(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプの吐出配管が調圧水槽に接続され、この調圧水槽が排出水域に排水管で連通され、しかも前記排水管が前記排出水域の水面下にあって常に満水状態が保持される排水設備であって、前記ポンプの運転時における前記調圧水槽の水位Ｈ１と、前記排出水域の水位Ｈ２と、前記ポンプからの流入を停止した際に生ずる前記調圧水槽の水位と前記排出水域の水位との偏差水位変動および前記排水管内の流体の流体運動方程式から予め算出された前記排水管の損失係数ξと、前記排水管の断面積Ａから、
【数１】
0004836103.tif 000015
により前記ポンプの吐出流量Ｑを算出することを特徴としたポンプ流量測定方法。
【請求項２】
請求項１記載のポンプ流量測定方法において、前記ポンプの吐出を急激に停止させてた際に生ずる前記調圧水槽の水位と前記排出水域の水位との偏差水位変動と、その際の前記排水管内の流体の流体運動方程式から前記損失係数ξを予め算出しておくことを特徴としたポンプ流量測定方法。
【請求項３】
請求項１記載のポンプ流量測定方法において、前記ポンプからの流入を停止するとともに前記排水管を遮断して前記調圧水槽の水位と前記排出水域の水位に水位差を設け、前記排水管を急激に連通した際に生ずる前記調圧水槽の水位と前記排出水域の水位との偏差水位変動と、その際の前記排水管内の流体の流体運動方程式から前記損失係数ξを予め算出しておくことを特徴としたポンプ流量測定方法。
【請求項４】
ポンプの吐出配管が調圧水槽に接続され、この調圧水槽が排出水域に排水管で連通され、しかも前記排水管が前記排出水域の水面下にあって常に満水状態が保持される排水設備であって、前記調圧水槽にその水位Ｈ１を計測する第１の水位計測手段を設け、前記排出水域にその水位Ｈ２を計測する第２の水位計測手段を設け、前記第１と第２の計測手段の計測値が与えられてその水位差を演算する水位差演算手段と、前記水位差に応じた信号を与えられる記録手段を設け、この記録手段で、前記ポンプの吐出が急激に停止された際に生ずる前記調圧水槽の水位と前記排出水域の水位との偏差水位変動曲線を記録し、記録された偏差水位変動曲線と前記排水管内の流体の流体運動方程式より損失係数演算手段で予め損失係数ξを算出し、この損失係数ξを演算手段に設定し、前記第１と第２の計測手段の計測値を前記演算手段に与え、この演算手段で前記水位Ｈ１およびＨ２と、予め算出して設定された前記排水管の損失係数ξと、前記排水管の断面積Ａと、から
【数２】
0004836103.tif 000016
により前記ポンプの吐出流量Ｑを算出するように構成したことを特徴とするポンプ流量測定装置。
【請求項５】
ポンプの吐出配管が調圧水槽に接続され、この調圧水槽が排出水域に排水管で連通され、しかも前記排水管が前記排出水域の水面下にあって常に満水状態が保持される排水設備であって、前記調圧水槽にその水位Ｈ１を計測する第１の水位計測手段を設け、前記排出水域にその水位Ｈ２を計測する第２の水位計測手段を設け、前記第１と第２の計測手段の計測値が与えられてその水位差を演算する水位差演算手段と、前記水位差に応じた信号を与えられる記録手段を設け、この記録手段で、前記ポンプからの流入を停止するとともに前記排水管を遮断して前記調圧水槽の水位と前記排出水域の水位に水位差を設け、前記排水管を急激に連通した際に生ずる前記調圧水槽の水位と前記排出水域の水位との偏差水位変動曲線を記録し、記録された偏差水位変動曲線と前記排水管内の流体の流体運動方程式より損失係数演算手段で予め損失係数ξを算出し、この損失係数ξを演算手段に設定し、前記第１と第２の計測手段の計測値を前記演算手段に与え、この演算手段で前記水位Ｈ１およびＨ２と、予め算出して設定された前記排水管の損失係数ξと、前記排水管の断面積Ａと、から
【数３】
0004836103.tif 000017
