(57)【要約】【課題】従来技術で提案されている水量計によれば、下水管を流れる水の流量を正確に測定することができるが、装置が複雑であるため、その製造コスト及びメンテナンスに費用がかかっていた。【解決手段】流路を流れる流体の特徴量を測定する特徴量測定装置であって、流路を形成する壁の外側、若しくは該壁内に対向して配置される一対の電極であって、流路の軸方向の一部又は全部を各電極側へ投影した仮想投影面が前記各電極内に収まる面状の一対の電極と、該電極の全面を被覆する絶縁層と、一対の電極間の容量を測定する容量測定部、を備える特徴量測定装置。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を流れる流体の特徴量を測定する特徴量測定装置であって、
前記流路を形成する壁の外側、若しくは該壁内に対向して、前記流路を挟むように、配置される一対の電極であって、前記流路の軸方向の一部又は全部を前記電極側へ投影した仮想投影面が前記電極内に収まる面状の一対の電極と、
前記各電極の全面を被覆する絶縁層と、
前記一対の電極間の容量を測定する容量測定部と、
を備える特徴量測定装置。
【請求項２】
前記流路において前記仮想投影面で規定される測定区域内に存在する前記流体の特徴量と前記電極間の容量との第1の関係を保存する保存部と、
前記第1の関係に基づき、前記容量測定部の測定した前記容量から前記測定区域内の流体の特徴量を特定する特徴量特定部と、を備える特徴量演算部を更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記特徴量は前記測定区域内における流体の体積、液位、若しくは流量である、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記容量測定部は前記一対の電極をコンデンサとする発振回路を備える、請求項１〜３の何れかに記載の装置。
【請求項５】
前記流路の軸方向における前記一対の電極の幅は前記流路の径より大きい、請求項１〜４の何れかに記載の装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置を用いる前記流体の特徴量を特定する特徴量特定方法であって、
前記測定区域内の流体の特徴量と前記電極間の容量との前記第1の関係を予め求めて保存し、
前記電極間の容量を測定し、
測定した容量を前記第1の関係に照らして、前記流体の特徴量を特定する、
特徴量特定方法。
【請求項７】
請求項４に記載の装置を利用する流量測定装置であって、
前記測定区域内の流体の特徴量と前記発振回路の出力である周波数との前記第２の関係を予め求めて保存し、
前記流路の設置状態及び前記特徴量と前記測定区域内の流体の流量との第３の関係を予め保存し、
前記第２の関係と前記第３の関係に基づき、前記発振回路の出力から前記流体の流量を特定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流路を流れる液体の特徴量、例えば流量、液位（表面高さ）、体積を測定する装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流路を流れる液体の流量を測定する装置は従来から広く提案されている。
例えば、下水の流量を測定する装置として接触式（特許文献１）や非接触式（特許文献２）のものが提案されている。
ここに、昨今の気象変動に伴い、例えばゲリラ豪雨の治水対策として、下水管の流量を正確に、かつ広範囲に、測定することが求められている。
かかる水量計を普及するには、製造及び設置コストが安くかつメンテナンスにも手間や費用が掛からないことが重要である。
なお、本願発明に関連する技術を開示する特許文献３及び特許文献４も参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】登録実用新案第３０６１７１５号公報
【特許文献２】特開２０１８−０１２５４４号公報
【特許文献３】特開平９−１３８２１１号公報
【特許文献４】特開２００６−０７１２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術で提案されている水量計によれば、下水管を流れる水の流量を正確に測定することができるが、装置が複雑であるため、その製造コスト及びメンテナンスに費用がかかっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明はかかる課題を解決するためになされた。この発明の第１の局面は次のように規定される。即ち、
