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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-30
(45)【発行日】2024-11-08
(54)【発明の名称】流速測定システム及び流量測定システム
(51)【国際特許分類】
G01P 5/00 20060101AFI20241031BHJP
G01F 1/20 20060101ALI20241031BHJP
G01F 1/00 20220101ALI20241031BHJP
【ＦＩ】
G01P5/00 A
G01F1/20 F
G01F1/00 J
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2024133926
(22)【出願日】2024-08-09
【審査請求日】2024-08-09
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】517039483
【氏名又は名称】ＷＯＴＡ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149032
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 敏明
(72)【発明者】
【氏名】キルゼンブラト ロマン
(72)【発明者】
【氏名】向原 穂高
(72)【発明者】
【氏名】金 京柱
(72)【発明者】
【氏名】ラドジンスキ テオ
【審査官】藤澤 和浩
(56)【参考文献】
【文献】実開昭５５－１０６８２９（ＪＰ，Ｕ）
【文献】登録実用新案第３２１２４７９（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特表２０２２－５２９３０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－９０７３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｐ １／００－２１／０２
Ｇ０１Ｆ １／００－２５／２０
Ｅ０２Ｂ １／００－１７／０８
Ｇ０１Ｂ １／００－２１／３２
Ｇ０１Ｃ １／００－２５／００
Ｇ０１Ｓ １／００－１９／５５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
流速測定システムであって、排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、
前記排水管は、水平方向に、吐水口から水を排出可能であり、
前記距離センサは、前記吐水口に対向する任意の位置に、前記吐水口から水平方向の距離Ｄ及び鉛直方向の距離Ｙで配置され、かつ前記吐水口からの水との水平方向の距離Ｘｏを検出可能であり、
前記計測手段は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及び重力加速度ｇから、前記吐水口から排出される水の流速Ｖｏを測定可能である、
前記流速測定システム。
【請求項2】
前記計測手段は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及びｇから、下記関係式（Ｉ）【数1】
請求項１に記載の流速測定システム。
【請求項3】
流速測定システムであって、排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、
前記排水管は、水平方向を基準とした角度θ（ただし、－９０°＜θ＜９０°）の方向に、吐水口から水を排出可能であり、
前記距離センサは、前記吐水口に対向する任意の位置に、前記吐水口から水平方向の距離Ｄ及び鉛直方向の距離Ｙで配置され、かつ前記吐水口からの水との水平方向の距離Ｘｏを検出可能であり、
前記計測手段は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及び重力加速度ｇから、前記吐水口から排出される水の流速Ｖｏを測定可能である、
前記流速測定システム。
【請求項4】
前記計測手段は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及びｇから、下記関係式（ＩＩ）【数2】
請求項３に記載の流速測定システム。
【請求項5】
流速測定システムであって、排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、
前記排水管は、水平方向を基準とした角度θ（ただし、θ＝９０°）の方向に、吐水口から水を排出可能であり、
前記距離センサは、前記吐水口に対向する任意の位置に、前記吐水口から鉛直方向の距離Ｙで配置され、かつ前記吐水口からの水との鉛直方向の距離Ｙｏを検出可能であり、
前記計測手段は、Ｙ、Ｙｏ及び重力加速度ｇから、前記吐水口から排出される水の流速Ｖｏを測定可能である、
前記流速測定システム。
【請求項6】
前記計測手段は、Ｙ、Ｙｏ及びｇから、下記関係式（ＩＩＩ）【数3】
請求項５に記載の流速測定システム。
【請求項7】
前記距離センサは、レーザー、ＬＥＤ、赤外線及び超音波からなる群から選ばれるパルスの投光部及び受光部を備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の流速測定システム。