により前記ポンプの吐出流量Ｑを算出するように構成したことを特徴とするポンプ流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、調圧水槽が設けられた排水設備などに設置されているポンプの吐出流量を測定するポンプ流量測定方法およびポンプ流量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排水機場などの排水設備にあっては、ポンプの吐出流量の急激な変化による圧力変動を吸収するために、ポンプと排出水域との間に調圧水槽が設けられる。そこで、ポンプの吐出配管が調圧水槽に接続され、この調圧水槽が排出水域に排水管で連通される。この調圧水槽を設けることで、ポンプの吐出が急激に停止し、あるいはポンプの始動時において、吐出配管内の圧力変動を抑制し、またポンプの吐出が急激に停止したときには調圧水槽内の流体が慣性の法則でひき続き排水管を介して排出水域に流出し、吐出配管の水撃現象を抑制する。さらに、排出水域の水位の急激な変動をも抑制する。
【０００３】
ところで、排水設備に設置されたポンプの吐出流量の測定は、吐出配管内の流速を超音波流量計で行うものがある。また、予めポンプ出荷前に工場などでポンプの流量−全場程曲線を実測し、これと現地の設置条件から実測により得られる配管全体の抵抗曲線との交点からポンプの吐出流量を測定するものもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の超音波流量計によるポンプの吐出流量の測定では、ポンプの吐出口と調圧水槽の間に介装される吐出配管直管部の長さを充分に長くする必要がある。これは、流量を正確に測定するためには吐出配管直管部内の流れが安定していなければならないためである。しかるに、排水設備の設置スペースなどの制約から、充分な長さの吐出配管直管部を設けることは現実的には困難である。
【０００５】
また、流量−全場程曲線を用いて吐出流量を算出する方法では、ポンプ羽根車の経年変化により実際の流量−全場程曲線が変化し、また配管の摩擦損失やバルブの損失も変化して配管全体の抵抗曲線も変化し、吐出流量の算出精度が年々悪化する傾向にある。
【０００６】
本発明は、上述のごとき従来技術の不具合に鑑みてなされたもので、調圧水槽と排出水域の水位差からポンプの排出流量を簡単にかつ正確に算出できるポンプ流量測定方法およびポンプ流量測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のポンプ流量測定方法は、ポンプの吐出配管が調圧水槽に接続され、この調圧水槽が排出水域に排水管で連通され、しかも前記排水管が前記排出水域の水面下にあって常に満水状態が保持される排水設備であって、前記ポンプの運転時における前記調圧水槽の水位Ｈ１と、前記排出水域の水位Ｈ２と、前記ポンプからの流入を停止した際に生ずる前記調圧水槽の水位と前記排出水域の水位との偏差水位変動および前記排水管内の流体の流体運動方程式から予め算出された前記排水管の損失係数ξと、前記排水管の断面積Ａから、
【数４】
0004836103.tif 000002
により前記ポンプの吐出流量Ｑを算出する。
【０００８】
そして、前記ポンプの吐出を急激に停止させてた際に生ずる前記調圧水槽の水位と前記排出水域の水位との偏差水位変動と、その際の前記排水管内の流体の流体運動方程式から前記損失係数ξを予め算出しておいても良い。
【０００９】
さらに、前記ポンプからの流入を停止するとともに前記排水管を遮断して前記調圧水槽の水位と前記排出水域の水位に水位差を設け、前記排水管を急激に連通した際に生ずる前記調圧水槽の水位と前記排出水域の水位との偏差水位変動と、その際の前記排水管内の流体の流体運動方程式から前記損失係数ξを予め算出しておくこともできる。
【００１０】
