で検出した
水深Ｈと管径とから流水断面積で定まる径深Ｒを算出し
、算出した径深Ｒと管の種類で定まる相当粗度ｋｓと上
記センサの取付位ｒｆｆｙ及び検出した水深Ｈとから次
式で定まる割増し係数αを算出し、 算出した割増し係数αに上記流速計で検出した流速Ｖを
乗算して平均流速を算出することを特徴とする。

［作用］ この発明においては、管内底部に設置した水位計と流速
計からなるセンサで管内の水Ｇ　Ｈと流速■を検出し、
検出した水深Ｈと既知の管径りと種の種類で定まる相当
粗度ｋｓ及びセンサの取付位置ｙとから水深■（と相当
粗度ｋｓにより変動する割増し係数αを算出し、この割
増し係数を検出した流速Ｖに乗算して補正することによ
り管内の平均流速ＶＡｖを算出する。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例に係る平均流速測定装置を
示すブロック図である。図において、ｌはセンサであり
、センサＩは例えば第２図に示すように、先端部が流れ
を乱さないように角錐台状をし、このセンサ１内に電磁
銹導を利用した流速計２と、流速計２の後段底部に取り
付けられ流水断面水位に相当する圧力でたわむダイアフ
ラム３ａとダイアフラム３ａのたわみを検出する半導体
ストレインゲージ３ｂとからなる水位計３及びプリアン
プ４が一体に形成されている。

５は管内面の抵抗係数を定める径深Ｒすなわち開水路に
おける流水断面積を水に接する周辺の長さで割った値を
算出する径深演算手段、６は径深演算手段５で算出した
径深Ｒと水位計３で検出した水深Ｈ、管内面のあらさで
定まる相当粗度ｋｓ及びセンサｌの管底に対する取付は
位ｆｆ１ｙとから割増し係数αを算出する割増し係数演
算手段である。７は割増し係数演算手段６で演算した割
増し係数αを流速Ｖに乗算して管内の平均流速Ｖ　Ａｌ
ｌを算出する乗算手段であり、センサｌと径深演算手段
５１割増し係数演算手段６１乗算手段７及び管ｐＩ！Ｄ
等を入力する入力手段で平均流速測定装置の制御部を構
成している。

８は流１演算手段であり、滝川演算手段８は径深演算手
段５で算出した流水断面積Ａと平均流速■□から滝川Ｑ
を算出する。

上記のように構成された実施例の動作を説明するにあた
り、まずこの発明の詳細な説明する。

第５図（ａ）、（ｂ）に示すように、自然流下方式によ
る管１１内の流速は等速度分布をするものと想定され、
その流速分布１３は水面１２の位置により変化する。い
ま、管底部で計測した流速Ｖと管内の速度分布を考慮し
た平均流速ｖＡｖとの比率である割増し係数α＝ＶＡｖ
／ｖが求められると、計測した流速Ｖと割増し係数αと
から平均流速ＶＡｖが算出される。

ここで、流速分布１３を対数分布と仮定すると、開水路
の速度分布はカルマンの対数法則によると（１）式で表
わされる。

但し、ｇ：重力加速度 Ｒ：径深 Ｉ：管底勾配 Ｉ４：水深 ｙ：管底に対するセンサ取付位置 ｋｚカルマン定数（＝０．４） （１）式より したがって、平均流速ｖＡｖは（３）式で求めることが
できる。

■ ＝Ｖ、□　−−７ｇ　Ｒ１ （３） （２）、（３）式より 一般に、下水管路は完全粗面と考えられることから、流
体摩擦係数をｆとすると、 Ｖ　Ａｖ／Ｉ　ｇ　ＲＩ　＝　Ｉ　８／　ｆ＝６．０　
　＋５．７５　　ｌｏｇ（Ｒ／ｋｓ）”（５１但し、ｋ
ｓは相当粗度 （５）式より ＡＶ ＝Ｉ　ｇＲＩ　　（６，０＋５．７５　ｌｏｇ（Ｒ／ｋ
　ｓ）　）・　・　・　（６） （４）式と（６）式とから割増し係数αを（７）式で得
ることができる。

・　・　・　・　（７） （７）式に示すように割増し係数αは管径り。

水Ｇ　Ｈ、センサ取付位ｔｉｄｙ及び相当粗度ｋｓの関
数となり、センサ取付位置ｙが一定の場合は相対水深Ｈ
／Ｄの増加とともに大きくなるが、管底勾配とは無関係
になる。

また、（ア）式に示す相当粗度ｋｓを正確に得ることは
困難であるが、相当粗度ｋｓの変動は割増し係数αの算
出に際して殆ど影響を与えない。

したがって、相当粗度ｋｓとしては管の種類に応じた平
均的な相当粗度ｋｓを使用してもよい。

そこで、管径りと相当粗度ｋｓを既知数として、センサ
１を一定位置ｙに設置して水深１１を計測することによ
り、その水深Ｈに対応した割増し係数αを算出すること
ができる。