【請求項8】
流量測定システムであって、請求項１～６のいずれか１項に記載の流速測定システムを備え、
前記計測手段は、請求項１～６のいずれか１項に記載の流速測定システムによって得られた水の流速Ｖｏ及び吐水口から排出される水の断面積Ａから、前記吐水口から排出される水の流量Ｑｏを測定可能である、
前記流量測定システム。
【請求項9】
前記計測手段は、Ｖｏ及びＡから、下記関係式（ＩＶ）【数4】
請求項８に記載の流量測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、排水管から排出される水の流速を測定する流速測定システム、及び、当該流速に基づいて測定される流量測定システムに関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、排水管内を流れる水の流量は、次式によって表される。
流量Ｑ［ｍ３／ｓ］＝排水管の断面積Ａ［ｍ２］×流速Ｖ［ｍ／ｓ］
したがって、水の流量を得るためには、排水管内を流れる流速を測定する。
流量Ｑ［ｍ３／ｓ］＝排水管の断面積Ａ［ｍ２］×流速Ｖ［ｍ／ｓ］
したがって、水の流量を得るためには、排水管内を流れる流速を測定する。
【0003】
排水管内の水の流速を測定する方法としては、熱線やピトー管などのセンサを排水管内に設置し、当該センサを水中に直接挿入して水の物理量から水の流速を測定する方法が知られている。また、排水管壁に透明窓を設置し、水中に混在する散乱体の移動速度を画像処理などの光学的手法により求め、流速を測定する方法が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開平８－５４４０８号公報
【文献】特開平８－２０１４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、センサを排水管内に設置する方法は、水とセンサとが接触して、排水の内容によってはセンサが劣化するという問題がある。また、光学的手法により流速を測定する方法は、画像処理が複雑であるとの問題がある。
【0006】
そこで、本発明は、センサが水と非接触であり、かつ簡易な構成により水の流速を測定することができる流速測定システムを提供することを、本発明が解決しようとする課題とする。また、当該流速に基づいて水の流量を測定することができる新規な流量測定システムを提供することを、本発明が解決しようとする課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を積み重ねた結果、重力下での放物運動の方程式を利用して、排水管の吐水口から排出される水の初流速度が分かれば、排水管から排出される水の流量を推定できるのではないかと考えた。そして、排水管の吐水口から排出される水の落下地点までの距離を測定することにより、排水管の吐水口における流速を測定することを試みた。その結果、本発明者らは、遂に、水に非接触である距離センサを用いることにより、簡易に流速を測定することができる測定システムを創作することに成功した。本発明はこのような本発明者らによって初めて為された成功例に基づいて完成するに至った発明である。
【0008】
すなわち、本発明の各側面によれば、以下の各態様が提供される。
［１］流速測定システムであって、
排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、
前記排水管は、水平方向に、吐水口から水を排出可能であり、
前記距離センサは、前記吐水口に対向する任意の位置に、前記吐水口から水平方向の距離Ｄ及び鉛直方向の距離Ｙで配置され、かつ前記吐水口からの水との水平方向の距離Ｘｏを検出可能であり、
前記計測手段は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及び重力加速度ｇから、前記吐水口から排出される水の流速Ｖｏを測定可能である、
前記流速測定システム。
［２］前記計測手段は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及びｇから、下記関係式（Ｉ）
に基づいて、前記吐水口から排出される水の流速Ｖｏを測定可能である、
［１］に記載の流速測定システム。
［３］流速測定システムであって、
排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、
前記排水管は、水平方向を基準とした角度θ（ただし、－９０°＜θ＜９０°）の方向に、吐水口から水を排出可能であり、
前記距離センサは、前記吐水口に対向する任意の位置に、前記吐水口から水平方向の距離Ｄ及び鉛直方向の距離Ｙで配置され、かつ前記吐水口からの水との水平方向の距離Ｘｏを検出可能であり、
前記計測手段は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及び重力加速度ｇから、前記吐水口から排出される水の流速Ｖｏを測定可能である、
前記流速測定システム。
［４］前記計測手段は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及びｇから、下記関係式（ＩＩ）
に基づいて、前記吐水口から排出される水の流速Ｖｏを測定可能である、