また、本発明のポンプ流量測定装置は、ポンプの吐出配管が調圧水槽に接続され、この調圧水槽が排出水域に排水管で連通され、しかも前記排水管が前記排出水域の水面下にあって常に満水状態が保持される排水設備であって、前記調圧水槽にその水位Ｈ１を計測する第１の水位計測手段を設け、前記排出水域にその水位Ｈ２を計測する第２の水位計測手段を設け、前記第１と第２の計測手段の計測値が与えられてその水位差を演算する水位差演算手段と、前記水位差に応じた信号を与えられる記録手段を設け、この記録手段で、前記ポンプの吐出が急激に停止された際に生ずる前記調圧水槽の水位と前記排出水域の水位との偏差水位変動曲線を記録し、記録された偏差水位変動曲線と前記排水管内の流体の流体運動方程式より損失係数演算手段で予め損失係数ξを算出し、この損失係数ξを演算手段に設定し、前記第１と第２の計測手段の計測値を前記演算手段に与え、この演算手段で前記水位Ｈ１およびＨ２と、予め算出して設定された前記排水管の損失係数ξと、前記排水管の断面積Ａと、から
【数５】
0004836103.tif 000003
により前記ポンプの吐出流量Ｑを算出するように構成されている。
【００１１】
また、ポンプの吐出配管が調圧水槽に接続され、この調圧水槽が排出水域に排水管で連通され、しかも前記排水管が前記排出水域の水面下にあって常に満水状態が保持される排水設備であって、前記調圧水槽にその水位Ｈ１を計測する第１の水位計測手段を設け、前記排出水域にその水位Ｈ２を計測する第２の水位計測手段を設け、前記第１と第２の計測手段の計測値が与えられてその水位差を演算する水位差演算手段と、前記水位差に応じた信号を与えられる記録手段を設け、この記録手段で、前記ポンプからの流入を停止するとともに前記排水管を遮断して前記調圧水槽の水位と前記排出水域の水位に水位差を設け、前記排水管を急激に連通した際に生ずる前記調圧水槽の水位と前記排出水域の水位との偏差水位変動曲線を記録し、記録された偏差水位変動曲線と前記排水管内の流体の流体運動方程式より損失係数演算手段で予め損失係数ξを算出し、この損失係数ξを演算手段に設定し、前記第１と第２の計測手段の計測値を前記演算手段に与え、この演算手段で前記水位Ｈ１およびＨ２と、予め算出して設定された前記排水管の損失係数ξと、前記排水管の断面積Ａと、から
【数６】
0004836103.tif 000004
により前記ポンプの吐出流量Ｑを算出するように構成しても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施例を図１ないし図４を参照して説明する。図１は、本発明のポンプ流量測定装置の第１の実施例の構造図であり、（ａ）はポンプの定常運転時の水位を示し、（ｂ）はポンプの運転が急激に停止されて調圧水槽の水位が排出水域の水位より低下した状態を示し、（ｃ）は再び調圧水槽の水位が排出水域の水位より上昇した状態を示し、（ｄ）は再び調圧水槽の水位が排出水域の水位より低下した状態を示す。図２は、オシロスコープに記録された調圧水槽の水位と排出水域の水位の偏差水位変動曲線を示す図である。図３は、偏差水位の理論変動曲線を示す図である。図４は、本発明によるポンプの吐出流量の算出値と実測値とを示す表である。
【００１３】
まず、図１において、本発明の第１実施例は、ポンプ１０の吐出配管１２が調圧水槽１４に接続され、この調圧水槽１４が河川などの排出水域１６と排水管１８で連通される。この排水管１８は、排出水域１６の水面下に配設され、常に満水状態が保持される。また、調圧水槽１４には、その水位を測定する第１の水位計測手段２０が配設され、排出水域１６には、その水位を測定する第２の水位計測手段２２が配設される。そして、第１と第２の水位計測手段２０，２２の計測値が水位差演算手段２４に与えられて水位差が演算される。この水位差に応じた信号が、演算手段２６とオシロスコープなどの記録手段２８とに与えられる。記録手段２８は、一例として図２に示すごとき、時間の経過と水位差の変動を示す偏差水位変動曲線を記録する。そして、この偏差水位変動曲線が損失係数演算手段３０に与えられ、後述のごとくして損失係数ξが演算され、この損失係数ξが演算手段２６に設定される。演算手段２６では、予め算出して設定された損失件数ξと、ポンプ１０の定常運転状態の調圧水槽１４と排出水域１６の水位の水位差（Ｈ１−Ｈ２）と、排水管１８の断面積Ａとからポンプ１０の流量Ｑを後述のごとくして演算出力する。
