(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
管渠または開渠内を流れる流体を計測し、流体流入量を予測する流入量予測装置において、
管渠または開渠内の流体の水位を計測する水位計と、
管渠または開渠内の流体の流量を求める流量検出手段と、
水位計からの水位値に基づいて、水位値に基づいて算出された断面積に、水位値に基づいて算出された流体の平均流速を乗じて求めた、流れ状態を求める基準となる流体の流量の理想値を算出して、流体流入量を予測する予測演算部と、を備え、
予測演算部は、算出された流量の理想値と流量検出手段からの流量値の偏差を算出し、算出された偏差が予め設定された範囲内である場合に、流れ状態が流下状態であると判定して、予め設定された流下状態用の予測演算式を用い、水位計からの水位値と流量検出手段からの流量値とに基づいて流体流入量を予測し、算出された流量の理想値と流量検出手段からの流量値との偏差が予め設定された範囲外である場合に、流れ状態が貯留状態であると判定して、予め設定された貯留状態用の予測演算式を用いて、水位計からの水位値と流量検出手段からの流量値とに基づいて、流体流入量を予測することを特徴とする流入量予測装置。
【請求項２】
流量検出手段は、管渠または開渠内の流体の流速を計測する流速計と、流速計からの流体の流速値と水位計からの流体の水位値に基づいて流体の流量を算出する流量演算部とを有することを特徴とする請求項１記載の流入量予測装置。
【請求項３】
流量演算部は、流速計からの流体の流速値に補正係数を乗じて平均流速を求め、この平均流速を用いて流体の流量を算出することを特徴とする請求項２記載の流入量予測装置。
【請求項４】
予測演算部は、流体の流量の理想値をＭａｎｎｉｎｇ式により算出することを特徴とする請求項１記載の流入量予測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排水施設に流入する流体流入量を予測する流入量予測装置に係り、とりわけ流体の流れ状態を考慮して流体流入量を予測する流入量予測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下水または工場廃水等の流体の流量を計測する流量計として、電磁流量計、超音波式流量計または、せき式流量計等が知られている。このうち超音波式流量計の一つである流速・水位演算方式流量計は、設置される管径が大きい場合でも、設置が容易であり、また管内の流体の流れに対する障害が少ないといった特徴があり、広範に用いられている。
【０００３】
従来の流体流入量を予測する流入量予測装置は、地上雨量計、降雨レーダ、水位計および上述の流量計等からの情報に基づいて、流体流入量の予測式から一定時間後の流体流入量の予測を行なうものが知られている。
【０００４】
しかしながら、流下状態と貯留状態とでは管渠内の流体の流れ状態が異なる。このため、管渠内の流体の流れ状態が流下状態および貯留状態のいずれの場合に対しても同一の予測演算式を用いて流体流入量の予測を行うと、流体流入量の予測の精度が低下する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来より、管渠内の流体の水位を計測する水位計および管渠内の流体の流量を計測する流量計を有し、水位計からの水位値と流量計からの流量値に基づいて、流体流入量を予測する流入量予測装置が知られている。
【０００６】
しかしながら、管渠内の流体の流れ状態が流下状態または貯留状態であるかを考慮して流体流入量の予測をする流入量予測装置は開発されていないのが実情である。
【０００７】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、管渠内の流体の流れ状態が流下状態または貯留状態であるかを考慮して、水位計からの水位値と流量検出手段からの流量値に基づいて、流体流入量を精度良く予測することができる流入量予測装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、管渠または開渠内を流れる流体を計測し、流体流入量を予測する流入量予測装置において、管渠または開渠内の流体の水位を計測する水位計と、管渠または開渠内の流体の流量を求める流量検出手段と、水位計からの水位値に基づいて、水位値に基づいて算出された断面積に、水位値に基づいて算出された流体の平均流速を乗じて求めた、流れ状態を求める基準となる流体の流量の理想値を算出して、流体流入量を予測する予測演算部と、を備え、予測演算部は、算出された流量の理想値と流量検出手段からの流量値の偏差を算出し、算出された偏差が予め設定された範囲内である場合に、流れ状態が流下状態であると判定して、予め設定された流下状態用の予測演算式を用い、水位計からの水位値と流量検出手段からの流量値とに基づいて流体流入量を予測し、算出された流量の理想値と流量検出手段からの流量値との偏差が予め設定された範囲外である場合に、流れ状態が貯留状態であると判定して、予め設定された貯留状態用の予測演算式を用いて、水位計からの水位値と流量検出手段からの流量値とに基づいて、流体流入量を予測することを特徴とする流入量予測装置である。
【０００９】
本発明によれば、管渠または開渠内の流れ状態が流下状態または貯留状態かを判定し、流体の流れ状態に適合した予測演算式を用いることにより、流体流入量の予測の精度を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照して本発明による流入量予測装置の実施の形態について説明する。
【００１１】
図１は、本発明による流入量予測装置の実施の形態を示す図である。
【００１２】