［３］に記載の流速測定システム。
［５］流速測定システムであって、
排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、
前記排水管は、水平方向を基準とした角度θ（ただし、θ＝９０°）の方向に、吐水口から水を排出可能であり、
前記距離センサは、前記吐水口に対向する任意の位置に、前記吐水口から鉛直方向の距離Ｙで配置され、かつ前記吐水口からの水との鉛直方向の距離Ｙｏを検出可能であり、
前記計測手段は、Ｙ、Ｙｏ及び重力加速度ｇから、前記吐水口から排出される水の流速Ｖｏを測定可能である、
前記流速測定システム。
［６］前記計測手段は、Ｙ、Ｙｏ及びｇから、下記関係式（ＩＩＩ）
に基づいて、前記吐水口から排出される水の流速Ｖｏを測定可能である、
［５］に記載の流速測定システム。
［７］前記距離センサは、レーザー、ＬＥＤ、赤外線及び超音波からなる群から選ばれるパルスの投光部及び受光部を備える、［１］～［６］のいずれか１項に記載の流速測定システム。
［８］流量測定システムであって、
［１］～［６］のいずれか１項に記載の流速測定システムを備え、
前記計測手段は、［１］～［６］のいずれか１項に記載の流速測定システムによって得られた水の流速Ｖｏ及び吐水口から排出される水の断面積Ａから、前記吐水口から排出される水の流量Ｑｏを測定可能である、
前記流量測定システム。
［９］前記計測手段は、Ｖｏ及びＡから、下記関係式（ＩＶ）
に基づいて、前記吐水口から排出される水の流量Ｑｏを測定可能である、
［８］に記載の流量測定システム。
［１］流速測定システムであって、
排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、
前記排水管は、水平方向に、吐水口から水を排出可能であり、
前記距離センサは、前記吐水口に対向する任意の位置に、前記吐水口から水平方向の距離Ｄ及び鉛直方向の距離Ｙで配置され、かつ前記吐水口からの水との水平方向の距離Ｘｏを検出可能であり、
前記計測手段は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及び重力加速度ｇから、前記吐水口から排出される水の流速Ｖｏを測定可能である、
前記流速測定システム。
［２］前記計測手段は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及びｇから、下記関係式（Ｉ）
【数1】
［１］に記載の流速測定システム。
［３］流速測定システムであって、
排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、
前記排水管は、水平方向を基準とした角度θ（ただし、－９０°＜θ＜９０°）の方向に、吐水口から水を排出可能であり、
前記距離センサは、前記吐水口に対向する任意の位置に、前記吐水口から水平方向の距離Ｄ及び鉛直方向の距離Ｙで配置され、かつ前記吐水口からの水との水平方向の距離Ｘｏを検出可能であり、
前記計測手段は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及び重力加速度ｇから、前記吐水口から排出される水の流速Ｖｏを測定可能である、
前記流速測定システム。
［４］前記計測手段は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及びｇから、下記関係式（ＩＩ）
【数2】
［３］に記載の流速測定システム。
［５］流速測定システムであって、
排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、
前記排水管は、水平方向を基準とした角度θ（ただし、θ＝９０°）の方向に、吐水口から水を排出可能であり、
前記距離センサは、前記吐水口に対向する任意の位置に、前記吐水口から鉛直方向の距離Ｙで配置され、かつ前記吐水口からの水との鉛直方向の距離Ｙｏを検出可能であり、
前記計測手段は、Ｙ、Ｙｏ及び重力加速度ｇから、前記吐水口から排出される水の流速Ｖｏを測定可能である、
前記流速測定システム。
［６］前記計測手段は、Ｙ、Ｙｏ及びｇから、下記関係式（ＩＩＩ）
【数3】
［５］に記載の流速測定システム。
［７］前記距離センサは、レーザー、ＬＥＤ、赤外線及び超音波からなる群から選ばれるパルスの投光部及び受光部を備える、［１］～［６］のいずれか１項に記載の流速測定システム。
［８］流量測定システムであって、
［１］～［６］のいずれか１項に記載の流速測定システムを備え、
前記計測手段は、［１］～［６］のいずれか１項に記載の流速測定システムによって得られた水の流速Ｖｏ及び吐水口から排出される水の断面積Ａから、前記吐水口から排出される水の流量Ｑｏを測定可能である、
前記流量測定システム。
［９］前記計測手段は、Ｖｏ及びＡから、下記関係式（ＩＶ）
【数4】
［８］に記載の流量測定システム。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、排水管、距離センサ及び計測手段という、より簡易な構成でありつつ、排水管の吐水口から排出される水の落下地点までの距離を測定することにより、排水管の吐水口における水の流速をより簡易に測定することができる。また、本発明によれば、当該流速に基づいて流量を測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の各態様の詳細について説明するが、本発明はその目的を達成する限りにおいて種々の態様をとり得る。