【００１４】
ところで、ポンプ１０の定常運転状態にあっては、調圧水槽１４の水位Ｈ１が排出水域１６の水位Ｈ２よりも高く、その水位差（Ｈ１−Ｈ２）と排水管１８内の平均流速Ｖの二乗とが比例する。そして、排水管１８の断面積Ａと平均流速Ｖの積が、ポンプ１０の吐出する流量Ｑである。そこで、比例計数としての損失係数ξが予め演算されていれば、調圧水槽１４と排出水域１６の水位の水位差（Ｈ１−Ｈ２）からポンプ１０の吐出する流量Ｑが演算できる。そこで、（２）式と（３）式が成立する。
【数７】
0004836103.tif 000005
但し、ξは損失係数、Ｖは排水管内の平均流速である。
【数８】
0004836103.tif 000006
但し、Ｑはポンプの吐出流量、Ａは排出管の断面積である。
そして、これらの（２）（３）式から、上述の（１）式が得られる。
【数９】
0004836103.tif 000007
ここで、排水管１８の断面積Ａは、容易に計測または算出でき、また水位Ｈ１，Ｈ２も第１と第２の水位計測手段２０，２２により容易に測定し得る。なお、損失係数ξは、一度だけ予め測定算出すれば良く、流量測定の度に繰り返して算出する必要はない。
なお、排水管１８の損失係数ξとその断面積Ａ、および水位差から流量を求めることは、公知であり、特開平０５−１９８６４号公報（特許文献１）や特開平１０−１８５６３５号公報（特許文献２）等に示されている。
【特許文献１】
特開平０５−１９８６４号公報
【特許文献２】
特開平１０−１８５６３５号公報
【００１５】
続いて、損失係数ξを算出する方法につき以下述べる。ポンプ１０の定常運転にて調圧水槽１４が水位Ｈ１で排出水域１６が水位Ｈ２の状態で、ポンプ１０の運転を急激に停止して吐出流量Ｑを零とする。すると、ポンプ１０からの流入が停止し、調圧水槽１４側の高い水位差および排水管１８内を流れる水の慣性で、水は排出水域１６に流れ続けて調圧水槽１４の水位は低下し続け、（ｂ）に示すごとく、調圧水槽１４の水位が排出水域１６の水位Ｈ２より低いＨ３まで変動する。するとこんどは、排出水域１６側の高い水位差により排水管１８内を逆流し、調圧水槽１４の水位は上昇し、（ｃ）に示すごとく、排出水域１６の水位Ｈ２よりも高いＨ４まで変動する。さらにこんどは、調圧水槽１４側の水位が高いことで、水が排水管１８内を排出水域１６に流れて、（ｄ）に示すごとく調圧水槽１４の水位は排出水域１６の水位よりも低いＨ５まで変動する。もって、偏差水位変動を生ずる。
【００１６】
このように、調圧水槽１４の水位は、下降と上昇を繰り返す振動現象を呈し、やがて振動は減衰して最終的には排出水域１６の水位Ｈ２と等しくなる。この水位差が、第１と第２の水位計測手段２０，２２の計測値から水位差演算手段２４で演算され、この水位差を時間経過とともに記録手段２８で記録した一例が、図２の偏差水位変動曲線である。図２でＳ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４，Ｓ５は、排出水域１６の水位を基準とする水位差を示す。
【００１７】
この偏差水位変動の振動現象を生ずる排水管１８内の水の流体運動方程式は、公知であり、（４）式で示される。
【数１０】
0004836103.tif 000008
そして、この（４）式の解として（５）式が得られる。
【数１１】
0004836103.tif 000009
であり、Ｓは排出水域の水位を基準とした調圧水槽水位、ｇは重力加速度、Ｌは排水管長さ、ξは排水管の損失係数、βは面積比（排水管断面積／調圧水槽底面積）、ｔは時間、Ｃは定数である。
なお、（５）式で、プラスマイナス符号（±）およびマイナスプラス符号の上側の符号は排出水域１６から調圧水槽１４への流入を示し、下側の符号は調圧水槽１４から排出水域１６への流出を示す。また、排出水域１６は、調圧水槽１４からの流出に対して、水位がほぼ変動しないとみなし得る程度に十分に広いものとする。具体的には、排出水域１６としての河川の幅は、調圧水槽１４の幅の約５倍程度以上あれば良い。