図１に示すように、本発明による流入量予測装置１５は、管渠１３内の上部に設けられ、管渠１３内の流体１４の水位を計測する水位計２と、管渠１３内の流体１４の流量を求める流量検出手段２０と、水位計２と流量検出手段２０からの信号に基づいて演算を行う演算部５とを備えている。
【００１３】
このうち流量検出手段２０は、管渠１３内の下部に一対設けられ管渠１３内の流体１４の流速を計測する流速計１、１と、各流速計１からの流体の流速値と水位計２からの流体の水位値に基づいて流体の流量を算出するための後述する流量演算部５ｆとから構成されている。
【００１４】
演算部５は、水位計２および一対の流速計１、１から送られてくる信号を変換する信号変換部５ａと、後述する監視部８へ信号を出力する信号出力部５ｂと、流体流入量を予測するための設定値を設定する設定部５ｃと、信号変換部５ａからの信号に基づいて流量の理想値を算出する理想値演算部５ｄと、理想値演算部５ｄからの流量の理想値と流量検出手段２０からの流量値に基づいて流体１４の流れ状態を判定し、流体流入量を予測する判定部５ｅと、上述した流量演算部５ｆとを有している。そして、演算部５の各部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆは相互に接続されている。
【００１５】
演算部５は、信号変換部５ａからの信号に基づいて、流れ状態を求める基準となる流体１４の流量の理想値を算出して、流体流入量を予測する予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅと、上述した流量演算部５ｆとから構成されている。
【００１６】
前述したように一対の流速計１、１は、対応するケーブル３、３を介して予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号変換部５ａに接続され、水位計２はケーブル４を介して、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号変換部５ａが接続されている。
【００１７】
ここで流速計１としては、超音波を粒子に発射し、送信周波数と反射した超音波の反射周波数との差を測定して流速を求める超音波ドップラー方式の流速計が用いられている。
【００１８】
水位計２としては、超音波の発信から受信までの時間差を測定して水位を求める超音波パルス伝搬時間差方式の水位計が用いられている。
【００１９】
予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの設定部５ｃには、ケーブル１０を介して外部端末７が接続され、演算部５には、ケーブル９を介して、演算部５に電力を供給する電源６が接続されている。
【００２０】
また前述のように予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号出力部５ｂおよび設定部５ｃには、ケーブル１１、１２を介して監視部８が接続され、監視部８にはポンプおよび流入ゲートを制御する制御部１６が接続されている。
【００２１】
次にこのような構成からなる実施の形態の作用について説明する。
【００２２】
図１に示すように、一対の流速計１、１は、管渠１３内の流体１４の流速を計測し、その流速値を対応するケーブル３、３を介して、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号変換部５ａに送信する。また水位計２は、管渠１３内の流体１４の水位を計測し、その水位値をケーブル４を介して、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号変換部５ａに送信する。
【００２３】
予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号変換部５ａは、送信された流速値および水位値を信号変換し、信号変換された流速値および水位値を流量検出手段２０の流量演算部５ｆに送信する。また予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号変換部５ａは、信号変換された水位値を予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの理想値演算部５ｄおよび判定部５ｅに送信する。
【００２４】
さらに予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの設定部５ｃは、予め設定された管渠１３の水路形状、管渠１３内の粗度係数および重力加速度の値を流量検出手段２０の流量演算部５ｆおよび予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの理想値演算部５ｄに送信する。
【００２５】
管渠１３の水路形状、管渠１３内の粗度係数および重力加速度の値は、予め予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの設定部５ｃに設定されているが、外部端末７または監視部８よりケーブル１０、１２を介して自由に設定変更できるようになっている。
【００２６】
流量検出手段２０の流量演算部５ｆは、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号変換部５ａから送信された水位値と予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの設定部５ｃから送信された管渠１３の水路形状に基づいて、管渠１３の径深値を算出し、算出された管渠１３の径深値、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの設定部５ｃから送信された管渠１３内の粗度係数および重力加速度の値に基づいて下記の演算式（１）を用いて、係数Ａｒを算出する。
【００２７】