【0012】
本明細書における各用語は、別段の定めがない限り、水処理分野などの当業者により通常用いられている意味で使用され、不当に限定的な意味を有するものとして解釈されるべきではない。また、本明細書においてなされている推測及び理論は、本発明者らのこれまでの知見及び経験によってなされたものであることから、本発明はこのような推測及び理論のみによって拘泥されるものではない。
【0013】
「含む」（ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｃｏｎｔａｉｎ、ｉｎｃｌｕｄｅ）は、含まれるものとして明示されている要素以外の要素を付加できることを意味する（「少なくとも含む」と同義である）が、「からなる」（ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ）及び「から本質的になる」（ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ）を包含する。すなわち、「含む」は、明示されている要素及び任意の１種若しくは２種以上の要素を含み、明示されている要素からなり、又は明示されている要素から本質的になることを意味し得る。「備える」（ｈａｖｅ）は「含む」と同義である。要素としては、部分、手段、成分、工程、条件、パラメーターなどの制限事項などが挙げられる。
「及び／又は」は、列記した複数の関連項目のいずれか１つ、又は２つ以上の任意の組み合わせ若しくは全ての組み合わせを意味する。
数値範囲の「～」は、その前後の数値を含む範囲であり、それらの含まれる限界値の一方を除いた範囲もまた含まれる。例えば、「０％～１００％」は、０％以上、１００％以下、及び０％以上１００％以下のいずれであってもよい。
「及び／又は」は、列記した複数の関連項目のいずれか１つ、又は２つ以上の任意の組み合わせ若しくは全ての組み合わせを意味する。
数値範囲の「～」は、その前後の数値を含む範囲であり、それらの含まれる限界値の一方を除いた範囲もまた含まれる。例えば、「０％～１００％」は、０％以上、１００％以下、及び０％以上１００％以下のいずれであってもよい。
【0014】
本発明の各態様を図面に基づいて説明する。各図面において、本発明と関連性の低いものは図示を省略している。なお、各図面において適宜示される矢印ＵＰ（→ＵＰ）で示す方向を鉛直方向の上方側とする。
【0015】
本発明の流速測定システムにおいては、流速の単位は［距離／時間］であり、例えば［ｍ／ｓ］であり得る。また、本発明の流量測定システムにおいては、流量の単位は［体積／時間］であり、例えば［ｍ３／ｓ］であり得る。
【0016】
［本発明の概要］
流速測定システムは、排水管と、距離センサと、計測手段とを基本要素として備える。流速測定システムは、排水管の吐水口から排出される水の落下地点までの水平方向の距離に基づいて、排水管の吐水口における水の流速を計測する。また、流量測定システムは、当該流速測定システムによって測定された流速に基づいて、吐水口における水の流量を測定する。
流速測定システムは、排水管と、距離センサと、計測手段とを基本要素として備える。流速測定システムは、排水管の吐水口から排出される水の落下地点までの水平方向の距離に基づいて、排水管の吐水口における水の流速を計測する。また、流量測定システムは、当該流速測定システムによって測定された流速に基づいて、吐水口における水の流量を測定する。
【0017】
本発明者らは、水に非接触で、かつ、簡易な構成である流速測定（流量測定）方法を種々検討したところ、排水管の吐水口から排出される水の落下地点までの水平方向の距離が分かれば、重力下での放物運動の方程式を利用して、吐水口における水の流速を理論上算出することができることを見出した。
【0018】
上述したように、排水管の吐水口から水が排出される場合、排水管の吐水口から排出される水の流量は、下記式（ａ）によって表される。
流量Ｑ＝吐水口から排出される水の断面積Ａ×流速Ｖ０・・・（ａ）
流量Ｑ＝吐水口から排出される水の断面積Ａ×流速Ｖ０・・・（ａ）
【0019】
吐水口から排出される水の流速（初流速度）は、重力下の放物運動の方程式を利用すると、吐水口から水が水平投射される場合（初速度ｖ０、ｘ軸方向の速度ｖｘ、ｙ軸方向の速度ｖｙ）、ｘ軸方向には初速度のまま一定の等速度直線運動をすることから、速度と変位は下記式（ｂ）及び（ｃ）によって表される。
【0020】
【数5】
【0021】
一方、ｙ軸方向には、自由落下運動をすることから、鉛直方向下向きを正として、速度と変位は下記式（ｄ）及び（ｅ）によって表される。なお、鉛直方向下向きを正とする。
【0022】
【数6】
【0023】
さらに、式（ｃ）を式（ｅ）に代入してｔを消去すると、変位ｙは下記式（ｆ）によって表される。
【0024】
【数7】
【0025】
そうすると、排水管の吐水口から水が水平投射される場合、吐水口から水平方向の変位ｘは、吐水口から排出される水の流速ｖ０、吐水口の鉛直方向の変位ｙ及び重力加速度ｇによって、下記式（ｇ）によって表される。
【0026】
【数8】
【0027】