流路を流れる流体の特徴量を測定する特徴量測定装置であって、
前記流路を形成する壁の外側、若しくは該壁内において、前記流路を挟むように、対向して配置される一対の電極であって、前記流路の軸方向の一部又は全部を前記各電極側へ投影した仮想投影面が前記各電極内に収まる面状の一対の電極と、
前記各電極の全面を被覆する絶縁層と、
前記一対の電極間の容量を測定する容量測定部、
を備える特徴量測定装置。
【０００６】
このように規定される第１の局面の特徴量測定装置によれば、一対の電極間の容量に基づき水量（特徴量の１つ）を特定できるので、装置構成が簡易になる。よって、その製造コストは抑制され、かつそのメンテナンスコストも少なくて済む。
一対の電極は、流路（下水管の内部空間）ついてその軸方向の一部又は全部を挟む長さと、その流路の径以上の高さを有する面状の電極である。かかる一対の電極をコンデンサとみれば、この電極で挟まれる流路の区域に存在する水（流体）の体積如何によって、電極間の容量が変化する。
なお、水に種々の物質が溶解若しくは分散していても、水の比誘電率の変化は空気の比誘電率と対比において誤差とみることができる。予め溶解若しくは分散している状態における比誘電率による割合を補正すれば誤差を軽減できる。
以上より、一対の電極の容量の変化から当該区域（以下、測定区域ということがある）に存在する水の体積の変化が特定される。勿論、予め検量線を準備しておけば、測定された容量から測定区域に存在する水の体積（水量）の絶対値を特定することも可能である。
【０００７】
流路の測定区域に存在する水の体積が特定されれば、当該測定区域における水位が演算により求められる。測定区域において流路の横断面が一定であることを前提に、その断面形状を考慮しつつ、得られた水の体積を当該横断面の面積で除すればよいからである。
また、測定区域に存在する水の体積（若しくは水位）が一定であっても、例えば、流路の傾斜如何によって水の流速が変化する。標準的な管路内（水路）においては、その傾斜が大きくなれば水の流速も増加する。よって、流路の傾斜と測定区域に存在する水の体積から、その流量（単位時間あたりの）を特定することが可能となる。このとき、流路の傾斜及び測定区域に存在する水の体積と流量との関係を予め求めておく必要があることはいうまでもない。流速はその水路の傾斜に依存して変わるが１対１の関係にあり、傾斜が決まれば流速も決まる。
勿論、流路は単体で存在するわけではないので、その下流の状態如何によっては、例えば、測定区域の直下で他の下水管と合流するときは他の下水管の状態が流速にも影響する。このように、単に傾斜のみではなく、流路の配置状態及び測定区域に存在する水の体積と流量との関係を予め定めておくことが好ましい。
【０００８】
一対の電極は、流路を構成する壁の外側、若しくは壁の内部に配置することができる。流路内に配置することもできるが、流体の影響を受けないように、電極を保護膜で被覆する必要がある。
一対の電極は流路の壁に沿うように、即ち、流路を構成する壁が筒状の場合、各電極は、該筒の形状に沿うような半割筒状とすることが好ましい。そして、当該壁の外側に張り付けるか、若しくは壁の内側にインサートする。これにより、壁と電極との間に他の材料が混在しなくなる。
勿論、電極を平板状にして、流路を挟むようにしてもよい。
流路の測定区域に存在する流体の体積を連続的に測定するには、電極は隙間の無い面状とすることが好ましい。
なお、仮想的な面上に導電材料を間欠的に配置してなる電極（例えばメッシュ状電極）もこの発明の電極に該当する。各電極は、測定区域をカバーしておれば（即ち、測定区域の投影面を収めておれば）、その形状及び大きさ、さらには導電材料を任意に選択できる。
【０００９】
各電極は、流路を相互に挟むように（かつクロスオーバしないように）配置されれば、重力方向に配置することに限定されず、例えば重力方向に対して垂直に、または斜め方向に配置してもよい。
流路の軸方向（水流方向）における電極の幅は特に限定されるものではいが、流路において流体が波打つことを考慮したとき、流路の径（多角形の場合は、最大径）と同じかそれ以上とすることが好ましい。
【００１０】
