(57)【要約】【課題】  流量計を用いずに地下水節水型消雪パイプシステムの揚水ポンプの揚水量を検出し得る装置を提供する。【解決手段】  地下水を揚水ポンプ１１で汲み上げ消雪パイプ１２Ａ、１２Ｂに流し散水地点に設けられたノズル１３ｎ１等から散水することにより消雪を行う地下水節水型消雪パイプシステム１０の揚水量を検出する装置であって、揚水パイプ１１の直下流に取り付けられた圧力センサー２１と、圧力センサー２１が測定した消雪パイプ１２Ａ内の水圧値Ｐ0に基づき計算を行い揚水量Ｑ0を求めるコンピュータ２２を備える。【選択図】図１
2005337717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下水を揚水ポンプで汲み上げ消雪パイプに流し散水地点に設けられたノズルから散水することにより消雪を行う地下水節水型消雪パイプシステムの揚水量変化を検出する装置であって、
前記揚水パイプの直下流に取り付けられた圧力センサーと、
前記圧力センサーが測定した消雪パイプ内の水圧値Ｐ0に基づき計算を行うコンピュータを備え、
前記コンピュータは、水の密度をρとし、重力加速度をｇとし、圧力センサーとノズル位置の高度差をＨとし、消雪パイプの断面積をＡ0とし、消雪パイプ本管部の摩擦損失係数をｆとし、消雪パイプの全長をＬとし、消雪パイプの直径をｄとし、散水地点の箇所数をＮとし、ノズルでのエネルギー損失係数をｃ0とし、各散水地点でのノズル個数を等しくｎ0とし、各散水地点でのノズルの断面積を等しくａ0としたとき、揚水量Ｑ0を下式
【数１】
2005337717.tif 000021
により計算すること
を特徴とする地下水節水型消雪パイプシステムの揚水量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下水節水型消雪パイプシステムの揚水量を検出する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、地下水を揚水ポンプで汲み上げ消雪パイプに流し散水地点に設けられたノズルから散水することにより消雪を行う地下水節水型消雪パイプシステムが提案されている（特許文献１参照）。この地下水節水型消雪パイプシステムにおいては、揚水ポンプの揚水量を測定し制御する必要があった。しかし、揚水量を測定するためには流量計を用いるが、従来の流量計は、高価である、という問題があった。
【特許文献１】特開平０６−３２０１２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、本発明の解決しようとする課題は、流量計を用いずに地下水節水型消雪パイプシステムの揚水ポンプの揚水量を検出し得る装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る地下水節水型消雪パイプシステムの揚水量検出装置は、
地下水を揚水ポンプで汲み上げ消雪パイプに流し散水地点に設けられたノズルから散水することにより消雪を行う地下水節水型消雪パイプシステムの揚水量変化を検出する装置であって、
前記揚水パイプの直下流に取り付けられた圧力センサーと、
前記圧力センサーが測定した消雪パイプ内の水圧値Ｐ0に基づき計算を行うコンピュータを備え、
前記コンピュータは、水の密度をρとし、重力加速度をｇとし、圧力センサーとノズル位置の高度差をＨとし、消雪パイプの断面積をＡ0とし、消雪パイプ本管部の摩擦損失係数をｆとし、消雪パイプの全長をＬとし、消雪パイプの直径をｄとし、散水地点の箇所数をＮとし、ノズルでのエネルギー損失係数をｃ0とし、各散水地点でのノズル個数を等しくｎ0とし、各散水地点でのノズルの断面積を等しくａ0としたとき、揚水量Ｑ0を下式
【数２】
2005337717.tif 000003
により計算すること
を特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明に係る地下水節水型消雪パイプシステムの揚水量検出装置によれば、地下水を揚水ポンプで汲み上げ消雪パイプに流し散水地点に設けられたノズルから散水することにより消雪を行う地下水節水型消雪パイプシステムの揚水量変化を検出する装置であって、前記揚水パイプの直下流に取り付けられた圧力センサーと、前記圧力センサーが測定した消雪パイプ内の水圧値Ｐ0に基づき計算を行うコンピュータを備え、前記コンピュータは、水の密度をρとし、重力加速度をｇとし、圧力センサーとノズル位置の高度差をＨとし、消雪パイプの断面積をＡ0とし、消雪パイプ本管部の摩擦損失係数をｆとし、消雪パイプの全長をＬとし、消雪パイプの直径をｄとし、散水地点の箇所数をＮとし、ノズルでのエネルギー損失係数をｃ0とし、各散水地点でのノズル個数を等しくｎ0とし、各散水地点でのノズルの断面積を等しくａ0としたとき、揚水量Ｑ0を下式