以下、上記原理に基くこの発明の実施例の動作を説明す
る。

まず、第３図の斜視図に示すように上端部にターンバッ
クル１４を有する環状のセンサホルダ１５を使用して先
端を上流側に向けたセンサｌを管１１の底部から一定位
置ｙに設置する。なお、第３図において、１６はセンサ
ケーブルである。

次に、センサｌの流速計２でセンサ取付位ｆｔｙにおけ
る流速Ｖを計測し、同時に水位計３により水面１２まで
の水深Ｈを計測する。一方、入力手段で測定する管１１
の管径り、相当粗度ｋｓ及びセンサ取付位置ｙを平均流
速測定装置の制ｉ卸部に人力する。この入力された管径
りと水位計３により計測された水深Ｈにより径深演算手
段５で管ＩＩ内の流水断面積Ａと流水に接している管１
１の周長りを算出し、算出した流水断面積へと周長りと
から径深Ｒを算出する。算出された径深Ｒは割増し係数
演算手段６に送られ、割増し係数演算手段６で径深７と
水位計３で計測した水深Ｈと入力手段で入力された相当
粗度ｋｓ及びセンサ取付位置ｙにより（７）式に示す演
算が行なわれて、割増し係数ａが算出される。

第４図は横軸に相対水深Ｈ／　Ｄ　、縦軸に割増し係数
αをとり、管径Ｄ　＝　８００ｍｍの管１１で水深Ｈを
変えながら（７）式により算出した割増し係数ａと、実
際にセンサ取付位置ｙを含む複数箇所で流速を計測して
得た平均流速とから得た割増し係数σの分布特性を示す
。図において、曲線ａは（７）式により求めた理論値、
複数の点すは実際の計測により求めた計測値である。図
に示すように、（７）式により求めた割増し係数αと実
際の計測値から得た割増し係数αとの誤差は３σの管理
限界内にすべで含まれ、はとんどｌσ内に含まれている
。このため、割増し係数演算手段６で実際に合った割増
し係数αを算出することができる。

この算出された割増し係数αが乗算手段７に送られる。

一方、乗算手段７にはセンサｌの流速計２で計測された
流速■も送られ、乗算手段７で流速Ｖに割増し係数ａが
乗算されて、管ｌｌ内の平均流速ＶＡｖが算出される。

そして、算出した平均流速■。を流量演算手段８に送り
、径深演算手段５で算出した流水断面積Ａを乗算するこ
とにより、管ｌｌ内の流ｆｆ１Ｑを算出することができ
る６なお、上記実施例において、流速計２で流速Ｖを複
数回計測し、その平均値から平均流速Ｖ　Ａｌｌを算出
することにより、平均流速ｖＡｖを高精度で算出するこ
とができる。

［発明の効果］ この発明は以上説明したように５管内底部に設置した水
位計と流速計からなるセンサで管内の水深Ｈと流速Ｖを
検出し、検出した水？２Ｈと既知の管径りと管の種類で
定まる相当粗度ｋｓ及びセンサの取付位置ｙとから水深
Ｈと相当粗度ｋｓにより変動する割増し係数αを算出し
、この割増し係数αを検出した流速Ｖに乗算して補正す
ることにより管内の平均流速Ｖ　ＡＶを算出するように
したから、相対水深Ｈ／Ｄと管内面の抵抗係数を考慮し
て平均流速ｖＡｖを求めることができ、平均流速ＶＡｖ
の測定精度を大幅に高めることができる。

また、センサに一体で設置された流速計と水位計で流速
Ｖと水ＥＨを計測することにより、ただちに平均流速Ｖ
ＡＶを得ることができるから、時間的変動が大きい下水
管渠内の流量を高精度で得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例に係る平均流速測定装置を示
すブロック図、第２図は上記実施例のセンサの構造を示
す説明図、第３図は管に対するセンサの取付状態を示す
斜視図、第４図は相対水深Ｈ／Ｄと割増し係数αの特性
図、第５図（ａ）。 （ｂ）は各々管内の流速分布を示す流速分布図、第６図
は従来例における補正係数ｆ　（Ｈ）を示す補正係数特
性図である。 ■・・・・センサ、２・・・・流速計、３・・・・水位
計、５・・・・径深演算手段、６・・・・割増し係数演
算手段、７・・・・乗算手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　管内底部に水位計と流速計とからなるセンサを設置し
   て管内の水深Ｈと流速を検出し、上記水位計で検出した
   水深Ｈと管径Ｄとから流水断面積で定まる径深Ｒを算出
   し、 算出した径深Ｒと管の種類で定まる相当粗度ｋｓと上記
   センサの取付位置ｙ及び検出した水深Ｈとから次式で定
   まる割増し係数αを算出し、１／α＝１＋（１＋２．３
   ｌｏｇ（ｙ／Ｈ））／０．４｛６．０＋５．７５ｌｏｇ
   （Ｒ／ｋｓ）｝算出した割増し係数αに上記流速計で検
   出した流速Ｖを乗算して平均流速を算出することを特徴
   とする管渠内の平均流速測定方法。