各電極は絶縁層で全面的に被覆されるものとする。電極どうしが導通すればコンデンサとならないことはもとより、流路の周囲の材料との導通を遮断し、電極の電位が不安的になることを防止するためである。
この絶縁層はポリエチレン等の非導電性樹脂を電極の表面に積層することで得られる。積層の方法は、塗布やディッピング等による。電極と絶縁層の間に他の材料（接着剤層等）や空間層が存在してもよい。例えば、非導電性の袋へ電極を挿入し、これを流路に対向させてもよい。
【００１１】
勿論、一方の電極は容量測定装置の入力ポートに導線を介して繋がれているものとする。他方の電極は直接グランドアースしてもよいし、容量測定装置のアースポートに接続してもよいし、何らアースしなくてもよい。
【００１２】
流路の形状は任意である。即ち、流路を構成する壁（流路壁）は円筒状、角筒状、更には上側が開いていてもよい。また、流路壁の材料も特に限定されず、樹脂製、金属製、セラミック製等を任意に選択できる。更には、流路壁はその厚さ方向に複数の材料を用いることもできる。
【００１３】
電極間の容量は自動平行ブリッジ法等の汎用的な方法で測定可能である。
この発明では、一対の電極をコンデンサとする発振回路（インピーダンス固定）を用い、その出力である周波数の変化から電極間の容量の変化を特定する。出力の振幅を増幅し、外部ノイズの影響を避けるため、入力にシュミットトリガ回路を利用することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１はこの発明の実施の形態の特徴量測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は配管と電極との組み付け体の正面図である。
【図３】図３は電極の構成を示す断面図である。
【図４】図４は配管と電極との組み付け体の変形態様を示す。
【図５】図５は配管内の水量と周波数の変化を示すグラフである。
【図６】図６は図５の結果における誤差の範囲を示す。
【図７】図７は一対の電極をコンデンサとする発振回路の例を示すブロック図である。
【図８】図８は発振回路の他の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１はこの発明の特徴量測定装置１の動作原理を説明するブロック図である。
この特徴量測定措置１は、特徴量として水量を測定する。
この測定装置１は配管４に配設される一対の電極５ａ、５ｂ、容量／周波数変換部７、体積特定部８、周波数−体積関係保存部９、流量特定部１０及び体積・傾斜−流量関係保存部１１と、を備えてなる。
【００１６】
この例では配管４として内径が４０ｍｍ×２００ｍｍ長の塩化ビニル製のパイプ（ＶＰ４０）を準備した。そしてその両端を封止し、その両端に注水口と空気抜きの細孔を穿設した。
配管４の内部空間が流路２となる。
配管４の外周へ、これに密着するように半割筒状の電極５ａ、５ｂを嵌め合わせる。即ちこの電極５ａ、５ｂの内周面は配管４の外周面と同じ曲率半径を有するものとする。
この例では、電極５ａ、５ｂの上下端に微小な空間をとって、両者を離隔させている。後述する絶縁膜５１が十分な絶縁性を備えておれば、両者は接触していてもよい。
【００１７】
図２に示すように、電極５ａ、５ｂは略２００ｍｍの幅を有し、配管４の外周の略全域をカバーしている。
電極５ａ、５ｂは金属板(ステンレス板：厚さ１ｍｍ)５０の全面を塩化ビニル（５回のスプレー塗布）製の絶縁保護膜５１で保護してなる（図３参照）。
電極５ａ、５ｂの材質は導電性を有すれば任意に選択できる。絶縁保護膜５１は電極５ａ、５ｂの使用条件等に応じて選択される。塩化ビニルのような合成樹脂の他、合成ゴム等のエラストマー材料や、水ガラス等のセラミック材料を絶縁保護膜５１に用いることができる。絶縁保護膜５１は多層構造としてもよい。
なお、電極５ａ、５ｂは絶縁されていればよいので、非導電性の物質に接する面には保護膜５１がなくてもよい。この場合、非導電性の物質が絶縁保護膜となる。換言すれば、電極５ａ、５ｂの面に応じて絶縁保護膜の材質を変えることができる。
【００１８】
電極５ａ、５ｂは配管４の外周に必ずしも沿うように配置する必要はなく、配管４の形成材料中に埋設することもできる。また、図４に示すように、平板状の電極５５ａ、５５ｂを採用してもよい。この場合も、配管４の少なくとも流路２を各電極側に投影した投影図が各電極内に収納されるもとする。これにより、流路２の全レベルでの容量変化を測定可能となる。