【数３】
2005337717.tif 000004
により計算するようにしたので、精度良く揚水量が検出でき、かつ高価な流量計が不要になる、という顕著な効果を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下に説明する実施例は、地下水を揚水ポンプで汲み上げ消雪パイプに流し散水地点に設けられたノズルから散水することにより消雪を行う地下水節水型消雪パイプシステムの揚水量変化を検出する装置であって、前記揚水パイプの直下流に取り付けられた圧力センサーと、前記圧力センサーが測定した消雪パイプ内の水圧値Ｐ0に基づき計算を行うコンピュータを備え、前記コンピュータは、水の密度をρとし、重力加速度をｇとし、圧力センサーとノズル位置の高度差をＨとし、消雪パイプの断面積をＡ0とし、消雪パイプ本管部の摩擦損失係数をｆとし、消雪パイプの全長をＬとし、消雪パイプの直径をｄとし、散水地点の箇所数をＮとし、ノズルでのエネルギー損失係数をｃ0とし、各散水地点でのノズル個数を等しくｎ0とし、各散水地点でのノズルの断面積を等しくａ0としたとき、揚水量Ｑ0を下式
【数４】
2005337717.tif 000005
により計算するようにしたものであり、精度良く揚水量が検出でき、本発明を実現するための構成として最良の形態である。
【実施例１】
【０００７】
以下、本発明の第１実施例について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施例である地下水節水型消雪パイプシステムの揚水量検出装置の構成を示す図である。
【０００８】
図１に示すように、地下水節水型消雪パイプシステム１０は、揚水ポンプ１１と消雪パイプ揚水管部１２Ａ及び消雪パイプ本管部１２Ｂを有している。揚水ポンプ１１は、井戸（図示せず）から水を揚水する。また、消雪パイプ揚水管部１２Ａは、揚水ポンプ１１からの水を消雪パイプ本管部１２Ｂに供給する。また、散水地点に当たる消雪パイプ本管部１２Ｂの箇所にはそれぞれノズル１３ｎ１〜１３ｎＮが設けられており、このノズルから散水され消雪が行われる。
【０００９】
また、揚水量検出装置２０は、圧力センサー２１とコンピュータ２２を有している。圧力センサー２１は、揚水パイプ１１の直下流に取り付けられており、消雪パイプ揚水管部１２Ａ内の水圧値Ｐ0を測定し、コンピュータ２２に出力する。コンピュータ２２は、圧力センサー２１が測定した消雪パイプ揚水管部１２Ａ内の水圧値Ｐ0に基づき、揚水ポンプ１１が揚水する揚水量Ｑ0を計算する。この揚水量のＱ0の値は、地下水節水型消雪パイプシステムを制御するコンピュータ（図示せず）に送られ、制御に用いられる。
【００１０】
コンピュータ２２は、図示はしていないが、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、入出力インタフェイスなどを有している。
【００１１】
これらの構成要素のうち、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ：中央演算処理装置）は、各種演算、あるいはこの法令等規則類文章表現検討システム１０１全体の制御を行う部分であり、ＣＰＵの内部での電流（信号）の授受を行うための信号線である内部バス（図示せず）を有しており、この内部バスに、演算部（図示せず）と、レジスタ（図示せず）と、クロック生成部（図示せず）と、命令処理部（図示せず）等が接続されている。
【００１２】
ＣＰＵ内の演算部は、レジスタに記憶されている各種データに対して、四則演算（加算、減算、乗算、及び除算）を行い、又は論理演算（論理積、論理和、否定、排他的論理和など）を行い、又はデータ比較、若しくはデータシフトなどの処理を実行する部分である。処理の結果は、レジスタ等に格納される。クロック生成部は、ＣＰＵの各部分の時間の同期をとるための刻時信号（クロック信号）を生成する。ＣＰＵは、このクロック信号に基づいて動作する。命令処理部は、演算部等が実行すべき命令の取り出し、その解読、及びその実行などを制御し処理する。また、ＣＰＵは、クロック信号をもとに、送られてくるデータ又は演算した結果とその時刻をリアルタイムで検出し、ＲＡＭ等に一時記憶させる。
【００１３】
ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ：読出し専用メモリ）は、ＣＰＵを制御するための制御プログラムや、ＣＰＵが用いる各種データ等を格納している。ＲＯＭとしては、半導体チップにより構成される半導体メモリ、ハードディスク装置などが用いられる。ＣＰＵの制御プログラムには、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）等のＣＰＵの基本ソフトウェアのほか、各種の処理や分析演算等をＣＰＵに実行させるための命令等の処理手順が含まれる。
