超音波式流量計測方法および超音波式流量計測装置
【課題】水路全体の流量を精度よく計測でき、かつ流量の算出処理を簡素化することが可能な超音波式流量計測方法および超音波式流量計測装置を提供する。
【解決手段】水路の流れに略直交する横断面上に複数の計測位置を設定し、複数の計測位置について横断面の法線を含む面内に複数の測定点を設定し、測線が法線を含む面内にあり、かつ測線の法線に対する角度が異なる２つの超音波センサ１１２ｂ、１１２ｂを有するセンサユニット１１０を計測位置に配置し、２つの超音波センサによって、それぞれの測線上において複数の測定点について速度ベクトルＵ１、Ｕ２を測定し、複数の測定点について各測線上の速度ベクトルを合成して流速ベクトルＵ３を算出し、複数の測定点について法線方向の流速を示す法線ベクトルＵ４を算出し、法線ベクトルから水路全体について法線方向の流速分布を取得し、水路全体の流量を算出することを特徴とする。
【解決手段】水路の流れに略直交する横断面上に複数の計測位置を設定し、複数の計測位置について横断面の法線を含む面内に複数の測定点を設定し、測線が法線を含む面内にあり、かつ測線の法線に対する角度が異なる２つの超音波センサ１１２ｂ、１１２ｂを有するセンサユニット１１０を計測位置に配置し、２つの超音波センサによって、それぞれの測線上において複数の測定点について速度ベクトルＵ１、Ｕ２を測定し、複数の測定点について各測線上の速度ベクトルを合成して流速ベクトルＵ３を算出し、複数の測定点について法線方向の流速を示す法線ベクトルＵ４を算出し、法線ベクトルから水路全体について法線方向の流速分布を取得し、水路全体の流量を算出することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送受信して水路の流量を計測する超音波式流量計測方法および超音波式流量計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水力発電所は、流れる水の水圧によって発電用水車を回転させることで発電を行っている。発電用水車の水車効率は、水力を機械エネルギーに変換する際の効率である。水車効率を計測するためには、発電に使用する水の流量を計測する必要がある。水車効率を計測することは発電機性能を把握するために不可欠であり、水力発電所における水の流量計測には高い精度が求められている。
【０００３】
水力発電に使用する水は、大型の水力発電所においてはダムや取水堰を設けて取水する場合もあるが、小型の水力発電所においては自然河川から分岐させて取水する場合もある。自然河川から分岐され上方が開放された水路は開水路または開渠と称されており、幅が数ｍのものから数十ｍのものまで様々なものがある。このような水路の流量の計測は、水路の横断面の流速分布を計測することによって行われる。
【０００４】
自然河川からの分岐直後の水路には大きな乱流および偏流が発生しやすく、その流速分布を正確に取得するのは容易ではない。そこで従来から、水路の流量を計測する際には、乱流および偏流を防ぐために流量計測位置の上流に川幅の５〜１０倍程度の等断面直線水路を確保することが望ましいとされている。しかし、現実には水路の分岐点から取水口までの距離が短く、上記の条件に適合する位置に流量計測設備の設置面積を確保できるとは限らない。
【０００５】
電気学会の電気規格調査会標準規格（ＪＥＣ）では、上流下流に十分な等断面直線水路を確保できない場合の対策として、大規模な整流装置、整波板、導壁を設置して流れを安定化させる方法が推奨されている。整流装置としては、水路内に設ける格子状のものが例示されている。例えば、この整流装置の各格子に測定点を設けることで、水路の横断面の流速分布を精度よく取得することが可能である。またＪＥＣでは、水路の流量を計測する際の水路断面に対する測定点の数についても推奨値が定められている。例えば４ｍ×４ｍ断面の水路では、測定点の数は５０以上と非常に多数の測定点を求めている。これらのように水路の流量計測においては、乱流および偏流を伴うか否かに関わらず、流速の測定点を多数設けることでその測定精度を高めることができるとされている。
【０００６】
従来の流速計測は基本的に点計測であり、測定点を多数設けるためには、測定点の数に比例した数の計測装置が必要となっている。例えば、点計測の計測装置として、１方向の流速が計測できるプロペラ式流速計や電磁流速計等がある。しかし、これらの装置を多数設置することは、設備コストおよび運搬労力の面などからその実施が難しいおそれがある。また、計測装置の位置を逐一移動（トラバース）させて流速分布を得る手法も存在するが、移動と計測とを繰り返すために手間と時間が必要となってしまう。さらに、これらのプロペラ式流速計や電磁流速計では、河川の分岐直後などの非定常性が強く、流量が時間的に変化してしまう場合には適切な計測が行えないという問題がある。
【０００７】
他の計測装置としては、超音波を用いた線形計測の流量計測装置およびその手法が知られている。この超音波式流量計測装置は、水中に発振した超音波が水中の浮遊物や気泡に反射して戻ってきた反射波を受信して流速を計測するものであり、超音波が通過する測線上に多数の測定点を設けることが可能である。超音波式流量計測装置には、主にドップラー法と相互相関法が利用されている。また市場では、ドップラー法を利用した流量測定装置（ＡＤＣＰ：Acoustic Doppler Current Profiler）が広く提供され、利用されている。
【０００８】
ＡＤＣＰによる流速の計測の例として、例えば特許文献１には、河川の流れの上流側の第１ビームと、流れの下流側の第２ビームとによって河川の流速を測定するＡＤＣＰ（音響ドップラー流速計）が開示されている。特許文献１では、水位、流速分布および河床位の同時観測により、河川の流量を精度よく自動的に観測できるとされている。
【０００９】
またＡＤＣＰの他の形態として、例えば特許文献２には、３方向以上に音響ビームを放射するＡＤＣＰ（広帯域音響ドップラー流速プロファイラ）が開示されている。特許文献２によれば、波の方向および波高と共に、流速プロフィール（流速分布）を計測できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−１１１３７５号公報
【特許文献２】特表２００２−５２６７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１では、ＡＤＣＰは河川の側面付近に配置されていて、それぞれのビーム方向を河川の幅方向かつ水平方向に向けて放射している。そのため、放射されたビームは河川の流れを横断する方向へ伝搬される。しかし、この構成では、河川の流れが速い場合や、河川の分岐後などの乱流および偏流が発生している箇所では、超音波が散乱および減衰して流速の測定に誤差が生じやすくなり、結果として流量の計測精度が低下してしまうおそれがある。
【００１２】
一方、特許文献２のＡＤＣＰであれば、３方向以上に音響ビームを放射して流速を３次元的に測定することで、速い流れであったり乱流および偏流であったりしても、その流速を正確に測定することが可能であると思われる。しかし、３次元的に流速を測定した場合、膨大な数の流速の測定データが取得されてしまうため、そこから流量を算出する処理が必要以上に複雑なものとなってしまう。
【００１３】
また、流速を３次元的に測定する従来のＡＤＣＰでは、３つ以上の超音波を放射状に発信させているため、超音波センサから離れるに従って超音波が広がってしまい、測定可能な距離が短くなることが懸念される。また、３次元の流速は放射状の超音波の中央で測定するため、例えば水路の壁面近傍のような場所を上方から測定する場合には、超音波が壁面にあたらないように壁面からある程度離れた位置に測定点を設けなければならない。しかし、水路の壁面近傍は摩擦等による流速変化が大きい箇所であり、壁面近傍の流速も測定しなければそこから算出する水路全体の流量の計測精度は低下してしまう。
【００１４】
本発明は、このような課題に鑑み、水路全体の流量を精度よく計測でき、かつ流量の算出処理を簡素化することが可能な超音波式流量計測方法および超音波式流量計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明にかかる超音波式流量計測方法の代表的な構成は、水路の流れに略直交する横断面上に複数の計測位置を設定し、複数の計測位置について横断面の法線を含む面内に複数の測定点を設定し、測線が法線を含む面内にあり、かつ測線の法線に対する角度が異なる２つの超音波センサを有するセンサユニットを計測位置に配置し、２つの超音波センサによって、それぞれの測線上において複数の測定点について速度ベクトルを測定し、複数の測定点について各測線上の速度ベクトルを合成して流速ベクトルを算出し、複数の測定点について法線方向の流速を示す法線ベクトルを算出し、法線ベクトルから水路全体について法線方向の流速分布を取得し、流速分布から、水路全体の流量を算出することを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、複数の測定点のそれぞれについて、２つの超音波センサのみの簡易な構成で流れ方向の流速を取得することが可能となる。なお、乱流や偏流が発生している箇所であっても、流れ方向の流速を取得することで、３次元方向の流速を計測せずとも、水路全体の流量を十分に高い精度で算出することが可能となる。
【００１７】
当該超音波式流量計測方法は、ガウス求積法を用いて、水路の幅とセンサユニットの数から、ガウス求積法で定まる位置を計測位置とし、法線方向の流速分布から、法線方向の断面平均流速を算出し、断面平均流速に水路の断面積を乗算して水路全体の流量を算出するとよい。
【００１８】
上記構成によれば、壁面との摩擦や流体の粘性が流速分布に影響する水路に対する流量計測であっても、ガウス求積法を用いることで、計測位置を少ない数に設定しても水路全体の断面平均流速を精度よく算出することができる。したがって、計測装置の設置工数を削減でき、また流量の算出処理を簡素化することが可能となる。
【００１９】
当該超音波式流量計測方法は、上記のセンサユニットを複数の計測位置へ順次移動して法線方向の流速を取得してもよい。これによれば、センサユニットを増やしたり、センサユニットを水路へ常設させたりすることなく水路の流量を計測することが可能となる。
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明にかかる超音波式流量計測装置の代表的な構成は、水路の流れに略直交する横断面の法線を含む面内において測線の角度が異なる２つの超音波センサを有し、２つの超音波センサのそれぞれの測線上において複数の測定点について超音波を流体中に送信してその反射波を測定する少なくとも１つのセンサユニットと、センサユニットが測定した反射波から、複数の測定点について速度ベクトルを計測し、速度ベクトルから複数の測定点について法線方向の流速を示す法線ベクトルを算出し、法線ベクトルから水路全体について法線方向の流速分布を取得する流速算出部と、流速分布と水路の断面積から、水路全体の流量を算出する流量算出部と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