このように、吐水口から排出される水の流速（初流速度）は、吐水口から排出される水の落下地点までの水平方向の距離（ｘ）が分かれば、重力下の放物運動の方程式を利用して求めることができる。そして、水が水平投射される場合だけでなく、斜方投射される場合についても同様に、吐水口から排出される水の流速（初流速度）は、吐水口から排出される水の落下地点までの水平方向の距離（ｘ）が分かれば、重力下の放物運動の方程式を利用して求めることができる。さらに、水が鉛直投射される場合については、吐水口から排出される水の流速（初流速度）は、吐水口から排出される水の最高点までの距離（ｙ）が分かれば、重力下の放物運動の方程式を利用して求めることができる。
【0028】
［第１態様の流速測定システム］
本発明の一態様の流速測定システムは、排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、排水管から排出される水が水平投射される場合（水平方向を基準とした角度θ＝０°）である。
本発明の一態様の流速測定システムは、排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、排水管から排出される水が水平投射される場合（水平方向を基準とした角度θ＝０°）である。
【0029】
流速測定システムの具体的な一態様について、図１を例証して説明する。
流速測定システム１は、排水管１０と、距離センサ２０と、計測手段３０とを含む。流速測定システム１においては、排水管から排出される水の傾斜角度（θ）を測定するための角度センサを備えていてもよい。
流速測定システム１は、排水管１０と、距離センサ２０と、計測手段３０とを含む。流速測定システム１においては、排水管から排出される水の傾斜角度（θ）を測定するための角度センサを備えていてもよい。
【0030】
排水管１０は、水源１１からの水１２を、水平方向に吐水口１０ａから排出可能である。すなわち、吐水口１０ａから排出された水１２は、水平投射される。
【0031】
排水管１０の吐水口１０ａから排出される水１２は、例えば、トイレ、キッチン、浴室、洗濯機などから排出される生活排水、都市排水、商業施設排水、農業排水、工業排水といった排水、汚水、雨水、表流水、井戸水、上水などの水が挙げられるが、これらに限定されず、流体の他、固形分を含む流体であってもよい。
【0032】
排水管１０は、水が移動できるように中空構造を呈している。排水管１０は、水が移動可能であるものであればよく、材質、径、長さなどは特に限定されない。
排水管１０の材質は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、シリコン、シリコーン、ゴムなどの可塑性素材、ステンレス、チタン、アルミニウムなどの金属素材、コンクリートやセラミック、土（地中を掘削しただけの土坑や土管など）などの無機素材などが挙げられる。
排水管１０の材質は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、シリコン、シリコーン、ゴムなどの可塑性素材、ステンレス、チタン、アルミニウムなどの金属素材、コンクリートやセラミック、土（地中を掘削しただけの土坑や土管など）などの無機素材などが挙げられる。
【0033】
距離センサ２０は、吐水口１０ａに対向する任意の位置に、吐水口１０ａから水平方向の距離Ｄ及び鉛直方向の距離Ｙで配置される。ここで、吐水口１０ａ（吐出口から排出される水の断面積の重心点）を開始点（原点０）として投射される水の放物線において、距離センサ２０によって検出される点を、落下地点（Ｘ，Ｙ）ともよぶ。距離センサ２０は、落下地点（Ｘ，Ｙ）から当該距離センサ２０までの水平方向（ｘ軸方向）の距離Ｘｏを検出可能であるように配置される。
【0034】
距離Ｄは、吐水口１０ａから距離センサ２０までの水平方向（ｘ軸方向）の距離であり、距離Ｘｏは、落下地点（Ｘ，Ｙ）から距離センサ２０までの水平方向（ｘ軸方向）の距離である。また、距離（Ｄ－Ｘｏ）は、開始点（原点０）から落下地点（Ｘ，Ｙ）までの水平方向（ｘ軸方向）の距離である。
距離Ｙは、吐水口１０ａから排出される水の断面積の重心点から落下地点（Ｘ，Ｙ）（距離センサ２０）までの鉛直方向（ｙ軸方向）の距離である。
なお、図１においては、鉛直方向下向きを正とする。
距離Ｙは、吐水口１０ａから排出される水の断面積の重心点から落下地点（Ｘ，Ｙ）（距離センサ２０）までの鉛直方向（ｙ軸方向）の距離である。
なお、図１においては、鉛直方向下向きを正とする。
【0035】
距離センサ２０は、距離Ｘｏを検出して信号を出力するものであればよい。距離センサ２０は、例えば、レーザー、ＬＥＤ、赤外線及び超音波からなる群から選ばれるパルスの投光部及び受光部を備える。距離センサ２０は、例えば、レーザーなどの光線や超音波を吐水口１０ａから排出される水の落下地点における水の表面へ照射し、反射した光線や波線を受信することにより、距離Ｘｏを検出する。例えば、距離センサとしては、例えば、飛行時間型（ＴＯＦ）センサなどが挙げられる。
【0036】
計測手段３０は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及び重力加速度ｇから、吐水口１０ａから排出される水の流速Ｖｏを測定可能であるように構成される。
【0037】