【００１４】
また、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ：随時書込み読出しメモリ）は、ＣＰＵにより演算された途中のデータ等の情報を一時記憶する。ＲＡＭは、例えば半導体チップ等により構成される。
【００１５】
ＣＰＵによって生成されたディジタル電気信号、又はＣＰＵへ入力されるディジタル電気信号は、入出力インタフェイスを経て外部と授受される。入出力インタフェイス１３内には、ディジタル信号とアナログ信号の変換系であるＡ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ等（図示せず）が設けられている。
【００１６】
上記したＣＰＵの制御あるいは処理は、ＲＯＭ及びＲＡＭと共同しながら実行するソフトウェア・プログラムによって実現される。
【００１７】
次に、この揚水量検出装置２０における揚水量Ｑ0の計算方法を説明する。
【００１８】
コンピュータ２２は、圧力センサー２１が測定した消雪パイプ揚水管部１２Ａ内の水圧値Ｐ0から、揚水量Ｑ0を、下式（１）
【数５】
2005337717.tif 000006
により計算する。
【００１９】
上式（１）において、ρ、ｇ、Ｈ、Ａ0、Ｌ、ｄ、Ｎ、ｎ0、ａ0は既知の値であり、ρは水の密度を、ｇは重力加速度を、Ｈは圧力センサーとノズル位置の高度差を、Ａ0は消雪パイプの断面積を、ｆは消雪パイプ本管部の摩擦損失係数を、Ｌは消雪パイプの全長を、ｄは消雪パイプの直径を、Ｎは散水地点の箇所数を、ｃ0はノズルでのエネルギー損失係数を、ｎ0は各散水地点でのノズル個数（すべて等しい同一値）を、ａ0は各散水地点でのノズルの断面積（すべて等しい同一値）を、それぞれ示している。エネルギー損失係数ｃ0を流量と圧力の実測値から求める式は式（１８）に示す。また、消雪パイプ本管部の摩擦損失係数ｆを求める式は式（１９）に示す。
【００２０】
以下に、上式（１）の原理を説明し、上式（１）を導く。
【００２１】
図１の消雪パイプにおいて、消雪パイプ本管部１２Ｂの全長をＬとする。また、消雪パイプ本管部１２Ｂには、Ｎ箇所の散水地点があり、ｉ番目の散水地点には、ｎi個のノズルがあるものとする。ｉ地点では、基準面からの高さがｚiで、消雪パイプの断面積はＡiで、この断面での平均流速がＵiで、圧力（水圧値）がＰiとなっており、ｎi個のノズルからの流出量の和がｑiとなっているものとする。
【００２２】
ここで、ｉ番目の散水地点と（ｉ＋１）番目の散水地点に対して、摩擦損失水頭ｈli、ノズルからの流出に伴うエネルギー損失Δiを考慮する。流れを定常と仮定し、一次元のベルヌイの式を考慮すると、下式（２）のようになる。ただし、管路の曲がりなどによる損失は全て無視することとする。
【数６】
2005337717.tif 000007
【００２３】
上式（２）において、ρは水の密度、ｇは重力加速度、αiはエネルギー補正係数である。ｉ番目の散水地点と（ｉ＋１）番目の散水地点の間を流れる消雪パイプ本管部１２Ｂの流量をＱiとすると、連続の式は下式（３）のようになる。
Ｑi+1＝Ｑi−ｑi      ………（３）
【００２４】
ｉ番目の散水地点での消雪パイプ本管部１２Ｂの管の直径をｄiとし、ノズルの断面積をａiとすると、摩擦損失水頭ｈliは下式（４）のように表され、ノズルからの流出に伴うエネルギー損失Δiは下式（５）のように表される。
【数７】
2005337717.tif 000008
【００２５】
【数８】
2005337717.tif 000009
【００２６】
上式（４）において、ｆiは消雪パイプ本管部１２Ｂの摩擦損失係数を、ｌiはｉ地点と（ｉ＋１）地点との距離を、それぞれ示している。また、上式（５）において、ｎiはｉ地点でのノズルの個数を、ｃ0iはノズルからの流出に伴う係数である。上式（５）では、ノズルからの流出速度ｕiをｕi＝ｑi／ａiとしている。
【００２７】
また、消雪パイプ本管部１２Ｂでの断面平均流速Ｕiは、流量Ｑiと、管の断面積Ａiを用いて、下式（６）のように表される。
Ｕi＝Ｑi／Ａi      ………（６）
【００２８】
消雪パイプシステムの揚水量Ｑ0を求めるという観点からは、解を厳密に求める必要はない。また、上式（２）、（３）は厳密な流体力学の方程式ではない。また流量計の代替として用いるためには、リアルタイムで流量を求める必要がある。ここでは、以下の仮定のもとに揚水量Ｑ0を簡易な方法で求める。
【００２９】
ここで、以下のような仮定をおく。
【００３０】
（ｉ）消雪パイプ本管部１２Ｂは、水平に設置されているものとする。この仮定から、
ｚi＝０およびｚ0＝−Ｈ
としてよい。ここで、Ｈは、圧力センサー２１のノズルの位置の高度差である。