上述した超音波式流量計測方法における技術的思想に対応する発明構成要素やその説明は、当該超音波式流量計測装置にも適用可能である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、水路全体の流量を精度よく計測でき、かつ流量の算出処理を簡素化することが可能な超音波式流量計測方法および超音波式流量計測装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態にかかる超音波式流量計測装置の設置位置を示す図である。
【図２】第１実施形態にかかる超音波式流量計測装置の概略構成を示す図である。
【図３】複数の計測位置および検査面を説明する図である。
【図４】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図５】第１実施形態にかかる超音波式流量計測装置の機能構成を示すブロック図である。
【図６】ガウス求積法を利用した流量計測を説明する図である。
【図７】第１実施形態においてガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法について説明するフローチャートである。
【図８】第１実施形態において積分法を用いた超音波式流量計測方法について説明するフローチャートである。
【図９】第２実施形態にかかる超音波式流量計測装置の概略構成を示す図である。
【図１０】図９のセンサユニットの超音波センサを説明する図である。
【図１１】第２実施形態においてガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法について説明するフローチャートである。
【図１２】超音波式流量計測方法の他の実施形態の概要を示す図である。
【図１３】ガウス求積法を用いて行った流量計測実験の結果を示す図である。
【図１４】ガウス求積法を用いて行った流量計測実験の結果を示す図である。
【図１５】第１実施形態にかかるガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法と３次元電磁流速計による流量計測方法との比較実験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２５】
［第１実施形態］
本発明にかかる超音波式流量計測方法および超音波式流量計測装置は、水路における流体の流量を計測するものであり、代表例として水力発電の取水用の水路における流量を計測するものである。以下の第１実施形態の説明では、理解を容易にするために、第１実施形態にかかる超音波式流量計測装置について詳述した後に、かかる超音波式流量計測装置を用いた超音波式流量計測方法について詳細に説明する。
【００２６】
（超音波式流量計測装置）
図１は、第１実施形態にかかる超音波式流量計測装置（以下、「計測装置１００」と記載する）の設置位置を示す図である。図１に示すように、計測装置１００は水力発電所の取水用の水路１０２に設置することができる。水路１０２は自然河川１０４から分岐された開水路であって、水路１０２を流れる流体１０６（水）は自然河川１０４から水力発電所に向かって白抜矢印の方向に導かれている。
【００２７】
計測装置１００は、水路１０２を流れる流体１０６に向かって超音波を送信し、流体１０６に含まれる気泡１０９（図４参照）に反射した反射波を受信することで流体１０６の流量を計測する。なお、流体１０６に気泡１０９が含まれない場合は、例えば計測装置１００より上流側において水路内に気泡発生装置１０８を配置することにより気泡１０９を発生させることができる。
【００２８】
図２は、第１実施形態にかかる超音波式流量計測装置の概略構成を示す図である。本実施形態にかかる計測装置１００は、センサユニット１１０と、測定端末１２０とから構成されている。センサユニット１１０と測定端末１２０とは、ケーブル１４４を介して有線接続されている。
【００２９】
センサユニット１１０は、複数の計測位置に並んで配置される。本実施形態では、３つのセンサユニット１１０を水路内に略鉛直に配置させている。センサユニット１１０は２つの超音波センサ１１２ａ、１１２ｂを有していて、各超音波センサは固定治具１１４に固定され、流体１０６内に沈められている。固定治具１１４の上部は水路上方に架けられた足場１１６に固定されている。
【００３０】
図３は複数の計測位置および検査面を説明する図である。なお、図３では計測位置および検査面Ｓを明確に表すために、水路１０２は枠線として図示し、センサユニット１１０は、３つのセンサユニット１１０のうちの１つにおける超音波センサ１１２ａ、１１２ｂのみに省略して図示している。
【００３１】
図３に示すように、複数の計測位置は、水路１０２の流れに略直交する横断面上に並んで設定される。センサユニット１１０の超音波センサ１１２ａ、１１２ｂは、水路１０２の横断面に対する法線を含む面を検査面Ｓとしている。検査面Ｓ内には、複数の測定点が設定される。測定点は、超音波センサ１１２ａ、１１２ｂの測定対象として水深方向に設定された複数の位置である。
【００３２】
本実施形態において検査面Ｓは略鉛直である。超音波センサ１１２ａおよび超音波センサ１１２ｂは検査面Ｓ内において、それぞれの測線Ｌ１、Ｌ２の法線に対する角度が互いに異なるように配置されている。なお、図３では超音波センサ１１２ａ、１１２ｂを上下に配置し、超音波センサ１１２ａ、１１２ｂのそれぞれの測線Ｌ１、Ｌ２は交差している。しかし本発明はこれに限らず、超音波センサ１１２ａ、１１２ｂを両方とも上または下に配置していてもよく、測線Ｌ１、Ｌ２の法線に対する角度が異なればよい。
【００３３】
図４を参照して、超音波センサ１１２ａ、１１２ｂについて詳述する。図４は、図１のＡ−Ａ断面図である。図４中のｘ軸は水平軸（法線と略平行）、ｙ軸は鉛直軸（横断面と略平行）を表している。
【００３４】
超音波センサ１１２ａ、１１２ｂは、それぞれの測線上に超音波を送信し、複数の測定点について気泡１０９からの反射波を測定する。超音波センサ１１２ａ、１１２ｂが測定した反射波に関する信号は、ケーブル１４４を介して測定端末１２０に送信される。なお、図４は模式的であり、２つの超音波センサ１１２ａ、１１２ｂは同一の気泡１０９のみを測定対象とするものではない。
【００３５】
図５は、第１実施形態にかかる超音波式流量計測装置１００の機能構成を示すブロック図である。図５に示す測定端末１２０は、制御部１２２と、記憶部１３４と、操作部１３６と、表示部１３８とを含んで構成され、超音波センサ１１２ａ、１１２ｂによる超音波の送信を制御し、かつかかる超音波センサ１１２ａ、１１２ｂにより受信された反射波を計算処理する。
【００３６】
制御部１２２は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路により計測装置１００全体を管理および制御する。また本実施形態では、制御部１２２は、パルサー１２４、レシーバ１２６、Ａ／Ｄ変換部１２８、流速算出部１３０、流量算出部１３２としても機能する。
【００３７】
パルサー１２４は、センサユニット１１０の超音波センサ１１２ａ、１１２ｂに超音波の波形に応じた電気信号（電流）を送信する。電気信号は超音波送信部１４０を駆動させるための所定の周波数および間隔で送信される。レシーバ１２６は、反射波受信部１４２が超音波の反射波を受けて生じたアナログ信号を増幅する。Ａ／Ｄ変換部１２８は、レシーバ１２６によって増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。
【００３８】
流速算出部１３０は、センサユニット１１０が測定した反射波から、複数の測定点についての流速および流速分布を取得する。例えば図４に示すように、流速算出部１３０は、ある測定点について２つの超音波センサ１１２ａ、１１２ｂが測定した反射波から、それぞれ速度ベクトルＵ１、Ｕ２を測定する。次に速度ベクトルＵ１、Ｕ２を合成して流速ベクトルＵ３（検査面Ｓ内の流速）を算出する。そして、流速ベクトルＵ３を法線方向に投影することにより、法線方向の流速を示す法線ベクトルＵ４を算出する。これらのように、流速算出部１３０は、各測定点について法線ベクトルを算出することで水路全体について法線方向の流速分布を取得できる。
【００３９】
流量算出部１３２は、流速算出部１３０により算出された流速分布と、水路１０２の断面積とから、水路全体の流量を算出する。
【００４０】
記憶部１３４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等で構成され、制御部１２２で処理されるプログラムを記憶する。
【００４１】
操作部１３６は、キーボード、十字キー、ジョイスティック等の複数のキー（スイッチ）やマウス等から構成され、ユーザの操作入力を受け付ける。例えば、操作部１３６により、各センサユニット１１０について複数の測定点を設定することができる。
【００４２】
表示部１３８は、液晶ディスプレイ、ＥＬ（Electro Luminescence）、ＰＤＰ(Plasma Display Panel)等で構成され、記憶部１３４に記憶されたアプリケーションのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示することができる。
【００４３】
超音波送信部１４０は、圧電素子等で構成され、水路内に超音波を送信する。また反射波受信部１４２は、気泡１０９によって反射された反射波を受信する。
【００４４】
（センサユニットの計測位置の設定）
次にセンサユニット１１０の計測位置の設定について説明する。本実施形態にかかる計測装置１００は、ガウス求積法を利用して計測位置の設定および流量の算出を行うことで、簡素かつ精度のよい流量計測が可能である。ガウス求積法は、数値解析における数値積分の一種である。ガウス求積法は、被積分関数の形に応じて刻みの幅を変えることで、少ない刻みの数でも高精度な結果を得ることができる。
【００４５】
図６は、ガウス求積法を利用した流量計測を説明する図である。図６（ａ）はガウス求積法を利用した流量算出を表す式、図６（ｂ）はガウス・ルジャンドル求積法に関する低次のサンプリング位置と重みを示す表、図６（ｃ）はＮ＝４の場合のサンプリング位置を示す図である。
【００４６】