具体的には、計測手段３０は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及びｇから、下記関係式（Ｉ）に基づいて、吐水口１０ａから排出される水１２の流速Ｖｏを測定可能であるように構成されることが好ましい。
【0038】
【数9】
【0039】
計測手段３０の機能構成は、例えば、図２に例証される通り、処理部３１０と、記憶部３２０と、入出力部３３０とを備え、さらに表示部を備えてもよい。各構成は、バス３４０を介して相互に通信可能に接続される。
【0040】
処理部３１０は、例えば、距離センサ２０の検出値である距離Ｘｏや吐水口１０ａから排出される水１２の傾斜角度（θ）を取得可能であるように構成され、流速測定プログラムを用いることにより、吐水口１０ａから排出される水１２の流速Ｖｏを例えば関係式（Ｉ）を用いて算出するように構成される。
【0041】
記憶部３２０は、記憶装置で構成され、流速測定プログラムを少なくとも格納し、距離センサ２０の検出値である距離Ｘｏや水１２の傾斜角度（θ）などを格納する。流速測定プログラムは、距離センサ２０の検出値である距離Ｘｏに基づいて、例えば関係式（Ｉ）により、吐水口１０ａから排出される水１２の流速Ｖｏを算出するように機能する。
【0042】
入出力部３３０は、距離センサ２０の検出値である距離Ｘｏや吐水口１０ａから排出される水１２の傾斜角度（θ）を処理部３１０に伝送可能であり、また、処理部３１０の算出結果を表示部に伝送可能であるように構成される。吐水口１０ａから排出される水１２の傾斜角度（θ）の値は、予め設定された傾斜角度（θ）が手動で入力されてもよいし、角度センサなどにより検出された傾斜角（θ）が自動で入力されるように設定してもよい。
【0043】
計測手段３０は、例えば、マイクロコントローラ、シングルボードコンビュー夕、パーソナルコンビュータ（ノートＰＣ、デスクトップＰＣ）、タブレット端末、スマートフォンなどであり得る。
【0044】
距離センサ２０と計測手段３０とは、それぞれ独立して有線で繋がっていてもよいし、ルーターなどを介して、又は介さずに無線で繋がっていてもよい。距離センサ２０と計測手段３０とは、物理的に分離されていることが好ましいが、それぞれの機能を果たす限り、一体的に構成されてもよい。
【0045】
［第２態様の流速測定システム］
本発明の第２態様の流速測定システムは、排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、排水管から排出される水が、水平方向を基準とした角度θ（ただし、－９０°＜θ＜９０°）の方向に斜方投射される場合である。
本発明の第２態様の流速測定システムは、排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、排水管から排出される水が、水平方向を基準とした角度θ（ただし、－９０°＜θ＜９０°）の方向に斜方投射される場合である。
【0046】
流速測定システムの具体的な一態様について、図３及び４を例証して説明する。図３及び４では、図１の流速測定システム１と共通する構成については、同じ符号を付してある。また、以下では、原則として、第２態様の流速測定システムについて、第１態様の流速測定システムと異なる部分について説明し、第１態様の流速測定システムと重複する部分については説明を省略する。図３は、排水管から排出される水が、水平方向を基準とした角度θ（ただし、０°＜θ＜９０°）の方向に斜方投射される場合であり、図４は、排水管から排出される水が、水平方向を基準とした角度θ（ただし、－９０°＜θ＜０°）の方向に斜方投射される場合である。
なお、図３及び４においては、鉛直方向下向きを正とする
なお、図３及び４においては、鉛直方向下向きを正とする
【0047】
排水管１０は、水源１１からの水１２を、水平方向を基準とした角度θ（ただし、－９０°＜θ＜９０°）の方向に、吐水口１０ａから水を排出可能である。すなわち、吐水口１０ａから排出された水１２は、水平方向を基準とした角度θ（ただし、－９０°＜θ＜９０°）の方向に斜方投射される。
【0048】
計測手段３０は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及び重力加速度ｇから、吐水口１０ａから排出される水１２の流速Ｖｏを測定可能であるように構成される。
【0049】
具体的には、計測手段３０は、Ｄ、Ｙ、Ｘｏ及びｇから、下記関係式（ＩＩ）に基づいて、吐水口１０ａから排出される水１２の流速Ｖｏを測定可能であるように構成されることが好ましい。
【0050】
【数10】
【0051】
計測手段３０の処理部３１０においては、流速測定プログラムを用いることにより、吐水口１０ａから排出される水１２の流速Ｖｏを例えば関係式（ＩＩ）を用いて算出するように構成される。
【0052】
［第３態様の流速測定システム］
本発明の第３態様の流速測定システムは、排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、排水管から排出される水が、水平方向を基準とした角度θ（ただし、θ＝＋９０°）の方向に鉛直投射される場合である。
本発明の第３態様の流速測定システムは、排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、排水管から排出される水が、水平方向を基準とした角度θ（ただし、θ＝＋９０°）の方向に鉛直投射される場合である。