【００１８】
そして、ポンプ１０が定常的に動作している場合は、水位差Ｓと流量Ｑと排水管１８の断面積Ａとその流速Ｖと、調圧水槽の底面積Ａ０は、（６）式の関係にある。
【数１２】
0004836103.tif 000010
そこで、ポンプ１０を急激に停止した際の流量Ｑは０となるのでｔ＝０で、（７）式が成立する。
【数１３】
0004836103.tif 000011
これを整理すれば、（８）式となる。
【数１４】
0004836103.tif 000012
【００１９】
さらに、（５）式と（８）式を整理すると、（９）式となる。
【数１５】
0004836103.tif 000013
但し、ｎは２以上である。
【００２０】
この（９）式に記録手段２８で記録された図２の偏差水位変動曲線から求めた極大値と極小値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５を代入して、それぞれのｍを算出して、ｍの平均値ｍ０を算出する。
【００２１】
そして、算出した平均値のｍ０を下記の（１０）式に代入してξを求め、この求めたξを（４）式に代入すると、図３のごとき理論変動曲線が得られる。この図３で、ｍの値が大きくなると理論変動曲線の偏差水位が小さくなり、ｍの値が小さくなると理論変動曲線の偏差水位が大きくなる。そこで、記録手段２８で記録された偏差水位変動曲線に、理論変動曲線が一致するようにｍの値が決定される。
【数１６】
0004836103.tif 000014
【００２２】
なお、上記説明では偏差水位変動曲線から求めた極大値と極小値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…から理論変動曲線のｍを算出し、最終的には偏差水位変動曲線に理論変動曲線が一致するｍを求めているが、偏差水位変動曲線に一致する理論変動曲線を探し、これからｍを求めても良い。
【００２３】
このようにして、予め排水管１８の損失係数ξを求め、これと調圧水槽１４と排出水域１６の水位差Ｓ０＝（Ｈ１−Ｈ２）から求めたポンプ１０の吐出流量Ｑと、流量を他の測定手段で測定した実測流量を比較したものが図４の表である。初期水位差Ｓ０を０．３０７ｍと０．２１４ｍと０．１３６ｍとそれぞれに相違させて測定を行った。この結果、本発明のポンプ流量測定方法にて充分に正確な流量の測定が可能であることが判明した。
【００２４】
次に、排水管１８の損失係数ξを上述のごとくポンプ１０を急激に停止させることによって測定算出するのとは、別の方法につき説明する。損失係数ξを測定算出するには、調整水槽１４の水位が下降および上昇する振動現象を生じれば良い。かかる観点から構成されたものが、図５に示す本発明の第２実施例である。図５は、本発明のポンプ流量測定装置の第２実施例の構造図である。図５において、図１と同じまたは均等な部材に同じ符号を付けて重複する説明を省略する。
【００２５】
図５の構造にあっては、排水管１８に第１の開閉弁３２が介装され、吐出配管１２に第２の開閉弁３４が介装される。そして、排水管１８の損失係数ξの測定算出のときには、第１の開閉弁３２を閉塞し、遅れてポンプ１０を停止すると同時に第２の開閉弁３４を閉塞してポンプ１０からの流入を停止し、調圧水槽１４と排出水域１６に所望の水位差を設定する。そして、第１の開閉弁３２を急激に全開とすることで、調圧水槽１４の水位に振動現象を生じさせる。もって、第１実施例と同様にして、排水管１８の損失係数ξの測定算出が可能である。
【００２６】
なお、上記実施例では、水位差演算手段２４と演算手段２６と記録手段２８と損失係数演算手段３０がそれぞれ異なるブロックで示されるが、これらを演算手段２６としてのコンピュータにより実行しても良いことは勿論である。また、損失係数ξは、予め測定算出して演算手段２６にデータとして記録されてあれば良く、ポンプ１０の設置の際に測定できれば良く、測定後は記録手段２８と損失係数演算手段３０が取り外されても良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明のポンプ流量測定方法およびポンプ流量測定装置は、以下のごとき格別な作用効果を奏する。