【数１】
0003887209.tif 000002
ここで上記演算式（１）および下記演算式（２）において各記号は、以下のように設定する。
ｎ  ：  管渠内の粗度係数
Ｒ  ：  管渠の径深（水路形状および水位により変化する値）
ｙ  ：  信号変換部から送信された水位値（点流速測定水深）
ｇ  ：  重力加速度
Ａｒ  ：  係数
【００２８】
次に流量検出手段２０の流量演算部５ｆは、演算式（１）において算出された係数Ａｒ、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号変換部５ａからの水位値、算出された管渠１３の径深値、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの設定部５ｃから送信された管渠１３内の粗度係数および重力加速度の値に基づいて、下記の演算式（２）を用いて補正係数Ｋｐを算出する。
【００２９】
【数２】
0003887209.tif 000003
【００３０】
なお、補正係数Ｋｐを演算式（１）および（２）を用いて算出しているが、管渠１３内の流体１４の最大流速の発生位置を考慮した補正係数曲線に基づいて、算出してもよい。
【００３１】
図２に示すように流量検出手段２０の流量演算部５ｆは、算出された補正係数Ｋｐと、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号変換部５ａから送信された流速値に基づいて、演算式（３）を用いて管渠１３内の流体１４の平均流速を算出する（演算ａ）。
【００３２】
Ｖａ＝Ｋｐ・Ｖｐ      （３）
【００３３】
ここで上記演算式（３）において各記号は、以下のように設定する。
Ｖａ  ：  管渠内の流体の平均流速
Ｖｐ  ：  信号変換部から送信された流速値（点流速）
【００３４】
流量検出手段２０の流量演算部５ｆは、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号変換部５ａから送信された水位値に基づいて流体１４の断面積を算出し（演算ｂ）、算出された流体１４の断面積に算出された平均流速を乗じて（演算ｃ）、流体１４の流量を算出する（演算ｄ）。算出された流量は、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの判定部５ｅに送信される。
【００３５】
また、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの理想値演算部５ｄは、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号変換部５ａから送信された水位値、算出された管渠１３の径深値、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの設定部５ｃから送信された管渠１３の勾配値および管渠１３内の粗度係数に基づいて、演算式（４）（Ｍａｎｎｉｎｇ式）を用いて流体１４の平均流速を算出する（演算ｅ）。
【００３６】
ここで管渠１３の勾配値は、予め予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの設定部５ｃに設定されているが、外部端末７または監視部８によりケーブル１０、１２を介して、自由に設定変更できるようになっている。
【００３７】
【数３】
0003887209.tif 000004
【００３８】
ここで上記（４）式において各記号は、以下のように設定する。
ｎ  ：  管渠内の粗度係数
Ｒ  ：  管渠の径深（水路形状および水位により変化する値）
Ｉ  ：  管渠の勾配
【００３９】
次に予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの理想値演算部５ｄは、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号変換部５ａから送信された水位値に基づいて流体１４の断面積を算出し（演算ｆ）、算出された流体１４の断面積に算出された流体１４の平均流速を乗じて（演算ｇ）、流量の理想値を算出する（演算ｈ）。算出された流量の理想値は、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの判定部５ｅに送信される。
【００４０】
予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの判定部５ｅは、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの理想値演算部５ｄから送信された流量の理想値と流量検出手段２０の流量演算部５ｆから送信された流量値（実測値）の偏差を算出し、算出された偏差が予め設定された範囲内にあるか否かの判定を行なう（演算ｉ）。
【００４１】
ここで、予め設定された範囲（設定範囲）は、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの設定部５ｃにおいて、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの理想値演算部５ｄから送信された流量の理想値の１０％が設定されているが、外部端末７または監視部８によりケーブル１０、１２を介して自由に設定変更できるようになっている。予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの設定部５ｃに設定された設定範囲は、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの判定部５ｅに送信される。
【００４２】