まず、ガウス求積法を用いることにより、水路１０２の幅と、流量計測に使用するセンサユニット１１０の数（または計測位置の数）とから、センサユニット１１０を水路１０２の横断面上に配置する際の最適な計測位置を設定することができる。例えば、使用するセンサユニット１１０の数を４つとした場合は、図６（ｂ）の表のサンプリング数Ｎは４となり、サンプリング位置Ｗｉがサンプリング数Ｎ＝４の行に示す値となる。このサンプリング位置Ｗｉは図６（ｃ）に示すように、水路１０２の中央を０とし、中央から左右側壁までの距離を０．５とした場合の計測位置を表している。例えば、図６（ｃ）の図におけるＷに水路１０２の幅の実測値を代入することで、水路１０２の幅の実測値と各サンプリング位置Ｗｉとから、水路中央からの４つのセンサユニット１１０の計測位置を求めることができる。そして、各センサユニット１１０によって測定したそれぞれの計測位置での法線方向の流速分布から、各計測位置における水深方向の平均流速Ｖ１〜Ｖ４（検査面Ｓ内の平均流速）を算出し、図６（ａ）の式に代入する。これにより、各計測位置における平均流速Ｖ１〜Ｖ４から法線方向の断面平均流速を算出し、断面平均流速に水路１０２の断面積（水路幅×水位）を乗算して水路全体の流量Ｑを算出することができる。
【００４７】
上記構成によれば、壁面との摩擦や流体１０６の粘性が流速分布に影響する水路１０２に対する流量計測であっても、ガウス求積法を用いることで、少ない計測位置で水路全体の流量を精度よく算出することができる。したがって、計測装置１００の設置工数を削減でき、また流量の算出処理を簡素化することが可能となる。
【００４８】
なお、ガウス求積法を利用しない場合は、センサユニット１１０を水路１０２の横断面上の複数の任意な計測位置に配置し、横断面を等間隔にメッシュ分割した微小面積と流速とをかけて算出した微小流量を積分することにより流量を算出してもよい。なお積分法による場合であっても、計測位置をガウス求積法のときと同様に少なくして、計測位置間の流速を補間することによって求めてもよい。この流量算出方法は、当業者にとって周知であるため詳細な説明は省略する。
【００４９】
（超音波式流量計測方法）
続いて、上述した計測装置１００を用いた超音波式流量計測方法について詳述する。図７は、第１実施形態においてガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法について説明するフローチャートである。
【００５０】
ガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法では、まずセンサユニット１１０の任意な使用数（または計測位置の数）を決定し、ガウス求積法に基づいて水路１０２の流れに略直交する横断面上に複数の計測位置を設定し（Ｓ２００）、各計測位置にセンサユニット１１０を配置する（Ｓ２０４）。このとき、センサユニット１１０は、水路１０２の横断面に対する法線を含む面を検査面Ｓとし、検査面Ｓ内において２つの超音波センサ１１２ａ、１１２ｂの測線の法線に対する角度が互いに異なるように配置する。
【００５１】
次に、複数の計測位置に配置した各センサユニット１１０について、検査面内に複数の測定点を設定する（Ｓ２０８）。複数の測定点は、それぞれが２つの測線から水平方向へ等距離の位置に設定する。
【００５２】
そして、パルサー１２４が超音波送信部１４０に電気信号を送信することにより、超音波送信部１４０は水路内の流体１０６に超音波を送信する（Ｓ２１２）。反射波受信部１４２は、超音波送信部１４０により送信された超音波が気泡１０９に反射して生じた反射波を受信する（Ｓ２１６）。
【００５３】
流速算出部１３０は、反射波を受信した反射波受信部１４２からレシーバ１２６およびＡ／Ｄ変換部１２８を介して増幅されたアナログ信号を基に、ドップラー法により２つの超音波センサ１１２ａ、１１２ｂのそれぞれの測線上において複数の測定点について２方向の速度ベクトルＵ１、Ｕ２を測定する（Ｓ２２０）。なお速度ベクトルＵ１、Ｕ２を測定する位置（超音波センサ１１２ａ、１１２ｂからの距離）は、測定点を含む水平線と測線との交点（測定点と同じ水深の位置）とする。
【００５４】
さらに、流速算出部１３０は、２つの速度ベクトルＵ１、Ｕ２を合成して、複数の測定点についての流体１０６の流速ベクトルＵ３を算出する（Ｓ２２４）。またさらに、流速算出部１３０は、算出した流速ベクトルＵ３から、複数の測定点について、水路１０２の横断面に対する法線方向の流速を示す法線ベクトルＵ４を算出する（Ｓ２２８）。これにより流速算出部１３０は、各測定点について算出した法線ベクトルから、水路全体について法線方向の流速分布が取得できる（Ｓ２３２）。
【００５５】
次に、流速算出部１３０は、複数の計測位置のセンサユニット１１０の各検査面Ｓにおける平均流速Ｖを算出し（Ｓ２３６）、流量算出部１３２は、流速算出部１３０により算出された各検査面Ｓにおける平均流速Ｖｉと、水路１０２の断面積とから、ガウス求積法により水路全体の流量を算出する（Ｓ２４０）。これにより、当該超音波式流量計測方法の処理が終了する。
【００５６】
また、上述した計測装置１００はガウス求積法を用いずとも流量を算出することが可能である。図８は第１実施形態において積分法を用いた超音波式流量計測方法について説明するフローチャートである。なお、図７と同様の処理については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５７】
通常の積分法を用いた超音波式流量計測方法では、まず水路１０２の流れに略直交する横断面上に、任意に複数の計測位置（水平方向）と、各計測位置ごとに複数の測定点（水深方向）を設定する（Ｓ２５０）。そして、図７と同様の処理により各測定点について流速分布を算出した後（Ｓ２３２）、積分法により流量を算出し（Ｓ２５４）、処理を終了する。
【００５８】
これら上記構成によれば、複数の測定点のそれぞれについて、２つの超音波センサ１１２ａ、１１２ｂのみの簡易な構成で流れ方向の流速（法線ベクトルＵ４）を取得することが可能となる。なお、乱流や偏流が発生している箇所であっても、流れ方向の流速を取得することで、３次元方向の流速を計測せずとも、水路全体の流量を十分に高い精度で算出することが可能となる。
【００５９】
すなわち、３次元流速計等を用いる場合と比較して、取得する測定データ数を減らすことで流量の算出処理を簡素化できる。また、横断面の法線を含む検査面Ｓ上で測定を行うため、センサユニット１１０をより壁面に近づけることができる。したがって、流速変化の大きい壁面近傍の速度ベクトルを測定できる。これらによって、水路全体の流量を精度よく計測することが可能となる。
【００６０】
［第２実施形態］
（超音波式流量計測装置）
図９は、第２実施形態にかかる超音波式流量計測装置（以下、「計測装置３００」と記載する）の概略構成を示す図である。第２実施形態にかかる計測装置３００は、センサユニット３１０を複数の計測位置へ順次移動して水路１０２の法線方向の流速を取得することができる点において、第１実施形態にかかる計測装置１００と異なる。またセンサユニット３１０では、２つの超音波センサ３１２ａ、３１２ｂがいずれも上方から下方に向かって超音波を送信する。以下、第１実施形態と同様の作用および構成の要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６１】
計測装置３００は、２つの超音波センサ３１２ａ、３１２ｂを有する１つのセンサユニット３１０を備えている。本実施形態では、センサユニット３１０は水路上方に架けられたガイド３２０に移動可能に取り付けられている。ガイド３２０は、水路１０２の流れに略直交する横断面と略平行に架けられていて、センサユニット３１０はガイド３２０上を横断面の略平行に移動することで上記の横断面上の複数の計測位置を順次移動することができる。なお、ガイド３２０はセンサユニット３１０の支持部材として例示するものであり、支持部材はこれに限るものではない。例えば、足場１１６を支持部材とし、センサユニット３１０は単に足場１１６に複数箇所で着脱可能としてもよい。
【００６２】
図１０は、図９のセンサユニット３１０の超音波センサ３１２ａ、３１２ｂを説明する図である。本実施形態にかかるセンサユニット３１０は、第１実施形態にかかるセンサユニット１１０と同様に、水路１０２の横断面に対する法線を含む面を検査面Ｓとしている。検査面Ｓは略鉛直である。超音波センサ３１２ａおよび超音波センサ３１２ｂは、検査面Ｓ内において、それぞれの測線Ｌ３、Ｌ４の法線（ｘ軸に略平行）に対する角度が互いに異なるように配置されている。
【００６３】
超音波センサ３１２ａ、３１２ｂは、それぞれの測線上において、複数の測定点について、送信した超音波の気泡１０９からの反射波を測定する。超音波センサ３１２ａ、３１２ｂが測定した反射波に関する信号は、ケーブル１４４を介して測定端末１２０に送信される。測定端末１２０内では、反射波に関する信号から流速算出部１３０によって速度ベクトルＵ５、Ｕ６が測定され、さらに速度ベクトルＵ５、Ｕ６を合成して流速ベクトルＵ７が算出される。次に流速ベクトルＵ７から法線方向の流速を示す法線ベクトルＵ８が算出され、各測定点の法線ベクトルを算出することで水路全体の流速分布が取得される。そして流量算出部１３２によって、流速算出部１３０が算出した流速分布と、水路１０２の断面積とから、水路全体の流量が計測される。
【００６４】
（超音波式流量計測方法）
続いて、上述した計測装置３００を用いた超音波式流量計測方法について詳述する。図１１は、第２実施形態においてガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法について説明するフローチャートである。なお、図７と同様の処理については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６５】
計測装置３００によるガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法では、まずセンサユニット３１０が計測を行う任意な計測位置の数について、ガウス求積法に基づいて水路１０２の横断面の流れに略直交する横断面上に複数の計測位置を設定し（Ｓ２００）、そのうちの一つの計測位置にセンサユニット３１０を配置する（Ｓ３５０）。このとき、複数の計測位置のうち、最も水路１０２の壁面側の計測位置に配置することで、反対側の壁面へ向かって計測位置を順次移動してスムーズに流速を取得することができる。なお、センサユニット３１０は、水路１０２の横断面に対する法線を含む面を検査面Ｓとし、検査面Ｓ内において２つの超音波センサ３１２ａ、３１２ｂの測線の法線に対する角度が互いに異なるように配置する。
【００６６】
次に、図７と同様の処理によりその計測位置での法線ベクトルＵ８を算出する（Ｓ２２８）。これにより流速算出部１３０は、その時点までに算出した法線ベクトルから、法線方向の流速分布が取得できる（Ｓ２３２）。
【００６７】
そして、センサユニット３１０は、次の計測位置へ移動し（Ｓ３５４のＹＥＳ）、次の計測位置での流速分布を取得する。