【００３１】
（ｉｉ）消雪パイプ１２Ａ、１２Ｂの直径は一定でｄで表される。すなわち、ｄi＝ｄとなる。また、消雪パイプ本管部の断面積も一定となりＡ0で表され、Ａi＝Ａ0＝πｄ2／４である。
【００３２】
（ｉｉｉ）散水地点の間隔は一定でありｌで表され、ｌi＝ｌ＝Ｌ／（Ｎ−１）とする。
【００３３】
（ｉｖ）消雪パイプ本管部の摩擦係数ｆi、ｉ地点でのノズルの個数ｎi、ノズルでのエネルギー損失係数ｃ0iは一定であり、それぞれ、ｆi＝ｆ、ｎi＝ｎ0、ｃ0i＝ｃ0で表される。
【００３４】
（ｖ）ノズルの形状が、直径がｄ1の円形状をなしているものとし、すべてのノズルからの散水量は一定であるものとする。ｉ地点での流出量（散水量となる）の和をｑとすると、ノズルの断面積ａiは一定でありａ0で表され、ａi＝ａ0＝πｄ12／４である。また、ｑiは一定でありｑで表され、ｑi＝ｑ＝Ｑ0／Ｎである。
【００３５】
以上の仮定のもとで、上式（２）から上式（６）は、次のように書くことができる。
【００３６】
上式（２）は、下式（７）のように書くことができる。
【数９】
2005337717.tif 000010
【００３７】
上式（３）は、下式（８）のように書くことができる。
Ｑi+1＝Ｑi−ｑ      ………（８）
【００３８】
上式（４）は、下式（９）のように書くことができる。
【数１０】
2005337717.tif 000011
【００３９】
上式（５）は、下式（１０）のように書くことができる。
【数１１】
2005337717.tif 000012
【００４０】
上式（６）は、下式（１１）のように書くことができる。
Ｕi＝Ｑi／Ａ0      ………（１１）
【００４１】
上式（７）をｉ＝１からｉ＝Ｎ−１まで足し合わせると、下式（１２）のようになる。
【数１２】
2005337717.tif 000013
【００４２】
ここで、ｉ地点での平均流速Ｕiは、
Ｕi＝Ｑi／Ａ0＝Ｕ0（１−ｉ／Ｎ）
となる。ここで、Ｕ0は、消雪パイプの流入部の平均流速であり、Ｕ0＝Ｑ0／Ａ0である。
【００４３】
このとき、上式（１２）の右辺第１項は、下式（１３）のようになる。
【数１３】
2005337717.tif 000014
【００４４】
上式（５）より、ノズルからの流出に伴う損失の総和（右辺第２項）は、下式（１４）のようになる。
【数１４】
2005337717.tif 000015
【００４５】
消雪パイプの始端では、下式（１５）が成立する。
【数１５】
2005337717.tif 000016
【００４６】
また、消雪パイプの終端では、下式（１６）が成立する。
【数１６】
2005337717.tif 000017
【００４７】
式（１３）、（１４）、（１５）、（１６）を式（１２）に代入し、Ｐ1、ＰNを消去し、揚水量Ｑ0について解くと、下式（１７）を得る。式（１７）は、上式（１）に等しい。
【数１７】
2005337717.tif 000018
【００４８】
なお、上式（１７）において、ノズルからの流出に伴う損失係数ｃ0は、よく分かっていない。そこで、この損失係数ｃ0については、実測結果から算定する。損失係数ｃ0を求める式は、下式（１８）のようになる。
【数１８】
2005337717.tif 000019
このｃ0の値は消雪ノズルでのエネルギー損失に関係するので、ノズル個数ｎ0やノズルの形状によって変化するものと考えられる。このことで様々なタイプの消雪パイプに対応できる点が本方法の利点である。
【００４９】
また、消雪パイプ本管部１２Ｂの摩擦損失係数については対数則を用い、実験結果によって係数を求めた下式（１９）を用いる。
【数１９】
2005337717.tif 000020
ここで、κ（＝０．４）はカルマン定数、ｋsは消雪パイプ本管部の壁面粗度高さである。
【００５０】
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではない。上記実施例は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、消雪パイプシステムを製造する製造業等で実施可能であり、これらの産業で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１実施例である地下水節水型消雪パイプシステムの揚水量検出装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  地下水節水型消雪パイプシステム
１１  揚水ポンプ
１２Ａ  消雪パイプ揚水管部
１２Ｂ  消雪パイプ本管部
１３ｎ１〜１３ｎＮ  ノズル
２０  揚水量検出装置
２１  圧力センサー
２２  コンピュータ
【図１】
2005337717.tif 000022