図３に示すように管渠１３内の理想的な流れの状態（等流）が継続している場合には、実測値（プロットｘ）と理想値ａが略一致する（ｃ）。また、何らかの影響で理想的な流れが妨げられると、実測値（プロットｘ）が理想値ａから外れてくる（ｄ）。ここで、破線部ｂと理想値ａに挟まれた範囲を予め設定された範囲ｅとする。
【００４３】
なお図３において、縦軸は管渠１３内の流体１４の流量を示し、横軸は管渠１３内の流体１４の水位を示している。
【００４４】
図４において、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの判定部５ｅは、上述したように予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの理想値演算部５ｄから送信された流量の理想値と流量検出手段２０の流量演算部５ｆから送信された流量値（実測値）の偏差を算出する（Ｓｔｅｐ１）。
【００４５】
次に予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの判定部５ｅは、算出された偏差が予め設定された範囲内である場合に、流れ状態が流下状態であると判定する（Ｓｔｅｐ２）。予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの判定部５ｅは、流れ状態が流下状態であると判定すると予め設定された流下状態用の予測演算式を用い（Ｓｔｅｐ３）、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号変換部５ａからの水位値と流量検出手段２０の流量演算部５ｆからの流量値とに基づいて、一定時間経過後（ｎ分後）の流体流入量を予測する（Ｓｔｅｐ４）。一方、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの判定部５ｅは、算出された偏差が予め設定された範囲外である場合に、流れ状態が貯留状態であると判定する（Ｓｔｅｐ２）。予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの判定部５ｅは、流れ状態が貯留状態であると判定すると予め設定された貯留状態用の予測演算式を用いて（Ｓｔｅｐ３ａ）、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号変換部５ａからの水位値と流量検出手段２０の流量演算部５ｆからの流量値とに基づいて、一定時間経過後（ｎ分後）の流体流入量を予測する（Ｓｔｅｐ４）。
【００４６】
ここで、一定時間（ｎ分）は、予め予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの設定部５ｃに設定されているが、外部端末７または監視部８よりケーブル１０、１１を介して、自由に設定変更できるようになっている。
【００４７】
予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの判定部５ｅは、予測した流体流入量を予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号出力部５ｂに送信し、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの信号出力部５ｂは、送信された流体流入量をケーブル１１を介して監視部８に送信する。監視部８は送信された流体流入量をケーブル１７を介して制御部１６に送信し、制御部１６は、送信された流体流入量の値に基づいて、ポンプおよび流入ゲートの制御量を算出する（Ｓｔｅｐ５）。制御部１６は、算出された制御量でポンプおよび流入ゲートを制御する（Ｓｔｅｐ６）。
【００４８】
なお、流体流入量は、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの判定部５ｅにおいて予測されているが、監視部８が流体流入量を予測してもよい。
【００４９】
次に本発明の変形例について説明する。
【００５０】
予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅには、雨量を計測する地上雨量計が接続され、予測演算部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの判定部５ｅは、地上雨量計からの雨量の値と外部端末７または監視部８から入力された降雨レーダの情報をさらに考慮して流体流入量を予測してもよい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、管渠または開渠内の流れ状態が流下状態または貯留状態かを判定し、流体の流れ状態に適合した予測演算式を用いることにより、流体流入量の予測の精度を向上させることができる。
【００５２】
また、簡易な構成で流体流入量の予測の精度を向上させることができることから、降雨レーダを用いて流体流入量を予測する流入量予測装置よりコストを低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による流入量予測装置の実施の形態を示す全体構成図
【図２】流量の実測値と理想値の算出方法を示す図
【図３】流体流入量を予測するフローチャートを示す図
【図４】Ｍａｎｎｉｎｇ式により算出された流量を示す図
【符号の説明】
１  流速計
２  水位計
５  演算部
５ａ  信号変換部
５ｂ  信号出力部
５ｃ  設定部
５ｄ  理想値演算部
５ｅ  判定部
５ｆ  流量演算部
７  外部端末
８  監視部
１５  流入量予測装置
２０  流量検出手段
【図１】
0003887209.tif 000005
【図２】
0003887209.tif 000006
【図３】
0003887209.tif 000007
【図４】
0003887209.tif 000008