【００６８】
センサユニット３１０は、すべての計測位置での流速分布の取得を終えると移動を終了し（Ｓ３５４のＮＯ）、流速算出部１３０および流量算出部１３２によって図７と同様の処理で流量が算出される。
【００６９】
上記構成によれば、センサユニットを増やしたり、センサユニットを水路１０２へ常設させたりすることなく水路１０２の流量を計測することが可能となる。すなわち、センサユニット３１０を少なくとも１つ設けることで流量計測が可能となる。
【００７０】
なお、本実施形態にかかる計測装置３００においても、ガウス求積法を用いずに積分法を用いて流量を算出することも可能である。
【００７１】
［他の実施形態］
図１２は、超音波式流量計測方法の他の実施形態の概要を示す図である。なお、以下の説明では、上述した各実施形態と同様の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７２】
上述した各実施形態におけるガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法では、断面が矩形の水路１０２に対する流量計測の説明を行った。しかし、断面が矩形ではない水路であってもガウス求積法を用いた流量計測を行うことが可能である。例えば、図１２（ａ）に示すように断面が台形の水路４０２に対しては、水面および水底のそれぞれにおいて、水路４０２の幅とセンサユニット１１０の使用数とからガウス求積法によって計測位置を求め、水面および底面の計測位置を結ぶ傾斜面が検査面Ｓ１〜Ｓ４となるようにセンサユニット１１０を配置する。これにより、断面が台形の水路４０２であっても、ガウス求積法を用いた流量計測が可能である。
【００７３】
また、上述した各実施形態では、検査面が略鉛直となるようにセンサユニット１１０を配置した。しかし、検査面はこれに限らず、例えば図１２（ｂ）に示すように、検査面Ｓ１〜Ｓ４が略水平となるようにセンサユニット１１０を配置しても、ガウス求積法を利用した流量計測が可能である。ただし、この場合は水位の時間的変化を考慮して流量計測を実施する必要がある。
【００７４】
［評価試験］
図１３および図１４は、ガウス求積法を用いて行った流量計測実験の結果を示す図である。実験条件として、図１３（ａ）に示すように、幅１５００ｍｍ、水位１２５０ｍｍの水路４１０（開渠）を利用した。また、水路４１０の流速条件は１．５ｍ／ｓとし、水路内には上流からマイクロバブルを注入した。
【００７５】
実験は、水路内に障害物が有る場合と無い場合において行った。障害物は水路内に乱流および偏流を発生させるためのものであり、障害物としてはピトー管４１２の上流１．８ｍの右側壁にパイプ４１４を配置させた。
【００７６】
図１３（ｂ）は障害物が無い場合の水路横方向の流速分布、図１３（ｃ）は障害物が有る場合の水路横方向の流速分布である。図１３（ｂ）および図１３（ｃ）の流速の測定はピトー管４１２（管径：φ９ｍｍ）を使用し、測定は５０Ｈｚ、３０秒間／点で行った。また、流速の測定は一定水位（０．５ｍ）において水路４１０の片側壁面から反対側壁面まで１０ｍｍ間隔で行った。図１３（ｂ）および図１３（ｃ）を比較すると、図１３（ｃ）では流速分布が乱れていることから、水路内に障害物が存在することによって乱流および偏流が発生していることが確認できる。
【００７７】
図１３（ｂ）および図１３（ｃ）中の破線および一点鎖線は、ガウス求積法のサンプリング位置（Ｎ＝３，４）を示している。図１４はガウス求積法と積分法とにより求めた断面平均流速の差異を表した図である。ガウス求積法による断面平均流速は、図１３（ｂ）および図１３（ｃ）中に破線で示すサンプリング位置（Ｎ＝３、４）の測定データを抽出することにより算出した。また、積分法による断面平均流速は、図１３（ｂ）および図１３（ｃ）に示す全測定データを積分することにより求めた。
【００７８】
図１４からは、全測定データを使用する積分法に比べて、少ない測定データを使用するガウス求積法を用いた流量計測であっても、積分法との断面平均流速の差異は小さいことがわかる。また、障害物によって乱流および偏流が発生している場合でも、ガウス求積法のサンプリング位置が３以上である場合には、積分法との差異が小さいことがわかる。これらのことから、ガウス求積法を用いることで、計測位置を少ない数に設定でき、かつ乱流および偏流が発生していても水路全体の流量を精度よく算出できることが確認できる。
【００７９】
図１５は、第１実施形態にかかるガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法と３次元電磁流速計（以下、「ＥＭＣ」と記載する）による流量計測方法との比較実験の結果を示す図である。実験条件として、図１５（ａ）に示すように、幅１５００ｍｍ、水位１２５０ｍｍの水路４１０（開渠）を利用した。また、水路４１０の流速条件は０．５ｍ／ｓ、１．０ｍ／ｓ、１．５ｍ／ｓとし、水路内には上流からマイクロバブルを注入した。さらに、水路４１０には乱流および偏流を発生させる障害物として、パイプ４１４を水路４１０の右側壁へ配置した。パイプ４１４は、センサユニット１１０の上流２２００ｍｍの位置とした。
【００８０】
計測装置１００のセンサユニット１１０は計３本使用し、ガウス求積法に基づいた計測位置に配置した。各超音波センサ１１２ａ、１１２ｂは水路４１０の上流側に向け、かつ鉛直方向より３０°傾けて配置した。超音波センサ１１２ａ、１１２ｂが送信する超音波周波数は２００ｋＨｚとした。ＥＭＣは、センサ径がφ２０ｍｍで、測定範囲が±２．５ｍ／ｓ（精度ＦＳ±２％）のものを使用した。ＥＭＣによる流速の測定は、パイプ４１４の下流１８００ｍｍの位置（センサユニット１１０の上流４００ｍｍの位置）、かつ計測装置１００の各センサユニット１１０と略同一の検査面Ｓ１〜Ｓ３において、水面から水底に向かって略鉛直方向にトラバースし、１０ｍｍ間隔で測定を行った。
【００８１】
図１５（ｂ）は、計測装置１００およびＥＭＣが取得した流速分布を比較する図である。図１５（ｂ）に示すように、障害物であるパイプ４１４から遠い検査面Ｓ１においては比較的計測装置１００とＥＭＣとの流速分布が一致していることが確認できる。また、検査面Ｓ２、Ｓ３では計測装置１００とＥＭＣとの流速分布に差異が見られるが、これは検査面Ｓ２、Ｓ３ではパイプ４１４により乱流および偏流が発生していることと、計測装置１００とＥＭＣとの測定位置（パイプ４１４からの距離）が若干異なっていることによるものであると考えられる。
【００８２】
図１５（ｃ）は、計測装置１００とＥＭＣとがそれぞれ算出した水路４１０の断面平均流速を比較する図である。図１５（ｃ）では、計測装置１００およびＥＭＣが各計測位置において測定した平均流速からガウス求積法により求めた断面平均流速を比較した。
【００８３】
図１５（ｃ）に示すように、流速が１ｍ／ｓ以上では、計測装置１００とＥＭＣとの断面平均流速の差異は１％未満である。この結果から、乱流や偏流が発生している水路４１０であっても、ガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法よる流速測定が高精度であることがわかる。すなわち、本発明にかかるガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法であれば、３次元方向の流速を計測せずとも、水路全体の流量を十分に高い精度で算出することが可能であることが確認できる。
【００８４】
なお、流速０．５ｍ／ｓ以下では差異が大きくなっているが、これは流速０．５ｍ／ｓという低速条件ではＥＭＣの測定精度が落ちてしまっているためと推測される。
【００８５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、超音波を送受信して水路の流量を計測する超音波式流量計測方法および超音波式流量計測装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
Ｓ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ …検査面
Ｕ１、Ｕ２、Ｕ５、Ｕ６ …速度ベクトル
Ｕ３、Ｕ７ …流速ベクトル
Ｕ４、Ｕ８ …法線ベクトル
１００、３００ …計測装置
１０２、４０２、４１０ …水路
１０４ …自然河川
１０６ …流体
１０８ …気泡発生装置
１０９ …気泡
１１０、３１０ …センサユニット
１１２ａ、１１２ｂ、３１２ａ、３１２ｂ …超音波センサ
１１４ …固定治具
１１６ …足場
１２０ …測定端末
１２２ …制御部
１２４ …パルサー
１２６ …レシーバ
１２８ …Ａ／Ｄ変換部
１３０ …流速算出部
１３２ …流量算出部
１３４ …記憶部
１３６ …操作部
１３８ …表示部
１４０ …超音波送信部
１４２ …反射波受信部
１４４ …ケーブル
３２０ …ガイド
４１２ …ピトー管
４１４ …パイプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送受信して水路の流量を計測する超音波式流量計測方法および超音波式流量計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水力発電所は、流れる水の水圧によって発電用水車を回転させることで発電を行っている。発電用水車の水車効率は、水力を機械エネルギーに変換する際の効率である。水車効率を計測するためには、発電に使用する水の流量を計測する必要がある。水車効率を計測することは発電機性能を把握するために不可欠であり、水力発電所における水の流量計測には高い精度が求められている。
【０００３】
水力発電に使用する水は、大型の水力発電所においてはダムや取水堰を設けて取水する場合もあるが、小型の水力発電所においては自然河川から分岐させて取水する場合もある。自然河川から分岐され上方が開放された水路は開水路または開渠と称されており、幅が数ｍのものから数十ｍのものまで様々なものがある。このような水路の流量の計測は、水路の横断面の流速分布を計測することによって行われる。
【０００４】
自然河川からの分岐直後の水路には大きな乱流および偏流が発生しやすく、その流速分布を正確に取得するのは容易ではない。そこで従来から、水路の流量を計測する際には、乱流および偏流を防ぐために流量計測位置の上流に川幅の５〜１０倍程度の等断面直線水路を確保することが望ましいとされている。しかし、現実には水路の分岐点から取水口までの距離が短く、上記の条件に適合する位置に流量計測設備の設置面積を確保できるとは限らない。
【０００５】