【0053】
流速測定システムの具体的な一態様について、図５を例証して説明する。図５では、図１，３及び４の流速測定システム１と共通する構成については、同じ符号を付してある。また、以下では、原則として、第３態様の流速測定システムについて、第１態様及び第２態様の流速測定システムと異なる部分について説明し、第１態様及び第２態様の流速測定システムと重複する部分については説明を省略する。
【0054】
排水管１０は、水源１１からの水１２を、鉛直方向に吐水口１０ａから排出可能である。吐水口１０ａから排出された水１２は、水平方向を基準とした角度θ＝９０°の方向に鉛直投射される。
【0055】
距離センサ２０は、吐水口１０ａに対向する任意の位置に、吐水口１０ａから鉛直方向の距離Ｙで配置される。ここで、距離センサ２０によって検出される点を、最高点ともよぶ。距離センサ２０は、最高点から当該距離センサ２０までの鉛直方向（ｙ軸方向）の距離Ｙｏを検出可能であるように配置される。
なお、図４においては、鉛直方向上向きを正とする。
なお、図４においては、鉛直方向上向きを正とする。
【0056】
計測手段３０は、Ｙ、Ｙｏ及び重力加速度ｇから、吐水口１０ａから排出される水の流速Ｖｏを測定可能であるように構成される。
【0057】
具体的には、計測手段３０は、Ｙ、Ｙｏ及びｇから、下記関係式（ＩＩＩ）に基づいて、吐水口１０ａから排出される水の流速Ｖｏを測定可能であるように構成されることが好ましい。
【0058】
【数11】
【0059】
計測手段３０の処理部３１０においては、流速測定プログラムを用いることにより、吐水口１０ａから排出される水１２の流速Ｖｏを例えば関係式（ＩＩＩ）を用いて算出するように構成される。
【0060】
［流速測定方法］
第１態様～第３態様の流速測定システム１による流速測定の方法の一例を、図６に示すフローチャートを用いて説明する。
第１態様～第３態様の流速測定システム１による流速測定の方法の一例を、図６に示すフローチャートを用いて説明する。
【0061】
図６に例証される通り、流速測定システム１は、排水管１０の吐水口１０ａから水１２を排出し（Ｓ１０１）、距離センサ２０により落下地点（Ｘ，Ｙ）における水平方向（ｘ軸）の距離Ｘ０を検出し（Ｓ１０２）、水平方向（ｘ軸）を基準とした水１２の傾斜角度（θ）を手動により設定入力又は角度センサにより検出する（Ｓ１０３）。次いで、水１２の傾斜角度（θ）をパターン分けし（Ｓ１０４）、水１２の傾斜角度（θ）が０°の場合、計測手段３０において距離Ｘ０に基づく関係式（Ｉ）を用いた流速Ｖ０の算出を行い（Ｓ１０５）、水１２の傾斜角度（θ）が－９０°＜θ＜＋９０°の場合、計測手段３０において距離Ｘ０に基づく関係式（ＩＩ）を用いた流速Ｖ０の算出を行い（Ｓ１０６）、水１２の傾斜角度（θ）が＋９０°の場合、計測手段３０において距離Ｘ０に基づく関係式（ＩＩＩ）を用いた流速Ｖ０の算出を行う（Ｓ１０７）。
【0062】
［流量測定システム］
流速測定システムの具体的な一態様は、本発明の流速測定システムを備え、当該流速測定システムによって測定された流速に基づいて流量を測定する。
流速測定システムの具体的な一態様は、本発明の流速測定システムを備え、当該流速測定システムによって測定された流速に基づいて流量を測定する。
【0063】
ここでは、流量測定システムの具体的な一態様について説明するが、本発明の流速測定システムと共通する構成については、説明を省略する。
【0064】
流量測定システム２は、流速測定システム１を備え、計測手段３０は、当該流速測定システム１によって得られた水の流速Ｖｏ及び吐水口１０ａから排出される水の断面積Ａから、吐水口１０ａから排出される水の流量Ｑｏを測定可能であるように構成される。ここで、吐水口１０ａから排出される水の断面積Ａは、排水管１０内を流れる水１２の水位が、吐水口１０ａの径と一致する場合においては、吐水口１０ａの断面積と一致する。また、吐水口１０ａから排出される水の断面積Ａは、排水管１０内を流れる水１２の水位が、吐水口１０ａの径より小さい場合においては、水の断面積を画像センサや重量計などにより取得し、吐水面積を解析することにより取得することができる。
【0065】
具体的には、計測手段３０は、流速測定システム１によって取得された水の流速Ｖｏ及び吐水口から排出される水の断面積Ａから、下記関係式（ＩＶ）に基づいて、吐水口１０ａから排出される水の流量Ｑｏを測定可能であるように構成されることが好ましい。
【0066】
【数12】
【0067】
計測手段３０の機能構成は、流速測定システムが備える機能構成に加え、以下の構成を備える。
【0068】
図７に例証される通り、処理部３１０においては、流速測定プログラムの実行によって取得された水１２の流速Ｖｏ及び吐水口１０ａから排出される水の断面積Ａを取得可能であるように構成され、流量測定プログラムを用いることにより、水１２の流量Ｑ０を例えば関係式（ＩＶ）を用いて算出するように構成される。
【0069】
記憶部３２０においては、流速測定プログラムに加え、流量測定プログラムをさらに格納する。また、処理部３１０によって算出された流速Ｖｏ及び吐水口１０ａから排出される水の断面積Ａなどをさらに格納する。流量測定プログラムは、流速測定プログラムによって取得された流速Ｖｏ及び断面積Ａに基づいて、例えば関係式（ＩＶ）により、吐水口１０ａから排出される水１２の流量Ｑｏを算出するように機能する。