【００２８】
請求項１記載のポンプ流量測定方法にあっては、ポンプからの流入を停止して調圧水槽の水位と排出水域の水位との偏差水位変動と排水管内の流体の流体運動方程式から予め排水管の損失係数ξを算出し、予め測定された排水管の損失係数ξとその断面積および調圧水槽と排出水域との水位差とからポンプの吐出流量が測定でき、その水位差の測定は簡単にでき、流量測定が極めて容易である。そして、ポンプの吐出流量を正確に測定するための吐出配管直管部を必要とせず、それだけ排水設備などの設置スペースが狭くて良い。また、必要により排水管の損失係数ξを測定演算しなおせば、常に正確な流量が得られる。
【００２９】
請求項２記載のポンプ流量測定方法にあっては、ポンプの吐出を急激に停止して、調圧水槽の水位を下降および上昇させる振動現象を生じさせることで、簡単に排水管の損失係数ξの測定算出ができる。
【００３０】
請求項３記載のポンプ流量測定方法にあっても、ポンプからの流入を停止するとともに排水管を遮断して調圧水槽の水位と排出水域の水位とに水位差を設け、排水管を急激に連通させて、調圧水槽の水位を下降および上昇させる振動現象を生じさせることで、簡単に排水管の損失係数ξの測定算出ができる。
【００３１】
請求項４記載のポンプ流量測定装置においては、調圧水槽に設けた第１の水位計測手段と排出水域に設けた第２の水位計測手段とから得られる計測値が与えられて水位差を算出する水位差演算手段と、ポンプの吐出を急激に停止した際に生ずる水位差に応じた偏差水位変動曲線を記録する記録手段を設けたので、この偏差水位変動曲線を用いて排水管の損失係数ξを簡単に算出することができ、この損失係数ξを用いて容易にポンプの吐出流量が算出され得る。
【００３２】
請求項５記載のポンプ流量測定装置にあっては、調圧水槽に設けた第１の水位計測手段と排出水域に設けた第２の水位計測手段とから得られる計測値が与えられて水位差を算出する水位差演算手段と、ポンプからの流入を停止するとともに排水管を遮断して調圧水槽の水位と排出水域の水位とに水位差を設け、排水管を急激に連通させた際に生ずる水位差に応じた偏差水位変動曲線を記録する記録手段を設けたので、この偏差水位変動曲線を用いて排水管の損失係数ξを簡単に算出することができ、この損失係数ξを用いて容易にポンプの吐出流量が算出され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のポンプ流量測定装置の第１の実施例の構造図であり、（ａ）はポンプの定常運転時の水位を示し、（ｂ）はポンプの運転が急激に停止されて調圧水槽の水位が排出水域の水位より低下した状態を示し、（ｃ）は再び調圧水槽の水位が排出水域の水位より上昇した状態を示し、（ｄ）は再び調圧水槽の水位が排出水域の水位より低下した状態を示す。
【図２】  オシロスコープに記録された調圧水槽の水位と排出水域の水位の偏差水位変動曲線を示す図である。
【図３】  偏差水位の理論変動曲線を示す図である。
【図４】  本発明によるポンプの吐出流量の算出値と実測値とを示す表である。
【図５】  本発明のポンプ流量測定装置の第２実施例の構造図である。
【符号の説明】
１０  ポンプ
１２  吐出配管
１４  調圧水槽
１６  排出水域
１８  排水管
２０  第１の水位測定手段
２２  第２の水位測定手段
２４  水位差演算手段
２６  演算手段
２８  記録手段
３０  損失係数演算手段
３２  第１の開閉弁
３４  第２の開閉弁
【図１】
0004836103.tif 000018
【図２】
0004836103.tif 000019
【図３】
0004836103.tif 000020
【図４】
0004836103.tif 000021
【図５】
0004836103.tif 000022