電気学会の電気規格調査会標準規格（ＪＥＣ）では、上流下流に十分な等断面直線水路を確保できない場合の対策として、大規模な整流装置、整波板、導壁を設置して流れを安定化させる方法が推奨されている。整流装置としては、水路内に設ける格子状のものが例示されている。例えば、この整流装置の各格子に測定点を設けることで、水路の横断面の流速分布を精度よく取得することが可能である。またＪＥＣでは、水路の流量を計測する際の水路断面に対する測定点の数についても推奨値が定められている。例えば４ｍ×４ｍ断面の水路では、測定点の数は５０以上と非常に多数の測定点を求めている。これらのように水路の流量計測においては、乱流および偏流を伴うか否かに関わらず、流速の測定点を多数設けることでその測定精度を高めることができるとされている。
【０００６】
従来の流速計測は基本的に点計測であり、測定点を多数設けるためには、測定点の数に比例した数の計測装置が必要となっている。例えば、点計測の計測装置として、１方向の流速が計測できるプロペラ式流速計や電磁流速計等がある。しかし、これらの装置を多数設置することは、設備コストおよび運搬労力の面などからその実施が難しいおそれがある。また、計測装置の位置を逐一移動（トラバース）させて流速分布を得る手法も存在するが、移動と計測とを繰り返すために手間と時間が必要となってしまう。さらに、これらのプロペラ式流速計や電磁流速計では、河川の分岐直後などの非定常性が強く、流量が時間的に変化してしまう場合には適切な計測が行えないという問題がある。
【０００７】
他の計測装置としては、超音波を用いた線形計測の流量計測装置およびその手法が知られている。この超音波式流量計測装置は、水中に発振した超音波が水中の浮遊物や気泡に反射して戻ってきた反射波を受信して流速を計測するものであり、超音波が通過する測線上に多数の測定点を設けることが可能である。超音波式流量計測装置には、主にドップラー法と相互相関法が利用されている。また市場では、ドップラー法を利用した流量測定装置（ＡＤＣＰ：Acoustic Doppler Current Profiler）が広く提供され、利用されている。
【０００８】
ＡＤＣＰによる流速の計測の例として、例えば特許文献１には、河川の流れの上流側の第１ビームと、流れの下流側の第２ビームとによって河川の流速を測定するＡＤＣＰ（音響ドップラー流速計）が開示されている。特許文献１では、水位、流速分布および河床位の同時観測により、河川の流量を精度よく自動的に観測できるとされている。
【０００９】
またＡＤＣＰの他の形態として、例えば特許文献２には、３方向以上に音響ビームを放射するＡＤＣＰ（広帯域音響ドップラー流速プロファイラ）が開示されている。特許文献２によれば、波の方向および波高と共に、流速プロフィール（流速分布）を計測できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−１１１３７５号公報
【特許文献２】特表２００２−５２６７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１では、ＡＤＣＰは河川の側面付近に配置されていて、それぞれのビーム方向を河川の幅方向かつ水平方向に向けて放射している。そのため、放射されたビームは河川の流れを横断する方向へ伝搬される。しかし、この構成では、河川の流れが速い場合や、河川の分岐後などの乱流および偏流が発生している箇所では、超音波が散乱および減衰して流速の測定に誤差が生じやすくなり、結果として流量の計測精度が低下してしまうおそれがある。
【００１２】
一方、特許文献２のＡＤＣＰであれば、３方向以上に音響ビームを放射して流速を３次元的に測定することで、速い流れであったり乱流および偏流であったりしても、その流速を正確に測定することが可能であると思われる。しかし、３次元的に流速を測定した場合、膨大な数の流速の測定データが取得されてしまうため、そこから流量を算出する処理が必要以上に複雑なものとなってしまう。
【００１３】
また、流速を３次元的に測定する従来のＡＤＣＰでは、３つ以上の超音波を放射状に発信させているため、超音波センサから離れるに従って超音波が広がってしまい、測定可能な距離が短くなることが懸念される。また、３次元の流速は放射状の超音波の中央で測定するため、例えば水路の壁面近傍のような場所を上方から測定する場合には、超音波が壁面にあたらないように壁面からある程度離れた位置に測定点を設けなければならない。しかし、水路の壁面近傍は摩擦等による流速変化が大きい箇所であり、壁面近傍の流速も測定しなければそこから算出する水路全体の流量の計測精度は低下してしまう。
【００１４】
本発明は、このような課題に鑑み、水路全体の流量を精度よく計測でき、かつ流量の算出処理を簡素化することが可能な超音波式流量計測方法および超音波式流量計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明にかかる超音波式流量計測方法の代表的な構成は、水路の流れに略直交する横断面上に複数の計測位置を設定し、複数の計測位置について横断面の法線を含む面内に複数の測定点を設定し、測線が法線を含む面内にあり、かつ測線の法線に対する角度が異なる２つの超音波センサを有するセンサユニットを計測位置に配置し、２つの超音波センサによって、それぞれの測線上において複数の測定点について速度ベクトルを測定し、複数の測定点について各測線上の速度ベクトルを合成して流速ベクトルを算出し、複数の測定点について法線方向の流速を示す法線ベクトルを算出し、法線ベクトルから水路全体について法線方向の流速分布を取得し、流速分布から、水路全体の流量を算出することを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、複数の測定点のそれぞれについて、２つの超音波センサのみの簡易な構成で流れ方向の流速を取得することが可能となる。なお、乱流や偏流が発生している箇所であっても、流れ方向の流速を取得することで、３次元方向の流速を計測せずとも、水路全体の流量を十分に高い精度で算出することが可能となる。
【００１７】
当該超音波式流量計測方法は、ガウス求積法を用いて、水路の幅とセンサユニットの数から、ガウス求積法で定まる位置を計測位置とし、法線方向の流速分布から、法線方向の断面平均流速を算出し、断面平均流速に水路の断面積を乗算して水路全体の流量を算出するとよい。
【００１８】
上記構成によれば、壁面との摩擦や流体の粘性が流速分布に影響する水路に対する流量計測であっても、ガウス求積法を用いることで、計測位置を少ない数に設定しても水路全体の断面平均流速を精度よく算出することができる。したがって、計測装置の設置工数を削減でき、また流量の算出処理を簡素化することが可能となる。
【００１９】
当該超音波式流量計測方法は、上記のセンサユニットを複数の計測位置へ順次移動して法線方向の流速を取得してもよい。これによれば、センサユニットを増やしたり、センサユニットを水路へ常設させたりすることなく水路の流量を計測することが可能となる。
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明にかかる超音波式流量計測装置の代表的な構成は、水路の流れに略直交する横断面の法線を含む面内において測線の角度が異なる２つの超音波センサを有し、２つの超音波センサのそれぞれの測線上において複数の測定点について超音波を流体中に送信してその反射波を測定する少なくとも１つのセンサユニットと、センサユニットが測定した反射波から、複数の測定点について速度ベクトルを計測し、速度ベクトルから複数の測定点について法線方向の流速を示す法線ベクトルを算出し、法線ベクトルから水路全体について法線方向の流速分布を取得する流速算出部と、流速分布と水路の断面積から、水路全体の流量を算出する流量算出部と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
上述した超音波式流量計測方法における技術的思想に対応する発明構成要素やその説明は、当該超音波式流量計測装置にも適用可能である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、水路全体の流量を精度よく計測でき、かつ流量の算出処理を簡素化することが可能な超音波式流量計測方法および超音波式流量計測装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態にかかる超音波式流量計測装置の設置位置を示す図である。
【図２】第１実施形態にかかる超音波式流量計測装置の概略構成を示す図である。
【図３】複数の計測位置および検査面を説明する図である。
【図４】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図５】第１実施形態にかかる超音波式流量計測装置の機能構成を示すブロック図である。
【図６】ガウス求積法を利用した流量計測を説明する図である。
【図７】第１実施形態においてガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法について説明するフローチャートである。
【図８】第１実施形態において積分法を用いた超音波式流量計測方法について説明するフローチャートである。
【図９】第２実施形態にかかる超音波式流量計測装置の概略構成を示す図である。
【図１０】図９のセンサユニットの超音波センサを説明する図である。
【図１１】第２実施形態においてガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法について説明するフローチャートである。
【図１２】超音波式流量計測方法の他の実施形態の概要を示す図である。
【図１３】ガウス求積法を用いて行った流量計測実験の結果を示す図である。
【図１４】ガウス求積法を用いて行った流量計測実験の結果を示す図である。
【図１５】第１実施形態にかかるガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法と３次元電磁流速計による流量計測方法との比較実験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２５】
［第１実施形態］
本発明にかかる超音波式流量計測方法および超音波式流量計測装置は、水路における流体の流量を計測するものであり、代表例として水力発電の取水用の水路における流量を計測するものである。以下の第１実施形態の説明では、理解を容易にするために、第１実施形態にかかる超音波式流量計測装置について詳述した後に、かかる超音波式流量計測装置を用いた超音波式流量計測方法について詳細に説明する。
【００２６】
（超音波式流量計測装置）
図１は、第１実施形態にかかる超音波式流量計測装置（以下、「計測装置１００」と記載する）の設置位置を示す図である。図１に示すように、計測装置１００は水力発電所の取水用の水路１０２に設置することができる。水路１０２は自然河川１０４から分岐された開水路であって、水路１０２を流れる流体１０６（水）は自然河川１０４から水力発電所に向かって白抜矢印の方向に導かれている。
【００２７】
