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明細書 :地下水節水型消雪パイプシステムの揚水量検出装置

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第3840547号 (P3840547)
公開番号 特開2005-337717 (P2005-337717A)
登録日 平成18年8月18日(2006.8.18)
発行日 平成18年11月1日(2006.11.1)
公開日 平成17年12月8日(2005.12.8)
発明の名称または考案の名称 地下水節水型消雪パイプシステムの揚水量検出装置
国際特許分類 G01F   1/34        (2006.01)
G01F   1/00        (2006.01)
G01F   1/48        (2006.01)
G01F   1/42        (2006.01)
E01C  11/26        (2006.01)
E01H   3/04        (2006.01)
FI G01F 1/34 A
G01F 1/00 F
G01F 1/48
G01F 1/42 Z
E01C 11/26 B
E01H 3/04 Z
請求項の数または発明の数 1
全頁数 12
出願番号 特願2004-152752 (P2004-152752)
出願日 平成16年5月24日(2004.5.24)
新規性喪失の例外の表示 特許法第30条第1項適用 平成15年11月26日 社団法人土木学会関東支部新潟会発行の「第21回 土木学会関東支部新潟会研究調査発表会論文集」に発表
審査請求日 平成16年5月24日(2004.5.24)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】304021288
【氏名又は名称】国立大学法人長岡技術科学大学
発明者または考案者 【氏名】福嶋 祐介
個別代理人の代理人 【識別番号】100105108、【弁理士】、【氏名又は名称】大川 洋一
審査官 【審査官】森口 正治
参考文献・文献 特開昭61-108314(JP,A)
調査した分野 G01F 1/00-9/02
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】
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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】
JP0003840547B2_000002t.gif

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】
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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】
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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】
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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】
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【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。

i+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】
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【0025】

【数8】
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【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。

i=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、

i=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】
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【0037】
上式(3)は、下式(8)のように書くことができる。

i+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】
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【0039】
上式(5)は、下式(10)のように書くことができる。

【数11】
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【0040】
上式(6)は、下式(11)のように書くことができる。

i=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】
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【0042】
ここで、i地点での平均流速Uiは、
i=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】
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【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】
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【0045】
消雪パイプの始端では、下式(15)が成立する。

【数15】
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【0046】
また、消雪パイプの終端では、下式(16)が成立する。

【数16】
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【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】
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【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】
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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】
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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
図面
【図1】
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