平板状の電極５５ａ、５５ｂを、図示において、流路２を挟むようにその上下に、又は傾斜して配置することができる。
電極５ａ、５ｂにはメッシュなどを用いることができる。即ち、電極を構成する仮想面に導電性材料を間欠的に配置してなるものも電極５ａ、５ｂとして用いることができる。図４に示す電極５５ａ、５５ｂにおいても同じである。
【００１９】
図１に戻り、一方の電極５ａはグランドにアースされ、他方の電極５ｂは容量／周波数変換部７に繋がれる。この容量／周波数変換部７は電極５ａ、５ｂ間の容量（電気容量、キャパシタンス）を周波数に変換する。電極５ａ、５ｂでカバーされる領域（測定区域）の配管４内に存在する水の体積が変化すれば電極５ａ、５ｂ間の容量も変化することは当業者であれば容易に推定できるはずである。しかしながら、当該水の体積変化がどの程度の容量変化となるのかの知見は、本発明者らの知る限り、いずれの文献にも発表されていない。更には、かかる容量変化を簡易に測定する技術を開示する文献についても不知である。
【００２０】
図５は、上記実施例の配管４内へ３２ｍｌから２４８ｍｌまで水を８ｍｌずつ加えたときの、容量／周波数変換部７の出力（周波数）の変化を示す。
図５からわかるように、配管４内部の水路の測定区域に存在する水の体積と周波数との間に一定の関係があることがわかる。
図６には理論値と実測値の差を示す。図６の結果より、この方法による測定であれば、測定誤差が±０．２％以下になることが予想される。
【００２１】
なお、容量／周波数変換部７では、一対の電極をコンデンサとして用いる発振回路を採用し、周波数が出力となる。
図６のデータ取りのときの発振回路の例を図７に示す。図７のようにシュミットトリガ回路を採用することにより、高い精度で周波数を測定できることとなった。
この発振回路のオン、オフを制御可能な発振回路を図８に示す。これにより、流路に対して複数の電極対を配置したとき、任意の発振回路が選択可能となる。
上記図７、図８の回路において、コンデンサＣ１を固定にしてかつその環境要素（温度、湿度、光、応力、ｐＨ等）に対して安定なものを採用し、Ｒ１をその環境要素に応じて可変なものとすれば、環境要素の変化を周波数変化として出力できることがわかる。
かかるコンデンサＣ１には固体電解質を備えるタイプを採用することが好ましい。
【００２２】
容量／周波数変換部７により、流路２の測定区域に存在する水の体積が容量変化として現れ、それが周波数に変換されることがわかる。そこで、配管４＋電極５ａ、５ｂの組立体と同じもの予め準備してその測定区域に存在する水の体積と周波数との関係（第１の関係）を予め測定して、周波数−体積関係保存部９に保存しておく。
ここに、周波数の代わりに周波数から換算される容量を用いてもよい。
体積特定部８は、周波数−体積関係保存部９に保存される第１の関係を参照して、容量／周波数変換部７の出力である周波数に基づき、測定区域に存在する水の体積を特定する。
【００２３】
流路２に流れる水の流速は、流路２の傾斜に、即ち配管４の傾斜に依存する。本発明者らの検討によれば、測定区域に存在する水の体積及び配管４の傾斜と水量との間には一定の関係が存在する。よって、この関係を上記と同様にして予め求めておいて、体積・傾斜−流量関係保存部１１に保存しておく。そして、体積特定部８から出力された体積は、流量特定部１０によって体積・傾斜−流量関係保存部１１の関係に参照され、もって流量が特定される。特定された流量は出力部１３からオペレータに知らされることとなる。
もちろん周波数の値をオペレータに知らせ、オペレータがその場所において、体積特定部８により、周波数−体積関係保存部９に保存される第１の関係を参照して、容量／周波数変換部７の出力である周波数に基づき、測定区域に存在する水の体積を特定し、特定した体積より、流量特定部１０によって体積・傾斜−流量関係保存部１１の関係に参照し、流量を特定してもよい。
【００２４】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【符号の説明】
【００２５】
１  特徴量測定装置
２  流路
４  配管
５ａ及び５ｂ、５５ａ及び５５ｂ  一対の電極
５１  絶縁保護層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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