計測装置１００は、水路１０２を流れる流体１０６に向かって超音波を送信し、流体１０６に含まれる気泡１０９（図４参照）に反射した反射波を受信することで流体１０６の流量を計測する。なお、流体１０６に気泡１０９が含まれない場合は、例えば計測装置１００より上流側において水路内に気泡発生装置１０８を配置することにより気泡１０９を発生させることができる。
【００２８】
図２は、第１実施形態にかかる超音波式流量計測装置の概略構成を示す図である。本実施形態にかかる計測装置１００は、センサユニット１１０と、測定端末１２０とから構成されている。センサユニット１１０と測定端末１２０とは、ケーブル１４４を介して有線接続されている。
【００２９】
センサユニット１１０は、複数の計測位置に並んで配置される。本実施形態では、３つのセンサユニット１１０を水路内に略鉛直に配置させている。センサユニット１１０は２つの超音波センサ１１２ａ、１１２ｂを有していて、各超音波センサは固定治具１１４に固定され、流体１０６内に沈められている。固定治具１１４の上部は水路上方に架けられた足場１１６に固定されている。
【００３０】
図３は複数の計測位置および検査面を説明する図である。なお、図３では計測位置および検査面Ｓを明確に表すために、水路１０２は枠線として図示し、センサユニット１１０は、３つのセンサユニット１１０のうちの１つにおける超音波センサ１１２ａ、１１２ｂのみに省略して図示している。
【００３１】
図３に示すように、複数の計測位置は、水路１０２の流れに略直交する横断面上に並んで設定される。センサユニット１１０の超音波センサ１１２ａ、１１２ｂは、水路１０２の横断面に対する法線を含む面を検査面Ｓとしている。検査面Ｓ内には、複数の測定点が設定される。測定点は、超音波センサ１１２ａ、１１２ｂの測定対象として水深方向に設定された複数の位置である。
【００３２】
本実施形態において検査面Ｓは略鉛直である。超音波センサ１１２ａおよび超音波センサ１１２ｂは検査面Ｓ内において、それぞれの測線Ｌ１、Ｌ２の法線に対する角度が互いに異なるように配置されている。なお、図３では超音波センサ１１２ａ、１１２ｂを上下に配置し、超音波センサ１１２ａ、１１２ｂのそれぞれの測線Ｌ１、Ｌ２は交差している。しかし本発明はこれに限らず、超音波センサ１１２ａ、１１２ｂを両方とも上または下に配置していてもよく、測線Ｌ１、Ｌ２の法線に対する角度が異なればよい。
【００３３】
図４を参照して、超音波センサ１１２ａ、１１２ｂについて詳述する。図４は、図１のＡ−Ａ断面図である。図４中のｘ軸は水平軸（法線と略平行）、ｙ軸は鉛直軸（横断面と略平行）を表している。
【００３４】
超音波センサ１１２ａ、１１２ｂは、それぞれの測線上に超音波を送信し、複数の測定点について気泡１０９からの反射波を測定する。超音波センサ１１２ａ、１１２ｂが測定した反射波に関する信号は、ケーブル１４４を介して測定端末１２０に送信される。なお、図４は模式的であり、２つの超音波センサ１１２ａ、１１２ｂは同一の気泡１０９のみを測定対象とするものではない。
【００３５】
図５は、第１実施形態にかかる超音波式流量計測装置１００の機能構成を示すブロック図である。図５に示す測定端末１２０は、制御部１２２と、記憶部１３４と、操作部１３６と、表示部１３８とを含んで構成され、超音波センサ１１２ａ、１１２ｂによる超音波の送信を制御し、かつかかる超音波センサ１１２ａ、１１２ｂにより受信された反射波を計算処理する。
【００３６】
制御部１２２は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路により計測装置１００全体を管理および制御する。また本実施形態では、制御部１２２は、パルサー１２４、レシーバ１２６、Ａ／Ｄ変換部１２８、流速算出部１３０、流量算出部１３２としても機能する。
【００３７】
パルサー１２４は、センサユニット１１０の超音波センサ１１２ａ、１１２ｂに超音波の波形に応じた電気信号（電流）を送信する。電気信号は超音波送信部１４０を駆動させるための所定の周波数および間隔で送信される。レシーバ１２６は、反射波受信部１４２が超音波の反射波を受けて生じたアナログ信号を増幅する。Ａ／Ｄ変換部１２８は、レシーバ１２６によって増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。
【００３８】
流速算出部１３０は、センサユニット１１０が測定した反射波から、複数の測定点についての流速および流速分布を取得する。例えば図４に示すように、流速算出部１３０は、ある測定点について２つの超音波センサ１１２ａ、１１２ｂが測定した反射波から、それぞれ速度ベクトルＵ１、Ｕ２を測定する。次に速度ベクトルＵ１、Ｕ２を合成して流速ベクトルＵ３（検査面Ｓ内の流速）を算出する。そして、流速ベクトルＵ３を法線方向に投影することにより、法線方向の流速を示す法線ベクトルＵ４を算出する。これらのように、流速算出部１３０は、各測定点について法線ベクトルを算出することで水路全体について法線方向の流速分布を取得できる。
【００３９】
流量算出部１３２は、流速算出部１３０により算出された流速分布と、水路１０２の断面積とから、水路全体の流量を算出する。
【００４０】
記憶部１３４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等で構成され、制御部１２２で処理されるプログラムを記憶する。
【００４１】
操作部１３６は、キーボード、十字キー、ジョイスティック等の複数のキー（スイッチ）やマウス等から構成され、ユーザの操作入力を受け付ける。例えば、操作部１３６により、各センサユニット１１０について複数の測定点を設定することができる。
【００４２】
表示部１３８は、液晶ディスプレイ、ＥＬ（Electro Luminescence）、ＰＤＰ(Plasma Display Panel)等で構成され、記憶部１３４に記憶されたアプリケーションのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示することができる。
【００４３】
超音波送信部１４０は、圧電素子等で構成され、水路内に超音波を送信する。また反射波受信部１４２は、気泡１０９によって反射された反射波を受信する。
【００４４】
（センサユニットの計測位置の設定）
次にセンサユニット１１０の計測位置の設定について説明する。本実施形態にかかる計測装置１００は、ガウス求積法を利用して計測位置の設定および流量の算出を行うことで、簡素かつ精度のよい流量計測が可能である。ガウス求積法は、数値解析における数値積分の一種である。ガウス求積法は、被積分関数の形に応じて刻みの幅を変えることで、少ない刻みの数でも高精度な結果を得ることができる。
【００４５】
図６は、ガウス求積法を利用した流量計測を説明する図である。図６（ａ）はガウス求積法を利用した流量算出を表す式、図６（ｂ）はガウス・ルジャンドル求積法に関する低次のサンプリング位置と重みを示す表、図６（ｃ）はＮ＝４の場合のサンプリング位置を示す図である。
【００４６】
まず、ガウス求積法を用いることにより、水路１０２の幅と、流量計測に使用するセンサユニット１１０の数（または計測位置の数）とから、センサユニット１１０を水路１０２の横断面上に配置する際の最適な計測位置を設定することができる。例えば、使用するセンサユニット１１０の数を４つとした場合は、図６（ｂ）の表のサンプリング数Ｎは４となり、サンプリング位置Ｗｉがサンプリング数Ｎ＝４の行に示す値となる。このサンプリング位置Ｗｉは図６（ｃ）に示すように、水路１０２の中央を０とし、中央から左右側壁までの距離を０．５とした場合の計測位置を表している。例えば、図６（ｃ）の図におけるＷに水路１０２の幅の実測値を代入することで、水路１０２の幅の実測値と各サンプリング位置Ｗｉとから、水路中央からの４つのセンサユニット１１０の計測位置を求めることができる。そして、各センサユニット１１０によって測定したそれぞれの計測位置での法線方向の流速分布から、各計測位置における水深方向の平均流速Ｖ１〜Ｖ４（検査面Ｓ内の平均流速）を算出し、図６（ａ）の式に代入する。これにより、各計測位置における平均流速Ｖ１〜Ｖ４から法線方向の断面平均流速を算出し、断面平均流速に水路１０２の断面積（水路幅×水位）を乗算して水路全体の流量Ｑを算出することができる。
【００４７】
上記構成によれば、壁面との摩擦や流体１０６の粘性が流速分布に影響する水路１０２に対する流量計測であっても、ガウス求積法を用いることで、少ない計測位置で水路全体の流量を精度よく算出することができる。したがって、計測装置１００の設置工数を削減でき、また流量の算出処理を簡素化することが可能となる。
【００４８】
なお、ガウス求積法を利用しない場合は、センサユニット１１０を水路１０２の横断面上の複数の任意な計測位置に配置し、横断面を等間隔にメッシュ分割した微小面積と流速とをかけて算出した微小流量を積分することにより流量を算出してもよい。なお積分法による場合であっても、計測位置をガウス求積法のときと同様に少なくして、計測位置間の流速を補間することによって求めてもよい。この流量算出方法は、当業者にとって周知であるため詳細な説明は省略する。
【００４９】
（超音波式流量計測方法）
続いて、上述した計測装置１００を用いた超音波式流量計測方法について詳述する。図７は、第１実施形態においてガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法について説明するフローチャートである。
【００５０】
ガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法では、まずセンサユニット１１０の任意な使用数（または計測位置の数）を決定し、ガウス求積法に基づいて水路１０２の流れに略直交する横断面上に複数の計測位置を設定し（Ｓ２００）、各計測位置にセンサユニット１１０を配置する（Ｓ２０４）。このとき、センサユニット１１０は、水路１０２の横断面に対する法線を含む面を検査面Ｓとし、検査面Ｓ内において２つの超音波センサ１１２ａ、１１２ｂの測線の法線に対する角度が互いに異なるように配置する。
【００５１】
次に、複数の計測位置に配置した各センサユニット１１０について、検査面内に複数の測定点を設定する（Ｓ２０８）。複数の測定点は、それぞれが２つの測線から水平方向へ等距離の位置に設定する。
【００５２】
そして、パルサー１２４が超音波送信部１４０に電気信号を送信することにより、超音波送信部１４０は水路内の流体１０６に超音波を送信する（Ｓ２１２）。反射波受信部１４２は、超音波送信部１４０により送信された超音波が気泡１０９に反射して生じた反射波を受信する（Ｓ２１６）。
【００５３】