【0070】
計測手段３０の入出力部３３０は、流速測定プログラムによって取得された流速Ｖｏ及び吐水口１０ａのから排出される水断面積Ａを処理部３１０に伝送可能であるように構成される。吐水口１０ａの断面積Ａの値は、予め測定された吐出口１０ａの断面積Ａを手動で入力してもよいし、あるいは吐出口から吐出する水の断面積を画像センサや重量計などにより取得し、吐水面積を解析した値を自動入力してもよい。
【0071】
計測手段３０の処理部３１０において、算出された流量Ｑｏの値を水１２の動粘度、密度及び／又は温度や連続・非連続の有無（非連続の場合は、吐出間隔や吐出頻度）などのパラメーターに基づいて補正するプログラムを実行するように構成してもよい。
【0072】
［流量測定方法］
流量測定システム２による流量測定の方法の一例を、図８に示すフローチャートを用いて説明する。
流量測定システム２による流量測定の方法の一例を、図８に示すフローチャートを用いて説明する。
【0073】
図８に例証される通り、流量測定システム２は、流速測定システム１によって行われるＳ１０１～Ｓ１０７に加え、吐水口１０ａから排出される水の断面積Ａを手動または自動により入力し（Ｓ１０８）、流速測定システム１によって算出された流速Ｖｏ及び断面積Ａに基づく関係式（ＩＶ）を用いた流量Ｑｏの算出を行う（Ｓ１０９）。
【0074】
本実施形態に係る流速測定システムによって測定される流速値の信頼性を検証するため、距離センサを吐水口に対向する位置に、吐水口から水平方向の距離Ｘ及び鉛直方向の距離Ｙの位置に配置し、排水管の吐水口から排出される水の流速を段階的に変化させながら、距離Ｘｏ及び流速Ｖｏを実測した。なお、距離Ｘｏは、「階段目盛シリーズ」（新潟世紀株式会社製）を用い、流速ＶｏはＴＯＰＳＦＬＯ社製のギアポンプ「ＴＧ－０１」の仕様に基づいて行われ、タイマーと株式会社サンプラテック社製のメスシリンダーを用いて確認した。結果を表１に示す。
【0075】
【表1】
【0076】
表１の結果に基づいて、流速Ｖｏと距離Ｘｏの散布図（Ｎ＝１０）を作成し、回帰直線を作成した（図９）。図９において、横軸は流速Ｖｏであり、縦軸は距離Ｘｏであり、また、波線は回帰直線を表す。相関係数は０．９８７であった。
【0077】
以上の結果より、流速Ｖｏと距離Ｘｏとの回帰直線の相関係数が０．９８７であったことから、関係式（Ｉ）に基づく理論値と実測値とが高い精度で一致していることが立証された。
【産業上の利用可能性】
【0078】
本発明の一態様の流速測定システム及び流量推定システムは、センサが水と非接触であり、かつ簡易な構成でありながら、排水管から排出される水の流速を高い精度で測定することができることに加え、排水管から排出される水の流量を測定することができることから、例えば、大規模プラントの放水などにも利用することができる。
【符号の説明】
【0079】
１ 流速測定システム
２ 流量測定システム
１０ 排水管
１０ａ 吐水口
１１ 水源
１２ 水
２０ 距離センサ
３０ 計測手段
３１０ 処理部
３２０ 記憶部
３３０ 入出力部
３４０ バス
２ 流量測定システム
１０ 排水管
１０ａ 吐水口
１１ 水源
１２ 水
２０ 距離センサ
３０ 計測手段
３１０ 処理部
３２０ 記憶部
３３０ 入出力部
３４０ バス
【要約】
【課題】
本発明の目的は、センサが水と非接触であり、かつ簡易な構成により水の流速を測定することができる流速測定システムを提供することにある。また、当該流速に基づいて水の流量を測定することができる新規な流量測定システムを提供することにある。
【解決手段】
上記目的は、流速測定システムであって、排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、前記排水管は、水平方向に、吐水口から水を排出可能であり、前記距離センサは、前記吐水口に対向する任意の位置に、前記吐水口から水平方向の距離Ｄ及び鉛直方向の距離Ｙで配置され、かつ前記吐水口からの水との水平方向の距離Ｘｏを検出可能であり、前記計測手段は、Ｘｏ、Ｄ、Ｙ及び重力加速度ｇから、前記吐水口から排出される水の流速Ｖｏを測定可能である、前記流速測定システムなどにより解決される。
【選択図】図１
本発明の目的は、センサが水と非接触であり、かつ簡易な構成により水の流速を測定することができる流速測定システムを提供することにある。また、当該流速に基づいて水の流量を測定することができる新規な流量測定システムを提供することにある。
【解決手段】
上記目的は、流速測定システムであって、排水管と、距離センサと、計測手段とを備え、前記排水管は、水平方向に、吐水口から水を排出可能であり、前記距離センサは、前記吐水口に対向する任意の位置に、前記吐水口から水平方向の距離Ｄ及び鉛直方向の距離Ｙで配置され、かつ前記吐水口からの水との水平方向の距離Ｘｏを検出可能であり、前記計測手段は、Ｘｏ、Ｄ、Ｙ及び重力加速度ｇから、前記吐水口から排出される水の流速Ｖｏを測定可能である、前記流速測定システムなどにより解決される。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