流速算出部１３０は、反射波を受信した反射波受信部１４２からレシーバ１２６およびＡ／Ｄ変換部１２８を介して増幅されたアナログ信号を基に、ドップラー法により２つの超音波センサ１１２ａ、１１２ｂのそれぞれの測線上において複数の測定点について２方向の速度ベクトルＵ１、Ｕ２を測定する（Ｓ２２０）。なお速度ベクトルＵ１、Ｕ２を測定する位置（超音波センサ１１２ａ、１１２ｂからの距離）は、測定点を含む水平線と測線との交点（測定点と同じ水深の位置）とする。
【００５４】
さらに、流速算出部１３０は、２つの速度ベクトルＵ１、Ｕ２を合成して、複数の測定点についての流体１０６の流速ベクトルＵ３を算出する（Ｓ２２４）。またさらに、流速算出部１３０は、算出した流速ベクトルＵ３から、複数の測定点について、水路１０２の横断面に対する法線方向の流速を示す法線ベクトルＵ４を算出する（Ｓ２２８）。これにより流速算出部１３０は、各測定点について算出した法線ベクトルから、水路全体について法線方向の流速分布が取得できる（Ｓ２３２）。
【００５５】
次に、流速算出部１３０は、複数の計測位置のセンサユニット１１０の各検査面Ｓにおける平均流速Ｖを算出し（Ｓ２３６）、流量算出部１３２は、流速算出部１３０により算出された各検査面Ｓにおける平均流速Ｖｉと、水路１０２の断面積とから、ガウス求積法により水路全体の流量を算出する（Ｓ２４０）。これにより、当該超音波式流量計測方法の処理が終了する。
【００５６】
また、上述した計測装置１００はガウス求積法を用いずとも流量を算出することが可能である。図８は第１実施形態において積分法を用いた超音波式流量計測方法について説明するフローチャートである。なお、図７と同様の処理については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５７】
通常の積分法を用いた超音波式流量計測方法では、まず水路１０２の流れに略直交する横断面上に、任意に複数の計測位置（水平方向）と、各計測位置ごとに複数の測定点（水深方向）を設定する（Ｓ２５０）。そして、図７と同様の処理により各測定点について流速分布を算出した後（Ｓ２３２）、積分法により流量を算出し（Ｓ２５４）、処理を終了する。
【００５８】
これら上記構成によれば、複数の測定点のそれぞれについて、２つの超音波センサ１１２ａ、１１２ｂのみの簡易な構成で流れ方向の流速（法線ベクトルＵ４）を取得することが可能となる。なお、乱流や偏流が発生している箇所であっても、流れ方向の流速を取得することで、３次元方向の流速を計測せずとも、水路全体の流量を十分に高い精度で算出することが可能となる。
【００５９】
すなわち、３次元流速計等を用いる場合と比較して、取得する測定データ数を減らすことで流量の算出処理を簡素化できる。また、横断面の法線を含む検査面Ｓ上で測定を行うため、センサユニット１１０をより壁面に近づけることができる。したがって、流速変化の大きい壁面近傍の速度ベクトルを測定できる。これらによって、水路全体の流量を精度よく計測することが可能となる。
【００６０】
［第２実施形態］
（超音波式流量計測装置）
図９は、第２実施形態にかかる超音波式流量計測装置（以下、「計測装置３００」と記載する）の概略構成を示す図である。第２実施形態にかかる計測装置３００は、センサユニット３１０を複数の計測位置へ順次移動して水路１０２の法線方向の流速を取得することができる点において、第１実施形態にかかる計測装置１００と異なる。またセンサユニット３１０では、２つの超音波センサ３１２ａ、３１２ｂがいずれも上方から下方に向かって超音波を送信する。以下、第１実施形態と同様の作用および構成の要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６１】
計測装置３００は、２つの超音波センサ３１２ａ、３１２ｂを有する１つのセンサユニット３１０を備えている。本実施形態では、センサユニット３１０は水路上方に架けられたガイド３２０に移動可能に取り付けられている。ガイド３２０は、水路１０２の流れに略直交する横断面と略平行に架けられていて、センサユニット３１０はガイド３２０上を横断面の略平行に移動することで上記の横断面上の複数の計測位置を順次移動することができる。なお、ガイド３２０はセンサユニット３１０の支持部材として例示するものであり、支持部材はこれに限るものではない。例えば、足場１１６を支持部材とし、センサユニット３１０は単に足場１１６に複数箇所で着脱可能としてもよい。
【００６２】
図１０は、図９のセンサユニット３１０の超音波センサ３１２ａ、３１２ｂを説明する図である。本実施形態にかかるセンサユニット３１０は、第１実施形態にかかるセンサユニット１１０と同様に、水路１０２の横断面に対する法線を含む面を検査面Ｓとしている。検査面Ｓは略鉛直である。超音波センサ３１２ａおよび超音波センサ３１２ｂは、検査面Ｓ内において、それぞれの測線Ｌ３、Ｌ４の法線（ｘ軸に略平行）に対する角度が互いに異なるように配置されている。
【００６３】
超音波センサ３１２ａ、３１２ｂは、それぞれの測線上において、複数の測定点について、送信した超音波の気泡１０９からの反射波を測定する。超音波センサ３１２ａ、３１２ｂが測定した反射波に関する信号は、ケーブル１４４を介して測定端末１２０に送信される。測定端末１２０内では、反射波に関する信号から流速算出部１３０によって速度ベクトルＵ５、Ｕ６が測定され、さらに速度ベクトルＵ５、Ｕ６を合成して流速ベクトルＵ７が算出される。次に流速ベクトルＵ７から法線方向の流速を示す法線ベクトルＵ８が算出され、各測定点の法線ベクトルを算出することで水路全体の流速分布が取得される。そして流量算出部１３２によって、流速算出部１３０が算出した流速分布と、水路１０２の断面積とから、水路全体の流量が計測される。
【００６４】
（超音波式流量計測方法）
続いて、上述した計測装置３００を用いた超音波式流量計測方法について詳述する。図１１は、第２実施形態においてガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法について説明するフローチャートである。なお、図７と同様の処理については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６５】
計測装置３００によるガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法では、まずセンサユニット３１０が計測を行う任意な計測位置の数について、ガウス求積法に基づいて水路１０２の横断面の流れに略直交する横断面上に複数の計測位置を設定し（Ｓ２００）、そのうちの一つの計測位置にセンサユニット３１０を配置する（Ｓ３５０）。このとき、複数の計測位置のうち、最も水路１０２の壁面側の計測位置に配置することで、反対側の壁面へ向かって計測位置を順次移動してスムーズに流速を取得することができる。なお、センサユニット３１０は、水路１０２の横断面に対する法線を含む面を検査面Ｓとし、検査面Ｓ内において２つの超音波センサ３１２ａ、３１２ｂの測線の法線に対する角度が互いに異なるように配置する。
【００６６】
次に、図７と同様の処理によりその計測位置での法線ベクトルＵ８を算出する（Ｓ２２８）。これにより流速算出部１３０は、その時点までに算出した法線ベクトルから、法線方向の流速分布が取得できる（Ｓ２３２）。
【００６７】
そして、センサユニット３１０は、次の計測位置へ移動し（Ｓ３５４のＹＥＳ）、次の計測位置での流速分布を取得する。
【００６８】
センサユニット３１０は、すべての計測位置での流速分布の取得を終えると移動を終了し（Ｓ３５４のＮＯ）、流速算出部１３０および流量算出部１３２によって図７と同様の処理で流量が算出される。
【００６９】
上記構成によれば、センサユニットを増やしたり、センサユニットを水路１０２へ常設させたりすることなく水路１０２の流量を計測することが可能となる。すなわち、センサユニット３１０を少なくとも１つ設けることで流量計測が可能となる。
【００７０】
なお、本実施形態にかかる計測装置３００においても、ガウス求積法を用いずに積分法を用いて流量を算出することも可能である。
【００７１】
［他の実施形態］
図１２は、超音波式流量計測方法の他の実施形態の概要を示す図である。なお、以下の説明では、上述した各実施形態と同様の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７２】
上述した各実施形態におけるガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法では、断面が矩形の水路１０２に対する流量計測の説明を行った。しかし、断面が矩形ではない水路であってもガウス求積法を用いた流量計測を行うことが可能である。例えば、図１２（ａ）に示すように断面が台形の水路４０２に対しては、水面および水底のそれぞれにおいて、水路４０２の幅とセンサユニット１１０の使用数とからガウス求積法によって計測位置を求め、水面および底面の計測位置を結ぶ傾斜面が検査面Ｓ１〜Ｓ４となるようにセンサユニット１１０を配置する。これにより、断面が台形の水路４０２であっても、ガウス求積法を用いた流量計測が可能である。
【００７３】
また、上述した各実施形態では、検査面が略鉛直となるようにセンサユニット１１０を配置した。しかし、検査面はこれに限らず、例えば図１２（ｂ）に示すように、検査面Ｓ１〜Ｓ４が略水平となるようにセンサユニット１１０を配置しても、ガウス求積法を利用した流量計測が可能である。ただし、この場合は水位の時間的変化を考慮して流量計測を実施する必要がある。
【００７４】
［評価試験］
図１３および図１４は、ガウス求積法を用いて行った流量計測実験の結果を示す図である。実験条件として、図１３（ａ）に示すように、幅１５００ｍｍ、水位１２５０ｍｍの水路４１０（開渠）を利用した。また、水路４１０の流速条件は１．５ｍ／ｓとし、水路内には上流からマイクロバブルを注入した。
【００７５】
実験は、水路内に障害物が有る場合と無い場合において行った。障害物は水路内に乱流および偏流を発生させるためのものであり、障害物としてはピトー管４１２の上流１．８ｍの右側壁にパイプ４１４を配置させた。
【００７６】
図１３（ｂ）は障害物が無い場合の水路横方向の流速分布、図１３（ｃ）は障害物が有る場合の水路横方向の流速分布である。図１３（ｂ）および図１３（ｃ）の流速の測定はピトー管４１２（管径：φ９ｍｍ）を使用し、測定は５０Ｈｚ、３０秒間／点で行った。また、流速の測定は一定水位（０．５ｍ）において水路４１０の片側壁面から反対側壁面まで１０ｍｍ間隔で行った。図１３（ｂ）および図１３（ｃ）を比較すると、図１３（ｃ）では流速分布が乱れていることから、水路内に障害物が存在することによって乱流および偏流が発生していることが確認できる。
【００７７】
図１３（ｂ）および図１３（ｃ）中の破線および一点鎖線は、ガウス求積法のサンプリング位置（Ｎ＝３，４）を示している。図１４はガウス求積法と積分法とにより求めた断面平均流速の差異を表した図である。ガウス求積法による断面平均流速は、図１３（ｂ）および図１３（ｃ）中に破線で示すサンプリング位置（Ｎ＝３、４）の測定データを抽出することにより算出した。また、積分法による断面平均流速は、図１３（ｂ）および図１３（ｃ）に示す全測定データを積分することにより求めた。
【００７８】
図１４からは、全測定データを使用する積分法に比べて、少ない測定データを使用するガウス求積法を用いた流量計測であっても、積分法との断面平均流速の差異は小さいことがわかる。また、障害物によって乱流および偏流が発生している場合でも、ガウス求積法のサンプリング位置が３以上である場合には、積分法との差異が小さいことがわかる。これらのことから、ガウス求積法を用いることで、計測位置を少ない数に設定でき、かつ乱流および偏流が発生していても水路全体の流量を精度よく算出できることが確認できる。
【００７９】
図１５は、第１実施形態にかかるガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法と３次元電磁流速計（以下、「ＥＭＣ」と記載する）による流量計測方法との比較実験の結果を示す図である。実験条件として、図１５（ａ）に示すように、幅１５００ｍｍ、水位１２５０ｍｍの水路４１０（開渠）を利用した。また、水路４１０の流速条件は０．５ｍ／ｓ、１．０ｍ／ｓ、１．５ｍ／ｓとし、水路内には上流からマイクロバブルを注入した。さらに、水路４１０には乱流および偏流を発生させる障害物として、パイプ４１４を水路４１０の右側壁へ配置した。パイプ４１４は、センサユニット１１０の上流２２００ｍｍの位置とした。
【００８０】
計測装置１００のセンサユニット１１０は計３本使用し、ガウス求積法に基づいた計測位置に配置した。各超音波センサ１１２ａ、１１２ｂは水路４１０の上流側に向け、かつ鉛直方向より３０°傾けて配置した。超音波センサ１１２ａ、１１２ｂが送信する超音波周波数は２００ｋＨｚとした。ＥＭＣは、センサ径がφ２０ｍｍで、測定範囲が±２．５ｍ／ｓ（精度ＦＳ±２％）のものを使用した。ＥＭＣによる流速の測定は、パイプ４１４の下流１８００ｍｍの位置（センサユニット１１０の上流４００ｍｍの位置）、かつ計測装置１００の各センサユニット１１０と略同一の検査面Ｓ１〜Ｓ３において、水面から水底に向かって略鉛直方向にトラバースし、１０ｍｍ間隔で測定を行った。
【００８１】
図１５（ｂ）は、計測装置１００およびＥＭＣが取得した流速分布を比較する図である。図１５（ｂ）に示すように、障害物であるパイプ４１４から遠い検査面Ｓ１においては比較的計測装置１００とＥＭＣとの流速分布が一致していることが確認できる。また、検査面Ｓ２、Ｓ３では計測装置１００とＥＭＣとの流速分布に差異が見られるが、これは検査面Ｓ２、Ｓ３ではパイプ４１４により乱流および偏流が発生していることと、計測装置１００とＥＭＣとの測定位置（パイプ４１４からの距離）が若干異なっていることによるものであると考えられる。
【００８２】
図１５（ｃ）は、計測装置１００とＥＭＣとがそれぞれ算出した水路４１０の断面平均流速を比較する図である。図１５（ｃ）では、計測装置１００およびＥＭＣが各計測位置において測定した平均流速からガウス求積法により求めた断面平均流速を比較した。
【００８３】
図１５（ｃ）に示すように、流速が１ｍ／ｓ以上では、計測装置１００とＥＭＣとの断面平均流速の差異は１％未満である。この結果から、乱流や偏流が発生している水路４１０であっても、ガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法よる流速測定が高精度であることがわかる。すなわち、本発明にかかるガウス求積法を用いた超音波式流量計測方法であれば、３次元方向の流速を計測せずとも、水路全体の流量を十分に高い精度で算出することが可能であることが確認できる。
【００８４】
なお、流速０．５ｍ／ｓ以下では差異が大きくなっているが、これは流速０．５ｍ／ｓという低速条件ではＥＭＣの測定精度が落ちてしまっているためと推測される。
【００８５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、超音波を送受信して水路の流量を計測する超音波式流量計測方法および超音波式流量計測装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
Ｓ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ …検査面
Ｕ１、Ｕ２、Ｕ５、Ｕ６ …速度ベクトル
Ｕ３、Ｕ７ …流速ベクトル
Ｕ４、Ｕ８ …法線ベクトル
１００、３００ …計測装置
１０２、４０２、４１０ …水路
１０４ …自然河川
１０６ …流体
１０８ …気泡発生装置
１０９ …気泡
１１０、３１０ …センサユニット
１１２ａ、１１２ｂ、３１２ａ、３１２ｂ …超音波センサ
１１４ …固定治具
１１６ …足場
１２０ …測定端末
１２２ …制御部
１２４ …パルサー
１２６ …レシーバ
１２８ …Ａ／Ｄ変換部
１３０ …流速算出部
１３２ …流量算出部
１３４ …記憶部
１３６ …操作部
１３８ …表示部
１４０ …超音波送信部
１４２ …反射波受信部
１４４ …ケーブル
３２０ …ガイド
４１２ …ピトー管
４１４ …パイプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水路の流れに略直交する横断面上に複数の計測位置を設定し、
前記複数の計測位置について前記横断面の法線を含む面内に複数の測定点を設定し、
測線が前記法線を含む面内にあり、かつ該測線の該法線に対する角度が異なる２つの超音波センサを有するセンサユニットを前記計測位置に配置し、
前記２つの超音波センサによって、それぞれの測線上において前記複数の測定点について速度ベクトルを測定し、
前記複数の測定点について各測線上の前記速度ベクトルを合成して流速ベクトルを算出し、
前記複数の測定点について前記法線方向の流速を示す法線ベクトルを算出し、
前記法線ベクトルから前記水路全体について前記法線方向の流速分布を取得し、
前記流速分布から、前記水路全体の流量を算出することを特徴とする超音波式流量計測方法。
【請求項２】
当該超音波式流量計測方法は、ガウス求積法を用いて、
前記水路の幅と前記センサユニットの数から、前記ガウス求積法で定まる位置を前記計測位置とし、
前記法線方向の流速分布から、前記法線方向の断面平均流速を算出し、
前記断面平均流速に前記水路の断面積を乗算して前記水路全体の流量を算出することを特徴とする請求項１に記載の超音波式流量計測方法。
【請求項３】
前記センサユニットを前記複数の計測位置へ順次移動して前記法線方向の流速を取得することを特徴とする請求項１に記載の超音波式流量計測方法。
【請求項４】
水路の流れに略直交する横断面の法線を含む面内において測線の角度が異なる２つの超音波センサを有し、該２つの超音波センサのそれぞれの測線上において複数の測定点について超音波を流体中に送信してその反射波を測定する少なくとも１つのセンサユニットと、
前記センサユニットが測定した反射波から、前記複数の測定点について速度ベクトルを計測し、該速度ベクトルから前記複数の測定点について前記法線方向の流速を示す法線ベクトルを算出し、該法線ベクトルから前記水路全体について前記法線方向の流速分布を取得する流速算出部と、
前記流速分布と前記水路の断面積から、該水路全体の流量を算出する流量算出部と、を備えることを特徴とする超音波式流量計測装置。
【請求項１】
水路の流れに略直交する横断面上に複数の計測位置を設定し、
前記複数の計測位置について前記横断面の法線を含む面内に複数の測定点を設定し、
測線が前記法線を含む面内にあり、かつ該測線の該法線に対する角度が異なる２つの超音波センサを有するセンサユニットを前記計測位置に配置し、
前記２つの超音波センサによって、それぞれの測線上において前記複数の測定点について速度ベクトルを測定し、
前記複数の測定点について各測線上の前記速度ベクトルを合成して流速ベクトルを算出し、
前記複数の測定点について前記法線方向の流速を示す法線ベクトルを算出し、
前記法線ベクトルから前記水路全体について前記法線方向の流速分布を取得し、
前記流速分布から、前記水路全体の流量を算出することを特徴とする超音波式流量計測方法。
【請求項２】
当該超音波式流量計測方法は、ガウス求積法を用いて、
前記水路の幅と前記センサユニットの数から、前記ガウス求積法で定まる位置を前記計測位置とし、
前記法線方向の流速分布から、前記法線方向の断面平均流速を算出し、
前記断面平均流速に前記水路の断面積を乗算して前記水路全体の流量を算出することを特徴とする請求項１に記載の超音波式流量計測方法。
【請求項３】
前記センサユニットを前記複数の計測位置へ順次移動して前記法線方向の流速を取得することを特徴とする請求項１に記載の超音波式流量計測方法。
【請求項４】
水路の流れに略直交する横断面の法線を含む面内において測線の角度が異なる２つの超音波センサを有し、該２つの超音波センサのそれぞれの測線上において複数の測定点について超音波を流体中に送信してその反射波を測定する少なくとも１つのセンサユニットと、
前記センサユニットが測定した反射波から、前記複数の測定点について速度ベクトルを計測し、該速度ベクトルから前記複数の測定点について前記法線方向の流速を示す法線ベクトルを算出し、該法線ベクトルから前記水路全体について前記法線方向の流速分布を取得する流速算出部と、
前記流速分布と前記水路の断面積から、該水路全体の流量を算出する流量算出部と、を備えることを特徴とする超音波式流量計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１２２８３１（Ｐ２０１１−１２２８３１Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７８３１５（Ｐ２００９−２７８３１５）
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 研究集会名 第８７期 日本機械学会流体工学部門講演会 主催者名 社団法人 日本機械学会 公開場所 名古屋工業大学 御器所キャンパス（〒４６６−８５５５ 愛知県名古屋市昭和区御器所町） 公開日 平成２１年１１月０７日
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 研究集会名 第８７期 日本機械学会流体工学部門講演会 主催者名 社団法人 日本機械学会 公開場所 名古屋工業大学 御器所キャンパス（〒４６６−８５５５ 愛知県名古屋市昭和区御器所町） 公開日 平成２１年１１月０７日
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
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